DE102004032621B4

DE102004032621B4 - SAW Bauelement mit verbesserter Leistungsverträglichkeit

Info

Publication number: DE102004032621B4
Application number: DE102004032621.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ruppel Clemens; Dr. Kovacs Günter; Dr. Ruile Werner; Dr. Rösler Ulrike
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2004-07-05
Filing date: 2004-07-05
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2024-07-06
Also published as: DE102004032621A1

Abstract

SAW Bauelement – mit einem piezoelektrischen Substrat (PS), auf dessen Oberseite Fingerelektroden (FE) umfassende, elektrisch leitende Bauelementstrukturen aufgebracht sind, die zumindest eine akustische Spur ausbilden, – wobei die Fingerelektroden im Querschnitt an der Basis am breitesten sind und sich nach oben hin mit zunehmendem Abstand von der Substratoberseite verjüngen – mit einer über den Fingerelektroden (FE) und dem piezoelektrischen Substrat (PS) angeordneten dielektrischen Schicht (DS) einer relativen Schichtdicke von 5 bis 40% der Wellenlänge der im Bauelement erzeugten akustischen Welle – bei dem der Kantenwinkel α der Bauelementstrukturen zwischen 45 und 85° liegt – bei dem die dielektrische Schicht (DS) auf ihrer Oberseite eine Topographie aufweist, die neben ebenen Bereichen Erhebungen (E) umfasst, die über der akustischen Spur angeordnet sind und ein Reflektorgitter ausbilden – bei dem das piezoelektrische Substrat (PS) mechanisch fest mit einer Verspannungsschicht (VS) verbunden ist – bei dem die Verspannungsschicht (VS) einen Temperaturkoeffizienten TCE2 der thermischen Ausdehnung aufweist, der geringer ist als der Temperaturkoeffizient TCE1 des Substrats (PS).

Description

Aus der DE 10206369 A1 ist ein SAW Bauelement mit einer Aluminium umfassenden Elektrodenstruktur bekannt, bei dem zur Erhöhung der Leistungsverträglichkeit unterhalb der Elektrodenstruktur eine mechanisch stabile Anpassungsschicht angeordnet ist. Diese kann insbesondere Kupfer, eine Titanlegierung, Magnesium oder Titannitrid umfassen und eine Schichtdicke von 2 bis 30 nm aufweisen.
Weiter wurde zum Beispiel in der US 2003/0151329 A1 bereits vorgeschlagen, die gesamte Elektrodenstruktur von SAW Bauelementen aus Kupfer oder Silber zu gestalten. Auch Mehrschichtmetallisierungen, die neben den herkömmlichen Schichten aus Aluminium oder Aluminium umfassenden Legierungen noch leistungsverträgliche Schichten aus Kupfer aufweisen.
In der DE 10236003 A1 wird vorgeschlagen, die Fingerelektroden zumindest teilweise in die Oberfläche des Substrats zu versenken, um die Elektro- und Akustomigration von Elektrodenmaterial zu reduzieren. Insbesondere die Basis der Elektrode ist so geschützt, die während des Betriebs des Bauelements dem höchsten mechanischen Stress ausgesetzt ist. Ähnliche Effekte werden auch mit insbesondere diffusionsdichten Passivierungsschichten über der Elektrodenstruktur erreicht. Für diese wurde ein elektrisch isolierendes Material vorgeschlagen, beispielsweise ein Oxid, ein Nitrid oder ein Carbid von Silizium oder einem Metall.
Aus der EP 1253712 A1 ist es bekannt, den Querschnitt der Elektrodenfinger von SAW Bauelementen trapezförmig zu gestalten.
Aus der JP 2002 217 672 A sind ebenfalls Elektrodenfinger von SAW Bauelementen mit trapezförmigem Querschnitt bekannt.
Aus der US 5998907 A ist es bekannt, einen Piezowafer mit einem weiteren Wafer von geringerer thermischer Ausdehnung zu verspannen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein SAW-Bauelement anzugeben, dessen Metallisierung so ausgestaltet ist, dass sie eine bessere Leistungsverträglichkeit und einen verbesserten Temperaturkoeffizienten der Frequenz aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Bauelement weist ein herkömmliches piezoelektrisches Substrat auf, auf dessen Oberseite Fingerelektroden umfassende elektrische Bauelementstrukturen aufgebracht sind. Dabei sind die Fingerelektroden im Querschnitt so verändert, dass dieser an der Basis bzw. an der Grenzfläche zum Substrat die größten Abmessungen aufweist und sich nach oben hin vom Substrat weg verjüngt. Die Fingerelektroden sind mit trapezförmigem Querschnitt ausgebildet, wobei die Basen parallel zueinander ausgerichtet sind, die Kanten jedoch einen Kantenwinkel zum Substrat bilden, der zwischen 45° und 85° liegt. Über den Fingerelektroden und dem piezoelektrischen Substrat ist eine dielektrische Schicht angeordnet mit einer relativen Schichtdicke von 5 bis 40% der Wellenlänge der im Bauelement erzeugten akustischen Welle. Die dielektrische Schicht weist auf ihrer Oberseite eine Topographie auf, die neben ebenen Bereichen Erhebungen umfasst, die über der akustischen Spur angeordnet sind und ein Reflektorgitter ausbilden. Das piezoelektrische Substrat ist mechanisch fest mit einer Verspannungsschicht verbunden. Die Verspannungsschicht weist einen Temperaturkoeffizienten TCE2 der thermischen Ausdehnung auf, der geringer ist als der Temperaturkoeffizient TCE1 des Substrats.
Überraschend hat sich gezeigt, dass ein solches Bauelement gegenüber bekannten Bauelementen mit Fingerelektroden mit rechteckigen Querschnitt eine verbesserte Leistungsverträglichkeit aufweist. Dies bedeutet, dass erfindungsgemäße Bauelemente mit höheren Strömen beaufschlagt werden können, ohne dadurch stärkere Schäden zu erleiden. Beim Betrieb mit gleichen Signalstärken weisen erfindungsgemäße Bauelemente eine höhere Lebensdauer auf, da sie eine geringere Alterung als die bekannten Bauelemente besitzen.
Die dielektrische Schicht hat den vorteilhaften Effekt, die Temperaturabhängigkeit der Frequenz des Bauelements zu reduzieren. Zusammen mit den erfindungsgemäßen Fingerelektroden kann die darüber aufgebrachte dielektrische Schicht vorteilhaft in einer höherer Schichtdicke und spannungsfreierer Schichtstruktur erzeugt werden. Bisher wird beobachtet, dass dielektrische Schichten über Bauelementstrukturen mit zunehmender Dicke Spannungen und in der Folge Risse aufweisen, die die Qualität der Schicht nachteilig beeinflussen. Auch mit zunehmender Höhe bekannter Metallisierungen nimmt die Qualität einer darüber aufgebrachten dielektrischen Schicht ab.
Mit den erfindungsgemäßen Bauelementstrukturen wird eine verbesserte Kantenbedeckung der Bauelementstrukturen durch die dielektrische Schicht erzielt, die zu einer spannungsfreieren Schicht, zu einer besseren Schichtstruktur und damit zu einer besser wirksamen dielektrischen Schicht führt, die eine wesentlich verbesserte Reduzierung der Temperaturabhängigkeit der Frequenz des Bauelements zur Folge hat. Zum einen wird der gleiche Einfluss bzw. die gleiche Verbesserung der Temperaturabhängigkeit bereits mit niedrigerer Schichtdicke erreicht, zum anderen lässt sich ohne Nachteil die Dicke der dielektrischen Schicht und/oder die Dicke der Bauelementstrukturen weiter erhöhen als bei bekannten Bauelementen.
Mit der verbesserten Kantenbedeckung bei der Abscheidung der dielektrischen Schicht über den erfindungsgemäßen Bauelementstrukturen geht als weiterer Vorteil einher, dass sich die Fingerstruktur der Elektroden auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht fortsetzt und dort zu einem entsprechenden Muster von Erhebungen führt. Diese weisen eine Reflektivität für die akustische Welle auf und bilden somit ein zusätzliches Reflexionsgitter, das für die Funktion des Bauelements von Bedeutung ist. Während die dielektrische Schicht als solche die Reflektivität der Fingerelektroden selbst reduziert, wird mit den Erhebungen der dielektrischen Schicht die Reflektivität pro Finger wieder verbessert und auf einen Wert gesteigert, der in der Summe über der Reflektivität bekannter Elektrodenfinger ohne dielektrische Schicht liegt. Ein derartiges Bauelement kann daher als Resonator mit einer verringerten Anzahl an Elektrodenfingern ausgebildet werden. Dies führt zu einem geringeren Platzbedarf erfindungsgemäßer Bauelementstrukturen und damit zu kleineren Bauelementen. Vorteilhaft werden erfindungsgemäße Fingerelektroden in Verbindung mit der dielektrischen Schicht für Resonatoren und aus Resonatoren ausgebildete oder Resonatoren umfassende Filter eingesetzt.
Vorzugsweise ist die dielektrische Schicht eine SiO₂-Schicht, die vorteilhaft in guter amorpher Struktur mittels eines Sputter- oder eines PECVD-Verfahrens aufgebracht ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Erhebungen auf der Oberseite der dielektrischen Schicht im selben Raster wie die Fingerelektroden angeordnet, besitzen jedoch eine Struktur, die dem Bauelement eine gegenüber den Fingerelektroden veränderte Reflektivität verleiht. Dies wird erreicht, indem die Erhebungen in Form eines SPUDT-Wandlers gebildet sind. Dies kann erreicht werden, indem die Zentren der Reflektivität gegenüber den Zentren der Anregung, die in den Fingerelektroden lokalisiert sind, verschoben wird. Eine solche, nicht mehr der Struktur der Fingerelektroden entsprechende Topographie der Erhebungen der dielektrischen Schicht kann natürlich nur durch nachträgliche Strukturierung erhalten werden. Eine solche Strukturierung kann durch Schichtabtrag mittels einer Maske oder durch strukturierte Schichtabscheidung über einer Abscheidemaske erzeugt werden.
Im Rahmen der Erfindung liegt es, dass die Erhebungen der dielektrischen Schicht ebenfalls Kantenwinkel aufweisen, die vorteilhaft zwischen 25 und 85° liegen. Es zeigt sich dabei, dass auch Erhebungen mit niedrigen Kantenwinkeln noch ausreichend Reflektivität aufweisen und so die Reflektivität des gesamten Bauelements in der Summe verbessern können.
Eine als SiO₂-Schicht ausgebildete dielektrische Schicht weist vorteilhaft einen Brechungsindex von 1,44 bis 1,49 auf.
Mit einem solchen Brechungsindex weist die SiO₂-Schicht erfindungsgemäß einen nur niedrigen Anteil an SiO₂-Schicht und damit nur geringe Abweichungen von der gewünschten Stöchiometrie auf.
Eine gute Kantenbedeckung und eine homogene Struktur der dielektrischen Schicht und damit eine analog der Fingerstruktur ausgebildete Topographie der dielektrischen Schicht bzw. der darauf angeordneten Erhebungen wird erhalten, wenn die Metallisierungsstärke η, die ein Maß für das Verhältnis von mit Metall bedeckter zu freier Substratoberfläche angibt, im Bereich der Fingerelektroden zwischen 0,4 und 0,6 gewählt wird. Höhere Metallisierungsstärken führen zu verminderter Kantenbedeckung, während geringere Metallisierungsstärken die Bauelementeigenschaften negativ beeinflussen. Können aus anderen Gründen jedoch Nachteile in Kauf genommen werden, so sind erfindungsgemäße Bauelemente auch mit anderer Metallisierungsstärke realisierbar.
Zur Verbesserung der Stabilität der dielektrischen Schicht gegenüber Umwelteinflüssen ist es von Vorteil, in die dielektrische Schicht eine Dampfsperre aus einem Material zu integrieren, das eine geringere Durchlässigkeit für Wasserdampf besitzt. Vorzugsweise wird die dielektrische Schicht daher als SiO₂-Schicht ausgebildet, in der ein vorzugsweise oberer oder oberster Schichtbereich einen Anteil an Stickstoff aufweist, so dass sich eine Dampfsperre aus Si_XN_YO₂ integriert ist. Die Dampfsperrwirkung ist mit zunehmendem y bzw. zunehmendem Anteil an Stickstoff verbessert und bei einer reinen Siliziumnitridschicht optimal.
In Verbindung mit der Erfindung können selbstverständlich alle weiteren Maßnahmen ergriffen werden, die zur zusätzlichen Leistungsverträglichkeit des Bauelements führen. Insbesondere sind dies die eingangs erwähnten an sich bekannten Methoden bezüglich Auswahl des Elektrodenmaterials, Schichtaufbau der Elektroden mit bestimmter Struktur, und eine Passivierungsschicht für die Elektrodenstruktur.
Vorteilhaft weist eine erfindungsgemäße Bauelementstruktur daher zumindest eine Schicht eines Metalls oder einer Metalllegierung auf, die eine höhere Dichte als Aluminium aufweist. Diese Schicht ist vorzugsweise die unterste Schicht. Möglich ist es auch, die unterste Schicht einer erfindungsgemäßen Bauelementstruktur in Form einer mechanisch stabilen Anpassungsschicht vorzusehen, beispielsweise aus Kupfer, einer Titanlegierung, Magnesium oder Titannitrid.
Eine vorteilhafte Metallisierung für erfindungsgemäße Bauelementstrukturen besteht aus einer einheitlichen Schicht eines Metalls oder einer Metalllegierung oder einem Stapel mehrerer unterschiedlicher Schichten, und umfasst zumindest eines der Metalle Magnesium, Kupfer, Molybdän, Wolfram, Gold, Silber oder Platin.
Eine gegenüber Aluminium verbesserte Bauelementstruktur wird bereits erhalten, wenn sie zumindest eine Schicht eines Metalls oder Metalllegierung umfasst, das ein höheres E-Modul als Aluminium aufweist.
Ein erfindungsgemäßes Bauelement mit verbesserter Leistungsverträglichkeit ist zusätzlich noch bezüglich der Temperaturabhängigkeit der Frequenz verbessert, indem erfindungsgemäß das piezoelektrische Substrat mechanisch fest mit einer Verspannungsschicht verbunden ist. Diese Verspannungsschicht weist vorteilhaft einen Temperaturkoeffizienten auf, der geringer ist als derjenige des Substrats. Vorteilhaft ist die Verspannungsschicht durch Bonden mit dem piezoelektrischen Substrat verbunden, wobei der Bondvorgang vorteilhaft auf Waferebene durch Verbinden eines Substratwafers mit einem Verspannungswafer vorgenommen wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt Details eines ersten erfindungsgemäßen Bauelements im schematischen Querschnitt
2 zeigt ein bekanntes Bauelement mit einer zusätzlichen dielektrischen Schicht
3 zeigt das Bauelement mit dielektrischer Schicht und Erhebungen darin
4 zeigt das Bauelement zusätzlich mit einer Verspannungsschicht
5 zeigt den Spannungsverlauf unterschiedlicher Bauelemente in Abhängigkeit vom Kantenwinkel
6 zeigt verschiedene Bauelemente mit dielektrischer Schicht und verschiedenen Topographien der dielektrischen Schicht.
7 bis 9 zeigen verschiedene Möglichkeiten an, Bauelementstrukturen mit schrägen Kantenwinkeln zu erzeugen.
1 zeigt Details eines ersten erfindungsgemäßen Bauelements in schematischem Querschnitt. Auf einem piezoelektrischen Substrat PS sind Bauelementstrukturen mittels einer strukturierten Metallisierung verwirklicht. In der Figur dargestellt ist ein in longitudinaler Richtung geführter Querschnitt durch die Fingerelektroden FE, die einen Teil der Bauelementstrukturen bilden. Die Fingerelektroden sind als flache Metallstreifen ausgebildet, die erfindungsgemäß einen Kantenwinkel α von weniger als 85° aufweisen. Die Höhe der Fingerelektroden beeinflusst das Verhalten des Bauelements wesentlich und kann in weiten Bereichen zwischen 2 und 12% bezogen auf die Länge einer im Bauelement erzeugten akustischen Welle gewählt werden. Es zeigt sich jedoch, dass geringere Metallisierungshöhen im Bereich von 4 bis 6% zu bevorzugen sind.
Zu erfindungsgemäßen Bauelementen mit sich verjüngenden Fingerelektroden werden Berechnungen angestellt, um den damit erzielten Effekt der verbesserten Leistungsverträglichkeit zu quantifizieren. Da sich die Leistungsverträglichkeit jedoch nicht direkt berechnen lässt, wird als Ersatzparameter der von-Mises Stress berechnet, der die maximale Scherspannung T₄ in yz-Richtung der Fingerelektroden in Abhängigkeit von einem Kantenwinkel, die während des Betriebs des Bauelements auftreten kann.
In 5 sind die Ergebnisse dieser Berechnungen, die nach der Methode der finiten Elemente (FEM) durchgeführt wurden, für vier verschiedene Metallisierungen dargestellt. Die Kurve A gibt die Messergebnisse einer Aluminiummetallisierung relativer Metallisierungshöhe 9,5% bei einer Metallisierungsstärke von 0,7 an. Kurve B gibt die Messwerte für eine Aluminiummetallisierung einer relativen Metallisierungshöhe von 9,5% bei einer Metallisierungsstärke von 0,5 an. Kurve C zeigt die Messwerte einer Aluminiummetallisierung mit 7% relativer Metallisierungshöhe und einer Metallisierungsstärke von 0,7. Kurve D zeigt die Messwerte für eine weitere Aluminiummetallisierung der relativen Metallisierungshöhe 7% bei einer Metallisierungsstärke von 0,5. Die yz-Scherspannung ist in virtuellen Einheiten gegen den entsprechenden Kantenwinkel α aufgetragen.
Es zeigt sich, dass für alle beispielhaft ausgewählten Metallisierungen ein nahezu linearer Abfall der Scherspannung T₄ mit abnehmendem Kantenwinkel α beobachtet wird. Weiterhin lässt sich den Ergebnissen entnehmen, dass für einen beliebigen einzelnen Kantenwinkel bereits mit einer geringeren Metallisierungshöhe ebenso wie mit einer geringeren Metallisierungsstärke jeweils eine geringere Scherspannung erzielt wird. Dies bedeutet, dass eine der Kurve B entsprechende Metallisierung mit der geringsten beispielhaften Metallisierungshöhe und der geringsten Metallisierungsstärke die relativ geringste Scherspannung T₄ aufweist. Der Abfall der Scherspannung mit kleiner werdendem Kantenwinkel α ist dagegen für alle Metallisierungen ähnlich und beträgt über das untersuchte Winkelintervall von 90 auf 60° bei den dargestellten Beispielen zwischen 33 und 41%.
Der Abfall der Scherspannung mit abnehmendem Kantenwinkel bedeutet, dass Bauelemente mit Fingerelektroden mit geringem Kantenwinkel eine erheblich verbesserte Leistungsverträglichkeit aufweisen. Die Leistungsverträglichkeit selbst errechnet sich dann exponentiell aus der Scherspannung T₄ zu (T₄)^a, wobei a ≥ 6, so dass sich beim Übergang von einem bekannten Kantenwinkel von 90° auf einen erfindungsgemäßen Kantenwinkel von beispielsweise 60° eine um weit mehr als 40% verbesserte Leistungsverträglichkeit ergibt. Die beobachtete Scherspannung ist ein mechanischer auf die Bauelementstrukturen wirkender Stress und erhöht die beim Betrieb des Bauelements immer auftretende Elektro- und Akustomigration von Elektrodenmaterial, die zur Ausbildung von Hohlräumen, sogenannter Voids und zur Ausbildung von unerwünschten Erhebungen auf den Elektrodenstrukturen, sogenannter Hillocks führt. In allen Fällen führt diese Elektrodenmaterialmigration unter Betriebsbedingungen zu einer unerwünschten Verdünnung von Elektrodenstrukturen und führt bis hin zur Zerstörung der Elektrodenstruktur und des Bauelements. Aufgrund der Hillocks kann es auch zu Kurzschlüssen kommen, die ebenfalls das Bauelement zerstören können.
Da mit einem Kantenwinkel α < 90° bei gleichbleibender Metallisierungshöhe und Metallisierungsstärke gleichzeitig auch der Leiterbahnquerschnitt verringert ist, führt ein kleinerer Kantenwinkel auch zu einem höherem ohmschen Widerstand. Im Rahmen der Erfindung liegt es daher auch, den Kantenwinkel nicht so weit zu reduzieren, bis eine minimale Scherspannung auftritt, sondern in Abwägung mit den dabei in Kauf zu nehmenden ohmschen Verlusten einer entsprechende optimale Mittellösung zu finden. Ein guter Wert mit deutlicher Reduzierung der Scherspannung und damit deutlicher Verbesserung der Leistungsfähigkeit wird beispielsweise mit einem Kantenwinkel von etwa 75° +/– 5° erzielt.
2 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Bauelement, bei dem zumindest über den Fingerelektroden FE eine dielektrische Schicht DS, insbesondere eine SiO₂-Schicht abgeschieden ist. Die schrägen Kantenwinkel führen dazu, dass die dielektrische Schicht DS in außerordentlich guter Qualität mit nur geringen Verspannungen abgeschieden werden kann. Eine solche Schicht ist dann weitestgehend frei von Rissen, mechanisch stabil und hat eine maximale Wirkung durch Verringerung der Temperaturabhängigkeit der Frequenz. Die ebene Oberfläche kann durch Rückätzen erreicht werden, beispielsweise durch Erhöhung der BIAS Spannung beim Abscheideverfahren und damit durch Erhöhung der Rückätzrate.
3 zeigt eine dielektrische Schicht DS, die im Gegensatz zur dielektrischen Schicht von 2 erfindungsgemäß in kantenbedeckender Art und Weise über den Fingerelektroden FE aufgebracht wurde. Dies führt dazu, dass die Oberfläche der dielektrischen Schicht eine den Fingerelektroden FE entsprechende Topographie aufweist und über jeder Fingerelektrode eine Erhebung E zeigt. Zwischen den Erhebungen ist die Oberfläche der dielektrischen Schicht plan und parallel zur Oberfläche des piezoelektrischen Substrats PS ausgerichtet.
Diese Anordnung zeigt gegenüber der in 2 dargestellten Anordnung eine erheblich höhere Reflektivität, die pro Elektrodenfinger gerechnet sogar über der Reflektivität eines herkömmlichen Bauelements ohne die elektrische Schicht mit Kantenwinkeln von 90° liegt. Berechnungen zeigen, dass die Reflektivität eines Elektrodenfingers einer Metallisierungshöhe von 4% auf Lithiumtantalat ca. 5% beträgt. Bedeckt man diesen Finger mit einer an der Oberfläche ideal glatten SiO₂-Schicht mit 20% (bezogen auf die Wellenlänge) relativer Schichtdicke, wird die Reflexion mit ca. 2,3% pro Finger mehr als halbiert. Geht man nun zu einem Elektrodenfinger mit schrägem Kanten über, so wird zunächst eine weitere Verringerung der Reflektivität pro Finger beobachtet. Erzeugt man die SiO₂-Schicht jedoch so, dass sich wie in 3 dargestellt, auf der Oberfläche der SiO₂-Schicht entsprechende Erhebungen ausbilden, so kann die Reflektivität pro Finger gemessen erheblich gesteigert werden und den Wert von Standardmetallisierungen mit 90° Kantenwinkel ohne SiO₂-Schicht übertreffen. Wählt man sowohl für die Aluminiummetallisierung als auch für die Erhebungen Kantenwinkel von 75°, so wird eine Fingerreflektivität von ca. 5,9% abgeschätzt. Dies liegt erheblich über der Reflektivität eines nackten Elektrodenfingers mit 90° Kantenwinkel.
4 zeigt ein weiteres Detail der Erfindung, bei dem zusätzlich zur dielektrischen Schicht DS auf der Unterseite des piezoelektrischen Substrats eine Verspannungsschicht VS angeordnet und fest mit der piezoelektrischen Schicht PS verbunden ist. über einen Verspannungseffekt, der auf die elastischen Konstanten der piezoelektrischen Schicht PS einwirkt, wird auf diese Weise der Temperaturgang des Bauelements, also die Temperaturabhängigkeit der Mittenfrequenz des Bauelements weiter verringert. Da somit zwei Methoden zur Verringerung der Temperaturabhängigkeit parallel verwirklicht werden, kann beispielsweise die Dicke der dielektrischen Schicht DS reduziert werden, und dennoch in Verbindung mit der Verspannungsschicht VS eine gute bis vollständige Reduzierung der Temperaturabhängigkeit bis auf 0 oder negative Werte erreicht werden.
6 zeigt mehrere Möglichkeiten, wie die Topographie der dielektrischen Schicht DS ausgestaltet werden kann. Wählt man einen Schichtabscheideverfahren von sehr guter Kantenbedeckung, erhält man eine Topographie, bei der die Kantenwinkel β der Erhebungen E der dielektrischen Schicht annähernd den Kantenwinkeln α der Fingerelektroden entsprechen. 6a zeigt eine solche Ausführungsform ausschnittsweise. Üblich ist es jedoch, das Verfahren so einzustellen, dass eine leichte Abflachung der Kantenwinkel β der Erhebungen der dielektrischen Schicht bewirkt wird. Dies wird bei einem Sputterverfahren in einfacher Weise durch Erhöhung der BIAS-Spannung erreicht. Damit wird der Anteil der Rückätzung erhöht, der zu einer Einebnung der Oberfläche und damit in der Regel auch zu einer Verbesserung der Oberflächenqualität der dielektrischen Schicht führt. Je nach Ausmaß dieser Einebnung können Erhebungen E mit Kantenwinkeln β erhalten werden, die wesentlich geringer sind als die Kantenwinkel α der Fingerelektroden FE. 6b zeigt einen solchen Fall, bei der die Erhebung im Extrem bis zu einer pyramidenförmigen Struktur abgeflacht ist. Dennoch zeigt auch eine solche abgeflachte Erhebung noch eine ausreichend hohe Reflektivität, die die Ausführung ohne Verlust an Bandbreite im SAW-Bauelement geeignet machen.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die dielektrische Schicht mit ebener Oberfläche herzustellen bzw. durch einen geeigneten Schritt einzuebnen und erst anschließend entsprechende Erhebungen zur Herstellung eines Reflexionsgitters zu erzeugen. Dies kann durch strukturiertes Ätzen der zwischen den Erhebungen liegenden Vertiefungen erfolgen oder durch strukturierte weitere Abscheidung dielektrischen Materials über einer Abscheide- oder Abhebemaske. Auch wenn dieses Verfahren aufwendiger ist, so kann sich der Aufwand dennoch lohnen, da mit hohen Kantenwinkeln β der Erhebungen der dielektrischen Schicht eine weiter verbesserte Reflektivität erzielt werden kann. Außerdem ist es möglich, das durch die Erhebungen gebildete Reflektorgitter unabhängig von der Struktur der Fingerelektroden so auszugestalten, dass sich eine veränderte Reflektivität mithin eine gerichtete Reflektivität des Bauelements ergibt. Dies kann in einfacher Weise bereits dadurch erreicht werden, dass das Zentrum der Reflexion gegenüber dem Zentrum der Anregung, also gegenüber dem Gitter der Fingerelektroden verschoben wird. Möglich ist es jedoch auch, die Erhebungen in Form einer SPUDT-ähnlichen Struktur zu erzeugen.
Zur Herstellung der Fingerelektroden mit von 90° abweichendem Kantenwinkel bieten sich verschiedene Verfahren an. Ein gut geeignetes Verfahren zur Herstellung von Fingerelektroden ist die Abhebetechnik, bei der zunächst eine Resistmaske über der piezoelektrischen Schicht erzeugt und strukturiert wird, wobei die Maske die Bereiche unbedeckt lässt, an denen die Bauelementstrukturen erzeugt werden sollen. Anschließend wird ganzflächig eine Metallschicht abgeschieden und im nächsten Schritt schließlich die Maske samt darüberliegender Metallschicht abgehoben. Die gewünschten Kantenwinkel können nun hergestellt werden, indem die Resiststruktur mit entsprechenden komplementären Winkeln ausgeführt wird. Dies kann in einfacher Weise bei der Belichtung der Resistschicht erfolgen, indem mit einer strahlförmigen Lichtquelle LQ belichtet wird, wobei der Strahl LS unter dem gewünschten Kantenwinkel über die Resistschicht RS geführt wird. 7 zeigt ein solches Verfahren.
Möglich ist es jedoch auch, den zur Belichtung verwendeten Lichtstrahl der Belichtungsquelle LQ mit Hilfe einer Linse LI zu fokussieren. Je nachdem, ob der Fokus F über (8B) oder unter (8A) der Oberfläche der Resistschicht RS angeordnet wird, erhält man einen negativen oder einen positiven Kantenwinkel. Eine Umkehrung des Kantenwinkels in den entsprechenden Komplementärwinkel kann man auch erhalten, wenn man bei gleichbleibendem Belichtungsverfahren von einem Negativresist auf einen Positivresist übergeht oder umgekehrt. Bei einem Negativresist verbleibt der belichtete Bereich BB nach dem Entwickeln, während er bei einem Positivresist durch das Entwickeln herausgelöst wird.
Eine weitere Möglichkeit, eine Resistmaske mit schrägen Kanten zu erzeugen, liegt darin, das Belichtungsverfahren zur Erzeugung der Maske so zu führen, dass eine Unterbelichtung stattfindet. Alternativ oder zusätzlich kann eine Überentwicklung durchgeführt werden, die Unschärfen im Randbereich der Maske überbetont und zu schrägen Kantenwinkeln bei der Resistmaske führt.
9 zeigt als weitere Möglichkeit, in der Resistschicht an sich unerwünschte lichtstreuende Zentren SZ einzubauen, die zu einer Auffächerung durch Streuung des zur Belichtung verwendeten Lichtstrahls LS führen und zu einem belichteten Bereich BB führen, der sich nach unten hin verbreitert. Auf diese Weise kann bei Verwendung eines Positivresist eine Resiststruktur mit überhängenden Kanten erzeugt werden, so dass die komplementäre Struktur der späteren Metallisierung die entsprechenden gewünschten Kantenwinkel < 90° aufweist.
Eine weitere Möglichkeit, eine Resiststruktur mit schrägen Kanten zu erzeugen, kann mit einem Zweischichtresist erzielt werden. Über einer ersten, die eigentliche spätere Resistmaske bildende Schicht wird eine Fotoresistschicht erzeugt und strukturiert. Überträgt man nun die Struktur der Fotolackstruktur auf die darunter liegende Schicht mit einem isotropen Verfahren, so wird beim Ätz- oder Entwicklungsverfahren durch Unterätzen eine sich nach unten erweiternde Öffnung erzeugt, so dass sich auch hier während der Strukturübertragung überhängende Kanten der Resistschicht ausbilden.
Eine ähnliche Resiststruktur mit sich nach unten verbreiternden Öffnungen kann auch mit einem Resist erhalten werden, dessen Lichtempfindlichkeit von oben nach unten zunimmt. Die Zunahme kann kontinuierlich sein, oder stufenweise durch entsprechend unterschiedlich empfindliche Reistteilschichten erreicht werden. Eine Möglichkeit besteht auch darin, die Lichtempfindlichkeit des Resists von der Oberfläche her durch chemische oder andere Behandlung nachträglich zu reduzieren. Über einen nach unten hin abnehmenden Diffusionsgradienten lässt sich so auch eine nach unten zunehmende Lichtempfindlichkeit einstellen. Dieser Effekt kann verstärkt werden, wenn zum Belichten eine punktförmige Lichtquelle mit radial nach außen hin abnehmender Strahlungsintensität verwendet wird. Dieses Strahlungsprofil kann auch mit einer Linse erhalten werden.
Obwohl die Erfindung nur anhand weniger Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht auf diese beschränkt. Erfindungsgemäße Bauelemente mit Fingerelektroden mit schrägen Kantenwinkeln können mit beliebigen weiteren Maßnahmen und Ausgestaltungen kombiniert werden, da der mit den schrägen Kantenwinkeln erreichte Effekt der erhöhten Leistungsbeständigkeit sich unabhängig von weiteren Maßnahmen ergibt.

Claims

SAW Bauelement – mit einem piezoelektrischen Substrat (PS), auf dessen Oberseite Fingerelektroden (FE) umfassende, elektrisch leitende Bauelementstrukturen aufgebracht sind, die zumindest eine akustische Spur ausbilden, – wobei die Fingerelektroden im Querschnitt an der Basis am breitesten sind und sich nach oben hin mit zunehmendem Abstand von der Substratoberseite verjüngen – mit einer über den Fingerelektroden (FE) und dem piezoelektrischen Substrat (PS) angeordneten dielektrischen Schicht (DS) einer relativen Schichtdicke von 5 bis 40% der Wellenlänge der im Bauelement erzeugten akustischen Welle – bei dem der Kantenwinkel α der Bauelementstrukturen zwischen 45 und 85° liegt – bei dem die dielektrische Schicht (DS) auf ihrer Oberseite eine Topographie aufweist, die neben ebenen Bereichen Erhebungen (E) umfasst, die über der akustischen Spur angeordnet sind und ein Reflektorgitter ausbilden – bei dem das piezoelektrische Substrat (PS) mechanisch fest mit einer Verspannungsschicht (VS) verbunden ist – bei dem die Verspannungsschicht (VS) einen Temperaturkoeffizienten TCE2 der thermischen Ausdehnung aufweist, der geringer ist als der Temperaturkoeffizient TCE1 des Substrats (PS).
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Erhebungen (E) über jeder Fingerelektrode (FE) und im selben Raster wie die Fingerelektroden (FE) angeordnet sind.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Erhebungen (E) Kantenwinkel α zwischen 25 und 85° aufweisen.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 bei dem die Erhebungen (E) ein Reflektorgitter für akustische Wellen ausbilden, das eine gerichtete Reflektivität aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4 bei dem die dielektrische Schicht (DS) eine über den Bauelementstrukturen abgeschiedene SiO₂ Schicht ist.
Bauelement nach Anspruch 5, bei dem die SiO₂ Schicht einen Brechungsindex von 1,44 bis 1,49 aufweist.
Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, bei dem Verspannungsschicht (VS) und piezoelektrisches Substrat (PS) durch Bonden verbunden sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Bauelementstrukturen zumindest eine Schicht eines Metalls oder einer Metalllegierung aufweisen, die eine höhere Dichte als Aluminium aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Bauelementstrukturen zumindest eine Schicht eines Metalls oder einer Metalllegierung aufweisen, das einen höheren E-Modul als Aluminium aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Metallisierung der Bauelementstrukturen aus einer einheitlichen Schicht eines Metalls oder einer Metalllegierung oder aus einem Stapel mehrerer unterschiedlicher Schichten aufgebaut ist und zumindest eines der Metalle ausgewählt aus Magnesium, Kupfer, Molybdän, Wolfram, Gold, Silber und Platin enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelements nach Anspruch 1, – bei dem die Bauelementstrukturen zunächst als eine das geometrische Negativ der Bauelementstrukturen darstellenden Resistmaske in einer Photoresistschicht (RS) auf dem Substrat (PS) photolithographisch erzeugt werden, – bei dem anschließend eine Metallschicht in der gewünschten Dicke über der Maske abgeschieden wird, – bei dem die Maske samt der darüber angeordneten Bereiche der Metallschicht abgehoben werden, – wobei zur Herstellung der Resistmaske eine Resistschicht (RS) mit einem Lichtstrahl scannend unter einem gewünschten Kantenwinkel belichtet wird, wobei ein Positivresist mit Dispersionszentren (SZ) verwendet wird, der zu einer Streuung und damit zu einer Auffächerung des Lichtstrahls (LS) in der Resistschicht (RS) führt, oder wobei mit einem mittels einer Linse (LI) aufgefächerten Lichtstrahls (LS) scannend belichtet wird, oder – wobei ein Negativresist verwendet wird, der mit einem mittel einer Linse zu einem Kegel fokusierten Lichtstrahl scannend belichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Bauelementstrukturen mit Hilfe einer Photolithographie hergestellt werden, wobei eine Photoresistschicht so belichtet wird, dass eine Unterbelichtung resultiert.