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SAW
Bauelemente arbeiten mit akustischen Oberflächenwellen und werden beispielsweise
als Resonatoren oder Filter eingesetzt. Ihre Eigenschaften wie Kopplung,
Reflexion und Frequenz der anregbaren Oberflächenwelle sind im Wesentlichen
durch die Materialien von piezoelektrischem Substrat und darauf
angeordneter strukturierter Metallisierung sowie durch die Geometrie
der Metallisierung bestimmt.
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Den
größten Einfluss
auf die Eigenschaften des SAW Bauelements hat die Metallisierung
infolge der Massenbelastung, die sie auf die Oberfläche des piezoelektrischen
Substrats bewirkt. Eine höhere Massenbelastung
wird beispielsweise durch eine höhere
Metallisierungshöhe,
ein schwereres Metall oder durch einen höheren Anteil der mit der Metallisierung
bedeckten Oberfläche
relativ zur nicht bedeckten Oberfläche erreicht.
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Ein
weiteres Frequenz bestimmendes Design-Merkmal ist die Fingerperiode, üblicherweise
als Abstand der Fingermitten von benachbarten, mit unterschiedlichen
Potenzialen beaufschlagten Elektrodenfingern bestimmt, die ungefähr einer
halben Wellenlänge
entspricht. Weitere fundamentale Eigenschaften eines SAW Bauelements
werden durch das piezoelektrische Material geprägt, welches jedoch zumeist
durch die gewünschten
Bauelementeigenschaften vorgegeben ist und keine weitere Variation erlaubt.
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Fertigungsbedingt
kommt es bei der Herstellung von SAW Bauelementen zu Toleranzen
und insbesondere zu Schichtdicken schwankungen der Metallisierung
auf dem Bauelement, oder in stärkerem Maße, über einen
Wafer, auf dem mehrere Bauelemente parallel nebeneinander erzeugt
werden. Diese Fertigungsschwankungen können sich insbesondere auf
die Frequenz des Bauelements auswirken.
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SAW
Bauelemente müssen
häufig
frequenzgenau arbeiten, so dass größere Abweichungen von einer
gewünschten
Zielfrequenz unerwünscht
sind. Es werden daher Trimmverfahren eingesetzt, mit denen zu hohe
Frequenzabweichungen korrigiert werden können.
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Ein
bekanntes Trimmverfahren besteht darin, die gesamte Oberfläche metallischer
Bauelementstrukturen und Metallisierungen in der Massenbelastung
zu verändern
und insbesondere mit einer ganzflächigen Trimmschicht zu versehen.
Diese Trimmschicht führt
dazu, dass sich die Frequenzen aller behandelten Bauelemente um
den Betrag verschieben, der durch die zusätzliche Schichtdicke der Trimmschicht
und die damit bewirkte Massenbelastung bewirkt wird. Nachteilig
ist dabei jedoch, dass neben der gewünschten Frequenzverschiebung auch
weitere Bauelementcharakteristika durch die Trimmschicht negativ
verändert
werden können.
Eine Kompensation dieser nachteiligen und unerwünschten Veränderungen ist bisher jedoch
nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Trimmverfahren anzugeben,
mit dem sich im Bauelement Auswirkungen von Fertigungstoleranzen
mit auf die Frequenz einer SAW-Struktur
kompensieren lassen, ohne dass weitere Eigenschaften des Bauelements
in unzulässiger
Weise verändert werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem
Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu
entnehmen.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass für viele negative Nebenwirkungen
bekannter Trimmverfahren eine Veränderung der Geometrie der Seitenkanten
der Metallisierung und insbesondere der Seitenkanten der Metallisierung
der Elektrodenfinger ursächlich
ist. Es wurde ein Trimmverfahren gefunden, welches die Seitenkanten
der Elektrodenfinger unverändert
lässt,
so dass sämtliche
Eigenschaften, die von der Kante der Elektrodenfinger abhängig sind,
unverändert
bleiben.
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Zur
Durchführung
des Verfahrens wird auf der Elektrodenfinger umfassenden strukturierten
Metallisierung des SAW Bauelements eine Trimmschicht so erzeugt,
dass seitliche Kanten, zumindest die der Elektrodenfinger, frei
von einer Belegung mit der Trimmschicht bleiben. In einem anschließenden Trimmprozess
wird nun die Schichtdicke der Trimmschicht kontinuierlich so verändert, bis
die gewünschte
Zielfrequenz im SAW Bauelement eingestellt ist.
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Vorteilhaft
ist, dass durch dieses Trimmverfahren die Seitenkanten der Elektrodenfinger
sowohl bezüglich
Geometrie als auch bezüglich
Material praktisch unverändert
bleiben, ebenso wie Elektrodenfingerbreite und damit auch Elektrodenfingerabstand.
Eine Veränderung
der Schichtdicke der oben auf der Metallisierung aufliegenden Trimmschicht wirkt
sich wesentlich stärker
auf die Frequenz aus als auf übrige
Eigenschaften des Bauelements. Somit können mit dem Trimmverfahren
Auswirkungen einer Fertigungstoleranz auf die erreichte Frequenz
kompensiert werden, ohne die übrigen
Eigenschaften des Bauelements unzulässig zu verändern.
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Unter
einer Metallisierung wird im Sinne der Erfindung zumindest eine
Schicht eines geeigneten Elektrodenmaterials verstanden. Die Metallisierung kann
aber auch mehrschichtig aufgebaut sein, wobei jede Teilschicht unabhängig von
der anderen ein Metall oder eine Legierung umfassen kann. Bevorzugt ist
eine Metallisierung auf der Basis von Aluminium oder einer aluminiumhaltigen
Legierung aufgebaut. Eine Metallisierung mit verbesserter Leistungsverträglichkeit
wird erhalten, wenn sie mehrschichtig aufgebaut ist und Kupfer oder
ein anderes Schwermetall enthaltende Teilschichten umfasst.
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In
einem SAW Bauelement umfasst diese ein- oder mehrschichtige Metallisierung
nach der Strukturierung als wichtigstes frequenzbestimmendes Element
zumindest einen Interdigitalwandler, welcher wiederum zwei ineinander
greifende Elektrodenkämmen
mit jeweils einer Mehrzahl von zueinander parallelen Elektrodenfingern
umfasst.
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Die
Strukturierung der Metallisierung zu Elektrodenfingern und Interdigitalwandlern
oder allgemein zu einer Metallisierungsstruktur erfolgt vorzugsweise
mit einem Lift-Off-Verfahren
aus einer ganzflächig
aufgebrachten Metallisierung. Infolge dieses Verfahrens weist die
Metallisierung Strukturen mit üblicherweise
rechteckigem Querschnitt auf. Möglich
ist es jedoch auch, dass die Seitenkanten der strukturierten Metallisierung
und insbesondere der Elektrodenfinger zum Substrat einen von 90
Grad abweichenden Kantenwinkel ausbilden. So ist es beispielsweise
möglich,
im Bedarfsfall mit einem geringeren Kantenwinkel die Reflexion am
Elektrodenfinger zu reduzieren.
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Herstellungsbedingt
weisen alle Elemente der strukturierten Metallisierung eine vom
Substrat wegweisende und zur Substratoberfläche parallele Oberseite auf,
auf der die Trimmschicht erzeugt wird.
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In
einer Ausführungsform
wird das Verfahren bei einem großflächigen piezoelektrischen Substrat eingesetzt.
Dabei werden mehrere SAW Einzel-Bauelemente auf ein und demselben
Substrat, insbesondere auf einem Wafer gefertigt und bereits auf
Waferebene getrimmt. Mit der Größe der Substratfläche steigen
auch die über
die Gesamtoberfläche
des Substrats auftretenden Toleranzen bezüglich der Frequenzgenauigkeit
der erzeugten SAW Strukturen an und können außerhalb des erlaubten Rahmens liegen.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird die Schichtdicke daher ortsselektiv bezüglich der
jeweiligen Koordinaten auf der Oberfläche des Substrats und in Abhängigkeit
von einer an dem jeweiligen Ort festgestellten spezifischen Fertigungstoleranz
verändert.
So gelingt es, eine über
die Fläche
variierende Fertigungstoleranz mit dem erfindungsgemäßen Trimmverfahren
so zu beheben, dass die Mehrzahl der Bauelemente auf die gewünschte Zielfrequenz
eingestellt werden kann.
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Für die Erfindung
ist es ohne Belang, auf welche Ursachen die Fertigungstoleranz zurückzuführen ist
und durch welche Ausprägung
der geometrischen Parameter sie verursacht wird. In allen Fällen kann
die Abweichung von der Zielfrequenz mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
sicher und ortsselektiv so behoben werden, dass übrige Eigenschaften des SAW
Bauelements oder der SAW Bauelemente davon weitgehend unberührt bleiben.
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In
einer bevorzugten Ausführung
des Verfahrens wird die Schichtdicke durch Behandlung mit einem
scannenden Ionenstrahl verändert.
Ein Ionenstrahl hat den Vorteil, dass er mit einem nur geringen Focus
auf die Oberfläche
des Substrats beziehungsweise der Metallisierung gerichtet werden
kann. Je geringer der Fokus an der Substratoberfläche, desto genauer
kann die Schichtdicke in Abhängigkeit
von der am Ort bestimmten Frequenzabweichung korrigiert werden.
Weiter hat der Ionenstrahl den Vorteil, dass seine geladenen reaktiven
Teilchen gerichtet und vertikal auf das Substrat bzw. die Trimmschicht einwirken
können,
so dass eine Bearbeitung ausschließlich der vom Substrat weg
weisenden Oberfläche
erfolgen kann.
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Eine
Schichtdickenveränderung
der Trimmschicht in Abhängigkeit
vom Einwirkort des Ionenstrahls wird über eine entsprechende Expositionszeit an
diesem Einwirkort eingestellt. Dies gelingt z. B. über eine
Einstellung der Geschwindigkeit, mit der der Ionenstrahl am jeweiligen
Ort über
die Substratoberfläche
geführt
wird.
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Die
Ionenstrahlbehandlung erlaubt erfindungsgemäß zwei prinzipiell unterschiedliche
Trimmverfahren. In einer ersten Variante des Verfahrens kann der
Ionenstrahl zum Abtragen einer bestehenden Trimmschicht verwendet
werden. In diesem Fall sind im Ionenstrahl chemisch reaktive Partikel
enthalten, die am Einwirkort eine chemische Reaktion mit dem Material
der Trimmschicht bewirken. Die reaktiven Partikel sind insbesondere
so gewählt,
dass sie mit dem Material der Trimmschicht vorzugsweise eine flüchtige Verbindung
bilden und so das Abtragen der Trimmschicht erleichtern. Der Abtrag
wird dabei über
die kinetische Energie der Teilchen unterstützt. Durch Variation der Zusammensetzung
des Ionenstrahls, insbesondere durch Variation der Zusammensetzung
der Atmosphäre
in der Ionenstrahlanlage kann die Ätzwirkung und die Selektivität beim Schichtabtrag
eingestellt werden. Ein Ionenstrahl mit geringerer Ätzwirkung
und damit geringen Abtragsraten kann die Genauigkeit des Abtrags
erhöhen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird das Ätzverfahren
in der Ionenstrahlanlage unter einer solchen Ätzatmosphäre und solchen Bedingungen
durchgeführt,
dass ein bestimmtes Ätzratenverhältnis bezüglich der Ätzung der
Trimmschicht und der neben und zwischen den Metallisierungsstrukturen
freiliegenden Substratoberfläche
erhalten wird. Es hat sich gezeigt, dass sich bei einem bestimmten Ätzratenverhältnis negative Veränderungen
der Bauelementeigenschaften weitgehend ausschließen lassen.
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Durch
den Abtrag von Substratmaterial wird zwischen den Metallisierungsstrukturen
eine Wanne im Substrat erzeugt, die einen zum Abtrag der Trimmschicht
gegenläufigen
Effekt erzeugt. In Abhängigkeit vom
eingestellten Ätzratenverhältnis kann
die Gesamthöhe
der aus Trimmschicht und Metallisierung umfassenden Struktur sogar
erhöht
werden. In der Regel wird aber der Höhenverlust durch den teilweisen
Abtrag der Trimmschicht nur teilweise kompensiert. Im durch die
Metallisierung abgedeckten und daher nicht geätzten Bereich der Substratoberfläche bildet
das Substrat eine Mesastruktur aus.
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Mit
der Einstellung des Ätzratenverhältnis erhält man so
einen weiteren Freiheitsgrad, um negative Auswirkungen des Trimmschichtabtrags
durch entsprechende Höhe
der ausgebildeten Mesastruktur zu kompensieren. Über eine solche Mesastruktur wird
einer Reduktion der akustischen Reflexion an der Seitenkante der
Metallisierungsstrukturen entgegengewirkt. Da diese ein wesentlicher
Parameter des SAW Bauelements ist, können über die Einstellung des Ätzratenverhältnis die übrigen Eigenschaften des
SAW Bauelements konstant gehalten werden.
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Eine
als Opferschicht dienende Trimmschicht kann insbesondere als SiO2 Schicht realisiert werden. Möglich ist
es jedoch auch, als Trimm- beziehungsweise Opferschicht eine Schicht
eines reaktiven Metalls aufzubringen. Unter reaktivem Metall wird
ein Metall verstanden, welches sich in einer Ionenstrahlanlage reaktiv
und vorzugsweise selektiv gegenüber
dem Material des Substrats abtragen lässt. Über die Auswahl eines geeigneten
Trimmschichtmaterials ist es zudem möglich, eine gewünschte Ätzselektivität beziehungsweise
ein Ätzratenverhältnis einzustellen.
Eine geeignete Trimmschicht kann beispielsweise eine Titanschicht
umfassen.
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In
einer Ausführung
wird eine SiO2 Schicht als Trimmschicht
beziehungsweise Opferschicht aufgebracht und in einer Argon und
eine gasförmige
Fluorverbindung umfassenden Atmosphäre mit dem Ionenstrahl geätzt. Aus
der Fluorverbindung werden im Ionenstrahl Fluoridionen freigesetzt,
die die SiO2 Schicht reaktiv abtragen können. Über den
Argonanteil in der Ätzatmosphäre kann
der physikalische Anteil der Ätzung
und damit die Ätzrate
eingestellt werden.
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Mit
Hilfe eines Ionenstrahls kann das Trimmverfahren auch in einer von
der oben beschriebenen Ausführung
grundsätzlich
verschiedenen Variante durchgeführt
werden. Die Trimmschicht kann erst mit dem Ionenstrahl bzw. unter
Einwirkung des Ionenstrahls erzeugt werden. Es erfolgt dabei kein
Abtrag sondern ein Aufbau der Trimmschicht, indem das Metall der
Metallisierung chemisch reaktiv in eine Metallverbindung, insbesondere
in ein Metalloxid überführt wird.
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In
einer Ausführung
des Trimmverfahrens wird eine Metallisierung, die zumindest als
oberste Schicht eine Aluminium haltige Schicht umfasst, mittels
des Ionenstrahls in einer Sauerstoff haltigen Atmosphäre in Aluminiumoxid überführt. Durch
entsprechende Führung
des Ionenstrahls gelingt auch hier eine anisotrope Verfahrensführung, so
dass eine oberste Teilschicht der Aluminium haltigen Schicht ausschließlich von
oben her, also von der vom Substrat weg weisenden Oberfläche her
in ihr Oxid überführt wird.
Dadurch kann eine Oxidbildung an den Seitenflächen der Metallisierung vermieden
werden. So bleiben auch bei dieser Verfahrensvariante die Seitenkanten
der Metallisierungsstrukturen und insbesondere die Seitenkanten
der Elektrodenfinger unverändert,
ebenso wie die dadurch bestimmten wesentliche Eigenschaften des
SAW Bauelements.
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Die
vorgeschlagene Erzeugung der Trimmschicht durch Überführen des Metalls der Metallisierung
in ein Oxid oder eine andere vorzugsweise inerte Verbindung führt nun
zu einer Erhöhung
der Massenbelastung. Da der Oxidanteil der erzeugten Struktur, umfassend
den Rest der unverändert
gebliebenen Metallisierungsstruktur und die gegenüber dem Metallanteil
eine geringere Reflektivität
aufweist, kann die durch Verringerung der Metallschichtdicke verminderte
Reflexion durch Erhöhung
der Oxidschichtdicke kompensiert werden. Für das bevorzugte Ausführungsbeispiel,
bei dem eine Aluminium haltige Metallisierung an der Oberfläche in Aluminiumoxid überführt wird,
wird durch die erwähnte
Kompensation der genannten zueinander gegenläufigen Effekte erreicht, dass
durch das Trimmverfahren die Eigenschaften des SAW Bauelements mit
Ausnahme der Frequenz erhalten bleiben. Mit einer Zunahme der Oxidschichtdicke
unter Einwirkung des Ionenstrahls, die die Abnahme der Metallisierungshöhe überkompensiert,
wird eine Reduktion der Frequenz erzielt. Da auch die Oxidbildung
an der Oberseite der Metallisierung von der Expositionszeit abhängig ist, kann
auch bei dieser Verfahrensvariante ein ortsselektives Trimmen durchgeführt werden,
mit dem eine über
die Oberfläche
des Substrats variierende Abweichung von einer Zielfrequenz behoben
wird. In diesem Fall ist die Höhe
der Metallisierungsstruktur vor Beginn des Trimmverfahrens auf einen
Wert eingestellt, der über
die gesamte Oberfläche
gesehen überall
zu einer zu hohen Frequenz am Ort führt. Die Dicke der erzeugten
Oxidschicht am jeweiligen Ort wird dann in Abhängigkeit von der an diesem
Ort vor der Durchführung
des Trimmverfahrens bestimmten Frequenzabweichung des SAW Bauelements
eingestellt.
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Um
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei
einem großflächigen Substrat,
insbesondere bei einem Wafer über
die gesamte Substratoberfläche gleichmäßige Eigenschaften
und insbesondere eine hohe Frequenzgenauigkeit zu erhalten, wird
der Ionenstrahlbehandlung eine Bestimmung der Frequenzabweichung
vorangestellt. Dazu ist es möglich, nach
der Herstellung der strukturierten Metallisierung bereits funktionsfähige SAW
Bauelemente mit elektrischen Testsignalen zu beaufschlagen und die
von den SAW Bauelementen erzeugten Ausgangssignale in einem Netzwerkanalysator
zu vermessen. Aus der an einem Ort auf der Substratoberfläche festgestellten
Abweichung von der gewünschten
Zielfrequenz kann dann anhand bekannter Vergleichswerte eine Expositionszeit
unter dem Ionenstrahl ermittelt werden, die zum Erzeugen einer Trimmschicht
genau der Schichtdicke ausreichend ist, die eine exakte Einstellung
der Zielfrequenz zur Folge hat.
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Die
Verteilung der Frequenzabweichungen von SAW Einzelbauelementen über die
gesamte Substratoberfläche
kann durch Vermessung einiger ausgewählter über die Oberfläche verteilter
SAW Einzel-Bauelemente bestimmt werden. Möglich ist es jedoch auch, sämtliche
Bauelemente zu vermessen und deren jeweilige Frequenzabweichung
von der Zielfrequenz festzustellen. Dies ist jedoch in der Regel
nicht erforderlich, da insbesondere Bauelemente mit Arbeitsfrequenzen
im Bereich von einem Gigahertz und mehr so geringe Dimensionen aufweisen, dass
der Focus des Ionenstrahls größer als
das einzelne Bauelement ist. Somit kann das Trimmverfahren zwar
nicht Bauelement-selektiv aber noch ausreichend ortsselektiv durchgeführt werden.
Der mit dem Trimmverfahren erreichbare Gradient an Frequenzkorrekturen
ist in der Regel größer als
der Gradient, mit dem sich die fertigungsbedingten Toleranzen über die
gesamte Oberfläche
verändern.
Dies bedeutet, dass normale Fertigungstoleranzen über ein großflächiges Substrat
hinweg sicher und genau kompensiert werden können.
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Eine
bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist eine
Gascluster-Ionenstrahlanlage. In einer solchen Anlage kann der Geschwindigkeitsvektor
der reaktiven Ionen besonders exakt und homogen eingestellt werden.
Damit wird eine hohe Anisotropie des Ionenstrahlverfahrens möglich, so
dass die Trimmschicht ausschließlich
auf der Oberseite der Metallisierungsstrukturen erzeugt wird. In
der Glascluster-Ionenstrahlanlage
kann außerdem die
Reaktivität
des Ionenstrahls und die Energie der Teilchen exakt eingestellt
werden.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren
näher erläutert. Die
Figuren dienen allein der Veranschaulichung des Verfahrens und sind
daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Dabei
können
auch einzelne Dimensionen verzerrt dargestellt sein, so dass den
Figuren auch keine relativen Maßangaben
zu entnehmen sind.
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1A und 1B zeigen
anhand eines schematischen Querschnitts eine Metallisierungsstruktur
samt Trimmschicht vor und nach der ersten Variante des Trimmverfahrens,
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2 zeigt
die Frequenzveränderung
einer SAW-Struktur in Abhängigkeit
von der Expositionszeit gegenüber
dem Ionenstrahl und damit der auf das Substrat einwirkenden Energie,
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3A und 3B zeigen
eine Metallisierungsstruktur vor und nach der zweiten Variante des Trimmverfahrens,
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4 zeigt
die Frequenzänderung
einer SAW-Struktur bei dieser zweiten Variante in Abhängigkeit
von der einwirkenden Energie für
verschiedene Prozessführungen,
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5 zeigt
in schematischer Draufsicht einen Substratwafer mit einer Vielzahl
von SAW Einzelbauelementen und möglichen
Teststellen zur Bestimmung einer Verteilung herstellungsbedingter
Frequenzabweichungen.
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1A zeigt
anhand eines schematischen Querschnitts ausschnittsweise eine Metallisierungsstruktur,
von der beispielhaft Querschnitte durch zwei auf einem Substrat
S angeordnete Elektrodenfinger dargestellt sind. Die Metallisierung
M weist eine Gesamthöhe
dM, auf und kann eine oder mehrere metallische
Teilschichten umfassen. Über
der Metallisierung M und gemeinsam mit dieser strukturiert ist eine Trimmschicht
TS mit einer anfänglichen
Schichtdicke dT angeordnet. Strukturierte
Metallisierung und strukturierte Trimmschicht bilden eine Elektrodenstruktur. Die
Metallisierungsstruktur ist vor Beginn des Trimmverfahrens fertig
strukturiert, weist aber eine zu niedrige Schichtdicke dM auf, und würde alleine die notwendige
Zielfrequenz überschreiten.
Die Schichtdicke dT der Trimmschicht TS
dagegen auf einen bewusst zu hoch liegenden Mindestwert eingestellt
und erzeugt zusammen mit der Schichtdicke dM der
Metallisierungsstruktur eine unter der Zielfrequenz des SAW Bauelements
beziehungsweise der jeweiligen SAW-Struktur liegende Frequenz.
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Nach
Bestimmung der Abweichung der Frequenz von der gewünschten
Zielfrequenz an ausgewählten
Orten auf dem Substrat wird für
ein gegebenes Ionenstrahlätzverfahren
die entsprechende Expositionszeit für jeden Ort auf dem Substrat
ermittelt. Anschließend
wird das Substrat mit einem vertikal auf die Substratoberfläche einwirkenden
Ionenstrahl so behandelt, dass die SAW-Struktur für die ermittelte
Expositionszeit dem Ionenstrahl ausgesetzt ist.
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In
der Folge der abtragenden Behandlung wird sowohl die Schichtdicke
der Trimmschicht TS reduziert, als auch zwischen den Metallisierungsstrukturen
das Substrat geätzt.
Beide Ätzschritte
erfolgen anisotrop und praktisch vertikal zur Substratoberfläche. Dabei
bleibt sowohl die Höhe
dM der Metallisierung M als auch die lateralen
Dimensionen der Metallisierungsstruktur unverändert. Die Höhe der Trimmschicht
TS reduziert sich um einen Betrag ΔdT,
während
die Substratschichtdicke durch die Ionenstrahlbehandlung um einen
Betrag ΔdS reduziert wird.
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Unterhalb
der Metallisierungsstrukturen verbleibt durch Abschattung gegenüber dem
Ionenstrahl eine mesaartige Substratstufe MS, die die Gesamthöhe dS der Struktur erhöht. Die gesamte entsprechend
der Metallisierungsstruktur strukturierte Struktur setzt sich zusammen
aus der mesaartigen Substratstufe MS, der Metallisierungsstruktur
M und der (in der Höhe
reduzierten) Trimmschicht TS'.
Die Reduktion der Schichtdicke ΔdT durch teilweisen Abtrag der Trimmschicht
wird durch die Wannenbildung im Substrat bzw. durch die mesaartige
Substratstufe MS somit zumindest teilweise kompensiert. Da die durch die Ätzung erzeugte
Substratstufe gegenüber
einer akustischen Welle eine Reflexion zeigt, die sich zur Reflexion
durch die Metallisierungsstruktur addiert, kann somit auch der durch
die Ätzung
der Trimmschicht bewirkte Massenverlust der Metallisierungsstruktur
und damit die verminderte Reflexion zumindest teilweise kompensiert
werden. Bei geeigneter Wahl eines Ätzratenverhältnisses für die Ätzung von Trimmstruktur und
Substrat kann die Reflexion an den Metallisierungsstrukturen nahezu
konstant gehalten werden.
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2 zeigt
die anhand von Teststrukturen ermittelten Frequenzänderungen
eines SAW Bauelements in ppm in Folge des Trimmverfahrens in Abhängigkeit
von der Expositionszeit, ausgedrückt
in der Energiedosis (Clusterionen pro cm2),
die mit dem Ionenstrahl auf das Substrat übertragen wird. Es zeigt sich
eine fast lineare Abhängigkeit.
Aus der Figur geht weiterhin hervor, dass mit dem erfindungsgemäßen Trimmverfahren
eine bezüglich
der Performance neutrale Frequenzänderung von mehreren Megahertz
möglich
ist.
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Das
Trimmverfahren wird vorzugsweise so optimiert, dass ein zu erwartender
Schichtdickenabtrag ΔdT der Trimmschicht TS, der mit einer aus
Vergleichsversuchen bekannten Energiedosis erreicht werden kann,
so bemessen wird, dass eine gute Einstellung der Zielfrequenz möglich ist.
Als Optimierungsziel wird eine vertretbare Expositionszeit gegen eine
maximale Einstellbarkeit abgewogen. In allen Fällen wird die Dicke dT der Trimmschicht TS vor dem Trimmverfahren
jedoch so ausreichend hoch eingestellt, dass die zu erwartenden
Fertigungstoleranzen bei allen Bauelementen zu Unterschreitungen
der Zielfrequenz führen,
die eine Reduzierung der Schichtdicke der Trimmschicht TS erfordern.
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3A zeigt
für die
zweite Verfahrensvariante einen schematischen Querschnitt durch
eine Metallisierungsstruktur M auf einem Substrat S vor dem Beginn
des Trimmverfahrens. Die Metallisierungsstruktur M umfasst dabei
im Wesentlichen zumindest eine Teilschicht eines elektrisch leitfähigen Metalles
und weist eine Höhe
von dM0 auf. Die SAW-Struktur, von der hier
stellvertretend Querschnitte durch zwei Elektrodenfinger dargestellt
sind, führt
zu einer Mittenfrequenz der SAW-Struktur, die überall oberhalb der gewünschten
Zielfrequenz liegt. Aus der für
die SAW-Struktur ortsabhängig
bestimmten Abweichung von der Zielfrequenz wird für jeden Ort
eine Expositionszeit für
ein gegebenes Ionenstrahlverfahren ermittelt. Anschließend wird
die Struktur einem Ionenstrahl ausgesetzt, der neben Edelgas auch
Sauerstoffionen umfasst und zu einer Oxidation der Metallisierungsstruktur
M führt.
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3B zeigt
die Anordnung nach der Exposition gegenüber dem Ionenstrahl. Die oxidative
Behandlung führt
dazu, dass sich eine Trimmschicht TS in Form einer Oxidschicht des
Metalls der obersten Teilschicht ausgebildet hat. In bevorzugtem
Ausführungsbeispiel
besteht die Metallisierungsstruktur M im Wesentlichen aus Aluminium,
das durch die Oxidation unter dem Ionenstrahl in eine im Wesentlichen aus
Aluminiumoxid bestehende Trimmschicht TS überführt wird.
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Im
Gegensatz zu dem in 1A und 1B dargestellten
Verfahren bleibt in dieser Variante das Substrat S unverändert. Die
Schichtdicke der Metallisierungsstruktur M reduziert sich von einem
ursprünglichen
Wert dM0 auf einen Wert dME,
wobei dieser Schichtdickenverlust ΔdM überkompensiert
wird durch die gegenüber
reinem Metall größere Dicke
dT der aufwachsenden Trimmschicht TS (ΔdM < dT).
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Mit
dem Verfahren erhöht
sich also die Massenbelastung aus Metallisierungsstruktur plus Trimmschicht
gegenüber
der reinen Metallisierungsstruktur vor dem Trimmverfahren. Die Reflexion
an der gesamten Metallisierungsstruktur samt Trimmschicht TS bleibt
dennoch nahezu unverändert.
Dies liegt darin, dass die auf die Schichtdicke einer reflektierenden
Struktur normierte Reflexion der Trimmschicht (Metalloxidschicht)
geringer ist als derjenige der Metallisierung M, wobei die Gesamtreflexion
von Metallisierung M und Trimmschicht TS zusammen etwa durch die
insgesamt höhere
Schichtdicke dS der gesamten Struktur erhalten
bleibt.
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4 zeigt
die mit dieser Verfahrensvariante des Trimmverfahrens erreichte
Frequenzänderung der
SAW-Struktur in ppm in Abhängigkeit
von einer über
die Expositionszeit eingestellten und auf das Substrat einwirkenden
Energiedosis (angegeben in Anzahl der Clusterionen pro cm2 Substratfläche). Es sind drei Kurven für verschiedene
Verfahrensvarianten dargestellt, die sich voneinander durch die
Zusammensetzung des Ionenstrahls und die in der Ionen strahlanlage
eingestellten physikalischen Bedingungen unterscheiden. In allen
Fällen
zeigt sich ein exponentielles Verhalten, wobei sich die Kurven mit zunehmender
Expositionszeit verflachen. Dies ist ganz einfach durch wachsende
Oxidschicht bedingt, die das Metall zunehmend gegenüber weiterer
Oxidbildung passiviert. Doch auch hier wird zu Beginn des Trimmverfahrens
eine ausreichend starke Änderung der
Frequenz bei moderater Energiedosis bewirkt. Auch hier gilt, dass
die aufgrund der Fertigungstoleranz und einer bewusst zu hoch hergestellten
Metallisierungsstruktur bewirkte Abweichung von der Zielfrequenz
in einem noch gut einstellbaren bzw. regelbaren Bereich liegt, in
dem die Kurve von 4 noch ausreichend Gefälle aufweist.
Erfindungsgemäß werden
zu große
Frequenzänderungen
vermieden, da deren Kompensation zum einen eine zu hohe Expositionszeit
erfordert und gegebenenfalls sogar außerhalb des mit dem Verfahren
im jeweiligen Beispiel erreichbaren Regelungsintervalls liegt.
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Mit
beiden Verfahrensvarianten gelingt es, die fertigungsbedingten Frequenzabweichungen
der Einzelbauelemente durch das Trimmverfahren zumindest zu halbieren.
So kann auch der Anteil der nicht brauchbaren Bauelemente zumindest
halbiert oder gar auf Null reduziert werden.
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5 zeigt
in schematischer Draufsicht eine beispielhafte Verteilung von Einzelbauelementen
BE auf einem als Wafer ausgebildeten Substrat S. In Abhängigkeit
von der Größe der Einzelbauelemente kann
auf dem Substrat S eine Vielzahl von Bauelementen BE parallel nebeneinander
gefertigt werden. Die gestrichelten Linien sind die gedachten Trennungslinien,
entlang derer die Einzelbauelemente später durch ein Trennverfahren
vereinzelt werden. In dem links unten vergrößerten Bild eines einzelnen Bauelements
BE ist stellvertretend für eine
Vielzahl möglicher
SAW Strukturen ein schematischer Eintorresonator dargestellt, dessen
wesentliche frequenzbestimmende Komponente ein Interdigitalwandler IDT
ist. Im Falle eines Resonators ist der Interdigitalwandler IDT beiderseits
von Reflektoren begrenzt. Der Interdigitalwandler IDT besteht hier
aus zwei kammartig ausgebildeten Elektroden, bei denen mehrere zueinander
parallele Elektrodenfinger mit einer gemeinsamen Anschlussleiste
verbunden sind. Wesentlich für
die Eigenschaften des Bauelements BE ist insbesondere der in der
Figur in horizontaler Richtung bestimmte Abstand der Fingermitte,
der der ungefähr
einer halben Wellenlänge
der mit dem Interdigitalwandler erzeugbaren akustischen Welle entspricht.
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Weiterhin
sind in der 5 durch Schraffierung mögliche Bauelemente
BE dargestellt, an denen stellvertretend für eine Messung sämtlicher
Bauelemente die Verteilung der Abweichung der Frequenzen der SAW
Bauelemente von einer gewünschten
Zielfrequenz ermittelt werden kann. Über diese stichprobenhaft an
relativ wenigen Bauelementen ermittelten Abweichungen können so
in einfacher Weise durch Interpolation Verteilung und Gradienten bestimmt
werden, mit denen sich die Frequenzabweichungen über das Substrat erstrecken.
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Für die anhand
der 1 und 2 dargestellte
erste Verfahrensvariante ist es wie gesagt maßgeblich, das Substratmaterial,
das Material der Trimmschicht und das Ionenstrahlätzverfahren
so aufeinander abzustimmen, dass zum Einen ein geeignetes Ätzratenverhältnis erhalten
wird, das mit den gegebenen Materialen von Metallisierungsstruktur,
Trimmschicht und Substrat auch nach Schichtdickenreduzierung der
Trimmschicht die Reflexion unverändert
lässt.
Dazu können
in Vorversuchen Teststrukturen erzeugt und Ätzverhältnissen ausgesetzt werden,
die unterschiedliche Ätzratenverhältnisse zur
Folge haben. Es werden auch Teststrukturen mit unterschiedlichen
Materialien für
die Trimmschicht TS betrachtet.
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Ein
bezüglich
aller Parameter optimales Verfahren kann auf die folgende Weise
gefunden werden. Eine jede Teststruktur wird mit einem vorgegebenen
Ionenstrahl unter gegebenen äußeren Bedingungen
behandelt. In einem ersten Versuch wird ein relativ zur gesamten
Schichtdicke der Trimmschicht TS hoher Anteil abgetragen. In einem
zweiten Versuch wird ein relativ zur Gesamtschichtdicke der Trimmschicht
geringer Anteil der Schichtdicke abgetragen. Die Ausgangsschichtdicke
wird dabei so eingestellt, dass im ersten Fall eine relativ niedrige
Restschichtdicke, im zweiten Fall dagegen eine relativ hohe Restschichtdicke
verbleibt. In beiden Fällen wird
die Reflexion vor und nach dem Trimmverfahren bestimmt. Je besser
diese in den beiden Versuchen übereinstimmt,
desto optimaler sind die Verfahrensparameter eingestellt. Die anfängliche
Schichtdicke der Trimmschicht kann dann so gewählt werden, dass eine als Passivierungsschicht
ausreichende Schichtdicke als Restschichtdicke der Trimmschicht nach
dem Trimmverfahren verbleibt und dass andererseits nicht zuviel
von der ursprünglichen
Schichtdicke abgetragen werden muss.
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Die
Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Vielmehr liegen alle Ionenstrahlbehandlungsverfahren und insbesondere
Trimmverfahren in Gascluster-Ionenstrahlanlagen im Rahmen der Erfindung,
die eine anisotrope Veränderung
der Dicke der Trimmschicht bewirken, wobei die Trimmschicht unter
dem Ionenstrahl abgetragen oder aufgebaut werden kann. Die ausschnittsweise
dargestellten Metallisierungsstrukturen und SAW Strukturen sind
nur schematisch zu sehen. Das Verfahren ist auf alle denkbaren SAW Bauelemente
anwendbar, die strukturierte Metallisierungen aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- M
- Metallisierungsstruktur
- S
- Substrat
- TS
- Trimmstruktur
- BE
- Bauelement
- IDT
- Interdigitalwandler
- dT
- Schichtdicke von TS
- dM0,
dME
- Anfangs- und Endschichtdicke
vom M
- dS
- Gesamtstrukturhöhe aus mesaartiger Substratstufe
(sofern vorhanden), Metallisierungsstruktur und Trimmstruktur
- ΔdS
- Änderung der Schichtdicke des
Substrats
- ΔdT
- Änderung der Schichtdicke der
Trimmstruktur
- MS
- mesaartige Substratstufe
- Δf
- Frequenzänderung
- E
- Energiedosis der Behandlung
in der Gasclusterionenanlage