專利名稱：薄膜體聲波諧振器和濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜體聲波諧振器和濾波器，更具體地說，涉及包括空 腔的薄膜體聲波諧振器和濾波器，該空腔位于諧振區(qū)的下方，在該諧振 區(qū)中上電極和下電極隔著壓電薄膜彼此相對。
背景技術(shù)：
因?yàn)橹T如移動(dòng)電話的無線裝置的快速普及，所以對于小型且輕質(zhì)的 諧振器和具有該諧振器的濾波器的需求不斷增加。到目前為止一直主要
使用介質(zhì)濾波器和表面聲波(SAW)濾波器。近來，壓電薄膜諧振器和 包括壓電薄膜諧振器的濾波器受到關(guān)注，它們尤其在高頻方面具有很好 的特性并且可以小型化并進(jìn)行單片集成。
FBAR (薄膜體聲波諧振器)型的諧振器被認(rèn)為是壓電薄膜諧振器的 —種。FBAR具有在基板上由上電極、壓電薄膜和下電極組成的疊層結(jié)構(gòu)。 為了抑制振動(dòng)能量向基板擴(kuò)散，F(xiàn)BAR設(shè)置有通孔或空腔(孔穴)，通孔 或空腔(孔穴)在下電極的面向上電極的區(qū)域的下方?？梢越?jīng)由介電薄 膜在下電極的下方形成空腔。如果對被用作元件基板(elementsubstrate) 的硅基板的背面進(jìn)行蝕刻處理則形成通孔。如果在基板表面上的犧牲層 圖案上形成諸如復(fù)合薄膜的諧振元件并且最終去除該犧牲層，則形成空 腔。在下文中，將包括通孔和作為孔穴的空腔的薄膜體聲波諧振器稱為 通孔型或空腔型。
在向上電極和下電極之間提供高頻電信號(hào)時(shí)，在位于上電極和下電 極之間的壓電薄膜中產(chǎn)生由逆壓電效應(yīng)激勵(lì)的聲波或由于壓電效應(yīng)導(dǎo)致 的失真而產(chǎn)生的聲波。這些聲波被轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。因?yàn)槁暡ㄔ谏想姌O表 面和下電極表面(它們與空氣接觸)處被完全反射，所以這些聲波被轉(zhuǎn) 化為在厚度方向上具有主要位移的縱向振動(dòng)波。在該元件結(jié)構(gòu)中，在形
成在空腔上方的由上電極、壓電薄膜和下電極組成的疊層結(jié)構(gòu)的厚度H 是聲波波長的一半的整數(shù)倍的頻率時(shí)發(fā)生諧振。聲波的傳播速度V依照
材料決定。通過F-nV/2H("n"是給定值)獲得諧振頻率F。在利用諧振的 情況下，可以使用厚度作為參數(shù)來控制諧振頻率。并且可以制造使用期 望頻率特性的諧振器和濾波器。
上電極和下電極可以由諸如鋁(Al)、銅(Cu)、鉬(Mo)、鉤(W)、 鉭(Ta)、鉬(Pt)、釕(Ru)、銠(Rh)、銥(Ir)、鉻(Cr)或鈦(Ti) 的金屬或由上述金屬制成的疊層材料制成。壓電薄膜可以由氮化鋁 (A1N)、氧化鋅(ZnO)、鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鉛(PbTi03)等制成。 具體地說，因?yàn)榈X和氧化鋅在形成時(shí)具有沿(002)方向的定向軸， 所以氮化鋁和氧化鋅適于所述壓電薄膜?；蹇梢杂晒?Si)、玻璃、砷 化鎵(GaAs)等制成。
圖1例示了示出在Electron,Lett.,pages 507 to 509，volume 17,1981中 所公開的通孔型薄膜體聲波諧振器的剖視圖。如圖1所示，薄膜體聲波 諧振器具有以下層疊結(jié)構(gòu)在具有熱氧化膜(Si02) 12的(100)硅基板 11上層疊有充當(dāng)下電極13的金-鉻薄膜、充當(dāng)壓電薄膜14的氧化鋅薄膜 和充當(dāng)上電極15的鋁膜。在層疊結(jié)構(gòu)下方形成空腔(通孔)16。通過使 用KOH水溶液或EDP水溶液(乙二胺、鄰苯二酚和水的液體混合物) 的各向異性蝕刻將空腔16形成在(100)硅基板11的背面。
圖2例示了示出日本專利申請公報(bào)第60-189307號(hào)中公開的空腔型 薄膜體聲波諧振器的剖視圖。如圖2所示，薄膜體聲波諧振器具有以下 層疊結(jié)構(gòu)在具有熱氧化膜(Si02) 22的基板21上層疊有下電極23、壓 電薄膜24和上電極25。在該層疊結(jié)構(gòu)下方形成有空腔26。通過以下處 理來形成該空腔26:提前在基板21上形成島狀氧化鋅犧牲層圖案，在該 犧牲層圖案上形成該層疊結(jié)構(gòu)，并通過諸如酸性的蝕刻液去除位于該層
疊結(jié)構(gòu)下方的犧牲層。
這些薄膜體聲波諧振器具有諧振區(qū)，在諧振區(qū)中，下電極13和23
與上電極15和25隔著壓電薄膜14和24彼此相對。當(dāng)將振動(dòng)能量限制
在諧振區(qū)中時(shí)獲得高的質(zhì)量因子Q。例如，日本專利申請公報(bào)第
2002-223144 (下文中，稱之為文獻(xiàn)1)公開了降低由于橫向方向傳播的 聲波導(dǎo)致的能量損失并提高質(zhì)量因子的技術(shù)。
圖3例示了文獻(xiàn)1中所公開的薄膜體聲波諧振器的剖視圖。下電極 33經(jīng)過空腔36形成在基板31上。壓電薄膜34形成在下電極33上。上 電極35形成在壓電薄膜34上。諧振區(qū)50是在其中下電極33隔著壓電 薄膜34與上電極35相對的區(qū)域。支撐區(qū)52圍繞諧振區(qū)50設(shè)置。相鄰 區(qū)54圍繞支撐區(qū)52設(shè)置。支撐區(qū)52由位于空腔36上方的下電極33和 壓電薄膜34組成。相鄰區(qū)54由基板3K下電極33和壓電薄膜34組成。 將支撐區(qū)52和相鄰區(qū)54的寬度L確定為橫向傳播的聲波的波長的1/4。 在這種情況下，可以將聲波限制在諧振區(qū)50。并且可以提高質(zhì)量因子Q。
然而，在文獻(xiàn)1中公開的諧振器中，在低于諧振頻率的頻率處出現(xiàn) 雜波(spurious)(不必要的響應(yīng))。圖4例示了出現(xiàn)雜波的諧振器的史密 斯圖。該雜波出現(xiàn)在低于諧振點(diǎn)的頻率范圍中?，F(xiàn)在將對在圖5所示的 梯形濾波器中使用其中出現(xiàn)所述雜波的諧振器的情況迸行描述。如圖5 所示，串聯(lián)諧振器Sl到Sn串聯(lián)連接在輸入端子In和輸出端子Out之間。 并聯(lián)諧振器Pl到Pn并聯(lián)連接在地和輸入端子In及輸出端子Out之間。 圖6例示了針對在梯形濾波器中使用其中出現(xiàn)雜波的諧振器的情況下的 頻率的損失量。在透射特性的低頻側(cè)的頻率范圍A中觀察到由于雜波導(dǎo) 致的特性劣化。抑制諧振器的雜波是至關(guān)重要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述情況做出并提供了抑制雜波的薄膜體聲波諧振器和 濾波器。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種薄膜體聲波諧振器，該薄膜體聲 波諧振器包括下電極、壓電薄膜、上電極、支撐區(qū)和相鄰區(qū)。下電極形 成在基板的空腔上或以在該下電極和所述基板之間形成空腔的方式形 成。壓電薄膜形成在所述下電極上。上電極形成在所述壓電薄膜上以獲 得隔著所述壓電薄膜與所述下電極相對的諧振區(qū)。支撐區(qū)設(shè)置在所述諧振 區(qū)的周圍，該支撐區(qū)的寬度為沿橫向傳播的波的波長的0.35倍到0.65倍，并透射所述波。相鄰區(qū)設(shè)置在所述支撐區(qū)的周圍并阻擋所述波。通過該 結(jié)構(gòu)，因?yàn)橹螀^(qū)透射沿橫向傳播的波并且支撐區(qū)的寬度約為該波的波 長的一半，所以諧振區(qū)端部的振動(dòng)沒有受到抑制。因此可以抑制熱能損 耗和雜波。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種薄膜體聲波諧振器，該薄膜體 聲波諧振器包括下電極、壓電薄膜、上電極、支撐區(qū)和相鄰區(qū)。下電極 形成在基板的空腔上或以在該下電極和所述基板之間形成空腔的方式形 成。壓電薄膜形成在所述下電極上。上電極形成在所述壓電薄膜上以獲 得隔著所述壓電薄膜與所述下電極相對的諧振區(qū)。支撐區(qū)設(shè)置在所述諧振
區(qū)的周圍，該支撐區(qū)的寬度為沿橫向傳播的波的波長的0.35倍到0.65倍， 并由所述空腔上的下電極和壓電薄膜組成。相鄰區(qū)設(shè)置在所述支撐區(qū)的 周圍并且由所述基板、下電極和壓電薄膜組成。通過該結(jié)構(gòu)，可以抑制 雜波。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種薄膜體聲波諧振器，該薄膜體 聲波諧振器包括下電極、壓電薄膜、上電極、支撐區(qū)和相鄰區(qū)。下電極 形成在基板的空腔上或以在該下電極和所述基板之間形成空腔的方式形 成。壓電薄膜形成在所述下電極上。上電極形成在所述壓電薄膜上以獲 得隔著所述壓電薄膜與所述下電極相對的諧振區(qū)。支撐區(qū)設(shè)置在所述諧振 區(qū)的周圍，該支撐區(qū)的寬度為沿橫向傳播的波的波長的0.35倍到0.65倍， 并由所述空腔上的壓電薄膜和上電極組成。相鄰區(qū)設(shè)置在所述支撐區(qū)的 周圍并且由所述基板、壓電薄膜和上電極組成。通過該結(jié)構(gòu)，可以抑制 雜波。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種薄膜體聲波諧振器，該薄膜體 聲波諧振器包括下電極、壓電薄膜、上電極、支撐區(qū)和相鄰區(qū)。下電極 形成在基板的空腔上或以在該下電極和所述基板之間形成空腔的方式形 成。壓電薄膜形成在所述下電極上。上電極形成在所述壓電薄膜上以獲 得隔著所述壓電薄膜與所述下電極相對的諧振區(qū)。支撐區(qū)設(shè)置在所述諧振 區(qū)的周圍，該支撐區(qū)的寬度為沿橫向傳播的波的波長的0.35倍到0.65倍， 并由所述空腔上的所述上電極和下電極中的一個(gè)和所述壓電薄膜組成。相鄰區(qū)設(shè)置在所述支撐區(qū)的周圍并且由位于所述空腔上的壓電薄膜組 成。通過該結(jié)構(gòu)，可以抑制雜波。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種薄膜體聲波諧振器，該薄膜體 聲波諧振器包括下電極、壓電薄膜、上電極、支撐區(qū)和相鄰區(qū)。下電極 形成在基板的空腔上或以在該下電極和所述基板之間形成空腔的方式形 成。壓電薄膜形成在所述下電極上。上電極形成在所述壓電薄膜上以獲 得隔著所述壓電薄膜與所述下電極相對的諧振區(qū)。支撐區(qū)設(shè)置在所述諧 振區(qū)的周圍，并由所述空腔上的所述上電極和下電極中的一個(gè)和所述壓 電薄膜組成。相鄰區(qū)設(shè)置在所述支撐區(qū)的周圍并且由位于所述空腔上的 所述上電極和下電極中的一個(gè)、所述壓電薄膜和增重薄膜組成。通過該 結(jié)構(gòu)，可以抑制雜波。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種包括薄膜體聲波諧振器的濾波 器，薄膜體聲波諧振器具有下電極、壓電薄膜、上電極、支撐區(qū)和相鄰 區(qū)。所述下電極形成在基板的空腔上或以在該下電極和所述基板之間形 成空腔的方式形成。所述壓電薄膜形成在所述下電極上。上電極形成在 所述壓電薄膜上以獲得隔著所述壓電薄膜與所述下電極相對的諧振區(qū)。 所述支撐區(qū)設(shè)置在所述諧振區(qū)的周圍，并且該支撐區(qū)的寬度為沿橫向傳
播的波的波長的0.35倍到0.65倍，所述波穿過該支撐區(qū)。所述相鄰區(qū)設(shè) 置在所述支撐區(qū)的周圍并且阻擋所述波。通過該結(jié)構(gòu)，可以抑制組成濾 波器的諧振器的雜波。并且可以提高諸如透射特性的濾波特性。


將參照以下附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其中
圖1例示了根據(jù)第一常規(guī)實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的示意性剖
視圖2例示了根據(jù)第二常規(guī)實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的示意性剖 視圖3例示了根據(jù)第三常規(guī)實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的示意性剖 視圖；圖4例示了示出具有雜波的薄膜體聲波諧振器的Sll的史密斯圖； 圖5例示了梯形濾波器的電路圖6例示了包括具有雜波的薄膜體聲波諧振器的濾波器的透射特
性；
圖7例示了波模式的散射特性；
圖8例示了圖7所示的TE1模式的放大圖9A例示了根據(jù)第一實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的俯視圖9B例示了沿圖9A的A-A線提取的示意性剖視圖； 圖9C例示了沿圖9A的B-B線提取的示意性剖視圖； 圖IOA到圖IOD例示了根據(jù)第一實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的制 造步驟；
圖IIA到圖IIC例示了根據(jù)第一實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的制 造步驟；
圖12例示了位于諧振區(qū)中的下電極、壓電薄膜和上電極；
圖13例示了根據(jù)第一實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的示意性剖視
圖14A到圖14C例示了根據(jù)第一實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器散射 特性的計(jì)算結(jié)果；
圖15A到15C例示了根據(jù)第一實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的散射 特性的示意圖16A例示了第一實(shí)施方式和比較實(shí)施方式的史密斯圖Sll; 圖16B例示了圖16A的放大圖17A到17C例示了當(dāng)諧振區(qū)的寬度變化時(shí)的史密斯圖Sll; 圖18A到18C例示了當(dāng)諧振區(qū)的寬度變化時(shí)的史密斯圖Sll; 圖19A到19C例示了當(dāng)諧振區(qū)的寬度變化時(shí)的史密斯圖Sll; 圖20A到20B例示了當(dāng)諧振區(qū)的寬度變化時(shí)的史密斯圖Sll; 圖21例示了根據(jù)第二實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的示意性剖視
圖22A到22C例示了根據(jù)第二實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的散射
特性的示意圖23例示了根據(jù)第三實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的示意性剖視
圖24A到24C例示了根據(jù)第三實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的散射 特性的示意圖25例示了根據(jù)第四實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的示意性剖視
圖26A到26C例示了根據(jù)第四實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的散射 特性的示意圖27例示了根據(jù)第五實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的示意性剖視
圖28A到28C例示了根據(jù)第五實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的散射 特性的示意圖；以及
圖29例示了根據(jù)第六實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器的示意性剖視圖。
具體實(shí)施例方式
將對本發(fā)明的原理進(jìn)行說明。圖7例示了在圖3所示的諧振器中聲 波的振動(dòng)模式的散射特性(dispersion property)的示意圖?？v軸表示激 勵(lì)頻率。橫軸表示在使用波數(shù)為k的情況下在各振動(dòng)模式的橫向方向上 聲波振動(dòng)的傳播因子。在壓電薄膜由諸如泊松比小于1/3的A1N(氮化鋁) 的材料制成的情況下，處于主要模式的厚度縱向振動(dòng)是TE1模式。用實(shí) 線表示TE1模式的散射曲線。截止頻率(cut-offfrequency)在TE1模式
的散射曲線與頻率軸的相交位置的點(diǎn)處。該截止頻率大致與諧振元件的 諧振頻率相對應(yīng)。用虛線表示其他振動(dòng)模式TEO、 TS0、 TS1和TS2。
圖8例示了在圖7所示的截止頻率周圍TE1模式的散射曲線的放大 圖。如果將諧振區(qū)50的寬度表示為"d"，當(dāng)在波數(shù)kl到kn (k為2;r/d 到2;r/(d/n)之一)處以頻率0>1到o)n激勵(lì)諧振器時(shí)在諧振區(qū)50分別產(chǎn)生 第一駐波51到第n駐波("n"是給定值)。這些駐波51在諧振區(qū)50的端
部上沒有位移(displacement并且可以與支撐區(qū)52的寬度無關(guān)地獲得 損失很小的振動(dòng)。然而，在波數(shù)kl到kn之間的波數(shù)kl，到kn，處，駐波 在諧振區(qū)50的端部上存在位移。例如，如果支撐區(qū)52的寬度L對應(yīng)于 橫向傳播的波的1/4，則在支撐區(qū)52中橫向傳播的波被限制。這導(dǎo)致在 諧振區(qū)50的端部處對波的振幅產(chǎn)生強(qiáng)制限制。使得在諧振區(qū)50的端部 處產(chǎn)生與波數(shù)為kl'到kn'相關(guān)的聲波熱損失。因?yàn)樵摕釗p失，在與波數(shù) kl'到kn'相關(guān)的頻率范圍中出現(xiàn)雜波。
在圖3中，如果支撐區(qū)52的寬度是橫向傳播的聲波的波長的一半， 則位于支撐區(qū)52中的聲波被強(qiáng)烈激勵(lì)。在這種情況下，在諧振區(qū)50的 端部處具有振幅的波(圖8所示的kl'到kn'的聲波)的振動(dòng)未受到限制， 這使得抑制了熱損失以及雜波的產(chǎn)生。當(dāng)支撐區(qū)52的寬度約是橫向傳播 的波的波長人的一半時(shí)可以抑制所述雜波。現(xiàn)在將參照附圖對本發(fā)明的 實(shí)施方式進(jìn)行描述。
(第一實(shí)施方式)
圖9A例示了根據(jù)第一實(shí)施方式的諧振器的俯視圖。圖9B例示了沿 圖9A的A-A線提取的剖視圖。圖9C例示了沿圖9A的B-B線提取的剖 視圖。在Si (硅)基板41中形成有空腔46 (通孔)。在基板41上、空腔 46的上方，設(shè)置下電極43。在下電極43上設(shè)置有由A1N制成的壓電薄 膜44。在壓電薄膜44上設(shè)置有上電極45。諧振區(qū)50是其中下電極43 與上電極45隔著壓電薄膜44彼此相對的區(qū)域。支撐區(qū)52由位于空腔46 上的下電極43和壓電薄膜44組成，設(shè)置在諧振區(qū)50的周圍，但引出上 電極45的配線部分56及其周圍除外。相鄰區(qū)54由基板41、下電極43 和壓電薄膜44組成，設(shè)置在支撐區(qū)52的周圍，但引出上電極45的配線 部分56及其周圍除外。諧振區(qū)50和空腔46具有橢圓形狀且彼此相似， 并且從上部觀察諧振區(qū)50和空腔46時(shí)，諧振區(qū)50包括在空腔46中。 壓電薄膜44具有用于從下電極43獲得電信號(hào)的開口 47。
將給出根據(jù)第一實(shí)施方式的諧振器的制造方法的描述。圖IOA到圖 IIC例示了與沿圖9A的A-A線提取的剖視圖相對應(yīng)的示意性剖視圖，示 出了諧振器的制造方法。如圖IOA所示，制備由(100)-切削硅組成的基板41。如圖10B所示，通過利用0.6Pa到1.2Pa的氬氣氣氛的濺射方 法形成下電極43。下電極43由Ru制成并具有約250nm的厚度。如圖 IOC所示，通過曝光技術(shù)以及蝕刻技術(shù)將下電極43變形為指定形狀。如 圖10D所示，通過利用約0.3Pa的Ar/N2氣體混合物氣氛的濺射方法在下 電極43和基板41上形成壓電薄膜44。壓電薄膜44由主軸為(002)方 向的A1N薄膜制成并具有約lpm的厚度。
如圖11A所示，通過利用0.6Pa到1.2Pa的氬氣氣氛的濺射方法在壓 電薄膜44上形成上電極45。上電極45由Ru制成并具有約250nm的厚 度。如圖11B所示，通過曝光技術(shù)以及蝕刻技術(shù)將上電極45變形為指定 形狀。通過曝光技術(shù)以及蝕刻技術(shù)將壓電薄膜44變形為指定形狀。從而， 形成開口 47。下電極43隔著壓電薄膜44與上電極45交疊的區(qū)域?yàn)橹C振 區(qū)50。如圖IIC所示，對基板41的背面進(jìn)行干法蝕刻處理。并且在基板 41中以包括諧振區(qū)50的方式形成空腔46。通過這些處理，制造了根據(jù) 第一實(shí)施方式的諧振器。
根據(jù)第一實(shí)施方式，在圖IOA中，除了硅基板以外，基板41還可以 是二氧化硅基板、玻璃基板、GaAs基板等。在第一實(shí)施方式中，在圖10B 和圖11A中，下電極43和上電極45除了使用Ru以外還可以由在本發(fā)明
的背景技術(shù)中公開的金屬制成。
基于"The Journal of the Acoustical Society of America,Vol.35，No.2，pp. 235 to 239.，，來計(jì)算在根據(jù)第一實(shí)施方式的諧振區(qū)50、支撐區(qū)52和相鄰區(qū) 54上的聲波振動(dòng)模式的散射特性。圖12例示了在下電極43是由層43a 到層43M ("M"是給定值)組成的多層薄膜并且上電極45是由層45a到 層45N ("N"是給定值)組成的多層薄膜的情況下諧振區(qū)50的疊層結(jié)構(gòu)。 定義橫向(各層的水平方向)的坐標(biāo)為"x3"而縱向(各層的層疊方向) 為"xl"。如果在xl方向的波數(shù)為"a"、在x3方向的波數(shù)為"k"，而激勵(lì)角 頻率為"co"，則根據(jù)表達(dá)式1到3的波解來獲得在壓電薄膜44中的xl方 向的位移ul、 x3方向上的位移u3、以及電勢cp。 (表達(dá)式1)
<formula>formula see original document page 13</formula>
(表達(dá)式2) w3 = ，j(1B<_fal)(Csinccc3 - jDcosccc3)
(表達(dá)式3) 這里Al、 A3、 Ae、 C和D為給定常數(shù)。
如果將表達(dá)式1到3代入到運(yùn)動(dòng)方程和電荷方程中，則得到表達(dá)式
(表達(dá)式4)
+ c》2 - y0。2 (4 + c么)A:a (e31 + e15)A:a
(4 + c4》2 + c》2 - ,2 e15A:2 + e33a2
這里，壓電材料是6mm六邊形系統(tǒng)。"p"是壓電薄膜44的密度。"d,"、 "C13"、 "C33'ln"C44"是壓電薄膜44的硬度。"e15"、 "631"和"633"是壓電薄 膜44的壓電系數(shù)。"^"和"^"是介電常數(shù)。"S"是失真。"E"是電場。
為了使表達(dá)式4具有除平凡解(trivial solution )以外的解，表達(dá)式 4的系數(shù)矩陣的行列式必須為0。如果給定"co"和"k"，則表達(dá)式4為a2 的三次方程。這使得從表達(dá)式4得到三個(gè)基本解。表達(dá)式1到3被表示 為如表達(dá)式5到7所示的三個(gè)解的線性和。 (表達(dá)式5)
<formula>formula see original document page 14</formula>(表達(dá)式6)
<formula>formula see original document page 14</formula> (表達(dá)式7)
<formula>formula see original document page 14</formula>
類似地，將上電極45的第n層45n中的聲波表示為表達(dá)式8和9。 (表達(dá)式8)<formula>formula see original document page 14</formula>
(表達(dá)式9)
<formula>formula see original document page 15</formula>
這里，"Alun，，、 "A3un，，、 "Cun"和"D加"為給定的常數(shù)。
如果將表達(dá)式8到9代入到運(yùn)動(dòng)方程中，則得到如表達(dá)式10所示的 聯(lián)立方程。
(表達(dá)式10)
<formula>formula see original document page 15</formula>
這里上電極45由各向同性材料制成。"f和"^"是用于上電極45
的第n層45n的片體(lame)的常數(shù)。"Pun"是用于上電極45的第n層45n
的材料的密度。
為了使表達(dá)式10具有除平凡解以外的解，表達(dá)式10的系數(shù)矩陣的 行列式必須為0。因此表達(dá)式10為c^的二次方程。這使得從表達(dá)式10 得到兩個(gè)基本解。表達(dá)式8到9可以被表示為表達(dá)式11到12。 (表達(dá)式ll)<formula>formula see original document page 15</formula>(表達(dá)式12)
可以得到下電極43的第m層43m的波解以及上電極45的波解。因 此，可以將該波解表示為表達(dá)式13和14。 (表達(dá)式13)
<formula>formula see original document page 15</formula> (表達(dá)式14)
這里，"Albm"、 "A3bm"、 "Cbm"和"Dto"為給定的常數(shù)。 下面對界面條件(interface condition)進(jìn)行描述。橫向位移、縱向位 移、垂直應(yīng)力、切應(yīng)力是連續(xù)的。在壓電薄膜44和上電極45之間以及 壓電薄膜44和下電極43之間的界面處的電勢為0。在上電極45的表面 和下電極43的表面處的垂直應(yīng)力和切應(yīng)力為0。如果將表達(dá)式5到7和
表達(dá)式11到14的波解代入界面條件中，則得到(4N+4M+6)次方程。 此外，在壓電薄膜44的表面為未覆蓋有上電極45和下電極43中的至少 一個(gè)的界面的情況下(即，在Ni或M-O的情況下)，垂直于壓電薄膜 44與上電極45之間的界面或壓電薄膜44與下電極43之間的界面(即， 其中未形成上電極45和下電極43中的至少一個(gè)的界面)的電位移的延 拓和平行于該界面的電場位移的延拓為界面條件。從而，聯(lián)立方程為 (4N+4M+8)次方程。并且得到表達(dá)式15。 (表達(dá)式15)<formula>formula see original document page 16</formula>如果"co"和"k"是散射曲線上的點(diǎn)的值，則表達(dá)式15的系數(shù)矩陣B的 行列式間為0。并且因此，當(dāng)使用"間二0"作為判別式時(shí)，在下面的計(jì)算
中以數(shù)字方式提取點(diǎn)(co， k)。
圖13例示了利用根據(jù)第一實(shí)施方式的諧振器的散射特性進(jìn)行計(jì)算 得到的結(jié)構(gòu)的示意圖，并且與圖9C相對應(yīng)。在諧振區(qū)50，下電極43隔 著壓電薄膜44與上電極45相對，支撐區(qū)52設(shè)置在諧振區(qū)50的周圍， 并且由位于空腔46上的壓電薄膜44和下電極43組成。相鄰區(qū)54設(shè)置 在支撐區(qū)52的周圍，并且由基板41、下電極43和壓電薄膜44組成。用 "d"表示諧振區(qū)50的橫向?qū)挾?。?L"表示支撐區(qū)52的橫向?qū)挾取?br> 圖14A到圖14C例示了在諧振區(qū)50上、支撐區(qū)52上和相鄰區(qū)54 上的聲波的振動(dòng)模式的散射特性的計(jì)算結(jié)果，并且示出了聲波振動(dòng)的散 射特性?？v軸表示激勵(lì)頻率。橫軸表示在使用波數(shù)為k的情況下各橫向 振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)的傳播系數(shù)。橫軸表示兩個(gè)象限。右象限表示實(shí)數(shù)區(qū)。
左象限表示虛數(shù)區(qū)。頻率CO0表示諧振頻率。振動(dòng)模式的傳播系數(shù)表示頻 率處于實(shí)數(shù)區(qū)的聲波的傳播或被散射，并表示頻率處于虛數(shù)區(qū)的聲波被
反射，而未被傳播或散射。如圖14B所示，在支撐區(qū)52中沿橫向傳播的 聲波具有波數(shù)為k的諧振頻率co0。因此，在支撐區(qū)52中沿橫向傳播的 聲波的波長為1/KL。
圖15A到15C分別例示了圖14A到圖14C所示的散射特性的計(jì)算 結(jié)果的示意圖。圖15A例示了作為諧振區(qū)50中的主模式的厚度縱向振動(dòng) 的TE1模式的散射曲線，用實(shí)線表示該曲線。虛線表示其他模式的散射 曲線。在A點(diǎn)處的頻率約為諧振頻率cd0。 A點(diǎn)是TE1模式的散射曲線與 頻率軸的交叉點(diǎn)。諧振頻率coO和TE1模式的散射曲線的局部最小點(diǎn)B 的頻率co，O之間的頻率范圍是產(chǎn)生雜波的頻率范圍。如圖15B所示，在 頻率(oO和co'0處TEl模式的散射曲線的A，點(diǎn)和B，點(diǎn)位于實(shí)數(shù)區(qū)域。因 此，頻率co0和co，0之間的聲波穿過支撐區(qū)52。如圖15C所示，在相鄰 區(qū)54，在頻率 0和co，O處TE1模式的散射曲線的A"點(diǎn)和B"點(diǎn)位于虛 數(shù)區(qū)域。因此，穿過支撐區(qū)52的聲波在相鄰區(qū)54處被阻擋并且被反射。 在第一實(shí)施方式中，在支撐區(qū)52橫向傳播的聲波穿過支撐區(qū)52，并且在 相鄰區(qū)54橫向傳播的聲波在相鄰區(qū)54處被阻擋。
圖16A和16B例示了比較實(shí)施方式和第一實(shí)施方式的史密斯圖S11。 圖16B例示了圖16A的放大圖。虛線為比較實(shí)施方式。實(shí)線為第一實(shí)施 方式。在比較實(shí)施方式中，支撐區(qū)52的寬度L是橫向波的波長、(頻率 為co0的波)的1/4。在第一實(shí)施方式中，支撐區(qū)52的寬度L是波長X 的1/2。在相對于諧振點(diǎn)coO的低頻側(cè)觀察到雜波SP1到SP5。與比較實(shí) 施方式相比，在第一實(shí)施方式中抑制了雜波。當(dāng)支撐區(qū)52的寬度d是 時(shí)，雜波得到抑制。
圖17A到20B例示了支撐區(qū)52的寬度d以0.05人為間隔從O.MX變 化到0.75X的情況下的諧振器的史密斯圖S11。在圖17A中，在L^0.25人 時(shí)，Sll從SP2到SP5具有環(huán)形。在圖17C到圖19C (L-0.35X到0雖) 中，幾乎觀察不到環(huán)形雜波。在圖18A到19B (L-(U0X到0.60D中， 環(huán)形雜波小于圖17A(L=0.25"的情況。此外，在圖18B到19A(L=0.45X
到0.55人)中，幾乎觀察不到環(huán)形雜波。
優(yōu)選地是，為了抑制雜波，支撐區(qū)52的寬度L大于橫向傳播的波的 波長 i的0.35倍且小于該波長的0.65倍，更優(yōu)選地是寬度L大于波長X 的0.4倍且小于該波長的0.60倍。另外，更優(yōu)選地是，寬度L大于波長X 的0.45倍且小于該波長的0.55倍。
在第一實(shí)施方式中，支撐區(qū)52由位于空腔46上方的下電極43和壓 電薄膜44組成。相鄰區(qū)54由基板41上的下電極43和壓電薄膜44組成。 支撐區(qū)52不限于此，只要支撐區(qū)52被設(shè)置在諧振區(qū)50的周圍并且如圖 15B所示透射橫向傳播的波即可。相鄰區(qū)54也不限于此，只要相鄰區(qū)54 設(shè)置在支撐區(qū)52的周圍并且如圖15C所示阻擋橫向傳播的波即可。將對 支撐區(qū)52和相鄰區(qū)54的另一示例進(jìn)行描述。 (第二實(shí)施方式)
圖21例示了根據(jù)第二實(shí)施方式的諧振器的示意性剖視圖。如圖21 所示，支撐區(qū)52由位于空腔46上方的壓電薄膜44和上電極45組成。 相鄰區(qū)54由基板41、壓電薄膜44和上電極45組成?？涨?6形成在諧 振區(qū)50以及支撐區(qū)52中。下電極43形成在諧振區(qū)50中。壓電薄膜44 和上電極45形成在諧振區(qū)50、支撐區(qū)52和相鄰區(qū)54中。其他結(jié)構(gòu)與圖 13所示的第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)相同。
圖22A到22C例示了計(jì)算出的在根據(jù)第二實(shí)施方式的諧振器中諧振 區(qū)50、支撐區(qū)52和相鄰區(qū)54的散射特性的示意圖。圖22A對應(yīng)于圖15A。 如圖22B所示，在支撐區(qū)52中，TE1模式的散射曲線在其中產(chǎn)生雜波的 coO和(o，0之間的頻率處位于實(shí)數(shù)區(qū)域中。因此，沿橫向傳播的波穿過支 撐區(qū)52。如圖22C所示，在相鄰區(qū)54中，TEl模式的散射曲線在coO和 co，O之間的頻率處位于虛數(shù)區(qū)域。因此，沿橫向傳播的波在相鄰區(qū)54被 反射。
在根據(jù)第二實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)支撐區(qū)52的寬度L大于沿橫向傳 播的波的波長的人的0.35倍且小于該波長的X的0.65倍時(shí)，所述雜波受 到抑制。
(第三實(shí)施方式)
圖23例示了根據(jù)第三實(shí)施方式的諧振器的示意性剖視圖。如圖23 所示，支撐區(qū)52由位于空腔46上方的下電極43和壓電薄膜44組成。 相鄰區(qū)54由位于空腔46上方的壓電薄膜44組成?？涨?6和壓電薄膜 44形成在諧振區(qū)50、支撐區(qū)52相鄰區(qū)54中。下電極43形成在諧振區(qū) 50和支撐區(qū)52中。上電極45形成在諧振區(qū)50中。其他結(jié)構(gòu)與圖13所 示的第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)相同。
圖24A到24C示出了計(jì)算出的根據(jù)第三實(shí)施方式的諧振器中諧振區(qū) 50、支撐區(qū)52和相鄰區(qū)54的散射特性的示意圖。圖24A對應(yīng)于圖15A。 如圖24B所示，在支撐區(qū)52中，TE1模式的散射曲線在其中產(chǎn)生雜波的 coO和co，O之間的頻率處位于實(shí)數(shù)區(qū)域中。因此，沿橫向傳播的波穿過支 撐區(qū)52。如圖24C所示，在相鄰區(qū)54中，TE1模式的散射曲線在coO和 co，O之間的頻率處位于虛數(shù)區(qū)域。因此，沿橫向傳播的波在相鄰區(qū)54被 反射。
在根據(jù)第三實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)支撐區(qū)52的寬度L大于沿橫向傳 播的波的波長X的0.35倍且小于該波長X的0.65倍時(shí)，所述雜波^到抑 制。
在第三實(shí)施方式中，支撐區(qū)52由位于空腔46上方的下電極43和壓 電薄膜44組成，相鄰區(qū)54由位于空腔46上方的壓電薄膜44組成。支 撐區(qū)52由可以由位于空腔46上方的上電極45和壓電薄膜44組成，并 且相鄰區(qū)54可以由位于空腔46上方的壓電薄膜44組成。即，支撐區(qū)52 由可以由位于空腔46上方的上電極45與下電極43中的一個(gè)和壓電薄膜 44組成。
(第四實(shí)施方式)
圖25例示了根據(jù)第四實(shí)施方式的諧振器的示意性剖視圖。如圖25 所示，支撐區(qū)52由位于空腔46上方的下電極43和壓電薄膜44組成。 相鄰區(qū)54由位于空腔46上方的下電極43、壓電薄膜44和增重薄膜 (weight adding film) 48組成?？涨?6、下電極43和壓電薄膜44形成 在諧振區(qū)50、支撐區(qū)52相鄰區(qū)54中。上電極45形成在諧振區(qū)50中。 增重薄膜48形成在相鄰區(qū)54中。增重薄膜48由Ru組成并且厚度為255nm。其他結(jié)構(gòu)與圖13所示的第一實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)相同。
圖26A到26C示出了計(jì)算出的在根據(jù)第四實(shí)施方式的諧振器中諧振 區(qū)50、支撐區(qū)52和相鄰區(qū)54的散射特性的示意圖。圖26A對應(yīng)于圖15A。 如圖26B所示，在支撐區(qū)52中，TE1模式的散射曲線在其中產(chǎn)生雜波的 coO和co'O之間的頻率處位于實(shí)數(shù)區(qū)域中。因此，沿橫向傳播的波穿過支 撐區(qū)52。如圖26C所示，在相鄰區(qū)54中，TEl模式的散射曲線在coO和 co'O之間的頻率處位于虛數(shù)區(qū)域。因此，沿橫向傳播的波在相鄰區(qū)54被 反射。
(第五實(shí)施方式)
圖27例示了根據(jù)第五實(shí)施方式的諧振器的示意性剖視圖。如圖27 所示，支撐區(qū)52由位于空腔46上方的壓電薄膜44和上電極45組成。 相鄰區(qū)54由位于空腔46上方的增重薄膜49、壓電薄膜44和上電極45 組成?？涨?6、壓電薄膜44和上電極45形成在諧振區(qū)50、支撐區(qū)52 相鄰區(qū)54中。下電極43形成在諧振區(qū)50中。增重薄膜49形成在相鄰 區(qū)54中。其他結(jié)構(gòu)與圖25所示的第四實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)相同。
圖28A到28C示出了計(jì)算出的在根據(jù)第五實(shí)施方式的諧振器中諧振 區(qū)50、支撐區(qū)52和相鄰區(qū)54的散射特性的示意圖。圖28A對應(yīng)于圖15A。 如圖28B所示，在支撐區(qū)52中，TE1模式的散射曲線在其中產(chǎn)生雜波的 coO和o)，O之間的頻率處位于實(shí)數(shù)區(qū)域中。因此，沿橫向傳播的波穿過支 撐區(qū)52。如圖28C所示，在相鄰區(qū)54中，TE1模式的散射曲線在①0和 co，O之間的頻率處位于虛數(shù)區(qū)域。因此，沿橫向傳播的波在相鄰區(qū)54被 反射。
所述雜波在以下結(jié)構(gòu)中受到抑制如在第四實(shí)施方式和第五實(shí)施方 式中的情形，支撐區(qū)52由位于空腔46上方的上電極45與下電極43中 的一個(gè)和壓電薄膜44組成，相鄰區(qū)54由上電極45與下電極43中的一 個(gè)、壓電薄膜44以及增重薄膜48或49組成。增重薄膜48和49可以是 諸如Ru、 Mo、 A、Ti、 Cr或Au的金屬薄膜、諸如氧化硅、氮化硅、氧 化鋁或氮化鋁的絕緣薄膜、或由上述金屬薄膜和上述絕緣薄膜組成的層 疊薄膜。
此外，如第一實(shí)施方式到第三實(shí)施方式的情形那樣，當(dāng)支撐區(qū)52的
寬度L大于沿橫向傳播的波的波長X的0.35倍且小于該波長X的0.65倍 時(shí)，則對所述雜波的抑制程度更大。 (第六實(shí)施方式)
如圖29所示，在根據(jù)第六實(shí)施方式的薄膜體聲波諧振器中，基板 41沒有空腔，并且以空腔(孔穴)46a形成在下電極43和基板41之間 的方式形成下電極43。空腔46a為圓頂形。其他結(jié)構(gòu)與圖13的第一實(shí)施 方式的結(jié)構(gòu)相同。
在第六實(shí)施方式中，如第一實(shí)施方式的情形一樣，抑制了雜波。禾艮 據(jù)第二實(shí)施方式到第五實(shí)施方式的空腔46可以是形成在基板41和下電 極43之間的空腔46a，即如第六實(shí)施方式的情形那樣。薄膜體聲波諧振 器可以是通孔型的或空腔型的。 (第七實(shí)施方式)
第七實(shí)施方式是其中對根據(jù)第一實(shí)施方式到第六實(shí)施方式的薄膜體 聲波諧振器中的不止一個(gè)進(jìn)行了組合的濾波器的示例。在第七實(shí)施方式 中，使用根據(jù)第一實(shí)施方式到第六實(shí)施方式中的一個(gè)的諧振器作為圖3所 示的梯形濾波器。在根據(jù)第一實(shí)施方式到第六實(shí)施方式的諧振器中，所述 雜波受到抑制。因此可以提高根據(jù)第七實(shí)施方式的濾波器的透射特性。
當(dāng)濾波器中的一個(gè)諧振器是使用了根據(jù)第一實(shí)施方式到第六實(shí)施方 式的薄膜體聲波諧振器中的一個(gè)時(shí)，可以抑制雜波。優(yōu)選的是，對濾波 器中的所有諧振器使用根據(jù)第一實(shí)施方式到第六實(shí)施方式的薄膜體聲波 諧振器中的一個(gè)。此外，根據(jù)第一實(shí)施方式到第六實(shí)施方式的薄膜體聲 波諧振器可以用于梯形濾波器以外的濾波器。
雖然以上描述組成了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但應(yīng)理解，在不脫離 所附權(quán)利要求的適當(dāng)范圍和清楚含義的情況下，易于對本發(fā)明做出修改、 變型和改變。
本發(fā)明基于2006年12月15日提交的日本專利申請第2006-337711 號(hào)，在此通過引用并入其全部內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種薄膜體聲波諧振器，該薄膜體聲波諧振器包括下電極，其形成在基板的空腔上或以在該下電極和所述基板之間形成空腔的方式形成；壓電薄膜，其形成在所述下電極上；上電極，其形成在所述壓電薄膜上，以獲得隔著所述壓電薄膜與所述下電極相對的諧振區(qū)；支撐區(qū)，其設(shè)置在所述諧振區(qū)的周圍，該支撐區(qū)的寬度為沿橫向傳播的波的波長的0.35倍到0.65倍，并透射所述波；以及相鄰區(qū)，其設(shè)置在所述支撐區(qū)的周圍并阻擋所述波。
2、 一種薄膜體聲波諧振器，該薄膜體聲波諧振器包括:下電極，其形成在基板的空腔上或以在該下電極和所述基板之間形成空腔的方式形成；壓電薄膜，其形成在所述下電極上；上電極，其形成在所述壓電薄膜上以獲得隔著所述壓電薄膜與所述下電極相對的諧振區(qū)；支撐區(qū)，其設(shè)置在所述諧振區(qū)的周圍，該支撐區(qū)的寬度為沿橫向傳播的波的波長的0.35倍到0.65倍，并由所述空腔上的下電極和壓電薄膜 組成；以及相鄰區(qū)，其設(shè)置在所述支撐區(qū)的周圍并且由所述基板、下電極和壓電薄膜組成。
3、 一種薄膜體聲波諧振器，該薄膜體聲波諧振器包括下電極，其形成在基板的空腔上或以在該下電極和所述基板之間形成空腔的方式形成；壓電薄膜，其形成在所述下電極上；上電極，其形成在所述壓電薄膜上以獲得隔著所述壓電薄膜與所述 下電極相對的諧振區(qū)；支撐區(qū)，其設(shè)置在所述諧振區(qū)的周圍，該支撐區(qū)的寬度為沿橫向傳播的波的波長的0.35倍到0.65倍，并由所述空腔上的壓電薄膜和上電極 組成；以及相鄰區(qū)，其設(shè)置在所述支撐區(qū)的周圍并且由所述基板、壓電薄膜和 上電極組成。
4、 一種薄膜體聲波諧振器，該薄膜體聲波諧振器包括下電極，其形成在基板的空腔上或以在該下電極和所述基板之間形 成空腔的方式形成；壓電薄膜，其形成在所述下電極上；上電極，其形成在所述壓電薄膜上以獲得隔著所述壓電薄膜與所述 下電極相對的諧振區(qū)；支撐區(qū)，其設(shè)置在所述諧振區(qū)的周圍，該支撐區(qū)的寬度為沿橫向傳 播的波的波長的0.35倍到0.65倍，并由所述空腔上的所述上電極和下電 極中的一個(gè)和所述壓電薄膜組成；以及相鄰區(qū)，其設(shè)置在所述支撐區(qū)的周圍并且由位于所述空腔上的壓電 薄膜組成。
5、 一種薄膜體聲波諧振器，該薄膜體聲波諧振器包括下電極，其形成在基板的空腔上或以在該下電極和所述基板之間形成空腔的方式形成；壓電薄膜，其形成在所述下電極上；上電極，其形成在所述壓電薄膜上以獲得隔著所述壓電薄膜與所述下電極相對的諧振區(qū)；支撐區(qū)，其設(shè)置在所述諧振區(qū)的周圍，并由所述空腔上的所述上電極和下電極中的一個(gè)和所述壓電薄膜組成；以及相鄰區(qū)，其設(shè)置在所述支撐區(qū)的周圍并且由位于所述空腔上的所述上電極和下電極中的一個(gè)、所述壓電薄膜和增重薄膜組成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的薄膜體聲波諧振器，其中，所述支撐區(qū)的 寬度為沿橫向傳播的波的波長的0.35倍到0.65倍。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的薄膜體聲波諧振器，其中，所述增重薄膜是金屬薄膜或絕緣薄膜。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜體聲波諧振器，其中，所述支撐區(qū)的 寬度為沿橫向傳播的波的波長的一半。
9、 一種具有薄膜體聲波諧振器的濾波器，所述薄膜體聲波諧振器具 有下電極、壓電薄膜、上電極、支撐區(qū)和相鄰區(qū)，所述下電極形成在基板的空腔上或以在該下電極和所述基板之間形 成空腔的方式形成；所述壓電薄膜形成在所述下電極上；所述上電極形成在所述壓電薄膜上以獲得隔著所述壓電薄膜與所述下電極相對的諧振區(qū)；所述支撐區(qū)設(shè)置在所述諧振區(qū)的周圍，并且該支撐區(qū)的寬度為沿橫向傳播的波的波長的0.35倍到0.65倍，所述波穿過該支撐區(qū)；以及所述相鄰區(qū)設(shè)置在所述支撐區(qū)的周圍并且阻擋所述波。
全文摘要
本發(fā)明提供了薄膜體聲波諧振器和濾波器。該薄膜體聲波諧振器包括下電極，其形成在基板的空腔上或以在該下電極和所述基板之間形成空腔的方式形成；壓電薄膜，其形成在所述下電極上；上電極，其形成在所述壓電薄膜上以獲得隔著所述壓電薄膜與所述下電極相對的諧振區(qū)；支撐區(qū)，其設(shè)置在所述諧振區(qū)的周圍，該支撐區(qū)的寬度為沿橫向傳播的波的波長的0.35倍到0.65倍，并透射所述波；以及相鄰區(qū)，其設(shè)置在所述支撐區(qū)的周圍并阻擋所述波。
文檔編號(hào)H03H9/15GK101207370SQ20071019885
公開日2008年6月25日 申請日期2007年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日
發(fā)明者上田政則, 原基揚(yáng), 西原時(shí)弘, 遠(yuǎn)藤剛 申請人:富士通媒體部品株式會(huì)社;富士通株式會(huì)社