压电MEMS兰姆波器件技术的最新进展与展望

于晓权，何 杰，马晋毅(.中国电子科技集团公司 第二十四研究所，重庆400060；.中国电子科技集团公司 第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

本文简要介绍了兰姆波的基本原理，重点报道了基于不同材料平台的5G通信和IoT用兰姆波器件取得的最新研究成果，并展望了未来的发展趋势。

1 兰姆波基本原理

1917年，英国科学家Horace Lamb最先预测了兰姆波的存在，随后实验证实这是一种在板状固体结构中传播的超声导波[3]。兰姆波是当激励波波长与波导厚度处于同一数量级时，由横波和纵波耦合而成的一种特殊形式的应力波。兰姆波在一定厚度的薄板中传播，其质点在薄板的中间和两面振动，声场遍及整个板厚，因此可认为兰姆波是一种声板波(PAW)。根据声波传播时介质中质点振动位移分布形态的不同，兰姆波分为反对称型兰姆波(A型)和对称型兰姆波(S型)两种(见图1)[3]。

图1 兰姆波传播模式示意图

对称型兰姆波的特点是薄板中质点的振动对称于板的中心面，上下两面相应质点振动的水平分量方向相同，而在垂直分量方向相反，且在薄板的中心面上质点以纵波形式振动；反对称模式兰姆波的特点是薄板中质点的振动不对称于板的中心面，上下两面相应质点振动的垂直分量方向相同，水平分量方向相反，且在薄板的中心面上质点以横波形式振动。对称与反对称模式兰姆波的薄板上下表面质点均做椭圆运动。兰姆波有多阶对称和反对称模式，对称模式兰姆波从低阶到高阶常用S0、S1、S2、S3、…、Sn表示，反对称模式兰姆波从低阶到高阶常用A0、A1、A2、A3、…、An表示。不同模式的兰姆波具有不同声速，其中最低阶兰姆波的声速一般在10 000 m/s，而高阶兰姆波声速大于10 000 m/s。由于兰姆波声速高，因此，采用兰姆波作为工作模式有利于声波器件的频率扩展和器件的小型化。

图2 X-切铌酸锂LWR模型、位移模式及电路模型

图3 S0模式铌酸锂横向振动谐振器的拓扑结构和等效电路

图4 LNOSiC兰姆波滤波器的S参数

图5 SH0模式LWR结构俯视图

综上所述，LWR极有潜力成为未来低功耗、多功能、小型化频率器件的最佳解决方案。

2 高阶兰姆波器件技术的最新进展

2.1 X～Ka波段AlN芯片级兰姆波器件

图6 AlN CORs的兰姆波模式形状

图7 横向场结构CORs的扫描电镜显微照片

图8 COR的扫面电镜显微照片

图9 CLMRs的两种主要激励策略

图10 AlN CLMR制作工艺流程

2.2 铌酸锂薄膜高阶模式兰姆波器件

图11 XBAR结构的关键特性

图12 XBAR器件结构图

改进后的第二代XBARs器件制作工艺采用3层掩模工艺[21]，首先采用电子束光刻和剥离工艺制作电极，然后采用深反应离子刻蚀(DRIE)进行Si刻蚀，以释放铌酸锂薄片，而不是先释铌酸锂薄膜，再进行电子束光刻制备电极。此外，新工艺采用在硅载体晶圆上直接键合厚400 nm的LiNbO3单晶薄膜实现LiNbO3/Si结构，而不是在LiNbO3和Si层间采用SiO2夹层结构，这就勿需采用湿法刻蚀工艺去除SiO2，且采用LiNbO3薄膜释放工艺可获得更小的应力。因此，采用新工艺制备的器件的良率超过90%。图13为改进后的XBARs制作工艺[21]。虽然器件采用电子束光刻制作，但由于电极的线宽尺寸足够大(特征尺寸为500 nm)，因此可采用深紫外光刻替代电子束光刻，从而有利于实现器件的批量生产。

图13 改进后的XBARs制作工艺

2022年2月15日，日本村田制作所宣布斥资3亿美元收购Resonant 公司(Resonant Inc.)。由于XBAR滤波器技术方案能够有效解决下一代网络所面临的复杂需求，此次收购村田制作所将实现村田领先的移动射频产品能力与Resonant公司一流的XBAR滤波器解决方案二者的良好结合，从而在声学滤波器市场上进一步甩开竞争对手的追赶，发挥先发优势迅速占领市场高地。

为了实现较高的耦合系数，在大多情况下，压电薄膜厚度与波长的比值很小，这使铌酸锂高阶模式谐振器的频率几乎只与厚度相关，难以通过叉指实现较大范围的频率调整(约数百赫兹)[22]。为此，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Songbin Gong团队提出了一种采用局部减薄工艺方案，该方案采用刻蚀法使部分压电薄膜减薄，以实现高频谐振器。图14为采用这种局部减薄工艺实现的A5模式兰姆波滤波器制造工艺流程[22]。

图14 采用局部减薄的LiNbO3兰姆波滤波器工艺流程

兰姆波滤波器制造工艺流程如下：转移的LiNbO3薄膜衬底如图14(a)所示。使用ICP-RIE 工艺刻蚀释放孔,如图14(b)所示。对部分区域的LiNbO3薄膜进行减薄,如图14(c)所示。沉积顶电极和电感等如图14(d)所示。沉积和定义用于减小互连线，如图14(e)～(g)所示。气相刻蚀释放器件如图14(h)所示。该工艺通过控制LiNbO3薄膜不同区域的厚度实现了不同器件的工作频率，进而实现了同一衬底上构建滤波器的目的。

基于这种局部减薄工艺，该团队采用650 nm厚的Z-切铌酸锂薄膜设计并制作了工作在X波段的A3、A7模式的兰姆波滤波器[23-24]，其3 dB带宽分别为190 MHz和170 MHz，插入损耗分别为1.5 dB和2.5 dB，芯片面积分别为0.56 mm2和1 mm2；实现在19 GHz时A7模式兰姆波滤波器的3 dB带宽为2.4%，芯片面积为1.4 mm2。

Songbin Gong团队的研究验证了利用先进的薄膜加工技术和高频振动模式实现工作频率大于6 GHz的高性能微声滤波器是一种很有希望的解决方案。

3 兰姆波器件技术的未来发展趋势

目前AlN材料平台发展已较成熟，提高AlN掺杂材料的成熟度是AlN材料平台面临的主要挑战。同时，探寻AlN材料新的谐振模式以实现工作在X～Ka波段的芯片级滤波器是AlN微声器件未来的发展方向。

4 结束语

本文综述了压电兰姆波器件技术的最新研究进展，并展望了未来的发展方向。压电MEMS兰姆波器件可以借鉴 SAW 器件的设计原理，并利用FABR的工艺平台制作，兼具SAW和FBAR二者的特征。未来无线通信高频化和大带宽的发展趋势要求信号处理器件的频率达到几十吉赫兹，相对带宽需达到24%[30]，因此，兰姆波器件的性能参数还需要进一步优化，提高工作频率、拓展带宽是未来重要的研究方向。解决上述问题的潜在可能性是突破现有的制造工艺限制并采用超高相速(声速)的薄膜材料。