DE4420347A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abgleich von elektronischen Bauelementen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abgleich von elektronischen Bauelementen, welche aus einem Substrat und mindestens einer darauf ange­ ordneten Schicht bestehen und bei welchen der Parameterab­ gleich durch Materialabtragung erfolgt.

Die Erfindung ist anwendbar insbesondere bei der Herstel­ lung von Oberflächenwellenbauelementen.

Derartige Oberflächenwellenbauelemente bestehen beispiels­ weise aus einem Substrat aus Quarz und einer auf der Ober­ fläche des Substrats aufgebrachten Interdigital-Wandler­ struktur aus Aluminium.

Die im Herstellungsprozeß aufgebrachte Struktur in ihrer geometrischen Auslegung und in ihrer Dicke bestimmt dabei die Eigenschaften des elektronischen Bauelementes. Für hochfrequente Bauelemente sind hinsichtlich der elektri­ schen Eigenschaften insbesondere Parameter wie Frequenz­ lage, Güte, Dämpfung und Gruppenlaufzeit von entscheidender Bedeutung. Diese Parameter werden im Herstellungsprozeß durch das Layout und die. Schichtdicke eingestellt. Bei hochfrequenter Frequenzlage ist deren genaue Einstellung technologisch jedoch sehr schwierig, weil beispielsweise bereits Änderungen der Schichtdicke im nm Querschnittbereich zu wesentlichen Änderungen in der Frequenzlage führen. Des­ halb ist ein Abgleich dieser Strukturen zur Herstellung hochgenauer elektronischer Bauelemente notwendig.

Für die Durchführung dieses Abgleiches ist es bekannt, daß sich durch Verringerung der Schichtdicke der Metallschicht die Frequenz nachträglich erhöhen läßt, ein Vertiefen der Gruben zwischen den Metallschichtstegen bewirkt eine Sen­ kung der Frequenz.

Die Fertigungsprozesse gemäß dem bekannten Stand der Tech­ nik berücksichtigen die Frequenzschwankungen im Herstel­ lungsprozeß dadurch, daß alle Bauelemente mit einer leicht erhöhten Frequenz gefertigt und durch Messen jedes einzel­ nen Bauelementes in klassengleicher Frequenz sortiert wer­ den. Diese Klassen werden nachfolgend gezielt in einer Plasmaätzanlage nachgearbeitet, wobei mittels eines CF₄- Plasmas das Substrat zwischen den Strukturen angeätzt wird, so daß sich die gewünschte Mittenfrequenz einstellt.

Dieser bekannte Stand der Technik wird in der DD 2 82 146 A7 zusammenfassend beschrieben. Zum Plasmaätzen von ebenen Substraten sowie zur Abscheidung von dünnen Schichten in einer Glimmentladung werden danach im allgemeinen Planarre­ aktoren eingesetzt, in denen sich zwei ebene Elektroden im Abstand von etwa 5 bis 100 mm gegenüber stehen. Die zu be­ arbeitenden Substrate liegen auf einer Elektrode direkt auf.

Beim üblichen Arbeitsdruck der Glimmentladung von 10 bis 200 Pa bilden sich zwischen den Elektroden unterschiedlich leuchtende Entladungsbereiche aus, in denen sich die für die chemische Reaktion zum Ätzen oder Schichtbilden notwen­ digen energiereichen, neutralen und elektrisch geladenen Teilchen befinden. Die Reaktion auf dem Substrat wird dabei wesentlich von den Transportvorgängen beim Heranführen des Ausgangsgases aus dem Puffervolumen der Reaktionskammer in den Zwischenraum zwischen den Elektrodenplatten und dem Ab­ leiten der gasförmigen Reaktionsprodukte bestimmt. Das zeigt sich in der häufig beobachteten Inhomogenität des Ätzangriffes bzw. der Schichtbildung in unterschiedlichen Bereichen auf der Elektrodenfläche längs der Gasbewegung.

Es wurde deshalb bereits vorgeschlagen, eine Elektrode gas­ durchlässig zu gestalten oder das Arbeitsgas durch seitlich angebrachte Gasführungskanäle einzuleiten. Durch solche An­ ordnungen kann Homogenität jedoch nur für ein bestimmtes Entladungsregime erreicht werden, da der Gastransport durch Strömung und Diffusion vom Absolutdruck abhängt. Von den Substrateigenschaften abgeleitete optimale Behandlungsbe­ dingungen können nicht eingesetzt werden. Die chemischen Reaktionen beim Plasmaätzen und bei der plasmagestützten Schichtabscheidung werden im wesentlichen von energierei­ chen Ionen getragen. Diese führen beim Auftreffen auf die dem Substrat gegenüberliegende Elektrode oder auf in gerin­ gen Abstand zum Substrat befindlicher Teile der Reaktions­ kammer zur Zerstäubung der Elektroden bzw. des Wandmateri­ als. Dieses Material nimmt an der Plasmareaktion teil und führt zu unerwünschten Ablagerungen auf dem Substrat. Sol­ che Ablagerungen und chemischen Verunreinigungen können die Schichteigenschaften von im Plasma abgeschiedenen Schichten stark verändern. Sie erzeugen weiterhin eine sehr feste und chemisch beständige Bedeckung des Ätzgrundes plasmageätzter Strukturen, die weitere Prozeßschritte, z. B. innerhalb der Mikroelektroniktechnologie, erheblich stört.

Die das Substrat über weite Bereiche in geringem Abstand überdeckende Gegenelektrode verhindert darüber hinaus in den bekannten Plasmaanordnungen eine Sichtkontrolle der Substrate während der Plasmabehandlung.

Die Weiterentwicklung diese Plasmaätzverfahren gemäß der DD 2 82 146 A7 zielt darauf hin, die Ätz- und Abschaltebedin­ gungen so zu verändern, daß die Qualität der abgeschiedenen Schicht bzw. des Ätzprozesses verbessert wird und gleich­ zeitig eine Prozeßkontrolle möglich ist.

Nachteilig ist jedoch weiterhin neben der ungenügenden Be­ seitigung der genannten Mängel bei all den bekannten Plas­ maätzverfahren, daß eine Bearbeitung der Bauelemente nur über die Gesamtfläche möglich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrun­ de, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche mit relativ einfachen Mitteln einen hochgenauen Frequenz­ abgleich von elektronischen Bauelementen gewährleisten und eine Bearbeitung von Teilflächen der elektronischen Bauele­ mente ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den kenn­ zeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 12 in Verbindung mit den Merkmalen im Oberbegriff. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß zum Abgleich der aus einem Substrat und mindestens einer darauf angeordneten Schicht bestehenden elektronischen Bauele­ mente, im Gegensatz zu den bekannten Verfahren des Plas­ maätzens, die Schichten direkt abgetragen und nicht ledig­ lich das Substratmaterial gezielt bearbeitet wird.

Der Materialabtrag der Schichten erfolgt dabei durch die Einwirkung mindestens eines Laserstrahls mit definierter Wellenlänge, wobei die Oberfläche der abzutragenden Schich­ ten in einem definierten Abstand unterhalb des Fokuspunktes des Laserstrahls bzw. der Laserstrahlen angeordnet ist.

Ein effektiver Verfahrensablauf wird dadurch realisiert, daß die Wellenlänge der Laserstrahlung im Bereich von 193 bis 1.500 nm liegt und die eingestrahlte Energie so groß ist, daß die eingestrahlte Energie gerade ausreicht, um die Dicke der Schicht in feinsten Bearbeitungsschritten abzu­ dünnen. Der Abstand der Oberflächen der abzutragenden Schichten zum Fokuspunkt der Laserstrahlen beträgt 0,5 mm bis 2,5 mm.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Materialabtrag für bestimmte Anwendungsfälle nur an defi­ nierten Stellen der Schichten erfolgen kann und eine schrittweise Materialabtragung möglich ist, wobei entweder die abzutragende Materialschicht schrittweise unter dem feststehenden Laserstrahl bewegt wird oder der Laserstrahl schrittweise über die feststehende Materialschicht geführt wird. Durch die gezielte Bearbeitung von Teilflächen auf der Bauelementestruktur ergibt sich die Möglichkeit, nur an bestimmten Stellen des Bauelementes eine Bearbeitung vorzu­ nehmen, während andere Bereiche ohne Bearbeitung verblei­ ben. Dadurch können die Eigenschaften bestimmter Teilflä­ chen in der Wellenausbreitung beeinflußt werden, während andere Bereiche die bisherigen Eigenschaften beibehalten, oder durch das Zusammenspiel beider Gebiete sich die Eigen­ schaften des gesamten Bauelementes ändern.

Eine vorteilhafte und preiswerte gerätetechnische Realisie­ rungsvariante der Abgleichvorrichtung ist dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Laser einen Laserstrahl aussendet, wel­ cher eine Blende passiert und von einem Spiegel abgelenkt und mittels eine Objektives fokussiert wird. Die einge­ strahlte Energie wird dabei durch die Veränderung des Fo­ kuspunktes so eingestellt, daß die Schicht in feinsten Be­ arbeitungsschritten abgedünnt werden kann. Bei einer Alumi­ niumschicht mit einer Schichtdicke von ca. 300 nm liegt die Bearbeitungsebene im Bereich von 0, 5 bis 2, 5 mm unterhalb der Fokusebene.

Als Laser gelangt vorteilhafterweise ein Stickstoff-Impuls­ gaslaser zum Einsatz, welcher eine Ausgangsenergie von 5 mJ und eine Impulsdauer von ca. 10 ns aufweist und bei einer Wellenlänge von 337 nm arbeitet.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Einwirkung der Laserstrahlung auf das elektronische Bau­ element,

Fig. 2 die typische Struktur eines Resonatorfilters,

Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau der Laserabgleichvor­ richtung,

Fig. 4 eine Ausschnittsdarstellung des Arbeitsberei­ ches des Laserstrahls,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des durch den La­ serstrahl abgetragenen Schichtmaterials,

Fig. 6 ein Diagramm der Mittenfrequenzänderung in Ab­ hängigkeit von den Schritten der Laserbearbei­ tung.

Wie in Fig. 1 dargestellt erfolgt der Abgleich an einem akustischen Oberflächenwellenbauelement durch Material ab­ tragung von auf einem Substrat 8 aufgebrachten Schichten 7 mittels Laserstrahl 2. Die Schichten 7 bestehen im vorlie­ genden Ausführungsbeispiel aus Aluminium und realisieren eine Interdigital-Wandlerstruktur, wie sie in Fig. 2 sche­ matisch dargestellt ist. Das Substrat 8 besteht aus Quarz. Die Reflektoren 10a, 10b, 10c und 10d begrenzen die Inter­ digital-Wandler 11a und 11b, wobei die Interdigital-Wandler 11a und 11b, die mit dem Laserstrahl 2 bearbeiteten festge­ legten Felder 12a, 12b, . . . 12n aufweisen.

Durch die Einwirkung des Laserstrahls 2 wird ein flächen­ hafter Abtrag der Aluminiumschicht 7 erreicht, ohne daß da­ durch das Substrat 8 bei der Lasereinstrahlung gezielt be­ schädigt wird. Grundlage für den Abgleich ist die Festle­ gung der vom Laser ausgesandten Wellenlänge. Diese wird so dimensioniert, daß für des Substratmaterial Transparenz besteht und für die Aluminium-Metallschicht eine hohe Ab­ sorbtion gegeben ist. Dies ist gemäß der hier vorliegenden Bauelemente-Parameter bei einer Wellenlänge zwischen 193 und 1.500 nm gegeben.

Zur Anwendung kommt im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Stickstoff-Impulsgaslaser 1 mit einer Ausgangsenergie von 5 mJ und einer Impulsdauer von etwa 10 ns. Dieser Laser 1 ar­ beitet bei einer Wellenlänge von 337 nm. Der Aufbau der La­ seranordnung ist dabei aus Fig. 3 zu entnehmen. Hierbei passiert der Laserstrahl 2 zunächst eine Blende 3 in Form eines veränderbaren Spaltes, wird danach durch einen 45°- Spiegel 4 abgelenkt und trifft in ein Fokussierungsobjektiv 5. Unterhalb des Objektes 5 bildet sich entsprechend der Brennweite die Fokusebene 9a aus.

Anstelle des Stickstoff-Impulsgaslasers ist jedoch auch der Einsatz weiterer Laserapparaturen, so z. B. von Excimerla­ sern oder Lasern mit Energieabschwächern zur genauen Anpas­ sung der eingestrahlten Energie möglich.

Der Abgleichvorgang selbst wird so ausgeführt, daß sich während der Lasereinstrahlung die Oberfläche 6 der abzutra­ genden Materialschicht 7, wie in Fig. 4 dargestellt, nicht im Fokuspunkt 9 befindet, sondern in einem Abstand unter­ halb der Fokusebene 9a liegt. Durch diese Defokusierung wird eine geringere Energieeinstrahlung in der Bearbei­ tungsebene 9b pro Fläche erreicht. Bei der Aluminium­ schichtdicke von ca. 300 nm liegt der Wert der Defokusie­ rung, also der Abstand der von Oberfläche 6 der Schicht 7 zum Fokuspunkt 9, zwischen 0,5 mm und 2,5 mm. Im vorliegen­ den Ausführungsbeispiel wird mit einem Abstand von 1,5 mm gearbeitet.

Durch die Wahl der Spaltgröße an der Blende 3 der Laseran­ lage kann die Bearbeitungsfläche festgelegt werden. Für die Bearbeitungsfläche wird vorzugsweise eine Größe von ca. 400 µm x 400 µm gewählt.

Mit den so eingestellten Parametern erfolgt durch die schrittweise Bewegung des Bauelementes unter dem festste­ henden Laserstrahl 2 eine Bestrahlung der Schichtoberfläche 6. Dabei wird die Metallschichtdicke schrittweise verrin­ gert. Infolge der schrittweisen Verringerung der Schicht­ dicke kommt es auch zu einer Verringerung der Metallisie­ rungsbreite, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist.

Wird die Bearbeitung innerhalb der aktiven Fläche eines Re­ sonatorfilters ausgeführt, kommt es durch die Bearbeitung zu einer Frequenzverringerung, ohne das die Dämpfung des Bauelementes wesentlich verschlechtert wird. Fig. 2 zeigt die typischen Bearbeitungsgebiete auf der Struktur eines Resonatorfilters. Die sich daraus ergebene Änderung der Frequenz zeigt Fig. 6 nach jeweils einer vollständigen Be­ arbeitung beider Interdigitalwandlerstrukturen 11a und 11b.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier darge­ stellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist es möglich, weitere Abgleichvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (16)

1. Verfahren zum Abgleich von elektronischen Bauelementen, welche aus einem Substrat und mindestens einer darauf angeordneten Schicht bestehen und bei welchen der Para­ meterabgleich durch Materialabtragung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialabtragung der Schichten durch die Einwir­ kung mindestens eines Laserstrahls mit definierter Wel­ lenlänge erfolgt und die Oberfläche der abzutragenden Schichten sich beim Materialabtragungsprozeß in einem definierten Abstand unterhalb des Fokuspunktes des La­ serstrahls oder der Laserstrahlen befindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der Laserstrahlen so bemessen ist, daß ein flächenhafter Materialabtrag der Schichten erfolgt, ohne Material des Substrats abzutragen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Bauelement ein Oberflächenwellenfil­ ter ist und das Substrat aus Quarz und die darauf be­ findlichen Schichten aus Metall bestehen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Aluminium ist und auf der Oberfläche des Substrats eine Interdigitalwandlerstruktur realisiert.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der Laserstrahlung im Bereich von 193 nm bis 1.500 nm liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Oberflächen der abzutragenden Schichten zum Fokuspunkt der Laserstrahlen im Bereich zwischen 0,5 mm und 2,5 mm liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialabtragung schrittweise erfolgt, wobei die abzutragende Materialschicht schrittweise unter dem feststehenden Laserstrahl bewegt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialabtragung schrittweise erfolgt, wobei der Laserstrahl schrittweise über der feststehenden, abzu­ tragenden Materialschicht bewegt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialabtragung nur an Teilflächen der Schichten erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialabtragung der Schichten durch die Einwir­ kung mindestens eines Laserstrahls erfolgt und die Pa­ rameter des oder der Laserstrahlen auf die Materialei­ genschaften der Schicht so abgestimmt werden, daß die eingestrahlte Energie gerade ausreicht, um die Dicke der Schicht in feinsten Bearbeitungsschritten abzudün­ nen.

11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wahl der Laserenergie durch einen variablen Ener­ gieabschwächer und/oder durch eine gezielte Probenbear­ beitung unterhalb des Fokuspunktes erfolgt.

12. Vorrichtung zum Abgleich von elektronischen Bauelemen­ ten, welche aus einem Substrat und mindestens einer darauf angeordneten Schicht bestehen und bei welchen der Paramenterabgleich durch Materialabtragung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laser (1) einen Laserstrahl (2) aussendet, welcher eine Blende (3) passiert und von einem Spiegel (4) ab­ gelenkt und mittels eines Objektives (5) fokussiert wird und die Oberfläche (6) der abzutragenden Material­ schichten (7) auf dem Substrat (8) im Bereich von 0,5 mm bis 2,5 mm unterhalb der Fokusebene (9a) angeordnet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (1) ein Stickstoff-Impulsgaslaser ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stickstoff-Impulsgaslaser eine Ausgangsenergie von 5 mJ und eine Impulsdauer von ca. 10 ns aufweist und bei einer Wellenlänge von 337 nm arbeitet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (3) eine einstellbare Spalt-Blende ist und mit Einstellung der Spaltgröße die durch den Laser­ strahl (2) jeweils bearbeitet Fläche (12a, 12b . . . 12n) festgelegt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Bauelement auf einem Positioniertisch angeordnet ist und schrittweise unter dem feststehenden Laserstrahl bewegt wird.