Способ изготовления резонаторов на поверхностных акустических волнах


 


Владельцы патента RU 2494499:

Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством" (ОАО "НИИ "Элпа") (RU)

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а более конкретно микроэлектроника интегральных пьезоэлектрических устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ)-резонаторов, которые находят широкое применение в авионике и бортовых системах, телекоммуникации и т.д. Способ изготовления резонаторов на поверхностных акустических волнах включает травление кварцевой подложки, нанесение металлизации на подложку, изготовление структур резонаторов, монтаж резонаторов в корпуса и проведение сухой обработки в две стадии, при этом на первой стадии проводят процесс удаления органических остатков с поверхности резонаторов в плазме смеси кислорода и инертного газа, причем в качестве инертного газа используют или гелий, или неон, или аргон при плотности ВЧ-мощности от 0,02 до 0,08 Вт/см3 и при давлении от 80 до 150 Па, содержании кислорода от 3 до 15 об.%, содержании инертного газа от 85 до 97 об.%, а на второй стадии проводят процесс настройки частоты резонаторов путем реактивного ионно-лучевого травления во фторсодержащем разряде. Изобретение направлено на увеличение долговременной стабильности частоты резонаторов на поверхностных акустических волнах за счет очистки резонаторов от органики и повышения степени этой очистки путем введения в кислородную плазму инертного газа и за счет настройки частоты резонаторов путем реактивного ионно-лучевого травления во фторсодержащем разряде. 3 пр., 1 табл.

 

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а более конкретно, микроэлектроника интегральных пьезоэлектрических устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ)-резонаторов, которые находят широкое применение в авионике и бортовых системах, телекоммуникации и т.д. Важным параметром пьезоэлектрических устройств на поверхностных акустических волнах является долговременная стабильность частоты. Известен способ изготовления резонаторов на поверхностных акустических волнах, приведенный в работе Sinha B.K. at al., "SAW oscillator frequency stability at high temperatures", IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectric and Frequency Control., Mar. 1990, vol.37, issue 2, pp.85-98., и принятый нами за аналог. Увеличение стабильности частоты по этому способу достигается за счет использования металлизации алюминия с подслоем хрома. Недостатком этого способа является сложность металлизации и наличие подслоя с высоким электрическим сопротивлением. Известен способ изготовления резонаторов на поверхностных акустических волнах при работе с высокими уровнями мощности (0,032-0,124 Вт), приведенный в патенте США №5039957 по кл.. 310/313A за 1991 г и принятый нами за прототип. Этот способ изготовления интегрального устройства на поверхностных акустических волнах включает операции нанесения металлизации на кварцевую подложку и изготовления структур резонаторов. Увеличение стабильности частоты по этому способу достигается за счет использования металлизации алюминия легированного кремнием, медью и титаном. Недостатком этого способа является сложность оборудования и технологии для металлизации.

Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в увеличении долговременной стабильности частоты резонаторов на ПАВ.

Данный технический результат достигается в способе изготовления резонаторов на поверхностных акустических волнах, включающем травление кварцевой подложки, нанесение металлизации на подложку, изготовление структур резонаторов, монтаж резонаторов в корпуса и проведение сухой обработки в две стадии, причем на первой стадии проводят процесс удаления органических остатков с поверхности резонаторов в плазме смеси кислорода и инертного газа, при этом в качестве инертного газа используют или гелий, или неон, или аргон при плотности ВЧ-мощности от 0,02 до 0,08 Вт/см и при давлении от 80 до 150 Па, содержании кислорода от 3 до 15 об.%, содержании инертного газа - от 85 до 97 об.%, а на второй стадии проводят процесс настройки частоты резонаторов путем реактивного ионно-лучевого травления во фторсодержащем разряде.

Таким образом, отличительными признаками изобретения являются: проведение сухой обработки в две стадии, причем на первой стадии проводят удаление органических остатков с поверхности резонаторов в плазме смеси кислорода и инертного газа, при этом в качестве инертного газа используют или гелий, или неон, или аргон при плотности ВЧ-мощности от 0,02 до 0,08 Вт/см3 и при давлении от 80 до 150 Па, содержании кислорода от 3 до 15 об.%, содержании инертного газа - от 85 до 97 об.%, а на второй стадии проведят настройку частоты резонаторов реактивным ионно-лучевым травлением во фторсодержащем разряде.

Перечисленные отличительные признаки позволяют достичь технического результата, заключающегося в увеличении долговременной стабильности частоты резонаторов на ПАВ.

Предлагаемые процессы удаления органических остатков и настройки проводят на резонаторах, смонтированных в корпус, причем крышки резонаторов на время этих обработок снимают.

В ходе проведенных нами экспериментов была установлена зависимость изменения частот резонаторов от типа обработки, которая приведена в таблице 1. В таблице 1 приведены средние значения изменений частот при различных обработках резонаторов. Как видно из данных, приведенных в таблице, резонаторы, которые не прошли обработку ни в кислородсодержащем ни во фторсодержащем газовом разряде (см. п. №1 таблицы) или прошедшие обработку только в кислородсодержащем газовом разряде (см. п. №2 таблицы), имеют стабильности частот почти вдвое меньшую чем у резонаторов, прошедших обработку только во фторсодержащем газовом разряде (см. п. №3 таблицы). Однако, резонаторы, которые не проходили обработку во фторсодержащем разряде (см. п. №2 таблицы) имеют существенный недостаток, заключающийся в том, что их частоты, как правило, не находятся в номинальных значениях. С другой стороны, резонаторы, прошедшие обработку и в кислородсодержащем и во фторсодержащем разряде (см. п. №4 таблицы) имеют номинальные частоты и стабильность частот в 9 раз лучшую, чем у контрольных (см. п. №3 таблицы) резонаторов (прошедших только процесс настройки частоты во фторсодержащем газовом разряде и на которых не проводили процесс удаления остатков органики в плазме).

Вероятно, механизм процесса удаления органики в плазме выглядит следующим образом. Монтаж резонаторов в корпуса проводят с использованием кремнийорганического клея и во время монтажа пары растворителя вместе с молекулами клея осаждаются по всей поверхности резонатора и корпуса. На этот тонкий гидрофильный слой органики могут адсорбироваться молекулы водяных паров, которые связываются с этим слоем органики посредством достаточно прочных водородных связей (энергия водородной связи - до 50 кДж/моль). Для уменьшения адсорбции паров воды, являющейся причиной нестабильности частоты резонаторов на ПАВ и проводят процесс удаления в плазме органики, обладающей гидрофильными свойствами. В плазме смеси кислорода и инертного газа удаление органики происходит посредством взаимодействия с химически активными частицами кислорода. Однако, присутствие в смеси инертного газа позволяет проводить удаление органики с более высокой степенью очистки, чем если бы оно проходило в плазме чистого кислорода. В связи с тем, что в плазме смеси кислорода и инертного газа количество кислорода в 7-30 раз меньше, чем инертного газа, то вероятность образования радикалов RO и ROO (где R - углеводород) в смеси пропорционально будет ниже по сравнению с плазмой чистого кислорода. Так как на атомах инертного газа гибнут радикалы RO и ROO, которые инициируют образование нелетучих полимеров, то образование нелетучих полимеров также подавляется. Отсутствие в процессе удаления органических остатков осаждения нелетучих полимеров из плазмы является причиной более высокой степени очистки от органики, что уменьшает адсорбцию паров воды на поверхности резонаторов. Следует отметить, что процесс удаления органических остатков имеет увеличенную продолжительность, что можно связать с удалением именно кремнийорганических остатков. Возможно, увеличение долговременной стабильности резонаторов обусловлено также тем, что в процессе настройки частоты резонаторов путем реактивного ионно-лучевого травления во фторсодержащем разряде, происходит замещение более реакционно-способного оксида алюминия металлизации с энергией диссоциации молекулы A10 равной 120 ккал/моль на менее реакционно-способное соединение - фторид алюминия с энергией диссоциации молекулы A1F равной 160 ккал/моль. Совместное последовательное действие процессов удаления органических остатков и настройки частоты резонаторов во фторсодержащем разряде дает синергетический эффект значительного увеличения долговременной стабильности резонаторов.

При содержании в газовой смеси кислорода менее 3 об.% скорость удаления органики мала, а при содержании в ней кислорода более 15 об.% происходит образование и осаждение из плазмы нелетучих полимеров. При проведении процесса при плотности ВЧ-мощности менее 0.02 Вт/см3 мала скорость удаления органики, а при плотности ВЧ-мощности более 0.08 Вт/см3 рост скорости удаления органики замедляется. При проведении процесса при давлении менее 80 Па скорость удаления органики мала, а при давлении более 150 Па происходит образование нелетучих полимеров. Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков патентуемого способа является новой и патентуемое изобретение соответствует критерию новизны.

Примеры реализации способа.

Пример 1.

Изготавливают, применяя обратную литографию, ПАВ-резонаторы на подложке монокристаллического кварца ST-cpeзa (yxl/42°45'). Шаг между встречно-штыревыми преобразователями и толщина алюминиевой металлизации соответствует центральной частоте резонатора 0,5-1,1 ГГц. Изготовленные структуры ПАВ-резонаторов монтируют, применяя кремнийорганический клей СИЭЛ, в корпуса TO-39, размещают эти корпуса со снятыми крышками внутри плазмохимического реактора на металлическом держателе и проводят процесс удаления органических остатков с поверхности резонаторов в плазме смеси 8 об.% кислорода и 92 об.% гелия при плотности ВЧ-мощности 0,03 Вт/см3 при давлении 120 Па в течение 16 мин. Затем проводят процесс настройки частоты резонатора, применяя реактивное ионно-лучевое травление во фторсодержащем газовом разряде, и процесс герметизации резонаторов. Долговременную стабильность определяли по изменению центральной частоты при старении герметизированных резонаторов при температуре 125°C в течение времени, в ходе которого происходит эквивалентное старение резонаторов, возникающее при температуре 60°C в течение года. Согласно проведенным измерениям на анализаторе характеристик четырехполюсников фирмы Agilent Technology эти резонаторы имеют долговременную стабильность частоты не менее чем в 9 раз большую, чем у контрольных резонаторов (прошедших только процесс настройки частоты во фторсодержащем газовом разряде и на которых не проводили процесс удаления остатков органики в плазме).

Пример 2.

Изготавливают, применяя обратную литографию, ПАВ-резонаторы на подложке монокристаллического кварца среза 37°. Шаг между встречно-штыревыми преобразователями соответствует центральной частоте резонатора 1,2-1,4 ГГц.

Изготовленные структуры ПАВ-резонаторов монтируют, применяя кремнийорганический клей СИЭЛ, в корпуса, размещают эти корпуса со снятыми крышками внутри плазмохимического реактора на металлическом держателе и проводят процесс удаления органических остатков с поверхности резонаторов в плазме смеси 3 об.% кислорода и 97 об.% неона при плотности ВЧ-мощности 0,08 Вт/см3 при давлении 150 Па в течение 12 мин. Затем проводят процесс настройки частоты резонатора, применяя реактивное ионно-лучевое травление во фторсодержащем газовом разряде, и процесс герметизации резонаторов. Согласно проведенным измерениям эти резонаторы имеют долговременную стабильность частоты не менее чем в 9 раз большую, чем у контрольных резонаторов.

Пример 3.

Изготавливают, применяя обратную литографию, ПАВ-резонаторы на подложке монокристаллического кварца среза 37°. Шаг между встречно-штыревыми преобразователями соответствует центральной частоте резонатора 1,5-1,7 ГГц. Изготовленные структуры ПАВ-резонаторов монтируют, применяя кремнийорганический клей СИЭЛ, в корпуса, размещают эти корпуса со снятыми крышками внутри плазмохимического реактора на металлическом держателе и проводят процесс удаления органических остатков с поверхности резонаторов в плазме смеси 15 об.% кислорода и 85 об.% аргона при плотности ВЧ-мощности 0,02 Вт/см3 при давлении 80 Па в течение 10 мин. Затем проводят процесс настройки частоты резонатора, применяя реактивное ионно-лучевое травление во фторсодержащем газовом разряде, и процесс герметизации резонаторов. Согласно проведенным измерениям эти резонаторы имеют долговременную стабильность частоты не менее чем в 9 раз большую, чем у контрольных резонаторов.

Таблица 1.
Зависимость изменения частот резонаторов с частотой 1ГГц от типа обработки.
Наличие процесса плазменного удаления органических остатков Наличие процесса настройки частоты резонаторов Изменение частот резонаторов, ppm/год
1 - - 26±0,5
2 + - 34±0,4
3 - + 60±1,0
4 + + ≤6±0,6

Способ изготовления резонаторов на поверхностных акустических волнах, включающий травление кварцевой подложки, нанесение металлизации на подложку, изготовление структур резонаторов, монтаж резонаторов в корпуса и проведение сухой обработки в две стадии, отличающийся тем, что на первой стадии проводят процесс удаления органических остатков с поверхности резонаторов в плазме смеси кислорода и инертного газа, при этом в качестве инертного газа используют или гелий, или неон, или аргон при плотности ВЧ-мощности от 0,02 до 0,08 Вт/см3 и при давлении от 80 до 150 Па, содержании кислорода.от 3 до 15 об.%, содержании инертного газа от 85 до 97 об.%, а на второй стадии проводят процесс настройки частоты резонаторов путем реактивного ионно-лучевого травления во фторсодержащем разряде.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области пьезотехники. .

Изобретение относится к электронной технике, а именно: к области создания магнитоэлектрических преобразователей, применяемых в качестве основы для датчиков магнитных полей, устройств СВЧ-электроники, основы для технологии магнитоэлектрической записи информации и для накопителей электромагнитной энергии и энергии вибраций.

Изобретение относится к области получения монокристаллов сегнетоэлектриков с доменной структурой и может быть использовано при создании устройств позиционирования, акустоэлектроники, для модификации диэлектрических, пироэлектрических и оптических свойств.

Изобретение относится к способу изготовления акустооптических модуляторов. .

Изобретение относится к методу изготовления силового измерительного датчика из нескольких материалов. .
Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в технологии изготовления интегральных пьезоэлектрических устройств - фильтров, резонаторов, линий задержки на поверхностных акустических волнах.
Изобретение относится к области технологии изготовления пьезоэлектрических резонаторов и может быть использовано для изготовления кварцевых термочувствительных пьезоэлектрических датчиков-измерителей, применяемых в качестве прецизионных измерителей.

Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к области электрических измерений параметров импульсных механических нагрузок в виброакустике и физике взрыва.

Изобретение относится к аналитической химии органических соединений и может быть использовано при анализе газовых выбросов производства красителей. .

Использование: область микроэлектроники, а именно сборка микроэлектромеханических устройств и систем (МЭМС) на основе пьезоэлектрического кварца. Технический результат: повышение надежности функционирования в условиях высоких комплексных внешних воздействий. Сущность: способ включает выполнение на контактных площадках первичного преобразователя (ПП) кристаллического типа объемных токовыводов (ОВ) методом термозвуковой микросварки с последующей установкой ПП на плату вторичного преобразователя МЭМС. При этом предварительно осуществляют высокотемпературную сборку ПП, состоящего из чувствительного элемента ЧЭ и других функциональных элементов МЭМС, которую проводят при температуре не более 500°C, после чего к объемным токовыводам, выполненным на контактных площадках ПП, изготовленных из чередующихся металлических слоев Cr - Au толщиной не более 0,4 мкм, приваривают токовыводы в виде проволоки из золота методом контактной сварки. Затем полученный указанным образом ПП присоединяют сформированными токовыводами в виде проволоки методом контактной сварки к контактным площадкам вторичного преобразователя (ВП) МЭМС. 2 ил.

Изобретение относится к технологии получения монокристаллов лантангаллиевого танталата алюминия, обладающего пьезоэлектрическим эффектом, используемым для изготовления устройств на объемных и поверхностных акустических волнах. Способ получения материала для высокотемпературного массочувствительного пьезорезонансного сенсора на основе монокристалла лантангаллиевого танталата алюминия, состав которого соответствует формуле La3Ta0,5Ga5,5-xAlxO14, где x=0,1-0,3, характеризующегося электрическим сопротивлением не менее 109 Ом при температуре 20-600°C, включает выращивание монокристалла из расплава оксидов составляющих его компонентов в атмосфере инертного газа, содержащего окислитель, и дополнительный отжиг на воздухе при температуре 1050-1150°C в течение 41-43 часов. Технический результат изобретения состоит в повышении эксплуатационных свойств, таких как электрическое сопротивление самого материала, увеличенное более чем на порядок, и расширении рабочего температурного диапазона до комнатной температуры. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 5 табл.

Изобретение относится к области изготовления устройств точного позиционирования на основе пьезоэлектрических актюаторов, характеризующихся широким интервалом рабочих температур, в частности для изготовления прецизионных безгистерезисных сканеров сканирующих зондовых микроскопов и устройств юстировки оптических систем. Сущность: способ включает соединение плоскостями по меньшей мере двух монодоменных монокристаллических пластин ниобата лития или танталата лития таким образом, чтобы направления спонтанной поляризации в пластинах были противоположны друг другу. Для этого предварительно отполированные соединяемые плоскости пластин ниобата лития или танталата лития очищают таким образом, чтобы обеспечить их гидрофильность. Затем пластины соединяют плоскостями, сжимают пластины до исчезновения интерференционных колец, после чего отжигают для формирования бидоменной пластины. На противоположные плоскости пластины наносят электроды из материала, устойчивого к высоким температурам. Технический результат: возможность получение безгистерезисных актюаторов с линейной характеристикой, работоспособных в широком интервале температур, повышение технологичности. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к пьезоэлектронике. Сущность: рабочее тело высоковольтного генератора представляет собой инерционную массу и пакет из пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов с высокими значениями пьезоэлектрического коэффициента напряжения и заданной для каждой пластины прочностью на сжатие. Расстояния между нанесенными на пластины токопроводящими поверхностями устанавливают такими, чтобы их значения, умноженные на значения механического напряжения и пьезоэлектрического коэффициента напряжения, были одинаковы для каждой пластины в пакете. Способ включает изготовление каждой партии пластин поляризованных композиционных сегнетоэлектрических материалов последовательным выполнением следующих операций: приготовление пресс-порошка синтезированного материала, приготовление смеси пресс-порошка синтезированного материала и порообразователя, прессование из смеси заготовок и их высокотемпературную обработку методом спекания, механическую обработку, металлизацию, поляризацию и измерение параметров. Заданная прочность на сжатие для каждой партии пластин достигается варьированием пористости за счет изменения концентрации порообразователя в пластине. Технический результат: преобразование механического напряжения сжатия в электрическую энергию без взрывчатого вещества, уменьшение времени образования и увеличение возникающего электрического заряда в единице объема рабочего тела при высоких значениях разности потенциалов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

Изобретение относится к области электронной техники и может быть использовано при изготовлении приборов микроэлектромеханических систем, в частности интегральных микромеханических реле и устройств на их основе. Технический результат: повышение надежности и временной стабильности интегрального микромеханического реле. Сущность: способ изготовления интегрального микромеханического реле с подвижным электродом в виде структуры с пьезоэлектрическим слоем (7), осуществляется на поверхности кремниевых пластин в едином технологическом цикле при технологии изготовления, совместимой с технологией производства интегральных схем. Для этого формируют на поверхности кремниевой подложки (1) диэлектрический слой (2) из пленки SiO2 методом термического окисления; напыляют токопроводящий слой TiN (3) и формируют неподвижный электрод методом ионно-лучевого напыления и травления с использованием проекционной лазерной фотолитографии. Осаждают слой Si3N4 методом CVD с подготовкой его в качестве жертвенного слоя с последующим плазменным травлением. Напыляют первый токопроводящий слой TiN (4), осаждают диэлектрический слой SiC (5) с высокими упругими свойствами методом магнетронного напыления Напыляют второй токопроводящий слой TiN (6). Осаждают пьезоэлектрический слой ЦТС (7). Напыляют третий токопроводящий слой TiN (8). Затем проводят плазмохимическое травление слоев: третьего токопроводящего слоя TiN (8), пьезоэлектрического слоя ЦТС (7), второго токопроводящего слоя TiN (6), диэлектрического слоя SiC (5) с высокими упругими свойствами, первого токопроводящего слоя TiN (4) с формированием подвижного многослойного электрода и вскрытием жертвенного слоя Si3N4. Травление жертвенного слоя Si3N4 проводят с образованием воздушного зазора между неподвижным и подвижным электродами. 1 ил.
Наверх