（4）制造过程

Saw滤波器通常在石英、铌酸锂或钎钛酸铅等晶体基片基础上，使用半导体工艺完成制造。这样的生产方式决定了Saw滤波器具有很高的生产难度。下图显示了Saw滤波器的两种制备过程，分别为蚀刻工艺和剥离工艺。生产过程中通常使用光刻胶掩模来辅助这两个过程。根据滤波器的应用和配置，可能需要其他处理。

蚀刻工艺是在清洗干净的压电基板上沉积IDT金属层，然后旋涂上光刻胶剂，并进行前烘。利用光刻淹膜法进行曝光，随后进行显影、漂洗和后烘，并利用电子束蚀刻暴露的IDT金属层。蚀刻方法为各向异性干法或湿法蚀刻。最后，将光刻胶去除即可。

剥离工艺则是在清洗干净的压电基板上沉积IDT金属层，然后旋涂上剥离工艺特用的光刻胶剂，利用光刻淹膜法进行曝光，随后进行显影、漂洗和后烘，再沉积IDT金属层。最后，将光刻胶去除即可。

压电层沉积是滤波器制造的关键工序。压电层要求晶粒C轴方向完全一致，否则会严重降低压电耦合因子和品质因子，而高品质的压电层均匀一致淀积工艺的实现难度较大。在这个过程之中，晶体生长环节难以控制。晶体生长主要使用提拉法，即在被加热的坩埚中盛着熔融的料，籽晶杆带着籽晶由上而下插入坩埚。由于固液界面附近的熔体维持一定的过冷度，熔体沿籽晶结晶，并随籽晶的逐渐上升而生长成棒状单晶。在生产过程中，需要控制固液界面的温度梯度、生长速率、晶转速率以及熔体的流体效应，否则容易出现晶体生长不均匀、晶格排列混乱等现象。我国企业在工艺层面相比海外企业有明显差距。因此产品的可靠性较低。

最佳切割方向难以确定。基片切割的方向会影响压电晶体在机械能和电能之间的转化效率，进而影响滤波器的工作效果，所以晶体切割还需要考虑最佳切割方向。只有当切割方向与表面波传输速率最快的方向一致时，才可以得到能量转化效率最高的晶片。所以在对晶体进行切割之前，还需要计算基片各方向的表面波传输速率，以确定速率最高的传输方向。

研磨时容易出现亚表面损伤。铌酸锂晶体是典型的软脆材料，在研磨时极易出现亚表面损伤和磨粒嵌入等缺陷，进而影响表面波的传输。在具体研磨过程中，对研磨方式、磨粒粒径、研磨压力等方面均提出了很高的要求。这需要厂商在具体生产过程中积累经验，不断改进研磨方式。

需要使用高精密抛光工艺。由于基片表面的粗糙度会影响表面波的传输，所以基片表面的粗糙度需要达到亚纳米级别，同时基片表面不能有任何缺陷，这对抛光工艺提出了严峻的挑战。为了实现高精密的抛光，需要使用特殊配方的抛光液，并不断在生产中改进抛光工艺，以找到最高效的抛光方法。

Saw滤波器器件采用压电晶体基片，其表面清洁度将影响后续工艺。若蒸发金属膜黏附性差，则容易起皱或产生亮点、针孔，则容易导致后续工序发生断条、连条和底膜去不干净。清洗工艺则能在晶片切磨抛工艺中将引入蜡、油、有机溶剂等清洗剂，去除有机物杂质、金属离子、粒子性污垢、水溶性杂质等，使晶体表面光洁平滑，减小粗糙度。由于压电基片的物理化学性质与半导体材料不同，其清洗工艺目前仍采用半导体材料的清洗工艺，未进行适应性改变。

蒸发铝膜工艺是滤波器生产的关键工艺之一，铝膜厚度直接影响器件的频率精度，可能会影响器件的频率精度，对插入损耗和反谐振损耗有较大影响。常见的镀膜方法包括磁控溅射沉积、真空镀膜、离子束辅助沉积等方法。目前镀膜工艺的蒸发工艺均匀性、厚度检测工艺等工艺均有进步空间。

在完成基片的生产后，需要在基片上利用半导体工艺完成电极的刻蚀，大致流程包括金属膜沉积、上胶及前烘、曝光、显影、刻蚀、光刻胶去除等步骤。后段过程中的曝光设备、光刻精度、工艺参数等变化都会极大影响滤波器的性能。光刻即电子束蚀刻、X射线蚀刻，其中以应用紫外光源的光刻最为普遍。目前，集成电路的集成度不断提高，且图形精细化要求提高，要求电子束蚀刻和X射线蚀刻所用的光源波长更短。未来，5G的推进增加了器件向高频领域发展的速度，因而光刻工艺要求也在不断提高。

Saw滤波器的晶片级封装过程包括使用可光刻的粘合剂将切割后的滤波器晶片粘接到配套的晶片上。一般选择硅作为配套晶圆片，因为它的机械强度满足要求，能通过标准半导体技术进行低成本加工。压电基板固有的压电特性和陶瓷特性要求对焊接过程中施加的压力和温度进行严格控制，以确保稳定的机械焊接而不会造成断裂或空洞。在这一步骤，必须保证能够蚀刻硅片，又不会破坏Saw滤波器上形成的金属式样。可光刻的粘合剂将两片晶圆贴合，这样与Saw滤波器表面相对应的材料部分就可以移除，从而无需在贴合的晶圆片上蚀刻空腔。可以选用b级苯并环丁烯（BCB）粘接树脂，该树脂吸湿率低，离子含量低，对晶片粘接具有良好的附着力。

射频滤波器技术在过去的数年中得到了长足的进步，各射频模块逐步被集成到标准CMOS集成电路中，但包含滤波器的集成比较困难。因而，封装尺寸也在不断向小型化发展。同时，声表面波滤波器为了集成至模块，也必须净收高压强。因此，封装技术必须支持封装中的芯片表面上方形成一个空腔。滤波器的性能和可靠性大大依赖于封装技术。目前受到各大厂商喜爱的封装技术主要是扇出型封装（Fan－out WLP），扇出型封装有三种形式，第一种使用先放芯片／正面超下的工艺流程制造，另外两种分别是先放芯片／正面朝上和后放芯片类型，有时也被称为先放RDL。扇出封装存在一些挑战。在处理过程中，重组晶圆容易发生翘曲。当芯片嵌入到重组晶圆中时容易移动，从而造成芯片移位，影响产量和良率。目前，ASE与Deca合作推出的M系列技术能够有效解决部分上述问题。

· Baw滤波器制备流程

（1）设计流程

Saw 和 Baw 滤波器不同频段的滤波器设计难度不同，提供全频段的设计能力公司寥寥无几。Baw滤波器的设计流程可总结为下图。

首先可以根据滤波器带外抑制的指标，确定滤波器的初始阶数和结构。然后根据中心频率、带宽的指标要求，确定滤波器中Fbar的各膜层厚度和有源区的面积，完成滤波器的初始设计。完成初始设计后需要对 Baw 滤波器进行优化设计，主要优化串、并联Fbar的面积比。根据优化结果可以微调Fbar膜层厚度来满足带内纹波的指标要求。优化设计结果满足指标后对滤波器版图进行设计，并采用声－电磁联合仿真方法对滤波器性能进行验证。如果仿真结果不满足设计指标要求，则要根据所述的设计方法，改变滤波器的拓扑结构，再次对滤波器的各项结构参数进行设计优化，直到满足指标为止。若出现寄生耦合现象，则要对滤波器的版图进行调整。

①确定滤波器阶数

在 Fbar 声学激励范围之外足够远的频率点处，电路模型的电容性分压器特性会影响一阶梯形滤波器的阻带抑制。要提高带外抑制，必须增加滤波器的阶数或增大并联Fbar 和串联 Fbar 的电容比，但这样会导致带内插损的增大。故要综合考虑阶数和并、串联 Fbar 电容比对滤波器带外抑制性能的影响。

②确定滤波器结构

Baw 滤波器基本上可以划分为梯形和网格形两种结构。梯形Baw滤波器包括串联和并联的谐振器，一个串联的谐振器加一个并联的谐振器称为一个段（stage），整个梯形Baw滤波器可能由好几个段组成。网格形 Baw 滤波器与梯形滤波器在工作原理上很相似，但网格形Baw滤波器不具有传输零点，且滚降较慢，矩形系数差，设计时往往需要与梯形滤波器结合以满足高性能要求，且设计时必须考虑使用平衡－不平衡变换器才能实现其差分特性。而梯形 Baw 滤波器具有较好的矩阵系数，在邻近通带外的抑制效果明显。故通常采用梯形结构来设计Baw 滤波器。在设计滤波器时，还需将并、串联 Fbar 的面积比控制在一定范围，通过增加阶数来提高滤波器的阻带抑制和通带性能。

③确定Fbar各膜层厚度和面积

可以根据 Fbar 的工作原理来调整Fbar 膜层厚度，以此改变其谐振频率，一般根据中心频率与带宽来调节并确定各 Fbar 的叠层结构与膜层厚度。但通常不会减小压电薄膜的厚度来增加 Fbar 的谐振频率，这是由于压电薄膜厚度越薄，压电性能就越差。而压电薄膜的平面宽与厚度比越大，产生的寄生谐振也会越小。在通过调谐串联Fbar电极厚度来满足中心频率等指标时，因为工艺因素，一般串、并联Fbar的底电极厚度要相同但不能太薄，底电极太薄会增加Fbar的欧姆损耗而降低Fbar的品质因数。此外，Fbar的面积也会影响滤波器的通带性能。

④Fbar单元各膜层材料及参数

Fbar各膜层的材料也需要选定。选择压电薄膜的材料一般需要综合考虑：机电耦合系数、纵波声速、介质损耗、介电常数及频率温度系数等。选取电极材料通常需要考虑：低电阻率和高声速、低密度、高声阻抗等。支撑层是底电极和衬底之间添加的一层低应力材料，能够增强Fbar器件的机械强度。

根据滤波器指标的中心频率，在确定了滤波器中串联、并联Fbar的初始结构参数，包括串联、并联Fbar的膜层厚度及串联、并联谐振器结构参数等参数之后，即组成初始电路模型。

⑤确定Fbar有源区面积

Fbar 的有源区面积不会影响 Fbar 的谐振频率，然而会影响其阻抗特性中的串、并联处的阻抗值。故在设计滤波器时，需要根据压电层厚度和滤波器的中心频率点，确定Fbar的有源区面积。

⑥Baw的优化设计

确定了Baw滤波器的初始结构后，需要进行优化设计。面积参数，即串联Fbar 的有源区面积和串联、并联Fbar 有源区面积之比通常被设置为优化变量。优化目标则为滤波器所需的回波损耗、带内插损及带外抑制等，优化目标通常设置的较为严格以保证优化更易达到指标要求。

对串联、并联 Fbar面积比优化后，若滤波器的性能还未能较好的满足指标，可以继续把串联、并联Fbar的顶电极和底电极的厚度添加为优化变量。考虑到工艺，设计时一般所有Fbar的底电极厚度相同，所有串、并联Fbar的顶电极厚度相同。但要注意的是，调节顶、底电极的厚度会改变滤波器的中心频率，所以变量只需要对厚度进行微调即可，尽量减小滤波器的带内纹波，避免滤波器通带内出处“中间高、两边低”的现象，达到使通带更加平坦的目的。

（2）制造材料

Saw器件只能应用钽酸锂或铌酸锂这样特殊的单晶作为基底。Baw器件利用可选的任意基底，比如硅就是很好的基底材料，Baw制备可以直接利用主流IC制造厂现有的工艺、设备和基底结构。石英作为常见的压电材料，在高电压和高压力的情况下表现出线性反应，但还没有合适的方法把石英做成薄膜沉积在Si衬底上。合适的Baw压电材料需要高机电耦合系数、低机电损失、热稳定性高，还要符合IC工艺技术。目前最常用的Baw压电材料有PZT（lead zirconate titanate） 、AlN（aluminum nitride）和ZnO（zinc oxide）。

（3）制造工艺

Baw滤波器的最基本结构是两个金属电极夹着压电薄膜（石英基板在2GHz下厚度为2um），声波在压电薄膜里震荡形成驻波。为了把声波留在压电薄膜里震荡，震荡结构和外部环境之间必须有足够的隔离才能得到最小损耗和最大Q值。

制作Baw所需的大多数工序可以直接在标准IC生产设备上完成，而不需要任何改变。光刻要求则是0．8 微米的特征尺寸即可。Baw器件所需的光刻步骤在5个到10个之间。其中，缺陷密度也影响不大，因为大颗粒也不会导致谐振器失效。Baw滤波器最关键的工序是高品质的压电层淀积。压电层虽然是多晶的，但所有晶粒的 C 轴方向必须完全一致。方向不一致的晶粒会严重降低品质因子和压电耦合因子。

Baw滤波器的压电层厚度必须在几微米级，其工艺包括薄膜沉积、微机械加工技术实现谐振器结构。Baw滤波器的工艺和器件设计需要协同优化。

工艺实现中可考虑的一种技术是Baw－SMR（Solidly Mounted Resonator），在震荡结构下方形成布拉格反射器，把声波反射到压电层里面。该反射器由好几层高低交替阻抗层组成，每层阻抗层的声波阻抗大小相间，且每层的厚度是声波的λ／4，从而能够反射大部分波，和原来的波叠加。这种结构整体效果相当于和空气接触，大部分声波被反射回来。

以下为Baw－SMR滤波器的一种制备方法，由多层材料用于多个谐振器部分的圣波反射，每个谐振器部分至少包括夹在顶部电极和底部电极之间的压电层，该方法包括以下步骤：

（a）用作声波反射的材料层选择介电材料，为其他层选择金属材料；

（b）沉积一层金属层，通过蚀刻工艺将金属层上蚀刻出凹槽，去除要放置谐振器位置处的金属层，从而在两个谐振器下面的金属层之间蚀刻出隔离区域；

其中步骤（b）包括以下步骤：

（i）依次沉积声波反射层，从金属层开始，一直延伸到最接近谐振器的层，使介电层与金属层交替；

（ii）蚀刻金属层，以在基板上留下至少一个金属层的药盒型结构；

（iii）沉积介电材料作为填充剂填充入蚀刻去除部分，沉积深度足以允许将填充剂抛光至最后沉积的金属层图案的顶部；

另一种主流Baw滤波器技术Fbar需要高精度蚀刻有源区下方区域，形成实现悬浮膜所需的空腔。由于压电材料的声波阻抗和其他衬底类似，无法实现声波到驻波的反射过程，因此压电层不能直接沉积在衬底上。Fbar技术包括薄膜型和空气隙型。

薄膜型是从基片后面蚀刻到表面（也就是下电极面），形成悬浮的薄膜和腔体。薄膜型Fbar是Baw谐振器的主流模型，两面都是声波阻抗远低于压电层声波阻抗的空气，因此大部分声波都会反射回来。不过薄膜结构需要足够坚固以至于在后续工艺中不受影响。相比Baw－SMR，薄膜型Fbar跟底部的基片接触较小，不好散热。

空隙型Fbar在制作压电层之前需要沉积一个辅助层，最后再把辅助层去掉，在震荡结构下方形成空气间隙。此方法可以传统的硅艺兼容。因为只是边缘部分跟底下的基片接触，这种结构在受到压力时相对脆弱，而且跟薄膜型Fbar有类似的散热问题。

空隙型 Fbar 器件的制备流程：

①在准备好的硅片上表面蚀刻一凹槽（空气隙），然后再沉积一层薄的SiO2 缓冲层，用来保护硅衬底；②填充牺牲层，如Ti和磷石英玻璃PSG等；③利用化学机械抛光表面，去掉多余牺牲层；④淀积下电极，光刻成所需图形，然后用反应射频磁控溅射淀积高 C 轴取向的压电薄膜 AlN；⑤使用 RIE 刻蚀技术刻蚀压电薄膜，形成将底电极引出的通孔；⑥淀积上电极，光刻形成所需图形；⑦腐蚀去除牺牲层，形成空气隙。

iPhone 6s Plus的射频前端系统中包含几个Fbar－Baw滤波器芯片，其中包括Avago AFEM8030滤波器芯片。Avago AFEM8030中的滤波器采用Avago的Microcap晶圆键合CSP技术进行密封的晶圆级封装，使得前端模块中的所有芯片组装在一起的面积小于35mm。此外，还采用了特殊的研磨工艺来控制氮化铝（AlN）厚度，以硅通孔（TSV）来导通电气信号。

Baw滤波器市场中，美国占据绝对技术优势，尤其是在4G／5G的高频段Baw滤波器，美国博通和Qorvo等公司独占鳌头。

Baw滤波器厂商需要有自己的Fab以完成定制化的工艺来生产滤波器，则意味着需要很高的资本投入。在Baw／Fbar滤波器领域，国内仅有汉天下、天津诺思、信维通信、麦捷科技等数家企业参与。

国内的芯片设计企业主要采取Fabless的商业模式，无需承担巨大的风险和费用，然而相比国外的IDM设计模式更为弱势，因而工艺环节不够细致。据润欣科技相关人员描述，Baw／Fbar滤波器由于长期被美国企业垄断，价格最高甚至能达到Saw滤波器的10倍。就目前的行业现状来看，国外的数家龙头企业凭借垄断优势正赚取高额利润，它们在射频前端市场的毛利率均高于40％。而国内由于技术上的欠缺，企业在射频器件采购方面议价能力不足，这既给产业发展带来了风险，也不利于整个行业的生态建设。

郑重声明：投资评级说明

特别声明：

本公众号为国元证券研究所电子行业运营的唯一官方公众号，本公众号所载信息均基于国元证券研究所已正式发布的研究报告，仅供新媒体形势下研 究信息、观点、分析及预测的及时沟通交流，不代表任何机构立场，也不构成对阅读者 的投资建议。本公众号不承担更新推送信息或另行通知的义务，如需了解详细证券研究 信息，请具体参见国元证券研究所正式发布的完整报告。本公众号发布的信息仅供《证券期货投资者适当性管理办法》中规定的专业投资者使用， 在任何情况下，本公众号所载内容不构成任何投资建议，任何投资者不应将本公众号所 载内容作为投资决策依据，本公司也不对任何人因使用本公众号所载任何内容而引致的 任何损失承担任何责任。本公众号所载内容版权归国元证券研究所所有，任何机构和个 人未经书面许可，不得以任何形式进行派发、复制、转载或发布，或对公众号内容进行 任何有悖原意的删节或修改。投资有风险，入市需谨慎。本页面所有信息不构成投资建议，不构成对任何金融产品、 服务的推荐，请审慎选择与自身承受能力及投资目标等相匹配的产品及服务。