DE102023203135A1

DE102023203135A1 - MEMS-Volumenwellen-Resonator, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen MEMS-Volumenwellen-Resonators sowie System mit solch einem MEMS-Volumenwellen-Resonator

Info

Publication number: DE102023203135A1
Application number: DE102023203135.3A
Authority: DE
Inventors: Ando Feyh
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-04-05
Filing date: 2023-04-05
Publication date: 2024-10-10
Also published as: WO2024208562A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen MEMS-Volumenwellen-Resonator (10,11), wobei der MEMS-Volumenwellen-Resonator (10,11) ein Substrat (20), einen Interdigitalwandler (30) mit einer Elektrodeneinheit (31) und eine piezoelektrische Schicht (40) aufweist, wobei die Elektrodeneinheit (31) eine erste Elektrode (34) und eine zweite Elektrode (36) aufweist und zwischen dem Substrat (20) und der piezoelektrischen Schicht (30) angeordnet ist, und wobei der MEMS-Volumenwellen-Resonator (10, 11) dazu eingerichtet ist, in Reaktion auf ein an den Interdigitalwandler (30) angelegtes Hochfrequenzsignal mittels der Elektrodeneinheit (31) eine akustische Welle in der piezoelektrischen Schicht (40) anzuregen.
Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines insbesondere erfindungsgemäßen MEMS-Volumenwellen-Resonators (10, 11) sowie ein System (100) mit wenigstens einem erfindungsgemäßen MEMS-Volumenwellen-Resonator (10, 11).

Description

Stand der Technik
In der Hochfrequenztechnik finden heute volumenakustische Wellen-Bauelemente als Resonatoren Anwendung in Filtern und Oszillatoren. Die Arbeitsfrequenz dieser Bauelemente wird in erster Linie durch die Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht und der Schallgeschwindigkeit im piezoelektrischen Material bestimmt. Um höhere Arbeitsfrequenzen zu erreichen, kann die Schichtdicke verringert werden, wobei die Toleranzen immer wichtiger werden. Mit geringerer Schichtdicke erhöht sich jedoch die Kapazität des Bauelements. Will man die Wellenimpedanz beibehalten, muss man daher gleichzeitig die Bauelementfläche verringern. Am Rand des Bauelements geht allerdings akustische Energie verloren. Bei einer Verkleinerung des Bauelements wachsen dabei die Randverluste quadratisch mit der Arbeitsfrequenz an. Die Technik stößt daher bei volumenakustischen Bauelementen mit einer Arbeitsfrequenz von ca. 10 GHz an ihre Grenzen.
Nach dem Stand der Technik ist beispielsweise ein sogenannter transversal angeregter bulk akustischer Resonator (englisch: transversely-excited bulk acoustic resonator; XBAR) bekannt.
Auf der Oberfläche einer piezoelektrischen Schicht, welche einen Hohlraum eines Substrats überspannt, sind zwei interdigital angeordnete Elektroden aufgebracht, welche mit ihren Fingern kammförmig ineinandergreifen. Eine hochfrequente Wechselspannung zwischen den Elektroden erzeugt ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld, welches jeweils lateral von einem Finger einer Elektrode zu einem benachbarten Finger der anderen Elektrode verläuft und welches bei geeigneter Frequenz eine akustische Welle (beispielsweise eine Scherwelle als Grundmode) im Material der piezoelektrischen Schicht erzeugt, die wiederum einen akustischen Energiefluss senkrecht zur Haupterstreckungsebene der piezoelektrischen Schicht zur Folge hat.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen MEMS-Volumenwellen-Resonator, wobei der MEMS-Volumenwellen-Resonator ein Substrat, einen Interdigitalwandler mit einer Elektrodeneinheit und eine piezoelektrische Schicht aufweist, wobei die Elektrodeneinheit eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist und zwischen dem Substrat und der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, und wobei der MEMS-Volumenwellen-Resonator dazu eingerichtet ist, in Reaktion auf ein an den Interdigitalwandler angelegtes Hochfrequenzsignal mittels der Elektrodeneinheit eine akustische Welle in der piezoelektrischen Schicht anzuregen.
Vorteilhaft ist hierbei, dass eine Erschließung höherer Frequenzbereiche im Vergleich zu einem Volumenwellen-Resonator aus dem Stand der Technik ermöglicht werden kann. Insbesondere kann hierbei die Arbeitsfrequenz erhöht werden, ohne dass die Abmessungen des Resonators aus dem Stand der Technik verändert werden müssen. Hierdurch kann wiederum die Effizienz und die Performance des Volumenwellen-Resonators verbessert werden.
Dies liegt unter anderem darin begründet, dass durch die entsprechende, erfindungsgemäße Anordnung der Elektrodeneinheit unterhalb von der piezoelektrischen Schicht und nicht wie im Stand der Technik oberhalb davon, ein erhöhter Freiheitsgrad im Design der einzelnen Komponenten des MEMS-Volumenwellen-Resonators erzielt werden kann, wodurch insbesondere Randverluste im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert werden können.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Elektrodeneinheit zumindest in einem Bereich unterhalb von der piezoelektrischen Schicht durch die piezoelektrische Schicht geschützt wird, wodurch die negative Wirkung von äußeren Einflüssen wie beispielsweise Verschmutzungen, Ablagerungen oder Feuchte auf die Elektrodeneinheit reduziert bzw. vermieden werden können, was sich wiederum positiv auf das Resonanzverhalten des MEMS-Volumenwellen-Resonators auswirkt.
Des Weiteren kann durch eine mögliche Bauweise als SMR-Element (Surface Mounted Resonator) auf eine Verkappung des MEMS-Volumenwellenresonators verzichtet werden, wodurch die Herstellungskosten und der Herstellungsaufwand reduziert werden können.
Unter „zwischen“ etwas „angeordnet“ ist eine Stapelanordnung der jeweiligen Komponenten bzw. Schichten zu verstehen, welche entsprechend übereinander angeordnet sind und sich insbesondere flächenmäßig zumindest teilweise überlappen. Folglich sind die Haupterstreckungsebenen dieser Komponenten bzw. Schichten parallel zueinander ausgerichtet. Dass die Elektrodeneinheit zwischen piezoelektrischer Schicht und Substrat angeordnet ist, bedeutet beispielsweise einen übereinander angeordneten Stapel aus Substrat, Elektrodeneinheit und piezoelektrischer Schicht. Hierbei können jedoch noch weitere Schichten oder Komponenten zwischen der Elektrodeneinheit und dem Substrat oder auch zwischen der Elektrodeneinheit und der piezoelektrischen Schicht angeordnet sein. Folglich ist die Elektrodeneinheit, worunter beide Elektroden zu verstehen sind, unmittelbar oder mittelbar zumindest teilweise zwischen dem Substrat und der piezoelektrischen Schicht angeordnet. Dies bedeutet wiederum, dass die Rückflache der Elektrodeneinheit der Vorderfläche des Substrats und die Vorderfläche der Elektrodeneinheit der Rückfläche der piezoelektrischen Schicht zugewandt ist. Die Vorderfläche und Rückfläche einer jeweiligen Komponente bzw. Schicht liegen sich hierbei gegenüber und bilden folglich die Ober- und Unterseite der jeweiligen Komponente bzw. Schicht.
Unter dem MEMS-Volumenwellen-Resonator ist beispielsweise ein transversal angeregter bulk akustischer Resonator zu verstehen. Insbesondere kann die anregbare, akustische Welle jedoch eine Scherwelle und/oder bulk-acousticwave und/oder oberflächenakustische Welle sein.
Das Substrat kann beispielsweise als Wafer oder Wafer-Stapel ausgestaltet sein und zum Beispiel Silizium oder ein anderes Material oder auch einer Kombination von Materialien umfassen. Das Substrat bietet eine mechanische Unterstützung für die Elektrodeneinheit und die piezoelektrische Schicht. Unter Schicht ist hierbei insbesondere ein Element zu verstehen, dessen Länge und Breite wesentlich größer als dessen Dicke ist. Insbesondere hat die Schicht hierbei eine parallel verlaufende Vorder- und Rückfläche.
Die piezoelektrische Schicht umfasst beispielsweise Aluminimumnitrid oder einkristallines Lithium-Niobat oder Lithium-Tantalat.
Der Interdigitalwandler umfasst eine Elektrodeneinheit mit zwei Elektroden, welche beispielsweise als Dünnfilm-Leiterstrukturen ausgestaltet sind. Hierbei ist die Elektrodeneinheit derartig positioniert, dass die verschachtelten Finger der Elektroden im Wesentlichen unterhalb von einem Bereich der piezoelektrischen Schicht angeordnet sind. Die Elektroden können jeweils eine Sammelschiene aufweisen, welche insbesondere als elektrische Anschlüsse der jeweiligen Elektroden dienen, um darüber die hochfrequente Wechselspannung einzuspeisen. Ausgehend von den Sammelschienen verlaufen eine Vielzahl ineinander verschachtelter, paralleler Finger, wobei sich die Finger abwechselnd von der Sammelschiene der ersten und zweiten Elektrode erstrecken.
Die Elektrodeneinheit weist beispielsweise zumindest teilweise Aluminium, eine Aluminium-Kuper-Verbindung, Molybdän, Platin oder Wolfram auf. Alternativ kann die Elektrodeneinheit auch als dotiertes Polysilizium oder via einkristalliner Si-Schicht durch Nutzung eines SOI-Wafers realisiert werden.
Unter Hochfrequenzsignal ist eine elektrische Wechselspannung zu verstehen, welche eine Frequenz im Hochfrequenzbereich aufweist, insbesondere oberhalb von 1GHz.
Die zuvor und nachfolgend genannten Materialien dienen der Veranschaulichung und können durch andere Materialien beliebig ausgetauscht bzw. kombiniert werden, falls dies zu ähnlichen Eigenschaften führt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem Substrat und der Elektrodeneinheit eine Isolationsschicht angeordnet ist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass aufgrund der Isolationsschicht zwischen Substrat und Elektrodeneinheit keine ungewünschten Leckströme ins Substrat und darüber zwischen den Elektroden der Elektrodeneinheiten fließen bzw. diese möglichst gut minimiert werden können. Dies führt wiederum zu einer besseren Leistungsfähigkeit des MEMS-Volumenwellen-Resonators.
Unter Isolationsschicht ist eine Schicht zu verstehen, deren Material-Zusammensetzung derartig gewählt wird, dass die Schicht keine oder nur eine geringfügige, quasi nicht-relevante elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Hierbei weist das Substrat entweder bereits die Isolationsschicht auf oder diese ist zumindest teilweise auf die Vorderfläche des Substrats aufgebracht. Die Isolationsschicht weist hierbei beispielsweise Siliziumoxid auf und kann durch Abscheiden auf das Substrat aufgetragen werden. Alternativ kann bereits ein SOI-Wafer herangezogen werden, welcher eine entsprechende Isolationsschicht aufweist.
Insbesondere erstreckt sich die Isolationsschicht hierbei über die gesamte Vorderfläche des Substrats und zumindest unterhalb von einem Bereich, in welchem die Elektrodeneinheit angeordnet ist.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem Substrat und der Elektrodeneinheit eine Bragg-Reflektorschicht angeordnet ist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass bei einer SMR-Bauweise des MEMS-Volumenwellen-Resonators mittels der Bragg-Reflektorschicht akustische Verluste ins Substrat reduziert werden können, wodurch wiederum die Leistungsfähigkeit des MEMS-Volumenwellen-Resonators verbessert werden kann.
Unter Bragg-Reflektorschicht ist ein Element zu verstehen, welches typischerweise alternierende, dünne Schichten unterschiedlicher Brechungsindizes aufweist. Oftmals bestehen diese dünnen Schichten aus Dielektrika.
Die Bragg-Reflektorschicht weist optional insbesondere eine seitlich umlaufende, planarisierende Oxidschicht auf. Des Weiteren ist die Bragg-Reflektorschicht insbesondere derartig angeordnet, dass die Bragg-Reflektorschicht zumindest in einem Bereich unterhalb der Elektroden der Elektrodeneinheit bzw. der Finger der Elektroden angeordnet ist. Die Bragg-Reflektorschicht kann hierbei auch zumindest teilweise zwischen der Isolationsschicht und der Elektrodeneinheit angeordnet sein.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Substrat einen Hohlraum aufweist, welcher von der Elektrodeneinheit überspannt ist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass durch solch eine Dünnfilm-Bauweise des MEMS-Volumenwellen-Resonators Substratverluste minimiert werden können.
Der Hohlraum kann ein Loch sein, das vollständig durch das Substrat und ggf. auch durch die Isolationsschicht geht oder eine Aussparung im Substrat und ggf. auch in der Isolationsschicht unterhalb Elektrodeneinheit darstellen.
Die Rückfläche der Elektrodeneinheit ist auf einer Vorderfläche des Substrats bzw. einer darauf aufgebrachten Isolationsschicht angebracht, mit Ausnahme eines Bereichs der Elektrodeneinheit, der einen im Substrat gebildeten Hohlraum überspannen kann. Die Vorderfläche der Elektrodeneinheit ist entsprechend die vom Substrat abgewandte Seite. Folglich sind insbesondere eine Vielzahl oder gar alle Finger der Elektroden über dem Hohlraum angeordnet.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Finger der Elektrodeneinheit von der piezoelektrischen Schicht im Wesentlichen vollständig überdeckt sind.
Vorteilhaft ist hierbei, dass eine negative Wirkung von äußeren Einflüssen auf die Elektroden der Elektrodeneinheit maximal vermieden werden kann, da die piezoelektrische Schicht die Finger entsprechend schützt und lediglich einen elektrischen Anschluss der beiden Elektroden beispielsweise über entsprechende Anschlussflächen an den Sammelschienen der jeweiligen Elektroden ermöglichen soll.
Insbesondere ist hierdurch der Bereich, welcher durch die Finger gebildet bzw. aufgespannt ist, von der piezoelektrischen Schicht überdeckt. Dagegen sollten elektrische Anschlussbereiche bzw. Sammelschienen der Elektroden nicht vollständig durch die piezoelektrische Schicht überdeckt sein, um eine elektrische Verbindung zur hochfrequenten Spannungsquelle möglichst einfach realisieren zu können.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass Zwischenbereiche zwischen Fingern der Elektrodeneinheit zumindest teilweise mit einem Dielektrikum gefüllt sind, wobei die Zwischenbereiche insbesondere vollständig mit dem Dielektrikum gefüllt sind.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Zwischenbereiche durch das Dielektrikum wiederum vor äußeren Einflüssen wie Verschmutzungen oder Feuchtigkeit geschützt werden können, wodurch vermieden wird, dass sich unerwünschte Leckströme zwischen den Fingern der beiden Elektroden bilden, was zu einer Verschlechterung des Resonatorverhaltens führen kann.
Als Dielektrikum wird eine elektrisch schwach- oder nichtleitende Substanz bezeichnet, in der die vorhandenen Ladungsträger nicht frei beweglich sind. Das Dielektrikum kann beispielsweise als Siliziumdioxid ausgestaltet sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine isolierende Schicht zwischen der Elektrodeneinheit und der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei die isolierende Schicht insbesondere als Polymerfilm ausgestaltet ist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass Leckströme zwischen den Fingern der Elektroden vermieden werden können, welche sich ohne die isolierende Schicht über die piezoelektrische ausbilden könnten. Des Weiteren kann hierdurch eine bessere akustische Entkopplung der piezoelektrischen Schicht vom restlichen Bauelement erreicht werden. Die isolierende Schicht wiederum als eine Schicht zu verstehen, deren Material-Zusammensetzung derartig gewählt wird, dass die Schicht keine oder nur eine geringfügige, quasi nicht-relevante elektrische Leitfähigkeit aufweist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Volumenresonators mit folgenden Verfahrensschritten:

a. Bereitstellen eines Substrats,
b. Aufbringen einer Elektrodeneinheit eines Interdigitalwandlers mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode derartig, dass eine Rückfläche der Elektrodeneinheit einer Vorderfläche des Substrats zugewandt ist,
c. Aufbringen einer piezoelektrischen Schicht derartig, dass eine Rückfläche der piezoelektrischen Schicht einer Vorderfläche der Elektrodeneinheit und der Vorderfläche des Substrats zugewandt ist.

Vorteilhaft ist hierbei, dass eine Umsetzung der piezoelektrischen Schicht als akustisches Wandlerelement am Ende der Herstellungsprozesskette erfolgen kann, wodurch eine erhöhte Flexibilität bei verwendeten Materialien bzw. eine weitestgehende Nutzung bestehender Prozessinfrastruktur ohne Kontamination durch ansonsten nicht genutzte Materialien wie beispielsweise LNO = LiNbO3 oder LTO = LiTaO3 erfolgen kann.
Insbesondere laufen die Verfahrensschritt a bis c nacheinander ab. Unter Aufbringen ist das Aufboden oder das Abscheiden eines entsprechenden Materials zu verstehen, um die jeweilige Komponente oder Schicht zu erzeugen.
Ein Weiterer Vorteil besteht darin, dass die Topologie der piezoelektrischen Schicht, beispielweise aufgrund nicht mehr notwendiger lateraler Isolationstrenches, die Strukturierung der Elektrodeneinheit nicht beeinflusst, wodurch eine feinere bzw. kontrollierte Strukturierung der Elektrodeneinheit möglich ist.
Zudem ergibt sich ein erweiterter Freiheitsgrad für die Auswahl des Elektrodenmaterials und dessen Prozessierung bzw. Strukturierung, da die piezoelektrische Schicht erst im Anschluss an die Elektrodeneinheit realisiert wird.
Zudem ergibt sich erfindungsgemäß der Vorteil, dass die Einspannbedingungen für die piezoelektrische Schicht freier wählbar sind und die Anbindung der piezoelektrischen Schicht auf die Elektrodeneinheit beispielsweise mittels eines zwischen Elektrodeneinheit und piezoelektrischer Schicht aufgebrachtem Polymerfilm oder einer anders gearteten Mittlerschicht erfolgen kann.
Zudem wird die Realisierung der piezoelektrischen Schicht nicht durch einen Elektroden-Realisierungsprozesse negativ beeinflusst, z.B. durch Überätzungen bei der Strukturierung Elektrodeneinheit oder einem Temperatureinfluss bei der Abscheidung der Elektrodeneinheit.
Unter Aufbringen ist ein Abscheiden oder auch Aufbonden der mehreren Komponenten bzw. Schichten zu verstehen, welche bei Bedarf noch entsprechend strukturiert werden können bzw. müssen.
Die piezoelektrische Schicht kann beispielsweise als LTO via Direktbondverfahren umgesetzt werden. Alternativ kann die piezoelektrische Schicht mittels eines Chip-to-Wafer- oder eines Wafer-to-Wafer-Verfahrens auf die Elektrodeneinheit bzw. die Mittlerschicht aufgebondet werden, wobei bedarfsweise ein Rückätzen des Handlewafers erfolgen kann. Alternativ kann die piezoelektrische Schicht auch mittels eines Depositionsverfahren abgeschieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein weiterer Verfahrensschritt d zwischen dem Verfahrensschritt a und dem Verfahrensschritt b abläuft, wobei im Verfahrensschritt d ein Aufbringen einer Isolationsschicht auf der Vorderfläche des Substrats erfolgt.
Vorteilhaft ist hierbei, dass aufgrund der Isolationsschicht zwischen Substrat und Elektrodeneinheit keine ungewünschten Leckströme ins Substrat und darüber zwischen den Elektroden der Elektrodeneinheiten fließen bzw. diese möglichst gut minimiert werden können.
Die Isolationsschicht kann beispielsweise durch Abscheidung realisiert werden. Folglich ist die Rückflache der Isolationsschicht der Vorderfläche des Substrats zugewandt und grenzt an diese an. Alternativ weist das im Verfahrensschritt a bereitgestellte Substrat bereits eine entsprechende Isolationsschicht auf.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein weiterer Verfahrensschritt e zwischen dem Verfahrensschritt d und dem Verfahrensschritt b abläuft, wobei im Verfahrensschritt e ein Aufbringen einer Bragg-Reflektorschicht auf einer Vorderfläche der Isolationsschicht erfolgt.
Vorteilhaft ist hierbei, dass bei einer SMR-Bauweise des MEMS-Volumenwellen-Resonators mittels der Bragg-Reflektorschicht akustische Verluste ins Substrat reduziert werden können.
Hierbei wird die Bragg-Reflektorschicht insbesondere zumindest in einem Bereich aufgebracht, auf welchem nachfolgend die Elektrodeneinheit angeordnet werden soll.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein weiterer Verfahrensschritt f abläuft, welcher nach dem Verfahrensschritt b oder nach dem Verfahrensschritt c abläuft, wobei im Verfahrensschritt f ein Hohlraum im Substrat derartig gebildet wird, dass die Elektrodeneinheit den Hohlraum überspannt.
Vorteilhaft ist hierbei, dass durch solch eine Dünnfilm-Bauweise des MEMS-Volumenwellen-Resonators Substratverluste minimiert werden können.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Verfahrensschritt c die piezoelektrische Schicht derartig aufgebracht wird, dass Finger der Elektrodeneinheit von der piezoelektrischen Schicht im Wesentlichen vollständig überdeckt sind.
Vorteilhaft ist hierbei, dass eine negative Wirkung von äußeren Einflüssen auf die Elektroden der Elektrodeneinheit maximal vermieden werden kann, da die piezoelektrische Schicht die Finger entsprechend schützt und lediglich einen elektrischen Anschluss der beiden Elektroden beispielsweise über entsprechende Anschlussflächen an den Sammelschienen der jeweiligen Elektroden ermöglichen soll.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein weiterer Verfahrensschritt g zwischen dem Verfahrensschritt b und dem Verfahrensschritt c abläuft, wobei im Verfahrensschritt g Zwischenbereiche zwischen Fingern der Elektrodeneinheit zumindest teilweise mit einem Dielektrikum gefüllt werden, wobei die Zwischenbereiche insbesondere vollständig mit dem Dielektrikum gefüllt werden.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Zwischenbereiche durch das Dielektrikum wiederum vor äußeren Einflüssen wie Verschmutzungen oder Feuchtigkeit geschützt werden können, wodurch vermieden wird, dass sich Leckströme zwischen den Fingern der beiden Elektroden bilden, was zu einer Verschlechterung des Resonatorverhaltens führen kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein weiterer Verfahrensschritt h zwischen dem Verfahrensschritt b und dem Verfahrensschritt c abläuft, wobei im Verfahrensschritt h ein Aufbringen einer isolierenden Schicht auf die Vorderfläche der Elektrodeneinheit erfolgt, wobei die isolierende Schicht insbesondere als Polymerfilm ausgestaltet ist.
Vorteilhaft ist hierbei, dass Leckströme zwischen den Fingern der Elektroden vermieden werden können, welche sich ohne die isolierende Schicht über die piezoelektrische ausbilden könnten. Des Weiteren kann hierdurch eine bessere akustische Entkopplung piezoelektrischen Schicht vom restlichen Bauelement erreicht werden.
Zudem betrifft die Erfindung ein System mit wenigstens einem erfindungsgemäßen MEMS-Volumenwellen-Resonator.
Das System kann beispielsweise als Filtereinheit, z. B. für den Mobilfunk, als Oszillator, z. B. für ein Radarsystem, oder auch als gravimetrische Sensorvorrichtung ausgestaltet sein.
Insbesondere wird bei einem System mit mehreren erfindungsgemäßen MEMS-Volumenwellen-Resonatoren ermöglicht, dass die piezoelektrische Schicht der Volumenwellen-Resonatoren jeweils unterschiedliche Materialien, Kristallorientierungen und/oder Schichtdicken aufweisen, wobei die MEMS-Volumenwellen-Resonatoren insbesondere auf einem gemeinsamen Substrat realisiert werden können.
Häufig werden mehrere MEMS-Volumenwellen-Resonatoren in einem übergeordneten Modul verbaut und dabei in eine Moldmasse vergossen. Hierbei ergibt sich erfindungsgemäß der Vorteil, dass ein Einfluss der Moldmasse auf die Elektrodenperformance minimiert werden kann, da die piezoelektrische Schicht die Elektrodeneinheit zumindest teilweise abdeckt und entsprechend schützt.
Zeichnungen

1a und 1b zeigen einen MEMS-Volumenwellen-Resonator aus dem Stand der Technik sowohl in Draufsicht als auch in einer ausschnittsweisen seitlichen Schnittansicht.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen MEMS-Volumenwellen-Resonators in einer ausschnittsweisen seitlichen Schnittansicht.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen MEMS-Volumenwellen-Resonators in einer ausschnittsweisen seitlichen Schnittansicht.
4 zeigt Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines insbesondere erfindungsgemäßen MEMS-Volumenwellen-Resonators.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
1a und 1b zeigen einen MEMS-Volumenwellen-Resonator aus dem Stand der Technik sowohl in Draufsicht als auch in einer ausschnittsweisen seitlichen Schnittansicht.
Dargestellt ist ein System 100 mit einem MEMS-Volumenwellen-Resonator nach dem Stand der Technik. Der MEMS-Volumenwellen-Resonator weist ein Substrat 20 mit einem Hohlraum 22 und eine den Hohlraum 22 des Substrats 20 überspannende, piezoelektrische Schicht 40 und einen Interdigitalwandler 30 mit einer Elektrodeneinheit 31 auf. Entsprechend sind das Substrat 20, die piezoelektrische Schicht 40 und die Elektrodeneinheit 30 aufeinandergestapelt angeordnet. Hierbei weist die Elektrodeneinheit 31 eine erste Elektrode 34 und eine zweiten Elektrode 36 auf, welche auf einer Vorderfläche 43 der piezoelektrischen Schicht 30 angeordnet sind, indem die Rückfläche 32 der Elektrodeneinheit 31 an die Vorderfläche 43 der piezoelektrischen Schicht 40 angrenzt. Die Finger 35 der ersten Elektrode 34 und die Finger 37 der zweiten Elektrode 36 weisen jeweils eine entsprechende Breite und Länge auf und sind ausgehend von jeweiligen Sammelschienen, kammartig zueinander angeordnet.
Die Rückfläche 42 der piezoelektrischen Schicht 40 ist der Vorderfläche 23 des Substrat 20 zugewandt. Zwischen dem Substrat 20 und der piezoelektrischen Schicht 40 ist jedoch noch eine Isolationsschicht 50 derartig angeordnet, dass eine Rückfläche 52 der Isolationsschicht 50 an eine Vorderfläche 23 des Substrats 20 und eine Vorderfläche 53 der Isolationsschicht 50 an eine Rückfläche 42 der piezoelektrischen Schicht 40 angrenzt. Zudem weist die piezoelektrische Schicht 40 einen Trenchgraben 41 auf, welcher die piezoelektrische Schicht 40 in einen ersten Bereich, auf welchem die Elektrodeneinheit 31 angeordnet ist, und einen zweiten Bereich unterteilt und entsprechend eine Isolation der beiden Bereiche voneinander schafft. Der Trenchgraben 41 reicht hierbei von der Vorderfläche 43 der piezoelektrischen 40 vollständig durch die piezoelektrische Schicht 40 bis zur Vorderfläche 53 der Isolationsschicht 52 und dient dazu, akustische Verluste zu minimieren, indem eine Ankopplung vom Substrat 20 an den ersten Bereich der piezoelektrischen Schicht 40, auf welchem die Elektrodeneinheit 31 angeordnet ist, durch den Trenchgraben 41 so gut wie möglich reduziert wird.
Des Weiteren ist der MEMS-Volumenwellen-Resonator nach dem Stand der Technik dazu eingerichtet, in Reaktion auf ein an den Interdigitalwandler 30 angelegtes Hochfrequenzsignal mittels der Elektrodeneinheit 31 eine akustische Scherwelle in der piezoelektrischen Schicht 40 anzuregen. Das Hochfrequenzsignal kann hierbei über eine bildlich nicht dargestellte, hochfrequente Wechselspannungsquelle bereitgestellt werden, die entsprechend mit der ersten Elektrode 34 und der zweiten Elektrode 36 elektrisch verbunden ist. Diese elektrische Verbindung kann hierbei bevorzugt über die flächig ausgebildeten Anschlussbereiche der ersten Elektrode 34 und zweiten Elektrode 36 am Ende der jeweiligen Sammelschiene erfolgen.
Die Schnittansicht der 1b ist hierbei entlang der in 1a dargestellten Schnittebene A-A'.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen MEMS-Volumenwellen-Resonators in einer ausschnittsweisen seitlichen Schnittansicht.
Dargestellt ist ein MEMS-Volumenwellen-Resonator 10, welcher sich von dem MEMS-Volumenwellen-Resonator aus dem Stand der Technik dadurch unterscheidet, dass die Elektrodeneinheit 31 zwischen dem Substrat 20 und der piezoelektrischen Schicht 30 angeordnet ist, wobei diese wiederum aufeinandergestapelt sind. Folglich ist die Rückfläche 32 der Elektrodeneinheit 30 der Vorderfläche 23 des Substrats 20 und die Vorderfläche 33 der Elektrodeneinheit 30 der Rückfläche 43 der piezoelektrischen Schicht 40 zugewandt. Die Bauweise des dargestellten MEMS-Volumenwellen-Resonators 10 wird als SMR-Element (Surface Mounted Resonator) bezeichnet.
Hierbei sind die Elektrodeneinheit 31 und die piezoelektrische Schicht 40 derartig ausgestaltet, dass ein Bereich der Elektrodeneinheit 31, welcher von Fingern 35 der ersten Elektrode 34 der Elektrodeneinheit 31 und Fingern 37 der zweiten Elektrode 36 der Elektrodeneinheit 31 aufgespannt wird, im Wesentlichen vollständig von der piezoelektrischen Schicht 40 überdeckt ist. Entsprechend sind hier auch Zwischenbereiche 38 zwischen Fingern 35, 37 der Elektrodeneinheit 31 von der piezoelektrischen Schicht 40 überdeckt. Lediglich die äußeren Anschlussflächen und ggf. Teile der Sammelschienen der Elektroden 34, 36 sind von der piezoelektrischen Schicht 40 teilweise freigehalten, um einen elektrische Verbindung der Elektrodeneinheit 31 zu einer bildlich nicht dargestellten hochfrequenten Spannungsquelle ermöglichen zu können.
Des Weiteren ist zwischen dem Substrat 20 und der Elektrodeneinheit 40 noch eine Isolationsschicht 50 und eine Bragg-Reflektorschicht 60 angeordnet und wiederum entsprechend gestapelt. Die Isolationsschicht 50 ist hierbei derartig angeordnet, dass eine Rückfläche 52 der Isolationsschicht 50 an eine Vorderfläche 23 des Substrats 20 und eine Vorderfläche 53 der Isolationsschicht 50 an eine Rückfläche 62 der Bragg-Reflektorschicht 60 angrenzt. Des Weiteren ist die Bragg-Reflektorschicht 60 derartig angeordnet, dass eine Vorderfläche 63 Bragg-Reflektorschicht 60 an eine Rückfläche 32 der Elektrodeneinheit 31 angrenzt. Die Bragg-Reflektorschicht 60 kann zudem lateral von einer planarisierenden Oxidschicht 61 umschlossen sein.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen MEMS-Volumenwellen-Resonators in einer ausschnittsweisen seitlichen Schnittansicht. Dargestellt ist ein MEMS-Volumenwellen-Resonator 11, welcher sich von dem MEMS-Volumenwellen-Resonator 10 nach 2 dadurch unterscheidet, dass das Substrat 20 einen Hohlraum 25 aufweist, welcher von der Elektrodeneinheit 31 überspannt ist. Hierbei weist zudem auch die Isolationsschicht 50 eine Ausnehmung im Bereich oberhalb des Hohlraums 25 auf. Dies führt zu einer sogenannten Dünnfilm-Resonator-Bauweise, welche typischerweise keine Bragg-Reflektorschicht 60, wie in 2 dargestellt, benötigt, um entsprechende akustische Verluste ins Substrat 20 zu reduzieren.
Ein weiterer Unterschied zwischen dem in 3 dargestellten MEMS-Volumenwellen-Resonator 11 und dem MEMS-Volumenwellen-Resonator 10 nach 2 besteht darin, dass eine isolierende Schicht 70 zwischen der Elektrodeneinheit 31 und der piezoelektrischen Schicht 40 angeordnet ist, wobei die isolierende Schicht 70 insbesondere als Polymerfilm ausgestaltet ist. Dies bedeutet wiederum, dass die isolierende Schicht 70 derartig angeordnet ist, dass eine Rückfläche 72 der isolierende Schicht 70 an eine Vorderfläche 33 der Elektrodeneinheit 31 und eine Vorderfläche 73 der isolierende Schicht 70 an eine Rückfläche 42 der piezoelektrischen Schicht 40 angrenzt.
Des Weiteren können die Zwischenbereiche 38 zwischen Fingern 35, 37 der Elektrodeneinheit 31 zumindest teilweise mit einem Dielektrikum 39 gefüllt, wobei die Zwischenbereiche 38 insbesondere vollständig mit dem Dielektrikum 39 gefüllt sind, wie dies hier dargestellt ist.
Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass die unterschiedlichen Ausgestaltungen der 2 und 3, beispielsweise in Bezug auf den Hohlraum 25, die isolierende Schicht 70, die Bragg-Reflektorschicht 60 oder das Dielektrikum 39, beliebig kombiniert bzw. jeweils je nach Belieben weggelassen werden können.
4 zeigt Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines insbesondere erfindungsgemäßen MEMS-Volumenwellen-Resonators.
Das Verfahren beginnt in einem Schritt a mit der Bereitstellung eines Substrats 20 als Ausgangslage für einen MEMS-Volumenwellen-Resonator. Anschließend wird in einem Verfahrensschritt b eine Elektrodeneinheit 31 eines Interdigitalwandlers 40 mit einer ersten Elektrode 34 und einer zweiten Elektrode 36 derartig auf den bisherigen MEMS-Volumenwellen-Resonator aufgebracht und entsprechend strukturiert, dass eine Rückfläche 32 der Elektrodeneinheit 31 einer Vorderfläche 23 des Substrats 20 zugewandt ist. Daraufhin wird in einem Verfahrensschritt c eine piezoelektrische Schicht 40 derartig auf den bisherigen MEMS-Volumenwellen-Resonator aufgebracht, dass eine Rückfläche 42 der piezoelektrischen Schicht 40 einer Vorderfläche 33 der Elektrodeneinheit 31 und der Vorderfläche 23 des Substrats 20 zugewandt ist. Insbesondere kann im Verfahrensschritt c die piezoelektrische Schicht 40 derartig aufgebracht werden, dass Finger 35, 37 der Elektrodeneinheit 31 und entsprechend auch Zwischenbereiche 38 zwischen den Fingern 35, 37 von der piezoelektrischen Schicht 40 im Wesentlichen vollständig überdeckt sind.
Optional kann ein weiterer Verfahrensschritt d zwischen dem Verfahrensschritt a und dem Verfahrensschritt b ablaufen, wobei im Verfahrensschritt d ein Aufbringen einer Isolationsschicht 50 auf der Vorderfläche 23 des Substrats 20 erfolgt. Insbesondere kann dann noch ein weiterer Verfahrensschritt e zwischen dem Verfahrensschritt d und dem Verfahrensschritt b ablaufen, wobei im Verfahrensschritt e ein Aufbringen einer Bragg-Reflektorschicht 60 auf einer Vorderfläche 53 der Isolationsschicht 50 erfolgt.
Zusätzlich oder alternativ kann ein weiterer Verfahrensschritt f ablaufen, welcher nach dem Verfahrensschritt c abläuft, wobei im Verfahrensschritt f ein Hohlraum 25 im Substrat 20 derartig gebildet wird, dass die Elektrodeneinheit 31 den Hohlraum 25 überspannt. Dieser Verfahrensschritt f kann prinzipiell auch bereits nach dem Verfahrensschritt a oder dem Verfahrensschritt b ablaufen.
Des Weiteren kann optional ein weiterer Verfahrensschritt g zwischen dem Verfahrensschritt b und dem Verfahrensschritt c ablaufen, wobei im Verfahrensschritt g Zwischenbereiche 38 zwischen Fingern 35, 37 der Elektrodeneinheit 31 zumindest teilweise mit einem Dielektrikum 39 gefüllt werden, wobei die Zwischenbereiche 38 insbesondere vollständig mit dem Dielektrikum 39 gefüllt werden.
Außerdem kann optional ein weiterer Verfahrensschritt h zwischen dem Verfahrensschritt b und dem Verfahrensschritt c ablaufen, wobei im Verfahrensschritt h ein Aufbringen einer isolierenden Schicht 70 auf die Vorderfläche 33 der Elektrodeneinheit 31 erfolgt, wobei die isolierende Schicht 70 insbesondere als Polymerfilm ausgestaltet ist.

Claims

MEMS-Volumenwellen-Resonator (10,11), wobei der MEMS-Volumenwellen-Resonator (10,11) ein Substrat (20), einen Interdigitalwandler (30) mit einer Elektrodeneinheit (31) und eine piezoelektrische Schicht (40) aufweist, wobei die Elektrodeneinheit (31) eine erste Elektrode (34) und eine zweite Elektrode (36) aufweist und zwischen dem Substrat (20) und der piezoelektrischen Schicht (30) angeordnet ist, und wobei der MEMS-Volumenwellen-Resonator (10, 11) dazu eingerichtet ist, in Reaktion auf ein an den Interdigitalwandler (30) angelegtes Hochfrequenzsignal mittels der Elektrodeneinheit (31) eine akustische Welle in der piezoelektrischen Schicht (40) anzuregen.
MEMS-Volumenwellen-Resonator (10,11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (20) und der Elektrodeneinheit (30) eine Isolationsschicht (50) angeordnet ist.
MEMS-Volumenwellen-Resonator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (20) und der Elektrodeneinheit (30) eine Bragg-Reflektorschicht (60) angeordnet ist.
MEMS-Volumenwellen-Resonator (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (20) einen Hohlraum (25) aufweist, welcher von der Elektrodeneinheit (31) überspannt ist.
MEMS-Volumenwellen-Resonator (10, 11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Finger (35, 37) der Elektrodeneinheit (31) von der piezoelektrischen Schicht (40) im Wesentlichen vollständig überdeckt sind.
MEMS-Volumenwellen-Resonator (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zwischenbereiche (38) zwischen Fingern (35, 37) der Elektrodeneinheit (31) zumindest teilweise mit einem Dielektrikum (39) gefüllt sind, wobei die Zwischenbereiche (38) insbesondere vollständig mit dem Dielektrikum (39) gefüllt sind.
MEMS-Volumenwellen-Resonator (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine isolierende Schicht (70) zwischen der Elektrodeneinheit (31) und der piezoelektrischen Schicht angeordnet (40) ist, wobei die isolierende Schicht (70) insbesondere als Polymerfilm ausgestaltet ist.
Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Volumenwellen-Resonators (10, 11), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend folgende Verfahrensschritte: a. Bereitstellen eines Substrats (20), b. Aufbringen einer Elektrodeneinheit (31) eines Interdigitalwandlers (40) mit einer ersten Elektrode (34) und einer zweiten Elektrode (36) derartig, dass eine Rückfläche (32) der Elektrodeneinheit (31) einer Vorderfläche (23) des Substrats (20) zugewandt ist, c. Aufbringen einer piezoelektrischen Schicht (40) derartig, dass eine Rückfläche (42) der piezoelektrischen Schicht (40) einer Vorderfläche (33) der Elektrodeneinheit (31) und der Vorderfläche (23) des Substrats (20) zugewandt ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Verfahrensschritt d zwischen dem Verfahrensschritt a und dem Verfahrensschritt b abläuft, wobei im Verfahrensschritt d ein Aufbringen einer Isolationsschicht (50) auf der Vorderfläche (23) des Substrats (20) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Verfahrensschritt e zwischen dem Verfahrensschritt d und dem Verfahrensschritt b abläuft, wobei im Verfahrensschritt e ein Aufbringen einer Bragg-Reflektorschicht (60) auf einer Vorderfläche (53) der Isolationsschicht (50) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Verfahrensschritt f abläuft, welcher nach dem Verfahrensschritt b oder nach dem Verfahrensschritt c abläuft, wobei im Verfahrensschritt f ein Hohlraum (25) im Substrat (20) derartig gebildet wird, dass die Elektrodeneinheit (31) den Hohlraum (25) überspannt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt c die piezoelektrische Schicht (40) derartig aufgebracht wird, dass Finger (35, 37) der Elektrodeneinheit (31) von der piezoelektrischen Schicht (40) im Wesentlichen vollständig überdeckt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Verfahrensschritt g zwischen dem Verfahrensschritt b und dem Verfahrensschritt c abläuft, wobei im Verfahrensschritt g Zwischenbereiche (38) zwischen Fingern (35, 37) der Elektrodeneinheit (31) zumindest teilweise mit einem Dielektrikum (39) gefüllt werden, wobei die Zwischenbereiche (38) insbesondere vollständig mit dem Dielektrikum (39) gefüllt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Verfahrensschritt h zwischen dem Verfahrensschritt b und dem Verfahrensschritt c abläuft, wobei im Verfahrensschritt h ein Aufbringen einer isolierenden Schicht (70) auf die Vorderfläche (33) der Elektrodeneinheit (31) erfolgt, wobei die isolierende Schicht (70) insbesondere als Polymerfilm ausgestaltet ist.
System (100) mit wenigstens einem MEMS-Volumenwellen-Resonator (10, 11) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.