CN117321912A - 使用横向激发薄膜体声谐振器的用于6GHz WI-FI的滤波器 - Google Patents

使用横向激发薄膜体声谐振器的用于6GHz WI-FI的滤波器 Download PDF

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Abstract

一种6GHz Wi‑Fi带通滤波器包括梯形滤波器电路，该梯形滤波器电路具有两个或更多个并联横向激发薄膜体声谐振器(XBAR)和两个或更多个串联XBAR。两个或更多个并联XBAR中的每一个包括具有大于或等于310nm的LN等效厚度的膜片，并且两个或更多个串联XBAR中的每一个包括具有小于或等于305nm的LN等效厚度的膜片。

Description

使用横向激发薄膜体声谐振器的用于6GHz WI-FI的滤波器
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通过某些频率并阻止其他频率的双端口设备，其中“通过”意味着以相对较低的信号损耗进行传输，并且“阻止”意味着阻塞或大幅度衰减。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两者。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。在5GHz和6GHz处的WiFiTM频带也需要高频率和宽带宽。5G NR标准还定义了具有在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US10，491，291中进行了描述。XBAR谐振器包括至少部分地设置在薄浮动层或膜片上的叉指换能器(IDT)，该薄浮动层或膜片是单晶压电材料层，或包括单晶压电材料层。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是示例性带通滤波器的示意图。
图2具有横向激发薄膜体声谐振器(XBAR)的一个示意性平面图和两个示意性截面图。
图3是图2的XBAR的一部分的放大的示意性截面图。
图4是示出了XBAR中的剪切主声模的曲线图。
图5是针对四种不同的电介质厚度，作为压电板厚度的函数的XBAR的谐振频率曲线图。
图6是针对四种不同的电介质厚度，作为等效膜片厚度的函数的XBAR的谐振频率曲线图。
图7是针对四种不同的电介质厚度，作为压电板厚度的函数的XBAR的反谐振频率曲线图。
图8是针对四种不同的电介质厚度，作为等效膜片厚度的函数的XBAR的反谐振频率曲线图。
图9是用于6GHz Wi-Fi的示例性带通滤波器的示意图。
图10是用于图9的示例性带通滤波器的输入/输出传递函数S21的幅度的曲线图。
图11是用于制造XBAR或包含XBAR的滤波器的过程的流程图。
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是使用五个XBAR X1-X5的示例性带通滤波器100的示意性电路图。滤波器100可以是例如用于通信设备的带通滤波器。滤波器100具有包括三个串联谐振器X1、X3、X5和两个并联谐振器X2、X4的常规梯形滤波器架构。三个串联谐振器X1、X3、X5串联连接在第一端口P1和第二端口P2之间。滤波器100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X2、X4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可以是XBAR。
谐振器X1至X5中的每一个具有谐振频率和反谐振频率。用过于简单的术语来说，每个谐振器在其谐振频率处实际上是短路，并且在其反谐振频率处实际上是开路。每个谐振器X1至X5创建“传输零点”，在“传输零点”处，输入端口和输出端口之间的传输非常低。请注意，由于通过寄生组件的能量泄漏和其他影响，“传输零点”处的传输实际上不为零。三个串联谐振器X1、X3、X5在其相应的反谐振频率处(其中，每个谐振器实际上是开路)创建传输零点。两个并联谐振器X2、X4在其相应的谐振频率处创建传输零点(其中，每个谐振器实际上是短路)。在使用声谐振器的典型带通滤波器中，并联谐振器的谐振频率置于滤波器的通带下方，并且并联谐振器的反谐振频率置于通带之内。串联谐振器的谐振频率置于通带之内，并且串联谐振器的反谐振频率置于通带上方。
现在参考图2，将更详细地描述XBAR的结构。图2示出了XBAR 200的简化示意性俯视图和正交截面图。XBAR 200由形成在具有正表面212和背表面214的压电板210的表面上的薄膜导体图案构成。正表面和背表面基本平行。“基本平行”表示在正常制造公差的情况下尽可能平行。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。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。在该专利提出的示例中，压电板是旋转YX切割的。然而，XBAR可以在具有包括旋转Z切割和旋转Z切割的其他结晶取向的压电板上制造。
除了压电板210的形成膜片(diaphragm)215的部分之外，压电板210的背表面214附接到衬底220的表面222，膜片215跨越形成在衬底220中的腔240。腔240具有通过腔与衬底220的表面222的相交来限定的周界。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”。如图2中所示，膜片215与压电板210的围绕腔240的全部周界245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”。
衬底220向压电板210提供机械支撑。衬底220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210的背表面214可以使用晶片接合工艺附接到衬底220。备选地，压电板210可以生长在衬底220上，或者以其他方式附接到衬底。压电板210可以直接附接到衬底、或可以经由一个或多个中间材料层附接到衬底220。
腔240是在谐振器200的固体内的空的空间。腔240可以是完全地穿过衬底220的孔(如部分A-A和部分B-B中所示)、或衬底220中的凹陷(未示出)。腔240可以例如通过在将压电板210和衬底220附接之前或之后选择性蚀刻衬底220来形成。
XBAR 200的导体图案包括叉指换能器(IDT)230。IDT是压电设备中用于在电能和声能之间进行转换的电极结构。IDT 230包括从第一母线232延伸的第一多个平行细长导体，通常被称为“指状物”(例如，指状物236)。IDT 230包括从第二母线234延伸的第二多个指状物。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 230中的最外侧的指状物之间的中心到中心的距离L为该IDT的“长度”。
术语“母线”指代将IDT中的第一组指状物和第二组指状物互连的导体。如图2中所示，每条母线232、234是细长的矩形导体，其长轴与交错的指状物正交，并且具有大约等于IDT的长度L的长度。IDT的母线不必是矩形或不必与交错的指状物正交，并且可以具有比IDT的长度长的长度。
第一母线232和第二母线234用作XBAR 200的端子。施加在IDT 230的两条母线232、234之间的射频信号或微波信号在压电板210内激发主声模。如将进一步详细讨论的，该主声模是其中声能沿与压电板210的表面基本正交的方向传播的体剪切模式，该方向也垂直于或横向于由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 230置于压电板210上，使得IDT 230的指状物的至少大部分设置在压电板的跨越腔240或悬置在腔240上方的膜片215上。如图2中所示，腔240具有范围大于IDT 230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，这些边可以是直的或弯曲的。
为了便于在图2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。用于5G设备的XBAR在IDT 210中将具有多于十个平行的指状物。XBAR在IDT 210中可以具有数百(可能数千)个平行的指状物。类似地，在附图中指状物在截面图中的厚度也被大大夸大了。
图3示出了XBAR 200的详细的示意性截面图。压电板210是具有厚度ts的压电材料的单晶层。该ts可以是例如100nm至1500nm。当在用于5G NR和从3.3GHZ至7GHz的WiFi频带的滤波器中使用时，该厚度ts可以是例如250nm至700nm。
正面电介质层314可以形成在压电板210的正面上。XBAR的“正面”为背离衬底的表面。正面电介质层314具有厚度tfd。正面电介质层314可以仅形成在IDT指状物(参见IDT指状物338a)之间。正面电介质层314也可以沉积在IDT指状物(参见IDT指状物338b)上方。背面电介质层316可以形成在压电板210的背面上。背面电介质层316具有厚度tbd。正面电介质层314和背面电介质层316可以是非压电电介质材料(例如，二氧化硅或氮化硅)。tfd和tbd可以是例如0nm至500nm。tfd和tbd通常均小于压电板的厚度ts的一半。tfd和tbd不一定相等，并且正面电介质层314和背面电介质层316不一定是相同材料。正面电介质层314和背面电介质层316之一或两者可以由两种或更多种材料的多层形成。
IDT指状物338a、338b可以是铝、基本上铝合金、铜、基本上铜合金、铍、金、钼或一些其它导电材料的一层或多层。其他金属(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，以提高指状物和压电板210之间的粘合性、和/或对指状物进行钝化或封装。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形成。如图3中所示，IDT指状物338a、338b具有矩形或梯形截面。IDT指状物可以具有一些其他截面形状。
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w是IDT指状物的宽度或“标记”。XBAR的IDT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通常为指状物的宽度w的2至20倍。另外，IDT的间距p通常为压电板210的厚度tp的2至20倍。XBAR中的IDT指状物的宽度不限于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，使得可以使用光刻来制造IDT。IDT指状物的厚度tm可以从100nm至约等于宽度w。IDT的母线(图2中的232、234)的厚度可以与IDT指状物的厚度tm相同，或大于IDT指状物的厚度tm。
图4是XBAR中感兴趣的主声模的图形图示。图4示出了XBAR 400的包括压电板410和三个交错的IDT指状物430的小部分。射频(RF)电压被施加到交错的指状物430。该电压在指状物之间产生随时间变化的电场。该电场的方向主要是横向的、或平行于压电板410的表面，如由标记为“电场”的箭头所指示。由于压电板的电介质常数明显高于周围空气，因此相对于空气，电场高度集中在板中。在压电板410中，横向电场引入剪切变形，并且因此，强烈地激发了剪切模式的声模。剪切变形是其中材料中的平行平面在相对于彼此平移的同时保持平行并维持恒定距离的变形。“剪切声模”是介质中导致介质的剪切变形的声振动模式。XBAR 400中的剪切变形由曲线460表示，其中相邻的小箭头提供了原子运动的方向和幅度的示意性指示。为了便于观察，原子运动的程度以及压电板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)，但激发的主剪切声模的声能流的方向与压电板的表面基本正交，如箭头465所示。
相比于当前现有技术的在厚度方向上施加电场的薄膜体声谐振器(FBAR)和固体安装谐振器体声波(SMR BAW)设备，基于剪切声波谐振的声谐振器可以实现更好的性能。在这样的设备中，声模是通过原子运动和声能流的方向沿厚度方向压缩的。另外，相比于其他声谐振器，用于剪切波XBAR谐振的压电耦合可以是高的(>20％)。高压电耦合能够设计并实现具有相当可观的带宽的微波滤波器和毫米波滤波器。
XBAR的谐振频率由膜片的厚度和IDT指状物的间距和标记(宽度)来确定。膜片的厚度(包括压电板的厚度以及正面电介质层和/或背面电介质层的厚度)是确定谐振频率的主要因素。通过改变间距和/或标记而提供的调谐范围仅限于百分之几。针对宽带宽滤波器(例如，用于5G NR频带n77和n79、5GHz Wi-Fi和6GHz Wi-Fi的带通滤波器)，通过改变IDT间距和指状物宽度而提供的调谐范围不足以提供并联谐振器的谐振频率和串联谐振器的反谐振频率之间必要的分离。
图5是针对使用欧拉角为[0°，β，0°](其中，0°＜β≤60°)的铌酸锂压电板的代表性XBAR的谐振频率、压电板厚度、以及顶侧电介质厚度之间的关系的曲线图示500，如美国专利10，790，802中所述。由于历史原因，此类板通常被称为“旋转YX切割”，其中“旋转角度”为β+90°。
实线510是谐振频率对没有正面的压电板厚度的依赖性的图。短虚线520是谐振频率对具有30nm的正面电介质层厚度的压电板厚度的依赖性的图。点划线530是谐振频率对具有60nm的正面电介质层厚度的压电板厚度的依赖性的图。长虚线540是谐振频率对具有90nm的正面电介质层厚度的压电板厚度的依赖性的图。在所有情况下，压电板为128度YX切割铌酸锂，IDT间距为压电板厚度的10倍，标记/间距比率为0.25，并且IDT电极为厚度为压电板厚度的1.25倍的铝。电介质层为SiO2。不存在背面电介质层。
双点划线550标记了在5.935GHz处的6GHz Wi-Fi频带的下边缘。双点划线555标记了在7.12GHz处的6GHz Wi-Fi频带的上边缘。实心点560表示随后将更详细描述的示例性滤波器的并联谐振器。实心点565表示示例性滤波器的串联谐振器。请注意，并联谐振器(实心点550)的谐振频率比6GHz Wi-Fi频带的下边缘低数百MHz，并且串联谐振器的谐振频率在上边缘和下边缘之间(即，在示例性滤波器的通带之内)。
从图5还可以看出，在6GHz处，90mm的SiO2层对谐振频率的影响与铌酸锂压电板的厚度改变约55nm具有相同的影响。铌酸锂压电板和正面SiO2层的厚度可以组合，以提供XBAR膜片的等效厚度，如下面的等式所示：
teqr＝tp+kr(tfsd) (1)
其中teqr是针对并联谐振器的膜片的“LN等效”厚度(即，具有相同谐振频率的铌酸锂的厚度)。tp和tfsd是先前定义的压电板和正面电介质层的厚度，并且kr是针对并联谐振器的比例常数。kr取决于正面电介质层的材料。当正面电介质层为SiO2时，kr为约0.57。
图6是谐振频率对LN等效膜片厚度的依赖性的曲线图示600。图6中所示数据与图5中所示数据相同，其中使用等式(1)计算LN等效厚度，k＝0.57。复合线610由针对四种不同电介质(氧化物)厚度的谐振频率数据点组成。这些数据点形成一条相当连续的曲线。
双点划线650标记了在5.935GHz处的6GHz Wi-Fi频带的下边缘。双点划线655标记了在7.12GHz处的6GHz Wi-Fi频带的上边缘。实心点660表示示例性滤波器的并联谐振器。实心点665表示示例性滤波器的串联谐振器。
图6中的数据特定于IDT间距等于10倍压电板厚度的XBAR。XBAR的间距的优选范围是IDT间距的6至12.5倍。当间距小于压电板厚度的6倍时，机电耦合急剧下降，从而减小了谐振频率和反谐振频率之间的差异。将间距增加到压电板厚度的12.5倍以上降低了每单位谐振器面积的电容，而在机电耦合或频率改变方面几乎没有益处。
与间距等于压电板厚度的10倍的XBAR相比，将间距减小到压电板厚度的6倍使谐振频率增加约4.5％。与间距等于压电板厚度的10倍的XBAR相比，将间距增加到压电板厚度的12.5倍使谐振频率降低约1.1％。相反，间距等于压电板厚度的6倍的XBAR将需要变厚4.5％的膜片，以具有与间距等于压电板厚度的10倍的XBAR相同的谐振频率。间距等于压电板厚度的12.5倍的XBAR将需要变薄1.1％的膜片，以具有与间距等于压电板厚度的10倍的XBAR相同的谐振频率。
图6示出，为了使并联谐振器的谐振频率低于通带的下边缘(线650)，并联谐振器的LN等效膜片厚度必须大于310nm。并联谐振器的实际LN等效膜片厚度由多种因素决定，该多种因素包括所需的频带边缘锐度(band-edge sharpness)、并联谐振器的Q因子、所需的工作温度范围、以及针对制造公差的容限。LN等效膜片厚度可以是320nm至340nm。
并联谐振器的膜片的LN等效厚度不需要相同。可以在并联谐振器的子集上方形成一个或多个附加电介质层，以进一步降低其谐振频率(例如，以增加下频带边缘下方的阻带中的衰减)。虽然对正面电介质层的厚度不存在绝对上限，但tfsd/tp>0.30的XBAR往往具有大量的杂散模式。
XBAR的反谐振频率由谐振频率(取决于膜片的厚度、以及IDT指状物的间距和宽度)、以及谐振器的机电耦合来确定。机电耦合主要由压电材料的切割角、电介质层(如果存在)的厚度、以及IDT的间距来确定。图7是针对代表性的XBAR的反谐振频率、压电板厚度和顶侧电介质厚度之间的关系的曲线图示700。在所有情况下，压电板为128度YX切割铌酸锂，IDT间距为压电板厚度的10倍，标记/间距比率为0.25，并且IDT电极为厚度为压电板厚度的1.25倍的铝。电介质层为SiO2。不存在背面电介质层。
实线710是反谐振频率对没有正面电介质层的压电板厚度的依赖性的图。短虚线720是反谐振频率对具有30nm的正面电介质层厚度的压电板厚度的依赖性的图。点划线730是反谐振频率对具有60nm的正面电介质层厚度的压电板厚度的依赖性的图。长虚线740是反谐振频率对具有90nm的正面电介质层厚度的压电板厚度的依赖性的图。
双点划线750标记了在5.935GHz处的6GHz Wi-Fi频带的下边缘。双点划线755标记在7.12GHz处的6GHz Wi-Fi频带的上边缘。实心点760表示示例性滤波器的并联谐振器。实心点765表示示例性滤波器的串联谐振器。
与间距等于压电板厚度的10倍的的XBAR相比，将间距减小到压电板厚度的6倍使反谐振频率增加约3.2％。与间距等于压电板厚度的10倍的的XBAR相比，将间距增加到压电板厚度的12.5倍使反谐振频率降低约1.0％。间距等于压电板厚度的6倍的XBAR将需要变厚3.2％的膜片，以具有与间距等于压电板厚度的10倍的XBAR相同的反谐振频率。
如前所述，在梯形滤波器电路中，串联谐振器在高于滤波器通带的上边缘的频率处提供传输零点。为此，6GHz Wi-Fi滤波器的串联谐振器的反谐振频率必须大于5120MHz。比5120MHz确切地大多少取决于滤波器规格、串联谐振器的Q因子、以及针对制造公差和温度变化(包括由于在传输期间滤波器中的功耗而引起的温度升高)的容限。
铌酸锂压电板和正面SiO2层的厚度可以组合，以提供XBAR膜片的等效厚度，如下面的等式所示：
teqa＝tp+ka(tfsd) (1)
其中，teqa是用于串联谐振器的膜片的“LN等效”厚度(即，具有相同反谐振频率的铌酸锂的厚度)。tp和tfsd是先前定义的压电板和正面电介质层的厚度，并且ka是针对串联谐振器的比例常数。ka取决于正面电介质层的材料。当正面电介质层为SiO2时，ka为约0.45。
图8是反谐振频率对LN等效膜片厚度的依赖性的曲线图示800。图8中所示的数据与图7中所示的数据相同，其中使用等式(1)计算LN等效厚度，ka＝0.45。复合线810由针对四种不同电介质厚度的反谐振频率数据点组成。除了在相对薄的压电衬底上的90nm正面电介质的组合之外，这些数据点形成了相当连续的曲线。
双点划线750标记了在5.935GHz处的6GHz Wi-Fi频带的下边缘。双点划线755标记了在7.12GHz处的6GHz Wi-Fi频带的上边缘。实心点760表示示例性滤波器的并联谐振器。实心点765表示示例性滤波器的串联谐振器。
图8示出了为了使串联谐振器的反谐振频率高于通带的上下边缘(线855)，串联谐振器的LN等效膜片厚度必须小于305nm。串联谐振器的实际LN等效膜片厚度由多种因素来确定，该多种因素包括所需的频带边缘锐度、串联谐振器的Q因子、所需的工作温度范围、以及针对制造公差的容限。LN等效膜片厚度通常可以小于295nm。
串联谐振器的膜片的LN等效厚度不需要相同。可以在串联谐振器的子集上方形成一个或多个附加电介质层，以进一步降低其谐振频率(例如，以增加下频带边缘下方的阻带中的衰减)。
图9是使用四个串联谐振器Se1、Se2、Se3、Se4和四个并联谐振器Sh1、Sh2、Sh3、Sh4的示例性频带6GHz Wi-Fi带通滤波器900的示意性电路图。滤波器900具有常规的梯形滤波器架构。四个串联谐振器Se1、Se2、Se3、Se4串联连接在第一端口P1和第二端口P2之间。滤波器900是双向的，并且任一端口可以用作滤波器的输入或输出。并联谐振器Sh1从端口P1连接到地。其他三个并联谐振器Sh2、Sh3、Sh4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由多个XBAR子谐振器组成。子谐振器的数量指示在每个谐振器的参考指示符(例如，“x4”)下方。由四个子谐振器组成的谐振器(例如，谐振器Se3)以串联/并联组合的方式连接，如子谐振器Se3A、Se3B、Se3C和Se3D的详细示意图所示。由两个子谐振器组成的谐振器(例如，谐振器Sh3)具有并联连接的两个子谐振器，如子谐振器Sh3A和Sh3B的详细示意图所示。将XBAR划分成多个子谐振器具有减少如果每个XBAR具有单个大膜片时可能出现的峰值应力的主要益处。每个谐振器的多个子谐振器通常但不一定具有相同的孔径和大致相同的长度。
包括串联谐振器或并联谐振器中的任何谐振器的子谐振器的间距和标记不一定相同。如详细示意图所示，串联谐振器Se3由四个子谐振器Se3A、Se3B、Se3C、Se3D组成。子谐振器Se3A-Se3D中的每一个可以具有独特的标记和间距，也就是说，任何子谐振器的标记和间距与每个其他子谐振器的标记和间距不同。此外，每个子谐振器的间距和标记相对子谐振器的IDT的长度不一定是恒定的。
XBAR的IDT之内的间距的小变化(例如，+1％)可以降低杂散模式的幅度。间距的小变化使杂散模式的频率偏移，使得杂散模式不会在XBAR的区域上方相长地相加。这些小间距变化具有对谐振频率和反谐振频率忽略不计的影响。在子谐振器Se3A、Se3B、Se3C、Se3D之间间距的小变化具有类似的效果。子谐振器的杂散模式不会相加，从而导致整体杂散模式幅度较低。所有串联谐振器Se1、Se2、Se3、Se4可以具有在子谐振器之间和/或在子谐振器之内变化的IDT间距和/或标记。
滤波器900使用由虚线矩形920表示的电介质频率设置层，以将并联谐振器的谐振频率从串联谐振器的谐振频率偏移。串联Se1-Se4具有薄电介质层或没有电介质层，并且并联谐振器Sh1-Sh4包括较厚的电介质层。相对于串联谐振器的谐振频率，电介质层厚度的差异降低了并联谐振器的谐振频率。
滤波器900是示例性的，并且使用更多或更少谐振器的其他滤波器设计是可能的。6GHz Wi-Fi带通滤波器将包括至少两个串联谐振器和至少两个并联谐振器。
图10是示例性6GHz Wi-Fi带通滤波器的性能图，该6GHz Wi-Fi带通滤波器可以是或类似于图9的滤波器900。具体地，曲线1010是示例性滤波器的输入/输出传递函数S21在5GHz至8.5GHz的频率范围上的幅度的图。示例性滤波器的通带涵盖从5.935GHz到7.12GHz的6GHz Wi-Fi频带。
示例性滤波器的物理特性如下：
压电板：128°YX切割铌酸锂；
压电片厚度：276nm；
正面电介质：SiO2；
正面电介质厚度：0(串联谐振器)；
正面电介质厚度：86nm(并联谐振器)；
LN等效膜片厚度：276nm(串联谐振器)；
LN等效膜片厚度：325nm(并联谐振器)；
IDT指状物：360nm，基本上是铝；
IDT间距/压电板厚度：10.6-11.1；
IDT指状物/间距:0.18-0.24。
方法的描述
图12是示出了用于制造具有包含XBAR的多个芯片的晶片的过程1200的简化流程图。过程1200在1205处开始，其中器件衬底和压电材料板附接到牺牲衬底。过程1200在1295处结束，其中完成多个XBAR芯片。图12的流程图仅包括主要的工艺步骤。可以在图12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)。除步骤1280之外，所有动作在晶片上的所有芯片上同时执行。
图12的流程图体现了用于制造XBAR的过程1200的三种变型，该三种变型在何时以及如何在器件衬底中形成腔方面不同。可以在步骤1210A、1210B或1210C处形成腔。在过程1200的三个变型中的每一个中仅执行这些步骤中的一个。
压电板可以是例如旋转YX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。优选地，衬底可以是硅。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。
在过程1200的一个变型中，在1215处将压电板接合到衬底之前，在1210A处，在器件衬底中形成一个或多个腔。可以针对芯片上的每个谐振器形成单独的腔。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1210A处形成的腔将不会穿透器件衬底。
在1215处，将压电板接合到器件衬底。压电板和衬底可以通过晶片接合工艺来接合。通常，衬底和压电板的配合表面是高度抛光的。可以在压电板和衬底之一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，以在压电板和衬底或中间材料层之间建立分子接合。
在1220处，可以去除牺牲衬底，从而暴露压电板的正表面。1220处的动作可以包括进一步的处理(例如，抛光和/或退火)，以为后续处理步骤准备暴露的表面。
在1230处，通过在压电板的正表面上沉积并图案化一个或多个导电层来形成包括每个XBAR的IDT的导体图案。导体层可以是例如具有50nm至150nm的厚度的铝或铝合金。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导电增强层。
在1230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、湿法化学蚀刻和其他蚀刻技术来蚀刻导体层。
备选地，在1230处，可以使用剥离工艺来形成导体图案。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1240处，可以通过在压电板的正表面上沉积并图案化一个或多个电介质层来形成一个或多个可选的频率设置电介质层。可以在一些XBAR但不是所有XBAR的IDT指状物之间，并且可选地在一些XBAR但不是所有XBAR的IDT指状物上方，来形成电介质层。频率设置电介质层通常是SiO2，但也可以是Si3N4、Al2O3、或一些其他电介质材料。每个频率设置电介质层的厚度由所期望的频率偏移来确定。在图8和图10的示例中，40nm厚的频率设置电介质层形成在XBAR SE1、SE2和SE3的IDT上方。
在1250处，通过在压电板的除了用于与芯片外部的电路电连接的焊盘之外的所有正表面上方沉积电介质材料来形成钝化/调谐电介质层。钝化/调谐层可以是SiO2、Si3N4、Al2O3、一些其他电介质材料、或两种或更多种材料的组合。钝化/调谐层的厚度由处理芯片的表面所需的最小电介质材料量加上在1270处的频率调谐可能需要的牺牲材料量来确定。在图9和图10的示例中，20nm厚的钝化/调谐层20(在调谐之后)被假设在所有XBAR的IDT上方。
在过程1200的第二变型中，在1210B处，在衬底的背面中形成一个或多个腔。可以针对芯片上的每个谐振器形成单独的腔。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，以开出穿过衬底的背面到压电板的孔。
在过程1200的第三变型中，在1210C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1210C处形成的一个或多个腔将不会穿透衬底。
在过程1200的所有变型中，在1260处，可以测量或测试每个芯片上的一些或所有XBAR。例如，可以在RF频率下测量一些或所有XBAR的导纳，以确定谐振频率和/或反谐振频率。可以将测量的频率与预期频率进行比较，并且可以制作晶片表面上方的频率误差图。
在1270处，可以通过根据在1260处形成的频率误差图选择性地从钝化/调谐层的表面去除材料来调谐一些或所有XBAR的频率。选择性材料去除可以例如使用扫描离子研磨机或其他工具来完成。
然后，可以在1280处完成芯片。可以在1280处发生的动作包括：形成接合焊盘或焊料凸块或用于在芯片和外部电路之间建立连接的其他装置、附加测试、以及从包含多个芯片的晶片切下单独的芯片。在芯片完成之后，过程1200在1295处结束。
图13是用于制造可以是图9的分裂梯形(split-ladder)滤波器设备900的分裂梯形滤波器设备的方法1300的流程图。方法1300在1310处开始，并且在1390处结束，从而完成滤波器设备。
在1320处，使用图12的过程来制造具有第一压电板厚度的第一芯片。第一芯片包含滤波器设备中的一个、一些或所有串联谐振器。第一芯片可以是第一大型多芯片晶片的一部分，使得在步骤1320的每次重复期间产生第一芯片的多个复制品。在这种情况下，作为1320处的动作的一部分，可以从晶片上切下单独的芯片并进行测试。
在1330处，使用图12的过程制造具有第二压电板厚度的第二芯片。第二芯片包含滤波器设备中的一个、一些或所有并联谐振器。第二芯片可以是第二大型多芯片晶片的一部分，使得在步骤1330的每次重复期间产生第二芯片的多个复制品。在这种情况下，作为1330处的动作的一部分，可以从晶片上切下单独的芯片并进行测试。
在1340处，制造电路卡。电路卡可以是例如印刷线路板、或LTCC卡、或某种其他形式的电路卡。电路卡可以包括用于在第一芯片上的串联谐振器和第二芯片上的并联谐振器之间形成至少一个电连接的一个或多个导体。电路可以是大衬底的一部分，使得在步骤1340的每次重复期间产生电路卡的多个复制品。在这种情况下，作为1340处的动作的一部分，可以从衬底中切下单独的电路卡并进行测试。备选地，在1350处将芯片附接到电路卡之后，或者在1360处封装设备之后，可以从衬底中切下单独的电路卡。
在1350处，使用已知工艺将单独的第一芯片和第二芯片组装到电路卡(其可以是或可以不是大型衬底的一部分)。例如，可以使用焊料或金凸块或球来将第一芯片和第二芯片“倒装芯片”地安装到电路卡，以在芯片和电路卡之间形成电连接、机械连接和热连接。可以以某种其他方式来将第一芯片和第二芯片组装到电路卡。
在1360处完成滤波器设备。在1360处完成滤波器设备包括封装和测试。在1360处完成滤波器设备可以包括：在封装之前或之后从大型衬底中切下单独的电路卡/芯片组件。
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”等应被理解为是开放式的，即，表示包括但不仅限于。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 (18)

1.一种6GHz Wi-Fi带通滤波器，包括：
梯形滤波器电路，包括两个或更多个并联横向激发薄膜体声谐振器XBAR和两个或更多个串联XBAR，
其中，所述两个或更多个并联XBAR中的每一个包括具有大于或等于310nm的LN等效厚度的膜片，并且所述两个或更多个串联XBAR中的每一个包括具有小于或等于305nm的LN等效厚度的膜片。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其中
所述两个或更多个并联XBAR中的每一个包括具有大于或等于320nm的LN等效厚度的膜片。
3.根据权利要求1所述的滤波器，其中
所述两个或更多个串联XBAR中的每一个包括具有小于或等于295nm的LN等效厚度的膜片。
4.根据权利要求1所述的滤波器，其中
所述两个或更多个并联谐振器和所述两个或更多个串联谐振器的膜片包括铌酸锂LN压电板，所述LN压电板的厚度小于或等于所述两个或更多个串联谐振器的膜片的厚度。
5.根据权利要求4所述的滤波器，其中
所述压电板具有欧拉角[0°，β，0°]，其中，30°<β<38°。
6.根据权利要求4所述的滤波器，其中
所述两个或更多个串联谐振器的膜片包括厚度为tds的电介质层，并且
至少两个串联谐振器的每个膜片的LN等效厚度由下面的等式给出：
teq＝tp+ks(tds)
其中，teq是LN等效膜片厚度，tp是LN板的厚度，并且ks是用于串联谐振器的比例常数。
7.根据权利要求6所述的滤波器，其中
所述电介质层为二氧化硅，并且ks＝0.45。
8.根据权利要求4所述的滤波器，其中
所述两个或更多个并联谐振器的膜片包括厚度为tdp的电介质层，并且
所述两个或更多个并联谐振器的每个膜片的LN等效厚度由下面的等式给出：
teq＝tp+kp(tdp)
其中，teq是LN等效膜片厚度，tp是LN板的厚度，并且kp是用于并联谐振器的比例常数。
9.根据权利要求8所述的滤波器，其中
所述电介质层为二氧化硅，并且kp＝0.59。
10.一种6GHz Wi-Fi带通滤波器，包括：
衬底，包括多个腔；
铌酸锂LN板，由所述衬底支撑；
多个膜片，每个膜片包括压电板的跨越所述多个腔的相应腔的相应部分；以及
导体图案，包括两个或更多个串联谐振器和两个或更多个并联谐振器的叉指换能器IDT，每个IDT的交错的指状物设置在所述多个膜片中的相应膜片上，
其中，所述两个或更多个并联XBAR的膜片具有大于或等于310nm的LN等效厚度，并且所述两个或更多个串联XBAR的膜片具有小于或等于305nm的LN等效厚度。
11.根据权利要求10所述的滤波器，其中
所述导体图案还包括用于在梯形滤波器电路中连接所述两个或更多个串联谐振器和所述两个或更多个并联谐振器的导体。
12.根据权利要求10所述的滤波器，其中
所述两个或更多个并联XBAR的膜片具有大于或等于320nm的LN等效厚度。
13.根据权利要求10所述的滤波器，其中
所述两个或更多个串联XBAR的膜片具有小于或等于295nm的LN等效厚度。
14.根据权利要求10所述的滤波器，其中
所述LN板具有欧拉角[0°，β，0°]，其中，30°<β<38°。
15.根据权利要求4所述的滤波器，其中
所述两个或更多个串联谐振器的膜片包括厚度为tds的电介质层，并且
至少两个串联谐振器的每个膜片的LN等效厚度由下面的等式给出：
teq＝tp+ks(tds)
其中，teq是LN等效膜片厚度，tp是LN板的厚度，并且ks是用于串联谐振器的比例常数。
16.根据权利要求6所述的滤波器，其中
所述电介质层为二氧化硅，并且ks＝0.45。
17.根据权利要求4所述的滤波器，其中
所述两个或更多个并联谐振器的膜片包括厚度为tdp的电介质层，并且
所述两个或更多个并联谐振器的每个膜片的LN等效厚度由下面的等式给出：
teq＝tp+kp(tdp)
其中，teq是LN等效膜片厚度，tp是LN板的厚度，并且kp是用于并联谐振器的比例常数。
18.根据权利要求8所述的滤波器，其中
所述电介质层为二氧化硅，并且kp＝0.59。
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