CN112840562A - 大功率体声波谐振器滤波器装置 - Google Patents

大功率体声波谐振器滤波器装置 Download PDF

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CN112840562A CN201980067393.9A CN201980067393A CN112840562A CN 112840562 A CN112840562 A CN 112840562A CN 201980067393 A CN201980067393 A CN 201980067393A CN 112840562 A CN112840562 A CN 112840562A
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肖恩·R·吉布
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Abstract

一种声谐振器装置及其方法。该装置包括具有气腔区域的基板构件。压电层耦合到基板构件和气腔区域并且被配置为位于基板构件和气腔区域上面。压电层被配置为其特征在于：x射线摇摆曲线半峰全宽(FWHM)在0度到2度范围内。顶部电极耦合到压电层并且被配置为位于压电层上面，而底部电极耦合到压电层并且被配置为位于压电层下面且在气腔区域内。压电层和基板构件的材料的用于实现特定FWHM范围的配置改进了功率处理能力特性和功率耐久性特性。

Description

大功率体声波谐振器滤波器装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年8月27日提交的、标题为“HIGH POWER BULK ACOUSTIC WAVERESONATOR FILTER DEVICES(大功率体声波谐振器滤波器装置)”的美国临时申请号62/723152的优先权，并且出于所有目的通过引用并入该申请。出于所有目的，本申请还通过引用并入了以下专利申请，这些专利申请均为共同所有：于2014年6月6日提交的、标题为“RESONANCE CIRCUIT WITH A SINGLE CRYSTAL CAPACITOR DIELECTRIC MATERIAL(具有单晶电容器电介质材料的谐振电路)”的美国专利申请号14/298057，现为美国专利号9673384；于2014年6月6日提交的、标题为“METHOD OF MANUFACTURE FOR SINGLE CRYSTALCAPACITOR DIELECTRIC FOR A RESONANCE CIRCUIT(谐振电路的单晶电容电介质的制造方法)”的美国专利申请号14/298076，现为美国专利号9537465；于2014年6月6日提交的、标题为“INTEGRATED CIRCUIT CONFIGURED WITH TWO OR MORE SINGLE CRYSTAL ACOUSTICRESONATOR DEVICES(配置有两个或更多个单晶声谐振器装置的集成电路)”的美国专利申请号14/298100，现为美国专利号9571061；于2014年7月25日提交的、标题为“WAFER SCALEPACKAGING(晶圆级封装)”的美国专利申请号14/341314，现为美国专利号9805966；于2014年7月31日提交的、标题为“MOBILE COMMUNICATION DEVICE CONFIGURED WITH A SINGLECRYSTAL PIEZO RESONATOR STRUCTURE(配置有单晶压电谐振器结构的移动通信装置)”的美国专利申请号14/449001，现为美国专利号9716581；于2014年8月26日提交的、标题为“MEMBRANE SUBSTRATE STRUCTURE FOR SINGLE CRYSTAL ACOUSTIC RESONATOR DEVICE(用于单晶声谐振器装置的膜基板结构)”的美国专利申请号14/469503，现为美国专利号9917568；以及于2016年3月11日提交的、标题为“METHOD OF MANUFACTURE FOR SINGLECRYSTAL ACOUSTIC RESONATOR DEVICES USING MICRO-VIAS(使用微过孔制造单晶声谐振器装置的方法)”的美国专利申请号15/068510，现为美国专利号10217930。
技术领域
本发明总体上涉及电子装置。更具体地，本发明提供与体声波谐振器装置、单晶体声波谐振器装置、单晶滤波器和谐振器装置等的制造方法和结构有关的技术。仅作为示例，本发明已应用于通信设备、移动设备、计算设备等的单晶谐振器设备。
背景技术
移动通信设备已经在世界范围内成功部署。包括手机和智能手机在内的移动设备在一年内被制造超过10亿台，单位产量持续逐年增长。随着2012年左右4G/LTE的发展，以及移动数据流量的爆炸式增长，数据丰富的内容正在推动智能手机市场的增长，预计未来几年内，智能手机市场的年增长将达到20亿。新标准和旧标准的共存以及对更高数据速率要求的渴求正在推动智能手机的RF复杂性。不幸的是，常规RF技术存在一些局限性，这些局限性是有问题的，并且可能导致将来的缺点。
随着4G LTE和5G的日益普及，无线数据通信对频率在约5GHz及以上的高性能RF滤波器提出了要求。使用晶体压电薄膜的体声波谐振器(bulk acoustic wave resonator，BAWR)是满足这样的要求的主要候选项。使用多晶压电薄膜的当前BAWR足以用于在1到3GHz范围内的频率下工作的体声波(BAW)滤波器；然而，当厚度减少到约0.5μm以下(这对于在约5GHz及以上的频率下工作的谐振器和滤波器是必需的)时，多晶压电膜的质量会迅速下降。在可兼容的晶体基板上生长的单晶或外延压电薄膜表现出良好的结晶质量和高压电性能，甚至可以减少到非常薄的厚度，例如0.4μm。尽管如此，在BAWR和BAW滤波器的制造中，使用和转移单晶压电薄膜仍然是挑战。
从上文可以看出，非常期望用于改进声谐振器装置的制造方法和结构的技术。
发明内容
根据本发明，提供了通常与电子设备相关的技术。更具体地，本发明提供与用于体声波谐振器装置、单晶谐振器装置、单晶滤波器和谐振器装置等的制造方法和结构有关的技术。仅作为示例，本发明已应用于通信设备、移动设备、计算设备等的单晶谐振器装置。
在一个示例中，本发明提供了被配置用于改进功率处理能力和功率耐久性的声谐振器装置。该装置包括具有气腔区域的基板构件。压电层耦合到基板构件和气腔区域并且被配置为位于基板构件和气腔区域上面。压电层被配置为其特征在于：x射线摇摆曲线半峰全宽(Full Width at Half Maximum，FWHM)在0度到2度范围内。顶部电极耦合到压电层并且被配置为位于压电层上面，而底部电极耦合到压电层并且被配置为位于压电层下面且在气腔区域内。压电层和基板构件的材料的用于实现特定FWHM范围的配置改进了功率处理能力特性和功率耐久性特性。
在一个示例中，本发明提供一种制造具有改进的功率处理能力和功率耐久性的声谐振器装置的方法。该方法可以包括提供基板构件和在基板构件的一部分内形成气腔。压电层可以实体耦合到基板构件的基板区域，并且在空间上被配置为位于基板构件和气腔上面。顶部电极可以形成在压电层上面，并且实体耦合到压电层的顶部压电表面区域。此外，底部电极可以形成在压电层下面，并且实体耦合到压电层的底部表面区域。在具体示例中，形成压电层包括形成以0度到2度范围内的x射线摇摆曲线半峰全宽(FWHM)为特征的压电层。压电层的形成可以包括配置压电层的厚度和材料组合物以用于实现从0度到2度范围内的FWHM值。
与使用本发明的现有技术相比，实现了一个或多个益处。具体而言，本装置可以在使用根据本领域普通技术人员的常规材料和/或方法时以相对简单和成本有效的方式来制造。本装置提供了一种具有高抑制、高功率处理能力、高功率耐久性和低插入损耗的超小型RF谐振器滤波器。这样的滤波器或谐振器可以在RF滤波器装置、RF滤波器系统等中实现。根据实施例，可以实现这些益处中的一个或多个。
可以通过参考说明书的后续部分和附图来实现对本发明的性质和优点的进一步理解。
附图说明
为了更全面地理解本发明，参考附图。应当理解，这些附图不应被认为是本发明范围内的限制，通过使用附图以附加的细节来描述本发明的当前描述的实施例和当前理解的最佳模式，在附图中：
图1是示出根据本发明的示例的声谐振器装置的简化图。
图2是根据本发明的示例的对使用不同类型的压电材料的声谐振器装置进行比较的表。
图3A是根据本发明的示例的使用两个声谐振器滤波器装置的测试载具设置的简化图。
图3B是使用图3A的测试载具设置对根据本发明的各种示例的声谐振器装置的测量结果进行比较的表。
图4是示出包括根据本发明的示例的各种声谐振器装置的失效时间(Time-To-Failure，TTF)相比于功率水平的简化图。
图5是示出根据本发明的示例的功率处理能力相比于x射线衍射(x-raydiffraction，XRD)摇摆曲线半峰全宽(FWHM)的简化图。
具体实施方式
根据本发明，提供了通常与电子设备相关的技术。更具体地，本发明提供了与用于体声波谐振器装置、单晶谐振器装置、单晶滤波器和谐振器装置等的制造方法和结构有关的技术。仅作为示例，本发明已应用于通信设备、移动设备、计算设备等的单晶谐振器装置。
图1是示出根据本发明的示例的声谐振器装置的简化图。如图所示，装置100包括基板构件110、压电层120、底部电极130和顶部电极140。基板构件110包括基板表面区域和气腔区域111。压电层120实体耦合到基板表面区域，并且在空间上被配置为位于基板构件110和气腔区域111上面。压电层120还包括顶部压电表面区域和底部压电表面区域。底部电极130在空间上被配置为位于压电层120下面，并且实体耦合到底部压电表面区域。顶部电极140在空间上被配置为位于压电层120上面，并且实体耦合到顶部压电表面区域。本领域普通技术人员将认识到其他变型、修改和替代物。
在示例中，基板构件110包括硅材料、碳化硅(SiC)材料、<111>取向硅材料等。基板构件110还可以包括本领域技术人员已知的其他基板材料。底部和顶部电极130、140可以包括本领域普通技术人员已知的常用金属材料和合金。
在示例中，压电层120可以包括单晶材料、混合单晶材料或多晶材料等。压电层120还可以包括基本上单晶的材料，即实质上单晶的材料。在具体示例中，压电层120可以包括氮化铝(AlN)材料等。此外，压电层120的特征可以在于x射线摇摆曲线FWHM在0度到2度范围内。在具体示例中，压电层120的特征也可以在于500nm的层厚度。此外，层厚度可以被配置为使得压电层120的特征在于在0度到2度范围内的x射线摇摆曲线FWHM。压电层和基板构件的材料的用于实现在0度到2度范围内的x射线摇摆曲线FWHM的配置(包括层厚度和材料)可以改进功率处理能力特性和功率耐久性特性。当然，也可以有其他的变型、修改和替代物。
在示例中，本发明提供一种制造声谐振器装置的方法。该方法可以包括提供基板构件和在基板构件的一部分内形成气腔。压电层可以实体耦合到基板构件的基板区域，并且在空间上被配置为位于基板构件和气腔上面。顶部电极可以形成在压电层上面，并且实体耦合到压电层的顶部压电表面区域。此外，底部电极可以形成在压电层下面，并且实体耦合到压电层的底部表面区域。在具体示例中，形成压电层包括形成以0度到2度范围内的x射线摇摆曲线半峰全宽(FWHM)为特征的压电层。压电层的厚度和压电层的材料组合物可以被配置为实现在0度到2度范围内的FWHM值。可以有其他的变型、修改和替代物。
本发明的示例可用于发射器(Tx)和收发器(Tx/Rx)应用。在具体应用中，装置100可以被配置在Tx或Tx/Rx系统中，其中声波RF滤波器位于功率放大器(PA)之后。在这种情况下，RF滤波器必须在PA的全输出功率下运行和留存(survive)。因此，功率处理能力和功率耐久性是在这样的应用中优化的关键特性。
图2是根据本发明的示例的对使用不同类型的压电材料的声谐振器装置进行比较的表。如图所示，表200显示了在500nm的压电层厚度下各种类型的压电材料和基板组合的FWHM值(以度和弧秒为单位)。x射线摇摆曲线FWHM参数可取决于压电层和基板所使用的材料的组合以及这些材料的厚度。此外，FWHM简档用于表征材料特性和表面完整性特征，并且是晶体质量的指标。表200的结果显示，与使用多晶材料的装置相比，使用单晶材料的声谐振器装置表现出较低的FWHM，即单晶材料具有较高的晶体质量。
图3A是根据本发明的一个示例的使用两个声谐振器滤波器装置的测试载具设置的简化图。如图所示，测试载具301包括电气地耦合到功率放大器320的信号发生器310，功率放大器320电气地耦合到环行器(circulator)330。环行器330电气地耦合到电阻负载331，在本示例中，电阻负载331是50欧姆负载。环行器330电气地耦合到耦合器340，耦合器340还电气地耦合到功率计341。在具体示例中，功率计341可以包括第一通道(在图3A中显示为“Ch.A”)和第二通道(在图3A中显示为“Ch.B”)。测试载具301还可以包括一对晶圆探针351、352，其被配置为使得第一晶圆探针351电气地耦合到耦合器340并且第二晶圆探针352电气地耦合到频谱分析器360。使用该测试载具设置301，将被测设备(DUT)371置于台372上，并使用晶圆探针351、352进行测量。DUT371可以包括类似于参考图1讨论的那些声谐振器装置之类的装置。在具体示例中，在测试载具301中使用的DUT 371包括两个谐振器元件滤波器装置。本领域普通技术人员将认识到该测试载具设置的其他变型、修改和替代物。
图3B是使用图3A的测试载具设置对根据本发明的各种示例的声谐振器装置的测量结果进行比较的表。如图所示，表302包括使用单晶AlN和多晶AlN的声谐振器装置的功率测量结果。这些测量结果是在25摄氏度的工作温度下取得的，并且使用5.2GHz的宽带码分多址(WCDMA)调制来执行。可以根据XBAW堆叠工艺来制造声谐振器装置，以形成如图1所示的装置结构。根据这些测试结果，与使用多晶压电材料的那些示例相比，使用单晶压电材料的根据本发明的示例的声谐振器装置显示出约3.7dB更高的平均最大功率处理特性。
图4是示出包括根据本发明的示例的各种声谐振器装置的失效时间(TTF)相比于功率水平的简化图。如图所示，图400包括接近四个装置的测量结果的曲线。一般来说，TTF随着驱动功率的增大而减小。曲线410表示在70摄氏度和5GHz的频率下测试的使用多晶AlN的薄膜体声波谐振器(FBAR)装置的测量结果。曲线420表示在室温和2GHz的频率下测试的使用钽酸锂(LiTaO3)材料的表面声谐振器(SAW)装置的测量结果。曲线430表示在室温和5.2GHz的频率下测试的使用多晶AlN的根据本发明的示例的声谐振器装置。曲线440表示在室温和5.2GHz的频率下测试的使用单晶AlN的根据本发明的示例的声谐振器装置。这些结果表明，相比于使用多晶材料，使用单晶材料的根据本示例的装置的TTF有所改进。
图5是示出根据本发明的示例的功率处理能力相比于x射线衍射(XRD)摇摆曲线半峰全宽(FWHM)的简化图。如图所示，图500包括根据本发明的使用基于单晶AlN的材料的示例和使用多晶AlN材料的示例的声谐振器装置的测量结果。这些结果表明，基于单晶AlN的材料表现出的功率处理能力是基于多晶AlN的材料的2.3倍。如上所述，压电材料可以被配置为XRD FWHM值在宽度上多达2度，如区域510所示，用于改进功率处理能力和功率耐久性。
尽管上文是具体实施例的完整描述，但是可以使用各种修改、替代构造和等效物。作为示例，封装装置可以包括上述元件的任何组合，以及本说明书之外的元件。因此，上述说明和图示不应被视为限制由所附权利要求书限定的本发明的范围。

Claims (20)

1.一种声谐振器装置，所述装置包括：
基板构件，所述基板构件具有基板表面区域和气腔区域；
压电层，所述压电层被配置为位于所述基板构件和所述气腔区域上面，所述压电层实体耦合到所述基板表面区域，并且所述压电层具有顶部压电表面区域和底部压电表面区域；
其中，所述压电层的特征在于：x射线摇摆曲线半峰全宽(FWHM)在0度到2度范围内；
顶部电极，所述顶部电极被配置为位于所述压电层上面并且实体耦合到所述顶部压电表面区域；以及
底部电极，所述底部电极被配置为位于所述压电层下面并且实体耦合到所述底部压电表面区域，所述底部电极被配置为位于所述气腔区域内。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述基板构件包括硅材料、碳化硅材料或<111>取向硅材料。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述压电层包括氮化铝(AlN)。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述压电层包括单晶材料、基本上单晶的材料、混合单晶材料、或多晶材料。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述压电层的特征在于500nm的层厚度。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述压电层的特征在于：层厚度被配置为使得所述压电层的特征在于在0度到2度范围内的x射线摇摆曲线半峰全宽(FWHM)。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述压电层的特征在于：x射线摇摆曲线半峰全宽(FWHM)在0度到2度范围内以改进功率处理能力特性和功率耐久性特性。
8.一种声谐振器装置，该装置包括：
基板构件，所述基板构件具有基板表面区域；
实质上单晶的压电层，所述实质上单晶的压电层被配置为位于所述基板构件上面，所述压电层实体耦合到所述基板表面区域，并且所述压电层具有顶部压电表面区域和底部压电表面区域；
其中，所述实质上单晶的压电层的特征在于：x射线摇摆曲线半峰全宽(FWHM)在0度到2度范围内；
顶部电极，所述顶部电极被配置为位于所述实质上单晶的压电层上面并且实体耦合到所述顶部压电表面区域；以及
底部电极，所述底部电极被配置为位于所述实质上单晶的压电层上面并且实体耦合到所述底部压电表面区域。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述基板构件包括硅材料、碳化硅材料或<111>取向硅材料。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述压电层包括氮化铝(AlN)；并且其中，所述压电层包括单晶材料、基本上单晶的材料、混合单晶材料、或多晶材料。
11.根据权利要求8所述的装置，其中，所述压电层的特征在于500nm的层厚度。
12.根据权利要求8所述的装置，其中，所述压电层的特征在于：层厚度被配置为使得所述压电层的特征在于在0度到2度范围内的x射线摇摆曲线半峰全宽(FWHM)。
13.根据权利要求8所述的装置，其中，所述压电层的特征在于：x射线摇摆曲线半峰全宽(FWHM)在0度到2度范围内以改进功率处理能力特性和功率耐久性特性。
14.一种制造声谐振器装置的方法，所述方法包括：
提供具有基板表面区域的基板构件；
在所述基板构件的一部分内形成气腔；
形成压电层，所述压电层实体耦合到所述基板表面区域并且位于所述基板构件和所述气腔区域上面，所述压电层具有顶部压电表面区域和底部压电表面区域；
其中，形成所述压电层包括形成以0度到2度范围内的x射线摇摆曲线半峰全宽(FWHM)为特征的压电层；
形成顶部电极，所述顶部电极位于所述压电层上面并且实体耦合到所述顶部压电表面区域；以及
形成底部电极，所述底部电极位于所述压电层下面并且实体耦合到所述底部压电表面区域，所述底部电极位于所述气腔区域内。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，提供所述基板构件包括提供包括以下项的基板构件：硅材料、碳化硅材料或<111>取向硅材料。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述压电层包括形成包括氮化铝(AlN)的压电层。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述压电层包括形成包括以下项的压电层：单晶材料、基本上单晶的材料、混合单晶材料、或多晶材料。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述压电层包括形成以500nm的层厚度为特征的压电层。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述压电层包括形成以层厚度为特征的压电层，所述层厚度被配置为使得所述压电层的特征在于x射线摇摆曲线半峰全宽(FWHM)在0度到2度范围内。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述压电层包括形成以下压电层：所述压电层的特征在于x射线摇摆曲线半峰全宽(FWHM)在0度到2度范围内以改进功率处理能力特性和功率耐久性特性。
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