-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen elektroakustischen Resonator. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung einen elektroakustischen Resonator mit einer Elektrodenstruktur, die auf einem piezoelektrischen Substrat wie einem Resonator für akustische Oberflächenwellen angeordnet ist.
-
Hintergrund
-
Elektroakustische Resonatoren werden allgemein in der Elektronik verwendet, um RF-Filter, Oszillatoren und andere elektronische Teilfunktionen auszuführen. Der Betrieb elektroakustischer Resonatoren beruht auf der Wechselwirkung elektrischer Signale mit akustischen Wellen. Eine Art von elektroakustischen Resonatoren ist ein Resonator für akustische Oberflächenwellen (SAW), bei dem ein Interdigitalwandler (IDT) elektrische Signale in akustische Wellen umwandelt und umgekehrt. Der IDT enthält eine verzahnte kammartige Elektrodenstruktur, die auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet ist. Ein elektrisches Signal, das an den IDT angelegt wird, wird in eine akustische Welle umgewandelt, die sich vom Eingangs-IDT durch das piezoelektrische Substrat zum Ausgangs-IDT ausbreitet, wodurch eine elektronische Filterfunktion in Bezug auf den elektrischen Eingangs-Ausgangssignalpfad ausgeführt wird.
-
Herkömmliche Elektrodenstrukturen für IDTs umfassen Aluminium, dem eine geringe Menge Kupfer hinzugefügt wird, um die akustische Härte der Elektrode zu erhöhen. Das Kupfer wird zuerst abgeschieden und das Aluminium wird darauf abgeschieden und ein Anlassen wird durchgeführt, sodass das Kupfer in das Aluminium diffundieren und eine intermetallische AlCu-Phase bilden kann. Für ein leichteres Abscheiden von Kupfer wird eine Keimschicht auf dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen, um darauf die Kupferschicht aufzunehmen. In herkömmlichen SAW-Vorrichtungen besteht die Keimschicht aus einer dünnen Schicht Titan. Die Titan-Keimschicht verbessert die Adhäsion der Elektrodenstruktur am piezoelektrischen Substrat, da Titan als Gettermaterial für Sauerstoff dient, der vom piezoelektrischen Substrat diffundiert.
-
Während des Betriebs der Vorrichtung verformt die resonierende akustische Welle die Elektrode mechanisch unter gleichzeitigem Anlegen eines elektrischen Feldes. Dies führt zu einer wesentlichen mechanischen Belastung in der Elektrode, insbesondere am Bodenabschnitt der Elektrode nahe dem piezoelektrischen Substrat, wobei die Bodeneckenabschnitte nahe den Seitenwänden der Elektrode im höchsten Maß einer mechanischen Belastung ausgesetzt sind. Während der Lebensdauer der Vorrichtung leidet die Elektrode an einer Akusto-Migration, sodass in der Elektrode Defekte und Risse gebildet werden. Die Risse breiten sich in den Aluminiumkörnern und den Aluminium-Kupferkörnern in der Elektrode und entlang den Korngrenzen aus. Die Defekte führen zu einer irreversiblen Frequenzdrift der Resonanzfrequenz der Vorrichtung.
-
Es besteht ein Bedarf, eine Verschlechterung einer elektroakustischen Resonatorvorrichtung zu vermeiden und einen elektroakustischen Resonator bereitzustellen, der imstande ist, während seines Betriebs der akustischen Last standzuhalten.
-
In der
US 2002/0195675 A1 ist ein Oberflächenwellenbauelement beschrieben mit einer mehrschichtigen Elektrodenstruktur. Die Elektrode umfasst unter anderem eine untere Schicht aus Chrom und eine darüber liegende Schicht aus einer Aluminium-KupferLegierung.
-
In der
US 2009/0265904 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Oberflächenwellenbauelements mit einer Elektrodenstruktur, die mehrere Metallschichten umfasst. Zur Verbesserung der Haftung und der Leistungsverträglichkeit wird unter anderem eine dünne Chromschicht verwendet.
-
In der
US 2017/0338796 A1 ist ein Oberflächenwellenbauelement beschrieben, bei dem die Elektrode eine untere Schicht aus Chrom zur Verbesserung der Haftung umfasst. Des Weiteren umfasst die Elektrode eine Aluminium-Kupferlegierung.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen elektroakustischen Resonator vorzusehen, der eine verbesserte Leistungsbeständigkeit hat.
-
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, einen elektroakustischen Resonator vorzusehen, der eine erhöhte akustische Härte aufweist und leistungsbeständig ist.
-
Kurzdarstellung
-
Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden eine oder mehrere der obengenannten Aufgaben durch einen elektroakustischen Resonator gelöst, der umfasst: ein Substrat, wobei das Substrat piezoelektrische Eigenschaften aufweist; eine Elektrodenstruktur, die auf dem Substrat angeordnet ist, wobei die Elektrodenstruktur umfasst: eine Keimschicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, wobei die Keimschicht ein Metall umfasst, das eine Härte von zumindest 1 Gigapascal aufweist und aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Niob, Molybdän und Wolfram ausgewählt ist; und eine Metallschicht, die auf der Keimschicht angeordnet ist.
-
Der beigefügte Patentanspruch 1 umfasst das Material Chrom für die Keimschicht nicht. Dennoch wird in den nachfolgenden Erläuterungen auch auf Chrom Bezug genommen, um dadurch die Erfindung näher zu erläutern.
-
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein elektroakustischer Resonator eine Keimschicht, die zwischen dem piezoelektrischen Substrat und der Metallelektrodenstruktur angeordnet ist, die ein steifes Material ist, sodass die Elektrodenstruktur eine erhöhte akustische Härte aufweist. Ferner kann die Keimschicht ausreichend dick gestaltet werden, um die akustische Härte der Elektrode zusätzlich zu erhöhen. Das steife, dicke Keimschichtmaterial ersetzt die herkömmliche Titankeimschicht.
-
Die speziellen Metalle, die sich gegenüber der herkömmlichen Titankeimschicht als besser erwiesen haben, sind Metalle, die eine Vickers-Härte von zumindest 1 Gigapascal (GPa) haben. Die erhöhte mechanische Härte der Keimschicht erhöht die akustische Härte des elektroakustischen Resonators. Geeignete Metalle, die diese Bedingung erfüllen und die mit dem Aluminium-Kupfer- (AlCu) System der Elektrode kompatibel sind, sind Chrom, Kobalt, Niob, Molybdän und Wolfram. Diese Metalle haben entweder eine kubisch raumzentrierte (body centred cubic, bcc) Kristallstruktur oder eine hexagonal dichtest gepackte (hexagonal closed packed, hcp) Kristallstruktur. Die Atomschichten in der hcp-Kristallstruktur sind der atomaren Struktur von Cu oder Al ähnlich oder mit dieser identisch, sodass es eine gute Übereinstimmung zwischen den Kristallstrukturen der Keimschicht und dem AlCu-Abschnitt der Elektrode gibt, die zu einer großen Korngröße führt. Die Verwendung von Metallen mit bcc-Kristallstrukturen für die Keimschicht erlaubt die Bildung des AlCu-Elektrodensystems mit geringer Korngröße, die die Akusto-Migration in der AlCu-Elektrode verringert. Andererseits ist die Härte der Keimschicht ausreichend hoch, mehr als 1 GPa, sodass die Kornstruktur der AlCu-Elektrode in Kombination mit der Keimschicht eine erhöhte akustische Härte während des Betriebs des elektroakustischen Resonators aufweist. Die Dicke der Keimschicht allgemein für die obengenannten Metalle kann im Bereich von 3 nm bis 50 nm liegen.
-
Die Metalle, die für die Keimschicht verwendbar sind, und ihre relevanten Eigenschaften sind in der folgenden Tabelle dargestellt:
| | Chrom (Cr) | Kobalt (Co) | Niob (Nb) | Molybdän (Mo) | Wolfram (W) |
| Dichte [g/cm3] | 7,19 | 8,89 | 8,58 | 10,28 | 19,25 |
| Kristallstruktur | bcc | hcp | bcc | bcc | bcc |
| Vickers-Härte [GPa] | 1,06 | 1,04 | 1,32 | 1,53 | 3,43 |
| Vickers-Härte / Dichte | 0,147 | 0,117 | 0,154 | 0,149 | 0,178 |
-
Insbesondere weist eine relativ dicke Keimschicht aus Chrom bessere Leistungshandhabungseigenschaften auf. Chrom hat eine bcc-Kristallstruktur, sodass es sehr gut mit dem an der Oberseite gebildeten AlCu-Elektrodensystem übereinstimmt. Die Korngrößen von Chrom und AlCu sind sehr ähnlich. Chrom hat eine beträchtliche Vickers-Härte von 1,06 GPa. Die Dichte von Chrom ist 7,19 g/cm3, die verglichen mit anderen Metallen relativ gering ist. Die Chromkeimschicht sollte eine Dicke zwischen 10 nm und 20 nm haben. Die bevorzugte Dicke der Chromschicht liegt im Bereich von 15 nm. Eine Keimschicht aus Chrom sieht eine steife, relativ dicke Keimschicht vor, sodass sie zu einer höheren Leistungsbeständigkeit der Elektrodenstruktur im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen führt. Insbesondere an den Bodenecken der Elektrode kann das steife Chrommaterial die Bildung von Defekten im AlCu-Elektrodensystem verringern. In der Gestaltung der Elektrodenstruktur für den SAW-Resonator ersetzt eine vorzugsweise 15 nm Chromkeimschicht eine herkömmliche 5 nm Titankeimschicht, sodass die Masse, die durch die Chromkeimschicht hinzugefügt wird, durch die Masse der Elektrode ausgeglichen werden sollte. Daher sollte die Gesamthöhe der Elektrodenstruktur im Vergleich zu früheren Lösungen verringert sein.
-
Infolgedessen kann der elektrische Widerstand eines IDT, der durch die Elektrodenstruktur erreicht wird, nur leicht, aber innerhalb eines tolerierbaren Ausmaßes erhöht werden. Gleichzeitig kann die Resonanzfrequenz des SAW-Resonators im Wesentlichen aufrechterhalten werden. Der geschulte Fachmann ist, ausgehend von der Erfahrung mit früheren Designs, die eine Titankeimschicht verwenden, imstande, ein solches Elektrodensystem zu optimieren, das eine Chromkeimschicht und eine darauf angeordnete Aluminium-Kupfermetallschicht enthält, während die Dicke der Keimschicht und der Kupfergehalt der Elektrode variiert werden und die Massenbeladung im Wesentlichen konstant gehalten wird. Diese Methode erlaubt die Anpassung der Elektrodenleitung an bestimmte Vorrichtungsanforderungen.
-
Ferner wird die Sauerstoffverarmung im piezoelektrischen Substrat, insbesondere einem Lithiumtantalatsubstrat, mit Chromkeimschichten verringert, obwohl Chrom einen Gettering-Effekt auf Sauerstoff hat. Daher wird die Biegungsgrenze aufrechterhalten und die mechanische Festigkeit des Lithiumtantalatsubstrats wird auch aufrechterhalten.
-
In der Praxis enthält ein optimierter elektroakustischer Resonator eine Chromschicht zwischen 10 nm und 20 nm, vorzugweise von 15 nm. Die Dicke der Elektrode, die die Keimschicht und das Aluminium-Kupfer-System darauf enthält, liegt zwischen 120 nm und 400 nm, abhängig von der Resonanzfrequenz und dem Anwendungsgebiet der Resonatorvorrichtung. Der Kupfergehalt in der Aluminiumschicht reicht von 2 bis 9 Gewichtsprozent der Aluminiumschicht. Die Elektrode ist von einer Passivierungsschicht bedeckt, die eine Siliziumnitridschicht geringer Dicke, wie zwischen 3 nm und 7 nm, vorzugweise 5 nm, sein kann. Die bevorzugte Anwendung der Elektrodenstruktur gemäß der vorliegenden Offenbarung ist im Gebiet elektroakustischer Resonatoren vom akustischen Oberflächenwellen- (SAW) Typ, wobei die Elektrodenstruktur eine Interdigitalwandleranordnung (IDT) bildet, die Anschlüsse hat, um entweder ein elektrisches Signal anzulegen oder ein elektrisches Signal zu empfangen.
-
Es ist klar, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung wie auch die folgende ausführliche Beschreibung nur beispielhaft sind und einen Überblick oder ein Rahmenwerk vorsehen sollen, um die Art und Eigenschaft der Ansprüche zu verstehen. Die beiliegenden Zeichnungen sind enthalten, um ein besseres Verständnis zu ermöglichen und sind in diese Beschreibung eingegliedert und stellen einen Teil derselben dar. Die Zeichnungen zeigen eine oder mehr Ausführungsformen und dienen gemeinsam mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und des Betriebs der verschiedenen Ausführungsformen. Dieselben Elemente sind in verschiedenen Figuren der Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
In den Zeichnungen:
- zeigt 1 eine Draufsicht auf einen SAW-Resonator;
- zeigt 2 zwei Versionen akustischer Reflektoren;
- zeigt 3 eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines SAW-Resonators während seiner Herstellung; und
- zeigt 4 eine Querschnittsansicht eines SAW-Resonators nach dem Anlassen.
-
Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen
-
Die vorliegende Offenbarung wird nun in der Folge ausführlicher unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, die Ausführungsformen der Offenbarung zeigen. Die Offenbarung kann jedoch in verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden. Vielmehr sind diese Ausführungsformen vorgesehen, sodass die Offenbarung Fachleuten den Umfang der Offenbarung vollständig vermittelt. Die Zeichnungen sind nicht unbedingt im Maßstab gezeichnet, sondern sind so gestaltet, dass sie die Offenbarung klar zeigen.
-
Unter Bezugnahme nun auf 1 ist eine Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform eines SAW-Resonators dargestellt. Die gezeigte Struktur umfasst einen Interdigitalwandler (IDT), der auf einer Oberseite eines piezoelektrischen Substrats angeordnet ist. Der IDT wird durch zwei Elektroden 110, 120 gebildet, die jeweils ineinandergreifende Finger 111, 112 bzw. 121, 122 umfassen. Die Form der Finger und ihre Länge und ihr Abstand sind so gewählt, dass der Resonator erwartete elektrische Eigenschaften erfüllt, wie Resonanzfrequenz, Q-Faktor usw. Der Resonator kann zum Beispiel Teil eines elektronischen RF-Filters in einer Mobilkommunikationsvorrichtung, wie einem Smartphone sein. In der Praxis kann der IDT mehrere hundert, z.B. etwa 300 Finger umfassen.
-
In Betrieb wird ein elektrisches Signal den Anschlüssen der IDT-Struktur zugeleitet und generiert eine akustische resonierende Welle innerhalb des piezoelektrischen Substrats. Zur Vermeidung eines Ausleckens der akustischen Welle aus der IDT-Struktur sind akustische Reflektoren 131, 132 neben den Seitenabschnitten der IDT-Struktur vorgesehen. Beispiele für die Reflektoren 131, 132 sind in 2 gezeigt und ein Querschnitt durch zwei benachbarte Finger des Elektrodenpaares des IDT entlang Linie A-A sind in 3 dargestellt.
-
Unter Bezugnahme nun auf 2 können die Reflektoren, abhängig von den elektronischen Anforderungen, offen, wie bei 210 dargestellt, oder kurzgeschlossen sein, wie bei 220 dargestellt. Jeder Reflektor enthält parallel angeordnete Finger wie 211, 212. Die in dieser Offenbarung in Bezug auf die Elektrodenstrukturen der IDTs erklärten Prinzipien gelten auch für die Reflektoren.
-
Unter Bezugnahme nun auf 3 ist eine Querschnittsansicht des Substrats 310 und von zwei benachbarten Fingern eines IDT 121, 112 in einer Zwischenstufe während des Herstellungsprozesses dargestellt. Das Substrat 310 kann Lithiumtantalat (LiTaO3) sein. Es sind auch andere piezoelektrische Substrate möglich, wie Lithiumniobat (LiNbO3). Darauf ist eine Keimschicht 321 angeordnet. Das Material der Keimschicht ist aus Chrom, Kobalt, Niob, Molybdän und Wolfram ausgewählt. In der Folge wird angenommen, dass die Keimschicht 321 aus Chrom besteht. Darauf ist eine dünne Schicht Kupfer 322 angeordnet. Darauf ist eine relativ dicke Schicht Aluminium 323 angeordnet. Die Dicke der Kupferschicht 322 wird so bestimmt, dass ihre Masse innerhalb von 2 bis 9 Gewichtsprozent der Aluminiumschicht 323 liegt. Die angeordneten Schichten wurden durch einen Fotolithografieprozess strukturiert, um die IDT-Struktur eines SAW-Resonators zu erzeugen, von dem zwei Fingerabschnitte 121, 112 in 3 dargestellt sind.
-
Unter Bezugnahme nun auf 4 ist der Abschnitt des in 3 dargestellten IDT nach einem Anlassschritt dargestellt. Der Anlassprozess wird bei etwa 270°C durchgeführt, sodass das Kupfer aus der Originalschicht 322 durch die Aluminiumschicht 323 diffundieren und eine intermetallische AlCu-Phase bilden kann. Die intermetallische AlCu-Phase besteht vorwiegend aus Körnern aus Al2Cu. Die Al2Cu-Körner, wie 422, 423, wachsen innerhalb der Aluminiumschicht und können die Oberseite und/oder Seitenwandflächen der Elektrode erreichen. Der Rest von Aluminium bildet Aluminiumkörner wie 431. Die Anlasstemperatur und Anlasszeit werden so bestimmt, dass das gesamte verfügbare Kupfer diffundiert und zur intermetallischen AlCu-Phase umgewandelt wird und kein Kupfer verbleibt, das nicht umgesetzt wurde. Ferner verändern die Anlassschritte die interne Struktur der Elektrode nicht mehr, wenn die Kupferdiffusion einen gesättigten Zustand erreicht hat. Die Keimschicht 321 aus Chrom hat eine Dicke zwischen 10 nm bis 20 nm, vorzugweise 15 nm. Die Gesamthöhe der Elektrode vom Bonden der Keimschicht 321 oder der oberen Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 310 zur oberen Oberfläche der Elektrode ist zwischen 120 nm und 400 nm, abhängig vom Frequenzbereich und dem Anwendungsgebiet des SAW-Resonators. Eine relativ dünne Schicht Siliziumnitrid (nicht dargestellt) bedeckt die Elektrode. Die Siliziumnitridschicht hat eine Dicke zwischen 3 nm und 7 nm, vorzugweise 5 nm. Die Chromkeimschicht hat eine relativ hohe Vickers-Härte von 1,06 GPa und eine mäßige Dichte von 7,19 g/cm3. Daher ist die Chromkeimschicht relativ hart und kann relativ dick dimensioniert werden. Dies erhöht die akustische Stabilität des AlCu-Abschnitts der Elektrode, insbesondere im Bodenabschnitt, der mit der Keimschicht 321 in Kontakt ist oder sich in deren Nähe befindet, und insbesondere an den Eckenabschnitten der Elektrode nahe den Seitenwandflächenabschnitten der Elektrode nahe der Keimschicht, wie mit 441, 442 gezeigt. Verglichen mit herkömmlichen Systemen wird dadurch die Höhe der Elektrode verringert, wodurch die Masse ausgeglichen wird, die durch die Chromschicht hinzugefügt wird. Dies erhöht den elektrischen Widerstand des IDT nicht nennenswert und beeinflusst auch nicht die Resonatorfrequenz.
-
Die verbesserte Leistungsbeständigkeit der Elektrode vermeidet Defekte oder Risse, die erzeugt werden können oder sich in den Aluminiumkörnern oder in den Aluminium-Kupferkörnern und entlang der Korngrenzen ausbreiten können, sodass die eingestellte Resonanzfrequenz des SAW-Resonators über seine Lebensdauer beibehalten wird.
-
Für Fachleute auf dem Gebiet ist offensichtlich, dass verschiedene Modifizierungen und Variationen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen oder Umfang der Offenbarung abzuweichen, wie in den beiliegenden Ansprüchen festgelegt. Da Modifizierungen, Teilkombinationen und Variationen der offenbarten Ausführungsformen, die das Wesen und den Kern der Offenbarung beinhalten, für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sind, soll die Offenbarung so ausgelegt werden, dass sie alles beinhaltet, das im Umfang der beiliegenden Ansprüche liegt.
