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薄膜體聲波諧振器及其應用

2013-12-13 來源:微波射頻網 字號:
3、結論與分析

為了保證FBAR具有高Q值,必須保證聲波在上下壓電薄膜外邊界表面的高反射效率,這就要求上下電極外表面與周圍介質在聲學上進行隔離。一般情況下,壓電材料上面電極平面直接與空氣接觸,不需要考慮隔離問題,而為解決底部電極平面同外界保持聲學隔離,主要形成了以下三種FBAR結構。

3.1、空腔聲學隔離薄膜結構

l980年,T.W.Grudkowski報道了圖3所示的FBAR結構[1],該FBAR由平面電極間的三明治式淀積的壓電薄膜構成,底部電極置于氮化硅薄膜上,氮化硅薄膜由襯底空腔四周邊緣的頂部作為支撐,這樣,使得氮化硅與襯底形成聲學隔離。此種結構工藝上需要對襯底的底部進行腐蝕形成空腔,如果襯底是硅材料,則一般需要用KOH腐蝕。這種結構的難點是由于在襯底存在空腔,使得硅片變得十分脆弱易脆,并且由于使用KOH進行濕腐蝕時,各向異性腐蝕會在襯底底部產生54.7。的腐蝕傾斜角,這使得每片晶片上產出FBAR濾波器的數量有所降低。

3.2、空隙聲學隔離薄膜結構

l985年,H.Satoh報道了圖4所示的FBAR結構[4],在襯底和諧振器之間制作空隙橋,它首先需要在襯底上沉淀一層臨時的支撐材料作為犧牲層,然后分別沉淀底部平面電極板、壓電材料和上面的平面電極板,最后移走犧牲層,形成薄膜。由于此種結構的FBAR的工藝都在襯底的上表面進行,所以不存在上下對齊和背部大面積空腔的要求,但這種方法也有固有的難點,就是如何在大面積的器件上實現工藝,如采用典型的方法使用SiO2作為犧牲層,最后用HF溶液將其腐蝕掉,其腐蝕速率為l00~300nm/min,如果對表面為150μm×150μm的器件下方進行腐蝕的話,則至少需要500min,而暴露的金屬電極接觸蝕刻劑超過30min時就會與壓電材料分裂。

3.3、反射層聲學隔離固定結構固定結構

l995年,K.M.Lakin報道了圖5所示的固定式SMR結構[5],薄膜諧振器直接堅固地表貼在襯底上,由于沒有空氣縫隙,其結構更加穩定,但為了獲得高Q值,它使用Bragg反射層使壓電材料和襯底在聲學上保持隔離。Bragg反射層要求用聲學阻抗率大和阻抗率小的的材料交替層疊在襯底上,每層厚度為諧振波長的l/4,當層數充分多時,這樣使得聲波有效地局限于壓電薄膜內部反射。此種結構固有的難點是Bragg反射層材料的選擇是受限制的,首先不能用金屬,這是因為金屬層容易形成寄生電容而降低濾波器的電氣性能,如果用電介質材料,由于它們之間的聲學阻抗的差別不是很大,故需要很多層,這樣增加了工藝復雜度,在多層電介質上打孔也不是一件容易的事情,使其不易與其他有源器件集成。目前,由這種結構制成的諧振器比其他結構諧振器在有效機電耦合系數上明顯偏低,這樣也就降低了它的有效帶寬。

4、FBAR使用材料

FBAR的插入損耗、有效耦合系數和品質因數等參數都與制作FBAR的壓電材料和電極材料的性能密切相關。射頻FBAR要求壓電材料有較高的機電耦合系數和較低的介電常數。目前ZnO和AlN已被成功制成壓電薄膜,它們物理性質如表l所示。

從表中可以看到,具有較高機電耦合系數的ZnO可以有較高的帶寬,可以滿足許多無線通信的技術要求,但是它的TCF(temperaturecoefficientofthefrequency)指標是A1N的兩倍多,這表明它比A1N更易受外界溫度的影響。A1N與ZnO相比,它不僅與硅有更好的兼容性、更高的電阻率、低密度的優良特性,而且由于它的較低電介質損耗,使其更容易滿足通信中對濾波器損耗的要求,所以目前大部分FBAR器件選用A1N壓電材料。

壓電兩端電極材料曾選用工藝上成熟的Al,Pt和w金屬,然而Pt和w金屬的缺點是密度過高,而Al金屬聲學阻抗低和相對比較高的熱彈性損耗也不適應高頻FBAR。目前,Mo金屬由于它的低密度、低聲波衰減、低電阻率、高聲學阻抗和相對較高的熔點的優良特性,被廣泛選為作電極的材料。

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