薄膜諧振器技術(shù)概述

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(dá)到更高的頻率。 利用微電子進(jìn)程的先進(jìn)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

2、作頻率附近，一個 AC信號應(yīng)用到晶體使晶體產(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(xiàn)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(dāng)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)

3、有 50多年。大部分壓電諧振器是厚模式類型， 這意味著體聲波 （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?fù)浣Y(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

4、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 Co 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?是晶體諧振器應(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

5、紀(jì) 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(dá)的聲波延遲線的能量轉(zhuǎn)換器， 這個應(yīng)用保持了相當(dāng)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1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

6、 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(dá)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(dāng)?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 0.3 m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

7、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。薄膜微電子重要的進(jìn)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（ 0.93 m）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

8、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

9、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，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(fù)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(dá)到全部的補償。得到補償?shù)倪^程是一邊慢慢增加正 TC

10、材料一邊減少負(fù) TC 材料，從而保持諧振頻率不變。這樣做，所有材料達(dá)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2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 3.35GH

11、z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

12、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(dá)3.5GHz ，最低頻率可達(dá) 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)（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

13、一個很高的虛擬響應(yīng)抑制。印模的有效面積大約為0.35 × 0.7m。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 1800MHz ，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

14、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(dāng) 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 × 44m。這極小的面積由測試中使用的微波GCG探針決定。考慮到閉合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)。

15、 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。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。3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

16、 和 SCF 一樣面積非常小，但是 CRF 的帶寬可以達(dá)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(lán)色）響應(yīng)的重疊串聯(lián)實現(xiàn)因為它們在大多數(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

17、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)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

18、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”。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

19、 設(shè)備的有效封裝，當(dāng)前的 SAW 封裝太大。因為需要保護(hù)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(dá)三倍左右，過大無通過濾波器顯示。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(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.5 mm ×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。總結(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