聲表面波器件叉指換能器的制作技術

【摘　要】　聲表面波器件的制造關鍵在于如何制作叉指換能器，特別對于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鍵。本文提供了其制作工藝流程及要點。
???? 關鍵詞：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中得到了廣泛應用，如濾波器、高頻振蕩器、卷積器、延遲線、相關器等都是聲表面波器件。在移動通信系統中，SAW器件也至關重要?，F在，移動通信系統的頻率在向2GHz以上攀升，下一代通訊用SAW器件的研究已非?；钴S?？紤]到移動通訊市場引人注目的增長，以及人們對高數據傳輸速率的迫切需求，在不久的將來，移動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鍵元件，其線寬也將進入亞微米階段；即使采用叉指倍頻技術，提高線條密度，但同時對線條的控制也提出了更高的要求。如何制得精細的叉指換能器電極，成為聲表器件能否制作成功的關鍵。
2　制作過程
　　聲表器件一般由沉積于壓電基片上的梳齒狀電極構成，壓電基片有人造石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰、鍺酸鉍等單晶材料。單指結構的換能器電極寬度為聲表面波波長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，當頻率達到1GHz時，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，其工藝過程有清洗、鍍膜、光刻、刻蝕、頻率修正、檢測、封裝等。但作為頻率器件，SAW器
件對叉指換能器（IDT）厚度、寬度、剖面形狀有更為嚴格的要求，因為這些會直接影響到器件的頻率、帶寬及插損等特性。
2．1　導電膜的制備（Film Deposition）
　　高質量金屬薄膜的制備對聲表器件非常關鍵。
鋁具有很高的電導率，化學性質穩(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％）。因此要求鍍膜設備不僅要有可靠的膜厚監(jiān)測手段，還要能達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。對電子束蒸發(fā)臺而言，即使采用行星運轉片架，鋁膜的均勻性也只有±5％左右。因此，對行星片架加裝合適的均勻性調整板非常必要。我們通過對TEMESCAL1800、VES2550電子束蒸發(fā)臺的改進，使行星片架系統的鍍膜均勻性都達到了±1％的要求。
　　在蜂窩無線應用中，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〔1〕，電極處很容易斷路或短路，高功率給基片表面帶來的高溫使器件很易失效。因此，人們又發(fā)展了復合金屬膜、鈍化膜〔2〕等方法，以期大大提高器件的功率耐受力。復合金屬膜主要有Al－2％Cu／Ti，試驗中的鈍化膜有SiO2、SiN、AlN等〔2〕，它們需要以反應濺射或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，需要經過光刻。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－線分別對應于450－300nm波長范圍。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其曝光。接觸式曝光的分辨率取決于曝光波長λ與掩模板與膠膜表面的距離g（R＝α，由于光線會在掩模板與膠膜面間的縫隙中衍射，會使分辨率大大下降。要想提高分辨率，除了縮短曝光波長外，還必須讓掩模與基片緊密接觸。對聲表器件而言，金屬化比（金屬指條寬度與縫隙寬度之比）是一個很重要的參數，它直接受制于光刻時的線寬與縫隙之比。保持光刻過程的重復性與一致性有助于大大提高生產效率。
　　采用投影曝光時，線條分辨率LW決定于曝光波長λ和鏡頭數值孔徑NA

（k為比例常數），更短的曝光波長、更大的數值孔徑有利于得到更細的線寬。為了得到更精細的線寬，人們發(fā)明并應用了波長更短的光源——準分子激光光源，如KrF（248nm）、ArF（193nm）等，它們?yōu)榧呻娐返母咚侔l(fā)展奠定了基礎。
　　電子束直寫技術為精細線寬的制作提供了很好的前景〔3〕。唯一的問題是：效率太低。這是因為電子束要對曝光區(qū)域進行掃描，太費時間?？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）用電子束對換能器進行掃描曝光，然后再用紫外光源對其他部分進行掩模曝光。這樣大大提高了生產效率。電子束抗蝕劑的研究正不斷取得進展，因此，在SAW器件生產上使用EB曝光技術僅僅是個時間問題。
2．3　刻蝕技術
??? 顯影后在壓電基片上留下了帶膠的圖形，要想

進一步得到叉指電極，必須經過刻蝕?？涛g工藝必須符合選擇性強、效率高、均勻性好（包括片內、片與片之間、批與批之間）的要求。
　　濕法腐蝕技術已經在聲表器件生產中使用了多年，然而由于各向同性，存在側向腐蝕，這帶來兩個問題：首先聲表器件對電極側剖面有較高要求，因為它會影響表面波在電極邊緣的反射〔3〕。再則，在亞微米范圍內，由于側向腐蝕的存在，對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——離子束刻蝕，等離子刻蝕，反應離子刻蝕（RIE）〔4〕法。
　　RIE刻蝕能提供對電極側剖面的精確控制，可以得到很陡直的側剖面。它是用具有一定轟擊能量的活性離子與固體表面強化化學反應的過程，既利用了離子的濺射作用，又有活性粒子的化學作用。這種刻蝕具有功率小、刻蝕快、選擇性好、均勻區(qū)大的特點，是刻蝕精細圖形的理想方法。該法使用成本低廉，而且不會象濕法刻蝕那樣消耗大量的酸液與有機溶劑，符合環(huán)保要求。

　　典型的RIE腔體包含兩個平行平板電極，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，活性離子基團在高壓電場的作用下，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，可以很精確地控制側剖面，圖2表明了不同刻蝕條件下的側剖面形狀。對聲表器件而言，陡直的側剖面非常重要。
2．4　剝離技術
　　剝離技術為叉指電極的制作提供了一種簡單有效的方法，它的過程控制參數比刻蝕方法要少，而且不會象干法刻蝕那樣會對基片表面造成機械損傷。剝離技術的關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，隨著半導體制造技術而發(fā)展起來的雙　　層膜、甚至多層膜剝離技術因為工藝繁雜、過程太長而逐漸被人們摒棄。后來，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的特性，成功地制得適宜于剝離的反轉光刻膠。AZ5200系列就是這種類型的光刻膠。它通過掩模曝光后烘（PEB），使圖形反轉，然后再泛曝光，使原先未曝光區(qū)域變成堿可溶而通過顯影液顯去。
　　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去光刻膠以及上面的金屬層，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程帶來的不均勻。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)模生產出數字無繩電話用900MHz系列雙工濾波器，市場反應很好。
2．5　叉指倍頻技術
　　前文已經講到，由于濕法腐蝕的各向同性，總存在一定的側向腐蝕量，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側向腐蝕寬度的話（一般與待腐金屬膜厚成一定比例），再結合剝離工藝，同樣可制作出精細的圖形結構。圖4描述了這樣的制作過程。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，電極間隙由側向腐蝕寬度決定。此方法通過一次曝光兩次成型，成功地使叉指密度提高了一倍。我們采用KARLSUSS光刻機，接觸式曝光，以叉指倍頻技術成功制得1．8GHz諧振器、2．2GHz濾波器，圖5就是2．2GHz藍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　結束語
　　要成功地將聲表器件付諸大規(guī)模生產，能成功地得到精細條寬很重要，但是由于生產過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，它們都會導致器件頻率的離散。因此，要想提高成品率，除了能制備高度均勻的金屬膜、光刻與刻蝕有很強的可控性外，還必須引入頻率修正技術，對生產過程中造成的種種不均勻作適當的補償。此外，還必須克服由于基片的熱釋電性帶來的高壓靜電荷的影響。只有這樣，大規(guī)模生產才有可能。

1　電子工業(yè)生產技術手冊編委會．半導體與集成電路卷．電子工業(yè)生產技術手冊第七卷，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