FBAR是如何诞生的?

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现代通信中,滤波器是一个非常重要的射频单元,无线电信号的每一个频段都需要对应的带通滤波器。随着通信技术的不断发展,智能手机支持的频段数目不断上升,对于滤波器的性能要求越来越高,手机里装载的滤波器的数量也越来越多。

FBAR(Film Bulk Acoustic Resonator)作为一种新型的滤波器技术平台,具有高功率耐受、小尺寸、低插入损耗、高带外抑制和可用于超高频等优点,成为了通信领域研究和大规模商用开发的热点。

它是如何诞生的?究竟有着怎样的魅力、价值和历史呢?让我们一同揭开它神秘的面纱。

Avago并不是idea上第一个“发明”FBAR的

聊到FBAR,一定绕不开Avago(现Broadcom,博通公司),他们的FBAR技术在通信领域占据了举足轻重的地位,在FBAR的商业化上功不可没,但FBAR技术的真正起源并非Avago,而是可以追溯到20世纪80年代。

1981年,南加州大学Lakin教授和他的团队在《Applied Physics Letters》期刊上,发表了篇名为《Acoustic Bulk Wave Composite Resonators》的文章,首次提出一种悬浮的体声波谐振器,由氧化锌薄膜镀覆在薄膜硅支撑结构上构成,薄膜两侧的自由表面构成声反射边界,形成了一个谐振腔,体声波在谐振腔内发生振荡。这就是世界上首个FBAR,谐振频率在435MHz,并联谐振Q值超过9000,串联谐振Q值超过3000,但受限于材料及结构限制,有效K2仅有0.3%左右。

至此,FBAR技术真正引起了业界的广泛关注,这一里程碑式的成就为FBAR的后续发展奠定了基础。

图1. K. M. Lakin发布的悬浮体声波谐振器示意图

图源:《Acoustic Bulk Wave Composite Resonators》

四年后,日本东芝研发中心的H. Satoh、Y. Ebata、H. Suzuki、C. Narahara发表了一篇题为《An Air-Gap Type Piezoelectric Composite Thin Film Resonator》的文章,文中提到他们首次基于半导体工艺,实现了FBAR器件。他们的结构在硅衬底表面和FBAR器件之间形成了非常薄的气隙(Air gap),来保证谐振腔的独立性。试验中的FBAR仍然采用ZnO作为压电层,ZnO也是80年代的FBAR研发最常用的材料。

图2. 气隙型薄膜谐振器的结构示意图

图源:《An Air-Gap Type Piezoelectric Composite Thin Film Resonator》

1990年,Krishnaswamy和Rosenbaum等人将FBAR技术拓展到了GHz频段,这标志着FBAR滤波器正式进入高频通信领域,为其日后成为无线通信技术革命的重要推手打下了基础。

Avago率先成功实现FBAR商用

时间来到90年代初,Richard Ruby博士所在的惠普(后来的Avago)实验室开始活跃在射频通信技术的研发领域,1994年,他在IEEE频率控制研讨会上发表了《Micromachined Thin Film Bulk Acoustic Resonators》,文中提到Ruby博士和他的团队成功制造了一种Q值超过1000且谐振频率低至1.5 GHz和高达7.5 GHz的FBAR。该器件由两个电极之间夹着一层压电材料氮化铝(AlN)组成,整个器件结构位于低应力氮化硅薄膜上。

图3. Richard Ruby博士发布的FBAR示意图

图源:《Micromachined Thin Film Bulk Acoustic Resonators》

两年后,他们又在美国旧金山举办的IEEE MTT-S国际微波大会上提出了FBAR技术应用于电信市场(如手机等移动设备)的可能性,并成功在实验室实现了FBAR在手机上的应用。

图4.左:Richard Ruby博士和他的团队

右:当时实验用的手机

图源:《RF Bulk Acoustic Wave Filters for Communications》

在Richard Ruby博士的努力下,FBAR技术在惠普实验室逐渐成熟。终于在1999年由安捷伦公司(Agilent,前身为惠普实验室,后来的Avago)成功研发出应用于美国PCS1900MHz频段的FBAR滤波器,并在2001年实现了大规模量产,同时正式提出了FBAR的称谓。

美国电气工程师协会(IEEE)的公开信息显示,Ruby博士在2001年到2003年期间,成功地将FBAR专利产业化,并帮助公司量产了第一批FBAR Duplexers (双工器)HPMD7901和7904。

Ruby博士于2014年获得了美国物理学会颁发的Industrial Physics Prize,以表彰他在FBAR技术上的突出贡献。

图5. Richard Ruby博士获得工业物理奖

现代FBAR技术的四种核心结构

随着2001年FBAR技术的商业成功,FBAR在移动通信领域迎来了快速发展。德国的英飞凌(Infineon)、荷兰的飞利浦(Philips)、摩托罗拉(Motorola)、TDK、京瓷(Kyocera)、三星(Samsung)、英特尔(Intel)、LG等公司也开始对FBAR技术进行研究,但在消费电子领域成功量产的是以下四种核心结构:博通的Swimming Pool下空腔+Air Frame结构、太阳诱电的Pop-Up气泡式空腔结构、Akoustis的XBAW单晶压电结构及新声半导体的D-BAW®双面键合体声波结构。

博通:Swinmming Pool下空腔结构+Air Frame

此结构通过在硅衬底中蚀刻出一个空腔(Swimming Pool),保证谐振器核心振动区的悬空,谐振器薄膜两面都是空气,由于空气的声波阻抗远低于压电层的声波阻抗,绝大部分声波都会反射回来,有效提升了声波的共振效率和频率选择性,使得滤波器在处理高速、高频信号时表现得更为出色。而Air Frame的设计则进一步降低了整体的声学损耗,这个结构类似挑空的屋檐,能极大地降低能量的横向泄漏,提高谐振器的Q值,保证了信号传输的纯净度。

这种结构,与此前应用广泛的SAW滤波器相比,有非常显著的性能优势,在当时的移动通信领域是一次重大突破。

图6. 博通FBAR结构示意图

太阳诱电:Pop-Up气泡式空腔结构

博通的FBAR结构自2001年量产后,在移动通信领域一时风头无两,直到2006年,太阳诱电(TAIYO YUDEN)发布了自己的FBAR结构,并成功申请专利,FBAR市场开始了两大巨头盘踞的局面。

区别于博通的下空腔结构位于硅衬底中,太阳诱电的FBAR结构下空腔是在衬底的上面,在制作压电层之前沉积一个辅助层(Sacrificial Support Layer),最后再把辅助层去掉,在谐振腔下方形成一个类似于气泡的空气腔。其原理与博通的空气腔结构相同,都是利用空气的声波阻抗低于压电层阻抗,使得声波集中在谐振器内进行传播,增强共振效率。

图7. 太阳诱电FBAR结构示意图

Akoustis:XBAW单晶压电结构

2016年,Jeffrey B. Shealy和Michael Hodge等人制备了以碳化硅(SiC)衬底上外延生长的单晶AIN为压电薄膜的FBAR结构,即XBAW,相比于传统多晶AIN材料制备的FBAR滤波器,XBAW由于具有更高的固有晶体质量,XRD测试数据显示其FWHM值小于0.1,远低于多晶AlN的1.4,因此能获得更高的声速、更低的材料阻尼损耗和更高的机电耦合系数,理论上性能可以得到大幅提升。

图8. Akoustis FBAR结构示意图

新声半导体:D-BAW双面键合技术

2021年,新声半导体提出了一种全新的FBAR结构,D-BAW(Double Side Processed Bulk Acoustic Wave Technology,双面键合体声波技术),利用双面键合形成空腔结构,并实现了双面光刻,正电极正面光刻,底电极从背面光刻,与前述三种FBAR结构有显著差异。这种全新结构和工艺路径是站在近十年MEMS晶圆加工中双面光刻对准、精确研磨、键和技术、以及晶圆级封装发展的肩膀上实现的。(本公众号后续会有系列文章对相关核心技术进行详细展开)

图9. 新声半导体D-BAW结构示意图

D-BAW作为FBAR家族中的新成员,具有以下特点:

1)双面光刻、双面精细加工,在上下两面电极边缘更灵活和精准地加工形成各类Frame结构,使得D-BAW谐振器在抑制横向声波传播方面更加高效;

2)双面键合形成空腔,两次键合在完成核心谐振器结构转移的同时,实现结构的悬空;

3)MASK(光罩)层数更少,双面加工工艺使得结构更加简单,无需为了消除各类声、电寄生而额外增加Air Bridge等复杂补偿结构,光罩层数大大减少,降低了成本;

4)突破了材料限制,允许使用各种衬底晶圆,包括碳化硅、玻璃、砷化镓等,各种压电材料比如单晶压电材料以及薄膜铌酸锂和钽酸锂,都成为可行候选材料;

5)AlN压电层极平坦,溅射镀膜质量更好,结构上没有台阶起伏导致的边界损失,更接近理想压电电容,性能更好;

6)更高的机电转换效率,上下电极的光刻双面成型无需因为顾虑传统单面MEMS bottom up加工的互相影响,可完全对应共振腔,降低了寄生提高了机电转换效率。

写在最后

技术的发展往往不是依靠单一想法的发明,而是一个长期积累和创新的过程,FBAR技术的演进亦是如此。

FBAR的第一代是1981年在南加大USC实验室试产的ZnO MEMS FBAR雏形;

FBAR的第二代是2001年Avago成功商用的可量产结构,这一代站在AlN批量溅射发展的肩膀上、且优化了在Si衬底释放Swimming Pool结构;

FBAR第三代中各方面最均衡的是新声半导体Newsonic 2021年提出的D-BAW结构,通过双面光刻、双面键合实现了更接近理想压电电容的完美共振空腔,拥有更好的基础性能、功率耐受和可靠性。

D-BAW作为FBAR技术新的演进和方向,代表了高品质FBAR技术的最新一代,它继承并发扬了FBAR技术的优势,同时通过技术创新克服了之前的性能限制,为无线通信滤波器领域带来了新的可能性。

FBAR技术的诞生和演进是无线通信技术发展史上的一个重要里程碑,从最初的概念提出到如今的广泛应用,FBAR滤波器已经成为推动无线通信技术发展的关键力量。

*未注明来源的图片来自网络公开资料

参考文献

[1] Thin Film Bulk Wave Acoustic Resonators (FBAR) for Wireless Applications. (Richard C Ruby)

[2] Acoustic bulk wave composite resonators.( K. M. Lakin and J. S. Wang)

[3] MiCROMACHINED CELLULAR FILTERS ((Richard Ruby)

[4] AN AIR-GAP TYPE PIEZOELECTRIC COMPOSITE THIN FILM RESONATOR(Hiroaki Satoh, Yasuo Ebata)

[5]《RF Bulk Acoustic Wave Filters for Communications》(Ken-ya Hashimoto)

[6] FBAR震荡技术的研究与仿真。(王青)

[7] 5G高频段凸显FBAR滤波器优势,垄断格局下国产高端滤波器挑战与机遇并存

[8] 高性能 声学滤波器 技术研究进展【2021】

责编: 爱集微
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