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(tuán)公司第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

由于在聲表產(chǎn)品特別是高頻窄帶器件的制作中，頻率偏差是影響產(chǎn)品合格率的主要原因, 而膜厚、指寬、材料、聲速是產(chǎn)生聲表器件頻率偏差的主要因素，因此，需對(duì)光刻成型的晶圓芯片調(diào)頻。調(diào)頻的方式有濕法調(diào)頻、干法調(diào)頻。濕法調(diào)頻利用化學(xué)試劑與被刻蝕材料發(fā)生反應(yīng)生成可溶性物質(zhì)，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(duì)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(xiàn)有工藝只能通過濕法腐蝕調(diào)頻且只能調(diào)高目標(biāo)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(diào)頻有等離子刻蝕、濺射刻蝕及反應(yīng)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(duì)晶圓上的芯片測(cè)試電性能后，把晶片放進(jìn)離子束刻蝕機(jī)內(nèi)刻蝕，以提高或降低金屬臺(tái)階的高度，從而降低或提高電性能中的主要指標(biāo)——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(duì)幾個(gè)毫米內(nèi)的厚度梯度進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。

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

1) 離子的能量。 5 kV離子比1 kV離子刻蝕快。

2) 離子數(shù)(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(jié)構(gòu)，如硅(Si)比鉭(Ta)刻蝕快。

4) 聲表器件設(shè)計(jì)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(guān)材料鉭酸鈮(LT)、水晶、Al、Al2O3、SiO2、AlN、Mo、Cu的刻蝕速率獲取技術(shù)及基于此刻蝕速率在有金屬材料的立體結(jié)構(gòu)中的刻蝕理論和實(shí)驗(yàn)分析討論，并詳細(xì)介紹了離子束刻蝕工藝對(duì)SAW制作后的芯片的目標(biāo)頻率的提高或降低。本文所用的電性能探針測(cè)試系統(tǒng)為探針臺(tái)PA200，測(cè)試網(wǎng)絡(luò)分析儀器為Agilent 5071C，膜厚測(cè)試設(shè)備為反射干涉膜厚測(cè)試儀FILMTRICS公司生產(chǎn)的光學(xué)膜厚測(cè)試儀。

1 SAW相關(guān)材料刻蝕速率

1.1 AlN、Mo和SiO2薄膜刻蝕速率獲取技術(shù)

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(shù)

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(duì)光刻成型的LT、水晶晶片進(jìn)行離子束刻蝕10 min～1 h，通過化學(xué)法去掉Al，測(cè)量離子束刻蝕后LT、水晶晶圓的臺(tái)階高度，臺(tái)階高度即為L(zhǎng)T、水晶的移除厚度， LT、水晶晶圓的臺(tái)階深度除以刻蝕時(shí)間計(jì)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(shù)

對(duì)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(duì)光刻成型的LT晶片進(jìn)行離子束刻蝕10 min～1 h，測(cè)量離子束刻蝕后，臺(tái)階厚度為h1，通過化學(xué)法分別去掉每片上的Al、Cu，測(cè)量離子束刻蝕后LT晶片的臺(tái)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(shí)間)可得Al膜和Cu膜的刻蝕速率。

2 SAW領(lǐng)域里的離子束刻蝕技術(shù)

SAW器件是在壓電基片上制作兩個(gè)叉指換能器(IDT)，組成輸入、輸出端口的四端網(wǎng)絡(luò)，在一個(gè)輸入IDT上加交變信號(hào)、通過壓電基片的壓電效應(yīng)，完成聲電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，在輸出IDT上接收與IDT電極周期相等的SAW信號(hào)，達(dá)到信號(hào)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(tái)階儀測(cè)試h1后，離子刻蝕機(jī)在最高功率下，掃描刻蝕后，測(cè)試相同芯片的h2，根據(jù)(h1-h2)/t(t為刻蝕時(shí)間)計(jì)算刻蝕速率。由于制作傳統(tǒng)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(dǎo)致SAW的離子束刻蝕調(diào)頻過程復(fù)雜，因此，本文將重點(diǎn)討論傳統(tǒng)SAW器件在制作晶圓芯片表面有鈍化層Al2O3的情況。

當(dāng)Ar離子束轟擊傳統(tǒng)SAW器件的壓電晶片表面時(shí)(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(dāng)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(shí)驗(yàn)與分析

通過利用傳統(tǒng)SAW薄膜材料和表面鈍化層材料刻蝕速率的可選擇性，進(jìn)行離子束調(diào)頻后，實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)高和調(diào)低，進(jìn)一步達(dá)到頻率集中度提高。對(duì)于某聲表器件某項(xiàng)目，頻率精度高 ，頻率控制目標(biāo)為(275.58±0.03) MHz。光刻制作了該項(xiàng)目晶圓3片，其中1片采用不同功率(0～180 W)進(jìn)行離子束掃描刻蝕，微修整一定厚度的材料后， 通過對(duì)比晶圓內(nèi)芯片頻率的變化， 獲得離子源功率和該項(xiàng)目的頻率變化對(duì)應(yīng)的關(guān)系。表1為離子束刻蝕前、后頻率的統(tǒng)計(jì)。對(duì)第1片上的晶圓芯片進(jìn)行全部測(cè)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(duì)余下的2片，進(jìn)行系列工藝實(shí)施后晶片1#目標(biāo)頻率降低(見圖6)，晶片2#目標(biāo)頻率提高(見圖7)。

表1 離子束刻蝕前、后頻率的統(tǒng)計(jì)

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(xiàng)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(shí)驗(yàn)成功，且晶片1#、2#探針合格率由調(diào)頻前25%提高到85%。

4 結(jié)束語

在離子束刻蝕工藝中，本文重點(diǎn)闡述了SAW工藝中相關(guān)材料LT、水晶、Al、Al2O3、SiO2、AlN、Mo、Cu的刻蝕速率獲取技術(shù)，以及對(duì)基于此刻蝕速率在有金屬材料的立體結(jié)構(gòu)中的刻蝕理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析討論，并詳細(xì)介紹了離子束刻蝕工藝對(duì)提高或降低SAW制作后芯片的目標(biāo)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(xiàn)有工藝線上只能通過濕法腐蝕調(diào)頻且只能調(diào)高目標(biāo)頻率的問題。