eng
Выпуск #3/2015
М.Зейнер, К.Гюндель, Т.Дунгер, М.Деммлер, М.Нестлер
Ионно-лучевой тримминг в производстве устройств на акустических волнах
Ионно-лучевой тримминг в производстве устройств на акустических волнах
Просмотры: 4698
Качество фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и объемных акустических волнах (ОАВ) зависит от геометрии слоев, причем погрешности должны лежать в субнанометровом диапазоне. В статье описывается технология, отвечающая указанным требованиям. Для корректировки размеров слоев используется фокусированный ионный луч и система перемещения обрабатываемой пластины.
DOI:10.22184/1993-8578.2015.57.3.34.39
DOI:10.22184/1993-8578.2015.57.3.34.39
В последние годы ионно-лучевые технологии все более широко применяются для обработки материалов в производстве и исследованиях оптических и полупроводниковых устройств. Благодаря высокому качеству, стабильности и некоторым специфическим особенностям ионно-лучевых технологий обеспечивается точный контроль рабочих параметров процессов при пространственном разрешении, достаточном для уменьшения отклонений геометрии до требуемых величин [3]. Поэтому коррекции кривизны поверхности или толщины могут выполняться с точностью, недостижимой при применении других технологий.
При обработке пластин с фильтрами на поверхностных или объемных акустических волнах резонансная частота каждого устройства должна находиться в пределах определенного диапазона. В последние годы данное требование становится все более трудно выполнимым, так как увеличение скорости передачи данных обуславливает сужение полосы частот. Это означает, что отклонения толщины пьезоэлектрического резонансного слоя и электродного материала всех устройств, размещенных на пластине, не должны превышать субнанометровых величин. Помимо допусков, связанных с производственными процессами, следует учитывать возможность отклонения частоты резонатора вследствие температурного дрейфа. Таким образом, чем уже допустимая полоса частот, тем большее число фильтров требуют коррекции с применением ионно-лучевой технологии, а также специальной температурной компенсации.
В общем случае, коррекция толщины слоя может быть реализована путем регулирования энергии ионов и ионного тока или управления временем воздействия при модуляции скорости.
Принципы коррекции толщины пленок
Предварительное измерение целевой характеристики, например резонансной частоты фильтра на акустических волнах, позволяет создать карту распределения значений, которая служит исходной информацией для коррекции. Учитывая размер пятна ионного луча, методом итеративной обратной свертки рассчитывается время воздействия. Размер пятна ионного луча калибруется для каждого материала. Высокоточная и высокоскоростная система позиционирования обеспечивает сканирование в соответствии с рассчитанным маршрутом движения ионного луча относительно пластины. Данная технология получила название "ионно-лучевого тримминга" (рис.1).
В технологической установке для ионно-лучевого тримминга scia Trim 200 используется управление временем воздействия при постоянном размере пятна ионного луча.
Оборудование для коррекции толщины пленок
Система scia Trim 200 предназначена для работы с пластинами диаметром до 200 мм. Для подачи пластины из кассеты используется робот, соединенный с системой предварительного выравнивания и устройством идентификации. После выравнивания и идентификации пластина подается в рабочую камеру, где расположены ионный источник и система позиционирования (рис.2).
Для хорошей производительности важно высокое быстродействие механизма позиционирования по оси X. По оси Y выполняется "кадровая развертка", а регулирование наклона служит для юстировки угла падения ионного луча на поверхность пластины. В целом, система обеспечивает высокую степень свободы установки пластины.
Пластина фиксируется в держателе механическим зажимным кольцом, на держателе установлен электрод системы выравнивания, служащий для профилирования ионного луча. В процессе обработки пластина охлаждается с обратной стороны гелием. Эффективное охлаждение необходимо для предотвращения деградации фоторезиста и повреждения чувствительных материалов, например кварца и ниобата лития, применяемых в фильтрах на ПАВ.
Ионный источник, снабженный нейтрализатором для предотвращения зарядки поверхности пластины, установлен в куполообразной части рабочей камеры, и подвижен по оси Z для регулировки фокуса. Технологическим газом, как правило служит аргон, но также могут использоваться криптон, кислород и другие газы. Фокусировка ионного луча, который имеет гауссово распределение энергии, в пятно диаметром от 3 до 6 мм выполняется системой из трех графитовых или молибденовых кольцевых элементов.
Встроенное программное обеспечение рассчитывает матрицу времен воздействия ионного луча и контролирует все параметры процесса, обеспечивая обработку пластин в автоматическом режиме. Расчет времен воздействия ионного луча выполняется непосредственно перед началом обработки пластины. Расширенные функции протоколирования и такие интерфейсы, как SECS/GEM, позволяют использовать оборудование в крупносерийном и массовом производстве.
Коррекция частот фильтров на ПАВ
Фильтры на ПАВ состоят из подложки – прецизионно ориентированного пьезоэлектрического кристалла из кварца, танталата лития LiTaO3 или ниобата лития LiNbO3 – и двух расположенных сверху встречно-штыревых преобразователей (ВШП). ВШП преобразует электрические сигналы в механические волны благодаря двум соединенным друг с другом гребенчатым электродам (рис.3). Напряжение между электродами приводит к деформации пьезоэлектрического материала, который генерирует акустические волны, распространяющиеся на его поверхности. При резонансе второй ВШП преобразует ПАВ обратно в электрический сигнал. Резонансная частота и ширина полосы зависят от длины, ширины, положения и массы ВШП.
В некоторых фильтрах на ПАВ предусмотрен специальный слой для температурной компенсации с целью предотвращения сдвига частоты при изменении температуры. Обычно применяется диоксид кремния, так как для него зависимость модуля Юнга от температуры обратна таковой для пьезоэлектрической подложки. Установка scia Trim 200 позволяет точно отрегулировать частоту резонанса для каждого расположенного на пластине устройства. Пространственное разрешение ионного луча дает возможность очень точно корректировать толщину слоя SiO2, регулируя таким образом массу резонатора и получая требуемое значение частоты.
Пример коррекции фильтров на ПАВ на пластине диаметром 100 мм представлен на рис.4. В качестве исходных данных использовались значения резонансной частоты для каждого фильтра. После коррекции слоя SiO2 стандартное отклонение уменьшилось с 15,3 до 0,5 МГц, то есть более чем в 30 раз.
Коррекция частот фильтров на ОАВ
При создании высокочастотных фильтров для систем мобильной связи фильтры на ОАВ все чаще заменяют аналоги на ПАВ. Использование ОАВ обеспечивает преимущества при частотах выше 2,4 ГГц. Фильтры на ОАВ характеризуются компактностью и производительностью, кроме того, в последние годы удалось добиться снижения их себестоимости.
В фильтре на ОАВ используется пьезоэлектрическая пленка, как правило изготовленная из нитрида алюминия, которая соединена с двумя электродами (рис.5). Для получения акустического резонатора толщина пьезоэлектрической пленки должна равняться половине длины продольной акустической волны. Таким образом, ее толщина определяется скоростью звука в пьезоэлектрике и необходимой резонансной частотой.
Для акустической изоляции резонатора от подложки применяются два вида решений. В резонаторе FBAR-типа между подложкой и резонатором предусмотрена полость, а в SMR-типе (рис.5) используется акустическое зеркало, состоящее из чередующихся пленок с высоким и низким акустическим сопротивлением. Такие материалы, как диоксид кремния и вольфрам, позволяют добиться хорошей изоляции при небольшом числе слоев. Частота фильтра на ОАВ регулируется дополнительной массой на верхнем электроде, например, из нитрида кремния.
К точности параметров каждого слоя, особенно пьезоэлектрической пленки из нитрида алюминия, предъявляются очень высокие требования. Отклонение от требуемой величины всего на 0,5% приводит к уменьшению выхода годных устройств на несколько десятков процентов. Использование ионно-лучевой коррекции позволяет улучшить повторяемость характеристик в 10–40 раз (рис.6). Благодаря этому выход годных устройств может превысить 90%.
Выравнивание толщины пленки из нитрида алюминия – наиболее эффективный способ коррекции, так как эта характеристика определяет частоту резонанса. Дополнительная регулировка возможна путем изменения массы генератора. Коррекция акустического зеркала также позволяет оптимизировать характеристики фильтров.
Выводы
Технология scia Trim обеспечивает корректировку резонансной частоты фильтров на ПАВ и ОАВ, позволяя увеличить выход годных устройств с нескольких десятков процентов до более чем 90% в условиях промышленного массового производства. Без использования ионно-лучевого тримминга эффективный выпуск промышленных объемов частотных фильтров для мобильных систем связи невозможен.
Литература
1.Lakin K.M., Kline G.R., McCarron K.T., High-Q. IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 12, 1993. S. 41.
2.Aigner R. 2nd Int. Symp. Acoustic Wave Dev. Fut. Mob. Comm. Syst., Chiba (Japan) 2004.
3.Wolf B. Ion sources, CRC Press, Boca Raton, 1995.
При обработке пластин с фильтрами на поверхностных или объемных акустических волнах резонансная частота каждого устройства должна находиться в пределах определенного диапазона. В последние годы данное требование становится все более трудно выполнимым, так как увеличение скорости передачи данных обуславливает сужение полосы частот. Это означает, что отклонения толщины пьезоэлектрического резонансного слоя и электродного материала всех устройств, размещенных на пластине, не должны превышать субнанометровых величин. Помимо допусков, связанных с производственными процессами, следует учитывать возможность отклонения частоты резонатора вследствие температурного дрейфа. Таким образом, чем уже допустимая полоса частот, тем большее число фильтров требуют коррекции с применением ионно-лучевой технологии, а также специальной температурной компенсации.
В общем случае, коррекция толщины слоя может быть реализована путем регулирования энергии ионов и ионного тока или управления временем воздействия при модуляции скорости.
Принципы коррекции толщины пленок
Предварительное измерение целевой характеристики, например резонансной частоты фильтра на акустических волнах, позволяет создать карту распределения значений, которая служит исходной информацией для коррекции. Учитывая размер пятна ионного луча, методом итеративной обратной свертки рассчитывается время воздействия. Размер пятна ионного луча калибруется для каждого материала. Высокоточная и высокоскоростная система позиционирования обеспечивает сканирование в соответствии с рассчитанным маршрутом движения ионного луча относительно пластины. Данная технология получила название "ионно-лучевого тримминга" (рис.1).
В технологической установке для ионно-лучевого тримминга scia Trim 200 используется управление временем воздействия при постоянном размере пятна ионного луча.
Оборудование для коррекции толщины пленок
Система scia Trim 200 предназначена для работы с пластинами диаметром до 200 мм. Для подачи пластины из кассеты используется робот, соединенный с системой предварительного выравнивания и устройством идентификации. После выравнивания и идентификации пластина подается в рабочую камеру, где расположены ионный источник и система позиционирования (рис.2).
Для хорошей производительности важно высокое быстродействие механизма позиционирования по оси X. По оси Y выполняется "кадровая развертка", а регулирование наклона служит для юстировки угла падения ионного луча на поверхность пластины. В целом, система обеспечивает высокую степень свободы установки пластины.
Пластина фиксируется в держателе механическим зажимным кольцом, на держателе установлен электрод системы выравнивания, служащий для профилирования ионного луча. В процессе обработки пластина охлаждается с обратной стороны гелием. Эффективное охлаждение необходимо для предотвращения деградации фоторезиста и повреждения чувствительных материалов, например кварца и ниобата лития, применяемых в фильтрах на ПАВ.
Ионный источник, снабженный нейтрализатором для предотвращения зарядки поверхности пластины, установлен в куполообразной части рабочей камеры, и подвижен по оси Z для регулировки фокуса. Технологическим газом, как правило служит аргон, но также могут использоваться криптон, кислород и другие газы. Фокусировка ионного луча, который имеет гауссово распределение энергии, в пятно диаметром от 3 до 6 мм выполняется системой из трех графитовых или молибденовых кольцевых элементов.
Встроенное программное обеспечение рассчитывает матрицу времен воздействия ионного луча и контролирует все параметры процесса, обеспечивая обработку пластин в автоматическом режиме. Расчет времен воздействия ионного луча выполняется непосредственно перед началом обработки пластины. Расширенные функции протоколирования и такие интерфейсы, как SECS/GEM, позволяют использовать оборудование в крупносерийном и массовом производстве.
Коррекция частот фильтров на ПАВ
Фильтры на ПАВ состоят из подложки – прецизионно ориентированного пьезоэлектрического кристалла из кварца, танталата лития LiTaO3 или ниобата лития LiNbO3 – и двух расположенных сверху встречно-штыревых преобразователей (ВШП). ВШП преобразует электрические сигналы в механические волны благодаря двум соединенным друг с другом гребенчатым электродам (рис.3). Напряжение между электродами приводит к деформации пьезоэлектрического материала, который генерирует акустические волны, распространяющиеся на его поверхности. При резонансе второй ВШП преобразует ПАВ обратно в электрический сигнал. Резонансная частота и ширина полосы зависят от длины, ширины, положения и массы ВШП.
В некоторых фильтрах на ПАВ предусмотрен специальный слой для температурной компенсации с целью предотвращения сдвига частоты при изменении температуры. Обычно применяется диоксид кремния, так как для него зависимость модуля Юнга от температуры обратна таковой для пьезоэлектрической подложки. Установка scia Trim 200 позволяет точно отрегулировать частоту резонанса для каждого расположенного на пластине устройства. Пространственное разрешение ионного луча дает возможность очень точно корректировать толщину слоя SiO2, регулируя таким образом массу резонатора и получая требуемое значение частоты.
Пример коррекции фильтров на ПАВ на пластине диаметром 100 мм представлен на рис.4. В качестве исходных данных использовались значения резонансной частоты для каждого фильтра. После коррекции слоя SiO2 стандартное отклонение уменьшилось с 15,3 до 0,5 МГц, то есть более чем в 30 раз.
Коррекция частот фильтров на ОАВ
При создании высокочастотных фильтров для систем мобильной связи фильтры на ОАВ все чаще заменяют аналоги на ПАВ. Использование ОАВ обеспечивает преимущества при частотах выше 2,4 ГГц. Фильтры на ОАВ характеризуются компактностью и производительностью, кроме того, в последние годы удалось добиться снижения их себестоимости.
В фильтре на ОАВ используется пьезоэлектрическая пленка, как правило изготовленная из нитрида алюминия, которая соединена с двумя электродами (рис.5). Для получения акустического резонатора толщина пьезоэлектрической пленки должна равняться половине длины продольной акустической волны. Таким образом, ее толщина определяется скоростью звука в пьезоэлектрике и необходимой резонансной частотой.
Для акустической изоляции резонатора от подложки применяются два вида решений. В резонаторе FBAR-типа между подложкой и резонатором предусмотрена полость, а в SMR-типе (рис.5) используется акустическое зеркало, состоящее из чередующихся пленок с высоким и низким акустическим сопротивлением. Такие материалы, как диоксид кремния и вольфрам, позволяют добиться хорошей изоляции при небольшом числе слоев. Частота фильтра на ОАВ регулируется дополнительной массой на верхнем электроде, например, из нитрида кремния.
К точности параметров каждого слоя, особенно пьезоэлектрической пленки из нитрида алюминия, предъявляются очень высокие требования. Отклонение от требуемой величины всего на 0,5% приводит к уменьшению выхода годных устройств на несколько десятков процентов. Использование ионно-лучевой коррекции позволяет улучшить повторяемость характеристик в 10–40 раз (рис.6). Благодаря этому выход годных устройств может превысить 90%.
Выравнивание толщины пленки из нитрида алюминия – наиболее эффективный способ коррекции, так как эта характеристика определяет частоту резонанса. Дополнительная регулировка возможна путем изменения массы генератора. Коррекция акустического зеркала также позволяет оптимизировать характеристики фильтров.
Выводы
Технология scia Trim обеспечивает корректировку резонансной частоты фильтров на ПАВ и ОАВ, позволяя увеличить выход годных устройств с нескольких десятков процентов до более чем 90% в условиях промышленного массового производства. Без использования ионно-лучевого тримминга эффективный выпуск промышленных объемов частотных фильтров для мобильных систем связи невозможен.
Литература
1.Lakin K.M., Kline G.R., McCarron K.T., High-Q. IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 12, 1993. S. 41.
2.Aigner R. 2nd Int. Symp. Acoustic Wave Dev. Fut. Mob. Comm. Syst., Chiba (Japan) 2004.
3.Wolf B. Ion sources, CRC Press, Boca Raton, 1995.
Отзывы читателей
