CN102931942A - 声波器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了声波器件。一种声波器件包括：基板；形成在所述基板上的下电极；形成在所述下电极上的至少两个压电膜；位于所述至少两个压电膜之间的绝缘膜；以及形成在所述至少两个压电膜上的上电极，其中，在所述下电极和所述上电极彼此面对的区域中，所述至少两个压电膜中的最上面的压电膜的外周比所述上电极的外周更靠内。

Description

声波器件
技术领域
本发明的一些方面涉及声波器件，并且涉及包括例如压电薄膜谐振器的声波器件。
背景技术
利用压电薄膜谐振器的声波器件已经被用作用于例如无线设备等的滤波器。压电薄膜谐振器具有下电极与上电极隔着压电膜彼此面对的结构。滤波器和双工器是使用压电薄膜谐振器的声波器件的示例。在这些声波器件中，谐振频率、反谐振频率、通带等随温度发生变化。如在日本专利申请公开第No.58-137317号公报和Proc.IEEEUltrasonics Symposium 2009,第859-862页中所公开的，已知一种在压电膜中设置绝缘膜的技术，作为补偿随温度发生的这些变化的技术。
然而，在上述技术中，声波器件的谐振特性，诸如Q值和机电耦合系数不足。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种声波器件，该声波器件包括：基板；形成在所述基板上的下电极；形成在所述下电极上的至少两个压电膜；位于所述至少两个压电膜之间的绝缘膜；以及形成在所述至少两个压电膜上的上电极，其中，在所述下电极与所述上电极彼此面对的区域中，所述至少两个压电膜中的最上面的压电膜的外周比所述上电极的外周更靠内。
根据本发明的另一方面，提供了另一种声波器件，所述声波器件包括：接收滤波器，其利用纵向耦合双模表面声波滤波器输出平衡的输出；和发送滤波器，在该发送滤波器中，包括至少一个上述声波器件的声波谐振器连接成梯型。
附图说明
图1中A是根据第一实施方式的压电薄膜谐振器的平面图，并且图1中B和C是沿着图1中A中的线A-A截取的截面图；
图2A至图2D是例示出根据第一实施方式的谐振器的制造方法的截面图；
图3是根据第一比较例的谐振器的截面图；
图4A和图4B是分别例示出第一比较例和第一实施方式的谐振频率和反谐振频率的温度依存性的示图；
图5是根据第二比较例的谐振器的截面图；
图6A至图6C是分别示出在谐振频率处的Q值、在反谐振频率处的Q值以及机电耦合系数的仿真结果；
图7A和图7B分别是第一实施方式的第一变型实施方式和第二变型实施方式的截面图；
图8A至图8C是根据第二实施方式的谐振器的截面图；
图9是根据第三实施方式的谐振器的截面图；
图10是例示出根据第四实施方式的梯型滤波器的电路图；
图11是例示出根据第四实施方式的格型（lattice-type）滤波器的电路图；以及
图12是根据第五实施方式的模块的框图。
具体实施方式
参照附图来描述本发明的实施方式。
第一实施方式
第一实施方式是声波器件中使用的谐振器的示例。图1中A是根据第一实施方式的压电薄膜谐振器的平面图，而图1中B和C是沿着图1中A的线A-A截取的截面图。图1中B例示出例如梯型滤波器的串联谐振器的截面图，而图1中C例示出例如梯型滤波器的并联谐振器的截面图。
参照图1中A和B，对串联谐振器S的结构进行描述。下电极12位于为Si基板的基板10上，使得在下电极12与基板10的平坦主面之间形成空间30，该空间30在下电极12侧上具有穹形凸起。穹形凸起是具有如下形状的凸起，其中空间30的高度在空间30的周边附近低，并且空间30的高度在接近空间30中央的位置处变高。下电极12包括Cr（铬）层和位于Cr层上的Ru（钌）层。
具有（002）方向的主轴的、由氮化铝（AlN）制成的压电膜14位于下电极12上。压电膜14包括至少两个压电膜14a和14b。例如由氧化硅膜制成的绝缘膜28位于至少两个压电膜14a与14b之间。在第一实施方式中，将描述至少两个压电膜14a和14b是两个压电膜，并且绝缘膜28是一个绝缘膜的情况。
上电极16位于压电膜14上，使得具有上电极16隔着压电膜14面对下电极12的区域（谐振区50）。上电极16包括Ru层16a和位于Ru层16a上的Cr层16b。
氧化硅膜形成在上电极16上，作为频率调整膜24。多层膜18包括下电极12、压电膜14、绝缘膜28、上电极16以及频率调整膜24。频率调整膜24可起到钝化膜的功能。
如图1中A所示，在下电极12中形成有用于蚀刻牺牲层的导入通路33。牺牲层是用于形成空间30的层。导入通路33的端部附近未覆盖有压电膜14，并且下电极12在导入通路33的端部处具有孔部35。如图1中A和B所示，用于电连接下电极12的开口部36设置于压电膜14。用于外部连接的诸如Au的隆起焊盘用基础膜可以设置在位于开口部36的底部的下电极12上。
参照图1中A和C来描述并联谐振器P的结构。与串联谐振器S相比，在并联谐振器P中，由Ti（钛）层形成的质量负荷膜20位于Ru层16a与Cr层16b之间。因此，多层膜18除了串联谐振器S的多层膜以外还包括在谐振区50内的整个表面上形成的质量负荷膜20。其它结构与图1中B所示的串联谐振器S的结构相同，省略其描述。
利用质量负荷膜20的膜厚，来调整串联谐振器S与并联谐振器P的谐振频率之间的差异。通过调整各频率调整膜24的膜厚来执行串联谐振器S和并联谐振器P两者的谐振频率的调整。
如图1中A至C所示，在第一实施方式中，在谐振区50的外周的至少一部分中，在下电极12与上电极16彼此面对的区域52中的压电膜14b的外周51位于上电极16的外周53更靠内距离d1处。此外，在压电膜14b的外周51形成在比上电极16的外周53更靠内的区域中，压电膜14a的外周55位于外周53更靠外距离d2处。绝缘膜28的外周几乎与压电膜14a的外周55一致。上电极16与下电极12隔着压电膜14彼此面对的谐振区50变小了距离d1。谐振区50是声波以厚度纵向振荡模式谐振的区域。压电膜14a与下电极12彼此交叠的区域54变大了距离d2。
在具有2GHz的谐振频率的压电薄膜谐振器的情况下，下电极12的Cr层具有100nm的膜厚，Ru层具有200nm的膜厚，而由AlN层形成的各压电膜14a和14b具有600nm的膜厚。由氧化硅膜形成的绝缘膜28具有25nm的膜厚。Ru层16a具有230nm的膜厚，而Cr层16b具有20nm的膜厚。可以任意设置各层的膜厚，以获得期望的谐振频率。
作为下电极12和上电极16，除了Cr和Ru以外，还可使用诸如铝（Al）、铜（Cu）、钼（Mo）、钨(W)、钽（Ta）、铂（Pt）、铑（Rh）、以及铱（Ir）的金属单层膜，或者上述这些的复合膜。作为质量负荷膜20，除了Ti以外，还可使用诸如Ru、Cr、Al、Cu、Mo、W、Ta、Pt、Rh以及Ir的金属单层膜，或者上述这些的复合膜。此外，可使用由诸如氮化硅或者氧化硅的金属氮化物或者金属氧化物制成的绝缘膜。在质量负荷膜20形成在下电极12的层间、上电极16的层间、下电极12与压电膜14之间、以及压电膜14与上电极16之间的情况下，优选的是使用金属膜来降低电阻。
作为基板10，除了Si基板以外，可以使用石英基板、玻璃基板、陶瓷基板或GaAs基板等。除了氮化铝以外，可以将ZnO（氧化锌）、PZT（锆钛酸铅）或PbTiO3（钛酸铅）等用于压电膜14。此外，压电膜14可以是主要含有氮化铝并且添加了改善谐振特性或者改善温度特性的其它元素的膜。除了氧化硅膜（SiO2）以外，还可以将氮化硅（Si3N4）用于绝缘膜28。此外，绝缘膜28可以是主要含有氧化硅或者氮化硅并且添加了改善谐振特性或者改善温度依存性的其它元素的膜。
图2A至图2D是例示出根据第一实施方式的谐振器的制造方法的截面图。如图2A所示，形成用于在具有平坦主面的基板10上形成空间的牺牲层38。牺牲层38具有例如10至100nm的膜厚，并且选自从可以被蚀刻液或者蚀刻气体容易溶解的诸如MgO、ZnO、Ge以及SiO2的材料。随后，通过光刻技术和蚀刻技术将牺牲层38构图为期望的形状。接着，在牺牲层38和基板10上形成下电极12。例如通过溅射法、真空蒸发法或者CVD（化学气相沉积）法形成牺牲层38和下电极12。此后，通过光刻技术和蚀刻技术将下电极12构图为期望的形状。
如图2B所示，通过溅射法、真空蒸发法或者CVD法，在下电极12和基板10上形成压电膜14a、绝缘膜28、压电膜14b以及上电极16。通过光刻技术和蚀刻技术将上电极16构图为期望的形状。
如图2C所示，通过光刻技术和蚀刻技术将压电膜14b构图为期望的形状。压电膜14b的蚀刻利用包括例如磷酸的溶液，并且以使得压电膜14b的外周的至少一部分比上电极16的外周更靠内的方式来执行。例如，可以通过蚀刻时间来控制压电膜14b的外周的位置。
如图2D所示，例如通过溅射法或者CVD法形成频率调整膜24。通过光刻技术和蚀刻技术将频率调整膜24构图为期望的形状。随后，通过光刻技术和蚀刻技术将绝缘膜28和压电膜14a构图为期望的形状。这样使得下电极12暴露于开口部36。因此诸如Au的突起焊盘可以经由开口部36电连接至下电极12。
此后，将牺牲层38的蚀刻液经由孔部35和导入通路33（参见图1中A）导入下电极12下方的牺牲层38。通过该处理去除牺牲层38。作为用于对牺牲层38进行蚀刻的媒介，不蚀刻除牺牲层38之外构成谐振器的其它材料的介质是优选的。特别是，蚀刻媒介优选地是不蚀刻与该蚀刻媒介接触的下电极12的媒介。将多层膜18的应力设置为压缩应力。这使得当去除牺牲层38时，多层膜18朝向基板18的相反侧凸起，如同它脱离基板10。在下电极12与基板10之间形成具有穹形凸起的空间30。通过上述处理，完成了图1中A和B例示的串联谐振器S。通过在图2B中的Ru层16a与Cr层16b之间形成质量负荷膜20，来制造图1中C所例示的并联谐振器P。
测量根据第一实施方式的谐振器的谐振频率和反谐振频率的温度依存性。为了进行比较，制造根据第一比较例的谐振器。图3是根据第一比较例的谐振器的截面图。与第一实施方式的图1中B相比，未形成绝缘膜28。压电膜14的外周比上电极16的外周更靠外。其它结构与第一实施方式的图1中B中例示的结构相同，省略其描述。在第一实施方式中，膜厚和材料与图1中A和B中例示说明的膜厚和材料相同。上电极16与下电极12彼此面对的区域52具有椭圆形状，并且长轴具有175μm的长度，而短轴具有110μm的长度。距离d1为0.2μm，而d2为5μm。在第一比较例中，上电极16与下电极12彼此面对的区域的形状和尺寸与第一实施方式的相同。
图4A和图4B是分别例示出第一比较例和第一实施方式的谐振频率和反谐振频率的温度依存性的示图。谐振频率fr是通过测量谐振器的反射特性S11来获得的。反射谐振频率fa是通过测量谐振器的通过特性S21来获得的。图4A和图4B示出了在从-35℃至85℃的温度下，每隔20℃测得的谐振器的S11和S21的测量结果。根据图4A和图4B，第一比较例和第一实施方式的谐振频率和反谐振频率的温度系数如下：
第一比较例
谐振频率的温度系数-29.6ppm/℃
反谐振频率的温度系数-31.1ppm/℃
第一实施方式
谐振频率的温度系数-18.3ppm/℃
反谐振频率的温度系数-20.1ppm/℃
如上所述，在第一实施方式中，频率的温度系数变小的原因在于压电膜14的弹性常数的温度系数具有与绝缘膜28的弹性常数的温度系数的符号相反的符号。如上所述，可以通过在压电膜14a与14b之间设置绝缘膜28，来抑制谐振频率和反谐振频率的温度依存性。
接下来，对根据第一实施方式的谐振器的谐振特性进行仿真。为了进行对比，假设根据第二比较例的谐振器。图5是根据第二比较例的谐振器的截面图。与第一实施方式的图1中B相对比，压电膜14b的外周51几乎与压电膜14a的外周55一致。压电膜14b的外周51和压电膜14a的外周55形成在上电极16的外周63更靠外距离d2处。其它结构与第一实施方式的图1中B的结构相同，省略其描述。在第一实施方式中，假设距离d2为5μm，通过从0.2μm到1.5μm在7个点改变距离d1，来执行仿真。在第二比较例中，假设d2为5μm。膜厚和材料与图1中A和B中描述的膜厚和材料相同。
图6A至图6C示出了分别例示出在谐振频率处的Q值、在反谐振频率处的Q值以及机电耦合系数的仿真结果。如图6A至图6C中所示，与根据第二比较例的谐振器相比，在根据第一实施方式的谐振器中，改善了在谐振频率处的Q值、在反谐振频率处的Q值以及机电耦合系数。这是因为在第一实施方式中，由于压电膜14b的外周51比上电极16的外周53更靠内，因此抑制了压电膜14b中声波泄漏到谐振区50的外侧。
下面对第一实施方式的变型实施方式进行描述。图7A和图7B分别是第一实施方式的第一变型实施方式和第二变型实施方式的截面图。如图7A所示，可以在基板10的顶面中形成凹部，并且由凹部形成空间30。此外，空间30可以是贯穿基板的通孔。如图7B所示，可以使用声波反射膜31来替代空间30。声波反射膜31可使用声阻抗高的膜和声阻抗低的膜以声波波长的膜厚交替层叠的膜。这使得声波反射膜31能够反射纵向声波。
根据第一实施方式及其变型实施方式，区域52中的压电膜14b的外周51比上电极16的外周53更靠内。如图6A至6C所示，这样能够改善谐振特性。
在下电极12上形成至少两个压电膜14a和14b就足够了。在至少两个压电膜14a与14b之间设置绝缘膜28就足够了。在此情况下，在区域52中，至少两个压电膜中的最上面的压电膜14b的外周51比上电极16的外周53更靠内就足够了。
此外，在上电极16的外周53中的、压电膜14b的外周51比上电极16的外周53更靠内的区域中，压电膜14a的外周55比上电极16的外周53更靠外。与压电膜14a的外周55比上电极16的外周53更靠内的情况相比，这样能够保证多层膜18的强度。当形成至少两个压电膜时，所述至少两个压电膜中的最下面的压电膜的外周比上电极16的外周53更靠外就足够了。
优选的是空间30或者声波反射膜31的外周比上电极16的外周53更靠外。据此，因为谐振区50包括在空间30内，所以改善了谐振特性。
如第一实施方式中所述，当空间30设置在下电极12下方时，优选的是在压电膜14b的外周51形成在比上电极16的外周53更靠内的区域中，空间30的外周比上电极16的外周53更靠外，并且比压电膜14a的外周55更靠内。这样能够通过使外周51比外周53更靠内来改善谐振特性。此外，在设置空间30的情况下，虽然多层膜18的强度趋于变弱，但可通过使外周55比空间30的外周更靠外来加强多层膜18的强度。
此外，优选的是绝缘膜28的弹性常数的温度系数具有与至少两个压电膜14a和14b的弹性常数的温度系数的符号相反的符号。这样能够使得频率（诸如谐振频率）的温度依存性变小。就这种材料而言，至少两个压电膜14a和14b可以主要含有氮化铝，并且绝缘膜28可主要含有氧化硅。
在第一实施方式及其变型实施方式中，压电膜14a的外周55与绝缘膜28的外周几乎一致，但绝缘膜28的外周也可以与压电膜14b的外周51几乎一致。此外，绝缘膜28的外周可位于压电膜14b的外周51与压电膜14a的外周55之间。
在第一实施方式及其变型实施方式中，压电膜14a和14b的外周55和51的缘部在压电膜14a和14b的膜厚方向上是平行的，但外周55和51的缘部也可以在压电膜14a和14b的膜厚方向上是倾斜的。在此情况下，压电膜14b的外周51的缘部的最内侧比上电极16的外周53的缘部更靠内就足够了。特别是，优选的是压电膜14b的外周51的缘部与上电极16的接触位置比上电极16的外周53的缘部更靠内。
第二实施方式
与滤波器类似，第二实施方式是在基板上形成多个谐振器的示例。图8A至图8C是根据第二实施方式的谐振器的截面图。在图8A至图8C中，在基板10上形成有两个谐振器。凹部设置于基板10，并且凹部起到空间30的作用。隔着空间30，在基板10上形成下电极12、压电膜14a、绝缘膜28、压电膜14b以及上电极16。设置有两个谐振区50，在谐振区50中上电极16与下电极12隔着压电膜14彼此面对。
在图8A的示例中，压电膜14a连续地形成在谐振器50之间，并且未形成有绝缘膜28。在图8B的示例中，压电膜14a和绝缘膜28连续形成在谐振器50之间。在图8C的示例中，压电膜14a未连续地形成在谐振区50之间，但连续形成了绝缘膜28。
如第二实施方式中所示，当在基板10上形成多个谐振器时，多个谐振器的下电极12可以彼此连接，并且在彼此连接的多个下电极12上，多个压电膜14a（最下面的压电膜）可以彼此连接，和/或多个绝缘膜28（位于最下面的压电膜上的绝缘膜）可以彼此连接。这样使得多个谐振器形成得彼此靠近，减小芯片的尺寸。压电膜14a以及绝缘膜28中的至少一方和下电极12形成在空间30的外周部中，可以加强多层膜18的强度。
此外，优选的是绝缘膜28以彼此连接的方式形成在彼此连接的下电极12上。这样能够改善耐静电放电破坏性。
第三实施方式
图9是根据第三实施方式的谐振器的截面图。如图9所示，在形成有上电极16但未形成有下电极12的区域中的至少一部分区域内，在上电极16与基板10之间未形成绝缘膜28。当在位于未形成有绝缘膜28的区域内的上电极16上形成隆起焊盘并且执行倒装芯片焊接时，或者当连接焊接线时，可以抑制绝缘膜28和压电膜14的剥离。
第四实施方式
第四实施方式是将根据第一至第三实施方式的谐振器作为声波器件应用于滤波器的示例。图10是例示出根据第四实施方式的梯型滤波器的电路图。如图10所示，梯型滤波器100设置有串联谐振器S1至S4和并联谐振器P1至P3。串联谐振器S1至S4串联连接在输入-输出端子T1和T2之间。并联谐振器P1至P3并联连接在输入-输出端子T1和T2之间。串联谐振器S1至S4和并联谐振器P1至P3中的至少一个可以是第一至第三实施方式中描述的谐振器。
图11是例示出根据第四实施方式的格型滤波器的电路图。格型滤波器102设置有串联谐振器S5和S6以及并联谐振器P4和P5。串联谐振器S5连接在端子T3与T5之间，而串联谐振器S6连接在端子T4与T6之间。并联谐振器P4连接在端子T3与T6之间，而并联谐振器P5连接在端子T4与T5之间。第一至第三实施方式中描述的谐振器可以用作这种格型滤波器102的串联谐振器和并联谐振器。根据第四实施方式，可以改善滤波器的特性。
第五实施方式
第五实施方式是用于移动通信的RF（射频）模块的示例。图12是根据第五实施方式的模块的框图。如图12所示，模块70设置有双工器62和功率放大器64。双工器62包括接收滤波器62a和发送滤波器62b。接收滤波器62a连接在天线端子61与接收端子63a和63b之间。接收滤波器62a使得从天线端子61输入的信号中在接收频带的信号通过，并且抑制其它信号。从接收端子63a和63b输出在接收频带的信号。从接收端子63a和63b输出平衡的信号。发送滤波器62b连接在功率放大器64与天线端子61之间。发送滤波器62b使得从功率放大器64输入的信号中的在发送频带的信号通过，并且抑制其它信号。从天线端子61输出在发送频带的信号。功率放大器64对从发送端子65输入的信号进行放大，并且将它们输出至发送滤波器62b。接收滤波器62a和发送滤波器62b中的至少一方可以包括第四实施方式的滤波器。
当接收滤波器62a由纵向耦合双模表面声波滤波器构成时，可以通过仅改变电极指的位置，来获得相移180°的输出，并且可以容易地获得平衡的输出。当发送滤波器62b使用至少一个（或者优选地是所有）第一实施方式中描述的压电薄膜谐振器连接成梯型的滤波器时，可以使得Q值比表面声波滤波器的Q值高，获得具有低损耗、高抑制性以及高电力耐久性的滤波器。因此，当双工器62使用由表面声波滤波器构成的双模滤波器作为接收滤波器62a，并且使用根据第一至第三实施方式的压电薄膜谐振器连接成梯型的滤波器作为发送滤波器62b时，可以在接收侧获得平衡的输出，而在发送侧上获得具有低损耗、高抑制性以及高电力耐久性的滤波器。
在第五实施方式中，虽然利用RF模块作为示例进行了描述，但根据第一至第四实施方式的声波器件也可用于其它模块。
虽然已经详细描述了本发明的实施方式，但应该理解在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种变型、替换以及变更。

Claims (10)

1.一种声波器件，该声波器件包括：
基板；
形成在所述基板上的下电极；
形成在所述下电极上的至少两个压电膜；
位于所述至少两个压电膜之间的绝缘膜；以及
形成在所述至少两个压电膜上的上电极，其中，
所述下电极与所述上电极彼此面对的区域中的所述至少两个压电膜中的最上面的压电膜的外周比所述上电极的外周更靠内。
2.根据权利要求1所述的声波器件，其中，
在所述最上面的压电膜的外周比所述上电极的外周更靠内的区域中，所述至少两个压电膜中的最下面的压电膜的外周比所述上电极的外周更靠外。
3.根据权利要求1或2所述的声波器件，其中，
在所述下电极下方设置有空间或者声波反射膜，并且
在所述最上面的压电膜的外周比所述上电极的外周更靠内的区域中，所述空间的外周或者所述声波反射膜的外周比所述上电极的外周更靠外。
4.根据权利要求2所述的声波器件，其中，
在所述下电极下方设置有空间，并且
在所述最上面的压电膜的外周比所述上电极的外周更靠内的区域中，所述空间的外周比所述上电极的外周更靠外，并且比所述最下面的压电膜的外周更靠内。
5.根据权利要求1、2或者4所述的声波器件，其中，
所述绝缘膜的弹性常数的温度系数的符号与所述至少两个压电膜的弹性常数的温度系数的符号相反。
6.根据权利要求1、2或4所述的声波器件，其中，
所述至少两个压电膜为两个压电膜，并且所述绝缘膜为一个绝缘膜。
7.根据权利要求1、2或4所述的声波器件，其中，
所述至少两个压电膜主要含有氮化铝，而所述绝缘膜主要含有氧化硅。
8.根据权利要求1、2或4所述的声波器件，其中，
位于形成有所述上电极但未形成有所述下电极的区域的至少一部分中的所述上电极与所述基板之间未形成有所述绝缘膜。
9.根据权利要求1、2或4所述的声波器件，该声波器件进一步包括：
包括权利要求1、2或4所述的声波器件的多个声波谐振器，其中，
所述多个声波谐振器的下电极彼此连接，并且所述多个声波谐振器的所述最下面的压电膜以彼此连接的方式形成在彼此连接的所述下电极上，和/或所述多个声波谐振器的在所述最下面的压电膜上的所述绝缘膜以彼此连接的方式形成在彼此连接的所述下电极上。
10.一种声波器件，该声波器件包括：
接收滤波器，其通过纵向耦合双模表面声波滤波器来输出平衡的输出；以及
发送滤波器，在该发送滤波器中包括至少一个权利要求1、2或4所述的声波器件的声波谐振器连接成梯型。
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