TC-SAW滤波器：通信世界“温度守护者”

在万物互联的智能时代，5G基站与智能设备间每毫秒数十亿次"对话"的背后，藏着一个指甲盖大小的关键元件——SAW滤波器。这个射频前端的"信号指挥官"，正默默支撑着现代通信的每一次心跳。

不过，传统的SAW滤波器有个致命弱点：当环境温度波动超过10℃，传统SAW滤波器的核心频率就会像脱缰野马般偏移高达0.02%。这意味着在严寒冬季或酷暑夏日，你的5G下载速度可能骤降30%，视频通话随时可能"冻僵"在加载界面。随着人们对高速通信的需求越来越高，传统SAW滤波器在温度稳定性和插入损耗方面的不足就越来越明显了。这个时候，TC-SAW（温度补偿型声表面波）滤波器闪亮登场，凭借自己的独特优势，成了大家关注的焦点。

当前TC-SAW制造工艺主要沿着两条技术路线演进：一是溅射温度补偿层工艺：通过磁控溅射在压电基板上沉积温度补偿层，通常选用LiNO₃作为压电材料， SiO₂作为温补材料，利用其负温度系数特性实现声速补偿；二是晶圆键合异质集成工艺：采用键合技术将硅基温度补偿层与压电晶圆集成，通过界面应力工程调控声波传播特性。

图1 温度补偿层溅射结构和晶圆键合结构

1温度补偿层溅射工艺：

给滤波器“穿”上“温度防护服”

温度补偿层溅射工艺就像是给滤波器精心“穿”上了一件能调节温度影响的“防护服”。它是在已经通过光刻和镀膜工艺做好电路（IDT）的铌酸锂（LN）衬底上，再镀上一层二氧化硅薄膜。这层薄膜可不简单，它有正温度系数，能巧妙地抵消铌酸锂（LN）的负温度系数，就像两个配合默契的小伙伴，一个“拉”，一个“推”，让滤波器中心频率在温度变化时也能保持稳定，实现了精准的温度补偿。

在实际制作的时候，第一步是选材料。要找经过CMP抛光后，表面特别光滑，粗糙度小于0.3nm的铌酸锂（LN）晶圆。选好后，用光刻和镀膜技术在它表面做好电路（IDT），接着就进入关键的二氧化硅薄膜沉积环节。SiO₂层的厚度（tSiO₂）在器件性能方面起着关键作用。如图2所示，SiO₂的厚度对耦合系数和振动模式的类型都有显著影响。当SiO₂层的厚度减小时，导模（板模）能更有效地被抑制，并提高耦合系数。但是，SiO₂的厚度减小会对器件的品质因数Q和频率温度系数（TCF）产生负面影响。

图2 (a)仿真导纳

图2 (b)实际导纳

图3 (c)耦合系数与归一化SiO₂厚度的关系

在SiO₂薄膜沉积过程中，工艺参数的精准调控是确保薄膜质量的关键。溅射功率、气体流量及衬底温度等参数需严格控制，只有将各参数稳定在最佳区间，才能实现薄膜厚度均匀、结构致密的理想状态。此外，为进一步提升薄膜厚度的精度，还需采用化学机械抛光（CMP）和离子束修整（ion beam trimming）工艺，通过机械研磨与离子束刻蚀的协同作用，对薄膜表面进行精细加工，从而达到更高的工艺标准。

在实际应用中，对SiO₂膜厚一致性和表面粗糙度有着极为严苛的标准。一方面，高度一致的膜厚是确保温度补偿效果稳定的基础，膜厚偏差会影响器件工作的稳定性；另一方面，薄膜表面粗糙度需严格控制在2nm以下，这一参数直接关系到信号传输损耗，更低的粗糙度能有效降低介质损耗，显著提升滤波器的性能表现，确保信号传输的高效性与可靠性。

作为当前TC-SAW滤波器的主流工艺路线之一，溅射温补层技术凭借其独特的温度稳定性调控能力，已在高频器件领域确立了核心地位。通过多物理场耦合溅射技术的持续优化，该工艺成功突破了传统温度补偿层的高频响应瓶颈，展现出优异的稳定性和可靠性。

2采用键合晶圆制作TC-SAW：

打造滤波器的“优质基石”

这种工艺设计巧妙地将温度补偿层溅射工艺中的技术瓶颈，转化为材料前端制备问题，核心聚焦于键合晶圆的精密制造。事实上，键合晶圆的制备工艺是决定TC-SAW滤波器性能的关键环节。当键合晶圆达到高精度几何尺寸与优良品质标准后，后续结合常规流片技术，滤波器的生产难度将大幅降低，产品良率与性能稳定性也能得到有效保障。

键合晶圆中压电层的厚度对滤波性能起着关键作用。图3所示的42°YX-LT/Si结构的TC-SAW性能受限于体声波与压电层厚度的耦合作用。如图所示，减薄LT层，波纹（ripple）幅度会增大，所以LT层的厚度应大于几个λ。据研究，LT与Si的厚度比大于0.125对于抑制杂散模式是可行的。

图3 导纳|Y|(dB)和电导G（dB）与压电层厚度的关系

当前，TC-SAW滤波器用键合晶圆的主流制备技术主要分为两类：

（一）基于离子注入和晶圆键合技术：“移花接木”的神奇工艺

这个方法就像一场神奇的“移花接木”。首先，往压电晶圆特定深度注入氢离子（当然，氦离子、氩离子这些也可以），这样会形成一个比较脆弱的离子注入层。然后，把注入了氢离子的压电晶圆和另一个衬底晶圆（常见的有硅、蓝宝石、石英等）“粘”在一起，也就是进行键合。最后，通过加热或者施加应力等方式，让压电晶圆沿着离子注入层分开。这样，压电晶圆上很薄的一层材料就转移到衬底晶圆上了，实现了高质量的晶圆键合和材料转移。

图4 离子注入和晶圆键合工艺流程图（图片来源于网络）

该方法的优势显著，主要体现在以下四个方面：其一，具备卓越的厚度控制能力，可实现超薄膜转移。通过调节离子注入能量，能够精准调控转移层厚度，精度达纳米级，这对于制造高性能TC-SAW滤波器至关重要，毕竟此类滤波器对材料厚度有着严苛要求。其二，制备的键合晶圆质量上乘。离子注入与分裂过程对转移层晶体结构的损伤微乎其微，键合处缺陷少，结合紧密，从而确保器件性能稳定可靠。其三，压电晶圆可重复利用，有效降低了生产成本。其四，兼容性极佳，能够适配硅、蓝宝石、碳化硅等多种材料晶圆，同时兼容不同尺寸晶圆，无论是大规模量产还是小批量制作，均可满足需求。在SAW滤波器制造领域，采用该方法制备的硅基压电单晶薄膜材料，能够显著提升滤波器的温度稳定性，降低插入损耗，充分满足5G通信、物联网等领域对高频、高性能SAW滤波器的应用需求。

（二）基于晶圆键合和高精度减薄抛光技术：精雕细琢的“工匠技艺”

采用该方法制备键合晶圆时，首要步骤是选择适配的压电晶圆与支撑晶圆。压电晶圆通常选用钽酸锂（LT）或铌酸锂（LN），这类材料凭借出色的压电性能，成为理想之选；而支撑晶圆多采用高阻硅、蓝宝石或石英，它们不仅具备优异的热稳定性与成本优势，还能与多种材料良好兼容。

为确保键合效果，需在键合前对晶圆进行高精度研磨抛光与清洗处理。该工序旨在使晶圆键合面达到高度洁净、平整状态，显著降低表面粗糙度，从而为键合时原子间的有效结合创造条件。

表面等离子体活化常温键合是该工艺的核心键合方式。其原理是利用等离子体对晶圆表面进行活化处理，提升表面活性，进而增强键合强度与质量。在键合过程中，对准精度、等离子体活化功率与时间，以及键合温度、压力等参数均起着决定性作用。唯有对这些参数进行精准调控，方能实现键合界面的牢固性与均匀性。

图5 等离子体激活的 LiNbO₃/Si 直接键合示意图 （图片来源于网络）

键合完成后，由于压电层的初始厚度通常超出目标值，因而需进行减薄处理。首先采用砂轮减薄工艺，快速去除大部分多余的压电材料，使压电层厚度逼近目标值。然而，该工艺会在压电层表面残留加工痕迹与损伤层，此时便需借助化学机械抛光（CMP）技术加以修复。CMP技术融合化学腐蚀与机械研磨双重作用，在抛光液中添加碱性或酸性溶液等特定化学试剂，并混入二氧化硅微球等研磨颗粒，配合抛光垫的协同作用，对压电层表面进行微观平整与精确减薄。此工艺不仅能够显著降低表面粗糙度，提升光滑度，还可有效修复损伤层，使压电层表面达到极高的平整度与光洁度，充分满足SAW滤波器对压电层表面质量的严苛标准。

这种制备方法的核心优势在于可根据实际需求灵活定制压电层厚度，并实现高精度控制，从而确保滤波器频率稳定性与性能一致性。不过，该方法也面临诸多挑战：工艺流程复杂，对设备性能及操作人员技术水平均提出严苛要求。但随着技术经验的持续积累，以及设备研发与工艺创新的不断突破，通过优化减薄抛光技术，目前已能够制备出精度达几百甚至几十纳米的超薄压电层，有力支撑了更高频率、更高性能SAW滤波器的研发与生产需求。

3总结

总体而言，无论是温度补偿层溅射工艺，还是键合晶圆工艺，TC-SAW滤波器的技术竞争核心均聚焦于材料制造加工能力。随着设备迭代、材料革新与工艺经验的不断积累，这一领域正迎来持续突破。高性能温度补偿型声表面波滤波器的问世，有效攻克了传统SAW滤波器温度稳定性不足的技术瓶颈，为通信技术演进注入全新动能，也为未来通信发展开辟了更为广阔的创新空间。

展望未来，随着技术的持续精进与创新突破，TC-SAW滤波器必将在5G网络深度应用及6G通信技术探索中扮演更为关键的角色，以更卓越的性能推动通信技术向更便捷、高效的方向迈进，重塑智能时代的信息交互体验。