DE102007012384A1

DE102007012384A1 - Mit geführten akustischen Wellen arbeitendes Bauelement und Verfahren zur Herstellung des Bauelements

Info

Publication number: DE102007012384A1
Application number: DE102007012384A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. Ruile; Ulrike Dr. Rösler; Markus Dr. Hauser
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2007-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2008-09-18

Abstract

Es wird ein mit geführten akustischen Wellen arbeitendes Bauelement mit einem wellenleitenden Schichtsystem (10) angegeben. Das Schichtsystem weist eine piezoelektrische Schicht (1), eine erste dielektrische Schicht (21), eine an die erste dielektrische Schicht (21) angrenzende zweite dielektrische Schicht (22) sowie eine zwischen der piezoelektrischen Schicht und der ersten dielektrischen Schicht eingeschlossene elektrisch leitfähige Schicht (36) auf. Die erste und die zweite dielektrische Schicht weisen das Material mit der gleichen chemischen Zusammensetzung auf. Die aktustische Güte der ersten dielektrischen Schicht ist höher als diejenige der zweiten dielektrischen Schicht. Die akustische Güte der ersten dielektrischen Schicht ist vorzugsweise um mindestens 20% höher als diejenige der zweiten dielektrischen Schicht.

Description

Es wird ein elektroakustisches Bauelement, insbesondere ein mit GBAW arbeitendes Bauelement angegeben. GBAW steht für Guided Bulk Acoustic Wave, d. h. eine geführte akustische Volumenwelle. Die geführten akustischen Volumenwellen werden auch „boundary acoustic waves" genannt. Mit geführten Volumenwellen arbeitende Bauelemente sind z. B. aus der Druckschrift US 2006/0138902 A1 bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein mit geführten akustischen Wellen arbeitendes Bauelement anzugeben, das kostengünstig hergestellt werden kann, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Bauelements.
Es wird ein mit geführten akustischen Wellen arbeitendes Bauelement mit einem wellenleitenden Schichtsystem angegeben. Das Schichtsystem weist eine piezoelektrische Schicht, eine erste dielektrische Schicht, eine an die erste dielektrische Schicht angrenzende zweite dielektrische Schicht sowie eine zwischen der piezoelektrischen Schicht und der ersten dielektrischen Schicht eingeschlossene elektrisch leitfähige Schicht auf. Die erste und die zweite dielektrische Schicht weisen ein Material mit der gleichen chemischen Zusammensetzung auf oder bestehen beide aus einem Material mit gleicher chemischer Zusammensetzung. Die akustische Güte der ersten dielektrischen Schicht ist höher als diejenige der zweiten dielektrischen Schicht. Die akustische Güte der ersten dielektrischen Schicht ist vorzugsweise um mindestens 20% höher als diejenige der zweiten dielektrischen Schicht.
Das Schichtsystem ist zur Anregung einer akustischen Welle und zur Leitung dieser Welle parallel zu den Schichten des Schichtsystems geeignet. Der vertikale Aufbau des Schichtsystems ist einem Wellenleiter ähnlich. Die dielektrische Schicht bildet vorzugsweise die Schicht mit der niedrigsten akustischen Geschwindigkeit. Dies bedeutet, dass die akustische Geschwindigkeit der relevanten Wellenmode in der dielektrischen Schicht kleiner ist als in den an sie angrenzenden Schichten.
Die elektrisch leitfähige Schicht weist Elektroden und Kontaktflächen auf. Ineinander greifende, streifenförmige Elektroden sind Bestandteil elektroakustischer Wandler, in denen die Welle angeregt und geführt wird. Weitere streifenförmige Elektroden können akustische Reflektoren bilden. Die Kontaktflächen sind mit den Wandlern leitend verbunden.
Die erste und die zweite dielektrische Schicht enthalten vorzugsweise beide Siliziumdioxid.
Die erste dielektrische Schicht zeichnet sich durch eine hohe akustische Qualität aus. Um eine derart hochqualitative Schicht erzeugen zu können, ist in der Regel eine besonders geringe Abscheidungsrate notwendig, was zur Erzeugung von Schichten in einer Dicke, die mehrere Mikrometer beträgt, im Hinblick auf einen hohen Zeitaufwand ungünstig sein kann. Die zweite dielektrische Schicht wird daher mit einer höheren Rate, dafür allerdings mit einer niedrigeren Qualität aufgetragen. Die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht ist vorzugsweise größer als diejenige der ersten dielektrischen Schicht.
Die Gesamtdicke der ersten und zweiten dielektrischen Schicht beträgt vorzugsweise mindestens 5 Mikrometer oder mindestens anderthalb Wellenlängen der im Schichtsystem bei einer Durchlassfrequenz des Bauelements ausbreitungsfähigen akustischen Welle.
Als piezoelektrisches Material ist z. B. LiTaO₃ oder LiNbO₃ geeignet.
Das Schichtsystem ist in einer Variante mit einer Deckschicht fest verbunden. In einer Variante ist die zweite dielektrische Schicht zwischen der ersten dielektrischen Schicht und der Deckschicht angeordnet. In einer weiteren Variante ist zwischen der ersten dielektrischen Schicht und der Deckschicht die piezoelektrische Schicht angeordnet.
Als Deckschicht ist Silizium, Glas oder ein anderes, vorzugsweise dielektrisches, in einer Variante optisch transparentes Material geeignet. Auch ein Keramiksubstrat kann als Deckschicht verwendet werden, beispielsweise falls die Deckschicht als Trägersubstrat vorgesehen ist.
Ein mit geführten akustischen Wellen arbeitendes Bauelement kann beispielsweise in einem Verfahren mit den folgenden Schritten hergestellt werden. Auf einem Substrat, das zumindest eine piezoelektrische Schicht aufweist, wird eine strukturierte elektrisch leitfähige Schicht mit Elektroden und Kontaktflächen erzeugt. Auf das Substrat mit der leitfähigen Schicht wird zur Erzeugung einer ersten dielektrischen Schicht ein dielektrisches Material mit einer ersten Abscheidungsrate aufgetragen. Das gleiche dielektrische Material wird zur Erzeugung einer zweiten dielektrischen Schicht auf die erste dielektrische Schicht mit einer zweiten Abschei dungsrate aufgetragen. Die zweite Abscheidungsrate ist höher als die erste Abscheidungsrate. Die zweite Abscheidungsrate kann die erste Abscheidungsrate um mindestens einen Faktor zwei übersteigen. Das Verhältnis der Abscheidungsraten kann auch mindestens einen Faktor drei, in einer vorteilhaften Variante mindestens einen Faktor fünf betragen.
Die erste dielektrische Schicht wird beispielsweise durch Physical Vapor Deposition erzeugt. Beispielsweise ist Sputtern möglich. Sputtern erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 60°C und 80°C.
Die erste dielektrische Schicht kann aber auch durch Chemical Vapor Deposition (CVD) erzeugt werden. Gemäß einer Variante kann ein Plasma Enhanced CVD Verfahren verwendet werden.
Die zweite dielektrische Schicht kann im Prinzip im gleichen Verfahren, allerdings mit einer höheren Rate erzeugt werden. Sie kann auch in einem anderen Verfahren erzeugt werden.
Die in Zusammenhang mit der ersten dielektrischen Schicht genannten Verfahren kommen auch zur Erzeugung der zweiten dielektrischen Schicht in Betracht. Zusätzlich ist Aufdampfen oder Abscheidung mittels eines Spin-On Verfahrens möglich. Im Prinzip sind für die Erzeugung der zweiten dielektrischen Schicht alle Verfahren geeignet, in denen eine besonders hohe Abscheidungsrate erzielt werden kann. Die Erhöhung der Abscheidungsrate kann beispielsweise in einem CVD Verfahren durch den Einsatz von Plasma erzielt werden.
Die zweite dielektrische Schicht kann in einer Variante aus einem Glasnebel erzeugt werden. Das dielektrische Material, vorzugsweise Glas oder Siliziumdioxid, wird in einer Vakuum- Kammer auf ca. 2000°C erhitzt, so dass ein Glasnebel entsteht. Der Glasnebel kühlt bis zu 120°C oder weniger ab und kondensiert auf einem Substrat, das die piezoelektrische Schicht, die elektrisch leitfähige Schicht und die erste dielektrische Schicht umfasst.
Die Temperatur, bei der die zweite dielektrische Schicht erzeugt wird, beträgt vorzugsweise maximal 120°C, beispielsweise damit die Mikrostruktur einer darunter liegenden Fotolackschicht nicht beschädigt wird.
In einer Variante des Verfahrens wird auf der elektrisch leitfähigen Schicht vor dem Auftragen der ersten dielektrischen Schicht eine strukturierte Fotolackschicht oder eine andere Maske erzeugt. Durch Strukturen der Fotolackschicht werden beispielsweise als Kontaktflächen vorgesehene, später freizulegende Bereiche der elektrisch leitfähigen Schicht abgedeckt. Die Fotolackschicht kann vor oder nach dem Erzeugen der zweiten dielektrischen Schicht entfernt werden. Gleichzeitig wird dabei das auf der Fotolackschicht angeordnete Material abgehoben (Lift-Off Prozess). In einer Variante kann nach dem Erzeugen der jeweiligen dielektrischen Schicht ein Lift-Off Prozess zur Strukturierung dieser Schichten durchgeführt werden.
Alternativ besteht die Möglichkeit, die freizulegenden Bereiche durch Ätzen freizulegen. In einer Verfahrensvariante wird zu diesem Zweck die erste dielektrische Schicht noch vor dem Auftragen der zweiten dielektrischen Schicht geätzt. Die zweite dielektrische Schicht wird aufgetragen und dann geätzt. Möglich ist aber auch, erst nach dem Abscheiden der zweiten dielektrischen Schicht durch die beiden dielektrischen Schichten zu ätzen.
Beim jeweiligen Ätzverfahren kann eine Maske verwendet werden, damit nur in den vorgesehenen Bereichen geätzt wird. Auf eine Maske kann auch verzichtet werden, was insbesondere bei Chemical Mechanical Polishing (CMP) Verfahren in Betracht kommt. Ein CMP Verfahren kann insbesondere nach dem Erzeugen der zweiten dielektrischen Schicht stattfinden. Dabei wird die Oberfläche der zweiten dielektrischen Schicht geglättet, um sie beispielsweise für die Verbindung mit der Deckschicht mittels eines Wafer-Bondings vorzubereiten.
Im Folgenden wird das Verfahren zur Herstellung des angegebenen Bauelements anhand von schematischen und nicht maßstabgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen:
1A das Schichtsystem nach der Erzeugung der ersten dielektrischen Schicht vor der Erzeugung der zweiten dielektrischen Schicht;
1B das Schichtsystem nach der Erzeugung der zweiten dielektrischen Schicht;
1C das Schichtsystem mit Durchkontaktierungen zwischen Kontaktflächen und auf der Oberfläche des Schichtsystems angeordneten elektrischen Kontakten;
2 das mit einer Deckschicht verbundene Schichtsystem, wobei die Deckschicht auf der dielektrischen Schicht angeordnet ist;
3A das Schichtsystem mit freigelegten Kontaktflächen vor der Erzeugung der zweiten dielektrischen Schicht;
3B das Schichtsystem gemäß der 3A mit der zweiten dielektrischen Schicht, die geätzt wird;
3C das Schichtsystem gemäß der 3B nach dem Ätzen;
4 das mit einer Deckschicht verbundene Schichtsystem, wobei die piezoelektrische Schicht auf der Deckschicht angeordnet ist.
In den 1A bis 1C ist eine erste Variante des Verfahrens erläutert.
Auf dem piezoelektrischen Substrat 1 wird eine elektrisch leitfähige Schicht erzeugt, in der Elektroden 3 und Kontaktflächen 6 ausgebildet sind. Danach wird auf dem Substrat 1 mit der leitfähigen Schicht eine erste dielektrische Schicht 21 erzeugt (1A). Die Dicke der Schicht 21 beträgt vorzugsweise maximal eine Wellenlänge.
Auf der ersten dielektrischen Schicht 21 wird eine zweite dielektrische Schicht 22 erzeugt (1B). Somit wird ein zur Leitung akustischer Welle geeignetes Schichtsystem 10 bereitgestellt.
Zur Erzeugung von Durchkontaktierungen 73 werden in den Schichten 21, 22 Öffnungen erzeugt und mit elektrisch leitfähigem Material zumindest teilweise gefüllt.
Auf der Oberfläche des Schichtsystems 10, in der 1C auf der zwischen dielektrischen Schicht 22, werden elektrische Kontakte 74 erzeugt. Die elektrischen Kontakte 74 sind mit den Kontaktflächen 6 mittels Durchkontaktierungen 73 verbunden.
In der 2 ist eine Variante des Bauelements gezeigt, bei der das Schichtsystem mit einer Deckschicht 4 verbunden ist. Die Deckschicht 4 ist hier auf der zweiten dielektrischen Schicht 22 angeordnet. Die elektrischen Kontakte 74 werden auf der Oberfläche der Deckschicht 4 erzeugt.
In den 3A bis 3C ist eine zweite Variante des Verfahrens erläutert.
In diesem Fall werden die Kontaktflächen 6 vor der Erzeugung der zweiten dielektrischen Schicht 22 freigelegt (3A). Zu diesem Zweck werden in der ersten dielektrischen Schicht 21 Öffnungen 71 geätzt. Nach dem Auftragen der zweiten dielektrischen Schicht 22 wird nochmals geätzt. In der in 3B vorgestellten Variante wird großflächig geätzt, d. h. eine Maske wird nicht verwendet. Vorzugsweise wird dabei u. a. ein CMP-Verfahren angewandt. Auf diese Weise werden in einem durch die dielektrischen Schichten 21, 22 gebildeten Verbund Öffnungen 72 zur Kontaktierung der Kontaktflächen 6 erzeugt.
4 zeigt eine weitere Variante des mit GBAW arbeitenden Bauelements. In diesem Fall ist die Deckschicht unterhalb des Schichtsystems 10 angeordnet. Die piezoelektrische Schicht 1 ist auf der Deckschicht 4 angeordnet. Die piezoelektrische Schicht 1 kann auf der als Wachstumssubstrat vorgesehenen Deckschicht 4 erzeugt werden. Alternativ kann die Deckschicht 4 mit einem bereitgestellten Schichtsystem 10 fest verbunden werden.
In allen Varianten kann die piezoelektrische Schicht 1 als eine dünne Schicht, deren Dicke nur wenige – z. B. maximal fünf – Wellenlängen beträgt, ausgebildet werden. Die Dicke der piezoelektrischen Schicht 1 beträgt vorzugsweise mindestens eine halbe Wellenlänge. Die piezoelektrische Schicht 1 ist dann vorzugsweise auf einem nicht piezoelektrischen Trägersubstrat angeordnet. Eine hoch strukturierte piezoelektrische Schicht 1 kann auf einem Wachstumssubstrat mit einer geeigneten Oberfläche erzeugt werden. Die piezoelektrische Schicht 1 kann aber auch einkristallin, d. h. als ein ggf. abgedünntes piezoelektrisches Substrat, ausgebildet sein.
Das Verfahren ist auf die angegebenen Verfahrensschritte nicht beschränkt. Weiterbildungen des Bauelements sind vorgesehen. Beispielsweise kann die zweite dielektrische Schicht an eine akustische dämpfende Schicht angrenzen. In der in 2 gezeigten Variante weist dann die Deckschicht 4 akustisch dämpfende Eigenschaften auf. In den Varianten gemäß den 1C und 4 kann auf die Oberfläche der Schicht 22 eine akustisch dämpfende Vergussmasse aufgetragen werden. Das akustisch dämpfende Material weist stets eine geringere Steifigkeit als die zweite dielektrische Schicht 22 auf.

1: piezoelektrische Schicht
10: Schichtsystem
21: erste dielektrische Schicht
22: zweite dielektrische Schicht
3: Elektroden
4: Deckschicht
6: Kontaktfläche
71, 72: Öffnung
73: Durchkontaktierung
74: elektrischer Kontakt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2006/0138902 A1 [0001]

Claims

Mit geführten akustischen Wellen arbeitendes Bauelement – mit einem wellenleitenden Schichtsystem (10), das eine piezoelektrische Schicht (1), eine erste dielektrische Schicht (21), eine an die erste dielektrische Schicht (21) angrenzende zweite dielektrische Schicht (22) sowie eine zwischen der piezoelektrischen Schicht und der ersten dielektrischen Schicht eingeschlossene elektrisch leitfähige Schicht (36) aufweist, – wobei die erste und die zweite dielektrische Schicht (21, 22) ein Material mit der gleichen chemischen Zusammensetzung aufweisen, – wobei die akustische Güte der ersten dielektrischen Schicht (21) höher ist als diejenige der zweiten dielektrischen Schicht (22).
Bauelement nach Anspruch 1, – wobei die elektrisch leitfähige Schicht (36) Elektroden (3) und Kontaktflächen (6) aufweist.
Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, – wobei die erste und die zweite dielektrische Schicht (21, 22) Siliziumdioxid enthalten.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, – wobei die Dicke der zweiten dielektrischen Schicht größer ist als diejenige der ersten dielektrischen Schicht.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, – wobei die Gesamtdicke der ersten und zweiten dielektrischen Schicht mindestens 5 Mikrometer beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, – wobei die Gesamtdicke der ersten und zweiten dielektrischen Schicht mindestens anderthalb Wellenlängen beträgt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, – wobei die akustische Güte der ersten dielektrischen Schicht (21) um mindestens 20% höher ist als diejenige der zweiten dielektrischen Schicht (22).
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, – wobei das Schichtsystem (10) mit einer Deckschicht (4) fest verbunden ist.
Bauelement nach Anspruch 8, – wobei die zweite dielektrische Schicht (22) zwischen der ersten dielektrischen Schicht (21) und der Deckschicht (4) angeordnet ist.
Bauelement nach Anspruch 8, – wobei die piezoelektrische Schicht (1) zwischen der ersten dielektrischen Schicht (21) und der Deckschicht (4) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines mit geführten akustischen Wellen arbeitenden Bauelements, mit den Schritten: – auf einem Substrat, das eine piezoelektrische Schicht (1) umfasst, wird eine strukturierte elektrisch leitfähige Schicht mit Elektroden (3) und Kontaktflächen (6) erzeugt, – auf das Substrat mit der leitfähigen Schicht wird zur Erzeugung einer ersten dielektrischen Schicht (21) ein dielektrisches Material mit einer ersten Abscheidungsrate aufgetragen, – das dielektrische Material wird zur Erzeugung einer zweiten dielektrischen Schicht (22) auf die erste dielektrische Schicht mit einer zweiten Abscheidungsrate aufgetragen, – wobei die zweite Abscheidungsrate höher als die erste Abscheidungsrate ist.
Verfahren nach Anspruch 11, – wobei die erste dielektrische Schicht (21) durch Physical Vapor Deposition erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, – wobei die erste dielektrische Schicht (21) durch Chemical Vapor Deposition erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, – wobei die zweite dielektrische Schicht (22) durch Chemical Vapor Deposition erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, – wobei die zweite dielektrische Schicht (22) durch Aufdampfen des dielektrischen Materials erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, – wobei die zweite dielektrische Schicht (22) mittels eines Spin-On Verfahrens erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, – wobei die Temperatur, bei der die zweite dielektrische Schicht erzeugt wird, maximal 120°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, – wobei die zweite Abscheidungsrate um mindestens einen Faktor zwei höher als die erste Abscheidungsrate ist.