随着5G的出现，预计射频（RF）滤波器将以更低的成本做更多的事情。当然，他们也面临着以越来越快的速度接收和传输越来越多数据的挑战。
而在低于6GHz的范围内，这种情况进一步复杂化了，因为为移动通信分配了相对较窄的频谱片段，而这些频谱通常夹在为各种应用分配的频段之间，其中一些还是极其重要的应用。这使得漂移、性能和功率位于关键的考量路径上。另一方面，在成本方面，射频滤波器正在变得商品化。
ALD会有帮助
原子层沉积（ALD）生产具有原子级控制的超薄保形薄膜。在沉积方法方面，该技术在结合薄膜保形性、低温处理、化学计量控制和固有薄膜质量方面是无与伦比的。虽然ALD已经存在了半个多世纪，但其低沉积率使其对需要高吞吐量工艺的应用并没有太大吸引力。
经过近十年的发展与进步，ALD现在已经成为一种适用于广泛应用的快速且具有成本效益的技术。其采用和部署受到了高K和高级DRAM的巨大推动。许多技术人员和研究人员正在用ALD取代旧的沉积技术，例如蒸发、溅射和化学气相沉积(CVD)，从而利用ALD以高度一致的方式在3D物体内部和周围产生保形涂层的独特能力。对于射频滤波器，由ALD生长的超薄电介质层可以经济高效地解决稳定性、可靠性和功率耐久性问题。
为什么现在针对射频器件采用ALD？
手机内的射频滤波器功能可以有所变化，但一般来说，其功能就是允许特定频率的信号通过，无论它们是接收（下行）频率-Rx，还是传输（上行）频率-Tx。关键的滤波器性能参数包括：
➣频率通带内所需信号要低损耗；
➣阻带频率中不希望的干扰要充分衰减。
每个天线和新频率都需要一个新的滤波器。使用5G，智能手机中的滤波器数量将增加一倍，每部手机达到100多个。射频滤波器参数必须满足环境和生产所需的变化。直到4G/LTE，设计人员都能够为系统中的各种变化来源留出一定余量。
但现在5G较低频率中的可用频段间隔如此之近，可用频率之间的保护频段（guard bands）仅为几兆赫兹，并且双工器间隙（发射和接收频率之间的过渡空间）已经最小化1。而接收方面的改进也有助于增加数据容量。这通常是通过更高的功率要求来实现的，从而最大限度地减少信号衰减。
需要新的射频滤波器设计方法
现在大多数智能手机都使用声学滤波器。主要考虑处理较低频率的声表面波(SAW)滤波器和处理较高频率的体声波(BAW)滤波器。
SAW滤波器通常基于压电材料，例如铌酸锂(LNO)或钽酸锂(LTO)。对于体声波滤波器，氮化铝(AlN)是首选的压电材料。在这两种情况下，滤波器现在都需要在各种工作条件下具有更低的损耗、更高的Q值、更陡峭的频率截止性能和更强的信噪比(SINR)。
在射频滤波器中实现陡峭的截止，需要薄膜具有更好的刻蚀质量分布和均匀性。更薄的涂层需要改进沉积工艺，以及无针孔的超薄钝化层。此外，生产批次间的重复性对于以较低的拥有成本实现高生产率以及满足批量要求至关重要。
由于射频器件的材料组需要使用复杂的压电材料，如LNO和LTO，ALD的独特性能可以让厂家通过采用包封和阻挡膜，从而获得高稳定性的滤波器性能。ALD薄膜的保形和致密特性为防止环境退化提供了出色的保护，从而确保了器件的稳定运行。
△图1：ALD如何工作？ALD的薄膜生长依靠自发排列的连续性。前体材料在反应过程中保持分离，因此反应循环一次只控制一个原子层，直到达到所需的膜厚度。这与CVD不同，CVD同时引入多种前体材料。
材料变化和温度相关
通过进一步深入研究，我们知道虽然许多因素会影响声学滤波器频率性能，但谐振频率中频率漂移的主要原因是温度。这是因为压电材料的刚度随温度变化。大多数商用压电材料的频率具有负温度系数(TCF)。这意味着暴露在较高温度下会导致刚度损失，从而导致向较低频率漂移。相反，较低的温度暴露会增加材料的刚度，导致向更高频率的漂移2。到目前为止，业内已通过将SiO2（具有正TCF）等材料集成到滤波器制造过程中来减轻这些温度影响。这可以抵消温度波动对负TCF压电材料的影响3。但对于5G来说，这些已经不够了。
光学研究表明TCF与用于温度补偿的电介质的折射率之间存在联系4。在RF滤波器中，可以如下方式使用具有正TCF的ALD生长电介质，例如SiO2、Al2O3、TiO2、Ta2O5：
➣单独使用；
➣作为纳米层压材料；
➣作为多组分薄膜；
➣作为掺杂薄膜，
从而来研究使用先进材料作为温度补偿层。
这些都可以应用于BAW和SAW器件。除了努力最大限度地减少RF滤波器中的频率漂移之外，保护器件免受环境影响的能力对于确保稳定性和整体滤波器可靠性也至关重要。使用ALD薄膜来为器件提供保护免受环境影响并增强稳定性是有据可查的。
△图2：ALD实现了无针孔镀膜的厚度完全均匀，甚至在孔眼、沟槽和空腔的深处也是如此。这些显微照片证明了ALD技术能够提供极薄、高度保形的薄膜。
鉴于LNO和LTO等压电材料的热敏感性，ALD提供的低温工艺通常能够提供极好的解决方案，从而使得与这些材料相关的热预算进行折中考虑。使用ALD薄膜有助于确保滤波器性能指标（例如陡峭的截止特性和高的Q值）得到维持，并且不会随时间漂移，而这种漂移会导致对相邻频率的干扰和信号衰减。
增强功率耐用性
ALD可以使射频滤波器受益的另一个方面是功率耐用性（滤波器在高功率条件下长时间工作的能力）。随着滤波器发展用于适应更高的频率，耐用性变得更具挑战性。谐振器面积缩小，层变薄；因此，整个谐振器体积减小。因此，器件中的功率密度就相应增加，这会增加因热或疲劳问题而导致失效的可能性，并降低整体器件的可靠性5,6。
用于射频滤波器的Veeco Firebird ALD系统的预期拥有成本
通过在压电材料和金属电极之间添加超薄缓冲层，可以提高滤波器的功率耐用性。这是一个使用ALD技术创建极薄、致密的薄膜，从而实现有益应用的可能领域。缓冲层可以通过改变晶粒结构形态来帮助改变电极材料的质地。这反过来又有助于抑制电极材料原子（例如Al）在高功率条件下的迁移。
设备和工艺解决方案
对于射频滤波器，LNO和LTO等材料的脆性和对热变化的敏感性构成了独特的生产挑战。此外，这些压电材料也是热电的（它们在加热或冷却时可以产生临时电压）。因此，用于射频滤波器的ALD系统必须满足特定的挑战，包括：
➣晶圆夹持（防止脆性材料破裂）；
➣吞吐量：预热和工艺模块需要并行运行以解决热变化；
➣高良率的调度和工艺一致性。
Veeco的Firebird™ ALD系统是一个例子，它特别适合满足5G射频滤波器工艺的需求。它使用独特的装片结构与受控的环境装载互锁相结合，以实现晶圆在系统内的无破损移动。该系统具有高度可配置性，可以根据所需的产能，通过工艺模块和预热模块的组合进行配置。此外，采用Firebird智能调度程序的多批次操作，可实现卓越的吞吐量和过程一致性，从而生产出高性能的RF器件。Veeco通过增大工艺尺寸并将其实施到世界各地的自动化生产线和集群工具中，将ALD完善为制造级技术。与以前的镀膜技术相比，集成了ALD系统的制造商提高了产品质量和可靠性，降低了运营成本，并实现了更绿色的生产工艺。
△图3：Veeco Firebird批量ALD系统解决了射频滤波器产品工艺中所遇到的挑战。
结论
射频滤波器技术的改进对于5G移动通信的增长至关重要。随着向更大的数据传输容量的推进，生产满足这些规格和需求的滤波器的挑战也在增加。在这种情况下，ALD技术可以提供稳定可靠、经济高效的解决方案，从而满足日益严格的滤波器性能规范。
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