DE102007037502B4

DE102007037502B4 - Bauelement mit reduziertem Temperaturgang

Info

Publication number: DE102007037502B4
Application number: DE102007037502.8A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Pahl; Dr. Ruile Werner; Hans Krüger
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2007-08-08
Filing date: 2007-08-08
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2027-08-09
Also published as: US20100187949A1; JP5416105B2; JP2010536217A; WO2009019308A2; WO2009019308A3; DE102007037502A1; US8098001B2

Abstract

Bauelement mit reduziertem Temperaturgang, – mit einem Substrat (1), das Bauelementstrukturen und einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten TCE1 aufweist, – mit einer mit der Unterseite des Substrats (1) mechanisch fest verbundenen Kompensationsschicht (2), – wobei die Unterseite (3) des Substrates (1) und die Oberseite (4) der Kompensationsschicht (2) eine Topographie aufweisen und durch die Topographie eine Verzahnung der Unterseite (3) des Substrats (1) und der Oberseite (4) der Kompensationsschicht (2) derart erreicht wird, dass bei Temperaturänderungen eine mechanische Verspannung des Substrats (1) mit der Kompensationsschicht (2) entsteht, – wobei die Topographie der Unterseite (3) des Substrats (1) und die Topographie der Oberseite (4) der Kompensationsschicht (2) jeweils Strukturen (7), ausgewählt aus Erhebungen und Absenkungen, aufweisen, so dass die Oberseite (4) und die Unterseite (3) ineinander greifen, – wobei zwischen Substrat (1) und Kompensationsschicht (2) eine Zwischenschicht (6) angeordnet ist, die dünner ist als die Kompensationsschicht (2), – wobei die Zwischenschicht (6) aus einer Klebstoffschicht besteht, – wobei der mittlere Abstand zwischen Substrat und Kompensationsschicht kleiner als die Rauhigkeitsamplitude der Unterseite (3) des Substrates (1) und der Oberseite (4) der Kompensationsschicht (2) ist.

Description

Eine nachteilige Eigenschaft von SAW-Filtern ist ihre Frequenzdrift in Abhängigkeit von der Temperatur. Tendenziell nimmt dieser Einfluss mit dem elektro-akustischen Kopplungsfaktor des verwendeten piezoelektrischen Substrats zu. Für Anwendungen, in denen es auf hohe Selektion zwischen eng benachbarten Kanälen ankommt – etwa bei einem US UPC Duplexer – sind übliche Substrate wie LiTaO₃ ungeeignet, um die schwierigen Anforderungen über einen weiten Betriebstemperaturbereich (z. B.: –40°C bis +85°C) zu erfüllen. Bei einem typischen Temperaturkoeffizienten der Mittenfrequenz (TCF, temperature coefficient of frequency) von ≈ –42 ppm/K variiert diese dabei um mehr als 0.5%.
Aus der DE 10 2004 045 181 A1 ist ein SAW Bauelement mit reduziertem Temperaturgang bekannt, bei dem zur Kompensation des Temperaturganges über den Bauelementstrukturen eine SiO₂-Schicht aufgetragen ist und das Substrat mit einer Kompensationsschicht an der Unterseite verbunden ist. Die zusätzlichen Schichten und Prozessierungsschritte vergrößern die Fertigungsstreuungen des Produktes und erhöhen dadurch natürlich auch die Kosten.
Aus der US 6,563,133 B1 ist ein SAW Bauelement bekannt, bei dem zum Verbinden des Substrates mit einem Kompensationswafer ein Waferbondverfahren verwendet wird. Für dieses Verfahren müssen die zu verbindenden Flächen des Substrates und des Kompensationswafers eine extrem hohe Glätte und Partikelfreiheit aufweisen. Darüber hinaus werden besondere Ionenimplantionstechniken und Plasma-Aktivierungen benötigt.
Aus der JP 2001053579 A sind SAW-Bauelemente mit verbessertem Temperaturgang bekannt, wobei ein piezoelektrisches Substrat über eine Verbindungsschicht mit einem Hilfssubstrat mit geringem thermischem Ausdehnungskoeffizienten verbunden ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Bauelement anzugeben, das einen reduzierten Temperaturgang aufweist, ohne dass dadurch andere Bauelementeigenschaften übermäßig verschlechtert werden.
Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, den Temperaturgang eines Bauelements mit weniger aufwendigen Mitteln als bisher zu verbessern, insbesondere was die Behandlung und Qualität der zu verbindenden Oberflächen betrifft.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Bauelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung schlägt ein Bauelement vor, bei dem der gewünschte Effekt eines minimierten Temperaturgangs ohne das gleichzeitige Auftreten üblicherweise damit verbundener Nachteile erreicht wird.
Das erfindungsgemäße Bauelement umfasst ein Substrat, das an der Unterseite mit einer Kompensationsschicht mechanisch fest verbunden ist. Die miteinander zu verbindenden Oberflächen, die Unterseite des Substrates und die Oberseite der Kompensationsschicht, weisen jeweils eine Topographie auf.
Erfindungsgemäß wird ferner durch die Topographie eine Verzahnung der Unterseite des Substrats und der Oberseite der Kompensationsschicht derart erreicht, dass bei Temperaturänderungen eine mechanische Verspannung des Substrats mit der Kompensationsschicht erreicht wird.
Erfindungsgemäß weisen die Topographie der Unterseite des Substrats und die Topographie der Oberseite der Kompensationsschicht jeweils Strukturen auf, ausgewählt aus Erhebungen und Absenkungen, so dass die Oberseite und die Unterseite ineinander greifen, wobei zwischen Substrat und Kompensationsschicht eine Zwischenschicht angeordnet ist, die dünner ist als die Kompensationsschicht, wobei die Zwischenschicht aus einer Klebstoffschicht besteht, wobei der mittlere Abstand zwischen Substrat und Kompensationsschicht kleiner als die Rauhigkeitsamplitude der Unterseite des Substrates und der Oberseite der Kompensationsschicht ist.
Vorteilhaft ist der thermische Ausdehnungskoeffizient TCE1 des Substrats größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient TCE2 der Kompensationsschicht.
Die Topographie auf der Unterseite des Substrates und auf der Oberseite des Kompensationswafers, im Folgenden als die beiden zu verbindenden Schichten bezeichnet, hat den Vorteil, dass es durch entsprechend gewählte Topographien zu einer Vergrößerung der Oberflächen der beiden zu verbindenden Schichten kommt. Des Weiteren wird durch die Topographie eine Art von Verzahnung bzw. ein Ineinandergreifen der beiden zu verbindenden Schichten erreicht.
Als Substrat kommen neben LiTaO₃ und LiNbO₃ auch andere piezoelektrische Kristalle in Frage. Für den Kompensationswafer eignen sich beispielsweise Glas, LiTaO₃, Glaskeramik, Quarz, Silizium, ZrO2, Al₂O₃, Saphir, SiC oder B₄C. Diese Materialien liegen jeweils monokristallin, polykristallin als amorphes Glas oder Keramik vor.
Auf diese Weise wird eine mechanische Verspannung des piezoelektrischen Substrats erreicht, wobei die Verspannung eine Veränderung der elastischen Parameter bewirkt, die deren temperaturbedingter Veränderung entgegengesetzt ist. Diese Verspannung wirkt dabei vor allem über die Gestaltung der Topographie der zu verbindenden in der Folge als Fügeoberflächen bezeichneten Oberflächen. Sie führt dadurch zu einer Reduzierung des Temperaturgangs von mit der Ausdehnung des Substrats variierenden Bauelementparametern, insbesondere des Temperaturgangs der Frequenz bei elektroakustischen Bauelementen.
Das Substrat des erfindungsgemäßen Bauelements ist mit dem Kompensationswafer verklebt. Es bieten sich jedoch auch andere mögliche Verfahren (Fügen, Bonden, Schmelzen, Kitten, Sintern) zum Verbinden des Substrates mit dem Kompensationswafer an.
Bei der Auswahl des zu verwendenden Klebestoffes ist es vorteilhaft, die Eigenschaften des Klebstoffes auf die Dicke der Klebefuge und die Rauhigkeit der zu verbindenden Oberflächen abzustimmen.
Für die Wahl des Klebstoffes sind zwei Eigenschaften von Vorteil: Wenn der verwendete Klebstoff ein E-Modul > 2·10⁹ N/m² (bei Raumtemperatur) aufweist und die Glasumwandlungstemperatur des Klebstoffes bei mindestens 85°C, vorzugsweise über 125°C liegt.
Es eignen sich prinzipiell Klebstoffe auf Basis von Epoxidharz, Polyimid, Acrylat, Siliconharz, Polyesterharz, oder auch hochschmelzende Thermoplaste wie Polyphenylensulfid, oder LCP (Liquid Crystal Polymers). Des Weiteren eignen sich auch mineralischer Kitt oder Zement.
Zur Steigerung des E-Moduls kann der Klebstoff gefüllt sein. Gut dafür eignen sich beispielsweise Metalle, Oxide, Carbide und Nitride. Die Teilchengrößen liegen unter der angestrebten Dicke der Klebstoffschicht, also vorzugsweise unter 1 μm. Darüber hinaus eignen sich auch entsprechend dünne Fasern aus den genannten Materialien, Glas oder Kohlenstoff. Vorzugsweise sind diese entlang bzw. parallel der akustischen Ausbreitungsrichtung orientiert. Als besonders vorteilhaft anzusehen sind so genannte „Nanotubes” aus Kohlenstoff. Der E-Modul von als „Nanotubes” vorliegendem Kohlenstoff weist einen vergleichbaren Wert wie derjenige von Diamant auf.
Die Topographie auf der Unterseite des Substrates und auf der Oberseite der Kompensationsschicht wird in einfacher Weise in Form einer geeignet hohen Rauhigkeit der beiden Fügeflächen realisiert. Durch diese Rauhigkeit können die die Rauhigkeit bildenden „Unebenheiten” – Erhebungen und Vertiefungen – ineinander greifen, sodass bei Temperaturänderungen eine Verspannung der beiden Schichten entsteht. Dazu ist es notwendig, dass der mittlere Abstand zwischen Substrat und Kompensationsschicht kleiner ist als die Rauhigkeitsamplitude der beiden Fügeoberflächen. Je kleiner das Verhältnis aus mittlerem Abstand zur Rauhigkeitsamplitude ist, desto besser wirkt die Verzahnung und eine umso bessere Verspannung kann erreicht werden. Vorteilhafte Verhältnisse liegen beispielsweise bei Werten kleiner 0,5 und vorzugsweise kleiner 0,25.
Neben der Rauhigkeit sind auch ineinander greifende Profilierungen der Oberflächen geeignet. Diese können durch beidseitigen Materialauftrag (z. B. durch Aufdampfen, Aufsputtern, Galvanisieren, Aufdrucken oder vergleichbare Verfahren), durch beidseitigen Materialabtrag (z. B. durch Sägen, Bohren, Schleifen, Sandstrahlen, Erodieren, Lasern, Ätzen oder vergleichbare Verfahren) oder durch eine Kombination daraus gebildet werden.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements sind Ausgangsdicken von 30 bis 500 μm für das Substrat und 100 bis 500 μm für den Kompensationswafer bevorzugt. Nach dem Verkleben kann der Sandwich ein- oder beidseitig auf eine Gesamtdicke von 100–500 μm heruntergedünnt werden. Vorzugsweise hat das Substrat anschließend eine Dicke, die weniger als die Hälfte der Gesamtdicke beträgt.
Die beschriebene Methode kann mit anderen bekannten Methoden kombiniert werden um eine Reduktion des TCF zu erreichen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt ein erstes Bauelement mit nicht optimaler Topographie
2 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Bauelement mit geeigneter Topographie
3a zeigt ein Substrat und eine Kompensationsschicht mit Strukturen, die durch Materialauftrag erzeugt wurden
3b zeigt ein Bauelement, erhalten nach dem Verbinden der beiden Schichten nach 3a,
4a zeigt ein Substrat und eine Kompensationsschicht mit Strukturen, die durch Materialauftrag und Materialabtrag erzeugt wurden,
4b zeigt ein Bauelement, erhalten nach dem Verbinden der beiden Schichten nach 4a,
5a zeigt ein Substrat und eine Kompensationsschicht mit Strukturen die durch Materialabtrag erzeugt wurden
5b zeigt ein Bauelement, erhalten nach dem Verbinden der beiden Schichten nach 5a.
1 zeigt ein erstes, im Stand der Technik bereits bekanntes Bauelement im schematischen Querschnitt. Bei diesem Bauelement ist die Rauhigkeitsamplitude der beiden Fügeoberflächen im Vergleich zu der Dicke der Fuge nicht ausreichend groß genug. Dadurch kann durch eine Klebstoffschicht 7 zwischen dem Substrates 1 und dem Kompensationswafer 2 keine ausreichend hohe Scherspannung übertragen werden, um den gewünschten Stressbedingungen zu genügen.
2 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Bauelement im schematischen Querschnitt bei dem die Dicke der Klebefuge relativ zur Rauhigkeit der beiden Fügeoberflächen geeignet dimensioniert ist. Die Fügeoberflächen sind so gestaltet, so dass die Oberflächenprofile vielfach ineinander verzahnen. Die Verklebung kann unter Druck vorgenommen werden, wobei es noch über die dargestellte Verzahnung hinaus zu punktweisen mechanischen Kontakten der Fügeoberflächen kommen kann. An diesen Stellen geht die Dicke der Zwischenschicht 7 dann gegen Null.
3a zeigt eine mögliche Ausführung der Topographie der Fügeoberflächen eines Bauelements im schematischen Querschnitt, bei dem periodisch regelmäßige Strukturen 7 mit einer Periode von vorzugsweise einigen 10 bis einigen 100 μm auf den beiden Fügeoberflächen z. B. durch beidseitigen Materialauftrag erzeugt worden sind. Die Strukturen auf den beiden Fügeoberflächen sind in der Art, dass die Strukturen 7 ineinander verzahnen können. Die dargestellten Strukturen 7 haben eine rechteckige Form, es können aber auch andere mögliche Formen verwendet werden die zu einer Vergrößerung der Oberfläche beitragen. Die Höhe der Strukturen liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 50 μm.
3b zeigt ein Bauelement im schematischen Querschnitt, bei dem das Substrat 1 und der Kompensationswafer 2 gemäß 3a mechanisch miteinander verbunden sind. Es ist gut zu erkennen, dass die Strukturen in dieser Ausführung passgenau ineinander passen und so eine maximale Kontaktfläche zwischen den beiden verbundenen Oberflächen erhalten wird.
4a zeigt eine mögliche Ausführung der Topographie der Fügeoberflächen des erfindungsgemäßen Bauelements im schematischen Querschnitt, bei dem periodisch regelmäßige Strukturen 71 mit einer Periode von vorzugsweise einigen 10 bis einigen 100 μm auf einer der beiden Fügeoberflächen erzeugt sind, vorzugsweise aber nicht zwingend durch Materialauftragsverfahren.
Die andere der beiden zu verbindenden Oberflächen weist Strukturen 72 auf, die vorzugsweise aber nicht zwingend durch Materialabtrag entstanden sind und so angeordnet sind, dass sie komplementär zu den Strukturen 71 auf der Gegenseite sind. Die Strukturen 71, 72 auf den beiden Fügeoberflächen sind in der Art angeordnet, dass sie ineinander verzahnen können. Sie haben hier eine rechteckige Querschnittsform, es können aber auch andere mögliche Formen verwendet werden, die zu einer Vergrößerung der Oberfläche beitragen.
4b zeigt ein erfindungsgemäßes Bauelement im schematischen Querschnitt, bei dem das Substrat 1 und der Kompensationswafer 2 gemäß 4a mechanisch miteinander verbunden sind.
5a zeigt eine mögliche Ausführung der Topographie der Fügeoberflächen des erfindungsgemäßen Bauelements im schematischen Querschnitt, bei dem periodisch regelmäßige Strukturen mit einer Periode von vorzugsweise einigen 10 bis einigen 100 μm auf den beiden Fügeoberflächen durch beidseitigen Materialabtrag gebildet worden sind. Die Strukturen auf den beiden Fügeoberflächen sind in der Art, dass die Strukturen ineinander verzahnen und insbesondere passgenau ineinander greifen können. Die hier gezeigte Ausführung weist auf den beiden Fügeoberflächen ein Wellenmuster auf, das komplementär zueinander auf den beiden Fügeoberflächen gebildet wurde. Es sind auch weitere Strukturen für diesen Zweck vorstellbar, die zu einer Vergrößerung der Oberfläche beitragen und komplementär ineinander passen. Es sind auch unregelmäßige und nicht-periodische Strukturen geeignet, die jedoch vorzugsweise komplementär zueinander ausgebildet sind.
Die Strukturen können wahlweise punkt- oder andersförmig, als langestreckte, gerade oder gekrümmte oder wellenartig verlaufende Strukturen oder zueinander parallel verlaufend vorliegen. Insofern die Struktur eine anisotrope Gestalt aufweist, ist sie so zu orientieren, dass die Stresskomponente in der akustischen Ausbreitungsrichtung erhalten bleibt. Beispielweise sollte bei SAW Bauelementen ein Rillenprofil bzw. langgestreckte Strukturen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwelle verlaufen, um entlang der Ausbreitungsrichtung eine maximale Anzahl an miteinander verschränkten/verhakten Strukturen auf Substrat und Kompensationswafer zu erzielen.
5b zeigt ein erfindungsgemäßes Bauelement im schematischen Querschnitt, bei dem das Substrat 1 und der Kompensationswafer 2 gemäß 5a mechanisch miteinander verbunden sind.
Ein Ausführungsbeispiel sieht auf einer Außenseite Bauelementstrukturen vor, die als Wandlerstrukturen zur Anregung und Auskopplung von Oberflächenwellen dienen. Außerdem können Bauelementstrukturen zur Gestaltung von z. B. MEMS, BAW oder SAW-Bauelementen vorgesehen sein. Im speziellen handelt es sich um solche Bauelementstrukturen die durch eine thermische Längenausdehnung in ihren Spezifikationen beeinträchtigt werden und die durch eine vorteilhafte Gestaltung der Topographie der Fügeflächen von Substrat und Kompensationswafer positiv beeinflusst werden.
Allen Ausführungen ist gemein, dass sie mit den angegebenen erfindungsgemäßen Merkmalen eine wesentliche Verbesserung der Temperaturabhängigkeit, insbesondere bzgl. der Resonanzfrequenz, erzielen, ohne dass dazu eine einzelne Maßnahme vollständig ausgereizt und die damit verbundene Nachteil in Kauf genommen werden müsste. Somit gibt die Erfindung ein Bauelement an, welches eine ausgezeichnete Bauelementperformance und eine wesentlich verbesserte bzw. verringerte Temperaturabhängigkeit der Bauelementeigenschaften, z. B. der Resonanzfrequenz aufweist.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Kompensationsschicht
3: Unterseite des Substrates 1
4: Oberseite der Kompensationsschicht 2
6: Zwischenschicht
7: Struktur
71: erhabene Strukturen
72: als Vertiefungen ausgebildete Strukturen

Claims

Bauelement mit reduziertem Temperaturgang, – mit einem Substrat (1), das Bauelementstrukturen und einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten TCE1 aufweist, – mit einer mit der Unterseite des Substrats (1) mechanisch fest verbundenen Kompensationsschicht (2), – wobei die Unterseite (3) des Substrates (1) und die Oberseite (4) der Kompensationsschicht (2) eine Topographie aufweisen und durch die Topographie eine Verzahnung der Unterseite (3) des Substrats (1) und der Oberseite (4) der Kompensationsschicht (2) derart erreicht wird, dass bei Temperaturänderungen eine mechanische Verspannung des Substrats (1) mit der Kompensationsschicht (2) entsteht, – wobei die Topographie der Unterseite (3) des Substrats (1) und die Topographie der Oberseite (4) der Kompensationsschicht (2) jeweils Strukturen (7), ausgewählt aus Erhebungen und Absenkungen, aufweisen, so dass die Oberseite (4) und die Unterseite (3) ineinander greifen, – wobei zwischen Substrat (1) und Kompensationsschicht (2) eine Zwischenschicht (6) angeordnet ist, die dünner ist als die Kompensationsschicht (2), – wobei die Zwischenschicht (6) aus einer Klebstoffschicht besteht, – wobei der mittlere Abstand zwischen Substrat und Kompensationsschicht kleiner als die Rauhigkeitsamplitude der Unterseite (3) des Substrates (1) und der Oberseite (4) der Kompensationsschicht (2) ist.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das Material der Kompensationsschicht (2) einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten TCE2 aufweist und so ausgewählt ist, dass TCE2 < TCE1.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Substrat (1) piezoelektrische Eigenschaften aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1–3, bei dem auf der Oberseite des Substrates (1) elektrisch leitende Bauelementstrukturen angeordnet sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1–4, bei dem die Topographie eine unsystematische und unregelmäßige Rauhigkeit aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1–4, bei dem die Struktur (7) eine durch Materialauftrag oder -abtrag gebildete, periodisch regelmäßige Struktur (7) ist und eine Periode von 10 bis 100 μm aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1–6, bei dem die Unterseite (3) und die Oberseite (4) jeweils eine Topographie aufweisen, die durch strukturierten Materialauftrag oder Materialabtrag gebildet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1–7, bei dem die Höhe der Topographie einen Wert im Bereich von 1 bis 50 μm aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1–8, bei dem die Struktur (7) aus Metallen wie Ti, Ni, Cr, Cu oder keramischen oder glasartigen Materialien besteht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1–9, bei dem der für die Zwischenschicht (6) verwendete Klebstoff ein E-Modul von > 2·10⁹ N/m² aufweist und die Glasumwandlungstemperatur bei mindestens +85°C, vorzugsweise über 125°C liegt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1–10, bei dem es sich um ein SAW-, ein BAW- oder ein MEMS-Bauelement handelt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1–11, bei dem das Bauelement eine Gesamtdicke von 100–500 μm aufweist.