CN1599235A - 压控振荡器及其制造方法 - Google Patents

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阿部和秀
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Abstract

本发明提供包括薄膜BAW谐振器56和可变电容器元件30的压控振荡器。薄膜BAW谐振器56包含在Si衬底21上形成的固定部分22，在固定部分22上支持并且被布置成面对Si衬底21的下部电极24，在下部电极24上形成的第一压电薄膜25，和在第一压电薄膜25上形成的上部电极26。另一方面，可变电容器元件30包含在Si衬底31上形成的固定电极42，在Si衬底31上形成的固定部分38，在固定部分38上支持并且被布置成面对Si衬底31的第一电极33，在第一电极33上形成的第二压电薄膜34，和在第二压电薄膜34上形成的第二电极35。

Description

压控振荡器及其制造方法
对相关专利申请的交叉引用
本申请基于2003年9月19日提交的在先日本专利申请2003-327688，并且要求该专利申请的优先权，这里参考引用了该专利申请的全部内容。
技术领域
本发明涉及压控振荡器和制造压控振荡器的方法，尤其涉及配备有在例如便携电话的移动无线通信技术中使用的薄膜BAW谐振器的压控振荡器。
背景技术
常规压控振荡器包括谐振电路(tank circuit)和可变电容器元件，其中谐振电路包含由线圈或夹心线(strip line)组成的电感器，可变电容器元件使用具有通过电压改变的电容值的变容二级管。常规压控振荡器的有利之处在于，能够在不小于10％的较宽范围上改变频率，但是其缺陷在于，压控振荡器中包含的电感器较大，并且由于电感器或变容二级管的Q值(机械质量系数(mechanically quality coefficient))较小，相位噪声较大。
最近，使用薄膜BAW(体声波)谐振器，即薄膜体声波谐振器(FBAR)的压控振荡器得到人们的关注。薄膜BAW谐振器具有通过在一个衬底上一个在另一个上地接连形成下部电极，压电薄膜和上部电极而制备的元件结构，其中间隙介于下部电极和衬底之间。
例如在″A 2GHz voltage tunable FBAR oscillator″，A.P.S.Khanna，E.Gane和T.Chong，″2003 IEEE MTT-S Digest，pp.717-20，2003″中公开了包括由薄膜BAW谐振器和变容二级管组成的谐振电路的压控振荡器。这个文献中公开的压控振荡器具有由薄膜BAW谐振器的电动机械耦合常数(electromechanical coupling constant)(k2)和变容二级管的电容变化比(capacitance change ratio)决定的频率可变宽度。当考虑例如使用AlN组成的压电薄膜的薄膜BAW谐振器和变容二级管的组合时，常数k2大约为6％，并且电容变化比，即最大-最小电容比最多大约为4。结果，频率能够变化的范围较小，即大约为2到3％。因而上述特定组合的问题在于，当在用于许多移动无线系统的压控振荡器中使用该组合时，频率的可变范围非常小。
还应当注意，变容二级管的Q值明显小于薄膜BAW谐振器的Q值，结果振荡器的Q值被降低，从而产生相位噪声增加的问题。如上所述，使用薄膜BAW谐振器和变容二级管的压控振荡器的缺陷在于频率可变范围较小，并且相位噪声较大。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种压控振荡器，包括薄膜BAW谐振器和可变电容元件，所述薄膜BAW谐振器包含：第一衬底部分；第一衬底部分上形成的第一支持部分；第一支持部分上支承并且被布置成面对第一衬底部分的下部电极；下部电极上形成的第一压电薄膜；和第一压电薄膜上形成的上部电极；并且可变电容器元件包含：第二衬底部分；第二衬底部分上形成的固定电极；第二衬底部分上形成的第二支持部分；致动器，包含第二支持部分上支承的第一电极，第一电极上形成的第二压电薄膜和第二压电薄膜上形成的第二电极；和活动电极，其被布置成面对固定电极，机械连接到致动器并且被支承在致动器上，并且电连接到下部电极和上部电极之一。
根据本发明的另一个方面，提供一种制造其中在第一衬底上形成薄膜BAW谐振器和可变电容元件的压控振荡器的方法，包括：形成薄膜BAW谐振器，此步骤包含：在第一衬底上形成绝缘膜；在绝缘膜上形成被布置成面对第一衬底的下部电极层；在下部电极层上形成第一压电薄膜；在第一压电薄膜上形成上部电极层；和有选择地对下部电极层，第一压电薄膜和上部电极层进行光刻，使得以形成支持部分的方式对绝缘膜进行光刻，从而形成下部电极，第一压电薄膜和上部电极的层叠结构，该层叠结构被支持在第一支持部分上，其中在第一衬底和层叠结构之间形成间隙；和形成可变电容器元件，此步骤包含：在第一衬底上形成固定电极；用电介质薄膜覆盖固定电极；在第一衬底部分上形成绝缘膜；在绝缘膜上形成第一电极；在第一电极上形成第二压电薄膜；在第二压电薄膜上形成第二电极；有选择地光刻第一电极，第二压电薄膜和第二电极以形成具有包括第一电极，第二压电薄膜和第二电极的层叠结构的致动器，并且形成被布置成面对固定电极、机械连接到致动器并且被支承在致动器上的活动电极；和有选择地光刻绝缘膜以在活动电极和固定电极之间形成间隙，并且形成用于支承致动器的第一支持部分。
附图说明
图1的模块图示意性地示出了根据本发明第一实施例的压控振荡器的构造；
图2的电路图示出了图1的模块图中包含的负电阻电路的电路构造；
图3的剖视图示意性地示例了图1的模块图中包含的薄膜BAW谐振器的构造；
图4的顶视图示例了由图1的模块图中包含的薄膜压电致动器组成的可变电容元件的结构；
图5是沿着图4示出的连线V-V得到的剖视图，其中示意性地示例了由图1的模块图中包含的薄膜压电致动器组成的可变电容元件的结构；
图6是沿着图4示出的连线VI-VI得到的剖视图，其中示意性地示例了由图1的模块图中包含的薄膜压电致动器组成的可变电容元件的结构；
图7A和7B的剖视图示意性地集中示出了图1的模块图中包含的谐振电路的构造，该谐振电路包含在相同衬底上形成的薄膜BAW谐振器和可变电容元件；
图8的的顶视图示意性地示出了根据本发明另一个实施例的可变电容元件的构造；
图9是沿着图8示出的连线IX-IX得到的剖视图，其中示意性地示出了图8的可变电容元件的构造；
图10的剖视图示意性地示出了根据本发明另一个实施例的谐振电路的构造，该谐振电路包含在相同衬底上形成的薄膜BAW谐振器和可变电容元件；
图11的剖视图示意性地示出了根据本发明另一个实施例的可变电容元件的构造；而
图12是沿着图11示出的连线XII-XII得到的剖视图，其中示意性地示出了图11的可变电容元件的构造。
具体实施方式
现在参照附图描述根据本发明某些实施例的压控振荡器。
(第一实施例)
图1的电路模块图示意性地示出了根据本发明第一实施例的压控振荡器50的构造。
如图1所示，压控振荡器(VCO)50包括谐振电路70和经由连接端子72连接到谐振电路70的负电阻电路60。
谐振电路70包括电抗控制部分52和薄膜BAW谐振器56，即FBAR(薄膜体声波谐振器)，其被串联到电抗控制部分52。电抗控制部分52连接到输入端子62，并且包括电感器L3和电容器CVar。换言之，谐振电路70形成所谓的″谐振电路″，该谐振电路包含电抗控制部分52和薄膜BAW谐振器56。在一端连接到地的控制电压源66在另一端连接到输入端子62。并且，负电阻电路60的一端经由连接端子72连接到谐振电路70，并且输出端子64连接到负电阻电路60的另一端。此外，负载68连接到输出端子64。如此后描述的，可以在相同衬底上形成电抗控制部分52和薄膜BAW谐振器56，以使得能够将电路本身小型化。
如果从控制电压源66向输入端子62施加某个输入电压，则在电感器L3和电容器CVar之间的连接点处产生由电感器L3和电容器CVar决定的输出电压。如此产生的输出电压被从电抗控制部分52施加到谐振电路70内的薄膜BAW谐振器56。当向薄膜BAW谐振器56施加输出电压时，薄膜BAW谐振器56工作，结果从薄膜BAW谐振器56产生取决于薄膜BAW谐振器56的机械谐振点的谐振输出信号。
如图2所示，负电阻电路60包括在负侧的连接到地的DC电源Vcc，和双极晶体管Q1，Q2。包括电感器L1和电阻器R1的串联电路被连接在晶体管Q1的集电极和基极之间，并且DC电源Vcc分别通过电感器L1和电阻器R1连接到晶体管Q1的集电极和基极。晶体管Q2的集电极连接到晶体管Q1的发射极，并且电阻器R2连接到晶体管Q1的基极。此外，电容器C5连接在晶体管Q1的集电极和输出端子64之间。
晶体管Q2的基极连接到谐振电路70的连接端子72，并且经由包括电阻器R1，R2和R4的串联电路连接到DC电源Vcc。并且，晶体管Q2的基极经由电阻器R3和R4连接到地。电阻器R5连接在晶体管Q2的发射极和电感器L2之间，电容器C1连接在晶体管Q1的基极和晶体管Q2的发射极之间。连接到地的电容器C2连接到晶体管Q1的发射极和晶体管Q2的集电极之间的连接点，并且电容器C3连接在晶体管Q2的基极和发射极之间。此外，晶体管Q2的发射极连接到与地相连的电容器C4。
在图2示出的电路结构中，双极晶体管Q1和Q2被布置成形成级联电路，其中晶体管Q1的发射极连接到晶体管Q2的集电极。在这个构造中，晶体管Q1充当用于负载的驱动的缓冲晶体管，晶体管Q2充当振荡晶体管。DC电源Vcc是用于向每个晶体管Q1和Q2提供电压的电源，电阻器R1，R2，R3，R4和R5充当偏压电阻器，用于确定每个晶体管Q1和Q2的工作点。
连接在DC电源Vcc和晶体管Q1的集电极之间的电感器L1，与连接在晶体管Q2的发射极和地之间的电感器L2(电阻器R5介于晶体管Q2的发射极和电感器L2之间)的目的是只允许DC分量通过其中，并且防止高频分量被释放到电源Vcc和地GND。
电容器C1是用于向晶体管Q1发送由晶体管Q2振荡的高频功率的电容器。电容器C2是用于以高频模式将晶体管Q2的集电极连接到地的电容器。每个电容器C3和C4是用于通过谐振电路70再次向晶体管Q2的基极输送晶体管Q2的发射极上出现的信号的电容器，其中晶体管Q2的发射极上出现的信号是提供给晶体管Q2的基极的高频信号的放大结果。此外，电容器C5是用于允许将高频信号从晶体管Q1的集电极输出到输出端子64的电容器。
在图2示出的电路中，被相应电阻器R1，R2，R3，R4分压的DC电源Vcc的电压被提供给每个晶体管Q1和Q2的基极。如果在这个状态下通过连接端子72从谐振电路70向晶体管Q2的基极提供谐振输出，则通过电容器C3反馈晶体管Q2的发射极输出，从而允许晶体管Q2开始其振荡。晶体管Q2的振荡输出通过电容器C1被提供给晶体管Q1的基极，结果经由电容器C1的晶体管Q2的发射极输出也导致晶体管Q1开始其振荡操作。因而根据主要由电容器C1的时间常数决定的晶体管Q1和Q2的振荡放大振荡输出，并且放大的振荡输出经由电容器C5从输出端子64输出到负载68。
附带地，在图2示出的电路构造中，在负电阻电路60中使用双极晶体管Q1，Q2。例如，肯定能够在负电阻电路60中使用场效应晶体管(FET)以取代双极晶体管。然而考虑到抑制噪声产生的效果，期望使用闪烁噪声相对较低的双极晶体管。并且，可以在负电阻电路60中使用在其中引入了由互补金属·氧化物·半导体(CMOS)晶体管组成的反相器的负电阻电路。
图3的剖视图示意性地示例了薄膜BAW谐振器56的构造。在图3示出的薄膜BAW谐振器56中，有选择地在Si衬底21中形成固定部分(anchor sections)22，以在Si衬底21上形成具有指定图案的固定部分22。在固定部分22上接连层叠下部电极24，压电薄膜25和上部电极26，以允许在固定部分22上固定和支持层叠结构。应当注意，在Si衬底21的其中没有形成固定部分22的区域中，在Si衬底21的上表面和下部电极24之间提供间隙23。在这个结构中，每个下部电极24和上部电极26与空气或真空层保持接触。
压电薄膜25被保持在下部电极24和上部电极26之间。可以使下部电极24被形成为与压电薄膜25的一部分而不是整个区域接触，如图3所示。同样地，可以使上部电极26被形成为与压电薄膜25的一部分而不是整个区域接触。在图3示出的实施例中，压电薄膜25在位于间隙23上方的区域中被保持在下部电极24和上部电极26之间，如附图所示。并且在这个结构中，可以使压电薄膜25仅在固定部分22之上的区域中与下部电极24接触，或仅在另一个固定部分22之上的区域中与上部电极26接触。
压电薄膜25由沿着c轴方向取向和生长的AlN薄膜组成。另一方面，每个下部电极24和上部电极26由Al组成。如图3中由虚线包围的区域所示，包括下部电极24，上部电极26和保持在电极24和26之间的压电薄膜25的谐振部分结构27被固定部分22固定到Si衬底21，并且在对应于压电薄膜25的厚度的1/2的频率上产生谐振。例如，在1到5GHz的谐振频率中，形成厚度为大约0.5到3μm的压电薄膜25。谐振部分结构27尤其用于产生不低于1GHz的高频率区的谐振。并且，附加优点在于薄膜BAW谐振器56的尺寸非常小，即大约为100平方μm。
如果在上部电极24和下部电极26之间施加AC电压，则压电反效应(piezoelectric reverse effect)在压电薄膜25中产生交变压力，以激励对应于厚度方向的垂直模式的声波谐振。为了将谐振频率设置在2GHz，形成谐振部分结构27，使得例如压电薄膜25的厚度被设置在1100nm，下部电极24的厚度被设置在100nm，并且上部电极26的厚度被设置在150nm。
在上述示例的结构中，也可以制备具有大Q值的薄膜BAW谐振器56，尽管Q值也取决于材料和压电薄膜25的制备方法。在压电薄膜25由氮化铝(AlN)组成的情况下，可以实现不小于数百的非常大的Q值。并且，由于能够通过例如溅射方法的薄膜沉积方法形成压电薄膜25，上部电极26和下部电极24，可以通过集成和小型化的方式在Si衬底21上形成谐振部分结构27。
并且，在图3示出的结构中，薄膜BAW谐振器56中发生的谐振现象是不同于LC谐振器的声谐振，而在LC谐振器中，容易产生与环境电磁场的相互作用。结果，声能被限制在谐振部分结构27的部分中。因而，即使谐振频率彼此不同的多个FBAR 56被布置成彼此接近，然而FBAR 56不受彼此的影响。因此，在振荡频率彼此不同的多个信号由包括多个压控振荡器1的电路同时振荡的情况下，该特定构造是有利的。
通过图4到6的每个示出的可变电容元件结构30能够实现图1示出的电抗控制部分52，其中可变电容器元件结构使用薄膜压电致动器32。
图4的顶视图示出了可变电容器元件结构30的上侧结构。图5是沿着图4示出的连线V-V获得的剖视图。此外，图6是沿着图4示出的连线VI-VI获得的剖视图。通常为双压电晶片型薄膜压电致动器的薄膜压电致动器32被引入到可变电容器元件30中，以允许可变电容器元件30包含电容可变电容器结构，该电容可变电容器结构允许改变相互面对的2个电极之间的距离。
可变电容器元件30包含双压电晶片型薄膜压电致动器32的一个电极和可变电容器40的一个电极以作为公共电极。这里应当注意，可以不共同形成致动器32的电极和可变电容器40的电极，而是可以分别形成。在分别形成上述电极的情况下，这些电极可以彼此电连接，也可以彼此不电连接。
如图4所示，在可变电容器元件30中，在沿着矩形Si衬底21的4边的外围区域中形成4个双压电晶片型薄膜压电致动器32。并且，在一个矩形区域上形成可变电容器40，该矩形区域对应于这4个外围区域中布置的双压电晶片型薄膜压电致动器32所包围的矩形Si衬底21的中央区域。
双压电晶片型薄膜压电致动器32具有层叠结构，该层叠结构包括Al组成的第一电极33，第一电极33上形成的第一压电薄膜34，由Al组成并且在第一压电薄膜34上形成的第二电极35，第二电极35上形成的第二压电薄膜36，和由Al组成并且在第二压电薄膜36上形成的第三电极37。每个第一压电薄膜34和第二压电薄膜36由具有c轴取向的AlN压电薄膜组成。
双压电晶片型薄膜压电致动器32具有悬臂梁结构。从沿着图4示出的线VI-VI得到的截面可以看出，悬臂梁结构的固定边，即图6示出的结构的右边经由固定部分38被固定到Si衬底31。并且，从固定边延伸到自由边的悬臂部分，即从右边延伸到左部的部分被布置成面对Si衬底31的表面，使得悬臂部分从Si衬底31浮动，其中间隙39介于其间。并且在悬臂梁结构中，固定边和自由边附近区域之间的区域被形成到双压电晶片型薄膜压电致动器32中，并且第一电极33单独在致动器32的边和自由边之间的顶端部分，即颈部43中延伸。悬臂梁结构的颈部43中的第一电极33从图6示出的VI-VI线截面延伸到图5示出的V-V线截面，从而被机械或物理连接到图5示出的可变电容器40的活动电极41。换言之，可变电容器40的活动电极41在4个角部被连接到颈部43的第一电极33，并且被支持在第一电极33上。第一电极33和活动电极41彼此电连接。然而彼此机械连接的第一电极33和活动电极41可以不彼此电连接。更具体地，如果第一电极33和活动电极41被彼此机械连接，使得根据包含第一电极33的双压电晶片型薄膜压电致动器32的物理移动来移动活动电极41，则可以将第一电极33和活动电极41形成为分立电极。
如图5所示，形成可变电容器40，使得在Si衬底31上形成由Al组成的固定电极42，并且在固定电极42的表面上形成由SiO2组成、用于防止短路的电介质薄膜44。并且，以面对这些固定电极42和电介质薄膜44的方式挂起活动电极41，其中间隙45介于固定电极42和活动电极41之间。活动电极41经由颈部43连接到第一电极33。另外，经由固定部分38在Si衬底31上支持第一电极33。因而以彼此面对的方式将第一电极33和电介质薄膜44布置成彼此间隔指定距离。
如果电压被提供给薄膜压电致动器32，则致动器32的悬臂结构弯曲。更具体地，如果在第一电极33和第二电极35之间以及第二电极35和第三电极37之间施加彼此方向相对的电压，则双压电晶片型薄膜压电致动器32变形和位移。作为图4到7示出的结构的驱动方法的例子，第一电极33和第三电极37连接到地，并且控制电压Vtune被提供给第二电极35。结果，悬臂的顶端，即颈部43随着双压电晶片型薄膜压电致动器32的位移一起移动，从而使活动电极41移动。因此，根据施加的电压改变可变电容器40的活动电极41和固定电极42之间的距离。并且，以和活动电极41与固定电极42之间的距离成反比的方式改变可变电容器40的电容。
当使活动电极41与电介质薄膜44接触时，能够获得最大电容Cmax，并且当活动电极41的位置最远离电介质薄膜44时，能够获得最小电容C0。并且，同时将薄膜BAW谐振器56的下部电极24和上部电极26的任何一个连接到控制电压Vtune的输入端，并且将另一个电极连接到缓冲区的晶体管的基极。换言之，活动电极41被电连接到下部电极24和上部电极26的任何一个。结果，可以使用谐振电路操作压控振荡器1。
考虑到例如电阻，可以确定双压电晶片型薄膜压电致动器32的第一到第三电极33，35，37的每个，活动电极41和固定电极42的厚度，使得厚度在大约10nm和大约1μm之间的范围内。在这个实施例中，任何电极的厚度被设置为50nm。
并且，考虑到位移量，可以确定双压电晶片型薄膜压电致动器32中包含的第一和第二压电薄膜34和36的每个的厚度，使得厚度在例如大约10nm和大约1μm之间的范围内。在这个实施例中，所有这些压电薄膜的厚度被设置为500nm。另一方面，电介质薄膜44的厚度被设置为50nm。并且，可变电容器的等价区域被设置为6400μm。
用被提供给双压电晶片型薄膜压电致动器32、设置为0到3V的控制电压Vtune测量可变电容器40的电容。发现最小电容为34pF，最大电容为286pF，最大电容是最小电容的8.4倍。换言之，可以获得大的可变电容范围。在普通静电驱动型可变电容器中，电容可变范围Cmax/C0的最大值为1.5，即Cmax/C0＝1.5。然而在根据本发明的这个实施例的压电驱动型可变电容器中，可以将电容可变范围Cmax/C0扩展到大于3的数值，即Cmax/C0＞3，，其中Cmax表示最大电容，C0表示最小电容。
针对Colpitts型压控振荡器50测量振荡特性。已经发现，通过施加0到3V的控制电压，振荡频率在2.85GHz和3.08GHz之间的范围内可变，从而获得8.1％的大可变频率范围。还发现，在许多移动无线系统中存在的相位噪声在1MHz的去调级(detune stage)非常小，即-153dBc/Hz。结果，已经确认可以获得具有极好振荡特性的压控振荡器。在针对薄膜BAW谐振器和静电驱动型可变电容器的组合的谐振电路中，发现频率变化比Δf/f0小于1％，即Δf/f0＜1％。另一方面，在针对根据本发明实施例的薄膜BAW谐振器和压电驱动型可变电容器的组合的电路中，可以实现大于2％的频率变化比Δf/f0，即Δf/f0＞2％，从而使得能够满意地扩充频率的控制范围。
通过适当设计例如双压电晶片型薄膜型压电致动器32的厚度和长度以能够实现大电容比，可以在可变电容器40的电极之间实现大位移。通过充分提高可变电容器40的每个电极41和44的厚度，也可以实现小寄生电阻(等价串联电阻)和大Q值。附带地，原理上Q值在普通静电驱动型可变电容器和根据本发明实施例的压电驱动型可变电容器之间没有差别。事实上已经确认上述Q值没有差别。
如上所述，通过使用一种谐振电路可以制造具有大频率可变宽度和小相位噪声特性的理想压控振荡器，该谐振电路使用薄膜BAW谐振器56和利用薄膜型压电致动器32的压电驱动型可变电容器元件30的组合。
附带地，在这个实施例中分别描述了薄膜BAW谐振器56和利用薄膜型压电致动器32的可变电容器元件30。然而通过图3和图4到6之间的比较可以发现，薄膜BAW谐振器56和可变电容器元件30具有彼此非常接近、通常被称作压电微电动机械系统(压电MEMS)的结构。因此，如图7A和7B所示，通过在相同衬底上形成薄膜BAW谐振器56和可变电容器元件30，可以构造谐振电路。在这种情况下，可以使制造工艺成为共同的，并且也可以在制造工艺中实现空心密封(hollowsealing)。
图7A示出了该构造，其中在相同衬底21上形成图3示出的薄膜BAW谐振器56，和具有对应于沿着图4示出的线V-V得到的截面的结构的可变电容器元件30。另一方面，图7B示出了该构造，其中在相同衬底21上形成图3示出的薄膜BAW谐振器56，和具有对应于沿着图4示出的线VI-VI得到的截面的结构的可变电容器元件30。应当注意，通过图7A和7B示出的构造形成图1示出的谐振电路。在图7A和7B中，通过相同的附图标记表示与图1示出的部分相同的部分，以避免重复描述。
如图7A和7B所示，在Si衬底21上形成薄膜BAW谐振器56和可变电容器元件30。为形成图7A和7B示出的结构，首先一个在另一个上地在Si衬底21上层叠电极材料层和电介质材料层，接着对层叠结构进行光刻以在用于形成可变电容器40的区域形成固定电极42，并且在固定电极42上形成电介质薄膜44。接着进一步在Si衬底21上形成绝缘膜。之后对绝缘膜进行光刻，以形成薄膜BAW谐振器56的固定部分22和可变电容器元件30的固定部分38。此外，在绝缘膜上形成第一电极材料层。为了使制造工艺共用，期望使薄膜BAW谐振器56中使用的下部电极24和薄膜型压电致动器32中使用的第一电极33由相同材料组成。期望第一电极33由具有低电阻系数的金属，例如铝(Al)，金(Au)，铂(Pt)，铜(Cu)，铱(Ir)，钨(W)或钼(Mo)组成。之后对第一电极材料层进行光刻，以形成薄膜BAW谐振器56的下部电极24和薄膜型压电致动器32的第一电极33。在第一电极材料层上形成第一压电薄膜材料层。为了使制造工艺共用，期望使薄膜BAW谐振器56的压电薄膜25和薄膜型压电致动器32的第一压电薄膜34由相同材料组成。期望通过具有钙钛矿结构的铁电材料，例如氮化铝(AlN)，氧化锌(ZnO)，钛酸钡(BaTiO3)或锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O3)提供压电薄膜材料。
类似地，在第一压电薄膜材料层上形成第二电极材料层。可以使第二电极材料与第一电极材料相同。之后对第二电极材料层进行光刻以形成上部电极26和第二电极35。在第二电极材料层上形成第二压电材料层。可以使第二压电材料与第一压电材料相同。之后以允许第一压电薄膜材料层仅在可变电容器元件30侧保持未清除的方式对第二压电材料层进行光刻，以形成第二压电薄膜36。在第二压电薄膜材料层上形成第三电极材料层。可以使第三电极材料与第一和第二电极材料相同。之后以允许第三电极材料层仅在可变电容器元件30侧保持未清除的方式对第三电极材料层进行光刻，以形成第三电极37。
如上所述，在Si衬底21上一个在另一个上地接连层叠第一电极材料层，第一压电薄膜材料层，第二电极材料层，第二压电薄膜材料层和第三电极材料层，之后以有选择地清除除了用于形成双压电晶片型薄膜压电致动器32或可变电容器40的区域之外的区域的方式对层叠结构进行光刻，从而使衬底21暴露到外部。
在下一个步骤，有选择地从用于形成颈部43和可变电容器40的各区域中清除第二压电薄膜材料层和第三电极材料层，并且有选择地从用于形成薄膜BAW谐振器56的区域中清除第二压电薄膜材料层和第三电极材料层。
接着，有选择地从用于形成颈部43和可变电容器40的各区域中清除第一压电薄膜材料层和第二电极材料层，从而只允许第一电极33或活动电极41在上述区域中保持未清除。此外，通过从Si衬底21被暴露到外部的区域进行湿蚀刻来部分清除在第一电极材料层下面形成的绝缘膜，以形成间隙39。附带地，也可以在湿蚀刻处理之后有选择地清除第一压电薄膜材料层和第二电极材料层。
通过上述处理，可以在相同衬底上形成谐振电路，如图7A和7B所示。附带地，通过例如隔层绝缘膜将薄膜BAW谐振器56和可变电容器元件30彼此分离，尽管在图7A和7B示例的构造中没有示出隔层绝缘膜。
附带地，在图7A和7B示出的构造中，通过共同的处理在相同衬底上形成薄膜BAW谐振器56和可变电容器元件30。然而本发明不局限于该特定情况。具体地，可以通过不同处理形成薄膜BAW谐振器56和可变电容器元件30，并且利用不同材料形成每个电极和压电薄膜。
如上所述，根据本发明的第一实施例，可以提供具有宽频率可变范围的压控振荡器，该压控振荡器的频率稳定性高，抑制相位噪声的能力极好，并且随时间变化较小。尤其是，可以提供受电源电压的干扰和电源电压的噪声辐射的影响很低的压控振荡器。
在本发明中，不必使用具有显著降低的Q值的电抗元件(例如线圈)的串联电路或并联电路来拓宽频率可变范围。结果，可以防止因电抗元件进一步降低振荡器的Q值，从而进一步提高相位噪声的问题。因而可以提供随时间变化较小并且稳定性较高的超小型化压控振荡器。
图8的顶视图示出了根据本发明另一个实施例的可变电容器元件80的平面结构，图9是沿图8示出的线IX-IX得到的剖视图。
图8示出的可变电容器元件80包含非对称双压电晶片型薄膜压电致动器92的一个电极和可变电容器90的一个电极以作为公共电极。然而，非对称双压电晶片型薄膜压电致动器92的一个电极和可变电容器90的一个电极可以分别电连接到其它电极，也可以是电气独立的。
如图8所示，在Si衬底71上形成一对非对称双压电晶片型薄膜压电致动器92，以便其位于可变电容器90的两侧。非对称双压电晶片型薄膜压电致动器92的每个固定边被固定部分77固定到Si衬底71，并且致动器92的每个自由边经由颈部85被机械连接到由Al组成的可变电容器90的活动电极81，以允许活动电极81在颈部85中挂起。在活动电极81上形成加强压电薄膜83。
并且，由Al组成的固定电极82，和由SiO2组成并且在固定电极82的表面上形成、用于防止短路的电介质薄膜84被接连形成在Si衬底71上。所有这些固定电极82和电介质薄膜84被形成为面对活动电极81，电介质薄膜84和活动电极81之间提供有间隙86。
非对称双压电晶片型薄膜压电致动器92包含Al组成的第一电极73，ZnO组成并且在第一电极73上形成的c轴取向压电薄膜74，和在压电薄膜74上形成的第二电极75。此外，在第二电极75上形成由SiO2组成、用于形成非对称双压电晶片的支持薄膜76。
在本发明中，第一电极73和活动电极81可以彼此电连接，也可以彼此不电连接。如果第一电极73被机械连接到活动电极81，使得根据包含第一电极73的非对称双压电晶片型薄膜压电致动器92的物理移动来移动活动电极81，则可以将第一电极73和活动电极81形成为分立电极。
如果在第一电极73和第二电极75之间施加控制电压Vtune，则产生双压电晶片操作，以使非对称双压电晶片型薄膜压电致动器92位移。应当注意，当使活动电极81与电介质薄膜84接触时，能够获得最大电容Cmax，并且当活动电极81的位置最远离电介质薄膜84时，能够获得最小电容C0。
考虑到例如电阻，可以从例如10nm和1μm之间的范围内选择非对称双压电晶片型薄膜压电致动器92的每个第一电极73和第二电极75的厚度，以及可变电容器90的每个活动电极81和固定电极82的厚度。在这个实施例中，所有上述电极的厚度被设置为50nm。并且，能够从例如10nm和1μm之间的范围内选择非对称双压电晶片型薄膜压电致动器92中包含的压电薄膜74的厚度。在这个实施例中，压电薄膜74的厚度被设置为400nm。并且，电介质薄膜84的厚度被设置为30nm。此外，可变电容器90的等价区域被设置为6400μm。
通过向非对称双压电晶片型薄膜压电致动器92施加0到3V的控制电压Vtune，测量可变电容器90的电容。发现最小电容为56pF，最大电容为356pF，最大电容是最小电容的8.2倍。附带地，薄膜BAW谐振器56的操作与上述第一实施例的薄膜BAW谐振器56的操作相同。
利用平衡压控振荡器50测量振荡特性。已经发现，通过施加0到3V的控制电压，能够得到10.5％的大可变频率范围，即处于2.57GHz和2.84GHz之间的范围内的振荡频率。还发现，相位噪声在1MHz的去调级非常小，即-149dBc/Hz。因此，已经确认可以获得具有极好振荡特性的压控振荡器。
附带地，显然可变电容器元件80和薄膜BAW谐振器56能够在相同衬底上形成，以形成谐振电路。
图10的剖视图示出了根据本发明另一个实施例的谐振电路，该谐振电路由在相同衬底上形成的薄膜BAW谐振器56和可变电容器元件80组成。在图10中，通过相同的附图标记表示与前面参照的附图示出的部分相同的部分，以避免重复描述。除了图10示出的结构在光刻的形状方面不同于图7示出的结构之外，制造图10示出的结构的方法与本发明第一实施例的制造图7示出的结构的方法相同。因此，省略了对制造图10示出的结构的方法的详细描述。附带地，通过例如隔层绝缘膜将薄膜BAW谐振器56和可变电容器元件80彼此分离，尽管在图10中没有具体示出隔层绝缘膜。
在制备图10示出的结构时，同时在相同Si衬底21上形成薄膜BAW谐振器56和可变电容器80，并且同时形成薄膜BAW谐振器56的固定部分22和可变电容器元件80的固定部分77。并且，同时形成薄膜BAW谐振器56的下部电极24，可变电容器元件80的活动电极81和第一电极73。此外，同时形成薄膜BAW谐振器56的压电薄膜25，可变电容器元件80的压电薄膜74和活动电极加强薄膜83。上述特定构造使得能够简化制造工艺。
附带地，同时形成图10中示出的薄膜BAW谐振器56和可变电容器元件80。然而也可以同时形成薄膜BAW谐振器60b与薄膜BAW谐振器56和可变电容器元件80。
图11的顶视图示出了根据本发明另一个实施例的可变电容器元件80的平面结构，图12是沿图11示出的线XII-XII得到的剖视图。
在图11和12示出的可变电容器元件80中，在悬臂结构中形成非对称双压电晶片型薄膜压电致动器92。更具体地，压电致动器92的固定边被固定到固定部分97，其中固定部分97被固定到衬底71，而压电致动器92的另一个边形成自由边。并且，在衬底71的被布置成面对包含压电致动器92的自由边的远侧边缘部分的区域中形成固定电极82。用由SiO2组成、用于防止短路的电介质薄膜84覆盖固定电极82。固定电极82和电介质薄膜84被布置成面对对应于活动电极的下部电极93，其中空心部分，即间隙86介于电介质薄膜84和下部电极93之间。
非对称双压电晶片型薄膜压电致动器92具有层叠结构，该层叠结构包含由Al组成的下部电极93，在下部电极93上形成的c轴取向压电薄膜94，和在压电薄膜94上形成的上部电极95，其中下部电极93，压电薄膜94和上部电极95按照上述顺序一个在另一个上地层叠。此外，在上部电极95上形成由SiO2组成、用于形成非对称双压电晶片的支持薄膜96。
如果在下部电极93和上部电极95之间施加控制电压Vtune，则产生双压电晶片操作，以使非对称双压电晶片型薄膜压电致动器92的自由边位移。应当注意，当使下部电极93与电介质薄膜84接触时，能够获得最大电容Cmax，并且当下部电极93的位置最远离电介质薄膜84时，能够获得最小电容C0。
即使在图11和12所示的悬臂结构中，也可以实现可变电容器元件80，以便将电容可变范围Cmax/C0设置为足够大的数值。
如上所述，根据本发明的这个实施例，可以提供超小型化的压控振荡器，该压控振荡器的频率稳定性高，抑制相位噪声的能力极好，并且具有随时间变化较小的宽频率可变范围。尤其是，根据这个实施例的本发明使得能够提供受电源电压的干扰和电源电压的噪声辐射的影响很小的压控振荡器。并且，不必使用电抗元件来拓宽频率可变范围。结果，可以避免因电抗元件进一步降低振荡器的Q值，从而进一步提高相位噪声的问题。因而可以提供随时间变化较小并且稳定性较高的压控振荡器。
如上所述，本发明提供了抑制相位噪声的能力极好，并且具有宽频率可变范围的压控振荡器。
本领域的技术人员会很容易地想到其它优点和修改。因此，本发明的范围不限于图中示出和这里描述的具体细节和典型实施例。因此，在不偏离如所附权利要求书及其等同描述定义的总的发明概念的构思或范围的前提下，可以进行各种修改。

Claims (20)

1.一种压控振荡器，包括薄膜BAW谐振器和可变电容器元件，该薄膜BAW谐振器包含：
第一衬底部分；
第一衬底部分上形成的第一支持部分；
第一支持部分上支持并且被布置成面对第一衬底部分的下部电极；
下部电极上形成的第一压电薄膜；和
第一压电薄膜上形成的上部电极；并且
可变电容器元件包含：
第二衬底部分；
第二衬底部分上形成的固定电极；
第二衬底部分上形成的第二支持部分；
致动器，包含第二支持部分上支持的第一电极，第一电极上形成的第二压电薄膜，和第二压电薄膜上形成的第二电极；和
活动电极，被布置成面对固定电极，机械连接到致动器并且在致动器上支持，并且电连接到下部电极和上部电极之一。
2.如权利要求1所述的压控振荡器，其中在单个衬底上形成第一衬底部分和第二衬底部分。
3.如权利要求1所述的压控振荡器，其中第一和第二压电薄膜由相同材料组成。
4.如权利要求1所述的压控振荡器，其中每个第一和第二压电薄膜由从包括氮化铝(AlN)，氧化锌(ZnO)和具有钙钛矿结构的铁电材料的组中选择的一个材料组成。
5.如权利要求1所述的压控振荡器，其中下部电极，活动电极和第一电极由相同材料组成。
6.如权利要求1所述的压控振荡器，其中上部电极和第二电极由相同材料组成。
7.如权利要求1所述的压控振荡器，其中下部电极，活动电极，上部电极，第一电极和第二电极的至少一个由从包括铝(Al)，金(Au)，铂(Pt)，铜(Cu)，铱(Ir)，钨(W)和钼(Mo)的组中选择的材料组成。
8.如权利要求1所述的压控振荡器，其中可变电容器元件还包括在第二电极上形成的第三压电薄膜和在第三压电薄膜上形成的第三电极。
9.如权利要求2所述的压控振荡器，其中第一和第二支持部分通过相同处理步骤形成。
10.如权利要求2所述中的压控振荡器，其中下部电极，活动电极和第一电极通过相同制造工艺形成。
11.如权利要求2所述的压控振荡器，其中第一和第二压电薄膜通过相同制造工艺形成。
12.如权利要求2所述中的压控振荡器，其中上部电极和第二电极由相同制造工艺形成。
13.如权利要求1所述的压控振荡器，其中可变电容器具有大于3的电容可变范围Cmax/C0(Cmax/C0＞3)。
14.如权利要求1所述的压控振荡器，其中压控振荡器具有大于2％的频率变化比Δf/f0(Δf/f0＞2％)。
15.一种制造压控振荡器的方法，其中在第一衬底上形成薄膜BAW谐振器和可变电容器元件，所述方法包括：
形成薄膜BAW谐振器，该步骤包含：
在第一衬底上形成绝缘膜；
在绝缘膜上形成被布置成面对第一衬底的下部电极层；
在下部电极层上形成第一压电薄膜；
在第一压电薄膜上形成上部电极层；和
有选择地对下部电极层，第一压电薄膜和上部电极层进行光刻，使得以形成支持部分的方式对绝缘膜进行光刻，从而形成下部电极，第一压电薄膜和上部电极的层叠结构，该层叠结构被支持在第一支持部分上，其中第一衬底和层叠结构之间形成有间隙；和
形成可变电容器元件，该步骤包含：
在第一衬底上形成固定电极；
用电介质薄膜覆盖固定电极；
在第一衬底部分上形成绝缘膜；
在绝缘膜上形成第一电极；
在第一电极上形成第二压电薄膜；
在第二压电薄膜上形成第二电极；
有选择地对第一电极，第二压电薄膜和第二电极进行光刻以形成具有第一电极，第二压电薄膜和第二电极的层叠结构的致动器，并且形成被布置成面对固定电极，机械连接到致动器并且在致动器上支持的活动电极；和
有选择地对绝缘膜进行光刻以在活动电极和固定电极之间形成间隙，并且形成用于支持致动器的第一支持部分。
16.如权利要求15所述的制造压控振荡器的方法，其中第一和第二压电薄膜由相同材料组成。
17.如权利要求15所述的制造压控振荡器的方法，其中每个第一和第二压电薄膜由从包括氮化铝(AlN)，氧化锌(ZnO)和具有钙钛矿结构的铁电材料的组中选择的一个材料组成。
18.如权利要求15所述的制造压控振荡器的方法，其中下部电极，活动电极和第一电极由相同材料组成。
19.如权利要求15所述的制造压控振荡器的方法，其中上部电极和第二电极由相同材料组成。
20.如权利要求15所述的制造压控振荡器的方法，其中下部电极，活动电极，上部电极，第一电极和第二电极的至少一个由从包括铝(Al)，金(Au)，铂(Pt)，铜(Cu)，铱(Ir)，钨(W)和钼(Mo)的组中选择的材料组成。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20050323