薄膜谐振器技术概述

1、薄膜谐振器技术概述薄膜谐振技术的发展已经超过40年，相对于传统的石英晶体技术可获得的频 率，该技术达到更高的频率。利用微电子进程的先进性，采用压电材料的薄膜用 来制造频率段500MHz至20GHz的谐振器和滤波器。本文是一篇薄膜谐振（TFR） 技术的review，描述了已制造成形或者经过论证的谐振器和滤波器的核心结构和 问题。背景电机设备是电子系统种的重要部分，例如石英“晶体”，因为它们在电子终 端表现出很高的Q值，这正是电子系统所需要的。然而，机械系统只有电子终端 实现高Q值，通过机械和电子间的传输机制实现。显然，石英和其他所谓的压电 材料中产生第一步的有效传输。在机械谐振的工作频率附近，一

2、个AC信号应用 到晶体使晶体产生一个机械振动，该振动反过来通过一个代表电气谐振的电流流 显示在电气终端（图1）。正如近期的文献所述1,2，TFR技术的核心是压电谐振器having roots going back to the传统的石英晶体。几何结构上，谐振器的形式是一个使用压 电材料作为介质和合适的金属电极的简单电容形式。图1所示的晶体谐振器的传 统电路符号沿用一个简单的等效电路。当压电平板真正固定在金属板之间不接触 摇晃表面，开始有了电路符号的表示。因为事实上机械运动在微小的纳米级下测 量，其运动极其微小，电极很可能关闭。金属电极可以直接制造到谐振器上，该 技术已经有50多年。大部分压电谐

3、振器是厚模式类型，这意味着体声波（BAW）反射在主要的平 板表面之间。边界条件要求波高效率地反应在表面，为了在空气或真空下保持高 共振Q，提供极好的外部边界表面。图1.晶体谐振器.（a）电路符号，谐振器结构的抽象代表，（b）任一种共振的等效电路。Co/Ca的比例由拓扑 结构和谐振器的压电材料固定。Co由设计区域决定（几何电容）。La和Ca发生共振的频率由谐振器的厚度决 定，Ra由损耗决定。压电谐振器的等效电路图1（b）是一种复合结构，表现出传输机制和共振响 应。Co是该结构的几何电容，接近共振，Ca La Ra串联电路（称为动态臂）描 述了共振现象。在低频处，第一个共振是动态臂的串联共振，频率

4、稍高的地方， 存在一个额外的电感足以和Co发生并联谐振。在串联和并联谐振之间，电路产 生电感。因此，压电谐振器可以产生两个电气等效共振，在不存在真实的电感器 件情况下产生一个电感响应。最重要的是，产生的这个电感有一个很高的Q值。 共振Q值很高是晶体谐振器应用于这么多频率控制的主要原因。第二个原因是谐 振器面积很小，因为在一个晶体中，声音的波长大概是一个电磁波波长的4个数 量级左右。但是在很薄的结构中传输的短波，是晶体谐振器应用于微波频率的根 本难题。因为共振频率和金属板厚度成反比，高频率意味着薄金属板一一在微波频率 金属板非常薄。20世纪60年代，由于晶体减薄技术的限制，注意力转移到可以 以薄

5、膜形式生长的压电材料，例如CdS和ZnO。由于膜结构必须生长在基板上， 并且不能立马显现如何支持那些薄膜结构，早期的膜结构首次应用于雷达的声波 延迟线的能量转换器，这个应用保持了相当长的时间。对于基板和延迟线，机制 支持不是一个问题。随着微电子的发展，压电膜最后可以应用于适合滤波分析和其他应用的谐振 器构造。技术不是减薄晶体板的厚度至微米级，对于给定频率生长压电薄膜已经 成为谐振器制造的首选方法。最重要的是，建立技术支持膜结构的方法以致可以 作为谐振器使用，而不仅仅是能量转换器。薄膜谐振器是低频谐振器在微波段的 说法。TFR结构如前文所述，版图设计（板谐振器）要求合适的接口以达到很高的Q共振。

6、 另外高频段，平板厚度在微米段测量，和接口连接时，对制造工艺有很高的要求。 低频段，500MHz以下，石英晶体平板可以变薄至合适的厚度。在更高的微波频 率段，膜可以在适当的基板上生长成合适的厚度。例如，一个工作在1,600MHz 的氮化铝谐振器大概3“m厚，铝电极为0.3“m厚，典型面积为0.25 x 0.25 mm。 这种薄膜获得简单。实现薄膜BAW技术的真正挑战是设备的制造，要求这种设 备的接口条件获得一个高Q值共振，结构中横向尺寸厚度比大于50:1。图2（a ）显示了支持一个或多个边的空运线谐振器的一种可行方法。在制造方 面，在基板上形成短期的支持，其次是一个较低的电极、压电薄膜沉积和一

7、个高 电极。支持消除后，薄膜谐振器留在合适的位置，和空气边界和一些外围版图支 持相邻。薄膜微电子重要的进步使一系列TFR技术成为可能。图2（b）表示一个版面更加粗糙的固态谐振器（SMR）结构，它通过一个名义 上的四分之一波长厚层组成的反射器隔离谐振器和基板。厚层的数量根据要求的 反射参数和连续层之间特性阻抗的比例确定。例如，GPS1,575MHz的九层反射 器应该有五层二氧化硅（0.93“m）和四层氮化铝（1.7 “m）多晶体层。图3表示一个SMR类型的谐振器的典型响应。从响应看随着频率的升高，阻 抗变化显然从电容到电感再回到电容。谐振器最重要的应用是真塘栖和滤波器分析。在任意一种应用中，温度

8、和其 他影响谐振器设计和应用的稳定因素都有明显的限制。在低频谐振器或者表面声 波（SAW）设备中使用的单晶体材料中，可以发现那些有理想温度特性的晶体 取向。然而，这些材料中没有一种以适合制造的直接应用薄膜形式存在。图2.薄膜谐振器.（a）在基板电极和压电层之前的合适的基板上的临时支持。（b）SMR使用一个四分之一波长 的序列，得到谐振器的反射接口。谐振器最重要的应用是真塘栖和滤波器分析。在任意一种应用中，温度和其 他影响谐振器设计和应用的稳定因素都有明显的限制。在低频谐振器或者表面声 波（SAW）设备中使用的单晶体材料中，可以发现那些有理想温度特性的晶体 取向。然而，这些材料中没有一种以适合制

9、造的直接应用薄膜形式存在。图，没有任何可能增加滤波器的群延时波纹的谐振。K2是有效压电耦合系数。图4.一个AlN/SiO2复合谐振器相对于温度变化的微小频率变化，石英晶体作为一个参考。图5.滤波器配置：（a）串联和分流谐振器的阶梯型滤波器，（b）平衡架，（c）SCF,（d）CRF。一个正和负温度系数（TC）材料设计的复合安排可以实现TFR的温度补偿， 一种材料的TC系数抵消另一种材料的TC系数从而达到全部的补偿。得到补偿的 过程是一边慢慢增加正TC材料一边减少负TC材料，从而保持谐振频率不变。这 样做，所有材料达到差不多满意的平衡。图4表示一个名义上2GHz频率的谐振 器的实验结果。相似的TC

10、谐振器已经可以工作在600MHz至12GHz。大多数的窄带阶梯型滤波器设计投入生产，使用薄膜TC复合谐振器实现窄带 和设计值，还提供了温度补偿的必要程度，保证滤波器适用于应用。滤波器滤波器可以有两种基本的结构，一种使用电气连接谐振器产生电路，另一种 使用波传播耦合谐振器（图5）。图6.典型阶梯型滤波器的频率响应。在带内带宽，插入损耗和带外阻抗之间存在一个交换。图7.使用5个串联谐振器和4个并联谐振器的工作在3.35GHz频率上的阶梯型滤波器。该滤波器使用在通信电 台的第一级IF链中。阶梯型滤波器通过谐振器不同的频率，综合成一个期望的带宽响应。最简单 的滤波器在相同的频率上具有所有的串联谐振器和

11、工作在更低频率上的分流谐 振器，从而分流谐振器的并联共振和串联谐振器的串联谐振频率几乎一样。这种 滤波器的带阻被一个电容电压分压器性质的阶梯型电路控制，这时谐振器等效为 简单的电容。图6和图7表示阶梯型滤波器的典型响应。图6中，具有最大带阻的滤波器包 含了 5个串联谐振器和4个分流谐振器（5-4布局），只有20dB最终带阻的滤波器 是3-2布局。使用温度补偿谐振器，滤波器带宽更窄。图7表示高频滤波器的响应。阶梯型滤波器，根据系统应用的要求可以实现更宽的频率范围。投产使用的 滤波器，最高频率可达3.5GHz，最低频率可达500MHz以下。最大的容量制造 应用于手机3,4。阶梯型滤波器的带宽第一级

12、的谐振器的电机耦合系数（K2） 和谐振器技术决定。一般情况下，使用现存的薄膜材料，例如氮化铝或者氧化锌， 滤波器带宽限制在0.5至4%，该带宽通常定义为窄带。电感调谐可以使用于更宽 带宽的调谐谐振器。声波耦合谐振滤波器堆叠晶体滤波器（SCF）是一种主模模式声波耦合谐振器。SCF如图5（c） 所示，由压电和金属层的乘法器组成。图8. 一个两节SCF的实验响应，显示出手机传输频率上一个很高的虚拟响应抑制。印模的有效面积大约为 0.35X 0.7 umo结果显示在一个较大的封装上。在有限带宽反射阵列使用SMR格式可以改善SCF的响应。图8给出了两级 GPS滤波器的实验响应。这里的要求是蜂窝电话传输频

13、率的高带阻，大概为300 至1800MHz，提供在GPS L1频率提供低插入阻抗。图9给出了实验的SCF在12.4GHz的响应。这里，谐振器的有效面积只有31 乂 31前。地面信号（GSG）焊盘布局只增加到容纳测试中使用的微波探头设置。以这种方式减少垂直排列谐振器的耦合可以克服SCF结构固有的受限带宽， 从而它们开始作为独立的谐振器而不是单个模式谐振器。由此产生的配置称为耦 合谐振滤波器（图5 （d），以区分于SCF （图5 （c）。CRF中的顶端谐振器拥有独立的电极，允许通用的输入/输出（I/O）电极分 成两个独立的电极。当I/O谐振器电气结构上隔离，除了偏离电容，滤波器能工 作在一个全平衡

14、模式或者作为一个平衡不平衡转换。图X 44 umo这极小的面积由测试中使用的微波GCG探针决定。考虑到闭合I/O和设备布局，最终抑制下 降为泄漏的最小值。图10.使用氮化铝作为压电使用的四极点CRF的实验结果。3dB带宽为3.6%。从传统的微波观点出发，SCF类似一个微波腔，输入和输出耦合循环。CRF 类似两个腔，拥有虹膜和其他结构限制两个谐振器之间的耦合。图10给出了针对1,960MHz蜂窝手机频段所设计的CRF的测量响应。该滤波 器的3dB带宽大约为67MHz，为特定应用所设计。1dB带宽宽度大于60MHz信道， 通带平坦度应该适用于码分多址（CDMA）类型。由于该设备中不使用电感，滤 波

15、器面积非常小。图11表示一个叠加图，归一化频率轴，说明之前所述的三个滤波器的特征。 阶梯型滤波器由于谐振器的数量可能产生最陡的群褶反应，因此滤波器设计过程 中。极点的等效数量可以按要求增加。SCF的优势是：小面积，低IL，高最终抑 制，通过电感调谐实现宽带。CRF和SCF一样面积非常小，但是CRF的带宽可 以达到SCF和阶梯型滤波器的两倍以上。CRF的通带可以很平，因为要求得到高 最终抑制比，相对于阶梯型滤波器CRF的极点数更少。滤波器可以通过串联增加整体的边缘选择性。显然地，阶梯型滤波器也适合 图11.阶梯型（黑色），堆晶体（红色）和耦合谐振滤波器（蓝色）响应的重叠串联实现因为它们在大多数情

16、况下都是通过电感级联实现块结构。因为阶梯 型滤波器优良的边缘选择性，最终的抑制是在带宽内插入损耗条件下的一个设 计。相反，SCF/CRFs最终抑制很好，但是在简单的单极点或者四极点构造中， 带内IL很好，而临近选择性中等。图12给出了一个阶梯型滤波器串联一个两极点CRF的构造和模拟结果。带内 响应主要是因为CRF，但是临近群褶由于简单的阶梯型滤波器提高。最终抑制是 两个滤波器的共同作用。每个滤波器设计为50- I/O,在模拟过程中串联起来。 图12.串联阶梯和耦合谐振滤波器的仿真。T型阶梯型（黑色，最低的IL）设计成3dB带宽的最终抑制，在带 内IL具有最小的影响。两极点CRF有最高的IL，复

17、合响应是指具有CRF高的最终抑制和与阶梯型结构相近的 群褶响应。制造中考虑的问题集中在wafer-scale制造，IC或SAW设备封装。TFR格式的 极小尺寸允许高失效率和潜在低成本，因为每个晶圆的数量增加了。在5GHz左 右，BAW的尺寸急速减少，其他一些成本，例如处理和封装，可能限制小尺寸 暗示的成本节省。例如，图10中的四极点CRF可以减少至极小尺寸，5GHz频率 段时大概为0.25平方毫米，而一个锯缝的尺寸大概为25。在直径为150mm的晶 片上70%的预期收益将是200,000失效。假设每年拥有2亿的设备市场，则预期 产量为1,000个晶片工作。小数量的晶片可能不被视为大型IC工厂的

18、“晶圆级制 造”。封装封装是滤波器制造中的主要问题。封装要求使得SAW设备生产线受限，必须 保持一个接口空闲以防任何污染可能减少设备性能。然而，相对于一些更小的 BAW设备的有效封装，当前的S AW封装太大。因为需要保护其主要作用的谐振器接口，一些中间级的晶圆级封装或钝化可 能是有帮助的，但是晶圆规模成本的影响是有效的，关键的处理应允许尽可能小。决定成本大小的很重要的环节就是封装。近期，BAW生产设备使用SAW或 者其他通用封装。图13给出了一些BAW谐振器和滤波器封装的通用尺寸考虑。 图14给出了 BAW设备的最小封装。封装过程不包含焊线，但在使用极小面积合 并焊条方面效率很低，导致印模值高

19、达三倍左右，过大无通过滤波器显示。图13.BAW设备的封装问题。2mmX2.5mm的SAW封装对于很多2GHz以上的BAW设备来说太大。随着很多BAW 设备尺寸远远小于0.5mmX0.5mm，要求针尺寸对小得多的封装技术。图14.小型滤波器的封装。a）滤波器模具的俯视图给出了一个GPS SCF的有效面积b）封装的仰视图给出了 两个I/。条纹的小心区域。c）使用Au/Sn合金焊接盖子和模具的复合材料的边试图。模具包含了一个金戒指 和I/O焊盘，和陶瓷盖子类似匹配。盖子通过通孔镀膜，和电路作用相反，转移模具地面和I/O至三极管。总结本文介绍了 TFR技术的概况。对于带宽发展系统要求的每一个高频率的努力 已经引起滤波器技术的高速发展。三种块声波滤波器的几何结构提供了多种过滤 选项。参考文献R. Weigel