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[1]。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，限制了其進一步的發(fā)展。盡管SAW濾波器能達到較高的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[2]。FBAR器件尺寸遠小于傳統(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，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轉(zhuǎn)化為一定頻率的聲信號。當聲波在壓電薄膜中的傳播距離正好是半波長的奇數(shù)倍時就會產(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能通過壓電薄膜層，而其他頻率的信號被阻斷，從而只在輸出端輸出具有特定頻率的信號，以實現(xiàn)電信號的濾波功能[3]。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。在實際的諧振器中，尚有其他沉積層對諧振頻率產(chǎn)生影響，因此式(1)只是一個近似的描述。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)控制在幾個微米或以下。由于壓電層厚度對諧振頻率起著決定作用，所以在沉積壓電薄膜時對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很重要的指標。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。實現(xiàn)聲波全反射的結(jié)構(gòu)主要有兩種[4]，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[5]：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[6]，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械性能降低，而且在制備過程中需要進行硅的各向異性腐蝕，腐蝕厚度難以控制，也會產(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)不需要對襯底的反面進行加工，降低了工藝難度且與傳統(tǒng)IC工藝兼容，因而被廣泛采用[7,8]。

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，因而反射波會按合適的相位疊加，通過多次反射后最終達到近似全反射。一般來講，要達到較高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，因此有更好的機械強度，但由于有更多的非壓電層參與諧振，它的有效機電耦合系數(shù)要小于膜結(jié)構(gòu)的情形。同時，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嚴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電耦合效率，減小機械損耗和漏電，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)。下面通過幾個主要的性能參數(shù)對這3種材料進行比較[9]。

(1)壓電耦合系數(shù)k。它是衡量壓電材料壓電性強弱的重要物理量，決定了濾波器可實現(xiàn)的帶寬。從這個指標來看，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，越能實現(xiàn)高Q值和低插損。在這方面，A1N和ZnO要優(yōu)于PZT，需進一步對PZT材料進行研究，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。然而，如果壓電材料的Er過大，則上下電極間電容值會很大，將會導(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[3]。因此，制作吉赫茲頻段的濾波器，Er為100左右最合適。