DE102004058016B4

DE102004058016B4 - Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement mit hoher Bandbreite

Info

Publication number: DE102004058016B4
Application number: DE102004058016.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Rösler Ulrike; Dr. Meister Veit; Dr. Ruile Werner
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2024-12-02
Also published as: KR20070073992A; US7589453B2; WO2006058579A1; JP2008522514A; JP4940148B2; DE102004058016A1; US20080012450A1; KR101220241B1

Abstract

Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement, umfassend: ein piezoelektrisches Substrat (1) und darauf angeordnete, einen Mehrschichtaufbau aufweisende Elektrodenstrukturen, eine dielektrische Schicht (4), welche die Elektrodenstrukturen bedeckt und eine akustische Impedanz Za,d aufweist, wobei der Mehrschichtaufbau ein erstes Schichtsystem umfasst, das aus mindestens einer ersten Schicht (31, 32, 3) aus einem ersten Material besteht, in dem die akustische Impedanz kleiner als 2Za,d ist, wobei der Mehrschichtaufbau ein zweites Schichtsystem umfasst, das aus mindestens einer zweiten Schicht (21, 22, 23, 2) aus einem zweiten Material besteht, in dem die akustische Impedanz den Wert 2Za,d übersteigt, wobei der relative Anteil der Gesamtdicke des zweiten Schichtsystems bezogen auf die Gesamthöhe des Mehrschichtaufbaus zwischen 40% und 85% beträgt.

Description

Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement mit hoher Bandbreite
Die Erfindung betrifft ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement, insbesondere ein Hochfrequenzfilter.
Die Bandbreite eines Hochfrequenzfilters soll bezogen auf die Mittenfrequenz des Filters mindestens 5% betragen. Bei in Frontendmodulen der Mobilfunkgeräte einzusetzenden mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Bauelementen ist auch die Leistungsverträglichkeit von Elektrodenstrukturen des Bauelements von großer Bedeutung.
Leistungsverträgliche Elektrodenstrukturen mit einer Schichtenfolge von AlMgCu oder AlZrCu und Ti sind aus der Druckschrift R. Takayama et al, „High Power Durable Electrodes for GHz Band SAW Duplexers”, Ultrasonics Symposium, 2000 IEEE, Vol. 1, pp. 9–13 bekannt.
Aus den Druckschriften EP 0734120 B1 und US 2004/0140734 A1 ist jeweils ein mit Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement bekannt, bei dem die Oberfläche des piezoelektrischen Substrats mit den darauf angeordneten Elektrodenstrukturen mit einer temperaturkompensierenden Schicht aus Siliziumdioxid bedeckt ist. Die Elektrodenstrukturen sind durch eine Schicht aus Al oder einer Al-Legierung gebildet. Ein solches Bauelement weist allerdings eine Bandbreite auf, die für bestimmte Hochfrequenzanwendungen unzureichend sein kann.
Ein weiteres mit Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement, bei dem mit SiO₂-Schicht bedeckte Elektrodenstrukturen primär Ag enthalten, ist aus der Druckschrift US 2003/0137367 A1 bekannt.
Ein weiteres mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement ist aus DE 102 06 369 A1 bekannt. Dieses weist eine Elektrodenstruktur, eine Zwischenschicht und eine Anpassungsschicht auf.
Ferner ist aus US 5,774,962 A ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement bekannt, das eine Elektrode mit einer Aluminium-Kupfer-Legierung und einer Kupferschicht aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement mit einer hohen Leistungsverträglichkeit und einer hohen Bandbreite anzugeben.
Die Aufgabe der Erfindung ist durch ein Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Varianten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen hervor.
Ein mit Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement weist streifenförmige, auf einem piezoelektrischen Substrat periodisch angeordnete Elektrodenstrukturen auf, die an Stromsammelschienen angeschlossen sind. Der Abstand zwischen den Mitten von zwei Elektrodenstrukturen, die mit dem gleichen elektrischen Potential verbunden sind, bestimmt die Wellenlänge der Oberflächenwelle in der jeweiligen Bauelementstruktur.
Die Bandbreite eines mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Bauelements hängt von der Stärke der akustischen Reflexion an Kanten von Elektrodenstrukturen bzw. vom entsprechenden akustischen Impedanzsprung ab.
Die akustische Impedanz eines Materials lässt sich anhand der Formel Za = (ρ c)1/2 bestimmen, wobei c die Steifigkeit und ρ die Massedichte des Materials ist. Der akustische Impedanzsprung findet an einer Grenzfläche zwischen zwei Materialien, z. B. an einer Elektrodenkante statt, falls Za in den beiden angrenzenden Materialien unterschiedlich ist.
Falls die Oberfläche des piezoelektrischen Substrats eines Bauelements mit den darauf angeordneten Elektrodenstrukturen durch eine dielektrische Schicht (z. B. Siliziumdioxid) mit einer ähnlichen akustischen Impedanz wie der des Materials der Elektrodenstrukturen (üblicherweise Aluminium) bedeckt ist, kommt es zu einer unzureichenden akustischen Reflexion an den Elektrodenkanten, d. h. an der Grenzfläche zwischen den Elektrodenstrukturen und der dielektrischen Schicht.
Die Erfinder haben erkannt, dass die Reflexionsstärke der akustischen Oberflächenwelle durch das Material der Elektrodenstrukturen beeinflusst werden kann. Der akustische Impedanzsprung bzw. die Reflexionsstärke an Elektrodenkanten kann insbesondere dadurch erhöht werden, dass im Schichtaufbau der Elektrodenstrukturen mindestens eine dicke Schicht mit einer – bezogen auf die akustische Impedanz in der dielektrischen Schicht – deutlich unterschiedlichen akustischen Impedanz vorgesehen wird. Durch eine geeignete Auswahl der Dicke dieser Schicht gelingt es, die in der Anwendung benötigte akustische Reflexionsstärke einzustellen.
Es wird ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement mit einem piezoelektrischen Substrat und darauf angeordneten mehrschichtigen Elektrodenstrukturen angegeben, die durch eine dielektrische Schicht mit einer akustischen Impedanz Z_a,d bedeckt sind. Der Schichtaufbau der Elektrodenstrukturen umfasst einerseits ein erstes Schichtsystem, das aus mindestens einer ersten Schicht aus einem ersten Material besteht, in dem die akustische Impedanz Z_a,1 kleiner als 2Z_a,d ist, und andererseits ein zweites Schichtsystem, das aus mindestens einer zweiten Schicht aus einem zweiten Material besteht, in dem die akustische Impedanz Z_a,2 mindestens 2Z_a,d beträgt. Der relative Anteil der Gesamtdicke des zweiten Schichtsystems bezogen auf die Gesamthöhe des Mehrschichtaufbaus beträgt zwischen 40% und 85%, vorzugsweise maximal 60%.
Als erstes Material ist z. B. Al, Mg, Ti oder einer Aluminiumlegierung geeignet. Als zweites Material ist z. B. Cu, Ta, Mo, Cr, W, Ag, Pt, Au oder eine Legierung dieser Metalle geeignet.
Im Bauelement ist vorzugsweise ein Hochfrequenzfilter realisiert, das durch seine Mittenfrequenz und Bandbreite charakterisiert wird.
Die Elektrodenstrukturen gemäß der Erfindung zeichnen sich neben einer großen Bandbreite durch eine hohe Leistungsverträglichkeit und eine hohe Lebensdauer aus.
Die Gesamthöhe der Elektrodenstrukturen beträgt vorzugsweise zwischen 5% und 10% der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle. Diese Wellenlänge ist im Wesentlichen dem Mittenabstand zwischen zwei mit dem gleichen elektrischen Potential verbundenen streifenförmigen Elektrodenstrukturen gleich.
In einer bevorzugten Variante besteht das zweite Schichtsystem aus einer einzigen zweiten Schicht, vorzugsweise einer Cu-Schicht oder W-Schicht. Diese Schicht ist vorzugsweise die unterste Schicht oder eine der unteren Schichten des Mehrschichtaufbaus. Die zweite Schicht kann aber auch die oberste Schicht des Mehrschichtaufbaus bilden. Die zweite Schicht kann alternativ auch an einer anderen Stelle im Mehrschichtaufbau, vorzugsweise zwischen zwei ersten Schichten angeordnet sein.
Das erste Schichtsystem kann aus einer einzigen ersten Schicht vorzugsweise aus Al oder einer Al-Legierung bestehen. Das erste Schichtsystem kann alternativ aus mehreren, vorzugsweise voneinander getrennten ersten Schichten bestehen. Verschiedene Schichten des ersten Schichtsystems können aus dem gleichen Material, z. B. aus Al bestehen. Verschiedene Schichten des ersten Schichtsystems können auch aus voneinander unterschiedlichen Materialien bestehen.
Im zweiten Schichtsystem können mehrere, vorzugsweise gleichartige zweite Schichten z. B. aus Cu vorgesehen sein. In einer Variante können im zweiten Schichtsystem mehrere voneinander unterschiedliche zweite Schichten – beispielsweise eine Cu-Schicht sowie eine Au-Schicht als eine weitere zweite Schicht – vorgesehen sein.
Bei mehreren ersten und zweiten Schichten sind die ersten Schichten vorzugsweise in abwechselnder Reihenfolge mit den zweiten Schichten angeordnet. Verschiedene Schichten des ersten (oder des zweiten) Schichtsystems können auch aneinander grenzen.
Die auf die Gesamthöhe des Mehrschichtaufbaus bezogene relative Gesamtdicke des zweiten Schichtsystems beträgt vorzugsweise zwischen 40% und 50%.
In einer Ausführungsform ist eine zum piezoelektrischen Substrat gewandte Schicht des Mehrschichtaufbaus eine Haftvermittlerschicht z. B. aus Titan.
Die dielektrische Schicht – z. B. Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid – ist vorzugsweise eine temperaturkompensierende Schicht, deren Temperaturausdehnungskoeffizient ein entgegengesetztes Vorzeichen gegenüber dem piezoelektrischen Substrat und/oder den Elektrodenstrukturen aufweist. Eine temperaturkompensierende Schicht wirkt der Ausdehnung der Bauelementstrukturen entgegen und verhindert dabei, dass aufgrund einer thermischen Ausdehnung der Bauelementkomponenten bei Temperaturänderungen sich die Mittenfrequenz des Bauelements verschiebt.
Die (ab der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats gemessene) Höhe der dielektrischen Schicht beträgt vorzugsweise zwischen 20% und 40% der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen schematisch
1 einen beispielhaften Schichtaufbau einer Elektrodenstruktur mit der ersten Schicht als unterste Schicht des Mehrschichtaufbaus;
2 einen beispielhaften Schichtaufbau einer Elektrodenstruktur mit der ersten Schicht als oberste Schicht des Mehrschichtaufbaus;
3 einen beispielhaften Schichtaufbau einer Elektrodenstruktur mit einer zwischen zwei ersten Schichten angeordneten zweiten Schicht;
4 eine Variante der in 3 gezeigten Ausführung mit zwei aneinander grenzenden zweiten Schichten;
5 den Schichtaufbau einer Elektrodenstruktur mit einer zum piezoelektrischen Substrat gewandten Haftvermittlerschicht;
6 den Schichtaufbau einer Elektrodenstruktur mit abwechselnd angeordneten ersten und zweiten Schichten.
In 1 ist ausschnittsweise ein Bauelement mit einer Elektrodenstruktur gezeigt. Die Elektrodenstruktur ist auf einem piezoelektrischen Substrat 1 angeordnet und besteht aus einer unten angeordneten ersten Schicht 3 (z. B. Al-Schicht), über der eine zweite Schicht 2 (z. B. Cu-Schicht) angeordnet ist. Die Schichten 2, 3 bilden einen Schichtstapel.
Die Elektrodenstruktur ist durch eine dielektrische Schicht 4, vorzugsweise Siliziumdioxid bedeckt. Die dielektrische Schicht 4 schließt mit der Oberfläche des Substrats 1 ab und verkapselt auf diese Weise die Elektrodenstruktur 2, 3.
Das Substrat 1 kann aus Lithiumtantalat, Lithiumniobat, Quarz oder einem anderen geeigneten piezoelektrischen Material bestehen. Das Substrat kann auch aus mehreren Schichten bestehen, wobei zumindest die oberste Schicht des Substrats piezoelektrisch ist.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem die zweite Schicht 2 unterhalb der ersten Schicht 3 angeordnet ist.
In der in 3 gezeigten Variante ist die zweite Schicht 2 zwischen zwei ersten Schichten 31, 32 angeordnet. Das erste Schichtsystem umfasst erste Schichten 31, 32, die jeweils an eine – hier als eine weitere erste Schicht ausgebildete – Haftvermittlerschicht 51, 52 angrenzen. Die Haftvermittlerschicht 51 ist zwischen der unteren ersten Schicht 31 und der zweiten Schicht 2 angeordnet. Die Haftvermittlerschicht 52 ist zwischen der oberen ersten Schicht 32 und der zweiten Schicht 2 angeordnet.
Eine Haftvermittlerschicht dient zu einer besseren Verbindung zwischen zwei Schichten und kann grundsätzlich zwischen einer ersten und einer zweiten Schicht, zwischen der obersten Schicht der Mehrschichtaufbaus und der dielektrischen Schicht oder zwischen einer untersten Schicht (der zweiten Schicht 2 in 5 bzw. der ersten Schicht in 3) und dem piezoelektrischen Substrat 1 angeordnet sein.
Die aufgrund ihrer akustischen Geschwindigkeit dem ersten Schichtsystem zugeordneten Haftvermittlerschichten 5, 51, 52 sind vorzugsweise aus Ti. Die Haftvermittlerschichten 5, 51, 52 können grundsätzlich auch als zweite Schichten z. B. aus Pt gewählt und dem zweiten Schichtsystem zugeordnet sein.
In 4 ist eine Variante mit zwei aneinander grenzenden zweiten Schichten 21, 22 aus unterschiedlichen zweiten Materialien gezeigt, die zusammen das zweite Schichtsystem bilden. Der Verbund dieser Schichten ist hier zwischen zwei ersten Schichten 31, 32 angeordnet. Die Anordnung dieses Verbundes anstelle nur einer zweiten Schicht 2 gemäß 1 oder 2 ist auch möglich.
Zwei zweite Schichten 21, 22 aus unterschiedlichen zweiten Materialien können voneinander auch durch mindestens eine erste Schicht bzw. eine Haftvermittlerschicht getrennt sein.
In 3, 6 sind zwei erste Schichten 31, 32 voneinander getrennt. Die unterschiedlichen ersten Schichten bestehen vorzugsweise aus dem gleichen ersten Material. Die unterschiedlichen ersten Schichten können alternativ – insbesondere im Falle der aufeinander folgenden ersten Schichten – aus unterschiedlichen ersten Materialien bestehen. Auch zwei voneinander getrennte erste Schichten können aus unterschiedlichen Materialien (z. B. verschiedenen Al-Legierungen) bestehen.
In 1 bis 4 beträgt die relative Dicke der zweiten Schicht 2 oder die relative Gesamtdicke der Schichten 21, 22 vorzugsweise zwischen 20% und 30% der Gesamthöhe der Elektrodenstruktur, wobei diese Referenzbeispiele nicht Gegenstand des Anspruchs 1 sind. In 5 ist eine Variante mit einer zweiten Schicht 2 gezeigt, deren Höhenanteil in der Gesamthöhe der Elektrodenstruktur zwischen 40% und 50% beträgt.
In 6 sind im Mehrschichtaufbau der Elektrodenstruktur mehrere zweite Schichten 21, 22, 23 und mehrere erste Schichten 31, 32 vorgesehen, die abwechselnd übereinander angeordnet sind.
Der auf die Gesamthöhe der Elektrodenstruktur bezogene Anteil der Gesamtdicke der zweiten Schichten 21, 22, 23, die der Summe der einzelnen Schichtdicken dieser Schichten gleich ist, beträgt zwischen 15% und 60%, wobei nur die Ausführungsformen Gegenstand des Anspruchs 1 sind, bei denen der auf die Gesamthöhe der Elektrodenstruktur bezogene Anteil der Gesamtdicke der zweiten Schichten zumindest 40% beträgt.
Die zweiten Schichten 21, 22, 23 (oder die ersten Schichten 31, 32) können die gleichen Dicken aufweisen. Auch unterschiedliche Dicken der zweiten (oder ersten) Schichten in einem Mehrschichtaufbau sind möglich. In einer Variante ist die unterste zweite Schicht 21 dicker als die darüber liegenden weiteren zweiten Schichten 22, 23.
Die ersten Schichten 3, 31, 32 weisen in allen Ausführungen der Erfindung jeweils eine deutlich höhere Dichte und/oder Steifigkeit als die dielektrische Schicht 4 auf.
In der in 6 gezeigten Variante ist zwischen dem piezoelektrischen Substrat 1 und der untersten zweiten Schicht 21 eine Haftvermittlerschicht 5 angeordnet.
Vorzugsweise bestehen alle voneinander getrennten zweiten Schichten 21, 22, 23 aus demselben zweiten Material. Möglich ist aber auch, dass für die Schichten 21, 22, 23 jeweils unterschiedliche zweite Materialien gewählt werden.
Bezugszeichenliste

1: piezoelektrisches Substrat
2, 21, 22, 23: zweite Schichten
3, 31, 32: erste Schichten
4: dielektrische Schicht
5, 51, 52: Haftvermittlerschichten

Claims

Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement, umfassend: ein piezoelektrisches Substrat (1) und darauf angeordnete, einen Mehrschichtaufbau aufweisende Elektrodenstrukturen, eine dielektrische Schicht (4), welche die Elektrodenstrukturen bedeckt und eine akustische Impedanz Z_a,d aufweist, wobei der Mehrschichtaufbau ein erstes Schichtsystem umfasst, das aus mindestens einer ersten Schicht (31, 32, 3) aus einem ersten Material besteht, in dem die akustische Impedanz kleiner als 2Z_a,d ist, wobei der Mehrschichtaufbau ein zweites Schichtsystem umfasst, das aus mindestens einer zweiten Schicht (21, 22, 23, 2) aus einem zweiten Material besteht, in dem die akustische Impedanz den Wert 2Z_a,d übersteigt, wobei der relative Anteil der Gesamtdicke des zweiten Schichtsystems bezogen auf die Gesamthöhe des Mehrschichtaufbaus zwischen 40% und 85% beträgt.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Gesamtdicke des zweiten Schichtsystems bezogen auf die Gesamthöhe des Mehrschichtaufbaus zwischen 40% und 60% beträgt.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Gesamtdicke des zweiten Schichtsystems bezogen auf die Gesamthöhe des Mehrschichtaufbaus zwischen 40% und 50% beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die dielektrische Schicht (4) außerhalb der von den Elektrodenstrukturen belegten Flächen mit der Substratoberfläche abschließt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das erste Material Al, Mg, Ti oder eine Aluminiumlegierung ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das zweite Material Cu, Ta, Ag, Pt, Au oder eine Kupferlegierung ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zweite Schichtsystem aus einer einzigen zweiten Schicht (2) besteht.
Bauelement nach Anspruch 7, wobei die zweite Schicht (2) die unterste Schicht der Elektrodenstrukturen ist.
Bauelement nach Anspruch 7, wobei die zweite Schicht (2) die oberste Schicht der Elektrodenstrukturen ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zweite Schichtsystem mehrere zweite Schichten (21, 22, 23) aufweist, wobei zwei zweite Schichten (21, 22) durch eine erste Schicht (31) voneinander getrennt sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das erste Schichtsystem aus einer einzigen ersten Schicht (3) besteht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das erste Schichtsystem mehrere erste Schichten (31, 32) aufweist, wobei zwischen zwei ersten Schichten (31, 32) eine zweite Schicht (2, 22) angeordnet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine zum piezoelektrischen Substrat (1) gewandte Schicht des Mehrschichtaufbaus eine Haftvermittlerschicht (5) ist.
Bauelement nach Anspruch 13, wobei die Haftvermittlerschicht eine Ti-Schicht ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Gesamthöhe der Elektrodenstrukturen zwischen 5% und 10% der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwelle beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die dielektrische Schicht (4) eine Schicht aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid ist.