DE102022117507A1 - Material system for the production of electrodes in microacoustic components and/or antennas - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrotechnik und betrifft ein Materialsystem, das beispielsweise für Filterbauelemente zum Einsatz kommen kann.Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Materialsystem anzugeben, dessen RuAI-basierte Elektroden für einen sehr breiten Temperaturbereich von 4 bis 1400 K anwendbar sind.Gelöst wird die Aufgabe durch ein Materialsystem, welchesa) mindestens zwei Schichten enthält, wobei eine Schicht aus Ru(100At.-%)-xAlxmit x = 5 - 80 At.-% und die zweite Schicht Al, Ru, Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh und/oder Pd enthält, oderb) mindestens eine Schicht enthält, die RuyM(100At.-%)-yAlxmit M = Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh und/oder Pd, und mit y ≥ 50 bis < 100 At.-% und mit x = 5 - 80 At.-% enthält, und aus dem Elektroden in mikroakustischen Bauelementen und/oder Antennen mittels thermischer Konditionierung hergestellt sind.The invention relates to the field of electrical engineering and relates to a material system that can be used, for example, for filter components. The object of the present invention is to specify a material system whose RuAI-based electrodes can be used for a very wide temperature range from 4 to 1400 K The problem is solved by a material system which a) contains at least two layers, one layer being made of Ru(100 at.%)-xAlxwith x = 5 - 80 at.% and the second layer being Al, Ru, Cu, Ti , Ta, Ni, Pt, Ir, Rh and/or Pd, orb) contains at least one layer which contains RuyM(100at%)-yAlxwith M=Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh and/or or Pd, and with y ≥ 50 to <100 at.-% and with x = 5 - 80 at.-%, and from which electrodes in microacoustic components and / or antennas are made by means of thermal conditioning.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Elektrotechnik und Akustoelektronik und betrifft ein Materialsystem für die Herstellung von Elektroden in mikroakustischen Bauelementen und/oder Antennen, die beispielsweise als Filterbauelemente in mobilen Telefonen, als Sensoren oder als Aktoren oder als Antennen oder in Resonatoren oder Verzögerungsleitungen zum Einsatz kommen können.The invention relates to the field of electrical engineering and acoustoelectronics and relates to a material system for the production of electrodes in microacoustic components and/or antennas, which are used, for example, as filter components in mobile telephones, as sensors or as actuators or as antennas or in resonators or delay lines can be used.
Als mikroakustische Bauelemente werden dabei vielfach SAW(surface acustic wave)-Bauelemente eingesetzt.
Ein SAW-Bauelement besteht im Allgemeinen aus einem piezoelektrischen Einkristall, auf dem mindestens ein aus einem Paar kammförmig ineinandergreifender Elektroden (werden auch als Finger bezeichnet) bestehender Interdigital-Wandler (interdigital transducer, kurz IDT genannt) aufgebracht ist, der mit Hilfe von Strukturierungsverfahren in Planartechnologie (z.B. Nass- oder Trockenätzverfahren oder Lift-Off-Technik) hergestellt wird (Wikipedia, Stichwort Akustische-Oberflächenwellen-Filter). Je nach Typ und Funktion des SAW-Bauelements können auch noch weitere Elektrodenstrukturen, beispielsweise weitere IDT und/oder aus einzelnen oder Gruppen von Elektrodenstreifen gebildete Reflektoren, mit auf dem piezoelektrischen Substrat aufgebracht sein.SAW (surface acoustic wave) components are often used as microacoustic components.
A SAW component generally consists of a piezoelectric single crystal, on which at least one interdigital transducer (interdigital transducer, or IDT for short) consisting of a pair of comb-shaped interlocking electrodes (also referred to as fingers) is applied, which is formed using structuring methods in Planar technology (e.g. wet or dry etching process or lift-off technology) is produced (Wikipedia, keyword surface acoustic wave filter). Depending on the type and function of the SAW component, additional electrode structures, for example additional IDTs and/or reflectors formed from individual or groups of electrode strips, can also be applied to the piezoelectric substrate.
Derartige SAW-Bauelemente, insbesondere als Sensoren, sind in den letzten Jahren zunehmend auch für Hochtemperaturanwendungen eingesetzt worden.
Jedoch ist dafür der Einsatz von Materialsystemen insbesondere für die Elektroden erforderlich, die eine hohe thermomechanische Stabilität, einen niedrigen elektrischen Widerstand und eine hohe Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen.Such SAW components, particularly as sensors, have increasingly been used for high-temperature applications in recent years.
However, this requires the use of material systems, especially for the electrodes, that have high thermomechanical stability, low electrical resistance and high oxidation and corrosion resistance.
Dazu wurden in den letzten Jahren verschiedene Metallisierungssysteme für Elektroden auf piezoelektrischen Substraten auf ihre Hochtemperaturstabilität hin untersucht, z. B. Pt- oder Ir-basierte Materialien (
Ein weiteres alternatives Material für hochtemperaturstabile Elektroden ist eine RuAI-Legierung mit ihrer hohen Schmelztemperatur von 2050 °C (
Daher wurde in den letzten Jahren die Hochtemperaturstabilität von RuAI-Dünnschichten auf hochtemperaturstabilen piezoelektrischen Ca3TaGa3Si2O14-(CTGS) sowie La3Ga5SiO14-(LGS)Substraten untersucht. Die Experimente zeigten, dass eine Oxidationsbarriere zwischen den Substraten und der RuAI-Schicht erforderlich war, um eine chemische Reaktion zwischen dem Al und dem CTGS oder LGS zu verhindern, wenn die Proben bei 800 °C im Hochvakuum (HV) geglüht wurden (
Diese Reaktion konnte aber unterdrückt werden, wenn eine 10 nm dicke gesputterte SiO2-Schicht auf das Substrat aufgebracht wurde (
Ausgehend von diesen Untersuchungen wurde auch die Oxidationsbeständigkeit von RuAI-Dünnschichten untersucht und festgestellt, dass eine kombinierte Sperrschicht aus 20 nm AIN und 20 nm SiO2 in der Lage ist, die Oxidation der RuAI-Schicht auf CTGS bis zu 800 °C in Luft und 900 °C in HV zu verhindern. Auf LGS werden stabile Schichten bis zu 600 °C in Luft und 900 °C in HV realisiert. Diese Ergebnisse zeigen einen wichtigen Fortschritt bei der Realisierung von Materialsystemen für Elektroden für SAW-Bauelemente für Hochtemperaturanwendungen (Seifert, M.: Materials 2020, 13, 1605).Therefore, in recent years, the high-temperature stability of RuAl thin films on high-temperature stable piezoelectric Ca 3 TaGa 3 Si 2 O 14 (CTGS) and La 3 Ga 5 SiO 14 (LGS) substrates has been investigated. The experiments showed that an oxidation barrier was required between the substrates and the RuAl layer to prevent a chemical reaction between the Al and the CTGS or LGS when the samples were annealed at 800 °C in high vacuum (HV) (
However, this reaction could be suppressed if a 10 nm thick sputtered SiO 2 layer was applied to the substrate (
Based on these studies, the oxidation resistance of RuAI thin films was also investigated and it was found that a combined barrier layer of 20 nm AIN and 20 nm SiO 2 is able to prevent the oxidation of the RuAI layer on CTGS up to 800 ° C in air and To prevent 900 °C in HV. Stable layers up to 600 °C in air and 900 °C in HV are realized on LGS. These results show important progress in the realization of material systems for electrodes for SAW devices for high-temperature applications (Seifert, M.: Materials 2020, 13, 1605).
Nachteilig bei den bekannten Lösungen des Stands der Technik ist, dass die entwickelten RuAI-basierten Materialsysteme für Elektroden von SAW-Bauelementen nicht für sehr hohe Temperaturen und gleichzeitig für einen sehr breiten Temperaturbereich ab 4 K in den bekannten Zusammensetzungen anwendbar sind.The disadvantage of the known solutions of the prior art is that the developed RuAl-based material systems for electrodes of SAW components cannot be used for very high temperatures and at the same time for a very wide temperature range from 4 K in the known compositions.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Materialsystem für die Herstellung von Elektroden in mikroakustischen Bauelementen und/oder Antennen anzugeben, dessen RuAI-basierte Elektroden für einen sehr breiten Temperaturbereich von 4 bis 1400 K anwendbar sind.The object of the present invention is to provide a material system for the production of electrodes in microacoustic components and/or antennas, whose RuAI-based electrodes can be used for a very wide temperature range from 4 to 1400 K.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Ansprüche im Sinne einer und-Verknüpfung einschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.The task is solved by the invention specified in the claims. Advantageous refinements are the subject of the subclaims, with the invention also including combinations of the individual dependent claims in the sense of an and combination, as long as they are not mutually exclusive.
Das erfindungsgemäße Materialsystem für die Herstellung von Elektroden in mikroakustischen Bauelementen und/oder Antennen enthält
- a) mindestens zwei Schichten in einem Schichtstapel, von denen eine Schicht mindestens überwiegend ein Gefüge aus einem Material der Formel Ru(100At.-%)-x Alx mit x = 5 - 80 At.-% aufweist, und die zweite Schicht mindestens überwiegend Al, Ru, Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh und/oder Pd enthält,
- b) mindestens eine Schicht in einem Schichtstapel, die mindestens überwiegend ein Gefüge aus einem Material der Formel Ruy M(100At.-%)-yAlx mit M = Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh und/oder Pd, und mit y ≥ 50 bis < 100 At.-% und mit x = 5 - 80 At.-% aufweist, und aus dem Elektroden in mikroakustischen Bauelementen und/oder Antennen mittels thermischer Konditionierung hergestellt sind.
- a) at least two layers in a layer stack, one layer of which at least predominantly has a structure made of a material of the formula Ru (100 at.-%)-x Al x with x = 5 - 80 at.-%, and the second layer at least predominantly contains Al, Ru, Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh and/or Pd,
- b) at least one layer in a layer stack, which at least predominantly has a structure made of a material of the formula Ru y M (100 at.-%)-y Al x with M = Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh and / or Pd, and with y ≥ 50 to <100 at.-% and with x = 5 - 80 at.-%, and from which electrodes in microacoustic components and / or antennas are made by means of thermal conditioning.
Vorteilhafterweise sind im Schichtstapel eine oder mehrere zusätzliche Schichten als Barriereschichten, Deckschichten, Haftschichten oder Schutzschichten aus Oxiden, Nitriden, Carbiden, vorteilhafterweise aus SiO2, Al2O3, Si3N4, SiAlON, TiN, AIN und/oder SiC, vorhanden.Advantageously, one or more additional layers are present in the layer stack as barrier layers, cover layers, adhesive layers or protective layers made of oxides, nitrides, carbides, advantageously made of SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , SiAlON, TiN, AlN and/or SiC .
Ebenfalls vorteilhafterweise ist auf einem piezoelektrischen Substrat und/oder auf einer piezoelektrischen Schicht auf einem nichtpiezoelektrischen Substrat und/oder auf einem nichtpiezoelektrischen Substrat auf einer piezoelektrischen Schicht mindestens ein mikroakustisches Bauelement mit Elektroden und/oder Antennen angeordnet, die aus einem Schichtstapel bestehen, der
- a) mindestens zwei Schichten in einem Schichtstapel enthält, von denen eine Schicht mindestens überwiegend ein Gefüge aus einem Material der Formel Ru(100At.-%)-xAlx mit x = 5 - 80 At.-% aufweist, und die zweite Schicht mindestens überwiegend Al, Ru, Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh und/oder Pd enthält,
- b) mindestens eine Schicht in einem Schichtstapel enthält, die mindestens überwiegend ein Gefüge aus einem Material der Formel RuyM(100At.-%)-yAlx mit M = Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh und/oder Pd, und mit y ≥ 50 bis < 100 At.-% und mit x = 5 - 80 At.- % aufweist, und weitere AIN-Schichten und/oder SiO2-Schichten als Barriereschichten zum Substrat und/oder als Deckschichten vorhanden sind.
- a) contains at least two layers in a layer stack, one layer of which at least predominantly has a structure made of a material of the formula Ru (100 at.-%) - x Al x with x = 5 - 80 at.-%, and the second layer contains at least predominantly Al, Ru, Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh and/or Pd,
- b) contains at least one layer in a layer stack, which at least predominantly has a structure made of a material of the formula Ru y M (100 at.-%)-y Al x with M = Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh and /or Pd, and with y ≥ 50 to <100 at.-% and with x = 5 - 80 at.-%, and further AlN layers and/or SiO 2 layers as barrier layers to the substrate and/or as cover layers available.
Weiterhin vorteilhafterweise sind die Schichten oder Schichtstapel auf einem Substrat angeordnet, welches in Form eines Wafers, einer Platte oder einer Folie oder eines Mikrochips vorliegt, und das Substrat
- - aus Glas/Gläsern/Keramik/Keramiken, wie SiO2, Al2O3, Si3N4, TiN, SiN, Borsilikatglas, oder
- - aus Piezoelektrika, wie Quarz, LiNbO3, black-LiNbO3, yellow-black LiNbO3, LiTaO3, AIN, Sc-AlN, ZnO, CTGS, Langasit, Galliumorthophosphat, oder
- - aus Metallen/Metalllegierungen, wie Al, Cu, Ti, Ta, TiAl, CuTi, oder
- - aus Halbleitern, wie Si, GaAs, InAs, GaN, oder
- - aus Kombinationen dieser Materialien besteht
- - made of glass/glasses/ceramics / ceramics, such as SiO2 , Al2O3 , Si3N4 , TiN, SiN, borosilicate glass, or
- - from piezoelectrics, such as quartz, LiNbO 3 , black-LiNbO 3 , yellow-black LiNbO 3 , LiTaO 3 , Alin, Sc-AlN, ZnO, CTGS, langasite, gallium orthophosphate, or
- - made of metals/metal alloys such as Al, Cu, Ti, Ta, TiAl, CuTi, or
- - made of semiconductors such as Si, GaAs, InAs, GaN, or
- - consists of combinations of these materials
Und auch vorteilhafterweise sind weiterhin eine oder mehrere AIN-Schichten und/oder SiO2-Schichten im Schichtstapel vorhanden.And also advantageously, one or more AlN layers and/or SiO 2 layers are also present in the layer stack.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Dicke der Metallisierung des Schichtstapels für Elektroden 40 bis 900 nm und die Dicke des Schichtstapels für Antennen 5 bis 100 µm beträgt.It is also advantageous if the thickness of the metallization of the layer stack for electrodes is 40 to 900 nm and the thickness of the layer stack for antennas is 5 to 100 μm.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Elektroden in mikroakustischen Bauelementen mit diesem Materialsystem in einem Temperaturbereich der Betriebstemperatur von 4 bis 1400 K anwendbar sind.It is also advantageous if the electrodes in microacoustic components with this material system can be used in an operating temperature range of 4 to 1400 K.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn Antennen unabhängig von Elektroden auf einem Substrat angeordnet sind.It is also advantageous if antennas are arranged on a substrate independently of electrodes.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Elektroden in mikroakustischen Bauelementen und/oder Antennen mittels thermischer Konditionierung bei einer Temperatur zwischen 800 und 1400 K für eine Zeitdauer von 10 bis 50 h, vorteilhafterweise 10 bis 20 h hergestellt sind.It is also advantageous if the electrodes in microacoustic components and/or antennas are produced by thermal conditioning at a temperature between 800 and 1400 K for a period of 10 to 50 hours, advantageously 10 to 20 hours.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es erstmals möglich, ein Materialsystem für die Herstellung von Elektroden in mikroakustischen Bauelementen und/oder Antennen anzugeben, dessen RuAI-basierte Elektroden für einen sehr breiten Temperaturbereich von 4 bis 1400 K anwendbar sind.With the present invention it is possible for the first time to specify a material system for the production of electrodes in microacoustic components and/or antennas, whose RuAI-based electrodes can be used for a very wide temperature range from 4 to 1400 K.
Erreicht wird dies durch ein Materialsystem für die Herstellung von Elektroden in mikroakustischen Bauelementen und Antennen, welches entweder mindestens zwei Schichten in einem Schichtstapel enthält, wobei mindestens eine Schicht mindestens überwiegend ein Gefüge aus einem Material der Formel Ru(100At.-%)-xAlx mit x = 5 - 80 At.-% aufweist und die zweite Schicht mindestens überwiegend Al, Ru, Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh und/oder Pd enthält.
Oder das Materialsystem für die Herstellung von Elektroden in mikroakustischen Bauelementen und Antennen enthält mindestens eine Schicht in einem Schichtstapel, die mindestens überwiegend ein Gefüge aus einem Material der Formel RuyM(100At.-%)- yAlx mit M = Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh und/oder Pd und mit y ≥ 50 bis < 100 At.-% und mit x = 5 - 80 At.-% aufweist.
Diese Schichten können ganzflächig oder teilweise übereinander angeordnet sein, und kraft-, form- und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein.This is achieved by a material system for the production of electrodes in microacoustic components and antennas, which either contains at least two layers in a layer stack, with at least one layer being at least predominantly a structure made of a material of the formula Ru (100 at.-%)-x Al x with x = 5 - 80 at.% and the second layer contains at least predominantly Al, Ru, Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh and / or Pd.
Or the material system for the production of electrodes in microacoustic components and antennas contains at least one layer in a layer stack, which at least predominantly has a structure made of a material of the formula Ru y M (100 at.-%) - y Al x with M = Cu, Ti , Ta, Ni, Pt, Ir, Rh and/or Pd and with y ≥ 50 to <100 at.% and with x = 5 - 80 at.%.
These layers can be arranged one above the other over the entire surface or partially and can be connected to one another in a force-fitting, positive and/or material-locking manner.
Aus diesen erfindungsgemäßen Materialsystemen sind dann Elektroden in mikroakustischen Bauelementen und/oder Antennen mittels thermischer Konditionierung hergestellt.
Die thermische Konditionierung erfolgt bei einer Temperatur zwischen 800 und 1400 K für eine Zeitdauer von 10 bis 50 h, vorteilhafterweise 10 bis 20 h, nach der aus den erfindungsgemäßen Materialsystemen Elektroden in mikroakustischen Bauelementen und/oder Antennen hergestellt sind.Electrodes in microacoustic components and/or antennas are then produced from these material systems according to the invention by means of thermal conditioning.
The thermal conditioning takes place at a temperature between 800 and 1400 K for a period of 10 to 50 hours, advantageously 10 to 20 hours, after which electrodes in microacoustic components and/or antennas are produced from the material systems according to the invention.
Nach der Herstellung der einzelnen Schichten und/oder des gesamten Schichtstapels, auch inklusive möglicherweise vorhandener Deck- oder Barriereschichten, wird der Schichtstapel der thermischen Konditionierung unterzogen.After the individual layers and/or the entire layer stack have been produced, including any cover or barrier layers that may be present, the layer stack is subjected to thermal conditioning.
Über oder unter der einen Schicht oder dem Schichtstapel oder zwischen Schichten des Schichtstapels können weitere Schichten angeordnet sein, wie vorteilhafterweise Barriereschichten, Deckschichten, Haftschichten oder Schutzschichten, beispielsweise aus Oxiden, Nitriden, Carbiden, wie SiO2, Al2O3, Si3N4, SiAlON, TiN, AIN und/oder SiC.Additional layers can be arranged above or below the one layer or the layer stack or between layers of the layer stack, such as advantageously barrier layers, cover layers, adhesive layers or protective layers, for example made of oxides, nitrides, carbides, such as SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 , SiAlON, TiN, AIN and/or SiC.
Der Einsatz von Barriere- und Deckschichten für das erfindungsgemäße Materialsystem ist vorteilhaft, da dadurch die Materialien des Schichtstapels und/oder des Substrates oder der Schichten, die gegenüber den Umweltbedingungen im Einsatz und insbesondere Temperaturerhöhungen oder Temperaturerniedrigungen ausgesetzt sind, geschützt werden und es nicht zu unerwünschten chemischen Reaktionen der Schichtmaterialien kommt, die dann die Funktionsfähigkeit des mikroakustischen Bauelementes stören oder zum vollständigen Ausfall des mikroakustischen Bauelementes führen können.The use of barrier and cover layers for the material system according to the invention is advantageous because it protects the materials of the layer stack and/or the substrate or the layers, which are exposed to the environmental conditions in use and in particular to temperature increases or decreases, and does not lead to undesirable effects Chemical reactions of the layer materials occur, which can then disrupt the functionality of the microacoustic component or lead to the complete failure of the microacoustic component.
Es hat sich gezeigt, dass die metallischen Elemente der zweiten Schicht, im Falle, dass das erfindungsgemäße Materialsystem mindestens zwei Schichten in einem Schichtstapel enthält, oder die metallischen Elemente von M aus dem Material der Formel RuyM(100At.-%)-yAlx auch nach der thermischen Konditionierung entweder wenigstens teilweise als separate Schicht erhalten bleiben und/oder eine Interdiffusion dieser metallischen Elemente mit der RuAI-Schicht stattfindet und/oder diese metallischen Elemente mit dem Ru und/oder Al chemisch reagieren.
Dies trägt einerseits zur mechanischen Stabilisierung einer separaten Schicht oder des Schichtstapels bei, und andererseits trägt dies auch zur Verbesserung der elektrischen und thermischen Eigenschaften der Elektroden und Antennen, und/oder der Reduktion des elektrischen Widerstandes und/oder der Schichtspannung, und/oder der Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit des Materialsystems bei.It has been shown that the metallic elements of the second layer, in the event that the material system according to the invention contains at least two layers in a layer stack, or the metallic elements of M from the material of the formula Ru y M (100 at.-%)-y Even after thermal conditioning, Al
On the one hand, this contributes to the mechanical stabilization of a separate layer or the layer stack, and on the other hand, this also contributes to improving the electrical and thermal properties of the electrodes and antennas, and/or the reduction of the electrical resistance and/or the layer voltage, and/or the improvement the oxidation resistance of the material system.
Vorteilhafterweise wird das erfindungsgemäße Materialsystem auf einem piezoelektrischen Substrat und/oder auf einer piezoelektrischen Schicht auf einem nichtpiezoelektrischen Substrat und/oder auf einem nichtpiezoelektrischen Substrat auf einer piezoelektrischen Schicht als Elektroden eines mikroakustischen Bauelements und/oder Antennen angeordnet, wobei die Elektroden und/oder Antennen aus einem Schichtstapel bestehen, der
- a) mindestens zwei Schichten in einem Schichtstapel enthält, von denen eine Schicht mindestens überwiegend ein Gefüge aus einem Material der Formel Ru(100At.-%)-xAlx mit x = 5- 80 At.-% aufweist, und die zweite Schicht mindestens überwiegend Ru, Al, Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh und/oder Pd enthält,
- b) mindestens eine Schicht in einem Schichtstapel enthält, die mindestens überwiegend ein Gefüge aus einem Material der Formel RuyM(100At.-%)-yAlx mit M = Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh und/oder Pd, und mit y ≥ 50 bis < 100 At.-% und mit x = 5 - 80 At.- % aufweist,
- a) contains at least two layers in a layer stack, one layer of which at least predominantly has a structure made of a material of the formula Ru (100 at.%)-x Al x with x = 5-80 at.-%, and the second layer contains at least predominantly Ru, Al, Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh and/or Pd,
- b) at least one layer in a layer stack contains at least predominantly a structure made of a material of the formula Ru y M (100 at.-%)-y Al x with M = Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh and /or Pd, and with y ≥ 50 to <100 at.-% and with x = 5 - 80 at.-%,
Grundsätzlich kann eine Antenne gemeinsam mit Elektroden auf einem piezoelektrischen Substrat oder einer piezoelektrischen Schicht angeordnet sein. Aber die Antenne kann auch unabhängig von Elektroden auf einem beliebigen Substrat angeordnet sein. Ebenso kann die Antenne auch auf einem nicht-piezoelektrischen Substrat aufgebracht sein und die Elektroden sind mit einer piezoelektrischen Schicht auf dem gleichen Substrat vorhanden.In principle, an antenna can be arranged together with electrodes on a piezoelectric substrate or a piezoelectric layer. But the antenna can also be arranged on any substrate independently of electrodes. Likewise, the antenna can also be applied to a non-piezoelectric substrate and the electrodes are present with a piezoelectric layer on the same substrate.
Durch die Umhüllung des Schichtstapels oder einzelner Schichten des Stapels mit Barriere- und/oder Deckschichten aus einer oder mehreren AIN-Schichten und/oder einer oder mehrerer SiO2-Schichten werden die Schichten innerhalb der Barriere- und/oder Deckschichten insbesondere gegen den degradierenden Einfluss der Umgebungsbedingungen, wie z.B. Oxidation, bei der Anwendung der mikroakustischen Bauelemente geschützt.By covering the layer stack or individual layers of the stack with barrier and/or cover layers made of one or more AlN layers and/or one or more SiO 2 layers, the layers within the barrier and/or cover layers are particularly protected against the degrading influence the environmental conditions, such as oxidation, are protected when using the microacoustic components.
Vorteilhafterweise sind die Schichten oder Schichtstapel auf einem Substrat angeordnet, welches in Form eines Wafers, einer Platte oder einer Folie oder eines Mikrochips vorliegt, und das Substrat besteht
- - aus Glas/Gläsern/Keramik/Keramiken, wie SiO2, Al2O3, Si3N4, TiN, SiN, Borsilikatglas, oder
- - aus Piezoelektrika, wie Quarz, LiNbO3, black-LiNbO3, yellow-black LiNbO3, LiTaO3, AIN, Sc-AlN, ZnO, CTGS, Langasit, Galliumorthophosphat, oder
- - aus Metallen/Metalllegierungen, wie Al, Cu, Ti, Ta, TiAl, CuTi, oder
- - aus Halbleitern, wie Si, GaAs, InAs, GaN, oder
- - aus Kombinationen dieser Materialien.
- - made of glass/glasses/ceramics / ceramics, such as SiO2 , Al2O3 , Si3N4 , TiN, SiN, borosilicate glass, or
- - from piezoelectrics, such as quartz, LiNbO 3 , black-LiNbO 3 , yellow-black LiNbO 3 , LiTaO 3 , Alin, Sc-AlN, ZnO, CTGS, langasite, gallium orthophosphate, or
- - made of metals/metal alloys such as Al, Cu, Ti, Ta, TiAl, CuTi, or
- - made of semiconductors such as Si, GaAs, InAs, GaN, or
- - from combinations of these materials.
Sofern diese Materialien keine piezoelektrischen Eigenschaften aufweisen, muss auf ihnen eine piezoelektrische Schicht aufgebracht werden.If these materials do not have piezoelectric properties, a piezoelectric layer must be applied to them.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Substrat aus Ca3TaGa3Si2O14(CTGS) oder La3Ga5SiO14(LGS) oder eine Schicht aus Ca3TaGa3Si2O14(CTGS) oder La3Ga5SiO14(LGS) auf einem Substrat vorhanden ist.It is particularly advantageous if a substrate made of Ca 3 TaGa 3 Si 2 O 14 (CTGS) or La 3 Ga 5 SiO 14 (LGS) or a layer of Ca 3 TaGa 3 Si 2 O 14 (CTGS) or La 3 Ga 5 SiO 14 (LGS) is present on a substrate.
Vorteilhaft ist es, wenn im erfindungsgemäßen Materialsystem eine oder mehrere Al-Schichten und/oder AIN-Schichten und/oder SiO2-Schichten im Schichtstapel vorhanden sind.It is advantageous if one or more Al layers and/or AlN layers and/or SiO 2 layers are present in the layer stack in the material system according to the invention.
Erfindungsgemäß bilden die mindestens zwei Schichten in einem Schichtstapel, von denen eine Schicht mindestens überwiegend ein Gefüge aus einem Material der Formel Ru(100At.-%)-xAlx mit x = 5 - 80 At.-% aufweist, und die zweite Schicht mindestens überwiegend Al, Ru, Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh und/oder Pd enthält, und die mindestens eine Schicht in einem Schichtstapel, die mindestens überwiegend ein Gefüge aus einem Material der Formel Ruy M(100At.-%)-yAlx mit M = Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh und/oder Pd, und mit y ≥ 50 bis < 100 At.-% und mit x = 5 - 80 At.-% aufweist, die Funktionsschichten für die Elektroden und/oder Antennen, und können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch aufgrund ihrer vollständig aus Metallen bestehenden Materialien als Metallisierungen bezeichnet werden.According to the invention, the at least two layers form a layer stack, one layer of which at least predominantly has a structure made of a material of the formula Ru (100 at.%) - x Al x with x = 5 - 80 at.%, and the second layer at least predominantly contains Al, Ru, Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh and/or Pd, and the at least one layer in a layer stack which at least predominantly has a structure made of a material of the formula Ru y M (100At. -%)-y Al x with M = Cu, Ti, Ta, Ni, Pt, Ir, Rh and/or Pd, and with y ≥ 50 to < 100 at.-% and with x = 5 - 80 at.- %, the functional layers for the electrodes and / or antennas, and can also be referred to as metallizations in the context of the present invention due to their materials consisting entirely of metals.
Davon ausgehend ist es vorteilhaft, dass die Dicke der Funktionsschichten oder der Metallisierung des Schichtstapels für Elektroden 40 bis 900 nm und die Dicke des Schichtstapels für Antennen 5 bis 100 µm beträgt.Based on this, it is advantageous that the thickness of the functional layers or the metallization of the layer stack for electrodes is 40 to 900 nm and the thickness of the layer stack for antennas is 5 to 100 μm.
Die erfindungsgemäßen Materialsysteme mit einer vorteilhaften Gesamtdicke der Metallisierung zwischen 40 nm und 900 nm finden hauptsächlich Anwendung in Elektroden von mikroakustischen Bauelementen, wie z.B. Interdigitalwandlern. Bekanntermaßen sind die Dicken und Breiten der Fingerelektroden der SAW-Bauelemente für die Funktionsfähigkeit des SAW-Bauelementes wichtig, da durch ihre Abmessungen die Arbeitsfrequenz des SAW-Bauelementes mitbestimmt wird. Andererseits werden die Dicke und Breite von Fingerelektroden auch durch die industriellen Verfahren und Möglichkeiten limitiert, wobei grundsätzlich mechanisch stabile Fingerelektroden hergestellt werden sollen, die die gewünschte Arbeitsfrequenz ergeben. Dabei gilt nach dem Stand der Technik, dass, wenn zur Realisierung und Aufrechterhaltung einer gewünschten Arbeitsfrequenz größere Dicken der Fingerelektroden benötigt werden, dann jedoch ihre Breite und/oder ihr Abstand geringer werden muss.The material systems according to the invention with an advantageous total thickness of the metallization between 40 nm and 900 nm are mainly used in electrodes of microacoustic components, such as interdigital transducers. As is known, the thicknesses and widths of the finger electrodes of the SAW components are important for the functionality of the SAW component, since their dimensions also determine the operating frequency of the SAW component. On the other hand, the thickness and width of finger electrodes are also limited by the industrial processes and possibilities, whereby mechanically stable finger electrodes should generally be produced that produce the desired working frequency. According to the state of the art, if larger thicknesses of the finger electrodes are required to realize and maintain a desired working frequency, then their width and/or their spacing must be reduced.
Für Antennen zum drahtlosen Ansteuern oder Auslesen der beispielsweise mikroakustischen Bauelemente sind Gesamtdicken des Schichtstapels von 5 bis 100 µm vorteilhaft, wobei auch dickere Schichten realisiert werden können.
Die Schichtstapel der zum Auslesen oder Ansteuern eines Bauelementes genutzten Antennen können gemeinsam mit den Schichtstapeln der Elektroden für das Bauelement abgeschieden werden. Um dann die für den Einsatz notwendige Dicke der Antennen zu erreichen, können sie in einem weiteren Schritt mit denselben oder anderen Materialien und derselben oder einer anderen Abscheidemethode aufgedickt werden.For antennas for wireless control or reading of, for example, microacoustic components, total layer stack thicknesses of 5 to 100 μm are advantageous, although thicker layers can also be realized.
The layer stacks of the antennas used to read or control a component can be deposited together with the layer stacks of the electrodes for the component. In order to achieve the thickness of the antennas required for use, they can be thickened in a further step using the same or different materials and the same or a different deposition method.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß von besonderem Vorteil, dass das erfindungsgemäße Materialsystem in mikroakustischen Bauelementen in einem Temperaturbereich der Betriebstemperatur von 4 bis 1400 K angewandt werden kann.Furthermore, it is of particular advantage according to the invention that the material system according to the invention can be used in microacoustic components in a temperature range of the operating temperature of 4 to 1400 K.
Mit dem erfindungsgemäßen Materialsystem ist es erstmals gelungen, Elektroden für mikroakustische Bauelemente und Antennen anzugeben, die im Vergleich zu Elektroden und Antennen aus den herkömmlichen Al- und Cu-basierten Schichten und Schichtsystemen für weitaus höhere Einsatztemperaturen, aber insbesondere auch in einem sehr breiten Temperaturbereich von 4 bis 1400 K eingesetzt werden können. Im Vergleich zu Pt-basierten Materialien sind Effekte, wie Agglomeration, auch deutlich geringer ausgeprägt. Im Vergleich zu Ir-basierten Materialien tritt weniger Oxidation auf und besteht kein Problem mit der Sublimation wie bei Ir- oder IrOz-Schichten.With the material system according to the invention, it has been possible for the first time to provide electrodes for microacoustic components and antennas which, in comparison to electrodes and antennas made from conventional Al- and Cu-based layers and layer systems, are suitable for much higher operating temperatures, but in particular also in a very wide temperature range 4 to 1400 K can be used. Compared to Pt-based materials, effects such as agglomeration are also significantly less pronounced. Compared to Ir-based materials, less oxidation occurs and there is no problem with sublimation like Ir or IrO z layers.
Das erfindungsgemäße Materialsystem kann technisch einfach und schnell mit bekannten Technologien, wie PVD (physical vapor deposition), z.B. Sputtern, oder CVD (chemical vapor deposition), abgeschieden werden.
Ebenso sind die zwingend notwendigen Materialien Ru und Al weitaus billiger im Vergleich zu Pt- oder anderen Edelmetallschichten, wodurch eine industrielle Massenherstellung kostengünstiger wird.The material system according to the invention can be deposited technically easily and quickly using known technologies, such as PVD (physical vapor deposition), for example sputtering, or CVD (chemical vapor deposition).
Likewise, the essential materials Ru and Al are far cheaper compared to Pt or other noble metal layers, making industrial mass production more cost-effective.
Die mikroakustischen Bauelemente mit dem erfindungsgemäßen Materialsystem weisen verbesserte akustische Eigenschaften auf, wie vorteilhafterweise von der Schichtdicke unabhängigere Reflexionsfaktoren, im Vergleich zu bekannten Hochtemperatur-Elektrodenmetallisierungen aus Platin.The microacoustic components with the material system according to the invention have verbs improved acoustic properties, such as reflection factors that are advantageously independent of the layer thickness, compared to known high-temperature electrode metallizations made of platinum.
Mit dem erfindungsgemäßen Materialsystem können für mikroakustische Bauelemente neue Anwendungsfelder und Einsatzmöglichkeiten insbesondere hinsichtlich der Einsatz- und Betriebstemperaturen oder hinsichtlich der Erreichung hoher Leistungen erschlossen werden.With the material system according to the invention, new fields of application and possible uses can be opened up for microacoustic components, particularly with regard to the application and operating temperatures or with regard to achieving high performance.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using several exemplary embodiments.
Beispiel 1example 1
Das mikroakustische Bauelement weist auf einem einkristallinen Substrat, das ein Y-Schnitt von Catangasite (Ca3TaGa3Si2O14, CTGS) ist, einen interdigitalen Wandler zwischen zwei Reflektoren in Form einer Resonanz-Kavität auf. Substrat, Wandler und die beiden Reflektoren bilden zusammen ein Eintor-Resonator-Bauelement für akustische Oberflächenwellen. Der Wandler besteht aus dem Interdigitalwandler mit 51 Fingerelektroden, und die Reflektoren bestehen jeder aus jeweils 300 miteinander über Sammelelektroden elektrisch verbundenen Reflektorelektroden.The microacoustic component has an interdigital transducer between two reflectors in the form of a resonance cavity on a single-crystalline substrate, which is a Y-cut of catangasite (Ca 3 TaGa 3 Si 2 O 14 , CTGS). The substrate, transducer and the two reflectors together form a single-port resonator component for surface acoustic waves. The transducer consists of the interdigital transducer with 51 finger electrodes, and the reflectors each consist of 300 reflector electrodes electrically connected to one another via collecting electrodes.
Zuerst werden als Barriereschichten zum Substrat 20 nm SiO2 und 20 nm AINO abgeschieden. SiO2 wird von einem SiO2 Target gesputtert bei einer Temperatur von 180 °C und einem Sputtergas aus O2 und Ar im Verhältnis 1 : 6. AINO wird aus einem AIN Target gesputtert mit einem Sputtergas aus N2 und Ar im Verhältnis von 1 : 11.First, 20 nm SiO 2 and 20 nm AINO are deposited as barrier layers to the substrate. SiO 2 is sputtered from an SiO 2 target at a temperature of 180 °C and a sputtering gas of O 2 and Ar in a ratio of 1:6. AINO is sputtered from an AIN target with a sputtering gas of N 2 and Ar in a ratio of 1:6. 11.
Anschließend werden per Sputtern 105 nm Ti-Al abgeschieden mit folgender Stapelfolge als sich abwechselnde Multilagen aus elementarem Ti und Al: CTGS/AlNO(20nm)/SiO2(20nm)/Al(5nm)/Ti(10nm)/AI(15nm)/Ti(15nm)/AI(15nm)/Ti(15 nm)/AI(15nm)/Ti(10nm)/AI(5nm).Subsequently, 105 nm of Ti-Al are deposited by sputtering with the following stacking sequence as alternating multilayers of elemental Ti and Al: CTGS/AlNO(20nm)/SiO 2 (20nm)/Al(5nm)/Ti(10nm)/AI(15nm) /Ti(15nm)/AI(15nm)/Ti(15nm)/AI(15nm)/Ti(10nm)/AI(5nm).
Es folgt eine 5 nm dicke Schicht aus AINO als Diffusionsbarriere.
Darüber werden per Co-Sputtern aus Ru- und Al-Elementtargets 65 nm RuAl als Legierung abgeschieden.This is followed by a 5 nm thick layer of AINO as a diffusion barrier.
On top of this, 65 nm of RuAl is deposited as an alloy using co-sputtering from Ru and Al element targets.
Die Abscheidung aller Metallisierungsschichten erfolgt bei Raumtemperatur.All metallization layers are deposited at room temperature.
Alle Elektroden von Wandler und Reflektoren bestehen somit aus einem Materialsystem aus einer TiAI-Schicht mit einer Dicke von 105 nm und einer RuAI-Schicht mit einer Dicke von 65 nm.All electrodes of transducers and reflectors therefore consist of a material system consisting of a TiAl layer with a thickness of 105 nm and a RuAl layer with a thickness of 65 nm.
Nach der Abscheidung der ganzflächigen Barriere- und Metallisierungsschichten auf dem Substrat erfolgt die Strukturierung per Ionenstrahlätzen. Die Breite der Finger und ihr Abstand betragen 1.58 µm, woraus sich eine Arbeitsfrequenz von 433 MHz ergibt.After the full-surface barrier and metallization layers have been deposited on the substrate, structuring is carried out using ion beam etching. The width of the fingers and their distance are 1.58 µm, which results in an operating frequency of 433 MHz.
Anschließend wird der gesamte Schichtstapel mit 20 nm SiO2 und 20 nm AINO mittels Sputtern unter den oben genannten Bedingungen abgedeckt.The entire layer stack is then covered with 20 nm SiO 2 and 20 nm AINO by sputtering under the conditions mentioned above.
Danach wird die thermische Konditionierung bei 700 °C für 10 h in Ultrahochvakuum durchgeführt.Thermal conditioning is then carried out at 700 °C for 10 h in an ultra-high vacuum.
Das so hergestellte mikroakustische Bauelement mit Elektroden arbeitet bei Betriebstemperaturen bis 900 °C für mindestens 1000 Stunden.The microacoustic component with electrodes produced in this way works at operating temperatures of up to 900 °C for at least 1000 hours.
Beispiel 2Example 2
Das Antennen-Bauelement weist auf einem einkristallinen Substrat, das ein Y-Schnitt von Catangasite (Ca3TaGa3Si2O14, CTGS) mit einer Substratdicke von 500 µm und einer Permittivität von 20 ist, eine Patch-Struktur auf. Substrat und Metallisierung bilden zusammen eine Antenne, die für 433 MHz optimiert ist.The antenna component has a patch structure on a single-crystalline substrate, which is a Y-cut of catangasite (Ca 3 TaGa 3 Si 2 O 14 , CTGS) with a substrate thickness of 500 μm and a permittivity of 20. The substrate and metallization together form an antenna that is optimized for 433 MHz.
Die Antennenstruktur besteht aus einer Fläche von 106 mm Breite (Pw) und 75,9 mm Länge (PL), das Substrat ist 116.6 mm (Sw) x 83.49 mm (SL) groß.The antenna structure consists of an area 106 mm wide (Pw) and 75.9 mm long (P L ), the substrate is 116.6 mm (Sw) x 83.49 mm (S L ).
Die Metallisierung der Antenne besteht aus einem (Ni,Ru)AI Materialsystem. Dafür wird per Co-Sputtern aus Al-, Ni- und Ru- Elementtargets im Verhältnis 50 - 25 - 25 die 20 µm dicke Schicht als (Ni,Ru)AI-Legierung abgeschieden, wobei die Abscheidung bei Raumtemperatur erfolgt.The metallization of the antenna consists of a (Ni,Ru)AI material system. For this purpose, the 20 µm thick layer is deposited as a (Ni,Ru)Al alloy using co-sputtering from Al, Ni and Ru element targets in a ratio of 50 - 25 - 25, with the deposition taking place at room temperature.
Die Resistivität von 20 µOhm*cm wird nach der thermischen Konditionierung bei 750 °C für 20 h in Ultrahochvakuum erreicht.
Die Konditionierung führt zu einem niedrigeren Resistivitätswert, was zur Verbesserung der Antennencharakteristik führt.The resistivity of 20 µOhm*cm is achieved after thermal conditioning at 750 °C for 20 h in ultra-high vacuum.
The conditioning leads to a lower resistivity value, which leads to an improvement in the antenna characteristics.
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Zitierte Nicht-PatentliteraturNon-patent literature cited
- Thiele, J.A. et al.: IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2005, 52, 545-549 [0004]Thiele, J.A. et al.: IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2005, 52, 545-549 [0004]
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- Seifert, M. et al.: J. Alloys Compd. 2016, 664, 510-517 [0006]Seifert, M. et al.: J. Alloys Compd. 2016, 664, 510-517 [0006]
- Seifert, M. et al.: J. Alloys Compd. 2016, 688, 228-240 [0006]Seifert, M. et al.: J. Alloys Compd. 2016, 688, 228-240 [0006]
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Family Applications (1)
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2022
- 2022-07-13 DE DE102022117507.3A patent/DE102022117507A1/en active Pending
Non-Patent Citations (7)
| Title |
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