CN1705226A - 薄膜体音响谐振器及薄膜体音响谐振器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种薄膜体音响谐振器,其目的在于降低横振荡型引起的杂散信号。薄膜体音响谐振器由第一电极(12)、与该第一电极(12)的上面邻接形成的压电体层(13)、与该压电体层(13)的上面邻接形成的第二电极(14)的层积体构成,使该第一及第二电极(12)及(14)具有与空气接触的分界面,其中,该压电体层(13)的整个端面存在于该第一电极(12)及该第二电极(14)的内侧。
Description
技术领域
本发明涉及适用于在通信设备中使用的小型高频滤波器的薄膜体音响谐振器及薄膜体音响谐振器的制造方法。
背景技术
近年来,随着手机和PDA(Personal digital assistant:面向个人的携带信息通信)设备等的通信设备的高功能化、高速化,内装的数100MHz~数GHz动作的高频滤波器空前地增加,并要求小型化、低成本化。满足该要求的高频滤波器的有力候补是使用有可由半导体制造技术形成的薄膜体音响谐振器的滤波器。
作为代表该薄膜体音响谐振器的现有例,图11及图12表示记载于非专利文献1中的被称为空气桥接型的谐振器。图11是该空气桥接型薄膜体音响谐振器的一例的平面图,图12是图11的A-A线剖面图。
如图11及图12所示,该现有的空气桥接型薄膜体音响谐振器,在由高电阻硅或高电阻砷化钾构成的衬底1上通过构成空气桥接的空气层2设置厚度0.01~0.5μm的圆形下部电极3。
在该下部电极3上设置厚度1~2μm程度的圆形压电体层4,在该压电体层4上设置厚度0.1~0.5μm的圆形下部电极5。
该下部电极3、压电体层4及上部电极5使用在半导体制造技术中周知的喷射沉淀技术(スパツタ堆積技術)和以抗蚀剂为掩模的各种蚀刻技术顺序形成。
下部电极3及上部电极5例如使用钼或铂,压电体层4例如使用氮化铝或氧化锌。
以该上部电极5和下部电极3介由压电体层4重合的区域(即作为音响谐振器动作的区域)的正下方的空气层2的厚度为0.5~3μm,该下部电极3也与上部电极5相同,具有与空气接触的分界面。
通过图11、图12所示的敷金属夹层孔6蚀刻除去氧化硅膜、PSG(phosphoms silicate glass:掺杂磷的氧化膜)膜、BPSG(boron phosphorussilicate glass:加入有硼和磷的硅酸盐玻璃)膜、SOG膜等,形成上述空气层2。
在图11中,标号3a是与下部电极3连接的信号配线,标号5a是与上部电极5连接的信号配线。
其次,说明图11及图12所示的薄膜体音响谐振器的动作。
当在该上部电极5和下部电极3之间施加电压而产生电场时,压电体层4将电能的一部分向弹性波(下记为声波)这种形式的机械能转换。
将该机械能向上部电极5及下部电极3的电极面的垂直方向即压电体层4的膜厚方向传送,再次转换为电能。在该电能-机械能的转换过程中,存在效率优良的特定的频率,在施加具有该频率的交流电压时,该薄膜体音响谐振器显示极低的阻抗。
该特定频率通常称为谐振频率γ,设该值γ为一次近似,不考虑上部电极5和下部电极3的存在时,γ=V/2t。在此,V是压电体层4中的声波速度,t是压电体层4的厚度。设声波的波长为λ时,由于V=γλ的关系成立,故t=λ/2。
这意味着,压电体层4中感应的声波在压电体层4和上部电极5及下部电极3的分界面上下反复反射,正好形成对应其半波长的驻波。
换句话说,在形成半波长的驻波的声波的频率与外部施加的交流电压的频率一致时,形成谐振频率。
在上述非专利文献1中介绍有如下结构的带通滤波器,在上述谐振频率中,为了将该薄膜体音响谐振器的阻抗减小得极低而进行利用,将多个薄膜体音响谐振器组成梯形,仅使希望的频率带的电信号低损失地通过。
如图13(与图11、图12实质上相同的结构)所示,该薄膜体音响谐振器,如上所述利用在与电极面垂直的方向上直立的振荡型(下称主振荡型)的声波7,但也感应在与该电极面并行方向上传输的振荡型(下称横振荡型)的声波8。
该横振荡型的声波8在上部电极5一端的压电体层4中的垂直面9和压电体层4的端面等音响阻抗变大的分界面反复反射,形成驻波,此时,该薄膜体音响谐振器或使用该薄膜音响谐振器的滤波器的谐振特性和质量系数大幅劣化。
具体地说,横振荡型的声波8与主振荡型的声波7相比,由于传输距离长,故横振荡型的声波8的频率比主振荡型的声波的频率即谐振频率γ相当低,但存在横振荡型的声波8的高频成分具有该谐振频率γ附近的频率的情况,在该薄膜体音响谐振器的谐振特性上产生称为杂散信号的噪音。另外,在构成带通滤波器时,在通过频率带域产生波动,引起不需要的大的插入损失。
目前以改善该横振荡型引起的杂散信号为目的,如图14所示,提案有在上部电极5的外侧使压电体层4的端面形成不垂直的形状的改进方案(参照专利文献1)。在该压电体层4的端面为不垂直的形状时,通过使到达该端面的横振荡型的声波8分散,使横振荡型的驻波不容易产生。
专利文献1:特表2003-505906号公报
非专利文献1:K.M.Lakin“Thin film resonator and filters”Proceedings ofthe 1999 IEEE Ultrasonics Symposium,Vol.2,pp895-906,17-20 Oct.1999.
该专利文献1的记载中,使到达压电体层4的端面的横振荡型的声波8分散,但如图14所示,横振荡型的声波8反射的大部分不在压电体层4的端面,而在垂直于上部电极5一端的面9上产生,因此,压电体层4的该上部电极5的外侧形成不垂直的形状,由此,横振荡型引起的杂散信号的效果小。
发明内容
本发明是鉴于上述问题点而开发的,其主要目的是在于,降低横振荡型引起的杂散信号。
本发明提供一种薄膜体音响谐振器,其由第一电极、与该第一电极上面邻接形成的压电体层以及与该压电体层的上面邻接形成的第二电极的层积体构成,使该第一及第二电极具有与空气接触的分界面,其中,该压电体层的端面的至少一部分存在于该第一电极或第二电极内侧。
本发明提供一种薄膜体音响谐振器的制造方法,在衬底上形成作为空气层的台阶,在该台阶上形成第一牺牲层,然后,在该第一牺牲层及该衬底上跨过该第一牺牲层形成规定形状的下部电极,然后,下部形状的至少一部分位于该下部电极内侧,端部形成锥状的压电体层,然后,在该压电体层的端面外周形成规定形状的第二牺牲层,然后,在该压电体层及该第二牺牲层上形成该压电体层的上部形状的至少一部分成为内侧的形状的上部电极,然后,除去该第一及第二牺牲层。
另外,本发明提供一种薄膜体音响谐振器,其由第一电极、与该第一电极上面邻接形成的压电体层以及与该压电体层的上面邻接形成的第二电极的层积体构成,使该第一及第二电极具有与空气接触的分界面,其中,该压电体层的整个端面存在于该第一电极及第二电极内侧。
本发明提供一种薄膜体音响谐振器的制造方法,在衬底上形成作为空气层的台阶,在该台阶上形成第一牺牲层,然后,在该第一牺牲层及该衬底上跨过该第一牺牲层形成规定形状的下部电极,然后,整个下部形状位于下部电极的内侧,端部形成锥状的压电体层,然后,在该压电体层的端面外周形成规定形状的第二牺牲层,然后,在该压电体层及该第二牺牲层上形成该压电体层的整个上部形状成为内侧的形状的上部电极,然后,除去该第一及第二牺牲层。
根据本发明,与上部电极及下部电极比,使压电体层的端面构成内侧,消除对应上部电极及下部电极端部的压电体层,消除该部分造成的横振荡型的声波的反射,同时,使压电体层的端面形成不是垂直的例如锥状,因此,横振荡型的声波仅在该压电体层的端面反射,可分散该声波,能够降低横振荡型引起的杂散信号。
附图说明
图1是表示用于实施本发明薄膜体音响谐振器的最佳实施例的图2的I-I线剖面图;
图2是图1的平面图;
图3是在本实施例的模拟时使用的本实施例薄膜体音响谐振器的剖面图;
图4是用于说明本发明的制造方法的例子的剖面图;
图5是用于说明本发明的制造方法的例子的剖面图;
图6是用于说明本发明的制造方法的例子的剖面图;
图7是用于说明本发明的制造方法的例子的剖面图;
图8是用于说明本发明的制造方法的例子的剖面图;
图9是用于说明本发明的制造方法的例子的剖面图;
图10是用于说明本发明的制造方法的例子的剖面图;
图11是现有的薄膜体音响谐振器的例子的平面图;
图12是图11的A-A线剖面图;
图13是用于说明现有例的剖面图;
图14是用于说明现有例的剖面图;
图15是用于说明本实施例的曲线图;
图16是用于说明现有例的曲线图。
具体实施方式
下面,参照图1~图10说明用于实施本发明薄膜体音响谐振器及其制造方法的最佳实施例。
本实施例的薄膜体音响谐振器如图1~图3所示,图2是平面图,图1是图2的I-I线剖面图。图1、图2所示的本实施例的薄膜体音响谐振器由在衬底10上通过空气层11形成的下部电极12、与该下部电极12的上面相邻形成的压电体层13、与压电体层13的上面相邻形成的上部电极14的层积体构成,使该下部电极12及上部电极14具有与空气接触的分界面,其中,该压电体层13的整个端面存在于该下部电极12及上部电极14的内侧。图2中,标号12a是与下部电极12连接的信号配线,标号14a是与上部电极14连接的信号配线。
其次,参照图4~图10说明该图1~图3所示的薄膜体音响谐振器的制造方法的例子。
首先,如图4所示,在由高电阻硅或高电阻砷化钾构成的衬底10上形成之后成为空气层11的规定大小的四边形的孔(台阶)11a。该孔(台阶)11a的深度为0.5~3μm程度。
其次,在该孔(台阶)11a中形成大于或等于该孔(台阶)11a的深度的牺牲层20。以氧化硅膜、PSG膜、BPSG膜、SOG膜等作为该牺牲层20。在成形该牺牲层20后,如图5所示,利用CMP(chemical mechanical polishing:化学机械研磨)等进行蚀刻,使其平滑。
然后,利用半导体制造技术中公知的喷射沉淀技术,同时使用以抗蚀剂为掩模的各种蚀刻技术,如图6所示,在牺牲层20及衬底10上跨过该牺牲层20形成规定形状例如四边形的规定大小的下部电极12。该下部电极12使用钼、铂等,其厚度为0.1~0.5μm程度。
接着,使用喷射沉淀技术形成膜厚1~2μm程度的压电体层。该压电体层使用例如氮化铝和氧化锌。然后,如图7所示,利用显影液的蚀刻,形成端面约50°的锥状压电体层13。
此时,该压电体层13的整个下部形状构成该下部电极12的内侧。
其次,在该压电体层13的外周,在该下部电极12及衬底10上从衬底10的上面形成比下部电极12与压电体层13的厚度之和还厚的牺牲层21。该牺牲层21使用氧化硅膜、PSG膜、BPSG膜、SOG膜等。
在成形牺牲层21后,如图8所示,利用CMP等将其上面蚀刻平滑。然后,如图9所示,将该牺牲层21加工成规定形状。
之后,使用喷射沉淀技术,在该压电体层13及牺牲层21上形成上部电极14。此时,使上部电极14构成该压电体层13的整个上部形状为该上部电极14内侧的形状(参照图10)。该上部电极14使用钼、铂等,其厚度为0.1~0.5μm。
然后,通过HF蚀刻除去牺牲层20及21,得到图1所示的薄膜体音响谐振器。
下面说明该图1~图3所示的薄膜体音响谐振器的动作。
在上部电极14和下部电极12之间施加电压而产生电场时,压电体层13使电能的一部分向弹性波(下记为声波)这种形式的机械能转变。
将该机械能向上部电极14及下部电极12的电极面的垂直方向即压电体层13的膜厚方向传送,再次转变为电能。在该电能-机械能的转换过程中,存在效率优良的特定频率,在施加具有该频率的交流电压时,该薄膜体音响谐振器显示极低的阻抗。
该特定频率通常称为谐振频率γ,设该值γ为一次近似,不考虑上部电极14和下部电极12的存在时,γ=V/2t。在此,V是压电体层13中的声波速度,t是压电体层13的厚度。当声波的波长为λ时,由于V=γλ的关系成立,故t=λ/2。
这意味着,压电体层13中感应的声波在压电体层13和上部电极14及下部电极12的分界面上下反复反射,正好形成对应其半波长的驻波。
换句话说,在形成半波长的驻波的声波的频率与外部施加的交流电压的频率一致时,形成谐振频率。
另外,根据本实施例,如图1~图3所示,将压电体层13的端面形成锥状,同时,与使压电体层13的下部形状存在于下部电极12的内侧一样,使压电体层1 3的上部形状存在于上部电极14的内侧,故不存在与上部电极14及下部电极12各自端部对应的压电体层13,没有该部分(面)的横振荡型的声波的发射,且压电体层13的端面不垂直,而是锥状,因此,横振荡型的声波分散,可降低横振荡型引起的杂散信号。
下面叙述通过有限要素法模拟确认的结果。作为本实施例的结构,图15表示对薄膜体音响谐振器模拟的结果,作为本实施例的结构,该薄膜体音响谐振器如图3所示构成。为进行比较,图16表示对作为现有例的图14所示的薄膜体音响谐振器模拟的结果。
这里表示的阻抗值以将薄膜体音响谐振器看成简单的并行平板电容时的电容值而标准化。
作为该本实施例及现有例的薄膜体音响谐振器的基本结构常数,作为上部电极14及5使用的钼电极的厚度为0.3μm,作为压电体层13及4使用的氮化铝层的厚度为1μm,上层电极14及5构成100μm×100μm的正方形。
如图16所示,在现有例的情况下,在2.17GHz附近,另外,在反谐振频率约2.28GHz左右,阻抗噪声状变化,确认有横振荡型产生的杂散信号。
另一方面,在本实施例的情况下,如图15所示,在反谐振频率附近的杂散信号减轻,构成较圆滑的波形。这意味着通过本实施例降低了横振荡型产生的杂散信号。
另外,上述实施例叙述了压电体层13的整个端面存在于下部电极12及上部电极14的内侧,但只要该压电体层13下部形状及上部形状的一部分也存在于该下部电极12及上部电极14的内侧,就能够得到与上述例相同的作用效果。
另外,在上述例中,压电体层13的端部构成锥状,但只要使该端面为垂直之外的形状,就能够得到与上述例相同的作用效果。
显然,本发明也可以适用于薄膜体音响谐振器的变形即堆积薄膜体音响谐振器。
另外,本发明显然不限于上述实施例,只要不脱离本发明的要旨,可采用其它各种结构。
Claims (8)
1、一种薄膜体音响谐振器,其由第一电极、与该第一电极的上面邻接形成的压电体层以及与该压电体层的上面邻接形成的第二电极的层积体构成,使所述第一及第二电极具有与空气接触的分界面,其特征在于,所述压电体层的端面的至少一部分存在于所述第一电极或所述第二电极的内侧。
2、如权利要求1所述的薄膜体音响谐振器,其特征在于,所述压电体层的端面不垂直。
3、如权利要求1所述的薄膜体音响谐振器,其特征在于,所述压电体层的端面为锥状。
4、一种薄膜体音响谐振器的制造方法,在衬底上形成作为空气层的台阶,在该台阶上形成第一牺牲层,然后,在所述第一牺牲层及所述衬底上跨过所述第一牺牲层形成规定形状的下部电极,然后,下部形状的至少一部分位于所述下部电极内侧,端部形成锥状的压电体层,然后,在所述压电体层的端面外周形成规定形状的第二牺牲层,然后,在所述压电体层及所述第二牺牲层上形成所述压电体层的上部形状的至少一部分作为内侧的形状的上部电极,然后,除去所述第一及第二牺牲层。
5、一种薄膜体音响谐振器,其由第一电极、与该第一电极上面邻接形成的压电体层以及与该压电体层的上面邻接形成的第二电极的层积体构成,使所述第一及第二电极具有与空气接触的分界面,其特征在于,所述压电体层的整个端面存在于所述第一电极及所述第二电极的内侧。
6、如权利要求5所述的薄膜体音响谐振器,其特征在于,所述压电体层的端面不垂直。
7、如权利要求5所述的薄膜体音响谐振器,其特征在于,所述压电体层的端面为锥状。
8、一种薄膜体音响谐振器的制造方法,在衬底上形成作为空气层的台阶,在该台阶上形成第一牺牲层,然后,在所述第一牺牲层及所述衬底上跨过所述第一牺牲层形成规定形状的下部电极,然后,整个下部形状位于所述下部电极内侧,端部形成锥状的压电体层,然后,在所述压电体层的端面外周形成规定形状的第二牺牲层,然后,在所述压电体层及所述第二牺牲层上形成所述压电体层的整个上部形状作为内侧的形状的上部电极,然后,除去所述第一及第二牺牲层。
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