專利名稱：壓電薄膜諧振器及濾波器的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及壓電薄膜諧振器和濾波器，尤其涉及一種具有穹狀空腔的壓電薄膜諧振器及濾波器。
背景技術：
隨著以移動電話為代表的無線設備的普及，對小型且輕質的諧振器以及包含了組合使用的諧振器的濾波器的需求日益增長。盡管到目前為止主要使用的還是電介質濾波器和表面聲波(SAW)濾波器，但近來，壓電薄膜諧振器以及包含組合使用的壓電薄膜諧振器的濾波器成為關注的焦點。這是因為壓電薄膜諧振器具有很好的特性(尤其是高頻)，可以縮小尺寸，而且可以被制作在單片設備中。
薄膜腔聲諧振器(FBAR)是上述壓電薄膜諧振器中已知的一種。FBAR的主要構件部分是層狀結構體(復合式隔膜)，其中包括上電極(膜)、壓電膜，以及下電極(膜)。在下電極下方的區域中形成有通孔或空腔，在該處上電極和下電極彼此相對。這樣的通孔或空腔是通過對作為設備基板的硅基板的背面進行濕法或干法蝕刻，或者是對設置在硅基板表面上的犧牲層進行濕法蝕刻來形成的。
當在上電極和下電極之間施加高頻電信號時，則在壓電膜中，彈性波被反壓電效應激勵出來或因壓電效應而導致的形變產生出來。該彈性波被轉化為電信號。上述彈性波完全被上電極與空氣相接觸的表面和下電極與空氣相接觸的表面所反射，產生了在厚度方向上具有主位移的縱向模式厚度激勵。在上述器件結構中，在薄膜結構的總的膜厚度H等于彈性波的1/2波長的整數倍(n倍)的頻率下發生諧振，其中，薄膜結構的主要構件部分包括上電極膜、壓電膜和下電極膜，都形成在空腔上方。彈性波的傳播速度V根據材料而變化，其諧振頻率表示為F＝nV/2H。利用這種諧振現象，可以將膜厚度作為參數來控制諧振頻率，從而可以制造出具有所需頻率特性的諧振器和濾波器。
鋁(Al)、銅(Cu)、鉬(Mo)、鎢(W)、鉭(Ta)、鉑(Pt)、釕(Ru)、銠(RH)、銥(Ir)、鉻(Cr)、鈦(Ti)之類的材料可以用作上電極或下電極的金屬材料。另選地，也可以采用上述物質的組合作為分層材料。另外，氮化鋁(AlN)、氧化鋅(ZnO)、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鉛(PbTiO3)等可以用作壓電膜的材料。具體地，采用主軸取向為(002)平面的氮化鋁(AlN)或氧化鋅(ZnO)是理想的。此外，可以采用硅、玻璃或GaAs等作為器件基板。
如上所述，在具有上述構造的壓電薄膜諧振器中，通孔或空腔必須設置于下電極(或電介質膜)的正下方。在下文中，通孔指的是從基板的后部穿過前表面的開孔，空腔指的是存在于基板表面附近或者下電極膜(電介質膜)正下方的空隙。傳統的壓電薄膜諧振器可以分為通孔型和空腔型。
圖1是示意性地示出了文獻Electron.Lett.，1981，Number 17，PP507-509中描述的傳統壓電薄膜諧振器(傳統示例1)的結構的剖視圖。在該結構中，在具有熱氧化膜(SiO2)12的(100)硅基板11上，設置有層狀結構，其包括作為下電極13的金-鉻膜，作為壓電膜14的氧化鋅膜，以及作為上電極15的鋁膜。通孔16形成于該層狀結構的下方。該通孔16是通過在(100)硅基板11的后部進行各向異性蝕刻而形成的，該工藝使用了氫氧化鉀水溶液或二胺磷苯二酚(EDP)水溶液，其為包含了乙二胺、鄰苯二酚和水的混合液體。
圖1中所示的通孔型壓電薄膜諧振器存在如下缺陷。第一，上述的各向異性蝕刻利用了硅基板的(100)平面的蝕刻速率在某種程度上高于(111)平面的速率的特性。因此，只要(100)平面是該硅基板的切割面，各向異性蝕刻就是有效的方法。第二，該通孔不可避免地具有傾斜角為54.7度的側壁，這個角是由(100)平面和(111)平面相交而形成的。這就很難阻止器件的尺寸變大，同時通過對硅基板后部的某一區域進行廣泛地蝕刻而形成的通孔降低了機械強度。第三，當該濾波器設計為上述的多個壓電薄膜諧振器相鄰排列的方式時，難以使得這些諧振器分別地小型化，因而該濾波器不能夠做小到適合實際使用的尺寸。第四，在硅基板上形成的通孔成為在單基板上制造其他如電感或電容等設備的障礙，增加了集成的困難。第五，需要特別注意避免在低強度設備上在將硅基板分割為各個芯片的切割工藝或將芯片安裝到封裝件中的封裝工藝中的損壞。
同時，空腔型的壓電薄膜諧振器具有層狀結構，包括上電極、壓電膜以及設置在犧牲層上的下電極(如果需要，還具有電介質膜)，空腔是通過蝕刻掉該犧牲層而形成的。
圖2是示意性地示出了對日本專利申請公報第60-189307號中披露的上述空腔型壓電薄膜諧振器(傳統示例2)結構的剖視圖。在上述的結構中，下電極23、壓電膜24和上電極25被設置在具有熱氧化膜(SiO2)22的基板21上來形成層狀結構。空腔26被設置于層狀結構的下方。該空腔是通過下述方式來形成的預先對島狀的氧化鋅犧牲層進行構圖，在經如此構圖的犧牲層上設置上述的層狀結構，然后用酸除去位于層狀結構下方的犧牲層。
通常來說，在利用了縱向模式厚度激勵的壓電薄膜諧振器(例如FBAR)中，為了獲得優異的諧振特性，該壓電膜具有優異的方向性是一個前提條件。在大多數情況下，考慮到振蕩位移和隔膜部分的偏移，空腔的深度需要幾微米到幾十微米。然而，在形成了上述厚的犧牲層后，表面變得粗糙，在犧牲層上成長的上下電極23和壓電膜24的方向性被極大劣化。包括上電極25、壓電膜24和下電極23的層狀體被設置于橋狀的、從二氧化硅膜22向上突起的基本膜上。這就導致了一個問題對于機械振動的強度不足，因而在實際使用中的可靠性不夠。
圖3是示意性地示出了日本專利申請公報第2000-69594號中披露的壓電薄膜諧振器(傳統示例3)的剖視圖，是一種解決方向性問題的方法。層狀結構設計為下電極33、壓電膜34、上電極35形成于具有熱氧化膜(SiO2)32的硅基板31上，并且空腔36形成于該層狀結構下方。這種構成的壓電薄膜諧振器如下地制造。
首先，通過對硅基板31表面上一個區域進行蝕刻而形成凹部，然后，熱氧化膜(SiO2)32被設置于硅基板31的表面上，用來阻止用作犧牲層的磷硅酸鹽玻璃(PSG)中的磷擴散到硅基板31中。在犧牲層的PSG被沉積之后，要進行磨光和清洗來完成表面的拋光(mirror finishing)。隨后，下電極33、壓電膜34和上電極35被順序堆疊，最后除去PSG。然而，在上述的壓電薄膜諧振器制造方法中，制造成本很高。此外，該制造方法包括很麻煩的磨光工藝，該工藝需要除去漿渣(slurry residue)的工藝，從而由于許多的制造工藝而導致了生產率的低下。
發明內容
鑒于以上情況提出了本發明，本發明提供了一種壓電薄膜諧振器和濾波器，具有優異的機械強度、可靠性和生產率，同時在壓電膜上具有優異的方向性，以及杰出的性能。
根據本發明的一個方面，提供了一種壓電薄膜諧振器，其包括形成在基板上的下電極，在所述下電極和所述基板之間限定了圓形穹狀空腔；設置在所述下電極上的壓電膜；以及設置在所述壓電膜上的上電極。隔膜區域是所述下電極和所述上電極隔著所述壓電膜的交疊區域；所述空腔在所述基板上的投影區域包含了所述隔膜區域。本發明可提供一種壓電薄膜諧振器，其具有優異的機械強度、可靠性和生產率，并具有壓電薄膜的優異方向性，以及杰出的性能。
根據本發明的另一個方面，提供了一種包含組合使用的多個上述薄膜諧振器的濾波器。
附圖簡述將參照以下附圖對本發明的優選實施例進行詳細描述，其中圖1是示意性地示出了傳統示例1中的傳統壓電薄膜諧振器的結構的剖視圖；圖2是示意性地示出了傳統示例2中的傳統壓電薄膜諧振器的結構的剖視圖；
圖3是示意性地示出了傳統示例3中的傳統壓電薄膜諧振器的結構的剖視圖；圖4A是依據本發明第一示例性實施例的壓電薄膜諧振器的平面圖；圖4B是圖4A中沿著所示的線A-A的剖視圖；圖4C是圖4A中沿著所示的線B-B的剖視圖；圖5A到圖5H是示出了依據本發明第一示例性實施例的壓電薄膜諧振器的制造工藝的剖視圖；圖6A到圖6C是示出了犧牲層和隔膜區域的平面圖；圖7是示出了在本發明第一示例性實施例中采用的壓電薄膜諧振器的機電耦合系數的圖；圖8A和圖8B示出了在本發明第一示例性實施例中所采用的變型例；圖9A是依據本發明第二示例性實施例的濾波器的頂視圖；圖9B是圖9A中沿著所示的線A’-A’的剖視圖；以及圖10是示出了在本發明第二示例性實施例中采用的濾波器的通帶特性的圖。
具體實施例方式
參照附圖，現在給出本發明示例性實施例的描述。
(第一示例性實施例)圖4A是依據本發明第一示例性實施例的壓電薄膜諧振器的平面圖。圖4B是圖4A中沿著所示的線A-A的剖視圖。圖4C是沿著圖4A中所示的線B-B的剖視圖。參見圖4A到圖4C，在硅基板41上形成下電極43，而在基板41和下電極43之間提供圓形穹狀的空腔46。該圓形穹狀的空腔46形成為這樣的方式該空腔46外圍比較低，朝著中心的方向變高。下電極43、壓電膜44和上電極45構成了復合式隔膜。下電極43和上電極45可以使用釕，壓電膜44可以使用氮化鋁并且其主軸取向為(002)方向。隔膜區域對應于下電極43和上電極45隔著壓電膜44的交疊區域。如圖4A所示，下電極43被設置具有沿著B-B方向的引入路徑49，用來蝕刻犧牲層，這將在后面進行描述。引入路徑49的末端及其附近沒有被壓電膜44覆蓋，下電極43還在引入路徑49的末端設置有開孔47。壓電膜44設置有將下電極43電耦合到外側的開口。
圖5A到圖5H是示出了依據本發明第一示例性實施例的壓電薄膜諧振器的制造工藝的剖視圖；圖5A到圖5D是沿圖4A中所示的線A-A的剖視圖。圖5E到圖5H是沿圖4A中所示的線B-B的剖視圖。現在參見圖5A和圖5E，犧牲層48諸如由氧化鎂之類制成，具有大約20納米的厚度，例如通過濺射或氣相沉積方法來沉積到硅基板41之上。除上述硅基板之外，石英基板、玻璃基板和GaAs基板等也可以用作基板41。具體地，不同于傳統示例1和3，當空腔46形成時，基板41并沒有被蝕刻。這就使得在本示例性實施例中可以使用難以進行蝕刻的基板。優選地，易溶于蝕刻劑的物質，比如氧化鋅、鍺、鈦之類可以被用作犧牲層48。通過使用光刻和蝕刻技術，犧牲層48被形成為具有給定的形狀。
在此處，圖6A是這樣的平面圖，其示出了其中形成有犧牲層48的區域(在下文中，簡稱為犧牲層48)，以及將成為隔膜區域50的另一區域(在下文中，簡稱為隔膜區域50)。犧牲層48被設置為包括了隔膜區域50。有兩條引入路徑49來引入蝕刻劑以去除犧牲層48。可以設置一條、三條或更多條的引入路徑。
參照圖5B和圖5F，下電極43是由釕制成的，具有100納米的厚度，是利用濺射方法，在氬氣氛中、在大約0.6帕到1.2帕的壓力下形成的。上述的金屬可以被用作下電極43。通過使用光刻和離子研磨技術，下電極43被形成為具有給定的形狀。圖6B是示出了此時的犧牲層48和隔膜區域50平面視圖。沒有在其上設置下電極43的犧牲層48在蝕刻下電極43之時被除去。結果是，在圖6B的左側，犧牲層48的輪廓對應于下電極43的形狀的輪廓，也就是，隔膜區域50的輪廓。同時，在圖6B的右側，將成為下電極43的區域覆蓋了由隔膜區域50及其周邊組成的犧牲層48。由于這個原因，在下電極43蝕刻的過程中，隔膜區域50周邊的犧牲層48沒有被除去。因此，在隔膜區域50的左側，犧牲層48的輪廓對應于隔膜區域50的輪廓。在隔膜區域50的右側，犧牲層48包括了隔膜區域50。開孔47形成在引入路徑49的末端。開孔47可以稍后形成。
參照圖5C和圖5G，壓電膜44是由主軸取向為(002)方向的氮化鋁制成的，具有大約400納米的厚度，通過濺射方法、在包含了氬和氮氣的混和氣氛中，在大約0.3帕的壓力下形成在下電極43和基板41之上。上電極45是由釕制成的，具有大約100納米的厚度，通過濺射方法，在氬氣氛中在大約0.6帕到1.2帕的壓力下形成于壓電膜44之上。諸如氧化鋅之類的壓電材料可以被用作所述的壓電膜44。與下電極43類似的金屬可以被用作上電極45。通過使用光刻和蝕刻技術，上電極45和壓電膜44被形成為具有給定的形狀。此時，如圖5C所示，在位于下電極43之上的壓電膜44中設置開孔，從而將下電極43電耦合到外側。如圖5G所示，無論是壓電膜44還是上電極45都沒有被設置在引入路徑49的末端。
參照圖5D和圖5H，用來蝕刻犧牲層48的蝕刻劑是從開孔47經由引入路徑49引入而除去犧牲層48的。這里，包括下電極43、壓電膜44、以及上電極45的復合式隔膜被構成為施加壓應力(compression stress)。這就使得當對犧牲層48的蝕刻工藝完成時復合式隔膜膨脹而形成位于下電極43和基板41之間的空腔46。該空腔是穹狀的，且在復合式隔膜的側面呈圓形。此處，在該第一示例性實施例中，復合式隔膜的壓應力被設計為-300兆帕。
圖6C說明了在第一個實施例所用的壓電薄膜諧振器中的隔膜區域50以及空腔46在基板41上的投影區域(在下文中，簡稱為空腔46)。該隔膜區域50具有橢圓形狀。在圖6C的左側，與上電極45相關聯的隔膜區域50的輪廓與空腔46的輪廓一致。同時，與下電極43相關聯的隔膜區域50的輪廓被包含于空腔46的輪廓內。空腔46在基板41上的投影區域包含了該隔膜區域50。此處，LE表示隔膜區域50在縱向方向的寬度，WE表示隔膜區域50在橫向方向的寬度，LS表示空腔46在縱向方向的寬度，WS表示空腔46在橫向方向的寬度。在第一示例性實施例中，比如說，LE被設置為150微米，WE被設置為125微米。在圖5B和圖5F中，在下電極43被蝕刻的同時，犧牲層48也被蝕刻了。所以，隔膜區域50的輪廓對應于圖6C中空腔46左側的空腔46的輪廓。隔膜區域50的輪廓可以被構成為包含同樣在空腔46左側的空腔46的輪廓，從而使得在下電極43被蝕刻時犧牲層48不被蝕刻。
圖7是針對從空腔的尺寸(LS)中減去隔膜區域的尺寸(LE)之后的值，示出了壓電薄膜諧振器機電耦合系數的圖。此處，LS-LE大概是WS-WE的兩倍。當LS-LE越大時，該機電耦合系數變得越大。本發明的發明人已經發現，當LS-LE大概等于10微米時，該機電耦合系數是優異的。該機電耦合系數可以通過在空腔46中包含隔膜區域50來增加，從而增加其諧振特性。同時，當圓形穹狀的空腔46比隔膜區域50小的時候，空腔46的形狀是有缺陷的，或者即便當該空腔能被形成時，插入損耗也將被惡化。不能提供穩定的諧振特性。
在該第一示例性實施例中，空腔46在復合式隔膜的側面是穹狀的。這就消除了蝕刻基板41的必要性，這與傳統示例1和2不同，從而可以提高生產率。機械強度同樣可以被提高。此外，用來形成空腔46的區域可以被制造得很小，這在集成時是比較有用的。空腔46的尺寸可以制造得比傳統示例2中的更小，從而抑制了因復合式隔膜的機械振動而造成的可靠性的退化。用來形成空腔46的犧牲層48可以被做的更薄，從而以與傳統示例1和3相類似的方法確保了壓電膜44的優異的取向性。此外，如圖7所示，空腔46在基板41上的投影區域包括了隔膜區域50，提高了壓電薄膜諧振器的諧振特性，從而獲得其杰出的性能。
在第一示例性實施例中，優選地，空腔46在基板41上的投影區域的輪廓包含了一條曲線。這是因為該曲線可以抑制壓力在特定一側的集中。這既可以確保復合式隔膜的強度，而且可以減少諧振特性的變化。更優選地，整個輪廓由一條或更多條曲線制成。使用橢圓或圓形是優選的，這是因為壓力不集中。比如，圖8A是示出了下電極43a，上電極45a以及空腔46a的示例。該空腔46a可以被構成為具有曲線的四個側邊(方形)，如圖8A所示。除了上述的方形形狀，空腔46a可以采用由曲線構成的多邊形形狀。圖8B是示出了下電極43b，上電極45b，以及空腔46b的示例。空腔46b在基板41的投影區域具有由互不平行的邊組成的多邊形形狀。同樣在上面提到的例子中，可抑制壓力在特定一側集中。
另外，如在第一示例性實施例中，隔膜區域的輪廓為曲線是優選的。這是因為橫向振動的影響可以被減少。橢圓或圓形是優選的，以減少橫向振動的影響。比如說，如圖8A中所示，隔膜區域(也就是下電極43a和上電極45a的交疊區域)可能具有由彎曲邊構成的多邊形形狀。同樣，如圖8B中所示，隔膜區域(也就是下電極43b和上電極45b的交疊區域)可能具有由互不平行的邊組成的多邊形形狀。同樣在上述的例子中，橫向振動的影響可以被減少。
包括了下電極43、壓電膜44和上電極45的復合式隔膜被構成為施加壓應力。這就使得可形成圓形穹狀空腔46而不坍陷。開孔47被設置于下電極43內。圓形穹狀空腔46可以通過使用開孔47對犧牲層48進行蝕刻來形成。
具有優異諧振特性的壓電薄膜諧振器可以由使用主軸取向為(002)平面的氮化鋁或氧化鋅提供。
(第二示例性實施例)本發明的第二示例性實施例是包含了多個第一示例性實施例中采用的壓電薄膜諧振器的濾波器的示例。圖9A是依據本發明第二示例性實施例的濾波器的頂視圖。圖9B是沿著圖9A中所示的線A’-A’的剖視圖。在該第二示例性實施例中，和第一示例性實施例中采用的相同的組件和構造具有同樣的附圖標記，將略去對其的詳細解釋。圖9中所示的濾波器是由四個串聯臂諧振器和三個并聯臂諧振器組成的梯型濾波器。S1到S4是串聯臂諧振器的隔膜區域，P1到P3是并聯臂諧振器的隔膜區域。壓電膜44被設置了將被電耦合到下電極43的開孔52。每個上述的諧振器都有圓形穹狀的空腔46和隔膜區域。另外的膜(未示出)是由例如鈦制成的，被形成于隔膜區域P1到P3的上電極45上，以減少并聯臂諧振器的諧振頻率，從而獲帶通濾波器的特性。
圖10是示出了第二示例性實施例中采用的濾波器的通帶特性的圖，說明了其相對頻率的衰減。在圖10中，該示例性實施例代表了在第二示例性實施例中采用的濾波器特性，對比例代表了除隔膜區域的形狀與空腔的形狀相一致之外具有與第二個實施例一樣的構成的濾波器。如圖10中所示，在該第二示例性實施例中，在通帶上，通帶特性被改善了。由于改進了的諧振器的機電耦合系數，在通帶中的波動(ripple)同樣得到了改進。根據本發明的發明者的實驗，在除圓形穹狀的空腔46比隔膜區域50更小之外與第二示例性實施例相同的濾波器中，空腔46的形狀是有缺陷的，或者即便當該空腔能被形成時，插入損耗也將被惡化。不能得到穩定的特性。然而，在第二示例性實施例中采用的濾波器中可以獲得優異的特性。第一示例性實施例中采用的壓電薄膜諧振器可以被應用到梯型濾波器之外的任何濾波器。同樣在上述的情況下，濾波器的特性可以被改進。
如上所述，通過將濾波器構成為包含多個第一示例性實施例中采用的壓電薄膜諧振器，可能獲得在機械強度、可靠性和生產率等方面優異的濾波器，同時其具有壓電膜優異的取向性和優異的性能。
本發明基于2005年10月27日提交的日本專利申請No.2005-312094，這里通過引用并入其全部公開內容。
權利要求
1.一種壓電薄膜諧振器，所述壓電薄膜諧振器包括形成在基板上的下電極，在所述下電極和所述基板之間限定了圓形穹狀空腔；設置在所述下電極上的壓電膜；以及設置在所述壓電膜上的上電極，其中隔膜區域包括隔著所述壓電膜的所述下電極和所述上電極的交疊區域；所述空腔在所述基板上的投影區域包含了所述隔膜區域。
2.根據權利要求1所述的壓電薄膜諧振器，其中所述空腔的投影區域的輪廓包括曲線。
3.根據權利要求1所述的壓電薄膜諧振器，其中所述空腔的投影區域的輪廓是由互不平行的邊組成的多邊形。
4.根據權利要求1所述的壓電薄膜諧振器，其中所述隔膜區域的輪廓由曲線構成。
5.根據權利要求1所述的壓電薄膜諧振器，其中所述隔膜區域的輪廓是由互不平行的邊組成的多邊形。
6.根據權利要求1所述的壓電薄膜諧振器，其中由所述下電極、所述壓電膜，以及所述上電極組成的復合式隔膜施加壓應力。
7.根據權利要求1所述的壓電薄膜諧振器，其中在所述下電極上設置有開孔。
8.根據權利要求1所述的壓電薄膜諧振器，其中所述壓電膜可以是主軸取向為(002)方向的氮化鋁和氧化鋅中的任意一種。
9.一種具有組合使用的多個薄膜諧振器的濾波器，每個所述的壓電薄膜諧振器包括形成在基板上的下電極，在所述下電極和所述基板之間限定了圓形穹狀空腔；設置在所述下電極上的壓電膜；以及設置在所述壓電膜上的上電極，其中隔膜區域是隔著所述壓電膜的所述下電極和所述上電極的交疊區域；所述空腔在所述基板上的投影區域包含了所述隔膜區域。
全文摘要
本發明提供了壓電薄膜諧振器及濾波器。該壓電薄膜諧振器包括構建于基板上的下電極，在該下電極和基板之間限定了圓形穹狀空腔；設置于下電極之上的壓電膜，以及設置于壓電膜上的上電極。隔膜區域是下電極和上電極隔著壓電膜的交疊區域，空腔在所述基板上的投影區域包含了該隔膜區域。
文檔編號H03H9/54GK1956324SQ20061013747
公開日2007年5月2日 申請日期2006年10月27日 優先權日2005年10月27日
發明者谷口真司, 橫山剛, 原基揚, 坂下武, 堤潤, 巖城匡郁, 西原時弘, 上田政則 申請人:富士通媒體部品株式會社, 富士通株式會社