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Es
wird ein elektronisches Bauelement nach Anspruch 1 angegeben.
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Ein
weit verbreitetes Problem von elektronischen Bauelementen, welche
mit akustischen Wellen arbeiten, ist die geringe akustische Güte von Resonanzstrukturen.
Die Güte
ist durch den relativen Energieverlust in dem Bauelement definiert.
Ein solcher Energieverlust kann entweder auf dem Austreten unerwünschter
akustischer Signale basieren, was auch als akustische Leckage bezeichnet
wird, oder kann seine Ursache in viskosen Verlusten haben.
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Unter
Bauelementen, die mit akustischen Wellen arbeiten, sind insbesondere
die folgenden Bauelemente zu verstehen: GBAW (guided bulk acoustic
wave), SAW (surface acoustic wave), FBAR (thin film bulk acoustic
resonator).
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Für beispielsweise
Filteranwendungen mit hohen Leistungsübertragungen und geringen Einfügdämpfungen
müssen
die Verluste innerhalb des Resonators begrenzt werden. Dies kann
dadurch geschehen, dass die Energie, welche bei den im Resonator
gefangenen akustischen Wellen durch sich nicht ideal elastisch verhaltende
Materialien verloren geht.
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Eine
Aufgabe von Ausführungsformen
der Erfindung besteht darin, die akustische Güte von elektronischen Bauelementen,
welche mit akustischen Wellen arbeiten, zu steigern.
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Die
Aufgabe wird durch ein elektronisches Bauelement nach dem Anspruch
1 gelöst.
Weitere Ausführungsformen
des elektronischen Bauelements sowie Verfahren zur Herstellung des
elektronischen Bauelements sind Gegenstand weiterer Patentansprüche.
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Eine
Ausführungsform
des elektronischen Bauelements umfasst ein piezoelektrisches Substrat und
eine metallische Schicht auf zumindest einer Oberfläche des
piezoelektrischen Substrates, die zumindest in Teilbereichen zu
einer Struktur ausgebildet ist, die beim Betrieb des Bauelements
akustische Wellen emittiert oder reflektiert, wobei die metallische Schicht
mehr als ein Metall umfasst, wobei eines der Metalle Au oder Ag
ist.
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Durch
den Einsatz von Au oder Ag in Kombination mit einem weiteren Metall
können
die Eigenschaften der metallischen Schicht wie beispielsweise Steifigkeit,
Oberflächenhärte oder
elektrischer Widerstand verbessert werden. Über die physikalischen Eigenschaften
dieser metallischen Schicht kann der viskose Verlust im Bauelement
reduziert werden, was zu einer Steigerung der akustischen Güte führt. Die
beiden genannten metallischen Elemente können sowohl einzeln als auch
beide gemeinsam in der metallischen Schicht vorkommen.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
umfasst die metallische Schicht eine Legierung aus mindestens zwei
Metallen, wobei eines der Metalle Au oder Ag ist.
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Die
Legierung der metallischen Schicht kann hierbei neben anderen Legierungsbestandteilen
entweder nur Au oder nur Ag sowie auch Au und Ag umfassen. Umfasst
die Legierung Au und Ag so ist kein weiteres Metall mehr notwendig,
es können
aber weitere Metalle in der Legierung vorhanden sein.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des elektronischen Bauelements weist die Legierung eine inhomogene
Verteilung von Au oder Ag in der metallischen Schicht auf.
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Unter
inhomogener Verteilung ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung
insbesondere zu verstehen, dass zumindest eines der Metalle Au oder
Ag in der metallischen Schicht einen Konzentrationsgradienten aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform
weist das elektronische Bauelement bei einem Querschnitt durch die
metallische Schicht in der Horizontalen, also parallel zum Schichtverlauf,
einen geringen Konzentrationsgradienten auf, wohingegen entlang
eines Schnitts senkrecht zur Schichtenfolge ein deutlicher Konzentrationsgradient
ausgebildet ist. Der Konzentrationsgradient bezieht sich insbesondere
auf das Verhältnis
von Au oder Ag zu dem weiteren Metall beziehungsweise zu den weiteren
Metallen.
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Eine
weitere Ausführungsform
des elektronischen Bauelements umfasst eine metallische Schicht,
welche zwei Teilsschichten aus unterschiedlichen Metallen, Metallen
und Legierungen oder unterschiedlichen Legierungen umfasst.
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Die
metallische Schicht ist in dieser Ausführungsform aus mindestens zwei
Teilschichten aufgebaut, die beispielsweise jeweils ein anderes
Metall umfassen oder jeweils eine andere Legierung umfassen. Es
ist auch eine Ausführungsform
möglich
in der die eine Teilschicht ein Metall und die zweite Teilschicht
eine Legierung umfasst. Unter Teilschichten ist insbesondere eine
Schichtenfolge zu verstehen, bei der Schichten horizontal übereinander
gelagert sind. Die Schichten verlaufen hierbei parallel oder fast
parallel zum Substrat. Die Teilschichten weisen hierbei über die Schichtfläche gesehen
vorzugsweise eine konstante Schichtdicke auf.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des elektronischen Bauelements weist die metallische Schicht eine
Schichtenfolge auf, in der alternierend Teilschichten aus unterschiedlichen
Metallen und Legierungen folgen. Unter der alternierenden Abfolge ist
eine Abfolge zu verstehen, welche sich in Bezug auf die Materialien,
aus welchen die Teilschichten gefertigt wurden, wiederholt. Umfasst
die metallische Schicht Teilschichten aus zwei unterschiedlichen
Materialien, so folgen diese in dieser Ausführungsform in abwechselnder
Reihenfolge aufeinander. Entsprechendes gilt auch für metallische
Schichten mit mehr als zwei Materialien. Umfasst die metallische
Schicht drei unterschiedliche Materialien, so ist auch ein Materialmuster
in der Form denkbar, dass jede zweite Schicht aus dem ersten Material
gefertigt ist und die dazwischen liegenden Schichten abwechselnd
aus dem zweiten und dritten Material gefertigt sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die metallische Schicht eine Schichtenfolge von alternierenden
Teilschichten einer ungeraden Anzahl. Das bedeutet für eine Ausführungsform,
bei der die metallische Schicht Teilschichten aus zwei unterschiedlichen
Materialien umfasst, dass sowohl die unterste wie auch die oberste
Teilschicht aus dem gleichen Material gefertigt sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des elektronischen Bauelements weisen alle Teilschichten, die aus
dem gleichen Metall oder der gleichen Legierung bestehen, ausgenommen
die beiden Außenschichten,
die gleiche Schichtdicke auf.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des elektronischen Bauelements weisen bei einer Schichtenfolge von
mindestens fünf
Teilschichten die Außenschichten
die halbe Schichtdicke der übernächsten weiter
innen liegenden Teilschicht auf. Das bedeutet, dass die Außenschichten
die halbe Schichtdicke der Schichten aufweisen, welche im Inneren
der Schichtenfolgen liegen und aus dem gleichen Material gefertigt
sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des elektronischen Bauelements ist Au oder Ag in der metallischen
Schicht zu einem Anteil von mindestens 50-mol% enthalten. Das bedeutet,
dass entweder Au oder Ag in Bezug auf die gesamte Zusammensetzung
der metallischen Schicht einen Anteil von mindestens 50-mol% einnehmen.
Sind sowohl Au als auch Ag in der metallischen Schicht vorhanden,
so ist in dieser Ausführungsform
mindestens eines der beiden Metalle in der metallischen Schicht
zu einem Anteil von mindestens 50-mol% enthalten.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des elektronischen Bauelements ist eines der Metalle Cu. Das bedeutet,
dass neben einem der beiden Metalle Au oder Ag oder zusätzlich zu
den beiden Metallen in der metallischen Schicht auch noch Cu enthalten
ist.
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In
einer Ausführungsform
des elektronischen Bauelements handelt es sich bei dem Bauelement um
ein Bauelement, welches mit geführten
akustischen Volumenwellen arbeitet. Hierbei kann es sich beispielsweise
um ein GBAW-Bauelement (guided bulk acoustic wave) handeln.
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Neben
dem elektronischen Bauelement selbst werden auch Verfahren zu dessen
Herstellung beansprucht.
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Eine
Verfahrensvariante zur Herstellung des elektronischen Bauelements
umfasst die Verfahrensschritte: Bereitstellen eines piezoelektrischen
Substrates, Aufbringen einer metallischen Schicht auf zumindest
einer Oberfläche
des piezoelektrischen Substrates, Strukturieren der metallischen
Schicht, so dass eine Struktur ausgebildet wird, die beim Betrieb des
Bauelements akustische Wellen emittiert oder reflektiert, wobei
für die
metallische Schicht ein Material verwendet wird, welches mehr als
ein Metall umfasst, wobei eines der Metalle Au oder Ag ist.
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Bei
einem solchen Verfahren kann beispielsweise ein elektronisches Bauelement
gefertigt werden, wie es in Anspruch 1 beansprucht wird. Bei dem Material
für die
metallische Schicht kann es sich auch um ein Gemisch von mehreren
Materialien handeln. Diese Materialien können vor dem Auftragen gemischt
werden, sie können
aber auch in einzelnen Teilschichten unterschiedlicher Zusammensetzung aufgebracht
werden. Die unterschiedlichen Metalle können somit in der metallischen
Schicht in unterschiedlichen Bereichen wie beispielsweise in Teilschichten
vorliegen. Die metallische Schicht insgesamt umfasst mehr als ein
Metall, wobei eines der Metalle Au oder Ag ist, wobei auch diese
beiden Metalle gleichzeitig in der metallischen Schicht vorliegen können.
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In
einer weiteren Verfahrensvariante wird für die metallische Schicht eine
Legierung verwendet, welche mindestens zwei Metalle umfasst und
eines der Metalle Au oder Ag ist. Es kann auch eine Legierung verwendet
werden, in der Au und Ag gleichzeitig nebeneinander vorliegen. Für diesen
Fall ist kein weiteres anderes Metall mehr notwendig. Bei dem Einsatz
einer Legierung weist die metallische Schicht somit auch schon dann
mindestens zwei Metalle auf, wenn die metallische Schicht aus nur
einer Schicht besteht.
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In
einer weiteren Verfahrensvariante wird für die metallische Schicht oder
deren Teilschichten unterschiedliche metallische Materialien so
verwendet, dass der Anteil an Au oder Ag in der metallischen Schicht
bei mindestens 50-mol% liegt. Der Anteil des Elements in der metallischen
Schicht errechnet sich aus der Summe an Anteilen in allen Teilschichten
in denen das Metall als solches oder auch als Legierung vorliegt.
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In
einer weiteren Verfahrensvariante zur Herstellung eines elektronischen
Bauelements umfasst das Verfahren die Verfahrensschritte: Bereitstellen eines
piezoelektrischen Substrates, Aufbringen einer metallischen Schicht
auf zumindest einer Oberfläche des
piezoelektrischen Substrates, Strukturieren der metallischen Schicht,
so dass eine Struktur ausgebildet ist, die beim Betrieb des Bauelements
akustische Wellen emittiert oder reflektiert, wobei das Aufbringen
der metallischen Schicht durch Aufbringen zumindest zweier unterschiedlicher
Teilschichten erfolgt, welche unabhängig voneinander ausgewählt sind
aus Metall und Legierung, wobei in zumindest einem nachträglichen
Temperschritt eine zumindest teilweise Legierung der beiden unterschiedlichen Teilschichten
erzeugt wird.
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Mit
diesem Verfahren kann beispielsweise ein elektronisches Bauelement
hergestellt werden, wie es in Anspruch 1 beansprucht wird. Bei dieser Verfahrensvariante
wird eine zumindest teilweise Legierung erst während des Temperschrittes im
Verfahren gebildet. Diese zumindest teilweise Legierung kann durch
die zumindest teilweise Durchmischung von zwei aufeinander folgenden
Teilschichten erfolgen. Diese Teilschichten können beispielsweise aus zwei
unterschiedlichen Metallen oder auch aus zwei unterschiedlichen
Legierungen bestehen. Ebenso ist es möglich, dass eine Teilschicht
aus einem Metall und die andere Teilschicht aus einer Legierung
besteht. Unter dem Begriff ”zumindest
teilweise Legierung” ist
in Zusammenhang mit dieser Erfindung zu verstehen, dass es zumindest
im Grenzbereich der beiden Teilschichten, also in dem Bereich, wo
die Teilschichten Kontakt zueinander haben, es zu einer Durchmischung
der Materialien der beiden Teilschichten kommt. Dabei wandert das
Material mindestens einer der Teilschichten in die angrenzende Teilschicht,
welche aus einem anderen Material gefertigt ist. Das diffundierende
Material kann sich im Kontaktbereich der beiden Schichten sammeln,
aber auch weiter durch die gesamte angrenzende Schicht diffundieren
und sich gegebenenfalls homogen darin verteilen.
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In
einer Verfahrensvariante umfasst die zumindest teilweise ausgebildete
Legierung Au oder Ag. Vorzugsweise gehören die Au oder Ag Atome/Ionen
zu den Atomen/Ionen, welche an der Diffusion beteiligt sind.
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In
einer weiteren Verfahrensvariante beträgt der Anteil an Au oder Ag
in der zumindest teilweise ausgebildeten Legierung mindestens 50-mol%.
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In
einer Verfahrensvariante umfasst die zumindest teilweise ausgebildete
Legierung Cu. Vorzugsweise gehören
die Cu Atome/Ionen zu den Atomen/Ionen, welche an der Diffusion
beteiligt sind.
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Im
Folgenden sollen Varianten der Erfindung anhand von Figuren und
Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
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1 zeigt
eine schematische Aufsicht eines elektronischen Bauelements.
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2 zeigt
eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts aus einem elektronischen
Bauelement.
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3 zeigt
ausschnittsweise einen schematischen Querschnitt durch eine metallische
Schicht.
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch eine weitere metallische Schicht.
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5 zeigt
die graphische Darstellung von 9 Messwerten der Antiresonanzgüte Qa.
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In 1 ist
ein Resonator als mögliche
Ausführungsform
für die
Struktur der metallischen Schicht S bzw. für das Bauelement in schematischer Zeichnung
dargestellt. Der Resonator weist ein piezoelektrisches Substrat
P auf, auf dem einen Interdigitalwandler W zwischen zwei akustischen
Reflektoren R1, R2 angeordnet ist. Sowohl Interdigitalwandler W
wie auch die zwei akustischen Reflektoren R1, R2 sind aus der metallischen
Schicht S durch Strukturierung derselben entstanden. Die Entfernung
A vom Wandler zum Reflektor ist so ausgelegt, dass sich durch konstruktive
Interferenz eine stehende Welle zwischen den beiden Reflektoren
R1, R2 ausbilden kann. Der Resonator kann in weiteren Ausführungsformen
darüber
hinaus weitere Wandler und Reflektoren umfassen.
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Die 2 zeigt
eine schematische Seitenansicht eines Ausschnittes aus einem elektronischen Bauelement.
Der Ausschnitt zeigt ein piezoelektrisches Substrat P auf dem eine
metallische Schicht S angeordnet ist. Die metallische Schicht S
umfasst fünf
Teilschichten T1 bis T5. Hierbei sind die Teilschichten T1, T3 und
T5 aus einem ersten Material gefertigt und die Teilschichten T2
und T4 aus einem zweiten Material, welches nicht dem ersten Material entspricht.
Die Teilschichten T1 und T5 weisen die gleiche Schichtdicke auf,
ebenso weisen die Teilschichten T2 und T4 die gleiche Schichtdicke
auf. Die metallische Schicht S kann durch ein nacheinander folgendes
Auftragen der unterschiedlichen Teilschichten T gefertigt werden.
Die Teilschichten T können
beispielsweise aufgedampft werden.
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Die 3 zeigt
eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausschnittes aus
einer metallischen Schicht S. Es ist der Grenzbereich einer Teilschicht
T2 zu dem jeweils benachbarten Teilschichten T1 und T3 dargestellt.
Die Teilschichten T1 bis T3 sind teilweise legiert. Wie in der Abbildung
zu sehen ist, ist ein Teil des Materials, aus dem die Teilschicht
T2 gefertigt wurde, in die angrenzenden Teilschichten T1 und T3
diffundiert. Des Weiteren ist ein Teil des Materials, aus dem die
Teilschichten T1 und T3 gefertigt wurden, in die Teilschicht T2
diffundiert. Diese teilweise Legierung kann durch einen Temperschritt
der metallischen Schicht S erzielt werden.
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Die 4 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer weiteren metallischen Schicht
S. Die metallische Schicht S umfasst hier sieben Teilschichten T1
bis T7. Hierbei sind die Teilschichten T1, T3, T5 und T7 aus einem
ersten Material gefertigt. Die Teilschichten T2, T4 und T6 sind
aus einem zweiten Material gefertigt, welches nicht dem ersten Material
entspricht. Somit ist die metallische Schicht S aus einer alternierenden
Abfolge von Schichten gefertigt, welche zwei unterschiedliche Materialien
umfasst. Die Teilschichten T2, T4 und T6 weisen hierbei die gleiche
Schichtdicke auf. Die beiden Außenschichten, die
Teilschichten T1 und T7, weisen eine Schichtdicke von d0,5 auf,
welche der halben Schichtdicke der Teilschichten T3 und T5 d1 entspricht.
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Wird
nun die metallische Schicht S beispielsweise durch einen Temperschritt
erwärmt,
so kann das Material der Teilschichten T2, T4 und T6 in die angrenzenden
Teilschichten diffundieren. Die Schichtdicken der Teilschichten
T1, T3, T5, T7 wie aber auch der Teilschichten T2, T4 oder T6, aus
denen die Atome oder Ionen heraus diffundieren, sind so gewählt, dass
die Atome oder Ionen dieser Teilschichten möglichst gleichmäßig in den
angrenzenden Teilschichten verteilt werden können, bzw. sich durch Diffusion
gleichmäßig über die
Schichtdicken dieser Schichten verteilen. So entspricht die bei
der Diffusion zurückzulegende
Weglänge
in einer der beiden Außenschichten
T1 oder T7 der Weglänge, bis
zur Mitte einer der innen liegenden Teilschichten T3 und T5. In
die andere Hälfte
der Teilschichten T3 oder T5 wird dementsprechend von der auf der
anderen Seite der jeweiligen Teilschicht liegenden, als Diffusionsquelle
dienenden Teilschicht T2, T4 oder T6 heraus diffundiert. So wird
beispielsweise in die Teilschicht T3 von oben her durch die abgegebenen
Atome oder Ionen aus der Teilschicht T2 diffundiert, wohingegen
der untere Teilbereich von den Atomen oder Ionen, welche aus der
Teilschicht T4 abgegeben werden diffundiert wird. Die obere Teilschicht
T1 hingegen, welche nur an eine weitere Teilschicht T2 angrenzt,
weist hingegen nur die halbe Schichtdicke auf wie die Teilschicht
T3, so dass sie in der gleichen Zeit von den Atomen/Ionen durchlaufen
werden kann, wie die innen liegende Schicht T3, in welche von zwei Seiten
aus diffundiert wird.
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5 zeigt
die graphische Darstellung von 9 Messwerten der Antiresonanzgüte Qa. Hierbei
wurden in drei Messreihen drei verschiedene Zusammensetzungen für die metallische
Schicht S jeweils bei drei verschiedenen Aperturen (Ap) vermessen. Die
Apertur wurde hierbei von dem auf eine gegebene Apertur normierten
Wert 1 über
1,5 auf 2 gesteigert. Für
diese Messungen wurde ein GBAW-Bauelement verwendet. Die erste Messreihe,
welche durch das Symbol ♦ dargestellt
ist, wurde mit einer metallischen Schicht S aus reinem Au von einer
Schichtdicke von 240 nm durchgeführt.
Die zweite Messreihe, welche durch das Symbol ∎ dargestellt
ist, wurde mit einer Schichtenfolge für die metallische Schicht S aus
folgenden Teilschichten durchgeführt:
60 nm Au, 1 nm Cu, 120 nm Au, 1 nm Cu, 60 nm Au. Die dritte Messreihe,
welche durch das Symbol
dargestellt
ist, wurde mit einer metallischen Schicht S durchgeführt, welche
zwei Teilschichten T umfasst: eine 150 nm Cu-Schicht und auf dieser
angeordnet eine 185 nm Au-Schicht. Die Cu-Schicht ist im Bauelement
näher am
piezoelektrischen Substrat P angeordnet als die Au-Schicht. Alle
drei metallischen Schichten S wurden vor der Messung dem gleichen
Temperschritt unterworfen.
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Aus
den in
5 dargestellten Messwerten lässt sich deutlich erkennen,
dass in der dritten Messreihe
für alle drei
Aperturen die besten Werte für die
Antiresonanzgüte
Qa erzielt wurden. In der zweiten Messreihe (∎) wurden
für die
drei Aperturen jeweils Werte erzielt, die zwischen der ersten und
dritten Messreihe liegen. Die schlechtesten Werte für die Antiresonanzgüte Qa wurden
in der ersten Messreihe (♦)
mit der reinen Au-Schicht erzielt. Die Messergebnisse der Güte der Antiresonanz
lassen sich entsprechend auch auf die Güte der Resonanz übertragen.
Eine Direktmessung der Güte
der Resonanz kann aber von anderen Effekten überlagert sein und besitzt
daher nicht die Aussagekraft wie die beispielhaft bestimmte Antiresonanzgüte.
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Somit
wird klar, dass ein erfindungsgemäßes Bauelement mit der besonderen
metallischen Schicht in seinen Eigenschaften wesentlich verbessert
werden kann, wobei insbesondere die im Bauelement produzierten elektrischen
Verluste reduziert werden.
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Die
Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele
beschränkt. Vielmehr
umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination
von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in
den Patentansprüchen
beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst
nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben
ist. Insbesondere ist das Bauelement nicht auf mit akustischen Wellen
arbeitende Resonatoren beschränkt,
sondern kann auch andere nicht-resonierende Bauelementtypen umfassen.
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- P
- piezoelektrisches
Substrat
- S
- metallische
Schicht
- T
- Teilschichten
- W
- Interdigitalwandler
- R
- akustischen
Reflektor
- A
- Entfernung
vom Wandler
- d
- Schichtdicke