DE102009021508B4

DE102009021508B4 - Electrode with improved power resistance

Info

Publication number: DE102009021508B4
Application number: DE200910021508
Authority: DE
Inventors: Dr. Eggs Christoph; Frederik Fabel; Dr. Menzel Siegfried; Mario Spindler
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2014-05-22
Anticipated expiration: 2029-05-16
Also published as: DE102009021508A1

Abstract

Elektrode (El) mit verbesserter Leistungsfestigkeit, umfassend ein Elektrodenmetall und ein vom Elektrodenmetall verschiedenes weiteres Elektrodenmaterial, wobei – die Elektrode (El) zu 0,001 bis 20 Atomprozent aus dem weiteren Elektrodenmaterial besteht, – das Elektrodenmetall und das weitere Elektrodenmaterial in homogener Vermischung vorliegen, – das weitere Elektrodenmaterial einen höheren Diffusionskoeffizienten im Elektrodenmetall als das Elektrodenmetall in sich selbst hat und – die Konzentration des weiteren Elektrodenmaterials innerhalb der Elektrode mit zunehmendem Entfernung von der Oberfläche der Elektrode monoton abnimmt.Electrode (El) with improved power stability, comprising an electrode metal and a further electrode material different from the electrode metal, wherein - the electrode (El) consists of 0.001 to 20 atomic percent of the further electrode material, - the electrode metal and the further electrode material are present in a homogeneous mixture, - the further electrode material has a higher diffusion coefficient in the electrode metal than the electrode metal in itself and the concentration of the further electrode material within the electrode decreases monotonically with increasing distance from the surface of the electrode.

Description

Die Erfindung betrifft Elektroden mit verbesserter Leistungsfestigkeit, welche beispielsweise in mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelementen Verwendung finden, sowie Verfahren zur Herstellung.The invention relates to electrodes with improved power resistance, which are used for example in working with acoustic waves devices, and methods for manufacturing.

SAW (Surface Acoustic Wave) Bauelemente und BAW (Bulk Acoustic Wave) Bauelemente sollen lange Lebensdauern aufweisen. Während ihrer Lebensdauer sollen sie ferner einen geringen Temperaturgang der Frequenz aufweisen, möglichst leistungsfest und möglichst temperaturresistent sein. Die elektroakustischen Eigenschaften solcher Bauelemente sollen sich möglichst wenig ändern.SAW (Surface Acoustic Wave) components and BAW (Bulk Acoustic Wave) components are said to have long lifetimes. During their life they should also have a low temperature response of the frequency, as powerful as possible and be as temperature resistant as possible. The electroacoustic properties of such devices should change as little as possible.

Die Eigenschaften von mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelementen können grob eingeteilt werden in strukturelle Eigenschaften und elektroakustisch funktionelle Eigenschaften. Die elektroakustischen Eigenschaften hängen vom Aufbau der Bauelemente ab: Die elektroakustischen Eigenschaften hängen z. B. vom elektroakustischen Kopplungskoeffizienten ab. Dieser wiederum hängt von der konkreten Ausgestaltung der Schichtlage bzw. des Schichtaufbaus der Bauelemente ab. Die Widerstandsfähigkeit des elektroakustischen Bauelements gegenüber äußeren Einflüssen – wie beaufschlagte Leistung und Umgebungstemperatur etc. – kann durch konstruktive Maßnahmen verbessert werden. Somit hängen strukturelle und elektroakustische Eigenschaften voneinander ab.The properties of acoustic wave devices can be broadly classified into structural properties and electroacoustic functional properties. The electroacoustic properties depend on the structure of the components: The electroacoustic properties depend, for. B. from the electro-acoustic coupling coefficient. This in turn depends on the specific design of the layer layer or the layer structure of the components. The resistance of the electroacoustic device to external influences - such as applied power and ambient temperature, etc. - can be improved by design measures. Thus, structural and electroacoustic properties depend on each other.

Insbesondere Diffusion- und (Elektro-)Migrationseffekte führen zu einer Degradation der Bauelemente. Als Diffusions- und Migrationseffekte werden Effekte bezeichnet, bei denen Atome der Elektrodenschicht durch Phasengrenzen in benachbarte Materialien (wie z. B. Substrat) migrieren/diffundieren. Auf Dauer führt ein solcher Materialfluss zur Verschlechterung der elektroakustischen Eigenschaften und im schlimmsten Fall zum Ausfall des gesamten Bauelements.In particular, diffusion and (electro-) migration effects lead to a degradation of the components. Diffusion and migration effects refer to effects in which atoms of the electrode layer migrate / diffuse through phase boundaries into adjacent materials (such as substrate). In the long run such a material flow leads to a deterioration of the electroacoustic properties and in the worst case to the failure of the entire component.

Ferner sollen mittels akustischen Wellen arbeitende Bauelemente, deren charakteristische Strukturgrößen sich in der Regel im Mikrometerbereich befinden, vor äußeren Umwelteinflüssen geschützt werden.Furthermore, working by means of acoustic waves components whose characteristic feature sizes are usually in the micrometer range, to be protected from external environmental influences.

Aus der DE 10320702 A1 beispielsweise ist ein mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement bekannt, dessen durch Strukturierung von Metallisierungsschichten erzeugte Elektrodenfingerstrukturen durch eine isolierende Oxidationsschicht als Schutzschicht gegen äußere Umwelteinflüsse geschützt sind. Es wird auf die Metallstrukturen der Elektrodenfinger eine weitere Metallschicht aufgebracht und in einem weiteren Verfahrensschritt vollständig in einen elektrisch isolierenden Zustand (das die Schutzschicht ausbildende Oxid) überführt.From the DE 10320702 A1 For example, a working surface acoustic wave device is known, the electrode finger structures produced by structuring of metallization layers are protected by an insulating oxidation layer as a protective layer against external environmental influences. A further metal layer is applied to the metal structures of the electrode fingers and, in a further method step, completely converted into an electrically insulating state (the oxide forming the protective layer).

Aus der DE 10206369 A1 ist ein weiteres mit akustischen Oberflächenwellen arbeitendes Bauelement bekannt. Dessen Fingerelektrodenstrukturen umfassen eine Mehrschichtstruktur mit zusätzlichen Zwischenschichten und seitlich oder ganzflächig über der Elektrodenstruktur aufgebrachten Passivierungsschichten. Diese dienen insbesondere zur Vermeidung von Akustomigration der Aluminiumatome der Elektroden, welche einen hohen Diffusionskoeffizienten aufweisen, und zur Vermeidung von Whisker-Bildung.From the DE 10206369 A1 is another known with surface acoustic wave device known. Its finger electrode structures comprise a multilayer structure with additional intermediate layers and passivation layers applied laterally or over the entire surface over the electrode structure. These are used in particular to avoid akustomigration of the aluminum atoms of the electrodes, which have a high diffusion coefficient, and to avoid whisker formation.

Aus der US 5 909 156 A sind SAW-Bauelemente mit mehrschichtigen Elektrodenaufbauten bekannt.From the US 5 909 156 A SAW devices are known with multilayer electrode structures.

Aus der WO 02/067423 A1 sind akustische Oberflächenbauelemente bekannt, deren Elektroden mit einer Diffusionsbarriereschicht aus TaN bedeckt ist.From the WO 02/067423 A1 are known surface acoustic devices whose electrodes are covered with a diffusion barrier layer of TaN.

Aus der EP 1 330 026 A1 sind SAW-Elektroden mit Mehrlagenaufbau bekannt.From the EP 1 330 026 A1 SAW electrodes with multilayer structure are known.

Prinzipiell nachteilig an allen bekannten zusätzlichen Schichten, welche relativ dick ausgeführt sind und das Elektrodenmaterial vor Migration schützen sollen, ist der negative Einfluss auf den elektroakustischen Kopplungskoeffizienten. Der Kopplungskoeffizient k² wird durch eine verschlechterte elektroakustische Kopplung der Elektroden an das piezoelektrische Substrat – z. B. aufgrund der durch die Zwischenschicht bewirkten – vergrößerten Entfernung zwischen Piezoschicht und Elektrodenschicht reduziert. Im Allgemeinen ist dann die Einfügedämpfung von Filterschaltungen, welche auf mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelementen basieren, erhöht. Zusätzlich nachteilig an isolierenden Zwischenschichten, die innerhalb von Elektroden angeordnet sind, ist die dadurch verminderte Leitfähigkeit der gesamten Elektrode.In principle disadvantageous in all known additional layers which are made relatively thick and which are intended to protect the electrode material from migration is the negative influence on the electroacoustic coupling coefficient. The coupling coefficient k ² is due to a deteriorated electro-acoustic coupling of the electrodes to the piezoelectric substrate -. B. due to the effect caused by the intermediate layer - increased distance between the piezoelectric layer and the electrode layer. In general, then, the insertion loss of filter circuits based on acoustic wave devices is increased. An additional disadvantage of insulating intermediate layers, which are arranged within electrodes, is the reduced conductivity of the entire electrode as a result.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine auf einfache Weise herstellbare Elektrode anzugeben, die sowohl eine erhöhte Leistungsfestigkeit gegenüber einer hohen Leistungsbeanspruchung als auch eine hohe Lebensdauer aufweist und deren elektroakustischer Kopplungskoeffizient verglichen mit bekannten Elektrodenstrukturen weniger nachteilig beeinträchtigt ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung solcher Elektroden anzugeben.The object of the present invention is therefore to provide a readily producible electrode which has both an increased power resistance to a high power stress and a long service life and the electroacoustic coupling coefficient is less adversely affected compared to known electrode structures. Another object is to provide a method for producing such electrodes.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Elektrode nach Anspruch 1 bzw. durch ein in den Ansprüchen genanntes Verfahren nach Anspruch 18 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Elektrode und Verfahren zur Herstellung ergeben sich aus Unteransprüchen.This object is achieved by an electrode according to claim 1 or by a method according to claim 18 mentioned in the claims. Advantageous embodiments of the electrode and methods of preparation will become apparent from subclaims.

Die Elektrode der Erfindung umfasst ein Elektrodenmetall und ein vom Elektrodenmetall verschiedenes weiteres Elektrodenmaterial, wobei die Elektrode zu 0,001 bis 20 Atomprozent aus dem weiteren Elektrodenmaterial besteht und wobei das weitere Elektrodenmaterial einen höheren Diffusionskoeffizienten im Elektrodenmetall als das Elektrodenmetall in sich selbst hat. Die Konzentration des weiteren Elektrodenmaterials innerhalb der Elektrode nimmt mit zunehmender Entfernung von der Oberfläche der Elektrode monoton ab.The electrode of the invention comprises an electrode metal and a further electrode material other than the electrode metal, wherein the electrode consists of 0.001 to 20 atomic percent of the further electrode material and wherein the further electrode material has a higher diffusion coefficient in the electrode metal than the electrode metal in itself. The concentration of the further electrode material within the electrode decreases monotonically with increasing distance from the surface of the electrode.

Als Oberfläche der Elektrode wird dabei jede Phasengrenze zwischen der Elektrode und einem benachbarten Material – z. B. einem Substrat einer Schutzschicht, der Atmosphäre oder einer weiteren Zwischenschicht – bezeichnet. Die Oberfläche der Elektrode bezeichnet insbesondere alle Seitenflächen der Elektrode sowie alle Ober- und Unterseiten der Elektrode.As the surface of the electrode is doing each phase boundary between the electrode and an adjacent material -. B. a substrate of a protective layer, the atmosphere or another intermediate layer -. The surface of the electrode designates in particular all side surfaces of the electrode as well as all upper and lower sides of the electrode.

Es wurde erkannt, dass der – bisher als nachteilig betrachtete – Akustomigrationseffekt, welcher bei bekannten Elektrodenstrukturen zu den oben beschriebenen Nachteilen führt, in vorteilhafter Weise verwendet werden kann, um eine verbesserte Elektrode zu erhalten. Die Atome des weiteren Elektrodenmaterials in der Elektrode weisen einen höheren Diffusionskoeffizienten als das Elektrodenmetall der Elektrode auf. Dadurch ist ihre Beweglichkeit gegenüber den Atomen des Elektrodenmetalls erhöht. Der Diffusionskoeffizient ist materialabhängig und ein Maß für die Beweglichkeit bzw. für das Wandervermögen der entsprechenden Atome. Der Effekt der Diffusion/Wanderung der Atome des weiteren Elektrodenmaterials tritt weniger im Inneren der Elektrode als vielmehr im Randbereich nahe der Oberfläche der Elektrode zutage. Insbesondere die Phasengrenzen zwischen der Elektrode und weiteren benachbarten Materialien – oder allgemeiner: an der Oberfläche der Elektrode bzw. in der Nähe der Oberfläche der Elektrode – führt die erhöhte Beweglichkeit der Atome des weiteren Elektrodenmaterials zu einer Akkumulation des weiteren Elektrodenmaterials. Drift-, Migrations- und Diffusionsprozesse führen deshalb zu der Situation, dass die Konzentration der Atome in der Nähe der Oberfläche des weiteren Elektrodenmaterials erhöht ist. Diese erhöhte Konzentration an der Oberfläche, welche in einem bevorzugten Fall zu einer kompletten Umschließung der Elektrode mit dem weiteren Elektrodenmaterial durch eine sehr dünne Schicht führt, stellt praktisch eine Schutzhülle dar, die die Atome des Elektrodenmetalls selbst an einer Diffusion aus der Elektrode heraus hindert. Speziell Korngrenzen zu benachbarten Materialien stellen eine Situation dar, in der sich die Atome des weiteren Elektrodenmaterials vorzugsweise ansammeln und effektiv die Diffusion der Atome des Elektrodenmetalls verhindern. Es handelt sich praktisch um sich selbst passivierende Elektroden, bei denen das weitere Elektrodenmaterial eine intrinsische Schutzfunktion darstellt. Es wird also eine Interfacestabilisierung, d. h. eine Stabilisierung der Oberfläche der Elektrode, erreicht, ohne die Leitfähigkeit im Volumen der Elektrode im Wesentlichen zu verringern. Die Ansammmlung der Atome des weiteren Elektrodenmaterials in der Nähe der Oberfläche führt dabei im Wesentlichen NICHT zu einer Rückdiffusion des weiteren Elektrodenmaterials zurück ins Innere der Elektrode.It has been recognized that the akustomigration effect, which has hitherto been regarded as disadvantageous, which leads to the above-described disadvantages in known electrode structures, can be advantageously used to obtain an improved electrode. The atoms of the further electrode material in the electrode have a higher diffusion coefficient than the electrode metal of the electrode. As a result, their mobility relative to the atoms of the electrode metal is increased. The diffusion coefficient is material-dependent and a measure of the mobility or the migratory power of the corresponding atoms. The effect of diffusion / migration of the atoms of the further electrode material occurs less in the interior of the electrode than in the edge region near the surface of the electrode. In particular, the phase boundaries between the electrode and other adjacent materials - or more generally: on the surface of the electrode or in the vicinity of the surface of the electrode - leads the increased mobility of the atoms of the further electrode material to an accumulation of the further electrode material. Drift, migration and diffusion processes therefore lead to the situation that the concentration of the atoms in the vicinity of the surface of the further electrode material is increased. This increased concentration at the surface, which in a preferred case leads to a complete enclosure of the electrode with the further electrode material through a very thin layer, is practically a protective sheath which prevents the atoms of the electrode metal itself from diffusing out of the electrode. Specifically, grain boundaries to adjacent materials represent a situation in which the atoms of the further electrode material preferentially accumulate and effectively prevent the diffusion of the atoms of the electrode metal. These are practically self-passivating electrodes, in which the further electrode material represents an intrinsic protective function. Thus, an interface stabilization, i. H. stabilizing the surface of the electrode, without substantially reducing the conductivity in the volume of the electrode. The accumulation of the atoms of the further electrode material in the vicinity of the surface essentially does NOT result in a back diffusion of the further electrode material back into the interior of the electrode.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nimmt die Konzentration des weiteren Elektrodenmaterials innerhalb eines Teilvolumens der Elektrode oder in der gesamten Elektrode mit zunehmender Entfernung von der Oberfläche der Elektrode streng monoton ab. In einer solchen Elektrode ist das thermodynamische Gleichgewicht noch nicht vollständig erreicht, da eine komplette Phasenseparation der Elektroden des Elektrodenmetalls und des weiteren Elektrodenmaterials noch nicht stattgefunden hat.In one embodiment of the present invention, the concentration of the further electrode material within a partial volume of the electrode or in the entire electrode decreases strictly monotonically with increasing distance from the surface of the electrode. In such an electrode, the thermodynamic equilibrium is not yet fully achieved, since a complete phase separation of the electrodes of the electrode metal and the further electrode material has not yet taken place.

Bevorzugt ist es, wenn alle Atome des weiteren Elektrodenmaterials eine aus möglichst wenigen Atomlagen bestehende Schutzhülle um die Elektrode bilden, wobei innerhalb der Elektrode in erster Linie Atome des Elektrodenmetalls anzutreffen sind. Trotzdem stellt die Situation, bei der die Konzentration des weiteren Elektrodenmaterials nach innen hin abnimmt, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Situation dar.It is preferred if all the atoms of the further electrode material form a protective sheath consisting of as few atomic layers as possible around the electrode, wherein atoms of the electrode metal are to be found in the electrode in the first place. Nevertheless, the situation in which the concentration of the further electrode material decreases inwardly represents an improved situation compared to the prior art.

Das erste Elektrodenmetall umfasst in einer Ausführungsform ein Metall, das ausgewählt ist aus: Aluminium Al, Kupfer Cu, Silber Ag und Gold Au.The first electrode metal in one embodiment comprises a metal selected from: aluminum Al, copper Cu, silver Ag and gold Au.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Elektrode zu 0,1 bis 5 Atomprozent aus dem weiteren Elektrodenmaterial.In a preferred embodiment, the electrode is 0.1 to 5 atomic percent of the further electrode material.

Das weitere Elektrodenmaterial selbst umfasst ein oder mehrere Elemente, die ausgewählt sind aus: Tantal Ta, Ruthenium Ru, Rhodium Rh, Molybdän Mo, Wolfram W, Silizium Si, Zirkon Zr, Chrom Cr, Aluminium Al und Titan Ti.The further electrode material itself comprises one or more elements selected from: tantalum Ta, ruthenium Ru, rhodium Rh, molybdenum Mo, tungsten W, silicon Si, zirconium Zr, chromium Cr, aluminum Al and titanium Ti.

In einer Ausführungsform ist die Elektrode auf einem monokristallinen, polykristallinen oder amorphen Substrat angeordnet. Insbesondere kommt eine Elektrode in Betracht, die auf einem isolierenden Substrat angeordnet ist, und in einer speziellen Ausführung auf einem piezoelektrischen Substrat.In one embodiment, the electrode is disposed on a monocrystalline, polycrystalline or amorphous substrate. Particularly contemplated is an electrode disposed on an insulating substrate and in a specific embodiment on a piezoelectric substrate.

In einer Ausführungsform ist die Elektrode Teil eines mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Bauelements (BAW-Bauelement) und auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet.In one embodiment, the electrode is part of a surface acoustic wave device (BAW device) and disposed on a piezoelectric substrate.

Alternativ – wenn die Elektrode z. B. in einem mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Bauelement (BAW-Bauelement) Verwendung finden soll, kommt ein Substrat in Frage, das ausgewählt ist aus: Diamant, Silizium Si, Galliumarsenid GaAs, Germanium Ge und einer Silizium-Germanium-Verbindung (Si_xGe_1-x). x ist dabei eine reelle Zahl > 0 und < 1. Eine Diffusionsstoppschicht, die das weitere Elektrodenmaterial umfasst und die Diffusion von Atomen des Elektrodenmetalls in das Substrat hemmt, ist an der Oberfläche der Elektrode ausgebildet, insbesondere an der zum Substrat weisenden Oberfläche der Elektrode. Alternatively - if the electrode z. B. in a working with bulk acoustic waves device (BAW device) should be used, a substrate is eligible, which is selected from: diamond, silicon Si, gallium arsenide GaAs, germanium Ge and a silicon-germanium compound (Si _x Ge _1-x ). In this case, x is a real number> 0 and <1. A diffusion stop layer, which comprises the further electrode material and inhibits the diffusion of atoms of the electrode metal into the substrate, is formed on the surface of the electrode, in particular on the surface of the electrode facing the substrate.

Zwischen der Elektrode und dem Substrat kann ferner eine Zwischenschicht, z. B. aus Titan Ti, angeordnet sein, welche die Haftung der Elektrode auf dem Substrat verbessert oder welche die Gitterparameter von Elektrode und Substrat aneinander anpasst.Between the electrode and the substrate, an intermediate layer, for. Example, of titanium Ti, which improves the adhesion of the electrode on the substrate or which adjusts the grid parameters of electrode and substrate together.

Die Elektrode kann auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet sein; sie kann aber auch zwischen zwei Substraten angeordnet sein, von denen mindestens eines piezoelektrisch ist. Ein Anwendungsgebiet, bei dem die Elektrode zwischen zwei Substraten angeordnet ist, von denen mindestens eines piezoelektrisch ist, ist beispielsweise ein Bauelement, welches mit geführten akustischen Oberflächenwellen arbeitet (GBAW: Guided Bulk Acoustic Wave Bauelement). Alternativ kann die Elektrode aber auch in Vertiefungen in der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats angeordnet sein.The electrode may be disposed on a piezoelectric substrate; but it can also be arranged between two substrates, of which at least one is piezoelectric. An application in which the electrode is arranged between two substrates, of which at least one is piezoelectric, is for example a component which operates with guided surface acoustic waves (GBAW: Guided Bulk Acoustic Wave component). Alternatively, however, the electrode may also be arranged in recesses in the surface of a piezoelectric substrate.

Die Elektrode bzw. die Oberfläche der Elektrode kann zumindest teilweise von einer weiteren Schutzschicht bedeckt sein. Die weitere Schutzschicht kann ein Oxid, Nitrid oder Carbid umfassen.The electrode or the surface of the electrode may be at least partially covered by a further protective layer. The further protective layer may comprise an oxide, nitride or carbide.

Insbesondere kommt eine weitere Schutzschicht in Frage, deren Schutzmaterial ein Material umfasst, das ausgewählt ist aus: einem Siliziumoxid, z. B. Siliziumdioxid SiO₂, Chromoxid, Z. B. Chromdioxid CrO₂, Aluminiumoxid Al₂O₃, Siliziumnitrid Si₃N₄, Siliziumcarbid SiC, Titan-Aluminiumnitrid TiAlN, einem Tantalsiliziumnitrid, z. B. TaSiN, oder weiteren Oxiden wie Hafniumoxid, Zirkonoxid oder ein Zirkon-Hafniumoxid. Oxide, Nitride und Carbide sind chemisch relativ inert, weshalb sie bevorzugt als Schutzmaterial in einer Schutzschicht gegen äußere Umwelteinflüsse zur Anwendung kommen.In particular, another protective layer is suitable whose protective material comprises a material which is selected from: a silicon oxide, for. Example, silicon dioxide SiO ₂ , chromium oxide, eg chromium dioxide CrO ₂ , aluminum oxide Al ₂ O ₃ , silicon nitride Si ₃ N ₄ , silicon carbide SiC, titanium aluminum nitride TiAlN, a tantalum silicon nitride, z. As TaSiN, or other oxides such as hafnium oxide, zirconium oxide or a zirconium hafnium oxide. Oxides, nitrides and carbides are chemically relatively inert, which is why they are preferably used as a protective material in a protective layer against external environmental influences.

In einer Ausführungsform ist es bevorzugt, wenn zwischen der Elektrode und der weiteren Schutzschicht eine weitere Zwischenschicht angeordnet ist, welche die Haftung der Schutzschicht auf der Elektrode verbessert oder welche die Gitterparameter von Schutzschicht und Elektrode aneinander anpasst.In one embodiment, it is preferred if between the electrode and the further protective layer, a further intermediate layer is arranged, which improves the adhesion of the protective layer on the electrode or which adapts the grid parameters of the protective layer and electrode to each other.

Elektroden, welche beispielsweise Verwendung in BAW- oder SAW-Bauelementen finden können, umfassen im Allgemeinen eine Vielzahl an so genannten Körnern unterschiedlicher Elemente oder Materialien, welche untereinander in physikalischem und elektrischem Kontakt stehen. Diese Körner sind Bereiche mit zumeist einheitlicher Struktur, Ausrichtung und weitgehend homogener Zusammensetzung. Die Korngrößenverteilung gibt die Wahrscheinlichkeit an, mit der Körner einer bestimmten Größe in der Elektrode anzutreffen sind. Als Maß für die Größe dient im Allgemeinen der Durchmesser der Körner.Electrodes which may find use, for example, in BAW or SAW devices generally comprise a plurality of so-called grains of different elements or materials in physical and electrical contact with each other. These grains are areas of mostly uniform structure, orientation and largely homogeneous composition. The grain size distribution indicates the probability that grains of a certain size are found in the electrode. As a measure of the size is generally the diameter of the grains.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Elektrode besitzt die Korngrößenverteilung ein Maximum bei einer Korngröße zwischen 10 nm und 50 nm, zwischen 50 nm und 1000 nm oder oberhalb von 1000 nm. Jeder der drei Bereiche kann dabei ein eigenes Maximum der Korngrößenverteilung innerhalb des jeweiligen Bereichs aufweisen.In one embodiment of the present electrode, the particle size distribution has a maximum at a particle size between 10 nm and 50 nm, between 50 nm and 1000 nm or above 1000 nm. Each of the three regions can have its own maximum particle size distribution within the respective region.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Elektrode ist die Korngrößenverteilung bimodal ausgeführt. Das heißt, dass die Korngrößenverteilung zwei Maxima aufweist. Ein Maximum der Korngrößenverteilung liegt dann vorzugsweise zwischen 10 nm und 50 nm und ein zweites Maximum der Korngrößenverteilung liegt bevorzugt oberhalb von 1000 nm.In a preferred embodiment of the electrode, the particle size distribution is bimodal. This means that the particle size distribution has two maxima. A maximum of the particle size distribution is then preferably between 10 nm and 50 nm and a second maximum of the particle size distribution is preferably above 1000 nm.

Sowohl die mechanische Stabilität als auch elektrische Eigenschaften, wie beispielsweise die Leitfähigkeit, hängen stark von dem Verlauf der Korngrößenverteilung ab. Aneinandergefügte große Körner resultieren, aufgrund der im Vergleich zu ihrem Volumen kleinen Oberfläche, in einer erhöhten Leitfähigkeit, während aneinandergefügte kleine Körner in einem Material größerer Härte resultieren.Both the mechanical stability and electrical properties, such as conductivity, depend strongly on the course of the particle size distribution. Joined large grains result in increased conductivity due to the small surface area compared to their volume, while joined small grains result in a material of greater hardness.

Eine wie oben angegebene bimodale Korngrößenverteilung führt deshalb zu einer Elektrode, welche durch die Häufung von großen Korngrößen eine hohe Leitfähigkeit aufweist und durch das Maximum der Korngrößenverteilung zwischen 10 und 50 nm eine hohe Härte aufweist.A bimodal particle size distribution as indicated above therefore leads to an electrode which has a high conductivity due to the accumulation of large particle sizes and has a high hardness due to the maximum of the particle size distribution between 10 and 50 nm.

Die kleineren Körner besetzen dabei insbesondere die Hohlräume, die zwischen den größeren Körnern bestehen, wodurch einerseits die Dichte und andererseits die elektrische Leitfähigkeit zusätzlich erhöht wird. Da eine Erhöhung der Dichte gleichzeitig eine Vergrößerung der Massenbeaufschlagung, z. B. von SAW-Elektroden, darstellt, kann allein durch diese Maßnahme das Führen von akustischen Wellen an der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats verbessert werden.The smaller grains occupy in particular the cavities that exist between the larger grains, which on the one hand, the density and on the other hand, the electrical conductivity is further increased. Since an increase in density at the same time an increase in the mass loading, z. B. of SAW electrodes represents, can be improved alone by this measure, the guiding of acoustic waves on the surface of a piezoelectric substrate.

Das Kriterium für die Auswahl des weiteren Elektrodenmaterials besteht in dessen Fähigkeit, innerhalb einer Elektrode eines gegebenen Elektrodenmetalls und einer gegebenen Korngrößenverteilung und Körnerzusammensetzung zu diffundieren. Das kann zu der Situation führen, dass als weiteres Elektrodenmaterial ein Material bevorzugt sein kann, welches eine intrinsisch geringere Diffusionsfähigkeit hat als das Elektrodenmetall, welches aber durch eine geschickte Ausformung der Korngrößenverteilung in der Elektrode insgesamt eine hohe Diffusionsfähigkeit aufweist.The criterion for selecting the further electrode material is its ability to to diffuse within an electrode of a given electrode metal and a given grain size distribution and grain composition. This can lead to the situation that as a further electrode material, a material may be preferred which has an intrinsically lower diffusivity than the electrode metal, but which overall has a high diffusibility through a clever shaping of the particle size distribution in the electrode.

In einer Ausführungsform ist die Dichte der großen Körner im Innern der Elektrode vergrößert, während die Dichte der kleinen Körner im Randbereich der Elektrode vergrößert ist. Als Bezugspunkt der räumlichen Verteilung der großen und kleinen Körner dient dabei diejenige räumliche Verteilung, bei der sowohl große als auch kleine Körner gleichmäßig über das gesamte Volumen verteilt sind.In one embodiment, the density of the large grains inside the electrode is increased while the density of the small grains in the periphery of the electrode is increased. The reference point for the spatial distribution of the large and small grains is that spatial distribution in which both large and small grains are distributed uniformly over the entire volume.

Die Atome des weiteren Elektrodenmaterials in der Elektrode können eine von ihrer Konzentration in der Elektrode abhängige Überstruktur ausbilden. Überstrukturen, also periodische Anordnungen von räumlich aneinandergereihten Zellen, können die elektrische Leitfähigkeit der Elektrode weiterhin verbessern.The atoms of the further electrode material in the electrode can form a superstructure dependent on their concentration in the electrode. Superstructures, ie periodic arrangements of spatially juxtaposed cells, can further improve the electrical conductivity of the electrode.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Elektrode in mit BAW, SAW oder GBAW arbeitenden Bauelementen eingesetzt.In one embodiment of the invention, the electrode is used in devices working with BAW, SAW or GBAW.

Ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Elektrode umfasst die Schritte:

– Bereitstellen eines Substrats,
– Aufbringen einer Elektrode, die ein Elektrodenmetall und ein weiteres Elektrodenmaterial in einer homogenen Vermischung umfasst, auf dem Substrat oder in Vertiefungen in der Substratoberfläche,
– Durchführen von Maßnahmen zur Ausbildung eines Konzentrationsgefälles des weiteren Elektrodenmaterials in der Elektrode so, dass die Konzentration des weiteren Elektrodenmaterials an der Oberfläche der Elektrode am höchsten ist.

A method for producing an electrode according to the invention comprises the steps:

Providing a substrate,
Applying on the substrate or in depressions in the substrate surface an electrode which comprises an electrode metal and a further electrode material in a homogeneous mixture,
Performing measures for forming a concentration gradient of the further electrode material in the electrode such that the concentration of the further electrode material at the surface of the electrode is highest.

Das Aufbringen der Elektrode kann dabei herkömmliche – z. B. lithographische – Strukturierungsschritte umfassen.The application of the electrode can be conventional -. B. lithographic - structuring steps include.

Eine Ausgestaltung des Verfahrens umfasst die Schritte:

– Bereitstellen eines Substrats,
– Abscheiden einer Zwischenschicht aus einem weiteren Elektrodenmaterial auf dem Substrat oder in Vertiefungen in der Substratoberfläche
– Abscheiden einer das Elektrodenmetall umfassenden Schicht auf der ersten Schicht,
– Abscheiden einer weiteren Zwischenschicht aus dem weiteren Elektrodenmaterial auf der freiliegende Oberfläche der Elektrode,
– Ausbilden einer zum Elektrodeninneren hin abfallenden Konzentration des weiteren Elektrodenmaterials in der Elektrode.

An embodiment of the method comprises the steps:

Providing a substrate,
Depositing an intermediate layer of a further electrode material on the substrate or in depressions in the substrate surface
Depositing a layer comprising the electrode metal on the first layer,
Depositing a further intermediate layer from the further electrode material on the exposed surface of the electrode,
- Forming of a falling towards the electrode interior concentration of the further electrode material in the electrode.

In weiteren, nicht explizit genannten Verfahrensschritten können die Zwischenschicht und die weitere Zwischenschicht aus dem weiteren Elektrodenmaterial ebenfalls wie die Elektrode durch entsprechende, bekannte Schritte strukturiert werden.In further, not explicitly mentioned method steps, the intermediate layer and the further intermediate layer of the further electrode material can also be structured as the electrode by corresponding known steps.

Prinzipiell ist es auch möglich, eine leistungsresistente Elektrode zu erhalten, ohne während der Herstellung Maßnahmen durchzuführen, um ein Konzentrationsgefälle des weiteren Elektrodenmaterials auszubilden, denn der gefundene Effekt – die eigentlich zur Zerstörung des Bauelements führenden Migrationseffekte bildet bei hoher Leistungsbeanspruchung von selbst eine die Elektrode umgebende Schutzschicht des weiteren Elektrodenmaterials aus – führt dazu, dass die Elektrode über einen intrinsischen Schutzmechanismus verfügt. Je nach thermischer Belastung dauert dieses Ausbilden allerdings unterschiedlich lange, sodass es während des Prozesses der Ausbildung zu einer zeitlichen Veränderung der Struktur der Elektrode und damit zu einer Variation bzw. Instabilität der elektroakustischen Eigenschaften kommt. Solche Änderungen der elektroakustischen Eigenschaften sind während des Betriebs unerwünscht, weshalb bevorzugt Maßnahmen zur Ausbildung des Konzentrationsgefälles schon während des Herstellungsprozesses oder unmittelbar nach der Herstellung der Elektroden durchgeführt werden.In principle, it is also possible to obtain a power-resistant electrode without performing measures during production to form a concentration gradient of the other electrode material, because the effect found - actually leading to the destruction of the component migration effects forms at high power stress by itself surrounding the electrode Protective layer of the further electrode material causes the electrode to have an intrinsic protective mechanism. Depending on the thermal load, however, this formation takes a different length of time, so that during the process of the formation a change in the structure of the electrode over time and thus a variation or instability of the electroacoustic properties occurs. Such changes in the electroacoustic properties are undesirable during operation, which is why preferred measures for forming the concentration gradient already during the manufacturing process or immediately after the preparation of the electrodes are performed.

So wird in einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens das Konzentrationsgefälle während eines anderen erforderlichen Prozesschrittes erzeugt, in dem die Temperatur höher eingestellt ist als diejenige Temperatur, bei der die Elektrode auf das Substrat aufgebracht wird. Dieser Schritt kann derjenige Prozessschritt sein, in dem beispielsweise die weitere Zwischenschicht oder eine weitere Schutzschicht auf die Elektrode aufgebracht wird.Thus, in one embodiment of the manufacturing process, the concentration gradient is generated during another required process step in which the temperature is set higher than the temperature at which the electrode is applied to the substrate. This step may be that process step in which, for example, the further intermediate layer or a further protective layer is applied to the electrode.

In einer speziellen Ausführungsform wird das Konzentrationsgefälle während eines Temperprozesses ausgebildet, wobei sich aufgrund des größeren Diffusionskoeffizienten des weiteren Elektrodenmaterials in der Elektrode das gewünschte Konzentrationsgefälle ausbildet.In a specific embodiment, the concentration gradient is formed during an annealing process, wherein due to the larger diffusion coefficient of the further electrode material in the electrode, the desired concentration gradient is formed.

Aus den oben genannten elektroakustischen Gründen ist die aus dem weiteren Elektrodenmaterial bestehende erste und zweite Schicht vorzugsweise dünn. Typische, in Frage kommende Dicken sind: dünner als 1000 nm, dünner als 500 nm, dünner als 100 nm, dünner als 50 nm sowie dünner als 10 nm.For the above electroacoustic reasons, the first and second layers made of the other electrode material are preferably thin. Typical candidate thicknesses are: thinner than 1000 nm, thinner than 500 nm, thinner than 100 nm, thinner than 50 nm, and thinner than 10 nm.

In einer Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung wird nach dem Abscheiden der Elektrode eine weitere Schutzschicht, welche ein Oxid, ein Nitrid oder ein Carbid umfasst, zumindest teilweise auf die Elektrode aufgebracht.In one embodiment of the method of manufacture, after the deposition of the electrode, a further protective layer comprising an oxide, a nitride or a carbide is at least partially applied to the electrode.

In einer Ausgestaltung dieses Verfahrens umfasst die Schutzschicht ein Schutzmaterial, das ausgewählt ist aus Siliziumdioxid SiO₂, Chromdioxid CrO₂, Al₂O₃, Si₃N₄, Si,C, TiAlN, Hafniumoxid, Zirkonoxid, Hafnium-zirkon-oxid und TaSiN. Dieses Schutzmaterial wird auf die freiliegende Oberfläche der Elektrode oder auf die optionale weitere Zwischenschicht aufgebracht.In one embodiment of this method, the protective layer comprises a protective material which is selected from silicon dioxide SiO ₂ , chromium dioxide CrO ₂ , Al ₂ O ₃ , Si ₃ N ₄ , Si, C, TiAlN, hafnium oxide, zirconium oxide, hafnium zirconium oxide and TaSiN , This protective material is applied to the exposed surface of the electrode or to the optional further intermediate layer.

Im Folgenden werden exemplarisch zwei Ausführungsformen der Elektrode in schematischen Figuren dargestellt und näher erläutert. Es zeigen:In the following, two embodiments of the electrode are illustrated by way of example in schematic figures and explained in more detail. Show it:

1: Die Anordnung einer Elektrode auf einem Substrat, 1 : The arrangement of an electrode on a substrate,

2: Die Anordnung einer Elektrode auf einem Substrat mit weiteren Zwischenschichten und einer Schutzschicht. 2 : The arrangement of an electrode on a substrate with further intermediate layers and a protective layer.

1 illustriert die Anordnung einer erfindungsgemäßen Elektrode El auf einem Substrat SU. Die mit GR bezeichneten Pfeile symbolisieren das Gradientenfeld der Konzentration des weiteren Elektrodenmaterials in der Elektrode El. Da der Gradient die Änderung der Konzentration beschreibt, kann der Gradient auch verschwinden (d. h. die Länge Null haben). Beispielsweise dann, wenn die Konzentration im Zentrum der Elektrode praktisch verschwindet. Dass die Konzentration mit zunehmender Entfernung von der Oberfläche abnimmt, heißt, dass die Gradient – wie in 1 angedeutet – in Richtung der Oberfläche weist. 1 illustrates the arrangement of an electrode according to the invention El on a substrate SU. The arrows designated GR symbolize the gradient field of the concentration of the further electrode material in the electrode El. Since the gradient describes the change in concentration, the gradient may also disappear (ie, have zero length). For example, when the concentration in the center of the electrode practically disappears. The fact that the concentration decreases with increasing distance from the surface means that the gradient - as in 1 indicated - pointing in the direction of the surface.

Die Ausbildung des Konzentrationsgefälles GR resultiert vorzugsweise in der Ausbildung einer Randschicht RL, welche vorzugsweise sehr dünn ist und die gesamte Oberfläche der Elektrode El umschließt. Insbesondere die Phasengrenze zwischen Elektrode El und Substrat SU ist durch ein Gebiet mit erhöhter Konzentration des weiteren Elektrodenmaterials gegen eine Diffusion des Elektrodenmetalls aus der Elektrode El in das Substrat SU abgedichtet.The formation of the concentration gradient GR preferably results in the formation of a boundary layer RL, which is preferably very thin and encloses the entire surface of the electrode El. In particular, the phase boundary between electrode El and substrate SU is sealed by a region with increased concentration of the further electrode material against diffusion of the electrode metal from the electrode El into the substrate SU.

2 illustriert die Anordnung einer Elektrode El auf einem Substrat SU, wobei zwischen der Elektrode El und dem Substrat SU eine Zwischenschicht IL1 angeordnet ist. Auf der oberen Seite der Oberfläche der Elektrode El ist eine weitere Zwischenschicht IL2 angeordnet. Die lateralen Abmessungen von Elektrode El und Zwischenschichten IL1, IL2 können übereinstimmen – wie z. B. bei der Elektrode El und der weiteren Zwischenschicht IL2 dargestellt. Dies ist jedoch nicht zwingend. Die lateralen Ausdehnungen der Zwischenschichten müssten nicht übereinstimmen, wie es beispielsweise die Zwischenschicht IL1 demonstriert, die beiderseitig über die lateralen Ränder der Elektrode El herausragt. Elektrode El und eine der Zwischenschichten IL1, IL2 können auch lediglich an einer einzelnen Seite oder an mehreren Seiten der Elektrode El zusammen bündig abschließen. Die Zwischenschicht IL1, die Elektrode El und die weitere Zwischenschicht IL2 sind in dieser Ausführungsform durch eine zusätzliche Schutzschicht APL vollständig abgedeckt. Auch das Substrat Su, von dem nur ein Ausschnitt gezeigt ist, kann durch die zusätzliche Schutzschicht APL – ganz oder zumindest Teilweise – abgedeckt sein. Diese zusätzliche Schutzschicht schützt die Elektrode und gegebenenfalls die eine oder mehrere Zwischenschichten vor äußeren schädlichen Einflüssen wie beispielsweise Chemikalien. 2 illustrates the arrangement of an electrode El on a substrate SU, wherein between the electrode El and the substrate SU, an intermediate layer IL1 is arranged. On the upper side of the surface of the electrode El, a further intermediate layer IL2 is arranged. The lateral dimensions of electrode El and intermediate layers IL1, IL2 may coincide - e.g. B. at the electrode El and the further intermediate layer IL2. However, this is not mandatory. The lateral expansions of the intermediate layers would not have to match, as demonstrated, for example, by the intermediate layer IL1, which protrudes on both sides beyond the lateral edges of the electrode El. Electrode E1 and one of the intermediate layers IL1, IL2 can also terminate flush only on a single side or on several sides of the electrode El. The intermediate layer IL1, the electrode El and the further intermediate layer IL2 are completely covered in this embodiment by an additional protective layer APL. Also, the substrate Su, of which only a section is shown, can be covered by the additional protective layer APL - entirely or at least partially. This additional protective layer protects the electrode and optionally the one or more intermediate layers from external harmful influences such as chemicals.

Bezugszeichenliste:LIST OF REFERENCE NUMBERS

GR:

Gradient of the concentration of further electrode material

El:

electrode

IL1, IL2:

interlayer

APL:

additional protective layer

SU:

substratum

RL:

boundary layer

Claims

An improved strength power electrode (El) comprising an electrode metal and a further electrode material other than the electrode metal, wherein The electrode (El) consists of 0.001 to 20 atomic percent of the further electrode material, The electrode metal and the further electrode material are in homogeneous mixing, - The further electrode material has a higher diffusion coefficient in the electrode metal than the electrode metal in itself and - The concentration of the further electrode material within the electrode monotonically decreases with increasing distance from the surface of the electrode.

An electrode according to the preceding claim, wherein the concentration of the further electrode material within a partial volume of the electrode or in the entire electrode decreases strictly monotonically with increasing distance from the surface of the electrode.

An electrode according to any one of the preceding claims, comprising as first electrode metal a metal selected from: Al, Cu, Ag and Au.

An electrode according to the preceding claim, wherein the electrode consists of 0.1 to 5 atomic percent of the further electrode material.

An electrode according to any one of the preceding claims, comprising as further electrode material one or more elements selected from: Ta, Ru, Rh, Mo, W, Si, Zr, Cr, Al and Ti.

An electrode according to any one of the preceding claims arranged on a monocrystalline, polycrystalline or amorphous substrate (Su).

An electrode according to any one of the preceding claims arranged on a substrate (Su) selected from: diamond, Si, GaAs, Ge and Si _x Ge _1-x , where -x is a real number greater than 0 and less than 1 and a diffusion stop layer comprising the further electrode material and inhibiting the diffusion of atoms of the electrode metal into the substrate is formed on the surface of the electrode.

An electrode as claimed in claim 6 or 7, wherein an intermediate layer (IL1) is arranged between the electrode and the substrate The adhesion of the electrode (El) on the substrate (Su) is improved or - The lattice parameters of electrode (El) and substrate (Su) adapts each other.

An electrode according to any one of the preceding claims arranged On a piezoelectric substrate (Su), Between two substrates, at least one of which is piezoelectric, or In depressions in the surface of a piezoelectric substrate.

An electrode according to any one of the preceding claims, which is at least partially covered by another protective layer (APL) comprising an oxide, nitride or carbide.

An electrode according to the preceding claim, wherein the further protective layer (APL) is a protective material selected from: SiO ₂ , CrO ₂ , Al ₂ O ₃ , Si ₃ N ₄ , SiC, TiAlN, hafnium oxide, zirconium oxide, hafnium zirconium oxide and TaSiN.

Electrode according to the preceding claim, wherein between the electrode (El) and the further protective layer (APL) a further intermediate layer (IL2) is arranged, which The adhesion of the further protective layer (APL) on the electrode (El) is improved or - The lattice parameters of the further protective layer (APL) and electrode (El) adapts each other.

An electrode according to any one of the preceding claims, wherein the grain size distribution is a maximum at a grain size Between 10 nm and 50 nm, or - between 50 nm and 1000 nm or - Above 1000 nm has.

An electrode according to the preceding claim, wherein the particle size distribution is bimodal and A maximum of the particle size distribution between 10 nm and 50 nm and - Has a maximum of the grain size distribution above 1000 nm.

An electrode according to the preceding claim, wherein, in relation to a spatially homogeneous distribution, - The density of the large grains in the interior of the electrode (El) is increased, while the density of the small grains in the edge region of the electrode (El) is increased.

Electrode according to one of the preceding claims, wherein the atoms of the further electrode material in the electrode (El) form superstructures dependent on their concentration.

An electrode according to any one of the preceding claims, which is intended for use in devices operating with BAW, SAW or GBAW.

A process for producing an electrode of any preceding claim comprising the steps of: Providing a substrate (Su), Applying an electrode (El) comprising an electrode metal and another electrode material in a homogeneous mixture, on the substrate (Su) or in depressions in the substrate surface, - Performing measures for forming a concentration gradient of the further electrode material in the electrode (El) so that the concentration of the further electrode material at the surface of the electrode (El) is the highest.

Method according to the preceding claim, wherein the concentration gradient is carried out during a step in which the temperature is higher than the temperature at which the electrode (El) is applied.

Method according to one of the preceding method claims, wherein an annealing process forms the concentration gradient due to the larger diffusion constant of the further electrode material.

Method according to one of the preceding method claims, wherein after the deposition the electrode (El) another protective layer (APL), which comprises an oxide, a nitride or a carbide is applied.

Method according to the preceding method claim, wherein after depositing the electrode (El) a further protective layer (APL) comprising a protective material selected from: SiO ₂ , CrO ₂ , Al ₂ O ₃ , Si ₃ N ₄ , SiC, TiAlN , Hafnium oxide, zirconium oxide, hafnium zirconium oxide and TaSiN, is applied to the exposed surface of the electrode or to the further intermediate layer (IL2).