DE102019113797A1 - BAW resonator with reduced losses, RF filter, multiplexer and method for manufacturing a BAW resonator - Google Patents
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Abstract
Ein BAW-Resonator mit reduzierten Verlusten ist bereitgestellt. Der BAW-Resonator weist einen ersten Spalt auf, der zwischen dem piezoelektrischen Material und einer ersten Elektrode, die aus der unteren Elektrode und der oberen Elektrode des Resonators ausgewählt ist, angeordnet ist.A BAW resonator with reduced losses is provided. The BAW resonator has a first gap which is arranged between the piezoelectric material and a first electrode selected from the lower electrode and the upper electrode of the resonator.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen BAW-Resonator mit reduzierten Verlusten und ein entsprechendes HF-Filter, einen Multiplexer und ein Herstellungsverfahren.The present invention relates to a BAW resonator with reduced losses and a corresponding RF filter, a multiplexer and a manufacturing method.
HF-Filter können in Drahtloskommunikationsvorrichtungen verwendet werden, um gewollte HF-Signale von nichtgewollten HF-Signalen zu separieren. HF-Filter sind Teile von Multiplexern eines Frontend-Schaltkreises, z. B. einer Mobilkommunikationsvorrichtung. Parameter, wie etwa Einfügedämpfung, bandexterne Unterdrückung, Roll-Off, Isolation, Linearität, Lebensdauer usw., bestimmen die Qualität eines HF-Filters. Der Filtereinfügedämpfungsparameter wird direkt durch die Verluste der einzelnen Komponenten beeinfluss, die zum Konstruieren des Filters kaskadiert sind. Solche Komponenten in einem HF-Filter sind Resonatoren, wobei manche hinsichtlich anderen verstimmt sind, um eine Gesamtbandpass- oder -bandsperrfilterfunktion zu bilden, nachdem sie kaskadiert wurden. Daher ist der Resonatorgütefaktor ein typischer Schlüsselleistungsfähigkeitsindikator für die Filterleistungsfähigkeit.RF filters can be used in wireless communication devices to separate wanted RF signals from unwanted RF signals. RF filters are parts of multiplexers in a front-end circuit, e.g. B. a mobile communication device. Parameters such as insertion loss, out-of-band suppression, roll-off, isolation, linearity, service life, etc. determine the quality of an RF filter. The filter insertion loss parameter is directly influenced by the losses of the individual components that are cascaded to construct the filter. Such components in an RF filter are resonators, with some being detuned with respect to others to form an overall bandpass or bandstop filter function after they have been cascaded. Therefore, the resonator quality factor is a typical key performance indicator of filter performance.
Resonatoren, die in HF-Filtern verwendet werden, können elektroakustische sein, die akustische Wellen einsetzen und ein piezoelektrisches Material umfassen. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts wandelt ein Wandler in einem Resonator zwischen elektromagnetischen und akustischen HF-Signalen um. Zu diesem Zweck umfasst ein BAW-Resonator (BAW: Bulk Acoustic Wave - akustische Volumenwelle) typischerweise ein piezoelektrisches Material, das zwischen einer unteren Elektrode und einer oberen Elektrode angeordnet ist, die sich in direktem mechanischen Kontakt mit dem Piezodielektrikum befinden. Die gesamten Leitfähigkeitsverluste des Resonators werden durch die Leitfähigkeit des oberen und unteren Elektrodenmaterials und die Dicke bestimmt. Man kann nicht einfach die Elektrodendicke erhöhen und erwarten, dass die akustische Leistungsfähigkeit gleich bleibt. In der Praxis gibt es einen Kompromiss - man kann die effektive Elektrodenleitfähigkeit auf Kosten des akustischen Gütefaktors, des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten (in Zusammenhang mit Pol-/Nullstellenabstand und erreichbarer Filterbandbreite) und dem Störmodenanteil/-niveau verbessern. Mit zunehmender Filterdurchlassbandfrequenz wird dieser Kompromiss immer mehr zu einem Problem, da die Elektrodendicke aus akustischen Gründe verkleinert werden solle, um ähnliche akustische Eigenschaften wie eine Vorrichtung mit niedriger Frequenz zu haben, während, um eine ähnliche effektive Leitfähigkeit wie eine Vorrichtung mit niedrigerer Frequenz zu haben, die Elektrodenfilmdicke etwa die gleiche sein sollte.Resonators used in RF filters can be electroacoustic using acoustic waves and comprising a piezoelectric material. Due to the piezoelectric effect, a transducer in a resonator converts between electromagnetic and acoustic RF signals. For this purpose, a BAW resonator (BAW: Bulk Acoustic Wave) typically comprises a piezoelectric material which is arranged between a lower electrode and an upper electrode, which are in direct mechanical contact with the piezoelectric dielectric. The total conductivity losses of the resonator are determined by the conductivity of the upper and lower electrode material and the thickness. You can't just increase the electrode thickness and expect the acoustic performance to stay the same. In practice there is a compromise - the effective electrode conductivity can be improved at the expense of the acoustic quality factor, the electromechanical coupling coefficient (in connection with the pole / zero point spacing and the achievable filter bandwidth) and the interference mode component / level. As the filter passband frequency increases, this trade-off becomes more of a problem, as the electrode thickness should be reduced for acoustic reasons in order to have similar acoustic properties as a device with a low frequency, while in order to have a similar effective conductivity as a device with a lower frequency , the electrode film thickness should be about the same.
Ein Verfahren zum Entkoppeln dieses Kompromisses aus Leitfähigkeit/akustischer Leistungsfähigkeit wird bereitgestellt, das eine gleichzeitige Verbesserung der akustischen Leistungsfähigkeit und der effektiven elektrischen Leitfähigkeit des Resonators und der gesamten Filterleistungsfähigkeit erlaubt. Ein BAW-Resonator und ein Verfahren zum Herstellen eines BAW-Resonators gemäß den unabhängigen Ansprüchen sind bereitgestellt. Abhängige Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen bereit.A method of decoupling this conductivity / acoustic performance tradeoff is provided which allows a simultaneous improvement in the acoustic performance and the effective electrical conductivity of the resonator and the overall filter performance. A BAW resonator and a method for producing a BAW resonator according to the independent claims are provided. Dependent claims provide preferred embodiments.
Der BAW-Resonator mit reduzierten Verlusten umfasst ein piezoelektrisches Material. Das piezoelektrische Material ist in einer piezoelektrischen Schicht angeordnet. Ferner umfasst der Resonator eine untere Elektrode, die in einer unteren Elektrodenschicht angeordnet und strukturiert ist. Ferner umfasst der BAW-Resonator eine obere Elektrode, die in einer oberen Elektrodenschicht strukturiert und angeordnet ist. Die piezoelektrische Schicht ist auf oder oberhalb der unteren Elektrodenschicht angeordnet. Die obere Elektrodenschicht ist auf oder oberhalb der piezoelektrischen Schicht angeordnet. Ein erster Spalt ist zwischen dem piezoelektrischen Material und einer ersten Elektrode angeordnet. Die erste Elektrode ist aus der unteren Elektrode und der oberen Elektrode ausgewählt.The BAW resonator with reduced losses comprises a piezoelectric material. The piezoelectric material is arranged in a piezoelectric layer. The resonator furthermore comprises a lower electrode which is arranged and structured in a lower electrode layer. The BAW resonator further comprises an upper electrode which is structured and arranged in an upper electrode layer. The piezoelectric layer is arranged on or above the lower electrode layer. The upper electrode layer is arranged on or above the piezoelectric layer. A first gap is arranged between the piezoelectric material and a first electrode. The first electrode is selected from the lower electrode and the upper electrode.
Dementsprechend ist ein BAW-Resonator bereitgestellt, der eine gestapelte Schichtstruktur aufweist, die von der Sandwichstruktur herkömmlicher BAW-Resonatoren verschieden ist, wobei das piezoelektrische Material sandwichartig zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode dazwischenliegt. Insbesondere ermöglicht der erste Spalt, der zwischen dem piezoelektrischen Material und der ersten Elektrode (die die untere Elektrode oder die obere Elektrode sein kann) angeordnet ist, eine signifikante Reduzierung von Verlusten, da eine Leitfähigkeit durch eine erhöhte Dicke verbessert werden kann, ohne die akustische Belastung des piezoelektrischen Materials mit hoher Qualität (niedrigem akustischen Verlust) zu beeinflussen.Accordingly, a BAW resonator is provided which has a stacked layer structure which is different from the sandwich structure of conventional BAW resonators, wherein the piezoelectric material is sandwiched between the lower electrode and the upper electrode. In particular, the first gap, which is arranged between the piezoelectric material and the first electrode (which can be the lower electrode or the upper electrode), enables a significant reduction in losses, since conductivity can be improved by an increased thickness without the acoustic To influence loading of the piezoelectric material with high quality (low acoustic loss).
Eine Reduzierung von Verlusten kann erhalten werden, weil ohmsche Verluste und akustische Verluste reduziert werden können. Der erste Spalt kann akustische Verluste reduzieren, weil die Begrenzung akustischer Energie auf den Resonatorbereich, der das piezoelektrische Material umfasst, verbessert wird, weil keine akustische Energie über den Spalt abgeleitet werden kann.A reduction in losses can be obtained because ohmic losses and acoustic losses can be reduced. The first gap can reduce acoustic losses because the confinement of acoustic energy to the resonator area comprising the piezoelectric material is improved because no acoustic energy can be dissipated via the gap.
Ferner kann das HF-Signal über die erste Elektrode und über den Spalt in das piezoelektrische Material über einen breiten Bereich eingekoppelt werden, so dass Ströme, Wirbelströme und ohmsche Verluste reduziert werden.Furthermore, the RF signal can be coupled into the piezoelectric material over a wide range via the first electrode and via the gap, so that currents, eddy currents and ohmic losses are reduced.
Ferner reduziert die akustische Entkopplung des piezoelektrischen Materials von der ersten Elektrode die Anzahl möglicher Störmoden. Dementsprechend wird die Anzahl akustischer Kanäle, die akustische Energie aus dem Resonator ableiten, weiter reduziert.Furthermore, the acoustic decoupling of the piezoelectric material from the first electrode reduces the number of possible interference modes. Accordingly, the number of acoustic channels that derive acoustic energy from the resonator is further reduced.
Dementsprechend weist der bereitgestellte BAW-Resonator signifikant reduzierte Verluste und daher einen höheren Gütefaktor auf. Ein solcher BAW-Resonator ermöglicht HF-Filter mit reduzierten Verlusten und entsprechende HF-Filterkomponenten, wie etwa Multiplexer mit reduzierten Verlusten und mit verbesserten elektrischen Eigenschaften.The BAW resonator provided accordingly has significantly reduced losses and therefore a higher quality factor. Such a BAW resonator enables HF filters with reduced losses and corresponding HF filter components, such as multiplexers with reduced losses and with improved electrical properties.
Die reduzierte Einfügedämpfung des entsprechenden HF-Filters, z. B. eines Bandpassfilters, entspricht einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis und benötigt eine geringere Signalverstärkung, was zu einer insgesamt längeren Batterielebensdauer der entsprechenden Kommunikationsvorrichtung aufgrund der gleichzeitigen Verbesserung akustischer und elektrischer Eigenschaften des Resonators führt.The reduced insertion loss of the corresponding RF filter, e.g. B. a bandpass filter, corresponds to an improved signal-to-noise ratio and requires a lower signal amplification, which leads to an overall longer battery life of the corresponding communication device due to the simultaneous improvement of the acoustic and electrical properties of the resonator.
Die untere Elektrode und/oder die obere Elektrode kann herkömmliche Elektrodenmaterialien für BAW-Resonatoren, z. B. Gold, Molybdän, Silber, Wolfram, Kupfer, Aluminium oder Legierungen davon, umfassen oder daraus bestehen.The lower electrode and / or the upper electrode can be conventional electrode materials for BAW resonators, e.g. B. gold, molybdenum, silver, tungsten, copper, aluminum or alloys thereof, comprise or consist thereof.
Das piezoelektrische Material in der piezoelektrischen Schicht kann herkömmliche piezoelektrische Materialien umfassen, die für elektroakustisch aktive Vorrichtungen elektroakustischer Filterkomponenten verwendet werden. Dementsprechend kann das piezoelektrische Material Lithiumtantalat, Lithiumniobat, Aluminiumnitrid, scandiumdotiertes Aluminiumnitrid, Quarz oder Kombinationen davon umfassen oder daraus bestehen.The piezoelectric material in the piezoelectric layer can comprise conventional piezoelectric materials used for electroacoustic active devices of electroacoustic filter components. Accordingly, the piezoelectric material can comprise or consist of lithium tantalate, lithium niobate, aluminum nitride, scandium-doped aluminum nitride, quartz or combinations thereof.
Der erste Spalt ist ein vertikaler Spalt zwischen einem Material unterhalb und einem Material oberhalb des Spalts. Dementsprechend weist der Spalt eine Ausdehnung in horizontalen (x, y) Richtungen auf und ist im Wesentlichen orthogonal zu der vertikalen (z) Richtung. Der Spalt weist eine Dicke in der vertikalen Richtung auf, die 10 nm oder größer und 100 nm oder kleiner sein kann.The first gap is a vertical gap between a material below and a material above the gap. Accordingly, the gap has an extension in horizontal (x, y) directions and is substantially orthogonal to the vertical (z) direction. The gap has a thickness in the vertical direction that can be 10 nm or larger and 100 nm or smaller.
Die untere Elektrode und/oder die obere Elektrode kann Abmessungen in horizontalen Richtungen aufweisen, die in der Größenordnung von 100 µm sind. Der Spalt weist dementsprechend auch horizontale Ausdehnungen auf. Dementsprechend weist der Spalt ein sehr großes Aspektverhältnis von näherungsweise 100000 x 10 bis 100000 x 100 auf.The lower electrode and / or the upper electrode may have dimensions in horizontal directions that are on the order of 100 μm. The gap accordingly also has horizontal dimensions. Accordingly, the gap has a very large aspect ratio of approximately 100,000 × 10 to 100,000 × 100.
Um einen solchen Spalt auf eine solche Weise zu erhalten, dass die Akustik des piezoelektrischen Materials ungestört durch die erste Elektrode ist, müssen spezielle Bedingungen während der Herstellung befolgt werden. Dementsprechend müssen eine Wölbung oder andere Störungen, die die vertikale Dicke des Spalts lokal reduzieren, vermieden werden.In order to obtain such a gap in such a way that the acoustics of the piezoelectric material are undisturbed by the first electrode, special conditions must be followed during manufacture. Accordingly, buckling or other disturbances that locally reduce the vertical thickness of the gap must be avoided.
Die Schritte während der Herstellung des entsprechenden Schichtenstapels müssen mit hoher Präzision gesteuert werden.The steps during the production of the corresponding stack of layers must be controlled with high precision.
Dann ist eine Grenzfläche frei von mechanischer Spannung und optional frei von Ladungen auf einer oder beiden Seiten des piezoelektrischen Materials möglich, die zu den oben erwähnten Vorteilen des bereitgestellten BAW-Resonators führt.Then an interface free from mechanical stress and optionally free from charges is possible on one or both sides of the piezoelectric material, which leads to the above-mentioned advantages of the BAW resonator provided.
Es ist nicht nur möglich, einen Spalt zwischen dem piezoelektrischen Material und der ersten Elektrode bereitzustellen. Es ist auch möglich, einen entsprechenden zweiten Spalt auf der jeweiligen anderen Seite des piezoelektrischen Materials zwischen dem piezoelektrischen Material und der entsprechenden anderen Elektrode, die aus der unteren Elektrode und der oberen Elektrode ausgewählt ist, bereitzustellen, so dass das piezoelektrische Material über einen entsprechenden Spalt von beiden Elektroden isoliert ist. Das piezoelektrische Material ist über den ersten Spalt von der erste Elektrode und über den zweiten Spalt von der zweiten Elektrode separiert.It is not only possible to provide a gap between the piezoelectric material and the first electrode. It is also possible to provide a corresponding second gap on the respective other side of the piezoelectric material between the piezoelectric material and the corresponding other electrode, which is selected from the lower electrode and the upper electrode, so that the piezoelectric material has a corresponding gap is isolated from both electrodes. The piezoelectric material is separated from the first electrode via the first gap and from the second electrode via the second gap.
Entsprechend können auch alle technischen Merkmale, die mit Bezug auf diesen ersten Spalt beschrieben sind, auch - mutatis mutandis - auf den zweiten Spalt angewandt werden, falls dieser vorhanden ist.Accordingly, all technical features that are described with reference to this first gap can also - mutatis mutandis - be applied to the second gap, if this is present.
Insbesondere können, mit Bezug auf die Anordnung des piezoelektrischen Materials und der Spalte, die Strukturen in der Nähe des piezoelektrischen Materials - wenigstens mit Bezug auf die Schichtkonstruktion - eine Spiegelsymmetrie aufweisen, wobei die Ausdehnung des piezoelektrischen Materials in den horizontalen Richtungen eine Spiegelebene einrichtet.In particular, with regard to the arrangement of the piezoelectric material and the gaps, the structures in the vicinity of the piezoelectric material - at least with regard to the layer construction - can have a mirror symmetry, the expansion of the piezoelectric material in the horizontal directions establishing a mirror plane.
Es ist möglich, dass der Spalt (z. B. der erste Spalt und/oder der zweite Spalt) das piezoelektrische Material mechanisch und/oder elektrisch von der ersten (und/oder zweiten) Elektrode isoliert.It is possible for the gap (e.g. the first gap and / or the second gap) to mechanically and / or electrically isolate the piezoelectric material from the first (and / or second) electrode.
Die mechanische Isolation verbessert die Akustik des Wandlers, weil Energieverlustkanäle entfernt werden und die Möglichkeiten für die Anregung von Störmoden - aufgrund der vereinfachten Geometrie und der Symmetrie der Wandlerstruktur - reduziert wird.The mechanical isolation improves the acoustics of the transducer, because energy loss channels are removed and the possibilities for the excitation of interference modes - due to the simplified geometry and the symmetry of the transducer structure - are reduced.
Die elektrische Isolation reduziert die Möglichkeiten ohmscher Verluste, da ihre Dicke erhöht werden kann, ohne die Akustik zu beeinflussen. Das HF-Signal kann kapazitiv von der entsprechenden Elektrode über den Spalt in das piezoelektrische Material gekoppelt werden. Ein Ladungstransfer von dem piezoelektrischen Material zu der entsprechenden ersten (und/oder zweiten) Elektrode oder umgekehrt wird verhindert, so dass die gesamten ohmschen Verluste des BAW-Resonators reduziert werden.The electrical insulation reduces the possibilities of ohmic losses as its thickness increases without affecting the acoustics. The RF signal can be capacitively coupled into the piezoelectric material from the corresponding electrode via the gap. A charge transfer from the piezoelectric material to the corresponding first (and / or second) electrode or vice versa is prevented, so that the total ohmic losses of the BAW resonator are reduced.
Entsprechend ist es möglich, dass der erste Spalt zum kapazitiven Koppeln der ersten Elektrode mit dem piezoelektrischen Material bereitgestellt und geeignet ist. Dementsprechend sind auch die erste Elektrode und das piezoelektrische Material zum kapazitiven Koppeln der Wandlerstruktur, die das piezoelektrische Material umfasst, mit einem Signalpfad, der elektrisch mit dem BAW-Resonator gekoppelt ist, bereitgestellt und geeignet.Accordingly, it is possible for the first gap to be provided and suitable for capacitive coupling of the first electrode to the piezoelectric material. Accordingly, the first electrode and the piezoelectric material are also provided and suitable for capacitive coupling of the transducer structure, which comprises the piezoelectric material, with a signal path that is electrically coupled to the BAW resonator.
Es ist möglich, dass die erste Elektrode (und/oder die zweite Elektrode), der erste Spalt (und/oder der zweite Spalt, falls dieser vorhanden ist) und die entsprechende Grenzfläche zwischen dem Spalt und dem piezoelektrischen Material ein Reihenkapazitätselement einrichten.It is possible that the first electrode (and / or the second electrode), the first gap (and / or the second gap, if this is present) and the corresponding interface between the gap and the piezoelectric material establish a series capacitance element.
Die Bereitstellung des Reihenkapazitätselements richtet einen zusätzlichen Freiheitsgrad des Anpassens der elektroakustischen Kopplung ein, die dem Kopplungskoeffizienten K2 des BAW-Resonators entspricht.The provision of the series capacitance element establishes an additional degree of freedom for adapting the electroacoustic coupling, which corresponds to the coupling coefficient K 2 of the BAW resonator.
Entsprechend ist, wenn zwei Spalte vorhanden sind, dann die Wandlerstruktur, die das piezoelektrische Material umfasst, elektrisch zwischen den zwei Reihenkapazitätselementen, die über die Spalte eingerichtet werden, in Reihe verbunden.Similarly, if there are two gaps, then the transducer structure comprising the piezoelectric material is electrically connected in series between the two series capacitance elements established across the gaps.
Es ist möglich, dass der BAW-Resonator eine erste (und/oder zweite) Kopplungsschicht zwischen dem piezoelektrischen Material und dem ersten (und/oder zweiten) Spalt umfasst.It is possible that the BAW resonator comprises a first (and / or second) coupling layer between the piezoelectric material and the first (and / or second) gap.
Insbesondere kann die erste (und/oder zweite) Kopplungsschicht auf der oberen oder unteren Oberfläche des piezoelektrischen Materials angeordnet sein.In particular, the first (and / or second) coupling layer can be arranged on the upper or lower surface of the piezoelectric material.
Die erste und/oder zweite Kopplungsschicht kann ein leitfähiges oder dielektrisches Material umfassen. Die entsprechende erste und/oder zweite Kopplungsschicht verbessert die kapazitive Kopplung des HF-Signals in den und aus dem Wandler, der das piezoelektrische Material umfasst. The first and / or second coupling layer can comprise a conductive or dielectric material. The corresponding first and / or second coupling layer improves the capacitive coupling of the RF signal into and out of the transducer, which comprises the piezoelectric material.
Die kapazitive Kopplung kann im Wesentlichen eine quasielektrostatische Kopplung sein.The capacitive coupling can essentially be a quasi-electrostatic coupling.
Ferner kann das Material der Kopplungsschicht während der Herstellung dazu verwendet werden, als eine Ätzstoppschicht zu wirken, z. B. wenn der Spalt unter Nutzung eines Opfermaterials bereitgestellt wird, das während der Herstellung entfernt wird.Furthermore, the material of the coupling layer can be used during manufacture to act as an etch stop layer, e.g. B. when the gap is provided using a sacrificial material that is removed during manufacture.
Wie oben angegeben, ist es möglich, dass der BAW-Resonator zusätzlich zu dem ersten Spalt einen zweiten Spalt umfasst. Der zweite Spalt ist zwischen dem piezoelektrischen Material und einer zweiten Elektrode angeordnet. Die zweite Elektrode ist aus der unteren Elektrode und der oberen Elektrode ausgewählt und die zweite Elektrode ist die jeweilige andere Elektrode der unteren Elektrode und der oberen Elektrode im Vergleich zu der ersten Elektrode. Dementsprechend ist, wenn die erste Elektrode die untere Elektrode ist, die zweite Elektrode dann die obere Elektrode. Wenn die erste Elektrode die obere Elektrode ist, ist die zweite Elektrode dann die untere Elektrode.As stated above, it is possible for the BAW resonator to include a second gap in addition to the first gap. The second gap is arranged between the piezoelectric material and a second electrode. The second electrode is selected from the lower electrode and the upper electrode, and the second electrode is the respective other electrode of the lower electrode and the upper electrode compared to the first electrode. Accordingly, if the first electrode is the lower electrode, then the second electrode is the upper electrode. If the first electrode is the top electrode, then the second electrode is the bottom electrode.
Es ist möglich, dass der BAW-Resonator eine zweite Kopplungsschicht zwischen dem piezoelektrischen Material und dem zweiten Spalt umfasst.It is possible that the BAW resonator comprises a second coupling layer between the piezoelectric material and the second gap.
Es ist möglich, dass der BAW-Resonator eine horizontale akustische Reflexionsstruktur umfasst, die auf der oberen Seite und/oder der unteren Seite des piezoelektrischen Materials angeordnet ist.It is possible that the BAW resonator comprises a horizontal acoustic reflection structure which is arranged on the upper side and / or the lower side of the piezoelectric material.
Die horizontale akustische Reflexionsstruktur reflektiert akustische Energie, die ansonsten aus dem Wandlerbereich entlang einer lateralen, d.h. horizontalen Richtung, abgeleitet werden würde. Die horizontale akustische Reflexionsstruktur ist von einer vertikalen Bragg-Spiegel-Struktur, die die Ableitung akustischer Energie in einer vertikalen Richtung verhindert, wie von SMR-Typ-BAW-Resonatoren (SMR: Solidly Mounted Resonator - fest montierter Resonator) bekannt, verschieden und kann zusätzlich zu dieser bereitgestellt werden.The horizontal acoustic reflection structure reflects acoustic energy that would otherwise emit from the transducer area along a lateral, i. horizontal direction, would be derived. The horizontal acoustic reflection structure is different from a vertical Bragg mirror structure that prevents acoustic energy from being dissipated in a vertical direction, as known, and can, from SMR-type BAW resonators (SMR: Solidly Mounted Resonator) in addition to this.
Es ist möglich, dass die horizontale akustische Reflexionsstruktur eine vertikale Grenzfläche zwischen Bereichen unterschiedlicher akustischer Impedanzen umfasst.It is possible that the horizontal acoustic reflection structure comprises a vertical interface between areas of different acoustic impedances.
Akustische Energie wird an einer Grenzfläche zwischen Materialien unterschiedlicher akustischer Impedanz reflektiert. Die akustische Impedanz eines Materials hängt von den Steifigkeitsparametern des Materials und der Dichte des Materials ab. Wenn einige solche Grenzflächen iterativ in einer horizontalen Richtung angeordnet sind, insbesondere wenn der horizontale Abstand ein ganzzahliges Vielfaches von λ/2 (wobei λ die akustische Wellenlänge ist) ist, dann kann eine Bragg-Spiegel-Struktur erhalten werden, die einen großen Anteil der akustischen Energie reflektiert.Acoustic energy is reflected at an interface between materials of different acoustic impedance. The acoustic impedance of a material depends on the stiffness parameters of the material and the density of the material. If some such interfaces are iteratively arranged in a horizontal direction, especially if the horizontal distance is an integral multiple of λ / 2 (where λ is the acoustic wavelength), then a Bragg mirror structure can be obtained which has a large proportion of the reflecting acoustic energy.
Eine solche horizontale Reflexionsstruktur kann Strukturen auf der oberen Seite des piezoelektrischen Materials und Strukturen auf der unteren Seite des piezoelektrischen Materials aufweisen.Such a horizontal reflection structure can have structures on the upper side of the piezoelectric material and structures on the lower side of the piezoelectric material.
Es ist möglich, dass die horizontale akustische Reflexionsstruktur eine oder mehrere Vertiefungen in dem piezoelektrischen Material umfasst. Zusätzlich oder als eine Alternative ist es möglich, dass die horizontale akustische Reflexionsstruktur eine oder mehrere Stellen eines zusätzlichen Materials umfasst, die auf einer oberen oder bei einer unteren Seite des piezoelektrischen Materials angeordnet sind.It is possible that the horizontal acoustic reflection structure comprises one or more depressions in the piezoelectric material. Additionally or as an alternative, it is possible that the horizontal acoustic reflection structure comprises one or more locations of an additional material, which are arranged on an upper or at a lower side of the piezoelectric material.
Zusätzlich zu der horizontalen akustischen Reflexionsstruktur kann der BAW-Resonator einen Bragg-Reflektor umfassen, der unterhalb oder oberhalb des piezoelektrischen Materials angeordnet ist. Der Bragg-Reflektor kann akustisch mit dem piezoelektrischen Material gekoppelt sein.In addition to the horizontal acoustic reflection structure, the BAW resonator can comprise a Bragg reflector which is arranged below or above the piezoelectric material. The Bragg reflector can be acoustically coupled to the piezoelectric material.
Dann ist der BAW-Resonator ein Resonator des SMR-Typs (SMR: fest montierter Resonator).Then the BAW resonator is a resonator of the SMR type (SMR: permanently mounted resonator).
Der Bragg-Reflektor kann zwei oder mehr iterativ gestapelte Schichten aus Materialien unterschiedlicher akustischer Impedanzen umfassen.The Bragg reflector can comprise two or more iteratively stacked layers made of materials of different acoustic impedances.
Ein herkömmliches SMR-Typ-BAW-Resonator-Spiegelmaterial, wie etwa Wolfram für eine hohe akustische Impedanz und Siliciumoxid für eine niedrige akustische Impedanz, sind möglich.A conventional SMR-type BAW resonator mirror material, such as tungsten for high acoustic impedance and silicon oxide for low acoustic impedance, are possible.
Ferner kann der BAW-Resonator auch ein Resonator des TF-BAR-Typs sein. Ein TF-BAR (Thin-Film-Bulk Acoustic Resonator - akustischer Dünnfilmvolumenresonator) weist einen Hohlraum auf, der oberhalb oder unterhalb des piezoelektrischen Materials angeordnet ist, um die akustische Energie auf den Wandlerbereich zu begrenzen.Furthermore, the BAW resonator can also be a resonator of the TF-BAR type. A TF-BAR (Thin-Film-Bulk Acoustic Resonator) has a cavity which is arranged above or below the piezoelectric material in order to limit the acoustic energy to the transducer area.
Der wie oben beschriebene BAW-Resonator weist wenigstens einen Spalt zwischen einer Elektrode und dem piezoelektrischen Material auf, welcher eine akustische Isolation einrichtet und welcher akustische Energie eingrenzt, indem er die Ableitung akustischer Energie verhindert. Wenn der BAW-Resonator einen zweiten Spalt auf der jeweiligen anderen Seite aufweist, dann ist eine gute Isolation bereits enthalten.The BAW resonator as described above has at least one gap between an electrode and the piezoelectric material, which creates acoustic insulation and which limits acoustic energy by preventing the discharge of acoustic energy. If the BAW resonator has a second gap on the other side, good insulation is already included.
Falls jedoch der BAW-Resonator nur einen Spalt, wie oben beschrieben, aufweist, dann kann die jeweilige andere Seite des piezoelektrischen Materials akustisch von seiner Umgebung unter Nutzung des Bragg-Spiegels eines SMR-Typ-Resonators oder unter Nutzung eines Hohlraums eines TF-BAR isoliert werden.However, if the BAW resonator has only one gap, as described above, then the respective other side of the piezoelectric material can be acoustically different from its surroundings using the Bragg mirror of an SMR-type resonator or using a cavity of a TF-BAR to be isolated.
Es ist ferner möglich, dass der BAW-Resonator eine erste und/oder eine zweite zusätzliche Schicht umfasst. Die erste und/oder zweite zusätzliche Schicht ist aus einer Trägermaterialschicht und einer Kappenmaterialschicht ausgewählt. Die Trägermaterialschicht kann unterhalb des piezoelektrischen Materials angeordnet sein. Die Kappenmaterialschicht kann oberhalb des piezoelektrischen Materials angeordnet sein. Die erste zusätzliche Schicht oder die zweite zusätzliche Schicht oder die erste und die zweite zusätzliche Schicht können eine Durchkontaktierung enthalten.It is also possible that the BAW resonator comprises a first and / or a second additional layer. The first and / or second additional layer is selected from a carrier material layer and a cap material layer. The carrier material layer can be arranged below the piezoelectric material. The cap material layer can be arranged above the piezoelectric material. The first additional layer or the second additional layer or the first and the second additional layer may contain a via.
Dann kann die Trägermaterialschicht eine Schicht des Trägermaterials einrichten, auf der die gestapelte Schichtkonstruktion des BAW-Resonators angeordnet ist. Das Trägermaterial richtet einen physischen Träger ein und stellt einen Schutz des empfindlichen elektroakustischen Wandlers bei der unteren Seite des BAW-Resonators bereit.The carrier material layer can then establish a layer of the carrier material on which the stacked layer structure of the BAW resonator is arranged. The carrier material establishes a physical carrier and provides protection for the sensitive electroacoustic transducer at the bottom of the BAW resonator.
Die Kappenmaterialschicht richtet eine Kappe ein, die den empfindlichen Wandler vor schädlichen Einflüssen auf der oberen Seite des BAW-Resonators schützt. Insbesondere kann die Kappenmaterialschicht eine Kappe einrichten, die einen Hohlraum bedeckt, in dem das piezoelektrische Material und der erste und/oder Spalt angeordnet sind, so dass die Wandlerstruktur, die das piezoelektrische Material umfasst, hermetisch von seiner Umgebung versiegelt ist.The cap material layer establishes a cap that protects the sensitive transducer from harmful influences on the upper side of the BAW resonator. In particular, the cap material layer can set up a cap which covers a cavity in which the piezoelectric material and the first and / or gap are arranged, so that the transducer structure, which comprises the piezoelectric material, is hermetically sealed from its surroundings.
Abstandshalterelemente können verwendet werden, um die Trägermaterialschicht und/oder die Kappenmaterialschicht mechanisch von dem piezoelektrischen Material zu separieren.Spacer elements can be used to mechanically separate the carrier material layer and / or the cap material layer from the piezoelectric material.
Die Durchkontaktierung durch die Trägermmaterialschicht und/oder durch die Kappenmaterialschicht ermöglicht einen elektrischen Kontakt der entsprechenden unteren oder oberen Elektrode, um die Wandlerstruktur elektrisch mit einem Signalpfad des entsprechenden HF-Filters zu koppeln. Der Querschnitt der Durchkontaktierung kann in der Größenordnung der unteren oder der oberen Elektrode sein, so dass ohmsche Verluste - aufgrund des großen Querschnitts des Leiters - reduziert werden. Entsprechend nutzt die Durchkontaktierung ein Material mit einer hohen Leitfähigkeit, wie etwa Silber, Gold, Aluminium, Kupfer oder ähnliche Metalle oder Legierungen.The plated-through hole through the carrier material layer and / or through the cap material layer enables electrical contact to be made with the corresponding lower or upper electrode in order to electrically couple the converter structure to a signal path of the corresponding HF filter. The cross section of the via can be of the order of magnitude of the lower or the upper electrode, so that ohmic losses - due to the large cross section of the conductor - are reduced. Correspondingly, the through-hole plating uses a material with a high conductivity, such as silver, gold, aluminum, copper or similar metals or alloys.
Entsprechend ist es möglich, dass ein HF-Filter einen BAW-Resonator, wie oben beschrieben, umfasst.Correspondingly, it is possible for an HF filter to include a BAW resonator, as described above.
Das HF-Filter kann eine Abzweigtypschaltkreistopologie oder eine Kreuzgliedtypschaltkreistopologie aufweisen.The RF filter may have a branch-type circuit topology or a cross-link-type circuit topology.
Bei einer Abzweigtypartschaltkreistopologie sind Reihenresonatoren elektrisch zwischen einem ersten Port und einem zweiten Port in Reihe verbunden. Parallelresonatoren können in einem oder mehreren Shunt-Pfaden angeordnet sein, die den Signalpfad elektrisch mit Masse verbinden.In a branch type circuit topology, series resonators are electrically connected in series between a first port and a second port. Parallel resonators can be arranged in one or more shunt paths that electrically connect the signal path to ground.
In einer Kreuzgliedtopologie sind elektroakustische Resonatoren elektrisch zwischen einem ersten Port, der zwei Verbindungen umfasst, und einem zweiten Port, der zwei Verbindungen umfasst, verbunden. Wenigstens ein Schaltkreiselement ist zwischen einer ersten Verbindung des ersten Ports und einer ersten Verbindung des zweiten Ports verbunden und ein Schaltkreiselement ist elektrisch zwischen einer Verbindung des ersten Ports und der entsprechenden anderen Verbindung des zweiten Ports verbunden, so dass eine Kreuzverbindung zwischen Verbindungen der zwei Ports erhalten wird.In a crosslink topology, electroacoustic resonators are electrically connected between a first port that includes two connections and a second port that includes two connections. At least one circuit element is connected between a first connection of the first port and a first connection of the second port and one circuit element is electrically connected between one connection of the first port and the corresponding other connection of the second port so that a cross connection is obtained between connections of the two ports becomes.
Natürlich ist es möglich, dass zwei oder mehr oder alle der Resonatoren des HF-Filters oben beschriebene technische Merkmale aufweisen.It is of course possible for two or more or all of the resonators of the RF filter to have the technical features described above.
Ferner ist es möglich, dass ein Multiplexer ein HF-Filter, wie oben beschrieben, umfasst.It is also possible for a multiplexer to include an RF filter, as described above.
Der Multiplexer kann ein Duplexer, ein Triplexer, ein Quadplexer oder einen Multiplexer einer höheren Ordnung sein. Insbesondere kann der Multiplexer zum Arbeiten in einem Trägeraggregationsbetriebsmodus bereitgestellt sein.The multiplexer can be a duplexer, a triplexer, a quadplexer or a multiplexer of a higher order. In particular, the multiplexer can be provided for working in a carrier aggregation operating mode.
Ein Verfahren zum Herstellen eines BAW-Resonators umfasst den Schritt des Anordnens eines ersten Spalts zwischen einem piezoelektrischen Material und einer ersten Elektrode. Das piezoelektrische Material kann das piezoelektrische Material wie oben beschrieben sein und die erste Elektrode kann eine der ersten Elektroden wie oben beschrieben sein.A method for producing a BAW resonator comprises the step of arranging a first gap between a piezoelectric material and a first electrode. The piezoelectric material can be the piezoelectric material as described above and the first electrode can be one of the first electrodes as described above.
Die Bereitstellung des piezoelektrischen Materials kann Schritte von Dünnfilmschichtabscheidungstechniken, z. B. Sputtern, umfassen. Die Bereitstellung des piezoelektrischen Materials unter Verwendung von Dünnfilmschichtabscheidungstechniken ist insbesondere möglich, wenn Aluminiumnitrid oder scandiumdotiertes Aluminiumnitrid als das piezoelektrische Material verwendet wird.The provision of the piezoelectric material may include steps from thin film layer deposition techniques, e.g. B. sputtering. The provision of the piezoelectric material using thin film layer deposition techniques is particularly possible when aluminum nitride or scandium-doped aluminum nitride is used as the piezoelectric material.
Wenn das piezoelektrische Material Lithiumniobat oder Lithiumtantalat ist, dann sind Techniken, wie etwa Smart Cut™ oder ähnliche Techniken möglich. Die Trägermaterialschicht kann über einen Trägerwafer bereitgestellt werden und die Kappenmaterialschicht kann über einen Kappenwafer bereitgestellt werden. Waferbondverfahren zum Verbinden des Kappenwafers und/oder des Trägerwafers miteinander oder mit dem piezoelektrischen Material, z. B. über Abstandshalterelemente, sind möglich.If the piezoelectric material is lithium niobate or lithium tantalate, then techniques such as Smart Cut ™ or similar techniques are possible. The carrier material layer can be provided via a carrier wafer and the cap material layer can be provided via a cap wafer. Wafer bonding process for connecting the cap wafer and / or the carrier wafer to one another or to the piezoelectric material, e.g. B. via spacer elements are possible.
Die Kopplungsschichten können verwendet werden, um die lateralen Wellendispersionseigenschaften des piezoelektrischen Materials zu steuern. Insbesondere wird durch Platzieren eines elektrisch kurzschließenden Films oben auf dem Piezoelektrikum die Lateralmodengrenzfrequenz reduziert und können Störmodenanteile um die Vorrichtungsresonanzfrequenz herum reduziert werden - insbesondere für die Typ-II-Dispersion, bei der Moden Gebiete mit negativer Gruppengeschwindigkeit aufzeigen (typischerweise gerade unterhalb der Grenzfrequenz).The coupling layers can be used to control the lateral wave dispersion properties of the piezoelectric material. In particular, placing an electrically short-circuiting film on top of the piezoelectric reduces the lateral mode cutoff frequency and can reduce spurious mode components around the device resonance frequency - especially for Type II dispersion, where modes show areas of negative group velocity (typically just below the cutoff frequency).
Die Kopplungsschichten können Aluminium, Molybdän oder Wolfram oder andere Materialien, die einen geringen akustischen Verlust aufweisen und elektrisch leitfähig sind, umfassen oder daraus bestehen. Die Dicke in einer vertikalen Richtung der Kopplungsschichten kann 20 nm oder größer und 500 nm oder kleiner sein.The coupling layers can comprise or consist of aluminum, molybdenum or tungsten or other materials that have a low acoustic loss and are electrically conductive. The thickness in a vertical direction of the coupling layers may be 20 nm or more and 500 nm or less.
Das piezoelektrische Material kann aus einem Einkristallmaterial bestehen oder mehrere Körner und Domänen umfassen. Jedoch wird es bevorzugt, dass das piezoelektrische Material im Wesentlichen eine piezoelektrische Achse aufweist, die parallel zu der vertikalen Richtung orientiert ist.The piezoelectric material can consist of a single crystal material or comprise multiple grains and domains. However, it is preferred that the piezoelectric material has substantially a piezoelectric axis that is oriented parallel to the vertical direction.
Zentrale Aspekte und Funktionsprinzipien des BAW-Resonators und Einzelheiten bevorzugter Ausführungsformen sind durch die begleitenden schematischen Figuren gezeigt.Central aspects and functional principles of the BAW resonator and details of preferred embodiments are shown by the accompanying schematic figures.
In den Figuren gilt:
-
1 bis3 zeigen Konstruktionsmöglichkeiten grundlegender Resonatorstrukturen; -
4 zeigt einen Resonator mit zwei Spalten und mit einem Träger und einer Kappe; -
5 zeigt die Verwendung eines Hohlraums unterhalb des piezoelektrischen Materials; -
6 zeigt die Verwendung eines Bragg-Spiegels unterhalb des piezoelektrischen Materials; -
7 zeigt die Verwendung eines leitenden Bragg-Spiegels unterhalb des piezoelektrischen Materials; -
8 zeigt mögliche Strukturen horizontaler akustischer Reflexionsstrukturen; -
9 zeigt zusätzliche oder alternative mögliche Einzelheiten horizontaler akustischer Reflexionsstrukturen. -
10 und11 zeigen mögliche Einzelheiten horizontaler akustischer Reflexionsstrukturen; und -
12 veranschaulicht eine mögliche Schaltkreistopologie eines Duplexers.
-
1 to3 show construction possibilities of basic resonator structures; -
4th shows a resonator with two columns and with a carrier and a cap; -
5 Figure 3 shows the use of a cavity beneath the piezoelectric material; -
6th shows the use of a Bragg mirror beneath the piezoelectric material; -
7th Figure 3 shows the use of a conductive Bragg mirror beneath the piezoelectric material; -
8th shows possible structures of horizontal acoustic reflection structures; -
9 shows additional or alternative possible details of horizontal acoustic reflection structures. -
10 and11 show possible details of horizontal acoustic reflection structures; and -
12th illustrates one possible circuit topology of a duplexer.
Das piezoelektrische Material
In
In
In
Die Kopplung des HF-Signals von einer externen Schaltkreisumgebung, z. B. einem HF-Filter, in das piezoelektrische Material
Ferner veranschaulicht der schematisch in
Elektrische Verbindungen sind unter Nutzung von Durchkontaktierungen
Im Gegensatz dazu veranschaulicht
Der Bragg-Spiegel
Im Gegensatz zeigt
Ferner sind die Tiefe der ersten und der zweiten Vertiefung
Der BAW-Resonator, das HF-Filter, der Multiplexer und das Verfahren zum Herstellen eines BAW-Resonators sind nicht auf die technischen Einzelheiten, die oben beschrieben oder in den Figuren gezeigt sind, beschränkt. Der Resonator kann ferner akustische und/oder elektrische Mittel zur Optimierung umfassen.The BAW resonator, the HF filter, the multiplexer and the method for producing a BAW resonator are not limited to the technical details that are described above or shown in the figures. The resonator can also comprise acoustic and / or electrical means for optimization.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- AN:AT:
- Antenneantenna
- BAWR:BAWR:
- BAW-ResonatorBAW resonator
- BE:BE:
- untere Elektrodelower electrode
- BEL:BEL:
- untere Elektrodenschichtlower electrode layer
- BM:BM:
- Bragg-SpiegelBragg mirror
- CAV:CAV:
- Hohlraumcavity
- CP:CP:
- gemeinsamer Portcommon port
- CPML:CPML:
- KappenmaterialschichtCap material layer
- CRML:CRML:
- TrägermaterialschichtCarrier material layer
- EL1, EL2:EL1, EL2:
- erste, zweite Elektrodefirst, second electrode
- G1, G2:G1, G2:
- erster, zweiter Spaltfirst, second gap
- HAM:HAM:
- horizontaler akustischer Spiegelhorizontal acoustic mirror
- HARS:HARS:
- horizontale akustische Reflexionsstrukturhorizontal acoustic reflection structure
- IMC:IMC:
- ImpedanzanpassungsschaltkreisImpedance matching circuit
- LP1, LP2, LP3,LP1, LP2, LP3,
- erste, zweite, ..., sechste lateralefirst, second, ..., sixth lateral
- LP4, LP5, LP6:LP4, LP5, LP6:
- Positionposition
- MUL:MUL:
- Multiplexermultiplexer
- PL:PL:
- piezoelektrische Schichtpiezoelectric layer
- PM:PM:
- piezoelektrisches Materialpiezoelectric material
- PR:PR:
- ParallelresonatorParallel resonator
- R1, R2:R1, R2:
- erste, zweite Vertiefungfirst, second recess
- RXF:RXF:
- EmpfangsfilterReceive filter
- SL:SL:
- SignalleitungSignal line
- SP:SP:
- AbstandshalterelementSpacer element
- SR:SR:
- ReihenresonatorSeries resonator
- TC:TC:
- DurchkontaktierungVia
- TE:TE:
- obere Elektrodeupper electrode
- TEL:TEL:
- obere Elektrodenschichtupper electrode layer
- TXF:TXF:
- ÜbertragungsfilterTransmission filter
- VP1, VP2, VP3:VP1, VP2, VP3:
- erste, zweite, dritte vertikale Positionfirst, second, third vertical position
Claims (17)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: BARDEHLE PAGENBERG PARTNERSCHAFT MBB PATENTANW, DE |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: RF360 SINGAPORE PTE. LTD., SG Free format text: FORMER OWNER: RF360 EUROPE GMBH, 81671 MUENCHEN, DE |
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R016 | Response to examination communication |