CN115552794A - 具有可控导体侧壁角的横向激发的薄膜体声波谐振器 - Google Patents

具有可控导体侧壁角的横向激发的薄膜体声波谐振器 Download PDF

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帕特里克·特纳
罗伯特·哈蒙德
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Abstract

公开了声波谐振器装置和方法。声波谐振器装置包括具有相对的前表面和后表面的压电板。第一电极和第二电极形成在压电板的前表面上，第一电极和第二电极以及压电板被配置为使得施加在第一电极与第二电极之间的射频信号在压电板中激发剪切主声波模式。第一电极和第二电极具有梯形截面形状。第一电极的至少一个侧表面的侧壁角和第二电极的至少一个侧表面的侧壁角大于或等于70度且小于或等于110度。

Description

具有可控导体侧壁角的横向激发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，并且具体地，涉及用于通信设备的滤波器。
背景技术
射频(RF)滤波器是双端口装置，该双端口装置被配置为通过某些频率并阻止其他频率，其中“通过”意味着以相对较低的信号损失进行传输，而“阻止”意味着阻挡或基本衰减。滤波器所通过的频率的范围被称为滤波器的“通带”。这种滤波器所阻止的频率的范围被称为滤波器的“阻带”。典型的RF滤波器具有至少一个通带和至少一个阻带。对通带或阻带的具体要求取决于具体应用。例如，“通带”可以被定义为滤波器的插入损耗优于诸如1dB、2dB或3dB之类的定义值的频率范围。“阻带”可以被定义为滤波器的抑制大于诸如0dB、30dB、40dB或更大(具体取决于应用)的定义值的频率范围。
RF滤波器被用于通过无线链路来传输信息的通信系统。例如，RF滤波器可以用在蜂窝基站、移动电话和计算设备、卫星收发器和地面站、IoT(物联网)设备、膝上型计算机和平板电脑、定点无线电链路和其他通讯系统的RF前端中。RF滤波器也用于雷达、电子和信息战系统。
RF滤波器通常需要许多设计权衡，以针对每个特定应用实现诸如插入损耗、抑制、隔离、功率处理、线性度、尺寸之类的性能参数与成本之间的最佳折衷。特定设计和制造方法以及增强可以同时受益于这些要求中的一项或多项。
无线系统中RF滤波器的性能增强可以对系统性能产生广泛影响。RF滤波器的改进可以用于提供系统性能改进，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。这些改进可以在无线系统的多个级别(例如，在RF模块、RF收发器、移动或固定子系统、或网络级别)单独或组合地实现。
用于当前通信系统的高性能RF滤波器通常包含声波谐振器，该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)和其他类型的声波谐振器。然而，这些现有技术并不十分适合用于针对未来通信网络所提出的更高的频率和带宽。
对更宽的通信信道带宽的期望将不可避免地导致使用更高频率的通信频带。用于移动电话网络的无线电接入技术已由3GPP(第三代合作伙伴计划)进行了标准化。
用于第5代移动网络的无线电接入技术在5G NR(新无线电)标准中进行了定义。5GNR标准定义了若干个新的通信频带。这些新的通信频带中的两个是：n77，其使用从3300MHz至4200MHz的频率范围；以及n79，其使用从4400MHz至5000MHz的频率范围。频带n77和频带n79都使用时分双工(TDD)，使得在频带n77和/或频带n79中操作的通信设备使用相同的频率进行上行链路和下行链路传输。频带n77和n79的带通滤波器必须能够处理通信设备的传输功率。5GHz和6GHz的WiFi频带也需要高频率和宽带宽。5G NR标准还定义了频率在24.25GHz与40GHz之间的毫米波通信频带。
横向激发的薄膜体声波谐振器(XBAR)是用于微波滤波器的声波谐振器结构。XBAR在名称为“TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR(横向激发的薄膜体声波谐振器)”的专利US 10,491,291中进行了描述。XBAR谐振器包括：叉指换能器(IDT)，其形成在单晶压电材料的薄浮层或振膜上。IDT包括从第一母线延伸的第一集合的平行指和从第二母线延伸的第二集合的平行指。第一集合的平行指和第二集合的平行指是交错的。施加到IDT的微波信号在压电振膜中激发剪切主声波。XBAR谐振器提供非常高的机电耦合和高频能力。XBAR谐振器可以用于包括带阻滤波器、带通滤波器、双工器和多路复用器在内的各种RF滤波器。XBAR非常适合用于频率在3GHz以上的通信频带的滤波器。
附图说明
图1是横向激发的薄膜体声波谐振器(XBAR)的示意性平面图和两个示意性截面图。
图2是图1的XBAR的一部分的放大示意性截面图。
图3是图1的XBAR的另一示意性截面图。
图4是示出了XBAR中的剪切主声波模式的图。
图5是作为压电板厚度与叉指换能器(IDT)间距之比的函数的分数带宽的曲线图。
图6是使用XBAR的滤波器的示意性框图。
图7是示出了频率设置介电层的两个XBAR的示意性截面图。
图8是作为频率的函数的示例性XBAR的阻抗的曲线图。
图9是作为侧壁角的函数的杂散模式的频率的曲线图。
图10是标识出具有90°侧壁角的IDT电极的标记和间距的优选组合的图。
图11是标识出具有85°侧壁角的IDT电极的标记和间距的优选组合的图。
图12是标识出具有80°侧壁角的IDT电极的标记和间距的优选组合的图。
图13是标识出具有75°侧壁角的IDT电极的标记和间距的优选组合的图。
图14是标识出具有70°侧壁角的IDT电极的标记和间距的优选组合的图。
图15是标识出具有85°至90°侧壁角的IDT电极的标记和间距的优选组合的图。
图16是标识出具有80°至90°侧壁角的IDT电极的标记和间距的优选组合的图。
图17是标识出具有75°至90°侧壁角的IDT电极的标记和间距的优选组合的图。
图18是标识出具有70°至90°侧壁角的IDT电极的标记和间距的优选组合的图。
图19是制作XBAR的方法的流程图。
贯穿本说明书，图中出现的元件被指派了三位数字或四位数字的附图标记，其中，两个最低有效位特定于该元件，而一个或两个最高有效位是该元件被第一次介绍时的图号。可以假设未结合附图描述的元件具有与先前描述的具有相同附图标记的元件相同的特性和功能。
具体实施方式
装置的描述
图1示出了横向激发的薄膜体声波谐振器(XBAR)100的简化示意性俯视图和正交截面图。诸如谐振器100的XBAR谐振器可以用于包括带阻滤波器、带通滤波器、双工器和多路复用器在内的各种RF滤波器。XBAR非常适合用于频率在3GHz以上的通信频带的滤波器。
XBAR 100由形成在具有前表面112和后表面114的压电板110的表面上的薄膜导体图案构成。前表面和后表面是基本平行的。“基本平行”意味着在正常制造容差范围内尽可能平行。压电板是诸如铌酸锂、钽酸锂、硅酸镧镓、氮化镓或氮化铝之类的压电材料的薄单晶层。切割压电板使得X、Y和Z晶轴相对于前表面和后表面的取向是已知的且是一致的。压电板可以是例如Z-切割的、旋转ZY-切割的和旋转YX-切割的。
压电板110的后表面114附着到基板120的表面，但是压电板110的形成跨越形成在基板120中的空腔140的振膜115的部分不附着到基板120的表面。压电板的跨越空腔的部分在本文中被称为“振膜”，因为它与麦克风的振膜在物理上相似。如图1所示，振膜115与压电板110的围绕空腔140的所有周边145的其余部分是连续的。在该上下文中，“连续”是指“连续地连接而没有任何中间物”。
基板120向压电板110提供机械支撑。基板120可以是例如硅、蓝宝石、石英或一些其他材料或材料的组合。压电板110的后表面114可以使用晶片接合工艺附着到基板120。备选地，压电板110可以生长在基板120上或以其他方式附着到基板。压电板110可直接附着到基板或可经由一个或多个中间材料层附着到基板120。
空腔140是谐振器100的固体主体内的空的空间。空腔140可以是完全穿过基板120的孔(如部分A-A和部分B-B所示)或基板120中的凹槽。可以例如通过在压电板110和基板120被附着之前或之后选择性蚀刻基板120来形成空腔140。
XBAR 100的导体图案包括叉指换能器(IDT)130。IDT是在压电装置中用于在电能与声能之间进行转换的电极结构。IDT 130包括从第一母线132延伸的多个第一平行细长导体，其通常被称为“指”，例如指136。IDT 130包括从第二母线134延伸的多个第二指。多个第一平行指和多个第二平行指是交错的。交错的指重叠距离AP，距离AP通常被称为IDT的“孔径”。IDT 130的最外侧指之间的中心到中心距离L是IDT的“长度”。
术语“母线”是指将IDT中的第一集合的指和第二集合的指互连的导体。如图1所示，每个母线132、134是细长的矩形导体，其中，长轴正交于交错指，并且其长度近似等于IDT的长度L。IDT的母线不必须是矩形或正交于交错指，并且可以具有长于IDT的长度的长度。
第一母线132和第二母线134用作XBAR 100的端子。施加在IDT130的两个母线132、134之间的射频或微波信号在压电板110内激发主声波模式。如将进一步详细讨论的，主声波模式是体剪切模式，在该模式中，声能沿着与压电板110的表面基本正交的方向传播，该方向也垂直于或横向于由IDT指产生的电场的方向。因此，XBAR被视为横向激发的薄膜体波谐振器。
IDT 130位于压电板110上，使得至少IDT 130的指设置在压电板的跨越或悬置在空腔140上方的振膜115上。如图1所示，空腔140具有矩形形状，其范围大于IDT 130的孔径AP和长度L。XBAR的空腔可以具有不同的形状，例如规则或不规则多边形。XBAR的空腔可以具有多于或少于四个的侧表面，这些侧表面可以是直的或弯曲的。
为了便于在图1中呈现，IDT指的几何间距和宽度相对于XBAR的长度(尺寸L)和孔径(尺寸AP)被大大夸大了。用于5G设备的XBAR在IDT 110中将具有多于十个的平行指。XBAR在IDT 110中可以具有数十个甚至数百个平行指。类似地，压电板和IDT指的厚度在截面图中被大大夸大了。
图2示出了XBAR 100的详细示意性截面图。压电板110是具有厚度tp的压电材料的单晶层。tp例如可以是100nm至1500nm。当被用在3.4GHZ至6GHz的通信频带的滤波器中时，厚度tp可以是例如200nm至1000nm。
IDT指230、235可以是以下材料的一层或多层：铝、基本上铝合金、铜、基本上铜合金、铍、金、钼或一些其他导电材料。诸如铬或钛之类的其他金属的薄(相对于导体的总厚度)层可以形成在指230、235的下方和/或上方，以提高指与压电板110之间的粘合性，和/或钝化或封装这些指。IDT的母线(图1中的132、134)可以由与这些指相同或不同的材料制成。
尺寸p是IDT指的中心到中心的间隔或“间距”，其可以被称为IDT的间距和/或XBAR的间距。尺寸m是IDT指的宽度或“标记”。XBAR的IDT与表面声波(SAW)谐振器中所使用的IDT实质上不同。在SAW谐振器中，IDT的间距是谐振频率处的声波波长的二分之一。此外，SAW谐振器IDT的标记-间距比通常接近0.5(即，标记或指宽约为在谐振时的声波波长的四分之一)。在XBAR中，IDT的间距p通常是指的宽度m的2倍至20倍。此外，IDT的间距p通常是压电板212的厚度tp的2倍至20倍。XBAR中IDT指的宽度不限于在谐振时声波波长的四分之一。例如，XBAR的IDT指的宽度可以是500nm或更大，使得IDT可以使用光学光刻来制造。
IDT指230、235的厚度tm可以从100nm至约等于宽度w。IDT的母线(图1中的132、134)的厚度可以等于或大于IDT指的厚度tm。对于旨在针对高功率应用的XBAR，厚度tm可以大于压电板110的厚度tp的0.85倍，如美国专利10,637,438中所描述的。
如图2所示，IDT指230、235具有梯形截面。薄膜导体的一侧与其上形成有导体的表面之间的角度通常被称为导体的“侧壁角”。在图2中，角度Q是IDT指230的侧壁角。侧壁角被定义为导体内的内角，使得IDT指230的两个侧壁角为80度，尽管该两个侧表面实际上沿相反方向倾斜。具有90度侧壁角的导体具有矩形截面。具有除了90度之外的相等侧壁角的导体将具有梯形截面。当侧壁角小于90度时，梯形的较宽面将面对其上形成有导体的表面，如图2所示。当侧壁角大于90度时，梯形的较窄面将面对其上形成有导体的表面(未示出)。导体的两个侧壁角不必相等。当侧壁角不相等时，导体的截面将是不规则的梯形(未显示)。
在图2中，IDT指230、235被示出为可以是铝或一些其他金属的单层结构。IDT指可以包括多层材料。例如，另一种材料(例如，钛或铬)的薄粘合层可以形成在IDT指230、235与压电板110之间。当存在粘合层时，粘合层的侧壁角不必与侧壁角Q相同。
这里，IDT指230是“第一电极”的示例，并且IDT指235是“第二电极”的示例。如图1所示，多个第一电极连接到第一母线132。多个第二电极连接到第二母线134。多个第一电极和多个第二电极是交错的。
图3示出了固定安装的XBAR(SM XBAR)300的详细示意性截面图。SM XBAR首次在专利US 10,601,392中进行了描述。SM XBAR 300包括压电板110和IDT(其中仅指330和335是可见的)。压电层110具有平行的前表面112和后表面114。尺寸tp是压电板110的厚度。IDT指330、335的宽度是尺寸m，IDT指的厚度是尺寸tm，并且IDT间距是尺寸p。
与图1和图2中所示的XBAR装置相比，SM XBAR的IDT不形成在跨越基板(图1中的120)中的空腔的振膜上。相反，声学布拉格反射器340被夹在基板320的表面322与压电板110的后表面114之间。术语“夹在中间”意味着声学布拉格反射器340设置在基板320的表面322与压电板110的后表面114之间，并且机械地附着到基板320的表面322和压电板110的后表面114两者。在一些情况下，附加材料的薄层可以设置在声学布拉格反射器340与基板320的表面322之间和/或布拉格反射器340与压电板110的后表面114之间。可以存在这种附加材料层，例如便于接合压电板110、声学布拉格反射器340和基板320的附加材料。
声学布拉格反射器340包括：在具有高声学阻抗的材料与具有低声学阻抗的材料之间交替的多个介电层。“高”和“低”是相对术语。对于每个层，用于比较的标准是相邻层。每个“高”声学阻抗层的声学阻抗高于相邻的两个低声学阻抗层的声学阻抗。每个“低”声学阻抗层的声学阻抗低于相邻的两个高声学阻抗层的声学阻抗。正如随后将要讨论的，XBAR压电板中的主声波模式是剪切体波。声学布拉格反射器340的每一层的厚度等于或约为具有与在或接近SM XBAR 300的谐振频率处的主声波模式相同的偏振的剪切体波的波长的四分之一。具有相对较低声学阻抗的介电材料包括二氧化硅、含碳氧化硅和某些塑料(例如，交联的聚苯聚合物)。具有相对较高声学阻抗的材料包括氧化铪、氮化硅、氮化铝、碳化硅和金刚石。声学布拉格反射器340的所有高声学阻抗层不必是相同的材料，并且所有低声学阻抗层不必是相同的材料。在图3的示例中，声学布拉格反射器340总共具有六个层。声学布拉格反射器可以具有多于或少于六个的层。
图4是XBAR中的感兴趣的主声波模式的更详细的图示。图4示出了XBAR 400的一小部分，包括压电板410和三个交错的IDT指430。射频(RF)电压被施加到交错指430。该电压在这些指之间产生随时间变化的电场。电场的方向主要是横向的，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显著高于周围空气，因此电场相对于空气高度集中在板中。横向电场在压电板410中产生剪切变形，并因此强烈激发剪切模式的声波模式。剪切变形是材料中的平行平面保持平行、并且在相对于彼此平移的同时保持恒定距离的变形。“剪切声波模式”是介质中导致介质剪切变形的声学振动模式。XBAR 400中的剪切变形由曲线460表示，其中，相邻的小箭头提供原子运动的方向和幅度的示意性指示。为了便于可视化，原子运动的程度以及压电板410的厚度已经被大大夸大了。虽然原子运动主要是横向的(即，如图4所示的水平方向)，但所激发的主剪切声波模式的声能流的方向基本上正交于压电板的表面，如箭头465所示。
图5是示出了声波谐振器的结构与其分数带宽之间的关系的图示500。具体地，实曲线510是声波谐振器的作为tp/p(压电板厚度与IDT间距之比)的函数的分数带宽的图。从图5可以看出，当tp/p超过0.5时，即使调整tp/p，分数带宽也小于5％。另一方面，在tp/p≤0.5的情况下，如果tp/p在该范围内变化，则可以构建具有大于5％的高分数带宽的谐振器。当tp/p为0.24或更低时，分数带宽可以增加到7％或更多。此外，如果在该范围内调整tp/p，则可以实现具有更高耦合系数的谐振器。因此，可以理解，通过将tp/p设置为0.24或更小，可以构成使用剪切体模式的具有高耦合系数的谐振器。
谐振器的IDT必须具有至少一对电极，并且还可以具有大量电极。在单对电极的情况下，p是相邻电极(图2中的230、235)的中心之间的距离。在多于两个电极的情况下，p是相邻电极的中心之间的平均距离。当压电板具有厚度变化时，tp是压电层在IDT区域上的平均厚度。
图6是使用XBAR的高频带通滤波器600的示意性电路图。滤波器600具有常规梯形滤波器架构，包括三个串联谐振器610A、610B、610C和两个并联谐振器620A、620B。三个串联谐振器610A、610B和610C串联连接在第一端口与第二端口之间(因此被称为“串联谐振器”)。在图6中，第一端口和第二端口分别被标记为“输入”和“输出”。然而，滤波器600是双向的并且任一端口都可以用作滤波器的输入端或输出端。两个并联谐振器620A、620B从位于串联谐振器之间的节点连接到地。滤波器可以包含在图6中未示出的附加电抗组件，例如电感器。所有并联谐振器和串联谐振器都是XBAR。包括三个串联谐振器和两个并联谐振器是示例性的。滤波器可以具有多于或少于总共五个的谐振器、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，所有串联谐振器串联连接在滤波器的输入端与输出端之间。所有并联谐振器通常连接在地与输入端、输出端或位于两个串联谐振器之间的节点之间。
在示例性滤波器600中，滤波器600的三个串联谐振器610A、610B、610C和两个并联谐振器620A、620B形成在接合到硅基板(不可见)的压电材料的单个板630上。每个谐振器包括相应的IDT(未示出)，其中，至少IDT的指设置在基板中的空腔上方。在该上下文和类似上下文中，术语“相应的”意味着“事物彼此相关”，即，具有一对一的对应关系。在图6中，空腔被示意性地示出为虚线矩形(例如，矩形635)。在该示例中，每个IDT设置在相应的空腔上。在其他滤波器中，两个或更多个谐振器的IDT可以设置在单个空腔上方。
滤波器600中的谐振器610A、610B、610C、620A、620B中的每一个具有谐振器的导纳非常高的谐振和谐振器的导纳非常低的反谐振。谐振和反谐振分别发生在谐振频率和反谐振频率处，其中对于滤波器600中的各种谐振器，谐振频率和反谐振频率可以相同或不同。简而言之，每个谐振器在其谐振频率处可以被视为短路，而在其反谐振频率处可以被视为开路。在并联谐振器的谐振频率和串联谐振器的反谐振频率处，输入-输出传输功能将接近于零。在典型滤波器中，并联谐振器的谐振频率位于滤波器通带的下边缘之下，而串联谐振器的反谐振频率位于通带的上边缘之上。
图7是滤波器700的并联谐振器和串联谐振器的示意性截面图，该滤波器700使用介电频率设置层来分离并联谐振器和串联谐振器的谐振频率。压电板710附着到基板720。压电板710的一部分形成跨越基板720中的空腔740的振膜。交错的IDT指(例如，指730)形成在振膜上。具有厚度t1的第一介电层750形成在并联谐振器的IDT上方。第一介电层750被视为“频率设置层”，其是应用于滤波器中的第一子集谐振器的介电材料的层，以相对于没有容纳介电频率设置层的谐振器的谐振频率偏移第一子集谐振器的谐振频率。介电频率设置层通常是SiO2，但也可以是氮化硅、氧化铝或一些其他介电材料。介电频率设置层可以是两种或更多种介电材料的层压层或复合层。
具有厚度t2的第二介电层755可以沉积在并联谐振器和串联谐振器上。第二介电层755用于密封和钝化滤波器700的表面。第二介电层可以是与第一介电层相同的材料或不同的材料。第二介电层可以是两种或更多种不同介电材料的层压层或复合层。此外，如随后将描述的，可以局部地调整第二介电层的厚度以微调滤波器700的频率。因此，第二介电层可以被称为“钝化和调谐层”。
XBAR的谐振频率与包括压电板710和介电层750、755的振膜的总厚度的倒数大致成比例。并联谐振器的振膜比串联谐振器的振膜厚介电频率设置层750的厚度t1。因此，并联谐振器将具有低于串联谐振器的谐振频率。串联谐振器与并联谐振器之间的谐振频率差由厚度t1来确定。
图8是两个代表性XBAR的阻抗幅度相对于频率的曲线图示800。具体地，实线810是梯形滤波器电路(例如，图5的梯形滤波器电路)中的并联谐振器的阻抗的图。该谐振器在约4GHz的谐振频率处具有非常低的阻抗，而在约4.5GHz的反谐振频率处具有非常高的阻抗。虚线920是梯形滤波器电路中的串联谐振器的阻抗的图。该谐振器在约4.6GHz的谐振频率处具有非常低的阻抗，而在约5.2GHz的反谐振频率处具有非常高的阻抗。图8所示的并联谐振器和串联谐振器都具有如下所述的侧壁角Q被设置为70°或更大的梯形截面的IDT指。两种XBAR在其他频率下呈现杂散谐振。
位于并联谐振器的谐振频率与串联谐振器的反谐振频率之间的杂散模式可能会在滤波器通带中产生不可接受的纹波。通过在0.1至0.4范围内适当地选择IDT指的占空比或标记/间距比，可以控制杂散模式的频率并抑制杂散模式的振幅。
杂散模式的频率也受到IDT指的侧壁角的影响。图9是示出了示例性XBAR的显著杂散模式(图8中的825)的侧壁角Q和频率之间的关系910的图。示例性XBAR包括具有铝IDT电极的127.5°YX切割的铌酸锂压电板。压电板和铝电极的厚度都为500nm。基板是硅，并且在压电板与基板之间具有1um厚的二氧化硅膜。XBAR的谐振频率为约3880MHz，如虚线920所示。
实线910是作为IDT电极的侧壁角的函数的杂散模式的频率的图。当侧壁角Q设置为70°或更大时，杂散模的频率低于3880MHz的谐振频率。大于或等于70度的侧壁角对梯形滤波器中的并联谐振器特别有利，因为杂散模式发生于低于滤波器的通带的频率处。将侧壁角减小到70度以下会导致杂散模式通过谐振频率。
侧壁角Q可以大于90度。然而，如果倾斜角Q太大，则在制造IDT指方面就会出现问题。因此，倾斜角Q的上限可以设置为110°。此外，m/p(IDT指的宽度与IDT间距之比)可以设置为大于或等于0.12。在这种情况下，谐振器的谐振特性不会降低。
美国专利10,637,438描述了用在高功率应用中的XBAR谐振器。在这种应用中，由于IDT指中的电阻损耗以及IDT指和振膜中的声波损耗，因此在每个XBAR中都会消耗少量功率。XBAR振膜的散热的主要手段是通过IDT指和母线进行热传导。为了最小化电阻损耗并改善散热，IDT导体通常与振膜一样厚或比振膜厚。例如，振膜厚度为400nm的XBAR可以具有500nm厚的导体。
美国专利10,637,438描述了使用品质因数(FOM)来定义设计空间(即，IDT导体厚度、间距和宽度的组合)，该设计空间向XBAR提供可接受的用于滤波器的性能。通过在所定义的频率范围内对杂散模式的负面影响进行积分来计算FOM。对于IDT导体厚度和间距的每种组合，针对一系列IDT指宽计算FOM。IDT指宽的范围内的最小FOM值被视为该导体厚度/间距组合的最小FOM。FOM的定义和频率范围取决于特定目标滤波器的要求。频率范围通常包括目标滤波器的通带并且可以包括一个或多个阻带。在每个假设谐振器的谐振频率和反谐振频率之间发生的杂散模式在FOM中的权重可以比在低于谐振或高于反谐振的频率处的杂散模式更重。具有低于阈值的最小化FOM的假设谐振器被视为是潜在“可用的”，即，可能具有足够低的杂散模式以用于目标滤波器。具有高于阈值的最小化成本函数的假设谐振器被视为不可用。
图10是示出了IDT间距p和IDT指宽或标记m的组合的图示1000，该组合可以提供可用的谐振器。IDT间距被归一化为压电板的厚度tp，并且标记m被表示为标记-间距比m/p。图示1000和所有后续图都基于XBAR的二维模拟，该XBAR具有Z-切割的铌酸锂振膜、厚度为压电板厚度tp的1.25倍的铝导体，并且没有介电层。图示1000特定于侧壁角Q＝90°的矩形截面IDT指。落入无阴影区域(例如，区域1010)内的IDT间距和标记的组合可能具有足够低的杂散效应以用在目标滤波器中。具有在中间阴影区域内的IDT间距和标记的XBAR具有无法在目标滤波器中使用的高杂散模式。在Q＝90°时，对于从约7.7tp至超过12.5tp的IDT间距值，存在可用的谐振器，而对于该范围内的某些间距值不存在有用的谐振器。
XBAR的谐振频率和反谐振频率主要由其中设置有IDT指的振膜(图1中的115)的厚度来确定。IDT的间距对谐振频率的影响很小，并且IDT指的宽度或标记对谐振频率的影响甚至更小。IDT的间距和标记对各种杂散模式的频率和振幅的影响大得多。具有一系列可用IDT间距和标记值向滤波器设计人员提供了自由度，以例如确保滤波器内的不同谐振器的杂散模式不重合。此外，虽然IDT的间距由光掩模设置并且可以被非常精确地复制，但IDT的标记在一定程度上取决于工艺参数。因此，由于常规制造容差，滤波器设计必须适应标记的一些变化。
图11、图12、图13和图14是附加图(分别为1100、1200、1300、1400)，其示出了IDT间距p和IDT指宽或标记m的组合，该组合可以提供侧壁角分别为为85°、80°、75°和70°的可用谐振器。IDT间距被归一化为压电板的厚度tp，并且标记m被表示为标记-间距比m/p。在所有这些附图中，具有在无阴影区域(参见例如区域1110、1210、1310、1410)内的IDT间距和标记-间距比的XBAR可以具有足够低的杂散效应以用在滤波器中。具有在中间阴影区域内的IDT间距和标记-间距比的XBAR具有无法在目标滤波器中使用的高杂散模式。
图10、图11、图12、图13和图14的比较表明对于从70°至90°的任意特定侧壁角，存在有用谐振器。随着侧壁角Q从90°减小，指示有用谐振器的无阴影区域略微缩小并转向更高的标记-间距比。对于85°、80°和75°侧壁角，有用谐振器的间距值的范围约为7.8tp至12.5tp。在Q＝70°时，对于IDT间距值从约7.9tp至超过12.3tp，存在可用的谐振器。针对任意侧壁角，对于整个范围内的某些间距值，不存在有用的谐振器。虽然图10至图14所示的结果特定于特定结构(压电材料和厚度、电极厚度等)和FOM算法，但是对于70°与90°之间的侧壁角存在有用谐振器的一般结论被认为对其他结构和FOM算法有效。
由于提供有用谐振器的IDT间距和标记的组合随着侧壁角而变化，因此在生产期间需要以一定的容差控制侧壁角。例如，图15是示出了IDT间距p和IDT指标记m的组合的图示1500，该组合可以提供具有在85°与90°之间的任何侧壁角的可用谐振器。标识有用的间距/标记组合的无阴影区域1510显著小于图10(侧壁角＝90°)或图11(侧壁角＝85°)的无阴影区域。
图16、图17和图18是附加图(分别为1600、1700、1800)，其示出了IDT间距p和IDT指宽或标记m的组合，该组合可以提供侧壁角分别为80°至90°、75°至90°、以及70°至90°的可用谐振器。在每种情况下，对可提供可用谐振器的IDT间距p和IDT指标记m的组合加以指示的非阴影区域随着可能的侧壁角的范围的增加而缩小。具体地，图17和图18中的非阴影区域非常小，并且可能没有足够的自由度来设计能够充分抑制杂散模式的滤波器。滤波器很可能可以被设计为在70°至90°范围内以任何5度间隔(相当于±2.5度的制造容差)适应侧壁角。
方法的描述
图19是概括用于制造包括XBAR的滤波器装置的工艺1900的简化流程图。具体地，工艺1900用于制造包括多个XBAR的滤波器装置，多个XBAR中的一些可以包括频率设置介电层。工艺1900开始于1905：将装置基板和压电材料的薄板设置在牺牲基板上。工艺1900结束于1995：完成滤波器装置。图19的流程图仅包括主要的工艺步骤。可以在图19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19总体上描述了用于制造单个滤波器装置的工艺，但可以在一个共同晶片(由接合到基板的压电板组成)上同时制造多个滤波器装置。在这种情况下，可以在晶片上的所有滤波器装置上同时执行工艺1900的每个步骤。
图19的流程图涵盖了用于制造XBAR的工艺1900的三种变体，该三种变体的不同在于：何时以及如何在装置基板中形成空腔。可以在步骤1910A、1910B或1910C处形成空腔。在工艺1900的三种变体中的每种变体中仅执行这些步骤之一。
压电板可以是例如铌酸锂或钽酸锂，它们中的任一种可以是Z-切割的、旋转Z-切割的或旋转YX-切割的。压电板可以是一些其他材料和/或一些其他切割。装置基板可以优选地是硅。装置基板可以是允许通过蚀刻或其他工艺形成深空腔的一些其他材料。
在工艺1900的一种变体中，在1915处压电板接合到基板之前，在1910A处在装置基板中形成一个或多个空腔。可以针对滤波器装置中的每个谐振器形成单独的空腔。可以使用常规光刻和蚀刻技术来形成一个或多个空腔。通常，在1910A处形成的空腔将不贯穿装置基板。
在1915处，压电板接合到装置基板。压电板和装置基板可以通过晶片接合工艺接合。通常，装置基板和压电板的配合表面被高度抛光。中间材料(例如，氧化物或金属)的一层或多层可以形成或沉积在压电板和装置基板之一或两者的配合表面上。一个或两个配合表面可以使用例如等离子体工艺来激活。然后可以用相当大的力将配合表面压在一起，以在压电板和装置基板或中间材料层之间建立分子键。
在1920处，可以去除牺牲基板。例如，压电板和牺牲基板可以是压电材料的晶片，该晶片已被离子注入以在沿着限定将成为压电板与牺牲基板之间的边界的平面的晶体结构中产生缺陷。在1920处，通过例如热冲击分离牺牲基板并且留下接合到装置基板的压电板，晶片可以沿着缺陷平面被拆分。在分离了牺牲基板之后，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。
层压到非压电基板的单晶压电材料薄板是可市售的。在本申请的时间，铌酸锂板和钽酸锂极板都可接合到包括硅、石英和熔融石英的各种基板。现在或将来可能出现其他压电材料的薄板。压电板的厚度可以在300nm与1000nm之间。当基板是硅时，SiO2层可以设置在压电板与基板之间。当使用可市售的压电板/装置基板层压板时，不执行工艺1900的步骤1910A、1915和1920。
在1945处，通过在压电板的前侧上沉积和图案化一个或多个导体层来形成第一导体图案，其包括每个XBAR的IDT和反射器元件。该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，可以在导体层下方(即，在导体层与压电板之间)和/或在导体层的顶部上设置其他材料的一层或多层。例如，可以使用钛、铬或其他金属的薄膜来提高导体层与压电板之间的粘合性。金、铝、铜或其他更高导电率金属的第二导体图案可以形成在第一导体图案的一部分(例如，IDT母线以及IDT之间的互连处)上方。
在1945处，可以通过在压电板的表面上顺序地沉积导体层和(可选地)一个或多个其他金属层来形成每个导体图案。然后可以通过图案化的光刻胶进行蚀刻来去除多余的金属。例如，可以通过等离子体蚀刻、反应离子蚀刻、湿法化学蚀刻或其他蚀刻技术来蚀刻导体层。
备选地，可以在1945处使用剥离工艺来形成每个导体图案。光刻胶可以沉积在压电板上方并被图案化以限定导体图案。导体层和(可选地)一个或多个其他层可以顺序地沉积在压电板的表面上方。然后可以去除光刻胶，从而去除多余的材料，留下导体图案。
在1945处形成第一导体图案包括：控制导体或至少IDT指的侧壁角。例如，标称侧壁角可以在70°至90°的范围内。侧壁角的容差可以不小于或等于标称角度的±2.5°。
在1950处，可以通过在压电板的前侧上沉积介电材料的一层或多层来形成一个或多个频率设置介电层。例如，可以在并联谐振器上方形成介电层以相比于串联谐振器的频率降低并联谐振器的频率。可以使用诸如物理气相沉积、原子层沉积、化学气相沉积或一些其他方法之类的常规沉积技术来沉积一个或多个介电层。可以使用一种或多种(使用光掩模的)光刻工艺来将介电层的沉积限制到压电板的选定区域。例如，可以使用掩模来限制介电层仅覆盖并联谐振器。
在1955处，在压电板和导体图案上方沉积钝化/调谐介电层。钝化/调谐介电层可以覆盖滤波器的除了用于电连接到位于滤波器外部的电路的焊盘之外的整个表面。在工艺1900的一些实例中，可以在装置基板中的空腔在1910B或1910C处被蚀刻之后形成钝化/调谐介电层。
在工艺1900的第二变体中，在1910B处，在装置基板的后侧中形成一个或多个空腔。可以针对滤波器装置中的每个谐振器形成单独的空腔。可以使用各向异性或依赖于取向的干法或湿法蚀刻以开孔通过装置基板的后侧直到压电板来形成一个或多个空腔。在这种情况下，所得谐振器装置将具有如图1所示的截面。
在工艺1900的第三变体中，在1910C处，可以通过使用通过压电板中的开口引入的蚀刻剂蚀刻装置基板，来在装置基板中形成呈凹槽形式的一个或多个空腔。可以针对滤波器装置中的每个谐振器形成单独的空腔。在1910C处形成的一个或多个空腔将不贯穿装置基板。
理想情况下，在1910B或1910C处形成空腔之后，晶片上的大部分或所有滤波器装置将满足性能要求集合。然而，正常的工艺容差将导致参数(例如，在1950和1955处形成的介电层的厚度)的变化、在1945处形成的导体和IDT指的厚度和线宽的变化、以及压电板的厚度的变化。这些变化导致滤波器装置性能偏离性能要求集合。
为了提高满足性能要求的滤波器装置的产量，可以通过选择性地调整在1955处沉积在谐振器上方的钝化/调谐层的厚度来执行频率调谐。可以通过将材料添加到钝化/调谐层来降低滤波器装置通带的频率，并且可以通过在钝化/调谐层中去除材料来增加滤波器装置通带的频率。通常，对工艺1900进行偏置以产生如下滤波器装置：该滤波器装置具有最初低于所需频率范围但可以通过从钝化/调谐层的表面去除材料而被调谐到期望频率范围的通带。
在1960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)测试和对滤波器特性(例如，输入-输出传输函数)的测量。通常，在共同压电板和基板上同时制造的所有或大部分滤波器装置上进行RF测量。
在1965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磨)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装置的空间分辨率执行“全局”调谐。全局调谐的目的在于将每个滤波器装置的通带移向所期望的频率范围。可以对来自1960的测试结果进行处理以生成全局等值线图，该等值线图将要去除的材料的量指示为晶片上二维位置的函数。然后使用选择性材料去除工具根据等值线图去除该材料。
在1970处，除了在1965处执行的全局频率调谐之外或代替在1965处执行的全局频率调谐，可以执行局部频率调谐。以小于单个滤波器装置的空间分辨率来执行“局部”频率调谐。可以对来自1960的测试结果进行处理以生成指示要在每个滤波器装置处去除的材料的量的图。局部频率调谐可能需要使用掩模来限制去除材料的区域的尺寸。例如，可以使用第一掩模将调谐限制为仅针对并联谐振器，随后可以使用第二掩模将调谐限制为仅针对串联谐振器(反之亦然)。这将允许对滤波器装置的下频带边缘(通过调谐并联谐振器)和上频带边缘(通过调谐串联谐振器)进行独立调谐。
在1965和/或1970处进行频率调谐之后，在1975处完成滤波器装置。在1975处可以发生的动作包括：形成接合焊盘或焊料凸块或用于在滤波器装置与外部电路之间进行连接的其他装置(如果在1945处未形成这种焊盘)；从包含多个滤波器装置的晶片上切除单个滤波器装置；其他封装步骤；以及附加测试。在每个滤波器装置完成之后，该工艺在1995处结束。
结束评语
贯穿本说明书，所示实施例和示例应被视为示例，而不是对所公开或要求保护的装置和过程的限制。尽管本文呈现的许多示例涉及方法动作或系统元素的具体组合，但是应当理解，这些动作和这些元素可以以其他方式组合以实现相同的目标。关于流程图，可以采取附加和更少的步骤，并且所示的步骤可以组合或进一步细化以实现本文所述的方法。仅结合一个实施例讨论的动作、元素和特征不旨在被排除在其他实施例中的类似作用之外。
如本文所使用的，“多个”意味着两个或更多个。如本文所使用的，项目的“集合”可以包括一个或多个这种项目。如本文所使用的，无论是在说明书或权利要求书中，术语“包含”、“包括”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”等应当理解为开放式的，即意味着包括但不仅限于。只有过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”分别是针对权利要求书的封闭或半封闭过渡短语。在权利要求书中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等顺序术语来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素相对于另一权利要求元素的任何优先性、优先级或顺序或者执行方法的动作的时间顺序，而是仅用作记号，以将具有特定名称的一个权利要求元素与具有相同名称(但使用序数术语)的另一元素区分开来从而区分这些权利要求元素。如本文所使用的，“和/或”意味着所列项目是备选方案，但备选方案也包括所列项目的任何组合。

Claims (20)

1.一种声波谐振器装置，包括：
压电板，具有相对的前表面和后表面；以及
第一电极和第二电极，在所述压电板的前表面上，所述第一电极和所述第二电极以及所述压电板被配置为使得施加在所述第一电极与所述第二电极之间的射频信号在所述压电板中激发剪切主声波模式，
其中，所述第一电极和所述第二电极具有梯形截面形状，并且
所述第一电极的至少一个侧表面的侧壁角和所述第二电极的至少一个侧表面的侧壁角大于或等于70度且小于或等于110度。
2.根据权利要求1所述的声波谐振器装置，其中
所述第一电极的所述至少一个侧表面的侧壁角与所述第二电极的所述至少一个侧表面的侧壁角小于90度。
3.根据权利要求1所述的声波谐振器装置，其中
所述压电板的平均厚度小于或等于所述第一电极的中心与所述第二电极的中心之间的距离。
4.根据权利要求1所述的声波谐振器装置，还包括：
第一母线，多个第一电极连接到所述第一母线；以及
第二母线，多个第二电极连接到所述第二母线，
其中，所述第一电极和所述第二电极具有长度方向，并且
所述第一电极和所述第二电极交错，使得所述第一电极和所述第二电极在与所述长度方向正交的方向上彼此面对。
5.根据权利要求1所述的声波谐振器装置，还包括基板，其中：所述压电板的后表面在所述基板上，使得所述压电板的一部分是跨越所述基板中的空腔的振膜，并且
所述第一电极和所述第二电极在所述振膜上。
6.根据权利要求1所述的声波谐振器装置，还包括：
基板；以及
声学布拉格反射器，夹在所述压电板的后表面与所述基板之间。
7.根据权利要求1所述的声波谐振器装置，其中
侧壁角大于或等于70度的所述声波谐振器装置是包括至少一个串联谐振器的梯形滤波器电路中的并联谐振器。
8.根据权利要求1所述的声波谐振器装置，其中
所述压电板是铌酸锂和钽酸锂之一。
9.一种声波谐振器装置，包括：
压电板，具有相对的前表面和后表面；以及
叉指换能器IDT，在所述压电板的前表面上，所述IDT包括：
第一母线和第二母线，
从所述第一母线延伸的多个第一IDT指，以及
从所述第二母线延伸并与所述多个第一指交错的多个第二IDT指，
其中，所述多个第一IDT指和所述多个第二IDT指具有梯形截面形状，其中，所述梯形截面形状的侧壁角大于或等于70度且小于或等于110度，并且
所述IDT和所述压电板被配置为使得施加在所述第一母线与所述第二母线之间的射频信号在所述压电板中激发剪切主声波模式。
10.根据权利要求9所述的声波谐振器装置，其中
所述侧壁角小于90度。
11.根据权利要求9所述的声波谐振器装置，其中
所述IDT指的间距大于或等于所述IDT指的宽度的2.5倍且小于或等于所述IDT指的宽度的10倍。
12.根据权利要求9所述的声波谐振器装置，还包括基板，其中
所述压电板的后表面在所述基板上，使得所述压电板的一部分形成跨越所述基板中的空腔的振膜，并且
交错的IDT指在所述振膜上。
13.根据权利要求9所述的声波谐振器装置，还包括：
基板；以及
声学布拉格反射器，夹在所述压电板的后表面与所述基板之间。
14.根据权利要求9所述的声波谐振器装置，其中
所述声波谐振器装置是包括至少一个串联谐振器的梯形滤波器电路中的并联谐振器。
15.根据权利要求9所述的声波谐振器装置，其中
所述压电板是铌酸锂和钽酸锂之一。
16.一种制造声波谐振器装置的方法，包括：
在具有相对的前表面和后表面的压电板的前表面上沉积导体层；以及
图案化所述导体层以形成叉指换能器IDT的交错指，所述IDT和所述压电板被配置为使得施加在第一母线与第二母线之间的射频信号在所述压电板中激发剪切主声波模式，
其中，图案化所述导体层包括：控制所述交错指的侧壁角，使得所述交错指和梯形截面形状具有大于或等于70度且小于或等于110度的侧壁角。
17.根据权利要求16所述的方法，其中
所述侧壁角被控制在大于或等于70度且小于90度的范围内。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，控制所述侧壁角还包括：以与大于或等于70度且小于90度的范围内的预定标称侧壁角具有±2.5度的容差控制所述交错指的所述侧壁角。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括：
将基板附着到所述压电板的后表面，使得所述压电板的一部分形成跨越所述基板中的空腔的振膜，
其中，交错的IDT指设置在所述振膜上。
20.根据权利要求14所述的方法，其中
所述压电板是铌酸锂和钽酸锂之一。
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