從專利分析看FBAR技術(shù)發(fā)展

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心 鄒小彬

從專利分析看FBAR技術(shù)發(fā)展

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心 鄒小彬

本文基于FBAR（薄膜體聲波諧振器）技術(shù)的專利文獻(xiàn)，介紹了FBAR技術(shù)的組成和分支，對該技術(shù)領(lǐng)域的重要申請人以及其專利申請情況做了介紹，并對該技術(shù)領(lǐng)域的調(diào)頻技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了著重分析。

FBAR；專利；調(diào)頻

1 前言

FBAR器件是采用硅材料作襯底，結(jié)合微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)和薄膜技術(shù)而制成，其插入損耗低、Q值高且尺寸小，廣泛用于制作射頻濾波器、雙工器。通過對FBAR專利技術(shù)分布和發(fā)展的研究，有助于相關(guān)領(lǐng)域人員了解該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和明確研究方向。

2 專利技術(shù)分析

2.1 技術(shù)概述

FBAR諧振器是由在襯底上依次形成的聲反射層、下電極、壓電層以及上電極形成的堆疊結(jié)構(gòu)。下電極、壓電層以及上電極形成的壓電堆構(gòu)成FBAR諧振器的聲波傳輸通道，其厚度決定了FBAR諧振器的頻率（厚度越小，諧振頻率越高）；聲反射層用以產(chǎn)生全反射來構(gòu)成聲波限制邊界，常見的聲反射層例如背面刻蝕型、空氣隙型以及固態(tài)裝配型，該結(jié)構(gòu)決定了FBAR諧振器的性能（Q值、帶外抑制等）[1]。

2.2 技術(shù)分支和申請分布

通過檢索和分析現(xiàn)有FBAR專利技術(shù)（DWPI數(shù)據(jù)庫），結(jié)合FBAR諧振器的結(jié)構(gòu)、器件構(gòu)成和制作工藝將FBAR技術(shù)進(jìn)行劃分，如圖1所示。

圖1 FBAR技術(shù)分支

圖2 全球FBAR諧振器領(lǐng)域重點(diǎn)申請人及申請量

截至目前，全球FBAR諧振器技術(shù)的專利申請總量達(dá)2313件（DWPI數(shù)據(jù)），其中美國的安華高（Avago）科技公司擁有的專利數(shù)為228件，遠(yuǎn)超其他同行。安華高公司最早可起源于惠普公司的電子元件部，1999年安捷倫公司從惠普公司中獨(dú)立出來，成立了半導(dǎo)體事業(yè)部，2005年KKR和Silver Lake Partners收購了安捷倫的半導(dǎo)體事業(yè)部并成立了安華高科技公司。安華高科技公司在FBAR技術(shù)上不僅延續(xù)了安捷倫公司的BAW技術(shù)，而且還于2008年收購了英飛凌（Infineon）科技公司的BAW技術(shù)（主要為固態(tài)裝配型SMR），成為了該領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。圖2是全球FBAR諧振器領(lǐng)域重點(diǎn)申請人及申請量分布。

3 技術(shù)發(fā)展路線

3.1 需要解決的技術(shù)問題

對于濾波器件而言，其設(shè)計(jì)指標(biāo)通常包括中心頻率、插入損耗、帶外抑制、Q值等[2][3]。因此，針對FBAR器件設(shè)計(jì)中需要解決的技術(shù)問題主要是為了獲得穩(wěn)定且精確的中心頻率、降低插入損耗、提高Q值以及獲得所需的溫度特性。此外，由于級聯(lián)結(jié)構(gòu)的FBAR器件通常作為集成電路系統(tǒng)中的功能器件，故FBAR器件的小型化也是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

3.2 調(diào)頻技術(shù)發(fā)展路線

濾波器的中心頻率是其重要技術(shù)指標(biāo)之一，如何保證在FBAR濾波器成型后調(diào)節(jié)其中心頻率成為了FBAR濾波器批量化生產(chǎn)中亟需解決的技術(shù)問題。

圖3 FBAR諧振器調(diào)頻技術(shù)發(fā)展路線

正如前面提到的，F(xiàn)BAR諧振器的中心頻率由諧振器的厚度決定，故在FBAR調(diào)頻技術(shù)中最廣泛采用的便是施加質(zhì)量負(fù)載。如圖3所示，采用質(zhì)量負(fù)載的調(diào)頻技術(shù)早在1997年出現(xiàn)，最初的調(diào)頻方法僅是在電極上增加質(zhì)量負(fù)載，以調(diào)節(jié)電極的厚度，包括在上電極/下電極上增加質(zhì)量負(fù)載、在壓電層上增加質(zhì)量負(fù)載。此后，為了更精確地調(diào)頻，1999年出現(xiàn)了通過改變質(zhì)量負(fù)載的圖案，由最開始的在電極的整個區(qū)域內(nèi)施加質(zhì)量負(fù)載，變?yōu)閷|(zhì)量負(fù)載進(jìn)行刻蝕孔，以改變單位面積的負(fù)載量；2002年的專利技術(shù)中，通過施加多個質(zhì)量負(fù)載層，對相鄰的負(fù)載層采用不同的刻蝕工藝，單獨(dú)控制每個層的厚度來精確控制質(zhì)量負(fù)載。2007年前后出現(xiàn)了使用周邊質(zhì)量負(fù)載代替質(zhì)量負(fù)載，只在電極的外圍設(shè)置質(zhì)量負(fù)載，降低了質(zhì)量負(fù)載對諧振器性能的影響；同年還出現(xiàn)了采用對質(zhì)量負(fù)載層沉積光刻圖案，通過控制圖案特征實(shí)現(xiàn)晶圓級規(guī)模調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)。

FBAR調(diào)頻技術(shù)中另一種常見的技術(shù)是采用可調(diào)電容。1997年日本專利技術(shù)中將平行板電容與FBAR諧振器并聯(lián)，通過調(diào)節(jié)平行板電容電極的面積從而改變其容值，實(shí)現(xiàn)FBAR諧振器與電容整體結(jié)構(gòu)的頻率調(diào)諧；2004年美國專利技術(shù)中利用FBAR諧振器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在上、下電極與壓電層之間分別設(shè)置p摻雜與n摻雜半導(dǎo)體層，使得兩層摻雜半導(dǎo)體層和壓電層構(gòu)成PIN二極管，通過調(diào)節(jié)DC電壓改變PIN二極管的電容實(shí)現(xiàn)調(diào)諧；2005年出現(xiàn)的專利技術(shù)在壓電層與下電極之間加入介質(zhì)材料形成可調(diào)電容以及2009年出現(xiàn)的專利技術(shù)在壓電層與下電極之間增加一個摻雜半導(dǎo)體層，由上電極、壓電層與摻雜半導(dǎo)體層形成MOS電容。2012年出現(xiàn)的專利技術(shù)中提出電極材料采用石墨烯，利用石墨烯的量子電容可變實(shí)現(xiàn)調(diào)諧。

3.3 其他FBAR技術(shù)

在濾波器的中心頻率固定的條件下，提高濾波器Q值就在于提高濾波器的帶外抑制，減小濾波器的3dB帶寬。通常，使體聲波限制在壓電堆中能夠改善諧振器的Q值，常用的方法包括改進(jìn)諧振器的結(jié)構(gòu)、制作工藝以及提高反射層的反射效率[3][4]。此外，F(xiàn)BAR小型化技術(shù)研究的熱點(diǎn)包括集成技術(shù)與封裝技術(shù)，其目的都是提高封裝密度、減小占用面積[5]。

4 結(jié)束語

本文以FBAR技術(shù)的專利申請文獻(xiàn)為依據(jù)，介紹了該技術(shù)領(lǐng)域的基本概念與技術(shù)分支，從需要解決的技術(shù)問題出發(fā)介紹了該領(lǐng)域的主要技術(shù)發(fā)展方向，并重點(diǎn)介紹了FBAR調(diào)頻技術(shù)的技術(shù)發(fā)展路線。從以上分析可以看出，F(xiàn)BAR技術(shù)的發(fā)展還存在很大空間，還需要大量工作投入到對其的研究。

[1]金浩.薄膜體聲波諧振器(FBAR)技術(shù)的若干問題研究[D].浙江大學(xué),2006.

[2]Ken-ya Hashimoto,RF Bulk Acoustic Wave Filters for Communications[M].Artech House,2009:1-275.

[3]Humberto Campanella,Acoustic Wave and Electromechanical Resonators:Concept to Key Applications[M].Artech House,2010:1-345.

鄒小彬（1989—），女，四川成都人，碩士研究生，國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心專利審查員。