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（4）制造過程

Saw濾波器通常在石英、鈮酸鋰或釬鈦酸鉛等晶體基片基礎上，使用半導體工藝完成制造。這樣的生產(chǎn)方式?jīng)Q定了Saw濾波器具有很高的生產(chǎn)難度。下圖顯示了Saw濾波器的兩種制備過程，分別為蝕刻工藝和剝離工藝。生產(chǎn)過程中通常使用光刻膠掩模來輔助這兩個過程。根據(jù)濾波器的應用和配置，可能需要其他處理。

蝕刻工藝是在清洗干凈的壓電基板上沉積IDT金屬層，然后旋涂上光刻膠劑，并進行前烘。利用光刻淹膜法進行曝光，隨后進行顯影、漂洗和后烘，并利用電子束蝕刻暴露的IDT金屬層。蝕刻方法為各向異性干法或濕法蝕刻。最后，將光刻膠去除即可。

剝離工藝則是在清洗干凈的壓電基板上沉積IDT金屬層，然后旋涂上剝離工藝特用的光刻膠劑，利用光刻淹膜法進行曝光，隨后進行顯影、漂洗和后烘，再沉積IDT金屬層。最后，將光刻膠去除即可。

壓電層沉積是濾波器制造的關鍵工序。壓電層要求晶粒C軸方向完全一致，否則會嚴重降低壓電耦合因子和品質(zhì)因子，而高品質(zhì)的壓電層均勻一致淀積工藝的實現(xiàn)難度較大。在這個過程之中，晶體生長環(huán)節(jié)難以控制。晶體生長主要使用提拉法，即在被加熱的坩堝中盛著熔融的料，籽晶桿帶著籽晶由上而下插入坩堝。由于固液界面附近的熔體維持一定的過冷度，熔體沿籽晶結晶，并隨籽晶的逐漸上升而生長成棒狀單晶。在生產(chǎn)過程中，需要控制固液界面的溫度梯度、生長速率、晶轉(zhuǎn)速率以及熔體的流體效應，否則容易出現(xiàn)晶體生長不均勻、晶格排列混亂等現(xiàn)象。我國企業(yè)在工藝層面相比海外企業(yè)有明顯差距。因此產(chǎn)品的可靠性較低。

最佳切割方向難以確定�；�片切割的方向會影響壓電晶體在機械能和電能之間的轉(zhuǎn)化效率，進而影響濾波器的工作效果，所以晶體切割還需要考慮最佳切割方向。只有當切割方向與表面波傳輸速率最快的方向一致時，才可以得到能量轉(zhuǎn)化效率最高的晶片。所以在對晶體進行切割之前，還需要計算基片各方向的表面波傳輸速率，以確定速率最高的傳輸方向。

研磨時容易出現(xiàn)亞表面損傷。鈮酸鋰晶體是典型的軟脆材料，在研磨時極易出現(xiàn)亞表面損傷和磨粒嵌入等缺陷，進而影響表面波的傳輸。在具體研磨過程中，對研磨方式、磨粒粒徑、研磨壓力等方面均提出了很高的要求。這需要廠商在具體生產(chǎn)過程中積累經(jīng)驗，不斷改進研磨方式。

需要使用高精密拋光工藝。由于基片表面的粗糙度會影響表面波的傳輸，所以基片表面的粗糙度需要達到亞納米級別，同時基片表面不能有任何缺陷，這對拋光工藝提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)高精密的拋光，需要使用特殊配方的拋光液，并不斷在生產(chǎn)中改進拋光工藝，以找到最高效的拋光方法。

Saw濾波器器件采用壓電晶體基片，其表面清潔度將影響后續(xù)工藝。若蒸發(fā)金屬膜黏附性差，則容易起皺或產(chǎn)生亮點、針孔，則容易導致后續(xù)工序發(fā)生斷條、連條和底膜去不干凈。清洗工藝則能在晶片切磨拋工藝中將引入蠟、油、有機溶劑等清洗劑，去除有機物雜質(zhì)、金屬離子、粒子性污垢、水溶性雜質(zhì)等，使晶體表面光潔平滑，減小粗糙度。由于壓電基片的物理化學性質(zhì)與半導體材料不同，其清洗工藝目前仍采用半導體材料的清洗工藝，未進行適應性改變。

蒸發(fā)鋁膜工藝是濾波器生產(chǎn)的關鍵工藝之一，鋁膜厚度直接影響器件的頻率精度，可能會影響器件的頻率精度，對插入損耗和反諧振損耗有較大影響。常見的鍍膜方法包括磁控濺射沉積、真空鍍膜、離子束輔助沉積等方法。目前鍍膜工藝的蒸發(fā)工藝均勻性、厚度檢測工藝等工藝均有進步空間。

在完成基片的生產(chǎn)后，需要在基片上利用半導體工藝完成電極的刻蝕，大致流程包括金屬膜沉積、上膠及前烘、曝光、顯影、刻蝕、光刻膠去除等步驟。后段過程中的曝光設備、光刻精度、工藝參數(shù)等變化都會極大影響濾波器的性能。光刻即電子束蝕刻、X射線蝕刻，其中以應用紫外光源的光刻最為普遍。目前，集成電路的集成度不斷提高，且圖形精細化要求提高，要求電子束蝕刻和X射線蝕刻所用的光源波長更短。未來，5G的推進增加了器件向高頻領域發(fā)展的速度，因而光刻工藝要求也在不斷提高。

Saw濾波器的晶片級封裝過程包括使用可光刻的粘合劑將切割后的濾波器晶片粘接到配套的晶片上。一般選擇硅作為配套晶圓片，因為它的機械強度滿足要求，能通過標準半導體技術進行低成本加工。壓電基板固有的壓電特性和陶瓷特性要求對焊接過程中施加的壓力和溫度進行嚴格控制，以確保穩(wěn)定的機械焊接而不會造成斷裂或空洞。在這一步驟，必須保證能夠蝕刻硅片，又不會破壞Saw濾波器上形成的金屬式樣�？晒饪痰恼澈蟿�將兩片晶圓貼合，這樣與Saw濾波器表面相對應的材料部分就可以移除，從而無需在貼合的晶圓片上蝕刻空腔�？梢赃x用b級苯并環(huán)丁烯（BCB）粘接樹脂，該樹脂吸濕率低，離子含量低，對晶片粘接具有良好的附著力。

射頻濾波器技術在過去的數(shù)年中得到了長足的進步，各射頻模塊逐步被集成到標準CMOS集成電路中，但包含濾波器的集成比較困難。因而，封裝尺寸也在不斷向小型化發(fā)展。同時，聲表面波濾波器為了集成至模塊，也必須凈收高壓強。因此，封裝技術必須支持封裝中的芯片表面上方形成一個空腔。濾波器的性能和可靠性大大依賴于封裝技術。目前受到各大廠商喜愛的封裝技術主要是扇出型封裝（Fan－out WLP），扇出型封裝有三種形式，第一種使用先放芯片／正面超下的工藝流程制造，另外兩種分別是先放芯片／正面朝上和后放芯片類型，有時也被稱為先放RDL。扇出封裝存在一些挑戰(zhàn)。在處理過程中，重組晶圓容易發(fā)生翹曲。當芯片嵌入到重組晶圓中時容易移動，從而造成芯片移位，影響產(chǎn)量和良率。目前，ASE與Deca合作推出的M系列技術能夠有效解決部分上述問題。

· Baw濾波器制備流程

（1）設計流程

Saw 和 Baw 濾波器不同頻段的濾波器設計難度不同，提供全頻段的設計能力公司寥寥無幾。Baw濾波器的設計流程可總結為下圖。

首先可以根據(jù)濾波器帶外抑制的指標，確定濾波器的初始階數(shù)和結構。然后根據(jù)中心頻率、帶寬的指標要求，確定濾波器中Fbar的各膜層厚度和有源區(qū)的面積，完成濾波器的初始設計。完成初始設計后需要對 Baw 濾波器進行優(yōu)化設計，主要優(yōu)化串、并聯(lián)Fbar的面積比。根據(jù)優(yōu)化結果可以微調(diào)Fbar膜層厚度來滿足帶內(nèi)紋波的指標要求。優(yōu)化設計結果滿足指標后對濾波器版圖進行設計，并采用聲－電磁聯(lián)合仿真方法對濾波器性能進行驗證。如果仿真結果不滿足設計指標要求，則要根據(jù)所述的設計方法，改變?yōu)V波器的拓撲結構，再次對濾波器的各項結構參數(shù)進行設計優(yōu)化，直到滿足指標為止。若出現(xiàn)寄生耦合現(xiàn)象，則要對濾波器的版圖進行調(diào)整。

①確定濾波器階數(shù)

在 Fbar 聲學激勵范圍之外足夠遠的頻率點處，電路模型的電容性分壓器特性會影響一階梯形濾波器的阻帶抑制。要提高帶外抑制，必須增加濾波器的階數(shù)或增大并聯(lián)Fbar 和串聯(lián) Fbar 的電容比，但這樣會導致帶內(nèi)插損的增大。故要綜合考慮階數(shù)和并、串聯(lián) Fbar 電容比對濾波器帶外抑制性能的影響。

②確定濾波器結構

Baw 濾波器基本上可以劃分為梯形和網(wǎng)格形兩種結構。梯形Baw濾波器包括串聯(lián)和并聯(lián)的諧振器，一個串聯(lián)的諧振器加一個并聯(lián)的諧振器稱為一個段（stage），整個梯形Baw濾波器可能由好幾個段組成。網(wǎng)格形 Baw 濾波器與梯形濾波器在工作原理上很相似，但網(wǎng)格形Baw濾波器不具有傳輸零點，且滾降較慢，矩形系數(shù)差，設計時往往需要與梯形濾波器結合以滿足高性能要求，且設計時必須考慮使用平衡－不平衡變換器才能實現(xiàn)其差分特性。而梯形 Baw 濾波器具有較好的矩陣系數(shù)，在鄰近通帶外的抑制效果明顯。故通常采用梯形結構來設計Baw 濾波器。在設計濾波器時，還需將并、串聯(lián) Fbar 的面積比控制在一定范圍，通過增加階數(shù)來提高濾波器的阻帶抑制和通帶性能。

③確定Fbar各膜層厚度和面積

可以根據(jù) Fbar 的工作原理來調(diào)整Fbar 膜層厚度，以此改變其諧振頻率，一般根據(jù)中心頻率與帶寬來調(diào)節(jié)并確定各 Fbar 的疊層結構與膜層厚度。但通常不會減小壓電薄膜的厚度來增加 Fbar 的諧振頻率，這是由于壓電薄膜厚度越薄，壓電性能就越差。而壓電薄膜的平面寬與厚度比越大，產(chǎn)生的寄生諧振也會越小。在通過調(diào)諧串聯(lián)Fbar電極厚度來滿足中心頻率等指標時，因為工藝因素，一般串、并聯(lián)Fbar的底電極厚度要相同但不能太薄，底電極太薄會增加Fbar的歐姆損耗而降低Fbar的品質(zhì)因數(shù)。此外，F(xiàn)bar的面積也會影響濾波器的通帶性能。

④Fbar單元各膜層材料及參數(shù)

Fbar各膜層的材料也需要選定。選擇壓電薄膜的材料一般需要綜合考慮：機電耦合系數(shù)、縱波聲速、介質(zhì)損耗、介電常數(shù)及頻率溫度系數(shù)等。選取電極材料通常需要考慮：低電阻率和高聲速、低密度、高聲阻抗等。支撐層是底電極和襯底之間添加的一層低應力材料，能夠增強Fbar器件的機械強度。

根據(jù)濾波器指標的中心頻率，在確定了濾波器中串聯(lián)、并聯(lián)Fbar的初始結構參數(shù)，包括串聯(lián)、并聯(lián)Fbar的膜層厚度及串聯(lián)、并聯(lián)諧振器結構參數(shù)等參數(shù)之后，即組成初始電路模型。

⑤確定Fbar有源區(qū)面積

Fbar 的有源區(qū)面積不會影響 Fbar 的諧振頻率，然而會影響其阻抗特性中的串、并聯(lián)處的阻抗值。故在設計濾波器時，需要根據(jù)壓電層厚度和濾波器的中心頻率點，確定Fbar的有源區(qū)面積。

⑥Baw的優(yōu)化設計

確定了Baw濾波器的初始結構后，需要進行優(yōu)化設計。面積參數(shù)，即串聯(lián)Fbar 的有源區(qū)面積和串聯(lián)、并聯(lián)Fbar 有源區(qū)面積之比通常被設置為優(yōu)化變量。優(yōu)化目標則為濾波器所需的回波損耗、帶內(nèi)插損及帶外抑制等，優(yōu)化目標通常設置的較為嚴格以保證優(yōu)化更易達到指標要求。

對串聯(lián)、并聯(lián) Fbar面積比優(yōu)化后，若濾波器的性能還未能較好的滿足指標，可以繼續(xù)把串聯(lián)、并聯(lián)Fbar的頂電極和底電極的厚度添加為優(yōu)化變量�？紤]到工藝，設計時一般所有Fbar的底電極厚度相同，所有串、并聯(lián)Fbar的頂電極厚度相同。但要注意的是，調(diào)節(jié)頂、底電極的厚度會改變?yōu)V波器的中心頻率，所以變量只需要對厚度進行微調(diào)即可，盡量減小濾波器的帶內(nèi)紋波，避免濾波器通帶內(nèi)出處“中間高、兩邊低”的現(xiàn)象，達到使通帶更加平坦的目的。

（2）制造材料

Saw器件只能應用鉭酸鋰或鈮酸鋰這樣特殊的單晶作為基底。Baw器件利用可選的任意基底，比如硅就是很好的基底材料，Baw制備可以直接利用主流IC制造廠現(xiàn)有的工藝、設備和基底結構。石英作為常見的壓電材料，在高電壓和高壓力的情況下表現(xiàn)出線性反應，但還沒有合適的方法把石英做成薄膜沉積在Si襯底上。合適的Baw壓電材料需要高機電耦合系數(shù)、低機電損失、熱穩(wěn)定性高，還要符合IC工藝技術。目前最常用的Baw壓電材料有PZT（lead zirconate titanate） 、AlN（aluminum nitride）和ZnO（zinc oxide）。

（3）制造工藝

Baw濾波器的最基本結構是兩個金屬電極夾著壓電薄膜（石英基板在2GHz下厚度為2um），聲波在壓電薄膜里震蕩形成駐波。為了把聲波留在壓電薄膜里震蕩，震蕩結構和外部環(huán)境之間必須有足夠的隔離才能得到最小損耗和最大Q值。

制作Baw所需的大多數(shù)工序可以直接在標準IC生產(chǎn)設備上完成，而不需要任何改變。光刻要求則是0．8 微米的特征尺寸即可。Baw器件所需的光刻步驟在5個到10個之間。其中，缺陷密度也影響不大，因為大顆粒也不會導致諧振器失效。Baw濾波器最關鍵的工序是高品質(zhì)的壓電層淀積。壓電層雖然是多晶的，但所有晶粒的 C 軸方向必須完全一致。方向不一致的晶粒會嚴重降低品質(zhì)因子和壓電耦合因子。

Baw濾波器的壓電層厚度必須在幾微米級，其工藝包括薄膜沉積、微機械加工技術實現(xiàn)諧振器結構。Baw濾波器的工藝和器件設計需要協(xié)同優(yōu)化。

工藝實現(xiàn)中可考慮的一種技術是Baw－SMR（Solidly Mounted Resonator），在震蕩結構下方形成布拉格反射器，把聲波反射到壓電層里面。該反射器由好幾層高低交替阻抗層組成，每層阻抗層的聲波阻抗大小相間，且每層的厚度是聲波的λ／4，從而能夠反射大部分波，和原來的波疊加。這種結構整體效果相當于和空氣接觸，大部分聲波被反射回來。

以下為Baw－SMR濾波器的一種制備方法，由多層材料用于多個諧振器部分的圣波反射，每個諧振器部分至少包括夾在頂部電極和底部電極之間的壓電層，該方法包括以下步驟：

（a）用作聲波反射的材料層選擇介電材料，為其他層選擇金屬材料；

（b）沉積一層金屬層，通過蝕刻工藝將金屬層上蝕刻出凹槽，去除要放置諧振器位置處的金屬層，從而在兩個諧振器下面的金屬層之間蝕刻出隔離區(qū)域；

其中步驟（b）包括以下步驟：

（i）依次沉積聲波反射層，從金屬層開始，一直延伸到最接近諧振器的層，使介電層與金屬層交替；

（ii）蝕刻金屬層，以在基板上留下至少一個金屬層的藥盒型結構；

（iii）沉積介電材料作為填充劑填充入蝕刻去除部分，沉積深度足以允許將填充劑拋光至最后沉積的金屬層圖案的頂部；

另一種主流Baw濾波器技術Fbar需要高精度蝕刻有源區(qū)下方區(qū)域，形成實現(xiàn)懸浮膜所需的空腔。由于壓電材料的聲波阻抗和其他襯底類似，無法實現(xiàn)聲波到駐波的反射過程，因此壓電層不能直接沉積在襯底上。Fbar技術包括薄膜型和空氣隙型。

薄膜型是從基片后面蝕刻到表面（也就是下電極面），形成懸浮的薄膜和腔體。薄膜型Fbar是Baw諧振器的主流模型，兩面都是聲波阻抗遠低于壓電層聲波阻抗的空氣，因此大部分聲波都會反射回來。不過薄膜結構需要足夠堅固以至于在后續(xù)工藝中不受影響。相比Baw－SMR，薄膜型Fbar跟底部的基片接觸較小，不好散熱。

空隙型Fbar在制作壓電層之前需要沉積一個輔助層，最后再把輔助層去掉，在震蕩結構下方形成空氣間隙。此方法可以傳統(tǒng)的硅藝兼容。因為只是邊緣部分跟底下的基片接觸，這種結構在受到壓力時相對脆弱，而且跟薄膜型Fbar有類似的散熱問題。

空隙型 Fbar 器件的制備流程：

①在準備好的硅片上表面蝕刻一凹槽（空氣隙），然后再沉積一層薄的SiO2 緩沖層，用來保護硅襯底；②填充犧牲層，如Ti和磷石英玻璃PSG等；③利用化學機械拋光表面，去掉多余犧牲層；④淀積下電極，光刻成所需圖形，然后用反應射頻磁控濺射淀積高 C 軸取向的壓電薄膜 AlN；⑤使用 RIE 刻蝕技術刻蝕壓電薄膜，形成將底電極引出的通孔；⑥淀積上電極，光刻形成所需圖形；⑦腐蝕去除犧牲層，形成空氣隙。

iPhone 6s Plus的射頻前端系統(tǒng)中包含幾個Fbar－Baw濾波器芯片，其中包括Avago AFEM8030濾波器芯片。Avago AFEM8030中的濾波器采用Avago的Microcap晶圓鍵合CSP技術進行密封的晶圓級封裝，使得前端模塊中的所有芯片組裝在一起的面積小于35mm。此外，還采用了特殊的研磨工藝來控制氮化鋁（AlN）厚度，以硅通孔（TSV）來導通電氣信號。

Baw濾波器市場中，美國占據(jù)絕對技術優(yōu)勢，尤其是在4G／5G的高頻段Baw濾波器，美國博通和Qorvo等公司獨占鰲頭。

Baw濾波器廠商需要有自己的Fab以完成定制化的工藝來生產(chǎn)濾波器，則意味著需要很高的資本投入。在Baw／Fbar濾波器領域，國內(nèi)僅有漢天下、天津諾思、信維通信、麥捷科技等數(shù)家企業(yè)參與。

國內(nèi)的芯片設計企業(yè)主要采取Fabless的商業(yè)模式，無需承擔巨大的風險和費用，然而相比國外的IDM設計模式更為弱勢，因而工藝環(huán)節(jié)不夠細致。據(jù)潤欣科技相關人員描述，Baw／Fbar濾波器由于長期被美國企業(yè)壟斷，價格最高甚至能達到Saw濾波器的10倍。就目前的行業(yè)現(xiàn)狀來看，國外的數(shù)家龍頭企業(yè)憑借壟斷優(yōu)勢正賺取高額利潤，它們在射頻前端市場的毛利率均高于40％。而國內(nèi)由于技術上的欠缺，企業(yè)在射頻器件采購方面議價能力不足，這既給產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來了風險，也不利于整個行業(yè)的生態(tài)建設。

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