白皮书《从4G LTE迈向5G和6G：用于高性能射频设备的RFSi®工程硅片》

释放性能潜力：采用富含陷阱层的工程高阻片可降低先进射频器件的插入损耗和信息失真 

面向未来的射频设计：超平坦、低损耗的衬底支持5G/6G、载波聚合和宽带滤波器 

已经过规模验证：已交付超过300万片RFSi®硅片，用于高良率、高功效的射频前端制造  

引言

从4G LTE到5G以及新兴6G技术的演进，推动了对更高数据传输速率、更大带宽和更复杂射频架构的空前需求，也增加了对满足损耗、线性度和隔离度严格要求的先进射频滤波器和器件的需求。高功率用户设备（HPUE）和更宽的带宽（譬如N77和N79频段）对传统技术提出了新的挑战。为了支持载波聚合和新功率标准等技术进步，声学滤波器（TF-SAW、BAW）和集成无源器件（IPD）面临着越来越严苛的规范要求，进而推动了对高阻片等高性能解决方案的需求。  

随着系统复杂性和性能预期的不断增长，传统的高阻片在抑制不必要的耦合和维持信号干扰方面面临着新的挑战。其中一个关键问题是寄生表面电导率（PSC），它出现在Si-SiO₂界面，会降低有效电阻率、线性度和隔离度。此外，TF-SAW中使用薄压电薄膜会增加对衬底形貌和厚度变化的敏感性，对影响性能和良率的均匀性提出了更严苛的要求。  

本白皮书探讨了如何利用富含陷阱层的工程高阻片克服这些挑战，并提升射频滤波器和器件的性能。白皮书重点介绍了PSC及其抑制背后的机制、富含陷阱层和高标称电阻率在实现低谐波和互调失真方面的关键作用，以及精确的表面形貌和厚度控制对于有效压电层键合的重要性。 

通过解决电气和几何挑战，这些衬底使射频设计人员能够满足下一代无线技术日益严苛的规格要求。 

射频滤波器和器件依赖于工程高阻片 

射频滤波器和器件通常依赖于具备高标称电阻率和富陷阱层的工程硅片，以最大限度地减少射频信号与硅衬底之间不必要的相互作用。要达到通常超过1000欧姆-厘米甚至10000欧姆-厘米的电阻率水平，需要晶锭中标称掺杂度极低。Okmetic的先进磁拉法（A-MCz®）技术专为实现这些高电阻率水平而设计。 

Okmetic提供一系列经过优化的工程RFSi®硅片，以满足射频滤波器和设备的严苛要求，确保射频信号和硅衬底之间不必要的相互作用：  

• 工程高阻片
• 工程超高阻片
• UF-RFSi®硅片具有高厚度均匀性以及精确的表面几何形状

寄生表面电导率及其富陷阱层抑制 

图2：富陷阱层与高阻片一起消除了寄生表面电导率，并消除了衬底引起的损耗和非线性。

由于寄生表面电导率（PSC）效应，仅靠高标称电阻率通常不足以实现所需的线性度。在射频器件制造中，通常会在硅衬底和随后的压电层或金属层之间放置一层薄二氧化硅（SiO₂）层作为中间层，以改善器件的隔离度和声学特性。  

然而，在SiO₂-Si界面以及其他绝缘体-半导体界面中会形成固有的固定电荷。这些电荷会在埋氧物下方形成一层高导电层。这会导致射频场与导电层发生不必要的耦合，从而引起信号失真和非线性，包括谐波失真和互调失真。这还会对射频器件的品质因数、插入损耗和串扰产生不利影响。  

Okmetic的工程高阻片和工程超高阻片可有效降低SiO₂-Si界面的寄生表面电导率，这些晶圆在器件制造商应用的SiO₂层下方包含一层富陷阱（TR）层。富陷阱层具有高密度的悬空键，可有效“捕获”或“冻结”移动载流子，从而阻止其参与导电。Okmetic生产的富陷阱层纯硅基不含任何异物，符合严苛的表面质量和清洁度要求。  

富陷阱层确保衬底具有高效的电阻率，以实现最佳的射频性能 

富陷阱层的存在可以显著提升射频器件中硅片的性能。该层对于维持衬底的高电阻率至关重要，它可以最大限度地减少可能影响整体射频性能的不需要的电导率。在没有富陷阱层的硅片中，有效电阻率通常在100欧姆-厘米左右，这是根据基于RLCG模型的共面波导（CPW）测试结构的S参数测量结果而定的。  

为了评估对损耗和线性度的影响，采用了2毫米长、特性阻抗为50欧姆的CPW测试结构，这反映了射频衬底基准测试的通用标准。本章及后续章节中展示的测试结构的制造和测量均由Incize进行。 

图3比较了高阻片在添加和不添加富陷阱层的情况下的信号衰减和有效电阻率。上图显示了衬底的示意图和电场穿透情况。高阻片中富陷阱层的存在可显著提高有效电阻率，从而降低信号损耗、改善隔离度并提升整体射频性能。 

图3：从CPW测试结构的S参数测量中提取的衰减和有效电阻率。具有富陷阱层的高阻片由于抑制了寄生表面电导率，从而确保了高电阻率和信号完整性，因此射频损耗得到了显著降低。

抑制二次谐波失真 

在5G和6G不断发展的过程中，为了支持载波聚合和新功率标准等新兴技术对损耗和线性度的要求越来越高。在各种非线性失真中，二次谐波失真尤为关键，因为它直接影响射频信号的完整性。这种失真受硅片特性的强烈影响。图4所示的二次谐波测量结果清晰地展示了这种影响，该测量使用相同的CPW测试结构，在900MHz的基频且不同输入功率水平的情况下获得。 

寄生表面电导率显著影响二次谐波输出功率，当不采用抑制方法时，其输出功率会高出50dB。在硅片中加入富陷阱层可以有效消除寄生表面电导率，但硅片的电阻率也起着至关重要的作用。与5000欧姆-厘米的硅片相比，电阻率超过10000欧姆-厘米的硅片可提供高达10dB的抑制效果，从而显著提高射频性能并降低谐波失真。由于有效抑制至关重要，这种优势在高功率水平下尤为明显。   

图4：具有富陷阱层的工程高阻片能够将二次谐波抑制10分贝。此外，超高电阻率进一步增强了线性度，从而减少了信号衰减。 

抑制三次谐波和互调失真

三次谐波（H3）失真和互调失真（IMD）是影响射频系统性能的关键因素。H3会引入干扰有用信号的杂散频率，而IMD则发生在多个信号混频时导致的失真，进而降低系统线性度、效率和信号完整性。抑制这些失真对于保持高质量的射频设备性能至关重要。 

如图5所示，在高阻片中加入富陷阱层可显著抑制三次谐波（H3）和互调失真（IMD）。使用900MHz输入音测量H3，使用来自相同CPW测试设备的900MHz和955MHz输入音测量三阶互调失真（IMD3）。

虽然H3和IMD3通常对金属和互连中的损耗比对硅块中的损耗更敏感，但结果表明，采用富陷阱层的衬底仍然可以显著增强线性度，使H3和IMD3水平提高几十分贝。 

图5：使用CPW测试结构进行的三次谐波和互调失真测量展示了先进硅片的线性度得到改善。

改善层厚度均匀性可提高TF-SAW滤波器的产量 

在薄膜表面声波器件（TF-SAW）中，压电层的厚度均匀性直接影响器件的良率。通过键合和减薄工艺在硅片上制备一层薄的单晶LiTaO3薄膜，然后对LiTaO3薄膜进行离子束修整，以获得更佳的膜厚均匀性。该薄膜继承了硅片的几何特性，既能复制宏观厚度变化，又能复制微观表面特征。 

Okmetic的UF-RFSi®硅片专为TF-SAW应用而开发，提供超平坦形貌、高电阻率、低插入损耗和卓越线性度的最佳平台。凭借极低的总厚度变化（TTV）和极小的非圆对称性变化，该晶圆能够更高效地平坦化器件层，并减少键合和背面研磨工艺中的微调需求。 

图6：在TF-SAW制造中，硅片的总厚度变化被复制到LiTaO₃层中。Okmetic的UF-RFSi®硅片具有超平坦的形貌和极低的TTV，从而降低了不均匀性，最大限度地减少了后道处理，并提高了滤波器的良率和性能。

RFSi^®硅片的主要特性和有点

下一代射频滤波器和前端器件需要具有卓越电气性能和精确尺寸控制的衬底。Okmetic的工程高阻片、工程超高阻片和UF-RFSi®硅片专为满足这些需求而设计。这些晶圆的电阻率高达10000欧姆-厘米，具有高效的纯硅基富陷阱层，可有效抑制降低线性度和信号完整性的寄生效应。  

其主要优势包括最小的二次谐波和IMD3失真、接近于零的衬底损耗以及极低的总厚度变化（TTV）选项，从而确保在先进的射频应用中实现高良率和卓越的器件性能。  

工程超高阻片 

• 优化的A-MCz®硅片具有低氧含量和 >10 kOhm-cm的电阻率
• 富陷阱层和掺杂工艺达到极致 
• 最佳技术性能：衬底引起的损耗和非线性接近于零 
• 提供200mm规格
• 射频滤波器的高端解决方案 

工程高阻片 

• 优化的A-MCz®硅片具有低氧含量、高达7000欧姆-厘米以上的电阻率和富陷阱层 
• 实现卓越的射频性能和极低的损耗 
• 提供150mm和200mm规格
• 适用于射频滤波器和IPD器件

UF-RFSi®硅片 

• 优化的A-MCz®硅片具有低氧含量、高达7000欧姆-厘米以上的电阻率和富陷阱层 
• 富陷阱层和超平坦结构，具有极低的TTV和非圆形对称性变化
• 实现卓越的射频性能并挑战有源层结构 
• 提供150mm和200mm规格 
• 另有超高电阻率版本 
• 适用于TF-SAW器件

结论 

向5G的过渡和6G技术的发展对u射频滤波器和设备的性能提出了越来越严苛的要求，尤其是在损耗、线性度和隔离度方面。Okmetic的工程高阻片（RFSi®）包括超高电阻率和UF-RFSi®两个版本，为应对这些挑战提供了成熟的基础。通过集成纯硅基富陷阱层并实现高达10000欧姆-厘米的电阻率，这些晶圆可有效抑制寄生表面电导率，最大限度地减少谐波和互调失真，即使在高功率下工作也能保持高信号的完整性。 

凭借精确的厚度均匀性和表面控制，这些晶圆还能满足TF-SAW等先进滤波器技术的严苛良率和性能要求。Okmetic已在全球交付超过300万片RFSi®硅片，并持续为射频设计人员和制造商提供专为下一代无线系统量身定制的可靠高性能衬底。