压电薄膜谐振器以及使用其的滤波器.pdf

压电薄膜谐振器以及使用其的滤波器。压电薄膜谐振器包括：基板；设置在基板上的下电极；设置在下电极上的压电膜；以及设置在压电膜上的上电极。上电极隔着压电膜与下电极相交叠的区域具有椭圆形状，且满足1＜a/b＜1.9的条件，其中a为该椭圆形状的主轴，b为其副轴。

1、  一种压电薄膜谐振器，包括：
基板；
设置在所述基板上的下电极；
设置在所述下电极上的压电膜；以及
设置在所述压电膜上的上电极，
其中所述上电极隔着所述压电膜与所述下电极相交叠的区域具有椭圆形状，且满足1＜a/b＜1.9，其中a为该椭圆形的主轴，b为其副轴。

2、  根据权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其中所述主轴和所述副轴之一与电流方向基本上平行。

3、  根据权利要求1所述的压电薄膜谐振器，其中，所述上电极和所述下电极在与沿着所述电流方向的所述副轴的一半长度相等的范围内，关于所述椭圆形的与所述电流方向垂直的轴基本上对称。

4、  一种压电薄膜谐振器，包括：
基板；
设置在所述基板上的下电极；
设置在所述下电极上的压电膜；以及
设置在所述压电膜上的上电极，在所述基板中设置有一空腔，该空腔位于所述上电极隔着所述压电膜与所述下电极相交叠的区域中的所述下电极下方，
所述区域和所述空腔的横截面具有椭圆形状，且满足1＜a/b＜1.9，其中a为该椭圆形的主轴，b为其副轴。

5、  根据权利要求4所述的压电薄膜谐振器，其中所述空腔和所述下电极的尺寸关系满足0.9＜b′/b＜1.5，其中b′为所述空腔的副轴。

6、  根据权利要求4所述的压电薄膜谐振器，其中所述主轴和所述副轴之一与电流方向基本上平行。

7、  根据权利要求4所述的压电薄膜谐振器，其中，所述上电极和所述下电极在与沿着所述电流方向的所述副轴的一半长度相等的范围内，关于所述椭圆形的与所述电流方向垂直的轴基本上对称。

8、  一种压电薄膜谐振器，包括：
基板；
设置在所述基板上的下电极；
设置在所述下电极上的压电膜；以及
设置在所述压电膜上的上电极，
所述上电极和所述下电极中的至少一个具有延伸部，该延伸部从其中所述上电极隔着所述压电膜与所述下电极相交叠的椭圆形区域向外延伸，
所述延伸部的宽度大于所述椭圆形的主轴和副轴之一的长度。

9、  根据权利要求8所述的压电薄膜谐振器，其中所述延伸部具有向外变宽的楔形部分。

10、  一种压电薄膜谐振器，包括：
基板；
设置在所述基板上的下电极；
设置在所述下电极上的压电膜；以及
设置在所述压电膜上的上电极，在所述基板中设置有一空腔，该空腔位于其中所述上电极隔着所述压电膜与所述下电极相交叠的区域中的所述下电极的下方，
在所述空腔上方形成有一包括所述上电极和所述下电极并向外弯曲的隔膜，
所述隔膜具有一从所述基板的表面起测量的最大高度，并且该最大高度至少为所述隔膜的厚度的1.5倍。

11、  一种包括多个压电薄膜谐振器的滤波器，
所述多个薄膜谐振器中的至少一个包括：
基板；
设置在所述基板上的下电极；
设置在所述下电极上的压电膜；以及
设置在所述压电膜上的上电极，
其中所述上电极隔着所述压电膜与所述下电极相交叠的区域具有椭圆形，且满足1＜a/b＜1.9，其中a为该椭圆形的主轴，b为其副轴。

12、  一种包括多个压电薄膜谐振器的滤波器，
所述多个薄膜谐振器中的至少一个包括：
基板；
设置在所述基板上的下电极；
设置在所述下电极上的压电膜；以及
设置在所述压电膜上的上电极，在所述基板中设置有一空腔，该空腔位于所述上电极隔着所述压电膜与所述下电极相交叠的区域中的所述下电极的下方，
所述区域和所述空腔的横截面具有椭圆形，且满足1＜a/b＜1.9，其中a为该椭圆形的主轴，b为其副轴。

13、  一种包括多个压电薄膜谐振器的滤波器，
所述多个薄膜谐振器中的至少一个包括：
基板；
设置在所述基板上的下电极；
设置在所述下电极上的压电膜；以及
设置在所述压电膜上的上电极，
所述上电极和所述下电极中的至少一个具有延伸部，该延伸部从其中所述上电极隔着所述压电膜与所述下电极相交叠的椭圆形区域向外延伸，
所述延伸部的宽度大于所述椭圆形的主轴和副轴之一的长度。

14、  一种包括多个压电薄膜谐振器的滤波器，
所述多个薄膜谐振器中的至少一个包括：
基板；
设置在所述基板上的下电极；
设置在所述下电极上的压电膜；以及
设置在所述压电膜上的上电极，在所述基板中设置有一空腔，该空腔位于其中所述上电极隔着所述压电膜与所述下电极相交叠的区域中的所述下电极的下方，
在所述空腔的上方形成有一包括所述上电极和所述下电极并向外弯曲的隔膜，
所述隔膜具有一从所述基板表面起测量的最大高度，并且该最大高度至少为所述隔膜的厚度的1.5倍。

压电薄膜谐振器以及使用其的滤波器
技术领域
本发明总体上涉及压电薄膜谐振器以及使用其的滤波器。
背景技术
以移动电话为代表的无线设备已经快速普及，并且对于尺寸缩小且轻质的谐振器和配备有该谐振器的滤波器的需求正在增加。迄今为止介电材料和表面声波已经得到广泛应用；然而，压电薄膜谐振器以及配备有该压电薄膜谐振器的滤波器具有优异的高频特性，可以缩小尺寸，并可被并入单片电路(monolithic circuit)中。因此，压电薄膜谐振器和使用其的滤波器正在引起关注。
压电薄膜谐振器可分为FBAR(膜体声学谐振器(film bulk acousticresonator))型和SMR(固定安装谐振器(solidly mounted resonator))型。FBAR型包括基板上的多个主要部件，即，从顶部开始的上电极、压电膜和下电极。在隔着压电膜与上电极交叠的下电极之下具有一空腔。通过对硅基板表面上的牺牲层(sacrifice layer)进行湿法刻蚀或者从硅基板的背面进行湿法或干法刻蚀等来限定空腔。在本说明书中，将一隔膜(membrane)限定为位于空腔上方的膜层叠结构，以及由下电极、压电膜和上电极组成的主要部件。SMR型采用声学反射器代替空腔，该声学反射器由交替层叠的高、低声阻抗的膜厚为λ/4的多个膜组成，其中λ为弹性波的波长。当跨上电极和下电极地施加高频电信号时，由于逆压电效应，在夹在上电极与下电极之间的压电膜内激发出弹性波。同时，由于压电效应，该弹性波所产生的失真将转变为电信号。弹性波被分别与空气相接的上、下电极的表面全反射，并且该声波由此转变为在厚度方向上发生主位移的厚度传播波。在上述结构中，在隔膜的总厚度H等于弹性波波长一半的整数倍(n倍)的频率处发生谐振。如果将传播速度(取决于材料)表示为V，则谐振频率F表示为F＝nV/2H。利用谐振并通过利用模厚来控制谐振频率可以制造出具有希望的频率特性的谐振器和滤波器。
用于电极的材料可以为，例如，铝(Al)、铜(Cu)、钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)、铂(Pt)、铑(Rh)或铱(Ir)。用于压电膜的材料可以为，例如，氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)或钛酸铅(PbTiO₃)。基板可以由硅、玻璃等制成。
然而，上述压电薄膜谐振器除了具有厚度外延波外，还具有不希望的横模波，该横模波平行于电极表面传播并被空腔的界面或边沿反射。这将不利地在谐振器的阻抗特性中产生不必要的杂散分量，或者在滤波器的通带中产生纹波。这在应用中产生了问题。为了抑制由横模波所引起的这种不利影响，美国专利No.6,150,703(下文称为文献1)和美国专利No.6,215,375(下文称为文献2)公开了具有包括非正方形的不规则多边形的电极的压电薄膜谐振器，其中这些多边形的任意两边不平行。在所提出的压电薄膜谐振器中，由任何点所反射的横模波都被反射并在不同于原来方向的方向上传播。由此，横模波不发生谐振，由此可以有效地解决上述问题。另外，为了解决类似问题，日本专利申请公开No.2003-133892(下文称为文献3)公开了一种具有椭圆形上电极的压电薄膜谐振器。该上电极满足1.9＜a/b＜5.0，其中a为椭圆形的主轴，b为其副轴。
在解决上述问题方面，文献1、2和3的结构和构造都具有一定效果。然而，所提出的结构和构造反过来降低了隔膜强度或者空腔的制造性。下面将对其进行说明。在频率范围为900MHz到5GHz的无线系统中，隔膜厚度(取决于材料的声速)很薄，约为0.5μm到3μm。一个意外的外力即可容易地破坏隔膜，因此研究提高强度的技术是很重要的。
一种解决方案是在形成膜时通过减小各个膜的内应力来降低由内应力所引起的隔膜破坏。但是，发明人的研究表明，当在压电膜上施加压应力时压电性能得到改进，并且可以获得具有大机电耦合系数(K²)的谐振特性。从这一角度出发，如果能够获得一种实现希望的隔膜强度的技术，则具有压应力的隔膜是非常有效的。一种有效的方法是将隔膜设计为使得应力被均匀地施加给隔膜或者使得相同内应力不会容易地破坏隔膜。不幸地是，文献1、2和3中的任何一个都具有结构不均衡的对称性，并且施加给隔膜的力不相等。由此，隔膜容易变形和损坏。这导致一个严重的问题，即，谐振特性和滤波器特性表现出很大的不规则性。
优选地，空腔与其中上电极与下电极相交叠的区域的形状相同，并且与该区域的大小相似。如果空腔的大小比该交叠区域大很多，则隔膜很容易损坏。因此，这是不推荐的。另外，文献1到3中所公开的空腔的制造性并不好。文献1和2中所述的空腔具有拐角。文献3中所述地空腔具有一比值a/b为1.9＜a/b＜5.0的椭圆形，其中a表示主轴的长度，b表示副轴的长度。也就是说，由于在空腔拐角处的刻蚀速率较低，所以不能获得希望的空腔形状。文献3中所公开的下电极与上电极相比，具有相当大的尺寸。这导致在上电极和下电极的多个交叠延伸部之间产生了寄生电容，并使机电耦合系数(K²)变差。
发明内容
考虑到以上情况提出了本发明，本发明提供了一种压电薄膜谐振器以及使用其的滤波器。
更具体地，本发明提供了一种压电薄膜谐振器以及配备有该压电薄膜谐振器的滤波器，其通过采用可以抑制由横模波所引起的不利影响并可获得足够的隔膜强度和优良的空腔制造性的结构，而几乎不表现出特性的不规则性。
本发明的另一目的是提供一种压电薄膜谐振器以及配备有该压电薄膜谐振器的滤波器，其通过采用具有希望的压应力的膜而具有大机电耦合系数(K²)。
根据本发明的一个方面，提供了一种压电薄膜谐振器，其包括基板、设置在所述基板上的下电极，设置在所述下电极上的压电膜、以及设置在所述压电膜上的上电极，其中所述上电极隔着所述压电膜与所述下电极相交叠的区域具有椭圆形状，并且满足1＜a/b＜1.9，a为椭圆形状的主轴，b为其副轴。
可以在所述基板中形成一空腔，并且该空腔位于所述椭圆形区域的下方。
根据本发明的另一方面，提供了一种压电薄膜谐振器，其包括基板、设置在所述基板上的下电极、设置在所述下电极上的压电膜、以及设置在所述压电膜上的上电极。在基板中设置有一空腔，并且该空腔位于所述上基板隔着所述压电膜与所述下基板相交叠的区域中的所述下电极的下方。在所述空腔上方形成有一包括所述上电极和所述下电极的隔膜，并且所述隔膜向外弯曲。所述隔膜具有一从所述基板表面起测量的最大高度，并且该最大高度至少为所述隔膜厚度的1.5倍。
根据本发明的另一方面，提供了一种具有上述压电薄膜谐振器中的任一种的滤波器。
附图说明
参照下面的附图来详细说明本发明的优选实施例，其中：
图1A表示根据本发明的压电薄膜谐振器的平面图；
图1B表示沿图1A中所示的线IB-IB截取的截面图；
图2A和2B表示轴a与轴b的比值不同的椭圆形；
图3A表示滤波器的平面图；
图3B表示沿图3A中所示的线IIIB-IIIB截取的截面图；
图4表示图3A和3B所示的滤波器的电路图；
图5的曲线图示出了具有四种椭圆形的轴比值的滤波器的频带特性；
图6表示根据本发明第二实施例的谐振电阻的b′/b相关性；
图7A和7B表示根据本发明第三实施例的压电薄膜谐振器的平面图；
图7C表示图7A和7B的对比示例；
图8A表示根据本发明第四实施例的压电薄膜谐振器的平面图；
图8B表示图8A的对比示例；
图9表示内应力与机电耦合系数之间的关系；
图10表示形成空腔之后的压电薄膜谐振器的隔膜的截面图；以及
图11的曲线图表示图10中所示的参数U与M之间的关系。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施例进行说明。
(第一实施例)
图1A表示根据本发明第一实施例的压电薄膜谐振器的平面图。图1B表示沿图1A中所示的线IB-IB截取的截面图。图1A和1B所示的压电薄膜谐振器包括：基板10、设置在基板10上的下电极11、设置在下电极11上的压电膜12，以及设置在压电膜12上的上电极13。基板10是由例如硅(Si)制成的。下电极11是由具有例如钌(Ru)和铬(Cr)的双层结构的导电材料制成的。将钌层设置在基板10的主表面上。压电膜12是由诸如氮化铝(AlN)的压电材料制成的。上电极13是由例如具有钌(Ru)的单层结构的导电材料制成的。例如，可以构造出具有5.2GHz谐振频率的压电薄膜谐振器，以使得下电极11为Ru(100nm)/Cu(50nm)膜，并且由AlN制成的压电膜为400nm厚，而由Ru制成的上电极13为100nm厚。压电膜12具有一开口，通过该开口部分地暴露出下电极11。将下电极11的暴露部分用作焊盘16。参照图1B，在上电极13与下电极11隔着压电膜12相交叠的区域下的基板10中形成有一空腔15。根据本发明的第一实施例，空腔15具有基本上垂直的侧壁，这些侧壁可以通过使用氟气从硅基板10的背侧对其进行干法刻蚀而形成。在与其上设置有下电极11等的基板10的主表面相平行的方向上，空腔15的横截面具有椭圆形状。
可以利用与上述基板10、上电极11和下电极13以及压电膜12的材料不同的材料来获得本发明的技术价值。例如，可以使用文献1、2和3中所公开的材料。此外，如图1B所示的空腔15穿透基板10；然而，也可以只在基板10的表面上形成空腔15，并且可以利用牺牲层来形成空腔15。此外，要注意，上述隔膜只由作为压电薄膜谐振器的主要组成元件组成。实际上，隔膜可以具有附加层或膜。例如，可以在下电极11下面添加介电层以对其进行加固。该介电层可以用作刻蚀防止层。可以在表面上设置另一介电层作为钝化膜。可以设置用于引线接合的凸起或导电层，以对电极的焊盘进行支承。
如图1A所示，上电极13与下电极11相交叠处的区域14具有椭圆形状。区域14形成隔膜14。根据第一实施例，隔膜14的椭圆形状满足1＜a/b＜1.9，其中a为椭圆形隔膜14的主轴，b为其副轴。以上条件是基于发明人的以下研究的。
发明人发现了在形成空腔15的过程中当a/b的长度比较大并且椭圆形非常弯曲时所引起的问题。图2A和2B表示上电极13与下电极11相交叠处的区域14的椭圆形状的示例。图2A表示a/b＝1.2的椭圆形，其中a＝75.9μm，b＝63.3μm。图2B表示a/b＝4.0的椭圆形，其中a＝138.7μm，b＝34.7μm。对于a/b＝4.0的非常弯曲的椭圆形而言，在对硅进行干法刻蚀时，在由X表示的渐缩部分中刻蚀速率显著降低。由此，在削尖部分处存在刻蚀残留物，这使得不能获得希望的空腔形状。另选地，如果对硅进行过刻蚀(over-etched)以避免刻蚀残留物，则更大量的残留物将粘附在已经进行了刻蚀的区域上或者空腔的侧壁上。这种残留物将导致特性的劣化和不规则性。这些影响会在文献1和2中所公开的不具有正方形形状的多边形的顶点附近发生。通过形成比值a/b尽可能小的椭圆形可以解决该问题。通过形成满足1＜a/b＜1.9的空腔15可以基本上忽略上述问题。
在上述1＜a/b＜1.9的范围中，将由横模引起的纹波抑制到不会引起问题的水平是至关重要的。于是，制造出配备有压电薄膜谐振器的四个不同滤波器来评价通带中的纹波。四个滤波器在上电极13与下电极11隔着压电膜12交叠的区域中的比值为1.0(圆)、1.2、1.9和4.0。表1表示串联支路和并联支路谐振器中的椭圆形的尺寸。
表1