DE10007577C1 - Piezoresonator - Google Patents

Abstract

In einem weiten Bereich von HF-Frequenzen abstimmbarer Dünnfilm-Piezoresonator mit einer Piezoschicht (1) zwischen einer ersten Elektrodenschicht (3) und einer zweiten Elektrodenschicht (4), mit einer dritten Elektrodenschicht (5) und mit einer elektroaktiven Schicht (2) aus einem elektrostruktiven Material, das beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Deformation erfährt, zwischen der dritten Elektrodenschicht (5) und der zweiten Elektrodenschicht (4).

Description

Die Erfindung betrifft einen Dünnfilm-Piezo­ resonator, der insbesondere als Filter in BAW-Bauelementen eingesetzt werden kann.

In BAW-Bauelementen (Bulk acoustic wave) wird der piezoelek­ trische Effekt, der in bestimmten Materialien auftritt, aus­ genutzt, um mittels angelegter elektrischer Spannungen in dem Material eine mechanische Spannung zu erzeugen. Umgekehrt er­ zeugen mechanische Verformungen in einem piezoelektrischen Material elektrische Spannungen. Schichten aus piezoelektri­ schem Material, im Folgenden als Piezoschichten bezeichnet, können zu akustischen Schwingungen im Bereich von GHz-Fre­ quenzen angeregt werden, wenn sie eine geeignete Dicke im Be­ reich von einigen Mikrometern aufweisen und zwischen Elektro­ denschichten angeordnet sind. Wird die Piezoschicht akustisch von der Umgebung isoliert, können stehende Wellen erzeugt werden, und das Bauelement kann in Resonanz betrieben werden. Eine Anwendung dieses Prinzips ist von Quarzuhren, Kristall­ filtern und BAW-Filtern bekannt. Die akustische Isolation kann dadurch bewerkstelligt werden, dass die Piezoschicht als dünne Membran angebracht wird, so dass sie ringsum von Luft umgeben ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, akusti­ sche Bragg-Reflektoren als Stapel von Schichten der Dicke ei­ ner viertel Wellenlänge einzusetzen. Die einzelnen Schichten des Bragg-Reflektors sind dabei aus Materialien unterschied­ licher akustischer Impedanzen. Die Dicke der Piezoschicht be­ stimmt wesentlich die Resonanzfrequenz. Daher wirken sich Schichtdickenschwankungen beim Herstellungsprozess deutlich auf die Resonanzeigenschaften eines BAW-Bauelementes aus. In der EP 0 865 157 A2 ist ein BAW-Filter mit zwei als SCF (Stacked Crystal Filter) angeordneten piezoelektrischen Schichten ähnlicher Materialien und Dicke beschrieben.

Bei einem Dünnfilm-Piezoresonator kann die Resonanzfrequenz nachgestimmt werden, indem eine strukturierte Schicht auf die Piezoschicht aufgebracht wird. Statt einer Strukturierung einer einzelnen Schicht kann eine Folge von mehreren unterschiedlich dicken und unstruktu­ rierten Schichten aufgebracht werden, um eine oder mehrere Resonanzfrequenzen zu unterdrücken. Mit angeschlossenen Kapa­ zitäten oder einer angelegten Gleichspannung kann die Reso­ nanzfrequenz verschoben werden. Der Abstimmbereich ist dabei aber sehr gering und für praktische Zwecke kaum ausreichend. Auch bei sehr hohen anliegenden Gleichspannungen ist die re­ lative Längendehnung typischer für Piezoschichten verwendeter Materialien (z. B. ZnO, AlN, PbZrTi) weniger als 0,1%. Mate­ rialien mit effizienterer Längenausdehnung, wie z. B. das Po­ lymer PVDF, sind in dem Bereich hoher Frequenzen ungeeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Piezoresona­ tor anzugeben, der im Bereich von HF-Frequenzen über einen weiten Bereich abstimmbar ist.

Diese Aufgabe wird mit dem Piezoresonator mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Der erfindungsgemäße Piezoresonator verwendet eine Schicht aus zumindest vorwiegend elektrostriktivem elektroaktivem Ma­ terial, im Folgenden als elektroaktive Schicht bezeichnet, um die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen BAW-Resonators abzustimmen. Unter einem elektroaktiven Material ist ein Ma­ terial zu verstehen, das den piezoelektrischen Effekt zeigt oder dessen Umkehrung, die Elektrostriktion, die darin be­ steht, dass beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine me­ chanische Deformation des elektrostriktiven Materiales auf­ tritt. Der Effekt der Elektrostriktion wird z. B. bei einem Quarzkristall ausgenutzt, der durch Anlegen einer elektri­ schen Wechselspannung in resonante Schwingungen versetzt wird. Der piezoelektrische Effekt ermöglicht umgekehrt das Abgreifen einer elektrischen Spannung, falls das piezoelek­ trische Material geeignet deformiert wird. Es gibt rein elek­ trostriktive Materialien, bei denen dieser umgekehrte Effekt nicht oder in nur sehr geringem Ausmaß auftritt, die also bei einer Verformung keine elektrische Spannung erzeugen. Diese Eigenschaft besitzen einige nichtpolare Keramiken, insbeson­ dere PMN (Bleimagnesiumniobat) und eine Reihe von Polymeren (z. B. Polyvinylidenfluoridhexafluoropropylen [P(VF2-HFP)]). Solche in diesem Sinn elektrostriktive Materialien werden be­ vorzugt bei dem erfindungsgemäßen Piezoresonator als elektro­ aktive Schicht eingesetzt. Der Effekt der Elektrostriktion ist in hohem Maße nichtlinear; die mechanische Verformung ist abhängig von dem Quadrat des vorhandenen elektrischen Feldes. Bei dem erfindungsgemäßen Piezoresonator wird die Piezo­ schicht mit einer elektroaktiven Schicht, vorzugsweise aus einem rein elektrostriktiven Material, verbunden, die bei An­ legen einer Gleichspannung in der vertikalen Richtung kontra­ hiert, also gedünnt wird. Damit wird die Resonanzfrequenz des Schichtstapels geändert. Die Piezoschicht ist zwischen Elek­ trodenschichten angeordnet. Die elektroaktive Schicht ist auf einer dieser Elektroden auf der von der Piezoschicht abge­ wandten Seite angeordnet und verfügt über eine dritte Elek­ trodenschicht zum Anlegen der Gleichspannung.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des erfin­ dungsgemäßen Piezoresonators anhand der Fig. 1 bis 3. Die Fig. 1 bis 3 zeigen drei Ausführungsbeispiele des Piezore­ sonators im Querschnitt.

In Fig. 1 ist im Querschnitt der prinzipielle Aufbau des er­ findungsgemäßen Piezoresonators dargestellt. Die Piezo­ schicht 1 befindet sich zwischen einer ersten Elektroden­ schicht 3 und einer zweiten Elektrodenschicht 4. An diese Elektrodenschichten ist eine Wechselspannung 8, das HF- Signal, angelegt. Auf der zweiten Elektrodenschicht 4 befin­ det sich die elektroaktive Schicht 2 mit einer dritten Elek­ trodenschicht 5. An die zweite Elektrodenschicht 4 und die dritte Elektrodenschicht 5 ist die Gleichspannung 7 angelegt, mit der die Abstimmung der Resonanzfrequenz erfolgt.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Piezoschicht 1 über der elektroaktiven Schicht 2 angeord­ net ist. Das Bauelement befindet sich auf einem Substrat 10 und ist dagegen durch einen Bragg-Reflektor akustisch iso­ liert. Dieser Bragg-Reflektor besteht aus einer Schichtfolge von Schichten aus Materialien, die abwechselnd eine niedrige und eine hohe akustische Impedanz aufweisen. In dem in Fig. 2 im Querschnitt dargestellten Beispiel ist eine Schicht 12 aus Material hoher akustischer Impedanz in eine Schicht 11 aus einem Material niedriger akustischer Impedanz eingebettet. Die für das Anlegen der Gleichspannung vorgese­ hene dritte Elektrodenschicht 5 bildet eine weitere Schicht aus einem Material hoher akustischer Impedanz. Die elektroak­ tive Schicht 2 selbst wirkt wieder als Schicht niedriger aku­ stischer Impedanz, so daß in diesem Beispiel die Piezo­ schicht 1 durch eine Schichtfolge aus drei Schichten niedri­ ger akustischer Impedanz alternierend mit Schichten hoher akustischer Impedanz von dem Substrat 10 akustisch isoliert ist. Die dritte Elektrodenschicht 5 ist in diesem Beispiel zwischen der Schicht 11 aus einem Material niedriger akusti­ scher Impedanz und der elektroaktiven Schicht 2 angeordnet. Um den elektrischen Anschluss der dritten Elektrodenschicht 5 zu ermöglichen, befindet sich darauf ein durch ein Kontakt­ loch angeschlossener elektrischer Kontakt 9.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Bragg-Reflektor vorhanden, der durch zwei Schichten 12a, 12b aus einem Material hoher akustischer Impedanz, die im Abstand zueinander in einer Schicht 11 aus einem Material niedriger akustischer Impedanz eingebettet sind, gebildet ist. Darauf befindet sich die erste Elektrodenschicht 3 mit der darauf angeordneten Piezoschicht 1. Die elektroaktive Schicht 2 ist hier auf der von dem Substrat 10 abgewandten Seite der Piezo­ schicht 1 zwischen der zweiten Elektrodenschicht 4 und der dritten Elektrodenschicht 5 angeordnet.

Auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 kann eine elektroaktive Schicht auf der von dem Substrat 10 abgewandten Seite der Piezoschicht 1 zusätzlich zu der dort bereits ein­ gezeichneten elektroaktiven Schicht 2 vorhanden sein. Zum An­ legen der Gleichspannung an diese weitere elektroaktive Schicht muß in diesem Fall eine vierte Elektrodenschicht vor­ handen sein. Damit ist es dann möglich, die Änderung der Re­ sonanzfrequenz mittels auf beiden Seiten der Piezoschicht 1 vorhandener elektroaktiver Schichten herbeizuführen. Das Ab­ stimmen der Resonanzfrequenz wird dadurch ggf. verbessert; es ergeben sich auch zusätzliche Möglichkeiten, das Design der Schichtdicken zu optimieren.

Es ist besonders vorteilhaft, für die elektroaktive Schicht ein rein elektrostriktives Material, das nicht den piezoelek­ trischen Effekt aufweist, zu verwenden. Damit wird erreicht, dass eine Verformung der elektroaktiven Schicht keine Auswir­ kungen auf das an der Piezoschicht anliegende HF-Signal hat. Die Verluste, die das HF-Nutzsignal infolge in der elektroak­ tiven Schicht auftretender Verschiebungsströme erleidet, ha­ ben daher keine verfälschende Rückwirkung auf das HF-Signal.

Mit dem erfindungsgemäßen Piezoresonator läßt sich auf einfa­ che Weise ein wirksam abstimmbares HF-Filter herstellen. Die Grundfrequenz für einen einfachen Resonator mit dünnen Elek­ trodenschichten wird durch die stehende Welle gegeben, deren Wellenlänge gleich der halben Schichtdicke der Piezoschicht ist. Zusätzliche Schichten oder dickere Elektrodenschichten erhöhen die für den Resonator wirksame Gesamtschichtdicke und vermindern die Resonanzfrequenz. Eine dünnere Piezoschicht mit dickeren Elektrodenschichten oder mit zusätzlichen Schichten kombiniert reduziert die Bandweite des Resonators. Durch die Einstellung der jeweiligen Schichtdicken können da­ her die Eigenschaften des Filters in weiten Grenzen einge­ stellt werden. Wegen der Möglichkeit, die Grundfrequenz abzu­ stimmen, ist es dabei nicht erforderlich, in jedem Fall eine möglichst große Bandbreite zu erreichen. Die Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Piezoresonators sind daher wesentlich umfangreicher als die herkömmlicher HF-Filter mit fester Resonanzfrequenz. Auch beim Einsatz in Bauelementen, die für feste Frequenz vorgesehen sind, kann der erfindungs­ gemäße Piezoresonator von Vorteil sein, da die Frequenz unab­ hängig von Fertigungstoleranzen oder Temperaturschwankungen sehr leicht auf einen Sollwert nachgestimmt werden kann. Es genügt dazu, wenn die vereinfachte Ausführungsform gemäß Fig. 2 verwendet wird, bei der die elektroaktive Schicht und die dritte Elektrodenschicht 5 Teil des die akustische Iso­ lierung gegenüber dem Substrat 10 bewirkenden Bragg-Reflek­ tors bilden. Mit dieser einfachen Struktur kann aber bereits ein Abstimmbereich von näherungsweise 2% erreicht werden, was zum Nachstimmen einer festen Frequenz durchaus ausreicht. Die Dicke der elektroaktiven Schicht 2 ist hier vorzugsweise etwa ein Viertel der Wellenlänge der Resonanz.

Des Weiteren ist es möglich, die Schichtdicke der elektroak­ tiven Schicht größer zu machen als ein Viertel der Wellenlän­ ge und den Resonator in einer höheren Eigenschwingungsmode zu betreiben. Dadurch wird zwar die Bandbreite der Resonanz et­ was vermindert, aber der durchstimmbare Bereich gewinnt deut­ lich an Bandbreite. Wenn ein HF-Signal ohne Gleichspannungs­ anteil an die elektroaktive Schicht angelegt wird, beginnt die Schichtstruktur bei der doppelten Resonanzfrequenz zu schwingen. Das liegt daran, dass die Längenausdehnung von dem Quadrat der Spannung abhängt. Diese Schwingungen koppeln über in die Piezoschicht und können an den an der Piezoschicht an­ gebrachten Elektrodenschichten erfasst werden. Wegen der Re­ sonanzeigenschaften der Schichtstruktur ist dieser Effekt be­ sonders ausgeprägt bei bestimmten Frequenzen. Bei diesen Fre­ quenzen lässt sich so mit der erfindungsgemäßen Schichtstruk­ tur eine Frequenzverdopplung oder eine Impedanzanpassung er­ reichen.

Die Elektrodenschichten können Materialien sein, wie sie von Metallisierungen auf Halbleiterbaulementen im Prinzip bekannt sind, wie z. B. Aluminium, Wolfram, Platin oder Molybdän. Vor dem Aufbringen der übrigen Schichten werden ggf. Schichten auf die Elektrodenschichten aufgebracht, die das Aufbringen oder Aufwachsen der weiteren Schichten erleichtern. Ein Sub­ strat 10 ist typisch aus Silizium, Glas oder Galliumarsenid. Materialien niedriger akustischer Impedanz sind z. B. SiO₂ oder Si₃N₄. Materialien hoher akustischer Impedanz sind z. B. Wolfram oder Molybdän. Für die Piezoschicht können AlN, ZnO, PZT-Keramik (PbZrTi) oder Abwandlungen davon verwendet wer­ den. Die elektroaktive Schicht ist vorzugsweise PMN (Bleima­ gnesiumniobat), das z. B. aufgestäubt (sputter) oder aufge­ dampft (CVD, Chemical Vapor Deposition) oder mittels des so­ genannten Sol-Gel-Prozesses hergestellt werden kann. Außerdem kann ein Polymer wie das genannte P(VF2-HFP) als elektroakti­ ve Schicht verwendet werden.

Claims (6)

1. Dünnfilm-Piezoresonator mit einer Piezoschicht (1) zwi­ schen einer ersten Elektrodenschicht (3) und einer zweiten Elektrodenschicht (4), dadurch gekennzeichnet, dass
eine dritte Elektrodenschicht (5) und eine elektroaktive oder elektrostriktive Schicht (2) zwischen der dritten Elektroden­ schicht (5) und der zweiten Elektrodenschicht (4) vorhanden sind,
wobei das Material der elektroaktiven oder elektrostriktiven Schicht so gewählt ist, dass durch Anlegen einer Gleichspan­ nung zwischen der zweiten Elektrodenschicht und der dritten Elektrodenschicht eine Kontraktion der elektroaktiven oder elektrostriktiven Schicht in der vertikalen Richtung bezüg­ lich der Schichtebenen so herbeigeführt werden kann, dass die Resonanzfrequenz des Schichtstapels für eine Abstimmung des Piezoresonators geändert wird.

2. Piezoresonator nach Anspruch 1, bei dem die Piezoschicht (1) und die elektroaktive oder elektrostrik­ tive Schicht (2) auf einer Folge (11, 12; 12a, 12b) von Schich­ ten angeordnet sind, die abwechselnd aus einem Material nied­ riger akustischer Impedanz und aus einem Material hoher aku­ stischer Impedanz bestehen.

3. Piezoresonator nach Anspruch 2, bei dem
die elektroaktive oder elektrostriktive Schicht (2) als wei­ tere Schicht niedriger akustischer Impedanz vorgesehen ist und
die dritte Elektrodenschicht (5) als weitere Schicht hoher akustischer Impedanz vorgesehen ist.

4. Piezoresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die elektroaktive oder elektrostriktive Schicht (2) Bleima­ gnesiumniobat ist.

5. Piezoresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die elektroaktive oder elektrostriktive Schicht (2) ein Poly­ mer ist.

6. Piezoresonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Piezoschicht (1) AlN, ZnO oder eine PZT-Keramik (PbZrTi) ist.