制作工艺流程
声表面波器件制作采用半导体集成电路的平面工艺,首先在压电衬底上通过光刻、镀膜、剥离或刻蚀等工艺制备出叉指换能器,然后经过划片、粘片、压丝、封焊等后续封装工艺得到最后的器件。
整个工艺过程中需要操作使用各种机台
- 清洗机
- 光刻机
- 涂胶显影台
- 全自动探针台
- 蒸发台
- 划片机
- 压丝台
- 平行封焊机
清洗
压电基片表面的洁净是贯穿声表器件生产全程的基本要求。有机物、颗粒和金属杂质带来的沾污,会影响到后续镀膜工艺的成膜质量,进而影响到最终器件的性能和可靠性。对于表面微粒,可以通过手动吹扫,机械洗刷及高压水喷溅来清除。对于比较严重的沾污,可以通过化学湿法,选择合适的清洗溶剂进行浸泡清洗,结束后采用超声清洗、纯水喷淋清洗及甩干机旋转烘干,就可以得到表面清洁的基片。
光刻
光刻即是将掩模上的图形转移到品圆上光敏材料的工艺过程。
分为涂胶、前烘、曝光、显影、后烘等若干步骤,见图 6.3。
涂胶
光刻胶也称为光致抗蚀剂,是一种光敏材料,受到光照后会改变其自身特性。根据化学反应原理和显影原理,可分为正胶和负胶。
- 正胶在曝光和显影后,曝光区内的光刻胶会被去掉;
- 负胶在曝光和显影后,曝光区外的光刻胶会被去掉,
正胶分辨率高,台阶覆盖好,粘附性和抗刻蚀能力差;负胶感光速度快,成本便宜,粘附性和抗蚀性好,分辨率不如正胶。
曝光
曝光是使涂覆在衬底材料表面的光刻胶在光照条件下发生化学反应,固化部分光刻胶,为后续显影形成光刻胶图形做准备。
按照光学曝光方式,光刻机可分为接触式(遮蔽式)和非接触式(投影式)。
- 接触式曝光设备简单,操作方便、生产效率高,但由于掩模版需要和晶圆表面紧贴,容易损伤、沾污掩模版和光刻胶涂层。
- 非接触式曝光主要指步进投影曝光。采用这种方式曝光,掩模版和晶圆不接触,掩模图形通过光学投影系统成像在感光层上,能够获得更细的线条,具有精度高,分辨率高、重复性好的优点,但同时设备复杂,价格昂贵,技术难度大。
显影
曝光完成后,通过对未聚合光刻胶的化学分解来使器件图案显影。
显影方式
- 湿法显影
- 干法(等离子体)显影
湿法显影包括沉浸法,喷射法,混凝法。沉浸法工艺简单,但是容易出现污染等问题,所以在生产工艺中,常用喷射显影法处理负胶,而正胶一般用混凝显影技术。
显影结束,需对光刻掩模工艺进行检验,分拣出需要返工的晶圆
镀膜
镀膜目的是在压电衬底表面形成一层金属膜,以便于后续制作叉指换能器。
目前主要使用的镀膜方式有磁控溅射和电子束蒸发。声表面波器件中心频率越高,又指换能器指条越细,金属薄膜侧向腐蚀对器件性能有更明显影响。如果制备的A1膜质量不好,叉指图形被破坏会使器件的频率产生漂移,插入损耗和带内波动增大。
剥离
通过剥离(lift-off)或刻蚀都可以制备出叉指换能器的图形。
采用剥离工艺,曝光显影后留下的光刻胶涂层是不需要的图形,而需要的图形区没有胶。然后在表面淀积金属膜,金属仅在无胶区域与压电衬底结合。用去胶剂除去光刻胶后,胶上的金属也随之被剥离,而留下了需要的又指换能器图形。
封装工艺
在压电衬底表面制备出叉指换能器后,就进入了后续工艺
划片,工艺是指利用划片技术将制作了叉指换能器的基片分离成单个管芯的过程。
粘片,用黏合剂将芯片粘附在封装管座的芯片安装区域。此工艺要求黏合剂粘附强度足够大,芯片与管座的结合不应松动或在后续工艺生产和成品使用中变差而使器件失效。环氧树脂经济实惠,易于操作,无需预加热封装体,使得其在声表面波器件生产得到了广泛。
压丝
又称打线,指粘片工艺完成后,用引线将芯片上的压焊点与封装管座引脚的内部端点进行电气导通,确保电信号传递的畅通。
压线材料通常使用Au或AI。
- Au线质量稳定,但是价格昂贵,在铝膜表面压焊时容易产生AU-AI化合物而影响到焊点质量。
- A1线成本低廉,与铝膜材料致,不易受腐蚀影响,且压焊温度较Au更低,这与前面使用树脂黏合剂粘片的工艺更兼容。
超声波压焊:将超声发生器产生的高频电信号转换成机械振动,再由劈刀转换成与芯片平行的振动。当劈刀与待压焊表面接触时,劈刀对表面施加压力,同时,劈刀末端带动铝线在表面上来回摩擦。摩擦产生的热量在清洁接触界面的同时,也促使界面软化,发生塑性形变,接触面间发生原子扩散,并最终使接触面紧密相连,完成压焊。
封装,为了保证器件能够长期使用,甚至在苛刻的环境下持续工作,就必须对器件进行有效的封装。下图是声表SMD封装的侧剖示意图。声表滤波器采用的是金属封盖,陶瓷底座的表面贴装管壳,适宜采用平行封焊方式完成封装。
平行封焊分为真空烘烤、预焊和封焊三个步骤。
预焊和封焊要求在一个密闭、干燥的腔体中完成。工艺前,需对封盖底座进行清洗和烘烤,以免因封盖及底座表面不洁或残留水汽,造成封焊时打火。封焊后的器件要求焊缝光亮细密,无打火,密封良好