厦门大学联合三安集成实现SAW滤波器在线光刻控频技术新突破

导读

基于钽酸锂(LiTaO3,LT)晶圆的声表面波（Surface acoustic wave, SAW）谐振器是现代移动通信设备中滤波器的关键电子元件，是5G通信发展的重要组成部分，关乎国家新一代通信技术战略。在通信设备中，滤波器通常用于隔离不同的通信频带，避免串扰和噪声信号，并与其他部件一起集成为功能更为强大的多工器。由于相邻频带的频率非常接近，SAW谐振器的频率过度偏移将导致在两个相邻频带之间产生干扰信号。因此，工业集成制造过程中迫切需要对SAW谐振器实现高精度工作频率控制。由于原始的LT晶圆通常具有较高透光率，在紫外光刻过程中存在严重的多次反射，极大影响了SAW谐振器的制造精度，进而妨碍了器件谐振频率的精准控制。

在过去的几年里，研究人员试图克服原始LT晶圆中多次紫外反射的瓶颈，特别是通过使用铁掺杂和还原等方法来调控LT晶圆（rFe:LT）的光学特性，以提高SAW谐振器的制造精度。为了表征掺杂和还原处理后晶圆的一致性与均匀性，通常需要使用传统的紫外-可见光谱仪测量有限数量的双面抛光样片，这种方法不仅增加了额外的工序和成本，而且影响后续的光刻工艺（根据IEC国际标准，在工业产线上采用单面抛光晶圆进行SAW谐振器制造）。到目前为止，对单面抛光的rFe:LT 晶圆直接进行表征的研究鲜有报道。因此，在工业制造中，亟需一种快速无损的方法来实时检测rFe:LT晶圆的光学特性，以提高SAW谐振器制造精度，并有力控制其工作频率。

近日，厦门大学国家示范性微电子学院、电磁声学研究院的朱锦锋教授团队联合泉州市三安集成电路有限公司的研究人员开展联合攻关，通过无损的光学比色技术，对rFe:LT晶圆光学特性进行实时在线监测（图1），实现了SAW谐振器的精准频率控制并极大提高了产品良率。该研究通过rFe:LT晶圆的光谱建立晶圆光学颜色特性和SAW谐振频率之间的关系。研究结果表明，晶圆级比色法可以通过提高光刻过程中谐振器叉指电极（IDT）宽度的制造精度来精准控制SAW器件谐振频率。该方案为显著提高移动通信SAW器件谐振性能及其制造成品率提供有力的通用工具，相关科研成果以“Optical Colorimetric LiTaO3 Wafers for High-Precision Lithography on Frequency Control of SAW Devices”为题发表在《Photonics Research》期刊上（DOI: 10.1364/PRJ.499795）。

此外，该检测技术已由三安集团旗下福建晶安光电股份有限公司牵头，协同厦门大学电磁声学研究院、泉州三安集成、中国电科集团二十六所、无锡好达电子等多家单位制定中国团体标准，相关标准（T/CECA 83-2023 钽酸锂和铌酸锂还原单晶晶片明度和色差技术要求及测量方法）于2023年6月通过中国电子元件行业协会发布与实施，并同时推进IEC 62276的国际标准修订申请。

图1 SAW器件的晶圆级比色控频技术示意图与自动化在线测试装置

研究亮点

在SAW滤波器生产过程中，叉指电极IDT的线宽（）是影响其频率响应的关键因素，该研究将IDT线宽与晶圆外观颜色建立关联体系，通过快速在线监测晶圆的颜色特性，实现对SAW滤波器精准频率控制的目的。为了实现快速在线监测，该研究采用无损的光学比色法来对晶圆外观进行明度（）与色差（）的检测。如图2所示，通过测量晶圆的值可以快速区分不同外观特性的晶圆。

图2 色彩多样的SAW滤波器LT晶圆衬底展示

如图3（a）所示，较大值的晶圆具有更高的透光率与更低的吸收率，这引起紫外光刻过程中更强的多次反射，使得IDT线宽大幅超出掩膜版设计尺寸；相比之下，基于较小值晶圆所制备的IDT线宽则更接近掩模板设计尺寸。基于这样的原理，该研究还进一步建立了明度与色差对应不同IDT线宽与均匀性的关系，如图3（b）和图3（c）所示。结果显示IDT线宽与明度呈现高度相关性, 而色差越小意味着IDT线宽的均一性越好。这说明采用该研究所提出来的方法可以对晶圆进行快速在线管理，以达到提升光刻工艺准确性的目的。该研究的成果表明基于色度辨识方法在线监测晶圆外观属性对于实现SAW滤波器的精准频率控制尤为重要。

图3 (a) 不同明度的LT晶片光刻原理示意图。(b)明度与IDT线宽的关系。(c) 色差与IDT线宽均一性的关系。

最后，通过这种方法研究者们制备了Band 5双工器，其中一个代表性SAW谐振器的SEM表征图如图4（a）所示，显示出所制备的IDT线宽具有良好的均匀性。进一步分析了其频率相关响应，如图4（b）所示，模拟仿真与实验测量显示出高度一致的结果，这表明通过所提出的方法可以精确地控制SAW谐振器的频率响应。

最后，通过比较不同晶圆的色差来评估晶圆上器件谐振频率均匀性，如图4（d）所示。数据表明，色差为1.63的比色差为3.15的具有更均匀的谐振和反谐振频率分布。因此，晶圆上色差参数可用于晶圆的良率管理，这也进一步确保了SAW滤波器的在线精准频率控制。

图4 (a) SAW谐振器的SEM图，其中SAW波长为4.5µm。(b) SAW谐振器在两个不同IDT宽度下模拟的相关导纳曲线，对应于两个不同明度值下的测量对应值。(c) 具有两个不同明度值的rFe:LT晶圆的器件谐振和反谐振频率分布。(d) 具有两个不同色差值的rFe:LT晶圆片上共振和反共振频率区域分布图。

总结与展望

综上所述，该工作提出了一种基于还原铁掺杂LT晶圆材料的无损监测方法，用于单面抛光晶圆的快速在线测量。通过明度和色差分析了掺杂和还原对晶圆紫外-可见光谱性能的影响。研究表明，明度的调谐可以对SAW谐振和反谐振频率进行高精度控制，晶圆上的色差为器件均匀性的标准限定提供了重要的检测指标。该研究为大规模生产SAW谐振器奠定了强有力的基础工具，将大大提高移动通信滤波器芯片的制造质量和效率。

厦门大学朱锦锋教授为该研究工作的唯一通讯作者，朱教授课题组集成电路产业博士生枋明辉、电磁场与微波技术专业博士生谢奕浓为论文共同第一作者、厦门大学国家集成电路产教融合创新平台班硕士生薛方琦及三安集成多位同仁为该工作提供了相关技术支持。此外，福建晶安光电杨胜裕总经理、宁波东方理工大学柳清伙教授也对该研究提供了必要的指导和帮助。该研究得到国家自然科学基金(62175205)、2022福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才项目以及福建省杰出青年科学基金(2020J06009) 等研究课题的支持。

论文链接：

https://www.researching.cn/articles/OJ486b9bcf97c6f7e4




审核编辑：刘清