壓電MEMS蘭姆波器件技術的最新進展與展望

于曉權，何 杰，馬晉毅(.中國電子科技集團公司 第二十四研究所，重慶400060；.中國電子科技集團公司 第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

本文簡要介紹了蘭姆波的基本原理，重點報道了基于不同材料平臺的5G通信和IoT用蘭姆波器件取得的最新研究成果，并展望了未來的發(fā)展趨勢。

1 蘭姆波基本原理

1917年，英國科學家Horace Lamb最先預測了蘭姆波的存在，隨后實驗證實這是一種在板狀固體結構中傳播的超聲導波[3]。蘭姆波是當激勵波波長與波導厚度處于同一數(shù)量級時，由橫波和縱波耦合而成的一種特殊形式的應力波。蘭姆波在一定厚度的薄板中傳播，其質(zhì)點在薄板的中間和兩面振動，聲場遍及整個板厚，因此可認為蘭姆波是一種聲板波(PAW)。根據(jù)聲波傳播時介質(zhì)中質(zhì)點振動位移分布形態(tài)的不同，蘭姆波分為反對稱型蘭姆波(A型)和對稱型蘭姆波(S型)兩種(見圖1)[3]。

圖1 蘭姆波傳播模式示意圖

對稱型蘭姆波的特點是薄板中質(zhì)點的振動對稱于板的中心面，上下兩面相應質(zhì)點振動的水平分量方向相同，而在垂直分量方向相反，且在薄板的中心面上質(zhì)點以縱波形式振動；反對稱模式蘭姆波的特點是薄板中質(zhì)點的振動不對稱于板的中心面，上下兩面相應質(zhì)點振動的垂直分量方向相同，水平分量方向相反，且在薄板的中心面上質(zhì)點以橫波形式振動。對稱與反對稱模式蘭姆波的薄板上下表面質(zhì)點均做橢圓運動。蘭姆波有多階對稱和反對稱模式，對稱模式蘭姆波從低階到高階常用S0、S1、S2、S3、…、Sn表示，反對稱模式蘭姆波從低階到高階常用A0、A1、A2、A3、…、An表示。不同模式的蘭姆波具有不同聲速，其中最低階蘭姆波的聲速一般在10 000 m/s，而高階蘭姆波聲速大于10 000 m/s。由于蘭姆波聲速高，因此，采用蘭姆波作為工作模式有利于聲波器件的頻率擴展和器件的小型化。

圖2 X-切鈮酸鋰LWR模型、位移模式及電路模型

圖3 S0模式鈮酸鋰橫向振動諧振器的拓撲結構和等效電路

圖4 LNOSiC蘭姆波濾波器的S參數(shù)

圖5 SH0模式LWR結構俯視圖

綜上所述，LWR極有潛力成為未來低功耗、多功能、小型化頻率器件的最佳解決方案。

2 高階蘭姆波器件技術的最新進展

2.1 X～Ka波段AlN芯片級蘭姆波器件

圖6 AlN CORs的蘭姆波模式形狀

圖7 橫向場結構CORs的掃描電鏡顯微照片

圖8 COR的掃面電鏡顯微照片

圖9 CLMRs的兩種主要激勵策略

圖10 AlN CLMR制作工藝流程

2.2 鈮酸鋰薄膜高階模式蘭姆波器件

圖11 XBAR結構的關鍵特性

圖12 XBAR器件結構圖

改進后的第二代XBARs器件制作工藝采用3層掩模工藝[21]，首先采用電子束光刻和剝離工藝制作電極，然后采用深反應離子刻蝕(DRIE)進行Si刻蝕，以釋放鈮酸鋰薄片，而不是先釋鈮酸鋰薄膜，再進行電子束光刻制備電極。此外，新工藝采用在硅載體晶圓上直接鍵合厚400 nm的LiNbO3單晶薄膜實現(xiàn)LiNbO3/Si結構，而不是在LiNbO3和Si層間采用SiO2夾層結構，這就勿需采用濕法刻蝕工藝去除SiO2，且采用LiNbO3薄膜釋放工藝可獲得更小的應力。因此，采用新工藝制備的器件的良率超過90%。圖13為改進后的XBARs制作工藝[21]。雖然器件采用電子束光刻制作，但由于電極的線寬尺寸足夠大(特征尺寸為500 nm)，因此可采用深紫外光刻替代電子束光刻，從而有利于實現(xiàn)器件的批量生產(chǎn)。

圖13 改進后的XBARs制作工藝

2022年2月15日，日本村田制作所宣布斥資3億美元收購Resonant 公司(Resonant Inc.)。由于XBAR濾波器技術方案能夠有效解決下一代網(wǎng)絡所面臨的復雜需求，此次收購村田制作所將實現(xiàn)村田領先的移動射頻產(chǎn)品能力與Resonant公司一流的XBAR濾波器解決方案二者的良好結合，從而在聲學濾波器市場上進一步甩開競爭對手的追趕，發(fā)揮先發(fā)優(yōu)勢迅速占領市場高地。

為了實現(xiàn)較高的耦合系數(shù)，在大多情況下，壓電薄膜厚度與波長的比值很小，這使鈮酸鋰高階模式諧振器的頻率幾乎只與厚度相關，難以通過叉指實現(xiàn)較大范圍的頻率調(diào)整(約數(shù)百赫茲)[22]。為此，美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的Songbin Gong團隊提出了一種采用局部減薄工藝方案，該方案采用刻蝕法使部分壓電薄膜減薄，以實現(xiàn)高頻諧振器。圖14為采用這種局部減薄工藝實現(xiàn)的A5模式蘭姆波濾波器制造工藝流程[22]。

圖14 采用局部減薄的LiNbO3蘭姆波濾波器工藝流程

蘭姆波濾波器制造工藝流程如下：轉(zhuǎn)移的LiNbO3薄膜襯底如圖14(a)所示。使用ICP-RIE 工藝刻蝕釋放孔,如圖14(b)所示。對部分區(qū)域的LiNbO3薄膜進行減薄,如圖14(c)所示。沉積頂電極和電感等如圖14(d)所示。沉積和定義用于減小互連線，如圖14(e)～(g)所示。氣相刻蝕釋放器件如圖14(h)所示。該工藝通過控制LiNbO3薄膜不同區(qū)域的厚度實現(xiàn)了不同器件的工作頻率，進而實現(xiàn)了同一襯底上構建濾波器的目的。

基于這種局部減薄工藝，該團隊采用650 nm厚的Z-切鈮酸鋰薄膜設計并制作了工作在X波段的A3、A7模式的蘭姆波濾波器[23-24]，其3 dB帶寬分別為190 MHz和170 MHz，插入損耗分別為1.5 dB和2.5 dB，芯片面積分別為0.56 mm2和1 mm2；實現(xiàn)在19 GHz時A7模式蘭姆波濾波器的3 dB帶寬為2.4%，芯片面積為1.4 mm2。

Songbin Gong團隊的研究驗證了利用先進的薄膜加工技術和高頻振動模式實現(xiàn)工作頻率大于6 GHz的高性能微聲濾波器是一種很有希望的解決方案。

3 蘭姆波器件技術的未來發(fā)展趨勢

目前AlN材料平臺發(fā)展已較成熟，提高AlN摻雜材料的成熟度是AlN材料平臺面臨的主要挑戰(zhàn)。同時，探尋AlN材料新的諧振模式以實現(xiàn)工作在X～Ka波段的芯片級濾波器是AlN微聲器件未來的發(fā)展方向。

4 結束語

本文綜述了壓電蘭姆波器件技術的最新研究進展，并展望了未來的發(fā)展方向。壓電MEMS蘭姆波器件可以借鑒 SAW 器件的設計原理，并利用FABR的工藝平臺制作，兼具SAW和FBAR二者的特征。未來無線通信高頻化和大帶寬的發(fā)展趨勢要求信號處理器件的頻率達到幾十吉赫茲，相對帶寬需達到24%[30]，因此，蘭姆波器件的性能參數(shù)還需要進一步優(yōu)化，提高工作頻率、拓展帶寬是未來重要的研究方向。解決上述問題的潛在可能性是突破現(xiàn)有的制造工藝限制并采用超高相速(聲速)的薄膜材料。