DE102009056663A1 - Metallisierung mit hoher Leistungsverträglichkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Metallisierung insbesondere für mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente angegeben, welche eine hohe Leistungsfestigkeit und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Dazu umfasst die Metallisierung einen Sockel mit einer unteren Schicht, welche Titan umfasst und einer oberen Schicht, welche Kupfer umfasst. Eine auf dem Sockel angeordnete obere Lage der Metallisierung umfasst Aluminium.
Description
- Die Erfindung betrifft Metallisierungen mit hoher Leistungsfestigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit für stromtragende Strukturen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung. Die Erfindung betrifft insbesondere Metallisierungen für stromtragende Strukturen für mit akustischem Wellen arbeitende Bauelemente.
- Metallisierungen für mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente, aus welchen beispielsweise Stromsammelschienen, mit den Stromsammelschienen verbundene Elektrodenfinger oder Reflektorstrukturen auf einem piezoelektrischen Substrat ausgebildet sind, sind bevorzugt besonders leistungsfest auszugestalten.
- Akustische Volumenwellen (BAW = bulk acoustic wave) oder akustische Oberflächenwellen (SAW = surface acoustic wave) breiten sich innerhalb eines Festkörpers oder an seiner Oberfläche aus; ihre Frequenzen liegen im GHz Bereich.
- Die stromtragenden (Elektroden-)Strukturen, welche elektrische Hochfrequenzsignale in akustische Wellen oder umgekehrte akustische Wellen in elektrische Hochfrequenzsignale umwandeln, haben also einerseits die elektrischen Ströme und andererseits die mechanische Verformung durch die akustischen Wellen auszuhalten, ohne Schaden zu nehmen.
- Aus der
US-Patentschrift US 7,605,524 B2 sind Elektrodenstrukturen für mit akustischen Oberflächenwellen (SAW) arbeitende Bauelemente bekannt. In einer Ausgestaltung ist eine Elektrodenstruktur auf einkristallinem Lithiumtantalat oder Lithiumniobat angeordnet. Die Elektrodenstruktur umfasst eine erste Schicht aus Titan. Eine zweite, darauf abgeschiedene Schicht umfasst Aluminium. Die zweite Schicht umfasst zwei <111> Domänen. Methoden zur Herstellung der Elektrodenschichten betreffen das epitaktische Aufwachsen der Aluminium umfassenden Schicht. Eine hochtexturierte, Aluminium umfassende Schicht weist eine gute, d. h. hohe, elektrische Leitfähigkeitswerte und eine hohe Leistungsfestigkeit auf. - Das Wachstum einer auf einem Substrat abgeschiedenen Schicht heißt epitaktisch, wenn die Ausrichtung der Atome der Schicht sich an der Ausrichtung der Atome des Substrats orientiert. Ein generelles Problem bei epitaktischem Wachstum besteht darin, eine geeignete Oberfläche bereit zu stellen. Denn die Beschaffenheit der Oberfläche des Substrats – als Schnittstelle zwischen Substrat und Schicht – beeinflusst die Ordnung der Atome der abgeschiedenen Schicht maßgeblich. Üblicherweise werden Substrate deshalb durch Tempern oder durch Anätzen vorbehandelt. Zwischen der Vorbehandlung und dem eigentlichen Abscheideprozess darf die Oberfläche des Substrats nicht mehr mit Verunreinigungen kontaminiert werden.
- Die Verwendung der Lift-off-Technik beim Abscheiden von Elektrodenstrukturen auf Substrate ist problematisch, wenn es auf eine besonders „saubere” Substratoberfläche ankommt. Denn auf die gegebenenfalls vorbehandelte Substratoberfläche wird im ersten Schritt eine Lackschicht (resist layer) aufgebracht. In weiteren Verfahrensschritten wird diese Lackschicht dann teilweise belichtet und die belichteten Bereiche in einem weiteren Prozessschritt entfernt. An den ehemals belichteten Stellen liegt die Substratoberfläche nun wieder frei. Diese hatte aber inzwischen sowohl mit der Lackschicht als auch mit dem Lösemittel, welches die belichtete Lackschicht entfernte, Kontakt. Die Substratoberfläche ist also kontaminiert.
- Ein epitaktisches Aufwachsen von Elektrodenschichten mittels der Lift-off Technik schien bisher schlecht möglich.
- Ein anderes Verfahren, das so genannte Ätzverfahren, beruht darauf, das Elektrodenmaterial großflächig auf die gegebenenfalls vorbehandelte Substratoberfläche aufzubringen und die Elektrodenstrukturen durch Wegätzen der unerwünschten Bedeckungsbereiche des Elektrodenmaterials zu erhalten: überflüssiges Elektrodenmaterial wird abgetragen.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Metallisierung für stromtragende Strukturen anzugeben, welche leistungsfest ist, welche hohe elektrische Leitfähigkeiten aufweist und welche sowohl mit Ätzverfahren als auch mit Lift-off-Verfahren kompatibel ist.
- Diese Aufgabe wird durch eine Metallisierung nach Anspruch 1 bzw. durch die beanspruchten Verfahren zur Herstellung gelöst.
- Die Erfindung gibt eine Metallisierung für stromtragende Strukturen an, welche in elektrischen Bauelementen Anwendung finden können, wobei die Metallisierung auf einem Substrat angeordnet ist. Die Metallisierung umfasst einen Sockel und eine darauf angeordnete obere Lage. Der Sockel umfasst eine untere Schicht, die oberhalb oder direkt auf der Substratoberfläche angeordnet ist. Die untere Schicht umfasst als Hauptbestandteil Titan oder eine Titanverbindung. Der Sockel umfasst weiterhin eine obere Schicht, die oberhalb oder direkt auf der unteren Schicht angeordnet ist und als Hauptbestandteil Kupfer umfasst. Die obere Lage ist direkt auf der oberen Schicht angeordnet und umfasst als Hauptbestandteil Aluminium.
- Die Erfinder haben herausgefunden, dass – entgegen der generellen Meinung – hochtexturierte stromtragende Strukturen auf einem Substrat aufgewachsen und dabei mittels eines Lift-off-Verfahrens strukturiert werden können. Eine derart aufgewachsene, strukturierte, hochtexturierte Elektrodenstruktur weist eine sehr hohe elektrische Leitfähigkeit und eine hohe mechanische Leistungsfestigkeit auf. Besonders vorteilhaft ist, dass eine solche Elektrodenstruktur sowohl mittels Ätzverfahren als auch mittels Lift-off-Verfahren strukturiert werden kann. Die mögliche Kontamination des Substrats beim Lift-off-Verfahren behindert das Ausbilden einer hochtexturierten Schicht also nicht. Derartige Elektrodenstrukturen können daher in hoher Qualität und mit hoher Reproduzierbarkeit auf eine einfache Weise hergestellt werden.
- Die out-of-plane Textur einer derart hergestellten Elektrode beziehungsweise deren obere Lage kann eine <111> Textur sein. Eine solche Textur ist dadurch ausgezeichnet, dass ihre <111> Richtung – das heißt die Raumdiagonale der kubisch flächenzentrierten Einheitszelle – mit der Flächennormalen des Substrates zusammen fällt. Auch die in-plane-Textur ist nach der von der Substratoberfläche vorgegeben Textur ausgerichtet.
- Der Sockel dient in erster Linie dazu, der oberen Lage eine definierte, d. h. atomar möglichst gleichmäßig ausgebildete, Oberfläche zur Verfügung zu stellen, auf der die obere Lage dann – möglichst epitaktisch – aufwachsen kann. Die obere Lage wiederum ist dafür vorgesehen, in erster Linie elektrische Ströme zu tragen.
- In einer Ausgestaltung umfasst der Sockel eine mittlere Schicht, die zwischen der unteren Schicht und der oberen schicht angeordnet ist. Die mittlere Schicht umfasst ein Element, welches edler als Aluminium ist, d. h. ein höheres (auf Wasserstoff normiertes) Standardelektrodenpotenzial aufweist.
- In einer Ausgestaltung ist die untere Schicht des Sockels dünner als die obere Schicht des Sockels. Als untere Schicht kommt eine Titanschicht in Frage. Eine Titanschicht oder eine Titan umfassende Schicht ist vorzugsweise dicker als etwa 2 nm und dünner als etwa 20 nm. Ist die untere Lage zu dünn, besteht die Gefahr, dass der Effekt der guten Texturierung entfällt. Eine zu dicke untere Schicht führt zu erhöhter Rauhigkeit und ebenfalls zu verschlechterter Textur.
- In einer Ausgestaltung ist die obere Schicht dünner als die obere Lage. Eine Aufgabe der oberen Schicht kann darin gesehen werden, die „Oberflächeninformation” an die obere Lage zu übermitteln. Deshalb ist eine relativ dünne obere Schicht bevorzugt. Den elektrischen Strom trägt im Wesentlichen die obere Lage, welche deshalb auch bevorzugt einen niedrigeren elektrischen Widerstand als der Sockel aufweist. Trotzdem kann jede einzelne Schicht des Sockels eine höhere Leitfähigkeit als die obere Lage aufweisen. Die obere Lage hat dann den niedrigeren Widerstand aufgrund ihrer Dicke. Je nach zu tragendem Strom und, bei mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelementen je nach gewünschter Massebelegung, ist eine relativ dicke obere Lage vorteilhaft. Eine vorteilhafte obere Lage, z. B. aus Cu, ist zwischen 1 und 30 nm dick. Ohne eine Cu umfassende obere Schicht ist auch eine hochtexturierte, Al umfassende Lage nicht ausreichend leistungsfest.
- In einer weiteren Ausgestaltung ist die mittlere Schicht dünner als die untere Schicht oder dünner als die obere Schicht. Somit sind die Materialkosten für die mittlere Schicht, welche teures Ag umfassen kann, verringert; die Abscheidedauer ist verkürzt. Trotz einer relativ dünnen mittleren Schicht wird eine gute Textur erhalten. Eine für eine optimale Textur bevorzugte Dicke der mittleren Lage, z. B. einer mittleren Lage aus Ag, liegt zwischen 0,5 nm und 10 nm.
- In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die untere Schicht Stickstoffatome. Insbesondere TiN ist als Material der unteren Schicht vorgesehen.
- In einer Ausgestaltung umfasst die mittlere Schicht Gold, Silber, Platin oder Palladium.
- In einer Ausgestaltung besteht die mittlere Schicht aus Silber. Eine solche Metallisierung umfasst also einen Sockel aus einer unteren Schicht, die als Hauptbestandteil Titan oder eine Titanverbindung umfasst, aus einer oberen Schicht mit dem Hauptbestandteil Kupfer und aus einer mittleren Schicht, die Silber umfasst. Dabei ist die mittlere Schicht zwischen der unteren Schicht und der oberen Schicht angeordnet. Eine Metallisierung, deren obere Lage auf einem derartigen Sockel angeordnet ist, hat eine besonders hohe Leistungsfestigkeit.
- In einer Ausführungsform weist die obere Lage eine <111> Textur auf. Die <111> Richtung ist dabei die Richtung der Raumdiagonalen der Einheitszelle der oberen Lage. Diese Richtung stimmt mit der Richtung der Flächennormalen des Substrats überein. Aluminium liegt im Allgemeinen in der so genannten hexagonal dichtesten Packung (hcp = hexagonal close-packed) vor. Diese entspricht einem kubisch flächenzentrierten Raumgitter. Die <111> Richtung verläuft dabei senkrecht durch dichtest möglich gepackte Lagen aus Aluminiumatomen. Diese Lagen – senkrecht zur <111> Richtung – bilden ein hexagonales Netz. Eine erfindungsgemäße Metallisierung weist also nicht nur eine in-plane-Textur (die Atome der Elektrode sind in den Richtungen parallel zur Substratoberfläche ausgerichtet) sondern auch eine out-of-plane-Textur (die Atome der Elektrode sind in einer Richtung normal zur Substratoberfläche ausgerichtet) auf.
- In einer Ausführungsform weist die obere Lage der Metallisierung eine Zwillings- oder eine Einfachtextur auf. Wie oben schon erwähnt, sind die Atome der oberen Lage in hexagonal angeordneten Atomlagen ausgerichtet. Eine Einfachtextur weist einen höheren Ordnungsgrad als eine Zwillingstextur auf. Die Zwillingstextur unterscheidet sich von der Einfachtextur dadurch, dass von den in Frage kommenden Ausrichtungen verschiedener Atomlagen zueinander zwei verwirklicht sind. Bei der Einfachtextur wird eine vorgegebene relative Ausrichtung von benachbarten Atomlagen zueinander von allen Lagen eingehalten.
- In einer Ausführungsform ist zwischen dem Substrat und der unteren Schicht der Metallisierung eine piezoelektrische Schicht angeordnet. In einer alternativen Ausführungsform ist das Substrat selbst piezoelektrisch. Ein solches Substrat oder die piezoelektrische Schicht kann beispielsweise Lithiumtantalat oder Lithiumniobat umfassen.
- In mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelementen wandeln Elektrodenstrukturen durch den piezoelektrischen Effekt elektrische Hochfrequenzsignale in akustische Wellen und umgekehrt akustische Wellen in elektrische Hochfrequenzsignale um. Aufgrund der eingangs erwähnten zweifachen Belastung (einer mechanischen und einer elektrischen), ist eine erfindungsgemäße Metallisierung mit ihrer hohen Leistungsfestigkeit in einem mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelement besonders geeignet und zur Verwendung in einem mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelement vorgesehen.
- Ein solches Bauelement kann ein mit akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement sein. In einer alternativen Ausführungsform findet eine erfindungsgemäße Metallisierung jedoch in einem mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Bauelement Verwendung. Insbesondere ist die Verwendung der Metallisierung in einem mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Duplexer möglich.
- Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer derartigen Metallisierung umfasst die Schritte
- – Bereitstellen eines Substrates,
- – Aufbringen der Metallisierung unter Verwendung einer Lift-off-Technik.
- Da es sich herausgestellt hat, dass eine erfindungsgemäße Metallisierung auch dann eine hohe Leistungsfestigkeit und eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweist, wenn sie mittels einer Lift-off-Technik auf ein Substrat aufgebracht worden ist, eröffnen sich bei der Herstellung von Bauelementen mit entsprechender Metallisierung nun mehr Freiheiten.
- Insbesondere kann ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Metallisierung die Schritte
- – Reinigen der Substratoberfläche,
- – Aufbringen von Fotolack auf die Substratoberfläche,
- – Strukturieren des Fotolacks,
- – Aufbringen der Metallisierung auf die freiliegenden Oberflächen von Substrat und Fotolack,
- – Abheben des Fotolacks samt direkt darüber aufgebrachter Bereiche der Metallisierung
- Das Strukturieren des Fotolacks kann dabei die Erzeugung einer sog. Negativstruktur darstellen.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen schematischen Figuren näher erläutert. Es zeigt:
-
1 einen Querschnitt durch eine auf einem Substrat angeordnete strukturierte Metallisierung, -
2 einen Querschnitt durch eine auf einem Substrat angeordnete strukturierte Metallisierung, die auf einer piezoelektrischen Schicht auf der Substratoberfläche angeordnet ist, -
3a eine Mikroskopaufnahme der in-plane-Texturierung einer gewöhnlichen, mittels Lift-off-Technik auf ein Substrat angeordneten Metallisierung, -
3b eine Mikroskopaufnahme der in-plane-Texturierung einer erfindungsgemäßen Metallisierung, welche in Lift-off-Technik auf ein Substrat aufgebracht wurde. -
1 zeigt den Querschnitt einer Metallisierung M mit einer oberen Lage TL, welche auf einem Sockel angeordnet ist. Der Sockel umfasst eine obere Schicht UL sowie eine untere Schicht BL. Der Sockel aus oberer Schicht UL und unterer Schicht BL ist auf der Oberfläche eines Substrats S angeordnet. Die Metallisierung, bestehend aus oberer Lage TL und Sockel UL, BL kann beispielsweise die Metallisierung für die Elektrodenfinger eines SAW-Bauelements darstellen. Dann zeigt1 den Querschnitt durch einen solchen Elektrodenfinger. -
2 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführung der Metallisierung M. Die Metallisierung M umfasst eine obere Lage TL auf einem Sockel. Der Sockel ist durch eine obere Schicht UL, eine untere Schicht BL und, als weiteren Teil, durch eine mittlere Schicht ML gebildet. Zwischen dem Substrat S und der unteren Schicht BL der Metallisierung M ist eine piezoelektrische Schicht PL angeordnet. - Findet die Metallisierung M in einem mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelement Verwendung, so wandeln entsprechende aus der Metallisierung geformte Elektroden elektrische Hochfrequenzsignale in akustische Wellen (BAW oder SAW) oder umgekehrt akustische Wellen in elektrische Hochfrequenzsignale um.
- Akustischen Oberflächenwellen breiten sich an der Oberfläche eines Substrats aus. Damit akustische Oberflächenwellen an der Oberfläche des Substrats induziert werden können, muss das Substrat mit der elektrischen Feldverteilung zwischen Elektrodenfingern unterschiedlicher Polarität Wechsel wirken.
- Ist das Substrat piezoelektrisch, so können die elektrischen Hochfrequenzwechselfelder direkt akustische Oberflächenwellen im Substrat anregen. Ist das Substrat nicht piezoelektrisch, so wird zumindest eine piezoelektrische Schicht PL auf der Oberfläche des Substrats S zwischen Substrat und Metallisierung M benötigt.
-
3a zeigt eine Mikroskopaufnahme einer nicht oder bestenfalls kaum strukturierten Elektrodenoberfläche, welche mittels eines Lift-off-Verfahrens auf einem Substrat angeordnet und strukturiert wurde. Im Gegensatz dazu zeigt3b eine Mikroskopaufnahme einer erfindungsgemäßen und hochtexturierten Metallisierung, welche ebenfalls mittels Lift-off-Verfahren auf einem Substrat erzeugt wurde. Deutlich zu erkennen ist die einem hexagonalen Netz entsprechende dreizählige Symmetrie der Texturierung. - Eine erfindungsgemäße Metallisierung ist nicht auf eine der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Variationen, welche zum Beispiel noch weitere Schichten oder Lagen umfassen oder deren Schichten oder Lagen noch weitere Elemente umfassen, stellen ebenso erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele dar.
- Bezugszeichenliste
-
- BL
- untere Schicht
- M
- Metallisierung
- ML
- mittlere Schicht
- PL
- piezoelektrische Schicht
- S
- Substrat
- TL
- obere Lage
- UL
- obere Schicht
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
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Claims (20)
- Metallisierung (M) für stromtragende Strukturen in einem elektrischen Bauelement, – angeordnet auf einem Substrat (S), – mit einem Sockel und einer darauf angeordneten oberen Lage (TL), wobei – der Sockel eine untere Schicht (BL) umfasst, die oberhalb oder auf der Substratoberfläche angeordnet ist und als Hauptbestandteil Ti oder eine Titanverbindung umfasst, – der Sockel eine obere Schicht (UL) umfasst, die oberhalb oder direkt auf der unteren Schicht (BL) angeordnet ist und als Hauptbestandteil Cu umfasst, – die obere Lage (TL) direkt auf der oberen Schicht angeordnet ist und als Hauptbestandteil Al umfasst.
- Metallisierung nach dem vorherigen Anspruch mit einer mittleren Schicht (ML) im Sockel, die zwischen der unteren Schicht (BL) und der oberen Schicht (UL) angeordnet ist und die ein Element umfasst, welches edler als Al ist.
- Metallisierung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die untere Schicht (BL) dünner als die obere Schicht (UL) ist.
- Metallisierung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die obere Schicht (UL) dünner als die obere Lage (TL) ist.
- Metallisierung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mittlere Schicht (ML) dünner als die untere Schicht (BL) oder dünner als die obere Schicht (UL) ist.
- Metallisierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die untere Schicht (BL) eine Dicke zwischen 2 nm und 20 nm, die mittlere Schicht (ML) eine Dicke zwischen 0,5 nm und 10 nm und die obere Schicht (UL) eine Dicke zwischen 1 nm und 30 nm aufweist.
- Metallisierung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die untere Schicht (BL) TiN umfasst.
- Metallisierung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mittlere Schicht (ML) Ag, Au, Pt oder Pd umfasst.
- Metallisierung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mittlere Schicht (ML) aus Ag besteht.
- Metallisierung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Al der Hauptbestandteil der oberen Lage (TL) ist und die obere Lage (TL) Cu, Mg, eine Al-Cu Legierung, eine Al-Mg Legierung oder eine Al-Cu-Mg Legierung umfasst.
- Metallisierung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die obere Lage (TL) eine <111> Textur aufweist.
- Metallisierung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die obere Lage (TL) eine Zwillings- oder eine Einfachtextur aufweist.
- Metallisierung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen dem Substrat (S) und der unteren Schicht (BL) eine piezoelektrische Schicht (PL) angeordnet ist.
- Metallisierung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Substrat (S) piezoelektrisch ist.
- Metallisierung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Substrat (S) oder die piezoelektrische Schicht (PL) LiTaO3 oder LiNbO3 umfasst.
- Metallisierung nach einem der vorherigen Ansprüche, zur Verwendung in einem mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelement.
- Metallisierung nach einem der vorherigen Ansprüche, zur Verwendung in einem mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Bauelement.
- Metallisierung nach einem der vorherigen Ansprüche, zur Verwendung in einem mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Duplexer.
- Verfahren zur Herstellung einer Metallisierung nach einem der vorherigen Erzeugnisansprüche, umfassend die Schritte – Bereitstellen eines Substrates (S), – Aufbringen der Metallisierung unter Verwendung einer Lift-off-Technik.
- Verfahren zur Herstellung einer Metallisierung nach dem vorherigen Anspruch, umfassend die Schritte – Reinigen der Substratoberfläche, – Aufbringen von Fotolack auf die Substratoberfläche, – Strukturieren des Fotolacks – Aufbringen der Metallisierung auf die freiliegenden Oberflächen von Substrat (S) und Fotolack – Abheben des Fotolacks samt direkt darüber aufgebrachten Bereichen der Metallisierung.
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