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FBAR滤波器的工作原理及制备方法

2015-04-18   来源:互联网   点击:
近年来,随着无线通信技术朝着高频率和高速度方向迅猛发展,以及电子元器件朝着微型化和低功耗的方向发展,基于薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)的滤波器的研究与开发越来越受到人们

近年来,随着无线通信技术朝着高频率和高速度方向迅猛发展,以及电子元器件朝着微型化和低功耗的方向发展,基于薄膜体声波谐振器(Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)的滤波器的研究与开发越来越受到人们的关注。

传统的无线通信系统常常用到介质滤波器和SAW(Surface Acoustic Wave,声表面波)滤波器。介质滤波器虽然有较好的性能,但体积大,不便于用到便携式设备中;SAW滤波器体积小,目前虽得到广泛运用,但仍存在工作频率不高、插入损耗较大、功率容量较低等缺点;而FBAR滤波器既综合了介质陶瓷性能优越和SAW体积较小的优势,又克服两者的缺点,其体积小、高Q值、工作频率高、功率容量大、损耗低,是替代SAW滤波器的下一代滤波器,也是被业界认为最有可能实现射频模块全集成化的滤波器。

FBAR滤波器历史背景

FBAR这一名称源于体声波(BAW,Bulk Acoustic Wave)。BAW的概念是20世纪60年代提出的,但直到1980年Lakin和Wang首次在Si芯片上制成基波频率435Mhz的薄膜谐振器,才引起人们的注意。1990年,Krishnaswamy和Rosenbaum等人首次将FBAR结构滤波器扩展到Ghz频段。

随后,安捷伦公司(Agilent)经过长达10年的研究,终于成功在1999年研发出应用于美国PCS1900MHz频段的薄膜腔声谐振滤波器(size 5.8*11.8*1.8),同时正式提出FBAR的称谓。并在2001年将其大规模量产。随后美国的TFR公司、德国的英飞凌(Infineon)公司以及韩国的ANT公司也相继推出了自己的FBAR产品。2002年,AgilentFBAR销量即突破2000万。Agilent在FBAR市场上的成功,带动了FBAR技术的迅速发展。在2005年,安捷伦公司因战略调整,将半导体事业部正式更名为Avago,并于次年突破了2亿只的出货量,这对于Avago而言,无疑是个值得纪念的里程碑。

安捷伦和Avago在FBAR滤波器市场上的巨大成功,迅速推动了FBAR技术的发展。之后的英飞凌、飞利浦、富士通Media Device公司和宇部兴产公司也相继推出自己的FBAR滤波器产品。德国市场调研机构Wicht Technologie Consulting(WTC)对未来几年FBAR的市场前景做出了非常乐观的估计。

FBAR滤波器工作原理

FBAR是一种基于体声波(BAW)的谐振技术,它是利用压电薄膜的逆压电效应将电能量(信号)转换成声波,从而形成谐振。

逆压电效应

如图所示,当一直流电场加于材料的两端时,材料的形变会随着电场的大小来改变,而当此电场的方向相反时,材料的形变方向也随之改变。"当有一交流电场加入时,材料的形变方向会随着电场的正及负半周期作收缩或膨胀的交互变化"这种称之为逆压电效应。

FBAR谐振器的典型结构图

FBAR谐振器的典型结构图

与SAW不同,这种振动发生于压电材料的体腔内,因此能承受更大的功率。这也是FBAR技术优于SAW的一个原因。

压电薄膜层在交变电场下产生的振动

压电薄膜层在交变电场下产生的振动

这样的振动会激励出沿薄膜厚度方向(C轴)传播的体声波,此声波传至上下电极与空气交界面反射回来,进而在薄膜内部来回反射,形成震荡。当声波在压电薄膜中传播正好是半波长的奇数倍时形成驻波震荡。

V=f*λ=f*2d,由于声波波长比电磁波短得多,因此,给点频率下由声波形成的谐振器将比由电磁信号形成的谐振器小几个数量级,d为压电层厚度,可知一般压电层厚度在几个微米以下,SAW工艺中叉指电极的指宽与间隙与工作频率成反比,增加其光刻难度,限制其使用频率。

声波在上下界形成串联谐振

声波在上下界形成串联谐振

在某交变电压V(fs)作用下,其极化向量P与电场E同相位,声波在上下界形成串联谐振,此时体声波谐振器的电学阻抗呈最小值。

在某交变电压V(fp)作用下,其极化向量P与电场E反相位,声波在上下界形成并联谐振,此时体声波谐振器的电学阻抗呈最大值。频率fp处声波损耗最小因此该声信号能顺利传输通过。

用以表征体声波谐振器性能的参数,除了上面所述的谐振频率f(fs,fp)之外,还有有效机电耦系数Keff2和品质因数Q,Keff2和Q分别定义为:

有效机电耦合系数Keff2用来表示体声波谐振器串联谐振频率fs和并联谐振频率fp的相对频率,同时也表示薄膜体声波谐振滤波器的带宽,Keff2越大,则谐振器构成的滤波器的带宽也越大,Keff2主要由压电薄膜的材料参数决定。

品质因素(Q)可用来判断谐振器声波损失的情形;主要有两个原因会造成声波的损失:

第一是薄膜本身品质的好坏。一般来说,成长品质不好的薄膜会有高应力、高密度的晶界以及大量的缺陷和杂质,这些缺陷都会造成声波的散射,因而减低品质因素。而高声波波速的材料,由于声波在传递时不易被吸收,因此有较高的品质因素。

第二是薄膜的表面粗糙度。电极和压电薄膜表面粗糙度大,会造成声波的散射损失以及电极的电损失(Electrical Loss),而造成品质因素的降低。因此,对于体声波谐振器元件来说,只要是声波传递的路径,不论是压电层或是反射层,各层薄膜的成长品质都会影响整体元件的品质因素。

三种FBAR结构

现在主流的FBAR结构主要有三种:空气隙型、硅反面刻蚀型和固态装配型。

1、空气隙型

空气隙型

此种FBAR是基于MEMS的表面微加工技术(surface micromachining),在硅片的上表面形成一个空气隙以限制声波于压电震荡堆之内。通过先填充牺牲材料最后再移除之的方法制备空气腔以形成空气一金属交界面。此方法可以传统的硅艺兼容。

2、硅反面刻蚀型

硅反面刻蚀型

此种FBAR是基于MEMS的体硅(Si)微加工技术(bulk micromachining),将Si片反面刻蚀。在压电震荡堆的下表面形成空气一金属交界面从而限制声波于压电震荡堆之内。此技术的缺点是由于大面积移除Si衬底,导致机械牢度降低。

3、固态装配型结构

固态装配型结构

此种FBAR是采用布拉格反射层技术限制声波于压电震荡堆之内。由一层四分之一波长厚度的高声学阻抗材料和一层四分之一波长厚度的低声学阻抗材料交替构成。层数越多则反射系数越大,制得的器件Q值也越高,但无论如何其反射效果终不如前两种结构的反射效果好,故基于布拉格反射层的FBAR其Q值不如前两者高。

FBAR器件的制备

理想的空气隙型FBAR为三明治结构,即上电极/压电层/下电极,在硅表面和FBAR的下电极表面之间刻蚀出一个空气隙以形成空气界面。实际的空气隙型FBAR谐振器包括上电极/压电层/下电极/支撑层,在硅表面和支撑层下表面之间刻蚀出一个空气隙以形成空气界面,从而在FBAR基片上下界面形成空气反射层,在二个空气界面之间形成驻波,将声波能量限制在FBAR基片中。

下面我们看看空气隙型FBAR器件的制备流程。

空气隙型FBAR器件的制备流程

1. 在准备好的硅片上表面蚀刻一凹槽(空气隙),然后再沉积一层薄的SiO2缓冲层,用来保护硅衬底。
2. 填充牺牲层,如Ti,磷石英玻璃PSG
3. 利用化学机械抛光表面,去掉多余牺牲层
4. 淀积下电极,光刻成所需图形,然后用反应射频磁控溅射淀积高C轴取向的压电薄膜ALN
5. 使用RIE刻蚀技术刻蚀压电薄膜,形成将底电极引出的通孔
6. 淀积上电极,光刻形成所需图形
7. 腐蚀去除牺牲层,形成空气隙

适用于FBAR的材料分析

目前应用于FBAR压电薄膜的材料主要有ALN、ZnO和PzT,金属电极的材料有Mo、A1等,布拉格反射层的材料有w、si02、ALN等。

选择压电薄膜的材料时有几个必须考虑的参数:

表1 压电材料参数表
Tab.1 Comparison of piezoelectric materials for FBAR

参数ALNZnOPZT
Kt2/%6.57.58~15
εr9.59.280~400
纵向声道/(m·s-110 4006 3504 000~6 000
固有材料损耗很低高,且随频率递增
CMOS兼容性兼容不兼容不兼容
沉积速率

(1)压电耦合系数Kt,决定了电能和机械能之间的转换比例,也决定了基于FBAR的射频滤波器的带宽

(2)相对介电常数εr,和电极面积、压电薄膜厚度一起决定着FBAR的电学阻抗值,高的介电常数可以减小FBAR的尺寸
(3)声速v。根据v=f*λ在频率一定时,声速愈小,则器件的厚度和尺寸愈小
(4)材料固有损耗。损耗小则滤波器的插入损耗亦小,目前ALN和ZnO已成功应用于FBAR滤波器,基于PzT的FBAR滤波器因损耗过大而尚未有商业化的产品推出。ALN损耗最小。
(5)温度系数。温度系数影响着振荡频率随温度变化的漂移,ALN的温度系数较ZnO低许多。
(6)热导率。热导率高则功率容量大。ALN的热导率极好。
(7)化学稳定性。化学稳定性影响到器件在潮湿环境中的可靠性,ALN要比ZnO稳定得多。

此外,锌、铅、锆等材料对于CMOS工艺来说是很危险的材料,因为它们会严重地降低半导体中载流子的寿命,而ALN不存在这一问题。

薄膜的制备也是不容忽视的问题。所以,综合各方面考虑,ALN是比较适合的压电材料,虽然乍看上去不如ZnO和PZT。

至于电极材料的选择,以低损耗高声速为原则,ZnO优于AL,而且ZnO和ALN薄膜之间不会形成像AL和ALN薄膜之间的无定形层。

结语

近年来,随着压电薄膜材料制备手段的完善、半导体工艺技术的发展,FBAR相关技术也得到了快速发展。FBAR可以制成高性能滤波器、双工器、振荡器等多种射频集成微波器件和高灵敏传感器等。FBAR是目前唯一可以与RFIC以及MMIC集成的射频滤波器解决方案,且FBAR能以更低的价格提供更有益的性能,具有很强的市场竞争力。在下一代无线通信系统和无线接入领域,FBAR器件将会有更广阔的市场前景。

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