FBAR滤波器的工作原理及制备方法

波的散射损失以及电极的电损失（Electrical Loss），而造成品质因素的降低。因此，对于体声波谐振器元件来说，只要是声波传递的路径，不论是压电层或是反射层，各层薄膜的成长品质都会影响整体元件的品质因素。

三种FBAR结构

现在主流的FBAR结构主要有三种：空气隙型、硅反面刻蚀型和固态装配型。

1、空气隙型

此种FBAR是基于MEMS的表面微加工技术（surface micromachining），在硅片的上表面形成一个空气隙以限制声波于压电震荡堆之内。通过先填充牺牲材料最后再移除之的方法制备空气腔以形成空气一金属交界面。此方法可以传统的硅艺兼容。

2、硅反面刻蚀型

此种FBAR是基于MEMS的体硅（Si）微加工技术（bulk micromachining），将Si片反面刻蚀。在压电震荡堆的下表面形成空气一金属交界面从而限制声波于压电震荡堆之内。此技术的缺点是由于大面积移除Si衬底，导致机械牢度降低。

3、固态装配型结构

此种FBAR是采用布拉格反射层技术限制声波于压电震荡堆之内。由一层四分之一波长厚度的高声学阻抗材料和一层四分之一波长厚度的低声学阻抗材料交替构成。层数越多则反射系数越大，制得的器件Q值也越高，但无论如何其反射效果终不如前两种结构的反射效果好，故基于布拉格反射层的FBAR其Q值不如前两者高。

FBAR器件的制备

理想的空气隙型FBAR为三明治结构，即上电极/压电层/下电极，在硅表面和FBAR的下电极表面之间刻蚀出一个空气隙以形成空气界面。实际的空气隙型FBAR谐振器包括上电极/压电层/下电极/支撑层，在硅表面和支撑层下表面之间刻蚀出一个空气隙以形成空气界面，从而在FBAR基片上下界面形成空气反射层，在二个空气界面之间形成驻波，将声波能量限制在FBAR基片中。

下面我们看看空气隙型FBAR器件的制备流程。

1. 在准备好的硅片上表面蚀刻一凹槽（空气隙），然后再沉积一层薄的SiO₂缓冲层，用来保护硅衬底。
2. 填充牺牲层，如Ti，磷石英玻璃PSG
3. 利用化学机械抛光表面，去掉多余牺牲层
4. 淀积下电极，光刻成所需图形，然后用反应射频磁控溅射淀积高C轴取向的压电薄膜ALN
5. 使用RIE刻蚀技术刻蚀压电薄膜，形成将底电极引出的通孔
6. 淀积上电极，光刻形成所需图形
7. 腐蚀去除牺牲层，形成空气隙

适用于FBAR的材料分析

目前应用于FBAR压电薄膜的材料主要有ALN、ZnO和PzT，金属电极的材料有Mo、A1等，布拉格反射层的材料有w、si02、ALN等。

选择压电薄膜的材料时有几个必须考虑的参数：

表1 压电材料参数表
Tab.1 Comparison of piezoelectric materials for FBAR

（1）压电耦合系数Kt，决定了电能和机械能之间的转换比例，也决定了基于FBAR的射频滤波器的带宽

（2）相对介电常数εr，和电极面积、压电薄膜厚度一起决定着FBAR的电学阻抗值，高的介电常数可以减小FBAR的尺寸
（3）声速v。根据v=f*λ在频率一定时，声速愈小，则器件的厚度和尺寸愈小
（4）材料固有损耗。损耗小则滤波器的插入损耗亦小，目前ALN和ZnO已成功应用于FBAR滤波器，基于PzT的FBAR滤波器因损耗过大而尚未有商业化的产品推出。ALN损耗最小。
（5）温度系数。温度系数影响着振荡频率随温度变化的漂移，ALN的温度系数较ZnO低许多。
（6）热导率。热导率高则功率容量大。ALN的热导率极好。
（7）化学稳定性。化学稳定性影响到器件在潮湿环境中的可靠性，ALN要比ZnO稳定得多。

此外，锌、铅、锆等材料对于CMOS工艺来说是很危险的材料，因为它们会严重地降低半导体中载流子的寿命，而ALN不存在这一问题。

薄膜的制备也是不容忽视的问题。所以，综合各方面考虑，ALN是比较适合的压电材料，虽然乍看上去不如ZnO和PZT。

至于电极材料的选择，以低损耗高声速为原则，ZnO优于AL，而且ZnO和ALN薄膜之间不会形成像AL和ALN薄膜之间的无定形层。

结语

近年来，随着压电薄膜材料制备手段的完善、半导体工艺技术的发展，FBAR相关技术也得到了快速发展。FBAR可以制成高性能滤波器、双工器、振荡器等多种射频集成微波器件和高灵敏传感器等。FBAR是目前唯一可以与RFIC以及MMIC集成的射频滤波器解决方案，且FBAR能以更低的价格提供更有益的性能，具有很强的市场竞争力。在下一代无线通信系统和无线接入领域，FBAR器件将会有更广阔的市场前景。