薄膜体声波谐振器的研究进展

题目：薄膜体声波谐振器及其研究进展作者：贾**

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薄膜体声波谐振器及其研究进展

摘要：薄膜体声波滤波器作为一种发展高频滤波器的全新解决方案,比声表面波滤波器(SAWF)、陶瓷介质滤波器具有更高的Q值,低的损耗和在高频时具备更高的功率承受能力。介绍了薄膜体声波谐振器的研究历史和研究概况,薄膜体声波谐振器的原理和3种典型结构,具体阐述了薄膜体声波谐振器的关键技术及其材料体系的要求。

关键词：微电子机械系统；薄膜体声波谐振器；SMR结构

随着薄膜与微纳制造技术的发展，电子器件正向微型化、高密集复用、高频率和低功耗的方向迅速发展。近年来发展起来的薄膜体声波谐振器（FBAR）采用一种先进的谐振技术,它是通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波而形成谐振，这一谐振技术可以用来制作薄膜频率整形器件等先进元器件，薄膜体声波谐振器（FBAR）声波器件具有体积小,成本低,品质因数（Q）高、功率承受能力强、频率高（可达1-10GHz）且与IC技术兼容等特点，适合于工作在1-10 GHz的RF系统应用，有望在未来的无线通讯系统中取代传统的声表面波（SAW）器件和微波陶瓷器，因此在新一代无线通信系统和超微量生化检测领域具有广阔的应用前景。

一、FBAR的原理及其结构

薄膜体声波谐振器是利用材料的压电性,将电能转化为声能,声波在介质与空气的界面上发生反射,在两个界面间形成谐振,并由逆压电效应转化为电能。谐振频率上的声波损耗最小,因此谐振器只能使特定频率的波通过,并通过级联实现带通滤波器的效果。压电薄膜体声波谐振器的3种构造方式如图1所示。图1(a)显示的是一种由衬底边缘支撑的悬空膜结构。其典型制作工艺是先在起支撑作用的衬底上淀积一层压电薄膜,然后去掉部分的衬底,形成悬空膜结构。图1(b)的结构在谐振器下形成一层空气气隙。制作的步骤是采用半导体工艺在Si 片上表面刻蚀空腔后填充一层牺牲层材料,然后在上面制作电极和压电膜构成谐振器,最后用刻蚀技术去除牺牲层,由此得到空气气隙。

图1 悬空结构的FBAR(a)和填充牺牲层的FBAR示意图(b)

图2的结构被称为SMR(SolidlyMountedResonator)。SMR是以BraggReflector作为声波的反射镜,使得声波得以局限在共振腔内能量不至于损失。其制作方法是以不同声阻抗薄膜且薄膜精确控制在1/4波长厚度所堆叠而成,该制作过程需要严格的参数控制以及精良的设备。

图2 SMR结构的FBAR示意图

对于FBAR而言,特定频率的声波在上下电极的介质2空气界面上发生反射,在电极、压电膜和支撑膜构成的复合膜中形成驻波,产生谐振。

对于SMR,向上传播的声波同样在上电极的介质2空气界面反射,而向下传播的声波则穿过下电极进入到布拉格反射器中,在反射器中两个不同阻抗膜的界面上发生多次反射,在电极、压电膜和布拉格反射器的整个结构中形成驻波,从而减小谐振能量的损耗。

二、FBAR的研究进展

早在1965年Newell便制成了布拉格反射形的薄膜谐振器。1967年制成CdS薄膜谐振器1980年实现了在Si芯片上生长znO制成谐振频率为500MHz，Q值为9000的薄膜谐振器。目前国际上的体声波谐振器技术发展很快，微型化、性能优良和VLSI工艺兼容的体声波谐振器及其滤波器日益成为当今国际研究的热点，出现了一批具有代表性的研究成果。其中以麻省理工学院微系统实验室采用A1N作为压电材料制成的体声波谐振器为代表。他们于1997年采用硅刻蚀技术和键合技术，构造出使压电膜悬空的密封腔，得到了中心频率为1.35GHz、Q值为540、Keff为6.4、插损为3dB的薄膜体声波谐振器。1998年他们利用布拉格反射层技术得到的体声波谐振器频率在1.8GHz，带宽为3.6Ao(即25MHz)，Q值为400 P.B.Kirby等于2000年研制的体声波滤波器则采用PZT作为压电材料，在频率1.6GHz 时，Q值为53，Kt为19.1%，带宽IOOMHz，插损为3dB。2001年Agilent Technologies 公司利用AIN FBAR制造的Duplexer，现在已经开始销售，频率约1.9GHz，其Q值高达2500，Kt为6.5，插损小于3dB。韩国的K.W.Kim等在2002年研制了用于2GHz频段的AlNTFBAR，Q值为577.18，Kt为4.3 ，带宽52MHz，插损为2～3dB。2003年日本的Motoaki Hara等在Transducer0上发表了他们关于AINTFBAR的研究成果。该谐振器的基模位于2GHz，Q值达780，Keff为5.36。2003年韩国的LG公司研究得到了AINTFBAR，中心频率约1.9GHz，Q值为1530，Keff为 6.8 ～7.3 ，插损0.45dB，隔离度28dB。2004年韩国科技研究所微系统研究中心在超薄硅基片(50~m)上制作了薄膜体声波谐振器，中心频率达2.5GHz，具有很好的柔韧性，通过MEMS工艺加工易与MMIC集成，降低了器件的损耗。2005年Fujitsu Laboratories Ltd利用A1N薄膜作的TFBAR。中心频率达到10.3GHz，Q值为508，插入损耗仅为ldB。

三、 FBAR的关键技术

3.1 压电薄膜材料体系的要求

氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)和锆钛酸铅(PZT)是薄膜体声波器件的常用材料,其中AlN和ZnO用于窄带滤波器,PZT则用于带宽滤波器。从薄膜体声波器件的性能出发,需要考虑以下材料参数:

(1)机电耦合系数K^2t:

其中U1,U2分别表示弹性能密度和介电能密度,U12表示压电效应,弹性与介电性相互作用的能密度。机电耦合系数反应了压电材料的机械能与电能之间的耦合关系,是压电材料的一个重要参数。PZT薄膜材料在其厚度方向上具有高机电耦合能力,具有优于其他材料的压电性能。

(2)介电常数ε:谐振器的阻抗水平由谐振器的尺寸、压电层厚度、介电常数共同决定。有较高的介电常数ε,并可减少谐振器的尺寸。

(3)声速vL(纵向):低声速材料可以使用较薄的压电层,从而实现更小的器件。同时声速越高,越能提高器件的谐振频率。因此作为压电层的AlN的谐振频率最高。

(4)固有材料损耗

(5)温度系数:由于压电层决定了谐振频率,因而它的温度系数对器件的温度有巨大的影响。与ZnO相比,AlN的温度系数是相当低的。

(6)制备方法:制备压电薄膜最实用的淀积方式是磁控溅射法。ZnO可以通过等离子体,主要是低压注入的氩和氧混合气体轰击ZnO靶或者纯Zn靶而实现薄膜的制备。

3.2 电极材料

常用的电极材料有:Al、Ti、Pt、Mo、Cr等,电极材料需要具备低的电阻率和密度,有文献报道了低的电阻率和密度能分别降低电损耗和机械损耗。电极材料的声阻抗也是一个重要的参数:

其中Z为声阻抗,ρ为电极材料的密度,E为杨氏模量,通过提高电极材料的声阻抗可以增大器件的Q值。

3.3 悬空结构的形成

制作FBAR悬空结构的传统方法是利用KOH溶液在背硅面进行各向异性腐蚀,这种方法的缺点是由于腐蚀角度较大(大概在55°左右),会使悬空的区域面积过大,腐蚀时间较长,效率低不利于大批量生产。最新报道的形成悬空机构图形的方法是利用MEMS工艺中比较常见的深度离子束刻蚀,刻蚀气体通过硅衬底表面凿开的孔洞垂直进入,从而形成刻蚀。这种方法的刻蚀精确度高,效率也更高。

四、结语

目前薄膜体声波谐振器研究的重点主要集中在:运用MEMS技术带来的三维加工手段,构造出新型结构制备出高Kt,高Q值的压电薄膜材料。体声波谐振器及其滤波器微型化、性能优良、和VLSI工艺兼容日益成为当今国际研究的热点。随着薄膜制作工艺的成熟和高频领域的需求,薄膜体声波器件将具有更大的应用潜力。

参考文献：

[1] 刘燕翔,任天令,刘理天1采用PZT薄膜体声波RF滤波器设计.压电与声光,2001,23(1):1

[2] 唐孝明,唐高弟,张海.薄膜体声波谐振器技术.微纳电子技术,2005,42(8):380

[3] 陈炜.薄膜体声波滤波器FBAR的研究与建模:[硕士学位论文].杭州:浙江大学,2005

[4] 何杰, 刘荣贵,马晋毅.薄膜体声波谐振器(FBAR)技术及其应用.压电与声光,2007

[5] 百度百科.薄膜体声波谐振器