5G RF濾波器是什麼?如何實現?

作者 : David Haynes, Daniel Shin & Lidia Vereen

本文探討射頻(RF)濾波器如何運作、為什麼它們如此重要、晶片製造商在製造蜂巢式元件時面臨哪些挑戰,以及如何克服這些問題。

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範圍以過濾掉那些你不想聽的頻率,並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於低音;使用相機,你可以過濾掉紫外光以提高影像品質。

在蜂巢式頻譜中,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(RF)濾波能分離並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:

  • 濾掉高頻,只通過低頻。
  • 濾掉低頻,只通過高頻。
  • 分離某些範圍的頻率,消除該範圍以上和以下的所有頻率,這個範圍被稱為「帶」(band),這樣的濾波器是「帶通」(band-pass)濾波器。
  • 只消除一個範圍的頻率,同時保持所有其他頻率不變,這被稱為「帶阻」(band-stop)濾波器。

因此,RF濾波器對現代蜂巢式資料系統至關重要。每個通道都是一個頻帶,一些現代蜂巢式手機中可能有多達60個帶通濾波器,每個都分離一個通道。

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」(SAW)濾波器。它們的價格往往較低,而且對蜂巢式範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「體聲波」(BAW)濾波器。雖然製造成本較高,但可以處理蜂巢式頻譜的上游。

RF濾波器製造的挑戰及其解決之道

由於製造商持續面臨縮小元件尺寸的壓力,特別是在行動和物聯網(IoT)應用方面,RF濾波器的製造存在一些挑戰,而且性能更好、更複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的更高頻率和更大頻寬。

讓我們詳細瞭解RF濾波器製造中的關鍵步驟。

以高效率沉積和刻蝕鈧摻雜層

業界開發商正尋求以添加鈧(Sc)來修改關鍵的氮化鋁(AlN)層,以增加濾波器的頻寬。這將改善氮化鋁層的壓電特性,並提高濾波器的最終性能。Lam Research收購的荷蘭Solmates公司專注於沉積這些擁有最佳鈧摻雜度和薄膜特性的AlScN薄膜。

添加鈧會產生一種更難刻蝕的材料,這會對產量造成負面影響。此外,刻蝕製程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對元件良率帶來負面影響。最後,相較於前幾代元件,底部電極將會更薄,在不影響底部電極的情況下實現均勻刻蝕成為一項挑戰,並且影響到元件的良率。

Lam Research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,可用於直徑200mm和300mm的晶圓以實現當今所需的大量生產,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份

RF濾波器是這些RF新系統的一部份關鍵組成,但並不是唯一的組成部份。濾波器與其他元件——如RF開關、低雜訊放大器(LNA)、功率放大器(PA)和天線調諧器——結合起來形成複雜的RF模組解決方案。許多這些其他的RF元件是使用RF-CMOS或RF-SOI技術製造的,但有特定的製造方案,能將電容和電感元件整合到後段製程。這些元件對於元件在高頻下的有效運行至關重要。就像濾波器製造中的挑戰一樣,這些額外的後段製程整合步驟也對於製程設備帶來了新的挑戰。

沉積高品質的MIMCAP

金屬-絕緣體-金屬電容器(MIMCAP)現在通常被整合到RF元件中。顧名思義,MIMCAP是由傳導電訊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矽,必須是高品質的,而且與金屬層有很好的黏著力。

VECTOR Express可以提供所需的高品質薄膜沉積,它的多站順序沉積(MSSD)架構收緊了晶圓到晶圓的不均勻度,並保持卓越的晶圓內均勻度。

採用低氧化鈷的厚鈍化層沉積

一個經常被忽視的挑戰涉及最後的鈍化層:它必須很厚以完全密封元件,確保不受環境影響。任何斷裂或針孔都會影響元件的性能,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。

該設備可提供高品質的厚USG (無摻雜矽玻璃)薄膜沉積,並具有高生產率。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。

本文作者:

David Haynes,Lam Research客戶服務事業部策略行銷副總裁
Daniel Shin,Reliant Systems資深客戶技術經理
Lidia Vereen,Reliant Systems 業務發展總監

本文原刊登於EDN China網站,Echo編譯

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