TWI328346B - - Google Patents

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1328346 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於可較好用於通信機器所使用之小型高頻率 濾波器之薄膜體音響共振器。 【先前技術】 近年來’伴隨行動電話或PDA (pers〇naI dighal assistant，個人數位助理）機器等通信機器之高功能化、高 速化’對所内置之於數100 MHz〜數GHz範圍内動作之高頻 率濾波器而言，小型化、低成本化之要求與日俱增。作為 滿足此要求之高頻率濾波器之有力候補，有如下之帶通濾 波器，其將薄膜體音響共振器（FUm Bulk

Resonator : FBAR)組合為梯形，且以低損耗僅使所期望之 頻帶之電氣訊號通過。其原因在於，因使用半導體製造技 術而形成薄膜體音響共振器，故而可容易地實現小型化、 低成本化。 圖7表示空橋式薄膜體音響共振器之構成，作為薄膜黄 音響共振器之代表性構成之一例1者，該圖7⑷係平a

圖’圖7(b)、⑷分別係圖7⑷中之v_v•線與η，線上之剖面 圖。該等圖所示之薄膜體音響共振器係於基板以，經由 空氣層a而設置層積第1電極2·廢t體層3-第2電極4所成之 共振部A。 此種構成之薄膜體音響共振器，其利用使於垂直於第 電極2及第2電極4之電極面之方向上傳輪的縱向波型之! 波’於壓電體層3之界面中反射並共振而得到之共振波。 112204.doc SI傳：屋電體層3内’亦引發於與上述電極面平行之方 於第1雷"1之杈向波型之聲波。繼而’若此橫向波型之聲波 ;第1電極2與第2電極4重A之tb 塑且振器叙 I 口之Q域中’即於作為薄膜體音 共振部^端部令，重複反射後形成駐 會大幅劣化。 使用其之帶通遽波盗之電氣特性 :體而言，因橫向波型之聲波與縱向波型之聲波相比， 」更長距離，故而雖橫向波型之聲波之頻率相當低於縱 。、型之聲波之頻率（即共振頻率γ)，但橫向波型之聲波之 有時具有該共振頻率γ附近之頻率，因此於薄膜 響，、振器之共振特性中產生被稱為亂真波之雜訊。繼 而’若❹此種薄膜體音響共振器構成上述 則會於通過頻帶中產+ 4 ^ 生漣波，引起不必要之較大之插入損 耗。 因此，作為抑制於薄膜體共振器中產生橫向波型之聲波 之駐波的方法’提出有若干規定共振部Α之平面形狀之構 成Μ列如’於日本專利特開2咖·332568號公報（尤其參照 第21段）中’揭示有如圖8所示，設共振部Α之平面形狀為 不具有平行邊之不規則多角形之構成。藉由設為此種構 成’如圖中箭頭所示之路徑般’出自i個壁上之點8之橫向 波型的聲波’由相對向之壁反射後’不會返回至發出該聲 波之相同點8。藉此，可防止產生駐波。又，於日本專利 特開2005-124197號公報（尤其參照第u、13段）中，如圖9 所示般’設共振部之平面形狀為特定之橢圓形，藉此可抑 112204.doc 1328346 制由橫向波型之波引起之於共振器之阻抗特性中產生不必 要的亂真波，或於濾波器之通過頻帶中產生漣波之問題。 然而’如曰本專利特開2000-332568號公報（尤其參照第 21段）中所揭示般，設共振部之平面形狀為不具有平行邊 之不規則之多角形的構成，其可有效降低於小型尺寸之薄 膜體音響共振器中產生橫向波型之聲波之駐波，但不明確 該設定多少個對應於不規則多角形之邊的各頂角。並且，

若多角形之邊數噌多，則應設定之頂角數亦增加，故而難 以求出平面形狀之最佳解。即，於使用該薄膜體音響共振 器構味帶通滤.波器之情形時’於各薄膜體中: 定特定之電容。此電容雖由共振部之面積所決定，但^ 共振部成為特定之面積而必要求出平面形狀之最佳解，故 而此作業會變得繁雜。 又’如日本專利特開·5_124197號公報（尤其參照第 11、13段）中所揭示般，於設共振部之平面形狀為擴圓形 之構成中，如圖9中箭頭所示，“與橢圓之長軸相交之 外周物及與短轴相交之外周㈣且朝向橢圓中心〇之橫 向波31之聲波’經—次反射後分別返回至外周端8，8、進 而’於沿内接於橢圓之特定之矩形形狀的路徑上， 内切點8"沿矩形形灿双山+ μ / ^ 後返回至作為出：==波型之聲波’經3次反射 狀為_之==:點即，設共振部之平面形 *成’因存在辩由橫向波型之 波之3個產生路經，故而其無法充分降低駐波之產生。 因此’本發明之目的在於提供—種可藉由將因橫向波型 IJ2204.doc 1328346 之聲波產生之駐波抑制為最小限度而謀求共振特性提高之 薄膜體音響共振器。 【發明内容】 用、達成此種目的之本發明係關於具備於第1電極及第2 :極之間挾持壓電體臈而成之共振部之薄膜體音響共振 斋，尤其是其特徵在於共振部以切除擴圓之一部分之平面 形狀構成。

使八振部之平面形狀成為此種構成，藉此可削減於丑振 部内所引發之橫向波型之聲波在共振部之外周壁反射而產 生駐波之產生路徑。例如，使切除橢圓之一部分之直線盥 該橢圓之短軸α及長軸之至少一 ^ 芏ν方父又，糟此可削減沿短 轴以及長轴之至少一'方夕&、士 μ ㈣芏ν方之駐波的產生路徑。藉此，可抑制 於橫向波型之聲波中產生駐波。祐 王社渡並且，共振部之平面形狀 為切除橢圓之形狀，因此易於篡屮 絲部之面積，即共振 益之電容。 如以上所說明’根據本發明 蓮 β您溥臈體音響共振器，藉由 使共振部之平面形狀成為缺少橢 夕 β 劳圓形之—部分之形狀的簡 早構成’可抑制於橫向波型之聲浊由 耸，皮中產生駐波，藉此雖鈇 設計容易’但可謀求共振特性提离 …、 何巧。又，可降低使用 種薄膜韙音響共攝器之帶通濾波器之插入損耗。 【實施方式】 胃。 明應用於空橋式之薄膜 以下’根據圖式詳細說明將本發 體音響共振|§之實施形態。 <第1實施形態> 112204.doc -9 - 1328346 、圖1(a)係帛1實施形態之薄膜體音響共振器之平面圖，為 進订說明’將麗電體層3之—部分切除後進行圖示。圖1(b) 係此平面圖中之V-V’剖面圖，圖1(c)係此平面圖中之ί-Γ剖 面圖再者，於圖1中，對與先前技術之說明中所使用之 圖7對應部分賦予同一符號。

該等圖所示之薄膜體音響共振器於基板丨之上方經由空 氣層a而具有共振部a，該共振部a包含依次層積有第丄電 極2'壓電體層3及第2電極[而且，於本實施形態中，共 振部A之平面形狀’即自該等之厚度方向觀察第2電極4、 ，電體層3及第i電極2時之厚度方向觀察的形狀，如以後 詳細說明，成為切除橢圓之形狀。 首先，於說明共振部A之平面形狀之詳細之前，說明薄 膜體共振器之基本構成以及基本動作。 首先，形成於基板i之上部之第丨電極2採用其一部分（圖 式中為尖端部）圖案化為離開基板丨且配置於空氣層^之上 方之形狀’下面連接於空氣層3而設置。又，設置於第丄電 極2上之壓電體層3覆蓋第丨電極2之上表面以及基板丨上， 並且以橋接狀地橫跨空氣層a或覆蓋整個空氣層&之狀態設 置。而且，以設置於此種壓電體層3上之第2電極4之一部 分（圖式中為尖端部）於空氣層a之上方層積於第丨電極2以及 壓電體層3上孓狀態設置。 —，/日《〜坪乃 0.5〜3 μιη左右。而且’重合有第1電極2與第2電極*之j 部A成為如下狀態，即於上方亦確保空間部，且以可g 112204.doc -10· 1328346 振動之狀態而保持於基板1上。 於如上所述之構成中，基板1包含高電阻矽或高電阻鎵 化神。又’第1電極2以及第2電極4包含鉬、鎢、鈦、鉑、 金、釕、銘等，且以0」〜〇 5 μιη左右之膜厚形成圖案。繼 而，壓電體層3包含氮化鋁或氧化鋅，且以〇5〜2 左右 之膜厚形成圖案。 繼而，該等第1電極2、壓電體層3、以及第2電極4係使 用於半導體製造技術中眾所周知之濺鍍技術或以抗蝕劑為 掩模之各種蝕刻技術而依次形成。又，空氣層，係藉由對 於此處省略圓示之犧牲層圖案進行蝕刻兩形成。例如，於 基板1上形成犧牲層圖案，該犧牲層圖案包括矽氧化膜、 PSG膜（phosphorus Silicate g丨ass，添加有磷之二氧化石夕玻 璃）、BPSG膜（boron phosphorus si】icate g】ass，添加有硼與 磷之二氧化矽玻璃）、以及s〇G(spin_〇n glass，旋塗玻璃） 膜等。繼而，於形成有犧牲層圖案之基板丨上形成第丨電極 2、壓電體層3、以及第2電極4，其後使用HF水溶液，自設 置於塵電體層3之開口部3a蝕刻除去犧牲圖案，藉此形成 空氣層a。 如上所墀構成之薄膜體音響共振器以如下之方式動作。 若於第1電極2與第2電極4之間施加交流電壓並產生交流 電場，則壓電體層3將電能之一部分轉換成稱為彈性波$ 式之機械能。 此機械能於第1電極2以及第2電極4之電極面之垂直方 向，即壓電體層3之膜厚方向（縱方向）上傳輸，並再次轉換 112204.doc =電能。於此電氣性/機械能之轉換過程中，存在其效率 敁:之特疋之頻率’且於施加具有此頻率之交流電屋時， 此薄膜體音響共振器顯示極低之阻抗。 此特定之頻率—般稱為共振頻率τ’其值γ作為-次近 二’於忽略第2電極4與第】電極2之存奇時，如設塵電體層 之聲波之速度為V’且壓電體層3之厚度&，則共振 率 v/(2t) 〇

、又’若設聲波之波長為λ，則因聲波之速度ν”λ之關係 成立，故而壓電體層3之厚度為ί=λ/2。 〃此係心，於麼電體層3中所引發之聲波，於屡電體層3與 第1電極2以及第2電極4之各自之邊界面上，經上下重複反 射後’正好形成對應其半波長之駐波。 換5之’半波長之駐波所在之聲波之頻率與外部施加之 交流電壓之頻率一致時’成為共振頻率γ。

其次，於如上所述構成之薄膜體音響共振器中，說明作 為丰發明之特徵之共振部Α的平面形狀。圖2以及圖3係說 明共振部A之平面形狀之平面圖。 如圖2之（1)所示，共振部八之平面形狀構成為以直線1切 除橢圓之一部分之平面形狀。作為切除橢圓之直線L之一 例，設為如下，即於作為橢圓中焦點F、F'之中點之中心〇 處，與長轴L1以及短轴L2交又。 又，如圖2之（2)所示，切除橢圓之直線l亦可與通過橢 圓之中之短軸L2重疊。進而，雖省略此處之圖示，但 切除橢圓之直線乙亦可與通過橢圓之中心〇之長軸匕丨重 112204.doc 12 疊。 、進而’如圖3之（1)所切除橢圓之直線L亦可設為不 通過橢圓之中心〇,而與長軸L1以及短軸L2之兩方交又。 . 於此情形時，如圖所示，可採用不包含中心〇之平面形狀 ·* 作為共振部A，亦可敕田 』私用包含中心0之平面形狀作為共振 部（A) 〇 進而，如圖3之（2)所示，切除橢圓之直線L亦可設定為 • 不通過橢圓之中心〇，而與長軸L1以及短軸L2之一方交 叉。圖式中，雖已表示使直線L與長軸L1交又之情形，但 亦可使短軸L2與直線l交叉。於此情形時，如圖所示，較 好的是採用不包含中心〇之平面形狀作為共振部A，但亦 可採用包含中心0之平面形狀作為共振部（Α)β 再者，於圖3之（1)、圖3之（2)之情形時，切除橢圓之直 線L可通過焦點F(F')，亦可與焦點F_F，之線段交叉。 於如上之平面形狀之共振部A中，如圖4所示，對於自外 • 周端8發出之橫向波型之聲波而言，因重複大量之反射， 故而圖中箭頭所示之傳輸路徑（駐波之產生路徑）實質上極 長。即’如使用圖9所說明般，於設平面形狀為橢圓之共 振部A中，駐波之產生路徑為3個路徑。然而，如上述之本 •實施形態般，於平面形狀為切除橢圓之一部分之共振部A 中，上述3個產生路徑全部消失。因此，可抑制於橫向波 型之聲波中產生駐波。 尤其’如圖2之（1)以及圖3之（1)所示，於切除摘圓之直 線L與長軸L1以及短軸L2交叉之情形時，因可確實地將沿 112204.doc -13- 1328346 長軸L1以及短軸L2之駐波之產生路徑兩方均消除，故而抑 制橫向波型之聲波產生駐波之效果較大。此於如下情形時 亦相同’即如圖3之⑺所示’切除橢圓之直線匕為與長轴 .L1以及短軸1^2之一方交叉之直線L，並且採用切除橢圓且 • 不包含中心〇之平面形狀作為共振部a。 並且，共振部A之平面形狀為切除橢圓之形狀因此易 算出共振部A之面積，即共振器之電容。尤其，如圖2之 • 〇)以及圖2之（2)所示，於切除橢圓之直線[通過中心〇之情 形時，因共振部A之面積為橢圓之1/2，故而極易算出共振 器之電容。 以上之結果，根據上述實施形態之薄膜體音響共振器， 共振部A之電容設計變得容易，並且可提高共振特性。繼 而，可降低使用有此種薄膜體音響共振器之帶通濾波器之 插入損耗。 於此，圖5之（1)表示關於以本實施形態之方式試作之薄 • 冑體音響共振器’測定阻抗之絕對值之結果。此時，共振 部A之平面形狀係採用如圖2之（1)所示之例，且設為如下 者，即橢圓之長軸L1為144 μιη，短軸L2為124 μιη，以通 過橢圓之中心〇並且與長軸L1$85。之角度交又之直線切除 橢圓·》 又，圖5之（2)表示關於作為比較具備平面形狀為圓形（半 徑為47.3 μιη)之共振部A之薄膜體音響共振器，測定 之絕對值之結果。 又，阻抗之絕對值係由將薄膜體音響共振器只當作並聯 U2204.doc -14- 1328346 平板電容時之電容值所規定。至於基本構造常數，用作第 1電極2及第2電極4之翻電極之厚度為0.39 μηι，用作壓電 體層3之氮化鋁層之厚度為〇·7 μηι (參照圖1)。 首先，若根據比較例進行說明，則如圖5之（2)所示，於 設共振部Α之平面形狀為圓形之比較例的薄膜體音響共振 器中，於共振頻率之約2.11 GHz附近且較之更低之頻帶 中’阻抗變為雜訊狀’且可减認產生橫向波型之聲波之駐 波。又’確認於非共振頻率之約215 GHz附近，亦產生橫 向波型之聲波之駐波。 相對於此’如圖5之（1)所示，於設共振部a之平面形狀 為以直線L切除橢圓之一部分之形狀的實施形態之薄膜體 音響共振器中’即使於共振頻率之約2.u GHz附近，亦未 見阻抗有雜訊狀較大之變化，而是比較平滑之變化。又， 即使於非共振頻率之約2.15 GHz附近，亦未見阻抗有雜訊 狀之變化。藉此，將共振部A之平面形狀設為以直線切除 橢圓之一部分之形狀，藉此確認可抑制於橫向波型之聲波 中產生駐波。 再者’於本第1實施形態中，於空氣層a之上方，層積有 第1電極2、壓電體層3、以及第2電極4之部分，可成為由 上述平面形狀所構成之共振部Αβ因此，空氣層a上方之第 1電極2與第2電極4之平面形狀無須相同。例如，可設空氣 層a上方之第1電極2之形狀為矩形形狀，而設配置於此上 部之第2電極4之形狀為處於矩形形狀範圍内且切除上述橢 圓之一部分之形狀。又，亦可將第丨電極2與第2電極4構成 112204.doc •15· 1328346 為增大一方之尺寸之相似形’藉此確保該等電極之圖案形 成之位置偏移的邊限。 <第2實施形態> . 圖6(a)係第2實施形態之薄膜體音響共振器之平面圖，圖 -- 6(b)係此平面圖中之V-V，剖面圖，圖6(c)係此平面圖中之工_ Γ剖面圖。 ° 該等圖所示之薄膜體音響共振器與使用圖丨〜圖4說明之 φ 薄膜體音響共振器的不同之處在於，於共振部A中之第2電 極4之部分設有到達壓電體層3之孔部钝，其他之構成相 同。 即，第2實施形態之薄膜體音響共振器中之共振部a，與 第1實施形態中所說明之情況相同，構成為切除橢圓之一 部分之平面形狀。繼而，於此種共振部入中，於構成該共 振部A之第2電極4之部分設有到達壓電體層3之孔部4 a。於 此情形時，重要的是，孔部4a具有重複不規則地反射橫向 • 波型之聲波之平面形狀。作為此種平面形狀，例如，設為 不具有與直線L平行之邊之平面形狀。再者，共振部a 中，設置有此種孔部4a之部分局部性成為非導電區域（非 共振區域）。 於此，設置孔部4a之位置可在共振部a之中央附近。繼 而，於此種部分設置孔部仏，藉此可防止因薄膜體音響共 振器動作時產生之熱使共振部八之中央附近之溫度上升並 高於周圍後，破壞第I電極2或第2電極4。 尤其，至於設置孔耗之位置，於假設平行於切除摘圓 I12204.doc 1328346 之直線L之切線Lp時，較好的是設置於自此切線邙之切點 P相對直線L劃出之法線卜上。即，較好的是，孔部乜設置 於相對切除橢圓之直線L所設置之法線中，通過與該直線[ 平行之該橢圓之切線Lp上之切點p的法線^上。 错此，沿上述法線Lv之橫向波型之聲波中的駐波產生路 徑由孔部4a所切斷，故可消除此產生路徑。因此，可進一 步提向第1實施形態之抑制駐波之效果.。 再者，此種於第2實施形態中形成之孔部蝕可設置於第ι 電極2，亦可設置於第丨電極2與第2電極4之兩方。於第^電 極2中設置孔部時，其平面性形成位置可為與設置於上述 第2電極4之孔部4a相同之位置，故可獲得同樣之效果。 又，上述第1實施形態以及第2實施形態中，已對將本發 明使用於空橋式薄膜體音響共振器之構成加以說明，其中 該空橋式薄膜體音響共振器係經由空氣層a而將共振部A設 置於基板1上。然而，本發明同樣可適用於具備於第丨電極 與第2電極之間挾持壓電體層而成之共振部的薄膜體音響 共振器，且可獲得同樣之效果。因此，例如，即使為薄膜 式薄膜體音響共振器或聲音反射鏡式薄膜體音響共振器， 亦可藉由使用本發明而獲得同樣之效果（薄膜式薄膜音響 體共振器參照 K. M. Lakin，"Thin Film Res()nat()rs and

Filters,- Proceedings of IEEE Ultrasonics Symposium, pp. 895-906，1999.；^ ’ 【圖式簡單說明】 圖l(a)-(c)係表示第1實施形態之薄膜體音響共振器之構 H2204.doc 1328346 成的圖。 圖2(1)、（2)係表示第1實施形態之薄膜體音響共振器中 共振部之平面形狀之具體例的圖。 圖3(1)、（2)係表示第1實施形態之薄膜體音響共振器中 共振部之平面形狀之其他具體例的圖。 圖4係表示第丨實施形態之薄膜體音響共振器中，共振部 上之橫向波型之聲波之路徑的圖。 圖5之（1)係關於第1實施形態之薄膜體音響共振器所測 疋之阻抗之絕對值，（2)係關於比較例所測定之阻抗之絕對 值。 圖6(a)-(c)係表示第2實施形態之薄膜體音響共振器之構 成的圖。 圖7(a)-(c)係表示先前之薄膜體音響共振器之構成的 圖。 圖8係表示先前之薄膜體音響共振器中，共振部之平面 形狀之一例的圖。 圖係表示先前之薄膜體音響共振器中，共振部之平面 形狀之其他—例的圖。 【主要元件符號說明】 1 基板 2 第1電極 3 壓電體層 3a 開口部 4 第2電極 112204.doc • 18- 1328346 4a 孔部 8、8, 外周端 8" 内切點 A 共振部 a 空氣層 F、F, 焦點 L 直線 LI 長軸 L2 短軸 Lp 切線 Lv 法線 0 中心 P 切點 112204.doc - 19-

Claims (1)

132834桑觀π·號專利申 年月曰修正本 1. - 中文申請專利範圍替換本(99年1月） 十、申請專利範圍： 1.種薄膜體音響共振器，其包含共振部，該共振部係由 在第1电極與第2電極之間挾持之壓電體層而成，且 上述共振部係由以直線切除橢圓之一部分之平面形狀 所構成， 切除上述橢圓之直線與該橢圓之短轴以及長軸中之至 . 少一方交又， 於藉由上述直線切除橢圓之一部分之平面形狀中，不 Φ 包含該橢圓之中心。 2. 如請求項1之薄膜體音響共振器，其中切除上述橢圓之 直線與該橢圓之短軸以及長軸交又。 3. 如請求項丨之薄膜體音響共振器，其中切除上述橢圓之 直線通過該擴圓之中心。 4. 如請求項丨之薄膜體音響共振器，其中於構成上述共振 部之平面形狀内之上述第丨電極以及上述第2電極中之至 少一方’設有到達上述壓電體層之孔部。 _ 5.如凊求項4之薄膜體音響共振器，其中上述孔部設置於 相對於切除上述橢圓之直線所設之法線中，通過與該直 線形成平行之該橢圓之切線上之切點的法線上。 J12204-990108.doc