Beschreibung Piezoelektrisches Substratmaterial mit erhöhter Bruchfestig- keit und Herstellverfahren Einige piezoelektrische Materialien sind auch pyroelektrisch und zeigen den pyroelektrischen Effekt. Dabei reagieren diese Materialien auf Temperaturänderung mit dem Aufbau einer elek- trischen Spannung. Dies ist insbesondere für Bauelementstruk- turen nachteilig, die direkt auf pyroelektrischen Substraten aufgebracht sind, beispielsweise bei Oberflächenwellen- Bauelementen. Zwischen den mehr oder weniger feinen elek- trisch leitenden Strukturen dieser Bauelemente können sich dabei so große Spannungen bzw. Feldstärken aufbauen, daß es zu elektrischen Überschlägen zwischen den feinen Metallstruk- turen kommt. Letztere und damit das Bauelement selbst können dabei beschädigt oder gar zerstört werden, wenn keine geeig- neten Schutzmaßnahmen ergriffen werden.

Weiterhin können sich aufgrund der hohen auftretenden Feld- stärken auch die Eigenschaften des piezo-und pyroelektri- schen Substratmaterials und damit auch die Bauelementeigen- schaften irreversibel ändern, dass sogar das Bauelement un- brauchbar wird. Treten die Pyrospannungen während des Betrie- bes des Bauelementes auf, so können die elektrischen Felder oder die Überschläge zwischen den elektrisch leitenden Struk- turen Impulse auslösen, die zu fehlerhafter Signalverarbei- tung in der umgebenden elektrischen Schaltung führen können.

Unerwünschte Pyrospannungen, die auf starke Temperaturände- rungen zurückzuführen sind, treten insbesondere bei der Her- stellung oder Bearbeitung von Bauelementen auf pyroelektri- schem Substrat auf. Eine bekannte Möglichkeit, Schäden durch pyroelektrische Aufladung zu verhindern, besteht im Vorsehen von Ionisationseinrichtungen während der Fertigung. Durch An-

bieten von beweglichen Ladungsträgern passender Menge und pA_ larität in der Umgebungsatmosphäre des pyroelektrischen Sub- strates können die üblicherweise ortsfesten Ladungen auf den Substraten weitgehend kompensiert werden. Dies ist jedoch e-n technisch aufwendiges Verfahren, das außerdem nicht für alle Fertigungsprozesse geeignet ist. Auch kann eine mit elek- trisch isolierenden oder passivierenden Schichten abgedeckte pyroelektrische Oberfläche mit Hilfe von Ionisationselektro- den nicht mehr ausreichend entladen werden. Außerdem sind die Ionisationselektroden empfindlich gegen verschiedene Dünn- schichtverfahren und würden beispielsweise auch durch in Ofenprozessen auftretende organische Ausgasungen geschädigt.

Aus der EP-A-0 785 620 ist es bekannt, Bauelemente auf piezo- und pyroelektrischen Substraten durch ganzflächig über oder unter den Bauelement-Strukturen auf dem Substrat aufgebrachte leitfähige Schichten gegen Schäden durch Pyroentladungen zu schützen. Nachteilig ist dabei, dass die zusätzliche Materi- alschicht die Bauelement-Eigenschaften unzulässig verändern kann und beispielsweise die elektroakustische Kopplung oder die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Oberflächenwelle verän- dert oder gar deren Dämpfung bewirkt.

Weiterhin ist es möglich, die metallischen elektrisch leiten- den Bauelementstrukturen leitend miteinander zu verbinden, beispielsweise durch das Vorsehen schmaler metallischer Streifen, die zur Ausbildung einer hochohmigen Verbindung, beispielsweise in mäanderförmiger Anordnung, ausgebildet wer- den. Diese Verbindungen benötigen aber eine erhebliche Sub- stratfläche, die der zunehmenden Miniaturisierung der Bauele- mente entgegensteht. Außerdem sind sie aufgrund ihrer Geome- trie anfällig für elektrische Unterbrechungen während des Herstellungsprozesses. Insbesondere bei Oberflächenwellen- Bauelementen, die eine komplizierte Anordnung und aufwendige Verschaltung mehrerer Wandlerstrukturen auf einem Chip auf-

weisen können, kann es mitunter unmöglich sein, alle Wandler auf diese Weise zu schützen, wenn nicht genügend Platz für die zu schützenden Strukturen verfügbar ist, und wenn die verwendeten Technologien keine Überkreuzung von Leiterbahnen ermöglichen. Auch mit zusätzlichen gebondeten Drahtkontaktie- rungen zur hochohmigen Verbindung unterschiedlicher elek- trisch leitender Strukturen, die zudem hohe Kosten verursa- chen, läßt sich das Problem nicht immer lösen.

Weitere Probleme entstehen bei der photolithograpischen Strukturierung von Bauelementstrukturen auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Wafers. Da das Wafermaterial für die zur Belichtung eingesetzte Wellenlänge transparent ist, kön- nen optische Reflexionen von der gegenüberliegenden Wafer- oberfäche die Strukturierung stören und beispielsweise die maximal erreichbare Strukturauflösung verschlechtern.

Bei Oberflächenwellen Bauelementen können akustische Wellen von der Rückseite reflektiert werden und die Signalverarbei- tung des Bauelement stören. Dabei ist es bekannt, die Rück- seite mechanisch aufzurauhen, um dies zu verhindern. Dies führt zu weiteren Problemen durch Partikelkontamination auf der Waferoberfläche, die ebenfalls die Strukturierung beein- trächtigen oder gar Bauelementstrukturen beschädigen können.

Bei der Aufrauhung einer Waferoberfläche wird außerdem die Bruchgefahr für den Wafer erhöht, zu erhöhtem Ausschuss bei der Herstellung der Wafer führen kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, für piezo- elektrische Bauelemente ein Substrat anzugeben, welches die Bruchgefahr während der Verarbeitung reduziert und welches sich durch Phototechnik besser strukturieren läßt. Eine Un- teraufgabe für piezo-und pyroelektrische Bauelemente besteht darin, im Substrat Pyrospannungen einfach und unschädlich ab- zuleiten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauelement nach Anspruch 1 gelöst. Ein Verfahren zur Herstellung des Bauele- mentes sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, auf der Rückseite eines pie- zoelektrischen Bauelementsubstrats eine Schicht aufzubringen, die zumindest zwei Eigenschaften aufweist : a) Versiegelung von Anrissen und damit Reduzierung der Bruch- gefahr für das Substrat und b) Verhinderung von optischen Reflexionen an der Wafer- Rückseite durch Verwendung eines optisch absorbierenden Mate- rials als Absorberschicht.

Speziell für pyroelektrische Materialien kann die Schicht als weitere Eigenschaft aufweisen : c) Schaffung einer ausreichend elektrischen Leitfähigkeit zur Ableitung von pyroelektrischen Ladungen Pyroelektrische Ladungen werden zuverlässig und ohne Schädi- gung von Bauelementstrukturen abgeleitet, wenn die Absorber- schicht hochohmig ist und eine Flächenleitfähigkeit von 102 bis 101° Ohm per Square aufweist.

Eine Verbesserung des Strukturierungsverfahrens gegenüber ei- nem unbehandelten Wafer wird erzielt, wenn die optische Ab- sorption der Absorberschicht ausreichend ist, dass bei einer Belichtung von der Vorderseite des Wafers her eine Reflexion von maximal fünf Prozent des eingestrahlten Lichts auftritt bzw. verbleibt. Mit der Erfindung können auch Reflexionswerte erreicht werden, die für ein Licht der üblicherweise verwen- deten Wellenlänge von 320 bis 450 nm eine Restreflexion von maximal 1 bis 2 % ergeben. Damit kann ein optisches Struktu-

rierungsverfahren mit einem erfindungsgemäßen Substrat erheb- lich verbessert werden.

Als weiterer Vorteil wird mit einer solchen Absorberschicht erreicht, daß insbesondere bei einer aus akustischen Gründen aufgerauhten Rückseite die Partikelkontamination verringert ist, da die versiegelnde Absorberschicht auch partikelbindend ist. Durch die mechanische Aufrauhung gelockerte Partikel werden mit der Schicht fixiert und damit an einer Kontamina- tion der Wafervorderseite gehindert, wo Bauelementstrukturen beeinträchtigt werden könnten.

Als weiterer vorteilhafter Effekt des erfindungsgemäßen Sub- strats wird beobachtet, daß mit der Absorberschicht die Bruchfestigkeit des Wafers um bis zu 50% gegen einen Wafer ohne Rückseitenbeschichtung erhöht ist. Das beruht auf der Versiegelung von mikroskopischen Anrissen.

Eine gegebenenfalls hochohmige Absorberschicht kann in Form einer Polymer-oder Lackschicht aufgebracht werden. Geeignet speziell für hochohmige Schichten sind beispielsweise Polyme- re mit intrinsischer elektrischer Leitung, beispielsweise Po- lyanilin, Polyaromaten, Heteroaromaten oder andere hochunge- sättigte Verbindungen.

Möglich ist es jedoch auch, für eine hochohmige Absorber- schicht ein elektrisch isolierendes Polymer oder einen iso- lierenden Lack zu verwenden und eine gewünschte bzw. gefor- derte elektrische Leitfähigkeit durch in die Schicht einge- bettete elektrisch leitende Partikel zu herzustellen. Als leitfähige Partikel sind insbesondere Graphit und Ruß geeig- net, jedoch sind noch andere leitfähige Materialien möglich.

Diese haben den Vorteil, daß sie gleichzeitig hohe optische Absorption aufweisen.

Weiter geeignet als Absorberschicht und/oder hochohmige Schicht können anorganische Schichten oder hybride Material'- en sein, die organische und anorganische Netzwerke vereinen.

Solche Schichten können insbesondere im Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden. Organische Schichten können aufgedruckt, aufgestrichen oder aufgeschleudert werden. Hybride Material- en sind insbesondere einfach aufzubringen und weisen eine ho- he Härte auf.

Besonders geeignet sind elektrisch isolierende Materialien, die einen entsprechenden Anteil optisch absorbierender und/oder elektrisch leitfähiger Partikel enthalten. Über das Material, die Größe und den Anteil der leitfähigen Partikel lassen sich in einfacher Weise die elektrische Leitfähigkeit sowie die mechanischen, optischen und elektrischen Eigen- schaften der Schicht einstellen. Weiterhin ist es auch mög- lich, rein anorganische Schichten als Absorberschichten zu verwenden, beispielsweise Silikate. Auch hier kann die elek- trische Leitfähigkeit über eingelagerte leitfähige Partikel hergestellt werden.

Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Rückseitenbeschichtung in einem frühen Bearbeitungsstadium des Substrats als Wafer aufgebracht, und besonders vorteilhaft bereits unmittelbar nach der Waferherstellung. Auf diese Weise ist es möglich, die Vorteile der erfindungsgemäßen Rückseitenbeschichtung für eine maximale Anzahl von Bearbeitungsschritten auszunutzen und die meisten Fehler oder Beschädigungen vermeiden.

Aus den gleichen Gründen wird die erfindungsgemäße Rücksei- tenbeschichtung erst in einem späten Bearbeituncssadium wie- der entfernt oder kann sogar auf der Waferrückseite bzw. au--" der Rückseite des in der Folge hergestellten Bauelements ver- bleiben. Dabei können sich weitere Anforderungen an die Ei- genschaften der ggf. hochohmigen Absorberschicht mit hoher

optischer Absorption ergeben. Insbesondere kann eine Tempera- turbeständigkeit gefordert sein, beispielsweise bis zu 350°C, wie sie beim Aufdampfen von Aluminium zur Herstellung elek- trisch leitender Bauelementstrukturen auftreten kann. Vor- zugsweise ist die Schicht auch so zusammengesetzt, daß bei diesen hohen Temperaturen auch im Vakuum keine Ausgasungen auftreten können, die das Vakuum stören oder Bearbeitungspro- zesse beeinträchtigen könnten. Vorzugsweise ist die Schicht auch gegen die verwendeten Lösungsmittel, beispielsweise für Photolacke oder lift-off-Verfahren beständig. Für bestimmte Bauelemente kann auch eine Beständigkeit gegen ätzende Naßme- dien erforderlich sein, beispielsweise bei der Strukturierung von Aluminium mittels Ätzen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen und der dazugehörigen sieben Figuren näher erläutert.

Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Substrat mit Rück- seitenbeschichtung.

Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ei- ne Schicht mit elektrisch leitenden und/oder optisch absorbierenden Füllstoffen.

Figuren 3 bis 6 zeigen anhand schematischer Querschnit- te verschiedene Verfahrensstufen bei der Weiterverar- beitung eines erfindungsgemäßen Wafers.

Figur 7 zeigt Messergebnisse von Reflexionsversuchen.

Figur 1 : Ein Wafer aus einem piezoelektrischen Material 1, beispielsweise Quarz, Lithiumniobat oder Lithiumtantalat wird erfindungsgemäß mit einer ggf. hochohmigen Absorberschicht 2 mit hoher optischer Absorption versehen. Aufgrund ihrer gut einstellbaren Schichtdicken und der fein wählbaren elektri- schen Leitfähigkeit sind Polymerfilme bevorzugt, insbesondere Polymerfilme mit eingebetteten leitfähigen und/oder optisch absorbierenden Füllstoffen, beispielsweise in Form von aus-

reichend kleinen Partikeln. Besonders bevorzugt als ggf. hochohmige Schicht ist eine Matrix 3 aus einem hochtempera- turbeständigen Polymer, beispielsweise Polyimid oder Polyben- zoxazol, die mit leitfähigen Graphit-oder Rußpartikeln 4 ge- füllt sind. Für die Schicht wird eine Schichtdicke von ca. 10 bis 50pm und eine Leitfähigkeit zwischen 102 und 101° Ohm per Square eingestellt. Die verwendeten Füllstoffe Graphit und Ruß haben den Vorteil, daß sie elektrische Leitfähigkeit her- stellen und eine hohe optische Absorption für die Schicht ge- währleisten.

Figur 2 zeigt ausschnittsweise und in schematischer Darstel- lung eine solche mittels elektrisch leitfähiger Partikel leitfähig und optisch absorbierend gemachte Schicht. Diese umfaßt die Matrix 3 und die darin enthaltenen leitfähigen Partikel 4. Die Anzahl der Partikel wird so gewählt, daß ein inniger gegenseitiger Kontakt der Partikel und damit eine ausreichend hohe Leitfähigkeit gewährleistet ist.

Ein erfindungsgemäßer Wafer 1 mit aufgebrachter Rückseiten- beschichtung 2 kann nun weiteren Bearbeitungsschritten zur Herstellung von Bauelementen aus auch pyroelektrischem Sub- strat eingesetzt werden, ohne daß dabei die Gefahr von Be- schädigungen durch pyroelektrisch erzeugte Ladungen oder durch optische Reflexion an der Rückseite oder eine erhöhte Bruchgefahr besteht.

Ein übliches Verfahren zur Herstellung metallischer Bau- elementstrukturen auf der Vorderseite des Wafers ist das lift-off-Verfahren. Dazu wird beispielsweise eine lift-off- Schicht 5 ganzflächig auf der Vorderseite des Wafers 1 aufge- bracht. Anschließend wird die lift-off-Schicht strukturiert, beispielsweise durch Photostrukturierung, die über eine mas- kierte Belichtung erfolgen kann. In Figur 3 ist in schemati- scher Weise durch Pfeile 7 eine solche optische Belichtung

bzw. Strukturierung dargestellt. Die Belichtung erfolgt übli- cherweise im sichtbaren Bereich oder im nahen UV, für das der piezoelektrische Wafer weitgehend transparent ist. Mit der erfindungsgemäßen Rückseitenbeschichtung 2 wird die Gefahr von Reflexionen an der Rückseite des Wafers 1 durch Absorpti- on des Lichtes weitgehend ausgeschaltet.

Figur 4 zeigt im schematischen Querschnitt einen Wafer mit bereits strukturierter lift-off-Schicht. Die von der ur- sprünglich ganzflächigen Schicht 5 nach der Strukturierung verbleibenden Strukturen 6 stellen ein Negativ für die später gewünschte elektrisch leitende Bauelementstruktur, insbeson- dere für eine metallische Bauelementstruktur dar. Dazu wird im nächsten Schritt ganzflächig eine metallische Schicht, beispielsweise Aluminium im Vakuum aufgedampft. Die erfin- dungsgemäß verwendete Rückseitenbeschichtung ist dabei gegen Temperaturen bis ca. 400°C stabil, so daß sie das Aufdampfen der Aluminiumschicht 9 unbeschadet übersteht. Das dafür er- forderliche Vakuum führt auch nicht zu Ausgasungen aus der Schicht 2 auf der Rückseite des Substrats.

Im nächsten Schritt werden die lift-off-Strukturen 6 samt den darüberliegenden Bereichen der metallischen Schicht 9 abgeho- ben, wobei die metallischen Bauelementstrukturen 8 auf der Oberfläche des Wafers verbleiben, wie beispielsweise in Fi- gur 6 dargestellt.

Während sämtlicher Verfahrensschritte können bei auch py- roelektrischem Substratmaterial pyroelektrische Spannungen auftreten, die dann mit der erfindungsgemäßen hochohmig ein- gestellten Rückseitenbeschichtung 2 sicher und ohne Beschädi- gung von Bauelementstrukturen oder ohne Störung von Bearbei- tungsschritten abgeleitet werden können.

Figur 7 zeigt anhand von Messdiagrammen die mit der erfin- dungsgemäßen Rückseitenbeschichtung 2 verminderte Reflektivi- tät für üblicherweise zur Strukturierung verwendete Wellen- längen an der Rückseite des Wafers. Im Diagramm ist die Re- flektivität gegen die Wellenlänge aufgetragen. Kurve A zeigt die durch die Rückseite verursachte Reflektivität eines unbe- handelten Quarzwafers. Aus dem Diagramm ergeben sich für den verwendeten Wafer Reflektivitätswerte zwischen 10 und 7 %.

Die Messkurve B dagegen zeigt die Reflektivität eines erfin- dungsgemäßen Wafers mit hochohmiger und optisch absorbieren- der Rückseitenbschichtung. Neben der äußerst geringen Reflek- tivität, die für das gewählte Ausführungsbeispiel bei knapp über einem Prozent liegt, ist insbesondere auch von Vorteil, daß die geringe Reflektivität über den gesamten vermessenen Wellenlängenbereich niedrig bleibt. Dies gewährleistet, daß bei allen optischen Prozessen während der Herstellung eines Bauelements aus dem erfindungsgemäß beschichteten piezo-und pyroelektrischen Substrat praktisch keine Beeinträchtigungen durch optische Reflexionen an der Rückseite des Wafers zu be- fürchten sind. Dies erhöht die Verfahrenssicherheit, verbes- sert die Strukturauflösung der optischen Verfahren und führt zu einem geringeren Ausschuß und damit zu einer Kostenerspar- nis bei der Fertigung von piezoelektrischen Bauelementen.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann insbesondere über einer gefüllten hochohmigen Schicht eine weitere ungefüllte Schicht vorgesehen werden, die als Schutz- schicht dienen kann, insbesondere um einen Abrieb von Füll- stoffpartikeln 4 aus der ggf. hochohmigen Absorberschicht 2 zu vermeiden. Für solche Schutzschichten sind beispielsweise Reaktionsharze geeignet, die eine einfache Verarbeitung durch Aufschleudern im flüssigen Zustand erlauben und die in einer separaten Härtungsschritt zur gewünschten Festigkeit gebracht werden können.