CN106059524A - 体声波谐振器及包括该体声波谐振器的滤波器 - Google Patents

体声波谐振器及包括该体声波谐振器的滤波器 Download PDF

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Abstract

公开了一种体声波谐振器及包括该体声波谐振器的滤波器，所述体声波谐振器包括：基板；气腔，形成在基板上；谐振部，形成在气腔上，并包括依次层压的第一电极、压电层和第二电极，其中，气腔的截面具有短边、与短边相对的长边以及使短边和长边彼此连接的第一侧边和第二侧边，第一侧边和第二侧边倾斜，第一电极、压电层、第二电极或它们的任意组合的表面粗糙度在1nm与100nm之间。

Description

体声波谐振器及包括该体声波谐振器的滤波器
本申请要求分别于2015年4月10日和2015年6月25日提交到韩国知识产权局的第10-2015-0051129和10-2015-0090654号韩国专利申请的权益，所述两个韩国专利申请的全部公开内容出于所有目的通过引用包含于此。
技术领域
下面的描述涉及一种体声波谐振器以及包括该体声波谐振器的滤波器。
背景技术
随着移动通信装置、化学装置以及生物装置的发展的快速增长，对于紧凑且轻量的滤波器、振荡器、谐振元件、声波谐振质量传感器以及其他元件的需求也提高。
薄膜体声波谐振器(以下称为“FBAR”)作为实现紧凑且轻量的滤波器、振荡器、谐振元件以及声波谐振质量传感器的装置在本领域是公知的。FBAR具有的优势在于：其可以以小成本进行大量生产，并可实现超小型化。此外，FBAR的优势还在于：其具有高品质因数Q值(滤波器的主要性质)。此外，FBAR甚至可用在微频段，并在个人通信系统(PCS，personal communicationssystem)和数字无线系统(DCS，digital cordless system)的频段运行。通常，FBAR具有包括通过按顺序层压在基板上的第一电极、压电层和第二电极而形成的谐振部的结构。
下面将描述FBAR的工作原理。首先，当通过向第一电极和第二电极施加电能而在压电层中产生电场后，电场使压电层产生压电现象，从而使谐振部按照预定的方向振动。结果，在与振动部的振动方向相同的方向上产生体声波，从而产生谐振。
发明内容
提供本发明内容以通过简化形式介绍在下面的具体实施方式中进一步描述的发明构思的选择。本发明内容并不意在确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不意在用作帮助确定所要求保护主题的范围。
在一个总的方面，提供一种能够防止在层压在基板上的膜或层中形成裂纹并引导正常的晶体生长的体声波谐振器以及包括该体声波谐振器的滤波器。所述体声波谐振器包括：基板；气腔，形成在基板上；谐振部，形成在气腔上，并包括依次层压的第一电极、压电层和第二电极，其中，气腔的截面具有短边、与短边相对的长边以及使短边和长边彼此连接的第一侧边和第二侧边，第一侧边和第二侧边倾斜，第一电极、压电层、第二电极或它们的任意组合的表面粗糙度在1nm与100nm之间。
在另一总的方面，一种滤波器包括多个体声波谐振器，其中，多个体声波谐振器中的每个包括：基板；膜，形成在基板上，用于形成气腔；谐振部，形成在膜上，包括依次层压的第一电极、压电层和第二电极，气腔的截面包括短边、与短边相对的长边以及使短边和长边彼此连接的两个侧边，所述两个侧边倾斜，并且第一电极、压电层、第二电极中的至少一个的表面粗糙度在1nm与100nm之间。
根据下面的具体实施方式、附图和权利要求，其他特征和方面将变得清楚。
附图说明
图1是示出体声波谐振器的示例的截面图；
图2是示出体声波谐振器的另一示例的截面图；
图3A和图3B是图1的体声波谐振器的局部放大图；
图4A至图5D是示出气腔的形状的示例的示图；
图6和图7是滤波器的示例的电路原理图。
在整个附图和具体实施方式中，相同的附图标号指示相同的元件。附图可不按比例绘制，并且为了清楚、说明及方便起见，可放大附图中的元件的相对尺寸、比例和描绘。
具体实施方式
提供下面的具体实施方式，以帮助读者获得关于这里所描述的方法、装置和/或系统的全面的理解。然而，这里所描述的方法、装置和/或系统的各种改变、修改及等同物将对本领域的技术人员而言显而易见。这里所描述的操作的顺序仅仅是示例，并不限于这里所阐述的，而是除了必须按照特定顺序发生的操作之外，可作出将对本领域技术人员而言显而易见的改变。此外，为了增加清楚性和简洁性，可省略对于本领域普通技术人员而言公知的功能和结构的描述。
这里所描述的特征可以以不同的形式实施，且不应被理解为限于这里所描述的示例。更确切的说，已经提供了这里所描述的示例使得本公开将是彻底的和完整的，并将把本公开的全部范围传达给本领域的技术人员。
除非另外指出，否则第一层“在”第二层或基板“上”的表述将被理解为涵盖第一层直接接触第二层或基板的情况，以及一层或更多其他层设置在第一层与第二层或第一层与基板之间的情况。
可使用诸如“在…下面”、“在…下方”、“在…之下”、“下部”、“底部”、“在…之上”、“在…上方”、“上部”、“顶部”、“左”和“右”的描述相对空间关系的词语，以方便地描述一个装置或元件与另外的装置或元件的空间关系。这些词语将被理解为包含装置在如附图中所示出的方位以及在使用或操作中的其他方位。例如，包括基于附图中示出的装置的方位而设置在第一元件之上的第二元件的装置的示例也包括在使用或操作中装置被向下翻转时的装置。
参照图1，体声波谐振器100为薄膜体声波谐振器(以下称为“FBAR”)，并包括：基板110、绝缘层120、气腔112和谐振部135。
基板110可由典型的硅基板制成，使谐振部135与基板110电绝缘的绝缘层120形成在基板110的上表面上。绝缘层120通过利用化学气相沉积方法、RF磁控溅射方法或者蒸发法将二氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)沉积在基板110上而形成。
气腔112设置在绝缘层120的上方。气腔112可大体上具有梯形形状。气腔112包括上底边、下底边、第一侧边和第二侧边。下底边与上底边相对且平行，第一侧边和第二侧边以预定角度连接到上底边和下底边。这里，下底边的长度长于上底边的长度，梯形形状可相对于上底边和下底边的中点而彼此对称。
还在绝缘层120与气腔112之间设置蚀刻停止层125。蚀刻停止层125保护基板110和绝缘层120免受蚀刻工艺的侵害，并用作用于将其他各层沉积在蚀刻停止层125上所需的基底。
气腔112沿向前的方向(彼此平行的两底边中的长的底边沿其被设置为下底边的方向)设置。气腔112设置在谐振部135的下方，以使谐振部135沿着预定方向振动。气腔112可通过如下过程形成：在绝缘层120上形成气腔牺牲层图案，然后在气腔牺牲层图案上形成膜130，并对气腔牺牲层图案进行蚀刻并去除。膜130可用作氧化保护层或用作保护基板110的保护层，或者可用作两者。
此外，参照图2，气腔112可沿反向(彼此平行的两底边中的长的底边沿其被设置为上底边的方向)设置。气腔112通过蚀刻基板110的一部分而嵌入基板110中。由于图2的体声波谐振器与图1的体声波谐振器类似，因此将省略对其的详细描述。
谐振部135包括按顺序层压在气腔112上方的第一电极140、压电层150和第二电极160。第一电极140形成在膜130的上表面上，并覆盖膜130的一部分。第一电极140由典型的导电材料(诸如金属)形成。具体地，第一电极140可由金(Au)、钛(Ti)、钽(Ta)、钼(Mo)、钌(Ru)、铂(Pt)、钨(W)、铝(Al)、镍(Ni)或它们的任意组合而形成。
压电层150形成在膜130和第一电极140的上表面上，并覆盖膜130的一部分和第一电极140的一部分。压电层150通过将电能转化为声波形式的机械能来产生压电效应。压电层150可由氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、铅锆钛氧化物(PZT，PbZrTiO)或它们的任意组合而形成。
第二电极160形成在压电层150上面。与第一电极140类似，第二电极160可由诸如金(Au)、钛(Ti)、钽(Ta)、钼(Mo)、钌(Ru)、铂(Pt)、钨(W)、铝(Al)、镍(Ni)或它们的任意组合的导电材料形成。
谐振部135包括有源区(active region)和非有源区(non-active region)。当将诸如射频(RF)信号的电能施加到第一电极140和第二电极160时，谐振部135的有源区由于压电效应沿着预定方向振动。电能在压电层150中产生电场。谐振部135的有源区对应于第一电极140、压电层150和第二电极160沿着竖直方向在气腔112的上方彼此重叠的区域。谐振部135的非有源区是即使将电能施加到第一电极140和第二电极160也不因压电效应发生谐振的区域。非有源区对应于第一电极140、压电层150和第二电极160不重叠的区域。
具有上述构造的谐振部135使用上述压电层150的压电效应过滤特定频率的RF信号。谐振部135根据施加到第一电极140和第二电极160的RF信号使压电层150谐振，以产生具有特定谐振频率和反谐振频率的声波。当施加的RF信号的波长的一半对应于压电层150的厚度时，压电层150发生谐振。由于当发生谐振时电阻抗急剧地改变，因此体声波谐振器可用作能够选择频率的滤波器。具体地讲，由于谐振部135根据发生在压电层150中的振动而具有恒定的谐振频率，因此谐振部135仅输出在所施加的FR信号中与谐振部135的谐振频率相匹配的信号。
保护层170设置在谐振部135的第二电极160上，以防止第二电极160向外暴露和被氧化，用于施加电信号的电极垫180设置在暴露于外部的第一电极140和第二电极160上。
图3A是图1的区域X的放大图，图3B是图1的区域Y的放大图。
参照图3A和图3B，在现有技术中，由于气腔112的第一侧边和第二侧边的角度使得在气腔的第一侧边和第二侧边的附近会在电极垫180、第一电极140和第二电极160、压电层150以及膜130中形成裂纹。另外，层压在气腔112的侧边附近的压电层150的晶体会不正常地生长，从而导致体声波谐振器的衰减特性的劣化以及插入损耗特性的问题。
体声波谐振器的插入损耗特性以及衰减特性通过改变气腔112的截面的斜边(leg)的形状以及通过改变上底边和下底边中的至少一个与斜边形成的角度来改善。此外，通过将用于形成气腔112的气腔牺牲层图案的表面粗糙度(Ra)值设置为1nm与100nm之间来防止形成在气腔牺牲层图案上的膜130的裂纹。此外，通过将膜130、第一电极140、压电层150和第二电极160的表面粗糙度(Ra)值设置为1nm与100nm之间防止按顺序层压在倾斜部分附近的电极或层的裂纹。
参照图4A至图5D，气腔112的截面的侧边的形状以及由侧边与上底边和下底边中的至少一个形成的角度进行各种改变。
由于气腔112的梯形形状相对于上底边和下底边的中点彼此对称，因此图4A至图5D仅示出了第一侧边和第二侧边中的一个侧边。
下面所描述的气腔112的形状可应用于图2中所示的体声波谐振器以及图1中所示出的体声波谐振器。在图1的体声波谐振器的情况下，在气腔112的截面中，长边L可对应于下底边，短边S可对应于上底边。在图2的体声波谐振器的情况下，长边L可对应于上底边，短边S可对应于下底边。
以下，为方便解释，将基于图1的体声波谐振器提供描述，其中，气腔112的长边L对应于下底边，其短边S对应于上底边。
气腔112的截面包括连接长边L和短边S的两个斜边或侧边，两个斜边中的每个包括至少一个线段。另外，气腔112的截面包括短边S和斜边彼此接触的第一接触点，以及长边L和斜边彼此接触的第二接触点。
图4A至图4C是示出与短边S和斜边相关的斜边的形状以及第一接触点的角度的视图。参照图4A至图4C，气腔112的斜边由至少一个线段形成。
参照图4A，气腔112的斜边由一个线段形成，短边S和斜边之间在第一接触点处的角度可大于90°且小于180°。
参照图4B，气腔112的斜边具有至少两个线段，其中，梯形的斜边大体上呈凸形，即，该斜边具有凸出部。这里，气腔112的斜边由依次连接到短边S的三条线段A、B和C形成。线段A和线段B之间形成的角度可大于90°且小于180°。
参照图4C，气腔112的斜边具有至少两个线段，其中，梯形的斜边大体上呈凹形，即，该斜边具有凹入部。这里，气腔112的斜边由依次连接到短边S的四条线段A、B、C和D形成。线段A和线段B之间形成的角度可大于90°且小于180°，线段A的延长线和线段C的延长线之间形成的角度可大于90°且小于180°。
此外，气腔112的由至少两条线段形成的斜边也可同时具有凹入部和凸出部。
图5A至图5D是示出与长边L和斜边相关的斜边的形状以及第二接触点的角度的视图。气腔112的斜边由至少一个线段形成。
参照图5A，气腔112的斜边具有至少一个线段，斜边和长边L之间在第二接触点的角度可大于0°且小于或等于70°。
参照图5B和图5C，气腔112的斜边具有至少两个线段，其中，梯形的斜边大体上呈凸形，即，该斜边具有凸出部。这里，两条线段A、B依次连接到长边L。长边L与线段A之间形成的角度可大于0°且小于或等于70°，优选地为10°和50°之间。长边L的延长线和线段B的延长线之间形成的角度可大于0°且小于或等于70°。
参照图5D，气腔112的斜边具有至少两个线段，其中，梯形的斜边大体上呈凹形，即，该斜边具有凹入部。这里，气腔112的斜边由依次连接到长边L的三条线段A、B和C形成。长边L和线段A之间形成的角度可大于0°且小于或等于70°。长边L的延长线和线段B的延长线之间形成的角度可大于0°且小于或等于70°。
此外，气腔112的由至少两条线段形成的斜边也可同时具有凹入部和凸出部。
参考图6，滤波器1000为梯型滤波器。具体地讲，滤波器1000包括多个体声波谐振器1110和1200。多个体声波谐振器中的每个对应于图1中示出的体声波谐振器。
第一体声波谐振器1100串联连接在信号输入端(输入信号RFin输入到信号输入端)和信号输出端(输出信号RFout从信号输出端输出)之间，第二体声波谐振器1200连接在信号输出端和地之间。
参考图7，滤波器2000为桥式滤波器。具体地讲，滤波器2000包括多个体声波谐振器2100、2200、2300和2400，以过滤平衡输入信号RFin+和RFin-并输出平衡输出信号RFout+和RFout-。
通过调整气腔112的斜边的倾斜形状及角度，减少了层压在气腔112的侧部的层或膜中形成的裂纹，并防止晶体沿非期望的方向生长。从而，可改善体声波谐振器的插入损耗特性和衰减特性。
如上所述，体声波谐振器及包括该体声波谐振器的滤波器防止在层压在基板上的膜或层中形成裂纹并引导正常的晶体生长。
仅作为非详尽的示例，在此描述的终端/装置/单元可以是诸如蜂窝电话、智能电话、可佩戴智能装置(诸如，戒指、手表、眼镜、手镯、脚链、腰带、项链、耳环、头带、头盔、嵌入服饰中的装置)、便携式个人计算机(PC)(诸如，膝上笔记本、笔记本、小型笔记本、上网本或超移动PC(UMPC)、平板PC(tablet)、平板手机)、个人数字助理(PDA)、数字相机、便携式游戏控制器、MP3播放器、便携式/个人多媒体播放器器(PMP)、掌上电子书、全球定位系统(GPS)导航装置或传感器的移动装置，或者可以是诸如台式PC、高清电视(HDTV)、DVD播放器、蓝光播放器、机顶盒、或家用电器的固定装置，或者可以是能够进行无线或网络通信的任何其它移动或固定的装置。在一个示例中，可佩戴装置是被设计为可直接安装在用户身体上装置(例如，一副眼镜或手镯)。在另一示例中，可佩戴装置是使用附着设备安装在用户身体上的任何装置(例如，使用臂带附着到用户的手臂或使用挂绳挂绕在用户的颈部的智能电话或平板手机)。
虽然本公开包括了具体的示例，但是，对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离权利要求及其等同物的范围和精神的情况下，可对这些示例做出形式和细节上的各种改变。这里所描述的示例仅仅将被理解为描述性的含义，并非用于限制的目的。每个示例中的方面或特征的描述将被理解为适用于其他示例中的方面和特征。如果以不同的顺序执行所描述的技术，和/或以不同的方式组合所描述的系统、架构、装置或者电路中的元件，和/或由其他元件或者其等同物替换或补充，则可获得合适的结果。因此，本公开的范围不由详细描述所限定，而是由权利要求及其等同物所限定，并且权利要求及其等同物范围内的所有改变将解释为包含在本公开内。

Claims (18)

1.一种体声波谐振器，包括：
基板；
气腔，形成在基板上；
谐振部，形成在气腔上，并包括依次层压的第一电极、压电层和第二电极，
其中，气腔的截面具有短边、与短边相对的长边以及使短边和长边彼此连接的第一侧边和第二侧边，
第一侧边和第二侧边倾斜，
第一电极、压电层、第二电极或它们的任意组合的表面粗糙度在1nm与100nm之间。
2.如权利要求1所述的体声波谐振器，其中，第一侧边和短边之间形成的角度大于90°且小于180°。
3.如权利要求1所述的体声波谐振器，其中，第一侧边和长边之间形成的角度大于0°且小于或等于70°。
4.如权利要求1所述的体声波谐振器，其中，第一侧边和第二侧边均包括至少两个线段。
5.如权利要求4所述的体声波谐振器，其中，第一侧边、第二侧边或两者具有凸出的形状。
6.如权利要求5所述的体声波谐振器，其中，第一侧边、第二侧边或两者包括依次连接到短边的第一线段、第二线段和第三线段，
第一线段和第二线段之间形成的角度大于90°且小于180°。
7.如权利要求5所述的体声波谐振器，其中，第一侧边、第二侧边或两者包括依次连接到长边的第一线段和第二线段，
长边和第一线段之间形成的角度大于0°且小于或等于70°。
8.如权利要求5所述的体声波谐振器，其中，第一侧边、第二侧边或两者包括依次连接到长边的第一线段和第二线段，
由长边的延长线和第二线段的延长线之间形成的角度大于0°且小于或等于70°。
9.如权利要求4所述的体声波谐振器，其中，第一侧边、第二侧边或两者包括凹入的形状。
10.如权利要求9所述的体声波谐振器，其中，第一侧边、第二侧边或两者包括依次连接到短边的第一线段、第二线段、第三线段和第四线段，
第一线段和第二线段之间形成的角度大于90°且小于180°。
11.如权利要求9所述的体声波谐振器，其中，第一侧边、第二侧边或两者包括依次连接到短边的第一线段、第二线段、第三线段和第四线段，
第一线段的延长线和第三线段的延长线之间形成的角度大于90°且小于180°。
12.如权利要求9所述的体声波谐振器，其中，第一侧边、第二侧边或两者包括依次连接到长边的第一线段、第二线段、第三线段，
长边和第一线段之间形成的角度大于0°且小于或等于70°。
13.如权利要求9所述的体声波谐振器，其中，第一侧边、第二侧边或两者包括依次连接到长边的第一线段、第二线段、第三线段，
由长边的延长线和第二线段的延长线之间形成的角度大于0°且小于或等于70°。
14.如权利要求1所述的体声波谐振器，其中，长边和短边对应于气腔的上底边和下底边。
15.如权利要求7所述的体声波谐振器，其中，所述角度为10°和50°之间。
16.一种滤波器，包括：
多个体声波谐振器，
其中，多个体声波谐振器中的每个包括：
基板；
膜，形成在基板上，用于形成气腔；
谐振部，形成在膜上，包括依次层压的第一电极、压电层和第二电极，
气腔的截面包括短边、与短边相对的长边以及使短边和长边彼此连接的第一侧边和第二侧边，
第一侧边和第二侧边倾斜，
第一电极、压电层、第二电极或它们的任意组合的表面粗糙度在1nm与100nm之间。
17.如权利要求16所述的滤波器，其中，第一侧边具有凸出部和/或凹入部。
18.如权利要求16所述的滤波器，其中，第二侧边具有凸出部和/或凹入部。
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