薄膜諧振器技術(shù)概述VIP

1、薄膜諧振器技術(shù)概述薄膜諧振技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)超過40年，相對于傳統(tǒng)的石英晶體技術(shù)可獲得的頻率，該技術(shù)達到更高的頻率。利用微電子進程的先進性，采用壓電材料的薄膜用來制造頻率段500MHz至20GHz的諧振器和濾波器。本文是一篇薄膜諧振（TFR）技術(shù)的review，描述了已制造成形或者經(jīng)過論證的諧振器和濾波器的核心結(jié)構(gòu)和問題。背景電機設(shè)備是電子系統(tǒng)種的重要部分，例如石英“晶體”，因為它們在電子終端表現(xiàn)出很高的Q值，這正是電子系統(tǒng)所需要的。然而，機械系統(tǒng)只有電子終端實現(xiàn)高Q值，通過機械和電子間的傳輸機制實現(xiàn)。顯然，石英和其他所謂的壓電材料中產(chǎn)生第一步的有效傳輸。在機械諧振的工作頻率附近，一個AC信號應(yīng)用

2、到晶體使晶體產(chǎn)生一個機械振動，該振動反過來通過一個代表電氣諧振的電流流顯示在電氣終端（圖1）。正如近期的文獻所述1,2，TFR技術(shù)的核心是壓電諧振器having roots going back to the 傳統(tǒng)的石英晶體。幾何結(jié)構(gòu)上，諧振器的形式是一個使用壓電材料作為介質(zhì)和合適的金屬電極的簡單電容形式。圖1所示的晶體諧振器的傳統(tǒng)電路符號沿用一個簡單的等效電路。當壓電平板真正固定在金屬板之間不接觸搖晃表面，開始有了電路符號的表示。因為事實上機械運動在微小的納米級下測量，其運動極其微小，電極很可能關(guān)閉。金屬電極可以直接制造到諧振器上，該技術(shù)已經(jīng)有50多年。大部分壓電諧振器是厚模式類型，這意味著

3、體聲波（BAW）反射在主要的平板表面之間。邊界條件要求波高效率地反應(yīng)在表面，為了在空氣或真空下保持高共振Q，提供極好的外部邊界表面。圖1.晶體諧振器.(a)電路符號，諧振器結(jié)構(gòu)的抽象代表，(b)任一種共振的等效電路。Co/Ca的比例由拓撲結(jié)構(gòu)和諧振器的壓電材料固定。Co由設(shè)計區(qū)域決定（幾何電容）。La和Ca發(fā)生共振的頻率由諧振器的厚度決定，Ra由損耗決定。壓電諧振器的等效電路圖1(b)是一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出傳輸機制和共振響應(yīng)。Co是該結(jié)構(gòu)的幾何電容，接近共振，Ca La Ra串聯(lián)電路（稱為動態(tài)臂）描述了共振現(xiàn)象。在低頻處，第一個共振是動態(tài)臂的串聯(lián)共振，頻率稍高的地方，存在一個額外的電感足以和C

4、o發(fā)生并聯(lián)諧振。在串聯(lián)和并聯(lián)諧振之間，電路產(chǎn)生電感。因此，壓電諧振器可以產(chǎn)生兩個電氣等效共振，在不存在真實的電感器件情況下產(chǎn)生一個電感響應(yīng)。最重要的是，產(chǎn)生的這個電感有一個很高的Q值。共振Q值很高是晶體諧振器應(yīng)用于這么多頻率控制的主要原因。第二個原因是諧振器面積很小，因為在一個晶體中，聲音的波長大概是一個電磁波波長的4個數(shù)量級左右。但是在很薄的結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)亩滩ǎ蔷w諧振器應(yīng)用于微波頻率的根本難題。因為共振頻率和金屬板厚度成反比，高頻率意味著薄金屬板在微波頻率金屬板非常薄。20世紀60年代，由于晶體減薄技術(shù)的限制，注意力轉(zhuǎn)移到可以以薄膜形式生長的壓電材料，例如CdS和ZnO。由于膜結(jié)構(gòu)必須生長

5、在基板上，并且不能立馬顯現(xiàn)如何支持那些薄膜結(jié)構(gòu)，早期的膜結(jié)構(gòu)首次應(yīng)用于雷達的聲波延遲線的能量轉(zhuǎn)換器，這個應(yīng)用保持了相當長的時間。對于基板和延遲線，機制支持不是一個問題。隨著微電子的發(fā)展，壓電膜最后可以應(yīng)用于適合濾波分析和其他應(yīng)用的諧振器構(gòu)造。技術(shù)不是減薄晶體板的厚度至微米級，對于給定頻率生長壓電薄膜已經(jīng)成為諧振器制造的首選方法。最重要的是，建立技術(shù)支持膜結(jié)構(gòu)的方法以致可以作為諧振器使用，而不僅僅是能量轉(zhuǎn)換器。薄膜諧振器是低頻諧振器在微波段的說法。TFR結(jié)構(gòu)如前文所述，版圖設(shè)計（板諧振器）要求合適的接口以達到很高的Q共振。另外高頻段，平板厚度在微米段測量，和接口連接時，對制造工藝有很高的要求。低

6、頻段，500MHz以下，石英晶體平板可以變薄至合適的厚度。在更高的微波頻率段，膜可以在適當?shù)幕迳仙L成合適的厚度。例如，一個工作在1,600MHz的氮化鋁諧振器大概3m厚，鋁電極為0.3m厚，典型面積為0.25 × 0.25 mm。這種薄膜獲得簡單。實現(xiàn)薄膜BAW技術(shù)的真正挑戰(zhàn)是設(shè)備的制造，要求這種設(shè)備的接口條件獲得一個高Q值共振，結(jié)構(gòu)中橫向尺寸厚度比大于50:1。圖2(a)顯示了支持一個或多個邊的空運線諧振器的一種可行方法。在制造方面，在基板上形成短期的支持，其次是一個較低的電極、壓電薄膜沉積和一個高電極。支持消除后，薄膜諧振器留在合適的位置，和空氣邊界和一些外圍版圖支持相鄰。薄

7、膜微電子重要的進步使一系列TFR技術(shù)成為可能。圖2(b)表示一個版面更加粗糙的固態(tài)諧振器（SMR）結(jié)構(gòu)，它通過一個名義上的四分之一波長厚層組成的反射器隔離諧振器和基板。厚層的數(shù)量根據(jù)要求的反射參數(shù)和連續(xù)層之間特性阻抗的比例確定。例如，GPS1,575MHz的九層反射器應(yīng)該有五層二氧化硅（0.93m）和四層氮化鋁（1.7 m）多晶體層。圖3表示一個SMR類型的諧振器的典型響應(yīng)。從響應(yīng)看隨著頻率的升高，阻抗變化顯然從電容到電感再回到電容。諧振器最重要的應(yīng)用是真塘棲和濾波器分析。在任意一種應(yīng)用中，溫度和其他影響諧振器設(shè)計和應(yīng)用的穩(wěn)定因素都有明顯的限制。在低頻諧振器或者表面聲波（SAW）設(shè)備中使用的單

8、晶體材料中，可以發(fā)現(xiàn)那些有理想溫度特性的晶體取向。然而，這些材料中沒有一種以適合制造的直接應(yīng)用薄膜形式存在。圖2.薄膜諧振器.(a)在基板電極和壓電層之前的合適的基板上的臨時支持。(b)SMR使用一個四分之一波長的序列，得到諧振器的反射接口。諧振器最重要的應(yīng)用是真塘棲和濾波器分析。在任意一種應(yīng)用中，溫度和其他影響諧振器設(shè)計和應(yīng)用的穩(wěn)定因素都有明顯的限制。在低頻諧振器或者表面聲波（SAW）設(shè)備中使用的單晶體材料中，可以發(fā)現(xiàn)那些有理想溫度特性的晶體取向。然而，這些材料中沒有一種以適合制造的直接應(yīng)用薄膜形式存在。圖3.1.600MHz頻率附近SMR類型諧振器的響應(yīng)smith圓圖。它是一個GPS濾波器

9、晶圓的診斷諧振器。該響應(yīng)是干凈的，沒有任何可能增加濾波器的群延時波紋的諧振。K2是有效壓電耦合系數(shù)。 圖4.一個AlN/SiO2復(fù)合諧振器相對于溫度變化的微小頻率變化，石英晶體作為一個參考。圖5.濾波器配置：(a)串聯(lián)和分流諧振器的階梯型濾波器，(b)平衡架，(c)SCF,(d)CRF。一個正和負溫度系數(shù)（TC）材料設(shè)計的復(fù)合安排可以實現(xiàn)TFR的溫度補償，一種材料的TC系數(shù)抵消另一種材料的TC系數(shù)從而達到全部的補償。得到補償?shù)倪^程是一邊慢慢增加正TC材料一邊減少負TC材料，從而保持諧振頻率不變。這樣做，所有材料達到差不多滿意的平衡。圖4表示一個名義上2GHz頻率的諧振器的實驗結(jié)果。相似的TC諧

10、振器已經(jīng)可以工作在600MHz至12GHz。大多數(shù)的窄帶階梯型濾波器設(shè)計投入生產(chǎn)，使用薄膜TC復(fù)合諧振器實現(xiàn)窄帶和設(shè)計值，還提供了溫度補償?shù)谋匾潭?，保證濾波器適用于應(yīng)用。濾波器濾波器可以有兩種基本的結(jié)構(gòu)，一種使用電氣連接諧振器產(chǎn)生電路，另一種使用波傳播耦合諧振器（圖5）。 圖6.典型階梯型濾波器的頻率響應(yīng)。在帶內(nèi)帶寬，插入損耗和帶外阻抗之間存在一個交換。圖7.使用5個串聯(lián)諧振器和4個并聯(lián)諧振器的工作在3.35GHz頻率上的階梯型濾波器。該濾波器使用在通信電臺的第一級IF鏈中。階梯型濾波器通過諧振器不同的頻率，綜合成一個期望的帶寬響應(yīng)。最簡單的濾波器在相同的頻率上具有所有的串聯(lián)諧振器和工作在更

11、低頻率上的分流諧振器，從而分流諧振器的并聯(lián)共振和串聯(lián)諧振器的串聯(lián)諧振頻率幾乎一樣。這種濾波器的帶阻被一個電容電壓分壓器性質(zhì)的階梯型電路控制，這時諧振器等效為簡單的電容。圖6和圖7表示階梯型濾波器的典型響應(yīng)。圖6中，具有最大帶阻的濾波器包含了5個串聯(lián)諧振器和4個分流諧振器（5-4布局），只有20dB最終帶阻的濾波器是3-2布局。使用溫度補償諧振器，濾波器帶寬更窄。圖7表示高頻濾波器的響應(yīng)。階梯型濾波器，根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的要求可以實現(xiàn)更寬的頻率范圍。投產(chǎn)使用的濾波器，最高頻率可達3.5GHz，最低頻率可達500MHz以下。最大的容量制造應(yīng)用于手機3,4。階梯型濾波器的帶寬第一級的諧振器的電機耦合系數(shù)（

12、K2）和諧振器技術(shù)決定。一般情況下，使用現(xiàn)存的薄膜材料，例如氮化鋁或者氧化鋅，濾波器帶寬限制在0.5至4%，該帶寬通常定義為窄帶。電感調(diào)諧可以使用于更寬帶寬的調(diào)諧諧振器。聲波耦合諧振濾波器堆疊晶體濾波器（SCF）是一種主模模式聲波耦合諧振器。SCF如圖5（c）所示，由壓電和金屬層的乘法器組成。圖8.一個兩節(jié)SCF的實驗響應(yīng)，顯示出手機傳輸頻率上一個很高的虛擬響應(yīng)抑制。印模的有效面積大約為0.35× 0.7 m。結(jié)果顯示在一個較大的封裝上。在有限帶寬反射陣列使用SMR格式可以改善SCF的響應(yīng)。圖8給出了兩級GPS濾波器的實驗響應(yīng)。這里的要求是蜂窩電話傳輸頻率的高帶阻，大概為800至18

13、00MHz，提供在GPS L1頻率提供低插入阻抗。圖9給出了實驗的SCF在12.4GHz的響應(yīng)。這里，諧振器的有效面積只有31 × 31 m。地面信號（GSG）焊盤布局只增加到容納測試中使用的微波探頭設(shè)置。以這種方式減少垂直排列諧振器的耦合可以克服SCF結(jié)構(gòu)固有的受限帶寬，從而它們開始作為獨立的諧振器而不是單個模式諧振器。由此產(chǎn)生的配置稱為耦合諧振濾波器（圖5（d），以區(qū)分于SCF（圖5（c）。CRF中的頂端諧振器擁有獨立的電極，允許通用的輸入/輸出（I/O）電極分成兩個獨立的電極。當I/O諧振器電氣結(jié)構(gòu)上隔離，除了偏離電容，濾波器能工作在一個全平衡模式或者作為一個平衡不平衡轉(zhuǎn)換。圖

14、9.2.4GHz左右的SCF的實驗響應(yīng)。諧振器的有效面積為22 × 44 m。這極小的面積由測試中使用的微波GCG探針決定?？紤]到閉合I/O和設(shè)備布局，最終抑制下降為泄漏的最小值。圖10.使用氮化鋁作為壓電使用的四極點CRF的實驗結(jié)果。3dB帶寬為3.6%。從傳統(tǒng)的微波觀點出發(fā)，SCF類似一個微波腔，輸入和輸出耦合循環(huán)。CRF類似兩個腔，擁有虹膜和其他結(jié)構(gòu)限制兩個諧振器之間的耦合。圖10給出了針對1,960MHz蜂窩手機頻段所設(shè)計的CRF的測量響應(yīng)。該濾波器的3dB帶寬大約為67MHz，為特定應(yīng)用所設(shè)計。1dB帶寬寬度大于60MHz信道，通帶平坦度應(yīng)該適用于碼分多址（CDMA）類型。

15、由于該設(shè)備中不使用電感，濾波器面積非常小。圖11表示一個疊加圖，歸一化頻率軸，說明之前所述的三個濾波器的特征。階梯型濾波器由于諧振器的數(shù)量可能產(chǎn)生最陡的群褶反應(yīng)，因此濾波器設(shè)計過程中。極點的等效數(shù)量可以按要求增加。SCF的優(yōu)勢是：小面積，低IL，高最終抑制，通過電感調(diào)諧實現(xiàn)寬帶。CRF和SCF一樣面積非常小，但是CRF的帶寬可以達到SCF和階梯型濾波器的兩倍以上。CRF的通帶可以很平，因為要求得到高最終抑制比，相對于階梯型濾波器CRF的極點數(shù)更少。濾波器可以通過串聯(lián)增加整體的邊緣選擇性。顯然地，階梯型濾波器也適合圖11.階梯型（黑色），堆晶體（紅色）和耦合諧振濾波器（藍色）響應(yīng)的重疊串聯(lián)實現(xiàn)因

16、為它們在大多數(shù)情況下都是通過電感級聯(lián)實現(xiàn)塊結(jié)構(gòu)。因為階梯型濾波器優(yōu)良的邊緣選擇性，最終的抑制是在帶寬內(nèi)插入損耗條件下的一個設(shè)計。相反，SCF/CRFs最終抑制很好，但是在簡單的單極點或者四極點構(gòu)造中，帶內(nèi)IL很好，而臨近選擇性中等。圖12給出了一個階梯型濾波器串聯(lián)一個兩極點CRF的構(gòu)造和模擬結(jié)果。帶內(nèi)響應(yīng)主要是因為CRF，但是臨近群褶由于簡單的階梯型濾波器提高。最終抑制是兩個濾波器的共同作用。每個濾波器設(shè)計為50-I/O，在模擬過程中串聯(lián)起來。圖12.串聯(lián)階梯和耦合諧振濾波器的仿真。T型階梯型（黑色，最低的IL）設(shè)計成3dB帶寬的最終抑制，在帶內(nèi)IL具有最小的影響。兩極點CRF有最高的IL，復(fù)

17、合響應(yīng)是指具有CRF高的最終抑制和與階梯型結(jié)構(gòu)相近的群褶響應(yīng)。制造中考慮的問題集中在wafer-scale制造，IC或SAW設(shè)備封裝。TFR格式的極小尺寸允許高失效率和潛在低成本，因為每個晶圓的數(shù)量增加了。在5GHz左右，BAW的尺寸急速減少，其他一些成本，例如處理和封裝，可能限制小尺寸暗示的成本節(jié)省。例如，圖10中的四極點CRF可以減少至極小尺寸，5GHz頻率段時大概為0.25平方毫米，而一個鋸縫的尺寸大概為25。在直徑為150mm的晶片上70%的預(yù)期收益將是200,000失效。假設(shè)每年擁有2億的設(shè)備市場，則預(yù)期產(chǎn)量為1,000個晶片工作。小數(shù)量的晶片可能不被視為大型IC工廠的“晶圓級制造”

18、。封裝封裝是濾波器制造中的主要問題。封裝要求使得SAW設(shè)備生產(chǎn)線受限，必須保持一個接口空閑以防任何污染可能減少設(shè)備性能。然而，相對于一些更小的BAW設(shè)備的有效封裝，當前的SAW封裝太大。因為需要保護其主要作用的諧振器接口，一些中間級的晶圓級封裝或鈍化可能是有幫助的，但是晶圓規(guī)模成本的影響是有效的，關(guān)鍵的處理應(yīng)允許盡可能小。決定成本大小的很重要的環(huán)節(jié)就是封裝。近期，BAW生產(chǎn)設(shè)備使用SAW或者其他通用封裝。圖13給出了一些BAW諧振器和濾波器封裝的通用尺寸考慮。圖14給出了BAW設(shè)備的最小封裝。封裝過程不包含焊線，但在使用極小面積合并焊條方面效率很低，導(dǎo)致印模值高達三倍左右，過大無通過濾波器顯示

19、。圖13.BAW設(shè)備的封裝問題。2mm×2.5mm的SAW封裝對于很多2GHz以上的BAW設(shè)備來說太大。隨著很多BAW設(shè)備尺寸遠遠小于0.5mm×0.5mm，要求針尺寸對小得多的封裝技術(shù)。圖14.小型濾波器的封裝。a)濾波器模具的俯視圖給出了一個GPS SCF的有效面積。b)封裝的仰視圖給出了兩個I/O條紋的小心區(qū)域。c) 使用Au/Sn合金焊接蓋子和模具的復(fù)合材料的邊試圖。模具包含了一個金戒指和I/O焊盤，和陶瓷蓋子類似匹配。蓋子通過通孔鍍膜，和電路作用相反，轉(zhuǎn)移模具地面和I/O至三極管?？偨Y(jié)本文介紹了TFR技術(shù)的概況。對于帶寬發(fā)展系統(tǒng)要求的每一個高頻率的努力已經(jīng)引起濾波器技術(shù)的高速發(fā)展。三種塊聲波濾波器的幾何結(jié)構(gòu)提供了多種過濾選項。參考文獻1 R. Weigel,