DE3043156A1

DE3043156A1 - Verfahren zum trimmen eines bauelementes fuer akustische oberflaechenwellen

Info

Publication number: DE3043156A1
Application number: DE19803043156
Authority: DE
Inventors: Peter Stanley Palo Alto Calif. Cross; William Robert Sunnyvale Calif. Shreve
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1980-01-21
Filing date: 1980-11-15
Publication date: 1981-07-23
Also published as: GB2069277B; FR2474256A1; FR2474256B1; JPS56103513A; GB2069277A; US4278492A

Description

Int.Az.: Case 1412 ~ I³· November 1980

Hewlett-Packard Company

VERFAHREN ZUM TRIMMEN EINES BAUELEMENTES FÜR AKUSTISCHE

OBERFLÄCHENWELLEN

Bauelemente für akustische Oberflächenwellen werden vielfach angewandt in Nachrichtenübertragungssystemen und anderen elektronischen Geräten, die sehr schmal bandige Filter benötigen, z.B. Bandpaßfilter oder Steuerelemente für Oszillatorfrequenzen.

Solche Oberflächenschwinger weisen typischerweise ein Substrat auf, auf welches ein oder mehrere präzise geformte und positionierte ineinandergreifende elektroakustische Wandler aufgebracht sind und oft auch Felder von präzise positionierten geätzten Rillen. Ein derartiges Element ist z.B. in der US-PS 4 144 507 beschrieben.

Die Anwendung solcher Oberflächenschwinger ist jedoch von Schwierigkeiten begleitet. Diese rühren daher, daß jede Veränderung in der Rillentiefe, der Dicke des Wandlermetalls oder der Linienbreite eine Verschiebung der Mittel frequenz bewirkt und die Form der übertragungsfunktion des Filters wesentlich ändert. D.h. mit anderen Worten, daß bekannte Bauelemente für akustische Oberflächenwellen eine unrichtige Mittel frequenz zeigen können und außerdem ungeeignet sein können wegen hoher Betriebsdämpfung und/oder des Vorhandenseins einer starken Störwelle.

Zur Lösung dieser Probleme ist es bekannt, die Bauelemente nach ihrer Herstellung zu "trimmen". Bisher werden verschiedene Trimm-Methoden angewandt, jedoch haben alle ernstliche Nachteile. Ein Beispiel ist die Verwendung eines dielektrischen Überzugs, wobei ein dielektrischer Überzug, z.B. ZnO zum Trimmen verwendet wird. Die Verwendung eines Überzuges verschlech-

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tert jedoch sowohl den Gütefaktor als auch die Langzeitstabilität des Bauelementes (siehe z.B. Proc. 1977 Ultrasonic Symposium, Seiten 857 bis 861.)

Ein anderes Beispiel ist die Benutzung eines zusätzlichen Wandlers.

Dabei wird das Trimmen durch Benutzung eines zusätzlichen elektroakustischen Wandlers innerhalb des Resonanzhohlraums des Bauelementes erreicht. Mit dieser Methode ergibt sich jedoch auf weichkoppelnden Materialien wie Quarz ein ungenügender Trimmbereich. Außerdem treten verstärkt Störresonanzen im Bauelement auf. (Siehe z.B. Applied Physics Letters 28 (Januar 1976) Seiten 1 bis 3 und Proc. 1976 Ultrasonic Symposium, Seiten 272 bis 276).

Weiterhin wird eine Lasertechnik zum Trimmen benutzt. Dabei wird mittels eines Lasers so viel Material verdampft, daß sich die Charakteristik des Bauelementes ändert. Die Einsatzmöglichkeit dieser Technik ist jedoch beschränkt. Sie eignet sich nur zum Trimmen von Bauelementen mit Metallreflektoren, die ihrerseits wiederum den Gütefaktor des Bauelementes verringern. (Siehe z.B. Proc. 1976 Ultrasonic Symposium, Seiten 706 bis 713).

Ein weiteres Trimmverfahren arbeitet mit chemischer Naßätzung.

Dabei wird das Bauelement dadurch getrimmt, daß es in ein Salzsäurebad eingetaucht wird, wobei Metali des Wandlermaterials weggeätzt wird. Dieses Verfahren ist jedoch üblicherweise für die Erzielung reproduzierbarer Ergebnisse ungenügend steuerbar. Die Ungewißheiten in der fitzgeschwindigkeit und die Unmöglichkeit direkter Überwachung der Frequenz während des Trimmprozesses verhindern eine wirksame Steuerung bei diesem Verfahren.

Schließlich gibt es noch ein Trimmverfahren mittels Rillenmaskierung. Dabei wird die Tiefe der Reflektorrillen im Bau-

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element getrimmt, wobei jedoch das Substratmaterial zwischen den Elektroden nicht getrimmt wird. (Siehe z.B. IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Band SU-26, Nr. 2, März 1979, Seiten 93 _χ bis 104). Bei dieser Technik ist es erforderlich, daß eine Gitter-'—

Q)Ji maske für die Rillen, z.B. aus lichtempfindlichen Material oder Metall während des Trimmens auf der Oberfläche des Bauelementes verbleibt. Die anschließende Entfernung der Maske führt jedoch üblicherweise zu einer ungewissen Frequenzverschiebung im Bauelement, wodurch der ursprüngliche Trimmprozess zu einem großen Teil wieder aufgehoben wird. (Siehe z.B. Proc. 1975 Ultrasonic Symposium, Seiten 279 bis 283 und Proc. 31st Frequency Control Symposium (1977) Seiten 246 bis 250).

Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß nach dem Stand der Technik noch ein geeignetes Verfahren zum Herstellen von akustischen Oberflächenschwingern mit vorgegebener Mittel frequenz fehlt, was bisher die breite Anwendung solcher Bauelemente verhindert hat. Der Erfindung gemäß Anspruch 1 liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches geeignetes Verfahren anzugeben.

Erfindungsgemäß ist ein Trimmverfahren vorgesehen, bei dem die akustische Geschwindigkeit und Reflexivität der elektroakustischen Eingabe- und Ausgabewandler eines Bauelementes für akustische Oberflächenwellen dadurch verändert werden, daß die Metall elektroden oder alternativ dazu das Substratmaterial einschließlich des Substratmaterials zwischen den Elektroden ohne Benutzung einer Maske trocken geätzt werden. Außerdem kann das Bauelement während des Trimmprozesses elektrisch betrieben und überwacht werden.

Ein Bauelement für akustische Oberflächenwellen besteht grundsätzlich aus einem oder mehreren ineinandergeschachtelten elektroakustisehen Wandlern, die typischerweise aus Aluminium

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bestehen und auf ein Substrat, typischerweise Quarz, aufgebracht

flächen
sind. Ein akustischer OberweH-easchwinger besteht weiterhin aus zwei einen Hohlraum bildenden reflektierenden Feldern, den "Reflektoren" des Elementes. Die Geometrie des Bauelementes legt für ein gegebenes Substratmaterial die Reflektorperiode fest, während die Wandlerkonfiguration und der Abstand zwischen den beiden Reflektoren die Mittel frequenz grob festlegen.

Unterwirft man das fertiggestellte Bauelement einem steuerbaren Trockenätzprozess, in welchem selektiv das Substratmaterial, nicht jedoch das Wandlermaterial geätzt wird, läßt sich ein Absinken der Mittel frequenz des Bauelementes um mehrere 100 ppm erreichen. Während eines solchen Prozesses werden die Stege und Mulden in den Reflektorrillen im wesentlichen gleichförmig geätzt, ohne daß die Eigenschaften des Reflektors beeinträchtigt werden. Im Wandlerbereich wird jedoch das Substratmaterial zwischen den Elektroden geätzt, was zu einer Erhöhung der akustischen Reflexionen, einem Absinken der akustischen Geschwindigkeit und damit verbunden zu einem Absinken der Mittelfrequenz führt. Die Ergebnisse dieses Prozesses sind in Figur dargestellt. Alternativ dazu kann die Mittel frequenz auch angehoben werden, indem ein geeignetes Ätzmittel gewählt wird, so daß das Metall des Wandlers abgeätzt wird, im wesentlichen aber nicht das Substratmaterial. Auf diese Weise läßt sich ein sehr exaktes Trimmen eines fertigen Bauelementes für akustische Oberflächenwellen erreichen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

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Figur 1 eine Vorrichtung zum Trimmen von Bauelementen für akustische Oberflächenwellen, wobei diese überwacht werden;

Figur 2 eine Draufsicht auf das Bauelement in Figur 1, wobei Drähte auf Pfosten geschweißt sind;

Figur 3 eine Seitenansicht des Bauelementes gemäß Figur 2; und

Figur 4 einen schematischen Querschnitt durch ein Bauelement für akustische Oberflächenwellen, wobei die Bereiche erkennbar sind, die getrimmt werden.

In der Vorrichtung nach Figur 1 enthält ein luftdichter Behälter 110 ein Bauelement 120 für akustische Oberflächenwellen zwischen einer ersten Elektrodenplatte 130 und einer zweiten Elektrodenplatte 140. Das Bauelement 120 ist aus einem Substrat aus piezoelektrischen Material hergestellt und enthält einen oder mehrere elektroakustische Wandler 150 aus Elektrodenmaterial. Ein erster Leiter 160 verbindet eine Eingangselektrode 150A des Wandlers 150 mit einer Ansteuereinrichtung 170, z.B. einem Hochfrequenz-Signal generator, für das Bauelement. Ein zweiter Leiter 180 verbindet eine Ausgangselektrode 150B des Wandlers 150mit einem Überwachungsinstrument 190, welches Frequenzcharakteristiken wie Resonanzfrequenz, Leistung und ähnliches messen kann. Das überwachungsinstrument 190 erlaubt ein dichtes und kontinuierliches überwachen der Frequenzcharakteristiken des Bauelementes während des gesamten Trimmprozesses. Ein dritter Leiter 200 verbindet die zweite Elektrodenplatte 140 mit einer Vorspannungseinrichtung 210, z.B. einem Hochfrequenz-Versorgungsteil. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt das Ätzen mittels eines selektiv-reaktiven

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Zerstäubungsätzprozesses, wie er in der US-PS 3 971 684 allgemein beschrieben ist. Ein chemisch reaktives Ätzgas, dessen Ionen im wesentlichen nur mit entweder dem Substratmaterial oder dem Elektrodenmaterial des Resonatorelementes reagieren, wird dann in den Behälter 110 eingelassen. Zum Beispiel ätzt ein Ätzgas aus der Gruppe der fluorierten Kohlenwasserstoffe, z.B. CF₄, ein Substratmaterial wie Quarz annähernd zehnmal schneller als ein Material wie Aluminium, welches für die Wandlerelektroden verwendet wird. Für Trimmzwecke ist dieser Unterschied in der Ätzgeschwindigkeit im wesentlichen äquivalent mit einer selektiven Ätzung. In ähnlicher Weise ätzt ein Ätzgas aus der Gruppe der chlorierten Kohlenwasserstoffe, z.B. CCl. oder CF₃Cl, die Wandlerelektroden aus Aluminium etwa zehnmal schneller als Materialien wie Quarz. Auch hier kann man das verschieden schnelle Ätzen als im wesentlichen selektives Ätzen betrachten.

Die Ansteuervorrichtung 170 wird eingeschaltet, so daß das Bauelement 120 bei seiner Mittel frequenz arbeitet. Während das Bauelement arbeitet, wird die Vorspannungseinrichtung 210 aktiviert, so daß das Ätzgas zwischen den Elektrodenplatten 130 und 140 innerhalb der Umhüllung 110 ionisiert wird. Die Ionen in der Nachbarschaft des Bauelementes 120 reagieren chemisch mit der Oberfläche des Bauelementes 120, so daß Oberflächenmaterial abgeätzt wird. Durch Benutzung eines für Trimmzwecke geeigneten Ätzgases wird im wesentlichen entweder das Substratmaterial des Bauelementes oder das Elektrodenmaterial abgeätzt. Bei Ätzung des Substratmaterial es gemäß Figur 4 werden die Stege 210 und die Mulden 220 sowie das Substratmaterial 230 zwischen den Elektroden 240 gleichförmig geätzt.

Während des Trimmprozesses zeigt das Überwachungsinstrument 190 ununterbrochen die Ergebnisse des laufenden Ätzvorganges an. Wenn die richtige Materialmenge weggeätzt worden ist und die gewünschte Mittel frequenz und andere Frequenzcharakteristiken

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des Bauelementes, z.B. die richtige Form der Filtercharakteristik, erreicht sind, wird die Vorspannungseinrichtung 210 sofort abgeschaltet, und das Ätzen wird beendet. Das so behandelte Bauelement ist ein präzise abgestimmter Resonator mit den gewünschten elekirischen Charakteristiken.

Die vorbeschriebene Trimm-Methode hat mehrere wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Diese Vorteile sind u.a.:

1. Das Verfahren ist sehr einfach, da keinerlei Maskierung erforderlich ist.
2. Es ist keine Nachbehandlung nach dem Trimmen erforderlich., so daß anschließende ungewünschte Frequenzverschiebungen auf ein Minimum beschränkt werden.

3. Das Bauelement ist während des Trimmens funktionsfähig, so daß ein unmittelbares überwachen (in situ) leicht möglich ist.

4. Wird zusammen mit dem Ätzgas etwas Sauerstoff zugeführt, dient der Ätzprozess zusätzlich zum Entfernen organischer Verunreinigungen und zum teilweisen Anodisieren des Aluminiums, was zu einer verbesserten Langzeitstabilität des Bauelementes führt.

5. Das Trimmen kann gleichzeitig bei allen Bauelementen auf einer Platte (oder mehreren Platten) erfolgen, oder, falls gewünscht, bei bereits in Gehäuse eingebetteten Bauelementen unmittelbar vor deren Versiegelung.

Es ist zu beachten, daß dieses Verfahren einen breiten Anwendungsbereich hat und auch bei anderen Bauelementkonfigurationen verwendbar ist, z.B. Zwei pol-Resonatoren, Mehrfachhohlraum-Resonatoren elektroakustischen Wandlern mit zurückspringendem Elektrode, Trans

versalfiltern und Korrelatoren.

nachträglich geändert

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

erfahren zum Trimmen eines Bauelementes für akustische Oberfl ächenwell en mit einem Substrat aus einem piezoelektrischen Material und darauf aufgebrachtem Elektrodenmaterial, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial (240) oder das Substratmaterial (210, 220, 230) zwischen den Elektroden selektiv trocken geätzt wird, so daß sich die Mittelfrequenz des Bauelementes ändert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (120) während des Ätzens bei seiner Mittel frequenz betrieben wird und diese überwacht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bauelement ein Quarzsubstrat und eine Vielzahl von Aluminiumelektroden aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in einen das Bauelement (120) enthaltenden Behälter (110) ein chemisch reaktives Ätzgas eingeleitet wird, dessen Ionen im wesentlichen nur entweder den Quarz oder das Aluminium ätzen, daß mittels einer Ionisiereinrichtung (130, 140, 210) in dem Behälter in der Nachbarschaft des Bauelementes das Ätzgas ionisiert wird, und daß die Ionisiereinrichtung abgeschaltet wird, wenn die gewünschte Mittel frequenz erreicht ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzei c h n e t, daß mittels des Ätzgases im wesentlichen selektiv das Elektrodenmaterial (240) abgeätzt wird, so daß sich die Mittel frequenz des Bauelementes (120) erhöht.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Ätzgases im wesentlichen selektiv das Substratmaterial (210, 220, 230) abgeätzt wird, so daß

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sich die Mittel frequenz des Bauelementes (120) verringert.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß das Ätzgas eine Chlorverbindung ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzei ch net, daß das Ätzgas eine Fluorverbindung ist.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzei ch net, daß das Ätzgas CF₄, CHF., oder SF_ß ist.
9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß das Ätzgas CCl» oder CF₃Cl₃ ist.

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