廈門大學聯合三安集成實現SAW濾波器在線光刻控頻技術新突破

導讀

基于鉭酸鋰(LiTaO3,LT)晶圓的聲表面波（Surface acoustic wave, SAW）諧振器是現代移動通信設備中濾波器的關鍵電子元件，是5G通信發展的重要組成部分，關乎國家新一代通信技術戰略。在通信設備中，濾波器通常用于隔離不同的通信頻帶，避免串擾和噪聲信號，并與其他部件一起集成為功能更為強大的多工器。由于相鄰頻帶的頻率非常接近，SAW諧振器的頻率過度偏移將導致在兩個相鄰頻帶之間產生干擾信號。因此，工業集成制造過程中迫切需要對SAW諧振器實現高精度工作頻率控制。由于原始的LT晶圓通常具有較高透光率，在紫外光刻過程中存在嚴重的多次反射，極大影響了SAW諧振器的制造精度，進而妨礙了器件諧振頻率的精準控制。

在過去的幾年里，研究人員試圖克服原始LT晶圓中多次紫外反射的瓶頸，特別是通過使用鐵摻雜和還原等方法來調控LT晶圓（rFe:LT）的光學特性，以提高SAW諧振器的制造精度。為了表征摻雜和還原處理后晶圓的一致性與均勻性，通常需要使用傳統的紫外-可見光譜儀測量有限數量的雙面拋光樣片，這種方法不僅增加了額外的工序和成本，而且影響后續的光刻工藝（根據IEC國際標準，在工業產線上采用單面拋光晶圓進行SAW諧振器制造）。到目前為止，對單面拋光的rFe:LT 晶圓直接進行表征的研究鮮有報道。因此，在工業制造中，亟需一種快速無損的方法來實時檢測rFe:LT晶圓的光學特性，以提高SAW諧振器制造精度，并有力控制其工作頻率。

近日，廈門大學國家示范性微電子學院、電磁聲學研究院的朱錦鋒教授團隊聯合泉州市三安集成電路有限公司的研究人員開展聯合攻關，通過無損的光學比色技術，對rFe:LT晶圓光學特性進行實時在線監測（圖1），實現了SAW諧振器的精準頻率控制并極大提高了產品良率。該研究通過rFe:LT晶圓的光譜建立晶圓光學顏色特性和SAW諧振頻率之間的關系。研究結果表明，晶圓級比色法可以通過提高光刻過程中諧振器叉指電極（IDT）寬度的制造精度來精準控制SAW器件諧振頻率。該方案為顯著提高移動通信SAW器件諧振性能及其制造成品率提供有力的通用工具，相關科研成果以“Optical Colorimetric LiTaO3Wafers for High-Precision Lithography on Frequency Control of SAW Devices”為題發表在《Photonics Research》期刊上（DOI: 10.1364/PRJ.499795）。

此外，該檢測技術已由三安集團旗下福建晶安光電股份有限公司牽頭，協同廈門大學電磁聲學研究院、泉州三安集成、中國電科集團二十六所、無錫好達電子等多家單位制定中國團體標準，相關標準（T/CECA 83-2023 鉭酸鋰和鈮酸鋰還原單晶晶片明度和色差技術要求及測量方法）于2023年6月通過中國電子元件行業協會發布與實施，并同時推進IEC 62276的國際標準修訂申請。

圖1 SAW器件的晶圓級比色控頻技術示意圖與自動化在線測試裝置

研究亮點

在SAW濾波器生產過程中，叉指電極IDT的線寬（）是影響其頻率響應的關鍵因素，該研究將IDT線寬與晶圓外觀顏色建立關聯體系，通過快速在線監測晶圓的顏色特性，實現對SAW濾波器精準頻率控制的目的。為了實現快速在線監測，該研究采用無損的光學比色法來對晶圓外觀進行明度（）與色差（）的檢測。如圖2所示，通過測量晶圓的值可以快速區分不同外觀特性的晶圓。

圖2 色彩多樣的SAW濾波器LT晶圓襯底展示

如圖3（a）所示，較大值的晶圓具有更高的透光率與更低的吸收率，這引起紫外光刻過程中更強的多次反射，使得IDT線寬大幅超出掩膜版設計尺寸；相比之下，基于較小值晶圓所制備的IDT線寬則更接近掩模板設計尺寸?；谶@樣的原理，該研究還進一步建立了明度與色差對應不同IDT線寬與均勻性的關系，如圖3（b）和圖3（c）所示。結果顯示IDT線寬與明度呈現高度相關性, 而色差越小意味著IDT線寬的均一性越好。這說明采用該研究所提出來的方法可以對晶圓進行快速在線管理，以達到提升光刻工藝準確性的目的。該研究的成果表明基于色度辨識方法在線監測晶圓外觀屬性對于實現SAW濾波器的精準頻率控制尤為重要。

圖3 (a) 不同明度的LT晶片光刻原理示意圖。(b)明度與IDT線寬的關系。(c) 色差與IDT線寬均一性的關系。

最后，通過這種方法研究者們制備了Band 5雙工器，其中一個代表性SAW諧振器的SEM表征圖如圖4（a）所示，顯示出所制備的IDT線寬具有良好的均勻性。進一步分析了其頻率相關響應，如圖4（b）所示，模擬仿真與實驗測量顯示出高度一致的結果，這表明通過所提出的方法可以精確地控制SAW諧振器的頻率響應。

最后，通過比較不同晶圓的色差來評估晶圓上器件諧振頻率均勻性，如圖4（d）所示。數據表明，色差為1.63的比色差為3.15的具有更均勻的諧振和反諧振頻率分布。因此，晶圓上色差參數可用于晶圓的良率管理，這也進一步確保了SAW濾波器的在線精準頻率控制。

圖4 (a) SAW諧振器的SEM圖，其中SAW波長為4.5μm。(b) SAW諧振器在兩個不同IDT寬度下模擬的相關導納曲線，對應于兩個不同明度值下的測量對應值。(c) 具有兩個不同明度值的rFe:LT晶圓的器件諧振和反諧振頻率分布。(d) 具有兩個不同色差值的rFe:LT晶圓片上共振和反共振頻率區域分布圖。

總結與展望

綜上所述，該工作提出了一種基于還原鐵摻雜LT晶圓材料的無損監測方法，用于單面拋光晶圓的快速在線測量。通過明度和色差分析了摻雜和還原對晶圓紫外-可見光譜性能的影響。研究表明，明度的調諧可以對SAW諧振和反諧振頻率進行高精度控制，晶圓上的色差為器件均勻性的標準限定提供了重要的檢測指標。該研究為大規模生產SAW諧振器奠定了強有力的基礎工具，將大大提高移動通信濾波器芯片的制造質量和效率。

廈門大學朱錦鋒教授為該研究工作的唯一通訊作者，朱教授課題組集成電路產業博士生枋明輝、電磁場與微波技術專業博士生謝奕濃為論文共同第一作者、廈門大學國家集成電路產教融合創新平臺班碩士生薛方琦及三安集成多位同仁為該工作提供了相關技術支持。此外，福建晶安光電楊勝?？偨浝?、寧波東方理工大學柳清伙教授也對該研究提供了必要的指導和幫助。該研究得到國家自然科學基金(62175205)、2022福建省“雛鷹計劃”青年拔尖人才項目以及福建省杰出青年科學基金(2020J06009) 等研究課題的支持。

論文鏈接：

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




審核編輯：劉清