DE10206480B4

DE10206480B4 - Akustisches Oberflächenwellenbauelement

Info

Publication number: DE10206480B4
Application number: DE10206480A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr. Menzel; Hagen Schmidt; Manfred Dr. Weihnacht
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2022-02-15
Also published as: DE10206480A1; JP2004519171A; KR20020089468A; US20040076081A1; WO2002067423A1; EP1362420A1; US6853115B2; KR100856656B1; DE10290650D2; CN1457549A

Abstract

Akustisches Oberflächenwellenbauelement, bei dem metallische Streifenstrukturen auf der Basis von Cu mit einem piezoelektrischen Material mechanisch gekoppelt Streifenstrukturen ein polykristallines und/oder nanokristallines Gefüge aufweisen oder/und im amorphen Zustand vorliegen und aus einem Cu-Basiswerkstoff mit einer Beimengung von 0 Atom-% bis maximal 10 Atom-% eines oder mehrerer anderer metallischer Elemente, einer Legierung und/oder einer Verbindung bestehen, oder dass sie aus einer Cu-Basislegierung der Zusammensetzung Cu_(100-x)Ag_x bestehen, wobei x auf einen Wert im Bereich von 59 bis 62, insbesondere auf den Wert von 60,1 eingestellt ist, bei dem der eutektische Punkt der Legierung liegt, und dass die Streifenstrukturen mit einer oder mehreren Diffusionsbarriereschichten beschichtet oder umgeben sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein akustisches Oberflächenwellenbauelement, bei dem metallische Streifenstrukturen mit einem piezoelektrischen Material mechanisch gekoppelt sind. Derartige Bauelemente sind beispielsweise als Filter, akustooptische Modulatoren, Aktoren, Convolver oder Sensoren anwendbar.
Die Streifenstrukturen bekannter akustische Oberflächenwellenbauelemente basieren auf Al und unterliegen unter Belastung der Akustomigration, insbesondere bei der Realisierung großer Leistungen und Amplituden. Hierbei wird der Werkstoff der Streifenstrukturen partiell transportiert, was zur Bildung von Hohlräumen und Streifenunterbrechungen einerseits und zu Hügelwachstum und seitlichen Auswüchsen andererseits führt. Eine weiteres Schädigungsmerkmal kann die partielle Delamination der Streifenstrukturen darstellen. Diese Veränderungen bewirken eine Beeinträchtigung der Funktion der Bauelemente, so zum Beispiel bei Filtern eine Verschiebung der Filterfrequenzen bzw. der gesamten Filtercharakteristik hinsichtlich Admittanz und Einfügedämpfung, bis hin zum Totalausfall des Bauelements.
Zur Verringerung der Akustomigration sind bereits verschiedene technische Lösungen bekannt. Eine der Lösungen besteht in der Verwendung hochtexturierter oder einkristalliner Al-Schichten für die Herstellung der Streifenstrukturen. Dieser Weg hat jedoch den Nachteil, dass die Herstellung der Streifenstrukturen sehr aufwendig ist.

Ein anderer Weg besteht in der Verwendung von zweilagigen Al-Schichten, wobei das Al mit geringen Mengen eines anderen Elements legiert ist, insbesondere mit Cu oder Ti, wobei Schichten mit unterschiedlicher Legierungszusammensetzung miteinander kombiniert sind ( US 4 775 814 ).

Bekannt sind auch Mehrlagensysteme mit Al-Schichten, wobei zwischen den einzelnen Al-Schichten, welche die Hauptkomponente des Schichtsystems darstellen, jeweils eine Al-freie Zwischenschicht aus beispielsweise Ti oder Cu als Migrationshemmer mit größerer elastischer Komponente angeordnet ist ( US 5 844 347 ). Die Herstellung von Streifenstrukturen auf dieser Basis ist technisch sehr aufwändig.

Bei Leckwellenbauelementen ist es bekannt, dass die Al-Streifenstrukturen mit einer harten Deckschicht versehen werden, beispielsweise mit Al-Oxid, -Silizid oder -Borid ( DE 197 58 195 A1 ). Die Schicht wird dabei entweder aufgetragen oder durch Reaktion mit dem Al erzeugt. Das Substrat, sowie die Dicke der Überschichtung und der Metallisierung müssen jedoch an den Wellentyp angepaßt werden, damit nur eine geringere Dämpfung der Oberflächenwellen bewirkt wird.

Bekannt ist auch eine akustische Oberflächenwellenanordnung, bei der zur Verringerung von Migrationseffekten einkristallin gewachsene Cu-Schichten auf Diamantsubstrat verwendet werden ( DE 693 07 974 T2 ). Der technische Aufwand und die Kosten für eine technologische Umsetzung dieser einkristallinen Schichtsysteme ist jedoch sehr hoch. Eine industrielle Realisierbarkeit dieser Technik mit der erforderlichen Reproduzierbarkeit und Kosteneffektivität dürfte dabei kaum möglich sein. Hinzu kommt, dass die Herstellung von Cu-Einkristallen generell schwierig ist, da hierfür nach dem bisherigen Kenntnisstand eine sehr geringe Gitterfehlanpassung zwischen Schicht und Substrat erforderlich ist und damit diese Technik nicht für die am häufigsten verwendeten piezoelektrischen Substratmaterialien wie LiNbO3, LiTaO3 oder Quarz ohne eine Bufferschicht praktizierbar wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, akustische Oberflächenwellenbauelemente, bei denen metallische Streifenstrukturen auf der Basis von Cu mit einem piezoelektrischen Material mechanisch gekoppelt sind, so auszubilden, dass auch bei einer hohen Belastung der Bauelemente die Akustomigration an den Streifenstrukturen mit möglichst einfach realisierbaren technischen Maßnahmen merklich verringert oder völlig vermieden werden kann.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Dem gemäß ist vorgesehen, dass die metallischen Streifenstrukturen ein polykristallines und/oder nanokristallines Gefüge aufweisen oder/und im amorphen Zustand vorliegen und aus einem Cu-Basiswerkstoff mit einer Beimengung von 0 Atom-% bis maximal 10 Atom-% eines oder mehrerer anderer metallischer Elemente, einer Legierung und/oder einer Verbindung bestehen.

Alternativ hierzu ist vorgesehen, dass die Streifenstrukturen aus einer Cu-Basislegierung der Zusammensetzung Cu_(100-x)Ag_x bestehen, wobei x auf einen Wert im Bereich von 59 bis 62, insbesondere auf den Wert von 60,1 eingestellt ist, bei dem der eutektische Punkt der Legierung liegt.

Außerdem sind die Streifenstrukturen mit einer oder mehreren Diffusionsbarriereschichten beschichtet oder umgeben.

Die Unteransprüche geben Ausführungseiten der Erfindung an.

Demnach ist auf den Diffusionsbarriereschichten eine Haftvermittlerschicht und/oder eine Schutzschicht vorhanden oder sind die Diffusionsbarriereschichten als Schutzschicht und/oder als Haftvermittlerschicht ausgeführt.

Die beigemengten Elemente sind dabei vorzugsweise aus der Gruppe Ag, Ta, W, Si, Zr, Cr und Ti ausgewählt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Streifenstrukturen aus einer Cu-Basislegierung mit 50 Atom-ppm bis 5,0 Atom-% Ag, vorzugsweise mit 100 Atom-ppm bis 2,0 Atom-% Ag.

Die beigemengte Legierung kann vorteilhaft aus zwei oder mehreren Elemente der Gruppe Ag, Ta, W, Si, Zr, Cr und Ti bestehen.

Die Streifenstrukturen können vorteilhaft mit SiO₂, Si₃N₄, CrO₂ und/oder Al₂O₃ beschichtet oder umgeben. sein.

Die Streifenstrukturen können auf dem piezoelektrischen Material aufliegen oder in Gräben des piezoelektrischen Materials hinsichtlich der Streifenhöhe vollständig oder teilweise eingelassen angeordnet sein.

Die Streifenstrukturen können auch auf einem nichtpiezoelektrischen Substrat aufliegen oder in Gräben eines nichtpiezoelektrischen Substrats hinsichtlich der Streifenhöhe vollständig oder teilweise eingelassen angeordnet sein, wobei die teilweise oder vollständig eingelassenen Streifenstrukturen entweder an ihrer Oberseite mit einer piezoelektrischen Platte verbunden sind oder an ihrer Oberseite und teilweise an ihren Seitenflächen mit einer piezoelektrischen Schicht bedeckt sind. Das nichtpiezoelektrische Substrat kann hierbei aus einem Isolatormaterial oder einem Halbleitermaterial bestellen, insbesondere aus Diamant, Si, GaAs oder Ge oder Verbindungen von Si oder Ge.

Die Streifenstrukturen können als Monoschicht oder als Multilagenschicht ausgeführt sein, wobei in der Multilagenschicht benachbarte Schichten zueinander aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen können.

Vorteilhafterweise können die auf oder in dem nichtpiezoelektrischen Substrat angeordneten Streifenstrukturen mit einer Diffusionsbarriere- und/oder Haftvermittlerschicht beschichtet oder umgeben sein.

Im Falle der Verwendung von Multilagenschichten kann zwischen den Lagen eine Diffusionsbarriere- und/oder Haftvermittlerschicht angeordnet sein.

Die Diffusionsbarriereschichten bestehen vorzugsweise aus Ta, Ti, W, Ag, Au, Al oder deren Oxiden oder Nitriden oder Flouriden oder aus Multischichten von diesen Materialien. Als Haftvermittlerschichten sind Cr, Ti, W, Ta, Si oder deren Verbindungen vorgesehen.

Im Falle der Ausführung der Streifenstrukturen mit polykristallinem Gefüge sollten die Korngrößen überwiegend < 50 nm sein.

Die beanspruchten akustischen Oberflächenwellenbauelemente weisen gegenüber den bekannten derartigen Bauelementen eine deutlich höhere Resistenz gegen Akustomigration und damit eine längere Lebensdauer auf, da die Akustomigration an den Streifenstrukturen wesentlich verringert und in bestimmten Fällen praktisch völlig vermieden wird. Dieser Vorteil wird insbesondere durch den für die Streifenstrukturen verwendeten Werkstoff erzielt, aber auch durch die Art und Weise der mechanischen Kopplung der Streifenstrukturen mit dem piezoelektrischen Material und deren Umhüllung, die von den erfindungsgemäß vorgesehenen Barriere- und/oder Schutzschichten gebildet werden. Die Erfindung ist bei akustischen Oberflächenwellenbauelementen für alle dort verwendeten metallischen Streifenstrukturen vorteilhaft anwendbar, insbesondere bei Wandlerstrukturen und Reflektorstreifen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den in den zugehörigen Zeichnungen enthaltenen 1 bis 7 näher erläutert. In den Figuren ist dabei jeweils nur das für die Erläuterung der Erfindung wesentliche Teilstück der erfindungsgemäßen Bauelemente dargestellt.

In den 1 bis 3 ist einer der Streifen 1 von einer Streifenstruktur ersichtlich, die auf einem piezoelektrischen Material 2 abgeschieden worden ist. Die Streifenstruktur besteht aus Kupfer mit einem Zusatz von 1,0 Atom-% Ag. Das piezoelektrische Material kann beispielsweise aus einkristallinem LiNbO₃, LiTO₃, SiO₂, La₃Ga₅SiO₁₄, Li₂B₄O₇, GaPO₄, ZnO oder AlN bestehen. Die Oberseite des Streifens 1 und in den 2 und 3 auch die Seitenkanten des Streifens 1 sind mit einer Diffusionsbarriereschicht 8 aus TaN bedeckt, die insbesondere eine O₂- und Cu-Diffusion verhindert. Bei der Anordnung gemäß 3 ist zwischen dem Streifen 1 und dem piezoelektrischen Material 2 noch eine Haftvermittlerschicht 9 aus Ta vorhanden, die gleichzeitig auch als Diffusionsbarriereschicht 8 fungiert. Bei der Darstellung gemäß 4 ist der Streifen 1 in den in das piezoelektrische Material 2 eingearbeiteten Graben 3 eingelassen und allseitig mit einer Diffusionsbarriereschicht 8 umgeben.
Bei der Anordnung gemäß 5 befindet sich der Streifen 1 in einem in ein nichtpiezoelektrisches Substrat 4 eingearbeiteten Graben 5. An seiner Oberseite ist der Streifen 1 mit dem piezoelektrischen Material 2 verbunden. Bei den Anordnungen gemäß der 6 und 7 sind jeweils zwei Streifen 1 einer Streifenstruktur dargestellt. Die Streifen 1 sind hier hinsichtlich ihrer Höhe nur teilweise in Gräben 5 eingelassen, die in ein nichtpiezoelektrisches Substrat 4 eingearbeitet sind. Bei der Anordnung gemäß 6 sind die Streifen 1 an ihrer Oberseite mit einer Platte 6 aus piezoelektrischem Material 2 verbunden. Bei der Anordnung gemäß 7 sind die aus dem nichtpiezoelektrischen Substrat herausragenden Flächen der Streifen 1 mit einer Schicht 7 aus piezoelektrischem Material 2 überschichtet.
Das nichtpiezoelektrisches Substrat 4 besteht bei den Anordnungen gemäß der 5 bis 7 aus einem Halbleitermaterial und zwar aus Si. Im übrigen wurden die gleichen Materialien wie zu den 1 bis 4 genannt verwendet.
Das Aufbringen der Cu-, Diffusionsbarriere- und Haftvermittler- und Schutzschichten erfolgt zweckmäßigerweise mit den bekannten Verfahren der Dünnschichttechnik, beispielsweise durch Magnetronsputtern oder auch durch MOCVD, durch Elektronenstrahlverdampfen oder durch Elektroplating.
Die erfindungsgemäßen Streifenstrukturen können auf jedem der kommerziellen piezoelektrischen oder nichtpiezoelektrischen Substrate aufgebracht werden, und zwar als aufliegende oder teilweise oder vollständig in Gräben befindliche Streifenstrukturen. Dabei können die aus der Mikroelektronik bekannten Strukturierungsverfahren, beispielsweise die Lift-off-Technik oder Ätzverfahren, eingesetzt werden.

Claims

Akustisches Oberflächenwellenbauelement, bei dem metallische Streifenstrukturen auf der Basis von Cu mit einem piezoelektrischen Material mechanisch gekoppelt Streifenstrukturen ein polykristallines und/oder nanokristallines Gefüge aufweisen oder/und im amorphen Zustand vorliegen und aus einem Cu-Basiswerkstoff mit einer Beimengung von 0 Atom-% bis maximal 10 Atom-% eines oder mehrerer anderer metallischer Elemente, einer Legierung und/oder einer Verbindung bestehen, oder dass sie aus einer Cu-Basislegierung der Zusammensetzung Cu_(100-x)Ag_x bestehen, wobei x auf einen Wert im Bereich von 59 bis 62, insbesondere auf den Wert von 60,1 eingestellt ist, bei dem der eutektische Punkt der Legierung liegt, und dass die Streifenstrukturen mit einer oder mehreren Diffusionsbarriereschichten beschichtet oder umgeben sind.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Diffusionsbarriereschichten eine Haftvermittlerschicht und/oder eine Schutzschicht vorhanden ist.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriereschichten als Schutzschicht und/oder als Haftvermittlerschicht ausgeführt sind.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beigemengten Elemente aus der Gruppe Ag, Ta, W, Si, Zr, Cr und Ti ausgewählt sind.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifenstrukturen aus einer Cu-Basislegierung mit 50 Atom-ppm bis 5,0 Atom-% Ag, vorzugsweise mit 100 Atom-ppm bis 2,0 Atom-% Ag bestehen.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beigemengte Legierung aus zwei oder mehreren Elementen der Gruppe Ag, Ta, W, Si, Zr, Cr und Ti besteht.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifenstrukturen mit SiO₂, Si₃N₄, CrO₂ und/oder Al₂O₃ beschichtet oder umgeben sind.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifenstrukturen auf dem piezoelektrischen Material aufliegen oder in Gräben des piezoelektrischen Materials hinsichtlich der Streifenhöhe vollständig oder teilweise eingelassen angeordnet sind.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifenstrukturen auf einem nichtpiezoelektrischen Substrat aufliegen oder in Gräben eines nichtpiezoelektrischen Substrats hinsichtlich der Streifenhöhe vollständig oder teilweise eingelassen angeordnet sind, wobei die teilweise oder vollständig eingelassenen Streifenstrukturen entweder an ihrer Oberseite mit einer piezoelektrischen Platte verbunden sind oder an ihrer Oberseite und teilweise an ihren Seitenflächen mit einer piezoelektrischen Schicht bedeckt sind.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtpiezoelektrische Substrat aus einem Isolatormaterial oder einem Halbleitermaterial besteht, insbesondere aus Diamant, Si, GaAs oder Ge oder Verbindungen von Si oder Ge.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifenstrukturen als Monoschicht oder als Multilagenschicht ausgeführt sind.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Multilagenschicht benachbarte Schichten zueinander aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die auf oder in dem nichtpiezoelektrischen Substrat angeordneten Streifenstrukturen mit einer Diffusionsbarriere- und oder Haftvermittlerschicht beschichtet oder umgeben sind.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Lagen der Multilagenschicht eine Diffusionsbarriere- und/oder Haftvermittlerschicht angeordnet ist.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach einem der Ansprüche 1, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriereschichten aus Ta, Ti, W, Ag, Au, Al oder deren Oxiden oder Nitriden oder Flouriden oder aus Multischichten von diesen Materialien besteht.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach einem der Ansprüche 2, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschichten aus Cr, Ti, W, Ta, Si oder deren Verbindungen besteht.
Akustisches Oberflächenwellenbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle der Ausführung der Streifenstrukturen mit nanokristallinem Gefüge die Korngrößen überwiegend < 50 nm sind.