射频声表滤波器产品工艺流程与研发分析

第一节 射频声表滤波器生产工艺流程分析

声表面波滤波器的制作普遍采用减法工艺，即在基片上沉积金属膜，然后去 掉不需要的部分得到所需要的金属叉指图形，根据制作的最小线宽以及制作效果，有多种技术工艺。

常规光刻工艺的主要流程包括在压电基片上进行金属膜沉积，涂光刻胶及前  烘、曝光、显影与后烘、刻蚀、去胶等，如下图所示。

常规光刻工艺流程

金属膜沉积：制作叉指电极的金属材料常用的是铝，钢以及一些台金材料，在基片上沉积金属膜常使用溅射、蒸发等方法。常用的三级真空溅射在一个大约10Pa压力的局部真空里通过气体放电形成一个导电的等离于体区，所用的气体通常是与靶材不发生反应的惰性气体。基片和靶材置于等离子体中，基片接地而靶材加上高压，使气体成为等离子向靶材运动，具有足够动能的这些离子与靶材碰撞产生具有足够残余动能的粒子，运动到达基片表面井黏附在基片上．蒸发工艺的基本原理是在密闭的高真空腔体中将放置的金属材料加热，使金属材料的蒸汽压大于环境气压从而蒸发到基片上形成金属膜．加热的方法有电阻加热，使用高能电子束加热等方式．在电阻加热的方式中，利用加热元件通过电流时产生热量，而电子束加热则使用高能电子流直接轰击到蒸发材料上，将电子的动能转变为热能使材料加热。

上胶及前烘：将光刻胶滴在基片上，基片在旋转涂胶台上高速转动，将光刻胶均匀涂敷到基片正面，通过选择合适粘度的光刻胶，或者使用稀释剂控制光刻胶的粘度，以及控制涂胶台的旋转速度等方式可以控制涂胶厚度。将上胶后的基片放置在烘箱内进行前烘，除去残留在光刻胶中的溶剂，增强光刻胶的粘附性。

曝光：在常规光刻技术中采用紫外光作为光源，当紫外光通过掩膜照射到涂有光刻胶的基片上时，由于掩膜上透光和不适光的图形与目标图形对应，因此，曝光后在基片上得到和目标图形对应的图形。光刻胶有正性和负性两种，对于正性光刻胶，被光照射后的部分溶于显影液而被去除，而负性光刻胶的光照射的部分产生化学反应后不溶于显影液，显影后不能被去除。

显影、漂洗及后烘：将经过曝光的基片放于显影液中进行显影，覆盖金属膜的基片上光刻胶被去掉的部分便露出金属膜，其它部分仍然被光刻胶所覆盖。经过漂洗后，将基片放入烘箱进行后烘，提高光刻胶的粘附力。

刻蚀：刻蚀过程将没有被光刻胶覆盖的金属膜去除，实际中有两种方法，分别称为湿法和干法。湿法是将基片放在化学溶剂中，未被光刻胶保护的金属膜与溶剂之间发生化学反应而被腐蚀去除。湿法的主要优点是操作简便，成本低，是声表面波器件刻蚀的主要方式，湿法的主要缺点是造成钻蚀(Uhder-cut)现象，也就是在去除未被覆盖的金属膜的同时，也会使光刻胶覆盖的金属膜沿切向被腐蚀去除一部分，特别是当光刻胶粘附力不强、电极厚度和宽度相差不大时，钻蚀对制作的又指电极指条形状的影响很大。干法采用与溅射类似的原理，通过离子或等离子直接撞击基片表面，去除未被光刻胶覆盖的金属膜．由于等离子以基片的法线方向撞击基片，因此不会出现钻蚀现象。

去胶：光刻胶的去除常采用化学方法，将经过刻蚀工艺后的基片放于化学溶剂中完成去胶过程。对于光刻胶不容易去掉的情况，常常使用化学活性剂等辅助剂，经过以上步骤后，便在基片上留下了目标金属图形。

除了上述基本工艺过程外，根据实际的情况可能还有其它的工艺过程。例如，为了降低到达基片底面的体声波经过反射到达接收换能器形成干扰电信号，常采用将基片底面磨砂使其粗糙化，因此制作工艺中也可能有对基片底面进行磨砂的工艺过程，不过，在射频滤波器的制作中，由于激励叉指换能器和接收叉指换能器之间的距离小于基片的厚度，反射的件声波到达接收叉指换能器的量很小，因此常常省去该步骤。

由于制作设备可能的尺寸限制，以及出于研究目的而进行的制作一般只需要很小的一块基片，可能需要对购买的基片进行切割，又称为划片，因此可能有划片过程。对于各向异性的基片，切割方向不同，基片的压电性能不同。用于制作声表面波器件的商业化基片上一般标有切割参考方向面，划片时按平行于该参考面进行切割。

由于购买的基片具有良好的洁净度，一般情况不需要清洁过程，但如果进行了划片过程，就需要在金属膜沉积之前进行清洁处理，否则，划片过程中产生的污迹会在后续的金属膜沉积时引起金屑膜与基片的粘贴不良，导致金属层容易剥落，因此还可能有基片清洁过程。

使用剥离法(Lift-off process)可以消除钻蚀现象，其主要工艺流程包括在压电基片上涂光刻胶、曝光，显影和漂洗、金属膜沉积、去胶等，如图下所示。

剥离法光刻工艺主要流程

具体工艺流程所涉及的内容与常规光刻工艺中的相关内容类似，但从顺序上有所不同。使用剥离法时，金属沉积过程在显影和漂洗之后，在基片上没有光刻胶覆盖的区域和有光刻胶的区域沉积相同厚度的金属膜。由于光刻胶的厚度大于金属膜的厚度，两种区域内所沉积金属膜之间并不连通，为了避免光刻胶侧面可能在沉积金属膜时发生连通，常采用在沉积金属膜前在苯溶液中进行浸泡。沉积金属膜后进行去除光刻腔过程，光刻胶被去除时，在光刻胶上的金属膜也随之被剥离，基片上便只剩下所需要的目标金属图形。

第二节 国外射频声表滤波器生产工艺发展阶段比较

国外的声表面波滤波器的研发始于60年代末期，在70年代初期开始在有限范围内使用，由于当时使用范围小，主要针对单个的应用环境进行开发而使制造成本偏高，声表面波滤波器主要使用在对器件性能要求严格的卫星通信和军事通信领域．对于声表面波带通滤波器，性能方面更注重带内平坦度、带外抑制和边缘下降陡度，而对插入损耗没有更多要求，这主要在于当时使用的工作频率本身不高，并且带通滤波器主要用于外差式收发机的中频电路部分，因此，插入损耗大的缺点容易通过提高放大器的增益予以弥补．在70年代中期，原来需要使用多个LC元件，并且需要很多调试工序才能实现不对称带通频率特性的彩色电视机中的图像中频滤波器(Video Intermediate Frequency Filter)，使用声表面波滤波器实现该功能不仅结构简单，而且免去了繁琐的调试工序，因此很快在电视机中获得广泛应用，巨大的市场需求使声表面波滤波器的研发获得了第一次快速发展。

由于溅射、蒸发等薄膜生长技术，以及x射线光刻、离于束光刻、电子束光刻等高分辨率的光刻技术应用于声表面波滤波器的制造中，声表面披滤波器可实现的工作频率得以快速提高，同时，随着单向换能器、声表面波谐振器的采用，声表面波滤波器的插入损耗显著降低，为在移动通信设备特别以手机为代表的便携式通讯设备中的应用创造了条件。从80年代末期开始，声表面放滤波器开始应用于移动通讯领域，声表面波滤波器所具有的特点适应了移动通讯市场的快速增长以及移动通讯设备对器件小型化和高性能的要求，带来了声表面波滤波器的第二次快速发展。

现在，声表面波滤波器已经用于各种通讯设备、数据传输设备、定位和导航设备以及电视机、摄像机等视听产品中，不仅用于频率相对较低的中频电路部分作为中频滤波器，而且还广泛应用于射频前端作为带通滤波器和双工器，随着第三代移动通讯系统的逐渐普及带来的对声表面波滤波器和双工器的需求增大，很多机构增加经费，用于声表面波滤波器的研发和性能改善现在，国外对声表面波滤波器的研究内容主要包括改善滤波器的性能、改进滤波器的封装结构以及声表面波的理论研究几个方面。

在改善滤波器的性能方面主要有以改变基片材料、压电薄膜厚度、电极上覆盖介质层等方式改善频率温度系数、获得合适的机电耦合系数、提高工作频率和减小插入损耗等方面的研究，而针对第三代移动通讯设备中应用于射频前端模块中的声表面波滤波器和双工器的研究则主要集中在谐振器构成的梯形滤波器、多极点(多模)滤波器以及在2 GHz以上频段使用薄膜体声波谐振器(Film BulkAcoustic Wave Resonator，又称为FBAR)构成的滤波器。

在改进滤波器的封装方面，除了继续减小单个滤波器的封装尺寸外，对滤波器和其它模块构成多模块互连以及将声表面波滤波器集成到片上系统中是研究的重点，也是手机这样的便携式设备的射频前端发展的必然趋势。

由于声表面波有多种类型，在不同压电基片上传播的声表面波的类型不同、传播特性不同，因此，研究声表面波的有关理论，传播特性、抑制杂波干扰等也是一个很重要的研究领域。

SAWF具有体积小（与陶瓷介质滤波器相比仅为后者的1/40）、重量轻（与陶瓷介质滤波器相比仅为后者的1/30）、能对信号实时处理、模拟/数字兼容、抗电磁干扰性能好、损耗低和频率选择性好等特点。因此声表面波技术至20世纪60年代实用化以来，已得到极大的发展，在40年的时间里SAWF已发展了四代产品，它们是：第一代，高损耗SAWF；第二代，单相单向换能器型SAWF；第三代，射频低损耗SAWF；第四代，宽带低损耗SAWF。这些SAWF都已广泛应用于雷达、军用通讯系统、敌我识别、电子对抗、测距、定位、导航、遥测遥控等军事装备领域以及广播、电视、VCD、录音、录象、仪器仪表、移动电话、无绳电话可视电话等民用领域。现在，SAWF的主要民用途径已从电视转向通讯，尤其是移动通讯。随着移动通讯的不断发展，新兴的技术应用对SAWF提出了越来越高的要求。

第三节 我国射频声表滤波器生产工艺创新历程与途径

中国的SAW研究始于1972年，四川压电与声光技术研究所、南京大学以及中科院声学所是中国SAW方面的三家主要科研机构。至今，他们仍是中国SAW技术领域的三大主力。在1972年以来的大约30年间，中国SAW技术的研制和开发主要是围绕军用产品展开的，但其中也不乏一些典型的民用化推进事例，如26 所曾为彩电国产化作了大量工作，并因此多次受到电子工业部的表彰，同时目前国内电视用SAW IF滤波器的生产已基本能满足国内TV生产企业的需要。近年来移动通讯的飞速发展为SAW产业的发展提供了前所未有的发展机遇，但中国移动通讯用SAW器件的发展与市场需求不符，突出体现在大多数国内的SAW从业机构的设备不适合于高频SAW器件的批量生产和缺乏表面贴装设备以及相关工艺技术基础。

四川压电与声光技术研究所作为国内在SAW技术领域实力最强的机构无疑使之成为国内声表产业发展的领头羊。同时南京大学和中科院声学所也为SAW技术在中国的普及和发展作出了很大的贡献。

第四节 国内射频声表滤波器生产设备简介

射频声表滤波器主要生产设备简介

第五节 国内射频声表滤波器生产设备应用现状

我国生产SAWF的厂家主要有北京声电科技工业公司、北京超声电子高技术公司和北京南天航天超电科技有限公司德清电子器材厂和南京声表研究所等。中国科学院声学研究所在SAWF的研究与生产方面，在国内居先进水平。虽然我国在SAWF的研究与开发方面起步并不晚，但因缺乏足够的投资力度去引进先进的设备和技术，致使在SAWF的生产规模和技术水平方面，与日本先进水平相比，差距均很大。尤其是移动通信用SAWF，尚不能实现产业化。微波波段用SAWF的制造工艺，受到国内微电子技术发展水平的制约。

第六节 我国射频声表滤波器生产设备技术研发动态

在一批重点项目包括国家自然科学基金项目、粤港关键领域重点突破招标项目、省市科技攻关项目等的资助下，机械装备制造及控制技术实验室深入开展了全自动高速IC芯片粘片机的设计理论、工艺方法与样机的研究开发，在掌握了整机和各个部件的机械结构、控制系统的硬件和软件、图像识别系统等关键技术的基础上，成功实现了全自动高速IC 芯片粘片机的自主开发。该研究成果通过了省科技厅组织的成果鉴定，结论为国际先进水平，并获得2007年度广东省科学技术奖励一等奖。主要成果包括：

1、提出了适应高速高精度IC封装要求的执行机构模型，建立了相应的运动学和动力学模型，初步探索了基于微分流形、黎曼几何等数学理论的IC封装并联机构构型与分析的理论方法；

2、分析总结了IC芯片粘片机焊头机构的运动特征与工艺特征，探讨了结构参数与机构拾片、送片及粘焊片等运动过程参数的相互影响关系，并结合嵌入式多DSP控制技术实现了多运动件的协同运动与精密控制；

3、提出了高速执行机构变加速运动控制与微接触力控制的原理与方法，并建立了相应的数学模型，优化运动速度、加速度曲线等，提高了机器的动态性能；

4、研究了多目标分层搜索序贯相似性检测算法和粗精结合的快速搜索算法以及模糊自动调光策略，缩短图像识别的时间，提高了图像的清晰度和稳定性。

5、粘片机的主要技术指标：伺服电机式焊头速度：18000次/小时；步进电机式焊头速度：9000-10000次/小时，粘焊精度: ±25µm，焊头精度: ±5µm，送片精度：5μm，指标已达到或超过同类进口机型的水平，处于国内领先。

6、该成果已被用于企业日常满负荷生产，创造了良好的直接经济效益，项目中开发的全自动IC芯片粘片机35台投入广州半导体器件有限公司，用于生产TO-92型三极管和集成电路的生产，为企业节约了大量的设备投资。