Beschreibungdescription
Bauelement mit Ableitung für Pyrospannungen und HerstellverfahrenComponent with derivation for pyro voltages and manufacturing processes
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.Pyroelectric materials show the pyroelectric effect. These materials react to changes in temperature by building up an electrical voltage. This is particularly disadvantageous for components which are built on pyroelectric substrates, for example piezoelectric components or surface wave components. Between the more or less fine electrically conductive structures of these components, which are applied directly to the pyroelectric substrate, voltages or field strengths can be so great that electrical flashovers occur between the fine metal structures. The structures and thus the component can be damaged or destroyed if no suitable protective measures are taken.
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 .Furthermore, due to the high field strengths that occur, the properties of the piezoelectric substrate material and thus also the component properties can change irreversibly or even the component can become unusable. If the pyro voltages occur during the operation of the component, the electrical fields or the flashovers between the electrically conductive structures can trigger pulses which can lead to incorrect signal processing in the electronic circuit.
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.Undesired pyro voltages, which can be attributed to strong temperature changes, occur in particular in the production of components with a pyroelectric substrate. A known way of preventing damage from pyroelectric charging is to provide ionization directions during manufacturing. By offering moveable charge carriers of the appropriate quantity and polarity in the ambient atmosphere of the pyroelectric substrate, the usually stationary charges on the substrates can be largely compensated for. However, this is a technically complex process that is also not suitable for all manufacturing processes. Also, a pyroelectric surface covered with electrically insulating or passivating layers can no longer be sufficiently discharged with the aid of ionization electrodes. In addition, the ionization electrodes are sensitive to various thin-film processes and would also be damaged, for example, by organic outgassing occurring in furnace processes.
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 .From EP-A-0 785 620 it is known to protect components on pyroelectric substrates against damage caused by pyro-discharges by means of conductive layers applied over the entire surface above or below the component structures on the substrate. The disadvantage here is that the additional material layer can change the component properties in an impermissible manner and, for example, change the electro-acoustic coupling or the propagation speed of a surface wave or even cause its damping.
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.Furthermore, it is possible to conductively connect the metallic, electrically conductive component structures to one another, for example by providing narrow metallic strips which are formed to form a high-resistance connection, for example in a meandering arrangement. However, these connections require a considerable substrate area, which prevents the increasing miniaturization of the components. In addition, due to their geometry, they are susceptible to electrical interruptions during the manufacturing process. Especially for surface acoustic wave components that have a complicated arrangement and complex If several transducer structures are interconnected on one chip, it can sometimes be impossible to protect all transducers in this way if there is not enough space available for the structures to be protected and if the technologies used do not allow conductor tracks to be crossed. Even with additional bonded wire contacts for connecting different electrically conductive structures, which also cause high costs, the problem cannot always be solved.
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.It is therefore an object of the present invention to provide a possibility for components with a pyroelectric substrate to easily and harmlessly derive pyro voltages both during the production and during the operation of the components.
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.This object is achieved according to the invention by a component according to claim 1. A method for producing the component and advantageous refinements of the invention can be found in further claims.
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 hochohmigeThe invention specifies a component with electrically conductive structures on a pyroelectric substrate material, in which the occurring pyro voltages are derived in a harmless manner with the aid of a high-resistance layer. The properties of the high-resistance layer can be adapted to the component function by varying the parameters layer thickness, electrical conductivity and type of layer material in such a way that there is no negative impairment of the component function. It is possible to use the high impedance
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
ΩApply the entire layer and then structure it. However, it is also possible to apply the high-resistance layer exclusively to the areas that are not covered by component structures, for example by the electrically conductive structures. Under the layer of a layer Ω
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PJ μ- Φ φ Φ 0 13 tr CQ CD 3 μ- μ- φ Φ PJ Hj Φ 13 PP Hj P Φ Φ rt φ tr 1 μ- P
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.FIGS. 1 to 6 use schematic cross sections to show different process stages in the production of a component according to the invention. FIG. 7 shows a component with a structured high-resistance layer in a top view.
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 .Figure 1 shows a surface wave device in schematic cross section. The component is built on a piezoelectric substrate, for example lithium niobate or lithium tantalate, which also has pyroelectric properties. Representing the possible electrically conductive structures 2, the figure shows two groups of three electrode fingers each, which represent interdigital transducers (electro-acoustic transducers) and serve as input or output transducers for a surface acoustic wave filter. The electrically conductive structures 2 are constructed, for example, from aluminum.
Auf der Substratoberfläche über den elektrisch leitendenOn the substrate surface above the electrically conductive
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.Structures 2, a high-resistance layer 3 is now applied over the entire surface. For example, a carbon layer is applied in a thickness of approximately 5 to 100 nm, for example of 50 nm, for example by sputtering. If other high-resistance materials are used, other application methods and other layer thicknesses are also suitable. FIG. 2 shows the component with the high-resistance layer 3 applied over the entire surface.
Da die hochohmige Schicht 3 über den elektrisch leitfähigenSince the high-resistance layer 3 over the electrically conductive
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
Structures 2 and in general in the transducer area can have negative effects on the properties of the surface acoustic wave component, structuring is now carried out such that at least the transducer area, but better the entire acoustic path, is freed from the high-resistance layer 3
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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.Figure 6 shows how the e.g. Resist structure 7 enclosing the electrically conductive structures 2 in the form of a frame can be used as a support element for a cover layer 9. For example, a resis film can also be used as the cover layer 9, or more generally a photostructurable material. With the help of the resist structure 7 as a support and carrier element, together with the cover layer 9, a cover cap tightly enclosing the component structures 2 is created, with the aid of which the component structures 2 can be sealed tightly against environmental influences. Such sealing can also be carried out additionally by applying further materials to the PROTEC cover, the component structures 2 being protected from contact with these further materials by the PROTEC cover forming a cavity.
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 alsCompared to the PROTEC method known per se, the method according to the invention for producing the component with a pyrovoltage lead 8 only requires the application of the high-resistance layer 3 as an additional work step. Due to the small layer thickness of the high-resistance layer 3, which is made of carbon, for example, the removal of the high-resistance layer 3 can Layer directly over the electrically conductive structures 2 and in the transducer area with a short plasma etching step, as he has done so far
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 Intermediate stage for cleaning the resist structure 7 was used. In addition, the high-resistance layer 3 applied over the entire surface can also serve to protect the electrically conductive structures 2, while the resist layer 4 is developed to produce the resist structure 7 by wet chemical and in particular aqueous-alkaline. This protects the aluminum of the electrically conductive structures from attack by the alkaline developer, which could otherwise lead to aluminum removal, which in turn could have negative effects on the component properties. L ω tt μ> t- 1
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