声表面波纵向耦合谐振滤波器通带特性研究*

童筱钧，王为标

（1.常州工学院，江苏 常州 213002；2.南京电子器件研究所，南京 210000）

1 引言

纵向耦合谐振滤波器（Longitudinal Coupling Resonator filter，LCRF）因其低插入损耗、一致性高、价格低廉等优点，在通信基站、手机等电子产品中应用广泛。插入损耗、阻带、带宽、通带波纹等[1～3]指标是重点考察对象。在以上性能指标中，通带波纹Rp反映通带的平坦程度，是本文的重点研究对象。

铝膜厚度、金属化率、耦合换能器指对数、反射栅与换能器的周期比、耦合换能器与反射阵间距、输入输出换能器指对数、换能器孔径、输入输出换能器和耦合换能器之间距D1、换能器指条周期渐变（相位加权）等滤波器结构参数都会影响通带起伏程度。模拟结果显示，D1对通带波纹影响巨大，同等设计参数情况下，D1的很小变化就会导致通带波纹Rp巨变，在文章第二部分作者给出了耦合换能器和输入（输出）换能器间距D1与通带波纹Rp大小的关系。

在高频纵向耦合谐振滤波器制作工艺方面，指条条形、铝电极厚度、金属化率、铝膜质量等工艺参数同样影响滤波器性能，须严格控制。对频率超过800 MHz的纵向耦合谐振滤波器，很多厂家在工艺上借助于干法刻蚀或剥离（lift off）技术[10～11]。文章第三部分给出了一个中心频率为895 MHz的纵向耦合谐振滤波器制作中金属铝的剥离制作工艺，第四部分给出了此款滤波器频率响应特性的模拟结果和实验测试数据。

2 通带波纹和耦合换能器与输入（输出）换能器间距的关系

如图1所示，纵向耦合谐振滤波器是最初的谐振器的变形，并加入了耦合换能器。左右两端是反射阵，紧邻反射阵的叉指换能器又名耦合换能器，其作用是以耦合方式传送声表面波能量到下一级滤波器中。中间的换能器用于输入、输出电信号以实现电声、声电变换，是输入（输出）端。这种结构能产生一次和三次纵向谐振声波模式，二者迭加得到宽的通带和低的插入损耗—— 一三模耦合谐振滤波器。

常用于光波传播分析的COM理论被成功移植到到声表面波器件特性的分析中。限于篇幅，本文不做叙述[3～7]。基于COM理论的纵向耦合谐振滤波器分析程序用于优化滤波器结构参数包括铝膜厚度、反射栅与换能器周期比、耦合换能器指对数、输入输出换能器指对数、输入输出换能器与耦合换能器间距D1、耦合换能器与反射阵间距、换能器孔径、金属化率。我们分析了输入输出换能器与耦合换能器间距D1分别为1.15 μm、1.32 μm、1.50 μm时895 MHz纵向耦合谐振滤波器频率响应的通带特性。图2给出了耦合换能器和输入（或输出）换能器之间距D1与通带波纹Rp的关系。当D1为1.32 μm时，通带波纹Rp=0.6 dB；当D1=1.50 μm时，Rp=0.9 dB。由此可以看出，耦合换能器与输入（或输出换能器）的间距是影响通带平坦度的重要参数之一。

3 声表面波纵向耦合谐振滤波器制作工艺

如前所述，纵向耦合谐振类滤波器频响特性与电极厚度、金属化率、指条条形、铝膜质量等密切相关。工艺中除铝电极厚度外，通带波纹Rp与金属化率和指条条形相关。

传统湿法腐蚀的各向同性而出现铝膜的侧向腐蚀会造成叉指电极剖面呈现梯形。在指条深宽比较大时侧向现象比较严重，因而在高频声表面波器件生产常采用剥离工艺（lift off）或干法刻蚀（dry etch），以解决侧向腐蚀问题。

图1 单级纵向耦合谐振滤波器结构图

图2 通带波纹Rp与耦合换能器与输入输出换能器间距D1的关系

干法刻蚀在集成电路制造中应用广泛，主要是采用氯系BCl3、Cl2和CHCl3的混合气体刻蚀铝或铝合金，在刻蚀将要结束时利用氟系替代氯系离子以减少吸湿产生的HCl对铝的后腐蚀。而剥离技术不采用酸碱腐蚀、等离子刻蚀，而是在淀积铝之前先涂布一层光刻胶，经曝光、显影做出一个牺牲层。随后在其上淀积铝，淀积的铝将会随牺牲层剥离掉，淀积在无光刻胶处的铝将保留下来成为声表面波滤波器的叉指电极。

采用剥离工艺，纵向耦合谐振类滤波器前道工艺流程为：

基片清洗→基片HMDS预处理→匀胶→前烘→曝光→显影→镜检→铝的淀积→丙酮溶解牺牲层、超声剥离并彻底清洗→镜检评估。

图3 纵向耦合谐振类滤波器剥离技术的工艺过程

图3说明了纵向耦合谐振类滤波器剥离技术的工艺过程。从图中可以看出，在匀胶之前，基片须经HMDS预处理。我们采用TZ-HMDS-I型HMDS基片预处理系统，其作用在于通过加热、反复抽真空、充入高纯氮气过程去除基片清洗时表面残留的微量水分，并在基片表面涂敷一层极薄的HMDS膜，HMDS与表面的OH一经反应，在硅片表面生成醚类物质，以消除氢键，从而使基片表面从憎胶转变成非极性的亲胶，利于随后的匀胶、显影，降低显影中的侧向效应。

在显影时，通过过量显影，可以得到较细的胶条宽度，经剥离最终比较容易得到较宽的叉指指条，这与湿法腐蚀、干法刻蚀在显影时极力要得到较宽的胶条正好相反。

图4为制作一款760 MHz纵向耦合谐振滤波器经剥离、漂洗工艺处理后器件的SEM照片。从图中可以看出，金属化率接近1.1:1。

图4 760 MHz纵向耦合谐振滤波器的SEM照片

4 高频纵向耦合谐振滤波器理论计算与实验频响图

为达到中心频率895 MHz、1 dB带宽大于等于40 MHz、通带波纹＜1 dB的纵向耦合谐振滤波器性能指标，经优化，设计数据为：42oLiTaO3，Al膜厚度297 nm，金属化率=1.1，输入、输出换能器10.5对指，耦合换能器16.5对指，孔径52个波长，耦合换能器与输入输出换能器间距D1=1.50 μm。为得到大的带宽和带外抑制，对换能器周期做了微调处理（变周期相位加权）。

图5为此款纵向耦合谐振滤波器理论计算与相应器件样品测试频响图。其中，虚线为理论模拟结果，实线为测试结果，测试结果为：1 dB带宽40.5 MHz、通带波纹＜0.9 dB，阻带抑制≥47 dB，插损为3.8 dB。可以看出，通带起伏、带宽均达到了设计要求，但样品带宽比计算结果略窄。

图6为另一款中心频率为897.5 MHz滤波器的频响图。如图所示，1 dB带宽35.9 MHz，阻带抑制达到50 dB，插损1.5 dB，通带波纹小于0.8 dB，通带平坦。

图6 897.5 MHz纵向耦合谐振滤波器频响图

5 结束语

本文应用耦合模COM理论，分析了换能器间距D1与纵向耦合谐振滤波器通带波纹Rp的关系，探讨声表面波器件中剥离工艺。依照理论模拟结果，试验样品中心频率为895 MHz的纵向耦合谐振滤波器的测试结果为1 dB带宽为40.5 MHz，阻带抑制大于47 dB，插损3.8 dB和平坦的通带。

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