特許 7305722 特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-06-30

(45)【発行日】2023-07-10

(54)【発明の名称】特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 29/24 20060101AFI20230703BHJP

   G01N 29/02 20060101ALI20230703BHJP

【ＦＩ】

G01N29/24

G01N29/02

【請求項の数】 9

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2021171821

(22)【出願日】2021-10-20

(65)【公開番号】P2022068856

(43)【公開日】2022-05-10

【審査請求日】2022-02-04

(31)【優先権主張番号】109136755

(32)【優先日】2020-10-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】TW

(73)【特許権者】

【識別番号】518099893

【氏名又は名称】タイワン・カーボン・ナノ・テクノロジー・コーポレーション

(74)【代理人】

【識別番号】100186060

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】100145458

【弁理士】

【氏名又は名称】秋元 正哉

(72)【発明者】

【氏名】顏 聰富

(72)【発明者】

【氏名】張 光瑞

(72)【発明者】

【氏名】蔡 群賢

(72)【発明者】

【氏名】李 庭鵑

(72)【発明者】

【氏名】蔡 群榮

【審査官】清水 靖記

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１６００５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２１０６８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１６００５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１３６３１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－００５１８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２９／００ － Ｇ０１Ｎ ２９／５２

Ｈ０３Ｈ ３／００ － Ｈ０３Ｈ ３／１０

Ｈ０３Ｈ ９／００ － Ｈ０３Ｈ ９／７６

Ａ６１Ｂ ８／００ － Ａ６１Ｂ ８／１５

Ｇ０１Ｂ １７／００ － Ｇ０１Ｂ １７／０８

Ｈ０４Ｒ １７／００ － Ｈ０４Ｒ １７／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法であって、
凹部を有する基板を提供する工程であって、前記凹部が深さを有する前記工程と、
前記基板に第一絶縁層を配置し、前記第一絶縁層に第二絶縁層を配置し、前記第二絶縁層に第一圧電材料層を配置し、前記凹部を前記第一絶縁層と前記基板との間のエアギャップに形成する工程と、
前記第一圧電材料層に下部電極を配置し、前記下部電極と上部電極との間に第二圧電材料層を配置する工程と、
を含み、
前記深さが第一範囲にあると、前記薄膜バルク音響共振装置の共振周波数が前記深さに対して負の第一勾配を有し、前記深さが第二範囲にあると、前記共振周波数が前記深さに対して正の第二勾配を有し、前記第一勾配の絶対値が前記第二勾配の絶対値よりも小さいことを特徴とする方法。

【請求項2】

前記エアギャップの内部は、真空状態を示すことを特徴とする請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記基板は、シリコンを含み、
前記第一絶縁層は、窒化ケイ素を含み、
前記第二絶縁層は、二酸化ケイ素を含み、
前記上部電極及び前記下部電極は、モリブデンを含み、
前記第一圧電材料層及び前記第二圧電材料層は、窒化アルミニウム又はチタン酸ジルコン酸鉛を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記深さは、１μｍ～５μｍであり、
前記第一範囲は、１μｍ～３μｍであり、
前記第二範囲は、３μｍ～５μｍであり、
前記第一絶縁層、前記第二絶縁層、前記第一圧電材料層、前記上部電極及び前記下部電極の厚さは、すべて０．２μｍであり、
前記第二圧電材料層の厚さは、１μｍであることを特徴とする請求項２に記載の方法。

【請求項5】

前記基板、前記第一絶縁層、前記第二絶縁層、前記第一圧電材料層、前記下部電極及び前記第二圧電材料層は、第一シリンダを形成し、
前記第一シリンダは、第一直径が２００μｍであり、
前記エアギャップは、第二シリンダを形成し、
前記第二シリンダは、第二直径が１４０μｍであり、
前記上部電極は、第三シリンダを形成し、
前記第三シリンダは、第三直径が１００μｍであることを特徴とする請求項４に記載の方法。

【請求項6】

前記特定共振周波数に対応する前記凹部の前記深さが前記第一範囲又は前記第二範囲にあることに応じて、特定の深さを選択して前記薄膜バルク音響共振装置を製造する工程を更に含み、
前記エアギャップの第一深さ変化量が１μｍから３μｍに増加すると、前記薄膜バルク音響共振装置の共振周波数が増加した第一変化量が２４ｋＨｚであり、
前記エアギャップの第二深さ変化量が１μｍから５μｍに増加すると、前記薄膜バルク音響共振装置の前記共振周波数が増加した第二変化量が０．４１８ＭＨｚであることを特徴とする請求項４に記載の方法。

【請求項7】

特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法であって、
凹部を有する基板を提供する工程であって、前記凹部が深さを有する前記工程と、
前記基板に第一絶縁層を配置し、前記第一絶縁層に第二絶縁層配置し、前記第二絶縁層に第一圧電材料層を配置し、前記凹部を前記第一絶縁層と前記基板との間のエアギャップを形成する工程と、
前記第一圧電材料層に下部電極を配置し、前記下部電極と上部電極との間に第二圧電材料層を配置する工程であって、前記深さが第一範囲にあると、前記薄膜バルク音響共振装置の共振周波数が前記深さに対する比例関係が逆比例の第一勾配によって定義され、前記深さが第二範囲にあると、前記比例関係が前記第一勾配の絶対値よりも大きい正比例の第二勾配によって定義される前記工程と、
前記特定共振周波数に対応する前記凹部の前記深さが前記第一範囲又は前記第二範囲にあることに応じて、特定の深さを選択して前記薄膜バルク音響共振装置を製造する工程と、を含むことを特徴とする方法。

【請求項8】

前記エアギャップの内部は、真空状態を示し、
前記深さは、１μｍ～５μｍであり、
前記第一範囲は、１μｍ～３μｍであり、
前記第二範囲は、３μｍ～５μｍであり、
前記第一絶縁層、前記第二絶縁層、前記第一圧電材料層、前記上部電極及び前記下部電極の厚さは、すべて０．２μｍであり、
前記第二圧電材料層の厚さは、１μｍであることを特徴とする請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記基板は、シリコンを含み、
前記第一絶縁層は、窒化ケイ素を含み、
前記第二絶縁層は、二酸化ケイ素を含み、
前記上部電極及び前記下部電極は、モリブデンを含み、
前記第一圧電材料層及び前記第二圧電材料層は、窒化アルミニウム又はチタン酸ジルコン酸鉛を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に使用される半導体技術に関する。 特に、本発明は、センサ及びエネルギー関連装置に使用されるＭＥＭＳに関する。

【背景技術】

【0002】

既存のセンサー技術には、純粋な機械センサー、ＣＭＯＳセンサー、ＭＥＭＳセンサーなどが含まれる。ただし、上記のセンサーの感度では、携帯電話などのポータブルデバイスなどを介したヒトの揮発性有機化合物（ＶＯＣ）ガスの検出要件を満たすことができない。チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を備えた薄膜バルク音響共振（ＦＢＡＲ）装置はこれを行うことができる。

【0003】

既存のＦＢＡＲ技術を改善して、効率を向上させたり、構造を単純化したり、製造コストを削減したりする方法は、改善の余地がある。

【0004】

本願の発明者は、先行技術の欠如を考慮し、発明を改善するという考えを持っており、ついに「特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法」を発明することができた。

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法を提出することを主な目的とする。前記方法は、凹部を有する基板を提供する工程であって、前記凹部が高さを有する前記工程と、前記基板に第一圧電材料層を配置し、前記凹部にエアギャップを形成する工程と、前記第一圧電材料層に下部電極を配置する工程と、前記高さが第一範囲にあると、前記薄膜バルク音響共振装置の共振周波数が前記高さに対して第一勾配を有するようにする工程と、前記高さが第二範囲にあると、前記共振周波数が前記高さに対して第二勾配を有するようにする工程と、前記第二勾配を前記第一勾配よりも小さくなるようにする工程と、を含む。前記方法でされた異なる高さのエアギャップを有するＦＢＡＲ装置は、それぞれ異なる共振周波数を生成する。多周波制御により、異なる高さのエアギャップを有する複数のＦＢＡＲ装置を使用して、さまざまな揮発性有機化合物（ＶＯＣ）ガスを同時に検出できる。また、製造コストを削減するために、同じウェハにおいて、異なる高さのエアギャップを有するＦＢＡＲ装置を含むことができる。

【0006】

本発明は、特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法を更に提出することを別の主な目的とする。前記方法は、凹部を有する基板を提供する工程であって、前記凹部が高さを有する前記工程と、前記基板に第一圧電材料層を配置し、前記凹部にエアギャップを形成する工程と、前記第一圧電材料層に下部電極を配置する工程と、前記高さが第一範囲にあると、前記薄膜バルク音響共振装置の共振周波数が前記高さに対して第一勾配を有するようにする工程と、前記高さが第二範囲にあると、前記共振周波数が前記高さに対して第二勾配を有するようにする工程と、前記第二勾配を前記第一勾配よりも小さくなるようにする工程と、を含む。

【0007】

本発明は、特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法を更に提出することを別の主な目的とする。前記方法は、凹部を有する基板を提供する工程であって、前記凹部が高さを有する前記工程と、前記基板に第一圧電材料層を配置し、前記凹部にエアギャップを形成する工程と、前記第一圧電材料層に下部電極を配置し、前記薄膜バルク音響共振装置の共振周波数が前記高さに対して関数関係を形成する工程であって、前記高さが第一範囲にあると、前記関数関係が第一勾配によって定義され、前記高さが第二範囲にあると、前記関数関係が前記第一勾配よりも大きい第二勾配によって定義される前記工程と、前記特定共振周波数に対応する前記凹部の前記高さが前記第一範囲又は前記第二範囲にあることに応じて、特定の高さを選択して前記薄膜バルク音響共振装置を製造する工程と、を含む。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の好ましい実施形態に係るＦＢＡＲ装置を示す断面図である。

【図2】本発明の好ましい実施形態に係るＦＢＡＲ装置のエアギャップの深さに対するＦＢＡＲ装置の共振周波数を示す波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１は、本発明の好ましい実施形態による係る薄膜バルク音響共振（ＦＢＡＲ）装置を示す断面図である。図１において、薄膜バルク音響共振装置１は、基板１０、第一絶縁層１２、第二絶縁層１３、第一圧電材料層１４、下部電極１５、第二圧電材料層（圧電材料薄膜）１６及び上部電極１７を含む。第一絶縁層１２は、基板１０に配置され、第二絶縁層１３は、第一絶縁層１２に配置され、第一圧電材料層１４は、第二絶縁層１３に配置される。下部電極１５は、第一圧電材料層１４に配置され、第二圧電材料層１６は、下部電極１５に配置され、上部電極１７は、第二圧電材料層１６上に配置される。また、第一絶縁層１２と基板１０との間にエアギャップ１１があり、エアギャップ１１の内部は真空状態を示す。

【0010】

基板１０は、シリコンを含み、第一絶縁層１２は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を含み、第二絶縁層１３は、二酸化ケイ素を含み、上部電極１７及び下部電極１５は、モリブデンを含み、第一圧電材料層１４及び第二圧電材料層１６は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）又はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含む。

【0011】

図１において、エアギャップ１１深さ（高さ）は、例えば１μｍ（第一好ましい実施形態）、３μｍ（第二好ましい実施形態）又は５μｍ（第三好ましい実施形態）である。第一絶縁層１２、第二絶縁層１３、第一圧電材料層１４、上部電極１７及び下部電極１５の厚さは、すべて０．２μｍであり、第二圧電材料層１６の厚さは、１μｍである。

【0012】

図１に示すように、基板１０、第一絶縁層１２、第二絶縁層１３、第一圧電材料層１４、下部電極１５及び第二圧電材料層１６は、第一シリンダを形成し、
前記第一シリンダの第一直径は、例えば２００μｍである。エアギャップ１１は、第二シリンダを形成し、前記第二シリンダの第二直径は、例えば１４０μｍである。上部電極１７は、第三シリンダを形成し、前記第三シリンダの第三直径は、例えば１００μｍである。

【0013】

図２は、本発明の好ましい実施形態に係る薄膜バルク音響共振装置のエアギャップの深さに対する薄膜バルク音響共振装置の共振周波数を示す波形図である。

【0014】

図２に示すように、前記エアギャップ１１の深さが１μｍから３μｍに増加すると、薄膜バルク音響共振装置１の共振周波数が増加した第一差値が２４ｋＨｚであり、エアギャップ１１の深さが３μｍから５μｍに増加すると、薄膜バルク音響共振装置１の前記共振周波数が増加した第二差値が４１８ｋＨｚである。つまり、図２から見れば、エアギャップ１１の深さが線形変化している場合（例えば、エアギャップ１１の深さが１μｍから３μｍに増加する、或いは３μｍから５μｍに増加する場合）、薄膜バルク音響共振装置１の共振周波数は、非線形変化を示す。例えば、エアギャップ１１の深さが１μｍから３μｍに増加した場合、前記共振周波数が減少した第一差値は約２４ｋＨｚ、或いは、エアギャップ１１の深さが３μｍから５μｍに増加した場合、前記共振周波数が増加した第二差値は約４１８ｋＨｚである。

【0015】

本発明の第四好ましい実施形態によれば、特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置１を製造する方法を提出し、前記方法は、凹部１１を有する基板１０を提供する工程であって、凹部１１が高さを有する前記工程と、基板１０に第一圧電材料層１４を配置し、凹部１１にエアギャップ１１を形成する工程と、第一圧電材料層１４に下部電極１５を配置する工程と、前記高さが第一範囲にあると、薄膜バルク音響共振装置１の共振周波数が前記高さに対して第一勾配を有するようにする工程と、前記高さが第二範囲にあると、前記共振周波数が前記高さに対して第二勾配を有するようにする工程と、前記第二勾配を前記第一勾配よりも小さくなるようにする工程と、を含む。

【0016】

本発明の第四好ましい実施形態に記載の方法によれば、前記特定共振周波数に対応する前記凹部の前記高さが前記第一範囲又は前記第二範囲にあることに応じて、特定の高さを選択して薄膜バルク音響共振装置１を製造する工程を更に含み、エアギャップ１１の第一深さ変化量が１μｍから３μｍに増加すると、薄膜バルク音響共振装置１の共振周波数が減少した第一変化量が２４ｋＨｚであり、エアギャップ１１の第二深さ変化量が３μｍから５μｍに増加すると、薄膜バルク音響共振装置１の前記共振周波数が増加した第二変化量が０．４１８ＭＨｚである。

【0017】

本発明の第五好ましい実施形態によれば、特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置１を製造する方法を提出し、前記方法は、凹部１１を有する基板１０を提供する工程であって、凹部１１が高さを有する前記工程と、基板１０に第一圧電材料層１４を配置し、凹部１１にエアギャップ１１を形成する工程と、第一圧電材料層１４に下部電極１５を配置し、基板１０及び第一圧電材料層１４により薄膜バルク音響共振装置１の共振周波数決定構造（１０ ＋ １４ ＋ １５）を形成し、薄膜バルク音響共振装置１の共振周波数が前記高さに対して関数関係を形成する工程であって、前記高さが第一範囲にあると、前記関数関係が第一勾配によって定義され、前記高さが第二範囲にあると、前記関数関係が前記第一勾配よりも大きい第二勾配によって定義される前記工程と、前記特定共振周波数に対応する前記凹部の前記高さが前記第一範囲又は前記第二範囲にあることに応じて、特定の高さを選択して前記薄膜バルク音響共振装置を製造する工程と、を含む。

【0018】

結論として、本発明は、特定共振周波数を有する薄膜バルク音響共振装置を製造する方法を提出し、前記方法は、凹部を有する基板を提供する工程であって、前記凹部が高さを有する前記工程と、前記基板に第一圧電材料層を配置し、前記凹部にエアギャップを形成する工程と、前記第一圧電材料層に下部電極を配置する工程と、前記高さが第一範囲にあると、前記薄膜バルク音響共振装置の共振周波数が前記高さに対して第一勾配を有するようにする工程と、前記高さが第二範囲にあると、前記共振周波数が前記高さに対して第二勾配を有するようにする工程と、前記第二勾配を前記第一勾配よりも小さくなるようにする工程と、を含む。前記方法でされた異なる高さ（深さ）のエアギャップを有するＦＢＡＲ装置は、それぞれ異なる共振周波数を生成する。多周波制御により、異なる高さのエアギャップを有する複数のＦＢＡＲ装置を使用して、さまざまな揮発性有機化合物（ＶＯＣ）ガスを同時に検出できる。また、製造コストを削減するために、同じウェハにおいて、異なる高さのエアギャップを有するＦＢＡＲ装置を含むことができる。従って、本発明は新規性と進歩性を有している。

【0019】

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

【符号の説明】

【0020】

１ 薄膜バルク音響共振装置
１０ 基板
１１ エアギャップ（凹部）
１２ 第一絶縁層
１３ 第二絶縁層
１４ 第一圧電材料層
１５ 下部電極
１６ 第二圧電材料層
１７ 上部電極

【図1】

【図2】