DE10000746A1 - Bauelement mit Ableitung für Pyrospannungen und Herstellverfahren - Google Patents

Abstract

Zur unschädlichen Ableitung von Pyrospannungen bei Bauelementen auf pyroelektrischen Substraten wird vorgeschlagen, eine hochohmige Schicht auf dem Substrat vorzusehen. Diese kann im Dünnschichtverfahren ganzflächig aufgebracht und anschließend so strukturiert werden, dass elektrisch leitende Bauelementstrukturen unbedeckt bleiben.

Description

Pyroelektrische Materialien zeigen den pyroelektrischen Ef­ fekt. Dabei reagieren diese Materialien auf Temperaturände­ rung mit dem Aufbau einer elektrischen Spannung. Dies ist insbesondere für Bauelemente nachteilig, die auf pyroelektri­ schen Substraten aufgebaut sind, beispielsweise piezoelektri­ sche Bauelemente oder Oberflächenwellen-Bauelemente. Zwischen den mehr oder weniger feinen elektrisch leitenden Strukturen dieser Bauelemente, die direkt auf dem pyroelektrischen Sub­ strat aufgebracht sind, können dabei so große Spannungen bzw. Feldstärken entstehen, dass es zu elektrischen Überschlägen zwischen den feinen Metallstrukturen kommt. Dabei können die Strukturen und damit das Bauelement beschädigt oder zerstört werden, wenn keine geeigneten Schutzmaßnahmen ergriffen wer­ den.

Weiterhin können sich aufgrund der hohen auftretenden Feld­ stärken die Eigenschaften des piezoelektrischen Substratmate­ rials und damit auch die Bauelementeigenschaften irreversibel ändern oder gar das Bauelement unbrauchbar werden. Treten die Pyrospannungen während des Betriebes des Bauelementes auf, so können die elektrischen Felder oder die Überschläge zwischen den elektrisch leitenden Strukturen Impulse auslösen, die zu fehlerhafter Signalverarbeitung in der elektronischen Schal­ tung führen können.

Unerwünschte Pyrospannungen, die auf starke Temperaturände­ rungen zurückzuführen sind, treten insbesondere bei der Her­ stellung von Bauelementen mit pyroelektrischem Substrat auf. Eine bekannte Möglichkeit, Schäden durch pyroelektrische Auf­ ladung zu verhindern, besteht im Vorsehen von Ionisationseinrichtungen während der Fertigung. Durch Anbieten von bewegli­ chen Ladungsträgern passender Menge und Polarität in der Um­ gebungsatmosphäre des pyroelektrischen Substrates können die üblicherweise ortsfesten Ladungen auf den Substraten weitge­ hend kompensiert werden. Dies ist jedoch ein technisch auf­ wendiges Verfahren, das außerdem nicht für alle Fertigungs­ prozesse geeignet ist. Auch kann eine mit elektrisch isolie­ renden oder passivierenden Schichten abgedeckte pyroelektri­ sche Oberfläche mit Hilfe von Ionisationselektroden nicht mehr ausreichend entladen werden. Außerdem sind die Ionisati­ onselektroden empfindlich gegen verschiedene Dünnschichtver­ fahren und würden beispielsweise auch durch in Ofenprozessen auftretende organische Ausgasungen geschädigt.

Aus der EP-A-0 785 620 ist es bekannt, Bauelemente auf pyro­ elektrischen Substraten durch ganzflächig über oder unter den Bauelement-Strukturen auf dem Substrat aufgebrachte leitfähi­ ge Schichten gegen Schäden durch Pyroentladungen zu schützen. Nachteilig ist dabei, dass die zusätzliche Materialschicht die Bauelement-Eigenschaften unzulässig verändern kann und beispielsweise die elektroakustische Kopplung oder die Aus­ breitungsgeschwindigkeit einer Oberflächenwelle verändert oder gar deren Dämpfung bewirkt.

Weiterhin ist es möglich, die metallischen elektrisch leiten­ den Bauelementstrukturen leitend miteinander zu verbinden, beispielsweise durch das Vorsehen schmaler metallischer Streifen, die zur Ausbildung einer hochohmigen Verbindung, beispielsweise in mäanderförmiger Anordnung, ausgebildet wer­ den. Diese Verbindungen benötigen aber eine erhebliche Sub­ stratfläche, die der zunehmenden Miniaturisierung der Bauele­ mente entgegensteht. Außerdem sind sie aufgrund ihrer Geome­ trie anfällig für elektrische Unterbrechungen während des Herstellungsprozesses. Insbesondere bei Oberflächenwellen- Bauelementen, die eine komplizierte Anordnung und aufwendige Verschaltung mehrerer Wandlerstrukturen auf einem Chip auf­ weisen können, kann es mitunter unmöglich sein, alle Wandler auf diese Weise zu schützen, wenn nicht genügend Platz für die zu schützenden Strukturen verfügbar ist, und wenn die verwendeten Technologien keine Überkreuzung von Leiterbahnen ermöglichen. Auch mit zusätzlichen gebondeten Drahtkontaktie­ rungen zur Verbindung unterschiedlicher elektrisch leitender Strukturen, die zudem hohe Kosten verursachen, läßt sich das Problem nicht immer lösen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, für Bauele­ mente mit pyroelektrischem Substrat eine Möglichkeit anzuge­ ben, Pyrospannungen sowohl bei der Herstellung als auch wäh­ rend des Betriebs der Bauelemente einfach und unschädlich ab­ zuleiten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement nach Anspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung des Bauele­ mentes sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung gibt ein Bauelement mit elektrisch leitenden Strukturen auf einem pyroelektrischen Substratmaterial an, bei dem die auftretenden Pyrospannungen in unschädlicher Wei­ se mit Hilfe einer hochohmigen Schicht abgeleitet werden. Die Eigenschaften der hochohmigen Schicht können durch Variation der Parameter Schichtdicke, elektrische Leitfähigkeit und Art des Schichtmaterials an die Bauelementfunktion so angepasst werden, dass keine negative Beeinträchtigung der Bauelement­ funktion entsteht. Dabei ist es möglich, die hochohmige Schicht ganzflächig aufzubringen und anschließend zu struktu­ rieren. Möglich ist es jedoch auch, die hochohmige Schicht ausschließlich auf den Flächen aufzubringen, die nicht von Bauelementstrukturen, beispielsweise von den elektrisch lei­ tenden Strukturen bedeckt sind. Unter hochomiger Schicht wird im Sinne der Erfindung eine Schicht verstanden, die einen Flächenwiderstand von zumindest 100 Ω/∍ (ohm per square) bis 10⁹ Ω/∍ aufweist.

Besonders vorteilhafte Verwendung findet die Erfindung bei einem Oberflächenwellen-Bauelement, beispielsweise bei einem Oberflächenwellen-Filter, bei dem aufgrund der geringen Strukturbreiten der elektrisch leitenden Strukturen eine be­ sonders große Gefahr einer Beschädigung durch den pyroelek­ trischen Effekt gegeben ist. Als elektrisch leitende Struktu­ ren sind bei Oberflächenwellen-Bauelementen insbesondere elektro-akustische Wandler, Reflektoren oder Leiterbahnen vorgesehen.

Vorzugsweise wird die hochohmige Schicht bei Oberflächenwel­ len-Bauelementen so strukturiert, dass zumindest der Bereich der elektro-akustischen Wandler von der hochohmigen Schicht unbedeckt bleibt. Damit wird eine negative Beeinträchtigung der elektro-akustischen Kopplung oder gar eine Dämpfung der akustischen Oberflächenwelle vermieden, was eine negative Be­ einträchtigung der Bauelementfunktion darstellen könnte.

Vorzugsweise ist die hochohmige Schicht eine Dünnschicht aus einem hochohmigen Material, insbesondere aus Kohlenstoff oder einem Halbleiter. Diese Materialien haben den Vorteil, dass sie sich großflächig, homogen und in beliebig dünner Schicht­ dicke aufbringen lassen. Für diese Materialien sind außerdem geeignete Strukturierungsverfahren bekannt, die das Entfernen der ganzflächig aufgebrachten hochohmigen Schicht in freizu­ haltenden Bereichen der Substratoberfläche ermöglichen. In einfacher Weise kann außerdem bei Dünnschichtverfahren über die Abscheidebedingungen und die gewählte Schichtdicke die Gesamtleitfähigkeit der Schicht eingestellt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die hoch­ ohmige Schicht eine organische Schicht, die entweder aufgrund der Verwendung elektrisch leitender Polymere intrinsisch lei­ tend ist, oder die elektrisch leitfähige Partikel enthält, die insgesamt eine ausreichende Leitfähigkeit für die hochohmige Schicht ergeben. Eine solche Schicht hat den Vor­ teil, dass sie sich beispielsweise mittels eines Druckverfah­ rens gezielt in bestimmten Bereichen der Substratoberfläche aufbringen oder nach ganzflächiger Aufbringung in einfacher Weise nasschemisch oder mittels Lösungsmittel in vorgesehenen Bereichen wieder entfernen läßt. Gegebenenfalls ist auch eine direkte Photostrukturierung möglich.

Intrinsisch leitende Polymere sind beispielsweise von Stick­ stoff oder Schwefelatome enthaltenden aromatischen Verbindun­ gen wie Anilin oder Thiophen abgeleitet. Als leitfähige Par­ tikel sind insbesondere Ruß oder Graphit geeignet. Als Poly­ mer-Matrix für die Partikel können thermoplastische Polymere oder Reaktionsharze, insbesondere Epoxidharze dienen.

Das ebenfalls erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung ei­ nes solchen pyrogeschützten Bauelementes wird nachfolgend an­ hand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen 7 Figu­ ren näher erläutert.

Fig. 1 bis 6 zeigen anhand schematischer Querschnitte verschiedene Verfahrensstufen bei der Her­ stellung eines erfindungsgemäßen Bauelemen­ tes.

Fig. 7 zeigt ein Bauelement mit strukturierter hochohmiger Schicht in der Draufsicht.

Fig. 1 zeigt ein Oberflächenwellen-Bauelement im schemati­ schen Querschnitt. Das Bauelement ist auf einem piezoelektri­ schen Substrat, beispielsweise Lithiumniobat oder Lithiumtantalat aufgebaut, welches auch pyroelektrische Eigenschaften hat. Stellvertretend für die möglichen elektrisch leitenden Strukturen 2 sind in der Figur zwei Gruppen zu je drei Elek­ trodenfingern dargestellt, die Interdigitalwandler (elektro­ akustische Wandler) darstellen und für ein Oberflächenwellen- Filter als Ein- oder Ausgangswandler dienen. Die elektrisch leitenden Strukturen 2 sind beispielsweise aus Aluminium auf­ gebaut.

Auf der Substratoberfläche über den elektrisch leitenden Strukturen 2 wird nun eine hochohmige Schicht 3 ganzflächig aufgebracht. Beispielsweise wird dazu eine Kohlenstoffschicht in einer Dicke von ca. 5 bis 100 nm, beispielsweise von 50 nm aufgebracht, beispielsweise durch Aufsputtern. Bei Verwendung anderer hochohmiger Materialien sind auch andere Aufbrin­ gungsverfahren und andere Schichtdicken geeignet. Fig. 2 zeigt das Bauelement mit der ganzflächig aufgebrachten hochohmigen Schicht 3.

Da die hochohmige Schicht 3 über den elektrisch leitfähigen Strukturen 2 und allgemein im Wandlerbereich negative Auswir­ kungen auf die Eigenschaften des Oberflächenwellen-Bauelemen­ tes haben kann, erfolgt nun eine Strukturierung dergestalt, dass dabei zumindest der Wandlerbereich, besser jedoch der gesamte akustische Pfad von der hochohmigen Schicht 3 befreit wird. Dazu kann ein Plasmaätzverfahren unter Verwendung einer Resist-Ätzmaske verwendet werden. Fig. 3 zeigt eine ganzflä­ chig über der hochohmigen Schicht 3 aufgebrachte Resist- Schicht 4. Diese kann beispielsweise aufgeschleudert oder auch als Trockenfolie aufgebracht und auflaminiert werden.

Die Resist-Folie 4 wird beispielsweise mittels Photohithogra­ phie strukturiert, wobei nach Belichtung und Entwicklung au­ ßerhalb des Bereiches der Wandler 2 Resist-Strukturen 7 auf der hochohmigen Schicht 3 verbleiben. Fig. 4 zeigt das Bau­ element in diesem Stadium.

In einem Plasmaätzprozess, beispielsweise mit einem sauer­ stoffhaltigen Plasma, wird die z. B. aus Kohlenstoff bestehen­ de hochohmige Schicht 3 nun in den freiliegenden Bereichen 5 und gegebenenfalls 6 weggeätzt, wobei die Resist-Struktur 7 mit darunter liegender ebenfalls strukturierter hochohmiger Schicht 8 verbleibt. Fig. 7 zeigt das Bauelement in dieser Verfahrensstufe in einer schematischen Draufsicht.

Nach dem eben beschriebenen Plasmaätzprozess, der auch für ein arideres hochohmiges Schichtmaterial angepasst werden kann, beispielsweise durch Verwendung eines halogenhaltiges Plasma für eine hochohmige Schicht 3 aus Halbleitermaterial, verbleiben rund um die beiden Wandler 2a und 2b hochohmige Schichtbereiche 8, die von der Resist-Struktur 7 bedeckt sind. Diese hochohmigen Schichtbereiche 8 können beispiels­ weise die Wandler 2 wie ein Rahmen vollständig umschließen. In vorteilhafter Weise wird die verbliebene Resist-Struktur 7 für eine von der Anmelderin PROTEC genannte Chipabdeckung verwendet. Dabei ist das Erzeugen der hochohmigen Schicht in das Herstellverfahren der PROTEC-Abdeckung integriert. Eine solche PROTEC-Abdeckung sowie ein Herstellverfahren dafür sind beispielsweise aus der WO 95/30276 bekannt.

Fig. 6 zeigt, wie die z. B. rahmenförmig die elektrisch lei­ tenden Strukturen 2 umschließende Resist-Struktur 7 als Stützelement für eine Abdeckschicht 9 verwendet werden kann. Als Abdeckschicht 9 kann beispielsweise ebenfalls eine Re­ sist-Folie verwendet werden, oder allgemeiner ein photostruk­ turierbares Material. Mit Hilfe der Resist-Struktur 7 als Stütz- und Trägerelement wird zusammen mit der Abdeck­ schicht 9 eine die Bauelementstrukturen 2 dicht umschließende Abdeckkappe geschaffen, mit deren Hilfe die Bauelementstrukturen 2 dicht gegen Umwelteinflüsse versiegelt werden können. Eine solche Versiegelung kann auch zusätzlich durch das Auf­ bringen weiterer Materialien auf die PROTEC Abdeckung erfol­ gen, wobei die Bauelement-Strukturen 2 durch die einen Hohl­ raum ausbildende PROTEC Abdeckung vor einem Kontakt mit die­ sen weiteren Materialien geschützt ist.

Gegenüber dem an sich bekannten PROTEC-Verfahren erfordert das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Bauelemen­ tes mit einer Pyrospannungsableitung 8 als zusätzlichen Ar­ beitsschritt nur das Aufbringen der hochohmigen Schicht 3. Aufgrund der geringen Schichtdicke der beispielsweise aus Kohlenstoff bestehenden hochohmigen Schicht 3 kann das Ent­ fernen der hochohmigen Schicht direkt über den elektrisch leitfähigen Strukturen 2 und im Wandlerbereich mit einem nur kurzen Plasmaätzschritt erfolgen, wie er auch bislang als Zwischenstufe zum Reinigen der Resist-Struktur 7 eingesetzt wurde. Darüber hinaus kann die ganzflächig aufgebrachte hochohmige Schicht 3 auch zum Schutz der elektrisch leitenden Strukturen 2 dienen, während die Resist-Schicht 4 zur Her­ stellung der Resist-Struktur 7 nasschemisch und insbesondere wässrig-alkalisch entwickelt wird. Damit wird das Aluminium der elektrisch leitfähigen Strukturen vor einem Angriff des alkalischen Entwicklers geschützt, der ansonsten zu einem Aluminiumabtrag führen könnte, welcher wiederum negative Aus­ wirkungen auf die Bauelementeigenschaften haben könnte.

Mit Hilfe des anhand eines Ausführungsbeispiels beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens kann die hochohmige Schicht 3 zu beliebig geformten hochohmigen Schichtbereichen 8 struktu­ riert werden, anders als die in Fig. 7 dargestellte Ausfüh­ rungsform. Dabei ist es vorteilhaft aber nicht erforderlich, die Strukturierung mit dem PROTEC-Verfahren zu verbinden.

Mit der Erfindung wird ein Bauelement erhalten, bei dem ver­ schiedene Oberflächenbereiche hochohmig miteinander verbunden sind, so dass sich auf der Oberfläche des Substrates 1 und insbesondere zwischen unterschiedlichen elektrisch leitenden Strukturen 2 aufbauende Pyrospannungen über die hochohmige Verbindung langsam aber sicher abbauen können. Eine Beschädi­ gung des Bauelementes während des Betriebes oder weiterer Herstellschritte wird dabei sicher vermieden. Das Verfahren kann dabei bereits im Waferstadium eingesetzt werden und ist nicht auf den Schutz eines einzelnen Chips oder Bauelements beschränkt.

Claims (12)

1. Bauelement,

• - mit einem Substrat (1) aus pyroelektrischem Material
• - mit auf dem Substrat angeordneten elektrisch leitenden Strukturen (2)
• - bei dem zur unschädlichen Ableitung von Pyrospannungen auf dem Substrat eine hochohmige Schicht (3, 8) so vorgesehen ist, dass zumindest bestimmte Bereiche (5) der elektrisch leiten­ den Strukturen von dieser Schicht (3) unbedeckt sind.

2. Bauelement nach Anspruch 1, das als Oberflächenwellen-Bauelement auf einem piezoelek­ trischen Substrat (1) ausgebildet ist, wobei die elektrisch leitenden Strukturen (2) elektroakustische Wandler sowie wei­ tere Strukturen umfassen, die ausgewählt sind aus Reflekto­ ren, Leiterbahnen und Kontaktierungsflächen (10).

3. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die hochohmige Schicht (3) eine Dünnschicht ist, die Kohlenstoff oder ein Halbleitermaterial umfasst.

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die hochohmige Schicht (3) eine organische Schicht umfasst die intrinsisch leitend ist oder die leitfähige Par­ tikel enthält.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem das Bauelement als Oberflächenwellen-Bauelement aus­ gebildet ist, wobei zumindest der Bereich der elektro­ akustischen Wandler (2) von der hochohmigen Schicht (3, 8) un­ bedeckt ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Oberflächenwellen- Bauelements mit einer Ableitung (8) für Pyrospannung,

- bei dem auf einem piezoelektrischen Substrat (1) elek­ trisch leitende Strukturen (2) erzeugt werden, die einen elektroakustische Wandler umfassenden akustischen Pfad aus­ bilden,

• - bei dem auf dem Substrat ganzflächig über den elektrisch leitenden Strukturen eine hochohmige Schicht (3) erzeugt wird,
• - bei dem die hochohmige Schicht (3) strukturiert wird, wobei zumindest im Bereich der elektroakustischen Wandler (2) die hochohmige Schicht entfernt wird und zumindest ein Bereich außerhalb des akustischen Pfads von der hochohmigen Schicht (8) bedeckt bleibt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die hochohmige Schicht (3) in einem Dünnschicht Ver­ fahren aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem als hochohmige Schicht (3) eine Schicht aus Koh­ lenstoff oder einem Halbleiter aufgesputtert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-8, bei dem die Strukturierung mittels Plasmaätzens erfolgt, wo­ bei eine Resistmaske (7) verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem als Resistmaske (7) Teile einer integriert über den elektrisch leitenden Strukturen aufgebrachten, eine photo­ strukturierbare Schicht umfassenden Abdeckung (7, 9) verwendet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-10, bei dem als hochohmige Schicht (3) eine Schicht aus Koh­ lenstoff in einer Dicke von 5-100 nm aufgebracht wird, die mittels eines Sauerstoff enthaltenden Plasmas und einer Re­ sistmaske (7) strukturiert wird.