楊蘇倩

摘要：薄膜體聲波器件具有體積小，成本低，品質因數(shù)（Q）高，功率承受能力強，頻率高且與IC技術兼容等特點，適合于工作在射頻系統(tǒng)中，有望在未來的無線通訊系統(tǒng)中取代傳統(tǒng)的聲表面波（SAW）器件和微波陶瓷器件。本文基于薄膜體聲波諧振器（FBAR）的專利申請作為分析對象，分析了國內外關于薄膜體聲波諧振器的申請信息、專利布局、核心專利、申請趨勢等信息。

關鍵詞：薄膜體聲波諧振器;FBAR;射頻;MEMS

一、引言

隨著現(xiàn)代無線通訊技術，工作在射頻波段的通訊器件的微型化，低功耗，低成本，集成化及高性能越來越受到人們的重視。近年來，微機電系統(tǒng)（MEMS）技術的端集成實現(xiàn)了射頻系統(tǒng)的微型化。其中與超大規(guī)模集成電路工藝兼容的薄膜體聲波諧振器（FBAR）最引人注目，其由頂電極和底電極夾雜一層壓電薄膜組成，通過在壓電薄膜中激發(fā)出體聲波形成諧振來工作，它具有頻率高、Q值高、體積小、承受功率大、換能效率高等諸多優(yōu)點，為3G通訊技術及其發(fā)展所要求的“系統(tǒng)單芯片集成”提供了可靠有效的解決方案。

二、專利申請分布及技術發(fā)展

1、概述

薄膜體聲波諧振器的前身是工作在厚度伸縮式模式下的石英諧振器，但由于石英諧振器不能被加工成更薄的厚度，其最高諧振頻率一般只能達到500MHz，于是研究者將注意力轉移到可以生長為微米級別厚度的壓電薄膜。

2、專利申請分布

在2000年前全球范圍的FBAR專利申請量較低，這是該技術的起步階段。在2000年后，F(xiàn)BAR在無線電通信中應用技術日漸成熟，并在2001年首次以雙工器的形式出現(xiàn)在PCS中的蜂窩電話中，從此專利申請量開始上升，直到2007年經(jīng)歷了第一次快速發(fā)展時期。在2008年左右，申請量有所下降，在此期間世界范圍內的經(jīng)濟放緩，對全球半導體廠商的專利申請和技術研發(fā)帶來了一定影響，但國內的申請量逐步提升。

申請來源地域排名前五位的是美國、日本、中國、韓國和德國。美國企業(yè)由于研究起步較早，因而在該領域的實力較明顯，占有35%的申請量;其次是日本和中國（包括臺灣），分別占有28%和19%的申請量。申請目標地域排名前五位的是美國、中國、日本、韓國和英國，共占據(jù)了專利申請量的83%，而美國則占據(jù)了專利申請量的26%。而中國也是近十幾年來半導體市場發(fā)展最為迅速和規(guī)模最大的國家，以中國為目標國的申請量排名第二，占全部申請量的19%。

美國的安華高科技公司擁有的專利數(shù)遠超其他同行，三星電子排名第二，而申請量排名前十的申請人全部來自于美國、日本、韓國和德國。安華高公司和安捷倫為最早申請FBAR相關專利的公司。三星電子在2003年的申請量為當時最高，且各主要申請人在2001到2005年間都申請了大量的專利。

3、薄膜體聲波諧振器技術發(fā)展

（1）結構/工藝

1980年，T.W.Grudkowski報道了一種空腔聲學隔離薄膜結構的FBAR（橫膈膜結構），使得氮化硅與襯底形成聲學隔離。此結構工藝上需要對襯底的底部進行腐蝕形成空腔，這需要刻穿整個硅片厚度（US2008169885）。富士通公司提出的空腔型FEAR提到一種薄的犧牲層工藝以及在鍍壓電薄膜過程中對壓電薄膜講行應力控制技術，壓電層及其電極在犧牲層釋放后拱起，從而形成一個拱形空腔（US2010060384）。1996年，諾基亞公司采用反射層聲學隔離固定結構制造的FBAR具有更小的面積以及更低的中心頻率誤差（US6051907）。

（2）材料

對壓電薄膜的改進，包括壓電薄膜的厚度、材料。目前大部分FBAR選用A1N壓電材料。在壓電材料中摻雜多種稀土元素，能改進壓電層的壓電特性（US2014118090）。通過在壓電層上增加質量負載從而改變FBAR的厚度（US2004189424），能調節(jié)FBAR諧振器的中心頻率。

對電極的改進，包括電極形狀和材料的改進。將多個電極放置在同一襯底平面上，可提高諧振頻率（US5233259）。改變電極的形狀對能陷行為有一定的影響，并提高器件Q值，因此出現(xiàn)了多邊形電極以抑制寄生振動（US7561009），橢圓形或橢圓環(huán)形電極以改善電性能（US2008284543），以及環(huán)狀電極（CN102621025）和近似橢圓形電極（CN101257287）。最初在電極上增加質量負載調節(jié)電極厚度（US5692279），為了精準地調頻，通過改變質量負載的圖案，對質量負載進行刻蝕孔以改變單位面積的負載量（WO9959244），施加多個質量負載層（US2002185936），或調節(jié)電極的厚度進行調頻（KR20030032534）。目前Mo金屬被廣泛選為作電極的材料（US2004130847）。

（3）應用

安捷倫技術公司采用的梯形濾波器結構，并將一個FBAR濾波器與90°移相器級聯(lián)后與另一個FBAR濾波器并聯(lián)構成雙工器（US6262637），這是FBAR首次以雙工器的形式出現(xiàn)在PCS蜂窩電話中。

有線/無線通信對低抖動率時鐘和振蕩器有廣泛需求，且由于FBAR能跟其他器件制作在同一晶片上，如與電容或電感集成（US2003205948），因此基于FBAR制作的振蕩器在小尺寸、高性能和低成本等方而很有優(yōu)勢，且具有較寬的振蕩頻率范圍（JPH08148968）。

1995年KIDDIE技術公司將FBAR應用于壓力傳感器中（WO199711444）。將FBAR配置成陣列的形式，可以精確地感應多種材料質量的變化（CN1517706）。2009 年密執(zhí)安大學評議會的格羅什和利特雷在頂電極上涂敷聚偏氟乙烯作為敏感層，將傳感器的靈敏度提高到了80KHz/10-6（WO2010002887）。

結語

本文主要對薄膜體聲波諧振器的專利技術發(fā)展和分布作了初步分析，從以上分析中可以看出，目前國內外關于薄膜體聲波諧振器的研究和發(fā)展才剛剛開始，我國在這個領域的探索仍舊有很大的空間。在關于薄膜體聲波諧振器專利技術的研究主要集中于對其結構及外圍電路的改進，能制造出高性能的FBAR薄膜體聲波諧振器，日益成當今國際研究的熱點。