DE102008062605B4

DE102008062605B4 - Bauelement, welches mit akustischen Wellen arbeitet, und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102008062605B4
Application number: DE102008062605.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ruile Werner; Dr. Hauser Markus; Dr. Bleyl Ingo; Dr. Riha Gerd
Original assignee: SnapTrack Inc
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2028-12-18
Also published as: WO2010070000A1; DE102008062605A1; US20120007475A1; US8674583B2

Abstract

Bauelement, welches mit akustischen Wellen arbeitet, umfassend- ein Substrat (1) aus einem piezoelektrischen Material,- eine erste Elektrodenebene, in der eine akustisch wirksame untere Elektrode umfassende untere Elektrodenstrukturen (3) direkt auf dem Substrat (1) angeordnet sind,- eine oberhalb der unteren Elektrodenebene angeordnete obere Elektrode (4), die elektrisch leitend mit den unteren Elektrodenstrukturen (3) verbunden ist,- ein Busbar (6), welches elektrisch leitend mit der oberen Elektrode (4) verbunden ist,- ein erstes Dielektrikum (2), das auf dem Substrat (1) angeordnet ist und in das die unteren Elektrodenstrukturen (3) eingebettet sind, wobei die Anregung der akustischen Wellen im Betrieb des Bauelements im Wesentlichen nur durch die unteren Elektrodenstrukturen (3) erfolgt und wobei das erste Dielektrikum (2) konfiguriert ist eine Teilmenge der unteren Elektrodenstrukturen (3) gegen den Busbar (6) elektrisch zu isolieren.

Description

Es wird ein Bauelement, welches mit akustischen Wellen arbeitet, nach dem Anspruch 1 angegeben.
Aus Hartmann et al. (Ultrasonics Symposium 1982, 40-47) sind einphasige, unidirektionale Oberflächenwellenbauelemente bekannt. EP 1 391 988 A2 offenbart Oberflächenwellenbauteile für Anwendungen in Resonatoren und Bandpassfiltern und deren Herstellung. DE 101 63 297 A1 offenbart ein Oberflächenwellenbauelement in Flip-Chip-Bauweise und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
Ein verbreitetes Problem von Bauelementen, welche mit akustischen Wellen arbeiten, ist es, dass es im Betrieb dieser Bauelemente auf der Oberfläche, auf der die Welle ausgebildet wird, zu unerwünschten Beugungen der Welle kommt, sowie zu Modendispersionen. Ein weiterer unerwünschter Effekt ist die Ausbildung von Modenspitzen in der angeregten Welle. Des Weiteren wäre es wünschenswert, die auftretenden Randeffekte zu minimieren oder, wenn möglich sogar zu eliminieren. Zu den unerwünschten Randeffekten zählen beispielsweise die unerwünschte Anregung und Streunung im Bereich des Elektrodengaps, sowie die Unterschiede der Wellengeschwindigkeit im Elektrodengapbereich verglichen zum Bereich zwischen den Elektroden. Zudem kann es im Bereich der Elektrodengaps beispielsweise zur Ausbildung von unerwünschten transversalen Moden kommen.
Eine Aufgabe von Ausführungsformen der Erfindungen besteht darin, ein Bauelement, welches mit akustischen Wellen arbeitet, bereitzustellen, welches die ungewollte Beugung der Welle weitgehend vermeidet ebenso wie die Modendispersion. Des Weiteren sollen Modenspitzen möglichst ohne Energieverlust eliminiert werden. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die unerwünschten Randeffekte weitgehend zu vermeiden.
Die Aufgabe wird durch ein Bauelement, welches mit akustischen Wellen arbeitet, nach dem Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen des Bauelements sowie Herstellungsverfahren sind Gegenstand weiterer Patentansprüche. Ausführungsformen, die nicht unter die Patentansprüche fallen, sind nicht Teil der beanspruchten Erfindung. Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Bauelement, welches mit akustischen Wellen arbeitet, umfassend ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material, eine erste Elektrodenebene, in der eine akustisch wirksame untere Elektrode umfassende untere Elektrodenstrukturen direkt auf dem Substrat angeordnet sind, eine oberhalb der unteren Elektrodenebene angeordnete obere Elektrode, die elektrisch leitend mit den unteren Elektrodenstrukturen verbunden ist, und ein Busbar, welches elektrisch leitend mit der oberen Elektrode verbunden ist, wobei die Anregung der akustischen Welle im Betrieb des Bauelements ausschließlich oder überwiegend durch die unteren Elektrodenstrukturen erfolgt und die untere Elektrode nicht direkt mit dem Busbar verbunden ist.
Durch die Aufteilung der Elektrode in eine untere Elektrode, welche akustisch wirksam ist, und eine obere Elektrode, welche lediglich die Aufgabe einer elektrischen Leitung übernimmt, ist es nun möglich, die untere Elektrode in einer Art und Weise auszuformen, wie es ohne diese Zweiteilung nicht möglich wäre. Dies ermöglicht es, die akustisch wirksame untere Elektrode in einer Geometrie auszuformen, bei der die Beugung und Modendispressionen deutlich gegenüber den herkömmlichen Elektrodengeometrien reduziert werden. Insbesondere ist es auch möglich die Elektrode der ersten Elektrodenebene an ihren Rändern entsprechend der gewünschten Funktion auszuformen. Dies ist unter anderem dadurch möglich, dass die akustisch wirksamen unteren Elektroden keinen seitlichen Anschluss an ein elektrisch leitendes Element wie z.B. einen Busbar (Stromsammelschiene) benötigen. Hierdurch können unerwünschte Randeffekte eliminiert werden.
Es ist nun nicht mehr notwendig, die Apertur alleine deswegen sehr groß auszubilden, um die Beugungseffekte am Rand der akustischen Spur zu minimieren. Eine sehr große Apertur hätte den Nachteil, dass der elektrische Widerstand entsprechend hoch ist und damit auch die elektrischen Verluste.
Der angestrebte Effekt, dass in den Außenregionen die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle kleiner sein soll als im Innenbereich, kann nun durch die freie Wahl der Geometrie der akustisch wirksamen unteren Elektrode einfach umgesetzt werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit kann durch Reduzieren des Metallisierungsverhältnisses η, im einfachsten Fall also durch Verschmälern der Elektrodenfinger erreicht werden. In herkömmlichen Bauelementen hätte das Verschmälern der Elektroden nach außen hin den negativen Effekt, dass die Leitfähigkeit in den Außenbereichen abnimmt. Dadurch, dass die elektrische Versorgung der unteren Elektrode nun nicht mehr von der Geometrie der unteren Elektrode selbst abhängt und von einer beliebigen Stelle der unteren Elektrode erfolgen kann, kann das Problem der nach außen hin abnehmenden Leitfähigkeit durch eine entsprechende Geometrie der oberen Elektrode gelöst werden.
Bei der Formgebung der oberen Elektrode muss hierbei keine oder so gut wie keine Rücksicht auf deren Wechselwirkungen mit anzuregenden Wellen genommen werden, da die obere Elektrode keinen oder so gut wie keinen Beitrag zur Anregung der Welle leistet. Somit kann die Geometrie der oberen Elektrode so ausgelegt sein, dass die untere akustisch wirksame Elektrode so mit Spannung versorgt wird, wie es für die Elektrodenform beziehungsweise den Einsatz des Bauelements am Günstigsten ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements umfasst dieses des Weiteren ein erstes Dielektrikum, das auf dem Substrat angeordnet ist und in das die unteren Elektrodenstrukturen eingebettet sind.
Die untere Elektrode umfasst vorzugsweise ein Material, welches gegenüber dem Material des ersten Dielektrikums einen großen Impedanzsprung aufweist. Dieser sorgt für eine ausreichende Reflektion und gegebenenfalls auch für eine gute Wellenführung.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements entspricht die Dicke des ersten Dielektrikums mindestens der Dicke der unteren Elektrodenstrukturen.
Dadurch sind die gesamten unteren Elektrodenstrukturen in das erste Dielektrikum eingebettet. Das erste Dielektrikum kann aber auch eine Höhe aufweisen, welche deutlich größer ist, als die Höhe der unteren Elektrodenstrukturen.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements sind die obere Elektrode und die unteren Elektrodenstrukturen nicht deckungsgleich.
Unter „nicht deckungsgleich“ ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Grundflächen der oberen Elektrode und der damit in elektrischem Kontakt stehenden unteren Elektrode nicht über die gesamte Fläche die gleiche Geometrie, also Form und Größe, aufweisen. Dies bedeutet wiederum, dass die obere Elektrode und die untere Elektrodenstruktur nicht mit ihrer gesamten Fläche in Kontakt stehen oder zur Deckung gebracht werden können.
Die freie Ausformungsmöglichkeit der akustisch wirksamen Elektrode ermöglicht es beispielsweise, diese so auszuformen, dass keine transversalen Gaps vorhanden sind, wodurch die unerwünschten Anregungen und die Störungen der Wellenfront wegfallen, welche bei Vorhandensein der transversalen Gaps auftreten. Der Umriss der unteren akustisch wirksamen Elektrode kann beispielsweise auch als Sechseck, Ellipse oder Kreis ausgeformt sein.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements umfassen die unteren Elektrodenstrukturen und die obere Elektrode unterschiedliche Materialien.
Die Zweiteilung der Elektrodenstruktur macht es möglich, das Material der unteren Elektrodenstruktur ebenso wie das Material der oberen Elektrode jeweils entsprechend ihren Aufgaben zu optimieren. Somit kann für die obere Elektrode ein Material verwendet werden, welches den Strom sehr gut leitet, aber akustisch nicht wirksam ist. Somit muss bei der Wahl für das Material für die obere Elektrode nicht darauf geachtet werden, welchen Einfluss dieses auf die Ausbreitung der Welle hat, wie beispielsweise Beugungseffekte. Auf der anderen Seite, muss die untere Elektrodenstruktur nicht über sehr gute elektrische Leitfähigkeit verfügen, wie das bei herkömmlichen Bauelementen der Fall ist. Hierdurch kann das Elektrodenmaterial auch besser auf das jeweils umgebende Material beispielsweise in Bezug auf die Impedanz abgestimmt werden.
Das Bauelement umfasst einen Busbar, welches elektrisch leitend mit der oberen Elektrode verbunden ist.
Dies ermöglicht Ausführungsformen, bei denen sich die untere Elektrode direkt auf dem piezoelektrischen Substrat befindet und somit für eine sehr gute Kopplung sorgt. Die akustisch wirksame untere Elektrode ist hierbei aber nicht direkt mit dem Busbar verbunden. Dies ermöglicht es, dass die unteren Elektrodenstrukturen praktisch beliebig geformt sein können. Sie können beispielsweise auch in eine Vielzahl von einzelnen Elektroden aufgegliedert sein. Die obere Elektrode verbindet die unteren Elektrodenstrukturen elektrisch leitend mit dem Busbar.
In einer weiteren Ausführungsform isoliert das erste Dielektrikum eine Teilmenge der unteren Elektrodenstrukturen elektrisch gegen den Busbar.
Bei Ausführungsformen des Bauelements weist eine Teilmenge der unteren Elektrodenstruktur keinen elektrischen Kontakt mit dem Busbar auf. Somit kann diese Teilmenge der unteren Elektrodenstruktur eben beispielsweise über das erste Dielektrikum gegen den Busbar elektrisch isoliert sein. Die elektrische Versorgung erfolgt hierbei über die obere Elektrode.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die untere Elektrode eine Mehrzahl akustisch anregender Elektrodenstrukturen. Die obere Elektrode verbindet die jeweils zu einem Busbar gehörigen unteren Elektrodenstrukturen elektrisch miteinander. Dazu liegt sie auf den unteren Elektrodenstrukturen auf. Zwischen den Elektrodenstrukturen der unteren Elektrode kann die obere Elektrode auch auf dem Substrat aufliegen. Somit ist dann auch die obere Elektrode akustisch anregend. Vorzugsweise ist sie in dieser Ausführung schwächer anregend ausgebildet als die untere Elektrode. Gegebenenfalls durch die obere Elektrode ausgelöste Störungen sind so minimiert.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements sind die unteren Elektrodenstrukturen und die obere Elektrode über eine Durchkontaktierung durch das erste Dielektrikum miteinander verbunden.
In dieser Ausführungsform kann das erste Dielektrikum eine deutlich größere Schichtdicke aufweisen als die erste Elektrodenebene und dabei die unteren Elektrodenstrukturen überdecken. Durch das erste Dielektrikum können bei dieser Ausführungsform Durchkontaktierungen zur oberen Elektrode geführt werden, so dass die untere Elektrode und die obere Elektrode über die Durchkontaktierungen elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Durch das erste Dielektrikum, welches zwischen der oberen und unteren Elektrode angeordnet sein kann und lediglich durch die Durchkontaktierungen unterbrochen wird, kann die Anregung einer akustischen Welle durch die obere Elektrode weitgehend unterdrückt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements umfassen die Durchkontaktierungen und die obere Elektrode das gleiche Material.
Dies ermöglicht es beispielsweise die Durchkontaktierungen und die obere Elektrode in einem Verfahrensschritt zu fertigen. Die Durchkontaktierungen umfassen hierbei ebenfalls ein Material, welches eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit aufweist, aber gleichzeitig akustisch nicht oder nur sehr gering wirksam ist.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements umfasst das Bauelement mehr als eine obere Elektrode.
Das Bauelement kann auch mehr als einen Busbar umfassen. Hierbei ist es dann möglich, dass ein Teil der oberen Elektroden elektrisch leitend mit einem Busbar verbunden sind, wohingegen ein anderer Teil der oberen Elektroden elektrisch leitend mit einem anderen Busbar verbunden sind.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements umfasst jede untere Elektrodenstruktur eine Vielzahl von Einzelelektroden, die in der unteren Elektrodenebene elektrisch nicht miteinander verbunden sind.
Es ist somit möglich, dass ein Bauelement in der unteren Elektrodenstruktur verteilt eine Vielzahl von Einzelelektroden aufweist, die nicht in elektrisch leitenden Kontakt zueinander stehen. Diese Einzelelektroden können auch unterschiedliche Geometrien aufweisen. So können beispielsweise die Einzelelektroden, die im Randbereich des Bauelements angeordnet sind, eine andere geometrische Struktur aufweisen als die Einzelelektroden, welche in Inneren der Elektrodenstruktur angeordnet sind. Der Umstand, dass die Einzelelektroden gleicher Polarität nicht im elektrisch leitenden Kontakt zueinander stehen müssen, ermöglicht es, dass die Einzelelektroden in der unteren Elektrodenstruktur nahezu beliebig zueinander angeordnet sein können.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements sind die Einzelelektroden in der Ebene der unteren Elektrodenstruktur so ausgestaltet, dass sie eine sich in zwei unterschiedliche laterale Richtungen der Ebene ausbreitende akustische Welle anregen können.
Die Ebene der unteren Elektrodenstruktur ist üblicherweise als x-y-Ebene definiert so ist hierbei die x-Richtung die Richtung senkrecht zur Hauptachse (die Achse, entlang der die Elektrode die größte Ausdehnung aufweist) der unteren Elektroden und die y-Richtung die Richtung parallel zu der Hauptachse der unteren Elektroden. Somit kann durch die untere Elektrodenstruktur beispielsweise eine Welle in x-Richtung und eine Welle in y-Richtung angeregt werden. Die zusätzliche Anregung einer akustischen Welle in y-Richtung ermöglicht es beispielsweise, die Beugungsverluste zu reduzieren.
Mit den herkömmlichen Wandlern war es bisher nicht möglich, neben einer Welle in x-Richtung auch gezielt eine akustische Welle in y-Richtung anzuregen, wobei die Parameter beider Welle wählbar waren. Die Freiheiten in der Ausformung der unteren Elektrode bei den erfindungsgemäßen Bauelementen ermöglicht es jetzt beispielsweise, in y-Richtung eine Welle anzuregen, die die gleiche Frequenz und Intensität besitzt, wie die Welle, welche in x-Richtung angeregt wird.
Somit ist es jetzt möglich eine 2-D-Welle anzuregen. Ein idealer Resonator wäre ein solcher, der nur auf einer einzigen Mode schwingt. Wenn es gelingt, nur diese eine einzige Mode (Stehwelle) anzuregen und gut zu isolieren, so ist eine sehr hohe Güte realisierbar. Durch eine Überlagerung einer Welle in x-Richtung und einer Welle in y-Richtung mit der gleichen Frequenz ergibt sich eine Energieverteilung mit in beiden Richtungen alternierenden Phasen. Diese ganz bestimmte 2-D-Mode kann dann besonders gut angeregt werden, wenn es gelingt, die Maxima und Minima anzusteuern. Dies war mit herkömmlichen Wandlern bis jetzt nicht möglich. Durch die Aufteilung der Elektroden in eine obere und eine untere, akustisch wirksame Elektrode kann die untere Elektrode so ausgeformt sein, dass sie jeweils genau am Ort eines definierten Maximums oder Minimums der 1D- oder 2D-Stehwelle platziert sind. Die elektrische Verbindung erfolgt jeweils über eine obere Elektrode.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements erfolgt die Anregung der beiden akustischen Wellen mit gleicher Frequenz.
In dem erfindungsgemäßen Bauelement ist es möglich, sowohl in x- wie auch in y-Richtung eine Welle mit der gleichen Frequenz direkt anzuregen. Bei unterschiedlichen Frequenzen kann mit einem solchen Bauelement ein Filterverhalten durch die Überlagerung der zwei aufeinander senkrecht stehenden Moden erzeugt werden.
Die Überlagerung bei gleichen Frequenzen führt zu einer Anregung einer 2-D-Mode welche dem natürlichen Modenbild entspricht. Die Anregung einer 2-D-Mode ermöglicht es besonders effektiv, Verluste zu vermeiden und eine hohe Güte zu erzielen, da durch Streuung und Beugung einer 1-D Mode „verloren“ gegangene Energie in die andere dazu vertikale 1-D Mode einkoppeln kann und diese Energie so für die 2-D Mode insgesamt erhalten bleibt.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements sind die Einzelelektroden so angeordnet, dass auf eine Einzelelektrode, an die ein Signal mit einer ersten Polarität angelegt ist, in beiden lateralen Richtungen jeweils eine Einzelelektrode mit einem angelegten Signal anderer Polarität folgt.
Ein so ausgestaltetes Bauelement eignet sich besonders gut, eine wie oben beschriebene 2-D-Mode anzuregen. In der unteren Elektrodenstruktur können somit eine Vielzahl von unteren Elektroden angeordnet werden, die sowohl in x- wie auch in y-Richtung in Bezug auf ihre Polarität alternieren.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements erfolgt zusätzlich eine Anregung einer Welle senkrecht zur Ebene der unteren Elektrodenstruktur.
Bei dieser Ausführungsform wird also zusätzlich noch eine Welle in z-Richtung angeregt. Es wird somit eine 3-D-Mode generiert. Dies kann beispielsweise bei der FBAR-Technologie (Film Bulk Acoustic Wave Resonator) Anwendung finden. Die Funktionsweise ist mit der eines Oberflächenwellenfilters (SAW-Filter) vergleichbar, jedoch mit dem Unterschied, dass bei der FBAR-Technik die Ausbreitung der akustischen Welle zusätzlich im Substrat erfolgt. Ein erfindungsgemäßes Bauelement wäre somit ein Hybrid zwischen FBAR und SAW. Dadurch könnten bestimmte Moden noch selektiver ausgewählt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements sind mehrere der Einzelelektroden mit einer gemeinsamen oberen Elektrode verbunden.
Das bedeutet, dass nicht auf jede Einzelelektrode eine obere Elektrode kommen muss. Ein Bauelement kann somit eine Vielzahl von Einzelelektroden umfassen, muss aber gleichzeitig keine entsprechende Anzahl damit elektrisch verbundener oberer Elektroden aufweisen. Ein Bauelement kann somit so ausgeformt sein, dass es eine Vielzahl von Einzelelektroden in der unteren Elektrodenstruktur umfasst, jedoch eine deutlich geringere Anzahl an oberen Elektroden.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements umfasst das Bauelement zusätzlich ein zweites Dielektrikum, welches auf und zwischen den Strukturen der oberen Elektrode angeordnet ist.
Die oberen Elektroden sind somit in das zweite Dielektrikum eingebettet. In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements ist die akustische Impedanz des Materials des zweiten Dielektrikums an die akustische Impedanz der oberen Elektroden angepasst.
Durch die Einbettung der oberen Elektroden in ein zweites Dielektrikum mit ähnlichen akustischen Eigenschaften wird die Reflexion und Geschwindigkeitsänderung der akustischen Welle durch die obere Elektrode weitgehend unterdrückt. Weisen das zweite Dielektrikum und die oberen Elektroden einen sehr geringen Impedanzunterschied auf, so wird dadurch die Notwendigkeit umgangen, bei der Herstellung des Bauelements die obere Elektrode genau über der unteren Elektrode zu platzieren. Die akustische Welle sieht nämlich aufgrund des geringen Impedanzunterschiedes kaum einen Unterschied zwischen dem Material des zweiten Dielektrikums und dem der oberen Elektrode und somit auch nicht die genaue Position der oberen Elektrode. Somit spiegelt die genaue Position wie auch die Dicke der oberen Elektrode keine große Rolle, was die Fertigung des Bauelements deutlich erleichtert.
Zudem kann mit der Wahl des Materials der unteren Elektrode die Geschwindigkeit der akustischen Welle stark abgesenkt werden. Dadurch kann auf einfache Art ein transversaler Wellenleiter realisiert werden, ohne die Anschlüsse besonders berücksichtigen zu müssen.
Für den Fall, dass der Anschluss der unteren Elektrode an die obere Elektrode über Durchkontaktierungen erfolgt, können die oberen Elektroden aber auch aus einem Material gefertigt sein, welches dem zweiten Dielektrikum akustisch nicht ähnlich sein muss.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements bilden die Vielzahl der unteren Elektroden ein „phononic bandgap“. Unter „phononic bandgap“ ist eine Elektrodenanordnung zu verstehen, bei der es einen Frequenzbereich gibt, in dem es keine Ausbreitungsmöglichkeit für eine akustische Welle gibt, unabhängig vom Wellentyp und der Raumrichtung. Wird eine Welle mit einer an diesen Bereich angrenzenden Frequenz angeregt, so ist es der Welle nicht möglich, sich in diesen Frequenzbereich hinein auszuweiten. Die Welle ist somit durch den „phononic bandgap“ eingesperrt.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements bildet die Vielzahl der unteren Elektroden ein „phononic bandgap“ mit eingebauter Störung, wie beispielsweise in 7 dargestellt. Hier kann eine Welle angeregt werden, diese wird aber dann von ihrer Umgebung totalreflektiert. Sie kann sich also nicht ausbreiten und die gesamte akustische Energie bleibt im Bereich der Störung.
Neben dem Bauelement selbst wird auch ein Verfahren zu dessen Herstellung beansprucht.
In einer Verfahrensvariante zur Herstellung eines elektroakustischen Bauelements umfasst dieses die Verfahrensschritte:

Bereitstellen eines Substrates aus einem piezoelektrischen Material als Verfahrensschritt A),
Aufbringen eines ersten Dielektrikums auf Teilbereichen eines Substrates als Verfahrensschritt B),
Aufbringen einer unteren Elektrodenstruktur auf Teilbereichen des Substrates, so dass die untere Elektrodenstruktur direkten Kontakt zu dem Substrat hat, als Verfahrensschritt C),
Aufbringen einer oberen Elektrode oberhalb der unteren Elektrodenstruktur, so dass dieses elektrisch leitend mit der unteren Elektrodenstruktur verbunden ist, als Verfahrensschritt D).

Das Verfahren umfasst als zusätzlichen Verfahrensschritt E) das Aufbringen eines Busbars, so dass dieses elektrisch leitend mit der oberen Elektrode verbunden ist. Ein direkter Kontakt zwischen dem Busbar und der unteren Elektrodenstruktur ist nicht erforderlich und kann ausgeschlossen werden.
Mit Hilfe eines solchen Verfahrens kann beispielsweise ein Bauelement nach Anspruch 14 gefertigt werden.
In einer weiteren Verfahrensvariante umfasst das Verfahren als zusätzlichen Verfahrensschritt das Aufbringen eines zweiten Dielektrikums zumindest im Bereich der oberen Elektrode als Verfahrensschritt F).
Mit Hilfe eines solchen Verfahrens kann beispielsweise ein Bauelement nach Anspruch gefertigt werden.
Die Vorteile der einzelnen Verfahrensvarianten ergeben sich entsprechend analog zu den Vorteilen, welche bei den entsprechenden Ausführungsformen des Bauelements beschrieben wurden.
Im Folgenden sollen Varianten der Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

1 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine herkömmliche Elektrodenstruktur.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform des Bauelements.
3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform des Bauelements, welche Durchkontaktierungen aufweist.
Die 4a bis 4c zeigen in einer schematischen Aufsicht jeweils mögliche Ausführungsformen der unteren Elektroden.
5 zeigt in einer schematischen Aufsicht eine Ausführungsform mit den unteren Elektroden gemäß 4c.
6 zeigt in einer schematischen Aufsicht eine Ausführungsform, bei der jeweils eine untere Elektrode einer ersten Polarität von Elektroden einer zweiten Polarität umgeben ist.
7 zeigt eine Ausführungsform in der schematischen Aufsicht, bei der die untere Elektrodenstruktur nicht-anregende, reflektierende Elektroden umfasst, sowie Elektroden mit einem ersten und einem zweiten Potential.

Die 1 zeigt in der schematischen Aufsicht die Elektrodenstruktur eines herkömmlichen Wandlers. Dieser umfasst eine Elektrodenfinger umfassende Elektrode 100, Stummelfinger 101 sowie dazwischen liegende transversale Gaps 102. Die Elektrodenfinger 100 und die Stummelfinger 101 sind hierbei in der Elektrodenstruktur jeweils alternierend mit einem der beiden Busbars 103 und 103' verbunden und in Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle in abwechselnder Abfolge angeordnet. Hierdurch wird eine ineinander greifende kammähnliche Struktur ausgebildet. Bei einer derart ausgeformten Elektrodenstruktur treten unerwünschte Beugungen der angeregten Welle auf. Zur Reduktion der Beugung kann beispielsweise die Apertur vergrößert werden, was allerdings dazu führt, dass der elektrische Widerstand zunimmt und damit die Verluste ansteigen. Ein Weglassen der Stummelfinger 101 hätte eine Zunahme der Volumenwellenkonversion zur Folge.
Die Elektroden 100 wie auch die Stummelfinger 101 sind jeweils an der Ober- beziehungsweise Unterseite elektrisch leitend mit den Busbars 103, 103' verbunden, und diese wiederum mit Anschlusspads, welche aus Gründen der Übersicht hier nicht dargestellt sind. Eine Verschmälerung der Elektroden 100 nach außen hin, also in Richtung der Busbars hätte ein Abfallen der Leitfähigkeit zur Folge.
Die 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements. Das Bauelement umfasst ein Substrat 1, welches in der Figur unten angeordnet ist und auf dem eine untere Elektrode 3 angeordnet ist. Ebenfalls auf dem Substrat 1 um die untere Elektrode 3 herum ist das erste Dielektrikum 2 angeordnet. Über der unteren Elektrode 3 ist die obere Elektrode 4 so angeordnet, dass es zumindest zur partiellen Überlappung und somit zu einem elektrischen Kontakt der unteren Elektrode 3 und der oberen Elektrode 4 kommt. Über der oberen Elektrode 4 ist das zweite Dielektrikum 5 angeordnet. An einer Seitenfläche der oberen Elektrode 4, zwischen dem ersten Dielektrikum 2 und dem zweiten Dielektrikum 5, ist der Busbar 6 angeordnet, welches im elektrisch leitenden Kontakt mit der oberen Elektrode 4 steht. Der Busbar 6 steht aber in keinem direkten elektrisch leitenden Kontakt mit der unteren Elektrode 3.
Die 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bauelements in der schematischen Seitenansicht. Die Ausführungsform umfasst ein Substrat 1 auf dem mehrere untere Elektroden 3 angeordnet sind. Ebenfalls auf dem Substrat 1 und zwischen den unteren Elektroden 3 ist das erste Dielektrikum 2 angeordnet, welches die unteren Elektroden 3 voneinander elektrisch leitend isoliert. Auf dem ersten Dielektrikum 2 ist die obere Elektrode 4 angeordnet. Die obere Elektrode 4 ist jeweils über eine Durchkontaktierung 7 elektrisch leitend mit einer unteren Elektrode 3 verbunden. Das Bauelement umfasst des Weiteren einen seitlich neben der oberen Elektrode 4 angeordneten Busbar 6, welcher elektrisch leitend mit der oberen Elektrode 4 verbunden ist. Der Busbar 6 ist aber mit keinem der unteren Elektroden 3 direkt elektrisch leitend verbunden.
Die 4a bis 4c zeigen unterschiedliche geometrische Ausführungsformen der unteren Elektroden 3.
Die 4a zeigt eine mögliche geometrische Ausführungsform der unteren Elektroden 3. Die unteren Elektroden 3 weisen hierbei eine lang gestreckte rechteckige Form auf, welche jedoch nicht durch transversale Gaps unterbrochen ist.
Die 4b zeigt eine geometrische Ausführungsform der unteren Elektrode 3, welche im mittleren Teil einen dicker ausgeformten, lang gestreckten Teil mit parallel zueinander verlaufenden Außenkanten aufweist und jeweils an den beiden äußeren Enden einen schmäler ausgeformten, lang gestreckten Teil mit parallel zueinander verlaufenden Außenkanten. Eine derart ausgeformte Elektrodenstruktur ist in einem erfindungsgemäßen Bauelement möglich, da hier die elektrisch leitende Anbindung nicht über die Außenseiten erfolgen muss, was bei dem Einsatz der hier dargestellten Elektroden in einem herkömmlichen Bauelement zu einer Verringerung der Leitfähigkeit in den Außenbereichen der Elektrode führen würde.
In 4c ist eine weitere mögliche Ausgestaltungsform der unteren Elektrodenstrukturen dargestellt. Die untere Elektrode 3 hat hierbei die Form einer lang gestreckten Ellipse. Eine derart ausgeformte untere Elektrode ermöglicht es auch, gezielt eine Welle parallel zur Hauptachse der Ellipse anzuregen. Hierdurch ist es beispielsweise möglich neben einer ersten Welle, welche senkrecht zur Hauptachse der Ellipse angeregt wird, zusätzlich eine zweite Welle, welche parallel zur Hauptachse der Ellipse angeregt wird, anzuregen. Hierdurch kann eine 2-D-Mode angeregt werden.
Die untere Elektrode 3 kann beispielsweise auch eine gebogene Form aufweisen (nicht dargestellt).
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel des Bauelements in einer schematischen Aufsicht dargestellt. Aus Gründen der Übersicht sind lediglich die Busbars 6, die oberen Elektroden 4 sowie die unteren Elektroden 3 dargestellt. Des Weiteren sind aus Gründen der Übersicht die oberen Elektroden 4 transparent dargestellt, damit man die darunter liegenden unteren Elektroden 3 erkennen kann. Die unteren Elektroden 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel als lang gestreckte Ellipsen ausgeformt wie sie beispielsweise in 4c dargestellt sind. Die oberen Elektroden 4 sind in diesem Ausführungsbeispiel als lang gestreckte Rechtecke ausgeformt, wobei jeweils eine obere Elektrode 4 eine untere Elektrode 3 vollständig überdeckt. Die oberen Elektroden 4 sind jeweils alternierend mit dem in der Abbildung oben bzw. unten dargestellten Busbar 6 elektrisch leitend verbunden. Zwischen den unteren Elektroden 3 und den Busbars 6 hingegen besteht kein direkter elektrisch leitender Kontakt.
Die 6 zeigt eine schematische Aufsicht einer weiteren Ausführungsform des Bauelements. Aus Gründen der Übersicht sind nur die Busbars 6, die oberen Elektroden 4 sowie die unteren Elektroden 3 dargestellt. Die unteren Elektroden 3 sind in dieser Ausführungsform als eine Vielzahl von Einzelelektroden ausgeformt. Diese können wie hier in einem regelmäßigen Raster angeordnet sein, das Reihen und vertikal dazu stehende Spalten aufweist. Die unteren Elektroden 3 sind über die obere Elektrode 4 elektrisch leitend mit einem Busbar 6 verbunden. Hierbei variiert die Anzahl der unteren Elektroden 3, die jeweils mit einer oberen Elektrode 4 verbunden sind. Auf jede der unteren Elektrode 3 folgt in seitlicher Richtung im Abstand eine weitere untere Elektrode 3, die jeweils mit dem anderen Busbar als die Elektrode selbst elektrisch leitend verbunden ist. Somit umfasst die untere Elektrodenstruktur untere Elektroden 3, deren Polarität in beide Raumrichtungen der Elektrodenstruktur alterniert. Durch eine geeignete Wahl der Geometrie der unteren Elektroden 3 kann durch eine solche Anordnung beispielsweise in beide laterale Richtungen der Ebene der Elektrodenstruktur jeweils eine Welle gezielt angeregt werden. Somit kann durch eine solche Anordnung eine isolierte 2-D-Mode angeregt werden. Es kann eine so genannte stehende Welle in Bezug auf zwei Raumrichtungen erzeugt werden.
Eine untere Elektrode mit dieser oder einer ähnlichen Struktur kann jedoch auch mit einer oberen Elektrode elektrisch angeschlossen werden, die eine Struktur ähnlich wie ein herkömmlicher und z.B. wie in 1 dargestellter Wandler aufweist. Dabei kann die obere Elektrode auch Stummelfinger aufweisen (siehe Finger 101 in 1), unter denen ebenfalls Elektrodenstrukturen der unteren Elektrode angeordnet sein können.
7 zeigt eine schematische Aufsicht einer unteren Elektrodenstruktur. Diese Elektrodenstruktur umfasst nicht-anregende, reflektierende Elektroden 10, sowie Elektroden mit einem ersten Potential 11 und Elektroden mit einem zweiten Potential 12. Hierbei sind im Zentrum der Elektrodenstruktur die Elektroden mit einem ersten Potential 11 sowie die Elektroden mit einem zweiten Potential 12 jeweils alternierend in beide Raumrichtungen angeordnet. Die anregenden Elektroden 11, 12 sind rahmenförmig von den nicht-anregenden reflektierenden Elektroden 10 umgeben. Der Abstand der einzelnen Elektroden braucht hierbei nicht identisch zu sein, sondern kann variiert werden um beispielsweise Energiekonzentrationen auszubilden.
Bei dieser Ausführung bildet sich ebenso wie bei der nach 6 das bereits erwähnte „phononic bandgap“ aus.
Die 8a bis 8e zeigen jeweils eine schematische Seitenansicht eines Bauelements in verschiedenen Verfahrensstufen.
Die 8a zeigt ein Substrat 1, auf dem in den Randbereichen ein erstes Dielektrikum 2 aufgebracht wurde. Für das erste Dielektrikum 2 kann beispielsweise SiO₂ verwendet werden. Das Auftragen des ersten Dielektrikums 2 kann beispielsweise mittels Sputtern erfolgen. Das erste Dielektrikum 2 kann entweder nur in den Randbereichen aufgebracht werden oder aber auch ganzflächig aufgebracht werden und dann in einem weiteren Verfahrensschritt im mittleren Teilbereich wieder entfernt werden.
8b zeigt eine Verfahrensstufe wie sie aus der Verfahrensstufe hervorgehen könnte, die in 8a dargestellt ist. Hierzu wurde in einem weiteren Verfahrensschritt auf dem Teilbereich der Oberfläche des Substrates 1, welcher nicht durch das erste Dielektrikum 2 bedeckt ist, die untere Elektrode 3 aufgebracht. Das Aufbringen der unteren Elektrode 3 kann beispielsweise durch Verdampfen, Sputtern oder CVD erfolgen. Das Material welches für die untere Elektrode 3 verwendet wird kann beispielsweise Au, Ag, Cu oder ein anderes schweres Metalle umfassen.
Die 8c zeigt eine weitere Verfahrensstufe in einer schematischen Seitenansicht. Diese könnte beispielsweise aus der Verfahrensstufe hervorgehen, die in 8b dargestellt ist. Hierzu ist in einem weiteren Verfahrensschritt die obere Elektrode 4 aufgebracht worden. Das Aufbringen der oberen Elektrode kann beispielsweise mittels Verdampfen erfolgen. Für die obere Elektrode 4 kann beispielsweise ein Material verwendet werden, welches Al umfasst. In diesem Ausführungsbeispiel wurde die obere Elektrode 4 so aufgebracht, dass sie die untere Elektrode 3 in der x-y Ebene komplett überlagert. Das Problem in diesem Prozessschritt besteht darin, die obere Elektrode über die untere Elektrode zu platzieren, damit die akustische Reflexion der unteren Elektrode nicht gestört wird. Besteht aber die obere Elektrode beispielsweise aus Al und ist auch diese in ein Dielektrikum wie beispielsweise SiO₂ eingebettet, so ist der Impedanzsprung zwischen den Materialien von Dielektrikum und oberer Elektrode sehr klein. Dies hat zur Folge, dass die akustische Welle keinen Unterschied zwischen diesen beiden Materialien sieht und deshalb auch die genaue Positionierung wie auch die Dicke der oberen Elektrode keine große Rolle spielt.
Das Material der unteren Elektrode dagegen weist einen großen Impedanzsprung zum umgebenden Material auf, was für eine ausreichende Reflexion und gegebenenfalls auch gute Wellenführung sorgt.
In 8d ist eine Verfahrensstufe eines Ausführungsbeispiels in schematischer Seitenansicht dargestellt, welche - verglichen mit der in 8c dargestellten Verfahrensstufe - zusätzlich einen Busbar 6 umfasst. Für den Busbar 6 kann beispielsweise ein Material verwendet werden, welches Al umfasst. Der Busbar 6 ist so auf das Bauelement aufgebracht, dass es im direkten elektrischen Kontakt mit der oberen Elektrode 4 steht. Der Busbar 6 weist aber keinen direkten elektrisch leitenden Kontakt mit der unteren Elektrode 3 auf.
In 8e ist in schematischer Seitenansicht eine Ausführungsform eines Bauelements dargestellt, welches dem in 2 dargestellten Bauelement entspricht. Diese könnte beispielsweise aus der in 8d dargestellten Ausführungsform hervorgehen, indem in einem weiteren Verfahrensschritt das zweite Dielektrikum 5 auf die Oberseite des Bauelements aufgebracht wurde. Das Auftragen des zweiten Dielektrikums 5 kann beispielsweise mittels PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) erfolgen. Für das zweite Dielektrikum 5 kann beispielsweise ein Material verwendet werden, welches SiO₂ umfasst.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: erstes Dielektrikum
3: untere Elektrode
4: obere Elektrode
5: zweites Dielektrikum
6: Busbar
7: Durchkontaktierung
10: nicht-anregende, reflektierende Elektrode
11: Elektrode mit einem ersten Potential
12: Elektrode mit einem zweiten Potential
100: Elektrode
101: Stummelfinger
102: transversaler Gap
103: Busbar mit erster Polarität
103': Busbar mit zweiter Polarität

Claims

Bauelement, welches mit akustischen Wellen arbeitet, umfassend - ein Substrat (1) aus einem piezoelektrischen Material, - eine erste Elektrodenebene, in der eine akustisch wirksame untere Elektrode umfassende untere Elektrodenstrukturen (3) direkt auf dem Substrat (1) angeordnet sind, - eine oberhalb der unteren Elektrodenebene angeordnete obere Elektrode (4), die elektrisch leitend mit den unteren Elektrodenstrukturen (3) verbunden ist, - ein Busbar (6), welches elektrisch leitend mit der oberen Elektrode (4) verbunden ist, - ein erstes Dielektrikum (2), das auf dem Substrat (1) angeordnet ist und in das die unteren Elektrodenstrukturen (3) eingebettet sind, wobei die Anregung der akustischen Wellen im Betrieb des Bauelements im Wesentlichen nur durch die unteren Elektrodenstrukturen (3) erfolgt und wobei das erste Dielektrikum (2) konfiguriert ist eine Teilmenge der unteren Elektrodenstrukturen (3) gegen den Busbar (6) elektrisch zu isolieren.
Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Dicke des ersten Dielektrikums (2) mindestens der Dicke der unteren Elektrodenstrukturen (3) entspricht.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die obere Elektrode (4) und die unteren Elektrodenstrukturen (3) nicht deckungsgleich sind.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die unteren Elektrodenstrukturen (3) und die obere Elektrode (4) unterschiedlichen Materialien umfassen.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die unteren Elektrodenstrukturen (3) und die obere Elektrode (4) über eine Durchkontaktierung (7) miteinander verbunden sind.
Bauelement nach Anspruch 5, wobei die Durchkontaktierung (7) und die obere Elektrode (4) das gleiche Material umfassen.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauelement mehr als eine obere Elektrode (4) umfasst.
Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede untere Elektrodenstruktur (3) eine Vielzahl von Einzelelektroden umfasst, die in der unteren Elektrodenebene elektrisch nicht miteinander verbunden sind.
Bauelement nach Anspruch 8, wobei die Einzelelektroden in der Ebene der unteren Elektrodenstruktur (3) eine sich in zwei unterschiedliche laterale Richtungen der Ebene ausbreitende akustische Welle anregen können.
Bauelement nach Anspruch 9, wobei die Anregung mit der gleichen Frequenz erfolgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Einzelelektroden so angeordnet sind, dass auf eine Einzelelektrode, an die ein Signal mit einer ersten Polarität angelegt ist, in beiden lateralen Richtungen eine Einzelelektrode mit einer anderen Polarität folgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei zusätzlich eine Anregung einer Welle senkrecht zur Ebene der unteren Elektrodenstruktur (3) erfolgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei mehrere der Einzelelektroden mit einer gemeinsamen oberen Elektrode (4) verbunden sind.
Bauelement nach Anspruch 7, umfassend - ein zweites Dielektrikum (5), angeordnet auf und zwischen den oberen Elektroden (4).
Bauelement nach Anspruch 14, wobei die akustische Impedanz des Materials des zweiten Dielektrikums (5) an die akustische Impedanz der oberen Elektroden (4) angepasst ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei die Vielzahl der unteren Elektroden ein „phononic bandgap“ bilden.
Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei die Vielzahl der unteren Elektroden ein „phononic bandgap“ mit einer Störung bilden.
Verfahren zur Herstellung eines elektroakustischen Bauelements, umfassend die Verfahrensschritte: A) Bereitstellen eines Substrates (1) aus einem piezoelektrischen Material, B) Aufbringen eines ersten Dielektrikums (2) auf Teilbereichen des Substrates (1), C) Aufbringen einer unteren Elektrodenstruktur (3) auf Teilbereichen des Substrats (1), so dass die untere Elektrodenstruktur (3) direkten Kontakt zu dem Substrat (1) hat, D) Aufbringen einer oberen Elektrode (4) oberhalb der unteren Elektrodenstruktur (3), so dass diese elektrisch leitend mit der unteren Elektrodenstruktur (3) verbunden ist E) Aufbringen eines Busbars (6), so dass dieses elektrisch leitend mit der oberen Elektrode (4) verbunden ist, aber kein direkter elektrischer Kontakt zwischen dem Busbar (6) und der unteren Elektrodenstruktur (3) besteht.
Verfahren nach Anspruch 18, umfassend als zusätzlichen Verfahrensschritt: F) Aufbringen eines zweiten Dielektrikums (5) zumindest im Bereich der oberen Elektrode (4).