聲表面波器件叉指換能器的制作技術(shù)

【摘　要】　聲表面波器件的制造關(guān)鍵在于如何制作叉指換能器，特別對(duì)于GHz頻率以上的器件，亞微米線寬如何控制是聲表器件能否制作成功的關(guān)鍵。本文提供了其制作工藝流程及要點(diǎn)。
???? 關(guān)鍵詞：聲表面波器件，叉指換能器，工藝
?
1　引　言
　　聲表面波（SAW）器件在電子通訊系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，如濾波器、高頻振蕩器、卷積器、延遲線、相關(guān)器等都是聲表面波器件。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，SAW器件也至關(guān)重要?，F(xiàn)在，移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻率在向2GHz以上攀升，下一代通訊用SAW器件的研究已非?；钴S?？紤]到移動(dòng)通訊市場(chǎng)引人注目的增長(zhǎng)，以及人們對(duì)高數(shù)據(jù)傳輸速率的迫切需求，在不久的將來(lái)，移動(dòng)通信載波頻率有可能提到5－10GHz的水平。SAW器件作為電子通訊的關(guān)鍵元件，其線寬也將進(jìn)入亞微米階段；即使采用叉指倍頻技術(shù)，提高線條密度，但同時(shí)對(duì)線條的控制也提出了更高的要求。如何制得精細(xì)的叉指換能器電極，成為聲表器件能否制作成功的關(guān)鍵。
2　制作過(guò)程
　　聲表器件一般由沉積于壓電基片上的梳齒狀電極構(gòu)成，壓電基片有人造石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰、鍺酸鉍等單晶材料。單指結(jié)構(gòu)的換能器電極寬度為聲表面波波長(zhǎng)λ的四分之一。由于λ＝V／f（V是表面波波速，其值在3000－4000m／s左右，f為表面波頻率），顯然，當(dāng)頻率達(dá)到1GHz時(shí)，電極寬度將小于1微米。
　　SAW器件的制作沿襲了大規(guī)模集成電路的平面制造技術(shù)，其工藝過(guò)程有清洗、鍍膜、光刻、刻蝕、頻率修正、檢測(cè)、封裝等。但作為頻率器件，SAW器
件對(duì)叉指換能器（IDT）厚度、寬度、剖面形狀有更為嚴(yán)格的要求，因?yàn)檫@些會(huì)直接影響到器件的頻率、帶寬及插損等特性。
2．1　導(dǎo)電膜的制備（Film Deposition）
　　高質(zhì)量金屬薄膜的制備對(duì)聲表器件非常關(guān)鍵。
鋁具有很高的電導(dǎo)率，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于沉積，因而被廣泛使用。聲表器件不僅要求膜厚合適，而且要有很高的均勻性（要優(yōu)于±1％）。因此要求鍍膜設(shè)備不僅要有可靠的膜厚監(jiān)測(cè)手段，還要能達(dá)到很高的鍍膜均勻性。鋁膜一般用電子束蒸發(fā)或直流濺射法沉積。對(duì)電子束蒸發(fā)臺(tái)而言，即使采用行星運(yùn)轉(zhuǎn)片架，鋁膜的均勻性也只有±5％左右。因此，對(duì)行星片架加裝合適的均勻性調(diào)整板非常必要。我們通過(guò)對(duì)TEMESCAL1800、VES2550電子束蒸發(fā)臺(tái)的改進(jìn)，使行星片架系統(tǒng)的鍍膜均勻性都達(dá)到了±1％的要求。
　　在蜂窩無(wú)線應(yīng)用中，要求器件能承受大至1W的發(fā)射或接受功率。然而在大電流作用下，由于鋁原子的遷移效應(yīng)〔1〕，電極處很容易斷路或短路，高功率給基片表面帶來(lái)的高溫使器件很易失效。因此，人們又發(fā)展了復(fù)合金屬膜、鈍化膜〔2〕等方法，以期大大提高器件的功率耐受力。復(fù)合金屬膜主要有Al－2％Cu／Ti，試驗(yàn)中的鈍化膜有SiO2、SiN、AlN等〔2〕，它們需要以反應(yīng)濺射或PECVD方法沉積。
2．2　光刻（Photo┐Lithography）
　　要在鍍好膜的基片上得到電極圖形，需要經(jīng)過(guò)光刻。曝光的手段主要有：接觸式（含軟接觸式），投影式，電子束掃描式，X射線曝光式。
　　應(yīng)用最為普遍的是接觸式曝光法。主要使用的光源為高壓汞弧燈，其G－、H－、I－線分別對(duì)應(yīng)于450－300nm波長(zhǎng)范圍。制作有SAW器件圖形的掩模板與涂有光刻膠的基片緊密（或軟）接觸，用高度平行的紫外光源對(duì)其曝光。接觸式曝光的分辨率取決于曝光波長(zhǎng)λ與掩模板與膠膜表面的距離g（R＝α，由于光線會(huì)在掩模板與膠膜面間的縫隙中衍射，會(huì)使分辨率大大下降。要想提高分辨率，除了縮短曝光波長(zhǎng)外，還必須讓掩模與基片緊密接觸。對(duì)聲表器件而言，金屬化比（金屬指條寬度與縫隙寬度之比）是一個(gè)很重要的參數(shù)，它直接受制于光刻時(shí)的線寬與縫隙之比。保持光刻過(guò)程的重復(fù)性與一致性有助于大大提高生產(chǎn)效率。
　　采用投影曝光時(shí)，線條分辨率LW決定于曝光波長(zhǎng)λ和鏡頭數(shù)值孔徑NA

（k為比例常數(shù)），更短的曝光波長(zhǎng)、更大的數(shù)值孔徑有利于得到更細(xì)的線寬。為了得到更精細(xì)的線寬，人們發(fā)明并應(yīng)用了波長(zhǎng)更短的光源——準(zhǔn)分子激光光源，如KrF（248nm）、ArF（193nm）等，它們?yōu)榧呻娐返母咚侔l(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
　　電子束直寫技術(shù)為精細(xì)線寬的制作提供了很好的前景〔3〕。唯一的問(wèn)題是：效率太低。這是因?yàn)殡娮邮獙?duì)曝光區(qū)域進(jìn)行掃描，太費(fèi)時(shí)間?？紤]SAW器件只有換能器區(qū)域需要得到極高的分辨率，而這部分僅占SAW器件很小的一部分，因此可以先（或后）用電子束對(duì)換能器進(jìn)行掃描曝光，然后再用紫外光源對(duì)其他部分進(jìn)行掩模曝光。這樣大大提高了生產(chǎn)效率。電子束抗蝕劑的研究正不斷取得進(jìn)展，因此，在SAW器件生產(chǎn)上使用EB曝光技術(shù)僅僅是個(gè)時(shí)間問(wèn)題。
2．3　刻蝕技術(shù)
??? 顯影后在壓電基片上留下了帶膠的圖形，要想

進(jìn)一步得到叉指電極，必須經(jīng)過(guò)刻蝕?？涛g工藝必須符合選擇性強(qiáng)、效率高、均勻性好（包括片內(nèi)、片與片之間、批與批之間）的要求。
　　濕法腐蝕技術(shù)已經(jīng)在聲表器件生產(chǎn)中使用了多年，然而由于各向同性，存在側(cè)向腐蝕，這帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：首先聲表器件對(duì)電極側(cè)剖面有較高要求，因?yàn)樗鼤?huì)影響表面波在電極邊緣的反射〔3〕。再則，在亞微米范圍內(nèi)，由于側(cè)向腐蝕的存在，對(duì)電極寬度的控制將變得很困難。因此，人們又發(fā)展了干法刻蝕技術(shù)——離子束刻蝕，等離子刻蝕，反應(yīng)離子刻蝕（RIE）〔4〕法。
　　RIE刻蝕能提供對(duì)電極側(cè)剖面的精確控制，可以得到很陡直的側(cè)剖面。它是用具有一定轟擊能量的活性離子與固體表面強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，既利用了離子的濺射作用，又有活性粒子的化學(xué)作用。這種刻蝕具有功率小、刻蝕快、選擇性好、均勻區(qū)大的特點(diǎn)，是刻蝕精細(xì)圖形的理想方法。該法使用成本低廉，而且不會(huì)象濕法刻蝕那樣消耗大量的酸液與有機(jī)溶劑，符合環(huán)保要求。

　　典型的RIE腔體包含兩個(gè)平行平板電極，接地電極位于腔體上部，射頻電極位于下部，基片置于其上。如圖1所示。
　　RIE的工作原理為：
　　將腔體抽到高真空后，引入一定量的反應(yīng)氣體（如果想刻蝕電極鋁材料，充入Cl2、BCl3是合適的；如果想刻蝕壓電基片，則可充入CCl4、CF4等），在電極間施加射頻電壓后，氣體將被電離，活性離子基團(tuán)在高壓電場(chǎng)的作用下，轟擊基片材料表面，有選擇性地刻蝕掉基片表面的電極材料或基底材料，選擇合適的射頻電壓與充氣壓強(qiáng)，可以很精確地控制側(cè)剖面，圖2表明了不同刻蝕條件下的側(cè)剖面形狀。對(duì)聲表器件而言，陡直的側(cè)剖面非常重要。
2．4　剝離技術(shù)
　　剝離技術(shù)為叉指電極的制作提供了一種簡(jiǎn)單有效的方法，它的過(guò)程控制參數(shù)比刻蝕方法要少，而且不會(huì)象干法刻蝕那樣會(huì)對(duì)基片表面造成機(jī)械損傷。剝離技術(shù)的關(guān)鍵在于光刻膠剖面圖形要陡直，最好呈倒梯形，否則，剝離將失敗。早期，隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的雙　　層膜、甚至多層膜剝離技術(shù)因?yàn)楣に嚪彪s、過(guò)程太長(zhǎng)而逐漸被人們摒棄。后來(lái)，人們利用鄰重氮萘醌在不同曝光條件下及后處理中能夠反轉(zhuǎn)的特性，成功地制得適宜于剝離的反轉(zhuǎn)光刻膠。AZ5200系列就是這種類型的光刻膠。它通過(guò)掩模曝光后烘（PEB），使圖形反轉(zhuǎn)，然后再泛曝光，使原先未曝光區(qū)域變成堿可溶而通過(guò)顯影液顯去。
　　基片上僅留下與光刻版圖形完全相反的圖案，然后再在基片上鍍上一層厚度符合要求的金屬層，再把基片放入剝離液，在超聲波的作用下剝?nèi)ス饪棠z以及上面的金屬層，只留下與光刻版完全相同的電極圖案。圖3描述了這樣的工藝過(guò)程。
??? 由于剝離工藝的圖形分辨率僅僅取決于光刻，

避免了金屬叉指刻蝕過(guò)程帶來(lái)的不均勻。因此比較容易控制好線寬，本部利用此方法成功地在36°Y－XLiTaO3壓電基片上規(guī)模生產(chǎn)出數(shù)字無(wú)繩電話用900MHz系列雙工濾波器，市場(chǎng)反應(yīng)很好。
2．5　叉指倍頻技術(shù)
　　前文已經(jīng)講到，由于濕法腐蝕的各向同性，總存在一定的側(cè)向腐蝕量，使條寬難以控制，在亞微米工藝中很少被采用。但是如果能巧妙利用這個(gè)側(cè)向腐蝕寬度的話（一般與待腐金屬膜厚成一定比例），再結(jié)合剝離工藝，同樣可制作出精細(xì)的圖形結(jié)構(gòu)。圖4描述了這樣的制作過(guò)程。叉指換能器分兩次沉積，每次一半，第二次沉積的電極均勻地插入濕法腐蝕后形成的電極中間，電極間隙由側(cè)向腐蝕寬度決定。此方法通過(guò)一次曝光兩次成型，成功地使叉指密度提高了一倍。我們采用KARLSUSS光刻機(jī)，接觸式曝光，以叉指倍頻技術(shù)成功制得1．8GHz諧振器、2．2GHz濾波器，圖5就是2．2GHz藍(lán)牙通訊用濾波器的電極照片（一部分），其叉指寬度約為0．5微米。
3　結(jié)束語(yǔ)
　　要成功地將聲表器件付諸大規(guī)模生產(chǎn)，能成功地得到精細(xì)條寬很重要，但是由于生產(chǎn)過(guò)程的每一步都可能引入不均勻性，包括金屬膜厚不均勻、光刻線寬不均勻、刻蝕不均勻等，它們都會(huì)導(dǎo)致器件頻率的離散。因此，要想提高成品率，除了能制備高度均勻的金屬膜、光刻與刻蝕有很強(qiáng)的可控性外，還必須引入頻率修正技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中造成的種種不均勻作適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。此外，還必須克服由于基片的熱釋電性帶來(lái)的高壓靜電荷的影響。只有這樣，大規(guī)模生產(chǎn)才有可能。

1　電子工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)編委會(huì)．半導(dǎo)體與集成電路卷．電子工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)手冊(cè)第七卷，1990：1024
2　Jin Yong Kim and Hyeong Joon Kim．Passivation LayerEffects on Power Durability of SAW Duplexer．1999　　IEEE Ultrsonics Symposium：39～42
3　HiroyukiOdagawa．SAW Device beyond 5GHz，Advancein Surface Acoustic W ave Technology．System and　　Application，Vol．2，2001：255～258
4　Rajan Subramanian，Jason W elter．High－Frequency SAWFabricated by Ion Etch Technology．1996 IEEEUltrasonics Symposium：271～276