專利名稱：薄膜壓電共振器、濾波器以及電壓控制振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜壓電共振器、濾波器以及電壓控制振動(dòng)器。具體地說，本發(fā)明涉及一種利用在壓電薄膜的厚度方向的縱向振動(dòng)的薄膜壓電共振器，具有該薄膜壓電共振器的濾波器，以及具有該濾波器的電壓控制振蕩器。
背景技術(shù)：
為了形成移動(dòng)通信裝置或者包括在移動(dòng)通信裝置中的電壓控制振蕩器(下文簡(jiǎn)稱為“VCO”)，在射頻(RF)濾波器或者中頻(IF)濾波器中使用表面聲波(下文簡(jiǎn)稱為SAW)器件。因?yàn)镾AW器件的共振頻率反比于梳狀電極間的距離，所以在大于1GHz的頻率區(qū)域內(nèi)，梳狀電極間的距離不大于1μm。因?yàn)檫@個(gè)原因，當(dāng)使用的頻率變高時(shí)，SAW器件傾向于很難使用。
作為SAW器件的替代物，近年來，利用在薄膜壓電材料的膜厚方向的縱向振動(dòng)模式的薄膜壓電共振器已經(jīng)吸引了公眾的注意。薄膜壓電共振器稱為FBRA(膜體聲共振器)或者BAW(體聲波)。在薄膜壓電共振器中，根據(jù)薄膜壓電材料的聲速以及膜厚確定共振頻率。通常，當(dāng)薄膜壓電共振器的膜厚在從1μm到2μm的范圍內(nèi)時(shí)，得到2GHz的共振頻率。當(dāng)薄膜壓電共振器的膜厚在從0.4μm到0.8μm的范圍內(nèi)時(shí)，得到5GHz的共振頻率。因此，在最近的成膜技術(shù)中，可實(shí)現(xiàn)升高至數(shù)十GHz的頻率。
在IEEE TRANSECTIONS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES，VOL.43，NO.12，p.2933，DECEMBER 1995中已經(jīng)公開了一種技術(shù)，在該技術(shù)中，如圖39所示，由薄膜壓電共振器101構(gòu)成的梯型濾波器102用作移動(dòng)通信裝置的RF濾波器。梯型濾波器102由在輸入接線端Pin與輸出接線端Pout之間串聯(lián)和并聯(lián)連接的薄膜壓電共振器101構(gòu)成。如圖40所示，薄膜壓電共振器101可以與可變電容器104及放大器105組合，以形成移動(dòng)通信裝置的VCO 103。
在日本2000-69594A中已經(jīng)公開了一種目前最典型的薄膜壓電共振器的結(jié)構(gòu)以及一種制造該薄膜壓電共振器的方法。制造該薄膜壓電共振器的方法如下。首先，通過各向異性蝕刻在硅(Si)襯底的表面中形成空洞。然后，在襯底上形成犧牲層。例如，硼磷摻雜的硅酸鹽玻璃(BPSG)層用作犧牲層。然后，拋光犧牲層的表面直至Si襯底的表面暴露，從而使?fàn)奚鼘拥谋砻孀兤?。結(jié)果，當(dāng)犧牲層嵌入預(yù)先在Si襯底中形成的空洞中時(shí)，可以使在犧牲層周圍的Si襯底的表面暴露。在犧牲層上進(jìn)一步依次層壓下電極、壓電材料以及上電極。然后，形成直到犧牲層的孔。通過該孔，利用選擇蝕刻去除犧牲層，從而在Si襯底與下電極之間形成對(duì)應(yīng)于預(yù)先形成的空洞的腔。當(dāng)完成這一系列的制造步驟時(shí)，薄膜壓電共振器制成。
Proc.IEEE Ultrasonics Symposium，pp.969-972(2002)公開了一種以這樣的方式制造薄膜壓電共振器的方法，在Si晶片的前表面上形成夾在上與下電極之間的壓電薄膜，以及通過硅深反應(yīng)離子蝕刻(Si-Deep-RIE)在Si晶片的后表面中形成腔。氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(AlN)等用于壓電薄膜。
另一方面，IEEE MTT-S Digest TH5D-4，pp.2001-2004公開了一種具有代替腔的聲反射層的薄膜壓電共振器。制造該薄膜壓電共振器的方法如下。首先，在Si襯底的表面中形成空洞。在Si襯底的表面上交替層壓高聲阻抗的膜和低聲阻抗的膜，從而形成聲反射層。然后，拋光聲反射層直至聲反射層嵌入襯底的空洞中，從而使襯底的表面變平。在嵌入空洞中的聲層上層壓下電極、壓電薄膜以及上電極。從而，可以制成薄膜壓電共振器。
然而，在薄膜壓電共振器、由薄膜壓電共振器構(gòu)成的濾波器以及在濾波器中形成的電壓控制振蕩器中，未考慮下面的要點(diǎn)。
薄膜壓電共振器使用了這樣的結(jié)構(gòu)，其中在設(shè)置在襯底中的腔或者聲反射層上依次層壓下電極、壓電材料以及上電極，以及其中在腔或者聲反射層、下電極、壓電材料以及上電極中的交疊區(qū)域用作激發(fā)部分。薄膜壓電共振器的制造工藝條件的變化影響與激發(fā)部分的平面形狀和平面尺寸有關(guān)的腔的開口形狀和開口尺寸或者聲反射層的平面輪廓形狀和輪廓尺寸。也就是說，如果制造工藝條件變化，在變化前后制造的由薄膜壓電共振器構(gòu)成的濾波器的頻率通過特性發(fā)生變化。
在如圖39所示的梯型濾波器102中，在濾波器功能的設(shè)計(jì)方面，梯子臺(tái)階的數(shù)量、串聯(lián)與并聯(lián)連接的順序、各薄膜壓電共振器101的電容值、連接布線的長(zhǎng)度等是重要的參數(shù)。有必要將濾波器的輸入/輸出阻抗調(diào)整為將要設(shè)計(jì)的電路的需要量。通常，濾波器的輸入/輸出阻抗設(shè)定為50Ω。根據(jù)設(shè)計(jì)濾波器電路的需要，確定用于形成一個(gè)濾波器的薄膜壓電共振器101的數(shù)量以及薄膜壓電共振器101的各自的電容值。各薄膜壓電共振器101的電容值正比于激發(fā)部分的平面尺寸(平面面積)。梯型濾波器102由具有不同平面尺寸的激發(fā)部分的薄膜壓電共振器101的組合構(gòu)成。
當(dāng)在設(shè)計(jì)梯型濾波器102時(shí)組合小電容值的薄膜壓電共振器101時(shí)，組合具有小平面尺寸的激發(fā)部分的薄膜壓電共振器101很不利。如果各激發(fā)部分的平面尺寸小，激發(fā)部分的周邊長(zhǎng)度與平面面積的比率變大。周邊長(zhǎng)度的比率的增加引起來自激發(fā)部分的周邊的振動(dòng)能量的釋放比率的增加。相對(duì)于平面面積大的激發(fā)部分，在平面面積小的激發(fā)部分中，由于能量損耗的增加，共振特性顯示出趨于劣化的趨勢(shì)。為了避免這種趨勢(shì)，串聯(lián)連接具有兩倍電容值的激發(fā)部分(薄膜壓電共振器101)以設(shè)計(jì)梯型濾波器102，從而防止某一薄膜壓電共振器101的激發(fā)部分的平面面積變得過小。
相反地，當(dāng)需要大電容值的薄膜壓電共振器101時(shí)，可以降低共振能量的釋放比率，但是在具有支撐在腔上的激發(fā)部分的薄膜壓電共振器101中發(fā)生由于支撐激發(fā)部分的機(jī)械強(qiáng)度(膜強(qiáng)度)的不足造成的斷裂的風(fēng)險(xiǎn)、由變形造成的共振特性的劣化等。為了避免斷裂的風(fēng)險(xiǎn)以及振動(dòng)特性的劣化，并聯(lián)連接具有一半電容值的激發(fā)部分(薄膜壓電共振器101)以設(shè)計(jì)梯型濾波器102，從而防止某一薄膜壓電共振器101的激發(fā)部分的平面面積變得過大。然而，即使根據(jù)濾波特性的設(shè)計(jì)的需要值或各薄膜壓電共振器101的特性的需要值調(diào)整各激發(fā)部分的電容值的情況下，激發(fā)部分的平面面積也變化。
從各薄膜壓電共振器101的結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)，要求腔的開口尺寸或者聲反射層的輪廓尺寸大于激發(fā)部分的平面尺寸這樣的長(zhǎng)度，其足以減弱從激發(fā)部分的周邊泄漏的振動(dòng)能量。至少，設(shè)置腔或者聲反射層包圍激發(fā)部分，其中在腔或者聲反射層與激發(fā)部分之間保持預(yù)定的距離。在這種情況下，在由多個(gè)薄膜壓電共振器101構(gòu)成的梯型濾波器102中，根據(jù)薄膜壓電共振器101產(chǎn)生開口尺寸不同的腔或者輪廓尺寸不同的聲反射層。結(jié)果，發(fā)生下面的問題。
如圖41所示，在日本2000-69594A中公開的用于制造薄膜壓電共振器101的方法中，在將犧牲層112嵌入襯底110中的開口尺寸不同的腔111中的平坦化和拋光處理之后，容易發(fā)生這樣的凹陷113，其中當(dāng)開口尺寸變大時(shí)，在腔111中各犧牲層112的表面中的空洞變大。如圖42所示，容易發(fā)生這樣的侵蝕114，其中當(dāng)開口尺寸減小時(shí)，在各腔111中的犧牲層112及其周邊的襯底110的表面被侵蝕。凹陷113或者侵蝕114劣化了犧牲層112的表面(襯底110的表面)的平坦度，從而劣化了在犧牲層112的表面上形成的下電極和壓電材料的結(jié)晶度。
此外，在去除犧牲層112的過程中，去除的犧牲層112的體積根據(jù)腔111的開口尺寸變化。因此，去除犧牲層112的蝕刻時(shí)間根據(jù)腔111變化，所以很難設(shè)定蝕刻的終點(diǎn)。此外，當(dāng)基于化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行蝕刻時(shí)，蝕刻劑的施加狀態(tài)根據(jù)在梯型濾波器102中的薄膜壓電共振器101的設(shè)置位置變化，所以犧牲層112的蝕刻速度根據(jù)薄膜壓電共振器101變化。具體地說，在中心位置設(shè)置的薄膜壓電共振器101的犧牲層112與在中心位置的周邊設(shè)置的薄膜壓電共振器101的犧牲層112之間，蝕刻劑的濃度局部地變化，所以兩者的蝕刻速度彼此不同。也因?yàn)槲g刻速度的這種變化，很難設(shè)定蝕刻的終點(diǎn)。為了去除所有犧牲層112，進(jìn)行過量時(shí)間的蝕刻。
在Proc.IEEE Ultrasonics Symposium，pp.969-972(2002)中公開的用于制造薄膜壓電共振器101的方法中，通過在襯底110上層壓下電極、壓電材料以及上電極形成激發(fā)部分后，當(dāng)通過Si-Deep-RIE方法在激發(fā)部分正下方的襯底110的后表面中形成腔111時(shí)，蝕刻時(shí)容易發(fā)生微負(fù)載效應(yīng)。微負(fù)載效應(yīng)是這樣的現(xiàn)象，在開口尺寸小的腔111中的蝕刻速度變得慢于在開口尺寸大的腔111中的蝕刻速度。如果將條件設(shè)定為使在開口尺寸小的腔111中可以完全地完成蝕刻，在開口尺寸大的腔111中的過蝕刻時(shí)間變得如此長(zhǎng)，以致在停止層115的正上方容易發(fā)生隧穿，也就是凹口116，如圖43所示。
此外，與濕法蝕刻相同，蝕刻速度根據(jù)腔111的設(shè)置密度變化。在梯型濾波器102中，在一個(gè)薄膜壓電共振器101的腔111中的犧牲層的蝕刻速度與在上述薄膜壓電共振器101的周圍設(shè)置的其它薄膜壓電共振器101的腔111中的犧牲層的蝕刻速度不同。而且，在這種情況下，根據(jù)腔111的設(shè)置位置造成過蝕刻時(shí)間的增加，所以在其它薄膜壓電共振器101的腔111中產(chǎn)生凹口116。因?yàn)榘伎?16的產(chǎn)生改變了腔111的開口尺寸，從而改變了附加到激發(fā)部分(壓電電容器)的寄生電容值，梯型濾波器102的頻率特性改變。
此外，在梯型濾波器102中，因?yàn)橄噜彽卦O(shè)置薄膜壓電共振器101的腔111，這樣的凹口116使在相鄰腔111之間的壁如此薄，以致根據(jù)具體情況由于壁的破壞削弱了襯底110的機(jī)械強(qiáng)度。此外，因?yàn)榇蟀伎?16使腔111的開口端部形狀改變?yōu)槿菀装l(fā)生應(yīng)力集中的凹凸形狀，削弱了激發(fā)部分的薄膜的抗斷裂的機(jī)械強(qiáng)度。此外，如果激發(fā)部分鄰接由凹口116導(dǎo)致的開口端部的凹凸部分，在共振特性中發(fā)生假響應(yīng)，從而劣化梯型濾波器102的濾波特性。
在IEEE MTT-S Digest TH5D-4.pp.2001-2004中公開的制造薄膜壓電共振器101的方法中，在聲反射層的表面上形成的下電極和壓電材料的結(jié)晶度劣化，因?yàn)楦鶕?jù)嵌入襯底中的聲反射層的平坦化和拋光處理，凹陷113或者侵蝕114容易以與在日本2000-69594A中公開的制造薄膜壓電共振器101的方法相同的方式發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
在這些情況下，形成了本發(fā)明。本發(fā)明提供了一種薄膜壓電共振器，其中在各腔或者聲反射層上設(shè)置的激發(fā)部分的結(jié)晶度可以得到改善，從而可以降低所述激發(fā)部分的電容值的變化。
此外，本發(fā)明提供了一種由所述薄膜壓電共振器構(gòu)成的濾波器以及電壓控制振蕩器，其中濾波特性可以得到改善。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，一種薄膜壓電共振器包括襯底、第一激發(fā)部分以及第二激發(fā)部分。所述襯底包括相互隔離設(shè)置的第一腔和第二腔。所述第一激發(fā)部分設(shè)置在所述第一腔上。所述第一激發(fā)部分包括依次層壓的第一電極、第一壓電材料以及第二電極。在所述第一電極、所述第一壓電材料以及所述第二電極間的交疊區(qū)域限定所述第一激發(fā)部分的周邊的輪廓。第一距離定義為從所述第一激發(fā)部分的端部到所述第一腔的開口端部的距離。所述第二激發(fā)部分設(shè)置在所述第二腔上。所述第二激發(fā)部分包括依次層壓的第三電極、第二壓電材料以及第四電極。在所述第三電極、所述第二壓電材料以及所述第四電極間的交疊區(qū)域限定所述第二激發(fā)部分的周邊的輪廓。第二距離定義為從所述第二激發(fā)部分的端部到所述第二腔的開口端部的距離。所述第二距離與所述第一距離不同。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，一種濾波器包括襯底、第一薄膜壓電共振器以及第二薄膜壓電共振器。所述襯底包括相互隔離設(shè)置的第一腔和第二腔。所述第一薄膜壓電共振器包括設(shè)置在所述第一腔上的第一激發(fā)部分。所述第一激發(fā)部分包括依次層壓的第一電極、第一壓電材料以及第二電極。在所述第一電極、所述第一壓電材料以及所述第二電極間的交疊區(qū)域限定所述第一激發(fā)部分的周邊的輪廓。第一距離定義為從所述第一激發(fā)部分的端部到所述第一腔的開口端部的距離。所述第二薄膜壓電共振器包括設(shè)置在所述第二腔上的第二激發(fā)部分。所述第二激發(fā)部分包括依次層壓的第三電極、第二壓電材料以及第四電極。在所述第三電極、所述第二壓電材料以及所述第四電極間的交疊區(qū)域限定所述第二激發(fā)部分的周邊的輪廓。第二距離定義為從所述第二激發(fā)部分的端部到所述第二腔的開口端部的距離。所述第二距離與所述第一距離不同。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，一種濾波器包括襯底、第一薄膜壓電共振器以及第二薄膜壓電共振器。所述襯底包括相互隔離設(shè)置的第一腔和第二腔。所述第一薄膜壓電共振器包括設(shè)置在所述第一腔上的第一激發(fā)部分。所述第一激發(fā)部分包括依次層壓的第一電極、第一壓電材料以及第二電極。在所述第一電極、所述第一壓電材料以及所述第二電極間的交疊區(qū)域限定所述第一激發(fā)部分的周邊的輪廓。所述第二薄膜壓電共振器包括設(shè)置在所述第二腔上的第二激發(fā)部分。所述第二激發(fā)部分包括依次層壓的第三電極、第二壓電材料以及第四電極。在所述第三電極、所述第二壓電材料以及所述第四電極間的交疊區(qū)域限定所述第二激發(fā)部分的周邊的輪廓。所述第一腔的開口形狀與所述第二腔的開口形狀相同。所述第一腔的開口尺寸與所述第二腔的開口尺寸相同。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，一種濾波器包括襯底、第一薄膜壓電共振器以及多個(gè)第二薄膜壓電共振器。所述襯底包括相互隔離設(shè)置的第一腔和多個(gè)第二腔。所述第二腔設(shè)置在所述第一腔的周圍。所述第一薄膜壓電共振器包括設(shè)置在所述第一腔上的第一激發(fā)部分。所述第一激發(fā)部分包括依次層壓的第一電極、第一壓電材料以及第二電極。在所述第一電極、所述第一壓電材料以及所述第二電極間的交疊區(qū)域限定所述第一激發(fā)部分的周邊的輪廓。所述第二薄膜壓電共振器各包括設(shè)置在所述第二腔上的第二激發(fā)部分。各第二激發(fā)部分包括依次層壓的第三電極、第二壓電材料以及第四電極。在所述第三電極、所述第二壓電材料以及所述第四電極間的交疊區(qū)域限定各第二激發(fā)部分的周邊的輪廓。所述第一腔的開口尺寸大于各所述第二腔的開口尺寸。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，一種薄膜壓電共振器包括襯底、第一激發(fā)部分以及第二激發(fā)部分。所述襯底包括相互隔離設(shè)置的第一聲反射層和第二聲反射層。所述第一激發(fā)部分設(shè)置在所述第一聲反射層上。所述第一激發(fā)部分包括依次層壓的第一電極、第一壓電材料以及第二電極。在所述第一電極、所述第一壓電材料以及所述第二電極間的交疊區(qū)域限定所述第一激發(fā)部分的周邊的輪廓。第一距離定義為從所述第一激發(fā)部分的端部到所述第一聲反射層的輪廓端部的距離。所述第二激發(fā)部分設(shè)置在所述第二聲反射層上。所述第二激發(fā)部分包括依次層壓的第三電極、第二壓電材料以及第四電極。在所述第三電極、所述第二壓電材料以及所述第四電極間的交疊區(qū)域限定所述第二激發(fā)部分的周邊的輪廓。第二距離定義為從所述第二激發(fā)部分的端部到所述第二聲反射層的輪廓端部的距離。所述第二距離與所述第一距離不同。
根據(jù)本發(fā)明的第六方面，一種濾波器包括襯底、第一薄膜壓電共振器以及第二薄膜壓電共振器。所述襯底包括相互隔離設(shè)置的第一聲反射層和第二聲反射層。所述第一薄膜壓電共振器包括設(shè)置在所述第一聲反射層上的第一激發(fā)部分。所述第一激發(fā)部分包括依次層壓的第一電極、第一壓電材料以及第二電極。在所述第一電極、所述第一壓電材料以及所述第二電極間的交疊區(qū)域限定所述第一激發(fā)部分的周邊的輪廓。第一距離定義為從所述第一激發(fā)部分的端部到所述第一聲反射層的輪廓端部的距離。所述第二薄膜壓電共振器包括設(shè)置在所述第二聲反射層上的第二激發(fā)部分。所述第二激發(fā)部分包括依次層壓的第三電極、第二壓電材料以及第四電極。在所述第三電極、所述第二壓電材料以及所述第四電極間的交疊區(qū)域限定所述第二激發(fā)部分的周邊的輪廓。第二距離定義為從所述第二激發(fā)部分的端部到所述第二聲反射層的輪廓端部的距離。所述第二距離與所述第一距離不同。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，可以改善在所述腔或者聲反射層上設(shè)置的所述激發(fā)部分的結(jié)晶度，從而可以降低所述激發(fā)部分的電容值的變化。
而且，也可以提供一種由薄膜壓電共振器構(gòu)成的濾波器以及電壓控制振蕩器，其中濾波特性可以得到改善。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的薄膜壓電共振器以及濾波器的平面圖；圖2是沿圖1所示的F2-F2線切割的薄膜壓電共振器以及濾波器的截面圖；圖3是重要部件的平面圖，用于說明在圖1所示的某一薄膜壓電共振器中的腔與激發(fā)部分之間的位置關(guān)系；圖4是重要部件的典型平面圖，用于說明在圖1所示的某一薄膜壓電共振器中的平均距離；圖5是重要部件的典型平面圖，用于說明在圖1所示的某一薄膜壓電共振器中的平均距離；圖6是重要部件的典型平面圖，用于說明在圖1所示的某一薄膜壓電共振器中的平均距離；圖7示出了在第一實(shí)施例的第一實(shí)例中各腔的開口尺寸與蝕刻時(shí)間之間的關(guān)系；圖8是第一步驟截面圖，用于說明根據(jù)第一實(shí)例制造薄膜壓電共振器以及濾波器的方法；圖9是第二步驟截面圖；圖10是第三步驟截面圖；圖11是第四步驟截面圖；圖12是第五步驟截面圖；圖13是根據(jù)第一實(shí)例的濾波器的電路圖；圖14是示出了在根據(jù)第一實(shí)例的濾波器中各薄膜壓電共振器的電容比的圖表；
圖15是示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的第一至第三實(shí)例的薄膜壓電共振器的設(shè)計(jì)項(xiàng)目、蝕刻條件以及效果的圖表；圖16是根據(jù)第一實(shí)施例的第一比較實(shí)例的薄膜壓電共振器以及濾波器的平面圖；圖17是根據(jù)第一實(shí)施例的第二實(shí)例的濾波器的電路圖；圖18是根據(jù)第二實(shí)例的薄膜壓電共振器以及濾波器的平面圖；圖19是示出了在根據(jù)第二實(shí)例的濾波器中各薄膜壓電共振器的電容比的圖表；圖20是根據(jù)第一實(shí)施例的第二比較實(shí)例的薄膜壓電共振器以及濾波器的平面圖；圖21是根據(jù)第一實(shí)施例的第三實(shí)例的薄膜壓電共振器以及濾波器的平面圖；圖22是根據(jù)第一實(shí)施例的第三比較實(shí)例的薄膜壓電共振器以及濾波器的平面圖；圖23是示出了在根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的濾波器中薄膜壓電共振器的腔的設(shè)置布局的平面圖；圖24示出了在第二實(shí)施例中各腔的開口尺寸與蝕刻時(shí)間之間的關(guān)系；圖25是根據(jù)第二實(shí)施例的薄膜壓電共振器以及濾波器的電路圖；圖26是示出了在圖25所示的濾波器中薄膜壓電共振器的電容比的圖表；圖27是根據(jù)第二實(shí)施例的實(shí)例的薄膜壓電共振器以及濾波器的平面圖；圖28是根據(jù)第二實(shí)施例的比較實(shí)例的薄膜壓電共振器以及濾波器的平面圖；圖29是第一步驟截面圖，用于說明根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例制造薄膜壓電共振器以及濾波器的方法；圖30是第二步驟截面圖；圖31是第三步驟截面圖；
圖32是根據(jù)第三實(shí)施例的實(shí)例的薄膜壓電共振器以及濾波器的平面圖；圖33是根據(jù)第三實(shí)施例的比較實(shí)例的薄膜壓電共振器以及濾波器的平面圖；圖34是第一步驟截面圖，用于說明根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例制造薄膜壓電共振器以及濾波器的方法；圖35是第二步驟截面圖；圖36是第三步驟截面圖；圖37是根據(jù)第四實(shí)施例的實(shí)例的薄膜壓電共振器以及濾波器的平面圖；圖38是根據(jù)第四實(shí)施例的比較實(shí)例的薄膜壓電共振器以及濾波器的平面圖；圖39是根據(jù)背景技術(shù)的梯型濾波器的電路圖；圖40是根據(jù)背景技術(shù)的VCO的電路圖；圖41是薄膜壓電共振器的重要部件的截面圖，用于說明在背景技術(shù)中的問題；圖42是薄膜壓電共振器的重要部件的截面圖，用于說明在背景技術(shù)中的問題；以及圖43是薄膜壓電共振器的重要部件的截面圖，用于說明在背景技術(shù)中的問題。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例。在下面的說明中，為了省略重復(fù)的說明，相同標(biāo)號(hào)表示相同部件。
(第一實(shí)施例)[薄膜壓電共振器的結(jié)構(gòu)]如圖1和2所示，根據(jù)第一實(shí)施例的濾波器(薄膜壓電共振器濾波器)1包括襯底2、薄膜壓電共振器(用作第一薄膜壓電共振器)31、32、34、36和37，以及薄膜壓電共振器(用作第二薄膜壓電共振器)33和35。襯底2包括相互隔離設(shè)置的腔(用作第一腔)21、22、24、26和27，以及腔(用作第二腔)23和25。第一薄膜壓電共振器31、32、34、36和37包括分別在第一腔21、22、24、26和27上設(shè)置的激發(fā)部分(用作第一激發(fā)部分)71、72、74、76和77。各第一激發(fā)部分71、72、74、76和77以這樣的方式形成，依次層壓下電極(用作第一電極)4、壓電材料(用作第一壓電材料)5以及上電極(用作第二電極)6。層4、5以及6相互交疊的區(qū)域限定各第一激發(fā)部分的輪廓。第二薄膜壓電共振器33和35包括分別在第二腔23和25上設(shè)置的激發(fā)部分(用作第二激發(fā)部分)73和75。各第二激發(fā)部分73和75以這樣的方式形成，依次層壓下電極(用作第三電極)4、壓電材料(用作第二壓電材料)5以及上電極(用作第四電極)6。層4、5以及6相互交疊的區(qū)域限定各第二激發(fā)部分的輪廓。在濾波器1中，平均距離(第二平均距離)d2，即從激發(fā)部分73和75的端部到腔23和25的開口端部的距離的平均值，比平均距離(第一平均距離)d1，即從激發(fā)部分71、72、74、76和77的端部到腔21、22、24、26和27的開口端部的距離的平均值，長(zhǎng)出至少對(duì)準(zhǔn)容差。
根據(jù)第一實(shí)施例在濾波器1中設(shè)置的薄膜壓電共振器的數(shù)量不限于上述數(shù)量。在圖1中，七個(gè)薄膜壓電共振器31至37組合形成濾波器1。也就是說，薄膜壓電共振器34設(shè)置在濾波器1的中心。薄膜壓電共振器31至33設(shè)置在薄膜壓電共振器34的周圍右側(cè)。薄膜壓電共振器35至37設(shè)置在薄膜壓電共振器34的周圍左側(cè)。
各薄膜壓電共振器31至37(為了薄膜壓電共振器的總體說明，由參考標(biāo)號(hào)“3”標(biāo)示)利用在壓電材料5的厚度方向的縱向振動(dòng)的共振。為限定壓電材料5的振動(dòng)在下電極4正下方設(shè)置的各腔21至27(為了腔的總體說明，由參考標(biāo)號(hào)“2H”標(biāo)示，并且等價(jià)于下面將要說明的實(shí)施例中的聲反射層)需要具有不小于從激發(fā)部分71至77(為了激發(fā)部分的總體說明，由參考標(biāo)號(hào)“7”標(biāo)示)的端部泄漏的振動(dòng)的長(zhǎng)度λ的尺寸，各激發(fā)部分具有下電極4、上電極6以及與下和上電極4和6交疊的壓電材料5。也就是說，在激發(fā)部分7的所有周邊(某一激發(fā)部分的所有周邊)中，激發(fā)部分7的端部至腔2H的平均距離d滿足d＞λ。這里，各激發(fā)部分7由腔2H(或者聲反射層)、下電極4、壓電材料5以及上電極6相互交疊的所有區(qū)域構(gòu)成。
圖3示出了在平面圖中腔2H與激發(fā)部分7均簡(jiǎn)單地為例如矩形的形狀的情況下，在某一薄膜壓電共振器3中腔2H與激發(fā)部分7之間的平面位置關(guān)系。因?yàn)殚L(zhǎng)度λ估計(jì)在從1μm至2μm的范圍內(nèi)，在通過對(duì)長(zhǎng)度λ增加制造時(shí)的對(duì)準(zhǔn)容差的值的基礎(chǔ)上，設(shè)定平均距離d。這里，術(shù)語(yǔ)“對(duì)準(zhǔn)容差”指在相對(duì)于腔2H的對(duì)準(zhǔn)位置的激發(fā)部分7的對(duì)準(zhǔn)位置中，用于制造裝置的對(duì)準(zhǔn)誤差(制造時(shí)在掩膜對(duì)準(zhǔn)中的誤差)的容差。在由多個(gè)不同尺寸的共振器組合構(gòu)成的一般濾波器中，無論各共振器的尺寸如何，腔的開口端部與激發(fā)部分的端部之間的距離恒定。在這種情況下，因?yàn)榘l(fā)生上述問題，需要在制造過程中嚴(yán)格管理。因此，通過頑強(qiáng)(robust)的設(shè)計(jì)方法制造了在根據(jù)第一實(shí)施例的濾波器1中的腔2H(或者聲反射層)，其中制造方法很頑強(qiáng)。該頑強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法如下。
(1)第一設(shè)計(jì)方法在假定采用用于預(yù)先蝕刻/去除嵌入襯底2的各腔2H中的犧牲層的制造方法的情況下，采用第一設(shè)計(jì)方法。首先，對(duì)于構(gòu)成濾波器1的薄膜壓電共振器3，設(shè)計(jì)具有最大容量的激發(fā)部分(最大的平面尺寸)的薄膜壓電共振器3，以使腔2H的開口尺寸和開口形狀滿足關(guān)系d(平均距離)＞λ(長(zhǎng)度)。然后，設(shè)計(jì)另一薄膜壓電共振器3，以使其具有腔2H，該腔2H具有與先前設(shè)計(jì)的最大腔2H相同的開口尺寸和開口形狀。然后，考慮到薄膜壓電共振器3與其它薄膜壓電共振器3之間的設(shè)置位置和布線布局(下電極4的引出布線與上電極6的引出布線的圖形)，輕微調(diào)整腔2H的開口尺寸和開口形狀的設(shè)計(jì)。因?yàn)槿绻?H的開口尺寸與激發(fā)部分7的平面尺寸之間的差別過大，在制造腔2H時(shí)激發(fā)部分7的膜強(qiáng)度降低，根據(jù)下電極4、壓電材料5以及上電極6的各自應(yīng)力設(shè)計(jì)，將腔2H的開口尺寸和開口形狀的設(shè)計(jì)調(diào)整在某一范圍內(nèi)以保持膜強(qiáng)度。
在根據(jù)這種設(shè)計(jì)方法制造的濾波器1中，至少一個(gè)薄膜壓電共振器3的激發(fā)部分7的端部與腔2H的開口端部之間的平均距離d不同于另一薄膜壓電共振器3的激發(fā)部分7的端部與腔2H的開口端部之間的平均距離d。因?yàn)榕c從激發(fā)部分的端部到腔的開口端部的距離恒定的情況相比，腔2H的開口尺寸或者開口形狀分布較窄，可以抑制在襯底平坦化過程中產(chǎn)生凹陷(圖41中的參考標(biāo)號(hào)113)或者侵蝕(圖42中的參考標(biāo)號(hào)114)。襯底的平坦度尤其影響下電極4和壓電材料5的結(jié)晶度和表面形貌，所以平坦的襯底使得可以形成壓電材料5的良好結(jié)晶度的平坦膜。對(duì)于高性能的薄膜壓電共振器3的制造，壓電材料5的結(jié)晶度和平坦度是重要的參數(shù)，因?yàn)榻Y(jié)晶度和平坦度與表示薄膜壓電共振器3的性能的機(jī)械耦合系數(shù)和Q值有較大關(guān)聯(lián)。
當(dāng)通過蝕刻去除嵌入開口尺寸小的腔2H中的犧牲層或者在制造過程中分布窄的犧牲層時(shí)，根據(jù)多個(gè)薄膜壓電共振器3的蝕刻時(shí)間的變化減小，從而在制造過程中可以容易地進(jìn)行步驟管理。此外，在例如以其中一個(gè)薄膜壓電共振器3被其它薄膜壓電共振器3圍繞的布局，例如由七個(gè)或者更多個(gè)薄膜壓電共振器3組合構(gòu)成的濾波器1中，嵌入位于中心位置的薄膜壓電共振器3的腔2H中的犧牲層的蝕刻速度變得低于嵌入位于周邊部分的任何其它薄膜壓電共振器3的腔2H中的犧牲層的蝕刻速度，因?yàn)槲g刻溶液的濃度變得局部不均勻?？紤]到這個(gè)現(xiàn)象，當(dāng)將位于中心部分的薄膜壓電共振器3的犧牲層設(shè)計(jì)為小于位于周邊部分的其它薄膜壓電共振器3的犧牲層時(shí)，在濾波器1中，可以使?fàn)奚鼘拥奈g刻終點(diǎn)時(shí)間均勻。在采用這種設(shè)計(jì)的濾波器1中，可以抑制在制造過程中由襯底平坦化步驟產(chǎn)生凹陷或者侵蝕。
(2)第二設(shè)計(jì)方法在假定采用用于通過Deep-RIE方法從后表面向前表面蝕刻襯底2以形成腔2H的制造方法的情況下，采用第二設(shè)計(jì)方法。首先，對(duì)于構(gòu)成濾波器1的薄膜壓電共振器3，設(shè)計(jì)具有最大容量的激發(fā)部分的薄膜壓電共振器3，以使腔2H的開口尺寸和開口形狀滿足關(guān)系d(平均距離)＞λ(長(zhǎng)度)。然后，設(shè)計(jì)另一薄膜壓電共振器3，以使其具有腔2H，該腔2H具有與先前設(shè)計(jì)的最大腔2H相同的開口尺寸和開口形狀。然后，考慮到薄膜壓電共振器3與其它薄膜壓電共振器3之間的設(shè)置位置和布線布局，輕微調(diào)整腔2H的開口尺寸和開口形狀的設(shè)計(jì)。因?yàn)槿绻?H的開口尺寸與激發(fā)部分7的平面尺寸之間的差別過大，在制造腔2H時(shí)激發(fā)部分7的膜強(qiáng)度降低，根據(jù)下電極4、壓電材料5以及上電極6的各自的應(yīng)力設(shè)計(jì)，將腔2H的開口尺寸和開口形狀的設(shè)計(jì)調(diào)整在某一范圍內(nèi)以保持膜強(qiáng)度。
在根據(jù)這種設(shè)計(jì)方法制造的濾波器1中，至少一個(gè)薄膜壓電共振器3的激發(fā)部分7的端部與腔2H的開口端部之間的平均距離d不同于其它薄膜壓電共振器3的激發(fā)部分7的端部與腔2H的開口端部之間的平均距離d。因?yàn)榕c從激發(fā)部分的端部到腔的開口端部的距離恒定的情況相比，腔2H的開口尺寸或者開口形狀分布較窄，可以抑制在Deep-RIE步驟中襯底2的蝕刻速度的變化，從而可以縮短直到形成所有薄膜壓電共振器3的腔2H的過蝕刻時(shí)間。過蝕刻時(shí)間的縮短可以抑制凹口的形成(圖43中的參考標(biāo)號(hào)116)。結(jié)果，可以減小對(duì)薄膜壓電共振器3增加的寄生電容的估計(jì)余量，因此可以改善濾波器1的濾波特性。在濾波器1中，因?yàn)橥ㄟ^抑制凹口的形成可以減小鄰近設(shè)置的薄膜壓電共振器3之間的距離，布線的長(zhǎng)度可以縮短，從而可以降低布線的阻抗。
此外，在Deep-RIE步驟后進(jìn)行的停止層去除步驟(用于去除設(shè)置在襯底2與下電極4之間的蝕刻停止層)中，各腔2H的內(nèi)壁表面可以形成為無任何凹口的平面。也就是說，因?yàn)榭梢栽谇?H中消除干法蝕刻時(shí)由各凹口導(dǎo)致的陰影或者濕法蝕刻時(shí)由各凹口導(dǎo)致的死胡同(blind lane)的形成，從而可以消除犧牲層的殘余物，可以防止共振特性的假響應(yīng)，從而改善濾波特性。
在由共九個(gè)或者更多個(gè)薄膜壓電共振器3構(gòu)成的濾波器1的制造過程中，其中提供這些薄膜壓電共振器3，以使一個(gè)薄膜壓電共振器3設(shè)置在中心部分，以及八個(gè)薄膜壓電共振器3以等角的45度的間距設(shè)置在周邊部分，由于負(fù)載效應(yīng)，用于形成設(shè)置在中心部分的薄膜壓電共振器3的腔2H的RIE蝕刻速度變得慢于用于形成設(shè)置在周邊部分的薄膜壓電共振器3的腔2H的RIE蝕刻速度。當(dāng)考慮到這種現(xiàn)象，將設(shè)置在中心位置的薄膜壓電共振器3的腔2H的開口尺寸設(shè)計(jì)為大于設(shè)置在周邊部分的各薄膜壓電共振器3的腔2H的開口尺寸時(shí)，可以使濾波器1中所有薄膜壓電共振器3的腔2H的蝕刻終點(diǎn)時(shí)間均勻，從而可以縮短襯底2的過蝕刻時(shí)間。
(3)腔的開口端部與激發(fā)部分的端部之間的平均距離將說明各薄膜壓電共振器3中腔2H的開口端部與激發(fā)部分7的端部之間的平均距離。對(duì)平均距離d的相同定義也可以應(yīng)用到稍后將說明的聲反射層的輪廓與激發(fā)部分7的端部之間的平均距離d。
如圖4所示，當(dāng)腔2H的開口形狀為四邊形而激發(fā)部分7的平面形狀(平面輪廓形狀)為與該開口形狀不相似但小于該開口形狀的四邊形時(shí)，平均距離d等于以這種方式得到的值(d＝S/L)，即在這些區(qū)域中的面積S1、S2、S3和S4的和S除以作為激發(fā)部分7的端部的長(zhǎng)度L1、L2、L3和L4的和的周長(zhǎng)L，其中所述各區(qū)域被腔2H的開口端部、面對(duì)腔2H的該開口端部的激發(fā)部分7的端部以及從腔2H的開口端部到激發(fā)部分7的端部繪制的兩條垂直線包圍，從而無論腔2H的開口形狀和激發(fā)部分7的平面形狀(輪廓形狀)如何，以最大間隔距離使各區(qū)域互相間隔。
如圖5所示，當(dāng)腔2H的開口形狀為圓形而激發(fā)部分7的平面形狀為具有包括在腔2H中的平面尺寸的矩形時(shí)，平均距離d等于以這種方式得到的值(d＝S/L)，即通過從腔2H的開口面積中減去激發(fā)部分7的平面面積得到的面積S除以作為激發(fā)部分7的端部的長(zhǎng)度L1、L2、L3和L4的和的周長(zhǎng)L。
如圖6所示，當(dāng)腔2H的開口形狀為四邊形以及激發(fā)部分7的平面形狀為四邊形(類似圖4所示的情況)，同時(shí)腔2H的開口形狀與激發(fā)部分7的平面形狀具有這樣的位置關(guān)系，其中開口形狀的一部分(邊)與激發(fā)部分7的端部的一部分(邊)互相交疊時(shí)，平均距離d等于以這種方式得到的值(d＝S/L)，即在這些區(qū)域中的面積S1、S2和S3的和S除以作為激發(fā)部分7的端部的長(zhǎng)度L1、L2、L3和L4的和的周長(zhǎng)L，其中所述各區(qū)域被腔2H的開口端部、面對(duì)腔2H的該開口端部的激發(fā)部分7的端部以及從腔2H的開口端部到激發(fā)部分7的端部繪制的兩條垂直線包圍，以使除交疊部分外各區(qū)域以最大間隔距離互相間隔。
下面將說明薄膜壓電共振器3以及由薄膜壓電共振器3構(gòu)成的濾波器1的具體的第一實(shí)例。
(1)與相對(duì)于腔的開口尺寸的凹口量的變化相關(guān)的評(píng)估以這種方式制造構(gòu)成濾波器1的薄膜壓電共振器3的腔2H，即利用Bosch方法通過ICP-RIE裝置(感應(yīng)耦合等離子體-反應(yīng)離子蝕刻)朝向前表面蝕刻襯底2的后表面。在該Bosch方法中，用于蝕刻襯底2尤其是硅的SF6氣體以及用于在蝕刻孔的側(cè)壁上產(chǎn)生聚合物保護(hù)膜的C4F8氣體用作蝕刻氣體，以便垂直且深蝕刻Si，同時(shí)交替進(jìn)行蝕刻工藝和產(chǎn)生保護(hù)膜的工藝。
圖7示出了在制造具有正方形開口形狀的腔2H時(shí)腔2H的開口尺寸與蝕刻時(shí)間之間的關(guān)系。200μm厚的硅襯底用作襯底2。在圖7中，水平軸表示腔2H的開口尺寸(邊長(zhǎng)μm)，以及垂直軸表示蝕刻時(shí)間(分鐘)。熱氧化Si(SiO2)膜用作蝕刻停止層。
如圖7所示，分別在四種蝕刻條件(條件1至條件4)下測(cè)量蝕刻時(shí)間。無論蝕刻條件如何，蝕刻時(shí)間根據(jù)腔2H的開口尺寸的變化而變化。存在蝕刻時(shí)間隨開口尺寸的增大而縮短的趨勢(shì)。另外，在，隨著蝕刻時(shí)間變短以使制造過程中蝕刻條件變得有利，蝕刻時(shí)間分布變寬。例如，在由各腔2H的開口尺寸在從100μm×100μm至200μm×200μm的范圍內(nèi)的薄膜壓電共振器3的組合制造濾波器1的情況下，需要至少4分鐘且至多30分鐘的過蝕刻時(shí)間。當(dāng)例如6英寸大小的晶片用作襯底2時(shí)，蝕刻狀態(tài)在從晶片的中心到晶片的各端部部分的區(qū)域內(nèi)變化，所以需要將與蝕刻狀態(tài)的變化相對(duì)應(yīng)的蝕刻時(shí)間的差異作為過蝕刻時(shí)間余量。盡管過蝕刻時(shí)間余量取決于制造裝置的特性，過蝕刻時(shí)間余量通常為從約1分鐘30秒至約2分鐘。另一方面，在從襯底2的后表面開始的蝕刻到達(dá)在襯底2的前表面上的停止層后，凹口生長(zhǎng)速度為約每分鐘2μm。在Deep-RIE的這種評(píng)估結(jié)果的基礎(chǔ)上，制造根據(jù)第一實(shí)例的薄膜壓電共振器3以及濾器1。
(2)薄膜壓電共振器的制造方法下面將說明根據(jù)第一實(shí)例的薄膜壓電共振器3以及濾器1的具體制造方法。
首先，制備襯底2。例如，具有(100)晶面且具有1kΩ·cm或更高的高阻抗值的Si襯底用作襯底2。在襯底2的表面上形成底層201(見圖8)。膜厚為200nm的熱氧化Si膜用作底層201。底層201用作下電極4的底層并且用作形成腔2H的蝕刻停止層。
如圖8所示，在底層201上將要形成薄膜壓電共振器3的區(qū)域中形成下電極4。例如，膜厚為200nm至250nm的Al膜或者Al合金膜用作下電極4。在通過濺射方法等在襯底2的前表面的整個(gè)區(qū)域上將下電極4形成為膜后，通過光刻形成掩膜。使用掩膜時(shí)，通過例如RIE的蝕刻構(gòu)圖下電極4。
如圖9所示，在下電極4上將要形成薄膜壓電共振器3的區(qū)域中形成壓電材料5。例如，膜厚為1500nm至3000nm的AlN膜用作壓電材料5。在通過濺射方法等在襯底2的前表面的整個(gè)區(qū)域上將壓電材料5形成為膜后，通過光刻形成掩膜。使用掩膜時(shí)，通過例如RIE的蝕刻構(gòu)圖壓電材料5。具有與AlN膜相同的六方晶系晶體結(jié)構(gòu)的ZnO可以代替AlN膜用作壓電材料5。
如圖10所示，在壓電材料5上將要形成薄膜壓電共振器3的區(qū)域中形成上電極6。例如，膜厚為200nm至300nm的Al膜、Al合金膜或者M(jìn)o膜用作上電極6。在通過濺射方法等在襯底2的前表面的整個(gè)區(qū)域上將上電極6形成為膜后，通過光刻形成掩膜。使用掩膜時(shí)，通過例如RIE的蝕刻構(gòu)圖上電極6。
當(dāng)濾波器1為并聯(lián)型濾波器時(shí)，然后在上電極6上形成未示出但提供為改變共振頻率而提供的質(zhì)量負(fù)載層。如圖11所示，然后在襯底2的后表面上形成掩膜10，在該掩膜10中將要形成腔2H的區(qū)域被開口。例如，通過光刻形成掩膜10。
如圖12所示，當(dāng)利用掩膜10時(shí)，朝向襯底2的前表面對(duì)后表面進(jìn)行Deep-RIE，從而在襯底2的將要形成薄膜壓電共振器3的區(qū)域中形成腔2H。為了形成腔2H，底層201用作蝕刻停止層。
例如通過濕法蝕刻去除在腔2H中的底層201的暴露部分，然后去除掩膜10。從而，可以制造在圖2中示出的根據(jù)第一實(shí)施例的薄膜壓電共振器3以及由薄膜壓電共振器3構(gòu)成的濾波器1。
(3)濾波器以及薄膜壓電共振器的具體結(jié)構(gòu)如圖13所示，根據(jù)第一實(shí)例的濾波器1采用這樣的結(jié)構(gòu)，其中薄膜壓電共振器32、34和36串聯(lián)電連接以及薄膜壓電共振器31、33、35和37并聯(lián)電連接。也就是說，濾波器1由共七個(gè)薄膜壓電共振器31至37構(gòu)成(見圖1)。構(gòu)成濾波器1的薄膜壓電共振器31至37的電容比配置為如圖14所示。
無論激發(fā)部分71至77的尺寸(電容值)如何，在薄膜壓電共振器31至37中的所有腔21至27的開口尺寸相同。激發(fā)部分71的平面形狀設(shè)定為邊165μm的正方形，以及從激發(fā)部分71的端部至腔21的開口端部的平均距離d1設(shè)定為10μm。以此方式，確定在薄膜壓電共振器31中的腔21的開口尺寸。在其它薄膜壓電共振器32至37中的各腔22至27的開口尺寸設(shè)定為等于在薄膜壓電共振器31中的腔21的開口尺寸。也就是說，對(duì)于在濾波器1中的平均距離d，在電容比相等的薄膜壓電共振器31和37中提供平均距離d2，以及在薄膜壓電共振器32至36中提供與平均距離d2不同的平均距離d1(平均距離d具有多個(gè)值)。具體地說，平均距離d的分布在從10μm至35μm范圍內(nèi)。
(在腔2H上的整個(gè)區(qū)域上)設(shè)置下電極4，從而用下電極4完全覆蓋薄膜壓電共振器3的腔2H。在襯底2的前表面上，設(shè)置彼此相對(duì)的下電極4和上電極6，從而在下電極4和上電極6之間產(chǎn)生寄生電容。形成這樣的布局，其中下電極4在腔2H上沒有臺(tái)階，從而沿著腔2H的開口端部的周緣的整個(gè)區(qū)域，下電極4被支撐到襯底2的前表面。也就是說，下電極4(激發(fā)部分7)在腔2H上懸空，但是下電極4的膜的機(jī)械強(qiáng)度如此高，以致下電極4抗斷裂。
在如上所述設(shè)計(jì)的濾波器1中，通過從襯底2的后表面向前表面的Deep-RIE制造腔2H。當(dāng)將要蝕刻的襯底2的厚度為200μm以及基于圖7示出的“條件4”進(jìn)行蝕刻時(shí)，蝕刻時(shí)間約為43分鐘，如圖15所示。當(dāng)6英寸的晶片用作襯底2時(shí)，為了確保在晶片的表面中的蝕刻量的均勻性，對(duì)蝕刻時(shí)間增加1分30秒的過蝕刻時(shí)間。在過蝕刻時(shí)產(chǎn)生的凹口的量最大約為3μm。例如，如果對(duì)準(zhǔn)裝置的對(duì)準(zhǔn)容差(對(duì)準(zhǔn)偏移)最大為5μm，下電極4的平面尺寸設(shè)定為大于腔2H的開口尺寸至少8μm。即使在腔2H設(shè)計(jì)為大于所需的最小尺寸的情況下，也可以抑制凹口的量。因此，相鄰腔2H之間的距離可以變窄，從而可以實(shí)現(xiàn)濾波器1的尺寸的減小。對(duì)于各薄膜壓電共振器3，由凹口導(dǎo)致的寄生電容的變化最大約為2.5％。抑制了假響應(yīng)的產(chǎn)生。
圖16示出了第一比較實(shí)例。在根據(jù)第一比較實(shí)例的濾波器1A的薄膜壓電共振器3中，在所有薄膜壓電共振器31至37中，從激發(fā)部分7的端部到腔2H的開口端部的平均距離d相等。也就是說，平均距離d設(shè)定為等于d1，例如10μm。因此，各腔2H具有正方形開口形狀，其開口尺寸中各邊在從135μm至185μm的范圍內(nèi)。
在如上所述設(shè)計(jì)的濾波器1中，通過從襯底2的后表面向前表面的Deep-RIE制造各腔2H。當(dāng)將要蝕刻的襯底2的厚度為200μm以及基于如圖7所示的面積分布較小的“條件2”進(jìn)行蝕刻時(shí)，蝕刻開口尺寸最小的腔23和25所需的時(shí)間約為68分鐘，如圖15所示。假設(shè)利用6英寸的晶片，對(duì)蝕刻時(shí)間增加1分30秒的過蝕刻時(shí)間。在這種情況下，在開口尺寸最大的腔21和27中進(jìn)行約8分鐘的過蝕刻，以致凹口的量最大達(dá)到16μm。例如，如果對(duì)準(zhǔn)裝置的對(duì)準(zhǔn)容差最大為5μm，下電極4的平面尺寸必須設(shè)定為大于腔2H的開口尺寸至少21μm。因?yàn)榘伎诘牧吭黾?，為了確保襯底2的機(jī)械強(qiáng)度，需要隔離相鄰腔2H的內(nèi)壁，所以很難實(shí)現(xiàn)濾波器1A的尺寸的減小。對(duì)于一個(gè)薄膜壓電共振器3，由凹口導(dǎo)致的寄生電容的變化最大達(dá)到約10％。此外，因?yàn)榍?H的開口端部的形狀的雜亂，在共振特性中產(chǎn)生假響應(yīng)，以致觀測(cè)到濾波特性的劣化。另外，觀測(cè)到激發(fā)部分7的抗斷裂膜強(qiáng)度的降低。
如圖17和18所示，根據(jù)第一實(shí)施例的第二實(shí)例的濾波器1由共六個(gè)薄膜壓電共振器31至36構(gòu)成，采用這樣的結(jié)構(gòu)，其中薄膜壓電共振器32、33、34和36串聯(lián)電連接，同時(shí)表面壓電共振器31和35并聯(lián)電連接。構(gòu)成濾波器1的薄膜壓電共振器31至36的各自的電容比配置為如圖19所示。
在各薄膜壓電共振器31至36中，無論激發(fā)部分71至76的尺寸(電容值)如何，所有腔21至26的開口尺寸相等。激發(fā)部分71的平面形狀設(shè)定為邊長(zhǎng)165μm的正方形，以及從激發(fā)部分71的端部至腔21的開口端部的平均距離d1設(shè)定為10μm。以這種方式，確定在薄膜壓電共振器31中的腔21的開口尺寸。在其它薄膜壓電共振器32至36中各腔22至26的開口尺寸設(shè)定為等于在薄膜壓電共振器31中腔21的開口尺寸。也就是說，對(duì)于在濾波器1中的平均距離d，在薄膜壓電共振器31中提供平均距離d1，以及在薄膜壓電共振器32至36中提供與平均距離d1不同的平均距離d2(平均距離d具有多個(gè)值)。具體地說，平均距離d的分布在從10μm至44μm的范圍內(nèi)。
在各薄膜壓電共振器31至36中，下電極4的腔2H覆蓋面積減小，從而可以盡可能充分地避免下電極4與上電極6的交疊，以減少寄生電容的產(chǎn)生。結(jié)果，在共振特性中，可以降低由腔2H的端部的加工形狀導(dǎo)致的假響應(yīng)的影響。在如上所述設(shè)計(jì)的薄膜壓電共振器3中，在腔2H的開口中存在下電極4的部分端部，以減少在襯底2的表面中的下電極4的支撐區(qū)域，從而降低下電極4(激發(fā)部分7)的膜的機(jī)械強(qiáng)度。如果將下電極4的端部的截面形狀加工成具有足夠小角度的錐形，可以減小在下電極4上的壓電材料5的應(yīng)力，從而可以保持足夠的激發(fā)部分7整體的機(jī)械強(qiáng)度。例如，將下電極4的端部的截面形狀加工為這樣的錐形形狀，其中在下電極4的襯底2側(cè)上的底面與端部表面之間的角度設(shè)定為例如約20度的銳角。
在如上所述設(shè)計(jì)的濾波器1中，通過從襯底2的后表面向前表面的Deep-RIE制造各腔2H。當(dāng)將要蝕刻的襯底2的厚度為200μm以及基于圖7所示的“條件4”進(jìn)行蝕刻時(shí)，蝕刻時(shí)間約為43分鐘，如圖15所示。假設(shè)采用6英寸的晶片，對(duì)蝕刻時(shí)間增加1分30秒的過蝕刻時(shí)間。在過蝕刻時(shí)產(chǎn)生的凹口的量最大約為3μm。例如，如果對(duì)準(zhǔn)裝置的對(duì)準(zhǔn)容差最大為5μm，跨過腔2H的下電極4的平面尺寸必須設(shè)定為大于腔2H的開口尺寸至少8μm。即使在腔2H設(shè)計(jì)為不小于所需的最小尺寸的情況下，也可以抑制凹口的量。因此，相鄰腔2H之間的距離可以變窄，從而可以實(shí)現(xiàn)濾波器1的尺寸的減小。對(duì)于各薄膜壓電共振器3，由凹口導(dǎo)致的寄生電容的變化約為0％。抑制了假響應(yīng)的產(chǎn)生。
圖20示出了第二比較實(shí)例。在根據(jù)第二比較實(shí)例的濾波器1B的薄膜壓電共振器3中，在所有薄膜壓電共振器31至36中，從激發(fā)部分7的端部到腔2H的開口端部的平均距離d相等。也就是說，平均距離d設(shè)定為等于d1，例如10μm。因此，各腔2H具有正方形開口形狀，其開口尺寸中各邊在從116μm至185μm的范圍內(nèi)。
在如上所述設(shè)計(jì)的濾波器1B中，通過從襯底2的后表面向前表面的Deep-RIE制造各腔2H。當(dāng)將要蝕刻的襯底2的厚度為200μm以及基于如圖7所示的其中面積分布較小的“條件2”進(jìn)行蝕刻時(shí)，蝕刻開口尺寸最小的腔25所需的時(shí)間約為72分鐘，如圖15所示。假設(shè)采用6英寸的晶片，對(duì)蝕刻時(shí)間增加1分30秒的過蝕刻時(shí)間。在這種情況下，在開口尺寸最大的腔21中進(jìn)行約10分鐘的過蝕刻，以致凹口的量最大達(dá)到23μm。例如，如果對(duì)準(zhǔn)裝置的對(duì)準(zhǔn)容差最大為5μm，下電極4的平面尺寸必須設(shè)定為大于腔2H的開口尺寸至少28μm。因?yàn)榘伎诘牧吭黾?，為了確保襯底2的機(jī)械強(qiáng)度，需要隔離相鄰腔2H的內(nèi)壁，所以很難實(shí)現(xiàn)濾波器1B的尺寸的減小。由凹口導(dǎo)致的寄生電容不變。此外，在共振特性中未觀測(cè)到由腔2H的開口端部的形狀的雜亂導(dǎo)致的假響應(yīng)。然而，觀測(cè)到由于凹口量的增加激發(fā)部分7的抗斷裂膜強(qiáng)度的降低。
根據(jù)第一實(shí)施例的第三實(shí)例的濾波器1除了下面的要點(diǎn)外基本上與圖1和13所示的濾波器1相同。如圖21所示，具有小電容值(小平面尺寸)的激發(fā)部分73的薄膜壓電共振器33的下電極4的部分端部設(shè)置在腔23的開口中。類似地，具有小電容值的激發(fā)部分75的薄膜壓電共振器35的下電極4的部分端部設(shè)置在腔25的開口中。在各其它薄膜壓電共振器31、32、34、36和37沖，設(shè)置下電極4以覆蓋腔2H的開口的整個(gè)區(qū)域。薄膜壓電共振器31至37的各自的電容比配置為如圖14所示。
在電容值小的各薄膜壓電共振器33和35中，激發(fā)部分7的端部與腔2H的開口端部之間的平均距離d變大。因此，下電極4的抵抗由壓電材料5的膜應(yīng)力導(dǎo)致的斷裂的機(jī)械強(qiáng)度如此高，以致即使當(dāng)下電極4的端部存在于腔2H的開口中時(shí)下電極4也可保持足夠的機(jī)械膜強(qiáng)度。
在如上所述設(shè)計(jì)的濾波器1中，可以降低由凹口的量的變化導(dǎo)致的寄生電容的變化百分比。此外，在并聯(lián)型薄膜壓電共振器3中，可以防止假響應(yīng)影響共振特性。因此，濾波器1的邊緣(skirt)特性可以變得陡峭。在濾波器1中，以與第一實(shí)例相同的方式通過從襯底2的后表面向前表面的Deep-RIE制造各腔2H。然而，對(duì)于一個(gè)薄膜壓電共振器3，由凹口導(dǎo)致的寄生電容的變化最大約為1.8％。
圖22示出了第三比較實(shí)例。在根據(jù)第三比較實(shí)例的濾波器1C的薄膜壓電共振器3中，在所有薄膜壓電共振器31至37中，從激發(fā)部分7的端部到腔2H的開口端部的平均距離d相等。也就是說，平均距離d設(shè)定為等于d1，例如10μm。因此，各腔2H為具有正方形開口形狀，其開口尺寸中各邊在從135μm至185μm的范圍內(nèi)。
在如上所述設(shè)計(jì)的濾波器1C中，通過從襯底2的后表面向前表面的Deep-RIE制造各腔2H。當(dāng)將要蝕刻的襯底2的厚度為200μm以及基于如圖7所示的其中面積分布較小的“條件2”進(jìn)行蝕刻時(shí)，蝕刻開口尺寸最小的腔25所需的時(shí)間約為65分鐘，如圖15所示。假設(shè)采用6英寸的晶片，對(duì)蝕刻時(shí)間增加1分30秒的過蝕刻時(shí)間。在這種情況下，在開口尺寸最大的腔21和27中進(jìn)行約10分鐘的過蝕刻，以致凹口的量最大達(dá)到16μm。例如，如果對(duì)準(zhǔn)裝置的對(duì)準(zhǔn)容差最大為5μm，下電極4的平面尺寸必須設(shè)定為大于腔2H的開口尺寸至少21μm。因?yàn)榘伎诘牧吭黾?，為了確保襯底2的機(jī)械強(qiáng)度，需要隔離相鄰腔2H的內(nèi)壁，所以很難實(shí)現(xiàn)濾波器1C的尺寸的減小。對(duì)于一個(gè)薄膜壓電共振器3，由凹口導(dǎo)致的寄生電容的變化最大達(dá)到約10％。此外，在共振特性中產(chǎn)生由腔2H的開口端部的形狀的雜亂產(chǎn)生的假響應(yīng)，從而觀測(cè)到濾波特性的劣化。另外，觀測(cè)到激發(fā)部分7的抗斷裂膜強(qiáng)度的降低。
當(dāng)根據(jù)如圖15所示的第一至第三實(shí)例以及第一至第三比較實(shí)例的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使從各薄膜壓電共振器3的激發(fā)部分7至腔2H的開口端部的平均距離d不保持恒定以抑制腔2H的開口尺寸分布時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)蝕刻時(shí)間的縮短、凹口量的抑制、寄生電容余量的減小等。因此，可以制造批量生產(chǎn)優(yōu)良并具有穩(wěn)定濾波特性的濾波器1。
此外，在基于在各薄膜壓電共振器3中的下電極4與腔2H之間的位置關(guān)系設(shè)計(jì)有/無寄生電容的情況下，無論激發(fā)部分7的平面尺寸如何，腔2H的開口可以設(shè)計(jì)為改善濾波器1的濾波特性。
(第二實(shí)施例)將以根據(jù)評(píng)估結(jié)果制造薄膜壓電共振器3和濾波器1的實(shí)例說明本發(fā)明的第二實(shí)施例，其中在根據(jù)從襯底2的后表面向前表面制造各腔2H的第一實(shí)施例的薄膜壓電共振器3以及濾波器1中，評(píng)估與腔2H的設(shè)置密度相關(guān)的蝕刻速度的變化。
(1)與腔的設(shè)置密度相關(guān)的蝕刻速度的變化盡管后面將詳細(xì)說明，根據(jù)第二實(shí)施例的濾波器1由共九個(gè)規(guī)則設(shè)置的薄膜壓電共振器3構(gòu)成。如圖23所示，在薄膜壓電共振器3中，在襯底2中在三排及三列上設(shè)置共九個(gè)腔2H。各腔2H具有相同的開口形狀并制造成正方形形狀。換句話說，襯底2具有一個(gè)設(shè)置在其中心部分的腔2H，以及八個(gè)環(huán)繞中心腔2H且以45度的等角間距設(shè)置的腔2H。
圖24示出了在圖23中示出的各腔2H的開口尺寸與蝕刻時(shí)間之間的關(guān)系。厚度為200μm的Si襯底用作襯底2。通過Deep-RIE制造腔2H。當(dāng)蝕刻腔2H時(shí)，在襯底2的前表面上形成的底層201(見圖8的熱氧化Si膜)用作蝕刻停止層。相鄰腔2H之間的距離設(shè)定為30μm。在圖24中，水平軸表示各腔2H的開口尺寸(邊長(zhǎng)μm)，以及垂直軸表示蝕刻時(shí)間(分鐘)。
如圖24所示，設(shè)置在中心部分的腔2H的蝕刻時(shí)間比設(shè)置在周邊的各其它腔2H的蝕刻時(shí)間長(zhǎng)。獲得這樣的結(jié)果，隨著腔2H的開口尺寸變小，這種趨勢(shì)變得顯著。
(2)濾波器以及薄膜壓電共振器的具體結(jié)構(gòu)如圖25所示，根據(jù)第二實(shí)施例的濾波器1由共九個(gè)薄膜壓電共振器31至39構(gòu)成，采用這樣的結(jié)構(gòu)，其中薄膜壓電共振器34、35和36串聯(lián)電連接，同時(shí)薄膜壓電共振器31、37、38、32、33和39并聯(lián)電連接。構(gòu)成濾波器1的薄膜壓電共振器31至39的各自的電容比配置為如圖26所示。
根據(jù)圖24示出的結(jié)果制造根據(jù)第二實(shí)施例的實(shí)例的濾波器1。如圖27所示，薄膜壓電共振器31、32、33、37、38和39的各激發(fā)部分71、72、73、77、78和79形成為邊長(zhǎng)165μm的正方形平面形狀。這些薄膜壓電共振器31等的腔21等的各開口形成為邊長(zhǎng)185μm的正方形開口形狀。平均距離d設(shè)定為10μm。薄膜壓電共振器34和36的各激發(fā)部分74和76形成為邊長(zhǎng)135μm的正方形平面形狀。這些薄膜壓電共振器34等的腔24等的各開口形成為邊長(zhǎng)185μm的正方形開口形狀。平均距離d設(shè)定為25μm。
為了使腔25的蝕刻時(shí)間等于邊長(zhǎng)185μm的其它腔21等的蝕刻時(shí)間，將設(shè)置在中心的薄膜壓電共振器35的腔25的邊長(zhǎng)設(shè)定為193μm。腔25形成為具有該尺寸的正方形平面形狀。在薄膜壓電共振器35中平均距離d設(shè)定為29μm。在所有薄膜壓電共振器31至39的每一個(gè)中，下電極4的部分端部設(shè)置在腔2H的開口中，從而將附加到下電極4的電容值調(diào)整為“0”。
在如上所述設(shè)計(jì)的濾波器1中，通過從襯底2的后表面向前表面的Deep-RIE制造各腔2H。將要蝕刻的襯底2的厚度為200μm。蝕刻時(shí)間約為43分鐘。假設(shè)采用6英寸的晶片，對(duì)蝕刻時(shí)間進(jìn)一步增加1分30秒的過蝕刻時(shí)間。在過蝕刻時(shí)產(chǎn)生的凹口的量為最大約3μm。例如，如果對(duì)準(zhǔn)裝置的對(duì)準(zhǔn)容差最大為5μm，跨過腔2H的部分下電極4的平面尺寸設(shè)定為大于腔2H的開口尺寸至少8μm。即使在腔2H設(shè)計(jì)為大于所需的最小尺寸的情況下，也可以抑制凹口的量。因此，可以保持足夠的激發(fā)部分7整體的機(jī)械強(qiáng)度。
圖28示出了第二實(shí)施例的比較實(shí)例。在根據(jù)該比較實(shí)例的濾波器1D的薄膜壓電共振器3中，在所有薄膜壓電共振器31至39中，從激發(fā)部分7的端部到腔2H的開口端部的平均距離d相等。也就是說，平均距離d設(shè)定為等于d1，例如10μm。因此，各腔2H為具有正方形開口形狀，其開口尺寸中各邊在從155μm至185μm的范圍內(nèi)。
在如上所述設(shè)計(jì)的濾波器1D中，通過從襯底2的后表面向前表面的Deep-RIE制造各腔2H。當(dāng)將要蝕刻的襯底2的厚度為200μm以及基于如圖7所示的其中面積分布較小的“條件2”進(jìn)行蝕刻時(shí)，蝕刻在設(shè)置在周邊部分的薄膜壓電共振器3中并且各具有邊長(zhǎng)155μm的開口尺寸的腔2H，所需的時(shí)間約為67分鐘，如圖24所示。為了蝕刻在設(shè)置在周邊部分的薄膜壓電共振器3中并且各具有較大開口尺寸的腔2H，必須進(jìn)一步花費(fèi)4分鐘的過蝕刻時(shí)間。為了蝕刻設(shè)置在中心的薄膜壓電共振器3的腔2H，必須進(jìn)一步花費(fèi)5分鐘的過蝕刻時(shí)間。假設(shè)采用6英寸的晶片，對(duì)蝕刻時(shí)間增加1分30秒的過蝕刻時(shí)間。也就是說，過蝕刻時(shí)間共為10分30秒。觀測(cè)到凹口的量為21μm。因?yàn)楫a(chǎn)生大凹口，在腔2H的開口端部產(chǎn)生凹凸形狀，導(dǎo)致在部分襯底2中觀測(cè)到由在凹凸部分上的應(yīng)力集中引起的激發(fā)部分7的膜的斷裂。
在根據(jù)第二實(shí)施例的濾波器1中，當(dāng)設(shè)置七個(gè)或者更多個(gè)薄膜壓電共振器3時(shí)，觀測(cè)到由腔2H的設(shè)置密度引起的蝕刻速度的變化。因此，當(dāng)根據(jù)Deep-RIE的蝕刻特性調(diào)整設(shè)置的腔2H的數(shù)量、各腔2H的開口尺寸等時(shí)，可以縮短過蝕刻時(shí)間。
(第三實(shí)施例)將結(jié)合實(shí)例說明本發(fā)明的第三實(shí)施例，其中本發(fā)明應(yīng)用于設(shè)置在襯底2中的腔2H的截面結(jié)構(gòu)不同的薄膜壓電共振器3以及濾波器1。
(1)薄膜壓電共振器的制造方法如下進(jìn)行根據(jù)第三實(shí)施例的薄膜壓電共振器3以及濾波器1的制造方法。首先，在襯底2中形成腔(空洞或者凹入部分)2H(見圖29)。盡管根據(jù)第一與第二實(shí)施例的腔2H采用從后表面向前表面穿透襯底2的通孔，根據(jù)第三實(shí)施例的腔2H采用從襯底2的前表面以預(yù)定深度到底部的孔。
如圖29所示，在襯底2的前表面的整個(gè)區(qū)域上形成犧牲層202。例如，通過CVD方法或者濺射方法形成的例如Si氧化膜或者Al膜的軟性材料可以用作犧牲層202。
如圖30所示，通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)拋光犧牲層202，直到襯底2的前表面暴露，從而將犧牲層202嵌入腔2H中。
然后，以與第一實(shí)施例相關(guān)的圖8至10所示的方法相同的方式，在嵌入腔2H中的犧牲層202上依次形成下電極4、壓電材料5以及上電極6。從而，在這些層的交疊區(qū)域中形成激發(fā)部分7。
如圖31所示，例如通過濕法蝕刻選擇性去除犧牲層202，以使腔2H變空。當(dāng)該步驟完成時(shí)，制成根據(jù)第三實(shí)施例的薄膜壓電共振器3以及濾波器1。
在CMP中，比襯底2的材料軟的材料通常用作犧牲層202的材料。因此，當(dāng)襯底2的前表面暴露時(shí)，容易發(fā)生凹陷，也就是在嵌入各腔2H中的犧牲層202的前表面中的空洞的產(chǎn)生(見圖41)。凹陷的量取決于犧牲層202的面積。當(dāng)不同尺寸的犧牲層202嵌入時(shí)，存在隨犧牲層202的面積增加凹陷量增加的趨勢(shì)。此外，根據(jù)犧牲層202的設(shè)置密度(腔2H的設(shè)置密度)，容易發(fā)生侵蝕，也就是拋光表面的凹入(見圖42)。在CMP中，在犧牲層202嵌入相同圖形(相同開口尺寸)的腔中的情況下，拋光條件的窗口寬于在犧牲層202嵌入不同圖形(不同開口尺寸)的腔中的情況下拋光條件的窗口。因此，當(dāng)為了制造具有不同設(shè)計(jì)的濾波器的目的，無論薄膜壓電共振器3的激發(fā)部分7的平面尺寸如何，將濾波器1設(shè)計(jì)為獲得通過CMP實(shí)現(xiàn)的拋光表面的平坦度時(shí)，可以改善濾波器1的濾波特性。
根據(jù)第三實(shí)施例的實(shí)例的濾波器1等價(jià)于圖13中示出的電路結(jié)構(gòu)。薄分別對(duì)膜壓電共振器3配置電容值，如圖14所示。
如圖32所示，在濾波器1中，設(shè)定犧牲層202的平面尺寸(等價(jià)于腔2H的開口尺寸)，從而無論薄膜壓電共振器3的激發(fā)部分7的平面尺寸如何，在CMP中獲得最平坦的拋光表面。結(jié)果，嵌入在周邊設(shè)置的薄膜壓電共振器3的各腔2H中的犧牲層202的平面尺寸設(shè)定為與嵌入在中心設(shè)置的薄膜壓電共振器3的腔2H中的犧牲層202的平面尺寸有±5％范圍的差異。
在CMP后觀測(cè)凹陷和侵蝕時(shí)，可以使在襯底2的深度方向上從襯底2的前表面最大300nm范圍內(nèi)的凹入停止。在嵌入腔2H中的犧牲層202的前表面上形成下電極4。在下電極4上進(jìn)一步形成作為壓電材料5的AlN壓電薄膜。通過X射線衍射分析AlN壓電薄膜。結(jié)果，測(cè)量的AlN(0002)峰的搖擺曲線的半值寬度為1.4°。
在壓電材料5上進(jìn)一步形成上電極6以及負(fù)載電極。然后去除犧牲層202后，在薄膜壓電共振器3的電機(jī)械耦合系數(shù)k2的測(cè)量中獲得6.7％或更大的數(shù)值?？梢詫?shí)現(xiàn)具有良好濾波特性的濾波器1。
圖33示出了第三實(shí)施例的比較實(shí)例。在根據(jù)該比較實(shí)例的濾波器1E的薄膜壓電共振器3中，在所有薄膜壓電共振器31至37中，從激發(fā)部分7的端部到腔2H的開口端部(犧牲層202的輪廓)的平均距離d相等。也就是說，平均距離d設(shè)定為等于d1，例如5μm。結(jié)果，嵌入在周邊設(shè)置的薄膜壓電共振器3的各腔2H中的犧牲層202的平面尺寸與嵌入在中心設(shè)置的薄膜壓電共振器3的腔2H中的犧牲層202的平面尺寸有±16％范圍的差異。
在CMP后觀測(cè)凹陷和侵蝕時(shí)，在襯底2的深度方向上從襯底2的前表面的凹入最大達(dá)到2μm。以與實(shí)例中相同的方式，通過X射線衍射分析壓電薄膜。結(jié)果，測(cè)量的AlN(0002)峰的搖擺曲線的半值寬度為4.3°。此外，測(cè)量的電機(jī)械耦合系數(shù)k2為3.7％。不能充分地獲得濾波器1所需的帶寬。
(第四實(shí)施例)將結(jié)合實(shí)例說明本發(fā)明的第四實(shí)施例，其中本發(fā)明應(yīng)用于設(shè)置在襯底2中的具有聲反射層的薄膜壓電共振器3以及濾波器1。
(1)薄膜壓電共振器的制造方法如下進(jìn)行根據(jù)第四實(shí)施例的薄膜壓電共振器3以及濾波器1的制造方法。首先，在襯底2中形成腔(空洞或者凹入部分)2H(見圖34)。
如圖34所示，在襯底2的前表面的整個(gè)區(qū)域上形成聲反射層203。聲反射層203為一種以這種方法制造的復(fù)合膜，即以所需共振頻率的四分之一波長(zhǎng)的膜厚交替層壓低聲阻抗層203A以及高聲阻抗層203B。例如，Si氧化膜可以用作各低聲阻抗層203A，而W膜可以用作各高聲阻抗層203B。
如圖35所示，通過CMP拋光聲反射層203直到襯底2的前表面暴露，從而將聲反射層203嵌入腔2H中。
然后，如圖36所示，以與第一實(shí)施例相關(guān)的圖8至10示出的方法相同的方式，在嵌入腔2H中的聲反射層203上依次形成下電極4、壓電材料5以及上電極6。從而，在這些層的交疊區(qū)域中形成激發(fā)部分7。當(dāng)該步驟完成時(shí)，根據(jù)第四實(shí)施例的薄膜壓電共振器3以及濾波器1制成。
在CMP中，比襯底2的材料軟的材料通常用作聲反射層203的材料。因此，當(dāng)襯底2的前表面暴露時(shí)，容易發(fā)生凹陷，也就是在嵌入各腔2H中的聲反射層203的前表面中的空洞的產(chǎn)生(見圖41)。凹陷的量取決于聲反射層203的面積。當(dāng)不同尺寸的聲反射層203嵌入時(shí)，存在隨聲反射層203的面積增加凹陷的量增加的趨勢(shì)。此外，根據(jù)聲反射層203的設(shè)置密度(腔2H的設(shè)置密度)，容易發(fā)生侵蝕，也就是拋光表面的凹入(見圖42)。在CMP中，在聲反射層203嵌入具有相同圖形(相同開口尺寸)的腔2H中的情況下，拋光條件的窗口寬于在聲反射層203嵌入具有不同圖形(不同開口尺寸)的腔2H中的情況下拋光條件的窗口。因此，當(dāng)為了制造具有不同設(shè)計(jì)的濾波器的目的，無論薄膜壓電共振器3的激發(fā)部分7的平面尺寸如何，將濾波器1設(shè)計(jì)為獲得通過CMP實(shí)現(xiàn)的拋光表面的平坦度時(shí)，可以改善濾波器1的濾波特性。
如果由于凹陷或者侵蝕聲反射層203的層厚變化，造成壓電振動(dòng)的反射率的降低，以致薄膜壓電共振器3的Q值降低。因?yàn)樵撛颍荒塬@得足夠的濾波特性。
根據(jù)第四實(shí)施例的實(shí)例的濾波器1等價(jià)于圖13中示出的電路結(jié)構(gòu)。分別對(duì)薄膜壓電共振器3配置電容值，如圖14所示。
如圖37所示，在濾波器1中，設(shè)定聲反射層203的平面尺寸(等價(jià)于腔2H的開口尺寸)，從而無論薄膜壓電共振器3的激發(fā)部分7的平面尺寸如何，在CMP中獲得最平坦的拋光表面。結(jié)果，嵌入在周邊中設(shè)置的薄膜壓電共振器3的各腔2H中的聲反射層203的平面尺寸設(shè)定為與嵌入在中心部分設(shè)置的薄膜壓電共振器3的腔2H中的聲反射層203的平面尺寸有±5％范圍的差異。
在CMP后觀測(cè)凹陷和侵蝕時(shí)，可以停止在襯底2的深度方向上從襯底2的前表面最大300nm范圍內(nèi)的凹入。在嵌入腔2H中的聲反射層203的前表面上形成下電極4。在下電極4上進(jìn)一步形成作為壓電材料5的AlN壓電薄膜。通過X射線衍射分析AlN壓電薄膜。結(jié)果，測(cè)量的AlN(0002)峰的搖擺曲線的半值寬度為1.4°。
在壓電材料5上進(jìn)一步形成上電極6以及負(fù)載電極，從而制造濾波器1。在制造的濾波器1的薄膜壓電共振器3的電機(jī)械耦合系數(shù)k2的測(cè)量中，獲得5.5％或更大的數(shù)值。此外，Q值約為700，所以濾波器的通帶衰減達(dá)到2dB?？梢詫?shí)現(xiàn)具有良好濾波特性的濾波器1。
圖38示出了第四實(shí)施例的比較實(shí)例。在根據(jù)該比較實(shí)例的濾波器1F的薄膜壓電共振器3中，在所有薄膜壓電共振器31至37中，從激發(fā)部分7的端部到腔2H的開口端部(聲反射層203的輪廓)的平均距離d相等。也就是說，平均距離d設(shè)定為等于d1，例如5μm。結(jié)果，嵌入在周邊設(shè)置的薄膜壓電共振器3的各腔2H中的聲反射層203的平面尺寸與嵌入在中心設(shè)置的薄膜壓電共振器3的腔2H中的聲反射層203的平面尺寸有±16％范圍的差異。
在CMP后觀測(cè)凹陷和侵蝕時(shí)，在襯底2的深度方向上從襯底2的前表面的凹入最大達(dá)到2μm。以與實(shí)例中相同的方式，通過X射線衍射分析壓電薄膜。結(jié)果，測(cè)量的AlN(0002)峰的搖擺曲線的半值寬度為4.3°。此外，當(dāng)測(cè)量電機(jī)械耦合系數(shù)k2時(shí)，獲得2.7％或者更大的數(shù)值。此外，Q值約為300。濾波器的通帶衰減與帶衰減量不適合。
另外，本發(fā)明不限于這些實(shí)施例，只要不脫離本發(fā)明的要旨，可以進(jìn)行改變。例如，本發(fā)明不僅可以應(yīng)用于薄膜壓電共振器以及濾波器，而且可以應(yīng)用于包括濾波器的裝置，具體地說，電壓控制振蕩器。
權(quán)利要求
1.一種薄膜壓電共振器，包括襯底，包括相互隔離設(shè)置的第一腔和第二腔；第一激發(fā)部分，設(shè)置在所述第一腔上，所述第一激發(fā)部分包括依次層壓的第一電極、第一壓電材料以及第二電極，在所述第一電極、所述第一壓電材料以及所述第二電極間的交疊區(qū)域限定所述第一激發(fā)部分的周邊的輪廓，第一距離定義為從所述第一激發(fā)部分的端部到所述第一腔的開口端部的距離；以及第二激發(fā)部分，設(shè)置在所述第二腔上，所述第二激發(fā)部分包括依次層壓的第三電極、第二壓電材料以及第四電極，在所述第三電極、所述第二壓電材料以及所述第四電極間的交疊區(qū)域限定所述第二激發(fā)部分的周邊的輪廓，第二距離定義為從所述第二激發(fā)部分的端部到所述第二腔的開口端部的距離，所述第二距離與所述第一距離不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜壓電共振器，其中所述第一電極與所述第三電極由同一層構(gòu)成；所述第一壓電材料與所述第二壓電材料由同一層構(gòu)成；以及所述第二電極與所述第四電極由同一層構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜壓電共振器，其中通過從所述第二距離減去對(duì)準(zhǔn)容差獲得的值大于所述第一距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜壓電共振器，其中所述第一腔的開口形狀與所述第二腔的開口形狀相同；以及所述第一腔的開口尺寸與所述第二腔的開口尺寸相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜壓電共振器，其中所述第二激發(fā)部分包括多個(gè)第二激發(fā)部分；以及所述第一腔的開口尺寸大于各所述第二腔的開口尺寸。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜壓電共振器，其中所述第二激發(fā)部分的數(shù)量等于或者大于6。
7.一種濾波器，包括襯底，包括相互隔離設(shè)置的第一腔和第二腔；第一薄膜壓電共振器，包括設(shè)置在所述第一腔上的第一激發(fā)部分，所述第一激發(fā)部分包括依次層壓的第一電極、第一壓電材料以及第二電極，在所述第一電極、所述第一壓電材料以及所述第二電極間的交疊區(qū)域限定所述第一激發(fā)部分的周邊的輪廓，第一距離定義為從所述第一激發(fā)部分的端部到所述第一腔的開口端部的距離；以及第二薄膜壓電共振器，包括設(shè)置在所述第二腔上的第二激發(fā)部分，所述第二激發(fā)部分包括依次層壓的第三電極、第二壓電材料以及第四電極，在所述第三電極、所述第二壓電材料以及所述第四電極間的交疊區(qū)域限定所述第二激發(fā)部分的周邊的輪廓，第二距離定義為從所述第二激發(fā)部分的端部到所述第二腔的開口端部的距離，所述第二距離與所述第一距離不同。
8.一種濾波器，包括襯底，包括相互隔離設(shè)置的第一腔和第二腔；第一薄膜壓電共振器，包括設(shè)置在所述第一腔上的第一激發(fā)部分，所述第一激發(fā)部分包括依次層壓的第一電極、第一壓電材料以及第二電極，在所述第一電極、所述第一壓電材料以及所述第二電極間的交疊區(qū)域限定所述第一激發(fā)部分的周邊的輪廓；以及第二薄膜壓電共振器，包括設(shè)置在所述第二腔上的第二激發(fā)部分，所述第二激發(fā)部分包括依次層壓的第三電極、第二壓電材料以及第四電極，在所述第三電極、所述第二壓電材料以及所述第四電極間的交疊區(qū)域限定所述第二激發(fā)部分的周邊的輪廓，其中所述第一腔的開口形狀與所述第二腔的開口形狀相同；以及所述第一腔的開口尺寸與所述第二腔的開口尺寸相同。
9.一種濾波器，包括襯底，包括相互隔離設(shè)置的第一腔和多個(gè)第二腔，所述第二腔設(shè)置在所述第一腔的周圍；第一薄膜壓電共振器，包括設(shè)置在所述第一腔上的第一激發(fā)部分，所述第一激發(fā)部分包括依次層壓的第一電極、第一壓電材料以及第二電極，在所述第一電極、所述第一壓電材料以及所述第二電極間的交疊區(qū)域限定所述第一激發(fā)部分的周邊的輪廓；以及多個(gè)第二薄膜壓電共振器，各包括設(shè)置在所述第二腔上的第二激發(fā)部分，各第二激發(fā)部分包括依次層壓的第三電極、第二壓電材料以及第四電極，在所述第三電極、所述第二壓電材料以及所述第四電極間的交疊區(qū)域限定各第二激發(fā)部分的周邊的輪廓，其中所述第一腔的開口尺寸大于各所述第二腔的開口尺寸。
10.一種薄膜壓電共振器，包括襯底，包括相互隔離設(shè)置的第一聲反射層和第二聲反射層；第一激發(fā)部分，設(shè)置在所述第一聲反射層上，所述第一激發(fā)部分包括依次層壓的第一電極、第一壓電材料以及第二電極，在所述第一電極、所述第一壓電材料以及所述第二電極間的交疊區(qū)域限定所述第一激發(fā)部分的周邊的輪廓，第一距離定義為從所述第一激發(fā)部分的端部到所述第一聲反射層的輪廓端部的距離；以及第二激發(fā)部分，設(shè)置在所述第二聲反射層上，所述第二激發(fā)部分包括依次層壓的第三電極、第二壓電材料以及第四電極，在所述第三電極、所述第二壓電材料以及所述第四電極間的交疊區(qū)域限定所述第二激發(fā)部分的周邊的輪廓，第二距離定義為從所述第二激發(fā)部分的端部到所述第二聲反射層的輪廓端部的距離，所述第二距離與所述第一距離不同。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的薄膜壓電共振器，其中所述第一聲反射層的輪廓形狀與所述第二聲反射層的輪廓形狀相同；以及所述第一聲反射層的輪廓尺寸與所述第二聲反射層的輪廓尺寸相同。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的薄膜壓電共振器，其中所述第二激發(fā)部分包括多個(gè)第二激發(fā)部分；以及所述第二聲反射層的輪廓尺寸為從所述第一聲反射層的輪廓尺寸的95％至所述第一聲反射層的輪廓尺寸的105％的范圍。
13.一種濾波器，包括襯底，包括相互隔離設(shè)置的第一聲反射層和第二聲反射層；第一薄膜壓電共振器，包括設(shè)置在所述第一聲反射層上的第一激發(fā)部分，所述第一激發(fā)部分包括依次層壓的第一電極、第一壓電材料以及第二電極，在所述第一電極、所述第一壓電材料以及所述第二電極間的交疊區(qū)域限定所述第一激發(fā)部分的周邊的輪廓，第一距離定義為從所述第一激發(fā)部分的端部到所述第一聲反射層的輪廓端部的距離；以及第二薄膜壓電共振器，包括設(shè)置在所述第二聲反射層上的第二激發(fā)部分，所述第二激發(fā)部分包括依次層壓的第三電極、第二壓電材料以及第四電極，在所述第三電極、所述第二壓電材料以及所述第四電極間的交疊區(qū)域限定所述第二激發(fā)部分的周邊的輪廓，第二距離定義為從所述第二激發(fā)部分的端部到所述第二聲反射層的輪廓端部的距離，所述第二距離與所述第一距離不同。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的濾波器，其中所述第一聲反射層的輪廓形狀與所述第二聲反射層的輪廓形狀相同；以及所述第一聲反射層的輪廓尺寸與所述第二聲反射層的輪廓尺寸相同。
15.一種電壓控制振蕩器，包括權(quán)利要求1的薄膜壓電共振器。
全文摘要
一種薄膜壓電共振器包括襯底以及第一和第二激發(fā)部分。所述襯底包括第一和第二腔。所述第一激發(fā)部分設(shè)置在所述第一腔上，并包括依次層壓的第一電極、第一壓電材料以及第二電極。在所述第一電極、所述第一壓電材料以及所述第二電極間的交疊區(qū)域限定所述第一激發(fā)部分的周邊的輪廓。第一距離定義為從所述第一激發(fā)部分的端部到所述第一腔的開口端部的距離。所述第二激發(fā)部分設(shè)置在所述第二腔上，并包括依次層壓的第三電極、第二壓電材料以及第四電極。第二距離定義為從所述第二激發(fā)部分的端部到所述第二腔的開口端部的距離，并與所述第一距離不同。
文檔編號(hào)H03H9/02GK1874147SQ20061006535
公開日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2006年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月31日
發(fā)明者梁瀨直子, 佐野賢也, 安本恭章, 尾原亮一, 板谷和彥 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝