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WO2003017481A1 - Filteranordnung mit volumenwellen-resonator - Google Patents

Filteranordnung mit volumenwellen-resonator Download PDF

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Publication number
WO2003017481A1
WO2003017481A1 PCT/IB2002/003291 IB0203291W WO03017481A1 WO 2003017481 A1 WO2003017481 A1 WO 2003017481A1 IB 0203291 W IB0203291 W IB 0203291W WO 03017481 A1 WO03017481 A1 WO 03017481A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
electrode
filter arrangement
reflection element
piezoelectric layer
Prior art date
Application number
PCT/IB2002/003291
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans P. Loebl
Mareike K. Klee
Robert F. Milsom
Christof Metzmacher
Wolfgang Brand
Original Assignee
Koninklijke Philips Electronics N.V.
Philips Corporate Intellectual Property Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Koninklijke Philips Electronics N.V., Philips Corporate Intellectual Property Gmbh filed Critical Koninklijke Philips Electronics N.V.
Priority to JP2003522268A priority Critical patent/JP2005500778A/ja
Priority to US10/486,452 priority patent/US6975182B2/en
Priority to CN028158660A priority patent/CN1541447B/zh
Priority to EP02755508A priority patent/EP1419577A1/de
Publication of WO2003017481A1 publication Critical patent/WO2003017481A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46—Filters
    • H03H9/54—Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/58—Multiple crystal filters
    • H03H9/582—Multiple crystal filters implemented with thin-film techniques
    • H03H9/586—Means for mounting to a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
    • H03H9/589—Acoustic mirrors
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/46—Filters
    • H03H9/54—Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/58—Multiple crystal filters
    • H03H9/581—Multiple crystal filters comprising ceramic piezoelectric layers

Definitions

  • the invention relates to filter arrangements equipped with at least one volume wave resonator, which contains a resonator unit and a reflection element, the resonator unit having a first and a second electrode and a piezoelectric layer between the first and second electrodes. Furthermore, the invention also relates to a wireless data transmission system, a transmitter, a receiver and a mobile radio device equipped with a filter arrangement and a nolumen wave resonator.
  • a high selectivity in the high-frequency part is necessary to protect the receiver against the increasing number of potentially interfering signals from other systems. This is achieved, for example, by means of bandpass filters which only allow a limited frequency band to pass through and which suppress all frequencies above and below this range.
  • a filter can for example be a volume wave filter
  • volume wave resonators which are also referred to as bulk acoustic wave (B AW) filters.
  • Nolumen wave resonators are basically made up of three components.
  • the first component generates the acoustic wave and contains a piezoelectric layer.
  • the third component i. H. the reflection element, has the task of acoustically isolating the substrate from the vibrations generated by the piezoelectric layer.
  • Such a nolumen wave resonator is known from WO 98/16957. Ceramic materials such as. Are used as the material for the piezoelectric layer
  • piezoelectric materials with a particularly high electromechanical coupling coefficient k are required. Because the electronic mechanical coupling coefficient k determines the distance between the resonance frequency and the anti-resonance frequency of a nolumen wave resonator.
  • a filter arrangement equipped with at least one volume wave resonator which contains a resonator unit and a reflection element, the resonator unit having a first and a second electrode and a textured piezoelectric layer between the first and second electrodes.
  • the texturing of the piezoelectric layer significantly increases the electromechanical coupling coefficient k compared to a polycrystalline, piezoelectric layer. Due to the increased electromechanical coupling coefficient k, the distance between the resonance frequency and the anti-resonance frequency of the nolumen wave resonator is increased, and thus the bandwidth of the filter arrangement is expanded.
  • the piezoelectric layer is a single crystal layer.
  • a single-crystalline layer results in an absolutely ideal texture formation in the piezoelectric layer.
  • the material of an electrode is textured.
  • the material of the piezoelectric layer can be applied in a textured manner by producing a piezoelectric layer on a textured electrode.
  • the reflection element has several layers with alternating high and low acoustic impedance.
  • Such a reflection element is simple and inexpensive to manufacture.
  • a layer with high acoustic impedance is a material selected from the group Ta 2 O 5 , Si 3 ⁇ 4 , TiO 2 , ZnO, LiNbO 3 , LiTaO 3 , Al 2 O 3 , SiC, N 2 O 5 , ⁇ b 2 O 5 , ZrO 2 , La 2 O 3 , WO x (0 ⁇ x ⁇ 3), MoO x (0 ⁇ x ⁇ 3), ZrC, WC, MoC, ThO 2 , CeO 2 , Nd 2 O 3 , Pr 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , ReO x (0 ⁇ x ⁇ 3.5), RuO 2 , IrO 2 , Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , LiGeO 2 , Bi 12 GeO 20 , Contains GeO 2 , MgO, yttrium aluminum garnet, yttrium iron garnet, LiGaO 2 , H
  • a layer with a low acoustic impedance contains a material selected from the group SiO 2 , airgel and GaAs.
  • the advantageous materials in the reflection element material combinations with the greatest possible differences in their impedances can be produced.
  • the materials have moderate sound velocities, so that ⁇ / 4 layers that are not too thick must be used.
  • the reflection element contains several layers, each with a mixture of at least two materials, the composition of the mixture varying continuously and periodically relative to the layer thickness within each layer.
  • the layer properties in each layer do not vary according to a rectangular function, but continuously, for example sinusoidally.
  • a reflection element can be produced which has a high reflection in the pass band of the filter arrangement and thus effectively decouples the substrate on which the filter arrangement is located from the filter arrangement. Outside the pass band of the filter arrangement, the reflection element can show a high transmission for sound waves.
  • the filter arrangement is acoustically coupled to the substrate outside its pass band, and higher harmonic frequencies outside the pass band are effectively suppressed.
  • the invention relates to a transmitter, a receiver, a mobile radio device and a wireless data transmission system equipped with a filter arrangement with at least one bulk wave resonator, which one
  • the invention also relates to a bulk wave resonator which contains a resonator unit and a reflection element, the resonator unit having first and second electrodes and a textured piezoelectric layer between the first and second electrodes.
  • a bulk wave filter arrangement has a substrate 1 which, for example, consists of a ceramic material, a ceramic material with a planarization layer made of glass, a glass-ceramic material, a glass material, a semiconducting material, such as silicon, GaAs, InP, SiC or GaN, or sapphire.
  • a passivation layer made of, for example, SiO 2 or glass can also be applied.
  • a reflection element 2 is located on the substrate 1.
  • the reflection element 2 preferably contains a plurality of layers 7, 8, 9 with alternately high and low acoustic impedance.
  • the thickness of the layers 7, 8, 9 is in each case a quarter of the resonance wavelength ⁇ .
  • the total number of layers of the reflection element 2 is preferably between 3 and 12.
  • a material is preferably selected from the group Ta 2 O 5 , Si 3 N 4 , TiO 2 , ZnO, LiNbO 3 , LiTaO 3 , Al 2 O 3 , SiC, V 2 O 5 , Nb 2 O 5 , ZrO 2 , La 2 O 3 , WO x (0 ⁇ x ⁇ 3), MoO x (0 ⁇ x ⁇ 3), ZrC, WC, MoC, ThO 2 , CeO 2 , Nd 2 O 3 , Pr 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Gd 2 O 3 , ReO x (0 ⁇ x ⁇ 3.5), RuO 2 , IrO 2 , Y 2 O 3 , Sc 2 O 3 , LiGeO 2 ,
  • Bi 12 GeO 0 , GeO 2 , MgO, yttrium aluminum garnet, yttrium iron garnet, LiGaO 2 , HfO 2 , A1N and C are used.
  • a material is preferably selected from the group SiO 2 , airgel and GaAs. It is preferred that the reflection element 2 alternately contains layers of Ta 2 O 5 and SiO 2 or Si 3 N 4 and SiO 2 .
  • the reflection element 2 can consist of only a single layer with a sound reflection material which has a low acoustic impedance.
  • This sound reflection material can be an airgel, a xerogel, a glass foam, a foam-like adhesive, a foam or a low-density plastic.
  • the reflection element 2 can contain a plurality of layers 7, 8, 9, each with a mixture of at least two materials, the composition of the mixture, which is preferably amorphous, being continuous and relative to the layer thickness within each layer 7, 8, 9 varies periodically. It is preferred that each layer 7, 8, 9 of the reflection element 2 contains a mixture of SiO and Ta 2 O 5 or SiO and Si 3 N 4 . In this embodiment, the composition of the mixture varies periodically, for example sinusoidally, relative to the layer thickness in a layer 7, 8, 9.
  • Resonator units each having a first electrode 3, a piezoelectric layer 4 and a second electrode 5, are applied to the reflection element 2 contain.
  • the electrodes 3 and 5 are preferably made of a highly conductive material with low acoustic damping.
  • the piezoelectric layer 4 As a material for the piezoelectric layer 4, for example, A1N, ZnO, Pb (Zn 1/3 Nb 2/3) O 3 -PbTiO 3, Pb (Mg 1/3 Nb 2/3) O 3 -PbTiO 3, Pb ( Ni 1/3 Nb 2/3) O 3 -PbTiO 3, Pb (Sc 1/3 Nb 2/3) O 3 -PbTiO 3, Pb (Zn 1/3 Nb 2/3) 1-xy (Mn 1 / 2 Nb 1/2 ) x Ti y O 3 (0 ⁇ x ⁇ 1, 0 ⁇ y ⁇ 1), Pb (In 1/2 Nb 1/2 ) O 3 -PbTiO 3 , Sr 3 TaGa 3 Si 2 O, K (Sr 1-x Ba x ) 2 Nb 5 O 15 (0 ⁇ x ⁇ 1), Na (Sr 1-x Ba x ) 2 Nb 5 O 15 (0 ⁇ x ⁇ 1), BaTiO 3 , (K
  • the piezoelectric layer 4 Material applied in the piezoelectric layer 4 textured.
  • the crystals of the piezoelectric material have a preferred orientation of the crystallites with respect to an outer sample geometry and are not randomly arranged in their crystallographic orientation to one another. It is preferred that the material in the piezoelectric layer 4 is applied with a columnar growth.
  • a textured, piezoelectric layer 4 can be achieved by means of thin-layer processes such as, for example, sol-gel processes, sputtering, CVD (Chemical Vapor Deposition) processes or printing techniques.
  • the piezoelectric layer 4 can also be applied to the first electrode 3 by bonding or gluing already sintered and mechanically processed layers of the piezoelectric materials.
  • TGG Temporal Grain Growth Method
  • the texture of the piezoelectric layer 4 can be improved up to single crystallinity by further methods such as laser annealing.
  • a seed layer for example made of PbZr x Ti 1-x O 3 with 0 ⁇ x 1 1 or PbTiO 3 , can be applied to the first electrode 3.
  • Suitable materials for a textured electrode 3, 5 when using A1N or ZnO as the piezoelectric material in the piezoelectric layer 4 are metals which preferably have a cubic surface-centered or hexagonally densely packed structure and whose surface also has an (III) orientation show hexagonal arrangement of the atoms.
  • Possible materials for a textured electrode 3, 5 with a face-centered cubic packing and an (III) orientation are, for example, Pt, Al, Al: Si, Al: Cu, Ti, Ni, Cu, Rh, Pd, Ag, r, Au , Ce and Yb.
  • Possible materials for a textured electrode 3, 5 with a hexagonally closest packing and a (111) orientation are, for example, Ti, Co, Zn, Y, Zr, Tc, Ru, Hf, Re, Os, Pr, Nd, Pm, Sm , Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm and Lu.
  • layer systems made of different metals are also suitable materials.
  • a textured electrode 3, 5 can contain Ti / Pt, Ti / Al, Ti / Al: Si and Ti / Al: Cu.
  • an alloy made of metals which has a face-centered cubic packing and an (11 l) orientation it is also possible to use an alloy made of metals which has a face-centered cubic packing and an (11 l) orientation. Alloys of metals, which have a face-centered cubic packing and a (11 l) orientation, with metals or
  • Non-metals that have, for example, a cubic inner-centered packing and whose surface is converted spontaneously or by adsorption of foreign atoms into a hexagonal symmetry are used. Pto is one such alloy.
  • the texture of the piezoelectric layer 4 can be influenced.
  • the texture of the piezoelectric layer 4 can also be influenced by means of a textured barrier layer which is applied between the reflection element 2 and the first electrode 3.
  • a first electrode 3 made of Pt with an (III) orientation that is not thermally pretreated, it is possible to grow a piezoelectric layer 4 with an (III) orientation.
  • a first electrode 3 made of Pt with a (III) orientation which is pretreated thermally, it is possible to use piezoelectric layers 4 with a (100) orientation and (111) orientation or exclusively a (100) orientation grow up.
  • Pt (100) oriented By using a barrier layer made of MgO with a (100) orientation, Pt (100) oriented can first be grown as the first electrode 3. As a result, the above-mentioned piezoelectric materials can be grown as a textured layer on the textured first electrode 3. A protective layer made of an organic or an inorganic material or a combination of these materials can be applied over the entire filter arrangement.
  • polybenzocyclobutene or polyimide can be used as the organic material and Si 3 N 4 , SiO 2 or Si x O y N z (0 ⁇ x ⁇ 1.0, 0 ⁇ y ⁇ 1.0, 0 ⁇ z ⁇ 1), for example, can be used as the inorganic material .
  • a thin layer of SiO 2 can be applied to one or more bulk wave resonators of the filter arrangement in order to detune the bulk wave resonator in a targeted manner. It may be preferred that the thin layer of SiO 2 is only applied to the second electrode 5 of a bulk wave resonator.
  • the layer thickness of the thin layer of SiO 2 is preferably between 10 and 100 nm.
  • a filter arrangement according to the invention can be used, for example, for signal filtering in a wireless data transmission system, in a mobile radio device, in a transmitter or in a receiver.
  • embodiments of the invention are explained which represent exemplary implementation options.
  • a filter arrangement made of bulk wave resonators has a substrate 1 made of silicon with a passivation layer made of SiO 2 .
  • the first layer 7 contains SiO 2 on the substrate 1.
  • On the top layer 9 of the reflection element 2, which contains SiO 2 there are the individual bulk wave resonators, each having a first electrode 3, a piezoelectric one
  • the first electrode 3 contains Ti / Pt, the Pt-containing layer of the first electrode 3 being grown with an (III) orientation.
  • a second electrode 5 made of TiW / Al is located on each piezoelectric layer 4.
  • the individual bulk wave resonators are electrically connected on the substrate 1 in such a way that a filter arrangement for signal filtering in the high-frequency part of a mobile radio device has been obtained.
  • a filter arrangement made of bulk wave resonators has a substrate 1 made of glass.
  • a reflection element 2 which contains seven layers of alternating SiO 2 and Ta 2 O 5 , is applied to the substrate 1.
  • the first layer 7 contains SiO 2 on the substrate 1.
  • On the uppermost layer 9 of the reflection element 2, which contains SiO 2 there are the individual bulk wave resonators, each comprising a first electrode 3, a piezoelectric layer 4 and a second electrode 5.
  • the first electrode 3 contains Ti / Pt, the Pt-containing layer of the first electrode 3 having been grown with a (111) orientation.
  • a piezoelectric layer 4 made of PbZro is on each first electrode 3. 3 5Ti 0 . ö5 ⁇ 3 applied with (100) orientation and (11 1) orientation.
  • a second Pt electrode 5 is located on each piezoelectric layer 4. There is a thin layer of SiO 2 on the second electrode 5 of each bulk wave resonator.
  • the individual bulk wave resonators are electrically connected on the substrate 1 in such a way that a filter arrangement for signal filtering in the high-frequency part of a mobile radio device was obtained.
  • Embodiment 3 A filter arrangement made of bulk wave resonators has a substrate 1
  • a reflection element 2 which contains seven layers of alternating SiO 2 and Ta 2 Os, is applied to the substrate 1.
  • the first layer 7 contains SiO 2 on the substrate 1.
  • the first electrode 3 contains Ti / Pt, the Pt-containing layer of the first electrode 3 having been grown with an (11 l) orientation.
  • a layer of KbNO 3 with an (OOl) orientation has grown on each seed layer as the piezoelectric layer 4.
  • a second electrode 5 made of TiW / Al is located on each piezoelectric layer 4.
  • the individual bulk wave resonators are electrically connected on the substrate 1 in such a way that a filter arrangement for signal filtering in the high-frequency part of a mobile radio device has been obtained.
  • a filter arrangement made of bulk wave resonators has a substrate 1 made of glass.
  • a reflection element 2 which contains a layer of porous SiO 2 , is applied to the substrate 1.
  • the individual bulk wave resonators, each having a first electrode 3, a piezoelectric one, are located on the reflection element 2
  • the first electrode 3 contains Ti / Pt, the Pt-containing layer of the first electrode 3 having been grown with an (III) orientation.
  • a layer of Pb (Mg 1 3 Nb 23 ) O 3 -PbTiO 3 with an (OOl) orientation and with an (III) orientation is grown on each first electrode 3 as the piezoelectric layer 4.
  • a second Pt electrode 5 is located on each piezoelectric layer 4.
  • a thin layer of SiO 2 is located on the second electrode 5 of each volume wave resonator.
  • the individual bulk wave resonators are electrically connected on the substrate 1 in such a way that a filter arrangement for signal filtering in the high-frequency part of a mobile radio device has been obtained.
  • Embodiment 5 Embodiment 5
  • a filter arrangement made of bulk wave resonators has a substrate 1 made of silicon with a passivation layer made of SiO 2 .
  • a reflection element 2 which contains seven layers of alternating SiO 2 and Ta 2 O 5 , is applied to the substrate 1.
  • the first layer 7 contains SiO 2 on the substrate 1.
  • a barrier layer made of MgO is applied with a (100) orientation.
  • the individual bulk wave resonators, each comprising a first electrode 3, a piezoelectric layer 4 and a second electrode 5, are located on the barrier layer.
  • the first electrode 3 contains Ti / Pt, the Pt-containing layer of the first electrode 3 being grown with a (100) orientation.
  • a layer of Pb (Zn 1/3 Nb / 3 ) O 3 -PbTiO 3 with an (OOl) orientation is applied to each first electrode 3 as the piezoelectric layer 4.
  • a second Pt electrode 5 is located on each piezoelectric layer 4.
  • a thin layer of SiO 2 is located on the second electrode 5 of each bulk wave resonator.
  • the individual bulk wave resonators are electrically connected on the substrate 1 in such a way that a filter arrangement for signal filtering in the high-frequency part of a mobile radio device has been obtained.
  • a filter arrangement made of bulk wave resonators has a substrate 1 made of glass.
  • a reflection element 2 which applies seven layers, is on the substrate 1.
  • Each of the layers 7, 8, 9 contained SiO 2 and Ta 2 O 5 as materials, the composition of the material within each layer 7, 8, 9 being sinusoidal with the layer thickness d as the period from pure SiO 2 to pure Ta 2 Os and changed back to pure SiO 2 .
  • the layer thickness d of each layer 7, 8, 9 is 466 nm.
  • the individual bulk wave resonators each comprising a first electrode 3, a piezoelectric layer 4 and a second electrode 5.
  • the first electrode 3 contains Ti / Pt, the Pt-containing layer of the first electrode 3 having been grown with an (11 l) orientation.
  • each first electrode 3 there is a thin seed layer made of PbZro. 3 5Tio. 6 5 ⁇ 3 applied.
  • On each seed layer is a layer of Pb (Zni / 3 Nb 2/3) O 3 -PbTiO 3 with a (001) as the piezoelectric layer 4 - grown orientation.
  • a second Pt electrode 5 is located on each piezoelectric layer 4.
  • Located on the second electrode 5 of each bulk wave resonator a thin layer of SiO 2 .
  • the individual bulk wave resonators are electrically connected on the substrate 1 in such a way that a filter arrangement for signal filtering in the high-frequency part of a mobile radio device has been obtained.
  • a filter arrangement made of bulk wave resonators has a substrate 1 made of silicon with a passivation layer made of SiO 2 .
  • a reflection element 2 which contains seven layers of alternating SiO 2 and Ta 2 Os, is applied to the substrate 1.
  • the first layer 7 contains SiO 2 on the substrate 1.
  • the individual bulk wave resonators, each comprising a first electrode 3, a piezoelectric layer 4 and a second electrode 5, are located on the uppermost layer 9 of the reflection element 2, which contains SiO 2 .
  • the first electrode 3 contains Ti / Pt, the Pt-containing layer of the first electrode 3 being grown with an (III) orientation.
  • a textured layer of A1N with a (OOOl) orientation is applied to each first electrode 3 as the piezoelectric layer 4.
  • each piezoelectric layer 4 there is a second electrode 5 made of Al.
  • the individual bulk wave resonators are electrically connected on the substrate 1 in such a way that a filter arrangement for signal filtering in the high-frequency part of a mobile radio device has been obtained.
  • a filter arrangement made of bulk wave resonators has a substrate 1 made of silicon with a passivation layer made of SiO 2 .
  • a reflection element 2 which contains seven layers of alternating SiO 2 and Si 3 N 4 , is applied to the substrate 1.
  • the first layer 7 contains SiO 2 on the substrate 1.
  • the individual bulk wave resonators, each comprising a first electrode 3, a piezoelectric layer 4 and a second electrode 5, are located on the uppermost layer 9 of the reflection element 2, which contains SiO 2 .
  • the first electrode 3 contains Ti / Pt, the Pt-containing layer of the first electrode 3 being grown with an (11 l) orientation.
  • a textured layer of A1N with a (OOOl) orientation is applied to each first electrode 3 as the piezoelectric layer 4.
  • each piezoelectric layer 4 there is a second electrode 5 made of Al.
  • the single ones Bulk wave resonators are electrically connected on the substrate 1 in such a way that a filter arrangement for signal filtering in the high-frequency part of a mobile radio device has been obtained.
  • a filter arrangement made of bulk wave resonators has a substrate 1 made of silicon with a passivation layer made of SiO 2 .
  • a reflection element 2 which contains nine layers of alternating SiO 2 and Ta 2 O 5 , is applied to the substrate 1.
  • the first layer 7 contains SiO 2 on the substrate 1.
  • the individual bulk wave resonators, each comprising a first electrode 3, a piezoelectric layer 4 and a second electrode 5, are located on the uppermost layer 9 of the reflection element 2, which contains SiO 2 .
  • the first electrode 4 contains Ti / Al: Cu with an (III) orientation.
  • a textured layer of A1N with a (OOOl) orientation is applied to each first electrode 3 as the piezoelectric layer 4.
  • each bulk wave resonator There is a thin layer of SiO 2 on the second electrode 5 of each bulk wave resonator.
  • the individual bulk wave resonators are electrically connected on the substrate 1 in such a way that a filter arrangement for signal filtering in the high-frequency part of a mobile radio device has been obtained.
  • a filter arrangement made of bulk wave resonators has a substrate 1 made of silicon with a passivation layer made of SiO 2 .
  • a reflection element 2 which contains nine layers of alternating SiO 2 and Ta 2 O 5 , is applied to the substrate 1.
  • the first layer 7 contains SiO 2 on the substrate 1.
  • the individual bulk wave resonators, each comprising a first electrode 3, a piezoelectric layer 4 and a second electrode 5, are located on the uppermost layer 9 of the reflection element 2, which contains SiO 2 .
  • the first electrode 3 contains Ti / Pt, the Pt-containing layer of the first electrode 3 being grown with an (III) orientation.
  • a textured layer of ZnO with a (OOOl) orientation is applied to each first electrode 3 as the piezoelectric layer 4.
  • each piezoelectric layer 4 there is a second electrode 5 made of Al.
  • the individual bulk wave resonators are electrically connected on the substrate 1 such that a Filter arrangement for signal filtering in the high-frequency part of a mobile radio device was obtained.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Filteranordnung ausgestattet mit wenigstens einem Volumenwellen-Resonator, welcher eine Resonatoreinheit und ein Reflexionselement enthält. Die Resonatoreinheit umfasst eine erste (3) und eine zweite Elektrode (5) sowie zwischen der ersten (3) und zweiten (5) Elektrode eine texturierte piezoelektrische Schicht (4).

Description

Filteranordnung mit Nolumenwellen-Resonator
Die Erfindung betrifft Filteranordnύng ausgestattet mit wenigstens einem Nolumenwellen-Resonator, welcher eine Resonatoreinheit und ein Reflexionselement enthält, wobei die Resonatoreinheit eine erste und eine zweite Elektrode sowie zwischen der ersten und zweiten Elektrode eine piezoelektrische Schicht aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung noch ein drahtloses Datenübertragungssystem, einen Sender, einen Empfänger sowie ein Mobilfunkgerät ausgerüstet mit einer Filteranordnung sowie einen Nolumenwellen-Resonator.
Die rasanten Entwicklungen im Mobilfunkbereich und die stete Miniaturisierung der schnurlosen Telefonapparate führen zu erhöhten Anforderungen an die einzelnen Komponenten. So ist eine hohe Selektivität im Hochfrequenzteil nötig, um den Empfänger gegen die steigende Anzahl möglicherweise störender Signale von anderen Systemen zu schützen. Dies wird beispielsweise durch Bandpassfilter erreicht, die nur ein begrenztes Frequenzband durchlassen und alle Frequenzen ober- und unterhalb dieses Bereiches unterdrücken. Ein derartiger Filter kann beispielsweise ein Volumen wellen-Filter aus
Nolumenwellen-Resonatoren, die auch als Bulk Acoustic Wave (B AW) Filter bezeichnet werden, sein. Nolumenwellen-Resonatoren sind prinzipiell aus drei Komponenten aufgebaut. Die erste Komponente generiert die akustische Welle und enthält eine piezoelektrische Schicht. Zwei Elektroden, welche ober- und unterhalb der piezoelektrischen Schicht angebracht sind, stellen die zweite Komponente dar. Die dritte Komponente, d. h. das Reflexionselement, hat die Aufgabe das Substrat von den Schwingungen, die die piezoelektrische Schicht erzeugt, akustisch zu isolieren.
Aus der WO 98/16957 ist ein derartiger Nolumenwellen-Resonator bekannt. Als Material für die piezoelektrische Schicht werden keramische Materialien wie
1 beispielsweise ZnO oder A1Ν eingesetzt.
Um eine maximale Bandbreite eines aus Nolumenwellen-Resonatoren aufgebauten Nolumenwellen-Filters zu erreichen, werden piezoelektrische Materialien mit besonders hohem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k benötigt. Denn der elektro- mechanische Kopplungskoeffizient k bestimmt den Abstand zwischen der Resonanzfrequenz und der Anti-Resonanzfrequenz eines Nolumenwellen-Resonator.
Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung eine Filteranordnung mit einem verbessertem Nolumenwellen-Resonator, dessen piezoelektrische Schicht einen hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k aufweist, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Filteranordnung ausgestattet mit wenigstens einem Nolumenwellen-Resonator, welcher eine Resonatoreinheit und ein Reflexionselement enthält, wobei die Resonatoreinheit eine erste und eine zweite Elektrode sowie zwischen der ersten und zweiten Elektrode eine texturierte piezoelektrische Schicht aufweist.
Durch die Texturierung der piezoelektrischen Schicht wird eine deutliche Erhöhung des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k gegenüber einer polykristallinen, piezoelektrischen Schicht erreicht. Durch den erhöhten elektromechanischen Kopplungskoeffizienten k wird der Abstand zwischen der Resonanzfrequenz und der Anti- Resonanzfrequenz des Nolumenwellen-Resonators vergrößert und somit die Bandbreite der Filteranordnung erweitert.
Es ist bevorzugt, dass die piezoelektrische Schicht eine einkristalline Schicht ist.
Eine einkristalline Schicht ergibt eine absolut ideale Texturausbildung in der piezoelektrischen Schicht.
Es ist weiterhin bevorzugt, dass das Material einer Elektrode texturiert ist.
Durch Herstellung einer piezoelektrischen Schicht auf einer texturierten Elektrode kann das Material der piezoelektrischen Schicht texturiert aufgebracht werden.
Es ist vorteilhaft, dass das Reflexionselement mehrere Schichten mit abwechselnd hoher und niedriger akustischer Impedanz aufweist.
Ein derartiges Reflexionselement ist einfach und preiswert herzustellen.
Es ist besonders vorteilhaft, dass eine Schicht mit hoher akustischer Impedanz ein Material ausgewählt aus der Gruppe Ta2O5, Si3Ν4, TiO2, ZnO, LiNbO3, LiTaO3, Al2O3, SiC, N2O5, Νb2O5, ZrO2, La2O3, WOx (0 < x < 3), MoOx (0 < x < 3), ZrC, WC, MoC, ThO2, CeO2, Nd2O3, Pr2O3, Sm2O3, Gd2O3, ReOx (0 < x < 3.5), RuO2, IrO2, Y2O3, Sc2O3, LiGeO2, Bi12GeO20, GeO2, MgO, Yttrium-Aluminium-Granat, Yttrium-Eisen-Granat, LiGaO2, HfO2, A1N und C enthält.
Es ist auch besonders vorteilhaft, dass eine Schicht mit niedriger akustischer Impedanz ein Material ausgewählt aus der Gruppe SiO2, Aerogel und GaAs enthält. Bei Verwendung der vorteilhaften Materialien im Reflexionselement können Material-Kombinationen mit möglichst großen Unterschieden in ihren Impedanzen hergestellt werden. Außerdem weisen die Materialien moderate Schallgeschwindigkeiten auf, so dass nicht zu dicke λ/4-Schichten benutzt werden müssen. Es kann auch bevorzugt sein, dass das Reflexionselement mehrere Schichten mit jeweils einer Mischung aus wenigstens zwei Materialien enthält, wobei innerhalb jeder Schicht die Zusammensetzung der Mischung relativ zur Schichtdicke kontinuierlich und periodisch variiert.
Bei einem derartigen Reflexionselement variieren die Schichteigenschaften in jeder Schicht nicht nach einer Rechteckfunktion, sondern kontinuierlich, beispielsweise sinusförmig. Dadurch kann ein Reflexionselement hergestellt werden, welches im Durchlassband der Filteranordnung eine hohe Reflexion aufweist und somit das Substrat, auf dem sich die Filteranordnung befindet, effektiv von der Filteranordnung entkoppelt. Außerhalb des Durchlassbandes der Filteranordnung kann das Reflexionselement eine hohe Transmission für Schallwellen zeigen. Dadurch wird die Filteranordnung außerhalb seines Durchlassbandes an das Substrat akustisch angekoppelt und höhere harmonische Frequenzen außerhalb des Durchlassbandes effektiv unterdrückt.
Außerdem betrifft die Erfindung einen Sender, einen Empfänger, ein Mobilfunkgerät und ein drahtloses Datenübertragungssystem ausgerüstet mit einer Filteranordnung mit wenigstens einem Volumenwellen-Resonator, welcher eine
Resonatoreinheit und ein Reflexionselement enthält, wobei die Resonatoreinheit eine erste und eine zweite Elektrode sowie zwischen der ersten und zweiten Elektrode eine texturierte piezoelektrische Schicht aufweist. Die Erfindung betrifft auch einen Volumenwellen- Resonator, welcher eine Resonatoreinheit und ein Reflexionselement enthält, wobei die Resonatoreinheit eine erste und eine zweite Elektrode sowie zwischen der ersten und zweiten Elektrode eine texturierte piezoelektrische Schicht aufweist.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von einer Figur und zehn Ausführungsbeispielen erläutert werden. Dabei zeigt
Fig. 1 im Querschnitt den Aufbau eine Filteranordnung aus Volumenwellen- Resonatoren, Gemäß Fig. 1 weist eine Volumenwellen-Filteranordnung ein Substrat 1 auf, welches zum Beispiel aus einem keramischen Material, einem keramischen Material mit einer Planarisierungsschicht aus Glas, einem glaskeramischen Material, einem Glasmaterial, einem halbleitenden Material, wie beispielsweise Silicium, GaAs, InP, SiC oder GaN, oder Saphir ist. Bei Verwendung von einem halbleitenden Material als Substrat 1 kann noch eine Passivierungsschicht aus beispielsweise SiO2 oder Glas aufgebracht. Auf dem Substrat 1 befindet sich ein Reflexionselement 2. Vorzugsweise enthält das Reflexionselement 2 mehrere Schichten 7, 8, 9 mit abwechselnd hoher und niedriger akustischer Impedanz. Die Dicke der Schichten 7, 8, 9 beträgt jeweils ein Viertel der Resonanzwellenlänge λ. Die Gesamtanzahl der Schichten des Reflexionselementes 2 liegt vorzugsweise zwischen 3 und 12.
Für eine Schicht mit hoher akustischer Impedanz wird bevorzugt ein Material ausgewählt aus der Gruppe Ta2O5, Si3N4, TiO2, ZnO, LiNbO3, LiTaO3, Al2O3, SiC, V2O5, Nb2O5, ZrO2, La2O3, WOx (0 < x < 3), MoOx (0 < x < 3), ZrC, WC, MoC, ThO2, CeO2, Nd2O3, Pr2O3, Sm2O3, Gd2O3, ReOx (0 < x < 3.5), RuO2, IrO2, Y2O3, Sc2O3, LiGeO2,
Bi12GeO 0, GeO2, MgO, Yttrium-Aluminium-Granat, Yttrium-Eisen-Granat, LiGaO2, HfO2, A1N und C verwendet. Für eine Schicht mit niedriger akustischer Impedanz wird bevorzugt ein Material ausgewählt aus der Gruppe SiO2, Aerogel und GaAs. Es ist bevorzugt, dass das Reflexionselement 2 abwechselnd Schichten aus Ta2O5 und SiO2 oder Si3N4 und SiO2 enthält.
Alternativ kann das Reflexionselement 2 nur aus einer einzigen Schicht mit einem Schallreflexionsstoff, welcher eine niedrige akustische Impedanz aufweist, bestehen. Dieser Schallreflexionsstoff kann ein Aerogel, ein Xerogel, ein Glasschaum, ein schaumartiger Klebstoff, ein Schaumstoff oder ein Kunststoff mit geringer Dichte sein. Es ist auch möglich, dass das Reflexionselement 2 mehrere Schichten 7, 8, 9 mit jeweils einer Mischung aus wenigstens zwei Materialien enthält, wobei innerhalb jeder Schicht 7, 8, 9 die Zusammensetzung der Mischung, welche vorzugsweise amorph ist, relativ zur Schichtdicke kontinuierlich und periodisch variiert. Dabei ist es bevorzugt, dass jede Schicht 7, 8, 9 des Reflexionselementes 2 eine Mischung SiO und Ta2O5 oder SiO und Si3N4 enthält. In dieser Ausführungsform variiert die Zusammensetzung der Mischung relativ zur Schichtdicke in einer Schicht 7, 8, 9 periodisch, beispielsweise sinusförmig.
Auf dem Reflexionselement 2 sind Resonatoreinheiten aufgebracht, welche jeweils eine erste Elektrode 3, eine piezoelektrische Schicht 4 und eine zweite Elektrode 5 enthalten. Die Elektroden 3 und 5 sind vorzugsweise aus einem gut leitendem Material mit geringer akustischer Dämpfung.
Als Material für die piezoelektrische Schicht 4 kann zum Beispiel A1N, ZnO, Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, Pb(Sc1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, Pb(Zn1/3Nb2/3)1-x-y(Mn1/2Nb1/2)xTiyO3 (0 < x < 1, 0 < y < 1), Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3, Sr3TaGa3Si2O , K(Sr1-xBax)2Nb5O15 (0 < x < 1), Na(Sr1-xBax)2Nb5O15 (0 < x < 1), BaTiO3, (K1-xNax)NbO3 (0 < x < 1), KTaO3, (Bi,Na,K, Pb,Ba)TiO3, (Bi,Na)TiO3, Bi7Ti4NbO21, (K1-xNax)NbO3-(Bi,Na,K,Pb,Ba)TiO3 (0 < x < 1), a(BixNa1-x)TiO3_b(KNbO3-c)1/2(Bi2O3-Sc2O3) (0 < x < 1, a + b + c = 1),
(BaaSrbCac)TixZr1-xO3 (0 < x < 1, a + b + c = 1), (BaaSrbLac)Bi4Ti4O15 (a + b + c = 1), Bi4Ti3O12, LiNbO3, La3Ga5.5Nbo.5O14, La3Ga5SiO14, La3Ga5.5Tao.5θ14 und PbZrxTi1-xO3 (0 < x < 1) mit und ohne Dotierungen aus La, Mn, Fe, Sb, Sr, Ni oder Kombinationen dieser Dotierungsmittel verwendet werden. Zur Erzielung hoher elektromechanischer Kopplungskoeffizienten k wird das
Material in der piezoelektrischen Schicht 4 texturiert aufgebracht. In einer texturierten piezoelektrischen Schicht 4 weisen die Kristalle des piezoelektrischen Materials eine bevorzugte Orientierung der Kristallite in bezug auf eine äußere Probengeometrie auf und sind nicht statistisch regellos in ihrer kristallographischen Orientierung zueinander angeordnet. Es ist bevorzugt, dass das Material in der piezoelektrischen Schicht 4 mit einem säulenartigen Wachstum aufgebracht ist.
Eine texturierte, piezoelektrische Schicht 4 kann mittels Dünnschichtverfahren wie zum Beispiel Sol-Gel- Verfahren, Sputtern, CVD(Chemical Vapour Deposition)- Verfahren oder Drucktechniken erreicht werden. Die piezoelektrische Schicht 4 kann auch durch Bonden oder Kleben von bereits gesinterten und mechanisch bearbeiteten Schichten aus den piezoelektrischen Materialien auf der ersten Elektrode 3 aufgebracht werden.
Eine weitere Alternative stellt die sogenannte „Templated Grain Growth- Methode (TGG)" dar. Bei dieser Methode wird auf einem einkristallinen Templat eine polykristalline Schicht aufgebracht. Durch Erhitzen auf hohe Temperaturen wird die polykristalline Schicht in eine texturierte/einkristalline Schicht überführt.
Die Textur der piezoelektrischen Schicht 4 kann bis hin zur Einkristallinität durch weitere Verfahren wie zum Beispiel Laser- Annealing verbessert werden. Zur Verbesserung des Wachstums, der Kristallinität und der Orientierung des Materials der piezoelektrischen Schicht 4 kann auf der ersten Elektrode 3 eine Keimschicht, beispielsweise aus PbZrxTi1-xO3 mit 0 < x ≤ 1 oder PbTiO3, aufgebracht sein.
Durch Abscheiden der piezoelektrischen Schicht 4 auf eine texturierte erste Elektrode 3 ist es möglich, die Textur der piezoelektrischen Schicht 4 zu beeinflussen.
Als Materialien für eine texturierte Elektrode 3, 5 bei Verwendung von A1N oder ZnO als piezoelektrisches Material in der piezoelektrischen Schicht 4 kommen Metalle in Frage, welche bevorzugt eine kubisch flächenzentrierte oder hexagonal dichtest gepackte Struktur aufweisen, und deren Oberfläche eine (lll)-Orientierung mit hexagonaler Anordnung der Atome zeigen. Mögliche Materialien für eine texturierte Elektrode 3, 5 mit einer kubisch flächenzentrierten Packung und einer (lll)-Orientierung sind beispielsweise Pt, AI, Al:Si, Al:Cu, Ti, Ni, Cu, Rh, Pd, Ag, r, Au, Ce und Yb. Mögliche Materialien für eine texturierte Elektrode 3, 5 mit einer hexagonal dichtesten Packung und einer (111)- Orientierung sind beispielsweise Ti, Co, Zn, Y, Zr, Tc, Ru, Hf, Re, Os, Pr, Nd, Pm, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm und Lu. Alternativ sind auch Schichtsysteme aus verschiedenen Metallen geeignete Materialien. So kann eine texturierte Elektrode 3, 5 beispielsweise Ti/Pt, Ti/Al, Ti/Al:Si und Ti/Al:Cu enthalten. Weiterhin ist auch die Verwendung einer Legierungen aus Metallen, welche eine kubisch flächenzentrierte Packung und eine (11 l)-Orientierung aufweisen, möglich. Es können auch Legierungen aus Metallen, welche eine kubisch flächenzentrierte Packung und eine (11 l)-Orientierung aufweisen, mit Metallen oder
Nichtmetallen, welche beispielsweise eine kubisch innenzentrierte Packung aufweisen und deren Oberfläche sich spontan oder durch Adsorption von Fremdatomen in eine hexagonale Symmetrie umwandelt, verwendet werden. Eine mögliche solche Legierung ist Pto.68Nio.32- Die c- Achsen-Orientierung einer texturierten piezoelektrischen Schicht 4, welche mit der FWHM (Füll Width at Half Maximum)-Breite der Rocking-Kurve des (OOOl)-Peaks bestimmt wird, beträgt für A1N oder ZnO vorzugsweise < 3°.
Auch bei Verwendung von Pb(Zn1 3Nb2/3)O3-PbTiO3, Pb(Mg1 3Nb2/3)O3-PbTiO3, Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, Pb(Sc1/3Nb2/3)O3-PbTiO3, Pb(Zn1/3Nb2/3)1-x-y(Mn1/2Nb1/2)xTiyO3 (0 < x < 1 , 0 < y ≤ 1), Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3,
Sr3TaGa3Si2O14, K(Sr1-xBax)2Nb5O15 (0 < x < 1), Na(Sr1-xBax)2Nb5O15 (0 ≤ x ≤ 1), BaTiO3, (K1-xNax)NbO3 (0 < x < 1), KTaO3, (Bi,Na,K,Pb,Ba)TiO3, (Bi,Na)TiO3, Bi7Ti4NbO21, (Kx- xNax)NbO3-(Bi,Na,K,Pb,Ba)TiO3 (0 < x ≤ 1), a(BixNa1-x)TiO3_b(KNbO3.c)V2(Bi2O3-Sc2O3) (0 < x < 1, a + b + c = 1), (BaaSrbCac)TixZr1-xO3 (0 < x < 1, a + b + c = 1), (BaaSrbLac)Bi4Ti4O15 (a + b + c = 1), Bi Ti3O12, LiNbO3, La3Ga5.5Nb0.5O1 , La3Ga5SiO14, La3Ga5.5Tao.5θ1 und PbZrxTi1-xO3 (0 < x ≤ 1) mit und ohne Dotierungen aus La, Mn, Fe, Sb, Sr, Ni oder Kombinationen als piezoelektrisches Material kann durch Abscheiden der piezoelektrischen Schicht 4 auf eine texturierte erste Elektrode 3 die Textur der piezoelektrischen Schicht 4 beeinflusst werden. Alternativ kann bei diesen piezoelektrischen Materialien auch mittels einer texturierten Barriereschicht, welche zwischen Reflexionselement 2 und erster Elektrode 3 aufgebracht ist, die Textur der piezoelektrischen Schicht 4 beeinflusst werden. So ist es beispielsweise möglich durch Verwendung einer ersten Elektrode 3 aus Pt mit einer (lll)-Orientierung, die nicht thermisch vorbehandelt ist, eine piezoelektrische Schicht 4 mit einer (lll)-Orientierung aufzuwachsen. Durch den Einsatz einer ersten Elektrode 3 aus Pt mit einer (lll)-Orientierung, die thermisch vorbehandelt ist, ist es möglich, piezoelektrische Schichten 4 mit einer (lOO)-Orientierung und (111)- Orientierung oder ausschließlich einer (lOO)-Orientierung aufzuwachsen.
Durch die Verwendung einer Barriereschicht aus MgO mit einer (100)- Orientierung kann zunächst Pt (lOO)-orientiert als erste Elektrode 3 aufgewachsen werden. Dadurch können auf der texturierten ersten Elektrode 3 die oben aufgezeigten piezoelektrischen Materialien als texturierte Schicht aufgewachsen werden. Über der gesamten Filteranordnung kann eine Schutzschicht aus einem organischen oder einem anorganischen Material oder einer Kombination aus diesen Materialien aufgebracht sein. Als organisches Material kann beispielsweise Polybenzocyclobuten oder Polyimid und als anorganisches Material kann zum Beispiel Si3N4, SiO2 oder SixOyNz (0 < x < l, 0 < y ≤ l, 0 < z < l) verwendet werden. Alternativ kann auf einem oder mehreren Volumenwellen-Resonatoren der Filteranordnung eine dünne Schicht aus SiO2 zur gezielten Verstimmung des Volumenwellen-Resonators aufgebracht werden. Es kann bevorzugt sein, dass die dünne Schicht aus SiO2 nur auf der zweiten Elektrode 5 eines Volumenwellen-Resonators aufgebracht ist. Die Schichtdicke der dünnen Schicht aus SiO2 beträgt vorzugsweise zwischen 10 und 100 nm.
Eine erfindungsgemäße Filteranordnung kann beispielsweise zur Signalfilterung in einem drahtlosen Datenübertragungssystem, in einem Mobilfunkgerät, in einem Sender oder in einem Empfänger verwendet werden. Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung erläutert, die beispielhafte Realisierungsmöglichkeiten darstellen.
Ausführungsbeispiel 1 Eine Filteranordnung aus Volumenwellen-Resonatoren weist ein Substrat 1 aus Silicium mit einer Passivierungsschicht aus SiO2 auf. Auf dem Substrat 1 ist ein Reflexionselement 2, welches sieben Schichten aus abwechselnd SiO2 und Si3N4 enthält, aufgebracht. Dabei enthält die erste Schicht 7 auf dem Substrat 1 SiO2. Auf der obersten Schicht 9 des Reflexionselements 2, welche SiO2 enthält, befinden sich die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren, die jeweils eine erste Elektrode 3, eine piezoelektrische
Schicht 4 und eine zweite Elektrode 5 umfassen. Die erste Elektrode 3 enthält Ti/Pt, wobei die Pt-haltige Schicht der ersten Elektrode 3 ist mit einer (lll)-Orientierung aufgewachsen ist. Auf jeder ersten Elektrode 3 ist als piezoelektrische Schicht 4 eine Schicht aus PbZr0.35Tio.65θ3 mit (lOO)-Orientierung und (lll)-Orientierung aufgebracht. Auf jeder piezoelektrischen Schicht 4 befindet sich eine zweite Elektrode 5 aus TiW/Al. Auf der zweiten Elektrode 5 jedes Volumenwellen-Resonators befindet sich eine dünne Schicht aus SiO2. Die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren sind auf dem Substrat 1 derart elektrisch verbunden, dass eine Filteranordnung zur Signalfilterung im Hochfrequenzteil eines Mobilfunkgerätes erhalten wurde.
Ausführungsbeispiel 2
Ein Filteranordnung aus Volumenwellen-Resonatoren weist ein Substrat 1 aus Glas auf. Auf dem Substrat 1 ist ein Reflexionselement 2, welches sieben Schichten aus abwechselnd SiO2 und Ta2O5 enthält, aufgebracht. Dabei enthält die erste Schicht 7 auf dem Substrat 1 SiO2. Auf der obersten Schicht 9 des Reflexionselements 2, welche SiO2 enthält, befinden sich die einzelnen Volumen wellen-Resonatoren, die jeweils eine erste Elektrode 3, eine piezoelektrische Schicht 4 und eine zweite Elektrode 5 umfassen. Die erste Elektrode 3 enthält Ti/Pt, wobei die Pt-haltige Schicht der ersten Elektrode 3 ist mit einer (111)- Orientierung aufgewachsen. Auf jeder ersten Elektrode 3 ist eine piezoelektrische Schicht 4 aus PbZro.35Ti0.ö5θ3 mit (lOO)-Orientierung und (11 l)-Orientierung aufgebracht. Auf jeder piezoelektrischen Schicht 4 befindet sich eine zweite Elektrode 5 aus Pt. Auf der zweiten Elektrode 5 jedes Volumenwellen-Resonators befindet sich eine dünne Schicht aus SiO2. Die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren sind auf dem Substrat 1 derart elektrisch verbunden, dass eine Filteranordnung zur Signalfilterung im Hochfrequenzteil eines Mobilfunkgerätes erhalten wurde.
Ausführungsbeispiel 3 Ein Filteranordnung aus Volumenwellen-Resonatoren weist ein Substrat 1 aus
Silicium mit einer Passivierungsschicht aus SiO2 auf. Auf dem Substrat 1 ist ein Reflexionselement 2, welches sieben Schichten aus abwechselnd SiO2 und Ta2Os enthält, aufgebracht. Dabei enthält die erste Schicht 7 auf dem Substrat 1 SiO2. Auf der obersten Schicht 9 des Reflexionselements 2, welche SiO enthält, befinden sich die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren, die jeweils eine erste Elektrode 3, eine piezoelektrische
Schicht 4 und eine zweite Elektrode 5 umfassen. Die erste Elektrode 3 enthält Ti/Pt, wobei die Pt-haltige Schicht der ersten Elektrode 3 ist mit einer (11 l)-Orientierung aufgewachsen. Auf jeder ersten Elektrode 3 ist eine dünne Keimschicht aus PbZro.35Tiυ.65θ3 aufgebracht. Auf jeder Keimschicht ist als piezoelektrische Schicht 4 eine Schicht aus KbNO3 mit einer (OOl)-Orientierung aufgewachsen. Auf jeder piezoelektrischen Schicht 4 befindet sich eine zweite Elektrode 5 aus TiW/Al. Auf der zweiten Elektrode 5 jedes Volumenwellen- Resonators befindet sich eine dünne Schicht aus SiO . Die einzelnen Volumenwellen- Resonatoren sind auf dem Substrat 1 derart elektrisch verbunden, dass eine Filteranordnung zur Signalfilterung im Hochfrequenzteil eines Mobilfunkgerätes erhalten wurde.
Ausführungsbeispiel 4
Ein Filteranordnung aus Volumenwellen-Resonatoren weist ein Substrat 1 aus Glas auf. Auf dem Substrat 1 ist ein Reflexionselement 2, welches ein Schicht aus porösem SiO2 enthält, aufgebracht. Auf dem Reflexionselement 2 befinden sich die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren, die jeweils eine erste Elektrode 3, eine piezoelektrische
Schicht 4 und eine zweite Elektrode 5 umfassen. Die erste Elektrode 3 enthält Ti/Pt, wobei die Pt-haltige Schicht der ersten Elektrode 3 ist mit einer (lll)-Orientierung aufgewachsen. Auf jeder ersten Elektrode 3 ist als piezoelektrische Schicht 4 eine Schicht aus Pb(Mg1 3Nb23)O3-PbTiO3 mit einer (OOl)-Orientierung und mit einer (lll)-Orientierung aufgewachsen. Auf jeder piezoelektrischen Schicht 4 befindet sich eine zweite Elektrode 5 aus Pt. Auf der zweiten Elektrode 5 jedes Volumen wellen-Resonators befindet sich eine dünne Schicht aus SiO2. Die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren sind auf dem Substrat 1 derart elektrisch verbunden, dass eine Filteranordnung zur Signalfilterung im Hochfrequenzteil eines Mobilfunkgerätes erhalten wurde. Ausführungsbeispiel 5
Ein Filteranordnung aus Volumenwellen-Resonatoren weist ein Substrat 1 aus Silicium mit einer Passivierungsschicht aus SiO2 auf. Auf dem Substrat 1 ist ein Reflexionselement 2, welches sieben Schichten aus abwechselnd SiO2 und Ta2O5 enthält, aufgebracht. Dabei enthält die erste Schicht 7 auf dem Substrat 1 SiO2. Auf der obersten Schicht 9 des Reflexionselements 2, welche SiO2 enthält, ist eine Barriereschicht aus MgO mit einer (lOO)-Orientierung aufgebracht. Auf der Barriereschicht befinden sich die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren, die jeweils eine erste Elektrode 3, eine piezoelektrische Schicht 4 und eine zweite Elektrode 5 umfassen. Die erste Elektrode 3 enthält Ti/Pt, wobei die Pt-haltige Schicht der ersten Elektrode 3 ist mit einer (lOO)-Orientierung aufgewachsen ist. Auf jeder ersten Elektrode 3 ist als piezoelektrische Schicht 4 eine Schicht aus Pb(Zn1/3Nb /3)O3-PbTiO3 mit einer (OOl)-Orientierung aufgebracht. Auf jeder piezoelektrischen Schicht 4 befindet sich eine zweite Elektrode 5 aus Pt. Auf der zweiten Elektrode 5 jedes Volumenwellen-Resonators befindet sich eine dünne Schicht aus SiO2. Die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren sind auf dem Substrat 1 derart elektrisch verbunden, dass eine Filteranordnung zur Signalfilterung im Hochfrequenzteil eines Mobilfunkgerätes erhalten wurde.
Ausführungsbeispiel 6
Ein Filteranordnung aus Volumenwellen-Resonatoren weist ein Substrat 1 aus Glas auf. Auf dem Substrat 1 ist ein Reflexionselement 2, welches sieben Schichten aufgebracht. Jede der Schichten 7, 8, 9 enthielt als Materialen SiO2 und Ta2O5, wobei sich innerhalb jeder Schicht 7, 8, 9 die Zusammensetzung des Materials, sinusförmig mit der Schichtdicke d als Periode von reinem SiO2 nach reinem Ta2Os und zurück nach reinem SiO2 verändert. Die Schichtdicke d jeder Schicht 7, 8, 9 beträgt 466 nm. Auf der obersten Schicht 9 des Reflexionselements 2 befinden sich die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren, die jeweils eine erste Elektrode 3, eine piezoelektrische Schicht 4 und eine zweite Elektrode 5 umfassen. Die erste Elektrode 3 enthält Ti/Pt, wobei die Pt-haltige Schicht der ersten Elektrode 3 ist mit einer (11 l)-Orientierung aufgewachsen. Auf jeder ersten Elektrode 3 ist eine dünne Keimschicht aus PbZro.35Tio.65θ3 aufgebracht. Auf jeder Keimschicht ist als piezoelektrische Schicht 4 eine Schicht aus Pb(Zni/3Nb2/3)O3-PbTiO3 mit einer (001)- Orientierung aufgewachsen. Auf jeder piezoelektrischen Schicht 4 befindet sich eine zweite Elektrode 5 aus Pt. Auf der zweiten Elektrode 5 jedes Volumenwellen-Resonators befindet sich eine dünne Schicht aus SiO2. Die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren sind auf dem Substrat 1 derart elektrisch verbunden, dass eine Filteranordnung zur Signalfilterung im Hochfrequenzteil eines Mobilfunkgerätes erhalten wurde.
Ausführungsbeispiel 7
Ein Filteranordnung aus Volumenwellen-Resonatoren weist ein Substrat 1 aus Silicium mit einer Passivierungsschicht aus SiO2 auf. Auf dem Substrat 1 ist ein Reflexionselement 2, welches sieben Schichten aus abwechselnd SiO2 und Ta2Os enthält, aufgebracht. Dabei enthält die erste Schicht 7 auf dem Substrat 1 SiO2. Auf der obersten Schicht 9 des Reflexionselements 2, welche SiO2 enthält, befinden sich die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren, die jeweils eine erste Elektrode 3, eine piezoelektrische Schicht 4 und eine zweite Elektrode 5 umfassen. Die erste Elektrode 3 enthält Ti/Pt, wobei die Pt-haltige Schicht der ersten Elektrode 3 ist mit einer (lll)-Orientierung aufgewachsen ist. Auf jeder ersten Elektrode 3 ist als piezoelektrische Schicht 4 eine texturierte Schicht aus A1N mit einer (OOOl)-Orientierung aufgebracht. Auf jeder piezoelektrischen Schicht 4 befindet sich eine zweite Elektrode 5 aus AI. Auf der zweiten Elektrode 5 jedes Volumenwellen-Resonators befindet sich eine dünne Schicht aus SiO2. Die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren sind auf dem Substrat 1 derart elektrisch verbunden, dass eine Filteranordnung zur Signalfilterung im Hochfrequenzteil eines Mobilfunkgerätes erhalten wurde.
Ausführungsbeispiel 8
Ein Filteranordnung aus Volumenwellen-Resonatoren weist ein Substrat 1 aus Silicium mit einer Passivierungsschicht aus SiO2 auf. Auf dem Substrat 1 ist ein Reflexionselement 2, welches sieben Schichten aus abwechselnd SiO2 und Si3N4 enthält, aufgebracht. Dabei enthält die erste Schicht 7 auf dem Substrat 1 SiO2. Auf der obersten Schicht 9 des Reflexionselements 2, welche SiO2 enthält, befinden sich die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren, die jeweils eine erste Elektrode 3, eine piezoelektrische Schicht 4 und eine zweite Elektrode 5 umfassen. Die erste Elektrode 3 enthält Ti/Pt, wobei die Pt-haltige Schicht der ersten Elektrode 3 ist mit einer (11 l)-Orientierung aufgewachsen ist. Auf jeder ersten Elektrode 3 ist als piezoelektrische Schicht 4 eine texturierte Schicht aus A1N mit einer (OOOl)-Orientierung aufgebracht. Auf jeder piezoelektrischen Schicht 4 befindet sich eine zweite Elektrode 5 aus AI. Auf der zweiten Elektrode 5 jedes Volumenwellen-Resonators befindet sich eine dünne Schicht aus SiO2. Die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren sind auf dem Substrat 1 derart elektrisch verbunden, dass eine Filteranordnung zur Signalfilterung im Hochfrequenzteil eines Mobilfunkgerätes erhalten wurde.
Ausführungsbeispiel 9
Ein Filteranordnung aus Volumenwellen-Resonatoren weist ein Substrat 1 aus Silicium mit einer Passivierungsschicht aus SiO2 auf. Auf dem Substrat 1 ist ein Reflexionselement 2, welches neun Schichten aus abwechselnd SiO2 und Ta2O5 enthält, aufgebracht. Dabei enthält die erste Schicht 7 auf dem Substrat 1 SiO2. Auf der obersten Schicht 9 des Reflexionselements 2, welche SiO2 enthält, befinden sich die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren, die jeweils eine erste Elektrode 3, eine piezoelektrische Schicht 4 und eine zweite Elektrode 5 umfassen. Die erste Elektrode 4 enthält Ti/Al:Cu mit einer (lll)-Orientierung. Auf jeder ersten Elektrode 3 ist als piezoelektrische Schicht 4 eine texturierte Schicht aus A1N mit einer (OOOl)-Orientierung aufgebracht. Auf jeder piezoelektrischen Schicht 4 befindet sich eine zweite Elektrode 5 aus AI. Auf der zweiten Elektrode 5 jedes Volumenwellen-Resonators befindet sich eine dünne Schicht aus SiO2. Die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren sind auf dem Substrat 1 derart elektrisch verbunden, dass eine Filteranordnung zur Signalfilterung im Hochfrequenzteil eines Mobilfunkgerätes erhalten wurde.
Ausführungsbeispiel 10
Ein Filteranordnung aus Volumenwellen-Resonatoren weist ein Substrat 1 aus Silicium mit einer Passivierungsschicht aus SiO2 auf. Auf dem Substrat 1 ist ein Reflexionselement 2, welches neun Schichten aus abwechselnd SiO2 und Ta2O5 enthält, aufgebracht. Dabei enthält die erste Schicht 7 auf dem Substrat 1 SiO2. Auf der obersten Schicht 9 des Reflexionselements 2, welche SiO2 enthält, befinden sich die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren, die jeweils eine erste Elektrode 3, eine piezoelektrische Schicht 4 und eine zweite Elektrode 5 umfassen. Die erste Elektrode 3 enthält Ti/Pt, wobei die Pt-haltige Schicht der ersten Elektrode 3 ist mit einer (lll)-Orientierung aufgewachsen ist. Auf jeder ersten Elektrode 3 ist als piezoelektrische Schicht 4 eine texturierte Schicht aus ZnO mit einer (OOOl)-Orientierung aufgebracht. Auf jeder piezoelektrischen Schicht 4 befindet sich eine zweite Elektrode 5 aus AI. Auf der zweiten Elektrode 5 jedes Volumenwellen-Resonators befindet sich eine dünne Schicht aus SiO2. Die einzelnen Volumenwellen-Resonatoren sind auf dem Substrat 1 derart elektrisch verbunden, dass eine Filteranordnung zur Signalfilterung im Hochfrequenzteil eines Mobilfunkgerätes erhalten wurde.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Filteranordnung ausgestattet mit wenigstens einem Volumen wellen-Resonator, welcher eine Resonatoreinheit und ein Reflexionselement (2) enthält, wobei die Resonatoreinheit eine erste und eine zweite Elektrode (3, 5) sowie zwischen der ersten und zweiten Elektrode (3, 5) eine texturierte piezoelektrische Schicht (4) aufweist.
2. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die piezoelektrische Schicht (4) eine einkristalline Schicht ist.
3. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material einer Elektrode (3, 5) texturiert ist.
4. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (2) mehrere Schichten (7, 8, 9) mit abwechselnd hoher und niedriger akustischer Impedanz aufweist.
5. Filteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht mit hoher akustischer Impedanz ein Material ausgewählt aus der Gruppe Ta2O5, Si3N4, TiO2, ZnO, LiNbO3, LiTaO3, Al2O3, SiC, V2O5, Nb2O5, ZrO2, La2O3, WOx (0 < x ≤ 3), MoOx (0 < x < 3), ZrC, WC, MoC, ThO2, CeO2, Nd2O3, Pr2O3, Sm2O3, Gd2O3, ReOx (0 < x < 3.5), RuO2, IrO2, Y2O3, Sc2O3, LiGeO2, Bi12GeO20, GeO2, MgO, Yttrium- Aluminium-Granat, Yttrium-Eisen-Granat, LiGaO2, HfO2, A1N und C enthält.
6. Filteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet. dass eine Schicht mit niedriger akustischer Impedanz ein Material ausgewählt aus der Gruppe SiO2, Aerogel und GaAs enthält.
7. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflexionselement (2) mehrere Schicht (7, 8, 9) mit jeweils einer Mischung aus wenigstens zwei Materialien enthalten, wobei innerhalb jeder Schicht die Zusammensetzung der Mischung relativ zur Schichtdicke kontinuierlich und periodisch variiert
8. Mobilfunkgerät ausgerüstet mit einer Filteranordnung mit wenigstens einem
Volumenwellen-Resonator, welcher eine Resonatoreinheit und ein Reflexionselement (2) enthält, wobei die Resonatoreinheit eine erste und eine zweite Elektrode (3, 5) sowie zwischen der ersten und zweiten Elektrode (3, 5) eine texturierte piezoelektrische Schicht (4) aufweist.
9. Sender ausgerüstet mit einer Filteranordnung mit wenigstens einem Volumenwellen-Resonator, welcher eine Resonatoreinheit und ein Reflexionselement (2) enthält, wobei die Resonatoreinheit eine erste und eine zweite Elektrode (3, 5) sowie zwischen der ersten und zweiten Elektrode (3, 5) eine texturierte piezoelektrische Schicht (4) aufweist.
10. Empfänger ausgerüstet mit einer Filteranordnung mit wenigstens einem Volumenwellen-Resonator, welcher eine Resonatoreinheit und ein Reflexionselement (2) enthält, wobei die Resonatoreinheit eine erste und eine zweite Elektrode (3, 5) sowie zwischen der ersten und zweiten Elektrode (3, 5) eine texturierte piezoelektrische Schicht (4) aufweist.
11. Drahtloses Datenübertragungssystem ausgerüstet mit einer Filteranordnung mit wenigstens einem Volumenwellen-Resonator, welcher eine Resonatoreinheit und ein Reflexionselement (2) enthält, wobei die Resonatoreinheit eine erste und eine zweite Elektrode (3, 5) sowie zwischen der ersten und zweiten Elektrode (3, 5) eine texturierte piezoelektrische Schicht (4) aufweist.
12. Volumen wellen-Resonator, welcher eine Resonatoreinheit und ein
Reflexionselement (2) enthält, wobei die Resonatoreinheit eine erste und eine zweite Elektrode (3,5) sowie zwischen der ersten und zweiten Elektrode (3, 5) eine texturierte piezoelektrische Schicht (4) aufweist.
PCT/IB2002/003291 2001-08-14 2002-08-05 Filteranordnung mit volumenwellen-resonator WO2003017481A1 (de)

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