CN1956324A - 压电薄膜谐振器及滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了压电薄膜谐振器及滤波器。该压电薄膜谐振器包括构建于基板上的下电极，在该下电极和基板之间限定了圆形穹状空腔；设置于下电极之上的压电膜，以及设置于压电膜上的上电极。隔膜区域是下电极和上电极隔着压电膜的交叠区域，空腔在所述基板上的投影区域包含了该隔膜区域。

Description

压电薄膜谐振器及滤波器
技术领域
本发明总体上涉及压电薄膜谐振器和滤波器，尤其涉及一种具有穹状空腔的压电薄膜谐振器及滤波器。
背景技术
随着以移动电话为代表的无线设备的普及，对小型且轻质的谐振器以及包含了组合使用的谐振器的滤波器的需求日益增长。尽管到目前为止主要使用的还是电介质滤波器和表面声波(SAW)滤波器，但近来，压电薄膜谐振器以及包含组合使用的压电薄膜谐振器的滤波器成为关注的焦点。这是因为压电薄膜谐振器具有很好的特性(尤其是高频)，可以缩小尺寸，而且可以被制作在单片设备中。
薄膜腔声谐振器(FBAR)是上述压电薄膜谐振器中已知的一种。FBAR的主要构件部分是层状结构体(复合式隔膜)，其中包括：上电极(膜)、压电膜，以及下电极(膜)。在下电极下方的区域中形成有通孔或空腔，在该处上电极和下电极彼此相对。这样的通孔或空腔是通过对作为设备基板的硅基板的背面进行湿法或干法蚀刻，或者是对设置在硅基板表面上的牺牲层进行湿法蚀刻来形成的。
当在上电极和下电极之间施加高频电信号时，则在压电膜中，弹性波被反压电效应激励出来或因压电效应而导致的形变产生出来。该弹性波被转化为电信号。上述弹性波完全被上电极与空气相接触的表面和下电极与空气相接触的表面所反射，产生了在厚度方向上具有主位移的纵向模式厚度激励。在上述器件结构中，在薄膜结构的总的膜厚度H等于弹性波的1/2波长的整数倍(n倍)的频率下发生谐振，其中，薄膜结构的主要构件部分包括：上电极膜、压电膜和下电极膜，都形成在空腔上方。弹性波的传播速度V根据材料而变化，其谐振频率表示为F＝nV/2H。利用这种谐振现象，可以将膜厚度作为参数来控制谐振频率，从而可以制造出具有所需频率特性的谐振器和滤波器。
铝(Al)、铜(Cu)、钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(RH)、铱(Ir)、铬(Cr)、钛(Ti)之类的材料可以用作上电极或下电极的金属材料。另选地，也可以采用上述物质的组合作为分层材料。另外，氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、钛酸铅(PbTiO3)等可以用作压电膜的材料。具体地，采用主轴取向为(002)平面的氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO)是理想的。此外，可以采用硅、玻璃或GaAs等作为器件基板。
如上所述，在具有上述构造的压电薄膜谐振器中，通孔或空腔必须设置于下电极(或电介质膜)的正下方。在下文中，通孔指的是从基板的后部穿过前表面的开孔，空腔指的是存在于基板表面附近或者下电极膜(电介质膜)正下方的空隙。传统的压电薄膜谐振器可以分为通孔型和空腔型。
图1是示意性地示出了文献Electron.Lett.，1981，Number 17，PP507-509中描述的传统压电薄膜谐振器(传统示例1)的结构的剖视图。在该结构中，在具有热氧化膜(SiO2)12的(100)硅基板11上，设置有层状结构，其包括：作为下电极13的金-铬膜，作为压电膜14的氧化锌膜，以及作为上电极15的铝膜。通孔16形成于该层状结构的下方。该通孔16是通过在(100)硅基板11的后部进行各向异性蚀刻而形成的，该工艺使用了氢氧化钾水溶液或二胺磷苯二酚(EDP)水溶液，其为包含了乙二胺、邻苯二酚和水的混合液体。
图1中所示的通孔型压电薄膜谐振器存在如下缺陷。第一，上述的各向异性蚀刻利用了硅基板的(100)平面的蚀刻速率在某种程度上高于(111)平面的速率的特性。因此，只要(100)平面是该硅基板的切割面，各向异性蚀刻就是有效的方法。第二，该通孔不可避免地具有倾斜角为54.7度的侧壁，这个角是由(100)平面和(111)平面相交而形成的。这就很难阻止器件的尺寸变大，同时通过对硅基板后部的某一区域进行广泛地蚀刻而形成的通孔降低了机械强度。第三，当该滤波器设计为上述的多个压电薄膜谐振器相邻排列的方式时，难以使得这些谐振器分别地小型化，因而该滤波器不能够做小到适合实际使用的尺寸。第四，在硅基板上形成的通孔成为在单基板上制造其他如电感或电容等设备的障碍，增加了集成的困难。第五，需要特别注意避免在低强度设备上在将硅基板分割为各个芯片的切割工艺或将芯片安装到封装件中的封装工艺中的损坏。
同时，空腔型的压电薄膜谐振器具有层状结构，包括上电极、压电膜以及设置在牺牲层上的下电极(如果需要，还具有电介质膜)，空腔是通过蚀刻掉该牺牲层而形成的。
图2是示意性地示出了对日本专利申请公报第60-189307号中披露的上述空腔型压电薄膜谐振器(传统示例2)结构的剖视图。在上述的结构中，下电极23、压电膜24和上电极25被设置在具有热氧化膜(SiO2)22的基板21上来形成层状结构。空腔26被设置于层状结构的下方。该空腔是通过下述方式来形成的：预先对岛状的氧化锌牺牲层进行构图，在经如此构图的牺牲层上设置上述的层状结构，然后用酸除去位于层状结构下方的牺牲层。
通常来说，在利用了纵向模式厚度激励的压电薄膜谐振器(例如FBAR)中，为了获得优异的谐振特性，该压电膜具有优异的方向性是一个前提条件。在大多数情况下，考虑到振荡位移和隔膜部分的偏移，空腔的深度需要几微米到几十微米。然而，在形成了上述厚的牺牲层后，表面变得粗糙，在牺牲层上成长的上下电极23和压电膜24的方向性被极大劣化。包括上电极25、压电膜24和下电极23的层状体被设置于桥状的、从二氧化硅膜22向上突起的基本膜上。这就导致了一个问题：对于机械振动的强度不足，因而在实际使用中的可靠性不够。
图3是示意性地示出了日本专利申请公报第2000-69594号中披露的压电薄膜谐振器(传统示例3)的剖视图，是一种解决方向性问题的方法。层状结构设计为下电极33、压电膜34、上电极35形成于具有热氧化膜(SiO2)32的硅基板31上，并且空腔36形成于该层状结构下方。这种构成的压电薄膜谐振器如下地制造。
首先，通过对硅基板31表面上一个区域进行蚀刻而形成凹部，然后，热氧化膜(SiO2)32被设置于硅基板31的表面上，用来阻止用作牺牲层的磷硅酸盐玻璃(PSG)中的磷扩散到硅基板31中。在牺牲层的PSG被沉积之后，要进行磨光和清洗来完成表面的抛光(mirror finishing)。随后，下电极33、压电膜34和上电极35被顺序堆叠，最后除去PSG。然而，在上述的压电薄膜谐振器制造方法中，制造成本很高。此外，该制造方法包括很麻烦的磨光工艺，该工艺需要除去浆渣(slurry residue)的工艺，从而由于许多的制造工艺而导致了生产率的低下。
发明内容
鉴于以上情况提出了本发明，本发明提供了一种压电薄膜谐振器和滤波器，具有优异的机械强度、可靠性和生产率，同时在压电膜上具有优异的方向性，以及杰出的性能。
根据本发明的一个方面，提供了一种压电薄膜谐振器，其包括：形成在基板上的下电极，在所述下电极和所述基板之间限定了圆形穹状空腔；设置在所述下电极上的压电膜；以及设置在所述压电膜上的上电极。隔膜区域是所述下电极和所述上电极隔着所述压电膜的交叠区域；所述空腔在所述基板上的投影区域包含了所述隔膜区域。本发明可提供一种压电薄膜谐振器，其具有优异的机械强度、可靠性和生产率，并具有压电薄膜的优异方向性，以及杰出的性能。
根据本发明的另一个方面，提供了一种包含组合使用的多个上述薄膜谐振器的滤波器。
附图简述
将参照以下附图对本发明的优选实施例进行详细描述，其中：
图1是示意性地示出了传统示例1中的传统压电薄膜谐振器的结构的剖视图；
图2是示意性地示出了传统示例2中的传统压电薄膜谐振器的结构的剖视图；
图3是示意性地示出了传统示例3中的传统压电薄膜谐振器的结构的剖视图；
图4A是依据本发明第一示例性实施例的压电薄膜谐振器的平面图；
图4B是图4A中沿着所示的线A-A的剖视图；
图4C是图4A中沿着所示的线B-B的剖视图；
图5A到图5H是示出了依据本发明第一示例性实施例的压电薄膜谐振器的制造工艺的剖视图；
图6A到图6C是示出了牺牲层和隔膜区域的平面图；
图7是示出了在本发明第一示例性实施例中采用的压电薄膜谐振器的机电耦合系数的图；
图8A和图8B示出了在本发明第一示例性实施例中所采用的变型例；
图9A是依据本发明第二示例性实施例的滤波器的顶视图；
图9B是图9A中沿着所示的线A’-A’的剖视图；以及
图10是示出了在本发明第二示例性实施例中采用的滤波器的通带特性的图。
具体实施方式
参照附图，现在给出本发明示例性实施例的描述。
(第一示例性实施例)
图4A是依据本发明第一示例性实施例的压电薄膜谐振器的平面图。图4B是图4A中沿着所示的线A-A的剖视图。图4C是沿着图4A中所示的线B-B的剖视图。参见图4A到图4C，在硅基板41上形成下电极43，而在基板41和下电极43之间提供圆形穹状的空腔46。该圆形穹状的空腔46形成为这样的方式：该空腔46外围比较低，朝着中心的方向变高。下电极43、压电膜44和上电极45构成了复合式隔膜。下电极43和上电极45可以使用钌，压电膜44可以使用氮化铝并且其主轴取向为(002)方向。隔膜区域对应于下电极43和上电极45隔着压电膜44的交叠区域。如图4A所示，下电极43被设置具有沿着B-B方向的引入路径49，用来蚀刻牺牲层，这将在后面进行描述。引入路径49的末端及其附近没有被压电膜44覆盖，下电极43还在引入路径49的末端设置有开孔47。压电膜44设置有将下电极43电耦合到外侧的开口。
图5A到图5H是示出了依据本发明第一示例性实施例的压电薄膜谐振器的制造工艺的剖视图；图5A到图5D是沿图4A中所示的线A-A的剖视图。图5E到图5H是沿图4A中所示的线B-B的剖视图。现在参见图5A和图5E，牺牲层48诸如由氧化镁之类制成，具有大约20纳米的厚度，例如通过溅射或气相沉积方法来沉积到硅基板41之上。除上述硅基板之外，石英基板、玻璃基板和GaAs基板等也可以用作基板41。具体地，不同于传统示例1和3，当空腔46形成时，基板41并没有被蚀刻。这就使得在本示例性实施例中可以使用难以进行蚀刻的基板。优选地，易溶于蚀刻剂的物质，比如氧化锌、锗、钛之类可以被用作牺牲层48。通过使用光刻和蚀刻技术，牺牲层48被形成为具有给定的形状。
在此处，图6A是这样的平面图，其示出了其中形成有牺牲层48的区域(在下文中，简称为牺牲层48)，以及将成为隔膜区域50的另一区域(在下文中，简称为隔膜区域50)。牺牲层48被设置为包括了隔膜区域50。有两条引入路径49来引入蚀刻剂以去除牺牲层48。可以设置一条、三条或更多条的引入路径。
参照图5B和图5F，下电极43是由钌制成的，具有100纳米的厚度，是利用溅射方法，在氩气氛中、在大约0.6帕到1.2帕的压力下形成的。上述的金属可以被用作下电极43。通过使用光刻和离子研磨技术，下电极43被形成为具有给定的形状。图6B是示出了此时的牺牲层48和隔膜区域50平面视图。没有在其上设置下电极43的牺牲层48在蚀刻下电极43之时被除去。结果是，在图6B的左侧，牺牲层48的轮廓对应于下电极43的形状的轮廓，也就是，隔膜区域50的轮廓。同时，在图6B的右侧，将成为下电极43的区域覆盖了由隔膜区域50及其周边组成的牺牲层48。由于这个原因，在下电极43蚀刻的过程中，隔膜区域50周边的牺牲层48没有被除去。因此，在隔膜区域50的左侧，牺牲层48的轮廓对应于隔膜区域50的轮廓。在隔膜区域50的右侧，牺牲层48包括了隔膜区域50。开孔47形成在引入路径49的末端。开孔47可以稍后形成。
参照图5C和图5G，压电膜44是由主轴取向为(002)方向的氮化铝制成的，具有大约400纳米的厚度，通过溅射方法、在包含了氩和氮气的混和气氛中，在大约0.3帕的压力下形成在下电极43和基板41之上。上电极45是由钌制成的，具有大约100纳米的厚度，通过溅射方法，在氩气氛中在大约0.6帕到1.2帕的压力下形成于压电膜44之上。诸如氧化锌之类的压电材料可以被用作所述的压电膜44。与下电极43类似的金属可以被用作上电极45。通过使用光刻和蚀刻技术，上电极45和压电膜44被形成为具有给定的形状。此时，如图5C所示，在位于下电极43之上的压电膜44中设置开孔，从而将下电极43电耦合到外侧。如图5G所示，无论是压电膜44还是上电极45都没有被设置在引入路径49的末端。
参照图5D和图5H，用来蚀刻牺牲层48的蚀刻剂是从开孔47经由引入路径49引入而除去牺牲层48的。这里，包括下电极43、压电膜44、以及上电极45的复合式隔膜被构成为施加压应力(compression stress)。这就使得当对牺牲层48的蚀刻工艺完成时复合式隔膜膨胀而形成位于下电极43和基板41之间的空腔46。该空腔是穹状的，且在复合式隔膜的侧面呈圆形。此处，在该第一示例性实施例中，复合式隔膜的压应力被设计为-300兆帕。
图6C说明了在第一个实施例所用的压电薄膜谐振器中的隔膜区域50以及空腔46在基板41上的投影区域(在下文中，简称为空腔46)。该隔膜区域50具有椭圆形状。在图6C的左侧，与上电极45相关联的隔膜区域50的轮廓与空腔46的轮廓一致。同时，与下电极43相关联的隔膜区域50的轮廓被包含于空腔46的轮廓内。空腔46在基板41上的投影区域包含了该隔膜区域50。此处，LE表示隔膜区域50在纵向方向的宽度，WE表示隔膜区域50在横向方向的宽度，LS表示空腔46在纵向方向的宽度，WS表示空腔46在横向方向的宽度。在第一示例性实施例中，比如说，LE被设置为150微米，WE被设置为125微米。在图5B和图5F中，在下电极43被蚀刻的同时，牺牲层48也被蚀刻了。所以，隔膜区域50的轮廓对应于图6C中空腔46左侧的空腔46的轮廓。隔膜区域50的轮廓可以被构成为包含同样在空腔46左侧的空腔46的轮廓，从而使得在下电极43被蚀刻时牺牲层48不被蚀刻。
图7是针对从空腔的尺寸(LS)中减去隔膜区域的尺寸(LE)之后的值，示出了压电薄膜谐振器机电耦合系数的图。此处，LS-LE大概是WS-WE的两倍。当LS-LE越大时，该机电耦合系数变得越大。本发明的发明人已经发现，当LS-LE大概等于10微米时，该机电耦合系数是优异的。该机电耦合系数可以通过在空腔46中包含隔膜区域50来增加，从而增加其谐振特性。同时，当圆形穹状的空腔46比隔膜区域50小的时候，空腔46的形状是有缺陷的，或者即便当该空腔能被形成时，插入损耗也将被恶化。不能提供稳定的谐振特性。
在该第一示例性实施例中，空腔46在复合式隔膜的侧面是穹状的。这就消除了蚀刻基板41的必要性，这与传统示例1和2不同，从而可以提高生产率。机械强度同样可以被提高。此外，用来形成空腔46的区域可以被制造得很小，这在集成时是比较有用的。空腔46的尺寸可以制造得比传统示例2中的更小，从而抑制了因复合式隔膜的机械振动而造成的可靠性的退化。用来形成空腔46的牺牲层48可以被做的更薄，从而以与传统示例1和3相类似的方法确保了压电膜44的优异的取向性。此外，如图7所示，空腔46在基板41上的投影区域包括了隔膜区域50，提高了压电薄膜谐振器的谐振特性，从而获得其杰出的性能。
在第一示例性实施例中，优选地，空腔46在基板41上的投影区域的轮廓包含了一条曲线。这是因为该曲线可以抑制压力在特定一侧的集中。这既可以确保复合式隔膜的强度，而且可以减少谐振特性的变化。更优选地，整个轮廓由一条或更多条曲线制成。使用椭圆或圆形是优选的，这是因为压力不集中。比如，图8A是示出了下电极43a，上电极45a以及空腔46a的示例。该空腔46a可以被构成为具有曲线的四个侧边(方形)，如图8A所示。除了上述的方形形状，空腔46a可以采用由曲线构成的多边形形状。图8B是示出了下电极43b，上电极45b，以及空腔46b的示例。空腔46b在基板41的投影区域具有由互不平行的边组成的多边形形状。同样在上面提到的例子中，可抑制压力在特定一侧集中。
另外，如在第一示例性实施例中，隔膜区域的轮廓为曲线是优选的。这是因为横向振动的影响可以被减少。椭圆或圆形是优选的，以减少横向振动的影响。比如说，如图8A中所示，隔膜区域(也就是下电极43a和上电极45a的交叠区域)可能具有由弯曲边构成的多边形形状。同样，如图8B中所示，隔膜区域(也就是下电极43b和上电极45b的交叠区域)可能具有由互不平行的边组成的多边形形状。同样在上述的例子中，横向振动的影响可以被减少。
包括了下电极43、压电膜44和上电极45的复合式隔膜被构成为施加压应力。这就使得可形成圆形穹状空腔46而不坍陷。开孔47被设置于下电极43内。圆形穹状空腔46可以通过使用开孔47对牺牲层48进行蚀刻来形成。
具有优异谐振特性的压电薄膜谐振器可以由使用主轴取向为(002)平面的氮化铝或氧化锌提供。
(第二示例性实施例)
本发明的第二示例性实施例是包含了多个第一示例性实施例中采用的压电薄膜谐振器的滤波器的示例。图9A是依据本发明第二示例性实施例的滤波器的顶视图。图9B是沿着图9A中所示的线A’-A’的剖视图。在该第二示例性实施例中，和第一示例性实施例中采用的相同的组件和构造具有同样的附图标记，将略去对其的详细解释。图9中所示的滤波器是由四个串联臂谐振器和三个并联臂谐振器组成的梯型滤波器。S1到S4是串联臂谐振器的隔膜区域，P1到P3是并联臂谐振器的隔膜区域。压电膜44被设置了将被电耦合到下电极43的开孔52。每个上述的谐振器都有圆形穹状的空腔46和隔膜区域。另外的膜(未示出)是由例如钛制成的，被形成于隔膜区域P1到P3的上电极45上，以减少并联臂谐振器的谐振频率，从而获带通滤波器的特性。
图10是示出了第二示例性实施例中采用的滤波器的通带特性的图，说明了其相对频率的衰减。在图10中，该示例性实施例代表了在第二示例性实施例中采用的滤波器特性，对比例代表了除隔膜区域的形状与空腔的形状相一致之外具有与第二个实施例一样的构成的滤波器。如图10中所示，在该第二示例性实施例中，在通带上，通带特性被改善了。由于改进了的谐振器的机电耦合系数，在通带中的波动(ripple)同样得到了改进。根据本发明的发明者的实验，在除圆形穹状的空腔46比隔膜区域50更小之外与第二示例性实施例相同的滤波器中，空腔46的形状是有缺陷的，或者即便当该空腔能被形成时，插入损耗也将被恶化。不能得到稳定的特性。然而，在第二示例性实施例中采用的滤波器中可以获得优异的特性。第一示例性实施例中采用的压电薄膜谐振器可以被应用到梯型滤波器之外的任何滤波器。同样在上述的情况下，滤波器的特性可以被改进。
如上所述，通过将滤波器构成为包含多个第一示例性实施例中采用的压电薄膜谐振器，可能获得在机械强度、可靠性和生产率等方面优异的滤波器，同时其具有压电膜优异的取向性和优异的性能。
本发明基于2005年10月27日提交的日本专利申请No.2005-312094，这里通过引用并入其全部公开内容。

Claims (9)

1.一种压电薄膜谐振器，所述压电薄膜谐振器包括：
形成在基板上的下电极，在所述下电极和所述基板之间限定了圆形穹状空腔；
设置在所述下电极上的压电膜；以及
设置在所述压电膜上的上电极，其中：
隔膜区域包括隔着所述压电膜的所述下电极和所述上电极的交叠区域；
所述空腔在所述基板上的投影区域包含了所述隔膜区域。
2.根据权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其中所述空腔的投影区域的轮廓包括曲线。
3.根据权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其中所述空腔的投影区域的轮廓是由互不平行的边组成的多边形。
4.根据权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其中所述隔膜区域的轮廓由曲线构成。
5.根据权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其中所述隔膜区域的轮廓是由互不平行的边组成的多边形。
6.根据权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其中由所述下电极、所述压电膜，以及所述上电极组成的复合式隔膜施加压应力。
7.根据权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其中在所述下电极上设置有开孔。
8.根据权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其中所述压电膜可以是主轴取向为(002)方向的氮化铝和氧化锌中的任意一种。
9.一种具有组合使用的多个薄膜谐振器的滤波器，每个所述的压电薄膜谐振器包括：
形成在基板上的下电极，在所述下电极和所述基板之间限定了圆形穹状空腔；
设置在所述下电极上的压电膜；以及
设置在所述压电膜上的上电极，其中：
隔膜区域是隔着所述压电膜的所述下电极和所述上电极的交叠区域；
所述空腔在所述基板上的投影区域包含了所述隔膜区域。
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