具有一质量负荷周边的薄膜体声波谐振器.pdf

本发明揭示了一种由中间夹有一压电材料的电极制成的谐振器结构(FBAR)。所述两个导电电极的相交界定了所述声波谐振器的有效面积。将所述有效面积划分为两个同心区域：一周边或框及一中心区域。将一环添加到两个导电电极中的一个以提高电性能(就Q而言)。

1.  一种用于俘获一频带内的能量的装置，其包含：
一第一电极；
一定位于所述第一电极附近及上方的第二电极；
所述第一电极与所述第二电极的重叠界定一有效面积；
一插入所述第一电极与所述第二电极之间的压电薄片；
一定位于所述第一电极和第二电极中的一个的一表面上的环；
其中所述环内的区域具有一第一声阻抗，所述环具有一第二声阻抗，且所述环外的区域具有一第三声阻抗；和
所述第二声阻抗大于所述第一和所述第三声阻抗。

2.  根据权利要求1所述的装置，其中所述环沿所述第二电极的外围定位。

3.  根据权利要求1所述的装置，其中所述环定位于所述第一电极内并与所述第二电极的外围直接相对。

4.  根据权利要求1所述的装置，其中所述环集成在所述第一和所述第二电极中的所述一个内。

5.  根据权利要求1所述的装置，其中：
所述第一和第二电极中的所述一个具有一第一比重；和
所述环具有一大于所述第一比重的第二比重。

6.  根据权利要求1所述的装置，其中：
所述第一和第二电极中的所述一个具有一第一比重；和
所述环具有一小于所述第一比重的第二比重。

7.  根据权利要求6所述的装置，所述环包含一介电材料。

8.  根据权利要求6所述的装置，所述环包含一金属材料。

9.  根据权利要求1所述的装置，其进一步包含一在一表面中具有一空腔的衬底，所述第一电极桥接所述空腔。

10.  根据权利要求9所述的装置，其中所述环沿所述第二电极的外围定位。

11.  根据权利要求9所述的装置，其中所述环定位于所述第一电极内且与所述第二电极的外围直接相对。

12.  根据权利要求9所述的装置，其中所述环集成在所述第一和所述第二电极中的所述一个内。

13.  根据权利要求9所述的装置，其中：
所述第一和第二电极中的所述一个具有一第一比重；和
所述环具有一大于所述第一比重的第二比重。

14.  根据权利要求9所述的装置，其中：
所述第一和第二电极中的所述一个具有一第一比重；和
所述环具有一小于所述第一比重的第二比重。

15.  根据权利要求14所述的装置，所述环包含一介电材料。

16.  根据权利要求14所述的装置，所述环包含一金属材料。

具有一质量负荷周边的薄膜体声波谐振器
技术领域
无
背景技术
典型的薄膜体声波谐振器(FBAR)是一种包括由(例如)钼制成的一底部电极和一顶部电极的三层装置。例如氮化铝(AlN)的压电材料介于所述两个电极之间。如Ruby等人在2000年5月9日颁发的让渡给AgilentTechnologies的美国专利第6,060,818号“SBAR Structures and Method ofFabrication of SBAR/FBAR Film Processing Techniques for the Manufacturingof SBAR/FBAR Filters”中所揭示，这个装置放置于一形成于一衬底(例如硅)中的凹陷处或“游泳池”之上，其中以一牺牲材料填充这个凹陷处。当去除所述牺牲材料时，在谐振器边缘围绕所述周边固定于硅衬底处产生一“独立式膜”。图1展示一位于池之上并固定在所述池的边缘且接着连接到一垫片的现有技术声波谐振器的一裂开(cleaved)部分。
这个谐振器的有效面积由所述顶部电极与底部电极之间的重叠界定。如Ruby等人在2002年5月7日颁发的让渡给Agilent Technologies的美国专利第6,384,697号“Cavity spanning Bottom Electrode of a Substrate-Mounted BulkAcoustic Resonator”中所揭示，底部电极通常跨过整个游泳池以将机械强度最大化。如Ruby等人在2002年7月23日颁发的让渡给Agilent Technologies的美国专利第6,424,237号“Bulk Acoustic Perimeter Reflection System”中所教示，以将所述系统的Q最大化的量将顶部电极拉进所述游泳池内部(可能的地方)。
谐振器也可以包括一基本覆盖所述顶部电极全部面积的质量负荷层。此层降低了所述谐振器的谐振频率。对于使用梯、半梯或点阵类型拓扑结构的滤波器而言，此层允许频率存在差别。半梯滤波器由级联串联谐振器(seriesresonator)和并联谐振器(shunt resonator)制成。质量负荷降低了与串联谐振器相关的并联谐振器的频率。
为成功使用这些滤波器，包含所述滤波器的每一谐振器的质量因数或Q均须很高。Q是被谐振器以各种方式损耗的能量数量所除的存储在所述谐振器内的射频(rf)能量的数量。如果在所述谐振器中不存在能量损耗，那么Q将为无穷大。存储在这一频率的谐振器中的实际能量是以机械运动的形式而存在的。然而，总是存在一些损耗。一种损耗机理为热声损耗(thermalacoustic loss)，其中转化为热量的机械能(例如，系统作为热量而损耗的能量)不容易再转化为rf能量。
边缘处的能量损耗有两个来原。第一，转化成侧向模式形式的声能可从所述谐振器侧面泄漏并逸入所述衬底中。谐振器只恢复了所述能量的极少一部分。第二，由于这些边缘曝露在各种干式和湿式化学处理中，薄膜边缘的轮廓和质量通常较差。侧向模式将对这些粗糙边缘进行“取样”并通过从所述粗糙边缘分散且通过边缘处原子的声迁移(acoustic migration)而损耗能量。因此，将侧向模式与所述谐振器边缘的相互作用最小化很重要。
发明内容
通过产生经精密界定的声阻抗失配增加薄膜体声波谐振器(FBAR)中的有损耗侧向模式的Q，例如距离所述FBAR有效面积的边缘大约四分之一波长(或多个四分之一波长)的宽度，使得在对任何缺陷进行“取样”之前，侧向模式已自此边缘反射。经提高的Q增强了由FBAR谐振器构件所构成的滤波器和双工器的产率。
通过更好地俘获所述侧向模式并提高这些侧向模式的Q来提高所述谐振器的总Q。这反过来又提高了包括基谐模式的整个谐振器系统的Q。这通过将一环沿界定所述谐振器的有效面积的周边而添加到两个电极中的至少一个来完成。
谐振器结构(FBAR)由将压电材料夹在中间的两个电极制成。两个导电电极的相交界定了所述声波谐振器的有效面积。将所述有效面积划分为两个同心区域：一周边或帧及一中心区域。将一环添加到两个导电电极中的一个以提高所述电性能(就Q而言)。
图1是一现有技术FBAR的横截面的SEM。一种早期型式FBAR谐振器的裂开样本的一显微照片。在此照片中，所述膜悬于游泳池之上且固定于边缘处。新近的型式的膜被支撑在边缘上的几乎每一位置处。
图2a和2b说明一理想化的Q圆和一变迹谐振器(apodized resonator)在史密斯圆图上的Q圆。这些图也标示所述谐振器地R_s、f_s、R_p和f_p以及Q_p与R_p和Q_s与R_s之间的关系。
图3a-c是一独立式FBAR的示意性横截面。图3a展示一现有技术FBAR。图3b展示一具有凹环的现有技术变迹FBAR。图3c展示本发明。
图4a是一具有图3a中所给定的横截面的方形谐振器的Q圆。图4b中标绘了Γ与频率的关系曲线的幅度。
图5a是一具有图3a中所给定横截面的变迹谐振器的Q圆。图5b中标绘了Γ与频率的关系曲线的幅度。
图6是I类和II类压电材料的一图示w-k图。一突出I类与II类压电材料之间的差异的图示w-k图。ω截止点的频率与f_s(外延模式或活塞模式的谐振频率)相同。
图7是用于图3a中所示的谐振器的前4个侧向模式(S0、S1和A0、A1)的w-k曲线图(通常称为兰姆波)的经测量和调准的数据。
图8a和8b是图3a和3b中所示谐振器(不具有环和具有一凹环)的Q圆。图8b中标绘了所述两个横截面的Γ与频率的关系曲线的幅度。
图9a和9b是图3a和3c中所示谐振器(不具有环和具有一凸环)的Q圆。图9b中标绘了所述两个横截面的Γ与频率的关系曲线的幅度。
图10a为一半梯(half ladder)滤波器。图10b展示一全梯(full ladder)滤波器。
图11展示一半梯滤波器响应。
图12a-c展示表示一处于半梯拓扑结构的串联谐振器的Q圆、一具有一个质量负荷厚度(ML1)的并联谐振器和一具有另一质量负荷(ML1和ML2)的并联谐振器。黑箭头指示所述滤波器的通带在Q圆上的位置。
除添加了展示所述凹帧谐振器响应和一凸帧谐振器响应的两个Q圆外，图13a-c与图12a-c展示相同的内容。可见，由于在大部分圆上的Q都低于一标准的现有技术FBAR或具有一凸帧的FBAR，凹帧将显著降低滤波器响应；相反，凸帧则通过相关频率提高了Q。
图14a和14b展示四个滤波器响应。图14b是所述通带的放大图。该图是在所述并联谐振器上具有及不具有凸帧的两个不同滤波器设计。两条红色和红紫色的曲线为标准FBAR谐振器，且两条蓝色曲线是其中并联谐振器具有一凸框的两个滤波器设计。
一薄膜体声波谐振器(FBAR)的基谐模式为纵向延伸模式或“活塞”模式。通过将交流电压应用于处于FBAR谐振频率的两个电极而激发此模式。所述压电材料将电能形式的能量转化为机械能。在一具有无限薄的电极的理想FBAR中，当所应用的频率等于压电媒体的声速除以两倍的所述压电媒体厚度时：f＝v_ac/(2*T)，其中T为所述压电媒体的厚度，且v_ac为声相速度，发生谐振。对于具有有限厚度电极的谐振器而言，这个等式由所述电极的加权速度和厚度来修改。
我们可以通过在史密斯圆图上标绘出当频率变化时反射能与应用能(Γ)的比率来从数量与质量方面理解一谐振器的Q。随着应用能的频率增加，FBAR谐振器的幅度/相位在史密斯圆图上扫出(sweep out)一个圆，这个圆称为Q圆。所述Q圆第一次与实轴(水平轴)相交处对应于活塞模式的频率f_s。实际阻抗(以欧姆测量)为R_s。随着Q圆继续围绕史密斯圆图周边，其再次与实轴相交。所述Q圆与实轴相交的第二个点标示为f_p，即FBAR的反谐振频率。将所述电阻的剩余实数部分标示为R_p。图2a展示一无寄生谐振的理想FBAR的Q圆。图2b展示一现有技术FBAR的Q圆。在Q圆的下部西南四分之一处可见寄生谐振低于f_s。对于滤波器应用而言，希望最小化R_s而最大化R_p。质量上，所述Q圆“拥抱”史密斯圆图的边越紧，装置的Q越高。如果存在无损耗谐振器这样的东西，那么所述Q圆将具有一半径并将位于史密斯圆图的边缘处。
对于任何压电材料而言，除了活塞模式外还存在侧向模式。这些模式很易被激发。产生侧向模式谐振的边界条件由谐振器的边缘界定。图3a是一现有技术FBAR的横截面实施例。虚线描绘这个谐振器的不同区域。图3b说明一在所述电极的顶面上具有一凹陷周边的现有技术FBAR。对于两个实例而言，所述FBAR包括II类压电材料，例如AlN。
在图3a中，由所述顶部电极的图案化界定的边缘为侧向模式谐振形成一组边界条件，且所述游泳池的边缘为侧向模式谐振形成另一组边界条件。侧向模式谐振称为寄生模式，且由于其能够将能量耦合出所述谐振器而一般是所不希望的。
将侧向模式最小化的一个方法是将所述谐振器边缘“变迹”。变迹是一组不允许谐振器的任何两个边缘平行的设计规则。此外，如Larson等人在2001年4月10日颁发的受让给Agilent Technologies的美国专利第6,215,375号“Bulk Acoustic wave Resonators with Improved Lateral Mode Suppression”中所教示，“直角”拐角由认真选择的角度所取代，以使得任何谐振均比在一方形或矩形谐振器中所看到的其初始强度减小10％或更多。图2b展示一个变迹FBAR的Q圆。请注意，尽管看似已消除了高于f_s的离散寄生谐振，但是低于f_s的寄生模式仍较明显。使用变迹法后，强烈存在的唯一寄生模式是那些频率小于“活塞”模式的谐振f_s的模式。这反映出AlN是一II类压电材料的事实。
对于存在高于f_s的较弱的侧向声波模式而言，变迹法迫使寄生侧向模式经历来自不平行边缘的许多反射，由此降低基本寄生谐振频率。因此，相关频率(例如，1850到1910MHz传输频带内用于CDMA电话的PCS频带)中存在的谐振处于基本寄生侧向模式的极高谐波。然而，将能量耦合到这些模式中表现为n次谐波的次序的逆。如果人们通过使用变迹法将一v_ac/2L侧向模式的50次谐波转到10,000次谐波(假设在谐振器中四处跳动的反射侧向模式的路径长度在完成一个回路前发生了约10,000次反射)，则这个寄生侧向模式的耦合减少了50/10,000；其中L是方形谐振器边缘之间的侧向间隔(因为侧向尺寸比垂直厚度的厚度约大50到100倍—此厚度为活塞模式背面的尺寸，所以50次谐波约为适当谐波)。
这种“涂抹”侧向模式寄生谐振的方法的一个方面是每一侧向模式谐振几乎在每一频率(而非在少数与基本v_ac/2L的n次谐波相关的离散频率)都损耗少量能量。在Q圆上使用变迹法的影响是其使经量测的Q圆趋于平滑，但导致Q圆自史密斯圆图边缘向内拉伸，即指示较低的Q。
图4a与b展示一方形谐振器的Q圆(4a)及其Γ与频率的关系曲线(4b)。图5a及b展示一变迹谐振器的Q圆(5a)及其Γ与频率的关系曲线(5b)。Γ是反射系数。
在W0106647A1“Resonator Structure and Filter Comprising a ResonatorStructure”中，Kaitila等人教示了减少由于发生在活塞模式频率附近的侧向模式而导致的寄生模式的方法。
图6突出I类与II类压电薄膜(如Kaitila等人所展示)的w-k曲线图。对于独立式膜而言，Kaitila教示ZnO为I类压电材料，且氮化铝(AlN)为II类压电材料。在图6中，实线表示压电材料的实际K值，且虚线表示想象的K值。对于想象的K值而言，传播波是一种按指数规律衰减的波，且与所述讨论无关。对于实际K值而言，所述波是一种行波或驻波。图6中k＝0的点表示截止频率且是外延模式或纵向模式的基频。在ZnO的情况下，临界侧向模式以高于活塞模式频率的频率而存在。在AlN的情况下，临界侧向模式(critical lateral mode)(S1)以低于活塞模式频率的频率而存在。
图7展示对于使用AlN作为压电材料的现有技术FBAR(如图3a中所示)，我们有II类压电材料，其中可存在低于截止频率(f_s)的强侧向模式。此模式为如2004年7月25日到30日在Colorado，Golden举行的QNDE会议上由Telschow在“Laser Acoustic Imaging of Film Bulk Acoustic Resonator(FBAR)Lateral Mode Dispersion”中所教示的S1模式。然而，存在低于和高于截止频率的其它对称模式(S0、S2)和不对称模式(A0、A1、A2)。应注意这些模式相对较弱。
Kaitila教示为了减少使用AlN(II类压电材料)的独立式膜的侧向模式寄生谐振，必须使用一凹帧。这个结构在图3b中已展示。
在图8中，我们可以看到所述结构(与无凹帧的相比)在Q圆(图8a)上的效果及Γ与频率的关系曲线图。如Kaitila所教示，低于f_s的寄生谐振(史密斯圆图的西南四分之一处)确实大大减少了。
然而，正如图8a中所见，具有凹帧的FBAR的Q圆具有较低的Q。在大多处(从9点处直到大约4点处)，具有凹帧的FBAR的Q圆具有显著较低的Q。如果谐振器的Q在此区域内(9点处到4点处)降低，那么滤波器将严重遭受频率响应的跌落和插入损耗。
Q在此区域内降低的原因是：区域2(见图3b)中的声阻抗位于谐振器中央区域(区域1)与帧外区域(区域3)的声阻抗之间。如果区域2的宽度接近某一宽度，那么凹陷区域可减轻谐振器中央区域和边远区域的声阻抗失配。因此，从中央区域的基本外延模式转化成侧向模式的能量更容易从谐振器“泄漏”。特定地说，虽然凹帧有助于抑制很强的S1侧向模式，但是相对于更高模式的对称和不对称侧向模式，其实际上增加了能量的泄漏。
在本发明中，将一凸帧添加到周边以产生一环，从而使得S1侧向模式显著增强。然而，如图3c中所示，凸帧(假设已正确选择了宽度)充当区域I与区域III之间的声阻抗失配。凸帧添加质量来产生所述声阻抗失配。此质量的额外增加可通过添加更多与电极相同的材料或具有更高比重的材料(如钨)或具有更低比重的诸如电介质的材料(例如，SiO₂或AlN)来完成。
图9a和9b展示周边具有及没有凸帧的变迹谐振器在Q圆上的影响。图9a展示两个Q圆的史密斯圆图表示，且图9b展示Γ与频率的关系曲线。如在任一图(a或b)中所见，添加凸帧大大增加了在史密斯圆图西南四分之一处所见的“振动”或“翻跟斗”(loop-de-loops)。然而，从约“9点”处开始，具有凸帧的FBAR的Q更加紧密地“拥抱”史密斯圆图的边缘，因此在大部分频率范围之上显示出更高的Q。
在这个说明性实例中，对于一个其功能是在1930到1990MHz区域(WCDMA应用)内传递传输信号的FBAR滤波器而言，所述框的厚度为～400A且宽度为约5μm。用于所述框和顶部电极的材料是钼。周边环持续将～1000欧姆添加到PCM 50欧姆谐振器(PCM＝过程控制监控器)的R_p。人们可在一谐振器的Q圆(如在诸如Agilent 8510网络分析器的一网络分析器上所测量)与史密斯圆图右手侧的实轴第二次相交的点处测量R_p。Q圆与实轴相交处的频率为f_p，且谐振器阻抗的实数部分为R_p。出于完整性考虑，f_s和R_s是谐振器与史密斯圆图左手侧实轴第一次相交处的复数阻抗的实数部分的频率和值。R_p通过简单的经实验确定的关系式R_p＝1.18kt²*Q_p*Z_o而直接与Q相关，其中kt²为有效耦合系数且Z_o为谐振器阻抗，例如50欧姆。当比较具有框(图3c)和没有框(图3a)的两个并行的谐振器时，kt²对于两个PCM谐振器而言是相同的。由于对于两个并行谐振器而言所述区域是相同的，Z_o是相同的，因此Q_p是已提高的参数。通常，可见在标准PCM谐振器上R_ps的范围为1000到2000欧姆，且在具有凸框的PCM谐振器上，R_ps的范围为2000到3000欧姆。本发明提高了R_p而不是谐振器在f_s处的实电阻R_s。
图3c说明本发明的一个实施例。薄膜体声波谐振器(FBAR)为一个三层夹层结构，其包括由钼制成的一个底部电极和一个顶部电极。例如氮化铝(AlN)的压电材料介于所述两个电极之间。将这个三层夹层结构放置于一形成于一衬底(例如硅)中的凹陷或“游泳池”之上，其中以一牺牲材料填充这个凹陷。当去除所述牺牲材料时，在谐振器边缘围绕所述周边固定于硅衬底处产生一“独立式膜”。
将有效面积界定为顶部电极与底部电极的重叠。把对应于有效面积周边的环添加到两个电极中的一个。环材料可与组成顶部电极与底部电极的材料(例如，钼)相同，但是也可由包括诸如SiO₂、AlN或Si₃N₄的其它电介质的材料制成。或者，也可使用一个外环来代替凸框，所述外环围绕所述有效面积且其厚度与任一电极相同但是由具有更高声阻抗的材料(例如，钨)制成。
环尺寸经选择以提高如在谐振器(或在制成这些谐振器的滤波器上)上所测量的电特性。这可以通过实验法、有限元素建模分析或其它分析解法确定所述帧的宽度与厚度来确定。
对应于有效面积中央部分的区域1具有活塞模式的谐振频率f0和声阻抗η1。区域2对应于有效面积的周边。区域3对应于有效面积的外部区域，而区域4为硅衬底之上的区域。对于每一区域而言，都存在相应的谐振频率及声阻抗。在区域4中，由于所述衬底的厚度而导致所述基频谐振极低。
虽然所述说明性实施例展示将环添加到顶部电极的顶部表面，但是所述环可定位于任一电极的顶部或底部表面上。所述环可由导电或介电材料制成。
参看图3c，沿周边增加质量有效增加了区域2的声阻抗。因此，产生了中央区域与中央区域外部之间更大的阻抗失配。
将会出现以下情况：谐振器或使用大量所述谐振器的滤波器需要一种特别平滑的侧向模式自由响应；滤波器响应中的平滑度与所需Q相比较是较小的因数。
图10a和10b展示滤波器拓扑结构的两个实例：分别为半梯和全梯。本发明可适用于任何需要高Q的滤波器技术。
图11展示一具有两个“零点”和两个“极点”的典型半梯滤波器的响应。所述零点是两个最小值而所述极点是两个最大值。较低频率的零点与并联谐振器的外延谐振(“活塞”模式)相关。任何所添加的低于此频率的“翻跟斗”或振动都不会影响通带响应。由于AlN是II类谐振器，因此由在并联谐振器上添加一帧而增强了S1所导致的增加的寄生模式都低于并联谐振器的f_s。
图12a-c是所述通带在Q圆上的位置。对于图10中所示的串联谐振器而言。在图12a中，通带位于Q圆上“7点”处与约“11点”处之间。通带中的波纹由于S1侧向模式而受寄生谐振的消极影响。
然而，如果观察位于表示并联谐振器(图12b和12c)的Q圆上的通带频率处，可明白对于一种质量负荷而言，通带频率的范围是从约“10点”处到约“4点”处，而对于另一种质量负荷而言，所述通带频率的范围是从“1点”处到“5点”处。在所有情况下，低于f_s的额外“振动”都不会影响滤波器。
图13a-c展示突出凹帧与凸帧的Q圆。显然凹帧可引起滤波器响应降低。这一点在图14a及14b中可以看出。两个半梯设计展示为在并联谐振器上具有和没有凸帧(因此有4条曲线)。对于两个设计而言，帧的添加显著有助于滤波器的插入损耗及通带响应。