现代通信中，滤波器是一个非常重要的射频单元，无线电信号的每一个频段都需要对应的带通滤波器。随着通信技术的不断发展，智能手机支持的频段数目不断上升，对于滤波器的性能要求越来越高，手机里装载的滤波器的数量也越来越多。
FBAR（Film Bulk Acoustic Resonator）作为一种新型的滤波器技术平台，具有高功率耐受、小尺寸、低插入损耗、高带外抑制和可用于超高频等优点，成为了通信领域研究和大规模商用开发的热点。
它是如何诞生的？究竟有着怎样的魅力、价值和历史呢？让我们一同揭开它神秘的面纱。
Avago并不是idea上第一个“发明”FBAR的
聊到FBAR，一定绕不开Avago（现Broadcom，博通公司），他们的FBAR技术在通信领域占据了举足轻重的地位，在FBAR的商业化上功不可没，但FBAR技术的真正起源并非Avago，而是可以追溯到20世纪80年代。
1981年，南加州大学Lakin教授和他的团队在《Applied Physics Letters》期刊上，发表了篇名为《Acoustic Bulk Wave Composite Resonators》的文章，首次提出一种悬浮的体声波谐振器，由氧化锌薄膜镀覆在薄膜硅支撑结构上构成，薄膜两侧的自由表面构成声反射边界，形成了一个谐振腔，体声波在谐振腔内发生振荡。这就是世界上首个FBAR，谐振频率在435MHz，并联谐振Q值超过9000，串联谐振Q值超过3000，但受限于材料及结构限制，有效K2仅有0.3%左右。
至此，FBAR技术真正引起了业界的广泛关注，这一里程碑式的成就为FBAR的后续发展奠定了基础。
图1. K. M. Lakin发布的悬浮体声波谐振器示意图
图源：《Acoustic Bulk Wave Composite Resonators》
四年后，日本东芝研发中心的H. Satoh、Y. Ebata、H. Suzuki、C. Narahara发表了一篇题为《An Air-Gap Type Piezoelectric Composite Thin Film Resonator》的文章，文中提到他们首次基于半导体工艺，实现了FBAR器件。他们的结构在硅衬底表面和FBAR器件之间形成了非常薄的气隙（Air gap），来保证谐振腔的独立性。试验中的FBAR仍然采用ZnO作为压电层，ZnO也是80年代的FBAR研发最常用的材料。
图2. 气隙型薄膜谐振器的结构示意图
图源：《An Air-Gap Type Piezoelectric Composite Thin Film Resonator》
1990年，Krishnaswamy和Rosenbaum等人将FBAR技术拓展到了GHz频段，这标志着FBAR滤波器正式进入高频通信领域，为其日后成为无线通信技术革命的重要推手打下了基础。
Avago率先成功实现FBAR商用
时间来到90年代初，Richard Ruby博士所在的惠普（后来的Avago）实验室开始活跃在射频通信技术的研发领域，1994年，他在IEEE频率控制研讨会上发表了《Micromachined Thin Film Bulk Acoustic Resonators》，文中提到Ruby博士和他的团队成功制造了一种Q值超过1000且谐振频率低至1.5 GHz和高达7.5 GHz的FBAR。该器件由两个电极之间夹着一层压电材料氮化铝（AlN）组成，整个器件结构位于低应力氮化硅薄膜上。
图3. Richard Ruby博士发布的FBAR示意图
图源：《Micromachined Thin Film Bulk Acoustic Resonators》
两年后，他们又在美国旧金山举办的IEEE MTT-S国际微波大会上提出了FBAR技术应用于电信市场（如手机等移动设备）的可能性，并成功在实验室实现了FBAR在手机上的应用。
图4.左：Richard Ruby博士和他的团队
右：当时实验用的手机
图源：《RF Bulk Acoustic Wave Filters for Communications》
在Richard Ruby博士的努力下，FBAR技术在惠普实验室逐渐成熟。终于在1999年由安捷伦公司（Agilent，前身为惠普实验室，后来的Avago）成功研发出应用于美国PCS1900MHz频段的FBAR滤波器，并在2001年实现了大规模量产，同时正式提出了FBAR的称谓。
美国电气工程师协会（IEEE）的公开信息显示，Ruby博士在2001年到2003年期间，成功地将FBAR专利产业化，并帮助公司量产了第一批FBAR Duplexers （双工器）HPMD7901和7904。
Ruby博士于2014年获得了美国物理学会颁发的Industrial Physics Prize，以表彰他在FBAR技术上的突出贡献。
图5. Richard Ruby博士获得工业物理奖
现代FBAR技术的四种核心结构
随着2001年FBAR技术的商业成功，FBAR在移动通信领域迎来了快速发展。德国的英飞凌（Infineon）、荷兰的飞利浦（Philips）、摩托罗拉（Motorola）、TDK、京瓷（Kyocera）、三星（Samsung）、英特尔（Intel）、LG等公司也开始对FBAR技术进行研究，但在消费电子领域成功量产的是以下四种核心结构：博通的Swimming Pool下空腔+Air Frame结构、太阳诱电的Pop-Up气泡式空腔结构、Akoustis的XBAW单晶压电结构及新声半导体的D-BAW®双面键合体声波结构。
博通：Swinmming Pool下空腔结构+Air Frame
此结构通过在硅衬底中蚀刻出一个空腔（Swimming Pool），保证谐振器核心振动区的悬空，谐振器薄膜两面都是空气，由于空气的声波阻抗远低于压电层的声波阻抗，绝大部分声波都会反射回来，有效提升了声波的共振效率和频率选择性，使得滤波器在处理高速、高频信号时表现得更为出色。而Air Frame的设计则进一步降低了整体的声学损耗，这个结构类似挑空的屋檐，能极大地降低能量的横向泄漏，提高谐振器的Q值，保证了信号传输的纯净度。
这种结构，与此前应用广泛的SAW滤波器相比，有非常显著的性能优势，在当时的移动通信领域是一次重大突破。
图6. 博通FBAR结构示意图
太阳诱电：Pop-Up气泡式空腔结构
博通的FBAR结构自2001年量产后，在移动通信领域一时风头无两，直到2006年，太阳诱电（TAIYO YUDEN）发布了自己的FBAR结构，并成功申请专利，FBAR市场开始了两大巨头盘踞的局面。
区别于博通的下空腔结构位于硅衬底中，太阳诱电的FBAR结构下空腔是在衬底的上面，在制作压电层之前沉积一个辅助层（Sacrificial Support Layer），最后再把辅助层去掉，在谐振腔下方形成一个类似于气泡的空气腔。其原理与博通的空气腔结构相同，都是利用空气的声波阻抗低于压电层阻抗，使得声波集中在谐振器内进行传播，增强共振效率。
图7. 太阳诱电FBAR结构示意图
Akoustis：XBAW单晶压电结构
2016年，Jeffrey B. Shealy和Michael Hodge等人制备了以碳化硅（SiC）衬底上外延生长的单晶AIN为压电薄膜的FBAR结构，即XBAW，相比于传统多晶AIN材料制备的FBAR滤波器，XBAW由于具有更高的固有晶体质量，XRD测试数据显示其FWHM值小于0.1，远低于多晶AlN的1.4，因此能获得更高的声速、更低的材料阻尼损耗和更高的机电耦合系数，理论上性能可以得到大幅提升。
图8. Akoustis FBAR结构示意图
新声半导体：D-BAW双面键合技术
2021年，新声半导体提出了一种全新的FBAR结构，D-BAW（Double Side Processed Bulk Acoustic Wave Technology，双面键合体声波技术），利用双面键合形成空腔结构，并实现了双面光刻，正电极正面光刻，底电极从背面光刻，与前述三种FBAR结构有显著差异。这种全新结构和工艺路径是站在近十年MEMS晶圆加工中双面光刻对准、精确研磨、键和技术、以及晶圆级封装发展的肩膀上实现的。（本公众号后续会有系列文章对相关核心技术进行详细展开）
图9. 新声半导体D-BAW结构示意图
D-BAW作为FBAR家族中的新成员，具有以下特点：
1）双面光刻、双面精细加工，在上下两面电极边缘更灵活和精准地加工形成各类Frame结构，使得D-BAW谐振器在抑制横向声波传播方面更加高效；
2）双面键合形成空腔，两次键合在完成核心谐振器结构转移的同时，实现结构的悬空；
3）MASK(光罩)层数更少，双面加工工艺使得结构更加简单，无需为了消除各类声、电寄生而额外增加Air Bridge等复杂补偿结构，光罩层数大大减少，降低了成本；
4）突破了材料限制，允许使用各种衬底晶圆，包括碳化硅、玻璃、砷化镓等，各种压电材料比如单晶压电材料以及薄膜铌酸锂和钽酸锂，都成为可行候选材料；
5）AlN压电层极平坦，溅射镀膜质量更好，结构上没有台阶起伏导致的边界损失，更接近理想压电电容，性能更好；
6）更高的机电转换效率，上下电极的光刻双面成型无需因为顾虑传统单面MEMS bottom up加工的互相影响，可完全对应共振腔，降低了寄生提高了机电转换效率。
写在最后
技术的发展往往不是依靠单一想法的发明，而是一个长期积累和创新的过程，FBAR技术的演进亦是如此。
FBAR的第一代是1981年在南加大USC实验室试产的ZnO MEMS FBAR雏形；
FBAR的第二代是2001年Avago成功商用的可量产结构，这一代站在AlN批量溅射发展的肩膀上、且优化了在Si衬底释放Swimming Pool结构；
FBAR第三代中各方面最均衡的是新声半导体Newsonic 2021年提出的D-BAW结构，通过双面光刻、双面键合实现了更接近理想压电电容的完美共振空腔，拥有更好的基础性能、功率耐受和可靠性。
D-BAW作为FBAR技术新的演进和方向，代表了高品质FBAR技术的最新一代，它继承并发扬了FBAR技术的优势，同时通过技术创新克服了之前的性能限制，为无线通信滤波器领域带来了新的可能性。
FBAR技术的诞生和演进是无线通信技术发展史上的一个重要里程碑，从最初的概念提出到如今的广泛应用，FBAR滤波器已经成为推动无线通信技术发展的关键力量。
*未注明来源的图片来自网络公开资料
参考文献
[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震荡技术的研究与仿真。（王青）
[7] 5G高频段凸显FBAR滤波器优势，垄断格局下国产高端滤波器挑战与机遇并存
[8] 高性能 声学滤波器 技术研究进展【2021】
