CN117136500A

CN117136500A - 使用去耦横向激发薄膜体声谐振器的双工器

Info

Publication number: CN117136500A
Application number: CN202280025243.3A
Authority: CN
Inventors: 肖恩·麦克休
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2023-11-28
Also published as: WO2022212417A3; US20220321098A1; WO2022212417A2

Abstract

公开了双工器、滤波器设备和方法。该双工器包括：第一芯片，包括高频带滤波器的串联谐振器；第二芯片，包括高频带滤波器的并联谐振器和低频带滤波器的串联谐振器；以及第三芯片，包括低频带滤波器的并联谐振器。高频带滤波器的串联谐振器和并联谐振器是去耦横向激发薄膜体声谐振器(DXBAR)。低频带滤波器的串联谐振器和并联谐振器是横向激发薄膜体声谐振器(XBAR)。

Description

使用去耦横向激发薄膜体声谐振器的双工器

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)滤波器是一种被配置为使某些频率通过并使其他频率停止的双端口设备，其中“通过”意味着以相对较低的信号损耗进行传输，并且“停止”意味着阻止或大幅度衰减。被滤波器通过的频率的范围被称为滤波器的“通带”。被这样的滤波器停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应用。例如，“通带”可以被定义为滤波器的插入损耗优于定义值(例如，1dB、2dB或3dB)的频率范围。“阻带”可以被定义为滤波器的抑制大于定义值(例如，20dB、30dB、40dB或更大，取决于应用)的频率范围。

RF滤波器在通过无线链路传输信息的通信系统中使用。例如，RF滤波器可以在蜂窝基站的RF前端、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计算机、定点无线电链路、以及其他通信系统中找到。RF滤波器也用于雷达及电子和信息战争系统。

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性能参数(例如，插入损耗、抑制、隔离、功率处理、线性度、尺寸和成本)之间的最佳折衷。特定的设计和制造方法以及增强措施可以同时有益于这些要求中的一项或多项。

无线系统中的RF滤波器的性能增强可以对系统性能具有广泛影响。RF滤波器的改进可以发挥作用以提供系统性能改进，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处(例如，在RF模块、RF收发器、移动或固定子系统、或网络级处)单独或组合地实现。

用于目前的通信系统的高性能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)、以及其他类型的声谐振器。然而，这些现有技术并不非常适合于在针对未来通信网络所提出的更高频率和带宽下使用。

对更宽的通信信道带宽的需求将不可避免地导致更高频率的通信频带的使用。用于移动电话网络的无线电接入技术已经被3GPP(第3代合作伙伴计划)标准化。用于第5代(5G)移动网络的无线电接入技术在5G NR(新无线电)标准中定义。5G NR标准定义了几个新的通信频带。这些新的通信频带中的两个是使用从3300MHz至4200MHz的频率范围的n77和使用从4400MHz至5000MHz的频率范围的n79。频带n77和频带n79两者使用时分复用(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传输和下行链路传输。用于频带n77和频带n79的带通滤波器必须能够处理通信设备的发射功率。5GHz和6GHz处的WiFi频带也需要高频率和宽带宽。5G NR标准还定义了具有24.25GHz和40GHz之间的频率的毫米波通信频带。

横向激发薄膜体声谐振器(XBAR)是一种用于微波滤波器的声谐振器结构。XBAR在题为“TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR”的专利US 10,491,291中进行了描述。XBAR谐振器包括形成在单晶压电材料的薄浮动层或膜片上的叉指换能器(IDT)。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是交错的。施加到IDT的微波信号在压电膜片中激发剪切主声波。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的各种RF滤波器。XBAR很好地适合用于针对频率在3GHz以上的通信频带的滤波器。

附图说明

图1包括横向激发薄膜体声谐振器(XBAR)的一个示意性平面图、两个示意性截面图和一个细节图。

图2是使用声谐振器的带通滤波器的示意性框图。

图3是使用XBAR的双工器的示意性框图。

图4是在IDT指状物和压电膜片之间具有去耦介电层的XBAR的示意性截面图。

图5是将用于常规XBAR和去耦XBAR的导纳幅度进行比较的曲线图。

图6是使用常规XBAR和去耦XBAR的双工器的示意性框图。

图7是用于制造XBAR的方法的流程图。

图8是用于制造图6的双工器的方法的流程图。

贯穿该说明书，图中出现的元件被分配了三位或四位的附图标记，其中两个最低有效位特定于元件，并且一个或两个最高有效位是元件首次被引入的图号。可以假定未结合附图进行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XBAR 100的简化示意性俯视图和正交截面图。诸如XBAR 100之类的XBAR型谐振器可以用于各种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 100由分别形成在具有平行的正表面112和背表面114的压电板110的表面上的薄膜导体图案制成。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。对压电板进行切割，使得X晶轴、Y晶轴和Z晶轴相对于正表面和背表面的取向是已知的并且一致。压电板可以是Z切割的，也就是说，Z轴垂直于正表面112和背表面114。压电板可以是旋转的Z切割或旋转的YX切割。XBAR可以在具有其他结晶取向的压电板上制造。

除了压电板110的形成膜片(diaphragm)115的部分之外，压电板110的背表面114附接到衬底120的表面，膜片115跨越形成在衬底中的腔140。由于压电板的跨越腔的部分与麦克风的膜片物理类似，因此该部分在本文中被称为“膜片”115。如图1中所示，膜片115与压电板110的围绕腔140的全部周界145的其余部分连续。在该上下文中，“连续”表示“连续地连接而没有任何中间项目”。在其他配置中，膜片115可以与围绕腔140的周界145的至少50％的压电板连续。

衬底120向压电板110提供机械支撑。衬底120可以是例如硅、蓝宝石、石英或一些其他材料、或材料的组合。压电板110的背表面114可以使用晶片接合工艺来附接到衬底120。备选地，压电板110可以在衬底120上生长、或以某种其他方式附接到衬底。压电板110可以直接附接到衬底、或可以经由一个或多个中间材料层(图1中未示出)来附接到衬底120。

“腔”具有其“固体内的空的空间”的常规含义。腔140可以是完全地穿过衬底120的孔(如部分A-A和部分B-B中所示)、或衬底120中的在膜片115下方的凹陷。腔140可以例如通过在将压电板110和衬底120附接之前或之后选择性蚀刻衬底120来形成。

XBAR 100的导体图案包括叉指换能器(IDT)130。IDT 130包括从第一母线132延伸的第一多个平行指状物(例如，指状物136)和从第二母线134延伸的第二多个指状物。术语“母线”表示IDT的指状物从其延伸的导体。第一多个平行指状物和第二多个平行指状物是交错的。交错的指状物重叠距离AP，该距离AP通常被称为IDT的“孔径”。IDT 130中的最外侧指状物之间的中心到中心的距离L为IDT的“长度”。

第一母线132和第二母线134用作XBAR 100的端子。施加在IDT 130的两条母线132、134之间的射频信号或微波信号激发压电板110内的主声模。该主声模是其中声能沿与压电板110的表面基本正交的方向传播的体剪切模，该方向也垂直或横向于由IDT指状物产生的电场的方向。因此，XBAR被认为是横向激发薄膜体波谐振器。

IDT 130置于压电板110上，使得至少IDT 130的指状物设置在跨越腔140或悬置在腔140上方的膜片115上。如图1中所示，腔140具有范围大于IDT 130的孔径AP和长度L的矩形形状。XBAR的腔可以具有不同的形状，例如，规则的或不规则的多边形。XBAR的腔可以具有多于或少于四条边，该边可以是直的或弯曲的。

为了便于在图1中表示，IDT指状物的几何间距和几何宽度相对于XBAR的长度(尺寸L)和孔径(尺寸AP)被大大夸大了。典型的XBAR在IDT 130中具有多于十个平行的指状物。XBAR在IDT 130中可以具有数百(可能数千)个平行的指状物。类似地，截面图中的IDT指状物和压电板的厚度也被大大夸大了。

现在参考详细的示意性截面图(细节C)，正面介电层150可以可选地形成在压电板110的正面上。根据定义，XBAR的“正面”为背离衬底的表面。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，或者可以沉积为地毯层，使得介电层形成在IDT指状物(例如，IDT指状物138a)之间以及IDT指状物上方。正面介电层150可以是非压电介电材料(例如，二氧化硅、铝或氮化硅)。正面介电层150的厚度通常小于压电板110的厚度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，背面介电层(未示出)可以形成在压电板110的背面上。

IDT指状物138a、138b可以是铝、铝合金、铜、铜合金、铍、金、钨、钼、铬、钛、或一些其它导电材料的一层或多层。如果IDT指状物由铝或包括至少50％的铝的合金形成，则该IDT指状物被认为是“实质上为铝”。如果IDT指状物由铜或包括至少50％的铜的合金形成，则该IDT指状物被认为是“实质上为铜”。金属(例如，铬或钛)的薄(相对于导体的总厚度)层可以形成在指状物的下方和/或上方、和/或形成为指状物内的层，以改善指状物和压电板110之间的粘合性、和/或对指状物进行钝化或封装、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形成。

尺寸p是IDT指状物的中心到中心的间隔或“间距”，该尺寸p可以被称为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的几何形状与在表面声波(SAW)谐振器中使用的IDT基本不同。在SAW谐振器中，IDT的间距是在谐振频率处的声波波长的一半。附加地，SAW谐振器IDT的标记间距比率通常接近0.5(即，标记或指状物宽度为谐振处的声波波长的约四分之一)。在XBAR中，IDT的间距p可以是指状物的宽度m的2至20倍。间距p通常为指状物的宽度m的3.3至5倍。另外，IDT的间距p可以是压电板210的厚度的2至20倍。IDT的间距p通常为压电板210的厚度的5至12.5倍。XBAR中的IDT指状物的宽度m不限于接近谐振处的声波波长的四分之一。例如，XBAR IDT指状物的宽度可以是500nm或更大，使得可以使用光学光刻容易地制造IDT。IDT指状物的厚度可以从100nm至约等于宽度m。IDT的母线(132、134)的厚度可以与IDT指状物的厚度相同，或大于IDT指状物的厚度。IDT指状物的截面形状可以是梯形(例如，指状物138a)、矩形(例如，指状物138b)、或一些其他形状。

图2是针对使用XBAR的高频带通滤波器200的示意性电路图和布局。滤波器200具有包括三个串联谐振器210A、210B和210C、以及两个并联谐振器220A和220B的常规梯形滤波器架构。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(因此术语为“串联谐振器”)。在图2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200是双向的，并且任一端口可以用作滤波器的输入或输出。两个并联谐振器220A和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)，图2中未示出。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、多于或少于三个串联谐振器、以及多于或少于两个并联谐振器。通常，所有串联谐振器在滤波器的输入和输出之间串联连接。所有并联谐振器通常连接在地与输入、输出、或两个串联谐振器之间的节点之一之间。

在示例性的滤波器200中，滤波器200的三个串联谐振器210A、210B和210C、以及两个并联谐振器220A和220B形成在接合到硅衬底(不可见)的压电材料的单个板230上。在一些滤波器中，串联谐振器和并联谐振器可以形成在不同的压电材料板上。每个谐振器包括相应的IDT(未示出)，该IDT至少具有设置在衬底中的腔上方的IDT的指状物。在这种和类似的上下文中，术语“相应”表示“彼此有关的事物”，也就是说，具有一对一的对应关系。在图2中，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设置在相应的腔上方。在其他滤波器中，两个或更多个谐振器的IDT可以设置在单个腔上方。

滤波器200中的谐振器210A、210B、210C、220A、220B中的每一个具有其中谐振器的导纳非常高的谐振、以及其中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，针对滤波器200中的各个谐振器，该谐振频率和该反谐振频率可以相同或不同。用过于简单的术语来说，每个谐振器可以被认为在其谐振频率处短路并且在其反谐振频率处开路。输入-输出传递函数在并联谐振器的谐振频率处和串联谐振器的反谐振频率处将接近于零。在典型的滤波器中，并联谐振器的谐振频率置于滤波器的通带的下边缘下方，并且串联谐振器的反谐振频率置于通带的上边缘上方。在一些滤波器中，由点划线矩形270表示的正面介电层(也被称为“频率设置层”)可以形成在并联谐振器上，以相对于串联谐振器的谐振频率将并联谐振器的谐振频率设置为低。在其他滤波器中，串联谐振器的膜片可以比并联谐振器的膜片更薄。在一些滤波器中，串联谐振器和并联谐振器可以制造在具有不同压电板厚度的单独芯片上。

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，并且可以作为附接在非压电衬底上的薄板使用。虽然可以在XBAR中使用多种晶体取向，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°)。具有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LN XBAR和旋转Y切割LN XBAR两者容易受到横向方向(平行于IDT指状物的方向)上的声能泄漏的影响，但可以使用相对简单的结构，以最小化旋转Y切割LN XBAR中的此类损失。最小化Z切割LNXBAR中的声学损失需要更复杂的结构，该结构需要附加的制造步骤。使用旋转Y切割LN的XBAR可以具有比Z切割LN XBAR更少且更小的杂散模式。

在旋转Y切割LN XBAR的谐振频率和反谐振频率之间的较大差值使得能够设计具有非常宽的带宽的滤波器。然而，针对一些滤波器应用，谐振频率和反谐振频率之间的差值可能太大。例如，5G NR频带n79跨越4400MHz至5000MHz的频率范围。频带n79带通滤波器不能用常规的旋转Y切割LN XBAR来实现。如前所述，梯形滤波器电路中的并联谐振器的谐振频率通常恰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之内。相反，串联谐振器的反谐振频率通常恰好高于滤波器通带的上边缘，并且串联谐振器的谐振频率在通带之内。为了实现这两个要求，谐振器的谐振频率和反谐振频率之间的差值需要小于或等于滤波器带宽。旋转Y切割LN XBAR的谐振频率和反谐振频率之间的差值为约800MHz，大于n79频带的600MHz带宽。

图3是用于分离两个非重叠频带中的信号的双工器300的框图。双工器300包括高频带滤波器310和低频带滤波器340。术语“高”和“低”指代两个频带的相对频率。在该示例中，低频带是5G NR频带n77，并且高频带是5G NR频带n79。该双工器架构可以用于其他频带。

低频带滤波器310具有标记为“频带n79I/O"的第一端口和标记为“天线”的第二端口。在典型应用中，频带n79I/O端口连接到频带n79收发器，并且天线端口连接到天线。低频带滤波器340具有标记为“频带n77I/O"的第一端口和标记为“天线”的第二端口。在典型应用中，频带n77I/O端口连接到频带n77收发器，并且天线端口连接到与高频带滤波器310的天线端口相同的天线。

如图所示，高频带滤波器310包括三个串联声谐振器322、324、326和两个并联声谐振器328、330。所有声谐振器可以是形成在包括Z切割铌酸锂压电板的第一芯片320上的XBAR。高频带滤波器可以包括少于五个声谐振器，并且通常可以包括多于五个声谐振器。介电层332可以形成在并联谐振器328、330上，以降低并联谐振器的谐振频率，如先前所描述的。

如图所示，低频带滤波器340包括三个串联声谐振器352、354、356和两个并联声谐振器362、364。所有声谐振器可以是XBAR。低频带滤波器可以包括少于五个声谐振器，并且通常可以包括多于五个声谐振器。频带n77跨越3300MHz至4200MHz的频率范围。该宽带宽度需要串联谐振器352、354、356的谐振频率和并联谐振器362、364的谐振频率之间的较大差值。虽然可以使用在并联谐振器上方的厚介电层来实现所需的频率差值，但是可以通过针对串联谐振器和并联谐振器使用不同的压电板厚度来实现更好的滤波器性能。为此，串联谐振器352、354、356可以制造在第二芯片350上，并且并联谐振器362、364可以制造在第三芯片360上。第二芯片350和第三芯片360可以包括旋转Y切割铌酸锂压电板。第三芯片的压电板可以比第二芯片的压电板厚。

第一芯片320、第二芯片350和第三芯片360可以安装在中介层370上。中介层可以是例如印刷线路板、低温共烧陶瓷卡、硅芯片或一些其他结构。中介层提供第一芯片320、第二芯片350和第三芯片360之间的电连接。中介层包括用于电连接到双工器300外部的电路的接触件。公共盖(未示出)或单独盖(未示出)可以密封并保护第一芯片、第二芯片和第三芯片。

图4是“去耦"XBAR 400的详细截面示意图。去耦XBAR 400(DXBAR)包括具有厚度tp的压电板410、以及具有厚度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。

DXBAR 400和图1的细节C中所示的XBAR 100之间的区别在于：IDT指状物438和膜片410之间存在介电层450。介电层450的作用是“去耦"XBAR 400，即，减少DXBAR 400的机电耦合。诸如介电层450之类的介电层在本文中将被称为“去耦介电层”。去耦程度部分地取决于去耦介电层450的厚度tdd。

去耦介电层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，用于去耦介电层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DXBAR 400的降低的频率温度系数(TCF)的重要的次要益处。

尽管图4中未示出，但是可以在IDT指状物438和去耦介电层450上方形成一层或多层附加介电层(例如，图1中的介电层150)。附加介电层可以包括密封器件的表面并提供可以选择性地去除以调谐谐振频率的牺牲材料的钝化和调谐层和/或频率设置层。

图5是针对两个XBAR的导纳幅度的曲线图示500。图5中所示的数据是使用有限元方法模拟XBAR的结果。实线510表示使用β＝30°的旋转Y切割LN压电板的XBAR。导纳为最大的谐振频率在约4760MHz处，并且导纳为最小的反谐振频率在约5560MHz处。旋转Y切割XBAR的谐振频率和反谐振频率之间的差值为约800MHz。800MHz的频率差值适合在用于频带n77的带通滤波器中使用，但针对在用于频带n79的带通滤波器中使用来说太大。

虚线520表示使用Z切割LN压电板的XBAR。虚线520还表示使用旋转Y切割LN压电板(β＝30°)且在IDT指状物和压电板之间具有合适的去耦介电层的DXBAR，如图4中所示。谐振频率为约4760MHz，并且反谐振频率为约5350MHz。Z切割XBAR或DXBAR的谐振频率和反谐振频率之间的差值为约590MHz。590MHz的频率差值针对在用于频带n77的带通滤波器中使用来说可能太小，但是适合在用于频带n79的带通滤波器中使用。

光刻技术可以用于图案化去耦介电层，使得去耦介电层存在于芯片的一些部分上，并且不存在于其他部分上。形成在芯片的没有去耦介电层的部分上的XBAR可以具有与实线510类似的导纳特性。形成在相同芯片的具有去耦介电层的部分上的DXBAR可以具有与虚线520类型的导纳特性。

使用去耦介电层以减少XBAR的机电耦合为滤波器设计者提供了附加的自由度。滤波器设计者可以根据特定滤波器的要求定制机电耦合，而无需要求针对压电板的独特切割角度。

图6是使用常规XBAR和去耦XBAR的双工器600的框图。双工器600包括高频带滤波器610和低频带滤波器640。在该示例中，低频带是5G NR频带n77，并且高频带是5G NR频带n79。该双工器架构可以用于其他频带。

低频带滤波器610具有标记为“频带n79I/O"的第一端口和标记为“天线”的第二端口。在典型应用中，频带n79I/O端口连接到频带n79收发器，并且天线端口连接到天线。低频带滤波器640具有标记为“频带n77I/O"的第一端口和标记为“天线”的第二端口。在典型应用中，频带n77I/O端口连接到频带n77收发器，并且天线端口连接到与高频带滤波器610的天线端口相同的天线。

如图所示，高频带滤波器610包括三个串联声谐振器622、624、626和两个并联声谐振器658、660。高频带滤波器可以包括少于五个声谐振器，并且通常可以包括多于五个声谐振器。串联谐振器622、624、626形成在包括具有第一厚度的第一铌酸锂压电板的第一芯片620上。串联谐振器622、624、626可以是XBAR，在这种情况下，第一压电板可以是Z切割的。备选地，串联谐振器622、624、626可以是DXBAR，在这种情况下，第一压电板可以具有去耦介电层628的旋转Y切割。高频带滤波器610的并联谐振器658、660是形成在第二芯片650上的去耦XBAR，第二芯片650包括具有第二厚度的旋转Y切割铌酸锂压电板和去耦介电层662。第二厚度可以大于第一厚度，使得并联谐振器658、660的谐振频率低于串联谐振器622、624、626的谐振频率。

如图所示，低频带滤波器640包括三个串联声谐振器652、654、656和两个并联声谐振器662、664。低频带滤波器可以包括少于五个声谐振器，并且通常可以包括多于五个声谐振器。串联谐振器652、654、656制造在第二芯片650的不存在去耦介电层662的部分上。并联谐振器662、664制造在第三芯片660上，第三芯片660包括具有第三厚度且没有去耦介电层的旋转Y切割铌酸锂压电板。第三厚度可以大于第二厚度，使得并联谐振器662、664的谐振频率低于串联谐振器652、654、656的谐振频率。

第一芯片620、第二芯片650和第三芯片660可以安装在中介层670上。中介层可以是例如印刷线路板、低温共烧陶瓷卡、硅芯片或一些其他结构。中介层670提供第一芯片620、第二芯片650和第三芯片660之间的电连接。中介层包括用于电连接到双工器600外部的电路的接触件。公共盖(未示出)或单独盖(未示出)可以密封并保护第一芯片、第二芯片和第三芯片。

方法的描述

图7是概括用于制造包含多个XBAR和/或DXBAR的滤波器芯片的过程700的简化流程图。具体地，过程700用于制造包括多个XBAR的滤波器芯片，多个XBAR中没有XBAR可以包括去耦介电层、多个XBAR中的一些或全部XBAR可以包括去耦介电层。过程700在705处开始，在牺牲衬底上设置器件衬底和压电材料的薄板。过程700在795处结束，完成滤波器芯片，该滤波器芯片可以是完全的带通滤波器、或滤波器的一部分。图7的流程图仅包括主要的工艺步骤。可以在图7中所示的步骤之前、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、监测、测试等)。

虽然图7通常描述了用于制造单个滤波器芯片的过程，但可以在(由接合到衬底的压电板组成的)公共晶片上同时制造多个滤波器芯片。在这种情况下，可以对晶片上的所有芯片同时执行过程700的每个步骤。

图7的流程图体现了用于用XBAR和/或DXBAR设备制造滤波器芯片的过程700的三种变型。这三种工艺变型的不同之处在于：何时以及如何在器件衬底中形成腔。可以在步骤710A、710B或710C处形成腔。在过程700的三个变型中的每一个中仅执行这些步骤中的一个。

压电板通常可以是旋转Y切割铌酸锂。压电板可以是一些其他材料和/或一些其他切割。器件衬底可以优选地为硅。器件衬底可以是允许通过蚀刻或其他工艺来形成深腔的一些其他材料。

在过程700的一个变型中，在715处将压电板接合到衬底之前，在710A处，在器件衬底中形成一个或多个腔。可以针对滤波器芯片中的每个谐振器来形成单独的腔。可以使用常规的光刻技术和蚀刻技术来形成一个或多个腔。通常，在710A处形成的腔将不会穿透器件衬底。

在715处，将压电板接合到器件衬底。可以通过晶片接合工艺来接合压电板和器件衬底。通常，器件衬底和压电板的配合表面是高度抛光的。可以在压电板和器件衬底中的一者或两者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接合。

在720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，该晶片被离子注入以沿限定将成为压电板和牺牲衬底之间的边界的平面来在晶体结构中产生缺陷。在720处，可以例如通过热冲击、分离牺牲衬底并留下接合到器件衬底的压电板来沿缺陷平面分裂晶片。在分离牺牲衬底之后，可以以某种方式来抛光或处理压电板的暴露表面。

层压到非压电衬底的单晶压电材料的薄板是商业可获得的。在本申请中，铌酸锂板和钽酸锂板两者可接合到包括硅、石英和熔融二氧化硅的各种衬底。现在或将来可能会用到其他压电材料的薄板。压电板的厚度可以在300nm至1000nm之间。当衬底为硅时，可以在压电板和衬底之间设置一层SiO2。当使用商业可获得的压电板/器件衬底层压件时，不执行过程700的步骤710A、715和720。

在725处，可以通过在压电板的正表面上沉积介电材料来形成去耦介电层。形成去耦介电层是可选的。例如，图6的双工器600的第三芯片660上不需要去耦介电层。去耦介电层通常可以是二氧化硅，但也可以是其他介电材料(例如，氮化硅或氧化铝)。去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。可以图案化去耦介电层，使得去耦介电层存在于压电板的一些部分上，并且不存在于压电板的其他部分上。例如，当制造图6的双工器600的第二芯片650时，可以仅在芯片的将被高频带滤波器610的并联谐振器658、660占据的部分上形成去耦介电层。在其他滤波器中，去耦介电层可以形成为两个或更多个单独图案化的层，使得不同厚度的去耦介电层存在于压电板的不同部分上。

在745处，通过在压电板的正面上沉积并图案化一个或多个导体层来形成包括每个XBAR的IDT和反射器元件的第一导体图案。第一导体图案的全部或部分可以在形成在725处的去耦介电层上方。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，可以在导体层的下方(即，在导体层和压电板之间)和/或在导体层的顶部上设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以提高导体层和压电板之间的粘合性。可以在第一导体图案的一部分(例如，IDT母线和IDT之间的互连)上方形成金、铝、铜或其他导电率更高的金属的第二导体图案。

在745处，可以通过在压电板的表面上方顺序沉积导体层和可选的一个或多个其他金属层来形成每个导体图案。然后，可以通过图案化的光刻胶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，在745处，可以使用剥离工艺来形成每个导体图案。可以在压电板上方沉积光刻胶，并对其进行图案化以限定导体图案。可以在压电板的表面上方顺序沉积导体层和可选的一个或多个其他层。然后，可以去除光刻胶，该操作去除了多余的材料，留下导体图案。

在750处，可以通过在压电板的正面上沉积一个或多个介电材料层来形成一个或多个频率设置介电层。虽然图6的双工器600不一定需要频率设置介电层，但是在芯片上具有频率设置介电层或一些或全部XBAR的能力为滤波器设计者提供了附加的自由度。例如，可以在滤波器中的一些并联谐振器和/或串联谐振器上方形成介电层，而不是在滤波器中的并联谐振器和/或串联谐振器上方形成介电层，以提供更大范围的谐振频率。可以使用诸如物理气相沉积、原子层沉积、化学气相沉积之类的常规沉积技术或一些其他方法来沉积一个或多个频率设置介电层。可以使用一种或多种光刻工艺(使用光掩模)以将介电层的沉积限制在压电板的选定区域。例如，可以使用掩模以限制介电层仅覆盖所选择的谐振器。

在755处，在压电板和导体图案上方沉积钝化/调谐介电层。该钝化/调谐介电层可以覆盖滤波器芯片的除用于电连接到滤波器芯片外部的电路的焊盘之外的整个表面。在过程700的一些实例中，可以在710B或710C处蚀刻器件衬底中的腔之后形成钝化/调谐介电层。

在过程700的第二变型中，在710B处，在器件衬底的背面中形成一个或多个腔。可以针对滤波器设备中的每个谐振器来形成单独的腔。可以使用各向异性的、或依赖于取向的干法蚀刻或湿法蚀刻来形成一个或多个腔，以开出穿过器件衬底的背面到压电板的孔。在这种情况下，得到的谐振器设备将具有如图1中所示的截面。

在过程700的第三变型中，在71OC处，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器件衬底中形成凹陷形式的一个或多个腔。可以针对滤波器设备中的每个谐振器来形成单独的腔。在710C处形成的一个或多个腔将不会穿透器件衬底。

理想地，在710B或710C处形成腔之后，晶片上的大部分或全部XBAR和/或DXBAR将满足性能要求集。然而，正常的工艺容差将导致诸如在750和755处形成的介电层的厚度之类的参数的变化、在745处形成的导体和IDT指状物的厚度和线宽的变化、以及压电板的厚度的变化。这些变化导致与性能要求集的偏差。

为了提高满足性能要求的滤波器芯片的产量，可以通过选择性地调整在755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。可以通过向钝化/调谐层添加材料来降低XBAR和/或DXBAR的谐振频率和反谐振频率，并且可以通过去除钝化/调谐层的材料来增加XBAR和/或DXBAR的谐振频率和反谐振频率。通常，过程700偏向于生产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来调谐至期望频率范围的谐振频率和反谐振频率的滤波器芯片。

在760处，探针卡或其他装置可以用于与滤波器建立电连接，以允许射频(RF)测试、以及XBAR和/或DXBAR特性(例如，作为频率的函数的导纳)的测量。通常，RF测量是对在公共压电板和衬底上同时制造的XBAR和/或DXBAR的全部或大样本进行的。

在765处，如前所述，可以通过使用选择性材料去除工具(例如，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”调谐是以等于或大于单独滤波器设备的空间分辨率来执行的。全局调谐的目的是将谐振频率和/或反谐振频率朝向期望的频率范围移动。可以对来自760的测试结果进行处理，以根据晶片上的二维位置生成指示要去除的材料的量的全局等值线图。然后，使用选择性材料去除工具根据等值线图来去除材料。

在770处，除在765处执行的全局频率调谐之外，可以执行局部频率调谐，或可以执行局部频率调谐来替代在765处执行的全局频率调谐。“局部”频率调谐是以比单独的滤波器设备小的空间分辨率来执行的。可以对来自760的测试结果进行处理，以生成指示在每个滤波器设备处要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要去除材料的区域的大小。例如，可以使用第一掩模，以将调谐限制为仅并联谐振器，并且随后可以使用第二掩模，以将调谐限制为仅串联谐振器(或反之亦然)。这将允许独立调谐滤波器芯片的较低频带边缘(通过调谐并联谐振器)和较高频带边缘(通过调谐串联谐振器)。

在765处和/或770处的频率调谐之后，在775处完成滤波器芯片。在775处可以发生的动作包括：形成用于在设备和外部电路之间建立连接的接合焊盘或焊料凸块或其他装置(如果在745处未形成这样的焊盘)；从包含多个滤波器设备的晶片中切割单独的滤波器芯片；其他封装步骤；以及附加的测试。在完成每个滤波器芯片之后，在795处结束过程。

图8是用于使用具有XBAR和DXBAR的组合的多个滤波器芯片来制造频带n77/频带n79双工器(例如，图6的双工器600)的过程800的框图。过程800在805处开始，并且在完成了封装的双工器的895处结束。图8的流程图仅包括主要的工艺步骤。可以在图8中所示的步骤之前、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、监测、测试等)。

在810处，使用具有第一厚度的旋转Y切割铌酸锂压电板来制造包含频带n79带通滤波器的串联谐振器的第一芯片。可以使用图7的包括在步骤725处形成去耦介电层的工艺700来制造第一芯片。频带n79带通滤波器的串联谐振器是DXBAR。

在820处，使用具有第二厚度的旋转Y切割铌酸锂压电板来制造包含频带n79带通滤波器的并联谐振器和频带n77带通滤波器的串联谐振器的第二芯片。第二厚度大于第一厚度，使得频带n79带通滤波器的并联谐振器的谐振频率低于频带n79带通滤波器的串联谐振器的谐振频率。可以使用图7的包括在步骤725处仅在频带n79带通滤波器的并联谐振器的位置上方形成去耦介电层的工艺700来制造第二芯片。频带n79带通滤波器的并联谐振器是DXBAR。频带n77带通滤波器的串联谐振器是XBAR。

在830处，使用具有第三厚度的旋转Y切割铌酸锂压电板来制造包含频带n77带通滤波器的并联谐振器的第三芯片。第三厚度大于第二厚度，使得频带n77带通滤波器的并联谐振器的谐振频率低于频带n77带通滤波器的串联谐振器的谐振频率。可以使用图7的不在步骤725处形成去耦介电层的工艺700来制造第三芯片。频带n77带通滤波器的并联谐振器是XBAR。

在840处，将第一芯片、第二芯片和第三芯片组装在公共封装中。可以使用多种封装技术。例如，可以将第一芯片、第二芯片和第三芯片倒装芯片安装在公共中介层上。中介层可以是例如印刷线路板、低温共烧陶瓷卡、硅芯片、或一些其他中介层。然后可以将公共盖附接或模制到适当位置，以密封和保护第一芯片、第二芯片和第三芯片。备选地，在将芯片安装在中介层上之前，可以(例如，在过程700中的步骤775处)将单独的盖形成或附接到第一芯片、第二芯片和第三芯片中的每一个。在任一情况下，过程800在895处结束。

结束评论

在整个说明书中，所示的实施例和示例应被认为是范例，而不是对所公开或要求保护的装置和程序的限制。尽管本文中所呈现的许多示例涉及方法动作或系统元件的特定组合，但是应当理解，那些动作和那些元件可以以其他方式组合以完成相同的目标。关于流程图，可以采取附加的和更少的步骤，并且可以对所示的步骤进行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、元件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”表示两个或更多个。如本文所使用的，“一组”项目可以包括一个或多个这样的项目。如本文中所使用的，无论是在书面描述还是在权利要求中，术语“包含”、“包括”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”等应被理解为开放式的，即意味着包括但不限于。仅过渡短语“由......构成”和“基本上由......构成”分别是关于权利要求的封闭或半封闭的过渡短语。在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等顺序术语以修饰权利要求要素本身不意味着一个权利要求要素相对于另一权利要求要素的任何优先权、优先级、或顺序，或者执行的方法的动作的时间顺序，但仅用作标签以将具有特定名称的一个权利要求要素与具有相同名称(但使用顺序术语)的另一要素区分开来，以对权利要求要素进行区分。如本文所使用的，“和/或”表示所列出的项目是备选方案，但该备选方案还包括所列出的项目的任何组合。

Claims

1.一种双工器，包括：

第一芯片，包括高频带滤波器的串联谐振器；

第二芯片，包括所述高频带滤波器的并联谐振器和低频带滤波器的串联谐振器；以及

第三芯片，包括所述低频带滤波器的并联谐振器，其中

所述高频带滤波器的串联谐振器和并联谐振器是去耦横向激发薄膜体声谐振器DXBAR，并且

所述低频带滤波器的串联谐振器和并联谐振器是横向激发薄膜体声谐振器XBAR。

2.根据权利要求1所述的双工器，其中

所述第一芯片包括具有第一厚度的第一压电板，

所述第二芯片包括具有第二厚度的第二压电板，所述第二厚度大于所述第一厚度，并且

所述第三芯片包括具有第三厚度的第三压电板，所述第三厚度大于所述第二厚度。

3.根据权利要求2所述的双工器，其中，所述第一压电板、所述第二压电板和所述第三压电板是旋转Y切割的铌酸锂。

4.根据权利要求1所述的双工器，其中，每个XBAR包括：

膜片，由压电板的跨越衬底中的腔的部分形成；以及

导体图案，包括在所述膜片上具有交错的指状物的叉指换能器。

5.根据权利要求1所述的双工器，其中，每个DXBAR包括：

膜片，由压电板的跨越衬底中的腔的部分形成；

所述膜片上的介电层；以及

导体图案，包括在所述膜片上方且在所述介电层上具有交错的指状物的叉指换能器。

6.根据权利要求1所述的双工器，其中，所述第一芯片、所述第二芯片和所述第三芯片安装在中介层上并电连接到所述中介层，所述中介层包括：

导体，以连接所述第一芯片、所述第二芯片和所述第三芯片；以及

接触件，用于电连接到所述双工器外部的电路。

7.根据权利要求6所述的双工器，其中，所述中介层包括印刷电路板、低温共烧陶瓷电路卡和硅芯片之一。

8.根据权利要求6所述的双工器，其中，所述导体连接第一梯形滤波器电路中的所述高频带滤波器的串联谐振器和并联谐振器，并且连接第二梯形滤波器电路中的所述低频带滤波器的串联谐振器和并联谐振器。

9.根据权利要求1所述的双工器，其中，所述高频带是第五代新无线电5G NR频带n79，并且所述低频带是5G NR频带n77。

10.一种滤波器芯片，包括：

衬底；

压电板，所述压电板的部分形成跨越所述衬底中的相应腔的第一膜片和第二膜片；

所述第一膜片上的去耦介电层；以及

所述压电板上的电极图案，所述电极图案包括第一叉指换能器IDT和第二IDT，所述第一IDT包括在所述第一膜片上方且在所述去耦介电层上的交错的指状物，所述第二IDT包括在所述第二膜片上的交错的指状物。

11.根据权利要求10所述的滤波器芯片，其中，所述压电板以及所述第一IDT和所述第二IDT被配置为使得施加到所述第一IDT和所述第二IDT中的每一个的相应射频信号分别在所述第一膜片和所述第二膜片中激发剪切声波。

12.根据权利要求10所述的滤波器芯片，其中，所述压电板是旋转Y切割的铌酸锂。

13.根据权利要求10所述的滤波器芯片，其中，所述去耦介电层包括二氧化硅。

14.一种滤波器芯片，包括：

衬底；

压电板，所述压电板的部分形成跨越所述衬底中的相应腔的多个膜片；

压电板上的电极图案，所述电极图案包括多个叉指换能器IDT，每个IDT包括在所述多个膜片中的相应膜片上的交错的指状物；以及

去耦介电层，在所述多个IDT中的至少一个但不是全部IDT的交错的指状物与相应膜片之间。

15.根据权利要求14所述的滤波器芯片，其中，所述压电板和所述多个IDT中的全部IDT被配置为使得施加到所述多个IDT中的每一个的相应射频信号在相应膜片中激发剪切声波。

16.根据权利要求14所述的滤波器芯片，其中，所述压电板是旋转Y切割的铌酸锂。

17.根据权利要求14所述的滤波器芯片，其中，所述去耦介电层包括二氧化硅。

18.一种在具有正表面和背表面的压电板上制造声谐振器设备的方法，所述背表面附接到衬底，所述方法包括：

在所述衬底中形成第一腔和第二腔，使得所述压电板的部分是分别悬置在所述第一腔和所述第二腔上的第一膜片和第二膜片；

在所述第一膜片的正表面上形成去耦介电层；以及

在所述压电板上形成电极图案，所述电极图案包括第一叉指换能器IDT和第二IDT，所述第一IDT包括在所述第一膜片上方且在所述去耦介电层上的交错的指状物，所述第二IDT包括在所述第二膜片上的交错的指状物。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述压电板是旋转Y切割的铌酸锂，并且所述去耦介电层包括二氧化硅。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述压电板以及所述第一IDT和所述第二IDT被配置为使得施加到所述第一IDT和所述第二IDT中的每一个的相应射频信号分别在所述第一膜片和所述第二膜片中激发剪切声波。