基于ADS下FBAR的設(shè)計(jì)與仿真

王瑞 陳鵬光 任家泰

摘 ?要： 現(xiàn)代無線通信技術(shù)推進(jìn)了高頻元件的相關(guān)發(fā)展，微納技術(shù)的迅速發(fā)展和新型功能材料的出現(xiàn)以及壓電薄膜制備技術(shù)的日益成熟使高性能頻率控制器件的微型化成為可能。本文主要通過對(duì)FBAR的結(jié)構(gòu)以及原理做介紹，設(shè)計(jì)出一款上下0.3 um厚的鉬材料電極，1 um ALN壓電薄膜和2.5 um的二氧化硅襯底的空氣隙型薄膜體聲波諧振器，采用MBVD模型對(duì)其進(jìn)行理論推導(dǎo)，并在ADS軟件下搭建電路仿真，得到S參數(shù)曲線，進(jìn)而算出有效機(jī)電耦合系數(shù)為3.65%、串、并聯(lián)諧振因子分別為1579.33和555.02，有效機(jī)電耦合系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)Q值得乘積最高可以達(dá)到57.65。數(shù)據(jù)表明該FBAR性能較好，其帶寬較大，插入損耗較低，達(dá)到了FBAR設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞： 薄膜體聲波諧振器（FBAR）;壓電效應(yīng);MBVD模型;仿真;S參數(shù)

中圖分類號(hào)： TN911 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.040

本文著錄格式：王瑞，陳鵬光，任家泰，等. 基于ADS下FBAR的設(shè)計(jì)與仿真[J]. 軟件，2019，40（5）：207211

【Abstract】： Modern wireless communication technology has promoted the development of high-frequency components. The rapid development of micro-nano technology and the emergence of new functional materials and the maturity of piezoelectric film preparation technology have made it possible to miniaturize high-performance frequency control devices. This paper mainly introduces the structure and principle of FBAR， and designs an air-gap film bulk acoustic resonator with 0.3 μm thick molybdenum material electrode， 1 um ALN piezoelectric film and 2.5 um silicon dioxide substrate， using MBVD. The model is theoretically deduced， and the circuit simulation is built under ADS software to obtain the S-parameter curve. Then the effective electromechanical coupling coefficient is calculated to be 3.65%， the series and parallel resonance factors are 1575.33 and 555.02， respectively. The effective electromechanical coupling coefficient and quality factor Q The product worthworthy can reach 57.65. The data shows that the FBAR has better performance， its bandwidth is larger， and the insertion loss is lower， reaching the standard of FBAR design.

【Key words】： Thin film bulk acoustic resonator （FBAR）; Piezoelectric effect; MBVD model; Simulation; S paramete

0 ?引言

近年來，半導(dǎo)體的發(fā)展迅猛，但是跟發(fā)達(dá)國家相比，我國的半導(dǎo)體工藝制備技術(shù)還很不成熟，很多芯片都需要從國外引進(jìn)，這就大大的增加了電子產(chǎn)品加工的成本，并且長期依靠向國外進(jìn)口不是長久之計(jì)，所以進(jìn)一步探索和研究半導(dǎo)體材料制備刻不容緩。5G即（第五代移動(dòng)通信技術(shù)），能讓無線移動(dòng)通信和網(wǎng)絡(luò)的速度和移動(dòng)性快、時(shí)間延遲低、連接能力強(qiáng)、流量密度高，能效和成本得到超百倍改善。射頻前端芯片是移動(dòng)通信、半導(dǎo)體研究的關(guān)鍵部分。其功耗、性能、成本對(duì)上述發(fā)展過程具有重要意義。通過對(duì)薄膜體聲波濾波器的研究，可以進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)射頻前端芯片的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化。FBAR具有尺寸小、功耗低、插入損耗低、工作頻率高以及制備工藝可以與CMOS工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)[1]，因此可以將多個(gè)FBAR級(jí)聯(lián)就可以滿足射頻濾波器的技術(shù)要求，成為高頻濾波器的解決方案。本文介紹了FBAR的原理以及設(shè)計(jì)，并且利用ADS軟件進(jìn)行 ?仿真。

1 ?FBAR的原理以及結(jié)構(gòu)

1.1 ?FBAR的原理

簡單來說，F(xiàn)BAR就是一個(gè)三明治的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要為上電極-壓電層-下電極，由于壓電薄膜在微米量級(jí)，不可能像晶體諧振器那樣由壓電晶片來承托上下電極，因此在設(shè)計(jì)時(shí)在下電極底部加入一個(gè)襯底。上下電極的作用是接入電流之后可以導(dǎo)電，產(chǎn)生電信號(hào)，而壓電材料在接收到電信號(hào)時(shí)便產(chǎn)生諧振，并且激勵(lì)出不同頻率的聲波[2]。

衡量FBAR器件性能的指標(biāo)主要有其串聯(lián)諧振頻率 ，并聯(lián)諧振頻率 ，串聯(lián)諧振 ，并聯(lián)諧振 ，有效機(jī)電耦合系數(shù) ，以及 值[3，4]。有效機(jī)電耦合系數(shù) 越大，則諧振器構(gòu)成的濾波器的帶寬也越大，然而，影響 的因素包括FBAR 電極跟壓電層厚度之比（ ）及壓電層薄膜的C軸取向[5]。品質(zhì)因數(shù)Q的大小一方面決定于FBAR器件的的工作損耗，另一方面決定于聲波在腔體內(nèi)傳輸?shù)拇笮?，泄漏越小則Q值越大。

1.2 ?FBAR的結(jié)構(gòu)

FBAR器件主要有三種結(jié)構(gòu)形式，分別為橫膈膜型諧振器、空氣隙型諧振器和聲學(xué)多反射型諧振器[1]，如圖2所示，橫膈膜型FBAR結(jié)構(gòu)是最初被研究的結(jié)構(gòu)類型，但是由于刻蝕了大面積的襯底，會(huì)影響結(jié)構(gòu)的牢固性。空氣隙型的諧振器由于在硅表面形成一個(gè)下沉型或者上凸型，這樣可以很好地將聲波限制在壓電震蕩堆之內(nèi)，從而達(dá)到很高的Q值;聲學(xué)多反射型諧振器明顯制作工藝更簡單，沒有懸空結(jié)構(gòu)，因此提高了諧振器的抗擊強(qiáng)度，多層薄膜結(jié)構(gòu)大大的提高了散熱性，并且可以有效抑制雜波和多次諧波的產(chǎn)生。

針對(duì)FBAR的三種結(jié)構(gòu)，它們有各自的特點(diǎn)，在選擇基于哪種FBAR設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮實(shí)際條件和應(yīng)用等因素[6]。另外，在仿真FBAR性能時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定相應(yīng)的邊界條件，本文仿真時(shí)的邊界條件為：一面自由即FBAR的上表面直接與空氣接觸，一面沉積在其他材料層上。

2 ?空氣隙型FBAR設(shè)計(jì)與建模

2.1 ?空氣隙型FBAR的設(shè)計(jì)

根據(jù)前面對(duì)FBAR的簡單介紹，這里給出自行設(shè)計(jì)的FBAR模型，并對(duì)該模型進(jìn)行建模，找出其對(duì)應(yīng)的等效電路，再基于ADS軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真，從而測(cè)試該FBAR模型的性能。

由于在當(dāng)下主要的三種FBAR結(jié)構(gòu)中，空氣隙型結(jié)構(gòu)的Q值最高，并且成品率也是最高的，所以本文選擇設(shè)計(jì)此種結(jié)構(gòu)。以下是本人設(shè)計(jì)出的空氣隙型FBAR結(jié)構(gòu)的橫截面圖和俯視圖，如圖3所示。這種FBAR是先利用體硅加工工藝（Bulk micromachining）將硅片去除一部分，然后再用犧牲層技術(shù)制造出凹陷式空氣隙型FBAR[7]，另外還有一種空氣隙型FBAR結(jié)構(gòu)是凸點(diǎn)型。

目前應(yīng)用于FBAR壓電薄膜的材料主要有AlN、ZnO和PZT，金屬電極的材料有Mo、A1等。另外FBAR有8個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)[8]：

（1）品質(zhì)因數(shù)：（Q值）。該參數(shù)量化了在射頻激勵(lì)下的一個(gè)周期內(nèi)，F(xiàn)BAR器件中存儲(chǔ)的能量與消耗掉的能量的比值，是一個(gè)無單位的參數(shù)。

（2）機(jī)電耦合系數(shù) ：壓電體的電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的程度，可以體現(xiàn)器件的帶寬，系數(shù)越高，材料的能量轉(zhuǎn)換效率越高。

（3）介電常數(shù) ：指物質(zhì)保持電荷的能力，有較高的介電常數(shù)可以減少諧振器的尺寸。

（4）聲波傳輸速度[9]V1（m/s）：在壓電層厚度一定時(shí)，聲速愈大實(shí)現(xiàn)的器件諧振頻率越高。

（5）材料固有損耗：材料損耗小則諧振器的插人損耗小。

（6）溫度系數(shù)：材料的溫度系數(shù)影響著振蕩頻率隨溫度變化的頻率漂移，溫度系數(shù)越底，頻率漂移越小。

（7）熱導(dǎo)率：物質(zhì)導(dǎo)熱能力的量度，單位時(shí)間內(nèi)通過單位水平截面積所傳遞的熱量。

（8）禁帶寬度：被束縛的電子要成為自由電子或者空穴所必須具有的能量。決定著器件的耐壓和最高工作溫度。

為了對(duì)FBAR的關(guān)鍵性因素討論，本論文設(shè)計(jì)的FBAR各層薄膜選用材料和每一薄膜層的尺寸設(shè)計(jì)如表1所示，其中工作的有效面是邊長為100微米的正方形。

2.2 ?空氣隙型FBAR的等效電路推導(dǎo)

為了找出可利用的數(shù)學(xué)軟件來計(jì)算出FBAR的等效電路模型，我們必需知道FBAR上下電極與中間壓電層的電路模型。在理論上如果只考慮壓電薄膜的機(jī)械損耗時(shí)，可以采用BVD模型（Butterworth- Van Dyke model）[10]，如圖4所示。

但是在FBAR的制備過程中，不但要考慮壓電薄膜的機(jī)械損耗，還要考慮壓電薄膜的介質(zhì)損耗、電極層的機(jī)械損耗、電極的引線損耗等，因此Larson等人有提出了改進(jìn)的新模型——MBVD（Modified Butterworth-Van Dyke model）模型，如圖5所示。跟BVD模型相比，MBVD模型增加了兩個(gè)元件 和 。 表示的是壓電薄膜的介質(zhì)損耗， 表示的則是電極的機(jī)械損耗和引線損耗，因此MBVD模型可以更精確地描述實(shí)際FBAR的電學(xué)性能[10]。MBVD 模型包括6個(gè)參數(shù)，分別為靜態(tài)電容 、動(dòng)生電容 、動(dòng)生電感 、電極電阻 、動(dòng)生電阻 以及與材料相關(guān)的損耗 。由于該模型只包含電阻、電容和電感等集總參數(shù)元件，利用該模型可以很方便地進(jìn)行FBAR濾波器的設(shè)計(jì)。

4 ?總結(jié)

FBAR技術(shù)涉及聲學(xué)、電學(xué)及微電機(jī)系統(tǒng)（MEMS）制作工藝等學(xué)科，是一個(gè)多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，因此設(shè)計(jì)薄膜體聲波諧振器對(duì)于射頻前端芯片來說是一個(gè)復(fù)雜又重要的階段。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的FBAR，S11的值小于20 dB，具體為38.523 dB，接近于理想值40 dB，S21的值大于3 dB，具體為0.099，接近于理想值0 dB，說明該FBAR回波損耗很小，傳輸速率很高。另外其頻率達(dá)到了2.4 GHz以上，有效機(jī)電耦合系數(shù) 為3.65%、串聯(lián)諧振因子 為1579.33，并聯(lián)諧振因子 為555.02。 的值最高可以達(dá)到57.65。該值較高，說明該FBAR性能較好，其帶寬較大，插入損耗較低，基本達(dá)到了FBAR設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，這為以后高性能FBAR濾波器的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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