CN1386319A - 滤波器的改良 - Google Patents
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Abstract
电气滤波器具有串联和并联排列的1个以上的非压电层例如上部电极(24)的厚度(T)不同的多个薄膜体波谐振器(10,11)。
Description
本发明涉及具有多个薄膜体波谐振器(FBAR)的滤波器，特别是为了在高频区确保宽的通频带而以使用薄膜技术制造的压电滤波器为对象的滤波器。
薄膜体波谐振器(FBAR)在高频区特别是在MHz和GHz区有共振峰，所以，是很有魅力的器件。此外，FBAR可以用毫米单位的小的器件实现。即，FBAR不仅作为谐振器是有用的，而且可以应用于在手机等小型并且轻而薄的电气产品中使用的滤波器或转换器。
众所周知，FBAR等压电谐振器的共振频率可以随压电层的厚度而变化。另外，也有报告说FBAR的共振频率通过改变电极、作为基础的膜层、作为基础的基板等其他层的厚度而变化。该效应称为「质量负荷效应」。特别是在MHz和GHz区，可以观察到质量负荷效应。质量负荷效应是由于器件的单位区域中的重量变化时共振频率就发生变化而发生的。因此，例如，共振频率也可以通过改变电极所使用的材料而发生变化。这是因为，即使厚度相同，如果电极的材料的密度不同，电极的重量也变化。
以前，人们已经指出，如果使用重量负荷效应，通过增减电极或膜层的厚度，便可调节FBAR的频率。该方法的优点是，在作成FBAR器件之后可以调节频率。这是因为，在原理上可以增减上部电极的厚度。换言之，首先检查FBAR器件的共振，然后通过适当地改变电极的厚度，可以将共振频率调节为所希望的值。但是，由于FBAR是由夹在2个金属电极之间的薄的压电层构成的，所以，在将上部电极装配之后来改变压电层的厚度，调节共振频率并不是简单的。必须使用除去金属的方法(脉冲激光照射或离子束腐蚀等)。
现在已知，可以用多个FBAR制作电气滤波器。这种滤波器可以在MHz或GHz频率区域工作。对于带通滤波器的情况，一般说来，如果滤波器使用的FBAR多，可以改善通频带以外的信号的阻止电平。
图7表示具有4个FBAR的滤波器的例子。4个FBAR按滤波器的功能分为2个组。图7的FBAR1和FBAR2串联连接。因此，这2个构成1个组。另外，FBAR3和FBAR4并联连接，构成另一个组。通常，所有的FBAR按相同的步骤体制作在1个基板上。因此，各FBAR由非常相似的结构(理想情况为相同的结构)构成。换言之，对于各FBAR的所有的层，用相同的厚度使用相同的材料。
在MHz或GHz区的高频率准备带通滤波器，是很重要的。因为，这些频率在当今的无线通信中频繁地使用。根据情况不同，需要更宽或更窄的滤波器的带宽。为了增大使用FBAR的滤波器的带宽，必须将具有高的电气机械耦合系数的压电材料应用于FBAR。因为，各FBAR的带宽主要取决于电气机械耦合系数。但是，由于工艺的问题，有时难于将具有高的电气机械耦合系数(k)的材料应用于FBAR。另外，电气机械耦合系数也有极限。实际上，还不知道有k＞0.45的薄膜压电材料。
本发明介绍具有多个FBAR的宽频带的带通滤波器的特征。详细而言，按照本发明，与并联FBAR比较，通过改变串联的非压电层的厚度，可以得到宽的带通频带。
滤波器具有多个FBAR，其中至少1个串联连接，1个并联连接。各FBAR具有(从下向上)由基板、电介质层、作为下部电极的1个以上的金属层、压电层、作为上部电极的1个以上的金属层还为了具有可以调整的重量负荷而可以任意附加的上部层构成的多个层。最后的层，可以是导体也可以是绝缘体。
FBAR在朝各层的厚度的函数的频率发生串联共振还并联共振。在滤波器中，最好在串联FBAR还并联FBAR中控制1个或几个层的厚度。这样，与串联FBAR的串联还并联的各共振峰与并联FBAR比较，设定为不同的频率。
如果使用这些串联还并联的FBAR制造滤波器，可以得到宽频带的带通滤波器。这时，串联FBAR的压电层的厚度与并联FBAR比较，则不变更。而除此以外的层即电极、膜层、残存的基板、(任意的)上部层中的1个以上的层的厚度变更。
下面，使用图7说明器件的原理。在图7中，在相同的条件下，用相同的材料还相同厚度的层制造所有的FBAR时，则串联FBAR(FBAR1和FBAR2)和并联FBAR(FBAR3和FBAR4)是相同的，如图8(a)所示，具有完全相同的共振峰。用相同的FBAR制造串联和并联使用的滤波器时，如图8(b)所示，通频带受串联共振的频率(fs)和并联共振的频率(fp)的限制。
另一方面，在图7中，串联FBAR的上部电极的厚度与并联FBAR的上部电极的厚度不同，如果其他尺寸在所有的FBAR中相同，则串联FBAR和并联FBAR如图9(a)所示的那样，在不同的频率显示共振峰。在图9(a)中，串联FBAR的串联共振的频率(fs1)设定为与并联FBAR的并联共振相同的频率(fp2)。如果制造串联和并联使用了不同的FBAR的滤波器，会增加滤波器的带宽。如图9(b)那样，因为通带宽由并联FBAR的串联共振频率(fp2)和串联FBAR的并联共振频率(fp1)限制。
图9(b)的滤波器与图8(b)比较有二个优点，一是该图的fs2与fp1的带边衰减比图8(b)的fs与fp的带边衰减深；另外一个是该图的fs2与fp1间的带通插入损失比图8(b)的fs与fp间的少。
所提出的滤波器的重要点是串联和并联的全部FBAR具有相同厚度的压电层。在提案的滤波器中，除了压电层外，在串联FBAR和并联FBAR中，改变1个或几个层的厚度是不可少的。具有不同厚度的层，是1个或几个电极层、1个膜层、残存的基板等，但是，不包含压电层。
下面，说明改变上述层中的1个层的厚度的方法。例如，为了改变上部电极的厚度，在以某种程度的被覆厚度形成上部电极之后，利用感光胶将几个FBAR覆盖，所以，可以使用光刻法。未涂敷的上部电极的厚度，可以利用化学腐蚀或干腐蚀(例如，离子刻蚀或反应性离子腐蚀)来减小厚度，或者通过用金属或包含绝缘体的其他材料进行涂敷而新厚度。或者，由于上部电极可以形成在特定的区域，所以，通过使用光刻法对不同的器件区域反复进行光刻和涂敷，便可得到具有不同厚度的多个上部电极区域。这时，就不需要进行电极的腐蚀或对已有的上部电极区域进行涂敷。
下面，给出在特定区域控制上部电极的厚度的其他好方法的例子。受激准分子激光脉冲可以聚焦到非常窄的区域，所以，可以用于对上部电极进行部分的腐蚀。在腐蚀中或其前后，可以监视腐蚀的器件的共振频率。这时，对于特定的FBAR，可以非常迅速而正确地得到送需要的频率。
通过腐蚀想部分地减小压电层的厚度时，必须注意被腐蚀的压电层的表面有可能变粗糙。共振是在压电层中发生的，所以，其表面粗糙时，就有可能发生信号的损失。另外，通过对已有的压电层进行涂敷而想部分地增加压电层的厚度时，增加的压电层的薄膜的特性与已有的压电层比较就发生变化。此外，通过改变压电层的厚度而使共振频率变化时，则难于检查器件的共振频率。因为，压电层是通过电气激励发生共振的，所以，其两侧必须具有上部电极和下部电极。因此，难于使夹在电极间的夹层结构的压电层的厚度增减。根据这些理由，为了制作送提案的滤波器，改变FBAR的压电层以外的1个以上的层的厚度是重要的。
下面，参照附图，使用例子详细说明本发明。
图1表示具有3个串联FBAR和3个并联FBAR的极佳的滤波器的概要图。
图2表示FBAR的上面图和剖面图。
图3表示在具有100nm的上部电极的极佳的滤波器中作为串联FBAR使用的FBAR的S参量。
图4表示在具有120nm的上部电极的极佳的滤波器中作为并联FBAR使用的FBAR的S参量。
图5表示具备具有厚度100nm的上部电极的3个相同的串联FBAR和具有厚度120nm的上部电极的3个相同的并联FBAR的极佳的滤波器的S21曲线。
图6表示具有3个串联FBAR和3个并联FBAR的共计6个FBAR的比较例的滤波器的S21曲线。所有的FBAR具有厚度100nm的上部电极。
图7表示具有2个串联FBAR和2个并联FBAR的滤波器的电气等效电路的概要图。
图8(a)表示滤波器的串联和并联谐振器完全相同时的FBAR的共振曲线。
图8(b)表示具有2个串联FBAR和2个并联FBAR的共计4个完全相同的FBAR的滤波器的S21曲线。
图9(a)表示在滤波器的串联谐振器和并联谐振器中与并联FBAR比较，串联FBAR的上部电极的厚度不同时的FBAR的共振曲线。
图9(b)表示具备2个串联FBAR具有相同的上部电极的厚度而其厚度与2个并联FBAR的上部电极的厚度不同的4个FBAR的滤波器的S21曲线。
按照本发明的极佳的实施例，滤波器使用上部电极的厚度不同的串联FBAR和并联FBAR制造。参照表示滤波器的概要图和滤波器的各FBAR的剖面图的图1和图2，可以理解本实施例。
在图1中，3各串联FBAR10是相同的。另外，3各并联FBAR11也是相同的。这些共计6个FBAR制作在1个基板上。串联FBAR10和并联FBAR11具有图2所示的结构。串联FBAR10和并联FBAR11具有上部电极24、下部电极25、压电层23和硅晶片20上的桥路或膜层22。该硅晶片20使用背面图案层21非均匀地进行蚀刻。但是，在本实施例中，串联FBAR10和并联FBAR11只有1个有差别。该差别就是上部电极24的厚度(在图2中用T表示)。
下面，说明具有6个FBAR的滤波器的制造步骤。首先，在裸的硅晶片20的两面利用化学的气相成长法附着上200nm的氮化硅(SiNx)。SiNx的膜层22位于硅晶片20的前面。在硅晶片20的背面侧，如背面层图案21所示的那样，利用光刻法和反应性离子腐蚀在SiNx上形成图案。下部电极25利用所谓的分离工艺按下述步骤形成。首先，利用光刻法形成感光胶的图形。其次，利用溅射法，形成厚度分别为10nm和100nm的铬和金(Cr/Au)。Cr作为Au的粘接层使用。然后，用丙酮除去图形化的感光胶和其上的Cr/Au。因为感光胶溶于丙酮。经过该步骤之后，便可得到下部电极25。然后，利用溅射法形成氧化锌(ZnO)，从而形成压电层23。压电层23的厚度为1.2微米。压电层23用醋酸进行腐蚀，形成用电气探头与下部电极25接触的接触孔26。然后，利用分离工艺形成上部电极24。上部电极24具有传输线路和在图2中用L所示的那样一边的尺寸为200微米的四边形的作业区域。作业区域的大小，与下部电极25相同。在形成上部电极24时，也利用相同的分离工艺形成2个接地电极。因此，上部电极24的特性阻抗设定为约50欧姆，具有同一平面上的波导结构。
上部电极24的Au的厚度，在串联FBAR10中设定为100nm，在并联FBAR11中设定为120nm。Cr的厚度，在串联FBAR10和并联FBAR11中相同(10nm)。在形成这些上部电极24时，进行2次Cr/Au的涂敷和分离的工艺。最初，上部电极24利用100nm的Au在串联FBAR10上形成，然后，利用120nm的Au形成上部电极24，上部电极24的形成工艺对并联FBAR11反复进行。
最后，硅晶片20使用背面图案层21，从背面侧用KOH溶液进行腐蚀，完成滤波器的制造工艺。
在电气测定中，使用网络分析器。首先，进行滤波器的各FBAR的测定。不与其他FBAR连接的各FBAR用于独立地测定电气的响应，所以，个别地制造。
图3表示具有厚度为100nm的上部电极的串联FBAR10的S参量。S11是对电源的反射系数，S21是在输出端口测定的透过系数。串联和并联的共振峰，如在图3中“S”和“P”所示的那样，在频率1.585GHz和1.632GHz出现在S11中。在S21中，在1.632Ghz出现1个共振峰。
另一方面，图4表示具有厚度为120nm的上部电极24的并联FBAR11的S参量。S11和S21中的所有的共振峰都向频率比图3中的相同种类的峰低的频率移动。S11中的串联共振峰出现在1.538GHz。S11中的并联共振峰和S21中的共振峰都出现在1.585GHz。这和图3所示的S11这的串联共振峰的频率相同。
滤波器使用2种FBAR，用图1所示的结构进行制造。滤波器的透过系数(S21)示于图5。滤波器的带边衰减表现在1.540GHz和1.635GHz。1.540GHz处的带边衰减是由1.538GHz处的S11的串联其振峰引起的。另一个1.635GHz处的带边衰减是由1.632GHz处的S21的共振峰引起的。2个带边衰减间的频率宽度为0.095Ghz。
为了与上述极佳的滤波器进行比较，按图1的结构，制作了作为串联FBAR10和并联FBAR11而具有相同的FBAR的滤波器。在该比较例的滤波器中，作为串联FBAR10和并联FBAR11的FBAR具有100nm的上部电极24。比较例的滤波器的S21示于图6。在图6中，滤波器的带边衰减出现在1.587GHz和1.635GHz。这些频率随图3中的FBAR的共振峰而不同。1.587GHz处的带边衰减的峰的深度约为-40dB，这比图5所示的1.538GHz处的-60dB差。此外，在图6中，2个带边衰减间的频带中的信号电平约为-20dB，这远没有图5中的-2dB那么好。2个带边衰减间的频率宽度为0.048GHz，这是极佳的滤波器的带边衰减间的宽度的约一半。
将极佳的滤波器与作为串联FBAR10和并联FBAR11而具有相同的FBAR的比较例的滤波器进行比较，极佳的滤波器的通频带宽、通频带的插入损失小、带边衰减深。这样，极佳的滤波器与作为串联FBAR10和并联FBAR11而具有相同的FBAR的滤波器比较，具有很多优点。
以上所示的极佳的滤波器只不过是本发明的1个例子。即，以上说明的层使用的薄膜技术和材料不限于前面说明的内容。例如，压电层23使用的材料不限于ZnO。可以代之以使用Q值高的氮化铝(AlN)和电气机械耦合系数大的钛酸锆酸铅(PZT)。另外，也可以代之以使用钽酸铅钪和钛酸铋钠。上部电极24和下部电极25的材料，不限于Cr/Au。也可以代之以使用作为电极经常使用的铝(Al)和铂(Pt)。膜层22和背面图案层21的材料，不限于SiNx，也可以代之以使用SiO2。
串联FBAR10和并联FBAR11的FBAR的数量不限定各3个。串联FBAR10和并联FBAR11的FBAR的数量白根据带边衰减的电平和滤波器所需要的区域尺寸等条件决定。
作为串联FBAR10和并联FBAR11使用的FBAR，不限于在下部电极25的背面侧的硅晶片20上具有腐蚀的孔的FBAR。也可以在下部电极25的背面侧使用空气间隙或黑的反射体，取代硅晶片20上腐蚀的孔。这样，硅晶片20就不是FBAR可以使用的唯一的基板。
以上说明的极佳的滤波器是1个例子，所以，并不是必须变更上部电极24的厚度。下面，说明代替的工艺。为了改变串联FBAR10的共振频率，可以在上部电极24的作业区域形成由SiNx、SiO2等电介质或金属(例如Au)构成的别的层。这就是图2中作为任意的上部层28所示的层。作为别的方法，为了在最终的滤波器中获得同样的效果，与并联FBAR比较，可以改变成为串联FBAR的基础的电介质层22或下部电极25的厚度。另外，控制作为基础的基板的腐蚀工艺，可以在各谐振器之下残留下某种程度的基板。残留的量与并联的基板比较，对串联的基板可以自由地改变。作为这种滤波器的别的形式，为了得到相同的效果，当然也可以改变2个以上的层(压电层以外)的厚度。
Claims (30)
1.一种电气滤波器，其特征在于：具有串联和并联排列的多个膜体波谐振器(FBAR)，各谐振器由夹在2个金属电极之间的薄的压电层和其他材料的层构成，滤波器的多个FBAR谐振器的非压电层的厚度相互不同。
2.按权利要求1所述的电气滤波器，其特征在于：压电的多层结构由薄的膜层支持。
3.按权利要求1所述的电气滤波器，其特征在于：压电的多层结构由音响反射集层体支持。
4.按权利要求1～3的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：厚度随FBAR而不同的层是上部电极。
5.按权利要求1～3的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：厚度随FBAR而不同的层是下部电极。
6.按权利要求1～3的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：厚度随FBAR而不同的层是成为基础的膜。
7.按权利要求1～3的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：厚度随FBAR而不同的层是配置在上面的电介质层。
8.按权利要求1～3的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：厚度随FBAR而不同的层是配置上面的金属层。
9.按权利要求1～8的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：压电材料是氧化锌。
10.按权利要求1～8的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：压电材料是钛酸锆酸铅。
11.按权利要求1～8的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：压电材料是氮化铝。
12.按权利要求1～8的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：压电材料实质上是钽酸铅钪。
13.按权利要求1～8的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：压电材料实质上是钛酸铋钠。
14.按权利要求1～13的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：金属电极实质上是金。
15.按权利要求1～13的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：金属电极实质上是铝。
16.按权利要求1～13的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：金属电极实质是铂。
17.按权利要求6所述的电气滤波器，其特征在于：成为基础的膜是氮化硅。
18.按权利要求6所述的电气滤波器，其特征在于：成为基础的膜是氧化硅。
19.按权利要求7所述的电气滤波器，其特征在于：配置在上面的电介质层是氮化硅。
20.按权利要求7所述的电气滤波器，其特征在于：配置在上面的电介质层是氧化硅。
21.按权利要求1～20的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：某一个层的厚度差异，是利用受激准分子激光脉冲进行腐蚀而造成的。
22.按权利要求1～20的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：某一个层的厚度差异是通过湿腐蚀而造成的。
23.按权利要求1～20的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：某一个层的厚度差异是通过离子刻蚀而造成的。
24.按权利要求1～20的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：某一个层的厚度差异是通过反应性离子腐蚀而造成的。
25.一种电气滤波器，其特征在于：具有至少1个串联FBAR和至少1个并联FBAR，各FBAR具有夹在2个电极间的压电层，串联FBAR的1个以上的非压电层的厚度与并联FBAR的不同。
26.按权利要求25所述的电气滤波器，其特征在于：至少1个电极的厚度与串联FBAR和并联FBAR中不同。
27.按权利要求25或26所述的电气滤波器，其特征在于：至少1个追加的层设置在上部电极之上或下部电极之下。
28.按权利要求27所述的电气滤波器，其特征在于：追加的层的厚度与串联FBAR和并联FBAR中不同。
29.按权利要求1～28的任一权项所述的电气滤波器，其特征在于：具有串联连接的多个FBAR和并联连接的多个FBAR。
30.一种以上使用附图所说明的电气滤波器。
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