童筱鈞，王為標(biāo)

（1.常州工學(xué)院，江蘇 常州 213002；2.南京電子器件研究所，南京 210000）

1 引言

縱向耦合諧振濾波器（Longitudinal Coupling Resonator filter，LCRF）因其低插入損耗、一致性高、價格低廉等優(yōu)點，在通信基站、手機等電子產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛。插入損耗、阻帶、帶寬、通帶波紋等[1～3]指標(biāo)是重點考察對象。在以上性能指標(biāo)中，通帶波紋Rp反映通帶的平坦程度，是本文的重點研究對象。

鋁膜厚度、金屬化率、耦合換能器指對數(shù)、反射柵與換能器的周期比、耦合換能器與反射陣間距、輸入輸出換能器指對數(shù)、換能器孔徑、輸入輸出換能器和耦合換能器之間距D1、換能器指條周期漸變（相位加權(quán)）等濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)都會影響通帶起伏程度。模擬結(jié)果顯示，D1對通帶波紋影響巨大，同等設(shè)計參數(shù)情況下，D1的很小變化就會導(dǎo)致通帶波紋Rp巨變，在文章第二部分作者給出了耦合換能器和輸入（輸出）換能器間距D1與通帶波紋Rp大小的關(guān)系。

在高頻縱向耦合諧振濾波器制作工藝方面，指條條形、鋁電極厚度、金屬化率、鋁膜質(zhì)量等工藝參數(shù)同樣影響濾波器性能，須嚴(yán)格控制。對頻率超過800 MHz的縱向耦合諧振濾波器，很多廠家在工藝上借助于干法刻蝕或剝離（lift off）技術(shù)[10～11]。文章第三部分給出了一個中心頻率為895 MHz的縱向耦合諧振濾波器制作中金屬鋁的剝離制作工藝，第四部分給出了此款濾波器頻率響應(yīng)特性的模擬結(jié)果和實驗測試數(shù)據(jù)。

2 通帶波紋和耦合換能器與輸入（輸出）換能器間距的關(guān)系

如圖1所示，縱向耦合諧振濾波器是最初的諧振器的變形，并加入了耦合換能器。左右兩端是反射陣，緊鄰反射陣的叉指換能器又名耦合換能器，其作用是以耦合方式傳送聲表面波能量到下一級濾波器中。中間的換能器用于輸入、輸出電信號以實現(xiàn)電聲、聲電變換，是輸入（輸出）端。這種結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生一次和三次縱向諧振聲波模式，二者迭加得到寬的通帶和低的插入損耗—— 一三模耦合諧振濾波器。

常用于光波傳播分析的COM理論被成功移植到到聲表面波器件特性的分析中。限于篇幅，本文不做敘述[3～7]。基于COM理論的縱向耦合諧振濾波器分析程序用于優(yōu)化濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)包括鋁膜厚度、反射柵與換能器周期比、耦合換能器指對數(shù)、輸入輸出換能器指對數(shù)、輸入輸出換能器與耦合換能器間距D1、耦合換能器與反射陣間距、換能器孔徑、金屬化率。我們分析了輸入輸出換能器與耦合換能器間距D1分別為1.15 μm、1.32 μm、1.50 μm時895 MHz縱向耦合諧振濾波器頻率響應(yīng)的通帶特性。圖2給出了耦合換能器和輸入（或輸出）換能器之間距D1與通帶波紋Rp的關(guān)系。當(dāng)D1為1.32 μm時，通帶波紋Rp=0.6 dB；當(dāng)D1=1.50 μm時，Rp=0.9 dB。由此可以看出，耦合換能器與輸入（或輸出換能器）的間距是影響通帶平坦度的重要參數(shù)之一。

3 聲表面波縱向耦合諧振濾波器制作工藝

如前所述，縱向耦合諧振類濾波器頻響特性與電極厚度、金屬化率、指條條形、鋁膜質(zhì)量等密切相關(guān)。工藝中除鋁電極厚度外，通帶波紋Rp與金屬化率和指條條形相關(guān)。

傳統(tǒng)濕法腐蝕的各向同性而出現(xiàn)鋁膜的側(cè)向腐蝕會造成叉指電極剖面呈現(xiàn)梯形。在指條深寬比較大時側(cè)向現(xiàn)象比較嚴(yán)重，因而在高頻聲表面波器件生產(chǎn)常采用剝離工藝（lift off）或干法刻蝕（dry etch），以解決側(cè)向腐蝕問題。

圖1 單級縱向耦合諧振濾波器結(jié)構(gòu)圖

圖2 通帶波紋Rp與耦合換能器與輸入輸出換能器間距D1的關(guān)系

干法刻蝕在集成電路制造中應(yīng)用廣泛，主要是采用氯系BCl3、Cl2和CHCl3的混合氣體刻蝕鋁或鋁合金，在刻蝕將要結(jié)束時利用氟系替代氯系離子以減少吸濕產(chǎn)生的HCl對鋁的后腐蝕。而剝離技術(shù)不采用酸堿腐蝕、等離子刻蝕，而是在淀積鋁之前先涂布一層光刻膠，經(jīng)曝光、顯影做出一個犧牲層。隨后在其上淀積鋁，淀積的鋁將會隨犧牲層剝離掉，淀積在無光刻膠處的鋁將保留下來成為聲表面波濾波器的叉指電極。

采用剝離工藝，縱向耦合諧振類濾波器前道工藝流程為：

基片清洗→基片HMDS預(yù)處理→勻膠→前烘→曝光→顯影→鏡檢→鋁的淀積→丙酮溶解犧牲層、超聲剝離并徹底清洗→鏡檢評估。

圖3 縱向耦合諧振類濾波器剝離技術(shù)的工藝過程

圖3說明了縱向耦合諧振類濾波器剝離技術(shù)的工藝過程。從圖中可以看出，在勻膠之前，基片須經(jīng)HMDS預(yù)處理。我們采用TZ-HMDS-I型HMDS基片預(yù)處理系統(tǒng)，其作用在于通過加熱、反復(fù)抽真空、充入高純氮氣過程去除基片清洗時表面殘留的微量水分，并在基片表面涂敷一層極薄的HMDS膜，HMDS與表面的OH一經(jīng)反應(yīng)，在硅片表面生成醚類物質(zhì)，以消除氫鍵，從而使基片表面從憎膠轉(zhuǎn)變成非極性的親膠，利于隨后的勻膠、顯影，降低顯影中的側(cè)向效應(yīng)。

在顯影時，通過過量顯影，可以得到較細(xì)的膠條寬度，經(jīng)剝離最終比較容易得到較寬的叉指指條，這與濕法腐蝕、干法刻蝕在顯影時極力要得到較寬的膠條正好相反。

圖4為制作一款760 MHz縱向耦合諧振濾波器經(jīng)剝離、漂洗工藝處理后器件的SEM照片。從圖中可以看出，金屬化率接近1.1:1。

圖4 760 MHz縱向耦合諧振濾波器的SEM照片

4 高頻縱向耦合諧振濾波器理論計算與實驗頻響圖

為達(dá)到中心頻率895 MHz、1 dB帶寬大于等于40 MHz、通帶波紋＜1 dB的縱向耦合諧振濾波器性能指標(biāo)，經(jīng)優(yōu)化，設(shè)計數(shù)據(jù)為：42oLiTaO3，Al膜厚度297 nm，金屬化率=1.1，輸入、輸出換能器10.5對指，耦合換能器16.5對指，孔徑52個波長，耦合換能器與輸入輸出換能器間距D1=1.50 μm。為得到大的帶寬和帶外抑制，對換能器周期做了微調(diào)處理（變周期相位加權(quán)）。

圖5為此款縱向耦合諧振濾波器理論計算與相應(yīng)器件樣品測試頻響圖。其中，虛線為理論模擬結(jié)果，實線為測試結(jié)果，測試結(jié)果為：1 dB帶寬40.5 MHz、通帶波紋＜0.9 dB，阻帶抑制≥47 dB，插損為3.8 dB。可以看出，通帶起伏、帶寬均達(dá)到了設(shè)計要求，但樣品帶寬比計算結(jié)果略窄。

圖6為另一款中心頻率為897.5 MHz濾波器的頻響圖。如圖所示，1 dB帶寬35.9 MHz，阻帶抑制達(dá)到50 dB，插損1.5 dB，通帶波紋小于0.8 dB，通帶平坦。

圖6 897.5 MHz縱向耦合諧振濾波器頻響圖

5 結(jié)束語

本文應(yīng)用耦合模COM理論，分析了換能器間距D1與縱向耦合諧振濾波器通帶波紋Rp的關(guān)系，探討聲表面波器件中剝離工藝。依照理論模擬結(jié)果，試驗樣品中心頻率為895 MHz的縱向耦合諧振濾波器的測試結(jié)果為1 dB帶寬為40.5 MHz，阻帶抑制大于47 dB，插損3.8 dB和平坦的通帶。

[1]Takao M,Yoshitaka W,Masaki T et al.Wideband low loss double mode SAW Filters[J].IEEE Ultrasonics Symposium,1992,95-104.

[2]曹亮，黃廣倫，秦廷輝，等.寬帶低損耗聲表面波濾波器[J].壓電與聲光，2000，22（4）：209-213.

[3]郭艷明，何世堂，汪承瀕.梯形諧振式結(jié)構(gòu)與縱向耦合結(jié)構(gòu)相結(jié)合的濾波器[J].應(yīng)用聲學(xué)，2005，24（5）： 269-274.

[4]秦廷輝，朱自湘，周平.一種寬帶低損耗聲表面波濾波器[J].壓電與聲光，1998，20（2）：77-79.

[5]張冬，章德.一三?？v向耦合諧振濾波器高頻邊瓣的改進[J].南京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，43：89-94.

[6]黃廣倫，趙鳳明，呂翼.縱向耦合濾波器組成模塊對器件性能影響的研究[J].壓電與聲光，2003，25（6）：439-441.

[7]Dong-Pei Chen,Herman A Haus.Analysis of Metal-Strip SAW Grating and Transducers[J].IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics,1985,32(3) :395-408.

[8]李冬梅，李暉，潘峰，等.高頻聲表面波材料及器件制備工藝的研究[J].材料工程，2003，8：40-43.

[9]趙桓，程秀蘭.鋁線刻蝕后聚合物清洗工藝對CD測試的影響[J].清洗世界，2008，24（7）：6-10.

[10]王文如，楊正兵.微細(xì)金屬圖形制作中的剝離技術(shù)[J].壓電與聲光，2001，23（1）：68-73.

[11]Stephen A.Campbell.微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社.284-285.