Trimmen von Oberflächenwellen-Filtern (SAW-Filter)

Die moderne Mobilkommunikation ist zunehmend von Frequenzfiltern abhängig, da aktuelle  Kommunikationsstandards mit neuen Frequenzbänder definiert werden. Ein Großteil dieser Filter wird durch das Oberflächenwellen-Prinzip (engl. Surface Acoustic Wave, SAW) realisiert. SAW-Filter besitzen eine außergewöhnliche Effizienz und unterdrücken Frequenzen außerhalb des Transmissionsbereiches besonders stark, womit sie einen äußerst hohen Qualitätsfaktor (Q-Faktor) aufweisen.

Ein SAW-Filter besteht aus einem piezoelektrischen Substrat, wie Quarz, Lithium Tantalat (LiTaO₃) oder Lithium Niobat (LiNbO₃), und aus zwei Sets von in­einander­greifenden Metallelektroden, welche als Inter­digital­wandler (engl. interdigital transducer, IDT) bezeichnet werden (siehe Abb. 1). Am Ein­gangs­trans­ducer ankommende elektrische Signale generieren aufgrund des Piezo­effektes akustische Wellen. Diese Wellen breiten sich über die gesamte Substrat­ober­fläche aus, bis sie am zweiten Trans­ducer zurückgewandelt werden. Eine effiziente Signa­lüber­tragung findet nur statt, wenn die Signal­frequenz f dem Resonanz­kriterium f = v₀/ƛ entspricht. Dabei ist v₀ die Aus­brei­tungs­ge­­schwin­dig­keit der Ober­flächen­welle und ƛ die doppelte Ent­fernung zwischen den Elektroden­struk­turen eines IDTs.

Infolge der limitierten Ver­füg­bar­keit von Frequenz­­bändern in der Tele­kom­mu­nikation wird in den 3G- und 4G-Kom­mu­nikations­standards die sogenannte Carrier-Aggregation-Methode angewandt. Dahinter verbirgt sich die parallele Übertragung auf mehreren Bändern in Frequenz­blöcken. Um Interferenzen zwischen den ver­schie­denen Bändern bei paralleler Nutzung zu vermeiden, werden die Spezifikationen für Band­breiten immer enger. Neben einer höheren Präzision bei der Filter­herstellung muss zur Unter­drückung des Temperatur­drifts der Frequenzen eine SiO₂-Beschichtung auf den IDTs aufgebracht werden. Spezielle Ober­flächen­wellen-Filter mit Temperatur­kompensation (TC-SAW) nutzen üblicherweise zusätzlich einen Passivierungs­film aus Si₃N₄ als oberste Schicht (siehe Abb. 2), welche ebenso den hohen Homogenitäts­ansprüchen unter­liegt. Herkömmliche Beschichtungs­systeme weisen jedoch eine unzureichende Gleich­mäßigkeit sowohl beim Auftrag von Metallen für die Transducer als auch bei der Herstellung von Temperatur­kom­pen­sa­tions­schichten auf.

Unter Nutzung des Ionen­strahl­trimmens ist es möglich, die Gleich­mäßigkeit der Schichten zu steigern und eine hohe Bau­teil­ausbeute bei der Massen­produktion von (TC-)SAW-Filtern zu erreichen. Bei dem Trimm­prozess wird ein Strahl positiv geladener Ionen, z.B. Ar+, zum physikalischen Ätzen von Materialien auf Wafern genutzt. Die übliche Strahl­breite von 7‑15 mm im Durch­messer ermöglicht einen hohen Durch­satz bei ausreichender lateraler Auflösung.

Während des Ionen­strahl­trimmens bewegt sich ein fokussierter Ionen­strahl in einem mäander­förmigen Muster über die Substrat­ober­fläche. Durch die Vorab­berechnung der lokalen Verweil­zeit ist es möglich, die Material­dicke und somit die Bau­teil­frequenz über den gesamten SAW-Wafer anzugleichen.

Wird ein SAW-Bauteil ohne Temperaturkompensation getrimmt, führt das zu einer Ätzung der Metallelektroden und des Substratmaterials. Aus der Differenz der Ätzraten von Metallelektrode und Substrats ergibt sich eine nicht-monotone Funktion (siehe Abb. 3). Der Bereich der negativen Frequenzverschiebung kann durch Anpassung der Prozessparameter erweitert werden. Für eine hohe positive Frequenzverschiebung ist hingegen ein minimaler Abtrag erforderlich.