CN108023567A

CN108023567A - 滤波器

Info

Publication number: CN108023567A
Application number: CN201710999098.XA
Authority: CN
Inventors: 金显俊; 郑原圭
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2016-10-31
Filing date: 2017-10-24
Publication date: 2018-05-11
Also published as: US20180123561A1

Abstract

本发明提供一种滤波器。所述滤波器包括：多层结构，包括被构造为体声波谐振器的膜；以及盖构件，由玻璃或聚合物形成，容纳所述体声波谐振器，并结合到所述多层结构。

Description

滤波器

本申请要求于2016年10月31日在韩国知识产权局提交的第10-2016-0143741号以及于2017年3月27日在韩国知识产权局提交的第10-2017-0038370号韩国专利申请的优先权的权益，所述韩国专利申请的全部公开内容出于所有目的通过引用被包含于此。

技术领域

本公开涉及一种滤波器。

背景技术

近来，由于移动通信装置、化学和生物装置的飞速发展，对在上述装置中使用的紧凑、轻量的滤波器、振荡器、谐振元件和声谐振质量传感器的需求也已经增加。

作为用于实现这样的紧凑、轻量的滤波器、振荡器、谐振元件、声谐振质量传感器等的装置，有时使用膜体声波谐振器(FBAR)。膜体声波谐振器可以以最小的成本大批量生产，并可以以非常小的尺寸实现。此外，膜体声波谐振器可实现为具有高的品质因子Q值(滤波器的主要特性)。膜体声波谐振器也可用在个人通信系统(PCS)和数字无线系统(DCS)中使用的微波频带中。

通常，膜体声波谐振器具有通过在基板上依次堆叠第一电极、压电层和第二电极而实现的谐振部的结构。将在下文中描述膜体声波谐振器的操作原理。首先，通过施加到第一电极和第二电极的电能而在压电层中诱发电场，通过诱发的电场在压电层中产生压电现象。作为结果，谐振部在预定方向上振动，在与谐振部的振动方向相同的方向上产生体声波，从而发生谐振。

发明内容

提供本发明内容以按照简化形式介绍选择的构思，以下在具体实施方式中进一步描述所述构思。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，也不意在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

在一个总体方面，一种滤波器包括：多层结构，包括被构造为体声波谐振器的膜；以及盖构件，由玻璃或聚合物形成，容纳所述体声波谐振器，并结合到所述多层结构。

所述膜可包括基板以及堆叠在所述基板上的第一电极、压电层和第二电极。

所述基板可由硅形成。

所述盖构件可直接结合到所述基板。

所述盖构件和所述基板可通过阳极结合而彼此结合。

屏蔽层可设置在所述基板的下表面上。

所述屏蔽层可形成在具有网状结构的电极中。

所述屏蔽层可被构造为提供参考电位。

在另一总体方面，一种滤波器包括被构造为体声波谐振器的多层结构、盖构件和屏蔽层。所述体声波谐振器中的每个包括基板、堆叠在所述基板上的第一电极、压电层和第二电极。所述盖构件容纳所述体声波谐振器，并结合到所述多层结构。所述屏蔽层被构造在所述基板的下表面上。

所述屏蔽层可形成在具有网状结构的电极中。

所述屏蔽层可形成在具有固体结构的电极中。

所述屏蔽层可提供参考电位。

所述参考电位可对应于地电位。

所述盖构件和所述基板可通过阳极结合而彼此直接结合。

所述盖构件可由玻璃形成。

所述基板可由硅形成。

所述盖构件可由聚合物形成。

在另一总体方面，一种滤波器包括：基板；体声波谐振器，设置在所述基板上；以及盖构件，由玻璃形成，被设置为容纳并密封所述体声波谐振器。所述盖构件结合到所述基板。

具有网状结构的屏蔽层可设置在所述基板的下表面上。

所述盖构件和所述基板可通过阳极结合而彼此结合。

通过以下具体实施方式、附图以及权利要求，其他特征和方面将显而易见。

附图说明

图1是示出滤波器的示例的截面图。

图2是提供用于示出阳极结合的示例的示图。

图3是基板的示例的仰视图。

图4示出根据本公开的示例的模拟结果。

图5和图6是本公开的滤波器的示例的示意性电路图。

在整个附图和具体实施方式中，相同的标号指示相同的元件。附图不按照比例绘制，为了清楚、说明以及方便起见，可夸大附图中元件的相对尺寸、比例和描绘。

具体实施方式

提供以下具体实施方式，以帮助读者获得对在此描述的方法、设备和/或系统的全面理解。然而，在理解了本申请的公开内容后，在此所描述的方法、设备和/或系统的各种改变、变型及等同物将是显而易见的。例如，在此描述的操作顺序仅仅是示例，且不限于在此所阐述的示例，而是除了必须按照特定顺序必然地发生的操作外，将在理解了本申请的公开内容后做出显而易见的改变。此外，为了增加清楚性和简洁性，省略本领域中已知的特征的描述。

在此描述的特征可按照不同的形式实施，并且不被解释为局限于在此描述的示例。更确切地说，已经提供在此描述的示例，仅仅为了示出在理解了本申请的公开内容后将是显而易见的实现在此描述的方法、设备和/或系统的多种可行方式中的一些可行方式。

在整个说明书中，当元件(诸如层、区域或基板)被描述为“在”另一元件“上”、“连接到”另一元件或“结合到”另一元件时，其可直接“在”另一元件“上”、“连接到”另一元件或“结合到”另一元件，或者可存在介于它们之间的一个或更多个其他元件。相比之下，当元件被描述为“直接在”另一元件“上”、“直接连接到”另一元件或“直接结合到”另一元件时，可不存在介于它们之间的其他元件。

如在此使用的术语“和/或”包括相关所列项中的任何一个和任何两个或更多个的任何组合。

虽然诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语可在此用于描述各种构件、组件、区域、层或部分，但是这些构件、组件、区域、层或部分不受这些术语限制。更确切地说，这些术语仅用于将一个构件、组件、区域、层或部分与另一构件、组件、区域、层或部分区分开。因此，在不脱离示例的教导的情况下，在此描述的示例中涉及到的第一构件、组件、区域、层或部分还可被称为第二构件、组件、区域、层或部分。

为了方便描述，在此可使用诸如“在……之上”、“上方”、“在……之下”以及“下方”的空间相关术语来描述如附图中所示的一个元件与另一元件的关系。这样的空间相关术语意在包含除了附图中描绘的方位之外的装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的装置被翻转，则被描述为相对于另一元件位于“之上”或“上方”的元件随后将相对于另一元件位于“之下”或“下方”。因此，术语“在……之上”根据装置的空间方位包括“在……之上”和“在……之下”两种方位。装置还可以以其他的方式被定位(例如，旋转90度或处于其他方位)，并对在此使用的空间相关术语做出相应的解释。

在此使用的术语仅是为了描述各种示例，而不被用来限制本公开。除非上下文另外清楚地指明，否则单数冠词也意在包含复数形式。术语“包含”、“包括”以及“具有”列举存在所陈述的特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合。

由于制造技术和/或公差，可发生附图中所示出的形状的变化。因此，在此描述的示例并不限于附图中示出的特定的形状，而是包括制造期间发生的形状上的变化。

在此描述的示例的特征可以以在理解了本申请的公开内容后将显而易见的各种方式进行组合。此外，虽然在此描述的示例具有多种构造，但是在理解了本申请的公开内容后将显而易见的其他构造是可行的。

图1是示出滤波器的示例的截面图。

参照图1，滤波器10包括多个体声波谐振器100和盖200。体声波谐振器100可以是膜体声波谐振器(FBAR)。

体声波谐振器100通过包括多个膜的多层结构来构造。体声波谐振器100包括基板110、绝缘层120、气腔112和谐振部135。

基板110可由硅(Si)形成，使谐振部135与基板110电隔离的绝缘层120形成在基板110的顶表面上。绝缘层120通过对二氧化硅(SiO₂)和氧化铝(Al₂O₃)之一执行化学气相沉积、RF磁控溅射和蒸镀而形成在基板110上。

气腔112设置在绝缘层120之上。气腔112设置在谐振部135的下方，以使谐振部135在预定方向上振动。气腔112通过如下操作形成：在绝缘层120上形成气腔牺牲层图案，在气腔牺牲层图案上形成膜130，然后蚀刻并去除气腔牺牲层图案。膜130用作氧化保护膜，或者用作保护基板110的保护层。

在绝缘层120和气腔112之间另外形成有蚀刻停止层125。蚀刻停止层125用于保护基板110和绝缘层120免受蚀刻操作的影响，并且用作在蚀刻停止层125上沉积各种其他层所必需的基底。

谐振部135包括依次堆叠在膜130上的第一电极140、压电层150和第二电极160。第一电极140、压电层150和第二电极160的在竖直方向上重叠的公共区域位于气腔112之上。第一电极140和第二电极160可由金(Au)、钛(Ti)、钽(Ta)、钼(Mo)、钌(Ru)、铂(Pt)、钨(W)、铝(Al)、铱(Ir)和镍(Ni)中的一种或它们的合金形成。

作为产生将电能转换为具有弹性波形式的机械能的压电效应的部分的压电层150可由氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)和铅锆钛氧化物(PZT；PbZrTiO)中的一种形成。此外，压电层150还可包括稀土金属。作为示例，稀土金属包括钪(Sc)、铒(Er)、钇(Y)和镧(La)中的至少一种。压电层150包括1at％至20at％的稀土金属。

可在第一电极140的下方另外地设置用于改善压电层150的晶体取向的种子层。种子层可由具有与压电层150的结晶度相同的结晶度的氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)和铅锆钛氧化物(PZT；PbZrTiO)中的一种形成。

谐振部135分为有效区域和无效区域。谐振部135的有效区域指的是通过当诸如射频信号的电能施加到第一电极140和第二电极160时在压电层150中产生的压电现象而在预定方向上振动和谐振的区域，并且与第一电极140、压电层150和第二电极160在气腔112之上沿着竖直方向重叠的区域对应。谐振部135的无效区域指的是即使当电能施加到第一电极140和第二电极160时也不因压电现象而谐振的区域，并且与有效区域外的区域对应。

谐振部135利用压电现象输出具有特定频率的射频信号。具体地，谐振部135输出具有与根据压电层150的压电现象的振动对应的谐振频率的射频信号。

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。保护层170由氧化硅基绝缘材料、氮化硅基绝缘材料和氮化铝基绝缘材料中的任意一种形成。

沿着基板110的厚度方向穿过基板110的至少一个导电过孔113形成在基板110的下表面中。除了基板110之外，导电过孔113还沿着厚度方向穿过绝缘层120、蚀刻停止层125和膜130中的一些。连接图案114形成在导电过孔113中，并且形成在导电过孔113的整个内表面(即，内壁)上。

连接图案114通过在导电过孔113的内表面上形成导电层来制造。在一个示例中，连接图案114通过沿着导电过孔113的内壁沉积、涂覆或者填充金(Au)、铜(Cu)的导电金属以及钛(Ti)-铜(Cu)的合金中的任意一种或任意组合而形成。

连接图案114连接到第一电极140和第二电极160中的一者或两者。作为示例，连接图案114穿过基板110、膜130、第一电极140和压电层150的至少一部分，并电连接到第一电极140和第二电极160中的至少一个。形成在导电过孔113的内表面上的连接图案114延伸到基板110的下表面，并且连接到设置在基板110的下表面上的基板连接垫115。因此，连接图案114将第一电极140和第二电极160电连接到基板连接垫115。

基板连接垫115使用凸块电连接到设置在滤波器10的下方的外部基板。体声波谐振器100对通过基板连接垫115施加到第一电极140和第二电极160的射频信号执行滤波操作。

盖200结合到形成多个体声波谐振器100的多层结构，以保护多个体声波谐振器100免受外部环境的影响。盖200形成为具有容纳有多个体声波谐振器100的内部空间。盖200可形成为其底表面是敞开的六面体形状，因此可包括顶表面和连接到顶表面的多个侧表面。

盖200具有形成在中央处以便容纳多个体声波谐振器100的谐振部135的容纳部，并且与容纳部相比，盖200具有形成为台阶状的边缘，以使盖200结合到多层结构的结合区域。多层结构的结合区域可对应于多层结构的边缘。

盖200结合到基板110。此外，除了基板110之外，盖200还结合到保护层170、膜130、蚀刻停止层125和绝缘层120中的至少一个。

常规地，盖200由硅(Si)形成，并通过共晶结合而结合到多层结构。在进行共晶结合时，形成在由硅(Si)形成的盖和基板110之间的结合区域中的结合线提供诸如地电位的参考电位。然而，由于提供参考电位的结合线在体声波谐振器中引起寄生电感和不必要的耦合路径，并使滤波器的整体性能劣化，因此需要进行改进。

根据本公开的示例的盖200由玻璃形成，以消除由结合线引起的寄生电感和不必要的耦合路径。在这种情况下，盖200和多层结构通过阳极结合而进行结合。

图2是提供用于示出阳极结合的示图。在阳极结合操作中，将电压施加到处于热施加到其的状态下的盖200和多层结构，使得与结合对象对应的盖200和多层结构直接进行结合而无需中间媒介的介入。阳极结合操作消除了在共晶结合期间形成的结合线。

具体地，参照图2，结合对象通过如下方式进行结合：在热板上设置与结合对象对应的玻璃和硅之后，通过阴极将电压Vs施加到结合对象。在这种情况下，结合对象通过在温度约为180℃至500℃的范围以及电压约为200V至1000V的范围内将热和电压施加到结合对象预定时间来进行结合。预定时间可对应于5至10分钟，并且阳极结合可在真空中执行。

为了增大结合对象之间的结合性能，可能需要调整结合对象的表面状态。此外，由于执行不同材料之间的直接结合，因此结合对象之间的热膨胀系数可能需要彼此相同。在发生结合的温度升高的情况下，由于因结合对象之间的热膨胀系数差异而发生热应力，因此可通常在450℃以下的温度下执行结合操作。也就是说，可在与363℃相似的温度范围(为发生共晶结合的温度)下执行阳极结合。

图3是基板的仰视图。

参照图1和图3，用于抑制当滤波器10安装在外部基板上时发生的电磁干扰的屏蔽层123设置在体声波谐振器100的基板110的下表面上。屏蔽层123设置在基板110的下表面上，以提供诸如地电位的参考电位，从而防止体声波谐振器100和外部基板之间的耦合。作为示例，屏蔽层123形成在具有网状结构的电极中，并且屏蔽层123形成在基板110的除了其上形成有连接图案114和基板连接垫115的区域之外的整个下表面上。

根据示例，可通过使用具有比共晶结合强的结合性能的阳极结合将体声波谐振器100的基板110结合到由玻璃形成的盖200来实现能够确保长期的实际世界应用的密封结合。此外，通过形成在基板110的下表面上的屏蔽层123来保持用于晶圆级测试的稳定且均匀的参考电位(参考GND)。此外，有效地抑制发生在外部基板和包括多个体声波谐振器的滤波器之间的电容式耦合，结果，可单独地设计外部基板和滤波器。

在以上描述中，虽然根据示例的盖200由玻璃形成，但盖200可由除了玻璃之外的聚合物形成。此外，虽然在示例中将屏蔽层123描述为形成在具有网状结构的电极中，但是屏蔽层123还可形成在固体形式的电极中。由玻璃或聚合物形成的盖以及构造为网状或固体形式的电极可应用于本公开的各种示例。

图4示出根据本公开的示例的模拟结果。

在图4中，第一曲线(曲线1)示出了根据对比示例的改进的巴特沃斯-范戴克(mBVD)模型的模拟曲线，第二曲线(曲线2)示出了根据对比示例的根据实际制造的滤波器的测量结果的曲线，第三曲线(曲线3)示出了根据对比示例的根据电磁(EM)模拟结果的曲线，第四曲线(曲线4)示出了根据本公开的示例的根据EM模拟结果的曲线。在这种情况下，对比示例是其中由硅形成的盖通过共晶结合而结合到基板并且屏蔽层不设置在基板的下表面上的滤波器。

在晶圆级测试(WLT)条件下执行EM模拟结果。这里，晶圆级测试(WLT)指的是在焊料凸块球构造在滤波器中之前使用从晶圆的底表面暴露的晶圆级封装(WLP)垫通过地-信号-地(GSG)探头等来直接地测量滤波器特性。因此，根据滤波器电路模型，在滤波器的分路端子直接连接到地(GND)的状态下，晶圆级测试在没有匹配的电感器的情况下通过将滤波器的输入端子和输出端子终止在50欧姆来确定滤波器特性。

首先，当第一曲线(曲线1)和第三曲线(曲线3)基于第二曲线(曲线2)彼此比较时，看出的是，第三曲线(曲线3)比第一曲线(曲线1)更类似于第二曲线(曲线2)。这是由于未反映在第一曲线(曲线1)的mBVD模型中的体声波谐振器的布局或互连的寄生电感和寄生电容被反映在EM模拟中。也就是说，看出的是，mBVD模型与实际制造的滤波器的测量结果具有一定差异。

基于本申请中描述的示例的EM模拟结果的第四曲线(曲线4)非常类似于第一曲线(曲线1)。因此，确定的是，未反映在mBVD模型中的所描述的示例的寄生电感和寄生电容被有效地抑制。因此，从上述结果，外部基板和滤波器被单独地设计的情况获得了与外部基板和滤波器一体地设计的情况类似的结果。

图5和图6是根据本公开的示例的滤波器的示意性电路图。图5和图6的滤波器可通过使根据本公开的各种示例的体声波谐振器电连接而形成。

参照图5，本公开的滤波器1000形成为梯式滤波器结构。具体地，滤波器1000包括多个体声波谐振器1100和1200。

第一体声波谐振器1100串联连接在输入信号RFin输入到其的信号输入端子和从其输出输出信号RFout的信号输出端子之间，第二体声波谐振器1200连接在信号输出端子和地之间。参照图6，本公开的滤波器2000形成为晶格式滤波器结构。具体地，滤波器2000包括多个体声波谐振器2100、2200、2300和2400，以对平衡的输入信号RFin+和RFin-进行滤波，以输出平衡的输出信号RFout+和RFout-。

如上所述，根据本公开的示例，可通过使用具有强的结合性能的阳极结合来结合盖来实现能够确保长期的实际世界应用的密封结合。此外，可通过形成在基板的下表面上的屏蔽层来提供用于晶圆级测试的稳定且均匀的参考电位。此外，可有效地抑制发生在外部基板和包括多个体声波谐振器的滤波器之间的电容式耦合，结果，可单独地设计外部基板和滤波器。

虽然本公开包括特定的示例，但是在理解了本申请的公开内容后将显而易见的是，在不脱离权利要求及它们的等同物的精神和范围的情况下，可在这些示例中做出形式上和细节上的各种变化。在此所描述的示例将仅被认为描述性含义，而非出于限制的目的。在每个示例中的特征或方面的描述将被认为是可适用于其他示例中的类似特征或方面。如果以不同的顺序执行描述的技术，和/或如果以不同的方式组合描述的系统、架构、装置或者电路中的组件和/或用其他组件或者它们的等同物进行替换或者补充描述的系统、架构、装置或者电路中的组件，则可获得适当的结果。因此，本公开的范围不由具体实施方式限定，而是由权利要求及它们的等同物限定，并且在权利要求及它们的等同物的范围内的所有变化将被解释为包括在本公开中。

Claims

1.一种滤波器，包括：

多层结构，包括被构造为体声波谐振器的膜；以及

盖构件，由玻璃或聚合物形成，被构造为容纳所述体声波谐振器，并结合到所述多层结构。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述膜包括基板以及堆叠在所述基板上的第一电极、压电层和第二电极。

3.根据权利要求2所述的滤波器，其中，所述基板由硅形成。

4.根据权利要求3所述的滤波器，其中，所述盖构件直接结合到所述基板。

5.根据权利要求3所述的滤波器，其中，所述盖构件和所述基板通过阳极结合而彼此结合。

6.根据权利要求2所述的滤波器，所述滤波器还包括：

屏蔽层，设置在所述基板的下表面上。

7.根据权利要求6所述的滤波器，其中，所述屏蔽层形成在具有网状结构的电极中。

8.根据权利要求6所述的滤波器，其中，所述屏蔽层被构造为提供参考电位。

9.一种滤波器，包括：

多层结构，被构造为体声波谐振器，所述体声波谐振器中的每个包括基板、堆叠在所述基板上的第一电极、压电层和第二电极，

盖构件，被构造为容纳所述体声波谐振器，并结合到所述多层结构；以及

屏蔽层，被构造在所述基板的下表面上。

10.根据权利要求9所述的滤波器，其中，所述屏蔽层形成在具有网状结构的电极中。

11.根据权利要求9所述的滤波器，其中，所述屏蔽层形成在具有固体结构的电极中。

12.根据权利要求9所述的滤波器，其中，所述屏蔽层提供参考电位。

13.根据权利要求12所述的滤波器，其中，所述参考电位对应于地电位。

14.根据权利要求9所述的滤波器，其中，所述盖构件和所述基板通过阳极结合而彼此直接结合。

15.根据权利要求13所述的滤波器，其中，所述盖构件由玻璃形成。

16.根据权利要求13所述的滤波器，其中，所述基板由硅形成。

17.根据权利要求13所述的滤波器，其中，所述盖构件由聚合物形成。

18.一种滤波器，包括：

基板；

体声波谐振器，设置在所述基板上；以及

盖构件，由玻璃形成，被设置为容纳并密封所述体声波谐振器，并结合到所述基板。

19.根据权利要求18所述的滤波器，所述滤波器还包括：

屏蔽层，具有网状结构，设置在所述基板的下表面上。

20.根据权利要求19所述的滤波器，其中，所述盖构件和所述基板通过阳极结合而彼此结合。