[发明专利]薄膜谐振器装置及其制作方法

说明书

本发明涉及薄膜谐振器(TFR)和制作TFR的一种方法。

TFR是薄膜声学器件，它能在例如．5至5吉赫(GHz)的射频到微波范围内，响应电信号而谐振。图1画出一典型的TFR 10，它在第一电极14和第二电极16之间有一压电膜12，两个电极向压电膜12施加电场。膜12用呈现压电效应的压电结晶材料制作，如氧化锌，氮化铝(AlN)，和其他的压电结晶材料。压电材料响应施加的跨越压电材料的电场，例如通过第一和第二电极14和16施加的电场，产生膨胀或收缩，或者响应施加于压电材料的应力或应变，产生电场，这就是压电效应。如果跨越膜12的电场是交变电场，其频率分量等于膜12的各个谐振频率，那么膜12将在各个谐振频率上(如基频和各个谐波)发生振动，对一厚度一致的膜，其基频定义为膜12中声速(v)除以膜厚(t)的两(2)倍，即f_r=v/2t。如果膜12在各个谐振频率上发生机械振动，它便在各个谐振频率上产生交变电场。

第一和第二电极14和16通常是金属，如铝。若第一电极14和空气之间的声阻抗失配，则在第一电极14的上表面和空气之间的界面，产生第一声反射面18。第二电极16和衬底24(或空气，如果膜12下面的衬底被部分移去的话)之间的界面，能够产生第二个声反射面。另外，能够在第二电极16和衬底24之间产生声反射层(一层或多层)，以抑制不需要的频率，如基频的谐波。能够用具有需要的特征声阻抗的材料和适当尺寸来形成声反射层，为第二电极16和该声反射层之间界面上的第二个声反射面，提供需要的反射特性。这样，该声反射层能够反射需要的频率而抑制不需要的频率。第一和第二反射面之间产生并有适当尺寸的声学腔，在压电膜12的谐振频率上建立一个驻波。声学腔的尺寸，如压电膜和电极14与16的厚度，规定了TFR 10的工作频率。TFR 10工作频率以外的能量损耗了，而工作频率内的能量则被保持。

TFR 10的结构，能够在诸如硅(Si)、砷化镓(GaAs)、或其他半导体等衬底24上形成，以便单片集成，例如与有源半导体器件集成。单独应用时，TFR 10通常形成在其他合适的衬底上，如石英，蓝宝石，氮化铝(AlN)，或碳化硅上。如果TFR 10有声反射层，则反射层形成在衬底24上，随后才形成反射层上的第二电极16。如果没有反射层，那么用例如化学汽相淀积(CVD)或溅射法，在衬底24上形成第二电极16。参见Kern&Vossen，“Thin Film Processes，”Vols.Ⅰ and Ⅱ，Wiley&Sons。然后在第二电极16上形成压电膜12，再在压电膜12上用例如化学汽相淀积(CVD)或溅射法，形成第一电极14。为改善TFR 10的性能，从第二反射面22下除去部分衬底24。为移去部分衬底24，在衬底24上表面靠近第二电极16的底部，包含一个蚀刻阻挡层28，例如硅(Si)衬底中注入的掺p+的硼层。在除去衬底24的部分30时，用蚀刻阻挡层28保护第二电极16，免受化学腐蚀。

通过在第二电极上生长压电膜12，得到的压电膜12是多晶化的，就是说，整个压电膜12都存在晶格取向各不相同的晶体。不同取向的微晶或晶体颗粒之间存在晶粒边界的这种不一致或不规则的结晶结构，降低了压电膜12的质量。

有两个优值被用来测量压电膜的质量：品质因数Q和机电耦合系数。TFR的品质因数Q是对声学腔谐振质量的一种测量，而耦合系数是对声学腔中电能与机械能之间转换效率的一种测量。这两个优值与TFR在工作频带上引入的声学损耗成反比。如果压电膜10有带晶粒边界的多晶结构和其他缺陷，如晶格中的点缺陷或位错，或反射面18与22由于比如表明粗糙而导致反射能力不良，那么因膜12内的声散射和进入器件10周围区域的声辐射而导致声损耗。因此，如果膜12是多晶的，膜12将引进声损耗，从而产生较低质量的TFR。