DE102004050507B4

DE102004050507B4 - Piezoelektrischer Dünnfilmresonator und diesen nutzendes Filter

Info

Publication number: DE102004050507B4
Application number: DE102004050507A
Authority: DE
Inventors: Tokihiro Kanagawa Nishihara; Tsuyoshi Kanagawa Yokoyama; Takeshi Kanagawa Sakashita; Masafumi Kanagawa Iwaki; Tsutomu Kanagawa Miyashita
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2024-10-16
Also published as: US20050099094A1; KR100740746B1; CN1610254A; USRE41813E1; KR20050037966A; JP2005124107A; DE102004050507A1; CN100474766C; US7211931B2; JP4024741B2

Abstract

Piezoelektrischer Dünnfilmresonator, mit: einem Substrat; einer unteren Elektrode, die auf dem Substrat angeordnet ist; einem piezoelektrischen Film, der auf der unteren Elektrode angeordnet ist; und einer oberen Elektrode, die auf dem piezoelektrischen Film angeordnet ist, wobei ein Hohlraum im Substrat vorgesehen und unter der unteren Elektrode in einem Bereich gelegen ist, in welchem die obere Elektrode über den piezoelektrischen Film mit der unteren Elektrode überlappt, wobei der Bereich und ein Querschnitt des Hohlraums eine elliptische Form aufweisen, 1 < a/b < 1,9 erfüllt ist und a eine Hauptachse der elliptischen Form und b deren Nebenachse ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf einen piezoelektrischen Dünnfilmresonator und ein diesen nutzendes Filter.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Drahtlose Einrichtungen, wie sie von Mobiltelefonen repräsentiert werden, haben sich schnell verbreitet, und es besteht ein zunehmender Bedarf an einem verkleinerten und leichten Resonator und einem damit ausgestatteten Filter. Eine dielektrische Substanz und eine akustische Oberflächenwelle wurden bislang weitgehend genutzt; der piezoelektrische Dünnfilmresonator und das damit ausgestattete Filter haben jedoch ausgezeichnete Hochfrequenzeigenschaften, können verkleinert und in eine monolithische Schaltung eingebaut werden. Daher ziehen der piezoelektrische Dünnfilmresonator und das diesen nutzende Filter Aufmerksamkeit auf sich.
Der piezoelektrische Dünnfilmresonator kann in einen FBAR-(Film Bulk Acoustic Resonator)-Typ und SMR-(Solidly Mounted Resonator)-Typ kategorisiert werden. Der FBAR-Typ enthält auf einem Substrat von oben Hauptkomponenten, nämlich eine obere Elektrode, einen piezoelektrischen Film und eine untere Elektrode. Es gibt einen Hohlraum unter der unteren Elektrode, die mit der oberen Elektrode über den piezoelektrischen Film überdeckt ist. Der Hohlraum wird durch Nassätzen einer Opferschicht auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats, Nass- oder Trockenätzen von der Rückseite des Siliziumsubstrats oder dergleichen definiert. In der vorliegenden Beschreibung ist eine Membran als eine filmlaminierte Struktur definiert, die über dem Hohlraum liegt, und eine Hauptkomponente, die aus der unteren Elektrode, dem piezoelektrischen Film und der oberen Elektrode besteht. Der SMR-Typ nutzt anstelle des Hohlraums einen akustischen Reflektor, welcher akustische Reflektor aus Filmen mit hohen und niedrigen akustischen Impedanzen besteht, die mit einer Filmdicke von λ/4 abwechselnd laminiert sind, wobei λ eine Wellenlänge einer elastischen Welle ist.
Wenn ein elektrisches Signal mit hoher Frequenz über die obere Elektrode und die untere Elektrode angelegt wird, wird im Inneren des zwischen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode sandwichartig angeordneten piezoelektrischen Films infolge des inversen piezoelektrischen Effekts eine elastische Welle angelegt. Unterdessen wird eine durch die elastische Welle erzeugte Verzerrung aufgrund des piezoelektrischen Effekts in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die elastische Welle wird durch die Oberflächen der oberen und unteren Elektrode totalreflektiert, die jeweils eine Grenzfläche mit Luft aufweisen, und wird folglich in einer Welle mit Ausdehnung in Richtung der Dicke mit einer Hauptverschiebung in Richtung der Dicke umgewandelt. In der oben erwähnten Struktur tritt eine Resonanz bei Frequenzen auf, bei denen die gesamte Dicke H der Membran gleich ganzzahligen Vielfachen (n mal) der halben Wellenlänge der elastischen Welle ist. Wenn die Fortpflanzungsgeschwindigkeit, die von Materialien abhängig ist, als V bezeichnet wird, wird die Resonanzfrequenz F beschrieben als F = nV/2H. Der Resonator und das Filter mit gewünschten Frequenzcharakteristiken können hergestellt werden, indem die Resonanz genutzt und die Resonanzfrequenz mit der Filmdicke gesteuert wird.
Materialien für die Elektroden können z. B. Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Molybdän (Mo), Wolfram (W), Tantal (Ta), Platin (Pt), Rhodium (Rh) oder Iridium (Ir) sein. Materialien für piezoelektrische Filme können z. B. Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Bleizirkonattitanat (PZT) oder Bleititanat (PbTiO₃) sein. Das Substrat kann aus Silizium, Glas oder dergleichen hergestellt sein.
Zusätzlich zu der Welle mit Ausdehnung in Richtung der Dicke weist jedoch der oben erwähnte piezoelektrische Dünnfilmresonator unerwünschte Wellen der lateralen Mode auf, die parallel mit der Elektrodenoberfläche fortgepflanzt und durch die Grenzflächen oder einen Rand des Hohlraums reflektiert werden. Dies erzeugt in nachteiliger Weise eine unnötige störende Komponenten in den Impedanzcharakteristiken des Resonators oder eine Welligkeit im Durchlassbereich des Filters. Dies schafft ein Problem in einer Anwendung. Um solche nachteiligen Einflüsse zu unterdrücken, die durch die Welle der lateralen Mode hervorgerufen werden, offenbaren die US 6,150,703 (worauf im folgenden als Dokument 1 verwiesen wird) und die US 6,215,375 (worauf im folgenden als Dokument 2 verwiesen wird) piezoelektrische Dünnfilmresonatoren mit Elektroden, die nicht-quadratische und irreguläre Polygone einschließen, worin beliebige zwei Seiten nicht parallel sind. In den vorgeschlagenen piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren werden die von beliebigen Punkten reflektierten Wellen einer lateralen Mode reflektiert und breiten sich in von den vorherigen Richtungen verschiedenen Richtungen aus. Die Wellen der lateralen Mode treten somit nicht in Resonanz, so dass das oben erwähnte Problem effektiv gelöst werden kann. Um ein ähnliches Problem zu lösen, offenbart außerdem die japanische Veröffentlichung einer Patentanmeldung JP 2003-133892 (worauf im folgenden als Dokument 3 verwiesen wird) einen piezoelektrischen Dünnfilmresonator mit einer oberen Elektrode mit elliptischer Form. Die obere Elektrode erfüllt 1,9 < a/b < 5,0, wobei a die Hauptachse der elliptischen Form und b deren Nebenachse ist.
Die Strukturen und Konfigurationen der Dokumente 1, 2 und 3 sind beim Lösen der oben erwähnten Probleme sicher effektiv. Im Gegensatz dazu verschlechtern jedoch die vorgeschlagenen Strukturen und Konfigurationen die Festigkeit der Membran oder die Leistungsfähigkeit des Hohlraums. Dies wird im folgenden beschrieben. Die Dicke der Membran, die von der Schallgeschwindigkeit des Materials abhängig ist, ist in einem drahtlosen System mit einem Frequenzbereich von 900 MHz bis 5 GHz mit ungefähr bis zu 0,5 bis 3 μm sehr dünn. Eine unerwartete äußere Kraft beschädigt die Membran leicht, und es ist somit wichtig, die Technik, um die Festigkeit zu verbessern, zu berücksichtigen.
Eine Lösung besteht darin, die durch innere Spannung hervorgerufene Beschädigung der Membran zu reduzieren, indem die innere Spannung jedes Films zum Zeitpunkt der Ausbildung des Films reduziert wird. Die Untersuchung der Erfinder zeigt jedoch, dass Piezoelektrizität verbessert wird, wenn Druckspannung auf den piezoelektrischen Film ausgeübt wird, und eine Resonanzcharakteristik mit einem großen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (K²) kann erhalten werden. Von diesem Gesichtspunkt aus ist die Membran mit Druckspannung sehr effektiv, falls eine Technik zur Verfügung steht, um eine gewünschte Festigkeit der Membran zu erzielen. Eines der effektiven Verfahren besteht darin, die Membran so zu entwerfen, dass eine Spannung gleichmäßig an die Membran angelegt oder die Membran durch die gleiche innere Spannung nicht einfach beschädigt wird. Unglücklicherweise hat jedes der Dokumente 1, 2 und 3 eine strukturell unausgeglichene Symmetrie, und die auf die Membran ausgeübte Kraft ist nicht gleich. Folglich wird die Membran leicht verzerrt und beschädigt. Dies hat ein ernsthaftes Problem zur Folge, dass Resonanzcharakteristiken und Filtercharakteristiken eine große Unregelmäßigkeit zeigen.
Der Hohlraum hat vorzugsweise die gleiche Form wie die des Bereichs, in welchem die obere Elektrode mit der unteren Elektrode überlappt, und hat eine ähnliche Größe wie diejenige des Bereichs. Falls die Größe des Hohlraums viel größer als die des überlappenden Bereichs ist, wird die Membran leicht beschädigt. Folglich wird dies nicht empfohlen. Außerdem ist die Leistungsfähigkeit der Hohlräume, die in den Dokumenten 1 bis 3 offenbart sind, nicht gut. Die in den Dokumenten 1 und 2 beschriebenen Hohlräume weisen Ecken auf. Der in de Dokument 3 beschriebene Hohlraum hat eine elliptische Form mit einem Verhältnis a/b von bis zu 1,9 < a/b < 5,0, wobei die Länge der Hauptachse als a bezeichnet ist und diejenige der Nebenachse als b bezeichnet ist. Das heißt, die gewünschte Größe des Hohlraums kann nicht erhalten werden, weil die Ätzgeschwindigkeit an den Ecken des Hohlraums niedrig ist. Die im Dokument 3 offenbarte untere Elektrode hat ein ansehnlich großes Ausmaß verglichen mit demjenigen der oberen Elektrode. Dies hat eine Streukapazität zwischen den überlappenden Verlängerungen der oberen Elektrode und unteren Elektrode zur Folge und verschlechtert den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (K²).
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen Umstände gemacht und liefert einen piezoelektrischen Dünnfilmresonator und ein Filter, das diesen nutzt.
Konkreter liefert die vorliegende Erfindung einen piezoelektrischen Dünnfilmresonator und ein Filter, das mit diesem ausgestattet ist, die eine geringe Unregelmäßigkeit in Charakteristiken zeigen, indem eine Struktur verwendet wird, die es möglich macht, die durch die Wellen lateraler Moden hervorgerufenen nachteiligen Einflüsse zu unterdrücken und eine ausreichende Festigkeit der Membran und ausgezeichnete Leistungsfähigkeit des Hohlraums zu erzielen.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein piezoelektrischer Dünnfilmresonator geschaffen, der ein Substrat, eine auf dem Substrat angeordnete untere Elektrode, einen auf der unteren Elektrode angeordneten piezoelektrischen Film und eine obere Elektrode umfasst, die auf dem piezoelektrischen Film angeordnet ist. Ein Hohlraum ist in dem Substrat vorgesehen und angeordnet unter den unteren Elektroden in einem Bereich, in welchem die obere Elektrode über den piezoelektrischen Film mit der unteren Elektrode überlappt. Der Bereich und der Querschnitt des Hohlraums hat eine elliptische Form und 1 < a/b < 1,9 ist erfüllt, wobei a eine Hauptachse der elliptischen Form und b deren Nebenachse ist.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein piezoelektrischer Dünnfilmresonator geschaffen mit einem Substrat, einer unteren Elektrode, die auf dem Substrat angeordnet ist, einem piezoelektrischen Film, der auf der unteren Elektrode angeordnet ist, und einer oberen Elektrode, die auf dem piezoelektrischen Film angeordnet ist. Wenigstens eine der oberen und der unteren Elektrode weist eine Verlängerung auf, die von einem Bereich einer elliptischen Form, in welchem die obere Elektrode über das piezoelektrische Substrat mit der unteren Elektrode überlappt, nach außen verläuft. Die Verlängerung weist eine Breite auf, die größer als die Länge einer Hauptachse oder einer Nebenachse der elliptischen Form ist.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Filter mit irgendeinem der oben erwähnten piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren geschaffen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden ausführlich mit Verweis auf die folgenden Figuren beschrieben, worin:
1A eine Draufsicht eines piezoelektrischen Dünnfilmresonators gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
1B eine Querschnittansicht zeigt, die entlang einer in 1A gezeigten Linie I_B-I_B gelegt ist;
2A und 2B elliptische Formen mit einem unterschiedlichen Verhältnis einer Achse a zu einer Achse b zeigen;
3A eine Draufsicht eines Filters zeigt; 3B eine Querschnittansicht zeigt, die entlang einer in 3A gezeigten Linie III_B-III_B gelegt ist;
4 ein Schaltungsdiagramm des in 3A und 3B gezeigten Filters zeigt;
5 eine graphische Darstellung zeigt, die Bandcharakteristiken eines Filters mit vier Achsverhältnissen einer elliptischen Form veranschaulicht;
6 eine b'/b-Abhängigkeit eines Resonanzwiderstands gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7A und 7B Draufsichten eines piezoelektrischen Dünnfilmresonators gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;
7C ein Vergleichsbeispiel von 7A und 7B zeigt;
8A eine Draufsicht eines piezoelektrischen Dünnfilmresonators gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8B ein Vergleichsbeispiel von 8A ist;
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im folgenden wird mit Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen eine Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung geliefert.
(Erste Ausführungsform)
1A zeigt eine Draufsicht eines piezoelektrischen Dünnfilmresonators gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1B zeigt eine Querschnittansicht, die entlang einer in 1A gezeigten Linie I_B-I_B gelegt ist. Der in 1A und 1B gezeigte piezoelektrische Dünnfilmresonator umfasst ein Substrat 10, eine untere Elektrode 11, die auf dem Substrat 10 angeordnet ist, einen piezoelektrischen Film 12, der auf der unteren Elektrode 11 angeordnet ist, und eine auf dem piezoelektrischen Film 12 angeordnete obere Elektrode 13. Das Substrat 10 ist z. B. aus Silizium (Si) hergestellt. Die untere Elektrode 11 ist aus einem leitfähigen Material mit einer Doppelschichtstruktur aus z. B. Ruthenium (Ru) und Chrom (Cr) hergestellt. Die Schicht aus Ruthenium ist auf einer Hauptoberfläche des Substrats 10 angeordnet. Der piezoelektrische Film 12 besteht aus einem piezoelektrischen Material, z. B. Aluminiumnitrid (AlN). Die obere Elektrode 13 ist aus einem leitfähigen Material mit einer einlagigen Struktur aus z. B. Rhutenium (Ru) hergestellt. Der piezoelektrische Dünnfilmresonator, der eine Resonanzfrequenz von 5,2 GHz hat, kann z. B. so konfiguriert sein, dass die untere Elektrode 11 ein Ru(100 nm)/Cu(50 nm)-Film ist und der piezoelektrische Film aus AlN 400 nm dick ist, wobei die obere Elektrode 11 aus Ru 100 nm dick ist. Der piezoelektrische Film 12 hat eine Öffnung, über die die untere Elektrode 11 teilweise freigelegt ist. Der freigelegte Abschnitt der unteren Elektrode 11 wird als eine Kontaktstelle 16 genutzt. Nach 1B ist ein Hohlraum 15 im Substrat 10 unter einem Bereich (Resonator) gebildet, wo die obere Elektrode 13 und die untere Elektrode 11 über den piezoelektrischen Film 12 überlappen. Gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat der Hohlraum 15 im wesentlichen senkrechte Seitenwände, die durch Trockenätzen des Siliziumsubstrats 10 von dessen Rückseite mit Fluorgas geschaffen werden können. Der Querschnitt des Hohlraums 15 hat eine elliptische Form in einer Richtung parallel zur Hauptoberfläche des Substrats 10, worauf die untere Elektrode 11 und der gleichen abgeschieden sind.
Die technischen Vorzüge der vorliegenden Erfindung können durch Materialien erhalten werden, die von den oben erwähnten Materialien des Substrats 10, der oberen und unteren Elektrode 11 und 13 und des piezoelektrischen Films 12 verschieden sind. Zum Beispiel können die in den Dokumenten 1, 2 und 3 offenbarten Materialien genutzt werden. Außerdem durchdringt der in 1B gezeigte Hohlraum 15 das Substrat 10; der Hohlraum 15 kann jedoch nur auf der Oberfläche des Substrats 10 ausgebildet sein und unter Verwendung einer Opferschicht geschaffen werden. Ferner ist besonders zu erwähnen, dass die oben erwähnte Membran aus nur Hauptkomponentenelementen des piezoelektrischen Dünnfilmresonators besteht. In der Praxis kann die Membran eine zusätzliche Schicht oder einen zusätzlichen Film aufweisen. Zum Beispiel kann eine dielektrische Schicht unter der unteren Elektrode 11 hinzugefügt werden, um sie zu verstärken. Solch eine dielektrische Schicht kann als Ätzstopper dienen. Eine weitere dielektrische Schicht kann auf der Oberfläche als Passivierungsfilm vorgesehen sein. Höcker oder eine leitfähige Schicht zum Drahtbonden kann oder können so vorgesehen sein, dass sie unter den Kontaktstellen der Elektroden liegen.
Wie in 1A gezeigt ist, hat ein Bereich 14, in dem die obere Elektrode 13 mit der unteren Elektrode 11 überlappt, eine elliptische Form. Der Bereich 14 bildet eine Membran 14 (einen Resonator). Gemäß der ersten Ausführungsform erfüllt die elliptische Form der Membran 14 1 < a/b < 1,9, wobei a die Hauptachse der Membran 14 in Ellipsenform und b deren Nebenachse ist. Die obige Bedingung basiert auf der folgenden Untersuchung durch die Erfinder.
Die Erfinder haben ein Problem eruiert, das während des Prozesses zum Ausbilden des Hohlraums 15 hervorgerufen wird, wenn das Längenverhältnis a/b groß und die elliptische Form sehr gekrümmt ist. 2A und 2B zeigen beispielhafte elliptische Formen des Bereichs 14, wo die obere Elektrode 13 mit der unteren Elektrode 11 überlappt. 2A zeigt eine elliptische Form, wo a/b = 1,2 gilt, wobei a = 75,9 μm und b = 63,3 μm gelten. 2B zeigt eine elliptische Form, in der a/b = 4,0 gilt, worin a = 138,7 μm und b = 34,7 μm sind. Für die stark gekrümmte elliptische Form von a/b = 4,0 nimmt die Ätzrate in verjüngten oder sich verengenden Abschnitten, die durch X angegeben sind, zur Zeit des Trockenätzens von Silizium erheblich ab. Folglich gibt es einen Ätzrest an den verjüngten Abschnitten, so dass die gewünschte Form des Hohlraums nicht erhalten werden kann. Falls Silizium überätzt wird, um einen Ätzrest zu vermeiden, wird alternativ dazu eine größere Menge Rest an einer Fläche, wo Ätzen schon vorgenommen wurde, oder einer Seitenwand des Hohlraums haften. Dieser Rest wird zu einer Verschlechterung und Unregelmäßigkeit von Eigenschaften führen. Solche Einflüsse treten in der Umgebung der Scheitel eines Polygons auf, das keine Quadratform hat, wie in den Dokumenten 1 und 2 offenbart ist. Dieses Problem kann gelöst werden, indem eine elliptische Form mit dem Verhältnis a/b gebildet wird, das so klein wie möglich ist. Die oben erwähnten Probleme können im wesentlichen ignoriert werden, indem der Hohlraum 15 so ausgebildet wird, dass ein 1 < a/b < 1,9 erfüllt ist.
Im oben erwähnten Bereich 1 < a/b < 1,9 ist es wesentlich, dass eine durch eine laterale Mode hervorgerufene Welligkeit bis zu dem Pegel unterdrückt wird, der kein Problem aufwirft. Vier verschiedene Filter, die mit piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren ausgestattet sind, werden dann hergestellt, um die Welligkeit in einem Durchlassbereich auszuwerten. Die vier Filter haben die Verhältnisse von 1,0 (ein Kreis), 1,2, 1,9 und 4,0 in dem Bereich, in dem die obere Elektrode 13 über den piezoelektrischen Film 12 die untere Elektrode 11 überdeckt. Tabelle 1 zeigt Größen der elliptischen Form in Reihenarm- und Parallelarm-Resonatoren. Tabelle 1

Reihenarm-Resonator Parallelarm-Resonator

a/b a b a b

1,0 69,4 69,4 49,1 49,1

1,2 75,9 63,3 53,7 44,8

1,9 95,6 50,3 67,6 35,6

4,0 138,7 34,7 98,1 24,5

Einheit: μm
3A, 3B und 4 zeigen die Struktur der oben erwähnten vier Filter. Insbesondere ist 3A eine Draufsicht des Filters, und 3B ist eine Querschnittansicht, die entlang einer in 3A gezeigten Linie III_B-III_B gelegt ist. 4 ist ein Schaltungsdiagramm des in 3A und 3B gezeigten Filters. In 3A und 3B haben die gleichen Komponenten und Konfigurationen wie diejenigen der 1A und 1B die gleichen Bezugsziffern. Es ist ein leiterartiges Filter veranschaulicht, das Reihenarm-Resonatoren S1, S2, S3 und S4 und Parallelarm-Resonatoren P1, P2 und P3 auf dem Substrat 10 enthält. In dem Filter sind vier piezoelektrische Dünnfilmresonatoren S1, S2, S3 und S4 jeweils auf Reihenarmen angeordnet, und drei piezoelektrische Dünnfilmresonatoren P1, P2 und P3 sind jeweils in Parallelarmen angeordnet. Die fundamentale Struktur des Filters ist die gleiche wie diejenige des oben erwähnten piezoelektrischen Dünnfilmresonators. In der Praxis kann ein isolierender Film wie z. B. ein SiO₂-Film (ungefähr 90 nm) auf den oberen Elektroden der parallelen Resonatoren P1, P2 und P3 vorgesehen sein, um die Resonanzfrequenzen der Parallelarm-Resonatoren zu verringern und somit die wünschenswerten Charakteristiken von Bandpassfiltern zu erhalten. Alle Resonatoren S1 bis S4 und P1 bis P3 haben die gleichen Konfigurationen wie diejenigen, die in 1A und 1B gezeigt sind. Das Substrat 10 ist gemeinsam für alle Resonatoren S1 bis S4 und P1 bis P3 vorgesehen. Entsprechend ist auch der piezoelektrische Film 12 gemeinsam für alle Resonatoren S1 bis S4 und P1 und bis P3 vorgesehen. Benachbarte Resonatoren teilen sich einige der unteren Elektrode 11 und der oberen Elektrode 13. Zum Beispiel teilen sich die Reihenarm-Resonatoren S1 und S2 die obere Elektrode 13. In jedem der Resonatoren S1 bis S4 und P1 bis P3 ist der Hohlraum 15 im Substrat 10 unterhalb des Bereichs vorgesehen, in dem die obere Elektrode 13 über den dielektrischen Film 12 mit der unteren Elektrode 11 überlappt. Die Reihenarm-Resonatoren der Tabelle 1 sind die Reihenarm-Resonatoren S1 bis S4, und die Parallelarm-Resonatoren sind P1 bis P3. Die untere Elektrode 11 ist durch die Hohlräume 15 teilweise freigelegt, und die freigelegten Abschnitte dienen als Kontaktstellen 17.
5 zeigt Bandcharakteristiken der Filter, die mit einem Parameter S21 beschrieben werden. Die horizontale Achse der graphischen Darstellung bezeichnet die Frequenz (GHz), und die vertikale Achse bezeichnet die Dämpfung (dB). Die Kurven C1, C2, C3 und C4 sind Bandcharakteristiken, die beobachtet werden, wenn das Verhältnis a/b gleich 1,0, 1,2, 1,9 bzw. 4,0 ist. Eine allgemeine Filterspezifikation für drahtlose Einrichtungen erfordert, dass die Welligkeit im Durchlassbereich auf 0,3 dB oder weniger unterdrückt wird. Alle Filter mit Ausnahme von a/b = 1,0 erfüllen die Forderung, und man kann sagen, dass die Welligkeit keine hohe Abhängigkeit vom Verhältnis a/b hat. In dem Fall, in dem a/b = 4,0 gilt, werden die Hohlräume in den Parallelarm-Resonatoren nicht richtig ausgebildet, und der Verlust auf der Niederfrequenzseite des Durchlassbereichs wird vermindert. Durch Verwenden der elliptischen Form, die 1 < a/b < 1,9 erfüllt, kann daher die durch die laterale Mode hervorgerufene Welligkeit auf ein praktisch akzeptables Niveau unterdrückt werden, um den piezoelektrischen Dünnfilmresonator und das Filter mit einer ausgezeichneten Leistungsfähigkeit des Hohlraums herzustellen.
(Zweite Ausführungsform)
Nun wird eine Beschreibung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geliefert. Die zweite Ausführungsform hat eine spezifische Beziehung zwischen der Form einer elliptischen Form und der Größe der Membran 14, die in der ersten Ausführungsform genutzt wird. Die Erfinder werteten einen etwaigen Einfluss auf Charakteristiken aus, wenn das Verhältnis von b'/b geändert wird, wobei b die Länge der Nebenachse der elliptischen Form in der Membran 14 ist, wo die obere Elektrode 13 mit der unteren Elektrode 11 überlappt, und b' die Länge der Nebenachse des Hohlraums 15 ist, wie in 1A und 1B gezeigt ist. In der zweiten Ausführungsform ist die Größe b fixiert, und nur die Größe b' wird geändert. Der Bereich, wo die obere Elektrode 13 über den dielektrischen Film 12 mit der unteren Elektrode 11 überlappt, hat eine elliptische Form, so dass a = 60,2 μm und b = 50,2 μm (a/b = 1,2) gelten. Die Kappe 15 hat eine elliptische Form, die a/b = 1,2 erfüllt. 6 zeigt eine b'/b-Abhängigkeit des Resonanzwiderstands. Wenn b'/b zu klein ist, wird die Resonanzcharakteristik vermindert, weil Resonanzschwingungsenergie in das Substrat 10 dissipiert. Wenn b'/b zu groß ist, kann die untere Elektrode 11 oder die obere Elektrode 13 gebrochen werden, und die Resonanzcharakteristik wird vermindert. Die allgemeine Spezifikation erfordert einen tolerierbaren Bereich des Resonanzwiderstandes der gleich vier Ω oder weniger beträgt. Die Forderung ist erfüllt, wenn das Verhältnis b'/b in den Bereich 0,9 < b'/b < 1,5 fällt.
(Dritte Ausführungsform)
Nun wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die dritte Ausführungsform weist eine spezifische Beziehung zwischen der Richtung des Stroms, der durch einen piezoelektrischen Dünnfilmresonator fließt, und der Achsrichtung der elliptischen Form in der Membran 14 auf, wo die obere Elektrode 13 über den dielektrischen Film 12 mit der unteren Elektrode 11 überlappt. Die Erfinder untersuchten die Beziehung für drei in 7A, 7B und 7C dargestellte piezoelektrische Dünnfilmresonatoren. 7A zeigt einen Fall, in dem die Nebenachse zur Stromrichtung parallel ist (worauf im folgenden als Typ A verwiesen wird). 7B zeigt einen Fall, in dem die Hauptachse zur Stromrichtung parallel ist (worauf im folgenden als Typ B verwiesen wird). 7C zeigt einen Fall, in dem die Haupt- und Nebenachsen um 45 Grad zur Stromrichtung geneigt sind (worauf im folgenden als Typ C verwiesen wird). Die Typen A und B haben im wesentlichen symmetrische Formen, in denen die obere Elektrode 13 und die untere Elektrode 11 um eine Achse P symmetrisch sind, die zur Stromrichtung senkrecht ist, innerhalb zumindest eines Bereichs, der gleich der halben Nebenachse, nämlich b/2 umfasst. Im Gegensatz dazu hat der Typ C keine Symmetrie innerhalb des Bereichs. Die elliptische Form des überlappenden Bereichs hat eine Größe, so dass a = 86,1 μm und b = 61,5 μm (a/b = 1,4) gelten. Tabelle 2 zeigt die niedrigsten Einfügungsdämpfungen in den oben erwähnten drei piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren und deren Unregelmäßigkeit. Tabelle 2

Typ Niedrigste Einfügungsdämpfung Unregelmäßigkeit (3σ)

A 0,18 dB 3,2%

B 0,22 dB 3,7%

C 0,35 dB 7,6%
Typ C ist in sowohl der niedrigsten Einfügungsdämpfung als auch Unregelmäßigkeit größer als diejenigen der Typen A und B. In Bezug auf ein Verziehen der Membran sind die Typen A und B in Form einer Kuppel leicht gekrümmt, während der Typ C wie ein Kartoffelchip unregelmäßig verzerrt ist. Die Typen A und B sind hochsymmetrisch und werden leicht gekrümmt, wenn Druckspannung parallel zur Stromrichtung durch die Membran angewendet wird. Der Typ C ist jedoch nicht genau symmetrisch bezüglich der Stromrichtung, in der Spannung angewendet wird, und ist unregelmäßig gekrümmt. Dies hat einen Einfluss auf die oben erwähnten Charakteristiken zur Folge.
Wie in 7A und 7B gezeigt ist, ist es somit vorzuziehen, dass die Haupt- oder Nebenachse der elliptischen Form zur Stromrichtung im wesentlichen parallel ist. Außerdem ist es vorzuziehen, dass die obere Elektrode 13 und die untere Elektrode 11 Abschnitte aufweisen, die über den dielektrischen Film 12 einander überlappen, um den elliptisch geformten Bereich zu schaffen, und um die Achse P senkrecht zur Stromrichtung der elliptischen Form innerhalb eines Bereichs symmetrisch sind, der zumindest gleich der halben Länge der Nebenachse b ist.
Zurückverweisend auf 3A sind auf einem leiterartigen Filter alle piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren S1 bis S4 und P1 und P3 so angeordnet, dass die Nebenachse der elliptischen Form, die durch die überlappenden Abschnitte der oberen Elektrode 13 und der unteren Elektrode 11 definiert ist, zur Stromrichtung im wesentlichen parallel ist. Es ist auch möglich, die piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren S1 bis S4 und P1 bis P3 des in 3A gezeigten leiterartigen Filters so anzuordnen, dass die Hauptachse der elliptischen Form in jedem Resonator im wesentlichen parallel zur Stromrichtung ist, wie in 7B gezeigt ist. Es ist noch möglich, den in 3A gezeigten leiterartigen Filter so zu modifizieren, dass er sowohl den Typ A in 7A als auch den Typ B in 7B aufweist.
(Vierte Ausführungsform)
Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist auf die Struktur der Verlängerungen der oberen Elektrode 13 und der unteren Elektrode 11 fokussiert, worin die Verlängerungen von der elliptischen Form nach außen verlaufen, in der die obere Elektrode 13 mit der unteren Elektrode 11 über den piezoelektrischen Film 12 überlappt. 8A zeigt eine Draufsicht eines piezoelektrischen Dünnfilmresonators gemäß der vierten Ausführungsform. Eine Bezugsziffer 21 bezeichnet einen Rand der Verlängerung der oberen Elektrode 13. Eine Bezugsziffer 22 ist eine Verlängerung der unteren Elektrode 11. In 8A sind die Ränder in dicken durchgezogenen Linien gezeichnet, um die Ränder hervorzuheben. Die Verlängerung 21 der oberen Elektrode 13 hat eine Form, so dass die Breite von der Mitte der elliptischen Form nach außen größer wird. Die Länge der Hauptachse der elliptischen Form ist a; daher ist die Breite der Verlängerung 21 größer als a. Die Verlängerung 21 ist integral mit einer Kontaktstelle 23 ausgebildet. Die untere Elektrode 11 ist über eine im piezoelektrischen Film 12 vorgesehene Öffnung freigelegt. Der freigelegte Abschnitt wird als die Kontaktstelle 24 genutzt. Die Verlängerung 22 der unteren Elektrode 11 hat ähnlich derjenigen der oberen Elektrode 13 eine Form, so dass die Breite von der Mitte der elliptischen Form nach außen größer wird. Die Länge der Hauptachse der elliptischen Form ist hier a; daher ist die Breite der Verlängerung 22 größer als a. Die Verlängerungen 21 und 22 sind folglich verjüngt und im wesentlichen symmetrisch. Die Ränder 21 und 22 können entweder die Form eine Linie oder einer Kurve aufweisen. 8B ist ein Vergleichsbeispiel. Ein piezoelektrischer Dünnfilmresonator des Vergleichsbeispiels weist Verlängerungen mit konstanter Breite auf.
Die Erfinder stellten die piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren wie in 8A und 8B gezeigt unter den folgenden Bedingungen her und untersuchten die Festigkeit einer Membran 14. Wie in 8A und 8B gezeigt ist, hatte die elliptische Form, die durch die überlappenden Abschnitte der oberen Elektrode 13 und der unteren Elektrode 11 gebildet wurde, eine Größe, so dass a = 86,1 μm und b = 61,5 μm (a/b = 1,4) galten. Die untere Elektrode 11 wies eine Doppelschichtstruktur aus Ru (100 nm) und Cr (50 nm) auf. Der piezoelektrische Film 12 war aus AlN (400 nm) hergestellt, und die obere Elektrode war aus Ru (100 nm) hergestellt. Die in 8A und 8B gezeigten piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren wurden unter der Bedingung hergestellt, dass ein aus den oben erwähnten Elektroden und einem Film bestehendes Laminat nach einem Mustern eine innere Spannung gleich –1,56 GPa aufwies. Die Erfinder fanden einen großen Unterschied in der Membranbeschädigung zwischen zwei piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren, nachdem Hohlräume gebildet waren. Konkreter waren 27 Prozent der in 8B gezeigten Membran beschädigt, während die in 8A gezeigte Membran im wesentlichen nicht beschädigt war. Selbst wenn die Filme mit der gleichen inneren Spannung verwendet werden, hat somit die Membran verschiedene Festigkeiten, die von der Form der Verlängerungen abhängig sind. Als Folge der obigen Betrachtung kann man sagen, dass die Membran von 8A eine weniger beschädigte Struktur als diejenige von 8B aufweist.
Die Nebenachse der elliptischen Form ist zur in 8A gezeigten Stromrichtung im wesentlichen parallel. Selbst wenn die Hauptachse der elliptischen Form zur Stromrichtung im wesentlichen parallel ist, können jedoch die gleiche Funktion und der gleiche Effekt wie oben erwähnt erhalten werden, indem die Verlängerungen der oberen und unteren Elektroden so angeordnet werden, dass sie von der Mitte der elliptischen Form nach außen eine zunehmende Breite aufweisen. Die Verlängerung 21 der oberen Elektrode 13 und die Verlängerung 22 der unteren Elektrode 11 werden vorzugsweise wie in 8A gezeigt geschaffen. Nur eine der Verlängerungen 21 und 22 kann jedoch so angeordnet werden, dass die Breite von der Mitte der elliptischen Form nach außen größer wird.
(Fünfte Ausführungsform)
Eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der vorliegenden Erfindung ist piezoelektrischer Dünnfilmresonator und eine Filtereinrichtung, die einen akustischen Reflektor verwendet, der für den unter der Membran 14 gelegenen Hohlraum 15 substituiert ist. Der akustische Reflektor besteht aus Filmen mit hoher und niedriger akustischer Impedanz, die gemäß der Dicke von λ/4 abwechselnd laminiert sind, wobei λ eine Wellenlänge eine elastischen Welle ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist sogar mit der Struktur, die dazu gedacht ist, nachteilige Einflüsse zu unterdrücken, die durch Wellen lateraler Moden hervorgerufen werden, der piezoelektrische Dünnfilmresonator so konfiguriert, dass eine ausreichende Festigkeit und ausgezeichnete Leistungsfähigkeit des Hohlraums erhalten wird. Der piezoelektrische Dünnfilmresonator mit einer geringeren Unregelmäßigkeit in den Charakteristiken und dessen Filter können somit erhalten werden. Indem der Film mit der gewünschten Druckspannung verwendet wird, können außerdem der piezoelektrische Dünnfilmresonator mit einem großen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (K^Z) und dessen Filter erhalten werden.

Claims

Piezoelektrischer Dünnfilmresonator, mit: einem Substrat; einer unteren Elektrode, die auf dem Substrat angeordnet ist; einem piezoelektrischen Film, der auf der unteren Elektrode angeordnet ist; und einer oberen Elektrode, die auf dem piezoelektrischen Film angeordnet ist, wobei ein Hohlraum im Substrat vorgesehen und unter der unteren Elektrode in einem Bereich gelegen ist, in welchem die obere Elektrode über den piezoelektrischen Film mit der unteren Elektrode überlappt, wobei der Bereich und ein Querschnitt des Hohlraums eine elliptische Form aufweisen, 1 < a/b < 1,9 erfüllt ist und a eine Hauptachse der elliptischen Form und b deren Nebenachse ist.
Piezoelektrischer Dünnfilmresonatsor nach Anspruch 1, worin der Hohlraum und die untere Elektrode eine Größenbeziehung aufweisen, die 0,9 < b'/b < 1,5 erfüllt, wobei b' eine Nebenachse des Hohlraums ist.
Piezoelektrischer Dünnfilmresonator nach Anspruch 1, worin die Hauptachse oder die Nebenachse zu einer Stromrichtung parallel ist.
Piezoelektrischer Dünnfilmresonator nach Anspruch 1, worin die obere Elektrode und die untere Elektrode um eine Achse der elliptischen Form senkrecht zu einer Stromrichtung innerhalb eines Bereichs symmetrisch sind, der gleich der halben Länge der Nebenachse in der Stromrichtung ist.
Piezoelektrischer Dünnfilmresonator, mit: einem Substrat; einer unteren Elektrode, die auf dem Substrat angeordnet ist; einem piezoelektrischen Film, der auf der unteren Elektrode angeordnet einer oberen Elektrode, die auf dem piezoelektrischen Film angeordnet ist, wobei die obere Elektrode und/oder die untere Elektrode eine Verlängerung aufweisen/aufweist, die von einem Bereich einer elliptischen Form, in welchem die obere Elektrode über das piezoelektrische Substrat mit der unteren Elektrode überlappt, nach außen verläuft, welche Verlängerung eine Breite aufweist, die größer als die Länge einer Hauptachse oder einer Nebenachse der elliptischen Form ist.
Piezoelektrischer Dünnfilmresonator nach Anspruch 5, worin die Verlängerung einen verjüngten Abschnitt aufweist, der nach außen breiter wird.
Filter, mit mehreren piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren, wobei zumindest einer der Dünnfilmresonatoren aufweist: ein Substrat; eine untere Elektrode, die auf dem Substrat angeordnet ist; einen piezoelektrischen Film, der auf der unteren Elektrode angeordnet ist; und eine obere Elektrode, die auf dem piezoelektrischen Film angeordnet ist, wobei ein Hohlraum im Substrat vorgesehen und unter der unteren Elektrode in einem Bereich gelegen ist, in welchem die obere Elektrode über den piezoelektrischen Film mit der unteren Elektrode überlappt, wobei der Bereich und ein Querschnitt des Hohlraums eine elliptische Form haben und 1 < a/b < 1,9 erfüllt ist, wobei a eine Hauptachse der elliptischen Form und b deren Nebenachse, ist.
Filter, mit mehreren piezoelektrischen Dünnfilmresonatoren, wobei zumindest einer der Dünnfilmresonatoren aufweist: ein Substrat; eine untere Elektrode, die auf dem Substrat angeordnet ist; einen piezoelektrischen Film, der auf der unteren Elektrode angeordnet ist; und eine obere Elektrode, die auf dem piezoelektrischen Film angeordnet ist, wobei die obere Elektrode und/oder untere Elektrode eine Verlängerung aufweisen/aufweist, die von einem Bereich mit einer elliptischen Form, in welchem die obere Elektrode über das piezoelektrische Substrat mit der unteren Elektrode überlappt, nach außen verläuft, welche Verlängerung eine Breite aufweist, die größer als die Länge einer Hauptachse oder Nebenachse der elliptischen Form ist.