關(guān)于體聲濾波器的片上測試與性能表征結(jié)果測試詳細(xì)剖析

引言

射頻(RF)濾波器已成為電子系統(tǒng)小型化、集成化及芯片化的瓶頸之一。薄膜體聲波諧振器(FBAR)是目前在500MHz～20GHz頻段實(shí)現(xiàn)高性能濾波器芯片化的重要途徑。FBAR是一種基于體聲波(BAW)的新型電聲諧振器，通過壓電薄膜的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成聲波并形成諧振。基于測試與性能表征的方法。另外，也未見文獻(xiàn)報道低阻硅襯底對BAW 濾波器性能的影響。

為了表征本課題組研制的L波段BAW 濾波器第一輪工藝樣品的性能，使用射頻探針臺和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)測得其S 參數(shù)。為了從測得的S參數(shù)便捷地計算出BAW 濾波器的各項(xiàng)性能參數(shù)，在ADS軟件環(huán)境下建立了BAW 濾波器性能參數(shù)的解算流程。此外，還根據(jù)測試和表征結(jié)果，討論了低阻硅襯底和器件工藝誤差對BAW 濾波器性能的影響。

1　BAW 濾波器的工作原理及結(jié)構(gòu)

BAW 濾波器多采用梯形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一組串聯(lián)FBAR 和一組并聯(lián)FBAR 構(gòu)成。所有串聯(lián)的FBAR有相同的諧振頻率，所有并聯(lián)的FBAR有另一個相同的諧振頻率，后者比前者略低。圖1為梯形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)BAW 濾波器的頻率特性。為了獲得中心頻率為f0、通帶帶寬為Δf 的窄帶帶通濾波器，串聯(lián)FBAR的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率分別為f0和f0+Δf/2，并聯(lián)FBAR的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率分別為f0-Δf/2和f0。串聯(lián)FBAR的并聯(lián)諧振頻率構(gòu)成了BAW 帶通濾波器的上阻帶衰減點(diǎn)，并聯(lián)FBAR的串聯(lián)諧振頻率構(gòu)成了BAW帶通濾波器的下阻帶衰減點(diǎn)。當(dāng)輸入信號頻率為f0時，諧振頻率為f0的串聯(lián)FBAR處于諧振狀態(tài)，呈低阻狀態(tài);此時，并聯(lián)FBAR偏離諧振狀態(tài)，呈高阻狀態(tài);因此電路對頻率為f0的輸入信號無大的衰減。當(dāng)輸入信號頻率為f0-Δf/2時，由于此時并聯(lián)FBAR呈低阻狀態(tài)、串聯(lián)FBAR呈高阻狀態(tài)，信號傳輸過程將經(jīng)歷多次衰減。同理，當(dāng)輸入信號頻率為f0+Δf/2時，信號傳輸過程也將經(jīng)歷多次衰減。這樣便實(shí)現(xiàn)了輸入信號的濾波[4]。

圖1　BAW 濾波器的基本結(jié)構(gòu)與其帶通特性

本文的待測器件(DUT)為BAW 窄帶帶通濾波器，其構(gòu)成單元通孔型FBAR如圖2(a)所示。為了加工方便，構(gòu)成濾波器芯片的8個FBAR單元置于同一個支撐膜片上，采用深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)微加工背腔形成支撐膜片。支撐膜片是支撐層和溫度補(bǔ)償層的復(fù)合，以抑制FBAR 的頻率溫度系數(shù)(TCF)。為了與射頻探針臺配備的G-S-G 探針兼容，BAW 濾波器的焊盤設(shè)計成邊長為60μm 的正方形，焊盤間距為100μm;由圖2(b)可知，外側(cè)為接地焊盤(G)，中間為信號焊盤(S);接地線環(huán)繞構(gòu)成濾波器的8個FBAR單元以屏蔽電磁干擾。由于BAW 濾波器為二端口器件，將兩組G-S-G焊盤分別設(shè)置在濾波器的兩側(cè)，且兩側(cè)的S焊盤分別與相應(yīng)FBAR單元的底電極相連。表1為BAW 濾波器中各FBAR單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖2　BAW 濾波器的結(jié)構(gòu)

表1　構(gòu)成BAW 濾波器的8個FBAR的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2　測試

采用射頻探針臺(CASCADE　12000)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(R&S　ZVA67)測量BAW 濾波器芯片的S 參數(shù)。BAW 濾波器中心頻率的設(shè)計值約為1.5GHz，由于是對第一輪流片的濾波器芯片進(jìn)行測試，VNA 掃頻范圍為0.5～2.5GHz，掃頻步長為1MHz。圖3為測試系統(tǒng)的照片及原理框圖。

圖3　測試系統(tǒng)

測量前需要首先校準(zhǔn)測試系統(tǒng)，以消除系統(tǒng)誤差。具體方法是在探針臺所附顯微鏡的協(xié)助下，利用負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)襯底，按照開路-短路-負(fù)載的校準(zhǔn)步驟校準(zhǔn)。負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)襯底上有3 種標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載(見圖4(a)～(c))，分別表示“開路”、“短路”和“50Ω”。本文采用2-Port　LRRM (線-反射-反射-匹配)的校準(zhǔn)模式，該模式具有自動補(bǔ)償功能，可消除探頭位置變化引起的多種誤差，適用于圓片級測試。

圖4　用于射頻探針測試校準(zhǔn)的負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)襯底

接著進(jìn)行BAW 濾波器芯片的片上射頻探針測試。將濾波器圓片真空吸附在探針臺的承片臺上。

在探針臺顯微鏡的輔助下，將G-S-G探針對應(yīng)壓緊濾波器芯片的G-S-G焊盤，探針另一端通過射頻電纜連接到VNA。圖5為射頻探針測試時由探針臺顯微鏡獲取的多幅BAW 濾波器芯片照片;由圖可知，G-S-G探針已壓在芯片的G-S-G 焊盤上，構(gòu)成每個濾波器芯片的8個FBAR均位于襯底背面掏空的膜片(較黑的矩形區(qū)域)上。射頻探針臺配置的WinCal軟件將射頻探針測試結(jié)果記錄在后綴名為wrp的數(shù)據(jù)文件中，包括了S11、S12、S21和S22的測試數(shù)據(jù)。通過WinCal軟件可將wrp文件轉(zhuǎn)換為便于ADS軟件處理的后綴名為S2P的文件。

圖5　射頻探針臺顯微鏡拍攝的BAW 濾波器芯片的顯微照片

3　表征

為了從測得的S 參數(shù)便捷地計算出BAW 濾波器的各項(xiàng)性能參數(shù)，在ADS軟件環(huán)境下建立了BAW 濾波器性能參數(shù)的計算方法和流程。首先在ADS軟件中導(dǎo)入射頻探針測試獲得的S2P文件。具體方法是在ADS軟件中新建一張原理圖，然后放置S2P元件和相應(yīng)的S 參數(shù)端子，構(gòu)成的射頻電路如圖6所示;以圖5中的2# 待測器件(DUT)，在S2P元件中導(dǎo)入測得的2# DUT的S2P文件;由于測試時已觀測到BAW 濾波器中心頻率的實(shí)測值與設(shè)計值吻合較好，為便于觀察S 參數(shù)曲線，將掃頻范圍縮小為1.2～1.8GHz，步長仍為1MHz。

圖6　在ADS軟件中導(dǎo)入S2P文件的方法

在ADS軟件繪圖框中的“Trace　Expression”中輸入“dB(S(2，1))”，就能得到2# DUT的傳輸特性第5期高楊等：體聲波濾波器的片上測試與性能表征(S21)曲線，如圖7(a)所示。通常對于窄帶濾波器，f0為插入損耗最小點(diǎn)所對應(yīng)的頻率，取該曲線上絕對值最小點(diǎn)所對應(yīng)的頻率即為f0;插入損耗最小點(diǎn)左右各下降3dB高度所對應(yīng)的頻率之差即為3dB帶寬。由于射頻探針測量S 參數(shù)時的掃頻步長設(shè)置為1MHz，3dB帶寬的計算誤差在0～2MHz之間。根據(jù)設(shè)計，取S21曲線中f0-25MHz和f0+25MHz兩個頻點(diǎn)處的dB值表征帶外抑制;帶內(nèi)波動是通帶內(nèi)dB值的極差;f0處的插入損耗作為濾波器的帶內(nèi)插損。

濾波器的電壓駐波比(VSWR)定義為[7]

因此，在繪圖框中的“Trace　Expression”中輸入“(1+mag(S(1，1)))/(1-mag(S(1，1)))”，得到2# DUT的的VSWR 曲線，中心頻率f0處的取值即為濾波器的VSWR 值，如圖7(b)所示。

圖7　一只BAW 濾波器的S21

曲線和VSWR 曲線

4　結(jié)果與討論

表2為圖5所示多個BAW 濾波器芯片樣品的射頻探針測試與性能表征結(jié)果。

表2　制備的BAW 濾波器芯片的性能參數(shù)

圖8對比了2# DUT實(shí)測與仿真的S21曲線。仿真曲線是通過建立BAW 濾波器中FBAR單元的Mason模型計算得到的[8]。由圖可知，實(shí)測的中心頻率比仿真值小了約40MHz，主要原因是實(shí)際制備的BAW 濾波器中的FBAR的膜層厚度較設(shè)計值偏厚[9]。實(shí)測的帶內(nèi)波動大于仿真值，主要原因是由于FBAR 的薄膜沉積厚度誤差，導(dǎo)致了串聯(lián)FBAR的串聯(lián)諧振頻率與并聯(lián)FBAR的并聯(lián)諧振頻率不再相等。實(shí)測的帶內(nèi)插損遠(yuǎn)大于仿真值，極有可能是因?yàn)楸疚闹械腂AW 濾波器是在低阻硅襯底上制備的(工藝失誤)，低阻硅襯底會造成射頻信號的嚴(yán)重泄露。

圖8　BAW 濾波器實(shí)測與仿真S21曲線的對比

5　結(jié)束語

采用射頻探針臺和VNA 測量了所制備的BAW 濾波器芯片樣品的S 參數(shù)。由于BAW 濾波器3dB帶寬的測量精度主要取決于VNA 掃頻的步長，對于截止曲線極其陡峭的窄帶帶通BAW 濾波器，VNA的掃頻步長設(shè)置不宜太大，才更精確地測得濾波器的帶寬?？梢圆捎脙刹綊哳l的測試方法，先大步長掃頻找到中心頻率的大致位置，再在覆蓋中心頻率較窄的頻帶內(nèi)小步長掃頻測量S 參數(shù)。

為了從測得的S 參數(shù)便捷地計算出表征BAW濾波器性能的各項(xiàng)指標(biāo)，在ADS軟件環(huán)境下建立了BAW 濾波器性能參數(shù)的解算流程。獲得了這批BAW 濾波器樣品的片上測試性能表征結(jié)果。與設(shè)計仿真結(jié)果(視為標(biāo)準(zhǔn)值)對比發(fā)現(xiàn)：低阻硅襯底會使BAW 濾波器的帶內(nèi)插損顯著增加;BAW 濾波器中各薄膜體聲波諧振器(FBAR)單元的薄膜沉積厚度誤差會使BAW 濾波器的帶內(nèi)波動偏大，且FBAR薄膜厚度較設(shè)計值增大時BAW 濾波器的中心頻率會向下偏移。后續(xù)流片中，應(yīng)在高阻硅上制備BAW 濾波器并嚴(yán)格控制FBAR膜層的厚度。