薄膜体声波谐振器及其应用

为了保证FBAR具有高Q值，必须保证声波在上下压电薄膜外边界表面的高反射效率，这就要求上下电极外表面与周围介质在声学上进行隔离。一般情况下，压电材料上面电极平面直接与空气接触，不需要考虑隔离问题，而为解决底部电极平面同外界保持声学隔离，主要形成了以下三种FBAR结构。

3．1、空腔声学隔离薄膜结构

l980年，T．W．Grudkowski报道了图3所示的FBAR结构[1]，该FBAR由平面电极间的三明治式淀积的压电薄膜构成，底部电极置于氮化硅薄膜上，氮化硅薄膜由衬底空腔四周边缘的顶部作为支撑，这样，使得氮化硅与衬底形成声学隔离。此种结构工艺上需要对衬底的底部进行腐蚀形成空腔，如果衬底是硅材料，则一般需要用KOH腐蚀。这种结构的难点是由于在衬底存在空腔，使得硅片变得十分脆弱易脆，并且由于使用KOH进行湿腐蚀时，各向异性腐蚀会在衬底底部产生54．7。的腐蚀倾斜角，这使得每片晶片上产出FBAR滤波器的数量有所降低。

3．2、空隙声学隔离薄膜结构

l985年，H．Satoh报道了图4所示的FBAR结构[4]，在衬底和谐振器之间制作空隙桥，它首先需要在衬底上沉淀一层临时的支撑材料作为牺牲层，然后分别沉淀底部平面电极板、压电材料和上面的平面电极板，最后移走牺牲层，形成薄膜。由于此种结构的FBAR的工艺都在衬底的上表面进行，所以不存在上下对齐和背部大面积空腔的要求，但这种方法也有固有的难点，就是如何在大面积的器件上实现工艺，如采用典型的方法使用SiO₂作为牺牲层，最后用HF溶液将其腐蚀掉，其腐蚀速率为l00～300nm／min，如果对表面为150μm×150μm的器件下方进行腐蚀的话，则至少需要500min，而暴露的金属电极接触蚀刻剂超过30min时就会与压电材料分裂。

3．3、反射层声学隔离固定结构固定结构

l995年，K．M．Lakin报道了图5所示的固定式SMR结构[5]，薄膜谐振器直接坚固地表贴在衬底上，由于没有空气缝隙，其结构更加稳定，但为了获得高Q值，它使用Bragg反射层使压电材料和衬底在声学上保持隔离。Bragg反射层要求用声学阻抗率大和阻抗率小的的材料交替层叠在衬底上，每层厚度为谐振波长的l／4，当层数充分多时，这样使得声波有效地局限于压电薄膜内部反射。此种结构固有的难点是Bragg反射层材料的选择是受限制的，首先不能用金属，这是因为金属层容易形成寄生电容而降低滤波器的电气性能，如果用电介质材料，由于它们之间的声学阻抗的差别不是很大，故需要很多层，这样增加了工艺复杂度，在多层电介质上打孔也不是一件容易的事情，使其不易与其他有源器件集成。目前，由这种结构制成的谐振器比其他结构谐振器在有效机电耦合系数上明显偏低，这样也就降低了它的有效带宽。

4、FBAR使用材料

FBAR的插入损耗、有效耦合系数和品质因数等参数都与制作FBAR的压电材料和电极材料的性能密切相关。射频FBAR要求压电材料有较高的机电耦合系数和较低的介电常数。目前ZnO和AlN已被成功制成压电薄膜，它们物理性质如表l所示。

从表中可以看到，具有较高机电耦合系数的ZnO可以有较高的带宽，可以满足许多无线通信的技术要求，但是它的TCF(temperaturecoefficientofthefrequency)指标是A1N的两倍多，这表明它比A1N更易受外界温度的影响。A1N与ZnO相比，它不仅与硅有更好的兼容性、更高的电阻率、低密度的优良特性，而且由于它的较低电介质损耗，使其更容易满足通信中对滤波器损耗的要求，所以目前大部分FBAR器件选用A1N压电材料。

压电两端电极材料曾选用工艺上成熟的Al，Pt和w金属，然而Pt和w金属的缺点是密度过高，而Al金属声学阻抗低和相对比较高的热弹性损耗也不适应高频FBAR。目前，Mo金属由于它的低密度、低声波衰减、低电阻率、高声学阻抗和相对较高的熔点的优良特性，被广泛选为作电极的材料。