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Fbar新一代射频集成滤波器解决方案

  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(FilmBulkAcousticResonator,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(SurfaceAcousticWave,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。
 
  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滤波器工作原理
 
  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。
 
FBAR谐振器典型结构图
 
  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。
 
压电薄膜
 
  目前主流的FBAR结构主要有三种:空气隙型、硅反面刻蚀型和固态装配型。
 
  空气隙型FBAR是基于MEMS的表面微加工技术(surfacemicromachining),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。
 
  硅反面刻蚀型FBAR是基于MEMS的体硅(Si)微加工技术(bulkmicromachining),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。
 
  固态装配型结构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。
 
三种fbar结构
 
  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。
 
  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。
 
空气隙型FBAR器件的制备流程
 
  FBAR技术中最重要的特性是可以支持高挑战性频段分配的陡峭滤波曲线以及卓越的带外抑制能力,上方发射频率和下方接收频率间的间隙非常窄,这个特性对于4G/LTE应用而言更为重要,原因是发射和接收频率间的间隙更窄。
 
FBAR滤波器优势
 
  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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