提高单晶薄膜滤波器片内频率一致性的研究

潘 祺,米 佳

(中国电子科技集团公司 第二十六研究所,重庆 400060)

0 引言

随着移动通讯技术的发展,智能移动终端多模工作状态造成通讯频段日益拥挤,频段间隔越来越小,导致对射频前端滤波器的选择性、温度稳定性和带外抑制提出了更高的要求。2015年,日本村田公司公布了单晶薄膜声表面波(SAW)滤波器[1],其高品质因数和低频率温度系数在业内引起了广泛关注。近年来,国内越来越多的声表面波滤波器制备厂家开始研发和生产单晶薄膜声表面滤波器。

常见的单晶薄膜晶圆以硅为衬底,在其表面沉积SiO2作为温补层和低声速层,最后通过Smart Cut技术[2]将压电单晶薄膜(通常为铌酸锂或钽酸锂)键合在SiO2上。与传统SAW滤波器相比,基于单晶薄膜晶圆的SAW滤波器有以下优点:

1) 品质因数高。因为声波在压电单晶薄膜和SiO2层的声阻不一致,使声波在界面处反射,通过合理的膜层排布可将声能量限制在晶圆表面,减少了传播损耗。

2) 温度稳定性好。因为在膜层结构中增加正频率温度系数的SiO2,使得原本负频率温度系数的铌酸锂或钽酸锂得到补偿,通过合理的膜层排布可使器件整体频率温度系数的绝对值减小[3-4]。

3) 器件的耐功率性能好。因为硅衬底的导热性能比传统钽酸锂/铌酸锂体单晶的导热性能好,器件工作时产生的热量可更好地通过衬底传递出去,从而提高器件整体的抗烧毁能力[4]。

虽然单晶薄膜SAW滤波器比传统SAW滤波器优势明显,但受晶圆制备能力限制,目前压电单晶层的厚度均匀性为5%～10%,晶圆表面存在色差,常规的光刻工艺难以保证线宽的一致性,从而恶化了器件在片内的频率分散性。本文通过增加抗反射膜和分区曝光的方法改善SAW滤波器在单晶薄膜晶圆片内的频率一致性。

1 现状

目前市面上已经商用的单晶薄膜晶圆,压电单晶薄膜厚度平均值一般为300～800 nm,如图1(a)、(b)所示。由图可看出晶片表面色差明显。

图1 单晶薄膜滤波器频率分布和单晶压电薄膜厚度的关系

通过介质膜厚测量仪测试压电单晶薄膜(目标值为600 nm的商用晶圆)发现,其厚度分散性为570～630 nm。在此基础上制备的滤波器存在明显的频率分散性,片内频率分散性约为15 MHz,且频率分布情况与压电层厚度相关,如图1(c)所示。

沿着图1(c)所示箭头方向测试谐振器的占空比分布,晶圆中心到边缘占空比从0.580波动下降到0.525,结果如图2(a)所示。在膜厚和谐振器周期一定的情况下,通过有限元仿真分析占空比和频率的关系,如图2(b)所示。由图可看出,随着占空比减小,谐振器频率呈现升高的趋势。由此可得,占空比变化与单晶薄膜晶圆片内频率分散性关系密切。

图2 占空比与谐振器频率的关系及胶厚分布

光刻工艺中影响占空比的主要因素有胶厚、曝光量、显影时间和晶圆表面色差。同一片晶圆在相同曝光量和显影时间的情况下,胶厚均匀性和晶圆色差是影响片内占空比分布的主要原因。图2(c)为胶厚分布图。由图可看出,胶厚的均匀性整体较好,胶厚为(845.9±6.7)nm,且探针频率分布Map图谱和胶厚的Map图谱相关性较小,而与压电单晶薄膜厚度的Map图谱相关性较大。由于单晶薄膜的厚度变化引起肉眼可见的色差,见图1(a)。由此可推断造成片内占空比波动的原因是晶圆在片内的颜色分布差异。

2 工艺路线的改进

为了减小晶圆片内色差对器件频率的影响,本文提出了两种解决方案:

1) 通过在晶圆表面增加抗反射涂层(BARC)来减少衬底反射对曝光过程的影响。

2) 基于频率分散的规律性在曝光过程中对不同区域进行曝光补偿,从而修正片内的频率分布。

已有研究成果[5]中验证了在波长365 nm(I线曝光机)、抗反射涂层厚度为280 nm时,衬底的反射率由15.84%降低至1.08%,可有效地减少衬底反射给曝光带来的影响。其工艺路线如图3所示。

图3 抗反射膜工艺路线

由图2(c)可知,单晶薄膜晶圆的片内频率分布呈现规则的同心圆环,依据其区域性对片内的曝光区按比例划分,从中心到边缘依据频率变化划分了3个曝光区,如图4所示。

图4 曝光补偿区域划分

3 加工和测试

加工方式按照常规光刻工艺、分区曝光工艺、带抗反射膜的光刻工艺及在引入抗反射膜的同时增加分区曝光的工艺进行流片,滤波器的频率Map图谱如5(a)所示。由图可以看出,分区曝光工艺的频率一致性最好,增加抗反射膜后频率一致性也有所改善,同时引入抗反射膜和分区曝光存在明显的过补偿现象。图5(b)为4种工艺方案的频率分布曲线。由图可看出,不同工艺方案的频率分布与探针Map图基本相同,常规曝光方案滤波器频率分布呈现波峰分裂趋势,而引入抗反射膜和分区曝光方案频率集中性均明显获得提升。从频率2 MHz范围内包含最大器件数量的占比来看,常规曝光工艺为48.81%,抗反射膜工艺为53.57%,而采用分区曝光工艺提高到了70.24%。

引入抗反射膜后,相同曝光量下滤波器频率增大,说明抗反射膜在曝光过程中抑制了衬底反射,造成滤波器的占空比减小。引入抗反射膜膜后滤波器的频率分散性虽有改善,但仍与衬底厚度有关,这是因为抗反射膜对衬底反射的抑制基于两方面:

1) 抗反射膜本身对365 nm入射光的吸收作用。

2) 由抗反射膜表面反射光和衬底反射光之间的干涉相消。

在膜层厚度相同的情况下,抗反射膜本身的吸收作用与衬底无关,但要实现干涉相消,需要表面反射和底部反射光之间的光程差是半波长的奇数倍。由于衬底厚度偏差为60 nm,入射光半波长为182.5 nm,衬底厚度变化相较于半波长不可忽略,因此,即使抗反射膜厚度一致,衬底厚度的偏差对其抗反射能力也有影响。引入抗反射膜工艺可部分抑制衬底的影响,但不能完全消除。

4 结束语

本文通过研究压电单晶薄膜晶圆制备滤波器引起片内频率分散性恶化的成因,发现片内频率分布和压电单晶薄膜厚度分布呈现强相关。其中占空比变化是引起频率变化的主要原因,从而推测出压电单晶薄膜厚度偏差引起的表面色差是造成占空比变化的主要原因。通过采用抗反射膜工艺和分区曝光工艺来抑制和补偿衬底色差的影响都有效改善了晶圆整体的频率分散性,2 MHz频率范围内包含最大器件数量占比从常规曝光的48.81%。提高到抗反射膜工艺的53.57%,以及分区曝光工艺的70.24%,这进一步证明了衬底色差是引起片内频率分散性恶化的原因。实验结果表明,对于有规律的频率分布分区曝光对一致性的改善最明显,但抗反射膜工艺因不能完全消除衬底反射的影响,故而改善效果有限。