Sputterabscheidung von SiO₂ zur Temperaturkompensation von SAW-Wafern

Temperaturkompensierte Oberflächenwellenfilter (engl. temperature compensated surface acoustic wave, TC-SAW) haben der SAW-Technologie neue Anwendungsbereiche in der Mobilkommunikation eröffnet. Standard SAW-Filter zeigen temperaturabhängige Frequenzabweichungen von -20 ppm/K bis -40 ppm/K und sind somit für bestimmte Hochfrequenzanwendungen sowie die Kommunikation in engen Frequenzbändern nicht geeignet. Durch das Auftragen von SiO2  als Temperaturkompensationsschicht (siehe Abb. 1) kann der temperaturabhängige Frequenzdrift (engl. temperature-dependent frequency shift, TCF) auf 0 ppm/K reduziert werden. Da das SiO₂ die akustische Wellenausbreitung beeinflusst, ist die Leistungsfähigkeit solcher TC-SAW-Filter stark abhängig von der Qualität der abgeschiedenen Schicht. Insbesondere ein dichtes und geschlossenes Schichtwachstum auf dem Interdigitalwandler (engl. interdigital transducer, IDT) ist aufgrund des hohen Aspektverhältnisses und der unterschiedlichen Keimschichten eine Herausforderung. Parallel dazu muss ein hoher Waferdurchsatz erreicht werden, um industriellen Anforderungen zu entsprechen.

Eine stöchiometrische SiO₂-Abscheidung mit hoher Rate gelingt durch reaktives Magnetronsputtern von einem Siliziumtarget in einem Argon-Sauerstoff-Gasgemisch. Die Anwendung eines HF-Bias am Substrat zeigt dabei eine deutliche Verbesserung des Schichtwachstums auf den Fingerstrukturen des SAW-Filters. Ohne HF-Bias hingegen bilden sich in der SiO₂-Schicht starke Nahtstellen und Hohlräume aus (siehe Abb. 2). Die Auswirkungen des Siliziumdioxids auf die Filtereigenschaften hängen von dessen akustischen Merkmalen wie Schallgeschwindigkeit und –dämpfung sowie der Schnittstelle zwischen SiO₂ und Interdigitalelektrode ab. Bei Einbringung des HF-Bias während der Abscheidung wird das Schichtwachstum entscheidend beeinflusst. Mit ausreichend hoher Bias-Spannung entstehen homogene Schichten ohne Nahtstellen und Hohlräume (siehe Abb. 3). Dadurch kann die akustische Welle effektiv mit dem SiO2 interagieren und die gewünschten SAW-Filtereigenschaften werden erreicht.

Abbildung 4 zeigt die Effekte der Temperaturkompensationsschicht. Während ein nicht kompensierter Filter bei Temperaturänderungen starken Frequenzschwankungen unterliegt, zeigt ein TC-SAW Filter keine signifikanten Änderungen. Mit einer scia Magna 200 konnte auf einem realen TC-SAW-Filter ein TCF von -3 ppm/K erreicht werden. Bei höheren Frequenzen erschwert der geringere Fingerabstand das Schichtwachstum des Siliziumoxids. Beispielsweise konnte bei 1,7 GHz eine Einfügedämpfung von 1 dB bei einem TCF von -23 ppm/K erreicht werden. Das zeigt die Leistungsfähigkeit des genutzten Systems scia Magna 200.

Neben der SiO₂-Qualität ist in der Industrie ein hoher Waferdurchsatz gefordert. SAW-Filter basieren auf Lithiumniobat- oder Lithiumtantalat-Wafern, welche sehr zerbrechliche und temperaturempfindliche Materialien sind. Um schnellen Temperaturveränderungen, welche bei hochenergetischen Sputterprozessen entstehen können, vorzubeugen, ist die scia Magna 200 mit einer effizienten Waferkühlung ausgerüstet. Diese erlaubt höhere Sputterenergien und somit höheren Durchsatz.