DE10347108B4

DE10347108B4 - Elektroakustisches Bauelement

Info

Publication number: DE10347108B4
Application number: DE10347108.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schmidhammer Edgar
Original assignee: SnapTrack Inc
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2017-09-21
Anticipated expiration: 2023-10-11
Also published as: DE10347108A1

Abstract

Elektroakustisches Bauelement mit einem Trägersubstrat (TS), mit zumindest zwei elektroakustisch aktiven Strukturen (R1, R2), die auf der Oberseite des Trägersubstrats (TS) nebeneinander angeordnet sind, wobei die elektroakustisch aktiven Strukturen (R1, R2) nicht direkt elektrisch miteinander verbunden sind, wobei auf der Oberseite des Substrats zwischen den elektroakustisch aktiven Strukturen ein Graben (GR) im Substrat vorgesehen ist, wobei der Graben (GR) zur Entkopplung der elektroakustisch aktiven Strukturen (R1, R2) voneinander dient und dabei seine Tiefe zumindest eine halbe akustische Wellenlänge beträgt, wobei das Trägersubstrat (TS) eine Dielektrizitätskonstante ε1 aufweist, wobei der Graben (GR) mit einem dielektrischen Füllmaterial mit einer Dielektrizitätskonstante ε2 gefüllt ist, und wobei die Dielektrizitätskonstante ε2 des Füllmaterials kleiner als ε1 ist.

Description

Die Erfindung gibt ein elektroakustisches Bauelement mit zumindest zwei elektroakustisch aktiven Strukturen an, die auf der Oberseite eines Trägersubstrats angeordnet sind.
Unter elektroakustisch aktiven Strukturen versteht man insbesondere mit akustischen Volumenwellen arbeitende Dünnschicht-Resonatoren, mit akustischen Oberflächenwellen (SAW) arbeitende elektroakustische Wandler und mikroelektromechanische Schalter.
Dünnschicht-Resonatoren weisen jeweils eine piezoelektrische Schicht und zwei z. B. großflächig ausgebildete Elektroden auf, wobei eine der Elektroden zur Substratoberseite gewandt ist. Die zur Substratoberseite gewandten Elektroden unterschiedlicher, nebeneinander angeordneter Dünnschicht-Resonatoren sind insbesondere bei den Höchstfrequenzen von über 2 GHz unter anderem auch über das Trägersubstrat kapazitiv miteinander verkoppelt.
Es ist z. B. aus der Druckschrift Cheon Soo Kim et al „Deep Trench Technology to Suppress Coupling between Inductors in Silicon RF ICs” 2001 IEEE bekannt, zwei über ein Trägersubstrat kapazitiv miteinander verkoppelte Metallstrukturen elektrisch voneinander durch einen im Trägersubstrat eingebetteten elektrisch leitfähigen Rahmen zu entkoppeln, dessen Unterseite elektrisch mit einer Massefläche verbunden ist. Der elektrisch leitfähige Rahmen bildet eine parasitäre Kapazität zur jeden auf der Oberseite des Substrats angeordneten Metallstruktur. Die parasitäre elektrische Kopplung zwischen zwei zu entkoppelnden Metallstrukturen kann in diesem Fall virtuell als eine Reihenschaltung zweier so gebildeten parasitären Kapazitäten dargestellt werden, wobei die parasitären Kapazitäten an ihrem gemeinsamen elektrischen Knoten durch den leitenden Graben geerdet sind. Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß der Graben einen endlichen elektrischen Widerstand hat, was zu Signalverlusten führt.
Zur elektroakustischen Wandlung dienende Interdigitalwandler bei SAW Bauelementen weisen jeweils zwei Elektroden mit ineinander greifenden Elektrodenfingern auf, die auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet sind. Akustische Reflektoren sind meist als periodisch angeordnete Metallstreifen ausgebildet, die in der Regel miteinander kurzgeschlossen sind. Es ist auch bekannt, akustische Reflektoren als periodisch angeordnete Gräben anstatt Metallstreifen auszubilden. Die Tiefe der Gräben wird dabei entsprechend der Höhe der Metallstreifen gewählt und beträgt daher nur wenige Prozent der akustischen Wellenlänge.
Bekannt ist es auch, eine Chipkante zur Reflexion einer akustischen Welle bzw. zur Umlenkung der akustischen Welle zu verwenden. Ferner ist es bekannt, als Maßnahme gegen die Bildung einer Volumenwelle die Rückseite des piezoelektrischen Substrats anzurauhen oder auf der Rückseite des Substrats ein Sägemuster auszubilden. Dabei gelingt es jedoch nicht, zwei nebeneinander angeordnete Interdigitalwandler vollständig voneinander zu entkoppeln.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektroakustisches Bauelement anzugeben, bei dem die parasitäre Kopplung zwischen den zur Substratoberseite gewandten Elektroden der elektroakustisch aktiven Strukturen des Bauelements und/oder die unerwünschte akustische Kopplung zweier im Bauelement nebeneinander angeordneter elektroakustisch aktiver Strukturen reduziert ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Bauelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung gibt ein Bauelement mit zumindest zwei auf der Oberseite eines Trägersubstrats nebeneinander angeordneten, nicht direkt elektrisch miteinander verbundenen elektroakustisch aktiven Strukturen an, wobei das Trägersubstrat eine Dielektrizitätskonstante ε₁ aufweist.
Auf der Oberseite des Substrats ist zwischen den elektroakustisch aktiven Strukturen ein Graben im Substrat vorgesehen, der zur elektrischen und/oder akustischen Entkopplung der elektroakustisch aktiven Strukturen voneinander dient und dabei seine Tiefe zumindest eine halbe akustische Wellenlänge beträgt.
Die erste vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung gibt ein elektroakustisches Bauelement mit zumindest zwei elektroakustisch aktiven Strukturen an, bei dem zwischen nebeneinander angeordneten elektroakustisch aktiven Strukturen im Substrat ein Graben vorgesehen ist, der mit einem dielektrischen Material ausgefüllt ist, dessen Dielektrizitätskonstante ε₂ kleiner ist als die Dielektrizitätskonstante ε₁ des Trägersubstrats. Dieser Graben dient zur elektrischen Entkopplung der elektroakustisch aktiven Strukturen voneinander. Dadurch wird die parasitäre kapazitive Kopplung zwischen den zur Substratoberseite gewandten Elektroden der elektroakustisch aktiven Strukturen reduziert, die über das Substrat durch die Streuung des elektromagnetischen Feldes zustande kommt und insbesondere im Hochfrequenzbereich > 2 GHz für beträchtliche parasitäre Verkopplungen sorgt.
Der Graben dient in der ersten Ausführungsform der Erfindung zur Verringerung der effektiven Dielektrizitätskonstante des Trägersubstrats und nicht zur Trennung solcher Strukturen, die ohne einen isolierenden Trenngraben kapazitiv oder elektrisch leitend miteinander gekoppelt wären.
Der Unterschied zwischen ε₁ und ε₂ beträgt vorzugsweise zumindest den Faktor 2.
Die elektroakustisch aktiven Strukturen umfassen zumindest eine Komponente, die ausgewählt ist aus mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Dünnschicht-Resonatoren, mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden elektroakustischen Wandlern und mikroelektromechanischen Schaltern.
Die Tiefe des zur elektrischen Entkopplung geeigneten Grabens beträgt vorzugsweise zwischen 1 und 90% der Dicke des Trägersubstrats, mindestens aber eine halbe akustische Wellenlänge.
Die zweite vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung gibt ein elektroakustisches Bauelement mit zumindest zwei elektroakustisch aktiven, mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden Strukturen an, die auf der Oberseite eines Trägersubstrats direkt nebeneinander angeordnet sind. Die elektrisch akustischen Strukturen sind nicht direkt elektrisch miteinander verbunden. Auf der Oberseite des Substrats im Substrat zwischen den benachbarten elektroakustisch aktiven Strukturen ist ein Graben vorgesehen, der zur akustischen Entkopplung der elektroakustisch aktiven Strukturen dient und dabei seine Tiefe zumindest eine halbe akustische Wellenlänge beträgt.
Die zweite Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, daß zwei nebeneinander angeordnete Bauelement-Strukturen bzw. Interdigitalwandler akustisch durch einen erfindungsgemäß tief ausgebildeten Graben vollständig voneinander entkoppelt sind. Die Tiefe des Grabens ist vorzugsweise größer als eine akustische Wellenlänge, d. h. als die Eindringtiefe der in lateraler Richtung ausbreitungsfähigen Oberflächenwelle.
In der bevorzugten Variante der zweiten Ausführungsform beträgt die Breite des Grabens mindestens eine halbe akustische Wellenlänge.
Folgendes betrifft beide Ausführungsformen der Erfindung:
Der Graben ist vorzugsweise so ausgebildet, daß er die jeweilige zu entkoppelnde elektroakustisch aktive Struktur oder eine Gruppe der zu entkoppelnden elektroakustisch aktiven Struktur allseitig umgibt.
Das Trägersubstrat kann aus einem halbleitenden Material, z. B. aus Si sein.
Der Graben kann mit einem elektrisch isolierenden Füllmaterial mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante, z. B. 2 < ε₂ < 4 wie SiO₂, Benzocyclobuten, SiLK (SiLK ist ein Warenzeichen von Dow Chemical und steht für ein Low-k-Dielektrikum auf Si-Basis) oder Silicon Molding Compound (Silikon haltiges Reaktionsharz) gefüllt sein.
Die Breite des Grabens kann im Wesentlichen gleich dem Abstand zwischen den voneinander zu trennenden elektroakustisch aktiven Strukturen gewählt sein.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen 1 bis 4 näher erläutert. Die 2 bis 4 zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen im schematischen Querschnitt
1 den Schichtaufbau eines bekannten Bauelements mit Dünnschicht-Resonatoren
2 den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Bauelements mit Dünnschicht-Resonatoren und akustischen Spiegeln, die elektrisch leitende Schichten enthalten
3 den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Bauelements mit Dünnschicht-Resonatoren und akustischen Spiegeln, deren Schichten elektrisch nicht leitfähig sind
4 den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Bauelements mit Dünnschicht-Resonatoren und akustischen Spiegeln, bei denen strukturierte und nicht strukturierte Schichten alternieren
5 den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Bauelements mit Dünnschicht-Resonatoren und akustischen Spiegeln, die im Trägersubstrat eingebettet sind
1 zeigt den Schichtaufbau eines bekannten Bauelements mit Dünnschicht-Resonatoren R1 und R2. Der Resonator R1 weist Elektroden E11 und E12 und eine dazwischen angeordnete piezoelektrische Schicht PS auf. Der Resonator R2 weist Elektroden E21 und E22 und eine dazwischen angeordnete piezoelektrische Schicht PS auf. Die Resonatoren sind auf der Oberseite eines Trägersubstrats TS angeordnet, wobei zwischen jedem Resonator und dem Trägersubstrat ein eigener akustischer Spiegel AS vorgesehen ist. Die vom Trägersubstrat abgewandten Elektroden E12 und E22 unterschiedlicher Resonatoren bilden eine parasitäre Kapazität C2. Die dem Trägersubstrat zugewandten Elektroden E11 und E21 unterschiedlicher Resonatoren bilden durch das elektrische Streufeld, dessen Linien aufgrund einer – verglichen mit der geringen Gesamtdicke des akustischen Spiegels – hohen Substratdicke hauptsächlich im Trägersubstrat TS verlaufen, eine parasitäre Kapazität C1, die von der Dielektrizitätskonstante ε₁ des Trägersubstrats abhängt und bei Substraten mit ε₁ >> 1 einen hohen Wert annimmt. Die Spiegelschichten tragen zur parasitären Verkopplung der Elektroden E11 und E21 aufgrund der geringen Spiegeldicke nur unwesentlich bei, so daß die kapazitive Verkopplung fast ausschließlich durch die Feldlinien im Substrat bestimmt ist.
In 2 ist ein Bauelement gemäß 1 mit einem erfindungsgemäßen Graben GR gezeigt. Der Graben GR kann z. B. durch Ätzen oder Einsägen vor oder nach dem Auftragen der Schichten der akustischen Spiegel und der Resonatoren eingebracht werden. Der Graben GR kann ungefüllt oder mit einem Füllmaterial mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante ε₂ < ε₁ gefüllt sein. Dabei wird die elektrische Kopplung der Elektroden E11 und E21 virtuell durch die Reihenschaltung der Kapazitäten C₁₁, C₁₂und C₁₃ bestimmt, wobei die daraus resultierende Gesamtkapazität kleiner als C₁ in der 1 ist.
Der akustische Spiegel AS ist aus strukturierten, in diesem Ausführungsbeispiel zumindest teilweise elektrisch leitenden Schichten hoher und niedriger akustischer Impedanz aufgebaut. Elektrisch leitende Schichten sind strukturiert, um die parasitäre elektrische Kopplung zwischen den unteren Elektroden zu vermeiden. Wenn alle Spiegelschichten elektrisch nicht leitfähig sind, ist eine solche Strukturierung nicht notwendig, siehe 3.
In 4 ist ein erfindungsgemäßes Bauelement gezeigt, bei dem nur elektrisch leitende Spiegelschichten strukturiert sind. Diese Spiegelschichten alternieren mit nicht strukturierten dielektrischen Spiegelschichten.
In 5 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Bauelement gezeigt, bei dem akustische Spiegel AS1 und AS2 im Trägersubstrat TS jeweils einzeln eingebettet sind. Jeder Spiegel ist vorzugsweise nur einem Resonator R1 oder R2 zugeordnet. Der Graben GR ist vorzugsweise tiefer ausgebildet als die zur Einbettung der akustischen Spiegel vorgesehenen Gruben bzw. als die Gesamtdicke eines akustischen Spiegels.
Obwohl die Erfindung nur anhand weniger Beispiele dargestellt werden konnte, ist sie nicht auf die hier genannten Ausführungsbeispiele, Anzahl oder Form der dargestellten Elemente oder auf einen bestimmten Frequenzbereich beschränkt.

Claims

Elektroakustisches Bauelement mit einem Trägersubstrat (TS), mit zumindest zwei elektroakustisch aktiven Strukturen (R1, R2), die auf der Oberseite des Trägersubstrats (TS) nebeneinander angeordnet sind, wobei die elektroakustisch aktiven Strukturen (R1, R2) nicht direkt elektrisch miteinander verbunden sind, wobei auf der Oberseite des Substrats zwischen den elektroakustisch aktiven Strukturen ein Graben (GR) im Substrat vorgesehen ist, wobei der Graben (GR) zur Entkopplung der elektroakustisch aktiven Strukturen (R1, R2) voneinander dient und dabei seine Tiefe zumindest eine halbe akustische Wellenlänge beträgt, wobei das Trägersubstrat (TS) eine Dielektrizitätskonstante ε₁ aufweist, wobei der Graben (GR) mit einem dielektrischen Füllmaterial mit einer Dielektrizitätskonstante ε₂ gefüllt ist, und wobei die Dielektrizitätskonstante ε₂ des Füllmaterials kleiner als ε₁ ist.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem der Graben (GR) zur elektrischen oder zur elektrischen und akustischen Entkopplung dient und dabei seine Tiefe 1 bis 90% der Trägersubstrat-Dicke beträgt.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Unterschied zwischen ε₁ und ε₂ zumindest den Faktor 2 beträgt.
Bauelement nach Anspruch 1 bis 3, bei dem die Dielektrizitätskonstante ε₂ zwischen 2 und 4 liegt.
Bauelement nach Anspruch 4, bei dem das Füllmaterial SiO₂, Benzocyclobuten oder eine Silicon Molding Compound ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Breite des Grabens (GR) mindestens eine halbe akustische Wellenlänge beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Trägersubstrat (TS) aus einem halbleitenden Material ist.
Bauelement nach Anspruch 7, bei dem das Trägersubstrat (TS) aus Si ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Breite des Grabens (GR) dem Abstand zwischen den voneinander zu trennenden elektroakustisch aktiven Strukturen (R1, R2) gleich ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Graben (GR) die jeweilige zu entkoppelnde elektroakustisch aktive Struktur (R1, R2) oder eine Gruppe der zu entkoppelnden elektroakustisch aktiven Struktur allseitig umgibt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die elektroakustisch aktiven Strukturen (R1, R2) zumindest eine Komponente umfassen, die ausgewählt ist aus mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Dünnschicht-Resonatoren, mit akustischen Oberflächenwellen arbeitenden elektroakustischen Wandlern und mikroelektromechanischen Schaltern.
Bauelement nach Anspruch 11, bei dem die elektroakustisch aktiven Strukturen (R1, R2) zumindest zwei mit akustischen Volumenwellen arbeitenden Dünnschicht-Resonatoren (R1, R2) umfassen und bei dem zwischen den Dünnschicht-Resonatoren und der Oberseite des Trägersubstrats (TS) jeweils ein akustischer Spiegel (AS) angeordnet ist.
Bauelement nach Anspruch 11, bei dem jedem Dünnschicht-Resonator (R1, R2) ein akustischer Spiegel (AS) zugeordnet ist, der im Substrat eingebettet ist, wobei alle akustischen Spiegel (AS) im Substrat einzeln eingebettet sind, wobei der Graben (GR) zwischen den eingebetteten akustischen Spiegeln (AS) angeordnet ist.
Bauelement nach Anspruch 13, bei dem die Tiefe des Grabens (GR) größer als die Dicke der eingebetteten akustischen Spiegel (AS) ist.
Bauelement nach Anspruch 13 oder 14, bei dem der Graben (GR) den jeweiligen akustischen Spiegel (AS) allseitig umgibt.