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WO2007059740A2 - Elektroakustisches bauelement - Google Patents

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WO2007059740A2
WO2007059740A2 PCT/DE2006/002029 DE2006002029W WO2007059740A2 WO 2007059740 A2 WO2007059740 A2 WO 2007059740A2 DE 2006002029 W DE2006002029 W DE 2006002029W WO 2007059740 A2 WO2007059740 A2 WO 2007059740A2
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WO
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layer
substrate
component according
thickness
component
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PCT/DE2006/002029
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WO2007059740A3 (de
Inventor
Werner Ruile
Ulrike RÖSLER
Original Assignee
Epcos Ag
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Publication date
Application filed by Epcos Ag filed Critical Epcos Ag
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Priority to US12/093,876 priority patent/US7851977B2/en
Priority to DE112006002542T priority patent/DE112006002542A5/de
Publication of WO2007059740A2 publication Critical patent/WO2007059740A2/de
Publication of WO2007059740A3 publication Critical patent/WO2007059740A3/de

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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 elements; Electromechanical resonators
    • H03H9/02—Details
    • H03H9/0222—Details of interface-acoustic, boundary, pseudo-acoustic or Stonely wave devices
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H03H3/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks

Definitions

  • An electroacoustic component in particular a component operating with guided bulk waves, is specified.
  • An object to be solved is to specify a robust electroacoustic component with a small footprint.
  • the invention relates to an electroacoustic component with two substrates, between which a layer system comprising a metal layer and a low acoustic impedance layer Z a / 2 is arranged, the metal layer comprising a layer with a high acoustic impedance Z a , i, and applies: Z arl / Za, 2 ⁇ 4.5.
  • This metal layer comprises electroacoustically active component structures, especially transducers, and conductive contact surfaces with them.
  • a transducer has interdigitated comb-like electrodes.
  • the ratio of the acoustic impedances is at least 5 in an advantageous variant.
  • a component working with GBAW which comprises an outwardly facing first substrate and an outwardly facing second substrate.
  • a layer system is arranged which comprises a metal layer and a dielectric layer.
  • the thickness of the first substrate is preferably less than 1/3 of the thickness of the second substrate.
  • a working with guided volume waves device does not require tightly closed cavities for electro-acoustically active device structures and is therefore particularly robust.
  • a working with acoustic waves device with a substrate of LiTaO 3 which has a cutting angle ⁇ red YX, where 7 ° ⁇ ⁇ 24 °. In a preferred variant, 12 ° ⁇ ⁇ 21 °.
  • LiTaO 3 is used at the above cut angle in a device operating with GBAW.
  • Application for working with surface waves components is also considered. In the following, the specified component, its operation and preferred embodiments will be explained.
  • the GBAW is excited in the layer system or at its interface to a piezoelectric layer (i.e., to the first substrate) and mainly guided therein.
  • the layer system accordingly comprises the metal layer in which the GBAW-exciting device structures are formed, and a dielectric layer with a low propagation velocity of acoustic waves.
  • the acoustic energy of a GBAW in a device working with GBAW is mainly concentrated in the area where the light is excited and decays vertically in both directions. 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 in the vicinity of the excitation plane of acoustic waves. This layer is arranged between layers with higher acoustic propagation velocities.
  • An electrical signal applied to the device structures causes excitations of atoms in the piezoelectric substrate - e.g. B. first substrate - forth, wherein a bulk acoustic wave, preferably a transverse wave is excited.
  • the propagation speed of this wave is preferably clear in the layer system, in particular in the dielectric layer - z. B. by at least 10% - smaller than in the two surrounding substrates.
  • a velocity profile suitable for waveguiding is created, wherein a bulk wave in hori zontaler level, in particular in the dielectric layer and in the vicinity of this layer can be performed.
  • the metal layer is preferably arranged on the (piezoelectric) first substrate.
  • the device structures are embedded between the first substrate and the dielectric layer.
  • An electroacoustic transducer preferably has electrode structures with a relatively high electrical conductivity z. B. of at least 2 x 10 4 [ohm x cm] "1 and a relatively high acoustic reflection.
  • the reflection coefficient Pn at the acoustic port of a transducer has, in a certain frequency range, a stop band which is related to the periodic structure of the transducer.
  • P 1 I is a scattering parameter in a P-matrix acoustic model. Sufficient acoustic reflection is obtained, for example, with an acoustic stop bandwidth of 7.5% relative to the center frequency of the transducer.
  • the strength of acoustic reflection that occurs at the edges of electrode structures depends on the acoustic impedance jump between these structures and their surroundings. The greater the impedance jump at an interface, the stronger the acoustic reflection at this interface. Since aluminum and silicon dioxide have similar values of acoustic impedance, the acoustic reflection at their interface - and therefore also in embedded in the silicon dioxide electrode structures - due to a small acoustical I ⁇ npedanzsprungs low. Therefore, in the metal layer in particular for the formation of transducer electrodes in addition to an Al layer, a further sub-layer z. B. from W or the Pt provided, which has a high acoustic impedance. Tungsten may have an alfa or beta configuration.
  • the metal layer comprises a plurality of partial layers, including a first partial layer with a high acoustic impedance and a second partial layer with a high conductivity.
  • Partial layers of the metal layer can basically consist of metals, metal alloys or other conductive materials.
  • the high conductivity sublayer may alternatively be an Al alloy or other suitable metal.
  • the high acoustic impedance sub-layer is preferably disposed directly on the piezoelectric substrate. However, in a further variant of this, it may be spaced apart by a thin intermediate layer, preferably of Ti, whose thickness preferably does not exceed 15 nm and is typically between 5 nm and 10 nm. For a thin interlayer, the high acoustic impedance sub-layer is near the piezoelectric substrate. Consequently a high electro-acoustic coupling of the component can be achieved.
  • This layer which is arranged between the sub-layer with high acoustic impedance and the piezoelectric substrate, preferably electrically conductive and in particular suitable for bonding between the substrate and the sub-layer with high acoustic impedance is z.
  • B a partial layer of the metal layer.
  • the layer thickness of the high acoustic impedance layer is selected such that the acoustic stop bandwidth of a transducer formed therefrom is at least 7.5%.
  • This thickness is preferably between 0.02 and 0.03 wavelengths or -. For example, at a center frequency of the device of 2 GHz - between 40 and 70 nm. For components with a different center frequency, the corresponding layer thickness can be determined by scaling with the frequency.
  • the layer thickness of the layer with high acoustic impedance is in a variant between 30% and 50% of the total layer thickness of the metal layer.
  • the thickness of the Al layer is preferably less than 0.2 ⁇ and is - z. B. at a center frequency of the device of 2GHz - selected between 100 and 150 nm.
  • the metal layer can consist of a single layer which has a high conductivity and a relatively high acoustic impedance.
  • the first substrate is piezoelectric. But it is also possible that the second substrate has piezoelectric properties. __ * ⁇
  • the first 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 first substrate may also be grown as a piezoelectric layer on a growth substrate.
  • the growth substrate will later, z. B. after connecting the first and the second substrate preferably, but not necessarily detached.
  • As a grown piezoelectric layer are suitable z. AlN, ZnO, PZT, Li-TaO 3 , LiNbO 3 .
  • Other piezoelectric materials are possible, which preferably have a good electro-acoustic coupling.
  • high-resistance Si is considered as the material for the second substrate.
  • the crystal orientation 111 or 110 of the Si crystal is preferred.
  • the dielectric layer may in one variant consist of several partial layers. At least one of the partial layers may have piezoelectric properties.
  • the dielectric layer is preferably made of a material whose temperature response (TCF) is opposite to that of the first and / or second substrate, the temperature characteristic of the dielectric layer being negative for a positive temperature response of the respective substrate, and vice versa. With opposite TCF at two adjacent Layers succeed in keeping the temperature coefficient of the entire component low.
  • TCF temperature response
  • the dielectric layer is preferably of silicon dioxide.
  • SiO 2 is also advantageous as a material for the dielectric layer, since an SiO 2 surface is suitable for a direct wafer bonding.
  • the quality of the dielectric layer can be judged by its optical refractive index.
  • a dielectric Layer of SiO 2 with a refractive index between 1.44 and 1.48 is preferred. SiO 2 is preferably stoichiometric.
  • a typical footprint of the device is 500 x 700 ⁇ m 2 .
  • the total thickness of the device is about 200 microns and is preferably not greater than 100 wavelengths. The total thickness of the device may also be less than 200 microns.
  • the thickness of the first substrate is preferably between 3 and 50 wavelengths, in a preferred variant a maximum of 30 ⁇ or 70 ⁇ m.
  • the first substrate can be present in a higher thickness and only thinned to the abovementioned value of the thickness in a later method step.
  • the second substrate - z. B. from Si - is preferably much thicker than the first.
  • the thickness of the second substrate is at least 10 wavelengths in a variant.
  • the expansion coefficient of the second substrate is preferably smaller than that of the first substrate.
  • the expansion coefficient of the second substrate may, for. B. at least 50% smaller than that of the first substrate.
  • the layer thickness of the layer system is preferably equal to the thickness of the dielectric layer, since the structures of the metal layer are embedded in the dielectric layer and preferably do not project beyond it, and in one variant is between 0, 1 ⁇ and ⁇ , preferably between
  • the total thickness of the second substrate and the layer system together is preferably not greater than 100 wavelengths or 200 ⁇ m.
  • the exposed (outwardly facing) back of the first substrate is preferably metallized over a large area.
  • This metallization is preferably connected to ground and serves as an electromagnetic shield for device structures.
  • conductive connection z. B be formed between component structures or between the encapsulated device structures and external connections.
  • this metallization can also be designed as terminals of the device provided metal surfaces and / or label of the device.
  • Via contacts are preferably formed in the second substrate, which connect the terminals arranged on the surface of the second substrate to the contact surfaces in a conductive manner.
  • the plated-through holes can be used as a tube (possibly with a tapering cross-section) or as openings with metal be formed interior walls. However, the openings provided in the second substrate for plated-through holes can also be filled with metal.
  • active and / or passive • formwork may processing elements - z.
  • transistors, diodes, capacitors, inductors, line sections - be formed, which are contacted by means of plated-through contacts from the outside and connected to the electro-acoustic component structures.
  • a passivation layer may be arranged on external conductive connections on the top side and / or bottom side of the component.
  • the component can be designed in particular as a bare die.
  • a bare die can be mounted, for example, on a carrier substrate.
  • the carrier substrate may comprise ceramic layers.
  • the specified device can be produced, for example, in a following method.
  • a first wafer eg LiTaO 3 wafer
  • a second wafer eg, Si wafer
  • For component areas provided areas of the respective substrate preferably form a matrix.
  • a dielectric Layer z. B. in a CVD method (CVD Chemical Vapor Deposition) or applied by sputtering.
  • the dielectric layer is in a preferred variant of the method z. B. planarized by means of a CMP process.
  • CMP stands for Chemical Mechanical Polishing.
  • After application of the dielectric layer are preferably at least the contact surfaces z. B. exposed by etching.
  • electrical trim structures are also exposed.
  • Electrical properties of the component structures of individual or all component regions are measured by the exposed contact surfaces on the wafer before the wafer is connected to component structures with the second wafer (intermediate measurement).
  • the device structures of a device region on wafers prior to application of the Si wafer.
  • the z. B. periodically arranged metal strips as in a converter.
  • the trim structures may in particular be designed as a capacitive load. When trimming, a part of these strips can be separated from the transducer. In this connection, it is expedient to expose the trim structures after the application of the dielectric layer.
  • a full-content reference is made to the document DE 10325281 Al.
  • this track limiting reflectors or arranged between two transducers intermediate reflectors by ablation or To expose etch away the dielectric layer.
  • the acoustic reflection can be increased. It is also possible to expose individual electrode strips of a transducer to increase the reflection. It is also possible to expose edge regions of a transducer and thus to spare reflectors.
  • the dielectric layer for. B. to change the frequency position of component structures.
  • This can be z. B. by means of a CMP process.
  • 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.
  • a method known as Ziptronix method is suitable. In this case, an entire wafer is produced with component regions to be separated.
  • the entire wafer can be thinned on the side of the first wafer.
  • the entire wafer is sawn on the side of the first substrate along parting lines, ie preferably between the component regions, in a V-shaped manner at least as far as the second substrate. It is advantageous to also saw the second substrate to a certain depth.
  • oblique abutting edges of the first substrate and of the layer system are produced, which can be metallized together with the (flat) rear side of the first substrate and thus hermetically sealed. As a result, protected against corrosion and shielded against external electromagnetic fields.
  • the second substrate z. B. by etching and subsequent metallization of openings - contact holes - vias for contacting contact surfaces generated.
  • external terminals of devices are formed on the outward-facing surface of the second wafer.
  • the contact holes can be filled with a conductive material.
  • a method for quality control of electrical components can be carried out.
  • the total wafer is placed on a carrier - e.g. B. a carrier film - arranged so that connections of component areas are exposed or have upwards.
  • the carrier is preferably an optionally elastic film to which the wafer adheres well.
  • the component areas are preferably singulated by means of sawing to form components, without being removed from the carrier.
  • a measurement of all components is performed directly on the carrier. On the basis of these measurement results, defective components can be sorted out or good components can be selected.
  • the already isolated components can be electrically trimmed again on the carrier. It is possible, the encapsulated electrical trim structures z. B. to change over a transparent second substrate with a laser as already mentioned.
  • Reception range electromagnetically shield each other or electrically and / or acoustically isolate each other.
  • the second substrate is not available as a wafer, but it is on the first Wa-fer or on the dielectric layer as a sufficiently thick layer of z.
  • this layer sequence can, for. B. dielectric layers and disposed therebetween metallization with structured tracks.
  • interconnects integrated component structures are realized.
  • the more 'layer sequence can also semiconducting layers and formed therein nonlinear and / or active integrated structures such.
  • B. diodes and transistors include. Vias may be formed in the dielectric layers for conductive connection of integrated device structures to external terminals. In this case, the external connections are preferably arranged on the surface of the outwardly facing layer of the further layer sequence.
  • the arranged on the back of the first substrate metal layer may, for. B. to form conductive compounds z. B. be structured between component structures of the device.
  • GBAW working components are suitable for electrical filters, in particular high-frequency filter.
  • GBAW working components come u. a. for any mobile and oscillator applications into consideration.
  • all filter techniques known for acoustic surface waves can also be used with components working with GBAW.
  • Particularly suitable are strain gauge filters, ladder and lattice type filters, single-gate and multi-port resonators.
  • FIGS. 2A to 2F process steps for exposing and contacting contact surfaces of the layer system
  • Figures 3A 3B 7 fragmentary examples of forming a metal layer which has a partial layer having a high acoustic impedance.
  • FIG. IG A working with GBAW device is shown in Figure IG.
  • a layer system 3 is arranged between a piezoelectric first substrate 1 and a significantly thicker second substrate 2, a layer system 3 is arranged.
  • the second substrate is preferably a carrier substrate due to its higher thickness. In view of the low gen thickness of the first. Substrate, the thickness of the second substrate is preferably chosen so large that this is sufficient for the mechanical stability of the device.
  • the second substrate preferably has a smaller thermal expansion than the first substrate.
  • the thickness of the first and the second 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 first substrate 1, the exemplary structure of which is presented in detail in FIGS. 3A and 3B.
  • the metal layer 31 is structured and includes electroacoustically active device structures 42, z. As transducers, and conductively connected thereto contact surfaces 41.
  • the structures 41, 42 of the metal layer 31 are between the first substrate 1 and a dielectric layer 32 z.
  • the first substrate 1 is preferably piezoelectric, z. B. LiTaO 3 , in a variant LiTaO 3 15rotYX or 20rotYX.
  • the second 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 for exposing contact surfaces 41 are provided in the composite of the second substrate 2 and the dielectric layer 32.
  • a metallization 60 is provided, which the inner walls ' of contact holes and the exposed areas of contact surfaces covered. Moreover, the metallization 60 is partially disposed on the underside of the second substrate 2 and forms external terminals 61.
  • a first wafer is shown.
  • a first-structured metal layer 31 is first applied to a first substrate 1.
  • a dielectric layer is applied on the first substrate 1 with the metal layer 31, a dielectric layer is applied.
  • 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 not shown trim structures and thus changes the electrical impedance of component structures.
  • 'mechanical trimming the dielectric layer can be thinned.
  • the first wafer 1, 3 is connected to a second wafer or second substrate 2, preferably by means of direct wafer bonding (FIG. 1C).
  • a dashed line indicates that the first substrate is being thinned.
  • the thermal expansion of the overall device improves, as well as the temperature coefficient in the case of the combination of the substrates of Si and LiTaO 3 .
  • FIGS. 1A to 1C The illustration according to FIGS. 1A to 1C is rotated by 180 ° with respect to the illustration according to FIGS. ID to IG, so that in FIGS. ID to IG the second substrate 2 to, below and. first substrate 1 is turned upwards.
  • the first substrate 1 is already thinned in FIG.
  • Figure ID is indicated by dashed lines that abutting edges of the first substrate, the layer system 3 and partly also abutting edges of the second substrate z.
  • Contact holes 20 with preferably bevelled walls are produced in the second 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 second substrate, on the inner walls of the contact holes 20 and the exposed portions of the contact surfaces 41.
  • FIGS. 2A to 2F method steps for the formation of plated-through holes for contacting contact surfaces 41 are explained.
  • FIG. 2A is a detail of FIG. 1A.
  • FIG. 2B shows that preferably not all of the contact surface 41 but only a part thereof is exposed.
  • An opening 320 is etched in the dielectric layer 32. In this way, trim structures and / or parts of architectural structures can also be exposed.
  • FIG. 2G shows a detail of the total wafer after the connection of the two wafers.
  • the smallest cross-sectional size is preferably greater than the largest cross-sectional size of the opening 320.
  • a contact hole is produced with a step in cross section.
  • This hole is now metallized ( Figure 2E).
  • FIG. 2F it is indicated that the metallized contact holes can be filled with a conductive material 63.
  • FIG 3A a variant is shown in which the layer of high acoustic impedance 312 z. B. is arranged directly from tungsten on the first substrate 1.
  • the high conductivity layer 311 is preferably aluminum.
  • the layer thickness of the layer 312, which generally has a lower conductivity, is preferably significantly smaller than the layer thickness of the highly conductive layer 311 (eg one third, eg at 2 GHz W layer 50 nm or Al layer 150 nm ).
  • an additional conductive layer 313 z As titanium, which preferably serves for the layer 312 as an adhesion promoting layer.
  • the layer 313 is preferably not thicker than 10 nm.
  • the metal layer 31 may further include a passivation layer, not shown here, preferably as the uppermost part layer.

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Abstract

Es wird ein elektroakustisches Bauelement mit zwei Substraten angegeben, zwischen denen ein Schichtsystem angeordnet ist, das eine Metallschicht und eine Schicht niedriger akustischen Impedanz Za,2 umfasst, wobei die Metallschicht eine Schicht mit einer hohen akustischen Impedanz Za,1 umfasst, und wobei gilt: Za,1/ Za,2 ≥ 4,5. Somit ist eine ausreichende akustische Reflexion für geführte akustische Volumenwellen gewährleistet. Ferner wird ein elektroakustisches Bauelement mir einem piezoelektrischen Substrat aus Lithiumtantalat angegeben, das einen Schnittwinkel φ rot YX aufweist, wobei gilt 7° < φ < 24°.

Description

Beschreibung
Elektroakustisches Bauelement
Es wird ein elektroakustisches Bauelement, insbesondere ein mit geführten Volumenwellen arbeitendes Bauelement angegeben.
Mit geführten Volumenwellen arbeitende Bauelement sind z. B. aus den Druckschriften DE 10325281 Al, US 2005/0099091 Al, US 604665S, WO 01/29964 Al, WO 03/088475 Al und WO 03/088482 Al bekannt .
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein robustes elektroakustisches Bauelement mit einer kleinen Grundfläche anzugeben.
Es wird ein elektroakustisches Bauelement mit zwei Substraten angegeben, zwischen denen ein Schichtsystem angeordnet ist, das eine Metallschicht und eine Schicht niedriger akustischen Impedanz Za/2 umfasst, wobei die Metallschicht eine Schicht mit einer hohen akustischen Impedanz Za,i umfasst, und wobei gilt: Zarl/Za,2 ≥ 4,5.
Diese Metallschicht umfasst elektroakustisch aktive Bauelementstrukturen, vor allem Wandler, und leitend mit diesen verbundene Kontaktflächen. Ein Wandler weist ineinander greifende kammartige Elektroden auf .
Durch das angegebene Impedanzverhältnis ist an den Kanten der Elektroden, die in der Metallschicht ausgebildet sind, eine ausreichende akustische Reflexion für geführte akustische Volumenwellen bzw. eine ausreichende akustische Stoppbandbreite gewährleistet . Das Verhältnis der akustischen Impedanzen beträgt in einer vorteilhaften Variante mindestens 5.
Das angegebene Bauelement arbeitet vorzugsweise mit geführten akustischen Volumenwellen (GBAW = Guided BuIk Acoustic Wave) .
Des weiteren wird ein mit GBAW arbeitendes Bauelement angegeben, das ein nach außen gewandtes erstes Substrat und ein nach außen gewandtes zweites Substrat umfasst . Zwischen den Substraten ist ein Schichtsystem angeordnet, das eine Metall- Schicht und eine dielektrische Schicht umfasst . Die Dicke des ersten Substrats beträgt vorzugsweise weniger als 1/3 der Dicke des zweiten Substrats.
Ein mit geführten Volumenwellen arbeitendes Bauelement bedarf keiner dicht abzuschließenden Hohlräume für elektroakustisch aktive Bauelementstrukturen und ist daher besonders robust .
Des weiteren wird ein mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement mit einem Substrat aus LiTaO3 angegeben, das einen Schnittwinkel φ rot YX aufweist, 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.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird LiTaO3 mit dem oben angegebenen Schnittwinkel in einem mit GBAW arbeitenden Bauelement verwendet. Anwendung für mit Oberflächenwellen arbeitende Bauelemente kommt auch in Betracht . Im Folgenden wird das angegebene Bauelement, seine Funktionsweise und bevorzugte Ausführungsformen erläutert.
Die GBAW wird im Schichtsystem bzw. an seiner Grenzfläche zu einer piezoelektrischen Schicht (d. h. zum ersten Substrat) angeregt und hauptsächlich in diesem geführt. Das Schichtsystem umfasst demnach die Metallschicht, in der die GBAW anregenden Bauelementstrukturen ausgebildet sind, und eine dielektrische Schicht mit einer niedrigen Ausbreitungsgeschwindigkeit akustischer Wellen.
Die akustische Energie einer GBAW in einem mit GBAW arbeitenden Bauelement ist hauptsächlich in dem Bereich konzentriert, in dem die WeI^ angeregt wird, und klingt in beiden Richtungen vertikal dazu ab. Dieses Abklingen wird durch eine Wellenleiterstruktur, d. h. durch ein Geschwindigkeitsprofil in vertikaler Richtung erreicht. Dabei ist in einer vorzugsweise dünnen Schicht in der Nähe der Anregungsebene akustischer Wellen die niedrigste Ausbreitungsgeschwindigkeit gegeben. Diese Schicht ist zwischen Schichten mit höheren akustischen Ausbreitungsgeschwindigkeiten angeordnet .
Ein an die Bauelementstrukturen angelegtes elektrisches Signal ruft Auslenkungen von Atomen im piezoelektrischen Substrat - z. B. ersten Substrat - hervor, wobei eine akustische Volumenwelle, vorzugsweise eine Transversalwelle angeregt wird. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Welle ist im Schichtsystem, insbesondere in der dielektrischen Schicht vorzugsweise deutlich - z. B. um mindestens 10% - kleiner als in den beiden diese umgebenden Substraten. Somit wird in vertikaler Richtung ein zur Wellenleitung geeignetes Geschwindigkeitsprofil geschaffen, wobei eine Volumenwelle in hori- zontaler Ebene, insbesondere in der dielektrischen Schicht und in der Nähe dieser Schicht geführt werden kann.
Die Metallschicht ist vorzugsweise auf dem (piezoelektrischen) ersten Substrat angeordnet. Die Bauelementstrukturen sind zwischen dem ersten Substrat und der dielektrischen Schicht eingebettet.
Ein elektroakustischer Wandler weist vorzugsweise Elektrodenstrukturen mit einer relativ hohen elektrischen Leitfähigkeit z. B. von mindestens 2 x 104 [Ohm x cm]"1 und eine vergleichsweise hohe akustische Reflexion auf .
Als ein in hohem Maße leitfähiges Material für Elektrodenstrukturen kommt insbesondere Aluminium in Betracht .
Der Reflexionskoeffizient Pn am akustischen Tor eines Wandlers weist in einem bestimmten Frequenzbereich ein Stoppband auf, das mit der periodischen Struktur des Wandlers zusammenhängt. P1I ist ein Streuparameter in einem akustischen P-Matrix-Modell . Eine ausreichende akustische Reflexion wird beispielsweise mit einer akustischen Stoppbandbreite von 7,5% bezogen auf die Mittenfrequenz des Wandlers erhalten.
Die Stärke einer akustischen Reflexion, die an Kanten von E- lektrodenstrukturen auftritt, hängt vom akustischen Impedanzsprung zwischen diesen Strukturen und deren Umgebung ab. Je größer der Impedanzsprung an einer Grenzfläche ist, desto stärker ist die akustische Reflexion an dieser Grenzfläche. Da Aluminium und Siliziumdioxid ähnliche Werte der akustischen Impedanz aufweisen, ist die akustische Reflexion an deren Grenzfläche - und daher auch bei im Siliziumdioxid eingebetteten Elektrodenstrukturen - aufgrund eines kleinen akus- tischen Iτnpedanzsprungs gering. Daher ist in der Metallschicht insbesondere zur Ausbildung von Wandlerelektroden neben einer Al-Schicht eine weitere Teilschicht z. B. aus W o- der Pt vorgesehen, die eine hohe akustische Impedanz aufweist. Wolfram kann eine Alfa- oder Beta-Konfiguration aufweisen.
Die Metallschicht umfasst in einer bevorzugten Variante mehrere Teilschichten, darunter eine erste Teilschicht mit einer hohen akustischen Impedanz und eine zweite Teilschicht mit einer hohen Leitfähigkeit. Dies hat den Vorteil, dass die e- lektrische Leitfähigkeit und die akustische Reflexion elekt- roakustischer Bauelementstrukturen durch Material- und Schichtdickenauswahl der beiden Teilschichten unabhängig voneinander einstellbar sind.
Teilschichten der Metallschicht können grundsätzlich aus Metallen, Metalllegierungen oder anderen leitenden Materialien bestehen.
Die Teilschicht mit einer hohen Leitfähigkeit kann alternativ aus einer Al-Legierung oder einem anderen geeigneten Metall bestehen.
Die Teilschicht mit hoher akustischer Impedanz ist vorzugsweise direkt auf dem piezoelektrischen Substrat angeordnet . Sie kann aber in einer weiteren Variante von diesem durch eine dünne Zwischenschicht vorzugsweise aus Ti beabstandet sein, deren Dicke vorzugsweise 15 nm nicht übersteigt und typischerweise zwischen 5 nm und 10 nm liegt. Bei einer dünnen Zwischenschicht ist die Teilschicht mit hoher akustischer Impedanz in der Nähe des piezoelektrischen Substrats . Somit kann eine hohe elektroakustische Kopplung des Bauelements erzielt werden.-
Diese zwischen der Teilschicht mit hoher akustischer Impedanz und dem piezoelektrischen Substrat angeordnete, vorzugsweise elektrisch leitfähige und insbesondere zur Haftvermittlung zwischen dem Substrat und der Teilschicht mit hoher akustischer Impedanz geeignete Schicht ist z. B. eine Teilschicht der Metallschicht.
Die Schichtdicke der Schicht mit hoher akustischer Impedanz ist so gewählt, dass die akustische Stoppbandbreite eines daraus ausgebildeten Wandlers mindestens 7,5% beträgt. Diese Dicke beträgt vorzugsweise zwischen 0,02 und 0,03 Wellenlängen oder - z. B. bei einer Mittenfrequenz des Bauelements von 2GHz - zwischen 40 und 70 nm. Für Bauelemente mit einer anderen Mittenfrequenz kann die entsprechende Schichtdicke durch Skalieren mit der Frequenz ermittelt werden.
Die Schichtdicke der Schicht mit hoher akustischer Impedanz beträgt in einer Variante zwischen 30% und 50% der Gesamtschichtdicke der Metallschicht. Die Dicke der Al-Schicht ist vorzugsweise kleiner als 0,2λ und ist - z. B. bei einer Mittenfrequenz des Bauelements von 2GHz - zwischen 100 und 150 nm gewählt .
Die Metallschicht kann in einer weiteren Variante aus einer einzigen Schicht bestehen, die eine hohe Leitfähigkeit und eine relativ hohe akustische Impedanz aufweist.
In einer bevorzugten Ausführung ist das erste Substrat piezoelektrisch. Möglich ist aber auch, dass auch das zweite Substrat piezoelektrische Eigenschaften aufweist . __ *η
Das erste Substrat ist vorzugsweise aus einem Einkristall geschnitten. Als Einkristalle kommen in Betracht insbesondere LiTaO3, LiNbO3, ZnO, KNbO3, NaKNbO3, Quarz, aber auch andere piezoelektrische Materialien.
Das erste Substrat kann aber auch als eine piezoelektrische Schicht auf einem Wachstumssubstrat aufgewachsen sein. Das WachstumsSubstrat wird später, z. B. nach dem Verbinden des ersten und des zweiten Substrats vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise abgelöst. Als eine aufgewachsene piezoelektrische Schicht kommen in Betracht z. B. AlN, ZnO, PZT, Li- TaO3, LiNbO3. Auch andere piezoelektrische Materialien sind möglich, die vorzugsweise eine gute elektroakustische Kopplung aufweisen.
Als Material für das zweite Substrat kommt insbesondere hoch- ohmiges Si in Betracht. Die Kristallorientierung 111 oder 110 vom Si-Kristall ist bevorzugt. Möglich ist aber auch Al2O3, Glas oder ein (organischer) Kunststoff, z. B. FR4. Materialien mit einer hohen akustischen Güte sind dabei bevorzugt .
Die dielektrische Schicht kann in einer Variante aus mehreren Teilschichten bestehen. Zumindest eine der Teilschichten kann piezoelektrische Eigenschaften aufweisen.
Die dielektrische Schicht besteht vorzugsweise aus einem Material, dessen Temperaturgang (TCF) gegenüber dem ersten und/oder zweiten Substrat 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 benachbarten Schichten gelingt es, den Temperaturgang des gesamten Bauelements gering zu halten.
Die dielektrische Schicht ist vorzugsweise aus Siliziumdioxid. SiO2 ist auch deshalb als Material für die dielektrische Schicht vorteilhaft, da eine SiO2-Oberflache für ein Di- rect Wafer Bonding geeignet ist. Als Alternative zu SiO2 ist z . B . TeO2 geeignet .
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. SiO2 ist vorzugsweise stöchiometrisch.
Eine typische Grundfläche des Bauelements ist 500 x 700 μm2. Die Gesamtdicke des Bauelements beträgt ca. 200 μm und ist vorzugsweise nicht größer als 100 Wellenlängen. Die Gesamtdicke des Bauelements kann aber auch kleiner als 200 μm sein.
Die Dicke des ersten Substrats ist vorzugsweise zwischen 3 und 50 Wellenlängen, in einer bevorzugten Variante maximal 30λ oder 70 μm. Das erste Substrat kann beim Auftragen weiterer Schichten der Schichtenfolge in einer höheren Dicke vorhanden sein und erst in einem späteren Verfahrensschritt bis zum oben genannten Wert der Dicke gedünnt werden.
Das zweite Substrat - z. B. aus Si - ist vorzugsweise deutlich dicker als das erste. Die Dicke des zweiten Substrats beträgt in einer Variante mindestens 10 Wellenlängen. Der Ausdehnungskoeffizient des zweiten Substrats ist vorzugsweise kleiner als beim ersten Substrat. Der Ausdehnungskoeffizient des zweiten Substrats kann z. B. mindestens 50% kleiner sein als der des ersten Substrats . - S -
Die Schichtdicke des SchichtSystems ist vorzugsweise gleich der Dicke der dielektrischen Schicht, da die Strukturen der Metallschicht in der dielektrischen Schicht eingebettet sind und über diese vorzugsweise nicht überragen, 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 zweiten Substrats und des SchichtSystems zusammen ist vorzugsweise nicht größer als 100 Wellenlängen oder 200 μm.
Mit den oben angegeben Dicken für die Substrate und das Schichtsystem gelingt es, einen geringen Temperaturgang des Bauelements, in einer Variante TCF von kleiner als -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 ersten Substrats ist vorzugsweise großflächig metallisiert. Diese Metallisierung ist vorzugsweise mit Masse verbunden und dient als elektromagnetische Abschirmung für Bauelementstrukturen. In dieser Metallisierung können aber auch Leiterbahnen zur leitenden Verbindung z. B. zwischen Bauelementstrukturen oder zwischen den verkapselten Bauelementstrukturen und Außenanschlüssen ausgebildet sein. In dieser Metallisierung können auch als Anschlüsse des Bauelements vorgesehene Metallflächen und/oder Beschriftung des Bauelements ausgebildet sein.
Im zweiten Substrat sind vorzugsweise Durchkontaktierungen ausgebildet, die an der Oberfläche des zweiten Substrats angeordnete Anschlüsse leitend mit den Kontaktflächen verbinden. Die Durchkontaktierungen können als Rohr (ggf- mit einem sich verjüngenden Querschnitt) bzw. als Öffnungen mit metal- lisierten Innenwänden ausgebildet sein. Die für Durchkontak- tierungen vorgesehenen Öffnungen im zweiten Substrat können aber auch mit Metall gefüllt sein.
Im zweiten Substrat können aktive und/oder passive Schal- • tungselemente - z. B. Transistoren, Dioden, Kapazitäten, Induktivitäten, Leitungsabschnitte - ausgebildet sein, die mittels Durchkontaktierungen von außen kontaktierbar und an die elektroakustischen Bauelementstrukturen angeschlossen sind.
Auf außen liegenden leitenden Verbindungen auf Oberseite und/oder Unterseite des Bauelements kann eine Passivierungs- schicht angeordnet sein.
Das Bauelement kann insbesondere als ein Bare-Die ausgebildet sein. Ein solches Bare-Die ist beispielsweise auf einem Trägersubstrat montierbar. Das Trägersubstrat kann keramische Schichten aufweisen.
Das angegebene Bauelement kann beispielsweise in einem folgenden Verfahren erzeugt werden. Es wird ein erster Wafer (z. B. LiTaO3-Wafer) bereitgestellt, der zur Erzeugung von ersten Substraten mehrerer Bauelemente bzw. Bauelementbereiche geeignet ist. Es wird ein zweiter Wafer (z. B. Si-Wafer) bereitgestellt, der zur Erzeugung von zweiten Substraten geeignet ist. Für Bauelementbereiche vorgesehene Bereiche des jeweiligen Substrats bilden vorzugsweise eine 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 ersten Substrats wird 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 z. B. mittels eines CMP-Verfahrens planari- siert. CMP steht für Chemical Mechanical Polishing. Nach dem Aufbringen der dielektrischen Schicht werden vorzugsweise zumindest die Kontaktflächen z. B. mittels Ätzen freigelegt. In einer Variante werden dabei außerdem elektrische Trimmstruk- turen freigelegt .
Elektrische Eigenschaften der Bauelementstrukturen von einzelnen bzw. allen Bauelementbereichen werden durch die freigelegten Kontaktflächen on-Wafer gemessen, bevor der Wafer mit Bauelementstrukturen mit dem zweiten Wafer verbunden wird (Zwischenmessung) .
Es besteht die Möglichkeit, die Bauelementstrukturen eines Bauelementbereichs on-Wafer, und zwar vor der Aufbringung des Si-Wafers elektrisch zu trimmen. Dabei werden an die Wandler vorzugsweise als Last angeschlossene Trimmstrukturen vorgesehen, die z. B. periodisch angeordnete Metallstreifen wie in einem Wandler aufweisen. Die Trimmstrukturen können insbesondere als eine kapazitive Last ausgebildet sein. Beim Trimmen kann ein Teil dieser Streifen vom Wandler abgetrennt werden. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, die Trimmstrukturen nach dem Aufbringen der dielektrischen Schicht freizulegen. Diesbezüglich wird ein vollinhaltlicher Bezug auf die Druckschrift DE 10325281 Al genommen.
Es kann vorteilhaft sein, Teile einer akustischen Spur wie z. B. diese Spur begrenzende Reflektoren oder zwischen zwei Wandlern angeordnete Zwischenreflektoren durch Abtragen bzw. Wegätzen der dielektrischen Schicht freizulegen. Damit .kann die akustische Reflexion erhöht werden. Möglich ist auch, einzelne Elektrodenstreifen eines Wandlers zur Erhöhung der Reflexion freizulegen. Möglich ist auch, Randbereiche eines Wandlers freizulegen und damit Reflektoren zu ersparen.
Je nach den Ergebnissen der Zwischenmessung kann es vorteilhaft sein, die dielektrische Schicht zu dünnen, um z. B. die Frequenzlage von Bauelementstrukturen zu verändern. Dies kann z. B. mittels eines CMP-Verfahrens 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. Dafür ist insbesondere ein als Ziptronix- Verfahren bekanntes Verfahren geeignet. Dabei wird ein Ge- samt-Wafer 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 ersten Substrats entlang Trennlinien, d. h. zwischen den Bauelementbereichen vorzugsweise V-förmig zumindest bis zum zweiten Substrat angesägt. Es ist vorteilhaft, dabei auch das zweite Substrat bis zu einer bestimmten Tiefe anzusägen. Dabei werden insbesondere schräge Stoßkanten des ersten Substrats und des Schichtsystems erzeugt, die zusammen mit der (flachen) Rückseite des ersten Substrats metallisiert und somit hermetisch dicht verkapselt werden können. Dadurch sind Bauele- mentstrukturen bezüglich Korrosion geschützt sowie gegen äußere elektromagnetische Felder abgeschirmt.
Auf der Seite des zweiten Substrats werden z. B. durch Ätzen und anschließendes Metallisieren von Öffnungen - Kontaktlöchern - Durchkontaktierungen zur Kontaktierung von Kontakt- flächen erzeugt . Vorzugsweise in demselben Verfahrensschritt werden Außenanschlüsse von Bauelementen auf der nach außen gewandten Oberfläche des zweiten Wafers erzeugt. Die Kontaktlöcher können mit einem leitfähigen Material gefüllt werden.
Nach dem Waferbonding der beiden Wafer kann ein Verfahren zur Qualitätskontrolle elektrischer Bauelemente durchgeführt werden. Der Gesamt-Wafer wird auf einem Träger - z. B. einer Trägerfolie - so angeordnet, dass Anschlüsse von Bauelementbereichen frei liegen bzw. nach oben weisen. Der Träger ist vorzugsweise eine ggf. elastische Folie, an der der Wafer gut haftet. Die Bauelement-Bereiche werden zur Bildung von Bauelementen vorzugsweise mittels Sägen vereinzelt, ohne vom Träger abgenommen zu werden. Zur Qualitätskontrolle von fertigen Bauelementen wird direkt auf dem Träger eine Messung von allen Bauelementen durchgeführt. Anhand dieser Messergebnisse können ausfällige Bauteile aussortiert bzw. gute Bauteile ausgewählt werden.
Ggf. können die bereits vereinzelten Bauelemente auf dem Träger nochmals elektrisch getrimmt werden. Es besteht die Möglichkeit, die verkapselten elektrischen Trimmstrukturen z. B. über ein durchsichtiges zweites Substrat mit einem Laser wie bereits erwähnt zu verändern.
Mit dem angegebenen Verfahren mit einer Zwischenmessung zur ■ Kontrolle elektrischer Eigenschaften von BauelementStrukturen und einer Endmessung zur Qualitätskontrolle der bereitgestellten Bauelemente ist bei ausfälligen Bauelementen die Zuordnung von Fehlerquellen den einzelnen Prozessschritten möglich.
Mit einem V-förmigen Einsägen ist es möglich, verschiedene
Bereiche eines Bauelements wie z. B. sein Sendebereich und
Empfangsbereich elektromagnetisch voneinander abzuschirmen bzw. elektrisch und/oder akustisch voneinander zu isolieren.
In einer Variante des Verfahrens ist das zweite Substrat nicht als Wafer verfügbar, sondern es wird auf dem ersten Wa- -fer bzw. auf der dielektrischen Schicht als eine ausreichend dicke Schicht von z. B. mindestens drei Wellenlängen oder eine Schichtenfolge mit der entsprechenden Dicke erzeugt.
In einer Variante des Verfahrens ist es möglich, auf das zweite Substrat eine weitere Schichtenfolge aufzutragen. Diese Schichtenfolge kann z. B. dielektrische Schichten und zwischen diesen angeordnete Metallisierungsebenen mit strukturierten Leiterbahnen umfassen. Mittels Leiterbahnen sind integrierte BauelementStrukturen realisiert. Die weitere' Schichtenfolge kann aber auch halbleitende Schichten und darin ausgebildete nichtlineare und/oder aktive integrierte Strukturen wie z. B. Dioden und Transistoren umfassen. In den dielektrischen Schichten können Durchkontaktierungen zur leitenden Verbindung von integrierten Bauelementstrukturen mit Außenanschlüssen ausgebildet werden. Die Außenanschlüsse sind in diesem Fall vorzugsweise auf der Oberfläche der nach außen gewandten Schicht der weiteren Schichtenfolge angeordnet.
Die auf der Rückseite des ersten Substrats angeordnete Metallschicht kann z. B. zur Bildung von leitenden Verbindungen z. B. zwischen Bauelementstrukturen des Bauelements strukturiert werden.
Mit GBAW arbeitende Bauelemente sind für elektrische Filter, insbesondere Hochfrequenzfilter geeignet. Mit GBAW arbeitende Bauelemente kommen u. a. für beliebige Mobilfunk- und Oszillatoranwendungen in Betracht .
Es können prinzipiell alle für mit akustischen Oberflächenwellen bekannten Filtertechniken auch bei mit GBAW arbeitenden Bauelemente angewandt werden. In Betracht kommen insbesondere DMS-Filter, Ladder- und Latticetype-Filter, Eintor- und Mehrtor-Resonatoren.
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 Herstellungsverfahrens ;
Figuren 2A bis 2F Verfahrensschritte zur Freilegung und Kon- taktierung von Kontaktflächen des SchichtSystems ;
Figuren 3A7 3B ausschnittsweise Beispiele zur Ausbildung einer Metallschicht, die eine Teilschicht mit hoher akustischer Impedanz aufweist.
Ein mit GBAW arbeitendes Bauelement ist in Figur IG gezeigt. Zwischen einem piezoelektrischen ersten Substrat 1 und einem deutlich dickeren zweiten Substrat 2 ist ein Schichtsystem 3 angeordnet . Das zweite Substrat ist aufgrund seiner höheren Dicke vorzugsweise ein Trägersubstrat. Angesichts der gerin- gen Dicke des ersten. Substrats wird die Dicke des- zweiten Substrats vorzugsweise so groß gewählt, dass dies für die mechanische Stabilität des Bauelements ausreicht.
Das zweite Substrat weist vorzugsweise eine kleinere thermische Ausdehnung auf als das erste Substrat.
Die Dicke des ersten und des zweiten Substrats 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 ersten Substrat 1 angeordnete Metallschicht 31, deren beispielhafter Aufbau im Einzelnen in Figuren 3A und 3B vorgestellt ist. Die Metallschicht 31 ist strukturiert und umfasst elektroakustisch aktive Bauelementstrukturen 42, z. B. Wandler, und leitend mit diesen verbundene Kontaktflächen 41. Die Strukturen 41, 42 der Metallschicht 31 sind zwischen dem ersten Substrat 1 und einer dielektrischen Schicht 32 z. B. aus SiO2 verkapselt.
Das erste Substrat 1 ist vorzugsweise piezoelektrisch, z. B. aus LiTaO3, in einer Variante LiTaO3 15rotYX oder 20rotYX. Das zweite Substrat ist vorzugsweise aus einem hochohmigen 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 zweiten Substrats 2 und der dielektrischen Schicht 32 sind Kontaktlöcher 20 zur Freilegung von Kontaktflächen 41 vorgesehen. Im Bereich der Kontaktlöcher ist eine Metallisierung 60 vorgesehen, die die Innenwände ' von Kontakt- löchern und die offen gelegten Bereiche von Kontaktflächen bedeckt. Die Metallisierung 60 ist darüber hinaus teilweise auf der Unterseite des zweiten Substrats 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 erste Substrat 1 mit der Metallschicht 31 wird eine dielektrische Schicht 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 Wafer bzw. zweiten Substrat 2 vorzugsweise mittels Direct Wafer Bondung verbunden (Fig. IC) . In Figur IC ist mit einer gestrichelten Linie angedeutet, dass das erste Substrat gedünnt wird.
Durch das Abdünnen des ersten Substrats, das in der Regel eine höhere thermische Ausdehnung als das zweite Substrat 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 IG ist gegenüber der Darstellung gemäß Figuren ID bis IG um 180° gedreht, so dass in Figuren ID bis IG das zweite Substrat 2 nach, unten und das . erste Substrat 1 nach oben gewandt ist.
Das erste Substrat 1 ist in Figur ID bereits gedünnt. In Figur ID ist mit gestrichelten Linien angedeutet, dass Stoßkanten des ersten Substrats, des Schichtsystems 3 und teilweise auch Stoßkanten des zweiten Substrats z. B. durch ein V- förmiges Einsägen zwischen zwei Bauelementbereichen abgeschrägt werden.
Die Rückseite des ersten Substrats 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 zweiten Substrat 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 zweiten Substrats, auf die Innenwände der Kontaktlöcher 20 und die freigelegten Bereiche der Kontaktflächen 41 wird eine Metallisierung 60, 61 aufgetragen.
In Figuren 2A bis 2F werden Verfahrensschritte zur Ausbildung von Durchkontaktierungen zur Kontaktierung von Kontaktflächen 41 erläutert. Figur 2A ist ein Ausschnitt aus Figur IA. In Figur 2B ist gezeigt, dass vorzugsweise nicht die gesamte Kontaktfläche 41, sondern nur ein Teil davon freigelegt wird. In der dielektrischen Schicht 32 wird dabei eine Öffnung 320 mit vorzugsweise schrägen Wänden geätzt. Auf diese Weise können auch Trimtnstrukturen und/oder Teile von Bauelernentstruk- turen freigelegt werden. Figur 2G zeigt ausschnittsweise den Gesamt-Wafer nach der Verbindung der beiden Wafer.
Im zweiten Wafer werden Kontaktlöcher 20 erzeugt, deren kleinste Querschnittsgröße vorzugsweise größer ist als die größte Querschnittsgröße der Öffnung 320. Dabei wird ein Kontaktloch mit einer Stufe im Querschnitt erzeugt . Dieses Loch wird nun metallisiert (Figur 2E) . In Figur 2F ist es angedeutet, dass die metallisierten Kontaktlöcher mit einem leitfähigen Material 63 gefüllt werden können.
In Figur 3A ist eine Variante gezeigt, bei der die Schicht mit hoher akustischer Impedanz 312 z. B. aus Wolfram direkt auf dem ersten Substrat 1 angeordnet ist. Die Schicht 311 mit hoher Leitfähigkeit ist vorzugsweise aus Aluminium.
Die Schichtdicke der in der Regel eine geringere Leitfähigkeit aufweisenden Schicht 312 ist vorzugsweise deutlich kleiner als die Schichtdicke der hochleitenden Schicht 311 (z. B. ein Drittel, z. B. bei 2 GHz W-Schicht 50 nm bzw. Al-Schicht 150 nm) .
In der Variante gemäß Figur 3B ist zwischen der Schicht 312 mit hoher akustischer Impedanz eine zusätzliche leitende Schicht 313 z. B. aus Titan vorgesehen, die vorzugsweise für die Schicht 312 als eine Haftvermittlungsschicht dient. Die Schicht 313 ist vorzugsweise nicht dicker als 10 nm. Die Metallschicht 31 kann darüber hinaus eine hier nicht gezeigte Passivierungsschicht vorzugsweise als die oberste TeilSchicht enthalten.
Bezugszeichenliste
1 erstes Substrat
2 zweites Substrat
20 Kontaktloch
3 Schichtsystem
31 Metallschicht des Schichtsystems
311 hochleitende Teilschicht der Metallschicht 31
312 Teilschicht mit hoher akustischer Impedanz
313 zusätzliche Teilschicht der Metallschicht 31
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

Claims

Patentansprüche
1. Mit geführten akustischen Volumenwe'llen arbeitendes Bauelement, umfassend
- ein erstes Substrat (1) ,
- ein zweites Substrat (2) , und
- ein zwischen den Substraten (1, 2) angeordnetes Schichtsystem (3) , das eine Metallschicht (31) und eine dielektrische Schicht (32) umfasst,
- wobei die dielektrische Schicht (32) eine relativ niedrige akustische Impedanz Za<2 aufweist,
- wobei die Metallschicht (31) eine Schicht (312) mit einer relativ hohen akustischen Impedanz Za,i umfasst,
- wobei gilt: Za,i/Za,2 ^ 4,5.
2. Bauelement nach Anspruch 1 , wobei das erste Substrat (1) piezoelektrische Eigenschaften aufweist.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2 , wobei die Schicht (312) mit hoher akustischer Impedanz des Schichtsystems (3) zum ersten Substrat (1) gewandt ist.
4. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2 , wobei zwischen dem ersten Substrat (1) und der Schicht (312) mit hoher akustischer Impedanz eine Zwischenschicht (313) angeordnet ist, deren Dicke kleiner als 10 nm ist.
5. Bauelement nach Anspruch 4 , wobei die Zwischenschicht (313) eine Haftvermittlungsschicht ist .
6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Metallschicht (31) eine. TeilSchicht (311) mit einer hohen Leitfähigkeit von mindestens 9 x 104 [Ω cm]"1 aufweist.
7. Bauelement nach Anspruch 6, wobei die hochleitende Teilschicht (311) der Metallschicht (31) Al enthält.
8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die dielektrische Schicht aus Siliziumdioxid besteht.
9. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schicht (312) mit hoher akustischer Impedanz aus Wolfram ist.
10. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schicht (312) mit hoher akustischer Impedanz aus Platin ist.
11. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Schichtdicke der Schicht (312) mit hoher akustischer Impedanz zwischen 30% und 50% der Gesamtschichtdicke der MetallSchicht (31) beträgt.
12. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei in der Metallschicht (31) ein bei einer Mittenfrequenz arbeitender Wandler ausgebildet ist, wobei die Schichtdicke der Schicht (312) mit hoher akustischer Impedanz derart gewählt ist, dass die Stoppbandbreite des akustischen Reflexionskoeffizienten des Wandlers mindestens 7,6% bezogen auf die Mittenfrequenz beträgt.
13. Bauelement nach Anspruch 12, wobei die Schichtdicke der Schicht (312) mit hoher akusti- scher Impedanz zwischen 0,02λ und 0,03λ beträgt.
14. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das erste Substrat (1) aus LiTaC>3 ist.
15. Bauelement nach Anspruch 14, wobei das erste Substrat (1) einen Schnittwinkel φ rot YX aufweist, wobei gilt 7° < φ < 24°.
16. Mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement mit einem ersten Substrat (1) aus LiTaO3 mit einem Schnittwinkel φ rot YX, wobei gilt 7° < φ < 24°.
17. Bauelement nach Anspruch 16, wobei das erste Substrat (1) einen Schnittwinkel φ rot YX aufweist, wobei gilt 12° < φ < 21°.
18. Bauelement nach Anspruch 16 oder 17, das mit akustischen Oberflächenwellen arbeitet.
19. Bauelement nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Bauelement mit geführten Volumenwellen arbeitet.
20. Bauelement nach Anspruch 19, umfassend
- ein zweites Substrat (2) , und
- ein zwischen den Substraten (1, 2) angeordnetes Schichtsystem (3) , das eine Metallschicht (31) und eine dielektrische Schicht (32) umfasst .
21. Mit geführten akustischen Volumenwellen arbeitendes Bauelement, umfassend - ein nach außen gewandtes erstes Substrat (1) und
- ein nach außen gewandtes zweites Substrat (2) , und
- ein zwischen den Substraten (1, 2) angeordnetes Schichtsystem (3) , das eine Metallschicht (31) und eine dielektrische Schicht (32) umfasst,
- wobei die Dicke des, ersten Substrats höchstens 50% der Dicke des zweiten Substrats beträgt.
22. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 20, wobei die Dicke des ersten Substrats höchstens 50% der Dicke des zweiten Substrats beträgt.
23. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, 20 oder 21, wobei die Dicke des ersten Substrats höchstens 1/3 der Dicke des zweiten Substrats beträgt.
24. Bauelement nach einem der Ansprüche 20 bis 23,
- wobei die dielektrische Schicht (32) eine relativ niedrige akustische Impedanz Za,2 aufweist,
- wobei die Metallschicht (31) eine Schicht (312) mit einer relativ hohen akustischen Impedanz Za,i umfasst,
- wobei gilt: Za,x/ Za,2 >_ 4,5.
25. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 20 bis 24, wobei in der Metallschicht (31) Wandler und Kontaktflächen ausgebildet sind.
26. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 20 bis 25, wobei die MetallSchicht (31) direkt auf dem ersten Substrat (1) angeordnet ist.
27. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 20 bis 26, wobei die-"dielektrische Schicht (32) Elektrodenstrukturen von Wandlern gegen das erste Substrat (1) versiegelt.
28. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 20 bis 27, wobei das zweite Substrat (2) hochohmiges Silizium umfasst.
29. Bauelement nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei die Kontaktflächen mittels im zweiten Substrat (2) ausgebildeter Durchkontaktierungen kontaktierbar sind.
30. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 29, wobei Stoßkanten des ersten Substrats (1) und des Schichtsystems (3) abgeschrägt sind.
31. Bauelement nach Anspruch 30, wobei auch ein Teil der Stoßkante des zweiten Substrats (2) abgesehrägt ist.
32. Bauelement nach Anspruch 31, wobei auf freiliegender Oberfläche des ersten Substrats (1) und den abgeschrägten Stoßkanten eine zweite Metallschicht (4) angeordnet ist.
33. Bauelement nach Anspruch 32, wobei die zweite Metallschicht (4) die Stoßkanten des ersten Substrats (1) und des Schichtsystems (3) bedeckt und -gegen das zweite Substrat (2) abschließt.
34. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 33, wobei die Dicke des ersten Substrats (1) zwischen 3λ und 50λ beträgt .
35. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 34, wobei die Gesamtdicke des zweiten Substrats (2) und des Schichtsystems (3) lOOλ nicht übersteigt.
36. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 35, wobei die Schichtdicke der dielektrischen Schicht (32) zwischen 0,lλ und λ beträgt.
37. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 36, wobei die dielektrische Schicht (32) gegenüber dem. ersten und/oder dem zweiten Substrat einen entgegen gesetzten Temperaturgang aufweist .
38. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 20 bis 37, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Volumenwelle im Schichtsystem (3) nicht mehr als 90% der Ausbreitungsgeschwindigkeit in den beiden Substraten (1, 2) beträgt.
39. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 38, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Volumenwelle im ersten Substrat (1) kleiner ist als im zweiten Substrat (2) .
40. Verfahren zur Herstellung eines mit geführten Volumenwellen arbeitenden Bauelements, mit den Schritten:
A) Bereitstellen eines ersten Wafers (1, 3) mit Bauelementbereichen, wobei auf einem ersten Substrat (1) ein Schichtsystem (3) erzeugt wird, wobei beim Erzeugen des SchichtSystems eine Metallschient (31) mit Bauelementstrukturen und Kontakt- flächen erzeugt und auf die Metallschicht eine dielektrische Schicht (32) aufgebracht wird, B) Freilegen von Kontaktflächen zur Vermessung elektrischer Eigenschaften von Bauelementbereichen,
C) Verbinden des ersten Wafers mit einem zweiten Wafer der- :■ art, dass das SchichtSystem (3) zwischen den beiden Wafern (1, 2) angeordnet wird, wobei ein Gesamt-Wafer gebildet wird,
D) Dünnen des ersten Wafers,
E) Erzeugen von Kontaktlöchern im zweiten Wafer und Metallisieren dieser Löcher zur Kontaktierung von Kontaktflächen,
F) Vereinzeln von Bauelementbereichen zur Bildung von Bauelementen.
41. Verfahren nach Anspruch 40, wobei im Schritt B) elektrisches Trimmen des Schichtsystems durchgeführt wird, das Verändern von als Trimmstrukturen vorgesehenen BauelementStrukturen umfasst.
42. Verfahren nach Anspruch 40 oder 41, wobei im Schritt B) mechanisches Trimmen des Schichtsystems durchgeführt wird, das Verändern der Dicke der dielektrischen Schicht umfasst.
43. Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 42 , wobei die dielektrische Schicht vor dem Schritt B) planari- siert wird.
44. Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 43, wobei nach dem Schritt D) der Gesamt-Wafer auf der Seite des ersten Wafers bis zu einer vorgegebenen Tiefe im zweiten Wafer entlang vorgegebener Linien V-förmig eingesägt wird, und wobei die Rückseite des ersten Wafers inklusive V-förmiger Einsägungen metallisiert wird.
45. Verfahren nach Anspruch 44, wobei beim Metallisieren auf der Rückseite des ersten Wafers Leiterbahnen und/oder Anschlussflächen erzeugt werden.
46. Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 45, wobei im Schritt E) auch Außenanschlüsse auf der freiliegenden Oberfläche des zweiten Substrats erzeugt werden.
47. Verfahren nach einem der Ansprüche 40 bis 46, bei dem der Gesamt-Wafer nach Schritt D) auf einen Träger mit Bauelement-Bereichen platziert wird, wobei die Bauelement-Bereiche zur Bildung von Bauelementen vereinzelt werden, ohne vom Träger abgenommen zu werden, und wobei eine Messung zur Qualitätskontrolle von Bauelementen direkt auf dem Träger durchgeführt wird.
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