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）諧振器是現代移動(dòng)通信設備中濾波器的關(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(guò)度偏移將導致在兩個(gè)相鄰頻帶之間產(chǎn)生干擾信號。因此，工業(yè)集成制造過(guò)程中迫切需要對SAW諧振器實(shí)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(guò)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(jìn)而妨礙了器件諧振頻率的精準控制。
在過(guò)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(guò)使用鐵摻雜和還原等方法來(lái)調控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，通常需要使用傳統的紫外-可見(jiàn)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(yè)產(chǎn)線(xiàn)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道。因此，在工業(yè)制造中，亟需一種快速無(wú)損的方法來(lái)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(mén)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隊聯(lián)合泉州市三安集成電路有限公司的研究人員開(kāi)展聯(lián)合攻關(guān)，通過(guò)無(wú)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(xiàn)監測（圖1），實(shí)現了SAW諧振器的精準頻率控制并極大提高了產(chǎn)品良率。該研究通過(guò)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。研究結果表明，晶圓級比色法可以通過(guò)提高光刻過(guò)程中諧振器叉指電極（IDT）寬度的制造精度來(lái)精準控制SAW器件諧振頻率。該方案為顯著(zhù)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)已由三安集團旗下福建晶安光電股份有限公司牽頭，協(xié)同廈門(mén)大學(xué)電磁聲學(xué)研究院、泉州三安集成、中國電科集團二十六所、無(wú)錫好達電子等多家單位制定中國團體標準，相關(guān)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(shù)要求及測量方法）于2023年6月通過(guò)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的國際標準修訂申請。
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(xiàn)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(xiàn)寬的關(guān)系。(c) 色差與IDT線(xiàn)寬均一性的關(guān)系。
最后，通過(guò)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(xiàn)寬具有良好的均勻性。進(jìn)一步分析了其頻率相關(guān)響應，如圖4（b）所示，模擬仿真與實(shí)驗測量顯示出高度一致的結果，這表明通過(guò)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(guò)比較不同晶圓的色差來(lái)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(jìn)一步確保了SAW濾波器的在線(xiàn)精準頻率控制。
圖4 (a) SAW諧振器的SEM圖，其中SAW波長(cháng)為4.5μm。(b) SAW諧振器在兩個(gè)不同IDT寬度下模擬的相關(guān)導納曲線(xiàn)，對應于兩個(gè)不同明度值下的測量對應值。(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(wú)損監測方法，用于單面拋光晶圓的快速在線(xiàn)測量。通過(guò)明度和色差分析了摻雜和還原對晶圓紫外-可見(jiàn)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(jìn)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(chǎn)SAW諧振器奠定了強有力的基礎工具，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(mén)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(chǎng)與微波技術(shù)專(zhuān)業(yè)博士生謝奕濃為論文共同第一作者、廈門(mén)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“雛鷹計劃”青年拔尖人才項目以及福建省杰出青年科學(xué)基金(2020J06009) 等研究課題的支持。
