WO2004109913A1 - Elektroakustisches bauelement und verfahren zur herstellung - Google Patents

Elektroakustisches bauelement und verfahren zur herstellung Download PDF

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WO2004109913A1
WO2004109913A1 PCT/EP2004/004177 EP2004004177W WO2004109913A1 WO 2004109913 A1 WO2004109913 A1 WO 2004109913A1 EP 2004004177 W EP2004004177 W EP 2004004177W WO 2004109913 A1 WO2004109913 A1 WO 2004109913A1
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WO
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layer
substrate
component according
metal layer
component
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PCT/EP2004/004177
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English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Ruile
Ulrike RÖSLER
Original Assignee
Epcos Ag
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/02228—Guided bulk acoustic wave devices or Lamb wave devices having interdigital transducers situated in parallel planes on either side of a piezoelectric layer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48—Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/481—Internal lead connections, e.g. via connections, feedthrough structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the invention relates to an electroacoustic component, in particular a bandpass filter for high-frequency circuits.
  • Such a component comprises at least one piezoelectric layer and at least two electrodes connected to this layer and lying at different potentials
  • the electrodes can be arranged on opposite surfaces of the piezoelectric layer and can be used to excite a bulk acoustic wave, the direction of propagation of which coincides with the vertical axis. This effect is such.
  • An acoustic surface wave can be excited between two electrodes lying at different potentials, each comprising electrode fingers, the electrode fingers of the first and second electrodes intermeshing and forming an electroacoustic transducer. This spreads in the lateral plane and in turn induces an electrical voltage in the electrodes when they hit the electrode fingers.
  • a cavity is usually provided above the electroacoustic transducer so that the surface wave can propagate.
  • the active areas of thin-film resonators (with regard to the excitation of the bulk acoustic wave) can be arranged on a carrier substrate above a cavity.
  • Another option is there in arranging an acoustic mirror between the carrier substrate and the thin-film resonator in order to prevent the outflow of the energy of the bulk wave into the substrate. In any case, the effort involved in creating or sealing the cavities or forming the acoustic mirrors is great.
  • media corresponds to the basic structure of a conventional waveguide.
  • This arrangement has the advantage that no cavities are necessary for the propagation of the acoustic wave.
  • this publication does not describe how to excite the bulk wave, nor how to design a component that works with acoustic waves of this type and can be used in particular for processing a high-frequency signal.
  • the lateral bulk wave can spread in any direction in the lateral system in the layer system described, since the path to excitation and targeted guidance of the wave (e.g. by arranging the electrodes) is not specified.
  • a component is known from the publication US 6046656 which works with boundary waves.
  • the device comprises a piezoelectric layer, which as the first substrate is used, there are electrode structures arranged thereon, a planarization layer applied thereon and a second substrate arranged on the planarization layer, which is connected to the rest of the structure by means of a direct wafer bonding method at a temperature between 100 and 1000 ° C. Since the piezoelectric layer is provided as the first substrate or carrier substrate, this component is not suitable for generating and guiding the lateral modes of bulk acoustic waves.
  • Lateral modes of bulk acoustic waves are also known from other publications and are mostly regarded as disturbing modes to be suppressed. Applications are also known in which the lateral modes of the bulk waves are used for acoustic coupling of two thin-film resonators arranged close to one another. However, the guidance of a lateral mode of the bulk wave in a certain direction is not supported by any devices provided for this purpose.
  • the invention specifies an electroacoustic component which comprises a first substrate with an (electroacoustic) layer system arranged thereon.
  • the layer system contains a piezoelectric layer on which a first metal layer is arranged. Electrode structures and contact areas (preferably arranged parallel to one another on a periodic grid) are formed in the first metal layer, the contact areas being accessible from the outside with regard to their electrical connection with further components.
  • the accessibility of the contacts can e.g. B. via a via (preferred embodiment) or an outer conductor connected to the contact surface.
  • a dielectric planarization layer is arranged on the first metal layer and a second substrate is arranged above the planarization layer.
  • the planarization layer has a planar surface towards the second substrate, covers the electrode structures and closes tightly with the piezoelectric layer outside the regions covered by the electrode structures.
  • a functional unit e.g. the functional unit of an electroacoustic transducer
  • GBAW guided bulk acoustic wave, or guided acoustic bulk wave
  • a plurality of functionally electrically connected functional units and a correspondingly large number of active regions are preferably provided in the component according to the invention.
  • the active areas can be acoustically coupled to one another or acoustically decoupled from one another.
  • the speed of propagation of the guided bulk wave in the piezoelectric layer is chosen to be lower than the rate of propagation of the bulk wave guided in the first and second substrates.
  • the first and second substrates and the piezoelectric layer arranged therebetween therefore form a waveguide, the piezoelectric layer forming the core region and the two substrates forming the cladding region of the waveguide.
  • the piezoelectric layer preferably consists of ZnO, A1N, LiNi0 3 or LiTa0 3 .
  • the piezoelectric layer preferably has a thickness between 0.1 ⁇ and ⁇ . If the layer thickness is significantly smaller than 0. I ⁇ , the dispersion of the GBAW is disadvantageously large and the electroacoustic coupling is too low. In the case of layer thicknesses which significantly exceed the value of ⁇ , further modes of acoustic waves can be excited, which withdraw the energy from the active area and can therefore contribute to increasing the insertion loss of the component.
  • the layer system is formed by the layers in which a substantial proportion of the energy of the GBAW is concentrated (the maximum of the energy distribution lying in the vertical direction in the piezoelectric layer).
  • the thickness of the respective substrate is chosen in accordance with the penetration depth of the GBAW in such a way that the GBAW decays sufficiently outwards so that a further increase in the substrate thickness or the addition (from the outside) of further layers cannot influence the properties of the GBAW.
  • the thickness of the first and the second substrate is preferably chosen in each case between 2 ⁇ and 5 ⁇ .
  • the total thickness of the layer system is preferably between ⁇ and 2 ⁇ .
  • the electroacoustic component according to the invention has the advantage that it has small dimensions compared to the known components and can be produced in a cost-effective DWB (Direct Wafer Bonding) process, since the cavities or acoustic mirrors can be dispensed with.
  • DWB Direct Wafer Bonding
  • a housing in the conventional sense can be dispensed with.
  • the invention is based on the idea of the electrode structures arranged on a piezoelectric layer
  • GBAW piezoelectric layer
  • the glass layers adjoin the piezoelectric layer and because a considerable part of the energy of the acoustic wave (up to 50% in total) is concentrated in these layers, the acoustic properties of the entire layer system are strongly influenced by the composition and the quality of the glass layers. Therefore (especially with regard to mass production of the components and also because subsequent trimming of the component is difficult for the reasons mentioned below) the two
  • Glass layers can be reproduced to a high degree, which can in principle be achieved by a low deposition speed in a deposition process - but with a correspondingly high expenditure of time.
  • a first wafer is provided, which is a first substrate (carrier substrate).
  • a layer system is applied.
  • a piezoelectric layer, a metal layer and a dielectric layer are applied in the appropriate sequence to the first substrate, the exposed one facing upward
  • a second wafer which comprises a second substrate.
  • the first and second wafers are now a direct wafer
  • Bonding process (preferably in a "cold” process, i.e. ⁇ 100 ° C) bonded together.
  • the dielectric layer (e.g. made of silicon oxide) is preferably deposited at low temperatures (e.g. at room temperature).
  • the periodically arranged electrode structures are preferably connected to a common busbar and form a comb-like electrode.
  • the electrode structures of one electrode and the electrode structures of a further electrode can interlock, so that the electrode structures lying at different potentials are arranged alternately.
  • Two interlocking electrodes form z.
  • the transducer can be divided into several areas in the direction of wave propagation, with a plurality of electrode structures arranged next to one another, e.g. B. form excitation cells or reflection cells.
  • the center distance of fingers arranged next to one another and lying at different potentials, which have a stimulating effect on the acoustic wave, is preferably half a wavelength, the fingers preferably having a width of a quarter wavelength. In a reflection cell, the fingers can have a width or center spacing that deviates therefrom.
  • the excitation cells and the reflection cells can be arranged alternately, wherein the radiation of the guided bulk wave in a preferred direction can be achieved by a corresponding arrangement of the cells known per se.
  • NPUDT Natural Single Phase Uni-Directional Transducer
  • the efficiency 'of the electro-acoustic conversion into an electro-acoustic component depends on the electro-acoustic coupling, which in turn depends on the orientation of the piezoelectric axis to the excitation direction.
  • the maximum electro-acoustic coupling is achieved when the acoustic wave is excited along the piezoelectric axis.
  • the piezoelectric axis of the piezoelectric layer is generally directed perpendicular to the lateral plane. It is therefore proposed in a variant of the invention to arrange a second metal layer between the first substrate and the piezoelectric layer, in which at least one electrode for excitation of the guided acoustic wave is formed in the vertical direction.
  • the electrode of the second metal layer lies opposite the electrode structures of the first metal layer in the vertical direction, is arranged under the corresponding active region and is preferably formed continuously.
  • the GBAW is excited vertically between the electrode structures of the first and the electrode of the second metal layer and spreads laterally.
  • electrode structures electrode fingers
  • Another possibility is to dispense with the structuring of the second metal layer, so that the electrode of the second metal layer is arranged both under the active region or the active regions and also under the leads and contact surfaces of the component. It should be noted, however, that there is no undesirable excitation of the acoustic waves between the contact surfaces of the first metal layer and regions of the second metal layer opposite them.
  • the unwanted excitation of an acoustic wave can be done, for. B. eliminate by changing the structure or texture of the piezoelectric layer in the corresponding areas so that the propagation of acoustic wave is prevented there.
  • the second metal layer outside of active areas (in particular below the contact areas and the leads) in such a way that the structures produced in this way are randomly distributed and / or are significantly smaller than the wavelength of the acoustic wave.
  • a first functional intermediate layer can be arranged between the first substrate and the piezoelectric layer.
  • a second functional layer can be placed between the second substrate and the planarization layer
  • Intermediate layer may be arranged.
  • the two intermediate layers then form the outer layers of the layer system and can each be used to compensate for the difference in the coefficient of thermal expansion of the respective substrate and the closest layer of the layer system.
  • the first and / or second intermediate layer can consist of SiO x with 1.9 ⁇ x ⁇ 2.1, which preferably has a refractive index between 1.43 and 1.49 (this region is characteristic of a highly textured silicon oxide layer) , After the component has healed, a silicon oxide textured in this way has low intrinsic stresses and therefore low damping of the acoustic wave and (with regard to the speed of propagation of the BAW) favorable elastic properties. Silicon oxide also has the advantage that - in contrast to most other materials - it has a negative temperature coefficient (TCF) and, in combination with a layer made of a material with a TCF> 0 (here piezoelectric layer), a low TCF
  • TCF negative temperature coefficient
  • the composite i.e. the layer system.
  • the planarization layer can also consist of silicon oxide or SiO x with the properties just described.
  • the first and / or the second substrate can e.g. B. made of a material selected from glass, semiconductor (z. B. Si) or piezoelectric.
  • the layer system can have a functional intermediate layer facing the respective substrate, which is selected from a magnetically tunable material (eg material which has the giant delta E effect). If the substrate directly connected to this layer has piezoelectric properties, it can be used to introduce an acoustic stress in the layer system and thus change the frequency of the component.
  • a magnetically tunable material eg material which has the giant delta E effect
  • the first and / or the second metal layer essentially consists of Al, Cu, Mo, Ti, W, Ta, Cr or an alloy that contains these components. It is also possible that the metal layers each consist of several layers, at least one of the layers consisting of one of the materials mentioned.
  • the metal layers can each border on a functional intermediate layer (z. B. an oxide or metal oxide layer) formed as a passivation layer.
  • the passivation layer can be formed over a large area or only at least partially enclose the structures of the respective metal layer. It is fundamentally possible that the layers of the layer system mentioned here each have a multilayer structure made of suitable materials.
  • a further development of the invention proposes to design the electroacoustic component such that the properties (in particular texture) of at least one of the layers of the layer system can be changed through the first or second substrate.
  • the layers of the layer system can e.g. B. with a suitable material selection of the first or the second substrate for a laser beam to be accessible from the outside (if the corresponding substrate is transparent, for example in the optical range).
  • the laser beam can e.g. B. trigger an oxidation or (in the case of layers of plastic) crosslinking of the inner layer through the substrate.
  • Relevant elastic parameters of the material concerned can be changed, particularly for guiding the GBAW.
  • the wavelength of the GBAW that can be propagated in a transducer according to the invention. is determined on the one hand by the periodicity of the electrode fingers as in a SAW and on the other hand by the thickness of the piezoelectric layer as in the case of a BAW.
  • the manufacturing tolerance and the associated frequency shift of the component can be corrected by trimming.
  • B. the thickness of a layer provided as a trimming layer is changed accordingly.
  • such trimming is not possible in a component without the cavities (for example after connecting two wafers in the production of a component according to the invention), since the layer region relevant for the spreading of the GBAW “buries” between the substrates and therefore the outer one Access is withdrawn, which is the aim of the invention for the reasons already set out above.
  • the relative manufacturing tolerance of this layer thickness is comparatively large.
  • a particularly thin layer thickness of the piezoelectric layer even with small variations in the layer thickness, a large dispersion (frequency dependence of the propagation speed of the GBAW) and therefore a correspondingly large manufacturing-related frequency inaccuracy of the component can be expected.
  • Variant of the invention proposed to expose certain areas of the layer system (trimming areas), in particular to enable the trimming of the component after the connection of all components (1st substrate, layer system, 2nd substrate).
  • first converter arrange a further converter electrically connected to a trimming structure (second converter).
  • the trimming structure which is spaced from the structure just described (transducer - further transducer - reflector), is preferably designed as a transducer and constitutes one
  • Capacitance or a load for the second converter which is capacitively coupled to the first converter via the converter connected to it.
  • the capacity or the load impedance of the trimming structure is large in accordance with the number of its interdigitated electrode fingers.
  • the reflection properties of the overall structure and thus the. Frequency of the GBAW can be influenced.
  • the component is trimmed at the wafer level (ie before sawing the base plate or separating the components) and can be carried out after planarizing the dielectric layer or after connecting two wafers to form a large-area base plate.
  • the trimming structure is preferably hermetically sealed after trimming in order to prevent environmental influences or a further change in the trimming structure, in that a sealing layer is applied to at least the trimming area (or also to the entire exposed surface of the component with the exception of the areas provided as external contacts) ,
  • not only electrical but also (electro) acoustic properties of the component can be changed by trimming by modifying the layers on the inside. Such modifications are preferably carried out on the layers in which a substantial proportion of the energy of the GBAW is concentrated, that is in the layers of the layer system.
  • the external contacts of the component are preferably formed on the exposed surface of the first and / or the second substrate.
  • the external contacts are with the
  • the vias preferably represent metallized openings in the corresponding substrate. These openings are preferably formed after the first and second wafers have been connected and then metallized.
  • At least one of the vias formed in the first substrate can be connected via the corresponding contact surface to at least one of the vias formed in the second substrate.
  • the vias in the respective substrate in a cross section perpendicular to the substrate plane in a V-shape, the corresponding contact areas being cut through.
  • the V-shaped via preferably ends above or below the interface of the other substrate and represents an obstacle to the spread of the GBAW, which can be used to decouple two different functional areas of the component (e.g. transmission filter and reception filter of a duplexer) ,
  • any functional circuit of the component which is electrically connected to one another and at least partially formed in the first metal layer and which is each formed in a functional zone can be acoustically and / or electrically shielded from one another by a continuous V-shaped through-contact in the lateral plane.
  • the V-shaped plated-through holes are electrically connected to the large-area metal layer and to ground and separate the above in the area of the layer system
  • the large-area metal layer can be arranged on the upper side of the second substrate, the external contacts being formed in the first substrate and the V-shaped plated-through holes electrically connected to the large-area metal layer being formed in the second substrate.
  • the underside of the first substrate can be arranged, the external contacts being formed in the second substrate and the V-shaped plated-through holes electrically connected to the large-area metal layer being formed in the first substrate.
  • V-shaped plated-through holes are produced by V-shaped sawing of the overall layer structure and subsequent metallization of the cuts formed in the process.
  • V-shaped vias can also be used
  • the components can e.g. B. by sawing along V-shaped vias.
  • V-shaped vias along the saw lines are preferably continuous, so that the metallization applied therein ensures a hermetic seal of the component.
  • At least one of the substrates can comprise a semiconductor layer (in particular an Si layer), in the volume of which integrated component structures are formed which are provided by the plated-through holes or further vertical electrical ones Connections are electrically connected to the contact surfaces and / or the external contacts of the component.
  • a semiconductor layer in particular an Si layer
  • Figure 1 shows the layer structure of a component according to the invention in a schematic cross section
  • Figure 2 shows a development of the invention with two
  • 3a, 3b each show an exemplary arrangement of the electrode structures of the first and the second
  • FIG. 4 shows a detail in schematic cross section of the layer system with partially roughened under the
  • FIG. 6 shows a detail in schematic cross section of an electroacoustic component according to the invention with vias and V-shaped vias formed in the second substrate
  • FIG. 7 shows a detail in schematic cross section of a wafer with a plurality of electroacoustic components according to the invention which have not yet been separated, the through-contacts and the V-shaped ones
  • FIG. 8 shows a schematic cross section of a further component according to the invention with a structured second metal layer
  • Component according to the invention with a continuous, second metal layer connected to the rear side metallization
  • FIG. 10 shows a detail in a schematic cross section of a further component according to the invention with vias provided in both substrates or external contacts provided on the top and the bottom of the component
  • FIG. 11 shows a detail in schematic cross section of a further component according to the invention with a magnetically tunable layer
  • FIG. 12a shows a schematic top view of a converter that is used in a component according to the invention and is capacitively coupled to trim structures 12b shows a schematic cross section of a component according to the invention with the trimming structures according to FIG. 12a
  • FIG. 13 shows, in schematic cross section, a further component with two functional areas shielded from one another by a V-shaped through-hole connected to ground
  • Figure 1 shows a first variant of a component according to the invention in a schematic cross section.
  • the component comprises a first substrate S1, a second substrate S2 and a layer system SS arranged between them.
  • the layer system SS comprises a piezoelectric layer PS, a first metal layer MSI arranged thereon and a dielectric layer arranged over the first metal layer, which forms a planarization layer DS.
  • Contact surfaces KF and electrode structures Eil and El2 are formed in the metal layer MSI.
  • B. represent electrode fingers of a first and a second electrode El or El '(according to Figure 3b).
  • the piezoelectric layer is preferably formed from ZnO or A1N.
  • the first and second substrates are preferably made of silicon.
  • the substrates can also e.g. B. consist of glass, Si0 2 , ZnO, LiNb0 3 , LiTa0 3 or comprise at least one layer of the materials mentioned here.
  • the planarization layer DS preferably consists of
  • the contact surfaces KF serve to contact the component.
  • the layer system and the two substrates form an acoustic waveguide in which the GBAW can be excited and propagated.
  • the preferably periodically and alternately arranged electrode structures Eil, E12 form z.
  • the guided bulk acoustic wave is excited between the electrode structures Eil and E12, which are at different potentials.
  • the guided bulk acoustic wave propagates in the lateral plane in a region of the piezoelectric layer which is referred to as the active region AB. This area is shown hatched in FIG. 1.
  • the thickness of the first and second substrates is preferably selected so that the deflection of the atoms in the respective substrate caused by the GBAW decays sufficiently from the layer system towards the outside (towards the free surface of the substrate).
  • the decay of the GBAW towards free surfaces of the component has the advantage that the electroacoustic properties of the acoustic waveguide are not influenced by the changes in the environment, in particular the application of further layers (for example a shielding layer or a potting).
  • the component can be produced in a DWB method by connecting a first wafer W1 to a second wafer W2, the first substrate S1 together with the layer system SS forming the first wafer W1 and the second substrate S2 forming the second wafer W2.
  • Several components are provided for each wafer, which are separated from one another in a later process step.
  • Layers of the component are deposited on top of one another, the quality of the underlying layer also determining the quality of the subsequent layer.
  • the DWB method for connecting two wafers has the advantage that highly reproducible (single-crystalline) layers can be formed in the respective wafer.
  • temperatures above 100 ° C were used, lattice mismatch strains possibly occurring at the interface of two wafers, which can impair the acoustic properties of the waveguide (in particular with regard to the reproducibility of the component).
  • the wafers can also be bonded at low temperatures ⁇ 100 ° C. (or at room temperature).
  • the dielectric layer which is applied to the first metal layer must be planarized, the wafer being thinned on this side.
  • the layer thickness of the planarization layer cannot be set particularly precisely and cannot be changed after the wafers have been connected (e.g. for trimming the component).
  • the invention therefore proposes an alternative trimming method (see FIGS. 12a, 12b).
  • FIG. 2 shows a further variant of a component according to the invention.
  • the layer system contains a second (structured) metal layer MS2, which is arranged between the piezoelectric layer PS and a first intermediate layer ZS1.
  • the first intermediate layer ZSl is arranged between the second metal layer MS2 and the first substrate S1.
  • a second functional intermediate layer ZS2 is arranged between the planarization layer DS and the second substrate S2. Electrodes E21 and E22 are formed in the second metal layer MS2, each of which lies opposite the electrode structures Eil and E12 of the first metal layer MSI and are formed continuously below these electrode structures (which together form, for example, a transducer).
  • the area of the piezoelectric layer PS which lies between the electrode structures Eil and the electrode E21 forms a first active area ABI (for example the active area of a first transducer) in which the guided bulk acoustic wave is capable of propagation.
  • the first and the second functional intermediate layers ZS1 and ZS2 are preferably the outer layers of the layer system SS.
  • the intermediate layers ZS1, ZS2 serve, for example, to reduce the temperature coefficient of the entire layer system or fulfill another one
  • the intermediate layers ZS1, ZS2 can each have a multi-layer structure made up of different functional partial layers.
  • the electrical excitation of the GBAW between the electrode of the first and the electrode of the second metal layer, that is to say perpendicular to the surface of the piezoelectric layer, has the advantage that the GBAW is excited along the piezoelectric axis, which is usually directed normal to the layer surface.
  • the better electroacoustic coupling enables a wider bandwidth of a component designed as a bandpass filter to be achieved.
  • the invention achieves a highly textured piezoelectric layer in the active areas that are used to spread the
  • GBAW are provided. Structural disturbances of the piezoelectric layer are achieved outside of active areas, in particular below contact areas and feed lines of relatively large area. The structural disorders arise when a layer is grown on a rough surface.
  • the first serves as the growth layer for the piezoelectric layer functional intermediate layer ZSl.
  • the areas of the intermediate layer ZS1 opposite the contact areas KF are roughened.
  • the first or the second substrate to expose the contact surfaces z. B. can be structured by etching.
  • the respective substrate with semiconducting properties in such a way that semiconductor component structures are formed in the volume of the substrate (3D integration), which are connected via the plated-through holes DK or further vertical electrical connections to the contact surfaces and electro - Acoustically active component structures are connected.
  • FIG. 3a shows an exemplary arrangement of the electrode structures Eil of the first metal layer MSI and the electrode E21 of the second metal layer MS2 in a component according to the invention.
  • the electrode structures Eil are connected to a common busbar and together form a first electrode E1 of the first metal layer MSI.
  • the electrode structures Eil of the electrode El lie opposite the electrode E21 of the second metal layer.
  • the electrode structures Eil are arranged on a periodic grid, the periodicity of which is, for example, an entire wavelength ⁇ (the phases of which are on each of the electrode fingers
  • the electrode structures Eil and the electrode E21 form together with the piezoelectric arranged in between
  • Layer an electroacoustic transducer. If the periodicity of the electrode structures is ⁇ / 2 instead of ⁇ in the arrangement shown in FIG. 3a, the arrangement has a reflective effect for the GBAW.
  • FIG. 3b shows a further possible arrangement of the electrode structures Eil, E12 of the first metal layer MSI and the electrode E21 of the second metal layer MS2 in a component according to the invention.
  • two electrodes E1 and E1 ' are formed in the first metal layer MSI, the electrode structures or finger structures of which interlock and are preferably arranged alternately on a periodic grid.
  • the center distance between the electrode fingers of two electrode structures Eil and E12 is ⁇ / 2.
  • the first electrode E1 of the first metal layer MSI has electrode structures Eil.
  • the second electrode El 'of the first metal layer MSI has electrode structures E12.
  • the bulk acoustic wave is excited between on the one hand the electrode E21 of the second metal layer MS2 and on the other hand the electrode structures Eil, E12 of the first metal layer MSI, the strongest excitation occurring in the areas in which the electrode finger of the first metal layer directly faces the electrode of the second metal layer lies.
  • the electrode structures of the first and second electrodes of the first metal layer create the conditions for constructive interference of the locally excited wave components in both preferred directions (to the left and to the right in the figure), perpendicular to the electrode fingers.
  • the electrode structures of the first metal layer MSI therefore serve to keep the energy of the excited lateral mode of a bulk acoustic wave mainly in the active region.
  • a transducer is formed by the interdigital electrodes E1 and E1 ', the piezoelectric layer PS underneath and the electrode E21 of the second metal layer which is used to excite the GBAW.
  • the electrodes lying opposite one another serve the different metal layers as excitation electrodes and the electrodes of the first metal layer as guide electrodes for guiding GBAW.
  • a converter or resonator according to the invention can be arranged in a signal line or can be connected in parallel to it (for example to ground).
  • the electrodes of the electrode pairs of the first metal layer MSI (E1 and E1 ') used for the directional guidance of the GBAW can be electrically connected to two “hot” connections, while the excitation electrode E21 of the second metal layer MS2 opposite them is connected to ground also, for example, to connect the electrodes El to ground and the electrodes El 'and E21 each to a "hot" connection.
  • FIG. 4 shows the layer system SS of a component according to the invention.
  • the piezoelectric layer PS is grown on the first functional intermediate layer ZS1, which serves as a base when the piezoelectric layer is grown.
  • the areas of the surface of the first intermediate layer ZS1, which lie opposite the contact surfaces KF and supply lines of the component (e.g. busbars of the electrodes), are roughened, which is why the formation of a highly textured piezoelectric layer directly above these areas is prevented.
  • all areas of the upper interface of the first intermediate layer ZS1 are roughened that are not arranged directly below the active area AB.
  • a highly textured piezoelectric layer PS is achieved exclusively in the active areas AB, so that the energy of the guided bulk acoustic wave is mainly concentrated in this area.
  • the second metal layer is used MS2 as a base for the growth of the piezoelectric layer PS.
  • the second metal layer MS2 is structured in the areas directly opposite the contact surfaces KF or supply lines ZL in such a way that the growth of an ordered piezoelectric layer with a preferred direction of the piezoelectric axis is prevented by the unevenness of the base thus formed.
  • the advantage of such a roughened base is that the roughness structures (photolithographically) are produced in the same process step as the second metal layer MS2.
  • FIG. 5 below shows a schematic view of the second metal layer MS2 from below (through the first intermediate layer ZS1).
  • the contact areas KF of the first metal layer MSI are preferably randomly arranged interrupted metal structures US (small metal areas which are each not electrically connected to one another). Such structures preferably have dimensions that are clearly below a wavelength.
  • the interrupted metal structures US are also arranged below the feed line ZL and the busbars of the electrodes El and El '.
  • the large-area electrode E21 of the second metal layer MS2 is therefore preferably only arranged in the region of a transducer in which the adjacent electrode fingers Eil, E12, which are at different potentials, are opposite one another in the direction of wave propagation (i.e. in the active region).
  • the static capacity of the converter is particularly low.
  • FIG. 6 shows a detail in schematic cross section of an electroacoustic component according to the invention with the through-contacts DK formed in the second substrate S2 and v-shaped through-contacts VDK.
  • the plated-through holes DK can be formed in the second substrate S2, for example, by etching and then metallizing the opening formed in the process be generated.
  • the through-contact DK represents a vertical electrical connection between an external contact AK of the component, which is arranged on the upper side of the second substrate S2, and the contact surface KF.
  • the V-shaped through-connection VDK electrically conductively connects the external contact AK 'and the corresponding contact surface KF '.
  • the contact surface KF ' is separated by a wedge-shaped cut.
  • the wedge-shaped cut is metallized, the electrical connection between the contact surface KF 'and the external contact AK' being created.
  • the V-shaped plated-through hole VDK completely cuts through the layer system SS, the interface to the first substrate S1 also being cut.
  • the V-shaped through-contact DK formed in this way ensures that the lateral outer edges are hermetically sealed even after the component has been separated (along the V-shaped through-contact) of the component along the saw lines.
  • a V-shaped via can also be used as a normal vertical electrical connection between a contact surface and an external contact or for electro-acoustic purposes
  • FIG. 7 shows a large-area composite that comprises several components that have not yet been separated.
  • the components are separated along saw lines that correspond to the V-shaped vias VDK.
  • the V-shaped vias VDK are not designed as individual holes, but rather trench-shaped and elongated.
  • the second one is not designed as individual holes, but rather trench-shaped and elongated.
  • the large-area metal layer RSM is applied to the exposed side of the first substrate S1.
  • the large-area metal layer RSM and the metallization of the V-shaped vias DK is preferably in the same process step, for. B. generated by sputtering.
  • the second metal layer MS2 is designed as a non-structured layer.
  • external contacts AK of the component are only provided on one side of the component.
  • FIG. 8 shows a component isolated along the v-shaped vias VDK.
  • the v-shaped through-contact VDK1 is via the contact area KF1 with the through-contact DK1 formed in the second substrate S2 and further with. the external contact AK1 electrically connected.
  • the external contact AK1 is preferably a ground connection of the component.
  • the second metal layer MS2 is structured according to FIG. 5.
  • the v-shaped vias VDK, VDK1 are electrically connected to the large-area metal layer RSM (rear-side metallization), the large-area metal layer RSM being arranged on the underside of the first substrate S1 in this exemplary embodiment.
  • FIG. 9 shows an exemplary embodiment of an electroacoustic component according to the invention with the functional intermediate layers ZS1 and ZS2.
  • the plated-through holes DK, DK1, which are each electrically connected to the external contacts of the component AK, AK1, are designed in this exemplary embodiment in such a way that they pass through the second substrate S2, the second intermediate layer ZS2 and the planarization layer DS and onto the respective contact area Hit KF or KF1.
  • the external contacts of the component AK, AK1 are open the exposed surface of the second substrate S2.
  • the exposed surface of the first substrate S1 is covered by the large-area metal layer RSM, which is electrically connected to the v-shaped vias VDK, VDK1.
  • FIG. 10 shows a section of a further component according to the invention in a schematic cross section.
  • the plated-through holes DK, DK ' are formed both in the first substrate S1 and in the second substrate S2.
  • the provision of the external contacts on two opposite surfaces of the component has the advantage that such a component can easily be integrated as a sub-module of a component of modular construction in the vertical direction.
  • both metal layers MSI and MS2 are structured and each have electrodes and contact areas.
  • the second metal layer MS2 is e.g. B. structured according to FIG.
  • the first functional intermediate layer 'a can (electric or magnetic) tunable
  • This layer which has a thickness which preferably does not fall below the value of ⁇ / 2.
  • This layer preferably consists of a material which has a giant delta E effect (ie large changes in the modulus of elasticity E, for example exceeding 5%) in the case of mechanical tension. Since the tunable layer preferably adjoins the piezoelectric layer PS, the change in the elastic affects Properties of the layer also include the acoustic properties of the piezoelectric layer PS or the speed of propagation of the bulk wave carried in the layer system SS (and therefore the frequency position of the component).
  • the mechanical stresses in the tunable layer which has magnetostrictive properties, can be caused by an external magnetic field.
  • Another way of generating the stresses in the tunable layer GDE is to mechanically couple or firmly connect this layer to a piezoelectric control layer, which, in contrast to the piezoelectric layer PS, does not guide the GBAW, but mainly for introduction of a mechanical
  • the mechanical stress serves in the tunable layer.
  • the mechanical stress can be caused in the piezoelectric control layer by applying a control voltage.
  • the electrically conductive tunable layer GDE can e.g. B. in the component shown schematically in FIG. 11 serve as a first electrode and the large-area metal layer RSM as a second electrode, to which the control voltage U for the electrical control of the piezoelectric control layer is applied.
  • the 'modulus of elasticity E of the tunable layer GDE (z. B. under the action of external magnetic field or a mechanical stress) highly variable.
  • the layer GDE is electrically connected on the one hand to a v-shaped through-contact VDK and via this via and the contact surface KF and the via DK2 to the external contact AK2 of the component.
  • the large-area metal layer RSM is arranged on the exposed surface of the first substrate S1 and is electrically connected to the V-shaped through-contact VDK1 and further via the contact surface KF1 or via DK1 connected to the external contact AK1. Because the tunable Layer GDE usually consists of an electrically conductive material, the formation of the second metal layer MS2 can be dispensed with, the tunable layer GDE itself serving as an electrode of the second metal layer.
  • the substrate S1 preferably consists of a piezoelectric material and forms the piezoelectric control layer. It is also possible to form the piezoelectric control layer as a component of the first intermediate layer ZS1 and the piezoelectric
  • An electrical control voltage U is applied from the outside between the external contacts AK1 and AK2 to tune the frequency of the component.
  • the control voltage U generates an electric field between the opposite areas of the large-area metal layer RSM and the conductive tunable layer GDE.
  • the electric field causes stretching and compression of the material and therefore serves to mechanically control the modulus of elasticity of the tunable layer GDE.
  • the thickness of the piezoelectric control layer is (because of optimal transfer of the mechanical stress to the tunable layer GDE) preferably the same size or greater than the thickness of the tunable layer GDE.
  • the respective functional intermediate layer ZS1, ZS2 can comprise several functional layers, each of which fulfills one or more functions in the component.
  • FIG. 12a shows a schematic view from above of an electroacoustic resonator RE which can be used in a component according to the invention.
  • the resonator comprises a transducer WA, terminal reflectors RF1 'and RF2' and auxiliary structures RF1 and RF2 arranged in the acoustic path between the transducer and the respective terminal reflector, which are designed as transducers and are electrically connected to trimming structures TR and TR2.
  • the trimming structures TR, TR2 designed as interdigital transducers each act as a trimming capacitance, a high capacitance value being achievable through the interdigital finger arrangement.
  • the arrangement shown in this figure is applied to the piezoelectric layer PS.
  • the guided bulk acoustic wave is excited in the transducer WA between the electrodes El and El '.
  • the converter WA is arranged between a second converter RF1 and a third converter RF2.
  • the component structure thus formed is surrounded on both sides by the reflectors RF1 ', RF2'.
  • the second transducer RF1 is electrically connected to the trimming structure TR1, the trimming structure TR being spaced apart from the transducer arrangement.
  • the third converter RF2 is connected in an analogous manner to the trimming structure TR2.
  • the trimming structures TR, TR2 are each designed as transducers and each form a large capacitance for the transducers RF1 and RF2 connected to them.
  • FIG. 12b shows a schematic cross section of a component according to the invention with the trim structure TR2 according to FIG. 12a.
  • the trim structure TR2 is exposed through the second substrate S2. It is thus possible to trim the components according to the invention on the wafer level. Part of the electrode fingers of the trimming structure TR2 is separated from the rest of the trimming structure, for example by means of a laser. After trimming, the trim structure TR2 is preferably sealed.
  • the corresponding substrate for the laser beam
  • the corresponding substrate is chosen to be transparent, so that in principle the exposure of the trimming structure, TR2, can be omitted.
  • FIG. 13 shows a further variant of a component according to the invention which contains a plurality of function areas ZI, Z2 which are electrically connected to one another.
  • the functional areas to be shielded from one another can each comprise, for example, a transmission path or reception path of a duplex circuit.
  • a receive filter RXF is arranged in the first functional area ZI and a transmit filter TXF is arranged in the second functional area Z2.
  • the first functional area ZI is separated from the second functional area Z2 by means of a V-shaped plated-through hole VDK or is electro-acoustically decoupled.
  • the large-area metallization RSM electrically connected to the v-shaped through-contact VDK is preferably electrically connected to a reference potential. Due to the metallization of the V-shaped plated-through hole VDK, the functional areas ZI and Z2 of the layer system SS are hermetically sealed on the one hand at the corresponding cut edges and on the other hand shielded from one another
  • two transducers arranged next to one another can be coupled by the GBAW.
  • Groups of the electrode structures can form SPUDT (Single Phase Unidirectional Transducer) cells, with directional radiation of the GBAW preferably occurring in one direction.
  • the piezoelectric layer PS can also have NSPUDT properties (Natural Single Phase
  • the directed The GBAW is emitted in the transducer due to the natural crystal properties of the piezoelectric layer.
  • the idea underlying the invention can, for. B. can be used to implement known reactance filters, double mode filters, filters based on SPUDT or multiport resonators, fan filters, duplexers, diplexers.
  • the components according to the invention can be used in communication technology (e.g. mobile radio) and can be designed in particular for PCS and UMTS mobile radio standards.
  • a filter according to the invention is also not limited to the specified materials, to the number of bores shown or to certain frequency ranges.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektroakustisches Bauelement, das ein zwischen zwei Substraten angeordnetes Schichtsystem umfaßt, das elektroakustische Strukturen zur Anregung einer geführten akustischen Volumenwelle aufweist, wobei über den elektroakustischen Strukturen keine Hohlräume vorgesehen sind. Das Schichtsystem umfaßt eine piezoelektrische Schicht, zumindest eine Metallschicht und eine Planarisierungsschicht, die zu dem direkt über ihr angeordneten Substrat hin eine planare Grenzfläche aufweist. Ein solches Bauelement kann kostengünstig durch Direct Wafer Bonding zweier Wafer erzeugt werden. Die elektroakustischen Bauelement-Strukturen sind elektrisch durch vertikale elektrische Verbindungen mit Außenkontakten des Bauelements verbunden.

Description

Beschreibung
Elektroakustisches Bauelement und Verfahren zur Herstellung
Die Erfindung betrifft ein elektroakustisches Bauelement, insbesondere ein Bandpaßfilter für Hochfrequenz-Schaltungen.
Ein solches Bauelement umfaßt zumindest eine piezoelektrische Schicht und zumindest zwei mit dieser Schicht verbundene, auf unterschiedlichen Potentialen liegende Elektroden zur
Anregung einer elektroakustischen Welle. Die Elektroden können auf einander gegenüberliegenden Flächen der piezoelektrischen Schicht angeordnet sein und zur Anregung einer akustischen Volumenwelle dienen, deren Ausbreitungsrichtung mit der vertikalen Achse übereinstimmt. Dieser Effekt wird z. B. in Dünnschicht-Resonatoren genutzt.
Zwischen zwei auf unterschiedlichen Potentialen • liegenden Elektroden, die jeweils Elektrodenfinger umfassen, wobei die Elektrodenfinger der ersten und der zweiten Elektrode ineinander greifen und einen elektroakustischen Wandler bilden, kann eine akustische Oberflächenwelle angeregt werden. Diese breitet sich in lateraler Ebene aus und induziert in den Elektroden beim Eintreffen auf die Elektrodenfinger wiederum eine elektrische Spannung.
Es sind z. B. Resonatoren, DMS-Filter (Double Mode Surface Acoustic Wave) , breitbandige Fan-Filter und weitere Bauelemente bekannt, die mit akustischen Oberflächenwellen arbeiten.
Über dem elektroakustischen Wandler ist üblicherweise ein Hohlraum vorgesehen, damit sich die Oberflächenwelle ausbreiten kann. Die (hinsichtlich der Anregung der akustischen Volumenwelle) aktiven Bereiche von Dünnschicht- Resonatoren können auf einem Trägersubstrat über einem Hohlraum angeordnet sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zwischen dem Trägersubstrat und dem Dünnschicht- Resonator einen akustischen Spiegel anzuordnen, um den Abfluß der Energie der Volumenwelle ins Substrat zu verhindern. In jedem Fall ist der mit Verschaffung bzw. Abdichtung der Hohlräume oder Ausbildung der akustischen Spiegel verbundene Aufwand groß.
In der Druckschrift von Furukawa et al „Piezoelectric Boundary and Surface Waves Propagating on Glass Film/ZnO Film/Glass Substrate Structures", IEICE Transactions, Vol. E 74, No. 8, 1991, SS. 2184 - 2187, werden elektroakustische Grenzschichtwellen bzw. Volumenwellen untersucht, die im Volumen einer ZnO-Schicht, welche zwischen zwei Glasschichten angeordnet ist, (im Gegensatz zu einer Volumenwelle in einem Dünnschicht-Resonator) in lateraler Richtung ausbreitungs- fähig sind. Die Ausbreitung der Volumenwelle parallel zu den Grenzflächen der piezoelektrischen Schicht ist dadurch möglich, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in der mittleren Schicht kleiner ist als in den außen liegenden Glasschichten. Diese Eigenschaften bzw. Anordnung dreier
Medien entspricht im Prinzip der Grundstruktur eines herkömmlichen Wellenleiters. Diese Anordnung hat- den Vorteil, daß zur Ausbreitung der akustischen Welle keine Hohlräume notwendig sind. In dieser Druckschrift ist jedoch weder beschrieben, wie die Volumenwelle anzuregen ist, noch wie ein Bauelement auszubilden ist, das mit akustischen Wellen dieser Art arbeiten und insbesondere zur Bearbeitung eines Hochfrequenz-Signals eingesetzt werden kann. Die laterale Volumenwelle kann sich vielmehr im beschriebenen SchichtSystem in beliebigen Richtungen in lateraler Ebene ausbreiten, da der Weg zur Anregung und zielgerichteten Führung der Welle (z. B. durch Anordnung der Elektroden) nicht angegeben ist.
Aus der Druckschrift US 6046656 ist ein Bauelement bekannt, welches mit Grenzschichtwellen (boundary waves) arbeitet. Das Bauelement umfaßt eine piezoelektrische Schicht, die als erstes Substrat dient, darauf angeordnete Elektrodenstrukturen, eine darüber aufgebrachte Planarisierungsschicht und ein auf der Planarisierungsschicht angeordnetes zweites Substrat, das mit dem restlichen Aufbau mittels eines Direct Wafer Bonding Verfahrens bei einer Temperatur zwischen 100 und 1000°C verbunden wird. Da die piezoelektrische Schicht als erstes Substrat bzw. Trägersubstrat vorgesehen ist, ist dieses Bauelement nicht zur Erzeugung und Führung der lateralen Moden akustischer Volumenwellen geeignet.
Laterale Moden akustischer Volumenwellen sind auch aus weiteren Druckschriften bekannt und werden meist als zu unterdrückende störende Moden betrachtet. Bekannt sind auch Anwendungen, bei denen die lateralen Moden der Volumenwellen zur akustischen Verkopplung zweier dicht nebeneinander angeordneter Dünnschicht-Resonatoren verwenden werden. Dabei wird aber die Führung einer lateralen Mode der Volumenwelle in einer bestimmten Richtung nicht durch irgendwelche dafür vorgesehene Vorrichtungen unterstützt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektroakustisches Bauelement anzugeben, das mit akustischen Volumenwellen in piezoelektrischen Dünnschichten arbeitet und bei dem zur Ausbreitung der akustischen Volumenwelle keine Hohlräume über elektroakustisch aktiven Bereichen oder akustische Spiegel notwendig sind, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektroakustisches Bauelement mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 29 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind aus weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung gibt ein elektroakustisches Bauelement an, welches ein erstes Substrat mit einem darauf angeordneten (elektroakustischen) Schichtsystem umfaßt. Das Schichtsystem enthält eine piezoelektrische Schicht, auf der eine erste Metallschicht angeordnet ist. In der ersten Metallschicht sind (vorzugsweise parallel zueinander auf periodischem Raster angeordnete) Elektrodenstrukturen und Kontaktflächen ausgebildet, wobei die Kontaktflächen von außen hinsichtlich deren elektrischer Verschaltung mit weiteren Bauelementen zugänglich sind. Die Zugänglichkeit der Kontakte kann z. B. über eine Durchkontaktierung (bevorzugte Ausführungsform) oder einen mit der Kontaktfläche verbundenen Außenleiter gewährleistet werden. Auf der ersten Metallschicht ist eine dielektrische Planarisierungsschicht und über der Planarisierungsschicht ein zweites Substrat angeordnet. Die Planarisierungsschicht weist zum zweiten Substrat hin eine planare Oberfläche auf, bedeckt die Elektrodenstrukturen und schließt außerhalb der von den Elektrodenstrukturen bedeckten Bereichen mit der piezoelektrischen Schicht dicht ab.
Die Elektrodenstrukturen der ersten Metallschicht, die nebeneinander vorzugsweise periodisch oder entsprechend einem zur gerichteten Abstrahlung der akustischen Welle geeigneten Muster angeordnet sind, bilden eine Funktionseinheit (z. B. die Funktionseinheit eines elektroakustischen Wandlers) zur Führung einer akustischen Welle (die weiterhin GBAW genannt wird; GBAW = guided Bulk Acoustic Wave, oder geführte akustische Volumenwelle) in lateraler Ebene. Bereiche der piezoelektrischen Schicht, die jeweils durchgehend und unterhalb einer solchen Funktionseinheit angeordnet sind, bilden jeweils einen aktiven Bereich, in dem eine geführte akustische Volumenwelle der Wellenlänge λ anregbar bzw. ausbreitungsfähig ist. Im erfindungsgemäßen Bauelement sind vorzugsweise mehrere elektrisch miteinander verbundene Funktionseinheiten und entsprechend viele aktive Bereiche vorgesehen. Die aktiven Bereiche können dabei akustisch miteinander gekoppelt oder akustisch voneinander entkoppelt sein. Weder im Schichtsystem noch an der Grenzfläche zwischen dem Schichtsystem und dem jeweiligen Substrat sind Hohlräume vorhanden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der geführten Volumenwelle in der piezoelektrischen Schicht ist kleiner gewählt als die Ausbreitungsgeschwindigkeit der geführten Volumenwelle im ersten und zweiten Substrat . Das erste und zweite Substrat und die dazwischen angeordnete piezoelektrische Schicht bilden daher einen Wellenleiter, wobei die piezoelektrische Schicht den Kernbereich bzw. die beiden Substrate den Mantelbereich des Wellenleiters bilden.
Die piezoelektrische Schicht besteht vorzugsweise aus ZnO, A1N, LiNi03 oder LiTa03.
Die piezoelektrische Schicht hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 0. lλ und λ. Bei wesentlich kleineren als 0. Iλ Schichtdicken ist die Dispersion der GBAW unvorteilhaft groß und die elektroakustische Kopplung zu gering. Bei Schichtdicken, die den Wert von λ wesentlich überschreiten, sind ggf. weitere Moden akustischer Wellen anregbar, welche dem aktiven Bereich die Energie entziehen und daher zur Erhöhung der Einfügedämfung des Bauelements beitragen können.
Das SchichtSystem wird durch die Schichten gebildet, in denen ein wesentlicher Anteil der Energie der GBAW konzentriert ist (wobei das Maximum der Energieverteilung in vertikaler Richtung in der piezoelektrischen Schicht liegt) . Die Dicke des jeweiligen Substrats wird entsprechend der Eindringtiefe der GBAW so gewählt, daß die GBAW nach außen hin ausreichend abklingt, so daß eine weitere Erhöhung der Substratdicke oder das Hinzufügen (von außen) von weiteren Schichten die Eigenschaften der GBAW nicht beeinflussen kann. Die Dicke des ersten bzw. des zweiten Substrats ist vorzugsweise jeweils zwischen 2λ und 5λ gewählt. Die Gesamtdicke des Schichtsystems beträgt vorzugsweise zwischen λund 2λ.
Das elektroakustische Bauelement gemäß Erfindung hat den Vorteil, daß es verglichen mit den bekannten Bauelementen kleine Abmessungen hat und in einem kostengünstigen DWB (Direct Wafer Bonding) Verfahren hergestellt werden kann, da auf die Verschaffung der Hohlräume oder akustischer Spiegel verzichtet werden kann. Dadurch, daß nur geringe Schicht- dicken erforderlich sind, ist der Zeitbedarf zum Abscheiden solcher Schichten entsprechend gering.
Da die durch die GBAW hervorgerufene Auslenkung des Materials im jeweiligen Substrat aufgrund einer verhältnismäßig groß gewählten Dicke der Substrate im Substratvolumen nach außen hin abklingt, , kann auf ein Gehäuse im herkömmlichen Sinne verzichtet werden.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die auf einer piezoelektrischen Schicht angeordneten Elektrodenstrukturen
(Elektrodenfinger, die an einer gemeinsamen Stromschiene angeschlossen, sind) - vorzugsweise auf einem periodischen Raster oder in einer der Abstrahlung der akustischen Welle bevorzugt in eine Richtung dienenden Anordnung - anzuordnen, damit im darunterliegenden Volumen (aktiven Bereich) der piezoelektrischen Schicht eine geführte Volumenwelle (GBAW) erzeugt bzw. in lateraler Richtung geführt werden kann, die sich bevorzugt senkrecht zu den Elektrodenfingern ausbreitet. GBAW stellt im Grunde eine geführte laterale Mode einer akustischen Volumenwelle (BAW = Bulk Acoustic Wave) dar und unterscheidet sich von einer BAW insofern, als sie sich in eine durch die Elektrodenstruktur vorgegebene laterale Richtung ausbreitet, in der eine konstruktive Überlagerung lokal angeregter Wellenkomponenten stattfindet . GBAW unterscheidet sich von einer SAW (Surface Acoustic Wave) insofern, als sie keine Oberflächenwelle, sondern eine sich entlang der Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht ausbreitende Volumenwelle ist. Die periodische Elektrodenstruktur dient dabei zur Führung der Volumenwelle.
Aus der Druckschrift von Furukawa et al, IEICE Transactions, Vol. E 74, No. 8, 1991, SS. 2184 - 2187 kann man darauf schließen, daß beim Aufbau eines entsprechenden Bauelements die außen liegenden Glasschichten eine (zum Abklingen der angeregten Welle im Volumen der Glasschichten ausreichende) Mindestdicke haben müssen, die für ein HF-Bauelement, das z. B. für 1 oder 2 GHz ausgelegt ist, mindestens 10 μm beträgt.
Da die Glasschichten an die piezoelektrische Schicht grenzen und da in diesen Schichten ein beträchtlicher Teil der Energie der akustischen Welle (insgesamt bis zu 50%) konzentriert ist, werden die akustischen Eigenschaften des gesamten Schichtsystems durch die Zusammensetzung und die Qualität der Glasschichten stark beeinflußt. Daher müssen (insbesondere im Hinblick auf Massenfertigung der Bauelemente und auch weil nachträgliches Trimmen des Bauelements aus unten genannten Gründen erschwert ist) die beiden
Glasschichten in hohen Maße reproduzierbar sein, was im Prinzip durch eine niedrige Abscheidegeschwindigkeit in einem Abscheideverfahren - jedoch bei einem entsprechend hohen Zeitaufwand - erzielt werden kann.
Dabei ist unklar, wie man einen Schichtstapel, der zwei Schichten erforderlicher Qualität mit einer Dicke z. B. im Bereich zwischen 10 und 100 μm und eine hochtexturierte piezoelektrische Schicht enthält, in einem kostengünstigen Verfahren erzeugen kann.
Das Herstellungsverfahren des o. g. elektroakustischen Bauelements mittels Direct Wafer Bonding bildet einen zweiten Aspekt der Erfindung.
Zunächst wird ein erster Wafer bereitgestellt, der ein erstes Substrat (Trägersubstrat) darstellt. Auf das erste Substrat wird ein Schichtsystem aufgetragen wird. Zum Aufbau des Schichtsystems wird auf dem ersten Substrat in der entsprechenden Reihenfolge eine piezoelektrische Schicht, eine Metallschicht und eine dielektrische Schicht aufgetragen, wobei die nach oben weisende freiliegende
Oberfläche der dielektrischen Schicht z. B. mittels Chemical Mechanical Polishing planarisiert wird, so daß eine Planarisierungsschicht gebildet wird. Ein zweiter Wafer wird bereitgestellt, der ein zweites Substrat umfaßt. Der erste und der zweite Wafer werden nun durch ein Direct Wafer
Bonding Verfahren (vorzugsweise in einem „kalten" Verfahren, d. h. < 100°C) miteinander verbunden.
Die dielektrische Schicht (z. B. aus Siliziumoxid) wird vorzugsweise bei niedrigen Temperaturen (z. B. bei Raumtemperatur) abgeschieden.
Die periodisch angeordneten Elektrodenstrukturen sind vorzugsweise an einer gemeinsamen Stromschiene angeschlossen und bilden eine kammartige Elektrode. Die Elektrodenstrukturen einer Elektrode und die Elektrodenstrukturen einer weiteren Elektrode können ineinander greifen, so daß die auf verschiedenen Potentialen liegenden Elektrodenstrukturen abwechselnd angeordnet sind. Zwei ineinander greifenden Elektroden bilden z. B. einen elektroakustischen Wandler. Mehrere nebeneinander angeordnete Finger, die auf dem gleichen Potential liegen, können einen Reflektor bilden.
Der Wandler kann in Wellenausbreitungsrichtung in mehrere Bereiche aufgeteilt sein, wobei mehrere nebeneinander angeordnete Elektrodenstrukturen z. B. Anregungszellen oder Reflexionszellen bilden.
Der Mittenabstand nebeneinander angeordneter und auf unterschiedlichem Potential liegender Finger, die für die akustische Welle anregend wirken, beträgt vorzugsweise eine halbe Wellenlänge, wobei die Finger vorzugsweise eine Breite von einer Viertelwellenlänge haben. In einer Reflexionszelle können die Finger eine davon abweichende Breite bzw. Mittenabstand aufweisen.
Die Anregungszellen und die Reflexionszellen können abwechselnd angeordnet sein, wobei durch eine entsprechende an sich bekannte Anordnung der Zellen die Abstrahlung der geführten Volumenwelle in eine bevorzugte Richtung erzielt werden kann.
Die piezoelektrische Schicht kann die Eigenschaften eines NSPUDT-Substrats (NSPUDT = Natural Single Phase Uni- Directional Transducer) aufweisen, wobei die Abstrahlung der geführten Volumenwelle in eine bevorzugte' Richtung durch natürliche Eigenschaften des piezoelektrischen Substrats erzielt wird.
Die Effizienz' der elektroakustischen Wandlung in einem elektroakustischen Bauelement hängt von der elektro- akustischen Kopplung ab, die wiederum von der Ausrichtung der piezoelektrischen Achse zur Anregungsrichtung abhängt. Die maximale elektroakustische Kopplung wird erreicht, wenn die Anregung der akustischen Welle entlang der piezoelektrischen Achse erfolgt. Die piezoelektrische Achse der piezoelek- trischen Schicht ist in der Regel senkrecht zur lateralen Ebene gerichtet. Daher wird in einer Variante der Erfindung vorgeschlagen, zwischen dem ersten Substrat und der piezoelektrischen Schicht eine zweite Metallschicht anzuordnen, in der zumindest eine Elektrode zur Anregung der geführten akustischen Welle in vertikaler Richtung ausgebildet ist-. Die Elektrode der zweiten Metallschicht liegt in vertikaler Richtung den Elektrodenstrukturen der ersten Metallschicht gegenüber, ist unter dem entsprechenden aktiven Bereich angeordnet und vorzugsweise durchgehend ausgebildet . Die GBAW wird vertikal zwischen den Elektrodenstrukturen der ersten und der Elektrode der zweiten Metallschicht angeregt und breitet sich lateral aus. Möglich ist es aber auch, die Elektrode der zweiten Metallschicht zu strukturieren, wobei Elektrodenstrukturen (Elektrodenfinger) ausgebildet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, auf die Strukturierung der zweiten Metallschicht zu verzichten, so daß die Elektrode der zweiten Metallschicht sowohl unter dem aktiven Bereich oder den aktiven Bereichen als auch unter den Zuleitungen und Kontaktflächen des Bauelements angeordnet ist. Dabei sollte allerdings beachtet werden, daß keine unerwünschte Anregung der akustischen Wellen zwischen den Kontaktflächen der ersten Metallschicht und ihnen gegenüberliegenden Bereichen der zweiten Metallschicht zustande kommt.
Die unerwünschte Anregung einer akustischen Welle (insbesondere unterhalb der Kontaktflächen und Zuleitungen des Bauelements, die relativ großflächig sind und daher parasitären kapazitiven Kopplungen mit leitenden oder • halbleitenden Strukturen der Umgebung unterliegen) kann man z. B. dadurch beseitigen, daß die Struktur bzw. Textur der piezoelektrischen Schicht in den entsprechenden Bereichen so geändert wird, daß die Ausbreitung akustischer Welle dort gehindert wird. Man kann z. B. die Schicht, die beim Aufwachsen der piezoelektrischen Schicht als Unterlage dient, in den entsprechenden Bereichen aufrauhen. Dies verhindert beim Aufwachsen der piezoelektrischen Schicht die Bildung einer monokristallinen Struktur mit der vorgegebenen Ausrichtung der piezoelektrischen Achse. Es werden vielmehr in solchen Bereichen piezoelektrische Polykristalle gebildet, deren piezoelektrische Achsen insgesamt keine Vorzugsrichtung aufweisen, weswegen die piezoelektrische Kopplung zerstört wird.
Es ist beispielsweise möglich, die zweite Metallschicht außerhalb aktiver Bereiche (insbesondere unterhalb der Kontaktflächen und der Zuleitungen) so zu strukturieren, daß die dabei erzeugten Strukturen zufällig verteilt und/oder wesentlich kleiner sind als die Wellenlänge der akustischen Welle.
Es besteht die Möglichkeit, von außen zugängliche Kontaktflächen auch in der zweiten Metallschicht auszubilden.
Zwischen dem ersten Substrat und der piezoelektrischen Schicht kann eine erste funktionale Zwischenschicht angeordnet sein. Zwischen dem zweiten Substrat und der Planarisierungsschicht kann eine zweite funktionale
Zwischenschicht angeordnet sein. Die beiden Zwischenschichten bilden dann die außenliegenden Schichten des Schichtsystems und können jeweils dazu benutzt werden, den Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten des jeweiligen Substrats und der nächstliegenden Schicht des Schichtsystems auszugleichen.
Die erste und/oder zweite Zwischenschicht kann aus SiOx mit 1,9 < x < 2,1 bestehen, die vorzugsweise einen Brechungsindex zwischen 1,43 und 1,49 (dieser Bereich ist für eine hochtex- turierte Siliziumoxid-Schicht charakteristisch) aufweist. Ein so texturiertes Siliziumoxid weist nach dem Ausheilen des Bauelements geringe intrinsische Spannungen und daher eine geringe Dämpfung der akustischen Welle sowie (hinsichtlich der Ausbreitungsgeschwindigkeit der BAW) günstige elastische Eigenschaften auf. Siliziumoxid hat darüber hinaus den Vorteil, daß es - im Gegensatz zu den meisten anderen Materialien - einen negativen Temperaturkoeffizienten (TCF) aufweist und im Verbund mit einer Schicht aus einem Material mit einem TCF > 0 (hier piezoelektrische Schicht) einen geringen TCF
(z. B. < 25 ppm/K) des Verbunds (d. h. des SchichtSystems) gewährleistet .
Es ist vorteilhaft, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit der GBAW in der jeweiligen Zwischenschicht kleiner ist in dem
(ersten bzw. zweiten) Substrat, das an diese Zwischenschicht grenzt. Zur Erhöhung der elektroakustischen Kopplung im Schichtsystem ist es von Vorteil, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit der GBAW in der jeweiligen Zwischenschicht größer ist als diejenige in der piezoelektrischen Schicht.
Die Planarisierungsschicht kann auch aus Siliziumoxid bzw. SiOx mit eben dargelegten Eigenschaften bestehen.
Das erste und/oder das zweite Substrat kann z. B. aus einem Material, ausgewählt aus Glas, Halbleiter (z. B. Si) oder Piezoelektrikum, bestehen.
Das Schichtsystem kann eine zu dem jeweiligen Substrat hin gewandte funktionale Zwischenschicht aufweisen, die aus einem magnetisch abstimmbaren Material (z. B. Material, das den Giant-Delta-E Effekt aufweist) gewählt ist. Falls das mit dieser Schicht direkt verbundene Substrat piezoelektrische Eigenschaften hat, kann es zur Einbringung eines akustischen Stresses im Schichtsystem benutzt werden und so die Frequenz des Bauelements verändern.
Die dielektrische Schicht (die später die Planarisierungsschicht bildet) und die Zwischenschichten können z. B. mittel CVD- oder PVD-Verfahren erzeugt werden (CVD = Chemical Vapor Deposition, PVD = Physical Vapor Deposition) .
Die erste und/oder die zweite Metallschicht besteht im Wesentlichen aus AI, Cu, Mo, Ti, W, Ta, Cr oder einer Legierung, die diese Komponenten enthält. Möglich ist es auch, daß die Metallschichten jeweils aus mehreren Schichten bestehen, wobei zumindest eine der Schichten aus einem der genannten Materialien besteht. Die Metallschichten können jeweils an eine als Passivierungsschicht ausgebildete funktionale Zwischenschicht (z. B. eine Oxid- oder Metalloxid-Schicht) grenzen. Die Passivierungsschicht kann großflächig ausgebildet sein oder nur die Strukturen der jeweiligen Metallschicht zumindest teilweise umschließen. Es ist grundsätzlich möglich, daß die hier genannten Schichten des Schichtsystems jeweils einen Vielschichtaufbau aus geeigneten Materialien aufweisen.
Eine Weiterbildung der Erfindung schlägt vor, das elektroakustische Bauelement so auszubilden, daß die Eigenschaften (insbesondere Textur) zumindest einer der Schichten des Schichtsystems durch das erste oder zweite Substrat hindurch geändert werden können. Die Schichten des Schichtsystems können z. B. bei einer geeigneten Materialauswahl des ersten oder des zweiten Substrats für einen Laserstrahl von außen zugänglich sein (wenn das entsprechende Substrat z. B. im optischen Bereich durchsichtig ist). Der Laserstrahl kann z. B. durch das Substrat hindurch eine Oxidation oder (bei Schichten aus Kunststoff) Vernetzung einer der innen liegenden Schicht auslösen. Dabei können insbesondere zur Führung der GBAW relevante, elastische Parameter des betroffenen Materials verändert werden.
Die Wellenlänge der in einem erfindungsgemäßen Wandler ausbreitungsfähigen GBAW. wird einerseits wie bei einer SAW durch die Periodizität der Elektrodenfinger und andererseits wie bei einer BAW durch die Dicke der piezoelektrischen Schicht bestimmt.
Bei herkömmlichen elektroakustischen Bauelementen mit Hohlräumen über den akustisch aktiven BauelementStrukturen kann die Fertigungstoleranz und die damit verbundene Frequenzverschiebung des Bauelements durch Trimmen korrigiert werden, wobei z. B. die Dicke einer als Trimmschicht vorgesehenen Schicht entsprechend verändert wird. Ein solches Trimmen ist in einem Bauelement ohne die Hohlräume (z. B. nach dem Verbinden zweier Wafer bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauelements) allerdings nicht möglich, da der für die Ausbreitung der GBAW relevante Schichtbereich zwischen den Substraten „vergraben" und daher dem äußeren Zugriff entzogen ist, was von der Erfindung aus oben schon dargelegten Gründen angestrebt wird.
Aufgrund der relativ geringen Dicke der piezoelektrischen Schicht, die in der Größenordnung einer Wellenlänge liegt, ist die relative Fertigungstoleranz dieser Schichtdicke vergleichsweise groß. Auf der anderen Seite ist bei einer besonders geringen Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht auch bei geringen Variationen der Schichtdicke eine große Dispersion (Frequenzabhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit der GBAW) und daher eine entsprechend große fertigungsbedingte Frequenzungenauigkeit des Bauelements zu erwarten.
Zum Ausgleich der o. g. Fertigungstoleranz wird in einer
Variante der Erfindung vorgeschlagen, bestimmte Bereiche des Schichtsystems (Trimmbereiche) freizulegen, um insbesondere das Trimmen des Bauelements nach dem Verbinden aller Komponenten (1. Substrat, Schichtsystem, 2. Substrat) zu ermögli- chen. Man kann z. B. zwischen einem Reflektor und dem Wandler
(ersten Wandler) einen weiteren, elektrisch mit einer Trimmstruktur verschalteten Wandler (zweiten Wandler) anordnen. Die Trimmstruktur, die von dem eben beschriebenen Aufbau (Wandler - weiterer Wandler - Reflektor) beabstandet ist, ist vorzugsweise als ein Wandler ausgebildet und stellt eine
Kapazität bzw. für den zweiten Wandler eine Last dar, welche über den mit ihr verschalteten Wandler kapazitiv an den ersten Wandler gekoppelt ist. Die Kapazität bzw. die Lastimpedanz der Trimmstruktur ist entsprechend der Anzahl ihrer ineinander greifenden Elektrodenfinger groß.
Durch die Veränderung der Lastimpedanz des Wandlers der Trimmstruktur (z. B. durch Abtrennen einer Anzahl von Elektrodenfingern der Trimmstruktur mittels Laser) können die Reflexionseigenschaften des Gesamtaufbaus und dadurch die. Frequenz der GBAW beeinflußt werden. Das Trimmen des Bauelements erfolgt auf der Wafer-Ebene (d. h. vor dem Zersägen der Basisplatte bzw. dem Vereinzeln der Bauelemente) und kann nach dem Planarisieren der dielektrischen Schicht oder nach dem Verbinden zweier Wafer zu einer großflächigen Basisplatte durchgeführt werden.
Die Trimmstruktur wird nach dem Trimmen vorzugsweise hermetisch versiegelt, um den Umwelteinflüssen bzw. einer weiteren Veränderung der Trimmstruktur vorzubeugen, ' indem zumindest auf den Trimmbereich (oder auch auf die gesamte freiliegende Oberfläche des Bauelements mit Ausnahme der als Außenkontakte vorgesehenen Bereiche) eine Versiegelungsschicht aufgebracht wird.
Im Prinzip lassen sich durch das Trimmen nicht nur elektrische, sondern auch (elektro) akustische Eigenschaften des Bauelements durch die Modifikation der innen liegenden Schichten verändern Solche Modifikation werden vorzugsweise bei den Schichten vorgenommen, in denen ein wesentlicher Anteil der Energie der GBAW konzentriert ist, also in den Schichten des Schichtsystems .
Die Außenkontakte des Bauelements sind vorzugsweise auf der freiliegenden Oberfläche des ersten und/oder des zweiten Substrats ausgebildet. Die Außenkontakte sind mit den
Kontaktflächen z. B. über Durchkontaktierungen durch jeweils das erste und/oder das zweite Substrat hindurch elektrisch leitend verbunden.
Die Durchkontaktierungen stellen vorzugsweise metallisierte Öffnungen im entsprechenden Substrat dar. Diese Öffnungen werden vorzugsweise nach dem Verbinden des ersten und des zweiten Wafers ausgebildet und anschließend metallisiert.
Die Bereitstellung der Außenkontakte an Oberseite oder Unterseite des Bauelements (was bei elektroakustischen Bauelementen mit Hohlräumen schwierig, und wegen beträchtlicher Höhe eines solchen Bauelements wenig sinnvoll erscheint) hat den Vorteil, daß ein modularer Aufbau mehrerer Bauelemente auch übereinander möglich ist.
Zumindest eine der im ersten Substrat ausgebildeten Durchkontaktierungen kann über die entsprechende Kontaktfläche an zum /indest eine der im zweiten Substrat ausgebildeten Durchkontaktierungen angeschlossen sein.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, zumindest zwei der Durchkontaktierungen im jeweiligen Substrat im Querschnitt senkrecht zur Substratebene V-förmig auszubilden, wobei die entsprechenden Kontaktflächen durchgeschnitten werden. Die V-förmige Durchkontaktierung endet vorzugsweise über bzw. unter der Grenzfläche des jeweils anderen Substrats und stellt ein Hindernis für die Ausbreitung der GBAW dar, was zur Entkopplung zweier verschiedenen Funktionsbereiche des Bauelements (z. B. Sendefilter und Empfangsfilter eines Duplexers) genutzt werden kann.
Im Prinzip können beliebige elektrisch miteinander verbundene, zumindest teilweise in der ersten Metallschicht ausgebildete Funktionsschal'tkreise des Bauelements, die jeweils in einer Funktionszone ausgebildet sind, .durch eine durchgehende V-förmige Durchkontaktierung in lateraler Ebene voneinander akustisch und/oder elektrisch abgeschirmt sein. Dabei ist die V-förmige Durchkontaktierungen elektrisch mit der großflächigen Metallschicht und mit Masse verbunden und trennt im Bereich des SchichtSystems die genannten
Funktionszonen voneinander, jedoch ohne durch die beiden Substrate gänzlich zu durchschneiden.
In einer Variante der Erfindung kann entweder die Oberseite des zweiten Substrats oder die Unterseite des ersten
Substrats durch eine großflächige Metallschicht metallisiert sein, welche durch die V-förmigen Durchkontaktierungen mit den dafür vorgesehenen Kontaktflächen (bzw. Masse) elektrisch verbunden ist.
Beispielsweise kann die großflächige Metallschicht auf der Oberseite des zweiten Substrats angeordnet sein, wobei die Außenkontakte im ersten Substrat und die mit der großflächigen Metallschicht elektrisch verbundenen V-förmigen Durchkontaktierungen im zweiten Substrat ausgebildet sind.
Alternativ kann die großflächige Metallschicht auf der
Unterseite des ersten Substrats angeordnet sein, wobei die Außenkontakte im zweiten Substrat und die mit der großflächigen Metallschicht elektrisch verbundenen V-förmigen Durchkontaktierungen im ersten Substrat ausgebildet sind.
Die V-förmigen Durchkontaktierungen werden durch V-förmiges Ansägen des Gesamtschichtaufbaus und anschließendes Metallisieren der 'dabei gebildeten Einschnitte erzeugt.
Die V-förmigen Durchkontaktierungen können auch zur
Vereinzelung der in dem Verbund, der durch die Verbindung des ersten und des zweiten Wafers entsteht, ausgebildeten Bauelemente und deren Abdichtung dienen. Die Bauelemente können z. B. durch Sägen entlang von V-förmigen Durchkontaktierungen vereinzelt werden.
In diesem Fall sind die V-förmigen Durchkontaktierungen entlang der Sägelinien vorzugsweise durchgehend ausgebildet, so daß die darin aufgebrachte Metallisierung eine hermetische Abdichtung des Bauelements gewährleistet.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung kann zumindest eines der Substrate eine Halbleiterschicht (insbesondere eine Si-Schicht) umfassen, in deren Volumen integrierte Bauelement-Strukturen ausgebildet sind, welche durch die Durchkontaktierungen oder weitere vertikale elektrische Verbindungen elektrisch mit den Kontaktflächen und/oder den Außenkontakten des Bauelements verbunden sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen
Figur 1 den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Bauelements im schematisch Querschnitt
Figur 2 eine Weiterbildung der Erfindung mit zwei
Metallschichten und funktionalen Zwischenschichten im schematischen Querschnitt
Figur 3a, 3b jeweils eine beispielhafte Anordnung der Elektrodenstrukturen der ersten und der zweiten
Metallschicht des Bauelements gemäß Figur 2 in schematischer Draufsicht
Figur 4 ausschnittsweise im schematischen Querschnitt das Schichtsystem mit teilweise aufgerauhten unter den
Kontaktflächen angeordneten Bereichen der direkt unter der piezoelektrischen Schicht liegenden Zwischenschicht
Figur 5 ausschnittsweise im schematischen Querschnitt
(oben) und in schematischer Draufsicht von oben (unten) das SchichtSystem, wobei die unter den Kontaktflächen angeordneten Bereiche der zweiten Metallschicht zur Erhöhung der Rauhigkeit der Grenzfläche zur piezoelektrischen Schicht strukturiert sind Figur 6 ausschnittsweise im schematischen Querschnitt ein elektroakustisches Bauelement gemäß Erfindung mit im zweiten Substrat ausgebildeten Durchkontaktierungen und V-förmigen Durchkontaktierungen
Figur 7 ausschnittsweise im schematischen Querschnitt einen Wafer mit mehreren noch nicht vereinzelten elektroakustischen Bauelementen gemäß Erfindung, wobei die Durchkontaktierungen und die V-förmigen
Durchkontaktierungen in jeweils unterschiedlichen Substraten ausgebildet sind
Figur 8 im schematischen Querschnitt ein weiteres Bauelement gemäß Erfindung mit einer strukturierten zweiten Metallschicht
Figur 9 im schematischen Querschnitt ein weiteres
Bauelement gemäß Erfindung mit einer durchgehenden, mit der Rückseitenmetallisierung verbundenen zweiten Metallschicht
Figur 10 ausschnittsweise im schematischen Querschnitt ein weiteres Bauelement gemäß Erfindung mit in beiden Substraten vorgesehenen Durchkontaktierungen bzw. auf der Oberseite und der Unterseite des Bauelements vorgesehenen Außenkontakten
Figur 11 ausschnittsweise im schematischen Querschnitt ein weiteres Bauelement gemäß Erfindung mit einer magnetisch abstimmbaren Schicht
Figur 12a in schematischer Draufsicht einen Wandler, der in einem Bauelement gemäß Erfindung verwendet wird und kapazitiv mit Trimmstrukturen verkoppelt ist Figur 12b im schematischen Querschnitt ein Bauelement gemäß Erfindung mit den Trimmstrukturen gemäß Figur 12a
Figur 13 im schematischen Querschnitt ein weiteres Bauelement mit zwei durch eine V-förmige, mit Masse verbundene Durchkontaktierung voneinander abgeschirmten Funktionsbereichen
Figur 1 zeigt eine erste Variante eines erfindungsgemäßen Bauelements im schematischen Querschnitt . Das Bauelement umfaßt ein erstes Substrat Sl, ein zweites Substrat S2 und ein dazwischen angeordnetes Schichtsystem SS. Das Schichtsystem SS umfaßt eine piezoelektrische Schicht PS, eine darauf angeordnete erste Metallschicht MSI und eine über der ersten Metallschicht angeordnete dielektrische Schicht, die eine Planarisierungsschicht DS bildet. In der Metallschicht MSI sind Kontaktflächen KF und Elektrodenstrukturen Eil und El2 ausgebildet, die jeweils z. B. Elektrodenfinger einer ersten und einer zweiten Elektrode El bzw. El' (gemäß Figur 3b) darstellen.
Die piezoelektrische Schicht ist vorzugsweise aus ZnO oder A1N ausgebildet .
Das erste und das zweite Substrat sind vorzugsweise aus Silizium ausgebildet. Die Substrate können auch z. B. aus Glas, Si02, ZnO, LiNb03, LiTa03 bestehen bzw. zumindest eine Schicht aus den hier genannten Materialien umfassen.
Die Planarisierungsschicht DS besteht vorzugsweise aus
Siliziumoxid. Die Kontaktflächen KF dienen zur Kontaktierung des Bauelements .
Das Schichtsystem und die beiden Substrate bilden einen akustischen Wellenleiter, in dem die GBAW anregbar und ausbreitungsfähig ist. Die vorzugsweise periodisch und abwechselnd angeordneten Elektrodenstrukturen Eil, E12 bilden z. B. einen elektroakustischen Wandler oder Reflektor. Die geführte akustische Volumenwelle wird zwischen den Elektrodenstrukturen Eil und E12, die auf verschiedenen Potentialen liegen, angeregt. Die geführte akustische Volumenwelle breitet sich in der lateralen Ebene in einem Bereich der piezoelektrischen Schicht aus, der als aktiver Bereich AB bezeichnet wird. Dieser Bereich ist in der Figur 1 schraffiert dargestellt.
Die Dicke des ersten und des zweiten Substrates ist vorzugsweise so gewählt, daß die im jeweiligen Substrat durch die GBAW hervorgerufene Auslenkung der Atome vom Schichtsystem aus nach außen (zur freien Oberfläche des Substrats) hin aus- reichend abklingt. Das Abklingen der GBAW zu freien Oberflächen des Bauelements hin hat den Vorteil, daß die elektroakustischen Eigenschaften des akustischen Wellenleiters durch die Änderungen in der Umgebung, insbesondere das Auftragen weiterer Schichten (z. B. einer Abschirmschicht oder eines Vergusses) , nicht beeinflußt werden.
Das Bauelement kann in einem DWB-Verfahren durch Verbinden eines ersten Wafers Wl mit einem zweiten Wafer W2 hergestellt werden, wobei das erste Substrat Sl zusammen mit dem Schichtsystem SS den ersten Wafer Wl bzw. das zweite Substrat S2 den zweiten Wafer W2 bildet. Pro Wafer sind dabei mehrere Bauelemente vorgesehen, die in einem späteren Verfahrensschritt voneinander vereinzelt werden.
Bei einem herkömmlichen Abscheideverfahren werden alle
Schichten des Bauelements aufeinander abgeschieden, wobei die Qualität der unterlegenden Schicht auch die Qualität der nachfolgenden Schicht bestimmt.
Das DWB-Verfahren zur Verbindung zweier Wafer hat demgegenüber den Vorteil, daß sich im jeweiligen Wafer in hohem Maße reproduzierbare (einkristalline) Schichten bilden lassen. Bei bisher bekannten DWB-Verfahren wurden Temperaturen über 100°C verwendet, wobei an der Grenzfläche zweier Wafer ggf. Gitterfehler (lattice mismatch strains) entstehen, welche die akustischen Eigenschaften des Wellenleiters (insbesondere im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit des Bauelements) beeinträchtigen können. In einer Variante eines erfindungsgemäßen DWB-Verfahrens können die Wafer auch bei niedrigen Temperaturen < 100°C (oder bei Raumtemperatur) gebondet werden.
Vor dem Verbinden der Wafer muß die dielektrische Schicht, die auf der ersten Metallschicht aufgetragen ist, planarisiert werden, wobei das Wafer auf dieser Seite gedünnt wird. Die Schichtdicke der Planarisierungsschicht kann unter diesen Umständen nicht besonders genau eingestellt werden und läßt sich nach dem Verbinden der Wafer (z. B. zum Trimmen des Bauelements) nicht mehr verändern. Die Erfindung schlägt daher ein alternatives Trimmverfahren vor (siehe Figuren 12a, 12b) .
Figur 2 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Bauelements. In dieser Variante enthält das Schichtsystem eine zweite (strukturierte) Metallschicht MS2, die zwischen der piezoelektrischen Schicht PS und einer ersten Zwischenschicht ZSl angeordnet ist. Die erste Zwischenschicht ZSl ist zwischen der zweiten Metallschicht MS2 und dem ersten Substrat Sl angeordnet .
Zwischen der Planarisierungsschicht DS und dem zweiten Sub- strat S2 ist eine zweite funktionale Zwischenschicht ZS2 angeordnet. In der zweiten Metallschicht MS2 sind Elektroden E21 und E22 ausgebildet, die jeweils den Elektrodenstrukturen Eil beziehungsweise E12 der ersten Metallschicht MSI gegenüber liegen und unter diesen Elektrodenstrukturen (die zusam- men z. B. einen Wandler bilden) durchgehend ausgebildet sind. Der Bereich der piezoelektrischen Schicht PS, der zwischen den Elektrodenstrukturen Eil und der Elektrode E21 liegt, bildet einen ersten aktiven Bereich ABI (z. B. den aktiven Bereich eines ersten Wandlers) , in dem die geführte akustische Volumenwelle ausbreitungsfähig ist . Analog bilden die Elektrodenstrukturen E12 und die ihnen gegenüberliegende Elektrode E22 zusammen mit dem entsprechenden Bereich der piezoelektrischen Schicht PS einen zweiten aktiven Bereich AB2 (z. B. den aktiven Bereich eines zweiten Wandlers) .
Die erste und die zweite funktionalen Zwischenschichten ZSl bzw. ZS2 sind vorzugsweise die außenliegenden Schichten des Schichtsystems SS. Die Zwischenschichten ZSl, ZS2 dienen beispielsweise zur Reduzierung des Temperaturkoeffizienten des gesamten Schichtsystems oder erfüllen eine andere
Funktion. Die Zwischenschichten ZSl, ZS2 können jeweils einen VielSchichtaufbau aus verschiedenen funktionalen Teilschichten aufweisen.
Die elektrische Anregung der GBAW zwischen der Elektrode der ersten und der Elektrode der zweiten Metallschicht, also senkrecht zur Oberfläche der piezoelektrischen Schicht, hat den Vorteil, daß die GBAW entlang der piezoelektrischen Achse angeregt wird, die meist normal zur Schichtoberfläche gerichtet ist. Dabei kann durch die bessere elektroakustische Kopplung eine größere Bandbreite eines als Bandpaßfilter ausgebildeten Bauelements erreicht werden.
Die Erfindung erzielt eine hochtexturierte piezoelektrische Schicht in den aktiven Bereichen, die zur Ausbreitung der
GBAW vorgesehen sind. Außerhalb aktiver Bereiche, insbesondere unterhalb relativ großflächig ausgebildeter Kontaktflächen und Zuleitungen, werden Strukturstörungen der piezoelektrischen Schicht erzielt. Die Strukturstörungen entstehen beim Aufwachsen einer Schicht auf einer rauhen Unterlage. In dem in Figur 4 vorgestellten Ausführungsbeispiel dient als WachstumsSchicht für die piezoelektrische Schicht die erste funktionale Zwischenschicht ZSl. Die den Kontaktflächen KF gegenüberliegenden Bereiche der Zwischenschicht ZSl sind angerauht .
Es ist vorgesehen, daß das erste oder das zweite Substrat zur Freilegung der Kontaktflächen z. B. durch Ätzen strukturiert werden kann. Es besteht darüber hinaus die Möglichkeit, das jeweilige Substrat mit halbleitenden Eigenschaften so zu strukturieren, daß im Volumen des Substrats Halbleiter-Bau- elementstrukturen ausgebildet werden (3D-Integration) , die über die Durchkontaktierungen DK oder weitere vertikale elektrische Verbindungen mit den Kontaktflächen und elektro- akustisch aktiven Bauelementstrukturen verbunden sind.
In Figur 3a ist eine beispielhafte Anordnung der Elektrodenstrukturen Eil der ersten Metallschicht MSI und der Elektrode E21 der zweiten Metallschicht MS2 in einem erfindungsgemäßen Bauelement gezeigt. Die Elektrodenstrukturen Eil sind an eine, gemeinsame Stromschiene angeschlossen und bilden zusammen ei- ne erste Elektrode El der ersten Metallschicht MSI. Die Elektrodenstrukturen Eil der Elektrode El liegen der Elektrode E21 der zweiten Metallschicht gegenüber. Die Elektrodenstrukturen Eil sind auf einem periodischen Raster angeordnet, dessen Periodizität zum Beispiel eine ganze Wellenlänge λ beträgt (wobei die Phasen der an jedem der Elektrodenfinger
Eil lokal angeregten Wellenkomponenten übereinstimmen, so daß sich die Wellenkomponenten konstruktiv überlagern) .
Die Elektrodenstrukturen Eil und die Elektrode E21 bilden zusammen mit der dazwischen angeordneten piezoelektrischen
Schicht einen elektroakustischen Wandler. Wenn in der in Figur 3a vorgestellten Anordnung die Periodizität der Elektrodenstrukturen λ/2 statt λ beträgt , wirkt die Anordnung für die GBAW reflektierend.
In Figur 3b ist eine weitere mögliche Anordnung der Elektrodenstrukturen Eil, E12 der ersten Metallschicht MSI und der Elektrode E21 der zweiten Metallschicht MS2 in einem erfindungsgemäßen Bauelement gezeigt.
In diesem Ausführungsbeispiel sind in der ersten Metall- Schicht MSI zwei Elektroden El und El' ausgebildet, deren Elektrodenstrukturen beziehungsweise Fingerstrukturen ineinander greifen und vorzugsweise auf einem periodischen Raster abwechselnd angeordnet sind. Der Mittenabstand der Elektrodenfinger zweier Elektrodenstrukturen Eil beziehungsweise E12 beträgt λ/2. Die erste Elektrode El der ersten Metallschicht MSI weist dabei Elektrodenstrukturen Eil auf. Die zweite Elektrode El' der ersten Metallschicht MSI weist Elektrodenstrukturen E12 auf. Die akustische Volumenwelle wird zwischen einerseits der Elektrode E21 der zweiten Metallschicht MS2 und andererseits den Elektrodenstrukturen Eil, E12 der ersten Metallschicht MSI angeregt, wobei die stärkste Anregung in den Bereichen zustande kommt, in welchen der Elektrodenfinger der ersten Metallschicht direkt der Elektrode der zweiten Metallschicht gegenüber liegt.
Die Elektrodenstrukturen der ersten und der zweiten Elektrode der ersten Metallschicht schaffen die Bedingungen für eine konstruktive Interferenz der lokal angeregten Wellenkomponenten in beide Vorzugsrichtungen (in der Figur nach links und nach rechts) , senkrecht zu den Elektrodenfingern. Die Elektrodenstrukturen der ersten Metallschicht MSI dienen also dazu, die Energie der angeregten lateralen Mode einer akustischen Volumenwelle hauptsächlich im aktiven Bereich zu halten.
Ein Wandler ist in dieser Variante der Erfindung durch die interdigital angeordneten Elektroden El und El', die darunter liegende piezoelektrische Schicht PS und die zur Anregung der GBAW dienende Elektrode E21 der zweiten Metallschicht gebil- det.. Dabei dienen die einander gegenüberliegenden Elektroden der unterschiedlichen Metallschichten als Anregungselektroden und die Elektroden der ersten Metallschicht als Führungselektroden zur Führung von GBAW.
Ein erfindungsgemäßer Wandler oder Resonator kann in einer Signalleitung angeordnet oder parallel zu dieser (z. B. gegen Masse) geschaltet sein. Die Elektroden der zur gerichteten Führung der GBAW dienenden Elektrodenpaare der ersten Metallschicht MSI (El und El') können elektrisch mit zwei „heißen" Anschlüssen verbunden sein, während die ihnen gegenüber liegende Anregungselektrode E21 der zweiten Metallschicht MS2 an Masse angeschlossen ist. Möglich ist es auch, z. B. die Elektroden El an Masse und die Elektroden El' und E21 jeweils an einen „heißen" Anschluß anzuschließen.
In Figur 4 ist das Sσhichtsystem SS eines erfindungsgemäßen Bauelements gezeigt. In dieser Variante der Erfindung wird die piezoelektrische Schicht PS auf der ersten funktionalen Zwischenschicht ZSl aufgewachsen, die beim Aufwachsen der piezoelektrischen Schicht als Unterlage dient. Die Bereiche der Oberfläche der ersten Zwischenschicht ZSl, welche den Kontaktflächen KF und Zuleitungen des Bauelements (z. B. Stromschienen der Elektroden) gegenüber liegen, sind aufgerauht, weswegen die Bildung einer hochtexturierten piezoelektrischen Schicht direkt über diesen Bereichen gehindert wird. In einer bevorzugten Ausfuhrungsform werden alle Bereiche der oberen Grenzfläche der ersten Zwischenschicht ZSl aufgerauht, die nicht direkt unter dem aktiven Bereich AB angeordnet sind. Dabei wird eine hochtexturierte piezoelektrische Schicht PS ausschließlich in den aktiven Bereichen AB erzielt, so daß die Energie der geführten akustischen Volumenwelle hauptsächlich in diesem Bereich konzentriert ist.
Eine weitere Möglichkeit, eine hochtexturierte piezoelektri- sehe Schicht nur in bestimmten, als aktive Bereiche vorgesehenen Bereichen zu erzeugen, ist in Figur 5 vorgestellt. In dieser Variante der Erfindung dient die zweite Metallschicht MS2 als Unterlage beim Aufwachsen der piezoelektrischen Schicht PS. Die zweite Metallschicht MS2 ist in den Bereichen, die den Kontaktflächen KF oder Zuleitungen ZL direkt gegenüberliegen, derart strukturiert, daß das Aufwachsen einer, geordneten piezoelektrischen Schicht mit einer Vorzugsrichtung der piezoelektrischen Achse durch die so gebildeten Unebenheiten der Unterlage gehindert wird. Der Vorteil einer derart aufgerauhten Unterlage liegt darin, daß die Rauhigkeitsstrukturen (photolithographisch) in demselben Verfah- rensschritt wie die zweite Metallschicht MS2 erzeugt werden.
In Figur 5 unten ist eine schematische Ansicht der zweiten Metallschicht MS2 von unten (durch die erste Zwischenschicht ZSl hindurch) gezeigt . Gegenüber den Kontaktflächen KF der ersten Metallschicht MSI sind vorzugsweise zufällig angeordnete unterbrochene Metallstrukturen US angeordnet (kleine Metallflächen, die jeweils miteinander nicht elektrisch verbunden sind) . Solche Strukturen haben vorzugsweise Abmessungen, die deutlich unterhalb einer Wellenlänge sind. Die unterbrochenen MetallStrukturen US sind außerdem unterhalb der Zuleitung ZL und der Stromschienen der Elektroden El und El ' angeordnet .
Die großflächig ausgebildete Elektrode E21 der zweiten Metallschicht MS2 ist also vorzugsweise nur im Bereich eines Wandlers angeordnet, in welchem die auf verschiedenen Potentialen liegenden benachbarten Elektrodenfinger Eil, E12 in Wellenausbreitungsrichtung einander gegenüber stehen (d. h. im aktiven Bereich) . Dabei ist die statische Kapazität des Wandlers besonders gering.
Figur 6 zeigt ausschnittsweise im schematischen Querschnitt ein elektroakustisches Bauelement gemäß Erfindung mit den im zweiten Substrat S2 ausgebildeten Durchkontaktierungen DK und v-förmigen Durchkontaktierungen VDK. Die Durchkontaktierungen DK können im zweiten Substrat S2 beispielsweise durch Ätzen und anschließendes Metallisieren der dabei gebildeten Öffnung erzeugt werden. Die Durchkontaktierung DK stellt eine vertikale elektrische Verbindung zwischen einem Außenkontakt AK des Bauelements, der auf der Oberseite des zweiten Substrats S2 angeordnet ist, und der Kontaktfläche KF dar. Die V- förmige Durchkontaktierung VDK verbindet elektrisch leitend den Außenkontakt AK' und die entsprechende Kontaktfläche KF' .
Bei der Ausbildung der V-förmigen Durchkontaktierung VDK wird die Kontaktfläche KF ' durch einen keilförmigen Schnitt durch- getrennt. Der keilförmige Schnitt wird metallisiert, wobei die elektrische Verbindung zwischen der Kontaktfläche KF' und dem Außenkontakt AK' entsteht. In der bevorzugten Ausführungsform schneidet die V-förmige Durchkontaktierung VDK das Schichtsystem SS komplett durch, wobei auch die Grenzfläche zum ersten Substrat Sl durchgeschnitten wird. Die so gebildete V-förmige Durchkontaktierung DK (die durch das erste Substrat und das Schichtsystem hindurch- und teilweise in das zweite Substrat hineingeht) gewährleistet auch nach der Vereinzelung des Bauelements (entlang der V-förmigen Durch- kontaktierung) einen hermetischen Abschluß der seitlichen Außenkanten des Bauelements entlang der Sägelinien.
Eine V-förmige Durchkontaktierung kann auch als normale vertikale elektrische Verbindung zwischen einer Kontaktfläche und einem Außenkontakt oder zur elektroakustischen
Entkopplung bzw. elektrischen Abschirmung zweier Bereiche des Bauelements voneinander dienen (s. Figur 13) .
In Figur 7 ist ein großflächiger Verbund vorgestellt, der mehrere noch nicht vereinzelte Bauelemente umfaßt. Die
Vereinzelung der Bauelemente erfolgt entlang von Sägelinien, die den V-förmigen Durchkontaktierungen VDK entsprechen. Die V-förmigen Durchkontaktierungen VDK sind dabei nicht als einzelne Löcher, sondern grabenförmig und langgestreckt ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite
Metallschicht MS2 mit den V-förmigen Durchkontaktierungen VDK elektrisch verbunden, welche wiederum elektrisch mit einer großflächigen Metallschicht RSM (Rückseitenmetallisierung) und z. B. Masse verbunden ist. Die großflächige Metallschicht RSM ist auf der freiliegenden Seite des ersten Substrats Sl aufgetragen. Die großflächige Metallschicht RSM und die Metallisierung der V-förmigen Durchkontaktierungen DK wird vorzugsweise im gleichen Verfahrensschritt z. B. durch Sputtern erzeugt .
In diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Metallschicht MS2 als eine nicht strukturierte Schicht ausgebildet. Die
Außenkontakte AK des Bauelements sind in dieser Variante der Erfindung nur auf einer Seite des Bauelements vorgesehen.
In Figur 8 ist ein entlang der v-förmigen Durchkontaktierungen VDK vereinzeltes Bauelement gezeigt. Die v-förmige Durchkontaktierung VDK1 ist über die Kontaktfläche KF1 mit der im zweiten Substrat S2 ausgebildeten Durchkontaktierung DK1 und weiter mit. dem Außenkontakt AK1 elektrisch leitend verbunden. Der Außenkontakt AK1 ist dabei vorzugsweise ein Masseanschluß des Bauelements vorgesehen.
Die zweite Metallschicht MS2 ist gemäß Figur 5 strukturiert . Die v-förmigen Durchkontaktierungen VDK, VDK1 sind elektrisch mit der großflächigen Metallschicht RSM (Rückseitenmetalli- sierung) verbunden, wobei die großflächige Metallschicht RSM in diesem Ausführungsbeispiel auf der Unterseite des ersten Substrats Sl angeordnet ist .
Figur 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Bauelements mit den funktionalen Zwischenschichten ZSl und ZS2. Die Durchkontaktierungen DK, DK1, die jeweils mit den Außenkontakten des Bauelements AK, AK1 elektrisch verbunden sind, sind in diesem Ausführungsbeispiel so ausgebildet, daß sie durch das zweite Substrat S2, die zweite Zwischenschicht ZS2 und die Planarisierungsschicht DS hindurch gehen und auf die jeweilige Kontaktfläche KF bzw. KF1 treffen. Die Außenkontakte des Bauelements AK, AK1 sind auf der freiliegenden Oberfläche des zweiten Substrats S2 ausgebildet. Die freiliegende Oberfläche des ersten Substrats Sl ist durch die großflächige Metallschicht RSM bedeckt, die mit den v-förmigen Durchkontaktierungen VDK, VDK1 elektrisch verbunden ist.
Figur 10 zeigt ausschnittsweise im schematischen Querschnitt ein weiteres erfindungsgemäßes Bauelement. In dieser Variante sind die Durchkontaktierungen DK, DK' sowohl im ersten Substrat Sl als auch im zweiten Substrat S2 ausgebildet.
Dabei ist es möglich, daß die Kontaktflächen KF, KF ' in nur einer der Metallschichten MSI oder MS2 ausgebildet sind. -Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Kontaktflächen KF ' in der ersten Metallschicht MSI ausgebildet sind und die Kontaktflächen KF in der zweiten Metallschicht MS2.
Die Bereitstellung der Außenkontakte auf zwei gegenüber liegenden Oberflächen des Bauelements hat den Vorteil, daß ein solches Bauelement leicht als Teilmodul eines in vertikaler Richtung modular aufgebauten Bauteils integriert werden kann.
In der in Figur 10 schematisch dargestellten Variante der Erfindung sind beide Metallschichten MSI und MS2 strukturiert und weisen jeweils Elektroden und Kontaktflächen auf. Die zweite Metallschicht MS2 ist z. B. gemäß Figur 5 strukturiert .
In einer Variante der Erfindung kann die erste funktionale Zwischenschicht' eine (elektrisch oder magnetisch) abstimmbare
Schicht umfassen, die eine Dicke hat, welche vorzugsweise den Wert von λ/2 nicht unterschreitet . Diese Schicht besteht vorzugsweise aus einem Material, das bei mechanischen Verspannungen einen Giant-Delta-E Effekt (d. h. große Änderungen des Elastizitätsmoduls E, die z. B. 5 % übersteigen) aufweist. Da die abstimmbare Schicht vorzugsweise an die piezoelektrische Schicht PS grenzt, beeinflußt die Veränderung der elastischen Eigenschaften der Schicht auch die akustischen Eigenschaften der piezoelektrischen Schicht PS bzw. die Ausbreitungsgeschwindigkeit der im Schichtsystem SS geführten Volumenwelle (und daher die Frequenzlage des Bauelements) .
Die mechanischen Verspannungen können in der abstimmbaren Schicht, die über magnetostriktive Eigenschaften verfügt, durch ein äußeres Magnetfeld hervorgerufen werden.
Eine weitere Möglichkeit, die Verspannungen in der abstimmbaren Schicht GDE zu erzeugen, besteht darin, diese Schicht mechanisch mit einer piezoelektrischen Steuerschicht zu verkoppeln bzw. fest zu verbinden, die im Gegensatz zu der piezoelektrischen Schicht PS nicht zur Führung der GBAW, sondern hauptsächlich zum Einbringen eines mechanischen
Stresses in die abstimmbare Schicht dient. Der mechanische Streß kann in der piezoelektrischen Steuerschicht durch Anlegen einer Steuerspannung verursacht werden. Die elektrisch leitfähige abstimmbare Schicht GDE kann z. B. in dem in Figur 11 schemätisch gezeigten Bauelement als eine erste Elektrode und die großflächige Metallschicht RSM als eine zweite Elektrode dienen, an welche die SteuerSpannung U zur elektrischen Ansteuerung der piezoelektrischen Steuerschicht angelegt wird.
Der' Elastizitätsmodul E der abstimmbaren Schicht GDE ist (z. B. unter Einwirkung äußeres Magnetfeldes oder einer mechanischen Verspannung) in hohem Maße veränderbar. Die Schicht GDE ist elektrisch einerseits mit einer v-förmigen Durchkontaktierung VDK und über diese Durchkontaktierung und die Kontaktfläche KF und die Durchkontaktierung DK2 mit dem Außenkontakt AK2 des Bauelement verbunden. Die großflächige Metallschicht RSM ist auf der freiliegenden Oberfläche des ersten Substrats Sl angeordnet und elektrisch mit der v- förmigen Durchkontaktierung VDKl und weiter über die daran angeschlossene Kontaktfläche KF1 bzw. Durchkontaktierung DK1 mit dem Außenkontakt AK1 verbunden. Da die abstimmbare Schicht GDE meist aus einem elektrisch leitenden Material besteht, kann auf die Ausbildung der zweiten Metallschicht MS2 verzichtet werden, wobei die abstimmbare Schicht GDE selbst als eine Elektrode der zweiten Metallschicht dient .
In dieser Variante der Erfindung besteht das Substrat Sl vorzugsweise aus einem piezoelektrischen Material und bildet die piezoelektrische Steuerschicht. Möglich ist es auch, die piezoelektrische Steuerschicht als Bestandteil der ersten Zwischenschicht ZSl auszubilden und die piezoelektrische
Steuerschicht dabei zwischen der abstimmbaren Schicht GDE und dem ersten Substrat Sl anzuordnen.
Zwischen den Außenkontakten AK1 und AK2 wird zur Abstimmung der Frequenz des Bauelements eine elektrische Steuerspannung U von außen angelegt . Die Steuerspannung U erzeugt ein elektrisches Feld zwischen den einander gegenüberliegenden Bereichen der großflächigen Metallschicht RSM und der leitfähigen abstimmbaren Schicht GDE. Das elektrische Feld ruft in dem dazwischen liegenden Volumen der piezoelektrischen Steuerschicht (die in Figur 11 mit dem ersten Substrat Sl übereinstimmt) Dehnungen und Stauchungen des Materials hervor und dient daher zur mechanischen Ansteuerung des Elastizitätsmoduls der abstimmbaren Schicht GDE.
Die Dicke der piezoelektrischen Steuerschicht ist (wegen optimaler Übertragung der mechanischen Verspannung auf die abstimmbare Schicht GDE) vorzugsweise gleich groß oder größer als die Dicke der abstimmbaren Schicht GDE.
Die jeweilige funktionale Zwischenschicht ZSl, ZS2 kann mehrere Funktionsschichten umfassen, die im Bauelement jeweils eine oder mehrere Funktionen erfüllen.
Figur 12a zeigt in schematischer Ansicht von oben einen elektroakustischen Resonator RE, der in einem erfindungsgemäßen Bauelement verwendet werden kann. Der Resonator umfaßt einen Wandler WA, endständige Reflektoren RFl'und RF2' und im akustischen Pfad zwischen dem Wandler und dem jeweiligen endständigen Reflektor angeordnete Hilfsstrukturen RFl und RF2, die als Wandler ausgebildet und elektrisch mit Trimmstrukturen TR bzw. TR2 verbunden sind. Die als Interdigitalwandler ausgebildeten Trimmstrukturen TR, TR2 wirken- jeweils als eine Trimmkapazität, wobei durch die interdigitale Fingeranordnung ein hoher Kapazitätswert erreichbar ist.
Die in dieser Figur dargestellte Anordnung ist auf der piezoelektrischen Schicht PS aufgebracht. Die geführte akustische Volumenwelle wird im Wandler WA zwischen den Elektroden El und El' angeregt. Der Wandler WA ist zwischen einem zweiten Wandler RFl und einem dritten Wandler RF2 angeordnet. Die so gebildete Bauelementstruktur ist beidseitig durch die Reflektoren RFl', RF2 ' umgeben. Der zweite Wandler RFl ist elektrisch mit der Trimmstruktur TR1 verbunden, wobei die Trimmstruktur TR von der Wandleranordnung beabstandet ist . Der dritte Wandler RF2 ist analog mit der Trimmstruktur TR2 verbunden. Die Trimmstrukturen TR, TR2 sind jeweils als Wandler ausgebildet und bilden jeweils eine große Kapazität für den damit verbundenen Wandler RFl bzw. RF2 eine Last. Die Veränderung der Trimmstrukturen, wobei ein Teil der Elektrodenfinger der Trimmstrukturen abgetrennt wird, ruft die Änderung der Kapazität der Trimmstruktur hervor. Dadurch verändern sich auch die Reflexionsbedingungen für die geführte akustische Volumenwelle im Resonator RΞ.
Figur 12b zeigt im schematischen Querschnitt ein Bauelement gemäß Erfindung mit der Trimmstruktur TR2 gemäß Figur 12a. Die Trimmstruktur TR2 ist durch das zweite Substrat S2 hindurch freigelegt. Damit ist es möglich, die erfindungsgemäßen Bauelemente auf der Waferebene zu trimmen. Dabei wird ein Teil der Elektrodenfinger der Trimmstruktur TR2 zum Beispiel mittels Laser vom Rest der Trimmstruktur abgetrennt. Nach dem Trimmen wird die Trimmstruktur TR2 vorzugsweise versiegelt. In einer vorteilhaften Variante ist das entsprechende Substrat (für den Laserstrahl) transparent gewählt, so daß die Freilegung der Trimmstruktur, TR2 im Prinzip entfallen kann.
Figur 13 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Bauelements, das mehrere elektrisch miteinander verbundene Funktionsbereiche ZI, Z2 enthält. Die voneinander abzuschirmenden Funktionsbereiche können zum Beispiel jeweils einen Sendepfad beziehungsweise Empfangspfad einer Duplexerschal- tung umfassen. Beispielsweise ist im ersten Funktionsbereich ZI ein Empfangsfilter RXF und im zweiten Funktionsbereich Z2 ein Sendefilter TXF angeordnet. Der erste Funktionsbereich ZI ist vom zweiten Funktionsbereich Z2 mittels einer v-förmigen Durchkontaktierung VDK getrennt bzw. elektroakustisch entkoppelt. Die mit der v-förmigen Durchkontaktierung VDK elektrisch verbundene großflächige Metallisierung RSM ist vorzugsweise elektrisch mit einem Bezugspotential verbunden. Durch die Metallisierung der V-förmigen Durchkontaktierung VDK sind die Funktionsbereiche ZI und Z2 des Schichtsystems SS einerseits an den entsprechenden Schnittkanten hermetisch versiegelt und andererseits voneinander abgeschirmt.
In einer Variante der Erfindung können zwei (z. B. in Wellenausbreitungsrichtung) nebeneinander angeordnete Wandler durch die GBAW gekoppelt sein, wobei z. B. einer der Wandler als Eingangswandler zur Einkopplung des Signals und deren Umwandlung in die akustische Welle und der andere Wandler als Ausgangswandler zur Umwandlung der akustischen Welle in ein elektrisches Signal dient.
Gruppen der Elektrodenstrukturen können SPUDT (Single Phase Unidirectional Transducer) Zellen bilden, wobei eine gerichtete Abstrahlung der GBAW bevorzugt in eine Richtung zustande kommt. Die piezoelektrische Schicht PS kann auch über NSPUDT-Eigenschaften (Natural Single Phase
Unidirectional Transducer) verfügen, wobei die gerichtete Abstrahlung der GBAW im Wandler aufgrund der natürlichen Kristalleigenschaften der piezoelektrischen Schicht erfolgt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee kann z. B. zur Realisierung von an sich bekannten Reaktanzfiltern, Double Mode Filtern, Filtern auf der Basis von SPUDT oder Multiport- Resonatoren, Fan-Filter, Duplexern, Diplexern verwendet werden. Die erfindungsgemäßen Bauelemente können in der Kommunikationstechnik (z. B. Mobilfunk) verwendet und insbesondere für PCS und UMTS Mobilfunkstandards ausgelegt werden.
Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es ist möglich, elektroakustisch aktive Strukturen wie z. B. Wandler und Reflektoren in beliebiger Anzahl und Formgebung herzustellen, um die Eigenschaften des Filters in einer gewünschten Weise zu verändern. Ein erfindungsgemäßes Filter ist auch nicht auf die angegebenen Materialien, auf die Anzahl der dargestellten Bohrungen oder auf bestimmte Frequenzbereiche beschränkt .

Claims

Patentansprüche
1. Elektroakustisches Bauelement mit einem ersten Substrat (Sl) und, einem darauf angeordneten Schichtsystem (SS) , das eine piezoelektrische' Schicht (PS) umfaßt, wobei auf der piezoelektrischen Schicht (PS) eine erste Metallschicht (MSI) angeordnet ist, in der Elektrodenstrukturen (Eil, E12) und Kontaktflächen (KF) ausgebildet sind, wobei nebeneinander angeordnete
Elektrodenstrukturen (Eil, Ξ12) eine Funktionseinheit bilden, wobei auf der ersten Metallschicht (MSI) eine dielektrische Planarisierungsschicht (DS) angeordnet ist, wobei über der dielektrischen Planarisierungsschicht (DS) ein zweites Substrat (S2) angeordnet ist, wobei ein Bereich der piezoelektrischen Schicht (PS) , der unterhalb der Funktionseinheit angeordnet ist, einen aktiven Bereich (AB) bildet, in dem eine geführte akustische Volumenwelle der Wellenlänge λ ausbreitungsfähig ist, wobei weder im Schichtsystem noch an der Grenzfläche zwischen dem SchichtSystem (SS) und dem jeweiligen Substrat (Sl, S2) Hohlräume vorhanden sind, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit der geführten Volumenwelle in der piezoelektrischen Schicht (PS) kleiner als im ersten und zweiten Substrat ist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Elektrodenstrukturen (Eil, E12) der ersten
Metallschicht (MSI) auf periodischem Raster angeordnet sind.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die piezoelektrische Schicht (PS) eine Dicke zwischen 0. lλ und λ hat.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zwischen dem ersten Substrat (Sl) und der piezoelektrischen Schicht (PS) eine zweite Metallschicht (MS2) angeordnet ist, in der eine, Elektrode (E21, E22) ausgebildet ist, wobei die Elektrode (E21, E22) der zweiten Metallschicht (MS2) unter dem aktiven Bereich (AB) angeordnet und in diesem Bereich durchgehend ausgebildet ist, wobei die geführte akustische Welle durch die Elektrodenstrukturen (Eil, E12) und die Elektrode (E21, E22) der zweiten Metallschicht (MS2) senkrecht zur piezoelektrischen Schicht (PS) anregbar ist.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zwischen dem ersten Substrat (PS) und der piezoelektrischen Schicht (PS) eine erste funktionale ■ Zwischenschicht (ZSl) angeordnet ist.
6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zwischen dem zweiten Substrat (S2) und der
Planarisierungsschicht (DS) eine zweite funktionale Zwischenschicht (ZS2) angeordnet ist.
7. Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die erste und/oder zweite Zwischenschicht (ZSl, ZS2) aus SiOx mit 1,9 < x < 2,1 besteht.
8. Bauelement nach Anspruch 7, bei dem die SiOx-Schicht einen Brechungsindex zwischen 1,43 und 1,49 aufweist.
9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Planarisierungsschicht (DS) aus Siliziumoxid besteht .
10.Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die piezoelektrische Schicht aus ZnO, AlN, LiNi03 oder LiTa03 besteht.
11.Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das erste und/oder das zweite Substrat (Sl, S2) aus einem Material, ausgewählt aus Glas, Halbleiter und Piezoelektrikum, besteht.
12.Bauelement nach Anspruch 11, bei dem das erste und/oder zweite Substrat aus Si besteht.
13.Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Elektrodenstrukturen (Eil, E12) der ersten Metallschicht (MSI) zumindest einen elektroakustischen Wandler oder Resonator bilden.
1 .Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die obere Grenzfläche der direkt unter der piezoelektrischen Schicht (PS) angeordneten Schicht in den Bereichen, die direkt unter dem aktiven Bereich (AB) liegen, angerauht ist oder bei dem in der zweiten Metallschicht (MS2) Metallstrukturen (US) als Maßnahme zur Erhöhung der Rauhigkeit der Grenzfläche zur piezoelektrischen Schicht (PS) ausgebildet sind.
15.Bauelement nach Anspruch 14, bei dem die obere Grenzfläche der direkt unter der piezoelektrischen Schicht (PS) angeordneten Schicht nur in den Bereichen, die direkt unter den Kontaktflächen
(KF) oder in der ersten Metallschicht (MSI) ausgebildeten Zuleitungen liegen, angerauht ist.
16.Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem zumindest eine der Schichten des SchichtSystems
(SS) von außen für einen Laserstrahl zugänglich und durch diesen veränderbar ist .
17.Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Gesamtdicke des Schichtsystems (SS) zwischen λ und 2λ liegt.
18.Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem die Dicke des zweiten Substrats (S2) und des ersten Substrats (Sl) jeweils zwischen 2λ und 5λ liegt.
19.Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem auf der Unterseite des ersten Substrats (Sl) und/oder Oberseite des zweiten Substrats (S2) Außenkontakte (AK) ausgebildet sind, bei dem die Kontaktflächen (KF) über Durchkontaktierungen (DK) durch jeweils das erste und/oder das zweite Substrat (Sl, S2) hindurch mit den Außenkontakten (AK) des Bauelements elektrisch leitend verbunden, sind.
20.Bauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem eine Anzahl > 1 Trimmstrukturen (TR) kapazitiv mit dem zumindest einen Wandler oder Resonator verkoppelt und in einem Trimmbereich innerhalb der ersten und/oder der zweiten Metallschicht (MSI, MS2) ausgebildet sind, wobei der Trimmbereich durch das erste und/oder zweite Substrat (Sl, S2) hindurch freigelegt ist oder wobei der Trimmbereich durch das erste und/oder zweite Substrat (Sl, S2) hindurch für einen Laserstrahl zugänglich ist.
21.Bauelement nach Anspruch 19 oder 20, bei dem zumindest zwei der Durchkontaktierungen (DK) im jeweiligen Substrat im Querschnitt senkrecht zur Substratebene V-förmig ausgebildet sind, die entsprechenden Kontaktflächen (KF) durchschneiden und über der zum jeweiligen Substrat hin gewandten Grenzfläche des jeweils anderen Substrats enden, wobei die V-förmigen Durchkontaktierungen grabenförmig und langgestreckt ausgebildet sind.
22.Bauelement nach Anspruch 21, bei dem entweder die Oberseite des zweiten Substrats (S2) oder die Unterseite des ersten Substrats (Sl) durch eine großflächige Metallschicht (RSM) metallisiert ist, in der die V-förmigen Durchkontaktierungen (DK) angeordnet sind, welche die großflächige Metallschicht (RSM) mit den Kontaktflächen (KF) elektrisch verbinden.
23.Bauelement nach Anspruch 22, bei dem die großflächige Metallschicht (RSM) auf der Oberseite des zweiten Substrats (S2) oder der Unterseite des ersten Substrats (Sl) ausgebildet ist, und wobei die Außenkontakte (AK) im jeweils anderen Substrat (Sl, S2) ausgebildet sind.
2 .Bauelement nach Anspruch 23, bei dem die großflächige Metallschicht (RSM) mit Masse verbunden ist.
25.Bauelement nach einem der Ansprüche 19 bis 24, bei dem zumindest eine der. im ersten Substrat (Sl) ausgebildeten Durchkontaktierungen (DK1) über die entsprechende Kontaktfläche (KF) an zumindest eine der im zweiten Substrat (S2) ausgebildeten Durchkontaktierungen (DK2) angeschlossen ist.
26.Bauelement nach einem der Ansprüche 22 bis 25, das zumindest zwei elektrisch miteinander verbundene, zumindest teilweise in der ersten Metallschicht (MSI) ausgebildete Funktionsschaltkreise umfaßt, die jeweils in einer Funktionszone (ZI, Z2) ausgebildet sind, bei dem zumindest eine der V-förmigen
Durchkontaktierungen (VDK) elektrisch mit der großflächigen Metallschicht (RSM) und mit Masse verbunden ist und zumindest zwei der Funktionszonen (ZI, Z2) in lateraler Ebene elektrisch und/oder akustisch voneinander entkoppelt .
27.Bauelement nach Anspruch 26, bei dem eine der Funktionszonen (ZI) zumindest einen Teil eines Sendefilters (TXF) und eine der von ihr getrennten Funktionszonen (Z2) zumindest einen Teil eines Empfangsfilter (RXF) umfaßt.
28.Bauelement nach einem der Ansprüche 19 bis 27, bei dem zumindest eines der Substrate (Sl, S2) eine Halbleiterschicht umfaßt, in deren Volumen integrierte Bauelement-Strukturen ausgebildet sind, welche durch die Durchkontaktierungen (DK) oder weitere vertikale elektrische Verbindungen mit den Kontaktflächen (KF) und/oder den Außenkontakten (AK) des Bauelements elektrisch verbunden sind.
29.Verfahren zur Herstellung eines Bauelements nach Anspruch
1 bis 28, bei dem als erstes Substrat (Sl) ein erster Wafer bereitgestellt wird, wobei auf dem ersten Substrat (Sl) ein Schichtsystem (SS) aufgetragen wird, wobei zum Aufbau des SchichtSystems (SS) auf dem ersten Substrat (Sl) in der entsprechenden Reihenfolge eine piezoelektrische Schicht (PS) , eine Metallschicht (MSI) und eine dielektrische Schicht aufgetragen wird, wobei die freiliegende Oberfläche der dielektrischen Schicht planarisiert wird, bei dem als zweites Substrat (Sl) ein zweiter Wafer bereitgestellt wird, bei dem der erste und der zweite Wafer durch ein Direct Wafer Bonding Verfahren miteinander verbunden werden und dabei einen Verbund ausbilden. 3O.Verfahren nach Anspruch 29, bei dem das Direct Wafer Bonding Verfahren bei einer Temperatur < 100°C durchgeführt wird.
31.Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, bei dem im ersten Substrat (Sl) Funktionsbereiche für mehrere Bauelemente ausgebildet werden, bei dem die Vereinzelung der Bauelemente durch Sägen durch den Verbund entlang von V-förmigen Durchkontaktierungen erfolgt.
32.Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 31, bei dem die Struktur zumindest einer der Schichten des Schichtsystems (SS) von außen durch einen Laserstrahl verändert wird.
33.Verfahren nach Anspruch 32, bei dem zumindest eine der Schichten des SchichtSystems (SS) durch Laser strukturiert wird, wobei mit dem Laser das Material der genannten Schicht vernetzt oder oxidiert wird.
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