博客| 2021年1月12日
作者:Anil Vijayendran
正如预测的那样，2020年将成为5G大行其道的一年标准工作暂停时间。但一开始就不太顺利。早在今年1月，半导体行业和整个世界都对5G的推出寄予厚望。然后COVID-19来袭，发生了两件事。
首先，由于标准工作暂停，推出进度停滞不前，预计这将推迟设备的开发。但随后，随着世界进入在家工作和就地避难的文化，数据存储和传输需求呈指数级增长。此外，5G的推出成为了一个地缘政治问题。
因此，技术开发正在全速前进，我们发现行业正在转型，以赶上对组件和子系统日益增长的需求。
5G连接的需求
随着消费者越来越多地观看视频、在线购物、视频会议以及习惯与医生进行远程医疗访问，我们对连接的依赖正在爆炸式增长，而4G/LTE网络无法跟上这一趋势。此外，在大量需要5G连接的设备上实现人工智能的竞赛正在展开。这正推动行业变革宽带服务，并增强终端垂直用户之间的连接能力。
5G的竞赛
在地缘政治方面，欧洲和美国推迟了5G的推出，但韩国、中国、印度等亚洲国家对5G基础设施进行了大量的资本投资，正在积极推出5G。据报道，沙特阿拉伯吹嘘最快的下载速度而韩国有最高采用率．
在夏末，为了帮助加快美国5G的推出，白宫和国防部宣布了一项计划，分享他们的一部分mid-band频谱对于无线行业来说，尽管它预计要到2021年底才会生效。
在手机方面，由于基础设施已经扩展，苹果终于推出了5G iPhone。从整体上看，5G手机的销量正在增长。
5G组件和子系统的技术趋势
提供端到端5G连接需要设计用于使用的网络所有的光谱和波段．因此，我们看到了一个转变，即在组件和子系统中加入更高的频段，同时仍然容纳其他频段(3G、4G、LTE等)。这是因为被认为是真正的5G的mmWave技术只能传播很短的距离。因此，它的使用将被限制在城市地区，在那里飞电池可以放置得很近。
手机销量的增加不仅会影响组件和子系统制造商，内容数量的增加也会带来影响。手机制造商正在呼吁具有低功耗的完全集成子系统，以适应尺寸减小的需要，所有这些都以具有竞争力的成本。
射频滤波器和功率放大器
在网络基础设施和手机中使用的两个关键设备是射频滤波器和功率放大器。5G对这些组件的要求与前几代无线技术不同。
例如，射频滤波器必须通过更低的损耗和更陡峭的频率截止来改善滤波性能。此外，滤波器必须设计为与5G相关的更高频率，并在广泛的温度和环境条件下表现出性能稳定性。这确保了可用频率之间的保护带，以及双工间隔(发射和接收频率之间的过渡空间)可以最小化。
手机中的功率放大器将继续使用砷化镓(GaAs)技术。氮化镓(GaN)功率放大器是基站的最佳选择，因为它们能在较小的外形系数下实现高功率密度。我们也看到了更高水平的天线封装(AiP)功率放大器集成。
更改流程
这些技术的宏观趋势在几个方面影响着器件制造过程。总的来说，制造商需要适应GaAs和GaN基板材料。为了防止插入丢失，需要对材料进行掺杂。制造商还需要调整工艺以适应材料阻力的减少。最后，需要更薄的层沉积来实现更高的频率。
过程工具调整
为了适应制造5G射频设备和功率放大器的工艺变化，需要能够应对挑战的工具。他们必须处理多种晶圆尺寸，从6英寸到8英寸不等。在射频滤波器中实现陡峭的截止意味着改进蚀刻质量剖面和均匀性。更薄的层需要改进沉积，以及无针孔的超薄钝化层。此外，运行到运行的可重复性对于以较低的拥有成本实现高生产率以及满足体积要求是必不可少的。
迎接挑战
Veeco提供广泛的工艺技术，以支持设备制造的全光谱需求，包括湿法工艺，光刻，离子束蚀刻(IBE)，原子层沉积(ALD)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)。这套过程工具解决方案以较低的拥有成本为构建进入消费产品的设备提供了高性能。所有系统都支持灵活的晶圆尺寸系统，实现均匀的厚度和精度。
湿处理
维柯的所有工具中，维柯的WaferStorm®是射频器件工艺湿处理应用的主要设备，包括金属抬升(MLO)和光刻胶(PR)带应用。MLO对于射频滤波器的制造是至关重要的，作为一种成本效益高的替代蚀刻工艺，可能会损坏底层基材。WaferStorm的专利两步工艺包括浸入步骤和高压喷雾，对厚且难以去除的PR尤其有效。此外，它使用的化学物质是传统批处理工艺的五倍，而吞吐量是传统单片方法的两倍。房间可堆叠，以适应紧凑的占地面积，同时仍然支持高容量的需求。
离子束蚀刻
Veeco的枪骑兵®平台将Veeco的核心离子束蚀刻源技术应用于射频器件。在5G中，为了提高滤波器性能，需要掺杂压电材料和更复杂的电极设计。这一趋势带来了与均匀性、蚀刻轮廓控制和基片损伤相关的蚀刻挑战。Lancer可以在生产HVM系统中解决这些问题。
原子层沉积
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，原子层沉积(ALD)通过作为封装和屏障膜的应用提供了一种获得高稳定滤波器性能的手段。ALD薄膜的保形和致密性提供了对环境退化的良好保护，从而确保设备的稳定运行。Veeco的火鸟™系统采用独特的处理架构，结合受控环境负载锁，实现系统内晶圆的无破碎移动。此外，采用火鸟智能调度器的多批处理操作能够实现卓越的吞吐量和流程一致性，从而实现高性能射频设备。
金属有机化学气相沉积
5G手机功率放大器(PA)要求高线性度、高效率和高可靠性。这类器件的一个关键使能器从外延层开始，外延层由均匀掺杂和成分的锋利界面组成。MOCVD是用于手机PAs的基于gaas晶体管的大批量制造的首选沉积技术，因为它能够在大规模生产吞吐量中生长具有高度均匀性的材料，从而提供最低的拥有成本。Veeco的流明®专为满足业界最新的外延生长要求而设计，并已被证明可提供极清晰的界面，没有内存效应，以及均匀的薄膜层(在晶圆、晶圆到晶圆和跑对跑)。加上快速晶圆传输系统、高增长率、快速升温和高正常运行时间，Lumina为2到8英寸的晶圆尺寸提供了业界最高的吞吐量。
为实现5G网络所需的快速数据传输，基站功率放大器需要高功率和高频性能。目前的6Hz以下基站技术利用SiC上的GaN HEMT来满足这一要求。然而，随着5G发展到毫米波基站，将需要具有多个分布式天线的高功率微单元和小单元系统来实现快速数据速率传输。高容量要求意味着更大的晶圆尺寸的增长，如8”和12”硅晶圆，以降低大规模采用的设备成本。Veeco的推动™HVM系统采用单片TurboDisc®技术和盒式盒式自动化，以最低的拥有成本展示了在均匀性和可重复性方面的高性能。集群系统设计提供了灵活性和生产力，是目前行业中唯一被证明成功扩展到12英寸硅基板并准备大规模生产的GaN MOCVD平台。
结论
全球对更快的数据速率和更好的连接的需求预计将在未来几年大幅增加。随着5G在全球的持续推广，对5G组件和子系统的需求将继续扩大。希望扩大产能以支持这种增长的制造商必须与供应商合作，分享知识，开发出具有成本效益的高产量工艺。这些公司只需要借助Veeco来支持他们的5G流程工具需求。