DE102007012383B4

DE102007012383B4 - Mit geführten akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement

Info

Publication number: DE102007012383B4
Application number: DE102007012383A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ruile Werner; Dr. Hauser Markus; Dr. Rösler Ulrike
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2011-12-29
Anticipated expiration: 2027-03-15
Also published as: DE102007012383A1; WO2008110576A1; US20100231330A1; JP2010521114A

Abstract

Mit geführten akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement – mit mindestens einem Substrat (1) und einem auf diesem angeordneten, zur Wellenleitung geeigneten Schichtsystem (3), – wobei das Schichtsystem (3) eine Metallisierungsschicht (33), eine erste dielektrische Schicht (31) und eine zweite dielektrische Schicht (32) umfasst, – wobei die Geschwindigkeit der akustischen Welle in der zweiten dielektrischen Schicht (32) größer ist als in der ersten dielektrischen Schicht (31), – wobei eine der dielektrischen Schichten (31, 32) TeO2 enthält.

Description

Es wird ein mit GBAW oder geführten akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement angegeben. GBAW steht für Guided Bulk Acoustic Wave. Die geführten akustischen Volumenwellen werden auch „boundary acoustic waves” genannt. Mit GBAW arbeitende Bauelemente sind aus EP 1538748 A2 , US 2006/0175928 A1 , US 6,046,6561 A , US 2407/0018536 A1 und US 2006/0138902 A1 bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein mit GBAW arbeitendes Bauelement mit einem kleinen Temperaturgang der Frequenz anzugeben.
Es wird ein mit geführten akustischen Wellen arbeitendes Bauelement mit mindestens einem Substrat und einem auf diesem angeordneten, zur Wellenleitung geeigneten Schichtsystem angegeben. Das Schichtsystem umfasst eine Metallisierungsschicht, eine erste dielektrische Schicht und eine zweite dielektrische Schicht. Die Geschwindigkeit der akustischen Welle ist in der zweiten dielektrischen Schicht größer als in der ersten dielektrischen Schicht. Eine der dielektrischen Schichten enthält TeO₂. Die andere dielektrische Schicht enthält vorzugsweise SiO₂.
Das piezoelektrische oder eine piezoelektrische Schicht umfassende Substrat, auf dem die Metallisierungsschicht erzeugt ist, weist üblicherweise einen negativen Temperaturgang des Steifigkeitskoeffizienten auf. TeO₂ weist einen entgegen gesetzten, d. h. positiven, Temperaturgang des Steifigkeitskoeffizienten auf. Daher hat TeO₂ als Material für die erste dielektrische Schicht, die in einigen Bereichen an dieses Substrat angrenzt, Vorteile im Hinblick auf die Kompensation des Temperaturgangs des Substrats zur Erzielung eines niedrigen Temperaturgangs der Frequenz des gesamten Bauelements.
Die Metallisierungsschicht ist zur Bildung von Elektrodenstrukturen elektroakustischer Wandler, Reflektoren, Leiterbahnen und vorzugsweise von außen kontaktierbarer Kontaktflächen strukturiert.
Die Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht ist vorzugsweise uneben. Die Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht kann aber auch plan und insbesondere planarisiert sein.
Die Unebenheiten der Oberfläche der ersten dielektrischen Schicht rühren insbesondere daher, da diese Schicht auf die strukturierte Metallisierungsschicht aufgetragen wird.
Nachstehend sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Bauelements gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform beschrieben. Die erste und zweite Ausführungsform sind miteinander kombinierbar.
Die Metallisierungsschicht ist auf dem Substrat angeordnet. Die erste dielektrische Schicht ist zwischen der Metallisierungsschicht und der zweiten dielektrischen Schicht angeordnet. Die erste dielektrische Schicht grenzt vorzugsweise unmittelbar an die Metallisierungsschicht an. Die erste dielektrische Schicht überdeckt die Strukturen der Metallisierungsschicht und schließt in den von diesen Strukturen freien Bereichen mit dem Substrat ab.
Die zweite dielektrische Schicht ist in einer Variante zwischen der ersten dielektrischen Schicht und einer Deckschicht angeordnet. Die zweite dielektrische Schicht weist mindestens eine elektrisch isolierende Schicht auf. Die Deckschicht enthält vorzugsweise ein zur Dämpfung akustischer Wellen geeignetes Material wie z. B. Harz, Fotolack oder ein anderes organisches Material.
Ein relativ hoher Geschwindigkeitsunterschied zwischen den beiden dielektrischen Schichten ist zur Wellenleitung bzw. zur Konzentration der Energie der akustischen Welle auf einem (bezogen auf eine Vertikalrichtung) möglichst engen Raum vorteilhaft. Der Unterschied in der akustischen Geschwindigkeit zwischen der ersten und zweiten dielektrischen Schicht beträgt vorzugsweise mindestens den Faktor 1,5.
Ein relativ geringer akustischer Impedanzunterschied zwischen den beiden dielektrischen Schichten ist vorteilhaft, da es in diesem Fall auf die Qualität der zwischen diesen Schichten gebildeten Grenzfläche im Hinblick auf die Erzielung von geringen Toleranzen des Bauteils nicht ankommt. Aus diesem Grund kann nach dem Frequenztrimmen, bei dem die Dicke der ersten dielektrischen Schicht zum Erreichen der vorgegebenen Frequenz des Bauteils u. U. geändert wird, auf einen kostspieligen Planarisierungsschritt zur Planarisierung der Oberfläche dieser Schicht vor dem Auftragen der zweiten dielektrischen Schicht verzichtet werden. Der Unterschied in der akustischen Impedanz zwischen der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht beträgt vorzugsweise maximal 50%.
Ein relativ hoher akustischer Impedanzunterschied zwischen der Metallisierungsschicht und der an sie angrenzenden dielektrischen Schicht ist zur Erzielung einer relativ hohen akustischen Reflexion an den Kanten von Elektrodenstrukturen vorteilhaft.
Die erste dielektrische Schicht weist vorzugsweise eine Dicke auf, die zum vollständigen Abklingen der akustischen Welle in vertikaler Richtung nicht ausreicht, so dass ein Teil der Energie der Welle in der zweiten dielektrischen Schicht vorhanden ist. Die Dicke der ersten dielektrischen Schicht beträgt vorzugsweise zwischen 0,2 λ und 1,0 λ, wobei λ die Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz des Bauelements ist.
Die zweite dielektrische Schicht weist eine Dicke auf, die zu einem vorzugsweise vollständigen Abklingen der akustischen Welle in vertikaler Richtung ausreichend ist. Die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht beträgt vorzugsweise mindestens λ, in einer vorteilhaften Variante mindestens 2 λ. Die Gesamtdicke des Substrats ist so gewählt, dass die Welle innerhalb des Substrats vollständig abklingen kann. Die Gesamtdicke des Substrats beträgt z. B. mindestens 5 λ.
In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die erste dielektrische Schicht TeO₂ und die zweite dielektrische Schicht SiO₂, das eine höhere akustische Geschwindigkeit als TeO₂ aufweist.
Das Substrat kann z. B. ein Lithiumniobat-Einkristall sein. Der Kristallschnitt LiNbO₃ ϕ YX mit ϕ = 5° – 25°, z. B. ϕ = 15°, ist zum Erreichen einer hohen elektromechanischen Kopplung besonders vorteilhaft. Die hohe Kopplung hat Vorteile bezüglich einer großen Bandbreite des Bauelements.
Das Substrat kann alternativ zumindest eine Schicht aus Lithiumniobat aufweisen. Alternativ kann Lithiumtantalat oder ein anderes piezoelektrisches Material verwendet werden.
Die im Bauelement anzuregende akustische Welle ist in einer Variante eine horizontal polarisierte Scherwelle. In einer weiteren Variante ist es möglich, auch andere akustische Moden zu nutzen.
Mindestens eine der dielektrischen Schichten weist vorzugsweise einen gegenüber dem Substrat entgegen gesetzten Temperaturgang des für die Welle maßgeblichen Steifigkeitskoeffizienten auf. Dies ist in einer Variante die erste dielektrische Schicht und in einer weiteren Variante die zweite dielektrische Schicht. In einer weiteren Variante gilt dies für beide dielektrische Schichten.
In einer Variante gilt für mindestens eine der dielektrischen Schichten, vorzugsweise für beide dielektrische Schichten, dass die Steifigkeit des jeweiligen Materials mit zunehmender Temperatur T steigt, wobei die Steifigkeit des Substrats mit zunehmender Temperatur sinkt. Dies bedeutet, dass dc/dT > 0. c ist der für die Welle maßgebliche Steifigkeitsindex, z. B. c = c₁₁ oder c₄₄. Da vorzugsweise eine horizontal polarisierte Scherwelle angeregt werden soll, für die c₄₄ maßgeblich ist, gilt vorzugsweise: dc₄₄/dT > 0. Für ein mit Longitudinalwellen arbeitendes Bauelement gilt in entsprechender Weise: dc₁₁/dT > 0.
In einer weiteren Variante gilt für mindestens eine der dielektrischen Schichten, vorzugsweise für beide dielektrische Schichten, dass die Steifigkeit des jeweiligen Materials mit zunehmender Temperatur T sinkt, wobei die Steifigkeit des Substrats mit zunehmender Temperatur steigt. Dies bedeutet, dass dc/dT > 0, d. h. je nach Wellenmode dc₄₄/dT > 0 oder dc₁₁/dT > 0.
Durch die Kompensation des Temperaturgangs der elastischen Eigenschaften des Substrats und des Schichtsystems gelingt es, ein mit GBAW arbeitendes Bauelement mit einem sehr kleinen Temperaturgang der Arbeitsfrequenz herzustellen.
Die Metallisierungsschicht weist vorzugsweise mindestens eine elektrisch leitende Schicht auf, deren Material eine höhere akustische Impedanz als diejenige des Aluminiums aufweist. In Betracht kommen die folgenden Materialien: Cu, Ti, Cr, Mo, W, Mg, Au, Pt, Ta, Ni sowie andere leitfähige Materialien mit einer hohen akustischen Impedanz. Die akustische Impedanz dieser Materialien ist wesentlich höher als diejenige der ersten dielektrischen Schicht. Somit kann eine besonders hohe akustische Reflexion an den Kanten der Elektrodenstrukturen erzielt werden.
Die Metallisierungsschicht weist in einer Variante mindestens eine elektrisch leitende Schicht auf, die Aluminium enthält. Neben mindestens einer relativ leichten Al-Schicht, deren akustische Impedanz relativ niedrig und mit derjenigen der angrenzenden dielektrischen Schicht vergleichbar ist, wird vorzugsweise mindestens eine relativ schwere Metallschicht aus den vorstehend genannten Materialien verwendet.
Das Substrat weist mindestens eine piezoelektrische Schicht auf, auf der die Metallisierungsschicht angeordnet ist. Die Metallisierungsschicht grenzt an die piezoelektrische Schicht vorzugsweise unmittelbar an. Es ist vorteilhaft, wenn die akustische Geschwindigkeit in der piezoelektrischen Schicht größer ist als diejenige in der ersten dielektrischen Schicht, die in einigen Bereichen mit der piezoelektrischen Schicht abschließt.
Die piezoelektrische Schicht ist in einer Variante auf einer nicht piezoelektrischen Schicht, die z. B. LTCC- oder HTCC-Keramik, Silizium, Glas, Al₂O₃ oder einen organischen Kunststoff wie z. B. FR4 enthält, angeordnet. In diesem Fall ist es möglich, die piezoelektrische Schicht mit einer sehr kleinen Dicke auszubilden und die nicht piezoelektrische Schicht des Substrats als ein Trägersubstrat und/oder Wachstumssubstrat für die piezoelektrische Schicht zu benutzen. Die Dicke der piezoelektrischen Schicht ist vorzugsweise so gewählt, dass die akustische Welle innerhalb dieser Schicht im Wesentlichen vollständig abklingt.
Die akustische Geschwindigkeit in der nicht piezoelektrischen Schicht ist vorzugsweise größer als in der piezoelektrischen Schicht, damit die Welle dort möglichst schnell abklingt. Dies gilt insbesondere, wenn ein Teil der Energie in der nicht piezoelektrischen Schicht vorhanden ist. Es ist vorteilhaft, wenn der Geschwindigkeitsunterschied zwischen der piezoelektrischen Schicht und der nicht piezoelektrischen Schicht relativ groß ist und z. B. mindestens den Faktor 1,5 beträgt.
Im Folgenden wird das angegebene Bauelement und seine vorteilhaften Ausgestaltungen anhand von schematischen und nicht maßstabgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:
1 im Querschnitt ein GBAW-Bauelement;
2 im Querschnitt ein weiteres GBAW-Bauelement;
3 eine Ansicht eines mit GBAW arbeitenden Resonators.
In der 1 ist ein mit geführten akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement mit einem Substrat 1 und einem auf diesem angeordneten Schichtsystem 3 gezeigt. Das Schichtsystem 3 umfasst eine Metallisierungsschicht 33, eine erste dielektrische Schicht 31 und eine zweite dielektrische Schicht 32.
Mit dem Schichtsystem 3 kann in einer Variante eine Deckschicht 2 aus einem akustisch dämpfenden Material, d. h. einem Material mit einer geringen Steifigkeit, fest verbunden sein. Die zweite dielektrische Schicht 32 ist zwischen der ersten dielektrischen Schicht 31 und der Deckschicht 2 angeordnet. Die zweite dielektrische Schicht 32 kann aber auch eine endständige Schicht mit einer frei liegenden Oberfläche darstellen.
Auf dem Substrat 1 wird eine zur Bildung von Wandlern 41, Reflektoren 42, 43, Leiterbahnen und elektrischen Kontaktflächen strukturierte Metallisierungsschicht 33 erzeugt. Die Leiterbahnen verbinden dabei die Wandler untereinander und mit den Kontaktflächen (in den Figuren nicht gezeigt). Die Wandler 41 und die Reflektoren 42, 43 weisen streifenförmige Elektrodenstrukturen auf.
Danach wird auf das Substrat mit der strukturierten Metallisierungsschicht 33 die erste dielektrische Schicht 31 z. B. aus TeO₂ z. B. durch Aufdampfen oder ein anderes Abscheideverfahren aufgetragen. Diese Schicht bedeckt die Elektrodenstrukturen und schließt mit der Oberfläche des Substrats 1 ab. Die Oberfläche dieser Schicht ist nicht glatt, da sich die Elektrodenstrukturen „durchdrücken”. Die Frequenzlage des Bauelements wird evaluiert und die erste dielektrische Schicht 31 entweder zur Erhöhung der Frequenzlage abgedünnt oder zur Verringerung der Arbeitsfrequenz aufgedickt. Das Abdünnen kann in einem Ätzverfahren und das Aufdicken durch Sputtern oder ein anderes vorzugsweise kostengünstiges Verfahren erfolgen. Das Abdünnen kann auch durch mechanisches Abtragen des Materials erfolgen. Das Abstimmen der Frequenzlage des Bauelements wird als Trimmen bezeichnet.
Nach dem Trimmen wird auf der Schicht 31 die zweite dielektrische Schicht 32 vorzugsweise aus Siliziumdioxid z. B. mittels Aufdampfen oder Sputtern erzeugt.
Die elektrische Kontaktierung der in der Metallisierungsschicht 33 ausgebildeten, elektroakustisch aktiven Bauelement-Strukturen 41, 42, 43 kann von der Seite des Substrats und/oder von der anderen Seite erfolgen. Dabei wird das Substrat 1 und ggf. die Deckschicht 2 und ggf. die dielektrischen Schichten 31, 32 durchkontaktiert.
Die Metallisierungsschicht 33 weist in der in 2 vorgestellten Variante eine erste leitfähige Schicht 331 und eine auf dieser angeordnete zweite leitfähige Schicht 332 auf. In einer Variante enthält die erste leitfähige Schicht 331 metallisches Aluminium und die zweite leitfähige Schicht 332 ein Metall mit einer höheren akustischen Impedanz. In einer weiteren Variante enthält die erste leitfähige Schicht 331 ein Metall mit einer höheren akustischen Impedanz und die zweite leitfähige Schicht 332 metallisches Aluminium.
In der Variante gemäß der 1 weist das Substrat 1 piezoelektrische Eigenschaften auf. In der Variante gemäß der 2 wird zur Bildung des Substrats 1 auf einer nicht piezoelektrischen Schicht 11 eine piezoelektrische Schicht 12 erzeugt.
In der 3 ist ein mit GBAW arbeitender Resonator mit einem Wandler 41 und zwei Reflektoren 42, 43 gezeigt. Der Wandler 41 ist zwischen den Reflektoren 42, 43 angeordnet. Der Wandler 41 weist streifenförmige Elektrodenstrukturen auf, die in der gezeigten Variante abwechselnd an zwei verschiedene Stormschienen angeschlossen sind. Die akustische Welle wird zwischen zwei Elektrodenstrukturen unterschiedlicher Polarität angeregt.
Das angegebene GBAW-Bauelement ist auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele und die angegebenen Materialien nicht beschränkt. Die genannten Materialien können durch andere Materialien mit bezüglich der akustischen Impedanz und der akustischen Geschwindigkeit ähnlichen Eigenschaften ersetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
11: nicht piezoelektrische Schicht des Substrats 1
12: piezoelektrische Schicht
2: Deckschicht
3: Schichtsystem
31: erste dielektrische Schicht
32: zweite dielektrische Schicht
33: Metallisierungsschicht
331: erste leitfähige Schicht
332: zweite leitfähige Schicht
41: Wandler
42, 43: Reflektoren

Claims

Mit geführten akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement – mit mindestens einem Substrat (1) und einem auf diesem angeordneten, zur Wellenleitung geeigneten Schichtsystem (3), – wobei das Schichtsystem (3) eine Metallisierungsschicht (33), eine erste dielektrische Schicht (31) und eine zweite dielektrische Schicht (32) umfasst, – wobei die Geschwindigkeit der akustischen Welle in der zweiten dielektrischen Schicht (32) größer ist als in der ersten dielektrischen Schicht (31), – wobei eine der dielektrischen Schichten (31, 32) TeO₂ enthält.
Bauelement nach Anspruch 1, – wobei die erste dielektrische Schicht (31) TeO₂ enthält.
Bauelement nach Anspruch 1, – wobei die zweite dielektrische Schicht (32) TeO₂ enthält.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 3, – wobei die erste dielektrische Schicht (31) SiO₂ umfasst.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, – wobei die zweite dielektrische Schicht (32) SiO₂ umfasst.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, – wobei die Metallisierungsschicht (33) auf dem Substrat (1) angeordnet ist, – wobei die erste dielektrische Schicht (31) zwischen der Metallisierungsschicht (33) und der zweiten dielektrischen Schicht (32) angeordnet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, – wobei der Unterschied in der akustischen Geschwindigkeit zwischen der ersten und zweiten dielektrischen Schicht (31, 32) mindestens den Faktor 1,5 beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, – wobei der Unterschied in der akustischen Impedanz zwischen der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht (31, 32) maximal 50% beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, – wobei der Temperaturgang der Steifigkeit der ersten und zweiten dielektrischen Schicht (31, 32) gegenüber demjenigen des Substrats (1) entgegengesetzt ist.
Bauelement nach Anspruch 9, – wobei für die erste und die zweite dielektrische Schicht (31, 32) gilt, dass die Steifigkeit des jeweiligen Materials mit zunehmender Temperatur steigt, – wobei die Steifigkeit des Substrats (1) mit zunehmender Temperatur sinkt.
Bauelement nach Anspruch 9, – wobei für die erste und die zweite dielektrische Schicht (31, 32) gilt, dass die Steifigkeit des jeweiligen Materials mit zunehmender Temperatur sinkt, – wobei die Steifigkeit des Substrats (1) mit zunehmender Temperatur steigt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, – wobei die Dicke der ersten dielektrischen Schicht (31) zwischen 0,2 λ und λ beträgt, wobei λ die Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz des Bauelements ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, – wobei die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht (32) mindestens λ beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, – wobei die Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht (31, 32) uneben ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14, – wobei die erste dielektrische Schicht (31) an die Metallisierungsschicht (33) angrenzt, – wobei die Metallisierungsschicht (33) mindestens eine elektrisch leitende Schicht aufweist, deren Material eine akustische Impedanz hat, die zumindest doppelt so groß ist wie diejenige der ersten dielektrischen Schicht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, – wobei die Metallisierungsschicht (33) mindestens eine elektrisch leitende Schicht aufweist, die Aluminium enthält.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, – wobei das Substrat (1) mindestens eine piezoelektrische Schicht (12) aufweist, auf der die Metallisierungsschicht (33) angeordnet ist.
Bauelement nach Anspruch 18, – wobei die piezoelektrische Schicht (12) auf einer nicht piezoelektrischen Schicht (11) angeordnet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, – wobei die Metallisierungsschicht mindestens eine elektrisch leitende Schicht aufweist, deren Material eine höhere akustische Impedanz als diejenige von Aluminium aufweist.