CN103401528A - 包含桥接器的固态安装块体声波共振器结构 - Google Patents
包含桥接器的固态安装块体声波共振器结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明揭示一种固态安装块体声波共振器，其包含：第一电极；第二电极；压电层，其安置于所述第一电极与第二电极之间；及声反射器，其包含多个层且安置于所述第一电极、所述第二电极及所述压电层下面。所述声反射器、所述第一电极、所述第二电极及所述压电层的重叠界定所述声共振器的作用区域，且所述压电层在所述第一电极的边缘上方延伸。所述声共振器还包含邻近所述声共振器的所述作用区域的终端的桥接器。所述桥接器与所述第一电极的一部分重叠。
Description
相关申请案交叉参考
本申请案是根据标题为“包含桥接器的声共振器结构(Acoustic Resonator StructureComprising Bridge)”且在2009年6月24日提出申请的共同拥有美国专利申请案12/490,525的37C.F.R.§1.53(b)的部分接续申请案；及标题为“具有带有悬臂部分的电极的声共振器结构(Acoustic Resonator Structure having an Electrode with a CantileveredPortion)”且在2009年11月25日提出申请的共同拥有美国专利申请案12/626,035的37C.F.R.§1.53(b)的部分接续申请案。本申请案根据35U.S.C.§120请求美国专利申请案12/490,525及12/626,035的优先权。美国专利申请案12/490,525及12/626,035的揭示内容明确以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及一种共振器，且更特定来说涉及一种固态安装块体声波共振器。
背景技术
在许多电子应用中，使用电共振器。举例来说，在许多无线通信装置中，射频(rf)及微波频率共振器用作滤波器以改善信号的接收及发射。滤波器通常包括电感器及电容器，且更近来包括共振器。
如将了解，期望减小电子装置的组件的大小。许多已知滤波器技术呈现总体系统小型化的障碍。由于需要减小组件大小，已出现基于压电效应的一类共振器。在基于压电的共振器中，在压电材料中产生声共振模式。这些声波被转换成电波供用于电应用中。
一种类型的压电共振器是体声波(BAW)共振器。BAW共振器具有大小小的优点且适用于集成电路(IC)制造工具及技术。BAW共振器包括声堆叠，所述声堆叠包含安置于两个电极之间的一层压电材料。声波实现跨越声堆叠的共振，所述波的共振频率由声堆叠中的材料确定。
BAW共振器基本上类似于体声共振器，例如石英，但经按比例缩小以便以GHz频率共振。由于BAW共振器具有大约微米的厚度以及几百微米的长度及宽度，因此BAW共振器有益地提供对已知共振器的相当紧凑的替代品。
如所期望，体声共振器仅激发厚度伸缩(TE)模式，其为沿传播方向具有传播(k)向量的纵向机械波。TE模式如所期望沿压电层的厚度方向(例如，z方向)行进。
遗憾的是，除了所要的TE模式，声堆叠中还产生横向模式，称作瑞利兰姆模式(Rayleigh-Lambmode)。瑞利兰姆模式是具有垂直于TE模式(所要的操作模式)的方向的k向量的机械波。这些横向模式沿压电材料的面维度行进。除其他不利效果外，横向模式有害地影响BAW共振器装置的质量(Q)因数。特定来说，瑞利兰姆模式的能量在非作用区且在BAW共振器装置的界面处损失。如将了解，伪模式的此能量损失是所要纵向模式的能量损失，且最终是Q因数的降级。
BAW共振器包含作用区域，且到所述作用区域及从所述作用区域的连接可增加损失，且从而使Q因数降级。举例来说，在作用区域与连接之间的转变区中，缺陷可由于BAW共振器结构的下部电极的终止而在制作期间在压电层中形成。这些缺陷可导致声损失，且因此导致Q因数的减小。
因此需要至少克服上文所描述的已知缺点的生共振器结构电滤波器。
发明内容
根据一代表性实施例，一种固态安装块体声波共振器包含：第一电极；第二电极；压电层，其安置于所述第一电极与所述第二电极之间；及声反射器，其包含多个层且安置于所述第一电极、所述第二电极及所述压电层下面。所述声反射器、所述第一电极、所述第二电极及所述压电层的重叠界定所述声共振器的作用区域，且所述压电层在所述第一电极的边缘上方延伸。所述声共振器还包含邻近所述声共振器的所述作用区域的终端的桥接器。所述桥接器重叠所述第一电极的一部分。
附图说明
当结合附图阅读以下详细说明时可最好地理解说明性实施例。强调各种特征未必按比例绘制。事实上，为清晰论述起见可能任意增加或减小尺寸。在适用且实际的情况下，相同参考编号指代相同元件。
图1A展示根据一代表性实施例的固态安装块体声共振器(SMR)的横截面图。
图1B展示图1A的代表性实施例的SMR的俯视图。
图1C展示根据另一代表性实施例的固态安装块共振器的横截面图。
图2展示根据一代表性实施例的固态安装块体声共振器(SMR)的横截面图。
图3展示根据一代表性实施例的固态安装块体声共振器(SMR)的横截面图。
图4A展示根据一代表性实施例的固态安装块体声共振器(SMR)的横截面图。
图4B展示图4A的代表性实施例的SMR的俯视图。
图5展示根据一代表性实施例的固态安装块体声共振器(SMR)的横截面图。
图6A是一代表性实施例的SMR的声共振器的S11参数的史密斯圆图(Smith Chart)上的Q圆圈及已知SMR的Q圆圈的图形表示。
图6B展示SMR的并联阻抗(Rp)的曲线图，包括一代表性实施例的SMR。
图7A是一代表性实施例的SMR的声共振器的S11参数的史密斯圆图上的Q圆圈及已知SMR的Q圆圈的图形表示。
图7B展示SMR的并联阻抗(Rp)的曲线图，包括一代表性实施例的SMR。
具体实施方式
所定义术语
应理解，本文中所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而并非打算进行限制。除所定义术语的技术及科学含义外，所定义术语如在本教示内容的技术领域中通常所理解及接受。
除非上下文另外明确说明，否则说明书及所附权利要求书中所使用的术语“一(a)、“一(an)”及“所述(the)”包括单数及复数指示物两者。因此，举例来说，“一装置”包括一个装置及复数装置。
如说明书及所附权利要求书中所使用，且除其普通含义外，术语“实质”或“实质上”意指具有可接受限度或程度。举例来说，“实质上消除”意指所属领域的技术人员将认为消除可接受。
如说明书及所附权利要求书中所使用且除其普通含义外，术语“大致”向所属领域的技术人员意指在一可接受限度或量内。举例来说，“大致相同”意指所属领域的技术人员将认为各项目相比是相同的。
在以下详细说明中，出于解释及非限制的目的，列举了具体细节以便提供对根据本教示内容的说明性实施例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员受益于本发明而将显而易见，背离本文中所揭示的具体细节的根据本教示内容的其它实施例仍在所附权利要求书的范围内。此外，可省略对众所周知的设备及方法的说明以便不模糊对说明性实施例的说明。此些方法及设备明确在本教示内容的范围内。
一般来说，应理解图式及其中所描绘的各种元件未按比例绘制。此外，相对性术语，例如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”、“上部”及“下部”用以描述各种元件彼此的关系，如附图中所图解说明。应理解，这些相对性术语旨在除图式中所描绘的定向外还涵盖装置及/或元件的不同定向。举例来说，如果装置相对于图式中的视图反转，那么被描述为在另一元件“上方”的元件(举例来说)现在将在所述元件下方。
本教示内容一般来说涉及包含SMR的BAW共振器结构。在某些应用中，BAW共振器结构提供基于SMR的滤波器(例如，梯式滤波器)。BAW共振器及共振器滤波器的某些细节、其材料及其制作方法可在以下共同拥有的美国专利及专利申请案中的一者或一者以上中找到：颁发给拉肯(Lakin)的第6,107,721号美国专利；颁发给鲁比(Ruby)等人的第5,587,620、5,873,153、6,507,983、6,384,697、7,275,292及7,629,865号美国专利；颁发给冯(Feng)等人的第7,280,007号美国专利；颁发给亚穆尼拉(Jamneala)等人的第2007/0205850号美国专利申请公开案；颁发给鲁比等人的第7,388,454号美国专利；颁发给乔伊(Choy)等人的第2010/0327697号美国专利申请公开案；及颁发给乔伊等人的第2010/0327994号美国专利申请公开案。这些专利及专利申请案的揭示内容明确以引用方式并入本文中。强调这些专利及专利申请案中所描述的组件、材料及制作方法仅为代表性的且涵盖所属领域的技术人员的能力范围内的其它制作方法及材料。
图1A是根据一说明性实施例的声共振器100的横截面图。说明性地，声共振器100为SMR结构。声共振器100包含衬底101，所述衬底说明性地包含硅(Si)或其它合适材料。第一电极102安置于衬底101上方。压电层103安置于第一电极102上方且第二电极104安置于压电层103上方。因此，压电层103具有与第一电极102接触的第一表面及与第二电极104接触的第二表面。第一电极102及第二电极104包括导电材料且沿y方向提供振荡电场，y方向是压电层103的厚度方向。在本说明性实施例中，(图1A中所描绘的坐标系统的)y轴线线是共振器的TE(纵向)模式的轴线。
压电层103以及第一电极102及第二电极104提供于声反射器105上方，声反射器105包含形成于衬底101中或其上的高声阻抗材料与低声阻抗材料的交替层106、107。说明性地，声反射器105是所谓的声布拉格反射器，诸如颁发给拉肯的第6,107,721号美国专利中所描述，或如颁发给拉尔森(Larson)等人的共同拥有美国专利7,332,985中所描述，或如颁发给拉尔森的共同拥有美国专利7,358,831中所描述。第6,107,721号美国专利、美国专利7,332,985及美国专利7,358,831的揭示内容的明确以全文引用的方式并入本发明中。
第一电极102及第二电极104、压电层103及声反射器105的重叠区称作声共振器100的作用区域114。因此，声共振器100为机械共振器，其可经由压电层103电耦合。相比之下，声共振器100的非作用区域包含第一电极102或第二电极104或两者与未安置于声反射器105上方的压电层103之间的重叠区。说明性地，在图1A中所描绘的代表性实施例中，非作用区域包含第一电极102、压电层103及第二电极104之间的重叠区，其未安置于声反射器105上方。如下文更完全地描述，将声共振器100的非作用区域的面积减小到实际的程度对共振器的性能是有益的。
当以选定拓扑连接时，多个声共振器100可充当电滤波器。举例来说，声共振器100可以梯-滤波器布置来布置，例如颁发给(Ella)艾拉的美国专利5,910,756及颁发给布雷德利(Bradley)等人的美国专利6,262,637中所描述。电滤波器可用于众多应用中，例如用于双工器中。
声共振器100还包含提供于声共振器100的互连侧109上的桥接器108。互连侧109连接到信号线(未展示)及经选择用于声共振器100的特定应用的电子组件(未展示)。声共振器100的此部分通常称作声共振器100的互连侧。第二电极104在声反射器105上方的位置110处终止，以便最小化声共振器100的非作用区域，如下文所描述。位置110与声共振器100的互连侧109相对。
桥接器108包含形成于第二电极104的一部分下面的间隙111。说明性地，且如下文所描述，在移除在间隙111的形成中提供的牺牲层(未展示)之后，间隙111包含空气。然而，间隙111可包含其它材料，包括低声阻抗材料，例如碳(C)掺杂的SiO2，其也称作黑金刚石；或介电树脂，市场上称作SiLK；或苯并环丁烯(BCB)。此些低声阻抗材料可通过已知方法提供于间隙111中。可在移除用以形成间隙111的牺牲材料之后提供低声阻抗材料(如下文所描述)，或可使用其来代替间隙111中的牺牲材料，且不移除。
在一代表性实施例中，通过在第一电极102上方提供牺牲层(未展示)及在互连侧上提供压电层103的一部分且在牺牲层上方形成第二电极104来形成桥接器108。说明性地，牺牲材料包含磷硅酸盐玻璃(PSG)，其说明性地包含8%的磷及92%的二氧化硅。随后在PSG上沉积后续层，例如压电层103及第二电极104，直到形成最后结构。明显地，可在沉积压电层103之前在第一电极102上方提供籽晶层(未展示)，且可在第二电极104上方沉积钝化层(未展示)。在形成包含桥接器108的结构之后，说明性地借助氢氟酸蚀刻掉PSG牺牲层，从而留下独立的桥接器108。
压电层103包含在于第一电极102及衬底101上方形成压电层103期间形成的转变部112。转变部112处的压电层103通常包含材料缺陷及孔隙，特定来说例如晶格缺陷及孔隙等结构缺陷。这些缺陷及孔隙可导致在压电材料中传播的机械波的声能的损失。应了解，声能损失导致声共振器100的Q因数的减小。然而，且如下文所描述，通过将第二电极104与转变部112所发生的间隙111的区113中的压电层103分离，声共振器100的作用区域114的部分必然不包括压电层103的其中包括缺陷及孔隙的转变部112。因此，与已知共振器(例如已知FBAR)相比，由于压电层103中在转变部112处的缺陷及孔隙所致的声损失减小，且Q因数得到改善。
另外，且有益地，桥接器108在声共振器100的互连侧于作用区域114的边界处提供声阻抗不匹配。此声阻抗不匹配致使边界处原本可传播出作用区域114且损失因此导致能量损失的声波反射。通过防止此些损失，桥接器108产生声共振器100中的增加的Q因数。此外，第二电极104在位置110处的终止将声共振器100的作用区域114终止且通过形成声阻抗不匹配而减小损失。此还提供Q因数的改善。
除在转变部112之前将声共振器100的作用区域114终止外，桥接器108还减小声共振器100的非作用区的面积。声共振器100的非作用区形成寄生电容，其在等效电路中与声共振器100的作用区域114的固有电容电并联。此寄生电容使有效耦合系数(kt2)降级，且因此减小所述寄生电容是有益的。有益地，减小非作用区的面积改善有效耦合系数(kt2)。
桥接器108具有界定为第一电极102与桥接器108的重叠的距离的宽度115。随着宽度115增加，声共振器100的Q因数增加。有效耦合系数(kt2)也随着增加的宽度115而在一定程度上增加。因此，对特定宽度115的选择由于非作用区域的减小而由于减小的声损失产生Q及kt2的改善。然而，虽然由于在代表性实施例的声共振器结构中包括桥接器108而kt2增加且寄生电容减小，但存在增加的宽度115将进一步导致声共振器100的作用区域114的减小的点。作用区域114的此减小将导致寄生电容的不期望增加及kt2的减小。一般来说，以实验方式确定桥接器108的最佳宽度115。
桥接器108具有如图1A中所描绘的总宽度116。通过增加总宽度116来实现声共振器100的Q因数的某种边际改善，且从而增加第二电极104与超出宽度115的压电层103的分离。
图1B展示图1A的声共振器100的俯视图。明显地，图1A中所展示的声共振器100的横截面图是沿着线1B-1B截取的。将本实施例的第二电极104切趾以减小声损失。切趾在声共振器中的使用的进一步细节可在颁发给拉尔森III(Larson III)等人的共同拥有美国专利6,215,375中或在颁发给理查德C.鲁比(Richard C.Ruby)的共同拥有美国专利7,629,865中找到。美国专利6,215,375及美国专利7,629,865的整体揭示内容明确以引用方式并入本文中。
声共振器100的基本模式是纵向伸缩模式或“活塞”模式。此模式通过在声共振器100的共振频率下将时变电压施加到第一电极102及第二电极104来激发。压电材料将电能形式的能量转换成机械能。在具有薄电极的理想SMR中，当所施加的频率等于压电介质的声音速度除以压电介质的厚度的两倍时共振发生：f＝vac/(2*T)，其中T是压电介质的厚度，且vac是声相速度。对于具有有限厚度电极的共振器，通过经加权声速度及电极的厚度来修改此方程式。
可通过在史密斯圆图上绘制经反射能量与所施加能量的比率(即，S11参数)来获得对共振器的Q的定量及定性理解，因为对于在共振频率下具有等于系统阻抗的阻抗的SMR共振器来说，针对一个电极连接到接地且另一电极连接到信号的情形频率是变化的。当所施加能量(例如，RF信号)的频率增加时，SMR共振器的量值/相位以顺时针方式在史密斯圆图上扫出一个圆圈。此圆圈称作Q圆圈。在Q圆圈首先交叉实轴(水平轴线)的情况下，此对应于串联共振频率fs。实际阻抗(以欧姆为单位测量)为Rs。当Q圆圈围绕史密斯圆图的周界继续时，其再次交叉实轴。Q圆圈交叉实轴的第二点标记为fp，其为SMR的并联或抗共振频率。fp下的实际阻抗为Rp。
通常期望在最大化Rp的同时最小化Rs。在质量上，Q圆圈越“拥抱”史密斯圆图的外边沿，装置的Q因数越高。理想的无损共振器的Q圆圈将具有为一的半径且将在史密斯圆图的边缘处。然而，如上所述，存在影响装置的Q的能量损失。举例来说，且除上文所提及的声损失源外，瑞利兰姆(横向或伪)模式是沿压电层103的x、y维度。这些横向模式是由于沿z方向行进的纵向模式的面间模式转换；且对于TE模式及由于安置电极的区与共振器的不存在电极的包围区之间的有效速度的差异所致的各种横向模式两者(例如，S0模式以及第零及第一弯曲模式A0及A1)是由于非零传播向量kx及ky的形成，。
不管其源如何，横向模式在许多共振器应用中寄生。举例来说，寄生横向模式在共振器的界面处耦合且移除供用于纵向模式的能量且因此减小共振器装置的Q因数。明显地，由于寄生横向模式及其它声损失，可在S11参数的史密斯圆图的Q圆圈上观察到Q的急剧减小。Q因数的这些急剧减小称作“打结(rattle)”或“打环(loop-de-loop)”，其展示及描述于原申请案中。
如所并入的美国专利6,215,375及7,629,865中更完全地描述，经切趾第一电极102及第二电极104非建设性地在共振器的界面处致使横向模式的反射，因此减小原本在声共振器100的作用区域114外部传播且损失的横向模式的量值。这些损失有时称作“锚定点”损失。有益地，由于这些横向模式未被耦合出声共振器100且发展到较高量值，因此可减轻能量损失，其中经反射横向模式的至少一部分通过模式转换转换成纵向模式。最后，此产生Q因数的总体改善。
图1C是根据一说明性实施例的声共振器100的横截面图。说明性地，声共振器100为SMR结构。声共振器100包含衬底101、安置于衬底101上方的第一电极102、安置于第一电极102上方的压电层103及安置于压电层103上方的第二电极104。图1C中所描绘的声共振器100包含具有高声阻抗材料与低声阻抗材料的交替层106、107的声反射器105。
图1C中所描绘的声共振器100的许多方面与上文结合图1A所描述的声共振器100是共同的。未重复这些共同细节以便避免模糊对此实施例的说明。然而，不同于图1A的实施例，在图3中所描绘的代表性实施例中，声反射器105延伸超出声共振器100的作用区域114，且在安置于同一衬底101上方的邻近声共振器(未展示)之间延伸。在此实施例中，声共振器100的非作用区域包含第一电极102或第二电极104中的一者与压电层103的重叠。最后，在下文所描述的代表性实施例中，声反射器105安置于其相应声共振器100下面(例如，如在图1A中)。然而，本教示内容涵盖使用在安置于共用衬底(例如，衬底101)上方的邻近声共振器(未展示)之间延伸的声反射器105。
图2展示根据一代表性实施例的声共振器100的桥接器108的Q因数对宽度115的曲线图。点201表示不包括代表性实施例的桥接器的已知SMR的Q因数。由于转变部112中的缺陷所致的声损失与声共振器100的非作用区的面积的相当大增加组合而产生相当低(大约850Ω)的Q因数。相比之下，当一代表性实施例的桥接器108的宽度115被选择为大约10μm时，声共振器100的非作用区域减小，其中桥接器108及区113包含增加相当大的尺寸。在图2的点202中可看到，Q因数增加到大约2500Ω。应了解，声共振器100的互连侧上的非作用区域的减小产生由于压电层103中的缺陷所致的损失的减小及声共振器100的互连侧处声共振器100的作用区域114的边界处的声阻抗不匹配。
图3是根据一说明性实施例的声共振器300的横截面图。作为SMR的声共振器300与前文所描述的声共振器100共享许多共同特征。通常不重复这些共同细节中的许多共同细节以便避免模糊目前所描述的实施例。
声共振器300包含衬底101。第一电极102安置于衬底101上方。压电层103安置于第一电极102上方且第二电极104安置于压电层103上方。第一电极102及第二电极104包括导电材料且沿y方向提供振荡电场，y方向是压电层103的厚度方向。在本说明性实施例中，(图3中所描绘的坐标系统)的y轴线是共振器的TE(纵向)模式的轴线。声共振器300包含上文所描述的声反射器105。
声共振器300包含凹部301(通常称作“凹脐(innie)”)及框架元件302(也称作“凸脐(outie)”)。凹部301可提供于第二电极104的一个或一个以上侧上方。类似地，框架元件302可提供于第二电极104的一个或一个以上侧上方。凹部301及框架元件302在第二电极104的周界处提供声不匹配，抑制不期望的横向模式且在阻抗不连续性下改善声波的反射。因此，凹部301及框架元件302用以减小声共振器300中的声损失。
第一电极102及第二电极104、压电层103及声反射器105的重叠区(其不包括凹部301或框架元件302(即，在图3中所描绘的实施例中在凹部301“内部”)界定声共振器300的作用区域114。相比之下，声共振器300的非作用区域包含第一电极102或第二电极104或两者与未安置于声反射器105上方的压电层103之间的重叠区。凹部301及框架元件302提供声阻抗不连续性以提供模式回到声共振器300的作用区域114中的反射且减小进入到声共振器300的非作用区域中的能量损失。还提供凹部301及框架元件302以抑制不期望的横向模式反射回到作用区域114中。最后，减小的损失转化成声共振器300的经改善Q因数。
在图3中所描绘的代表性实施例中，在第二电极104上展示凹部301及框架元件302。值得注意的是，凹部301或框架元件302或两者可改为各自提供于第一电极102的一个或一个以上侧上，或选择性地提供于第一电极102及第二电极104两者上。此外，框架元件302可由与第二电极104或第一电极102相同的材料制成，或为安置于第二电极104上或安置于第一电极102上或两者上的单独材料。凹部301及框架元件302的使用、形成及益处的进一步细节在(举例来说)以下共同拥有美国专利中的一者或一者以上中找到：颁发给鲁比等人的7,164,448；颁发给冯等人的7,280,007；颁发给法西奥(Fazzio)等人的7,369,013；颁发给法西奥等人的7,388,454；颁发给鲁比等人的7,714,684；及颁发给亚穆尼拉等人的标题为“具有框架元件的压电共振器结构及电子滤波器(PiezoelectricResonator Structure and Electronic Filters having Frame Elements)”的共同拥有的美国专利申请公开案20070205850。美国专利7,280,007及7,369,013以及美国专利申请公开案20070205850的揭示内容明确以引用的方式并入本文中。
图4A展示根据一代表性实施例且沿着线4B-4B截取的声共振器400的横截面图。声共振器400的特征中的许多特征与结合图1A到3中的代表性实施例所描述的声共振器100、200、300的特征是共同的。通常未重复共同特征、其特性及益处的细节以便避免模糊目前所描述的实施例。
声共振器400包含衬底101。第一电极102安置于衬底101上方。压电层103安置于第一电极102上方且第二电极104安置于压电层103上方。第一电极102及第二电极104包括导电材料且沿y方向提供振荡电场，y方向是压电层103的厚度方向。在本说明性实施例中，(图4中所描绘的坐标系统)的y轴线是共振器的TE(纵向)模式的轴线。声共振器400包含上文所描述的声反射器105。
声共振器400包含沿着互连侧109的桥接器108。桥接器108提供间隙111，其可为孔隙(例如，空气)或可填充有低声阻抗材料。第二电极104的悬臂部分401提供于第二电极104的至少一侧上。悬臂部分401亦可称作“翼”。
第一电极102及第二电极104各自包含导电材料(例如，钼(Mo))且沿所展示的坐标系统的y方向(即，压电层103的厚度方向)提供振荡电场。在目前所描述的说明性实施例中，y轴线是共振器的TE(纵向)模式的轴线。
第二电极104的悬臂部分401在间隙402上方延伸，间隙402说明性地包含空气。在一代表性实施例中，通过已知技术在第一电极102及压电层103的一部分上方沉积牺牲层(未展示)。如上文所描述，牺牲层包含磷硅酸盐玻璃(PSG)，其说明性地包含8%的磷及92%的二氧化硅。在形成第二电极104之后，说明性地借助氢氟酸蚀刻掉牺牲层，从而留下悬臂部分401。
明显地，并非空气，间隙402可包含其它材料，包括低声阻抗材料，例如碳(C)掺杂的SiO2，其也称作黑金刚石；或介电树脂，市场上称作SiLK；或苯并环丁烯(BCB)。此些低声阻抗材料可通过已知方法提供于间隙402中。可在移除用以形成间隙402的牺牲材料之后提供低声阻抗材料，或可使用其来代替间隙402中的牺牲材料，且不移除。
第一电极102及第二电极104、压电层103及声反射器105的接触重叠区称作声共振器400的作用区域404。相比之下，声共振器400的非作用区域包含第一电极102或第二电极104或两者与未安置于声反射器105上方的压电层103之间的重叠区。有益地，桥接器108及悬臂部分401提供声阻抗不连续性且因此改变其相应界面处的边界条件。这些阻抗不连续性促进波反射回到声共振器400的作用区域404以转换成所要TE模式，且抑制不期望的横向模式被反射回到作用区域404中。另外，桥接器108有效地将第二电极104与可能缺陷在第一电极102处的生长期间引入的压电层103的部分分离以便实现更好的Q。
悬臂部分401延伸超出作用区域114的边缘达宽度403，如所展示。进行到信号线(未展示)及选择用于声共振器100的特定应用的电子组件(未展示)的电连接109。声共振器400的此部分包含声共振器100的互连侧109。随着本说明继续而将变得更明确，进行与其的电接触的第二电极104的互连侧109不包含悬臂部分。相比之下，声共振器400的一个或一个以上非连接侧可包含延伸超出作用区域404的边缘的悬臂部分401。
图4B展示图4A中的横截面图中所展示且根据一代表性实施例的声共振器400的俯视图。声共振器100还包含具有安置于其上方的任选钝化层(未展示)的第二电极104。在一代表性实施例中，悬臂部分401是沿着每一非接触侧405提供且具有相同宽度。此仅为说明性的，且还涵盖至少一个但并非所有非接触侧405包含悬臂部分401。此外，涵盖第二电极104包含多于或少于如所展示的四个侧。举例来说，涵盖包含四个侧(所述侧中的一者或一者以上上具有悬臂部分(例如，悬臂部分401))及提供互连侧的第五侧的五边形(例如，如图1B中所展示)第二电极。在一代表性实施例中，第一电极102的形状实质上与第二电极104的形状相同。明显地，第一电极102可包含大于第二电极104的面积，且第一电极102的形状可不同于第二电极104的形状。进一步注意，可进行到一个以上侧(例如，并非只是互连侧109)的电连接，其中剩余边缘为非连接边缘且包含悬臂部分401。最后，注意，悬臂部分401可具有相同宽度403，但此并非本质的，且悬臂部分401可具有不同宽度403。
如上所述，可通过在史密斯圆图上绘制经反射能量与所施加能量的比率来获得对共振器的Q的定量及定性理解，因为对于在共振频率下具有等于系统阻抗的阻抗的SMR共振器来说，针对一个电极连接到接地且另一电极连接到信号的情形频率是变化的。当所施加能量的频率增加时，SMR共振器的量值/相位在史密斯圆图上扫出一个圆圈。此圆圈称作Q圆圈。在Q圆圈首先交叉实轴(水平轴线)的情况下，此对应于串联共振频率fs。实际阻抗(以欧姆为单位测量)为Rs。当Q圆圈围绕史密斯圆图的周界继续时，其再次交叉实轴。Q圆圈交叉实轴的第二点标记为fp，其为FBAR的并联或抗共振频率。fp下的实际阻抗为Rp。
通常期望在最大化Rp的同时最小化Rs。在质量上，Q圆圈越“拥抱”史密斯圆图的外边沿，装置的Q因数越高。理想的无损共振器的Q圆圈将具有为一的半径且将在史密斯圆图的边缘处。然而，如上所述，存在影响装置的Q因数的能量损失。举例来说，且除上文所提及的声损失源外，瑞利兰姆(横向或伪)模式是沿压电层103的x、y维度。这些横向模式是由于沿z方向行进的纵向模式的面间模式转换；且对于TE模式及由于安置电极的区与共振器的不存在电极的包围区之间的有效速度的差异所致的各种横向模式两者(例如，S0(对称)模式以及第零及第一阶(不对称)模式A0及A1)是由于非零传播向量kx及ky的形成。在特定频率下，声共振器的声波长由v/f确定，其中v是声速度且f是频率。相信Qp的周期性(即，作为悬臂部分401的宽度的函数的最大值及最小值的位置)与声波长度相关。在Qp的最大值，悬臂部分401的振动距离其机械共振相当远；而在最小值，悬臂部分401的机械共振发生。相信Qp的最大值与悬臂部分401的机械共振与来自压电层103的声振动的交互作用相关。当悬臂部分401的宽度403高于某一值时Qp峰值发生。当悬臂部分401的机械共振等于nλ/4(其中n=1,2,…)时Qp的最大值发生。明显地，当频率减小时，声波长度增加，且在最大值的悬臂部分401的宽度相应地增加。
不管其源如何，横向模式在许多共振器应用中寄生。举例来说，寄生横向模式在共振器的周界处耦合且移除供用于纵向模式的能量且因此减小共振器装置的Q因数。明显地，由于寄生横向模式及其它声损失，可在S11参数的史密斯圆图的Q圆圈上观察到Q的急剧减小。Q因数的这些急剧减小称作“打结”或“打环”，其展示及描述于下文中。
代表性实施例的悬臂部分401提供声共振器400的作用区域414的边界处的声阻抗的改变。因此，促进边界处的横向模式的反射。在一代表性实施例中，声共振器400的作用区域404的边界及悬臂部分401包含固体材料(第一电极102及第二电极104以及压电层103)及空气，其呈现相当大的阻抗不匹配及相当高的反射系数。因此，横向模式被相当高地反射，此通过两个机制改善Q因数。首先，由于未传输经反射横向模式，因此其能量未损失。通过减少在声共振器400的作用区域404外部的横向模式的传输来改善损失可增加声共振器400的Q因数。第二，经反射横向模式的一部分转换成所要纵向模式。波能量在纵向模式中越大，Q因数越高。因此，声共振器400的悬臂部分401增强并联及串联共振(即，Qp及Qs)两者的Q因数。
图5展示根据一代表性实施例的声共振器500的横截面图。声共振器500的特征中的许多特征与结合图1A到4中的代表性实施例所描述的声共振器100、200、300及400的特征是共同的。通常未重复共同特征、其特性及益处的细节以便避免模糊目前所描述的实施例。
声共振器500包含衬底101。第一电极102安置于衬底101上方。压电层103安置于第一电极102上方且第二电极104安置于压电层103上方。第一电极102及第二电极104包括导电材料且沿y方向提供振荡电场，y方向是压电层103的厚度方向。在本说明性实施例中，(图4中所描绘的坐标系统)的y轴线是共振器的TE(纵向)模式的轴线。声共振器500包含上文所描述的声反射器105。
声共振器500包含沿着互连侧109的桥接器108。桥接器108提供间隙111，其可为孔隙(例如，空气)或可填充有低声阻抗材料。第二电极104的悬臂部分401提供于第二电极104的至少一侧上。第二电极104的悬臂部分401在间隙402上方延伸，间隙402说明性地包含空气。在一代表性实施例中，通过已知技术在第一电极102及压电层103的一部分上方沉积牺牲层(未展示)。如上文所描述，牺牲层包含磷硅酸盐玻璃(PSG)，其说明性地包含8%的磷及92%的二氧化硅。在形成第二电极104之后，说明性地借助氢氟酸蚀刻掉牺牲层，从而留下悬臂部分401。
另外，声共振器500包含凹部301(通常称作“凹脐”)及框架元件302(也称作“凸脐”)。凹部301及框架元件302在第二电极104的周界处提供声不匹配，在阻抗不连续性下改善声波的反射，且因此减小声共振器500中的声损失。凹部301将声共振器500的Q改善为接近及低于串联共振(fs)，且从而改善Qs及Rs。框架元件302在并联阻抗(Rp)下改善阻抗。通过包括桥接器108处的凹部301及框架元件302以及悬臂部分401(如图5中所描绘)来实现Qs及Qp的平衡。
第一电极102及第二电极104、压电层103及声反射器105的重叠区(其不包括凹部301或框架元件302(即，在图3中所描绘的实施例中在凹部301“内部”))界定声共振器500的作用区域114。相比之下，声共振器500的非作用区域包含第一电极102或第二电极104或两者与未安置于声反射器105上方的压电层103之间的重叠区。将声共振器500的非作用区域的量值减小到实际的程度且移除压电层103的由于第一电极102的终止而具有缺陷的部分对共振器的性能是有益的。这些措施产生减小的损失，所述损失转化成声共振器500的经改善Q因数。
图6A是包含桥接器108及悬臂部分401的声共振器(例如，声共振器400)的S11参数的史密斯圆图的Q圆圈及已知固态安装块体声共振器的Q圆圈的图形表示。图6B展示包含桥接器108及悬臂部分401的声共振器(例如，声共振器400)及已知固态安装块体声共振器的并联共振下的阻抗Rp的曲线图。
曲线601描绘已知声共振器的Q圆圈，且曲线602描绘一代表性实施例的声共振器(例如，声共振器400)。可了解，曲线602的Q圆圈比已知声共振器的Q圆圈(曲线601)更紧密地“拥抱”史密斯圆图的外边沿。因此，与已知声共振器相比，桥接器108及悬臂部分401提供Q因数的显著改善。明显地，由于并入有框架元件302，用于改善较高Rp，“打结”603在低于fs的操作频率下在Q圆圈中发生(有时称作西南象限，其中Qsw指示史密斯圆图的西南象限中的Q值)。然而，Rp存在显著改善。然而，Rp存在显著改善。曲线604描绘已知声共振器的声阻抗对频率，且曲线605描绘一代表性实施例的声共振器的声阻抗。从对图6B的检阅可了解，一代表性实施例的声共振器的Rp在点606处达到最大值，其显著大于已知声共振器的最大值Rp(点607)。
应了解，存在在设计固态安装块体声共振器及包含其的滤波器时优先考虑的性能考虑因素。本教示内容有益地提供选择某些组件的灵活性以满足特定所要目的。举例来说，所实施的代表性实施例的各种组件可经选择以获得特定设计用于所要性能目标。举例来说，固态安装块体声共振器可包括桥接器108上方的框架元件(例如，框架元件302)及悬臂部分(例如，悬臂部分401)以便获得较高的Rp值。类似地，可实施凹部301以改善Qsw。
图7A是包含桥接器108、悬臂部分401、凹部301及框架元件302的声共振器(例如，声共振器500)的S11参数的史密斯圆图的Q圆圈及已知固态安装块体声共振器的Q圆圈的图形表示。图7B展示包含桥接器108、悬臂部分401、凹部301及框架元件302的声共振器(例如，声共振器500)及已知固态安装块体声共振器的并联共振下的阻抗Rp的曲线图。
曲线701描绘已知声共振器的Q圆圈，且曲线702描绘一代表性实施例的声共振器(例如，声共振器500)。可了解，曲线702的Q圆圈比已知声共振器的Q圆圈(曲线701)更紧密地“拥抱”史密斯圆图的外边沿。因此，与已知声共振器相比，桥接器108、悬臂部分401、凹部301及框架元件302的组合提供Q因数的显著改善。此外，桥接器108、悬臂部分401、凹部301及框架元件302使低于fs的操作频率下的“打结”(图7A的打结703远没有打结603明显)“经平滑”。另外，存在通过代表性实施例的声共振器中的桥接器108、悬臂部分401、凹部301及框架元件302的组合实现的Rp的显著改善。
翻到图7B，曲线704描绘已知声共振器的声阻抗对频率，且曲线705描绘一代表性实施例的声共振器的声阻抗对频率。从对图7B的检阅可了解，一代表性实施例的声共振器的Rp(点706)显著大于已知声共振器的Rp(点707)。因此，与已知固态安装至声共振器相比，声共振器500提供Qsw及Rp两者的改善。
根据代表性实施例，描述用于各种应用的声共振器，例如，用于电滤波器中。所属领域的技术人员了解，存在根据本教示内容的许多变化形式且其仍在所附权利要求书的范围内。在审阅本文的说明书、图式及权利要求书之后所属领域的技术人员将更明确这些及其它变化形式。因此本发明仅限于所附权利要求书的精神及范围内。
Claims (16)
1.一种固态安装块体声波共振器，其包含：
第一电极；
第二电极；
压电层，其安置于所述第一电极与第二电极之间；
声反射器，其包含多个层且安置于所述第一电极、所述第二电极及所述压电层下面，所述声反射器、所述第一电极、所述第二电极及所述压电层的重叠界定所述声共振器的作用区域，其中所述压电层在所述第一电极的边缘上方延伸；及
桥接器，其邻近所述声共振器的所述作用区域的终端，其中所述桥接器与所述第一电极的一部分重叠。
2.根据权利要求1所述的固态安装块体声波共振器，其进一步包含到所述第二电极的多个侧中的一者的电连接，其中所述桥接器安置于所述连接与所述第二电极的所述一侧之间。
3.根据权利要求1所述的固态安装块体声波共振器，其中在所述声共振器的所述作用区域的终端的邻近处，所述压电层包含包括缺陷的转变部。
4.根据权利要求3所述的固态安装块体声波共振器，其中所述第二电极不接触所述转变部。
5.根据权利要求1所述的固态安装块体声波共振器，其中所述桥接器包含间隙。
6.根据权利要求5所述的固态安装块体声波共振器，其中所述间隙包含所述第二电极与所述压电层之间的区。
7.根据权利要求6所述的固态安装块体声波共振器，其中在所述声共振器的所述作用区域的终端的邻近处，所述压电层包含包括缺陷的转变部，且所述转变部安置于所述间隙的所述区下面。
8.根据权利要求1所述的固态安装块体声波共振器，其中所述第二电极包含具有一侧的上部表面且凹部沿着所述侧而安置。
9.根据权利要求1所述的固态安装块体声波共振器，其中所述第二电极包含具有一侧的上部表面，且框架元件沿着所述侧而安置。
10.根据权利要求1所述的固态安装块体声波共振器，其中所述声反射器包含布拉格反射器。
11.根据权利要求10所述的固态安装块体声波共振器，其中所述第二电极包含具有一侧的上部表面，且凹部沿着所述侧而安置。
12.根据权利要求10所述的固态安装块体声波共振器，其中所述第二电极包含具有一侧的上部表面，且框架元件沿着所述侧而安置。
13.根据权利要求10所述的固态安装块体声波共振器，其进一步包含所述桥接器下面的低声阻抗材料。
14.根据权利要求1所述的固态安装块体声波共振器，其中所述第二电极包含多个侧，其中所述侧中的至少一者包含悬臂部分。
15.根据权利要求14所述的固态安装块体声波共振器，其进一步包含所述悬臂部分下面的间隙。
16.根据权利要求15所述的固态安装块体声波共振器，其进一步包含所述桥接器下面的低声阻抗材料。
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