CN111600573B - 滤波器、多工器、通信设备及滤波器制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种滤波器、多工器、通信设备及滤波器制造方法。在该滤波器中，在晶圆的管脚上连接金属平板，当晶圆叠加时，可在滤波器的特定节点形成平板电容，在不增加滤波器制作工艺步骤的情况下，利用引入的电容改善滤波器性能。

Description

滤波器、多工器、通信设备及滤波器制造方法
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，特别地涉及一种滤波器、多工器、通信设备及滤波器制造方法。
背景技术
近年来的通信设备小型化和高性能趋势的加快，给射频前端提出了更高的挑战。在射频通信前端中，一方面要通过减小芯片和封装基板的尺寸来实现小型化，另一方面要通过减少损耗来源以及更好的谐振器配合设计来实现更好的性能。在现有的滤波器结构中，用于匹配的无源器件较多，同时用于改善特定性能比如滚降插损等也需要额外引入更多的电感、电容、耦合等多种结构。
普通的滤波器的一种典型结构如图1所示，图1是根据现有技术中的声波滤波器的一种结构的示意图。这种滤波器10中，输入端131和输出端132之间有电感121、122以及多个谐振器(通常称作串联谐振器)101～104，各串联谐振器的连接点与接地端之间的多个支路(通常称作并联支路)上分别设置有谐振器111～113(通常称作并联谐振器)，以及电感123～125。各并联谐振器上添加有质量负载层，使并联谐振器的频率和串联谐振器的频率具有差异从而形成滤波器的通带。
现有技术中，滤波器通过引入电容，可改善滤波器的滚降、带外抑制、匹配和插损等性能。现有的滤波器引入电容的方法主要包括两种：一是额外增加一个谐振器，在谐振器上设置一层较厚的金属，调节其谐振频率至较低的频率，此方法把谐振频率移到低频，谐振器的基频和高次频率会对滤波器的带外产生恶化，而且如果高次频率落到滤波器通带，滤波器的插损也会有严重的恶化；另一是使用插指电极来集成电容，非拆分的结构的滤波器中，插指电极可以集成在上电极和下电极上，最多可形成两层插指结构。
发明内容
本发明提供了一种滤波器、多工器、通信设备及滤波器制造方法，上下两片晶圆叠加后，利用上晶圆和下晶圆的金属平板形成电容，无需额外增加工艺流程即可引入电容，并且可以把电容集成在任意滤波器节点，从而改善滤波器性能。
为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种滤波器。
本发明的滤波器包括上下叠加设置的上晶圆和下晶圆，上晶圆和下晶圆的对接面上分别设有谐振器和对接管脚，其中，下晶圆的对接面上还设有接地管脚，上晶圆和下晶圆对接面上的对接管脚键合形成所述滤波器，上晶圆设有至少一块第一金属平板，第一金属平板与上晶圆的谐振器的上电极或下电极同层，且第一金属平板与上晶圆的对接管脚连接；下晶圆设有至少一块第二金属平板，第二金属平板与下晶圆的谐振器的上电极或下电极同层，且第二金属平板与下晶圆的对接管脚或接地管脚连接；上晶圆和下晶圆叠加使得第一金属平板和第二金属平板形成电容。
可选地，第一金属平板位于上晶圆的谐振器的上电极层，第二金属平板位于下晶圆的谐振器的上电极层；上晶圆还设有第一抬升层，第一抬升层通过第一中间层与第一金属平板连接，其中，第一抬升层与上晶圆的谐振器的下电极同层，第一中间层与该谐振器的压电层同层，并且/或者，下晶圆还设有第二抬升层，第二抬升层通过第二中间层与第二金属平板连接，其中，第二抬升层与下晶圆的谐振器的下电极同层，第二中间层与该谐振器的压电层同层。
可选地，第一抬升层与上晶圆谐振器的下电极同层，第一抬升层为金属层或绝缘层；第二抬升层与下晶圆谐振器的下电极同层，第二抬升层为金属层或绝缘层。
可选地，第一抬升层和第二抬升层为叉指电极形状的金属层。
可选地，上晶圆中对应第一金属平板的位置处无空气腔；下晶圆中对应第二金属平板的位置处无空气腔。
可选地，所有串联谐振器设置在上晶圆，所有并联谐振器设置在下晶圆；或者，所有并联谐振器设置在上晶圆，所有串联谐振器设置在下晶圆。
可选地，第一金属平板和第二金属平板的表层具有钝化层。
可选地，所述谐振器为声波谐振器。
根据本发明的另一方面，提供了一种多工器，其包括本发明所述的滤波器。
根据本发明的又一方面，提供了一种通信装置，其包括本发明所述的滤波器。
根据本发明的又一方面，提供了一种滤波器制造方法。
本发明的滤波器制造方法，包括以下步骤：步骤1：在上晶圆的第一表面上形成谐振器和对接管脚，并利用该谐振器的上电极层或下电极层形成至少一块第一金属平板，将第一金属平板与该上晶圆的对接管脚连接；步骤2：在下晶圆的第一表面上形成谐振器、对接管脚和接地管脚，并利用该谐振器的上电极层或下电极形成至少一块第二金属平板，将第二金属平板与该下晶圆的对接管脚或接地管脚连接；步骤3：将上晶圆和下晶圆上下叠加，上晶圆的第一平面与下晶圆的第一平面相对设置，上晶圆的对接管脚与下晶圆的对接管脚键合，从而形成滤波器，其中，第一金属平板和第二金属平板相对形成电容。
可选地，所述步骤1中，利用谐振器的上电极层形成至少一块第一金属平板，利用谐振器的压电层形成第一中间层，利用谐振器的下电极层或者与该下电极层同层的绝缘层形成第一抬升层；第一金属平板、第一中间层和第一抬升层叠加设置；通过调节第一抬升层的厚度，调节第一金属平板和第二金属平板之间的间距，从而调整所述电容的容值。
可选地，所述步骤2中，利用谐振器的上电极层形成至少一块第二金属平板，利用谐振器的压电层形成第二中间层，利用谐振器的下电极层或者与该下电极层同层的绝缘层形成第二抬升层；第二金属平板、第二中间层和第二抬升层叠加设置；通过调节第二抬升层的厚度，调节第二金属平板和第一金属平板之间的间距，从而调整所述电容的容值。
可选地，通过调节第一金属平板和/或第二金属平板的面积来调整所述电容的容值。
可选地，通过调节第一金属平板和/或第二金属平板的钝化层厚度来调整所述电容的容值。
可选地，所述步骤1中，在上晶圆的第一表面上形成所有串联谐振器；所述步骤2中，在下晶圆的第一表面上形成所有并联谐振器；或者，所述步骤1中，在上晶圆的第一表面上形成所有并联谐振器；所述步骤2中，在下晶圆的第一表面上形成所有串联谐振器。
根据本发明的技术方案，在串并联拆分结构的滤波器中，两片晶圆上引出的金属电极在键合的过程中，在滤波器的特定节点形成平板电容。引入的电容的大小和电极的面积以及中间介质的材料和厚度有关，当面积越大，介质的厚度越小，介质的介电常数越大，引入的电容越大，反之亦然。以此可以任意调节引入平板电容的大小。由于电容的上下平板金属复用滤波器的金属电极层材料，电容的中间介质为空气和/或其他绝缘材料，因此，电容的形成和通常的滤波器生产流程一致，无需增加额外工艺步骤。串并联结构中，由于滤波器所有的节点都有引出，因此可以实现所有节点的电容引入。电容的引入一方面可以调节谐振器的机电耦合系数，改善滤波器滚降；一方面可以调节特定位置的耦合和传输零点，改善带外抑制；另一方面，可以调节各个谐振器的机电耦合系数，增加滤波器设计中，谐振器机电耦合系数的自由度，有利于改善匹配和插损。
附图说明
为了说明而非限制的目的，现在将根据本发明的优选实施例、特别是参考附图来描述本发明，其中：
图1是根据现有技术的一种滤波器拓扑结构的示意图；
图2为滤波器的阻抗变化对比图；
图3为滤波器右侧滚降对比图；
图4为滤波器左侧滚降对比图；
图5为滤波器的带外抑制对比图；
图6为滤波器的插损性能对比图；
图7为滤波器的回波性能对比图；
图8a为本发明实施方式中滤波器上晶圆的平面图；
图8b为本发明实施方式中滤波器下晶圆的平面图；
图8c为本发明实施方式提供的滤波器的剖视图；
图9a为本发明实施例中滤波器引入电容的电路图；
图9b为本发明实施方式提供的滤波器中并联谐振器并联电容的电路图；
图9c为本发明实施方式提供的滤波器中串联谐振器和并联谐振器均并联电容的电路图；
图9d为本发明实施方式提供的滤波器中接地管脚处形成电容的电路图；
图10为本发明实施方式提供的滤波器制造方法的流程框图。
具体实施方式
本发明实施方式中，在晶圆的管脚上连接金属平板，当晶圆叠加时，可在滤波器的任意特定节点形成电容，在不增加滤波器制作工艺步骤的情况下，利用引入的电容改善滤波器性能，以下具体加以说明。
滤波器中引入电容后，一方面可以调节谐振器的机电耦合系数，改善滤波器滚降；一方面可以调节特定位置的耦合和传输零点，改善滤波器带外抑制；另一方面，可以调节各个谐振器的机电耦合系数，增加滤波器设计中谐振器机电耦合系数的自由度，有利于改善滤波器匹配和插损。
图2为滤波器的阻抗变化对比图。如图2所示，图中实线为滤波器中谐振器并联电容的阻抗变化曲线，虚线为滤波器中谐振器未并联电容的阻抗变化曲线，由图2可知，滤波器中的谐振器并联电容后，滤波器的机电耦合系数变小，从而可改善滤波器滚降。图3为滤波器右侧滚降对比图。如图3所示，图中实线为串联谐振器并联电容时滤波器右侧滚降曲线，虚线为串联谐振器未并联电容时滤波器右侧滚降曲线，由图3可知，当串联谐振器并联电容后，滤波器右侧的一定插损(比如-3dB)到一定抑制(比如-50dB)之间的频率间隔更短，因此使其滚降性能更好。图4为滤波器左侧滚降对比图。如图4所示，图中实线为并联谐振器并联电容时滤波器左侧滚降曲线，虚线为并联谐振器未并联电容时滤波器左侧滚降曲线，由图4可知，当串联谐振器并联电容后，滤波器右侧的一定插损(比如-3dB)到一定抑制(比如-50dB)之间的频率间隔更短，因此使其滚降性能更好。
图5为滤波器的带外抑制对比图。如图5所示，图中实线为滤波器中引入电容时的带外抑制曲线，虚线为滤波器中未引入电容时的带外抑制曲线，由图5可以看出，滤波器左右两侧分别有一定的带外抑制要求，引入电容后可调节特定位置的耦合和传输零点，进而改善滤波器带外抑制，而没有耦合电容时，带外零点无法调节到所需要的频点，因此导致带外抑制恶化。
图6为滤波器的插损性能对比图。图7为滤波器的回波性能对比图。如图6所示，图中实线为在谐振器上并联电容时插损性能曲线图，虚线为在谐振器上未并联电容时插损性能曲线图，由图6可知，利用谐振器上并联电容来调节机电耦合系数时，不同的谐振器之间的机电耦合系数存在差异，不同的谐振器机电耦合系数可以更好的调节谐振器阻抗在通带的分配，进而可获得更好的阻抗匹配效果，从而使通带插损得以改善。图7中实线为谐振器上并联电容时回波性能曲线图，虚线为在谐振器上未并联电容时回波性能曲线图，由图7可知，利用谐振器上并联电容来调节机电耦合系数时，不同的谐振器之间的机电耦合系数存在差异，机电耦合差异化能带来的更好的阻抗分配特点，从而使得回波也得以改善。
本发明实施方式中，滤波器的上晶圆和下晶圆均包括谐振器，在滤波器特定节点分别引出金属平板，当上晶圆和下晶圆叠加形成滤波器时，两块金属平板相对形成平板电容。
图8a为本发明实施方式中滤波器上晶圆的平面图。图8b为本发明实施方式中滤波器下晶圆的平面图。如图8a所示，上晶圆包括串联谐振器S1～S4，对接管脚IN、OUT、B1～B3，其中，对接管脚IN连接第一金属平板C1。如图8b所示，下晶圆包括并联谐振器P1～P3，对接管脚IN、OUT、B1～B3，接地管脚G1～G3，其中，对接管脚B1连接第二金属平板C2。当上晶圆与下晶圆叠加时，对接管脚键合形成电学连接，同时，使第一金属平板C1和第二金属平板C2相对，从而形成电容。
图8c为本发明实施方式提供的滤波器的剖视图。由图8c可知，第一金属平板C1与上晶圆中谐振器的上电极同层，第二金属平板C2与下晶圆中谐振器的上电极同层。本发明实施方式中，第一金属平板C1和第二金属平板C2的布置位置并不局限于此，还可将两者设置为与谐振器的下电极同层，或者其中一个金属平板与所在晶圆的谐振器的上电极同层，另一个金属平板与所在晶圆的谐振器的下电极同层。当第一金属平板C1和第二金属平板C2分别与所在晶圆的谐振器的上电极同层时，还可进一步设置中间层和抬升层，其中，中间层为谐振器的压电层，其与谐振器的压电层同步制造。
抬升层与下电极同层，其可以与下电极为同种材料。如采用平板形状则有助于增加电容密度，但会存在一定的谐振，恶化谐振器性能。如采用叉指电极则可避免此谐振。抬升层也可以为绝缘材料，如AlN，SiN，SiO2等以避免产生此谐振。
本发明实施方式中，可通过以下方式调节电容的容值：一种是改变第一金属平板C1和第二金属平板C2之间的间距，该间距的调节是通过调整抬升层的高度来实现，抬升层的高度虽然与所在晶圆的谐振器的下电极同层，但是，抬升层的厚度可与下电极层的厚度相同或不同。另一种是改变第一金属平板C1和/或第二金属平板C2的面积，调整两者相对面积达到调整容值的目的。上述两种调节方式可同时进行。以上两种调节电容的方式不会额外增加滤波器的生产工艺，即在制造谐振器的各层时，可同步实现第一金属平板C1、第二金属平板C2、中间层和抬升层的制造。采用此方法既能引入电容，又不会改变原有的制造工艺，可降低制造成本。另外还有一种调节容值的方法，在第一金属平板C1和第二金属平板C2的表层均包括钝化层，钝化层一般为AlN，通过调整钝化层的厚度，可以改变第一金属平板C1和第二金属平板C2之间的介电常数，进而改变电容值，此方式还会使谐振器频率发生改变，因此需要改变谐振器各层的厚度进行相应的调整，制造工艺上会增加调整厚度的步骤。
图9a为本发明实施例中滤波器引入电容的电路图。将图8a和图8b中的上晶圆和下晶圆叠加设置，可以实现在串联谐振器S1上并联电容的效果，即图9a所示的电路图。图8a和图8b所示的上晶圆和下晶圆中，将所有串联谐振器全部制造在上晶圆，将所有的并联谐振器全部制造在下晶圆，采用此方式，需要将并联支路与串联支路上的节点进行键合连接，因此，使得滤波器的所有的节点处均存在对接管脚，即滤波器的所有节点都可设置金属平板，所有节点都可形成电容。本发明实施方式并局限于此种谐振器的布置方式，还可以将部分串联谐振器和部分并联谐振器分别制造在上晶圆和下晶圆。
本发明实施方式中，通过将第一金属平板C1和第二金属平板C2连接到不同的对接管脚或接地管脚上，可以在不同位置形成电容。如图9a所示，在串联谐振器S1上并联电容。图9b为本发明实施方式提供的滤波器中并联谐振器并联电容的电路图。如图9b所示，在并联谐振器P1上并联电容。图9c为本发明实施方式提供的滤波器中串联谐振器和并联谐振器均并联电容的电路图。如图9c所示，在串联谐振器S1上和并联谐振器P1上均并联电容。图9d为本发明实施方式提供的滤波器中接地管脚处形成电容的电路图。如图9d所示，在串联支路的一个节点与对地节点之间形成电容，该电容用于调节滤波器的带外传输零点，传输零点的移动可以调节不同频率处的带外抑制，在需要的频点可以获得更好的带外抑制。本发明实施方式中并不局限于上述几种电容布置方式，可以在任意的一个或多个串联谐振器和/或并联谐振器上布置电容。
本发明实施方式还提供一种滤波器制造方法，图10为本发明实施方式提供的滤波器制造方法的流程框图，该方法包括如下步骤：
S1：在上晶圆的第一表面上形成谐振器和对接管脚，并利用该谐振器的上电极层或下电极层形成至少一块第一金属平板，将第一金属平板与该上晶圆的对接管脚连接；
S2：在下晶圆的第一表面上形成谐振器、对接管脚和接地管脚，并利用该谐振器的上电极层或下电极形成至少一块第二金属平板，将第二金属平板与该下晶圆的对接管脚或接地管脚连接；
S3：将上晶圆和下晶圆下叠加，上晶圆的第一平面与下晶圆的第一平面相对设置，上晶圆的对接管脚与下晶圆的对接管脚键合，从而形成滤波器，其中，第一金属平板和第二金属平板相对形成电容。
该制造方法的工艺流程可以同步形成电容，即利用本发明实施方式提供的方法，在滤波器中形成电容无需额外增加工艺步骤，进行达到优化工艺流程，降低制造成本的目的。上述的谐振器可以是声波谐振器，其下电极下方通常具有空气腔，如图8c所示。而在本发明实施方式中，在上晶圆和下晶圆中的对应于形成的电容之处不制作空气腔以避免产生不必要的谐振。
本发明实施方式中的滤波器可以构成多工器(此处的多工器包括双工器)，并还可以应用于通信设备中。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (16)

1.一种滤波器，包括上下叠加设置的上晶圆和下晶圆，上晶圆和下晶圆的对接面上分别设有谐振器和对接管脚，其中，下晶圆的对接面上还设有接地管脚，上晶圆和下晶圆对接面上的对接管脚键合形成所述滤波器，其特征在于，
上晶圆设有至少一块第一金属平板，第一金属平板与上晶圆的谐振器的上电极或下电极同层，且第一金属平板与上晶圆的对接管脚连接；
下晶圆设有至少一块第二金属平板，第二金属平板与下晶圆的谐振器的上电极或下电极同层，且第二金属平板与下晶圆的对接管脚或接地管脚连接；
上晶圆和下晶圆叠加使得第一金属平板和第二金属平板形成电容。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，第一金属平板位于上晶圆的谐振器的上电极层，第二金属平板位于下晶圆的谐振器的上电极层；
上晶圆还设有第一抬升层，第一抬升层通过第一中间层与第一金属平板连接，其中，第一抬升层与上晶圆的谐振器的下电极同层，第一中间层与该谐振器的压电层同层，
并且/或者，
下晶圆还设有第二抬升层，第二抬升层通过第二中间层与第二金属平板连接，其中，第二抬升层与下晶圆的谐振器的下电极同层，第二中间层与该谐振器的压电层同层。
3.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于，
第一抬升层与上晶圆谐振器的下电极同层，第一抬升层为金属层或绝缘层；
第二抬升层与下晶圆谐振器的下电极同层，第二抬升层为金属层或绝缘层。
4.根据权利要求3所述的滤波器，其特征在于，第一抬升层和第二抬升层为叉指电极形状的金属层。
5.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于，
上晶圆中对应第一金属平板的位置处无空气腔；
下晶圆中对应第二金属平板的位置处无空气腔。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的滤波器，其特征在于，
所有串联谐振器设置在上晶圆，所有并联谐振器设置在下晶圆；
或者，
所有并联谐振器设置在上晶圆，所有串联谐振器设置在下晶圆。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的滤波器，其特征在于，第一金属平板和第二金属平板的表层具有钝化层。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的滤波器，其特征在于，所述谐振器为声波谐振器。
9.一种多工器，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的滤波器。
10.一种通信装置，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述的滤波器。
11.一种滤波器制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在上晶圆的第一表面上形成谐振器和对接管脚，并利用该谐振器的上电极层或下电极层形成至少一块第一金属平板，将第一金属平板与该上晶圆的对接管脚连接；
步骤2：在下晶圆的第一表面上形成谐振器、对接管脚和接地管脚，并利用该谐振器的上电极层或下电极形成至少一块第二金属平板，将第二金属平板与该下晶圆的对接管脚或接地管脚连接；
步骤3：将上晶圆和下晶圆上下叠加，上晶圆的第一平面与下晶圆的第一平面相对设置，上晶圆的对接管脚与下晶圆的对接管脚键合，从而形成滤波器，其中，第一金属平板和第二金属平板相对形成电容。
12.根据权利要求11所述的滤波器制造方法，其特征在于，
所述步骤1中，利用谐振器的上电极层形成至少一块第一金属平板，利用谐振器的压电层形成第一中间层，利用谐振器的下电极层或者与该下电极层同层的绝缘层形成第一抬升层；第一金属平板、第一中间层和第一抬升层叠加设置；
通过调节第一抬升层的厚度，调节第一金属平板和第二金属平板之间的间距，从而调整所述电容的容值。
13.根据权利要求11或12所述的滤波器制造方法，其特征在于，
所述步骤2中，利用谐振器的上电极层形成至少一块第二金属平板，利用谐振器的压电层形成第二中间层，利用谐振器的下电极层或者与该下电极层同层的绝缘层形成第二抬升层；第二金属平板、第二中间层和第二抬升层叠加设置；
通过调节第二抬升层的厚度，调节第二金属平板和第一金属平板之间的间距，从而调整所述电容的容值。
14.根据权利要求11所述的滤波器制造方法，其特征在于，
通过调节第一金属平板和/或第二金属平板的面积来调整所述电容的容值。
15.根据权利要求11所述的滤波器制造方法，其特征在于，
通过调节第一金属平板和/或第二金属平板的钝化层厚度来调整所述电容的容值。
16.根据权利要求11所述的滤波器制造方法，其特征在于，
所述步骤1中，在上晶圆的第一表面上形成所有串联谐振器；所述步骤2中，在下晶圆的第一表面上形成所有并联谐振器；
或者，
所述步骤1中，在上晶圆的第一表面上形成所有并联谐振器；所述步骤2中，在下晶圆的第一表面上形成所有串联谐振器。
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