CN118285055A - 使用解耦横向激发薄膜体声学谐振器的滤波器 - Google Patents

Abstract

公开了滤波器件和制造的方法。一种声学滤波器件包括基板(720)和压电板(710)，压电板的第一部分跨越基板中的第一空腔(740B)，并且压电板的第二部分跨越基板中的第二空腔(740A)。压电板的第一部分和第二部分的前表面上的解耦介电层(750A、750B)在第一部分上具有第一厚度td1并且在第二部分上具有比第一厚度大的第二厚度td2。第一叉指换能器的交错指在压电板的第一部分之上的解耦介电层上，并且第二IDT的交错指在压电板的第二部分之上的解耦介电层上。

Description

使用解耦横向激发薄膜体声学谐振器的滤波器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年11月23日递交的题为“FILTERS USING DECOUPLEDTRANSVERSELY-EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATORS(使用解耦横向激发薄膜体声学谐振器的滤波器)”的美国专利申请17/533,184的优先权。在先申请的公开内容通过引用合并于此。

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)滤波器是双端口器件，该双端口器件被配置为使某些频率通过并阻止其他频率，其中，“通过”意味着以相对较低的信号损失进行传输，并且“阻止”意味着阻挡或显著衰减。滤波器允许通过的频率的范围被称为滤波器的“通带”。这种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20dB、30dB、40dB或更大值(取决于应用)之类的定义值的频率范围。

RF滤波器用于通过无线链路来传输信息的通信系统。例如，RF滤波器可以出现在蜂窝基站、移动电话和计算设备、卫星收发机和地面站、IoT(物联网)设备、膝上型计算机和平板计算机、固定点无线电链路和其他通信系统的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权衡。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滤波器的改善可以用于提供系统性能改善，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。这些改善可以在无线系统的多个级别(例如，在RF模块、RF收发机、移动或固定子系统、或网络级别)处单独和组合地实现。

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)和其他类型的声学谐振器。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。移动电话网络的无线电接入技术已经由3GPP(第三代合作伙伴计划)进行了标准化。用于第五代(5G)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。5G NR标准定义了若干个新的通信频带。这些新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传输和下行链路传输。频带n77和频带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。

横向激发薄膜体声学谐振器(XBAR)是用于微波滤波器的声学谐振器结构。XBAR在题为“TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR(横向激发薄膜体声学谐振器)”的专利US10,491,291中进行了描述。XBAR谐振器包括形成在单晶压电材料的薄浮层或膜上的叉指换能器(IDT)。IDT包括从第一母线延伸的第一组平行指和从第二母线延伸的第二组平行指。第一组平行指和第二组平行指是交错的。施加到IDT的微波信号在压电膜中激发主剪切声波。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非常适合用于频率高于3GHz的通信频带的滤波器。

发明内容

附图说明

图1包括横向激发薄膜体声学谐振器(XBAR)的示意性平面图、两个示意性截面图和详细图。

图2是使用声学谐振器的带通滤波器的示意性框图。

图3是使用YX切割铌酸锂振膜(diaphragm)和Z切割铌酸锂振膜的XBAR的导纳的幅度的曲线图。

图4是在IDT指和压电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的导纳的幅度的曲线图。

图6是作为解耦介电层厚度的函数的机电耦合的曲线图。

图7是使用解耦XBAR的滤波器的示意性截面图。

图8是使用解耦XBAR的频带N79滤波器的输入-输出传递函数的曲线图。

图9是用于制造使用解耦XBAR的滤波器的方法的流程图。

贯穿本说明书，图中出现的元件被分配了三位数字或四位数字附图标记，其中，两个最低有效数字特定于该元件，而一个或两个最高有效数字是该元件被第一次引入的图号。可以假定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

图1示出了XBAR 100的简化示意性顶视图和正交截面图。诸如XBAR 100之类的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 100由形成在具有分别平行的前表面112和后表面114的压电板110的表面上的薄膜导体图案构成。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且是一致的。压电板可以是Z切割的，即，Z轴垂直于前表面112和后表面114。压电板可以是旋转Z切割或旋转YX切割的。XBAR可以在具有其他晶体取向的压电板上制造。

除了压电板110的形成跨越形成在基板中的空腔140的振膜115的部分之外，压电板110的后表面114附接到基板120的表面。压电板的跨越空腔的部分在本文中被称为“振膜”115，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的位于空腔140的周边145的全部周围的其余部分邻接。在该上下文中，“邻接”是指“连续地连接而没有任何中间物”。在其他配置中，振膜115可以在空腔140的周边145的至少50％周围与压电板邻接。

基板120向压电板110提供机械支撑。基板120例如可以是硅、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接到基板120。备选地，压电板110可以生长在基板120上或以某种其他方式附接到基板。压电板110可以直接附接到基板，或可以经由一个或多个中间材料层(图1中未显示)附接到基板120。

“空腔”的常规含义是“实体内的空的空间”。空腔140可以是完全穿过基板120的孔(如截面A-A和截面B-B所示)或振膜115下方的基板120中的凹槽。可以例如通过在压电板110和基板120附接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 130包括从第一母线132延伸的第一多个平行指(例如，指136)以及从第二母线134延伸的第二多个指。术语“母线”是指IDT的指从其延伸的导体。多个第一平行指和多个第二平行指是交错的。交错指重叠距离AP，该距离AP通常被称为IDT的“孔径(aperture)”。IDT 130的最外侧指之间的中心到中心距离L是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之间的射频或微波信号在压电板110内激发主声学模式(primary acousticmode)。主声学模式是体剪切模式，其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的指设置在跨越或悬置在空腔140之上的振膜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指的几何节距和宽度相对于XBAR的长度(尺寸L)和孔径(尺寸AP)被大大夸大了。典型的XBAR在IDT 130中具有多于十个平行指。XBAR在IDT 130中可以具有数百甚至数千个平行指。同样，截面图中的IDT指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)，前侧介电层150可以可选地形成在压电板110的前侧上。根据定义，XBAR的“前侧”是背对基板的表面。前侧介电层150可以仅形成在IDT指(例如，IDT指138b)之间，或者可以沉积为毯式层，使得介电层形成在IDT指(例如，IDT指138a)之间和之上两者。前侧介电层150可以是非压电介电材料，例如二氧化硅、氧化铝或氮化硅。前侧介电层150的厚度通常小于压电板110的厚度tp的约三分之一。前侧介电层150可以由两种或更多种材料的多层形成。在一些应用中，后侧介电层(未示出)可以形成在压电板110的后侧上。

IDT指138a、138b可以是以下材料的一层或多层：铝、铝合金、铜、铜合金、铍、金、钨、钼、铬、钛或一些其他导电材料。如果IDT指由铝或包括至少50％铝的合金形成，则它们被认为是“基本上是铝的”。如果IDT指由铜或包括至少50％铜的合金形成，则它们被认为是“基本上是铜的”。诸如铬或钛之类的金属的薄(相对于导体的总厚度)层可以形成在指(finger)的下方和/或之上和/或形成为这些指内的层，以提高指和压电板110之间的粘合性，和/或钝化或封装这些指和/或提高功率处理。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指的中心到中心间距(spacing)或“节距(pitch)”，其可以被称为IDT的节距和/或XBAR的节距。尺寸m是IDT指的宽度或“标记(mark)”。XBAR的IDT的几何形状与表面声波(SAW)谐振器中所使用的IDT大大不同。在SAW谐振器中，IDT的节距是谐振频率处的声波波长的二分之一。此外，SAW谐振器IDT的标记节距比(mark-to-pitch ratio)通常接近0.5(即，标记或指宽约为在谐振时声波波长的四分之一)。在XBAR中，IDT的节距p可以是这些指的宽度m的2倍至20倍。节距p通常是这些指的宽度m的3.3倍至5倍。此外，IDT的节距p可以是压电板210的厚度的2倍至20倍。IDT的节距p通常是压电板210的厚度的5倍至12.5倍。XBAR中IDT指的宽度m不限于接近在谐振时的声波波长的四分之一。例如，XBAR IDT指的宽度可以是500nm或更大，使得可以容易地使用光学光刻来制造IDT。IDT指的厚度可以从100nm至约等于宽度m。IDT的母线(132、134)的厚度可以等于或大于IDT指的厚度。

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具有常规梯式滤波器架构，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(因此被称为术语“串联谐振器”)。在图2中，第一端口和第二端口分别被标记为“入(In)”和“出(Out)”。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、220B从串联谐振器之间的节点连接到地。滤波器可以包含图2中未示出的附加电抗组件，例如电容器和/或电感器。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五个总谐振器、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，所有串联谐振器串联连接在滤波器的输入与输出之间。所有并联谐振器通常连接在地与输入、输出之一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、210B、210C和两个并联谐振器220A、220B形成在接合到硅基板(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)，其中，至少IDT的指设置在基板中的空腔之上。在该上下文和类似上下文中，术语“相应的”意味着“将事物彼此相关”，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设置在相应空腔之上。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之上。

滤波器200中的谐振器210A、210B、210C、220A、220B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，对于滤波器200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-输出传递函数将接近于零。在典型滤波器中，并联谐振器的谐振频率位于滤波器的通带的下边缘之下，并且串联谐振器的反谐振频率位于通带的上边缘之上。在一些滤波器中，由点划矩形270表示的前侧介电层(也被称为“频率设置层”)可以形成在并联谐振器上，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，串联谐振器的振膜可以比并联谐振器的振膜薄。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。在随后要讨论的其他滤波器中，谐振器的IDT与压电板之间可以存在不同厚度的介电层。

铌酸锂(LN)是XBAR中使用的优选压电材料。LN具有非常高的机电耦合，并且可以用作附接到非压电基板上的薄板。虽然XBAR中可以使用多种晶体取向，但已经使用的两种取向是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具有比Z切割LN高的机电耦合。此外，虽然Z切割LN XBAR和旋转Y切割LN XBAR两者易于受到横向(平行于IDT指的方向)上的声能的泄漏的影响，但可以使用相对简单的结构来最小化旋转Y切割LN XBAR中的这种损失。最小化Z切割LN XBAR中的声学损失需要更复杂的结构，该更复杂的结构需要附加制造步骤。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。

图3是两个XBAR的导纳的幅度的曲线图300。图3和所有后续示例中所示的数据都是使用有限元方法对XBAR进行模拟的结果。实曲线310是使用β＝30°的旋转Y切割LN压电板的XBAR的导纳。虚曲线320是使用Z切割LN压电板的XBAR的导纳。在这两种情况下，压电板厚度为400nm，IDT电极为铝，IDT节距为3微米，并且IDT指标记为0.5微米。两个XBAR的谐振频率FR为约4760MHz，并且旋转Y切割XBAR和Z切割XBAR的反谐振频率FA分别为约5550MHz和5350MHz。旋转Y切割XBAR和Z切割XBAR的谐振频率和反谐振频率之间的差分别为约590MHz和790MHz。机电耦合可以通过参数k² _eff来量化，其中，图3的旋转Y切割XBAR和Z切割XBAR的k² _eff＝(FA²–FR²)/FA².k² _eff分别为26.4％和20.8％。

旋转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的带宽的滤波器。然而，对于一些滤波器应用，谐振频率和反谐振频率之间的差异可能太大。例如，5G NR频带N79跨越从4400MHz至5000MHz的频率范围。频带N79带通滤波器不能使用常规旋转Y切割LN XBAR来实现。如前所述，梯式滤波器电路中的并联谐振器的谐振频率通常正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为790MHz，其大于频带N79的600MHz带宽。

图4是“解耦”XBAR谐振器(DXBAR)400的详细截面示意图。解耦XBAR 400包括具有厚度tp的压电板410以及具有厚度tm、节距p和宽度m的IDT指438。压电板410和IDT指438的材料可以如前所述。

解耦XBAR 400和图1的细节C中所示的XBAR 100之间的差异在于IDT指438和振膜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XBAR 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“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可以由诸如二氧化硅或氧化铝之类的氧化物、诸如氮化硅之类的氮化物、一些其他合适的介电材料或其组合制成。在一些应用中，用于解耦介电层450的优选材料可以是二氧化硅，其提供与图1的XBAR 100相比降低XBAR 400的频率的温度系数(TCF)的重要的次要益处。

尽管图4中未示出，但一层或多层附加介电层(例如，图1中的介电层150)可以形成在IDT指438和解耦介电层450之上。附加介电层可以包括频率设置层，其通常形成在梯式滤波器电路中的并联谐振器的IDT之上，以相对于串联谐振器的谐振频率降低它们的谐振频率。附加介电层还可以是或可以包括钝化和调谐层，其密封器件的表面并且提供可以被选择性地去除以调谐谐振频率的牺牲材料。

图5是三个解耦XBAR器件的作为频率的函数的导纳的幅度的曲线图500。实曲线510是tdd(解耦介电层的厚度)＝70nm的解耦XBAR的导纳的幅度的曲线。虚曲线520是tdd＝80nm的解耦XBAR的导纳的幅度的曲线。点划曲线530是tdd＝90nm的解耦XBAR的导纳的幅度的曲线。所有三个XBAR都使用欧拉角为0°、30°、0°的旋转Y切割压电板。

增加解耦介电层的厚度会增加XBAR振膜的整体厚度，这导致谐振频率的对应降低。增加解耦介电层的厚度会降低机电耦合，这减小谐振频率和反谐振频率之间的差。三个XBAR的k² _eff的值为21％、20％和19％。tdd＝80nm的XBAR(虚曲线520)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与压电板的厚度成比例。图6是使用具有欧拉角0°、127.5°、0°的旋转Y切割铌酸锂的XBAR的作为tdd(解耦介电层的厚度)与tp(压电板的厚度)之比的函数的k² _eff的曲线图600。空心圆610表示图3的LN XBAR，并且实心圆620表示图5的三个XBAR。虚线630是tdd/tp的该范围内的数据点的合理线性近似。

比率tdd/tp通常大于或等于0.02，以获得有效的k² _eff降低。比率tdd/tp通常不大于1.0。

图7是使用解耦XBAR的滤波器700的一部分的示意性截面图。具体地，图7是第一解耦XBAR 760和第二解耦XBAR 765的截面图。为了便于描述，两个解耦XBAR 760、765被示出为仅具有四个IDT指，其中仅标识了指738。第一解耦XBAR 760包括压电板710的第一部分，其跨越基板720中的第一空腔740A。具有厚度td1的第一解耦介电层750A在压电板710的表面上位于压电板与第一解耦XBAR 760的IDT指之间。

第二解耦XBAR 765包括压电板710的第二部分，其跨越基板720中的第二空腔740B。具有厚度td2的第二解耦介电层750B在压电板710的表面上位于压电板和第二解耦XBAR 765的IDT指之间。钝化和调谐介电层755可以可选地形成在XBAR 760、765之上。td2大于td1。

XBAR的谐振频率与振膜的总厚度成反比，该振膜的总厚度包括压电板710、解耦介电层750A或750B、以及钝化和调谐层755(如果存在的话)的厚度。由于td2＞td1，因此第二解耦XBAR 765的谐振频率低于第一解耦XBAR 760的谐振频率。第一解耦XBAR 760可以是梯式滤波器电路中的串联谐振器，例如图2所示的滤波器电路200的串联谐振器210A、210B和210C。第二解耦XBAR 765可以是梯式滤波器电路中的并联谐振器，例如图2所示的滤波器电路200的并联谐振器220A和220B。第一解耦XBAR 760和第二解耦XBAR 765的谐振频率之间的差主要由解耦介电层750A、750B的厚度的差来确定。在一些滤波器中，解耦介电层可以仅设置在并联谐振器上，在这种情况下，td1＝0。

图8是使用解耦XBAR的初步带通滤波器设计的性能的曲线图800。具体地，曲线810是滤波器的S2,1(输入-输出传递函数)的幅度与频率的关系的曲线。模拟滤波器在梯式滤波器电路中包含七个解耦XBAR。压电板是厚度为350nm的旋转Y切割铌酸锂。串联谐振器的解耦介电层的厚度约为压电板的厚度的14％。并联谐振器的解耦介电层的厚度约为压电板的厚度的43％。解耦介电层是SiO₂。厚度约为压电板的厚度的8.5％的钝化和调谐介电层形成在所有谐振器之上。

XBAR或DXBAR的频率主要由其振膜(包括压电板和任何介电层)的厚度来确定。XBAR的IDT的标记和节距被选择为最小化杂散模式的影响并且将杂散模式定位在从滤波器的通带中移除的频率处。XBAR或DXBAR的长度和孔径由匹配期望滤波器输入和输出阻抗所需的电容以及该器件中的预期功耗的组合来确定。

对于给定IDT节距和标记，DXBAR的每单位面积的电容将小于XBAR的每单位面积的电容。电容的减少是由于解耦介电层的存在，该解耦介电层具有显著低于压电板的介电常数。然而，DXBAR的标记/节距设计空间(针对低杂散模式)往往倾向于较小的节距值。较小的节距导致每单位面积的电容较大，这抵消了由于解耦介电层的存在而减少的电容。因此，与使用XBAR的滤波器相比，使用DXBAR的滤波器不需要更大，并且在一些情况下可以更小。

使用二氧化硅解耦介电层的次要、但仍重要的益处是频率的温度系数(TCF)的改善。解耦介电层厚度约为压电板厚度的22％的DXBAR在谐振频率下具有65的TCF，并且在反谐振频率下具有62的TCF。使用Z切割铌酸锂的可比较的XBAR在谐振频率下具有105的TCF，并且在反谐振频率下具有83的CF。

使用解耦介电层来降低XBAR的机电耦合向滤波器设计者提供了附加自由度。滤波器设计者可以根据特定滤波器的要求来定制机电耦合，而不需要压电板的独特切割角。

方法的描述

图9是概括用于制造并入DXBAR的滤波器件的工艺900的简化流程图。具体地，工艺900用于制造包括多个DXBAR的滤波器件，该多个XBAR中的一些XBAR可以包括频率设置介电层。工艺900开始于905，其中将器件基板和压电材料的薄板设置在牺牲基板上。工艺900结束于995，其中完成滤波器件。图9的流程图仅包括主要工艺步骤。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，表面制备、清洁、检查、烘烤、退火、监测、测试等)。

虽然图9总体上描述了用于制造单个滤波器件的工艺，但可以在一个公共晶片(由接合到基板的压电板组成)上同时制造多个滤波器件。在这种情况下，可以对晶片上的所有滤波器件同时执行工艺900的每个步骤。

图9的流程图捕捉了用于制造XBAR的工艺900的三种变体，该三种变体在何时以及如何在器件基板中形成空腔方面不同。可以在步骤910A、910B或910C处形成空腔。在工艺900的三种变体中的每种变体中仅执行这些步骤之一。

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。器件基板可以优选地是硅。器件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900的一种变体中，在915A处将压电板接合到基板之前，在910处在器件基板中形成一个或多个空腔。可以针对滤波器件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910A处形成的空腔将不穿透器件基板。

在915处，将压电板接合到器件基板。压电板和器件基板可以通过晶片接合工艺接合。通常，器件基板和压电板的配合表面被高度抛光。一层或多层的中间材料(例如，氧化物或金属)可以形成或沉积在压电板和器件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，以在压电板和器件基板或中间材料层之间建立分子键。

在920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晶体结构中沿着限定将成为压电板的晶片与牺牲基板之间的边界的平面产生缺陷。在920处，例如通过热冲击，分离牺牲基板并且留下接合到器件基板的压电板，晶片可以沿着缺陷平面被拆分。在牺牲基板被分离之后，压电板的暴露表面可以被抛光或以某种方式被处理。

层压到非压电基板的单晶压电材料的薄板是可市售的。在该应用中，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。其他压电材料的薄板可以是现在或将来可获得的。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/器件基板层压板时，不执行工艺900的步骤910A、915和920。

在925处，可以通过在压电板的前表面上沉积介电材料来形成一个或多个解耦介电层。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，其可以是诸如氮化硅之类的氮化物、诸如氧化铝之类的氧化物、或一些其他电介质。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。解耦介电层可以在压电板的第一部分上具有第一厚度，并且在压电板的第二部分上具有比第一厚度大的第二厚度。例如，解耦介电层可以在压电板的要成为串联谐振器的振膜的部分上具有第一厚度。解耦介电层可以在压电板的要成为并联谐振器的振膜的部分上具有比第一厚度大的第二厚度。在一些情况下，解耦介电层可以具有多于两个厚度。解耦介电层可以不存在于压电板的其他部分上。在一些滤波器中，解耦介电层可以仅设置在其中第一厚度为零的并联谐振器上。

解耦介电层可以形成为相同材料或不同材料的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。解耦介电层可以形成为单个层，随后例如通过合适的掩模进行蚀刻而在所选择的位置处减薄该单个层。解耦介电层可以通过以下方式来形成：在压电板的第二部分上形成厚度等于第一厚度和第二厚度之间的差的介电层，并且随后在第一部分和第二部分两者之上形成具有第一厚度的另一介电层。

在945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。第一导体图案的全部或部分可以位于在925处形成的解耦介电层之上。该导体层例如可以是铝、铝合金、铜、铜合金、或一些其他导电金属。可选地，一层或多层的其他材料可以设置在导体层下方(即，在导体层与压电板之间)和/或在导体层的顶部上。例如，钛、铬或其他金属的薄膜可以用于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部分(例如，IDT母线以及IDT之间的互连)之上。

在945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，在945处，可以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之上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之上。然后，可以去除光刻胶，这去除多余的材料，留下导体图案。

在950处，钝化/调谐介电层沉积在压电板和导体图案之上。钝化层/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900的一些实例中，可以在910B或910C处对器件基板中的空腔进行蚀刻之后，形成钝化/调谐介电层。

在工艺900的第二变体中，在910B处，在器件基板的后侧中形成一个或多个空腔。可以针对滤波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依赖于取向的干法或湿法蚀刻以开孔从而穿过器件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，所得谐振器件将具有如图1所示的截面。

在工艺900的第三变体中，在910C处，可以通过使用通过压电板中的开口引入的蚀刻剂蚀刻基板来在器件基板中形成呈凹槽形式的一个或多个空腔。可以针对滤波器件中的每个谐振器形成单独的空腔。在910C处形成的一个或多个空腔将不穿透器件基板。

理想情况下，在910B或910C处形成空腔之后，晶片上的大部分或所有滤波器件将满足性能要求集合。然而，正常的工艺公差将导致参数(例如，在950和955处形成的介电层的厚度)的变化、在945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件性能偏离性能要求集合。

为了提高满足性能要求的滤波器件的良品率，可以通过选择性地调整在955处沉积在谐振器之上的钝化/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件通带的频率，并且可以通过从钝化/调谐层中去除材料来提高滤波器件通带的频率。通常，对工艺900进行偏置以产生具有如下通带的滤波器件：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。

在960处，可以使用探针卡或其他装置与滤波器进行电连接，以允许对滤波器特性(例如，输入-输出传递函数)的射频(RF)测试和测量。通常，对在公共的压电板和基板上同时制造的滤波器件的所有或大部分进行RF测量。

在965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件的空间分辨率执行“全局”调谐。全局调谐的目的在于将每个滤波器件的通带移向期望频率范围。可以对来自960的测试结果进行处理以生成全局等值线图，全局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来去除该材料。

在970处，除了在965处执行的全局频率调谐之外或代替在965处执行的全局频率调谐，还可以执行局部频率调谐。以小于单个滤波器件的空间分辨率执行“局部”频率调谐。可以对来自960的测试结果进行处理以生成指示要在每个滤波器件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从其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，并且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)进行独立调谐。

在965和/或970处进行频率调谐之后，在975处完成滤波器件。在975处可以发生的动作包括：形成用于在器件与外部电路之间进行连接的接合焊盘或焊料凸块或其他器件(如果在945处未形成这种焊盘的话)；从包含多个滤波器件的晶片上切下各个滤波器件；其他封装步骤；以及附加测试。在完成每个滤波器件之后，该工艺结束于995处。

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件的具体组合，但应当理解，这些动作和这些元件可以以其他方式组合以实现相同的目标。关于流程图，可以采取附加步骤和更少步骤，并且所示的步骤可以组合或进一步细化以实现本文所描述的方法。仅结合一个实施例讨论的动作、元件和特征不旨在排除在其他实施例中的类似作用。

如本文所使用的，“多个”意指两个或更多个。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，无论是在书面说明书或权利要求书中，术语“包含”、“包括”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”等应理解为开放式的，即意味着包括但不仅限于。仅过渡短语“由……组成”和“基本由……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，但仅用作标签，以将具有特定名称的一个权利要求元素与具有相同名称(但使用顺序术语)的另一元素区分开以区分权利要求元素。如本文所使用的，“和/或”意味着所列项目是备选方案，但备选方案还包括所列项目的任何组合。

Claims (20)

1.一种声学滤波器件，包括：

基板；

压电板，所述压电板的第一部分跨越所述基板中的第一空腔，并且所述压电板的第二部分跨越所述基板中的第二空腔；

解耦介电层，在所述压电板的所述第一部分和所述第二部分的前表面上，所述解耦介电层在所述第一部分上具有第一厚度td1，并且在所述第二部分上具有比所述第一厚度大的第二厚度td2；以及

第一叉指换能器IDT和第二IDT，所述第一IDT的交错指在所述压电板的所述第一部分之上的解耦介电层上，并且所述第二IDT的交错指在所述压电板的所述第二部分之上的解耦介电层上。

2.根据权利要求1所述的器件，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每个IDT的相应射频信号在所述压电板的相应部分中激发剪切主声波。

3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述压电板是旋转Y切割铌酸锂。

4.根据权利要求1所述的器件，其中，所述解耦介电层包括氧化物和氮化物中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的器件，其中，所述解耦介电层包括二氧化硅。

6.根据权利要求1所述的器件，其中，所述解耦介电层的所述第一厚度和所述第二厚度通过以下公式相关：0≤td1＜td2≤tp，其中，tp是所述压电板的厚度。

7.一种滤波器件，包括：

基板；

压电板，具有前表面和后表面，所述后表面附接到所述基板，所述压电板包括跨越所述基板中的相应空腔的多个振膜；

解耦介电层，在所述振膜的前表面上；以及

导体图案，包括相应多个谐振器的多个叉指换能器IDT，所述相应多个谐振器包括一个或多个串联谐振器和一个或多个并联谐振器，其中，

所述多个IDT中的每个IDT的交错指在相应振膜之上的解耦介电层上，并且

在所述一个或多个串联谐振器的振膜上的解耦介电层具有第一厚度td1，并且在所述一个或多个并联谐振器的振膜上的解耦介电层具有比所述第一厚度大的第二厚度td2。

8.根据权利要求7所述的滤波器件，其中，所有所述多个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相应振膜中激发剪切声波。

9.根据权利要求7所述的滤波器件，其中，所述压电板是旋转Y切割铌酸锂。

10.根据权利要求7所述的滤波器件，其中，所述解耦介电层包括氧化物和氮化物中的一种或多种。

11.根据权利要求7所述的滤波器件，其中，所述解耦介电层包括二氧化硅。

12.根据权利要求7所述的滤波器件，其中，所述解耦介电层的所述第一厚度和所述第二厚度通过以下公式相关：0≤td1＜td2≤tp，其中，tp是所述压电板的厚度。

13.根据权利要求7所述的滤波器件，所述导体图案还包括：

导体，用于连接梯式滤波器电路中的多个谐振器。

14.一种在压电板上制造滤波器件的方法，所述压电板具有前表面和后表面，所述后表面附接到基板，所述方法包括：

在所述基板中形成多个空腔，使得所述压电板的部分形成跨越相应空腔的对应多个振膜；

在所述振膜的前表面上形成解耦介电层；以及

形成导体图案，所述导体图案包括相应多个谐振器的多个叉指换能器IDT，所述相应多个谐振器包括一个或多个串联谐振器和一个或多个并联谐振器，其中，

所述多个IDT中的每个IDT的交错指在相应振膜之上的解耦介电层上，并且

在所述一个或多个串联谐振器的振膜上的解耦介电层具有第一厚度td1，并且在所述一个或多个并联谐振器的振膜上的解耦介电层具有比所述第一厚度大的第二厚度td2。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所有所述多个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相应振膜中激发剪切声波。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述压电板是旋转Y切割铌酸锂。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述解耦介电层包括氧化物和氮化物中的一种或多种。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述解耦介电层包括二氧化硅。

19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述解耦介电层的所述第一厚度和所述第二厚度通过以下公式相关：0≤td1＜td2≤tp，其中，tp是所述压电板的厚度。

20.根据权利要求14所述的方法，所述导体图案还包括：

导体，用于连接梯式滤波器电路中的多个谐振器。