Кіріспе

Пьезоэлектрлік материалдан тұратын құрылғы. Жұқа қабатты акустикалық резонатор (FBAR немесе TFBAR) – екі өткізгіш, әдетте металл электродтар арасында орналасқан және айналадағы ортадан дыбыстық жағынан оқшауланған, жұқа пленкалы әдістермен жасалған пьезоэлектрлік материалдан тұратын құрылғы. Оның жұмыс принципі электродтар арасындағы пьезоэлектрлік қабаттың пьезоэлектрлік қасиеттеріне негізделген. FBAR құрылғылары бірнеше микрометрден ондаған микрометрге дейінгі қалыңдығы бар пьезоэлектрлік пленкаларды пайдаланады және 100 МГц-тен 20 ГГц-қа дейінгі жиілік диапазонында резонансқа түседі. FBAR немесе TFBAR резонаторлары көлемдік акустикалық резонаторлар (BAW) және пьезоэлектрлік резонаторлар санатына жатады, олар жоғары жиілік, кіші өлшем және жеңіл салмақ қажет болатын қолдануларда пайдаланылады.

Пьезоэлектрлік жіңішке қабаттар

Ұсақ пленканың кристаллографиялық бағыты таңдалған пьезоматериалға және көптеген басқа факторларға, мысалы, пленка өсірілген бетке және түрлі өндіріс жағдайларына (таңдалған температура, қысым, қолданылған газдар, вакуумдық жағдайлар және т.б.) байланысты. Пиэзоэлектрлік материалдар тізіміне кіретін кез келген материал, мысалы, қорғасын цирконат титанаты (PZT) немесе барий стронций титанаты (BST) FBAR-да белсенді материал ретінде қолданылуы мүмкін. Дегенмен, екі құрама материал – алюминий нитриді (AlN) және мырыш оксиді (ZnO) жоғары жиілікті FBAR-ларды жасауда ең көп зерттелген материалдар болып табылады. Бұл екі құрама материалдың стехиометриясы сияқты қасиеттерін жұқа пленка әдістерімен жасалған үш құрама материалдарға қарағанда оңайрақ бақылауға болады. Мысалы, кристалл құрылымының C осі (кристаллдық Z осі) субстрат бетіне перпендикуляр болғанда, жұқа пленкалы ZnO бойлық (L) толқындарын тудырады. Егер пленканың кристалл құрылымының C осі 41° бұрышпен еңкейсе, көлденең (S) толқындар туындайды. Сондай-ақ, пленканың кристалл құрылымына байланысты екі толқынның (L және S) бірдей туындауы да мүмкін. Сондықтан, FBAR-дың жұмыс істеуі үшін жасалған пиэзоэлектрлік пленканың кристалл құрылымын түсіну және бақылау маңызды. Сигналдарды сүзгілеу сияқты жоғары жиілікті мақсаттар үшін энергияны түрлендіру тиімділігі ең маңызды, сондықтан бойлық (L) толқындарға басымдық беріледі және оларды қолдануға ұмтылады. Сенсорлық және орындау мақсатында құрылымдық деформация энергияны түрлендіру тиімділігінен маңызды болуы мүмкін, сондықтан қисайту режиміндегі толқынды тудыру пиэзоэлектрлік пленканы жасаудың мақсаты болады. Мырыш оксидімен салыстырғанда электромеханикалық байланыс коэффициенті төмен болғанына қарамастан, кең жолақты алюминий нитриді сигналды өңдеуде кең жолақты қолдануды қажет ететін өнеркәсіптік қолдануларда ең көп қолданылатын материалға айналды. Кремний интегралдық схема технологиясымен үйлесімділік AlN-ді FBAR резонаторлық өнімдерде, мысалы, радиожиілікті сүзгілерде, дуплексерлерде, RF қуат күшейткіштерінде немесе RF қабылдағыш модульдерінде қолдануға мүмкіндік берді. Жұқа пленкалы пиэзоэлектрлік сенсорлар қолдану саласына байланысты түрлі пиэзоэлектрлік материалдарға негізделуі мүмкін, бірақ өндірістің қарапайымдылығына байланысты екі құрама пиэзоэлектрлік материалға басымдық беріледі. Допингтеу немесе скандий (Sc) сияқты жаңа материалдарды қосу FBAR үшін AlN материалдарының қасиеттерін жақсартудың жаңа бағыттары болып табылады. Резонатордың жүктемесін азайту үшін металл электродтардың біреуін графен сияқты жеңіл материалдармен алмастыру арқылы жаңа электрод материалдарын немесе алюминийге балама материалдарды зерттеу, резонаторлық жиілікті жақсырақ бақылауға мүмкіндік беретіні көрсетілді.

FBAR резонаторлары үшін субстраттар және олардың қолданылуы

FBAR резонаторлары керамикалық (Al2O3 немесе алюминий), сапфир, шыны немесе кремнийлі субстраттарда жасалуы мүмкін. Дегенмен, кремнийлі пластина жаппай өндіріске қарай кеңейтуге және қажетті өндіріс кезеңдерімен үйлесімділігіне байланысты ең көп қолданылатын субстрат болып табылады. 1967 жылы жұқа пленкалық резонаторларды зерттеудің және тәжірибе жүргізудің бастапқы кезеңдерінде кадмий сульфиді (CdS) резонанстық жиілікте (279 МГц) 5000-ға тең Q коэффициентін (сапа коэффициентін) қамтамасыз ететін түрлендіргіш ретінде кварц кристаллының резонанстық бөлігіне буландырылды. Бұл жиілікті дәл басқаруға, жоғары жиіліктерді пайдалануға және FBAR резонаторларын қолдануға мүмкіндік берді. Жұқа пленкалық технологиялардың дамуымен Q коэффициентін жеткілікті деңгейде ұстап, кристалдан бас тартып, резонанстық жиілікті арттыруға қол жеткізілді.

Қолданылу салалары

2020 жылы көптеген смартфондарда кем дегенде бір FBAR негізіндегі дуплексер немесе сүзгі болады, ал кейбір 4/5G құрылғылары радиожиіліктің алдыңғы бөлігінің (RFFE, RF алдыңғы бөлігі) электроникасының күрделілігінің артуына байланысты FBAR технологиясын қолдана отырып, 20-30 функцияны қамтуы мүмкін – қабылдағыш және хабар тарату тізбектері, сондай-ақ антенна/антенна жүйесі. 1,5–2,5 ГГц-тен жоғары жиіліктерде радиоспектрді тиімді пайдалануға және кейбір жағдайларда радиожиіліктің шығыс қуатын арттыруға бағытталған тенденциялар FBAR технологиясының телекоммуникацияларды іске асырудағы маңызды технологиялардың бірі болуына көмектесті. FBAR технологиясы беттік акустикалық толқын (SAW) технологиясын толықтырады және кейбір жағдайларда онымен бәсекелеседі, ал FBAR резонаторлары 100 МГц-тен жоғары жиіліктерде кристалл осцилляторлары мен кристалл сүзгілеріндегі кристалдарды алмастыра алады. FBAR резонаторлары мен оларға негізделген құрылымдар сенсорлық саланың даму аймағы болып табылады. Шағын мөлшердегі материалдарды/сұйықтықтарды/газдарды өлшеу және бақылау, сондай-ақ микроайна дисплейлеріндегідей (DMD) әртүрлі сенсорлық және иелену міндеттерінде оларды миниатюраландырылған түрде алмастыру, энергияны жинау үшін наногенераторларды пайдалану сияқты зерттеулер мен әзірлемелер жүргізілуде.

Негізгі құрылымдар

2022 жылға қарай жұқа пленкалық акустикалық толқын (BAW) резонаторлары үшін екі белгілі құрылым бар: еркін тұрған және қатты орнатылған (SMR) резонаторлар. Еркін тұрған резонатор құрылымында ауа резонаторды субстраттан/қоршаған ортадан бөлу үшін қолданылады. Еркін тұрған резонатордың құрылымы микроэлектромеханикалық жүйелерде (МЭМС) қолданылатын әдеттегі өндірістік қадамдарға негізделген. SMR құрылымында резонатор мен оны қоршаған орта арасында, субстрат сияқты, акустикалық оқшаулауды қамтамасыз ететін акустикалық айна(лар) құрылады. Акустикалық айна (мысалы, Брагг рефлекторы) әдетте жоғары және төмен акустикалық кедергісі бар материалдардың кезектесіп орналасқан қабаттарынан тұратын, тақ санды материалдардан жасалады. Айна материалдарының қалыңдығы максималды акустикалық шағылысуды қамтамасыз ету үшін толқын ұзындығының төрттен бір бөлігіне дейін оңтайландырылуы керек. SMR құрылымының негізгі принципі 1965 жылы ұсынылған. Жұқа пленкалық резонаторлардың схемалық суреттері потенциалды құрылымдардың негізгі принциптерін ғана көрсетеді. Іс жүзінде, құрылымның әртүрлі бөліктерін нығайту сияқты басқа функциялар үшін кейбір диэлектрлік қабаттар қажет болуы мүмкін. Сонымен қатар, егер қажет болса, қолданудағы соңғы сүзгі орналасуын жеңілдету үшін резонатор құрылымдарын, мысалы, кейбір сүзгілік қолданыстардағыдай, бірін-бірің үстіне орналастыруға болады. Дегенмен, бұл тәсіл өндірістің күрделілігін арттырады. Резонанстық жиілікті реттеу сияқты кейбір өнімділік талаптары қосымша өндірістік қадамдарды, мысалы, иондық қабылдауды талап етуі мүмкін, бұл өндіріс процесін қиындатады. Жаңа тәсіл – поликристалдық AlN орнына монокристаллдық AlN пайдалану және пьезослойдың бір жағына электродтарды орналастыру. FBAR құрылымдарын іске асыру үшін, резонанстық жиіліктің тазалығын және басқа да өнімділік сипаттамаларын болжау үшін жобалау кезеңінде көптеген нақты симуляциялық қадамдар қажет. Дамудың бастапқы кезеңінде кристаллдарға қолданылатын негізгі шекті элементтер әдісіне (FEM) негізделген модельдеу әдістерін FBAR үшін де қолдануға және өзгертуге болады. Резонаторлардың жұмыс істеуін визуализациялау және резонанстың тазалығына және қажетті резонанстық режимдерге жету үшін резонатордың дизайнын (орналасуы мен көлденең қимасы) жақсартуға көмектесу үшін сканерлеуші лазерлік интерферометрия сияқты бірнеше жаңа әдістер қажет.

Қолданба драйверлері

Көптеген қолданбаларда температуралық мінез-құлық, уақытқа қатысты тұрақтылық, қажетті резонанстық жиіліктің беріктігі мен тазалығы FBAR резонаторларына негізделген қолданбалардың жұмыс істеуінің негізін құрайды. Материалдарды таңдау, резонатор құрылыстарының орналасуы және дизайны резонатордың жұмыс істеуіне және қолданбаның соңғы жұмыс істеуіне әсер етеді. Механикалық өнімділік пен сенімділік резонаторлардың қаптамасымен және құрылымымен анықталады. FBAR-дың кең таралған қолданылуы – ұялы телефондарда және басқа да сымсыз қолданбаларда (GPS, Glonass, BeiDou, Galileo (спутниктік навигация) және т.б.), Wi-Fi жүйелерінде, кішкентай телекоммуникациялық жасушаларда және оларға арналған модульдерде қолданылатын радиожиілік (RF) сүзгілері. Мұндай сүзгілер резонаторлар желісінен (жартылай сатылы, толық сатылы, торлы, торлы және сатылы немесе үйілген топологиялар) жасалады және басқа да жиіліктерді қабылдауға және беруге мүмкіндік бере отырып, мұндай құрылғыларда қажетсіз жиіліктерді жою үшін жасалған. FBAR сүзгілерін дуплексерлерде де кездестіруге болады. FBAR сүзгі технологиясы жоғары қуатты басқару қабілеті және электростатикалық разрядқа (ESD) төзімділік қажет болатын жағдайларда беткі акустикалық толқын (SAW) сүзгі технологиясын толықтырады. 1.5–2.5 ГГц-тен жоғары жиіліктер FBAR құрылғылары үшін өте қолайлы. Кремнийлі негіздегі FBAR-ды үлкен көлемде өндіруге болады және өндіріс жартылай өткізгіш құрылғыларын жасау әдістерінің дамуымен қамтамасыз етіледі. Жаңа қолданбалардың болашақ талаптары, мысалы, сүзгілеу жолағының ені, тоқтау жолағының тік төмендеуі және ең төменгі мүмкін кіріктіру шығыны резонатордың жұмыс істеуіне әсер етеді және қажетті даму қадамдарын көрсетеді. FBAR-лар сондай-ақ 100 МГц-тен жоғары жиілікте және/немесе өте төмен дрейптің өнімділік мақсаты болып табылатын қолданбаларда кристаллды (кристаллдарды) ауыстыру үшін осцилляторларда және синхронизаторларда қолданылады. FBAR-лар сенсорлар ретінде де қолданылуы мүмкін. Мысалы, FBAR құрылғысы механикалық қысымға ұшырағанда оның резонанстық жиілігі өзгереді. FBAR-ды қолдану арқылы ылғалдылықты және ұшпалы органикалық қосылыстарды (ҰОҚ) анықтау мүмкіндігі дәлелденді. Тактильді сенсорлар массиві де FBAR құрылғыларынан құралуы мүмкін, ал гравиметриялық немесе массалық сенсорлар FBAR резонаторларына негізделуі мүмкін. Дискретті компоненттер ретінде FBAR технологиясына негізделген бөлшектер, мысалы, негізгі резонаторлар мен сүзгілер вафли деңгейіндегі қаптамалар сияқты миниатюралық/кішкентай формадағы қаптамаларда жиналады. FBAR-лар қуат күшейткіштерімен (PA) немесе төмен шу күшейткіштерімен (LNA) біріктіріліп, тиісті электрондық схемамен модульдік шешімді құрауы мүмкін. FBAR-ды CMOS сияқты электрондық схемалармен бір негізде біріктірудің монолиттілігі көрсетілгенімен, ол бірнеше қосымша өндіріс қадамдарын және IC технологиясының үстіне маскалық қабаттарды қажет етеді, бұл шешімнің құнын арттырады. Сондықтан монолитті шешімдер коммерциялық қолдануда модульдік шешімдерге қарағанда аз жетістіктерге жеткен. Типик модульдік шешімдер қуат күшейткіш дуплексер модулі (PAD) немесе төмен шу күшейткіш (LNA) сүзгі модулі болып табылады, онда және тиісті схемалар бір қаптамаға, мүмкін жеке модульдің негізіне жиналады. FBAR-лар SimpleLink модульдері сияқты күрделі байланыс құралдарында сыртқы, қаптамаланған кристаллдың аумақтық/кеңістіктік талаптарын болдырмау үшін интеграциялануы мүмкін. Сондықтан FBAR технологиясы электрониканы кішірейтуде, әсіресе осцилляторлар мен жоғары тиімділіктегі дәл сүзгілер қажет болған жағдайларда маңызды рөл атқарады.

Резонаторлар және сүзгілер/дуплексерлер

Пиезоэлектрлік материалдарды электроникада қолдану 1960 жылдардың басында Bell Telephone Laboratories / Bell Labs-те басталды, онда пиезоэлектрлік кристалдар 100 МГц жиіліктегі тербелістер сияқты қолданбаларда резонатор ретінде әзірленді және пайдаланылды. Кристаллдардың резонанстық жиілігін арттыру үшін жұқартқыш өңдеу қолданылды. Дегенмен, кристалдарды жұқартқыш өңдеуде шектеулер болды, ал 1970 жылдардың басында резонанстық жиіліктің дәлдігін арттыру және өндіріс көлемін ұлғайту үшін жұқа пленкалық өндірудің жаңа әдістері қолданылды. 1989 жылы құрылған TFR Technologies Inc., FBAR резонаторлары мен сүзгілері саласындағы алғашқы компаниялардың бірі болды, негізінен ғарыш және әскери қолдану үшін. Алғашқы өнімдер 1997 жылы клиенттерге жеткізілді. TFR Technologies Inc. компаниясы 2005 жылы TriQuint Semiconductor Inc. компаниясымен сатып алынды. 2015 жылдың басында RF Micro Devices (RFMD), Inc. және TriQuint Semiconductor, Inc. компаниялары FBAR негізіндегі өнімдерді ұсынатын Qorvo активін құру үшін бірігу туралы хабарлады. HP Laboratories 1993 жылы еркін тұрған резонаторлар мен сүзгілерге бағытталған FBAR жобасын бастады. 1999 жылы FBAR қызметі Agilent Technologies Inc. компаниясының бөлігіне айналды, ол 2001 жылы N CDMA телефондары үшін 25 000 FBAR дуплекстерін жеткізді. Кейін 2005 жылы Agilent компаниясындағы FBAR қызметі 2015 жылы Broadcom Corporation компаниясын сатып алған Avago Technologies Ltd. компаниясының технологиясының бірі болды. 2016 жылы Avago Technologies Ltd. өзінің атауын Broadcom Inc. деп өзгертті және қазіргі уақытта FBAR негізіндегі өнімдерді ұсынуда. Infineon Technologies AG 1999 жылы SMR FBAR-мен жұмыс істей бастады, мобильді қосымшаларға арналған телекоммуникациялық сүзгілерге бағытталды. Бірінші өнім Nokia Mobile Phones Ltd компаниясына жеткізілді, ол 2001 жылы SMR FBAR негізіндегі алғашқы үш жолақты GSM ұялы телефонын шығарды. Infineon компаниясының FBAR (BAW) сүзгі тобы 2008 жылы Avago Technologies Ltd. компаниясымен сатып алынды, ол кейін жоғарыда сипатталғандай Broadcom компаниясының бөлігіне айналды. 2016 жылы Panasonic компаниясының сүзгі бизнесін сатып алғаннан кейін Skyworks Solutions Broadcom және Qorvo компанияларымен қатар BAW/FBAR құрылғыларының маңызды ойыншыларының біріне айналды. Сонымен қатар, 2019 жылы RF360 Holdings компаниясының қалған бөлігін сатып алғаннан кейін Qualcomm және Kyocera RFFE модульдері және жеке сүзгілер сияқты жұқа пленкалық резонаторларға негізделген өнімдерді ұсынады. Akoustis Technologies, Inc. (2014 жылы құрылған), Saiwei Electronics, Texas Instruments (TI) және бірнеше университеттер мен зерттеу институттары сияқты көптеген компаниялар FBAR технологиясын, оның өнімділігін және өндірістік қуатын жақсартуды ұсынады және зерттейді, FBAR-дың жобалау мүмкіндіктерін жетілдіріп, жүйе өндірушілерімен және симуляция құралдарын ұсынатын компаниялармен (Ansys, Comsol Multiphysics және Resonant Inc. және т.б.) бірлесіп жаңа қолдану салаларын зерттейді.

Ұсақ қабатты резонаторларға негізделген сенсорлар

Жұқа қабатты резонаторлар кристаллдарды сенсорларда алмастыра алатындықтан, FBAR резонаторларының ең перспективалы қолданылу саласы кварцтық кристалл микросалмағының (QCM) қолданылу саласына ұқсас. Сенсорларда жұқа қабатты резонаторларды пайдаланған алғашқы компаниялардың бірі – Sorex Sensors Ltd.