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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der US Anmeldung mit der Nummer US 12/646,084 in Anspruch, welche eine Continuation-in-Part Anmeldung der US 10/888,429 mit dem Titel ”Method of Producing a Topology-Optimized Electrode for a Resonator in Thin-Film Technology” ist, welche hierin als ”Stammanmeldung” bezeichnet wird und deren Offenbarung hierin ausdrücklich durch Bezugnahme aufgenommen wird.
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Hintergrund
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In vielen elektronischen Anwendungen werden elektrische Resonatoren verwendet. Zum Beispiel werden in vielen drahtlosen Kommunikationsvorrichtungen Radiofrequenz-(RF) und Mikrowellenfrequenz-Resonatoren als Filter verwendet, um den Empfang und die Übertragung von Signalen zu verbessern. Filter weisen typischerweise Induktivitäten und Kapazitäten und in neuerer Zeit Resonatoren auf.
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Wie einsichtig ist, ist es wünschenswert die Größe von Komponenten von elektronischen Vorrichtungen zu reduzieren. Viele bekannte Filtertechnologien stellen eine Grenze für die Miniaturisierung des Gesamtsystems dar. Mit der Notwendigkeit die Komponentengröße zu reduzieren, erwuchs eine Klasse von Resonatoren, welche auf dem piezoelektrischen Effekt basieren. In piezoelektrisch basierten Resonatoren werden akustische Resonanzmoden in dem piezoelektrischen Material erzeugt. Diese akustischen Wellen werden zum Verwenden in elektrischen Anwendungen in elektrische Wellen umgewandelt.
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Eine Art von piezoelektrischen Resonatoren ist ein Bulk-Akustik-Welle (bulk acoustiv wave; BAW) Resonator. Der BAW-Resonator weist ein Akustikstack auf, welches unter anderem eine Schicht von piezoelektrischem Material aufweist, welches zwischen zwei Elektroden angeordnet ist. Akustikwellen erzielen über das Akustikstack Resonanz, wobei die Resonanzfrequenz der Wellen durch die Materialien in dem Akustikstack bestimmt wird. Eine Art von BAW-Resonatoren weist einen piezoelektrischen Film für das piezoelektrische Material auf. Diese Resonatoren werden häufig als Film-Bulk-Akustik-Resonatoren (FBAR) bezeichnet.
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Bei der Produktion von Frequenzfiltern mit Dünnfilm Technologie FBARs wird die piezoelektrischen Schicht, z. B. eine AlN-Schicht, eine ZnO Schicht oder PZT Schicht, typischerweise mittels eines reaktiven Sputterprozesses abgeschieden. Der reaktive Sputterprozess wird bevorzugt, weil er relativ niedrige Prozesstemperaturen verlangt und Abscheidungsbedingungen bietet, die einfach zu steuern und reproduzieren sind. Zusätzlich führt der reaktive Sputterprozess zu einer hochqualitativen Dünnschicht.
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Ein Problem, welches mit der Produktion von Dünnschichten assoziiert ist, erwächst aus den spezifischen Aufwachsbedingungen von piezoelektrischen Schichten, in welchen Kristallite, die eine bestimmte bevorzugte Orientierung haben, schneller wachsen als diejenigen mit anderen Orientierungen. In Kombination mit der schlechten Kantenbedeckung eines Sputterprozesses führen diese spezifischen Wuchsbedingungen (growth conditions) der piezoelektrischen Schichten zu einer Formierung von Wuchsdefekten (growth defects) an den topologischen Stufen. Piezoelektrische Schichten, die solche Wuchsdefekte haben, können die Performance des FBAR beeinflussen. Zum Beispiel und neben anderen Betrachtungen bei der Herstellung von FBARs sind eine im Wesentlichen präzise Resonanzfrequenz und ein optimierter Qualitätsfaktor (Q). Neben anderen Betrachtungen ist die Optimierung von Q eines Resonators eine Optimierung des effektiven piezoelektrischen Koppelfaktor (kt 2) und eine Unterdrückung von Stör-(lateral)Moden. Wuchsdefekte und Ungleichmäßigkeiten in der piezoelektrischen Schicht können neben anderen Charakteristiken des FBAR die Präzision der Resonanzfrequenz und den Q-Faktor beeinträchtigen.
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Bestimmte Wuchsdefekte werden in größerem Detail mit Bezug auf die 1 erläutert. 1A zeigt eine Anordnung, welche ein Substrat 100 aufweist, welches sowohl eine erste, untere Oberfläche 102 als auch eine zweite, obere Oberfläche 104 aufweist. Eine erste, untere Elektrode 106 ist in einem ersten Abschnitt der oberen Oberfläche 104 gebildet, welche Elektrode 106 wiederum sowohl eine erste, untere Oberfläche 108 als auch eine zweite, obere Oberfläche 110 aufweist. Mittels des oben beschriebenen Sputterprozess, wurde eine piezoelektrische Schicht 112, die in dem dargestellten Beispiel eine AlN Schicht ist, sowohl auf dem Abschnitt der oberen Oberfläche 104 des Substrats 100, der nicht von der Elektrode 106 bedeckt ist, als auch auf der oberen Oberfläche 110 der Elektrode 106 produziert.
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Wie es von der 1A gesehen werden mag, wird wegen der Anordnung der Elektrode 106 auf Oberfläche 104 des Substrats 100 eine Stufe 114 (topologische Stufe) gebildet, wo während eines Sputterprozesses wegen der schwachen Kantenbedeckung des Sputterprozesses und den spezifischen Wuchsbedingungen der piezoelektrischen Schicht 112 ein Wuchsdefekt auftritt. Dieser Wuchsdefekt wird in 1A im Allgemeinen durch das Bezugszeichen 116 angezeigt. Mittels des Bezugszeichens 118 zeigt 1A eine bevorzugte Wuchsrichtung der piezoelektrischen Schicht in verschiedenen Bereichen. In dem Bereich der Stufe 114 mögen diese Linien 118 als versetzt angesehen werden, was zu dem Auftreten des Wuchsdefekts 116 geführt haben. Die Versetzungslinien und die daraus resultierenden Defekten sind unerwünscht wegen der Gründe die unten beschrieben sind und führen zu Problemen bezüglich der Zuverlässigkeit der zu produzierenden Vorrichtung, insbesondere in Verbindung mit der nachfolgenden Abscheidung einer unteren Elektrode.
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Insbesondere wird in einer nachfolgenden Abscheidung und Strukturierung der Metallisierung zum Produzieren der oberen Elektrode ein Metallspacer verbleiben, der nachfolgend zu elektrischen Kurzschlüssen führen mag, wodurch die Funktionalität der Vorrichtung, z. B. eines Filters, reduziert oder völlig zerstört werden mag. 1B repräsentiert die Struktur, welche sich beginnend von 1A ergibt, wenn eine Metallisierung, welche einer Vollbereichs-Abscheidung unterworfen wurde, zum Produzieren einer oberen Elektrode strukturiert wurde. 1B zeigt eine zweite, obere Elektrode 120, die auf einer Oberfläche 122 der piezoelektrischen Schicht 112 gebildet ist, die von dem Substrat 100 wegzeigt, so dass diese untere Elektrode 120 zumindest teilweise gegenüber der Elektrode 106 ist. Der Dünnschicht-Bulk-Akustik-Resonator ist in dem Bereich gebildet, in dem sich Elektrode 106 und obere Elektrode 120 überlappen. Wie auch von 1B gesehen werden mag, blieb ein Rest von Metall 124 (Metallspacer) in dem Bereich des Wuchsdefekts 116 zurück. Dieser Metallspacer 124 führt zu den oben in Verbindung mit elektrischen Kurzschlussschaltungen und ähnlichen beschriebenen Problemen.
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Die Qualität der piezoelektrischen Schicht wird dadurch beeinflusst wie die Bodenelektrode strukturiert ist. Bemerkenswerterweise bildet die Bodenelektrode das Substrat über dem die piezoelektrische Schicht abgeschieden ist und beeinflusst im Gegenzug die Qualität der darüber gebildeten piezoelektrischen Schicht. Im Allgemeinen ist es wünschenswert eine planare Oberfläche zu haben, über die die piezoelektrische Schicht gebildet wird, oder eine Oberfläche, die eine atomare Struktur (z. B. Keimschichten über der Bodenelektrode) hat, die dienlich ist, in eine gewünschte Kristallrichtung (z. B. eine Richtung wie mittels Bezugszeichen 118 gezeigt) zu wachsen. Das Bereitstellen solcher Oberflächen erhöht die Qualität der piezoelektrischen Schicht durch Verhindern einer zufälligen Orientierung der Kristallachsen der Körner in der piezoelektrischen Schicht. Dies ist auch wahr, wenn die piezoelektrische Schicht nicht direkt auf die Bodenelektrode deponiert wird, sondern zuerst eine dünne Keimschicht gewachsen wird.
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Ferner mag zusätzlich zu der Qualität der piezoelektrischen Schicht die effektive Kopplung des Resonators mittels zusätzlicher dielektrischen Schichten, beispielsweise nativer Oxide, Keimschichten reduziert werden. Diese zusätzlichen dielektrischen Schichten mögen ein Ergebnis des Prozesses sein, der verwendet wird, die Bodenelektrode zu bilden.
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Wie bekannt ist, wird die Resonanzfrequenz eines FBAR im Allgemeinen durch die Schichten, welche den Resonator bilden (manchmal als Akustikstack bezeichnet), beeinflusst und insbesondere durch die Inhomogenitäten der Dicke der Schichten. Wie anerkannt werden sollte, ist zu diesem Zwecke eine planare Topologie vorteilhaft. Andernfalls würden die Resonanzfrequenzen über die Resonatorregion leicht unterschiedlich sein. Die resultierenden Interferenzen und Phasenverschiebungen reduzieren den Q-Wert des Resonators und unterstützen schädliche Störmoden.
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Bekannte Verfahren, die darauf abzielen, einen im Wesentlichen Planartopologie-Akustikstack mittels Bereitstellens einer im Wesentlichen planaren Bodenelektrode bereitzustellen, haben bestimmte Nachteile. Neben anderen Nachteilen können bekannte Verfahren insbesondere im Zentrum des Akustikstacks zu einem konkaven Profil führen (so genannter Dishing-Effekt). Letztendlich kann dieses bekannte Verfahren in Ungleichmäßigkeiten der Dicke der Schichten in dem Akustikstack führen, was einen schädlichen Einfluss auf den Q-Faktor des resultierenden FBAR hat. Ferner können andere Verfahren, die darauf abzielen, eine im Wesentlichen planare Topologie bereitzustellen, dazu führen, dass die Oberfläche der Bodenelektrode nach ihrer Abscheidung während vieler nachfolgender Prozessschritte exponiert ist. Insbesondere erlauben es diese Prozesse, dass sich Verunreinigungen (z. B. Oxide) über der Oberfläche ausbilden. Solche Verunreinigungen können in Wuchsdefekten in der piezoelektrischen Schicht münden, die über der Bodenelektrode gebildet wird. Nochmals, Wuchsdefekte in der piezoelektrischen Schicht können einen negativen Einfluss auf die Performance des sich ergebenden FBAR haben.
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Was benötigt wird ist daher ein Verfahren zum Herstellen eines BAW Resonators, dass zumindest einige der oben beschriebenen Nachteile überwindet.
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Zusammenfassung
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In Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Produzieren eines Resonators in Dünnfilmtechnologie beschrieben. Der Resonator weist eine piezoelektrische Schicht auf, welche zumindest teilweise zwischen einer unteren Elektrode und einer oberen Elektrode angeordnet ist, wobei der Resonator über einem Substrat gebildet ist. Das Verfahren weist auf: Ausbilden der unteren Elektrode des Resonators über dem Substrat; Aufbringen oder Abscheiden und Strukturieren einer Isolationsschicht über dem Substrat, wobei die Isolierschicht eine Dicke hat, die im Wesentlichen gleich einer Dicke der unteren Elektrode ist; Entfernen eines Abschnitts der Isolierschicht, um eine Oberfläche der unteren Elektrode teilweise zu exponieren; Entfernen eines Abschnitts der Isolierschicht über der Oberfläche der unteren Elektrode mittels chemisch mechanischen Polierens; Ausbilden der piezoelektrischen Schicht über der unteren Elektrode; und Produzieren der oberen Elektrode auf der piezoelektrischen Schicht.
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In Übereinstimmung mit einem anderen repräsentativen Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Produzieren eines Resonators in Dünnfilmtechnologie offenbart. Der Resonator weist eine piezoelektrische Schicht auf, welche zumindest teilweise zwischen einer unteren Elektrode und einer oberen Elektrode angeordnet ist, wobei der Resonator über einem Substrat gebildet ist. Das Verfahren weist auf: Ausbilden der unteren Elektrode des Resonators über dem Substrat; Ausbilden einer Schutzschicht über der unteren Elektrode; Aufbringen oder Abscheiden einer Isolationsschicht über dem Substrat und teilweise über der Schutzschicht, wobei die Isolierschicht eine Dicke hat, die im Wesentlichen gleich einer kombinierten Dicke der unteren Elektrode und der Schutzschicht ist; Entfernen der Isolierschicht über dem Abschnitt der Schutzschicht; Ausbilden der piezoelektrischen Schicht über der Schutzschicht; und Ausbilden der oberen Elektrode über der piezoelektrischen Schicht.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die repräsentativen Ausführungsbeispiele werden am besten durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung verstanden werden, wenn diese mit den begleitenden Zeichnungsfiguren gelesen wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise maßstäblich gezeichnet sind. Tatsächlich mögen die Dimensionen zur Klarheit der Diskussion willkürlich vergrößert oder verkleinert sein. Wo immer es anwendbar und praktikabel ist, beziehen sich ähnliche Bezugszeichen auf ähnliche Elemente.
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1A und 1B zeigen ein bekanntes Verfahren zum Produzieren eines BAW Resonators, wobei wegen einer topologischen Stufe ein Wuchsdefekt auftritt.
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2A und 2B zeigen eine Querschnittsansicht eines Verfahrens zum Herstellen eines BAW Resonators in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel.
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3A und 3C zeigen eine Querschnittsansicht eines Verfahrens zum Herstellen eines BAW Resonators in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht eines BAW Resonators in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel.
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5A bis 5B zeigen Querschnittsansichten eines BAW Resonators in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel.
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6A bis 6D zeigen eine Querschnittsansicht eines Verfahrens zum Herstellen eines BAW Resonators in Übereinstimmung mit einem repräsentativen Ausführungsbeispiel.
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Definierte Terminologie
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Es ist zu verstehen, dass die hierin verwendete Terminologie nur für die Beschreibung spezifischer Ausführungsbeispiele gedacht ist und nicht dazu gedacht ist, einschränkend zu sein. Die definierten Begriffe sind zusätzlich zu den technischen und wissenschaftlichen Bedeutungen der definierten Begriffe, wie sie gewöhnlich im technischen Gebiet der vorliegenden Lehren verstanden und akzeptiert werden.
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Wie in der Spezifikation und den anhängenden Ansprüchen verwendet beinhalten die Begriffe ”ein”, ”eine”, ”der/die/das” sowohl Singular als auch Plural Bezüge, sofern der Kontext nicht klar etwas anderes diktiert. Daher schließt zum Beispiel ”eine Vorrichtung” eine Vorrichtung oder mehrere Vorrichtungen ein.
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Wie in der Spezifikation und den anhängenden Ansprüchen verwendet und zusätzlich zu ihren gewöhnlichen Bedeutungen bedeuten die Begriffe ”im Wesentlichen” und ”wesentlich” bis zu akzeptablen Limits oder akzeptablen Grad. Zum Beispiel meint ”im Wesentlichen ausgelöscht”, dass ein Fachmann die Auslöschung als akzeptabel einstufen würde.
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Wie in der Spezifikation und den anhängenden Ansprüchen verwendet und zusätzlich zu ihren gewöhnlichen Bedeutungen bedeutet für den Fachmann der Begriff ”ungefähr” bis zu einen akzeptablen Limit oder Umfang. Zum Beispiel meint ”ungefähr gleich”, dass ein Fachmann die verglichenen Punkte als gleich ansehen würde.
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Detaillierte Beschreibung
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In der folgenden detaillierten Beschreibung werden zum Zwecke der Erläuterung und nicht zum Limitieren spezifische Details ausgeführt, um ein vollständiges Verständnis von beispielhaften Ausführungsbeispielen gemäß den vorliegenden Lehren bereitzustellen. Jedoch wird für einen Fachmann, der den Vorteil der vorliegenden Offenbarung hat, klar werden, dass andere Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Lehren, die von den hierin offenbarten spezifischen Details abweichen, innerhalb des Schutzbereichs der anhängenden Ansprüche verbleiben. Darüber hinaus mögen Beschreibungen von gut bekannten Apparaten und Verfahren ausgelassen werden, um nicht die Beschreibung der beispielhaften Ausführungsbeispiele zu verschleiern. Solche Verfahren und Apparate sind klar innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Lehren.
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Im Allgemeinen wird verstanden, dass die Figuren und die verschiedenen darin abgebildeten Elemente nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Ferner werden relative Begriffe, wie beispielsweise ”oberhalb”, ”unterhalb”, ”Spitze” (top), ”Boden-” (bottom), ”obere” und ”untere”, dazu verwendet, um die Beziehungen zwischen den verschiedenen Elemente zu beschreiben, wie sie in den anhängenden Figuren dargestellt sind. Es wird verstanden, dass diese relativen Begriffe dazu dienen, andere Orientierungen außer den in den Figuren dargestellten Orientierungen der Vorrichtung und/oder Elemente einzuschließen. Zum Beispiel, wenn die Vorrichtung bezüglich der Ansicht in den Figuren auf den Kopf gestellt wäre, würde ein Element, welches beispielsweise als oberhalb eines anderen Elements beschrieben ist, nun unterhalb dieses Elements sein.
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In der folgenden detaillierten Beschreibung werden spezifische Details zum Zwecke der Erläuterung und nicht zum Zwecke der Limitierung aufgezählt, um ein vollständiges Verstehen von beispielhaften Ausführungsbeispielen gemäß den vorliegenden Lehren bereitzustellen. Jedoch wird für einen Fachmann, der den Vorteil der vorliegenden Offenbarung hat, klar werden, dass andere Ausführungsbeispiele gemäß den vorliegenden Lehren, die von den hierin offenbarten spezifischen Details abweichen, innerhalb des Schutzbereichs der anhängenden Ansprüche verbleiben. Darüber hinaus mögen Beschreibungen von gut bekannten Apparaten und Verfahren ausgelassen werden, um nicht die Beschreibung der beispielhaften Ausführungsbeispiele zu verschleiern. Solche Verfahren und Apparate sind klar innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Lehren.
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Bestimmte Aspekte der vorliegenden Lehren sind für Komponenten von FBAR Vorrichtungen, FBAR-basierten Filtern, ihren Materialien und Verfahren der Herstellung relevant. Viele Details von FBARs, deren Materialien und der Verfahren zum Herstellen mögen in einem oder mehreren der folgenden US Patenten oder Patentanmeldungen gefunden werden: US 6,107,721 von Lakin; US 5,587,620, US 5,873,153 und US 6,507,983 von Ruby, et al.; US Patentanmeldung US 11/443,954 mit dem Titel ”Piezoelectric Resonator Structures and Electrical Filters” von Richard C. Ruby, et al.; US Patentanmeldung US 10/990,201 mit dem Titel ”Thin Film Bulk Acoustic Resonator with Mass Loaded Perimeter von Hongjun Fen, et al.; und US Patentanmeldung 11/713,726 mit dem Titel ”Piezoelectric Resonator Structures and Electrical Filters having Frame Elements” von Jamneala, et al.; und US Patentanmeldung US 11/159,753 mit dem Titel ”Acoustic Resonator Performance Enhancement Using Alternating Frame Structure” von Richard C. Ruby, et al.. Die Offenbarungen dieser Patente und Patentanmeldungen sind ausdrücklich durch Bezugnahme hierin inkorporiert. Es wird betont, dass die Komponenten, Materialien und Verfahren zum Herstellen, die in diesen Patenten und Patentanmeldungen beschrieben werden, repräsentativ sind und andere Verfahren zum Herstellen und Materialien, die innerhalb des Bereiches eines Fachmannes sind, werden betrachtet.
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2A zeigt Substrat 100, eine Elektrode 106, welche bevorzugt aus Aluminium gemacht ist, wird in einem Abschnitt der oberen Oberfläche 104 des Substrats 100 ausgebildet. Alternativ mag die Elektrode 106 auch aus Wolfram, einer Kombination aus Aluminium und Wolfram oder anderen geeigneten Metallen gebildet sein.
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Um die topologische Stufe zu vermeiden, ist eine Isolierschicht 126, in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel, das mit Bezug auf 2 beschrieben ist, sowohl auf den exponierten Abschnitt der Substratoberfläche 104 als auch auf der oberen Oberfläche 110 der Elektrode 106 aufgebracht oder abgeschieden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Isolierschicht eine Schicht von Siliziumoxid oder eine Schicht von Siliziumnitrid.
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Die Struktur, die in 2A gezeigt ist, wird nachfolgend einem chemisch-mechanischen Dünnungsprozess ausgesetzt, mittels welchem ein Abschnitt 126a, welcher in dem Bereich der Elektrode 106 angeordnet ist, derart gedünnt wird, dass die obere Oberfläche 110 der Elektrode 106 exponiert wird. Zusätzlich werden die verbleibenden Abschnitte der Isolierschicht 126 derart gedünnt, dass die Dicke der Elektrode 106 und die Dicke der Isolierschicht im Wesentlichen identisch sind, so dass eine im Wesentlichen planare Oberfläche resultiert, wie sie in 2B gezeigt ist.
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2C zeigt die Struktur, die aus dem Polierschritt resultiert, und, wie gesehen werden mag, diejenigen Oberflächen der Isolierschicht 126 und der Elektrode 106, welche vom Substrat wegweisen und im Wesentlichen planar sind, und diese Oberfläche hat darauf die piezoelektrische Schicht 114 aufgebracht, die im Gegenzug die obere Elektrode 120 darauf aufgebracht hat.
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Der Vorteil des erfinderischen Verfahrens ist offensichtlich, da die Probleme, durch die Wuchsdefekte, welche beschrieben wurden und im Stand der Technik bekannt sind, einfach mittels Eliminierens der topologischen Stufe während der Herstellung des Resonators verhindert werden. Dies hat den Vorteil, dass die erwähnten elektrischen Kurzschlüsse, welche die Funktion der Vorrichtung (z. B. ein Filter, der entsprechende Resonatoren aufweist) verschlechtern oder sogar zerstören mögen, nicht auftreten werden, dass ein gewünschter ESD-Widerstand, wegen der im Wesentlichen vollständig planaren Anordnung, erlangt wird und dass die Unterdrückung von unerwünschten Störmoden verbessert wird, da eine definierte Geometrie (Dicke) über einen weiten Bereich in dem Bereich außerhalb der oberen Elektrode 120 existiert.
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Das oben beschriebene Entfernen der dielektrischen Schicht 126A oberhalb der Elektrode 106 wird in dem Ausführungsbeispiel, das in 2 gezeigt ist, direkt mit einem sehr harten Polierpad erreicht. In diesem Fall ist es notwendig eine hohe Polierselektivität zwischen der dielektrischen Schicht 126 und dem Material der Elektrode 106 zu haben, um sicherzustellen, dass wenn die obere Oberfläche 110 der Elektrode 106 erreicht wird, im Wesentlichen kein Elektrodenmaterial entfernt wird.
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Um potentielle Probleme in der benötigten Polierselektivität zwischen der dielektrischen Schicht 126 und dem Material der Elektrode 106 zu vermeiden, wird gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein anderer Ansatz verfolgt, welcher klar weniger Bedingungen in Hinblick auf die Härte des Pad und/oder der Selektivität des Polierprozesses auferlegt. Dieses weitere Ausführungsbeispiel wird im Folgenden mit Bezug auf 3 detaillierter beschrieben werden, wobei identischen oder ähnlichen Elementen auch gleiche Bezugszeichen gegeben werden.
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Das Ausführungsbeispiel, das in 3 gezeigt ist, basiert auf einer Struktur wie sie in 2A repräsentiert ist, d. h. einer Struktur, bei der die Elektrode 106 bereits auf Substrat 100 aufgebracht ist und die Isolierschicht 126 bereits auf der Elektrode 106 aufgebracht ist. Anders als im in 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel wird hier kein chemisch-mechanisches Polieren der gesamten Oberfläche durchgeführt, sondern die dielektrische Schicht 126 wird stattdessen in dem Bereich der Elektrode 106 entfernt, z. B. mittels Ätzens der Isolierschicht 126, unter Verwendung einer photolithographischen Maske (nicht gezeigt), um so die obere Oberfläche 110 der Elektrode 106 zumindest teilweise zu exponieren, wie es in 3A gezeigt ist. In einem Ausführungsbeispiel mag ein so genanntes ”Lift-Off” Verfahren verwendet werden, um die Isolierschicht 126 zu strukturieren, um die resultierende Struktur, wie sie in 3A dargestellt ist, bereitzustellen. Das Verfahren beinhaltet ein Aufschleudern (spinning on) einer Schicht oder Material einer Opferschicht (z. B. Photolack, nicht gezeigt) über das Substrat 100. Die Opferschicht wird dann mittels eines bekannten Verfahrens strukturiert, um ein Muster auf dem Substrat 100 zu produzieren. Zum Beispiel weist, wenn die Opferschicht einen Photolack aufweist, das Strukturieren ein Belichten und Entwickeln eines Photolacks auf. Nachdem das Strukturieren der Opferschicht abgeschlossen ist, wird die Isolierschicht 126 über dem Substrat 100 aufgebracht oder abgeschieden. Die Opferschicht wird dann aufgelöst und dabei von den Abschnitten der Isolierschicht 126 entfernt, die oben auf der Opferschicht aufgebracht wurden. Dies belässt dann die Isolierschicht 126 nur in Bereichen, die nicht vorher mittels der Opferschicht bedeckt wurden.
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Wie gesehen werden mag, verbleibt ein dünner Grat 126A des Abschnittes der Isolierschicht 126 über der Elektrode 106. Der Vorteil dieses Ansatzes ist, dass jetzt nur der dünne Grat 126A verbleibt, welcher, im Gegensatz zu der Distanz oder dem Polieren der gesamten Isolierschicht 126, innerhalb einer sehr kurzen Zeit und unter deutlich entspannteren Polierbedingungen entfernt werden mag, so dass die Struktur wie in 3B gezeigt resultiert.
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3C zeigt die Struktur, die nach dem Polieren und dem Aufwachsen sowohl der piezoelektrischen Schicht 114 als auch der oberen Elektrode 120 entsteht, und die in 3C gezeigte Struktur korrespondiert zu der in 2C gezeigten Struktur. Der Vorteil des Ansatzes, der in 3 beschrieben wird, ist, dass mit diesem Ausführungsbeispiel, welches die zusätzliche Maske und das Ätzen der Isolierschicht 126 verwendet, die ungewünschte topologische Stufe verhindert werden mag in einer Art und Weise, die von einem technischen Gesichtspunkt aus besonders einfach ist.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel, das nicht in den Figuren gezeigt ist, besteht darin, dass auf der Oberfläche des Substrats 100 anfänglich die Isolierschicht aufgebracht wird, wobei in einem nachfolgenden Schritt eine Öffnung, vorzugsweise hinab zu der Substratoberfläche 104, geöffnet wird, in welche Öffnung dann das Metall der Bodenelektrode 106 aufgebracht wird, so dass die erzeugten Oberflächen der dielektrischen Schicht 126 und der Bodenelektrode 106 im Wesentlichen glatt sind.
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Das oben beschriebene Verfahren des Herstellens einer Elektrode ohne eine topologische Stufe mag auch für so genannte gestapelte (stacked) BAW Resonatoren/Filter verwendet werden, die eine Mehrzahl von piezoelektrischen Schichten aufweisen.
4 stellt einen derartigen Resonator dar. SBARs weisen gestapelte zwei oder mehr Schichten aus piezoelektrischem Material mit Elektroden zwischen den piezoelektrischen Schichten und auf der Spitze (top) und an dem Boden (bottom) des Stack auf. Solche SBARs werden zum Beispiel in den
US Patenten mit gemeinsamen Inhabern US 5,587,620 und
US 6,060,818 von Ruby, et al. beschrieben. Ferner mögen die piezoelektrischen Schichten
112 und
112' antiparallele C-Achsen (z. B. C
N Polarität oder C
P Polarität) aufweisen oder in CRF Anwendungen mag nützlich sein, dass beide C
N Polarität aufweisen. Weitere Details des Bereitstellens von parallelen oder antiparallelen C-Achsen sind zum Beispiel in der US Patentanmeldung No. 12/201,641 mit dem Titel ”Single Cavity Acoustic Resonators and Electrical Filters Comprising Single Cavity Acoustic Resonators”, welche am 29 August 2008 mit gemeinsamen Inhabern für Bradley et al. eingereicht wurde, und in dem
US Patent US 7,515,018 von Handtmann et al. mit gemeinsamen Inhabern beschrieben. Die Offenbarungen der
US Patente US 5,587,620 ;
US 6,060,818 ;
US 6,987,433 ;
US 7,091,649 und
US 7,515,018 und die Offenbarung der US Patentanmeldung US 12/201,641 werden ausdrücklich hierin durch Bezugnahme aufgenommen. Es wird betont, dass die genannten Anmeldungen nur dazu gedacht sind, Anwendung der Verfahren der vorliegenden Lehren zu illustrieren und dass die Anwendung der Verfahren des Herstellens piezoelektrischer Materialien der vorliegenden Lehre nicht auf diese beispielhaften Anwendungen begrenzt sind.
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Wie gesehen werden mag, wurde das Verfahren des Herstellens der Elektrode eines repräsentativen Ausführungsbeispiels, das oben beschrieben wurde, sowohl für die Bodenelektrode 106 als auch für die Zwischenelektrode 120 angewendet. Daher mögen beide piezoelektrischen Schichten 112 und 112' ohne Versatzlinien aufgebracht werden. Ausführungsbeispiele mit mehr als zwei piezoelektrischen Schichten mögen analog hierzu hergestellt werden.
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5A bis 5B zeigen Querschnittsansichten von BAW-Resonatoren gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel. In 5A weist ein BAW-Resonator 501 ein Substrat 100 und eine untere Elektrode 106, piezoelektrische Schicht 112 und obere Elektrode 120 auf. Eine zweite untere Elektrode 106' wird über einer akustischen Entkoppelschicht 503 bereitgestellt. Eine zweite dielektrische Schicht 112' wird über der zweiten Elektrode 106' bereitgestellt und eine zweite obere Elektrode 120' wird über der zweiten piezoelektrischen Schicht 112' bereitgestellt. Der BAW-Resonator 501 weist somit zwei piezoelektrische Schichten 112, 112' auf, die über jeweilige untere Elektroden 106 und 106' gebildet sind. Die piezoelektrischen Schichten 112, 112' werden mittels Planarisierens der jeweiligen Oberflächen der unteren Elektroden 106, 106' fabriziert, indem die Verfahren verwendet werden, die in Verbindung mit dem repräsentativen Ausführungsbeispielen in den obigen 2A bis 4 beschrieben wurden. Die Details dieser Verfahren werden hier nicht wiederholt, um ein Verschleiern der Beschreibung des gerade beschriebenen Ausführungsbeispiels zu vermeiden.
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In einem repräsentativen Ausführungsbeispiel weist der BAW-Resonator
501 einen gekoppelten Resonator Filter (CFR) auf, wie er in den US Patentanmeldung-Offenlegungen 20090265903 und 20080055020 mit gemeinsamen Inhabern von Handtmann et al.; und US Patentanmeldung-Offenlegung 2008029279 von Thalhammer et al. beschrieben wird. Die Offenbarungen dieser Veröffentlichungen werden hierin ausdrücklich durch Bezugnahme aufgenommen. In einem anderen repräsentativen Ausführungsbeispiel weist der BAW-Resonator
501 einen Film-Akustik-Wandler (Film Acoustic Transformer; FACT) auf. Dies sind nur repräsentative Ausführungsbeispiele und auch andere Typen von Resonatoren, die im Bereich eines Fachmannes sind, werden in Betracht gezogen. Die akustische Entkoppelschicht
503 mag zum Beispiel in den
US Patenten mit gemeinsamen Inhabern US 6,720,844 von Lakin;
US 7,242,270 von Larson III, et al.;
US 7,561,009 von Larson III, et al.;
US 7,562,429 von Larson III, et al., und
US 7,436,269 von Wang, et al. beschrieben sein. Die Offenbarungen dieser Patente werden ausdrücklich hierin durch Bezugnahme inkorporiert. Es wird betont, dass diese akustischen Entkoppelschichten
503 aus verschiedenen Materialien sein und mittels anderen Verfahren als denen ausgebildet sein mögen, wie sie in den Patenten von Larson III, et al. und Wang, et al. beschrieben werden. Solche Materialien und Verfahren des Bildens solcher akustischer Entkoppelschichten, wie sie Fachmännern bekannt sind, werden in Betracht gezogen.
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In 5B weist ein BAW-Resonator 503 Substrat 100 und untere Elektrode 106, piezoelektrische Schicht 112 und obere Elektrode 120 auf. Eine akustische Isolierstruktur, welche eine erste Schicht 504 niedriger akustischer Impedanz, eine Schicht 505 hoher akustischer Impedanz und eine zweite Schicht 506 mit niedriger akustischer Impedanz aufweist, wird über der zweiten Elektrode 120 bereitgestellt. Die akustische Isolierstruktur, welche oft als akustischer Spiegel bezeichnet wird, mag wie in den US Patentanmeldungsveröffentlichungen mit gemeinsamen Inhabern US 20070266548 von Fattinger; US 20070254397 von Fattinger, et al.; und US 20080055020 von Handtmann, et al. beschrieben sein. Die Offenbarungen dieser Veröffentlichungen werden hierin ausdrücklich durch Bezugnahme aufgenommen.
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Eine zweite untere Elektrode 106' wird über der zweiten Schicht 506 niedriger akustischer Impedanz 506 bereitgestellt. Eine zweite piezoelektrische Schicht 112' wird über der zweiten unteren Elektrode 106' bereitgestellt und eine zweite obere Elektrode 120' wird über der zweiten piezoelektrischen Schicht 112' bereitgestellt. Der BAW-Resonator 503 weist somit zwei piezoelektrische Schichten 112, 112' auf, welche über jeweiligen unteren Elektroden 106, 106' ausgebildet sind. Die piezoelektrischen Schichten 112, 112' sind mittels Planarisierens der jeweiligen Oberflächen der unteren Elektrode 106, 106' hergestellt, wobei Verfahren in Verbindung mit den repräsentativen Ausführungsbeispielen in 2A bis 4 oben beschrieben sind. Die Details dieser Verfahren werden hier nicht wiederholt, um ein Verschleiern der Beschreibung des gerade beschriebenen Ausführungsbeispiels zu vermeiden.
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6A bis 6D zeigen in Querschnittsansichten ein Verfahren zum Herstellen eines BAW-Resonators gemäß einem repräsentativen Ausführungsbeispiel. Bestimmte Strukturen, Materialien und Verfahren des repräsentativen Ausführungsbeispiels der 6A bis 6D sind gleich wie die, welche vorher im Zusammenhang mit repräsentativen Ausführungsbeispielen der 2A bis 5B beschrieben wurden. Die Details dieser Verfahren werden hier nicht wiederholt, um ein Verschleiern der Beschreibung des gerade beschriebenen Ausführungsbeispiels zu vermeiden.
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Wie es klarer werden wird, wenn die vorliegende Beschreibung weitergeht, wird in Übereinstimmung mit dem Verfahren der repräsentativen Ausführungsbeispiele, wie sie in Verbindung mit den 6A bis 6D beschrieben werden, wird eine Schicht, wünschenswerterweise eine Schicht des gewünschten Schichtstapels (Akustik-Stack) des Resonators, als eine Schutzschicht bereitgestellt, und muss daher nicht entfernt werden. In bestimmten Ausführungsbeispielen ist die Schutzschicht eine Keimschicht, die hilfreich für das Ausbilden der piezoelektrischen Schicht des Akustik-Stack ist. In einem Aspekt weist das Material, das für die Schutzschicht ausgewählt wird, Eigenschaften einer vergleichsweise hohen akustischen Schallgeschwindigkeit, einer geringen akustischen Impedanz auf und ist ein vergleichsweise hartes Material, um der Planarisierung, wie beispielsweise mittels chemisch-mechanischen Polierens, zu widerstehen. Diese Eigenschaften werden die durch das Polieren induzierten Unregelmäßigkeiten wesentlich reduzieren, die die akustische Performance des BAW-Resonators wesentlich weniger als das Polieren der tatsächlichen Elektrode negativ beeinflussen können. Letztendlich wird die akustische Performance wegen der Robustheit der Schutzschicht und dem Resultieren in weniger erzeugten Ungleichmäßigkeiten verbessert, oder weil wegen der geringeren akustischen Impedanz oder höheren akustischen Schallgeschwindigkeit der Einfluss einer gegebenen Ungleichmäßigkeit auf die akustische Performance schwächer sein wird, oder beides. Bemerkenswerterweise sollte die akustische Schallgeschwindigkeit der Schutzschicht höher sein oder die akustische Impedanz der Schutzschicht sollte geringer sein als die jeweiligen Parameter der obersten Schicht der Elektrode. In repräsentativen Ausführungsbeispielen mögen die Elektroden aus Materialien mit sehr hoher akustischer Impedanz, wie beispielsweise Wolfram oder Molybdän, gemacht sein. Als ein zusätzlicher Vorteil des in Zusammenhang mit den repräsentativen Ausführungsbeispielen der 6A bis 6D beschriebenen Verfahrens kann die Oxidation der Elektrode verhindert werden, insbesondere wenn die Schutzschicht in der gleichen Kammer wie die oberste Elektrode deponiert wird.
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6A zeigt Substrat 100, untere Elektrode 106, welche auf einem Abschnitt der oberen Oberfläche 104 vom Substrat 100 ausgebildet ist. Die Elektrode 106 weist Wolfram und/oder Molybdän und/oder andere geeigneten Metallen auf. Bemerkenswerterweise weist die Elektrode 106 eine vergleichsweise hohe akustische Impedanz auf. Eine Keimschicht 601 wird über der unteren Elektrode 106 bereitgestellt.
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In einem repräsentativen Ausführungsbeispiel wird eine Keimschicht 601 ausgewählt, um während dem nachfolgenden Prozessieren einen Schutz für die Elektrode 106 bereitzustellen und als eine Keimschicht 601 für die Auftragung einer piezoelektrischen Schicht der gewünschten Resonatorstruktur. In einem Ausführungsbeispiel weist die Keimschicht 601 eine Schicht aus amorphem Silizium auf. In anderen Ausführungsbeispielen weist die Keimschicht 601 eine vergleichsweise dünne Schicht des gewünschten Piezomaterials auf, welches für die piezoelektrische Schicht benutzt wird, welche in der Resonatorstruktur verwendet wird. Die Keimschicht 601 dient als Schutzschicht für die untere Elektrode 106. Zum Beispiel mag die piezoelektrische Schicht eine aus AlN, ZnO und PZT sein und die Keimschicht mag eine dünne Schicht der ausgewählten piezoelektrischen Schicht sein. Beispielsweise hat die Keimschicht 601 eine Dicke von ungefähr 1,0 nm bis ungefähr 100 nm.
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Gemäß 6B wird eine Isolierschicht 126 auf den exponierten Abschnitt der Substratoberfläche 104 und über einem Abschnitt der Keimschicht 601 aufgetragen oder abgeschieden. In einem repräsentativen Ausführungsbeispiel weist die Isolierschicht 126 eine Schicht aus Siliziumoxid oder eine Schicht aus Siliziumnitrid auf. Ein nachfolgender CMP Dünnprozess wird ausgeführt, mittels welchen ein Abschnitt 126a der Isolierschicht, welche über einen Abschnitt der Keimschicht aufgetragen oder abgeschieden ist, gedünnt wird, so dass eine obere Oberfläche 602 der Keimschicht 601 exponiert wird. Vorteilhafterweise überschreitet die Polierrate der Keimschicht nicht die Polierrate der Isolierschicht 126, um eine Planarität zu unterstützen. Zusätzlich werden die verbleibenden Abschnitte der Isolierschicht 126 gedünnt, so dass die kombinierte Dicke der unteren Elektrode 106 und der Keimschicht 601 im Wesentlichen identisch mit der Dicke der Isolierschicht 126 ist, die über der oberen Oberfläche 104 von Substrat 100 aufgetragen oder abgeschieden ist. Die resultierende Struktur ist im Wesentlichen planar und wird in 6C gezeigt.
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6D zeigt einen Akustik-Stack, welcher die piezoelektrische Schicht 112, welche über der Keimschicht gebildet ist, und die obere Elektrode 120 aufweist, die über der piezoelektrischen Schicht 112 ausgebildet ist.
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Wie oben bemerkt weist in repräsentativen Ausführungsbeispielen die Elektrode Wolfram oder Molybdän für die Elektrode 106 und Aluminiumnitrid (AlN) als piezoelektrische Schicht auf. Da AlN ein vergleichsweise hartes Material mit höherer Schallgeschwindigkeit und geringerer akustischer Impedanz als die Materialien, die für die Materialien der Elektrode ausgewählt wurden, ist, ist das Polieren der AlN Schicht weniger kritisch. Insbesondere kann AlN in-situ auf die untere Elektrode 106 aus Wolfram oder Molybdän deponiert werden. Vorteilhafterweise unterstützt die Auswahl von AlN als die Keimschicht 601 die Auftragung einer vergleichsweise hochqualitativen AlN Schicht für die piezoelektrische Schicht, welche nachfolgend darüber gebildet wird. Auch das Ausbilden der Keimschicht 601 wird im Wesentlichen die Oxidation der Elektrodenoberfläche verhindern, welche die Qualität der darüber ausgebildeten piezoelektrischen Schicht zerstörerisch beeinflussen können. Darüber hinaus wird keine zusätzliche Keimschicht benötigt und das resultierende Akustik-Stack weist nur die piezoelektrische Schicht zwischen den Elektroden auf.
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Ferner wird das Verfahren der repräsentativen Ausführungsbeispiele der 6A bis 6D zum Herstellen gestapelter Resonatorstrukturen, wie beispielsweise SBARs, DBARs, SCFs und CFRs, in Betracht gezogen, wie die die oben in Verbindung mit den repräsentativen Ausführungsbeispielen der 4 bis 5B beschrieben sind. Wie es von einem Fachmann nach Durchsicht der vorliegenden Offenbarung anerkannt werden sollte, mögen solche gestapelten Resonatorstrukturen mittels selektiver Wiederholung von Schritten des Verfahrens in Kombination mit dem Ausbilden von anderen Schichten (z. B. akustischer Entkoppelschichten) realisiert werden, um die gewünschten gestapelten Resonatorstrukturen zu realisieren.
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Während diese Erfindung mittels einiger repräsentativen und beispielhaften Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, gibt es Änderungen, Permutationen und Äquivalente, welche in den Schutzbereich der vorliegenden Lehren fallen. Es sollte auch beachtet werden, dass es viele alternative Wege der Implementierung der Verfahren und Kompositionen der vorliegenden Lehren gibt. Es ist daher beabsichtigt, dass die folgenden angefügten Ansprüche interpretiert werden, dass sie solche Alternativen, Permutationen und Äquivalente als in den wahren Geist und Bereich der vorliegenden Lehren fallend beinhalten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5587620 [0043, 0043]
- US 6060818 [0043, 0043]
- US 7515018 [0043, 0043]
- US 6987433 [0043]
- US 7091649 [0043]
- US 6720844 [0046]
- US 7242270 [0046]
- US 7561009 [0046]
- US 7562429 [0046]
- US 7436269 [0046]
