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单片微声薄膜射频信号处理器技术研究

欧黎

  随着现代科技的飞速发展以及5G时代的来临,无线通信所使用的电磁波频率越来越高,也越来越拥挤,无线设备也不断向着低功耗与小型化的方向发展,对高性能、可集成、低功耗、微型化、低成本的射频前端模块的需求变得日益强烈。要实现单芯片射频信号处理器,即频带选择滤波器与射频集成电路(RFIC)的集成一直是一个技术难题。受工艺和材料上的限制,目前大量使用的金属腔体、介质、LC、声表面波滤波器均无法与RFIC实现单片集成,难以满足目前通信发展的高频和集成的要求。薄膜声体波谐振器(Thin Film Bulk Acoustic Resonator,FBAR)和滤波器技术的出现正好解决了该问题。该技术具有高频、Q值高、体积小、承受功率大等诸多优点,可实现与硅基产品的集成,符合现代无线通信领域应用的苛刻要求,因此,FBAR技术受到业界的高度关注。然而,国外已处于明显的领先地位,并且实现了产业化,在技术上对国内进行了封锁。而国内虽然有较多的研究所及高校进行了该方面的研究,但大多处于样品阶段,缺乏系统深入研究,离工程化距离较大,而且国内均未对FBAR和RFIC的集成技术进行研究。本论文选择了空气隙结构的FBAR器件作为研究对象,在立足于工程化的基础上,采用专业的设计仿真软件对FBAR谐振器和滤波器进行了系统的设计仿真,选择适用于生产型的工艺方法进行FBAR谐振器和滤波器的研制,在此基础上采用POST-CMOS技术,在国内首次实现了FBAR滤波器和RFIC的单片集成。因此,本论文主要有以下几部分研究工作构成:1、采用专业的ADS和COMSOL仿真软件,通过系统的研究表明:压电层AlN薄膜和金属电极Mo薄膜的厚度均会对频率产生影响,谐振频率随着膜厚的增加而减小。电极膜层与压电膜层的厚度比直接影响有效机电耦合系数。电极面积和电极形状均对寄生振动和带内波纹产生影响。在此基础上,综合各种因素并优化设计出FBAR谐振器,并从谐振器拟合、电路结构综合考虑和仿真优化,实现了滤波器拓扑结构、版图及封装设计。2、通过对关键工艺的对比分析和研究,得到的结果为:采用磁控溅射制备FBAR器件的核心功能材料——AlN压电薄膜,对比分析了在WSi和Mo金属电极上制备的AlN薄膜质量,其中,在Mo电极上生长的AlN(002)择优取向最优,摇摆曲线半高宽为1.29°,膜厚均匀性高达0.5%。采用磁控溅射方法制备的底电极Mo薄膜(110)面摇摆曲线半高宽为1.63°。选用ICP干法刻蚀工艺进行Mo电极的刻蚀,经过优化后,实现了9~66°可调的Mo图形角度,刻蚀均匀性可达2.91%。3、拟定了FBAR工艺流程并进行流片,结果证明了版图设计与工艺流程设计的正确性,晶圆的应力、表面颗粒和反射面的平整性得到了有效控制。最终研制出的谐振器性能达到:谐振频率为1.995 GHz,比设计频率稍大,损耗为-0.821 dB,压电层AlN薄膜的有效机电耦合系数约为6%,略小于理论值。4、在成功研制出FBAR谐振器的基础上,进行了FBAR滤波器的设计、流片和封装测试,最终研制出的滤波器性能达到:中心频率为1.95 GHz,插损为-1.55dB,带外抑制在40 dB以上,带宽为2.77%。封装尺寸为3.0 mm×3.0 mm×1.3 mm,与仿真结果良好吻合。5、最终将FBAR滤波器与RFIC进行了单片集成,测试结果与设计值非常吻合;集成后单片微声薄膜射频信号处理器与RFIC相比,接收通道镜像抑制、接收通道本振泄漏、发射通道边带抑制、发射通道本振泄漏等性能参数均有较大的改善。其中接收通道镜像抑制从0.15 dBc提高到了45.8 dBc,提高了30000多倍;发射通道边带抑制从25 dBc提高到52 dBc,提高了500多倍;发射通道本振泄漏从-43.75 dBm减小到-57 dBm,降低了250多倍。……   
[关键词]:薄膜体声波谐振器;滤波器;集成电路;氮化铝;微机电系统工艺
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:电子科技大学2018年