傳統SAW離子束調頻技術研究

伍 平，陳 峻，米 佳，董家和，趙雪梅，劉曉莉，董 姝，黎 亮

(中國電子科技集團公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

由于在聲表產品特別是高頻窄帶器件的制作中，頻率偏差是影響產品合格率的主要原因, 而膜厚、指寬、材料、聲速是產生聲表器件頻率偏差的主要因素，因此，需對光刻成型的晶圓芯片調頻。調頻的方式有濕法調頻、干法調頻。濕法調頻利用化學試劑與被刻蝕材料發生反應生成可溶性物質，將探針后的晶片放入鋁腐蝕液后，腐蝕作用可直接降低鋁膜厚度和指條寬度，從而提高聲表器件的頻率。對頻率精度低于100×10-6的窄帶聲表面波(SAW)器件及2 GHz以上的SAW高頻器件，工藝制作較難，現有工藝只能通過濕法腐蝕調頻且只能調高目標頻率，方向單一不可控，金屬指寬和形貌得不到控制[1-2]。

干法調頻有等離子刻蝕、濺射刻蝕及反應離子刻蝕等方法，本文主要是濺射刻蝕中的掃描刻蝕，在射頻探針對晶圓上的芯片測試電性能后，把晶片放進離子束刻蝕機內刻蝕，以提高或降低金屬臺階的高度，從而降低或提高電性能中的主要指標——頻率。本文選擇離子源離子束直徑的半高寬約為4 mm，可以對幾個毫米內的厚度梯度進行精確調節。

當離子束(Ar+)轟擊晶圓表面時，將從表面去除一些原子。離子刻蝕速率依賴于以下幾點：

1) 離子的能量。 5 kV離子比1 kV離子刻蝕快。

2) 離子數(或電流)。1 μA電流的離子將是0.1 μA電流的離子刻蝕速率的10倍。

3) 晶圓表面的材料層物理結構，如硅(Si)比鉭(Ta)刻蝕快。

4) 聲表器件設計中，膜厚敏感度100 kHz/nm比10 kHz/nm快。

本文是在離子能量為1 keV,電流2 mA，膜厚敏感度為100 kHz/nm的條件下，SAW相關材料鉭酸鈮(LT)、水晶、Al、Al2O3、SiO2、AlN、Mo、Cu的刻蝕速率獲取技術及基于此刻蝕速率在有金屬材料的立體結構中的刻蝕理論和實驗分析討論，并詳細介紹了離子束刻蝕工藝對SAW制作后的芯片的目標頻率的提高或降低。本文所用的電性能探針測試系統為探針臺PA200，測試網絡分析儀器為Agilent 5071C，膜厚測試設備為反射干涉膜厚測試儀FILMTRICS公司生產的光學膜厚測試儀。

1 SAW相關材料刻蝕速率

1.1 AlN、Mo和SiO2薄膜刻蝕速率獲取技術

圖1 離子束刻蝕AlN、Mo和SiO2薄膜

1.2 LT、水晶晶圓刻蝕速率獲取技術

在已制作完圖形的LT、水晶4英寸(約100 mm)晶圓(1 000 nm厚的Al)各1片上，在最高功率下，對光刻成型的LT、水晶晶片進行離子束刻蝕10 min～1 h，通過化學法去掉Al，測量離子束刻蝕后LT、水晶晶圓的臺階高度，臺階高度即為LT、水晶的移除厚度， LT、水晶晶圓的臺階深度除以刻蝕時間計算分別得到LT、水晶晶圓的刻蝕速率。

1.3 Al、Cu的刻蝕速率獲取技術

對光刻成型的LT 4英寸(約100 mm)晶片2片，1片鍍1 000 nm的Al、1片鍍1 000 nm的Cu，在最高功率下，對光刻成型的LT晶片進行離子束刻蝕10 min～1 h，測量離子束刻蝕后，臺階厚度為h1，通過化學法分別去掉每片上的Al、Cu，測量離子束刻蝕后LT晶片的臺階深度為h2，h2與h1的差即得Al和Cu的移除厚度，用(h2-h1)t(其中t為刻蝕時間)可得Al膜和Cu膜的刻蝕速率。

2 SAW領域里的離子束刻蝕技術

SAW器件是在壓電基片上制作兩個叉指換能器(IDT)，組成輸入、輸出端口的四端網絡，在一個輸入IDT上加交變信號、通過壓電基片的壓電效應，完成聲電信號的轉換，在輸出IDT上接收與IDT電極周期相等的SAW信號，達到信號濾波的目的。在壓電材料的晶圓上，制作金屬電極后，用膜厚臺階儀測試h1后，離子刻蝕機在最高功率下，掃描刻蝕后，測試相同芯片的h2，根據(h1-h2)/t(t為刻蝕時間)計算刻蝕速率。由于制作傳統SAW器件的晶圓芯片表面的材料是Al，Al在空氣中被氧化，極易生成致密的氧化鋁(Al2O3)薄膜，Al2O3薄膜和Al及基底壓電材料的物理特性和刻蝕速率存在差異，將導致SAW的離子束刻蝕調頻過程復雜，因此，本文將重點討論傳統SAW器件在制作晶圓芯片表面有鈍化層Al2O3的情況。

當Ar離子束轟擊傳統SAW器件的壓電晶片表面時(見圖2)，由于Al2O3薄膜鈍化層的存在(見圖3(a))，刻蝕基底的速率高于鈍化層，頻率降低(見圖3(b))，當鈍化層刻蝕完后，刻蝕基底的速率低于鈍化層，頻率升高(見圖3(c))。圖3中，L0為離子束轟擊前薄膜厚度；L1為離子束轟擊后，刻蝕基底的速率高于鈍化層的情況下的薄膜厚度；L2為離子束轟擊后，刻蝕基底的速率低于鈍化層的情況下，鈍化層刻蝕完的薄膜厚度。

圖2 離子束刻蝕

圖3 離子束轟擊SAW

3 實驗與分析

通過利用傳統SAW薄膜材料和表面鈍化層材料刻蝕速率的可選擇性，進行離子束調頻后，實現頻率的調高和調低，進一步達到頻率集中度提高。對于某聲表器件某項目，頻率精度高 ，頻率控制目標為(275.58±0.03) MHz。光刻制作了該項目晶圓3片，其中1片采用不同功率(0～180 W)進行離子束掃描刻蝕，微修整一定厚度的材料后， 通過對比晶圓內芯片頻率的變化， 獲得離子源功率和該項目的頻率變化對應的關系。表1為離子束刻蝕前、后頻率的統計。對第1片上的晶圓芯片進行全部測試，探針合格率為25%(見圖4)。離子束刻蝕后探針合格率為85%(見圖5)。對余下的2片，進行系列工藝實施后晶片1#目標頻率降低(見圖6)，晶片2#目標頻率提高(見圖7)。

表1 離子束刻蝕前、后頻率的統計

圖4 離子束刻蝕前探針合格率25%

圖5 離子束刻蝕后探針合格率85%

圖6 晶片1#離子束刻蝕后頻率降低

圖7 晶片2#離子束刻蝕后頻率升高

綜上所述可知，某聲表器件某項目的中心頻率為275.58 MHz，晶片1#在離子束刻蝕后頻率降低0.13 MHz，晶片2#在離子束刻蝕后頻率升高0.15 MHz，實驗成功，且晶片1#、2#探針合格率由調頻前25%提高到85%。

4 結束語

在離子束刻蝕工藝中，本文重點闡述了SAW工藝中相關材料LT、水晶、Al、Al2O3、SiO2、AlN、Mo、Cu的刻蝕速率獲取技術，以及對基于此刻蝕速率在有金屬材料的立體結構中的刻蝕理論和實驗進行了分析討論，并詳細介紹了離子束刻蝕工藝對提高或降低SAW制作后芯片的目標頻率。解決低頻窄帶SAW器件及2 GHz以上SAW器件高頻率精度的工藝難題，克服現有工藝線上只能通過濕法腐蝕調頻且只能調高目標頻率的問題。