[发明专利]压电薄膜谐振器和使用该压电薄膜谐振器的滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及压电薄膜谐振器和使用该压电薄膜谐振器的滤波器，更具体地说，涉及这样的压电薄膜谐振器和使用该压电薄膜谐振器的滤波器，该压电薄膜谐振器具有位于谐振部分下方的空间，在该谐振部分中，上部电极和下部电极隔着压电膜彼此面对。

背景技术

由于诸如蜂窝式电话的无线设备的迅速普及，对于紧凑且重量轻的谐振器以及使用这种谐振器的滤波器的需求越来越大。在过去，使用介电滤波器和表面声波(SAW)滤波器。近来，对于可以小型化且单片制造的压电薄膜谐振器以及使用这种谐振器的滤波器进行了大量的研究和开发活动。

已知FBAR(薄膜腔声谐振器)型谐振器作为压电薄膜谐振器的一种。FBAR具有由上部电极、压电膜和下部电极构成的膜叠层(filmlaminate)。在下部电极的下方设置有一空间，并且该空间位于其中上部电极和下部电极隔着压电膜彼此重叠的重叠区域(谐振部分)内，该空间可以是通孔(via hole)或空腔。该空间可以形成在设置于下部电极下面的介电膜的下方。可以通过从可用作器件基板的硅基板的背面对该硅基板进行湿蚀刻来限定所述通孔。可以通过在基板的表面上的牺牲层上形成由膜叠层构成的谐振器并去除该牺牲层来限定所述空腔。通过这种方式，压电薄膜谐振器为通孔型或空腔型。

在上部电极和下部电极之间施加高频信号，在夹在上部电极和下部电极之间的压电膜内产生声波。通过逆压电效应及由压电效应引起的变形而激发这样产生的声波。该声波被上部电极(膜)的与空气接触的表面以及下部电极(膜)的与空气接触的表面全反射。因此，该声波是在厚度方向上具有主位移的厚度伸缩波。在当前的装置结构中，在位于开口上方的由上部电极/压电膜/下部电极构成的薄膜叠层结构的总厚度H等于声波波长的1/2的整数倍的频率处会产生谐振。声波的传播速度V由所使用的材料确定，并且谐振频率F被表示成F＝nV/2H。通过利用谐振现象，可以将厚度用作控制参数来控制谐振频率，并实现具有期望频率响应的谐振器和滤波器。

上部电极和下部电极可以是膜叠层，该膜叠层由诸如铝(Al)、铜(Cu)、钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、铱(Ir)、铬(Cr)或钛(Ti)的金属或者这些金属的任意组合制成。压电膜可以是氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)或钛酸铅(PbTiO₃)。优选的是，压电膜是具有沿(002)方向的方向轴(orientationaxis)的氮化铝或氧化锌。器件基板可以由硅(Si)、玻璃或砷化镓(GaAs)制成。

如上所述，具有上述结构的压电薄膜谐振器需要具有位于下部电极(或介电膜)正下方的通孔或空腔。在下面的描述中，将通孔限定为贯穿器件基板并连接其上下表面的孔，将空腔限定为设置在表面附近或下部电极正下方的孔。

图1是在Electron.Lett.，1981，vol.17，pp.507-509(以下称为文献1)中描述的传统压电薄膜谐振器的剖面图。在具有热氧化膜(SiO₂)的(100)硅基板11上设置叠层结构，该叠层结构由为Au-Cr膜的下部电极13、为ZnO膜的压电膜14和为铝膜的上部电极15构成。在膜叠层的下方形成有通孔16。可以通过从(100)硅基板11的背面使用KOH或EDP(乙二胺(ethylenediamine)和邻苯二酚(pyrocatechol))进行各向异性蚀刻来形成通孔16。

图2是在日本专利申请公报No.60-189307(文献2)中公开的传统的空腔型压电薄膜谐振器的剖面图。膜叠层由设置在具有热氧化膜(SiO₂)22的器件基板21上的下部电极23、压电膜24和上部电极25构成。在膜叠层的下方限定有空腔26。可以通过对由ZnO制成的岛状牺牲层进行构图、在该牺牲层上形成膜叠层、并使用酸去除位于膜叠层下方的牺牲层，来形成空腔26。

上述压电薄膜谐振器具有其中上部电极15和25隔着压电膜14和24与下部电极13和23面对的谐振部分。振动能量被限制在谐振部分中，从而可以实现高品质因子Q。日本专利申请公报No.2006-128993(文献3)公开了图3的(a)至(c)部分中所示的技术。在具有空腔36的基板31上形成有位于谐振部分37附近的振动介质(该振动介质包括下部电极33、压电膜34和上部电极35)。该振动介质的去除增大了高品质因子Q。