空腔型体声波滤波器及其宽带化技术研究

摘要

第五代移动通信（5G）技术对小体积、高频、宽带和高性能的空腔型体声波谐振滤波器（FBAR filter）提出了迫切需求。该技术融合了声学、射频和MEMS工艺。目前存在着无专用的设计平台，对薄膜材料要求高、工艺复杂等研究困难。同时，FBAR滤波器是一类典型的窄带器件，如何增加其工作带宽，满足宽带信号处理要求，也是近年来的研究热点。 本文通过建立有限元（FEM）模型、等效电路模型和全波仿真模型，系统地阐述材料和结构对体声波谐振器性能的影响规律，以及压电材料、封装、寄生振动和电路结构对体声波滤波器性能的影响，建立全套高精度仿真平台，并为宽带FBAR的实现提供理论指导。通过对空腔结构、压电和电极薄膜制备、频率修调等关键工艺的微观（如结构、形貌等）和宏观（如应力、均匀性等）特性研究，获得满足FBAR优异压电性、高结构稳定性及低能量耗散等要求的材料及工艺基础。最后，研制、测试和分析了常规、高Q、高有效机电耦合系数（kteff2）结构体声波谐振器和高频、高Q、宽带体声波滤波器。 本文从模拟仿真、材料制备、器件工艺和测试等方面进行研究，取得系列成果和创新。 1.空腔型体声波谐振器及滤波器建模仿真 建立了FBAR的FEM模型，仿真分析了膜厚比、电极面积、结构和形状对谐振器kteff2、振动模态和Q值的影响，建立低寄生、高Q值FBAR的优化设计方法。改良了FBAR的MBVD模型，考虑进衬底和寄生振动的影响。建立了滤波器的全波仿真模型，实现FBAR芯片与封装的协同仿真，提高了滤波器的仿真精度，并从电路结构和压电材料两方面研究了宽带FBAR滤波器的实现。 2.关键工艺研究 开展了空腔结构制备、压电复合薄膜制备、体声波滤波器频率修调等关键工艺研究。取得的主要成果有：（1）对比分析了直接抛光、两步抛光和反刻法等三种宽槽化学机械抛光（CMP）方法，实现小硅槽凹陷、高均匀性和低表面粗糙度衬底；（2）采用氟化氙（XeF2）干法释放牺牲层的化学气相刻蚀（CVE）工艺，实验分析了氮气（N2）流量对刻蚀速率的影响，实现空腔结构的高效制备；（3）实验分析了等离子体清洗基片、钼（Mo）电极取向对AlN薄膜取向度的影响，氩（Ar）气流量对薄膜应力的影响，制备的150nm和1μm厚AlN薄膜可满足2~9GHz FBAR的应用要求；（4）提出拼接靶方法，实现ScAlN薄膜Sc含量任意可调，并实验分析了种子层对薄膜取向的影响、Ar气流量对薄膜应力的影响，实现高耦合ScAlN薄膜制备；（5）实验分析了种子层、衬底薄膜粗糙度对Mo电极择优取向生长的影响，得到优化的Mo薄膜沉积条件。（6）采用离子束扫描刻蚀的方法，研究了压电薄膜厚度均匀性优化和滤波器频率修调，实现晶圆范围滤波器频率的高一致性和准确性。 3.空腔型体声波器件的研制 设计了FBAR工艺流程，实现了高频、高Q值和宽带FBAR器件的制作。（1）高频FBAR器件：FBAR滤波器芯片最高频率达到9GHz；封装后的滤波器最高频率达到5.6GHz，IL-1.7dB，带外抑制大于30dB。各滤波器实测与仿真曲线非常吻合，验证了全波仿真模型的精度和工艺的可制造性。（2）高Q值FBAR器件：高Q值FBAR较常规结构，Q值在谐振频率（fs）处提高了约400。高Q结构滤波器IL比常规结构小约0.27dB，矩形度（BW-40dB/BW-1dB）从4.1减小到2.72,验证了高Q结构设计方法的有效性。（3）宽带FBAR器件：采用匹配法，基于AlN薄膜研制出2.8GHz，BW-1dB3.92%的FBAR滤波器；采用Sc0.12Al0.88N薄膜，辅以匹配电路，研制出2GHz，BW-1dB5%的FBAR滤波器；采用Sc0.2Al0.8N薄膜，研制出3.935GHz，BW-1dB5.39%的FBAR滤波器。验证了宽带滤波器设计方法的可行性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2.1 国外研究现状及趋势

1.2.2 国内研究现状及差距

1.3 本文的主要研究内容

1.4 本论文的结构安排

第二章 空腔型体声波器件基本理论

2.1 压电基本理论

2.2.1 体声波谐振器

2.2.2 体声波滤波器

2.3 体声波器件的仿真模型

2.3.1 多物理场有限元模型

2.3.2 梅森传输线模型

2.3.3 修正型巴特沃斯范戴克模型

2.3.4 电磁场有限元模型

2.4 体声波器件的材料选择

2.4.1 衬底材料选择

2.4.2 牺牲层和结构层材料选择

2.4.3 电极层材料选择

2.4.4 压电层材料选择

2.5 本章小结

第三章 空腔型体声波谐振器及滤波器建模及仿真

3.1 体声波器件的声波模式

3.2 体声波谐振器有限元建模

3.2.1 膜厚比对谐振器有效机电耦合系数的影响

3.2.2 电极面积对谐振器的影响

3.2.3 凹陷电极边界结构对谐振器寄生振动抑制的研究

3.2.4 凸起电极边界结构对谐振器声波能量约束的研究

3.2.5 低寄生高Q值谐振器电极结构的实现

3.2.6 电极形状对谐振器寄生振动的影响

3.3.1 封装对体声波滤波器性能的影响

3.3.2 体声波滤波器全波仿真模型建模

3.3.3 窄带体声波滤波器仿真设计

3.4 宽带体声波滤波器的实现

3.4.1 宽带体声波滤波器电路实现技术

3.4.2 基于氮化铝钪压电薄膜的宽带体声波滤波器设计

3.5 本章小结

第四章 空腔型体声波器件关键工艺研究

4.1 空腔结构制备技术

4.1.1 宽槽表面平坦化技术

4.1.2 牺牲层释放技术

4.2 压电复合薄膜制备技术

4.2.1 氮化铝压电薄膜制备

4.2.2 氮化铝钪压电薄膜制备

4.2.3 钼电极制备技术

4.3.1 频率修调工艺选择

4.3.2 压电薄膜均匀性优化

4.3.3 频率修调技术

4.4 本章小结

第五章 体声波谐振器及滤波器的研制

5.1 体声波谐振器及滤波器工艺流程设计

5.2 体声波谐振器制作与测试

5.2.1 常规体声波谐振器的制作与测试

5.2.2 高Q值体声波谐振器的制作与测试

5.2.3 高有效机电耦合系数体声波谐振器的制作与测试

5.3 体声波滤波器制作与测试

5.3.1 窄带体声波滤波器的制作与测试

5.3.2 Q值对体声波滤波器性能影响研究

5.3.3 宽带体声波滤波器的制作与测试

5.4 本章小结

第六章 结论

6.1 结论

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果