CN101083460B - 具有多个压电薄膜谐振器的滤波器 - Google Patents

具有多个压电薄膜谐振器的滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明提供具有多个压电薄膜谐振器的滤波器。所述多个压电薄膜谐振器各自具有：基板、形成在所述基板上的下电极、形成在所述下电极上的压电膜、以及隔着所述压电膜与所述下电极彼此相对地设置在所述压电膜上的上电极。所述多个压电薄膜谐振器包括如下的第一谐振器：所述第一谐振器的所述压电膜的外侧曲部的至少一部分比所述上电极和所述下电极隔着所述压电膜而彼此相对的区域的外侧曲部更靠外。所述多个压电薄膜谐振器包括如下的第二谐振器：所述第二谐振器的所述压电膜的外侧曲部的至少一部分与所述上电极和所述下电极隔着所述压电膜而彼此相对的区域的外侧曲部基本一致，或者比所述区域的外侧曲部更靠内。

Description

具有多个压电薄膜谐振器的滤波器
技术领域
本发明总体上涉及滤波器，更具体地涉及具有多个压电薄膜谐振器的滤波器。
背景技术
近来，由于无线通信设备(其通常可以是蜂窝电话)已经得到迅速普及，因此对于具有紧凑且轻质的谐振器的滤波器以及通过组合这些滤波器而构成的滤波器存在着越来越大的需求。在过去，主要使用介电滤波器或表面声波(SAW)滤波器。现在，压电薄膜谐振器和使用这些谐振器的滤波器正在引起关注，其中，压电薄膜谐振器的特征在于，它们表现出良好的高频性能、结构紧凑并且可以作为单片式装置来生产。
压电薄膜谐振器可以分类为FBAR(膜体声谐振器)型和SMR(固态装配谐振器)型。日本特开昭60-189307号公报和日本特开2004-200843号公报公开了FBAR型的压电薄膜谐振器。图1在部分(a)和部分(b)中分别示出常规FBAR型谐振器和常规SMR型谐振器。在具有腔体16或声多层膜的基板11上按顺序层叠有下电极13、压电膜14和上电极15。腔体16或者作为替换的声多层膜形成在上电极15和下电极13隔着压电膜14而相互交叠的交叠部分的下方。这样的部分称为谐振部分23。FBAR中的腔体16可以通过从可以由硅制成的基板11的背面起进行干法或湿法刻蚀而形成。可以通过用湿法刻蚀来去除设置在硅基板11的表面上的牺牲层而将腔体16形成在下电极13与基板11之间的位置。在这种情况下，可以将腔体16称为间隙。SMR中的声多层膜具有声阻抗相对较低的第一层和声阻抗相对较高的第二层，第一层和第二层交替层叠至等于λ/4的厚度，其中λ是谐振器的声波的波长。
上电极和下电极可以由铝(Al)、铜(Cu)、钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、铱(Ir)等制成。压电薄膜可以由氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、钛酸铅(PbTiO3)等制成。除了硅之外，基板11也可以由玻璃制成。
FBAR或SMR型的压电薄膜谐振器具有由于从谐振部分23向外传播的泄漏声波30(如图1的部分(a)和部分(b)所示)而造成的损耗。将位置比谐振部分23更靠外的部分称为非谐振部分。传过非谐振部分的泄漏声波30不会转换为电信号，造成损耗。该现象称为声波30的横向泄漏。具有压电薄膜谐振器的滤波器需要抑制横向泄漏并且降低损耗。此外，需要该类型的滤波器对静电放电(ESD)破坏具有高抵抗性。
发明内容
鉴于上述情况而做出了本发明，本发明提供了对ESD破坏具有高抵抗性的滤波器。
根据本发明的一个方面，提供了一种包括多个压电薄膜谐振器的滤波器，所述多个压电薄膜谐振器各自具有：基板、形成在所述基板上的下电极、形成在所述下电极上的压电膜、以及按如下方式设置在所述压电膜上的上电极：使得所述上电极和所述下电极隔着所述压电膜而彼此相对，所述多个压电薄膜谐振器包括如下的第一谐振器：所述第一谐振器的所述压电膜的外侧曲部的至少一部分比所述上电极和所述下电极隔着所述压电膜而彼此相对的区域的外侧曲部更靠外，所述多个压电薄膜谐振器包括如下的第二谐振器：所述第二谐振器的所述压电膜的外侧曲部的至少一部分与所述上电极和所述下电极隔着所述压电膜而彼此相对的区域的外侧曲部基本一致，或者比所述区域的外侧曲部更靠内。
附图说明
基于以下附图详细地描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1部分地示出常规压电薄膜谐振器的平面图(a)和沿着部分(a)所示的线A-A而截取的剖面图(b)；
图2是根据第一实施例的滤波器的电路图；
图3A示出第一谐振器的平面图(a)和沿着部分(a)的线A-A截取的剖面图(b)；
图3B是沿着图3A的部分(a)所示的线B-B截取的剖面图；
图4A示出第二谐振器的平面图(a)和沿着部分(a)的线A-A截取的剖面图(b)；
图4B是沿着图4A的部分(a)的线B-B截取的剖面图；
图5示出对比较示例和第一实施例的ESD测试的结果；
图6是根据第二实施例的滤波器的电路图；
图7示出根据第三实施例的滤波器的平面图(a)以及沿着部分(a)所示的线A-A截取的剖面图(b)；
图8A至8H是示出第一谐振器的制造方法的剖面图；
图9A和9B是示出第二谐振器的制造方法的剖面图；
图10示出第一至第三实施例中的腔体与其中上电极和下电极隔着压电膜而彼此相对的区域之间的关系；
图11是根据第四实施例的滤波器的平面图；以及
图12示出根据第五实施例的滤波器的平面图(a)以及沿着部分(a)所示的线A-A截取的剖面图(b)。
具体实施方式
现在将参照附图给出对本发明实施例的描述。
[第一实施例]
图2是根据第一实施例的梯形滤波器的电路图。在输入端子IN与输出端子OUT之间串联地连接有串联谐振器S11至S14，在各节点与地之间连接有并联谐振器P11至P14。串联谐振器S11和S14以及并联谐振器P11和P14分别由第一谐振器41形成，串联谐振器S12和S13以及并联谐振器P12和P13分别由第二谐振器形成。如稍后所述，第一谐振器41和第二谐振器42具有不同的谐振器结构。
现在将描述第一谐振器41的结构。图3A的部分(a)是一个第一谐振器41的平面图，其部分(b)是沿着部分(a)所示的线A-A截取的剖面图。图3B是沿着图3A所示的线B-B截取的剖面图。参照这些图，在硅基板11上将下电极13形成为具有圆顶形状的凸起部分，以使得形成在下电极13与基板11之间的腔体具有圆顶形状的凸起部分。圆顶形状的凸起部分将腔体16限定为在周缘部分具有相对较小的高度并且在中央部分具有相对较大的高度，在下电极13上设置有压电膜14。在压电膜14上按如下方式设置有上电极：使得上电极具有隔着压电膜14与下电极13交叠的部分。将其中上电极15与下电极13隔着压电膜14而交叠的交叠区域限定为谐振部分23。下电极13、压电膜14和上电极15形成复合膜。下电极13和上电极15可以由钌(Ru)制成，压电膜14可以由主轴沿(002)方向的AlN制成。在下电极13中沿B-B方向形成有用于对牺牲层(稍后描述)进行刻蚀的引导路径19。引导路径的端部没有覆盖压电膜14。下电极13具有连通到引导路径19的端部的孔17。在压电膜14中形成有开口20以形成与下电极13的电连接。在第一谐振器41中，压电膜14的暴露于开口20的外侧曲部的至少一部分比其中上电极15和下电极13隔着压电膜14而彼此相对的区域24的外侧曲部26更靠外距离d1。
现在将描述第二谐振器42的结构。图4A的部分(a)是一个第二谐振器42的平面图，其部分(b)是沿着部分(a)所示的线A-A截取的剖面图。图4B是沿着图4A所示的线B-B截取的剖面图。与第一谐振器41相比，形成在压电膜14中的开口20延伸直到上电极15的外侧曲部。即，压电膜14的外侧曲部28的至少一部分与其中上电极15和下电极13隔着压电膜14而彼此相对的区域24的外侧曲部26基本一致。“基本”一词容许在制造过程中引入的微小差别。第二谐振器42的其他结构与第一谐振器41的对应结构相同。
在第一谐振器41中，如在图1的部分(a)和(b)中所示的情况一样，声波可能沿横向发生泄漏。因此，第一谐振器41具有很大的损耗。相反，第二谐振器42被设计为使得压电膜14的外侧曲部28与区域24的外侧曲部26基本一致。因此，外侧曲部28反射声波。换言之，在线A-A方向上，在区域24的外侧曲部26之外不存在非谐振部分。因此可以抑制声波30从图4A和4B的谐振部分23向非谐振部分(向右)发生横向泄漏。
图4B是第二谐振器42的变型例42a的剖面图。压电膜14的外侧曲部28的至少一部分比其中上电极15和下电极13隔着压电膜14而相互交叠的区域24的外侧曲部26更靠里距离d2。因此，谐振部分23位于区域24内。变型例42a的其他结构与第二谐振器42的结构相同。
第二谐振器42能够抑制声波通过压电膜14的横向泄漏。然而，一部分声波可能通过下电极13而泄漏。将第二谐振器42a设计为使得上电极15在压电膜14的外侧曲部28的一部分上伸出。上电极15的伸出部分抑制了下电极13的不必要振动。
然而，发明人发现，第二谐振器42及其变型例42a对ESD破坏不具有强抵抗性，而第一谐振器41中的距离d1的增加可以提高对ESD破坏的抵抗性。发明人对比较示例和第一实施例进行了ESD测试。比较示例的电路类似于图2中所示的电路，并由全部是通过第二谐振器42形成的谐振器来构成。第一实施例的电路如图2中所示，由第一谐振器41和第二谐振器42构成。图5示出ESD测试的结果，其中横轴表示在ESD测试中施加的电压，纵轴表示故障率(％)。在向其施加200V电压的情况下比较示例的所有滤波器都被损坏，而在向其施加200V电压的情况下第一实施例的滤波器只有20％被损坏。第一实施例的一些滤波器能够抵抗600V。
根据第一实施例，一些谐振器由第一谐振器41形成，其他谐振器由第二谐振器42或42a形成。更具体地说，由第一谐振器41形成需要对ESD破坏具有相对较高的抵抗性的谐振器，由第二谐振器42或42a形成其他谐振器。因此，与被设计为所有谐振器都由第一谐振器41形成的滤波器相比，第一实施例具有较低的损耗，而与被设计为所有谐振器都由第二谐振器42或42a形成的滤波器相比，第一实施例对ESD破坏具有较高的抵抗性。
特别的是，ESD电压直接施加到紧邻输入端子IN和输出端子OUT的谐振器。紧邻输入端子IN和输出端子OUT的谐振器可能比其他谐振器更容易被损坏。因此，优选的是，对最靠近输入端子IN的串联谐振器S11和并联谐振器P11以及最靠近输出端子OUT的串联谐振器S14和并联谐振器P14中的至少一个应用第一谐振器41。更优选的是，谐振器S11、S14、P11和P14全部由第一谐振器41形成。
[第二实施例]
第二实施例具有其中与连接到输入端子IN的串联谐振器并联连接有电感器的结构。参照图6，第二实施例的梯形滤波器由串联谐振器S21至S24和并联谐振器P21至P24构成。与最靠近输入端子IN的串联谐振器S21并联连接有电感器L。与电感器L并联连接的串联谐振器S21不仅用作谐振器，而且用作对从输入端子IN看到的阻抗进行变换的匹配电路。电感器L形成与最靠近输入端子IN(或者可以是最靠近输出端子OUT)的串联谐振器S21并联地连接的路径，ESD电压通过该路径。在图6中，对于ESD，串联谐振器S21与S22之间的节点in2实质上用作输入端子。优选的是，将第一谐振器41应用于串联谐振器S22和S24以及并联谐振器P21和P24中的至少一个。串联谐振器S22最靠近串联谐振器S21，串联谐振器S21最靠近输入端子IN并与电感器L并联连接。并联谐振器P21最靠近上述串联谐振器S21。串联谐振器S24和并联谐振器P24最靠近输出端子OUT。更优选的是，谐振器S22、S24、P21和P24由第一谐振器41形成，其余的谐振器S21、S23、P22和P23由第二谐振器42或42a形成。
[第三实施例]
参照图7，第三实施例采用的第一谐振器41a在第一谐振器41的压电膜14的外侧曲部28的至少一部分上设置有附加膜22。图7的部分(a)是第一谐振器41a的平面图，其部分(b)是沿着部分(a)所示的线A-A截取的剖面图。附加膜沿着压电膜14的外侧曲部28的形状形成在外侧曲部28的至少一部分上。第三实施例的其他结构与第一实施例的对应结构相同。
现在将给出对第一谐振器41a和第二谐振器42的制造方法的描述。图8A至8H分别是示出第一谐振器41a的制造方法的剖面图。图8A至8D示出与沿着图7的部分(a)所示的线A-A截取的剖面相对应的剖面。图8E至8H示出与沿着图7的部分(a)所示的线B-B截取的剖面相对应的剖面。图9A和9B分别是示出第二谐振器42的制造方法的剖面图，并对应于沿着图4A所示的线A-A截取的剖面。参照图8A和8E，通过溅射或汽相淀积在硅基板11上淀积例如由MgO制成的牺牲层至大约20nm的厚度。可以用熔凝石英基板、玻璃基板或GaAs基板代替硅基板11。当形成腔体16时，必须抑制基板11被刻蚀。从这一点来看，可以选择基板11的材料。由可以容易地被刻蚀剂刻蚀的材料制成牺牲层18。更具体地说，可以由ZnO、Ge或Ti制成牺牲层18。通过光刻技术和刻蚀技术将牺牲层18形成为给定的形状。
参照图8B和8F，通过在0.6Pa至1.2Pa的Ar气环境中进行溅射而形成由钌(Ru)制成的下电极13至大约250nm的厚度。下电极13可以由结合图1所述的任何材料制成。通过光刻技术和刻蚀技术将下电极13形成为给定的形状。在引导路径19的端部形成孔17。也可以稍后形成孔17。
参照图8C和8G，通过在压力大约为0.3Pa的Ar/N2混和气体中进行溅射而在下电极13和基板11上形成由主轴沿(002)方向的AlN膜形成的压电膜14至大约1000nm的厚度。接着，通过在压力大约为0.6Pa至1.2Pa的Ar气环境中进行溅射而在压电膜14上形成由Ru制成的上电极15至大约250nm的厚度。压电膜14可以由ZnO制成。上电极15可以由与下电极13相同的金属制成。通过光刻技术和刻蚀技术而将上电极15形成为给定的形状。在第一谐振器41a中，由与上电极15的材料相同的材料形成附加膜22。接着，通过光刻技术和刻蚀技术对压电膜14进行刻蚀。附加膜22用于抑制沿压电膜14的横向的刻蚀。因此，对压电膜14的刻蚀在附加膜22处停止，从而外侧曲部28与附加膜22一致。附加膜22使得可以可靠地形成压电膜14的比上电极15的外侧曲部26更靠外的外侧曲部28。
参照图8D和8H，经由一个孔17向引导路径19中引入用于对牺牲层18进行刻蚀的刻蚀剂，从而可以去除牺牲层18。通过调节溅射条件，将由下电极13、压电膜14和上电极15组成的复合膜设计为具有压缩应力。因此，当完成了对牺牲层18的刻蚀时，复合膜向上凸起，从而可以形成朝向复合膜凸起的圆顶状腔体16。可以将复合膜的压缩应力设置为等于-300MPa。
参照图9A，在第二谐振器42中不形成附加膜22。将压电膜14的外侧曲部28形成为与上电极15的端部基本一致。如图9B所示，与图8D所示的情况一样，在下电极13与基板11之间形成圆顶状腔体16。
根据第三实施例，在压电膜14的外侧曲部28的至少一部分上沿着外侧曲部28设置附加膜22。因此，如参照图8C所描述的，可以可靠地形成压电膜14的比上电极15的外侧曲部26更靠外的外侧曲部28。此外，通过用与上电极15相同的材料形成附加膜22，可以简化制造工艺。可以通过湿法刻蚀对压电膜14进行刻蚀，从而可以进一步抑制横向刻蚀。
在第一至第三实施例中，腔体16具有朝向复合膜凸起的圆顶形状。因此，不对基板11进行刻蚀。这提高了生产率。此外，可以增加基板11的机械强度。此外，因为可以在小的区域中形成腔体16，所以可以进一步集成谐振器的部件。与前面提到的日本特开2004-200843号公报中公开的现有技术相比，腔体16具有紧凑的尺寸。因此，可以抑制复合膜的可靠性由于机械振动而劣化。此外，可以将用于形成腔体16的牺牲层18制造得很薄，从而可以确保压电膜14的良好取向性。
可以将由下电极13、压电膜14和上电极15构成的复合膜设计为具有压缩应力。因此，可以可靠地形成腔体16而不会有破碎。在下电极13中形成连通到腔体16的孔17。可以通过孔17进行刻蚀从而去除牺牲层18，从而可以可靠地形成圆顶状腔体16。
当谐振器的压电膜14可以由主轴沿(002)方向的AlN或ZnO形成时，可以获得良好的谐振特性。
上电极15和下电极13隔着压电膜14而彼此相对的区域24可以具有椭圆形状。因此，区域24不具有任何相互平行的边。因此，可以抑制由压电膜14的外侧曲部28反射的声波作为驻波停留在谐振区域内的横向。这抑制了在通频域中出现波纹。
区域24的与第一谐振器41中的压电膜14的外侧曲部28的至少一部分一致的外侧曲部26可以具有与外侧曲部28类似的形状。
如图10所示，可以将腔体16在基板11上的投影区域设计为包括上电极15和下电极13隔着压电膜14而相对的区域24在基板11上的投影区域。该结构改善了压电薄膜谐振器的谐振特性。
[第四实施例]
图11示出第四实施例，其中上电极15和下电极13隔着压电膜14而相对的区域24具有相对边不平行的多边形形状。因此，可以抑制由压电膜14的外侧曲部28反射的声波作为驻波而停留在横向。这抑制了在通频域中出现波纹。
[第五实施例]
第五实施例的腔体形成在基板11中。参照图12的部分(a)和(b)，在基板11中形成有腔体16a，使得下电极13在区域24下方部分地暴露。可以通过深层RIE来形成腔体16a。
本发明不限于这些具体描述的实施例，而是可以在不脱离本发明的范围的情况下做出其他实施例和变型例。
本发明基于2006年5月31日提交的日本专利申请No.2006-151474，在此通过引用而并入其全部公开内容。

Claims (13)

1.一种滤波器，该滤波器包括输入端子、输出端子和多个压电薄膜谐振器，所述多个压电薄膜谐振器各自具有：基板、形成在所述基板上的下电极、形成在所述下电极上的压电膜、以及隔着所述压电膜与所述下电极彼此相对地设置在所述压电膜上的上电极，
所述多个压电薄膜谐振器包括如下的第一谐振器：所述第一谐振器的所述压电膜的外侧曲部比其中所述上电极和所述下电极隔着所述压电膜而彼此相对的区域的外侧曲部更靠外，
所述多个压电薄膜谐振器包括如下的第二谐振器：所述第二谐振器的所述压电膜的外侧曲部与其中所述上电极和所述下电极隔着所述压电膜而彼此相对的区域的外侧曲部基本一致，或者比所述区域的外侧曲部更靠内，
其中连接到所述输入端子或所述输出端子的至少一个压电薄膜谐振器由所述第一谐振器形成。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其中：
所述多个压电薄膜谐振器被设置为形成梯形滤波器；并且
连接到所述输入端子的串联谐振器、与连接到所述输入端子的串联谐振器连接的并联谐振器、连接到所述输出端子的另一串联谐振器和连接到所述输出端子的另一并联谐振器中的至少一个由所述第一谐振器形成。
3.根据权利要求1所述的滤波器，其中：
所述多个压电薄膜谐振器被设置为形成梯形滤波器；
连接到所述输入端子和所述输出端子中的一个端子的串联谐振器并联地连接有电感器；并且
连接到所述串联谐振器的另一串联谐振器、连接到所述串联谐振器的并联谐振器、连接到所述输入端子和所述输出端子中的另一个端子的又一串联谐振器、和连接到所述输入端子和所述输出端子中的所述另一个端子的又一并联谐振器中的至少一个由所述第一谐振器形成。
4.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述第一谐振器的所述压电膜的外侧曲部的形状类似于所述区域的外侧曲部的形状。
5.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述第一谐振器包括沿着所述压电膜的外侧曲部设置在所述压电膜的外侧曲部上的附加膜。
6.根据权利要求5所述的滤波器，其中，所述附加膜由制成所述上电极的材料制成。
7.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述上电极和所述下电极隔着所述压电膜而彼此相对的区域具有椭圆形状。
8.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述上电极和所述下电极隔着所述压电膜而彼此相对的区域具有相对边不平行的多边形形状。
9.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述下电极和所述基板形成位于所述上电极和所述下电极隔着所述压电膜而彼此相对的区域下方的圆顶状腔体。
10.根据权利要求9所述的滤波器，其中，所述圆顶状腔体在所述基板上的投影区域包括所述上电极和所述下电极隔着所述压电膜而彼此相对的区域在所述基板上的投影区域。
11.根据权利要求9所述的滤波器，其中，在所述上电极和所述下电极隔着所述压电膜而彼此相对的区域中，包括所述下电极、所述压电膜和所述上电极的复合膜结构具有压缩应力。
12.根据权利要求9所述的滤波器，其中，所述下电极具有连通到所述腔体的孔。
13.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述基板具有位于所述上电极和所述下电极隔着所述压电膜而彼此相对的区域下方的腔体。
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