隨著現代無線通信技術向高頻、高速方向的發展，人們對高頻通信常用的前置濾波器提出了更高的要求。目前射頻系統中使用的帶通濾波器主要有介質陶瓷濾波器和聲表面波(SAW)濾波器[1]。由于介質陶瓷濾波器存在體積偏大和工藝兼容性差等問題，限制了其進一步的發展。盡管SAW濾波器能達到較高的Q值，幾何尺寸也更小，但由于其叉指電極的指寬和間隙與工作頻率成反比，增加了光刻工藝的難度，限制了其高頻應用。因此，人們開始著手研究基于新材料、新結構的濾波器。

薄膜體聲波諧振器(FBAR)是一種全新的射頻濾波器[2]。FBAR器件尺寸遠小于傳統的基于電磁波的介質濾波器，其工作頻率更高，且擁有更好的帶外抑制性能和更低的插入損耗。相比于SAW濾波器，體聲波濾波器在功率容量、濾波性能及頻率溫度系數等方面均有一定優勢，而且其制作工藝與半導體工藝兼容，在吉赫茲以上的高頻應用中，體聲波(BAw)濾波器正成為最佳的選擇。

1、FBAR的原理與結構

FBAR采用電極一壓電薄膜一電極的三明治結構，壓電薄膜的逆壓電效應將輸入的高頻電信號轉化為一定頻率的聲信號。當聲波在壓電薄膜中的傳播距離正好是半波長的奇數倍時就會產生諧振，其中諧振頻率處的聲波損耗最小，使得該頻率的聲信號能通過壓電薄膜層，而其他頻率的信號被阻斷，從而只在輸出端輸出具有特定頻率的信號，以實現電信號的濾波功能[3]。壓電薄膜的厚度在很大程度上決定了FBAR的諧振頻率， 如式(1)所示：

f≈υ/λ=υ/2d (1)

其中：v為壓電層中的縱向聲速，d為壓電層厚度，為聲波波長。在實際的諧振器中，尚有其他沉積層對諧振頻率產生影響，因此式(1)只是一個近似的描述。通常情況下，大多數材料的v在3000～ll000m／s范圍，根據式(1)可知一般壓電層厚度應控制在幾個微米或以下。由于壓電層厚度對諧振頻率起著決定作用，所以在沉積壓電薄膜時對厚度的精確控制顯得尤為重要。

品質因數Q是描述濾波器件的一個很重要的指標。FBAR的Q值取決于壓電薄膜材料的固有損耗以及體聲波在襯底中的損耗，因此在電極邊界形成聲波的全反射能有效提高Q值。實現聲波全反射的結構主要有兩種[4]，其中最直接的方法是將壓電層和電極做成膜結構或一并沉積到一個薄的支撐膜上，形成空氣一固體交界面；還有一種方式是采用“聲波鏡”形成反射面來實現，這種結構被稱為“固態裝配諧振器(SMR)”。膜結構因制作工藝的不同可分為兩種情形[5]：其一是采用體微加工技術，先在襯底上沉積一層壓電薄膜，然后去掉部分襯底，形成邊緣支撐懸空的膜結構，如圖1(a)所示。另外，可采用表面微加工技術，先沉積一層犧牲材料作為臨時的支撐膜，然后用刻蝕技術除去該犧牲層獲得空氣氣隙而形成反射面[6]，其結構如圖1(b)所示。懸空膜結構的FBAR因襯底的大量移除而造成器件的機械性能降低，而且在制備過程中需要進行硅的各向異性腐蝕，腐蝕厚度難以控制，也會產生54．74。的腐蝕角，限制了封裝密度的提高，也加大了工藝難度。而采用表面微加工技術不需要對襯底的反面進行加工，降低了工藝難度且與傳統IC工藝兼容，因而被廣泛采用[7,8]。

SMR結構的FBAR采用若干高聲阻抗和低聲阻抗的材料交替堆疊形成布拉格反射面。在每個高阻抗層和低阻抗層的界面，大部分聲波被反射，由于其層厚為諧振頻率波長的1／4，因而反射波會按合適的相位疊加，通過多次反射后最終達到近似全反射。一般來講，要達到較高Q值需要5～7層反射層。因SMR結構的多層反射膜能起支撐作用，因此有更好的機械強度，但由于有更多的非壓電層參與諧振，它的有效機電耦合系數要小于膜結構的情形。同時，較厚的反射底層也使SMR更難與底電路互連以便與其他芯片集成。另外，要制備結構復雜且厚度精確控制的多層膜。在工藝上有一定難度，制作成本也更高。

2、FBAR的壓電薄膜材料技術

2．1、壓電薄膜材料的選擇

壓電薄膜的質量對濾波器的性能有著重要的影響，因此壓電材料的選擇就顯得極為重要。壓電層是多晶薄膜，方向不一致的晶粒會嚴重降低壓電耦合系數和品質因數，因此，理想的是所有晶粒的c軸取向完全一致。對體聲波濾波器的研究表明，要得到高性能的器件，就必須盡量提高壓電薄膜的機電耦合效率，減小機械損耗和漏電，因此制備取向一致、厚度精確可控的壓電薄膜是制作FBAR的關鍵。目前，用于BAW濾波器的壓電材料主要有氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、鋯鈦酸鉛(PZT)。下面通過幾個主要的性能參數對這3種材料進行比較[9]。

(1)壓電耦合系數k。它是衡量壓電材料壓電性強弱的重要物理量，決定了濾波器可實現的帶寬。從這個指標來看，PZT最理想，kt2=8．15；ZnO次之，kt2—7．5；A1N稍差，kt一6．5。

(2)材料損耗。損耗越小，越能實現高Q值和低插損。在這方面，A1N和ZnO要優于PZT，需進一步對PZT材料進行研究，以降低其固有損耗。

(3)介電常數Er。較高的介電常數可以減小諧振器的尺寸，前兩種材料的Er約為1O，而PZT的Er高于400，在這方面具有明顯的優勢。然而，如果壓電材料的Er過大，則上下電極間電容值會很大，將會導致工作于吉赫茲頻段的濾波器的輸入輸出間導納過大，難以保證阻帶的隔離度[3]。因此，制作吉赫茲頻段的濾波器，Er為100左右最合適。