DE102020134143A1

DE102020134143A1 - Filter mit piezoelektrischem Film, der an ein Siliziumsubstrat mit hohem spezifischen Widerstand mit einer haftstellenreichen Schicht gebondet ist

Info

Publication number: DE102020134143A1
Application number: DE102020134143.1A
Authority: DE
Inventors: Patrick Turner
Original assignee: Resonant Inc
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2019-12-20
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2021-06-24
Also published as: CN113014224A

Abstract

Akustische Resonatorgeräte und Filter werden offenbart. Ein akustischer Resonator enthält ein Substrat mit einem haftstellenreichen Gebiet, das an eine Oberfläche angrenzt, und eine einkristalline piezoelektrische Platte mit paralleler Vorder- und Rückfläche, wobei die mit Ausnahme eines Bereichs der piezoelektrischen Platte an der Oberfläche des Substrats angebrachten Rückfläche eine Membran bildet, die einen Hohlraum im Substrat überspannt. Ein Interdigitalwandler (Interdigital Transducer, IDT) ist auf der Vorderfläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte derart gebildet, dass verschachtelte Finger des IDT auf der Membran angeordnet sind. Die einkristalline piezoelektrische Platte und der IDT sind derart eingerichtet, dass ein an den IDT angelegtes Hochfrequenzsignal eine akustische Primär-Schermode innerhalb der Membran anregt.

Description

HINTERGRUND
Gebiet
Diese Offenbarung betrifft Hochfrequenzfilter, die akustische Wellenresonatoren verwenden, und insbesondere Filter zur Verwendung in Kommunikationsausrüstung.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Ein Hochfrequenzfilter (HF-Filter) ist ein Zwei-Port-Gerät, das so eingerichtet ist, dass es einige Frequenzen durchlässt und andere Frequenzen sperrt, wobei „Durchlassen“ Übertragen mit relativ geringem Signalverlust bedeutet und „Sperren“ Blockieren oder wesentliches Dämpfen bedeutet. Der Bereich der von einem Filter durchgelassenen Frequenzen wird als „Durchlassband“ des Filters bezeichnet. Der Bereich der von einem solchen Filter gesperrten Frequenzen wird als „Sperrband“ des Filters bezeichnet. Ein typisches HF-Filter hat mindestens ein Durchlassband und mindestens ein Sperrband. Spezifische Anforderungen an ein Durchlass- oder Sperrband hängen von der spezifischen Anwendung ab. Zum Beispiel kann ein „Durchlassband“ als ein Frequenzbereich definiert werden, in dem die Einfügungsdämpfung eines Filters besser als ein definierter Wert wie 1 dB, 2 dB oder 3 dB ist. Ein „Sperrbereich“ kann als ein Frequenzbereich definiert werden, in dem die Unterdrückung eines Filters je nach Anwendung größer als ein definierter Wert wie 20 dB, 30 dB, 40 dB oder mehr ist.
HF-Filter werden in Kommunikationssystemen verwendet, in denen Informationen über drahtlose Verbindungen übertragen werden. HF-Filter finden sich beispielsweise in den HF-Frontends von Mobilfunk-Basisstationen, Mobiltelefonen und Computergeräten, Satellitentransceivern und Bodenstationen, IoT-Geräten (Internet der Dinge), Laptops und Tablets, Festpunktfunkverbindungen und anderen Kommunikationssystemen. HF-Filter werden auch in Radar- und elektronischen und informationstechnischen Kriegsführungssystemen eingesetzt.
HF-Filter erfordern in der Regel viele Design-Kompromisse, um für jede spezifische Anwendung den besten Kompromiss zwischen Leistungsparametern wie Einfügungsdämpfung, Unterdrückung, Isolierung, Belastbarkeit, Linearität, Größe und Kosten zu erzielen. Spezifische Design- und Fertigungsmethoden und -verbesserungen können gleichzeitig einer oder mehreren dieser Anforderungen zugutekommen.
Leistungsverbesserungen an den HF-Filtern in einem Drahtlossystem können sich auf die Systemleistung auf breiter Front auswirken. Verbesserungen bei HF-Filtern können genutzt werden, um die Systemleistungsverbesserungen vorzusehen, wie z.B. größere Zellen, längere Batterielebensdauer, höhere Datenraten, größere Netzwerkkapazität, niedrigere Kosten, verbesserte Sicherheit, höhere Zuverlässigkeit usw. Diese Verbesserungen können auf vielen Ebenen des Drahtlossystems sowohl einzeln als auch in Kombination realisiert werden, z.B. auf der Ebene des HF-Moduls, des HF-Transceivers, des mobilen oder festen Subsystems oder des Netzwerks.
Der Wunsch nach breiteren Kommunikationskanalbandbreiten wird unweigerlich zur Nutzung von Kommunikationsbändern mit höheren Frequenzen führen. Die aktuelle LTE™-Spezifikation (Long Term Evolution) definiert Frequenzbänder von 3,3 GHz bis 5,9 GHz. Einige dieser Bänder werden zur Zeit nicht genutzt. Zukünftige Vorschläge für Drahtloskommunikationen umfassen Millimeterwellen-Kommunikationsbänder mit Frequenzen bis zu 28 GHz.
Hochleistungs-HF-Filter für aktuelle Kommunikationssysteme enthalten üblicherweise akustische Wellenresonatoren, einschließlich akustische Oberflächenwellenresonatoren (Surface Acoustic Wave Resonator, SAW-Resonator), akustische Volumenwellenresonatoren (Bulk Acoustic Wave Resonator, BAW-Resonator), akustische Filmvolumenwellenresonatoren (Film Bulk Acoustic Wave Resonator, FBAR-Resonator) und andere Arten von akustischen Resonatoren. Diese bestehenden Technologien sind jedoch nicht gut für den Einsatz bei den höheren Frequenzen geeignet, die für zukünftige Kommunikationsnetze vorgeschlagen werden.
Figurenliste

1 enthält eine schematische Draufsicht und zwei schematische Querschnittsansichten eines transversal angeregten akustischen Filmvolumenresonators (XBAR).
2 ist eine erweiterte schematische Querschnittsansicht eines Bereichs des XBAR von 1.
3 ist eine alternative schematische Querschnittsansicht des XBAR von 1.
4 ist eine Grafik, die eine horizontale akustische Schermode in einem XBAR illustriert.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht und zwei detaillierte Querschnittsansichten eines Filters mit XBARs.
6 ist ein Diagramm, das die Eingangs-/Ausgangsübertragungsfunktionen von Filtern vergleicht, die mit Substraten hergestellt wurden, die einen hohen spezifischen Widerstand und einen niedrigen spezifischen Widerstand haben.
7 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Filters auf einer piezoelektrischen Platte, die mit einem Siliziumsubstrat mit einer haftstellenreichen Schicht gebondet ist.

In dieser Beschreibung werden Elementen, die in Zeichnungen erscheinen, drei- oder vierstellige Bezugsbezeichner zugewiesen, wobei die beiden niedrigstwertigen Ziffern für das Element spezifisch sind und die ein oder zwei höchstwertigen Ziffern die Zeichnungsnummer sind, bei der das Element zuerst eingeführt wird. Bei einem Element, das nicht in Verbindung mit einer Zeichnung beschrieben wird, kann davon ausgegangen werden, dass es dieselben Merkmale und dieselbe Funktion wie ein zuvor beschriebenes Element mit demselben Bezugsbezeichner hat.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Vorrichtungsbeschreibung
1 zeigt eine vereinfachte schematische Draufsicht und orthogonale Querschnittsansichten eines transversal angeregten akustischen Filmvolumenresonators (XBAR) 100. XBAR-Resonatoren wie der Resonator 100 können in einer Vielfalt von HF-Filtern verwendet werden, darunter Bandsperrfilter, Bandpassfilter, Duplexer und Multiplexer. XBARs eignen sich besonders für den Einsatz in Filtern für Kommunikationsbänder mit Frequenzen über 3 GHz.
Der XBAR 100 besteht aus einer Dünnfilm-Leiterstruktur, das auf einer Oberfläche einer piezoelektrischen Platte 110 mit parallelen Vorder- und Rückflächen 112 bzw. 114 gebildet wird. Die piezoelektrische Platte ist eine dünne Einkristallschicht aus einem piezoelektrischen Material wie Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Lanthangalliumsilikat, Galliumnitrid oder Aluminiumnitrid. Die piezoelektrische Platte wird so geschnitten, dass die Orientierung der X-, Y- und Z-Kristallachsen in Bezug auf die Vorder- und Rückfläche bekannt und konsistent ist. In den in diesem Patent dargestellten Beispielen sind die piezoelektrischen Platten Z-geschnitten, d.h. die Z-Achse steht senkrecht zu den Vorder- und Rückflächen 112, 114. XBARs können jedoch auf piezoelektrischen Platten mit anderen kristallographischen Ausrichtungen hergestellt werden, einschließlich rotiertem Z-Schnitt und rotiertem YX-Schnitt.
Die Rückfläche 114 der piezoelektrischen Platte 110 ist an einer Oberfläche des Substrats 120 angebracht, mit Ausnahme eines Bereichs der piezoelektrischen Platte 110, der eine Membran 115 bildet, die einen im Substrat gebildeten Hohlraum 140 überspannt. Der Bereich der piezoelektrischen Platte, der den Hohlraum überspannt, wird hier aufgrund seiner physikalischen Ähnlichkeit mit der Membran eines Mikrofons als „Membran“ 115 bezeichnet. Wie in 1 gezeigt, grenzt die Membran 115 an den Rest der piezoelektrischen Platte 110 über den gesamten Umfang 145 des Hohlraums 140 an. In diesem Zusammenhang bedeutet „angrenzend“ „kontinuierlich verbunden ohne irgendein Zwischenelement“.
Das Substrat 120 bietet der piezoelektrischen Platte 110 mechanischen Halt. Das Substrat 120 kann z.B. aus Silizium, Saphir, Quarz oder einem anderen Material oder einer Materialkombination sein. Die Rückfläche 114 der piezoelektrischen Platte 110 kann mit einem Wafer-Bonding-Verfahren an das Substrat 120 gebondet werden. Alternativ kann die piezoelektrische Platte 110 auf dem Substrat 120 aufgewachsen oder auf andere Weise an dem Substrat angebracht werden. Die piezoelektrische Platte 110 kann direkt an dem Substrat angebracht werden oder über eine oder mehrere Materialzwischenschichten an dem Substrat 120 angebracht werden.
„Hohlraum“ hat seine übliche Bedeutung von „einem leeren Raum innerhalb eines festen Körpers“. Der Hohlraum 140 kann ein Loch sein, das das Substrat 120 vollständig durchdringt (wie in Abschnitt A-A und Abschnitt B-B gezeigt) oder eine Vertiefung im Substrat 120 (wie nachfolgend in 3A und 3B gezeigt). Der Hohlraum 140 kann z.B. durch selektives Ätzen des Substrats 120 vor oder nach Anbringen der piezoelektrischen Platte 110 und des Substrats 120 gebildet werden.
Die Leiterstruktur des XBAR 100 enthält einen Interdigitalwandler (Interdigital Transducer, IDT) 130. Der IDT 130 umfasst eine erste Vielzahl paralleler Finger, wie z.B. den Finger 136, die sich von einer ersten Sammelschiene 132 erstrecken, und eine zweite Vielzahl von Fingern, die sich von einer zweiten Sammelschiene 134 erstrecken. Die erste und zweite Vielzahl paralleler Finger sind verschachtelt. Die verschachtelten Finger überlappen sich über eine Distanz AP, die allgemein als „Apertur“ des IDT bezeichnet wird. Der Mitte-zu-Mitte-Abstand L zwischen den äußersten Fingern des IDT 130 ist die „Länge“ des IDT.
Die erste und zweite Sammelschiene 132, 134 dienen als Anschlüsse des XBAR 100. Ein Hochfrequenz- oder Mikrowellensignal, das zwischen den beiden Sammelschienen 132, 134 des IDT 130 angelegt wird, regt eine akustische Primärmode innerhalb der piezoelektrischen Platte 110 an. Wie im Folgenden näher erläutert wird, ist die akustische Primärmode eine Volumen-Schermode, bei der sich akustische Energie entlang einer Richtung ausbreitet, die im Wesentlichen orthogonal zur Oberfläche der piezoelektrischen Platte 110 verläuft, die auch senkrecht oder quer zur Richtung des von den IDT-Fingern erzeugten elektrischen Feldes verläuft. Daher wird der XBAR als transversal angeregter Filmvolumenwellenresonator betrachtet.
Der IDT 130 wird auf der piezoelektrischen Platte 110 so positioniert, dass mindestens die Finger des IDT 130 auf der Membran 115 der piezoelektrischen Platte angeordnet sind, die den Hohlraum 140 überspannt oder darüber aufgehängt ist. Wie in 1 gezeigt, hat der Hohlraum 140 einen rechteckigen Querschnitt mit einer Ausdehnung, die größer ist als die Apertur AP und die Länge L des IDT 130. Ein Hohlraum eines XBAR kann eine andere Querschnittsform haben, z.B. ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Polygon. Der Hohlraum eines XBAR kann mehr oder weniger als vier Seiten haben, die gerade oder gekrümmt sein können.
Um die Darstellung in 1 zu erleichtern, ist der geometrische Abstand und die geometrische Breite der IDT-Finger in Bezug auf die Länge (Dimension L) und Apertur (Dimension AP) des XBAR stark übertrieben. Ein typischer XBAR hat mehr als zehn parallele Finger im IDT. Ein XBAR kann Hunderte, möglicherweise Tausende von parallelen Fingern im IDT haben. Auch die Dicke der Finger in den Querschnittsansichten ist stark übertrieben.
2 zeigt eine detaillierte schematische Querschnittsansicht des XBAR 100 von 1. Die piezoelektrische Platte 110 ist eine einkristalline Schicht aus piezoelektrischem Material mit einer Dicke ts. ts kann z.B. 100 nm bis 1500 nm betragen. Bei Verwendung in Filtern für LTE™-Bänder von 3,4 GHz bis 6 GHz (z.B. Bänder 42, 43, 46) kann die Dicke ts z.B. 200 nm bis 1000 nm betragen.
Eine vorderseitige dielektrische Schicht 214 kann optional auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte 110 gebildet sein. Die „Vorderseite“ des XBAR ist per Definition die vom Substrat abgewandte Oberfläche. Die vorderseitige dielektrische Schicht 214 hat eine Dicke tfd. Die vorderseitige dielektrische Schicht 214 ist zwischen den IDT-Fingern 238 gebildet. Obwohl in 2 nicht gezeigt, kann die vorderseitige dielektrische Schicht 214 auch über den IDT-Fingern 238 abgeschieden sein. Eine rückseitige dielektrische Schicht 216 kann optional auf der Rückseite der piezoelektrischen Platte 110 gebildet sein. Die rückseitige dielektrische Schicht 216 hat eine Dicke tbd. Die vorderseitige und rückseitige dielektrische Schicht 214, 216 können aus einem nicht-piezoelektrischen dielektrischen Material bestehen, wie z.B. Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, tfd und tbd können z.B. 0 bis 500 nm betragen. tfd und tbd sind typischerweise kleiner als die Dicke ts der piezoelektrischen Platte, tfd und tbd sind nicht unbedingt gleich, und die vorderseitige und rückseitige dielektrische Schicht 214, 216 haben nicht unbedingt das gleiche Material. Eine oder beide der vorderseitigen und rückseitigen dielektrischen Schicht 214, 216 können aus mehreren Schichten von zwei oder mehr Materialien gebildet sein.
Die IDT-Finger 238 können aus Aluminium, Legierungen im Wesentlichen aus Aluminium, Kupfer, Legierungen im Wesentlichen aus Kupfer, Beryllium, Gold oder einem anderen leitenden Material bestehen. Dünne (im Verhältnis zur Gesamtdicke der Leiter) Schichten aus anderen Metallen, wie Chrom oder Titan, können unter und/oder über den Fingern gebildet sein, um die Haftung zwischen den Fingern und der piezoelektrischen Platte 110 zu verbessern und/oder um die Finger zu passivieren oder zu verkapseln. Die Sammelschienen (132, 134 in 1) des IDT können aus den gleichen oder anderen Materialien wie die Finger bestehen.
Dimension p ist der Mitte-zu-Mitte-Abstand oder „Abstand“ („Pitch“) der IDT-Finger, die als Abstand des IDT und/oder als Abstand des XBAR bezeichnet werden kann. Dimension w ist die Breite oder „Marke“ („Mark“) der IDT-Finger. Der IDT eines XBAR unterscheidet sich wesentlich von den in SAW-Resonatoren (Surface Acoustic Wave Resonatoren) verwendeten IDTs. In einem SAW-Resonator beträgt der Abstand des IDT die Hälfte der akustischen Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz. Darüber hinaus liegt das Marke-zu-Abstand-Verhältnis eines SAW-Resonator-IDT typischerweise nahe 0,5 (d.h. die Marke oder Fingerbreite beträgt etwa ein Viertel der akustischen Wellenlänge bei Resonanzfrequenz). Bei einem XBAR beträgt der Abstand p des IDT typischerweise das 2- bis 20-fache der Breite w der Finger. Darüber hinaus beträgt der Abstand p des IDT typischerweise das 2- bis 20-fache der Dicke ts der piezoelektrischen Platte 110. Die Breite der IDT-Finger in einem XBAR ist nicht auf ein Viertel der akustischen Wellenlänge bei Resonanz beschränkt. Beispielsweise kann die Breite der XBAR-IDT-Finger 500 nm oder mehr betragen, so dass der IDT mittels optischer Lithographie hergestellt werden kann. Die Dicke tm der IDT-Finger kann von 100 nm bis etwa gleich der Breite w betragen. Die Dicke der Sammelschienen (132, 134 in 1) des IDT kann gleich oder größer als die Dicke tm der IDT-Finger sein.
3 zeigt eine alternative Querschnittsansicht entlang der in 1 definierten Schnittebene A-A. In 3 ist eine piezoelektrische Platte 310 an einem Substrat 320 angebracht. Ein Bereich der piezoelektrischen Platte 310 bildet eine Membran 315, die einen Hohlraum 340 im Substrat überspannt. Der Hohlraum 340 dringt nicht vollständig in das Substrat 320 ein. Finger eines IDTs sind auf der Membran 315 angeordnet. Der Hohlraum 340 kann z.B. durch Ätzen des Substrats 320 vor Anbringen der piezoelektrischen Platte 310 gebildet sein. Alternativ kann der Hohlraum 340 durch Ätzen des Substrats 320 mit einem selektiven Ätzmittel gebildet sein, das das Substrat durch eine oder mehrere Öffnungen (nicht abgebildet) erreicht, die in der piezoelektrischen Platte 310 vorgesehen sind. In diesem Fall kann die Membran 315 über einen großen Bereich eines Umfangs 345 des Hohlraums 340 an den Rest der piezoelektrischen Platte 310 angrenzen. Beispielsweise kann die Membran 315 über mindestens 50% des Umfangs des Hohlraums 340 an den Rest der piezoelektrischen Platte 310 angrenzen.
4 ist eine grafische Darstellung der akustischen Primärmode, die bei einem XBAR von Interesse ist. 4 zeigt einen kleinen Bereich eines XBAR 400 mit einer piezoelektrischen Platte 410 und drei verschachtelten IDT-Fingern 430. Eine HF-Spannung wird an die verschachtelten Finger 430 angelegt. Diese Spannung erzeugt ein zeitveränderliches elektrisches Feld zwischen den Fingern. Die Richtung des elektrischen Feldes ist lateral oder parallel zur Oberfläche der piezoelektrischen Platte 410, wie durch die Pfeile mit der Bezeichnung „elektrisches Feld“ angegeben ist. Aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstante der piezoelektrischen Platte ist das elektrische Feld in der Platte relativ zur Luft stark konzentriert. Das laterale elektrische Feld führt zu einer Scherverformung und regt somit eine akustische Mode mit Schermode in der piezoelektrischen Platte 410 stark an. In diesem Zusammenhang wird „Scherverformung“ als Verformung definiert, bei der parallele Ebenen in einem Material parallel bleiben und einen konstanten Abstand beibehalten, während sie sich relativ zueinander verschieben. Eine „akustische Schermode“ ist definiert als eine akustische Schwingungsmode in einem Medium, das zu einer Scherverformung des Mediums führt. Die Scherverformungen im XBAR 400 werden durch die Kurven 460 dargestellt, wobei die benachbarten kleinen Pfeile eine schematische Angabe der Richtung und Größe der atomaren Bewegung liefern. Der Grad der atomaren Bewegung sowie die Dicke der piezoelektrischen Platte 410 wurden zur besseren Veranschaulichung stark übertrieben dargestellt. Während die atomaren Bewegungen vorwiegend lateral (d.h. horizontal, wie in 4 gezeigt) verlaufen, ist die Richtung des Flusses akustischer Energie der angeregten akustischen Primär-Schermode im Wesentlichen orthogonal zur Oberfläche der piezoelektrischen Platte, wie durch den Pfeil 465 angegeben wird.
Betrachtet man 4, so gibt es im Wesentlichen kein elektrisches Feld unmittelbar unter den IDT-Fingern 430, und daher werden akustische Moden in den Gebieten 470 unter den Fingern nur minimal angeregt. In diesen Gebieten kann es aperiodisch abklingende akustische Bewegungen geben. Da unter den IDT-Fingern 430 keine akustischen Schwingungen angeregt werden, ist die an die IDT-Finger 430 gekoppelte akustische Energie gering (z.B. im Vergleich zu den Fingern eines IDT in einem SAW-Resonator), wodurch Trägheitsverluste in den IDT-Fingern minimiert werden.
Ein akustischer Resonator, der auf akustischen Scherwellenresonanzen basiert, kann eine bessere Leistung erzielen als die aktuellen akustischen Filmvolumenresonatoren (Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR) und akustische Volumenwellengeräte mit fest montiertem Resonator (Solidly-Mounted-Resonator Bulk Acoustic Wave, SMR BAW), bei denen das elektrische Feld in Dickenrichtung angelegt wird. In solchen Geräten ist die akustische Mode komprimierend mit atomaren Bewegungen und der Richtung des akustischen Energieflusses in der Dickenrichtung. Darüber hinaus kann die piezoelektrische Kopplung für Scherwellen-XBAR-Resonanzen im Vergleich zu anderen akustischen Resonatoren hoch sein (>20%). Daher ermöglicht eine hohe piezoelektrische Kopplung das Design und die Implementierung von Mikrowellen- und Millimeterwellenfiltern mit einer beachtlichen Bandbreite.
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht und zwei detaillierte Querschnittsansichten eines Filters 500 mit XBARs. Eine piezoelektrische Platte 510 ist an einem Substrat 520 angebracht. Eine optionale dielektrische Schicht 525 kann zwischen der piezoelektrischen Platte 510 und dem Substrat 520 eingelegt sein. Ein Bereich der piezoelektrischen Platte 510 bildet eine Membran 515, die einen Hohlraum 540 im Substrat 540 überspannt. Wie gezeigt, dringt der Hohlraum 540 nicht vollständig in das Substrat 520 ein. Alternativ kann der Hohlraum 540 das Substrat durchdringen, wie in 1 gezeigt. Finger eines IDT sind auf der Membran 515 angeordnet. Zwei Leiter 550 und 555 sind auf der Oberfläche der piezoelektrischen Platte 510 an einer Stelle gebildet, die von dem Hohlraum 540 entfernt ist. Bei den beiden Leitern 550 und 555 kann es sich um Signalleiter handeln, die XBARs und/oder andere Komponenten des Filters 500 miteinander verbinden. Die Leiter 550 und 555 können ein Signalleiter und ein Masseleiter sein. Während 5 nur einen einzelnen XBAR und zwei Leiter zeigt, kann ein Filter mehrere XBARs und mehr als zwei Signal- und Masseleiter enthalten.
Ein bevorzugtes Material für das Substrat 520 ist Silizium. Silizium-Wafer sind ohne weiteres verfügbar und preiswert. Darüber hinaus sind Prozesse und Ausrüstung zur Handhabung von Silizium-Wafern gut entwickelt. Silizium ist jedoch ein Halbleitermaterial. Silizium-Wafer können dotiert oder mit Verunreinigungen beladen werden, um einen gewünschten spezifischen Durchgangswiderstand zu erhalten. Undotierte oder intrinsische Silizium-Wafer können eine leitende Inversionsschicht entlang der Grenze zwischen dem Silizium und einem anderen Material bilden, wie z.B. entlang der Grenze des Silizium-Wafers 520 und der dielektrischen Schicht 525 von dem Filtergerät 500. Wenn die dielektrische Schicht 525 nicht vorhanden ist, kann sich die Inversionsschicht entlang der Grenze zwischen dem Silizium-Wafer 520 und der piezoelektrischen Platte 510 bilden.
Wie in Detail A von 5 gezeigt, sind die Leiter 550 und 555 über die piezoelektrische Platte 510 und die dielektrische Schicht 525, falls vorhanden, kapazitiv an das Substrat 520 gekoppelt. Wenn das Substrat 520 leitend ist, oder wenn eine leitende Inversionsschicht im Substrat 520 gebildet wird, sind die Leiter 550, 555 bei HF-Frequenzen durch einen parasitären Widerstand 560 effektiv verbunden. Die Verlustleistung im Widerstand 560 trägt zur Einfügungsdämpfung des Filters 500 bei.
6 zeigt ein übertriebenes Beispiel für die Degradation eines Filters aufgrund der Leitfähigkeit des Substrats. 6 ist ein Diagramm der Größe von S21 (der Eingangs-Ausgangsübertragungsfunktion) in Abhängigkeit von Frequenz für zwei Filter, die bis auf die Wahl des Substratmaterials identisch sind. Die durchgezogene Linie 610 ist ein Diagramm von S21 für ein Filter, das auf einem nahezu isolierenden Siliziumsubstrat mit einem spezifischen Durchgangswiderstand von 5000 Ohm-cm hergestellt wurde. Die gestrichelte Linie 620 ist ein Diagramm von S21 für ein Filter, das auf einem leitfähigen Siliziumsubstrat mit einem spezifischen Durchgangswiderstand von 15 Ohm-cm hergestellt wurde. Beide Diagramme basieren auf der Simulation des Filters mit einer Methode endlicher Elemente (Finite-Elemente-Methode). Der Unterschied zwischen den beiden Filtern ist offensichtlich. Die Leitfähigkeit des Substrats verringert S21 (d.h. erhöht die Einfügungsdämpfung) im Durchlassbereich des Filters um 6 dB oder mehr. Die Wirkung einer leitfähigen Inversionsschicht in einem Substrat mit hohem spezifischem Widerstand hat eine weniger dramatische, aber dennoch signifikante Auswirkung auf die Einfügungsdämpfung.
Unter Bezugnahme auf 5 zeigt Detail B eine Querschnittsansicht eines Bereichs eines Filters, der auf einem Substrat 520 mit einem Silizium-Wafer mit hohem spezifischen Widerstand 522 und einem haftstellenreichen Gebiet 524 gebildet wurde. Das haftstellenreiche Gebiet 524 kann ein Gebiet innerhalb des Silizium-Wafers mit hohem spezifischem Widerstand 522 oder eine auf einer Oberfläche des Silizium-Wafers mit hohem spezifischem Widerstand 522 gebildete Schicht sein. In beiden Fällen befindet sich das haftstellenreiche Gebiet unmittelbar benachbart zu der dielektrischen Schicht 525 oder der piezoelektrischen Platte 510, wenn die dielektrische Schicht 525 nicht vorhanden ist. Das haftstellenreiche Gebiet 522 hat eine Fülle von Haftstellen, die freie Ladungsträger einfangen und die Ladungsträgerlebensdauer so weit reduzieren, dass die Leitfähigkeit des haftstellenreichen Gebiets gegen Null geht.
Ein haftstellenreiches Gebiet kann innerhalb eines Siliziumsubstrats gebildet werden, indem die Oberfläche des Substrats mit Neutronen, Protonen oder verschiedenen Ionen (Silizium, Argon, Stickstoff, Neon, Sauerstoff usw.) bestrahlt wird, um Defekte in der kristallinen Struktur des Substrats zu erzeugen. Alternativ kann ein haftstellenreiches Gebiet innerhalb eines Siliziumsubstrats gebildet werden, indem tiefe Haftstellenverunreinigungen wie Gold, Kupfer oder andere Metallionen eingebracht werden. Solche Verunreinigungen können durch Ionenimplantation, Diffusion oder eine andere Methode eingebracht werden. Das haftstellenreiche Gebiet kann durch eine Kombination dieser Techniken gebildet werden. Wenn die dielektrische Schicht 525 im Filter 500 enthalten ist, kann das haftstellenreiche Gebiet 524 gebildet werden, bevor die dielektrische Schicht auf dem Substrat 520 gebildet wird. Alternativ kann das haftstellenreiche Gebiet 524 durch Ionenimplantation durch die dielektrische Schicht 525 gebildet werden.
Eine Schicht mit Haftstellengebiet kann auf einem Siliziumsubstrat durch Abscheiden einer Schicht aus haftstellenreichem Material wie amorphem Silizium oder Polysilizium (polykristallines Silizium) gebildet werden. Wenn das haftstellenreiche Gebiet aus Polysilizium besteht, sollte die durchschnittliche Korngröße des Polysiliziums wesentlich kleiner sein als der Mindestabstand zwischen den Elektroden 550, 555. Die Dicke des haftstellenreichen Gebiets, das auf oder innerhalb eines Siliziumsubstrats mit hohem spezifischem Widerstand gebildet wird, sollte größer sein als die Dicke einer Inversionsschicht, die sich in Abwesenheit der haftstellenreichen Schicht bilden kann.
Verfahrensbeschreibung
7 ist ein vereinfachtes Flussdiagramm, das einen Prozess 700 zur Herstellung eines Filters mit XBARs und einem Substrat mit einem haftstellenreichen Gebiet zeigt. Der Prozess 700 beginnt bei 705 mit einem Substrat und einer Platte aus piezoelektrischem Material und endet bei 795 mit einem fertigen XBAR oder Filter. Das Flussdiagramm von 7 enthält nur die wichtigsten Prozessschritte. Verschiedene herkömmliche Prozessschritte (z.B. Oberflächenvorbereitung, Reinigen, Inspektion, Einbrennen, Ausglühen, Überwachen, Testen usw.) können vor, zwischen, nach und während der in 7 gezeigten Schritte durchgeführt werden.
Das Flussdiagramm von 7 zeigt drei Varianten des Prozesses 700 zur Herstellung eines XBAR, die sich darin unterscheiden, wann und wie Hohlräume im Substrat gebildet werden. Die Hohlräume können in den Schritten 715A, 715B oder 715C gebildet werden. In jeder der drei Varianten des Prozesses 700 wird nur einer dieser Schritte durchgeführt.
Die piezoelektrische Platte kann z.B. aus Lithiumniobat im Z-Schnitt oder Lithiumtantalat im Z-Schnitt bestehen. Die piezoelektrische Platte kann aus Lithiumniobat im rotierten Z-Schnitt oder Lithiumniobat im rotierten YX-Schnitt bestehen. Die piezoelektrische Platte kann aus einem anderen Material und/oder einem anderen Schnitt bestehen. Das Substrat kann vorzugsweise aus Silizium mit hohem spezifischem Widerstand bestehen. Das Substrat kann aus einem anderen Material bestehen, das Bildung tiefer Hohlräume durch Ätzen oder andere Bearbeitung ermöglicht.
Bei 710 kann ein haftstellenreiches Gebiet auf dem Substrat gebildet werden. Das haftstellenreiche Gebiet kann innerhalb eines Siliziumsubstrats gebildet werden, indem die Oberfläche des Substrats mit Neutronen, Protonen oder verschiedenen Ionen (Silizium, Argon, Stickstoff, Neon, Sauerstoff usw.) bestrahlt wird, um die kristalline Struktur des Substrats zu stören. Das haftstellenreiche Gebiet kann innerhalb eines Siliziumsubstrats durch Einbringen von tiefen Haftstellenverunreinigungen wie Gold, Kupfer oder anderen Metallionen gebildet werden. Solche Verunreinigungen können durch Ionenimplantation, Diffusion oder eine andere Methode eingebracht werden. Das haftstellenreiche Gebiet kann durch eine Kombination dieser Techniken gebildet werden. Wenn die dielektrische Schicht 525 im Filter 500 enthalten ist, kann das haftstellenreiche Gebiet 524 gebildet werden, bevor die dielektrische Schicht auf dem Substrat 520 gebildet wird. Alternativ kann das haftstellenreiche Gebiet 524 durch Ionenimplantation durch die dielektrische Schicht 525 gebildet werden,
Alternativ kann bei 710 ein haftstellenreiches Gebiet auf dem Siliziumsubstrat gebildet werden, indem eine Schicht aus haftstellenreichem Material wie amorphem Silizium oder Polysilizium abgeschieden wird. Wenn das haftstellenreiche Gebiet aus Polysilizium besteht, sollte die durchschnittliche Korngröße des Polysiliziums wesentlich kleiner sein als der Mindestabstand zwischen den Elektroden 550, 555.
In allen Fällen sollte die Dicke des bei 710 gebildeten haftstellenreichen Gebiets größer sein als die Dicke einer Inversionsschicht, die sich in Abwesenheit des haftstellenreichen Gebiets bilden kann.
In einer Variante des Prozesses 700 werden bei 715A ein oder mehrere Hohlräume im Substrat gebildet, bevor die piezoelektrische Platte bei 720A an das Substrat gebondet wird. Für jeden Resonator in einem Filtergerät kann ein separater Hohlraum gebildet werden. Der eine oder die mehreren Hohlräume können mit herkömmlichen photolithographischen Techniken und Ätztechniken gebildet werden. Typischerweise durchdringen die bei 715A gebildeten Hohlräume nicht das Substrat, und die resultierenden Resonatorgeräte haben einen Querschnitt wie in 3A oder 3B gezeigt.
Bei 720 wird die piezoelektrische Platte an das Substrat gebondet. Die piezoelektrische Platte und das Substrat können durch einen Wafer-Bonding-Prozess gebondet werden. Typischerweise sind die Passflächen des Substrats und der piezoelektrischen Platte hochglanzpoliert. Eine oder mehrere Schichten von Zwischenmaterialien, wie z.B. ein Oxid oder Metall, können auf der Passfläche der piezoelektrischen Platte und des Substrats oder auf beiden gebildet oder abgeschieden werden. Eine oder beide Passflächen können z.B. durch einen Plasmaprozess aktiviert werden. Die Passflächen können dann mit beträchtlicher Kraft zusammengepresst werden, um molekulare Verbindungen zwischen der piezoelektrischen Platte und dem Substrat oder den Zwischenschichten herzustellen.
Eine Leiterstruktur, einschließlich der IDTs jedes XBAR, wird bei 730 durch Abscheiden und Strukturieren einer oder mehrerer Leiterschichten auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte gebildet. Die Leiterschicht kann z.B. aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer, einer Kupferlegierung oder einem anderen leitenden Metall bestehen. Wahlweise können eine oder mehrere Schichten aus anderen Materialien unter (d.h. zwischen der Leiterschicht und der piezoelektrischen Platte) und/oder über der Leiterschicht angeordnet werden. Zum Beispiel kann ein Dünnfilm aus Titan, Chrom oder einem anderen Metall verwendet werden, um die Haftung zwischen der Leiterschicht und der piezoelektrischen Platte zu verbessern. Eine Leitfähigkeitsverbesserungsschicht aus Gold, Aluminium, Kupfer oder anderen Metallen mit höherer Leitfähigkeit kann über Bereichen der Leiterstruktur (z.B. den IDT-Sammelschienen und Verbindungen zwischen den IDTs) gebildet werden.
Die Leiterstruktur kann bei 730 gebildet werden, indem die Leiterschicht und optional eine oder mehrere andere Metallschichten nacheinander auf die Oberfläche der piezoelektrischen Platte abgeschieden werden. Das überschüssige Metall kann dann durch Ätzen durch ein strukturiertes Photoresist entfernt werden. Die Leiterschicht kann z.B. durch Plasmaätzen, reaktives Ionenätzen, nasschemisches Ätzen und andere Ätztechniken geätzt werden.
Alternativ kann die Leiterstruktur bei 730 mittels eines Abziehprozesses (Lift-off-Prozess) gebildet werden. Ein Photoresist kann über die piezoelektrische Platte abgeschieden und strukturiert werden, um die Leiterstruktur zu definieren. Die Leiterschicht und optional eine oder mehrere andere Schichten können nacheinander auf die Oberfläche der piezoelektrischen Platte abgeschieden werden. Das Photoresist kann dann entfernt werden, wodurch das überschüssige Material entfernt wird und die Leiterstruktur zurückbleibt.
Bei 740 kann eine vorderseitige dielektrische Schicht durch Abscheiden einer oder mehrerer Schichten dielektrischen Materials auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte gebildet werden. Die eine oder mehrere dielektrische Schichten können mit einer herkömmlichen Abscheidungstechnik wie Sputtern, Verdampfen oder chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden werden. Die eine oder die mehreren dielektrischen Schichten können über die gesamte Oberfläche der piezoelektrischen Platte, einschließlich der Oberseite der Leiterstruktur, abgeschieden werden. Alternativ können ein oder mehrere Lithographieverfahren (unter Verwendung von Photomasken) verwendet werden, um die Abscheidung der dielektrischen Schichten auf ausgewählte Bereiche der piezoelektrischen Platte zu beschränken, z.B. nur zwischen den verschachtelten Fingern der IDTs. Es können auch Masken verwendet werden, um die Abscheidung unterschiedlich dicker dielektrischer Materialien auf verschiedenen Bereichen der piezoelektrischen Platte zu ermöglichen.
In einer zweiten Variante des Prozesses 700 werden ein oder mehrere Hohlräume auf der Rückseite des Substrats bei 715B gebildet. Für jeden Resonator in einem Filtergerät kann ein separater Hohlraum gebildet werden. Der eine oder die mehreren Hohlräume können mit Hilfe eines anisotropen oder orientierungsabhängigen Trocken- oder Nassätzens gebildet werden, um Löcher durch die Rückseite des Substrats zur piezoelektrischen Platte zu öffnen. In diesem Fall haben die resultierenden Resonatorgeräte einen Querschnitt wie in 1 gezeigt.
In der zweiten Variante des Verfahrens 700 kann eine rückseitige dielektrische Schicht bei 750 gebildet werden. In dem Fall, dass die Hohlräume bei 715B als Löcher durch das Substrat hindurch gebildet werden, kann die rückseitige dielektrische Schicht durch die Hohlräume hindurch mit einer herkömmlichen Abscheidungstechnik wie Sputtern, Verdampfen oder chemische Gasphasenabscheidung abgeschieden werden.
In einer dritten Variante des Prozesses 700 können bei 715C durch Ätzen des Substrats mit einem Ätzmittel, das durch Öffnungen in der piezoelektrischen Platte eingebracht wird, ein oder mehrere Hohlräume in der Form von Vertiefungen im Substrat gebildet werden. Für jeden Resonator in einem Filtergerät kann ein separater Hohlraum gebildet werden. Der eine oder die mehreren Hohlräume, die bei 715C gebildet werden, durchdringen nicht das Substrat, und die resultierenden Resonatorgeräte haben einen Querschnitt wie in 3 gezeigt.
In allen Varianten des Prozesses 700 wird das Filtergerät bei 760 fertiggestellt. Tätigkeiten, die bei 760 erfolgen können, umfassen Abscheiden einer Einkapselungs- /Passivierungsschicht wie SiO₂ oder Si₃O₄ über dem gesamten Gerät oder einem Bereich des Geräts; Bilden von Bondpads oder Loterhebungen oder andere Mittel zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Gerät und einer externen Schaltung; Ausschneiden einzelner Geräte aus einem Wafer, der mehrere Geräte enthält; andere Verpackungsschritte; und Testen. Eine weitere Tätigkeit, die bei 760 erfolgen kann, ist Stimmen der Resonanzfrequenzen der Resonatoren innerhalb des Geräts durch Hinzufügen oder Entfernen von Metall oder dielektrischem Material von der Vorderseite des Geräts. Nachdem das Filtergerät fertiggestellt ist, endet der Prozess bei 795.
Schlusskommentare
In dieser gesamten Beschreibung sollten die gezeigten Ausführungsformen und Beispiele als Muster betrachtet werden und nicht als Einschränkungen der offenbarten oder beanspruchten Vorrichtungen und Vorgehensweisen. Obwohl viele der hier dargestellten Beispiele spezifische Kombinationen von Verfahrenshandlungen oder Systemelementen beinhalten, sollte verstanden werden, dass diese Handlungen und diese Elemente auf andere Weise kombiniert werden können, um die gleichen Ziele zu erreichen. Im Hinblick auf Flussdiagramme können zusätzliche und weniger Schritte unternommen werden, und die gezeigten Schritte können kombiniert oder weiter verfeinert werden, um die hier beschriebenen Verfahren zu erreichen. Handlungen, Elemente und Merkmale, die nur im Zusammenhang mit einer Ausführungsform diskutiert werden, sollen nicht von einer ähnlichen Rolle in anderen Ausführungsformen ausgeschlossen werden.
Wie hier verwendet, bedeutet „Vielzahl“ zwei oder mehr. Wie hier verwendet, kann ein „Satz“ von Elementen einen oder mehrere solcher Elemente umfassen. In der hier verwendeten Form, sei es in der schriftlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen, sind die Begriffe „umfassend“, „einschließend“, „tragend“, „aufweisend“, „enthaltend“, „einbeziehend“ und dergleichen so zu verstehen, dass sie unbegrenzt sind, d.h. dass sie einschließen, aber nicht darauf beschränkt sind. Nur die Übergangsphrasen „bestehend aus“ bzw. „bestehend im Wesentlichen aus“ sind geschlossene oder halbgeschlossene Übergangsphrasen mit Bezug auf Ansprüche. Die Verwendung von ordinalen Ausdrücken wie „erster“, „zweiter“, „dritter“ usw. in den Ansprüchen, um ein Anspruchselement zu ändern, bedeutet an sich keine Priorität, keinen Vorrang oder keine Reihenfolge eines Anspruchselements gegenüber einem anderen oder die zeitliche Reihenfolge, in der die Handlungen eines Verfahrens ausgeführt werden, sondern sie werden lediglich als Kennzeichnungen verwendet, um ein Anspruchselement mit einem bestimmten Namen von einem anderen Element mit demselben Namen zu unterscheiden (aber für die Verwendung des ordinalen Ausdrucks), um die Anspruchselemente zu unterscheiden. Wie hier verwendet, bedeutet „und/oder“, dass die aufgelisteten Elemente Alternativen sind, aber die Alternativen enthalten auch jede Kombination der aufgelisteten Elemente.

Claims

Akustisches Resonatorgerät, umfassend: ein Substrat mit einem haftstellenreichen Gebiet, das an eine Oberfläche angrenzt; eine einkristalline piezoelektrische Platte mit paralleler Vorder- und Rückfläche, wobei die mit Ausnahme eines Bereichs der piezoelektrischen Platte an der Oberfläche des Substrats angebrachten Rückfläche eine Membran bildet, die einen in dem Substrat gebildeten Hohlraum überspannt; und einen Interdigitalwandler (Interdigital Transducer, IDT), der auf der Vorderfläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte derart gebildet ist, dass verschachtelte Finger des IDT auf der Membran angeordnet sind, wobei die einkristalline piezoelektrische Platte und der IDT derart eingerichtet sind, dass ein an den IDT angelegtes Hochfrequenzsignal eine akustische Primär-Schermode innerhalb der Membran anregt.
Gerät nach Anspruch 1, wobei die Membran auf mindestens 50% des Umfangs des Hohlraums an die piezoelektrische Platte angrenzt.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine einkristalline Siliziumplatte umfasst.
Gerät nach Anspruch 3, wobei das haftstellenreiche Gebiet ein Bereich der Siliziumplatte ist, der bestrahlt wurde, um Defekte in der kristallinen Struktur zu erzeugen.
Gerät nach Anspruch 3, wobei das haftstellenreiche Gebiet ein Bereich der Siliziumplatte ist, der tiefe Haftstellen-Störstellen enthält.
Gerät nach Anspruch 3, wobei das haftstellenreiche Gebiet eine Schicht aus haftstellenreichem Material ist, die auf einer Oberfläche der Siliziumplatte gebildet ist.
Gerät nach Anspruch 6, wobei das haftstellenreiche Material amorphes Silizium oder polykristallines Silizium ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei eine Tiefe des haftstellenreichen Gebiets größer ist als eine Tiefe einer Inversionsschicht, die sich in Abwesenheit des haftstellenreichen Gebiets im Substrat bilden würde.
Filtergerät, umfassend: ein Substrat mit einem haftstellenreichen Gebiet, das an eine Oberfläche angrenzt; eine einkristalline piezoelektrische Platte mit paralleler Vorder- und Rückfläche, wobei die Rückfläche an der Oberfläche des Substrats angebracht ist, wobei Bereiche der einkristallinen piezoelektrischen Platte eine oder mehrere Membranen bilden, die entsprechende Hohlräume in dem Substrat überspannen; und eine Leiterstruktur, das auf der Vorderfläche gebildet ist, wobei die Leiterstruktur eine Vielzahl von Interdigitalwandlern (Interdigital Transducers, IDTs) einer entsprechenden Vielzahl von akustischen Resonatoren enthält, wobei verschachtelte Finger von jedem der Vielzahl von IDTs auf einer der einen oder mehreren Membranen angeordnet sind, wobei die einkristalline piezoelektrische Platte und alle IDTs dazu eingerichtet sind, dass ein entsprechendes Hochfrequenzsignal, das an jeden IDT angelegt wird, eine entsprechende akustische Primär-Schermode innerhalb der entsprechenden Membran anregt.
Filtergerät nach Anspruch 9, wobei jede der einen oder mehreren Membranen auf mindestens 50% des Umfangs des entsprechenden Hohlraums an die piezoelektrische Platte angrenzt.
Filtergerät nach Anspruch 9, wobei das Substrat eine einkristalline Siliziumplatte umfasst.
Filtergerät nach Anspruch 11, wobei das haftstellenreiche Gebiet ein Bereich der Siliziumplatte ist, der bestrahlt wurde, um Defekte in der kristallinen Struktur zu erzeugen.
Filtergerät nach Anspruch 11, wobei das haftstellenreiche Gebiet ein Bereich der Siliziumplatte ist, der tiefe Haftstellen-Störstellen enthält.
Filtergerät nach Anspruch 11, wobei das haftstellenreiche Gebiet eine Schicht aus haftstellenreichem Material ist, die auf einer Oberfläche der Siliziumplatte gebildet ist.
Filtergerät nach Anspruch 14, wobei das haftstellenreiche Material amorphes Silizium oder polykristallines Silizium ist.
Filtergerät nach Anspruch 9, wobei eine Tiefe des haftstellenreichen Gebiets größer ist als eine Tiefe einer Inversionsschicht, die sich in Abwesenheit des haftstellenreichen Gebiets im Substrat bilden würde.
Verfahren zur Herstellung eines akustischen Resonatorgeräts auf einem Substrat mit einem haftstellenreichen Gebiet, das an eine Oberfläche angrenzt, wobei das Verfahren umfasst: Anbringen einer Rückfläche einer einkristallinen piezoelektrischen Platte an der Oberfläche des Substrats; Bilden eines Hohlraums im Substrat derart, dass ein Bereich der einkristallinen piezoelektrischen Platte eine Membran bildet, die den Hohlraum überspannt; und Bilden eines Interdigitalwandlers (Interdigital Transducer, IDT) auf der Vorderfläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte derart, dass verschachtelte Finger des IDT auf der Membran angeordnet sind, wobei die einkristalline piezoelektrische Platte und der IDT derart eingerichtet sind, dass ein an den IDT angelegtes Hochfrequenzsignal eine akustische Primär-Schermode innerhalb der Membran anregt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Membran auf mindestens 50% des Umfangs des Hohlraums an die piezoelektrische Platte angrenzt.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Hohlraum vor Anbringen der einkristallinen piezoelektrischen Platte an der Oberfläche des Substrats gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Hohlraum nach Anbringen der einkristallinen piezoelektrischen Platte an der Oberfläche des Substrats gebildet wird.