一、聲學(xué)波濾波器原理簡(jiǎn)介
常用的手機(jī)射頻濾波器主有兩類:聲表面波(SAW)濾波器和體聲波(BAW)濾波器。
一個(gè)基本的SAW濾波器由壓電材料和兩個(gè)個(gè)插指換能器(IDT)組成,如圖1(a)所示。SAW的原理是基于壓電材料的壓電特性,利用輸入與輸出換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,經(jīng)過(guò)處理后,再把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電信號(hào),以達(dá)到濾波的目的。SAW濾波器具有高穩(wěn)定性、小型、高選擇度等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于手機(jī)射頻前端模塊中。但是,SAW不適合用于頻率高于2.5GHz的應(yīng)用,因?yàn)轭l率越高,要求IDT指寬和指間距越小,對(duì)光刻分辨率的要求也越來(lái)越高。要克服SAW的頻率上限,就需要在光刻上投入大量資金,而性能尺寸比例不理想的根本問(wèn)題仍將存在。
相比于SAW,BAW更適合于高頻。與SAW不同,聲學(xué)波在BAW中是垂直傳播的。BAW的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)金屬電極夾著壓電薄膜,聲波在壓電薄膜里震蕩形成駐波。為了把聲學(xué)波留在壓電薄膜里震蕩,震蕩結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境之間必須有足夠的隔離才能得到最小的損耗和最大的品質(zhì)因子(Q)值。
FBAR能夠?qū)崿F(xiàn)這種駐波激勵(lì),是BAW的一個(gè)重要分支。反面刻蝕型FBAR是典型的FBAR結(jié)構(gòu)(圖1(b)),該結(jié)構(gòu)是在襯底(硅襯底)底部刻蝕出一個(gè)窗口,在上下電極的外部均形成空氣界面,這樣就可以實(shí)現(xiàn)聲學(xué)波全反射。
圖1 不同的聲學(xué)波器件結(jié)構(gòu)。(a)SAW,(b)FBAR,(c)HBAR
HBAR也是基于體聲波產(chǎn)生諧振的器件。HBAR是在低損襯底上制備金屬電極/壓電薄膜/金屬電極夾心結(jié)構(gòu)換能器所形成的器件(圖1(c)),是一種能在射頻頻段產(chǎn)生多個(gè)高Q諧振點(diǎn)的器件。工作時(shí),在外加電場(chǎng)作用下,壓電薄膜作厚度方向的伸縮運(yùn)動(dòng),由夾心結(jié)構(gòu)換能器激發(fā)出的聲波能量注入低損諧振腔中,引起駐波諧振。因?yàn)橹C振腔厚度遠(yuǎn)大于聲波波長(zhǎng),所以使用壓電換能器可以在其中發(fā)射和提取基頻響應(yīng)的高次諧波頻率。只要滿足襯底表面平行間隔為λ/2整數(shù)倍的頻率,就都有高Q值的諧振頻率響應(yīng)。
二、基于鍵合工藝制備LiNbO3和LiTiO3薄膜材料的研究進(jìn)展
傳統(tǒng)的SAW制備在LiNbO3(LNO)、LiTiO3(LTO)等體壓電材料上。這些體單晶材料的主要問(wèn)題是成本較高且不與CMOS工藝兼容。近年來(lái),越來(lái)越多的研究者開(kāi)始致力于開(kāi)發(fā)薄膜SAW器件,主要的動(dòng)機(jī)是:(1)采用半導(dǎo)體材料作為襯底能夠提高SAW的集成能力;(2)通過(guò)選擇高波速的襯底,比如藍(lán)寶石、金剛石或者硅襯底能夠提高波束,并且這些襯底可以通過(guò)引導(dǎo)壓電層內(nèi)部的能量來(lái)抑制波在傳輸中的損耗。另外,壓電薄膜材料是BAW的核心層。選擇合適的壓電薄膜材料和制備工藝是決定BAW性能的關(guān)鍵因素。因此,要獲得高性能、低成本、高集成度的聲學(xué)波濾波器器件,突破壓電薄膜材料的制備技術(shù)是核心。
AlN是最流行的用于制備濾波器件的壓電薄膜材料,通常采用濺射方法制備。但是,濺射的AlN薄膜是特定取向的(多晶)材料,并且壓電薄膜以及薄膜/襯底界面的質(zhì)量難以控制,導(dǎo)致其機(jī)電耦合系數(shù)(K2)和Q較低,不能滿足下一代高頻帶通濾波器高帶寬(相對(duì)帶寬>10%)、低插損(<3dB)的需求。
而采用基于鍵合工藝的層轉(zhuǎn)移技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多種取向、高K2的薄膜壓電材料與低損襯底的靈活結(jié)合,因而能夠提升薄膜上SAW和BAW的性能。
理論研究表明,LNO和LTO薄膜的K2較高。例如,X切向LON薄膜上FBAR的K2最高可達(dá)45%,遠(yuǎn)高于AlN薄膜的8%。相應(yīng)地,LNO上FBAR濾波器的相對(duì)帶寬超過(guò)20%,是AlN上的BAW的相對(duì)帶寬的6倍(圖2)。
因此,研究和產(chǎn)業(yè)化基于鍵合工藝制備LNO和LTO薄膜的技術(shù)越來(lái)越受到業(yè)界的重視。
根據(jù)不同的器件設(shè)計(jì)需求,主要有兩種基于鍵合工藝實(shí)現(xiàn)薄膜層轉(zhuǎn)移的技術(shù)。一種是Smart-Cut技術(shù),用于制備薄膜壓電材料;另一種是鍵合+研磨技術(shù),用于制備厚膜壓電材料。下面著重梳理基于鍵合工藝制備LNO和LTO薄膜材料的研究進(jìn)展(表1)。
圖2 X切向LNO與AlN薄膜上BAW濾波器的性能的仿真結(jié)果比較
(1)基于鍵合工藝制備應(yīng)用于SAW的LNO和LTO薄膜材料的研究進(jìn)展
2002年,LETI的Solal等人采用Smart-Cut技術(shù)將厚度為0.5μm的YX切向LNO成功轉(zhuǎn)移至高阻硅襯底上。該襯底上SAW的K2為14.5%,頻率溫度系數(shù)(TCF)為-50ppm/K,表明層轉(zhuǎn)移方法能夠保留薄膜的壓電特性。其中,薄膜上SAW的TCF稍低于LNO晶體上SAW的TCF(-70~-80ppm/K)的原因是硅襯底的存在,限制了LNO薄膜的熱膨脹。但是,采用該方法制備的SAW的TCF仍然較大,不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。
與LNO相比,LTO晶體上SAW器件的TCF(-38~-44 ppm/K)較小,因此,隨后的研究者嘗試將LTO薄膜轉(zhuǎn)移至硅襯底上。2009年,NGK的Yuji等人在30μm厚的LTO薄膜上演示了TCF僅為-8.4ppm/K的SAW。目前,NGK已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了6寸厚膜LTO襯底的產(chǎn)業(yè)化。2015年,LETI和frec|n|sys合作,也在厚膜LTO上制備出TCF較小的SAW,但是測(cè)得的SAW的Q值較低。2018年,Soitec發(fā)布了其商用6寸襯底-POI(Piezo on Insulator)。POI襯底上SAW器件的K2、Q、TCF等關(guān)鍵性能指標(biāo)得到了很好的折中。
(2)基于鍵合工藝制備應(yīng)用于BAW的LNO薄膜材料的研究進(jìn)展
相比于LTO薄膜,LNO薄膜是BAW領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。2006年,F(xiàn)EMTO-ST的Gachon等人利用光刻膠SU8作為粘合劑將厚膜(10~20μm)LON轉(zhuǎn)移到玻璃襯底上。在該襯底上制備的FBAR的K2為18%,高于傳統(tǒng)FBAR器件的K2;Q值在500MHz時(shí)達(dá)到6770,表明LON的聲學(xué)波損耗相對(duì)較低。
為了獲得更高的K2,LETI的Pijolat等人于2011年提出采用X切向的LNO薄膜的方案,他們?cè)?.6μm的LNO薄膜上制備出K2高達(dá)43%的FBAR。但是FBAR的Q值很低,只有64,這是由于薄膜厚度均勻性差導(dǎo)致的。2014年,LETI的Reinhardt等人通過(guò)改善拋光工藝提高了薄膜的均勻性,并且通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)整了金屬電極與壓電薄膜的相對(duì)厚度,最終在20μm厚的LON薄膜上制備出K2為53%、Q值為375的FBAR器件。此時(shí)Q值仍舊不高的原因是受寄生響應(yīng)干擾所致。
另一方面,HFBAR架構(gòu)可以優(yōu)化LON薄膜上BAW的Q值。2007年,Gachon等人利用鍵合加研磨的技術(shù)將厚度為34μm的LON薄膜轉(zhuǎn)移到LON襯底上。該結(jié)構(gòu)上HBAR的Q值突破了50000,對(duì)應(yīng)的Q×f則高達(dá)8.1×1013Hz。
為了避免金屬鍵合以及研磨工藝對(duì)LON表面平整度和均勻性的影響,Pijolat等人轉(zhuǎn)而采用基于H+離子注入和SiO2/SiO2鍵合的Smart-Cut技術(shù)制備LON薄膜,最終獲得了高K2和高Q的HBAR。但是HFBAR的TCF較大,在2GHz時(shí)為-80ppm/K,不能滿足應(yīng)用的需求,因此,F(xiàn)EMTO-ST的Baron等人用溫補(bǔ)材料石英替代LON,制備出了TCF小于5 ppm/K的HBAR器件。
盡管諸多研究者在應(yīng)用于BAW的LNO薄膜制備方面進(jìn)行了大量的研究,但至今未報(bào)道有相關(guān)產(chǎn)品出貨。
三、基于鍵合工藝制備的壓電薄膜材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展
LTO/Si結(jié)構(gòu)的襯底能夠很好的平衡濾波器器件性能、成本、面積等,是眾多鍵合片中商業(yè)化最成功的襯底材料,其主要用于制備SAW器件。目前僅有NGK一家公司能夠生產(chǎn)此類襯底材料,Soitec公司也計(jì)劃量產(chǎn)新開(kāi)發(fā)的POI產(chǎn)品。
NGK擁有獨(dú)立自主產(chǎn)權(quán)的鍵合片制備技術(shù)。2015年,NGK宣布量產(chǎn)其高性能的LTO/Si鍵合片,規(guī)劃產(chǎn)能30000片/月,產(chǎn)品的目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域是4G手機(jī)射頻前端模塊中的SAW濾波器。該產(chǎn)品的規(guī)格及特性如下:
Soitec主要與兩家研發(fā)單位合作研發(fā)壓電薄膜材料及相關(guān)技術(shù):一是與LETI合作基于Smart-Cut技術(shù)開(kāi)發(fā)硅上壓電薄膜材料轉(zhuǎn)移技術(shù),二是與frec|n|sys合作研究壓電薄膜上聲學(xué)波濾波器的設(shè)計(jì)、制造和表征技術(shù)。
2018年,Soitec在RF-SOI論壇上宣布正在Bernin興建一條6英寸的產(chǎn)線,專門用于生產(chǎn)Piezo on Insulator(POI)襯底,該襯底將用于制備SAW。為了加速POI的上市時(shí)間,Soitec于2017年收購(gòu)了frec|n|sys。POI產(chǎn)品特性如下:
-
半導(dǎo)體
+關(guān)注
關(guān)注
334文章
27290瀏覽量
218099 -
濾波器
+關(guān)注
關(guān)注
161文章
7795瀏覽量
177996 -
BAW
+關(guān)注
關(guān)注
3文章
120瀏覽量
18682
原文標(biāo)題:壓電薄膜材料的研究和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展
文章出處:【微信號(hào):sensors-iot,微信公眾號(hào):sensors-iot】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
發(fā)布評(píng)論請(qǐng)先 登錄
相關(guān)推薦
評(píng)論