-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Stapelresonator-Filters
(SRF), das mehrere übereinander
angeordnete, akustisch miteinander gekoppelte Volumenschwinger enthält. Ein SRF
kann ein Stacked Crystal Filter, ein Coupled Resonator Filter oder
ein Multielektroden-Filter sein, siehe z. B. die Druckschrift K.
M. Lakin, „Coupled
Resonator Filters",
IEEE 2002, Ultrasonics Symposium, paper 3D-5, S. 1–8.
-
Mit
akustischen Wellen arbeitende Volumenschwinger, sogenannte FBAR (Thin-Film-Bulk-Acoustic-Resonator)
oder auch BAW-Resonatoren (Bulk Acoustic Wave Resonator) genannt,
basieren auf einem piezoelektrischen Grundkörper, der an zwei Hauptoberflächen mit
je einer Elektrode versehen ist. Solche Resonatoren können beispielsweise
zum Aufbau von HF-Filtern verwendet werden. Dazu werden mehrere
solcher Resonatoren in Abzweigschaltungen zu einem Filternetzwerk,
einem sogenannten Reaktanzfilter, verschaltet.
-
Es
besteht die Möglichkeit,
zwei oder mehr Resonatoren in einem Resonatorstapel übereinander anzuordnen.
Ein Nachteil bekannter Resonatorstapel besteht in der Komplexität der Verfahren
zur Abscheidung und Strukturierung der dafür erforderlichen Mehrschichtaufbauten.
Jede abzuscheidende Schicht erhöht
die Komplexität
und damit die Kosten des Herstellungsprozesses. Mit der Zahl der
nötigen Schichten
häufen
sich auch die Fehler, so daß über einen
gesamten Wafer gesehen eine erhebliche Streuung der Resonanzfrequenzen
der Resonatoren und damit der Mittenfrequenz von Filtern in Kauf
zu nehmen ist.
-
Ein
weiterer Nachteil bei Herstellung eines Resonatorstapels besteht
darin, daß die
Herstellungszeit wegen einer großen Anzahl an seriell abzuscheidenden
Schichten vergleichsweise hoch ist.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung
von Stapelresonator-Filter anzugeben, mit dem geringere Fertigungstoleranzen
erreichbar sind und die gesamte Herstellungszeit verkürzt wird.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
-
Die
Erfindung gibt ein Verfahren zur Herstellung eines Stapelresonator-Filters
mit folgenden Schritten an:
- – Abscheiden
auf einem ersten Trägersubstrat nacheinander
einer ersten Elektrodenschicht, einer ersten piezoelektrischen Schicht
und einer zweiten Elektrodenschicht, wobei ein erster Wafer erhalten
wird,
- – Abscheiden
auf einem zweiten Trägersubstrat nacheinander
einer dritten Elektrodenschicht und einer zweiten piezoelektrischen
Schicht, wobei ein zweiter Wafer erhalten wird,
- – Verbinden
des ersten und des zweiten Wafers durch Wafer-Bonding, wobei das erste und das zweite
Trägersubstrat
außenseitig
angeordnet werden.
-
Durch
das erfindungsgemäße Verfahren werden
Resonatorbereiche in einem Stapel übereinander angeordnet, wobei
ein SRF (Stapelresonator-Filter) entsteht.
-
Da
im erfindungsgemäßen Verfahren
die Anzahl der übereinander
abzuscheidenden Schichten pro Wafer reduziert ist, werden auch die
Fehler beim Schichtwachstum entsprechend gering gehalten, so daß beim zusammengesetzten
Bauelement eine vergleichsweise geringe Streuung der Resonanzfrequenzen
der Resonatoren und damit der Mittenfrequenz von Filtern erreichbar
ist. Im Aufbau bzw. in der Schichtenfolge kann ein erfindungsgemäßer Stapelresonator-Filter
bekannten SCF Filtern entsprechen.
-
Ein
weiterer Vorteil besteht darin, daß an der vorgesehenen Schnittstelle
zweier Wafer auch Schichten (z. B. organische Schichten) verwendet werden
können,
die zum darüber
Aufwachsen von weiteren Schichten wegen ihrer Beschaffenheit oder ihren
physikalischen Eigenschaften untauglich wären. Resonatorstapel mit solchen
Schichten waren mit bekannten Verfahren daher bislang nicht oder
nur in schlechter Qualität
herstellbar. Ein weiterer Vorteil bei erfindungsgemäßer Herstellung
eines Resonatorstapels besteht darin, daß die Herstellungszeit pro Wafer
wegen einer kleineren Anzahl an Schichten vergleichsweise gering
ist.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
lassen sich daher neue Materialien in den Resonatorstapel integrieren,
im Ergebnis neue Eigenschaften erhalten und insgesamt die Herstellungskosten
senken.
-
Neben
den hier genannten Schichten kann der Mehrschichtaufbau des ersten
und/oder des zweiten Wafers eine oder mehrere weitere Schichten enthalten,
die ein Koppelschichtsystem zwischen den im Resonatorstapel übereinander
angeordneten Resonatorbereichen bilden.
-
In
bevorzugter Variante der Erfindung umfaßt das Koppelschichtsystem
eine organische Schicht.
-
In
bevorzugter Variante der Erfindung werden der erste und der zweite
Wafer mit Hilfe einer organischen Schicht miteinander verbunden,
wobei die organische Schicht vorzugsweise nach dem Verbinden aushärtet und
zumindest einen Teil eines Koppelschichtsystems zur akustischen
Kopplung im Stapel übereinander
angeordneter Resonatorbereiche ausbildet.
-
Prinzipiell
ist es auch möglich,
solche Verfahren zum Verbinden der beiden Substrate einzusetzen,
die gezielt und selektiv nur an gewünschten Verbindungsflächen zum
Herstellen einer festen Verbindung zwischen den beiden Wafern führen. Dazu
gehören
insbesondere solche Verfahren, bei denen ein Verbindungsmaterial
zum Herstellen der Verbindung auf eines der beiden Wafer aufgebracht
wird. Dies sind beispielsweise Glasbonden, eutektisches Bonden und
teilweise auch anodisches Bonden. Bei diesen Verbindungsverfahren
ist es nicht erforderlich, einen lichten Abstand der beiden Wafer über den
Anschlußflächen zu
gewährleisten
oder eine Abdeckschicht über
den Anschlußflächen vorzusehen.
Diese Verfahren können
so durchgeführt
werden, daß die Verbindungsstellen
beider Wafer außerhalb
der für Anschlußflächen vorgesehenen
Oberflächen.
der Wafer erfolgt.
-
Zum
Verbinden der beiden Wafer ist auch ein Klebstoff geeignet, sowie,
wenn die Wafer Halbleitermaterial umfassen, ein Direktbonden dieser
Halbleitermaterialien. Dazu werden diese unter Druck aneinander
gefügt
und bei hoher Temperatur ausgelagert, wobei eine feste Verbindung
der dabei miteinander in Kontakt tretenden Halbleiteroberflächen erzeugt
wird.
-
Es
ist auch möglich,
die obersten Schichten der Wafer vor dem Verbinden so zu strukturieren,
daß nur
als Verbindungsflächen
vorgesehene Oberflächenbereiche
der Wafer erhaben sind und beim Aneinanderfügen der beiden Wafer miteinander
in Kontakt treten können.
-
Neben
dem Koppelschichtsystem kann der Schichtaufbau pro Wafer weitere
Schichten umfassen. Insbesondere kann zwischen Substrat und der darüber liegenden
untersten Elektrodenschicht ein akustischer Spiegel angeordnet sein.
Es können auch
pro Wafer bereits zwei piezoelektrische Schichten samt dazugehöriger Elektrodenschichten übereinander
ausgebildet werden, so daß der
erfindungsgemäß hergestellte
Resonatorstapel nach dem Verbinden von erstem und zweitem Wafer
mehr als zwei übereinander
gestapelte Resonatorbereiche umfaßt.
-
Die
Erfindung soll nun anhand der Figuren näher erläutert werden. Es zeigen
-
1a schematisch Verbindung
mittels Wafer-Bonding zweier Wafer zu einem Stacked Resonator Filter
-
1b schematisch den Schichtaufbau
eines erfindungsgemäß (gemäß 1) hergestellten Stacked
Resonator Filters mit Koppelschichtsystem
-
2 schematisch den Schichtaufbau
eines weiteren erfindungsgemäß hergestellten
Stapelresonator-Filters
ohne Koppelschichtsystem
-
3 schematisch den Schichtaufbau
des ersten Wafers mit einer Impedanz-Transformationsschicht
-
4a, 4b 4c schematisch
mögliche
Verschaltungen zweier Stapelresonator-Filter
-
4d schematisch mögliche Verschaltungen
eines Stapelresonator-Filters mit weiteren Schaltungselementen
-
5a, 5b schematisch den Schichtaufbau und
das entsprechende elektrische Ersatzschaltbild des Stapelresonator-Filters
mit kapazitiver Anbindung von inneren Elektroden Gleiche oder gleichwirkende
Elemente sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
1a zeigt einen ersten Wafer
W1 und einen zweiten Wafer W2, die miteinander mittels Wafer-Bonding
verbunden werden. Der erste Wafer W1 umfaßt als Schichtenfolge ein erstes
Trägersubstrat TS1,
darauf nacheinander abgeschiedene Schichten eines ersten akustischen
Spiegels AS1, eine erste Elektrodenschicht E1, eine erste piezoelektrische Schicht
PS1, eine zweite Elektrodenschicht E2 und ein erstes Koppelschichtsystem
KS1. Der zweite Wafer W2 umfaßt
als Schichtenfolge ein zweites Trägersubstrat TS2, darauf nacheinander
abgeschiedene Schichten eines zweiten akustischen Spiegels AS2, eine
dritte Elektrodenschicht E3, eine zweite piezoelektrische Schicht
PS2 und eine vierte Elektrodenschicht E4, welche später mit
dem ersten Koppelschichtsystem KS1 verbunden wird. In den Elektrodenschichten
E1–E4
sind durch Strukturierung Elektroden für unterschiedliche Resonatorbereiche
ausgebildet. Jeweils zwei übereinander
angeordnete Elektroden bilden mit einer dazwischen angeordneten
piezoelektrischen Schicht einen Resonatorbereich.
-
Ein
fertiggestellter SRF umfaßt
mindestens zwei übereinander
angeordnete Resonatorbereiche, die jeweils zur Ein/Auskopplung eines
elektrischen Signals dienen. Die übrigen Resonatorbereiche können durch
entsprechende Strukturierung der Elektrodenschichten integriert
miteinander verschaltet sein.
-
Es
kann zweckmäßig sein,
daß nach
dem Verbinden der beiden Wafer ein Trägersubstrat, z. B. das Trägersubstrat
TS2, vom restlichen Mehrschichtaufbau wieder abgetrennt wird. Die
dazugehörigen
akustischen Spiegel AS1 oder AS2 können dann bereits bei der Herstellung
auf dem entsprechenden Wafer weggelassen oder nachträglich wieder
mit entfernt werden. Es ist auch möglich, daß ein zweites Koppelschichtsystem über der
vierten Elektrodenschicht E4 (in 1 wegen
gekippter Darstellung unterhalb von E4) angeordnet ist, das beim
Wafer-Bonding mit
dem ersten Koppelschichtsystem verbunden wird.
-
In
einer Variante der Erfindung ist es vorgesehen, daß bei der
Abscheidung der ersten und/oder der zweiten Elektrodenschicht diese
Schichten zu Elektroden strukturiert werden, wobei die übereinander
angeordnete Elektroden und eine dazwischen angeordnete piezoelektrische
Schicht umfassenden Resonatorbereiche teilweise elektrisch miteinander verbunden
sind, so daß gewünschte elektrische
Verschaltungen unterschiedlicher Resonatorbereiche sowie gegebenenfalls
deren Anschlußflächen auf
der Wafer-Ebene zumindest teilweise ausgebildet sind. Einzelne Resonatorbereiche
auf dem ersten und dem zweiten Wafer sind nach dem Verbinden der Wafer übereinander
in Stapeln angeordnet und bilden vertikale Resonator-Zellen bzw.
SRF. Im fertigen Bauelement können
auch mehrere Stapel übereinander
angeordneter Resonatorbereiche parallel nebeneinander angeordnet
sein.
-
Es
ist möglich,
daß einer
der Wafer oder beide zu verbindende Wafer W1, W2 mehrere übereinander
angeordnete Resonatorbereiche aufweisen, so daß nach dem Verbinden der beiden
Wafer W1, W2 ein Resonatorstapel ausgebildet wird, der mehr als
nur zwei übereinander
angeordnete Resonatorbereiche aufweist. Die Resonatorbereiche können mittels
dazwischen angeordneter Koppelschichtsysteme oder einer gemeinsamen
Elektrode akustisch miteinander gekoppelt sein.
-
In 1b ist ein SRF-Mehrschichtaufbau
mit Koppelschichtsystem nach dem Verbinden von Wafern gezeigt. In 2 ist schematisch eine andere Variante
der Erfindung ohne Koppelschichtsystem nach dem Verbinden von Wafern
W1 und W2 gezeigt.
-
Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, daß der
erste und/oder der zweite Wafer vor dem Verbinden mehrere übereinander
gestapelte Resonatorbereiche aufweist.
-
In 3 ist schematisch ein erfindungsgemäßer Schichtaufbau
(hier derjenige des ersten Wafers W1) mit einer Impedanz-Transformationsschicht IS
dargestellt. Diese Schicht kann z. B. aus W, Mo, Benzocyclobuten,
Siliziumoxid oder einem anderen anorganischen oder organischen Material
ausgebildet sein. Die Impedanz-Transformationsschicht IS ist vorzugsweise
zwischen dem akustischen Spiegel AS1 und der Elektrodenschicht E1
angeordnet. Möglich
ist es auch, die Impedanz-Transformationsschicht IS zwischen einer
der Elektrodenschichten E1 oder E2 und der piezoelektrischen Schicht
PS1, zwischen dem akustischen Spiegel AS1 und dem Trägersubstrat
TS1 oder innerhalb des Koppelschichtsystems anzuordnen. Die Impedanztransformationsschicht
weist eine Schichtdicke auf, die in Verbindung mit dem dafür gewählten Material
genau eine gewünschte
Impedanztransformation erzielt.
-
Zur
Anpassung der Impedanz eines SRFs ist es darüber hinaus möglich, verschiedene
Resonatorbereiche des SRFs mit voneinander unterschiedlichen Resonatorbereich-Grundflächen auszubilden, da
die Impedanz eines Resonators reziprok proportional zu dessen Grundfläche ist.
Auch durch die Änderung
der Reihenfolge beim Schichtaufbau gelingt es, die Impedanz von
SRF-Resonatorbereichen zu verändern.
Alternativ kann die Impedanz von einzelnen SRF-Resonatorbereichen
geändert
werden, wenn dielektrische Konstanten der Schichten innerhalb dessen
Mehrschichtaufbaus geändert
werden.
-
Es
ist möglich,
daß das
Koppelschichtsystem KS1 eine organische Schicht umfaßt oder
aus einer einzigen organischen Schicht, vorzugsweise Benzocyclobuten,
besteht. Möglich
ist aber auch, daß das
Koppelschichtsystem einen Mehrschichtaufbau aufweist. Es ist möglich, daß die Koppelschichtsysteme
des ersten und des zweiten Wafers gleich aufgebaut sind, wobei die
Verbindungsfläche
zwischen den beiden Wafern eine Symmetriefläche darstellt.
-
Ferner
ist es möglich,
daß im
Schichtaufbau des ersten und/oder des zweiten Wafers beliebige weitere
Schichten oder Schichtsysteme mit komplexem Aufbau vorgesehen sind.
-
4a, 4b und 4c zeigen
beispielhafte Reihenschaltungen zweier erfindungsgemäß hergestellter
SRF S1 und S2 zwischen einem ersten und einem zweiten elektrischen
Tor P1 und P2. In 4a ist
ein (z. B. im Stapel oben angeordneter) Resonatorbereich des SRF
S1 an das symmetrisch ausgebildete erste Tor P1 und ein Resonatorbereich
des SRF S2 an das ebenfalls symmetrisch ausgebildete zweite Tor
P2 angeschlossen. In der Mitte des jeweiligen Resonatorstapels sind
Schichtbereiche K1, K2 vorgesehen, die sowohl ein Koppelschichtsystem
oder auch einen Resonator realisieren können, wobei im letzteren Fall
direkt übereinander
angeordnete Resonatorbereiche vorzugsweise eine gemeinsame innere
Elektrode haben.
-
In 4b ist eine Reihenschaltung
von zwei SRF S1 und S2 zwischen zwei unsymmetrisch ausgebildeten
elektrischen Toren gezeigt. Die in 4c gezeigte
Schaltung von S1 und S2 realisiert einen Balun, bei dem die Reihenschaltung
von zwei SRF S1 und S2 zwischen einem unsymmetrisch ausgebildeten
ersten elektrischen Tor P1 und einem symmetrisch ausgebildeten zweiten
elektrischen TorP2 dargestellt ist. Es ist möglich, daß innen angeordnete Elektroden
eines Stapelresonator-Filters anstatt mit Bezugspotential oder Masse
mit den Elektroden eines weiteren SRFs oder auch mit weiteren Elementen
verschaltet werden. Resonatorbereiche zweier SRF können außerdem parallel
zueinander geschaltet werden.
-
In 4d ist schematisch gezeigt,
daß ein SRF
S1 über
seine Elektroden E1 bis E4 mit weiteren Schaltungselementen Z1 bis
Z4 verschaltet werden kann. Ein Schaltungselement kann z. B. als
eine Kapazität,
eine Induktivität,
ein Leitungsabschnitt, ein Resonator, eine Diode, ein Transistor
oder deren Kombination gebildet sein. Das Schaltungselement Z1 bis
Z4 kann auch ein weiteres Filter, auch SRF, sein.
-
Das
SRF S1 enthält
vorzugsweise einen ersten Resonatorbereich und einen darüber angeordneten
zweiten Resonatorbereich, wobei die Resonatorbereiche jeweils eine
zwischen zwei Elektrodenschichten angeordnete piezoelektrische Schicht
umfassen. Die beiden Resonatorbereiche sind z. B. durch ein Koppelschichtsystem
getrennt, das zumindest eine organische Schicht umfaßt.
-
Es
ist auch möglich,
zwei SRF parallel zueinander zu schalten.
-
5a zeigt den Schichtaufbau
eines erfindungsgemäß herstellbaren
Stapelresonator-Filters mit kapazitiver Anbindung einer im Stapel
innen angeordneten Elektrodenschicht E4. In der obersten Elektrodenschicht
E3 sind durch Strukturierung mit heißen Anschlüssen verbundene Elektroden
E31, E32 und mit Bezugspotential verbundene Koppelelektroden E33,
E34 ausgebildet. Die Koppelelektroden E33, E34 und die direkt darunter
angeordnete Fläche
der Elektrodenschicht E4 sind miteinander kapazitiv gekoppelt. Die
Größe der Koppelkapazität ist vorzugsweise
größer als
1 pF gewählt.
Der Abstand zwischen der Elektrode E31 oder E32 und der Koppelelektrode
E33 bzw. E34 beträgt
vorzugsweise mindestens 10d, wobei d die Dicke der piezoelektrischen
Schicht PS2 ist. Die kapazitive Kontaktierung von innen angeordneten
Elektrodenschichten hat den Vorteil, daß dadurch die Strukturierung
der piezoelektrischen Schicht PS2 zur Freilegung von Kontaktbereichen
der Elektrodenschicht E4 unnötig
ist und entfällt.
-
Die
oberste Elektrodenschicht E3 wird vorzugsweise erst nach dem Abtrennen
des Trägersubstrats
TS2 zu Elektroden strukturiert.
-
5b zeigt ausschnittsweise
das elektrische Ersatzschaltbild des in 5a dargestellten Stapelresonator-Filters.
Die Koppelkapazitäten
C1, C2 sind durch die Koppelelektroden E33, E34, die darunter liegende
Fläche
der Elektrodenschicht E4 und die dazwischen angeordnete piezoelektrische Schicht
PS2 gebildet.
-
Die
Erfindung wurde der Übersichtlichkeit halber
nur anhand weniger Ausführungsformen
dargestellt, ist aber nicht auf diese oder auf einen bestimmten
Frequenzbereich beschränkt.
Weitere Variationsmöglichkeiten
ergeben sich insbesondere im Hinblick auf die Anzahl und mögliche Kombinationen der
oben vorgestellten Grundelemente mit aktiven und/oder passiven Komponenten
wie z. B. Induktivitäten,
Kapazitäten,
Widerstände,
Leitungsabschnitte, Resonatoren, Dioden, Transistoren.