CN113169721B - 固态装配型横向激励的薄膜体声波谐振器 - Google Patents

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Abstract

公开了谐振器器件、滤波器器件和制造方法。谐振器器件包括基板和具有平行的正面和背面的单晶压电板。一声布拉格反射器，夹在基板的表面和单晶压电板的背面之间。一叉指换能器(IDT)，在正面上形成。IDT被配置为响应于施加到IDT的射频信号来激发压电板中的剪切声波。

Description

固态装配型横向激励的薄膜体声波谐振器
技术领域
本公开涉及使用声波谐振器的射频滤波器，尤其涉及用于通信设备中的滤波器。
背景技术
射频(RF)滤波器是双端器件，其被配置为通过一些频率，阻止其它频率，其中“通过”意味着以相对低的信号损耗进行传输，而“阻止”意味着阻塞或基本上衰减。滤波器通过的频率范围称为滤波器的“通带”。由这种滤波器阻止的频率范围称为滤波器的“阻带”。典型的RF滤波器具有至少一个通带和至少一个阻带。通带或阻带的具体要求取决于具体应用。例如，“通带”可以定义为一个频率范围，其中滤波器的插入损耗小于诸如1dB、2dB或3dB的定义值。“阻带”可以定义为一个频率范围，其中滤波器的抑制大于定义值，例如20dB、30dB、40dB或更大的值，这取决于具体的应用。
RF滤波器用于通过无线链路传输信息的通信系统中。例如，RF滤波器可见于蜂窝基站、移动电话和计算设备、卫星收发器和地面站、物联网(IoT)设备、膝上型计算机和平板电脑、定点无线电链路和其它通信系统的RF前端中。RF滤波器也用于雷达和电子和信息战系统。
RF滤波器通常需要许多设计方面的权衡，以针对每个特定应用实现诸如插入损耗、拒绝、隔离、功率处理、线性、尺寸和成本之类的性能参数之间的最佳折中。具体的设计和制造方法和增强可以同时使这些要求中的一个或几个受益。
无线系统中RF滤波器的性能的增强可对系统性能产生广泛影响。可以通过改进RF滤波器来改进系统性能，例如更大的单元尺寸、更长的电池寿命、更高的数据速率、更大的网络容量、更低的成本、增强的安全性、更高的可靠性等。可以在无线系统的各个层面上单独或组合地实现这些改进，例如在RF模块、RF收发器、移动或固定子系统或网络层面实现这些改进。
要想获得更宽的通信信道带宽，就势必要用到更高频率的通信频段。当前的LTETM(长期演进)规范定义了在3.3GHz到5.9GHz范围之间的频带。目前尚未使用其中一些频带。对无线通信的建议包括频率高达28GHz的毫米波通信频带。
用于当前通信系统的高性能RF滤波器通常结合声波谐振器，声波谐振器包括表面声波(SAW)谐振器、体声波BAW)谐振器、薄膜体声波谐振器(FBAR)和其他类型声波谐振器。但是，这些现有技术不适合在更高的频率下使用，而未来的通信网络则需要用到更高的频率。
附图说明
图1包括横向激励的薄膜体声波谐振器(XBAR)的示意性平面图和示意性横截面图。
图2包括固态装配型横向激励的薄膜体声波谐振器(SM XBAR)的示意性平面图和示意性横截面图。
图3是图2的SM XBAR的局部放大示意性横截面图。
图4是示出SM XBAR中的剪切水平声学模的图。
图5A是第一示例性SM XBAR的局部放大示意性横截面图。
图5B是第一示例性SM XBAR的导纳的图表。
图6A是第二示例性SM XBAR的局部放大示意性横截面图。
图6B是第二示例性SM XBAR的导纳的图表。
图7A是第三示例性SM XBAR的局部放大示意性横截面图。
图7B是第三示例性SM XBAR的导纳的图表。
图8A是第四示例性SM XBAR的局部放大示意性横截面图。
图8B是第四示例性SM XBAR的导纳的图表。
图9是示出SM XBAR的Q因数对声布拉格反射器中的层数的依赖性的图。
图10是比较具有不同介电层厚度的两个模拟的SM XBAR的导纳的图表。
图11是根据前介电层厚度来比较模拟的SM XBARS和XBARS的导纳的图表。
图12是包括五个SM XBAR的滤波器的框图。
图13是用于制造SMXBAR工艺的流程图。
在整个说明书中，附图中出现的元件分配有三位数或四位数的附图标记，其中两个最低有效位是该元件特有的，而一个或两个最高有效位是首先示出元件的图号。可以假定未结合附图描述的元件具有与具有相同附图标记的先前描述的元件相同的特性和功能。
具体实施方式
装置的描述
图1示出了如在申请16/230,443，“横向激励的薄膜体声波谐振器”中所描述的横向激励的薄膜体声谐振器(XBAR)100的简化的示意性俯视图和正交横截面图。诸如谐振器100的XBAR谐振器可用于各种RF滤波器，RF滤波器包括带阻滤波器、带通滤波器、双工器和多路复用器。XBAR特别适合用于频率高于3GHz的通信频段的滤波器中。
XBAR 100由在压电板110的表面上形成的薄膜导体图案组成，所述压电板分别具有平行的正面和背面112、114。压电板是由压电材料制成的薄单晶层，所述压电材料例如有铌酸锂、钽酸锂、硅酸镧镓、氮化镓或氮化铝。切割压电板，以使X，Y和Z晶轴相对于正面和背面的方向已知且一致。在本专利的示例中，压电板可以是Z切割的，也就是说Z轴与表面垂直。可以在具有其他晶体取向的压电板上制造XBAR。
压电板110的背面114附接到基板120，基板120为压电板110提供机械支撑。基板120可以是，例如硅、蓝宝石、石英，或一些其它材料。可以使用晶圆键合工艺将压电板110结合到基板120，或者，压电板110在基板120上生长，或者以某种其他方式将压电板110附着到基板。压电板可以直接附接到基板，或者可以经由一个或多个中间材料层附接到基板120。
XBAR 100的导体图案包括叉指换能器(IDT)130。IDT130包括第一多个平行指状物，例如指状物136，和第二多个指状物，其中第一多个平行指状物从第一母线132延伸，第二多个指状物从第二母线134延伸。第一和第二多个平行指状物交错。交错的指状物重叠一段距离AP，其通常称为IDT的“孔径”。IDT 130的最外处的指状物之间的中心到中心距离L是IDT的“长度”。
第一和第二母线132、134用作XBAR 100的端子。在IDT 130的两个母线132、134之间施加的射频或微波信号激发压电板110内的声波。如下文详细描述，所述激发的声波是体剪切波，其在垂直于压电板110表面的方向上传播，该方向也与IDT指状物所产生的电场方向垂直或横向。因此，XBAR被认为是横向激励薄膜体波谐振器。
空腔125在基板120中形成，使得压电板110包含IDT 130的部分悬浮在空腔125上而不接触基板120。“空腔”的常规含义是“固体内的空白空间”。空腔125可以是完全穿过基板120的孔(如A-A和B-B截面所示)或基板120中的凹口。例如，可以在将压电板110附接到基板120之前或之后，通过对基板120进行选择性蚀刻来形成空腔125。如图1所示，空腔125呈矩形，该矩形的大小为大于孔径AP和IDT 130的长度L。XBAR的空腔可以具有不同的形状，例如规则或不规则的多边形。XBAR的空腔可以具有多于或少于四个侧面，这些侧面可以是直的或弯曲的。
为了便于在图1中示出，相对于XBAR的长度(尺寸L)和孔径(尺寸AP)，IDT指状物的几何间距和宽度被大大放大。典型的XBAR在IDT 110中具有十个以上的平行指状物。一个XBAR在IDT 110中可能具有数百个，可能数千个平行指状物。类似地，横截面图中，指状物的厚度被大大放大。
图2示出了固态装配型横向激励薄膜体声波谐振器(SM XBAR)200的简化的示意性俯视图和正交横截面图。诸如谐振器200的SM XBAR谐振器可用于各种RF滤波器，RF滤波器包括带阻滤波器、带通滤波器、双工器和多路复用器。SMXBAR特别适合用于频率高于3GHz的通信频段的滤波器。
SMXBAR 200由在压电板210的正面212上形成的薄膜导体图案组成，所述压电板分别具有平行的正面和背面212、214。压电板是由压电材料制成的薄单晶层，所述压电材料例如有铌酸锂、钽酸锂、硅酸镧镓、氮化镓或氮化铝。切割压电板，以使X，Y和Z晶轴相对于正面和背面的方向已知且一致。在本专利的示例中，压电板是Z切割的，也就是说Z轴与板的表面垂直。可以在具有其他晶体取向的压电板上制造SM XBAR。
压电板210的背面214附接到基板220并由基板220机械地支撑。基板220可以是例如硅、蓝宝石、石英或某种其他材料。如随后将描述的，压电板210可以经由多个中间材料层附接到基板220。
SM XBAR 200的导体图案包括叉指换能器(IDT)230。IDT230包括第一多个平行指状物，例如指状物236，和第二多个指状物，其中第一多个平行指状物从第一母线232延伸，第二多个指状物从第二母线234延伸。第一和第二多个平行指状物交错。交错的指状物重叠一段距离AP，其通常称为IDT的“孔径”。IDT 230的最外处的指状物之间的中心到中心距离L是IDT的“长度”。第一多个指状物和第二多个指状物中的每个指状物可以与压电板210的X轴平行。
第一和第二母线232、234用作SM XBAR 200的端子。在IDT 230的两个母线232、234之间施加的射频或微波信号激发压电板210内的声波。如下文详细描述，激发的声波是体剪切波，其在基本垂直于压电板210表面的方向上传播，该方向也与IDT指状物所产生的电场方向垂直或横向。因此，SM XBAR被认为是横向激励薄膜体波谐振器。
为了便于在图2中示出，相对于SM XBAR的长度(尺寸L)和孔径(尺寸AP)，IDT指状物的几何间距和宽度被大大放大。典型的SM XBAR在IDT 210中具有十个以上的平行指状物。一个SM XBAR在IDT 210中可能具有数百个，可能数千个平行指状物。类似地，横截面图中，IDT指状物的厚度被大大放大。
图3示出了SMXBAR 200的详细示意性横截面图。压电板210是厚度为ts的压电材料的单晶层。ts可以是例如100nm至1500nm。在申请16/230,443中，“横向激励的薄膜体声波谐振器”，包括厚度为200nm至1000nm的压电板上XBAR的模拟数据。当用于3.4GHZ到6GHz(例如，频段42、43、46)的LTETM的滤波器中时，厚度ts可以是例如200nm至500nm。
可选地，在压电板210的正面212上形成正面介电层314。正面介电层314的厚度为tfd。正面介电层314可以在IDT指状物236之间形成。虽然未在图2中显示，正面介电层314也可以沉积在IDT指状物236上。正面介电层314可以是非压电介电材料，例如二氧化硅或氮化硅。tfd可以是例如0至500nm。
IDT指状物238可以是铝或基本上铝合金，铜或基本上铜合金，铍，金或某种其他导电材料。可以在指状物的下方和/或上方形成其他金属(铬或钛)的薄层(这里的薄是相对于导体的总厚度而言)，以改善指状物与压电板210之间的粘附力和/或钝化或封装指状物。IDT的母线(图2中的232、234)可以由与指状物相同或不同的材料制成。
尺寸p是IDT指状物的中心到中心的间隔或“间距”，可以称为IDT的间距和/或SMXBAR的间距。尺寸w是宽度或IDT指状物的“标记”。SM XBAR的IDT与表面声波(SAW)谐振器中使用的IDT基本不同。在SAW谐振器中，IDT的间距是谐振频率处声波波长的一半。此外，SAW谐振器IDT的标记间距比通常接近0.5(即，标记或指状物的宽度w约为谐振时声波波长的四分之一)。在SM XBAR中，IDT的间距p通常为指状物宽度w的2至20倍。此外，IDT的间距p通常是压电板212的厚度ts的2至20倍。SMXBAR中的IDT指状物的宽度未限制于谐振时达到声波波长的四分之一。例如，SM XBAR IDT指状物的宽度可以为500nm或更大，从而可以使用光刻技术制造IDT。IDT指状物的厚度tm可以从100nm到大约等于宽度w。IDT的母线(图1中的132、134)的厚度可以等于或大于IDT指状物的厚度tm。
声布拉格反射器340夹在基板220的表面222和压电板110的背面214之间。术语“夹在”是指声布拉格反射器340既布置在基板220的表面222和压电板210的背面214之间，且物理连接在基板220的表面222和压电板210的背面214上。在一些情况下，附加材料的薄层可以设置在声布拉格反射器340和基板220的表面222之间和/或布拉格反射器340和压电板210的背面214之间。例如，可以存在这样的附加材料层，以利于粘合压电板210、声布拉格反射器340和基板220。
声布拉格反射器340包括在具有高声阻抗的材料和具有低声阻抗的材料之间交替的多层。“高”和“低”是相对术语。对于每一层，比较的标准是相邻的层。每个“高”声阻抗层的声阻抗都高于两个相邻的低声阻抗层的声阻抗。每个“低”声阻抗层的声阻抗都低于两个相邻的高声阻抗层的声阻抗。每一层的厚度等于或接近SM XBAR 200谐振频率处或附近的声波波长的四分之一。具有相对低声阻抗的材料包括二氧化硅，碳氧化硅，铝和某些塑料例如交联的聚苯撑聚合物。具有相对较高的声阻抗的材料包括氮化硅，氮化铝，碳化硅以及诸如钼、钨、金和铂的金属。声布拉格反射器340的所有高声阻抗层不必都是相同的材料，并且所有低声阻抗层不必都是相同的材料。在图2的示例中，声布拉格反射器340总共有六层。声布拉格反射器可具有多于或少于六层。
图4是SMXBAR400中的主要声学模的图示。图4示出了SM XBAR 400的一小部分，其包括压电板410和三个交错的IDT指状物430。压电板410可以被单晶铌酸锂切割，使得z轴垂直于板的表面。IDT指状物可平行于板的x轴定向，使得y轴垂直于指状物。
施加到交错的指状物430上的RF电压在指状物之间产生时变电场。电场的方向横向于压电板410的表面且与压电板410的表面平行，并且与IDT指状物的长度正交，如标有“电场”的虚线箭头所示。由于压电板的高介电常数，电场相对于空气高度集中在板中。横向电场在压电板410中引入剪切变形，从而强烈激发剪切模式声波。在这种情况下，“剪切变形”定义为材料中平行平面保持平行并保持恒定距离且相对于彼此平移的这样一种变形。“剪切声波”定义为导致介质的剪切变形的介质中的声波。压电板410中的剪切变形由曲线460表示，相邻的小箭头示意性指出了原子运动的方向和大小。为了清晰可见，原子运动的程度以及压电板410的厚度被大大放大了。虽然原子运动主要是横向的(即，如图4所示为水平)，但主剪切声学模的声能流方向基本上与压电板的表面垂直，如箭头465所示。
声布拉格反射器440夹在压电板410和基板420之间。声布拉格反射器440反射剪切声波，以将声能(箭头465)主要限制在压电板410中。如前所述，声布拉格反射器440由具有相对较高和相对较低的声阻抗的材料的交替层组成，在XBAR 400的谐振频率下，每一层的厚度约为剪切声波(箭头465)波长的四分之一。在图4的示例中，声布拉格反射器440共有六层。声布拉格反射器可具有多于或少于六层。
实施例1
图5A是具有声布拉格反射器510的SM XBAR 500的示意性横截面图，该声布拉格反射器510包括交替的SiO2和Si3N4层。压电板是厚度为400nm的Z切割的(即，垂直于板表面的Z轴)铌酸锂(LN)。IDT指状物是铝，厚度为100nm。IDT指状物的间距和宽度分别为5um和500nm。IDT的取向设置成使得IDT指状物与压电板的X轴平行。声布拉格反射器510总共有20层，这20层在厚度为210nm的SiO2层和厚度为320nm的Si3N4层之间交替。由于SiO2和SiN3层的声阻抗存在相对较小的差异，因此声布拉格反射器510需要大量的层。支撑声布拉格反射器510和压电板的基板是硅。
图5B是图5A的SM XBAR 500的导纳的归一化幅度(对数标度)的曲线图560随频率变化的图550。图表550和后续图表650、750、850中的数据是通过使用有限元方法(FEM)技术对SMXBAR装置进行模拟而开发的。使用标准材料参数模拟了压电板，声布拉格反射器和IDT指状物的损耗。
模拟的XBAR 500的导纳图560在4166MHz的频率FR下表现出谐振，而在4375MHz的频率FAR下表现出反谐振。谐振时的Q和反谐振时的Q都太低，以至于无法用于射频滤波器中。SM XBAR 500的性能较差主要是由于声能损失到基板中引起的。SiO2和Si3N4层之间的声阻抗失配相对较小，并且导致每对层的反射系数较低。进而即使具有相对较多数量的对，也会导致通过布拉格反射镜出现较大的传输损耗。
实施例2
图6A是具有声布拉格反射器610的SM XBAR 600的示意性横截面图，该声布拉格反射器610包括交替的SiO2和钨(W)层。压电板是厚度为400nm的Z切割的(即垂直于板的Z轴)铌酸锂(LN)。IDT指状物是铝，厚度为100nm。IDT指状物的间距和宽度分别为6um和1.8μm。IDT的取向设置成使得IDT指状物与压电板的X轴平行。声布拉格反射器610总共有7层，这7层在厚度为210nm或270nm的SiO2层和厚度为160nm或170nm的W层之间交替。由于SiO2和W层的声阻抗存在相对较高的差异，因此允许声布拉格反射器610中的层数减少(这种减少是相较与声布拉格反射器510而言)。基板是硅。
图6B是图6A的SM XBAR 600的导纳的归一化幅度(对数标度)的曲线图660随频率变化的图650。模拟的XBAR 600的导纳图660在4225MHz的频率FR下表现出高Q谐振，而在4375MHz的频率FAR下表现出高Q反谐振。谐振频率与反谐振频率之间的差为150MHz，或约占谐振频率的3.5％。
谐振频率和反谐振频率之间的相对较小的差异指示在固态装配型XBAR600中的机电耦合程度低。机电耦合程度低的部分原因是导电W层的存在，导电W层的存在防止IDT电极产生的电场穿透压电板。
实施例3
图7A是具有声布拉格反射器710的SM XBAR 700的示意性横截面图，该声布拉格反射器710包括交替的低声阻抗层和高声阻抗层。压电板是厚度为400nm的Z切(即垂直于板的Z轴)铌酸锂(LN)。IDT指状物是铝，厚度为100nm。IDT指状物的间距和宽度分别为6μm和1.8μm。IDT的取向设置成使得IDT指状物与压电板的X轴平行。声布拉格反射器710总共有7层。低声阻抗层为厚度是210nm，270nm或285nm的SiO2。最靠近压电板的高声阻抗层是厚度为360nm的Si3N4。另外两个高阻抗层的厚度为170nm的W。与图5的SM XBAR 500相比，介电Si3N4高阻抗层的结合使导电W层570nm离IDT电极更远。基板是硅。
图7B是图7的SM XBAR 700的导纳的归一化幅度的量值760(对数标度)的对频率变化的曲线图750。模拟的XBAR 700的导纳图760在4200MHz的频率FR下表现出高Q谐振，而在4416MHz的频率FAR下表现出高Q反谐振。谐振和反谐振频率之间的差为216MHz，或约占谐振频率的5.1％。
谐振频率和反谐振频率之间的差从150MHz增加至216MHz(与SM XBAR 600相比)表明图7的SM XBAR 700的机电耦合比图6的SM XBAR 600要高，这大概是由于将导电W层从压电板移开了。压电板和声布拉格反射器中最接近的金属层之间的距离可用于(逐步)调整SMXBAR的机电耦合系数。
实施例4
图8A是具有声布拉格反射器810的SM XBAR 800的示意性横截面图，该声布拉格反射器810包括交替的低声阻抗层和高声阻抗介电层。压电板是厚度为400nm的Z切(即垂直于板的Z轴)铌酸锂(LN)。IDT指状物是铝，厚度为100nm。IDT指状物的间距和宽度分别为5μm和1μm。IDT的取向设置成使得压电板的y轴与IDT指状物垂直。声布拉格反射器810总共有七层。低声阻抗层为厚度75nm的SiOC。高声阻抗层为300nm厚的Si3N4。基板是硅。可以使用10nm的SiO2层在压电板和相邻的SiOC层之间提供粘合力。
图8B是图8A的SM XBAR 800的导纳的归一化量值(对数标度)的曲线图860随频率变化的图850。模拟的SMXBAR 800的导纳图860在4539MHz的频率FR下表现出高Q谐振，而在4965MHz的频率FAR下表现出高Q反谐振。谐振和反谐振频率之间的差为424MHz，或约占谐振频率的9.3％。
SM XBAR 800的谐振频率和反谐振频率之间存在较大差异(与之前的实施例相比)，这是因为使用了全介电布拉格反射器以及Si3N4和SiOC之间的声阻抗存在较大差异。可以使用氮化铝作为声布拉格反射器810中的高阻抗层来获得类似结果。
图9是示出SM XBAR的Q因数与声布拉格反射器中的层数之间的关系的图。SM XBAR与段落0066中描述的SM XBAR相似。实线910是Q因数在SM XBAR的谐振频率下的图，其中在布拉格反射器中共有3层，4层，5层和7层Si3N4/SiOC声布拉格反射器。虚线920是Q因数在SMXBAR的反谐振频率下的图，其中在布拉格反射器中共有3层，4层，5层和7层Si3N4/SiOC声布拉格反射器。若干对线930绘制了在SM XBAR的谐振频率(实线)下和反谐振频率(虚线)下的Q因数，其中在布拉格反射器中共有3层，4层，5层和7层SiO2/W声布拉格反射器。图9所示的所有数据是通过使用有限元法进行模拟来得到的。对于任一种类型的声布拉格反射器，都需要至少四个总层，以在谐振和反谐振频率下提供Q>1000。此外，增加声布拉格反射器中的层数至超过7层可能会进一步改善Q因数。
图10是曲线图1000，比较了具有和不具有正面介电层的SM XBAR的导纳随频率的变化。导纳数据是使用有限元方法(FEM)技术对SM XBAR设备进行模拟得到的结果。压电板是后厚度为400nm的Z形切割铌酸锂。IDT的间距为3.9μm，IDT导体为厚度100nm的铝。
实线1010是具有tfd＝0的SM XBAR(即不具有介电层的SM XBAR)和IDT导体宽度1.1μm的导纳的图。虚线1020是SM XBAR的导纳的图，该SM XBAR具有厚度为100nm的SiO2层和宽度为1.0μm的IDT导体。与没有介电层的SM XBAR相比，添加100nm SiO2层可使谐振频率降低约460MHz。次级谐振的频率和幅度受到的影响与初级剪切模式谐振不同。
重要的是，相同的布拉格反射器结构(如图8A所示)用于具有和不具有介电层的谐振器。
图11是曲线图1100，其比较了XBAR(非固态装配型)谐振器和SM XBAR谐振器的谐振频率随前侧介电厚度而变化的图。两个实心圆表示SM XBAR，其导纳特性在图10中示出。四个未填充的圆圈代表四个XBAR器件，其导纳特性在申请16/230,443的图7中示出。这四个XBAR具有以下参数：ts＝400nm；tfd＝0，30，60，90nm；tm＝100nm；p＝4.2μm；w＝500nm；AP＝20μm；N(IDT指状物的总数)＝51。压电板为Z形切割铌酸锂，IDT导体为铝，IDT在压电板悬挂在基板的空腔上的部分上形成，且介电层是SiO2。
如点划线1120所示，四个XBAR谐振器的正面介电厚度和谐振频率之间的关系大致呈线性。尽管图11中仅具有两个SM XBAR谐振器的数据，但是如虚线1110所示，预期SM XBAR谐振器的正面介电厚度与谐振频率之间的关系也将大致呈线性。
图12是使用SM XBAR的高频带通滤波器1200的示意性电路图。滤波器1200具有常规的梯形滤波器架构，其包括三个串联谐振器1210A、1210B、1210C和两个并联谐振器1220A、1220B。三个串联谐振器1210A、1210B和1210C串联连接在第一端口和第二端口之间。在图12中，第一和第二端口分别标记为“In”和“Out”。但是，滤波器1200是对称的，并且任一端口都用作滤波器的输入或输出。两个并联谐振器1220A、1220B从串联谐振器之间的节点接地。所有并联谐振器和串联谐振器均为SMXBAR。
滤波器1200可以包括：具有表面的基板，具有平行的正面和背面的单晶压电板，以及夹在该基板的表面和该单晶压电板的背面之间的声布拉格反射器。基板、声布拉格反射器和单晶压电板由图12A中的矩形1210表示。在单晶压电板的正面上形成的导体图案包括用于三个串联谐振器1210A、12110B、1210C和两个并联谐振器1220A、1220B中的每一个的叉指换能器(IDT)。所有的IDT被配置为响应于施加到每个IDT的相应的射频信号在单晶压电板中激发剪切声波。
在诸如滤波器1200的梯形滤波器中，并联谐振器的谐振频率通常低于串联谐振器的谐振频率。SM XBAR谐振器的谐振频率部分由IDT间距确定。IDT间距也会影响其他滤波器参数，包括阻抗和功率处理能力。对于宽带滤波器应用，仅使用IDT间距的差异来在并联谐振器和串联谐振器的谐振频率之间提供所需的差值可能是不切实际的。
为了减小(与串联谐振器相比)一些或所有并联谐振器的谐振频率，第一厚度为t1的第一介电层(由虚线矩形1225表示)可以沉积在并联谐振器1220A和/或1220B的IDT上。小于t1的第二厚度t2的第二介电层(由虚线矩形1215表示)可以沉积在串联谐振器1210A、1210B、1210C的IDT上。第一介电层和第二介电层中的每一个的厚度在0至300nm之间，因此0<t2<t1<300nm。在串联谐振器和并联谐振器的谐振频率之间需要至少100MHz的偏移的情况下，使用两种不同的介电层厚度可能是合适的。当介电层是二氧化硅时，t1-t2>25nm足以在串联和并联谐振器的谐振频率之间引起至少100MHz的偏移。
方法说明
图13是用于制造SM XBAR或结合了SM XBAR的滤波器的方法1300的简化流程图。方法1300始于1310，将压电膜设置在牺牲基板1302和器件基板1304上。方法1310结束于1395，完成SM XBAR或滤波器。图13的流程图仅包括主要工艺步骤。可以在图13所示的步骤之前，之间，之后以及过程中执行各种常规工艺步骤(例如，表面准备、清洁、检查、烘烤、退火、监测、测试等)。
结合至非压电基板的单晶压电材料的薄板是可商购的。在本申请时，铌酸锂板和钽酸锂板均可以粘结到各种基板上，基板包括硅、石英和熔融石英。其他压电材料的薄板可能现在就有或将来可能会有。压电板的厚度可以在300nm至1000nm之间。当基板是硅时，可以在压电板和基板之间设置SiO2层。压电板1302可以是例如厚度为400nm的z-切割的铌酸锂(如在所有前述实施例中所使用的)，其粘结到具有中间SiO2层的硅晶片上。器件基板1304可以是硅(如先前实施例中所使用的)、熔融石英、石英或某种其他材料。
在1320处，通过沉积高声阻抗和低声阻抗材料的交替层来形成声布拉格反射器。每个层的厚度等于或约为声波波长的四分之一。具有相对较低的声阻抗的材料包括二氧化硅、碳氧化硅、铝和某些塑料，例如交联的聚苯撑聚合物。具有相对较高的声阻抗的材料包括氮化硅，氮化铝以及诸如钼、钨、金和铂的金属。所有高声阻抗层不必都是相同的材料，并且所有低声阻抗层不必都是相同的材料。声布拉格反射器中的总层数可以从大约五层到超过二十层。
在1320处，可以将声布拉格反射器的所有层沉积在牺牲基板1302上的压电板的表面上或器件基板1304的表面上。可替代地，声布拉格反射器的一些层可以沉积在牺牲基板1302上的压电板的表面上，而声布拉格反射器的其余层则可以沉积在器件基板1304的表面上。
在1330处，可以将牺牲基板1302上的压电板和器件基板1304粘合在一起，以使声布拉格反射器的各层夹在压电板和器件基板之间。
可以使用诸如直接键合，表面激活或等离子体激活键合，静电键合或一些其他键合技术的晶圆键合工艺来键合在牺牲衬底1302和器件衬底1304上的压电板。注意，当在压电板和器件基板上沉积一层或多层声布拉格反射器时，键合将发生在声布拉格反射器的层之间或之内。
在可以将牺牲基板1302上的压电板和器件基板1304键合之后，在1340处去除牺牲基板和任何中间层以暴露压电板的表面(先前面向牺牲基板的表面)可以例如通过依赖于材料的湿法或干法蚀刻或某些其他工艺来去除牺牲基板。
在1350处通过以下方式形成包括每个SMXBAR的IDT的导体图案：将一个或多个导体层沉积在压电板的表面上，这里所指的压电板的表面在1340处将牺牲基板去除是暴露在外的。导体图案可以是例如铝、铝合金、铜、铜合金或某些其他导电金属。可选地，可以在下面(即，在导体层和压电板之间)和/或导体层的顶部上布置一层或多层其他材料。例如，可以使用钛、铬或其他金属的薄膜来改善导体层与压电板之间的粘附力。可以在导体图案的部分上(例如，IDT总线和IDT之间的互连)形成金、铝、铜或其他更高电导率的金属的导电增强层。
可在1350处通过在压电板的表面上依次沉积导电层以及可选的一个或多个其他金属层来形成导体图案。然后可以通过蚀刻穿过图案化的光致抗蚀剂来去除多余的金属。可以例如通过等离子体蚀刻、反应离子蚀刻、湿化学蚀刻和其他蚀刻技术来蚀刻导体层。
或者，可以在1350处使用剥离工艺形成导体图案。光致抗蚀剂可以沉积在压电板上，并进行图案化以定义导体图案。可以在压电板的表面上依次沉积导体层以及可选的一个或多个其他层。然后可以去除光致抗蚀剂，这去除了多余的材料，留下了导体图案。
在1360处，可以通过在压电板的正面上沉积一层或多层介电材料来形成一层或多层可选的正面介电层。可以使用常规沉积技术来沉积一层或多层介电层，常规沉积技术例如溅射、蒸发或化学气相沉积。可以在压电板的整个表面上，包括在导体图案的顶部上，沉积一个或多个介电层。或者，可以使用一种或多种光刻工艺(使用光掩模)将介电层限制沉积在压电板的选定区域上，例如仅IDT的交错的指状物之间。掩模也可以用于允许不同厚度的介电层沉积在压电板的不同部分上。例如，可以在一个或多个并联谐振器的IDT上沉积具有第一厚度t1的第一介电层。可以在串联谐振器的IDT上沉积具有第二厚度t2的第二介电层，其中t2等于或大于零且小于t1。
在1350和1360处形成导体图案和可选的正面介电层之后，可以在1370处完成滤波器器件。在1370处可能发生的动作包括沉积和图案化额外的金属层以形成IDT导体图案以外的导体；在整个或部分器件上沉积诸如SiO2或Si3O4的封装/钝化层；形成焊盘或焊料凸块或其他用于在器件和外部电路之间建立连接的装置；从包含多个器件的晶片中切出单个器件；其他包装步骤；和测试。在1370处可能发生的另一种动作是通过将金属或介电材料添加到器件的正面或去除器件正面的金属或介电材料来调整器件内的谐振器的谐振频率。在完成滤波器器件之后，该工艺在1395处终止。
工艺1300的变型开始于1302的单晶压电晶片，而不是不同材料的牺牲基板上的薄压电板。将离子注入到压电晶片(图13中未示出)的表面下方的受控深度。晶片从表面到离子注入深度的部分是压电薄板(或将成为薄压电板)，而晶片的其余部分是牺牲基板。
如前所述，在1320处形成声布拉格反射器，并且在1330处将压电晶片和器件基板键合，使得将声布拉格反射器布置在压电晶片1302的离子注入表面与器件基板1304之间。在1340处，(例如，使用热冲击)压电晶片可能会在注入离子的平面处分裂，留下一块压电材料薄板，这块压电材料薄板暴露并键合到声布拉格反射器上。薄板压电材料的厚度由注入离子的能量(以及深度)决定。离子注入和随后的薄板分离过程通常称为“离子切片”。
结束语
在整个说明书中，所示的实施例和示例应被认为是示例，而不是对所公开或要求的设备和过程的限制。尽管本文提供的许多示例涉及方法动作或系统元素的特定组合，但应当理解，可以以其他方式组合那些动作和那些元素以实现相同的目标。关于流程图，可以采取额外的步骤和更少的步骤，并且可以组合或进一步细化所示的步骤以实现本文所述的方法。仅结合一个实施例讨论的动作、要素和特征不旨在排除其在其他实施例中的相似作用。
如本文所用，“多个”是指两个或更多个。如本文所用，“一组”项目可以包括一个或多个这样的项目。如本文所用，无论在书面具体实施方式中还是在权利要求中，术语“包括”，“包含”，“携带”，“具有”，“含有”，“涉及”等应被理解为开放式的，即，指的是包括但不限于。相对于权利要求，仅过渡短语“由…组成”和“基本上由…组成”是封闭式或半封闭式的过渡短语。权利要求中用到的序数词，例如“第一”、“第二”、“第三”等是用来修饰权利要求元素，这本身不表示一个权利要求元素相较于另一个权利要求元素的优先权，或顺序，或执行方法动作的先后顺序，而只是用于区分具有相同名称的一个权利要求元素与另一个具有相同名称的元素(但是有用到序数词)，从而区分权利要求元素。如本文所用，“和/或”是指所列项目是替代方案，但是替代方案也包括所列项目的任何组合。

Claims (17)

1.一种滤波器器件，其特征在于，包括：
一基板，具有一表面；
至少一个单晶压电板，具有平行的正面和背面；
一声布拉格反射器，夹在所述基板和所述至少一个单晶压电板之间；和
一导体图案，在所述至少一个单晶压电板处，所述导体图案包括相应的多个谐振器的多个叉指换能器IDT，所述多个谐振器包括并联谐振器和串联谐振器；
一第一介电层，具有一第一厚度，沉积在所述并联谐振器的IDT上；和
一第二介电层，具有一第二厚度，沉积在所述串联谐振器的IDT上，其中所述多个IDT中的所有IDT被配置为响应于施加到IDT的相应的射频信号而激发所述单晶压电板中的相应主声模，其中
所有所述主声模的声能流的方向基本上正交于所述至少一个单晶压电板的正面和背面，且
所述第一厚度大于所述第二厚度。
2.根据权利要求1所述的滤波器器件，其特征在于，
所述至少一个单晶压电板的z轴与所述正面和所述背面垂直。
3.根据权利要求2所述的滤波器器件，其特征在于，
所述多个IDT中的所有IDT的取向设置成使得每个IDT的指状物与所述至少一个单晶压电板的x轴平行。
4.根据权利要求1所述的滤波器器件，其特征在于，所述至少一个单晶压电板是铌酸锂和钽酸锂中的一种。
5.根据权利要求1所述的滤波器器件，其特征在于，所述声布拉格反射器被配置为在包括所有多个谐振器的谐振和反谐振频率的频率范围下反射剪切声波。
6.根据权利要求5所述的滤波器器件，其特征在于，所述声布拉格反射器包括：多个介电层，在高声阻抗层和低声阻抗层之间交替，其中
所述高声阻抗层是氮化硅和氮化铝中的一种，并且
所述低声阻抗层是碳氧化硅。
7.根据权利要求6所述的滤波器器件，其特征在于，所述多个介电层包括至少四层且不超过七层。
8.根据权利要求1所述的滤波器器件，其特征在于，所述至少一个单晶压电板的正面和背面之间的厚度大于或等于200nm且小于或等于1000nm。
9.根据权利要求1所述的滤波器器件，其特征在于，所述多个IDT中的所有IDT具有各自的间距，所述间距大于或等于所述至少一个单晶压电板的厚度的2倍且小于或等于所述至少一个单晶压电板的厚度的25倍。
10.根据权利要求1所述的滤波器器件，其特征在于，
所述第二厚度大于或等于0，并且
所述第一厚度小于或等于300nm。
11.根据权利要求1所述的滤波器器件，其特征在于，
所述多个谐振器包括两个或更多个并联谐振器，并且
所述第一介电层沉积在所述两个或更多个并联谐振器上。
12.根据权利要求1所述的滤波器器件，其特征在于，
所述多个谐振器包括两个或更多个串联谐振器，并且
所述第二介电层沉积在所述两个或更多个串联谐振器上。
13.根据权利要求1所述的滤波器器件，其特征在于，
所述并联谐振器的谐振频率至少部分地由所述第一厚度设定，并且所述串联谐振器的谐振频率至少部分地由所述第二厚度设定。
14.根据权利要求13所述的滤波器器件，其特征在于，
所述并联谐振器的谐振频率比所述串联谐振器的谐振频率低至少100MHz。
15.根据权利要求1所述的滤波器器件，其特征在于，
所述第一介电层和所述第二介电层是SiO2，以及
所述第一厚度和所述第二厚度之间的差大于或等于25nm。
16.一种制造声谐振器器件的方法，其特征在于，包括：
通过在器件基板的表面和/或单晶压电板的第一表面上沉积材料层来形成声布拉格反射器，其中所述单晶压电板的第二表面附接到牺牲基板上；
将附接在所述牺牲基板上的所述单晶压电板与所述器件基板粘合，以使所述声布拉格反射器的各层夹在所述单晶压电板的第一表面与所述器件基板之间；
去除所述牺牲基板以暴露所述单晶压电板的第二表面；以及
在所述单晶压电板的第二表面上形成叉指换能器IDT，
其中，所述IDT被配置为响应于施加到所述IDT的射频信号而在所述单晶压电板中激发主声模，并且所述主声模的声能流的方向基本垂直于所述单晶压电板的正面和背面。
17.一种制造滤波器器件的方法，其特征在于，所述方法包括：
通过在器件基板的表面和/或至少一个单晶压电板的第一表面上沉积材料层来形成声布拉格反射器，其中所述至少一个单晶压电板的第二表面附接到牺牲基板上；
将附接在所述牺牲基板上的所述至少一个单晶压电板与所述器件基板粘合，以使所述声布拉格反射器的各层夹在所述至少一个单晶压电板的第一表面与所述器件基板之间；
去除所述牺牲基板以暴露所述至少一个单晶压电板的第二表面；以及
在所述至少一个单晶压电板处形成导体图案，所述导体图案包括相应的多个谐振器的多个叉指换能器IDT，所述多个谐振器包括并联谐振器和串联谐振器；
将具有第一厚度的第一介电层沉积在所述并联谐振器的IDT上；以及
将具有第二厚度的第二介电层沉积在所述串联谐振器的IDT上，
其中，所述多个IDT中的所有IDT均被配置为响应于施加到所述IDT的各自的射频信号而在所述至少一个单晶压电板中激发各自的主声模，
所有所述主声模的声能流的方向基本垂直于所述至少一个单晶压电板的正面和背面，且
所述第一厚度大于所述第二厚度。
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