CN114765454A - 解耦的横向激励薄膜体声波谐振器 - Google Patents

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Abstract

公开了声波谐振器器件和滤波器。声波谐振器包括衬底和具有平行正面和背面的压电板，背面附接到衬底。一解耦介电层，位于压电板的正面。一叉指换能器(IDT)，在解耦介电层上形成，使得IDT的交错的指状物位于压电板的一部分之上，该压电板的部分悬置在形成于衬底中的空腔上。

Description

解耦的横向激励薄膜体声波谐振器
版权和商标外观声明
本专利文件的部分公开内容含有受版权保护的材料。该专利文件可以显示和/或描述为或可以成为所有者的商标外观的事项。虽然版权和商标外观所有者因为专利公开出现在专利商标局文件或记录中而对任何人对专利公开进行传真复制无异议，但是其仍然保留版权和商标外观权。
相关申请的交叉引用
该专利要求以下临时专利申请的优先权：于2021年1月15日提交，申请号为63/137,736，题为“XBAR WITH INSULATING LAYER BETWEEN ELECTRODE AND PIEZOELECTRICMEMBRANE TO REDUCE ACOUSTIC COUPLING”的专利申请，其通过引用并入本文。
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”意味着以相对低的插入损耗进行传输，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。
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和带宽下使用，而未来的通信网络需要用到更高的频率和带宽。
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。3GPP(第三代合作伙伴计划)已对用于移动电话网络的无线电接入技术进行了标准化处理。5G NR(新无线电)标准中定义了用于第五代移动网络的无线电接入技术。5G NR标准定义了若干个新的通信频段。这些新的通信频段中有两个频段是n77和n79，其中n77使用3300MHz至4200MHz的频率范围，n79使用4400MHz至5000MHz的频率范围。频段n77和频段n79都使用时分双工(TDD)，因此在频段n77和/或频段n79中工作的通信设备将相同的频率用于上行链路和下行链路传输。n77和n79频段的带通滤波器必须能够处理通信设备的发射功率。在5GHz和6GHz的5G频段也需要高频率和宽带宽。5G NR标准还定义了频率在24.25GHz和40GHz之间的毫米波通信频段。
横向激励薄膜体声波谐振器(XBAR)是用于微波滤波器的声波谐振器结构。题为“TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR”的美国专利10,491,291中描述了这种XBAR。XBAR谐振器包括叉指换能器(IDT)，该叉指换能器(IDT)在单晶压电材料的薄浮层或隔膜上形成。IDT包括从第一母线延伸的第一组平行指状物和从第二母线延伸的第二组平行指状物。第一组平行指状物和第二组平行指状物交错。施加到IDT上的微波信号在压电隔膜中激发出剪切的主声波。XBAR谐振器提供了很高的机电耦合和高频能力。XBAR谐振器可用于各种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非常适合用于频率高于3GHz的通信频段的滤波器中。
发明内容
本发明公开了一种声波谐振器器件，包括：一衬底；一压电板，具有平行的正面和背面，所述背面贴接在所述衬底上；一解耦介电层，位于所述压电板正面；和一叉指换能器(IDT)，在所述解耦介电层上形成，使得IDT的交错的指状物位于所述压电板的一部分之上，所述压电板的这部分悬置在所述衬底中形成的空腔上。
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压电板中激发剪切声波。
其中，所述压电板是旋转的Y切割铌酸锂。
其中，所述解耦介电层包括二氧化硅。
其中，所述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。
其中，所述IDT的指状物的间距大于或等于所述压电板厚度的2倍且小于或等于所述压电板厚度的25倍。
其中，IDT的指状物有一个宽度，并且所述间距大于等于所述宽度的2倍且小于或等于所述宽度的25倍。
其中，还包括：一正面介电层，在IDT的指状物之间的所述压电板的正面上形成，其中，所述声波谐振器器件的谐振频率部分地由所述正面介电层的厚度确定。
其中，所述正面介电层包括二氧化硅和氮化硅中的至少一种。
其中，所述IDT包括铝、铝合金、铜、铜合金、铍和金中的一种。
本发明还公开了一种滤波器器件，包括：一衬底；一压电板，具有平行的正面和背面，所述背面附接在所述衬底上；一解耦介电层，位于所述压电板正面上；和一导体图案，在所述解耦介电层上形成，该导体图案包括相应多个谐振器的多个叉指换能器(IDT)，其中多个IDT中的每一个的交错的指状物位于所述压电板的各个部分之上，所述压电板的各个部分悬置在所述衬底中形成的一个或多个空腔上。
其中，所述多个IDT中的全部IDT被配置为响应于施加到每个IDT的相应射频信号而在所述压电板中激发剪切声波。
其中，所述压电板是旋转的Y切割铌酸锂。
其中，所述解耦介电层包括二氧化硅。
其中，所述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。
其中，所述多个IDT中的每一个IDT均位于所述压电板的相应部分，所述压电板的相应部分悬挂在所述衬底中形成的相应空腔上。
其中，所述多个谐振器包括一个并联谐振器和一个串联谐振器。
其中，沉积在所述并联谐振器的IDT的指状物之间的第一介电层的厚度大于沉积在所述串联谐振器的IDT的指状物之间的第二介电层的厚度。
本发明进一步公开了一种在具有平行正面和背面的压电板上制造声波谐振器器件的方法，该背面附接到所述衬底，该方法包括：在所述衬底中形成空腔，使得所述压电板的一部分悬置在所述空腔上；在所述压电板的正面形成解耦介电层；和在所述解耦介电层上方形成叉指换能器(IDT)，使得IDT的交错的指状物位于悬置在所述空腔上的压电板部分上方。
其中，所述压电板为旋转的Y切割铌酸锂并且所述解耦介电层包括二氧化硅。
附图说明
图1包括横向激励膜体声波谐振器(XBAR)的示意性平面图、两个示意性横截面图和细节图。
图2是使用声波谐振器的带通滤波器的示意框图。
图3是使用YX切割铌酸锂隔膜和Z切割铌酸锂隔膜的XBAR的导纳幅度图。
图4是在IDT指状物和压电隔膜之间具有解耦介电层的XBAR的示意性截面图。
图5是具有不同厚度的解耦介电层的XBAR的导纳幅度图。
图6是随解耦介电层厚度变化的机电耦合图。
图7是使用解耦XBAR的频段N79滤波器的输入-输出传递函数的图。
图8是用于制造解耦XBAR或使用解耦XBAR的滤波器的方法的流程图。
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XBAR 100的简化示意俯视图和正交横截面图。诸如谐振器100的XBAR型谐振器可用于各种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 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晶轴的取向是已知且一致的。压电板可以是Z切割的，也就是说，Z轴与正面和背面112、114垂直。压电板可以是旋转的Z切割或旋转的YX切割。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的表面上，除了一部分的压电板110未附接到衬底120的表面122上，其中这部分的压电板110形成了隔膜115，隔膜115跨越衬底中形成的空腔140。压电板的跨越空腔的部分在本文中称为“隔膜”115，这是因为这部分在物理上与麦克风的隔膜相似。如图1所示，隔膜115在空腔140的整个周边145周围与压电板110的其余部分邻接。在这种情况下，“邻接”是指“连续连接，中间没有任何其他物品”。在其他配置中，隔膜115可以在空腔140的周边145的至少50％周围与压电板邻接。
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，或一些其它材料，或这些材料的组合。可以使用晶圆键合工艺将压电板110的背面114附接到衬底120。或者，压电板110在衬底120上生长，或者以其它方式附着到衬底。压电板110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(图1中未示出)附接到衬底120。
“空腔”的常规含义是“固体内的空的空间”。空腔140可以是完全穿过衬底120的孔(如A-A和B-B截面所示)，或者可以是隔膜115下方的衬底120中的凹槽。例如，可以在将压电板110附接到衬底120之前或之后，通过对衬底120进行选择性蚀刻来形成空腔140。
XBAR100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。术语“母线”是指从IDT的指状物延伸的导体。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内的主声学模。主声学模是体剪切模，其中声能在基本垂直于压电板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视为横向激励的薄膜体波谐振器。
IDT 130放置在压电板110上，使得至少IDT 130的指状物设置在压电板的隔膜115上，该隔膜115跨过或悬挂在空腔140上。如图1所示，空腔140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 130中具有十个以上的平行指状物。一个XBAR在IDT 130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指状物和压电板的厚度被大大放大。
现在参照详细的示意性横截面图(细节C)，可以任选地在压电板110的正面上形成正面介电层150。根据定义，XBAR的“正面”是指背离衬底的那一面。正面介电层150可以仅形成在IDT指状物(例如，IDT指状物138b)之间，或者可以沉积作为覆盖层，使得介电层在IDT指状物(例如，IDT指状物138a)之间形成和在其上形成。正面介电层150可以是非压电介电材料，例如二氧化硅、氧化铝或氮化硅。正面介电层150的厚度通常小于压电板110厚度tp的约三分之一。正面介电层150可以由两种或更多种材料的多层形成。在一些应用中，可以在压电板110的背面上形成背面介电层(未示出)。
IDT指状物138a和138b可以是铝、铝合金、铜、铜合金、铍、金、钨、钼、铬、钛或某些其他导电材料的一层或多层。如果IDT指状物由铝或包含至少50％的铝的合金制成，则可认为IDT指状物“基本上为铝”。如果IDT指状物由铜或包含至少50％铜的合金制成，则可认为IDT指状物“基本上为铜”。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)层或其他金属薄层作为指状物内的层，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和/或改善功率处理。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指状物的中心到中心的间隔或“间距”，可以称为IDT的间距和/或XBAR的间距。尺寸m是IDT指状物的宽度或“标记”。XBAR的IDT的几何结构与表面声波(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m的2至20倍。间距P通常为指状物宽度m的3.3至5倍。另外，IDT的间距p通常是压电板210的厚度的2至20倍。IDT的间距p通常是压电板210的厚度的5至12.5倍。XBAR中的IDT指状物的宽度m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，从而可以容易的使用光刻技术制造IDT。IDT指状物的厚度可以从100nm到大约等于宽度m。IDT的母线(132、134)的厚度可以等于或大于IDT指状物的厚度。
图2是使用XBAR的高频带通滤波器200的示意性电路图和布局。滤波器200具有常规的梯形滤波器架构，其包括三个串联谐振器210A、210B、210C和两个并联谐振器220A、220B。三个串联谐振器210A、210B和210C串联连接在第一端口和第二端口之间(因此，得到术语“串联谐振器”)。在图2中，第一和第二端口分别标记为“In”和“Out”。然而，滤波器200是双向的，并且任一端口都可以用作滤波器的输入或输出。两个并联谐振器220A、220B从串联谐振器之间的节点连接到地。滤波器可以包含附加的电抗组件，例如电容器和/或电感器(未在图2中示出)。所有并联谐振器和串联谐振器均为XBAR。包括三个串联谐振器和两个并联谐振器只是举例说明。滤波器可以具有多于或少于五个的总谐振器，多于或少于三个的串联谐振器，以及多于或少于两个的并联谐振器。通常，所有串联谐振器都串联连接在滤波器的输入和输出之间。通常，所有并联谐振器都连接在接地与输入，输出或两个串联谐振器之间的节点之间。
在示例性滤波器200中，滤波器200的三个串联谐振器210A、B、C和两个并联谐振器220A、B在结合到硅衬底(不可见)的压电材料的单个板230上形成。在一些滤波器中，串联谐振器和并联谐振器可在不同的压电材料板上形成。每个谐振器包括各自的IDT(未示出)，其中至少IDT的指状物设置在衬底中的空腔上方。在此以及类似的上下文中，术语“各自的”是指“将事物一对一关联”，也就是说具有一对一的对应关系。在图2中，空腔被示意性地示出为虚线矩形(例如矩形235)。在该示例中，每个IDT布置在各自的空腔上方。在其他滤波器中，两个或多个谐振器的IDT可以设置在单个空腔上。
滤波器200中的每个谐振器210A、210B、210C、220A、220B在谐振器的导纳非常高的情况下具有谐振，而在谐振器的导纳非常低的情况下具有反谐振。谐振和反谐振分别发生在谐振频率和反谐振频率下，对于滤波器200中的各个谐振器而言，谐振频率和反谐振频率可以相同或不同。在过于简化的术语中，每个谐振器在其谐振频率下可认为是短路，而在其反谐振频率下可认为是开路。输入输出传递函数在并联谐振器的谐振频率和串联谐振器的反谐振频率处将接近零。在典型的滤波器中，并联谐振器的谐振频率位于滤波器通带的下边缘下方，而串联谐振器的反谐振频率位于通带的上边缘上方。在一些滤波器中，可以在并联谐振器上形成由点划线矩形270表示的正面介电层(也称为“频率设置层”)，以将并联谐振器的谐振频率设置为低于串联谐振器的谐振频率。在其他滤波器中，串联谐振器的隔膜可能比并联谐振器的隔膜更薄。在一些滤波器中，可以在具有不同压电板厚度的单独芯片上制造串联谐振器和并联谐振器。
铌酸锂(LN)是用于XBAR的优选压电材料。LN具有非常高的机电耦合，并且可以作为附接到非压电衬底的薄板使用。虽然XBAR中可以使用多种晶体取向，但已使用的两种取向是Z切割(欧拉角0°、0°、90°)和旋转Y切割(欧拉角0°、β、0°其中0°<β<70°)。30°<β<38°的旋转Y切割LN比Z切割LN具有更高的机电耦合。此外，虽然Z切割和旋转Y切割LN XBAR都容易受到横向(平行于IDT指状物的方向)的声能泄漏，但可以使用相对简单的结构来最大限度地减少旋转Y切割LN XBAR中的这种损失。最大限度地减少Z切割LN XBAR中的声学损失需要更复杂的结构，这需要额外的制造步骤。使用旋转Y切割LN的XBAR可能比Z切割LN XBAR具有更少和更小的寄生模式。
图3是两个XBAR的导纳幅度图300。图3中示出的数据和所有后续示例均通过使用有限元方法模拟XBAR得到。实线曲线310是使用β＝30°的旋转Y切割LN压电板的XBAR的导纳。虚线320是使用Z切割LN压电板的XBAR的导纳。在这两种情况下，压电板厚度均为400nm，IDT电极为铝，IDT间距为3微米，IDT指状物标记为0.5微米。两个XBAR的谐振频率FR约为4760MHz，旋转Y切割和Z切割XBAR的反谐振频率FA分别约为5550MHz和5350MHz。旋转的Y切割和Z切割XBAR的谐振频率和反谐振频率之间的差异分别约为590MHz和790MHz。机电耦合可以通过参数k2 eff量化，其中k2 eff＝(FA2–FR2)/FA2。图3的旋转Y切割和Z切割XBAR的k2 eff分别为26.4％和20.8％。
旋转的Y切割LN XBAR的谐振频率和反谐振频率之间的巨大差异使得能够设计具有非常宽带宽的滤波器。但是，对于某些滤波器应用，谐振频率和反谐振频率之间的差异可能太大。例如，5G NR频段N79的频率范围在4400MHz至5000MHz之间。频段N79带通滤波器不能用传统的旋转Y切割LN XBAR实现。如前所述，梯形滤波器电路中并联谐振器的谐振频率通常刚好低于滤波器通带的下边缘，并且并联谐振器的反谐振频率在通带内。相反，串联谐振器的反谐振频率通常刚好在滤波器通带的上边缘之上，而串联谐振器的谐振频率在通带内。为了实现这两个要求，谐振器的谐振频率和反谐振频率之差需要小于或等于滤波器带宽。旋转的Y切割LN XBAR的谐振频率和反谐振频率之差为790MHz，大于N79频段的600MHz带宽。
图4是“解耦的”XBAR谐振器(DXBAR)400的详细横截面示意图。解耦XBAR 400包括具有厚度tp的压电板410和具有厚度tm、间距p和宽度m的IDT指状物438。压电板410和IDT指状物438的材料可以如前所述。
解耦的XBAR 400和图1的细节C中所示的XBAR 100之间的区别是，在IDT指状物438和隔膜410之间存在介电层450。介电层450的作用是“解耦”XBAR 400，也就是说减少XBAR400的机电耦合。诸如介电层450的介电层在本文中将被称为“解耦介电层”。解耦程度部分取决于解耦介电层450的厚度tdd。
解耦介电层450可以由例如二氧化硅、氮化硅、氧化铝或一些其他合适的介电材料制成。在一些应用中，解耦介电层450的优选材料可以是二氧化硅，与图1的XBAR 100相比，二氧化硅提供了降低XBAR 400的频率温度系数(TCF)的重要的次要益处。
虽然图4未示出，但是一个或多个附加介电层，例如图1中的介电层150可以在IDT指状物438和解耦介电层450之上形成。附加介电层可以包括频率设置层，通常在梯形滤波器电路中的并联谐振器的IDT之上形成以相对于串联谐振器的谐振频率来降低其谐振频率。附加介电层还可以是或包括钝化和调谐层，其密封器件的表面并提供可以被选择性去除以调谐谐振频率的牺牲材料。
图5是三个解耦XBAR器件的随着频率变化的导纳幅度图500。实曲线510是tdd(解耦介电层的厚度)＝70nm的解耦XBAR的导纳幅度图。虚曲线520是tdd＝80nm的解耦XBAR的导纳幅度图。点划曲线530是tdd＝90nm的解耦XBAR的导纳幅度图。所有三个XBAR都使用旋转的Y切割压电板，其欧拉角为0°、30°、0°。
增加解耦介电层的厚度会增加XBAR隔膜的总厚度，这导致谐振频率的相应降低。增加解耦介电层的厚度会降低机电耦合，从而减小谐振频率和反谐振频率之间的差。三个XBAR的k2 eff值为21％、20％和19％。tdd＝80nm(虚曲线520)的XBAR的k2 eff与使用Z切割压电板的XBAR大致相同。
解耦介电层的效果将随着压电板的厚度成比例。图6是使用欧拉角为0°、127.5°、0°的旋转Y切割铌酸锂的XBAR的k2 eff随tdd(解耦介电层的厚度)与tp(压电板的厚度)之比变化的图600，空心圆610代表图3的LN XBAR，实心圆620代表图5的三个XBAR。虚线630是tdd/tp的这个范围内的数据点的合理线性近似。
tdd/tp的比率通常将大于或等于0.05以获得有用的k2 eff降低。tdd/tp的比率一般不会大于0.5。
图7是使用解耦的XBAR的初步频段N79带通滤波器设计的性能图700。具体而言，曲线710是滤波器的S2，1(输入-输出传递函数)的幅度与频率的关系图。模拟滤波器在梯形滤波器电路中包含七个解耦的XBAR。压电板是旋转的Y切割铌酸锂。解耦介电层的厚度约为压电板厚度的22％。在并联谐振器上方形成频率设置介电层，并且在所有谐振器上方形成钝化介电层。
XBAR或DXBAR的频率主要由其隔膜的厚度决定，包括压电板和任何介电层。XBAR的IDT的标记和间距的选择标准为最小化杂散模式的影响，特别是将杂散模式定位在从滤波器的通带中去除的频率上。XBAR或DXBAR的长度和孔径由匹配所需滤波器输入和输出阻抗所需的电容以及器件中的预期功耗共同决定。
对于给定的IDT间距和标记，DXBAR的每单位IDT面积的电容将小于XBAR的每单位面积的电容。电容的降低是由解耦介电层的存在所导致的，其介电常数明显低于压电板。然而，DXBAR的标记/间距设计空间(对于低杂散模式而言)倾向于使用较小的间距值。更小的间距导致单位面积的电容更大，这抵消了由于解耦介电层的存在而降低的电容。因此，使用DXBAR的滤波器不需要比使用XBAR的滤波器更大，在某些情况下可能更小。
使用二氧化硅解耦介电层的次要但重要的益处是频率温度系数(TCF)的改进。解耦介电层厚度约为压电板厚度的22％的DXBAR在谐振频率下的TCF为65，在反谐振频率下的TCF为62。使用Z切割铌酸锂的类似XBAR在谐振频率下的TCF为105，在反谐振频率下为83。
使用解耦介电层来减少XBAR的机电耦合赋予了滤波器设计者更多的自由度。滤波器设计者可以根据特定滤波器的要求定制机电耦合，而不需要压电板具有独特的切割角。
方法说明
图8是概括用于制造结合有DXBAR的滤波器器件的工艺800的简化流程图。具体地，工艺800用于制造包括多个DXBAR的滤波器器件，其中一些DXBAR可以包括频率设置介电层。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，完成滤波器器件。图8的流程图仅包括主要处理步骤。可以在图8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)。
图8大体描述了用于制造单个滤波器器件的工艺，可以同时在公共晶片(由粘合到衬底的压电板组成)上制造多个滤波器器件。在这种情况下，可以对晶片上的所有滤波器器件同时执行工艺800的每个步骤。
图8的流程图捕获了用于制造XBAR的工艺800的三个变型，这三个变型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的三个变型中的每个变型中，仅执行这些步骤中的其中一个步骤。
压电板通常可以为旋转的Y切割的铌酸锂。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腔的一些其他材料。
在工艺800的一个变型中，在815处将压电板结合到衬底之前，在810A处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一个单独的空腔。可以使用常规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。
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。一层或多层中间材料，例如氧化物或金属，可以形成或沉积在压电板和/或器件衬底的配合表面上。可以使用例如等离子体工艺来激活一个或两个配合表面。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，晶片可以沿着缺陷平面分裂，例如通过热冲击分裂，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的薄板是可商购的。在此申请时，铌酸锂和钽酸锂板均可与各种衬底结合使用，衬底包括硅、石英和熔融石英。现在或将来可能有其他压电材料的薄板。压电板的厚度可以在300nm到1000nm之间。当衬底为硅时，可在压电板与衬底之间设置一层SiO2。当使用可商购的压电板/器件衬底叠层时，不执行工艺800的步骤810A、815和820。
在825处，通过在压电板的正面上沉积介电材料来形成解耦介电层。解耦介电层通常可以是二氧化硅，但也可以是另一种介电材料，例如氮化硅或氧化铝。解耦介电层可以是两种或更多种介电材料的复合物或两种或更多种介电材料的层。解耦介电层可以被图案化，使得解耦介电层存在于压电板的一些部分上而不存在于压电板的其他部分上。解耦介电层可以形成为两个或更多个单独图案化的层，使得不同厚度的解耦介电层存在于压电板的不同部分上。
包括每个XBAR的IDT和反射器元件的第一导体图案，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而形成。第一导体图案的全部或部分可以在825处形成的解耦介电层之上。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/或在导体层上方。例如，可以使用钛、铬或其他金属的薄膜来提高导体层和压电板之间的附着力。金、铝、铜或其他导电率更高的金属的第二导体图案可以形成在第一导体图案的部分(例如IDT母线和IDT之间的互连)之上。
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各个导体图案。然后可以通过蚀刻穿过图案化的光刻胶来去除多余的金属。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845处使用剥离工艺形成每个导体图案。光刻胶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。然后可以去除光刻胶，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)将介电层限制沉积在压电板的选定区域上。例如，掩模也可以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。
在方法800的第二变型中，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。
在方法800的第三变型中，可以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810C形成衬底中的凹槽形式的一个或多个空腔。可以为滤波器器件中的每个谐振器形成单独的空腔。在810C处形成的一个或多个空腔不会穿透器件衬底。
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的变化，例如在850和855处形成的介电层的厚度的变化、在845处形成的导体和IDT指状物的厚度和线宽的变化，以及压电板厚度的变化。这些变化导致滤波器器件性能与一组性能要求产生偏差。
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，在所有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公共的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，例如之前描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。“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。
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)

1.一种声波谐振器器件，包括：
一衬底；
一压电板，具有正面和背面，所述正面和背面之间的厚度大于或等于200nm且小于或等于1000nm，所述背面贴接在所述衬底上；
一解耦介电层，位于所述压电板正面；和
一叉指换能器(IDT)，在所述解耦介电层上形成，使得IDT的交错的指状物位于所述压电板的一部分之上，所述压电板的这部分悬置在所述衬底中形成的空腔上。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，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压电板中激发剪切声波。
3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述压电板是旋转的Y切割铌酸锂。
4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述解耦介电层包括二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述IDT的指状物的间距大于或等于所述压电板厚度的2倍且小于或等于所述压电板厚度的25倍。
6.根据权利要求5所述的器件，其特征在于，
IDT的指状物有一个宽度，并且
所述间距大于等于所述宽度的2倍且小于或等于所述宽度的25倍。
7.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，还包括：
一正面介电层，在IDT的指状物之间的所述压电板的正面上形成，
其中，所述声波谐振器器件的谐振频率部分地由所述正面介电层的厚度确定。
8.根据权利要求7所述的器件，其特征在于，所述正面介电层包括二氧化硅和氮化硅中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述IDT包括铝、铝合金、铜、铜合金、铍和金中的一种。
10.一种滤波器器件，包括：
一衬底；
一压电板，具有正面和背面，所述正面和背面之间的厚度大于或等于200nm且小于或等于1000nm，所述背面附接在所述衬底上；
一解耦介电层，位于所述压电板正面上；和
一导体图案，在所述解耦介电层上形成，该导体图案包括相应多个谐振器的多个叉指换能器(IDT)，其中
多个IDT中的每一个的交错的指状物位于所述压电板的各个部分之上，所述压电板的各个部分悬置在所述衬底中形成的一个或多个空腔上。
11.根据权利要求10所述的滤波器器件，其特征在于，所述多个IDT中的全部IDT被配置为响应于施加到每个IDT的相应射频信号而在所述压电板中激发剪切声波。
12.根据权利要求10所述的滤波器器件，其特征在于，所述压电板是旋转的Y切割铌酸锂。
13.根据权利要求10所述的滤波器器件，其特征在于，所述解耦介电层包括二氧化硅。
14.根据权利要求10所述的滤波器器件，其特征在于，所述多个IDT中的每一个IDT均位于所述压电板的相应部分，所述压电板的相应部分悬挂在所述衬底中形成的相应空腔上。
15.根据权利要求10所述的滤波器器件，其特征在于，所述多个谐振器包括一个并联谐振器和一个串联谐振器。
16.根据权利要求15所述的滤波器器件，其特征在于，沉积在所述并联谐振器的IDT的指状物之间的第一介电层的厚度大于沉积在所述串联谐振器的IDT的指状物之间的第二介电层的厚度。
17.一种在制造声波谐振器器件的方法，该方法包括：
将一压电被的背面附接到一衬底上，所述压电板的厚度大于或等于200nm，且小于或等于1000nm；
在所述衬底中形成空腔，使得所述压电板的一部分悬置在所述空腔上；
在所述压电板的正面形成解耦介电层；和
在所述解耦介电层上方形成叉指换能器(IDT)，使得IDT的交错的指状物位于悬置在所述空腔上的压电板部分上方。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述压电板为旋转的Y切割铌酸锂并且所述解耦介电层包括二氧化硅。
19.根据要求17所述的方法，其特征在于，IDT的交错的指状物的间距大于或等于所述压电板的厚度的2倍且小于或等于所述压电板的厚度的25倍。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，IDT的交错的指状物具有一宽度，且
所述间距大于或等于所述宽度的2倍且小于或等于所述宽度的25倍。
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