声表面波器件叉指换能器的制作技术

【摘　要】　声表面波器件的制造关键在于如何制作叉指换能器，特别对于GHz频率以上的器件，亚微米线宽如何控制是声表器件能否制作成功的关键。本文提供了其制作工艺流程及要点。
     关键词：声表面波器件，叉指换能器，工艺
 
1　引　言
　　声表面波（SAW）器件在电子通讯系统中得到了广泛应用，如滤波器、高频振荡器、卷积器、延迟线、相关器等都是声表面波器件。在移动通信系统中，SAW器件也至关重要。现在，移动通信系统的频率在向2GHz以上攀升，下一代通讯用SAW器件的研究已非常活跃。考虑到移动通讯市场引人注目的增长，以及人们对高数据传输速率的迫切需求，在不久的将来，移动通信载波频率有可能提到5－10GHz的水平。SAW器件作为电子通讯的关键元件，其线宽也将进入亚微米阶段；即使采用叉指倍频技术，提高线条密度，但同时对线条的控制也提出了更高的要求。如何制得精细的叉指换能器电极，成为声表器件能否制作成功的关键。
2　制作过程
　　声表器件一般由沉积于压电基片上的梳齿状电极构成，压电基片有人造石英、铌酸锂、钽酸锂、锗酸铋等单晶材料。单指结构的换能器电极宽度为声表面波波长λ的四分之一。由于λ＝V／f（V是表面波波速，其值在3000－4000m／s左右，f为表面波频率），显然，当频率达到1GHz时，电极宽度将小于1微米。
　　SAW器件的制作沿袭了大规模集成电路的平面制造技术，其工艺过程有清洗、镀膜、光刻、刻蚀、频率修正、检测、封装等。但作为频率器件，SAW器
件对叉指换能器（IDT）厚度、宽度、剖面形状有更为严格的要求，因为这些会直接影响到器件的频率、带宽及插损等特性。
2．1　导电膜的制备（Film Deposition）
　　高质量金属薄膜的制备对声表器件非常关键。
铝具有很高的电导率，化学性质稳定，易于沉积，因而被广泛使用。声表器件不仅要求膜厚合适，而且要有很高的均匀性（要优于±1％）。因此要求镀膜设备不仅要有可靠的膜厚监测手段，还要能达到很高的镀膜均匀性。铝膜一般用电子束蒸发或直流溅射法沉积。对电子束蒸发台而言，即使采用行星运转片架，铝膜的均匀性也只有±5％左右。因此，对行星片架加装合适的均匀性调整板非常必要。我们通过对TEMESCAL1800、VES2550电子束蒸发台的改进，使行星片架系统的镀膜均匀性都达到了±1％的要求。
　　在蜂窝无线应用中，要求器件能承受大至1W的发射或接受功率。然而在大电流作用下，由于铝原子的迁移效应〔1〕，电极处很容易断路或短路，高功率给基片表面带来的高温使器件很易失效。因此，人们又发展了复合金属膜、钝化膜〔2〕等方法，以期大大提高器件的功率耐受力。复合金属膜主要有Al－2％Cu／Ti，试验中的钝化膜有SiO2、SiN、AlN等〔2〕，它们需要以反应溅射或PECVD方法沉积。
2．2　光刻（Photo┐Lithography）
　　要在镀好膜的基片上得到电极图形，需要经过光刻。曝光的手段主要有：接触式（含软接触式），投影式，电子束扫描式，X射线曝光式。
　　应用最为普遍的是接触式曝光法。主要使用的光源为高压汞弧灯，其G－、H－、I－线分别对应于450－300nm波长范围。制作有SAW器件图形的掩模板与涂有光刻胶的基片紧密（或软）接触，用高度平行的紫外光源对其曝光。接触式曝光的分辨率取决于曝光波长λ与掩模板与胶膜表面的距离g（R＝α，由于光线会在掩模板与胶膜面间的缝隙中衍射，会使分辨率大大下降。要想提高分辨率，除了缩短曝光波长外，还必须让掩模与基片紧密接触。对声表器件而言，金属化比（金属指条宽度与缝隙宽度之比）是一个很重要的参数，它直接受制于光刻时的线宽与缝隙之比。保持光刻过程的重复性与一致性有助于大大提高生产效率。
　　采用投影曝光时，线条分辨率LW决定于曝光波长λ和镜头数值孔径NA

（k为比例常数），更短的曝光波长、更大的数值孔径有利于得到更细的线宽。为了得到更精细的线宽，人们发明并应用了波长更短的光源——准分子激光光源，如KrF（248nm）、ArF（193nm）等，它们为集成电路的高速发展奠定了基础。
　　电子束直写技术为精细线宽的制作提供了很好的前景〔3〕。唯一的问题是：效率太低。这是因为电子束要对曝光区域进行扫描，太费时间。考虑SAW器件只有换能器区域需要得到极高的分辨率，而这部分仅占SAW器件很小的一部分，因此可以先（或后）用电子束对换能器进行扫描曝光，然后再用紫外光源对其他部分进行掩模曝光。这样大大提高了生产效率。电子束抗蚀剂的研究正不断取得进展，因此，在SAW器件生产上使用EB曝光技术仅仅是个时间问题。
2．3　刻蚀技术
    显影后在压电基片上留下了带胶的图形，要想

进一步得到叉指电极，必须经过刻蚀。刻蚀工艺必须符合选择性强、效率高、均匀性好（包括片内、片与片之间、批与批之间）的要求。
　　湿法腐蚀技术已经在声表器件生产中使用了多年，然而由于各向同性，存在侧向腐蚀，这带来两个问题：首先声表器件对电极侧剖面有较高要求，因为它会影响表面波在电极边缘的反射〔3〕。再则，在亚微米范围内，由于侧向腐蚀的存在，对电极宽度的控制将变得很困难。因此，人们又发展了干法刻蚀技术——离子束刻蚀，等离子刻蚀，反应离子刻蚀（RIE）〔4〕法。
　　RIE刻蚀能提供对电极侧剖面的精确控制，可以得到很陡直的侧剖面。它是用具有一定轰击能量的活性离子与固体表面强化化学反应的过程，既利用了离子的溅射作用，又有活性粒子的化学作用。这种刻蚀具有功率小、刻蚀快、选择性好、均匀区大的特点，是刻蚀精细图形的理想方法。该法使用成本低廉，而且不会象湿法刻蚀那样消耗大量的酸液与有机溶剂，符合环保要求。

　　典型的RIE腔体包含两个平行平板电极，接地电极位于腔体上部，射频电极位于下部，基片置于其上。如图1所示。
　　RIE的工作原理为：
　　将腔体抽到高真空后，引入一定量的反应气体（如果想刻蚀电极铝材料，充入Cl2、BCl3是合适的；如果想刻蚀压电基片，则可充入CCl4、CF4等），在电极间施加射频电压后，气体将被电离，活性离子基团在高压电场的作用下，轰击基片材料表面，有选择性地刻蚀掉基片表面的电极材料或基底材料，选择合适的射频电压与充气压强，可以很精确地控制侧剖面，图2表明了不同刻蚀条件下的侧剖面形状。对声表器件而言，陡直的侧剖面非常重要。
2．4　剥离技术
　　剥离技术为叉指电极的制作提供了一种简单有效的方法，它的过程控制参数比刻蚀方法要少，而且不会象干法刻蚀那样会对基片表面造成机械损伤。剥离技术的关键在于光刻胶剖面图形要陡直，最好呈倒梯形，否则，剥离将失败。早期，随着半导体制造技术而发展起来的双　　层膜、甚至多层膜剥离技术因为工艺繁杂、过程太长而逐渐被人们摒弃。后来，人们利用邻重氮萘醌在不同曝光条件下及后处理中能够反转的特性，成功地制得适宜于剥离的反转光刻胶。AZ5200系列就是这种类型的光刻胶。它通过掩模曝光后烘（PEB），使图形反转，然后再泛曝光，使原先未曝光区域变成碱可溶而通过显影液显去。
　　基片上仅留下与光刻版图形完全相反的图案，然后再在基片上镀上一层厚度符合要求的金属层，再把基片放入剥离液，在超声波的作用下剥去光刻胶以及上面的金属层，只留下与光刻版完全相同的电极图案。图3描述了这样的工艺过程。
    由于剥离工艺的图形分辨率仅仅取决于光刻，

　

避免了金属叉指刻蚀过程带来的不均匀。因此比较容易控制好线宽，本部利用此方法成功地在36°Y－XLiTaO3压电基片上规模生产出数字无绳电话用900MHz系列双工滤波器，市场反应很好。
2．5　叉指倍频技术
　　前文已经讲到，由于湿法腐蚀的各向同性，总存在一定的侧向腐蚀量，使条宽难以控制，在亚微米工艺中很少被采用。但是如果能巧妙利用这个侧向腐蚀宽度的话（一般与待腐金属膜厚成一定比例），再结合剥离工艺，同样可制作出精细的图形结构。图4描述了这样的制作过程。叉指换能器分两次沉积，每次一半，第二次沉积的电极均匀地插入湿法腐蚀后形成的电极中间，电极间隙由侧向腐蚀宽度决定。此方法通过一次曝光两次成型，成功地使叉指密度提高了一倍。我们采用KARLSUSS光刻机，接触式曝光，以叉指倍频技术成功制得1．8GHz谐振器、2．2GHz滤波器，图5就是2．2GHz蓝牙通讯用滤波器的电极照片（一部分），其叉指宽度约为0．5微米。
3　结束语
　　要成功地将声表器件付诸大规模生产，能成功地得到精细条宽很重要，但是由于生产过程的每一步都可能引入不均匀性，包括金属膜厚不均匀、光刻线宽不均匀、刻蚀不均匀等，它们都会导致器件频率的离散。因此，要想提高成品率，除了能制备高度均匀的金属膜、光刻与刻蚀有很强的可控性外，还必须引入频率修正技术，对生产过程中造成的种种不均匀作适当的补偿。此外，还必须克服由于基片的热释电性带来的高压静电荷的影响。只有这样，大规模生产才有可能。

　

　　参　考　文　献

1　电子工业生产技术手册编委会．半导体与集成电路卷．电子工业生产技术手册第七卷，1990：1024
2　Jin Yong Kim and Hyeong Joon Kim．Passivation LayerEffects on Power Durability of SAW Duplexer．1999　　IEEE Ultrsonics Symposium：39～42
3　HiroyukiOdagawa．SAW Device beyond 5GHz，Advancein Surface Acoustic W ave Technology．System and　　Application，Vol．2，2001：255～258
4　Rajan Subramanian，Jason W elter．High－Frequency SAWFabricated by Ion Etch Technology．1996 IEEEUltrasonics Symposium：271～276