DE102005055871A1

DE102005055871A1 - Elektroakustisches Bauelement

Info

Publication number: DE102005055871A1
Application number: DE102005055871A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Ruile; Ulrike Dr. Rösler
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2005-11-23
Filing date: 2005-11-23
Publication date: 2007-05-24
Also published as: US20080266024A1; JP2009516967A; US7851977B2; DE112006002507A5; DE112006002542A5; WO2007059741A1; US20080252396A1; US7948333B2; JP2009516968A; JP5193051B2; WO2007059740A2; WO2007059740A3; JP5001947B2

Abstract

Es wird ein elektroakustisches Bauelement mit zwei Substraten angegeben, zwischen denen ein Schichtsystem angeordnet ist, das eine Metallschicht und eine Schicht niedriger akustischer Impedanz Z¶a,2¶ umfasst, wobei die Metallschicht eine Schicht mit einer hohen akustischen Impedanz Z¶a,1¶ umfasst und wobei gilt: Z¶a,1¶/Z¶a,2¶ >= 4,5. Somit ist eine ausreichende akustische Reflexion für geführte akustische Volumenwellen gewährleistet. Ferner wird ein elektroakustisches Bauelement mit einem piezoelektrischen Substrat aus Lithiumtantalat angegeben, das einen Schnittwinkel phi Rot YX aufweist, wobei gilt 7 DEG < phi < 24 DEG .

Description

Es wird ein elektroakustisches Bauelement, insbesondere ein mit geführten Volumenwellen arbeitendes Bauelement angegeben.

Mit geführten Volumenwellen arbeitende Bauelement sind z. B. aus den Druckschriften DE 10325281 A1 , US 2005/0099091 A1, US 6046656 , WO 01/29964 A1, WO 03/088475 A1 und WO 03/088482 A1 bekannt.

Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein robustes elektroakustisches Bauelement mit einer kleinen Grundfläche anzugeben.

Es wird ein elektroakustisches Bauelement mit zwei Substraten angegeben, zwischen denen ein Schichtsystem angeordnet ist, das eine Metallschicht und eine Schicht niedriger akustischen Impedanz Z_a,2 umfasst, wobei die Metallschicht eine Schicht mit einer hohen akustischen Impedanz Z_a,1 umfasst, und wobei gilt: Z_a,1/Z_a,2 ≥ 4,5.

Diese Metallschicht umfasst elektroakustisch aktive Bauelementstrukturen, vor allem Wandler, und leitend mit diesen verbundene Kontaktflächen. Ein Wandler weist ineinander greifende kammartige Elektroden auf.

Durch das angegebene Impedanzverhältnis ist an den Kanten der Elektroden, die in der Metallschicht ausgebildet sind, eine ausreichende akustische Reflexion für geführte akustische Volumenwellen bzw. eine ausreichende akustische Stoppbandbreite gewährleistet.

Das Verhältnis der akustischen Impedanzen beträgt in einer vorteilhaften Variante mindestens 5.

Das angegebene Bauelement arbeitet vorzugsweise mit geführten akustischen Volumenwellen (GBAW = Guided Bulk Acoustic Wave).

Des weiteren wird ein mit GBAW arbeitendes Bauelement angegeben, das ein nach außen gewandtes erstes Substrat und ein nach außen gewandtes zweites Substrat umfasst. Zwischen den Substraten ist ein Schichtsystem angeordnet, das eine Metallschicht und eine dielektrische Schicht umfasst. Die Dicke des ersten Substrats beträgt vorzugsweise weniger als 1/3 der Dicke des zweiten Substrats.

Ein mit geführten Volumenwellen arbeitendes Bauelement bedarf keiner dicht abzuschließenden Hohlräume für elektroakustisch aktive Bauelementstrukturen und ist daher besonders robust.

Des weiteren wird ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement mit einem Substrat aus LiTaO₃ angegeben, das einen Schnittwinkel φ rot YX aufweist, wobei gilt 7° < φ < 24°. In einer bevorzugten Variante gilt 12° < φ < 21°.

Bei elektroakustischen Bauelementen mit LiTaO₃ als Substrat und einem solchen Schnittwinkel gelingt es, eine hohe elektrische Bandbreite zu erzielen.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird LiTaO₃ mit dem oben angegebenen Schnittwinkel in einem mit GBAW arbeitenden Bauelement verwendet. Anwendung für mit Oberflächenwellen arbeitende Bauelemente kommt auch in Betracht.

Im Folgenden wird das angegebene Bauelement, seine Funktionsweise und bevorzugte Ausführungsformen erläutert.

Die GBAW wird im Schichtsystem bzw. an seiner Grenzfläche zu einer piezoelektrischen Schicht (d. h. zum ersten Substrat) angeregt und hauptsächlich in diesem geführt. Das Schichtsystem umfasst demnach die Metallschicht, in der die GBAW anregenden Bauelementstrukturen ausgebildet sind, und eine dielektrische Schicht mit einer niedrigen Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen.

Die akustische Energie einer GBAW in einem mit GBAW arbeitenden Bauelement ist hauptsächlich in dem Bereich konzentriert, in dem die Welle angeregt wird, und klingt in beiden Richtungen vertikal dazu ab. Dieses Abklingen wird durch eine Wellenleiterstruktur, d. h. durch ein Geschwindigkeitsprofil in vertikaler Richtung erreicht. Dabei ist in einer vorzugsweise dünnen Schicht in der Nähe der Anregungsebene akustischer Wellen die niedrigste Ausbreitungsgeschwindigkeit gegeben. Diese Schicht ist zwischen Schichten mit höheren akustischen Ausbreitungsgeschwindigkeiten angeordnet.

Ein an die Bauelementstrukturen angelegtes elektrisches Signal ruft Auslenkungen von Atomen im piezoelektrischen Substrat – z. B. ersten Substrat – hervor, wobei eine akustische Volumenwelle, vorzugsweise eine Transversalwelle angeregt wird. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Welle ist im Schichtsystem, insbesondere in der dielektrischen Schicht vorzugsweise deutlich – z. B. um mindestens 10% – kleiner als in den beiden diese umgebenden Substraten. Somit wird in vertikaler Richtung ein zur Wellenleitung geeignetes Geschwindigkeitsprofil geschaffen, wobei eine Volumenwelle in hori zontaler Ebene, insbesondere in der dielektrischen Schicht und in der Nähe dieser Schicht geführt werden kann.

Die Metallschicht ist vorzugsweise auf dem (piezoelektrischen) ersten Substrat angeordnet. Die Bauelementstrukturen sind zwischen dem ersten Substrat und der dielektrischen Schicht eingebettet.

Ein elektroakustischer Wandler weist vorzugsweise Elektrodenstrukturen mit einer relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit z. B. von mindestens 2 × 10⁴ [Ohm × cm]^–1 und eine vergleichsweise hohe akustische Reflexion auf.

Als ein in hohem Maße leitfähiges Material für Elektrodenstrukturen kommt insbesondere Aluminium in Betracht.

Der Reflexionskoeffizient P₁₁ am akustischen Tor eines Wandlers weist in einem bestimmten Frequenzbereich ein Stoppband auf, das mit der periodischen Struktur des Wandlers zusammenhängt. P₁₁ ist ein Streuparameter in einem akustischen P-Matrix-Modell. Eine ausreichende akustische Reflexion wird beispielsweise mit einer akustischen Stoppbandbreite von 7,5% bezogen auf die Mittenfrequenz des Wandlers erhalten.

Die Stärke einer akustischen Reflexion, die an Kanten von Elektrodenstrukturen auftritt, hängt vom akustischen Impedanzsprung zwischen diesen Strukturen und deren Umgebung ab. Je größer der Impedanzsprung an einer Grenzfläche ist, desto stärker ist die akustische Reflexion an dieser Grenzfläche. Da Aluminium und Siliziumdioxid ähnliche Werte der akustischen Impedanz aufweisen, ist die akustische Reflexion an deren Grenzfläche – und daher auch bei im Siliziumdioxid eingebetteten Elektrodenstrukturen – aufgrund eines kleinen akus tischen Impedanzsprungs gering. Daher ist in der Metallschicht insbesondere zur Ausbildung von Wandlerelektroden neben einer Al-Schicht eine weitere Teilschicht z. B. aus W oder Pt vorgesehen, die eine hohe akustische Impedanz aufweist. Wolfram kann eine Alfa- oder Beta-Konfiguration aufweisen.

Die Metallschicht umfasst in einer bevorzugten Variante mehrere Teilschichten, darunter eine erste Teilschicht mit einer hohen akustischen Impedanz und eine zweite Teilschicht mit einer hohen Leitfähigkeit. Dies hat den Vorteil, dass die elektrische Leitfähigkeit und die akustische Reflexion elektroakustischer Bauelementstrukturen durch Material- und Schichtdickenauswahl der beiden Teilschichten unabhängig voneinander einstellbar sind.

Teilschichten der Metallschicht können grundsätzlich aus Metallen, Metalllegierungen oder anderen leitenden Materialien bestehen.

Die Teilschicht mit einer hohen Leitfähigkeit kann alternativ aus einer Al-Legierung oder einem anderen geeigneten Metall bestehen.

Die Teilschicht mit hoher akustischer Impedanz ist vorzugsweise direkt auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet. Sie kann aber in einer weiteren Variante von diesem durch eine dünne Zwischenschicht vorzugsweise aus Ti beabstandet sein, deren Dicke vorzugsweise 15 nm nicht übersteigt und typischerweise zwischen 5 nm und 10 nm liegt. Bei einer dünnen Zwischenschicht ist die Teilschicht mit hoher akustischer Impedanz in der Nähe des piezoelektrischen Substrats. Somit kann eine hohe elektroakustische Kopplung des Bauelements erzielt werden.

Diese zwischen der Teilschicht mit hoher akustischer Impedanz und dem piezoelektrischen Substrat angeordnete, vorzugsweise elektrisch leitfähige und insbesondere zur Haftvermittlung zwischen dem Substrat und der Teilschicht mit hoher akustischer Impedanz geeignete Schicht ist z. B. eine Teilschicht der Metallschicht.

Die Schichtdicke der Schicht mit hoher akustischer Impedanz ist so gewählt, dass die akustische Stoppbandbreite eines daraus ausgebildeten Wandlers mindestens 7,5% beträgt. Diese Dicke beträgt vorzugsweise zwischen 0,02 und 0,03 Wellenlängen oder – z. B. bei einer Mittenfrequenz des Bauelements von 2GHz – zwischen 40 und 70 nm. Für Bauelemente mit einer anderen Mittenfrequenz kann die entsprechende Schichtdicke durch Skalieren mit der Frequenz ermittelt werden.

Die Schichtdicke der Schicht mit hoher akustischer Impedanz beträgt in einer Variante zwischen 30% und 50% der Gesamtschichtdicke der Metallschicht. Die Dicke der Al-Schicht ist vorzugsweise kleiner als 0,2λ und ist – z. B. bei einer Mittenfrequenz des Bauelements von 2GHz – zwischen 100 und 150 nm gewählt.

Die Metallschicht kann in einer weiteren Variante aus einer einzigen Schicht bestehen, die eine hohe Leitfähigkeit und eine relativ hohe akustische Impedanz aufweist.

In einer bevorzugten Ausführung ist das erste Substrat piezoelektrisch. Möglich ist aber auch, dass auch das zweite Substrat piezoelektrische Eigenschaften aufweist.

Das erste Substrat ist vorzugsweise aus einem Einkristall geschnitten. Als Einkristalle kommen in Betracht insbesondere LiTaO₃, LiNbO₃, ZnO, KNbO₃, NaKNbO₃, Quarz, aber auch andere piezoelektrische Materialien.

Das erste Substrat kann aber auch als eine piezoelektrische Schicht auf einem Wachstumssubstrat aufgewachsen sein. Das Wachstumssubstrat wird später, z. B. nach dem Verbinden des ersten und des zweiten Substrats vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise abgelöst. Als eine aufgewachsene piezoelektrische Schicht kommen in Betracht z. B. AlN, ZnO, PZT, LiTaO₃, LiNbO₃. Auch andere piezoelektrische Materialien sind möglich, die vorzugsweise eine gute elektroakustische Kopplung aufweisen.

Als Material für das zweite Substrat kommt insbesondere hochohmiges Si in Betracht. Die Kristallorientierung 111 oder 110 vom Si-Kristall ist bevorzugt. Möglich ist aber auch Al₂O₃, Glas oder ein (organischer) Kunststoff, z. B. FR4. Materialien mit einer hohen akustischen Güte sind dabei bevorzugt.

Die dielektrische Schicht kann in einer Variante aus mehreren Teilschichten bestehen. Zumindest eine der Teilschichten kann piezoelektrische Eigenschaften aufweisen.

Die dielektrische Schicht besteht vorzugsweise aus einem Material, dessen Temperaturgang (TCF) gegenüber dem ersten und/oder zweiten Substrat entgegengesetzt ist, wobei der Temperaturgang der dielektrischen Schicht bei einem positiven Temperaturgang des jeweiligen Substrats negativ ist, und umgekehrt. Mit entgegen gesetzten TCF bei zwei benachbarten Schichten gelingt es, den Temperaturgang des gesamten Bauelements gering zu halten.

Die dielektrische Schicht ist vorzugsweise aus Siliziumdioxid. SiO₂ ist auch deshalb als Material für die dielektrische Schicht vorteilhaft, da eine SiO₂-Oberfläche für ein Direct Wafer Bonding geeignet ist. Als Alternative zu SiO₂ ist z. B. TeO₂ geeignet.

Die Qualität der dielektrischen Schicht kann anhand ihres optischen Brechungsindexes beurteilt werden. Eine dielektrische Schicht aus SiO₂ mit einem Brechungsindex zwischen 1,44 und 1,48 ist bevorzugt. SiO₂ ist vorzugsweise stöchiometrisch.

Eine typische Grundfläche des Bauelements ist 500 × 700 μm². Die Gesamtdicke des Bauelements beträgt ca. 200 μm und ist vorzugsweise nicht größer als 100 Wellenlängen. Die Gesamtdicke des Bauelements kann aber auch kleiner als 200 μm sein.

Die Dicke des ersten Substrats ist vorzugsweise zwischen 3 und 50 Wellenlängen, in einer bevorzugten Variante maximal 30λ oder 70 μm. Das erste Substrat kann beim Auftragen weiterer Schichten der Schichtenfolge in einer höheren Dicke vorhanden sein und erst in einem späteren Verfahrensschritt bis zum oben genannten Wert der Dicke gedünnt werden.

Das zweite Substrat – z. B. aus Si – ist vorzugsweise deutlich dicker als das erste. Die Dicke des zweiten Substrats beträgt in einer Variante mindestens 10 Wellenlängen. Der Ausdehnungskoeffizient des zweiten Substrats ist vorzugsweise kleiner als beim ersten Substrat. Der Ausdehnungskoeffizient des zweiten Substrats kann z. B. mindestens 50% kleiner sein als der des ersten Substrats.

Die Schichtdicke des Schichtsystems ist vorzugsweise gleich der Dicke der dielektrischen Schicht, da die Strukturen der Metallschicht in der dielektrischen Schicht eingebettet sind und über diese vorzugsweise nicht überragen, und beträgt in einer Variante zwischen 0,1λ und λ, vorzugsweise zwischen 0,15λ bis 0,5λ oder zwischen 0,3 und 1 μm. Die Gesamtdicke des zweiten Substrats und des Schichtsystems zusammen ist vorzugsweise nicht größer als 100 Wellenlängen oder 200 μum.

Mit den oben angegeben Dicken für die Substrate und das Schichtsystem gelingt es, einen geringen Temperaturgang des Bauelements, in einer Variante TCF von kleiner als –40 ppm/K zu erreichen. Somit können stabile elektrische Eigenschaften des Bauelements in einem breiten Temperaturbereich gewährleistet werden.

Die freiliegende (nach außen gewandte) Rückseite des ersten Substrats ist vorzugsweise großflächig metallisiert. Diese Metallisierung ist vorzugsweise mit Masse verbunden und dient als elektromagnetische Abschirmung für Bauelementstrukturen. In dieser Metallisierung können aber auch Leiterbahnen zur leitenden Verbindung z. B. zwischen Bauelementstrukturen oder zwischen den verkapselten Bauelementstrukturen und Außenanschlüssen ausgebildet sein. In dieser Metallisierung können auch als Anschlüsse des Bauelements vorgesehene Metallflächen und/oder Beschriftung des Bauelements ausgebildet sein.

Im zweiten Substrat sind vorzugsweise Durchkontaktierungen ausgebildet, die an der Oberfläche des zweiten Substrats angeordnete Anschlüsse leitend mit den Kontaktflächen verbinden. Die Durchkontaktierungen können als Rohr (ggf. mit einem sich verjüngenden Querschnitt) bzw. als Öffnungen mit metal lisierten Innenwänden ausgebildet sein. Die für Durchkontaktierungen vorgesehenen Öffnungen im zweiten Substrat können aber auch mit Metall gefüllt sein.

Im zweiten Substrat können aktive und/oder passive Schaltungselemente – z. B. Transistoren, Dioden, Kapazitäten, Induktivitäten, Leitungsabschnitte – ausgebildet sein, die mittels Durchkontaktierungen von außen kontaktierbar und an die elektroakustischen Bauelementstrukturen angeschlossen sind.

Auf außen liegenden leitenden Verbindungen auf Oberseite und/oder Unterseite des Bauelements kann eine Passivierungsschicht angeordnet sein.

Das Bauelement kann insbesondere als ein Bare-Die ausgebildet sein. Ein solches Bare-Die ist beispielsweise auf einem Trägersubstrat montierbar. Das Trägersubstrat kann keramische Schichten aufweisen.

Das angegebene Bauelement kann beispielsweise in einem folgenden Verfahren erzeugt werden. Es wird ein erster Wafer (z. B. LiTaO₃-Wafer) bereitgestellt, der zur Erzeugung von ersten Substraten mehrerer Bauelemente bzw. Bauelementbereiche geeignet ist. Es wird ein zweiter Wafer (z. B. Si-Wafer) bereitgestellt, der zur Erzeugung von zweiten Substraten geeignet ist. Für Bauelementbereiche vorgesehene Bereiche des jeweiligen Substrats bilden vorzugsweise eine Matrix.

Auf dem ersten Wafer werden pro Bauelementbereich vorzugsweise photolithographisch Bauelementstrukturen – insbesondere elektroakustische Wandler – und leitend mit diesen verbundene Kontaktflächen erzeugt. Auf die die Bauelementstrukturen tragende Oberfläche des ersten Substrats wird eine dielektrische Schicht z. B. in einem CVD-Verfahren (CVD = Chemical Vapor Deposition) oder mittels Sputtern aufgetragen.

Die dielektrische Schicht wird in einer bevorzugten Variante des Verfahrens z. B. mittels eines CMP-Verfahrens planarisiert. CMP steht für Chemical Mechanical Polishing. Nach dem Aufbringen der dielektrischen Schicht werden vorzugsweise zumindest die Kontaktflächen z. B. mittels Ätzen freigelegt. In einer Variante werden dabei außerdem elektrische Trimmstrukturen freigelegt.

Elektrische Eigenschaften der Bauelementstrukturen von einzelnen bzw. allen Bauelementbereichen werden durch die freigelegten Kontaktflächen on-Wafer gemessen, bevor der Wafer mit Bauelementstrukturen mit dem zweiten Wafer verbunden wird (Zwischenmessung).

Es besteht die Möglichkeit, die Bauelementstrukturen eines Bauelementbereichs on-Wafer, und zwar vor der Aufbringung des Si-Wafers elektrisch zu trimmen. Dabei werden an die Wandler vorzugsweise als Last angeschlossene Trimmstrukturen vorgesehen, die z. B. periodisch angeordnete Metallstreifen wie in einem Wandler aufweisen. Die Trimmstrukturen können insbesondere als eine kapazitive Last ausgebildet sein. Beim Trimmen kann ein Teil dieser Streifen vom Wandler abgetrennt werden. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, die Trimmstrukturen nach dem Aufbringen der dielektrischen Schicht freizulegen. Diesbezüglich wird ein vollinhaltlicher Bezug auf die Druckschrift DE 10325281 A1 genommen.

Es kann vorteilhaft sein, Teile einer akustischen Spur wie z. B. diese Spur begrenzende Reflektoren oder zwischen zwei Wandlern angeordnete Zwischenreflektoren durch Abtragen bzw.

Wegätzen der dielektrischen Schicht freizulegen. Damit kann die akustische Reflexion erhöht werden. Möglich ist auch, einzelne Elektrodenstreifen eines Wandlers zur Erhöhung der Reflexion freizulegen. Möglich ist auch, Randbereiche eines Wandlers freizulegen und damit Reflektoren zu ersparen.

Je nach den Ergebnissen der Zwischenmessung kann es vorteilhaft sein, die dielektrische Schicht zu dünnen, um z. B. die Frequenzlage von Bauelementstrukturen zu verändern. Dies kann z. B. mittels eines CMP-Verfahrens erfolgen. Die Frequenzlage von Bauelementstrukturen bzw. die Schichtdicke der dielektrischen Schicht wird dabei so eingestellt, dass nach dem Verbinden mit dem zweiten Wafer die für das Bauelement vorgesehene Frequenzlage resultiert.

Der erste Wafer wird nun mit dem zweiten Wafer z. B. durch Direct Wafer Bonding verbunden. Waferbonding wird vorzugsweise bei relativ niedrigen Temperaturen, z. B. bei Raumtemperatur durchgeführt. Dafür ist insbesondere ein als Ziptronix-Verfahren bekanntes Verfahren geeignet. Dabei wird ein Gesamt-Wafer mit zu vereinzelnden Bauelementbereichen erzeugt.

Der Gesamt-Wafer kann auf der Seite des ersten Wafers gedünnt werden. Der Gesamt-Wafer wird auf der Seite des ersten Substrats entlang Trennlinien, d. h. zwischen den Bauelementbereichen vorzugsweise V-förmig zumindest bis zum zweiten Substrat angesägt. Es ist vorteilhaft, dabei auch das zweite Substrat bis zu einer bestimmten Tiefe anzusägen. Dabei werden insbesondere schräge Stoßkanten des ersten Substrats und des Schichtsystems erzeugt, die zusammen mit der (flachen) Rückseite des ersten Substrats metallisiert und somit hermetisch dicht verkapselt werden können. Dadurch sind Bauele mentstrukturen bezüglich Korrosion geschützt sowie gegen äußere elektromagnetische Felder abgeschirmt.

Auf der Seite des zweiten Substrats werden z. B. durch Ätzen und anschließendes Metallisieren von Öffnungen – Kontaktlöchern – Durchkontaktierungen zur Kontaktierung von Kontaktflächen erzeugt. Vorzugsweise in demselben Verfahrensschritt werden Außenanschlüsse von Bauelementen auf der nach außen gewandten Oberfläche des zweiten Wafers erzeugt. Die Kontaktlöcher können mit einem leitfähigen Material gefüllt werden.

Nach dem Waferbonding der beiden Wafer kann ein Verfahren zur Qualitätskontrolle elektrischer Bauelemente durchgeführt werden. Der Gesamt-Wafer wird auf einem Träger – z. B. einer Trägerfolie – so angeordnet, dass Anschlüsse von Bauelementbereichen frei liegen bzw. nach oben weisen. Der Träger ist vorzugsweise eine ggf. elastische Folie, an der der Wafer gut haftet. Die Bauelement-Bereiche werden zur Bildung von Bauelementen vorzugsweise mittels Sägen vereinzelt, ohne vom Träger abgenommen zu werden. Zur Qualitätskontrolle von fertigen Bauelementen wird direkt auf dem Träger eine Messung von allen Bauelementen durchgeführt. Anhand dieser Messergebnisse können ausfällige Bauteile aussortiert bzw. gute Bauteile ausgewählt werden.

Ggf. können die bereits vereinzelten Bauelemente auf dem Träger nochmals elektrisch getrimmt werden. Es besteht die Möglichkeit, die verkapselten elektrischen Trimmstrukturen z. B. über ein durchsichtiges zweites Substrat mit einem Laser wie bereits erwähnt zu verändern.

Mit dem angegebenen Verfahren mit einer Zwischenmessung zur Kontrolle elektrischer Eigenschaften von Bauelementstrukturen und einer Endmessung zur Qualitätskontrolle der bereitgestellten Bauelemente ist bei ausfälligen Bauelementen die Zuordnung von Fehlerquellen den einzelnen Prozessschritten möglich.

Mit einem V-förmigen Einsägen ist es möglich, verschiedene Bereiche eines Bauelements wie z. B. sein Sendebereich und Empfangsbereich elektromagnetisch voneinander abzuschirmen bzw. elektrisch und/oder akustisch voneinander zu isolieren.

In einer Variante des Verfahrens ist das zweite Substrat nicht als Wafer verfügbar, sondern es wird auf dem ersten Wafer bzw. auf der dielektrischen Schicht als eine ausreichend dicke Schicht von z. B. mindestens drei Wellenlängen oder eine Schichtenfolge mit der entsprechenden Dicke erzeugt.

In einer Variante des Verfahrens ist es möglich, auf das zweite Substrat eine weitere Schichtenfolge aufzutragen. Diese Schichtenfolge kann z. B. dielektrische Schichten und zwischen diesen angeordnete Metallisierungsebenen mit strukturierten Leiterbahnen umfassen. Mittels Leiterbahnen sind integrierte Bauelementstrukturen realisiert. Die weitere Schichtenfolge kann aber auch halbleitende Schichten und darin ausgebildete nichtlineare und/oder aktive integrierte Strukturen wie z. B. Dioden und Transistoren umfassen. In den dielektrischen Schichten können Durchkontaktierungen zur leitenden Verbindung von integrierten Bauelementstrukturen mit Außenanschlüssen ausgebildet werden. Die Außenanschlüsse sind in diesem Fall vorzugsweise auf der Oberfläche der nach außen gewandten Schicht der weiteren Schichtenfolge angeordnet.

Die auf der Rückseite des ersten Substrats angeordnete Metallschicht kann z. B. zur Bildung von leitenden Verbindungen z. B. zwischen Bauelementstrukturen des Bauelements strukturiert werden.

Mit GBAW arbeitende Bauelemente sind für elektrische Filter, insbesondere Hochfrequenzfilter geeignet. Mit GBAW arbeitende Bauelemente kommen u. a. für beliebige Mobilfunk- und Oszillatoranwendungen in Betracht.

Es können prinzipiell alle für mit akustischen Oberflächenwellen bekannten Filtertechniken auch bei mit GBAW arbeitenden Bauelemente angewandt werden. In Betracht kommen insbesondere DMS-Filter, Ladder- und Latticetype-Filter, Eintor- und Mehrtor-Resonatoren.

Im Folgenden wird das Bauelement und das Verfahren zu dessen Herstellung anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Figuren erläutert. Es zeigen:
1A bis 1G Verfahrensschritte des Herstellungsverfahrens;
2A bis 2F Verfahrensschritte zur Freilegung und Kontaktierung von Kontaktflächen des Schichtsystems;
3A, 3B ausschnittsweise Beispiele zur Ausbildung einer Metallschicht, die eine Teilschicht mit hoher akustischer Impedanz aufweist.
Ein mit GBAW arbeitendes Bauelement ist in 1G gezeigt. Zwischen einem piezoelektrischen ersten Substrat 1 und einem deutlich dickeren zweiten Substrat 2 ist ein Schichtsystem 3 angeordnet. Das zweite Substrat ist aufgrund seiner höheren Dicke vorzugsweise ein Trägersubstrat. Angesichts der gerin gen Dicke des ersten Substrats wird die Dicke des zweiten Substrats vorzugsweise so groß gewählt, dass dies für die mechanische Stabilität des Bauelements ausreicht.
Das zweite Substrat weist vorzugsweise eine kleinere thermische Ausdehnung auf als das erste Substrat.
Die Dicke des ersten und des zweiten Substrats beträgt in einer Variante 50 μm bzw. 150 μm. Die Dicke des Schichtsystems beträgt in einer Variante 0,6 μm.
Das Schichtsystem 3 umfasst eine (von oben nach unten gesehen) auf dem ersten Substrat 1 angeordnete Metallschicht 31, deren beispielhafter Aufbau im Einzelnen in 3A und 3B vorgestellt ist. Die Metallschicht 31 ist strukturiert und umfasst elektroakustisch aktive Bauelementstrukturen 42, z. B. Wandler, und leitend mit diesen verbundene Kontaktflächen 41. Die Strukturen 41, 42 der Metallschicht 31 sind zwischen dem ersten Substrat 1 und einer dielektrischen Schicht 32 z. B. aus SiO₂ verkapselt.
Das erste Substrat 1 ist vorzugsweise piezoelektrisch, z. B. aus LiTaO₃, in einer Variante LiTaO₃ 15rotYX oder 20rotYX. Das zweite Substrat ist vorzugsweise aus einem hochohmigen Silizium. Die akustische Geschwindigkeit ist in den Substraten 1, 2 deutlich – z. B. um mindestens 20% – höher als in der dielektrischen Schicht.
Im Verbund des zweiten Substrats 2 und der dielektrischen Schicht 32 sind Kontaktlöcher 20 zur Freilegung von Kontaktflächen 41 vorgesehen. Im Bereich der Kontaktlöcher ist eine Metallisierung 60 vorgesehen, die die Innenwände von Kontaktöchern und die offen gelegten Bereiche von Kontaktflächen bedeckt. Die Metallisierung 60 ist darüber hinaus teilweise auf der Unterseite des zweiten Substrats 2 angeordnet und bildet Außenanschlüsse 61.
In 1A ist ein erster Wafer gezeigt. Beim Herstellen des ersten Wafers wird auf ein erstes Substrat 1 zunächst eine strukturierte Metallschicht 31 aufgebracht. Auf das erste Substrat 1 mit der Metallschicht 31 wird eine dielektrische Schicht aufgetragen.
Die dielektrische Schicht 32 wird vorzugsweise planarisiert. Im nächsten Schritt (1B) werden Bereiche 320 der dielektrischen Schicht 32 weggeätzt, um insbesondere Kontaktflächen 41 zumindest teilweise freizulegen. Somit ist es möglich, elektrische Parameter von Bauelementbereichen zu vermessen. Falls die Ist-Werte dieser Parameter von Soll-Werten abweichen, kann das Schichtsystem auf diesem Stadium einerseits elektrisch und andererseits mechanisch nachgetrimmt werden. Beim elektrischen Trimmen werden z. B. hier nicht dargestellte Trimmstrukturen und somit die elektrische Impedanz von Bauelementstrukturen verändert. Beim mechanischen Trimmen kann die dielektrische Schicht gedünnt werden.
Als nächstes wird der erste Wafer 1, 3 mit einem zweiten Wafer bzw. zweiten Substrat 2 vorzugsweise mittels Direct Wafer Bondung verbunden (1C). In 1C ist mit einer gestrichelten Linie angedeutet, dass das erste Substrat gedünnt wird.
Durch das Abdünnen des ersten Substrats, das in der Regel eine höhere thermische Ausdehnung als das zweite Substrat aufweist, wird die thermische Ausdehnung des Gesamtbauelements verbessert, ebenso wie der Temperaturgang im Falle der Kombination der Substrate aus Si und LiTaO₃.
Die Darstellung gemäß 1A bis 1C ist gegenüber der Darstellung gemäß 1D bis 1G um 180° gedreht, so dass in 1D bis 1G das zweite Substrat 2 nach unten und das erste Substrat 1 nach oben gewandt ist.
Das erste Substrat 1 ist in 1D bereits gedünnt. In 1D ist mit gestrichelten Linien angedeutet, dass Stoßkanten des ersten Substrats, des Schichtsystems 3 und teilweise auch Stoßkanten des zweiten Substrats z. B. durch ein V-förmiges Einsägen zwischen zwei Bauelementbereichen abgeschrägt werden.
Die Rückseite des ersten Substrats und insbesondere auch die in 1D noch offen liegende Schnittstelle zwischen dem Schichtsystem 3 und den Substraten 1, 2 werden metallisiert (Metallschicht 5 in 1E) und damit gegen schädliche Umwelteinflüsse abgedichtet.
Im zweiten Substrat 2 werden Kontaktlöcher 20 mit vorzugsweise abgeschrägten Wänden erzeugt (1F). Die Kontaktlöcher 20 münden dabei in die Öffnungen 320 der dielektrischen Schicht. Somit werden Kontaktflächen wieder freigelegt. Auf Teile der Oberfläche des zweiten Substrats, auf die Innenwände der Kontaktlöcher 20 und die freigelegten Bereiche der Kontaktflächen 41 wird eine Metallisierung 60, 61 aufgetragen.
In 2A bis 2F werden Verfahrensschritte zur Ausbildung von Durchkontaktierungen zur Kontaktierung von Kontaktflächen 41 erläutert. 2A ist ein Ausschnitt aus 1A. In
2B ist gezeigt, dass vorzugsweise nicht die gesamte Kontaktfläche 41, sondern nur ein Teil davon freigelegt wird. In der dielektrischen Schicht 32 wird dabei eine Öffnung 320 mit vorzugsweise schrägen Wänden geätzt. Auf diese Weise können auch Trimmstrukturen und/oder Teile von Bauelementstrukturen freigelegt werden. 2C zeigt ausschnittsweise den Gesamt-Wafer nach der Verbindung der beiden Wafer.
Im zweiten Wafer werden Kontaktlöcher 20 erzeugt, deren kleinste Querschnittsgröße vorzugsweise größer ist als die größte Querschnittsgröße der Öffnung 320. Dabei wird ein Kontaktloch mit einer Stufe im Querschnitt erzeugt. Dieses Loch wird nun metallisiert (2E). In 2F ist es angedeutet, dass die metallisierten Kontaktlöcher mit einem leitfähigen Material 63 gefüllt werden können.
In 3A ist eine Variante gezeigt, bei der die Schicht mit hoher akustischer Impedanz 312 z. B. aus Wolfram direkt auf dem ersten Substrat 1 angeordnet ist. Die Schicht 311 mit hoher Leitfähigkeit ist vorzugsweise aus Aluminium.
Die Schichtdicke der in der Regel eine geringere Leitfähigkeit aufweisenden Schicht 312 ist vorzugsweise deutlich kleiner als die Schichtdicke der hochleitenden Schicht 311 (z. B. ein Drittel, z. B. bei 2 GHz W-Schicht 50 nm bzw. Al-Schicht 150 nm).
In der Variante gemäß 3B ist zwischen der Schicht 312 mit hoher akustischer Impedanz eine zusätzliche leitende Schicht 313 z. B. aus Titan vorgesehen, die vorzugsweise für die Schicht 312 als eine Haftvermittlungsschicht dient. Die Schicht 313 ist vorzugsweise nicht dicker als 10 nm.
Die Metallschicht 31 kann darüber hinaus eine hier nicht gezeigte Passivierungsschicht vorzugsweise als die oberste Teilschicht enthalten.

1: erstes Substrat
2: zweites Substrat
20: Kontaktloch
3: Schichtsystem
31: Metallschicht des Schichtsystems
311: hochleitende Teilschicht der Metallschicht 31
312: Teilschicht mit hoher akustischer Impedanz
313: zusätzliche Teilschicht der Metallschicht 31
32: dielektrische Schicht
320: Öffnung in der dielektrischen Schicht
41: Kontaktfläche
42: Bauelementstruktur (Wandler)
5: Metallschicht auf der Rückseite des ersten Substrats
60: Metallisierung eines Kontaktlochs
61: Außenanschluss

Claims

Mit geführten akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement, umfassend – ein erstes Substrat (1), – ein zweites Substrat (2), und – ein zwischen den Substraten (1, 2) angeordnetes Schichtsystem (3), das eine Metallschicht (31) und eine dielektrische Schicht (32) umfasst, – wobei die dielektrische Schicht (32) eine relativ niedrige akustische Impedanz Z_a,2 aufweist, – wobei die Metallschicht (31) eine Schicht (312) mit einer relativ hohen akustischen Impedanz Z_a,1 umfasst, – wobei gilt : Z_a,1/Z_a,2 ≥ 4,5.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei das erste Substrat (1) piezoelektrische Eigenschaften aufweist.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schicht (312) mit hoher akustischer Impedanz des Schichtsystems (3) zum ersten Substrat (1) gewandt ist.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen dem ersten Substrat (1) und der Schicht (312) mit hoher akustischer Impedanz eine Zwischenschicht (313) angeordnet ist, deren Dicke kleiner als 10 nm ist.
Bauelement nach Anspruch 4, wobei die Zwischenschicht (313) eine Haftvermittlungsschicht ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Metallschicht (31) eine Teilschicht (311) mit einer hohen Leitfähigkeit von mindestens 9 × 10⁴ [Ω cm]^–1 aufweist.
Bauelement nach Anspruch 6, wobei die hochleitende Teilschicht (311) der Metallschicht (31) Al enthält.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die dielektrische Schicht aus Siliziumdioxid besteht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schicht (312) mit hoher akustischer Impedanz aus Wolfram ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schicht (312) mit hoher akustischer Impedanz aus Platin ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Schichtdicke der Schicht (312) mit hoher akustischer Impedanz zwischen 30% und 50% der Gesamtschichtdicke der Metallschicht (31) beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei in der Metallschicht (31) ein bei einer Mittenfrequenz arbeitender Wandler ausgebildet ist, wobei die Schichtdicke der Schicht (312) mit hoher akustischer Impedanz derart gewählt ist, dass die Stoppbandbreite des akustischen Reflexionskoeffizienten des Wandlers mindestens 7,6% bezogen auf die Mittenfrequenz beträgt.
Bauelement nach Anspruch 12, wobei die Schichtdicke der Schicht (312) mit hoher akusti scher Impedanz zwischen 0,02λ und 0,03λ beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das erste Substrat (1) aus LiTaO₃ ist.
Bauelement nach Anspruch 14, wobei das erste Substrat (1) einen Schnittwinkel φ rot YX aufweist, wobei gilt 7° < φ < 24°.
Mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement mit einem ersten Substrat (1) aus LiTaO₃ mit einem Schnittwinkel φ rot YX, wobei gilt 7° < φ < 24°.
Bauelement nach Anspruch 16, wobei das erste Substrat (1) einen Schnittwinkel φ rot YX aufweist, wobei gilt 12° < φ < 21°.
Bauelement nach Anspruch 16 oder 17, das mit akustischen Oberflächenwellen arbeitet.
Bauelement nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Bauelement mit geführten Volumenwellen arbeitet.
Bauelement nach Anspruch 19, umfassend – ein zweites Substrat (2), und – ein zwischen den Substraten (1, 2) angeordnetes Schichtsystem (3), das eine Metallschicht (31) und eine dielektrische Schicht (32) umfasst.
Mit geführten akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement, umfassend – ein nach außen gewandtes erstes Substrat (1) und – ein nach außen gewandtes zweites Substrat (2), und – ein zwischen den Substraten (1, 2) angeordnetes Schichtsystem (3), das eine Metallschicht (31) und eine dielektrische Schicht (32) umfasst, – wobei die Dicke des ersten Substrats höchstens 50% der Dicke des zweiten Substrats beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 20, wobei die Dicke des ersten Substrats höchstens 50% der Dicke des zweiten Substrats beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, 20 oder 21, wobei die Dicke des ersten Substrats höchstens 1/3 der Dicke des zweiten Substrats beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 20 bis 23, – wobei die dielektrische Schicht (32) eine relativ niedrige akustische Impedanz Z_a,2 aufweist, – wobei die Metallschicht (31) eine Schicht (312) mit einer relativ hohen akustischen Impedanz Z_a,1 umfasst, – wobei gilt: Z_a,1/Z_a,2 ≥ 4,5.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 20 bis 24, wobei in der Metallschicht (31) Wandler und Kontaktflächen ausgebildet sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 20 bis 25, wobei die Metallschicht (31) direkt auf dem ersten Substrat (1) angeordnet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 20 bis 26, wobei die dielektrische Schicht (32) Elektrodenstrukturen von Wandlern gegen das erste Substrat (1) versiegelt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 20 bis 27, wobei das zweite Substrat (2) hochohmiges Silizium umfasst.
Bauelement nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei die Kontaktflächen mittels im zweiten Substrat (2) ausgebildeter Durchkontaktierungen kontaktierbar sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 29, wobei Stoßkanten des ersten Substrats (1) und des Schichtsystems (3) abgeschrägt sind.
Bauelement nach Anspruch 30, wobei auch ein Teil der Stoßkante des zweiten Substrats (2) abgeschrägt ist.
Bauelement nach Anspruch 31, wobei auf freiliegender Oberfläche des ersten Substrats (1) und den abgeschrägten Stoßkanten eine zweite Metallschicht (4) angeordnet ist.
Bauelement nach Anspruch 32, wobei die zweite Metallschicht (4) die Stoßkanten des ersten Substrats (1) und des Schichtsystems (3) bedeckt und gegen das zweite Substrat (2) abschließt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 33, wobei die Dicke des ersten Substrats (1) zwischen 3λ und 50λ beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 34, wobei die Gesamtdicke des zweiten Substrats (2) und des Schichtsystems (3) 100λ nicht übersteigt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 35, wobei die Schichtdicke der dielektrischen Schicht (32) zwischen 0,1λ und λ beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 36, wobei die dielektrische Schicht (32) gegenüber dem ersten und/oder dem zweiten Substrat einen entgegen gesetzten Temperaturgang aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 20 bis 37, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Volumenwelle im Schichtsystem (3) nicht mehr als 90% der Ausbreitungsgeschwindigkeit in den beiden Substraten (1, 2) beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 38, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Volumenwelle im ersten Substrat (1) kleiner ist als im zweiten Substrat (2).
Verfahren zur Herstellung eines mit geführten Volumenwellen arbeitenden Bauelements, mit den Schritten: A) Bereitstellen eines ersten Wafers (1, 3) mit Bauelementbereichen, wobei auf einem ersten Substrat (1) ein Schichtsystem (3) erzeugt wird, wobei beim Erzeugen des Schichtsystems eine Metallschicht (31) mit Bauelementstrukturen und Kontaktflächen erzeugt und auf die Metallschicht eine dielektrische Schicht (32) aufgebracht wird, B) Freilegen von Kontaktflächen zur Vermessung elektrischer Eigenschaften von Bauelementbereichen, C) Verbinden des ersten Wafers mit einem zweiten Wafer derart, dass das Schichtsystem (3) zwischen den beiden Wafern (1, 2) angeordnet wird, wobei ein Gesamt-Wafer gebildet wird, D) Dünnen des ersten Wafers, E) Erzeugen von Kontaktlöchern im zweiten Wafer und Metallisieren dieser Löcher zur Kontaktierung von Kontaktflächen, F) Vereinzeln von Bauelementbereichen zur Bildung von Bauelementen.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei im Schritt B) elektrisches Trimmen des Schichtsystems durchgeführt wird, das Verändern von als Trimmstrukturen vorgesehenen Bauelementstrukturen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 40 oder 41, wobei im Schritt B) mechanisches Trimmen des Schichtsystems durchgeführt wird, das Verändern der Dicke der dielektrischen Schicht umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 42, wobei die dielektrische Schicht vor dem Schritt B) planarisiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 43, wobei nach dem Schritt D) der Gesamt-Wafer auf der Seite des ersten Wafers bis zu einer vorgegebenen Tiefe im zweiten Wafer entlang vorgegebener Linien V-förmig eingesägt wird, und wobei die Rückseite des ersten Wafers inklusive V-förmiger Einsägungen metallisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei beim Metallisieren auf der Rückseite des ersten Wafers Leiterbahnen und/oder Anschlussflächen erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 45, wobei im Schritt E) auch Außenanschlüsse auf der freiliegenden Oberfläche des zweiten Substrats erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 46, bei dem der Gesamt-Wafer nach Schritt D) auf einen Träger mit Bauelement-Bereichen platziert wird, wobei die Bauelement-Bereiche zur Bildung von Bauelementen vereinzelt werden, ohne vom Träger abgenommen zu werden, und wobei eine Messung zur Qualitätskontrolle von Bauelementen direkt auf dem Träger durchgeführt wird.