導(dǎo)讀

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(dǎo)致在兩個相鄰頻帶之間產(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(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國際標準，在工業(yè)產(chǎn)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(yè)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(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隊聯(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)特性進行實時在線監(jiān)測（圖1），實現(xiàn)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(guān)科研成果以“Optical Colorimetric LiTaO3Wafers for High-Precision Lithography on Frequency Control of SAW Devices”為題發(fā)表在《Photonics Research》期刊上（DOI: 10.1364/PRJ.499795）。

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月通過中國電子元件行業(yè)協(xié)會發(fā)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(shù)示意圖與自動化在線測試裝置

研究亮點

在SAW濾波器生產(chǎn)過程中，叉指電極IDT的線寬（）是影響其頻率響應(yīng)的關(guān)鍵因素，該研究將IDT線寬與晶圓外觀顏色建立關(guān)聯(lián)體系，通過快速在線監(jiān)測晶圓的顏色特性，實現(xiàn)對SAW濾波器精準頻率控制的目的。為了實現(xiàn)快速在線監(jiān)測，該研究采用無損的光學(xué)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(qū)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(shè)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(shè)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(yīng)不同IDT線寬與均勻性的關(guān)系，如圖3（b）和圖3（c）所示。結(jié)果顯示IDT線寬與明度呈現(xiàn)高度相關(guān)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(jiān)測晶圓外觀屬性對于實現(xiàn)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(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(guān)響應(yīng)，如圖4（b）所示，模擬仿真與實驗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(guān)導(dǎo)納曲線，對應(yīng)于兩個不同明度值下的測量對應(yīng)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(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(guī)模生產(chǎn)SAW諧振器奠定了強有力的基礎(chǔ)工具，將大大提高移動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。

論文鏈接：

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




審核編輯：劉清