DE102004037819A1

DE102004037819A1 - Elektroakustisches Bauelement mit geringen Verlusten

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Publication number: DE102004037819A1
Application number: DE102004037819A
Authority: DE
Inventors: Ulrike Dr. Rösler; Werner Dr. Ruile; Michael Jakob; Markus Dr. Hauser
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2024-08-05
Also published as: DE102004037819B4; US20070241841A1; WO2006015639A1; US7692515B2; KR20070032385A; JP2008508821A; JP4960867B2; KR101195701B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektroakustisches Bauelement mit einem Filter, das Bauelementstrukturen aufweist, die unabhängig voneinander aus einem Wandler und einem Reflektor ausgewählt sind. Die Bauelementstrukturen sind auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet. Jede Bauelementstruktur weist eine einheitliche Schichtdicke und eine einheitliche Zusammensetzung des Schichtaufbaus auf. Zwei Bauelementstrukturen weisen voneinander unterschiedliche Schichtdicke und/oder Zusammensetzung auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein mit akustischen Wellen (z. B. Oberflächenwellen oder sich entlang einer Grenzschicht ausbreitenden Wellen – den s. g. geführten Volumenwellen) arbeitendes Bauelement, z. B. ein Bandpassfilter.

Die in Frontendschaltungen drahtloser Telekommunikationssysteme einzusetzenden Oberflächenwellenfilter müssen in ihrem Durchlassbereich (Passband) eine besonders niedrige Einfügedämpfung aufweisen.

Um die benötigte relativ große Bandbreite zu erreichen, werden die Oberflächenwellenfilter auf piezoelektrischen Substraten mit Leckwelleneigenschaften, z. B. LiTaO₃, aufgebaut. In solchen Substraten treten Leckwellenverluste auf, die sich unter bestimmten, für die Ausbreitung der Oberflächenwelle relevanten Bedingungen verringern lassen.

Aus der Druckschrift DE 19641662 ist es bekannt, dass eine geringe Einfügedämpfung im Durchlassbereich des Filters bei einem bestimmten Schnittwinkel ϕ des piezoelektrischen Substrats und bei einer bestimmten Schichtdicke h der Elektroden erreichbar ist. Die Parameter ϕ und h, bei denen sich die optimale Einfügedämpfung ergibt, sind vom Material der Metallisierung abhängig.

Aus der Druckschrift US 2003/0117240 ist bekannt, eine geringe Einfügedämpfung durch die Einstellung eines bestimmten Metallisierungsgrades η der Substratoberfläche zu erreichen.

Es ist bekannt, die Elektroden aus mehreren Schichten, z. B. einer Schichtenfolge aus Al und Cu auszubilden. Aus verfahrenstechnischen Gründen wird jedoch für die Metallisierung der Elektroden i. d. R. ein einheitlicher Schichtaufbau mit einer einheitlichen Schichtdicke und ein einheitlicher Metallisierungsgrad gewählt.

Aus der Druckschrift US 05073763 ist es bekannt, in einem elektroakustischen Wandler einige Elektrodenfinger mit einer höheren Schichtdicke als die anderen Elektrodenfinger auszubilden. Dadurch wird eine gerichtete akustische Reflexion bzw. die unidirektionale Abstrahlung der Welle erreicht.

Die erforderliche Einfügedämpfung kann an bestimmtem kritischen Stellen im Filter-Passband, insbesondere an den Bandkanten eines Filters mit einer hohen Flankensteilheit, nur schwer eingehalten werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein akustisches Bauelement mit einer niedrigen Einfügedämpfung anzugeben, das in seinem Durchlassbereich und insbesondere an den Bandkanten geringe Verluste aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein Bauelement nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen hervor.

Die Einfügedämpfung des Filters bei einer bestimmten Frequenz hängt mit der akustischen Reflexion, der elektroakustischen Kopplung und den Verlusten in den Filterkomponenten bei dieser Frequenz zusammen.

Das Optimum der akustischen Eigenschaften in einer Bauelementstruktur bei einer bestimmten Frequenz, vorzugsweise der Resonanzfrequenz der Bauelementstruktur, wird (bei vorgegebenem Material der Elektrodenschichten und des darunter liegenden piezoelektrischen Substrats) bei bestimmten Werten des Schnittwinkels ϕ, der Schichtdicke h und des Metallisierungsverhältnisses η erreicht.

Ein Filter kann Bauelementstrukturen mit verschiedenen Resonanzfrequenzen aufweisen, z. B. einen Serienresonator und einen Parallelresonator, die auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet sind. Die Erfinder haben erkannt, dass es nicht gelingt, mit einem einheitlichen Schichtaufbau der Elektrodenstrukturen bei den beiden Resonatoren bzw. bei zwei unterschiedlichen Frequenzen ein Optimum bezüglich einer geringen Einfügedämpfung des Filters zu erreichen. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, die akustischen Eigenschaften, wie z. B. die elektroakustische Kopplung und die akustische Reflexion der einzelnen Bauelementstrukturen (z. B. Wandler, Reflektoren) des Filters an deren charakteristische Frequenzen (z. B. die Resonanzfrequenz bei einem Wandler bzw. die untere Grenzfrequenz des Stopbandes bei einem Reflektor) oder an die kritischen Frequenzen des Passbandes (vorzugsweise die Bandkanten) anzupassen. Daher schlägt die Erfindung vor, bei verschiedenen Bauelementstrukturen des Filters verschiedene, an die jeweilige charakteristische Frequenz angepasste Schichtaufbauten aus elektrisch leitenden Schichten bzw. Metallschichten vorzusehen.

Die elektroakustische Kopplung und die akustische Reflexion lässt sich insbesondere durch die Massenbelastung der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats beeinflussen. Die unterschiedliche elektroakustische Kopplung und/oder akustische Reflexion kann daher in einer Variante der Erfindung durch die unterschiedlichen Schichtdicken der Elektrodenstrukturen der beiden Bauelementstrukturen erreicht werden. Der Unterschied kann in einer anderen Variante auch durch die unterschiedliche Zusammensetzung der Elektrodenstrukturen bei verschiedenen Bauelementstrukturen erreicht werden. Dabei weist die jeweilige Bauelementstruktur eine einheitliche Beschaffenheit, Schichtdicke und vorzugsweise auch ein einheitliches Metallisierungsverhältnis auf.

Das Filter gemäß Erfindung weist mit akustischen Wellen arbeitende Bauelementstrukturen auf, die unabhängig voneinander aus einem Wandler und einem Reflektor ausgewählt sind. Die als Wandler ausgebildete Bauelementstrukturen weisen jeweils vorzugsweise abwechselnd angeordnete Elektrodenfinger einer ersten und einer zweiten kammartigen Elektrode auf. Jede Bauelementstruktur weist für sich eine einheitliche Schichtdicke und eine einheitliche Zusammensetzung ihrer Elektrodenstrukturen bzw. der Elektrodenfinger auf. Zwei Bauelementstrukturen eines Filters weisen dabei voneinander unterschiedliche Schichtdicken und/oder voneinander unterschiedliche Zusammensetzungen auf.

Die akustischen Wellen können z. B. akustische Oberflächenwellen (OFW) oder sich entlang einer Grenzschicht eines mehrlagigen Aufbaus ausbreitende Wellen (geführte Grenzschichtwellen) sein. Die geführten Grenzschichtwellen breiten sich im Gegensatz zu den Oberflächenwellen im Inneren des Schichtaufbaus aus.

Unter Bauelementstrukturen versteht man einen Interdigitalwandler oder einen Reflektor. Die Bauelementstrukturen weisen streifenförmige Elektrodenstrukturen (Elektrodenfinger) auf.

In einem Wandler sind die Elektrodenfinger einer Elektrode an eine Stromschiene angeschlossen. Die mit verschiedenen elektrischen Potentialen verbundenen Elektrodenfinger sind in longitudinaler Richtung vorzugsweise abwechselnd angeordnet. Die Elektrodenstrukturen eines Reflektors sind Metallstreifen, die vorzugsweise elektrisch miteinander verbunden sind.

In einer Variante der Erfindung kann eine Bauelementstruktur oder beide Bauelementstrukturen eine einzige elektrisch leitende Schicht aufweisen.

In einer Variante der Erfindung sind beide Bauelementstrukturen jeweils durch eine elektrisch leitende Schicht aus dem gleichen Material gebildet, wobei die erste und die zweite Bauelementstruktur voneinander unterschiedliche Schichtdicken aufweisen.

Eine erste und eine zweite Bauelementstruktur kann in einer anderen Variante der Erfindung jeweils aus einem ersten bzw. einem zweiten Material bestehen. Dabei ist die Schichtdicke vorzugsweise verschieden. Die Schichtdicken der ersten und der zweiten Bauelementstruktur können auch gleich sein.

In einer anderen Variante können die Elektrodenstrukturen der jeweiligen Bauelementstruktur aus mehreren übereinander angeordneten Teilschichten aufgebaut sein. Die Bauelementstrukturen können die gleiche Schichtabfolge aufweisen, wobei die Schichtaufbauten voneinander unterschiedliche Höhen aufweisen.

Möglich ist es auch, dass die erste Bauelementstruktur aus nur einer elektrisch leitenden Schicht besteht, während die zweite Bauelementstruktur einen Schichtaufbau aus mehreren elektrisch leitenden Teilschichten aufweist. Dabei ist es möglich, dass der Schichtaufbau der zweiten Bauelementstruktur die elektrisch leitende Schicht der ersten Bauelementstruktur als Teilschicht umfasst.

Die elektrisch leitende Schicht oder die elektrisch leitenden Teilschichten können z. B. aus Al, Cu oder Al- bzw. Cu-Legierungen bestehen. Diese Schichten können prinzipiell auch aus anderen geeigneten Metallen oder Metalllegierungen, z. B. Ti, Mg, Ta, Ag oder Au, bestehen. Mindestens eine der Teilschichten kann aus einem hochleistungsfesten Material sein und zur Erhöhung der Leistungsfestigkeit der Elektrodenstrukturen dienen. Mindestens eine der Teilschichten kann verwendet werden, um die Temperaturabhängigkeit der Geschwindigkeit der akustischen Welle zu vermindern. Der gesamte Aufbau kann ganz oder teilweise von einer Passivierungsschicht bedeckt sein, die mit der Substratoberfläche abschließt und so die Bauelementstrukturen umschließt.

Das Bauelement gemäß einer weiteren Variante der Erfindung arbeitet mit akustischen Wellen, die in einer dünnen Grenzschicht geführt werden (geführte Grenzschichtwellen, auf Englisch GBAW = Guided Bulk Acoustic Wave). Die Dicke der Grenzschicht kann z. B. zwischen 0.1λ und λ betragen. Das Bauelement weist in diesem Fall ein erstes und ein zweites Substrat auf, zwischen denen ein Schichtsystem angeordnet ist. Das Schichtsystem umfasst mindestens eine auf dem ersten Substrat angeordnete piezoelektrische Schicht, in der die akustische Welle geführt wird. Auf der piezoelektrischen Schicht ist eine Metallschicht angeordnet, in der die erste und die zweite Bauelementstruktur sowie Kontaktflächen ausgebildet sind. Die Metallschicht kann mehrere elektrisch leitende Teilschichten aufweisen. Die Metallschicht weist im Bereich der ersten bzw. der zweiten Bauelementstruktur voneinander unterschiedliche Schichtdicken auf. Die Bauelementstrukturen sind mit einer dielektrischen Schicht (vorzugsweise einer Planarisierungsschicht) bedeckt, die mit der von den Bauelementstrukturen bzw. den Kontaktflächen freien Oberfläche der piezoelektrischen Schicht dicht abschließt. Auf der dielektrischen Schicht ist ein zweites Substrat angeordnet und fest mit dieser verbunden.

Die Teilschichten aus einem hochleistungsfesten Material sind i. d. R. hochohmig und können aus diesem Grund (bei Verwendung solcher Schichten in allen Resonatoren des Filters) die Einfügedämpfung des Filters beeinträchtigen. Daher ist es vorteilhaft, solche Teilschichten nur bei den einer hohen Sendeleistung auszusetzenden Eingangsresonatoren z. B. eines Sendefilters zu verwenden. Unter einem Eingangsresonator versteht man einen Resonator, der mit am Eingang des Filters angeordnet ist, wobei der Eingang des Filters z. B. an den Ausgang eines Leistungsverstärkers angeschlossen ist. Der Eingangsresonator ist an das Eingangstor angeschlossen und kann sowohl im Signalpfad als auch in einem den Signalpfad mit Masse verbindenen Querzweig angeordnet sein (eingangsseitiger Serienresonator, Parallelresonator).

Unter einem Schichtaufbau versteht man sowohl mehrschichtige Aufbauten aus elektrisch leitenden Teilschichten als auch eine einzige elektrisch leitende Schicht.

Unter einer relativen Schichtdicke h/λ versteht man das Verhältnis der absoluten Schichtdicke h der elektrisch leitenden Schicht bzw. die Höhe des gesamten Schichtaufbaus der Elektrodenstrukturen zur Wellenlänge λ.

Unter einem Metallisierungsverhältnis versteht man das Verhältnis der metallisierten Oberfläche zur gesamten Oberfläche des aktiven Bereiches der Bauelementstruktur. In einer Variante der Erfindung ist es möglich, dass zwei Bauelementstrukturen voneinander unterschiedliche Metallisierungsverhältnisse aufweisen.

Vorzugsweise weisen die Bauelementstrukturen gleichartige Schichtaufbauten auf, wobei bei mindestens zwei Bauelementstrukturen die Schichtdicke bzw. die Höhe des Schichtaufbaus je nach Bauelementstruktur unterschiedlich ist.

Zwei Bauelementstrukturen mit voneinander unterschiedlichen Schichtaufbauten, in einer Variante ein Wandler und ein Reflektor, können nebeneinander in einer akustischen Spur angeordnet sein. Die erste und die zweite Bauelementstruktur können in einer anderen Variante jeweils einen Wandler darstellen, wobei beide Wandler nebeneinander in einer gemeinsamen akustischen Spur angeordnet sind.

Vorzugsweise weist ein Reflektor eine höhere Schichtdicke als der zugehörige, in derselben akustischen Spur angeordnete Wandler auf. Durch eine höhere Schichtdicke oder ein höheres Metallisierungsverhältnis kann die Reflexionsstärke an Metallstreifen eines Reflektors gegenüber der Reflexionsstärke im nächstliegenden Wandler erhöht werden. Dabei wird eine höhere Reflektorbandbreite erzielt. Dadurch können insbesondere störende akustische Schwingungen, die zu einem Ripple im Sperrbereich des Filters führen, unterdrückt bzw. in einen unkritischen Frequenzbereich verschoben werden.

Möglich ist es auch, in einer akustischen Spur einen Wandler und einen Reflektor anzuordnen, die aus unterschiedlichen Schichtenfolgen bestehen. Der Schichtaufbau des Wandlers kann z. B. eine Schicht aus einem Metall oder einer Metalllegierung, vorzugsweise Al, oder übereinander liegende Teilschichten z. B. aus Al und Cu aufweisen. Vorzugsweise sind die Elektrodenstrukturen des Wandlers aus Cu/Al-Legierung ausgeführt. Der Schichtaufbau des Reflektors kann z. B. eine Schicht aus einem anderen Metall oder einer anderen Metalllegierung aufwiesen. Der Schichtaufbau des Reflektors kann auch übereinander liegende Teilschichten z. B. aus Al, Cu, Ti, Mg, Ta etc. aufweisen.

Die Bauelementstrukturen mit den unterschiedlichen Schichtaufbauten können in einer anderen Variante in verschiedenen, elektrisch miteinander verbundenen akustischen Spuren des Filters angeordnet sein. Jede akustische Spur ist vorzugsweise durch zwei Reflektoren begrenzt und weist mindestens einen dazwischen angeordneten Wandler auf. Somit wird ein akustischer Resonator gebildet. Jede akustische Spur weist eine einheitliche Zusammensetzung sowie eine einheitliche Schichtdicke der darin enthaltenen Elektrodenstrukturen auf. Zwei Spuren weisen dabei voneinander unterschiedliche Zusammensetzungen und/oder Schichtdicken auf. In einem Filter können auch drei oder mehr akustische Spuren vorgesehen sein, die jeweils voneinander unterschiedliche absolute Schichtdicken aufweisen.

In einer Variante ist es möglich, zwei akustische Spuren mit voneinander unterschiedlichen Metallisierungsverhältnissen auszubilden. Dabei weist jede akustische Spur ein einheitliches Metallisierungsverhältnis auf.

Die Schichtdicke der Spur mit einer niedrigeren Resonanzfrequenz ist vorzugsweise kleiner als die Schichtdicke der Spur mit einer höheren Resonanzfrequenz.

In einem Reaktanzfilter kann eine erste Spur z. B. einem Serienresonator und eine zweite Spur einem Parallelresonator entsprechen. In einem Reaktanzfilter werden vorzugsweise unterschiedliche Schichtdicken für Parallel- bzw. Serienresonatoren verwendet. Bei einem Filter mit Serien- und Parallelresonatoren in Ladder-Type-Anordnung ist es vorteilhaft, die Schichtdicke der Elektrodenstrukturen bei Serienresonatoren höher als bei Parallelresonatoren zu wählen. Dabei wird die Schichtdicke beispielsweise so angepasst, dass das Optimum der elektroakustischen Kopplung und der akustischen Reflexion bei Serienresonatoren bei der ersten Frequenz f1 (z. B. bei der höherfrequenten Bandkante) und bei Parallelresonatoren bei der zweiten Frequenz f2 < f1 (z. B. bei der niederfrequenten Bandkante) erreicht wird. Das Metallisierungsverhältnis ist im Parallelresonator vorzugsweise kleiner als im Serienresonator gewählt.

In einem Bauelement gemäß Erfindung können mehrere Filter vorgesehen sein, wobei der Schichtaufbau der Elektrodenstrukturen in zwei Filtern eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung und/oder eine unterschiedliche Schichtenkombination aufweist.

Die niedrigste relative Schichtdicke h/λ ist vorzugsweise mehr als 5%. Die relative Schichtdicke der Elektrodenstrukturen liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 7% und 14%. Das Metallisierungsverhältnis liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 0,3 und 0,8.

Die Optimierung des Schichtaufbaus der individuellen akustischen Spuren bzw. Resonatoren oder allgemein der Bauelement strukturen ist von besonderer Wichtigkeit in einem Duplexer mit einem Sendefilter und einem Empfangsfilter, die voneinander unterschiedliche Mittenfrequenzen aufweisen. Der Duplexer weist mindestens vier Bauelementstrukturen (Serienresonator des Sendefilters, Parallelresonator des Sendefilters, Serienresonator des Empfangsfilters und Parallelresonator des Empfangsfilters) mit deutlich voneinander unterschiedlichen Resonanzfrequenzen auf, die auf einem Substrat angeordnet sind.

Bei bekannten Duplexern mit einer einheitlichen Schichtdicke der Elektrodenstrukturen bei allen Resonatoren kann nur eine spezielle Art von Resonatoren, z. B. der Serienresonator des Sendefilters bezüglich der akustischen Eigenschaften wie z. B. der Reflexion und der elektroakustischen Kopplung optimiert werden. In den anderen Resonatoren des Duplexers treten wegen der entsprechenden Fehlanpassung Verluste auf.

In einem Duplexer gemäß Erfindung werden nun mindestens zwei der genannten Resonatoren bezogen auf die ihnen zugewiesenen kritischen Frequenzen optimiert. Vorzugsweise werden drei oder vier der genannten Resonatoren optimiert.

In einer Variante ist in allen Resonatoren des Duplexers das Metallisierungsverhältnis η = 0,65 und für entsprechende Resonatoren die folgenden relativen Schichtdicken h/λ gewählt: 7,0% im Parallelresonator im Sendefilter; 8,3% im Serienresonator im Sendefilter; 9,4% im Parallelresonator im Empfangsfilter; 11,2% im Serienresonator im Empfangsfilter.

In einer weiteren Variante sind folgende Parameter gewählt: η = 0,37, h/λ = 8,4% im Parallelresonator des Sendefilters; η = 0,7, h/λ = 8,4% im Serienresonator des Sendefilters; η = 0,65, h/λ = 9,4% im Parallelresonator des Empfangsfilters; η = 0,65, h/λ = 11,2% im Serienresonator des Empfangsfilters.

Dieser Duplexer weist somit drei unterschiedliche relative Schichtdicken und drei unterschiedliche Metallisierungsverhältnisse auf.

In einer weiteren Variante sind folgende Parameter gewählt: η = 0,65, h/λ = 7,0% im Parallelresonator im Sendefilter; η = 0,7, h/λ = 8,4% im Serienresonator im Sendefilter; η = 0,33, h/λ = 11,2% im Parallelresonator im Empfangsfilter; η = 0,7, h/λ = 11,2% im Serienresonator im Empfangsfilter.

In einer vorteilhaften Ausführungsform wird jedes Filter des Duplexers (Sende- und Empfangsfilter) mit einem für sich einheitlichen Schichtaufbau und einer einheitlichen Schichtdicke ausgeführt. Dabei ist mindestens einer dieser Parameter, vorzugsweise die Schichtdicke, beim Sendefilter und Empfangsfilter unterschiedlich voneinander gewählt.

Ein Duplexer weist zwei elektrisch miteinander verbundene Filter auf, deren Mittenfrequenzen sich um weniger als 15% unterscheiden. Daher unterscheiden sich auch die Resonanzfrequenzen der Bauelementstrukturen um weniger als 20% (frequenznahe Bauelementstrukturen). Die Erfindung ist auch übertragbar auf Bauelemente, deren Bauelementstrukturen in höherem Maße voneinander unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen. Der Unterschied kann auch mehr als 15%, z. B. 30% betragen.

Die absolute Bandbreite des Filters wird mit Δf und seine Mittenfrequenz mit f₀ bezeichnet. Die relative Bandbreite beträgt Δf/f₀. Um ein breitbandiges Hochfrequenzfilter mit geringen Verlusten zu realisieren, soll in der jeweiligen Bauelementstruktur vorzugsweise eine bestimmte Reflexionsstärke erreicht werden.

Die obere Grenze des Stopbands des Parallelresonators, die innerhalb des Filter-Passbands liegt, verursacht oft unerwünschte akustische Schwingungen, die sich als Ripple der Übertragungsfunktion bemerkbar machen. Um diese Grenze des Stopbands des Parallelresonators in einen Bereich außerhalb des Passbandes zu verschieben, soll die relative Stärke r der mechanischen Reflexion der folgenden Bedingung genügen: r > (π/2)(Δf/f₀). Dies kann (bei gegebenem Material der Elektroden und bei gegebenem Metallisierungsverhältnis) mit einer relativen Schichtdicke h/λ erreicht werden, die einen bestimmten Grenzwert (h/λ)_min übersteigt. Beispielsweise gilt bei Elektroden aus Aluminium für Δf/f₀ > 5,5%: r > 8,63% und h/λ > 7% bis 9%. Die Abhängigkeit r(h/λ) ist eine Funktion, die vom Material der Elektroden und des Substrats abhängt. Das Metallisierungsverhältnis ist vorzugsweise aus dem Bereich 0,6 < η < 0,7, z. B. η = 0,65 gewählt. Eine niedrige relative Schichtdicke ist bevorzugt.

Die Bauelementstrukturen sind auf einem Substrat angeordnet, das piezoelektrisch ist oder einen Schichtaufbau mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht darstellt. Die piezoelektrische Schicht, die vorzugsweise die oberste Schicht des Schichtaufbaus ist, kann z. B. einen Film mit piezoelektrischen Eigenschaften darstellen. Das Substrat ist vorzugsweise LiTaO₃ (Lithiumtantalat) oder LiNbO₃ (Lithiumniobat). Das mehrlagige Substrat kann eine Teilschicht aus diesen Materialien umfassen.

Das Bauelement gemäß Erfindung kann ferner eine Zuleitung aufweisen, die entweder die Bauelementstrukturen untereinander oder eine der Bauelementstrukturen mit einer Anschlussfläche verbindet. Die Zuleitung kann einen Schichtaufbau haben, der den Schichtaufbau der ersten und/oder der zweiten Bauelementstruktur umfasst. Die Gesamtschichtdicke der Zuleitung kann gleich der Summe der Gesamtschichtdicken der ersten und der zweiten Bauelementstrukturen sein. Der Schichtaufbau der Zuleitung kann ferner mindestens eine zusätzliche Teilschicht aufweisen. In diesem Fall ist die Gesamtschichtdicke der Zuleitung größer als die Summe der Schichtdicken der ersten und der zweiten Bauelementstruktur. Die Zuleitungen und/oder die Elektrodenstrukturen der Bauelementstrukturen können passiviert sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher -erläutert. Die Figuren zeigen anhand schematischer und nicht maßstabsgetreuer Darstellungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen schematisch bzw. ausschnittsweise
1 ein Bauelement gemäß Erfindung, bei dem die Bauelementstrukturen mit unterschiedlichen Schichtdicken in einer akustischen Spur angeordnete Wandler sind, im schematischen Querschnitt.
2 ein Bauelement gemäß Erfindung, bei dem die Bauelementstrukturen mit unterschiedlichen Schichtdicken in verschiedenen akustischen Spuren angeordnet sind, im schematischen Querschnitt.
3 ein Bauelement gemäß Erfindung, bei dem die in einer akustischen Spur angeordneten Bauelementstrukturen mit unterschiedlichen Schichtdicken ein Wandler und zwei Reflektoren sind, im schematischen Querschnitt.
4 ein Bauelement gemäß Erfindung, bei dem die Bauelementstrukturen mit unterschiedlicher Zusammensetzung zusätzlich unterschiedliche Metallisierungsverhältnisse aufweisen (Querschnitt).
5 ein Bauelement mit zwei Bauelementstrukturen und einer Zuleitung (Querschnitt).
6 ein Bauelement, bei dem die Bauelementstrukturen jeweils mehrere Teilschichten aufweisen (Querschnitt).
7a, 7b jeweils die Draufsicht auf ein Bauelement mit zwei Wandlern in einer akustischen Spur von oben.
8a, 8b jeweils ein Filter in Ladder-Type-Bauweise.
9 die Ansicht eines Bauelements mit einer Zuleitung von oben
10 ein mit geführten akustischen Wellen arbeitendes Bauelement (Querschnitt)
In 1 bis 9 ist jeweils ein Bauelement gemäß Erfindung gezeigt, das zwei Bauelementstrukturen BS1 und BS2 aufweist. Die Bauelementstrukturen BS1, BS2 sind je nach Ausführung aus voneinander unterschiedlichen Metallen, Metalllegierungen oder geschichteten Metallstrukturen aufgebaut. Die Bauelementstrukturen BS1, BS2 sind auf einem piezoelektrischen Substrat SU angeordnet. Beide Bauelementstrukturen BS1, BS2 sind Bestandteile eines und desselben Filters.
Die Bauelementstruktur BS1, BS2 kann grundsätzlich ein Wandler oder ein Reflektor sein. Die schematische Draufsicht auf einen beispielhaften Wandler W1, W2 bzw. Reflektor RF1, RF2 ist in 7a, 7b und 9 gezeigt. Die Wandler können Normalfingerwandler, d. h. Interdigitalwandler mit abwechselnd angeordneten Elektrodenfingern, die mit verschiedenen elektrischen Potentialen verbunden sind, sein.
Die erste Bauelementstruktur BS1 weist eine absolute Schichtdicke h1 auf. Die zweite Bauelementstruktur BS2 weist in 1 bis 3, 5 und 6 eine höhere Schichtdicke h2 > h1 auf. Die zweite Bauelementstruktur BS2 kann in einer Variante eine geringere Schichtdicke h2 < h1 aufweisen.
Die erste Bauelementstruktur BS1 ist in 1, 3, 7a und 7b durch einen ersten Wandler W1 gebildet. Die zweite Bauelementstruktur BS2 ist (z. B. in 1 und 7a) durch einen zweiten Wandler W2 bzw. (z. B. in 3 und 7b) durch Reflektoren RF1, RF2 gebildet. Der Reflektor RF1, RF2 weist mehrere quer zur Wellenausbreitungsrichtung ausgerichtete Metallstreifen auf, die in einer Variante miteinander kurzgeschlossen sind, siehe z. B. 7a. In einer (z. B. in 7b gezeigten) Variante sind die Metallstreifen eines Reflektors elektrisch nicht miteinander verbunden.
Die erste Bauelementstruktur BS1 bzw. die zweite Bauelementstruktur BS2 kann in 2 und 4 bis 6 durch einen Wandler oder einen Reflektor gebildet sein. Beispielsweise ist es möglich, dass die Bauelementstrukturen BS1, BS2 in einer akustischen Spur angeordnete Wandler W1, W2 sind. In einer Variante stellt die Bauelementstruktur BS1 einen Wandler und die Bauelementstruktur BS2 einen Reflektor dar, oder umgekehrt.
In der in 1 vorgestellten Variante ist das Substrat SU durch die piezoelektrische Schicht PS gebildet. Die Wandler W1, W2 sind in einer akustischen Spur angeordnet. Die Draufsicht auf die in 1 vorgestellte Wandleranordnung ist in 7a gezeigt.
In 2 ist ein weiteres Bauelement gezeigt, bei dem die Bauelementstrukturen BS1, BS2 mit unterschiedlichen Schichtdicken in verschiedenen akustischen Spuren angeordnet sind. Hier ist das Substrat SU ein Mehrschichtaufbau mit einer piezoelektrischen Teilschicht PS.
Die Bauselementstrukturen BS1, BS2 können wie z. B. in der in 2 gezeigten Variante jeweils aus einer einzigen Schicht bestehen, wobei die Schichtdicken h1, h2 der beiden Bauelementstrukturen BS1, BS2 voneinander unterschiedlich sind, h1 ≠ h2.
In 3 ist ein Bauelement gezeigt, bei dem die erste Bauelementstruktur BS1 ein Wandler W1 und die zweite Bauelementstruktur BS2 ein Reflektor RF1 bzw. RF2 ist. Der Wandler W1 und die Reflektoren RF1, RF2 sind in einer gemeinsamen akustischen Spur angeordnet. Beide Reflektoren RF1, RF2 haben hier die gleiche Schichtdicke, die sich von der Schichtdicke des Wandlers W1 unterscheidet. Die in 3 vorgestellte Anordnung des Wandlers W1 und der Reflektoren RF1, RF2 entspricht einem akustischen Resonator bzw. einer akustischen Spur, z. B. der Spur AS1 gemäß 9.
In 4 ist ein Bauelement gezeigt, bei dem die Bauelementstrukturen BS1, BS2 eine unterschiedliche chemische Zusammensetzung aufweisen. Die Bauelementstrukturen weisen darüber hinaus auch voneinander unterschiedliche Metallisierungsverhältnisse η1 und η2 > η1 auf. Das Metallisierungsverhältnis η1 = F1/A1 der ersten Bauelementstruktur wird als Verhältnis der Fingerbreite F1 zum Abstand A1 zwischen den Fingermitten bestimmt. Das Metallisierungsverhältnis η2 = F2/A2 der zweiten Bauelementstruktur wird als Verhältnis der Fingerbreite F2 zum Abstand A2 zwischen den Fingermitten bestimmt.
In 5 ist ein Bauelement mit einer Zuleitung ZL gezeigt. In diesem Fall ist die Höhe h_z des Schichtaufbaus der Zuleitung ZL gleich der Summe der Schichtdicken h1 und h2.
In 6 ist ein Bauelement gezeigt, bei dem sowohl die erste Bauelementstruktur BS1 als auch die zweite Bauelementstruktur BS2 aus mehreren Teilschichten bestehen. Die Bauelementstruktur BS1 weist zwei übereinander angeordnete Teilschichten auf. Die zweite Bauelementstruktur BS2 weist drei übereinander angeordnete Teilschichten auf.
In 7a bzw. 7b ist ein OFW-Bauelement mit zwei in einer akustischen Spur angeordneten Wandlern W1, W2 gezeigt. Die akustische Spur ist durch die Reflektoren RF1, RF2 begrenzt. Die Bauelementstruktur BS1 entspricht dem ersten Wandler W1 und die zweite Bauelementstruktur BS2 in 7a dem zweiten Wandler W2 bzw. in 7b dem Reflektor RF1. Die Bauelementstrukturen BS1, BS2 mit voneinander unterschiedlichen Schichtdicken sind vorzugsweise wie in 7a, 7b in einer akustischen Spur direkt nebeneinander angeordnet.
In 8a, 8b ist ausschnittsweise ein Filter in Ladder-Type-Bauweise gezeigt. Der Signalpfad ist zwischen den Anschlüssen In und OUT angeordnet. Das Filter weist im Signalpfad angeordnete Serienresonatoren SR1, SR2 und einen im Querzweig angeordneten Parallelresonator PR auf. Die Serienresonatoren SR1 bzw. SR2 entsprechen der ersten Bauelementstruktur BS1. Der Parallelresonator PR entspricht der zweiten Bauelementstruktur BS2. Das Filter kann mehrere Querzweige mit darin angeordneten Parallelresonatoren aufweisen. Die Resonatoren SR1, SR2, PR sind jeweils in den akustischen Spuren angeordnet, die vorzugsweise parallel zueinander verlaufen.
In 9 ist ausschnittsweise ein Bauelement mit Zuleitungen ZL1, ZL2 gezeigt. Die erste Zuleitung ZL1 verbindet eine Anschlussfläche AF mit der akustischen Spur AS2. Die zweite Zuleitung ZL2 verbindet zwei akustische Spuren AS1, AS2 elektrisch.
10 zeigt eine weitere Variante eines erfindungsgemäßen Bauelements im schematischen Querschnitt. Das Bauelement umfasst ein erstes Substrat SU, ein zweites Substrat SU1 und ein dazwischen angeordnetes Schichtsystem SS. Das Schichtsystem SS umfasst eine piezoelektrische Schicht PS, eine darauf angeordnete Metallschicht und eine darüber angeordnete dielektrische Schicht, die eine Planarisierungsschicht PL bildet. In der Metallschicht sind Bauelementstrukturen BS1 und BS2 sowie hier nicht gezeigte Kontaktflächen ausgebildet.
Die piezoelektrische Schicht ist vorzugsweise aus ZnO oder AlN ausgebildet.
Das erste und das zweite Substrat sind vorzugsweise aus Silizium ausgebildet. Die Substrate können auch z. B. aus Glas, SiO₂, ZnO, LiNbO₃, LiTaO₃ bestehen bzw. zumindest eine Schicht aus den hier genannten Materialien umfassen.
Die Planarisierungsschicht PL besteht vorzugsweise aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid.
Die Erfindung ist nicht auf die vorgestellten Ausführungsformen, bestimmte Materialien oder die Anzahl der dargestellten Elemente beschränkt. Die Ausführungsbeispiele gemäß 1 bis 9 sind auch in einem mit geführten akustischen Grenzschichtwellen arbeitenden, in 10 schematisch gezeigten Bauelement anwendbar.

BS1: erste Bauelementstruktur
BS2: zweite Bauelementstruktur
ZL1: erste Zuleitung
ZL2: zweite Zuleitung
h1: Schichtdicke der ersten Bauelementstruktur BS1
h2: Schichtdicke der zweiten Bauelementstruktur BS2
hz: Schichtdicke der Zuleitung ZL
SU: Substrat
PS: piezoelektrische Schicht
W1: erster Wandler
W2: zweiter Wandler
RF1, RF2: akustischer Reflektor
F1: Fingerbreite im ersten Wandler W1
F2: Fingerbreite im zweiten Wandler W2
A1: Abstand zwischen entsprechenden Kanten der benachbarten
: Elektrodenfinger im ersten Wandler W1
A2: Abstand zwischen entsprechenden Kanten der benachbarten
: Elektrodenfinger im zweiten Wandler W2

Claims

Mit akustischen Wellen arbeitendes Bauelement – mit einem Filter, das Bauelementstrukturen (BS1, BS2) aufweist, die unabhängig voneinander aus einem Wandler (W1, W2) und einem Reflektor (RF) ausgewählt sind, – mit einem Substrat (SU), auf dem die Bauelementstrukturen (BS1, BS2) angeordnet sind, – wobei jede Bauelementstruktur (BS1, BS2) eine einheitliche Schichtdicke (h1) und eine einheitliche Zusammensetzung aufweist, – wobei zwei Bauelementstrukturen (BS1, BS2) voneinander unterschiedliche Eigenschaften bezogen auf zumindest eines der Merkmale Schichtdicke (h1, h2) und Zusammensetzung aufweisen.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Bauelementstrukturen (BS1, BS2) jeweils eine elektrisch leitende Schicht (M) aufweisen.
Bauelement nach Anspruch 2, wobei zwei Bauelementstrukturen (BS1, BS2) voneinander unterschiedliche Schichtdicken (h1, h2) aufweisen.
Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine erste Bauelementstruktur (BS1) aus einem ersten Material besteht, wobei eine zweite Bauelementstruktur (BS2) aus einem zweiten Material besteht.
Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Bauelementstrukturen (BS1, BS2) aus dem gleichen Material bestehen.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Bauelementstrukturen (BS1, BS2) jeweils einen Schichtaufbau aus mehreren elektrisch leitenden Teilschichten (M1, M2) aufweisen.
Bauelement nach Anspruch 6, bei dem die verschiedenen Bauelementstrukturen (BS1, BS2) die gleiche Schichtabfolge, aber die unterschiedliche Höhe der Schichtaufbauten aufweisen.
Bauelement nach Anspruch 1, bei dem eine erste Bauelementstruktur (BS1) aus einer elektrisch leitenden Schicht (M) besteht, und bei dem eine zweite Bauelementstruktur (BS2) einen Schichtaufbau aus mehreren elektrisch leitenden Teilschichten (M1, M2) aufweist.
Bauelement nach Anspruch 6 oder 8, wobei der Schichtaufbau der zweiten Bauelementstruktur (BS2) als eine Teilschicht die in der ersten Bauelementstruktur (BS1) verwendete elektrisch leitende Schicht umfasst.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei jede Bauelementstruktur (BS1, BS2) ein einheitliches Metallisierungsverhältnis η1, η2 aufweist, wobei zwei Bauelementstrukturen (BS1, BS2) voneinander unterschiedliche Metallisierungsverhältnisse η1, η2 aufweisen.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem verschiedene Bauelementstrukturen (BS1, BS2) in einer gemeinsamen akustischen Spur angeordnet sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem verschiedene Bauelementstrukturen (BS1, BS2) in verschiedenen akustischen Spuren angeordnet sind.
Bauelement nach Anspruch 12, bei dem innerhalb einer akustischen Spur die Bauelementstrukturen jeweils eine einheitliche Schichtdicke (h1, h2) und eine einheitliche Zusammensetzung aufweisen, wobei in zwei akustischen Spuren die Bauelementstrukturen voneinander unterschiedliche Eigenschaften bezogen auf zumindest eines der Merkmale Schichtdicke und Zusammensetzung aufweisen.
Bauelement nach Anspruch 13, bei dem die Bauelementstrukturen in einer akustischen Spur jeweils ein einheitliches Metallisierungsverhältnis aufweisen, wobei die Bauelementstrukturen in zwei akustischen Spuren voneinander unterschiedliche Metallisierungsverhältnisse aufweisen.
Bauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die erste Spur ein Serienresonator ist, bei dem die zweite Spur ein Parallelresonator ist.
Bauelement nach Anspruch 15, wobei im Parallelresonator das Metallisierungsverhältnis kleiner als im Serienresonator ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die erste Bauelementstruktur (BS1) ein Wandler (W1) ist, bei dem die zweite Bauelementstruktur (BS2) ein neben dem Wandler (W1) angeordneter Reflektor (RF) ist, wobei der Wandler und der Reflektor in einer gemeinsamen akustischen Spur angeordnet sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die erste Bauelementstruktur (BS1) ein erster Wandler (W1) ist, bei dem die zweite Bauelementstruktur (BS2) ein zweiter Wandler (W2) ist, wobei der erste und der zweite Wandler in einer gemeinsamen akustischen Spur angeordnet sind.
Bauelement nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem die Resonanzfrequenzen der verschiedenen Spuren sich um maximal 40% unterscheiden.
Bauelement nach Anspruch 19, bei dem die Resonanzfrequenzen der verschiedenen Spuren sich um 0 < Δf < 20% unterscheiden.
Bauelement nach Anspruch 20, bei dem die Resonanzfrequenzen der verschiedenen Spuren sich um 0 < Δf < 10% unterscheiden.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 21, mit N akustischen Spuren (SP1, SP2), wobei N ≥ 3, bei dem die akustischen Spuren jeweils eine innerhalb der Spur einheitliche Schichtdicke (h1, h2) und eine einheitliche Zusammensetzung aufweisen, wobei alle akustischen Spuren voneinander unterschiedliche Eigenschaften bezogen auf zumindest eines der Merkmale Schichtdicke und Zusammensetzung aufweisen.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 22, bei dem die niedrigste relative Schichtdicke einer Bauelementstruktur h/λ ≥ 5% ist, wobei h die absolute Schichtdicke und λ die akustische Wellenlänge ist.
Bauelement nach Anspruch 23, bei dem 5% ≤ h/λ ≤ 14% gilt.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und 12 bis 24, mit zwei Filtern, die zusammen einen Duplexer realisieren, wobei die Bauelementstrukturen jedes Filters des Duplexers einen einheitlichen Schichtaufbau und eine einheitliche Schichtdicke aufweist, wobei die Bauelementstrukturen beider Filter voneinander unterschiedliche Schichtdicken aufweisen.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 26, mit einem weiteren Substrat (SU1), wobei zwischen den beiden Substraten (SU, SU1) ein Schichtsystem (SS) angeordnet ist, das eine piezoelektrische Schicht (PS) aufweist, in der die akustische Welle geführt wird, wobei das Schichtsystem (SS) eine auf der piezoelektrischen Schicht angeordnete Metallschicht aufweist, in der die erste und die zweite Bauelementstruktur (BS1, BS2) ausgebildet ist, wobei das Schichtsystem (SS) eine dielektrische Schicht aufweist, die die beiden Bauelementstrukturen (BS1, BS2) bedeckt und mit der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht (PS) dicht abschließt.