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Die Erfindung betrifft eine Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Unterdrückung von störenden Resonanzen.
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Ein Volumenwellenbauelement, beispielsweise ein BAW-Resonatorbauelement, weist eine piezoelektrische Schicht auf, auf deren Ober- und Unterseite zur Anregung von mechanischen Schwingungen Elektrodenschichten zumindest teilweise überlappend angeordnet sind. Betrachtet man den BAW-Resonator in einer Draufsicht, so können drei unterschiedliche Gebiete definiert werden. Die aktive Resonatorfläche ist der innere Flächenbereich, bei dem sich die piezoelektrische Schicht zwischen der unteren und oberen Elektrodenschicht befindet. Die Kanten der Elektrodenschichten schließen den Innenbereich ab und definieren den Randbereich oder Übergangsbereich. Daran schließt sich der nichtaktive Außenbereich an.
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Im Idealfall zeigt ein BAW-Resonatorbauelement eine einzige Resonanz, die durch die konkrete Schichtabfolge der BAW-Lagen definiert ist, sodass lediglich ein einziger mechanischer Modus schwingt. Dieser sogenannte Piston-Mode zeichnet sich dadurch aus, dass der gesamte Innenbereich des Resonatorbauelements mit konstanter Amplitude und gleich starker vertikaler Richtung schwingt, der Außenbereich jedoch schwingungsfrei ist. In realen Bauteilen kann dieser Zustand jedoch nicht vollständig erreicht werden. So führen beispielsweise Leiterbahnen zum elektrischen Anschluss der unteren und oberen Elektrodenschichten von dem Außen- in den Innenbereich. Auch ist es mit bekannten Fertigungsprozessen sehr aufwändig, den Innenbereich scharfkantig von dem Außenbereich zu trennen.
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Wenn man die Schwingungsmoden (Resonanzen) eines realen BAW-Resonators, bei dem der Innenbereich durch den Übergangsbereich mit dem Außenbereich verbunden ist, untersucht, so findet man neben der gewünschten Hauptresonanz diverse unerwünschte Nebenresonanzen. Diese Nebenresonanzen (Spurious Modes) entsprechen horizontal laufenden Moden, die im Randbereich mit dem Hauptmodus koppeln.
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Zur Reduzierung der Anregung dieser Nebenresonanzen kann im Übergangsbereich des BAW-Resonators eine Zusatzschicht, beispielsweise eine Passivierungsschicht, als zusätzliche Lage an Material aufgebracht werden. Die Zusatzschicht besteht typischerweise aus einem gleichmäßig breiten Streifen, der den gesamten Innenbereich des Resonators umgibt. Für die vertikal laufende akustische Welle (Piston-Modus) der gewünschten Resonanz entsteht durch diesen zusätzlichen Materialstreifen (Overlap) eine modifizierte Randbedingung, die zu einer deutlichen Reduzierung der Anregung von unerwünschten horizontal laufenden Wellenkomponenten führt.
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Die Dimensionierung des Übergangsbereichs mit der Zusatzschicht erfordert einen Kompromiss aus Resonatorgüte und Wirksamkeit der Störmodenunterdrückung. Die Erfahrung zeigt, dass eine Dimensionierung der Zusatzschicht im Übergangsbereich mit optimal niedrigem Anteil von störenden Nebenmoden nicht einer Dimensionierung mit optimal hoher Resonatorgüte entspricht. Überdies entstehen im Übergangsbereich selbst wiederum unerwünschte vertikale Moden (Overlap-Moden). Besonders bei erhöhter Breite der Zusatzschicht im Übergangsbereich treten diese Overlap-Moden störend in Erscheinung.
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In der Druckschrift
EP 1887688 A1 ist ein piezoelektrisches Resonatorbauelement angegeben, bei dem Lang- oder Kurzwellen-Störmoden unterdrückt sind. Das Resonatorbauelement hat einen aktiven Bereich, dessen Ränder eine wellenförmige Strukturierung aufweisen.
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Ein Anliegen der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement anzugeben, bei der der Übergangsbereich der Schichtanordnung derart ausgebildet ist, dass störende Moden, die zusätzlich zu einem erwünschten Hauptmodus auftreten können, weitgehend reduziert sind.
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Eine Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Unterdrückung von störenden Moden ist im Patentanspruch 1 angegeben.
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Die Schichtanordnung umfasst eine erste Elektrodenschicht und eine zweite Elektrodenschicht und eine piezoelektrische Schicht. Die Schichtanordnung umfasst des Weiteren eine erste Spannungszuführungsleitung, die zur Zuführung einer Spannung an die erste Elektrodenschicht angeschlossen ist, und eine zweite Spannungszuführungsleitung, die zur Zuführung einer Spannung an die zweite Elektrodenschicht angeschlossen ist. Die Schichtanordnung hat einen aktiven Innenbereich, der die erste und zweite Elektrodenschicht und die piezoelektrische Schicht aufweist und in dem eine Volumenwelle anregbar ist, einen vollständig um den Innenbereich angeordneten Übergangsbereich, in dem die Anregung der Volumenwelle im Vergleich zu dem aktiven Innenbereich abgeschwächt ist, und einen um den Übergangsbereich angeordneten passiven Außenbereich, der die piezoelektrische Schicht und eine der ersten und zweiten Elektrodenschicht aufweist und in dem keine Volumenwelle anregbar ist. Der Übergangsbereich weist eine erste Zone, die der ersten und zweiten Spannungszuführungsleitung zugewandt ist, und eine zweite Zone, die neben der ersten Zone liegt und somit der ersten und zweiten Spannungszuführungsleitung abgewandt ist, auf. Die erste und zweite Zone des Übergangsbereichs weist jeweils mindestens einen ersten Abschnitt und mindestens einen zweiten Abschnitt auf, wobei sich die Struktur von Schichten des Übergangsbereichs in dem mindestens einen ersten Abschnitt und dem mindestens einen zweiten Abschnitt der ersten und/oder zweiten Zone des Übergangsbereichs unterscheidet.
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Mit der angegebenen Schichtanordnung gelingt eine reduzierte oder sogar vollständig unterdrückte Kopplung vom erwünschten Hauptmodus (Piston-Modus) in unerwünschte Nebenmoden. Die Modenkopplung findet üblicherweise insbesondere an den gleichmäßig geformten Strukturkanten des Übergangsbereichs zum Innenbereich des Resonatorbauelements statt. Gemäß der angegebenen Schichtanordnung wird diese gleichmäßige Form nun gewissermaßen durch eine Änderung der Struktur der Schichten des Übergangsbereichs in den ersten und zweiten Abschnitten der ersten Zone und/oder der zweiten Zone des Übergangsbereichs erzielt. Beispielsweise kann sich die Breite des Übergangsbereichs oder die Schichtdicke der Schichten des Übergangsbereichs in dem mindestens einen ersten Abschnitt und dem mindestens einen zweiten Abschnitt der ersten und/oder zweiten Zone des Übergangsbereichs unterscheiden.
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Die Schichtanordnung umfasst des weiteren eine Zusatzschicht. Der Übergangsbereich weist die erste und zweite Elektrodenschicht, die piezoelektrische Schicht und die Zusatzschicht auf. Die Zusatzschicht weist eine erste Teilschicht und/oder eine zweite Teilschicht auf, wobei die erste Teilschicht im Übergangsbereich über der piezoelektrischen Schicht und der ersten Elektrodenschicht angeordnet ist und die zweite Teilschicht im Übergangsbereich unter der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist. Die Zusatzschicht weist eine erste Teilschicht und/oder eine zweite Teilschicht auf, wobei die erste Teilschicht im Übergangsbereich über der piezoelektrischen Schicht und der ersten Elektrodenschicht angeordnet ist und die zweite Teilschicht im Übergangsbereich unter der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist. Die Anordnung der ersten und/oder zweiten Teilschicht der Zusatzschicht unterscheidet sich in dem mindestens einen ersten Abschnitt von der Anordnung der ersten und/oder zweiten Teilschicht der Zusatzschicht in dem mindestens einen zweiten Abschnitt. Die Zusatzschicht kann beispielsweise als eine Passivierungsschicht ausgebildet sein.
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Bei der angegebenen Schichtanordnung wird eine gleichmäßige Form beziehungsweise Breite des Übergangsbereichs gewissermaßen durch eine Modulation der Strukturierung der Zusatzschicht im Übergangsbereich der Schichtanordnung des Resonators verändert. Die Modulation der Struktur der Zusatzschicht kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass am Rand des Übergangsbereichs versetzt positionierte Kanten des Innenbereichs, an denen eine Ankopplung der Nebenmoden erfolgt, entstehen. Somit findet eine Überlagerung der versetzt angeregten Nebenmoden (Interferenz) statt. Durch geeignete Dimensionierung der Modulation der Struktur der Zusatzschicht im Übergangsbereich, zum Beispiel durch entsprechende Anpassung der Stufengröße und der Form der Zusatzschicht im Übergangsbereich, insbesondere am Rand zwischen dem Übergangs- und dem Innenbereich der Zusatzschicht, kann ein Anregungsmuster geformt werden, das zu einer teilweisen bis vollständigen Auslöschung der unerwünschten Nebenmoden führt.
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Bei einer herkömmlichen Ausgestaltung des Übergangsbereichs, bei dem der Übergangsbereich innerhalb der ersten Zone und/oder innerhalb der zweiten Zone eine gleichmäßige Breite aufweist beziehungsweise die Zusatzschicht innerhalb der ersten und/oder zweiten Zone des Übergangsbereichs mit gleicher Breite und Schichtdicke angeordnet ist beziehungsweise mit gleicher Breite und Schichtdicke innerhalb der ersten und/oder zweiten Zone des Übergangsbereichs zwischen der ersten Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht und/oder zwischen der zweiten Elektrodenschicht und der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, entsteht im Übergangsbereich ein vertikal schwingender Modus.
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Die Stärke dieses sogenannten Overlap-Modus hängt stark von der Fläche der Zusatzschicht im Übergangsbereich ab. Ein breiter Streifen der Zusatzschicht bildet beispielsweise einen stärkeren Overlap-Modus aus als ein schmaler Streifen. Mittels der Modulation der Strukturierung der Zusatzschicht in der ersten und/oder zweiten Zone des Übergangsbereichs der Schichtanordnung des Resonatorbauelements wird die Gesamtfläche der Zusatzschicht innerhalb der ersten und/oder zweiten Zone des Übergangsbereichs nun verkleinert. Entsprechend reduziert sich die Stärke des unerwünschten Overlap-Modus.
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Die modulierte Strukturierung innerhalb der ersten und/oder zweiten Zone des Übergangsbereichs 20 kann bei einem Volumenwellenbauelement, das als ein BAW-Resonator ausgebildet ist, zur Unterdrückung von störenden Moden eingesetzt werden. Eine modulierte Strukturierung der Zusatzschicht kann nicht nur bei den sogenannten Solidly-Mounted-Resonatoren (SMR, mit Bragg-Reflektor-Schichten), sondern genauso auch bei Membrane-Type-Resonatoren mit freischwingendem Innenbereich erfolgen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Schichtanordnung eines Volumenwellenbauelements,
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2 der Verlauf von charakteristischen Parametern eines Volumenwellenbauelements in Abhängigkeit von einer Breite des Übergangsbereichs des Volumenwellenbauelements,
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3 eine Admittanzkurve eines Einzelresonators und eine Transmissionskurve eines Filterbauelements mit idealem und fehldimensioniertem Übergangsbereich,
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4A eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement zur Unterdrückung von störenden Moden,
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4B eine Querschnittsansicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Unterdrückung von störenden Moden,
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4C eine weitere Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Modulation der Breite des Übergangsbereichs in einer Zone des Übergangsbereichs,
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4D eine weitere Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Modulation der Breite des Übergangsbereichs in einer andern Zone des Übergangsbereichs,
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5 verschiedene Formen der Strukturierung des Übergangsbereichs am Rand zum Innenbereich eines Volumenwellenbauelements,
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6 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Unterdrückung von störenden Moden,
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7 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Unterdrückung von störenden Moden,
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8A eine Querschnittsansicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Unterdrückung von störenden Moden,
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8B eine Querschnittsansicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Unterdrückung von störenden Moden,
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9A eine Querschnittsansicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Unterdrückung von störenden Moden,
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9B eine Querschnittsansicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Unterdrückung von störenden Moden,
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10 eine Querschnittsansicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Unterdrückung von störenden Moden,
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11 eine Querschnittsansicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Unterdrückung von störenden Moden,
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12A eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Unterdrückung von störenden Moden durch einen Materialauftrag im Übergangsbereich,
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12B eine Querschnittsansicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Unterdrückung von störenden Moden,
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13 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Unterdrückung von störenden Moden durch einen Materialabtrag im Übergangsbereich
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14 eine Querschnittsansicht auf eine weitere Ausführungsform einer Schichtanordnung für ein Volumenwellenbauelement mit Unterdrückung von störenden Moden.
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1 zeigt einen Querschnitt und eine Draufsicht auf eine Schichtanordnung 1000 für ein Volumenwellenbauelement 1, beispielweise ein Resonatorbauelement, insbesondere einen BAW-Resonator. Die Schichtanordnung umfasst eine erste Elektrodenschicht 100 und eine zweite Elektrodenschicht 200. Die erste Elektrodenschicht 100 ist auf einer Oberseite O300 beziehungsweise über einer piezoelektrischen Schicht 300 der Schichtanordnung angeordnet. Die zweite Elektrodenschicht 200 ist auf einer Unterseite U300 beziehungsweise unter der piezoelektrischen Schicht 300 angeordnet. Unterhalb der zweiten Elektrodenschicht 200 ist eine Schichtenfolge, durch den ein Bragg-Spiegel 600 ausgebildet wird, angeordnet. Der Bragg-Spiegel 600 kann Schichten 610, 620, beispielweise Lambda-Viertel-Schichten unterschiedlicher akustischer Impedanz umfassen.
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Wird eine Spannung zwischen die erste und zweite Elektrodenschicht angelegt, so treten in einem aktiven Bereich 40 des Volumenwellenbauelements neben einer gewünschten Hauptresonanz diverse unerwünschte Nebenresonanzen auf. Der aktive Bereich 40 ist derjenige Bereich des Volumenwellenbauelements, in dem auf der Ober- und Unterseite der piezoelektrischen Schicht 300 die erste und zweite Elektrodenschichten 100, 200 überlappend angeordnet sind. Im aktiven Bereich 40 des Volumenwellenbauelements werden in der piezoelektrischen Schicht 300 Moden angeregt, wenn an die erste und zweite Elektrodenschicht eine Spannung angelegt wird.
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Zur Reduzierung der Anregung von Nebenresonanzen umfasst die Schichtanordnung 1000 eine Zusatzschicht 400. Die Zusatzschicht kann, wie in 1 gezeigt ist, beispielsweise teilweise auf der Oberseite O300 der piezoelektrischen Schicht 300 angeordnet sein. Sie kann auch unter einem Abschnitt der piezoelektrischen Schicht, beispielsweise zwischen der piezoelektrischen Schicht 300 und der zweiten Elektrodenschicht 200 oder in dem unter der zweiten Elektrodenschicht angeordneten Schichtstapel 600 enthalten sein.
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Die in 1 gezeigte Schichtanordnung 1000 umfasst einen Innenbereich 10, der die erste und zweite Elektrodenschicht 100, 200 sowie die piezoelektrische Schicht 300 aufweist. Die erste und zweite Elektrodenschicht 100, 200 ist im Innenbereich unmittelbar auf der Oberseite O300 beziehungsweise unmittelbar auf der Unterseite U300 der piezoelektrischen Schicht 300 angeordnet. Die Zusatzschicht 400 ist somit im Innenbereich 10 nicht vorhanden. An den Innenbereich 10 schließt sich ein Rand- oder Übergangsbereich 20 an, der vollständig um den Innenbereich 10 herum angeordnet ist. Der Übergangsbereich 20 umfasst neben der ersten und zweiten Elektrodenschicht 100, 200 und der piezoelektrischen Schicht 300 auch die Zusatzschicht 400. Die Zusatzschicht 400 kann im Übergangsbereich 20 beispielsweise zwischen der ersten Elektrodenschicht 100 und der piezoelektrischen Schicht 300 angeordnet sein. Sie kann zusätzlich oder alternativ dazu auch zwischen der piezoelektrischen Schicht 300 und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet sein oder im Schichtstapel 600 unter der zweiten Elektrodenschicht 200 enthalten sein.
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An den Übergangsbereich 20 schließt sich ein Außenbereich 30 an, der im linken Bereich der Schichtanordnung 1000 lediglich die zweite Elektrodenschicht 200, die piezoelektrische Schicht 300 sowie die Zusatzschicht 400 umfasst. Auf der linken Seite des Außenbereichs 30 ist die erste Elektrodenschicht 100 nicht vorhanden. Auf der rechten Seite umfasst der Außenbereich 30 die erste Elektrodenschicht 100, die piezoelektrische Schicht 300 sowie die Zusatzschicht 400. Die zweite Elektrodenschicht 200 ist auf der rechten Seite des Außenbereichs 30 nicht vorgesehen. Somit werden im Außenbereich 30 beim Anlegen einer Spannung zwischen die erste und zweite Elektrodenschichten 100 und 200 keine Schwingungen im piezoelektrischen Material 300 angeregt.
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Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der Schichtanordnung 1000 des Volumenwellenbauelements ist der Übergangsbereich 20 um den Innenbereich 10 herum als ein gleichmäßig breiter Streifen ausgebildet, der den gesamten Innenbereich 10 des Resonators umgibt. Die im Übergangsbereich 20 vorhandene Zusatzschicht 400 weist eine einheitliche Schichtdicke und Breite auf, mit der sie sich von dem Außenbereich 30 bis zum Rand des Übergangsbereichs 20, an dem der Übergangsbereich an den Innenbreich 10 angrenzt, erstreckt. Durch die im Übergangsbereich zusätzlich angeordnete Zusatzschicht entsteht eine modifizierte Randbedingung, die zu einer Reduzierung der Anregung von unerwünschten horizontal laufenden Wellenkomponenten führt. Andererseits entstehen im Übergangsbereich selbst wiederum unerwünschte vertikale Moden (Overlap-Moden).
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2 zeigt den Kopplungsfaktor k2, die Güte Q sowie eine Abweichung R, die angibt, wie die Impedanz/Admittanz des Resonators im Smith-Diagramm von einer Kreisform abweicht, jeweils aufgetragen über der Breite w des Übergangsbereich 20. Bei einer geringen Breite w des Übergangsbereichs ist die Kopplung am größten (Stelle a im linken Diagramm), jedoch die Güte des Resonators sehr gering. Mit zunehmender Breite des Übergangsbereichs nimmt die Güte zwar zu (maximale Güte an Stelle c im rechten Diagramm), wobei jedoch die Kopplung wiederum abnimmt. Die ideale Kreisform der Impedanz/Admittanz eines Resonators wird bei einer mittleren Breite des Übergangsbereichs erzielt (Stelle b im mittleren Diagramm). Eine geeignete Dimensionierung des Übergangsbereichs erfordert daher einen Kompromiss der verschiedenen in 2 gezeigten charakteristischen Parameter eines Resonators.
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3 zeigt im linken Diagramm eine Admittanzkurve eines Einzelresonators mit einem störenden Overlap-Mode unterhalb der fundamentalen Resonanzfrequenz. Im rechten Diagramm der 3 ist der Filterdurchlassbereich (Transmission) eines Ladder-Type-Filters gezeigt. Im Falle eines ideal ausgebildeten Übergangsbereichs weist das Passband keinen Einbruch auf, wie anhand der gestrichelten Linie zu erkennen ist. Bei fehldimensioniertem Übergangsbereich sind aufgrund der zunächst höheren Resonatorgüte die Flanken zwar steiler und die Einfügedämpfung unter Umständen geringer. Es treten jedoch Einbrüche im Passband auf, wie dies an der durchgezogenen und gepunkteten Linie im rechten Diagramm zu erkennen ist.
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Mittels der nun folgenden 4A bis 14 werden verschiedene Formen der Ausgestaltung des Übergangsbereichs 20 einer Schichtanordnung 1000 eines Volumenwellenbauelements 1, insbesondere eines BAW-Resonators, gezeigt, mit denen es ermöglicht ist, störende Nebenmoden beziehungsweise Overlap-Moden, die bei einer Ausgestaltung des Übergangsbereichs mit gleichmäßiger Breite um den Innenbereich des Resonators herum auftreten würden, weitestgehend zu unterdrücken.
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Die in den 4A bis 14 gezeigten Schichtanordnungen umfassen eine erste Elektrodenschicht 100 und eine zweite Elektrodenschicht 200 sowie eine erste Spannungszuführungsleitung 110, die zur Zuführung einer Spannung an die erste Elektrodenschicht 100 angeschlossen ist, und eine zweite Spannungszuführungsleitung 210, die zur Zuführung einer Spannung an die zweite Elektrodenschicht 200 angeschlossen ist. Des Weiteren umfassen die dargestellten Schichtanordnungen eine piezoelektrische Schicht 300.
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Die Schichtanordnungen des Volumenwellenbauelements der 4A bis 14 umfassen einen aktiven Innenbereich 10, der die erste und zweite Elektrodenschicht 100, 200 und die piezoelektrische Schicht 300 aufweist und in dem eine Volumenwelle anregbar ist. Die Schichtanordnungen umfassen weiterhin einen vollständig um den Innenbereich 10 angeordneten Übergangsbereich 20, in dem die Anregung der Volumenwelle im Vergleich zu dem aktiven Innenbereich abgeschwächt ist. Um den Übergangsbereich 20 herum ist ein passiver Außenbereich 30 angeordnet, in dem keine Volumenwelle anregbar ist und der die piezoelektrische Schicht 300 und eine der ersten und zweiten Elektrodenschicht 100, 200 aufweist.
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Der Übergangsbereich 20 weist eine erste Zone 20a, die der ersten und zweiten Spannungszuführungsleitung 110, 210 zugewandt ist, und eine zweite Zone 20b, die neben der ersten Zone 20a liegt und somit von der ersten und zweiten Spannungszuführungsleitung 110, 210 abgewandt ist, auf. Die erste und/oder die zweite Zone des Übergangsbereichs weist jeweils mindestens einen ersten Abschnitt 21 und mindestens einen zweiten Abschnitt 22. Die Struktur der Schichten des Übergangsbereichs 20 unterscheidet sich in dem mindestens einen ersten Abschnitt 21 und dem mindestens einen zweiten Abschnitt 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs. Beispielsweise kann sich die Breite des Übergangsbereichs oder die Schichtdicke der Schichten des Übergangsbereichs in dem mindestens einen ersten Abschnitt 21 und dem mindestens einen zweiten Abschnitt 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 voneinander unterscheiden.
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Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen von Schichtanordnungen für ein Volumenwellenbauelement wird die gleichförmige Geometrie des Übergangsbereichs durch eine Gewichtung innerhalb der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs modifiziert. Aufgrund der Modulation der Geometrie, beispielsweise der Breite oder der Schichtdicken von Schichten, des Übergangsbereichs innerhalb der ersten Zone 21 und/oder der zweiten Zone 22 des Übergangsbereichs können sowohl die Resonatorgüte als auch die Störmodenunterdrückung ohne Kompromisse optimiert werden. Schwingungen im Randbereich (Overlap-Moden) werden ebenfalls weitgehend unterdrückt.
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Bei den in den 4A bis 14 gezeigten Ausführungsformen einer Schichtanordnung 1000 eines Volumenwellenbauelements, insbesondere eines Resonatorbauelements, umfasst die Schichtanordnung 1000 eine Zusatzschicht 400. Die Zusatzschicht dient der Modenunterdrückung und stellt somit gewissermaßen eine Modenunterdrückungsschicht dar. Die Zusatzschicht kann beispielsweise als eine Passivierungsschicht ausgebildet sein.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist der Übergangsbereich 20 die erste und zweite Elektrodenschicht 100, 200, die piezoelektrische Schicht 300 und die Zusatzschicht 400 auf. Die Zusatzschicht 400 weist eine erste Teilschicht 410 und/oder eine zweite Teilschicht 420 auf, wobei die erste Teilschicht 410 im Übergangsbereich 20 über der piezoelektrischen Schicht 300 angeordnet ist und die zweite Teilschicht 420 im Übergangsbereich unter der piezoelektrischen Schicht 300 angeordnet ist. Die Anordnung der ersten und/oder zweiten Teilschicht 410, 420 der Zusatzschicht unterscheidet sich in dem mindestens einen ersten Abschnitt 21 von der Anordnung der ersten und/oder zweiten Teilschicht 410, 420 der Zusatzschicht in dem mindestens einen zweiten Abschnitt 22.
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Die Gewichtung betrifft insbesondere die im Übergangsbereich angeordnete Zusatzschicht. Mit Hilfe einer Modulation der Strukturierung der Zusatzschicht im Übergangsbereich können sowohl die Resonatorgüte als auch die Störmodenunterdrückung optimiert werden. Schwingungen im Randbereich (Overlap-Moden) werden weitestgehend unterdrückt.
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Die erste Teilschicht 410 kann im Übergangsbereich 20 insbesondere zwischen der Oberseite O300 der piezoelektrischen Schicht 300 und der ersten Elektrodenschicht 100 angeordnet sein. Die zweite Teilschicht 420 der Zusatzschicht 400 kann im Übergangsbereich insbesondere zwischen der piezoelektrischen Schicht 300 und der zweiten Elektrodenschicht 200, angeordnet sein.
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Die Strukturierung der Zusatzschicht 400 im Übergangsbereich 20 erfolgt bei den in den 4A bis 14 gezeigten Ausführungsformen der Schichtanordnung 1000 derart, dass die Zusatzschicht 400 in der Zone 20a und/oder der Zone 20b des Übergangsbereich 20 nicht gleichmäßig ausgebildet wird. Die Anordnung der ersten Teilschicht 410 und/oder der zweiten Teilschicht 420 der Zusatzschicht unterscheidet sich somit in dem mindestens einen ersten Abschnitt 21 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 von der Anordnung der ersten und/oder zweiten Teilschicht 410, 420 der Zusatzschicht in dem mindestens einem zweiten Abschnitt 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20.
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Der Übergangsbereich 20 kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass sich die Größe der Fläche beziehungsweise die Breite der Zusatzschicht 400 zwischen den Abschnitten 21, 22 in der Zone 20a und/oder der Zone 20b des Übergangsbereichs 20 unterscheidet. Aufgrund der modulierten Struktur der Zusatzschicht 400 ändert sich die Breite des Übergangsbereichs 20 innerhalb der Zone 20a des Übergangsbereichs und/oder innerhalb der Zone 20b des Übergangsbereichs zwischen den Abschnitten 21 und 22.
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Insbesondere kann die Tiefe/Breite, mit der sich die Zusatzschicht 400 ausgehend von dem Randbereich 30 in den Übergangsbereich 20 erstreckt, im Abschnitt 21 und im Abschnitt 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs unterschiedlich sein. Des Weiteren kann die Schichtdicke der ersten und/oder zweiten Teilschicht 410, 420 der Zusatzschicht 400 in dem mindestens einen ersten Abschnitt 21 und dem mindestens einen zweiten Abschnitt 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 unterschiedlich sein.
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4A zeigt eine Schichtanordnung 1000 eines Volumenwellenbauelements 1, beispielsweise eines Resonatorbauelements, in einer Querschnittsansicht und einer Draufsicht. Die Querschnittsdarstellung zeigt einen Schnitt durch den Übergangsbereich 20 entlang der in der Draufsicht strichliert eingezeichneten Linie. Im Übergangsbereich 20 ist auf einer Oberseite O300 der piezoelektrischen Schicht 300 die erste Elektrodenschicht 100 und unter einer Unterseite U300 der piezoelektrischen Schicht 300 die zweite Elektrodenschicht 200 angeordnet. In der in 4a dargestellten Ausführungsform der Schichtanordnung 1000 weist die Zusatzschicht 400 lediglich die Teilschicht 410, die zwischen der ersten Elektrodenschicht 100 und der piezoelektrischen Schicht 300 angeordnet ist, auf.
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Der Übergangsbereich 20 umfasst mehrere erste und zweite Abschnitte 21, 22. Einer der zweiten Abschnitte 22 ist jeweils zwischen zwei der ersten Abschnitte 21 angeordnet. Somit sind die Abschnitte 21 und 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 abwechselnd nebeneinander angeordnet. Die erste Teilschicht 410 ist gemäß der in 4A gezeigten Ausführungsform derart strukturiert, dass sich die Anordnung der ersten Teilschicht 410 in den ersten Abschnitten 21 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 von der Anordnung der ersten Teilschicht 410 der Zusatzschicht in den zweiten Abschnitten 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 unterscheidet.
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Die Zusatzschicht 400 weist in den Abschnitten 21 eine größere Breite als in den Abschnitten 22 auf und erstreckt sich somit in den Abschnitten 21 ausgehend von dem Randbereich 30 weiter im Übergangsbereich 20 in Richtung auf den Innenbereich 10 als in den Abschnitten 22 des Übergangsbereichs. Die Teilschicht 410 überlappt in den Abschnitten 21 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 weiter als in den Abschnitten 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 mit der piezoelektrischen Schicht 300. In den Abschnitten 21 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 ist die erste Elektrodenschicht 100 durch die erste Teilschicht 410 der Zusatzschicht von der piezoelektrischen Schicht 300 getrennt. In den zweiten Abschnitten 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs berührt die erste Elektrodenschicht 100 die piezoelektrische Schicht 300 zumindest noch teilweise. In den Abschnitten 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 ist lediglich ein schmaler Streifen der Teilschicht 410 der Zusatzschicht vorhanden. Dadurch weisen die erste und/oder zweite Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 in den Abschnitten 21 eine größere Breite als in den Abschnitten 22 auf.
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4B zeigt eine weitere Ausführungsform der Schichtanordnung 1000 im Übergangsbereich 20. Im Unterschied zu der in 4A dargestellten Ausführungsform weist die Zusatzschicht 400 hier anstelle der ersten Teilschicht 410 eine zweite Teilschicht 420 auf. Die zweite Teilschicht 420 der Zusatzschicht ist im Übergangsbereich unter der piezoelektrischen Schicht 300 angeordnet. Insbesondere ist die Teilschicht 420 der Zusatzschicht zwischen der piezoelektrischen Schicht 300 und der zweiten Elektrodenschicht 200 angeordnet.
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Auch bei der in 4B gezeigten Ausführungsform unterscheidet sich die Anordnung der zweiten Teilschicht 420 der Zusatzschicht 400 in den ersten Abschnitten 21 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 von der Anordnung der zweiten Teilschicht 420 der Zusatzschicht 400 in den zweiten Abschnitten 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs. In den Abschnitten 21 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 erstreckt sich die Teilschicht 420 mit einer größeren Breite/Tiefe ausgehend von dem Randbereich 30 in den Übergangsbereich als in den Abschnitten 22. Die Fläche der Zusatzschicht 400 ist in den Abschnitten 21 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 größer als in den Abschnitten 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20.
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Dadurch weist die erste und/oder zweite Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 in den Abschnitten 21 eine größere Breite als in den Abschnitten 22 auf. Die Teilschicht 420 überlappt in den Abschnitten 21 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 weiter als in den Abschnitten 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 mit der piezoelektrischen Schicht 300. Bei der in 4B gezeigten Ausführungsform der Strukturierung der Zusatzschicht ist die zweite Elektrodenschicht 200 in den ersten Abschnitten 21 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs durch die zweite Teilschicht 420 der Zusatzschicht von der piezoelektrischen Schicht 300 getrennt, während die zweite Elektrodenschicht 200 die piezoelektrische Schicht 300 in den zweiten Abschnitten 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 zumindest noch teilweise berührt. Die Teilschicht 420 weist somit in den Abschnitten 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs nur einen schmalen Streifen auf.
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Die in 4A und 4B gezeigten Strukturierungen der Zusatzschicht 400 können auch miteinander kombiniert werden, indem die Schichtanordnung sowohl die erste strukturierte Teilschicht 410 der Zusatzschicht 400 als auch die zweite strukturierte Teilschicht 420 der Zusatzschicht 400 enthält. Die Teilschicht 420 der Zusatzschicht kann zwischen tieferen oder höheren Lagen der Schichtanordnung des Volumenwellenbauelements eingebracht werden. Dabei muss beachtet werden, dass ihre Wirkung umso höher ist, je stärker die mechanischen Felder (Stress, Auslenkung) im Übergangsbereich 20 sind.
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Bei der in 4A in der Draufsicht gezeigten Ausführungsform der Schichtanordnung 1000 erfolgt eine Modulation der Strukturierung der Zusatzschicht 400 sowohl in den ersten Zonen 20a als auch in den zweiten Zonen 20b. Jede Zone 20a als auch 20b weist mindestens einen ersten Abschnitt 21 und mindestens einen zweiten Abschnitt 22 auf, in denen sich die Anordnung der ersten Teilschicht 410 voneinander unterscheidet.
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4C zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Schichtanordnung 1000 eines Volumenwellenbauelements, bei der eine Modulation der Strukturierung der Zusatzschicht 400 nur in der zweiten Zone 20b des Übergangsbereichs 20 erfolgt. Die zweite Zone 20b weist mehrere erste und zweite Abschnitte 21, 22 auf, in denen sich die Struktur der Teilschicht 410 beziehungsweise 420 voneinander unterscheidet. Die erste Zone 20a, die der ersten und zweiten Spannungszuführung 110 beziehungsweise 210 zugewandt ist, weist keine Strukturierung der Zusatzschicht 400 im Übergangsbereich 20 auf.
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4D zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Schichtanordnung 1000 eines Volumenwellenbauelements, bei der eine Modulation der Strukturierung der Zusatzschicht 400 nur in der ersten Zone 20a des Übergangsbereichs 20 erfolgt. Die erste Zone 20a weist mehrere erste und zweite Abschnitte 21, 22 auf, in denen sich die Struktur der Teilschicht 410 beziehungsweise 420 voneinander unterscheidet. Die zweite Zone 20b des Übergangsbereichs 20, die neben der ersten Zone 20a liegt beziehungsweise der ersten und zweiten Spannungszuführung 110 abgewandt ist, weist keine Strukturierung der Zusatzschicht 400 im Übergangsbereich 20 auf.
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Durch die in den 4A und 4B gezeigten Strukturierungen der Zusatzschicht 400 im Übergangsbereich 20 wird die Breite des Übergangsbereichs 20 längs des Innenbereichs 10 des Resonatorbauelements mit einem sich regelmäßig wiederholenden Muster geändert. Als sich regelmäßig wiederholendes Strukturierungsmuster können unterschiedliche Formen verwendet werden. Mögliche Ausführungsbeispiele von Strukturierungsmustern an der Grenze zwischen dem Innenbereich 10 und dem Übergangsbereich 20 sind in 5 dargestellt.
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Neben den in 4A und 4B gezeigten rechteckförmigen Kanten der Zusatzschicht kann die Zusatzschicht 400 über/unter der piezoelektrischen Schicht 300 an ihrem Rand beispielsweise sinusförmige Rundungen, dreieckförmige Kanten beziehungsweise Dreiecksfunktionen oder auch andere Muster aufweisen. Die effektive Breite des Übergangsbereichs 20 und der Breitenskalierfaktor sind weitere Designparameter, die an die lateralen Wellenlängen der störenden Nebenmoden anzupassen sind.
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Die Modulation der Strukturierung der Zusatzschicht 400 in der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 kann periodisch, wie in den 4A, 4B und 5 gezeigt ist, sein oder aber aperiodisch erfolgen. Ebenso ist es möglich, den Rand der ersten Teilschicht 410 und/oder der zweiten Teilschicht 420 der Zusatzschicht 400 kontinuierlich oder nicht-kontinuierlich beziehungsweise regelmäßig oder unregelmäßig zu strukturieren. Auch eine Kombination aus kontinuierlicher/nicht-kontinuierlicher, periodischer/aperiodischer beziehungsweise regelmäßiger/unregelmäßiger Strukturierung des Randes der Zusatzschicht 400 beziehungsweise des Randes der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 zum Innenbereich 10 des Volumenwellenbauelements ist möglich.
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Die Zusatzschicht 400 stellt eine zusätzliche Massenlage dar, die, wie in der Draufsicht in 4A gezeigt ist, von dem Außenbereich 30 in den Übergangsbereich 20 hineingeführt werden kann oder als dedizierte Lage ausschließlich im Übergangsbereich 20 vorhanden ist. In diesem Fall ist die Zusatzschicht 400 ringförmig zwischen dem Innenbereich 10 und dem Außenbereich 30 der Schichtanordnung des Volumenwellenbauelements angeordnet. Eine Modulation dieser Lage kann auch zu einer vollständigen Durchtrennung der ringförmigen Struktur führen.
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Bei Verwendung eines periodischen Strukturierungsmuster für den Rand der Zusatzschicht 400 zwischen dem Übergangsbereich 20 und dem Innenbereich 10 ist ein weiterer Designparameter die Länge der sich regelmäßig wiederholenden Strukturierungsmuster (Periodenlänge der Modulation). Dieses Maß muss geeignet gewählt werden, um eine optimale Wirkung der Modulation im Übergangsbereich 20 zur Unterdrückung von störenden Moden zu erhalten.
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Bei rechteckförmiger Kantenführung der Zusatzschicht 400 über/unter der piezoelektrischen Schicht 300 und damit rechteckförmigem Innenbereich 10 kann die Periodenlänge des Strukturierungsmusters der Zusatzschicht 400 kleiner als ein Drittel der Kantenlänge des Innenbereichs 10 sein. Die Periodenlänge liegt typischerweise zwischen einem Drittel der Kantenlänge des Innenbereichs 10 des Resonators und einem Zehntel der Breite eines herkömmlichen Übergangsbereichs 20, das heißt eines Übergangsbereichs 20 mit konstanter Breite. Vorzugsweise liegt die Periodenlänge des Strukturierungsmusters des Randes der Zusatzschicht 400 bei der halben horizontalen Wellenlänge der stärksten störenden Nebenmode. Existieren mehrere starke Nebenmoden, so kann es sinnvoll sein, verschiedene Strukturierungen beziehungsweise Modulationen der Randstrukturierung der Zusatzschicht 400 im Übergangsbereich 20 zu kombinieren oder eine mittlere Periodenlänge zu wählen.
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Bei einem quadratischen Volumenwellenbauelement, das heißt einem Volumenwellenbauelement mit quadratischem Innenbereich 10, wie er in 4A gezeigt ist, mit beispielsweise einer Seitenlänge von 120 μm, und einem um den Innenbereich 10 herum gleichmäßig geformten Übergangsbereich 20 mit konstanter Breite von 3 μm kann die Randstrukturierung des Übergangsbereichs 20 mit einer Modulations-Periodenlänge im Bereich von 0,3 μm bis 20 μm erfolgen. Wenn weitere Untersuchungen Nebenmoden mit lateralen Wellenlängen von 4 μm, 6 μm und 8 μm zeigen, liegt die Periodenlänge des Strukturierungsmusters des Randes der Zusatzschicht im Bereich von zirka 2 μm bis 4 μm.
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Zum Ermitteln des optimalen Wertes können weitere Parameter, wie zum Beispiel die Dicke der Zusatzschicht 400 in der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 und die Dichte des Materials der Zusatzschicht 400 sowie die Dispersionseigenschaften der akustischen Wellen im BAW-Schichtstapel oder auch der relevante Frequenzbereich des Bauteils berücksichtigt werden. Wird die Strukturierung beziehungsweise Modulation der Zusatzschicht 400 in der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 durch eine Schichtdicken-Variation erzielt, sind die Gesamthöhe der Schichtanordnung und die Stufenhöhe der Zusatzschicht innerhalb der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs ebenfalls Designparameter.
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6 zeigt eine Ausführungsform einer Schichtanordnung 1000 eines Volumenwellenbauelements 1, beispielsweise eines Resonatorbauelements, das in einer Draufsicht auf die Schichtanordnung einen rechteckförmig ausgebildeten Innenbereich 10 aufweist. Der Übergangsbereich 20 der Schichtanordnung ist umfänglich um den rechteckförmigen Innenbereich 10 der Schichtanordnung angeordnet. Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform ist der Rand der ersten und/oder zweiten Teilschicht 410, 420 der Zusatzschicht 400 über/unter der piezoelektrischen Schicht 300 im Übergangsbereich 20 im Bereich um die Ecken des rechteckförmigen Innenbereichs 10 der Schichtanordnung anders als entlang der Seiten des rechteckförmigen Innenbereichs 10 strukturiert. In den Ecken der Resonatorfläche, das heißt an den Stoßstellen der Resonatorkanten, kann vorzugsweise eine Variation der Modulations-Periodenlänge des Strukturierungsmusters des Randes der Zusatzschicht vorgenommen werden. Gegebenenfalls muss das Strukturierungsmuster, wie in 6 gezeigt ist, an den Stoßstellen der Resonatorkanten geändert werden, um eine optimale Unterdrückung von störenden Moden zu erzielen.
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7 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform einer Schichtanordnung 1000 eines Volumenwellenbauelements 1, beispielsweise eines Resonatorbauelements, mit einer Modulation der Breite des Übergangsbereichs 20 innerhalb der ersten und/oder zweiten Zone des Übergangsbereichs. Bei der in 7 gezeigten Ausführungsform ist die Zusatzschicht 400 im Übergangsbereich 20 derart strukturiert, dass sich die Breite der Zusatzschicht 400 und somit die Breite des Übergangsbereichs 20 sowohl in horizontaler X- als auch in vertikaler Y-Richtung ändert. Die Zusatzschicht 400 überlappt im Übergangsbereich 20 abhängig von der X- und Y-Richtung unterschiedlich weit mit der piezoelektrischen Schicht 300, wobei die Überlappung in X- und Y-Richtung kontinuierlich zu oder abnehmen kann. Als Folge werden die Kanten des Innenbereichs 10 der Schichtanordnung verrundet.
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Die 8A und 8B zeigen eine Ausführungsform einer Schichtanordnung 1000 des Volumenwellenbauelements 1, beispielsweise eines Resonatorbauelements, bei der die Zusatzschicht 400 in der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereich 20 die erste Teilschicht 410 zwischen der oberen ersten Elektrodenschicht 100 und der piezoelektrischen Schicht 300 sowie die zweite Teilschicht 420 zwischen der unteren zweiten Elektrodenschicht 200 und der piezoelektrischen Schicht 300 aufweist.
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Bei der in 8A gezeigten Ausführungsform ist die Strukturierung der ersten Teilschicht 410 der Zusatzschicht 400 in der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 in den Abschnitten 21, 22 versetzt zu der Strukturierung der zweiten Teilschicht 420 der Zusatzschicht in den Abschnitten 21, 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 angeordnet. Umgekehrt ist bei der in 8B gezeigten Ausführungsform die Strukturierung der ersten und zweiten Teilschicht 410, 420 der Zusatzschicht 400 in der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 in den Abschnitten 21, 22 deckungsgleich ausgebildet.
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Anstelle oder zusätzlich zu einer in lateraler/horizontaler Richtung unterschiedlichen Strukturierung der Zusatzschicht 400 in der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20, wie sie beispielsweise in den 4A und 4B gezeigt ist, kann eine Modulation der Struktur der Zusatzschicht 400 in der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 auch mittels einer in vertikaler Richtung unterschiedlichen Strukturierung erreicht werden. Die erste und/oder zweite Teilschicht der Zusatzschicht 400 kann bei einem Querschnitt durch die Schichtanordnung in der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 somit entlang der vertikalen und/oder entlang der horizontalen Richtung des Querschnitts moduliert beziehungsweise unterschiedlich strukturiert sein.
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Die 9A und 9B zeigen konkrete Ausgestaltungen einer Kombination von in horizontaler und vertikaler Richtung unterschiedlichen Strukturierungen der Zusatzschicht 400 in der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 der Schichtanordnung 1000 des Volumenwellenbauelements.
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Bei der in 9A gezeigten Ausführungsform ist die Teilschicht 410 der Zusatzschicht 400 zwischen der ersten Elektrodenschicht 100 und der piezoelektrischen Schicht 300 bei einem Querschnitt durch die Schichtanordnung sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung des Querschnitts in den ersten Abschnitten 21 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 anders als in den zweiten Abschnitten 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 der Schichtanordnung strukturiert.
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9B zeigt einen Querschnitt durch den Übergangsbereich 20 der Schichtanordnung 1000 des Volumenwellenbauelements, bei der die Teilschicht 420 zwischen der zweiten Elektrodenschicht 200 und der piezoelektrischen Schicht 300 in vertikaler und zugleich horizontaler Richtung in den ersten Abschnitten 21 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs anders als in den Abschnitten 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 strukturiert ist. Die horizontale und vertikale Richtung sind durch die Pfeile angedeutet.
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Gemäß einer möglichen Ausführungsform kann die Teilschicht 410 beziehungsweise 420 dazu zwei übereinander angeordnete Materiallagen 401, 402 aufweisen. Die beiden Materiallagen 401 und 402 einer Teilschicht 410, 420 der Zusatzschicht 400 sind so strukturiert, dass sie in Kombination miteinander eine vertikale Modulation der Strukturierung der Zusatzschicht in der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 erzeugen.
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Wie in 9A gezeigt ist, kann die erste Teilschicht 410 der Zusatzschicht 400 beispielsweise eine erste Lage 401 und eine zweite Lage 402 der Zusatzschicht umfassen. Die zweite Lage 402 der ersten Teilschicht 410 der Zusatzschicht kann auf der ersten Lage 401 der ersten Teilschicht 410 der Zusatzschicht angeordnet sein. Die erste Lage 401 der ersten Teilschicht 410 der Zusatzschicht weist in den ersten und zweiten Abschnitten 21, 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 der Schichtanordnung eine einheitliche Schichtdicke auf. Die zweite Lage 402 der ersten Teilschicht 410 der Zusatzschicht weist hingegen in den ersten Abschnitten 21 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b eine andere Schichtdicke als in den zweiten Abschnitten 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 auf. Bei der in 9B dargestellten Schichtanordnung 1000 ist anstelle der ersten Teilschicht 410 die zweite Teilschicht 420 der Zusatzschicht aufgrund der Materiallagen 401 und 402 entsprechend wie anhand von 9A beschrieben unterschiedlich strukturiert ausgebildet.
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Als weitere Variante kann eine Teilschicht 410, 420 anstelle der zusätzlichen Lage 402 nur eine einzige Lage aufweisen, die jedoch in den Abschnitten 21, 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 unterschiedlich tief ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise durch teilweises oder vollständiges Abätzen durch eine Maskenlage, die der zusätzlichen Materiallage entspricht, erfolgen.
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Die unterschiedliche Strukturierung des Randes der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 zum Innenbereich 10 eines Volumenwellenbauelements kann gemäß einer weiteren Ausführungsform durch eine Schichtdickenvariation der Zusatzschicht 400 in der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 erfolgen. Die Schichtdicke der ersten und/oder zweiten Teilschicht 410, 420 der Zusatzschicht kann sich beispielsweise stufenförmig oder kontinuierlich in dem Übergangsbereich 20 der Schichtanordnung ausgehend von dem Innenbereich 10 der Schichtanordnung bis hin zu dem Außenbereich 30 der Schichtanordnung verjüngen oder verdicken.
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Bei der in 10 dargestellten Ausführungsform der Schichtanordnung 1000 weist die Zusatzschicht 400 in der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 sowohl die erste Teilschicht 410 als auch die zweite Teilschicht 420 auf. Die erste und die zweite Teilschicht verdicken sich ausgehend von dem Innenbereich 10 der Schichtanordnung hin zu dem Außenbereich 30 der Schichtanordnung. Eine im Randbereich 20 in Richtung zum Außenbereich 30 sich verjüngende beziehungsweise verdickende Zusatzschicht 400 kann eine Unterdrückung der Nebenmodenanregung bewirken. Kombinationen dieser Technik mit mehreren Lagen sind möglich.
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In der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 kann die Zusatzschicht 400 positiv, das heißt durch Hinzufügen von Material der Zusatzschicht, strukturiert werden, wenn der gewünschte BAW-Hauptmodus normale Dispersion aufweist. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, eine Unterdrückung von unerwünschten Resonanzen durch eine negative Strukturierung, das heißt durch Entfernen von Material aus der Zusatzschicht, zu erreichen. Eine negative Strukturierung durch Wegätzen von Material zum Einbringen eines Grabens in die Zusatzschicht 400 mit einheitlicher Schichtdicke kann vorzugsweise bei anormaler Dispersion eingesetzt werden. Die Dispersionseigenschaften des BAW-Hauptmodus sind vom konkreten Schichtaufbau (Elektrodenschichten, piezoelektrische Schicht, Bragg-Reflektor) abhängig.
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11 zeigt einen Querschnitt durch eine Schichtanordnung 1000 eines Resonatorbauelements 1 mit einem Übergangsbereich 20 und einem Außenbereich 30. In die erste und/oder zweite Teilschicht 410, 420 der Passvierungsschicht kann in der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 der Schichtanordnung durch negative Strukturierung ein Graben 403 eingebracht sein. Der Graben kann in die Teilschicht 410, 420 der Zusatzschicht 400 eingebracht werden, indem ein Teil der Zusatzschicht 400, die zunächst im Übergangsbereich 20 mit einheitlicher Breite und Schichtdicke aufgetragen worden ist, durch geeignete Fertigungsprozesse wegstrukturiert und somit entfernt wird.
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Dabei entsteht ein in der Breite oder gegebenenfalls auch Tiefe modulierter Graben. Der Verlauf des Grabens 403 kann sich zwischen einem ersten Abschnitt 21 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 und einem angrenzenden zweiten Abschnitt 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs unterscheiden. Durch Einbringen eines Grabens 403 in die Zusatzschicht 400 im Übergangsbereich 20 kann eine Unterdrückung von Nebenmoden und Overlap-Moden erreicht werden. Die durch das Wegstrukturieren geringere Masse in der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 führt zu einer höheren Grenzfrequenz, wie in 11 im unteren Diagramm dargestellt ist.
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Die 12A und 12B zeigen eine weitere Ausführungsform einer unterschiedlichen Strukturierung der Zusatzschicht 400 in den Abschnitten 21 und 22 der ersten und zweiten Zonen 20a und 20b des Übergangsbereich 20 der Schichtanordnung 1000 des Volumenwellenbauelements 1. Auf die erste und/oder zweite Teilschicht 410, 420 der Zusatzschicht kann in den ersten Abschnitten 21 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 der Schichtanordnung eine zusätzliche Massenlage 500 aufgebracht sein. In den zweiten Abschnitten 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 der Schichtanordnung ist auf die erste und/oder zweite Teilschicht 410, 420 keine zusätzliche Massenlage aufgebracht. Die Fläche der Massenlage 500 kann in einer Draufsicht auf die Schichtanordnung 1000 kleiner als die Fläche der darunterliegenden ersten und/oder zweiten Teilschicht 410, 420 der Zusatzschicht sein.
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Bei der konkreten in 12B im Querschnitt gezeigten Ausführungsform der Schichtanordnung 1000 weist die Zusatzschicht 400 die Teilschicht 420 auf, die zwischen der zweiten Elektrodenschicht 200 und der piezoelektrischen Schicht 300 angeordnet ist. Die Teilschicht 420 der Zusatzschicht 400 ist zunächst ähnlich wie in 4A gezeigt strukturiert. Die Teilschicht 420 überlappt in den Abschnitten 21 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 weiter als in den Abschnitten 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 mit der piezoelektrischen Schicht 300. In den Abschnitten 21 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs ist zusätzlich auf die Teilschicht 420 der Zusatzschicht die Massenlage 500 punktuell aufgebracht.
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Anstelle eines Aufbringens von Material kann auch Material abgetragen werden, sodass Löcher in die Zusatzschicht 400 eingebracht werden. Eine derartige Ausführungsform der Schichtanordnung 1000 für ein Volumenwellenbauelement ist in 13 gezeigt. Gemäß der in 13 gezeigten Ausführungsform sind in dem Übergangsbereich umfänglich um den Innenbereich 10 herum Löcher 600 in Abständen verteilt in der Zusatzschicht 400 vorgesehen, so dass der Übergangsbereich in den ersten Abschnitten 21 und den zweiten Abschnitten 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs eine andere Struktur aufweist.
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Die Aufdickung beziehungsweise der Materialabtrag kann eine von der in den 12A und 12B gezeigten Kreisform abweichende Form haben. Neben der in 12A gezeigten Ausführungsform der Zusatzschicht 400 mit abwechselnd breiteren und schmäleren Abschnitten im Übergangsbereich kann die Massenlage 500 auch in festgelegten konstanten oder nicht konstanten Abständen auf eine Zusatzschicht 400 mit konstanter Breite aufgebracht beziehungsweise der Materialabtrag in die Zusatzschicht 400 mit konstanter Breite eingebracht werden.
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14 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform des Übergangsbereichs 20 der Schichtanordnung 1000, in dem die Zusatzschicht 400 sowohl die Teilschicht 410 als auch die Teilschicht 420 aufweist. Im Unterschied zu einem Übergangsbereich 20 mit lediglich einer der Teilschichten 410 beziehungsweise 420 kann die erste und/oder zweite Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 bei der in 14 gezeigten Ausführungsform nur halb so breit ausgelegt werden, als wenn lediglich nur eine der Teilschichten 410 beziehungsweise 420 in dem Übergangsbereich 20 vorhanden wäre.
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Die in den 4A bis 14 gezeigten Ausführungsformen der Strukturierung der Zusatzschicht 400 innerhalb der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs 20 können beliebig miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann die Zusatzschicht eine Teilschicht 410 zwischen der ersten Elektrodenschicht 100 und der piezoelektrischen Schicht 300 aufweisen, die eine einheitliche Breite beziehungsweise Schichtdicke hat, während die Teilschicht 420 der Zusatzschicht zwischen der zweiten Elektrodenschicht 200 und der piezoelektrischen Schicht 300 durch Variation ihrer Breite beziehungsweise Schichtdicke in den Abschnitten 21 und 22 der ersten und/oder zweiten Zone 20a, 20b des Übergangsbereichs moduliert beziehungsweise unterschiedlich strukturiert ist.
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Weitere Maßnahmen zur Vermeidung von Störmoden sind anschließend an die piezoelektrische Schicht 300 und/oder in anderen Lagen des Stapels, gegebenenfalls im Bragg-Spiegel oder in den Elektrodenschichten, möglich. Die akustischen Eigenschaften des Übergangsbereichs 20 können nicht nur durch Modulation von Schichtdicken und lateraler beziehungsweise vertikaler Strukturierung verändert werden, sondern auch durch Beeinflussung der Kristallstruktur im Übergangsbereich, insbesondere zum Beispiel durch Beeinflussung der Kristallstruktur der Piezolage 300. Dazu kann zum Beispiel eine besondere Materialschicht im Übergangsbereich 20 des Volumenwellenbauelements unterhalb der piezoelektrischen Schicht 300 aufgebracht werden, die das Kristallwachstum bei der Abscheidung der piezoelektrischen Schicht 300 beeinflusst. Dadurch kann die piezoelektrische Kopplung des Materials der piezoelektrischen Schicht 300 im Übergangsbereich 20 verändert werden und so die Anregung der Nebenmoden reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Resonatorbauelement
- 10
- Innenbereich
- 20
- Übergangsbereich/Randbereich
- 30
- Außenbereich
- 100
- erste Elektrodenschicht
- 200
- zweite Elektrodenschicht
- 300
- piezoelektrische Schicht
- 400
- Zusatzschicht
- 410, 420
- Teilschichten der Zusatzschicht
- 500
- Massenlage
- 600
- Schichten des Bragg-Spiegels
- 1000
- Schichtanordnung