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Die Frequenzcharakteristik von SAW-Bauelementen zeigt zumeist eine Abhängigkeit von der Temperatur. Bei Temperaturerhöhung findet in der Regel eine thermische Ausdehnung des Substrats statt, die zu einer Vergrößerung des Elektrodenabstandes bei interdigitalen Wandlerstrukturen führt. Da dieser Abstand die Mittenfrequenz des Wandlers und damit des SAW-Bauelements bestimmt, erhöht sich damit auch die Wellenlänge, wobei sich die Mittenfrequenz erniedrigt. Verbunden mit der thermischen Ausdehnung ist jedoch auch eine Änderung der Schallgeschwindigkeit, die den durch den zunehmenden Elektrodenabstand erzeugten Effekt kompensieren oder verstärken kann. Hinzu kommt, daß die meisten üblicherweise verwendeten piezoelektrischen Wafer-Materialien eine starke Anisotropie zeigen und einen kristallachsenabhängigen Temperaturgang ihrer Eigenschaften aufweisen. Um trotz des Temperaturgangs und der damit temperaturabhängigen Drift der Mittenfrequenz bei einem SAW-Bauelement die Funktionsfähigkeit über einen größeren Temperaturbereich zu gewährleisten, muß üblicherweise die Bandbreite des Bauelements erhöht werden. Die Herstellung schmalbandiger, frequenzgenauer temperaturunabhängiger SAW-Bauelemente ist daher mit Substraten wie Lithiumtantalat oder Lithiumniobat praktisch nicht möglich.
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Zur Kompensation des Temperaturgangs von piezoelektrischen Substratmaterialien wurden bereits verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen. Eine Möglichkeit besteht darin, den piezoelektrischen Wafer mit Hilfe eines Trägermaterials zu verbinden und thermisch zu verspannen. Wird das Trägermaterial geeignet gewählt, kann durch die Verspannung eine geeignete Kompensation des Temperaturgangs erzielt werden. Die Kompensation erfolgt dabei üblicherweise so, daß mit der thermischen Ausdehnung im verspannten Material eine Erhöhung der Schallgeschwindigkeit der für das Bauelement genutzten akustischen Oberflächenwelle verbunden ist. Als Verspannungsmaterial ist dazu beispielsweise Silizium bekannt.
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Eine Kompensation durch Verspannung mit einem Trägermaterial hat jedoch den Nachteil, daß die Verspannung bei Temperaturänderungen zu einem Verbiegen des Verbunds führt, ähnlich dem als Bimetalleffekt bekannten Vorgang. Dieses Verbiegen kann zwar für das Bauelement unbedenklich sein, ist jedoch bei der Prozessierung während des Herstellungsverfahren hinderlich. Die Verbiegung solcher Verbundsubstrate führt dazu, daß hochaufgelöste Strukturierungsschritte bei der Herstellung des SAW-Bauelements auf einem solchen Substrat nur mit einer erhöhten Abweichung durchführbar sind, was zum einen zu einem höheren Ausschuß und zum anderen zu Bauelementen führt, die eine höhere Abweichung von der gewünschten Spezifikation zeigen. Darüber hinaus wird die Herstellung insbesondere feiner Strukturen, wie sie beim Übergang zu höheren Frequenzen erforderlich sind, zusätzlich erschwert.
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Ein weiterer Nachteil der Verbundsubstrate bzw. der damit in Kauf genommenen Verwerfung bei Temperaturschwankungen liegt in einer temperaturabhängigen Funktion des Bauelements, die durch die Befestigung des Bauelements an einem Einbauort, insbesondere in einem Gehäuse erzielt wird.
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Aus der
US 5 446 330 A ist ein SAW Bauelement auf einem Verbundsubstrat bekannt, das wie kristalline piezoelektrische Substrate mit dazwischen angeordneter anorganischer Dünnschicht bekannt.
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Aus der
US 5 998 907 A ist SAW Bauelement bekannt, bei dem das piezoelektrische Substrat mit einer weiteren Schicht verbunden ist, um mechanische Effekte bei Temperaturänderungen zu kompensieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein für SAW-Bauelemente geeignetes piezoelektrisches Substrat zur Verfügung zu stellen, bei dem der Temperaturgang kompensiert ist, ohne daß die oben genannten Nachteile in Kauf zu nehmen sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Substrat mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines SAW-Bauelements mit reduziertem Temperaturgang sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, zum einen die Vorteile aus einem temperaturgangskompensierten Verbund zu nutzen und andererseits die Nachteile, die durch die Verspannung zwischen einer ersten piezoelektrischen Schicht und einer zweiten Verspannungsschicht erzeugt werden, mittels einer Kompensationsschicht auszugleichen. Dazu wird auf dem verspannten Verbund aus piezoelektrischer Schicht und Verspannungsschicht eine Kompensationsschicht vorgesehen, deren thermisches Ausdehnungsverhalten dem der piezoelektrischen Schicht ähnlich oder gleich ist. Auf diese Weise wird ein bezüglich des Ausdehnungsverhaltens und der damit verbundenen Eigenschaften symmetrischer Verbund erhalten, in dem alle Effekte kompensiert sind.
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Im Verbund ist zwischen der Verspannungsschicht und der Kompensationsschicht eine Opferschicht angeordnet, die eine zerstörungsfreie Ablösung der Kompensationsschicht unter Auflösung oder Zerstörung der Opferschicht erlaubt
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Kompensationsschicht aus dem gleichen Material wie die piezoelektrische Schicht ausgewählt. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die mechanischen Verspannungen beiderseits der Verspannungsschicht bezüglich ihrer Richtung gegenläufig sind und sich damit kompensieren. Zeigt die piezoelektrische Schicht ein anisotropes Verhalten, so werden vorteilhaft die kristallographischen Achsen der piezoelektrischen Schicht und der aus dem gleichen Material bestehenden Kompensationsschicht parallel ausgerichtet.
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Obwohl bei einem Substrat ein symmetrischer Verbund bevorzugt wäre, lassen sich sowohl Verspannungsschicht als auch Kompensationsschicht jeweils in Form eines Mehrschichtaufbaus verwirklichen, um durch Kombination der Materialeigenschaften der unterschiedlichen Schichten des Mehrschichtaufbaus eine gewünschte Materialeigenschaft zu erzielen. Zwischen den einzelnen Schichten werden Hilfsschichten wie beispielsweise die Haft- und Opferschicht vorgesehen, deren Eigenschaften bei der Auswahl der eigentlichen Funktionsschichten, also bei der Auswahl der Verspannungsschicht und der Kompensationsschicht zu berücksichtigen sind. Solche Hilfsschichten sind insbesondere zwischen Verspannungsschicht und Kompensationsschicht angeordnet. Die Verspannungsschicht dagegen ist direkt mit der ersten piezoelektrischen Schicht mechanisch fest verbunden, um die gewünschte Temperaturkompensation zu erzielen.
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Die einzelnen Schichten des erfindungsgemäßen Substrats können dünne Schichten sein, die auf einem Träger, der Bestandteil des erfindungsgemäßen Verbunds ist, aufgebracht sind. Vorzugsweise besteht jedoch zumindest die erste piezoelektrische Schicht und vorteilhaft auch die zweite piezoelektrische Schicht aus je einem Wafer, die zum genannten Verbund vereinigt sind. Aus mechanischen Betrachtungen ergibt sich, daß eine ausreichende Verspannung zwischen der piezoelektrischen Schicht und der Verspannungsschicht dann erzielt werden kann, wenn einander annähernd entsprechende Schichtdicken für die beiden Schichten gewählt werden. Dies bedeutet, daß bei einem piezoelektrischen Wafer auch die Verspannungsschicht auf einem Wafer oder einem entsprechenden anderen flächig ausgebildeten Formkörper basiert. Zwischen Verspannungsschicht und Kompensationsschicht ist die Haft- oder Opferschicht vorgesehen. Diese Schicht ermöglicht die reversible Befestigung der Kompensationsschicht am oder über der Verspannungsschicht. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Verspannungsschicht ein zweiter piezoelektrischer Wafer ist, und wenn die Verwerfungen aufgrund des ”Bimetalleffekts” lediglich während des Herstellungsverfahrens bzw. während hochgenauer Prozessierungsschritte kompensiert werden sollen. Auf diese Weise ist es möglich, für die Kompensationsschicht einen Wafer einzusetzen, diesen nach der Durchführung der Prozessierungsschritte wieder aus dem Verbund herauszulösen und ggf. mit diesem einen neuen Verbund aufzubauen. Auf diese Weise ist es möglich, aufgrund der Wiederverwertung des als Kompensationsschicht eingesetzten zweiten piezoelektrischen Wafers nicht unerhebliche Materialkosten einzusparen.
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Solche Kleb-, Haft- oder Opferschichten können jeweils als Dünnschicht ausgeführt werden, um eine möglichst gute Kraftübertragung zwischen Kompensationsschicht und Verspannungsschicht zu erzielen. Wenn die Kompensationsschicht nicht wiederverwertet wird und nach der vollständigen Prozessierung des SAW-Bauelements als Bestandteil des Substrats am Bauelement verbleibt, so können durch geeignete Materialwahl dennoch Kosten gespart werden. Für einen als Kompensationsschicht einzusetzenden Wafer können vorteilhaft auch minderwertigere Materialien eingesetzt werden, als dies ansonsten für die erste piezoelektrische Schicht, in der das SAW-Bauelement realisiert wird, erforderlich ist. So ist es möglich, piezoelektrische Wafer ohne Oberflächenvergütung, defektbehaftete oder nicht phasenreine und beispielsweise Verwerfungen aufweisende Wafer einzusetzen.
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Vollständige Prozessierung des SAW-Bauelements bedeutet dabei, daß auf der Oberfläche der ersten piezoelektrischen Schicht die für die Bauelementstrukturen und elektrischen Anschlußflächen erforderlichen Metallisierungen aufgebracht und strukturiert werden, daß das Bauelement ggf. auf Waferebene passiviert, mit einer Abdeckschicht oder einer verpackenden Abdeckung versehen wird und schließlich durch Zersägen des Substrats in die einzelnen Bauelemente vereinzelt wird.
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Da beim erfindungsgemäßen Substrat insbesondere die erste piezoelektrische Schicht und die Verspannungsschicht auf Wafern basieren, werden zur Herstellung des erfindungsgemäßen Substrats vorzugsweise Waferbondverfahren eingesetzt. Dazu sind Verfahren bekannt, bei denen ein Verbindungsmaterial auf einen der beiden Wafer aufgebracht und anschließend zum Bonden verwendet wird. Solche Verfahren sind beispielsweise Glas-Bonden, eutektisches Bonden und anodisches Bonden. Zum Verbinden der beiden Wafer ist auch ein Klebstoff geeignet sowie in Abhängigkeit vom eingesetzten Material ein Direkt-Bonden. Dabei werden die beiden Wafer unter Druck aneinander gefügt und bei erhöhter Temperatur ausgelagert, wobei eine feste Verbindung der dabei miteinander in Kontakt tretenden Oberflächen der Wafer erzeugt wird. Auch die Verbindung zwischen Verspannungsschicht und Kompensationsschicht bzw. die Verbindung der dazu eingesetzten Wafer kann in einem der eben angegebenen Wafer-Bond-Verfahren durchgeführt werden. Insbesondere für das Verbinden der Verspannungsschicht mit dem als Kompensationsschicht eingesetzten Wafer sind Klebverfahren geeignet, die vorteilhaft mit einem als Opfermaterial bzw. mit einem für die Opferschicht geeigneten Material durchgeführt werden. Vorzugsweise sind dies Materialien, die in flüssigem oder viskosem Zustand aufgebracht und später gehärtet werden können. Dies sind alle Arten von Harzen, thermoplastischen Kunststoffen oder Lacken. Solche Lacke können Emulsionen oder Dispersionen mit und ohne feste Einlagerungen in eine flüssige, polymere oder oligomere Matrix sein. Insbesondere Suspensionen eignen sich zum besonders leichten Wiederauflösen in einem Lösungsmittel, vorteilhaft mit Unterstützung von Ultraschall. Reaktionsharze lassen sich flüssig aufbringen und thermisch oder durch UV-Einwirkung härten. Lacke können alleine durch Trocknen härten. Thermoplaste werden im aufgeschmolzenen Zustand aufgebracht und erstarren beim Abkühlen.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen sechs Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 ein Substrat ohne Opferschicht im schematischen Querschnitt,
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2 ein erfindungsgemäßes Substrat mit Opferschicht,
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3 ein Substrat mit einer als Doppelschicht ausgebildeten Kompensationsschicht,
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4 ein erfindungsgemäßes Substrat mit Bauelementstruktur,
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5 ein Bauelement nach Entfernen der Opferschicht,
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6 ein SAW-Bauelement mit einer Verkapselung.
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1 zeigt einen schematischen Querschnitts durch ein Substrat. Das Substrat besteht hier aus einem Verbund aus drei Schichten, bei dem zwischen einer piezoelektrischen Schicht PS1 und einer Kompensationsschicht KS eine Verspannungsschicht VS angeordnet ist, wobei die drei Schichten fest miteinander verbunden sind. Der Verbund ist insbesondere aus Wafern aufgebaut, wobei jede der Schichten eine Dicke im Bereich von ca. 50 bis 500 μm aufweist.
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Neben dem dargestellten symmetrischen Aufbau, insbesondere wenn die Kompensationsschicht in Form einer zweiten piezoelektrischen Schicht bzw. eines zweiten piezoelektrischen Wafers ausgebildet ist, führen auch unsymmetrische Verbünde zu Substraten mit verbesserten Verzugseigenschaften und kompensiertem Temperaturgang. Insbesondere kann die Kompensationsschicht dicker oder dünner als die erste piezoelektrische Schicht PS1 ausgebildet sein.
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2 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts ein erfindungsgemäßes Substrat, dessen Verbund neben einer ersten piezoelektrischen Schicht PS1 eine Verspannungsschicht VS und einer zweiten piezoelektrischen Schicht PS2 eine Opferschicht OS aufweist, die zwischen Verspannungsschicht und zweiter piezoelektrischer Schicht PS2 angeordnet ist. Eine solche Opferschicht kann aus den weiter oben genannten Materialien bestehen, beispielsweise aus Aluminium, Gold, Aluminiumoxid, SiO2, Borsilikatglas, Phosphorsilikatglas, porösem Silizium, polykristallinem Silizium, einkristallinem Silizium, einem Polymer, einem Lack oder einer Dispersion. Die Opferschicht kann ganzflächig oder strukturiert aufgebracht sein (in der Figur nicht dargestellt). Eine Strukturierung erfolgt vorzugsweise so, daß von außen zugängliche Kanäle in der Opferschicht geschaffen werden, die den Zutritt eines Lösungs- oder Ätzmittels gestatten, mit dem die Opferschicht OS später selektiv gegenüber dem übrigen Verbund wieder aufgelöst werden kann.
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3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen weiteren, ein Substrat darstellenden Verbund, bei dem die Kompensationsschicht KS selbst aus mehreren Schichten aufgebaut ist. In der Figur sind hier nur zwei Schichten dargestellt. Mehrere Teilschichten einer Kompensationsschicht können zusammen die Eigenschaften ergeben, die die Verwerfung aufgrund der Verspannung zwischen piezoelektrischer Schicht PS1 und Verspannungsschicht VS gerade eben kompensieren können.
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4 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts ein erfindungsgemäßes Substrat, auf dem Bauelementstrukturen BS angeordnet sind. Diese umfassen beispielsweise streifenförmige Metallisierungen, die in einer definierten Breite in einem definierten Abstand bzw. in einem genau definierten Raster auf der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht PS1 angeordnet sind. Die Bauelementstrukturen BS können dabei beispielsweise durch eine Abhebetechnik strukturiert sein. Möglich ist es auch, eine ganzflächige Metallschicht aufzubringen und diese anschließend zu strukturieren. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, ganzflächig eine dünne Metallschicht aufzubringen und zu strukturieren und anschließend galvanisch zu verstärken. Die Verstärkung kann mit und ohne strukturierende Maske durchgeführt werden. In allen Fällen ist dazu eine ortsauflösende Strukturierung erforderlich, die beispielsweise über eine Phototechnik durchgeführt wird. Die Verzugsarmut des erfindungsgemäßen Substrats gewährleistet dabei, daß unabhängig von der Prozessierungstemperatur stets eine ebene Oberfläche der piezoelektrischen Schicht PS1 gewährleistet ist, die eine sichere und genaue Strukturierung ermöglicht. Weitere, eine hohe Ortsgenauigkeit erfordernde Prozessierungsschritte können beim Verlöten des Bauelements erforderlich sein, insbesondere beim Flipchip-Verbinden des Bauelements mit einem metallisierten Träger. Auch die präzise Plazierung einer Abdeckung über den Bauelementstrukturen, die beispielsweise bereits auf Waferebene erfolgen kann, kann eine hohe Präzision erfordern.
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Wird zur Herstellung des SAW-Bauelements ein erfindungsgemäßes Substrat mit einer Opferschicht OS eingesetzt, so kann nach der Herstellung des letzten, eine hohe Präzision erfordernden Prozessierungsschrittes die Opferschicht OS zerstört bzw. aufgelöst werden, wobei die als Kompensationsschicht vorgesehene zweite piezoelektrische Schicht PS2, bzw. der die Kompensationsschicht bildende zweite piezoelektrische Wafer PS2 ohne Beschädigung aus dem Verbund herausgelöst werden kann. 5 zeigt die Anordnung nach dem Auflösen der Opferschicht und dem so separierten zweiten piezoelektrischen Wafer PS2.
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Verfahren zum Auflösen der Opferschicht OS sind von dem Material der Opferschicht abhängig. Mögliche Auflöseverfahren können auf einem Lösungsmittel oder einem selektiven Ätzmittel für die Opferschicht basieren. Ein solches Mittel muß prozeßkompatibel mit dem SAW-Bauelement sein, um den übrigen Verbund und die bereits hergestellten Bauelementstrukturen BS unversehrt zu lassen. Ein Lösungsmittel ist insbesondere für eine aus einem organischen Material bestehende Opferschicht geeignet. Auflöse- und Ätzverfahren können dabei mechanisch unterstützt werden, beispielsweise durch Einwirken von Ultraschall. Weiterhin ist es möglich, organische Schichten thermisch zu ermüden bzw. thermisch zu zersetzen. Möglich ist auch eine Materialermüdung oder -zersetzung mittels UV-Licht, wobei die teilweise Durchlässigkeit piezoelektrischer Wafer für UV-Licht ausgenützt werden kann. Lösungsmittel- und Ätzmittel-Einsatz umfassende Ablöseverfahren der Opferschicht können unterstützt werden, wenn die Opferschicht so strukturiert ist, daß von außen durch die gesamte Opferschicht reichende Kanäle ausgebildet sind, die ein Eindringen von Ätz- oder Lösungsmittel ermöglichen.
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6 zeigt im schematischen Querschnitt eine weitere mögliche Prozessierung des SAW-Bauelements, die vor oder nach dem Ablösen der Kompensationsschicht erfolgen kann. Möglich ist es natürlich auch, die Kompensationsschicht im Bauelement zu belassen. In der Figur ist eine Abdeckung dargestellt, mit der die sowohl gegen mechanische Einwirkungen als auch gegen korrosiven Angriff empfindlichen Bauelementstrukturen gegen Umgebungseinflüsse geschützt werden können. Eine solche Abdeckung besteht beispielsweise aus einem Rahmen R, welcher aus einem Lot, einem Resistmaterial oder einer Substratstufe bestehen kann. Der Rahmen R kann die Bauelementstrukturen BS vollständig umschließen. Möglich ist es jedoch auch, daß der Rahmen R nur einzelne Stützpunkte bzw. Auflagepunkte für ein Trägersubstrat TS ausbildet. Dazu kann der Rahmen R auch aus Lotkörpern, beispielsweise aus Bumps bestehen. Das Trägersubstrat TS kann allein zur Abdeckung der Bauelementstrukturen dienen. Möglich ist es jedoch auch, ein Trägersubstrat mit Metallisierungen, Durchkontaktierungen und ggf. integrierten passiven Komponenten einzusetzen, welches über die Lötverbindungen elektrisch mit den Bauelementstrukturen verbunden werden kann.
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Unabhängig von der Art des Trägersubstrats TS kann über die gesamte, Rahmen- und Trägersubstrat umfassende Abdeckung noch eine Abdeckschicht AS aufgebracht werden. Eine solche kann eine aufgebrachte Metallschicht, eine auflaminierte Folie, ein Vergußmaterial oder eine Kombination der genannten Materialien sein. Die Abdeckschicht AS gewährleistet insbesondere einen hermetischen Verschluß der Bauelementstrukturen gegen die Außenwelt, mit der störende Einwirkungen oder korrosive Angriffe verhindert werden. Dies erhöht die Betriebssicherheit und die Lebensdauer des Bauelements.
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Obwohl die Erfindung nur anhand weniger Ausführungsbeispiele dargestellt werden konnte, ist sie nicht auf diese beschränkt. Mögliche weitere Variationen der Erfindung ergeben sich insbesondere bezüglich der Materialwahl für Verspannungsschicht VS und Kompensationsschicht KS, bezüglich der Anzahl der Schichten, der Dickenverhältnisse der Schichten oder der genauen Art der Prozessierung bei der Herstellung des Verbunds und/oder darauffolgend des Bauelements.
