CN114503295B - 具有多隔膜厚度的横向激励薄膜体声波谐振器及制作方法 - Google Patents

Abstract

公开了滤波器器件和方法。滤波器器件包括具有表面的衬底。单晶压电板的背面附接到衬底的表面，单晶压电板的部分形成跨越衬底中的各个空腔的多个隔膜。导体图案在压电板的正面上形成，该导体图案包括多个谐振器的多个叉指换能器(IDT)。多个IDT中的至少一个第一IDT的交错指状物设置在具有第一厚度的隔膜上，并且多个IDT中的至少一个第二IDT的交错指状物设置在具有小于第一厚度的第二厚度的隔膜上。

Description

具有多隔膜厚度的横向激励薄膜体声波谐振器及制作方法

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优于诸如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需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，例如单元尺寸更大、电池续航时间更长、数据速率更高、网络容量更大、成本更低、安全性增强、可靠性更高等。可在无线系统的各个级别上单独地或组合地实现这些改进点，例如在RF模块、RF收发器、移动或固定子系统或网络级别实现这些改进点。

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带。当前的LTE^TM(长期演进)规范定义频段在3.3GHz到5.9GHz之间。这些频段目前未使用。无线通信的未来建议包括频率高达28GHz的毫米波通信频段。

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，未来的通信网络需要用到更高的频率。

发明内容

本发明公开了一种滤波器器件，包括：一衬底，具有一表面；一单晶压电板，具有正面和背面，所述背面附接到所述衬底的表面，所述单晶压电板的部分形成跨越所述衬底中的各个空腔的多个隔膜；和一导体图案，在所述正面上形成，所述导体图案包括多个谐振器的多个叉指换能器(IDT)，其中所述多个IDT中的至少一个第一IDT的交错指状物设置在具有第一厚度的隔膜上，并且所述多个IDT中的至少一个第二IDT的交错指状物设置在具有第二厚度的隔膜上，所述第二厚度小于所述第一厚度。

其中，所述多个IDT中的一个或多个的交错指状物设置在具有介于所述第一厚度和所述第二厚度之间的其他厚度的各个隔膜上。

其中，所述多个隔膜包括：至少一个具有第一厚度的隔膜；至少一个具有第二厚度的隔膜；和一个或多个隔膜，具有介于所述第一厚度和所述第二厚度之间的一个或多个附加厚度。

其中，所述单晶压电板和所有IDT被配置成使得施加到每个IDT的相应射频信号在相应隔膜内激发相应剪切主声模。

其中，所有所述剪切主声模的声能流的方向基本上正交于各个隔膜的所述正面和所述背面。

其中，所述单晶压电板是铌酸锂和钽酸锂中的一种。

其中，所述第二厚度大于或等于200nm，并且所述第一厚度小于或等于1000nm。

其中，所述多个IDT中的每一个设置在跨越相应空腔的相应隔膜上。

其中，所述多个谐振器包括至少一个并联谐振器和至少一个串联谐振器，所述至少一个并联谐振器的IDT指状物设置在具有所述第一厚度的隔膜上，并且所述至少一个串联谐振器的IDT指状物设置在具有所述第二厚度的隔膜上。

其中，所述多个谐振器包括多个并联谐振器和多个串联谐振器，所有并联谐振器的IDT指状物设置在具有所述第一厚度的隔膜上，并且所有串联谐振器的IDT指状物设置在具有所述第二厚度的隔膜上。

本发明还公开了一种制造滤波器器件的方法，包括：将具有相对的正面和背面和第一厚度的压电板的背面附接到衬底的表面；选择性地将所述压电板的部分从所述第一厚度减薄到第二厚度，所述第二厚度小于所述第一厚度；在所述衬底中形成空腔，使得所述单晶压电板的部分形成跨越各个空腔的多个隔膜；和在所述正面上形成导体图案，该导体图案包括多个谐振器的多个叉指换能器(IDT)，其中，所述多个IDT中的至少一个第一IDT的交错指状物设置在一个或多个具有所述第一厚度的隔膜上，并且所述多个IDT中的至少一个第二IDT的交错指状物设置在一个或多个具有所述第二厚度的隔膜上。

其中，还包括，选择性地将所述压电板的附加部分减薄至第三厚度，所述第三厚度介于所述第一厚度和所述第二厚度之间，其中所述多个IDT中的至少一个第三IDT的交错指状物设置在具有所述第三厚度的隔膜上。

其中，还包括：选择性地将所述压电板的附加部分减薄至一个或多个附加厚度，所述一个或多个附加厚度介于所述第一厚度和所述第二厚度之间。

其中，所述单晶压电板和所有IDT被配置为使得施加到每个IDT的相应射频信号在所述相应隔膜内激发相应剪切主声模。

其中，所有所述剪切主声模的声能流的方向基本上正交于各个隔膜的正面和背面。

其中，所述单晶压电板是铌酸锂和钽酸锂中的一种。

其中，所述第二厚度大于或等于200nm，并且所述第一厚度小于或等于1000nm。

其中，所述多个IDT中的每一个设置在跨越相应空腔的相应隔膜上。

其中，所述多个谐振器包括至少一个并联谐振器和至少一个串联谐振器，所述至少一个并联谐振器的IDT指状物设置在具有所述第一厚度的隔膜上，并且所述至少一个串联谐振器的IDT指状物设置在具有所述第二厚度的隔膜上。

其中，所述多个谐振器包括多个并联谐振器和多个串联谐振器，所有并联谐振器的IDT指状物设置在具有所述第一厚度的隔膜上，并且所有串联谐振器的IDT指状物设置在具有所述第二厚度的隔膜上。

附图说明

图1包括横向激励薄膜体声波谐振器(XBAR)的示意性平面图和两个示意性横截面图。

图2是图1的XBAR的局部放大示意性横截面图。

图3是图1的XBAR的替代示意性横截面图。

图4是说明XBAR中的剪切声模的图。

图5是包含七个XBAR的带通滤波器的示意框图。

图6A是具有介电层以设置并联谐振器和串联谐振器之间的频率分离的滤波器的示意性横截面图。

图6B是具有不同压电隔膜厚度以设置并联谐振器和串联谐振器之间的频率分离的滤波器的示意性横截面图。

图7是说明控制压电隔膜的厚度的工艺的一系列示意性截面图。

图8是用于制造用XBAR实现的滤波器的工艺的流程图。

图9是用于制造用XBAR实现的滤波器的另一个工艺的流程图。

图10是用于制造用XBAR实现的滤波器的另一个工艺的流程图。

图11是用于制造用XBAR实现的滤波器的另一个工艺的流程图。

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

器件说明

图1示出了横向激励薄膜体声波谐振器(XBAR)100的简化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特别适用于频率高于3GHz的通信频段的滤波器。

XBAR 100由在压电板110的表面上形成的薄膜导体图案组成，所述压电板具有分别平行的正面112和背面114。压电板是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。压电板切割成使得相对于正面和背面的X、Y和Z晶轴的取向是一直且一致的。在本专利示出的示例中，压电板可以是Z切割的，也就是说，Z轴与背面垂直。然而，XBAR可以在具有其他晶体取向的压电板上制造。

压电板110的背面114附接到衬底120，衬底120为压电板110提供机械支撑。衬底120可以是例如硅、蓝宝石、石英或某种其他材料。可以使用晶圆键合工艺将压电板110结合到衬底120，或者压电板110在衬底120上生长，或者以某种其他方式将压电板110附着到衬底。压电板可以直接附接到衬底，或者可以经由一个或多个中间材料层附接到衬底。

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，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。如接下来将详细讨论的，激发声波是体剪切波，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，将XBAR视为横向激励薄膜体波谐振器。

在衬底120中形成空腔140，使得压电板110的包含IDT 130的部分115悬浮在空腔140上而不接触衬底120。“空腔”的常规含义是“固体内的空白空间”。空腔140可以是完全穿过衬底120的孔(如AA和BB截面所示)，也可以是衬底120中的凹槽(如随后图3中所示)。可以在压电板110和衬底120附接在一起之前或之后，例如通过选择性地蚀刻衬底120来形成空腔140。如图1所示，空腔140呈矩形，其程度大于孔径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的空腔可以多于或少于四个侧面，侧面可以是直的或弯曲的。

压电板的悬挂在空腔140上方的部分115在本文中将被称为“隔膜”(因为没有更好的术语)，因为它与麦克风的隔膜物理相似。隔膜可以连续且无缝地连接到围绕空腔140的所有或几乎所有周边的压电板110的其余部分。

为了便于在图1中示出，相对于XBAR的长度(尺寸L)和孔口(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示出了图1的XBAR 100的详细示意性横截面图。压电板110是厚度为ts的压电材料制成的单晶层，ts可以是例如100nm至1500nm。当用于从3.4GHZ到6GHz的LTE^TM频段(例如，频段42、43、46)的滤波器中时，厚度ts可以是例如200nm至1000nm。

可选地，可以在压电板110的正面上形成正面介电层214。根据定义，XBAR的“正面”是指背离衬底的表面。正面介电层214具有厚度tfd。正面介电层214在IDT指状物238之间形成。虽然图2中未示出，但是正面介电层214也可以沉积在IDT指状物238上。背面介电层216可以可选地在压电板110的背面上形成。背面介电层216具有厚度tbd。正面介电层214和背面介电层216可以是非压电介电材料，例如二氧化硅或氮化硅。tfd和tbd可以是例如0至500nm。tfd和tbd通常小于压电板的厚度ts。tfd和tbd不必相等，并且正面和背面介电层214、216不必是相同的材料。正面介电层214和/或背面介电层216可以由两种或更多种材料的多层形成。

IDT指状物238可以是铝或基本铝合金，铜或基本铜合金，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(例如铬或钛)的薄(相对于导体的总厚度)层，以改善指状物与压电板110之间的粘附力和/或钝化或封装指状物。IDT的母线(图1中的132、134)可以由与指状物相同或不同的材料制成。

尺寸p是IDT指状物的中心间距或“间距”，可以称为IDT的间距和/或XBAR的间距。尺寸w是IDT指状物的宽度或“标记”。XBAR的IDT与表面声波(SAW)谐振器中使用的IDT明显不同。在SAW谐振器中，IDT的间距是谐振频率处声波波长的一半。另外，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约为谐振时声波波长的四分之一)。在XBAR中，IDT的间距p通常为指状物宽度w的2至20倍。另外，IDT的间距p通常是压电板212的厚度ts的2至20倍。XBAR中的IDT指状物的宽度不被限制为谐振时的声波波长的四分之一。例如，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。

图3是沿图1中限定的截面A-A的替代横截面图。在图3中，压电板310附接到衬底320。可选的介电层322可以夹在压电板310和衬底320之间。没有完全穿透衬底320的空腔340在衬底中形成，衬底位于包含XBAR的IDT的压电板310部分的下方。例如，可以通过在附接压电板310之前蚀刻衬底320来形成空腔340。替代地，可以通过用选择性蚀刻剂蚀刻衬底320来形成空腔340，该选择性蚀刻剂通过设在压电板310中的一个或多个开口342抵达衬底。

由于空腔340是从衬底320的正面蚀刻(在附接压电板310之前或之后)，因此图3中所示的XBAR 300将在本文中称为“正面蚀刻”配置。由于在附接压电板110之后空腔140是从衬底120的背面蚀刻，因此图1的XBAR 100将在本文中称为“背面蚀刻”配置。

图4是XBAR中感兴趣的主声模的图解说明。图4示出了XBAR 400的一小部分，这一小部分包括压电板410和三个交错的IDT指状物430。RF电压施加到交错的指状物430上。该电压在指状物之间产生随时间变化的电场。电场的方向是横向的，或平行于压电板410的表面，如标记为“电场”的箭头所示。由于压电板的介电常数高，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，并因此强烈激发剪切模式声模。在本文中，“剪切变形”定义为材料中的平行平面在相对于彼此平移的过程中保持平行且保持恒定距离的这样一种变形。“剪切声模”定义为介质中导致介质剪切变形的声振动模式。XBAR 400中的剪切变形由曲线460表示，相邻的小箭头示意性指示原子运动方向和幅度。为了便于观察，原子运动程度以及压电板410的厚度被大大夸大了。虽然原子运动主要是横向的(即，如图4所示的水平方向)，但如箭头465所示，激发的主剪切声模的声能流方向与压电板的表面基本正交。

如图4所示，紧接在IDT指状物430下方基本上没有电场，因此在指状物下方的区域470中声模仅被最低限度地激发。在这些区域中可能存在渐逝的声学运动。由于在IDT指状物430下不激发声学振动，耦合到IDT指状物430的声能(例如与SAW谐振器中的IDT的指状物相比)低，这使IDT指状物中的粘性损失最小化。

基于剪切声波谐振的声波谐振器可以实现比当前现有技术的薄膜体声谐振器(FBAR)和固体安装谐振器体声波(SMR BAW)设备更好的性能，其中电场沿厚度方向施加。在这样的设备中，声模在原子运动和厚度方向上的声能流动方向是压缩的。此外，与其他声波谐振器相比，剪切波XBAR谐振的压电耦合可能很高(>20％)。因此，高压电耦合能够设计和实现具有可观带宽的微波和毫米波滤波器。

图5是使用XBAR的高频带通滤波器500的示意电路图。滤波器500具有常规的梯形滤波器架构，包括四个串联谐振器510A、510B、510C、510D和三个并联谐振器520A、520B、520C。四个串联谐振器510A、510B、510C和510D串联连接在第一端口和第二端口之间。在图5中，第一和第二端口分别标记为“In”和“Out。然而，滤波器500是对称的并且任一个端口并用作滤波器的输入或输出。三个并联谐振器520A、520B、520C从串联谐振器之间的节点连接到地。所有并联谐振器和串联谐振器都是XBAR。尽管未在图5中示出，但是任何和所有谐振器都可以分成多个电连接的并联子谐振器。每个子谐振器可以具有相应的隔膜。

滤波器500可以包括具有表面的衬底、具有平行的正面和背面的单晶压电板、以及夹在衬底的表面和单晶压电板的背面之间的声布拉格反射器。衬底、声布拉格反射器和压电板由图5中的矩形510表示。在单晶压电板的正面上形成的导体图案包括用于四个串联谐振器510A、510B、510C、510D和三个并联谐振器520A、520B、520C中的每一个的叉指换能器(IDT)。所有IDT都被配置为响应于施加到每个IDT的相应射频信号在单晶压电板中激发剪切声波。

在诸如滤波器500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间距还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间距的差异来提供并联和串联谐振器的谐振频率之间所需的差异可能是不切实际的。

如专利号10,601,392中所述，具有第一厚度t1的第一介电层(由虚线矩形525表示)可以沉积在一些或所有并联谐振器520A、520B、520C的IDT上方。具有小于t1的第二厚度t2的第二介电层(由虚线矩形515表示)可以沉积在串联谐振器510A、510B、510C、510D的IDT上方。第二介电层可以沉积在并联谐振器和串联谐振器上。厚度t1和厚度t2之间的差定义了串联谐振器和并联谐振器之间的频率偏移。通过改变各个IDT的间距，可以将各个串联或并联谐振器调谐到不同的频率。在一些滤波器中，如共同未决申请16/924,108中所述，可以使用多于两个不同厚度的介电层。

替代地或附加地，并联谐振器510A、510B、510C、510D可以在具有厚度t3的压电板上形成，并且可以在具有小于t3的厚度t4的压电板上制造串联谐振器。厚度t3和t4之间的差定义了串联谐振器和并联谐振器之间的频率偏移。通过改变各个IDT的间距，可以将各个串联或并联谐振器调谐到不同的频率。在一些滤波器中，可以使用三个或更多个不同的压电板厚度来提供额外的频率调谐能力。

图6A是滤波器600A的并联谐振器和串联谐振器的示意性横截面图，滤波器600A使用介电厚度来分离并联谐振器和串联谐振器的频率。压电板610A附接到衬底620。压电板的部分形成跨越衬底620中的空腔640的隔膜。在隔膜上形成交错的IDT指状物，例如指状物630。厚度为t1的第一介电层650在并联谐振器的IDT上方形成。厚度为t2的第二介电层655沉积在并联和串联谐振器上。替代地，厚度为t1+t2的单个介电层可以沉积在并联谐振器和串联谐振器上。然后可以使用掩模干法蚀刻工艺将串联谐振器上方的介电层减薄至厚度t2。在任一情况下，并联谐振器上的介电层的总厚度(t1+t2)与第二介电层的厚度t2之间的差定义了串联谐振器和并联谐振器之间的频率偏移。here

第二介电层655还可用于密封和钝化滤波器600A的表面。第二介电层可以是由与第一介电层相同的材料制成或由不同的材料制成。第二介电层可以是不同材料的两个或更多个子层的叠层。替代地，可以在滤波器600A的表面上方形成附加的介电钝化层(图6A中未示出)。此外，如随后将描述的，可局部调整最终介电层(即，第二介电层655或附加介电层)的厚度以微调滤波器600A的频率。因此，最终的介电层可以称为“钝化和调谐层”。

图6B是滤波器600B的并联谐振器和串联谐振器的示意性横截面图，该滤波器使用压电板厚度来分离并联谐振器和串联谐振器的频率。压电板610B附接到衬底620。压电板的部分形成跨越衬底620中的空腔640的隔膜。在隔膜上形成交错的IDT指状物，例如指状物630。并联谐振器的隔膜厚度为t3。压电板610B被选择性地减薄，使得串联谐振器的隔膜具有小于t3的厚度t4。t3和t4之间的差定义了串联谐振器和并联谐振器之间的频率偏移。钝化和调谐层655沉积在并联和串联谐振器上。

方法说明

图7是说明控制压电隔膜的厚度的工艺的一系列示意性横截面图。视图A示出了结合到衬底720的具有不均匀厚度的压电板710。压电板710可以是例如铌酸锂或钽酸锂。衬底720可以是硅晶片或如前所述的一些其他材料。压电板710中所示的厚度变化被大大夸大了。厚度变化不应超过压电板厚度的10％，可以是几个百分点或更小。

图7B示出了使用包括光源732和检测器734的光学厚度测量工具730对压电板厚度进行光学测量。光学厚度测量工具730可以是例如椭圆计/反射计。光学厚度测量工具730测量从压电板710的表面以及从压电板710和衬底720之间的界面反射的光。从压电板上的特定测量点的反射可以使用多个光波长、入射角和/或偏振态来进行测量。对多次测量的结果进行处理，以确定测量点处压电板的厚度。

重复测量过程以确定压电板在压电板表面上的多个测量点处的厚度。例如，多个点可以在板的表面上形成测量点的网格或矩阵。可以对测量数据进行处理和插值，以提供压电板的厚度图。

视图C示出了使用材料去除工具去除压电板上的多余材料。在本文中，“多余材料”被定义为压电板延伸超出目标板厚度的部分。在视图C中，要去除的多余材料用阴影表示。材料去除工具可以是例如扫描离子研磨机740、采用氟基反应离子蚀刻的工具或一些其他工具。扫描离子研磨机740在压电体表面上扫描高能离子束745。离子束745在压电板上的入射通过升华或溅射去除表面处的材料。离子束745可以光栅图案在压电板的表面上扫描一次或多次。离子束745的离子电流或停留时间可以在光栅扫描期间改变，以根据压电板的厚度图来控制从压电板上的每个点上去除的材料的深度。结果是得到如视图D中所示厚度均一性得到明显改善的压电板。压电板上任何点的厚度可以基本上等于目标板厚度，其中“基本上等于”是指等于材料去除工具的测量精度和能力所限制的最大等于范围。

图E说明选择性去除压电板的薄选定部分。压电板的选定部分可以变薄，例如，为串联谐振器提供隔膜，如图6B所示。如果工具具有足够的空间分辨率来区分压电板的待减薄区域，则可以使用扫描离子研磨机或其他扫描材料去除工具来减薄压电板的选定部分。替代地，扫描或非扫描材料去除工具750或蚀刻工艺可用于从由掩模752限定的压电板表面的部分去除材料。结果是得到厚度减少区域760的压电板，其适合于串联谐振器的隔膜，如视图F所示。

图8是示出用于制造包含XBAR的滤波器器件的工艺800的简化流程图。具体而言，工艺800用于使用如图7A所示的并联谐振器上方的频率设置介电层来制造滤波器器件。工艺800开始于805，其中器件衬底和压电材料薄板设置在牺牲衬底上。工艺800在895处结束，此时完成滤波器器件。图8的流程图仅包括主要的工艺步骤。可以在图8所示的步骤之前、之间、之后和期间执行各种常规工艺步骤(例如，表面准备、清洁、检查、烘烤、退火、监控、测试等)。

虽然图8概括地描述了用于制造单个滤波器器件的工艺，但是可以在共同的晶片上(由结合到衬底的压电板组成)同时制作多个滤波器器件。在这种情况下，可以在晶片上的所有滤波器器件上同时执行工艺800的每个步骤。

图8的流程图捕获了用于制造XBAR的工艺800的三个变体，这三个变体的不同之处在于何时以及如何在器件衬底中形成空腔。可以在步骤810A、810B或810C处形成空腔。在工艺800的三个变体中的每个变体中，仅执行这些步骤中的其中一个步骤。

压电板可以是例如铌酸锂或钽酸锂，它们中的任一个都可以是Z-切割、旋转Z-切割或旋转YX-切割。压电板可以是一些其他材料和/或一些其他切口。器件衬底可以优选地是硅。器件衬底可以是允许通过蚀刻或其他处理形成深空腔的一些其他材料。

在工艺800的一种变体中，在815处将压电板接合到衬底之前，在810A在器件衬底中形成一个或多个空腔。可以为滤波器器件中的每个谐振器形成单独的空腔。可以使用传统的光刻和蚀刻技术来形成一个或多个空腔。通常，在810A处形成的空腔将不会穿透器件衬底，并且所得的谐振器器件将具有如图3所示的横截面。

在815处，将压电板结合到器件衬底。可以通过晶圆键合工艺来结合压电板和器件衬底。通常，器件衬底和压电板的配合表面被高度抛光。可以在压电板和/或器件衬底的配合表面上形成或沉积一层或多层中间材料，例如氧化物或金属。可以使用例如等离子体工艺来激活一个和/或两个配合表面。然后可以用相当大的力将配合表面压在一起，以在压电板和器件衬底或中间材料层之间建立分子键。

在820处，可以去除牺牲衬底。例如，压电板和牺牲衬底可以是压电材料的晶片，该晶片已经被离子注入以在晶体结构中沿着限定将成为压电板和牺牲衬底之间的边界的平面产生缺陷。在820处，晶片可以例如通过热冲击沿着缺陷平面分裂，分离牺牲衬底并且留下结合到器件衬底的压电板。在剥离牺牲衬底之后，可以对压电板的暴露表面进行抛光或以某种方式进行处理。

层压到非压电衬底的单晶压电材料薄板是可商购的。在此应用期间，铌酸锂和钽酸锂极板都可以与各种衬底粘合，衬底包括硅、石英和熔融石英。现在或将来可能会出现其他压电材料的薄板。压电板的厚度可以在300nm和1000nm之间。当衬底为硅时，可以在压电板与衬底之间设置一层SiO₂。当使用市售的压电板/器件衬底层压板时，不执行工艺800的步骤810A、815和820。

在845处，通过在压电板的正面上沉积和图案化一个或多个导体层来形成第一导体图案，包括每个XBAR的IDT。导体层可以是例如铝、铝合金、铜、铜合金或一些其他导电金属。可选地，一层或多层其他材料可以设置在导体层下方(即，在导体层和压电板之间)和/或在导体层顶上。例如，钛、铬或其他金属的薄膜可用于提高导体层和压电板之间的粘附性。金、铝、铜或其他更高导电率金属的第二导体图案可以在第一导体图案的部分(例如IDT母线和IDT之间的互连)之上形成。

可在845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每个导体图案。然后可以通过穿过图案化的光致抗蚀剂蚀刻来去除多余的金属。可以例如通过等离子体蚀刻、反应离子蚀刻、湿化学蚀刻或其他蚀刻技术来蚀刻导体层。

或者，可以在845处使用剥离工艺形成每个导体图案。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850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频率设置介电层。例如，可以在并联谐振器上形成介电层，从而降低并联谐振器相对于串联谐振器的频率。可以使用常规沉积技术来沉积一层或多层介电层，常规沉积技术例如物理气相沉积、原子层沉积、化学气相沉积，或一些其它方法。可以使用一种或多种光刻工艺(使用光掩模)将介电层沉积限制在压电板的选定区域上。例如，掩模也可以用于将介电层限制为仅覆盖并联谐振器。

在855处，钝化/调谐介电层沉积在压电板和导体图案上。钝化/调谐介电层可以覆盖滤波器的整个表面，除了用于与滤波器外部的电路电连接的焊盘外。在工艺800的一些实例中，钝化/调谐介电层可以在器件衬底中的空腔在810B或810C处被蚀刻之后形成。

在工艺800的第二变体中，在810B处，在器件衬底的背面中形成一个或多个空腔。可以为滤波器器件中的每个谐振器形成单独的空腔。可以使用各向异性或取向相关的干法或湿法蚀刻来形成一个或多个空腔，以从器件衬底的背面一直开孔至压电板。在这种情况下，所得的谐振器器件将具有如图1所示的横截面。

在工艺800的第三变体中，可以在810C处通过使用通过压电板中的开口引入的蚀刻剂蚀刻衬底来在器件衬底中形成一个或多个凹槽形式的空腔。可以为滤波器器件中的每个谐振器形成单独的空腔。在810C处形成的一个或多个空腔不会穿透器件衬底，且所的谐振器器件将具有如图3所示的横截面。

理想地，在810B或810C形成空腔之后，晶片上的大部分或全部滤波器器件将满足一组性能要求。然而，正常的工艺公差会导致参数变化，例如在850和855处形成的介电层的厚度变化，在845处形成的导体和IDT指状物的厚度和线宽变化，以及PZT板厚度变化。这些变化导致滤波器器件性能与性能要求产生偏差。

为了提高满足性能要求的滤波器器件的产量，可以通过选择性地调整在855处沉积在谐振器上的钝化/调谐层的厚度来执行频率调谐。可通过向钝化谐调层添加材料的方式降低滤波器器件通带的频率，以及可通过去除钝化谐调层上的材料的方式提高滤波器器件通带的频率。通常，工艺800被偏置以产生具有通带的滤波器器件，该通带最初低于所需频率范围但可通过从钝化/调谐层的表面去除材料而调谐到所需频率范围。

在860处，可以使用探针卡或其他装置与滤波器进行电连接以允许射频(RF)测试和滤波器特性例如输入-输出传递函数的测量。通常，在一些或大部分滤波器器件上进行RF测量，其中这些滤波器器件同时在同一压电板和衬底上进行制造。

在865处，可以通过使用选择性材料去除工具，例如，如前所述的扫描离子研磨机，从钝化/调谐层的表面去除材料来执行全局频率调谐。以等于或大于单个滤波器器件的空间分辨率执行“全局”调谐。“全局”调谐是在空间分辨率等于或大于单个滤波器器件的情况下执行的。全局调谐的目的是将每个滤波器器件的通带移向所需的频率范围。可以处理来自860的测试结果以生成全局等值线图，该等值线图指示根据晶片上的二维位置来去除的材料的量。然后使用选择性材料去除工具根据等值线图去除材料。

在870处，除了或代替在865处执行的全局频率调谐之外，可执行局部频率调谐。以小于单独滤波器器件的空间分辨率执行“局部”频率调谐。可以处理来自860的测试结果以生成指示在每个滤波器器件处要去除的材料量的图。局部频率调谐可能需要使用掩模来限制材料待去除区域的大小。例如，第一掩模可用于将调谐限制为仅并联谐振器，而第二掩模可随后用于将调谐限制为仅串联谐振器(或反之亦然)。这将允许独立谐调滤波器器件的下频带边缘(通过调谐并联谐振器)和上频带边缘(通过调谐串联谐振器)。

在865和/或870处完成频率调谐之后，滤波器器件在875处完成。在875处可能发生的动作包括形成接合焊盘或焊料凸块或用于在器件和外部电路之间建立连接的其他装置(如果这种焊盘不是在845处形成)；从包含多个滤波器器件的晶片上切出单独的滤波器器件；其他包装步骤；和额外的测试。在每个滤波器器件完成后，工艺在895处结束。

图9是示出用于制造包含XBAR的滤波器的工艺900的简化流程图。工艺900在905处开始于衬底和压电材料板，并且在995处结束，此时完成滤波器。图9的流程图仅包括主要的工艺步骤。可以在图9所示的步骤之前、之间、之后和期间执行各种常规工艺步骤(例如，表面准备、清洁、检查、烘烤、退火、监控、测试等)。

图9的流程图捕捉了用于制造滤波器的工艺900的两种变体，这两种变体在何时以及如何在衬底中形成空腔方面有所不同。可以在步骤810B或810C处形成空腔。在工艺900的两个变体中的每一个中仅执行这些步骤中的一个。

具有从815到875的附图标记的工艺步骤与图8的工艺800的对应步骤基本相同。将不再重复这些步骤的描述。工艺900和工艺800之间的显著区别在于RF测试960和频率调谐965在810B或810C处形成空腔之前执行。当在谐振器的区域仍然附着在衬底上的情况下执行调谐时，衬底为压电板提供机械支撑，并充当从钝化/调谐介电层去除材料时产生的热量的散热器。这避免了如在工艺800中形成空腔之后完成调谐时可能会对隔膜造成损害的情况。

由于调谐是在谐振器的区域仍然附着在衬底上时执行的，因此960处的RF测试无法测量滤波器的实际性能参数。相反，960处的RF测试测量其他参数，这些其他参数可以与空腔形成后的滤波器性能相关联。在960处的RF测试可以测量在空腔形成之后可能仍然存在或可能不存在的其他声模的谐振频率。这些模式可以包括Sezawa模式、Rayleigh模式和各种体声模式。例如，滤波器器件的输入/输出传递函数和/或单个谐振器的导纳可以在所有或大部分滤波器器件上进行测量，其中在同一压电板和衬底上同时制作这些滤波器器件。

处理来自960的测试结果以预测滤波器器件的性能，滤波器器件又用于生成等高线图，该等高线图指示根据晶片上的二维位置来去除的材料的量。例如，可以训练中性网络以将谐振器在从0到1GHz的频率上的导纳转换为在等高线图上特定位置处要去除的材料量的预测。

在965处，通过根据在960处生成的等高线图从钝化/调谐层的表面去除材料来选择性地调谐滤波器器件的频率。可以使用选择性材料去除工具，例如如前所述的扫描离子研磨机，来去除材料。如前所述，可以在965处执行全局和/或局部频率调谐。在频率调谐完成之后，可以如先前关于工艺800所描述的那样完成工艺900。

图10是示出用于制造包含XBAR的过滤器器件的另一个工艺1000的简化流程图。具体而言，工艺1000用于制造具有两种或更多种不同压电隔膜厚度的滤波器器件。例如，对于串联和并联谐振器而言，器件可以具有不同的隔膜厚度，如图6B所示。工艺1000在1005开始于衬底和布置在牺牲衬底上的压电材料板，并在1095以完成的过滤器器件结束。图10的流程图仅包括主要的工艺步骤。可以在图10所示的步骤之前、之间、之后和期间执行各种常规工艺步骤(例如，表面准备、清洁、检查、烘烤、退火、监控、测试等)。

图10的流程图捕获了用于制造XBAR器件的工艺1000的三种变体，这三种变体在何时以及如何在衬底中形成空腔方面有所不同。可以在步骤810A、810B或810C处形成空腔。在工艺1000的三个变体中的每一个中只执行这些步骤中的一个。

具有从815到875的附图标记的工艺步骤与图8的过工艺800的对应步骤基本相同。将不再重复这些步骤的描述。工艺1000和工艺800的显着区别在于增加了步骤1030和1035。

在1030处，压电板的选定区域被减薄。例如，将成为串联谐振器的隔膜的压电板的区域可以变薄，如图7的视图E所示。可以使用离子研磨机等扫描材料工具进行减薄。替代地，待减薄的区域可以由掩模限定，并且可以使用离子研磨机、溅射蚀刻工具或湿法或干法蚀刻工艺去除材料。在所有情况下，都需要精确控制晶片表面上去除的材料的深度。减薄后，压电板将被划分为具有两个或多个不同厚度的区域。

在从压电板去除材料之后剩余的表面可能会被损坏，特别是如果在1030处使用离子磨或溅射蚀刻工具时更是如此。可以在1035处执行某种形式的后处理，例如退火或其他热处理修复损坏的表面。

在1030处选择性减薄压电板并且在1035处修复任何表面损伤之后，工艺1000(如图10所示)的剩余步骤可以与工艺800的相应步骤相同，其中RF测试860和频率调谐865发生在810A、810B或810C处形成空腔之后。替代地，工艺1000的剩余步骤(图10中未示出)可以与工艺900的相应步骤相同，其中RF测试960和频率调谐965发生在810B或810C形成空腔之前。在850处频率设置介电层的形成不一定在工艺1000期间执行。

图11是示出用于制造包含XBAR的滤波器器件的另一个工艺1100的简化流程图。具体而言，工艺1100用于制造具有额外步骤的滤波器器件以改善压电板的厚度均匀性，如先前在图7中所说明的那样。图11的流程图仅包括主要的工艺步骤。可以在图11所示的步骤之前、之间、之后和期间执行各种常规工艺步骤(例如，表面准备、清洁、检查、烘烤、退火、监控、测试等)。具有从815到875的附图标记的工艺步骤与图8的工艺800的相应步骤基本相同。工艺步骤1030和1035与图10的工艺1000的相应步骤基本相同。将不再重复这些步骤的描述。

图11的流程图捕获了用于制造XBAR的工艺1100的多种变体，多种变体的不同之处在于何时和如何在衬底中形成空腔以及并联谐振器的频率如何从串联谐振器的频率偏移。可以在步骤810B或810C处形成空腔。在工艺1100的任何变体中仅执行这些步骤中的一个。通过在850处在并联谐振器上方形成频率设置电介质层，可以使并联谐振器的频率从串联谐振器的频率偏移。替代地，在1030处，并联谐振器的频率可以通过减薄将形成串联谐振器的隔膜的压电板从串联谐振器的频率偏移。在工艺1100的任何变体中执行这些步骤中的一个或两个。

工艺1100与先前描述的工艺之间的主要区别在于增加了步骤1120和1125。在1120处，使用光学厚度测量工具例如椭圆计/反射计进行压电板厚度的光学测量。光学厚度测量工具可以测量从压电板的表面以及从压电板和衬底之间的界面反射的光。可以使用多个光波长、入射角和/或偏振态来测量来自压电板上的特定测量点的反射。对多次测量的结果进行处理，以确定测量点处压电板的厚度。

重复测量过程以确定压电板在压电板表面上的多个测量点处的厚度。多个点可以例如在板的表面上形成测量点的网格或矩阵。可以对测量数据进行处理和插值，以提供压电板的厚度图。

在1125处，使用材料去除工具从压电板去除多余的材料，如先前在图7的视图C中所示。材料去除工具可以是例如扫描离子研磨机或其他工具。扫描离子研磨机在压电板的表面上扫描一束高能离子。离子束在压电板上的入射通过升华或溅射去除表面的材料。离子束可以光栅图案在压电板的表面上扫描一次或多次。可以在光栅扫描期间改变离子电流或离子束的停留时间，以根据压电板的厚度图来控制从压电板上的每个点去除的材料的深度。结果是获得厚度均匀性明显改善的压电板。如前所述，压电板上任何点的厚度可以基本上等于目标厚度。

可选地，在1030处可以减薄注定要成为串联谐振器的隔膜的压电板的部分。可以在1035处通过后处理去除在1125和/或1030处发生的压电板的露出表面的损坏，如前所述。

工艺1100(如图11所示)的其余步骤可以与工艺800的相应步骤相同，除了如果在1030处选择性减薄压电板，在850处形成频率设置介电层外。在任一情况下，RF测试860和频率调谐865/870可在810B处或810C处形成空腔之后发生。替代地，工艺1100的其余步骤(图11中未示出)可以与工艺900的相应步骤相同，其中RF测试960和频率调谐965发生在810B或810C形成空腔之前。

结束语

在整个说明书中，所示的实施方式和实施例应被认为是示例，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 (20)

1.一种滤波器器件，包括：

一衬底，具有一表面；

一单晶压电板，具有正面和背面，所述单晶压电板的所述背面附接到所述衬底的表面，所述单晶压电板的部分形成跨越所述衬底中的各个空腔的第一隔膜和第二隔膜，

其中所述压电板的第一部分包括具有第一厚度的所述第一隔膜，包括所述第二隔膜的所述压电板的第二部分的正面相对于所述压电板的所述第一部分的所述正面凹陷进去，使得所述第二隔膜具有小于所述第一厚度的第二厚度；

一第一谐振器，包括具有交错指状物的第一叉指换能器IDT，交错指状物位于所述第一隔膜的表面上；和

一第二谐振器，包括具有交错指状物的第二IDT，交错指状物位于所述第二隔膜的所述表面上，

所述单晶压电板和所有IDT被配置成使得施加到所述第一IDT和所述第二IDT的相应射频信号在相应隔膜内激发相应剪切主声模。

2.根据权利要求1所述的滤波器器件，其特征在于，一个或多个附加IDT中的交错指状物设置在具有所述第一厚度和所述第二厚度的其中一个厚度的各个隔膜上。

3.根据权利要求2所述的滤波器器件，其特征在于，每个附加IDT设置在跨越相应空腔的相应隔膜上。

4.根据权利要求1所述的滤波器器件，其特征在于，所述第一IDT的所有交错指状物仅在所述第一隔膜的所述表面上而不在所述第一隔膜的相对表面上，并且所述第二IDT的所有交错指状物仅在所述第二隔膜的所述表面上而不在所述第二隔膜的相对表面上。

5.根据权利要求4所述的滤波器器件，其特征在于，所有剪切主声模的声能流的方向基本上正交于各个隔膜的所述正面和所述背面。

6.根据权利要求4所述的滤波器器件，其特征在于，所述单晶压电板是铌酸锂和钽酸锂中的一种。

7.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200nm，并且

所述第一厚度小于或等于1000nm。

8.根据权利要求1所述的滤波器器件，其特征在于，还包括一个或多个附加隔膜，该一个或多个附加隔膜具有各自的厚度，其介于所述第一厚度和所述第二厚度之间。

9.根据权利要求1所述的滤波器器件，其特征在于，所述第一谐振器是梯形滤波器电路中的并联谐振器，所述第二谐振器是梯形滤波器电路中的串联谐振器。

10.根据权利要求9所述的滤波器器件，其特征在于，还包括：

一个或多个附加并联谐振器和一个或多个附加串联谐振器，

其中所有并联谐振器的IDT的指状物位于具有所述第一厚度的隔膜上，并且所有串联谐振器的IDT的指状物位于具有所述第二厚度的隔膜上。

11.一种制造滤波器器件的方法，包括：

将具有相对的正面和背面和第一厚度的单晶压电板的背面附接到衬底的表面；选择性地在所述压电板的所述正面中形成凹部，以将所述压电板的一部分从所述第一厚度减薄到第二厚度，所述第二厚度小于所述第一厚度；

在所述衬底中形成空腔，使得所述单晶压电板的部分形成跨越各个空腔的多个隔膜；和

在所述单晶压电板上形成导体图案，该导体图案包括多个谐振器的多个叉指换能器IDT，其中

所述多个IDT中的第一IDT的交错指状物位于具有所述第一厚度的第一隔膜上，并且

所述多个IDT中的第二IDT的交错指状物位于具有所述第二厚度的第二隔膜上，所述单晶压电板和所有IDT被配置成使得施加到所述第一IDT和所述第二IDT的相应射频信号在相应隔膜内激发相应剪切主声模。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括，

选择性地将所述压电板的附加部分减薄至第三厚度，所述第三厚度介于所述第一厚度和所述第二厚度之间，其中

所述多个IDT中的至少一个第三IDT的交错指状物设置在具有所述第三厚度的隔膜上。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：

选择性地将所述压电板的附加部分减薄至一个或多个附加厚度，所述一个或多个附加厚度介于所述第一厚度和所述第二厚度之间。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一IDT的所有交错指状物仅在所述第一隔膜的所述表面上而不在所述第一隔膜的相对表面上，并且所述第二IDT的所有交错指状物仅在所述第二隔膜的所述表面上而不在所述第二隔膜的相对表面上。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所有所述剪切主声模的声能流的方向基本上正交于相应隔膜的正面和背面。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述单晶压电板是铌酸锂和钽酸锂中的一种。

17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

所述第二厚度大于或等于200nm，并且

所述第一厚度小于或等于1000nm。

18.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述多个IDT中的每一个设置在跨越相应空腔的相应隔膜上。

19.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

所述多个谐振器包括至少一个并联谐振器和至少一个串联谐振器，

所述至少一个并联谐振器的IDT的指状物设置在具有所述第一厚度的隔膜上，并且

所述至少一个串联谐振器的IDT的指状物设置在具有所述第二厚度的隔膜上。

20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

所述多个谐振器包括多个并联谐振器和多个串联谐振器，

所有并联谐振器的IDT的指状物设置在具有所述第一厚度的隔膜上，并且

所有串联谐振器的IDT的指状物设置在具有所述第二厚度的隔膜上。