İnce film toplu akustik rezonatör - Thin-film bulk acoustic resonator

Bir ince film, toplu akustik rezonatör (fbar veya TFBAR) aşağıdakilerden oluşan bir cihazdır piezoelektrik tarafından üretilen malzemenin ince film çevreleyen ortamdan izole akustik elektrotlar ve - tipik olarak metal - iki iletken arasındaki yöntem. İşlem, elektrotlar arasındaki piezo tabakanın piezoelektrikliğine dayanmaktadır .

Temel FBAR yapısı

Birkaç mikrometreden on mikrometreye kadar değişen kalınlıklarda piezoelektrik filmler kullanan FBAR cihazları, kabaca 100 MHz ila 20 GHz frekans aralığında rezonansa girer. FBAR veya TFBAR rezonatörleri, toplu akustik rezonatörler (BAW) ve piezoelektrik rezonatörler kategorisine girer ve özellikle yüksek frekans, küçük boyut ve ağırlığın gerekli olduğu uygulamalarda kullanılır.

İnce filmlerde piezoelektrik

İnce bir filmin kristalografik oryantasyonu, seçilen piezomalzemeye ve filmin üzerinde büyütüldüğü yüzey ve çeşitli imalat - ince film büyümesi - koşullar (seçilen sıcaklıklar, basınç, kullanılan gazlar, vakum koşulları vb.) gibi diğer birçok öğeye bağlıdır.

Gibi herhangi bir malzeme kurşun zirkonat titanat (PZT) ya da baryum stronsiyum titanat dan (TSİ) piezoelektrik malzeme listesinden bir fbar rezonatördeki bir aktif madde olarak hareket edebilir. Bununla birlikte, iki bileşik malzeme alüminyum nitrür (AlN) ve çinko oksit , yüksek frekanslı FBAR gerçekleştirmeleri için üretilmiş en çok çalışılan iki piezoelektrik malzemedir. Bunun nedeni, iki bileşik malzemenin stokiyometrisi gibi özelliklerinin, ince film yöntemleriyle üretilen üç bileşik malzemeye kıyasla kontrol edilmesinin daha kolay olabilmesidir. Örneğin, kristal yapının C eksenine (kristal Z ekseni) sahip ince film ZnO'nun substrat yüzeyine normal olduğu uzunlamasına (L) dalgaları uyardığı bilinmektedir . Film kristal yapısının C ekseni 41º eğik ise kesme (enine) (S) dalgaları uyarılır. Filmin kristal yapısına bağlı olarak her iki dalganın da (L & S) uyarılması da mümkündür. Bu nedenle, üretilen piezoelektrik filmin kristal yapısının anlaşılması ve kontrolü, FBAR'ın çalışması için çok önemlidir.

Sinyallerin filtrelenmesi gibi yüksek frekanslı amaçlar için enerji dönüşüm verimliliği en önemli kalemdir ve bu nedenle boyuna (L) dalgalar tercih edilir ve kullanılması hedeflenir. Algılama ve çalıştırma amaçları için, yapısal deformasyon, enerji dönüşüm verimliliğinden daha önemli olabilir ve piezoelektrik filmin üretiminin hedefi, kesme modu dalga uyarımı olacaktır.

Çinko oksite göre daha düşük elektromekanik bağlantı katsayısına rağmen daha geniş bant aralığına sahip AlN , sinyal işlemede geniş bant genişliği gerektiren endüstriyel uygulamalarda en çok kullanılan malzeme haline gelmiştir. Silikon entegre devre teknolojisi ile uyumluluk, radyo frekans filtreleri, dupleksleyiciler, RF güç amplifikatörü veya RF alıcı modülleri gibi FBAR rezonatör tabanlı ürünlerde AlN'yi desteklemiştir .

İnce film piezoelektrik sensörler , uygulamaya bağlı olarak çeşitli piezoelektrik malzemelere dayalı olabilir, ancak üretim kolaylığı nedeniyle iki bileşik piezoelektrik malzeme tercih edilir.

Kare yerleşimli rezonans eden ince film toplu akustik rezonatör

Skandiyum (Sc) gibi yeni malzemelerin eklenmesi veya eklenmesi, FBAR'lar için AlN'nin malzeme özelliklerini geliştirmek için yeni yönlerdir. Rezonatörün yüklenmesini en aza indirmek için metal elektrotlardan birini grafen gibi çok hafif malzemelerle değiştirerek yeni elektrot malzemelerinin veya alüminyuma alternatif malzemelerin araştırılması, rezonans frekansının daha iyi kontrol edilmesini sağladığı gösterilmiştir.

FBAR rezonatörleri ve uygulamaları için yüzeyler

FBAR rezonatörleri seramik (Al 2 O 3 veya alümina), safir , cam veya silikon substratlar üzerinde üretilebilir . Ancak silikon gofret , seri üretime yönelik ölçeklenebilirliği ve ihtiyaç duyulan çeşitli üretim adımlarıyla uyumluluğu nedeniyle en yaygın substrattır.

1967'deki ince film rezonatörlerinin ilk çalışmaları ve deney aşaması sırasında, kadmiyum sülfür (CdS), rezonans frekansında (279 MHz) 5000 Q faktörü (kalite faktörü) sağlayan bir dönüştürücü görevi gören rezonant bir yığın kuvars kristal parçası üzerinde buharlaştırıldı. . Bu, daha yüksek frekansları kullanma ve FBAR rezonatörlerini kullanma ihtiyaçları için daha sıkı frekans kontrolü için bir olanaktı. İnce film teknolojilerinin gelişmesiyle Q faktörünü yeterince yüksek tutmak, kristali dışarıda bırakmak ve rezonans frekansını artırmak mümkün oldu.

FBAR rezonatörlerine dayalı merdiven tipi bant geçiren filtre. Rezonatör 1 ve 2'nin rezonans frekansı farkı, geçirilecek frekansların frekans aralığını belirler.

Uygulama alanları

2020'deki akıllı telefonların çoğu, en az bir FBAR tabanlı dupleksleyici veya filtre içerir ve bazı 4/ 5G ürünleri, esas olarak radyo frekansı ön ucunun (RFFE, RF ön uç) artan karmaşıklığından dolayı FBAR teknolojisine dayalı 20-30 işlevsellik içerebilir. ) elektronik - hem alıcı hem de verici yolları - ve anten/anten sistemi. RF spektrumunu kabaca 1.5-2.5 GHz'den daha yüksek frekanslarla daha verimli kullanma eğilimleri ve bazı durumlarda artan RF çıkış gücüyle eş zamanlı olarak FBAR teknolojisinin telekomünikasyon gerçekleştirilmelerinde anahtar kolaylaştıran teknolojilerden biri olmasını desteklemiştir. FBAR teknolojisi, yüzey akustik dalga (SAW) teknolojisini tamamlar ve bazı durumlarda onunla rekabet eder ve FBAR rezonatörleri, 100 MHz'den daha yüksek frekanslarda kristal osilatörlerdeki ve kristal filtrelerdeki kristallerin yerini alabilir .

Duyusal, FBAR rezonatörleri ve bunlara dayalı yapılar için gelişen bir alandır. Az miktarda malzeme/sıvı/gazı ölçmek ve muhtemelen kontrol etmek ve çeşitli algılama ve çalıştırma görevlerinde minyatürleştirilmiş kristal(ler)i değiştirmek için hedefler araştırma ve geliştirme aşamasındadır.

Temel yapılar

Göre serbest duran fbar rezonatörün şematik bir enine kesit yüzeyi mikro aşındırma
Serbest duran FBAR rezonatörünün toplu mikro işlemeye (alt tabaka aracılığıyla) aşındırmaya dayalı şematik bir kesiti

Şu anda ince film toplu akustik dalga (BAW) rezonatörlerinin bilinen iki yapısı vardır: serbest duran ve sağlam monte edilmiş (SMR) rezonatörler. Serbest duran bir rezonatör yapısında, rezonatörü alt tabakadan/çevreden ayırmak için hava kullanılır. Serbest duran bir rezonatörün yapısı, mikro-elektromekanik sistemler MEMS'de kullanılan bazı tipik üretim adımlarına dayanmaktadır .

SMR yapısının şematik bir kesiti

Bir SMR yapısında akustik bir izolasyon sağlayan akustik ayna(lar) rezonatör ile alt tabaka gibi çevre arasında inşa edilir. Akustik ayna (bir Bragg reflektörü gibi ) tipik olarak, değişen yüksek ve düşük akustik empedanslı tek toplam malzeme sayısından oluşur . Maksimum akustik yansıtma için ayna malzemelerinin kalınlığı da çeyrek dalga boyuna göre optimize edilmelidir. SMR yapısının temel prensibi 1965 yılında tanıtıldı.

İnce film rezonatörlerinin şematik resimleri, yalnızca potansiyel yapıların temel ilkelerini gösterir. Gerçekte, yapının çeşitli kısımlarını güçlendirmek için olduğu gibi bazı dielektrik katmanlara ihtiyaç duyulabilir. Ek olarak, gerekirse – uygulamadaki son filtre yerleşimini basitleştirmek için – rezonatör yapıları, örneğin bazı filtre uygulamalarında olduğu gibi birbiri üzerine inşa edilebilir. Ancak bu yaklaşım, üretimin karmaşıklığını artırmaktadır.

Rezonans frekansının ayarlanması gibi bazı performans gereksinimleri, üretim sürecini karmaşıklaştıran iyon öğütme gibi ek işlem adımlarını da gerektirebilir.

Daha iyi performans gösteren FBAR'lar geliştirmek için en yeni yönler, polikristal AlN yerine tek kristal AlN kullanmak ve elektrotları piezo tabakanın aynı tarafına yerleştirmektir.

FBAR yapılarının gerçekleştirilmesi birçok kesin adım gerektirdiğinden, tasarım aşamasında rezonans frekansının saflığını ve diğer performansı tahmin etmek için simülasyon aktif olarak kullanılır. Geliştirmenin ilk aşamasında, kristaller için kullanılan temel sonlu elemanlar yöntemine (FEM) dayalı modelleme teknikleri de FBAR'lar için uygulanmış ve modifiye edilmiştir. Rezonatörlerin işlevselliğini görselleştirmek ve rezonansın saflığını ve istenen rezonans modlarını elde etmek için tasarımın (rezonatörün yerleşimi ve kesit yapısı) geliştirilmesine yardımcı olmak için tarayıcı lazer interferometrisi gibi birkaç yeni yönteme ihtiyaç duyuldu.

Uygulama Gereksinimleri

Birçok uygulamada sıcaklık davranışı, zamana karşı kararlılık, istenen rezonans frekansının gücü ve saflığı FBAR rezonatörlerine dayalı uygulamaların performansı için temel oluşturmaktadır. Rezonatör yapılarının malzeme seçimleri, yerleşimi ve tasarımı, rezonatör performansına ve uygulamanın nihai performansına katkıda bulunur. Mekanik performans ve güvenilirlik, uygulamalardaki rezonatörlerin ambalajı ve yapısı ile belirlenir.

Bir LCC taşıyıcısına kabloyla bağlanmış bir cep telefonu anakartında iki FBAR filtresi. Bu merdiven filtreleri, altı FBAR rezonatöründen oluşur ve sağ taraftaki alt bant filtresi, sahte bastırma için paralel olmayan kenarlar kullanır.

FBAR'ların yaygın bir uygulaması, cep telefonlarında ve konumlandırma ( GPS , Glonass , Beidou , Galileo (uydu navigasyonu) vb.), Wi-Fi sistemleri, küçük telekomünikasyon hücreleri ve modüller gibi diğer kablosuz uygulamalarda kullanım için radyo frekansı (RF) filtreleridir . onlar. Bu tür filtreler bir rezonatör ağından yapılır (yarım basamaklı , tam basamaklı, kafes veya yığınlı topolojilerde) ve diğer belirli frekansların alınmasına ve iletilmesine izin verirken istenmeyen frekansların bu tür cihazlarda iletilmesini önlemek için tasarlanmıştır. FBAR filtreleri dupleksleyicilerde de bulunabilir . FBAR filtre teknolojisi, artan güç işleme kapasitesi ve elektrostatik deşarj (ESD) toleransının gerekli olduğu alanlarda yüzey akustik dalga (SAW) filtre teknolojisini tamamlar . 1,5–2,5 GHz üzerindeki frekanslar FBAR cihazları için çok uygundur. Çünkü bir silikon substrat üzerindeki FBAR'lar yüksek hacimlerde üretilebilir ve tüm yarı iletken cihaz üretim yöntemlerinin geliştirilmesiyle desteklenir . Dik durma bandı zayıflaması ve mümkün olan en düşük ekleme kaybı ile filtreleme bant genişliği gibi yeni uygulamaların gelecekteki gereksinimleri, rezonatör performansı üzerinde etkilere sahiptir ve gerekli geliştirme adımlarını gösterir.

FBAR'lar, 100 MHz'den fazla frekansların ve/veya çok düşük titreşimin performans hedeflerinden biri olduğu uygulamalarda bir kristal/kristallerin yerini almak için osilatörlerde ve senkronizörlerde de kullanılabilir.

FBAR'lar sensör olarak da kullanılabilir. Örneğin, bir FBAR cihazı mekanik basınç altına alındığında rezonans frekansı değişecektir. FBAR'lar kullanılarak nem ve uçucu organik bileşiklerin (VOC'ler) algılanması gösterilmektedir. Dokunsal bir sensör dizisi ayrıca FBAR cihazlarından oluşabilir ve gravimetrik veya kütle algılama, FBAR rezonatörlerine dayalı olabilir.

Ayrık bileşenler olarak, temel rezonatörler ve filtreler gibi FBAR teknolojisine dayalı parçalar, gofret seviyesi paketleri gibi minyatür/küçük form faktöründe paketlenir . FBAR'lar, ilgili elektronik devre ile bir modül çözümü oluşturmak için güç amplifikatörleri (PA) veya düşük gürültülü amplifikatörler (LNA) ile de entegre edilebilir. FBAR'ların CMOS gibi elektronik devrelerle aynı alt tabaka üzerinde monolitik entegrasyonu gösterilmiş olsa da, çözümün maliyetini artıran IC teknolojisinin üstünde birkaç ek işlem adımı ve maske katmanları gerektirir. Bu nedenle ticari uygulamalarda yekpare çözümler modül çözümleri kadar gelişmemiştir. Tipik modül çözümleri, bir güç amplifikatörü- dupleksleyici modülü (PAD) veya bir düşük gürültülü amplifikatör (LNA)-filtre modülüdür, burada FBAR(lar) ve ilgili devre muhtemelen ayrı bir modül alt tabakası üzerinde aynı pakette paketlenir.

FBAR'lar, harici, paketlenmiş bir kristalin alan/alan gereksinimlerinden kaçınmak için SimpleLink modülleri gibi karmaşık iletişimlere entegre edilebilir. Bu nedenle FBAR teknolojisi, özellikle osilatörlere ve hassas yüksek performanslı filtrelere ihtiyaç duyulan uygulamalarda elektronik minyatürleştirmede kilit bir role sahiptir .

Tarihi ve endüstriyel peyzaj

Rezonatörler ve filtreler/dupleksleyiciler

Piezoelektrik malzemelerin farklı uygulamalar için kullanımı 1960'ların başında , piezoelektrik kristallerin geliştirildiği ve 100 MHz'e kadar frekanslara sahip osilatörler gibi uygulamalarda rezonatör olarak kullanıldığı Bell Telefon Laboratuvarları/ Bell Laboratuvarlarında başladı . Kristallerin rezonans frekansını arttırmak için inceltme uygulanmıştır. Bununla birlikte, kristallerin inceltilmesinde sınırlamalar vardı ve 1970'lerin başında rezonans frekansının doğruluğunu artırmak ve artan üretim hacimlerini hedeflemek için yeni ince film üretim yöntemleri uygulandı.

1989 yılında kurulan TFR Technologies Inc., çoğunlukla uzay ve askeri uygulamalar için FBAR rezonatörleri ve filtreleri alanında öncü şirketlerden biriydi. İlk ürünler 1997 yılında müşterilere teslim edildi. TFR Technologies Inc., 2005 yılında TriQuint Semiconductor Inc. tarafından satın alındı. 2015 yılının başlarında, RF Micro Devices (RFMD), Inc. ve TriQuint Semiconductor, Inc., Qorvo aktif sağlayıcısını oluşturmak için bir birleşme duyurdu. FBAR tabanlı ürünler.

HP Laboratuvarları, 1993 yılında bağımsız rezonatörler ve filtrelere odaklanan FBAR'lar üzerinde bir proje başlattı. 1999'da FBAR etkinliği , 2001'de N-CDMA telefonları için 25.000 FBAR dupleksleyici teslim eden Agilent Technologies Inc.'in bir parçası oldu . Daha sonra 2005 yılında Agilent'teki FBAR faaliyeti, 2015 yılında Broadcom Corporation'ı satın alan Avago Technologies Ltd.'nin teknolojilerinden biriydi. 2016 yılında Avago Technologies Ltd. adını Broadcom Inc. olarak değiştirdi ve şu anda FBAR tabanlı ürünler sağlamada aktif.

Infineon Technologies AG, mobil uygulamalar için telekomünikasyon filtrelerine odaklanarak 1999 yılında SMR-FBAR'lar ile çalışmaya başladı. İlk ürün, 2001 yılında ilk SMR-FBAR tabanlı GSM üç bantlı cep telefonu ürününü piyasaya süren Nokia Mobile Phones Ltd'ye teslim edildi . Infineon'un FBAR (BAW) filtre grubu, daha sonra Broadcom'un bir parçası olan Avago Technologies Ltd 2008 tarafından satın alındı. daha önce açıklandığı gibi.

2016 yılında Panasonic'in filtreleme işini satın aldıktan sonra Skyworks Solutions , Broadcom ve Qorvo'ya ek olarak BAW/FBAR cihazlarında en büyük oyunculardan biri haline geldi.

Ayrıca RF360 Holdings ( Qualcomm ve TDK'nın ortak girişimi ) ve Kyocera gibi bazı şirketler, RFFE modülleri ve ayrı filtreler gibi ince film rezonatör tabanlı ürünler sunuyor.

Halen Akoustis Technologies, Inc. (2014'te kuruldu), Texas Instruments (TI), birkaç üniversite ve araştırma enstitüsü gibi birçok şirket, FBAR teknolojisini, performansını, üretimini, FBAR'ların tasarım yeteneklerini geliştirmeyi ve yeni uygulama alanlarını keşfetmeyi teklif ediyor ve çalışıyor. sistem üreticileri ve simülasyon araçları sağlayan şirketler ( Ansys , OnScale, Comsol Multiphysics ve Resonant Inc. vb.) ile ortaklaşa .

İnce film rezonatör tabanlı sensörler

İnce film rezonatörleri algılamada kristallerin yerini alabildiğinden, FBAR rezonatörleri için en potansiyel uygulama alanı kuvars kristali mikro terazisi (QCM) alanına benzer . Algılamada ince film rezonatörlerini kullanan öncü şirketler, Sorexensors ve Airspec'tir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar