PATENTSCOPE ist einige Stunden aus Wartungsgründen am Montag 03.02.2020 um 10:00 AM MEZ nicht verfügbar
Suche in nationalen und internationalen Patentsammlungen
Einige Inhalte dieser Anwendung sind derzeit nicht verfügbar.
Wenn diese Situation weiterhin besteht, kontaktieren Sie uns bitte unterFeedback&Kontakt
1. (WO2009153235) ANORDNUNG EINES PIEZOAKUSTISCHEN RESONATORS AUF EINEM AKUSTISCHEN SPIEGEL EINES SUBSTRATS, VERFAHREN ZUM HERSTELLEN DER ANORDNUNG UND VERWENDUNG DER ANORDNUNG
Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

Beschreibung

Anordnung eines piezoakustischen Resonators auf einem akustischen Spiegel eines Substrats, Verfahren zum Herstellen der Anordnung und Verwendung der Anordnung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mindestens eines piezoakustischen Resonators auf eine Substratoberfläche eines Substrats, wobei der Resonator mindestens eine piezoelektrische Schicht, eine Elektrode und mindestens eine weitere Elektrode aufweist, die derart aneinander angeordnet sind, dass eine bestimmte elektrische Ansteuerung der Elektroden zu einer Resonanzschwingung des Resonators mit einer Resonanzfrequenz führt, die Substratoberfläche des Substrats von einem im Sub-strat integrierten akustischen Spiegel zur akustischen Isolation des Substrats und des Resonators voneinander gebildet ist und mindestens eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Resonators vorhanden ist. Daneben werden ein Verfahren zum Herstellen der Anordnung und eine Verwendung der Anordnung angegeben.

Der piezoakustische Resonator ist beispielsweise ein piezo-akustischer Dünnfilmresonator (Film BuIk Acoustic Resonator, FBAR) . Ein derartiger Dünnfilmresonator ist beispielsweise in der WO 2004/017063 A2 beschrieben. Der Dünnfilmresonator besteht beispielsweise aus zwei Elektrodenschichten und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht in Form einer Piezokeramikschicht . Die Piezoke-ramikschicht ist eine polykristalline Schicht aus Zinkoxid-Einkristallen. Die Elektrodenschichten sind beispielsweise aus Platin. Die Elektrodenschichten und die Piezokeramikschicht sind derart aneinander angeordnet, dass eine elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten mit einem elektrischen Wechselfeld zu einer Schwingung des Resonators führt. Bei Ansteuerung mit einem bestimmten elektrischen Wechselfeld kommt es zu einer Resonanzschwingung mit einer bestimmten Resonanzfrequenz. Die Resonanzfrequenz der Schwingung hängt unter anderem von den Schichtdicken der Schichten ab. Aufgrund einer Orientierung der Zinkoxid-Einkristalle kann der Dünnfilmresonator zu Longitudinaldickenschwingungen und zu Scherdickenschwingungen angeregt werden.

Zum Erzeugen der Schichten des Dünnfilmresonators auf dem Substrat, beispielsweise einem Siliziumsubstrat, wird ein Dampfabscheideverfahren (Abscheidung aus der Gasphase) durchgeführt. Zur Bestimmung der Resonanzfrequenz ist eine Auswerteeinrichtung im Substrat integriert. Nicht angegeben ist in diesem Stand der Technik, wie die Auswerteeinrichtung mit den Elektrodenschichten des Dünnfilmresonators elektrisch kontaktiert wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aufzuzeigen, wie die Elektroden eines piezoakustischen Resonators platzsparend und sicher elektrisch kontaktiert werden können, so dass die Resonanzfrequenz des Resonators bestimmt werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Anordnung mindestens eines piezoakustischen Resonators auf einer Substrat-Oberfläche eines Substrats angegeben, wobei der Resonator mindestens eine piezoelektrische Schicht, eine Elektrode und mindestens eine weitere Elektrode aufweist, die derart aneinander angeordnet sind, dass eine bestimmte elektrische Ansteuerung der Elekt-rode zu einer Resonanzschwingung des Resonators mit einer Resonanzfrequenz führt, die Substratoberfläche des Substrats von einem im Substrat integrierten akustischen Spiegel zur akustischen Isolation des Substrats und des Resonators voneinander gebildet ist und mindestens eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Resonators vorhanden ist. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung und mindestens eine der Elektroden über eine elektrische Leiterbahn elektrisch leitend miteinander verbunden sind und die elektrische Leiterbahn durch eine Spiegel-Öffnung des akustischen Spiegels hindurchgeführt ist. Die elektrische Leiterbahn dient als Signal- oder Masseleitung des piezoakustischen Resonators.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zum Herstellen der Anordnung mit folgenden Verfahrensschritten angegeben: a) Bereitstellen eines Substrats mit einem die Substrat-Oberfläche bildenden akustischen Spiegel und einer im Spiegel vorhandenen Spiegel-Öffnung, über die ein Ausleseschaltkreis der Auswerteeinrichtung elektrisch leitend verbindbar ist, und b) Anordnen der elektrischen Leiterbahn in der Spiegel-Öffnung derart, dass der Ausleseschaltkreis und die elektrische Leiterbahn elektrisch leitend verbunden werden.

In Bezug auf das Verfahren werden zum Bereitstellen des Substrats insbesondere folgende weiteren Verfahrensschritte durchgeführt: a') Bereitstellen eines Substrats mit einem im Substrat integrierten Ausleseschaltkreis, a'1) Aufbringen des akustischen Spiegels auf dem Substrat über dem Ausleseschaltkreis derart, dass der akustische Spiegel die Substrat-Oberfläche des Substrats bildet, und a'1') Erzeugen der Spiegel-Öffnung im akustischen Spiegel derart, dass der Ausleseschaltkreis zugänglich wird. Dabei wir der piezoakustische Resonator bevorzugt vor dem Erzeugen der Spiegelöffnung auf dem akustischen Spiegel angeordnet.

Vorzugsweise wird ein akustischer Spiegel mit einem Spiegel-Schicht-Stapel verwendet, der abwechselnd übereinander gesta-pelte Schichten aufweist, die im Vergleich zueinander unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen und die jeweils eine Schichtdicke aufweisen, die etwa einem Viertel einer Resonanzwellenlänge λ einer Resonanzschwingung des resultierenden Resonators entspricht. Zum Abscheiden der Schichten wird vorzugsweise auf ein Dampfabscheideverfahren, beispielsweise ein chemisches Dampfabscheideverfahrens (Chemical Vapour Deposition, CVD) oder auf ein physikalisches Dampfabscheideverfahren (Physical Vapour Deposition, PVD) zurückgegriffen. Es resultiert ein akustischer Spiegel in Form eines Bragg-Reflektors mit λ/4-dicken Schichten. Besonders geeignet hat sich ein im Zusammenhang mit Silizium-Substraten eine Schichtfolge aus abwechselnd übereinander gestapelten Schichten aus Silizium-Dioxid und Wolfram ergeben.

In einer besonderen Ausgestaltung weist ein seitlicher Rand (Flanke) der Spiegel-Öffnung des akustischen Spiegels eine elektrische Öffnungs-Isolationsschicht mit Öffnungs-Isolationsmaterial auf, auf der die elektrische Leiterbahn aufgebracht ist.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung weist die oberste, die Substratoberfläche bildende Schicht des Spiegel-Schicht-Stapels eine elektrische Spiegel-Isolationsschicht mit elektrischem Spiegel-Isolationsmaterial auf. Das Spiegel-Isolationsmaterial und das Öffnungs-Isolationsmaterial sind im Wesentlichen gleich. Dies bedeutet, dass die Spiegel-Isolationsschicht ebenso wie die Öffnungs-Isolationsschicht aus Silizium-Dioxid ist. Insbesondere sind dabei eine

Schichtdicke der Spiegel-Isolationsschicht und die Schichtdicke der Öffnungs-Isolationsschicht im Wesentlichen gleich. Bevorzugt beträgt die Schichtdicke etwa ein Viertel der Resonanzwellenlänge λ der Resonanzschwingung des resultierenden Resonators.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung bilden die Spiegel-Isolationsschicht und die Öffnungs-Isolationsschicht eine zusammenhängende Gesamt-Isolationsschicht . Insbesondere wird dazu nach dem Erzeugen der Spiegel-Öffnung die Öffnungs- Isolationsschicht in der Spiegel-Öffnung und während des Auf-bringens der Öffnungs-Isolationsschicht die Spiegel-Isolationsschicht derart aufgebracht, dass die Spiegel-Isolationsschicht die Substratoberfläche des Substrats bil-det. Die Isolationsschichten werden in einem einzigen Verfahrensschritt erzeugt. Prinzipiell ist es aber auch möglich, die Isolationsschichten nacheinander und auch aus unterschiedlichen Isolationsmaterialien herzustellen.

Nach dem Aufbringen der Spiegel-Isolationsschicht wird der

Resonator auf die durch die Spiegel-Isolationsschicht gebildete Substratoberfläche des Substrats aufgebracht.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung ist der Resonator ein Dünnfilmresonator. Die Elektroden sind Elektrodenschichten. Die Elektrodenschichten und die piezoelektrische Schicht können beliebig aneinander angeordnet sein. Vorzugsweise weist aber der Dünnfilmresonator einen Resonator-Schicht-Stapel auf. Dabei weist eine der Elektroden eine auf dem akustischen Spiegel aufgebrachte Elektrodenschicht auf. Darüber ist die piezoelektrische Schicht aufgebracht. Eine weitere Elektrode weist eine unmittelbar auf der piezoelektrischen Schicht auf-gebrachte weitere Elektrodenschicht auf. Somit resultiert ein Resonator-Schicht-Stapel, bei dem zwischen den Elektrodenschichten eine piezoelektrische Schicht des Resonators angeordnet ist.

Vorzugsweise ist die piezoelektrische Schicht eine polykristalline Schicht aus Zinkoxid oder Aluminiumnitrid. Bei geeigneter Orientierung der polaren C-Achsen der entsprechenden Einkristalle ist es möglich, den piezoakustischen Resonator zu Dickenscherschwingungen anzuregen.

Verwendung findet die Anordnung als physikalischer Transducer einer Vorrichtung zur Detektion einer Substanz eines Fluids. Dabei wird der Effekt ausgenutzt, dass durch Belegung einer Resonator-Oberfläche des Resonators eine Masse des Resonators zunimmt und damit der Resonanzfrequenz des Dünnfilmresonators abnimmt. Aufgrund der Scherdickenschwingungen ist es möglich, ein Fluid in Form einer Flüssigkeit mit Hilfe der vorliegenden Anordnung zu untersuchen.

Folgende Vorteile der Erfindung sind hervorzuheben:

- Mit Hilfe der Erfindung ist ein platzsparender Aufbau der Anordnung aus piezoakustischem Resonator auf einem Substrat möglich .

- Insbesondere führt die Verwendung einer Gesamt-Isolationsschicht, die sich aus der obersten Silizium-Dioxid-Schicht des Spiegelschicht-Stapels des akustischen Spiegels und der Öffnungs-Isolationsschicht zusammensetzt, zu einer zuverlässigen elektrischen Isolation der elektrischen Leiterbahn von metallischen Spiegelschichten (Wolfram-Spiegelschichten) .

- Mit der Schichtdicke von λ/4 der Gesamt-Isolationsschicht, die im Hinblick auf den akustischen Spiegel ausgewählt ist, kommt es gleichzeitig zu einer guten kapazitiven Entkopplung der elektrischer Leitungsbahn und des akustischen Spiegels voneinander. Im Fall einer Gesamt-Isolationsschicht aus Siθ2 wird bei einer Resonanzfrequenz von unter 1 GHz eine Schichtdicke der Gesamt-Isolationsschicht von über 1 μm und damit eine effiziente elektrische Isolation erzielt.

- Zusätzliche Isolationsschichten sind nicht nötig. Dies führt zu relativ geringen Herstellungskosten.

- Die Nutzung der obersten Spiegelschicht als Isolationsschicht führt zu einer teilweisen Planarisierung des Aufbaus des akustischen Spiegels, was vorteilhaft für eventuell notwendige, nachfolgende photolithographische Prozesse beim Aufbau des Resonators ist.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Figu-ren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.

Die Figuren 1 bis 3 zeigen in einem seitlichen Querschnitt jeweils einen Ausschnitt einer Entwicklungsstufe, die während des Verfahrens zum Herstellen der Anordnung eines piezoakus-tischen Resonators auf eine Substratoberfläche eines Substrats durchlaufen werden.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist die Anordnung 1 ein Reso-nator-Array aus drei piezoakustische Resonatoren 11 auf jeweils einer Substratoberfläche 121 eines Substrats 12 auf. Die piezoakustischen Resonatoren sind piezoakustische Dünn- filmresonatoren . Diese Resonatoren bestehen aus einem Resonator-Schicht-Stapel 11 mit einer Elektrode beziehungsweise Elektrodenschicht 113, einer weiteren Elektrode beziehungsweise weiteren Elektrodenschicht 114 und einer zwischen den Elektrodenschichten angeordneten piezoelektrischen Schicht 112. Die piezoelektrische Schicht ist eine polykristalline Keramikschicht Zinkoxid (Zinkoxid-Film) . Die polaren C-Achsen der Zinkoxid-Einkristalle des Zinkoxid-Films sind gegen die Substratoberfläche verkippt. Dadurch lässt sich der Resonator durch elektrische Ansteuerung der Elektrodenschichten nicht nur zu Longitudinaldickenschwingungen, sondern auch zu Scherdickenschwingungen anregen. Eine Schichtdicke des Zinkoxidfilms beträgt etwa 0,5 μm. Die Elektrodenschichten sind aus Platin. Die obere Elektrodenschicht ist etwa 100 nm und die untere Elektrodenschicht 890 nm dick. Eine laterale Ausdehnung des Dünnfilmresonators beträgt etwa 200 μm.

Die Substratoberfläche 121 des Substrats 12 wird von einem im Substrat integrierten akustischen Spiegel 14 zur akustischen Isolation des Substrats und des Resonators voneinander gebildet. Der akustische Spiegel weist einen Spiegel-Schicht-Stapel 141 auf. Dieser Spiegel-Schicht-Stapel stellt einen Bragg-Reflektor dar, bei dem Schichten mit niedrigerer akustischer Impedanz 1411 und Schichten mit höherer akustischer Impedanz 1412 übereinander gestapelt sind. Die Schichten mit niedrigerer akustischer Impedanz sind aus Siliziumdioxid. Die Schichten mit höherer akustischer Impedanz sind aus Wolfram. Die Schichtdicken dieser Schichten unterschiedlicher akustischer Impedanz betragen etwa ein Viertel einer Resonanzwel-lenlänge der Resonanzschwingung des Resonators.

Im Substrat ist eine Auswerteeinrichtung 13 zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Resonators integriert. Die Auswerteeinrichtung verfügt über einen Ausleseschaltkreis 131. Dieser Ausleseschaltkreis ist mit mindestens einer der Elektroden elektrisch leitend verbunden. Dazu ist eine elektrische Leiterbahn 15 durch Spiegel-Öffnungen 142 geführt. Die Leiterbahn ist aus Aluminium. Ein seitlicher Rand (Flanke) 1421 der Spiegel-Öffnung verfügt über eine Öffnungs-Isolationsschicht 1422 zur elektrischen Isolierung der elektrischen Leiterbahn 15 und der elektrisch leitenden Wolframschichten 1411. Die Öffnungs-Isolationsschicht ist aus Siliziumdioxid.

Die oberste Schicht des Spiegel-Schicht-Stapels bildet eine Spiegel-Isolationsschicht 1414. Diese Spiegel-Isolationsschicht und die Öffnungs-Isolationsschicht bilden zusammen die Gesamt-Isolationsschicht 143. Die Spiegel-Isolationsschicht bildet die Substratoberfläche des Substrats. Auf der Spiegel-Isolationsschicht sind die Elektrodenschichten der Dünnfilmresonatoren unmittelbar aufgebracht.

Zum Herstellen der Anordnung werde folgende Verfahrensschrit-te durchgeführt: a) Bereitstellen eines Substrats aus Silizium mit einem die Substratoberfläche 121 bildenden akustischen Spiegel 14 und einer im Spiegel vorhandenen Spiegel-Öffnung 142, über die ein im Substrat integrierter Ausleseschaltkreis der Auswerteeinrichtung elektrisch leitend verbindbar ist, und b) Anordnen der elektrischen Leiterbahn in der Spiegel-Öffnung derart, dass der Ausleseschaltkreis und die elektrische Leiterbahn elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

Zum Bereitstellen des Substrats werden folgende weiteren Verfahrensschritte durchgeführt: a') Bereitstellen des Substrats mit einem im Substrat integrierten Ausleseschaltkreis, a'1) Aufbringen des akustischen Spiegels auf dem Substrat über dem Ausleseschaltkreis derart, dass der akustische Spie-gel die Substratoberfläche des Substrats bildet, und a'1') Erzeugen der Spiegel-Öffnung im akustischen Spiegel derart, dass der Ausleseschaltkreis zugänglich wird.

Zum Erzeugen des akustischen Spiegels werden die einzelnen Schichten unterschiedlicher akustischer Impedanz über ein Dampfabscheideverfahren aufgebracht. Zum Bereitstellen der Spiegel-Öffnungen wird nach dem Aufbringen des Spiegel-Schicht-Stapels Material des Spiegel-Schicht-Stapels an den Stellen wieder entfernt, unter denen sich die Ausleseschaltkreise befinden.

Anschließend wird in einem Dampfabscheideverfahren die Ge-samt-Isolationsschicht aus Siliziumdioxid, bestehend aus der Öffnungs-Isolationsschicht und der Spiegel-Isolationsschicht aufgebracht. Dies geschieht in einem einzigen Verfahrensschritt. Die Gesamt-Isolationsschicht erfüllt zwei Funktionen: Die Gesamt-Isolationsschicht trägt als Bestandteil des akustischen Spiegels zur akustischen Isolation der Resonatoren und des Substrats voneinander bei. Darüber hinaus fungiert es als elektrischer Isolator.

Nachfolgend werden die Resonatoren aufgebracht. Dies erfolgt in bekannter Weise durch Abscheiden der entsprechenden Schichten aus der Gasphase.

Anschließend wird eine Öffnung im Bereich der Öffnungs-Isolationsschicht erzeugt. Durch diese Öffnung hindurch er-folgt die elektrische Kontaktierung einer der Elektrodenschichten des Resonators und des jeweiligen Ausleseschaltkreises .

Verwendung findet die Anordnung als physikalischer Transducer einer Vorrichtung zur Detektion einer Substanz eines Fluids. Aufgrund der Möglichkeit, den Resonator nicht nur zu Longitu-dinaldickenschwingungen, sondern auch zu Scherdickenschwingungen anzuregen, eignet sich die Anordnung für die Verwendung in einem Fluid in Form einer Flüssigkeit.