新型射频谐振器电极和薄膜组合及其制造方法技术

一种厚度在200‑500nm范围内的压电谐振膜，其中厚度可以控制在1％以内；该薄膜夹裹在电极之间以形成谐振器，其中至少一个电极包括铝，因此归功于电极的重量使阻尼最小化。

New RF resonator electrode and film combination and manufacturing method thereof

A piezoelectric resonant film with a thickness in the range of 200 500nm, where the thickness can be controlled within 1%; the film is sandwiched between the electrodes to form a resonator, and at least one electrode includes aluminum, so the weight of the electrode is attributable to the minimization of the damping.

【技术实现步骤摘要】
新型射频谐振器电极和薄膜组合及其制造方法
本专利技术涉及一种新型射频谐振器电极和薄膜组合及其制造方法。
技术介绍
手机用户要求在更广阔的区域内拥有高质量的信号接收与传输，射频(RF)信号的质量取决于手机中的射频滤波器。每个射频滤波器都可以传导特定的频率并阻挡其他不需要的频率，这一特性使得频段选择成为可能，并且允许手机只处理指定的某些信号。据信到2020年，载波聚合、5G、4x4MIMO等技术将成为主流应用，届时手机内的滤波器将增至100个之多，全球滤波器市场年需求量将达2千亿只。声波谐振器是射频滤波器和传感器的基本组件，一般都含有将机械能转化为电能的压电机电转导层。这些谐振器必须物美价廉。表面声波(SAW)谐振器和体声波(BAW)谐振器是其最常见的两种类型。在表面声波谐振器中，声波信号是由表面波传导。在体声波(BAW)谐振器中，信号在谐振器薄膜的体内传导。这两种滤波器的谐振频率，是由其本身尺寸、构成材料的机械性能所决定的一种特质。谐振器的质量由其品质因子给出，它是谐振器所储存的能量与其消散的能量之比率。品质因子的值高说明滤波器在工作中损失的能量少，插入损耗较低，拥有更加陡峭的裙边曲线，与临近波频有更加显著的隔离区分。为了接收与传输日益增大的数据流，下一代手机需要在更高的频段下工作。在不增大手机体积的前提下处理如此高的频率，就必须有能处理高频率信号、小巧且耗能低的谐振器，将其置于手机中不至于大量消耗电池的电量。品质因子，或称Q因子，是一个无量纲参数，它描述振荡器或谐振器的振动衰减，表征谐振器相对其中心频率的带宽。下一代手机需要使用Q因子高的高质量谐振器。体声波(BAW)滤波器相较于表面声波(SAW)滤波器有更佳的表现。最好的SAW滤波器的Q因子可达1000至1500，而目前最先进的BAW滤波器Q因子已可达2500至5000。相较于SAW滤波器，BAW滤波器可在更高的频率下工作，消耗更少的能量，拥有更小巧的体积，更高的静电放电(ESD)能力，更好的辐射发散能力以及更少的带外波纹。然而，SAW滤波器的制造流程却更为简单，造价相对低廉。由于可以通过光掩模的布局来调整IDT间距，频率相差甚远的谐振器亦可被组装在同一晶片上，并使用同一厚度的压电薄膜。BAW谐振器的电阻具有两个特征频率：谐振频率fR和反谐振频率fA。在fR处，电阻非常小，而在fA处，电阻则非常大。滤波器是通过组合几个谐振器而制成。并联谐振器的频率会依据串联谐振器的频率做相应的偏移。当串联谐振器的谐振频率等于并联谐振器的反谐振频率时，最大信号从设备的输入端传输到输出端。在串联谐振器的反谐振频率处，输入端和输出端之间的阻抗非常高，滤波器的传输被阻挡。在并联谐振器的谐振频率处，任何通过滤波器的电流都会由于并联谐振器的超低阻抗而接地短路，因而BAW滤波器亦具有阻止该频率信号传输的功能。fR和fA之间的频率间隔决定了滤波器带宽。置于谐振频率和反谐振频率之外的频率时，BAW谐振器则像金属-绝缘体-金属(MIM)电容器般工作。置于远低于或远高于这些谐振频率的频率时，BAW谐振器电阻抗的大小与1/f成正比，其中f是频率。fR和fA间的频率间隔是谐振器压电强度的量度，称为有效耦合系数，由K2eff表示。描述有效耦合系数的另一种方法是测量谐振器(或滤波器)的电能与机械能之间转换的效率。应当注意，机电耦合系数是一种与材料性质有关的属性，可定义压电薄膜的K2eff。滤波器的性能等级是由其优质因数(factorofmerit,FOM)定义为FOM＝Q×K2eff。实际应用中，人们偏好拥有较高K2eff和Q因子的滤波器。而这些参数之间却存在一些权衡取舍。K2eff与频率间并不存在函数关系，而Q因子却依赖于频率变动，因而FOM与频率间也存在函数关系。因此，相较于谐振器的设计，FOM在滤波器的设计过程中被更为普遍的应用。根据应用情况，设备设计人员通常可以容忍K2eff稍降，以换取更高的Q因子，其中K2eff较小的降幅即可以换取Q因子较大的升幅。相反，通过降低Q因子以获取K2eff提升的设计是无法实现的。可以通过选择高声阻抗电极，或调整其他参数，如电极厚度、钝化层增厚等方法提升K2eff。BAW谐振器(及滤波器)主要有两种类型：SMR(固态装配型谐振器)与FBAR(薄膜体声波谐振器)。在SMR谐振器中，把低阻抗薄膜与高阻抗薄膜交替层叠堆积在底部电极之下，可生成一种布拉格反射器。每个薄膜的厚度均为λ/4，其中λ为目标频率的波长。所生成的布拉格反射器可以像镜子一样把声波反射回谐振器内。与FBAR谐振器相比，SMR谐振器的制造工艺较为简单，价格较低。由于其压电薄膜直接附着在衬底上，散热效率更高。但因其只反射纵波，不反射横波，所以Q因子更低。FBAR谐振器中使用了一种只有边缘支撑的独立体声膜。下电极与载体晶圆之间有一个空气腔体。相较于SMR滤波器，FBAR滤波器的高Q因子是一个巨大的优势。目前，商用FBAR滤波器市场主要被博通公司(前身为AVAGO)垄断。该公司使用氮化铝(AlN)作为压电薄膜材料，极好的平衡了产品性能、生产能力与晶圆级封装(WLP)工艺间的取舍。该工艺利用硅通孔(TSV)技术在位于FBAR上方的硅晶片上蚀刻出腔体并进行微封装，从而实现倒装芯片。氮化铝是压电薄膜材料中声速最高的(11,300m/s)，因此在特定谐振频率下需要增加其厚度，这反而会缓解工艺公差。此外，高质量溅射出的氮化铝薄膜，其X射线衍射峰(XRD)半峰全宽(FWHM)少于1.8度，可以使K2eff达到或超过6.4％，这几乎是美国联邦通信委员会(FCC)所规定的美国数字蜂窝技术(PCS)传输带宽的两倍。当它的Q因子达到5000时，优质因数(FOM)就可达到250-300，这样的滤波器已是超一流产品。为了满足带宽要求，K2eff必须保持恒定。若想提高滤波器的FOM，通常的做法是提升Q因子。虽然FBAR滤波器有上述诸多优越的性能，目前仍存在一些问题导致它无法迈向下一代无线通讯技术。越来越多的用户在接收和发送日益庞大的数据流，这导致了越来越多的波段重叠冲撞。为解决这一问题，未来的滤波器应该更加灵活可变，以适应各种不同的波段组合。例如，5GHz无线局域网(Wi-Fi)波段下辖3个子波段，分别处于5.150-5.350GHz,5.475-5.725GHz,5.725-5.825GHz，其相对应的K2eff分别为7.6％、8.8％和3.4％。耦合系数K2eff主要由压电材料本身属性所决定，但亦受压电薄膜的晶化质量和晶位、外界电容器和电感器、电极以及其它层叠材料的厚度的影响。AlNFBAR的波段主要由预先集成在IC衬底中的电容器和电感器所调制。但这些元件会降低Q因子，增加衬底的层数，进而增加成品的体积。另一种设定K2eff的方法是采用电致伸缩材料打造可调波段的FBAR滤波器。钛酸锶钡(BST)是候选材料的一种，在加以直流电场的时候，其K2eff可被调节。BST的可调性体现在，当作为FBAR谐振器电路内置的可变电容器时，它可协助滤波器匹配并调节其带阻。此外，BSTFBAR只在施加特定的直流偏置电压时才谐振，表明其具有低泄露开关的特性，这意味着它有可能替代移动设备前端模组(FEM)开关，进而简化模组结构，降低其体积本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种谐振器，包括夹裹在上电极和下电极之间的压电薄膜，其中所述下电极包括铝。

【技术特征摘要】
2017.03.24 US 15/468,7291.一种谐振器，包括夹裹在上电极和下电极之间的压电薄膜，其中所述下电极包括铝。2.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述压电薄膜包括单晶材料。3.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述压电薄膜包括BaxSr(1-x)TiO3。4.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述压电薄膜包括BaxSr(1-x)TiO3单晶。5.根据权利要求4所述的谐振器，其中所述压电薄膜具有<111>取向。6.根据权利要求3所述的谐振器，其中x在0.2和0.5之间，并且被控制在±1％的公差范围内。7.根据权利要求1所述的谐振器，还包括位于压电薄膜与下电极之间的粘合层。8.根据权利要求7所述的谐振器，其中所述粘合层包括钛。9.根据权利要求7所述的谐振器，其中所述粘合层的厚度为5-50纳米。10.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述下电极厚度为100纳米±5纳米。11.根据权利要求1所述的谐振器，其中所述上电极和所述下电极都包括铝。12.一种具有铝下电...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：珠海晶讯聚震科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44