現(xiàn)代通信中，濾波器是一個非常重要的射頻單元，無線電信號的每一個頻段都需要對應(yīng)的帶通濾波器。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，智能手機(jī)支持的頻段數(shù)目不斷上升，對于濾波器的性能要求越來越高，手機(jī)里裝載的濾波器的數(shù)量也越來越多。
FBAR（Film Bulk Acoustic Resonator）作為一種新型的濾波器技術(shù)平臺，具有高功率耐受、小尺寸、低插入損耗、高帶外抑制和可用于超高頻等優(yōu)點(diǎn)，成為了通信領(lǐng)域研究和大規(guī)模商用開發(fā)的熱點(diǎn)。
它是如何誕生的？究竟有著怎樣的魅力、價值和歷史呢？讓我們一同揭開它神秘的面紗。
Avago并不是idea上第一個“發(fā)明”FBAR的
聊到FBAR，一定繞不開Avago（現(xiàn)Broadcom，博通公司），他們的FBAR技術(shù)在通信領(lǐng)域占據(jù)了舉足輕重的地位，在FBAR的商業(yè)化上功不可沒，但FBAR技術(shù)的真正起源并非Avago，而是可以追溯到20世紀(jì)80年代。
1981年，南加州大學(xué)Lakin教授和他的團(tuán)隊(duì)在《Applied Physics Letters》期刊上，發(fā)表了篇名為《Acoustic Bulk Wave Composite Resonators》的文章，首次提出一種懸浮的體聲波諧振器，由氧化鋅薄膜鍍覆在薄膜硅支撐結(jié)構(gòu)上構(gòu)成，薄膜兩側(cè)的自由表面構(gòu)成聲反射邊界，形成了一個諧振腔，體聲波在諧振腔內(nèi)發(fā)生振蕩。這就是世界上首個FBAR，諧振頻率在435MHz，并聯(lián)諧振Q值超過9000，串聯(lián)諧振Q值超過3000，但受限于材料及結(jié)構(gòu)限制，有效K2僅有0.3%左右。
至此，F(xiàn)BAR技術(shù)真正引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注，這一里程碑式的成就為FBAR的后續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
圖1. K. M. Lakin發(fā)布的懸浮體聲波諧振器示意圖
圖源：《Acoustic Bulk Wave Composite Resonators》
四年后，日本東芝研發(fā)中心的H. Satoh、Y. Ebata、H. Suzuki、C. Narahara發(fā)表了一篇題為《An Air-Gap Type Piezoelectric Composite Thin Film Resonator》的文章，文中提到他們首次基于半導(dǎo)體工藝，實(shí)現(xiàn)了FBAR器件。他們的結(jié)構(gòu)在硅襯底表面和FBAR器件之間形成了非常薄的氣隙（Air gap），來保證諧振腔的獨(dú)立性。試驗(yàn)中的FBAR仍然采用ZnO作為壓電層，ZnO也是80年代的FBAR研發(fā)最常用的材料。
圖2. 氣隙型薄膜諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖
圖源：《An Air-Gap Type Piezoelectric Composite Thin Film Resonator》
1990年，Krishnaswamy和Rosenbaum等人將FBAR技術(shù)拓展到了GHz頻段，這標(biāo)志著FBAR濾波器正式進(jìn)入高頻通信領(lǐng)域，為其日后成為無線通信技術(shù)革命的重要推手打下了基礎(chǔ)。
Avago率先成功實(shí)現(xiàn)FBAR商用
時間來到90年代初，Richard Ruby博士所在的惠普（后來的Avago）實(shí)驗(yàn)室開始活躍在射頻通信技術(shù)的研發(fā)領(lǐng)域，1994年，他在IEEE頻率控制研討會上發(fā)表了《Micromachined Thin Film Bulk Acoustic Resonators》，文中提到Ruby博士和他的團(tuán)隊(duì)成功制造了一種Q值超過1000且諧振頻率低至1.5 GHz和高達(dá)7.5 GHz的FBAR。該器件由兩個電極之間夾著一層壓電材料氮化鋁（AlN）組成，整個器件結(jié)構(gòu)位于低應(yīng)力氮化硅薄膜上。
圖3. Richard Ruby博士發(fā)布的FBAR示意圖
圖源：《Micromachined Thin Film Bulk Acoustic Resonators》
兩年后，他們又在美國舊金山舉辦的IEEE MTT-S國際微波大會上提出了FBAR技術(shù)應(yīng)用于電信市場（如手機(jī)等移動設(shè)備）的可能性，并成功在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了FBAR在手機(jī)上的應(yīng)用。
圖4.左：Richard Ruby博士和他的團(tuán)隊(duì)
右：當(dāng)時實(shí)驗(yàn)用的手機(jī)
圖源：《RF Bulk Acoustic Wave Filters for Communications》
在Richard Ruby博士的努力下，F(xiàn)BAR技術(shù)在惠普實(shí)驗(yàn)室逐漸成熟。終于在1999年由安捷倫公司（Agilent，前身為惠普實(shí)驗(yàn)室，后來的Avago）成功研發(fā)出應(yīng)用于美國PCS1900MHz頻段的FBAR濾波器，并在2001年實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模量產(chǎn)，同時正式提出了FBAR的稱謂。
美國電氣工程師協(xié)會（IEEE）的公開信息顯示，Ruby博士在2001年到2003年期間，成功地將FBAR專利產(chǎn)業(yè)化，并幫助公司量產(chǎn)了第一批FBAR Duplexers （雙工器）HPMD7901和7904。
Ruby博士于2014年獲得了美國物理學(xué)會頒發(fā)的Industrial Physics Prize，以表彰他在FBAR技術(shù)上的突出貢獻(xiàn)。
圖5. Richard Ruby博士獲得工業(yè)物理獎
現(xiàn)代FBAR技術(shù)的四種核心結(jié)構(gòu)
隨著2001年FBAR技術(shù)的商業(yè)成功，F(xiàn)BAR在移動通信領(lǐng)域迎來了快速發(fā)展。德國的英飛凌（Infineon）、荷蘭的飛利浦（Philips）、摩托羅拉（Motorola）、TDK、京瓷（Kyocera）、三星（Samsung）、英特爾（Intel）、LG等公司也開始對FBAR技術(shù)進(jìn)行研究，但在消費(fèi)電子領(lǐng)域成功量產(chǎn)的是以下四種核心結(jié)構(gòu)：博通的Swimming Pool下空腔+Air Frame結(jié)構(gòu)、太陽誘電的Pop-Up氣泡式空腔結(jié)構(gòu)、Akoustis的XBAW單晶壓電結(jié)構(gòu)及新聲半導(dǎo)體的D-BAW?雙面鍵合體聲波結(jié)構(gòu)。
博通：Swinmming Pool下空腔結(jié)構(gòu)+Air Frame
此結(jié)構(gòu)通過在硅襯底中蝕刻出一個空腔（Swimming Pool），保證諧振器核心振動區(qū)的懸空，諧振器薄膜兩面都是空氣，由于空氣的聲波阻抗遠(yuǎn)低于壓電層的聲波阻抗，絕大部分聲波都會反射回來，有效提升了聲波的共振效率和頻率選擇性，使得濾波器在處理高速、高頻信號時表現(xiàn)得更為出色。而Air Frame的設(shè)計(jì)則進(jìn)一步降低了整體的聲學(xué)損耗，這個結(jié)構(gòu)類似挑空的屋檐，能極大地降低能量的橫向泄漏，提高諧振器的Q值，保證了信號傳輸?shù)募儍舳取?/p>
這種結(jié)構(gòu)，與此前應(yīng)用廣泛的SAW濾波器相比，有非常顯著的性能優(yōu)勢，在當(dāng)時的移動通信領(lǐng)域是一次重大突破。
圖6. 博通FBAR結(jié)構(gòu)示意圖
太陽誘電：Pop-Up氣泡式空腔結(jié)構(gòu)
博通的FBAR結(jié)構(gòu)自2001年量產(chǎn)后，在移動通信領(lǐng)域一時風(fēng)頭無兩，直到2006年，太陽誘電（TAIYO YUDEN）發(fā)布了自己的FBAR結(jié)構(gòu)，并成功申請專利，F(xiàn)BAR市場開始了兩大巨頭盤踞的局面。
區(qū)別于博通的下空腔結(jié)構(gòu)位于硅襯底中，太陽誘電的FBAR結(jié)構(gòu)下空腔是在襯底的上面，在制作壓電層之前沉積一個輔助層（Sacrificial Support Layer），最后再把輔助層去掉，在諧振腔下方形成一個類似于氣泡的空氣腔。其原理與博通的空氣腔結(jié)構(gòu)相同，都是利用空氣的聲波阻抗低于壓電層阻抗，使得聲波集中在諧振器內(nèi)進(jìn)行傳播，增強(qiáng)共振效率。
圖7. 太陽誘電FBAR結(jié)構(gòu)示意圖
Akoustis：XBAW單晶壓電結(jié)構(gòu)
2016年，Jeffrey B. Shealy和Michael Hodge等人制備了以碳化硅（SiC）襯底上外延生長的單晶AIN為壓電薄膜的FBAR結(jié)構(gòu)，即XBAW，相比于傳統(tǒng)多晶AIN材料制備的FBAR濾波器，XBAW由于具有更高的固有晶體質(zhì)量，XRD測試數(shù)據(jù)顯示其FWHM值小于0.1，遠(yuǎn)低于多晶AlN的1.4，因此能獲得更高的聲速、更低的材料阻尼損耗和更高的機(jī)電耦合系數(shù)，理論上性能可以得到大幅提升。
圖8. Akoustis FBAR結(jié)構(gòu)示意圖
新聲半導(dǎo)體：D-BAW雙面鍵合技術(shù)
2021年，新聲半導(dǎo)體提出了一種全新的FBAR結(jié)構(gòu)，D-BAW（Double Side Processed Bulk Acoustic Wave Technology，雙面鍵合體聲波技術(shù)），利用雙面鍵合形成空腔結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了雙面光刻，正電極正面光刻，底電極從背面光刻，與前述三種FBAR結(jié)構(gòu)有顯著差異。這種全新結(jié)構(gòu)和工藝路徑是站在近十年MEMS晶圓加工中雙面光刻對準(zhǔn)、精確研磨、鍵和技術(shù)、以及晶圓級封裝發(fā)展的肩膀上實(shí)現(xiàn)的。（本公眾號后續(xù)會有系列文章對相關(guān)核心技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)展開）
圖9. 新聲半導(dǎo)體D-BAW結(jié)構(gòu)示意圖
D-BAW作為FBAR家族中的新成員，具有以下特點(diǎn)：
1）雙面光刻、雙面精細(xì)加工，在上下兩面電極邊緣更靈活和精準(zhǔn)地加工形成各類Frame結(jié)構(gòu)，使得D-BAW諧振器在抑制橫向聲波傳播方面更加高效；
2）雙面鍵合形成空腔，兩次鍵合在完成核心諧振器結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移的同時，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的懸空；
3）MASK(光罩)層數(shù)更少，雙面加工工藝使得結(jié)構(gòu)更加簡單，無需為了消除各類聲、電寄生而額外增加Air Bridge等復(fù)雜補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，光罩層數(shù)大大減少，降低了成本；
4）突破了材料限制，允許使用各種襯底晶圓，包括碳化硅、玻璃、砷化鎵等，各種壓電材料比如單晶壓電材料以及薄膜鈮酸鋰和鉭酸鋰，都成為可行候選材料；
5）AlN壓電層極平坦，濺射鍍膜質(zhì)量更好，結(jié)構(gòu)上沒有臺階起伏導(dǎo)致的邊界損失，更接近理想壓電電容，性能更好；
6）更高的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，上下電極的光刻雙面成型無需因?yàn)轭檻]傳統(tǒng)單面MEMS bottom up加工的互相影響，可完全對應(yīng)共振腔，降低了寄生提高了機(jī)電轉(zhuǎn)換效率。
寫在最后
技術(shù)的發(fā)展往往不是依靠單一想法的發(fā)明，而是一個長期積累和創(chuàng)新的過程，F(xiàn)BAR技術(shù)的演進(jìn)亦是如此。
FBAR的第一代是1981年在南加大USC實(shí)驗(yàn)室試產(chǎn)的ZnO MEMS FBAR雛形；
FBAR的第二代是2001年Avago成功商用的可量產(chǎn)結(jié)構(gòu)，這一代站在AlN批量濺射發(fā)展的肩膀上、且優(yōu)化了在Si襯底釋放Swimming Pool結(jié)構(gòu)；
FBAR第三代中各方面最均衡的是新聲半導(dǎo)體Newsonic 2021年提出的D-BAW結(jié)構(gòu)，通過雙面光刻、雙面鍵合實(shí)現(xiàn)了更接近理想壓電電容的完美共振空腔，擁有更好的基礎(chǔ)性能、功率耐受和可靠性。
D-BAW作為FBAR技術(shù)新的演進(jìn)和方向，代表了高品質(zhì)FBAR技術(shù)的最新一代，它繼承并發(fā)揚(yáng)了FBAR技術(shù)的優(yōu)勢，同時通過技術(shù)創(chuàng)新克服了之前的性能限制，為無線通信濾波器領(lǐng)域帶來了新的可能性。
FBAR技術(shù)的誕生和演進(jìn)是無線通信技術(shù)發(fā)展史上的一個重要里程碑，從最初的概念提出到如今的廣泛應(yīng)用，F(xiàn)BAR濾波器已經(jīng)成為推動無線通信技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵力量。
*未注明來源的圖片來自網(wǎng)絡(luò)公開資料
參考文獻(xiàn)
[1] Thin Film Bulk Wave Acoustic Resonators (FBAR) for Wireless Applications. (Richard C Ruby)
[2] Acoustic bulk wave composite resonators.( K. M. Lakin and J. S. Wang)
[3] MiCROMACHINED CELLULAR FILTERS ((Richard Ruby)
[4] AN AIR-GAP TYPE PIEZOELECTRIC COMPOSITE THIN FILM RESONATOR(Hiroaki Satoh, Yasuo Ebata)
[5]《RF Bulk Acoustic Wave Filters for Communications》（Ken-ya Hashimoto）
[6] FBAR震蕩技術(shù)的研究與仿真。（王青）
[7] 5G高頻段凸顯FBAR濾波器優(yōu)勢，壟斷格局下國產(chǎn)高端濾波器挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存
[8] 高性能 聲學(xué)濾波器 技術(shù)研究進(jìn)展【2021】
