DE102006046278B4

DE102006046278B4 - Mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator

Info

Publication number: DE102006046278B4
Application number: DE200610046278
Authority: DE
Inventors: Edgar Dr. Schmidhammer; Habbo Dr. Heinze
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2026-09-30
Also published as: DE102006046278A1; WO2008040325A1

Abstract

Mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator
– mit einem Resonatorbereich (RE) und einem akustischen Spiegel (AS),
– wobei der Resonatorbereich (RE) eine erste Elektrode (E1), eine zweite Elektrode (E2) und eine zwischen den Elektroden angeordnete Piezoschicht (PS) umfasst,
– wobei die zweite Elektrode (E2) zwischen dem Spiegel (AS) und der Piezoschicht (PS) angeordnet ist,
– wobei die zweite Elektrode (E2) eine hochleitfähige Schicht (E23), eine erste Wachstumsschicht (E22) und eine von dieser unterschiedliche zweite Wachstumsschicht (E21) umfasst,
– wobei die Wachstumsschichten (E21, E22) zwischen der hochleitfähigen Schicht (E23) der zweiten Elektrode (E2) und der Piezoschicht (PS) angeordnet sind,
wobei die erste Wachstumsschicht (E22) Titan enthält,
wobei die zweite Wachstumsschicht (E21) eine akustische Impedanz von mindestens 50 × 10⁶ kg/m²s aufweist,
wobei die hochleitfähige Schicht (E23) Al, AlCu, Ag oder Cu umfasst.

Description

Ein mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator, der in der Fachliteratur auch als BAW-Resonator oder FBAR bezeichnet wird, ist beispielsweise aus den Druckschriften US 6,291,931 B1 oder WO 02/23720 A1 bekannt. BAW steht für Bulk Acoustic Wave. FBAR steht für Thin Film BAW Resonator.
Aus der DE 103 16 716 A1 ist ein Bauelement mit einer piezoelektrischen Funktionsschicht bekannt, bei dem zwischen einer unteren Elektrode und der aufwachsenden Piezoschicht eine Wachstumsschicht angeordnet ist.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen Resonator der eingangs genannten Art anzugeben, der niedrige Fertigungstoleranzen aufweist.
Es wird ein mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator mit einem Resonatorbereich und einem akustischen Spiegel angegeben, wobei der Resonatorbereich eine erste (obere) Elektrode, eine zweite (untere) Elektrode und eine zwischen den Elektroden angeordnete Piezoschicht umfasst. Die zweite Elektrode ist zwischen dem Spiegel und der Piezoschicht angeordnet und umfasst eine hochleitfähige Schicht, eine erste Wachstumsschicht und eine von dieser unterschiedliche zweite Wachstumsschicht. Die Anordnung der Wachstumsschichten ist zwischen der hochleitfähigen Schicht der zweiten Elektrode und der Piezoschicht angeordnet.
Die erste Wachstumsschicht dient als eine Unterlage zum Aufwachsen einer hochtexturierten zweiten Wachstumsschicht. Die hochqualitative zweite Wachstumsschicht dient ihrerseits als eine Unterlage zum Aufwachsen der Piezoschicht mit einer homogenen, hochorientierten Struktur. Durch die Verwendung von mehreren Wachstumsschichten gelingt es, eine hohe Güte des Resonators zu erzielen und die mit Strukturfehlern der Piezoschicht verbundenen Fertigungstoleranzen gering zu halten.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele zum Aufbau des Resonators sind nachstehend angegeben.
Der Resonator umfasst einen Resonatorstapel, der den Resonatorbereich und den akustischen Spiegel umfasst. Der Resonatorstapel ist auf einem Trägersubstrat angeordnet. Der akustische Spiegel ist zwischen dem Trägersubstrat und dem Resonatorbereich angeordnet.
Die Wachstumsschichten sind zwischen der hochleitfähigen Schicht und der Piezoschicht angeordnet. Die erste Wachstumsschicht ist zwischen der hochleitfähigen Schicht und der zweiten Wachstumsschicht angeordnet. Die zweite Wachstumsschicht ist zwischen der ersten Wachstumsschicht und der Piezoschicht angeordnet.
Die Wachstumsschichten sind vorzugsweise elektrisch leitfähig. Die Dicke der ersten Wachstumsschicht beträgt vorzugsweise nicht weniger als 10% der Dicke der zweiten Wachstumsschicht.
Zwischen der hochleitfähigen Schicht und dem akustischen Spiegel ist vorzugsweise eine Anpassungsschicht angeordnet. Die Dicke dieser Anpassungsschicht beträgt vorzugsweise nicht weniger als 10% der Dicke der hochleitfähigen Schicht der zweiten Elektrode. Da diese Anpassungsschicht relativ dick ist, ist sie zur Anpassung der akustischen Eigenschaften des Resonatorstapels geeignet. Die Anpassungsschicht ist außerdem als eine Haftvermittlungsschicht geeignet.
Die erste Elektrode weist vorzugsweise eine hochleitfähige Schicht und eine Anpassungsschicht auf. Die Dicke dieser Anpassungsschicht beträgt vorzugsweise nicht weniger als 10% der Dicke der hochleitfähigen Schicht der ersten Elektrode.
Als Material für die Piezoschicht ist beispielsweise AlN, ZnO oder Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) geeignet.
Die Anpassungsschicht ist vorzugsweise zwischen der hochleitfähigen Schicht der ersten Elektrode und einer vorzugsweise elektrisch isolierenden Trimm-Schicht angeordnet. Als Material für eine Trimm-Schicht ist beispielsweise SiO₂ geeignet. Die Trimm-Schicht spielt vorzugsweise die Rolle einer Abdeckschicht, die den Resonatorstapel gegen das Trägersubstrat versiegelt.
Die zweite Wachstumsschicht weist vorzugsweise eine hohe akustische Impedanz auf, die in einer Variante höher ist als diejenige der ersten Wachstumsschicht. Die erste Elektrode ist dagegen vorzugsweise frei von Schichten mit einer hohen akustischen Impedanz. Als hohe akustische Impedanz wird eine akustische Impedanz von mindestens 50 × 10⁶ kg/m²s betrachtet.
Die zum akustischen Spiegel gewandte Anpassungsschicht und die erste Wachstumsschicht enthalten vorzugsweise ein Material, das zur Haftvermittlung zwischen der jeweils oberen und unteren an diese Schicht angrenzenden Schicht geeignet ist.
Die erste Wachstumsschicht enthält vorzugsweise Titan. Titan kann aber auch durch ein anderes Metall oder eine Metalllegierung ersetzt werden, die sich zum Aufwachsen einer hoch texturierten zweiten Wachstumsschicht eignet. Die jeweilige Anpassungsschicht enthält vorzugsweise auch Titan.
Die zweite Wachstumsschicht enthält vorzugsweise Wolfram oder ein anderes Metall mit einer hohen akustischen Impedanz, beispielsweise Mo, Pt, Au, TiW, WSi, Ta, Ir.
Die elektrische Leitfähigkeit der jeweiligen hochleitfähigen Schicht übersteigt vorzugsweise diejenige der Wachstumsschichten und/oder der Anpassungsschichten. Die hochleitfähigen Schichten enthalten vorzugsweise Al oder eine Al-Legierung wie z. B. AlCu. Silber und Kupfer sind im Prinzip als hochleitfähige Schichten auch geeignet. Die akustische Impedanz dieser Schichten ist vorzugsweise kleiner als diejenige der zweiten Wachstumsschicht. Die akustische Impedanz der hochleitfähigen Schicht der zweiten Elektrode ist in einer Variante kleiner als diejenige der ersten Wachstumsschicht. Dadurch nimmt in einer ersten Ausführungsform die akustische Impedanz in der unteren Elektrode – von der Piezoschicht ausgehend – von der zweiten Wachstumsschicht über die erste Wachstumsschicht zur hochleitfähigen Schicht ab, was sich positiv auf das Stressprofil im Resonator auswirkt. Die erste Anpassungsschicht, die zum Spiegel hin gewandt ist, dient dann als eine Kompensationsschicht, um die im Resonatorstapel auftretenden Kräfte auszugleichen und die Stabilität des Gebildes zu erhöhen.
Schichtdickenschwankungen führen zum Versatz der Frequenzlage des Resonators. Die Schichten mit einer hohen akustischen Impedanz haben dabei einen besonders großen Einfluss auf die Frequenzlage des Resonators, vor allem wenn sie in unmittelbarer Nähe der Piezoschicht liegen. Aus diesem Grund erscheint es im Hinblick auf niedrige Fertigungstoleranzen vor teilhaft, nur eine solche Schicht in der Nähe der Piezoschicht zu verwenden. Die zweite Wachstumsschicht ist daher im Resonatorbereich vorzugsweise die einzige Schicht mit hoher akustischer Impedanz. Weiter ist es vorteilhaft, wenn sich das Material mit der hohen akustischen Impedanz in der unteren Elektrode befindet. Dies führt zum einen zu einer höheren Güte des Resonators, und zum anderen zu einer weniger sensitiven Struktur gegenüber einer Variante, bei der sich die Schicht mit hoher akustischer Impedanz in der oberen Elektrode befindet.
Der Verzicht auf eine Wolfram-Schicht oder eine andere schwere Schicht bei der oberen Elektrode des Resonators hat den Vorteil, dass dadurch eine leichte Ätzbarkeit der Schichtenfolge, die die obere Elektrode und die Piezoschicht umfasst, gewährleistet ist. Somit kann eine relativ niedrige Fertigungszeit bei Ätzschritten erzielt werden.
Die relativ schwere zweite Wachstumsschicht ist praktisch die einzige Schicht, die für die Frequenzlage des Resonators ausschlaggebend ist. Die übrigen Schichten der mehrlagigen Elektroden sind aus leichteren Materialien ausgebildet und daher für die Frequenzlage im Wesentlichen nicht bestimmend, so dass die Fertigungstoleranzen bei der Erzeugung von diesen Schichten trotz ihrer großen Anzahl nur einen geringen Frequenzversatz verursachen.
Der Verzicht auf eine schwere Elektrodenschicht bei der oberen Elektrode des Resonators führt zwar zunächst zu einer verringerten elektromechanischen Kopplung des vorliegenden Schichtsystems. Aber überraschenderweise konnte durch den erläuterten Schichtaufbau eine besonders hohe Flankensteilheit der Übertragungsfunktion eines Filters mit neuartigen Resonatoren und somit eine relativ große Bandbreite erzielt werden.
Der akustische Spiegel umfasst mindestens eine Schicht mit hoher akustischer Impedanz, beispielsweise Wolfram, und mindestens eine Schicht mit niedriger akustischer Impedanz, beispielsweise SiO₂. Der akustische Spiegel umfasst vorzugsweise eine Abfolge der Schichten mit hoher und niedriger akustischer Impedanz.
Die jeweilige Anpassungsschicht ist vorzugsweise elektrisch leitfähig. Alternativ kann eine elektrisch isolierende Anpassungsschicht gewählt werden.
Der angegebene Resonator zeichnet sich durch ein besonders vorteilhaftes Dispersionsverhalten aus, das die Übertragungsfunktion eines Bandpassfilter beeinflusst, das Resonatoren mit angegebenen Eigenschaften umfasst. Es gelingt, im Bandpassfilter gleichzeitig eine niedrige Einfügedämpfung im Passband und eine hohe Flankensteilheit der Übertragungsfunktion zu erzielen.
Der angegebene Resonator zeichnet sich durch eine relativ hohe Leistungsverträglichkeit und eine hohe Temperaturstabilität aus.
Um Verunreinigungen zu vermeiden, die Strukturfehler der Schichten verursachen können, werden vorzugsweise die Schichten der beiden Elektroden unter Vakuum prozessiert. Die Piezoschicht wird vorzugsweise auch unter Vakuum aufgewachsen. Vorzugsweise wird zumindest der gesamte Resonatorbereich, vorzugsweise der gesamte Resonatorstapel, ohne Vakuumbruch prozessiert.
Die akustische Impedanz der zum akustischen Spiegel gewandten Anpassungsschicht übersteigt vorzugsweise diejenige der obersten Spiegelschicht. Zur Anpassung akustischer Eigenschaften des Resonatorstapels kann es vorteilhaft sein, die akustische Impedanz dieser Anpassungsschicht größer zu wählen als diejenige der hochleitfähigen Schicht der zweiten Elektrode.
Der angegebene Resonator wird nun anhand von schematischen und nicht maßstabgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:
1 einen Resonator, bei dem die untere Elektrode drei Teilschichten aufweist;
2 einen Resonator, bei dem die untere Elektrode zusätzlich eine Anpassungsschicht aufweist.
Der in 1 vorgestellte Resonator umfasst einen Resonatorstapel, der auf dem Trägersubstrat SU angeordnet ist. Der Resonatorstapel umfasst einen Resonatorbereich RE und einen akustischen Spiegel AS. Der akustische Spiegel AS ist zwischen einem Trägersubstrat SU und dem Resonatorbereich RE angeordnet. Der Resonatorbereich RE umfasst eine erste Elektrode E1, eine zweite Elektrode E2 und eine zwischen den Elektroden E1, E2 angeordnete Piezoschicht PS.
Die untere Elektrode E2 umfasst eine Schichtenfolge von mindestens drei elektrisch leitfähigen Schichten, darunter mindestens einer Schicht, in 1 die zweite Wachstumsschicht E21, die eine hohe akustische Impedanz aufweist. Dies kann beispielsweise eine Wolframschicht oder eine Schicht sein, die Wolfram enthält.
Die erste Elektrode E1 umfasst eine erste hochleitfähige Schicht E11 (z. B. AlCu) und eine erste Anpassungsschicht E12 (z. B. Ti). Die obere Elektrode E1 ist frei von schweren Schichten, die eine hohe akustische Impedanz aufweisen.
Auf der ersten Elektrode E1 ist eine elektrisch isolierende Trimmschicht E13 angeordnet. Die akustische Impedanz der Trimmschicht ist vorzugsweise kleiner als diejenige der Anpassungsschicht E21. Als Trimmschicht ist beispielsweise SiO₂ geeignet. Diese Schicht versiegelt den Resonatorstapel und schützt ihn somit vor Korrosion. Sie dient außerdem zum Frequenztrimmen des Resonators. Die Resonanzfrequenz des Resonators kann durch das Abtragen eines Teils dieser Schicht erhöht werden.
Die obere Anpassungsschicht E12 stellt eine Art Versiegelung zum Schutz der Oberfläche der hochleitfähigen Schicht E11 dar, die oft anfällig für Korrosion ist. Beispielsweise infolge einer hohen Temperatur, die zum Aufbringen der Trimmschicht E13 notwendig ist, kann die Rauhigkeit der Oberfläche der Schicht E11 ansteigen, was mit Hilfe der Anpassungsschicht E12 vermieden werden kann. Auf die Schicht E12 kann aber unter Umständen verzichtet werden.
Die zweite Elektrode E2 umfasst eine zweite hochleitfähige Schicht E23 (z. B. AlCu), eine erste Wachstumsschicht E22 (z. B. Ti) und eine zweite Wachstumsschicht E21 (z. B. W). Die zweite hochleitfähige Schicht E23 liegt zwischen der ersten Wachstumsschicht E22 und dem akustischen Spiegel AS. Die erste Wachstumsschicht E22 ist zum Aufwachsen einer hoch texturierten zweiten Wachstumsschicht E21 geeignet. Die gleichmäßig aufgewachsene, nahezu störungsfreie zweite Wachstumsschicht E21 ist optimal als Untergrund zum Aufwachsen der nachfolgenden Piezoschicht PS geeignet.
Die akustische Impedanz der ersten Wachstumsschicht E22 ist vorzugsweise kleiner als diejenige der zweiten Wachstumsschicht E21. Die akustische Impedanz der hochleitfähigen Schicht E23 ist vorzugsweise kleiner als diejenige der ersten Wachstumsschicht E22. Die Schichten E23, E22, E21 bilden also eine Schichtenfolge mit einer zur Piezoschicht hin aufsteigenden akustischen Impedanz.
Die zweite Elektrode E2 umfasst in der in 2 gezeigten Variante außerdem eine Anpassungsschicht E24, die zwischen der hochleitfähigen Schicht E23 und dem akustischen Spiegel AS angeordnet ist. Die Anpassungsschicht E24 dient unter anderem zur Stresskompensation in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Resonatorbereich RE und dem akustischen Spiegel AS.
Die hochleitfähige Schicht E23 und die Anpassungsschicht E24 ist insbesondere zum Ausgleich des Frequenzversatzes geeignet, der durch die Veränderung der Schichtdicken der Spiegelschichten verursacht wird.
Die Dicke der ersten Anpassungsschicht E12 beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 40% der Dicke der ersten hochleitfähigen Schicht E11. Die Dicke der ersten Wachstumsschicht E22 beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 40% der Dicke der zweiten Wachstumsschicht E21. Die Dicke der zweiten Anpassungsschicht E24 beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 40% der Dicke der zweiten hochleitfähigen Schicht E23.
Die elektrische Leitfähigkeit der erst hochleitfähigen Schicht E11 übersteigt vorzugsweise diejenige der ersten Anpassungsschicht E12. Die elektrische Leitfähigkeit der zweiten hochleitfähigen Schicht übersteigt vorzugsweise diejenige der Wachstumsschichten E21, E22.
Der akustische Spiegel AS ist in den Figuren nur mit zwei Spiegelschichten dargestellt. Die Anzahl der Spiegelschichten und deren Zusammensetzung kann im Prinzip beliebig gewählt sein.

AS: akustischer Spiegel
E11: erste hochleitfähige Schicht
E12: erste Anpassungsschicht
E13: Trimmschicht
E21: zweite Wachstumsschicht
E22: erste Wachstumsschicht
E23: zweite hochleitfähige Schicht
E24: zweite Anpassungsschicht
PS: Piezoschicht
RE: Resonatorbereich
SU: Trägersubstrat

Claims

Mit akustischen Volumenwellen arbeitender Resonator – mit einem Resonatorbereich (RE) und einem akustischen Spiegel (AS), – wobei der Resonatorbereich (RE) eine erste Elektrode (E1), eine zweite Elektrode (E2) und eine zwischen den Elektroden angeordnete Piezoschicht (PS) umfasst, – wobei die zweite Elektrode (E2) zwischen dem Spiegel (AS) und der Piezoschicht (PS) angeordnet ist, – wobei die zweite Elektrode (E2) eine hochleitfähige Schicht (E23), eine erste Wachstumsschicht (E22) und eine von dieser unterschiedliche zweite Wachstumsschicht (E21) umfasst, – wobei die Wachstumsschichten (E21, E22) zwischen der hochleitfähigen Schicht (E23) der zweiten Elektrode (E2) und der Piezoschicht (PS) angeordnet sind, wobei die erste Wachstumsschicht (E22) Titan enthält, wobei die zweite Wachstumsschicht (E21) eine akustische Impedanz von mindestens 50 × 10⁶ kg/m²s aufweist, wobei die hochleitfähige Schicht (E23) Al, AlCu, Ag oder Cu umfasst.
Resonator nach Anspruch 1, – wobei die zweite Wachstumsschicht (E21) zwischen der ersten Wachstumsschicht (E22) und der Piezoschicht (PS) angeordnet ist, und – wobei die erste Wachstumsschicht (E22) zwischen der hochleitfähigen Schicht (E23) und der zweiten Wachstumsschicht (E21) angeordnet ist.
Resonator nach Anspruch 1 oder 2, – wobei zwischen der hochleitfähigen Schicht (E23) der zweiten Elektrode (E2) und dem akustischen Spiegel (AS) eine An passungsschicht (E24) angeordnet ist.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, – wobei die erste Elektrode (E1) eine hochleitfähige Schicht (E11) und eine Anpassungsschicht (E12) aufweist.
Resonator nach Anspruch 4, – wobei die Anpassungsschicht (E12) der ersten Elektrode (E1) zwischen der hochleitfähigen Schicht (E11) der ersten Elektrode (E1) und einer Trimm-Schicht (E13) liegt.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, – wobei die erste Elektrode (E1) frei ist von Schichten, deren akustische Impedanz 50 × 10⁶ kg/m²s übersteigt.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, – wobei die zweite Wachstumsschicht (E21) Wolfram enthält.
Resonator nach einem der Ansprüche 3 bis 7, – wobei die jeweilige Anpassungsschicht (E12, E24) Titan enthält.
Resonator nach einem der Ansprüche 3 bis 8, – wobei die Wachstumsschichten (E21, E22) elektrisch leitfähig sind, – wobei die elektrische Leitfähigkeit der jeweiligen hochleitfähigen Schicht (E11, E23) diejenige der Wachstumsschichten (E21, E22) übersteigt.
Resonator nach einem der Ansprüche 2 bis 9, – wobei die Dicke der zum akustischen Spiegel (AS) gewandten Anpassungsschicht (E24) zwischen 10 und 40% der Dicke der hochleitfähigen Schicht (E23) der zweiten Elektrode (E2) beträgt.
Resonator nach einem der Ansprüche 4 bis 10, – wobei bei der ersten Elektrode (E1) die Dicke der Anpassungsschicht (E12) zwischen 10 und 40% derjenigen der hochleitfähigen Schicht (E11) beträgt.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, – wobei die Dicke der ersten Wachstumsschicht (E22) zwischen 10 und 40% der Dicke der zweiten Wachstumsschicht (E21) beträgt.