Frequenztrimmen für akustische Volumenwellen-Filter (BAW)

Hochfrequenzfilter für Mobil­kom­mu­ni­ka­tion nutzen immer häufiger Volumen­wellen-Filter (engl. Bulk Acoustic Wave, BAW), da sie bereits ab einer Frequenz von 2,4 GHz Vorteile gegenüber dem Ober­flächen­wellen-Filter (engl. Surface Acoustic Wave, SAW) aufweisen. Diese liegen nicht nur bei den gesunkenen Produktions­kosten, sondern auch in der geringen Größe und der sehr guten Leistung der Bauteile.

Ein BAW-Filter nutzt eine mit zwei Elektroden verbundene piezo­elektrische Schicht, welche zumeist aus Alu­minium­nitrid besteht (siehe Abb. 1). Um einen akustischen Resonator zu erzeugen, muss die Schicht­dicke des piezo­elektrischen Films der Hälfte der Wellen­länge (λ/2) der akustischen Longi­tudinal­welle ent­spre­chen. Dies bedeutet, die Schicht­dicke ergibt sich durch die Schall­geschwindigkeit des Piezo-Materials und die entsprechende einzustellende Resonanz­frequenz.

Des Weiteren existieren zwei Möglichkeiten die nötige akustische Trennung zwischen Resonator und Substrat vorzunehmen. FBAR-Bauteile (engl. „Thin“ Film Bulk Acoustic Resonator) nutzen eine Kavität zwischen Substrat und Resonator (siehe Abb. 2). Die Fest­körper-Reso­natoren (SMR, engl. Solidly Mounted Resonator) erzielen hingegen die Iso­lation vom Substrat mit Hilfe eines akustischen Spiegels. Dieser besteht aus λ/4-Schichten, wechselnd zwischen hohen und niedrigen akustischen Impedanzen (vgl. Abb. 1: BAW-Prinzip). Unter Verwendung gebräuchlicher Ma­te­ri­alien wie Silizium­dioxid und Wolfram lässt sich bereits mit wenigen Schichten eine gute Isolation erreichen.

Die Frequenz eines jeden Bauteils wird schließlich am Ende durch Trimmen einer zusätzlichen Passivierungs­schicht, z.B. Siliziumnitrit, eingestellt, so dass diese mit ihrer Masse die Frequenz entsprechend verschiebt.

Die Homo­genitäts­anforderungen für Schichten aller Materialien, insbesondere aber der piezo­elektrischen-AlN-Schichten, sind sehr hoch. Bei einer realistisch an­ge­nom­menen Homogenitätsrate der Abscheidung von 0,5 % liegt die Bau­teil­aus­beute lediglich bei 10 %. Mit der zusätzlichen Schicht­dicken­korrektur mittels Ionen­strahl­trimmen kann die Schicht­homo­genität üblicherweise um den Faktor 10 bis 20 erhöht werden. Dies bewirkt eine Steigerung der Bau­teil­aus­beute auf 90 % (siehe Abb. 3).

Das Ionen­strahl­trimmen kann für jede einzelne Schicht im BAW-Stapel angewendet werden. Am ent­schei­dendsten ist die An­passung der piezo­elektrischen-AlN-Schicht, da sie einen direkten Ein­fluss auf die Resonanz­frequenz hat. Zusätzlich wird die Frequenz von der Masse­last des Oszillators beeinflusst, so dass eine Nach­bearbeitung der Passivierungs­schicht weitere Ver­­bes­ser­ungen bringt. Durch die Korrektur der akustischen Spiegel­schichten können zusätzliche Qualitäts­merkmale der Hoch­frequenz­bau­teile optimiert werden.