低溫漂薄膜體聲波諧振器研究

蔣世義，蔣平英，劉 婭，甄靜怡，徐 陽，彭 霄，唐中劍(.中國電子科技集團公司 第二十六研究所，重慶 400060;.重慶青年職業技術學院 人工智能學院,重慶 4007)

0 引言

諧振器是阻抗元結構微聲濾波器的基本單元。由于常規的微聲諧振器具有一定的頻率溫度系數，會導致濾波器在高低溫工作下通帶漂移，為保證全溫范圍內通帶的低損耗，濾波器帶寬常會大于信號帶寬。諧振器頻率溫度系數越大，實際制作的濾波器帶寬需求越寬，設計的濾波器帶寬相對于信號帶寬增加的部分，本文稱之為保護帶寬。隨著保護帶寬的增加，將降低濾波器對近端帶外的抑制，導致進入接收機的干擾信號增多，影響整機信噪比及靈敏度，同時降低了頻率資源利用率。

空腔結構的薄膜體聲波諧振器 (FBAR)[1]具有體積小,品質因數高,功率容量大及抗靜電沖擊能力強的優點，其主要材料包括電極材料Mo和壓電材料AlN，這兩種材料都具有負頻率溫度效應。因此，常規的Mo-AlN-Mo結構的FBAR的頻率溫度系數(TCF)約為-25×10-6/℃，而半導體常用材料中，SiO2的頻率溫度系數約為+85×10-6/℃，可作為FBAR濾波器的溫度補償材料。通過設計合適的膜系結構，對常規結構的FBAR溫度效應進行補償，可將其TCF控制在較低的范圍。

本文介紹了一種在壓電層上生長SiO2溫度補償層的FBAR結構，通過設計合適的厚度，實現了諧振頻率2 558.6 MHz、反諧振頻率2 590.7 MHz、頻率溫度系數2.44×10-6/℃的低溫漂FBAR。由于溫補層的增加，導致器件總體壓電效應降低，使得器件的有效機電耦合系數降低到3.1%。該低溫漂諧振器的實現，為窄帶低溫漂濾波器的研制提供了有效的設計和工藝技術支撐。

1 低溫漂FBAR設計

1.1 膜層結構設計

目前國際上低溫漂FBAR采用的溫度補償結構主要有：

1) 在壓電材料與電極間生長SiO2薄膜[2]。

2) 在電極內埋入SiO2薄膜，使電極形成三明治結構[3]。

采用第1)種結構方式，雖然可獲得較好的溫度補償效果，但由于SiO2與壓電層相鄰，將降低器件的壓電效應，導致諧振器的有效機電耦合系數降低，從而使得制作的濾波器帶寬較窄。采用第2)種結構方式，雖然溫度補償效果較差，但其可減小溫補層對壓電層的影響，降低有效機電耦合系數減小的幅度。因此，膜層結構的選擇將根據需實現濾波器的帶寬及頻率溫度系數進行綜合。本文介紹的低溫漂諧振器是針對極窄帶的溫度補償型濾波器應用，因此采用第1)種膜層結構，如圖1所示。

圖1 溫度補償型FBAR膜層結構示意圖

1.2 設計模型優化

通常采用一維Mason模型[4]或MBVD模型[5]描述FBAR器件的特性。由于MBVD模型為電阻-電感-電容(R-L-C)等效模型，設計各膜層厚度不方便。因此，本文采用Mason模型進行諧振器的模擬計算。

圖2為采用Mason模型建立的諧振器等效電路。種子層和保護層的邊界均為空氣界面，將聲波能量限制在諧振器結構中。壓電層有2個聲學端口和2個電學端口，普通聲學層具有2個聲學端口，將壓電層、普通聲學層的等效電路級聯，可得溫度補償型FBAR的Mason等效電路。

圖2 溫度補償型諧振器Mason模型

常規的Mason模型參數與溫度無關，不能反映諧振器性能隨溫度的變化,所以需要對模型進行優化。

對于各向同性介質，彈性勁度常數[6]為

(1)

式中c11=c22=c33。

在各向同性介質中，沿任意方向都可傳播偏振方向相互垂直的3類平面波，包括2個橫波(或稱剪切波)和1個縱波。FBAR利用的是縱波，其縱波聲速v1為

(2)

式中ρ為材料的密度。

FBAR諧振器結構中，種子層、上下電極層、溫度補償層和保護層皆為各向同性介質。

AlN壓電薄膜為六方晶系，且在FBAR中聲波傳播方向沿晶軸c軸傳播。在電場恒定時，AlN壓電薄膜的彈性勁度常數為

(3)

壓電應力常數為

(4)

夾持介電常數為

(5)

縱波聲速為

(6)

將式(2)、(6)中的相關參數替換為與溫度相關的參數，即可將常規的Mason模型優化為具備溫度特性的模型，即Mason_T模型。

1.3 Mason模型仿真

采用優化后的Mason_T模型對諧振器膜厚進行仿真計算，設置諧振器的諧振頻率為2 576 MHz，頻率溫度系數優于±3×10-6/℃。綜合頻率和頻率溫度系數要求，設計的溫度補償型FBAR膜厚如表1所示。

表1 溫度補償型FBAR膜厚

仿真計算的溫度補償型FBAR導納值(Y參數)如圖3所示。圖中，Y1,1、Y2,2、Y3,3分別為-55 ℃、15 ℃、85 ℃時諧振器的導納值。

圖3 溫補諧振器導納仿真曲線

頻率溫度系數[7]為

(7)

式中：T0為最低工作溫度；T1為最高工作溫度；fr T0為T0時諧振器的諧振頻率；fr T1為T1時諧振器的諧振頻率。由式(7)可得此膜層結構下溫度補償型FBAR的TCF=2.07×10-6/℃。

2 低溫漂FBAR制作

工藝上選用品質因數(Q)值較高的空腔結構，以實現更低的插損，具體工藝流程如圖4所示[8]。圖4(a)在6英寸(1英寸=2.54 cm)高阻硅片上進行硅槽制備及氧化，并淀積犧牲層。圖4(d)采用等離子體增強化學氣象沉積法(PECVD)生長溫補層SiO2，采用磁控濺射生長壓電層AlN。圖4(h)刻蝕釋放孔并通過釋放孔通道腐蝕犧牲層，最終形成空腔結構的溫度補償型FBAR。

圖4 溫度補償型FBAR工藝流程圖

在工藝過程中，通過分別控制各層薄膜應力及采用應力補償方法，實現了復合薄膜的低應力制備，制作出結構完整的溫度補償型FBAR。圖5為溫度補償型諧振器芯片實物照片。圖6為溫度補償型諧振器芯片剖面膜層結構。

圖5 溫度補償型諧振器顯微鏡照片

圖6 溫度補償型諧振器剖面圖

3 低溫漂FBAR測試及分析

采用GSG探針及高低溫探針臺對諧振器進行了-55 ℃、室溫(凈化間溫度約為20 ℃)、+85 ℃下的電性能測試。3種溫度下導納曲線實測圖如圖7所示。

圖7 溫度補償型諧振器3種溫度下導納測試圖

根據式(7)計算可得，-55 ℃、85 ℃下，諧振器的頻率溫度系數為2.44×10-6/℃，有效機電耦合系數為3.1%。

將圖7與圖3進行對比，實測與仿真基本吻合。由于工藝過程中膜厚偏差，導致了頻率及頻率溫度系數與仿真值存在偏差。頻率偏差可通過對保護層采用離子束調頻進行修正，頻率溫度系數的差異在可接受范圍內。

4 結束語

本文介紹了一種溫度補償型FBAR。諧振器采用優化的Mason模型進行溫度特性仿真，通過綜合考慮頻率和溫度特性指標，設計出滿足要求的諧振器膜層及厚度，并進行了器件的實際制作。通過測試及分析表明，仿真結果與實測吻合較好。

采用本文所述的方法實現了低溫漂FBAR，同時可準確衡量器件的頻率溫度特性。通過合理的設計，可進一步實現低溫漂的薄膜體聲波濾波器。