現代通信中，濾波器是一個非常重要的射頻單元，無線電信號的每一個頻段都需要對應的帶通濾波器。隨著通信技術的不斷發展，智能手機支持的頻段數目不斷上升，對于濾波器的性能要求越來越高，手機里裝載的濾波器的數量也越來越多。

FBAR（Film Bulk Acoustic Resonator）作為一種新型的濾波器技術平臺，具有高功率耐受、小尺寸、低插入損耗、高帶外抑制和可用于超高頻等優點，成為了通信領域研究和大規模商用開發的熱點。

它是如何誕生的？究竟有著怎樣的魅力、價值和歷史呢？讓我們一同揭開它神秘的面紗。

Avago并不是idea上第一個“發明”FBAR的

聊到FBAR，一定繞不開Avago（現Broadcom，博通公司），他們的FBAR技術在通信領域占據了舉足輕重的地位，在FBAR的商業化上功不可沒，但FBAR技術的真正起源并非Avago，而是可以追溯到20世紀80年代。
1981年，南加州大學Lakin教授和他的團隊在《Applied Physics Letters》期刊上，發表了篇名為《Acoustic Bulk Wave Composite Resonators》的文章，首次提出一種懸浮的體聲波諧振器，由氧化鋅薄膜鍍覆在薄膜硅支撐結構上構成，薄膜兩側的自由表面構成聲反射邊界，形成了一個諧振腔，體聲波在諧振腔內發生振蕩。這就是世界上首個FBAR，諧振頻率在435MHz，并聯諧振Q值超過9000，串聯諧振Q值超過3000，但受限于材料及結構限制，有效K2僅有0.3%左右。
至此，FBAR技術真正引起了業界的廣泛關注，這一里程碑式的成就為FBAR的后續發展奠定了基礎。

圖1. K. M. Lakin發布的懸浮體聲波諧振器示意圖

圖源：《Acoustic Bulk Wave Composite Resonators》

四年后，日本東芝研發中心的H. Satoh、Y. Ebata、H. Suzuki、C. Narahara發表了一篇題為《An Air-Gap Type Piezoelectric Composite Thin Film Resonator》的文章，文中提到他們首次基于半導體工藝，實現了FBAR器件。他們的結構在硅襯底表面和FBAR器件之間形成了非常薄的氣隙（Air gap），來保證諧振腔的獨立性。試驗中的FBAR仍然采用ZnO作為壓電層，ZnO也是80年代的FBAR研發最常用的材料。

圖2. 氣隙型薄膜諧振器的結構示意圖

圖源：《An Air-Gap Type Piezoelectric Composite Thin Film Resonator》

1990年，Krishnaswamy和Rosenbaum等人將FBAR技術拓展到了GHz頻段，這標志著FBAR濾波器正式進入高頻通信領域，為其日后成為無線通信技術革命的重要推手打下了基礎。

Avago率先成功實現FBAR商用

時間來到90年代初，Richard Ruby博士所在的惠普（后來的Avago）實驗室開始活躍在射頻通信技術的研發領域，1994年，他在IEEE頻率控制研討會上發表了《Micromachined Thin Film Bulk Acoustic Resonators》，文中提到Ruby博士和他的團隊成功制造了一種Q值超過1000且諧振頻率低至1.5 GHz和高達7.5 GHz的FBAR。該器件由兩個電極之間夾著一層壓電材料氮化鋁（AlN）組成，整個器件結構位于低應力氮化硅薄膜上。

圖3. Richard Ruby博士發布的FBAR示意圖

圖源：《Micromachined Thin Film Bulk Acoustic Resonators》

兩年后，他們又在美國舊金山舉辦的IEEE MTT-S國際微波大會上提出了FBAR技術應用于電信市場（如手機等移動設備）的可能性，并成功在實驗室實現了FBAR在手機上的應用。

圖4.左：Richard Ruby博士和他的團隊

右：當時實驗用的手機

圖源：《RF Bulk Acoustic Wave Filters for Communications》

在Richard Ruby博士的努力下，FBAR技術在惠普實驗室逐漸成熟。終于在1999年由安捷倫公司（Agilent，前身為惠普實驗室，后來的Avago）成功研發出應用于美國PCS1900MHz頻段的FBAR濾波器，并在2001年實現了大規模量產，同時正式提出了FBAR的稱謂。
美國電氣工程師協會（IEEE）的公開信息顯示，Ruby博士在2001年到2003年期間，成功地將FBAR專利產業化，并幫助公司量產了第一批FBAR Duplexers （雙工器）HPMD7901和7904。
Ruby博士于2014年獲得了美國物理學會頒發的Industrial Physics Prize，以表彰他在FBAR技術上的突出貢獻。

圖5. Richard Ruby博士獲得工業物理獎

現代FBAR技術的四種核心結構

隨著2001年FBAR技術的商業成功，FBAR在移動通信領域迎來了快速發展。德國的英飛凌（Infineon）、荷蘭的飛利浦（Philips）、摩托羅拉（Motorola）、TDK、京瓷（Kyocera）、三星（Samsung）、英特爾（Intel）、LG等公司也開始對FBAR技術進行研究，但在消費電子領域成功量產的是以下四種核心結構：博通的Swimming Pool下空腔+Air Frame結構、太陽誘電的Pop-Up氣泡式空腔結構、Akoustis的XBAW單晶壓電結構及新聲半導體的D-BAW®雙面鍵合體聲波結構。

博通：Swimming Pool下空腔結構+Air Frame

此結構通過在硅襯底中蝕刻出一個空腔（Swimming Pool），保證諧振器核心振動區的懸空，諧振器薄膜兩面都是空氣，由于空氣的聲波阻抗遠低于壓電層的聲波阻抗，絕大部分聲波都會反射回來，有效提升了聲波的共振效率和頻率選擇性，使得濾波器在處理高速、高頻信號時表現得更為出色。而Air Frame的設計則進一步降低了整體的聲學損耗，這個結構類似挑空的屋檐，能極大地降低能量的橫向泄漏，提高諧振器的Q值，保證了信號傳輸的純凈度。
這種結構，與此前應用廣泛的SAW濾波器相比，有非常顯著的性能優勢，在當時的移動通信領域是一次重大突破。

圖6. 博通FBAR結構示意圖

太陽誘電：Pop-Up氣泡式空腔結構

博通的FBAR結構自2001年量產后，在移動通信領域一時風頭無兩，直到2006年，太陽誘電（TAIYO YUDEN）發布了自己的FBAR結構，并成功申請專利，FBAR市場開始了兩大巨頭盤踞的局面。
區別于博通的下空腔結構位于硅襯底中，太陽誘電的FBAR結構下空腔是在襯底的上面，在制作壓電層之前沉積一個輔助層（Sacrificial Support Layer），最后再把輔助層去掉，在諧振腔下方形成一個類似于氣泡的空氣腔。其原理與博通的空氣腔結構相同，都是利用空氣的聲波阻抗低于壓電層阻抗，使得聲波集中在諧振器內進行傳播，增強共振效率。

圖7. 太陽誘電FBAR結構示意圖

Akoustis：XBAW單晶壓電結構

2016年，Jeffrey B. Shealy和Michael Hodge等人制備了以碳化硅（SiC）襯底上外延生長的單晶AIN為壓電薄膜的FBAR結構，即XBAW，相比于傳統多晶AIN材料制備的FBAR濾波器，XBAW由于具有更高的固有晶體質量，XRD測試數據顯示其FWHM值小于0.1，遠低于多晶AlN的1.4，因此能獲得更高的聲速、更低的材料阻尼損耗和更高的機電耦合系數，理論上性能可以得到大幅提升。

圖8. Akoustis FBAR結構示意圖

新聲半導體：D-BAW雙面鍵合技術

2021年，新聲半導體提出了一種全新的FBAR結構，D-BAW（Double Side Processed Bulk Acoustic Wave Technology，雙面鍵合體聲波技術），利用雙面鍵合形成空腔結構，并實現了雙面光刻，正電極正面光刻，底電極從背面光刻，與前述三種FBAR結構有顯著差異。這種全新結構和工藝路徑是站在近十年MEMS晶圓加工中雙面光刻對準、精確研磨、鍵和技術、以及晶圓級封裝發展的肩膀上實現的。（本公眾號后續會有系列文章對相關核心技術進行詳細展開）

圖9. 新聲半導體D-BAW結構示意圖

D-BAW作為FBAR家族中的新成員，具有以下特點：
1）雙面光刻、雙面精細加工，在上下兩面電極邊緣更靈活和精準地加工形成各類Frame結構，使得D-BAW諧振器在抑制橫向聲波傳播方面更加高效；
2）雙面鍵合形成空腔，兩次鍵合在完成核心諧振器結構轉移的同時，實現結構的懸空；
3）MASK(光罩)層數更少，雙面加工工藝使得結構更加簡單，無需為了消除各類聲、電寄生而額外增加Air Bridge等復雜補償結構，光罩層數大大減少，降低了成本；
4）突破了材料限制，允許使用各種襯底晶圓，包括碳化硅、玻璃、砷化鎵等，各種壓電材料比如單晶壓電材料以及薄膜鈮酸鋰和鉭酸鋰，都成為可行候選材料；
5）AlN壓電層極平坦，濺射鍍膜質量更好，結構上沒有臺階起伏導致的邊界損失，更接近理想壓電電容，性能更好；
6）更高的機電轉換效率，上下電極的光刻雙面成型無需因為顧慮傳統單面MEMS bottom up加工的互相影響，可完全對應共振腔，降低了寄生提高了機電轉換效率。

寫在最后

技術的發展往往不是依靠單一想法的發明，而是一個長期積累和創新的過程，FBAR技術的演進亦是如此。

• FBAR的第一代是1981年在南加大USC實驗室試產的ZnO MEMS FBAR雛形；
• FBAR的第二代是2001年Avago成功商用的可量產結構，這一代站在AlN批量濺射發展的肩膀上、且優化了在Si襯底釋放Swimming Pool結構；
• FBAR第三代中各方面最均衡的是新聲半導體Newsonic 2021年提出的D-BAW結構，通過雙面光刻、雙面鍵合實現了更接近理想壓電電容的完美共振空腔，擁有更好的基礎性能、功率耐受和可靠性。

D-BAW作為FBAR技術新的演進和方向，代表了高品質FBAR技術的最新一代，它繼承并發揚了FBAR技術的優勢，同時通過技術創新克服了之前的性能限制，為無線通信濾波器領域帶來了新的可能性。
FBAR技術的誕生和演進是無線通信技術發展史上的一個重要里程碑，從最初的概念提出到如今的廣泛應用，FBAR濾波器已經成為推動無線通信技術發展的關鍵力量。

*未注明來源的圖片來自網絡公開資料

參考文獻
[1] Thin Film Bulk Wave Acoustic Resonators (FBAR) for Wireless Applications. (Richard C Ruby)
[2] Acoustic bulk wave composite resonators.( K. M. Lakin and J. S. Wang)
[3] MiCROMACHINED CELLULAR FILTERS ((Richard Ruby)
[4] AN AIR-GAP TYPE PIEZOELECTRIC COMPOSITE THIN FILM RESONATOR(Hiroaki Satoh, Yasuo Ebata)
[5]《RF Bulk Acoustic Wave Filters for Communications》（Ken-ya Hashimoto）
[6] FBAR震蕩技術的研究與仿真。（王青）
[7] 5G高頻段凸顯FBAR濾波器優勢，壟斷格局下國產高端濾波器挑戰與機遇并存
[8] 高性能 聲學濾波器 技術研究進展【2021】