提高單晶薄膜濾波器片內頻率一致性的研究

潘 祺,米 佳

(中國電子科技集團公司 第二十六研究所,重慶 400060)

0 引言

隨著移動通訊技術的發展,智能移動終端多模工作狀態造成通訊頻段日益擁擠,頻段間隔越來越小,導致對射頻前端濾波器的選擇性、溫度穩定性和帶外抑制提出了更高的要求。2015年,日本村田公司公布了單晶薄膜聲表面波(SAW)濾波器[1],其高品質因數和低頻率溫度系數在業內引起了廣泛關注。近年來,國內越來越多的聲表面波濾波器制備廠家開始研發和生產單晶薄膜聲表面濾波器。

常見的單晶薄膜晶圓以硅為襯底,在其表面沉積SiO2作為溫補層和低聲速層,最后通過Smart Cut技術[2]將壓電單晶薄膜(通常為鈮酸鋰或鉭酸鋰)鍵合在SiO2上。與傳統SAW濾波器相比,基于單晶薄膜晶圓的SAW濾波器有以下優點:

1) 品質因數高。因為聲波在壓電單晶薄膜和SiO2層的聲阻不一致,使聲波在界面處反射,通過合理的膜層排布可將聲能量限制在晶圓表面,減少了傳播損耗。

2) 溫度穩定性好。因為在膜層結構中增加正頻率溫度系數的SiO2,使得原本負頻率溫度系數的鈮酸鋰或鉭酸鋰得到補償,通過合理的膜層排布可使器件整體頻率溫度系數的絕對值減小[3-4]。

3) 器件的耐功率性能好。因為硅襯底的導熱性能比傳統鉭酸鋰/鈮酸鋰體單晶的導熱性能好,器件工作時產生的熱量可更好地通過襯底傳遞出去,從而提高器件整體的抗燒毀能力[4]。

雖然單晶薄膜SAW濾波器比傳統SAW濾波器優勢明顯,但受晶圓制備能力限制,目前壓電單晶層的厚度均勻性為5%～10%,晶圓表面存在色差,常規的光刻工藝難以保證線寬的一致性,從而惡化了器件在片內的頻率分散性。本文通過增加抗反射膜和分區曝光的方法改善SAW濾波器在單晶薄膜晶圓片內的頻率一致性。

1 現狀

目前市面上已經商用的單晶薄膜晶圓,壓電單晶薄膜厚度平均值一般為300～800 nm,如圖1(a)、(b)所示。由圖可看出晶片表面色差明顯。

圖1 單晶薄膜濾波器頻率分布和單晶壓電薄膜厚度的關系

通過介質膜厚測量儀測試壓電單晶薄膜(目標值為600 nm的商用晶圓)發現,其厚度分散性為570～630 nm。在此基礎上制備的濾波器存在明顯的頻率分散性,片內頻率分散性約為15 MHz,且頻率分布情況與壓電層厚度相關,如圖1(c)所示。

沿著圖1(c)所示箭頭方向測試諧振器的占空比分布,晶圓中心到邊緣占空比從0.580波動下降到0.525,結果如圖2(a)所示。在膜厚和諧振器周期一定的情況下,通過有限元仿真分析占空比和頻率的關系,如圖2(b)所示。由圖可看出,隨著占空比減小,諧振器頻率呈現升高的趨勢。由此可得,占空比變化與單晶薄膜晶圓片內頻率分散性關系密切。

圖2 占空比與諧振器頻率的關系及膠厚分布

光刻工藝中影響占空比的主要因素有膠厚、曝光量、顯影時間和晶圓表面色差。同一片晶圓在相同曝光量和顯影時間的情況下,膠厚均勻性和晶圓色差是影響片內占空比分布的主要原因。圖2(c)為膠厚分布圖。由圖可看出,膠厚的均勻性整體較好,膠厚為(845.9±6.7)nm,且探針頻率分布Map圖譜和膠厚的Map圖譜相關性較小,而與壓電單晶薄膜厚度的Map圖譜相關性較大。由于單晶薄膜的厚度變化引起肉眼可見的色差,見圖1(a)。由此可推斷造成片內占空比波動的原因是晶圓在片內的顏色分布差異。

2 工藝路線的改進

為了減小晶圓片內色差對器件頻率的影響,本文提出了兩種解決方案:

1) 通過在晶圓表面增加抗反射涂層(BARC)來減少襯底反射對曝光過程的影響。

2) 基于頻率分散的規律性在曝光過程中對不同區域進行曝光補償,從而修正片內的頻率分布。

已有研究成果[5]中驗證了在波長365 nm(I線曝光機)、抗反射涂層厚度為280 nm時,襯底的反射率由15.84%降低至1.08%,可有效地減少襯底反射給曝光帶來的影響。其工藝路線如圖3所示。

圖3 抗反射膜工藝路線

由圖2(c)可知,單晶薄膜晶圓的片內頻率分布呈現規則的同心圓環,依據其區域性對片內的曝光區按比例劃分,從中心到邊緣依據頻率變化劃分了3個曝光區,如圖4所示。

圖4 曝光補償區域劃分

3 加工和測試

加工方式按照常規光刻工藝、分區曝光工藝、帶抗反射膜的光刻工藝及在引入抗反射膜的同時增加分區曝光的工藝進行流片,濾波器的頻率Map圖譜如5(a)所示。由圖可以看出,分區曝光工藝的頻率一致性最好,增加抗反射膜后頻率一致性也有所改善,同時引入抗反射膜和分區曝光存在明顯的過補償現象。圖5(b)為4種工藝方案的頻率分布曲線。由圖可看出,不同工藝方案的頻率分布與探針Map圖基本相同,常規曝光方案濾波器頻率分布呈現波峰分裂趨勢,而引入抗反射膜和分區曝光方案頻率集中性均明顯獲得提升。從頻率2 MHz范圍內包含最大器件數量的占比來看,常規曝光工藝為48.81%,抗反射膜工藝為53.57%,而采用分區曝光工藝提高到了70.24%。

引入抗反射膜后,相同曝光量下濾波器頻率增大,說明抗反射膜在曝光過程中抑制了襯底反射,造成濾波器的占空比減小。引入抗反射膜膜后濾波器的頻率分散性雖有改善,但仍與襯底厚度有關,這是因為抗反射膜對襯底反射的抑制基于兩方面:

1) 抗反射膜本身對365 nm入射光的吸收作用。

2) 由抗反射膜表面反射光和襯底反射光之間的干涉相消。

在膜層厚度相同的情況下,抗反射膜本身的吸收作用與襯底無關,但要實現干涉相消,需要表面反射和底部反射光之間的光程差是半波長的奇數倍。由于襯底厚度偏差為60 nm,入射光半波長為182.5 nm,襯底厚度變化相較于半波長不可忽略,因此,即使抗反射膜厚度一致,襯底厚度的偏差對其抗反射能力也有影響。引入抗反射膜工藝可部分抑制襯底的影響,但不能完全消除。

4 結束語

本文通過研究壓電單晶薄膜晶圓制備濾波器引起片內頻率分散性惡化的成因,發現片內頻率分布和壓電單晶薄膜厚度分布呈現強相關。其中占空比變化是引起頻率變化的主要原因,從而推測出壓電單晶薄膜厚度偏差引起的表面色差是造成占空比變化的主要原因。通過采用抗反射膜工藝和分區曝光工藝來抑制和補償襯底色差的影響都有效改善了晶圓整體的頻率分散性,2 MHz頻率范圍內包含最大器件數量占比從常規曝光的48.81%。提高到抗反射膜工藝的53.57%,以及分區曝光工藝的70.24%,這進一步證明了襯底色差是引起片內頻率分散性惡化的原因。實驗結果表明,對于有規律的頻率分布分區曝光對一致性的改善最明顯,但抗反射膜工藝因不能完全消除襯底反射的影響,故而改善效果有限。