從專利分析看FBAR技術發展

國家知識產權局專利局專利審查協作四川中心 鄒小彬

從專利分析看FBAR技術發展

國家知識產權局專利局專利審查協作四川中心 鄒小彬

本文基于FBAR（薄膜體聲波諧振器）技術的專利文獻，介紹了FBAR技術的組成和分支，對該技術領域的重要申請人以及其專利申請情況做了介紹，并對該技術領域的調頻技術發展進行了著重分析。

FBAR；專利；調頻

1 前言

FBAR器件是采用硅材料作襯底，結合微電子機械系統（MEMS）技術和薄膜技術而制成，其插入損耗低、Q值高且尺寸小，廣泛用于制作射頻濾波器、雙工器。通過對FBAR專利技術分布和發展的研究，有助于相關領域人員了解該技術領域的發展現狀和明確研究方向。

2 專利技術分析

2.1 技術概述

FBAR諧振器是由在襯底上依次形成的聲反射層、下電極、壓電層以及上電極形成的堆疊結構。下電極、壓電層以及上電極形成的壓電堆構成FBAR諧振器的聲波傳輸通道，其厚度決定了FBAR諧振器的頻率（厚度越小，諧振頻率越高）；聲反射層用以產生全反射來構成聲波限制邊界，常見的聲反射層例如背面刻蝕型、空氣隙型以及固態裝配型，該結構決定了FBAR諧振器的性能（Q值、帶外抑制等）[1]。

2.2 技術分支和申請分布

通過檢索和分析現有FBAR專利技術（DWPI數據庫），結合FBAR諧振器的結構、器件構成和制作工藝將FBAR技術進行劃分，如圖1所示。

圖1 FBAR技術分支

圖2 全球FBAR諧振器領域重點申請人及申請量

截至目前，全球FBAR諧振器技術的專利申請總量達2313件（DWPI數據），其中美國的安華高（Avago）科技公司擁有的專利數為228件，遠超其他同行。安華高公司最早可起源于惠普公司的電子元件部，1999年安捷倫公司從惠普公司中獨立出來，成立了半導體事業部，2005年KKR和Silver Lake Partners收購了安捷倫的半導體事業部并成立了安華高科技公司。安華高科技公司在FBAR技術上不僅延續了安捷倫公司的BAW技術，而且還于2008年收購了英飛凌（Infineon）科技公司的BAW技術（主要為固態裝配型SMR），成為了該領域的領軍人物。圖2是全球FBAR諧振器領域重點申請人及申請量分布。

3 技術發展路線

3.1 需要解決的技術問題

對于濾波器件而言，其設計指標通常包括中心頻率、插入損耗、帶外抑制、Q值等[2][3]。因此，針對FBAR器件設計中需要解決的技術問題主要是為了獲得穩定且精確的中心頻率、降低插入損耗、提高Q值以及獲得所需的溫度特性。此外，由于級聯結構的FBAR器件通常作為集成電路系統中的功能器件，故FBAR器件的小型化也是當前的研究熱點。

3.2 調頻技術發展路線

濾波器的中心頻率是其重要技術指標之一，如何保證在FBAR濾波器成型后調節其中心頻率成為了FBAR濾波器批量化生產中亟需解決的技術問題。

圖3 FBAR諧振器調頻技術發展路線

正如前面提到的，FBAR諧振器的中心頻率由諧振器的厚度決定，故在FBAR調頻技術中最廣泛采用的便是施加質量負載。如圖3所示，采用質量負載的調頻技術早在1997年出現，最初的調頻方法僅是在電極上增加質量負載，以調節電極的厚度，包括在上電極/下電極上增加質量負載、在壓電層上增加質量負載。此后，為了更精確地調頻，1999年出現了通過改變質量負載的圖案，由最開始的在電極的整個區域內施加質量負載，變為對質量負載進行刻蝕孔，以改變單位面積的負載量；2002年的專利技術中，通過施加多個質量負載層，對相鄰的負載層采用不同的刻蝕工藝，單獨控制每個層的厚度來精確控制質量負載。2007年前后出現了使用周邊質量負載代替質量負載，只在電極的外圍設置質量負載，降低了質量負載對諧振器性能的影響；同年還出現了采用對質量負載層沉積光刻圖案，通過控制圖案特征實現晶圓級規模調諧，實現了批量化生產。

FBAR調頻技術中另一種常見的技術是采用可調電容。1997年日本專利技術中將平行板電容與FBAR諧振器并聯，通過調節平行板電容電極的面積從而改變其容值，實現FBAR諧振器與電容整體結構的頻率調諧；2004年美國專利技術中利用FBAR諧振器的結構特點，在上、下電極與壓電層之間分別設置p摻雜與n摻雜半導體層，使得兩層摻雜半導體層和壓電層構成PIN二極管，通過調節DC電壓改變PIN二極管的電容實現調諧；2005年出現的專利技術在壓電層與下電極之間加入介質材料形成可調電容以及2009年出現的專利技術在壓電層與下電極之間增加一個摻雜半導體層，由上電極、壓電層與摻雜半導體層形成MOS電容。2012年出現的專利技術中提出電極材料采用石墨烯，利用石墨烯的量子電容可變實現調諧。

3.3 其他FBAR技術

在濾波器的中心頻率固定的條件下，提高濾波器Q值就在于提高濾波器的帶外抑制，減小濾波器的3dB帶寬。通常，使體聲波限制在壓電堆中能夠改善諧振器的Q值，常用的方法包括改進諧振器的結構、制作工藝以及提高反射層的反射效率[3][4]。此外，FBAR小型化技術研究的熱點包括集成技術與封裝技術，其目的都是提高封裝密度、減小占用面積[5]。

4 結束語

本文以FBAR技術的專利申請文獻為依據，介紹了該技術領域的基本概念與技術分支，從需要解決的技術問題出發介紹了該領域的主要技術發展方向，并重點介紹了FBAR調頻技術的技術發展路線。從以上分析可以看出，FBAR技術的發展還存在很大空間，還需要大量工作投入到對其的研究。

[1]金浩.薄膜體聲波諧振器(FBAR)技術的若干問題研究[D].浙江大學,2006.

[2]Ken-ya Hashimoto,RF Bulk Acoustic Wave Filters for Communications[M].Artech House,2009:1-275.

[3]Humberto Campanella,Acoustic Wave and Electromechanical Resonators:Concept to Key Applications[M].Artech House,2010:1-345.

鄒小彬（1989—），女，四川成都人，碩士研究生，國家知識產權局專利局專利審查協作四川中心專利審查員。