DE102016116263A1

DE102016116263A1 - Filterbauelement und Herstellung eines Filterbauelements

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Publication number: DE102016116263A1
Application number: DE102016116263.9A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Schiek
Original assignee: SnapTrack Inc
Current assignee: SnapTrack Inc
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2036-09-01
Also published as: DE102016116263B4; WO2018044542A1

Abstract

Es wird ein Filterbauelement (1) zur Unterdrückung parasitärer Durchlassbereiche beschrieben aufweisend ein Substrat (4), wenigstens einen Parallelresonator (3) und wenigstens einen Serienresonator (2) jeweils ausgebildet als Volumenwellenresonator, eine Vielzahl von Spiegellagen (5, 6) wobei die Spiegellagen (5, 6) auf dem Substrat (4) zu einem Stapel angeordnet sind, und wobei der Parallelresonator (3) und der Serienresonator (2) auf dem Stapel der Spiegellagen (5, 6) ausgebildet sind, wobei der Stapel der Spiegellagen (5, 6) im Bereich des Parallelresonators (3) und des Serienresonators (2) eine unterschiedliche Schichtdicke aufweist. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines Filterbauelements beschrieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Filterbauelement mit Unterdrückung parasitärer Durchlassbereiche. Die Erfindung betrifft ferner die Herstellung eines Filterbauelements mit Unterdrückung parasitärer Durchlassbereiche.
Volumenwellenresonatoren werden industriell in zwei grundsätzlich verschiedenen Bauformen realisiert: als Membrantyp, beispielsweise mit einer Kavität unter der Bodenelektrode (Film Bulk Acoustic Resonator; FBAR) und als Soldily Mounted Resonator (SMR) auf einem Bragg Spiegel (alternierende λ/4-Lagen hoher und niedriger akustischer Impedanz), der die Ausbreitung akustischer Energie in Richtung Substrat verhindert (niedrige Transmission).
SMR-Resonatoren weisen neben der Hauptresonanz (longitudinaler TE1-Modus) bei höheren Frequenzen Harmonische auf, darüber hinaus aber noch weitere Moden (Resonanzen), deren Energie im Wesentlichen in den Spiegellagen lokalisiert ist (so genannte Spiegelmoden). Diese Moden können zu unerwünschten Seitenbändern neben dem eigentlichen Passband führen, so genannte parasitäre Durchlassbereiche.
Da oberhalb des Filterpassbands typischerweise enge Spezifikation für Selektionsniveaus gelten, ist es ein wichtiger Designaspekt, diese Moden nur abseits von Spezifikationsgrenzen zuzulassen, oder sie zu unterdrücken, was jedoch andere Designfreiheitsgrade (Dispersionsverhalten des Stapels, Spiegelreflektivitäten, Temperaturverhalten, etc.) beschränkt.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Filterbauelement zur Unterdrückung parasitärer Durchlassbereiche anzugeben. Ferner soll die Herstellung eines verbesserten Filterbauelements zur Unterdrückung parasitärer Durchlassbereiche angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung sowie eine Herstellung gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß einem Aspekt wird ein Filterbauelement angegeben. Das Filterbauelement ist ein Bandpassfilter. Das Filterbauelement ist zur Unterdrückung parasitärer Durchlassbereiche ausgebildet. Insbesondere ist das Filterbauelement so ausgebildet, dass neben der Hauptresonanz auftretende Resonanzen wirksam unterdrückt bzw. aus dem System abgeführt werden.
Das Filterbauelement weist ein Substrat auf. Das Substrat dient als Trägerelement für weitere Komponenten des Filterbauelements. Das Substrat ist eine Komponente, die der mechanischen Stabilisierung des Systems dient. Das Substrat weist beispielsweise Silizium auf.
Das Filterbauelement weist ferner SMR-Resonatoren auf. Insbesondere weist das Filterbauelement wenigstens einen Parallelresonator, vorzugsweise eine Vielzahl von Parallelresonatoren, auf. Diese werden im Folgenden auch P-Resonatoren genannt. Das Filterbauelement weist wenigstens einen Serienresonator, vorzugsweise eine Vielzahl von Serienresonatoren auf, im Folgenden auch S-Resonatoren genannt. Die jeweiligen S- bzw. P-Resonatoren sind als Volumenwellenresonatoren ausgebildet. Das Filterbauelement weist beispielsweise eine so genannte Ladder Type Struktur oder eine Lattice Struktur auf. Insbesondere weist das Filterbauelement wenigstens einen Serienzweig auf. Der Serienzweig verbindet einen Signaleingang mit einem Signalausgang. Das Filterbauelement weist außerdem wenigstens einen Parallelzweig auf. Der Parallelzweig zweigt vom Serienzweig gegen Masse ab. In jedem Parallelzweig ist ein P-Resonator angeordnet. In jedem Serienzweig ist vorzugsweise eine Mehrzahl von S-Resonatoren seriell verschaltet.
Das Filterbauelement weist eine Vielzahl von Bragg Spiegeln bzw. Spiegellagen auf. Die Spiegellagen sind auf dem Substrat angeordnet. Die Spiegellagen sind zu einem Stapel angeordnet. Die Spiegellagen dienen dazu die Ausbreitung akustischer Energie in Richtung Substrat zu verhindern.
Der Parallelresonator und der Serienresonator sind auf dem Stapel der Spiegellagen ausgebildet. Mit anderen Worten, der Stapel der Spiegellagen ist zwischen dem Substrat und den Resonatoren ausgebildet. Die Resonatoren teilen sich folglich einen gemeinsamen Stapel aus Spiegellagen.
Der Stapel der Spiegellagen weist eine Schichtdicke bzw. vertikale Ausdehnung auf. Im Bereich des wenigstens einen Parallelresonators weist der Stapel eine andere Schichtdicke auf, als im Bereich des wenigstens einen Serienresonators. Folglich weist der Stapel der Spiegellagen zwischen dem Bereich des Serienresonators und dem Bereich des Parallelresonators einen Schichtdickenunterschied auf. Anders ausgedrückt ist der Stapel der Spiegellagen im Bereich eines Resonators höher als im Bereich des anderen Resonators.
Durch die unterschiedliche Spiegelschichtdicke für den Parallelresonator und den Serienresonator können unerwünschte Durchlassbereiche in ihrem Transmissionsgrad verringert werden. Parasitäre Passbänder, z.B. Spiegelmodenpassbänder, können somit gezielt unterdrückt werden. Damit wird ein besonders effektives Filterbauelement ausgebildet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Spiegellagen wenigstens eine Verschiebungsspiegellage auf. Die Spiellagen können auch mehr als eine Verschiebungsspiegellage, beispielsweise zwei oder drei Verschiebungsspiegellagen aufweisen. Parallelresonator und Serienresonator teilen sich die Verschiebungsspiegellage. Die Verschiebungsspiegellage im Bereich des Serienresonators weist eine erste Schichtdicke auf. Die Verschiebungsspiegellage im Bereich des Parallelresonators weist eine zweite Schichtdicke auf. Die erste und die zweite Schickdicke sind unterschiedlich bzw. nicht gleich groß.
Vorzugsweise ist die erste Dicke der Verschiebungsspiegellage größer als die zweite Dicke der Verschiebungsspiegellage. Mit anderen Worten, die Verschiebungsspiegellage ist im Bereich des Serienresonators dicker als im Bereich des Parallelresonators. Folglich weist der Stapel aus Spiegelschichten im Bereich des Serienresonators eine größere Schichtdicke auf als im Bereich des Parallelresonators. Die erste Dicke kann beispielsweise das 1,05-fache, das 1,2-fache, das 1,5-fache oder das 2-fache der zweiten Dicke der Verschiebungsspiegellage betragen.
Durch die Verschiebungsspiegellage wird eine Spiegellage variierender Dicke in den Stapel eingeführt. Insbesondere variiert die Dicke dieser Spiegellage zwischen einem dem P-Resonator und einem dem S-Resonator zugeordneten Bereich des Stapels aus Spiegellagen. Durch die Veränderung der Dicke einer der Spiegellagen und damit des gesamten Stapels aus Spiegellagen können Spiegelmoden gezielt verschoben werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Spiegellagen wenigstens eine Spiegellage hoher akustischer Impedanz auf. Die Spiegellage hoher akustischer Impedanz weist beispielsweise Wolfram auf. Ferner weisen die Spiegellagen wenigstens eine Spiegellage niedriger akustischer Impedanz auf. Die Spiegellage niedriger akustischer Impedanz weist beispielsweise Siliziumdioxid auf. Spiegellagen hoher und niedriger akustischer Impedanz sind alternierend übereinander zu dem Stapel angeordnet.
Vorzugsweise ist eine Spiegellage niedriger akustischer Impedanz direkt angrenzend zum Substrat bzw. auf dem Substrat ausgebildet. Vorzugsweise ist eine Spiegellage niedriger akustischer Impedanz direkt angrenzend zu den Resonatoren ausgebildet. Mit anderen Worten, die Resonatoren sind auf einer Spiegellage niedriger akustischer Impedanz angeordnet. Bevorzugt weist die Verschiebungsspiegellage eine Spiegellage niedriger akustischer Impedanz auf. Bevorzugt weist die Verschiebungsspiegellage Wolfram auf.
Eine Spiegellage niedriger akustischer Impedanz weist eine hohe Sensitivität hinsichtlich auftretender Spiegelmoden auf. Insbesondere ist die Sensitivität von Spiegellagen niedriger akustischer Impedanz bei Spiegelmoden wesentlich höher als bei Hauptmoden. Eine auch nur geringfügige Veränderung in der Dicke einer entsprechenden Spiegellage im Bereich eines Resonatortyps (z.B. des P-Resonators) wirkt sich damit deutlich auf die Frequenz der Spiegelmode des betreffenden Resonators aus. Die Frequenz der Spiegelmoden des P-Resonators wird dadurch verschoben.
Beispielsweise grenzt die Verschiebungsspiegellage unmittelbar an den Parallelresonator und den Serienresonator an. Anders ausgedrückt können die Resonatoren direkt auf der Verschiebungsspiegellage ausgebildet sein. In diesem Fall stellt die Verschiebungsspiegellage die oberste Lage des Stapels aus Spiegelschichten dar. Die oberste Lage des Stapels weist eine hohe akustische Energie bei Spiegelmodenfrequenzen auf. Außerdem begünstigt die Nähe dieser Lage zu der Piezolage die Verschiebung der Spiegelmodenfrequenzen. Damit ist eine Verschiebungsspiegellage, die die oberste Lage des Stapels aus Spiegelschichten darstellt, besonders geeignet zur Unterdrückung parasitärer Durchlassbereiche.
Alternativ dazu kann die Verschiebungsspiegellage aber auch unmittelbar an das Substrat angrenzen. Mit anderen Worten, die Verschiebungsspiegellage kann direkt auf einer Oberseite des Substrats ausgebildet sein und die weiteren Spiegellagen sind oberhalb der Verschiebungsspiegellage ausgebildet. In diesem Fall stellt die Verschiebungsspiegellage die unterste Lage des Stapels aus Spiegelschichten dar.
Alternativ dazu kann die Verschiebungsspiegellage zwischen zwei Spiegellagen hoher akustischer Impedanz ausgebildet sein. In diesem Fall stellt die Verschiebungsspiegellage eine Lage in einem Innenbereich des Stapels aus Spiegelschichten dar.
Durch die gezielt unterschiedliche Schichtdicke für individuelle Resonatoren (Serienresonator und Parallelresonator) in Lagen, bei denen sich die Sensitivität der Frequenzlage auf Schichtdickenvariationen bei gewünschten (z.B. longitudinaler TE1 Modus) und unerwünschten Moden (z.B. Spiegelmoden) unterscheidet, wird die Filtercharakteristik so verändert, dass die unerwünschten Moden effektiv unterdrückt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Filterbauelement eine horizontale Ausdehnung oder Breite auf. Die Verschiebungsspiegellage erstreckt sich über die gesamte horizontale Ausdehnung des Filterbauelements. Damit ist sichergestellt, dass die Schichtdickenvariation des Stapels aus Spiegelschichten den Bereich aller Resonatoren betrifft.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verschiebungsspiegellage derart ausgebildet und angeordnet, dass im Parallelresonator auftretende Spiegelmoden zu Frequenzen oberhalb von im Serienresonator auftretenden Spiegelmoden verschoben werden. Mit anderen Worten, die Verschiebungsspiegellage weist ein Material, eine Dicke, eine Breite und/oder eine Position innerhalb des Stapels bzw. des Filterbauelements auf, durch welche die Frequenzverschiebung der Spiegelmoden des Parallelresonators realisiert wird. Durch die Verschiebungsspiegellage wird aus dem Spiegelmoden-Passband damit eine Bandsperre bzw. ein Notch, das für die Spezifikationsgrenzen nicht mehr kritisch ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Filterbauelements zur Unterdrückung parasitärer Durchlassbereiche angegeben. Durch das Verfahren wird vorzugsweise das oben beschriebene Filterbauelement hergestellt. Alle Merkmale, welche im Zusammenhang mit den Filterbauelement angegeben wurden, finden auch für das Verfahren Anwendung und umgekehrt.
Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

– Bereitstellen eines Substrats. Es wird ein mechanisch stabilisierender Träger bereitgestellt. Das Substrat weist beispielsweise Si auf. Das Substrat bildet bei dem fertiggestellten Filterbauelement vorzugsweise eine Unterseite des Filterbauelements.
– Bereitstellen von Spiegellagen. Die Spiegellagen weisen Spiegellagen hoher und niedriger akustischer Impedanz auf. Die Spiegellagen weisen ferner wenigstens eine Verschiebungsspiegellage auf.
– Alternierendes Anordnen der Spiegellagen auf dem Substrat. Spiegellagen hoher und niedriger akustischer Impedanz werden abwechselnd auf dem Substrat ausgebildet. Beispielsweise wird die Verschiebungsspiegellage maximal beabstandet von dem Substrat angeordnet. Aber auch andere Positionen der Verschiebungsspiegellage innerhalb des Stapels sind möglich.
– Ausbilden wenigstens eines Parallelresonators und wenigstens eines Serienresonators auf den Spiegellagen. Vorzugsweise weist das fertige Filterbauelement eine Vielzahl von Parallel- und Serienresonatoren auf. Die Resonatoren sind auf einem gemeinsamen Stapel aus Spiegellagen ausgebildet.

Die Verschiebungsspiegellage weist im Bereich des Serienresonators eine erste Schichtdicke und im Bereich des Parallelresonators eine zweite Schichtdicke auf. Die erste und die zweite Schickdicke sind unterschiedlich. Damit hat der Stapel der Spiegellagen im Bereich eines Resonatortyps (z.B. Serienresonator) eine andere Schichtdicke als im Bereich des anderen Resonatortyps (z.B. Parallelresonator). Durch die gezielt unterschiedlichen Schichtdicken für Parallel- und Serienresonator werden Spiegelmoden effektiv unterdrückt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Verschiebungsspiegellage im Bereich des Parallelresonators eine geringere Dicke auf als im Bereich des Serienresonators. Mit anderen Worten, die zweite Schichtdicke ist kleiner als die erste Schichtdicke.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die unterschiedlichen Schichtdicken der Verschiebungsspiegellage durch eine Verringerung der Schichtdicke der Verschiebungsspiegellage im Bereich des Parallelresonators erreicht. Beispielsweise wird die zweite Schichtdicke im Bereich des Parallelresonators durch Strukturieren der Verschiebungsspiegellage (Photolithographie und Ätzen) verringert. Insbesondere können die unterschiedlichen Schichtdicken der Verschiebungsspiegellage durch Anätzen der Verschiebungsspiegellage im Bereich des Parallelresonators ausgebildet werden. Alternativ dazu können die unterschiedlichen Schichtdicken der Verschiebungsspiegellage beispielsweise durch Aufbringen einer Zusatzschicht auf die Verschiebungsspiegellage im Bereich des Serienresonators ausgebildet werden, beispielsweise mittels Photolithographie (gesonderte Abscheidung und Strukturierung).
Die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Vielmehr können zur besseren Darstellung einzelne Dimensionen vergrößert, verkleinert oder auch verzerrt dargestellt sein.
Elemente, die einander gleichen oder die die gleiche Funktion übernehmen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Es zeigen:
1 eine breitbandige Messung eines Bandpassfilters in SMR Technologie mit Spiegelmoden,
2 eine schematische Darstellung eines Filterbauelements,
3 Admittanzkurven von Haupt- und Spiegelmoden von S-Resonatoren und P-Resonatoren,
4 Admittanzkurven von Haupt- und Spiegelmoden von S-Resonatoren und P-Resonatoren,
5 eine Transmissionskurve eines Bandpassfilters mit Haupt- und Nebendurchlassbereichen.
Die 1 zeigt eine breitbandige Messung eines Filterbauelements in SMR Technologie mit Spiegelmoden. Dargestellt ist das Passband 30 sowie Spiegelmoden 31. Die gestrichelte Kurve 32 zeigt das Zieldesign, bei dem die Spiegelmode 31 in einem Bereich gelockerter Selektions-Spezifikation 34 liegt. Die gepunktete Kurve 33 zeigt eine Variation der Frequenzlage der Mode 31 mit (Spiegel-)Schichtdickenvariation nach dem Stand der Technik, die zu einer Verletzung der Spezifikation 34 führt.
Nach dem Stand der Technik lässt sich eine Frequenzverschiebung nur durch enge Toleranzen der Schichtdickenvariation auch im Spiegel vermeiden oder die Intensität der Mode durch ein verändertes Stapeldesign verringern, was jedoch im Widerspruch zu anderen Optimierungszielen stehen kann.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Filterbauelements. Das Filterbauelement 1 weist ein Substrat 4 auf. Das Substrat 4 kann beispielsweise Silizium (Si) aufweisen. Das Filterbauelement 1 ist als SMR auf einem Bragg Spiegel ausgebildet. Insbesondere weist das Filterbauelement 1 Bragg-Spiegel bzw. Spiegellagen 5, 6 auf. Die Spiegellagen 5, 6 sind auf dem Substrat 4 angeordnet bzw. gestapelt.
Die Spiellagen 5, 6 sind unterteilt in Spiegellagen hoher akustischer Impedanz 5 und niedriger akustischer Impedanz 6. Dabei sind die Spiellagen hoher und niedriger akustischer Impedanz 5, 6 vorzugsweise alternierend angeordnet. Die Spiegellagen hoher akustischer Impedanz 5 weisen beispielsweise Wolfram (W) auf. Die Spiegellagen niedriger akustischer Impedanz 6 weisen beispielsweise SiO₂ auf. Die einzelnen Spiegellagen 5, 6 weisen eine Dicke oder vertikale Ausdehnung d auf. Insbesondere gibt die Dicke d die Ausdehnung der jeweiligen Spiegellage 5, 6 in Stapelrichtung an. Unterschiedliche Spiegellagen 5, 6 können dabei auch unterschiedliche Dicken d aufweisen.
Die Spiegellagen niedriger akustischer Impedanz 6 sind in diesem Ausführungsbeispiel vollflächig ausgebildet. Das bedeutet, dass die Spiegellagen 6 (insbesondere hier die unterste Spiegellage 6), die Oberfläche des Substrats 4 vollständig bedecken. Eine Fläche der Spiegellage 6 entspricht der Fläche des Substrats 4. Mit anderen Worten, die jeweilige Spiegellage niedriger akustischer Impedanz 6 ist über die komplette Breite bzw. horizontale Ausdehnung h des Filterbauelements 1 ausgebildet.
Hingegen weisen die Spiegellagen hoher akustischer Impedanz 5 eine kleinere Fläche auf als die Spiegellagen niedriger akustischer Impedanz 6. Insbesondere bedeckt eine auf eine Spiegellage niedriger akustischer Impedanz 6 angeordnete Spiegellage hoher akustischer Impedanz 5 eine Oberfläche der Spiegellage niedriger akustischer Impedanz 5 nicht vollständig sondern nur teilweise. Mit anderen Worten, die jeweilige Spiegellage hoher akustischer Impedanz 5 ist nicht über die komplette Breite des Filterbauelements 1 ausgebildet. Die Spiegellage 5 ist somit in Abschnitten oder Teilbereichen ausgebildet, wie aus 2 ersichtlich ist.
Das Filterbauelement 1 weist eine so genannte Ladder Type Struktur auf. Ein Ladder Type Filterbauelement umfasst wenigstens einen Serienzweig, der einen Signaleingang mit einem Signalausgang verbindet. Das Filterbauelement weist außerdem wenigstens einen Parallelzweig auf, der vom Serienzweig gegen Masse abzweigt. In jedem Parallelzweig ist ein Parallelresonator / P-Resonator 3 angeordnet und in jedem Serienzweig ist wenigstens ein bzw. eine Mehrzahl von Serienresonatoren / S-Resonatoren 2 seriell verschaltet.
Vorliegend ist in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich ein P-Resonator 3 und ein S-Resonator 2 dargestellt. Selbstverständlich weist das Filterbauelement 1 vorzugsweise eine Vielzahl von P-Resonatoren 3 und S-Resonatoren 2 auf, die wie oben beschrieben angeordnet sind.
Der jeweilige Resonator 2, 3 ist auf dem Schichtstapel aus Spiegellagen 5, 6 ausgebildet. Die Spiegellagen 5, 6 sind insbesondere zwischen den Resonatoren 2, 3 und dem Substrat 4 ausgebildet. Der P-Resonator 3 und der S-Resonator 2 teilen sich die Spiegellagen 5, 6. Mit anderen Worten, P-Resonator 3 und S-Resonator 2 sind auf einem gemeinsamen Schichtstapel aus Spiegellagen 5, 6 ausgebildet.
Der jeweilige Resonator 2, 3 weist eine piezoelektrische Schicht 8 auf, auf deren Ober- und Unterseite zur Anregung von mechanischen Schwingungen Elektrodenschichten 7, 9 zumindest teilweise überlappend angeordnet sind. Der jeweilige Resonator 2, 3 weist insbesondere eine untere Bodenelektrode 7 auf. Vorliegend teilen sich die Resonatoren 2, 3 die Bodenelektrode 7. Die untere Bodenelektrode 7 weist beispielsweise AlCu oder W auf. Die piezoelektrische Schicht 8 weist vorzugsweise AlN auf. Der jeweilige Resonator 2, 3 weist ferner eine Topelekektrode 9 auf. Die Topelektrode 9 weist beispielsweise AlCu oder W auf. Die Piezolage 8 ist zwischen Bodenelektrode 7 und Topelektrode 9 ausgebildet.
Der P-Resonator 3 weist eine Masselage 10 auf. Die Masselage 10 kann beispielsweise SiO₂ aufweisen, aber auch andere Materialien sind für die Masselage 10 vorstellbar. Die Masselage 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf der Topelektrode 9 des P-Resonators 3 ausgebildet. Vorliegend ist die Masselage 10 ferner zumindest teilweise auf der Piezoschicht 8 des P-Resonators 3 ausgebildet. Selbstverständlich kann die Masselage 10 aber auch in einer anderen Position im Lagenstapel realisiert sein.
Durch die zusätzliche Masselage 10 ist der P-Resonator 3 gegenüber dem S-Resonator 2 zu tieferen Frequenzen verschoben (siehe die gestrichelte Kurve 35 für die S-Resonatoren und die gepunktete Kurve 36 für die P-Resonatoren in den 3 und 4). Die Ladder-Type Verschaltung des Filterbauelements 1 führt dann zu einem Bandpassverhalten.
Da die Spiegelmoden der P-Resonatoren 3 ebenfalls bei tieferen Frequenzen auftreten als die der S-Resonatoren 2, ergibt sich ein zweites Passband (Spiegelmode), welches unerwünscht ist. Zur Unterdrückung bzw. Entfernung des zweiten Passbands weisen bei dem erfindungsgemäßen Filterbauelement 1 S-Resonator 2 und P-Resonator 3 unterschiedliche Spielschichtdicken auf. Mit anderen Worten, der Stapel aus Spiegellagen 5, 6 weist im Bereich des P-Resonators 3 im Vergleich zum Bereich des S-Resonators einen Schichtdickenunterschied 11 auf.
Insbesondere weisen die Spiegellagen 5, 6 wenigstens eine so genannte Verschiebungsspiegellage 20 auf. Auch eine Mehrzahl von Verschiebungsspiegellagen 20, beispielsweise zwei, drei oder vier Verschiebungsspiegellagen 20, ist vorstellbar.
Die Verschiebungsspiegellage 20 ist im Wesentlichen eine herkömmliche Bragg-Spiegellage, zeichnet sich aber dadurch aus, dass die Schichtdicke dieser einen speziellen Lage im Bereich von P-Resonator 3 und S-Resonator 2 unterschiedlich ist. Mit anderen Worten, die Verschiebungsspiegellage 20, welche sich P-Resonator 3 und S-Resonator teilen, weist im Bereich des P-Resonators 3 eine andere oder zweite Dicke d2 auf als im Bereich des S-Resonators 2 (erste Dicke d1). Die Verschiebungsspiegellage 20 weist eine variierende Schichtdicke d1, d2 auf, wobei die Schichtdicke in einer Richtung vertikal zu Stapelrichtung der Spiegellagen 5, 6 variiert.
Beispielsweise weist die Verschiebungsspiegellage 20 im Bereich des P-Resonators 3 eine kleinere Dicke d2 auf als im Bereich des S-Resonators 2. Beispielsweise ist die zweite Dicke d2 im Bereich des P-Resonators 3 halb so groß wie die erste Dicke d1 der Verschiebungsspiegellage 20 im Bereich des S-Resonators 2. Vorzugsweise liegt der Unterschied zwischen der ersten Dicke d1 und der zweiten Dicke d2 im Nanometerbereich. Die erste Dicke d1 ist vorzugsweise um ≤ 100 nm, beispielsweise ≤ 10 nm, größer als die zweite Dicke d2. Mit anderen Worten, der Schichtdickenunterschied 11 ist klein im Vergleich zu den absoluten Schichtdicken d der Spiegellagen 5, 6. Insbesondere liegt der Schichtdickenunterschied 11 im nm-Bereich, bevorzugt bei kleiner oder gleich 100 nm, beispielsweise 10 nm, 20 nm, 30 nm oder 50 nm.
Im Gegensatz zu der Verschiebungsspiegellage 20 weist jede der übrigen Spiegellagen 5, 6 im Bereich von P-Resonator und S-Resonator 2 die gleiche Dicke d auf. Mit anderen Worten, jede der übrigen Spiegellagen 5, 6 weist im Bereich des P-Resonators 3 eine Dicke d auf, welche der Dicke d der jeweiligen Spiegellage 5, 6 im Bereich des S-Resonators 2 entspricht.
Die unterschiedlichen Schichtdicken d1, d2 der Verschiebungsspiegellage 20 im Bereich vom P-Resonator 3 und S-Resonator kann beispielsweise durch Anätzen der Verschiebungsspiegellage 20 im Bereich des P-Resonators 3 erzeugt werden. Dadurch entsteht im Bereich des P-Resonators 3 eine geringere Dicke d2 als im Bereich des S-Resonators 2.
Die unterschiedlichen Schichtdicken d1, d2 der Verschiebungsspiegellage 20 im Bereich vom P-Resonator 3 und S-Resonator kann alternativ dazu durch Aufbringen einer gesonderten oder zusätzlichen Schicht 20a auf die Verschiebungsspiegellage 20 im Bereich des S-Resonators 2 erzeugt werden, beispielsweise mittels Photolitographie. Auch kann ein zweiter Abscheideschritt im Bereich des S-Resonators 2 die Dicke der Verschiebungsspiegellage 20 erhöhen. Dadurch entsteht im Bereich des S-Resonators 2 eine größere Dicke d1 als im Bereich des P-Resonators 3.
Vorzugsweise ist die Verschiebungsspiegellage 20 eine Spiegellage niedriger akustischer Impedanz. Vorzugsweise weist die Verschiebungsspiegellage SiO₂ auf. Vorzugsweise ist die Verschiebungsspiegellage 20 über die komplette Breite des Filterbauelements 1 hinweg ausgebildet.
Die Verschiebungsspiegellage 20 kann die „oberste“ Spiegellage darstellen. Mit anderen Worten, die Verschiebungsspiegellage 20 kann, vorzugsweise unmittelbar, an den jeweiligen Resonator 2, 3 angrenzend ausgebildet sein. Alternativ dazu kann die Verschiebungsspiegellage 20 aber auch die „unterste“ Spiegellage darstellen. Mit anderen Worten, die Verschiebungsspiegellage 20 kann, vorzugsweise unmittelbar, an das Substrat 4 angrenzend angeordnet sin. Alternativ dazu kann die Verschiebungsspiegellage 20 aber auch eine „mittlere“ Spiegellage darstellen. Mit anderen Worten, die Verschiebungsspiegellage 20 kann eine beliebige vertikale Position im Schichtstapel der Spiegellagen 5, 6 einnehmen. Ausschlaggebend ist lediglich die Variation in der Schichtdicke der Verschiebungsspiegellage 20.
Die Sensitivität bestimmter Spiegellagen 5, 6, beispielsweise des oberen Spiegeloxids, ist bei den Spiegelmoden wesentlich höher als bei den Hauptmoden. Variiert bzw. verringert man nun die Schichtdicke d beispielsweise des oberen Spiegeloxids an Hand der Ausbildung der Verschiebungsspiegellage 20 nur geringfügig und beispielsweise ausschließlich im Bereich des P-Resonators 3 wie in der 2 dargestellt ist, kann die Spiegelmode des P-Resonators 3 zu Frequenzen oberhalb der Spiegelmode des S-Resonators verschoben werden, wie an Hand der durchgezogenen Kurve 37 in den 3 und 4 ersichtlich ist.
Aus dem parasitären Spiegelmodenpassband wird dadurch ein Notch bzw. eine Bandsperre, wie in der 5 dargestellt ist. Dabei zeigt die durchgezogene Kurve 38 das parasitäre Spiegelmodenpassband im Standardfall (Stand der Technik) und die gestrichelte Kurve 39 den Notch durch Verschiebung der Spiegelmoden der P-Resonatoren zu Frequenzen oberhalb der Spiegelmoden der S-Resonatoren.
Durch unterschiedliche Schichtdicken für individuelle Resonatoren 2, 3 eines Filters 1 in Lagen, bei denen sich die Sensitivität der Frequenzlage auf Schichtdickenvariation bei gewünschten (z.B. longitudinaler TE1-Modus) und unerwünschten (z.B. Spiegelmoden) Moden unterscheidet, wird die Filtercharakteristik folglich in geeigneter Weise verändert, so dass unerwünschte Durchlassbereiche in ihrem Transmissionsgrad verringert werden.
Durch Anpassung einer Dicke oder vertikalen Ausdehnung der Masselage 10 kann eine dadurch entstehende minimale Bandbreitenvariation durch die Frequenzverschiebung der Hauptmode des P-Resonators 3 leicht kompensiert werden. Alternativ dazu kann dies aber auch durch Frequenztrimmen erfolgen.
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung eines Filterbauelements 1, insbesondere des in Zusammenhang mit 2 beschriebenen Filterbauelements 1, beschrieben. Alle Merkmale, welche im Zusammenhang mit dem Filterbauelement 1 beschrieben wurden, finden auch für das Verfahren Anwendung und umgekehrt.
In einem Schritt wird ein Substrat 4, beispielsweise Si, bereitgestellt. Das Substrat 4 dient als Trägerelement des Filterbauelements 1.
In einem Schritt werden Volumenwellenresonatoren bereitgestellt. Insbesondere weist das durch das Verfahren hergestellte Filterbauelement 1 wenigstens einen P-Resonator 3, vorzugsweise eine Vielzahl von P-Resonatoren 3, und wenigstens einen S-Resonator 2, vorzugsweise eine Vielzahl von S-Resonatoren 2, auf. Der jeweilige Resonator 2, 3 weist eine zwischen Elektroden 7, 9 angeordnete aktive bzw. piezoelektrische Schicht 8 auf.
In einem weiteren Schritt werden Spiegellagen 5, 6 bereitgestellt. Die Spiegellagen weisen Spiegellagen hoher akustischer Impedanz 5 und niedriger akustischer Impedanz 6 auf. Die Spiegellagen 5, 6 werden alternierend übereinander auf dem Substrat 4 angeordnet. Vorzugsweise wird unmittelbar auf das Substrat 4 eine Spiegellage niedriger akustischer Impedanz 6 ausgebildet, beispielsweise durch ein Abscheideverfahren (z.B. mittels Photolithographie). Die Spiegellage niedriger akustischer Impedanz 6 wird vorzugsweise durchgehend auf dem Substrat 4 ausgebildet. Mit anderen Worten, die Spiegellage 6 bedeckt das Substrat 4 vollständig.
Anschließend wird auf die Spiegellage niedriger akustischer Impedanz 6 eine Spiegellage hoher akustischer Impedanz 5 aufgebracht. Die Spiegellage hoher akustischer Impedanz 5 wird vorzugsweise so auf die Spiegellage niedriger akustischer Impedanz 6 aufgebracht, dass eine Oberfläche der Spiegellage 6 nur teilweise durch die Spiegellage 5 bedeckt wird. Mit anderen Worten, die Spiegellage 5 ist nicht durchgängig ausgebildet. Vielmehr weist die Spiegellage 5 mehrere Teilabschnitte auf. Die Anzahl der Teilabschnitte der Spiegellage 5 entspricht vorzugsweise der Anzahl der Resonatoren 2, 3 im Filterbauelement 1.
Die Spiegellagen 5, 6 weisen ferner eine Verschiebungsspiegellage 20 auf. Vorzugsweise ist die Verschiebungsspiegellage 20 eine Spiegellage niedriger akustischer Impedanz. In diesem Fall teilen sich P-und S-Resonator 2, 3 die Verschiebungsspiegellage 20. Mit anderen Worten, den Resonatoren 2, 3 ist eine gemeinsame Verschiebungsspiegellage 20 zugeordnet. Vorzugsweise ist die Verschiebungsspiegellage 20 über die komplette Breite des Filterbauelements 1 hinweg ausgebildet.
Die Verschiebungsspiegellage 20 weist im Bereich des P-Resonators 3 und des S-Resonators 2 eine unterschiedliche Schichtdicke d1, d2 auf. Insbesondere ist die Schichtdicke d2 der Verschiebungsspiegellage 20 im Bereich des P-Resonators 3 kleiner als die Schichtdicke d1 im Bereich des S-Resonators 2.
Die unterschiedlichen Schichtdicken d1, d2 der Verschiebungsspiegellage werden beispielsweise durch Anätzen der Verschiebungsspiegellage 20 im Bereich des P-Resonators 3 erzeugt. Alternativ dazu werden die unterschiedlichen Schichtdicken d1, d2 durch Ausführen eines zweiten Abscheideschritts bzw. durch Aufbringen einer Zusatzschicht 20a auf die Verschiebungsspiegellage 20 im Bereich des S-Resonators 2 ausgebildet.
Vorzugsweise wird die Verschiebungsspiegellage 20 maximal beabstandet von dem Substrat 4 angeordnet. Mit anderen Worten, die Verschiebungsspiegellage 20 wird unmittelbar an die Resonatoren 2, 3 angrenzend auf die weiteren Spiegellagen 5, 6 aufgebracht. Alternativ dazu ist jede beliebige andere Position der Verschiebungsspiegellage 20 im Stapel der Spiegellagen 5, 6 vorstellbar.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen – soweit technisch sinnvoll – beliebig miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Filterbauelement
2: S-Resonator / Serienresonator
3: P-Resonator / Parallelresonator
4: Substrat
5: Spiegellagen hoher Impedanz
6: Spiegellagen niedriger Impedanz
7: Bodenelektrode
8: Piezolage
9: Topelektrode
10: Masselage
11: Schichtdickenunterschied
d: Schichtdicke
d1: Erste Schichtdicke
d2: Zweite Schichtdicke
h: Horizontale Ausdehnung
20: Verschiebungsspiegellage
20a: Zusatzschicht
30: Passband
31: Spiegelmoden
32: Kurve
33: Kurve
34: Selektions-Spezifikation
35: Kurve
36: Kurve
37: Kurve
38: Kurve
39: Kurve

Claims

Filterbauelement (1) zur Unterdrückung parasitärer Durchlassbereiche aufweisend: – ein Substrat (4), – wenigstens einen Parallelresonator (3) und wenigstens einen Serienresonator (2) jeweils ausgebildet als Volumenwellenresonator, – eine Vielzahl von Spiegellagen (5, 6) wobei die Spiegellagen (5, 6) auf dem Substrat (4) zu einem Stapel angeordnet sind, und wobei der Parallelresonator (3) und der Serienresonator (2) auf dem Stapel der Spiegellagen (5, 6) ausgebildet sind, wobei der Stapel der Spiegellagen (5, 6) im Bereich des Parallelresonators (3) und des Serienresonators (2) eine unterschiedliche Schichtdicke aufweist.
Filterbauelement (1) nach Anspruch 1, wobei die Spiegellagen (5, 6) wenigstens eine Verschiebungsspiegellage (20) aufweisen, wobei die Verschiebungsspiegellage (20) im Bereich des Serienresonators (2) eine erste Schichtdicke (d1) und im Bereich des Parallelresonators (3) eine zweite Schichtdicke (d2) aufweist, und wobei die erste und die zweite Schickdicke (d1, d2) unterschiedlich sind.
Filterbauelement (1) nach Anspruch 2, wobei die erste Dicke (d1) der Verschiebungsspiegellage (20) größer ist als die zweite Dicke (d2) der Verschiebungsspiegellage (20).
Filterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Spiegellagen (5, 6) wenigstens eine Spiegellage hoher akustischer Impedanz (5) und wenigstens eine Spiegellage niedriger akustischer Impedanz (6) aufweisen, und wobei die Verschiebungsspiegellage (20) eine Spiegellage niedriger akustischer Impedanz aufweist.
Filterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Verschiebungsspiegellage (20) unmittelbar an den Parallelresonator (3) und den Serienresonator (2) angrenzt.
Filterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Verschiebungsspiegellage (20) unmittelbar an das Substrat (4) angrenzt.
Filterbauelement (1) nach Anspruch 4, wobei die Verschiebungsspiegellage (20) zwischen zwei Spiegellagen hoher akustischer Impedanz (5) ausgebildet ist.
Filterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Filterbauelement (1) eine horizontale Ausdehnung (h) aufweist, und wobei sich die Verschiebungsspiegellage (20) über die gesamte horizontale Ausdehnung (h) des Filterbauelements (1) erstreckt.
Filterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Verschiebungsspiegellage (20) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass der Transmissionsgrad von durch die Spiegellagen (5, 6) erzeugten Spiegelmoden (31) verringert wird.
Filterbauelement (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die Verschiebungsspiegellage (20) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass im Parallelresonator (3) auftretende Spiegelmoden (31) zu Frequenzen oberhalb von im Serienresonator (2) auftretenden Spiegelmoden (31) verschoben werden.
Verfahren zur Herstellung eines Filterbauelements (1) zur Unterdrückung parasitärer Durchlassbereiche aufweisend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Substrats (4); – Bereitstellen von Spiegellagen (5, 6), wobei die Spiegellagen (5, 6) wenigstens eine Verschiebungsspiegellage (20) aufweisen, – Alternierendes Anordnen der Spiegellagen (5, 6, 20) auf dem Substrat (4); – Ausbilden wenigstens eines Parallelresonators (3) und wenigstens eines Serienresonators (2) auf den Spiegellagen (5, 6, 20), wobei die Verschiebungsspiegellage (20) im Bereich des Serienresonators (2) eine erste Schichtdicke (d1) und im Bereich des Parallelresonators (3) eine zweite Schichtdicke (d2) aufweist, wobei die erste und die zweite Schickdicke (d1, d2) unterschiedlich ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die unterschiedlichen Schichtdicken (d1, d2) der Verschiebungsspiegellage (20) durch Anätzen der Verschiebungsspiegellage (20) im Bereich des Parallelresonators (3) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die unterschiedlichen Schichtdicken (d1, d2) der Verschiebungsspiegellage (20) durch Aufbringen einer Zusatzschicht (20a) auf die Verschiebungsspiegellage (20) im Bereich des Serienresonators (3) ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Verschiebungsspiegellage (20) maximal beabstandet von dem Substrat (4) angeordnet wird.