CN1595798A - 薄膜谐振器及其制造方法以及具有薄膜谐振器的滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄膜谐振器，其包括：形成在衬底上的隔膜层，形成在隔膜层的部分顶表面上的下电极，形成在下电极上的压电层，形成在压电层上的上电极，以及置于下电极和隔膜层之间并具有一预定质量的质量加载层。这种结构能够更精确地调节薄膜谐振器的谐振频率，从而提供更精确的滤波器。
Description
本申请要求于2003年9月9日在韩国知识产权局提交的No.2003-63389的优先权，其全部内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明涉及包括薄膜谐振器的组合的滤波器，更具体而言，涉及用于滤波器中的薄膜谐振器及其制造方法。
背景技术
通常，用于通信器件的滤波器包括薄膜谐振器的组合。
图1是传统薄膜谐振器的剖面图。参照图1，传统的薄膜谐振器100包括一压电层130，分别设置在压电层130的上和下表面的上电极140和下电极120，以及振动地支撑衬底10上的下电极120的隔膜层110(也称为“介电层”)。
作为薄膜谐振器100的谐振特性之一的谐振频率依赖于压电层130的厚度t1变化。在近来的小尺寸薄膜谐振器中，采用了一种新技术，即使用根据上电极140的厚度t2来引起质量变化的所谓质量加载效应(massloading effect)来调整谐振频率，而不改变导致谐振频率较大变化的压电层130的厚度t1。
在传统的薄膜谐振器100中，在薄膜谐振器100制造过程中的重复淀积和蚀刻期间，下电极120受到化学和机械影响。为了承受这种化学和机械的影响，下电极120应该由具有高化学和机械强度的材料制成，如钼(Mo)或钨(W)，而不是由轻金属，如铝制成。但是，由于其高阻尼系数，钼和钨都具有比铝更大的振动传递损失(vibration transfer loss)并且不容易被处理。这些材料增大了制造成本并使制造工艺复杂化，同时降低了薄膜谐振器100的整体效率。
如上所述，近来通过改变上电极140的厚度t2已有可能调整薄膜谐振器100的谐振频率。与压电层130的厚度改变相比，上电极140的厚度改变导致谐振频率的变化小得多。但是，如图2所示，即使当上电极140的厚度轻微改变0.1μm，薄膜谐振器100的谐振频率在几百MHz的宽范围内极大地变化。因此，很难制造需要在串联谐振器组310和并联谐振器组320(见图8)之间具有几十MHz的谐振频率差的精确滤波器。
发明内容
为了克服上述问题，本发明的一个方面是提供一种能够容易地调节谐振频率并相对自由地选择用于下电极的材料的薄膜谐振器，具有该薄膜谐振器的滤波器，以及制造该薄膜谐振器的方法。
为了完成本发明的以上方面和/或其他特征，提供了一种薄膜谐振器，其包括：形成在衬底上的隔膜层，形成在隔膜层一部分上的下电极，形成在下电极上的压电层，形成在压电层上的上电极，以及置于下电极和隔膜层之间并具有一预定质量的质量加载层(mass loading layer)。
这种结构能够更精确地调节薄膜谐振器的谐振频率。
根据本发明的这一方面，当对初始时具有相同厚度的质量加载层，上电极和隔膜层进行相同水平的厚度改变时，由质量加载层的厚度改变引起的谐振频率的变化应该优选为小于由其它层的厚度改变引起的谐振频率的变化。
在本发明的另一方面中，提供了一种薄膜谐振器，其包括：形成在衬底上的隔膜层，形成在隔膜层上的下电极，形成在下电极上的压电层，形成在压电层上的上电极，其中所述下电极的顶部和底部被隔膜层所包围。
根据这一方面，能够精确调节薄膜谐振器的谐振频率而对下电极没有任何损害。还能在淀积和蚀刻压电层和上电极的过程中减小转移到下电极上的化学和机械影响，从而能够自由选择用于下电极的材料。
优选地，下电极应该由在张力中的弹性模量比隔膜层高的导电材料制成。
该薄膜谐振器还包括夹在下电极和隔膜层之间并具有一预定厚度的质量加载层。
优选地，质量加载层的顶部和底部应被隔膜层所包围。
优选的，质量加载层应该由在张力中的弹性模量比隔膜层高且在张力中的弹性模量比下电极低的材料制成。并且，隔膜层应该由电介质和聚合物涂料中的任何一种制成。
对于质量加载层，优选地是，选择能根据其厚度的改变引起薄膜谐振器的谐振频率较小变化的材料。
为了制造根据本发明上述方面的薄膜谐振器，提供了一种方法，包括：在衬底上形成第一隔膜层；在第一隔膜层上形成下电极；在下电极之上形成第二隔膜层；在第二隔膜层上形成压电层，以及在压电层上形成上电极。
在第一隔膜层上形成下电极优选包括：在第一隔膜层上形成至少一个质量加载层；以及在该质量加载层顶部上形成下电极。
而且，优选地是在各个质量加载层之间以及在下电极和顶部质量加载层之间形成隔膜层。
在衬底上形成第一隔膜层优选包括：在衬底上形成并构图牺牲层(sacrificial layer)；以及在牺牲层上形成第一隔膜层。在形成第二电极之后，可通过蚀刻去除牺牲层。
在本发明的另一方面中，提供了一种由第一谐振器组和第二谐振器组构成的滤波器，该第一谐振器组是形成在衬底上并与一预定电路串联连接的至少一个第一薄膜谐振器的组合，该第二谐振器组是与所述电路并联连接的至少一个第二薄膜谐振器的组合。其中所述第一薄膜谐振器具有比第二薄膜谐振器大的谐振频率，所述第一薄膜谐振器包括在衬底上顺序形成的隔膜层、下电极、压电层以及上电极，所述第二薄膜谐振器包括在衬底上顺序形成的隔膜层、质量加载层、下电极、压电层以及上电极。优选地，第二薄膜谐振器的每一质量加载层和下电极的顶部和底部均应被隔膜层包围。
根据本发明的这一方面，在第一和第二薄膜谐振器之间的谐振频率差能够被精确调整，从而能够制造更精确的滤波器。
附图说明
通过以下参照附图的详细描述，本发明的上述目的和其他优点将变得更加显而易见，附图中：
图1是传统薄膜谐振器的剖面图；
图2是表示传统薄膜谐振器的上电极的厚度改变引起的谐振频率变化的曲线；
图3是根据本发明第一实施例的薄膜谐振器的剖面图；
图4A是表示图3的隔膜层的厚度改变引起的谐振频率变化的曲线；
图4B是表示图3的质量加载层的厚度改变引起的谐振频率变化的曲线；
图5是根据本发明第二实施例的薄膜谐振器的剖面图；
图6是根据本发明第三实施例的薄膜谐振器的剖面图；
图7A至7F表示了图6的薄膜谐振器的制造过程；
图8是根据本发明的具有薄膜谐振器的滤波器的示意图。
具体实施方式
下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施例。
图3是根据本发明第一实施例的薄膜谐振器的剖面图。如图3所示，薄膜谐振器200包括隔膜层210、质量加载层250、下电极220、压电层230以及上电极240。由于压电层230和上电极240与用于传统薄膜谐振器中的压电层和上电极相同，因而省略对其的详细解释。
根据第一实施例，薄膜谐振器200将质量加载层250置于下电极220和隔膜层210之间。薄膜谐振器200的谐振频率能够根据质量加载层250的厚度而调节。
隔膜层210淀积在衬底20上以振动地支撑衬底20上的薄膜谐振器200。隔膜层210与压电层230的振动相结合地振动。隔膜层210由绝缘材料制成，如氮化硅(Si3N4)或二氧化硅(SiO2)。如图4A所示，与调节上电极240的厚度t2(见图1)时的情况相比，当调节隔膜层210的厚度t3时，谐振频率能够被更精确地调节。优选地，隔膜层210的厚度t3应该根据制造过程中的限制在一预定的厚度范围内调节。
设置质量加载层250以容易地调节谐振器的谐振频率。当对初始时相同的质量加载层250的厚度t4和上电极240的厚度t2进行相同程度的改变时，与上电极240的厚度t2的改变相比，质量加载层250的厚度t4的改变导致薄膜谐振器200的谐振频率更小的变化。质量加载层250优选由可被容易地结合到隔膜层210上的材料制成。图4B表示了谐振频率对本发明第一实施例中用于质量加载层250的聚对二甲苯(parylene)厚度的依赖性。
图5是根据本发明第二实施例的薄膜谐振器的结构剖面图。如图5所示，薄膜谐振器200的特征在于下电极220的顶部和底部均被隔膜层215所包围。更具体而言，由具有较大杨氏模量的金属材料制成的下电极220被设置在由具有较小杨氏模量的材料例如二氧化硅制成的隔膜层215内部。因而改善了隔膜层215的整体刚性，由此避免了隔膜层215的扭曲并改善了隔膜层215的稳定性和可靠性。并且，隔膜层215能吸收在现有技术中引起问题的化学和机械影响，使得能够自由选择用于下电极220的材料，从而降低了制造成本并简化了薄膜谐振器200的制造过程。
图6表示了根据本发明第三实施例的薄膜谐振器200的结构。该薄膜谐振器200包括隔膜层213、质量加载层250、下电极220、压电层230和上电极240。质量加载层250的下表面和下电极220的上表面被隔膜层213所包围。因此，可从较宽范围的材料中选择下电极220和质量加载层250。并且，通过加入质量加载层250，能够更容易地调节谐振频率。
下文中，将参照附图详细解释根据本发明、特别是第三实施例的薄膜谐振器的制造方法。
如图7A所示，首先在衬底20上形成牺牲层290然后通过一预定的蚀刻工艺、例如光刻对其构图。随后，在牺牲层290之上形成隔膜层213，如图7B所示。在蚀刻后剩余的牺牲层290置于隔膜层213和衬底20之间。
在完成隔膜层213的形成后，在隔膜层213上形成并构图质量加载层250，如图7C所示。随后，在质量加载层250上形成并构图下电极220。质量加载层250优选由例如聚对二甲苯的材料制成，其厚度的改变引起薄膜谐振器的谐振频率的变化很小。并且，下电极220优选由金属性材料制成，例如铝合金，其具有比钨或钼低的阻尼系数。与牺牲层290类似，下电极220优选通过光刻来蚀刻。
在完成下电极220的形成后，在下电极220的顶部再次形成隔膜层213，如图7D所示。此时，优选包围质量加载层250和下电极220的外表面从而使形成在下电极220上表面上的隔膜层213和形成在质量加载层250下表面上的隔膜层213能够结合以形成单一体。淀积在下电极220上表面上的材料可以与形成在质量加载层250下部上的隔膜层213的材料相似或不相似。同时，下电极220与压电层230接触(图7E)，以下将通过其一侧(未示出)对压电层230进行说明。因此，尽管未被详细表示，下电极220和压电层230之间的电连接能够通过部分地蚀刻在下电极220上表面上的隔膜层213并接着在其上淀积压电层230而变得更加稳定。
因此，在这一实施例中，在形成隔膜层213、质量加载层250和下电极220之后，在隔膜层213上顺序形成压电层230和上电极240，如图7E所示。随后，如图7F所示蚀刻并去除牺牲层290以在薄膜谐振器200的底部和衬底20之间形成一预定间隔。
尽管以上已解释了根据本发明第三实施例的薄膜谐振器200的制造方法，但可依赖于薄膜谐振器200的预期结构对该方法进行多种改动。
例如，可在一预定图案中蚀刻衬底20并在被蚀刻的部分处形成牺牲层290从而提供能使薄膜谐振器200在薄膜谐振器200的底部和衬底20之间振动的间隔。
进一步，尽管未在图中表示，但可形成多于两个的质量加载层250。在这种情况下，质量加载层250和隔膜层213被顺序淀积使得隔膜层213被夹置在每两个质量加载层250之间。
图8表示了根据本发明的具有薄膜谐振器200的组合物的滤波器300的结构。通常，滤波器300包括串联谐振器组310和并联谐振器组320，串联谐振器组310是至少一个第一薄膜谐振器100的组合，而并联谐振器组320是至少一个第二薄膜谐振器200的组合。滤波器300在第一薄膜谐振器100的谐振频率和第二薄膜谐振器200的谐振频率之间设置一预定的差值。近来，这种频率差被设置在50至60MHz的小范围之内。在本发明中，滤波器300可使用传统的薄膜谐振器(见图1)作为第一薄膜谐振器100而使用根据第三实施例的薄膜谐振器作为第二薄膜谐振器200。通过使用能够容易地调节谐振频率的薄膜谐振器200作为第二薄膜谐振器200，本发明能够容易地提供精确的滤波器300。
如上所述，根据本发明的薄膜谐振器还包括能够精确并容易地调节谐振频率的质量加载层。
并且，由于下电极被隔膜层包围，可以更加自由地选择用于下电极的材料。
尽管已基于说明的目的描述了本发明的示例性实施例，但本领域技术人员应理解的是，可进行多种修改、添加和替代而不脱离由所附权利要求及其等同物的全部范围所限定的本发明的范围和主旨。
Claims (18)
1.一种薄膜谐振器，包括：
形成在衬底上的隔膜层；
形成在所述隔膜层至少一部分上的下电极；
形成在所述下电极上的压电层；
形成所述在压电层上的上电极；以及
置于所述下电极和所述隔膜层之间并具有一预定质量的质量加载层。
2.根据权利要求1的薄膜谐振器，其中当对初始时具有相同厚度的所述质量加载层和所述上电极进行相同程度的厚度改变时，由所述质量加载层的厚度改变引起的谐振频率的变化小于由所述上电极的厚度改变引起的谐振频率的变化。
3.根据权利要求2的薄膜谐振器，其中所述质量加载层包括聚对二甲苯和铝中的任何一种。
4.一种薄膜谐振器，包括：
形成在衬底上的隔膜层；
形成在所述隔膜层上的下电极；
形成在所述下电极上的压电层；以及
形成所述在压电层上的上电极；
其中所述下电极的顶部和底部被所述隔膜层包围。
5.根据权利要求4的薄膜谐振器，其中所述下电极由在张力中的弹性模量比所述隔膜层高的材料制成。
6.根据权利要求5的薄膜谐振器，还包括设置在所述下电极和所述隔膜层之间并具有一预定厚度的质量加载层。
7.根据权利要求6的薄膜谐振器，其中所述质量加载层的顶部和底部被所述隔膜层包围。
8.根据权利要求6的薄膜谐振器，其中所述质量加载层由在张力中的弹性模量比所述隔膜层高且在张力中的弹性模量比所述下电极低的材料制成。
9.根据权利要求8的薄膜谐振器，其中当对初始时具有相同厚度的所述质量加载层，所述上电极和所述隔膜层进行相同程度的厚度改变时，由所述质量加载层的厚度改变引起的谐振频率的变化小于由所述上电极的厚度改变引起的谐振频率的变化并大于由所述隔膜层的厚度改变引起的谐振频率的变化。
10.根据权利要求6的薄膜谐振器，其中所述隔膜层包括电介质和聚合物涂层中的任何一种。
11.一种包括第一谐振器组和第二谐振器组的滤波器，该第一谐振器组是形成在衬底上并与一预定电路串联连接的至少一个第一薄膜谐振器的组合，该第二谐振器组是与所述电路并联连接的至少一个第二薄膜谐振器的组合，
其中所述第一薄膜谐振器具有比所述第二薄膜谐振器大的谐振频率，所述第一薄膜谐振器包括自所述衬底顺序设置的隔膜层、下电极、压电层以及上电极，所述第二薄膜谐振器包括自所述第二薄膜谐振器衬底顺序设置的隔膜层、质量加载层、下电极、压电层以及上电极。
12.根据权利要求10的滤波器，其中所述第二薄膜谐振器的所述下电极的顶部被所述隔膜层包围。
13.根据权利要求12的滤波器，其中所述第二薄膜谐振器的所述质量加载层的顶部被所述隔膜层包围。
14.一种薄膜谐振器的制造方法，包括：
在衬底上形成第一隔膜层；
在所述第一隔膜层上形成下电极；
在所述下电极之上形成第二隔膜层；
在所述第二隔膜层上形成压电层；以及
在所述压电层上形成上电极。
15.根据权利要求14的方法，其中在所述第一隔膜层上形成下电极包括：
在所述第一隔膜层上形成至少一个质量加载层；以及
在该质量加载层之上形成下电极。
16.根据权利要求15的方法，其中所述隔膜层形成在各个质量加载层之间以及在所述下电极和顶部质量加载层之间。
17.根据权利要求14的方法，其中所述在衬底上形成第一隔膜层包括：在该衬底上形成并构图牺牲层以及在该牺牲层上形成所述第一隔膜层。
18.根据权利要求17的方法，其中在所述压电层上形成所述上电极之后，通过蚀刻去除所述牺牲层。
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