[发明专利]体波谐振器及其加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种体波谐振器。特别是涉及一种能够提高谐振器的品质因数(Q)、有效机电耦合系数和抗静电放电(ESD)能力的体波谐振器及其加工方法。

背景技术

利用压电薄膜在厚度方向的纵向谐振所制成的薄膜体波谐振器，在手机通讯和高速串行数据应用等方面已成为声表面波器件和石英晶体谐振器的一个可行的替代。射频前端体波滤波器/双工器提供优越的滤波特性，例如低插入损耗，陡峭的过渡带，较大的功率容量，较强的抗静电放电(ESD)能力。具有超低频率温度漂移的高频薄膜体波振荡器，其相位噪声低，功耗低且带宽调制范围大。除此之外，这些微型薄膜谐振器在硅衬底上使用CMOS兼容的加工工艺，这样可以降低单位成本，并有利于最终与CMOS电路集成。

体波谐振器包括一个声学镜和两个电极，以及位于这两电极之间的被称作压电激励的压电材料层。也称下部电极和上部电极为激励电极，其作用是引起谐振器各层的机械振荡。声学镜在体波谐振器和基底之间形成声学隔离。

图9是传统的体波谐振器的俯视图。声学镜82是由基底上一系列高声阻抗层与低声阻抗层相间排列而组成的，它的作用是将基底的声阻抗近似转化为空气的声阻抗。大部分的第一电极84要位于声学镜82边界的内侧。在连接的边缘88处，部分顶电极86要跨越底电极84。

可以用有效机电耦合系数和品质因数(Q)这两个参量来表征薄膜体波谐振器的性能。有效的值越大，射频滤波器的频带就越宽，或者压控谐振器的可调范围就越大。对于谐振器来说很重要的一点就是它所采用的压电层本身就要具有较高的值，并且其极化轴的方向要与膜的厚度方向一致，这样可以使有效值达到最大。品质因数Q既影响射频滤波器的插入损耗，也影响

压控振荡器振动模式的单一性。尽管振荡与多种能耗机制有关，如声学阻尼(材料损耗)、由谐振器边界条件决定的侧面逃逸的波等等，但压电薄膜良好的柱状晶体结构以及C-轴的取向，是影响体波器件性能的首要条件。沉积于电极之上的压电薄膜的晶体结构很大程度上取决于其下面电极的粗糙度和晶体结构。表面光滑且纹理锐利的底层电极是最理想的。沉积压电层时，它会跟随着底层电极的结构纹理，并且在底层电极形貌较尖锐处容易发生断裂，例如在近乎垂直边缘的电极上会产生陡峭的边缘。压电层的断裂会大大降低谐振器的抗静电放电(ESD)能力。

图10是Ruby等人在专利U.S.Pat.No.6,384,697中公开的传统的体波谐振器的俯视图。这种体波谐振器提供了一种支持基底声学谐振的方法。其中声学谐振部分由夹在底电极94和顶电极96间的压电层构成。实际上为了和焊盘或其它电路相连，顶电极96至少要有一边需要延伸到声学镜边界的外侧。底电极94跨越整个谐振腔92，其作用相当于声学镜。这种方法避免了处于自由悬空状态的压电薄膜层的断裂，并提高了谐振器的机械稳定性。但是，沉积在下方的底电极94边缘处的压电层，若产生空隙或断裂，会导致整个谐振器的抗静电放电(ESD)能力变差。当夹在压电层两端的电极与基底相连时，会降低的有效值。

为了防止压电层产生断裂和空隙，可以将底电极的末端面做成斜面的。图11是底电极末端是斜面的传统体波谐振器的剖视图。体波谐振器包括位于基底1110表面上或嵌于基底1110内部的声学镜1120，压电层1150以及压电层两端的两个电极1140和1160。底电极1140的斜端面1142既可以在声学镜1120的内部也可以在声学镜1120的外部(或是部分在声学镜1120的外部)。底电极1140的斜端面1142一股采用的加工方法是等离子干法刻蚀或湿化学腐蚀。与不被腐蚀的区域相比，被腐蚀的电极，其晶体结构变的较差，并且被腐蚀后的斜端面1142的表面变得更粗糙。如果沉积压电层的斜端面1142的表面较粗糙，那么谐振器的Q值和有效值会明显的变差。

此外，在Ginsburg等人的专利U.S.Pat.No.6,924,717中表示，在制作具有斜端面的底电极时需要对坡角有很好的控制，并且其加工的复杂性和制作成本都会有所提高(例如，干法刻蚀的时间特别长)。

熟悉薄膜体波谐振器的人们知道横向模式的声能会从谐振器的侧面逸出，并进入到基底中。为了避免产生这些横向模式的声能，需要优化谐振器边缘的声学边界条件。特别是从横跨底电极和顶电极的连接边缘(分别在图9和图11中所示的区域88和1166)处逸出的声能被认为是能量损失的主要来源之一。尽量地减小横向模式与连接边缘88的相互作用非常重要。

因此，上述的诸多缺陷和不足需要得到很好的解决。

发明内容