WO2007059733A1 - Elektroakustisches bauelement - Google Patents

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WO2007059733A1
WO2007059733A1 PCT/DE2006/002005 DE2006002005W WO2007059733A1 WO 2007059733 A1 WO2007059733 A1 WO 2007059733A1 DE 2006002005 W DE2006002005 W DE 2006002005W WO 2007059733 A1 WO2007059733 A1 WO 2007059733A1
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WO
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substrate
thickness
carrier substrate
piezoelectric
layer
Prior art date
Application number
PCT/DE2006/002005
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English (en)
French (fr)
Inventor
Werner Ruile
Ulrike RÖSLER
Original Assignee
Epcos Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Epcos Ag filed Critical Epcos Ag
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Priority to JP2008541578A priority patent/JP5361388B2/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/0222—Details of interface-acoustic, boundary, pseudo-acoustic or Stonely wave devices

Definitions

  • An electroacoustic component is specified, in particular a component operating with guided volute waves.
  • An object to be solved is to specify a robust electro-acoustic component with good properties with respect to its linear thermal expansion coefficient.
  • the layer system is arranged between the two substrates.
  • the thickness of the piezoelectric substrate in a first preferred embodiment is at most half the thickness of the carrier substrate.
  • the piezoelectric substrate has a monocrystalline structure and is at most 50 ⁇ , in a preferred variant a maximum of 30 ⁇ thick, where ⁇ is the wavelength of the GBAW z. B. at an operating frequency or the center frequency of the specified device.
  • the piezoelectric substrate is thinned in a mechanical process. Thinning is understood to mean the removal of a portion of the substrate material after the layer structure has been produced from the carrier substrate, the layer system and the piezo substrate.
  • the piezo substrate can be thinned in a variant up to a thickness of 5 ⁇ .
  • the carrier substrate As a material for the carrier substrate is z. B. suitable for cost reasons silicon. This material is also advantageous in terms of increasing the integration density of the specified device. Crystal orientation 111 or 100 of the Si crystal is preferred. But is also possible AI 2 O 3 , glass o- or an (organic) plastic, z. B. FR4.
  • the carrier substrate may also have piezoelectric properties. Materials with a (compared to the piezosubstrate) relatively small coefficient of thermal expansion are preferred for the carrier substrate. The coefficient of expansion of the carrier substrate may, for. B. at least 50% smaller than that of the piezoelectric substrate.
  • a piezo substrate is understood as meaning a substrate made of a material having piezoelectric properties.
  • the piezoelectric substrate is preferably cut from a single crystal.
  • single crystals are in particular LiTaO 3 , LiNbO 3 , ZnO, KNbO 3 , NaKNbO 3 , quartz, but also other piezoelectric materials.
  • the piezo substrate can, for. B. of LiTaO 3 with a cutting angle ⁇ red YX be formed, where 7 ° ⁇ ⁇ 24 °. In a preferred variant, 12 ° ⁇ ⁇ 21 °.
  • electroacoustic devices with LiTaO 3 as a substrate and such an angle of intersection, it is possible to achieve a high electrical bandwidth.
  • the specified component, its operation and preferred embodiments will be explained.
  • An electrical signal applied to the component structures causes deflections of atoms in the piezoelectric substrate, wherein a bulk acoustic wave is excited, which are guided in a horizontal plane, in particular in the dielectric layer and in the vicinity of this layer can.
  • the acoustic energy of a GBAW in a device working with GBAW is mainly concentrated in the region in which the wave is excited and decays in both directions vertically to the layer structure of the device. This decay is provided by a waveguide structure, i. H. achieved by a speed profile in the vertical direction.
  • the lowest propagation velocity is given in a preferably thin layer (dielectric layer) near the excitation plane of acoustic waves. This layer is placed between substrates with higher acoustic propagation velocities.
  • the GBAW is excited in the layer system or at its interface with the piezosubstrate and is mainly guided in this layer system.
  • the layer system comprises a metal layer in which the GBAW-exciting component structures are formed, and the relatively thin dielectric layer with a low propagation velocity of acoustic waves.
  • the dielectric layer is preferably of silicon dioxide.
  • SiO 2 is therefore also used as material for the dielectric see layer advantageous because a SiO 2 surface is suitable for a direct Wafer Bonding.
  • material for the dielectric layer in principle, any materials with a (based on the acoustic impedance of the metal layer) relatively low acoustic impedance into consideration.
  • the quality of the dielectric layer can be judged by its optical refractive index.
  • a dielectric layer of SiO 2 having a refractive index between 1.44 and 1.48 is preferred.
  • the SiO 2 of the dielectric layer is preferably stoichiometric.
  • the metal layer with the component structures formed therein is preferably arranged directly on the piezosubstrate.
  • the device structures are embedded between the piezosubstrate and the dielectric layer.
  • the metal layer may consist of a single layer, which has a high conductivity and a relatively high acoustic impedance.
  • the metal layer comprises a plurality of partial layers, including a first partial layer with a high conductivity and a second partial layer with a high acoustic impedance.
  • the metal layer may comprise a partial layer of Al and a further partial layer z. B. from W or Pt. Partial layers of the metal layer can basically consist of metals, metal alloys or other conductive materials.
  • a typical footprint of the device is 500 x 700 ⁇ m 2 .
  • the total thickness of the component is approximately 200 ⁇ m and is preferably not greater than 100 wavelengths. However, the total thickness of the component can also be less than 200 microns.
  • the thickness of the piezoelectric substrate is preferably chosen such that the mechanical stresses due to the different linear expansion coefficients of the two substrates are introduced into the entire volume of the piezoelectric substrate, so that the piezoelectric substrate can follow the expansion of the carrier substrate.
  • the linear thermal expansion coefficient of the overall structure - including the piezo substrate - be adapted to that of the carrier substrate.
  • the thickness of the piezoelectric substrate is preferably between 3 and 30 wavelengths, in a preferred variant a maximum of 70 ⁇ m.
  • the piezosubstrate may be present at a higher thickness during the application of the layers of the layer sequence and may be thinned to the above-mentioned value of thickness only in a later method step.
  • TCF temperature coefficient
  • the layer thickness of the layer system arranged between the piezo substrate and the carrier substrate is preferably equal to the thickness of the dielectric layer, since the component structures of the metal layer are embedded in the dielectric layer and preferably do not project beyond it.
  • the layer thickness and is in a variant between 0, l ⁇ and ⁇ , preferably between 0.15 ⁇ to 0.5 ⁇ or between 0.3 and
  • the total thickness of the carrier substrate and the layer system together is preferably not greater than 100 wavelengths or 200 microns.
  • the exposed (outwardly facing) back of the piezoelectric substrate is preferably metallized over a large area.
  • This metallization is preferably connected to ground and serves as an electromagnetic shield for device structures.
  • In this metallization may be formed as terminals of the device provided metal surfaces and / or label of the device.
  • Via contacts are preferably formed in the carrier substrate, which connect the connections arranged on the surface of the carrier substrate to the contact surfaces in a conductive manner.
  • the vias can be used as a pipe (if necessary with a tapered cross section) or be formed as openings with metallized inner walls.
  • the openings provided in the carrier substrate for plated-through holes can also be filled with metal.
  • the specified device can be produced, for example, in the following method.
  • a first wafer eg LiTaO 3 wafer
  • a second wafer eg Si wafer
  • carrier substrates For component areas provided areas of the respective substrate preferably form a regular matrix.
  • On the surface carrying the component structures of the piezoelectric substrate is a large area a dielectric layer z. B. in a CVD method (CVD Chemical Vapor Deposition) or applied by sputtering.
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the dielectric layer is planarized in a preferred variant of the method, z.
  • CMP stands for Chemical Mechanical Polishing.
  • the dielectric layer may be advantageous to thin the dielectric layer to provide e.g. B. to change the frequency position of component structures. This can be done in the planarization step.
  • the frequency position of component structures or the layer thickness of the dielectric layer is adjusted so that after the connection to the second wafer, the frequency position provided for the component results.
  • the first wafer is now z with the second wafer. B. connected by direct wafer bonding.
  • Wafer bonding is preferably carried out at relatively low temperatures, e.g. B. at room temperature. In this case, a composite wafer is produced with to be separated component areas.
  • the entire wafer can be thinned on the side of the first wafer.
  • the entire wafer is placed on the side of the piezo substrate along dividing lines, i. H. between the component regions, preferably V-shaped, at least as far as the carrier substrate. It is advantageous to also saw the carrier substrate to a certain depth.
  • oblique abutting edges of the piezosubstrate and of the layer system are produced, which can be metallized together with the (flat) back side of the piezo substrate and thus encapsulated hermetically tight.
  • component structures are protected against corrosion and shielded against external electromagnetic fields.
  • a carrier substrate it would also be possible to use a thin Si wafer with prefabricated contact holes for bonding to the piezo substrate.
  • a thin Si wafer with prefabricated contact holes for bonding to the piezo substrate.
  • the carrier substrate or on its surface Surface can be prefabricated semiconductor structures such. B. diodes and transistors may be formed.
  • the piezoelectric substrate between the coating system and a lid substrate can be arranged, preferably with 'the support substrate comparable physical properties such.
  • B. has the temperature response of the elastic constant. It is advantageous to arrange the piezosubstrate between two substrates-carrier substrate and lid substrate-which both have an opposite behavior and / or a smaller coefficient of expansion than the piezosubstrate with respect to the temperature characteristic of the elastic constants of the piezo substrate.
  • the thickness of the piezosubstrate is preferably smaller than that of the cover substrate. It is advantageous to select the thickness of the piezosubstrate smaller than the total thickness of the cover substrate and of the carrier substrate.
  • the thickness of the piezoelectric substrate can, for. B. be chosen smaller than half the sum of the thicknesses of the lid substrate and the carrier substrate.
  • a material for a lid substrate z As a material for a lid substrate z. As glass, silicon or silicon dioxide suitable. It is advantageous to use preferably identical material for the cover substrate and the carrier substrate for direct wafer bonding.
  • the exposed surface of the lid substrate may, for. B. are metallized to form an electrical shield and / or electrical connections.
  • the lid substrate described in connection with the carrier substrate constructive properties such. B. vias and integrated semiconductor structures.
  • the contact holes are preferably led through the cover substrate and the piezo substrate to the metal layer contained in the layer system.
  • a metal layer may be provided between the piezosubstrate and the lid substrate, in which, for example, contact surfaces and possibly electroacoustic component structures suitable for wave generation and guidance may be formed.
  • Other intermediate layers are also possible.
  • the piezosubstrate it was possible first to connect or to bond the piezosubstrate to the cover substrate and to form the layer system already described on the side of the piezo substrate opposite the cover substrate.
  • the resulting wafer can be connected to the wafer provided as a carrier substrate, for example, be gebon- det.
  • the piezosubstrate is preferably thinned prior to application of the layer system and its surface is polished so that it is suitable for the application of component structures (transducers, contact surfaces, electrical connections).
  • FIGS. 1A to 1C process steps of the production method proceedings
  • Figure 2 schematically shows the basic structure of a GBAW device with a carrier substrate and a lid substrate.
  • FIG. IG A working with GBAW device is shown in Figure IG.
  • a layer system 3 is arranged between a piezoelectric piezosubstrate 1 and a significantly thicker carrier substrate 2, a layer system 3 is arranged.
  • the thickness of the carrier substrate is preferably selected to be so large that this is sufficient for the mechanical stability of the component.
  • the carrier substrate 2 preferably has a smaller thermal expansion than the piezosubstrate 1.
  • the thickness of the first and of the carrier substrate is 50 ⁇ m or 150 ⁇ m in one variant.
  • the thickness of the layer system is 0.6 ⁇ m in one variant.
  • the layer system 3 comprises a metal layer 31 (seen from top to bottom) arranged on the piezo substrate 1.
  • the metal layer 31 is structured and comprises electroacoustically active component structures 42, e.g. As transducers, and conductively connected thereto contact surfaces 41.
  • the structures 41, 42 of the metal layer 31 are between the piezoelectric substrate 1 and a dielectric layer 32 z. B. encapsulated from SiO 2 .
  • the piezoelectric substrate 1 is preferably piezoelectric, z. B. LiTaO 3 , in a variant LiTaO 3 ⁇ rotYX, where 15 ° ⁇ ⁇ 20 °.
  • the carrier substrate is preferably made of a high-resistance silicon. The acoustic velocity is evident in the substrates 1, 2 - z. B. at least 20% - higher than in the dielectric layer.
  • contact holes 20 are provided with exposed contact surfaces 41 therein.
  • a metallization 60 is provided, which covers the inner walls of contact holes and the exposed areas of contact surfaces.
  • the metallization 60 is partially disposed on the underside of the carrier substrate 2 and forms external terminals 61.
  • a first wafer is shown.
  • a structured metal layer 31 is first applied to a first substrate 1.
  • a dielectric layer 32 is applied over the metal layer 31.
  • the dielectric layer 32 is preferably planarized.
  • regions 320 of the dielectric layer 32 are etched away in order, in particular, to at least partially expose contact surfaces 41.
  • electrical trimming z. B. trimming structures, not shown here, and thus, the electrical impedance of component structures changed.
  • the dielectric layer can be thinned.
  • the first wafer 1, 3 is connected to a second wafer or carrier substrate 2, preferably by means of direct wafer bonding (FIG. 1C).
  • IC is indicated by a dashed line that the piezoelectric substrate is thinned.
  • the thermal expansion of the overall device is improved, as is the temperature coefficient in the case of the combination of the substrates of Si and LiTaO 3rd
  • FIGS. 1A to 1C The illustration according to FIGS. 1A to 1C is rotated by 180 ° relative to the illustration according to FIGS. ID to IG, so that in FIGS. ID to IG the carrier substrate 2 is turned downwards and the piezosubstrate 1 faces upwards.
  • the piezo substrate 1 is already thinned in FIG.
  • Figure ID is indicated by dashed lines that abutting edges of the piezoelectric substrate, the layer system 3 and partly also abutting edges of the carrier substrate z.
  • B. be bevelled by a V-shaped sawing between two component areas.
  • Contact holes 20 with preferably bevelled walls are produced in the carrier substrate 2 (FIG. 1F).
  • the contact holes 20 open into the openings 320 of the dielectric layer. Thus, contact surfaces are exposed again.
  • a metallization 60, 61 is applied on parts of the surface of the carrier substrate, on the inner walls of the contact holes 20 and the exposed areas of the contact surfaces 41.
  • FIG. 2 shows a further GBAW component, which, in contrast to the variant presented in FIG. 1C, additionally has a cover substrate 7 which is thicker than the piezosubstrate 1.
  • the expansion coefficient of the substrates 2, 7 is smaller than that of the piezosubstrats 1.
  • the substrates 2, 7 are preferably made of the same material, whose expansion properties due to the higher overall thickness of these substrates compared to the thickness of the piezoelectric substrate 1 substantially determine the temperature coefficient of the overall device. Thus, it is possible to keep the thermal expansion of the entire component low.

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Abstract

Es wird ein elektroakustisches Bauelement mit einem zur Führung von GBAW geeigneten Schichtsystem (3), einem Trägersubstrat (2) und einem Piezosubstrat (1) angegeben. Das Schichtsystem (3) ist zwischen den beiden Substraten (2, 1) angeordnet. Die Dicke des Piezosubstrats (1) beträgt in einer ersten bevorzugten Ausführungsform maximal die Hälfte der Dicke des Trägersubstrats (2). Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform weist das Piezosubstrat (1) eine monokristalline Struktur auf und ist dabei maximal 50 dick, wobei die Wellenlänge der GBAW bei der Mittenfrequenz des angegebenen Bauelements ist. Gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform ist das Piezosubstrat (1) in einem mechanischen Verfahren abgedünnt.

Description

Beschreibung
Elektroakustisch.es Bauelement
Es wird ein elektroakustisch.es Bauelement, insbesondere ein mit geführten Volutuenwellen arbeitendes Bauelement angegeben.
Mit geführten Volumenwellen arbeitende Bauelement sind z. B. aus den Druckschriften DE 10325281 Al, US 2005/0099091 Al, US 6046656, WO 01/29964 Al, WO 03/088475 Al und WO 03/088482 Al bekannt .
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein robustes elektro- akustisches Bauelement mit guten Eigenschaften bezüglich seines linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten anzugeben.
Es wird ein elektroakustisches Bauelement mit einem zur Führung von geführten Volumenwellen (GBAW = Guided BuIk Acoustic Wave) geeigneten Schichtsystein, einem Trägersubstrat und einem gegenüber dem Trägersubstrat relativ dünnen Piezosubstrat angegeben. Das Schichtsystem ist zwischen den beiden Substraten angeordnet .
Die Dicke des Piezosubstrats beträgt in einer ersten bevorzugten Ausführungsform maximal die Hälfte der Dicke des Trägersubstrats .
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform weist das Piezosubstrat eine monokristalline Struktur auf und ist dabei maximal 50λ, in einer bevorzugten Variante maximal 30λ dick, wobei λ die Wellenlänge der GBAW z. B. bei einer Betriebsfrequenz oder der Mittenfrequenz des angegebenen Bauelements ist. Gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform ist das Pie- zosubstrat in einem mechanischen Verfahren abgedünnt . Unter dem Abdünnen versteht man das Abtragen eines Teils des Substratmaterials nach dem Herstellen des Schichtaufbaus aus dem Trägersubstrat, dem Schichtsystem und dem Piezosubstrat . Das Piezosubstrat kann in einer Variante bis zu einer Dicke von 5λ abgedünnt werden.
Als Material für das Trägersubstrat ist z. B. aus Kostengründen Silizium geeignet. Dieses Material ist auch im Sinne der Erhöhung der Integrationsdichte des angegebenen Bauelements vorteilhaft. Die Kristallorientierung 111 oder 100 vom Si- Kristall ist bevorzugt. Möglich ist aber auch AI2O3, Glas o- der ein (organischer) Kunststoff, z. B. FR4. Das Trägersub- strat kann auch piezoelektrische Eigenschaften aufweisen. Materialien mit einem (verglichen mit dem Piezosubstrat) relativ kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind für das Trägersubstrat bevorzugt. Der Ausdehnungskoeffizient des Trägersubstrats kann z. B. mindestens 50% kleiner sein als der des Piezosubstrats.
Unter einem Piezosubstrat versteht man ein Substrat aus einem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften. Das Piezosubstrat ist vorzugsweise aus einem Einkristall geschnitten. Als Einkristalle kommen in Betracht insbesondere LiTaO3, LiNbO3, ZnO, KNbO3, NaKNbO3, Quarz, aber auch andere piezoelektrische Materialien. Das Piezosubstrat kann z. B. aus LiTaO3 mit einem Schnittwinkel φ rot YX gebildet sein, wobei gilt 7° < φ < 24°. In einer bevorzugten Variante gilt 12° < φ < 21°. Bei elektroakustischen Bauelementen mit LiTaO3 als Substrat und einem solchen Schnittwinkel gelingt es, eine hohe elektrische Bandbreite zu erzielen. Im Folgenden wird das angegebene Bauelement, seine Funktionsweise und bevorzugte Ausführungsformen erläutert.
Ein an die Bauelementstrukturen (d. h. Elektroden eines Wand¬ lers) angelegtes elektrisches Signal ruft Auslenkungen von Atomen im piezoelektrischen Substrat hervor, wobei eine akustische Volumenwelle angeregt wird, die in einer horizontalen Ebene, insbesondere in der dielektrischen Schicht und in der Nähe dieser Schicht geführt werden kann.
Die akustische Energie einer GBAW in einem mit GBAW arbeitenden Bauelement ist hauptsächlich in dem Bereich konzentriert, in dem die Welle angeregt wird, und klingt in beiden Richtungen vertikal zum Schichtaufbau des Bauelements ab. Dieses Abklingen wird durch eine Wellenleiterstruktur, d. h. durch ein Geschwindigkeitsprofil in vertikaler Richtung, erreicht. Dabei ist in einer vorzugsweise dünnen Schicht (dielektrischen Schicht) in der Nähe der Anregungsebene akustischer Wellen die niedrigste Ausbreitungsgeschwindigkeit gegeben. Diese Schicht ist zwischen Substraten mit höheren akustischen Ausbreitungsgeschwindigkeiten angeordnet .
Die GBAW wird im Schichtsystem bzw. an seiner Grenzfläche zum Piezosubstrat angeregt und hauptsächlich in diesem Schicht- System geführt. Das Schichtsystem umfasst in einer vorteilhaften Variante eine Metallschicht, in der die GBAW anregenden Bauelementstrukturen ausgebildet sind, und die relativ dünne dielektrische Schicht mit einer niedrigen Ausbreitungs- geschwindigkeit akustischer Wellen.
Die dielektrische Schicht ist vorzugsweise aus Siliziumdioxid. SiO2 ist auch deshalb als Material für die dielektri- sehe Schicht vorteilhaft, da eine SiO2-Oberfläche für ein Di- rect Wafer Bonding geeignet ist. Als Alternative zu SiO2 ist z. B. TeO2 geeignet. Als Material für die dielektrische Schicht kommen im Prinzip beliebige Materialien mit einer (bezogen auf die akustische Impedanz der Metallschicht) relativ niedrigen akustischen Impedanz in Betracht.
Die Qualität der dielektrischen Schicht kann anhand ihres optischen Brechungsindexes beurteilt werden. Eine dielektrische Schicht aus SiO2 mit einem Brechungsindex zwischen 1,44 und 1,48 ist bevorzugt. Das SiO2 der dielektrische Schicht ist vorzugsweise stöchiometrisch.
Die Metallschicht mit den darin ausgebildeten Bauelement- Strukturen ist vorzugsweise direkt auf dem Piezosubstrat angeordnet . Die BauelementStrukturen sind zwischen dem Piezosubstrat und der dielektrischen Schicht eingebettet .
Die Metallschicht kann aus einer einzigen Schicht bestehen, die eine hohe Leitfähigkeit und eine relativ hohe akustische Impedanz aufweist. Die Metallschicht umfasst in einer bevorzugten Variante mehrere Teilschichten, darunter eine erste Teilschicht mit einer hohen Leitfähigkeit und eine zweite Teilschicht mit einer hohen akustischen Impedanz. Die Metallschicht kann eine Teilschicht aus Al und eine weitere Teil- schicht z. B. aus W oder Pt aufweisen. Teilschichten der Metallschicht können grundsätzlich aus Metallen, Metalllegie- rungen oder anderen leitenden Materialien bestehen.
Eine typische Grundfläche des Bauelements ist 500 x 700 μm2. Die Gesamtdicke des Bauelements beträgt in einer Variante ca. 200 μm und ist vorzugsweise nicht größer als 1OO Wellenlän- gen. Die Gesamtdicke des Bauelements kann aber auch kleiner als 200 μm sein.
Im Schichtaufbau des Bauelements entstehen bei einer Temperaturänderung aufgrund der unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Substrate mechanische Verspannungen, die an der Grenzfläche des Piezosubstrats und des SchichtSystems besonders groß sein können.
Die Dicke des Piezosubstrats ist vorzugsweise so gewählt, dass die mechanischen Verspannungen aufgrund der unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Substrate in das gesamte Volumen des Piezosubstrats eingeleitet werden, so dass das Piezosubstrat der Ausdehnung des Trägersubstrats folgen kann. Somit kann der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient des Gesamtaufbaus - darunter auch des Piezosubstrats - an den des Trägersubstrats angepasst sein.
Die Dicke des Piezosubstrats ist vorzugsweise zwischen 3 und 30 Wellenlängen, in einer bevorzugten Variante maximal 70 μm. Das Piezosubstrat kann beim Auftragen der Schichten der Schichtenfolge in einer höheren Dicke vorhanden sein und erst in einem späteren Verfahrensschritt bis zum oben genannten Wert der Dicke gedünnt werden.
Man kann zur Ausbildung der dielektrischen Schicht ein Material mit einem Temperaturgang (TCF) seiner elastischen Konstanten verwenden, der gegenüber dem Temperaturgang der elastischen Konstanten des Piezosubstrats entgegengesetzt ist, wobei der Temperaturgang der dielektrischen Schicht bei einem positiven Temperaturgang des jeweiligen Substrats negativ ist, und umgekehrt. Mit entgegen gesetzten TCF bei zwei be- nachbarten Schichten gelingt es, den Temperaturgang des gesamten Bauelements gering zu halten.
Die Schichtdicke des zwischen dem Piezosubstrat und Trägersubstrat angeordneten Schichtsystems ist vorzugsweise gleich der Dicke der dielektrischen Schicht, da die Bauelementstrukturen der Metallschicht in der dielektrischen Schicht eingebettet sind und diese vorzugsweise nicht überragen. Die Schichtdicke und beträgt in einer Variante zwischen 0 , lλ und λ, vorzugsweise zwischen 0,15λ bis 0,5λ oder zwischen 0,3 und
1 μm. Die Gesamtdicke des Trägersubstrats und des Schichtsystems zusammen ist vorzugsweise nicht größer als 100 Wellenlängen oder 200 μm.
Mit den oben angegebenen Dicken für die Substrate und das Schichtsystem gelingt es, einen geringen Temperaturgang des Bauelements, in einer Variante |TCF| < 40 ppm/K zu erreichen. Somit können stabile elektrische Eigenschaften des Bauelements in einem breiten Temperaturbereich gewährleistet werden.
Die freiliegende (nach außen gewandte) Rückseite des Piezo- substrats ist vorzugsweise großflächig metallisiert. Diese Metallisierung ist vorzugsweise mit Masse verbunden und dient als elektromagnetische Abschirmung für Bauelementstrukturen. In dieser Metallisierung können als Anschlüsse des Bauelements vorgesehene Metallflächen und/oder Beschriftung des Bauelements ausgebildet sein.
Im Trägersubstrat sind vorzugsweise Durchkontaktierungen ausgebildet, die an der Oberfläche des Trägersubstrats angeordnete Anschlüsse leitend mit den Kontaktflächen verbinden. Die Durchkontaktierungen können als Rohr (ggf . mit einem sich verjüngenden Querschnitt) bzw. als Öffnungen mit metallisierten Innenwänden ausgebildet sein. Die für Durchkontaktierun- gen vorgesehenen Öffnungen im Trägersubstrat können aber auch mit Metall gefüllt sein.
Das angegebene Bauelement kann beispielsweise im folgenden Verfahren erzeugt werden. Es wird ein erster Wafer (z. B. LiTaO3-Wafer) bereitgestellt, der zur gleichzeitigen Erzeugung von Piezosubstraten mehrerer Bauelemente bzw. Bauelementbereiche geeignet ist. Es wird ein zweiter Wafer (z. B. Si-Wafer) bereitgestellt, der zur Erzeugung von Trägersubstraten geeignet ist. Für Bauelementbereiche vorgesehene Bereiche des jeweiligen Substrats bilden vorzugsweise eine regelmäßige Matrix.
Auf dem ersten Wafer werden pro Bauelementbereich vorzugsweise photolithographisch Bauelementstrukturen - insbesondere elektroakustische Wandler - und leitend, mit diesen verbundene Kontaktflächen erzeugt . Auf die die BauelementStrukturen tragende Oberfläche des Piezosubstrats wird großflächig eine dielektrische Schicht z. B. in einem CVD-Verfahren (CVD = Chemical Vapor Deposition) oder mittels Sputtern aufgetragen.
Die dielektrische Schicht wird in einer bevorzugten Variante des Verfahrens planarisiert , z. B. mittels eines CMP-Verfah- rens. CMP steht für Chemical Mechanical Polishing.
Es kann vorteilhaft sein, die dielektrische Schicht zu dünnen, um z. B. die Frequenzlage von Bauelementstrukturen zu verändern. Dies kann im Planarisierungsschritt erfolgen. Die Frequenzlage von BauelementStrukturen bzw. die Schichtdicke der dielektrischen Schicht wird dabei so eingestellt, dass nach dem Verbinden mit dem zweiten Wafer die für das Bauelement vorgesehene Frequenzlage resultiert.
Der erste Wafer wird nun mit dem zweiten Wafer z. B. durch Direct Wafer Bonding verbunden. Waferbonding wird vorzugsweise bei relativ niedrigen Temperaturen, z. B. bei Raumtemperatur durchgeführt. Dabei wird ein Verbundwafer mit zu vereinzelnden Bauelementbereichen erzeugt.
Der Gesamt-Wafer kann auf der Seite des ersten Wafers gedünnt werden. Der Gesamt-Wafer wird auf der Seite des Piezosub- strats entlang Trennlinien, d. h. zwischen den Bauelementbereichen vorzugsweise V-förmig zumindest bis zum Trägersubstrat angesägt. Es ist vorteilhaft, dabei auch das Trägersubstrat bis zu einer bestimmten Tiefe anzusägen. Dabei werden insbesondere schräge Stoßkanten des Piezosubstrats und des SchichtSystems erzeugt, die zusammen mit der (flachen) Rückseite des Piezosubstrats metallisiert und somit hermetisch dicht verkapselt werden können. Dadurch sind Bauelementstrukturen bezüglich Korrosion geschützt sowie gegen äußere elektromagnetische Felder abgeschirmt.
Auf der Seite des Trägersubstrats werden z. B. durch Ätzen und anschließendes Metallisieren von Öffnungen - Kontaktlöchern - Durchkontaktierungen zur Kontaktierung von Kontaktflächen erzeugt . Vorzugsweise in demselben Verfahrensschritt werden Außenanschlüsse von Bauelementen auf der nach außen gewandten Oberfläche des zweiten Wafers erzeugt .
Es könnte als Trägersubstrat auch ein dünner Si-Wafer mit vorgefertigten Kontaktlöchern zum Bonden mit dem Piezosub- strat verwendet werden. Im Trägersubstrat oder auf seiner O- berflache können vorgefertigte Halbleiterstrukturen wie z. B. Dioden und Transistoren ausgebildet sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Piezosubstrat zwischen dem SchichtSystem und einem Deckelsubstrat angeordnet sein, das vorzugsweise mit' dem Trägersubstrat vergleichbare physikalische Eigenschaften wie z. B. den Temperaturgang der elastischen Konstanten aufweist. Es ist vorteilhaft, das Piezosubstrat zwischen zwei Substraten - Trägersubstrat und Deckelsubstrat - anzuordnen, die beide gegenüber dem Temperaturgang der elastischen Konstanten des Piezosubstrats ein entgegen gesetztes Verhalten und/oder einen kleineren Ausdehnungskoeffizienten als das Piezosubstrat aufweisen.
Die Dicke des Piezosubstrats ist vorzugsweise kleiner als diejenige des Deckelsubstrats . Es ist vorteilhaft, die Dicke des Piezosubstrats kleiner zu wählen als die Gesamtdicke des Deckelsubstrats und des Trägersubstrats . Die Dicke des Piezosubstrats kann z. B. kleiner gewählt werden als die Hälfte der Summe der Dicken des Deckelsubstrats und des Trägersubstrats.
Als Material für ein Deckelsubstrat ist z. B. Glas, Silizium oder Siliziumdioxid geeignet. Es ist vorteilhaft, für das Deckelsubstrat und das Trägersubstrat für Direct Wafer Bonding geeignetes, vorzugsweise identisches Material zu verwenden.
Die frei liegende Oberfläche des Deckelsubstrats kann z. B. zur Bildung einer elektrischen Abschirmung und/oder elektrischer Verbindungen metallisiert werden. Andererseits besteht die Möglichkeit, dass das Deckelsubstrat die in Zusammenhang mit dem Trägersubstrat beschriebenen konstruktiven Eigenschaften wie z. B. Kontaktlöcher und integrierte Halbleiter- strukturen aufweist . Die Kontaktlöcher sind in diesem Fall vorzugsweise durch das Deckelsubstrat und das Piezosubstrat bis zur in dem Schichtsystem enthaltenen Metallschicht hindurch geführt .
Zwischen dem Piezosubstrat und dem DeckelSubstrat kann im Prinzip eine Metallschicht vorgesehen sein, in der beispielsweise Kontaktflächen und ggf. zur Wellenerzeugung und -führung geeignete elektroakustische Bauelementstrukturen ausgebildet sein können. Weitere Zwischenschichten sind auch möglich.
In einer Variante ist es möglich, den als einen ersten Wafer vorhandenen Verbund des Trägersubstrats, des SchichtSystems und des ggf. abgedünnten Piezosubstrats mit dem als einen zweiten Wafer vorhandenen Deckelsubstrat zu verbinden.
In einer weiteren Variante war es möglich, das Piezosubstrat zunächst mit dem Deckelsubstrat zu verbinden bzw. zu bonden und auf der dem DeckelSubstrat gegenüber liegenden Seite des Piezosubstrats das bereits beschriebene Schichtsystem auszubilden. Der damit entstandene Wafer kann mit dem als Trägersubstrat vorgesehenen Wafer verbunden, beispielsweise gebon- det werden. Das Piezosubstrat wird vor dem Auftragen des Schichtsystems vorzugsweise abgedünnt und seine Oberfläche poliert, damit sie zur Auftragung von BauelementStrukturen (Wandler, Kontaktflächen, elektrische Verbindungen) geeignet ist.
Im Folgenden wird das Bauelement und das Verfahren zu dessen Herstellung anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Figuren erläutert. Es zeigen:
Figuren IA bis IG Verfahrensschritte des Herstellungsverfah- rens
Figur 2 schematisch den prinzipiellen Aufbau eines GBAW- Bauelements mit einem Trägersubstrat und einem Deckelsubstrat .
Ein mit GBAW arbeitendes Bauelement ist in Figur IG gezeigt. Zwischen einem piezoelektrischen Piezosubstrat 1 und einem deutlich dickeren Trägersubstrat 2 ist ein Schichtsystem 3 angeordnet. Angesichts der geringen Dicke des Piezosubstrats wird die Dicke des Trägersubstrats vorzugsweise so groß gewählt, dass dies für die mechanische Stabilität des Bauelements ausreicht .
Das Trägersubstrat 2 weist vorzugsweise eine kleinere thermische Ausdehnung auf als das Piezosubstrat 1.
Die Dicke des ersten und des Trägersubstrats beträgt in einer Variante 50 μm bzw. 150 μm. Die Dicke des SchichtSystems beträgt in einer Variante 0,6 μm.
Das Schichtsystem 3 umfasst eine (von oben nach unten gesehen) auf dem Piezosubstrat 1 angeordnete Metallschicht 31. Die Metallschicht 31 ist strukturiert und umfasst elektro- akustisch aktive Bauelementstrukturen 42, z. B. Wandler, und leitend mit diesen verbundene Kontaktflächen 41. Die Strukturen 41, 42 der Metallschicht 31 sind zwischen dem Piezosubstrat 1 und einer dielektrischen Schicht 32 z. B. aus SiO2 verkapselt .
Das Piezosubstrat 1 ist vorzugsweise piezoelektrisch, z. B. aus LiTaO3, in einer Variante LiTaO3 αrotYX, wobei 15° < α < 20°. Das Trägersubstrat ist vorzugsweise aus einem hochohmi- gen Silizium. Die akustische Geschwindigkeit ist in den Substraten 1, 2 deutlich - z. B. um mindestens 20% - höher als in der dielektrischen Schicht.
Im Verbund des Trägersubstrats 2 und der dielektrischen Schicht 32 sind Kontaktlöcher 20 mit darin frei liegenden Kontaktflächen 41 vorgesehen. Im Bereich der Kontaktlöcher ist eine Metallisierung 60 vorgesehen, die die Innenwände von Kontaktlöchern und die offen gelegten Bereiche von Kontakt- flächen bedeckt. Die Metallisierung 60 ist darüber hinaus teilweise auf der Unterseite des Trägersubstrats 2 angeordnet und bildet Außenanschlüsse 61.
In Figur IA ist ein erster Wafer gezeigt. Beim Herstellen des ersten Wafers wird auf ein erstes Substrat 1 zunächst eine strukturierte Metallschicht 31 aufgebracht. Auf das Piezosub- strat 1 wird über der Metallschicht 31 eine dielektrische Schicht 32 aufgetragen.
Die dielektrische Schicht 32 wird vorzugsweise planarisiert . Im nächsten Schritt (Fig. IB) werden Bereiche 320 der dielektrischen Schicht 32 weggeätzt, um insbesondere Kontaktflächen 41 zumindest teilweise freizulegen. Somit ist es möglich, elektrische Parameter von Bauelementbereichen zu vermessen. Falls die Ist-Werte dieser Parameter von Soll-Werten abweichen, kann das SchichtSystem auf diesem Stadium einerseits elektrisch und andererseits mechanisch nachgetrimmt werden. Beim elektrischen Trimmen werden z. B. hier nicht dargestellte Trimmstrukturen und somit, die elektrische Impedanz von BauelementStrukturen verändert . Beim mechanischen Trimmen kann die dielektrische Schicht gedünnt werden. Als nächstes wird der erste Wafer 1, 3 mit einem zweiten Wa- fer bzw. Trägersubstrat 2 vorzugsweise mittels Direct Wafer Bonding verbunden (Fig. IC) . In Figur IC ist mit einer gestrichelten Linie angedeutet, dass das Piezosubstrat gedünnt wird.
Durch das Abdünnen des Piezosubstrats, das in der Regel eine höhere thermische Ausdehnung als das Trägersubstrat aufweist, wird die thermische Ausdehnung des Gesamtbauelements verbessert, ebenso wie der Temperaturgang im Falle der Kombination der Substrate aus Si und LiTaO3.
Die Darstellung gemäß Figuren IA bis IC ist gegenüber der Darstellung gemäß Figuren ID bis IG um 180° gedreht, so dass in Figuren ID bis IG das Trägersubstrat 2 nach unten und das Piezosubstrat 1 nach oben gewandt ist.
Das Piezosubstrat 1 ist in Figur ID bereits gedünnt . In Figur ID ist mit gestrichelten Linien angedeutet, dass Stoßkanten des Piezosubstrats, des SchichtSystems 3 und teilweise auch Stoßkanten des Trägersubstrats z. B. durch ein V-förmiges Einsägen zwischen zwei Bauelementbereichen abgeschrägt werden.
Die Rückseite des Piezosubstrats und insbesondere auch die in Figur ID noch offen liegende Schnittstelle zwischen dem Schichtsystem 3 und den Substraten 1, 2 werden metallisiert (Metallschicht 5 in Figur IE) und damit gegen schädliche Umwelteinflüsse abgedichtet .
Im Trägersubstrat 2 werden Kontaktlöcher 20 mit vorzugsweise abgeschrägten Wänden erzeugt (Fig. IF) . Die Kontaktlöcher 20 münden dabei in die Öffnungen 320 der dielektrischen Schicht. Somit werden Kontaktflächen wieder freigelegt . Auf Teile der Oberfläche des Trägersubstrats, auf die Innenwände der Kontaktlöcher 20 und die freigelegten Bereiche der Kontaktflächen 41 wird eine Metallisierung 60, 61 aufgetragen.
In Figur 2 ist ein weiteres GBAW-Bauelement gezeigt, das im Unterschied zu der in Fig. IG vorgestellten Variante zusätzlich ein Deckelsubstrat 7 aufweist, das dicker ist als das Piezosubstrat 1.
Der Ausdehnungskoeffizient der Substrate 2, 7 ist kleiner als derjenige des Piezosubstrats 1. Die Substrate 2, 7 sind vorzugsweise aus dem gleichen Material, dessen Ausdehnungseigenschaften aufgrund der höheren Gesamtdicke dieser Substrate verglichen mit der Dicke des Piezosubstrats 1 im Wesentlichen den Temperaturgang des Gesamtbauelements bestimmen. Somit gelingt es, die thermische Ausdehnung des Gesamtbauelements gering zu halten.
Bezugszeichenliste
1 erstes Substrat
2 zweites Substrat 20 Kontaktloch
3 Schichtsystem
31 Metallschicht des Schichtsystems
32 dielektrische Schicht
320 Öffnung in der dielektrischen Schicht
41 Kontaktfläche
42 Bauelementstruktur (Wandler)
5 Metallschicht auf der Rückseite des ersten Substrats
60 Metallisierung eines Kontaktlochs
61 Außenanschluss 7 Deckelsubstrat

Claims

Patentansprüche
1. Elektroakustisch.es Bauelement, umfassend
- ein zur Führung von geführten Volumenwellen geeignetes Schichtsystem (3) ,
- ein TrägerSubstrat (2) , und
- ein Piezosubstrat (1) , das piezoelektrische Eigenschaften aufweist,
- wobei das SchichtSystem (3) zwischen den beiden Substraten (2, 1) angeordnet ist, und
- wobei die Dicke des Piezosubstrats (1) maximal die Hälfte der Dicke des Trägersubstrats (2) beträgt.
2. Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Dicke des Piezosubstrats (1) maximal 30% der Dicke des Trägersubstrats (2) beträgt.
3. Elektroakustisches Bauelement, umfassend
- ein zur Führung von geführten Volumenwellen geeignetes SchichtSystem (3) ,
- ein Trägersubstrat (2) , und
- ein Piezosubstrat (1) , das piezoelektrische Eigenschaften aufweist,
- wobei das Piezosubstrat eine monokristalline Struktur aufweist und maximal 50λ dick ist, wobei λ die Wellenlänge einer geführten Volumenwelle bei der Mittenfrequenz des Bauelements ist.
4. Bauelement nach Anspruch 1 oder 3 , wobei das Piezosubstrat (1) in einem mechanischen Verfahren abgedünnt ist.
5. Elektroakustisches Bauelement, umfassend
- ein zur Führung von geführten Volumenwellen geeignetes SchichtSystem (3) ,
- ein Trägersubstrat (2) , und
- ein Piezosubstrat (1) , das piezoelektrische Eigenschaften aufweist ,
- wobei das Piezosubstrat (1) in einem mechanischen Verfahren abgedünnt ist.
6. Bauelement nach Anspruch 5, wobei die Dicke des Piezosubstrats (1) maximal die Hälfte der Dicke des Trägersubstrats (2) beträgt.
7. Bauelement nach Anspruch 5, wobei die Dicke des Piezosubstrats (1) maximal 30% der Dicke des Trägersubstrats (2) beträgt.
8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
- wobei das Schichtsystem (3) eine Metallschicht (31) und eine dielektrische Schicht (32) umfasst,
- wobei in der Metallschicht (31) Wandler und Kontaktflächen (KF) ausgebildet sind.
9. Bauelement nach Anspruch 8, wobei die dielektrische Schicht (32) eine plane Grenzfläche aufweist .
10. Bauelement nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Schichtdicke der dielektrischen Schicht (32) zwischen 0,01λ und λ beträgt.
11. Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die dielektrische Schicht (32) bezogen auf das Träger- Substrat (2) eine entgegen gesetzte Temperaturabhängigkeit der elastischen Konstanten aufweist .
12. Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die dielektrische Schicht (32) aus Siliziumdioxid oder Tellurdioxid ist.
j
13. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Piezosubstrat (1) aus LiTaO3 und das Trägersubstrat (2) aus Si ist. ;
14. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Material des TrägerSubstrats (2) einen kleineren linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Piezosubstrats (1) .
15. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
- mit einem DeckelSubstrat (7) , dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient kleiner ist als derjenige des Piezosubstrats
(D,
- wobei das Piezosubstrat zwischen dem Deckelsubstrat und dem Schichtsystem angeordnet ist.
16. Elektroakustisches Bauelement, umfassend
- ein zur Führung von geführten Volumenwellen geeignetes SchichtSystem (3) ,
- ein Trägersubstrat (2) ,
- ein DeckelSubstrat (7) , und
- ein Piezosubstrat (1) , das piezoelektrische Eigenschaften aufweist,
- wobei das Schichtsystem (3) zwischen dem Trägersubstrat (2) und dem Piezosubstrat (1) angeordnet ist, und
- wobei das Piezosubstrat (1) zwischen dem Deckelsubstrat (7) und dem SchichtSystem (3) angeordnet ist,
- wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Deckelsubstrats (7) und des TrägerSubstrats (2) jeweils kleiner ist als derjenige des Piezosubstrats (1) .
17. Bauelement nach Anspruch 16, wobei das Deckelsubstrat (7) und das Trägersubstrat (2) bezogen auf das Piezosubstrat (1) jeweils eine entgegen gesetzte Temperaturabhängigkeit der elastischen Konstanten aufweisen.
18. Bauelement nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Dicke des Piezosubstrats (1) kleiner ist als die Dicke des DeckelSubstrats (7) .
19. Bauelement nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Dicke des Piezosubstrats (1) kleiner ist als die Summe der Dicken des Deckelsubstrats (7) und des Trägersubstrats (2) .
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