5G推出:解决先进射频计量挑战

根据Research and Markets[1]的数据，全球射频(RF)半导体市场规模正以8.5%的年复合增长率快速增长，预计从2020年的174亿美元增长到2025年的262亿美元。正如许多人所知，5G技术的推出和5G实现的物联网(IoT)是这一增长的主要驱动力。

不管能否实现增长，5G设备都面临着一系列挑战。这些设备需要多达100个滤波器来隔离每个射频频段，并避免可能耗尽电池寿命、降低数据速度并导致通话中断的干扰。因此，射频滤波器在信号处理应用中变得越来越重要。就5G设备而言，这意味着批量声波(BAW)滤波器，它可以在更高频率下更好地工作。

随着越来越多的过滤器被安装到设备中，过滤器的尺寸也在急剧缩小。在2.5GHz范围内工作的RF BAW滤波器中，多个信道紧密地封装在一起，它们要求频率公差小于0.05%，以避免移动通信中的串扰和线路丢线等问题[2,3]。

BAW滤波器使用压电薄膜，如氮化铝(AlN)，夹在顶部和底部电极之间。该滤波器可以是两种类型:薄膜体声学谐振器(FBAR)或固体安装谐振器(SMR)。在任何一种情况下，谐振器都需要与基板进行声学隔离。为了保证一个严格的频率公差，必须测量频率响应。这是由AlN压电层的声速和全层的厚度决定的。每个装置的最终频率是通过在顶部电极上添加质量负载来调整的。这导致共振频率的下降。频率精度要求在0.1%或以上。

另一个挑战是:堆栈中每个层的均匀性是严格的，需要严格控制。薄膜沉积系统不能达到所需的层均匀性。因此，经常引入离子铣削等调整步骤来实现所需的跨晶圆均匀性。

为了实现精确的测量，计量技术应满足灵敏度、准确性和严格的重复性要求。有几种技术——从薄片电阻率、x射线荧光、椭圆偏振和反射法——可用于鉴定沉积工具。然而，为了达到良率目标，设备级工艺控制是必需的。这就需要对实际结构进行测量，通过修整过程来调整厚度。

皮秒超声波[4]是非接触、非破坏性的光声计量在金属膜厚度的表征中已被广泛采用。该系统的小光斑尺寸(8 μ m x 10 μ m)可以在生产吞吐量下测量~0.5mm的边缘排除。

在射频过程监测中，皮秒超声波比其他技术具有显著优势:能够同时测量所有层并在多层堆叠中区分相同材料的重复层，能够测量预修整以将数据馈送到离子修剪器以实现所需的厚度均匀性，以及能够表征压电层的厚度和声速。

在用皮秒超声波测量多层叠加层时，用每层回波到达的时间来计算厚度，不需要标定标准。表1显示最多可同时测量六层。如前所述，皮秒超声波为所有层提供了出色的重复性(所有关键层均为3s < 0.1%)。

表1:皮秒超声波同时测量堆栈中的所有六层。

在采用皮秒超声波之前，一种计量策略需要在工艺过程中中断以测量底部三层，然后通过前送晶圆来表征工艺。这既耗费时间，也不能对各个层的厚度提供直接反馈。此外，在工艺开发过程中，需要测量高分辨率晶圆图的能力来了解变化。每个部位的测量通常需要几秒钟;这允许快速映射跨晶圆变化(图1)。

图1:a).底部电极Mo, b). AlN和c).顶部电极Mo为三层叠加Mo/AlN/Mo的400个测量现场图。

如前所述，压电层厚度的调整对这一过程非常关键，因为这种调整直接决定了谐振频率。使用皮秒超声波测量透明和半透明薄膜是有据可查的。信号中的瞬态光学反射率包含一个正弦振荡分量，即布里渊振荡(图2)。声速可由振荡周期计算;图中箭头所示的声速和回波往返旅行时间决定了AlN层的厚度。如果需要，可以从光谱椭圆计获得AlN层的折射率，并将其前馈给皮秒超声工具以提高精度。

图2:典型的AlN/Si测量信号微微秒超声学。

研究[6]显示了在AlN层中掺杂钪(Sc)的好处，可以增加压电系数，软化材料，增加介电常数，并增强K的机电耦合²．皮秒超声波通过监测声速的变化来检测Sc浓度的变化。事实上，研究[7]显示，不同Sc浓度之间的声速差异约为15%。图3显示声速、Sc浓度与R呈良好的线性关系²= 0.97。

图3:AlN声速与Sc浓度的相关性。

皮秒超声波系统旨在提供长期稳定性和内在的刀具对刀具匹配(0.5%的现场水平)，这两个都是大规模制造中采用的关键要求。

总之，由于5G技术的普及，射频市场正在迅速增长。射频滤波器是信号处理应用的关键使能器，由于严格的工艺公差，射频滤波器的过程控制需要严格的计量。皮秒超声波是唯一合格的在线测量技术，可以迎接这些挑战。

参考文献

[1]https://www.reportlinker.com/p05874886/?utm_source=PRN

R. Aigner, 2008 IEEE超声研讨会，2008。

[3]https://www.evaluationengineering.com/instrumentation/software/article/21206428/the-future-of-rf-filtering-in-a-5g-world

C.汤姆森，H. T.格兰，H. J.马里斯，J.陶克，菲斯。Rev. B, vol. 34, 1986, pp. 4129-4138

[5] J. L.阿莱因，S. E. M. Palaich, B. C. Daly, P. Subramonium, G. A. Antonelli, J. applied。物理，vol 104, 2008, pp 033508 1-6

R. Matloub, A. Artieda, Alvaro, C. Sandu, E. Milyutin, P. Muralt, vol. 99，(2011)，应用物理学报。092903

[7]梅田K.，河合H.，本田，秋山A.，加藤M.，深仓T.， IEEE Int研究员。中国机械工程，2013,29 (1):1 -7