薄膜體聲波諧振器專利技術(shù)綜述

楊蘇倩

摘要：薄膜體聲波器件具有體積小，成本低，品質(zhì)因數(shù)（Q）高，功率承受能力強(qiáng)，頻率高且與IC技術(shù)兼容等特點(diǎn)，適合于工作在射頻系統(tǒng)中，有望在未來的無線通訊系統(tǒng)中取代傳統(tǒng)的聲表面波（SAW）器件和微波陶瓷器件。本文基于薄膜體聲波諧振器（FBAR）的專利申請(qǐng)作為分析對(duì)象，分析了國內(nèi)外關(guān)于薄膜體聲波諧振器的申請(qǐng)信息、專利布局、核心專利、申請(qǐng)趨勢等信息。

關(guān)鍵詞：薄膜體聲波諧振器;FBAR;射頻;MEMS

一、引言

隨著現(xiàn)代無線通訊技術(shù)，工作在射頻波段的通訊器件的微型化，低功耗，低成本，集成化及高性能越來越受到人們的重視。近年來，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的端集成實(shí)現(xiàn)了射頻系統(tǒng)的微型化。其中與超大規(guī)模集成電路工藝兼容的薄膜體聲波諧振器（FBAR）最引人注目，其由頂電極和底電極夾雜一層壓電薄膜組成，通過在壓電薄膜中激發(fā)出體聲波形成諧振來工作，它具有頻率高、Q值高、體積小、承受功率大、換能效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，為3G通訊技術(shù)及其發(fā)展所要求的“系統(tǒng)單芯片集成”提供了可靠有效的解決方案。

二、專利申請(qǐng)分布及技術(shù)發(fā)展

1、概述

薄膜體聲波諧振器的前身是工作在厚度伸縮式模式下的石英諧振器，但由于石英諧振器不能被加工成更薄的厚度，其最高諧振頻率一般只能達(dá)到500MHz，于是研究者將注意力轉(zhuǎn)移到可以生長為微米級(jí)別厚度的壓電薄膜。

2、專利申請(qǐng)分布

在2000年前全球范圍的FBAR專利申請(qǐng)量較低，這是該技術(shù)的起步階段。在2000年后，F(xiàn)BAR在無線電通信中應(yīng)用技術(shù)日漸成熟，并在2001年首次以雙工器的形式出現(xiàn)在PCS中的蜂窩電話中，從此專利申請(qǐng)量開始上升，直到2007年經(jīng)歷了第一次快速發(fā)展時(shí)期。在2008年左右，申請(qǐng)量有所下降，在此期間世界范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)放緩，對(duì)全球半導(dǎo)體廠商的專利申請(qǐng)和技術(shù)研發(fā)帶來了一定影響，但國內(nèi)的申請(qǐng)量逐步提升。

申請(qǐng)來源地域排名前五位的是美國、日本、中國、韓國和德國。美國企業(yè)由于研究起步較早，因而在該領(lǐng)域的實(shí)力較明顯，占有35%的申請(qǐng)量;其次是日本和中國（包括臺(tái)灣），分別占有28%和19%的申請(qǐng)量。申請(qǐng)目標(biāo)地域排名前五位的是美國、中國、日本、韓國和英國，共占據(jù)了專利申請(qǐng)量的83%，而美國則占據(jù)了專利申請(qǐng)量的26%。而中國也是近十幾年來半導(dǎo)體市場發(fā)展最為迅速和規(guī)模最大的國家，以中國為目標(biāo)國的申請(qǐng)量排名第二，占全部申請(qǐng)量的19%。

美國的安華高科技公司擁有的專利數(shù)遠(yuǎn)超其他同行，三星電子排名第二，而申請(qǐng)量排名前十的申請(qǐng)人全部來自于美國、日本、韓國和德國。安華高公司和安捷倫為最早申請(qǐng)F(tuán)BAR相關(guān)專利的公司。三星電子在2003年的申請(qǐng)量為當(dāng)時(shí)最高，且各主要申請(qǐng)人在2001到2005年間都申請(qǐng)了大量的專利。

3、薄膜體聲波諧振器技術(shù)發(fā)展

（1）結(jié)構(gòu)/工藝

1980年，T.W.Grudkowski報(bào)道了一種空腔聲學(xué)隔離薄膜結(jié)構(gòu)的FBAR（橫膈膜結(jié)構(gòu)），使得氮化硅與襯底形成聲學(xué)隔離。此結(jié)構(gòu)工藝上需要對(duì)襯底的底部進(jìn)行腐蝕形成空腔，這需要刻穿整個(gè)硅片厚度（US2008169885）。富士通公司提出的空腔型FEAR提到一種薄的犧牲層工藝以及在鍍壓電薄膜過程中對(duì)壓電薄膜講行應(yīng)力控制技術(shù)，壓電層及其電極在犧牲層釋放后拱起，從而形成一個(gè)拱形空腔（US2010060384）。1996年，諾基亞公司采用反射層聲學(xué)隔離固定結(jié)構(gòu)制造的FBAR具有更小的面積以及更低的中心頻率誤差（US6051907）。

（2）材料

對(duì)壓電薄膜的改進(jìn)，包括壓電薄膜的厚度、材料。目前大部分FBAR選用A1N壓電材料。在壓電材料中摻雜多種稀土元素，能改進(jìn)壓電層的壓電特性（US2014118090）。通過在壓電層上增加質(zhì)量負(fù)載從而改變FBAR的厚度（US2004189424），能調(diào)節(jié)FBAR諧振器的中心頻率。

對(duì)電極的改進(jìn)，包括電極形狀和材料的改進(jìn)。將多個(gè)電極放置在同一襯底平面上，可提高諧振頻率（US5233259）。改變電極的形狀對(duì)能陷行為有一定的影響，并提高器件Q值，因此出現(xiàn)了多邊形電極以抑制寄生振動(dòng)（US7561009），橢圓形或橢圓環(huán)形電極以改善電性能（US2008284543），以及環(huán)狀電極（CN102621025）和近似橢圓形電極（CN101257287）。最初在電極上增加質(zhì)量負(fù)載調(diào)節(jié)電極厚度（US5692279），為了精準(zhǔn)地調(diào)頻，通過改變質(zhì)量負(fù)載的圖案，對(duì)質(zhì)量負(fù)載進(jìn)行刻蝕孔以改變單位面積的負(fù)載量（WO9959244），施加多個(gè)質(zhì)量負(fù)載層（US2002185936），或調(diào)節(jié)電極的厚度進(jìn)行調(diào)頻（KR20030032534）。目前Mo金屬被廣泛選為作電極的材料（US2004130847）。

（3）應(yīng)用

安捷倫技術(shù)公司采用的梯形濾波器結(jié)構(gòu)，并將一個(gè)FBAR濾波器與90°移相器級(jí)聯(lián)后與另一個(gè)FBAR濾波器并聯(lián)構(gòu)成雙工器（US6262637），這是FBAR首次以雙工器的形式出現(xiàn)在PCS蜂窩電話中。

有線/無線通信對(duì)低抖動(dòng)率時(shí)鐘和振蕩器有廣泛需求，且由于FBAR能跟其他器件制作在同一晶片上，如與電容或電感集成（US2003205948），因此基于FBAR制作的振蕩器在小尺寸、高性能和低成本等方而很有優(yōu)勢，且具有較寬的振蕩頻率范圍（JPH08148968）。

1995年KIDDIE技術(shù)公司將FBAR應(yīng)用于壓力傳感器中（WO199711444）。將FBAR配置成陣列的形式，可以精確地感應(yīng)多種材料質(zhì)量的變化（CN1517706）。2009 年密執(zhí)安大學(xué)評(píng)議會(huì)的格羅什和利特雷在頂電極上涂敷聚偏氟乙烯作為敏感層，將傳感器的靈敏度提高到了80KHz/10-6（WO2010002887）。

結(jié)語

本文主要對(duì)薄膜體聲波諧振器的專利技術(shù)發(fā)展和分布作了初步分析，從以上分析中可以看出，目前國內(nèi)外關(guān)于薄膜體聲波諧振器的研究和發(fā)展才剛剛開始，我國在這個(gè)領(lǐng)域的探索仍舊有很大的空間。在關(guān)于薄膜體聲波諧振器專利技術(shù)的研究主要集中于對(duì)其結(jié)構(gòu)及外圍電路的改進(jìn)，能制造出高性能的FBAR薄膜體聲波諧振器，日益成當(dāng)今國際研究的熱點(diǎn)。