WO2010070000A1 - Bauelement, welches mit akustischen wellen arbeitet, und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Bauelement, welches mit akustischen wellen arbeitet, und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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electrode
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upper electrode
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Markus Hauser
Ingo Bleyl
Gerd Riha
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Definitions

  • a common problem of devices that work with acoustic waves is that in the operation of these devices on the surface on which the shaft is formed, it comes to unwanted diffractions of the wave, as well as to fashion dispersions. Another undesirable effect is the formation of mode peaks in the excited wave. Furthermore, it would be desirable to minimize or even eliminate, if possible, the edge effects that occur.
  • the unwanted edge effects include, for example, the unwanted excitation and scattering in the region of the electrode gap, as well as the differences in the wave velocity in the electrode gap region compared to the region between the electrodes.
  • undesired transverse modes can form.
  • An object of embodiments of the invention is to provide a device which works with acoustic waves, which avoids the unwanted diffraction of the wave largely as well as the modal dispersion. Furthermore, fashion tips should be eliminated as far as possible without energy loss. Another object is to largely avoid the undesirable edge effects.
  • the object is achieved by a device which operates with acoustic waves, according to claim 1. Further embodiments of the device and manufacturing method are the subject of further claims.
  • One embodiment of the invention relates to a device which works with acoustic waves, comprising a substrate made of a piezoelectric material, a first electrode plane in which a lower electrode structures comprising an acoustically active lower electrode are arranged directly on the substrate, one above the lower one
  • Electrode level arranged upper electrode, which is electrically conductively connected to the lower electrode structures, wherein the excitation of the acoustic wave in the operation of the device takes place exclusively or predominantly by the lower electrode structures.
  • the electrode of the first electrode plane at its edges according to the desired function.
  • this is possible because the acoustically effective lower electrodes do not need a lateral connection to an electrically conductive element such as a busbar (current busbar).
  • a busbar current busbar
  • unwanted edge effects can be eliminated. It is no longer necessary to make the aperture very large by itself in order to minimize the diffraction effects at the edge of the acoustic track.
  • a very large aperture would have the disadvantage that the electrical resistance is correspondingly high and thus also the electrical losses.
  • the propagation velocity of the acoustic wave should be smaller than in the interior, can now be easily implemented by the free choice of the geometry of the acoustically effective lower electrode.
  • the propagation speed can be achieved by reducing the metallization ratio ⁇ , in the simplest case thus by narrowing the electrode fingers. In conventional devices, narrowing the electrodes to the outside would have the negative
  • the geometry of the upper electrode can be designed so that the lower acoustically active electrode is supplied with voltage that is most favorable for the electrode shape or the use of the component.
  • this further comprises a first dielectric, which is arranged on the substrate and in which the lower electrode structures are embedded.
  • the lower electrode preferably comprises a material which has a large impedance discontinuity with respect to the material of the first dielectric. This ensures sufficient reflection and possibly also for a good waveguide.
  • the thickness of the first dielectric corresponds at least to the thickness of the lower electrode structures.
  • the entire lower electrode structures are embedded in the first dielectric.
  • the first dielectric may also have a height that is significantly greater than the height of the lower electrode structures.
  • the upper electrode and the lower electrode structures are not congruent.
  • non-congruent in this context is meant that the bases of the upper electrode and the lower electrode in electrical contact do not have the same geometry over the entire surface, ie shape and size Electrode and the lower electrode structure can not be in contact with their entire surface or made to coincide.
  • the ability to freely form the acoustically effective electrode makes it possible to shape it so that there are no transverse gaps, eliminating the unwanted excitations and wavefront perturbations that occur in the presence of transverse gaps.
  • the outline of the lower acoustically active electrode may for example also be formed as a hexagon, ellipse or circle.
  • the lower electrode structures and the upper electrode comprise different materials.
  • the division of the electrode structure makes it possible for the material of the lower electrode structure as well as the
  • the upper electrode To optimize the material of the upper electrode according to their tasks.
  • a material can be used for the upper electrode, which conducts the current very well, but is not acoustically effective.
  • the material for the upper electrode it does not have to pay attention to what influence it has on the propagation of the wave, such as diffraction effects.
  • the lower electrode structure need not have very good electrical conductivity, as is the case with conventional devices.
  • the electrode material can also be better tuned to the respective surrounding material, for example with respect to the impedance.
  • this additionally comprises a bus bar, which is electrically conductively connected to the upper electrode.
  • a bus bar which is electrically conductively connected to the upper electrode.
  • the first dielectric electrically isolates a subset of the lower electrode structures from the busbar.
  • a subset of the lower electrode structure does not make electrical contact with the busbar.
  • this subset of the lower electrode structure may just be electrically insulated from the busbar via the first dielectric, for example.
  • the electrical supply takes place here via the upper electrode.
  • the lower electrode comprises a plurality of acoustically exciting electrode structures.
  • the upper electrode electrically connects the respective lower electrode structures belonging to one busbar to one another. For this purpose it rests on the lower electrode structures. Between the electrode structures of the lower electrode, the upper electrode can also rest on the substrate. Thus, then the upper electrode is acoustically stimulating. Preferably, in this embodiment, it is less stimulating than the lower electrode. Optionally caused by the upper electrode disturbances are minimized.
  • the lower electrode structures and the upper electrode are interconnected via a via through the first dielectric.
  • the first dielectric may have a significantly greater layer thickness than the first one
  • Through the first dielectric vias may be conducted to the upper electrode in this embodiment so that the lower electrode and the upper electrode are electrically conductively connected to each other via the vias.
  • the first dielectric which can be arranged between the upper and lower electrodes and is interrupted only by the plated-through holes, the excitation of an acoustic wave by the upper electrode can be largely suppressed.
  • the vias and the upper electrode comprise the same material.
  • the plated-through holes likewise comprise a material which has a very good electrical conductivity, but at the same time is not acoustically effective or has only a very low effect.
  • the component comprises more than one upper electrode.
  • the device may also include more than one busbar. It is then possible that a part of the upper
  • Electrodes are electrically connected to a busbar, whereas another part of the upper electrodes are electrically connected to another busbar.
  • each lower electrode structure comprises a multiplicity of individual electrodes which are not electrically connected to one another in the lower electrode plane.
  • a component distributed in the lower electrode structure may have a multiplicity of individual electrodes which are not in electrically conductive contact with one another.
  • These individual electrodes can also have different geometries.
  • the individual electrodes, which are arranged in the edge region of the component may have a different geometric structure than the individual electrodes, which are arranged in the interior of the electrode structure.
  • the fact that the individual electrodes of the same polarity do not have to be in electrically conductive contact with one another makes it possible for the individual electrodes in the lower electrode structure to be arranged almost arbitrarily relative to one another.
  • the individual electrodes in the plane of the lower electrode structure are designed such that they can excite an acoustic wave propagating in two different lateral directions of the plane.
  • the plane of the lower electrode structure is usually defined as the xy plane, in which case the x-direction is the direction perpendicular to the main axis (the axis along which the electrode has the greatest extent) of the lower electrodes and the y-direction is parallel to the direction Main axis of the lower electrodes.
  • a wave in the x-direction and a wave in the y-direction can be excited by the lower electrode structure.
  • the additional excitation of an acoustic wave in the y direction makes it possible, for example, to reduce the diffraction losses.
  • the lower electrode may be formed so that they are each placed exactly at the location of a defined maximum or minimum of the ID or 2D standing wave.
  • the electrical connection is in each case via an upper electrode.
  • the excitation of the two acoustic waves takes place with the same frequency.
  • the device according to the invention it is possible to directly excite a wave with the same frequency in both the x and y directions. At different frequencies can be generated by the superposition of the two mutually perpendicular modes with such a device a filter behavior.
  • the superimposition at the same frequencies leads to an excitation of a 2-D mode which corresponds to the natural mode image.
  • the excitation of a 2-D mode makes it particularly effective to avoid losses and to achieve a high quality, since by scattering and diffraction of a 1-D mode "lost" energy in the other can couple to vertical 1-D mode and this energy is thus retained for the 2-D fashion as a whole.
  • the individual electrodes are arranged so that a single electrode, to which a signal having a first polarity is applied, follows in each case a single electrode with an applied signal of a different polarity in both lateral directions.
  • a designed device is particularly well suited to stimulate a 2-D mode as described above.
  • a plurality of lower electrodes may be arranged which alternate in both the x and y directions with respect to their polarity.
  • the component additionally takes place an excitation of a wave perpendicular to the plane of the lower electrode structure.
  • a wave is excited in the z-direction.
  • a 3-D mode is generated.
  • This can be used, for example, in FBAR technology (Film Buick Acoustic Wave Resonator).
  • FBAR technology Fin Beam Buick Acoustic Wave Resonator.
  • the operation is similar to that of a surface acoustic wave filter
  • a device according to the invention would thus be a hybrid between FBAR and SAW. As a result, certain modes could be selected even more selectively.
  • a plurality of the individual electrodes are connected to a common upper electrode.
  • a device may thus comprise a plurality of individual electrodes, but at the same time do not have to have a corresponding number of electrically connected upper electrodes.
  • a component can thus be shaped such that it has a multiplicity of Single electrodes in the lower electrode structure comprises, but a significantly smaller number of upper electrodes.
  • the component additionally comprises a second dielectric, which is arranged on and between the structures of the upper electrode.
  • the upper electrodes are thus embedded in the second dielectric.
  • the acoustic impedance of the material of the second dielectric is matched to the acoustic impedance of the upper electrodes.
  • the reflection and speed change of the acoustic wave is largely suppressed by the upper electrode. If the second dielectric and the upper electrodes have a very small impedance difference, this will cause the
  • the acoustic wave scarcely sees a difference between the material of the second dielectric and that of the upper electrode due to the small impedance difference, and thus does not see the exact position of the upper electrode.
  • the exact position as well as the thickness of the upper electrode does not reflect much, which greatly facilitates the fabrication of the device.
  • the speed of the acoustic wave can be greatly lowered.
  • This can be a transversal in a simple way Waveguide can be realized without having to take special account of the connections.
  • the upper electrodes may also be made of a material which does not have to be acoustically similar to the second dielectric.
  • the plurality of lower electrodes form a "phononic bandgap."
  • phononic bandgap is meant an electrode arrangement in which there is a frequency range in which there is no propagation capability for an acoustic wave, regardless of the mode and the spatial direction. If a wave is excited with a frequency adjacent to this area, it is not possible for the wave to expand into this frequency range. The wave is thus locked up by the "phononic bandgap".
  • the plurality of lower electrodes form a "phononic bandgap" with built-in perturbation, as illustrated, for example, in Figure 7.
  • a wave can be excited, but then totally reflected by its surroundings, so it can not propagate and the entire acoustic energy remains in the range of the disturbance.
  • a device according to claim 1 can be manufactured.
  • the method comprises, as additional method step E), the application of a busbar in such a way that it is electrically conductively connected to the upper electrode. Direct electrical contact between the busbar and the lower electrode structure is not required and can be ruled out.
  • a device according to claim 6 can be manufactured.
  • the method comprises, as an additional method step, the application of a second dielectric at least in the region of the upper electrode as method step F).
  • a device according to claim 17 can be manufactured.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of a conventional electrode structure.
  • FIG. 2 shows a schematic side view of an embodiment of the component.
  • FIG. 3 shows a schematic side view of an embodiment of the component which has vias.
  • FIGS. 4a to 4c show, in a schematic plan view, possible embodiments of the lower electrodes.
  • FIG. 5 shows a schematic plan view of a
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of a
  • FIG. 7 shows an embodiment in schematic plan view, in which the lower electrode structure comprises non-exciting, reflecting electrodes, as well as electrodes with a first and a second potential.
  • FIG. 1 shows a schematic plan view of the electrode structure of a conventional converter.
  • the electrode fingers 100 and the stub fingers 101 are in this case alternately connected in the electrode structure to one of the two busbars 103 and 103 'and in the propagation direction of the acoustic wave in an alternating sequence arranged.
  • an interlocking comb-like structure is formed.
  • undesired diffraction of the excited wave occurs.
  • the aperture can be increased, but this leads to the fact that the electrical resistance increases and thus increase the losses. Omitting the stub fingers 101 would result in an increase in bulk wave conversion.
  • the electrodes 100 as well as the stub fingers 101 are each electrically conductively connected to the busbars 103, 103 'at the upper or lower side, and these in turn are connected to connection pads, which are not shown here for reasons of clarity. A narrowing of the electrodes 100 toward the outside, ie in the direction of the busbars, would result in a drop in the conductivity.
  • FIG. 2 shows a schematic side view of an embodiment of a component according to the invention.
  • the device comprises a substrate 1, which in the figure below is arranged and on which a lower electrode 3 is arranged. Also on the substrate 1 around the lower electrode 3 around the first dielectric 2 is arranged. Above the lower electrode 3, the upper electrode 4 is arranged so that at least partial overlapping and thus electrical contact of the lower electrode 3 and the upper electrode 4 occurs. Above the upper electrode 4, the second dielectric 5 is arranged. On a side surface of the upper electrode 4, between the first dielectric 2 and the second dielectric 5, the bus bar 6 is arranged, which is in electrically conductive contact with the upper electrode 4. However, the busbar 6 is not in direct electrical contact with the lower electrode 3.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the component in the schematic side view.
  • the embodiment comprises a substrate 1 on which a plurality of lower electrodes 3 are arranged. Also on the substrate 1 and between the lower electrodes 3, the first dielectric 2 is arranged, which electrically isolates the lower electrodes 3 from each other. On the first dielectric 2, the upper electrode 4 is arranged. The upper electrode 4 is in each case electrically conductively connected to a lower electrode 3 via a plated-through hole 7.
  • the component further comprises a bus bar 6, which is arranged laterally next to the upper electrode 4 and is electrically conductively connected to the upper electrode 4. However, the busbar 6 is not electrically conductively connected to any of the lower electrodes 3.
  • FIGS. 4a to 4c show different geometric embodiments of the lower electrodes 3.
  • FIG. 4a shows a possible geometric embodiment of the lower electrodes 3.
  • the lower electrodes 3 here have an elongated rectangular shape, which, however, is not interrupted by transverse gaps.
  • FIG. 4b shows a geometrical embodiment of the lower electrode 3, which in the middle part has a thicker, elongated part with mutually parallel outer edges and at the two outer ends a narrower, elongated part with mutually parallel outer edges.
  • FIG. 4c shows a further possible embodiment of the lower electrode structures.
  • the lower electrode 3 in this case has the shape of an elongated ellipse.
  • Such a shaped lower electrode also makes it possible to selectively stimulate a wave parallel to the main axis of the ellipse. This makes it possible, for example, in addition to a first wave, which is excited perpendicular to the main axis of the ellipse, in addition a second wave, which is excited parallel to the main axis of the ellipse to excite. This can be a 2-D mode are excited.
  • the lower electrode 3 may for example also have a curved shape (not shown).
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of the component in a schematic plan view. For reasons of clarity, only the busbars 6, the upper electrodes 4 and the lower electrodes 3 are shown. Furthermore, for reasons of clarity, the upper electrodes 4 are shown transparently so that the underlying lower electrodes 3 can be seen.
  • the lower electrodes 3 are formed in this embodiment as elongated ellipses as shown for example in Figure 4c.
  • the upper electrodes 4 are in this
  • Embodiment formed as elongated rectangles each one upper electrode 4 completely covers a lower electrode 3.
  • the upper electrodes 4 are each connected in alternation to the bus bar 6 shown in the illustration above or below in an electrically conductive manner. In contrast, there is no direct electrically conductive contact between the lower electrodes 3 and the busbars 6.
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of a further embodiment of the component.
  • the lower electrodes 3 are formed in this embodiment as a plurality of individual electrodes. These may be arranged as here in a regular grid having rows and vertical columns.
  • the lower electrodes 3 are electrically conductively connected to a bus bar 6 via the upper electrode 4.
  • the number of the lower electrodes 3, each connected to an upper electrode 4 varies.
  • Each of the lower electrode 3 is followed in the lateral direction at a distance by a further lower electrode 3, which is in each case electrically conductively connected to the busbar other than the electrode itself.
  • the lower electrode structure lower electrodes 3, the polarity of which alternates in both spatial directions of the electrode structure.
  • one wave can be excited in a targeted manner, for example, in both lateral directions of the plane of the electrode structure.
  • an isolated 2-D mode can be excited.
  • a so-called standing wave with respect to two spatial directions can be generated.
  • a lower electrode having this or a similar structure may also be electrically connected to an upper electrode having a structure similar to that of a conventional and e.g. as shown in Figure 1 has converter.
  • the upper electrode also be electrically connected to an upper electrode having a structure similar to that of a conventional and e.g. as shown in Figure 1 has converter.
  • the upper electrode also be electrically connected to an upper electrode having a structure similar to that of a conventional and e.g. as shown in Figure 1 has converter.
  • the upper electrode also
  • FIG. 7 shows a schematic plan view of a lower one
  • Electrode structure comprises non-exciting, reflective electrodes 10, as well as electrodes with a first potential 11 and electrodes with a second potential 12.
  • the electrodes with a first potential 11 and the electrodes with a second potential 12 are non-exciting, reflective electrodes 10, as well as electrodes with a first potential 11 and electrodes with a second potential 12.
  • Electrodes with a second potential 12 each arranged alternately in both spatial directions.
  • the exciting electrodes 11, 12 are surrounded by the non-exciting reflective electrodes 10 in a frame shape.
  • the distance between the individual electrodes does not need to be identical in this case, but can be varied in order, for example, to form energy concentrations.
  • the already mentioned "phononic bandgap" is formed.
  • FIGS. 8a to 8e each show a schematic side view of a component in various process stages.
  • FIG. 8 a shows a substrate 1 on which a first dielectric 2 has been applied in the edge regions.
  • a first dielectric 2 For example, SiO 2 can be used for the first dielectric 2.
  • the application of the first dielectric 2 can be effected, for example, by means of sputtering.
  • the first dielectric 2 can either be applied only in the edge regions or can also be applied over the entire surface and then removed again in a further process step in the central subregion.
  • Figure 8b shows a process step as it might emerge from the process step shown in Figure 8a.
  • the lower electrode 3 was applied to the portion of the surface of the substrate 1 which is not covered by the first dielectric 2.
  • the application of the lower electrode 3 can be done for example by evaporation, sputtering or CVD.
  • the material used for the lower electrode 3 may include, for example, Au, Ag, Cu or other heavy metal.
  • FIG. 8c shows a further process stage in a schematic side view. This could for example emerge from the process stage, which is shown in Figure 8b.
  • the upper electrode 4 has been applied in a further method step.
  • the application of the upper Electrode can be done for example by evaporation.
  • the upper electrode 4 for example, a material comprising Al may be used.
  • the upper electrode 4 was applied so as to completely overlay the lower electrode 3 in the xy plane.
  • the problem in this process step is to place the upper electrode over the lower electrode so that the acoustic reflection of the lower electrode is not disturbed.
  • the upper electrode is made, for example, of Al and if it is also embedded in a dielectric such as, for example, SiO 2, the impedance jump between the materials of the dielectric and the upper electrode is very small. As a result, the acoustic wave sees no difference between these two materials, and therefore the exact positioning as well as the thickness of the upper electrode does not play a major role.
  • the material of the lower electrode however, has a large impedance jump to the surrounding material, which ensures sufficient reflection and possibly also good waveguide.
  • FIG. 8d shows a schematic side view of a method stage of an exemplary embodiment, which additionally comprises a bus bar 6, compared with the method stage shown in FIG. 8c.
  • a material comprising Al may be used for the busbar 6.
  • the busbar 6 is applied to the component in such a way that it is in direct electrical contact with the upper electrode 4. However, the bus bar 6 has no direct electrically conductive contact with the lower electrode 3.
  • FIG. 8e shows a schematic side view of an embodiment of a component which corresponds to the component shown in FIG. This could, for example, emerge from the embodiment shown in FIG. 8d in that, in a further method step, the second dielectric 5 has been applied to the upper side of the component.
  • the application of the second dielectric 5 can be effected, for example, by means of PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition).
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • SiO 2 can be used for the second dielectric 5.

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Abstract

Bauelement, welches mit akustischen Wellen arbeitet, umfassend ein Substrat 1 aus einem piezoelektrischen Material, eine erste Elektrodenebene, in der eine akustisch wirksame untere Elektrode umfassende untere Elektrodenstrukturen 3 direkt auf dem Substrat angeordnet sind, eine oberhalb der unteren Elektrodenebene angeordnete obere Elektrode 4, die elektrisch leitend mit den unteren Elektrodenstrukturen verbunden ist, wobei die Anregung der akustischen Wellen im Betrieb des Bauelements ausschließlich oder überwiegend durch die unteren Elektrodenstrukturen erfolgt.

Description

Beschreibung
Bauelement, welches mit akustischen Wellen arbeitet, und Verfahren zu dessen Herstellung
Es wird ein Bauelement, welches mit akustischen Wellen arbeitet, nach dem Anspruch 1 angegeben.
Ein verbreitetes Problem von Bauelementen, welche mit akustischen Wellen arbeiten, ist es, dass es im Betrieb dieser Bauelemente auf der Oberfläche, auf der die Welle ausgebildet wird, zu unerwünschten Beugungen der Welle kommt, sowie zu Modendispersionen. Ein weiterer unerwünschter Effekt ist die Ausbildung von Modenspitzen in der angeregten Welle. Des Weiteren wäre es wünschenswert, die auftretenden Randeffekte zu minimieren oder, wenn möglich sogar zu eliminieren. Zu den unerwünschten Randeffekten zählen beispielsweise die unerwünschte Anregung und Streunung im Bereich des Elektrodengaps, sowie die Unterschiede der Wellengeschwindig- keit im Elektrodengapbereich verglichen zum Bereich zwischen den Elektroden. Zudem kann es im Bereich der Elektrodengaps beispielsweise zur Ausbildung von unerwünschten transversalen Moden kommen.
Eine Aufgabe von Ausführungsformen der Erfindungen besteht darin, ein Bauelement, welches mit akustischen Wellen arbeitet, bereitzustellen, welches die ungewollte Beugung der Welle weitgehend vermeidet ebenso wie die Modendispersion. Des Weiteren sollen Modenspitzen möglichst ohne Energie- verlust eliminiert werden. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die unerwünschten Randeffekte weitgehend zu vermeiden. Die Aufgabe wird durch ein Bauelement, welches mit akustischen Wellen arbeitet, nach dem Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen des Bauelements sowie Herstellungsverfahren sind Gegenstand weiterer Patentansprüche. Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Bauelement, welches mit akustischen Wellen arbeitet, umfassend ein Substrat aus einem piezoelektrischen Material, eine erste Elektrodenebene, in der eine akustisch wirksame untere Elektrode umfassende untere Elektrodenstrukturen direkt auf dem Substrat angeordnet sind, eine oberhalb der unteren
Elektrodenebene angeordnete obere Elektrode, die elektrisch leitend mit den unteren Elektrodenstrukturen verbunden ist, wobei die Anregung der akustischen Welle im Betrieb des Bauelements ausschließlich oder überwiegend durch die unteren Elektrodenstrukturen erfolgt.
Durch die Aufteilung der Elektrode in eine untere Elektrode, welche akustisch wirksam ist, und eine obere Elektrode, welche lediglich die Aufgabe einer elektrischen Leitung übernimmt, ist es nun möglich, die untere Elektrode in einer Art und Weise auszuformen, wie es ohne diese Zweiteilung nicht möglich wäre. Dies ermöglicht es, die akustisch wirksame untere Elektrode in einer Geometrie auszuformen, bei der die Beugung und Modendispressionen deutlich gegenüber den herkömmlichen Elektrodengeometrien reduziert werden.
Insbesondere ist es auch möglich die Elektrode der ersten Elektrodenebene an ihren Rändern entsprechend der gewünschten Funktion auszuformen. Dies ist unter anderem dadurch möglich, dass die akustisch wirksamen unteren Elektroden keinen seitlichen Anschluss an ein elektrisch leitendes Element wie z.B. einen Busbar (Stromsammeischiene) benötigen. Hierdurch können unerwünschte Randeffekte eliminiert werden. Es ist nun nicht mehr notwendig, die Apertur alleine deswegen sehr groß auszubilden, um die Beugungseffekte am Rand der akustischen Spur zu minimieren. Eine sehr große Apertur hätte den Nachteil, dass der elektrische Widerstand entsprechend hoch ist und damit auch die elektrischen Verluste.
Der angestrebte Effekt, dass in den Außenregionen die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Welle kleiner sein soll als im Innenbereich, kann nun durch die freie Wahl der Geometrie der akustisch wirksamen unteren Elektrode einfach umgesetzt werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit kann durch Reduzieren des Metallisierungsverhältnisses η, im einfachsten Fall also durch Verschmälern der Elektrodenfinger erreicht werden. In herkömmlichen Bauelementen hätte das Verschmälern der Elektroden nach außen hin den negativen
Effekt, dass die Leitfähigkeit in den Außenbereichen abnimmt. Dadurch, dass die elektrische Versorgung der unteren Elektrode nun nicht mehr von der Geometrie der unteren Elektrode selbst abhängt und von einer beliebigen Stelle der unteren Elektrode erfolgen kann, kann das Problem der nach außen hin abnehmenden Leitfähigkeit durch eine entsprechende Geometrie der oberen Elektrode gelöst werden.
Bei der Formgebung der oberen Elektrode muss hierbei keine oder so gut wie keine Rücksicht auf deren Wechselwirkungen mit anzuregenden Wellen genommen werden, da die obere Elektrode keinen oder so gut wie keinen Beitrag zur Anregung der Welle leistet. Somit kann die Geometrie der oberen Elektrode so ausgelegt sein, dass die untere akustisch wirksame Elektrode so mit Spannung versorgt wird, wie es für die Elektrodenform beziehungsweise den Einsatz des Bauelements am Günstigsten ist. In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements umfasst dieses des Weiteren ein erstes Dielektrikum, das auf dem Substrat angeordnet ist und in das die unteren Elektrodenstrukturen eingebettet sind.
Die untere Elektrode umfasst vorzugsweise ein Material, welches gegenüber dem Material des ersten Dielektrikums einen großen Impedanzsprung aufweist. Dieser sorgt für eine ausreichende Reflektion und gegebenenfalls auch für eine gute Wellenführung.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements entspricht die Dicke des ersten Dielektrikums mindestens der Dicke der unteren Elektrodenstrukturen.
Dadurch sind die gesamten unteren Elektrodenstrukturen in das erste Dielektrikum eingebettet. Das erste Dielektrikum kann aber auch eine Höhe aufweisen, welche deutlich größer ist, als die Höhe der unteren Elektrodenstrukturen.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements sind die obere Elektrode und die unteren Elektrodenstrukturen nicht deckungsgleich.
Unter „nicht deckungsgleich" ist in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass die Grundflächen der oberen Elektrode und der damit in elektrischem Kontakt stehenden unteren Elektrode nicht über die gesamte Fläche die gleiche Geometrie, also Form und Größe, aufweisen. Dies bedeutet wiederum, dass die obere Elektrode und die untere Elektrodenstruktur nicht mit ihrer gesamten Fläche in Kontakt stehen oder zur Deckung gebracht werden können. Die freie Ausformungsmöglichkeit der akustisch wirksamen Elektrode ermöglicht es beispielsweise, diese so auszuformen, dass keine transversalen Gaps vorhanden sind, wodurch die unerwünschten Anregungen und die Störungen der Wellenfront wegfallen, welche bei Vorhandensein der transversalen Gaps auftreten. Der Umriss der unteren akustisch wirksamen Elektrode kann beispielsweise auch als Sechseck, Ellipse oder Kreis ausgeformt sein.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements umfassen die unteren Elektrodenstrukturen und die obere Elektrode unterschiedliche Materialien.
Die Zweiteilung der Elektrodenstruktur macht es möglich, das Material der unteren Elektrodenstruktur ebenso wie das
Material der oberen Elektrode jeweils entsprechend ihren Aufgaben zu optimieren. Somit kann für die obere Elektrode ein Material verwendet werden, welches den Strom sehr gut leitet, aber akustisch nicht wirksam ist. Somit muss bei der Wahl für das Material für die obere Elektrode nicht darauf geachtet werden, welchen Einfluss dieses auf die Ausbreitung der Welle hat, wie beispielsweise Beugungseffekte. Auf der anderen Seite, muss die untere Elektrodenstruktur nicht über sehr gute elektrische Leitfähigkeit verfügen, wie das bei herkömmlichen Bauelementen der Fall ist. Hierdurch kann das Elektrodenmaterial auch besser auf das jeweils umgebende Material beispielsweise in Bezug auf die Impedanz abgestimmt werden .
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements umfasst dieses zusätzlich einen Busbar, welches elektrisch leitend mit der oberen Elektrode verbunden ist. Dies ermöglicht Ausführungsformen, bei denen sich die untere Elektrode direkt auf dem piezoelektrischen Substrat befindet und somit für eine sehr gute Kopplung sorgt. Die akustisch wirksame untere Elektrode ist hierbei aber nicht direkt mit dem Busbar verbunden. Dies ermöglicht es, dass die unteren Elektrodenstrukturen praktisch beliebig geformt sein können. Sie können beispielsweise auch in eine Vielzahl von einzelnen Elektroden aufgegliedert sein. Die obere Elektrode verbindet die unteren Elektrodenstrukturen elektrisch leitend mit dem Busbar.
In einer weiteren Ausführungsform isoliert das erste Dielektrikum eine Teilmenge der unteren Elektrodenstrukturen elektrisch gegen den Busbar.
Bei Ausführungsformen des Bauelements weist eine Teilmenge der unteren Elektrodenstruktur keinen elektrischen Kontakt mit dem Busbar auf. Somit kann diese Teilmenge der unteren Elektrodenstruktur eben beispielsweise über das erste Dielektrikum gegen den Busbar elektrisch isoliert sein. Die elektrische Versorgung erfolgt hierbei über die obere Elektrode .
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die untere Elektrode eine Mehrzahl akustisch anregender Elektrodenstrukturen. Die obere Elektrode verbindet die jeweils zu einem Busbar gehörigen unteren Elektrodenstrukturen elektrisch miteinander. Dazu liegt sie auf den unteren Elektrodenstrukturen auf. Zwischen den Elektrodenstrukturen der unteren Elektrode kann die obere Elektrode auch auf dem Substrat aufliegen. Somit ist dann auch die obere Elektrode akustisch anregend. Vorzugsweise ist sie in dieser Ausführung schwächer anregend ausgebildet als die untere Elektrode. Gegebenenfalls durch die obere Elektrode ausgelöste Störungen sind so minimiert.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements sind die unteren Elektrodenstrukturen und die obere Elektrode über eine Durchkontaktierung durch das erste Dielektrikum miteinander verbunden.
In dieser Ausführungsform kann das erste Dielektrikum eine deutlich größere Schichtdicke aufweisen als die erste
Elektrodenebene und dabei die unteren Elektrodenstrukturen überdecken. Durch das erste Dielektrikum können bei dieser Ausführungsform Durchkontaktierungen zur oberen Elektrode geführt werden, so dass die untere Elektrode und die obere Elektrode über die Durchkontaktierungen elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Durch das erste Dielektrikum, welches zwischen der oberen und unteren Elektrode angeordnet sein kann und lediglich durch die Durchkontaktierungen unterbrochen wird, kann die Anregung einer akustischen Welle durch die obere Elektrode weitgehend unterdrückt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements umfassen die Durchkontaktierungen und die obere Elektrode das gleiche Material .
Dies ermöglicht es beispielsweise die Durchkontaktierungen und die obere Elektrode in einem Verfahrensschritt zu fertigen. Die Durchkontaktierungen umfassen hierbei ebenfalls ein Material, welches eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit aufweist, aber gleichzeitig akustisch nicht oder nur sehr gering wirksam ist. In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements umfasst das Bauelement mehr als eine obere Elektrode.
Das Bauelement kann auch mehr als einen Busbar umfassen. Hierbei ist es dann möglich, dass ein Teil der oberen
Elektroden elektrisch leitend mit einem Busbar verbunden sind, wohingegen ein anderer Teil der oberen Elektroden elektrisch leitend mit einem anderen Busbar verbunden sind.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements umfasst jede untere Elektrodenstruktur eine Vielzahl von Einzelelektroden, die in der unteren Elektrodenebene elektrisch nicht miteinander verbunden sind.
Es ist somit möglich, dass ein Bauelement in der unteren Elektrodenstruktur verteilt eine Vielzahl von Einzelelektroden aufweist, die nicht in elektrisch leitenden Kontakt zueinander stehen. Diese Einzelelektroden können auch unterschiedliche Geometrien aufweisen. So können beispielsweise die Einzelelektroden, die im Randbereich des Bauelements angeordnet sind, eine andere geometrische Struktur aufweisen als die Einzelelektroden, welche in Inneren der Elektrodenstruktur angeordnet sind. Der Umstand, dass die Einzelelektroden gleicher Polarität nicht im elektrisch leitenden Kontakt zueinander stehen müssen, ermöglicht es, dass die Einzelelektroden in der unteren Elektrodenstruktur nahezu beliebig zueinander angeordnet sein können.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements sind die Einzelelektroden in der Ebene der unteren Elektrodenstruktur so ausgestaltet, dass sie eine sich in zwei unterschiedliche laterale Richtungen der Ebene ausbreitende akustische Welle anregen können. Die Ebene der unteren Elektrodenstruktur ist üblicherweise als x-y-Ebene definiert so ist hierbei die x-Richtung die Richtung senkrecht zur Hauptachse (die Achse, entlang der die Elektrode die größte Ausdehnung aufweist) der unteren Elektroden und die y-Richtung die Richtung parallel zu der Hauptachse der unteren Elektroden. Somit kann durch die untere Elektrodenstruktur beispielsweise eine Welle in x- Richtung und eine Welle in y-Richtung angeregt werden. Die zusätzliche Anregung einer akustischen Welle in y-Richtung ermöglicht es beispielsweise, die Beugungsverluste zu reduzieren .
Mit den herkömmlichen Wandlern war es bisher nicht möglich, neben einer Welle in x-Richtung auch gezielt eine akustische Welle in y-Richtung anzuregen, wobei die Parameter beider Welle wählbar waren. Die Freiheiten in der Ausformung der unteren Elektrode bei den erfindungsgemäßen Bauelementen ermöglicht es jetzt beispielsweise, in y-Richtung eine Welle anzuregen, die die gleiche Frequenz und Intensität besitzt, wie die Welle, welche in x-Richtung angeregt wird.
Somit ist es jetzt möglich eine 2-D-Welle anzuregen. Ein idealer Resonator wäre ein solcher, der nur auf einer einzigen Mode schwingt. Wenn es gelingt, nur diese eine einzige Mode (Stehwelle) anzuregen und gut zu isolieren, so ist eine sehr hohe Güte realisierbar. Durch eine Überlagerung einer Welle in x-Richtung und einer Welle in y-Richtung mit der gleichen Frequenz ergibt sich eine Energieverteilung mit in beiden Richtungen alternierenden Phasen. Diese ganz bestimmte 2-D-Mode kann dann besonders gut angeregt werden, wenn es gelingt, die Maxima und Minima anzusteuern. Dies war mit herkömmlichen Wandlern bis jetzt nicht möglich. Durch die Aufteilung der Elektroden in eine obere und eine untere, akustisch wirksame Elektrode kann die untere Elektrode so ausgeformt sein, dass sie jeweils genau am Ort eines definierten Maximums oder Minimums der ID- oder 2D-Stehwelle platziert sind. Die elektrische Verbindung erfolgt jeweils über eine obere Elektrode.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements erfolgt die Anregung der beiden akustischen Wellen mit gleicher Frequenz.
In dem erfindungsgemäßen Bauelement ist es möglich, sowohl in x- wie auch in y-Richtung eine Welle mit der gleichen Frequenz direkt anzuregen. Bei unterschiedlichen Frequenzen kann mit einem solchen Bauelement ein Filterverhalten durch die Überlagerung der zwei aufeinander senkrecht stehenden Moden erzeugt werden.
Die Überlagerung bei gleichen Frequenzen führt zu einer Anregung einer 2-D-Mode welche dem natürlichen Modenbild entspricht. Die Anregung einer 2-D-Mode ermöglicht es besonders effektiv, Verluste zu vermeiden und eine hohe Güte zu erzielen, da durch Streuung und Beugung einer 1-D Mode „verloren" gegangene Energie in die andere dazu vertikale 1-D Mode einkoppeln kann und diese Energie so für die 2-D Mode insgesamt erhalten bleibt.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements sind die Einzelelektroden so angeordnet, dass auf eine Einzelelektrode, an die ein Signal mit einer ersten Polarität angelegt ist, in beiden lateralen Richtungen jeweils eine Einzel- elektrode mit einem angelegten Signal anderer Polarität folgt. Ein so ausgestaltetes Bauelement eignet sich besonders gut, eine wie oben beschriebene 2-D-Mode anzuregen. In der unteren Elektrodenstruktur können somit eine Vielzahl von unteren Elektroden angeordnet werden, die sowohl in x- wie auch in y- Richtung in Bezug auf ihre Polarität alternieren.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements erfolgt zusätzlich eine Anregung einer Welle senkrecht zur Ebene der unteren Elektrodenstruktur.
Bei dieser Ausführungsform wird also zusätzlich noch eine Welle in z-Richtung angeregt. Es wird somit eine 3-D-Mode generiert. Dies kann beispielsweise bei der FBAR-Technologie (Film BuIk Acoustic Wave Resonator) Anwendung finden. Die Funktionsweise ist mit der eines Oberflächenwellenfilters
(SAW-Filter) vergleichbar, jedoch mit dem Unterschied, dass bei der FBAR-Technik die Ausbreitung der akustischen Welle zusätzlich im Substrat erfolgt. Ein erfindungsgemäßes Bauelement wäre somit ein Hybrid zwischen FBAR und SAW. Dadurch könnten bestimmte Moden noch selektiver ausgewählt werden .
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements sind mehrere der Einzelelektroden mit einer gemeinsamen oberen Elektrode verbunden.
Das bedeutet, dass nicht auf jede Einzelelektrode eine obere Elektrode kommen muss. Ein Bauelement kann somit eine Vielzahl von Einzelelektroden umfassen, muss aber gleichzeitig keine entsprechende Anzahl damit elektrisch verbundener oberer Elektroden aufweisen. Ein Bauelement kann somit so ausgeformt sein, dass es eine Vielzahl von Einzelelektroden in der unteren Elektrodenstruktur umfasst, jedoch eine deutlich geringere Anzahl an oberen Elektroden.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements umfasst das Bauelement zusätzlich ein zweites Dielektrikum, welches auf und zwischen den Strukturen der oberen Elektrode angeordnet ist .
Die oberen Elektroden sind somit in das zweite Dielektrikum eingebettet. In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements ist die akustische Impedanz des Materials des zweiten Dielektrikums an die akustische Impedanz der oberen Elektroden angepasst.
Durch die Einbettung der oberen Elektroden in ein zweites
Dielektrikum mit ähnlichen akustischen Eigenschaften wird die Reflexion und Geschwindigkeitsänderung der akustischen Welle durch die obere Elektrode weitgehend unterdrückt. Weisen das zweite Dielektrikum und die oberen Elektroden einen sehr geringen Impedanzunterschied auf, so wird dadurch die
Notwendigkeit umgangen, bei der Herstellung des Bauelements die obere Elektrode genau über der unteren Elektrode zu platzieren. Die akustische Welle sieht nämlich aufgrund des geringen Impedanzunterschiedes kaum einen Unterschied zwischen dem Material des zweiten Dielektrikums und dem der oberen Elektrode und somit auch nicht die genaue Position der oberen Elektrode. Somit spiegelt die genaue Position wie auch die Dicke der oberen Elektrode keine große Rolle, was die Fertigung des Bauelements deutlich erleichtert.
Zudem kann mit der Wahl des Materials der unteren Elektrode die Geschwindigkeit der akustischen Welle stark abgesenkt werden. Dadurch kann auf einfache Art ein transversaler Wellenleiter realisiert werden, ohne die Anschlüsse besonders berücksichtigen zu müssen.
Für den Fall, dass der Anschluss der unteren Elektrode an die obere Elektrode über Durchkontaktierungen erfolgt, können die oberen Elektroden aber auch aus einem Material gefertigt sein, welches dem zweiten Dielektrikum akustisch nicht ähnlich sein muss.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements bilden die Vielzahl der unteren Elektroden ein „phononic bandgap" . Unter „phononic bandgap" ist eine Elektrodenanordnung zu verstehen, bei der es einen Frequenzbereich gibt, in dem es keine Ausbreitungsmöglichkeit für eine akustische Welle gibt, unabhängig vom Wellentyp und der Raumrichtung. Wird eine Welle mit einer an diesen Bereich angrenzenden Frequenz angeregt, so ist es der Welle nicht möglich, sich in diesen Frequenzbereich hinein auszuweiten. Die Welle ist somit durch den „phononic bandgap" eingesperrt.
In einer weiteren Ausführungsform des Bauelements bildet die Vielzahl der unteren Elektroden ein „phononic bandgap" mit eingebauter Störung, wie beispielsweise in Figur 7 dargestellt. Hier kann eine Welle angeregt werden, diese wird aber dann von ihrer Umgebung totalreflektiert. Sie kann sich also nicht ausbreiten und die gesamte akustische Energie bleibt im Bereich der Störung.
Neben dem Bauelement selbst wird auch ein Verfahren zu dessen Herstellung beansprucht. In einer Verfahrensvariante zur Herstellung eines elektroakustischen Bauelements umfasst dieses die Verfahrensschritte :
Bereitstellen eines Substrates aus einem piezoelektrischen Material als Verfahrensschritt A) ,
Aufbringen eines ersten Dielektrikums auf Teilbereichen eines Substrates als Verfahrensschritt B) ,
Aufbringen einer unteren Elektrodenstruktur auf Teilbereichen des Substrates, so dass die untere Elektrodenstruktur direkten Kontakt zu dem Substrat hat, als Verfahrensschritt C),
Aufbringen einer oberen Elektrode oberhalb der unteren Elektrodenstruktur, so dass dieses elektrisch leitend mit der unteren Elektrodenstruktur verbunden ist, als Verfahrensschritt D) .
Mit einem solchen Verfahren kann beispielsweise ein Bauelement nach Anspruch 1 gefertigt werden.
In einer weiteren Verfahrensvariante umfasst das Verfahren als zusätzlichen Verfahrensschritt E) das Aufbringen eines Busbars so, dass dieses elektrisch leitend mit der oberen Elektrode verbunden ist. Ein direkter elektrischer Kontakt zwischen dem Busbar und der unteren Elektrodenstruktur ist nicht erforderlich und kann ausgeschlossen werden.
Mit Hilfe eines solchen Verfahrens kann beispielsweise ein Bauelement nach Anspruch 6 gefertigt werden.
In einer weiteren Verfahrensvariante umfasst das Verfahren als zusätzlichen Verfahrensschritt das Aufbringen eines zweiten Dielektrikums zumindest im Bereich der oberen Elektrode als Verfahrensschritt F) . Mit Hilfe eines solchen Verfahrens kann beispielsweise ein Bauelement nach Anspruch 17 gefertigt werden.
Die Vorteile der einzelnen Verfahrensvarianten ergeben sich entsprechend analog zu den Vorteilen, welche bei den entsprechenden Ausführungsformen des Bauelements beschrieben wurden .
Im Folgenden sollen Varianten der Erfindung anhand von Figuren und Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Figur 1 zeigt eine schematische Aufsicht auf eine herkömmliche Elektrodenstruktur.
Figur 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform des Bauelements.
Figur 3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform des Bauelements, welche Durchkontaktierungen aufweist.
Die Figuren 4a bis 4c zeigen in einer schematischen Aufsicht jeweils mögliche Ausführungsformen der unteren Elektroden.
Figur 5 zeigt in einer schematischen Aufsicht eine
Ausführungsform mit den unteren Elektroden gemäß Figur 4c.
Figur 6 zeigt in einer schematischen Aufsicht eine
Ausführungsform, bei der jeweils eine untere Elektrode einer ersten Polarität von Elektroden einer zweiten Polarität umgeben ist. Figur 7 zeigt eine Ausführungsform in der schematischen Aufsicht, bei der die untere Elektrodenstruktur nichtanregende, reflektierende Elektroden umfasst, sowie Elektroden mit einem ersten und einem zweiten Potential.
Die Figur 1 zeigt in der schematischen Aufsicht die Elektrodenstruktur eines herkömmlichen Wandlers. Dieser umfasst eine Elektrodenfinger umfassende Elektrode 100, Stummelfinger 101 sowie dazwischen liegende transversale Gaps 102. Die Elektrodenfinger 100 und die Stummelfinger 101 sind hierbei in der Elektrodenstruktur jeweils alternierend mit einem der beiden Busbars 103 und 103' verbunden und in Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle in abwechselnder Abfolge angeordnet. Hierdurch wird eine ineinander greifende kammähnliche Struktur ausgebildet. Bei einer derart ausgeformten Elektrodenstruktur treten unerwünschte Beugungen der angeregten Welle auf. Zur Reduktion der Beugung kann beispielsweise die Apertur vergrößert werden, was allerdings dazu führt, dass der elektrische Widerstand zunimmt und damit die Verluste ansteigen. Ein Weglassen der Stummelfinger 101 hätte eine Zunahme der Volumenwellenkonversion zur Folge.
Die Elektroden 100 wie auch die Stummelfinger 101 sind jeweils an der Ober- beziehungsweise Unterseite elektrisch leitend mit den Busbars 103, 103' verbunden, und diese wiederum mit Anschlusspads, welche aus Gründen der Übersicht hier nicht dargestellt sind. Eine Verschmälerung der Elektroden 100 nach außen hin, also in Richtung der Busbars hätte ein Abfallen der Leitfähigkeit zur Folge.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelements. Das Bauelement umfasst ein Substrat 1, welches in der Figur unten angeordnet ist und auf dem eine untere Elektrode 3 angeordnet ist. Ebenfalls auf dem Substrat 1 um die untere Elektrode 3 herum ist das erste Dielektrikum 2 angeordnet. Über der unteren Elektrode 3 ist die obere Elektrode 4 so angeordnet, dass es zumindest zur partiellen Überlappung und somit zu einem elektrischen Kontakt der unteren Elektrode 3 und der oberen Elektrode 4 kommt. Über der oberen Elektrode 4 ist das zweite Dielektrikum 5 angeordnet. An einer Seitenfläche der oberen Elektrode 4, zwischen dem ersten Dielektrikum 2 und dem zweiten Dielektrikum 5, ist der Busbar 6 angeordnet, welches im elektrisch leitenden Kontakt mit der oberen Elektrode 4 steht. Der Busbar 6 steht aber in keinem direkten elektrisch leitenden Kontakt mit der unteren Elektrode 3.
Die Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bauelements in der schematischen Seitenansicht. Die Ausführungsform umfasst ein Substrat 1 auf dem mehrere untere Elektroden 3 angeordnet sind. Ebenfalls auf dem Substrat 1 und zwischen den unteren Elektroden 3 ist das erste Dielektrikum 2 ange- ordnet, welches die unteren Elektroden 3 voneinander elektrisch leitend isoliert. Auf dem ersten Dielektrikum 2 ist die obere Elektrode 4 angeordnet. Die obere Elektrode 4 ist jeweils über eine Durchkontaktierung 7 elektrisch leitend mit einer unteren Elektrode 3 verbunden. Das Bauelement um- fasst des Weiteren einen seitlich neben der oberen Elektrode 4 angeordneten Busbar 6, welcher elektrisch leitend mit der oberen Elektrode 4 verbunden ist. Der Busbar 6 ist aber mit keinem der unteren Elektroden 3 direkt elektrisch leitend verbunden .
Die Figuren 4a bis 4c zeigen unterschiedliche geometrische Ausführungsformen der unteren Elektroden 3. Die Figur 4a zeigt eine mögliche geometrische Ausführungsform der unteren Elektroden 3. Die unteren Elektroden 3 weisen hierbei eine lang gestreckte rechteckige Form auf, welche jedoch nicht durch transversale Gaps unterbrochen ist.
Die Figur 4b zeigt eine geometrische Ausführungsform der unteren Elektrode 3, welche im mittleren Teil einen dicker ausgeformten, lang gestreckten Teil mit parallel zueinander verlaufenden Außenkanten aufweist und jeweils an den beiden äußeren Enden einen schmäler ausgeformten, lang gestreckten Teil mit parallel zueinander verlaufenden Außenkanten. Eine derart ausgeformte Elektrodenstruktur ist in einem erfindungsgemäßen Bauelement möglich, da hier die elektrisch leitende Anbindung nicht über die Außenseiten erfolgen muss, was bei dem Einsatz der hier dargestellten Elektroden in einem herkömmlichen Bauelement zu einer Verringerung der Leitfähigkeit in den Außenbereichen der Elektrode führen würde .
In Figur 4c ist eine weitere mögliche Ausgestaltungsform der unteren Elektrodenstrukturen dargestellt. Die untere Elektrode 3 hat hierbei die Form einer lang gestreckten Ellipse. Eine derart ausgeformte untere Elektrode ermöglicht es auch, gezielt eine Welle parallel zur Hauptachse der Ellipse anzuregen. Hierdurch ist es beispielsweise möglich neben einer ersten Welle, welche senkrecht zur Hauptachse der Ellipse angeregt wird, zusätzlich eine zweite Welle, welche parallel zur Hauptachse der Ellipse angeregt wird, anzuregen. Hierdurch kann eine 2-D-Mode angeregt werden.
Die untere Elektrode 3 kann beispielsweise auch eine gebogene Form aufweisen (nicht dargestellt) . In Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel des Bauelements in einer schematischen Aufsicht dargestellt. Aus Gründen der Übersicht sind lediglich die Busbars 6, die oberen Elektroden 4 sowie die unteren Elektroden 3 dargestellt. Des Weiteren sind aus Gründen der Übersicht die oberen Elektroden 4 transparent dargestellt, damit man die darunter liegenden unteren Elektroden 3 erkennen kann. Die unteren Elektroden 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel als lang gestreckte Ellipsen ausgeformt wie sie beispielsweise in Figur 4c dargestellt sind. Die oberen Elektroden 4 sind in diesem
Ausführungsbeispiel als lang gestreckte Rechtecke ausgeformt, wobei jeweils eine obere Elektrode 4 eine untere Elektrode 3 vollständig überdeckt. Die oberen Elektroden 4 sind jeweils alternierend mit dem in der Abbildung oben bzw. unten dargestellten Busbar 6 elektrisch leitend verbunden. Zwischen den unteren Elektroden 3 und den Busbars 6 hingegen besteht kein direkter elektrisch leitender Kontakt.
Die Figur 6 zeigt eine schematische Aufsicht einer weiteren Ausführungsform des Bauelements. Aus Gründen der Übersicht sind nur die Busbars 6, die oberen Elektroden 4 sowie die unteren Elektroden 3 dargestellt. Die unteren Elektroden 3 sind in dieser Ausführungsform als eine Vielzahl von Einzelelektroden ausgeformt. Diese können wie hier in einem regelmäßigen Raster angeordnet sein, das Reihen und vertikal dazu stehende Spalten aufweist. Die unteren Elektroden 3 sind über die obere Elektrode 4 elektrisch leitend mit einem Busbar 6 verbunden. Hierbei variiert die Anzahl der unteren Elektroden 3, die jeweils mit einer oberen Elektrode 4 verbunden sind. Auf jede der unteren Elektrode 3 folgt in seitlicher Richtung im Abstand eine weitere untere Elektrode 3, die jeweils mit dem anderen Busbar als die Elektrode selbst elektrisch leitend verbunden ist. Somit umfasst die untere Elektrodenstruktur untere Elektroden 3, deren Polarität in beide Raumrichtungen der Elektrodenstruktur alterniert. Durch eine geeignete Wahl der Geometrie der unteren Elektroden 3 kann durch eine solche Anordnung beispielsweise in beide laterale Richtungen der Ebene der Elektrodenstruktur jeweils eine Welle gezielt angeregt werden. Somit kann durch eine solche Anordnung eine isolierte 2-D-Mode angeregt werden. Es kann eine so genannte stehende Welle in Bezug auf zwei Raumrichtungen erzeugt werden.
Eine untere Elektrode mit dieser oder einer ähnlichen Struktur kann jedoch auch mit einer oberen Elektrode elektrisch angeschlossen werden, die eine Struktur ähnlich wie ein herkömmlicher und z.B. wie in Figur 1 dargestellter Wandler aufweist. Dabei kann die obere Elektrode auch
Stummelfinger aufweisen (siehe Finger 101 in Figur 1), unter denen ebenfalls Elektrodenstrukturen der unteren Elektrode angeordnet sein können.
Figur 7 zeigt eine schematische Aufsicht einer unteren
Elektrodenstruktur. Diese Elektrodenstruktur umfasst nichtanregende, reflektierende Elektroden 10, sowie Elektroden mit einem ersten Potential 11 und Elektroden mit einem zweiten Potential 12. Hierbei sind im Zentrum der Elektrodenstruktur die Elektroden mit einem ersten Potential 11 sowie die
Elektroden mit einem zweiten Potential 12 jeweils alternierend in beide Raumrichtungen angeordnet. Die anregenden Elektroden 11, 12 sind rahmenförmig von den nicht-anregenden reflektierenden Elektroden 10 umgeben. Der Abstand der einzelnen Elektroden braucht hierbei nicht identisch zu sein, sondern kann variiert werden um beispielsweise Energiekonzentrationen auszubilden. Bei dieser Ausführung bildet sich ebenso wie bei der nach Figur 6 das bereits erwähnte „phononic bandgap" aus.
Die Figuren 8a bis 8e zeigen jeweils eine schematische Seitenansicht eines Bauelements in verschiedenen Verfahrensstufen .
Die Figur 8a zeigt ein Substrat 1, auf dem in den Randbereichen ein erstes Dielektrikum 2 aufgebracht wurde. Für das erste Dielektrikum 2 kann beispielsweise Siθ2 verwendet werden. Das Auftragen des ersten Dielektrikums 2 kann beispielsweise mittels Sputtern erfolgen. Das erste Dielektrikum 2 kann entweder nur in den Randbereichen aufgebracht werden oder aber auch ganzflächig aufgebracht werden und dann in einem weiteren Verfahrensschritt im mittleren Teilbereich wieder entfernt werden.
Figur 8b zeigt eine Verfahrensstufe wie sie aus der Verfahrensstufe hervorgehen könnte, die in 8a dargestellt ist. Hierzu wurde in einem weiteren Verfahrensschritt auf dem Teilbereich der Oberfläche des Substrates 1, welcher nicht durch das erste Dielektrikum 2 bedeckt ist, die untere Elektrode 3 aufgebracht. Das Aufbringen der unteren Elektrode 3 kann beispielsweise durch Verdampfen, Sputtern oder CVD erfolgen. Das Material welches für die untere Elektrode 3 verwendet wird kann beispielsweise Au, Ag, Cu oder ein anderes schweres Metalle umfassen.
Die Figur 8c zeigt eine weitere Verfahrensstufe in einer schematischen Seitenansicht. Diese könnte beispielsweise aus der Verfahrensstufe hervorgehen, die in Figur 8b dargestellt ist. Hierzu ist in einem weiteren Verfahrensschritt die obere Elektrode 4 aufgebracht worden. Das Aufbringen der oberen Elektrode kann beispielsweise mittels Verdampfen erfolgen. Für die obere Elektrode 4 kann beispielsweise ein Material verwendet werden, welches Al umfasst. In diesem Ausführungsbeispiel wurde die obere Elektrode 4 so aufgebracht, dass sie die untere Elektrode 3 in der x-y Ebene komplett überlagert. Das Problem in diesem Prozessschritt besteht darin, die obere Elektrode über die untere Elektrode zu platzieren, damit die akustische Reflexion der unteren Elektrode nicht gestört wird. Besteht aber die obere Elektrode beispielsweise aus Al und ist auch diese in ein Dielektrikum wie beispielsweise Siθ2 eingebettet, so ist der Impedanzsprung zwischen den Materialien von Dielektrikum und oberer Elektrode sehr klein. Dies hat zur Folge, dass die akustische Welle keinen Unterschied zwischen diesen beiden Materialien sieht und deshalb auch die genaue Positionierung wie auch die Dicke der oberen Elektrode keine große Rolle spielt.
Das Material der unteren Elektrode dagegen weist einen großen Impedanzsprung zum umgebenden Material auf, was für eine ausreichende Reflexion und gegebenenfalls auch gute Wellenführung sorgt.
In Figur 8d ist eine Verfahrensstufe eines Ausführungsbeispiels in schematischer Seitenansicht dargestellt, welche - verglichen mit der in Figur 8c dargestellten Verfahrensstufe - zusätzlich einen Busbar 6 umfasst. Für den Busbar 6 kann beispielsweise ein Material verwendet werden, welches Al umfasst. Der Busbar 6 ist so auf das Bauelement aufgebracht, dass es im direkten elektrischen Kontakt mit der oberen Elektrode 4 steht. Der Busbar 6 weist aber keinen direkten elektrisch leitenden Kontakt mit der unteren Elektrode 3 auf. In Figur 8e ist in schematischer Seitenansicht eine Ausführungsform eines Bauelements dargestellt, welches dem in Figur 2 dargestellten Bauelement entspricht. Diese könnte beispielsweise aus der in Figur 8d dargestellten Ausführungs- form hervorgehen, indem in einem weiteren Verfahrensschritt das zweite Dielektrikum 5 auf die Oberseite des Bauelements aufgebracht wurde. Das Auftragen des zweiten Dielektrikums 5 kann beispielsweise mittels PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) erfolgen. Für das zweite Dielektrikum 5 kann beispielsweise ein Material verwendet werden, welches Siθ2 umfasst.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von
Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste
1 Substrat
2 erstes Dielektrikum
3 untere Elektrode
4 obere Elektrode
5 zweites Dielektrikum
6 Busbar
7 Durchkontaktierung
10 nicht-anregende, reflektierende Elektrode
11 Elektrode mit einem ersten Potential
12 Elektrode mit einem zweiten Potential
100 Elektrode
101 Stummelfinger
102 transversaler Gap
103 Busbar mit erster Polarität 103' Busbar mit zweiter Polarität

Claims

Patentansprüche
1. Bauelement, welches mit akustischen Wellen arbeitet, umfassend
- ein Substrat (1) aus einem piezoelektrischen Material,
- eine erste Elektrodenebene, in der eine akustisch wirksame untere Elektrode umfassende untere Elektrodenstrukturen (3) direkt auf dem Substrat (1) angeordnet sind,
- eine oberhalb der unteren Elektrodenebene angeordnete obere Elektrode (4), die elektrisch leitend mit den unteren Elektrodenstrukturen (3) verbunden ist, wobei die Anregung der akustischen Wellen im Betrieb des Bauelements ausschließlich oder überwiegend durch die unteren Elektrodenstrukturen (3) erfolgt.
2. Bauelement nach Anspruch 1, umfassend
- ein erstes Dielektrikum (2), das auf dem Substrat (1) angeordnet ist und in das die Elektrodenstrukturen (3) eingebettet sind.
3. Elektroakustisches Bauelement nach Anspruch 2, wobei die Dicke des ersten Dielektrikums (2) mindestens der Dicke der unteren Elektrodenstrukturen (3) entspricht .
4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die obere Elektrode (4) und die unteren Elektrodenstrukturen (3) nicht deckungsgleich sind.
5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die unteren Elektrodenstrukturen (3) und die obere Elektrode (4) unterschiedlichen Materialien umfassen.
6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend
- ein Busbar (6), welches elektrisch leitend mit der oberen Elektrode (4) verbunden ist.
7. Bauelement nach Anspruch 6, wobei das erste Dielektrikum (2) eine Teilmenge der unteren Elektrodenstrukturen (3) gegen den Busbar (6) elektrisch isoliert.
8. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die unteren Elektrodenstrukturen (3) und die obere Elektrode (4) über eine Durchkontaktierung (7) miteinander verbunden sind.
9. Bauelement nach Anspruch 8, wobei die Durchkontaktierung (7) und die obere Elektrode (4) das gleiche Material umfassen.
10. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauelement mehr als eine obere Elektrode (4) umfasst .
11. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede untere Elektrodenstruktur (3) eine Vielzahl von Einzelelektroden umfasst, die in der unteren Elektrodenebene elektrisch nicht miteinander verbunden sind.
12. Elektroakustisches Bauelement nach Anspruch 11, wobei die Einzelelektroden in der Ebene der unteren Elektrodenstruktur (3) eine sich in zwei unterschiedliche laterale Richtungen der Ebene ausbreitende akustische Welle anregen können.
13. Elektroakustisches Bauelement nach Anspruch 12, wobei die Anregung mit der gleichen Frequenz erfolgt.
14. Elektroakustisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Einzelelektroden so angeordnet sind, dass auf eine Einzelelektrode, an die ein Signal mit einer ersten Polarität angelegt ist, in beiden lateralen Richtungen eine Einzelelektrode mit einer anderen Polarität folgt.
15. Bauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei zusätzlich eine Anregung einer Welle senkrecht zur Ebene der unteren Elektrodenstruktur (3) erfolgt.
16. Elektroakustisches Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei mehrere der Einzelelektroden mit einer gemeinsamen oberen Elektrode (4) verbunden sind.
17. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend
- ein zweites Dielektrikum (5), angeordnet auf und zwischen den oberen Elektroden (4) .
18. Bauelement nach Anspruch 17, wobei die akustische Impedanz des Materials des zweiten Dielektrikums (5) an die akustische Impedanz der oberen Elektroden (4) angepasst ist.
19. Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die Vielzahl der unteren Elektroden ein „phononic bandgap" bilden.
20. Bauelement nach einem der Ansprüche 11 bis 18, wobei die Vielzahl der unteren Elektroden ein „phononic bandgap" mit einer Störung bilden.
21. Verfahren zur Herstellung eines elektroakustischen Bauelements, umfassend die Verfahrensschritte:
A) Bereitstellen eines Substrates (1) aus einem piezoelektrischen Material,
B) Aufbringen eines ersten Dielektrikums (2) auf Teilbereichen des Substrates (1) ,
C) Aufbringen einer unteren Elektrodenstruktur (3) auf Teilbereichen des Substrats (1) , so dass die untere Elektrodenstruktur (3) direkten Kontakt zu dem Substrat
(1) hat,
D) Aufbringen einer oberen Elektrode (4) oberhalb der unteren Elektrodenstruktur (3) , so dass diese elektrisch leitend mit der unteren Elektrodenstruktur (3) verbunden ist .
22. Verfahren nach Anspruch 21, umfassend als zusätzlichen Verfahrensschritt :
E) Aufbringen eines Busbars (6) , so dass dieses elektrisch leitend mit der oberen Elektrode (4) verbunden ist, aber kein direkter elektrischer Kontakt zwischen dem Busbar (6) und der unteren Elektrodenstruktur (3) besteht .
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 oder 22, umfassend als zusätzlichen Verfahrensschritt: F) Aufbringen eines zweiten Dielektrikums (5) zumindest im Bereich der oberen Elektrode (4) .
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