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空腔型体声波滤波器及其宽带化技术研究

杜波  
【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(kt~2_(eff))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kt~2_(eff)、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(XeF_2)干法释放牺牲层的化学气相刻蚀(CVE)工艺,实验分析了氮气(N_2)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(f_s)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_(-1dB) 3.92%的FBAR滤波器;采用Sc_(0.12)Al_(0.88)N薄膜,辅以匹配电路,研制出2GHz,BW_(-1dB) 5%的FBAR滤波器;采用Sc_(0.2)Al_(0.8)N薄膜,研制出3.935GHz,BW_(-1dB) 5.39%的FBAR滤波器。验证了宽带滤波器设计方法的可行性。


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