DE102007024462A1

DE102007024462A1 - Piezoelektrische Resonatorstrukturen und elektrische Filter

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Publication number: DE102007024462A1
Application number: DE102007024462A
Authority: DE
Inventors: Richard C. Menlo Park Ruby
Original assignee: Avago Technologies Wireless IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2006-05-31
Filing date: 2007-05-25
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2027-05-26
Also published as: US7629865B2; KR100863876B1; JP2007325269A; US20070279153A1; KR20070115758A; JP4680235B2; DE102007024462B4

Abstract

Akustische Filmvolumenresonatoren (FBARs) und gestapelte FBARs (SBARs), die zumindest zwei gekrümmte Kanten umfassen, sind offenbart.

Description

In vielen elektronischen Anwendungen werden elektrische Resonatoren benötigt. In vielen drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen z. B. werden Hochfrequenz- (HF-) und Mikrowellenfrequenz-Resonatoren als Filter verwendet, um Empfang und Sendung von Signalen zu verbessern. Filter umfassen typischerweise Induktoren und Kondensatoren und in letzter Zeit Resonatoren.
Wie zu erkennen sein wird, ist es wünschenswert, die Größe von Komponenten elektronischer Vorrichtungen zu reduzieren. Viele bekannte Filtertechnologien stellen eine Barriere für eine Miniaturisierung des gesamten Systems dar. Mit dem Bedarf, eine Komponentengröße zu reduzieren, hat sich eine Klasse von Resonatoren, die auf dem piezoelektrischen Effekt basieren, hervorgetan. In Resonatoren auf piezoelektrischer Basis werden akustische Resonanzmoden in dem piezoelektrischen Material erzeugt. Diese Schallwellen werden zur Verwendung in elektrischen Anwendungen in elektrische Wellen umgewandelt.
Ein Typ eines piezoelektrischen Resonators ist ein akustischer Filmvolumenresonator (FBAR; FBAR = Film Bulk Acoustic Resonator). Der FBAR besitzt den Vorteil einer kleinen Größe und eignet sich für Integrierte-Schaltung- (IC-) Herstellungswerkzeuge und -techniken. Der FBAR umfasst einen akustischen Stapel, der unter anderem eine Schicht aus piezoelektrischem Material, die zwischen zwei Elektroden angeordnet ist, aufweist. Schallwellen erzielen eine Resonanz über den akustischen Stapel hinweg, wobei die Resonanzfrequenz der Wellen durch die Materialien in dem akustischen Stapel bestimmt wird.
FBARs ähneln im Prinzip akustischen Volumenresonatoren, wie z. B. Quarz, sind jedoch herunterskaliert, um bei GHz-Frequenzen in Resonanz zu sein. Da die FBARs Dicken in der Größenordnung von Mikrometern und Längen- und Breitenabmessungen von Hunderten von Mikrometern aufweisen, stellen FBARs vorzugsweise eine vergleichsweise kompakte Alternative zu bekannten Resonatoren bereit.
Wünschenswerterweise regt der akustische Volumenresonator nur Dickenerstreckungs-Moden (TE-Moden; TE = thicknessextensional) an, die mechanische Longitudinalwellen mit Ausbreitungs- (k-) Vektoren in der Ausbreitungsrichtung sind. Die TE-Moden bewegen sich vorzugsweise in der Richtung der Dicke (z. B. z-Richtung) der piezoelektrischen Schicht.
Leider gibt es neben den erwünschten TE-Moden laterale Moden, die als Rayleigh-Lamb-Moden bekannt sind, die ebenso in dem akustischen Stapel erzeugt werden. Die Rayleigh-Lamb-Moden sind mechanische Wellen mit k-Vektoren, die senkrecht zu der Richtung der TE-Moden, den erwünschten Betriebsmoden, sind. Diese lateralen Moden bewegen sich in den Flächenabmessungen (x-, y-Richtung des vorliegenden Beispiels) des piezoelektrischen Materials.
Unter anderen nachteiligen Beeinflussungen besitzen laterale Moden schädliche Auswirkungen auf das Durchlassbandansprechen eines FBAR-Filters. Insbesondere richten die Rayleigh-Lamb-Moden diskrete Moden bei Resonanzfrequenzen ein, die durch die lateralen Abmessungen des Resonators bestimmt werden. Das Ergebnis besteht darin, dass man bei einer Messung des Einfügungsverlusts des Durchlassbandabschnitts des Filters „Welligkeiten" oder „Getöse" in dem Durchlassband sehen kann, wo Energie, die auf das Filter auftrifft, nicht zu dem Ausgang durchgelassen wird, sondern als Wärme- oder andere mechanische Energie „herausgesaugt" und umgewandelt wird.
Während Versuche unternommen wurden, den Einfügungsverlust sowie den Qualitätsfaktor (Q-Faktor) bekannter FBARs zu verbessern, bleiben bestimmte Nachteile bestehen. Zusätzlich besteht, da Wafer-„Grund" hoch im Kurs steht, ein Bedarf, die Nutzung des gesamten Waferflächeneinheit innerhalb der Grenzen, die eine elektrostatische Entladung erlaubt, zu maximieren.
Deshalb werden eine akustische Resonatorstruktur und ein elektrisches Filter benötigt, die zumindest die oben beschriebenen bekannten Mängel überwinden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Resonator, eine elektrische Resonatorstruktur oder ein elektrisches Filter mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Resonator gemäß Anspruch 1, eine elektrische Resonatorstruktur gemäß Anspruch 11 oder ein elektrisches Filter gemäß Anspruch 23 gelöst.
Gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel umfasst ein elektrischer Resonator eine erste Elektrode, die zumindest zwei gekrümmte Kanten und zumindest eine im Wesentlichen lineare Kante aufweist. Der Resonator umfasst eine zweite Elektrode mit zumindest zwei gekrümmten Kanten und zumindest einer im Wesentlichen linearen Kante. Zusätzlich umfasst der Resonator eine Schicht aus piezoelektrischem Material, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei sich Dickenerstreckungs- (TE-) Moden entlang einer Dicke der Schicht ausbreiten.
Gemäß einem weiteren veranschaulichenden Ausführungsbeispiel umfasst eine elektrische Resonatorstruktur eine Mehrzahl elektrischer Resonatoren. Jeder der elektrischen Resonatoren umfasst: eine erste Elektrode mit zumindest zwei gekrümmten Kanten und zumindest einer im Wesentlichen linearen Kante; eine zweite Elektrode mit zumindest zwei gekrümmten Kanten und zumindest einer im Wesentlichen linearen Kante; und eine Schicht aus piezoelektrischem Material, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Dickenerstreckungs- (TE-) Moden breiten sich entlang einer Dicke der Schicht aus.
Gemäß wiederum einem weiteren veranschaulichenden Ausführungsbeispiel umfasst ein elektrisches Filter einen oder mehrere Resonatoren. Jedes der elektrischen Filter umfasst eine erste Elektrode mit zumindest zwei gekrümmten Kanten und zumindest einer im Wesentlichen linearen Kante; eine zweite Elektrode mit zumindest zwei gekrümmten Kanten und zumindest einer im Wesentlichen linearen Kante; und eine Schicht aus piezoelektrischem Material, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei sich Dickenerstreckungs- (TE-) Moden entlang einer Dicke der Schicht ausbreiten.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei hervorgehoben wird, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, wobei tatsächlich die Abmessungen für eine klare Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein könnten, und wobei sich gleiche Bezugszeichen, wo dies passend und praktisch ist, auf gleiche Elemente beziehen. Es zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines FBAR gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel;
2 eine Querschnittsansicht eines gestapelten akustischen Volumenresonators (SBAR; SBAR = stacked bulk acoustic resonator) gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel;
3 eine Draufsicht einer Elektrode eines elektrischen Resonators gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel;
4 eine Draufsicht eines Arrays von Elektroden elektrischer Resonatoren gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel;
5A eine Querschnittsansicht eines Filters, das mehr als einen FBAR aufweist, gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel;
5B eine Draufsicht des in 5A im Querschnitt gezeigten Filters; und
6 eine Draufsicht einer Elektrode eines elektrischen Resonators gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel.
Die Ausdrücke „einer/e/es", wie sie hierin verwendet werden, sind als einer/e/es oder mehr als einer/e/es definiert.
Der Ausdruck „Mehrzahl", wie er hierin verwendet wird, ist als zwei oder mehr als zwei definiert.
Der Ausdruck „gekrümmt", wie er hierin verwendet wird, ist als zumindest ein Abschnitt einer Ebenenkrümmung eines konischen Abschnitts; oder als eine Krümmung oder glatt abgerundete Biegung aufweisend oder durch dieselbe gekennzeichnet definiert.
Der Ausdruck „konvex", wie er hierin verwendet wird, ist als eine Oberfläche oder Grenze aufweisend definiert, die gekrümmt ist oder sich nach außen wölbt, als das Äußere einer Kugel.
Der Ausdruck „konkav", wie er hierin verwendet wird, ist als eine Oberfläche oder Begrenzung aufweisend definiert, die sich nach innen krümmt.
In der folgenden detaillierten Beschreibung sind zu Erläuterungszwecken und nicht als Einschränkung spezifische Details dargelegt, um ein gründliches Verständnis veranschaulichender Ausführungsbeispiele gemäß den vorliegenden Lehren bereitzustellen. Es wird für einen durchschnittlichen Fachmann auf dem Gebiet, der in den Vorzug der vorliegenden Beschreibung gekommen ist, jedoch ersichtlich sein, dass weitere Ausführungsbeispiele gemäß den vorliegenden Lehren, die von den hierin offenbarten spezifischen Details abweichen, innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche verbleiben. Ferner könnten Beschreibungen bekannter Vorrichtungen und Verfahren weggelassen sein, um so die Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsbeispiele nicht zu verschleiern. Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind klar innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Lehren.
1 ist eine Querschnittsansicht einer elektrischen Resonatorstruktur 100 gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel. Beispielhaft ist die Struktur 100 eine FBAR-Struktur. Die Resonatorstruktur 100 umfasst eine Schicht aus piezoelektrischem Material 101, die eine erste Oberfläche, die in Kontakt mit einer ersten Elektrode 102 steht, und eine zweite Oberfläche aufweist, die in Kontakt mit einer zweiten Elektrode 103 steht. Die Elektroden 102, 103 umfassen ein elektrisch leitfähiges Material und stellen ein oszillierendes elektrisches Feld in der z-Richtung bereit, die die Richtung der Dicke der Schicht 101 ist. Wie hierin noch detaillierter beschrieben wird, ist bei dem vorliegenden veranschaulichenden Ausführungsbeispiel die z-Achse die Achse für die TE- (Longitudinal-) Mode/n für den Resonator.
Die piezoelektrische Schicht 101 und die Elektroden 102, 103 sind über einem Hohlraum 104 aufgehängt, der durch das selektive Ätzen eines Substrats 105 gebildet wird, das Silizium oder ein anderes Halbleiter- oder ein weiteres geeignetes Material sein könnte. Entsprechend ist der Resonator 100 ein mechanischer Resonator, der elektrisch über die piezoelektrische Schicht gekoppelt sein kann. Bei Verbindung mit anderen Resonatoren 100 kann das resultierende Array von Resonatoren als ein elektrisches Filter wirken. Weitere Aufhängungsschemata, die eine mechanische Resonanz der FBARs ermöglichen, sind möglich. Der Resonator 100 kann z. B. über einem fehlangepassten akustischen Bragg-Reflektor (nicht gezeigt), der in oder auf einem Substrat gebildet ist, angeordnet sein, wie durch Lakin in dem U.S.-Patent Nr. 6,107,721 offenbart ist, dessen Offenbarung in dieser Beschreibung in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme gezielt aufgenommen ist.
Die Resonatorstruktur 100 könnte gemäß bekannten Halbleiterverarbeitungsverfahren und unter Verwendung bekannter Materialien hergestellt werden. Beispielhaft könnte die Struktur 100 gemäß den Lehren der U.S.-Patente 5,587,620, 5,873,153 und 6,507,583 von Ruby u. a. hergestellt werden. Die Offenbarungen dieser Patente sind hierin durch Bezugnahme gezielt aufgenommen. Es wird hervorgehoben, dass die in diesen Patenten beschriebenen Verfahren darstellend sind und weitere Verfahren zur Herstellung und weitere Materialien innerhalb des Gebiets eines durchschnittlichen Fachmanns auf dem Gebiet in Betracht kommen.
Wie bereits angemerkt wurde, werden auf das Anlegen des elektrischen Wechselfeldes entlang der z-Richtung der piezoelektrischen Schicht 101 hin mechanische Wellen in die Schicht 101 abgegeben. Die mechanischen Wellen, die nützlich bei der Bildung eines Resonators sind, sind die Longitudinalwellen mit einem k-Vektor in der z-Richtung. Für eine bestimmte Phasenschallgeschwindigkeit in dem Material ist die mechanische Resonanzfrequenz diejenige, für die die Halbwellenlänge der Schallwelle, die sich longitudinal in der Vorrichtung ausbreitet, gleich der Gesamtdicke der Vorrichtung ist. Für die erwünschte TE- (oder Dilatations-) Mode in der z-Richtung ist die Resonanzfrequenz (f_d) durch (c_TE/2L) gegeben, wobei c_TE die Schallgeschwindigkeit der TE-Mode ist. Der Term „L" ist die gewichtete Gesamtdicke (z-Richtung) der piezoelektrischen Schicht 101 und der Metallelektroden, die die piezoelektrische Schicht sandwichartig umgeben. Die Gewichtungsfunktion wird durch die unterschiedlichen Geschwindigkeiten von Schall für die Elektroden verglichen mit der piezoelektrischen Schicht bewirkt.
Wie für einen durchschnittlichen Fachmann auf dem Gebiet zu erkennen sein wird, kann, da die Schallgeschwindigkeit vier Größenordnungen kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit, der resultierende Resonator 100 verglichen mit bekannten elektrischen Resonatoren ziemlich kompakt sein. In Anwendungen z. B., die ein Filtern in dem GHz-Bereich erforderlich machen, könnte der Resonator mit Flächenabmessungen (x, y gemäß dem gezeigten Koordinatensystem) in der Größenordnung von 100 bis 200 Mikrometern und einer Dicke (z-Richtung) von einigen Mikrometern oder weniger aufgebaut sein.
2 ist eine Querschnittsansicht eines SBAR 200 gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel. Der SBAR 200 weist gestapelte FBAR-Strukturen auf, die mechanisch gekoppelt sind. Wie bekannt ist, könnte der SBAR 200 als ein elektrisches Durchlassbandfilter eingesetzt werden. Der SBAR 200 umfasst eine erste Schicht aus piezoelektrischem Material 201 und eine zweite Schicht aus piezoelektrischem Material. Eine erste Elektrode 203 ist unterhalb der ersten Schicht 201 angeordnet und eine zweite Elektrode 204 ist über der zweiten Schicht 202 angeordnet. Eine dritte Elektrode 205 ist zwischen der ersten und der zweiten Schicht 201, 202 angeordnet. Ein elektrisches Signal über die erste und die dritte Elektrode 203, 205 bei der Resonanzfrequenz der ersten Schicht 201 überträgt mechanische Energie an die zweite Schicht 202. Die erzeugten mechanischen Oszillationen werden in elektrische Signale über die zweite und dritte Elektrode 205 bzw. 204 umgewandelt.
Wie bereits angemerkt wurde, sind Rayleigh-Lamb- (laterale) Moden in den x, y-Abmessungen der piezoelektrischen Schichten 101, 201, 202. Diese lateralen Moden werden bewirkt durch eine Grenzflächenmodenumwandlung der Longitudinalmodenbewegung in der z-Richtung; und bewirkt durch die Erzeugung von Ausbreitungsvektoren ungleich Null, k_x und k_y, für sowohl die TE-Mode als auch die verschiedenen lateralen Moden (z. B. die S0-Mode und die nullte und erste Biegemode A0 und A1), die bewirkt werden durch die Differenz effektiver Geschwindigkeiten zwischen den Regionen, in denen Elektroden angeordnet sind, und den umliegenden Regionen des Resonators, in denen sich keine Elektroden befinden. Eine Modenumwandlung tritt auf, wenn eine Welle auf eine Grenzfläche zwischen Materialien mit unterschiedlicher akustischer Impedanz trifft und der Einfallswinkel nicht normal zu der Grenzfläche ist. Wenn z. B. Longitudinalwellen in einem Winkel auf eine Grenzfläche einfallen, kann ein Teil der Wellenenergie eine Teilchenbewegung in der transversalen Richtung bewirken, um eine Scher- (transversale) Welle zu starten. So kann eine Longitudinalwelle, die auf eine Grenzfläche unähnlicher Materialien einfällt, zu der Reflexion von Longitudinal- und Scherwellen führen. Ferner können diese reflektierten Wellen sich in dem Material überlagern (mischen).
Beispielhaft könnten an der Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht 101, 201, 202 und eines weiteren Materials (z. B. Luft oder Metall) Longitudinalmoden, die sich in einer Richtung nahe zu (jedoch nicht exakt) der z-Richtung bewegen, eine Modenumwandlung in Scher-Vertikal- (SV-) und Longitudinalebenen- (P-) Wellen erfahren, die zurück in die piezoelektrische Schicht reflektiert werden können. Die ersten vier Moden (Eigenlösungen), die als Rayleigh-Lamb- Wellen bezeichnet werden, können in den lateralen Richtungen gestartet werden. Diese ersten vier Rayleigh-Lamb-Moden sind die symmetrische (S₀) und antisymmetrische (A₀) Mode nullter Ordnung; und die symmetrische (S₁) und antisymmetrische (A₁) Lamb-Mode erster Ordnung.
Unabhängig von ihrer Quelle sind die lateralen Lamb-Moden in vielen Resonatoranwendungen parasitär. Die parasitären lateralen Moden entfernen z. B. Energie, die für die Longitudinalmoden verfügbar ist, und können den Q-Faktor der Resonatorvorrichtung reduzieren. Bemerkenswerterweise können starke Q-Reduzierungen auf einem Q-Kreis des Smith-Diagramms des S₁₁-Parameters beobachtet werden. Diese starken Q-Reduzierungen sind als „Rasseln" bekannt. Ferner ist in einer Darstellung des Einfügungsverlustes (ln (P_out/P_in)) gegenüber der Frequenz ein Energieverlust als Reduzierungen bei dem Einfügungsverlust entsprechend Resonanzfrequenzen der parasitären lateralen Moden zu beobachten. Diese Verluste werden oft als „Aussaugen" bezeichnet.
Gemäß veranschaulichenden Ausführungsbeispielen, die hierin vollständiger beschrieben sind, wurden Maßnahmen unternommen, um den Betrag der Aussaugungen in der Durchlassbandantwort eines Filters und Rasseln bei einer Q-Kreis-Messung eines einzelnen Resonators zu reduzieren.
Eine derartige Maßnahme ist als Apodisation bekannt. Die Apodisation weist ein Herstellen einer piezoelektrischen Resonanzstruktur, bei der keine zwei Kanten parallel sind und der Winkel zwischen zwei Kanten nicht 90° oder rationale Winkel beträgt, auf. Durch ein Bereitstellen von nicht parallelen Kanten und Winkeln, die keine rechten Winkel sind, zwischen Kanten wird die effektive Weglänge der lateralen Mode erhöht. Diese Erhöhung der effektiven Weglänge senkt die Frequenzen der parasitären Grundmoden.
Darstellend ist für einen quadratischen oder rechteckigen Resonator, der durch die Elektroden gebildet ist, die Frequenz der n-ten lateralen Mode folgendermaßen gegeben: fn = CRL * n/(2 * L)wobei n = 1, 2, 3, 4 ...; C_RL die akustische Geschwindigkeit einer bestimmten Rayleigh-Lamb-Mode ist; und L die Entfernung zwischen den beiden Kanten ist, die durch die Elektrode definiert sind. Der Faktor „2" ist durch die Tatsache bewirkt, dass die Energie der lateralen Mode von einer Kante zu der anderen gegenüberliegenden Kante und dann zurück laufen muss, insgesamt eine (Hin- und Zurück-) Bewegungslänge von 2 * L.
Wenn jedoch eine Rayleigh-Lamb-Mode von der Kante eines apodisierten Resonators gestartet wird, führt der Weg der Rayleigh-Lamb-Welle zu Mehrfachreflexionen von allen Kanten des Resonators. Es kann gezeigt werden, dass die effektive „Hin- und Zurück"- Weglänge nun viele Male größer ist als nur 2 * L. Normalerweise sind die Flächenabmessungen eines quadratischen Resonators in der Größenordnung von 100 Mal derjenigen der Dicke. Die Weglänge für einen „Hin- und Zurückweg" für einen quadratischen oder rechteckigen Resonator beträgt 2 * L, wobei L die Entfernung zwischen den gegenüberliegenden Kanten ist.
Aufgrund der Apodisation gibt es nur Harmonische höherer Ordnung der lateralen Grundmoden in dem Durchlassband. Wie bekannt ist, ist die Kopplung der Longitudinalmode entlang der z-Richtung zu einer lateralen Mode umgekehrt proportional zu der Ordnung der lateralen Mode. So koppelt die zehnte Harmonische 1/10 der Energie im Vergleich zu einer Grundmode.
Obwohl eine Apodisation zu einer größeren Anzahl lateraler Grundmoden und deren Harmonischen führt, sind, da die Kopplung zu lateralen Harmonischen höherer Ordnung umge kehrt proportional zu der Ordnung der Mode ist, ein „Glätten" der Q-Kurve in dem Smith-Diagramm über bestimmte Frequenzbereiche anzutreffen, mit einer größeren Anzahl von Rasselvorkommnissen, jedoch einem viel kleineren Betrag. Weitere Details der Apodisation sind zu finden in: U.S.-Patent 6,215,375 von Larson III u. a.; und „The Effect of Perimeter Geometry on FBAR Resonator Electrical Performance" von Richard Ruby u. a., Microwave Symposium Digest, 2005 IEEE MTT-S International, Seiten 217-221 (12. Juni 2005). Die Offenbarungen dieses Patents und dieser Schrift sind hierin gezielt in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen.
Gemäß veranschaulichenden Ausführungsbeispielen, die hierin ebenso beschrieben sind, wird das Verhältnis der Fläche zu dem Umfang erhöht, um den Q-Faktor zu verbessern. Insbesondere stellen die lateralen Moden, die durch eine Modenumwandlung erzeugt werden, auf einen Einfall auf den Umfang des FBAR-Resonators, wie durch die überlappenden Elektroden definiert ist, eine Verlustenergie dar. So wird zumindest ein Teil der Energie der lateralen Mode an der Grenzfläche der piezoelektrischen Schicht/Elektrode und des Trägersubstrats oder Rahmens durchgelassen. Während etwas Energie als eine Reflexion gemäß Grenzbedingungen erhalten bleibt, geht jedes Mal, wenn eine Welle (reflektiert oder anderweitig) auf die Kante des Resonators einfällt, etwas Energie verloren. So reduziert für eine bestimmte Fläche ein Reduzieren des Umfangs einen Verlust und erhöht den Q-Faktor. So ist es für eine bestimmte Fläche der Schicht aus piezoelektrischem Material nützlich, die Länge des Umfangs zu reduzieren.
Das Verhältnis von Fläche zu Umfang für eine bestimmte Fläche ist in einem Kreis am größten. Eine Ellipse besitzt das nächst größere Verhältnis und die niedrigsten Verhältnisse sind in geometrischen Manhattan-Strukturen, wie z. B. Quadraten oder Dreiecken, zu finden. Kreise sind in FBAR-Anwendungen aufgrund ziemlich starker transversaler latera ler Moden oft nicht wünschenswert (analog ist bei rechteckigen Koordinaten, wo die Wellenlösung eine sinusförmige Funktion ist, die Eigenfunktion für einen Kreis eine Bessel-Funktion). Im Gegensatz dazu könnten Ellipsen und andere „gekrümmte" Geometrien hilfreich sein. Wie jedoch bereits angemerkt wurde, steht jedoch Wafergrund immer hoch im Kurs, so dass eine Packdichte von FBARs während der Herstellung und in einem Array eines fertigen Produkts nützlicherweise innerhalb ESD-Grenzen erhöht wird, was es erforderlich macht, dass Bauelemente einander nicht näher als etwa 20 μm sind.
Wie zu erkennen ist, sind gekrümmte Geometrien unter denjenigen, die am wenigsten förderlich für eine verbesserte Packdichte sind, und Manhatten-Geometrien sind am förderlichsten. So werden gemäß vorliegend beschriebenen veranschaulichenden Ausführungsbeispielen gekrümmte Geometrien und (apodisierte) Manhatten-Geometrien kombiniert, um den Q-Faktor bzw. die Packdichte zu verbessern.
3 ist eine Draufsicht einer Elektrode 300 gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel. Die Elektrode 300 könnte eine von Elektroden 103, 205 sein, die zuvor beschrieben wurden, und könnte so eine Komponente des FBAR 100 oder des SBAR 200, die zuvor beschrieben wurden, sein.
Die Elektrode 300 umfasst zumindest zwei Kanten, die gekrümmt sind. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine erste gekrümmte Kante 301 angrenzend an eine zweite gekrümmte Kante 302. Während bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei gekrümmte Kanten vorgesehen sind, ist es möglich, andere Geometrien mit mehr als zwei gekrümmten Kanten zu verwenden. Es ist jedoch zu erkennen, dass konkave Kanten wirksam das Verhältnis von Fläche zu Umfang für die gleiche Bogenlänge der gekrümmten Kante senken können. Dies ist deshalb kontraproduktiv und könnte für den Q-Faktor des Resonators nachteilig sein. So sind gemäß den veranschaulichenden Ausführungsbeispielen die gekrümmten Kanten konvex und nicht konkav.
Vorzugsweise erhöhen die gekrümmten Kanten 301, 302 das Verhältnis von Fläche zu Umfang und reduzieren so einen Energieverlust an parasitäre Moden und verbessern den Q-Faktor von Resonatoren, die die geformten Kanten beinhalten.
Die Elektrode 300 umfasst außerdem eine erste lineare Kante 303 und eine zweite lineare Kante 304. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die erste und die zweite lineare Kante 303, 304 angrenzend. Die linearen Kanten 302 und 303 sind nicht parallel und nicht in einem rechten Winkel relativ zueinander. So sind die linearen Kanten 302, 303 apodisiert und „glätten" nützlicherweise Rasseln und Aussaugungen durch Verteilen der Energie der lateralen Moden über eine Anzahl von Harmonischen. Zusätzlich und wie hierin beschrieben ist, sind die linearen Kanten 303, 304 besonders für die Packdichte von Vorteil.
Bei dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel gibt es zwei lineare Kanten. Gemäß den vorliegenden Lehren jedoch könnte es mehr lineare Kanten geben; und es muss eine lineare Kante geben. Unabhängig von der Anzahl sind die linearen Kanten ausgewählt, um nicht parallel zu sein und rechte Winkel zwischen angrenzenden Kanten zu vermeiden und andere rationale Winkel (z. B. 30°, 45°, 60° usw.) zu vermeiden. Allgemein bilden keine zwei linearen Kanten einen Winkel von mod pπ/q, wobei p und q Ganzzahlen sind.
4 ist eine Draufsicht eines Abschnitts eines Substrats 400, das eine Mehrzahl von Elektroden 300 umfasst, die ein Array 401 von Elektroden bilden, gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel. Das Array 401 könnte einige der Elektroden 300 sein, die über einem Substrat 400 gebildet sind. Bemerkenswerterweise könnten die Formen der Elektroden des Arrays im Wesentlichen gleich sein, wobei dies jedoch nicht erforderlich ist.
Wie durch die gestrichelten Linien angezeigt ist, könnte das Array 401 in dem gleichen oder einem anderen Muster wie gezeigt zusätzliche Elektroden (nicht gezeigt) von Resonatoren gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen umfassen. Die zusätzlichen Elektroden weisen in Erfüllung der vorliegenden Lehren, um den Q-Faktor der Resonatoren zu verbessern und die Packdichte der Resonatoren zu erhöhen, gekrümmte und lineare Kanten auf. Alternativ könnte das Array 401 ein Abschnitt einer Resonatorstruktur sein, der eine ausgewählte Anzahl von Resonatoren in einer FBAR- oder SBAR-Vorrichtung aufweist. Bemerkenswerterweise liegt oft in einer Vorrichtung eine Mehrzahl einzelner Resonatoren vor.
Eine Metallisierung (nicht gezeigt) für Kontakte und elektrische Verbindungen, eine oder mehrere piezoelektrische Schichten (nicht gezeigt) und andere Elemente innerhalb des Gebiets eines durchschnittlichen Fachmanns auf dem Gebiet sind über dem Substrat 400 vorgesehen. Diese und andere Elemente sind durch Verfahren, die in dem beinhalteten Patent von Larson u. a. beschrieben sind, oder andere bekannte Verfahren in oder über dem Substrat hergestellt. Das Array 401 könnte dann zum weiteren Häusen vereinzelt werden.
Wie gezeigt ist, ist das Array 401 so ausgelegt, dass die linearen Kanten nächstgelegener Elektroden im Wesentlichen angrenzend sind. So sind Kanten 402 und 304 jeweiliger Elektroden, die linear sind, ausgerichtet, um angrenzend zu sein, und verbessern so eine Packdichte. Ferner sind die Kanten 305 ebenso angrenzend, um eine Packdichte zu verbessern. Bei veranschaulichenden Ausführungsbeispielen sind die angrenzenden Kanten nächstgelegener Elektroden linear, während die gekrümmten Kanten dieser Elektroden nicht angrenzend sind. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen sind gekrümmte Kanten nicht angrenzend an andere gekrümmte Kanten.
Bei dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel aus 4 weist das Array Elektroden 300 auf, die im Wesentlichen identisch sind. Die vorliegenden Lehren rechnen jedoch damit, dass zumindest eine Elektrode 300 des Arrays 401 nicht gleich wie die anderen ist. Um z. B. die Packdichte zu verbessern, könnten eine oder mehrere der Elektroden eine unterschiedliche Form besitzen, obwohl sie die zumindest zwei gekrümmten Kanten und zumindest eine lineare Kante mit Apodisation, wie erforderlich ist, umfassen. Bei einem weiteren Beispiel könnten Elektroden mit stärker gekrümmten Kanten entlang der Kanten des Arrays 401 verwendet werden, um den Q-Faktor zu verbessern. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen sind. die Geometrien der Elektroden unterschiedlich, das Verhältnis der Fläche zu dem Umfang jedoch ist im Wesentlichen gleich; und bei anderen Ausführungsbeispielen sind die Verhältnisse nicht gleich.
Es wird hervorgehoben, dass das Array 401 lediglich veranschaulichend für die Geometrien ist, die die vorliegenden Lehren erwarten. Allgemein wird eine Kombination von Kanten, die zumindest zwei gekrümmte Kanten und zumindest eine lineare Kante umfasst, ins Auge gefasst. Derartige alternative Geometrien sind innerhalb des Gebiets eines durchschnittlichen Fachmanns auf dem Gebiet, der in den Nutzen der vorliegenden Beschreibung gekommen ist.
5A ist eine Querschnittsansicht einer Filterstruktur 500 gemäß einem darstellenden Ausführungsbeispiel. Bei dem Ausführungsbeispiel sind zwei Resonatoren 501, 502 gezeigt. Natürlich ist dies lediglich veranschaulichend und mehr Resonatoren könnten beinhaltet sein. Das Array 401 von Resonatoren könnte z. B. verwendet werden, um die Filterstruktur 500 zu realisieren. Ferner könnten die Filterstruktur 500 und die Resonatorstruktur derselben gemäß den Lehren eines oder mehrerer der folgenden U.S.-Patente sein: 6,642,631 von Bradley u. a.; 6,377,137 und 6,469,597 von Ruby; 6,472,954 von Ruby u. a.; und 6,710,681 von Figueredo u. a. Die Offenbarungen der Patente sind hierin gezielt in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen.
Zusätzlich könnten die Resonatoren 501, 502 der Filterstruktur 500 gemäß den Lehren des U.S.-Patents 6,714,102 von Ruby u. a.; den U.S.-Patenten 6,874,211 und 6,787,048 von Bradley u. a.; und 6,946,928 von Larson III u. a. hergestellt sein. Die Offenbarungen der Patente sind hierin gezielt in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen. Es wird hervorgehoben, dass die in diesen Patenten beschriebenen Verfahren beispielhaft sind und weitere Verfahren zur Herstellung innerhalb des Gebiets eines durchschnittlichen Fachmanns auf dem Gebiet in Frage kommen.
Die Struktur 500 umfasst ein Substrat 503, das ein Halbleitersubstrat, wie z. B. Silizium, oder ein anderes geeignetes Material sein könnte. Der erste Resonator 501 umfasst eine erste Elektrode 505, die über einem Substrat 503 angeordnet ist, eine Schicht aus piezoelektrischem Material 504, die über der ersten Elektrode 505 angeordnet ist, und eine zweite Elektrode 506, die über der piezoelektrischen Schicht 504 angeordnet ist. Ein Hohlraum 507 ist in dem Substrat 503 gebildet und liefert eine Luftgrenzfläche zu dem akustischen Stapel des. ersten Resonators 501.
Der zweite Resonator 502 umfasst eine erste Elektrode 508 und eine zweite Elektrode 510, wobei sich die Schicht 504 zwischen den Elektroden befindet. Diese Schichten bilden den akustischen Stapel des zweiten Resonators 502 und sind über einem Hohlraum 511 angeordnet, der eine Luftgrenzfläche bereitstellt.
Jede der Elektroden 505, 506, 508 und 510 umfasst Kanten, wie z. B. diejenigen, die in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen der 1–4 beschrieben wurden. So werden die Packdichte, der Q-Faktor und Einfügungsverlustcharakteristika verbessert, wie oben beschrieben wurde.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Packdichte der Filterstruktur 500 durch die Bereitstellung linearer Kanten der Elektroden 505, 506, 508 und 510 als nächste Nachbarn verbessert. So ist die Region 509 die Beabstandung zwischen jeweiligen linearen Kanten.
5B ist eine Draufsicht der Filterstruktur 500. 5B zeigt die Merkmale der Elektroden klarer, die eine verbesserte Packdichte, einen verbesserten Q-Faktor bereitstellen, und „Aussaugungen" in dem Durchlassband des Filters reduzieren. Insbesondere sind, wie zuvor beschrieben wurde, die Elektroden 506, 510 so ausgerichtet, dass angrenzende Kanten lineare Kanten sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine lineare Kante der Elektrode 506 angrenzend an eine lineare Kante der Elektrode 510, wobei eine Region 509 zwischen den angrenzenden Kanten angeordnet ist. Bei einer weiteren Anordnung mit zusätzlichen Kanten könnten die verbleibenden linearen Kanten von Elektroden angrenzend an lineare Kanten nächstgelegener Elektroden (nicht gezeigt) angeordnet sein, um eine dichter gepackte Filterstruktur umzusetzen. Eine derartige Anordnung könnte z. B. so sein, wie in 4 gezeigt ist.
Schließlich sind, wie die zuvor beschriebenen Elektroden, zumindest zwei Kanten jeder Elektrode 506, 510 gekrümmt. Dies verbessert den Q-Faktor des Resonators und die zuvor erwähnten Einfügungsverlustcharakteristika.
6 ist eine Draufsicht einer Resonatorstruktur 600 gemäß einem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel. Die Resonatorstruktur 600 umfasst viele gemeinsame Merkmale, die in Verbindung mit den zuvor beschriebenen exemplarischen Ausführungsbeispielen beschrieben wurden. Viele dieser Merkmale, wie z. B. Struktur, Materialien und Herstellungstechniken, werden nicht wiederholt, um so eine Verschleierung der Beschreibung des vorliegenden Ausführungsbeispiels zu vermeiden.
Die Resonatorstruktur 600 umfasst eine Elektrode 601, die über einer Schicht aus piezoelektrischem Material 602 angeordnet ist, die über einem Substrat (nicht gezeigt) gebildet ist. Eine weitere Elektrode (nicht gezeigt), die im Wesentlichen identisch zu der Elektrode 601 ist, ist unterhalb der Schicht aus piezoelektrischem Material 602 angeordnet und ist mit der Elektrode 601 ausgerichtet, um eine Resonatorstruktur abzuschließen.
Die Elektrode 601 umfasst eine erste lineare Kante 603 und eine zweite lineare Kante 604, die angrenzend an die erste lineare Kante 603 ist. Die erste und die zweite lineare Kante 603, 604 sind nicht orthogonal und sind nicht in rationalen Winkeln angeordnet, wie zuvor beschrieben wurde.
Die Elektrode 601 umfasst außerdem eine erste gekrümmte Kante 605, eine zweite gekrümmte Kante 606 und eine dritte gekrümmte Kante 607. Die erste gekrümmte Kante 605 ist angrenzend an die zweite gekrümmte Kante 606, die angrenzend an die dritte gekrümmte Kante 607 ist.
In veranschaulichenden Ausführungsbeispielen könnte eine Mehrzahl von Elektroden über dem Substrat angeordnet sein. Wie zuvor beschrieben wurde, sind die linearen Kanten 603, 604 vorzugsweise angrenzend an lineare Kanten einer nächstgelegenen Elektrode (nicht gezeigt). Dies dient dazu, die Packdichte von Resonatoren, die über dem Substrat hergestellt werden, zu verbessern. In Mehrresonatoranwendungen (z. B. Filtern) reduziert die verbesserte Packdichte die Größe des resultierenden Bauelements.
Ferner und wie bereits angemerkt wurde, erhöht die Verwendung einer Mehrzahl gekrümmter Kanten vorzugsweise das Verhältnis von Fläche zu Umfang der Elektrode 601 und verbessert so den Q-Faktor der Resonatorstruktur 600 und die Einfügungsverlustcharakteristika eines elektrischen Filters, das die Resonatorstruktur 600 umfasst.
Gemäß veranschaulichenden Ausführungsbeispielen umfassen elektrische Resonatoren zumindest zwei gekrümmte Kanten und zumindest eine im Wesentlichen lineare Kante. Ein durchschnittlicher Fachmann auf dem Gebiet erkennt, dass viele Variationen, die gemäß den vorliegenden Lehren sind, möglich sind und innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche verbleiben. Diese und weitere Variationen würden für einen durchschnittlichen Fachmann auf dem Gebiet nach einer Durchsicht der Beschreibung, Zeichnungen und Ansprüche hierin klar werden. Die Erfindung soll deshalb außer innerhalb der Wesensart und des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche nicht eingeschränkt sein.

Claims

Elektrischer Resonator, der folgende Merkmale aufweist: eine erste Elektrode (102; 203) mit zumindest zwei gekrümmten Kanten und zumindest einer im Wesentlichen linearen Kante; eine zweite Elektrode (103; 204; 300) mit zumindest zwei gekrümmten Kanten und zumindest einer im Wesentlichen linearen Kante; und eine Schicht aus piezoelektrischem Material (101; 201), die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei sich Dickenerstreckungs(TE-) Moden entlang einer Dicke der Schicht ausbreiten.
Elektrischer Resonator gemäß Anspruch 1, bei dem keine der gekrümmten Kanten konkav ist.
Elektrischer Resonator gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste und die zweite Elektrode jeweils ferner zumindest eine andere im Wesentlichen lineare Kante aufweisen.
Elektrischer Resonator gemäß Anspruch 3, bei dem keine der linearen Kanten von entweder der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode parallel sind.
Elektrischer Resonator gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem keine zwei linearen Kanten von entweder der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode einen Winkel von mod pπ/q bilden, wobei p und q Ganzzahlen sind.
Elektrischer Resonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, der ferner folgende Merkmale aufweist: eine dritte Elektrode (205; 300) mit zumindest zwei gekrümmten Kanten und zumindest einer im Wesentlichen linearen Kante; und eine weitere Schicht aus piezoelektrischem Material (202), die zwischen der zweiten und der dritten Elektrode angeordnet ist, wobei sich TE-Moden entlang einer Dicke der weiteren Schicht aus piezoelektrischem Material ausbreiten.
Elektrischer Resonator gemäß Anspruch 6, bei dem keine der gekrümmten Kanten konkav ist.
Elektrischer Resonator gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem die dritte Elektrode ferner zumindest eine weitere im Wesentlichen lineare Kante aufweist.
Elektrischer Resonator gemäß Anspruch 8, bei dem keine der linearen Kanten der dritten Elektrode parallel sind.
Elektrischer Resonator gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem keine zwei linearen Kanten der dritten Elektrode einen Winkel von mod (pπ/q) bilden, wobei p und q Ganzzahlen sind.
Elektrische Resonatorstruktur, die folgende Merkmale aufweist: eine Mehrzahl elektrischer Resonatoren, wobei jeder der elektrischen Resonatoren folgende Merkmale aufweist: eine erste Elektrode (102; 203) mit zumindest zwei gekrümmten Kanten und zumindest einer im Wesentlichen linearen Kante; eine zweite Elektrode (103; 204; 300) mit zumindest zwei gekrümmten Kanten und zumindest einer im Wesentlichen linearen Kante; und eine Schicht aus piezoelektrischem Material (101; 201), die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei sich Dickenerstreckungs- (TE-) Moden entlang einer Dicke der Schicht ausbreiten.
Elektrische Resonatorstruktur gemäß Anspruch 11, bei der keine der gekrümmten Kanten konkav ist.
Elektrische Resonatorstruktur gemäß Anspruch 11 oder 12, bei der jede der Elektroden ferner zumindest eine weitere im Wesentlichen lineare Kante aufweist.
Elektrische Resonatorstruktur gemäß Anspruch 13, bei der keine der linearen Kanten der ersten Elektrode und keine der linearen Kanten der zweiten Elektrode parallel sind.
Elektrische Resonatorstruktur gemäß Anspruch 13 oder 14, bei der keine zwei linearen Kanten der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode einen Winkel von mod (pπ/q) bilden, wobei p und q Ganzzahlen sind.
Elektrische Resonatorstruktur gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, bei der die lineare Kante der ersten Elektrode angrenzend an die lineare Kante der zweiten Elektrode ist.
Elektrische Resonatorstruktur gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, bei der jeder der Mehrzahl elektrischer Resonatoren ferner folgende Merkmale aufweist: eine dritte Elektrode (205; 300) mit zumindest zwei gekrümmten Kanten und zumindest einer im Wesentlichen linearen Kante; und eine weitere Schicht aus piezoelektrischem Material (202), die zwischen der zweiten und der dritten Elektrode angeordnet ist, wobei sich TE-Moden entlang einer Dicke der weiteren Schicht aus piezoelektrischem Material ausbreiten.
Elektrische Resonatorstruktur gemäß Anspruch 17, bei der keine der gekrümmten Kanten konkav ist.
Elektrische Resonatorstruktur gemäß Anspruch 17 oder 18, bei der die dritte Elektrode ferner zumindest eine weitere im Wesentlichen lineare Kante aufweist.
Elektrische Resonatorstruktur gemäß Anspruch 19, bei der keine der linearen Kanten der dritten Elektrode parallel sind.
Elektrische Resonatorstruktur gemäß Anspruch 19 oder 20, bei der eine der linearen Kanten der dritten Elektrode angrenzend an die lineare Kanten der ersten Elektrode ist oder angrenzend an die lineare Kante der zweiten Elektrode ist.
Elektrische Resonatorstruktur gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, bei der keine zwei linearen Kanten der dritten Elektrode einen Winkel von mod pπ/q bilden, wobei p und q Ganzzahlen sind.
Elektrisches Filter (500), das folgende Merkmale aufweist: einen oder mehrere Resonatoren (501, 502), die jeweils folgende Merkmale umfassen: eine erste Elektrode (505, 508) mit zumindest zwei gekrümmten Kanten und zumindest einer im Wesentlichen linearen Kante; eine zweite Elektrode (506, 510) mit zumindest zwei gekrümmten Kanten und zumindest einer im Wesentlichen linearen Kante; und eine Schicht aus piezoelektrischem Material (504), die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist, wobei sich Dickenerstreckungs- (TE-) Moden entlang einer Dicke der Schicht ausbreiten.
Elektrisches Filter gemäß Anspruch 23, bei dem keine der gekrümmten Kanten konkav ist.
Elektrisches Filter gemäß Anspruch 23 oder 24, bei dem jede Elektrode ferner zumindest eine weitere im Wesentlichen lineare Kante aufweist.
Elektrisches Filter gemäß Anspruch 25, bei dem keine der linearen Kanten von entweder der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode parallel sind.
Elektrisches Filter gemäß Anspruch 25 oder 26, bei dem keine zwei linearen Kanten von entweder der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode einen Winkel von 90° bilden.