薄膜谐振器技术概述.docx

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薄膜谐振器技术概述

薄膜谐振器技术概述

K.M.Lakin

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havingrootsgoingbacktothe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，CaLaRa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——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。

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3μm厚，铝电极为0.3μm厚，典型面积为0.25×0.25mm。

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（0.93μm）和四层氮化铝（1.7μm）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造的直接应用薄膜形式存在。

图3.1.600MHz频率附近SMR类型谐振器的响应smith圆图。

它是一个GPS滤波器晶圆的诊断谐振器。

该响应是干净的，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0.35×0.7μm。

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率的高带阻，大概为800至1800MHz，提供在GPSL1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31×31μm。

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模式或者作为一个平衡不平衡转换。

图9.2.4GHz左右的SCF的实验响应。

谐振器的有效面积为22×44μm。

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“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SAW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。

2mm×2.5mm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0.5mm×0.5mm，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GPSSCF的有效面积。

b）封装的仰视图给出了两个I/O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

[1]R.Weigel,D.P.Morgan,J.M.Owens,A.Ballato,K.M.Lakin,K.Hashimoto,andC.C.Ruppel,“Microwaveacousticmaterials,devices,andapplications,”IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,vol.50,pp.738–749,Mar.2002.

[2]K.M.Lakin,“Thinfilmresonatortechnology,”inProc.IEEE2003FrequencyCont.Symp.,p.765.

[3]R.Ruby,P.Bradley,J.D.LarsonIII,andY.Oshmyansky,“PCS1900MHzduplexerusingthinfilmbulkacousticresonator（FBARS）,”Electron.Lett.,vol.35,no.10,May13,1999.

[4]R.Aigner,J.Ella,H.J.Timme,L.Elbrecht,W.Nessler,andS.Marksteiner,“AdvancementofMEMSintoRF-filterapplications,”2002IEDMSymp.Dig.,pp.897–900.