声波谐振器

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技术领域\n一般地说本发明涉及声波谐振器，更具体地说涉及控制该声波谐 振器的谐振频率的方法。\n背景技术\n由薄膜形成的声波谐振器应用在要求精确地控制频率的许多应用 场合中。薄膜体声波谐振器(FBAR)或层叠薄膜体声波谐振器(SBAR) 都可以用作在蜂窝电话或其它装置中作为滤波器，在这些装置中尺 寸、成本和频率稳定性都是重要的因素。\nFBAR包括在两个导电电极之间的压电材料的薄膜，同时SBAR还 包括压电材料的附加层，每个层将两个电极分开。虽然固定安装的谐 振器是公知的，但是通常还是通过周边支撑该层将FBAR或SBAR的有 效层悬浮在空气中。在叠层的两侧空气/谐振器的界面部分地俘获在操 作的过程中产生的能量。\n当通过在由压电层间隔开的两个电极之间施加信号产生时变的电 场时，压电材料将一些电能转换为以声波形式的机械能量。声波在与 电场相同的方向上传播并在空气/谐振器界面上反射。为了正确地制造 FBAR或SBAR，声波具有特定的机械谐振。\n如上文所示，由于当FBAR或SBAR在其机械谐振频率运行时它可 以起电谐振器的作用，因此它可以用作滤波器。在这种机械谐振频率 上，对于在压电材料中的声的给定的相位速度，穿过谐振器的声波的 半波长大致等于谐振器的总的厚度。声波谐振器可以独立使用或组合 使用。例如，通过电连接几个谐振器形成带通滤波器来提供所需的滤 波响应。有几种滤波器拓扑结构是可能的。一种有利的拓扑结构是半 梯状结构，在这种结构中谐振器串联连接(串联谐振器)，并在串联 谐振器中间是接地的并联谐振器。在制造串联谐振器时使其谐振频率 大致高于并联谐振器的3％。由于可以使串联和并联的谐振器的压电层 的厚度相同，因此通过在谐振器之间“共享”压电沉积层。\n已经证明声波谐振器的重要特性是它能够保持谐振。由于如果温 度的变化(ΔT)导致了谐振器的一个或多个层的波速的变化(ΔV)和/ 或厚度的变化(Δt)则产生频移(Δf)，因此当将声波谐振器放置在 温度有变化的环境中时，已经证明存在问题。具体地说，谐振频率f0 和频率的温度系数分别定义如下：\nf0＝V/2t0                                    (1)\nΔf/f0＝ΔV/V-Δt/t0                         (2)\n这里V是穿过声波谐振器的声波的速度，t0是谐振器的厚度。根 据声波的波长如下定义厚度：\nt0＝λ/2                                     (3)\n这里λ是声波在它所穿过的介质中的声波的波长。在用于制造谐振 器的材料中，厚度t0通常随着正的温度变化ΔT而增加。在另一方面， 穿过材料的波的速度通常随着正的温度变化而降低。这两个系数相结 合以形成一种称为负频率温度系数的现象。从等式(1)和(2)中可 知，声波谐振器的谐振频率f0通常随着温度的增加而降低。这种谐振 波动通常是一种不理想的特性。\n补偿温度的变化的一种公知的方法是并入频率稳定电路。然而， 蜂窝电话以及类似的装置的有限的空间限制了辅助电路的使用。在题 为“Thin Film Resonators and Filters”(K.M.Lakin著，1999 IEEE Ultrasonics Symposium June 1，1999)的论文中描述了另一 种方法。这第二种方法应用于固体安装的谐振器(SMR)，该谐振器沿 着支撑表面安装而不是通过外围支撑从支撑表面悬挂。通过SMR和基 片之间形成反射体(通常为Bragg反射体)来实现在SMR和在其间形 成谐振器的基片之间的声隔离。反射体是一种具有高指数和低指数的 材料的交替的叠层，每层的厚度大约为SMR的谐振频率的波长的四分 之一。根据第二种方法，如果应用二氧化硅(SiO2)来形成一特定指数 的层，将根据SiO2的温度系数的结果进行温度补偿。然而，存在的问 题是SiO2是亲水性的，因此SMR的性能可以受到潮湿的大气的损害。 另一个问题是由于SiO2是作为四分之一波长层形成，因此目标谐振频 率部分地确定了补偿水平。\n发明内容\n因此需要一种声波谐振器和应用该声波谐振器的方法以在温度变 化时保持谐振。\n一种声波谐振器包括具有负频率温度系数的电极压电叠层，通过 将补偿器声耦合到电极压电叠层来至少部分地补偿该叠层。该补偿器 由这样的一种材料形成，该材料具有使补偿器抵消温度引起效应对谐 振的作用的特性，在此通过温度变化将这种作用感应到电极压电叠 层。\n在一个实施例中，补偿器是由铁磁材料形成。在更为可取的实施 例中，该材料是镍铁合金，在一种最为可取的实施例中该合金由大约 35％的镍和大约65％的铁组成。该补偿器应该具有正频率系数。作为采 用补偿器的结果，选择补偿器的厚度以使对谐振作用的温度引起效应 的幅值等于电极压电叠层的负频率温度系数对谐振的温度引起效应的 幅值。作为一种实例，如果镍铁合金补偿器的厚度为3320埃，并且该 叠层包括在厚度为15,200埃的铝氮层的对面上的厚度为1100埃的钼 电极，则相信可以实现0ppm/℃的复合系数。\n铁磁材料具有的缺点是在微波频率上具有较大的电极损耗。为防 止这一点，应用钼镀层(flash layer)来包围铁磁合金并转移在其周 围的电流。例如，可以在与电极压电叠层相对的补偿器的一侧上形成 钼薄层(例如，200埃)。虽然可以应用其它的材料，但是在一优选实 施例中其镀层材料与电极材料相同。\n进一步参考优选实施例，补偿器和电极压电叠层都悬浮在基片的 表面上。因此，它不需要包括Bragg反射体或其它的机构以使谐振层 与基片接触。\n相对于已有的通过电极压电叠层通常所具有的负频率温度系数进 行补偿的装置，本发明的一个优点是本发明的补偿器的厚度是独立于 所需的目标谐振频率的波长。这就是说，不是选择等于在Bragg反射 器内的四分之一波长层的厚度，而是可以选择补偿器的厚度以适应补 偿器的补偿能力。本发明的另一个优点是补偿器由金属形成，因此电 极的电阻并不严重受到影响。然而另一个优点是可以应用与常规的用 于构造电极的相同的湿蚀刻来蚀刻优选的镍铁合金。此外，补偿器不 是亲水性的，因此它不会在潮湿的环境中受到损害。\n附图说明\n附图1所示为依据本发明的声波谐振器的侧面剖视图；\n附图2所示为在附图1中所示的连接到电压源的声波谐振器的侧 面剖视图；\n附图3所示为依据本发明在晶片上形成在附图1所示的声波谐振 器的侧面剖视图；以及\n附图4所示为依据本发明的变型实施例在附图3中所示的声波谐 振器的侧面剖视图。\n具体实施方式\n参考附图1，声波谐振器10的实例性的实施例包括一对相对的电 极12和14。在正对的电极12和14之间是形成电极压电叠层18的压 电体16。叠层18通常称为薄膜体声波谐振器(FBAR)。\n在叠层18附近设置补偿器壳体20，该补偿器壳体20有利于在温 度变化时稳定声波谐振器10的谐振频率。这可以通过从具有正频率温 度系数的一种或多种材料形成补偿器壳体20来实现。正频率温度系数 补偿形成电极压电叠层18的材料的负频率温度系数。\n通常，压电体16由能够提供合理的更高的电机耦合常数和较低的 介电常数的任何压电材料形成。可以应用的电介质材料的实例有ZnO、 AlN和锆钛酸铅。电极12和14由导电材料构成，比如铝、金、钼、钛、 钨等。形成压电体16和电极12和14的材料的特性随温度的变化而改 变。这就导致谐振器10的谐振频率随着温度的增加而降低。具体地说， 这些材料的速度特性随着温度的增加而降低，因此穿过叠层的声波的 速度降低。此外，该材料的厚度随着温度增加而增加。\n已经发现在谐振中对温度的变化起主要作用的是形成叠层的材料 的速度特性的变化。因此，选择补偿器壳体20以得到一种速度特性， 这种速度特性随着温度的变化正向地变化。因此，可取地是由基本为 大致35％的镍和65％的铁的金属合金形成补偿器壳体20。这种合金是 由International Nickel Company公司以INVAR的商标出售的。这 种合金形成了相对于温度的变化厚度基本恒定的层。然而，速度特性 随着温度的变化而进行正变化。在题为“Zero Sound Anomaly in a Ferromagnetic INVAR Alloy(INVAR合金中零声音异常)”(由Endoh 等人著，Journal of the Physical Society of Japan，Vol.46， No.3，1979年3月，第806-814页)的论文中，给出的数据表明INVAR 具有的+170ppm/℃的频率的温度系数。作为对比，在LI Manosa等人 的题为“Acoustic-mode Vibrational Anharmonicity Related to the Anomalous Thermal Expansion of INVAR Iron Alloys(INVAR铁 合金的异常热扩散有关的声波模式振动非谐性)”(Physical Review B，The American Physical Society，Volume 45，No.5，1 1992 年二月，第2224-2236)所给出的数据中表明INVAR的频率的温度系 数大致为+239ppm/℃。通过适当选择补偿器壳体20的厚度，可以形成 基本等于零的复合的频率温度系数的谐振器10。可替换的是，可以将 频率的复合温度系数的幅值设置为正或负值，因此谐振的变化与温度 的变化成正比例或反比例。在这种方式中，根据具体的应用，谐振器 10可以实际上具有任何所需的频率的热系数。\n参考附图2，电压源22连接在电极12和14之间。通过电压源22 在电极12和14之间产生的电场在压电体16内产生声波24。声波在平 面26和28之间传播。平面26表示补偿器壳体20和周边环境的交界 面。平面28表示电极14和周边环境的交界面。\n如上文所指出，声波谐振器的每个层都具有随着温度变化的波速 (V)和厚度(t)。还可以知道在声波谐振器内在平面26和28之间 传播的声波的相位(φ)以声波谐振器的频率的函数进行变化。具体地 说，在附图1和2的谐振器10内传播的声波的相位是：\nφ＝2πf(t1/V1+t2/V2+t3/V3+t4/V4)        (4)\n这里t1和V1是关于底部电极14的特性，t2和V2是关于压电体16 的特性，t3和V3是关于顶部电极12的特性，t4和V4是关于补偿器壳体 20的特性。当φ＝π并在等式(4)中的括弧内的系数之总和固定时实现 频率的稳定。在本发明的优选实施例中，通过使第四个系数(即，t4/V4) 与其它的三个系数之和(即，t1/V1+t2/V2+t3/V3)反比例地变化来保 持这个总和基本固定。\n随着谐振器10的温度的增加，在压电体16中的声波24的速度V2 降低而厚度t2增加。此外，当声波在电极12和14之间传播时声波速 度如V1和V3所示分别降低而厚度t1和t3增加。然而，通过补偿器壳体 20补偿所降低的声波的速度。具体地说在补偿器壳体20中的声波的速 度V4随着温度的增加而增加。如果在补偿器壳体中的温度引起的变化 幅值等于在电极压电叠层中的这种变化的幅值，则在平面26和28之 间传播的声波的总的相位φ中将不存在明显的变化。因此，在温度出现 变化时仍然维持谐振器10的谐振频率。\n参考附图3，在特定的实施例中，应用常规的半导体工艺制造谐振 器110。因此将谐振器110制造在硅晶片130上，该硅晶片130具有 一个经蚀刻而形成腔132的表面。这通常应用KOH来除去几微米的硅 来实现，在此称其为预开槽。选择通过KOH除去的硅的量以避免在随 后的处理中对晶片130的结构损失。将含磷的硅酸盐玻璃134淀积在 该腔体中并通过公知的机械装置磨平。在美国专利US6,060,181(Ruby 等人，转让给本发明的受让人)中描述了淀积和随后的除去玻璃的过 程。\n在腔体132中形成玻璃134之后，将一个电极114设置在晶片130 的表面上。在本实例中，应用溅射电极技术以形成大约1100埃厚度的 钼层来制造电极114。这就得到了具有大约-45ppm/℃的负频率热系数 的电极114。\n通过在电极114附近淀积一层厚度大约为15200埃的AIN 116来 形成压电体。这就产生了具有大约-25ppm/℃的负频率热系数的电极 114。\n然后将也是由钼形成的附加电极112淀积在AIN层116附近并淀 积到大约1100埃。应用溅射淀积技术在电极112附近形成补偿器壳体 120并形成到大约3320埃的厚度。补偿器壳体具有大约170ppm/℃的 正频率温度系数。在制造的过程中，对元件112、116和120的边沿进 行光刻蚀刻以使其彼此一致并与腔体132的边沿重合。因此，悬浮叠 层的所有的点都具有相同的谐振频率f0。结果，可以防止由空间质量 负载效应产生的接近的寄生谐振。\n在淀积电极112和补偿器壳体120之后，在谐振器结构中蚀刻含 磷的硅酸盐玻璃134以完成腔体132的构造。这可以通过应用稀的氢 氟酸溶液实现。除去剩余的玻璃部分后剩下电极114坚固的部分，因 此将谐振器10与晶片130间隔开。\n这样，形成了具有大约0ppm/℃的频率温度系数的谐振器110。 因此，对于在-30℃到85℃的范围中的温度变化，在本实例中可以制造 谐振器110以保持在大约1.9GHz的恒定的谐振频率。应用这种技术以 形成从0.4至10GHz任何频率的谐振器。\n参考附图4，所示的谐振器210的另一个实施例包括覆盖补偿器壳 体220的镀层230。形成补偿器220的优选的材料是铁磁材料，这种 材料具有较大的电损耗。这种损耗降低了谐振器的质量因子并且是有 害的。包括镀层230以在补偿器壳体220周围形成较低损耗电流通路。 镀层230覆盖补偿器壳体220所暴露的区域即没有设置在电极212附 近的区域。虽然镀层230可以由任何导电材料形成，但是镀层230优 选由与电极212和214相同的材料形成。对镀层进行光刻蚀刻构图以 使在电极212的边沿上的镀层230的外部质量在硅基片232之上。这 能够有效地阻止任何寄生谐振。\n镀层230和电极212和214都由Mo形成并且每个的厚度大约1100 埃。压电体216由具有大约-25ppm/℃的负频率热系数的AIN形成。 因此，理想的是如果谐振器210具有大约0ppm/℃的频率温度系数， 则补偿器壳体220必须具有足够的厚度以提供偏移的正频率温度系 数。应用这种结构，硅晶片232的谐振器210将使谐振器具有在200MHz 至10GHz范围内所选择的恒定的谐振频率，并可承受在-30℃至85℃ 的温度变化。\n从前文的描述和附图中可看出本发明的各种改型对本领域的熟练 技术人员是显然的。例如，上文的讨论涉及FBAR技术。然而，本发明 可等效地应用到SBAR技术。此外，已示出的补偿器壳体是在与基片相 对着的电极压电叠层的侧面上。但是补偿器壳体还可以直接形成在基 片上或与该基片相接触的镀层上。因此，本发明并不限于上文所描述 的示例性的说明，而是由附加的权利要求及其等效权利要求的整个范 围来确定。