DE102009019523B4 - Verfahren zum Trimmen eines SAW Bauelements - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Trimmen eines SAW Bauelements, welches eine Elektrodenfinger umfassende strukturierte Metallisierung aufweist, die auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet ist, bei dem auf der vom Substrat wegweisenden Oberseite der Metallisierung eine Trimmschicht so erzeugt wird, dass die Seitenkanten der Elektrodenfinger frei von der Trimmschicht bleiben, bei dem die Metallisierung und die Trimmschicht ganzflächig übereinander erzeugt und gemeinsam strukturiert werden, bei dem die Schichtdicke der Trimmschicht verändert und dadurch eine Zielfrequenz im SAW Bauelement eingestellt wird, bei dem die strukturierte Trimmschicht durch Ätzen mit einem Ionenstrahl in ihrer Schichtdicke reduziert wird, bei dem das Ätzverfahren in einer Ionenstrahlanlage unter einer Ätzatmosphäre durchgeführt wird, bei dem die Ätzbedingungen und die Ätzatmosphäre so eingestellt werden, dass neben der Ätzung der Trimmschicht parallel auch das Substrat geätzt wird, und bei dem über die gesamte Ätzdauer ein solches Ätzratenverhältnis bezüglich der Ätzung einer neben und zwischen der Metallisierung freiliegenden Substratoberfläche und der als Opferschicht dienenden Trimmschicht aufrecht erhalten wird, dass die akustische Reflexion an der Metallisierung nach dem Trimmverfahren weitgehend unverändert bleibt.

Description

• 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.
• 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.
• 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.
• Fertigungsbedingt kommt es bei der Herstellung von SAW Bauelementen zu Toleranzen und insbesondere zu Schichtdickenschwankungen 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.
• 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.
• 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.
• US 2002/0005676 A1 offenbart ein Verfahren zum Auf- und Abtragen geringer Materialmengen auf und von einer Oberfläche mittels eines Gasclusterionenstrahls. Das Verfahren eignet sich zur Einstellung einer Zielfrequenz eines SAW Bauelements.
• In DE 10115796 A1 wird ein Trimmverfahren beschrieben, bei dem mit einem Ionenstrahl scannend über ein SAW Bauelement gefahren wird, um Elektrodenmaterial zu entfernen.
• Weitere Trimmverfahren zur Einstellung der Betriebsfrequenz eines SAW-Bauelements sind aus DE 19854729 A1 und aus US 2002/0068230 A1 bekannt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Trimmverfahren anzugeben, mit dem sich im Bauelement Auswirkungen von Fertigungstoleranzen auf die Frequenz einer SAW-Struktur kompensieren lassen, ohne dass weitere Eigenschaften des Bauelements in unzulässiger Weise verändert werden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
• 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.
• 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.
• Erfindungsgemäß werden bei dem Verfahren die Metallisierung und die Trimmschicht ganzflächig übereinander erzeugt und gemeinsam strukturiert werden, die strukturierte Trimmschicht wird durch Ätzen mit einem Ionenstrahl in ihrer Schichtdicke reduziert, das Ätzverfahren wird in einer Ionenstrahlanlage unter einer Ätzatmosphäre durchgeführt, und die Ätzbedingungen und die Ätzatmosphäre werden so eingestellt, dass neben der Ätzung der Trimmschicht parallel auch das Substrat geätzt wird. Des Weiteren wird erfindungsgemäß über die gesamte Ätzdauer ein solches Ätzratenverhältnis bezüglich der Ätzung einer neben und zwischen der Metallisierung freiliegenden Substratoberfläche und der als Opferschicht dienenden Trimmschicht aufrecht erhalten, dass die akustische Reflexion an der Metallisierung nach dem Trimmverfahren weitgehend unverändert bleibt.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Herstellungsbedingt weisen alle Elemente der strukturierten Metallisierung eine vom Substrat wegweisende und zur Substratoberfläche parallele Oberseite auf, auf der die Trimmschicht erzeugt wird.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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 Fokus 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.
• 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.
• 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.
• Gemäß 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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 wesentlichen Eigenschaften des SAW Bauelements.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 1A und 1B zeigen anhand eines schematischen Querschnitts eine Metallisierungsstruktur samt Trimmschicht vor und nach der ersten Variante des Trimmverfahrens,
• 2 zeigt die Frequenzveränderung einer SAW-Struktur in Abhängigkeit von der Expositionszeit gegenüber dem Ionenstrahl und damit der auf das Substrat einwirkenden Energie,
• 3A und 3B zeigen eine Metallisierungsstruktur vor und nach der zweiten Variante des Trimmverfahrens,
• 4 zeigt die Frequenzänderung einer SAW-Struktur bei dieser zweiten Variante in Abhängigkeit von der einwirkenden Energie für verschiedene Prozessführungen,
• 5 zeigt in schematischer Draufsicht einen Substratwafer mit einer Vielzahl von SAW Einzelbauelementen und möglichen Teststellen zur Bestimmung einer Verteilung herstellungsbedingter Frequenzabweichungen.
• 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 d_M, 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 d_T angeordnet. Strukturierte Metallisierung und strukturierte Trimmschicht bilden eine Elektrodenstruktur. Die Metallisierungsstruktur ist vor Beginn des Trimmverfahrens fertig strukturiert, weist aber eine zu niedrige Schichtdicke d_M auf, und würde alleine die notwendige Zielfrequenz überschreiten. Die Schichtdicke d_T der Trimmschicht TS dagegen auf einen bewusst zu hoch liegenden Mindestwert eingestellt und erzeugt zusammen mit der Schichtdicke d_M der Metallisierungsstruktur eine unter der Zielfrequenz des SAW Bauelements beziehungsweise der jeweiligen SAW-Struktur liegende Frequenz.
• 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.
• 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 d_M der Metallisierung M als auch die lateralen Dimensionen der Metallisierungsstruktur unverändert. Die Höhe der Trimmschicht TS reduziert sich um einen Betrag Δd_T, während die Substratschichtdicke durch die Ionenstrahlbehandlung um einen Betrag Δd_S reduziert wird.
• Unterhalb der Metallisierungsstrukturen verbleibt durch Abschattung gegenüber dem Ionenstrahl eine mesaartige Substratstufe MS, die die Gesamthöhe d_S 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 Δd_T 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.
• 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.
• Das Trimmverfahren wird vorzugsweise so optimiert, dass ein zu erwartender Schichtdickenabtrag Δd_T 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 d_T 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.
• 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 d_M0 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.
• 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.
• 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 d_M0 auf einen Wert d_ME, wobei dieser Schichtdickenverlust Δd_M überkompensiert wird durch die gegenüber reinem Metall größere Dicke d_T der aufwachsenden Trimmschicht TS (Δd_M < d_T).
• 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 d_S der gesamten Struktur erhalten bleibt.
• 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 Ionenstrahlanlage 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Bezugszeichenliste

• M

  Metallisierungsstruktur

  S

  Substrat

  TS

  Trimmstruktur

  BE

  Bauelement

  IDT

  Interdigitalwandler

  d_T

  Schichtdicke von TS

  d_M0, d_ME

  Anfangs- und Endschichtdicke vom M

  d_S

  Gesamtstrukturhöhe aus mesaartiger Substratstufe (sofern vorhanden), Metallisierungsstruktur und Trimmstruktur

  Δd_S

  Änderung der Schichtdicke des Substrats

  Δd_T

  Änderung der Schichtdicke der Trimmstruktur

  MS

  mesaartige Substratstufe

  Δf

  Frequenzänderung

  E

  Energiedosis der Behandlung in der Gasclusterionenanlage

Claims (10)

1. Verfahren zum Trimmen eines SAW Bauelements, welches eine Elektrodenfinger umfassende strukturierte Metallisierung aufweist, die auf einem piezoelektrischen Substrat angeordnet ist, bei dem auf der vom Substrat wegweisenden Oberseite der Metallisierung eine Trimmschicht so erzeugt wird, dass die Seitenkanten der Elektrodenfinger frei von der Trimmschicht bleiben, bei dem die Metallisierung und die Trimmschicht ganzflächig übereinander erzeugt und gemeinsam strukturiert werden, bei dem die Schichtdicke der Trimmschicht verändert und dadurch eine Zielfrequenz im SAW Bauelement eingestellt wird, bei dem die strukturierte Trimmschicht durch Ätzen mit einem Ionenstrahl in ihrer Schichtdicke reduziert wird, bei dem das Ätzverfahren in einer Ionenstrahlanlage unter einer Ätzatmosphäre durchgeführt wird, bei dem die Ätzbedingungen und die Ätzatmosphäre so eingestellt werden, dass neben der Ätzung der Trimmschicht parallel auch das Substrat geätzt wird, und bei dem über die gesamte Ätzdauer ein solches Ätzratenverhältnis bezüglich der Ätzung einer neben und zwischen der Metallisierung freiliegenden Substratoberfläche und der als Opferschicht dienenden Trimmschicht aufrecht erhalten wird, dass die akustische Reflexion an der Metallisierung nach dem Trimmverfahren weitgehend unverändert bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein großflächiges Substrat eingesetzt wird, auf dem die strukturierte Metallisierung für mehrere nebeneinander angeordnet SAW Einzel-Bauelemente erzeugt wird, bei dem die Änderung der Schichtdicke der Trimmschicht selektiv bezüglich der jeweiligen Koordinaten auf der Oberfläche des Substrats und in Abhängigkeit von einer am jeweiligen Ort festgestellten spezifischen Fertigungstoleranz verändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schichtdicke der Trimmschicht durch scannendes Einwirken eines Ionenstrahls auf die Substratoberfläche verändert wird, bei dem eine an einem Einwirkort des Ionenstrahls gewünschte Änderung der Frequenz durch eine entsprechende Expositionszeit gegenüber dem Ionenstrahl an diesem Einwirkort bewirkt wird, wobei die Expositionszeit über die jeweilige Geschwindigkeit eingestellt wird, mit der das Substrat am jeweiligen Einwirkort unter dem Ionenstrahl vorbeigeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, bei dem als Trimmschicht vor der Strukturierung der Metallisierung eine SiO₂ Schicht oder eine Schicht eines reaktiven Metalls aufgebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem eine SiO₂ Schicht als Trimmschicht aufgebracht und in einer Argon und eine gasförmige Fluorverbindung umfassenden Atmosphäre mit dem Ionenstrahl geätzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, bei dem auf dem Substrat eine Metallisierung aufgebracht und strukturiert ist, die zumindest als oberste Schicht eine Aluminium haltige Schicht umfasst, bei dem das Substrat samt Metallisierung nach der Strukturierung in einer Ionenstrahlanlage und einer Sauerstoff haltigen Atmosphäre behandelt wird, wobei durch anisotrope Verfahrensführung eine Teilschicht der Aluminium haltigen Schicht so von oben her in eine als Trimmschicht dienende Aluminiumoxidschicht überführt wird, dass eine Oxidbildung an den Seitenflächen der Metallisierung vermieden wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, bei dem vor Beginn des Trimmverfahrens die Schichtdicke der strukturierten Metallisierung auf einen Mindestwert eingestellt ist, der an jedem Ort auf dem Substrat eine über der Zielfrequenz liegende Startfrequenz zur Folge hat, bei dem die Schichtdickenveränderung an jedem Ort auf dem Substrat selektiv so durchgeführt wird, dass eine der jeweiligen Zielfrequenz am Ort zugeordnete Schichtdicke der Trimmschicht erhalten wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, bei dem vor Beginn der Schichtdickenveränderung an jedem Ort auf der Oberfläche des Substrats die Abweichung von einer für den Ort vorgegebenen Zielfrequenz ermittelt wird, bei dem der ermittelten ortsselektiven Abweichung eine Expositionszeit zugeordnet wird, bei dem das Substrat samt der darauf angeordneten Metallisierung in einer Ionenstrahlanlage mit einem Ionenstrahl für die dem jeweiligen Ort zugeordneten Expositionszeit scannend behandelt wird, um am jeweiligen Ort die jeweilige Zielfrequenz zu erreichen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, bei dem die Schichtdickenveränderung in einer Gascluster-Ionenstrahl Anlage durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, bei dem eine strukturierte Metallisierung mit einer auf der vom Substrat weg weisenden Oberfläche aufgebrachten Trimmschicht eingesetzt wird, bei dem die Ätzbedingungen in der Ionenstrahlanlage bezüglich des Verhältnisses der Ätzrate des Piezomaterials des Substrats zur Ätzrate der als Opferschicht dienenden Trimmschicht in Vorversuchen optimiert werden, dass das Ausmaß der parallelen Ätzung des Piezomaterials zu einer Kompensation des negativen Effekts führt, der durch das Ätzen der Trimmschicht und die damit verbundene reduzierte Massenbelastung erhalten wird.

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