薄膜体声波谐振器（FBAR）技术的若干问题研究

论文摘要

集成化、微型化是无线射频终端的发展趋势,薄膜体声波谐振器(FBAR)作为目前唯一有望集成的射频滤波器技术,正成为国内外研究的热点。与传统的介质滤波器和声表滤波器(SAW)相比,FBAR具有体积小、工作频率高、插入损耗低、带外抑制大、高Q、大功率容量、低温度系数以及良好的抗静电冲击能力和半导体工艺兼容性等优点。 AIN薄膜的制备是FBAR的核心技术,根据实验条件,主要对FBAR器件的建模与分析、AIN薄膜的制备、薄膜材料微波复介电常数的测量与评价以及FBAR器件的设计与实现等四部分内容进行了分析和研究,主要取得了以下成果: 1.提出了一种能普适多种FBAR结构的解析等效电路模型和三维电磁场模型,基于此建立了ADS仿真库,实现了HFSS对FBAR的电声协仿真。用实测数据对上述模型进行了验证,模型仿真所得的S参数曲线与实测曲线谐振频率相近、曲线形状相似,证明了其准确性。 2.在对反应溅射机理进行建模分析的基础上,提出并实现了一种以氮气流量作为控制量、阴极电压作为定位量、能使阴极靶处于金属态与中毒态之间的过渡态、无迟滞现象的高速沉积c轴择优取向AIN薄膜的工艺方法。沉积速率在500W射频功率的情况下达到2.3μm/h,这一实验结果远高于国内研究者所报道的数据,具有重要的实用价值。 3.介质薄膜的微波复介电常数的测试评价是国内外还没有解决的难题,我们发明了一种利用微扰原理对介质薄膜复介电常数进行精确测量的方法与装置,并申请了发明专利。利用该方法测量AIN薄膜的相对介电常数,误差在5%左右。 4.在上述ADS仿真库的基础上提出并设计了由多个谐振器组成的WCDMA零中频非平衡和平衡接收滤波器。仿真结果表明:非平衡滤波器具有良好的发送频带噪声抑制能力,符合WCDMA强Tx干扰信号抑制的需求;平衡滤波器具有很好的共模抑制能力,可减少零中频接收机的二次互调干扰。 5.在双面抛光的(111)硅片上设计并制作了高模FBAR的原型器件。用矢量网络分析仪测得器件的频率分布间隔为22MHz,与理论预测和ADS仿真所得的20 MHz频率问隔较为吻合。 因实验条件和研究经费的制约,未能对设计好的硅反面刻蚀型FBAR进行实际试样的制备,这是论文的缺憾。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图录
• 表录
• 主要符号对照表
• 第1章 绪论
• 1.1 研究动机
• 1.1.1 无线通信射频前端结构的发展
• 1.1.2 无线通信对双工器和射频滤波器的指标要求
• 1.1.3 现有射频滤波器解决方案的比较及论文的研究动机
• 1.2 FBAR技术的国内外研究现状与进展
• 1.2.1 FBAR技术的发展历史、现状、趋势及市场前景
• 1.2.2 目前FBAR技术的主要研究方向
• 1.2.2.1 现行主流的FBAR结构与工艺
• 1.2.2.2 适合于FBAR的压电材料选择
• 1.2.2.3 FBAR技术在建模、工艺及应用领域的最新研究进展
• 1.2.3 国内FBAR技术的研究现状与产业化面临的几个关键难题
• 1.3 论文的研究内容和章节安排
• 1.3.1 论文的研究内容
• 1.3.2 论文的章节安排
• 第一部分 FBAR器件建模与分析
• 第2章 FBAR的平面声波传输特性与电学性能分析
• 2.1 普通弹性体中的声场与波
• 2.1.1 普通弹性体中的声学方程
• 2.1.2 FBAR中常见普通弹性材料的声学属性
• 2.1.3 普通弹性体中的平面声波传输
• 2.2 压电体中的声场与波
• 2.2.1 压电现象及压电方程
• 2.2.2 AlN的声学属性
• 2.2.3 理想FBAR中的平面声波传输
• 2.3 理想FBAR的电学阻抗特性
• 2.3.1 理想FBAR的电学阻抗解析表达式
• 2.3.2 理想FBAR的电学特性分析
• 2.3.3 谐振现象的物理解释
• 2.4 复合FBAR的电学阻抗特性
• 2.4.1 复合FBAR的电学阻抗解析表达式
• 2.4.2 复合FBAR的电学阻抗特性
• 2.5 FBAR中的损耗
• 2.5.1 机械损耗
• 2.5.2 电学损耗
• 2.6 FBAR的优值
• 2.7 本章小结
• 第3章 FBAR器件的建模
• 3.1 FBAR的普适解析等效电路模型
• 3.1.1 压电体的Mason等效电路
• 3.1.2 普通声学材料的等效电路
• 3.1.3 FBAR的普适解析电路模型
• 3.1.4 CMOS寄生效应和参数的加入
• 3.2 FBAR在谐振点附近的近似等效电路模型
• 3.2.1 BVD模型
• 3.2.2 MBVD模型
• 3.2.3 MBVD模型参数的提取
• 3.3 FBAR的ADS仿真库建立
• 3.3.1 Agilent ADS软件简介
• 3.3.2 FBAR中各声学材料的属性值
• 3.3.3 压电薄膜层的ADS库
• 3.3.4 普通声学层的ADS库
• 3.3.5 MBVD模型的ADS库
• 3.3.6 采用ADS仿真FBAR的阻抗特性
• 3.4 电极和压电薄膜属性对FBAR性能的影响
• 3.4.1 压电材料的影响
• 3.4.2 电极材料的影响
• 3.4.3 电极厚度的影响
• 3.4.4 支撑层的影响
• 3.4.4 电极面积的影响
• 3.4.5 损耗的影响
• 3.5 FBAR电磁场模型
• 3.5.1 FBAR等效介电常数的推导
• 3.5.2 三维电磁场仿真软件简介
• 3.6 模型准确性的验证
• 3.7 本章小结
• 第二部分 AlN薄膜的制备
• 第4章 快速沉积c轴择优取向AlN薄膜的工艺研究
• 4.1 实验用镀膜系统简介
• 4.2 直流磁控反应溅射制备AlN薄膜的研究
• 4.2.1 制备AlN薄膜的工艺条件
• 4.2.2 不同工艺条件对AlN薄膜沉积速率的影响
• 4.2.2.1 氮气分压对AlN薄膜沉积速率的影响
• 4.2.2.2 溅射功率对AlN薄膜沉积速率的影响
• 4.2.2.3 影响AlN薄膜沉积速率的因素的讨论
• 4.2.3 AlN薄膜样品的XRD分析
• 4.2.3.1 AlN薄膜样品的XRD图
• 4.2.3.2 XRD衍射图讨论
• 4.2.3.3 样品晶面间距变化
• 4.2.4 直流磁控反应溅射制备AlN薄膜工艺的总结
• 4.3 反应溅射中反应气体的控制方法与工艺优化设想的提出
• 4.3.1 反应气体的气体流量控制法
• 4.3.2 反应气体的气体分压控制法
• 4.3.3 工艺优化设想的提出
• 4.4 反应溅射的理论分析
• 4.4.1 反应溅射工艺模型的建立
• 4.4.1.1 模型的定义
• 4.4.1.2 腔内反应气体的气体通量
• 4.4.1.3 靶面情况分析
• 4.4.1.4 基片情况分析
• 4.4.1.5 沉积速率
• 4.4.1.6 二次电子发射系数的影响
• 4.4.1.7 基片温度的影响
• 4.4.1.8 以反应气体分压作控制量建模
• 4.4.1.9 以反应气体的流量作控制量建模
• 4.4.2 工艺参数对迟滞曲线的影响
• 4.4.2.1.迟滞现象产生的原因
• 4.4.2.2 系统抽速对迟滞曲线的影响
• 4.4.2.3 靶功率对迟滞曲线的影响
• 4.4.2.4 靶基距对迟滞曲线的影响
• 4.4.2.5 靶面面积对迟滞曲线的影响
• 4.4.2.6 基片温度对迟滞曲线的影响
• 4.4.2.7 靶面温度对迟滞曲线的影响
• 4.4.2.8 二次电子发射系数对阴极电压的影响
• 4.4.3 反应溅射理论模型的总结与实验系统的改进
• 4.5 射频磁控反应溅射制备AlN薄膜的研究
• 4.5.1 AlN薄膜的c轴择优取向研究
• 4.5.1.1 典型试样的工艺条件
• 4.5.1.2 典型试样的XRD衍射图
• 4.5.1.2 工作气压对AlN薄膜c轴择优取向的影响
• 4.5.1.3 靶基距对AlN薄膜c轴择优取向的影响
• 4.5.1.4 溅射功率对AlN薄膜c轴择优取向的影响
• 4.5.1.5 基片温度对AlN薄膜c轴择优取向的影响
• 4.5.1.6 基片种类对AlN薄膜c轴择优取向的影响
• 4.5.1.7 氩氮比对AlN薄膜c轴择优取向的影响
• 4.5.1.8 各种工艺参数对AlN薄膜c轴择优取向影响的总结
• 4.5.2 快速沉积c轴择优取向AlN薄膜的优化工艺参数
• 4.5.3 优化的工艺流程
• 4.5.4 优化工艺制得样品的SEM图
• 4.6 工艺过程中的一些失败经验
• 4.6.1 基片接地不良
• 4.6.2 靶面打弧
• 4.7 本章小结
• 第三部分 薄膜材料微波复介电常数的测量与评价
• 第5章 AlN薄膜的微波复介电常数测量
• 5.1 传统的微波复介电常数测量方法
• 5.1.1 非谐振法
• 5.1.2 谐振法
• 5.2 基于谐振腔的微扰法测试系统的基本理论分析
• 5.3 实际测量装置的设计和实现
• 5.3.1 测量装置的构成
• 5.3.2 测量方法
• 5.4 测试结果及误差分析
• 5.4.1 实验测量数据
• 5.4.2 误差分析
• 5.4.3 测量中的注意事项与系统改进方案
• 5.5 本章小结
• 第四部分 FBAR器件的设计与实现
• 第6章 FBAR滤波器的设计方法
• 6.1 各种FBAR滤波器结构
• 6.1.1 阶梯型滤波器
• 6.1.2 网格型滤波器
• 6.1.3 叠层型滤波器和耦合型滤波器
• 6.2 单个FBAR频率的微调
• 6.3 FBAR滤波器的设计方法
• 6.4 WCDMA零中频Rx滤波器设计
• 6.4.1 为什么需要零中频方案
• 6.4.2 滤波器设计指标
• 6.4.3 滤波器的结构设计
• 6.4.4 仿真结果与分析
• 6.5 WCDMA零中频Rx平衡滤波器的设计
• 6.5.1 为什么需要平衡滤波器
• 6.5.2 滤波器结构设计
• 6.5.3 仿真结果与讨论
• 6.6 本章小结
• 第7章 FBAR器件的制备与性能测试
• 7.1 不同结构FBAR制备工艺的比较
• 7.1.1 空气隙型FBAR的制备工艺
• 7.1.1.1 制备流程
• 7.1.1.2 Agilent HPMD-7904 FBAR双工器的实物剖析
• 7.1.2 固念装配型FBAR的制备工艺
• 7.1.3 硅反面刻蚀型FBAR的制备工艺
• 7.1.3.1 制备流程
• 7.1.3.2 光刻掩模版
• 7.2 高模FBAR原型器件的制备与测试
• 7.2.1 选择高模FBAR作为原型器件的原因
• 7.2.2 高模FBAR的结构示意图
• 7.2.3 实际大尺寸高模FBAR的制备
• 7.2.4 测量结果与讨论
• 7.3 本章小结
• 第8章 总结与展望
• 8.1 论文研究的主要内容
• 8.2 论文的主要创新点
• 8.3 论文的不足之处和将来的工作
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果