具有一质量负荷周边的薄膜体声波谐振器制造技术

本发明专利技术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）。

【技术实现步骤摘要】

无
技术介绍
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。
技术实现思路
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)。附图说明图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的Rs、fs、Rp和fp以及Qp与Rp和Qs与Rs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展示本专利技术。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fs(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。具体实施例方式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＝vac/(2*T)，其中T为所述压电媒体的厚度，且vac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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：丰红均，R沙恩法斯奇奥，理查德鲁比，保罗布拉德利，
申请(专利权)人：安华高科技杰纳勒尔IP新加坡私人有限公司，
类型：发明
国别省市：SG[新加坡]