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.
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Ionenstrahltechnologie für dünne piezoelektrische Schichten
Piezoelektrische Beschichtungen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, unter anderem als Umwandler in z. B. Mikrofonen und Resonatoren. Die so beschichteten Resonatoren werden vor allem als Frequenzfilter in der moderne Mobilkommunikation verwendet und erfordern eine ausgezeichnete Qualität der piezoelektrischen Beschichtung. Karl Gündel, Technical Sales Manager bei scia Systems, beschreibt in seinem Vortrag die Vorteile von Ionenstrahltechnologie bei der Herstellung von piezoelektrischen Schichten.
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