廖俊杰，馮耀剛，萬蔡辛，蔡春華，3，秦 明，張志強*

(1.東南大學MEMS 教育部重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.上海韋爾半導體股份有限公司，上海 201203；3.華東師范大學上海市多維度信息處理重點實驗室，上海 200241)

第五代移動通信技術(shù)(5th Generation Mobile Communication Technology，5G)正在蓬勃發(fā)展，與3G和4G 相比，其數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)承載能力和頻譜利用率均顯著提高，而通信協(xié)議卻更為復雜[1]。為滿足不同場景的應(yīng)用需求，5G 通信系統(tǒng)已面向全頻段布局。根據(jù)國際電信標準組織3GPP(3rd Generation Partnership Project)對5G 頻段的劃分，5G 通信系統(tǒng)包括了兩大頻段范圍:Sub-6G 頻段(450 MHz～6 GHz)、5G 毫米波頻段(24.25 GHz～52.6 GHz)[2]。5G 毫米波頻段資源充足，可緩解全球Sub-6G 頻段資源枯竭而導致的頻段擁擠問題，但是在實際應(yīng)用中存在能量損耗較大、覆蓋面小等障礙，從而限制其應(yīng)用范圍與效用。Sub-6G 頻段具有較強的穿透力，可兼顧5G 通信系統(tǒng)的覆蓋與容量，并提供廣域連續(xù)的通信網(wǎng)絡(luò)。其中，兩個新定義的頻帶N77(3.3 GHz～4.2 GHz)和N79(4.4 GHz～5 GHz)具有寬頻帶，可實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，因而是全球5G 部署的核心頻段。5G 通信系統(tǒng)工作在更高的頻段，也帶來了頻段的增加，同時還需要充分利用碎片化頻段的載波聚合和多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)等技術(shù)應(yīng)用，這使射頻前端器件的性能要求大幅提高，器件數(shù)量需求也大幅提升[3]。射頻濾波器作為射頻前端的重要組成部分，5G 通信系統(tǒng)對其提出了微型化、低成本、高頻率、寬頻帶、高功率容量以及其他高性能的迫切要求[4]。聲學濾波器憑借尺寸小、低成本和高性能的優(yōu)勢成為無線通信系統(tǒng)中主要的濾波器解決方案之一。其中聲學濾波器可分為表面聲波(Surface Acoustic Wave，SAW)濾波器和體聲波(Bulk Acoustic Wave，BAW)濾波器[5]。在5G 通信技術(shù)之前，通信系統(tǒng)的工作頻段在3 GHz 以下，SAW 濾波器憑借其尺寸更小、可靠性好、工藝成熟、制備成本更低等優(yōu)點，占據(jù)了聲學濾波器的主導地位。然而當工作頻率達到3 GHz或更高時，SAW 濾波器面臨著插入損耗高、功率容量低、制造難度大等問題，因此難以滿足5G 通信系統(tǒng)的要求[6]。在這種的背景下，BAW 濾波器因工作頻段較高而被廣泛研究，同時產(chǎn)生了巨大市場空間。BAW 濾波器主要分為兩類:一是基于薄膜體聲波諧振器(Film Bulk Acoustic Resonator，F(xiàn)BAR)的FBAR 濾波器，二是基于固態(tài)裝配型諧振器(Solidly Mounted Resonator，SMR)的SMR-BAW 濾波器。與SMR-BAW 濾波器相比，F(xiàn)BAR 濾波器具有更高的品質(zhì)因數(shù)Q和有效壓電耦合系數(shù)[7]。而與SAW濾波器相比，F(xiàn)BAR 濾波器在高頻范圍性能優(yōu)越，工作頻率可達20 GHz[8]。隨著微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技術(shù)的發(fā)展，使得FBAR 濾波器具有低功耗、高隔離度、高功率容量、與互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工藝兼容等特點，現(xiàn)已成為5G 射頻濾波器的研究熱點[9-10]。

1 FBAR 的結(jié)構(gòu)、原理與性能參數(shù)

FBAR 是構(gòu)成FBAR 濾波器的基本單元。該FBAR 的基本結(jié)構(gòu)主要是由上下兩層金屬電極和在兩個金屬電極之間的壓電材料組成的三明治結(jié)構(gòu)；其中，諧振器的上表面和下表面直接與空氣接觸。因為空氣的聲阻抗近似為零，所以空氣可作為理想的聲波反射層以使得聲波發(fā)生全反射，從而降低聲能量的損失[11]。在實際器件中，為了保證器件的穩(wěn)定性和可靠性，通常在下電極的下方制備支撐層，并在上電極的上方制備鈍化層。值得注意是，支撐層、鈍化層以及上述的三明治結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成FBAR 的諧振振蕩區(qū)，其諧振振蕩區(qū)的厚度決定了FBAR 的諧振頻率。圖1 所示為FBAR 的基本結(jié)構(gòu)。根據(jù)支撐層下方的空氣腔形成方式，F(xiàn)BAR 可分為硅反面刻蝕型和空氣間隙型兩大類[12-13]。

圖1 FBAR 的基本結(jié)構(gòu)

圖2 所示為FBAR 的聲波激勵和阻抗特性曲線[11，14]。根據(jù)圖2(a)所示，F(xiàn)BAR 的工作原理可描述為:當在上電極和下電極施加特定頻率的射頻電壓時，中間的壓電材料發(fā)生逆壓電效應(yīng)進而產(chǎn)生機械振動，即射頻電信號轉(zhuǎn)換為聲波信號，所產(chǎn)生的聲波信號沿壓電層厚度方向傳播，由于諧振振蕩區(qū)的上表面和下表面均與空氣接觸，空氣作為理想的聲波反射層，使聲波發(fā)生全反射，最終實現(xiàn)聲波在諧振振蕩區(qū)的兩個空氣接觸界面之間發(fā)生來回反射，從而形成聲駐波并產(chǎn)生諧振。如圖2(b)所示，F(xiàn)BAR具有兩個相隔很近的諧振頻率:一是串聯(lián)諧振頻率fs，是指在一定頻率的射頻信號作用下，其聲駐波與內(nèi)部電場同相位，聲波在諧振振蕩區(qū)產(chǎn)生串聯(lián)諧振，此時諧振器的電學阻抗呈最小值；二是并聯(lián)諧振頻率fp，是指若其聲駐波與內(nèi)部電場反相位，聲波在諧振振蕩區(qū)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，此時諧振器的電學阻抗呈最大值。

圖2 FBAR 的聲波激勵和阻抗特性曲線

對于一個FBAR 結(jié)構(gòu)設(shè)計的性能優(yōu)劣，一般通過有效壓電耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)Q兩個關(guān)鍵參數(shù)衡量[15-16]。為機械能和電能之間的轉(zhuǎn)換比率，決定了FBAR 濾波器的帶寬。一般而言，大的可以滿足5G 通信系統(tǒng)中射頻濾波器的寬頻帶要求，而的最佳值是所設(shè)計FBAR 濾波器的相對帶寬的兩倍[7]。的數(shù)值可以通過串聯(lián)諧振頻率fs和并聯(lián)諧振頻率fp得到，其表達式為[17]:

Q為在一個周期內(nèi)電子器件的儲存能量與消耗能量之比。它主要是由FBAR 的損耗機制決定的，例如聲波損耗等。一般而言，高的Q表明所構(gòu)成的FBAR 濾波器具有低插入損耗和高矩形度的特點。

2 FBAR 濾波器的電路拓撲形式

將多個FBAR 結(jié)構(gòu)通過特定的電學級聯(lián)方式便可構(gòu)成FBAR 濾波器的電路拓撲形式。它主要包括三種電路拓撲形式:Ladder 形式、Lattice 形式與Ladder-Lattice 組合形式[18-20]，如圖3 所示。Ladder 形式濾波器由多個串聯(lián)FBAR 和并聯(lián)FBAR 按照圖3(a)所示的方式級聯(lián)形成；采用單端輸入、單端輸出，直接處理單端信號，具有矩形度高、設(shè)計靈活的優(yōu)點，但缺點是帶外抑制差。Lattice 形式濾波器由兩個串聯(lián)FBAR 和兩個并聯(lián)FBAR 交叉組成，如圖3(b)所示；采用差分端口輸入輸出，處理差分信號，具有帶外抑制好、帶寬更寬的優(yōu)點，但缺點是矩形度低。Ladder-Lattice 組合形式濾波器是將Ladder形式轉(zhuǎn)換成差分端口輸入輸出的形式后，再與Lattice 形式組合形成的濾波器，如圖3(c)所示；采用差分端口輸入輸出，處理差分信號，同時具備矩形度高、帶外抑制好的優(yōu)點。

圖3 FBAR 濾波器的電路拓撲形式

表1 給出了三種FBAR 濾波器的電路拓撲形式的特性。

表1 三種FBAR 濾波器的電路拓撲形式特性比較

雖然Ladder-Lattice 組合形式濾波器在性能上同時具備Ladder 形式和Lattice 形式的優(yōu)點，使其在擁擠的FR1 頻段中不但具有優(yōu)異的選頻性能而且對無用頻段實現(xiàn)高度隔離，但是其一方面需要較多的諧振器，不利于FBAR 濾波器的微型化，另一方面需要進行單端-差分信號轉(zhuǎn)換處理，這增加了額外的器件，不符合射頻前端模塊的小型化發(fā)展趨勢。Lattice 形式濾波器具有良好的帶外抑制，但是由于其矩形度低，并不適用于擁擠的FR1 頻段，并且與Ladder-Lattice 組合形式濾波器一樣，此類濾波器應(yīng)用時需要引入額外的器件進行信號轉(zhuǎn)換處理。Ladder 形式濾波器具有高矩形度的優(yōu)點，可適用于擁擠的FR1 頻段，且直接處理單端信號，不需要引入額外器件。因此，目前FBAR 濾波器的產(chǎn)品絕大部分是基于Ladder 形式設(shè)計。值得注意的是，Ladder 形式濾波器具有帶外抑制差的缺點。為此，在設(shè)計時通常對于Ladder 形式FBAR 濾波器的基本結(jié)構(gòu)進行改進，從而在保持其他性能的情況下實現(xiàn)其良好的帶外抑制。例如，Verdú 等[21]在Ladder形式濾波器的基本結(jié)構(gòu)上通過對并聯(lián)諧振器增加串聯(lián)電感或?qū)Υ?lián)諧振器增加并聯(lián)電感，從而在濾波通帶外形成一對新的有限傳輸零點，進而實現(xiàn)帶外抑制的提高。為解決FBAR 的無法滿足寬頻段FBAR 濾波器的設(shè)計需求，Kreuzer 等[22]通過在Ladder 形式濾波器的輸入和輸出端口均增加并聯(lián)電感，實現(xiàn)改善通帶的插入損耗和反射損耗，從而設(shè)計出寬頻段FBAR 濾波器。在5G 系統(tǒng)中N77 和N79通信頻段分別具24%和12.7%的相對帶寬。為了實現(xiàn)這兩個頻段的全頻段濾波器，一些新的FBAR 濾波器電路拓撲形式被報道。Zuo 等[23]提出了一種基于集成無源器件(Integrated Passive Device，IPD)和聲學技術(shù)的混合形式FBAR 濾波器，如圖4 所示。該濾波器通過IPD 的電感和電容實現(xiàn)較寬的工作帶寬，通過聲學諧振器實現(xiàn)較高的矩陣度。其中以N77 頻段濾波器為例，實現(xiàn)了帶寬為900 MHz 的通帶兩端的插入損耗分別為-2.3 dB 和-2.5 dB 且?guī)庖种茷?40 dB 的濾波器，證明這種濾波器可適用于FR1 頻段的5G 通信系統(tǒng)。Bogner 等[24]提出了一種基于無源全通網(wǎng)絡(luò)的FBAR 濾波器，如圖5 所示。其中以N79 頻段濾波器為例，證明該濾波器不僅滿足N79 頻段的帶寬要求，還滿足與N78 和5GWiFi 頻段共存的要求。

圖4 基于IPD-聲學技術(shù)的混合形式FBAR 濾波器[23]

圖5 基于全通帶網(wǎng)絡(luò)的FBAR 濾波器[24]

3 FBAR 濾波器的關(guān)鍵材料

3.1 壓電材料

FBAR 的工作原理是由中間壓電材料的逆壓電效應(yīng)將射頻信號轉(zhuǎn)換成聲波，從而形成諧振，因而壓電層是FBAR 結(jié)構(gòu)的核心組成部分。一般而言，在選擇壓電材料時需要考慮壓電耦合系數(shù)k2、縱向聲速、相對介電常數(shù)、溫度系數(shù)、固有損耗以及是否與CMOS 工藝兼容等。壓電材料的k2決定了FBAR 的大小，所以選用大k2的壓電材料進行設(shè)計可更容易實現(xiàn)FBAR 濾波器的寬頻帶?？v向聲速影響著FBAR 的厚度，在諧振頻率一定時，聲速越低，則FBAR 的厚度越薄。壓電材料的相對介電常數(shù)與FBAR 的尺寸(如上下電極的面積和壓電層的厚度)共同決定了FBAR 的靜態(tài)電學阻抗；在相同的靜態(tài)電學阻抗前提下，大的相對介電常數(shù)可以得到尺寸更小的FBAR，從而更易實現(xiàn)FBAR 濾波器的微型化。壓電材料的溫度系數(shù)反映了諧振頻率隨溫度變化的漂移程度；在濾波器設(shè)計時，需將溫度系數(shù)列入通頻帶指標制定的考慮中，以減少溫漂對FBAR 濾波性能的影響。壓電材料的固有損耗影響著FBAR 的Q值；固有損耗越小，Q值越大，從而使得由FBAR 所構(gòu)成的濾波器實現(xiàn)低的插入損耗和高的矩形度。

目前，F(xiàn)BAR 壓電層的常見材料分別為PZT、ZnO 和AlN[25-27]。表2 比較了應(yīng)用于FBAR 的三種壓電材料的特性。通過比較可知，PZT 具有最大的k2，但其固有損耗最大，縱向聲速最低[28]；ZnO 的k2也比AlN 大，但其聲速遠比AlN 慢[29]；此外，PZT 與ZnO 的制備需要鋅、鉛和鋯等金屬材料，會引入額外摻雜進而影響器件的性能，并且其制備通常不與CMOS 工藝兼容；而AlN 不僅具有最高的聲速、最小的壓電材料固有損耗、較小的溫度系數(shù)，而且其制備與CMOS 工藝兼容，因而AlN 是目前FBAR 濾波器的常用壓電材料[30-31]。

表2 應(yīng)用于FBAR 的三種壓電材料特性比較

為了獲得高質(zhì)量的壓電材料薄膜，面向FBAR濾波器應(yīng)用的AlN 制備工藝被廣泛研究。其中，為了實現(xiàn)良好的壓電性能，AlN 薄膜的生長要求嚴格的c 軸取向，即沿著(0002)晶面定向生長。AlN 薄膜的生長質(zhì)量可通過(0002)晶面的X 射線衍射的半峰寬(Full Width At Half Maxima，F(xiàn)WHM)來衡量[32]。目前，應(yīng)用于FBAR 的AlN 材料主要分為三種:多晶AlN、單晶AlN 和摻雜AlN。

①多晶AlN

FBAR 目前主要采用多晶AlN 薄膜?；诙嗑lN 的FBAR 的可高達6.5%～7.1%，并且其Q值約為1 000[33-34]。對于制備方面，磁控濺射是制備多晶AlN 薄膜的最常用方案，通常在較低溫度(200 ℃～300 ℃)下進行，反應(yīng)過程中最高溫度可達400 ℃～500 ℃，這使得制備工藝與CMOS 工藝兼容性更佳，并且可以在多種襯底上實現(xiàn)多晶AIN 薄膜c 軸擇優(yōu)取向生長；此外其還具有沉積效率高、成本低、沉積面積大等特點[35-37]。為了生長高c 軸取向的多晶AlN 薄膜，需要為吸附原子提供足夠的動能，這主要是由濺射壓力控制的[38]。需要值得注意的是，多晶AlN 薄膜的晶體取向會受到其下方的金屬電極、支撐層和襯底的影響。Matsumoto 等[39]研究了在相同濺射條件下分別在Si、SiO2和AIN 襯底或支撐層上濺射AIN/Mo 雙層膜，如圖6 所示，其實驗結(jié)果表明AIN 支撐層顯著提高了Mo 膜的質(zhì)量，在該Mo 膜基礎(chǔ)上制備的多晶AlN 薄膜c 軸取向最好，此時多晶 AlN (0002) 的 FWHM 為2.3°。Kamohara 等[40]研究了在不同濺射壓力條件下Si、Mo/Si 和Mo/AlN/Si 襯底上制備的多晶AlN 晶體取向和微觀結(jié)構(gòu)；其發(fā)現(xiàn)在Si 襯底上制備的多晶AlN薄膜的晶體取向和微觀結(jié)構(gòu)對濺射壓力具有很強的依賴性，而在Mo/Si 和Mo/AlN/Si 襯底上制備的多晶AlN 薄膜的晶體取向和微觀結(jié)構(gòu)對濺射壓力具有很弱的依賴性，即幾乎不受濺射壓力的影響。

圖6 在Si、SiO2、AlN 襯底或支撐層上沉積AlN/Mo 雙層膜的X 射線衍射譜圖和AlN(0002)的FWHM

②單晶AlN

單晶AlN 與多晶AlN 相比，其(0002)晶面的X射線衍射的FWHM 為0.025°，并具有較高的晶體質(zhì)量、較少的缺陷和更穩(wěn)定的化學性質(zhì)這有利于提高壓電性能和聲速，降低體聲波的吸收或散射。據(jù)報道，基于單晶AlN 的FBAR 的為7.63%，而其Q值為858[41]。此外，AlN 薄膜的熱導率與其薄膜厚度密切相關(guān)，隨著薄膜厚度的減小，熱導率會下降，這決定了FBAR 在更高頻率下的功率處理能力[42]。而單晶AlN 因其更高的聲速可使FBAR 在相同頻率下得到更厚的壓電薄膜。因此，基于單晶AlN 的FBAR 濾波器具有比多晶AlN 的FBAR 濾波器更強的功率處理能力。Vetury 等[43]比較了由單晶AlN 和多晶AlN 制備的BAW 濾波器的功率處理能力，其實驗結(jié)果表明單晶AlN 器件表現(xiàn)出比多晶AlN 器件更強的功率處理能力。對于制備方面，單晶AlN 薄膜一般采用金屬有機化學氣相沉積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)方法制備，雖然所制備的單晶AlN 薄膜具有更優(yōu)的壓電性能，但是該方法沉積速度慢、成本高、獲取單晶AlN 的面積通常較小[44]。Shin等[45]提出了一種通過磁控濺射方式生長單晶AlN 的方法。其方法表明為了保證單晶AlN 的性能，在生長單晶AlN 之前需要在襯底上預沉積5 nm 厚Al，并實驗證明了在室溫下通過磁控濺射在Si 襯底上能夠?qū)崿F(xiàn)生長高質(zhì)量的單晶AlN。

③摻雜AlN

基于多晶AlN 的FBAR 的為6.5%～7.1%，這限制了實現(xiàn)FBAR 濾波器的寬頻帶性能，進而難以滿足5G 系統(tǒng)中通信頻段的應(yīng)用需求。隨著AlN壓電材料研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)將某些元素摻雜到AlN 薄膜中可以顯著地改善壓電性能。其中，摻雜Sc 元素AlN 薄膜的研究最為廣泛。ScAlN 薄膜一般可以通過雙反應(yīng)磁控濺射制備，其具有更高的k2，同時保持著較低的介電損耗[46]。在ScAlN 薄膜中，其壓電性能隨著在一定范圍內(nèi)的Sc 含量增加而增加[47]。Moreira 等[48]分別基于三種不同Sc 含量的ScAlN 制備FBAR。其中，Sc 含量為3%時，F(xiàn)BAR的為7.55%，Q值為601；Sc 含量為9%時，F(xiàn)BAR的為7.55%，Q值為513；Sc 含量為15%時，F(xiàn)BAR 的為12%，Q值為348。值得注意的是，基于ScAlN 的FBAR 通過增加Sc 含量使增大時，其Q值也隨之減小。此外，摻雜其他元素也可提高AlN 的壓電性能。Yokoyama 等[49]報道了基于Mg元素和Zr 元素共摻雜的AlN 薄膜的FBAR，其結(jié)果表明達到8.5%，Q值為821；接著，研究了基于Mg 元素和Hf 元素共摻雜的AlN 薄膜的FBAR，其結(jié)果表明可達到10%，而Q值為781[50]。

表3 比較了基于多晶AlN、單晶AlN、摻雜AlN 的FBAR 的特性?；诙嗑lN 的FBAR 的較低，從而限制了FBAR 濾波器的寬頻帶實現(xiàn)。與多晶AlN相比，基于單晶AlN 的FBAR 的相對較高，然而其Q值相對較小，并且單晶AlN 的制備工藝較復雜。基于摻雜AlN 的FBAR 可通過選擇摻雜元素和控制摻雜濃度以實現(xiàn)大的，然而其Q值隨著的增大而減小，并且其制備工藝要求較高。綜上所述，基于單晶AlN 和摻雜AlN 的FBAR 皆可實現(xiàn)更大的，有利于實現(xiàn)應(yīng)用于5G 通信系統(tǒng)的寬頻段FBAR 濾波器；但是作為濾波器基本單元的FBAR 的Q值隨著的增大而減小，進而使得FBAR 濾波器的矩形度降低。因此在設(shè)計寬頻段FBAR 濾波器時，需要對AlN壓電材料的選擇進行綜合性考慮。

表3 基于多晶AlN、單晶AlN、摻雜AlN 的FBAR 特性比較

3.2 電極材料

FBAR 的基本結(jié)構(gòu)為由上電極—壓電材料—下電極組成的三明治結(jié)構(gòu)。因此，除了壓電材料外，電極材料也對FBAR 及其濾波器的性能具有重要影響。在選取電極材料時，需要考慮電極材料的電阻率、聲阻抗、體密度以及與壓電薄膜的晶格匹配程度。電極材料的低電阻率可以減小電阻損耗，有助于降低FBAR 濾波器的插入損耗。電極材料的高聲阻抗可以使得聲波能量盡可能地約束在FBAR 的諧振振蕩區(qū)內(nèi)，以獲得高的和Q值。電極材料的低密度可以更好實現(xiàn)高頻率的FBAR。如前面所述，壓電材料的薄膜晶體取向受到下電極的影響，所以為了滿足壓電薄膜嚴格的c 軸取向生長，下電極與壓電薄膜的晶格匹配尤為重要。

目前，F(xiàn)BAR 主要采用AlN 作為壓電材料薄膜，可滿足AlN 薄膜嚴格的c 軸取向生長要求的常用電極材料包括:Al、Mo、W、Pt、Ru[51-56]。表4 比較了基于AlN 薄膜的FBAR 常用電極材料的特性。相比于Al 和Pt，Mo、W 和Ru 均具有較小的薄膜電阻和較高的聲阻抗，因而更適合作為FBAR 的電極材料。其中，W 和Ru 的體密度均比Mo 更大，且在FBAR的制備過程中W 的應(yīng)力控制比Mo 復雜[7]。因此，通常采用Mo 作為FBAR 濾波器的電極材料。

表4 基于AlN 薄膜的FBAR 常用電極材料特性比較

4 FBAR 的空腔結(jié)構(gòu)方案

FBAR 正常工作的必要條件是，諧振振蕩區(qū)的上下表面直接與空氣接觸，使射頻電信號激勵的聲波被限制在諧振振蕩區(qū)內(nèi)來回反射，進而產(chǎn)生諧振。為了實現(xiàn)諧振振蕩區(qū)的上下表面均與空氣形成接觸界面，在襯底上形成的空腔結(jié)構(gòu)是FBAR 不可或缺的組成部分。目前，F(xiàn)BAR 空腔結(jié)構(gòu)的工藝制備方案主要分為兩大類:一是從襯底背面刻蝕空腔結(jié)構(gòu)的硅反面刻蝕型結(jié)構(gòu)，二是從襯底正面制備空腔結(jié)構(gòu)的空氣間隙型結(jié)構(gòu)。其中，每一大類又有兩種不同的構(gòu)成方式。對此，MEMS 技術(shù)的出現(xiàn)使高性能的FBAR 及其濾波器的發(fā)展成為可能[57]。

4.1 硅反面刻蝕型

從襯底背面刻蝕空腔結(jié)構(gòu)的硅反面刻蝕型結(jié)構(gòu)根據(jù)形成方式主要包括兩種:各向異性濕法刻蝕和深反應(yīng)離子刻蝕(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)。其主要依賴于MEMS 體微加工技術(shù)。圖7 為硅反面刻蝕型結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)圖。

圖7 從襯底背面刻蝕空腔結(jié)構(gòu)的硅反面刻蝕型結(jié)構(gòu)的SEM 圖

早期FBAR 主要為通過背面刻蝕空腔結(jié)構(gòu)工藝實現(xiàn)的硅反面刻蝕型結(jié)構(gòu)，其制備空腔方法為各向異性濕法刻蝕[58-60]。該工藝從硅襯底的背面沿〈100〉方向快速蝕刻，直到刻蝕停止在SiO2或p+層，但是沿〈111〉方向卻緩慢蝕刻，進而留下〈111〉方向的四壁，從而得到外形類似金字塔形狀的空腔結(jié)構(gòu)，稱為金字塔型空腔結(jié)構(gòu)，如圖7(a)所示。

DRIE 是FBAR 背腔制備的另一種方法，其特點是可以形成側(cè)壁幾乎垂直于器件底面的空腔結(jié)構(gòu)。DRIE 與各向異性濕法刻蝕相比可減少背腔的面積，從而提高器件的空間利用率和縮小器件的尺寸。Nishihara 等[61]提出一種利用DRIE 工藝制備的FBAR 結(jié)構(gòu)，其結(jié)果表明空腔結(jié)構(gòu)能夠垂直通過硅襯底，以背面腐蝕的方式實現(xiàn)了具有陡峭垂直側(cè)壁的空腔結(jié)構(gòu)，如圖7(b)所示。

圖8 所示為基于硅反面刻蝕型FBAR 的工藝流程。首先選用取向〈100〉硅晶圓作為襯底，通過熱氧化在晶圓上生長一層SiO2層，將硅襯底正面的SiO2層作為刻蝕停止層和FBAR 的支撐層；對于制備的FBAR 諧振振蕩區(qū)，自下往上依次為支撐層、下電極、壓電層、上電極和鈍化層；最后進行空腔結(jié)構(gòu)的刻蝕，從硅襯底的背面通過采用各向異性濕法刻蝕工藝得到金字塔型空腔結(jié)構(gòu)，或者通過采用DRIE工藝得到陡峭垂直側(cè)壁的空腔結(jié)構(gòu)。

圖8 基于硅反面刻蝕型FBAR 的工藝流程

在DRIE 工藝過程中，為了保證SiO2層下方硅襯底完全被去除掉，通常會發(fā)生襯底的過刻蝕，從而損失掉一部分SiO2層。為了解決DRIE 工藝中過刻蝕SiO2層的問題，高楊等[62]提出了一種基于絕緣襯底上的硅(Silicon On Insulator，SOI)圓片 制備FBAR 的空腔結(jié)構(gòu)組合刻蝕方法。在SOI 片上形成FBAR 的諧振振蕩區(qū)后，從硅襯底的背面先采用DRIE 工藝刻蝕掉底層硅，在刻蝕至SiO2埋氧層時，再換用刻蝕速率較低的反應(yīng)離子刻蝕(Reactive Ion Etching，RIE)工藝，由此更容易控制刻蝕時間，從而盡可能減少SOI 片中Si 器件層正面的SiO2層的損失，其工藝流程如圖9 所示。

圖9 基于SOI 圓片上硅反面刻蝕型FBAR 的工藝流程

4.2 空氣間隙型

從襯底正面制備空腔的空氣間隙型結(jié)構(gòu)根據(jù)形成位置主要包括兩種:上凸空氣間隙型和下沉空氣間隙型。其主要依賴于MEMS 表面微加工技術(shù)。

早期FBAR 通過各向異性刻蝕工藝制備空腔結(jié)構(gòu)。然而這種空腔結(jié)構(gòu)比實際諧振面積大得多，其面積大小與襯底的厚度有關(guān)。這在實際中引起了許多的問題，其一這種過大的空腔結(jié)構(gòu)造成了芯片面積的浪費，顯著降低了每片晶圓上FBAR 或其濾波器的數(shù)量，在一定程度上提高了制備成本；其二對于FBAR 集成到有源電路時，在刻蝕過程增加了損壞如晶體管等外部器件和電路的風險，這顯然不利于芯片的集成化；其三由于FBAR 的諧振振蕩區(qū)僅靠襯底邊緣支撐，這導致了其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性一般?；谏鲜鲋T多不足，通過表面微加工技術(shù)制備的空氣間隙型FBAR 被提出。因其采用了表面微加工技術(shù)，無需對硅襯底的背面進行加工，所以該技術(shù)與CMOS 工藝兼容性更佳。

基于上凸空氣間隙型FBAR 是一種在硅襯底的正面和諧振振蕩區(qū)的下表面之間具有薄的空氣氣隙的結(jié)構(gòu)。首先在硅晶圓的正面制備一層犧牲層，然后依次制備支撐層、下電極、壓電層、上電極和鈍化層，完成FBAR 諧振振蕩區(qū)的制備，最后通過釋放孔將犧牲層去掉形成空氣間隙，其工藝流程如圖10所示。

圖10 基于上凸空氣間隙型FBAR 的工藝流程

Satoh 等[63]報道了一種基于非壓電ZnO 犧牲層的上凸空氣間隙型FBAR。一方面以非壓電ZnO 作為犧牲層，采用HCl 溶液通過側(cè)壁的釋放孔去掉犧牲層；另一方面，為了防止壓電層ZnO 薄膜被刻蝕損傷，同時防止殘余應(yīng)力引起的變形或裂紋，空氣間隙需要非常薄，實驗表明空氣間隙的高度為1 000 ?，可滿足要求。此外，F(xiàn)BAR 的犧牲層材料還可以為Mg、Ge、摻磷硅玻璃等[64-66]。

Taniguchi 等[67]提出了一種通過控制薄膜應(yīng)力形成圓頂狀的上凸空氣間隙型FBAR。其制備流程如下:在硅晶圓上首先依次形成犧牲層、下電極、壓電層和上電極，并通過控制濺射條件對諧振振蕩區(qū)施加壓應(yīng)力，然后去除犧牲層。在FBAR 的諧振振蕩區(qū)的壓應(yīng)力作用下，諧振振蕩區(qū)的結(jié)構(gòu)會向上翹曲，從而形成一個圓頂狀的空氣間隙，以減少在犧牲層消除時諧振振蕩區(qū)結(jié)構(gòu)與襯底發(fā)生粘連的風險，如圖11 所示。

圖11 基于圓頂狀的上凸空氣間隙型FBAR[67]

下沉空氣間隙型FBAR 的空氣間隙與上凸空氣間隙型FBAR 的空氣間隙的位置與制備方式均不同。對于下沉空氣隙型FBAR，在制備諧振振蕩區(qū)之前，首先通過采用體刻蝕微加工技術(shù)在硅晶圓的正面刻蝕出空腔，然后填充一層犧牲層，再采用化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)去除多余犧牲層且使得表面光滑，以保證后面生長膜層的表面粗糙度，接著進行諧振振蕩區(qū)的制備，最后刻蝕釋放孔，并且通過釋放孔去除掉犧牲層，從而形成空腔結(jié)構(gòu)，如圖12 所示。Kim 等[68]開發(fā)了一種基于多孔硅犧牲層的ZnO/Si 復合薄膜結(jié)構(gòu)的FBAR。其中，多孔硅犧牲層采用選擇性陽極反應(yīng)制備，采用2%NaOH 溶液可以去除多孔硅犧牲層，從而形成空腔結(jié)構(gòu)。

圖12 基于下沉空氣間隙型FBAR 的工藝流程

華迪等[69]提出了一種基于單晶硅外延封腔工藝的下沉空氣間隙型FBAR。其制備流程如圖13所示:首先選取單晶硅襯底，采用RIE 工藝在襯底上刻蝕淺槽，然后在保護淺槽側(cè)壁的同時對襯底進行各向同性腐蝕，再外延生長單晶硅，使得襯底的內(nèi)部形成密封的空腔結(jié)構(gòu)，隨后在包含封閉的空腔結(jié)構(gòu)的硅襯底上制備FABR 的其他結(jié)構(gòu)層。該工藝方案可實現(xiàn)FBAR 器件具有良好的機械能、高穩(wěn)定性，并且與后續(xù)電路兼容。

圖13 基于單晶硅外延封腔工藝的下沉空氣間隙型FBAR 的工藝流程

董樹榮等[70]提出了一種基于高空隙率多孔硅的下沉空氣間隙型FBAR。其通過高溫退火使多孔硅發(fā)生高溫遷移，形成硅薄膜和空腔結(jié)構(gòu)，如圖14 所示。該空腔結(jié)構(gòu)方案的特點是無需長時間腐蝕犧牲層，可有效地解決傳統(tǒng)空氣隙型結(jié)構(gòu)存在的去除犧牲層時間長、結(jié)構(gòu)層易破壞、器件成品率低等問題。

圖14 通過多孔硅高溫遷移形成的薄膜與空腔

表5 所示為硅反面刻蝕型和空氣間隙型FBAR的比較。早期硅反面刻蝕型FBAR 的空腔結(jié)構(gòu)是通過各向異性濕法刻蝕制備的，最終形成外形像金字塔的空腔結(jié)構(gòu)。但是，這種FBAR 結(jié)構(gòu)的背腔區(qū)域面積比實際諧振區(qū)域面積大得多，從而導致大的FBAR 器件面積。此外，由于大面積的硅襯底被去除，導致這種FBAR 的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性一般。DRIE 工藝制備的硅反面刻蝕型FBAR 具有陡峭垂直側(cè)壁的空腔結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)更小面積尺寸的FBAR 器件?？諝忾g隙型FBAR 不需要去除大部分硅襯底，故其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與硅反面刻蝕型FBAR 相比要好很多。由于這類FBAR 直接在晶圓襯底的正面進行制備空腔結(jié)構(gòu)，不需要對襯底的反面進行加工，使其與CMOS 工藝兼容性更好。其中，下沉空氣間隙型FBAR 為保證填充犧牲層上生長的膜層的表面粗糙度，需引入體刻蝕微加工技術(shù)在硅襯底上刻蝕出空腔和CMP工藝對晶圓表面進行拋光，因此增加了工藝流程的復雜性。相比之下，上凸空氣間隙型FBAR 直接在硅襯底上制備空氣間隙，無需預先采用體刻蝕微加工技術(shù)在硅襯底上刻蝕出空腔并填充犧牲層，免除了CMP 工藝步驟，因此工藝制備流程相對簡單。

表5 基于硅反面刻蝕型和空氣間隙型FBAR 的比較

5 展望

全球5G 通信系統(tǒng)的核心頻段集中在N77 和N79 頻段，其與過去4G 通信系統(tǒng)相比對射頻濾波器提出了更高的工作頻率和更寬的工作帶寬等性能要求。目前，SAW 濾波器在通信系統(tǒng)中依然是主要的射頻濾波器的解決方案，但是當通信系統(tǒng)的工作頻段發(fā)展到3 GHz 以上，SAW 濾波器因性能瓶頸掙扎在2.5 GHz 而難以適用，因而滿足更高工作頻率的FBAR 濾波器的發(fā)展勢在必行。

在FBAR 濾波器的電路拓撲形式方面，Ladder形式是目前FBAR 濾波器的主要路拓撲形式。為了滿足通信系統(tǒng)的性能要求，F(xiàn)BAR 濾波器在設(shè)計中可通過在并聯(lián)諧振支路串聯(lián)電感以及在輸入和輸出端并聯(lián)電感的方式改善帶外抑制和拓寬工作帶寬。此外，為了滿足N77 和N79 頻段濾波器的性能，一些新的電路拓撲形式被提出，例如基于IPD 和聲學技術(shù)的混合形式FBAR 濾波器、基于全通帶網(wǎng)絡(luò)的FBAR 濾波器等。事實上，無論是Ladder 形式，還是新的電路拓撲形式，在設(shè)計濾波器時都涉及到FBAR 與無源器件或電路的結(jié)合。因此，基于FBAR與無源器件或電路結(jié)合的濾波器結(jié)構(gòu)，將是5G 時代下FBAR 濾波器實現(xiàn)更高性能的重要發(fā)展方向。

在FBAR 濾波器的壓電材料和電極材料方面，壓電層作為FBAR 的核心組成部分，其壓電材料的選擇對FBAR 濾波器的性能影響顯著。多晶AlN 作為FBAR 的主要壓電材料薄膜，其k2難以滿足5G 通信系統(tǒng)對寬通帶濾波器的要求。因而，為了實現(xiàn)壓電材料具有更高的k2，單晶AlN 和摻雜AlN 成為研究熱點。其中摻雜AlN 可通過選擇摻雜元素和控制摻雜濃度來得到高k2的壓電材料。此外，相比于基于單晶AlN 的FBAR，基于摻雜AlN 的FBAR 通常具有較高的，從而設(shè)計出具有更寬的工作帶寬的FBAR濾波器。因此，通過摻雜AlN 在5G 時代下FBAR 濾波器實現(xiàn)寬頻段中具有巨大的應(yīng)用潛力。

在FBAR 濾波器的空腔結(jié)構(gòu)制備方案方面，空腔結(jié)構(gòu)作為FBAR 的關(guān)鍵組成部分，其制備方案是整個FBAR 濾波器制備流程的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)空腔制備方案不同，F(xiàn)BAR 主要分為硅反面刻蝕型和空氣間隙型。其中，空氣間隙型FBAR 具有更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，能更好地滿足FBAR 濾波器性能要求。此外，其制備工藝與CMOS 兼容性好，符合當前射頻前端集成化的發(fā)展趨勢。因此，空氣間隙型FBAR有望成為構(gòu)建FBAR 濾波器的最廣泛應(yīng)用類型。

FBAR 濾波器作為在5G 通信系統(tǒng)中射頻前端濾波器的最優(yōu)解決方案之一，將持續(xù)受到廣泛關(guān)注與深入研究。伴隨著新的電路拓撲形式、新的結(jié)構(gòu)層材料和新的空腔結(jié)構(gòu)制備方案的涌現(xiàn)，可以期待FBAR 濾波器將更好地滿足5G 通信系統(tǒng)性能要求，并且實現(xiàn)巨大的應(yīng)用與市場價值。

6 結(jié)論

本文對FBAR 濾波器的結(jié)構(gòu)原理、電路拓撲形式、核心關(guān)鍵材料和空腔結(jié)構(gòu)方案四個方面進行了詳細的綜合闡述與研究。首先介紹了FBAR 的基本結(jié)構(gòu)、描述了其工作原理，并指出用于衡量性能優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。然后概括了FBAR 濾波器的電路拓撲形式，并對其應(yīng)用特點進行分析。隨后研究了FBAR 濾波器的關(guān)鍵材料，并進行了性能特性的比較。其次總結(jié)了FBAR 的空腔結(jié)構(gòu)制備方案，并給出了對比與討論。最后對FBAR 濾波器的進一步發(fā)展做出了展望。本文對FBAR 濾波器的綜述研究有助于今后FBAR 濾波器的進一步發(fā)展，同時為研究其他類似器件提供了技術(shù)方法。