Тонкопленочные акустоэлектронные компоненты СВЧ-диапазона

Введение

Современная твердотельная электроника является основой, определяющей развитие всех перспективных направлений в области радиоэлектронной техники, приборостроения, медицины, экологии и многих других применений. Акустоэлектроника — область микроэлектроники, использующая акустические волны в твердых средах для обработки электрических сигналов в диапазоне сверхвысоких частот. Основные достоинства акустоэлектронных устройств — чрезвычайная миниатюрность и прекрасная совместимость с существующими интегральными схемами самого разного назначения. Акустоэлектронные устройства — это базовые элементы всех систем мобильной и сотовой связи, навигации, радиолокации, мониторинга, робототехники, сенсорики. Акустоэлектронные резонаторы и фильтры позволяют обеспечить обработку сложных сигналов в реальном масштабе времени при высокой чувствительности, широком динамическом диапазоне и высокой помехозащищенности. Кроме того, акустоэлектронные устройства нашли широкое применение в микросистемной технике для создания на их основе микроминиатюрных акустоэлектронных сенсоров различного назначения: сенсоры физических величин (температуры, давления, деформации, ускорения, напряжения и т. д.), газовые сенсоры, анализаторы жидкости, биосенсоры и многое другое.

В диапазоне частот от десятков мегагерц до 2–3 ГГц подавляющее большинство акустоэлектронных устройств реализуется на основе ПАВ‑технологий. В данном случае в качестве рабочей акустической волны в устройствах служит поверхностная акустическая волна (ПАВ), распространяющаяся вдоль поверхности объемного пьезокристалла. Амплитуда колебаний такой волны затухает до нуля вглубь поверхности пьезокристалла на расстоянии порядка длины акустической волны l. Для устройств, использующих поверхностную акустическую волну (ПАВ), характерным размером, определяющим рабочую частоту, является пространственный период встречно-штыревой системы (ВШС) электродов, формирующей волну:

Р = λ/2,

где λ — длина акустической волны.

Технологические ограничения фотолитографического процесса формирования ВШП не позволяют уменьшить ее период до величины менее чем примерно 0,45 мкм. При скорости поверхностной акустической волны порядка 3000 м/с это соответствует рабочей частоте около 3 ГГц. В этом случае несколько повысить рабочую частоту удается за счет применения псевдоповерхностной акустической волны, чья скорость выше, чем скорость ПАВ (4000–5000 м/с). Кардинальное увеличение рабочей частоты устройств на ПАВ выше обусловленного технологией предела невозможно.

Принципиально новые возможности существенного повышения рабочей частоты акустоэлектронных устройств открываются в связи с появлением новых технологий, благодаря которым теперь выращивают тонкопленочные материалы толщиной от 0,15 до 2 мкм, со структурой анизотропного кристалла с пьезоэлектрическими свойствами. В частности, таковыми свойствами обладает пленка нитрида алюминия AlN. К данным технологиям прежде всего относятся:

• молекулярно-лучевая эпитаксия МЛЭ в сверхвысоком вакууме (MBE);
• химическое осаждение из паровой фазы с использованием металлорганических соединений в низком вакууме (MOCVD);
• термическое напыление в среднем вакууме (ТН);
• электронно-лучевое испарение в среднем вакууме (ЭЛИ);
• импульсное лазерное напыление (ИЛН);
• ионно-плазменное напыление (ИПН) в среднем вакууме (в том числе и метод магнетронного ВЧ-распыления (ММР)).

При этом каждая технология имеет как свои достоинства, так и недостатки. Например, методы МЛЭ, MOCVD позволяют выращивать практически монокристаллические пленки AlN и могут быть использованы при конструировании FBAR-систем в диапазоне частот 2–30 ГГц [1–4]. Поскольку метод ММР наиболее дешевый, в настоящее время он применяется за рубежом в коммерческих целях при производстве входных полосовых фильтров (дуплексоров) для сотовой и мобильной связи в диапазоне частот 1,5–2 ГГц.

Самая простая конструкция тонкопленочного акустоэлектронного СВЧ-резонатора состоит из двух электродов, между которыми находится тонкий пьезокристаллический слой. Центральная частота резонатора определяется толщиной пьезослоя и скоростью акустической волны. В первом приближении центральная рабочая частота тонкопленочного резонатора оценивается из простейшего соотношения:

F = V/2h,

где V — скорость продольной объемной акустической волны (ПОАВ) вдоль направления, перпендикулярного поверхности пьезоактивного слоя из (0001) AlN, h — толщина слоя.

Скорость продольной объемной волны в нитриде алюминия достигает величины около 11 км/с, что при толщине пленки в 0,2 мкм соответствует частоте 28 ГГц. Необходимо отметить, что свой понижающий частоту вклад вносит конечная толщина электродов, но даже с учетом этого обстоятельства рабочая частота тонкопленочного резонатора на объемных волнах (английская аббревиатура FBAR — film bulk acoustic wave resonator) может достигать величины 30 ГГц, что совершенно недостижимо для устройств на ПАВ.

В качестве примера на рис. 1 показаны диапазоны рабочих частот (C‑Band, X‑Band, Ku-Band, K‑Band, Ka-Band) тонкопленочных FBAR-систем в зависимости от толщины пьезоактивной пленки AlN и толщин металлических электродов из рутения Ru [5]. На рисунке видно, что для реализации СВЧ-диапазона рабочих частот вплоть до 30 ГГц необходимо использовать очень тонкие пленки как нитрида алюминия, так и электродов резонатора.

Рис. 1. Диапазоны рабочих частот FBAR-систем в зависимости от толщины пьезоактивной пленки AlN и толщин металлических электродов из Ru

Типы и конструкции тонкопленочных акустоэлектронных СВЧ-резонаторов

В качестве основных типов и конструкций тонкопленочных акустоэлектронных СВЧ-резонаторов можно назвать следующие: многочастотные резонаторы (HBAR, High overtone Bulk Acoustic Resonators, рис. 2) и одночастотные резонаторы (рис. 3).

Рис. 2. Многочастотный резонатор (HBAR)

Одночастотные резонаторы следует, в свою очередь, разделить на следующие разновидности:

• резонаторы мембранного типа на объемных продольных акустических волнах (FBAR, film bulk acoustic wave resonator, рис. 3а, б);
• резонаторы с акустическим отражателем (SMR BAW, solidly mounted resonator bulk acoustic wave, рис. 3в), работающие на объемных продольных акустических волнах;
• резонаторы, работающие на сдвиговых объемных акустических волнах (LFE FBAR, lateral field excitation film bulk acoustic wave resonator, рис. 3г);
• резонаторы, работающие на волнах Лэмба (рис. 3д).

Рис. 3. Резонаторы:
а, б) мембранного типа: 
а) со сквозным отверстием в подложке;
б) с воздушной прослойкой;
в) с акустическим отражателем;
г) на сдвиговой объемной волне; д) на волне Лэмба

Рассмотрим подробнее основные типы существующих конструкций тонкопленочных акустоэлектронных СВЧ-резонаторов.

Многочастотные резонаторы

Данный тип акустического резонатора на ПОАВ схематически показан на рис. 2 (HBAR, high overtone bulk acoustic resonator). Он содержит подложку-звукопровод толщиной несколько сотен микрон, на поверхности которой размещен тонкопленочный пьезопреобразователь из AlN (ZnO) с микронной толщиной и двух металлических сплошных электродов. Подложка-звукопровод изготавливается из монокристаллов с рекордно малым акустическим поглощением (сапфир, алюмомагниевая шпинель (АМГ), танталат либо ниобат лития, иттрий алюминиевый гранат (ИАГ). Оптически отполированные поверхности подложки должны быть строго параллельны. Пьезоэлектрическая пленка обеспечивает электрическую связь с внешней цепью. Между плоскопараллельными поверхностями, ограничивающими резонатор, укладываются сотни акустических полуволн. Пьезопленка может возбуждаться на гармониках, лежащих в широкой полосе частот. Колебательная энергия в резонаторе накапливается в основном в подложке и его добротность определяется акустическими потерями в материале подложки, поэтому HBAR-резонаторы имеют очень большие добротности. Например, иттрий алюминиевый гранат (ИАГ) имеет акустическую добротность 50 000. Толщина пьезопреобразователя рассчитывается по формуле:

h = n×λ/2, при n = 1, 2, 3…,

где λ — длина акустической волны в пьезослое.

При этом максимальная эффективность преобразователя при h = λ/2. Полоса резонансных частот имеет достаточно широкий предел, а их скважность зависит от толщины подложки. Обычно полоса рабочих частот таких резонаторов находится в пределах Δf/f = 0,01–0,2, диапазон частот 1–20 ГГц. Добротности HBAR-резонаторов могут иметь значения больше 20 000–50 000.

На рис. 4 показан частотный спектр HBAR-резонатора с подложкой-звукопроводом из сапфира.

Рис. 4. Частотный спектр резонатора при толщине слоя сапфира 50 мкм, толщине пьезослоя AlN = 1 мкм, толщине электродов из Al 0,1 мкм

Одночастотные резонаторы

На рисунках 3а–в показаны конструкции одночастотных тонкопленочных резонаторов, работающих на продольной объемной акустической волне. На рис. 3a, б изображены два варианта резонатора мембранного типа, на рис. 3в — конструкция резонатора с акустическим отражателем. При разработке SMR BAW-резонатора обычно используется акустический отражатель Брэгговского типа [6, 7]. Брэгговский отражатель обеспечивает эффективную локализацию продольной моды колебаний в материале пьезоактивного слоя и представляет собой многослойную периодическую структуру, состоящую из n пар слоев материалов, имеющих существенно различную величину акустического импеданса:

Z_а = ρV (на единицу поверхности),

где ρ — плотность материала слоя; V — скорость продольной объемной акустической волны в слое;

и толщину каждого слоя:

λ/4,

где λ — длина ПОАВ в материале слоя.

Если толщина слоя составляет четверть длины волны, фаза отраженной волны отличается от фазы падающей волны на 180° после отражения от нижней поверхности первого слоя Брэгговского отражателя. Интерференция этих двух волн (падающей и отраженной) делает первый Брэгговский слой, а затем каждый последующий слой, аналогичным зеркалу, отражающему акустическую энергию обратно в резонатор. Стек Брэгговского отражателя работает, отражая некоторую часть акустической энергии продольных колебаний обратно в резонатор на каждой границе раздела слоев. Чем сильнее отличаются акустические свойства слоев пары, тем эффективнее происходит отражение на границах слоев и тем меньшее количество пар слоев может быть в отражателе.

В общем случае центральная частота резонатора F определяется не только толщиной слоя AlN, но и толщиной и типом материала верхнего и нижнего электрода (Al, Ti, Mo, Ni, W, Au и т. д.) и может быть определена с помощью модифицированной теории Новотного и Бенеша [8–10]. Эта теория основана на строгом решении уравнений, описывающих волновые процессы в многослойной структуре, составляющей резонатор, с использованием корректных граничных условий на всех границах всех слоев и позволяет рассчитывать резонатор, образованный произвольным количеством произвольно расположенных произвольных слоев.

На рис. 5 показан типичный вид действительной (Re) и мнимой (Im) частей проводимости Y (Ом^–1) одночастотного SMR BAW-резонатора, рассчитанного на центральную частоту 5 ГГц. Причем толщина верхнего Mo-электрода 0,06 мкм, слоя AlN — 0,72 мкм, нижнего Mo-электрода — 0,07 мкм, стек Брэгговского отражателя содержит четыре пары SiO₂/Mo-слоев толщиной 0,3 мкм (SiO₂) и 0,33 мкм (Mo), к нижнему электроду примыкает слой SiO₂, подложка — Si. Реальная часть проводимости имеет максимум на частоте последовательного резонанса f_s и минимум на частоте параллельного резонанса f_p.

Рис. 5. Реальная (Re) и мнимая (Im) часть проводимости резонатора

Такие же конструкции резонаторов с акустическим отражателем могут быть реализованы и в случае использования в качестве рабочей акустической волны сдвиговых объемных акустических волн. На рис. 3г показана типичная конструкция LFE FBAR-резонатора, действующего на сдвиговой объемной акустической волне. Здесь электроды резонатора формируются в одной плоскости — непосредственно на поверхности пьезослоя, например AlN. При этом резонансная частота такого резонатора тоже определяется толщиной пьезослоя и электродов, а также величиной скорости сдвиговой акустической волны в пьезослое (в частности, в AlN V = 6,33 км/с). В данном случае можно использовать и Брэгговский отражатель.

Отдельный тип тонкопленочных СВЧ-резонаторов показан на рис. 3д [11]. Данный тип резонаторов в качестве рабочей волны использует волны Лэмба, распространяющиеся в тонкой пьезоэлектрической пластинке (толщина пластины должна быть меньше длины акустической волны). На рис. 6 представлены рассчитанные скорости волн Лэмба в пленке из (0001)AlN от относительной толщины пленки h/l. Как видно на рис. 6, нулевая симметричная мода Лэмба S₀ имеет скорость 10 км/с, что в 3–4 раза выше скорости ПАВ. Принципиально резонансная частота F данного резонатора определяется не толщиной пьезопластины, а периодом встречно-штыревой системы (ВШС) электродов, как это делается в технике ПАВ (поверхностные акустические волны):

P=λ/2=V/2F,

где λ — длина акустической волны; V — скорость волны Лэмба.

Рис. 6. Зависимость скорости (V) первых двух симметричных и антисимметричных мод Лэмба в пленке (0001)AlN от относительной толщины пленки h/λ

Основные параметры тонкопленочных СВЧ-резонаторов

Одним из наиболее важных параметров резонаторов является показатель качества (FOM, Figure of Merit,), определяемый как [12]:

FOM (f) = К²_eff Q(f),    (1)

где К²_eff — эффективный коэффициент электромеханической связи; Q — добротность резонатора; f — частота. Чем выше величина FOM, тем качественнее считается резонатор.

Величина эффективного коэффициента электромеханической связи K²_eff зависит от качества активного слоя (0001)AlN в смысле его пьезосвойств, а также от соотношения толщины электродов и пьезослоя. Этот параметр является самой большой проблемой в тонкопленочных FBAR. Вполне вероятно, что FBAR-технологии могли бы появиться гораздо раньше, если бы были доступны методы осаждения пьезоэлектрических пленок. Многочисленные более ранние попытки в разработке FBAR потерпели неудачу именно потому, что коэффициент связи K²_eff был слишком низким и невоспроизводимым. Значение K²_eff может быть непосредственно вычислено по резонансной частоте (частота последовательного резонанса) f_s и антирезонансной частоте (частота параллельного резонанса) f_p [12]:

Величины, достигаемые с помощью современного технологического оборудования для формирования пленок AlN, составляют K²_eff ~ 6,7% для SMR-BAW на частоте 2 ГГц. Следует отметить, что нет смысла сравнивать эту величину с опубликованными данными для монокристаллического AlN. Слои стека и, самое главное, используемых электродов оказывают сильное влияние на коэффициент связи, что не имеет никакого отношения к качеству AlN. Хотя теоретически у ZnO немного более высокий коэффициент связи, чем у AlN, он до сих пор не продемонстрировал себя как жизнеспособная альтернатива нитриду алюминия [13]. Другой известный пьезоэлектрический материал — PZT — интересен для MEMS и устройств низкой частоты, поскольку у него очень высокий коэффициент связи наряду с чрезвычайно высокой диэлектрической постоянной. В ГГц-диапазоне PZT имеет слишком высокие внутренние потери [13]. Кроме того, высокая диэлектрическая проницаемость и низкая акустическая скорость могут привести к крайне малым размерам резонаторов, акустическое поведение которых будет очень трудно контролировать.

Ненагруженная добротность Q есть отношение энергии, запасенной в цепи, к энергии, рассеиваемой в этой цепи за период. Уравнение (1) подчеркивает тот факт, что Q является функцией частоты и, следовательно, таковым является и FOM (K²_eff не зависит от частоты). Высокие значения добротности Q ~ 1500–2000, достигнутые в FBAR-резонаторах, стали ключевым преимуществом над ПАВ‑устройствами в диапазоне частот до 2 ГГц.

Величину добротности можно рассчитать по ширине Df зависимостей проводимости Y (для частоты последовательного резонанса) или импеданса Z = 1/Y (для частоты параллельного резонанса) резонатора на половинной высоте от максимума соответствующего резонансного пика [12]:

Q = Δf/f.     (3)

Наиболее точно величину добротности можно рассчитать по наклону фазовой характеристики электрического импеданса Z [12]:

где φ — угол наклона фазовой характеристики импеданса Z в радианах; f_x — резонансная частота на последовательном f_s либо параллельном f_p резонансе.

Традиционные объяснения механизмов ограничения добротности связаны либо с вязкими потерями в материалах и боковой утечкой акустической энергии, либо с рассеянием на шероховатостях поверхностях. Все эти механизмы потерь безусловно существуют. В работе [14] исследовался также механизм ограничения добротности в SMR BAW-резонаторе, вызванный потерями, возникающими из-за наличия сдвиговых ОАВ. При применяемой ориентации пленки AlN сдвиговые компоненты механических смещений в объемной акустической волне теоретически должны отсутствовать. Но в реальной конструкции они могут возникать из-за наличия краевых эффектов вблизи граничных зон резонатора, микрошероховатостей на поверхностях и их неидеальной параллельности. В результате часть энергии переходит в эти сдвиговые волны, что может приводить к существенному снижению общей добротности резонатора. Величины Q SMR BAW были очень плохими до тех пор, пока не удалось выяснить, что сдвиговые волны, образующиеся в качестве побочного продукта колебаний толщины, утекают через нижний отражатель [14]. До этого момента отражатели формировались из четвертьволновых слоев с высоким и низким импедансом материалов таких слоев. После внесения изменений в конструкцию отражателя, позволивших ему отражать как продольные, так и сдвиговые волны, значения Q возросли от менее 700 до более 1300 без каких-либо других дополнительных изменений.

Как известно [15], количественно температурная стабильность резонатора характеризуется температурным коэффициентом частоты:

где τ — температура; F_r — резонансная частота; dF_r — изменение резонансной частоты при изменении температуры на dτ.

Температурные характеристики нитрида алюминия немного лучше, чем пьезоматериалов, используемых в технике ПАВ. Так, ПАВ‑резонаторы, основанные на LiTaO₃, имеют типичные значения TCF от –39 ppm/K, в то время как FBAR могут достигать в среднем около –30 ppm/K. C другой стороны, SMR BAW-резонаторы используют инверсное температурное поведение аморфного SiO₂ для получения частичной компенсации температурного дрейфа других материалов. Модуль Юнга SiO₂ увеличивается с повышением температуры. Кроме того, очень мал коэффициент теплового расширения. SMR BAW, удовлетворяющий указанным выше условиям относительно типа дисперсии и использующий отражатель, оптимизированный для сдвиговых волн, может иметь ТCF до –19 ppm/K [15]. Дальнейшее улучшение ТCF в SMR BAW вероятно за счет увеличения содержания SiO₂ и перемещения SiO₂ ближе к зонам с высоким напряжением в стеке. Все эти подходы сильно вредят K²_eff и могут быть применены только для фильтров и резонаторов с малой относительной шириной полосы пропускания. Чтобы иметь нулевой ТCF, следует смириться с величиной K²_eff резонатора ниже 4%.

Необходимо отметить, что при создании полосовых фильтров на основе FBAR- или SMR BAW-резонаторов с оптимальными параметрами желательно обеспечить три вещи: эффективный коэффициент электромеханической связи K²_eff, высокую добротность Q и отсутствие паразитных резонансов. Коэффициент связи K²_eff имеет прямое отношение к достижимой ширине полосы фильтра, а также к вносимым потерям фильтра. Добротность Q влияет в основном на вносимые потери и крутизну краев полосы фильтра. Паразитные резонансы вблизи основного резонанса устройства приводят к увеличению вносимых потерь в полосе пропускания фильтра.

Заключение

Перспективные направления развития СВЧ-акустоэлектроники возникли прежде всего в связи с рождением новых технологий, позволивших выращивать высококачественные тонкопленочные пьезоматериалы, имеющие толщины от 0,15 до 2 мкм. Одним из основных ключей успеха FBAR-технологий является использование AlN в качестве пьезоэлектрического материала и материалов с высоким акустическим импедансом, таких как молибден, вольфрам и рутений, в качестве электродов. Эти технологические отличия создают присущее FBAR-устройствам превосходство над обычной ПАВ‑технологией. В настоящее время на базе FBAR-технологий разрабатываются новые типы СВЧ-акустоэлектронных тонкопленочных чип-компонентов (резонаторы, фильтры, дуплексоры, сенсоры и др.), способных работать в диапазоне рабочих частот вплоть до 30 ГГц.

К ведущим мировым производителям тонкопленочных акустоэлектронных компонентов, разрабатываемых на основе FBAR-технологий, относятся фирмы Avago Technologies, TriQuint Semiconductor, Fujitsu и др. В настоящее время только Avago Technologies выпускает в год более 200 млн штук дуплексоров, работающих в диапазоне центральных частот 1,5–2 ГГц, для сотовой телефонии [16]. Фирма TriQuint Semiconductor преступила к серийному выпуску полосовых фильтров на основе SMR BAW-резонаторов, функционирующих на центральной частоте 5,775 ГГц [17].

Статья опубликована в журнале «Компоненты и технологии» №5’2014