科普貼 | 用于5G的射頻濾波器、其制造挑戰和解決方案

在這篇文章中，我們將探討射頻濾波器是如何工作的，為什么它們如此重要，芯片制造商在制造蜂窩器件時面臨的挑戰，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，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，你可以過濾掉紫外光以提高圖像質量。

在蜂窩頻譜中，大量可用的頻率被劃分為不同的通道，因此一個對話可以在一個頻道上進行，而不會受到其他通道上同時進行的對話的干擾。然而，這只有在你能將一個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通道中的特定頻率，而不需要處理同時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，這個范圍被稱為“帶”，這樣的濾波器是“帶通”濾波器。

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

因此，射頻濾波器對我們的現代蜂窩數據系統至關重要。每個通道都是一個頻帶，一些現代蜂窩電話中可能有多達60個帶通濾波器，每個都分離一個通道。

2 手機濾波器

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

第二種類型是貫穿整個材料的振動，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，特別是在移動和物聯網應用方面，射頻濾波器的制造存在一些挑戰，而且性能更好、更復雜的濾波器對精度有更高的要求。此外，濾波器的架構和使用的材料也在不斷發展，以利用5G的更高頻率和更大帶寬。

讓我們詳細了解一下射頻濾波器制造中的一個關鍵步驟。

以高效率沉積和刻蝕鈧摻雜層

領先的開發商正在尋求通過添加鈧 (Sc) 來修改關鍵的氮化鋁 (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。泛林集團在荷蘭收購的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。

添加鈧會產生一種更難刻蝕的材料，這會對產量產生負面影響。此外，刻蝕工藝必須以高選擇性停止在底部電極層上——對底部電極內的任何刻蝕都會給器件良率帶來負面影響。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現均勻刻蝕成了挑戰，也會影響到器件良率。

泛林的Kiyo^?系列刻蝕設備提供了克服這些挑戰所需的高刻蝕率和選擇性，可用于直徑為200mm和300mm的晶圓并用于當今的大批量生產，在保持頗具競爭力的刻蝕率的同時，可以實現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的一個關鍵組成部分，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、低噪聲放大器、功率放大器和天線調諧器——結合起來形成復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（互補金屬氧化物半導體）或RF-SOI（絕緣襯底上的硅）技術制造的，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。這些元件對于器件在高頻下的有效運行至關重要。就像濾波器制造中的挑戰一樣，這些額外的后段制程集成步驟也給泛林的工藝設備帶來了新的挑戰。

沉積高質量的MIMCAP

金屬-絕緣體-金屬電容器 (MIMCAP) 現在通常被集成到射頻器件中。顧名思義，MIMCAP是由傳導電信號和電力的金屬層和在金屬層之間提供絕緣的電介質層組成。電介質層通常是氮化硅，必須是高質量的、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量薄膜沉積，它的多站順序沉積 (MSSD) 架構收緊了晶圓到晶圓的不均勻度，并保持卓越的晶圓內均勻度。

采用低氧化鈷的厚鈍化層沉積

一個經常被忽視的挑戰涉及到最后的鈍化層：它必須很厚以完全密封器件，確保不受環境影響。任何斷裂或針孔都會影響器件的性能，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，因而大大降低產量且增加擁有成本。

VECTOR^? Express可以提供高質量的厚USG（無摻雜硅玻璃）薄膜沉積，并具有高生產率。與MIMCAP的應用一樣，MSSD架構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備。