Ionenstrahltrimmen von POI-Wafern für HF-Filter

Mit der Entwicklung neuer Kommunikationsstandards wie 5G werden zum mobilen Datenaustausch höhere Frequenzen benötigt. Für HF-Filter, die in solchen Frequenzbereichen arbeiten, gibt es eine neue Klasse von SAW-Bauelementen (engl. Surface Acoustic Wave, SAW), die sogenannten "geführten SAW-Bauteile". Bei diesen wird eine Piezoschicht auf einem Standard-Silizium-Wafer gebondet, daher auch der englische Name Piezo-on-Insulator (POI). Der Aufbau der neuartigen Filterbauelemente gleicht Standard-SAW-Filtern, bei denen auf der Oberseite eines piezoelektrischen Substrates wie Quarz, Lithiumtantalat (LiTaO₃) oder Lithiumniobat (LiNbO₃) Kammstrukturen liegen (siehe Abb. 1). Diese bestehen aus zwei überlappenden Metallelektroden, die als Interdigitalwandler (engl. interdigital transducer, IDT) bezeichnet werden. Am Eingangstransducer eingehende elektrische Signale erzeugen aufgrund des piezoelektrischen Effekts akustische Wellen. Diese Wellen breiten sich entlang der Substratoberfläche aus und werden am zweiten Transducer zurückgewandelt. Eine effiziente Signalübertragung findet nur statt, wenn die Signalfrequenz f den Resonanzkriterien f = v₀/λ entspricht. Dabei ist v₀ die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwelle und λ der doppelte Abstand zwischen den Elektrodenstrukturen eines IDTs.

Beim Aufbau eines SAW-Bauteils auf einem POI-Wafer wird die akustische Welle innerhalb der Piezoschicht geführt. Der daraus resultierende höhere Kopplungsfaktor K² erzeugt Filter mit größerer Bandbreite und durch die eingebaute Temperaturkompensation zusätzlich hoher Banddichte.

Typischerweise bestehen POI-Wafer aus zwei oder drei verschiedenen Funktionsschichten (siehe Abb. 2). Um die Oberfläche so flach wie möglich zu halten, muss die Dicke jeder Schicht auf einen definierten Wert angepasst werden. Die daraus resultierenden Anforderungen an die Schichthomogenität sowie die angestrebte Genauigkeit der einzelnen Schichtdicken werden zunehmend strenger. Methoden wie Schleifen und chemisch-mechanisches Polieren (CMP) können diesen hohen Ansprüchen nicht mehr gerecht werden. Das Ionenstrahltrimmen (IBT) kann an dieser Stelle eingesetzt werden, um die Oberflächenhomogenität sowie die gewünschte Schichtgenauigkeit drastisch zu verbessern. Dabei wird ein Abtrag von bis zu 1 µm bei gleichzeitig geringer Oberflächenrauigkeit erreicht.

Durch lokales Ionenstrahlätzen mit der scia Trim 200 kann die Schichtdicke mit hoher Präzision angepasst werden. Beim Ionenstrahltrimmen 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 (siehe Abb. 3). Durch Änderung der lokalen Verweilzeit wird die Materialdicke präzise angepasst. Das beeinflusst sowohl die Frequenz als auch andere Eigenschaften der Filterbauteile.

Typische Ergebnisse eines getrimmten POI-Wafers sind in Abbildung 4a und 4b zu sehen. Die durchschnittliche Schichtdicke von 2450 nm wurde auf einen Zielwert von 1600 nm reduziert, wobei sich die Standardabweichung von 439 auf 35 nm verbesserte (Verbesserungsfaktor 13). Die Dickenverteilung nach dem Trimmen ist gut um die Zieldicke zentriert. Die AFM-Bilder (siehe Abb. 5) zeigen, dass die ursprüngliche Oberflächenrauigkeit des Wafers während des gesamten Trimmprozesses beibehalten wurde.