DE102018132695A1

DE102018132695A1 - Elektronisches Bauelement

Info

Publication number: DE102018132695A1
Application number: DE102018132695.5A
Authority: DE
Inventors: Marc Esquius Morote
Original assignee: RF360 Europe GmbH
Current assignee: RF360 Singapore Pte Ltd
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2020-06-18
Also published as: CN113196657A; US20210408998A1; WO2020126902A1

Abstract

Ein elektronisches Bauelement umfasst ein piezoelektrisches Substrat (1) und einen Interdigitalkondensator (2) auf dem piezoelektrischen Substrats. Der Interdigitalkondensator umfasst zwei Elektroden (21, 22), wobei jede der Elektroden eine Mehrzahl von Fingern (23) umfasst. Die Finger umfassen jeweils eine zugeordnete erste Metallschicht (231) und mindestens einige der Finger umfassen eine zugeordnete zweite Metallschicht (232) auf der ersten Metallschicht. Für jeden Finger, der eine erste und eine zweite Metallschicht umfasst, ist die Breite des Fingers im Bereich der zugeordneten ersten Metallschicht größer als die Breite des Fingers im Bereich der zugeordneten zweiten Metallschicht.

Description

Es wird ein elektronisches Bauelement angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe, besteht darin, ein elektronisches Bauelement mit einer sehr stabilen Leistungsfähigkeit anzugeben.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das elektronische Bauelement ein piezoelektrisches Substrat und einen Interdigitalkondensator auf dem piezoelektrischen Substrat. Der Interdigitalkondensator umfasst zwei Elektroden, wobei jede der Elektroden eine Mehrzahl von Fingern umfasst. Die Finger umfassen jeweils eine zugeordnete erste Metallschicht und zumindest einige der Finger umfassen eine zugeordnete zweite Metallschicht auf der ersten Metallschicht. Für jeden Finger, der eine erste und eine zweite Metallschicht umfasst, ist eine Breite des Fingers im Bereich der zugeordneten ersten Metallschicht größer als eine Breite des Fingers im Bereich der zugeordneten zweiten Metallschicht.
Die Erfindung basiert unter anderem auf der Idee, dass Interdigitalkondensatoren auf einem piezoelektrischen Substrat unerwünschte akustische Oberflächenwellen (SAW) erzeugen können, wenn eine elektrische Wechselspannung daran angelegt wird. Indem einige der Finger mit der zweiten Metallschicht versehen sind, die eine geringere Breite als die erste Metallschicht hat, wird die Massenbelastung entlang der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats verändert. Dies behindert die Anregung von Schwingungen der Finger im Vergleich zu dem Fall, wenn nur eine erste Metallschicht für alle Finger verwendet wird. Folglich wird die Anregung von akustischen Oberflächenwellen unterdrückt. Darüber hinaus werden mit der zusätzlichen zweiten Metallschicht die ohmschen Verluste reduziert, so dass der Qualitätsfaktor Q verbessert wird.
Das elektronische Bauelement ist vorzugsweise ein elektronischer Chip. Das elektronische Bauelement kann einen oder mehrere wie vorstehend und nachstehend beschriebene Interdigitalkondensatoren umfassen.
Das piezoelektrische Substrat umfasst oder ist gebildet aus einem piezoelektrischen Material, wie z.B. Lithiumtantalat, Lithiumniobat oder Quarz. Das piezoelektrische Substrat kann selbsttragend sein. Insbesondere kann das piezoelektrische Material als Volumenmaterial bereitgestellt werden.
In elektronischen Bauelementen werden Kondensatoren, z.B. zur Impedanzanpassung, verwendet. Der Interdigitalkondensator ist ein Kondensator, bei dem die zwei Elektroden jeweils Finger umfassen, die kammartig angeordnet sind. Die Finger einer Elektrode sind über eine Sammelschiene elektrisch miteinander verbunden. So umfasst z.B. jede Elektrode des Interdigitalkondensators mindestens zwei Finger oder mindestens vier Finger.
Beide Elektroden sind auf einer Oberseite des piezoelektrischen Substrats angeordnet. Jeder Finger hat eine Länge, gemessen entlang einer Haupterstreckungsrichtung des Fingers, und eine Breite, gemessen senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung des Fingers. Sowohl die Länge als auch die Breite werden parallel zu der Oberseite des piezoelektrischen Substrats gemessen. Die Finger verlaufen vorzugsweise parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander.
Für jeden Finger ist die Länge des Fingers größer als die Breite des Fingers. So ist z.B. die Länge jedes Fingers mindestens zweimal oder mindestens fünfmal oder mindestens zehnmal größer als seine Breite. Hier und nachstehend entsprechen die Begriffe „Länge“, „Breite“ und „Dicke“ vorzugsweise Mittelwerten.
Die Finger der ersten Elektrode und die Finger der zweiten Elektrode sind ineinandergreifend angeordnet, sind jedoch elektrisch voneinander isoliert. Mit anderen Worten wechseln sich die Finger der ersten Elektrode und die Finger der zweiten Elektrode in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Finger ab. Im bestimmungsgemäße Betrieb befinden sich die Elektroden des Interdigitalkondensators vorzugsweise auf unterschiedlichen Potentialen und es wird ihnen zum Beispiel eine Wechselspannung zugeführt.
Die Finger umfassen jeweils eine zugeordnete erste Metallschicht. Für jeden Finger ist die zugeordnete erste Metallschicht vorzugsweise zusammenhängend und/oder einstückig ausgebildet. Die erste Metallschicht ist vorzugsweise in direktem Kontakt mit der Oberseite des piezoelektrischen Substrats. Insbesondere ist die erste Metallschicht in direktem Kontakt mit dem piezoelektrischen Material des piezoelektrischen Substrats. Zum Beispiel umfasst die erste Metallschicht Kupfer, Titan oder Aluminium oder besteht daraus. Die ersten Metallschichten der Finger einer Elektrode können zusammenhängend und/oder einstückig gebildet sein.
Für jeden Finger beträgt die Breite im Bereich der zugeordneten ersten Metallschicht z.B. mindestens 1 µm oder mindestens 5 µm oder mindestens 10 µm. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Breite der Finger im Bereich der zugeordneten ersten Metallschicht jeweils höchstens 100 µm oder höchstens 50 µm oder höchstens 30 µm. Für jeden Finger ist die Breite im Bereich der ersten Metallschicht vorzugsweise konstant innerhalb der Grenzen der Herstellungstoleranz. Die Breite der Finger im Bereich der ersten Metallschicht ist vorzugsweise für alle Finger innerhalb der Grenzen der Herstellungstoleranz gleich. Die erste Metallschicht erstreckt sich vorzugsweise jeweils über die gesamte Länge des zugeordneten Fingers.
Ein Mindestabstand zwischen zwei benachbarten Fingern des Interdigitalkondensators ist vorzugsweise jeweils in der gleichen Größenordnung wie die Breite der Finger im Bereich der ersten Metallschicht. So beträgt z.B. der Abstand mindestens 25 % der Breite und höchstens 500 % der Breite der Finger im Bereich der ersten Metallschicht.
Wenigstens einige der Finger, vorzugsweise alle Finger beider Elektroden, umfassen eine zweite Metallschicht auf der ersten Metallschicht. Die zweite Metallschicht kann in direktem Kontakt mit der ersten Metallschicht sein. Die erste Metallschicht ist zwischen der zweiten Metallschicht und dem piezoelektrischen Substrat angeordnet. Die zweite Metallschicht ist auf der Oberseite der ersten Metallschicht aufgebracht und kann in direktem Kontakt mit der ersten Metallschicht sein. Die zweite Metallschicht kann Kupfer, Titan oder Aluminium umfassen oder aus einem oder mehreren dieser Materialien bestehen. Die zweite Metallschicht jedes Fingers kann zusammenhängend und/oder einstückig ausgebildet sein.
In Bereich der zugeordneten zweiten Metallschicht haben die Finger eine geringere Breite als im Bereich der ersten Metallschicht. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass in jedem Finger die Breite der zugeordneten zweiten Metallschicht geringer ist als die Breite der zugeordneten ersten Metallschicht. So beträgt z.B. im Bereich der zweiten Metallschicht die Breite der Finger höchstens 80 % oder höchstens 75 % oder höchstens 50 % der Breite im Bereich der ersten Metallschicht. Alternativ oder zusätzlich beträgt die Breite der Finger im Bereich der zweiten Metallschicht mindestens 10 % der Breite im Bereich der ersten Metallschicht. Vorzugsweise ist die Breite der Finger im Bereich der zweiten Metallschicht innerhalb der Grenzen der Herstellungstoleranz konstant.
Mit anderen Worten folgt die Breite der Finger, die eine erste und eine zweite Metallschicht umfassen, einer stufenartigen Funktion. Die Finger des Interdigitalkondensators umfassen vorzugsweise maximal zwei Metallschichten.
Die zweite Metallschicht erstreckt sich vorzugsweise jeweils über die gesamte Länge des zugeordneten Fingers. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Länge des Fingers im Bereich der ersten Metallschicht jeweils gleich sein kann wie im Bereich der zweiten Metallschicht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist für jeden Finger, der eine erste und eine zweite Metallschicht umfasst, eine Dicke der zugeordneten ersten Metallschicht geringer als eine Dicke der zugeordneten zweiten Metallschicht. So ist z.B. die Dicke der zugeordneten zweiten Metallschicht jeweils mindestens zweimal oder mindestens fünfmal oder mindestens zehnmal größer als die Dicke der ersten Metallschicht. Die Dicke der ersten Metallschicht liegt z.B. zwischen einschließlich 10 nm und 1 µm, vorzugsweise zwischen einschließlich 5 nm und 200 nm. Die Dicken der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht sind vorzugsweise jeweils konstant innerhalb der Grenzen der Herstellungstoleranz. Die Dicke wird senkrecht zur Oberseite des Substrats gemessen.
Eine große Dicke der zweiten Metallschicht führt zu einer großen Massenbelastung, was Schwingungen und akustische Oberflächenwellen effektiv unterdrückt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind für alle Finger, die eine erste und eine zweite Metallschicht umfassen, die zugeordnete zweite Metallschicht und die zugeordnete erste Metallschicht identisch zueinander angeordnet. Das bedeutet, dass in jedem Finger mit einer ersten Metallschicht und einer zweiten Metallschicht die Abmessungen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht sowie die Ausrichtung und Position der zweiten Metallschicht bezüglich der ersten Metallschicht innerhalb der Grenzen der Herstellungstoleranz gleich sind. Ein solcher Interdigitalkondensator kann sehr einfach hergestellt werden, da für die Herstellung aller Finger die gleichen Masken verwendet werden können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind in verschiedenen Fingern die zugeordnete zweite Metallschicht und die zugeordnete erste Metallschicht in einer vorgegebenen Weise unterschiedlich zueinander angeordnet. Das bedeutet zum Beispiel, dass die Position und/oder die Ausrichtung der zweiten Metallschicht bezüglich der ersten Metallschicht für verschiedene Finger unterschiedlich ist. Die Abmessungen der ersten und zweiten Metallschicht können für alle Finger gleich sein.
In dieser Ausführungsform ist die Massebelastung der Finger entlang einer Richtung s zur Haupterstreckungsrichtung der Finger aperiodisch, was Schwingungen und akustische Oberflächenwellen noch effektiver unterdrückt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das elektronische Bauelement ferner einen Akustische-Oberflächenwellen-Resonator (SAW-Resonator) mit einem Interdigitalwandler, wobei der Interdigitalwandler zwei Elektroden mit jeweils einer Mehrzahl von Fingern umfasst. Insbesondere ist das elektronische Bauelement ein Akustische-Oberflächenwellen-Filter (SAW-Filter). Z.B. ist das elektronische Bauelement ein HF-Filter, insbesondere für ein mobiles Kommunikationssystem, wie z.B. ein Smartphone. Das elektronische Bauelement ist z.B. für Tx-Anwendungen ausgelegt. Vorzugsweise umfasst das elektronische Bauelement mehrere wie vorstehend oder nachstehend beschriebene SAW-Resonatoren.
Der Interdigitalwandler kann ähnlich wie der Interdigitalkondensator aufgebaut sein. Insbesondere sind die Finger der Elektroden auch kammartig angeordnet und ineinandergreifend. Die Finger des Interdigitalwandlers haben vorzugsweise innerhalb der Grenzen der Herstellungstoleranz alle die gleichen Abmessungen.
Im Gegensatz zu dem Interdigitalkondensator sollte der Interdigitalwandler jedoch im bestimmungsgemäßen Betrieb schwingen und somit akustische Oberflächenwellen erzeugen. Daher weisen die Finger des Interdigitalwandlers vorzugsweise jeweils eine konstante Breite innerhalb der Grenzen der Herstellungstoleranz auf. Insbesondere umfassen die Finger des Interdigitalwandlers vorzugsweise nur eine erste Metallschicht, aber keine zweite Metallschicht.
Der SAW-Resonator kann ferner Reflexionsstrukturen umfassen, zwischen denen der Interdigitalwandler angeordnet ist. Die Reflexionsstrukturen helfen, die akustische Energie in dem SAW-Resonator einzusperren. Die Reflexionsstrukturen verhindern, dass akustische Energie die akustische Welle des Resonators in Richtung der Ausbreitung der akustischen Welle verlässt. Ferner ist es möglich, dass die Reflexionsstrukturen in der Nähe der Elektroden des Interdigitalwandlers angeordnet und mit einem Massepotential verbunden sind.
Es ist möglich, dass das piezoelektrische Substrat ein Träger des elektronischen Bauelements ist. Es ist auch möglich, dass das piezoelektrische Substrat eine piezoelektrische Schicht ist und dass der SAW-Resonator ein TF-SAW-Resonator (TF-SAW = Dünnschicht akustische Oberflächenwelle) ist. TF-SAW-Resonatoren sind dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material nicht wie bei einem herkömmlichen SAW-Resonator als ein Volumenmaterial vorgesehen ist, sondern dass das piezoelektrische Material als eine Dünnschicht vorgesehen ist. Ein Dünnschichtmaterial ist dadurch gekennzeichnet, dass es unter Verwendung von Wafer-Bonding- oder Dünnschichtmaterialabscheidungstechniken bereitgestellt wird, wie zum Beispiel Sputtern, physikalische Dampfabscheidung, chemische Dampfabscheidung, Molekularstrahlepitaxie und dergleichen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Interdigitalwandler auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet. Das bedeutet, dass der Interdigitalwandler und der Interdigitalkondensator auf dem gleichen piezoelektrischen Substrat, vorzugsweise auf der gleichen Oberseite des piezoelektrischen Substrats, angeordnet sind. Das piezoelektrische Substrat ist vorzugsweise zusammenhängend und/oder einstückig ausgebildet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Interdigitalwandler elektrisch mit dem Interdigitalkondensator verbunden. So verbinden z.B. Leiterbahnen auf dem piezoelektrischen Substrat den Interdigitalwandler elektrisch mit dem Interdigitalkondensator.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist ein Pitch zwischen zwei benachbarten Fingern des Interdigitalkondensators größer als ein Pitch zwischen zwei benachbarten Fingern des Interdigitalwandlers. Insbesondere ist der Pitch zwischen zwei benachbarten Fingern des Interdigitalkondensators mindestens zweimal oder mindestens fünfmal oder mindestens zehnmal oder mindestens 20 mal so groß wie der Pitch zwischen zwei benachbarten Fingern des Interdigitalwandlers. Zusätzlich oder alternativ ist der Pitch zwischen zwei Fingern des Interdigitalkondensators höchstens 100 mal größer oder höchstens 60 mal größer oder höchstens 50 mal größer als der Pitch zwischen zwei Fingern des Interdigitalwandlers. Z.B. beträgt der Pitch zwischen zwei benachbarten Fingern des Interdigitalwandlers höchstens 1 µm oder höchstens 0,5 µm und/oder mindestens 0,1 µm oder mindestens 0,3 µm. Der Pitch zwischen zwei benachbarten Fingern des Interdigitalkondensators beträgt z.B. mindestens 10 µm oder mindestens 15 µm und/oder höchstens 50 µm oder höchstens 20 µm.
Der Pitch zwischen zwei benachbarten Fingern des Interdigitalkondensators / Interdigitalwandlers ist jeweils die Distanz zwischen Zentren, wie z.B. Schwerpunkten oder Symmetriezentren, von zwei benachbarten Fingern. Zwei benachbarte Finger sind in der Regel Finger von verschiedenen Elektroden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist eine Breite der Finger des Interdigitalkondensators mindestens so groß wie eine Breite der Finger des Interdigitalwandlers. Hier ist die Breite der Finger des Interdigitalkondensators in jeweils die Breite der zugeordneten ersten Metallschicht. Z.B. ist die Breite der Finger des Interdigitalkondensators mindestens zweimal oder mindestens fünfmal oder mindestens zehnmal oder mindestens 20 mal so groß wie die Breite der Finger des Interdigitalwandlers.
In SAW-Filtern werden in der Regel Interdigitalkondensatoren verwendet, die einen geringeren Pitch haben als den Pitch des Interdigitalwandlers des SAW-Resonators. Wenn der Interdigitalkondensator einen größeren Pitch hat, werden oft unerwünschte akustische Wellen oberhalb der Hauptresonanz des SAW-Resonators erzeugt, die die Filterleistung beeinträchtigen würden. Bei der vorliegenden Erfindung, bei der eine zweite Metallschicht in mindestens einigen der Finger des Interdigitalkondensators verwendet wird, kann jedoch der Pitch zwischen den Fingern des Interdigitalkondensators größer gewählt werden als der Pitch des Interdigitalwandlers. Akustische Oberflächenwellen werden durch die zusätzliche Massenbelastung aufgrund der zweiten Metallschicht unterdrückt.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Hauptfrequenz des SAW-Resonators über 3 GHz liegt, da in diesem Fall der Pitch des Interdigitalwandlers bereits sehr klein ist. Ohne die zweite Metallschicht müsste der Pitch der Finger des Interdigitalkondensators sogar noch geringer sein. Dementsprechend müssten die Abmessungen der Finger des Interdigitalkondensators sehr klein gewählt werden, nahe an den Prozessgrenzen der heutigen Herstellungstechniken. Jedoch wäre, selbst wenn so kleine Abstände und so kleine Abmessungen realisiert werden könnten, der Interdigitalkondensator für die meisten Anwendungen nicht realisierbar, da die Kapazitätsschwankungen aufgrund von Prozessschwankungen nicht zulässig wären (Schwankungen > ±10 %). Darüber hinaus wären die Leistungsfähigkeiten solcher Kondensatoren auch sehr begrenzt und nicht für z.B. Tx-Anwendungen geeignet.
Da die Finger des Interdigitalkondensators der vorliegenden Erfindung wesentlich größer gewählt werden können, sind sie nahezu unbeeinflusst von Prozessschwankungen und liefern somit einen stabilen Kapazitätswert. Außerdem sind sie in der Lage, eine hohe Leistung zu handhaben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform verlaufen die Finger des Interdigitalkondensators quer, vorzugsweise senkrecht zu den Fingern des Interdigitalwandlers. Das bedeutet, dass die Haupterstreckungsrichtungen der Finger des Interdigitalkondensators quer oder senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Finger des Interdigitalwandlers ausgerichtet sind. Insbesondere verlaufen die Finger des Interdigitalkondensators parallel oder im Wesentlichen parallel zur Hauptausbreitungsrichtung der Hauptmode des SAW-Resonators.
Auch durch Drehen der Finger des Interdigitalkondensators in Bezug auf die Finger des Interdigitalwandlers kann eine Anregung akustischer Wellen aufgrund des Interdigitalkondensators reduziert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Akustische-Oberflächenwellen-Resonator eine Resonanzfrequenz von mindestens 3 GHz auf, zum Beispiel zwischen einschließlich 3 GHz und 6 GHz, oder von mindestens 6 GHz.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform haben die Finger des Interdigitalwandlers die gleiche Dicke wie die erste Metallschicht. „Gleiche Dicke“ bedeutet die gleiche Dicke innerhalb der Grenzen der Herstellungstoleranz. Vorzugsweise sind die Finger des Interdigitalwandlers aus dem gleichen Material wie die erste Metallschicht gebildet. Z.B. sind die erste Metallschicht der Finger des Interdigitalkondensators und die Finger des Interdigitalwandlers in einem gemeinsamen Herstellungsprozess hergestellt. Sie werden z.B. in einem gemeinsamen Sputter- oder Schichtabscheidungs-, Ätz- oder Lithographieverfahren hergestellt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die Kapazität des Interdigitalkondensators höchstens 2 pF oder höchstens 1 pF.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst jeder der Finger des Interdigitalkondensators eine erste und eine zweite Metallschicht.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform ist das elektronische Bauelement ein Akustische-Oberflächenwellen-Filter.
Nachstehend wird ein elektronisches Bauelement mit Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Hier zeigen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den Figuren an. Die Größenverhältnisse sind jedoch nicht maßstabsgetreu. Einzelne Elemente können zum besseren Verständnis vielmehr mit einer übertriebenen Größe dargestellt werden.
Es zeigen:

1A bis 3 verschiedene Ausführungsbeispiele des elektronischen Bauelements in verschiedenen Ansichten,
4A bis 4C Leistungsfähigkeitsmessungen eines Ausführungsbeispiels des elektronischen Bauelements.

1A zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektronischen Bauelements. Das elektronische Bauelement umfasst ein piezoelektrisches Substrat 1 mit einer Oberseite. 1 ist eine Draufsicht auf die Oberseite des piezoelektrischen Substrats 1. Das piezoelektrische Substrat 1 ist z.B. ein Lithiumtantalat-Substrat.
Auf der Oberseite des piezoelektrischen Substrats 1 ist ein Interdigitalkondensator 2 angeordnet. Der Interdigitalkondensator 2 umfasst eine erste Elektrode 21 und eine zweite Elektrode 22. Beide Elektroden 21, 22 umfassen eine Mehrzahl von Fingern 23. Die Finger 23 jeder Elektrode 21, 22 sind kammartig angeordnet und über eine Sammelschiene, die sich quer zu den Fingern 23 erstreckt, elektrisch miteinander verbunden. Die Finger 23 der beiden Elektroden 21, 22 greifen ineinander und sind elektrisch voneinander isoliert. Die Haupterstreckungsrichtungen der Finger 23 verlaufen parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander. Längen der Finger 23, die jeweils parallel zur Haupterstreckungsrichtung gemessen werden, sind größer als Breiten der Finger 23, gemessen senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung. Sowohl die Länge als auch die Breite werden parallel zur Oberseite des piezoelektrischen Substrats 1 gemessen.
Darüber hinaus kann man aus 1A ersehen, dass die Finger 23 jeweils eine erste Metallschicht 231 und eine zweite Metallschicht 232 umfassen. Die erste Metallschicht 231 befindet sich zwischen der zweiten Metallschicht 232 und dem piezoelektrischen Substrat 1. Die Breiten der Finger 23 im Bereich der zweiten Metallschicht 232 sind innerhalb der Grenzen der Herstellungstoleranz jeweils konstant. Das Gleiche gilt für die Breite im Bereich der ersten Metallschicht 231. Die Breite der Finger 23 im Bereich der zweiten Metallschicht 232 ist geringer als im Bereich der ersten Metallschicht 231.
Die erste Metallschicht 231 und die zweite Metallschicht 232 sind z.B. aus verschiedenen Materialien gebildet. Z.B. ist die erste Metallschicht 231 Ti und die zweite Metallschicht Cu. Es ist jedoch auch möglich, dass beide Metallschichten 231, 232 aus dem gleichen Material gebildet sind.
1B zeigt eine Querschnittsansicht der 1A entlang der Linie AA'. Der Einfachheit halber ist nur ein Teil des elektronischen Bauelements mit drei Fingern 23 dargestellt. Es wird wieder deutlich, dass in jedem Finger 23 die Breiten W1 der Finger 23 im Bereich der ersten Metallschicht 231 größer sind als die Breiten W2 der Finger 23 im Bereich der zweiten Metallschicht 232. Z.B. sind die Breiten W1 im Bereich der ersten Metallschicht 231 dreimal so groß wie die Breiten W2 im Bereich der zweiten Metallschicht 232. Z.B. ist die Breite im Bereich der ersten Metallschicht 231 etwa 10 µm.
Eine Dicke T2 der zweiten Metallschicht 232, senkrecht zur Oberseite des piezoelektrischen Substrats 1 gemessen, ist größer als eine Dicke T1 der ersten Metallschicht 231. Z.B. ist die Dicke T2 der zweiten Metallschicht 232 etwa zehnmal so groß wie die Dicke T1 der ersten Metallschicht 231. Die Dicke T1 der ersten Metallschicht beträgt z.B. etwa 100 nm.
Der Pitch P2 zwischen zwei benachbarten Fingern 23 beträgt z.B. mindestens 10 µm. Die Kapazität des Interdigitalkondensators 2 ist vorzugsweise kleiner als 1 pF.
Mit dem Interdigitalkondensator wie in 1 dargestellt wird das Auftreten von akustischen Oberflächenwellen beim Anlegen von elektrischer Wechselspannung an die Elektroden 21, 22 reduziert. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, dass die zweite Metallschicht 232 eine zusätzliche Massenbelastung mit sich bringt, die Schwingungen der Finger 23 unterdrückt. Ein solcher Interdigitalkondensator 2 eignet sich daher besonders für ein elektronisches Bauelement in Form eines elektronischen Filters.
In 1B haben die zweiten Metallschichten 232 der Finger 23 immer die gleichen Abmessungen. Das Gleiche gilt für die ersten Metallschichten 231. Außerdem sind die ersten 231 und die zweiten Metallschichten 232 immer gleich zueinander angeordnet. Folglich wiederholt sich die Struktur der Finger 23 periodisch, wenn man sich entlang einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Finger 23 bewegt.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines elektronischen Bauelements dargestellt, das fast identisch zu dem elektronischen Bauelement gemäß 1 ist. In 2 ist jedoch die Anordnung der ersten Metallschicht 231 und der zweiten Metallschicht 232 in verschiedenen Fingern 23 unterschiedlich. Die erste Metallschicht 231 der Finger 23 ist, wenn man sich in der Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Finger 23 bewegt, periodisch angeordnet. Die zweite Metallschicht 232 ist jedoch in den verschiedenen Fingern 23 an verschiedenen Positionen angeordnet. Bei dem Finger 23, der am weitesten links liegt, ist die Metallschicht 232 zur linken Seite der ersten Metallschicht 231 verschoben. Beim nächsten Finger 23 ist die zweite Metallschicht 232 in der Mitte der ersten Metallschicht 231 angeordnet. Ein Finger 23 weiter rechts ist die zweite Metallschicht 232 zur rechten Seite der ersten Metallschicht 231 verschoben.
Folglich gibt es, wenn man sich entlang der Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Finger 23 bewegt, keine Periodizität in der Struktur der Finger 23. Eine Anregung von akustischen Oberflächenwellen wird in diesem Fall noch stärker unterdrückt.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines elektronischen Bauelements in Draufsicht auf die Oberseite des piezoelektrischen Substrats 1. Das elektronische Bauelement umfasst wieder einen Interdigitalkondensator 2, der im Wesentlichen wie der Interdigitalkondensator gemäß 1 aufgebaut ist. In 3 ist nur die Anzahl der Finger 23 reduziert.
Darüber hinaus umfasst das elektronische Bauelement in 3 einen Akustische-Oberflächenwellen(SAW)-Resonator 3. Der SAW-Resonator 3 umfasst einen Interdigitalwandler 30 mit einer ersten Elektrode 31 und einer zweiten Elektrode 32, jeweils mit einer Mehrzahl von Fingern 33. Auch die Finger 33 der verschiedenen Elektroden 31, 32 sind ineinandergreifend angeordnet und verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Der Interdigitalwandler 3 ist auf dem gleichen piezoelektrischen Substrat 1 wie der Interdigitalkondensator 2 angeordnet.
Die ersten Elektrode 31 ist über eine Leiterbahn 4 elektrisch mit einem Eingangsanschluss 5 und einem Ausgangsanschluss 7 verbunden. Die zweite Elektrode 32 ist mit einem Masseanschluss 8 verbunden. Beim Anlegen einer Wechselspannung an den Eingangsanschluss 5, so dass die Elektroden 31, 32 auf unterschiedlichen Potentialen liegen, werden in dem piezoelektrischen Substrat 1 innerhalb des SAW-Resonators 3 akustische Oberflächenwellen erzeugt. Diese akustischen Oberflächenwellen breiten sich in eine Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Finger 33 aus. Wenn der Pitch P3 der Finger 33 der Hälfte der Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen entspricht, wird der SAW-Resonator 3 in Resonanz betrieben. Durch Abgreifen der Spannung mit dem Ausgangsanschluss 7 wird ein Frequenzfilter realisiert. Das elektronische Bauelement gemäß 3 ist insbesondere ein Akustische-Oberflächenwellen (SAW)-Filter, zum Beispiel ein Hochfrequenzfilter, wie z.B. ein Filter für mobile Kommunikationsvorrichtungen.
Die Resonanzfrequenz des SAW-Resonators 3 gemäß 3 liegt z.B. über 3 GHz. In diesem Fall liegt der Pitch P3 z.B. zwischen 0,3 µm und 0,5 µm.
In 3 ist der Interdigitalkondensator 2 elektrisch parallel zu dem Akustische-Oberflächenwellen-Resonator 30 geschaltet. Zu diesem Zweck ist die zweite Elektrode 22 des Interdigitalkondensators 2 mit der ersten Elektrode 31 des Interdigitalwandlers 30 verbunden. Die erste Elektrode 21 des Interdigitalkondensators 2 ist mit einem Masseanschluss 6 verbunden.
Wie aus 3 ersichtlich ist, ist der Pitch P2 zwischen zwei benachbarten Fingern 23 des Interdigitalkondensators 2 größer als der Pitch P3 zwischen benachbarten Fingern 33 des Interdigitalwandlers 30. Normalerweise würde man eine solche Konfiguration vermeiden, da der Interdigitalkondensator 2 dann auch akustische Oberflächenwellen oberhalb der Hauptresonanzfrequenz erzeugen könnte, die die Filterleistung des elektronischen Bauelements beeinträchtigen würden. Deshalb wird normalerweise der Pitch P2 in dem Interdigitalkondensator 2 so gewählt, dass er geringer als der Pitch P3 in dem Interdigitalwandler 30 ist. Im vorliegenden Fall wäre dies jedoch sehr schwierig zu realisieren, da hierfür ein Pitch P2 von weniger als 0,3 µm erforderlich wäre.
Hier wird ein alternativer Lösungsansatz vorgeschlagen, bei dem die Finger 23 des Interdigitalkondensators 2 jeweils eine erste Metallschicht 231 und eine zweite Metallschicht 232 umfassen. Wie in Verbindung mit 1 und 2 beschrieben, sind die Breiten der Finger 23 im Bereich der ersten Metallschicht 231 geringer als im Bereich der zweiten Metallschicht 232. Dadurch wird die Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen unterdrückt. Daher kann der Pitch P2 zwischen benachbarten Fingern 23 sogar größer gewählt werden als der Pitch P3 zwischen benachbarten Fingern 33, was die Herstellung wesentlich erleichtert. Der Interdigitalkondensator 2 ist extrem robust und nahezu unempfindlich gegenüber Prozessschwankungen. Darüber hinaus werden aufgrund der zweiten Metallschicht 232 die ohmschen Verluste in dem Interdigitalkondensator 2 reduziert, was den Qualitätsfaktor Q des Interdigitalkondensators 2 weiter verbessert.
Darüber hinaus wird bei 3 eine Unterdrückung der akustischen Oberflächenwellen dadurch erreicht, dass die Finger 23 des Interdigitalkondensators 2 in Bezug auf die Finger 33 des Interdigitalwandlers 3 gedreht sind. Insbesondere verlaufen die Finger 23 des Interdigitalkondensators 2 im Wesentlichen parallel zur Ausbreitungsrichtung der in dem SAW-Resonator 3 erzeugten akustischen Wellen.
Aus 3 ist auch ersichtlich, dass die Finger 33 des Interdigitalwandlers 30 nur die erste Metallschicht 231 umfassen und frei von der zweiten Metallschicht 232 sind. Die Elektroden 21, 22, 31, 32 sowie die Leiterbahnen 4 umfassen jedoch jeweils beides, die erste Metallschicht 231 und die zweite Metallschicht 232. In diesen Elementen können die erste Metallschicht 231 und die zweite Metallschicht 232 sogar die gleiche Breite haben. Die zweite Metallschicht 232 der Leiterbahnen 4 und der Elektroden 21, 22, 31, 32 kann zeitgleich mit der zweiten Metallschicht 232 der Finger 23 hergestellt werden, z.B. in einem gemeinsamen Herstellungsschritt.
4A bis 4C zeigen Vergleichsmessungen eines idealen Kondensators (gestrichelte Linie), eines Interdigitalkondensators auf einem piezoelektrischen Substrat mit nur einer ersten Metallschicht (kurz gestrichelte Linie) und eines Interdigitalkondensators auf einem piezoelektrischen Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei Metallschichten (durchgezogene Linie).
In 4A sind Messungen des Reflexionsvermögens dargestellt. Die y-Achse stellt das Reflexionsvermögen dar, während die x-Achse die Frequenz der angelegten Spannung in GHz darstellt.
In 4B ist die Kapazität in pF auf der y-Achse dargestellt, während die x-Achse wieder die Frequenz der angelegten Spannung in GHz darstellt.
In 4C zeigt die y-Achse die Phase in Grad und die x-Achse wieder die Frequenz der angelegten Spannung in GHz.
Wie aus allen drei Figuren ersichtlich ist, verhält sich der Interdigitalkondensator der vorliegenden Erfindung über den gesamten Frequenzbereich fast wie ein idealer Kondensator. Der Interdigitalkondensator mit nur einer Metallschicht weist jedoch bei einigen Frequenzen Streuwerte auf.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn diese Merkmale oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: piezoelektrisches Substrat
2: Interdigitalkondensator
3: Akustische-Oberflächenwellen-Resonator
4: Leiterbahn
5: Eingangsanschluss
6: Masseanschluss
7: Ausgangsanschluss
8: Masseanschluss
21: erste Elektrode des Interdigitalkondensators
22: zweite Elektrode des Interdigitalkondensators
23: Finger des Interdigitalkondensators
30: Interdigitalwandler
31: erste Elektrode des Interdigitalwandlers
32: zweite Elektrode des Interdigitalwandlers
33: Finger des Interdigitalwandlers
231: erste Metallschicht
232: zweite Metallschicht
P2: Pitch zwischen den Fingern 23
P3: Pitch zwischen den Fingern 33
T1: Dicke der ersten Metallschicht
T2: Dicke der zweiten Metallschicht
W1: Breiten der ersten Metallschicht
W2: Breiten der zweiten Metallschicht

Claims

Elektronisches Bauelement, umfassend - ein piezoelektrisches Substrat (1); - einen Interdigitalkondensator (2) auf dem piezoelektrischen Substrats (1); wobei - der Interdigitalkondensator (2) zwei Elektroden (21, 22) umfasst, wobei jede der Elektroden (21, 22) eine Mehrzahl von Fingern (23) umfasst, - die Finger (23) jeweils eine zugeordnete erste Metallschicht (231) umfassen; - zumindest einige der Finger (23) eine zugeordnete zweite Metallschicht (232) auf der ersten Metallschicht (231) umfassen; - für jeden Finger (23), der eine erste (231) und eine zweite Metallschicht (232) umfasst, eine Breite (W1) des Fingers (23) im Bereich der zugeordneten ersten Metallschicht (231) größer ist als eine Breite (W2) des Fingers (23) im Bereich der zugeordneten zweiten Metallschicht (232).
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei für jeden Finger (23), der eine erste (231) und eine zweite Metallschicht (232) umfasst, eine Dicke (T1) der zugeordneten ersten Metallschicht (231) geringer ist als eine Dicke (T2) der zugeordneten zweiten Metallschicht (232).
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei für alle Finger (23), die eine erste (231) und eine zweite Metallschicht (232) umfassen, die zugeordnete zweite Metallschicht (232) und die zugeordnete erste Metallschicht (231) identisch zueinander angeordnet sind.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei in verschiedenen Fingern (23) die zugeordnete zweite Metallschicht (232) und die zugeordnete erste Metallschicht (231) unterschiedlich zueinander angeordnet sind.
Elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das elektronische Bauelement ferner einen Akustischen-Oberflächenwellen-Resonator (3) mit einem Interdigitalwandler (30) umfasst, wobei der Interdigitalwandler (30) zwei Elektroden (31, 32) umfasst, die jeweils eine Mehrzahl von Fingern (33) umfassen, - der Interdigitalwandler (30) auf dem piezoelektrischen Substrat (1) angeordnet ist, - der Interdigitalwandler (30) elektrisch mit dem Interdigitalkondensator (2) verbunden ist.
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 5, wobei ein Pitch (P2) zwischen zwei benachbarten Fingern (23) des Interdigitalkondensators (2) größer ist als ein Pitch (P3) zwischen zwei benachbarten Fingern (33) des Interdigitalwandlers (30).
Elektronisches Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine Breite der Finger (23) des Interdigitalkondensators (2) mindestens so groß ist wie eine Breite der Finger (33) des Interdigitalwandlers (30).
Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Finger (23) des Interdigitalkondensators (2) quer zu den Fingern (33) des Interdigitalwandlers (30) verlaufen.
Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Akustische-Oberflächenwellen-Resonator (3) eine Resonanzfrequenz von mindestens 3 GHz hat.
Elektronisches Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Finger (33) des Interdigitalwandlers (3) die gleiche Dicke wie die erste Metallschicht (231) haben.
Elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kapazität des Interdigitalkondensators (2) maximal 2 pF beträgt.
Elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der Finger (23) des Interdigitalkondensators (2) eine erste (231) und eine zweite Metallschicht (232) umfasst.
Elektronisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektronische Bauelement ein Akustische-Oberflächenwellen-Filter ist.