DE10142157A1 - Schallwellenresonator und Verfahren zum Betreiben desselben, um die Resonanz beizubehalten, wenn dieser Temperaturänderungen ausgesetzt wird - Google Patents

Schallwellenresonator und Verfahren zum Betreiben desselben, um die Resonanz beizubehalten, wenn dieser Temperaturänderungen ausgesetzt wird

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Abstract

Ein akustischer Resonator umfaßt einen ferromagnetischen Kompensator, der temperaturinduzierte Effekte, die durch einen Elektrode-Piezoelektrisch-Stapel eingeführt werden, zumindest teilweise versetzt. Der Kompensator weist einen positiven Temperaturkoeffizienten der Frequenz auf, während der Stapel einen negativen Temperaturkoeffizienten der Frequenz aufweist. Durch ein ordnungsgemäßes Auswählen der Dicke des Kompensators können temperaturinduzierte Effekte auf die Resonanz neutralisiert werden. Alternativ kann die Dicke ausgewählt werden, um einen positiven oder negativen kombinierten Zieltemperaturkoeffizienten der Frequenz zu liefern. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kompensator aus einer Nickel-Eisen-Legierung gebildet, wobei das bevorzugteste Ausführungsbeispiel das ist, bei dem die Legierung zu ca. 35% aus Nickel und zu ca. 65% aus Eisen besteht. Um unerwünschte elektromagnetische Verluste in dem ferromagnetischen Kompensator zu verhindern, kann eine Metallblitzschicht hinzugefügt werden, um den Kompensator zumindest teilweise einzuschließen.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf akustische Resonatoren und insbesondere auf Ansätze zum Steuern der Resonanzfrequenz derselben.
Akustische Resonatoren, die aus Dünnfilmen gebildet sind, können in einer Zahl von Anwendungen verwendet werden, die eine präzise gesteuerte Frequenz erfordern. Ein akustischer Dünnfilmvolumenresonator (FBAR; FBAR = Thin Film Bulk Acoustic Resonator) oder ein akustischer gestapelter Dünnfilmvolumenresonator (SBAR; SBAR = Stacked Thin Film Bulk Acoustic Resonator) kann als ein Filter in einem Mobiltelefon oder einer anderen Vorrichtung verwendet werden, bei der die Größe, die Kosten und die Frequenzstabilität wichtige Faktoren sind.
Ein FBAR umfaßt einen Dünnfilm aus einem piezoelektrischen Material zwischen zwei leitfähigen Elektroden, während ein SBAR zusätzliche Schichten aus einem piezoelektrischen Material umfaßt, wobei jede derartige Schicht zwei Elektroden trennt. Während fest angebrachte Resonatoren bekannt sind, sind die aktiven Schichten eines FBAR oder SBAR oft in der Luft aufgehängt, indem die Schichten um den Umfang unterstützt werden. Die Luft/Resonator-Grenzflächen an beiden Seiten des Stapels der Schichten fangen die Energie, die während des Betriebs erzeugt wird, teilweise ein.
Wenn ein zeitveränderliches elektrisches Feld durch Anlegen eines Signals über zwei Elektroden erzeugt wird, die durch eine piezoelektrische Schicht getrennt sind, wandelt das piezoelektrische Material einen Teil der elektrischen Energie in mechanische Energie in der Form von Schallwellen um. Die Schallwellen breiten sich in der gleichen Richtung wie das elektrische Feld aus und werden an den Luft/Resonator-Grenzflächen reflektiert. Für einen ordnungsgemäß hergestellten FBAR oder SBAR haben die Schallwellen eine bestimmte mechanische Resonanz.
Wie bereits oben erwähnt, kann ein FBAR oder ein SBAR als ein Filter verwendet werden, da er wie ein elektronischer Resonator wirkt, wenn er mit seiner mechanischen Resonanzfrequenz arbeiten kann. Bei dieser mechanischen Resonanzfrequenz entspricht die halbe Wellenlänge der Schallwellen, die sich durch den Resonator ausbreiten, für eine bestimmte Phasengeschwindigkeit des Schalls in dem piezoelektrischen Material annähernd der Gesamtdicke des Resonators. Akustische Resonatoren können alleine oder in Kombination verwendet werden. Ein Bandpaßfilter wird z. B. gebildet, indem mehrere Resonatoren elektrisch verbunden werden, um eine erwünschte Filterantwort zu liefern. Mehrere Filtertopologien sind möglich. Eine bevorzugte Topologie ist die Halbe-Leiter-Topologie, bei der eine Gruppe von Resonatoren in Serie (Serienresonatoren) geschaltet ist, wobei sich zwischen den Serienresonatoren Parallelresonatoren befinden, die mit Masse verbunden sind. Die Serienresonatoren werden derart hergestellt, daß ihre Resonanzfrequenz ca. 3% höher als die der Parallelresonatoren ist. Da die Dicke der piezoelektrischen Schicht für die Serienresonatoren und die Parallelresonatoren gleich sein kann, wird die piezoelektrische Aufbringung von den Resonatoren oft "gemeinschaftlich" verwendet.
Es wird offensichtlich, daß eine wichtige Charakteristik von akustischen Resonatoren eine Fähigkeit ist, die Resonanz beizubehalten. Dies hat sich als problematisch herausgestellt, wenn akustische Resonatoren in eine Umgebung plaziert werden, in der Temperaturschwankungen auftreten, da eine Frequenzveränderung (Δf) auftreten wird, wenn eine Abweichung der Temperatur (ΔT) eine Veränderung der Dicke (Δt) und/oder der Wellengeschwindigkeit (ΔV) für eine oder mehrere Schichten eines Resonators induziert. Insbesondere sind die Resonanzfrequenz f0 und der Temperaturkoeffizient der Frequenz jeweils wie folgt definiert:
f0 = V/2t0 (1)
Δf/f0 = ΔV/V - Δt/t0 (2)
wobei V die Geschwindigkeit der Schallwelle ist, die sich durch den akustischen Resonator ausbreitet, und wobei t0 die Dicke des Resonators ist. Die Dicke ist mittels der Schallwellenlänge wie folgt definiert:
t0 = λ/2 (3)
wobei λ die Wellenlänge der Schallwelle in dem Medium ist, durch das sie sich ausbreitet. Bei den Materialien, die verwendet werden, um akustische Resonatoren herzustellen, nimmt die Dicke t0 üblicherweise mit einer positiven Temperaturveränderung ΔT zu. Andererseits nimmt die Geschwindigkeit der Wellenausbreitung durch die Materialien üblicherweise mit einer positiven Temperaturveränderung ab. Diese beiden Faktoren kombinieren sich, um das Phänomen zu liefern, das als negativer Temperaturkoeffizient der Frequenz bezeichnet wird. Aus den Gleichungen (1) und (2) ist ersichtlich, daß die Resonanzfrequenz f0 eines akustischen Resonators im allgemeinen mit zunehmender Temperatur abnimmt. Diese Schwankung der Resonanz ist oft eine unerwünschte Charakteristik.
Ein bekannter Ansatz zum Ausgleichen der Temperaturabweichungen liegt darin, eine Frequenzstabilisierungsschaltung einzubauen. Raumbeschränkungen von Mobiltelefonen und ähnlichen Vorrichtungen erlegen jedoch Beschränkungen auf die Verwendung von Hilfsschaltungen auf. Ein weiterer Ansatz ist in einer Schrift mit dem Titel "Thin Film Resonators and Filters" von K. M. Lakin, 1999 IEEE Ultrasonics Symposium, 1. Juni 1999, beschrieben. Dieser zweite Ansatz trifft auf fest angebrachte Resonatoren (SMR) zu, die entlang einer Stützoberfläche angebracht und nicht durch eine periphere Stütze von der Stützoberfläche aufgehängt sind. Eine Schallisolation, ein SMR und das Substrat, in dem dieser gebildet ist, wird erzielt, indem ein Reflektor (üblicherweise ein Bragg-Reflektor) zwischen dem SMR und dem Substrat gebildet wird. Der Reflektor ist ein Schichtstapel mit alternierenden Schichten von Materialien mit hohem Index und niedrigem Index, wobei jede Schicht eine Dicke von ca. einem Viertel der Wellenlänge der Resonanzfrequenz des SMR aufweist. Gemäß dem zweiten Ansatz wird, wenn Siliziumdioxid (SiO2) verwendet wird, um eine der indexspezifischen Schichten zu bilden, ein Grad des Temperaturausgleichs als ein Ergebnis des Temperaturkoeffizienten von SiO2 auftreten. Ein Nachteil liegt jedoch darin, daß SiO2 hydrophil ist, derart, daß die Leistungsfähigkeit des SMR in einer feuchten Atmosphäre abnehmen kann. Eine weitere Sorge besteht darin, daß der Ausgleichspegel teilweise durch die Zielresonanzfrequenz bestimmt wird, da das SiO2 als Schichten mit einem Viertel der Wellenlänge gebildet wird.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen 4- akustischen Resonator und ein Verfahren zum Herstellen eines akustischen Resonators zu schaffen, wobei die Resonanz beibehalten wird, wenn Temperaturabweichungen auftreten.
Diese Aufgabe wird durch einen akustischen Resonator gemäß Anspruch 1 oder 8 sowie ein Verfahren zum Herstellen eines akustischen Resonators gemäß Anspruch 14 gelöst.
Ein akustischer Resonator umfaßt einen Elektrode- Piezoelektrische-Schicht-Stapel, der einen negativen Temperaturkoeffizienten der Frequenz aufweist, der zumindest teilweise durch ein akustisches Koppeln eines Kompensators mit dem Elektrode-Piezoelektrisch-Stapel versetzt wird. Der Kompensator besteht aus einem Material mit Eigenschaften, die bewirken, daß der Kompensator temperaturinduzierten Effekten auf die Resonanz entgegenwirkt, wobei derartige Effekte durch Temperaturabweichungen an dem Elektrode-Piezoelektrisch- Stapel eingeführt werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel besteht der Kompensator aus einem ferromagnetischen Material. Bei dem bevorzugteren Ausführungsbeispiel ist das Material eine Nickel-Eisen- Legierung, wobei das bevorzugteste Ausführungsbeispiel das ist, bei dem die Legierung aus ca. 35% Nickel und ca. 65% Eisen besteht. Der Kompensator sollte einen positiven Koeffizienten der Frequenz aufweisen. Die Dicke des Kompensators kann derart ausgewählt werden, daß die Größe der temperaturinduzierten Effekte auf die Resonanz, als ein Ergebnis des Vorliegens des Kompensators, im wesentlichen gleich der Größe der temperaturinduzierten Effekte auf die Resonanz des negativen Temperaturkoeffizienten der Frequenz des Elektrode-Piezoelektrisch-Stapels ist. Zum Beispiel geht man davon aus, daß ein kombinierter Koeffizient von 0 ppm/°C erzielt werden kann, wenn der Nickel-Eisen- Legierung-Kompensator eine Dicke von 3.320 Å aufweist, während der Stapel Molybdänelektroden umfaßt, die eine Dicke von 1.100 Å aufweisen, und zwar an gegenüberliegenden Seiten einer Aluminium-Nitrid-Schicht mit einer Dicke von 15.200 Å.
Ferromagnetische Materialien haben den Nachteil, daß ihnen große elektrische Verluste bei Mikrowellenfrequenzen zugeordnet sind. Um dies zu vermeiden, kann eine Blitzschicht (Flash-Schicht) aus Molybdän verwendet werden, um die ferromagnetische Legierung zu umhüllen und den Stromfluß um dieselbe umzuleiten. Eine dünne Schicht (z. B. 200 Å) aus Molybdän kann z. B. auf einer Seite des Kompensators gegenüber dem Elektrode-Piezoelektrisch-Stapel gebildet sein. Während andere Materialien verwendet werden können, ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel eines, bei dem das Blitzmaterial das gleiche ist wie das Elektrodenmaterial.
Weiter Bezug nehmend auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel sind der Kompensator und der Elektrode-Piezoelektrisch- Stapel von der Oberfläche eines Substrats aufgehängt. So ist es nicht notwendig, einen Bragg-Reflektor oder einen anderen Mechanismus zum Ermöglichen dessen, daß die Resonanzschichten in Kontakt mit einem Substrat sind, einzuschließen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung, bezüglich einer älteren Einrichtung zum Liefern eines Ausgleichs für den negativen Temperaturkoeffizienten der Frequenz, der sich üblicherweise bei einem Elektrode-Piezoelektrisch-Stapel zeigt, besteht darin, daß der Kompensator der Erfindung eine Dicke aufweisen kann, die unabhängig von der erwünschten Wellenlänge der Zielresonanzfrequenz ist. Dies bedeutet, daß anstelle einer Dicke, die ausgewählt ist, um ein Viertel der Wellenlängenschicht in einem Bragg- Reflektor zu sein, die Dicke des Kompensators ausgewählt werden kann, um den Ausgleichsfähigkeiten des Kompensators zu entsprechen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Kompensator aus einem Metall gebildet ist, so daß der elektrische Widerstand der Elektroden nicht wesentlich beeinflußt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die bevorzugte Nickel-Eisen-Legierung unter Verwendung des gleichen Naßätzens geätzt werden kann, das herkömmlicherweise verwendet wird, um die Elektroden zu strukturieren. Ferner ist der Kompensator nicht hydrophil, so daß er sich in einer feuchten Umgebung nicht verschlechtert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenschnittansicht eines akustischen Resonators gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Seitenschnittansicht des akustischen Resonators, der in Fig. 1 gezeigt ist, der mit einer Spannungsquelle verbunden ist;
Fig. 3 eine Seitenschnittansicht des akustischen Resonators, der in Fig. 1 gezeigt ist, der auf einem Wafer gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist; und
Fig. 4 eine Seitenschnittansicht des akustischen Resonators, der in Fig. 3 gezeigt ist, gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bezug nehmend auf Fig. 1 umfaßt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines akustischen Resonators 10 ein Paar von gegenüberliegenden Elektroden 12 und 14. Zwischen den gegenüberliegenden Elektroden 12 und 14 befindet sich ein piezoelektrischer Körper 16, wobei ein Elektrode- Piezoelektrisch-Stapel 18 gebildet wird. Der Stapel 18 wird üblicherweise als akustischer Dünnfilmvolumenresonator (FBAR) bezeichnet.
Angrenzend an den Stapel 18 befindet sich ein Kompensatorkörper 20, der die Stabilisierung der Resonanzfrequenz des akustischen Resonators 10 erleichtert, wenn dieser Temperaturabweichungen ausgesetzt wird. Dies wird erzielt, indem der Kompensatorkörper 20 aus einem oder mehreren Materialien, die einen positiven Temperaturkoeffizienten der Frequenz aufweisen, gebildet wird. Der positive Temperaturkoeffizient der Frequenz gleicht den negativen Temperaturkoeffizienten der Frequenz der Materialien aus, aus denen der Elektrode- Piezoelektrisch-Stapel 18 gebildet ist.
Üblicherweise ist der piezoelektrische Körper 18 aus einem piezoelektrischen Material gebildet, das eine ausreichend hohe elektromechanische Kopplungskonstante und eine niedrige dielektrische Konstante liefert. Beispiele von dielektrischen Materialien, die verwendet werden können, sind ZnO, AlN und Blei-Zirconat-Titanat. Die Elektroden 12 und 14 bestehen aus einem leitfähigen Material, wie z. B. Aluminium, Gold, Molybdän, Titan, Wolfram und dergleichen. Die Charakteristika der Materialien, aus denen der piezoelektrische Körper 18 und die Elektroden 12 und 14 gebildet sind, verändern sich abhängig von Temperaturveränderungen. Dies führt dazu, daß die Resonanzfrequenz des Resonators 10 mit steigender Temperatur abnimmt. Insbesondere nehmen die Geschwindigkeitscharakteristika dieser Materialien mit steigender Temperatur ab, so daß eine verminderte Geschwindigkeit einer akustischen Welle, die sich durch den Stapel ausbreitet, auftritt. Zusätzlich nimmt die Dicke der Materialien mit zunehmender Temperatur zu.
Es hat sich herausgestellt, daß der wesentliche Beitrag zu Temperaturveränderungen der Resonanz Veränderungen der Geschwindigkeitscharakteristika der Materialien, die den Stapel bilden, zuzuschreiben ist. Als ein Ergebnis ist der Kompensatorkörper 20 ausgewählt, um Geschwindigkeitscharakteristika aufzuweisen, die sich mit Veränderungen der Temperatur positiv ändern. Zu diesem Zweck besteht der Kompensatorkörper 20 vorzugsweise aus einer Metallegierung, die im wesentlichen aus ca. 35% Nickel und 65% Eisen besteht. Die Legierung wird von der International Nickel Company unter dem Warenzeichen INVAR verkauft. Diese Legierung bildet eine Schicht, die eine Dicke aufweist, die im wesentlichen bei Temperaturveränderungen invariant ist. Die Geschwindigkeitscharakteristika jedoch verändern sich mit Temperaturveränderungen positiv. In einer Schrift mit dem Titel "Zero Sound Anomaly in a Ferromagnetic INVAR Alloy" von Y. Endoh u. a. (Journal of the Physical Society of Japan, Bd. 46, Nr. 3, März 1979, Seiten 806-814) wurden Daten präsentiert, die nahelegen, daß INVAR einen Temperaturkoeffizienten der Frequenz von +170 ppm/°C aufweist. Vergleichsweise wird angenommen, daß ein Temperaturkoeffizient der Frequenz für INVAR ca. +239 ppm/°C ist, und zwar in Daten, die von Ll. Mañosa u. a. in einer Schrift mit dem Titel "Acoustic-mode Vibrational Anharmonicity Related to the Anomalous Thermal Expansion of INVAR Iron Alloys", Physical Review B., The American Physical Society, Bd. 45, Nr. 5, 1. Februar 1992, Seiten 2.224-2.236, vorgestellt werden. Indem die Dicke des Kompensatorkörpers 20 ordnungsgemäß ausgewählt wird, kann ein Resonator 10 gebildet werden, der einen kombinierten Temperaturkoeffizienten der Frequenz aufweist, der im wesentlichen Null ist. Alternativ kann die Größe des kombinierten Temperaturkoeffizienten der Frequenz auf einen positiven oder einen negativen Wert eingestellt werden, so daß Veränderungen der Resonanz proportional oder negativ proportional zu den Veränderungen der Temperatur sind. Auf diese Weise kann der Resonator 10 je nach der Anwendung mit im wesentlichen jedem erwünschten thermischen Koeffizienten der Frequenz versehen werden.
Bezug nehmend auf Fig. 2 ist eine Spannungsquelle 22 zwischen die Elektroden 12 und 14 geschaltet. Das elektrische Feld, das zwischen den Elektroden 12 und 14 durch die Spannungsquelle 22 erzeugt wird, erzeugt in dem piezoelektrischen Körper 16 eine Schallwelle 24. Die Schallwelle breitet sich zwischen den Ebenen 26 und 28 aus. Die Ebene 26 stellt die Grenzfläche des Kompensatorkörpers 20 und der umliegenden Umgebung dar. Die Ebene 28 stellt die Grenzfläche der Elektrode 14 mit der umliegenden Umgebung dar.
Wie bereits erwähnt, weist jede Schicht eines akustischen Resonators eine Dicke (t) und eine Wellengeschwindigkeit (V) auf, die sich mit der Temperatur verändern. Es ist auch bekannt, daß die Phase (ϕ) von Wellen, die sich in dem akustischen Resonator zwischen den Ebenen 26 und 28 ausbreiten, als eine Funktion der Frequenz des akustischen Resonators variiert. Insbesondere ist die Phase der Wellen, die sich in dem Resonator 10 der Fig. 1 und 2 ausbreiten, durch folgende Gleichung gegeben:
ϕ = 2Πf (t1/V1 + t2/V2 + t3/V3 + t4/V4) (4)
wobei sich t1 und V1 auf die Eigenschaften der unteren Elektrode 14 beziehen, wobei sich t2 und V2 auf die Eigenschaften des piezoelektrischen Körpers 16 beziehen, wobei sich t3 und V3 auf die Eigenschaften der oberen Elektrode 12 beziehen, und wobei sich t4 und V4 auf die Eigenschaften des Kompensatorkörpers 20 beziehen. Eine Frequenzstabilität wird erzielt, wenn ϕ = Π und die Summe der Faktoren in der Klammer der Gleichung (4) fest ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist diese Summe im wesentlichen fest, indem sich der vierte Faktor (d. h. t4/V4) invers zu der Summe der anderen drei Faktoren (d. h. t1/V1 + t2/V2 + t3/V3) verändern kann.
Mit zunehmender Temperatur des Resonators 10 nimmt die Geschwindigkeit V2 der Schallwelle 24 in dem piezoelektrischen Körper 16 ab, wobei die Dicke t2 zunimmt. Zusätzlich nimmt die Geschwindigkeit der Schallwelle, wenn sich diese durch die Elektroden 12 und 14 ausbreitet, was durch V1 bzw. V3 gezeigt ist, ab, wobei die Dicken t1 und t3 zunehmen. Die verminderten Geschwindigkeiten der Schallwelle werden jedoch durch das Vorliegen des Kompensatorkörpers 20 ausgeglichen. Insbesondere nimmt die Geschwindigkeit V4 der Schallwelle in dem Kompensatorkörper 20 mit zunehmender Temperatur zu. Wenn die Größe der temperaturinduzierten Veränderungen in dem Kompensatorkörper gleich der Größe derartiger Veränderungen in dem Elektrode-Piezoelektrisch-Stapel wäre, gäbe es keine nennenswerte Veränderung in der Gesamtphase ϕ der akustischen Wellen, die sich zwischen den Ebenen 26 und 28 ausbreiten. So würde die Resonanzfrequenz des Resonators 10 bei dem Vorliegen von Temperaturabweichungen beibehalten werden.
Bezug nehmend auf Fig. 3 ist in einem spezifischen Beispiel ein Resonator 110 unter Verwendung herkömmlicher Halbleiterprozesse hergestellt. Zu diesem Zweck ist der Resonator 110 auf einem Siliziumwafer 130 hergestellt, bei dem eine Oberfläche geätzt ist, um einen Hohlraum 132 zu bilden. Dies wird üblicherweise erzielt, indem KOH verwendet wird, um einige Mikrometer des Silizium zu entfernen, was als Vorschlitzen bezeichnet wird. Die Menge von Silizium, die durch das KOH entfernt wird, wird ausgewählt, um während des nachfolgenden Verarbeitens einen Strukturkompromiß des Wafers 130 zu vermeiden. Phospho- Silikat-Glas 134 wird in dem Hohlraum aufgebracht und mittels bekannter mechanischer Einrichtungen flachpoliert. Die Aufbringung und die nachfolgende Entfernung des Glases wird in dem U. S.-Patent Nr. 6,060,818, das auf Ruby u. a. übertragen ist, beschrieben, wobei diese dem Anmelder der vorliegenden Erfindung zugeteilt ist.
Nachdem das Glas 134 in dem Hohlraum 132 gebildet ist, wird eine Elektrode 114 auf der Oberfläche des Wafers 130 aufgebracht. Bei dem vorliegenden Beispiel wird die Elektrode 114 unter Verwendung von Sputteraufbringungsverfahren hergestellt, um eine Schicht aus Molybdän mit einer Dicke von ca. 1.100 Å zu bilden. Dies führt dazu, daß die Elektrode 114 einen negativen thermischen Koeffizienten der Frequenz von ca. -45 ppm/°C aufweist.
Der piezoelektrische Körper wird durch die Aufbringung einer Schicht aus AlN 116 gebildet, die sich neben der Elektrode 114 befindet, um eine Dicke von ca. 15.200 Å aufzuweisen. Dies führt dazu, daß der piezoelektrische Körper 116 einen negativen thermischen Koeffizienten der Frequenz von ca. -25 ppm/°C aufweist.
Die zusätzliche Elektrode 112, die ebenfalls aus Molybdän gebildet ist, wird dann neben der Schicht aus AlN 116 aufgebracht, um eine Dicke von annähernd 1.100 Å aufzuweisen. Der Kompensatorkörper 120 ist neben der Elektrode 112 unter Verwendung von Sputteraufbringungsverfahren gebildet, um eine Dicke von annähernd 3.320 Å aufzuweisen. Der Kompensatorkörper weist einen positiven Temperaturkoeffizienten der Frequenz von ca. 170 ppm/C° auf. Während der Herstellung werden die Kanten der Elemente 112, 116 und 120 photolithographisch geätzt, um miteinander und den Kanten des Hohlraums 132 übereinzustimmen. So haben alle Punkte des aufgehängten Stapels die gleiche Resonanzfrequenz f0. Als ein Ergebnis werden "störende" Nebenresonanzen, die andernfalls aus Teilmasseladungseffekten resultieren würden, verhindert.
Nach der Aufbringung der Elektrode 112 und des Kompensatorkörpers 120 wird das Phospho-Silikat-Glas 134 von unter der Resonatorstruktur geätzt, um die Bildung des Hohlraums 132 zu vollenden. Dies kann durch die Verwendung einer verdünnten Fluorwasserstoffsäurelösung erzielt werden. Die Entfernung des verbleibenden Glases hinterläßt einen wesentlichen Abschnitt der Elektrode 114, weshalb der Resonator 110 von dem Wafer 130 beabstandet ist.
Auf diese Weise wird ein Resonator 110 gebildet, der einen thermischen Koeffizienten der Frequenz von ca. 0 ppm/°C aufweist. So kann für Temperaturänderungen in dem Bereich von -30°C bis 85°C der Resonator 110 hergestellt werden, um in diesem Beispiel eine konstante Resonanzfrequenz von ca. 1,9 GHz beizubehalten. Derartige Verfahren können angewendet werden, um Resonatoren bei Frequenzen zwischen 0,4 und 10 GHz zu bilden.
Bezug nehmend auf Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Resonators 210 gezeigt, der eine Blitzschicht 230 umfaßt, die den Kompensatorkörper 220 bedeckt. Die bevorzugten Materialien, aus denen der Kompensatorkörper 220 gebildet ist, sind ferromagnetische Materialien, die einen großen elektrischen Verlust aufweisen können. Das Vorliegen dieses Verlustes verschlechtert den Qualitätsfaktor des Resonators und ist nachteilig. Die Blitzschicht 230 ist vorhanden, um einen Strompfad mit niedrigem Verlust um den Kompensatorkörper 220 zu schaffen. Zu diesem Zweck bedeckt die Blitzschicht 230 freiliegende Gebiete des Kompensatorkörpers 220, d. h. Gebiete, die sich nicht angrenzend an die Elektrode 212 befinden. Obwohl die Blitzschicht 230 aus jedem leitfähigen Material gebildet sein kann, ist sie vorzugsweise aus den gleichen Materialien wie die Elektroden 212 und 214 gebildet. Die Blitzschicht wird lithographisch strukturiert, so daß sich die zusätzliche Masse der Schicht 230 an den Kanten der Elektrode 212 über dem Siliziumsubstrat 232 befindet. Dies dämpft störende Resonanzen effektiv.
Die Blitzschicht 230 und die Elektroden 212 und 214 sind aus Mo gebildet und weisen jeweils eine Dicke von ca. 1.100 Å auf. Der piezoelektrische Körper 216 ist aus AlN gebildet, das einen negativen thermischen Koeffizienten der Frequenz von ca. -25 ppm/°C aufweist. Deshalb muß, wenn ein Resonator 210 erwünscht wird, der einen Temperaturkoeffizienten der Frequenz von ca. 0 ppm/°C aufweist, der Kompensatorkörper 220 eine ausreichende Dicke aufweisen, um einen versetzenden positiven Temperaturkoeffizienten der Frequenz zu liefern. Bei dieser Konfiguration würde der Resonator 210 des Siliziumsubstrats 232 eine konstante Resonanzfrequenz für Resonatoren mit Frequenzen beibehalten, die in dem Bereich von 200 MHz bis 10 GHz ausgewählt sind, und Temperaturveränderungen in dem Bereich von -30°C bis 85°C ausgesetzt sind.
Verschiedene Modifikationen der vorliegenden Erfindung werden den Fachleuten aus der vorangegangenen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlich werden. Die Erörterung hat sich z. B. auf eine FBAR-Technologie bezogen. Die Erfindung ist jedoch ebenfalls auf eine SBAR- Technologie anwendbar. Ferner wurden Kompensatorkörper gezeigt, die sich auf der Seite des Elektrode- Piezoelektrisch-Stapels gegenüber dem Substrat befinden, wobei der Kompensatorkörper auch direkt auf dem Substrat oder auf einer Blitzschicht gebildet sein könnte, die mit dem Substrat in Verbindung steht. Folglich soll die Erfindung nicht auf die oben erläuterten exemplarischen Ausführungsbeispiele beschränkt sein, sondern hinsichtlich der beigefügten Ansprüche bestimmt sein, die den gesamten Bereich von Äquivalenten derselben umfassen.

Claims (19)

1. Akustischer Resonator (10; 110; 210) mit folgenden Merkmalen:
einem Substrat (130; 132); und
einem Schichtstapel (18), der zu dem Substrat integriert ist, derart, daß der Schichtstapel einen aufgehängten Bereich umfaßt, wobei der aufgehängte Bereich folgende Merkmale umfaßt:
einen piezoelektrischen Körper (16; 116; 216) und Elektroden (12, 14; 112, 114; 212, 214), die angeordnet sind, um ein elektrisches Feld an den piezoelektrischen Körper anzulegen, wobei der piezoelektrische Körper und die Elektroden eine Resonanz und einen negativen Temperaturkoeffizienten der Frequenz aufweisen; und
einen Kompensator (20; 120; 220), der akustisch mit dem piezoelektrischen Körper und den Elektroden gekoppelt ist, wobei der Kompensatorkörper aus einem Material gebildet ist, das Eigenschaften aufweist, durch die der Kompensator temperaturinduzierte Effekte auf die Resonanz zumindest teilweise versetzt, wobei die temperaturinduzierten Effekte eine Funktion des negativen Temperaturkoeffizienten der Frequenz sind.
2. Akustischer Resonator gemäß Anspruch 1, bei dem der Kompensator (20; 120; 220) eine ferromagnetische Schicht ist, die von dem piezoelektrischen Körper (16; 116; 216) durch eine der Elektroden (12; 112; 212) beabstandet ist, wobei die ferromagnetische Schicht einem positiven Temperaturkoeffizienten der Frequenz zugeordnet ist.
3. Akustischer Resonator gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schichtstapel (18) einen peripheren Bereich umfaßt, der in Kontakt mit dem Substrat steht, um den aufgehängten Bereich zu tragen, wobei der Kompensator (20; 120; 220) eine Schicht aus einer Nickel-Eisen- Legierung ist.
4. Akustischer Resonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Schichtstapel ferner eine metallische Blitzschicht (230) auf einer Seite des Kompensators (220) gegenüber den Elektroden (212, 214) und dem piezoelektrischen Körper (216) umfaßt.
5. Akustischer Resonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Schichtstapel (18) ein Dünnfilmvolumenresonatorstapel (FBAR-Stapel) ist.
6. Akustischer Resonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Kompensator (20; 120; 220) aus einem Material gebildet ist, das einen positiven Temperaturkoeffizienten der Frequenz aufweist und eine Dicke aufweist, derart, daß eine Größe der temperaturinduzierten Effekte auf die Resonanz durch das Vorliegen des Kompensators ähnlich einer Größe der temperaturinduzierten Effekte auf die Resonanz als eine Funktion des negativen Temperaturkoeffizienten der Frequenz ist.
7. Akustischer Resonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Substrat (130; 132) ein Siliziumsubstrat ist, und bei dem die Elektroden (12, 14; 112, 114; 212, 214) und der Kompensator (20; 120; 220) Metallschichten sind.
8. Akustischer Resonator (10; 110; 210) mit folgenden Merkmalen:
einem Substrat (130; 132);
einem Elektrode-Piezoelektrisch-Stapel, der eine Zielresonanzfrequenz und einen negativen Temperaturkoeffizienten der Frequenz aufweist; und
einer metallischen Kompensatorschicht, die einen positiven Temperaturkoeffizienten der Frequenz aufweist, wobei die metallische Kompensatorschicht akustisch mit dem Elektrode-Piezoelektrisch-Stapel gekoppelt ist.
9. Akustischer Resonator gemäß Anspruch 8, bei dem der Elektrode-Piezoelektrisch-Stapel und die metallische Kompensatorschicht kombiniert sind, um einen FBAR zu definieren.
10. Akustischer Resonator gemäß Anspruch 9, bei dem ein Großteil des FBAR von einem Kontakt mit dem Substrat aufgehängt ist.
11. Akustischer Resonator gemäß Anspruch 8, bei dem die metallische Kompensatorschicht aus einer Nickel-Eisen- Legierung gebildet ist.
12. Akustischer Resonator gemäß Anspruch 11, bei dem die Nickel-Eisen-Legierung zu ca. 35% aus Nickel und zu ca. 65% aus Eisen besteht.
13. Akustischer Resonator gemäß Anspruch 8, bei dem die metallische Kompensatorschicht eine Dicke aufweist, die ausgewählt ist, um Einflüsse von Temperaturabweichungen auf die Resonanz des Elektrode- Piezoelektrisch-Stapels zu neutralisieren, derart, daß die Zielresonanzfrequenz im wesentlichen beibehalten wird.
14. Verfahren zum Herstellen eines akustischen Resonators (10; 110; 210), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Bereitstellen eines Substrats (130; 132); und
Bilden einer Membran auf dem Substrat, derart, daß zumindest ein Abschnitt der Membran von einem Kontakt mit einem Substrat aufgehängt ist, mit folgenden Schritten:
  • a) Bilden eines Elektrode-Piezoelektrisch-Stapels (18), der einen negativen Temperaturkoeffizienten der Frequenz aufweist; und
  • b) Bilden einer Kompensatorschicht (20; 120; 220) benachbart zu dem Elektrode-Piezoelektrisch- Stapel, einschließlich des Auswählens eines Materials, das einen positiven Temperaturkoeffizienten der Frequenz aufweist.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem der Schritt (b), der ein Auswählen des Materials umfaßt, ein Auswählen einer Nickel-Eisen-Legierung umfaßt.
16. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem der Schritt (b) ein Aufbringen des Materials mit ca. 35% Nickel und ca. 65% Eisen umfaßt.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem der Schritt (b) ein Auswählen einer Schichtdicke umfaßt, um im wesentlichen eine Größe von temperaturinduzierten Effekten auf die Resonanz durch die Operation des Elektrode-Piezoelektrisch-Stapels (18) einer Größe von temperaturinduzierten Effekten auf die Resonanz als eine Konsequenz der Kompensatorschicht (20; 120; 220) anzupassen.
18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem der Schritt des Bildens der Membran ferner folgenden Schritt umfaßt:
  • a) Bilden einer metallischen Blitzschicht (230) auf einer Seite der Kompensatorschicht (20; 120; 220) gegenüber dem Elektrode-Piezoelektrisch-Stapel.
19. Verfahren gemäß Anspruch 18, das ferner die Verwendung von Herstellungsausrichtungsverfahren in den Schritten (b) und (c) aufweist, um eine Störmodenerzeugung zu verhindern, die aus einer Teilabdeckung der aufgehängten Membran durch die Kompensatorschicht oder die Blitzschicht resultiert.
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