中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
基于鉭酸鋰（LiTaO3, LT）晶圓的聲表面波（Surface acoustic wave, SAW）諧振器是現(xiàn)代移動(dòng)通信設(shè)備中濾波器的關(guān)鍵電子元件，是5G通信發(fā)展的重要組成部分，關(guān)乎國家新一代通信技術(shù)戰(zhàn)略。在通信設(shè)備中，濾波器通常用于隔離不同的通信頻帶，避免串?dāng)_和噪聲信號，并與其他部件一起集成為功能更為強(qiáng)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(dǎo)致在兩個(gè)相鄰頻帶之間產(chǎn)生干擾信號。因此，工業(yè)集成制造過程中迫切需要對SAW諧振器實(shí)現(xiàn)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(yán)重的多次反射，極大影響了SAW諧振器的制造精度，進(jìn)而妨礙了器件諧振頻率的精準(zhǔn)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(diào)控LT晶圓（rFe:LT）的光學(xué)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(tǒng)的紫外-可見光譜儀測量有限數(shù)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(xù)的光刻工藝（根據(jù)IEC國際標(biāo)準(zhǔn)，在工業(yè)產(chǎn)線上采用單面拋光晶圓進(jìn)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(jìn)行表征的研究鮮有報(bào)道。因此，在工業(yè)制造中，亟需一種快速無損的方法來實(shí)時(shí)檢測rFe:LT晶圓的光學(xué)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(xué)國家示范性微電子學(xué)院、電磁聲學(xué)研究院的朱錦鋒教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合泉州市三安集成電路有限公司的研究人員開展聯(lián)合攻關(guān)，通過無損的光學(xué)比色技術(shù)，對rFe:LT晶圓光學(xué)特性進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測（圖1），實(shí)現(xiàn)了SAW諧振器的精準(zhǔn)頻率控制并極大提高了產(chǎn)品良率。該研究通過rFe:LT晶圓的光譜建立晶圓光學(xué)顏色特性和SAW諧振頻率之間的關(guān)系。研究結(jié)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(zhǔn)控制SAW器件諧振頻率。該方案為顯著提高移動(dòng)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(guān)科研成果以“Optical Colorimetric LiTaO3 Wafers for High-Precision Lithography on Frequency Control of SAW Devices”為題發(fā)表在《Photonics Research》期刊上。
此外，該檢測技術(shù)已由三安集團(tuán)旗下福建晶安光電股份有限公司牽頭，協(xié)同廈門大學(xué)電磁聲學(xué)研究院、泉州三安集成、中國電科集團(tuán)二十六所、無錫好達(dá)電子等多家單位制定中國團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（T/CECA 83-2023 鉭酸鋰和鈮酸鋰還原單晶晶片明度和色差技術(shù)要求及測量方法）于2023年6月通過中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布與實(shí)施，并同時(shí)推進(jìn)IEC 62276的國際標(biāo)準(zhǔn)修訂申請。
圖1 SAW器件的晶圓級比色控頻技術(shù)示意圖與自動(dòng)化在線測試裝置
研究亮點(diǎn)
圖2 色彩多樣的SAW濾波器LT晶圓襯底展示
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(guān)系。(c) 色差與IDT線寬均一性的關(guān)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(gè)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(jìn)一步分析了其頻率相關(guān)響應(yīng)，如圖4（b）所示，模擬仿真與實(shí)驗(yàn)測量顯示出高度一致的結(jié)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(yīng)。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(shù)據(jù)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(shù)可用于晶圓的良率管理，這也進(jìn)一步確保了SAW濾波器的在線精準(zhǔn)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(gè)不同IDT寬度下模擬的相關(guān)導(dǎo)納曲線，對應(yīng)于兩個(gè)不同明度值下的測量對應(yīng)值。(c) 具有兩個(gè)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(gè)不同色差值的rFe:LT晶圓片上共振和反共振頻率區(qū)域分布圖。
總結(jié)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(jiān)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(diào)諧可以對SAW諧振和反諧振頻率進(jìn)行高精度控制，晶圓上的色差為器件均勻性的標(biāo)準(zhǔn)限定提供了重要的檢測指標(biāo)。該研究為大規(guī)模生產(chǎn)SAW諧振器奠定了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)工具，將大大提高移動(dòng)通信濾波器芯片的制造質(zhì)量和效率。
廈門大學(xué)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(chǎn)業(yè)博士生枋明輝、電磁場與微波技術(shù)專業(yè)博士生謝奕濃為論文共同第一作者、廈門大學(xué)國家集成電路產(chǎn)教融合創(chuàng)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(guān)技術(shù)支持。此外，福建晶安光電楊勝?？偨?jīng)理、寧波東方理工大學(xué)柳清伙教授也對該研究提供了必要的指導(dǎo)和幫助。該研究得到國家自然科學(xué)基金(62175205)、2022福建省“雛鷹計(jì)劃”青年拔尖人才項(xiàng)目以及福建省杰出青年科學(xué)基金(2020J06009) 等研究課題的支持。
