DE10325281A1

DE10325281A1 - Elektroakustisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE10325281A1
Application number: DE10325281A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Ruile; Ulrike Dr. Rösler
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2003-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2023-06-05
Also published as: US7262676B2; JP2006526919A; US20060076852A1; JP4589306B2; WO2004109913A1; DE10325281B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektroakustisches Bauelement, das ein zwischen zwei Substraten angeordnetes Schichtsystem umfaßt, das elektroakustische Strukturen zur Anregung einer geführten akustischen Volumenwelle aufweist, wobei über den elektroakustischen Strukturen keine Hohlräume vorgesehen sind. Das Schichtsystem umfaßt eine piezoelektrische Schicht, zumindest eine Metallschicht und eine Planarisierungsschicht, die zu dem direkt über ihr angeordneten Substrat hin eine planare Grenzfläche aufweist. Ein solches Bauelement kann kostengünstig durch Direct Wafer Bonding zweier Wafer erzeugt werden. Die elektroakustischen Bauelement-Strukturen sind elektrisch durch vertikale elektrische Verbindungen mit Außenkontakten des Bauelements verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektroakustisches Bauelement, insbesondere ein Bandpaßfilter für Hochfrequenz-Schaltungen.

Ein solches Bauelement umfaßt zumindest eine piezoelektrische Schicht und zumindest zwei mit dieser Schicht verbundene, auf unterschiedlichen Potentialen liegende Elektroden zur Anregung einer elektroakustischen Welle. Die Elektroden können auf einander gegenüberliegenden Flächen der piezoelektrischen Schicht angeordnet sein und zur Anregung einer akustischen Volumenwelle dienen, deren Ausbreitungsrichtung mit der vertikalen Achse übereinstimmt. Dieser Effekt wird z. B. in Dünnschicht-Resonatoren genutzt.

Zwischen zwei auf unterschiedlichen Potentialen liegenden Elektroden, die jeweils Elektrodenfinger umfassen, wobei die Elektrodenfinger der ersten und der zweiten Elektrode ineinander greifen und einen elektroakustischen Wandler bilden, kann eine akustische Oberflächenwelle angeregt werden. Diese breitet sich in lateraler Ebene aus und induziert in den Elektroden beim Eintreffen auf die Elektrodenfinger wiederum eine elektrische Spannung.

Es sind z. B. Resonatoren, DMS-Filter (Double Mode Surface Acoustic Wave), breitbandige Fan-Filter und weitere Bauelemente bekannt, die mit akustischen Oberflächenwellen arbeiten.

Über dem elektroakustischen Wandler ist üblicherweise ein Hohlraum vorgesehen, damit sich die Oberflächenwelle ausbreiten kann. Die (hinsichtlich der Anregung der akustischen Volumenwelle) aktiven Bereiche von Dünnschicht-Resonatoren können auf einem Trägersubstrat über einem Hohlraum angeordnet sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zwischen dem Trägersubstrat und dem Dünnschicht-Resonator einen akustischen Spiegel anzuordnen, um den Abfluß der Energie der Volumenwelle ins Substrat zu verhindern. In jedem Fall ist der mit Verschaffung bzw. Abdichtung der Hohlräume oder Ausbildung der akustischen Spiegel verbundene Aufwand groß.

In der Druckschrift von Furukawa et al „Piezoelectric Boundary and Surface Waves Propagating on Glass Film/ZnO Film/Glass Substrate Structures", IEICE Transactions, Vol. E 74, No. 8, 1991, SS. 2184–2187, werden elektroakustische Grenzschichtwellen bzw. Volumenwellen untersucht, die im Volumen einer ZnO-Schicht, welche zwischen zwei Glasschichten angeordnet ist, (im Gegensatz zu einer Volumenwelle in einem Dünnschicht-Resonator) in lateraler Richtung ausbreitungsfähig sind. Die Ausbreitung der Volumenwelle parallel zu den Grenzflächen der piezoelektrischen Schicht ist dadurch möglich, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in der mittleren Schicht kleiner ist als in den außen liegenden Glasschichten. Diese Eigenschaften bzw. Anordnung dreier Medien entspricht im Prinzip der Grundstruktur eines herkömmlichen Wellenleiters. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß zur Ausbreitung der akustischen Welle keine Hohlräume notwendig sind. In dieser Druckschrift ist jedoch weder beschrieben, wie die Volumenwelle anzuregen ist, noch wie ein Bauelement auszubilden ist, das mit akustischen Wellen dieser Art arbeiten und insbesondere zur Bearbeitung eines Hochfrequenz-Signals eingesetzt werden kann. Die laterale Volumenwelle kann sich vielmehr im beschriebenen Schichtsystem in beliebigen Richtungen in lateraler Ebene ausbreiten, da der Weg zur Anregung und zielgerichteten Führung der Welle (z. B. durch Anordnung der Elektroden) nicht angegeben ist.

Aus der Druckschrift US 6046656 ist ein Bauelement bekannt, welches mit Grenzschichtwellen (boundary waves) arbeitet. Das Bauelement umfaßt eine piezoelektrische Schicht, die als erstes Substrat dient, darauf angeordnete Elektrodenstrukturen, eine darüber aufgebrachte Planarisierungsschicht und ein auf der Planarisierungsschicht angeordnetes zweites Substrat, das mit dem restlichen Aufbau mittels eines Direct Wafer Bonding Verfahrens bei einer Temperatur zwischen 100 und 1000°C verbunden wird. Da die piezoelektrische Schicht als erstes Substrat bzw. Trägersubstrat vorgesehen ist, ist dieses Bauelement nicht zur Erzeugung und Führung der lateralen Moden akustischer Volumenwellen geeignet.

Laterale Moden akustischer Volumenwellen sind auch aus weiteren Druckschriften bekannt und werden meist als zu unterdrückende störende Moden betrachtet. Bekannt sind auch Anwendungen, bei denen die lateralen Moden der Volumenwellen zur akustischen Verkopplung zweier dicht nebeneinander angeordneter Dünnschicht-Resonatoren verwenden werden. Dabei wird aber die Führung einer lateralen Mode der Volumenwelle in einer bestimmten Richtung nicht durch irgendwelche dafür vorgesehene Vorrichtungen unterstützt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektroakustisches Bauelement anzugeben, das mit akustischen Volumenwellen in piezoelektrischen Dünnschichten arbeitet und bei dem zur Ausbreitung der akustischen Volumenwelle keine Hohlräume über elektroakustisch aktiven Bereichen oder akustische Spiegel notwendig sind, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektroakustisches Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 29 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind aus weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung gibt ein elektroakustisches Bauelement an, welches ein erstes Substrat mit einem darauf angeordneten (elektroakustischen) Schichtsystem umfaßt.

Das Schichtsystem enthält eine piezoelektrische Schicht, auf der eine erste Metallschicht angeordnet ist. In der ersten Metallschicht sind (vorzugsweise parallel zueinander auf periodischem Raster angeordnete) Elektrodenstrukturen und Kontaktflächen ausgebildet, wobei die Kontaktflächen von außen hinsichtlich deren elektrischer Verschaltung mit weiteren Bauelementen zugänglich sind. Die Zugänglichkeit der Kontakte kann z. B. über eine Durchkontaktierung (bevorzugte Ausführungsform) oder einen mit der Kontaktfläche verbundenen Außenleiter gewährleistet werden. Auf der ersten Metallschicht ist eine dielektrische Planarisierungsschicht und über der Planarisierungsschicht ein zweites Substrat angeordnet. Die Planarisierungsschicht weist zum zweiten Substrat hin eine planare Oberfläche auf, bedeckt die Elektrodenstrukturen und schließt außerhalb der von den Elektrodenstrukturen bedeckten Bereichen mit der piezoelektrischen Schicht dicht ab.

Die Elektrodenstrukturen der ersten Metallschicht, die nebeneinander vorzugsweise periodisch oder entsprechend einem zur gerichteten Abstrahlung der akustischen Welle geeigneten Muster angeordnet sind, bilden eine Funktionseinheit (z. B. die Funktionseinheit eines elektroakustischen Wandlers) zur Führung einer akustischen Welle (die weiterhin GBAW genannt wird; GBAW = guided Bulk Acoustic Wave, oder geführte akustische Volumenwelle) in lateraler Ebene. Bereiche der piezoelektrischen Schicht, die jeweils durchgehend und unterhalb einer solchen Funktionseinheit angeordnet sind, bilden jeweils einen aktiven Bereich, in dem eine geführte akustische Volumenwelle der Wellenlänge λ anregbar bzw. ausbreitungsfähig ist. Im erfindungsgemäßen Bauelement sind vorzugsweise mehrere elektrisch miteinander verbundene Funktionseinheiten und entsprechend viele aktive Bereiche vorgesehen. Die aktiven Bereiche können dabei akustisch miteinander gekoppelt oder akustisch voneinander entkoppelt sein.

Weder im Schichtsystem noch an der Grenzfläche zwischen dem Schichtsystem und dem jeweiligen Substrat sind Hohlräume vorhanden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der geführten Volumenwelle in der piezoelektrischen Schicht ist kleiner gewählt als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der geführten Volumenwelle im ersten und zweiten Substrat. Das erste und zweite Substrat und die dazwischen angeordnete piezoelektrische Schicht bilden daher einen Wellenleiter, wobei die piezoelektrische Schicht den Kernbereich bzw. die beiden Substrate den Mantelbereich des Wellenleiters bilden.

Die piezoelektrische Schicht besteht vorzugsweise aus ZnO, AlN, LiNiO₃ oder LiTaO₃.

Die piezoelektrische Schicht hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 0.1λ und λ. Bei wesentlich kleineren als 0.1λ Schichtdicken ist die Dispersion der GBAW unvorteilhaft groß und die elektroakustische Kopplung zu gering. Bei Schichtdicken, die den Wert von λ wesentlich überschreiten, sind ggf. weitere Moden akustischer Wellen anregbar, welche dem aktiven Bereich die Energie entziehen und daher zur Erhöhung der Einfügedämfung des Bauelements beitragen können.

Das Schichtsystem wird durch die Schichten gebildet, in denen ein wesentlicher Anteil der Energie der GBAW konzentriert ist (wobei das Maximum der Energieverteilung in vertikaler Richtung in der piezoelektrischen Schicht liegt). Die Dicke des jeweiligen Substrats wird entsprechend der Eindringtiefe der GBAW so gewählt, daß die GBAW nach außen hin ausreichend abklingt, so daß eine weitere Erhöhung der Substratdicke oder das Hinzufügen (von außen) von weiteren Schichten die Eigenschaften der GBAW nicht beeinflussen kann. Die Dicke des ersten bzw. des zweiten Substrats ist vorzugsweise jeweils zwischen 2λ und 5λ gewählt.

Die Gesamtdicke des Schichtsystems beträgt vorzugsweise zwischen λ und 2λ.

Das elektroakustische Bauelement gemäß Erfindung hat den Vorteil, daß es verglichen mit den bekannten Bauelementen kleine Abmessungen hat und in einem kostengünstigen DWB (Direct Wafer Bonding) Verfahren hergestellt werden kann, da auf die Verschaffung der Hohlräume oder akustischer Spiegel verzichtet werden kann. Dadurch, daß nur geringe Schichtdicken erforderlich sind, ist der Zeitbedarf zum Abscheiden solcher Schichten entsprechend gering.

Da die durch die GBAW hervorgerufene Auslenkung des Materials im jeweiligen Substrat aufgrund einer verhältnismäßig groß gewählten Dicke der Substrate im Substratvolumen nach außen hin abklingt, kann auf ein Gehäuse im herkömmlichen Sinne verzichtet werden.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die auf einer piezoelektrischen Schicht angeordneten Elektrodenstrukturen (Elektrodenfinger, die an einer gemeinsamen Stromschiene angeschlossen sind) – vorzugsweise auf einem periodischen Raster oder in einer der Abstrahlung der akustischen Welle bevorzugt in eine Richtung dienenden Anordnung – anzuordnen, damit im darunterliegenden Volumen (aktiven Bereich) der piezoelektrischen Schicht eine geführte Volumenwelle (GBAW) erzeugt bzw. in lateraler Richtung geführt werden kann, die sich bevorzugt senkrecht zu den Elektrodenfingern ausbreitet. GBAW stellt im Grunde eine geführte laterale Mode einer akustischen Volumenwelle (BAW = Bulk Acoustic Wave) dar und unterscheidet sich von einer BAW insofern, als sie sich in eine durch die Elektrodenstruktur vorgegebene laterale Richtung ausbreitet, in der eine konstruktive Überlagerung lokal angeregter Wellenkomponenten stattfindet. GBAW unterscheidet sich von einer SAW (Surface Acoustic Wave) insofern, als sie keine Oberflächenwelle, sondern eine sich entlang der Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht ausbreitende Volumenwelle ist. Die periodische Elektrodenstruktur dient dabei zur Führung der Volumenwelle.

Aus der Druckschrift von Furukawa et al, IEICE Transactions, Vol. E 74, No. 8, 1991, SS. 2184–2187 kann man darauf schließen, daß beim Aufbau eines entsprechenden Bauelements die außen liegenden Glasschichten eine (zum Abklingen der angeregten Welle im Volumen der Glasschichten ausreichende) Mindestdicke haben müssen, die für ein HF-Bauelement, das z. B. für 1 oder 2 GHz ausgelegt ist, mindestens 10 μm beträgt.

Da die Glasschichten an die piezoelektrische Schicht grenzen und da in diesen Schichten ein beträchtlicher Teil der Energie der akustischen Welle (insgesamt bis zu 50%) konzentriert ist, werden die akustischen Eigenschaften des gesamten Schichtsystems durch die Zusammensetzung und die Qualität der Glasschichten stark beeinflußt. Daher müssen (insbesondere im Hinblick auf Massenfertigung der Bauelemente und auch weil nachträgliches Trimmen des Bauelements aus unten genannten Gründen erschwert ist) die beiden Glasschichten in hohen Maße reproduzierbar sein, was im Prinzip durch eine niedrige Abscheidegeschwindigkeit in einem Abscheideverfahren – jedoch bei einem entsprechend hohen Zeitaufwand – erzielt werden kann.

Dabei ist unklar, wie man einen Schichtstapel, der zwei Schichten erforderlicher Qualität mit einer Dicke z. B. im Bereich zwischen 10 und 100 μm und eine hochtexturierte piezoelektrische Schicht enthält, in einem kostengünstigen Verfahren erzeugen kann.

Das Herstellungsverfahren des o. g. elektroakustischen Bauelements mittels Direct Wafer Bonding bildet einen zweiten Aspekt der Erfindung.

Zunächst wird ein erster Wafer bereitgestellt, der ein erstes Substrat (Trägersubstrat) darstellt. Auf das erste Substrat wird ein Schichtsystem aufgetragen wird. Zum Aufbau des Schichtsystems wird auf dem ersten Substrat in der entsprechenden Reihenfolge eine piezoelektrische Schicht, eine Metallschicht und eine dielektrische Schicht aufgetragen, wobei die nach oben weisende freiliegende Oberfläche der dielektrischen Schicht z. B. mittels Chemical Mechanical Polishing planarisiert wird, so daß eine Planarisierungsschicht gebildet wird. Ein zweiter Wafer wird bereitgestellt, der ein zweites Substrat umfaßt. Der erste und der zweite Wafer werden nun durch ein Direct Wafer Bonding Verfahren (vorzugsweise in einem „kalten" Verfahren, d. h. < 100°C) miteinander verbunden.

Die dielektrische Schicht (z. B. aus Siliziumoxid) wird vorzugsweise bei niedrigen Temperaturen (z. B. bei Raumtemperatur) abgeschieden.

Die periodisch angeordneten Elektrodenstrukturen sind vorzugsweise an einer gemeinsamen Stromschiene angeschlossen und bilden eine kammartige Elektrode. Die Elektrodenstrukturen einer Elektrode und die Elektrodenstrukturen einer weiteren Elektrode können ineinander greifen, so daß die auf verschiedenen Potentialen liegenden Elektrodenstrukturen abwechselnd angeordnet sind. Zwei ineinander greifenden Elektroden bilden z. B. einen elektroakustischen Wandler. Mehrere nebeneinander angeordnete Finger, die auf dem gleichen Potential liegen, können einen Reflektor bilden.

Der Wandler kann in Wellenausbreitungsrichtung in mehrere Bereiche aufgeteilt sein, wobei mehrere nebeneinander angeordnete Elektrodenstrukturen z. B. Anregungszellen oder Reflexionszellen bilden.

Der Mittenabstand nebeneinander angeordneter und auf unterschiedlichem Potential liegender Finger, die für die akustische Welle anregend wirken, beträgt vorzugsweise eine halbe Wellenlänge, wobei die Finger vorzugsweise eine Breite von einer Viertelwellenlänge haben. In einer Reflexionszelle können die Finger eine davon abweichende Breite bzw. Mittenabstand aufweisen.

Die Anregungszellen und die Reflexionszellen können abwechselnd angeordnet sein, wobei durch eine entsprechende an sich bekannte Anordnung der Zellen die Abstrahlung der geführten Volumenwelle in eine bevorzugte Richtung erzielt werden kann.

Die piezoelektrische Schicht kann die Eigenschaften eines NSPUDT-Substrats (NSPUDT = Natural Single Phase Uni-Directional Transducer) aufweisen, wobei die Abstrahlung der geführten Volumenwelle in eine bevorzugte Richtung durch natürliche Eigenschaften des piezoelektrischen Substrats erzielt wird.

Die Effizienz der elektroakustischen Wandlung in einem elektroakustischen Bauelement hängt von der elektroakustischen Kopplung ab, die wiederum von der Ausrichtung der piezoelektrischen Achse zur Anregungsrichtung abhängt. Die maximale elektroakustische Kopplung wird erreicht, wenn die Anregung der akustischen Welle entlang der piezoelektrischen Achse erfolgt. Die piezoelektrische Achse der piezoelektrischen Schicht ist in der Regel senkrecht zur lateralen Ebene gerichtet. Daher wird in einer Variante der Erfindung vorgeschlagen, zwischen dem ersten Substrat und der piezoelektrischen Schicht eine zweite Metallschicht anzuordnen, in der zumindest eine Elektrode zur Anregung der geführten akustischen Welle in vertikaler Richtung ausgebildet ist. Die Elektrode der zweiten Metallschicht liegt in vertikaler Richtung den Elektrodenstrukturen der ersten Metallschicht gegenüber, ist unter dem entsprechenden aktiven Bereich angeordnet und vorzugsweise durchgehend ausgebildet. Die GBAW wird vertikal zwischen den Elektrodenstrukturen der ersten und der Elektrode der zweiten Metallschicht angeregt und breitet sich lateral aus.

Möglich ist es aber auch, die Elektrode der zweiten Metallschicht zu strukturieren, wobei Elektrodenstrukturen (Elektrodenfinger) ausgebildet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, auf die Strukturierung der zweiten Metallschicht zu verzichten, so daß die Elektrode der zweiten Metallschicht sowohl unter dem aktiven Bereich oder den aktiven Bereichen als auch unter den Zuleitungen und Kontaktflächen des Bauelements angeordnet ist. Dabei sollte allerdings beachtet werden, daß keine unerwünschte Anregung der akustischen Wellen zwischen den Kontaktflächen der ersten Metallschicht und ihnen gegenüberliegenden Bereichen der zweiten Metallschicht zustande kommt.

Die unerwünschte Anregung einer akustischen Welle (insbesondere unterhalb der Kontaktflächen und Zuleitungen des Bauelements, die relativ großflächig sind und daher parasitären kapazitiven Kopplungen mit leitenden oder halbleitenden Strukturen der Umgebung unterliegen) kann man z. B. dadurch beseitigen, daß die Struktur bzw. Textur der piezoelektrischen Schicht in den entsprechenden Bereichen so geändert wird, daß die Ausbreitung akustischer Welle dort gehindert wird. Man kann z. B. die Schicht, die beim Aufwachsen der piezoelektrischen Schicht als Unterlage dient, in den entsprechenden Bereichen aufrauhen. Dies verhindert beim Aufwachsen der piezoelektrischen Schicht die Bildung einer monokristallinen Struktur mit der vorgegebenen Ausrichtung der piezoelektrischen Achse. Es werden vielmehr in solchen Bereichen piezoelektrische Polykristalle gebildet, deren piezoelektrische Achsen insgesamt keine Vorzugsrichtung aufweisen, weswegen die piezoelektrische Kopplung zerstört wird.

Es ist beispielsweise möglich, die zweite Metallschicht außerhalb aktiver Bereiche (insbesondere unterhalb der Kontaktflächen und der Zuleitungen) so zu strukturieren, daß die dabei erzeugten Strukturen zufällig verteilt und/oder wesentlich kleiner sind als die Wellenlänge der akustischen Welle.

Es besteht die Möglichkeit, von außen zugängliche Kontaktflächen auch in der zweiten Metallschicht auszubilden.

Zwischen dem ersten Substrat und der piezoelektrischen Schicht kann eine erste funktionale Zwischenschicht angeordnet sein. Zwischen dem zweiten Substrat und der Planarisierungsschicht kann eine zweite funktionale Zwischenschicht angeordnet sein. Die beiden Zwischenschichten bilden dann die außenliegenden Schichten des Schichtsystems und können jeweils dazu benutzt werden, den Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten des jeweiligen Substrats und der nächstliegenden Schicht des Schichtsystems auszugleichen.

Die erste und/oder zweite Zwischenschicht kann aus SiO_x mit 1,9 ≤ x ≤ 2,1 bestehen, die vorzugsweise einen Brechungsindex zwischen 1,43 und 1,49 (dieser Bereich ist für eine hochtexturierte Siliziumoxid-Schicht charakteristisch) aufweist. Ein so texturiertes Siliziumoxid weist nach dem Ausheilen des Bauelements geringe intrinsische Spannungen und daher eine geringe Dämpfung der akustischen Welle sowie (hinsichtlich der Ausbreitungsgeschwindigkeit der BAW) günstige elastische Eigenschaften auf. Siliziumoxid hat darüber hinaus den Vorteil, daß es – im Gegensatz zu den meisten anderen Materialien – einen negativen Temperaturkoeffizienten (TCF) aufweist und im Verbund mit einer Schicht aus einem Material mit einem TCF > 0 (hier piezoelektrische Schicht) einen geringen TCF (z. B. < 25 ppm/K) des Verbunds (d. h. des Schichtsystems) gewährleistet.

Es ist vorteilhaft, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit der GBAW in der jeweiligen Zwischenschicht kleiner ist in dem (ersten bzw. zweiten) Substrat, das an diese Zwischenschicht grenzt. Zur Erhöhung der elektroakustischen Kopplung im Schichtsystem ist es von Vorteil, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit der GBAW in der jeweiligen Zwischenschicht größer ist als diejenige in der piezoelektrischen Schicht.

Die Planarisierungsschicht kann auch aus Siliziumoxid bzw. SiO_x mit eben dargelegten Eigenschaften bestehen.

Das erste und/oder das zweite Substrat kann z. B. aus einem Material, ausgewählt aus Glas, Halbleiter (z. B. Si) oder Piezoelektrikum, bestehen.

Das Schichtsystem kann eine zu dem jeweiligen Substrat hin gewandte funktionale Zwischenschicht aufweisen, die aus einem magnetisch abstimmbaren Material (z. B. Material, das den Giant-Delta-E Effekt aufweist) gewählt ist. Falls das mit dieser Schicht direkt verbundene Substrat piezoelektrische Eigenschaften hat, kann es zur Einbringung eines akustischen Stresses im Schichtsystem benutzt werden und so die Frequenz des Bauelements verändern.

Die dielektrische Schicht (die später die Planarisierungsschicht bildet) und die Zwischenschichten können z. B. mittel CVD- oder PVD-Verfahren erzeugt werden (CVD = Chemical Vapor Deposition, PVD = Physical Vapor Deposition).

Die erste und/oder die zweite Metallschicht besteht im Wesentlichen aus Al, Cu, Mo, Ti, W, Ta, Cr oder einer Legierung, die diese Komponenten enthält. Möglich ist es auch, daß die Metallschichten jeweils aus mehreren Schichten bestehen, wobei zumindest eine der Schichten aus einem der genannten Materialien besteht. Die Metallschichten können jeweils an eine als Passivierungsschicht ausgebildete funktionale Zwischenschicht (z. B. eine Oxid- oder Metalloxid-Schicht) grenzen. Die Passivierungsschicht kann großflächig ausgebildet sein oder nur die Strukturen der jeweiligen Metallschicht zumindest teilweise umschließen.

Es ist grundsätzlich möglich, daß die hier genannten Schichten des Schichtsystems jeweils einen Vielschichtaufbau aus geeigneten Materialien aufweisen.

Eine Weiterbildung der Erfindung schlägt vor, das elektroakustische Bauelement so auszubilden, daß die Eigenschaften (insbesondere Textur) zumindest einer der Schichten des Schichtsystems durch das erste oder zweite Substrat hindurch geändert werden können. Die Schichten des Schichtsystems können z. B. bei einer geeigneten Materialauswahl des ersten oder des zweiten Substrats für einen Laserstrahl von außen zugänglich sein (wenn das entsprechende Substrat z. B. im optischen Bereich durchsichtig ist). Der Laserstrahl kann z. B. durch das Substrat hindurch eine Oxidation oder (bei Schichten aus Kunststoff) Vernetzung einer der innen liegenden Schicht auslösen. Dabei können insbesondere zur Führung der GBAW relevante elastische Parameter des betroffenen Materials verändert werden.

Die Wellenlänge der in einem erfindungsgemäßen Wandler ausbreitungsfähigen GBAW wird einerseits wie bei einer SAW durch die Periodizität der Elektrodenfinger und andererseits wie bei einer BAW durch die Dicke der piezoelektrischen Schicht bestimmt.

Bei herkömmlichen elektroakustischen Bauelementen mit Hohlräumen über den akustisch aktiven Bauelementstrukturen kann die Fertigungstoleranz und die damit verbundene Frequenzverschiebung des Bauelements durch Trimmen korrigiert werden, wobei z. B. die Dicke einer als Trimmschicht vorgesehenen Schicht entsprechend verändert wird. Ein solches Trimmen ist in einem Bauelement ohne die Hohlräume (z. B. nach dem Verbinden zweier Wafer bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelements) allerdings nicht möglich, da der für die Ausbreitung der GBAW relevante Schichtbereich zwischen den Substraten „vergraben" und daher dem äußeren Zugriff entzogen ist, was von der Erfindung aus oben schon dargelegten Gründen angestrebt wird.

Aufgrund der relativ geringen Dicke der piezoelektrischen Schicht, die in der Größenordnung einer Wellenlänge liegt, ist die relative Fertigungstoleranz dieser Schichtdicke vergleichsweise groß. Auf der anderen Seite ist bei einer besonders geringen Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht auch bei geringen Variationen der Schichtdicke eine große Dispersion (Frequenzabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der GBAW) und daher eine entsprechend große fertigungsbedingte Frequenzungenauigkeit des Bauelements zu erwarten.

Zum Ausgleich der o. g. Fertigungstoleranz wird in einer Variante der Erfindung vorgeschlagen, bestimmte Bereiche des Schichtsystems (Trimmbereiche) freizulegen, um insbesondere das Trimmen des Bauelements nach dem Verbinden aller Komponenten (1. Substrat, Schichtsystem, 2. Substrat) zu ermöglichen. Man kann z. B. zwischen einem Reflektor und dem Wandler (ersten Wandler) einen weiteren, elektrisch mit einer Trimmstruktur verschalteten Wandler (zweiten Wandler) anordnen. Die Trimmstruktur, die von dem eben beschriebenen Aufbau (Wandler – weiterer Wandler – Reflektor) beabstandet ist, ist vorzugsweise als ein Wandler ausgebildet und stellt eine Kapazität bzw. für den zweiten Wandler eine Last dar, welche über den mit ihr verschalteten Wandler kapazitiv an den ersten Wandler gekoppelt ist. Die Kapazität bzw. die Lastimpedanz der Trimmstruktur ist entsprechend der Anzahl ihrer ineinander greifenden Elektrodenfinger groß.

Durch die Veränderung der Lastimpedanz des Wandlers der Trimmstruktur (z. B. durch Abtrennen einer Anzahl von Elektrodenfingern der Trimmstruktur mittels Laser) können die Reflexionseigenschaften des Gesamtaufbaus und dadurch die Frequenz der GBAW beeinflußt werden.

Das Trimmen des Bauelements erfolgt auf der Wafer-Ebene (d. h. vor dem Zersägen der Basisplatte bzw. dem Vereinzeln der Bauelemente) und kann nach dem Planarisieren der dielektrischen Schicht oder nach dem Verbinden zweier Wafer zu einer großflächigen Basisplatte durchgeführt werden.

Die Trimmstruktur wird nach dem Trimmen vorzugsweise hermetisch versiegelt, um den Umwelteinflüssen bzw. einer weiteren Veränderung der Trimmstruktur vorzubeugen, indem zumindest auf den Trimmbereich (oder auch auf die gesamte freiliegende Oberfläche des Bauelements mit Ausnahme der als Außenkontakte vorgesehenen Bereiche) eine Versiegelungsschicht aufgebracht wird.

Im Prinzip lassen sich durch das Trimmen nicht nur elektrische, sondern auch (elektro)akustische Eigenschaften des Bauelements durch die Modifikation der innen liegenden Schichten verändern Solche Modifikation werden vorzugsweise bei den Schichten vorgenommen, in denen ein wesentlicher Anteil der Energie der GBAW konzentriert ist, also in den Schichten des Schichtsystems.

Die Außenkontakte des Bauelements sind vorzugsweise auf der freiliegenden Oberfläche des ersten und/oder des zweiten Substrats ausgebildet. Die Außenkontakte sind mit den Kontaktflächen z. B. über Durchkontaktierungen durch jeweils das erste und/oder das zweite Substrat hindurch elektrisch leitend verbunden.

Die Durchkontaktierungen stellen vorzugsweise metallisierte Öffnungen im entsprechenden Substrat dar. Diese Öffnungen werden vorzugsweise nach dem Verbinden des ersten und des zweiten Wafers ausgebildet und anschließend metallisiert.

Die Bereitstellung der Außenkontakte an Oberseite oder Unterseite des Bauelements (was bei elektroakustischen Bauelementen mit Hohlräumen schwierig und wegen beträchtlicher Höhe eines solchen Bauelements wenig sinnvoll erscheint) hat den Vorteil, daß ein modularer Aufbau mehrerer Bauelemente auch übereinander möglich ist.

Zumindest eine der im ersten Substrat ausgebildeten Durchkontaktierungen kann über die entsprechende Kontaktfläche an zumindest eine der im zweiten Substrat ausgebildeten Durchkontaktierungen angeschlossen sein.

In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, zumindest zwei der Durchkontaktierungen im jeweiligen Substrat im Querschnitt senkrecht zur Substratebene V-förmig auszubilden, wobei die entsprechenden Kontaktflächen durchgeschnitten werden. Die V-förmige Durchkontaktierung endet vorzugsweise über bzw. unter der Grenzfläche des jeweils anderen Substrats und stellt ein Hindernis für die Ausbreitung der GBAW dar, was zur Entkopplung zweier verschiedenen Funktionsbereiche des Bauelements (z. B. Sendefilter und Empfangsfilter eines Duplexers) genutzt werden kann.

Im Prinzip können beliebige elektrisch miteinander verbundene, zumindest teilweise in der ersten Metallschicht ausgebildete Funktionsschaltkreise des Bauelements, die jeweils in einer Funktionszone ausgebildet sind, durch eine durchgehende V-förmige Durchkontaktierung in lateraler Ebene voneinander akustisch und/oder elektrisch abgeschirmt sein. Dabei ist die V-förmige Durchkontaktierungen elektrisch mit der großflächigen Metallschicht und mit Masse verbunden und trennt im Bereich des Schichtsystems die genannten Funktionszonen voneinander, jedoch ohne durch die beiden Substrate gänzlich zu durchschneiden.

In einer Variante der Erfindung kann entweder die Oberseite des zweiten Substrats oder die Unterseite des ersten Substrats durch eine großflächige Metallschicht metallisiert sein, welche durch die V-förmigen Durchkontaktierungen mit den dafür vorgesehenen Kontaktflächen (bzw. Masse) elektrisch verbunden ist.

Beispielsweise kann die großflächige Metallschicht auf der Oberseite des zweiten Substrats angeordnet sein, wobei die Außenkontakte im ersten Substrat und die mit der großflächigen Metallschicht elektrisch verbundenen V-förmigen Durchkontaktierungen im zweiten Substrat ausgebildet sind.

Alternativ kann die großflächige Metallschicht auf der Unterseite des ersten Substrats angeordnet sein, wobei die Außenkontakte im zweiten Substrat und die mit der großflächigen Metallschicht elektrisch verbundenen V-förmigen Durchkontaktierungen im ersten Substrat ausgebildet sind.

Die V-förmigen Durchkontaktierungen werden durch V-förmiges Ansägen des Gesamtschichtaufbaus und anschließendes Metallisieren der dabei gebildeten Einschnitte erzeugt.

Die V-förmigen Durchkontaktierungen können auch zur Vereinzelung der in dem Verbund, der durch die Verbindung des ersten und des zweiten Wafers entsteht, ausgebildeten Bauelemente und deren Abdichtung dienen. Die Bauelemente können z. B. durch Sägen entlang von V-förmigen Durchkontaktierungen vereinzelt werden.

In diesem Fall sind die V-förmigen Durchkontaktierungen entlang der Sägelinien vorzugsweise durchgehend ausgebildet, so daß die darin aufgebrachte Metallisierung eine hermetische Abdichtung des Bauelements gewährleistet.

In einer vorteilhaften Variante der Erfindung kann zumindest eines der Substrate eine Halbleiterschicht (insbesondere eine Si-Schicht) umfassen, in deren Volumen integrierte Bauelement-Strukturen ausgebildet sind, welche durch die Durchkontaktierungen oder weitere vertikale elektrische Verbindungen elektrisch mit den Kontaktflächen und/oder den Außenkontakten des Bauelements verbunden sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen
1 den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Bauelements im schematisch Querschnitt
2 eine Weiterbildung der Erfindung mit zwei Metallschichten und funktionalen Zwischenschichten im schematischen Querschnitt
3a, 3b jeweils eine beispielhafte Anordnung der Elektrodenstrukturen der ersten und der zweiten Metallschicht des Bauelements gemäß 2 in schematischer Draufsicht
4 ausschnittsweise im schematischen Querschnitt das Schichtsystem mit teilweise aufgerauhten unter den Kontaktflächen angeordneten Bereichen der direkt unter der piezoelektrischen Schicht liegenden Zwischenschicht
5 ausschnittsweise im schematischen Querschnitt (oben) und in schematischer Draufsicht von oben (unten) das Schichtsystem, wobei die unter den Kontaktflächen angeordneten Bereiche der zweiten Metallschicht zur Erhöhung der Rauhigkeit der Grenzfläche zur piezoelektrischen Schicht strukturiert sind
6 ausschnittsweise im schematischen Querschnitt ein elektroakustisches Bauelement gemäß Erfindung mit im zweiten Substrat ausgebildeten Durchkontaktierungen und V-förmigen Durchkontaktierungen
7 ausschnittsweise im schematischen Querschnitt einen Wafer mit mehreren noch nicht vereinzelten elektroakustischen Bauelementen gemäß Erfindung, wobei die Durchkontaktierungen und die V-förmigen Durchkontaktierungen in jeweils unterschiedlichen Substraten ausgebildet sind
8 im schematischen Querschnitt ein weiteres Bauelement gemäß Erfindung mit einer strukturierten zweiten Metallschicht
9 im schematischen Querschnitt ein weiteres Bauelement gemäß Erfindung mit einer durchgehenden, mit der Rückseitenmetallisierung verbundenen zweiten Metallschicht
10 ausschnittsweise im schematischen Querschnitt ein weiteres Bauelement gemäß Erfindung mit in beiden Substraten vorgesehenen Durchkontaktierungen bzw. auf der Oberseite und der Unterseite des Bauelements vorgesehenen Außenkontakten
11 ausschnittsweise im schematischen Querschnitt ein weiteres Bauelement gemäß Erfindung mit einer magnetisch abstimmbaren Schicht
12a in schematischer Draufsicht einen Wandler, der in einem Bauelement gemäß Erfindung verwendet wird und kapazitiv mit Trimmstrukturen verkoppelt ist
12b im schematischen Querschnitt ein Bauelement gemäß Erfindung mit den Trimmstrukturen gemäß 12a
13 im schematischen Querschnitt ein weiteres Bauelement mit zwei durch eine V-förmige, mit Masse verbundene Durchkontaktierung voneinander abgeschirmten Funktionsbereichen
1 zeigt eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Bauelements im schematischen Querschnitt. Das Bauelement umfaßt ein erstes Substrat S1, ein zweites Substrat S2 und ein dazwischen angeordnetes Schichtsystem SS. Das Schichtsystem SS umfaßt eine piezoelektrische Schicht PS, eine darauf angeordnete erste Metallschicht MS1 und eine über der ersten Metallschicht angeordnete dielektrische Schicht, die eine Planarisierungsschicht DS bildet. In der Metallschicht MS1 sind Kontaktflächen KF und Elektrodenstrukturen E11 und E12 ausgebildet, die jeweils z. B. Elektrodenfinger einer ersten und einer zweiten Elektrode E1 bzw. E1' (gemäß 3b) darstellen.
Die piezoelektrische Schicht ist vorzugsweise aus ZnO oder AlN ausgebildet.
Das erste und das zweite Substrat sind vorzugsweise aus Silizium ausgebildet. Die Substrate können auch z. B. aus Glas, SiO₂, ZnO, LiNbO₃, LiTaO₃ bestehen bzw. zumindest eine Schicht aus den hier genannten Materialien umfassen.
Die Planarisierungsschicht DS besteht vorzugsweise aus Siliziumoxid. Die Kontaktflächen KF dienen zur Kontaktierung des Bauelements.
Das Schichtsystem und die beiden Substrate bilden einen akustischen Wellenleiter, in dem die GBAW anregbar und ausbreitungsfähig ist.
Die vorzugsweise periodisch und abwechselnd angeordneten Elektrodenstrukturen E11, E12 bilden z. B. einen elektroakustischen Wandler oder Reflektor. Die geführte akustische Volumenwelle wird zwischen den Elektrodenstrukturen E11 und E12, die auf verschiedenen Potentialen liegen, angeregt. Die geführte akustische Volumenwelle breitet sich in der lateralen Ebene in einem Bereich der piezoelektrischen Schicht aus, der als aktiver Bereich AB bezeichnet wird. Dieser Bereich ist in der 1 schraffiert dargestellt.
Die Dicke des ersten und des zweiten Substrates ist vorzugsweise so gewählt, daß die im jeweiligen Substrat durch die GBAW hervorgerufene Auslenkung der Atome vom Schichtsystem aus nach außen (zur freien Oberfläche des Substrats) hin ausreichend abklingt. Das Abklingen der GBAW zu freien Oberflächen des Bauelements hin hat den Vorteil, daß die elektroakustischen Eigenschaften des akustischen Wellenleiters durch die Änderungen in der Umgebung, insbesondere das Auftragen weiterer Schichten (z. B. einer Abschirmschicht oder eines Vergusses), nicht beeinflußt werden.
Das Bauelement kann in einem DWB-Verfahren durch Verbinden eines ersten Wafers W1 mit einem zweiten Wafer W2 hergestellt werden, wobei das erste Substrat S1 zusammen mit dem Schichtsystem SS den ersten Wafer W1 bzw. das zweite Substrat S2 den zweiten Wafer W2 bildet. Pro Wafer sind dabei mehrere Bauelemente vorgesehen, die in einem späteren Verfahrensschritt voneinander vereinzelt werden.
Bei einem herkömmlichen Abscheideverfahren werden alle Schichten des Bauelements aufeinander abgeschieden, wobei die Qualität der unterlegenden Schicht auch die Qualität der nachfolgenden Schicht bestimmt.
Das DWB-Verfahren zur Verbindung zweier Wafer hat demgegenüber den Vorteil, daß sich im jeweiligen Wafer in hohem Maße reproduzierbare (einkristalline) Schichten bilden lassen.
Bei bisher bekannten DWB-Verfahren wurden Temperaturen über 100°C verwendet, wobei an der Grenzfläche zweier Wafer ggf. Gitterfehler (lattice mismatch strains) entstehen, welche die akustischen Eigenschaften des Wellenleiters (insbesondere im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit des Bauelements) beeinträchtigen können. In einer Variante eines erfindungsgemäßen DWB-Verfahrens können die Wafer auch bei niedrigen Temperaturen < 100°C (oder bei Raumtemperatur) gebondet werden.
Vor dem Verbinden der Wafer muß die dielektrische Schicht, die auf der ersten Metallschicht aufgetragen ist, planarisiert werden, wobei das Wafer auf dieser Seite gedünnt wird. Die Schichtdicke der Planarisierungsschicht kann unter diesen Umständen nicht besonders genau eingestellt werden und läßt sich nach dem Verbinden der Wafer (z. B, zum Trimmen des Bauelements) nicht mehr verändern. Die Erfindung schlägt daher ein alternatives Trimmverfahren vor (siehe 12a, 12b).
2 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Bauelements. In dieser Variante enthält das Schichtsystem eine zweite (strukturierte) Metallschicht MS2, die zwischen der piezoelektrischen Schicht PS und einer ersten Zwischenschicht ZS1 angeordnet ist. Die erste Zwischenschicht ZS1 ist zwischen der zweiten Metallschicht MS2 und dem ersten Substrat S1 angeordnet.
Zwischen der Planarisierungsschicht DS und dem zweiten Substrat S2 ist eine zweite funktionale Zwischenschicht ZS2 angeordnet. In der zweiten Metallschicht MS2 sind Elektroden E21 und E22 ausgebildet, die jeweils den Elektrodenstrukturen E11 beziehungsweise E12 der ersten Metallschicht MS1 gegenüber liegen und unter diesen Elektrodenstrukturen (die zusammen z. B. einen Wandler bilden) durchgehend ausgebildet sind.
Der Bereich der piezoelektrischen Schicht PS, der zwischen den Elektrodenstrukturen E11 und der Elektrode E21 liegt, bildet einen ersten aktiven Bereich AB1 (z. B. den aktiven Bereich eines ersten Wandlers), in dem die geführte akustische Volumenwelle ausbreitungsfähig ist. Analog bilden die Elektrodenstrukturen E12 und die ihnen gegenüberliegende Elektrode E22 zusammen mit dem entsprechenden Bereich der piezoelektrischen Schicht PS einen zweiten aktiven Bereich AB2 (z. B. den aktiven Bereich eines zweiten Wandlers).
Die erste und die zweite funktionalen Zwischenschichten ZS1 bzw. ZS2 sind vorzugsweise die außenliegenden Schichten des Schichtsystems SS. Die Zwischenschichten ZS1, ZS2 dienen beispielsweise zur Reduzierung des Temperaturkoeffizienten des gesamten Schichtsystems oder erfüllen eine andere Funktion. Die Zwischenschichten ZS1, ZS2 können jeweils einen Vielschichtaufbau aus verschiedenen funktionalen Teilschichten aufweisen.
Die elektrische Anregung der GBAW zwischen der Elektrode der ersten und der Elektrode der zweiten Metallschicht, also senkrecht zur Oberfläche der piezoelektrischen Schicht, hat den Vorteil, daß die GBAW entlang der piezoelektrischen Achse angeregt wird, die meist normal zur Schichtoberfläche gerichtet ist. Dabei kann durch die bessere elektroakustische Kopplung eine größere Bandbreite eines als Bandpaßfilter ausgebildeten Bauelements erreicht werden.
Die Erfindung erzielt eine hochtexturierte piezoelektrische Schicht in den aktiven Bereichen, die zur Ausbreitung der GBAW vorgesehen sind. Außerhalb aktiver Bereiche, insbesondere unterhalb relativ großflächig ausgebildeter Kontaktflächen und Zuleitungen, werden Strukturstörungen der piezoelektrischen Schicht erzielt. Die Strukturstörungen entstehen beim Aufwachsen einer Schicht auf einer rauhen Unterlage. In dem in 4 vorgestellten Ausführungsbeispiel dient als Wachstumsschicht für die piezoelektrische Schicht die erste funktionale Zwischenschicht ZS1. Die den Kontaktflächen KF gegenüberliegenden Bereiche der Zwischenschicht ZS1 sind angerauht.
Es ist vorgesehen, daß das erste oder das zweite Substrat zur Freilegung der Kontaktflächen z. B. durch Ätzen strukturiert werden kann. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, das jeweilige Substrat mit halbleitenden Eigenschaften so zustrukturieren, daß im Volumen des Substrats Halbleiter-Bauelementstrukturen ausgebildet werden (3D-Integration), die über die Durchkontaktierungen DK oder weitere vertikale elektrische Verbindungen mit den Kontaktflächen und elektroakustisch aktiven Bauelementstrukturen verbunden sind.
In 3a ist eine beispielhafte Anordnung der Elektrodenstrukturen E11 der ersten Metallschicht MS1 und der Elektrode E21 der zweiten Metallschicht MS2 in einem erfindungsgemäßen Bauelement gezeigt. Die Elektrodenstrukturen E11 sind an eine gemeinsame Stromschiene angeschlossen und bilden zusammen eine erste Elektrode E1 der ersten Metallschicht MS1. Die Elektrodenstrukturen E11 der Elektrode E1 liegen der Elektrode E21 der zweiten Metallschicht gegenüber. Die Elektrodenstrukturen E11 sind auf einem periodischen Raster angeordnet, dessen Periodizität zum Beispiel eine ganze Wellenlänge λ beträgt (wobei die Phasen der an jedem der Elektrodenfinger E11 lokal angeregten Wellenkomponenten übereinstimmen, so daß sich die Wellenkomponenten konstruktiv überlagern).
Die Elektrodenstrukturen E11 und die Elektrode E21 bilden zusammen mit der dazwischen angeordneten piezoelektrischen Schicht einen elektroakustischen Wandler. Wenn in der in 3a vorgestellten Anordnung die Periodizität der Elektrodenstrukturen λ/2 statt λ beträgt, wirkt die Anordnung für die GBAW reflektierend.
In 3b ist eine weitere mögliche Anordnung der Elektrodenstrukturen E11, E12 der ersten Metallschicht MS1 und der Elektrode E21 der zweiten Metallschicht MS2 in einem erfindungsgemäßen Bauelement gezeigt.
In diesem Ausführungsbeispiel sind in der ersten Metallschicht MS1 zwei Elektroden E1 und E1' ausgebildet, deren Elektrodenstrukturen beziehungsweise Fingerstrukturen ineinander greifen und vorzugsweise auf einem periodischen Raster abwechselnd angeordnet sind. Der Mittenabstand der Elektrodenfinger zweier Elektrodenstrukturen E11 beziehungsweise E12 beträgt λ/2. Die erste Elektrode E1 der ersten Metallschicht MS1 weist dabei Elektrodenstrukturen E11 auf. Die zweite Elektrode E1' der ersten Metallschicht MS1 weist Elektrodenstrukturen E12 auf. Die akustische Volumenwelle wird zwischen einerseits der Elektrode E21 der zweiten Metallschicht MS2 und andererseits den Elektrodenstrukturen E11, E12 der ersten Metallschicht MS1 angeregt, wobei die stärkste Anregung in den Bereichen zustande kommt, in welchen der Elektrodenfinger der ersten Metallschicht direkt der Elektrode der zweiten Metallschicht gegenüber liegt.
Die Elektrodenstrukturen der ersten und der zweiten Elektrode der ersten Metallschicht schaffen die Bedingungen für eine konstruktive Interferenz der lokal angeregten Wellenkomponenten in beide Vorzugsrichtungen (in der Figur nach links und nach rechts), senkrecht zu den Elektrodenfingern. Die Elektrodenstrukturen der ersten Metallschicht MS1 dienen also dazu, die Energie der angeregten lateralen Mode einer akustischen Volumenwelle hauptsächlich im aktiven Bereich zu halten.
Ein Wandler ist in dieser Variante der Erfindung durch die interdigital angeordneten Elektroden E1 und E1', die darunter liegende piezoelektrische Schicht PS und die zur Anregung der GBAW dienende Elektrode E21 der zweiten Metallschicht gebildet. Dabei dienen die einander gegenüberliegenden Elektroden der unterschiedlichen Metallschichten als Anregungselektroden und die Elektroden der ersten Metallschicht als Führungselektroden zur Führung von GBAW.
Ein erfindungsgemäßer Wandler oder Resonator kann in einer Signalleitung angeordnet oder parallel zu dieser (z. B. gegen Masse) geschaltet sein. Die Elektroden der zur gerichteten Führung der GBAW dienenden Elektrodenpaare der ersten Metallschicht MS1 (E1 und E1') können elektrisch mit zwei „heißen" Anschlüssen verbunden sein, während die ihnen gegenüber liegende Anregungselektrode E21 der zweiten Metallschicht MS2 an Masse angeschlossen ist. Möglich ist es auch, z. B. die Elektroden E1 an Masse und die Elektroden E1' und E21 jeweils an einen „heißen" Anschluß anzuschließen.
In 4 ist das Schichtsystem SS eines erfindungsgemäßen Bauelements gezeigt. In dieser Variante der Erfindung wird die piezoelektrische Schicht PS auf der ersten funktionalen Zwischenschicht ZS1 aufgewachsen, die beim Aufwachsen der piezoelektrischen Schicht als Unterlage dient. Die Bereiche der Oberfläche der ersten Zwischenschicht ZS1, welche den Kontaktflächen KF und Zuleitungen des Bauelements (z. B. Stromschienen der Elektroden) gegenüber liegen, sind aufgerauht, weswegen die Bildung einer hochtexturierten piezoelektrischen Schicht direkt über diesen Bereichen gehindert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform werden alle Bereiche der oberen Grenzfläche der ersten Zwischenschicht ZS1 aufgerauht, die nicht direkt unter dem aktiven Bereich AB angeordnet sind. Dabei wird eine hochtexturierte piezoelektrische Schicht PS ausschließlich in den aktiven Bereichen AB erzielt, so daß die Energie der geführten akustischen Volumenwelle hauptsächlich in diesem Bereich konzentriert ist.
Eine weitere Möglichkeit, eine hochtexturierte piezoelektrische Schicht nur in bestimmten, als aktive Bereiche vorgesehenen Bereichen zu erzeugen, ist in 5 vorgestellt. In dieser Variante der Erfindung dient die zweite Metallschicht MS2 als Unterlage beim Aufwachsen der piezoelektrischen Schicht PS. Die zweite Metallschicht MS2 ist in den Bereichen, die den Kontaktflächen KF oder Zuleitungen ZL direkt gegenüberliegen, derart strukturiert, daß das Aufwachsen einer geordneten piezoelektrischen Schicht mit einer Vorzugsrichtung der piezoelektrischen Achse durch die so gebildeten Unebenheiten der Unterlage gehindert wird. Der Vorteil einer derart aufgerauhten Unterlage liegt darin, daß die Rauhigkeitsstrukturen (photolithographisch) in demselben Verfahrensschritt wie die zweite Metallschicht MS2 erzeugt werden.
In 5 unten ist eine schematische Ansicht der zweiten Metallschicht MS2 von unten (durch die erste Zwischenschicht ZS1 hindurch) gezeigt. Gegenüber den Kontaktflächen KF der ersten Metallschicht MS1 sind vorzugsweise zufällig angeordnete unterbrochene Metallstrukturen US angeordnet (kleine Metallflächen, die jeweils miteinander nicht elektrisch verbunden sind). Solche Strukturen haben vorzugsweise Abmessungen, die deutlich unterhalb einer Wellenlänge sind. Die unterbrochenen Metallstrukturen US sind außerdem unterhalb der Zuleitung ZL und der Stromschienen der Elektroden E1 und E1' angeordnet.
Die großflächig ausgebildete Elektrode E21 der zweiten Metallschicht MS2 ist also vorzugsweise nur im Bereich eines Wandlers angeordnet, in welchem die auf verschiedenen Potentialen liegenden benachbarten Elektrodenfinger E11, E12 in Wellenausbreitungsrichtung einander gegenüber stehen (d. h. im aktiven Bereich). Dabei ist die statische Kapazität des Wandlers besonders gering.
6 zeigt ausschnittsweise im schematischen Querschnitt ein elektroakustisches Bauelement gemäß Erfindung mit den im zweiten Substrat S2 ausgebildeten Durchkontaktierungen DK und v-förmigen Durchkontaktierungen VDK. Die Durchkontaktierungen DK können im zweiten Substrat S2 beispielsweise durch Ätzen und anschließendes Metallisieren der dabei gebildeten Öffnung erzeugt werden. Die Durchkontaktierung DK stellt eine vertikale elektrische Verbindung zwischen einem Außenkontakt AK des Bauelements, der auf der Oberseite des zweiten Substrats S2 angeordnet ist, und der Kontaktfläche KF dar. Die V-förmige Durchkontaktierung VDK verbindet elektrisch leitend den Außenkontakt AK' und die entsprechende Kontaktfläche KF'.
Bei der Ausbildung der V-förmigen Durchkontaktierung VDK wird die Kontaktfläche KF' durch einen keilförmigen Schnitt durchgetrennt. Der keilförmige Schnitt wird metallisiert, wobei die elektrische Verbindung zwischen der Kontaktfläche KF' und dem Außenkontakt AK' entsteht. In der bevorzugten Ausführungsform schneidet die V-förmige Durchkontaktierung VDK das Schichtsystem SS komplett durch, wobei auch die Grenzfläche zum ersten Substrat S1 durchgeschnitten wird. Die so gebildete V-förmige Durchkontaktierung DK (die durch das erste Substrat und das Schichtsystem hindurch- und teilweise in das zweite Substrat hineingeht) gewährleistet auch nach der Vereinzelung des Bauelements (entlang der V-förmigen Durchkontaktierung) einen hermetischen Abschluß der seitlichen Außenkanten des Bauelements entlang der Sägelinien.
Eine V-förmige Durchkontaktierung kann auch als normale vertikale elektrische Verbindung zwischen einer Kontaktfläche und einem Außenkontakt oder zur elektroakustischen Entkopplung bzw. elektrischen Abschirmung zweier Bereiche des Bauelements voneinander dienen (s. 13).
In 7 ist ein großflächiger Verbund vorgestellt, der mehrere noch nicht vereinzelte Bauelemente umfaßt. Die Vereinzelung der Bauelemente erfolgt entlang von Sägelinien, die den V-förmigen Durchkontaktierungen VDK entsprechen. Die V-förmigen Durchkontaktierungen VDK sind dabei nicht als einzelne Löcher, sondern grabenförmig und langgestreckt ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Metallschicht MS2 mit den V-förmigen Durchkontaktierungen VDK elektrisch verbunden, welche wiederum elektrisch mit einer großflächigen Metallschicht RSM (Rückseitenmetallisierung) und z. B. Masse verbunden ist. Die großflächige Metallschicht RSM ist auf der freiliegenden Seite des ersten Substrats S1 aufgetragen. Die großflächige Metallschicht RSM und die Metallisierung der V-förmigen Durchkontaktierungen DK wird vorzugsweise im gleichen Verfahrensschritt z. B. durch Sputtern erzeugt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Metallschicht MS2 als eine nicht strukturierte Schicht ausgebildet. Die Außenkontakte AK des Bauelements sind in dieser Variante der Erfindung nur auf einer Seite des Bauelements vorgesehen.
In 8 ist ein entlang der v-förmigen Durchkontaktierungen VDK vereinzeltes Bauelement gezeigt. Die v-förmige Durchkontaktierung VDK1 ist über die Kontaktfläche KF1 mit der im zweiten Substrat S2 ausgebildeten Durchkontaktierung DK1 und weiter mit dem Außenkontakt AK1 elektrisch leitend verbunden. Der Außenkontakt AK1 ist dabei vorzugsweise ein Masseanschluß des Bauelements vorgesehen.
Die zweite Metallschicht MS2 ist gemäß 5 strukturiert. Die v-förmigen Durchkontaktierungen VDK, VDK1 sind elektrisch mit der großflächigen Metallschicht RSM (Rückseitenmetallisierung) verbunden, wobei die großflächige Metallschicht RSM in diesem Ausführungsbeispiel auf der Unterseite des ersten Substrats S1 angeordnet ist.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Bauelements mit den funktionalen Zwischenschichten ZS1 und ZS2. Die Durchkontaktierungen DK, DK1, die jeweils mit den Außenkontakten des Bauelements AK, AK1 elektrisch verbunden sind, sind in diesem Ausführungsbeispiel so ausgebildet, daß sie durch das zweite Substrat S2, die zweite Zwischenschicht ZS2 und die Planarisierungsschicht DS hindurch gehen und auf die jeweilige Kontaktfläche KF bzw. KF1 treffen. Die Außenkontakte des Bauelements AK, AK1 sind auf der freiliegenden Oberfläche des zweiten Substrats S2 ausgebildet. Die freiliegende Oberfläche des ersten Substrats S1 ist durch die großflächige Metallschicht RSM bedeckt, die mit den v-förmigen Durchkontaktierungen VDK, VDK1 elektrisch verbunden ist.
10 zeigt ausschnittsweise im schematischen Querschnitt ein weiteres erfindungsgemäßes Bauelement. In dieser Variante sind die Durchkontaktierungen DK, DK' sowohl im ersten Substrat S1 als auch im zweiten Substrat S2 ausgebildet. Dabei ist es möglich, daß die Kontaktflächen KF, KF' in nur einer der Metallschichten MS1 oder MS2 ausgebildet sind. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Kontaktflächen KF' in der ersten Metallschicht MS1 ausgebildet sind und die Kontaktflächen KF in der zweiten Metallschicht MS2.
Die Bereitstellung der Außenkontakte auf zwei gegenüber liegenden Oberflächen des Bauelements hat den Vorteil, daß ein solches Bauelement leicht als Teilmodul eines in vertikaler Richtung modular aufgebauten Bauteils integriert werden kann.
In der in 10 schematisch dargestellten Variante der Erfindung sind beide Metallschichten MS1 und MS2 strukturiert und weisen jeweils Elektroden und Kontaktflächen auf. Die zweite Metallschicht MS2 ist z. B. gemäß 5 strukturiert.
In einer Variante der Erfindung kann die erste funktionale Zwischenschicht eine (elektrisch oder magnetisch) abstimmbare Schicht umfassen, die eine Dicke hat, welche vorzugsweise den Wert von λ/2 nicht unterschreitet. Diese Schicht besteht vorzugsweise aus einem Material, das bei mechanischen Verspannungen einen Giant-Delta-E Effekt (d. h. große Änderungen des Elastizitätsmoduls E, die z. B. 5% übersteigen) aufweist. Da die abstimmbare Schicht vorzugsweise an die piezoelektrische Schicht PS grenzt, beeinflußt die Veränderung der elastischen Eigenschaften der Schicht auch die akustischen Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht PS bzw. die Ausbreitungsgeschwindigkeit der im Schichtsystem SS geführten Volumenwelle (und daher die Frequenzlage des Bauelements).
Die mechanischen Verspannungen können in der abstimmbaren Schicht, die über magnetostriktive Eigenschaften verfügt, durch ein äußeres Magnetfeld hervorgerufen werden.
Eine weitere Möglichkeit, die Verspannungen in der abstimmbaren Schicht GDE zu erzeugen, besteht darin, diese Schicht mechanisch mit einer piezoelektrischen Steuerschicht zu verkoppeln bzw. fest zu verbinden, die im Gegensatz zu der piezoelektrischen Schicht PS nicht zur Führung der GBAW, sondern hauptsächlich zum Einbringen eines mechanischen Stresses in die abstimmbare Schicht dient. Der mechanische Streß kann in der piezoelektrischen Steuerschicht durch Anlegen einer Steuerspannung verursacht werden. Die elektrisch leitfähige abstimmbare Schicht GDE kann z. B. in dem in 11 schematisch gezeigten Bauelement als eine erste Elektrode und die großflächige Metallschicht RSM als eine zweite Elektrode dienen, an welche die Steuerspannung U zur elektrischen Ansteuerung der piezoelektrischen Steuerschicht angelegt wird.
Der Elastizitätsmodul E der abstimmbaren Schicht GDE ist (z. B. unter Einwirkung äußeres Magnetfeldes oder einer mechanischen Verspannung) in hohem Maße veränderbar. Die Schicht GDE ist elektrisch einerseits mit einer v-förmigen Durchkontaktierung VDK und über diese Durchkontaktierung und die Kontaktfläche KF und die Durchkontaktierung DK2 mit dem Außenkontakt AK2 des Bauelement verbunden. Die großflächige Metallschicht RSM ist auf der freiliegenden Oberfläche des ersten Substrats S1 angeordnet und elektrisch mit der v-förmigen Durchkontaktierung VDK1 und weiter über die daran angeschlossene Kontaktfläche KF1 bzw. Durchkontaktierung DK1 mit dem Außenkontakt AK1 verbunden. Da die abstimmbare Schicht GDE meist aus einem elektrisch leitenden Material besteht, kann auf die Ausbildung der zweiten Metallschicht MS2 verzichtet werden, wobei die abstimmbare Schicht GDE selbst als eine Elektrode der zweiten Metallschicht dient.
In dieser Variante der Erfindung besteht das Substrat S1 vorzugsweise aus einem piezoelektrischen Material und bildet die piezoelektrische Steuerschicht. Möglich ist es auch, die piezoelektrische Steuerschicht als Bestandteil der ersten Zwischenschicht ZS1 auszubilden und die piezoelektrische Steuerschicht dabei zwischen der abstimmbaren Schicht GDE und dem ersten Substrat S1 anzuordnen.
Zwischen den Außenkontakten AK1 und AK2 wird zur Abstimmung der Frequenz des Bauelements eine elektrische Steuerspannung U von außen angelegt. Die Steuerspannung U erzeugt ein elektrisches Feld zwischen den einander gegenüberliegenden Bereichen der großflächigen Metallschicht RSM und der leitfähigen abstimmbaren Schicht GDE. Das elektrische Feld ruft in dem dazwischen liegenden Volumen der piezoelektrischen Steuerschicht (die in 11 mit dem ersten Substrat S1 übereinstimmt) Dehnungen und Stauchungen des Materials hervor und dient daher zur mechanischen Ansteuerung des Elastizitätsmoduls der abstimmbaren Schicht GDE.
Die Dicke der piezoelektrischen Steuerschicht ist (wegen optimaler Übertragung der mechanischen Verspannung auf die abstimmbare Schicht GDE) vorzugsweise gleich groß oder größer als die Dicke der abstimmbaren Schicht GDE.
Die jeweilige funktionale Zwischenschicht ZS1, ZS2 kann mehrere Funktionsschichten umfassen, die im Bauelement jeweils eine oder mehrere Funktionen erfüllen.
12a zeigt in schematischer Ansicht von oben einen elektroakustischen Resonator RE, der in einem erfindungsgemäßen Bauelement verwendet werden kann. Der Resonator umfaßt einen Wandler WA, endständige Reflektoren RF1' und RF2' und im akustischen Pfad zwischen dem Wandler und dem jeweiligen endständigen Reflektor angeordnete Hilfsstrukturen RF1 und RF2, die als Wandler ausgebildet und elektrisch mit Trimmstrukturen TR bzw. TR2 verbunden sind. Die als Interdigitalwandler ausgebildeten Trimmstrukturen TR, TR2 wirken jeweils als eine Trimmkapazität, wobei durch die interdigitale Fingeranordnung ein hoher Kapazitätswert erreichbar ist.
Die in dieser Figur dargestellte Anordnung ist auf der piezoelektrischen Schicht PS aufgebracht. Die geführte akustische Volumenwelle wird im Wandler WA zwischen den Elektroden E1 und E1' angeregt. Der Wandler WA ist zwischen einem zweiten Wandler RF1 und einem dritten Wandler RF2 angeordnet. Die so gebildete Bauelementstruktur ist beidseitig durch die Reflektoren RF1', RF2' umgeben. Der zweite Wandler RF1 ist elektrisch mit der Trimmstruktur TR1 verbunden, wobei die Trimmstruktur TR von der Wandleranordnung beabstandet ist. Der dritte Wandler RF2 ist analog mit der Trimmstruktur TR2 verbunden. Die Trimmstrukturen TR, TR2 sind jeweils als Wandler ausgebildet und bilden jeweils eine große Kapazität für den damit verbundenen Wandler RF1 bzw. RF2 eine Last. Die Veränderung der Trimmstrukturen, wobei ein Teil der Elektrodenfinger der Trimmstrukturen abgetrennt wird, ruft die Änderung der Kapazität der Trimmstruktur hervor. Dadurch verändern sich auch die Reflexionsbedingungen für die geführte akustische Volumenwelle im Resonator RE.
12b zeigt im schematischen Querschnitt ein Bauelement gemäß Erfindung mit der Trimmstruktur TR2 gemäß 12a. Die Trimmstruktur TR2 ist durch das zweite Substrat S2 hindurch freigelegt. Damit ist es möglich, die erfindungsgemäßen Bauelemente auf der Waferebene zu trimmen. Dabei wird ein Teil der Elektrodenfinger der Trimmstruktur TR2 zum Beispiel mittels Laser vom Rest der Trimmstruktur abgetrennt. Nach dem Trimmen wird die Trimmstruktur TR2 vorzugsweise versiegelt.
In einer vorteilhaften Variante ist das entsprechende Substrat (für den Laserstrahl) transparent gewählt, so daß die Freilegung der Trimmstruktur TR2 im Prinzip entfallen kann.
13 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Bauelements, das mehrere elektrisch miteinander verbundene Funktionsbereiche Z1, Z2 enthält. Die voneinander abzuschirmenden Funktionsbereiche können zum Beispiel jeweils einen Sendepfad beziehungsweise Empfangspfad einer Duplexerschaltung umfassen. Beispielsweise ist im ersten Funktionsbereich Z1 ein Empfangsfilter RXF und im zweiten Funktionsbereich Z2 ein Sendefilter TXF angeordnet. Der erste Funktionsbereich Z1 ist vom zweiten Funktionsbereich Z2 mittels einer v-förmigen Durchkontaktierung VDK getrennt bzw. elektroakustisch entkoppelt. Die mit der v-förmigen Durchkontaktierung VDK elektrisch verbundene großflächige Metallisierung RSM ist vorzugsweise elektrisch mit einem Bezugspotential verbunden. Durch die Metallisierung der V-förmigen Durchkontaktierung VDK sind die Funktionsbereiche Z1 und Z2 des Schichtsystems SS einerseits an den entsprechenden Schnittkanten hermetisch versiegelt und andererseits voneinander abgeschirmt.
In einer Variante der Erfindung können zwei (z. B. in Wellenausbreitungsrichtung) nebeneinander angeordnete Wandler durch die GBAW gekoppelt sein, wobei z. B. einer der Wandler als Eingangswandler zur Einkopplung des Signals und deren Umwandlung in die akustische Welle und der andere Wandler als Ausgangswandler zur Umwandlung der akustischen Welle in ein elektrisches Signal dient.
Gruppen der Elektrodenstrukturen können SPUDT (Single Phase Unidirectional Transducer) Zellen bilden, wobei eine gerichtete Abstrahlung der GBAW bevorzugt in eine Richtung zustande kommt. Die piezoelektrische Schicht PS kann auch über NSPUDT-Eigenschaften (Natural Single Phase Unidirectional Transducer) verfügen, wobei die gerichtete Abstrahlung der GBAW im Wandler aufgrund der natürlichen Kristalleigenschaften der piezoelektrischen Schicht erfolgt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee kann z. B. zur Realisierung von an sich bekannten Reaktanzfiltern, Double Mode Filtern, Filtern auf der Basis von SPUDT oder Multiport-Resonatoren, Fan-Filter, Duplexern, Diplexern verwendet werden. Die erfindungsgemäßen Bauelemente können in der Kommunikationstechnik (z. B. Mobilfunk) verwendet und insbesondere für PCS und UMTS Mobilfunkstandards ausgelegt werden.
Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es ist möglich, elektroakustisch aktive Strukturen wie z. B. Wandler und Reflektoren in beliebiger Anzahl und Formgebung herzustellen, um die Eigenschaften des Filters in einer gewünschten Weise zu verändern. Ein erfindungsgemäßes Filter ist auch nicht auf die angegebenen Materialien, auf die Anzahl der dargestellten Bohrungen oder auf bestimmte Frequenzbereiche beschränkt.

S1: das erste Substrat
S2: das zweite Substrat
SS: Schichtsystem
KF: Kontaktfläche
AK: Außenkontakt
MS1: 1. Metallschicht
MS2: 2. Metallschicht
E11, E12: Elektrodenstrukturen der ersten Metallschicht MS1
E1, E1': Elektroden der ersten Metallschicht MS1
E21, E22: Elektroden der zweiten Metallschicht MS2
PS: piezoelektrische Schicht
AB, AB1, AB2: aktiver Bereich
DS: Planarisierungsschicht
ZS1: erste Zwischenschicht
ZS2: zweite Zwischenschicht
US: unterbrochene Metallstrukturen der 2. Metallschicht
TR, TR2: Trimmstruktur
RF1: 2. Wandler, der mit der Trimmstruktur TR verbunden
: ist
RF2: 3. Wandler, der mit einer Trimmstruktur TR2
: verbunden ist
RF1', RF2': (endständige) Reflektoren
DK, DK1, DK2: Durchkontaktierung
VDK: V-förmige Durchkontaktierung
RSM: großflächige Metallschicht
WA: Wandler
RE: Wandleranordnung (Resonator)
RXF: Empfangsfilter
TXF: Sendefilter
GDE: magnetisch abstimmbare Schicht
U: Steuerspannung
W1: 1. Wafer
W2: 2. Wafer

Claims

Elektroakustisches Bauelement mit einem ersten Substrat (S1) und, einem darauf angeordneten Schichtsystem (SS), das eine piezoelektrische Schicht (PS) umfaßt, wobei auf der piezoelektrischen Schicht (PS) eine erste Metallschicht (MS1) angeordnet ist, in der Elektrodenstrukturen (E11, E12) und Kontaktflächen (KF) ausgebildet sind, wobei nebeneinander angeordnete Elektrodenstrukturen (E11, E12) eine Funktionseinheit bilden, wobei auf der ersten Metallschicht (MS1) eine dielektrische Planarisierungsschicht (DS) angeordnet ist, wobei über der dielektrischen Planarisierungsschicht (DS) ein zweites Substrat (S2) angeordnet ist, wobei ein Bereich der piezoelektrischen Schicht (PS), der unterhalb der Funktionseinheit angeordnet ist, einen aktiven Bereich (AB) bildet, in dem eine geführte akustische Volumenwelle der Wellenlänge λ ausbreitungsfähig ist, wobei weder im Schichtsystem noch an der Grenzfläche zwischen dem Schichtsystem (SS) und dem jeweiligen Substrat (S1, S2) Hohlräume vorhanden sind, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit der geführten Volumenwelle in der piezoelektrischen Schicht (PS) kleiner als im ersten und zweiten Substrat ist.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Elektrodenstrukturen (E11, E12) der ersten Metallschicht (MS1) auf periodischem Raster angeordnet sind.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die piezoelektrische Schicht (PS) eine Dicke zwischen 0.1λ und λ hat.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zwischen dem ersten Substrat (S1) und der piezoelektrischen Schicht (PS) eine zweite Metallschicht (MS2) angeordnet ist, in der eine Elektrode (E21, E2.2) ausgebildet ist, wobei die Elektrode (E21, E22) der zweiten Metallschicht (MS2) unter dem aktiven Bereich (AB) angeordnet und in diesem Bereich durchgehend ausgebildet ist, wobei die geführte akustische Welle durch die Elektrodenstrukturen (E11, E12) und die Elektrode (E21, E22) der zweiten Metallschicht (MS2) senkrecht zur piezoelektrischen Schicht (PS) anregbar ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zwischen dem ersten Substrat (PS) und der piezoelektrischen Schicht (PS) eine erste funktionale Zwischenschicht (ZS1) angeordnet ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zwischen dem zweiten Substrat (52) und der Planarisierungsschicht (DS) eine zweite funktionale Zwischenschicht (ZS2) angeordnet ist.
Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die erste und/oder zweite Zwischenschicht (ZS1, ZS2) aus SiO_x mit 1,9 ≤ x ≤ 2,1 besteht.
Bauelement nach Anspruch 7, bei dem die SiO_x-Schicht einen Brechungsindex zwischen 1,43 und 1,49 aufweist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Planarisierungsschicht (DS) aus Siliziumoxid besteht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die piezoelektrische Schicht aus ZnO, AlN, LiNiO₃ oder LiTaO₃ besteht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das erste und/oder das zweite Substrat (S1, S2) aus einem Material, ausgewählt aus Glas, Halbleiter und Piezoelektrikum, besteht.
Bauelement nach Anspruch 11, bei dem das erste und/oder zweite Substrat aus Si besteht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Elektrodenstrukturen (E11, E12) der ersten Metallschicht (MS1) zumindest einen elektroakustischen Wandler oder Resonator bilden.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die obere Grenzfläche der direkt unter der piezoelektrischen Schicht (PS) angeordneten Schicht in den Bereichen, die direkt unter dem aktiven Bereich (AB) liegen, angerauht ist oder bei dem in der zweiten Metallschicht (MS2) Metallstrukturen (US) als Maßnahme zur Erhöhung der Rauhigkeit der Grenzfläche zur piezoelektrischen Schicht (PS) ausgebildet sind.
Bauelement nach Anspruch 14, bei dem die obere Grenzfläche der direkt unter der piezoelektrischen Schicht (PS) angeordneten Schicht nur in den Bereichen, die direkt unter den Kontaktflächen (KF) oder in der ersten Metallschicht (MS1) ausgebildeten Zuleitungen liegen, angerauht ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem zumindest eine der Schichten des Schichtsystems (SS) von außen für einen Laserstrahl zugänglich und durch diesen veränderbar ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Gesamtdicke des Schichtsystems (SS) zwischen λ und 2λ liegt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem die Dicke des zweiten Substrats (S2) und des ersten Substrats (S1) jeweils zwischen 2λ und 5λ liegt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem auf der Unterseite des ersten Substrats (S1) und/oder Oberseite des zweiten Substrats (S2) Außenkontakte (AK) ausgebildet sind, bei dem die Kontaktflächen (KF) über Durchkontaktierungen (DK) durch jeweils das erste und/oder das zweite Substrat (S1, S2) hindurch mit den Außenkontakten (AK) des Bauelements elektrisch leitend verbunden sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem eine Anzahl ≥ 1 Trimmstrukturen (TR) kapazitiv mit dem zumindest einen Wandler oder Resonator verkoppelt und in einem Trimmbereich innerhalb der ersten und/oder der zweiten Metallschicht (MS1, MS2) ausgebildet sind, wobei der Trimmbereich durch das erste und/oder zweite Substrat (S1, S2) hindurch freigelegt ist oder wobei der Trimmbereich durch das erste und/oder zweite Substrat (S1, S2) hindurch für einen Laserstrahl zugänglich ist.
Bauelement nach Anspruch 19 oder 20, bei dem zumindest zwei der Durchkontaktierungen (DK) im jeweiligen Substrat im Querschnitt senkrecht zur Substratebene V-förmig ausgebildet sind, die entsprechenden Kontaktflächen (KF) durchschneiden und über der zum jeweiligen Substrat hin gewandten Grenzfläche des jeweils anderen Substrats enden, wobei die V-förmigen Durchkontaktierungen grabenförmig und langgestreckt ausgebildet sind.
Bauelement nach Anspruch 21, bei dem entweder die Oberseite des zweiten Substrats (S2) oder die Unterseite des ersten Substrats (S1) durch eine großflächige Metallschicht (RSM) metallisiert ist, in der die V-förmigen Durchkontaktierungen (DK) angeordnet sind, welche die großflächige Metallschicht (RSM) mit den Kontaktflächen (KF) elektrisch verbinden.
Bauelement nach Anspruch 22, bei dem die großflächige Metallschicht (RSM) auf der Oberseite des zweiten Substrats (S2) oder der Unterseite des ersten Substrats (S1) ausgebildet ist, und wobei die Außenkontakte (AK) im jeweils anderen Substrat (S1, S2) ausgebildet sind.
Bauelement nach Anspruch 23, bei dem die großflächige Metallschicht (RSM) mit Masse verbunden ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 19 bis 24, bei dem zumindest eine der im ersten Substrat (S1) ausgebildeten Durchkontaktierungen (DK1) über die entsprechende Kontaktfläche (KF) an zumindest eine der im zweiten Substrat (S2) ausgebildeten Durchkontaktierungen (DK2) angeschlossen ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 22 bis 25, das zumindest zwei elektrisch miteinander verbundene, zumindest teilweise in der ersten Metallschicht (MS1) ausgebildete Funktionsschaltkreise umfaßt, die jeweils in einer Funktionszone (Z1, Z2) ausgebildet sind, bei dem zumindest eine der V-förmigen Durchkontaktierungen (VDK) elektrisch mit der großflächigen Metallschicht (RSM) und mit Masse verbunden ist und zumindest zwei der Funktionszonen (Z1, Z2) in lateraler Ebene elektrisch und/oder akustisch voneinander entkoppelt.
Bauelement nach Anspruch 26, bei dem eine der Funktionszonen (Z1) zumindest einen Teil eines Sendefilters (TXF) und eine der von ihr getrennten Funktionszonen (Z2) zumindest einen Teil eines Empfangsfilter (RXF) umfaßt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 19 bis 27, bei dem zumindest eines der Substrate (S1, S2) eine Halbleiterschicht umfaßt, in deren Volumen integrierte Bauelement-Strukturen ausgebildet sind, welche durch die Durchkontaktierungen (DK) oder weitere vertikale elektrische Verbindungen mit den Kontaktflächen (KF) und/oder den Außenkontakten (AK) des Bauelements elektrisch verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung eines Bauelements nach Anspruch 1 bis 28, bei dem als erstes Substrat (S1) ein erster Wafer bereitgestellt wird, wobei auf dem ersten Substrat (S1) ein Schichtsystem (SS) aufgetragen wird, wobei zum Aufbau des Schichtsystems (SS) auf dem ersten Substrat (S1) in der entsprechenden Reihenfolge eine piezoelektrische Schicht (PS), eine Metallschicht (MS1) und eine dielektrische Schicht aufgetragen wird, wobei die freiliegende Oberfläche der dielektrischen Schicht planarisiert wird, bei dem als zweites Substrat (S1) ein zweiter Wafer bereitgestellt wird, bei dem der erste und der zweite Wafer durch ein Direct Wafer Bonding Verfahren miteinander verbunden werden und dabei einen Verbund ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem das Direct Wafer Bonding Verfahren bei einer Temperatur < 100°C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, bei dem im ersten Substrat (S1) Funktionsbereiche für mehrere Bauelemente ausgebildet werden, bei dem die Vereinzelung der Bauelemente durch Sägen durch den Verbund entlang von V-förmigen Durchkontaktierungen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 31, bei dem die Struktur zumindest einer der Schichten des Schichtsystems (SS) von außen durch einen Laserstrahl verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 32, bei dem zumindest eine der Schichten des Schichtsystems (SS) durch Laser strukturiert wird, wobei mit dem Laser das Material der genannten Schicht vernetzt oder oxidiert wird.