[发明专利]空腔型薄膜体声波谐振器滤波器的设计及制备方法

说明书

本发明公开了一种空腔型薄膜体声波谐振器滤波器的设计与制备方法。该方法包括应用ADS软件仿真基于Mason模型的FBAR梯形滤波器，得到传输性能同时满足带内插损和带外抑制指标要求的各膜层物理参数；在制备衬底上生长对应厚度的压电层、电极层的复合膜层，另取一支撑衬底形成空腔，将复合膜层与支撑衬底键合，剥离原制备衬底，生长不同厚度的上电极层，形成电极/压电层/电极/空腔的复合结构。采用本发明设计和制备得到的FBAR滤波器上电极膜层参数控制精确，得到的滤波器性能优异；避免了传统工艺中引入牺牲层和采用化学机械研磨方法对谐振结构可能造成的破坏，减小了器件的损耗。

技术领域

本发明涉及薄膜体声波谐振器（FBAR）滤波器的设计及制备方法，特别涉及一种应用ADS软件的FBAR梯形滤波器的设计方法及对应空腔型滤波器的制备方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，通讯终端中的射频前端不断向微型化、集成化方向发展。在射频前端结构中，双工器、滤波器亟待集成到芯片。作为前一代陶瓷滤波器、介质滤波器和声表面波滤波器的替代品，薄膜体声波谐振器滤波器（FBAR）具有体积小、性能好、功率容量大、可与CMOS工艺集成等优点，吸引了国内外研究机构的诸多关注。

FBAR的工作原理基于压电效应，结构包括电极/压电层/电极/空腔，空腔是为了实现声波在界面的反射，从而限制在复合膜层中，形成驻波。FBAR滤波器由若干个FBAR谐振器通过一定的拓扑结构形成电学级联，其中谐振器排布和各膜层厚度会直接影响器件的损耗性能及工作频段。出于声速高、固有损耗小、温度系数小、与COMS工艺兼容性好的考虑，压电材料通常选用AlN薄膜，而电极选择Mo、W、Pt等声速高、声阻抗大、衰减因子小的金属材料。

传统工艺中形成空腔的方法是先在衬底上刻蚀出一个凹坑，在凹坑中填充多晶硅或硅氧化物等材料作为牺牲层，表面经化学机械研磨抛光后其次沉积下电极、压电材料，刻蚀出释放窗口，腐蚀液通过窗口进入将牺牲层释放，形成空腔结构。这种已经商业化的制备方法虽能实现较好的Q值，与标准的CMOS工艺基本兼容，但引入了牺牲层材料，在释放过程中应力释放很可能造成谐振结构的塌陷和破坏；并且通过化学机械研磨后的表面粗糙度较大，给表面带来的机械损伤和残留应力会对后续膜层沉积造成不良影响。

另一方面， FBAR的性能模拟和仿真工作为实现器件的设计和制备提供了重要的理论依据。ADS（Advanced Design System）是Agilent公司专门为RF工程师及DSP工程师开发的EDA工具，是国内外各大学及研究所使用最多的射频微波电路和通信系统仿真软件。借助ADS强大的电路仿真功能，我们可以很方便快捷地对FBAR进行模拟。而目前应用各种EDA工具对指定频段FBAR滤波器的仿真只能手动更改压电层和电极层的物理参数或几何参数，以达到滤波器设计的的给定指标。这种手动修改参数的方法效率很低，修改各膜层参数的作用有限，常常不能保证同时满足带内插损低于-3 dB和带外抑制高于-30 dB的要求。通过这种设计方法得到的滤波器膜层参数不够精确，且难于通过复杂的MEMS工艺制备得到损耗小、滚降快的FBAR滤波器。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种空腔型薄膜体声波谐振器滤波器的设计及制备方法，所设计的FBAR滤波器膜层参数精确，制备方法摒弃了牺牲层和化学机械研磨为器件带来的损耗。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种空腔型薄膜体声波谐振器滤波器的设计及制备方法，采取以下步骤：

（1）滤波器结构设计：根据Mason模型在ADS原理图中新增FBAR滤波器对应的电子元件和连线，构成电路图。选择压电层和电极层材料，根据所选材料的物理参数更新原理图中的元件参数值，根据工作频率设定压电层厚度、电极层厚度和谐振面积；