DE10252828B4 - Acoustic wave device and method of fabricating a device - Google Patents

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Abstract

Mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement, aufweisend einen Schichtverbund mit einer piezoelektrischen Schicht (P) und zwei DLC Schichten (C),bei dem die piezoelektrische Schicht (P) zwischen den zwei DLC Schichten (C) angeordnet ist, undbei dem zur Verbesserung der gegenseitigen Haftung der Schichten im Verbund zwischen der piezoelektrischen Schicht (P) und den DLC Schichten (C) jeweils eine SiOSchicht (S) angeordnet ist, die eine Dicke von 1 bis 20 nm aufweist.An acoustic wave device comprising a laminate having a piezoelectric layer (P) and two DLC layers (C), wherein the piezoelectric layer (P) is interposed between the two DLC layers (C) to improve mutual adhesion the layers in the composite between the piezoelectric layer (P) and the DLC layers (C) each having a SiOSchicht (S) is arranged, which has a thickness of 1 to 20 nm.

Description

DLC-Schichten (diamond like carbon) zeigen eine Vielzahl einzigartiger Eigenschaften, die sie für eine Reihe von Anwendungen geeignet machen. DLC-Schichten besitzen beispielsweise eine hohe Härte und Steifigkeit, eine hohe thermische Leitfähigkeit und sind außerdem chemisch völlig inert. DLC-Schichten können daher zur Oberflächenbeschichtung unterschiedlichster Materialien eingesetzt werden, um den so beschichteten Oberflächen neue Eigenschaften zu verleihen.Diamond like carbon (DLC) layers display a variety of unique properties that make them suitable for a range of applications. For example, DLC coatings have high hardness and stiffness, high thermal conductivity, and are also chemically inert. DLC layers can therefore be used for surface coating of a wide variety of materials in order to give the coated surfaces new properties.

Aufgrund der elastischen und elektrisch isolierenden Eigenschaften von DLC-Schichten wurden diese insbesondere schon zur Verwendung für mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente vorgeschlagen. Aus der US 6 448 688 B2 ist beispielsweise bekannt, einen Schichtverbund aus einer piezoelektrischen Schicht und einer DLC-Schicht herzustellen, wobei die elektrisch leitenden Bauelementstrukturen des SAW-Bauelements auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht angeordnet werden, und wobei die DLC-Schicht auf der gegenüberliegenden Oberfläche als Wärmesenke dient. In dem genannten US-Patent wird außerdem vorgeschlagen, eine DLC-Schicht auf einem mechanischen Trägersubstrat und insbesondere auf einem Halbleiterwafer aufzubringen. Durch ein geeignetes Abscheideverfahren und anschließendes Polieren der Oberfläche der DLC-Schicht wird eine zum Aufwachsen einer piezoelektrischen Schicht geeignete Oberfläche erhalten. Darauf wird anschließend eine Zinkoxidschicht abgeschieden, die als Substrat für ein SAW-Bauelement hergenommen werden kann.Due to the elastic and electrically insulating properties of DLC layers, these have already been proposed in particular for use with components operating with acoustic waves. From the US 6,448,688 B2 For example, it is known to make a laminate of a piezoelectric layer and a DLC layer, wherein the electrically conductive device structures of the SAW device are disposed on the surface of the piezoelectric layer, and wherein the DLC layer serves as a heat sink on the opposite surface. In the mentioned US patent it is also proposed to apply a DLC layer on a mechanical carrier substrate and in particular on a semiconductor wafer. By a suitable deposition method and then polishing the surface of the DLC layer, a surface suitable for growing a piezoelectric layer is obtained. Then, a zinc oxide layer is deposited, which can be taken as a substrate for a SAW device.

Aus einem Artikel von Q. Zang et al. in „Thin Solid Films“ 360 (2000), 274-277 ist ein Schichtverbund aus einer DLC-Schicht und einem piezoelektrischen Wafer aus einem monokristallinem Material wie Lithiumtantalat, Lithiumniobat oder Quarz bekannt. Zur Verbesserung der Haftung des DLC-Films auf dem piezoelektrischen Wafer wird in dem Artikel vorgeschlagen, eine dünne Zwischenschicht aus Siliziumcarbid zwischen der DLC-Schicht und dem Wafer anzuordnen.From an article by Q. Zang et al. in "Thin Solid Films" 360 (2000), 274-277 For example, a laminate of a DLC layer and a piezoelectric wafer of a monocrystalline material such as lithium tantalate, lithium niobate or quartz is known. In order to improve the adhesion of the DLC film on the piezoelectric wafer, it is proposed in the article to arrange a thin intermediate layer of silicon carbide between the DLC layer and the wafer.

Aus den US Patentschriften US 5 920 143 A und der US 5 838 089 A sind SAW Bauelemente mit einer DLC Schicht bekannt. Aus der US 4 223 048 A ist ein CVD Verfahren zur Bearbeitung halbleitender Wafern bekannt.From the US patents US Pat. No. 5,920,143 A and the US 5,838,089 A SAW devices are known with a DLC layer. From the US 4 223 048 A For example, a CVD method for processing semiconducting wafers is known.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß Bauelemente mit einem Schichtverbund mit einer DLC-Schicht noch verbessert werden können.However, it has been shown that components with a layer composite with a DLC layer can be improved.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Schichtverbund mit einer DLC-Schicht und einer piezoelektrischen Schicht anzugeben, der eine weiter verbesserte innere Stabilität aufweist.The object of the present invention is therefore to specify a layer composite with a DLC layer and a piezoelectric layer which has a further improved internal stability.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Schichtverbunds sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.This object is achieved by a device having the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention and a method for producing the layer composite can be found in further claims.

Die Erfindung schlägt vor, den Verbund zwischen einer piezoelektrischen Schicht und einer DLC-Schicht durch eine dazwischen angeordnete SiO2-Schicht zu verbessern. Die SiO2-Schicht weist gegenüber den Schichtdicken der beiden anderen Schichten eine relativ geringe Schichtdicke im Bereich einiger Nanometer und insbesondere zwischen 1 und 20nm auf.The invention proposes to improve the bond between a piezoelectric layer and a DLC layer by means of an SiO 2 layer arranged therebetween. The SiO 2 layer has a relatively small layer thickness in the range of a few nanometers and in particular between 1 and 20 nm compared to the layer thicknesses of the other two layers.

Mit der Erfindung wird die Stabilität des Schichtverbunds insbesondere mit den piezo-elektrischen Materialien Lithiumtantalat und Lithiumniobat erheblich verbessert. Ein solch stabilerer Schichtverbund ist bestens zur Verwendung als Substrat für mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente geeignet. Beim erfindungsgemäßen Schichtverbund führt der beim Betrieb der Bauelemente auftretende elektromechanische Stress nicht zum Ablösen von Teilschichten. Damit können in der Haltbarkeit verbesserte, mit akustischen Wellen arbeitende Bauelemente hergestellt werden.With the invention, the stability of the layer composite is significantly improved, in particular with the piezoelectric materials lithium tantalate and lithium niobate. Such a more stable laminate is well suited for use as a substrate for acoustic wave devices. In the layer composite according to the invention, the electromechanical stress occurring during operation of the components does not lead to the detachment of partial layers. This can be produced in the durability improved, working with acoustic waves components.

Die piezoelektrische Schicht kann ein monokristallines Substratplättchen, also ein Wafer, sein, der zum Herstellen eines Schichtverbunds zunächst mit einer dünnen SiO2-Schicht beschichtet wird, auf die anschließend eine DLC-Schicht abgeschieden wird. Auch die DLC-Schicht ist eine Dünnschicht, deren Schichtdicke sich nach dem gewünschten Einsatzzweck richtet.The piezoelectric layer may be a monocrystalline substrate wafer, that is to say a wafer, which is first coated with a thin SiO 2 layer for producing a layer composite, onto which layer a DLC layer is then deposited. The DLC layer is also a thin layer whose layer thickness depends on the desired application.

Eine DLC-Schicht kann als Passivierungsschicht für die piezoelektrische Schicht dienen. In diesem Fall genügt eine relativ geringe Schichtdicke von beispielsweise 50 - 500 nm. Dabei ist stets anzustreben, die DLC-Schicht nicht dicker als erforderlich zu gestalten, da zu hohe Schichten einen unnötigen Kostenfaktor darstellen und unerwünschte akustische Effekte verursachen.A DLC layer may serve as a passivation layer for the piezoelectric layer. In this case, a relatively small layer thickness of, for example, 50-500 nm is sufficient. It is always desirable to make the DLC layer not thicker than necessary, since layers that are too high represent an unnecessary cost factor and cause undesired acoustic effects.

Möglich ist es auch, die DLC-Schicht als Wärmesenke einzusetzen, um eine unnötige Erwärmung des als Substratmaterial für ein Bauelement eingesetzten Schichtverbunds zu vermeiden bzw. um darin erzeugte Wärme besser abzuleiten. Für diese Funktion ist es sinnvoll, die DLC-Schicht in einer höheren Dicke abzuscheiden, beispielsweise in einer Dicke von 0,5 - 2 µm.It is also possible to use the DLC layer as a heat sink in order to avoid unnecessary heating of the layer composite used as a substrate material for a component or to better dissipate heat generated therein. For this function, it makes sense to deposit the DLC layer in a greater thickness, for example in a thickness of 0.5 - 2 microns.

Möglich ist es jedoch auch, den Schichtverbund mit einer in einem Dünnschichtverfahren hergestellten piezoelektrischen Schicht zu realisieren. Ein solches Verfahren erfordert ein Substrat, auf dem zunächst entweder die DLC-Schicht oder die piezoelektrische Schicht abgeschieden wird. Ein solches Substrat wird nach dem Gesichtspunkt der Oberflächenqualität und gegebenenfalls nach der Kristallorientierung der Oberfläche ausgewählt, wobei eine das Wachstum der darauf aufzubringenden Schichten unterstützende Kristallorientierung bevorzugt ist. Als Substratmaterialien können kristalline Materialien, beispielsweise Saphir, oder Halbleiter wie insbesondere Silizium, keramische Materialien, Glas oder Metalle dienen. Vor dem Aufwachsen der ersten Schicht des Schichtverbunds ist es möglich, eine wachstumsunterstützende weitere Zwischenschicht vorzusehen. Möglich ist es auch, auf dem Substrat eine Opferschicht aufzubringen, die nach dem Herstellen des Schichtverbunds durch Abscheiden auf dem Substrat bzw. auf der auf dem Substrat aufgebrachten Opferschicht schließlich wieder entfernt werden kann, wobei ein freitragender Schichtverbund erhalten bleibt. Direkt auf dem Trägersubstrat kann entweder zunächst die DLC-Schicht oder zunächst die piezoelektrische Schicht aufgebracht werden. Zur Abscheidung im Dünnschichtverfahren eignen sich z. B. piezoelektrische Schichten aus Zinkoxid oder Aluminiumnitrid. Beide Materialien können in CVD-Verfahren, gegebenenfalls plasmaunterstützt, abgeschieden werden. Auch die SiO2-Schicht wird vorzugsweise in einem CVD-Verfahren oder plasmaunterstützt in einem PECVD-Verfahren abgeschieden.However, it is also possible, the layer composite with a thin-film process realized piezoelectric layer to realize. Such a method requires a substrate on which either the DLC layer or the piezoelectric layer is initially deposited. Such a substrate is selected according to the aspect of the surface quality and, if necessary, the crystal orientation of the surface, wherein a crystal orientation which promotes the growth of the layers to be deposited thereon is preferred. The substrate materials may be crystalline materials, for example sapphire, or semiconductors, in particular silicon, ceramic materials, glass or metals. Before growing the first layer of the composite layer, it is possible to provide a growth-promoting further intermediate layer. It is also possible to apply a sacrificial layer to the substrate, which can be finally removed after deposition of the layer composite by deposition on the substrate or on the sacrificial layer applied to the substrate, whereby a self-supporting layer composite is retained. Directly on the carrier substrate, either the first DLC layer or first the piezoelectric layer can be applied. For deposition in the thin-film process are z. B. piezoelectric layers of zinc oxide or aluminum nitride. Both materials can be deposited in CVD processes, optionally with plasma assistance. The SiO 2 layer is also preferably deposited in a CVD method or plasma-assisted in a PECVD method.

Ebenfalls in einem CVD-Verfahren oder einem PECVD-Verfahren wird die DLC-Schicht abgeschieden.Also in a CVD method or a PECVD method, the DLC layer is deposited.

Die DLC-Schicht umfaßt ein Netzwerk aus amorphem Kohlenstoff und hydrogeniertem amorphem Kohlenstoff. Dementsprechend umfaßt das Netzwerk der DLC-Schicht sp2 und sp3 hybridisierte Kohlenstoffatome, wohingegen Diamant ausschließlich sp3 Kohlenstoffatome und Graphit ausschließlich sp2 Kohlenstoffatome enthält. Die unterschiedlich hybridisierten Kohlenstoffatome liegen in der DLC-Schicht statistisch verteilt vor, so keine größeren reinen Domänen der einen oder andern Art existieren. Dies ist auch maßgeblich für die erreichbare hohe Schichthomogenität. Dieser Befund ist konsistent mit XRD Untersuchungen der Erfinder und mit den Ergebnissen anderer Gruppen. Hochwertige DLC-Schichten weisen einen hohen Anteil an sp3 Kohlenstoff auf, so daß in der DLC Schicht wertvolle Eigenschaften des Diamant erhalten bleiben, beispielsweise die hohe mechanische Härte und Steifigkeit, die geringe Reibung, die Transparenz gegenüber IR Strahlung, die chemische Inertheit, der hohe elektrische Widerstand, die hohe thermische Leitfähigkeit u.v.a. mehr.The DLC layer comprises a network of amorphous carbon and hydrogenated amorphous carbon. Accordingly, the network of the DLC layer sp 2 and sp 3 comprises hybridized carbon atoms, whereas diamond contains only sp 3 carbon atoms and graphite exclusively sp 2 carbon atoms. The differently hybridized carbon atoms are randomly distributed in the DLC layer, so there are no larger pure domains of one kind or another. This is also decisive for the achievable high layer homogeneity. This finding is consistent with XRD investigations by the inventors and with the results of other groups. High-quality DLC layers have a high proportion of sp 3 carbon, so that in the DLC layer valuable properties of the diamond are retained, for example, the high mechanical hardness and stiffness, low friction, the transparency to IR radiation, the chemical inertness, the high electrical resistance, high thermal conductivity and many more.

Insgesamt zeigt die DLC-Schicht ein homogenes Verhalten über die gesamte Schichtdicke. Dies betrifft auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit für akustische Wellen, insbesondere für akustische Oberflächenwellen, was für die Eigenschaften eines mit akustischen Wellen arbeiten Bauelements von ausschlaggebender Bedeutung sind. Es hat sich beispielsweise gezeigt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenwelle auf einem Schichtverbund, bestehend aus einem Lithiumtantalat-Wafer, einer dünnen SiO2-Schicht und einer 0,3 µm dicken DLC-Schicht um ca. 0,4 % gegenüber der Oberflächenwellengeschwindigkeit auf reinem Lithiumtantalat abnimmt.Overall, the DLC layer shows a homogeneous behavior over the entire layer thickness. This also applies to the propagation velocity for acoustic waves, in particular for surface acoustic waves, which are of decisive importance for the properties of a component working with acoustic waves. It has been shown, for example, that the propagation velocity of the surface wave on a laminate, consisting of a lithium tantalate wafer, a thin SiO 2 layer and a 0.3 micron thick DLC layer by about 0.4% compared to the surface wave velocity on pure Lithium tantalate decreases.

Zur Herstellung eines mit akustischen Wellen arbeitenden Bauelements aus dem erfindungsgemäßen Schichtverbund werden auf einer Oberfläche des Schichtverbunds elektrisch leitende Bauelementstrukturen erzeugt. Im Falle von Oberflächenwellenbauelementen (SAW-Bauelementen) umfassen die elektrisch leitenden Bauelementstrukturen zumindest einen Interdigitalwandler, gegebenenfalls samt dazugehöriger elektrischer Zuleitungen und ggf. auch lötfähiger Metallisierungen zur Verbindung mit einer externen Schaltungsumgebung bzw. zur Kontaktierung des Bauelements. Neben dem zumindest einen Interdigitalwandler können als elektrisch leitende Bauelementstrukturen insbesondere noch Reflektoren vorgesehen sein.To produce a working with acoustic waves device from the layer composite according to the invention electrically conductive component structures are produced on a surface of the composite layer. In the case of surface acoustic wave devices (SAW devices), the electrically conductive component structures comprise at least one interdigital transducer, if appropriate together with associated electrical leads and possibly also solderable metallizations for connection to an external circuit environment or for contacting the device. In addition to the at least one interdigital transducer can be provided as electrically conductive component structures in particular still reflectors.

Ein mit akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement, insbesondere ein sogenannter FBAR-Resonator (thin film bulk acoustic wave resonator) weist als elektrisch leitende Bauelementstrukturen lediglich flächige Elektroden auf, die gegebenenfalls strukturiert sein können.A working with bulk acoustic waves device, in particular a so-called FBAR resonator (thin film bulk acoustic wave resonator) has as electrically conductive component structures only planar electrodes, which may optionally be structured.

Bei SAW-Bauelementen ist es möglich, die Metallisierung für die elektrisch leitenden Bauelementstrukturen auf der Oberfläche des Schichtverbunds aufzubringen, welche die DLC-Schicht trägt. Auf diese Weise wird ein direkter Kontakt der elektrisch leitenden Bauelementstrukturen mit der piezoelektrischen Schicht vermieden. Dies ist allerdings nur in Verbindung mit sehr dünnen DLC-Schichten von wenigen nm Dicke vorteilhaft, da ansonsten die Anregung einer (L)SAW nicht mehr möglich ist. Dabei ergibt sich als Vorteil, daß die Leistungsverträglichkeit der Bauelementstrukturen und damit des Bauelements erhöht wird. Gleichzeitig sinkt allerdings die Kopplung. Für schmalbandigere Anwendungen, also für SAW Bauelemente mit geringer Bandbreite der Übertragung kann dies dennoch sinnvoll sein. Eine solche Ausführung ist bevorzugt, wenn reaktive oder gar wasserlösliche Oberflächen piezoelektrischer Materialien (Wafer oder Schichten) für eine Naßchemie kompatibel zu machen sind, beispielsweise Li2B4O7 o.ä..In the case of SAW components, it is possible to apply the metallization for the electrically conductive component structures on the surface of the layer composite which carries the DLC layer. In this way, direct contact of the electrically conductive component structures with the piezoelectric layer is avoided. However, this is advantageous only in conjunction with very thin DLC layers of a few nm thickness, since otherwise the excitation of a (L) SAW is no longer possible. This results in the advantage that the power compatibility of the component structures and thus of the component is increased. At the same time, however, the coupling is decreasing. For narrowband applications, ie for SAW devices with low bandwidth of the transmission, this may still be useful. Such an embodiment is preferred if reactive or even water-soluble surfaces of piezoelectric materials (wafers or layers) are to be made compatible for wet chemistry, for example Li 2 B 4 O 7 or the like.

Vorteilhafter ist es jedoch, die elektrisch leitenden Bauelementstrukturen auf der piezoelektrischen Schicht vor dem Erzeugen der DLC-Schicht anzuordnen. Die dazwischenliegende SiO2-Schicht kann vor oder nach dem Erzeugen der elektrisch leitenden Bauelementstrukturen abgeschieden werden. Ein solches Bauelement, bei dem die elektrisch leitenden Bauelementstrukturen zwischen der piezoelektrischen Schicht und der DLC-Schicht eingebettet sind, ist bezüglich seiner Leistungsverträglichkeit verbessert, da hier die Migration von Elektrodenmaterial völlig unterdrückt werden kann. Auch bei hohem auf die elektrisch leitenden Bauelementstrukturen einwirkenden elektromechanischem Stress führt dieser nicht zu einer Migration des nun eingebetteten Elektrodenmaterials und daher auch nicht zu einer Beschädigung oder gar Zerstörung der elektrisch leitenden Bauelementstrukturen. In diesem Fall wirkt die DLC-Schicht und gegebenenfalls auch die darunterliegende SiO2-Schicht als Passivierungsschicht für die elektrisch leitenden Bauelementstrukturen. Da die Schichtdicken von DLC-Schicht und SiO2-Schicht während der Abscheidung gut kontrolliert werden können, sind auch die mit der DLC-Schicht passivierten Bauelementstrukturen bezüglich ihrer Struktur und Abmessungen gut einstellbar und sicher kontrollierbar. Es können eingebettete elektrisch leitende Bauelementstrukturen mit genau vorgegebener Schichtdicke und Strukturbreite erzeugt werden. Die Homogenität der DLC-Schicht bezüglich der Zusammensetzung und der Schichtdicke ermöglicht es außerdem, die akustischen Eigenschaften des Schichtverbunds exakt zu berechnen und elektrisch leitende Bauelementstrukturen (insbesondere Interdigitalwandler) mit exakt berechenbaren und auf die akustischen Eigenschaften des Schichtverbunds abgestellten Dimensionen herzustellen. It is more advantageous, however, to arrange the electrically conductive component structures on the piezoelectric layer before generating the DLC layer. The intervening SiO 2 layer can be deposited before or after the production of the electrically conductive component structures. Such a device, in which the electrically conductive component structures between the piezoelectric layer and the DLC layer are embedded, is improved in terms of performance compatibility, since here the migration of electrode material can be completely suppressed. Even with high electromechanical stress acting on the electrically conductive component structures, this does not lead to migration of the now embedded electrode material and therefore also not to damage or even destruction of the electrically conductive component structures. In this case, the DLC layer and optionally also the underlying SiO 2 layer acts as a passivation layer for the electrically conductive component structures. Since the layer thicknesses of the DLC layer and the SiO 2 layer can be well controlled during the deposition, the component structures passivated with the DLC layer are also easily adjustable and reliably controllable with respect to their structure and dimensions. Embedded electrically conductive component structures with precisely predetermined layer thickness and structure width can be produced. The homogeneity of the DLC layer with respect to the composition and the layer thickness also makes it possible to calculate the acoustic properties of the composite layer exactly and to produce electrically conductive component structures (in particular interdigital transducers) with precisely calculable dimensions that are tuned to the acoustic properties of the layer composite.

Gemäß der Erfindung umfaßt der Schichtverbund zwei DLC-Schichten, die auf zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen einer piezoelektrischen Schicht vorgesehen sind, wobei jeweils eine dünne SiO2-Schicht zwischen DLC-Schicht und piezoelektrischer Schicht angeordnet ist. In dieser Ausführung kann eine DLC-Schicht als Passivierung dienen, während die weitere, in einer höheren Dicke ausgeführte DLC-Schicht auf der gegenüberliegenden Seite des Schichtverbunds als Wärmesenke dienen kann. Bei einem FBAR-Resonator kann die weitere DLC-Schicht als weitere funktionelle Schicht dienen, beispielsweise zum Einstellen der Dielektrizitätskonstante oder als Teil eines akustischen Spiegels. Die DLC-Schicht kann auch als Trimm-Schicht zum exakten Einstellen der Resonanzfrequenz eingesetzt werden.According to the invention, the layer composite comprises two DLC layers which are provided on two opposing main surfaces of a piezoelectric layer, wherein in each case a thin SiO 2 layer is arranged between the DLC layer and the piezoelectric layer. In this embodiment, one DLC layer may serve as a passivation, while the other, thicker DLC layer may serve as a heat sink on the opposite side of the laminate. In an FBAR resonator, the further DLC layer can serve as a further functional layer, for example for adjusting the dielectric constant or as part of an acoustic mirror. The DLC layer can also be used as a trim layer for the exact adjustment of the resonance frequency.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen sieben Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils einen schematischen Querschnitt durch je einen erfindungsgemäßen Schichtverbund oder ein auf diesem Schichtverbund aufgebautes Bauelement.

  • 1 zeigt einen Schichtverbund mit einem piezoelektrischen monokristallinem Material,
  • 2 zeigt einen auf einem Trägersubstrat aufgebauten Schichtverbund,
  • 3 zeigt einen weiteren auf einem Trägersubstrat aufgebauten Schichtverbund mit vertauschter Schichtreihenfolge,
  • 4 zeigt einen Schichtverbund mit einem piezoelektrischen Wafer und zwei DLC-Schichten,
  • 5 zeigt ein SAW-Bauelement auf dem Schichtverbund,
  • 6a zeigt ein SAW-Bauelement mit in den Schichtverbund integrierten elektrisch leitenden Bauelementstrukturen, wobei die elektrisch leitenden Strukturen zwischen SiO2- und DLC-Schicht angeordnet sind.
  • 6b zeigt ein SAW-Bauelement mit in den Schichtverbund integrierten elektrisch leitenden Bauelementstrukturen, wobei die elektrisch leitenden Strukturen zwischen piezoelektrischem Substrat und SiO2-Schicht angeordnet sind.
  • 7 zeigt einen FBAR-Resonator.
In the following the invention will be explained in more detail by means of exemplary embodiments and the associated seven figures. These each show a schematic cross-section through a respective layer composite according to the invention or a component constructed on this layer composite.
  • 1 shows a laminate with a piezoelectric monocrystalline material,
  • 2 shows a built-up on a carrier substrate layer composite,
  • 3 shows a further layer composite constructed on a carrier substrate with an exchanged layer sequence,
  • 4 shows a laminate with a piezoelectric wafer and two DLC layers,
  • 5 shows a SAW device on the layer composite,
  • 6a shows a SAW device with integrated in the layer composite electrically conductive component structures, wherein the electrically conductive structures between SiO 2 - and DLC layer are arranged.
  • 6b shows a SAW device with integrated in the layer composite electrically conductive component structures, wherein the electrically conductive structures between the piezoelectric substrate and SiO 2 layer are arranged.
  • 7 shows an FBAR resonator.

1 zeigt einen Schichtverbund, der auf einem piezoelektrischen Wafer aus Lithiumtantalat (LT) oder Lithiumniobat (LN) aufgebaut ist. Dazu wird auf der Oberfläche des Wafers P eine SiO2-Schicht S abgeschieden. Es wird vorzugsweise ein PECVD-Verfahren eingesetzt, wobei als reaktives Gas Silan (SiH4) verwendet wird. Als geeignetes Oxidationsmittel kann Distickstoffmonoxid (N2O) eingesetzt werden. 1 shows a composite layer, which is constructed on a piezoelectric wafer of lithium tantalate (LT) or lithium niobate (LN). For this purpose, an SiO 2 layer S is deposited on the surface of the wafer P. It is preferably used a PECVD method, wherein as a reactive gas silane (SiH 4 ) is used. As a suitable oxidizing agent nitrous oxide (N 2 O) can be used.

Zur Abscheidung wird vorzugsweise eine Substrattemperatur von ca. 300° C eingestellt, wobei in der Abscheidekammer ein Gasdruck von ca. 67 Pa (0,5 Torr) und eine Gasdurchflußgeschwindigkeit 30 sccm für das Silan und 300 sccm für das N2O eingestellt werden. Das Plasma wird mit einer beispielsweise bei 13,56 MHz mit einer Leistung von etwa 30 - 50W arbeitenden HF-Quelle erzeugt. Wenn gewünscht, kann die Abscheideleistung bis ca. 200 W gesteigert werden.For deposition, a substrate temperature of about 300 ° C is preferably set, wherein in the deposition chamber, a gas pressure of about 67 Pa (0.5 Torr) and a Gasdurchflußgeschwindigkeit 30 sccm for the silane and 300 sccm for the N 2 O. The plasma is generated with an RF source operating, for example, at 13.56 MHz with a power of about 30-50W. If desired, the separation efficiency can be increased up to approx. 200W.

Nachdem die gewünschte Schichtdicke der SiO2-Schicht S von ca. 1 bis 20nm, beispielsweise 10 nm erreicht ist, wird ein DLC-Film C abgeschieden, vorzugsweise ebenfalls mittels PECVD. Als reaktive Gase dienen Wasserstoff und Methan (CH4) bei einem Druck von ca. 17 Pa (0,13 Torr). Als Flußraten für die Gase werden eingestellt: 20 sccm für Wasserstoff und 10 sccm für Methan. Die Plasmaabscheidung erfolgt typischerweise bei 13,56 MHz, wobei eine HF-Leistung von typischerweise 50 - 200 W eingestellt wird. Die Temperatur wird zwischen Raumtemperatur und 200°C gehalten. Das Abscheideverfahren wird so lange durchgeführt, bis die gewünschte Schichtdicke der DLC-Schicht C erreicht ist, beispielsweise 0,3 µm. 1 zeigt den so erhaltenen Schichtaufbau im schematischen Querschnitt.After the desired layer thickness of the SiO 2 layer S of about 1 to 20 nm, for example 10 nm is reached, a DLC film C is deposited, preferably also by means of PECVD. The reactive gases are hydrogen and methane (CH 4 ) at a pressure of about 17 Pa (0.13 Torr). Flow rates for the gases are set: 20 sccm for hydrogen and 10 sccm for methane. The plasma deposition is typically at 13.56 MHz, with an RF power of typically 50-200 W is set. The temperature is maintained between room temperature and 200 ° C. The deposition process is carried out until the desired layer thickness of the DLC layer C is reached, for example 0.3 μm. 1 shows the layer structure thus obtained in schematic cross section.

2 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts einen Schichtverbund, der auf einem Trägersubstrat TS erzeugt ist. Dazu wird zunächst auf einem vorzugsweise kristallinen Trägersubstrat, beispielsweise einem Siliziumwafer mit (100) Orientierung eine dünne DLC-Schicht erzeugt, wobei das im ersten Ausführungsbeispiel in Verbindung mit 1 erläuterte Verfahren eingesetzt werden kann. Eine gegebenenfalls unebene Oberfläche der erhaltenen DLC-Schicht C wird anschließend mit Hilfe eines mechanischen Polierverfahrens, beispielsweise mit Hilfe einer Diamantsplitter enthaltenden Polierscheibe, poliert, wobei eine Oberfläche mit einer Rauhigkeit von weniger als 1 nm erreicht werden kann. Es ist aber auch möglich, die DLC Schicht bereits in einer Rauhigkeit von nur ca. 0,5 nm herzustellen. 2 shows on the basis of a schematic cross-section of a composite layer which is produced on a carrier substrate TS. For this purpose, first on a preferably crystalline carrier substrate, for example a silicon wafer with ( 100 ) Orientation produces a thin DLC layer, which in the first embodiment in conjunction with 1 explained method can be used. An optionally uneven surface of the obtained DLC layer C is then polished by means of a mechanical polishing method, for example with the aid of a polishing disc containing a diamond splitter, whereby a surface with a roughness of less than 1 nm can be achieved. But it is also possible to produce the DLC layer already in a roughness of only about 0.5 nm.

Über dieser DLC-Schicht C, die beispielsweise wieder in einer Dicke von 0,3 µm aufgebracht wird, wird anschließend, wie oben beschrieben, eine SiO2-Schicht S aufgebracht. Darüber wird anschließend eine piezo-elektrische Schicht P abgeschieden, beispielsweise eine Zinkoxidschicht in einem Hochfrequenzsputterverfahren. Zum Abscheiden der piezoelektrischen Schicht P werden dabei folgende Bedingungen eingestellt: Es wird ein gesinterter Zinkoxidsputterkörper als Target eingesetzt. Die Abscheidung erfolgt mit 500 W bei einer Frequenz von 13,56 MHz. Es wird eine 1:1 Argon/Sauerstoff Atmosphäre bei einer Flußrate von ca. 50 sccm eingestellt, wobei ein Gasdruck von 20 Pa aufrecht erhalten wird. Das Substrat (Trägersubstrat TS, DLC-Schicht C und dünne SiO2-Schicht S) wird bei einer Temperatur von ca. 150° C gehalten. Dabei stellt sich eine Abscheidegeschwindigkeit von 5 nm pro Minute ein. Es wird eine Schichtdicke von ca. 1 µm erzeugt.Above this DLC layer C, which is, for example, re-applied in a thickness of 0.3 microns, a SiO is then, as described above, S 2 layer applied. Above this, a piezoelectric layer P is deposited, for example a zinc oxide layer in a high frequency sputtering process. For depositing the piezoelectric layer P, the following conditions are set: A sintered zinc oxide sputtering body is used as the target. The deposition takes place with 500 W at a frequency of 13.56 MHz. A 1: 1 argon / oxygen atmosphere is set at a flow rate of about 50 sccm, maintaining a gas pressure of 20 Pa. The substrate (carrier substrate TS, DLC layer C and thin SiO 2 layer S) is maintained at a temperature of about 150 ° C. This sets a deposition rate of 5 nm per minute. It creates a layer thickness of about 1 micron.

3 zeigt eine weitere Variante eines Schichtverbunds, die über einem Trägersubstrat TS erzeugt wird. Hier ist die piezoelektrische Schicht P direkt auf dem Trägersubstrat TS angeordnet. Darauf ist eine SiO2-Schicht S abgeschieden und darüber eine DLC-Schicht. Zur Herstellung der einzelnen Schichten können die im Verbindung mit 2 erläuterten Verfahren eingesetzt werden. 3 shows a further variant of a composite layer which is produced over a carrier substrate TS. Here, the piezoelectric layer P is arranged directly on the carrier substrate TS. On top of this, a SiO 2 layer S is deposited and above that a DLC layer. For the preparation of the individual layers, in conjunction with 2 explained methods are used.

4 zeigt einen Schichtverbund mit symmetrischem Aufbau, bei dem ausgehend von einem piezoelektrischen Wafer P auf beiden Seiten eine DLC-Schicht abgeschieden ist, wobei zwischen piezoelektrischer Schicht P und DLC-Schicht C zur besseren Haftung jeweils eine dünne SiO2-Schicht S vorgesehen ist. 4 shows a layer composite with symmetrical structure in which, starting from a piezoelectric wafer P on both sides of a DLC layer is deposited, wherein between piezoelectric layer P and DLC layer C for better adhesion in each case a thin SiO 2 layer S is provided.

5 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel ein erfindungsgemäßes SAW-Bauelement, aufgebaut auf einem solchen Schichtverbund. Über dem beispielsweise in 1 dargestellten Schichtverbund werden elektrisch leitende Bauelementstrukturen BS erzeugt, beispielsweise in Form einer zumindest Aluminium als Hauptbestandteil umfassenden ganzflächigen Metallisierung, die beispielsweise mittels eines Lift-Off-Verfahrens strukturiert wird. Die Metallisierung kann auch mehrschichtig sein und beispielsweise neben überwiegend aus Aluminium bestehenden Schichten noch Schichten härteren Materials oder Schichten besser leitfähigen Materials oder auch Sperrschichten umfassen, die die Migration von Elektrodenmaterial aus den Bauelementstrukturen unterdrücken. In der 5 ist als Bauelementstruktur BS ein Interdigitalwandler angedeutet. Zusätzlich zu der in der Figur dargestellten Anordnung kann auf der Rückseite der piezoelektrischen Schicht P eine weitere DLC-Schicht beliebiger Dicke vorgesehen sein, die beispielsweise als Wärmesenke dienen kann. 5 shows a further embodiment of an inventive SAW device constructed on such a layer composite. Above the example in 1 shown layer composite electrically conductive component structures BS are generated, for example in the form of at least one aluminum as the main component comprehensive full-surface metallization, which is structured for example by means of a lift-off process. The metallization can also be multi-layered and, for example, in addition to predominantly consisting of aluminum layers nor layers of harder material or layers of better conductive material or barrier layers include that suppress the migration of electrode material from the component structures. In the 5 is indicated as a component structure BS an interdigital transducer. In addition to the arrangement shown in the figure, a further DLC layer of any thickness can be provided on the back of the piezoelectric layer P, which can serve for example as a heat sink.

6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements, bei dem die elektrisch leitenden Bauelementstrukturen BS auf der als Zwischenschicht dienenden SiO2-Schicht S angeordnet sind. Die DLC-Schicht C wird dann nach der Strukturierung der Bauelementstrukturen BS auf die Oberfläche des Bauelements über den Bauelementstrukturen BS abgeschieden. Dabei wird das Bauelement ganzflächig mit der DLC-Schicht C abgedeckt, so daß diese als Passivierung insbesondere der Bauelementstrukturen BS dienen kann. In der Figur nicht dargestellt ist eine weitere Möglichkeit, die Bauelementstrukturen BS direkt auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht P zu erzeugen und über den Bauelementstrukturen erst die SiO2-Schicht S und darüber die DLC-Schicht C abzuscheiden. Auch hier kann auf der Unterseite der piezoelektrischen Schicht P eine weitere DLC-Schicht vorgesehen sein. 6 shows a preferred embodiment of a device according to the invention, in which the electrically conductive component structures BS are arranged on the serving as an intermediate layer SiO 2 layer S. After structuring the component structures BS, the DLC layer C is then deposited on the surface of the component via the component structures BS. In this case, the component is covered over the whole area with the DLC layer C, so that it can serve as passivation in particular of the component structures BS. Not shown in the figure is another way to produce the device structures BS directly on the surface of the piezoelectric layer P and above the device structures first the SiO 2 layer S and above the DLC layer C deposit. Again, on the underside of the piezoelectric layer P, a further DLC layer may be provided.

Die Ausführungen gemäß den Figuren 5 und 6 können sowohl auf monokristallinen piezoelektrischen Substraten (Wafer) als auch auf Schichtverbünden verwirklicht werden, die auf Trägersubstraten TS in Dünnschichttechnik abgeschiedene, piezoelektrische Schichten P umfassen.The embodiments according to the figures 5 and 6 can be realized both on monocrystalline piezoelectric substrates (wafers) as well as on layer composites which comprise piezoelectric layers P deposited on carrier substrates TS in thin-film technology.

7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der der Schichtverbund als Substrat zur Herstellung von mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Bauelementen, insbesondere von FBAR-Resonatoren, verwendet wird. Dargestellt ist die bevorzugte symmetrische Ausführungsform, bei der eine piezoelektrische Schicht P beiderseits mit einer SiO2-Schicht S und einer DLC-Schicht C zu einem Schichtverbund erweitert ist. Ein solcher (doppelter) Schichtverbund wird nun beiderseits mit flächigen Elektroden E beschichtet, die zum Anlegen einer Wechselspannung bzw. eines hochfrequenten Signals dienen. Auch in dieser Ausführung kann die DLC-Schicht als Passivierungsschicht dienen. 7 shows a further embodiment of the invention, in which the composite layer is used as a substrate for the production of bulk acoustic wave devices, in particular of FBAR resonators. Shown is the preferred symmetrical embodiment in which a piezoelectric layer P on both sides with an SiO 2 layer S and a DLC layer C is extended to a layer composite. Such a (double) layer composite is now coated on both sides with flat electrodes E, which serve to apply an alternating voltage or a high-frequency signal. Also in this embodiment, the DLC layer can serve as a passivation layer.

Neben den nur auszugsweise dargestellten Anwendungen für einen Schichtverbund sind weitere Anwendungen denkbar, wobei sich aus den Eigenschaften der DLC-Schicht auch weitere, hier nicht genannte Funktionen ergeben können. Wichtig ist jedoch, daß der Schichtverbund aus piezoelektrischer Schicht, SiO2-Schicht und DLC-Schicht eine stabile Verbindung der Einzelschichten gewährleistet, die diesen auch für mechanisch anspruchsvolle Einsätze geeignet macht.In addition to the applications for a composite layer shown only in excerpts further applications are conceivable, which can also result in the properties of the DLC layer, other functions not mentioned here. It is important, however, that the composite layer of piezoelectric layer, SiO 2 layer and DLC layer ensures a stable connection of the individual layers, which makes this also suitable for mechanically demanding applications.

Claims (14)

Mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement, aufweisend einen Schichtverbund mit einer piezoelektrischen Schicht (P) und zwei DLC Schichten (C), bei dem die piezoelektrische Schicht (P) zwischen den zwei DLC Schichten (C) angeordnet ist, und bei dem zur Verbesserung der gegenseitigen Haftung der Schichten im Verbund zwischen der piezoelektrischen Schicht (P) und den DLC Schichten (C) jeweils eine SiO2 Schicht (S) angeordnet ist, die eine Dicke von 1 bis 20 nm aufweist.An acoustic wave device comprising a laminated composite having a piezoelectric layer (P) and two DLC layers (C), wherein the piezoelectric layer (P) is interposed between the two DLC layers (C) and enhancing each other Adhesion of the layers in the composite between the piezoelectric layer (P) and the DLC layers (C) each having a SiO 2 layer (S) is arranged, which has a thickness of 1 to 20 nm. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die erste DLC Schicht (C) als relativ dünne Passivierungsschicht mit einer Schichtdicke von 50 - 500 nm und die zweite DLC Schicht (C) als dagegen dickere Wärmesenke mit einer Dicke von 0,5 - 2 µm ausgebildet ist, bei dem elektrisch leitende Bauelementstrukturen (BS) des Bauelements auf der relativ dünnen Passivierungsschicht angeordnet sind.Component after Claim 1 , in which the first DLC layer (C) is formed as a relatively thin passivation layer with a layer thickness of 50-500 nm and the second DLC layer (C) as a thicker heat sink with a thickness of 0.5-2 μm, in which electrically conductive component structures (BS) of the device are arranged on the relatively thin passivation layer. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die piezoelektrische Schicht (P) ein monokristallines Substratplättchen ist, ausgewählt aus LiTaO3 und LiNbO3 .Component after Claim 1 or 2 in which the piezoelectric layer (P) is a monocrystalline substrate plate selected from LiTaO 3 and LiNbO 3 . Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die piezoelektrische Schicht (P) eine Dünnschicht ist, ausgewählt aus ZnO und A1N.Component after Claim 1 or 2 in which the piezoelectric layer (P) is a thin film selected from ZnO and AlN. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ein Substrat für ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement ausbildend, auf dessen Oberfläche elektrisch leitende Bauelementstrukturen (BS) angeordnet sind.Component according to one of Claims 1 to 4 , forming a substrate for a working with acoustic waves device, on the surface of electrically conductive component structures (BS) are arranged. Bauelement nach Anspruch 5, auf dessen Oberfläche als elektrisch leitende Bauelementstrukturen (BS) zumindest ein Interdigitalwandler zur Anregung akustischer Oberflächenwellen angeordnet ist.Component after Claim 5 , on the surface of which at least one interdigital transducer for excitation of surface acoustic waves is arranged as electrically conductive component structures (BS). Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die elektrisch leitenden Bauelementstrukturen (BS) auf der DLC Schicht (C) angeordnet sind.Component after Claim 5 or 6 in which the electrically conductive component structures (BS) are arranged on the DLC layer (C). Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die elektrisch leitenden Bauelementstrukturen (BS) zwischen der DLC Schicht (C) und der piezoelektrischen Schicht (P) angeordnet sind.Component after Claim 5 or 6 in which the electrically conductive component structures (BS) are arranged between the DLC layer (C) and the piezoelectric layer (P). Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die elektrisch leitenden Bauelementstrukturen (BS) auf derjenigen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht (P) angeordnet sind, die im Verbund der DLC Schicht (C) gegenüber liegt.Component after Claim 5 or 6 in which the electrically conductive component structures (BS) are arranged on that surface of the piezoelectric layer (P), which lies opposite in the composite of the DLC layer (C). Verfahren zur Herstellung eines Bauelements, das einen Schichtverbund aus einer piezoelektrischen Schicht (P) und zwei DLC Schichten (C) umfaßt, zwischen denen die piezoelektrische Schicht angeordnet ist, bei dem auf einem piezoelektrischen Substrat eine dünne SiO2 Schicht (S) in einem CVD oder PECVD Verfahren abgeschieden wird, bei dem auf der SiO2 Schicht in einem PECVD Verfahren eine DLC Schicht (C) abgeschieden wird, und bei dem die piezoelektrische Schicht (P) beiderseits mit einer SiO2-Schicht (S) und einer DLC-Schicht (C) zu einem Schichtverbund erweitert ist.A method of manufacturing a device comprising a layered composite of a piezoelectric layer (P) and two DLC layers (C), between which the piezoelectric layer is disposed, wherein on a piezoelectric substrate a thin SiO 2 layer (S) in a CVD or PECVD method in which a DLC layer (C) is deposited on the SiO 2 layer in a PECVD method, and wherein the piezoelectric layer (P) is formed on both sides with an SiO 2 layer (S) and a DLC layer (C) is extended to a layer composite. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem zur Abscheidung der SiO2 Schicht (S) die Gase SiH4 und N2O bei einem Druck von 7 bis 667 Pa (0,05 bis 5,00 Torr) eingesetzt werden.Method according to Claim 10 In which the deposition of the SiO 2 layer (S), the gases SiH be applied to a pressure of 7 to 667 Pa (0.05 to 5.00 Torr) 4 and N 2 O. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die Abscheidung der SiO2 Schicht (S) in einem PECVD Verfahren mit einer RF Leistung von 1 - 60 Watt durchgeführt wird.Method according to Claim 10 or 11 in which the deposition of the SiO 2 layer (S) is carried out in a PECVD method with an RF power of 1-60 watts. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem die DLC Schicht (C) bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und 200°C und bei einem Druck zwischen 1 und 133 Pa (0,01 und 1,00 Torr) abgeschieden wird.Method according to one of Claims 10 to 12 in which the DLC layer (C) is deposited at a temperature between room temperature and 200 ° C and at a pressure between 1 and 133 Pa (0.01 and 1.00 Torr). Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem die Abscheidung der DLC Schicht (C) mit einer RF Leistung von 50 - 200 Watt durchgeführt wird.Method according to one of Claims 10 to 13 in which the deposition of the DLC layer (C) is performed with an RF power of 50-200 watts.
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