隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)向高頻、高速方向的發(fā)展，人們對(duì)高頻通信常用的前置濾波器提出了更高的要求。目前射頻系統(tǒng)中使用的帶通濾波器主要有介質(zhì)陶瓷濾波器和聲表面波（SAW）濾波器。由于介質(zhì)陶瓷濾波器存在體積偏大和工藝兼容性差等問題，限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。盡管SAW濾波器能達(dá)到較高的Q值，幾何尺寸也更小，但由于其叉指電極的指寬和間隙與工作頻率成反比，增加了光刻工藝的難度，限制了其高頻應(yīng)用。因此，人們開始著手研究基于新材料、新結(jié)構(gòu)的濾波器。

薄膜體聲波諧振器（FBAR）是一種全新的射頻濾波器。FBAR器件尺寸遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的基于電磁波的介質(zhì)濾波器，其工作頻率更高，且擁有更好的帶外抑制性能和更低的插入損耗。相比于SAW濾波器，體聲波濾波器在功率容量、濾波性能及頻率溫度系數(shù)等方面均有一定優(yōu)勢(shì)，而且其制作工藝與半導(dǎo)體工藝兼容，在吉赫茲以上的高頻應(yīng)用中，體聲波（BAw）濾波器正成為最佳的選擇。

1、FBAR的原理與結(jié)構(gòu)

FBAR采用電極一壓電薄膜一電極的三明治結(jié)構(gòu)，壓電薄膜的逆壓電效應(yīng)將輸入的高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)化為一定頻率的聲信號(hào)。當(dāng)聲波在壓電薄膜中的傳播距離正好是半波長的奇數(shù)倍時(shí)就會(huì)產(chǎn)生諧振，其中諧振頻率處的聲波損耗最小，使得該頻率的聲信號(hào)能通過壓電薄膜層，而其他頻率的信號(hào)被阻斷，從而只在輸出端輸出具有特定頻率的信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的濾波功能。壓電薄膜的厚度在很大程度上決定了FBAR的諧振頻率， 如式（1）所示：

f≈υ/λ=υ/2d （1）

其中：v為壓電層中的縱向聲速，d為壓電層厚度，為聲波波長。在實(shí)際的諧振器中，尚有其他沉積層對(duì)諧振頻率產(chǎn)生影響，因此式（1）只是一個(gè)近似的描述。通常情況下，大多數(shù)材料的v在3000～ll000m／s范圍，根據(jù)式（1）可知一般壓電層厚度應(yīng)控制在幾個(gè)微米或以下。由于壓電層厚度對(duì)諧振頻率起著決定作用，所以在沉積壓電薄膜時(shí)對(duì)厚度的精確控制顯得尤為重要。

品質(zhì)因數(shù)Q是描述濾波器件的一個(gè)很重要的指標(biāo)。FBAR的Q值取決于壓電薄膜材料的固有損耗以及體聲波在襯底中的損耗，因此在電極邊界形成聲波的全反射能有效提高Q值。實(shí)現(xiàn)聲波全反射的結(jié)構(gòu)主要有兩種，其中最直接的方法是將壓電層和電極做成膜結(jié)構(gòu)或一并沉積到一個(gè)薄的支撐膜上，形成空氣一固體交界面；還有一種方式是采用“聲波鏡”形成反射面來實(shí)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)被稱為“固態(tài)裝配諧振器（SMR）”。膜結(jié)構(gòu)因制作工藝的不同可分為兩種情形：其一是采用體微加工技術(shù)，先在襯底上沉積一層壓電薄膜，然后去掉部分襯底，形成邊緣支撐懸空的膜結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示。另外，可采用表面微加工技術(shù)，先沉積一層犧牲材料作為臨時(shí)的支撐膜，然后用刻蝕技術(shù)除去該犧牲層獲得空氣氣隙而形成反射面，其結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。懸空膜結(jié)構(gòu)的FBAR因襯底的大量移除而造成器件的機(jī)械性能降低，而且在制備過程中需要進(jìn)行硅的各向異性腐蝕，腐蝕厚度難以控制，也會(huì)產(chǎn)生54．74。的腐蝕角，限制了封裝密度的提高，也加大了工藝難度。而采用表面微加工技術(shù)不需要對(duì)襯底的反面進(jìn)行加工，降低了工藝難度且與傳統(tǒng)IC工藝兼容，因而被廣泛采用。

SMR結(jié)構(gòu)的FBAR采用若干高聲阻抗和低聲阻抗的材料交替堆疊形成布拉格反射面。在每個(gè)高阻抗層和低阻抗層的界面，大部分聲波被反射，由于其層厚為諧振頻率波長的1／4，因而反射波會(huì)按合適的相位疊加，通過多次反射后最終達(dá)到近似全反射。一般來講，要達(dá)到較高Q值需要5～7層反射層。因SMR結(jié)構(gòu)的多層反射膜能起支撐作用，因此有更好的機(jī)械強(qiáng)度，但由于有更多的非壓電層參與諧振，它的有效機(jī)電耦合系數(shù)要小于膜結(jié)構(gòu)的情形。同時(shí)，較厚的反射底層也使SMR更難與底電路互連以便與其他芯片集成。另外，要制備結(jié)構(gòu)復(fù)雜且厚度精確控制的多層膜。在工藝上有一定難度，制作成本也更高。

2、FBAR的壓電薄膜材料技術(shù)

2．1、壓電薄膜材料的選擇

壓電薄膜的質(zhì)量對(duì)濾波器的性能有著重要的影響，因此壓電材料的選擇就顯得極為重要。壓電層是多晶薄膜，方向不一致的晶粒會(huì)嚴(yán)重降低壓電耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)，因此，理想的是所有晶粒的c軸取向完全一致。對(duì)體聲波濾波器的研究表明，要得到高性能的器件，就必須盡量提高壓電薄膜的機(jī)電耦合效率，減小機(jī)械損耗和漏電，因此制備取向一致、厚度精確可控的壓電薄膜是制作FBAR的關(guān)鍵。目前，用于BAW濾波器的壓電材料主要有氮化鋁（AlN）、氧化鋅（ZnO）、鋯鈦酸鉛（PZT）。下面通過幾個(gè)主要的性能參數(shù)對(duì)這3種材料進(jìn)行比較。

（1）壓電耦合系數(shù)k。它是衡量壓電材料壓電性強(qiáng)弱的重要物理量，決定了濾波器可實(shí)現(xiàn)的帶寬。從這個(gè)指標(biāo)來看，PZT最理想，kt2=8．15；ZnO次之，kt2—7．5；A1N稍差，kt一6．5。

（2）材料損耗。損耗越小，越能實(shí)現(xiàn)高Q值和低插損。在這方面，A1N和ZnO要優(yōu)于PZT，需進(jìn)一步對(duì)PZT材料進(jìn)行研究，以降低其固有損耗。

（3）介電常數(shù)Er。較高的介電常數(shù)可以減小諧振器的尺寸，前兩種材料的Er約為1O，而PZT的Er高于400，在這方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，如果壓電材料的Er過大，則上下電極間電容值會(huì)很大，將會(huì)導(dǎo)致工作于吉赫茲頻段的濾波器的輸入輸出間導(dǎo)納過大，難以保證阻帶的隔離度。因此，制作吉赫茲頻段的濾波器，Er為100左右最合適。

（4）溫度系數(shù)。頻率溫度系數(shù)（TcF）對(duì)器件的溫漂有很大影響，ZnO雖然有比A1N更好的壓電性能，但其TCF為一6O×10／℃，是A1N溫度系數(shù)的2倍，因此使其在很多方面的應(yīng)用受到限制。為了改善TCF對(duì)器件的影響，通?？梢栽诔练e壓電層之前先生長一層正溫度系數(shù)的薄膜材料（通常為SiO，TCF為85×10／oc），以達(dá)到溫度補(bǔ)償效果。

（5）聲速。用低聲速材料制作薄膜聲波器件時(shí)可以使用較薄的壓電層，這樣才能有效減小器件尺寸。但由式（1）可知，縱向聲速與諧振頻率密切相關(guān)，高聲速能提高濾波器的中心頻率。在上述3種材料中，A1N有最高的聲速，在高頻應(yīng)用中更有優(yōu)勢(shì)。

除以上討論的方面之外，選擇壓電材料時(shí)還需考慮其它一些因素，如熱傳導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性、制備工藝的復(fù)雜程度及制作成本等。目前，國外已有基于ZnO和A1N的BAW濾波器的報(bào)道，基于AlN的BAW濾波器因具有超越現(xiàn)有射頻濾波器的性能和較低的價(jià)格，已在進(jìn)行商業(yè)化推廣。雖然PZT材料具有更優(yōu)的綜合性能，但由于含鉛、鋯等污染元素，限制了其商業(yè)應(yīng)用；而且能應(yīng)用于BAw器件的PZT薄膜的制備工藝還不成熟，目前仍處于研究階段。

2．2、壓電薄膜的制備方法

2．2．1、AlN薄膜的制備

A1N薄膜在聲波器件上用途廣泛，是制作窄帶寬及中等帶寬（《5）BAW濾波器的理想材料。FBAR要求將壓電薄膜沉積在電極上，因此，電極材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對(duì)壓電薄膜的性能有重要影響。電極材料必須要有高電導(dǎo)率、低接觸電阻和介電損耗、高強(qiáng)度和低聲損耗等特點(diǎn)。A1N薄膜通常選擇Pt作為底電極1，因?yàn)锳1N晶體為六角纖鋅礦結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a一0．311nm，與Pt（111）面失配度小。另外常選用的電極材料還有A1、W、Mo等1。反應(yīng)磁控濺射是用于制備A1N薄膜的最主要的方法。以Nz為反應(yīng)氣體，用Ar稀釋載入反應(yīng)腔體，以高純Al為濺射靶，反應(yīng)形成A1N薄膜。工作氣壓、氮?dú)鉂舛取R射功率和襯底溫度等參數(shù)對(duì)薄膜的結(jié)晶取向和表面形貌有較大的影響1，高的沉積溫度能有效提高晶粒取向的一致性和機(jī)電耦合系數(shù)］，但過高的溫度顯然不能與Ic工藝兼容，因此在較低溫度下生長優(yōu)質(zhì)A1N薄膜非常關(guān)鍵。此外A1N薄膜還可用脈沖激光沉積（PID）、化學(xué)氣相沉積（CVD）等方法制備。

2．2．2、ZnO薄膜的制備

ZnO與A1N有著相似的晶體結(jié)構(gòu)，ZnO晶體C面與Pt（111）面晶格失配度為1．4V0，在Pt表面能得到結(jié)晶良好的ZnO薄膜，因此常采用Pt作為底電極材料或者選用其他材料時(shí)用Pt作為緩沖層。ZnO薄膜的制備方法很多，包括MOCVD和PLD，以及射頻磁控濺射法1。PLD法制備ZnO薄膜具有成膜速度快、薄膜化學(xué)計(jì)量比容易控制等優(yōu)點(diǎn)，但薄膜的相結(jié)構(gòu)不易控制、應(yīng)力大、不利于大面積成膜；M（）cvD生長溫度低、成膜面積大、可控性好，但原料多易揮發(fā)、穩(wěn)定性差、成膜孑L隙較多且成本較高。因此，現(xiàn)在制備ZnO壓電薄膜較多采用射頻磁控濺射方法。

2．2．3、PZT薄膜的制備

PZT材料具備突出的力一電耦合性能，是制作寬帶寬BAW濾波器的首選材料。PZT薄膜同樣可以通過濺射、PLD等方法制備，但目前常用的制備方法是溶膠一凝膠法。它是一種較低成本的制膜方法，具有薄膜組分易控、結(jié)構(gòu)致密、易大面積成膜、與IC工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，是目前MEMS技術(shù)中制備PZT薄膜廣泛采用的方法。由于硅與PZT間失配嚴(yán)重，同時(shí)si本身會(huì)向PZT擴(kuò)散，與PZT中的Ti發(fā)生反應(yīng)，因此采用si作襯底時(shí)必須生長一層過渡層，通常采用的結(jié)構(gòu)為：Pt／si02／si和Pt／Ti／si02／si。Ti能夠提高Pt和si（）2之間的結(jié)合力，SiOz層則可以防止高溫條件下電極材料與si襯底發(fā)生反應(yīng)或互擴(kuò)散，改善界面特性。為了得到具有良好取向的薄膜，通常在Pt上再生長一層PbTiOs作為種子層，以提高結(jié)晶性能、降低結(jié)晶溫度_3］。另外，可以調(diào)整Zr／Ti比，或進(jìn)行合適的摻雜（如La、Mn等），使材料改性，調(diào)整壓電薄膜的性能；薄膜制備過程中，常采用快速退火工藝，以降低退火溫度，縮短退火時(shí)間，提高晶化質(zhì)量_1引。目前，在PZT壓電薄膜的制備上盡管尚存在許多亟待解決的問題，但不可否認(rèn)的是，PZT在FBAR方面仍然具有廣闊的應(yīng)用前景。

2．3、壓電薄膜的分析與表征

在壓電薄膜的制備過程中，不可避免地要涉及到薄膜樣品的表征，以優(yōu)化工藝條件。通常采用的分析測(cè)試手段包括：（1）對(duì)材料的X射線衍射（xRD）分析，以了解薄膜的晶相結(jié)構(gòu)和取向狀況；（2）電子顯微分析，如通過掃描電子顯微鏡（sEM）和原子力顯微鏡（AFM）觀察薄膜的表面形貌，了解薄膜的均勻性、致密性與表面粗糙度，通過透射電：顯微鏡（TEM）對(duì)各層薄膜界面進(jìn)行分析；（3）電子能譜分析，如利用XPS、EDS等對(duì)薄膜的化學(xué)計(jì)量進(jìn)行分析；（4）熱膨脹分析、薄膜應(yīng)力分析及絕緣電阻分析等。只有選擇適合的制備工藝，并輔以科學(xué)的分析表征手段才能獲得適用于BAW器件的高性能壓電薄膜。

3、BAW濾波器的原理、結(jié)構(gòu)與建模

在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)不同性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)需要，設(shè)計(jì)流程的簡便和快捷十分重要?？紤]到FBAR的厚度比其橫向尺寸一般要小很多，可以近似地采用厚度方向的一維模型來分析FBAR的特性，借一維的聲學(xué)和壓電方程推導(dǎo)出FBAR的阻抗方程。但這種模型對(duì)于濾波器的設(shè)計(jì)顯得較為復(fù)雜，因此還需要引入一種更簡單、緊湊的集總參數(shù)模型來描述FBAR。圖2是一種簡單的模型范例，它被稱作“ButterworthVan-Dyke”（BVD）模型。BVD模型可由簡單諧振器的阻抗方程推出，描述的是在低頻或諧振點(diǎn)附近頻率處器件的電學(xué)特性。

通過測(cè)量實(shí)際制備的FBAR的阻抗特性曲線或傳輸系數(shù)曲線，可以得到器件的串、并聯(lián)諧振頻率fs和fp，還可測(cè)得靜態(tài)電容Cf以及串聯(lián)諧振點(diǎn)處的阻抗R值。通過對(duì)等效電路的分析，諧振器的阻抗表達(dá)式可以描述為

Z=（1／jwCf）zs／zp

其中：

因此，可以通過下式算出等效電路各分立元件的參數(shù)值：

以上定義的BVD模型中各個(gè)分立元件的參數(shù)值都是緊密相關(guān)的，不可單獨(dú)調(diào)整某個(gè)元件參數(shù)值來改善濾波器的整體性能。BVD模型的阻抗特性與實(shí)際應(yīng)用情況較接近，并且具有結(jié)構(gòu)簡單的顯著優(yōu)點(diǎn)，因此，BVD模型成為設(shè)計(jì)濾波器的一種首選方案。

將多個(gè)諧振器通過某種方式連接可以構(gòu)成符合各種需求的濾波器。如圖3所示，通常有兩種連接方式：一種是以FBAR為基本單元，通過梯型級(jí)聯(lián)或格型橋接的方式構(gòu)成濾波器網(wǎng)絡(luò)；另一種是將諧振器通過機(jī)械耦合連接形成濾波器，它利用FBAR激勵(lì)的聲波在厚度方向傳播的屬性，將多個(gè)諧振器在厚度方向疊加構(gòu)成晶體疊層型濾波器（SCF）；或者通過一耦合層將它們連接起來構(gòu)成耦合諧振濾波器（CRF）。不同結(jié)構(gòu)形式的濾波器具有各不相同的優(yōu)缺點(diǎn)，因此可以將它們相互連接構(gòu)成所需要的濾波器結(jié)構(gòu)。

圖3（a）為梯型級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的濾波器，由于其FBAR單元在制作過程中能單獨(dú)進(jìn)行阻抗和中心頻率的優(yōu)化，同時(shí)可以采用相對(duì)簡單的連接方式，因此梯型級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)成為最常用的濾波器結(jié)構(gòu)。梯型結(jié)構(gòu)的濾波器由1組串聯(lián)諧振器和1組并聯(lián)諧振器構(gòu)成。優(yōu)化這種結(jié)構(gòu)，是尋求低插入損耗和高抑制頻帶衰減的1種平衡；增加連接的級(jí)數(shù)能有效提高帶外抑制衰減，但也會(huì)因?yàn)檫B接的諧振器數(shù)量的增加而導(dǎo)致插入損耗的增大。諧振器有兩個(gè)特征頻率，在諧振頻率點(diǎn)fr處阻抗最小，而在反諧振頻率點(diǎn)fa處阻抗最大。圖4（a）為由1個(gè)串聯(lián)諧振器和1個(gè)并聯(lián)諧振器級(jí)聯(lián)構(gòu)成的最簡單的級(jí)聯(lián)濾波器結(jié)構(gòu)。并聯(lián)FBAR的反諧振頻率fa與串聯(lián)FBAR的諧振頻率fr相近，以實(shí)現(xiàn)濾波器的通帶中心頻率；串聯(lián)FBAR的反諧振頻率fa構(gòu)成濾波器的上阻帶衰減點(diǎn)，并聯(lián)FBAR的諧振頻率fa構(gòu)成濾波器的下阻帶衰減點(diǎn)。圖4（b）為相應(yīng)的傳輸系數(shù)曲線。

相對(duì)于梯型結(jié)構(gòu)，格型結(jié)構(gòu)的濾波器有更大的帶寬響應(yīng)，同時(shí)由于其平衡的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使它更適用于對(duì)稱電路。SCF和CRF結(jié)構(gòu)的濾波器在不增加插損的情況下具有更好的帶外抑制性能，因此更適合在高頻、小尺寸、高阻帶衰減要求的設(shè)備中應(yīng)用。而對(duì)于CRF結(jié)構(gòu)的濾波器，由于結(jié)構(gòu)中耦合層的存在，可以通過改變耦合層材料的種類或厚度來實(shí)現(xiàn)通頻帶寬及中心頻率的方便調(diào)節(jié)。然而，這兩種結(jié)構(gòu)的濾波器需要沉積至少兩層壓電薄膜，在制備工藝上難度更大；而且元件整體的諧振模式會(huì)受到上下兩個(gè)諧振器諧振狀態(tài)的影響，從而導(dǎo)致頻譜變得較復(fù)雜且難以分析。圖5為3種結(jié)構(gòu)濾波器的濾波特性比較，可以看出，CRF和SCF結(jié)構(gòu)具有更好的帶外抑制性能，且CRF結(jié)構(gòu)有更大的帶寬響應(yīng)，但梯型結(jié)構(gòu)的濾波器則具有更陡峭的滾降曲線。因此，可以將3種結(jié)構(gòu)結(jié)合起來以獲得更佳性能的濾波器。

4、結(jié)語

近1O年來，隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，新一代高性能濾波器成為了目前研究的熱點(diǎn)之一。BAW濾波器因其優(yōu)異的性能具有很強(qiáng)的競(jìng)爭力。本文簡要介紹了薄膜體聲波濾波器的結(jié)構(gòu)、原理及相關(guān)壓電薄膜材料等問題。目前的BAW器件尚存在一些急需解決的問題：如何獲得更大的耦合系數(shù)以滿足下一代通信系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膸捯?、如何提高工藝水平以保證各膜層厚度誤差的匹配、如何獲得c軸一致取向的壓電薄膜等。盡管如此，完全可以相信，隨著第三代移動(dòng)通信時(shí)代的到來，BAW濾波器憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)必定會(huì)展現(xiàn)出更廣闊的應(yīng)用前景。