CN100511991C - 压电薄膜谐振器以及使用该压电薄膜谐振器的滤波器 - Google Patents

压电薄膜谐振器以及使用该压电薄膜谐振器的滤波器 Download PDF

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Abstract

压电薄膜谐振器以及使用该压电薄膜谐振器的滤波器。压电薄膜谐振器包括形成在器件基板上的膜叠层，所述膜叠层包括下电极、设置在器件基板和下电极上的压电膜、以及设置在压电膜上的上电极。上电极和下电极具有从上电极隔着压电膜与下电极交叠处的隔膜延伸的电极引出部分，上电极和下电极的电极引出部分中的至少一个的宽度比该隔膜的宽度窄。

Description

压电薄膜谐振器以及使用该压电薄膜谐振器的滤波器
技术领域
本发明总体上涉及利用电信号与体声波之间的转换的压电薄膜谐振器，更具体地，涉及使用该压电薄膜谐振器的滤波器。
背景技术
因为诸如移动电话手持机的无线通信设备已经广泛普及，所以对紧凑轻便的谐振器以及使用这些谐振器的滤波器的需求日益增加。常规上，主要使用电介质滤波器和表面声波(SAW)滤波器。近来，注意力已经被吸引到压电薄膜谐振器和使用这些谐振器的滤波器。压电薄膜谐振器具有良好的高频特性，并能够实现紧凑的单片装置。
膜体声谐振器(FBAR)公知为压电薄膜谐振器中的一种。FBAR具有其上形成有叠层结构(由多个膜组成)的器件基板。作为基本结构元件，叠层结构具有上电极、压电膜和下电极。在下电极的下方形成有开口(通孔或空腔)，该开口位于上电极与下电极彼此交叠相对的区域的下方。可以通过从用作器件基板的硅基板的背侧进行刻蚀(湿法刻蚀或干法刻蚀)或者通过对硅基板上的牺牲层进行湿法刻蚀来形成该开口。
在上电极与下电极之间施加高频信号，在夹在上电极与下电极之间的压电膜内产生声波。由此产生的声波是由逆压电效应和压电效应导致的失真而激励的。上电极(膜)的与空气接触的表面和下电极(膜)的与空气接触的表面使该声波全反射。因此，该声波是主要位移沿厚度方向的厚度扩展波。在本器件结构中，谐振发生于由位于开口上方的上电极/压电膜/下电极组成的薄膜叠层结构的总厚度H等于声波的1/2波长的整数倍的频率。声波的传播速度V取决于使用的材料，将谐振频率F写作F＝nV/2H。通过利用谐振现象，可以使用厚度作为控制参数来控制谐振频率，并可以实现具有希望频率响应的谐振器和滤波器。
上电极和下电极可以是由金属制成的膜叠层，所述金属例如铝(Al)、铜(Cu)、钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、铱(Ir)、铬(Cr)或钛(Ti)、或者这些金属的任意组合。压电膜可以是氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、或钛酸铅(PbTiO3)。优选地，压电膜是主轴沿(002)方向的氮化铝或氧化锌。器件基板可以由硅、玻璃或砷化镓(GaAs)制成。
如上所述，具有上述结构的压电薄膜谐振器需要在下电极(或介电膜)的正下方具有通孔或空腔。在以下说明中，通孔定义为穿过器件基板并连接其上表面和下表面的孔，空腔定义为设置在表面附近或下电极正下方的穴。
图1是在Electron.Lett.，1981，vol.17，pp 507-509(以下称为文献1)中描述的常规压电薄膜谐振器的剖面图。在具有热氧化物膜(SiO2)的(100)硅基板11上设置有叠层结构，所述叠层结构由下电极13(其为Au-Cr膜)、压电膜14(其为ZnO膜)、和上电极15(其为铝膜)组成。在该膜叠层下方形成有通孔16。可以通过从(100)硅基板11的背侧使用KOH或EDP(乙二胺和邻苯二酚)进行各向异性刻蚀来形成通孔16。
相反，空腔型压电薄膜谐振器在牺牲层上具有由上电极、压电膜和下电极(如果有必要则为介电膜)组成的叠层结构。通过刻蚀去除牺牲层，从而可以限定空腔。图2是在日本特开昭60-189307号公报(文献2)中公开的常规空腔型压电薄膜谐振器的剖面图。膜叠层由设置在具有热氧化物膜(SiO2)22的器件基板21上的下电极23、压电膜24和上电极25组成。在膜叠层的下方限定有空腔26。可以通过如下步骤形成空腔26：对岛形的ZnO牺牲层进行构图，在牺牲层上形成膜叠层，用酸去除位于膜叠层下方的牺牲层。
日本特开2000-69594号公报(文献3)示出了另一类型的压电薄膜谐振器，其在图3中示出。在具有热氧化物膜(SiO2)32的硅基板31上设置有由下电极33、压电膜34和上电极35组成的膜叠层。在膜叠层下方形成有空腔36。可以如下地制造该压电薄膜谐振器。通过刻蚀在硅基板31表面的一部分中形成凹陷。接下来，在硅基板31上形成热氧化物膜(SiO2)32，以防止用作牺牲层的PSG(磷硅玻璃)中的磷。然后，淀积牺牲层并对其进行研磨和清洁。其后，对牺牲层的表面进行处理以使其具有镜面。随后，下电极33、压电膜34和上电极35按此顺序产生。最后，去除PSG膜。
在上述压电薄膜谐振器中，注意力通常集中在器件基板的厚度方向的谐振器结构(即在上电极与下电极之间夹有压电膜的隔膜(membrane)结构)，以及下电极的对声波的反射结构(即下电极的结构)。也就是说，没有特别考虑除隔膜结构之外的电极形状。
发明内容
鉴于上述情况作出了本发明，本发明的目的是通过对与压电薄膜谐振器的隔膜相连接的电极部分进行特别考虑来改善谐振器性能，特别是插入损耗。
根据本发明的一方面，提供了一种压电薄膜谐振器，其包括：形成在器件基板上的膜叠层，该膜叠层包括下电极、设置在器件基板和下电极上的压电膜、以及设置在压电膜上的上电极，上电极和下电极具有从上电极隔着压电膜与下电极交叠处的隔膜延伸的电极引出部分，上电极和下电极的电极引出部分中的至少一个的宽度比该隔膜的宽度窄，隔膜所具有的在该隔膜与器件基板之间限定一拱形空腔的隆起部分限定一空腔，使得所述下电极暴露于所述空腔，其中，空腔在器件基板上的投影形状是椭圆形、且与隔膜在器件基板上的投影形状相似。
根据本发明的另一方面，提供了一种滤波器，其包括：连接以形成滤波器并具有器件基板的多个谐振器，各个谐振器包括：形成在器件基板上的膜叠层，所述膜叠层包括下电极、设置在器件基板和下电极上的压电膜、以及设置在压电膜上的上电极，上电极和下电极具有从上电极隔着压电膜与下电极交叠处的隔膜延伸的电极引出部分，上电极和下电极的电极引出部分中的至少一个的宽度比该隔膜的宽度窄，隔膜所具有的在该隔膜与器件基板之间限定一拱形空腔的隆起部分限定一空腔，使得所述下电极暴露于所述空腔，其中，空腔在器件基板上的投影形状是椭圆形、且与隔膜在器件基板上的投影形状相似。
附图说明
结合附图来阅读以下详细说明，本发明的其它目的、特征和优点将变得更加明了，在附图中：
图1是文献1所述的常规压电薄膜谐振器的剖面图；
图2是文献2所述的另一常规空腔型压电薄膜谐振器的剖面图；
图3是文献3所述的又一常规空腔型压电薄膜谐振器的剖面图；
图4A是根据本发明的一个实施例的压电薄膜谐振器的平面图；
图4B是沿图4A所示的线A-A截取的剖面图；
图4C是沿图4A所示的线B-B截取的剖面图；
图5A至5D是示出了图4A至4C所示的压电薄膜谐振器的制造方法的剖面图；
图6示出了经构图的牺牲层的示例；
图7A示出了根据第一实施例的压电薄膜谐振器的谐振特性；
图7B示出了根据第一实施例的具有不同电极引出结构的压电薄膜谐振器的谐振特性；
图8是根据第二实施例的具有压电薄膜谐振器的滤波器的电路图；以及
图9是常规带通滤波器和根据第二实施例的带通滤波器的滤波器特性的曲线图。
具体实施方式
图4A至4C示出了根据本发明的一个实施例的压电薄膜谐振器。更具体地，图4A是谐振器的平面图，图4B是沿图4A所示的线A-A截取的剖面图，图4C是沿图4A所示的线B-B截取的剖面图。参照这些图，器件基板41可以是(100)硅基板，其上形成有下电极43。下电极43可以是Ru层。可以使用石英基板代替硅基板。压电膜44可以是AlN膜，上电极45可以是Ru膜。优选地，压电膜44可以是配向为(002)主轴的AlN或ZnO膜。
隔膜46(交叉阴影区域)被定义为使得上电极45和下电极43隔着压电膜44彼此相对。在下电极43的位于隔膜46下方的部分与器件基板41之间形成有空腔42。空腔42具有拱状形状的隆起部分。隔膜46向上弯曲从而具有拱形并限定空腔42。空腔42的轮廓使得空腔42在器件基板41上的投影形状绘出闭合曲线。例如，投影形状可以具有多边形形状或者闭合曲线与多边形形状的组合。隔膜46的形状和空腔42在器件基板41上的投影形状可以具有多边形形状，所述多边形形状各自具有至少一对不平行的对应边。在本实施例中，其中上电极与下电极43交叠的隔膜46具有椭圆形状，空腔42的轮廓的尺寸与隔膜46的轮廓尺寸几乎相等。可以通过去除构图于下电极43下方的牺牲层来形成空腔42。器件基板41具有刻蚀剂导入孔47，通过该刻蚀剂导入孔47提供刻蚀剂以对牺牲层进行刻蚀并将其去除(在图4C中略去了孔47)。
上电极45和下电极43中的每一个都具有用于输入或输出电信号并且连接到隔膜46的电极引出部分。上电极45和下电极43中的至少一个的电极引出部分的宽度比隔膜46的宽度窄。在图4A至4C所示的实施例中，上电极45和下电极43两者都具有上述连接点。即，上电极45和下电极43中的每一个都具有用于输入或输出电信号并且连接到隔膜46的电极引出部分，该电极引出部分的宽度窄于隔膜46的宽度(其对应于椭圆形隔膜46的纵轴的长度)。在稍后所述的图7A中所示的结构中，仅仅下电极43按电极引出部分的宽度窄于隔膜46的宽度的方式具有用于输入或输出电信号并且连接到隔膜46的电极引出部分。隔膜46以及上电极45和下电极43的电极引出部分限定了谐振器。下电极43的电极引出部分固定于器件基板41并由器件基板41保持，上电极45的电极引出部分固定于压电膜44并由压电膜44保持。因此，隔膜46可以不具有均匀的拱形。然而，本实施例对于上电极45和下电极43中的至少一个使用窄于隔膜46的电极引出部分，因此减小了固定和保持区域。这有助于形成变形小的均匀拱形隔膜46和改善谐振器性能。
图5A至5D示出了图4A至4C所示的压电薄膜谐振器的制造工艺，并且示出了沿图4A的线B-B取的剖面图。首先，通过溅射或真空蒸发在硅基板41(或石英基板)上产生用作牺牲层的MgO膜(图5A)。代替MgO膜，牺牲层48可以由可以容易地溶解的材料(例如Zn、Ge或Ti)制成。接下来，通过光刻技术和刻蚀将牺牲层48构图为希望的形状。
图6示出了经构图的牺牲层48的示例，其具有隔膜对应区域46’和流道47’。区域46’的形状与其中上电极45和下电极43隔着压电膜44交叠的隔膜46的形状相同。流道47’连接到刻蚀剂导入孔47。即，下电极43具有经由流道47’连接到空腔42的孔47。流道47’的数量不限于两个，而是可以在任意位置设置任意数量的道47’。牺牲层48具有与隔膜46的图案尺寸相同的图案尺寸不是必要的。然而，希望牺牲层48的形状与上电极45和下电极43的交叠区域的形状(即隔膜46的形状)相似。即，空腔42在器件基板41上的投影形状优选地与隔膜46在其上的投影形状相似。
接下来，顺序形成下电极43、压电膜44和上电极45(图5B)。通过在0.6至1.2Pa压力下的Ar气氛围中进行溅射来产生下电极43，并通过光刻技术和刻蚀将其构图为希望的形状。随后，通过在约0.3Pa压力的Ar和N2混和气体中用A1靶(target)进行溅射来产生用作压电膜44的AlN膜。然后，通过在0.6至1.2Pa压力的Ar气氛围中进行溅射来产生用作上电极45的Ru膜。之后，通过光刻技术和刻蚀(湿法刻蚀或干法刻蚀)将上电极45和压电膜44的叠层构图为希望形状。
然后，通过用抗蚀图案进行光刻技术和刻蚀(湿法刻蚀或干法刻蚀)在下电极43中形成刻蚀剂导入孔47(图5C)。通过孔47导入刻蚀剂以去除牺牲层48，从而可以形成空腔42(图5D)。可以在对下电极43进行刻蚀的同时形成刻蚀剂导入孔47。由下电极43、压电膜44和上电极45组成的膜叠层(复合膜)具有压缩应力。根据该压缩应力，当完全刻蚀了牺牲层48时，膜叠层向上隆起，从而在下电极43与器件基板41之间可以形成拱形空腔42。在上述溅射条件下获得的膜叠层具有约(负)300MPa的压缩应力。
图7A和7B描述了通过上述工艺制造的压电薄膜谐振器的谐振特性，并具体描述了当非隔膜区域的上电极和下电极的形状发生变化时观察到的机电系数[％]的变化。从图7A和图7B可见，与常规谐振器相比，根据本发明而构成的谐振器改善了机电耦合系数。图7A和7B所示的本发明的谐振器具有从隔膜延伸并窄于隔膜的至少一个电极引出部分。相反，图7A和7B所示的常规谐振器具有从隔膜延伸并宽于隔膜的两个电极引出部分。更具体地，图7A所示的本发明的谐振器被构造为两个电极中的仅仅一个的电极引出部分的最大宽度等于隔膜的纵轴长度并且该电极引出部分的宽度朝着其端部逐渐(连续)变窄。另一电极的引出部分的宽度朝着其端部逐渐(连续)变宽。图7B的下部中间所示的谐振器具有与图4A所示的电极引出部分相同的电极引出部分。即，上电极和下电极的电极引出部分的最大宽度等于隔膜的纵轴的长度，并且其宽度朝着其端部逐渐连续地变窄。图7B的右下侧所示的谐振器的下电极和上电极的电极引出部分的最大宽度窄于隔膜的纵轴的长度，并且所述电极引出部分的宽度朝着其端部逐渐变窄。应该注意，图7A和7B所示的常规谐振器具有不同的机电耦合系数，因为这些谐振器虽然具有相同的形状但却具有不同的电极面积。
现在将给出对本发明的第二实施例的说明。图8是带通滤波器，其中本发明的谐振器按梯状排列的串联臂和并联臂设置。该滤波器具有四个串联臂谐振器S1、S2、S3和S4，以及三个并联臂P1、P2和P3，这些谐振器是具有与本发明第一实施例中所示的基本结构相同的基本结构并且具有公共器件基板的压电薄膜谐振器。为了减小并联臂谐振器的谐振频率并由此获得希望的带通滤波器特性，可以在并联臂谐振器的上电极上设置Ti膜。
图9是上述带通滤波器的带通特性的曲线图。为了比较，图9还示出了常规带通滤波器的带通特性，所述常规带通滤波器具有其中从隔膜延伸的电极引出部分的相对边从隔膜平行地延伸到非隔膜的谐振器。与常规带通滤波器相比，根据第二实施例的带通滤波器减小了通带上的插入损耗，并且由于机电耦合系数的改善而改善了通带中的波纹。
本发明的上述实施例是在下电极与基板之间具有空腔的空腔型谐振器。然而，即使对于在下电极下方的器件基板中设置通孔的通孔型谐振器，也获得与空腔型谐振器中所获得效果相似的效果。本发明的谐振器的电极可以由前面已经进行了说明的材料制成。
本发明并不限于具体说明的实施例，在不脱离本发明的范围的情况下可以作出其它实施例和变型例。
本发明基于2005年1月12日提交的日本特开2005-005791号公报，在此通过引用并入其全部公开内容。

Claims (5)

1、一种压电薄膜谐振器，包括：
形成在器件基板上的膜叠层，所述膜叠层包括下电极、设置在器件基板和下电极上的压电膜、以及设置在压电膜上的上电极，
上电极和下电极具有从上电极隔着压电膜与下电极交叠处的隔膜延伸的电极引出部分，上电极和下电极的电极引出部分中的至少一个的宽度比该隔膜的宽度窄；
隔膜所具有的在该隔膜与器件基板之间限定一拱形空腔的隆起部分限定一空腔，使得所述下电极暴露于所述空腔，
其中，空腔在器件基板上的投影形状是椭圆形、并且是隔膜在器件基板上的投影形状的相似形。
2、如权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其中，膜叠层具有压缩应力。
3、如权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其中，下电极具有连通到隔膜与器件基板之间的空腔的孔。
4、如权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其中，压电膜是取向为主轴沿002方向的氮化铝或取向为主轴沿002方向的氧化锌膜。
5、一种滤波器，包括：
连接以形成滤波器并具有器件基板的多个谐振器，
各个谐振器包括：
形成在器件基板上的膜叠层，所述膜叠层包括下电极、设置在器件基板和下电极上的压电膜、以及设置在压电膜上的上电极，
上电极和下电极具有从上电极隔着压电膜与下电极交叠处的隔膜延伸的电极引出部分，上电极和下电极的电极引出部分中的至少一个的宽度比该隔膜的宽度窄；
隔膜所具有的在该隔膜与器件基板之间限定一拱形空腔的隆起部分限定一空腔，使得所述下电极暴露于所述空腔，
其中，空腔在器件基板上的投影形状是椭圆形、并且是隔膜在器件基板上的投影形状的相似形。
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