聲波裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種聲波裝置。該聲波裝置包括：壓電膜，其位于基板上；下電極和上電極，其隔著壓電膜而彼此面對(duì)；溫度補(bǔ)償膜，其位于下電極和上電極中的至少一個(gè)的與壓電膜相反的一側(cè)的表面上，并且具有符號(hào)與壓電膜的彈性常數(shù)溫度系數(shù)相反的彈性常數(shù)溫度系數(shù)；以及附加膜，其位于溫度補(bǔ)償膜的與壓電膜相反的一側(cè)的表面上，并且具有大于溫度補(bǔ)償膜的聲學(xué)阻抗的聲學(xué)阻抗。
【專利說(shuō)明】聲波裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種聲波裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 使用體聲波（BAW)的壓電薄膜諧振器用于諸如移動(dòng)電話的無(wú)線裝置的濾波器和 雙工器。壓電薄膜諧振器具有被設(shè)計(jì)為具有隔著壓電膜彼此面對(duì)的下電極和上電極。其中 下電極和上電極隔著壓電膜彼此面對(duì)的區(qū)域是諧振區(qū)域。壓電薄膜諧振器的壓電膜通常具 有負(fù)彈性常數(shù)溫度系數(shù)。因此，壓電薄膜諧振器的諧振頻率隨著溫度增加而偏移到低頻側(cè)。 如上所述，在使用壓電薄膜諧振器的聲波裝置中，諧振頻率、反諧振頻率和通帶由于溫度而 改變。
[0003] 為了抑制由于溫度導(dǎo)致的頻率改變，已經(jīng)提出了下述壓電薄膜諧振器，其使用具 有符號(hào)與壓電膜相反的彈性常數(shù)溫度系數(shù)的絕緣膜作為溫度補(bǔ)償膜（例如，參見(jiàn)日本專利 申請(qǐng)公開(kāi) No. 58-137317、2013-38471、2013-34130 和 2013-38658)。為了抑制由于使用溫 度補(bǔ)償膜引起的機(jī)電耦合系數(shù)的降低，提出了下述壓電薄膜諧振器，其包括形成在溫度補(bǔ) 償膜的上表面和下表面上的短路導(dǎo)電膜；以及下述壓電薄膜諧振器，其包括嵌入在下電極 或上電極中的溫度補(bǔ)償膜（例如，參見(jiàn)日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No. 60-16010、美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi) No. 2011/0266925和美國(guó)專利No. 6420820)。此外，已知的是，當(dāng)諧振區(qū)域中的電極的周部 薄于中心部分時(shí)，諧振特性劣化（參見(jiàn)日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No. 2006-109472)。
[0004] 當(dāng)溫度補(bǔ)償膜位于壓電膜中以抑制由于溫度導(dǎo)致的頻率變化時(shí)，機(jī)電耦合系數(shù)降 低。當(dāng)溫度補(bǔ)償膜嵌入在下電極或上電極中時(shí)，溫度補(bǔ)償膜的上表面和下表面上的電極被 短路，并且因此，諧振區(qū)域中的下電極或上電極的周部薄于中心部分，并且諧振特性劣化 (參見(jiàn)日本專利申請(qǐng)公開(kāi)No. 2006-109472) ·


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種聲波裝置，其包括：壓電膜，其位于基板上；下 電極和上電極，其隔著壓電膜而彼此面對(duì)；溫度補(bǔ)償膜，其位于下電極和上電極中的至少一 個(gè)的與壓電膜相反的一側(cè)的表面上，并且具有符號(hào)與壓電膜的彈性常數(shù)溫度系數(shù)相反的彈 性常數(shù)溫度系數(shù)；以及附加膜，其位于溫度補(bǔ)償膜的與壓電膜相反的一側(cè)的表面上，并且具 有大于溫度補(bǔ)償膜的聲學(xué)阻抗的聲學(xué)阻抗。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0006] 圖1A是示出根據(jù)第一實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器的頂視圖，圖1B是沿著圖1A中 的線A-A截取的截面圖，并且圖1C是諧振區(qū)域的放大示意截面圖；
[0007] 圖2A至圖2D是示出根據(jù)第一實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器的制造方法的示意性截 面圖（第1);
[0008] 圖3A至圖3C是示出根據(jù)第一實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器的制造方法的示意性截 面圖（第2);
[0009] 圖4A和圖4B是示出根據(jù)第一比較示例和第一實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器的諧振 頻率與反諧振頻率的溫度依賴性的圖；
[0010] 圖5A示出了諧振頻率的Q值的模擬結(jié)果，圖5B示出了反諧振頻率的Q值的模擬 結(jié)果，并且圖5C示出了機(jī)電耦合系數(shù)的模擬結(jié)果；
[0011] 圖6A示出了諧振頻率的Q值的測(cè)量結(jié)果，圖6B示出了反諧振頻率的Q值的測(cè)量 結(jié)果，并且圖6C示出了機(jī)電耦合系數(shù)的測(cè)量結(jié)果；
[0012] 圖7A是示出根據(jù)第二實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器的頂視圖，圖7B是沿著圖7A中 的線A-A截取的截面圖；并且圖7C是諧振區(qū)域的放大示意性截面圖；
[0013] 圖8A至圖8D是示出根據(jù)第二實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器的制造方法的示意性截 面圖（第1);
[0014] 圖9A至圖9C是示出根據(jù)第二實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器的制造方法的示意性截 面圖（第2);
[0015] 圖10A示出了諧振頻率的Q值的測(cè)量結(jié)果，圖10B示出了反諧振頻率的Q值的測(cè) 量結(jié)果，并且圖10C示出了機(jī)電耦合系數(shù)的測(cè)量結(jié)果；
[0016] 圖11A是示出根據(jù)第三實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器的頂視圖，圖11B是沿著圖11A 中的線A-A截取的截面圖；并且圖11C是諧振區(qū)域的放大示意性截面圖；
[0017] 圖12A至圖12D是示出根據(jù)第三實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器的制造方法的示意性 截面圖（第1);
[0018] 圖13A至圖13D是示出根據(jù)第三實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器的制造方法的示意性 截面圖（第2);
[0019] 圖14A是示出根據(jù)第四實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器的頂視圖，并且圖14B是沿著 圖14A中的線A-A截取的截面圖；
[0020] 圖15A是示出根據(jù)第五實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器的頂視圖，并且圖15B是沿著 圖15A中的線A-A截取的截面圖；以及
[0021] 圖16是示出根據(jù)第六實(shí)施方式的梯型濾波器的電路圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0023] 第一實(shí)施方式
[0024] 第一實(shí)施方式描述在諸如濾波器的聲波裝置中采用的具有FBAR(膜體聲波諧振 器）的壓電薄膜諧振器。圖1A是示出根據(jù)第一實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器的頂視圖，圖1B 是沿著圖1A中的線A-A截取的截面圖，并且圖1C是諧振區(qū)域的放大示意截面圖。如圖1A 至圖1C中所示，附加膜12位于由例如硅（Si)基板制成的基板10上，從而在附加膜12與 基板10的上表面之間形成具有圓頂形凸起的空隙30。圓頂形凸起具有下述形狀：空隙30 的高度在空隙30的周圍較低并且空隙30的高度在離空隙30的中心越近的位置越高。
[0025] 溫度補(bǔ)償膜14位于附加膜12上。下電極16位于溫度補(bǔ)償膜14上。附加膜12、 溫度補(bǔ)償膜14和下電極16具有相同的形狀。附加膜12具有大于溫度補(bǔ)償膜的聲學(xué)阻抗。 附加膜12例如為通過(guò)從基板10 -側(cè)按順序堆疊鉻（Cr)膜和釕（Ru)膜而形成的金屬膜。 溫度補(bǔ)償膜14具有符號(hào)與壓電膜18相反的彈性常數(shù)溫度系數(shù)。溫度補(bǔ)償膜14例如為添 加有氟的氧化硅膜（SiOF膜）。下電極16例如由Ru膜制成。溫度補(bǔ)償膜14位于附加膜 12與下電極16之間，并且從而附加膜12與下電極16沒(méi)有彼此接觸并且沒(méi)有短路。因此， 附加膜12對(duì)于聲波的激發(fā)沒(méi)有電氣貢獻(xiàn)。
[0026] 由在（002)方向上具有主軸的氮化鋁（A1N)制成的壓電膜18位于下電極16和基 板10上。上電極20位于壓電膜18上以具有面對(duì)下電極16的區(qū)域（諧振區(qū)域32)。諧振 區(qū)域32是下述區(qū)域，其具有橢圓形狀并且聲波以厚度延伸模式在該區(qū)域中諧振。上電極20 由例如通過(guò)從壓電膜18 -側(cè)按順序堆疊Ru膜和Cr膜形成的金屬膜制成。
[0027] 用于蝕刻犧牲層的引入路徑34形成在其中堆疊附加膜12、溫度補(bǔ)償膜14和下電 極16的堆疊部分中。犧牲層是用于形成空隙30的層。壓電膜18沒(méi)有覆蓋引入路徑34的 前端附近，并且堆疊部分在引入路徑34的前端處具有孔部36。用于提供針對(duì)下電極16的 電氣連接的孔徑38形成在壓電膜18中。由金（Au)制成的用于外部連接的凸塊的下層膜 可以位于孔徑38的底部處的下電極16上。
[0028] 基板10可以是石英基板、玻璃基板、陶瓷基板或砷化鎵（GaAs)基板以替代Si基 板。下電極16和上電極20可以由單層膜制成，該單層膜由鋁（A1)、鈦（Ti)、銅（Cu)、鑰 (Mo)、鎢（W)、鉭（Ta)、鉬（Pt)、銠（Rh)或銥（Ir)或上述的多層膜形成（替代Ru和Cr)。
[0029] 壓電膜18可以由氧化鋅（ZnO)、鋯鈦酸鉛（PZT)或鈦酸鉛（PbTi03)(替代A1N)制 成。另外，壓電膜18主要包含A1N，并且可以包含其它元素以改進(jìn)諧振特性或壓電性。例 如，使用鈧（Sc)作為添加劑元素改進(jìn)了壓電膜18的壓電性，并且改進(jìn)了壓電薄膜諧振器的 有效機(jī)電耦合系數(shù)。
[0030] 溫度補(bǔ)償膜14具有符號(hào)與壓電膜18相反的彈性常數(shù)溫度系數(shù)以改進(jìn)溫度特性。 例如，壓電膜18在由A1N制成時(shí)具有負(fù)彈性常數(shù)溫度系數(shù)。因此，諸如SiOF膜的具有正彈 性常數(shù)溫度系數(shù)的材料用作溫度補(bǔ)償膜14。替代SiOF，能夠使用具有正彈性常數(shù)溫度系數(shù) 的材料，并且可以使用諸如氧化硅膜、氮化硅膜或氧化鍺膜的絕緣膜。上述膜可以不具有化 學(xué)計(jì)量組成。另外，溫度補(bǔ)償膜14可以是主要包含氧化硅、氮化硅或氧化鍺并且包含其它 元素以改進(jìn)諧振特性或溫度特性的諸如SiOF膜的絕緣膜。例如，溫度補(bǔ)償膜14主要包含 氧化硅，并且可以添加氟（F)、氫（H)、CH 3、CH2、氯（C1)、碳（C)、氮（N)、磷（P)和硫（S)中的 一種或多種。如上所述，使用添加有其它元素的氧化硅膜用于溫度補(bǔ)償膜允許溫度補(bǔ)償膜 14具有高彈性常數(shù)溫度系數(shù)，并且允許減少溫度補(bǔ)償膜14的膜厚度。
[0031] 附加膜12具有大于溫度補(bǔ)償膜14的聲學(xué)阻抗。例如當(dāng)溫度補(bǔ)償膜14由SiOF膜 制成時(shí)，附加膜12能夠由Ru膜、Cr膜、Ru和Cr的多層膜、氮化鋁（A1N)膜或氧化鋁（A1 203) 制成。如上所述，可以選擇與下電極16、上電極20或壓電膜18中包括的材料相同的材料用 于附加膜12。
[0032] 圖2A至圖3C是示出根據(jù)第一實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器的制造方法的示意性截 面圖。通過(guò)使用犧牲層來(lái)形成空隙30以制造圖1A至圖1C中所示的壓電薄膜諧振器。然 而，下面描述形成附加膜12、溫度補(bǔ)償膜14、下電極16、壓電膜18和上電極20的方法，并且 省略其它描述。
[0033] 如圖2A中所示，附加膜12形成在基板10上。例如通過(guò)濺射、真空蒸鍍或CVD(化 學(xué)氣相沉積）來(lái)形成附加膜12。如圖2B中所示，溫度補(bǔ)償膜14形成在附加膜12上。通 過(guò)例如濺射或CVD來(lái)形成溫度補(bǔ)償膜14。如圖2C中所示，下電極16形成在溫度補(bǔ)償膜14 上。通過(guò)例如溉射、真空蒸鍍或CVD來(lái)形成下電極16。
[0034] 如圖2D中所示，通過(guò)光刻和蝕刻將附加膜12、溫度補(bǔ)償膜14和下電極16 -體圖 案化為想要的形狀。如上所述，附加膜12、溫度補(bǔ)償膜14和下電極16的一體處理簡(jiǎn)化了制 造工藝，并且使其具有相同的形狀。
[0035] 如圖3A中所示，壓電膜18形成在下電極16和基板10上。通過(guò)例如濺射、真空蒸 鍍或CVD來(lái)形成壓電膜18。如圖3B中所示，上電極20形成在壓電膜18上。通過(guò)例如濺 射、真空蒸鍍或CVD來(lái)形成上電極20。該處理形成其中下電極16與上電極20重疊的諧振 區(qū)域32。
[0036] 如圖3C中所示，通過(guò)使用光刻膠（未示出）作為蝕刻掩模來(lái)蝕刻壓電膜18。該處 理形成用于向下電極16提供電氣連接的孔徑38。上電極20可以用作蝕刻掩模以替代光刻 膠。通過(guò)濕法蝕刻或干法蝕刻來(lái)蝕刻壓電膜18。當(dāng)壓電膜18由A1N制成時(shí)，可以使用包括 磷酸的溶液作為用于蝕刻壓電膜18的蝕刻液體。
[0037] 制造了第一實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器，并且測(cè)量頻率的溫度依賴性。制造的壓 電薄膜諧振器的附加膜12是通過(guò)從基板10 -側(cè)按順序堆疊膜厚度為100nm的Cr膜和膜 厚度為30nm的Ru膜而形成的金屬膜。溫度補(bǔ)償膜14是膜厚度為135nm并且F的濃度為 9原子％的SiOF膜。下電極16是膜厚度為130nm的Ru膜。壓電膜18是膜厚度為1. 2 μ m 的A1N膜。上電極20是通過(guò)從壓電膜18 -側(cè)按順序堆疊膜厚度為210nm的Ru膜和膜厚 度為40nm的Cr膜形成的金屬膜。為了比較，制造了具有第一比較示例的壓電薄膜諧振器， 其具有與第一實(shí)施方式相同的結(jié)構(gòu)，不同之處在于沒(méi)有形成溫度補(bǔ)償膜14,并且測(cè)量其頻 率的溫度依賴性。
[0038] 圖4A和圖4B是示出根據(jù)第一比較示例和第一實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器的諧振 頻率與反諧振頻率的溫度依賴性的圖。通過(guò)測(cè)量壓電薄膜諧振器的反射特性S11來(lái)獲得諧 振頻率fr。通過(guò)測(cè)量壓電薄膜諧振器的通過(guò)特性S21來(lái)獲得反諧振頻率fa。圖4A和圖4B 示出了當(dāng)從-35°C到85°C以20°C為間隔測(cè)量S11和S21時(shí)的壓電薄膜諧振器的S11和S21 的測(cè)量結(jié)果。
[0039] 如圖4A中所示，第一比較示例的壓電薄膜諧振器具有-27. 3ppm/°C的諧振頻率fr 的溫度系數(shù)以及-32. lppm/°C的反諧振頻率fa的溫度系數(shù)。另一方面，如圖4B中所示，第一 實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器具有-11. 6ppm/°c的諧振頻率fr的溫度系數(shù)以及-10. 5ppm/°C 的反諧振頻率fa的溫度系數(shù)。如上所述，與第一比較示例相比，第一實(shí)施方式的溫度系數(shù) 改善了大約20ppm/°C。頻率的溫度系數(shù)在第一實(shí)施方式中小的原因在于放置了具有符號(hào) 與壓電膜18相反的彈性常數(shù)溫度系數(shù)的溫度補(bǔ)償膜14。如上所述，能夠通過(guò)將溫度補(bǔ)償 膜14放置在下電極16的與壓電膜18相反的一側(cè)的表面上來(lái)減少諧振頻率和反諧振頻率 的溫度依賴性。
[0040] 接下來(lái)將描述測(cè)量第一實(shí)施方式的壓電薄膜諧振器的諧振頻率的Q值、反諧振頻 率的Q值以及機(jī)電耦合系數(shù)的模擬。表1示出了在該模擬中使用的壓電薄膜諧振器的各層 的材料和膜厚度。為了進(jìn)行比較，對(duì)于不包括附加膜12的第二比較示例的壓電薄膜諧振器 執(zhí)行模擬。附加膜12、溫度補(bǔ)償膜14和下電極16的膜厚度被調(diào)整為使得在模擬中使用的 采樣1至3具有相同的溫度特性（大約-10ppm/°C的諧振頻率的溫度系數(shù)）。另外，保護(hù)膜 位于上電極20上。
[0041] [表 1]
[0042]

【權(quán)利要求】
1. 一種聲波裝置，所述聲波裝置包括： 壓電膜，所述壓電膜位于基板上； 下電極和上電極，所述下電極和上電極隔著所述壓電膜而彼此面對(duì)； 溫度補(bǔ)償膜，所述溫度補(bǔ)償膜位于所述下電極和所述上電極中的至少一個(gè)的與所述壓 電膜相反的一側(cè)的表面上，并且具有符號(hào)與所述壓電膜的彈性常數(shù)溫度系數(shù)相反的彈性常 數(shù)溫度系數(shù)；以及 附加膜，所述附加膜位于所述溫度補(bǔ)償膜的與所述壓電膜相反的一側(cè)的表面上，并且 具有比所述溫度補(bǔ)償膜的聲學(xué)阻抗大的聲學(xué)阻抗。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲波裝置，其中 所述下電極和所述上電極中設(shè)置有所述附加膜的電極的每單位面積的質(zhì)量大于所述 附加膜的每單位面積的質(zhì)量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲波裝置，其中 所述附加膜包含與所述下電極和所述上電極相同的材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的聲波裝置，其中 所述下電極和所述上電極中設(shè)置有所述附加膜的電極具有比所述附加膜的厚度大的 厚度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲波裝置，其中 所述附加膜由絕緣材料制成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲波裝置，其中 所述溫度補(bǔ)償膜和所述附加膜被布置為覆蓋所述下電極和所述上電極彼此面對(duì)的諧 振區(qū)域。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的聲波裝置，其中 所述溫度補(bǔ)償膜位于所述下電極的與所述壓電膜相反的一側(cè)的表面上，并且從所述諧 振區(qū)域延伸以覆蓋所述壓電膜的下表面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲波裝置，其中 所述溫度補(bǔ)償膜是主要包含氧化硅、氮化硅或氧化鍺的絕緣膜。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲波裝置，其中 所述壓電膜主要包含氮化鋁。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲波裝置，其中 所述下電極與所述上電極彼此面對(duì)的諧振區(qū)域中，在所述下電極的下方設(shè)置有空隙。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲波裝置，其中 在所述下電極與所述上電極彼此面對(duì)的諧振區(qū)域中，在所述下電極的下方設(shè)置有反射 在所述壓電膜中傳播的聲波的聲學(xué)反射膜。
【文檔編號(hào)】H03H9/17GK104242862SQ201410255261
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月10日
【發(fā)明者】谷口真司, 西原時(shí)弘 申請(qǐng)人:太陽(yáng)誘電株式會(huì)社