EP1247338A2

EP1247338A2 - Bauelement mit ableitung für pyrospannungen und herstellverfahren

Info

Publication number: EP1247338A2
Application number: EP00990559A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Pahl; Heiner Bayer
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2000-01-11
Filing date: 2000-12-20
Publication date: 2002-10-09
Also published as: US6931699B2; US20020190605A1; JP2003520480A; DE10000746A1; KR20020063927A; WO2001052410A3; WO2001052410A2

Abstract

Zur unschädlichen Ableitung von Pyrospannungen bei Bauelementen auf pyroelektrischen Substraten wird vorgeschlagen, eine hochohmige Schicht auf dem Substrat vorzusehen. Diese kann im Dünnschichtverfahren ganzflächig aufgebracht und anschliessend so strukturiert werden, dass elektrisch leitende Bauelementstrukturen unbedeckt bleiben.

Description

Beschreibung

Bauelement mit Ableitung für Pyrospannungen und Herstellverfahren

Pyroelektrische Materialien zeigen den pyroelektrischen Effekt. Dabei reagieren diese Materialien auf Temperaturänderung mit dem Aufbau einer elektrischen Spannung. Dies ist insbesondere für Bauelemente nachteilig, die auf pyroelektri- sehen Substraten aufgebaut sind, beispielsweise piezoelektrische Bauelemente oder Oberflächenwellen-Bauelemente. Zwischen den mehr oder weniger feinen elektrisch leitenden Strukturen dieser Bauelemente, die direkt auf dem pyroelektrischen Substrat aufgebracht sind, können dabei so große Spannungen bzw. Feldstärken entstehen, dass es zu elektrischen Überschlägen zwischen den feinen Metallstrukturen kommt. Dabei können die Strukturen und damit das Bauelement beschädigt oder zerstört werden, wenn keine geeigneten Schutzmaßnahmen ergriffen werden.

Weiterhin können sich aufgrund der hohen auftretenden Feldstärken die Eigenschaften des piezoelektrischen Substratmaterials und damit auch die Bauelementeigenschaften irreversibel ändern oder gar das Bauelement unbrauchbar werden. Treten die Pyrospannungen während des Betriebes des Bauelementes auf, so können die elektrischen Felder oder die Überschläge zwischen den elektrisch leitenden Strukturen Impulse auslösen, die zu fehlerhafter Signalverarbeitung in der elektronischen Schaltung führen können .

Unerwünschte Pyrospannungen, die auf starke Temperaturänderungen zurückzuführen sind, treten insbesondere bei der Herstellung von Bauelementen mit pyroelektrischem Substrat auf. Eine bekannte Möglichkeit, Schäden durch pyroelektrische Auf- ladung zu verhindern, besteht im Vorsehen von Ionisationsein- richtungen während der Fertigung. Durch Anbieten von beweglichen Ladungsträgern passender Menge und Polarität in der Umgebungsatmosphäre des pyroelektrischen Substrates können die üblicherweise ortsfesten Ladungen auf den Substraten weitge- hend kompensiert werden. Dies ist jedoch ein technisch aufwendiges Verfahren, das außerdem nicht für alle Fertigungsprozesse geeignet ist. Auch kann eine mit elektrisch isolierenden oder passivierenden Schichten abgedeckte pyroelektrische Oberfläche mit Hilfe von Ionisationselektroden nicht mehr ausreichend entladen werden. Außerdem sind die Ionisationselektroden empfindlich gegen verschiedene Dünnschichtverfahren und würden beispielsweise auch durch in Ofenprozessen auftretende organische Ausgasungen geschädigt.

Aus der EP-A-0 785 620 ist es bekannt, Bauelemente auf pyroelektrischen Substraten durch ganzflächig über oder unter den Bauelement-Strukturen auf dem Substrat aufgebrachte leitfähige Schichten gegen Schäden durch Pyroentladungen zu schützen. Nachteilig ist dabei, dass die zusätzliche Materialschicht die Bauelement-Eigenschaften unzulässig verändern kann und beispielsweise die elektoakustische Kopplung oder die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Oberflächenwelle verändert oder gar deren Dämpfung bewirkt .

Weiterhin ist es möglich, die metallischen elektrisch leitenden Bauelementstrukturen leitend miteinander zu verbinden, beispielsweise durch das Vorsehen schmaler metallischer Streifen, die zur Ausbildung einer hochohmigen Verbindung, beispielsweise in mäanderförmiger Anordnung, ausgebildet wer- den. Diese Verbindungen benötigen aber eine erhebliche Substratfläche, die der zunehmenden Miniaturisierung der Bauelemente entgegensteht. Außerdem sind sie aufgrund ihrer Geometrie anfällig für elektrische Unterbrechungen während des Herstellungsprozesses. Insbesondere bei Oberflächenwellen- Bauelementen, die eine komplizierte Anordnung und aufwendige Verschaltung mehrerer Wandlerstrukturen auf einem Chip aufweisen können, kann es mitunter unmöglich sein, alle Wandler auf diese Weise zu schützen, wenn nicht genügend Platz für die zu schützenden Strukturen verfügbar ist, und wenn die verwendeten Technologien keine Überkreuzung von Leiterbahnen ermöglichen. Auch mit zusätzlichen gebondeten Drahtkontaktierungen zur Verbindung unterschiedlicher elektrisch leitender Strukturen, die zudem hohe Kosten verursachen, läßt sich das Problem nicht immer lösen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, für Bauelemente mit pyroelektrischem Substrat eine Möglichkeit anzugeben, Pyrospannungen sowohl bei der Herstellung als auch während des Betriebs der Bauelemente einfach und unschädlich ab- zuleiten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement nach Anspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung des Bauelementes sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung gibt ein Bauelement mit elektrisch leitenden Strukturen auf einem pyroelektrischen Substratmaterial an, bei dem die auftretenden Pyrospannungen in unschädlicher Wei- se mit Hilfe einer hochohmigen Schicht abgeleitet werden. Die Eigenschaften der hochohmigen Schicht können durch Variation der Parameter Schichtdicke, elektrische Leitfähigkeit und Art des Schichtmaterials an die Bauelementfunktion so angepasst werden, dass keine negative Beeinträchtigung der Bauelement - funktion entsteht. Dabei ist es möglich, die hochohmige

Schicht ganzflächig aufzubringen und anschließend zu strukturieren. Möglich ist es jedoch auch, die hochohmige Schicht ausschließlich auf den Flächen aufzubringen, die nicht von BauelementStrukturen, beispielsweise von den elektrisch lei- tenden Strukturen bedeckt sind. Unter hochomiger Schicht wird Ω

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Figuren 1 bis 6 zeigen anhand schematischer Querschnitte verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelementes . Figur 7 zeigt ein Bauelement mit strukturierter hochohmiger Schicht in der Draufsicht.

Figur 1 zeigt ein Oberflächenwellen-Bauelement im schematischen Querschnitt. Das Bauelement ist auf einem piezoelektri- sehen Substrat, beispielsweise Lithiumniobat oder Lithiumtan- talat aufgebaut, welches auch pyroelektrische Eigenschaften hat. Stellvertretend für die möglichen elektrisch leitenden Strukturen 2 sind in der Figur zwei Gruppen zu je drei Elektrodenfingern dargestellt, die Interdigitalwandler (elektro- akustische Wandler) darstellen und für ein Oberflächenwellen- Filter als Ein- oder Ausgangswandler dienen. Die elektrisch leitenden Strukturen 2 sind beispielsweise aus Aluminium aufgebaut .

Auf der Substratoberfläche über den elektrisch leitenden

Strukturen 2 wird nun eine hochohmige Schicht 3 ganzflächig aufgebracht. Beispielsweise wird dazu eine Kohlenstoffschicht in einer Dicke von ca. 5 bis 100 nm, beispielsweise von 50 nm aufgebracht, beispielsweise durch Aufsputtern. Bei Verwendung anderer hochohmiger Materialien sind auch andere Aufbringungsverfahren und andere Schichtdicken geeignet . Figur 2 zeigt das Bauelement mit der ganzflächig aufgebrachten hochohmigen Schicht 3.

Da die hochohmige Schicht 3 über den elektrisch leitfähigen

Strukturen 2 und allgemein im Wandlerbereich negative Auswirkungen auf die Eigenschaften des Oberflächenwellen-Bauelementes haben kann, erfolgt nun eine Strukturierung dergestalt, dass dabei zumindest der Wandlerbereich, besser jedoch der gesamte akustische Pfad von der hochohmigen Schicht 3 befreit

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Figur 6 zeigt, wie die z.B. rahmenförmig die elektrisch leitenden Strukturen 2 umschließende Resist -Struktur 7 als Stützelement für eine Abdeckschicht 9 verwendet werden kann. Als Abdeckschicht 9 kann beispielsweise ebenfalls eine Re- sis -Folie verwendet werden, oder allgemeiner ein photostruk- turierbares Material. Mit Hilfe der Resist-Struktur 7 als Stütz- und Trägerelement wird zusammen mit der Abdeckschicht 9 eine die Bauelementstrukturen 2 dicht umschließende Abdeckkappe geschaffen, mit deren Hilfe die Bauelementstruk- turen 2 dicht gegen Umwelteinflüsse versiegelt werden können. Eine solche Versiegelung kann auch zusätzlich durch das Aufbringen weiterer Materialien auf die PROTEC Abdeckung erfolgen, wobei die Bauelement -Strukturen 2 durch die einen Hohlraum ausbildende PROTEC Abdeckung vor einem Kontakt mit die- sen weiteren Materialien geschützt ist.

Gegenüber dem an sich bekannten PROTEC-Verfahren erfordert das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Bauelementes mit einer Pyrospannungsableitung 8 als zusätzlichen Ar- beitsschritt nur das Aufbringen der hochohmigen Schicht 3. Aufgrund der geringen Schichtdicke der beispielsweise aus Kohlenstoff bestehenden hochohmigen Schicht 3 kann das Entfernen der hochohmigen Schicht direkt über den elektrisch leitfähigen Strukturen 2 und im Wandlerbereich mit einem nur kurzen Plasmaätzschritt erfolgen, wie er auch bislang als

Zwischenstufe zum Reinigen der Resist-Struktur 7 eingesetzt wurde. Darüber hinaus kann die ganzflächig aufgebrachte hochohmige Schicht 3 auch zum Schutz der elektrisch leitenden Strukturen 2 dienen, während die Resist -Schicht 4 zur Her- Stellung der Resist-Struktur 7 nasschemisch und insbesondere wässrig-alkalisch entwickelt wird. Damit wird das Aluminium der elektrisch leitfähigen Strukturen vor einem Angriff des alkalischen Entwicklers geschützt, der ansonsten zu einem Aluminiumabtrag führen könnte, welcher wiederum negative Aus- Wirkungen auf die Bauelementeigenschaften haben könnte. L ω t t μ> t-¹

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Claims

Patentansprüche

1. Bauelement,

- mit einem Substrat (1) aus pyroelektrischem Material - mit auf dem Substrat angeordneten elektrisch leitenden Strukturen (2)

- bei dem zur unschädlichen Ableitung von Pyrospannungen auf dem Substrat eine hochohmige Schicht (3,8) so vorgesehen ist, dass zumindest bestimmte Bereiche (5) der elektrisch leiten- den Strukturen von dieser Schicht (3) unbedeckt sind.

2. Bauelement nach Anspruch 1, das als Oberflächenwellen-Bauelement auf einem piezoelektrischen Substrat (1) ausgebildet ist, wobei die elektrisch leitenden Strukturen (2) elektroakustische Wandler sowie weitere Strukturen umfassen, die ausgewählt sind aus Reflektoren, Leiterbahnen und Kontaktierungsflachen (10) .

3. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die hochohmige Schicht (3) eine Dünnschicht ist, die

Kohlenstoff oder ein Halbleitermaterial umfasst.

4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die hochohmige Schicht (3) eine organische Schicht umfasst die intrinsisch leitend ist oder die leitfähige Partikel enthält.

5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1-4, bei dem das Bauelement als Oberflächenwellen-Bauelement aus- gebildet ist, wobei zumindest der Bereich der elektro- akustischen Wandler (2) von der hochohmigen Schicht (3,8) unbedeckt ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines Oberflächenwellen- Bauelements mit einer Ableitung (8) für Pyrospannung, - bei dem auf einem piezoelektrischen Substrat (1) elektrisch leitende ^'Strukturen (2) erzeugt werden, die einen elektroakustische Wandler umfassenden akustischen Pfad ausbilden, - bei dem auf dem Substrat ganzflächig über den elektrisch leitenden Strukturen eine hochohmige Schicht (3) erzeugt wird,

- bei dem die hochohmige Schicht (3) strukturiert wird, wobei zumindest im Bereich der elektroakustischen Wandler (2) die hochohmige Schicht entfernt wird und zumindest ein Bereich außerhalb des akustischen Pfads von der hochohmigen Schicht (8) bedeckt bleibt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die hochohmige Schicht (3) in einem Dünnschicht Verfahren aufgebracht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem als hochohmige Schicht (3) eine Schicht aus Koh- lenstoff oder einem Halbleiter aufgesputtert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 - 8 , bei dem die Strukturierung mittels Plasmaätzens erfolgt, wobei eine Resistmaske (7) verwendet wird..

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem als Resistmaske (7) Teile einer integriert über den elektrisch leitenden Strukturen aufgebrachten, eine photo- strukturierbare Schicht umfassenden Abdeckung (7,9) verwendet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 - 10, bei dem als hochohmige Schicht (3) eine Schicht aus Kohlenstoff in einer Dicke von 5-100 nm aufgebracht wird, die mittels eines Sauerstoff enthaltenden Plasmas und einer Re- sistmaske (7) strukturiert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 - 11, bei dem die hochohmige Schicht (3) als Dämpfungsstruktur strukturiert wird.