專利名稱：薄膜諧振器及其制造方法以及具有薄膜諧振器的濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括薄膜諧振器的組合的濾波器，更具體而言，涉及用于濾波器中的薄膜諧振器及其制造方法。
背景技術(shù)：
通常，用于通信器件的濾波器包括薄膜諧振器的組合。
圖1是傳統(tǒng)薄膜諧振器的剖面圖。參照?qǐng)D1，傳統(tǒng)的薄膜諧振器100包括一壓電層130，分別設(shè)置在壓電層130的上和下表面的上電極140和下電極120，以及振動(dòng)地支撐襯底10上的下電極120的隔膜層110(也稱為“介電層”)。
作為薄膜諧振器100的諧振特性之一的諧振頻率依賴于壓電層130的厚度t1變化。在近來(lái)的小尺寸薄膜諧振器中，采用了一種新技術(shù)，即使用根據(jù)上電極140的厚度t2來(lái)引起質(zhì)量變化的所謂質(zhì)量加載效應(yīng)(massloading effect)來(lái)調(diào)整諧振頻率，而不改變導(dǎo)致諧振頻率較大變化的壓電層130的厚度t1。
在傳統(tǒng)的薄膜諧振器100中，在薄膜諧振器100制造過(guò)程中的重復(fù)淀積和蝕刻期間，下電極120受到化學(xué)和機(jī)械影響。為了承受這種化學(xué)和機(jī)械的影響，下電極120應(yīng)該由具有高化學(xué)和機(jī)械強(qiáng)度的材料制成，如鉬(Mo)或鎢(W)，而不是由輕金屬，如鋁制成。但是，由于其高阻尼系數(shù)，鉬和鎢都具有比鋁更大的振動(dòng)傳遞損失(vibration transfer loss)并且不容易被處理。這些材料增大了制造成本并使制造工藝復(fù)雜化，同時(shí)降低了薄膜諧振器100的整體效率。
如上所述，近來(lái)通過(guò)改變上電極140的厚度t2已有可能調(diào)整薄膜諧振器100的諧振頻率。與壓電層130的厚度改變相比，上電極140的厚度改變導(dǎo)致諧振頻率的變化小得多。但是，如圖2所示，即使當(dāng)上電極140的厚度輕微改變0.1μm，薄膜諧振器100的諧振頻率在幾百M(fèi)Hz的寬范圍內(nèi)極大地變化。因此，很難制造需要在串聯(lián)諧振器組310和并聯(lián)諧振器組320(見圖8)之間具有幾十MHz的諧振頻率差的精確濾波器。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述問題，本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種能夠容易地調(diào)節(jié)諧振頻率并相對(duì)自由地選擇用于下電極的材料的薄膜諧振器，具有該薄膜諧振器的濾波器，以及制造該薄膜諧振器的方法。
為了完成本發(fā)明的以上方面和/或其他特征，提供了一種薄膜諧振器，其包括形成在襯底上的隔膜層，形成在隔膜層一部分上的下電極，形成在下電極上的壓電層，形成在壓電層上的上電極，以及置于下電極和隔膜層之間并具有一預(yù)定質(zhì)量的質(zhì)量加載層(mass loading layer)。
這種結(jié)構(gòu)能夠更精確地調(diào)節(jié)薄膜諧振器的諧振頻率。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，當(dāng)對(duì)初始時(shí)具有相同厚度的質(zhì)量加載層，上電極和隔膜層進(jìn)行相同水平的厚度改變時(shí)，由質(zhì)量加載層的厚度改變引起的諧振頻率的變化應(yīng)該優(yōu)選為小于由其它層的厚度改變引起的諧振頻率的變化。
在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種薄膜諧振器，其包括形成在襯底上的隔膜層，形成在隔膜層上的下電極，形成在下電極上的壓電層，形成在壓電層上的上電極，其中所述下電極的頂部和底部被隔膜層所包圍。
根據(jù)這一方面，能夠精確調(diào)節(jié)薄膜諧振器的諧振頻率而對(duì)下電極沒有任何損害。還能在淀積和蝕刻壓電層和上電極的過(guò)程中減小轉(zhuǎn)移到下電極上的化學(xué)和機(jī)械影響，從而能夠自由選擇用于下電極的材料。
優(yōu)選地，下電極應(yīng)該由在張力中的彈性模量比隔膜層高的導(dǎo)電材料制成。
該薄膜諧振器還包括夾在下電極和隔膜層之間并具有一預(yù)定厚度的質(zhì)量加載層。
優(yōu)選地，質(zhì)量加載層的頂部和底部應(yīng)被隔膜層所包圍。
優(yōu)選的，質(zhì)量加載層應(yīng)該由在張力中的彈性模量比隔膜層高且在張力中的彈性模量比下電極低的材料制成。并且，隔膜層應(yīng)該由電介質(zhì)和聚合物涂料中的任何一種制成。
對(duì)于質(zhì)量加載層，優(yōu)選地是，選擇能根據(jù)其厚度的改變引起薄膜諧振器的諧振頻率較小變化的材料。
為了制造根據(jù)本發(fā)明上述方面的薄膜諧振器，提供了一種方法，包括在襯底上形成第一隔膜層；在第一隔膜層上形成下電極；在下電極之上形成第二隔膜層；在第二隔膜層上形成壓電層，以及在壓電層上形成上電極。
在第一隔膜層上形成下電極優(yōu)選包括在第一隔膜層上形成至少一個(gè)質(zhì)量加載層；以及在該質(zhì)量加載層頂部上形成下電極。
而且，優(yōu)選地是在各個(gè)質(zhì)量加載層之間以及在下電極和頂部質(zhì)量加載層之間形成隔膜層。
在襯底上形成第一隔膜層優(yōu)選包括在襯底上形成并構(gòu)圖犧牲層(sacrificial layer)；以及在犧牲層上形成第一隔膜層。在形成第二電極之后，可通過(guò)蝕刻去除犧牲層。
在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種由第一諧振器組和第二諧振器組構(gòu)成的濾波器，該第一諧振器組是形成在襯底上并與一預(yù)定電路串聯(lián)連接的至少一個(gè)第一薄膜諧振器的組合，該第二諧振器組是與所述電路并聯(lián)連接的至少一個(gè)第二薄膜諧振器的組合。其中所述第一薄膜諧振器具有比第二薄膜諧振器大的諧振頻率，所述第一薄膜諧振器包括在襯底上順序形成的隔膜層、下電極、壓電層以及上電極，所述第二薄膜諧振器包括在襯底上順序形成的隔膜層、質(zhì)量加載層、下電極、壓電層以及上電極。優(yōu)選地，第二薄膜諧振器的每一質(zhì)量加載層和下電極的頂部和底部均應(yīng)被隔膜層包圍。
根據(jù)本發(fā)明的這一方面，在第一和第二薄膜諧振器之間的諧振頻率差能夠被精確調(diào)整，從而能夠制造更精確的濾波器。


通過(guò)以下參照附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的上述目的和其他優(yōu)點(diǎn)將變得更加顯而易見，附圖中圖1是傳統(tǒng)薄膜諧振器的剖面圖；圖2是表示傳統(tǒng)薄膜諧振器的上電極的厚度改變引起的諧振頻率變化的曲線；圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜諧振器的剖面圖；圖4A是表示圖3的隔膜層的厚度改變引起的諧振頻率變化的曲線；圖4B是表示圖3的質(zhì)量加載層的厚度改變引起的諧振頻率變化的曲線；圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的薄膜諧振器的剖面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的薄膜諧振器的剖面圖；圖7A至7F表示了圖6的薄膜諧振器的制造過(guò)程；圖8是根據(jù)本發(fā)明的具有薄膜諧振器的濾波器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下文中，將參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。
圖3是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜諧振器的剖面圖。如圖3所示，薄膜諧振器200包括隔膜層210、質(zhì)量加載層250、下電極220、壓電層230以及上電極240。由于壓電層230和上電極240與用于傳統(tǒng)薄膜諧振器中的壓電層和上電極相同，因而省略對(duì)其的詳細(xì)解釋。
根據(jù)第一實(shí)施例，薄膜諧振器200將質(zhì)量加載層250置于下電極220和隔膜層210之間。薄膜諧振器200的諧振頻率能夠根據(jù)質(zhì)量加載層250的厚度而調(diào)節(jié)。
隔膜層210淀積在襯底20上以振動(dòng)地支撐襯底20上的薄膜諧振器200。隔膜層210與壓電層230的振動(dòng)相結(jié)合地振動(dòng)。隔膜層210由絕緣材料制成，如氮化硅(Si3N4)或二氧化硅(SiO2)。如圖4A所示，與調(diào)節(jié)上電極240的厚度t2(見圖1)時(shí)的情況相比，當(dāng)調(diào)節(jié)隔膜層210的厚度t3時(shí)，諧振頻率能夠被更精確地調(diào)節(jié)。優(yōu)選地，隔膜層210的厚度t3應(yīng)該根據(jù)制造過(guò)程中的限制在一預(yù)定的厚度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。
設(shè)置質(zhì)量加載層250以容易地調(diào)節(jié)諧振器的諧振頻率。當(dāng)對(duì)初始時(shí)相同的質(zhì)量加載層250的厚度t4和上電極240的厚度t2進(jìn)行相同程度的改變時(shí)，與上電極240的厚度t2的改變相比，質(zhì)量加載層250的厚度t4的改變導(dǎo)致薄膜諧振器200的諧振頻率更小的變化。質(zhì)量加載層250優(yōu)選由可被容易地結(jié)合到隔膜層210上的材料制成。圖4B表示了諧振頻率對(duì)本發(fā)明第一實(shí)施例中用于質(zhì)量加載層250的聚對(duì)二甲苯(parylene)厚度的依賴性。
圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的薄膜諧振器的結(jié)構(gòu)剖面圖。如圖5所示，薄膜諧振器200的特征在于下電極220的頂部和底部均被隔膜層215所包圍。更具體而言，由具有較大楊氏模量的金屬材料制成的下電極220被設(shè)置在由具有較小楊氏模量的材料例如二氧化硅制成的隔膜層215內(nèi)部。因而改善了隔膜層215的整體剛性，由此避免了隔膜層215的扭曲并改善了隔膜層215的穩(wěn)定性和可靠性。并且，隔膜層215能吸收在現(xiàn)有技術(shù)中引起問題的化學(xué)和機(jī)械影響，使得能夠自由選擇用于下電極220的材料，從而降低了制造成本并簡(jiǎn)化了薄膜諧振器200的制造過(guò)程。
圖6表示了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的薄膜諧振器200的結(jié)構(gòu)。該薄膜諧振器200包括隔膜層213、質(zhì)量加載層250、下電極220、壓電層230和上電極240。質(zhì)量加載層250的下表面和下電極220的上表面被隔膜層213所包圍。因此，可從較寬范圍的材料中選擇下電極220和質(zhì)量加載層250。并且，通過(guò)加入質(zhì)量加載層250，能夠更容易地調(diào)節(jié)諧振頻率。
下文中，將參照附圖詳細(xì)解釋根據(jù)本發(fā)明、特別是第三實(shí)施例的薄膜諧振器的制造方法。
如圖7A所示，首先在襯底20上形成犧牲層290然后通過(guò)一預(yù)定的蝕刻工藝、例如光刻對(duì)其構(gòu)圖。隨后，在犧牲層290之上形成隔膜層213，如圖7B所示。在蝕刻后剩余的犧牲層290置于隔膜層213和襯底20之間。
在完成隔膜層213的形成后，在隔膜層213上形成并構(gòu)圖質(zhì)量加載層250，如圖7C所示。隨后，在質(zhì)量加載層250上形成并構(gòu)圖下電極220。質(zhì)量加載層250優(yōu)選由例如聚對(duì)二甲苯的材料制成，其厚度的改變引起薄膜諧振器的諧振頻率的變化很小。并且，下電極220優(yōu)選由金屬性材料制成，例如鋁合金，其具有比鎢或鉬低的阻尼系數(shù)。與犧牲層290類似，下電極220優(yōu)選通過(guò)光刻來(lái)蝕刻。
在完成下電極220的形成后，在下電極220的頂部再次形成隔膜層213，如圖7D所示。此時(shí)，優(yōu)選包圍質(zhì)量加載層250和下電極220的外表面從而使形成在下電極220上表面上的隔膜層213和形成在質(zhì)量加載層250下表面上的隔膜層213能夠結(jié)合以形成單一體。淀積在下電極220上表面上的材料可以與形成在質(zhì)量加載層250下部上的隔膜層213的材料相似或不相似。同時(shí)，下電極220與壓電層230接觸(圖7E)，以下將通過(guò)其一側(cè)(未示出)對(duì)壓電層230進(jìn)行說(shuō)明。因此，盡管未被詳細(xì)表示，下電極220和壓電層230之間的電連接能夠通過(guò)部分地蝕刻在下電極220上表面上的隔膜層213并接著在其上淀積壓電層230而變得更加穩(wěn)定。
因此，在這一實(shí)施例中，在形成隔膜層213、質(zhì)量加載層250和下電極220之后，在隔膜層213上順序形成壓電層230和上電極240，如圖7E所示。隨后，如圖7F所示蝕刻并去除犧牲層290以在薄膜諧振器200的底部和襯底20之間形成一預(yù)定間隔。
盡管以上已解釋了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的薄膜諧振器200的制造方法，但可依賴于薄膜諧振器200的預(yù)期結(jié)構(gòu)對(duì)該方法進(jìn)行多種改動(dòng)。
例如，可在一預(yù)定圖案中蝕刻襯底20并在被蝕刻的部分處形成犧牲層290從而提供能使薄膜諧振器200在薄膜諧振器200的底部和襯底20之間振動(dòng)的間隔。
進(jìn)一步，盡管未在圖中表示，但可形成多于兩個(gè)的質(zhì)量加載層250。在這種情況下，質(zhì)量加載層250和隔膜層213被順序淀積使得隔膜層213被夾置在每?jī)蓚€(gè)質(zhì)量加載層250之間。
圖8表示了根據(jù)本發(fā)明的具有薄膜諧振器200的組合物的濾波器300的結(jié)構(gòu)。通常，濾波器300包括串聯(lián)諧振器組310和并聯(lián)諧振器組320，串聯(lián)諧振器組310是至少一個(gè)第一薄膜諧振器100的組合，而并聯(lián)諧振器組320是至少一個(gè)第二薄膜諧振器200的組合。濾波器300在第一薄膜諧振器100的諧振頻率和第二薄膜諧振器200的諧振頻率之間設(shè)置一預(yù)定的差值。近來(lái)，這種頻率差被設(shè)置在50至60MHz的小范圍之內(nèi)。在本發(fā)明中，濾波器300可使用傳統(tǒng)的薄膜諧振器(見圖1)作為第一薄膜諧振器100而使用根據(jù)第三實(shí)施例的薄膜諧振器作為第二薄膜諧振器200。通過(guò)使用能夠容易地調(diào)節(jié)諧振頻率的薄膜諧振器200作為第二薄膜諧振器200，本發(fā)明能夠容易地提供精確的濾波器300。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的薄膜諧振器還包括能夠精確并容易地調(diào)節(jié)諧振頻率的質(zhì)量加載層。
并且，由于下電極被隔膜層包圍，可以更加自由地選擇用于下電極的材料。
盡管已基于說(shuō)明的目的描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解的是，可進(jìn)行多種修改、添加和替代而不脫離由所附權(quán)利要求及其等同物的全部范圍所限定的本發(fā)明的范圍和主旨。
權(quán)利要求
1.一種薄膜諧振器，包括形成在襯底上的隔膜層；形成在所述隔膜層至少一部分上的下電極；形成在所述下電極上的壓電層；形成所述在壓電層上的上電極；以及置于所述下電極和所述隔膜層之間并具有一預(yù)定質(zhì)量的質(zhì)量加載層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜諧振器，其中當(dāng)對(duì)初始時(shí)具有相同厚度的所述質(zhì)量加載層和所述上電極進(jìn)行相同程度的厚度改變時(shí)，由所述質(zhì)量加載層的厚度改變引起的諧振頻率的變化小于由所述上電極的厚度改變引起的諧振頻率的變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的薄膜諧振器，其中所述質(zhì)量加載層包括聚對(duì)二甲苯和鋁中的任何一種。
4.一種薄膜諧振器，包括形成在襯底上的隔膜層；形成在所述隔膜層上的下電極；形成在所述下電極上的壓電層；以及形成所述在壓電層上的上電極；其中所述下電極的頂部和底部被所述隔膜層包圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的薄膜諧振器，其中所述下電極由在張力中的彈性模量比所述隔膜層高的材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜諧振器，還包括設(shè)置在所述下電極和所述隔膜層之間并具有一預(yù)定厚度的質(zhì)量加載層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的薄膜諧振器，其中所述質(zhì)量加載層的頂部和底部被所述隔膜層包圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的薄膜諧振器，其中所述質(zhì)量加載層由在張力中的彈性模量比所述隔膜層高且在張力中的彈性模量比所述下電極低的材料制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的薄膜諧振器，其中當(dāng)對(duì)初始時(shí)具有相同厚度的所述質(zhì)量加載層，所述上電極和所述隔膜層進(jìn)行相同程度的厚度改變時(shí)，由所述質(zhì)量加載層的厚度改變引起的諧振頻率的變化小于由所述上電極的厚度改變引起的諧振頻率的變化并大于由所述隔膜層的厚度改變引起的諧振頻率的變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的薄膜諧振器，其中所述隔膜層包括電介質(zhì)和聚合物涂層中的任何一種。
11.一種包括第一諧振器組和第二諧振器組的濾波器，該第一諧振器組是形成在襯底上并與一預(yù)定電路串聯(lián)連接的至少一個(gè)第一薄膜諧振器的組合，該第二諧振器組是與所述電路并聯(lián)連接的至少一個(gè)第二薄膜諧振器的組合，其中所述第一薄膜諧振器具有比所述第二薄膜諧振器大的諧振頻率，所述第一薄膜諧振器包括自所述襯底順序設(shè)置的隔膜層、下電極、壓電層以及上電極，所述第二薄膜諧振器包括自所述第二薄膜諧振器襯底順序設(shè)置的隔膜層、質(zhì)量加載層、下電極、壓電層以及上電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的濾波器，其中所述第二薄膜諧振器的所述下電極的頂部被所述隔膜層包圍。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的濾波器，其中所述第二薄膜諧振器的所述質(zhì)量加載層的頂部被所述隔膜層包圍。
14.一種薄膜諧振器的制造方法，包括在襯底上形成第一隔膜層；在所述第一隔膜層上形成下電極；在所述下電極之上形成第二隔膜層；在所述第二隔膜層上形成壓電層；以及在所述壓電層上形成上電極。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中在所述第一隔膜層上形成下電極包括在所述第一隔膜層上形成至少一個(gè)質(zhì)量加載層；以及在該質(zhì)量加載層之上形成下電極。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中所述隔膜層形成在各個(gè)質(zhì)量加載層之間以及在所述下電極和頂部質(zhì)量加載層之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述在襯底上形成第一隔膜層包括在該襯底上形成并構(gòu)圖犧牲層以及在該犧牲層上形成所述第一隔膜層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中在所述壓電層上形成所述上電極之后，通過(guò)蝕刻去除所述犧牲層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種薄膜諧振器，其包括形成在襯底上的隔膜層，形成在隔膜層的部分頂表面上的下電極，形成在下電極上的壓電層，形成在壓電層上的上電極，以及置于下電極和隔膜層之間并具有一預(yù)定質(zhì)量的質(zhì)量加載層。這種結(jié)構(gòu)能夠更精確地調(diào)節(jié)薄膜諧振器的諧振頻率，從而提供更精確的濾波器。
文檔編號(hào)H03H9/58GK1595798SQ20041007853
公開日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2004年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月9日
發(fā)明者尹容燮, 樸允權(quán), 崔鎣 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社