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Kristallschnitte der LiNbO
3-Einkristalle (LiNbO
3 = Lithiumniobat) sind z. B. aus der Druckschrift
DE 196 41 662 B4 bekannt.
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Aus der Druckschrift
WO 2005/034347 A1 sind mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente bekannt, bei denen Elektrodenstrukturen auf LiNbO
3-Substraten angeordnet sind.
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Aus der Veröffentlichungsschrift
DE 10325281 A1 sind mit geführten akustischen Volumenwellen arbeitende Bauelement mit Elektrodenstrukturen an einer oder zwei Seiten eines piezoelektrischen Substrats bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement anzugeben, das neben einem niedrigen Temperaturkoeffizienten der Frequenz (z. B. Resonanzfrequenz oder Mittenfrequenz) weniger Verluste durch ungewollte Wellenabstrahlung aufweist.
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Ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement kann insbesondere einen Resonator mit einem Wandler aufweisen, in dem die akustische Welle elektrisch anregbar ist. Ein Wandler weist i. d. R. ein Elektrodengitter auf. Die Elektroden sind dabei senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung angeordnete Metallstreifen. Der Wandler kann zwischen zwei akustischen Reflektoren angeordnet sein, die zum Lokalisieren der akustischen Welle im aktiven Bereich des Wandlers geeignet sind. Das Bauelement weist einen Durchlassbereich und mindestens einen Sperrbereich auf.
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Das angegebene Bauelement kann zur Anregung von akustischen Oberflächenwellen geeignet sein. Das angegebene Bauelement kann aber auch zur Anregung von geführten akustischen Volumenwellen – auf Englisch „Guided Bulk Acoustic Wave” oder GBAW – geeignet sein.
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Ein Kristallschnitt kann durch drei Euler-Winkel angegeben werden. Die Euler-Winkel sind nachstehend anhand von 1 erläutert. Der erste Euler-Winkel wird im Folgenden mit λ, der zweite Euler-Winkel mit μ und der dritte Euler-Winkel mit θ bezeichnet.
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Im Einkristall-LiNbO3 ist je nach Kristallschnitt eine Scherwelle und/oder eine Rayleigh-Welle anregbar. Es wurde festgestellt, dass der elektroakustische Kopplungskoeffizient K2 für die Scherwelle beim Kristallschnitt (0°, μ, 0°) mit μ ≈ 30° und für die Rayleigh-Welle beim Kristallschnitt (0°, μ, 0°) mit μ ≈ –64° im Wesentlichen Null ist, d. h. dass die jeweilige Welle dort nicht oder nur sehr schwach angeregt wird. Die jeweils anders polarisierte Welle wird jedoch stark angeregt. Durch die Kristallsymmetrie sind Eulerwinkel (0°, μ, 0°), (0°, μ + 180°, 0°) und (0°, μ – 180°, 0°) bezüglich der akustischen Eigenschaften äquivalent.
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Es wird deshalb ein elektroakustisches Bauelement mit einem Substrat aus einem Einkristall-LiNbO3 angegeben. Für dessen ersten Eulerwinkel λ gilt: λ = 0° ± 5%, für dessen zweiten Eulerwinkel μ gilt: –74° ≤ μ ≤ –52°, und für dessen dritten Eulerwinkel θ gilt: θ = 0° ± 5%. In dem Bauelement ist eine horizontal polarisierte Scherwelle anregbar. Das Bauelement hat eine auf dem Substrat angeordnete Metallschicht, die Elektroden zur Anregung einer akustischen Welle mit der Wellenlänge λ0 aufweist. Die Metallschicht enthält eine Teilschicht, deren auf die Wellenlänge bezogene Dicke maximal 10% beträgt. Das Bauelement arbeitet mit geführten akustischen Volumenwellen. Es umfasst ferner eine Deckschicht und eine Zwischenschicht. Die Metallschicht ist zwischen dem Substrat und der Zwischenschicht angeordnet. Die Zwischenschicht ist zwischen der Metallschicht und der Deckschicht angeordnet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ist im Substrat und der Deckschicht größer ist in der Zwischenschicht. Die Dicke der Zwischenschicht bezogen auf die Wellenlänge λ0 beträgt zwischen 20% und 200%.
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Gemäß dieser ersten bevorzugten Ausführungsform wird also ein elektroakustisches Bauelement mit einem Substrat aus einem Einkristall-LiNbO3 angegeben, für dessen zweiten Eulerwinkel μ gilt: –74° ≤ μ ≤ –52°. Für den ersten Eulerwinkel λ gilt λ ≈ 0°. Für den dritten Eulerwinkel θ gilt θ ≈ 0°.
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Unter einem Eulerwinkel, der im Wesentlichen gleich Null ist, versteht man insbesondere einen Winkelbereich, der zwischen –5° und +5° liegt. Dies gilt für die Winkel λ und 0. Es kann aber auch ein Winkelbereich zwischen –3° und +3° sein.
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Für den ersten Eulerwinkel λ gilt vorzugsweise λ = 0°. Für den dritten Eulerwinkel θ gilt vorzugsweise θ = 0°. An der Grenzfläche des Substrats ist eine horizontal polarisierte Scherwelle anregbar, die in einer vorteilhaften Variante eine GBAW darstellt. Die horizontale Polarisation bedeutet, dass die Scherwelle im Wesentlichen in einer Lateralebene polarisiert ist. Besonders vorteilhaft ist in diesem Fall der Winkelbereich –67° ≤ μ ≤ –61°.
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Die Scherwelle umfasst primär eine Komponente, die in der Lateralebene X, Y im Wesentlichen quer zu der Ausbreitungsrichtung X der Welle polarisiert ist. Außerdem kann eine kleine Wellenkomponente vorhanden sein, die senkrecht zur Lateralebene polarisiert ist.
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Das Bauelement weist vorzugsweise einen Wandler auf, in dem eine Scherwelle als Hauptmode ausbreitungsfähig ist. Der Wandler zeichnet sich dadurch aus, dass seine Admittanzkurve unterhalb der Resonanzfrequenz fR der Hauptresonanz keine Nebenresonanzen aufweist. Im Frequenzbereich zwischen fR und 1,5 fR weisen die Nebenresonanzen nur eine sehr geringe Intensität auf.
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Es wird ferner ein alternatives elektroakustisches Bauelement mit einem Substrat aus einem Einkristall-LiNbO3 angegeben. Für dessen ersten Eulerwinkel λ gilt: λ = 0° ± 5%, für dessen zweiten Eulerwinkel μ gilt: 23° ≤ μ ≤ 36°, und für dessen dritten Eulerwinkel θ gilt: θ = 0° ± 5%. Das Bauelement hat eine auf dem Substrat angeordnete Metallschicht, die Elektroden zur Anregung einer akustischen Welle mit der Wellenlänge λ0 aufweist. Die Metallschicht enthält eine Teilschicht, deren auf die Wellenlänge bezogene Dicke maximal 10% beträgt. Das Bauelement arbeitet mit geführten akustischen Volumenwellen. Es umfasst ferner eine Deckschicht und eine Zwischenschicht. Die Metallschicht ist zwischen dem Substrat und der Zwischenschicht angeordnet. Die Zwischenschicht ist zwischen der Metallschicht und der Deckschicht angeordnet. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle ist im Substrat und der Deckschicht größer ist in der Zwischenschicht. Die Dicke der Zwischenschicht bezogen auf die Wellenlänge λ0 beträgt zwischen 20% und 200%.
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Gemäß dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform wird ein elektroakustisches Bauelement mit einem Substrat aus einem Einkristall-LiNbO3 angegeben, für dessen zweiten Eulerwinkel μ gilt: 23° ≤ μ ≤ 36°. Für den ersten Eulerwinkel λ gilt vorzugsweise: λ ≈ 0°. Für den dritten Eulerwinkel θ gilt vorzugsweise: θ ≈ 0°. An der Grenzfläche des Substrats ist in diesem Fall eine akustische Welle anregbar, die in einer vorteilhaften Variante eine GBAW darstellt. Besonders vorteilhaft ist in diesem Fall der Winkelbereich 28° ≤ μ ≤ 32°.
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Das Bauelement weist vorzugsweise einen Wandler auf, in dem die akustische Welle als Hauptmode ausbreitungsfähig ist. Der Wandler zeichnet sich dadurch aus, dass seine Admittanzkurve unterhalb der Resonanzfrequenz fR bei der Hauptresonanz keine Nebenresonanzen aufweist.
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Im Folgenden sind mögliche Details des Bauelements gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform angegeben.
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Auf dem Substrat ist eine Metallschicht angeordnet, in der Elektroden zur Anregung einer akustischen Welle mit der Wellenlänge λ0 ausgebildet sind. Gemeint ist dabei die Wellenlänge bei einer Frequenz, die im Durchlassbereich des Bauelements liegt. Die Elektroden können ein periodisches Elektrodengitter des Wandlers bilden, wobei der in Wellenausbreitungsrichtung gemessene Abstand zwischen zwei entgegengesetzt gepolten Elektroden eine halbe Wellenlänge beträgt.
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Die Metallschicht umfasst eine W-Schicht, deren auf die Wellenlänge bezogene Dicke maximal 10% und in einer vorteilhaften Variante zwischen 1% und 6,5% beträgt. Die W-Schicht kann insbesondere auf die Wellenlänge bezogen 5% dick sein.
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Die Elektroden können außerdem Al oder eine Al-Legierung umfassen. Sie können z. B. mindestens eine Al-Schicht, aber auch weitere Schichten, insbesondere eine Cu-Schicht aufweisen. Die Gesamthöhe der Elektroden kann z. B. bis zu 10% der Wellenlänge betragen.
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Das Bauelement ist als ein mit geführten akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement konzipiert und umfasst eine Decksschicht und eine Zwischenschicht, die auf dem ersten Substrat mit den Elektroden angeordnet und insbesondere als eine Planarisierungsschicht geeignet ist.
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Die Deckschicht kann durch zumindest ein Substrat realisiert sein. Das in Zusammenhang mit dem weiteren Substrat Gesagte gilt auch für die Deckschicht. Die Deckschicht kann mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien umfassen.
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Es ist vorteilhaft, wenn die zum weiteren Substrat gewandte Grenzfläche der Zwischenschicht plan bzw. planarisiert ist. Somit kann ein erster Wafer, der das erste Substrat, die Metallschicht und die Zwischenschicht umfasst, mit dem zweiten Substrat mittels Direct Wafer Bonding verbunden werden.
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Der Anteil der metallisierten Fläche auf der Oberfläche des ersten Substrats im akustisch aktiven Bereich des Bauelements beträgt vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,7, ist aber nicht auf diesen Bereich beschränkt.
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Das Substrat und das weitere Substrat weisen jeweils vorzugsweise eine Dicke von mindestens 7,5λ0 auf. Das weitere Substrat kann aus Si, insbesondere aus Si mit dem Kristallschnitt (0°, 0°, 0°) sein.
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Der Temperaturgang der Frequenz f des elektroakustischen Bauelements kann durch eine Taylor-Reihe beschrieben werden: df/f = T0 + TCF1ΔT + TCF2(ΔT)2 + ...
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df ist die temperaturbedingte Abweichung der Frequenz des Bauelements bei einer Temperaturdifferenz ΔT. Dies kann z. B. die Temperaturabweichung von Raumtemperatur bzw. einer vorgegebenen Referenztemperatur sein. Der Koeffizient TCF1 vor dem linearen Term dieser Reihe wird als linearer Temperaturkoeffizient bezeichnet. Der Koeffizient TCF2 vor dem quadratischen Term dieser Reihe wird als quadratischer Temperaturkoeffizient bezeichnet. Die Kurve df/f(ΔT) ist bei einem kleinen Wert des Koeffizienten TCF2 im Wesentlichen eine Gerade.
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Der Kristallschnitt, die Metallisierungshöhe der Elektroden und der Anteil der metallisierten Fläche im akustisch aktiven Bereich des Bauelements wird vorzugsweise so gewählt, dass der lineare Temperaturkoeffizient TCF1 klein und vorzugsweise im Wesentlichen Null ist.
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Die Zwischenschicht ist vorzugsweise aus SiOx mit 1,6 ≤ x ≤ 2,1, kann aber auch aus einem anderen Material gewählt sein. Der Vorteil der relativ dicken Zwischenschicht liegt darin, dass damit beim Bauelement relativ niedrige Werte für den Parameter TCF1 erzielt werden können. Z. B. gilt im Bauelement gemäß der ersten Ausführungsform: TCF1 = –33 ppm/K für die Zwischenschicht mit der relativen Schichtdicke 25% und TCF1 = –23 ppm/K für die Zwischenschicht mit der relativen Schichtdicke 150%. Im Bauelement gemäß der zweiten Ausführungsform wurde bestimmt: TCF1 = –35 ppm/K für die Zwischenschicht mit der relativen Schichtdicke 25% und TCF1 = –20 ppm/K für die Zwischenschicht mit der relativen Schichtdicke 150%.
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Der Vorteil einer relativ dicken Zwischenschicht liegt außerdem darin, dass ein relativ hoher Reflexionskoeffizient R der Welle an einer Elektrodenkante erzielt werden kann. Für ein kurzgeschlossenes Elektrodengitter im Bauelement gemäß der zweiten Ausführungsform wurde bestimmt: R = 9,34% für die Zwischenschicht mit der relativen Schichtdicke 25% und R = 15,07% für die Zwischenschicht mit der relativen Schichtdicke 150%. Der Anteil der metallisierten Fläche im aktiven Bereich des Bauelements betrug dabei 0,5. Die Elektroden waren aus W mit der relativen Dicke von 5%.
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Es gelingt, im elektroakustischen Bauelement einen relativ hohen elektroakustischen Kopplungskoeffizienten K2 zu erzielen, wobei gilt: K2 > 12% für die Scherwelle im Bauelement gemäß der ersten Ausführungsform und K2 > 6% für die Rayleigh-Welle im Bauelement gemäß der zweiten Ausführungsform.
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Im Bauelement gemäß der ersten Ausführungsform wurde bezüglich des Kopplungskoeffizienten K für die Zwischenschicht mit der relativen Schichtdicke 25% K2 = 15,08% und für die Zwischenschicht mit der relativen Schichtdicke 150% K2 = 12,34% bestimmt, wobei der Anteil der metallisierten Fläche im aktiven Bereich des Bauelements 0,5 betrug.
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Im Bauelement gemäß der zweiten Ausführungsform wurde für die Zwischenschicht mit der relativen Schichtdicke 25% K2 = 7,74% und für die Zwischenschicht mit der relativen Schichtdicke 150% K2 = 6,31% bestimmt, wobei der Anteil der metallisierten Fläche im aktiven Bereich des Bauelements 0,5 betrug.
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Das Bauelement wird anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 Erläuterungen zu den Euler-Winkeln bei einem Kristallschnitt;
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2 ein beispielhaftes mit GBAW arbeitendes Bauelement
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Die Euler-Winkel sind anhand von 1 erläutert. Die Achsen des kristallphysikalischen Koordinatensystems (x, y, z) werden entlang der Kristall-Achsen (a, b, c) einer Elementarzelle des Einkristalls ausgerichtet. Der erste Euler-Winkel λ beschreibt eine Drehung des Koordinatensystems um die z-Achse, siehe 1. Das einmal gedrehte Koordinatensystem wird als (x', y', z) bezeichnet. Der zweite Euler-Winkel μ beschreibt eine Drehung des einmal gedrehten Koordinatensystems um die x'-Achse. Dabei geht man zum Koordinatensystem (x', y'', Z) über. Der dritte Euler-Winkel θ beschreibt eine Drehung des zweimal gedrehten Koordinatensystems um die Z-Achse. Die X-Achse des nun erhaltenen Koordinatensystems (X, Y, Z) ist in die als Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle vorgesehene Richtung ausgerichtet. Die akustische Welle breitet sich in der X, Y-Ebene aus, die auch als Schnittebene des Substrats bezeichnet wird. Die Z-Achse ist die Normale zu dieser Ebene.
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In 2 ist ausschnittsweise ein Bauelement mit einem Wandler W1 gezeigt, in dem eine geführte akustische Volumenwelle – GBAW – anregbar ist.
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Das erste Substrat ist LiNbO3 mit einem der angegebenen Kristallschnitte. Auf dem ersten Substrat S1 ist eine Metallschicht angeordnet, die den Wandler W1 und eine elektrisch mit diesem verbundene Kontaktfläche KF1 aufweist. Der Wandler umfasst Elektroden E1, E2, wobei erste Elektroden E1 und zweite Elektroden E2 in Wellenausbreitungsrichtung X abwechselnd angeordnet sind. Sie erstrecken sich jeweils in der Lateralebene quer zu dieser Richtung.
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Die Strukturen E1, E2, KF1 der Metallschicht sind mit einer Zwischenschicht ZS bedeckt, die mit der von diesen Strukturen frei bleibenden Oberfläche des ersten Substrats S1 abschließt. Die Zwischenschicht ZS ist mindestens so hoch wie diese Metallschicht.
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Die Kontaktfläche KF1 ist mittels einer durch das zweite Substrat Si und die Zwischenschicht ZS durchgeführten Durchkontaktierung DK von außen kontaktierbar. Diese Durchkontaktierung stellt ein Loch dar, dessen Oberfläche mit einer Metallisierung bedeckt ist. Die Metallisierung liegt auch auf der frei liegenden Oberfläche des zweiten Substrats S2 auf und bildet einen Außenkontakt AE.
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Das Bauelement ist nicht auf das in 2 gezeigte Beispiel begrenzt.
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Bezugszeichenliste
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- AE
- Außenelektrode
- DK
- Durchkontaktierung
- E1, E2
- Elektroden
- KF1
- Kontaktfläche
- S1
- erstes Substrat
- S2
- zweites Substrat
- ZS
- Zwischenschicht
- X
- Wellenausbreitungsrichtung
- Y,
- Z Raumrichtungen
- x, x', y, y', y'', z
- Raumrichtungen
- λ
- erster Euler-Winkel
- μ
- zweiter Euler-Winkel
- θ
- dritter Euler-Winkel
