科普 | 用于5G的射頻濾波器、其制造挑戰(zhàn)和解決方案

作者：泛林集團(tuán)客戶支持事業(yè)部特色工藝副總裁David Haynes, Reliant Systems 高級(jí)客戶技術(shù)經(jīng)理Daniel Shin, Reliant Systems 業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān) Lidia Vereen

在這篇文章中，我們將探討射頻濾波器是如何工作的，為什么它們?nèi)绱酥匾?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E8%8A%AF%E7%89%87%E5%88%B6%E9%80%A0/">芯片制造商在制造蜂窩器件時(shí)面臨的挑戰(zhàn)，以及泛林如何幫助解決這些問題。

1 頻率和濾波器 101

頻率在自然界中隨處可見，這就需要你確定它們的獨(dú)特范圍以過濾掉那些你不想聽的頻率，并分離出你想聽的頻率。 濾波器的作用是降低或者最好消除我們不感興趣的頻率。例如，在聽音樂時(shí)，立體聲音響可以幫你過濾掉高音頻率而專注于低音；使用相機(jī)，你可以過濾掉紫外光以提高圖像質(zhì)量。 在蜂窩頻譜中，大量可用的頻率被劃分為不同的通道，因此一個(gè)對(duì)話可以在一個(gè)頻道上進(jìn)行，而不會(huì)受到其他通道上同時(shí)進(jìn)行的對(duì)話的干擾。然而，這只有在你能將一個(gè)通道與該頻譜中的所有其他頻率分離的情況下才有效。 射頻濾波能分離并使用一個(gè)通道中的特定頻率，而不需要處理同時(shí)存在的所有其他通道。 有四種方法可以過濾這些頻率：

1.濾掉高頻，只通過低頻

2.濾掉低頻，只通過高頻。

3.分離某些范圍的頻率，消除該范圍以上和以下的所有頻率，這個(gè)范圍被稱為“帶”，這樣的濾波器是“帶通”濾波器。

4.只消除一個(gè)范圍的頻率，同時(shí)保持所有其他頻率不變，這被稱為“帶阻”濾波器。

因此，射頻濾波器對(duì)我們的現(xiàn)代蜂窩數(shù)據(jù)系統(tǒng)至關(guān)重要。每個(gè)通道都是一個(gè)頻帶，一些現(xiàn)代蜂窩電話中可能有多達(dá)60個(gè)帶通濾波器，每個(gè)都分離一個(gè)通道。

2 手機(jī)濾波器

手機(jī)濾波器主要有兩種。第一種是沿著濾波器的表面進(jìn)行振動(dòng)，這些被稱為“聲表面波濾波器”。它們的造價(jià)往往較低，而且對(duì)蜂窩范圍中的低頻段效果最好。

第二種類型是貫穿整個(gè)材料的振動(dòng)，而不僅僅是表面，它們被稱為“聲體波濾波器”。雖然制造成本較高，但它們可以處理蜂窩頻譜的上游。

3 射頻濾波器制造的挑戰(zhàn)和泛林的解決方案

由于制造商一直面臨縮小器件尺寸的壓力，特別是在移動(dòng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面，射頻濾波器的制造存在一些挑戰(zhàn)，而且性能更好、更復(fù)雜的濾波器對(duì)精度有更高的要求。此外，濾波器的架構(gòu)和使用的材料也在不斷發(fā)展，以利用5G的更高頻率和更大帶寬。

讓我們?cè)敿?xì)了解一下射頻濾波器制造中的一個(gè)關(guān)鍵步驟。

以高效率沉積和刻蝕鈧摻雜層 領(lǐng)先的開發(fā)商正在尋求通過添加鈧 (Sc) 來修改關(guān)鍵的氮化鋁 (AlN) 層，以增加濾波器的帶寬。這將改善氮化鋁層的壓電特性，并提高濾波器的最終性能。泛林集團(tuán)在荷蘭收購(gòu)的Solmates公司專注于沉積這些擁有最佳鈧摻雜程度和薄膜特性的AlScN薄膜。 添加鈧會(huì)產(chǎn)生一種更難刻蝕的材料，這會(huì)對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，刻蝕工藝必須以高選擇性停止在底部電極層上——對(duì)底部電極內(nèi)的任何刻蝕都會(huì)給器件良率帶來負(fù)面影響。最后，與前幾代器件相比，底部電極將更薄，在不影響底部電極的情況下實(shí)現(xiàn)均勻刻蝕成了挑戰(zhàn)，也會(huì)影響到器件良率。 泛林的Kiyo?系列刻蝕設(shè)備提供了克服這些挑戰(zhàn)所需的高刻蝕率和選擇性，可用于直徑為200mm和300mm的晶圓并用于當(dāng)今的大批量生產(chǎn)，在保持頗具競(jìng)爭(zhēng)力的刻蝕率的同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)所需輪廓的高偏置功率。 濾波器只是解決方案的一部分 射頻濾波器是這些新的射頻系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分，但它們不是唯一的組成部分。濾波器與其他器件——如射頻開關(guān)、低噪聲放大器、功率放大器和天線調(diào)諧器——結(jié)合起來形成復(fù)雜的射頻模塊解決方案。許多這些其他的射頻器件是使用RF-CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）或RF-SOI（絕緣襯底上的硅）技術(shù)制造的，但有特定的制造方案，允許將電容和電感元件集成到后段制程工藝。這些元件對(duì)于器件在高頻下的有效運(yùn)行至關(guān)重要。就像濾波器制造中的挑戰(zhàn)一樣，這些額外的后段制程集成步驟也給泛林的工藝設(shè)備帶來了新的挑戰(zhàn)。 沉積高質(zhì)量的MIMCAP 金屬-絕緣體-金屬電容器 (MIMCAP) 現(xiàn)在通常被集成到射頻器件中。顧名思義，MIMCAP是由傳導(dǎo)電信號(hào)和電力的金屬層和在金屬層之間提供絕緣的電介質(zhì)層組成。電介質(zhì)層通常是氮化硅，必須是高質(zhì)量的、且與金屬層有很好的粘合力。

泛林的VECTOR? Express可以提供所需的高質(zhì)量薄膜沉積，它的多站順序沉積 (MSSD) 架構(gòu)收緊了晶圓到晶圓的不均勻度，并保持卓越的晶圓內(nèi)均勻度。 采用低氧化鈷的厚鈍化層沉積 一個(gè)經(jīng)常被忽視的挑戰(zhàn)涉及到最后的鈍化層：它必須很厚以完全密封器件，確保不受環(huán)境影響。任何斷裂或針孔都會(huì)影響器件的性能，因此需要沉積足夠厚的膜以提供所需的密封性。這可能需要多道工序，因而大大降低產(chǎn)量且增加擁有成本。

VECTOR? Express可以提供高質(zhì)量的厚USG（無摻雜硅玻璃）薄膜沉積，并具有高生產(chǎn)率。與MIMCAP的應(yīng)用一樣，MSSD架構(gòu)確保了出色的晶圓到晶圓的不均勻度和無針孔沉積，使其成為厚鈍化層的首選設(shè)備。