CN101166020A - 梯型滤波器 - Google Patents

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西原时弘
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岩城匡郁
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斋藤康之
江原永典
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Abstract

本发明提供了一种梯型滤波器。该梯型滤波器包括：串联谐振器，该串联谐振器具有第一层叠膜，在该第一层叠膜中，上部电极和下部电极隔着压电膜而彼此面对，并且在该第一层叠膜上设有第一膜；以及并联谐振器，该并联谐振器具有第二层叠膜，该第二层叠膜具有与所述第一层叠膜相似的结构，在该第二层叠膜上设有第二膜以及与所述第一膜相同的另一第一膜。

Description

梯型滤波器
技术领域
本发明涉及梯型滤波器，更具体地说，涉及一种利用压电薄膜谐振器的梯型滤波器。
背景技术
由于诸如蜂窝式电话之类的无线设备的迅速普及，对于紧凑且重量轻的谐振器以及利用这种谐振器的滤波器的需求越来越大。在过去，使用介质滤波器和表面声波(SAW)滤波器。近来，对于压电薄膜谐振器以及利用这种谐振器的滤波器进行了大量的研究和开发活动。
压电薄膜谐振器可分成FBAR(薄膜腔声谐振器)型和SMR(固态装配谐振器)型两种。FBAR具有由上部电极、压电膜和下部电极构成的主要结构，并具有设在下部电极下方且位于上部电极和下部电极隔着压电膜彼此重叠的重叠区域(谐振部分)内的中空空间。可以通过对硅基板的主表面上的牺牲层进行湿蚀刻而在下部电极和硅基板之间限定所述中空空间。也可以通过从基板的背面对该基板进行湿蚀刻或干蚀刻来形成所述中空空间。SMR采用声反射膜而不是中空空间，其中，将声阻抗相对较高的第一膜和声阻抗相对较低的第二膜交替层叠成λ/4的膜厚，其中λ为谐振器声波的波长。
上部电极和下部电极可以由铝(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。基板可以由玻璃而不是硅制成。
下面描述压电薄膜谐振器的操作原理。以下描述示例性地针对FBAR。在上部电极和下部电极之间施加高频电压。在谐振部分的压电膜中激发由于逆压电效应而引起的声波。因声波而引起的压电膜的变形由于压电效应而转换成在上部电极和下部电极之间产生的电信号。该声波被空气和上部电极之间的界面以及空气和下部电极之间的另一界面反射。因此，在压电膜的厚度方向上产生具有主位移的垂直振动。利用垂直振动的谐振现象来形成具有期望频率响应的谐振器以及使用这种谐振器的滤波器。
具体说来，在下部电极、压电膜和上部电极(包括添加到上部电极上的膜)的总厚度H等于所激发的声波波长λ的一半(λ/2)的整数倍(n倍)的频率处，会产生谐振现象。也就是说，在H＝nλ/2的频率处会产生谐振现象。假设V表示声波的传播速度，该速度取决于形成压电膜所用的材料，则谐振频率F等于nV/(2H)。这表明，可以通过层叠膜(filmlaminate)的总厚度H来控制谐振频率F。
压电薄膜谐振器的典型示例是梯型滤波器。梯型滤波器由并联谐振器以及布置在输入端子和输出端子之间的串联谐振器构成，并用作带通滤波器。图1A表示串联谐振器S的等效电路，图1B表示并联谐振器P的等效电路。图1C表示串联谐振器S和并联谐振器P的传输特性。串联谐振器S在谐振频率frs处具有最大值，在反谐振频率fas处具有最小值。并联谐振器P在谐振频率frp处具有最小值，而在反谐振滤波fap处具有最大值。图2A表示由一个串联谐振器S和一个并联谐振器P构成的单级梯型滤波器的等效电路。图2B表示图2A中所示的梯型滤波器的带通特性。该带通滤波器可以通过将串联谐振器S的谐振频率frs和并联谐振器P的反谐振频率fap设置成彼此大致相等而构成。串联谐振器S的反谐振频率fas对应于通带高频侧衰减极点的频率，而并联谐振器P的谐振频率frp对应于低频侧衰减极点的频率。
为了获得梯型滤波器的期望通带，需要将串联谐振器S和并联谐振器P的谐振频率设计成具有微小差异(通常为百分之几)。在串联谐振器S和并联谐振器P形成在同一基板上的情况下，需要对串联谐振器S和并联谐振器P执行频率调整步骤(Δf调整步骤)。可以通过调整串联谐振器S和并联谐振器P的谐振频率来调整通带的中心频率(f0调整步骤)。
日本专利申请公报No.2005-286945公开了一种技术，其中将第一调整膜和第二调整膜作为频率调整膜叠置在上部电极上，并且使串联谐振器S和并联谐振器P上的第一调整膜的厚度彼此不同。通过在串联谐振器S和并联谐振器P上设置厚度彼此不同的第一调整膜来执行Δf调整步骤，并且通过调整各串联谐振器S和并联谐振器P的第二调整膜的厚度来执行f0频率调整。这样，可以分开地进行Δf调整步骤和f0调整步骤。
日本专利申请公报No.2006-128993公开了压电膜的边缘定位成比上部电极和下部电极彼此重叠的区域的边缘更靠内。通过该结构，可以防止声波从谐振部分向外泄漏。这被称为声波横向泄漏。该结构可以通过对压电膜进行湿蚀刻而形成。
如所述，日本专利申请公报No.2005-286945中公开的技术采用使串联谐振器和并联谐振器的第一调整膜具有不同厚度值的Δf调整步骤。例如，串联谐振器的第一调整膜被蚀刻而变薄。然而，很难在第一调整膜蚀刻中途可靠地停止蚀刻。因此，很难可靠地设定串联谐振器和并联谐振器的谐振频率差。
发明内容
本发明是鉴于上述情形做出的，并且提供一种能够可靠地设定串联谐振器和并联谐振器的谐振频率差的梯型滤波器。
根据本发明的一个方面，提供了一种梯型滤波器，该梯型滤波器包括：串联谐振器，该串联谐振器具有第一层叠膜，在该第一层叠膜中，上部电极和下部电极隔着压电膜而彼此面对，并且在该第一层叠膜上设有第一膜；以及并联谐振器，该并联谐振器具有第二层叠膜，该第二层叠膜具有与所述第一层叠膜相似的结构，在该第二层叠膜上设有第二膜以及与所述第一膜相同的另一第一膜。
附图说明
下面将参照附图详细描述本发明的优选实施方式，附图中：
图1A是串联谐振器的等效电路图；
图1B是并联谐振器的等效电路图；
图1C是串联谐振器和并联谐振器的频率特性曲线；
图2A是单级梯型滤波器的等效电路图；
图2B是梯型滤波器的带通特性；
图3是根据本发明第一实施方式的梯型滤波器的等效电路图；
图4A包括：部分(a)，其表示在第一实施方式中采用的串联谐振器的平面图；以及部分(b)，其表示沿着部分(a)中的线A-A剖取的剖视图；
图4B是沿着线A-A剖取的并联谐振器的剖视图；
图5A至图5F是用于制造串联谐振器和并联谐振器的方法的剖视图；
图6A至图6F是该方法的后继工序的剖视图；
图7A、7B及图7C是区域50及其附近的平面图；
图8是根据第一对比实施例的并联谐振器的剖视图；
图9A是第一对比实施例的谐振器的特性的史密斯圆图；
图9B是第一实施方式的谐振器的特性的史密斯圆图；
图10A是第一对比实施例的带通特性曲线；
图10B是第一实施方式的带通特性曲线；
图11包括：部分(a)，其表示根据第二实施方式的并联谐振器的平面图；以及部分(b)，其表示沿着部分(a)中所示的线A-A剖取的剖视图；以及
图12是根据第三实施方式的并联谐振器的平面图。
具体实施方式
下面将给出本发明优选实施方式的描述。
[第一实施方式]
图3是根据本发明第一实施方式的梯型滤波器的电路图。串联谐振器S1、S2和S3串联连接在输入端子Tin和输出端子Tout之间。并联谐振器P1连接在串联谐振器S1和S2之间的节点与地之间。并联谐振器P2连接在串联谐振器S2和S3之间的节点与地之间。如稍后所述，串联谐振器S(S表示S1至S3中的任一个)和并联谐振器P(P表示P1和P2中任一个)具有不同的结构。
下面描述串联谐振器S的结构。图4A中的部分(a)表示串联谐振器S的平面图，而部分(b)表示沿着部分(a)中所示的线A-A剖取的剖视图。下部电极12设置在硅基板10上从而形成中空空间30，该中空空间形成在硅基板10和下部电极12之间并且方向向上。中空空间30由下部电极12的拱形突出部分限定。因此，中空空间30可以称为拱形中空空间。下部电极12的拱形部分可以具有从其周边朝向中空空间30中央逐渐增大的高度。下部电极12可以具有Ru/Cr(钌/铬)结构。在下部电极12上设有压电膜14，该压电膜14可以由例如氮化铝(AlN)制成，并具有沿着(002)方向的主轴。上部电极16设置在压电膜14上，从而可限定一重叠区域(谐振部分52)，在该重叠区域中，上部电极16隔着压电膜14与下部电极12重叠。上部电极16例如可以由Ru制成。下部电极12、压电膜14和上部电极16形成层叠膜18。在上部电极16上设有由Cr制成的第一膜22。在第一膜22、基板10和压电膜14上设有第三膜24，该第三膜可以由例如氧化硅(SiO2)制成。
在下部电极12中沿着方向B-B延伸地设置用于进行牺牲层蚀刻(稍后将对此进行描述)的引导通路32。引导通路32的一端未被压电膜14覆盖，并且在下部电极12中形成有孔34，这些孔与引导通路32的端部连通。在压电膜14中设有开口36，用于与下部电极12形成电连接。在开口36中，压电膜14的外弯曲边缘42的至少一部分比其中上部电极16隔着压电膜14与下部电极12重叠的区域50的外弯曲边缘更靠内，更靠内的距离为“d”。
现在参照图4B描述并联谐振器P，图4B表示沿着并联谐振器P的线A-A剖取的剖视图。并联谐振器P与上述串联谐振器S的不同之处在于，在上部电极16和第一膜22之间设置由例如钛(Ti)制成的第二膜20。并联谐振器P的其它结构与串联谐振器S的相同。
有助于串联谐振器S的谐振部分52的谐振频率的层叠膜从上至下为SiO2/Cr/Ru/AlN/Ru/Cr。相比之下，有助于并联谐振器P的谐振部分52的谐振频率的层叠膜从上至下为SiO2/Cr/Ti/Ru/AlN/Ru/Cr。并联谐振器P设有由Ti制成的第二膜，从而可设计成具有与串联谐振器S不同的谐振频率。因此，可以获得如图2B所示的带通滤波器响应。
下面将描述制造串联谐振器S和并联谐振器P的方法。参照图5A和图5D，通过溅射在硅基板10上沉积由MgO(氧化镁)制成的牺牲层38，使其具有大约40nm的厚度。接着，通过微影蚀刻使牺牲层38形成给定形状。参照图5B和图5E，下一步是通过溅射沉积厚度为大约100nm的Cr膜和厚度为大约250nm的Ru膜。然后，通过微影蚀刻使层叠膜成形为下部电极12。然后，通过溅射在下部电极12和基板10上沉积厚度为1150nm的用于压电膜14的AlN。然后，通过溅射在压电膜14上形成用于上部电极16的厚度为250nm的Ru膜。
参照图5C和图5F，通过溅射形成用于第二膜20的厚度为115nm的Ti膜，从而覆盖上部电极16。然后，通过微影蚀刻，将第二膜20蚀刻成在并联谐振器P的牺牲层38上保留第二膜，而在串联谐振器S的牺牲层38上不保留第二膜。在进行该蚀刻时，有选择地蚀刻Ti膜和Ru膜，使得可以在不损失上部电极16的厚度的情况下对第二膜20进行蚀刻。图7A表示在并联谐振器P中，上部电极16、第二膜20和一区域(该区域将成为区域50，并且为了方便起见将其称为区域50)之间的位置关系。第二膜20形成为包括区域50。参照图5C和图5F，通过溅射在上部电极16和第二膜20上沉积用于第一膜22的厚度为大约20nm的Cr膜。
参照图6A和图6D，通过微影蚀刻将第一膜22形成为给定形状。图7B表示在并联谐振器P中，上部电极16、第二膜20、第一膜22和区域50之间的位置关系。在蚀刻第一膜22时蚀刻第二膜20。因此，上部电极16、第一膜22和第二膜20的外弯曲边缘在区域50的右侧彼此对齐。相比之下，在区域50的左侧第二膜20比区域50大。上部电极16和第一膜22的外弯曲边缘彼此对齐。
参照图6B和图6E，通过微影蚀刻对压电膜14进行蚀刻。该蚀刻可以是使用磷酸的湿蚀刻。压电膜14被过蚀刻，使得该压电膜14的外弯曲边缘比区域50更靠内。在蚀刻由AlN制成的压电膜14之后，在第一膜22、基板10和压电膜14上形成由SiO2制成的第三膜24。图7C表示在并联谐振器P中，下部电极12、上部电极16、第二膜20、第一膜22和区域50之间的位置关系。在区域50的右侧，压电膜14的外弯曲边缘比该区域50更靠内。因此，在区域50的右侧，谐振部分52的外弯曲边缘比该区域50的外边缘更靠内。相比之下，在区域50的左侧，谐振部分52的外弯曲边缘与该区域50的外弯曲边缘一致。
参照图6C和图6F，通过孔34向引导通路32(参见图4A)施加用于蚀刻牺牲层38的蚀刻剂，从而去除牺牲层38。通过调整各个膜的溅射条件而将由下部电极12、压电膜14和上部电极16构成的层叠膜18的应力设置成压应力。因此，当完成牺牲层38的蚀刻时层叠膜隆起，从而可以在下部电极12和基板10之间形成方向朝层叠膜18的拱形中空空间30。所述压应力可以设定在-150MPa至-300MPa的范围内。通过上述工序，就完成了串联谐振器S和并联谐振器P。
对第一实施方式和第一对比实施例进行比较。图8是根据第一对比实施例的梯型滤波器的剖视图。与图4B相比，第一对比实施例的第二膜20a设置在第一膜22和第三膜24之间。可以通过以图5C和图5F中的相反顺序形成第二膜20和第一膜来实施第一对比实施例。也就是说，在图6B和图6E中，在蚀刻压电膜14时，仅通过光刻胶保护第二膜20。
图9A和图9B分别是第一对比实施例和第一实施方式的史密斯圆图，其中示出了晶片中的三个并联谐振器的S11特性。用于测量的谐振器具有椭圆形的谐振部分50，其长轴为247μm，短轴为176μm。图4B中的距离“d”被选择成使得能够抑制声波的横向泄漏。第一实施方式的三个谐振器具有几乎相同的S11特性。相比之下，第一对比实施例的三个谐振器具有不同的S11特性。
图10A和图10B分别表示第一对比实施例和第一实施方式的带通特性，各图示出了晶片中形成的带通特性。用于测量的梯型滤波器的并联谐振器P的区域50具有椭圆形状，其通常具有180μm的长轴和151μm的短轴。各梯型滤波器中的并联谐振器P具有尺寸略有不同的相应椭圆形状。用于测量的梯型滤波器的串联谐振器S的区域50具有椭圆形状，其通常具有233μm的长轴和195μm的短轴。各梯型滤波器中的串联谐振器S具有尺寸略有不同的椭圆形状。图4A的(b)部分和图4B中的距离“d”选择成能够抑制声波的横向泄漏。第一实施方式的四个滤波器之间的带通特性没有差异。相比之下，第一对比实施例的四个滤波器之间的带通特性存在显著差异。另外，在通带中出现较大波动，而在第一实施方式中没有任何显著波动。第一实施方式能够实现带通特性差异较小并且波动受到抑制的梯型滤波器。
在第一实施方式的串联谐振器S中，在层叠膜18上设置第一膜22。在第一实施方式的并联谐振器P中，在层叠膜18上设置第二膜20，并在第二膜20上设置第一膜22。因此，第二膜20是否存在限定了串联谐振器S和并联谐振器P的谐振频率差Δf。串联谐振器S和并联谐振器P的第一膜22由相同的材料制成。因此，可以通过以大致相同的粘性在串联谐振器S和并联谐振器P的第一膜22上形成另一膜。
例如，参照图6A和图6B，在第一实施方式中，在对压电膜14进行蚀刻时，在串联谐振器S和并联谐振器P中与抗蚀剂(未示出)接触的膜是第一膜22。相比之下，在第一对比实施例中，在对压电膜14进行刻蚀时，在串联谐振器S中第一膜22与抗蚀剂(未示出)接触，而在并联谐振器P中第二膜20a与抗蚀剂(未示出)接触。需要注意的是，第二膜20a的Ti适合以湿蚀刻进行蚀刻，并且对抗蚀剂的附着强度比第一膜22的Cr小。因此，在第一对比实施例中，第二膜20a勉强蚀刻。第二膜20a的蚀刻程度取决于在晶片上的位置。这导致谐振特性偏差和带通特性偏差。
优选的是，第二膜20对上部电极16来说具有良好的蚀刻选择性。优选的是，第一膜22由对另一膜具有较强附着强度的材料制成。在第一实施方式中考虑到了这一点。也就是说，在串联谐振器S中，第一膜22设置在层叠膜18上，而在并联谐振器P中，第二膜20设置在层叠膜18和第一膜22之间。因此，可防止上部电极16的厚度由于在形成第二膜20时过蚀刻而减少，并且可以防止串联谐振器S和并联谐振器P之差Δf偏离目标值。还可以通过在串联谐振器S和并联谐振器P中的第一膜22上形成膜而增大相同的附着强度。
优选的是，第一膜22可以由对另一材料具有良好粘性的材料制成，而第二膜20由对上部电极16具有良好蚀刻选择性的材料制成。具体地说，第一膜22和第二膜20由导电材料制成，以使这些膜用作上部电极16。
在串联谐振器S和并联谐振器P中，在第一膜22上设置第三膜24。串联谐振器S和并联谐振器P的第三膜24可以同时进行蚀刻，从而可以同时调整串联谐振器S和并联谐振器P的谐振频率。因此，可以调整通带的中心频率f0。优选的是，第一膜24由在f0调整期间使得可对第一膜22、第二膜20和层叠膜18进行蚀刻的材料制成。第三膜24还用作第一膜22、第二膜20和层叠膜18的保护膜。因此，第三膜24是诸如金属氧化物膜或金属氮化物膜之类的绝缘膜。
参照图7C，在并联谐振器P中，优选的是，设有第二膜20的区域包括其中上部电极16隔着压电膜14与下部电极12面对的区域50。如果区域50的一部分没有形成第二膜20，则谐振特性会偏离设计特性。
优选的是，串联谐振器S中的第一膜22和并联谐振器P中的第一膜22具有相同的厚度。因此可以仅通过第二膜20的厚度来调整频率差Δf，从而抑制特性偏差。
所述中空空间为方向向上，即朝向层叠膜18的拱形形状。因此不必蚀刻基板10。这提高了生产率并且防止了基板10的机械强度下降。另外，仅需要较小的区域来形成中空空间30，从而可便于集成。小型化的中空空间30防止了层叠膜18的可靠性由于机械振动而下降。此外，该小型化的中空空间30可使牺牲层38较薄并确保压电膜14良好地定向。
由下部电极12、压电膜14和上部电极16构成的层叠膜18具有压应力。因此，可以可靠地形成拱形中空空间30。在下部电极12中形成有与中空空间30连通的孔34。通过孔34对牺牲层38进行蚀刻，从而可以限定拱形的中空空间30。
其中上部电极16隔着压电膜14与下部电极12面对的区域50包含在通过使中空空间30在基板10上投影而形成的区域中。这使得层叠膜18可以振动。
压电膜14可以由以沿着(002)方向的主轴取向的氮化铝或氧化锌制成。因此，可以提供具有良好谐振特性的压电薄膜谐振器。
[第二实施方式]
第二实施方式具有中空空间30a设置在基板10中的结构。图11的部分(a)是根据第二实施方式的谐振器的平面图，而其部分(b)是沿着线A-A剖取的剖视图。参照图11，中空空间30a在其中上部电极16隔着压电膜14与下部电极12面对的区域50下方形成在基板10中。中空空间30a可以通过深RIE(反应离子蚀刻)而形成为具有大致垂直的壁。
[第三实施方式]
图12是根据第三实施方式的串联谐振器S和并联谐振器P的平面图。参照图12，其中上部电极16隔着压电膜14与下部电极12面对的区域50具有由不平行的边组成的多边形形状。第三实施方式的其它结构与第一实施方式的相同。区域50可以具有第一实施方式中的椭圆形状，或者具有第二实施方式中的由不平行的边组成的多边形形状。在区域50中没有平行的边。因此，可以防止被压电膜14的外边缘反射的声波被反射并以横向驻波形式保留在谐振部分52中。因此可以防止在通带中出现波动。
第一至第三实施方式是采用FBAR的梯型滤波器。本发明包括采用SMR的梯型滤波器。基板10可以由石英、玻璃或GaAs制成。下部电极12和上部电极16不仅可以由Ru制成，而且可以由背景技术中描述的其它材料制成。优选的是，牺牲层38可以由易于通过蚀刻剂去除的材料制成。例如，牺牲层38可以由ZnO、Ge或Ti制成。所述膜可以通过蒸发而不是溅射来形成。第一膜22不限于Cr膜，而是可以由其它材料制成，只要能够获得相似的效果即可。第二膜20不限于Ti膜，而是可以由其它材料制成，只要能够获得相似的效果即可。第三膜24不限于SiO2，而是可以由能够获得相似效果的其它材料制成。
本发明并不限于所具体公开的实施方式，在不脱离本发明范围的情况下可以采用其它实施方式并可进行变型。
本发明基于2006年10月17日提交的日本专利申请No.2006-282290，通过参考将其全部内容合并于此。

Claims (15)

1.一种梯型滤波器，该梯型滤波器包括：
串联谐振器，该串联谐振器具有第一层叠膜，在该第一层叠膜中，上部电极和下部电极隔着压电膜而彼此面对，并且在该第一层叠膜上设有第一膜；以及
并联谐振器，该并联谐振器具有第二层叠膜，该第二层叠膜具有与所述第一层叠膜相似的结构，在该第二层叠膜上设有第二膜以及与所述第一膜相同的另一第一膜。
2.根据权利要求1所述的梯型滤波器，其中，所述第二膜包括导电膜。
3.根据权利要求1或2所述的梯型滤波器，该滤波器还包括设置在所述串联谐振器的所述第一膜上的第三膜，以及设置在所述并联谐振器的所述另一第一膜上的另一第三膜，该另一第三膜与所述第三膜相同。
4.根据权利要求3所述的梯型滤波器，其中，所述第三膜和所述另一第三膜为绝缘膜。
5.根据权利要求1所述的梯型滤波器，其中，设置所述第二膜的区域包括其中所述上部电极和所述下部电极隔着所述压电膜而彼此面对的另一区域。
6.根据权利要求1所述的梯型滤波器，其中，所述串联谐振器的所述第一膜具有与所述另一第一膜相等的厚度。
7.根据权利要求1所述的梯型滤波器，其中，所述上部电极包括钌膜，所述第一膜和所述另一第一膜包括铬膜，并且所述第二膜和所述另一第二膜包括钛膜。
8.根据权利要求1所述的梯型滤波器，其中，所述上部电极隔着所述压电膜而与所述下部电极面对的区域具有椭圆形状。
9.根据权利要求1所述的梯型滤波器，其中，所述上部电极隔着所述压电膜而与所述下部电极面对的区域具有由不平行的边组成的多边形形状。
10.根据权利要求1所述的梯型滤波器，其中，所述下部电极在其中所述上部电极隔着所述压电膜而与所述下部电极面对的区域中面对一中空空间，该中空空间设置在基板上或设置在基板中。
11.根据权利要求1所述的梯型滤波器，其中，所述层叠膜形成为具有限定在基板上的拱形形状的中空空间。
12.根据权利要求10所述的梯型滤波器，其中，所述区域包含在所述中空空间中。
13.根据权利要求11所述的梯型滤波器，其中，所述区域包含在所述中空空间中。
14.根据权利要求11所述的梯型滤波器，其中，所述层叠膜具有压应力。
15.根据权利要求1所述的梯型滤波器，其中，所述压电膜由以沿着(002)方向的主轴取向的氮化铝或氧化锌制成。
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