Тонкоплёночные акустические резонаторы (ТПАР): принципы и материалы.

Введение

Пьезоэлектрический резонатор (FBAR или TFBAR) – это устройство, состоящее из пьезоэлектрического материала, изготовленного методами тонких пленок между двумя проводящими, как правило, металлическими электродами и акустически изолированное от окружающей среды. Принцип его работы основан на пьезоэлектрических свойствах пьезослоя, расположенного между электродами. Резонаторы FBAR, использующие пьезоэлектрические пленки толщиной от нескольких микрометров до долей микрометра, резонируют в диапазоне частот от 100 МГц до 20 ГГц. Резонаторы FBAR или TFBAR относятся к категории объемных акустических резонаторов (BAW) и пьезоэлектрических резонаторов и применяются в областях, где необходимы высокая частота, малые габариты и вес.

Пьезоэлектричество в тонкопленочных слоях

Кристаллографическая ориентация тонкой пленки зависит от выбранного пьезоматериала и множества других факторов, таких как поверхность, на которой происходит выращивание пленки, и различные условия формирования тонкой пленки (выбранные температуры, давление, используемые газы, условия вакуумирования и т.д.). Любой материал из списка пьезоэлектрических материалов, например, титанат цирконата свинца (PZT) или титанат бария-стронция (BST), может выступать в качестве активного материала в FBAR. Однако, наиболее изученными пьезоэлектрическими материалами, используемыми для создания высокочастотных FBAR, являются два бинарных соединения – нитрид алюминия (AlN) и оксид цинка (ZnO). Это обусловлено тем, что свойства, такие как стехиометрия бинарных соединений, легче контролировать по сравнению с тернарными соединениями, изготовленными методом тонких пленок. Например, известно, что тонкая пленка ZnO с кристаллической осью C (кристаллической осью Z), нормальной к поверхности подложки, возбуждает продольные (L) волны. Сдвиговые (поперечные) (S) волны возбуждаются, если ось C кристаллической структуры пленки отклонена на 41°. Также возможно – в зависимости от кристаллической структуры пленки – возбуждение обеих волн (L и S). Поэтому понимание и контроль кристаллической структуры изготовленной пьезоэлектрической пленки критически важны для работы FBAR. Для высокочастотных применений, таких как фильтрация сигналов, наиболее важной является эффективность преобразования энергии, поэтому предпочтение отдается и стремятся использовать продольные (L) волны. Для задач сенсорики и приведения в действие структурная деформация может быть более значимой, чем эффективность преобразования энергии, и целью изготовления пьезоэлектрической пленки будет возбуждение сдвиговой волны. Несмотря на более низкий коэффициент электромеханического спаривания по сравнению с оксидом цинка, нитрид алюминия, обладающий большей шириной запрещенной зоны, стал наиболее востребованным материалом в промышленных приложениях, требующих широкой полосы пропускания при обработке сигналов. Совместимость с технологией кремниевых интегральных схем способствовала использованию AlN в продуктах на основе FBAR-резонаторов, таких как радиочастотные фильтры, дуплексеры, усилители мощности RF или модули RF-приемников. Тонкопленочные пьезоэлектрические датчики могут быть основаны на различных пьезоэлектрических материалах в зависимости от области применения, но бинарные пьезоэлектрические материалы предпочтительны из-за простоты изготовления. Легирование или добавление новых материалов, таких как скандий (Sc), – это новые направления для улучшения свойств AlN для FBAR. Исследования новых электродных материалов или альтернатив алюминию, например, замена одного из металлических электродов сверхлегкими материалами, такими как графен, для минимизации нагрузки на резонатор, показали возможность более точного управления резонансной частотой.

The crystallographic orientation of a thin film depends on the piezomaterial selected and many other items like the surface on which the film is grown and various manufacturing thin film growth conditions (temperatures selected, pressure, gases used, vacuum conditions etc.). Any material like lead zirconate titanate (PZT) or barium strontium titanate (BST) from the list of piezoelectric materials could act as an active material in an FBAR. However two compound materials aluminium nitride (AlN) and zinc oxide (ZnO) are the two most studied piezoelectric materials manufactured for high frequency FBAR realisations. This is due to the fact that the properties like stoichiometry of two compound materials can be easier to control compared to three compound materials manufactured by thin film methods. For example it is known that thin film ZnO with C axis of the crystal structure (crystalline Z axis) normal to the substrate surface excites longitudinal (L) waves. Shear (transverse) (S) waves are excited if C axis of the film crystal structure is 41º tilted. It is also possible – depending on the crystal structure of the film – that both waves (L & S) are excited. Therefore the understanding and control of the crystal structure of the manufactured piezoelectric film is crucial for the operation of the FBAR. For high frequency purposes like filtering of signals the energy conversion efficiency is the most important item and therefore longitudinal (L) waves are favored and targeted to be used. For sensing and actuation purposes the structural deformation might be more important than energy conversion efficiency and shear mode wave excitation will be the target of the manufacturing of the piezoelectric film. Despite the lower electromechanical coupling coefficient compared to zinc oxide, aluminum nitride, with a wider band gap has become the most used material in industrial applications, which require a wide bandwidth in signal processing. Compatibility with the silicon integrated circuit technology has supported AlN in FBAR resonator based products like radio frequency filters, duplexers, RF power amplifier or RF receiver modules. Thin film piezoelectric sensors may be based on various piezoelectric materials depending on the application, but two compound piezoelectric materials are favored due to simplicity of manufacturing. Doping or adding new materials like scandium (Sc) are new directions to improve material properties of AlN for FBARs. Research of new electrode materials or alternative materials to aluminium like by replacing one of the metal electrodes with very light materials like graphene for minimising the loading of the resonator has been demonstrated to lead better control of the resonance frequency.

Субстраты для резонаторов FBAR и их применение

Резонаторы FBAR могут быть изготовлены на керамических (Al2O3 или оксид алюминия), сапфировых, стеклянных или кремниевых подложках. Однако кремниевая пластина является наиболее распространенной подложкой благодаря ее масштабируемости для массового производства и совместимости с различными производственными процессами. В ходе ранних исследований и экспериментов с тонкопленочными резонаторами в 1967 году сульфид кадмия (CdS) осаждался на резонирующем фрагменте монокристалла кварца, который служил преобразователем, обеспечивая добротность (Q-фактор) 5000 на резонансной частоте (279 МГц). Это стало основой для более точного управления частотой, возможности использования более высоких частот и применения резонаторов FBAR. С развитием технологий тонких пленок стало возможным поддерживать достаточно высокую добротность, отказаться от использования кристалла и увеличить резонансную частоту.

Области применения

Большинство смартфонов в 2020 году включают как минимум один дуплексер или фильтр на основе FBAR, а некоторые продукты 4/5G могут содержать даже 20–30 функций, реализованных с использованием технологии FBAR. Это обусловлено в основном возросшей сложностью радиочастотного фронтенда (RFFE, RF front end) – как тракта приема, так и тракта передачи, – а также антенной системы. Стремление к более эффективному использованию радиочастотного спектра на частотах выше примерно 1,5–2,5 ГГц и, в некоторых случаях, одновременное увеличение мощности радиочастотного излучения способствовали тому, что технология FBAR стала одной из ключевых технологий, обеспечивающих развитие телекоммуникаций. Технология FBAR дополняет и в некоторых случаях конкурирует с технологией поверхностных акустических волн (SAW). Резонаторы FBAR могут заменять кристаллы в кварцевых генераторах и кварцевых фильтрах на частотах, превышающих 100 МГц. Область сенсорики является перспективным направлением для резонаторов FBAR и структур на их основе. Ведутся исследования и разработки, направленные на измерение и, возможно, управление небольшими объемами материалов, жидкостей и газов, а также на замену существующих элементов в миниатюрных устройствах для различных задач сенсорики и приведения в действие, например, в микрозеркальных устройствах (DMD). Также исследуется возможность сбора энергии с использованием наногенераторов.

Основные структуры

По состоянию на 2022 год известно две структуры для тонкопленочных резонаторов с объемной акустической волной (BAW): свободно стоящие и резонаторы с твердым креплением (SMR). В свободно стоящей резонаторной структуре воздух используется для отделения резонатора от подложки и окружающей среды. Структура свободно стоящего резонатора основана на типичных этапах производства, применяемых в микроэлектромеханических системах (MEMS). В структуре SMR акустическое зеркало (или акустические зеркала) обеспечивает акустическую изоляцию между резонатором и окружающей средой, например, подложкой. Акустическое зеркало (такое как отражатель Брэгга) обычно состоит из нечетного числа слоев материалов с чередующимися слоями с высоким и низким акустическим импедансом. Толщина слоев зеркала также должна быть оптимизирована до четверти длины волны для достижения максимальной акустической отражающей способности. Основной принцип структуры SMR был предложен в 1965 году. Схематические изображения тонкопленочных резонаторов демонстрируют лишь базовые принципы потенциальных структур. На практике для выполнения других функций, например, для усиления различных частей конструкции, могут потребоваться дополнительные диэлектрические слои. Кроме того, при необходимости – для упрощения окончательной схемы фильтра – резонаторные структуры могут быть уложены друг на друга, как в некоторых фильтрах. Однако такой подход усложняет процесс производства. Некоторые требования к характеристикам, такие как настройка резонансной частоты, также могут потребовать дополнительных технологических этапов, например, ионного травления, что усложняет производство. Новейший подход к разработке более эффективных FBAR заключается в использовании монокристаллического AlN вместо поликристаллического AlN и размещении электродов на одной стороне пьезослоя. Для реализации структур FBAR на этапе проектирования требуется множество точных этапов моделирования для прогнозирования чистоты резонансной частоты и других рабочих характеристик. На ранних стадиях разработки можно применять и модифицировать базовые методы моделирования на основе метода конечных элементов (FEM), используемые для кристаллов, для FBAR. Для визуализации работы резонаторов и улучшения конструкции (разметки и поперечного сечения резонатора) с целью достижения чистоты резонанса и желаемых резонансных мод необходимы новые методы, такие как сканирующая лазерная интерферометрия.

As of 2022 there are two known structures for thin film bulk acoustic wave (BAW) resonators: free standing and solidly mounted (SMR) resonators. In a free standing resonator structure air is used to separate the resonator from the substrate/surrounding. The structure of a free standing resonator is based on some typical manufacturing steps used in micro electromechanical systems MEMS. In an SMR structure acoustic mirror(s) providing an acoustic isolation is constructed between the resonator and the surrounding like the substrate. The acoustic mirror (such as a Bragg reflector) typically consists of an odd total number of materials with alternating layers of high and low acoustic impedance materials. The thickness of the mirror materials must also be optimized to be the quarter wavelength for maximum acoustic reflectivity. The basic principle of the SMR structure was introduced in 1965. Schematic pictures of thin film resonators show only the basic principles of the potential structures. In reality some dielectric layers may be needed for other functions, such as for strengthening various parts of the structure. Additionally if needed – for simplifying the final filter layout in the application – resonator structures can be stacked e. g. built on top of each other, as in certain filter applications. However this approach increases the complexity of manufacturing. Some performance requirements, such as tuning of the resonance frequency, may also require additional process steps, such as ion milling, which complicates the manufacturing process. The newest approach for developing better performing FBARs is to utilize single crystal AlN instead of polycrystalline AlN, and to place electrodes on the same side of the piezolayer. In order to realize FBAR structures, many precise simulation steps are required during the design phase in order to predict the purity of the resonance frequency and other performance characteristics. At an early phase of the development, basic finite element method (FEM) based modelling techniques that are used for crystals can also be applied and modified for FBARs. Several new methods, such as scanning laser interferometry, are needed to visualise the functionality of the resonators and for helping to improve the design (layout and cross sectional structure of the resonator) so as to achieve purity of the resonance and the desired resonance modes.

Драйверы приложений

Во многих приложениях температурное поведение, стабильность во времени, прочность и чистота требуемой резонансной частоты являются основой для производительности приложений на основе резонаторов FBAR. Выбор материалов, компоновка и конструкция резонаторных структур влияют на производительность резонатора и конечную производительность приложения. Механические характеристики и надежность определяются корпусированием и структурой резонаторов в применении. Распространенное применение FBAR – это радиочастотные (RF) фильтры, используемые в сотовых телефонах и других беспроводных приложениях, таких как позиционирование (GPS, ГЛОНАСС, BeiDou, Galileo (спутниковая навигация) и т.д.), системы Wi-Fi, малые сотовые базовые станции и модули для них. Такие фильтры изготавливаются из сети резонаторов (в виде полулестничной, полнолестничной, решетчатой, комбинации решетки и лестницы или каскадной топологии) и предназначены для подавления нежелательных частот при передаче в этих устройствах, обеспечивая прием и передачу определенных частот. Фильтры FBAR также можно найти в дуплексерах. Технология фильтров FBAR дополняет технологию фильтров поверхностных акустических волн (SAW) в областях, где требуется повышенная мощность обработки сигнала и устойчивость к электростатическому разряду (ESD). Частоты выше 1,5–2,5 ГГц хорошо подходят для устройств FBAR. Резонаторы FBAR на кремниевой подложке могут производиться большими партиями, а их производство поддерживается всеми современными технологиями изготовления полупроводниковых приборов. Будущие требования новых приложений, такие как полоса фильтрации с крутым спадом затухания и минимальные потери вносимой цепи, влияют на характеристики резонатора и определяют необходимые этапы разработки. Резонаторы FBAR также могут использоваться в генераторах и синхронизаторах для замены кварцевых резонаторов в приложениях, где частоты превышают 100 МГц и/или требуется очень низкий джиттер. Резонаторы FBAR также могут использоваться в качестве датчиков. Например, при механическом давлении на устройство FBAR его резонансная частота смещается. Датчики влажности и летучих органических соединений (ЛОС) демонстрируются с использованием FBAR. Массив тактильных датчиков также может состоять из устройств FBAR, а гравиметрические или массовые датчики могут быть основаны на резонаторах FBAR. В качестве дискретных компонентов, детали на основе технологии FBAR, такие как базовые резонаторы и фильтры, упаковываются в миниатюрные корпуса, например, корпуса на уровне пластины. Резонаторы FBAR также могут быть интегрированы с усилителями мощности (PA) или малошумящими усилителями (LNA) для создания модульного решения с соответствующей электронной схемой. Хотя монолитная интеграция FBAR на одной подложке с электронной схемой, такой как CMOS, была продемонстрирована, она требует нескольких дополнительных технологических этапов и маскирующих слоев поверх технологии ИС, что увеличивает стоимость решения. Поэтому монолитные решения не получили такого распространения, как модульные решения в коммерческих приложениях. Типичные модульные решения – это модуль дуплексера усилителя мощности (PAD) или модуль фильтра малошумящего усилителя (LNA), где и соответствующая схема упакованы в один корпус, возможно, на отдельной подложке модуля. Резонаторы FBAR могут быть интегрированы в сложные коммуникационные модули, такие как SimpleLink, для уменьшения требований к площади/пространству внешнего, корпусированного кварцевого резонатора. Таким образом, технология FBAR играет ключевую роль в миниатюризации электроники, особенно в приложениях, где требуются генераторы и высокоточные фильтры.

In many applications temperature behavior, stability vs. time, strength and purity of the wanted resonance frequency are forming the base for the performance of the applications based on FBAR resonators. Material choices, layout and design of resonator structures are contributing to the resonator performance and the final performance of the application. Mechanical performance and reliability are determined by the packaging and structure of the resonators in the applications. A common application of FBARs is radio frequency (RF) filters for use in cell phones and other wireless applications like positioning (GPS, Glonass, BeiDou, Galileo (satellite navigation) etc. ), Wi Fi systems, small telecommunication cells and modules for those. Such filters are made from a network of resonators (either in half ladder, full ladder, lattice, a combination of lattice and ladder or stacked topologies) and are designed to remove unwanted frequencies from being transmitted in such devices, while allowing other specific frequencies to be received and transmitted. FBAR filters can also be found in duplexers. FBAR filter technology is complementing surface acoustic wave (SAW) filter technology in areas where increased power handling capability, and electrostatic discharge (ESD) tolerance is needed. Frequencies more than 1.5–2.5 GHz are well suited for FBAR devices. FBARs on a silicon substrate can be manufactured in high volumes and the manufacturing is supported by all development of semiconductor device fabrication methods. Future requirements of new applications like filtering bandwidth with steep stopband attenuation and lowest possible insertion loss have effects on resonator performance and show development steps needed. FBARs can also be used in oscillators and synchronizers to replace a crystal/crystals in applications where frequencies more than 100 MHz and/or very low jitter is one of the performance targets. FBARs can also be used as sensors. For instance, when a FBAR device is put under mechanical pressure its resonance frequency will shift. Sensing of humidity and volatile organic compounds (VOCs) are demonstrated by using FBARs. A tactile sensor array may also consist of FBAR devices, and gravimetric or mass sensing can be based on FBAR resonators. As discrete components FBAR technology based parts like basic resonators and filters are packaged in miniaturised/small form factor like wafer level packages. FBARs can also be integrated with power amplifiers (PA) or low noise amplifiers (LNA) to form a module solution with the related electronic circuitry. Although monolithic integrated of FBARs on the same substrate with the electronic circuitry like CMOS has been demonstrated it requires several additional process steps and mask layers on top of IC technology increasing the cost of the solution. Therefore monolithic solutions have not been progressed as much as module solutions in commercial applications. Typical module solutions are a power amplifier duplexer module (PAD), or a low noise amplifier (LNA) filter module where and the related circuitry are packaged in the same package possibly on a separate module substrate. FBARs can be integrated in complex communication like SimpleLink modules for avoiding area/space requirements of an external, packaged crystal. Therefore FBAR technology has a key role in electronics miniaturisation specifically in applications where oscillators and precise high performance filters are needed.

Резонаторы и фильтры/дуплексеры

Использование пьезоэлектрических материалов в электронике началось в начале 1960-х годов в Bell Telephone Laboratories / Bell Labs, где пьезоэлектрические кристаллы были разработаны и использованы в качестве резонаторов в таких приложениях, как генераторы с частотами до 100 МГц. Для повышения резонансной частоты кристаллов применялось уменьшение их толщины. Однако существовали ограничения на уменьшение толщины кристаллов, и в начале 1970-х годов были внедрены новые методы производства тонких пленок для повышения точности резонансной частоты и увеличения объемов производства. TFR Technologies Inc., основанная в 1989 году, была одной из пионерских компаний в области резонаторов и фильтров FBAR, преимущественно для космических и военных применений. Первые продукты были поставлены заказчикам в 1997 году. В 2005 году TFR Technologies Inc. была приобретена TriQuint Semiconductor Inc. В начале 2015 года RF Micro Devices (RFMD), Inc. и TriQuint Semiconductor, Inc. объявили о слиянии с образованием Qorvo, предлагающей продукцию на основе FBAR. HP Laboratories начала проект по FBAR в 1993 году, сосредоточившись на резонаторах и фильтрах свободно стоящей конструкции. В 1999 году направление FBAR стало частью Agilent Technologies Inc., которая в 2001 году поставила 25 000 дуплексеров FBAR для телефонов N CDMA. Позже, в 2005 году, направление FBAR в Agilent вошло в состав технологий Avago Technologies Ltd., которая приобрела Broadcom Corporation в 2015 году. В 2016 году Avago Technologies Ltd. сменила название на Broadcom Inc., и в настоящее время поставляет продукцию на основе FBAR. Infineon Technologies AG начала работу с SMR FBAR в 1999 году, сосредоточившись на телекоммуникационных фильтрах для мобильных приложений. Первый продукт был поставлен компании Nokia Mobile Phones Ltd, которая в 2001 году выпустила первый трехдиапазонный мобильный телефон GSM на основе SMR FBAR. Группа фильтров FBAR (BAW) компании Infineon была приобретена Avago Technologies Ltd. в 2008 году, которая впоследствии стала частью Broadcom, как описано выше. После приобретения фильтрующего бизнеса Panasonic в 2016 году Skyworks Solutions стала одним из ключевых игроков на рынке устройств BAW/FBAR, наряду с Broadcom и Qorvo. Кроме того, после приобретения оставшейся части RF360 Holdings в 2019 году Qualcomm и Kyocera предлагают продукты на основе тонкопленочных резонаторов, такие как модули RFFE и отдельные фильтры. Многие компании, такие как Akoustis Technologies, Inc. (основанная в 2014 году), Saiwei Electronics, Texas Instruments (TI), а также ряд университетов и исследовательских институтов, предлагают и изучают возможности улучшения технологии FBAR, ее производительности, производственных мощностей, совершенствования конструкторских решений и освоения новых областей применения совместно с производителями систем и компаниями, предоставляющими инструменты моделирования (Ansys, Comsol Multiphysics и Resonant Inc. и др.).

The use of piezoelectric materials in electronics began in the early 1960s at Bell Telephone Laboratories/Bell Labs, where piezoelectric crystals were developed and used as resonators in applications like oscillators with frequencies up to 100 MHz. Thinning was applied for increasing the resonance frequency of the crystals. However there were limitations of the thinning of crystals and new methods of thin film manufacturing were applied in the early 1970s for increasing accuracy of resonance frequency and targeting increasing manufacturing volumes. TFR Technologies Inc., founded in 1989, was one of the pioneering companies in the field of FBAR resonators and filters mostly for space and military applications. The first products were delivered to customers in 1997. TFR Technologies Inc. was in 2005 acquired by TriQuint Semiconductor Inc. In early 2015, RF Micro Devices (RFMD), Inc. and TriQuint Semiconductor, Inc. announced a merger to form Qorvo active providing FBAR based products. HP Laboratories started a project on FBARs in 1993 concentrating in free standing resonators and filters. In 1999 FBAR activity became part of Agilent Technologies Inc., which in 2001 delivered 25,000 FBAR duplexers for N CDMA phones. Later in 2005, FBAR activity at Agilent was one of the technologies of Avago Technologies Ltd., which acquired Broadcom Corporation in 2015. In 2016 Avago Technologies Ltd. changed its name to Broadcom Inc., currently active in providing FBAR based products. Infineon Technologies AG started to work with SMR FBARs in 1999, concentrating in telecommunication filters for mobile applications. The first product was delivered to Nokia Mobile Phones Ltd, which launched the first SMR FBAR based GSM three band mobile phone product in 2001. Infineon's FBAR (BAW) filter group was acquired by Avago Technologies Ltd 2008 which later became part of Broadcom as described before. After acquiring Panasonic's filtering business in 2016 Skyworks Solutions became one of the major players in BAW/FBAR devices additionally to Broadcom and Qorvo. Additionally after acquiring rest of RF360 Holdings in 2019 Qualcomm and Kyocera are offering thin film resonator based products like RFFE modules and separate filters. Still many companies like Akoustis Technologies, Inc. (founded in 2014), Saiwei Electronics, Texas Instruments (TI), several universities and research institutes are offering and studying to improve FBAR technology, its performance, manufacturing capacity, advancing design capabilities of FBARs and exploring new application areas jointly with system manufacturers and companies providing simulation tools (Ansys, Comsol Multiphysics, and Resonant Inc. etc. ).

сенсоры на основе тонкопленочных резонаторов

Поскольку тонкопленочные резонаторы могут заменять кристаллы в системах сенсорики, наиболее перспектной областью применения резонаторов FBAR является область, схожая с областью применения кварцевых микровесов (QCM). Одной из компаний-пионеров, использующих тонкопленочные резонаторы в сенсорике, является Sorex Sensors Ltd.