WO2023208449A1 - Volumenakustische vorrichtung und verfahren zum herstellen einer volumenakustischen vorrichtung - Google Patents

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WO2023208449A1
WO2023208449A1 PCT/EP2023/054961 EP2023054961W WO2023208449A1 WO 2023208449 A1 WO2023208449 A1 WO 2023208449A1 EP 2023054961 W EP2023054961 W EP 2023054961W WO 2023208449 A1 WO2023208449 A1 WO 2023208449A1
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acoustic
electrode
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piezoelectric
intermediate layer
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PCT/EP2023/054961
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Christoph Schelling
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Robert Bosch Gmbh
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/171—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator implemented with thin-film techniques, i.e. of the film bulk acoustic resonator [FBAR] type
    • H03H9/172—Means for mounting on a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
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    • H03H9/172—Means for mounting on a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
    • H03H9/173—Air-gaps

Definitions

  • Volume acoustic device and method for producing a volume acoustic device are described in detail below.
  • the present invention relates to a volume acoustic device and a method for producing a volume acoustic device.
  • BAW bulk acoustic wave
  • the invention provides a volume acoustic device and a method for producing a volume acoustic device having the features of the independent claims.
  • the invention therefore relates to a volume acoustic device, with a first electrode and a second electrode, and a piezoelectric element arranged between the first electrode and the second electrode, wherein the piezoelectric element is designed such that a first electromagnetic signal is converted into an acoustic signal in the piezoelectric element, the acoustic signal being converted back into a second electromagnetic signal in the second electrode.
  • the piezoelectric element comprises at least two piezoelectric layers, preferably of the same material with the same polarity, and at least one intermediate layer located between the at least two piezoelectric layers. Acoustic layer thicknesses of the piezoelectric layers and the intermediate layer each correspond to an odd multiple (Ix, 3x,...) of half an acoustic wavelength of an acoustic signal to be transmitted.
  • the invention relates to a method for producing a volume acoustic device.
  • a substrate is provided.
  • a first electrode, a second electrode and a piezoelectric element arranged between the first electrode and the second electrode are arranged on the substrate, the piezoelectric element being formed in such a way that a first electromagnetic signal fed into the first electrode is converted into an acoustic signal the piezoelectric element is converted, the acoustic signal being converted back into a second electromagnetic signal in the second electrode.
  • the piezoelectric element includes at least two piezoelectric layers with rectified polarity and at least one between the at least two Piezoelectric layers located intermediate layer. Acoustic layer thicknesses of the piezoelectric layers and the intermediate layer each correspond to an odd multiple (Ix, 3x,...) of half an acoustic wavelength of an acoustic signal to be transmitted.
  • the volume acoustic device enables the development of higher frequency ranges with improved behavior in terms of thermal drift.
  • An (incoming) high-frequency signal can be fed into the first electrode of the bulk electrical device.
  • the high-frequency signal is a first electromagnetic wave, which is converted at the first electrode by the piezoelectric element into an acoustic wave and at the opposite second electrode back into a second electromagnetic wave.
  • the volume-acoustic device can thus serve as a volume-acoustic resonator.
  • a plurality of such resonators can be suitably connected together in circuits to form so-called conductor and/or grid configurations.
  • the lateral dimensions of the resonators would have to be scaled down at the same time as the layer thickness decreases in order to compensate for the increase in capacity caused by reducing the layer thickness and to be able to maintain the target impedance value of, for example, 50Q.
  • the reduction would result in higher acoustic energy losses because the ratio of the periphery to the area of the resonators increases.
  • the capacity is therefore reduced by inserting at least one additional intermediate layer and another piezoelectric layer.
  • the insertion of the additional piezoelectric layer and the additional at least one intermediate layer corresponds to connecting additional series capacitances in series, which can now individually assume larger values, since in series connections the reciprocals of the individual capacitances add up to the reciprocal total capacitance.
  • the resonators can be dimensioned laterally larger than would be the case without intermediate layers. As a result, lower edge losses occur and the resonators can be designed and used for higher frequencies.
  • the overall acoustic layer thickness of the intermediate layer is adjusted to the acoustic target wavelength in the intermediate layer.
  • the total acoustic layer thickness of the piezoelectric element therefore corresponds to an odd multiple (Ix, 3x,...) of half the acoustic wavelength. This includes, in particular, half the acoustic wavelength itself (i.e. Ix).
  • the at least one further piezoelectric layer located on the second electrode serves to efficiently convert the acoustic wave back into an electromagnetic wave at the second electrode.
  • the volume acoustic device comprises a plurality of piezoelectric layers, with an intermediate layer being located between two successive piezoelectric layers.
  • the intermediate layer is formed by a single layer.
  • the acoustic layer thickness of the individual layer corresponds to an odd multiple (Ix, 3x,...) of half the acoustic wavelength of the acoustic signal to be transmitted, i.e. the target wavelength.
  • the at least one intermediate layer consists of a plurality of sub-layers, the sum of acoustic layer thicknesses of the sub-layers corresponding to an odd multiple (Ix, 3x,...) of half the acoustic wavelength of the acoustic signal to be transmitted.
  • the intermediate layer comprises two sub-layers with wavelengths:
  • the first summand indicates the acoustic layer thickness of the first sub-layer and the second summand indicates the acoustic layer thickness of the second sub-layer.
  • the principle can be transferred in an analogous manner to more than two sub-layers.
  • the acoustic layer thicknesses of the piezoelectric layers and the intermediate layer each correspond to half the acoustic wavelength of the one to be transmitted acoustic signal.
  • a material of the intermediate layer comprises dielectrics, such as silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, aluminum oxide or DLC (diamond-like carbon).
  • dielectrics such as silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, aluminum oxide or DLC (diamond-like carbon).
  • Preferred materials have intrinsically low dielectric and/or acoustic attenuation and an adapted thermal expansion coefficient.
  • the at least one intermediate layer is constructed in multiple layers, for example from acoustic Bragg reflector layers with odd multiples (Ix, 3x,...) of A/4 layer thicknesses.
  • Suitable material pairs for reflector layers are characterized by differences in the speed of sound of the materials and low material attenuation. Possible materials are, e.g. B. Ti, Ta or Cu for low sound speeds or Al, Ni, W or Mo for high sound speeds.
  • combinations of dielectric and semiconducting and/or metallic layers are provided as an intermediate layer or layers.
  • the various intermediate layers described above can occur with one another in any combination.
  • the piezoelectric element may have more than two piezoelectric layers and more than one intermediate layer.
  • at least one of the intermediate layers can consist of a single layer with an odd-numbered ;i /2 layer thickness and at least one further intermediate layer can consist of multi-layer acoustic Bragg reflector layers with odd-numbered multiples (Ix, 3x,...) of ;i /4- Layer thicknesses are formed.
  • the previously described intermediate layers can be arranged not only between the piezoelectric layers, but also between one and/or both external piezoelectric layers and the electrodes or the multi-layer acoustic Bragg reflector layers.
  • a material of the piezoelectric layer comprises AIN or ScAlN. This is advantageous due to the high speed of sound, which allows a comparatively large layer thickness.
  • Other possible materials include ZnO?. LiNbOs or LiTaOs.
  • the first electrode and/or the second electrode are designed as an acoustic Bragg reflector - as already described above for the intermediate layer.
  • a Bragg reflector layer can be inserted between the substrate and the piezoelectric element, whereby a loss of acoustic energy into the substrate can be avoided in order to keep insertion losses small.
  • This is an SMR (solidly mounted resonator) architecture. Because of the good heat coupling to the substrate, the SMR architecture can be used advantageously in applications where high power must be processed, e.g. B. in base stations and in the transmission path of a mobile radio device.
  • the first and/or second electrode (and thus the piezoelectric element) is exposed.
  • This is an FBAR (film bulk acoustic resonator) architecture.
  • the acoustic wave is reflected on the electrode-air surface, which is why the FBAR architecture has low insertion losses, which is favorable for larger bandwidths and for the reception path in the mobile radio device.
  • the volume acoustic device can be used as a high-precision timing oscillator, in filter components for frequencies in the GHz range (in particular >10GHz) or as a gravimetric resonance sensor.
  • the volume acoustic device can be used in particular for high-frequency systems, for example in the mobile radio range (20GHz-100GHz) or radar range.
  • Figure 1 shows a schematic cross-sectional view of a volume acoustic device according to an embodiment of the invention
  • Figure 2 shows a schematic cross-sectional view of a volume acoustic device according to a further embodiment of the invention
  • Figure 3 shows a schematic cross-sectional view of a volume acoustic device according to a further embodiment of the invention.
  • Figure 4 shows a schematic cross-sectional view of a volume acoustic device according to a further embodiment of the invention.
  • Figure 5 shows a flowchart of a method for producing a volume acoustic device according to an embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows a cross-sectional view of a volume acoustic device 100.
  • the volume acoustic device 100 comprises a substrate 4 on which a second acoustic Bragg reflector 2a is arranged. This includes a large number of sub-layers 21 to 26 with alternating high and low speeds of sound or acoustic impedance.
  • a first acoustic Bragg reflector la is also provided, which can have a similar structure.
  • the first Bragg reflector la consists of an electrically conductive material and serves as a first electrode and the second Bragg reflector 2a also consists of an electrically conductive material and serves as a second electrode.
  • a piezoelectric element 3a is arranged between the second Bragg reflector 2a and the first Bragg reflector la.
  • a first electromagnetic signal fed into the first Bragg reflector la or the first electrode via a first supply line 6 is converted into an acoustic signal in the piezoelectric element 3 during operation.
  • the acoustic signal is in turn converted back into a second electromagnetic signal in the second Bragg reflector 2a or the second electrode, which is output via a plated-through hole 9 and a second supply line 5, provided an acoustic resonance condition is met.
  • the piezoelectric element 3a comprises two essentially identical piezoelectric layers 31, 33 with rectified polarity and an intermediate layer 32a located between the two piezoelectric layers 31, 33.
  • Acoustic layer thicknesses of the piezoelectric layers 31, 33 and the intermediate layer 32a each correspond to an odd multiple (Ix, 3x, ...) of half an acoustic wavelength of an acoustic signal to be transmitted, ie a predetermined acoustic wavelength (corresponding to a predetermined transmission frequency of the volume acoustic device) .
  • a predetermined acoustic wavelength corresponding to a predetermined transmission frequency of the volume acoustic device
  • half an acoustic wavelength of the desired transmission frequency fits into the piezoelectric layers 31, 33 and into the intermediate layer 32a (see indicated wave) as the fundamental first resonance of the piezoelectric element 3a.
  • the first Bragg reflector la, the second Bragg reflector 2a, the piezoelectric element 3a and the via 9 are surrounded by a dielectric 7.
  • a resonator can be designed for a resonance frequency of 24GHz in the millimeter wave frequency range as in Table 1.
  • an additional intermediate layer 32a can be arranged between the outer piezoelectric layer 31 and the first Bragg reflector la and/or the outer piezoelectric layer 33 and the second Bragg reflector 2a, and this can certainly be done within the scope of the present invention see is.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of a further volume acoustic device 200.
  • volume acoustic device 200 In contrast to the volume acoustic device 100 shown in FIG , 35, 37 there is an intermediate layer 32a, 34, 36.
  • the piezoelectric element 3c comprises an intermediate layer 32b, which consists of two X a /4 Bragg reflector layers, where X a denotes the target wavelength, which should be transmitted, which corresponds to a desired transmission frequency.
  • the thicknesses of the piezo layers 31, 33 and the intermediate layer 32b are selected so that half an acoustic wavelength of the desired transmission frequency fits in as the fundamental first resonance of the entire stack.
  • the device can also have more than two piezoelectric layers 31, 33 and/or more than one intermediate layer 32b.
  • the two X a /4 Bragg reflector layers in this case can have a different material pairing than the limiting outer Bragg reflector layers of the Bragg reflectors la and 2a.
  • FIG 4 shows a cross-sectional view of a further volume acoustic device 400.
  • metallic electrodes 1b, 2b are provided here, which are not designed as a Bragg reflector.
  • the second electrode 2b is exposed, so a cavity 10 has been formed.
  • the thickness of the electrodes 1b, 2b matches the wavelength of the pass frequency. In this case, the acoustic wave is trapped by reflection on the surfaces of the electrodes (or passivation) to the ambient air.
  • electrodes metal electrodes lb / 2b or Bragg reflectors la / 2a
  • various mixed forms with regard to the formation of electrodes can be combined with one another in one device and are within the scope of the present invention.
  • Figure 5 shows a flowchart of a method for producing a volume acoustic device.
  • one of the volume acoustic devices 100 to 400 shown in FIGS. 1 to 4 can be produced.
  • a substrate 4 is provided, for example made of silicon.
  • the second electrode 2a can first be formed on the substrate 4.
  • the piezoelectric element 3a; 3b; 3c formed on the second electrode 2a, 2b. Finally, the first electrode la, 1b is placed on the piezoelectric element 3a; 3b; 3c trained. Furthermore, a dielectric 7 as well as supply lines 5, 6 and a passivation layer 8 can be formed.
  • the piezoelectric element 3a, 3b, 3c is formed such that a first electromagnetic signal fed into the first electrode la, 1b is converted into an acoustic signal in the piezoelectric element 3a, 3b, 3c, the acoustic
  • the piezoelectric element 3a, 3b, 3c comprises at least two piezoelectric layers 31, 33 (35, 37) with rectified polarity and at least one intermediate layer 32a (34, 36, 32b) located between the at least two piezoelectric layers 31, 33, 35, 37. .
  • Acoustic layer thicknesses of the piezoelectric layers 31, 33, 35, 37 and the intermediate layer 32a, 34, 36; 32b each correspond to an odd multiple (Ix, 3x,...) of half an acoustic wavelength of an acoustic signal to be transmitted.

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Abstract

Eine volumenakustische Vorrichtung (100) umfasst eine erste Elektrode (1a), eine zweite Elektrode (2a) und ein zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnetes piezoelektrisches Element (3a), wobei das piezoelektrische Element derart ausgebildet ist, dass ein in die erste Elektrode eingespeistes erstes elektromagnetisches Signal in ein akustisches Signal in dem piezoelektrischen Element umgewandelt wird, wobei das akustische Signal in ein zweites elektromagnetisches Signal in der zweiten Elektrode rückgewandelt wird. Das piezoelektrisches Element umfasst mindestens zwei piezoelektrische Schichten (31, 33) mit gleichgerichteter Polarität und mindestens eine zwischen den mindestens zwei piezoelektrischen Schichten befindliche Zwischenschicht (32a). Akustische Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten und der Zwischenschicht entsprechen jeweils einem ungeradzahligen Vielfachen einer halben akustischen Wellenlänge eines zu transmittierenden akustischen Signals.

Description

Beschreibung
Titel
Volumenakustische Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer volumenakustischen Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine volumenakustische Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer volumenakustischen Vorrichtung.
Stand der Technik
In der Hochfrequenztechnik finden volumenakustische (englisch: bulk acoustic wave, BAW) Bauelemente Anwendung als Resonatoren in Filtern und Oszillatoren. Die Arbeitsfrequenz der Bauelemente wird in erster Linie durch die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht und durch die Schallgeschwindigkeit im piezoelektrischen Material bestimmt. Um höhere Arbeitsfrequenzen zu erreichen, muss die Schichtdicke verringert werden. Die Toleranzen werden dadurch immer wichtiger.
Mit geringerer Schichtdicke des piezoelektrischen Materials erhöht sich die Kapazität des BAW-Bauelements. Damit die Wellenimpedanz beibehalten werden kann, muss daher gleichzeitig die Bauelementfläche verringert werden. Am Rand des Bauelements geht jedoch akustischen Energie verloren. Bei einer Verkleinerung des Bauelements wachsen die Randverluste quadratisch mit der Arbeitsfrequenz an. Die Technik von herkömmlichen BAW-Bauelementen (BAW) stößt daher bei ca. 10 GHz an ihre Grenzen.
Aus den Schriften US 2018/085787 Al und US 2013/193808 Al ist ein BAW- Bauelement bekannt, bei dem die Kapazität durch Stapeln zweier verschiedener Piezomaterialien mit gegensinniger Polarität auch bei höheren Betriebsfrequenzen niedrig gehalten werden kann, sodass sich die Randverluste verringern und höhere Arbeitsfrequenzen im Millimeterwellenbereich realisierbar werden.
Die Herstellung heterogener piezoelektrischer Bilagen ist schwer zu beherrschen. Weiter treten aufgrund von Temperatureinflüssen auf die verschiedenen Piezomaterialien bimorphe Effekte auf, was thermisches Driften zur Folge haben kann. Schließlich besitzen die Piezomaterialien verschiedene Piezoeigenschaften, was die Auslegung von verlustarmen Bauelementen erheblich erschwert.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt eine volumenakustische Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen einer volumenakustischen Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.
Bevorzugte Ausfiihrungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine volumenakustische Vorrichtung, mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, und einem zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordneten piezoelektrischen Element, wobei das piezoelektrische Element derart ausgebildet ist, dass ein in die erste Elektrode eingespeistes erstes elektromagnetisches Signal in ein akustisches Signal in dem piezoelektrischen Element umgewandelt wird, wobei das akustische Signal in ein zweites elektromagnetisches Signal in der zweiten Elektrode rückgewandelt wird. Das piezoelektrische Element umfasst mindestens zwei piezoelektrische Schichten bevorzugt desselben Materials mit gleichgerichteter Polarität und mindestens eine zwischen den mindestens zwei piezoelektrischen Schichten befindliche Zwischenschicht. Akustische Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten und der Zwischenschicht entsprechen jeweils einem ungeradzahligen Vielfachen (Ix, 3x, . . . ) einer halben akustischen Wellenlänge eines zu transmittierenden akustischen Signals.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer volumenakustischen Vorrichtung. Dabei wird ein Substrat bereitgestellt. Weiter werden eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnetes piezoelektrisches Element auf dem Substrat angeordnet, wobei das piezoelektrische Element derart ausgebildet wird, dass ein in die erste Elektrode eingespeistes erstes elektromagnetisches Signal in ein akustisches Signal in dem piezoelektrischen Element umgewandelt wird, wobei das akustische Signal in ein zweites elektromagnetisches Signal in der zweiten Elektrode rückgewandelt wird. Das piezoelektrische Element umfasst mindestens zwei piezoelektrische Schichten mit gleichgerichteter Polarität und mindestens eine zwischen den mindestens zwei piezoelektrischen Schichten befindliche Zwischenschicht. Akustische Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten und der Zwischenschicht entsprechen jeweils einem ungeradzahligen Vielfachen (Ix, 3x, . . . ) einer halben akustischen Wellenlänge eines zu transmittierenden akustischen Signals.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße volumenakustische Vorrichtung ermöglicht die Erschließung höherer Frequenzbereiche mit einem hinsichtlich thermischer Drift verbesserten Verhalten. An der ersten Elektrode der volumenelektrischen Vorrichtung kann ein (eintreffendes) Hochfrequenzsignal eingespeist werden. Bei dem Hochfrequenzsignal handelt es sich um eine erste elektromagnetische Welle, welche an der ersten Elektrode von dem piezoelektrischen Element in eine akustische Welle und an der gegenüber liegenden zweiten Elektrode zurück in eine zweite elektromagnetische Welle umgewandelt wird. Bei gegebener elektromagnetischer bzw. akustischer Frequenz ergibt sich die akustische Wellenlänge Xa über die Schallgeschwindigkeit cs des jeweiligen Schichtmaterials gemäß folgender Formel: a= Cs/f.
Insofern die akustischen Schichtdicken dp der piezoelektrischen Schichten und des Zwischenschichtstapels dabei einem Vielfachen (Ix, 3x, ...) einer halben akustische Wellenlänge der umgewandelten elektromagnetischen Welle (d. h. es akustischen Signals) entsprechen, d. h.: dp = (n+!Z>)* Xa für n = {0, 1, . . . }, wird das einlaufende Signal transmittiert und sonst reflektiert. Die volumenakustische Vorrichtung kann somit als volumenakustischer Resonator dienen.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Vielzahl solcher Resonatoren geeignet in Schaltungen zu sogenannten Leiter- und/oder Gitterkonfigurationen zusammengeschaltet werden. Dadurch lassen sich Filterbauelemente realisieren, die für definierte Frequenzbereiche durchlässig sind, und beispielsweise in der Mobilkommunikation für jedes Frequenzband ausgelegt werden können. Mittels dieser Filter können Signalinterferenzen zwischen Sende- und Empfangskanälen sowohl in den Kommunikationsmodulen der mobilen Endgeräte als auch in den Basisstationen vermieden werden.
Höhere Frequenzen erfordern geringere Schichtdicken, was beispielsweise zu höheren Anforderungen hinsichtlich der Schichtdickengenauigkeit fuhrt. Herkömmlich müssten die Lateraldimensionen der Resonatoren mit abnehmender Schichtdicke gleichzeitig herunterskaliert werden, um den durch Verringerung der Schichtdicke bedingten Kapazitätsanstieg zu kompensieren und den Zielimpedanzwert von beispielsweise 50Q beibehalten zu können. Die Verkleinerung hätte jedoch höhere akustische Energieverluste zur Folge, weil damit das Verhältnis von Peripherie zur Fläche der Resonatoren zunimmt.
Erfmdungsgemäß wird daher die Kapazität durch Einfugen mindestens einer zusätzlichen Zwischenschicht und einer weiteren piezoelektrischen Schicht verringert. Das Einfugen der zusätzlichen piezoelektrische Schicht und der zusätzlichen mindestens einen Zwischenschicht entspricht einem Hintereinanderschalten zusätzlicher Serienkapazitäten, welche nun einzeln jeweils größere Werte annehmen dürfen, da sich bei Hintereinanderschaltungen die Kehrwerte der Einzelkapazitäten zur reziproken Gesamtkapazität addieren. Auf diese Weise können die Resonatoren lateral größer dimensioniert werden als dies ohne Zwischenschichten der Fall wäre. Es treten infolgedessen geringere Randverluste auf und die Resonatoren können für höhere Frequenzen ausgelegt und eingesetzt werden.
Um die Resonanz nicht zu zerstören, wird die akustische Gesamtschichtdicke der Zwischenschicht der akustischen Zielwellenlänge in der Zwischenschicht angepasst. Die akustische Gesamtschichtdicke des piezoelektrischen Elements entspricht somit einem ungeradzahligen Vielfachen (Ix, 3x, . . . ) der halben akustischen Wellenlänge. Darunter ist insbesondere auch die halbe akustische Wellenlänge selbst umfasst (d.h. Ix).
Die mindestens eine weitere an der zweiten Elektrode befindliche piezoelektrische Schicht dient der effizienten Rückwandlung der akustischen in eine elektromagnetische Welle an der zweiten Elektrode. Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform umfasst die volumenakustische Vorrichtung eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten, wobei sich zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden piezoelektrischen Schichten eine Zwischenschicht befindet.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der volumenakustischen Vorrichtung ist die Zwischenschicht durch eine Einzelschicht gebildet. Die akustische Schichtdicke der Einzelschicht entspricht dabei einem ungeradzahligen Vielfachen (Ix, 3x, . . . ) der halben akustischen Wellenlänge des zu transmittierenden akustischen Signals, d.h. der Zielwellenlänge.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der volumenakustischen Vorrichtung besteht die mindestens eine Zwischenschicht aus einer Vielzahl von Teilschichten, wobei die Summe von akustischen Schichtdicken der Teilschichten einem ungeradzahligen Vielfachen (Ix, 3x, . . . ) der halben akustischen Wellenlänge des zu transmittierenden akustischen Signals entspricht. Beispielsweise umfasst die Zwischenschicht zwei Teilschichten mit Wellenlängen:
U4 + U4 = U2 oder:
U4 + 5U4 = 3U2 oder:
3U4 + 3U4 = 3U2.
Hier gibt der erste Summand jeweils die akustische Schichtdicke der ersten Teilschicht und der zweite Summand die akustische Schichtdicke der zweiten Teilschicht an. Das Prinzip kann jedoch in analoger Weise auf mehr als zwei Teilschichten übertragen werden.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der volumenakustischen Vorrichtung entsprechen die akustischen Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten und der Zwischenschicht jeweils der halben akustischen Wellenlänge des zu transmittierenden akustischen Signals. Mit anderen Worten beträgt erfindungsgemäß die akustische Gesamtschichtdicke des piezoelektrischen Elements dann 3Aa/2. Dadurch tritt eine fundamentale Resonanz (d.h. n = 0, niedrigste Ordnung) in der Zwischenschicht und in den piezoelektrischen Schichten auf. Dies ist vorteilhaft, da in diesem Fall die höchsten Qualitätsfaktoren auftreten, die Filterkanten besonders steil und die Einfügungsverluste besonders klein werden können.
Gemäß einer weiteren Ausfiihrungsform der volumenakustischen Vorrichtung umfasst ein Material der Zwischenschicht Dielektrika, wie Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Aluminiumoxid oder DLC (diamondlike carbon). Bevorzugte Materialien weisen intrinsisch geringe dielektrische und/oder akustische Dämpfung und einen angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf.
Gemäß einer weiteren Ausfiihrungsform der volumenakustischen Vorrichtung ist die mindestens eine Zwischenschicht mehrlagig aufgebaut, beispielsweise aus akustischen Bragg -Reflektorschichten mit ungeradzahligen Vielfachen (Ix, 3x, . . . ) von A/4- Schichtdicken. Geeignete Materialpaare für Reflektorschichten zeichnen sich durch Unterschiede in der Schallgeschwindigkeit der Materialien und geringe Materialdämpfimg aus. Mögliche Materialien sind, z. B. Ti, Ta oder Cu für niedrige Schallgeschwindigkeiten bzw. Al, Ni, W oder Mo für hohe Schallgeschwindigkeiten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der volumenakustischen Vorrichtung sind Kombinationen aus dielektrischen und halbleitenden und/oder metallischen Schichten als Zwischenschicht oder als Zwischenschichten vorgesehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der volumenakustischen Vorrichtung können die zuvor beschriebenen verschiedenen Zwischenschichten miteinander in beliebiger Kombination auftreten. Zum Beispiel kann das piezoelektrische Element mehr als zwei piezoelektrische Schichten und mehr als eine Zwischenschicht aufweisen. In diesem Fall kann wenigstens eine der Zwischenschichten aus einer einzelnen Schicht mit einer ungeradzahligen ;i/2-Schichtdickc und wenigstens eine weitere Zwischenschicht aus mehrlagigen akustischen Bragg -Reflektorschichten mit ungeradzahligen Vielfachen (Ix, 3x, . . . ) von ;i/4-Schichtdickcn gebildet werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der volumenakustischen Vorrichtung können die zuvor beschriebenen Zwischenschichten nicht nur zwischen den piezoelektrischen Schichten angeordnet sein, sondern zusätzlich auch zwischen einer und/oder beiden außen liegenden piezoelektrischen Schichten und den Elektroden bzw. den mehrlagigen akustischen Bragg-Reflektorschichten angeordnet werden.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der volumenakustischen Vorrichtung umfasst ein Material der piezoelektrischen Schicht AIN oder ScAlN. Dies ist vorteilhaft aufgrund der hohen Schallgeschwindigkeit, die eine vergleichsweise große Schichtdicke erlaubt. Weitere mögliche Materialien sind beispielsweise ZnO?. LiNbOs oder LiTaOs.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der volumenakustischen Vorrichtung sind die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode als akustischer Bragg-Reflektor - wie zuvor bereits für die Zwischenschicht beschrieben - ausgebildet. Dabei kann eine Bragg- Reflektorschicht zwischen Substrat und das piezoelektrische Element eingefugt werden, wodurch ein Verlust von akustischer Energie ins Substrat vermieden werden kann, um Einfügungsverluste (englisch: insertion loss) klein zu halten. Es handelt sich dabei um eine SMR (solidly mounted resonator)-Architektur. Die SMR-Architektur ist wegen der guten Wärmeankopplung ans Substrat vorteilhaft einsetzbar in Anwendungen, bei denen hohe Leistungen verarbeitet werden müssen, z. B. in Basisstationen und im Sendepfad eines Mobilfiinkgeräts.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der volumenakustischen Vorrichtung wird die erste und/oder zweite Elektrode (und somit das piezoelektrische Element) freigestellt. Es handelt sich dabei um eine FBAR (film bulk acoustic resonator)-Architektur. In diesem Fall wird die akustische Welle an der Oberfläche Elektrode-Luft reflektiert, weshalb die FBAR-Architektur geringe Einfügungsverluste aufweist, was für größere Bandbreiten und für den Empfangspfad im Mobilfiinkgerät günstig ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die volumenakustische Vorrichtung als hochpräziser Timing-Oszillator, in Filterbauelementen für Frequenzen im GHz-Bereich (insbesondere auch >10GHz) oder als gravimetrischer Resonanz-Sensor einsetzbar. Die volumenakustische Vorrichtung kann insbesondere für Hochfrequenz-Systeme, etwa im Mobilfiinkbereich (20GHz-100GHz) oder Radarbereich, eingesetzt werden. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht einer volumenakustischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Figur 2 eine schematische Querschnittsansicht einer volumenakustischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung;
Figur 3 eine schematische Querschnittsansicht einer volumenakustischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung;
Figur 4 eine schematische Querschnittsansicht einer volumenakustischen Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung; und
Figur 5 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer volumenakustischen Vorrichtung gemäß einer Ausfuhrungsform der Erfindung.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
Die dargestellten Figuren sind als beispielhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung zu verstehen. Es sei explizit darauf hingewiesen, dass auch die Kombination verschiedener Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele durchaus im Rahmen dieser Erfindung liegen. Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer volumenakustischen Vorrichtung 100. Die volumenakustische Vorrichtung 100 umfasst ein Substrat 4, auf welchem ein zweiter akustischer Bragg-Reflektor 2a angeordnet ist. Dieser umfasst eine Vielzahl von Teilschichten 21 bis 26 mit abwechselnd hoher und niedriger Schallgeschwindigkeit bzw. akustischer Impedanz. Weiter ist ein erster akustischer Bragg-Reflektor la vorgesehen, welcher ähnlich aufgebaut sein kann.
Der erste Bragg-Reflektor la besteht aus einem elektrisch leitfähigen Material und dient als erste Elektrode und der zweite Bragg-Reflektor 2a besteht ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigen Material und dient als zweite Elektrode.
Zwischen dem zweiten Bragg-Reflektor 2a und dem ersten Bragg-Reflektor la ist ein piezoelektrisches Element 3a angeordnet. Ein über eine erste Zuleitung 6 in den ersten Bragg-Reflektor la bzw. die erste Elektrode eingespeistes erstes elektromagnetisches Signal wird im Betrieb in ein akustisches Signal in dem piezoelektrischen Element 3 umgewandelt. Das akustische Signal wird wiederum in ein zweites elektromagnetisches Signal in dem zweiten Bragg-Reflektor 2a bzw. der zweiten Elektrode rückgewandelt, welches über eine Durchkontaktierung 9 und eine zweite Zuleitung 5 ausgegeben wird, sofern eine akustische Resonanzbedingung erfüllt wird.
Das piezoelektrische Element 3a umfasst zwei im Wesentlichen identische piezoelektrische Schichten 31, 33 mit gleichgerichteter Polarität und eine zwischen den zwei piezoelektrischen Schichten 31, 33 befindliche Zwischenschicht 32a. Akustische Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten 31, 33 und der Zwischenschicht 32a entsprechen jeweils einem ungeradzahligen Vielfachen (Ix, 3x, ...) einer halben akustischen Wellenlänge eines zu transmittierenden akustischen Signals, d.h. einer vorgegebenen akustischen Wellenlänge (entsprechend einer vorgegebenen Durchlassfrequenz der volumenakustischen Vorrichtung). Bevorzugt passen als fundamentale erste Resonanz des piezoelektrischen Elements 3a jeweils eine halbe akustische Wellenlänge der gewünschten Durchlassfrequenz in die piezoelektrischen Schichten 31, 33 und in die Zwischenschicht 32a (vgl. angedeutete Welle). Der erste Bragg -Reflektor la, der zweite Bragg -Reflektor 2a, das piezoelektrische Element 3a und die Durchkontaktierung 9 sind von einem Dielektrikum 7 umgeben. Auf den Zuleitungen 5, 6 und dem Dielektrikum 7 befindet sich eine Passivierschicht 8 zum Schutz vor Umwelteinflüssen.
Beispielsweise kann ein Resonator für eine Resonanzfrequenz von 24GHz im Millimeterwellenfrequenzbereich wie in Tabelle 1 ausgelegt sein.
Figure imgf000012_0001
Tabelle 1
Es soll hier explizit darauf hingewiesen werden, dass eine zusätzliche Zwischenschicht 32a etwa zwischen äußerer piezoelektrischer Schicht 31 und erstem Bragg-Reflektor la und/oder äußerer piezoelektrischer Schicht 33 und zweitem Bragg-Reflektor 2a angeordnet werden kann und dies durchaus im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu sehen ist.
Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren volumenakustischen Vorrichtung 200. Im Unterschied zur in Figur 1 gezeigten volumenakustischen Vorrichtung 100 umfasst das piezoelektrische Element 3b vier parallel polarisierte piezoelektrische Schichten 31, 33, 35, 37, wobei sich zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden piezoelektrischen Schichten 31, 33, 35, 37 eine Zwischenschicht 32a, 34, 36 befindet.
Figur 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren volumenakustischen Vorrichtung 300. Im Unterschied zur in Figur 1 gezeigten volumenakustischen Vorrichtung 100 umfasst das piezoelektrische Element 3c eine Zwischenschicht 32b, welche aus zwei Xa/4- Bragg-Reflektorschichten besteht, wobei Xa die Zielwellenlänge bezeichnet, welche transmittiert werden soll, welche also einer gewünschten Durchlassfrequenz entspricht. Die Dicken der Piezoschichten 31, 33 und der Zwischenschicht 32b sind so gewählt, dass als fundamentale erste Resonanz des Gesamtstapels jeweils eine halbe akustische Wellenlänge der gewünschten Durchlassfrequenz hineinpasst. Die Vorrichtung kann analog wie in Figur 2 dargestellt auch mehr als zwei piezoelektrische Schichten 31, 33 und/oder mehr als eine Zwischenschicht 32b aufweisen.
Es soll hier explizit darauf hingewiesen werden, dass die in diesem Fall zwei Xa/4-Bragg- Reflektorschichten eine anderen Materialpaarung als die begrenzenden äußeren Bragg- Reflektorschichten der Bragg-Reflektoren la und 2a aufweisen können.
Des Weiteren soll darauf hingewiesen werden, dass auch Mischformen aus Figur 2 und 3, d. h. Kombinationen aus Zwischenschichten 32a und 32b in einer Vorrichtung im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen.
Figur 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren volumenakustischen Vorrichtung 400. Im Unterschied zur in Figur 1 gezeigten volumenakustischen Vorrichtung 100 sind hier metallische Elektroden 1b, 2b vorgesehen, welche nicht als Bragg-Reflektor ausgestaltet sind. Die zweite Elektrode 2b ist dabei freigestellt, es ist somit eine Kavität 10 ausgebildet worden. Die Dicke der Elektroden 1b, 2b passt zur Wellenlänge der Durchlassfrequenz. Der Einschluss der akustischen Welle durch Reflexion erfolgt in diesem Falle an den Oberflächen der Elektroden (bzw. Passivierung) zur Umgebungsluft.
Auch hier soll nochmals explizit darauf hingewiesen werden, dass verschiedene Mischformen hinsichtlich der Ausformung von Elektroden (metallischen Elektroden lb/2b bzw. Bragg-Reflektoren la/2a) in einer Vorrichtung miteinander kombiniert werden können und im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen.
Figur 5 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer volumenakustischen Vorrichtung. Insbesondere kann eine der in den Figuren 1 bis 4 gezeigten volumenakustischen Vorrichtungen 100 bis 400 hergestellt werden.
In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird ein Substrat 4 bereitgestellt, etwa aus Silizium.
In einem zweiten Verfahrensschritt S2 werden eine erste Elektrode la, 1b, eine zweite
Elektrode 2a, 2b, und ein zwischen der ersten Elektrode la; 1b und der zweiten Elektrode 2a; 2b angeordnetes piezoelektrisches Element 3a; 3b; 3c auf dem Substrat 4 ausgebildet. Hierzu kann zunächst die zweite Elektrode 2a auf dem Substrat 4 ausgebildet werden.
Anschließend wird das piezoelektrische Element 3a; 3b; 3c auf der zweiten Elektrode 2a, 2b ausgebildet. Schließlich wird die erste Elektrode la, 1b auf dem piezoelektrischen Element 3a; 3b; 3c ausgebildet. Weiter können ein Dielektrikum 7 sowie Zuleitungen 5, 6 und eine Passivierschicht 8 ausgebildet werden.
Das piezoelektrische Element 3a, 3b, 3c wird derart ausgebildet, dass ein in die erste Elektrode la, 1b eingespeistes erstes elektromagnetisches Signal in ein akustisches Signal in dem piezoelektrischen Element 3a, 3b, 3c umgewandelt wird, wobei das akustische
Signal in ein zweites elektromagnetisches Signal in der zweiten Elektrode 2a, 2b rückgewandelt wird. Das piezoelektrische Element 3a, 3b, 3c umfasst mindestens zwei piezoelektrische Schichten 31, 33 (35, 37) mit gleichgerichteter Polarität und mindestens eine zwischen den mindestens zwei piezoelektrischen Schichten 31, 33, 35, 37 befindliche Zwischenschicht 32a (34, 36, 32b). Akustische Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten 31, 33, 35, 37 und der Zwischenschicht 32a, 34, 36; 32b entsprechen jeweils einem ungeradzahligen Vielfachen (Ix, 3x, . . . ) einer halben akustischen Wellenlänge eines zu transmittierenden akustischen Signals.

Claims

Ansprüche
1. Volumenakustische Vorrichtung (100; 200; 300; 400), mit einer ersten Elektrode (la; 1b) und einer zweiten Elektrode (2a; 2b); und einem zwischen der ersten Elektrode (la; 1b) und der zweiten Elektrode (2a; 2b) angeordneten piezoelektrischen Element (3a; 3b; 3c), wobei das piezoelektrische Element (3a; 3b; 3c) derart ausgebildet ist, dass ein in die erste Elektrode (la; 1b) eingespeistes erstes elektromagnetisches Signal in ein akustisches Signal in dem piezoelektrischen Element (3a; 3b; 3c) umgewandelt wird, wobei das akustische Signal in ein zweites elektromagnetisches Signal in der zweiten Elektrode (2a; 2b) rückgewandelt wird; wobei das piezoelektrische Element (3a; 3b; 3c) mindestens zwei piezoelektrische Schichten (31, 33, 35, 37) mit gleichgerichteter Polarität und mindestens eine zwischen den mindestens zwei piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37) befindliche Zwischenschicht (32a, 34, 36; 32b) umfasst; und wobei akustische Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37) und der Zwischenschicht (32a, 34, 36; 32b) jeweils einem ungeradzahligen Vielfachen einer halben akustischen Wellenlänge eines zu transmittierenden akustischen Signals entsprechen.
2. Volumenakustische Vorrichtung (200) nach Anspruch 1, mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37), wobei sich zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37) eine Zwischenschicht (32a, 34, 36; 32b) befindet.
3. Volumenakustische Vorrichtung (300) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Zwischenschicht (32b) aus einer Vielzahl von Teilschichten besteht, und wobei die Summe von akustischen Schichtdicken der Teilschichten einem ungeradzahligen Vielfachen der halben akustischen Wellenlänge des zu transmittierenden akustischen Signals entspricht.
Volumenakustische Vorrichtung (100; 200; 300; 400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die akustischen Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37) und der Zwischenschicht (32a, 34, 36; 32b) jeweils der halben akustischen Wellenlänge des zu transmittierenden akustischen Signals entsprechen. Volumenakustische Vorrichtung (100; 200; 300) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (la) und/oder die zweite Elektrode (2a) als akustischer Bragg-Reflektor ausgebildet sind. Volumenakustische Vorrichtung (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrode (la; 1b) und/oder zweite Elektrode (2a; 2b) freigestellt sind. Verfahren zum Herstellen einer volumenakustischen Vorrichtung (100; 200; 300; 400), mit den Schritten:
Bereitstellen (Sl) eines Substrats (4); und
Ausbilden (S2) einer ersten Elektrode (la; 1b), einer zweiten Elektrode (2a; 2b), und eines zwischen der ersten Elektrode (la; 1b) und der zweiten Elektrode (2a; 2b) angeordneten piezoelektrischen Elements (3a; 3b; 3c) auf dem Substrat (4), wobei das piezoelektrische Element (3a; 3b; 3c) derart ausgebildet wird, dass ein in die erste Elektrode (la; 1b) eingespeistes erstes elektromagnetisches Signal in ein akustisches Signal in dem piezoelektrischen Element (3a; 3b; 3c) umgewandelt wird, wobei das akustische Signal in ein zweites elektromagnetisches Signal in der zweiten Elektrode (2a; 2b) rückgewandelt wird; wobei das piezoelektrische Element (3a; 3b; 3c) mindestens zwei piezoelektrische Schichten (31, 33, 35, 37) mit gleichgerichteter Polarität und mindestens eine zwischen den mindestens zwei piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37) befindliche Zwischenschicht (32a, 34, 36; 32b) umfasst; und wobei akustische Schichtdicken der piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37) und der Zwischenschicht (32a, 34, 36; 32b) jeweils einem ungeradzahligen
Vielfachen einer halben akustischen Wellenlänge eines zu transmittierenden akustischen Signals entsprechen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Vielzahl von piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37) ausgebildet wird, wobei sich zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden piezoelektrischen Schichten (31, 33, 35, 37) eine Zwischenschicht (32a, 34, 36; 32b) befindet.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die mindestens eine Zwischenschicht (32b) aus einer Vielzahl von Teilschichten ausgebildet wird, wobei die Summe von akustischen Schichtdicken der Teilschichten einem ungeradzahligen Vielfachen der halben akustischen Wellenlänge des zu transmittierenden akustischen Signals entspricht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die erste Elektrode (la; 1b) und/oder zweite Elektrode (2a; 2b) freigestellt werden.
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