Beschreibung description
BAW-Resonator mit verringerter Eigenerwärmung, HF-Filter mit BAW-Resonator, Duplexer mit HF-Filter und Verfahren zur Her- Stellung Self-heating BAW resonator, RF filter with BAW resonator, duplexer with RF filter, and manufacturing method
Die Erfindung betrifft BAW-Resonatoren, deren elektroakusti- sche Eigenschaften durch eine verringerte Eigenerwärmung während des Betriebs verbessert sind. Die Erfindung betrifft ferner HF-Filter bzw. Duplexer mit entsprechend ausgestalte¬ ten Resonatoren und Verfahren zur Herstellung eines solchen Resonators . The invention relates to BAW resonators whose electroacoustic properties are improved by a reduced self-heating during operation. The invention further relates to RF filters or duplexers with appropriately ausgestalte ¬ th resonators and methods for producing such a resonator.
BAW-Resonatoren (BAW = Bulk Acoustic Wave) umfassen ein pie- zoelektrisches Material zwischen zwei Elektrodenschichten.BAW resonators (BAW = Bulk Acoustic Wave) comprise a piezoelectric material between two electrode layers.
Durch Anlagen eines HF-Signals werden akustische Wellen ange¬ regt und umgekehrt. Die Dicke der piezoelektrischen Lage ent¬ spricht im Wesentlichen der halben Wellenlänge λ/2 der zum HF-Signal gehörigen Frequenz. By investing an RF signal acoustic waves are excited ¬ and vice versa. The thickness of the piezoelectric sheet ent ¬ speaks substantially to half the wavelength λ / 2 of the corresponding to the RF signal frequency.
Solche Resonatoren finden insbesondere in HF-Filtern und Duplexern mobiler Kommunikationsgeräte Verwendung. Durch eine Wärmeänderung eines BAW-Resonators ändern sich dessen akustische und damit auch dessen elektrische Eigenschaften. Such resonators are used in particular in HF filters and duplexers of mobile communication devices. By a change in heat of a BAW resonator change its acoustic and thus its electrical properties.
Entsprechend aufgebaute Filter reagieren deswegen auf eine Temperaturänderung durch Veränderungen der Mittenfrequenzen und Bandbreiten. Da die Filter strengen Spezifikationen unterliegen, ist eine Temperaturänderung unerwünscht. Es gibt zwar Möglichkeiten, Änderungen der elektrischen Eigenschaften trotz Temperaturänderung zu kompensieren. Ein BAW-Resonator mit verringerter Eigenerwärmung ist jedoch trotzdem in jedem Fall wünschenswert.
Eine Möglichkeit zur Verringerung der Eigenerwärmung eines BAW-Resonators besteht darin, die Resonatorfläche zu vergrö¬ ßern. So ist es möglich, einen Resonator seriell zu kaskadie- ren. Um die Impedanz beizubehalten, benötigt jeder der beiden kaskadierten Resonatoren die doppelte der ursprünglichen Fläche, sodass sich insgesamt eine Vervierfachung des reinen Flächenbedarfs ergibt. Correspondingly constructed filters therefore respond to a change in temperature due to changes in the center frequencies and bandwidths. Since the filters are subject to strict specifications, a temperature change is undesirable. Although there are ways to compensate for changes in electrical properties despite temperature change. However, a BAW resonator with reduced self-heating is still desirable in any case. One way to reduce the self-heating of a BAW resonator is to magnification ßern the resonator ¬. Thus, it is possible to serially cascade a resonator. In order to maintain the impedance, each of the two cascaded resonators requires twice the original area, resulting in a quadruple of the pure area requirement.
Es besteht deshalb die Aufgabe, einen BAW-Resonator mit ver- ringerter Eigenerwärmung anzugeben. There is therefore the task of specifying a BAW resonator with reduced self-heating.
Diese Aufgabe wird durch den BAW-Resonator gemäß unabhängigem Anspruch 1 gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Resonators bzw. deren Verwendung in Fil- tern oder Duplexern an. Ebenso werden Verfahren zur Herstellung von BAW-Resonatoren mit verringerter Eigenerwärmung angegeben . This object is achieved by the BAW resonator according to independent claim 1. Dependent claims indicate advantageous embodiments of the resonator or their use in filters or duplexers. Also disclosed are methods of making BAW resonators with reduced self-heating.
Der BAW-Resonator mit verringerter Eigenerwärmung unterschei- det sich von konventionellen Resonatoren durch eine Wärmebrücke, die durch dissipative Verluste im elektroakustischen Be¬ reich entstehende Wärme an eine Wärmesenke, z. B. ein Trä¬ gersubstrat, abführt. Ein entsprechender Resonator umfasst dazu einen elektroakus- tisch aktiven Bereich mit zwei Elektroden und einer dazwischen angeordneten piezoelektrischen Schicht. Der Resonator umfasst ferner ein Trägersubstrat als Wärmesenke und einen zwischen dem aktiven Bereich und dem Trägersubstrat angeord- neten akustischen Spiegel. Der akustische Spiegel weist zu¬ mindest eine Lage niedriger Wärmeleitfähigkeit und eine Lage hoher Wärmeleitfähigkeit auf. Die Eigenschaften „niedrig" und
„hoch" bezüglich der Wärmeleitfähigkeit sind relativ zu verstehen, d. h. die Lage hoher Wärmeleitfähigkeit weist eine höhere Wärmeleitfähigkeit auf als die Lage niedriger Wärme¬ leitfähigkeit. Ferner umfasst der Resonator eine Wärmebrücke. Die Lage niedriger Wärmeleitfähigkeit ist dazu geeignet, ei¬ nen Wärmefluss vom aktiven Bereich zum Trägersubstrat zu verringern, d. h. während des Betriebs wird im elektroakustisch aktiven Bereich Wärme erzeugt. Durch die relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit der entsprechenden Lage wird der Wärmeab- fluss vom aktiven Bereich zum Trägersubstrat verringert. Ein Weglassen der Lage niedriger Wärmeleitfähigkeit brächte zwar eine gute thermische Anbindung des elektroakustischen Bereichs an das Trägersubstrat, der akustische Spiegel würde dann aber nicht mehr ordentlich funktionieren und der Resonator wäre unbrauchbar. Um die Eigenerwärmung trotz der isolierenden Lage mit der niedrigen Wärmeleitfähigkeit zu verrin¬ gern, ist die Wärmebrücke vorhanden. Die Wärmebrücke ist dazu vorgesehen, den Wärmefluss vom aktiven Bereich zum Trägersubstrat zu erhöhen. The BAW resonator with reduced self-heating differs from conventional resonators by a thermal bridge, the heat generated by dissipative losses in the electroacoustic Be ¬ rich heat to a heat sink, eg. As a Trä ¬ gersubstrat dissipates. A corresponding resonator for this purpose comprises an electroacoustic active region with two electrodes and a piezoelectric layer arranged therebetween. The resonator further comprises a carrier substrate as a heat sink and an acoustic mirror arranged between the active region and the carrier substrate. The acoustic mirror comprises at least one ply ¬ low thermal conductivity and a layer of high thermal conductivity. The properties "low" and "High" with respect to the thermal conductivity are relative terms, ie the position of high thermal conductivity has a higher thermal conductivity than the layer of low heat ¬ conductivity. Furthermore, the resonator comprises a thermal bridge. The location of low thermal conductivity is suitable for egg ¬ NEN heat flow from the active Due to the relatively low thermal conductivity of the corresponding layer, the heat transfer from the active region to the carrier substrate is reduced, but omitting the layer of low thermal conductivity would bring about a good thermal connection the electro-acoustic range to the carrier substrate, the acoustic mirror would then no longer function properly and the resonator would be useless. to the self-heating despite the insulating layer with the low thermal conductivity to verrin ¬ like, is The thermal bridge is intended to increase the heat flow from the active region to the carrier substrate.
Mit anderen Worten: Im Vergleich zu konventionellen BAW- Resonatoren wird im elektroakustisch aktiven Bereich erzeugte Wärme ein zusätzlicher Weg geringen Widerstands zum Trägersubstrat angeboten. Bezogen auf einen Wärmefluss vom elektroakustisch aktiven Bereich zum Trägersubstrat wird ein Kurzschluss geringsten Widerstands hergestellt. In other words, in comparison with conventional BAW resonators, heat generated in the electroacoustically active region is offered as an additional path of low resistance to the carrier substrate. Based on a heat flow from the electro-acoustically active region to the carrier substrate, a short circuit of least resistance is produced.
Die Wärmebrücke selbst ist dabei im Wesentlichen bezüglich der Wärmeleitung aber nicht elektroakustisch oder elektrisch aktiv. Der BAW-Resonator wird deshalb in seinen elektrischen und akustischen Eigenschaften höchstens unwesentlich verschlechtert. Dies steht im Gegensatz zu dem Versuch, Lagen des Spiegels niedriger Wärmeleitfähigkeit durch Lagen höherer
Wärmeleitfähigkeit zu ersetzen. Für den Spiegel werden in ab¬ wechselnder Folge Lagen hoher und niedriger akustischer Impedanz gebraucht. Bekannte Materialien haben im Wesentlichen entweder eine hohe akustische Impedanz und eine hohe Wärme- leitfähigkeit oder eine niedrige akustische Impedanz und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit. Würde eine Lage niedriger Wärme¬ leitfähigkeit durch eine Lage hoher Wärmeleitfähigkeit er¬ setzt, so wird dabei gleichzeitig eine Lage niedriger akusti¬ scher Impedanz durch eine Lage hoher akustischer Impedanz er- setzt, wodurch der Spiegel in seinen akustischen Eigenschaften deutlich verschlechtert wird. The thermal bridge itself is essentially electroacoustically or electrically active in terms of heat conduction. The BAW resonator is therefore at most negligibly degraded in its electrical and acoustic properties. This is in contrast to the attempt to position the low thermal conductivity mirror through higher layers To replace thermal conductivity. For the mirror in from ¬ alternating sequence layers of high and low acoustic impedance are needed. Known materials essentially have either high acoustic impedance and high thermal conductivity or low acoustic impedance and low thermal conductivity. If a layer low thermal conductivity ¬ by a layer of high thermal conductivity it is ¬ so doing a position lower akusti ¬ shear impedance by a layer of high acoustic impedance ER is simultaneously sets, which the mirror is significantly deteriorated in its acoustic properties.
Es ist möglich, dass der akustische Spiegel zusätzlich zur Lage niedriger Wärmeleitfähigkeit eine oder mehrere weitere Lagen niedriger Wärmeleitfähigkeit aufweist. Entsprechendes gilt für die Lagenhöhe hoher Wärmeleitfähigkeit. Die Zahl der Lagen wird dabei im Wesentlich bezüglich seiner akustischen Anforderungen bestimmt. Dabei gilt: Je höher die Lagenzahl, desto schlechter prinzipiell die thermische Ankopplung des elektroakustisch aktiven Bereichs an das Trägersubstrat, d. h. je mehr Lagen der Spiegel aufweist, desto größer ist der Einfluss der Wärmebrücke auf die Reduzierung der Eigenerwärmung . Es ist insbesondere möglich, dass die Lagen niedriger Wärme¬ leitfähigkeit eine geringe akustische Impedanz und die Lagen hoher Wärmeleitfähigkeit eine hohe akustische Impedanz auf¬ weisen . Die Lagen niedriger Wärmeleitfähigkeit können dabei insbesondere ein dielektrisches Material aufweisen, während die Lagen hoher Wärmeleitfähigkeit ein Metall umfassen oder aus einem
Metall oder einer Legierung bestehen. Dabei können die üblichen Materialien wie Siliziumdioxid für Lagen niedriger akustischer Impedanz und niedriger Wärmeleitfähigkeit oder schwere Metalle wie Wolfram für die Lagen hoher akustischer Impedanz und hoher Wärmeleitfähigkeit Verwendung finden. It is possible that the acoustic mirror has one or more further layers of low thermal conductivity in addition to the low thermal conductivity layer. The same applies to the layer height of high thermal conductivity. The number of layers is determined essentially in terms of its acoustic requirements. The higher the number of layers, the worse in principle the thermal coupling of the electroacoustically active region to the carrier substrate, ie the more layers the mirror has, the greater the influence of the thermal bridge on the reduction of self-heating. It is in particular possible that the layers of low thermal conductivity ¬ have a low acoustic impedance and the layers of high thermal conductivity a high acoustic impedance on ¬. The layers of low thermal conductivity may in particular comprise a dielectric material, while the layers of high thermal conductivity comprise or consist of a metal Metal or an alloy exist. The usual materials such as silicon dioxide can be used for layers of low acoustic impedance and low thermal conductivity or heavy metals such as tungsten for the layers of high acoustic impedance and high thermal conductivity.
Es ist insbesondere möglich, dass die Wärmebrücke eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Lage niedriger Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Wärmeleitfähigkeit der Wärmebrücke kann dabei kleiner, gleich oder größer als die Wärmeleitfähigkeit der Lagen hoher Wärmeleitfähigkeit sein. In particular, it is possible that the thermal bridge has a higher thermal conductivity than the layer of low thermal conductivity. The thermal conductivity of the thermal bridge may be smaller, equal to or greater than the thermal conductivity of the layers of high thermal conductivity.
Da die Wärmebrücke akustisch im Wesentlichen nicht aktiv ist, kann bei der Wahl des Materials der Wärmebrücke ausschließ- lieh die Fähigkeit zur Wärmeleitung berücksichtigt werden, während bei der Wahl des Materials der Lage hoher Wärmeleit¬ fähigkeit im Spiegel auch dessen akustische Eigenschaften be¬ rücksichtigt werden müssen. Es ist möglich, dass der Abstand zwischen der Wärmebrücke und dem aktiven Bereich kleiner als der Abstand zwischen dem aktiven Bereich und dem Trägersubstrat ist. Ferner ist es mög¬ lich, dass der Abstand zwischen der Wärmebrücke und dem Trä¬ gersubstrat kleiner als der Abstand zwischen dem aktiven Be- reich und dem Trägersubstrat ist. Since the thermal bridge is substantially non-acoustic active in choosing the material of the thermal bridge can be exclusively borrowed the ability to conduct heat into consideration while choosing the material capable of high thermal conductivity ¬ ability in the mirror and whose acoustic properties be ¬ be taken into have to. It is possible that the distance between the thermal bridge and the active region is smaller than the distance between the active region and the carrier substrate. Further, it is mög ¬ Lich that the distance between the heat bridge and the Trä ¬ gersubstrat smaller than the distance between the active loading is rich and the carrier substrate.
Der Abstand zwischen zwei Elementen ist dabei die Streckenlänge der kürzesten Verbindung zwischen diesen zwei Elementen . The distance between two elements is the route length of the shortest connection between these two elements.
Dass die Wärmebrücken einen geringen Abstand zum aktiven Bereich oder zum Trägersubstrat aufweist, ermöglicht es ihr, Wärme gut vom aktiven Bereich weg und/oder zum Trägersubstrat
hin zu leiten. Die Wärmeleitfähigkeit der Wärmebrücke selbst ist dabei relativ hoch. Durch die geringe Entfernung zwischen der Wärmebrücke und dem entsprechenden Bereich ist auch ein ausreichender Wärmefluss möglich, selbst wenn das Material zwischen der Brücke und dem entsprechenden Bereich durch ein Material niedrigerer Wärmeleitfähigkeit getrennt ist. Having the thermal bridges a short distance from the active region or support substrate allows it to conduct heat well away from the active region and / or to the support substrate to lead. The thermal conductivity of the thermal bridge itself is relatively high. Due to the small distance between the thermal bridge and the corresponding area, sufficient heat flow is possible, even if the material between the bridge and the corresponding area is separated by a material of lower thermal conductivity.
Bevorzugt ist, dass sich die Wärmebrücke sowohl direkt an den aktiven Bereich als auch an das Trägersubstrat anschließt und den aktiven Bereich und das Trägersubstrat in Bezug auf einen Wärmefluss kurzschließt. It is preferred that the thermal bridge connects both directly to the active region and to the carrier substrate and short-circuits the active region and the carrier substrate with respect to a heat flow.
Es ist möglich, dass die Wärmebrücke einen Bereich aufweist, der den aktiven Bereich in lateraler Richtung umschließt. It is possible that the thermal bridge has a region enclosing the active region in the lateral direction.
Das heißt, der elektroakustisch aktive Bereich ist innerhalb des Bereichs der Wärmebrücke. Die Wärmebrücke kann dabei in lateraler Richtung einen ausreichenden Abstand einhalten, um die Akustik des Resonators nicht zu stören. In vertikaler Richtung kann die Wärmebrücke von den Lagen des aktiven Bereichs nach unten bis zum Substrat reichen. That is, the electroacoustically active area is within the range of the thermal bridge. The thermal bridge can maintain a sufficient distance in the lateral direction so as not to disturb the acoustics of the resonator. In the vertical direction, the thermal bridge can extend from the layers of the active area down to the substrate.
Ist der Resonator allein oder zusammen mit anderen Resonatoren mit niedriger Eigenerwärmung auf einem Trägersubstrat angeordnet, z. B. in einer Laddertype-Struktur, so ist es insbesondere möglich, dass die verschiedenen Lagestapel der verschiedenen Resonatoren nebeneinander angeordnet sind. Die Oberfläche des Trägersubstrats ist dabei im Allgemeinen etwas größer als die Summe der Flächen der elektroakustischen Bereiche der verschiedenen Resonatoren. Deshalb existieren um die elektroakustischen Bereiche herum, in denen Material der Wärmebrücke, die Wärme aus verschiedenen elektroakustischen
Bereichen der Resonatoren an das Trägersubstrat abführen kann, angeordnet sein kann. If the resonator is arranged alone or together with other low self-heating resonators on a carrier substrate, e.g. B. in a ladder type structure, so it is particularly possible that the different stack of positions of the different resonators are arranged side by side. The surface of the carrier substrate is generally slightly larger than the sum of the areas of the electro-acoustic regions of the various resonators. Therefore exist around the electroacoustic areas, in which material of the thermal bridge, the heat from various electroacoustic Regions of the resonators can dissipate to the carrier substrate, can be arranged.
Das Trägersubstrat braucht dabei nicht größer als bei konven- tionellen Resonatoren oder Filtern sein. Ohne weitere negative Eigenschaften ist die Eigenerwärmung der Resonatoren bzw. der Filter verbessert. The carrier substrate does not need to be larger than in the case of conventional resonators or filters. Without further negative properties, the self-heating of the resonators or the filter is improved.
Es ist alternativ oder zusätzlich dazu möglich, dass die Wär- mebrücke einen Bereich aufweist, der in zumindest einer Lage niedriger Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist. Dieser Bereich verbindet zumindest eine Lage hoher Wärmeleitfähigkeit mit dem aktiven Bereich oder mit dem Trägersubstrat. Es ist alternativ dazu oder zusätzlich möglich, dass die Wärmebrücke einen Bereich aufweist, der in zumindest einer Lage niedriger Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist und zwei Lagen hoher Wärmeleitfähigkeit miteinander verbindet. Ohne die Akustik des Lagenstapels zu stören, z. B. indem die entsprechende Fläche einer Lage ausreichend klein gewählt wird, können die Lagen niedriger Wärmeleitfähigkeit z. B. säulenförmige oder zylinderförmige Abschnitte umfassen, die in Bezug auf einen Wärmefluss Lagen hoher Wärmeleitfähigkeit des Stapels kurzschließen. It is alternatively or additionally possible for the heat bridge to have a region which is arranged in at least one layer of low thermal conductivity. This region connects at least one layer of high thermal conductivity to the active region or to the carrier substrate. It is alternatively or additionally possible for the thermal bridge to have a region which is arranged in at least one layer of low thermal conductivity and connects two layers of high thermal conductivity to one another. Without disturbing the acoustics of the layer stack, z. B. by the corresponding area of a layer is chosen sufficiently small, the layers of low thermal conductivity z. B. columnar or cylindrical sections that short in relation to a heat flow layers of high thermal conductivity of the stack.
Entsprechende Bereiche innerhalb der Lagen niedriger Wärme¬ leitfähigkeit können dabei Segmente umfassen, die z. B. als phononisches Gitter wirken und die Akustik im Spiegel verbes- sern. So ist z. B. möglich, laterale Schwingungen im Spiegel auf wenige oder gar eine einzige Mode zu beschränken.
Dazu kann das Material der Wärmebrücke, z. B. bezüglich sei¬ ner akustischen Impedanz, entsprechend gewählt sein. Corresponding areas within the layers of low heat ¬ conductivity can include segments that z. B. act as a phononic grating and improve the acoustics in the mirror. So z. B. possible to limit lateral oscillations in the mirror to a few or even a single mode. For this, the material of the thermal bridge, z. B. be ¬ ner acoustic impedance, be selected accordingly.
Es ist insbesondere möglich, dass ein oder mehrere entspre- chend ausgestaltete BAW-Resonatoren in einem HF-Filter verschaltet und beispielsweise auf einem gemeinsamen Trägersub¬ strat angeordnet sind. It is in particular possible that one or more correspondingly configured BAW resonators connected in a RF filter and are for example arranged on a common Trägersub ¬ strat.
Ein solches Filter oder einzelne Resonatoren mit verringerter Eigenerwärmung können in einem Duplexer, z. B. in einer Such a filter or individual resonators with reduced self-heating can be used in a duplexer, e.g. B. in one
Frontend-Schaltung eines mobilen Kommunikationsgeräts, verschaltet sein. Frontend circuit of a mobile communication device to be interconnected.
Segmente verschiedener Bereiche der Wärmebrücke können insbe- sondere ein zwei- oder dreidimensionales periodisches Gitter, z. B. das o.g. phononisches Gitter, bilden. Die Segmente des Gitters können in ihrer Größe, Form und Lage so ausgebildet sein, dass sie bezüglich einer Frequenz einer unerwünschten Mode die Bragg-Bedingung erfüllen, um die ansonsten freie Ausbreitung dieser Mode einzuschränken. Die Segmente können z. B. eine Breite von λ/4 bezogen auf die unerwünschte Mode aufweisen. Der Abstand der Segmente in horizontaler Richtung kann ebenfalls λ/4 betragen. Um die Strukturierungsprozesse zu vereinfachen können auch ganzzahlige Vielfache, Segments of different areas of the thermal bridge can in particular a two- or three-dimensional periodic grating, z. B. the o.g. phononic grid, form. The segments of the grating may be configured in size, shape and location to satisfy the Bragg condition with respect to an undesired mode frequency to limit the otherwise free propagation of this mode. The segments can z. B. have a width of λ / 4 based on the unwanted mode. The spacing of the segments in the horizontal direction may also be λ / 4. In order to simplify the structuring processes, even integer multiples,
insbesondere ungeradzahlige Vielfache, der Viertelwellenlänge bevorzugt sein. Die Breite der Segmente und der horizontale Abstand können identisch oder verschieden sein. So kann die Breite n λ/4 und der Abstand m λ/4 betragen und m > n sein. Es ist besondere möglich, dass m deutlich größer, z. B. 2, 5, 10, 20 oder 100 fach größer als n ist. Je größer m gegenüber n ist, desto geringer ist der Einfluss auf die in vertikaler Richtung propagierende (longitudinale) Hauptmode.
Um mehrere unerwünschte Moden, z. B. verschiedene laterale Moden, gleichzeitig einzufangen, können die Breiten und die Anstände der Segmente in verschiedenen elektroakustisch aktiven Bereichen unterschiedlich gewählt und auf die in particular odd-numbered multiples, the quarter wavelength be preferred. The width of the segments and the horizontal distance may be identical or different. Thus, the width n can be λ / 4 and the distance m λ / 4 and m> n. It is particularly possible that m is much larger, z. B. 2, 5, 10, 20 or 100 times greater than n. The larger m is compared to n, the smaller the influence on the (longitudinal) main mode propagating in the vertical direction. To several unwanted modes, eg. B. different lateral modes, capture simultaneously, the widths and the states of the segments in different electro-acoustically active regions can be chosen differently and on the
verschiedenen Werte für λ/4 abgestimmt sein. be coordinated with different values for λ / 4.
Die Wärmebrücke kann verschiedene Materialien umfassen. In Frage kommen insbesondere für die oberste Lage verschiedene Modifikationen von Kohlenstoff wie Diamant, Kohlenstoff- Nanoröhrchen oder Graphit, Saphir, Rubin oder eine andere Modifikation eines Aluminiumoxids, Silizium (Si) oder The thermal bridge may comprise various materials. In particular, for the uppermost layer, various modifications of carbon such as diamond, carbon nanotube or graphite, sapphire, ruby or another modification of an aluminum oxide, silicon (Si) or
Germanium (Ge) . Aber auch anderen Materialien wie Oxide der Metalle Silber (Ag) , Kupfer (Cu) , Gold (Au) , Kalium (K) , Molybdän (Mo) , Messing, Zink (Zn) , Magnesium (Mg) , Wolfram (W) , Natrium (Na), Nickel (Ni) , Eisen (Fe), Platin (Pt) , Zinn (Sn) , Tantal (Ta) , Blei (Pb) oder Titan (Ti) oder oxidische Keramiken mit einem oder mehreren dieser Metalle sind Germanium (Ge). But also other materials such as oxides of the metals silver (Ag), copper (Cu), gold (Au), potassium (K), molybdenum (Mo), brass, zinc (Zn), magnesium (Mg), tungsten (W), Sodium (Na), nickel (Ni), iron (Fe), platinum (Pt), tin (Sn), tantalum (Ta), lead (Pb) or titanium (Ti) or oxide ceramics with one or more of these metals
möglich . In Lagen unter der obersten Lage können die genannten Metalle oder Legierungen mit diesen Metallen in der Wärmebrücke enthalten sein. possible. In layers below the uppermost layer, said metals or alloys with these metals may be contained in the thermal bridge.
Zwar kann auch die oberste Lage der Wärmebrücke Metall enthalten. Zur Vermeidung der elektrischen Eigenschaften des Resonators wird ein dielektrisches Material in der obersten Lage jedoch bevorzugt. Although the uppermost layer of the thermal bridge may contain metal. However, to avoid the electrical properties of the resonator, a dielectric material in the uppermost layer is preferred.
Ein Verfahren zur Herstellung eines BAW-Resonators mit ver- ringerter Eigenerwärmung umfasst die Schritte: A method for producing a BAW resonator with reduced self-heating comprises the steps:
- Bereitstellen eines Trägersubstrats, Providing a carrier substrate,
- Anordnen eines akustischen Spiegels mit abwechselnden Lagen hoher und niedriger Wärmeleitfähigkeit,
- Strukturieren eines elektroakustisch aktiven Bereichs mit einer piezoelektrischen Lage zwischen zwei Elektrodenlagen auf dem Spiegel. Arranging an acoustic mirror with alternating layers of high and low thermal conductivity, - Structuring an electroacoustically active area with a piezoelectric layer between two electrode layers on the mirror.
Ferner umfasst das Verfahren Schritte zur Strukturierung einer Wärmebrücke, die zur Übertragung von Wärme vom aktiven Bereich zum Trägersubstrat vorgesehen und geeignet ist. Furthermore, the method comprises steps for structuring a thermal bridge, which is provided and suitable for transferring heat from the active region to the carrier substrate.
Die Schritte zur Bildung der Wärmebrücke können dabei im We¬ sentlichen übliche Schritte zur Schichtabscheidung und/oder Strukturierung, z. B. Lithografieprozesse mit Resist-Schich- ten und Belichtungs-Prozessen, umfassen. The steps for forming the thermal bridge are the customary to We ¬ sentlichen steps for the layer deposition and / or patterning, z. As lithography processes with resist layers and exposure processes include.
Es ist möglich, dass das Verfahren so durchgeführt wird, dass die Wärmebrücke einen Bereich umfasst, der ein Material höhe¬ rer Wärmeleitfähigkeit als die Lagen niedriger Wärmeleitfä¬ higkeit aufweist. Die Wärmebrücke wird dabei so strukturiert, dass zumindest einer ihrer Bereiche den aktiven Bereich seitlich umschließt. It is possible that the process is carried out so that the thermal bridge comprises a region having a material height ¬ rer thermal conductivity than the layers lower Wärmeleitfä ¬ ability. The thermal bridge is structured in such a way that at least one of its regions encloses the active region laterally.
So kann der Bereich der Wärmebrücke eine Rahmenstruktur um den elektroakustisch aktiven Bereich bilden und Wärme seitlich am Spiegel vorbei vom aktiven Bereich zum Trägersubstrat führen . Thus, the area of the thermal bridge can form a frame structure around the electro-acoustically active area and heat can lead laterally past the mirror from the active area to the carrier substrate.
Es ist möglich, dass das Verfahren Schritte umfasst, während derer ein Bereich der Wärmebrücke strukturiert wird, der ein Material höherer Wärmeleitfähigkeit als die Lagen niedriger Wärmeleitfähigkeit aufweist und innerhalb der Lagen niedriger Wärmeleitfähigkeit strukturiert wird.
Dieser Bereich innerhalb der Lagen niedriger Wärmeleitfähigkeit kann dabei ein Array periodisch angeordneter Felder aufweisen, die dazu geeignet sind, gewünschte Moden auszuwählen und dadurch die Kopplung des Resonators zu verbessern. It is possible that the method comprises steps during which a region of the thermal bridge is structured that has a material of higher thermal conductivity than the layers of low thermal conductivity and is structured within the layers of low thermal conductivity. This region within the layers of low thermal conductivity can have an array of periodically arranged fields which are suitable for selecting desired modes and thereby improving the coupling of the resonator.
Es ist insbesondere möglich, dass die Verfahren zur Herstel¬ lung der Resonatoren Lithografie-Prozesse zur Abscheidung des Materials der Wärmebrücke, z. B. in den Lagen niedriger Wärmeleitfähigkeit oder in einer Rahmenstruktur um den Spiegel herum, aufweisen. It is in particular possible that the method for the manufacture ¬ development of the resonators lithographic processes for the deposition of the material of the thermal bridge, z. B. in the layers of low thermal conductivity or in a frame structure around the mirror, have.
Im Folgenden wird der BAW-Resonator mit verringerter Eigenerwärmung bzw. Herstellungsverfahren dazu anhand von schematischen, nicht einschränkenden Figuren näher erläutert. In the following, the BAW resonator with reduced self-heating or manufacturing method is explained in more detail with reference to schematic, non-limiting figures.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1: die Wirkungsweise der Wärmebrücke als Kurzschluss bezüglich der Wärmeleitung von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke, die Anordnung verschiedener BAW-Resonatoren auf einem Trägersubstrat, einen Querschnitt durch einen möglichen Lagenstapel eines Resonators, einen Querschnitt durch einen Lagenstapel, bei dem die Wärmebrücke durch eine rahmenförmige Struktur ausgebildet ist, einen Querschnitt durch einen Lagenstapel, bei dem die Wärmebrücke einen Bereich mit Segmenten hoher
Wärmeleitfähigkeit zwischen Spiegellagen hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, einen horizontalen Querschnitt durch eine Lage niedriger Wärmeleitfähigkeit, in der Segmente der Wärmebrücke angeordnet sind, Fig. 1: the operation of the thermal bridge as a short circuit with respect to the heat conduction from a heat source to a heat sink, the arrangement of different BAW resonators on a carrier substrate, a cross section through a possible stack of layers of a resonator, a cross section through a stack of sheets, in which the thermal bridge by a frame-shaped structure is formed, a cross-section through a stack of sheets, wherein the thermal bridge a region with segments high Has thermal conductivity between mirror layers of high thermal conductivity, a horizontal cross section through a layer of low thermal conductivity, are arranged in the segments of the thermal bridge,
Fig. 7: einen Que Riehtung du Fig. 7: a Que Riehtung du
eine Lage gkeit , in de mente der Streifen an net sind, a position in which the strips are on net,
Fig. 8: einen Querschnitt in horizontaler Richtung durch eine Lage niedriger Wärmeleitfähigkeit, wobei die Wärmebrücke zum einen einen Bereich mit Segmenten innerhalb der Lage niedriger Wärmeleitfähigkeit und zum anderen einen Rahmen, der die Lage niedriger Wärmeleitfähigkeit umschließt, umfasst. Figur 1 illustriert die Funktion der Wärmebrücke. In einer8 shows a cross section in the horizontal direction through a layer of low thermal conductivity, wherein the thermal bridge comprises on the one hand a region with segments within the layer of low thermal conductivity and on the other hand a frame which encloses the layer of low thermal conductivity. FIG. 1 illustrates the function of the thermal bridge. In a
Wärmequelle WQ, z. B. einem elektroakustisch aktiven Bereich während des Betriebs eines BAW-Resonators , wird beispiels¬ weise durch dissipative Verluste Wärme erzeugt. Als Wärme¬ senke WS dient beispielsweise das Trägersubstrat eines BAW- Resonators. Zwischen der Wärmequelle WQ und der Wärmesenke WS ist der akustische Spiegel angeordnet, der in abwechselnder Reihenfolge Schichten mit hoher Wärmeleitfähigkeit WL und im Wesentlichen Wärme isolierende Schichten WI aufgebaut ist. Die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Wärmequelle WQ und der Wärmesenke WS ist insbesondere durch die Wärme isolierendenHeat source WQ, z. B. an electroacoustically active area during the operation of a BAW resonator example, heat is generated by dissipative ¬ losses. As heat ¬ valley WS the carrier substrate of a BAW serves for example resonator. Between the heat source WQ and the heat sink WS, the acoustic mirror is arranged, which is constructed in alternating order layers with high thermal conductivity WL and substantially heat insulating layers WI. The thermal conductivity between the heat source WQ and the heat sink WS is particularly insulating by the heat
Schichten WI begrenzt. Um die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Wärmequelle WQ und der Wärmesenke WS zu erhalten, werden Be¬ reiche einer Wärmebrücke WB vorgesehen, die bezogen auf einen
Wärmefluss einen Kurzschluss zwischen der Wärmequelle WQ und der Wärmesenke WS herstellen. Die Bereiche der Wärmebrücke WB sind dabei so angeordnet und ausgestaltet, dass die Akustik zwischen dem elektroakustischen Bereich (der Wärmequelle) und der Wärmesenke (dem Trägersubstrat) nicht gestört werden. So wird ein BAW-Resonator BAWR mit guten elektrischen und akustischen Eigenschaften und gleichzeitig geringer Eigenerwärmung durch verbessertes Thermo-Management erhalten. Figur 2 zeigt die Draufsicht auf ein HF-Filter F, das eine Vielzahl von BAW-Resonatoren BAWR umfasst, welche auf einem Trägersubstrat TS angeordnet sind. Die elektroakustisch akti¬ ven Bereiche und die Bereiche der elektrischen Kontaktierung sind dabei schwarz markiert. Die übrigen Bereiche (schraf- fiert gekennzeichnet) können zur Aufnahme einer oder mehrerer Wärmebrücken WB dienen, ohne die Akustik der Resonatoren zu stören . Layers WI limited. In order to obtain the thermal conductivity between the heat source WQ and the heat sink WS, Be ¬ rich a thermal bridge WB are provided, based on a Heat flow establish a short circuit between the heat source WQ and the heat sink WS. The areas of the thermal bridge WB are arranged and configured such that the acoustics between the electroacoustic area (the heat source) and the heat sink (the carrier substrate) are not disturbed. Thus, a BAW resonator BAWR is obtained with good electrical and acoustic properties and at the same time low self-heating through improved thermal management. FIG. 2 shows the top view of an RF filter F, which comprises a plurality of BAW resonators BAWR, which are arranged on a carrier substrate TS. The electroacoustically akti ¬ ven areas and the areas of electrical contact are marked black. The remaining areas (marked hatched) can serve to accommodate one or more thermal bridges WB without disturbing the acoustics of the resonators.
Figur 3 zeigt einen horizontalen Querschnitt durch einen La- genstapel eines BAW-Resonators BAWR. Der Lagenstapel ist auf einem Trägersubstrat TS angeordnet, welches als Wärmesenke WS dient. Das Trägersubstrat kann beispielsweise Silizium, z. B. kristallines Silizium, umfassen, welches eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit bereitstellt, um die Wärme aus dem elektroakustischen Bereich EAB aufzunehmen und an die Umgebung abzuführen. FIG. 3 shows a horizontal cross section through a stack of layers of a BAW resonator BAWR. The layer stack is arranged on a carrier substrate TS, which serves as a heat sink WS. The carrier substrate may, for example, silicon, z. As crystalline silicon, which provides a sufficiently high thermal conductivity to absorb the heat from the electroacoustic region EAB and dissipate it to the environment.
Der elektroakustisch aktive Bereich EAB umfasst eine untere Elektrode EL und eine obere Elektrode EL und ein piezoelekt- risches Material dazwischen. Unterhalb der unteren Elektrode EL ist ein Lagenstapel aus abwechselnd angeordneten Lagen niedriger Wärmeleitfähigkeit WI und hoher Wärmeleitfähigkeit WL angeordnet. Die Materialien des Spiegels sind in erster
Linie bezüglich der Akustik des Lagenstapels ausgewählt. Das piezoelektrische Material zwischen den Elektroden EL hat eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Material der Lagen niedri¬ ger Wärmeleitfähigkeit WI . Somit kann das Material der piezo- elektrischen Schicht gleichzeitig als Material der Wärmebrü¬ cke WB dienen und auf einem direkten Weg Wärme aus dem elekt- roakustischen Bereich EAB zum Trägersubstrat TS abführen. Die piezoelektrische Lage ist hierbei derart erweitert, dass sie den Stapel der Spiegelschichten vollständig bedeckt und den elektroakustischen Bereich direkt mit dem Trägersubstrat TS verbindet, ohne die Akustik des Resonators BAWR zu stören. The electroacoustic active region EAB comprises a lower electrode EL and an upper electrode EL and a piezoelectric material therebetween. Below the lower electrode EL, a layer stack of alternately arranged layers of low thermal conductivity WI and high thermal conductivity WL is arranged. The materials of the mirror are first Line selected with respect to the acoustics of the layer stack. The piezoelectric material between the electrodes EL has a higher thermal conductivity than the material of the layers niedri ¬ ger thermal conductivity WI. Thus, the material of the piezo-electric layer can simultaneously serve as the material of Wärmebrü ¬ blocks WB and dissipate on a direct path from the heat elec- roakustischen range EAB to the carrier substrate TS. In this case, the piezoelectric layer is widened in such a way that it completely covers the stack of mirror layers and connects the electroacoustic region directly to the carrier substrate TS, without disturbing the acoustics of the resonator BAWR.
Figur 4 zeigt eine Ausgestaltung, bei der - analog zur Ausgestaltung der Figur 3 - zwei obere Elektrodenlagen und eine dazwischen angeordnete piezoelektrische Lage den elektroakus¬ tischen Bereich EAB bilden. Darunter sind Spiegellagen mit abwechselnder Wärmeleitfähigkeit und entsprechend abwechseln¬ der akustischer Impedanz angeordnet. Der Lagenstapel des BAW- Resonators BAWR ist wiederum auf einem Trägersubstrat als Wärmesenke WS angeordnet. Zusätzlich dazu und zwischen dem Trägersubstrat bzw. der Wärmesenke WS und dem Material der piezoelektrischen Lage ist den Lagenstapel des Spiegels flan¬ kierend eine Rahmenstruktur aus Lagen relativ hoher Wärmeleitfähigkeit ausgebildet. Diese Lagen bilden die Wärmebrü- cke, die Wärme aus dem elektroakustischen Bereich EAB überFigure 4 shows an embodiment in which - analogous to the embodiment of Figure 3 - two upper electrode layers and a piezoelectric layer arranged therebetween form the elektroakus ¬ tables area EAB. Including mirror layers with alternating thermal conductivity and accordingly alternating ¬ the acoustic impedance are arranged. The layer stack of the BAW resonator BAWR is in turn arranged on a carrier substrate as a heat sink WS. In addition to this, and between the carrier substrate or the heat sink WS and the material of the piezoelectric layer, a frame structure of layers of relatively high thermal conductivity is formed flan ¬ kierend the layer stack of the mirror. These layers form the heat bridges, the heat from the electroacoustic area EAB
Material der piezoelektrischen Lage an die Wärmesenke WS ab¬ führt . Material of the piezoelectric layer leads to the heat sink WS ¬ leads.
Im Vergleich zum Lagenstapel der Figur 3 ist die Wärmebrücke WB hier besser akustisch entkoppelt. Compared to the stack of layers of Figure 3, the thermal bridge WB is better acoustically decoupled here.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Wärmebrücke WB einen Bereich in den Lagen niedriger Wärmeleitfähigkeit
aufweist. Der Bereich umfasst dabei eine Vielzahl einzelner Segmente in den unterschiedlichen Lagen, die als Wärmedurchführung Wärme zwischen den einzelnen Lagen hoher Wärmeleitfähigkeit aus dem elektroakustischen Bereich an die Wärmesenke abgeben können. Die Segmente des Bereichs der Wärmebrücke WB sind hierbei prinzipiell in Bereichen des Resonators angeord¬ net, in dem akustische Wellen - wenn auch nach unten mit abnehmender Intensität - propagieren. Jedoch kann sogar eine Verbesserung der Akustik und/oder insbesondere der Kopplung erhalten werden, wenn die Segmente entsprechend dimensioniert und bezüglich ihrer akustischen Impedanz ausgewählt werden. Die Segmente der Wärmebrücke WB können somit ein phononisches Gitter bilden und das Ausbilden unerwünschter Schwingungsmoden verringern oder vermeiden. Unvermeidbare unerwünschte Moden verringerter Intensität können eingefangen und in ihren Auswirkungen reduziert werden. FIG. 5 shows an embodiment in which the thermal bridge WB covers an area in the layers of low thermal conductivity having. The area comprises a plurality of individual segments in the different layers, which can deliver heat as heat transfer between the individual layers of high thermal conductivity from the electroacoustic area to the heat sink. The segments of the region of the thermal bridge WB are in principle angeord ¬ net in areas of the resonator, in the acoustic waves propagate - albeit downwards with decreasing intensity. However, even an improvement in acoustics and / or in particular coupling can be obtained if the segments are dimensioned accordingly and selected for their acoustic impedance. The segments of the thermal bridge WB can thus form a phononic grid and reduce or avoid the formation of undesirable vibration modes. Unavoidable unwanted modes of reduced intensity can be trapped and their effects reduced.
Figur 6 zeigt einen Querschnitt in horizontaler Richtung durch eine Lage niedriger Wärmeleitfähigkeit WI, in der Seg- mente der Wärmebrücke WB in einer Gitterstruktur angeordnet sind und ein phononisches Gitter ausbilden. Der Querschnitt der einzelnen Segmente kann dabei quadratisch, rechteckig, elliptisch, kreisförmig sein oder eine komplexere Struktur, z. B. verschiedene Polygonformen, aufweisen. Vorzugsweise sind die Form des Querschnitts und die Fläche des Quer¬ schnitts in vertikaler Richtung konstant, was ein vereinfachtes Herstellungsverfahren ermöglicht. FIG. 6 shows a cross section in the horizontal direction through a layer of low thermal conductivity WI, in which segments of the thermal bridge WB are arranged in a lattice structure and form a phononic lattice. The cross section of the individual segments may be square, rectangular, elliptical, circular or a more complex structure, for. B. different polygon shapes have. Preferably, the shape of the cross section and the area of the cross-section ¬ in the vertical direction are constant, which enables a simplified manufacturing process.
Figur 7 zeigt eine weitere Möglichkeit, Segmente der Wärme- brücke WB in den Lagen niedriger Wärmeleitfähigkeit WI anzu¬ ordnen. Entsprechend sind die Segmente als sich überkreuzende Streifen angeordnet. Wärme kann somit nicht nur in vertika¬ ler, sondern auch in horizontaler Richtung leicht übertragen
werden, was die Wärmeabführung erleichtert, sollte die Wärme entstehung im elektroakustischen Bereich inhomogen sein. Figure 7 shows a further possibility, the segments of the heat bridge WB in the layers of low thermal conductivity to arrange WI ¬. Accordingly, the segments are arranged as crossing stripes. Heat can thus be easily transferred not only in verti ¬ ler, but also in the horizontal direction which facilitates heat dissipation, should the heat generation in the electroacoustic area be inhomogeneous.
Figur 8 zeigt einen Querschnitt durch eine Lage niedriger Wärmeleitfähigkeit, bei der die Wärmebrücke sowohl einen ers ten Bereich WB1 umfasst, der rahmenförmig um den Resonatorstapel angeordnet ist. Ein weiterer Bereich WB2 umfasst Segmente innerhalb der Lage niedriger Leitfähigkeit. FIG. 8 shows a cross section through a layer of low thermal conductivity, in which the thermal bridge comprises both a first region WB1, which is arranged in the form of a frame around the resonator stack. Another region WB2 includes segments within the low conductivity layer.
Damit ist klar, dass die Wärmebrücke nicht auf einzelne Be¬ reiche beschränkt ist. Die einzelnen beschriebenen Bereiche einer Wärmebrücke können kombiniert werden und dadurch eine Wärmebrücke mit nochmals vergrößerter Leitfähigkeit sein.
It is thus clear that the thermal bridge is not limited to individual Be ¬ rich. The individual described areas of a thermal bridge can be combined and thereby be a thermal bridge with even greater conductivity.
Bezugs zeichenliste Reference sign list
BAWR: BAW-Resonator BAWR: BAW resonator
EAB : elektroakustischer Bereich EAB: electro-acoustic range
EL: Elektrode EL: electrode
F: HF-Filter F: RF filter
TS: Trägersubstrat TS: carrier substrate
WB : Wärmebrücke WB: thermal bridge
WB1 : erster Bereich der Wärmebrücke WB1: first area of the thermal bridge
WB2 : weiterer Bereich der Wärmebrücke WB2: further area of the thermal bridge
WI : Lage niedriger Wärmeleitfähigkeit, Wärme isolie¬ rende Lage WI: Location low thermal conductivity, heat isolie ¬-saving position
WL : Lage hoher Wärmeleitfähigkeit WL: location of high thermal conductivity
WQ: Wärmequelle
WQ: heat source