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Es
wird ein elektroakustisches Bauelement, insbesondere ein mit geführten Volumenwellen
arbeitendes Bauelement angegeben.
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Mit
geführten
Volumenwellen arbeitende Bauelemente 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.
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Eine
zu lösende
Aufgabe besteht darin, ein robustes elektroakustisches Bauelement
mit einer kleinen Grundfläche
anzugeben.
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Gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführung
wird ein mit geführten
akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement angegeben, das
elektrisch voneinander isolierte, quer zueinander verlaufende Leiterbahnen
aufweist, die einander kreuzen.
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Die
gekreuzten Leiterbahnen sind vorzugsweise jeweils lang gestreckt
bzw. als Leitungen ausgebildet. Unter Leitungen versteht man Leiterbahnen,
deren Breite wesentlich – z.
B. mindestens um Faktor drei – kleiner
ist als deren Länge.
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Das
Bauelement umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform zwei Substrate und
ein zwischen diesen angeordnetes Schichtsystem, das eine Metallschicht
umfasst, in der zwei mittels einer ersten Leiterbahn verbundene
erste leitende Strukturen und zwei mittels einer zweiten Leiterbahn
verbundene zweite leitende Strukturen ausgebildet sind. Die zweite
Leiterbahn überkreuzt
sich mit der ersten Leiterbahn und ist in diesem Fall zumindest
im Kreuzungsbereich in einer anderen Metalllage als die ersten und
die zweiten leitenden Strukturen angeordnet. Zwischen der ersten
und der zweiten Leiterbahn ist eine isolierende Schicht angeordnet.
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Die
Metallschicht umfasst elektroakustisch aktive Bauelementstrukturen,
Verbindungsleitungen und leitend mit den Bauelementstrukturen verbundene
Kontaktflächen.
Die Kontaktflächen
sind vorzugsweise durch das zweite Substrat hindurch kontaktiert und
leitend mit auf dem zweiten Substrat angeordneten Außenanschlüssen verbunden.
Die Strukturen der Metallschicht sind zwischen der dielektrischen Schicht
und dem ersten Substrat angeordnet bzw. so in der dielektrischen
Schicht eingebettet, dass sie über
diese nicht hinausragen.
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Die
ersten und/oder zweiten leitenden Strukturen der Metallschicht können aus
den Bauelementstrukturen, den Verbindungsleitungen und den Kontaktflächen ausgewählt sein.
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Die
Metallschicht ist vorzugsweise auf dem ersten Substrat mit piezoelektrischen
Eigenschaften angeordnet.
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Die
erste Leiterbahn ist vorzugsweise in der Metallschicht ausgebildet.
Die zweite Leiterbahn ist vorzugsweise zumindest im Kreuzungsbereich
außerhalb
dieser Metallschicht ausgebildet.
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Die
erste und/oder die zweite Leiterbahn können durch Sputtern erzeugt
werden. Die zweite Leiterbahn ist vorzugsweise galvanisch aufgedickt. Auch
die erste Leiterbahn kann in einer z. B. in 3 erläuterten
Variante galvanisch aufgedickt sein. Eine galvanische Aufdickung
hat den Vorteil, dass dadurch eine gut leitende Verbindung erzielt
wird.
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Das
Schichtsystem umfasst eine dielektrische Schicht, wobei die Metallschicht
zwischen dem ersten Substrat und der dielektrischen Schicht angeordnet
ist. Die isolierende Schicht ist vorzugsweise in der dielektrischen
Schicht ausgebildet. Die akustische Geschwindigkeit im Schichtsystem
ist vorzugsweise kleiner als in den Substraten.
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Auf
der Rückseite
des ersten Substrats kann eine Metallisierung angeordnet sein, die
vorzugsweise auch die ggf. abgeschrägten Stoßkanten des Schichtsystems
und der Substrate bedeckt.
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Die
zweiten leitenden Strukturen weisen vorzugsweise eine größere Höhe als die
ersten leitenden Strukturen auf und stellen z. B. durch mindestens eine
leitende Schicht oder eine Schichtenfolge verdickte Kontaktflächen dar.
Die mindestens eine weitere leitende Schicht ist auf der Metallschicht
angeordnet.
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Die
zweite Leiterbahn kann zumindest teilweise offen liegen. Offen liegende
Bereiche der zweiten Leiterbahn sind vorzugsweise passiviert. Die
zumindest teilweise in mindestens einer Vertiefung des zweiten Substrats
angeordnete zweite Leiterbahn kann aber auch durch eine isolierende
Schicht, z. B. eine Passivierungsschicht aus SiO2 bedeckt
und somit verkapselt sein sein.
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Die
zweite Leiterbahn ist in einer Variante zumindest teilweise in mindestens
einer im zweiten Substrat ausgebildeten, vorzugsweise zumindest
bis zur dielektrischen Schicht hinabreichenden Vertiefung angeordnet.
Diese Vertiefung kann zwei Durchkontaktierungen miteinander verbinden
bzw. in dieser Vertiefung können
zumindest zwei Durchkontaktierungen ausgebildet sein. Diese Durchkontaktierungen
sind durch die dielektrische Schicht hindurch geführt und
reichen bis zu den ggf. aufgedickten ersten oder zweiten leitenden
Strukturen hinab. Die zweite Leiterbahn bildet dann eine leitende
Verbindung zwischen den Durchkontaktierungen.
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Die
zweite Leiterbahn kann in einer Variante zumindest im Kreuzungsbereich
auf der Oberfläche des
zweiten Substrats angeordnet sein. Die zweite Leiterbahn kann auch
zumindest teilweise auf der dielektrischen Schicht angeordnet sein.
Die zweite Leiterbahn kann zumindest teilweise in einer auf der Rückseite
des ersten Substrats angeordneten Metallisierung ausgebildet sein.
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Die
Metallschicht umfasst in einer Variante mindestens eine leitende
Schicht, deren akustische Impedanz mindestens das Vierfache der
akustischen Impedanz der dielektrischen Schicht beträgt. Die
Metallschicht kann auch mindestens eine Teilschicht mit einer hohen
elektrischen Leitfähigkeit
umfassen.
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Gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführung
wird ein mit geführten
akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement mit einem zur Führung von
akustischen Wellen geeigneten Schichtaufbau angegeben, das eine
Induktivität
(Spule) aufweist, die mindestens eine Windung umfasst, wobei die Windungsebene
quer zu den Schichten des Schichtaufbaus liegt.
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Merkmale
der Bauelemente gemäß der ersten
und der zweiten Ausführungsform
sind ohne Einschränkung
miteinander kombinierbar.
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Das
Bauelement gemäß der zweiten
bevorzugten Ausführungsform
weist vorzugsweise auch ein Trägersubstrat,
ein piezoelektrisches Substrat und ein zwischen diesen angeordnetes
Schichtsystem auf, das eine dielektrische Schicht umfasst.
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Im
Trägersubstrat
ist in einer Variante eine Vertiefung ausgebildet, wobei mindestens
eine der Leiterbahnen der Induktivitätswindung auf einer in dieser
Vertiefung freigelegten dielektrischen Schicht angeordnet ist.
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Die
Induktivität
weist vorzugsweise zumindest eine komplette Windung auf. Jede Windung
der Induktivität
ist vorzugsweise mittels in verschiedenen Metalllagen angeordnete
Leiterbahnen und diese verbindenden Durchkontaktierungen gebildet.
Mindestens eine der Leiterbahnen der Induktivitätswindung kann in einer Metalllage
ausgebildet sein, in der elektroakustisch aktive Bauelementstrukturen
ausgebildet sind. Mindestens eine der Leiterbahnen der Induktivitätswindung
kann auf der Oberfläche
des Trägersubstrats
ausgebildet sein.
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Die
Leiterbahnen und die Durchkontaktierungen bilden zusammen vorzugsweise
eine spiralförmige
Struktur. Mindestens ein Abschnitt der spiralförmigen Struktur ist dabei vorzugsweise
in einer Metalllage ausgebildet, in der auch elektroakustisch aktive Bauelementstrukturen
ausgebildet sind. Mindestens ein Abschnitt der spiralförmigen Struktur
kann auf der Oberfläche
des zweiten Substrats oder auf der dielektrischen Schicht in einer
Vertiefung des zweiten Substrats ausgebildet sein.
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Im
Folgenden wird das Bauelement und ein Verfahren zu dessen Herstellung
anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Figuren erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
mit GBAW arbeitendes Bauelement;
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2 im
Querschnitt ausschnittsweise ein GBAW-Bauelement mit gekreuzten
Leiterbahnen, wobei die zweite Leiterbahn teilweise auf der dielektrischen
Schicht angeordnet ist;
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3 im
Querschnitt ausschnittsweise ein GBAW-Bauelement mit gekreuzten
Leiterbahnen, wobei die zweite Leiterbahn teilweise auf dem zweiten
Substrat angeordnet ist und zwei Durchkontaktierungen leitend verbindet;
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4 Draufsicht
auf die Unterseite des ersten Substrats mit darauf angeordneten
Bauelementstrukturen, Kontaktflächen
und der ersten Leiterbahn, beim Bauelement gemäß 2 oder 3;
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5A Draufsicht
auf das zweite Substrat des Bauelements gemäß 2;
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5B Draufsicht
auf das zweite Substrat des Bauelements gemäß 3;
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6, 7 jeweils
eine Draufsicht auf die metallisierte Rückseite des ersten Substrats
eines GBAW-Bauelements;
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8 Draufsicht
auf die Unterseite des ersten Substrats mit auf diesem angeordneten
Kontaktflächen
beim Bauelement gemäß 6 oder 7;
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9 ein
weiteres GBAW-Bauelement mit einer metallisierten Rückseite
des ersten Substrats, wobei die Rückseitenmetallisierung strukturiert
ist;
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10 GBAW-Bauelement
mit durch eine metallisierte V-förmige Einsägung voneinander
abgeschirmten Bereichen;
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11 ausschnittsweise
die Ansicht der Unterseite des GBAW-Bauelements mit einer durch
in verschiedenen Metallisierungsebenen angeordnete Leiterbahnen
gebildeten Spule.
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Ein
mit GBAW arbeitendes Bauelement ist in 1 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 geringen Dicke des ersten Substrats wird die Dicke des
zweiten Substrats vorzugsweise so groß gewählt, dass dies für die mechanische
Stabilität
des Bauelements ausreicht.
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Das
zweite Substrat weist vorzugsweise eine kleinere thermische Ausdehnung
auf als das erste Substrat.
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Die
Dicken des ersten und des zweiten Substrats betragen in einer Variante
50 μm bzw.
150 μm. Die
Dicke des Schichtsystems beträgt
in einer Variante 0,6 μm.
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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 411, 412.
Die Strukturen 411, 412, 42 der Metallschicht 31 sind
zwischen dem ersten Substrat 1 und einer dielektrischen
Schicht 32 z. B. aus SiO2 verkapselt.
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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 10% – höher als
in der dielektrischen Schicht.
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Im
Verbund des zweiten Substrats 2 und der dielektrischen
Schicht 32 sind Kontaktlöcher 20 zur Freilegung
von Kontaktflächen 411, 412 vorgesehen. Im
Bereich der Kontaktlöcher
ist eine Metallisierung 60 vorgesehen, die die Innenwände von
Kontaktlöchern
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 611, 612.
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2 zeigt
einen schematischen Querschnitt des Bauelements gemäß 4 und 5A im
Bereich der Überkreuzung
von Leiterbahnen 71, 72 entlang der Leiterbahn 72.
Im Substrat 2 ist eine durch das Substrat 2 hindurch
gehende Vertiefung 20 geätzt, die über den Kontaktflächen 411, 412 in
die Öffnungen 320, 321 der
dielektrischen Schicht 32 mündet. In diesen Öffnungen
ist jeweils eine Durchkontaktierung zur elektrischen Kontaktierung
der Kontaktfläche 411, 412 ausgebildet.
In der Vertiefung und teilweise auf dem zweiten Substrat 2 ist
eine Metallisierung angeordnet, die Außenanschlüsse 611, 612 und
die obere Leiterbahn 72 bildet. Die obere Leiterbahn 72 ist
hier in der Vertiefung bzw. auf der dielektrischen Schicht 32 angeordnet
und verbindet leitend die Kontaktflächen 411, 412.
Dabei ist die quer verlaufende untere Leiterbahn 71 überbrückt.
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Die
Kontaktflächen 411, 412 können, müssen aber
nicht mit Außenanschlüssen 611, 612 verbunden
sein. In einer Variante ist es möglich,
dass die Leiterbahn 72 nur am Boden der Vertiefung 20,
d. h. auf der dielektrischen Schicht 32 angeordnet ist
und mit Außenanschlüssen nicht
verbunden ist.
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Auf
der Metallschicht 31 ist im Bereich der Kontaktflächen 411, 412 eine
zusätzliche
leitende Schicht vorgesehen.
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Anstelle
der Kontaktflächen
kann die obere Leiterbahn 72 beliebige andere Strukturen
der Metallschicht 31 verbinden.
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In 2 ist
angedeutet, dass alternativ oder zusätzlich zur Überkreuzung der Leiterbahnen 71, 72 eine Überkreuzung
zwischen der in der Metallschicht 31 ausgebildeten Leiterbahn 71 und
einer in der Rückseitenmetallisierung 5 ausgebildeten
Leiterbahn 51 möglich
ist. In diesem Fall ist die elektrisch isolierende Schicht zwischen
den gekreuzten Leiterbahnen 71, 51 durch das erste
Substrat 1 gebildet.
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3 zeigt
eine weitere Möglichkeit
zur Ausbildung einer Leiterbahnüberkreuzung. 3 zeigt einen
schematischen Querschnitt des Bauelements gemäß 4 und 5B im
Bereich der Überkreuzung
von Leiterbahnen 71, 72 entlang der Leiterbahn 72.
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Im
zweiten Substrat 2 sind zwei Vertiefungen 20, 21 ausgebildet.
Auf dem zweiten Substrat 2 und in den Vertiefungen 20, 21 ist
eine Metallisierung angeordnet, die Außenanschlüsse 611, 612 und
die obere Leiterbahn 72 umfasst. Auch in dieser Variante verbindet
die Leiterbahn 72 zwei galvanisch verdickte Kontaktflächen 411, 412 der
Metallschicht 31. Dabei ist ein Teil der Leitung 72 auf
der Oberfläche
des zweiten Sub strats 2 angeordnet. Die erste Leiterbahn 71 kann
in einer Variante auch galvanisch aufgedickt sein.
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In
der Variante gemäß 3 ist
die isolierende Schicht zwischen den gekreuzten Leiterbahnen 71, 72 durch
die dielektrische Schicht 31 und einen Bereich des zweiten
Substrats 2 gebildet.
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Die
Leiterbahnüberkreuzung
gemäß 3 zeichnet
sich aufgrund einer hohen Dicke der isolierenden Schicht durch eine
besonders kleine Kopplungskapazität zwischen den gekreuzten Leiterbahnen
aus.
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In 4 ist
zu sehen, dass die Kontaktfläche 411 an
einen Wandler 421 angeschlossen ist. Weitere Kontaktflächen 413, 414 sind
hier an Masseanschlüsse
von Wandlern 422, 423 angeschlossen und mit Masse
verbunden.
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In 6, 7 und 9 sind
Varianten mit einer strukturierten Rückseitenmetallisierung 5 gezeigt.
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In 6 ist
eine in der Metallisierung 5 ausgebildete leitende Struktur 52 mit
zwei z. B. als Masseflächen
vorgesehenen leitenden Flächen 50 gezeigt,
die mittels einer dünnen
Verbindung leitend verbunden sind. Die Enden 521, 522 der
leitenden Struktur 52 sind an den abgeschrägten Stoßkanten des
Bauelements angeordnet und leitend mit Kontaktflächen 411 bzw. 412 des
in 8 gezeigten Bauelements verbunden.
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In 7 ist
die leitende Struktur 52 als eine mäanderförmig gefaltete Leitung ausgebildet.
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In 9 weist
die Metallisierung 5 zwei durch einen Schlitz voneinander
getrennt leitende Flächen
auf, die vorzugsweise über
elektromagnetisch voneinander zu entkoppelnden Bereichen des Bauelements
angeordnet sind.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur elektromagnetischen Entkopplung von Bauelementbereichen 11 und 12,
insbesondere des Sendebereichs und des Empfangsbereichs eines z.
B. als Duplexer ausgebildeten Bauelements ist in 10 vorgestellt.
Zwischen den Bauelementbereichen 11, 12 ist eine V-förmige Einsägung 10 vorgesehen.
Die Rückseitenmetallisierung 5 ist
vorzugsweise großflächig auf der
Oberfläche
des ersten Substrats 1 und in der Einsägung 10 ausgebildet.
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11 zeigt
eine Draufsicht auf die Unterseite eines GBAW-Bauelements mit einer durch erste und
zweite Leiterbahnen 71, 72 gebildeten Spule oder
Transmissionsleitung, die zwischen den Kontaktflächen 611, 612 geschaltet
ist.
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Die
Leiterbahnen 71, 72 bilden eine spiralförmige Struktur,
wobei eine Windung dieser Struktur in verschiedenen Metalllagen
angeordnete Abschnitte aufweist.
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Die
ersten Leiterbahnen 71 sind in der Metallschicht 31 angeordnet.
Die zweiten Leiterbahnen 72 verbinden in einer höheren Metalllage
zwei Durchkontaktierungen 20, 21 z. B. gemäß der in 5A oder 5B vorgestellten
Ausführung.
Diese Durchkontaktierungen reichen bis zu den ersten Leiterbahnen 71 hinab.
In dieser Variante sind die ersten und die zweiten Leiterbahnen 71, 72 leitend
miteinander verbunden.
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Die
endständigen
ersten Leiterbahnen 71 sind mittels einer Durchkontaktierung 20 bzw. 21 an die
jeweilige Kontaktfläche 612 bzw. 611 angeschlossen.
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Die
höhere
Metalllage kann wie in 2, 5A auf
der dielektrischen Schicht 32 angeordnet sein. Sie kann
aber auch wie in 3, 5B auf der
Oberfläche
des zweiten Substrats 2 angeordnet sein.
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- 1
- erstes
Substrat
- 10
- Einsägung mit
V-förmigem Querschnitt
zwischen Bauelement
-
- bereichen
- 11
- erster
Bauelementbereich
- 12
- zweiter
Bauelementbereich
- 2
- zweites
Substrat
- 20
- Kontaktloch
- 3
- Schichtsystem
- 31
- Metallschicht
des Schichtsystems
- 311
- hochleitende
Teilschicht der Metallschicht 31
- 312
- Teilschicht
mit relativ hoher akustischer Impedanz
- 32
- dielektrische
Schicht
- 411,
412
- Kontaktflächen
- 42
- Bauelementstruktur
(Wandler)
- 5
- Metallschicht
auf der Rückseite
des ersten Substrats
- 51,
52
- in
der Metallschicht 5 ausgebildete Strukturen
- 511,
512, 521, 522
- auf
abgeschrägten
Stoßkanten
angeordnete
-
- Teile
von Strukturen 51 bzw. 52
- 60
- Metallisierung
eines Kontaktlochs
- 611,
612
- Außenanschluss
- 71
- erste
Leiterbahn
- 72
- zweite
Leiterbahn