DE10102747B4

DE10102747B4 - Piezoelektrisches Substrat und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE10102747B4
Application number: DE2001102747
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Pahl
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2021-01-23
Also published as: DE10102747A1

Abstract

Piezoelektrisches Substrat für mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente
umfassend einen Substratkörper (S) aus piezoelektrischem kristallinen Material
mit einer für Bauelementstrukturen (IDT) vorgesehenen Hauptoberfläche (H)
mit einem Muster (M), das ohne Materialabtrag in die der Hauptoberfläche gegenüberliegende Rückseite (R) eingebettet ist und aus Zonen (Z) gebildet ist, in denen das Substratmaterial gegenüber dem übrigen Substrat unterschiedliche Eigenschaften aufweist.

Description

Mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente sind auf kristallinen piezoelektrischen Substraten aufgebaut, beispielsweise auf Quarz, Lithiumniobat oder Lithiumtantalat. Diese Bauelemente umfassen zumindest einen auf einer Hauptoberfläche des Substrats aufgebrachten Interdigitalwandler in Form einer kammartigen Elektrodenstruktur, die ein angelegtes elektrisches Signal in eine im Substrat ausbreitungsfähige akustische Welle umwandelt. Für das Bauelement können dabei verschiedene Wellentypen ausgenützt werden, wobei die Art der ausbreitungsfähigen akustischen Welle vom Substrat und insbesondere wie dessen Oberfläche relativ zu den kristallographischen Achsen orientiert ist, sowie von der Metallisierung bestimmt wird.
Die Mehrzahl der Bauelemente nutzt akustische Oberflächenwellen (OFW), deren Eindringtiefe in das Substrat sehr gering ist. In der Regel kann ein Bauelement ausschließlich die gattungsgemäßen Typen von akustischen Wellen nutzen, Wellenanteile anderer Wellengattungen gehen in die Verlustleistung des Bauelements ein und können nicht genutzt werden. Bei einem Oberflächenwellenbauelement können die in das Volumen abgestrahlten akustischen Wellen selten vollständig unterdrückt werden. Werden solche Volumenwellen an der Rückseite des Substratmaterials reflektiert, so können sie nach gegebenenfalls weiterer mehrfacher Reflexion den Ausgangswandler erreichen und das dort abgegriffene Nutzsignal in unerwünschter Weise beeinflussen. Je nach Anteil dieser unerwünschten Wellengattung können diese Störungen zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Filtereigenschaften führen.
Zur Behebung dieser Störungen wird versucht, die akustischen Eigenschaften des OFW-Bauelements so zu beeinflussen, daß unerwünschte Wellenanteile maximal gedämpft werden. Dies kann beispielsweise durch Aufkleben des Substrats auf einen Substratträger erfolgen. Bei guter Anpassung des Klebers an die akustischen Eigenschaften des Substrats kann die Volumenwelle ohne stärkere Reflexion die Grenzfläche vom Substrat zum Kleber passieren und wird dann im Kleber selbst gedämpft. Die Anpassung kann prinzipiell durch höhere Dichte und/oder Härte des Klebers erreicht werden. Eine Dichteanhebung durch Füllstoffe ist jedoch durch verschiedene Randbedingungen limitiert, insbesondere stehen dem eine schlechte Verfügbarkeit, erhöhte Kosten und eine schlechte Verarbeitbarkeit entgegen. Noch stärker einschränkend sind die mit dem Kleber erzeugten Chipverspannungen, die die elektrischen Parameter des Bauelements beeinflussen können und im Extremfall sogar die Bruchgefahr erhöhen und damit die Zuverlässigkeit des Bauelements vermindern können.
Bei hohen Anforderungen an die Performance des Oberflächenwellenbauelements und insbesondere bei niedrigen Frequenzen reicht das Verkleben mit einem angepaßten Kleber in der Regel nicht aus. Alternativ beziehungsweise zusätzlich können weitere Maßnahmen gegen Volumenwellen ergriffen werden. So kann die Substratrückseite so bearbeitet werden, daß sie eine Reflexionen streuende Topologie erhält. Zu diesem Zweck kann bereits bei der Waferherstellung oder zu einem späteren Zeitpunkt eine rauhe Rückseite geschaffen werden. Dazu sind verschiedene Läpp-, Schleif-, Strahlspan- oder Ätzverfahren bekannt.
Aus der Offenlegungsschrift DE 25 05 819 A1 sind SAW-Substrate mit matt geschliffenen Rückseiten bekannt.
Alternativ zur unsystematischen Aufrauhung können dazu auch geometrische Muster in die Rückseite eingearbeitet werden. Dies kann mittels Sägeverfahren erfolgen, ebenso geeignet sind entsprechende über Resistmasken vorgenommene Ätz- oder Strahlspanverfahren.
Aus den Offenlegungsschriften DE 24 47 814 A1 sowie DE 196 26 410 A1 sind SAW-Substrate mit unerwünschte Wellen zerstreuenden Vertiefungen bekannt.
Allen diesen Rückseitenbearbeitungsverfahren ist gemein, daß sie erheblichen prozeßtechnischen Aufwand erfordern, was sich in erhöhten für die Fertigung benötigten Flächen und erhöhten Fertigungskosten niederschlägt. Außerdem wird die mechanische Festigkeit von Wafern und der daraus hergestellten Chips er heblich verringert. Dies beeinträchtigt die Ausbeute und stellt ein potentielles Risiko für die Zuverlässigkeit dar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Substrat für mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente anzugeben, welches in einfacher und kostengünstiger Weise zur Unterdrückung unerwünschter Wellenanteile führt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Substrat nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Substrats sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung schlägt vor, auf der Substratrückseite, die der für die Bauelementstrukturen vorgesehenen Hauptoberfläche gegenüberliegt, nicht partiell Material abzutragen, sondern vielmehr partiell Materialeigenschaften des Substrats zu verändern. Diese partielle Veränderung erfolgt in Zonen, die ein vorgegebenes Muster auf der Substratrückseite bilden. Damit läßt sich prinzipiell die gleiche Wirkung wie mit einem periodisch eingesägten Rillenmusters erzielen. In den veränderten Zonen werden die Ausbreitungseigenschaften für akustische Wellen verändert und somit an den Grenzflächen Reflexion erzeugt. Das Muster aus den genannten Zonen führt dabei zu einer gestreuten Reflexion, welche die Funktion des Bauelements erheblich weniger beeinflußen als eine ungestörte Reflexion an einer glatten Rückseite.
Bei den verwendeten piezoelektrischen Substratmaterialien bieten sich verschiedene Kenngrößen an, die sich in einfacher Weise verändern lassen. Beispielsweise ist es möglich, die im piezoelektrischen Substrat einheitlich orientierte elektrische Polarisation partiell in den zu verändernden Zonen zu stören, was beispielsweise durch Erhitzung über die Curie-Temperatur erfolgen kann. Eine noch wirksamere Strukturveränderung wird durch Übergang in den amorphen Zustand erzielt. Die so entstehende Phasengrenze ist bezüglich der streuenden Reflexion erheblich wirksamer und reduziert so die unerwünschten Wellenanteile im Ausgangswandler.
Für die erfindungsgemäßen Zwecke sind prinzipiell alle Arten von Mustern geeignet. Bevorzugt sind jedoch Muster, die eine gezielte Rückstreuung der unerwünschten Wellenanteile erzeugen. Ein solches Muster umfaßt im wesentlichen entlang einer Achse ausgerichtete streifenförmige Zonen, die vorzugsweise quer zur bevorzugten Wellenausbreitungsrichtung der gewünschten akustischen Welle angeordnet sind. Neben der Ausrichtung der streifenförmigen Muster ist auch noch die genaue Linienführung der streifenförmigen Zonen wesentlich. Besonders bevorzugt sind Wellenlinien umfassende Muster, insbesondere quer zur Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwellen ausgerichtete Wellenlinien. Weiter geeignet sind Zickzackmuster, bevorzugt quer zur Oberflächenwelle ausgerichtete. Mit Längsmustern läßt sich eine relativ zu Quermustern höhere Festigkeit des Substrats erreichen und damit eine höhere Bruchfestigkeit, insbesondere während der Bearbeitung.
Zur ebenfalls erfindungsgemäßen Herstellung der mit Rückseitenmustern versehenen Substrate lassen sich in einfacher Weise fokussierte Laserstrahlen einsetzen. Damit gelingt eine punktgenaue in einfacher Weise strukturierend durchführbare und in der einzukoppelnden Energiedosis exakt berechenbare Erhitzung des Substratmaterials. Damit ist eine lokale Störung der Polarisation und/oder ein Aufschmelzen und nachfolgendes Überführen in den amorphen Zustand möglich.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei Bearbeitung von Substraten aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat vorzugsweise ein NdYAG-Laser (1064 nm), der ggf. frequenzvervielfacht bei 532/355/266 nm eingesetzt werden kann, beziehungsweise ein CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm zur Bearbeitung von Quarzsubstraten eingesetzt. Die möglichen Energiedichten und Absorptionsverhältnisse sind in beiden Fällen ausreichend, scharf begrenzte Zonen mit Phasen oder Eigenschaftsumwandlung in dem piezoelektrischen Substrat zu erzeugen. Jedoch sind auch andere Laser geeignet, deren Wellenlängen im Bereich starker Absorption des Substratmaterials liegen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.
1 zeigt im schematischen Querschnitt ein herkömmliches OFW-Substrat mit eingesägten Rillen auf der Rückseite
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Substrat schematischen Querschnitt während des erfindungsgemäßen Verfahren
3 zeigt ein Bauelement mit einem erfindungsgemäßen Substrat im schematischen Querschnitt
4 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Muster
5 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Muster
6 zeigt ein drittes erfindungsgemäßes Muster
1 zeigt ein für Oberflächenwellenbauelemente geeignetes bekanntes piezoelektrisches Substrat S, welches auf der Rückseite R ein Muster von eingesägten Vertiefungen V aufweist. Durch die Vertiefungen wird die effektive, für die Bruchstabilität des Substrats wesentliche Schichtdicke um die Tiefe der Vertiefungen V reduziert. Damit ist klar, daß die Vertiefungen V die Stabilität des aus sprödem Material wie beispielsweise Lithiumniobat oder Lithiumtantalat hergestellten Wafers reduzieren. Darüber hinaus können die Vertiefungen bevorzugte Ausgangspunkte für weitere Rissbildung oder gar für einen Bruch des Substrats bilden.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Substrat im schematischen Querschnitt. Das Substrat weist auf der Rückseite R modifizierte Zonen Z auf, insbesondere Zonen, in denen die Polarisierung gestört ist und/oder ein amorpher Aggregatszustand konserviert ist. Mit L ist ein Laserstrahl bezeichnet, der zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zonen geeignet ist. In dessen Spot SP erhitzt sich das Substratmaterial, wobei die entsprechende Eigenschaftsänderung ggf. ein Aufschmelzen des Substratmaterials im Bereich des Spots erfolgt. Die Wellenlänge des Lasers ist dabei so bemessen, daß sie im Bereich hinreichender Absorption des Substratmaterials liegt. Damit ist ein schneller und effektiver Energieeintrag über den Laserstrahl in das Substrat beziehungsweise in den Spot garantiert. Die Scangeschwindigkeit des Lasers, mit der dieser über die Oberfläche des Substrats S bewegt wird, wird so gewählt, daß ausreichend Energie in einen Spot SP eingekoppelt wird und daß die Tiefe der sich ausbildenden Zonen Z einen für die reflektive Wirkung erforderlichen Minimalwert überschreitet. Abhängig von der Frequenz der Geometrie des Filters beträgt diese Tiefe wenige μm bis hin zu etwa 100 μm.
In Abhängigkeit vom Grad der lokalen Erwärmung beziehungsweise von der durch die lokale Erwärmung erreichten Substrattemperatur T können drei Varianten unterschieden werden:

a) T < T_C < T_S
b) T_C < T < T
c) T_C < T_S < T,

_C

Im Fall b reicht die Temperatur im Spot SP aus, die Vorpolarisation des piezoelektrischen Substrats zu stören oder aufzuheben. Die Temperatur T reicht aber noch nicht aus, das Substrat aufzuschmelzen. In diesem Fall kann auf die Einwirkung eines äußeren elektrischen Felds verzichtet werden. Das äußere elektrische Feld kann aber unterstützend eingesetzt werden.
Im Fall c wird der größte Effekt erzielt. Die Temperatur im Spot SP ist ausreichend, sowohl das Substratmaterial aufzuschmelzen, als auch die Polarisation zu stören beziehungsweise aufzuheben. Auch hier kann die Wirkung mit einem äußeren, der Polarisation des Substratmaterials entgegengesetzten elektrischen Feld verstärkt werden. Durch entsprechend lange Einwirkung des Lasers und insbesondere durch Führung des Lasers über die Rückseite des Substrats werden Zonen Z gemäß einem geeigneten vorgegebenen Muster erzeugt, in denen das Material amorph und nicht polarisiert ist, und die zum übrigen Substrat eine Phasengrenze ausbilden.
3 zeigt ein aus einem erfindungsgemäßen Substrat S hergestelltes Oberflächenwellenbauelement. Auf der Rückseite R weist es ein Muster von Zonen Z auf, in den Substratmaterialeigenschaften verändert sind. Auf der Vorderseite H sind die Bauelementstrukturen aufgebracht, hier z. B. Interdigitalwandler IDT in Form periodischer Gitterstrukturen. Beiderseits der Interdigitalwandler sind auf der Oberfläche H Dämpfungsstrukturen D aufgebracht, die zur Absorption und Dämpfung in Richtung Substratkante laufender Oberflächenwellen geeignet sind. Ein Teil der mit dem Interdigitalwandler IDT in das Substrat S eingekoppelten Energie wird in eine Volumenwelle W überführt, die in Richtung Substratinneres beziehungsweise in Richtung Substratrückseite läuft. An der Rückseite R trifft sie auf das vorzugsweise regelmäßige Muster mit den Zonen Z, die zu einer Reflexion in unterschiedliche Richtungen und damit zu einer Streuung der Volumenwelle W führen. Der in Richtung Substratoberfläche H reflektierte Anteil W_red ist dann gegenüber der ursprünglichen Volumenwelle W deutlich abgeschwächt.
4 zeigt in einer Draufsicht auf die Rückseite ein bevorzugtes Muster M für die Zonen Z eines erfindungsgemäßen Substrats. Dieses besteht hier aus Wellenlinien, die quer zur bevorzugten Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle X angeordnet sind. Das Muster aus Wellenlinien hat den Vorteil, daß die Reflexion an diesen Linien beziehungsweise an einer dieser Linie folgenden Zone in unterschiedliche Richtung erfolgt, die abhängig ist vom Auftreffwinkel der Welle auf die Linie. Dies führt zu einer guten Streuung der anfänglich gebündelten Volumenwelle, wobei die Energiedichte der reflektierten Volumenwelle W_red erheblich geringer ist, als die Energiedichte der ursprünglich erzeugten Volumenwelle W.
5 zeigt ein weiteres mögliches Muster M', wie die erfindungsgemäßen Zonen angeordnet sein können. Auch an gemäß diesem Muster M' ausgebildeten Zonen erfolgt die Reflexion in unterschiedliche Richtungen, die eine Streuung der Welle erreichen. Möglich ist es auch, dieses und andere Muster parallel zur Ausbreitungsrichtung der Oberflächenwelle auszurichten.
Die Wirkung des in 6 dargestellten Streifenmusters M'' ist ähnlich der einer aufgerauhten Oberfläche, da keine größeren zusammenhängenden reflektierenden Strukturen vorhanden sind.
Der Vorteil der Erfindung liegt in jedem Fall darin, daß gegenüber einem eingesägten bekannten Wafer die Bruchstabilität erheblich verbessert ist, da ein erfindungsgemäßes Substrat keine reduzierte Dicke gegenüber einem unbearbeiteten Substrat aufweist. Darüber hinaus werden beim erfindungsgemäßen Verfahren keinerlei Partikel oder sonstige Verunreinigungen durch Schleif- oder Sägeabfälle erzeugt, die die Bauelementfunktion direkt stören können oder die die weitere Herstellung von Bauelementstrukturen behindern können. Das Herstellen der Zonenmuster mit Hilfe des Lasers ist ein schnelles Verfahren und erfordert wenig zusätzliches Equipment. Das Verfahren kann im Waferstadium vor oder nach der Herstellung der Bauelement-Strukturen oder gar erst beim diskreten und vereinzelten Bauelement selbst durchgeführt werden. Ebenso kann ein erfindungsgemäßes Substrat ein vereinzeltes Chipsubstrat mit und ohne Bauelementstrukturen sein.

Claims

Piezoelektrisches Substrat für mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente umfassend einen Substratkörper (S) aus piezoelektrischem kristallinen Material mit einer für Bauelementstrukturen (IDT) vorgesehenen Hauptoberfläche (H) mit einem Muster (M), das ohne Materialabtrag in die der Hauptoberfläche gegenüberliegende Rückseite (R) eingebettet ist und aus Zonen (Z) gebildet ist, in denen das Substratmaterial gegenüber dem übrigen Substrat unterschiedliche Eigenschaften aufweist.
Substrat nach Anspruch 1, bei dem das Muster (M) aus Zonen (Z) gebildet ist, in denen das Substrat (S) einen amorphen Zustand aufweist.
Substrat nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Muster (M) aus Zonen (Z) gebildet ist, in denen die Polarisation des piezoelektrischen Substrats (S) gestört ist.
Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Muster (M) aus streifenförmigen Zonen (Z) gebildet ist, die im wesentlichen vertikal zur akustischen Hauptausbreitungsrichtung ausgerichtet sind.
Substrat nach Anspruch 4, bei dem das Muster (M) Wellenlinien umfaßt.
Substrat nach Anspruch 4 oder 5, bei dem das Muster (M') Zickzacklinien umfaßt.
Verfahren zum Herstellen eines Substrats für mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente, bei dem ein Substrat (S) aus piezoelektrischem Material auf der als Rückseite (R) vorgesehenen Oberfläche mit einem fokussierten Laserstrahl (L) erhitzt wird bei dem dadurch in den erhitzten Zonen (SP) eine charakteristische Kenngröße des Substratmaterials verändert wird, und bei dem der Laserstrahl so geführt wird, daß die Zonen (Z) mit verändertem Substratmaterial ein vorgegebenes Muster bilden.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem als charakteristische Kenngröße die elektrische Polarisation verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem als charakteristische Kenngröße die Kristallinität verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem das piezoelektrische Substrat (S) mit dem Laserstrahl (L) in den Zonen (SP) auf eine Temperatur erhitzt wird, die über der Curietemperatur des piezoelektrischen Substrats liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem man das piezoelektrische Substrat (S) mit dem Laserstrahl (L) in den Zonen (Z) schmelzen und anschließend so erstarren läßt, daß das Material im amorphen Zustand verbleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem man während des Verfahrens ein äußeres elektrisches Feld mit einer der Polarisierung (P) des piezoelektrischen Substrats (S) entgegengesetzten Polarität auf das Substrat einwirken läßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem die mit dem Laserstrahl (L) in das Substrat (S) eingekoppelte Leistung so bemessen wird, daß die Zonen (Z) eine Tiefe d_Z erreichen für die gilt 5 μm < d_Z < 200 μm.