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.

Abb. 5: Prinzip des Ionenstrahltrimmens

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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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