DE102022100739A1

DE102022100739A1 - Entkoppelte transversal angeregte akustische filmvolumenresonatoren

Info

Publication number: DE102022100739A1
Application number: DE102022100739.1A
Authority: DE
Inventors: Sean McHugh
Original assignee: Resonant Inc
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2022-07-21
Also published as: US20220231659A1; CN114765454A; US11811386B2; US11239816B1; US20240022228A1; JP2022109890A; JP7480793B2

Abstract

Akustische Resonatorvorrichtungen und Filter werden offenbart. Ein akustischer Resonator enthält ein Substrat und eine piezoelektrische Platte mit parallelen Vorder- und Rückflächen, wobei die Rückfläche an dem Substrat angebracht ist. Eine entkoppelnde dielektrische Schicht befindet sich auf der Vorderfläche der piezoelektrischen Platte. Ein Interdigitalwandler (IDT) ist über der entkoppelnden dielektrischen Schicht so gebildet, dass sich ineinander verschachtelte Finger des IDT über einem Teil der piezoelektrischen Platte befinden, der über einem im Substrat gebildeten Hohlraum aufgehängt ist.

Description

HINWEIS AUF URHEBERRECHTE UND HANDELSAUFMACHUNG
Ein Teil der Offenbarung dieser Patentschrift enthält Material, das dem Urheberrechtsschutz unterliegt. Diese Patentschrift kann Gegenstände zeigen und/oder beschreiben, die Handelsaufmachung des Inhabers ist oder werden kann. Der Inhaber des Urheberrechts und der Handelsaufmachung hat keine Einwände gegen die Faksimile-Reproduktion der Patentoffenbarung, wie sie in den Patentakten oder -aufzeichnungen des Patent- und Markenamts erscheint, durch jedermann, behält sich aber ansonsten alle Rechte am Urheberrecht und Handelsaufmachung vor.
INFORMATION ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Dieses Patent beansprucht Priorität der vorläufigen Patentanmeldung Nr. 63/137,736 , eingereicht am 15. Januar 2021, mit dem Titel XBAR MIT ISOLIERSCHICHT ZWISCHEN ELEKTRODE UND PIEZOELEKTRISCHER MEMBRAN ZUR REDUZIERUNG VON AKUSTISCHER KOPPLLUNG (XBAR WITH INSULATING LAYER BETWEEN ELECTRODE AND PIEZOELECTRIC MEMBRANE TO REDUCE ACOUSTIC COUPLING), die hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
HINTERGRUND
Gebiet
Diese Offenbarung bezieht sich auf Hochfrequenzfilter, die akustische Wellenresonatoren verwenden, und insbesondere auf 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 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 „Sperrband“ 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 beispielsweise 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, wie zum Beispiel auf der Ebene des HF-Moduls, des HF-Transceivers, des mobilen oder festen Subsystems oder des Netzwerks.
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 und Bandbreiten geeignet, die für zukünftige Kommunikationsnetze vorgeschlagen werden.
Der Wunsch nach größeren Kommunikationskanalbandbreiten führt unweigerlich zur Nutzung höherer Frequenzkommunikationsbänder. Die Funkzugangstechnologie für Mobilfunknetze wurde von der 3GPP (3rd Generation Partnership Project) standardisiert. Die Funkzugangstechnologie für Mobilfunknetze der 5. Generation (5G) ist im Standard 5G NR (New Radio) definiert. Der 5G NR-Standard definiert mehrere neue Kommunikationsbänder. Zwei dieser neuen Kommunikationsbänder sind n77, das den Frequenzbereich von 3300 MHz bis 4200 MHz nutzt, und n79, das den Frequenzbereich von 4400 MHz bis 5000 MHz nutzt. Sowohl das Band n77 als auch das Band n79 verwenden das Zeitduplexverfahren (TDD), so dass ein Kommunikationsgerät, das im Band n77 und/oder Band n79 arbeitet, dieselben Frequenzen für Uplink- und Downlink-Übertragungen verwendet. Die Bandpassfilter für die Bänder n77 und n79 müssen in der Lage sein, die Sendeleistung des Kommunikationsgeräts zu verarbeiten. WiFi-Bänder bei 5 GHz und 6 GHz erfordern ebenfalls eine hohe Frequenz und große Bandbreite. Der 5G NR-Standard definiert auch Millimeterwellen-Kommunikationsbänder mit Frequenzen zwischen 24,25 GHz und 40 GHz.
Der transversal angeregte akustische Filmvolumenresonator (XBAR) ist eine Struktur eines akustischen Resonators zur Verwendung bei Mikrowellenfiltern. Der XBAR ist im Patent US 10,491,291 mit dem Titel TRANSVERSAL ANGEREGTER AKUSTISCHER FILMVOLUMENRESONATOR (TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR) beschrieben. Ein XBAR-Resonator umfasst einen Interdigitalwandler (Interdigital Transducer, IDT), der auf einer dünnen schwimmenden Schicht oder Membran aus einem einkristallinen piezoelektrischen Material gebildet ist. Der IDT enthält einen ersten Satz paralleler Finger, die sich von einer ersten Sammelschiene erstrecken, und einen zweiten Satz paralleler Finger, die sich von einer zweiten Sammelschiene erstrecken. Der erste und der zweite Satz von parallelen Fingern sind ineinander verschachtelt. Ein an den IDT angelegtes Mikrowellensignal regt eine primäre akustische Scherwelle in der piezoelektrischen Membran an. XBAR-Resonatoren bieten eine sehr hohe elektromechanische Kopplung und Hochfrequenzfähigkeit. XBAR-Resonatoren können in einer Vielzahl von HF-Filtern eingesetzt werden, darunter Bandsperrfilter, Bandpassfilter, Duplexer und Multiplexer. XBAR sind gut geeignet zur Verwendung in Filtern für Kommunikationsbänder mit Frequenzen über 3 GHz.
Figurenliste

1 enthält eine schematische Draufsicht, zwei schematische Querschnittsansichten und eine Detailansicht eines transversal angeregten akustischen Filmvolumenresonators (XBAR).
2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Bandpassfilters mit akustischen Resonatoren.
3 ist ein Diagramm der Größe der Admittanz für XBAR mit YX-geschnittenen Lithiumniobat- und Z-geschnittenen Lithiumniobat-Membranen.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines XBAR mit einer entkoppelnden dielektrischen Schicht zwischen den IDT-Fingern und der piezoelektrischen Membran.
5 ist ein Diagramm der Größe der Admittanz für XBAR mit entkoppelnden dielektrischen Schichten unterschiedlicher Dicke.
6 ist ein Diagramm der elektromechanischen Kopplung als eine Funktion der Dicke der entkoppelnden dielektrischen Schicht.
7 ist ein Diagramm der Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion eines Band-N79-Filters mit entkoppelten XBAR.
8 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines entkoppelten XBAR oder eines Filters mit entkoppelten XBAR.

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 XBAR 100. Resonatoren vom Typ XBAR wie der XBAR 100 können in einer Vielfalt von HF-Filtern verwendet werden, darunter Bandsperrfilter, Bandpassfilter, Duplexer und Multiplexer.
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 einkristalline Schicht 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. Die piezoelektrische Platte kann Z-geschnitten sein, d. h. die Z-Achse steht senkrecht zu der Vorder- und Rückfläche. Die piezoelektrische Platte kann gedreht Z-geschnitten oder gedreht YX-geschnitten sein. XBAR können auf piezoelektrischen Platten mit anderen kristallographischen Ausrichtungen hergestellt werden.
Die Rückfläche 114 der piezoelektrischen Platte 110 ist an einer Fläche eines 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 Mikrophons als „Membran“ 115 bezeichnet. Wie in 1 gezeigt, grenzt die Membran 115 an den Rest der piezoelektrischen Platte 110 um den gesamten Umfang 145 des Hohlraums 140 an. In diesem Zusammenhang bedeutet „angrenzend“ „durchgehend verbunden ohne ein dazwischenliegendes Element“. In anderen Konfigurationen kann die Membran 115 um mindestens 50 % des Umfangs 145 des Hohlraums 140 an die piezoelektrische Platte angrenzen.
Das Substrat 120 bietet eine mechanische Unterstützung für die piezoelektrische Platte 110. Das Substrat 120 kann zum Beispiel aus Silizium, Saphir, Quarz oder einem anderen Material oder einer Kombination von Materialien bestehen. Die Rückfläche 114 der piezoelektrischen Platte 110 kann mit Hilfe eines Wafer-Bonding-Verfahrens an das Substrat 120 angebracht werden. Alternativ kann die piezoelektrische Platte 110 auf dem Substrat 120 aufgewachsen oder auf andere Weise auf dem Substrat angebracht werden. Die piezoelektrische Platte 110 kann direkt auf dem Substrat oder über eine oder mehrere Materialzwischenschichten (in 1 nicht gezeigt) auf dem Substrat 120 angebracht werden.
„Hohlraum‟ hat die herkömmliche Bedeutung von „einem leeren Raum innerhalb eines festen Körpers“. Der Hohlraum 140 kann ein Loch sein, das vollständig durch das Substrat 120 geht (wie in Abschnitt A-A und Abschnitt B-B gezeigt), oder eine Aussparung im Substrat 120 unter der Membran 115. Der Hohlraum 140 kann zum Beispiel durch selektives Ätzen des Substrats 120 vor oder nach dem Anbringen der piezoelektrischen Platte 110 und des Substrats 120 gebildet werden.
Die Leiterstruktur des XBAR 100 enthält einen Interdigitalwandler (IDT) 130. Der IDT 130 umfasst eine erste Vielzahl von parallelen Fingern, wie beispielsweise Finger 136, die sich von einer ersten Sammelschiene 132 erstrecken, und eine zweite Vielzahl von Fingern, die sich von einer zweiten Sammelschiene 134 erstrecken. Der Begriff „Sammelschiene“ bezeichnet einen Leiter, von dem sich die Finger eines IDT erstrecken. Die erste und zweite Vielzahl von parallelen Fingern sind ineinander verschachtelt. Die ineinander verschachtelten Finger überlappen 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 primäre akustische Mode innerhalb der piezoelektrischen Platte 110 an. Die primäre akustische Mode ist 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 bzw. quer zur Richtung des von den IDT-Fingern erzeugten elektrischen Feldes verläuft. Daher wird der XBAR als transversal angeregter Filmvolumenwellenresonator betrachtet.
Der IDT 130 ist auf der piezoelektrischen Platte 110 so positioniert, dass zumindest die Finger des IDT 130 auf der Membran 115 angeordnet sind, die den Hohlraum 140 überspannt oder darüber aufgehängt ist. Wie in 1 gezeigt, weist der Hohlraum 140 eine rechteckige Form mit einer Ausdehnung auf, die größer ist als die Apertur AP und Länge L des IDT 130. Ein Hohlraum eines XBAR kann eine andere Form aufweisen, wie beispielsweise ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Vieleck. Der Hohlraum eines XBAR kann mehr oder weniger als vier Seiten aufweisen, die gerade oder gekrümmt sein können.
Zur Vereinfachung der Darstellung in 1 sind 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 130. Ein XBAR kann Hunderte, möglicherweise Tausende, parallele Fingern im IDT 130 aufweisen. Ebenso sind die Dicken der IDT-Finger und der piezoelektrischen Platte in den Querschnittsansichten stark übertrieben dargestellt.
Bezug nehmend auf die detaillierte schematische Querschnittsansicht (Detail C) kann eine vorderseitige dielektrische Schicht 150 optional auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte 110 gebildet werden. Die „Vorderseite“ des XBAR ist per Definition die vom Substrat abgewandte Fläche. Die vorderseitige dielektrische Schicht 150 kann nur zwischen den IDT-Fingern (z. B. IDT-Finger 138b) gebildet werden oder als Deckschicht aufgebracht werden, so dass die dielektrische Schicht sowohl zwischen als auch über den IDT-Fingern (z. B. IDT-Finger 138a) gebildet wird. Die vorderseitige dielektrische Schicht 150 kann ein nichtpiezoelektrisches dielektrisches Material sein, wie beispielsweise Siliziumdioxid, Aluminium oder Siliziumnitrid. Eine Dicke der vorderseitigen piezoelektrischen Schicht 150 ist typischerweise kleiner als ein Drittel der Dicke tp der piezoelektrischen Platte 110. Die vorderseitige dielektrische Schicht 150 kann aus mehreren Schichten von zwei oder mehr Materialien gebildet werden. Bei einigen Anwendungen kann eine rückseitige dielektrische Schicht (nicht gezeigt) auf der Rückseite der dielektrischen Platte 110 gebildet werden.
Die IDT-Finger 138a und 138b können aus einer oder mehreren Schichten aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer, einer Kupferlegierung, Beryllium, Gold, Wolfram, Molybdän, Chrom, Titan oder einem anderen leitfähigen Material bestehen. Die IDT-Finger werden als „im Wesentlichen aus Aluminium“ betrachtet, wenn sie aus Aluminium oder einer Legierung mit mindestens 50 % Aluminium bestehen. Die IDT-Finger werden als „im Wesentlichen aus Kupfer“ betrachtet, wenn sie aus Kupfer oder einer Legierung mit mindestens 50 % Kupfer bestehen. Dünne (im Verhältnis zur Gesamtdicke der Leiter) Schichten aus Metallen, wie beispielsweise Chrom oder Titan, können unter und/oder über und/oder als Schichten innerhalb der Finger gebildet werden, um die Haftung zwischen den Fingern und der piezoelektrischen Platte 110 zu verbessern und/oder die Finger zu passivieren oder zu verkapseln und/oder die Leistungsaufnahme zu verbessern. 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 der Abstand des IDT und/oder als der Abstand des XBAR bezeichnet werden kann. Dimension m ist die Breite oder „Marke“ („Mark“) der IDT-Finger. Die Geometrie des IDT eines XBAR unterscheidet sich wesentlich von den in Oberflächenwellenresonatoren (Surface Acoustic Wave Resonatoren, SAW-Resonatoren) verwendeten IDT. 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 kann der Abstand p des IDT typischerweise das 2- bis 20-Fache der Breite m der Finger betragen. Der Abstand p beträgt typischerweise das 3,3- bis 5-Fache der Breite m der Finger. Darüber hinaus kann der Abstand p des IDT typischerweise das 2- bis 20-Fache der Dicke der piezoelektrischen Platte 210 betragen. Der Abstand p des IDT beträgt typischerweise das 5-bis 12,5-Fache der Dicke der piezoelektrischen Platte 210. Die Breite m der IDT-Finger in einem XBAR ist nicht auf etwa 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 ohne Weiteres mittels optischer Lithographie hergestellt werden kann. Die Dicke der IDT-Finger kann von 100 nm bis etwa gleich der Breite m betragen. Die Dicke der Sammelschienen (132, 134) des IDT kann gleich oder größer als die Dicke der IDT-Finger sein.
2 ist ein schematischer Schaltplan und Layout für ein Hochfrequenz-Bandpassfilter 200 mit XBAR. Das Filter 200 hat eine herkömmliche Leiterfilterarchitektur mit drei Serienresonatoren 210A, 210B, 210C und zwei Shunt-Resonatoren 220A, 220B. Die drei Serienresonatoren 210A, 210B und 210C sind zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss in Reihe geschaltet (daher der Begriff „Serienresonator“). In 2 sind der erste und der zweite Anschluss mit „In“ bzw. „Out“ beschriftet. Das Filter 200 ist jedoch bidirektional und jeder Anschluss kann als Eingang oder Ausgang des Filters dienen. Die beiden Shunt-Resonatoren 220A, 220B sind von den Knoten zwischen den Serienresonatoren an Masse geschaltet. Ein Filter kann zusätzliche reaktive Komponenten enthalten, wie Kapazitäten und/oder Induktivitäten, die in 2 nicht gezeigt sind. Alle Shunt-Resonatoren und Serienresonatoren sind XBAR. Die Einbeziehung von drei Serien- und zwei Shunt-Resonatoren ist beispielhaft. Ein Filter kann mehr oder weniger als fünf Gesamtresonatoren, mehr oder weniger als drei Serienresonatoren und mehr oder weniger als zwei Shunt-Resonatoren aufweisen. Typischerweise sind alle Serienresonatoren in Reihe zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Filters geschaltet. Alle Shunt-Resonatoren sind typischerweise zwischen Masse und dem Eingang, dem Ausgang oder einem Knoten zwischen zwei Serienresonatoren geschaltet.
In dem beispielhaften Filter 200 sind die drei Serienresonatoren 210A, B, C und die beiden Shunt-Resonatoren 220A, B des Filters 200 auf einer einzigen Platte 230 aus piezoelektrischem Material gebildet, die an ein Siliziumsubstrat (nicht sichtbar) gebondet ist. Bei einigen Filtern können die Serienresonatoren und Shunt-Resonatoren auf verschiedenen Platten aus piezoelektrischem Material gebildet sein. Jeder Resonator enthält einen entsprechenden IDT (nicht gezeigt), wobei zumindest die Finger des IDT über einem Hohlraum im Substrat angeordnet sind. In diesem und ähnlichen Zusammenhängen bedeutet der Begriff „jeweils“ „zueinander in Beziehung stehend“, d. h. mit einer Eins-zu-Eins-Entsprechung. In 2 sind die Hohlräume schematisch als gestrichelte Rechtecke (z. B. das Rechteck 235) dargestellt. In diesem Beispiel ist jedes IDT über einem entsprechenden Hohlraum angeordnet. In anderen Filtern können die IDT von zwei oder mehr Resonatoren über einem einzigen Hohlraum angeordnet sein.
Jeder der Resonatoren 21 0A, 210B, 210C, 220A, 220B in dem Filter 200 weist eine Resonanz auf, bei der die Admittanz des Resonators sehr hoch ist, und eine Antiresonanz, bei der die Admittanz des Resonators sehr niedrig ist. Die Resonanz und die Antiresonanz treten bei einer Resonanzfrequenz bzw. einer Antiresonanzfrequenz auf, die für die verschiedenen Resonatoren im Filter 200 gleich oder unterschiedlich sein können. Stark vereinfacht kann jeder Resonator bei seiner Resonanzfrequenz als Kurzschluss und bei seiner Antiresonanzfrequenz als offener Stromkreis betrachtet werden. Die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion wird bei den Resonanzfrequenzen der Shunt-Resonatoren und bei den Antiresonanzfrequenzen der Serienresonatoren nahe Null sein. In einem typischen Filter liegen die Resonanzfrequenzen der Shunt-Resonatoren unterhalb des unteren Randes des Durchlassbandes des Filters und die Antiresonanzfrequenzen der Serienresonatoren liegen oberhalb des oberen Randes des Durchlassbandes. In einigen Filtern kann eine vorderseitige dielektrische Schicht (auch „Frequenzeinstellschicht“ genannt), dargestellt durch das gestrichelte Rechteck 270, auf den Shunt-Resonatoren gebildet werden, um die Resonanzfrequenzen der Shunt-Resonatoren relativ zu den Resonanzfrequenzen der Serienresonatoren niedriger einzustellen. In anderen Filtern können die Membranen der Serienresonatoren dünner sein als die Membranen der Shunt-Resonatoren. In einigen Filtern können die Serienresonatoren und die Shunt-Resonatoren auf separaten Chips mit unterschiedlichen Dicken der piezoelektrischen Platte hergestellt werden.
Lithiumniobat (LN) ist ein bevorzugtes piezoelektrisches Material zur Verwendung in XBAR. LN hat eine sehr hohe elektromechanische Kopplung und ist als dünne Platten erhältlich, die auf nicht-piezoelektrischen Substraten angebracht sind. Während eine breite Vielfalt von Kristallorientierungen in einem XBAR verwendet werden können, sind zwei Orientierungen, die verwendet wurden, der Z-Schnitt (Euler-Winkel 0°, 0°, 90°) und der gedrehte Y-Schnitt (Euler-Winkel 0°, β, 0° mit 0° < β ≤ 70°). Gedreht Y-geschnittenes LN (30° ≤ β ≤ 38°) hat eine höhere elektromechanische Kopplung als Z-geschnittenes LN. Während sowohl Z-geschnittene als auch Y-geschnittene LN-XBAR anfällig für akustische Energieverluste in Querrichtung sind (die Richtung parallel zu den IDT-Fingern), können vergleichsweise einfache Strukturen verwendet werden, um solche Verluste in einem gedreht Y-geschnittenen LN-XBAR zu minimieren. Die Minimierung der akustischen Verluste in einem Z-geschnittenen LN-XBAR erfordert eine komplexere Struktur, die zusätzliche Herstellungsschritte erfordert. XBAR, die gedreht Y-geschnittenes LN verwenden, können weniger und kleinere Störmoden aufweisen als Z-geschnittenes LN-XBAR.
3 ist ein Diagramm 300 der Größe der Admittanz für zwei XBAR. Die in 3 und allen folgenden Beispielen gezeigten Daten stammen aus Simulation der XBAR mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode. Die durchgezogene Kurve 310 ist die Admittanz eines XBAR mit einer gedreht Y-geschnittenen piezoelektrischen LN-Platte mit β = 30°. Die gestrichelte Kurve 320 ist die Admittanz eines XBAR mit einer Z-geschnittenen piezoelektrischen LN-Platte. In beiden Fällen beträgt die Dicke der piezoelektrischen Platte 400 nm, die IDT-Elektroden sind aus Aluminium, der IDT-Abstand beträgt 3 Mikrometer und die Marke der IDT-Finger beträgt 0,5 Mikrometer. Die Resonanzfrequenz FR beider XBAR liegt bei etwa 4760 MHz und die Antiresonanzfrequenzen FA der gedreht Y-geschnittenen und Z-geschnittenen XBAR liegen bei etwa 5550 MHz bzw. 5350 MHz. Die Differenz zwischen den Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen der gedreht Y-geschnittenen und Z-geschnittenen XBAR beträgt etwa 590 MHz bzw. 790 MHz. Die elektromechanische Kopplung kann durch einen Parameter k²eff quantifiziert werden, wobei k²eff = (FA² - FR²)/FA². k²eff der gedreht Y-geschnittenen und Z-geschnittenen XBAR von 3 beträgt 26,4 % bzw. 20,8 %.
Der große Unterschied zwischen den Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen von gedreht Y-geschnittenen LN-XBAR ermöglicht den Entwurf von Filtern mit sehr großer Bandbreite. Allerdings kann der Unterschied zwischen der Resonanz- und der Antiresonanzfrequenz für einige Filteranwendungen zu groß sein. Das 5G-NR-Band N79 überspannt beispielsweise einen Frequenzbereich von 4400 MHz bis 5000 MHz. Ein Bandpassfilter für Band N79 kann nicht mit herkömmlichen gedreht Y-geschnittenen LN-XBAR realisiert werden. Wie bereits beschrieben, liegen die Resonanzfrequenzen der Shunt-Resonatoren in einer Leiterfilterschaltung typischerweise knapp unter der unteren Grenze des Filterdurchlassbereichs und die Antiresonanzfrequenzen der Shunt-Resonatoren liegen innerhalb des Durchlassbereichs. Umgekehrt liegen die Antiresonanzfrequenzen von Serienresonatoren typischerweise knapp über der oberen Grenze des Filterdurchlassbereichs und die Resonanzfrequenzen von Serienresonatoren liegen innerhalb des Durchlassbereichs. Um diese beiden Anforderungen zu erfüllen, muss die Differenz zwischen den Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen der Resonatoren kleiner als oder gleich der Filterbandbreite sein. Die Differenz zwischen den Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen eines gedreht Y-geschnittenen LN-XBAR beträgt 790 MHz, was größer ist als die 600-MHz-Bandbreite von Band N79.
4 ist eine detaillierte schematische Querschnittsansicht eines „entkoppelten“ XBAR-Resonators (Decoupled XBAR, DXBAR) 400. Der entkoppelte XBAR 400 umfasst eine piezoelektrische Platte 410 mit einer Dicke tp und IDT-Finger 438 mit einer Dicke tm, einem Abstand p und einer Breite m. Die Materialien der piezoelektrischen Platte 410 und der IDT-Finger 438 können wie zuvor beschrieben sein.
Der Unterschied zwischen dem entkoppelten XBAR 400 und dem in Detail C von 1 dargestellten XBAR 100 ist das Vorhandensein einer dielektrischen Schicht 450 zwischen den IDT-Fingern 438 und der Membran 410. Die Wirkung der dielektrischen Schicht 450 besteht darin, den XBAR 400 zu „entkoppeln“, d. h. die elektromechanische Kopplung des XBAR 400 zu verringern. Eine dielektrische Schicht wie die dielektrische Schicht 450 wird hier als „entkoppelnde dielektrische Schicht“ bezeichnet. Der Grad der Entkopplung hängt zum Teil von der Dicke tdd der entkoppelnden dielektrischen Schicht 450 ab.
Die entkoppelnde dielektrische Schicht 450 kann beispielsweise aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder einem anderen geeigneten dielektrischen Material bestehen. In einigen Anwendungen kann ein bevorzugtes Material für die entkoppelnde dielektrische Schicht 450 Siliziumdioxid sein, das einen wichtigen sekundären Vorteil der Senkung des Temperaturkoeffizienten der Frequenz (Temperature Coefficient of Frequency, TCF) des XBAR 400 im Vergleich zum XBAR 100 von 1 bietet.
Obwohl in 4 nicht dargestellt, können eine oder mehrere zusätzliche dielektrische Schichten, wie die dielektrische Schicht 150 in 1, über den IDT-Fingern 438 und der entkoppelnden dielektrischen Schicht 450 gebildet werden. Zu den zusätzlichen dielektrischen Schichten kann eine Frequenzeinstellschicht gehören, die typischerweise über den IDT von Shunt-Resonatoren in einer Leiterfilterschaltung gebildet wird, um deren Resonanzfrequenz relativ zu den Resonanzfrequenzen von Serienresonatoren zu senken. Die zusätzlichen dielektrischen Schichten können auch eine Passivierungs- und Abstimmschicht sein oder umfassen, die die Oberfläche der Vorrichtung versiegelt und Opfermaterial bereitstellt, das selektiv entfernt werden kann, um die Resonanzfrequenz abzustimmen.
5 ist ein Diagramm 500 der Admittanz als eine Funktion der Frequenz für drei entkoppelte XBAR-Vorrichtungen. Die durchgezogene Kurve 510 ist eine Darstellung der Admittanz eines entkoppelten XBAR mit tdd (die Dicke der entkoppelnden dielektrischen Schicht) = 70 nm. Die gestrichelte Kurve 520 ist eine Darstellung der Admittanz eines entkoppelten XBAR mit tdd = 80 nm. Die punktgestrichelte Kurve 530 ist eine Darstellung der Admittanz eines entkoppelten XBAR mit tdd = 90 nm. Alle drei XBAR verwenden gedreht Y-geschnittene piezoelektrische Platten mit den Eulerwinkeln 0°, 30°, 0°.
Mit zunehmender Dicke der entkoppelnden dielektrischen Schicht erhöht sich die Gesamtdicke der XBAR-Membran, was zu einer entsprechenden Verringerung der Resonanzfrequenz führt. Mit zunehmender Dicke der entkoppelnden dielektrischen Schicht verringert sich die elektromechanische Kopplung, wodurch sich die Differenz zwischen der Resonanz- und der Antiresonanzfrequenz verringert. Die Werte von k²eff für die drei XBAR betragen 21 %, 20 % und 19 %. Der k²eff des XBAR mit tdd = 80 nm (gestrichelte Kurve 520) ist ungefähr derselbe wie bei einem XBAR mit einer Z-geschnittenen piezoelektrischen Platte.
Die Wirkung einer entkoppelnden dielektrischen Schicht ist umso größer, je dicker die piezoelektrische Platte ist. 6 ist ein Diagramm 600 von k²eff als eine Funktion des Verhältnisses von tdd (Dicke der entkoppelnden dielektrischen Schicht) zu tp (Dicke der piezoelektrischen Platte) für XBAR, die gedreht Y-geschnittenes Lithiumniobat mit Eulerwinkeln 0°, 127,5°, 0° verwenden. Der offene Kreis 610 steht für den LN-XBAR von 3 und die gefüllten Kreise 620 stehen für die drei XBAR von 5. Die gestrichelte Linie 630 ist eine vernünftige lineare Annäherung an die Datenpunkte über diesen Bereich von tdd/tp.
Das Verhältnis tdd/tp wird in der Regel größer als oder gleich 0,05 sein, um eine nützliche Verringerung von k²eff zu erreichen. Das Verhältnis tdd/tp wird allgemein nicht größer als 0,5 sein.
7 ist ein Diagramm 700 der Leistung eines vorläufigen Bandpassfilters für Band N79 mit entkoppelten XBAR. Insbesondere ist die Kurve 710 eine Darstellung des Betrags von S2,1 (der Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion) des Filters in Abhängigkeit von der Frequenz. Das simulierte Filter enthält sieben entkoppelte XBAR in einer Leiterfilterschaltung. Die piezoelektrische Platte besteht aus gedreht Y-geschnittenem Lithiumniobat. Die Dicke der entkoppelnden dielektrischen Schicht beträgt etwa 22 % der Dicke der piezoelektrischen Platte. Über den Shunt-Resonatoren wird eine frequenzeinstellende dielektrische Schicht gebildet, und über allen Resonatoren wird eine dielektrische Passivierungsschicht gebildet.
Die Frequenz eines XBAR oder DXBAR wird in erster Linie durch die Dicke seiner Membran bestimmt, einschließlich der piezoelektrischen Platte und etwaiger dielektrischer Schichten. Die Marke und der Abstand des IDT eines XBAR werden so gewählt, dass die Auswirkungen von Störmoden minimiert werden und insbesondere Störmoden bei Frequenzen außerhalb des Durchlassbereichs eines Filters lokalisiert sind. Die Länge und Apertur eines XBAR oder DXBAR wird durch eine Kombination der Kapazität, die zur Anpassung an die gewünschten Eingangs- und Ausgangsimpedanzen des Filters erforderlich ist, und der zu erwartenden Verlustleistung in der Vorrichtung bestimmt.
Bei einem gegebenen IDT-Abstand und Marke ist die Kapazität pro Einheit IDT-Fläche eines DXBAR geringer als die Kapazität pro Einheit Fläche eines XBAR. Die Verringerung der Kapazität ist auf das Vorhandensein der entkoppelnden dielektrischen Schicht zurückzuführen, die eine deutlich niedrigere Dielektrizitätskonstante als die piezoelektrische Platte aufweist. Allerdings tendiert der Marke-/Abstand-Entwurfsraum (für niedrige Störmoden) für DXBAR zu kleineren Abstandswerten. Ein kleinerer Abstand führt zu einer größeren Kapazität pro Einheit Fläche, was die geringere Kapazität aufgrund der entkoppelnden dielektrischen Schicht ausgleicht. Daher müssen Filter mit DXBAR nicht größer sein und können in einigen Fällen sogar kleiner sein als Filter mit XBAR.
Ein sekundärer, aber wichtiger Vorteil der Verwendung einer entkoppelnden dielektrischen Schicht aus Siliziumdioxid ist eine Verbesserung des Temperaturkoeffizienten der Frequenz (TCF). Ein DXBAR mit einer entkoppelnden dielektrischen Schicht, deren Dicke etwa 22 % der Dicke der piezoelektrischen Platte beträgt, hat einen TCF von 65 bei der Resonanzfrequenz und 62 bei der Antiresonanzfrequenz. Ein vergleichbarer XBAR mit Z-geschnittenem Lithiumniobat hat einen TCF von 105 bei der Resonanzfrequenz und 83 bei der Antiresonanzfrequenz.
Die Verwendung einer entkoppelnden dielektrischen Schicht zur Reduzierung der elektromechanischen Kopplung eines XBAR bietet dem Filterentwerfer einen zusätzlichen Freiheitsgrad. Der Filterentwerfer kann die elektromechanische Kopplung an die Anforderungen eines bestimmten Filters anpassen, ohne dass ein einzelnen Schnittwinkel für die piezoelektrische Platte erforderlich ist.
Verfahrensbeschreibung
8 ist ein vereinfachtes Flussdiagramm, das ein Verfahren 800 zur Herstellung einer Filtervorrichtung mit DXBAR zusammenfasst. Insbesondere dient das Verfahren 800 zur Herstellung einer Filtervorrichtung mit mehreren DXBAR, von denen einige eine frequenzeinstellende dielektrische Schicht enthalten können. Das Verfahren 800 beginnt bei 805 mit einem Vorrichtungssubstrat und einer dünnen Platte aus piezoelektrischem Material, die auf einem Opfersubstrat angeordnet ist. Das Verfahren 800 endet bei 895 mit einer fertigen Filtervorrichtung. Das Flussdiagramm in 8 enthält nur die wichtigsten Verfahrensschritte. Verschiedene herkömmliche Verfahrensschritte (z. B. Oberflächenvorbereitung, Reinigung, Inspektion, Einbrennen, Glühen, Überwachung, Prüfung usw.) können vor, zwischen, nach und während der in 8 gezeigten Schritte durchgeführt werden.
Während 8 allgemein ein Verfahren zur Herstellung einer einzelnen Filtervorrichtung beschreibt, können mehrere Filtervorrichtungen gleichzeitig auf einem gemeinsamen Wafer (bestehend aus einer piezoelektrischen Platte, die an ein Substrat gebondet ist) hergestellt werden. In diesem Fall kann jeder Schritt des Verfahrens 800 gleichzeitig an allen Filtervorrichtungen auf dem Wafer durchgeführt werden.
Das Flussdiagramm von 8 erfasst drei Varianten des Verfahrens 800 zur Herstellung eines XBAR, die sich darin unterscheiden, wann und wie die Hohlräume im Substrat der Vorrichtung gebildet werden. Die Hohlräume können in den Schritten 810A, 810B oder 810C gebildet werden. In jeder der drei Varianten des Verfahrens 800 wird nur einer dieser Schritte durchgeführt.
Die piezoelektrische Platte kann typischerweise aus gedreht Y-geschnittenem Lithiumniobat bestehen. Die piezoelektrische Platte kann auch aus einem anderen Material und/oder einem anderen Schnitt bestehen. Das Vorrichtungssubstrat kann vorzugsweise aus Silizium bestehen. Das Vorrichtungssubstrat kann aus einem anderen Material bestehen, das die Bildung tiefer Hohlräume durch Ätzen oder andere Verfahren ermöglicht.
In einer Variante des Verfahrens 800 werden ein oder mehrere Hohlräume im Substrat der Vorrichtung bei 810A gebildet, bevor die piezoelektrische Platte bei 815 an das Substrat gebondet wird. Für jeden Resonator in einer Filtervorrichtung kann ein separater Hohlraum gebildet werden. Die ein oder mehreren Hohlräume können mit herkömmlichen Photolithographie- und Ätztechniken gebildet werden. In der Regel durchdringen die bei 810A gebildeten Hohlräume das Substrat der Vorrichtung nicht.
Bei 815 wird die piezoelektrische Platte an das Vorrichtungssubstrat gebondet. Die piezoelektrische Platte und das Vorrichtungssubstrat können durch ein Wafer-Bonding-Verfahren gebondet werden. In der Regel sind die Kontaktflächen des Vorrichtungssubstrats und der piezoelektrischen Platte hochglanzpoliert. Eine oder mehrere Schichten aus Zwischenmaterialien, wie beispielsweise ein Oxid oder Metall, können auf der Kontaktfläche der piezoelektrischen Platte oder des Vorrichtungssubstrats gebildet oder abgeschieden werden. Eine oder beide Kontaktflächen können beispielsweise durch ein Plasmaverfahren aktiviert werden. Die Kontaktflächen können dann mit erheblicher Kraft zusammengepresst werden, um molekulare Bindungen zwischen der piezoelektrischen Platte und dem Vorrichtungssubstrat oder den Zwischenschichten herzustellen.
Bei 820 kann das Opfersubstrat entfernt werden. Die piezoelektrische Platte und das Opfersubstrat können zum Beispiel aus einem Wafer aus piezoelektrischem Material bestehen, in das Ionen implantiert wurden, um Defekte in der Kristallstruktur entlang einer Ebene zu erzeugen, die eine Grenze zwischen der späteren piezoelektrischen Platte und dem Opfersubstrat bildet. Bei 820 kann der Wafer entlang der Defektebene gespalten werden, zum Beispiel durch einen thermischen Schock, wobei das Opfersubstrat abgelöst wird und die piezoelektrische Platte an das Vorrichtungssubstrat gebondet bleibt. Die freiliegende Oberfläche der piezoelektrischen Platte kann poliert oder auf andere Weise bearbeitet werden, nachdem das Opfersubstrat abgelöst wurde.
Dünne Platten aus einkristallinen piezoelektrischen Materialien, die auf ein nichtpiezoelektrisches Substrat laminiert sind, sind im Handel erhältlich. Zum Zeitpunkt dieser Anmeldung sind sowohl Lithiumniobat- als auch Lithiumtantalatplatten erhältlich, die an verschiedene Substrate wie Silizium, Quarz und Quarzglas gebondet sind. Dünne Platten aus anderen piezoelektrischen Materialien sind möglicherweise jetzt oder in Zukunft erhältlich. Die Dicke der piezoelektrischen Platte kann zwischen 300 nm und 1000 nm betragen. Handelt es sich bei dem Substrat um Silizium, kann zwischen der piezoelektrischen Platte und dem Substrat eine Schicht aus SiO₂ angeordnet sein. Wenn ein handelsübliches Laminat aus piezoelektrischer Platte und Vorrichtungssubstrat verwendet wird, entfallen die Schritte 810A, 815 und 820 des Verfahrens 800.
Bei 825 wird eine entkoppelnde dielektrische Schicht gebildet, indem ein dielektrisches Material auf die Vorderfläche der piezoelektrischen Platte abgeschieden wird. Die entkoppelnde dielektrische Schicht besteht in der Regel aus Siliziumdioxid, kann aber auch aus einem anderen dielektrischen Material wie Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid bestehen. Die entkoppelnde dielektrische Schicht kann ein Verbundwerkstoff aus zwei oder mehr dielektrischen Materialien oder Schichten aus zwei oder mehr dielektrischen Materialien sein. Die entkoppelnde dielektrische Schicht kann so strukturiert sein, dass die entkoppelnde dielektrische Schicht auf einigen Teilen der piezoelektrischen Platte vorhanden ist und auf anderen Teilen der piezoelektrischen Platte nicht vorhanden ist. Die entkoppelnde dielektrische Schicht kann aus zwei oder mehr getrennt strukturierten Schichten bestehen, so dass die entkoppelnde dielektrische Schicht an verschiedenen Stellen der piezoelektrischen Platte unterschiedlich dick ist.
Eine erste Leiterstruktur, die IDT und Reflektorelemente jedes XBAR enthält, wird bei 845 durch Abscheiden und Strukturieren einer oder mehrerer Leiterschichten auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte gebildet. Die erste Leiterstruktur kann sich ganz oder teilweise über der entkoppelnden dielektrischen Schicht befinden, die bei 825 gebildet wurde. Die Leiterschicht kann beispielsweise aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer, einer Kupferlegierung oder einem anderen leitfähigen Metall bestehen. Optional können eine oder mehrere Schichten aus anderen Materialien unterhalb (d. h. zwischen der Leiterschicht und der piezoelektrischen Platte) und/oder oberhalb der Leiterschicht angeordnet werden. So kann beispielsweise ein dünner Film aus Titan, Chrom oder einem anderen Metall verwendet werden, um die Haftung zwischen der Leiterschicht und der piezoelektrischen Platte zu verbessern. Eine zweite Leiterstruktur aus Gold, Aluminium, Kupfer oder einem anderen Metall mit höherer Leitfähigkeit kann über Teilen der ersten Leiterstruktur (z. B. den IDT-Sammelschienen und den Verbindungen zwischen den IDT) gebildet werden.
Jede Leiterstruktur kann bei 845 gebildet werden, indem die Leiterschicht und gegebenenfalls eine oder mehrere andere Metallschichten nacheinander auf die Oberfläche der piezoelektrischen Platte abgeschieden werden. Das überschüssige Metall kann dann durch Ätzen durch strukturiertes Photoresist entfernt werden. Die Leiterschicht kann beispielsweise durch Plasmaätzen, reaktives Ionenätzen, nasschemisches Ätzen oder andere Ätztechniken geätzt werden.
Alternativ kann jede Leiterstruktur mit Hilfe eines Lift-off-Verfahrens bei 845 gebildet werden. Auf die piezoelektrische Platte kann Photoresist abgeschieden werden, das so strukturiert wird, dass die Leiterstruktur entsteht. Die Leiterschicht und gegebenenfalls 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 übrig bleibt.
Bei 850 kann eine oder mehrere frequenzeinstellende dielektrische Schicht(en) durch Abscheiden einer oder mehrerer Schichten aus dielektrischem Material auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte gebildet werden. Beispielsweise kann eine dielektrische Schicht über den Shunt-Resonatoren gebildet werden, um die Frequenzen der Shunt-Resonatoren im Verhältnis zu den Frequenzen der Serienresonatoren zu verringern. Die eine oder mehrere dielektrische Schichten können mit einem herkömmlichen Abscheidungsverfahren wie der physikalischen Gasphasenabscheidung, der Atomlagenabscheidung, der chemischen Gasphasenabscheidung oder einem anderen Verfahren abgeschieden werden. Ein oder mehrere lithographische Verfahren (unter Verwendung von Photomasken) können verwendet werden, um die Abscheidung der dielektrischen Schichten auf ausgewählte Bereiche der piezoelektrischen Platte zu beschränken. Beispielsweise kann eine Maske verwendet werden, um eine dielektrische Schicht so zu begrenzen, dass sie nur die Shunt-Resonatoren bedeckt.
Bei 855 wird eine dielektrische Passivierungs-/Abstimmungsschicht über der piezoelektrischen Platte und den Leiterstrukturen abgeschieden. Die dielektrische Passivierungs-/Abstimmungsschicht kann die gesamte Oberfläche des Filters bedecken, mit Ausnahme der Pads für elektrische Verbindungen zu den Schaltkreisen außerhalb des Filters. In einigen Ausführungsformen des Verfahrens 800 kann die dielektrische Passivierungs-/Abstimmungsschicht gebildet werden, nachdem die Hohlräume in dem Vorrichtungssubstrat entweder bei 810Boder 810C geätzt wurden.
In einer zweiten Variante des Verfahrens 800 werden ein oder mehrere Hohlräume auf der Rückseite des Vorrichtungssubstrats bei 810Bgebildet. Für jeden Resonator in einer Filtervorrichtung kann ein separater Hohlraum gebildet werden. Die ein oder mehreren Hohlräume können durch anisotropes oder orientierungsabhängiges Trocken- oder Nassätzen gebildet werden, um Löcher durch die Rückseite des Vorrichtungssubstrats zur piezoelektrischen Platte zu öffnen. In diesem Fall haben die resultierenden Resonatorvorrichtungen einen Querschnitt wie in 1 dargestellt.
In einer dritten Variante des Verfahrens 800 können ein oder mehrere Hohlräume in Form von Vertiefungen in dem Vorrichtungssubstrat bei 810C durch Ätzen des Substrats mit einem durch Öffnungen in der piezoelektrischen Platte eingeführten Ätzmittel gebildet werden. Für jeden Resonator in einer Filtervorrichtung kann ein separater Hohlraum gebildet werden. Der oder die bei 810C gebildeten Hohlräume durchdringen das Vorrichtungssubstrat nicht.
Im Idealfall erfüllen nach der Bildung der Hohlräume bei 810B oder 810C die meisten oder alle Filtervorrichtungen auf einem Wafer eine Reihe von Leistungsanforderungen. Normale Verfahrenstoleranzen führen jedoch zu Abweichungen bei Parametern wie der Dicke der dielektrischen Schicht, die bei 850 und 855 gebildet wird, zu Abweichungen bei der Dicke und den Linienbreiten von Leitern und IDT-Fingern, die bei 845 gebildet werden, sowie zu Abweichungen bei der Dicke der piezoelektrischen Platte. Diese Abweichungen tragen dazu bei, dass die Leistung der Filtervorrichtung von den Leistungsanforderungen abweicht.
Zur Verbesserung der Ausbeute an Filtervorrichtungen, die die Leistungsanforderungen erfüllen, kann die Frequenzabstimmung durch selektive Einstellung der Dicke der Passivierungs-/Abstimmungsschicht erfolgen, die über den Resonatoren bei 855 abgeschieden ist. Die Frequenz des Durchlassbereichs einer Filtervorrichtung kann durch Hinzufügen von Material zur Passivierungs-/Abstimmungsschicht gesenkt werden, und die Frequenz des Durchlassbereichs der Filtervorrichtung kann durch Entfernen von Material zur Passivierungs-/Abstimmungsschicht erhöht werden. Typischerweise ist das Verfahren 800 so ausgerichtet, dass Filtervorrichtungen mit Durchlassbändern hergestellt werden, die anfänglich niedriger sind als ein erforderlicher Frequenzbereich, aber durch Entfernen von Material von der Oberfläche der Passivierungs-/Abstimmungsschicht auf den gewünschten Frequenzbereich abgestimmt werden können.
Bei 860 kann eine Testkarte oder ein anderes Mittel zur Herstellung elektrischer Verbindungen mit dem Filter verwendet werden, um Hochfrequenztests und Messungen von Filtereigenschaften wie der Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion zu ermöglichen. In der Regel werden HF-Messungen an allen oder einem großen Teil der Filtervorrichtungen durchgeführt, die gleichzeitig auf einer gemeinsamen piezoelektrischen Platte und einem gemeinsamen Substrat hergestellt werden.
Bei 865 kann eine globale Frequenzabstimmung durchgeführt werden, indem Material von der Oberfläche der Passivierungs-/Abstimmungsschicht mit einem selektiven Materialabtragungswerkzeug wie beispielsweise einer Ionenfräse, wie zuvor beschrieben, entfernt wird. Die „globale“ Abstimmung erfolgt mit einer räumlichen Auflösung, die gleich oder größer ist als die einer einzelnen Filtervorrichtung. Ziel der globalen Abstimmung ist es, den Durchlassbereich jeder Filtervorrichtung in Richtung eines gewünschten Frequenzbereichs zu verschieben. Die Testergebnisse von 860 können verarbeitet werden, um eine globale Konturenkarte zu erstellen, die die Menge des zu entfernenden Materials als Funktion der zweidimensionalen Position auf dem Wafer angibt. Das Material wird dann entsprechend der Konturenkarte mit dem selektiven Materialabtragungswerkzeug entfernt.
Bei 870 kann eine lokale Frequenzabstimmung zusätzlich zu oder anstelle der globalen Frequenzabstimmung bei 865 durchgeführt werden. Die „lokale“ Frequenzabstimmung wird mit einer räumlichen Auflösung durchgeführt, die kleiner ist als eine einzelne Filtervorrichtung. Die Testergebnisse von 860 können verarbeitet werden, um eine Karte zu erstellen, die die Menge an Material angibt, die an jeder Filtervorrichtung entfernt werden muss. Die lokale Frequenzabstimmung kann die Verwendung einer Maske erfordern, um die Größe der Bereiche, von denen Material entfernt wird, zu begrenzen. Beispielsweise kann eine erste Maske verwendet werden, um die Abstimmung nur auf Shunt-Resonatoren zu beschränken, und eine zweite Maske kann anschließend verwendet werden, um die Abstimmung nur auf Serienresonatoren zu beschränken (oder umgekehrt). Dies würde eine unabhängige Abstimmung der unteren Bandgrenze (durch Abstimmung von Shunt-Resonatoren) und der oberen Bandgrenze (durch Abstimmung von Serienresonatoren) der Filtervorrichtungen ermöglichen.
Nach Frequenzabstimmung bei 865 und/oder 870 wird die Filtervorrichtung bei 875 fertiggestellt. Zu den Maßnahmen, die bei 875 durchgeführt werden können, gehören das Herstellen von Bondpads oder Lötstellen oder anderen Mitteln zur Herstellung einer Verbindung zwischen der Vorrichtung und externen Schaltkreisen (falls solche Pads nicht bei 845 hergestellt wurden), das Herausschneiden einzelner Filtervorrichtungen aus einem Wafer, der mehrere Filtervorrichtungen enthält, andere Verpackungsschritte und zusätzliche Tests. Nachdem jedes Filterelement fertiggestellt ist, endet der Prozess bei 895.
Abschließende Bemerkungen
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 Verfahrenstätigkeiten oder Systemelementen beinhalten, sollte verstanden werden, dass diese Tätigkeiten 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. Tätigkeiten, 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 Tätigkeiten 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 63/137736 [0002]
US 10491291 [0010]

Claims

Akustische Resonatorvorrichtung, umfassend: ein Substrat; eine piezoelektrische Platte mit parallelen Vorder- und Rückflächen, wobei die Rückfläche an dem Substrat angebracht ist; eine entkoppelnde dielektrische Schicht auf der Vorderfläche der piezoelektrischen Platte; und einen Interdigitalwandler (Interdigital Transducer, IDT), der auf der entkoppelnden dielektrischen Schicht so gebildet ist, dass ineinander verschachtelte Finger des IDT über einem Teil der piezoelektrischen Platte liegen, der über einem im Substrat gebildeten Hohlraum aufgehängt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der IDT so eingerichtet ist, dass er akustische Scherwellen in der piezoelektrischen Platte als Reaktion auf ein an den IDT angelegtes Hochfrequenzsignal anregt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die piezoelektrische Platte aus gedreht Y-geschnittenem Lithiumniobat besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die entkoppelnde dielektrische Schicht Siliziumdioxid umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Dicke zwischen der Vorder- und der Rückfläche der piezoelektrischen Platte größer als oder gleich 200 nm und kleiner als oder gleich 1000 nm ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei ein Abstand der Finger des IDT größer als oder gleich dem 2-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte und kleiner als oder gleich dem 25-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Finger des IDT eine Breite aufweisen, und der Abstand größer als oder gleich dem 2-Fachen der Breite und kleiner als oder gleich dem 25-Fachen der Breite beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine vorderseitige dielektrische Schicht, die auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte zwischen den Fingern des IDT gebildet ist, wobei die Resonanzfrequenz der akustischen Resonatorvorrichtung zum Teil durch die Dicke der vorderseitigen dielektrischen Schicht bestimmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die vorderseitige dielektrische Schicht mindestens eines von Siliziumdioxid und Siliziumnitrid umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der IDT eines der folgenden Elemente umfasst: Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Kupfer, eine Kupferlegierung, Beryllium oder Gold.
Filtervorrichtung, umfassend: ein Substrat; eine piezoelektrische Platte mit parallelen Vorder- und Rückflächen, wobei die Rückfläche an dem Substrat angebracht ist, eine entkoppelnde dielektrische Schicht auf der Vorderfläche der piezoelektrischen Platte; und eine Leiterstruktur, die auf der entkoppelnden dielektrischen Schicht gebildet ist, wobei die Leiterstruktur eine Vielzahl von Interdigitalwandlern (IDT) einer jeweiligen Vielzahl von Resonatoren enthält, wobei sich ineinander verschachtelte Finger jedes der Vielzahl von IDT über den jeweiligen Teilen der piezoelektrischen Platte liegen, die über einem oder mehreren im Substrat ausgebildeten Hohlräumen aufgehängt sind.
Filtervorrichtung nach Anspruch 11, wobei alle der Vielzahl von IDT so eingerichtet sind, dass sie akustische Scherwellen in der piezoelektrischen Platte als Reaktion auf entsprechende, an jeden IDT angelegte Hochfrequenzsignale anregen.
Filtervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die piezoelektrische Platte aus gedreht Y-geschnittenem Lithiumniobat besteht.
Filtervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die entkoppelnde dielektrische Schicht Siliziumdioxid umfasst.
Filtervorrichtung nach Anspruch 11, wobei eine Dicke zwischen der Vorder- und der Rückfläche der piezoelektrischen Platte größer als oder gleich 200 nm und kleiner als oder gleich 1000 nm ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 11, wobei sich jeder der Vielzahl von IDT auf einem entsprechenden Teil der piezoelektrischen Platte befindet, der über entsprechenden im Substrat ausgebildeten Hohlräumen aufgehängt ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Vielzahl von Resonatoren einen Shunt-Resonator und einen Serienresonator enthält.
Filtervorrichtung nach Anspruch 17, wobei eine Dicke einer ersten dielektrischen Schicht, die zwischen Fingern eines IDT des Shunt-Resonators abgeschieden ist, größer als eine Dicke einer zweiten dielektrischen Schicht ist, die zwischen Fingern eines IDT des Serienresonators abgeschieden ist.
Verfahren zur Herstellung einer akustischen Resonatorvorrichtung auf einer piezoelektrischen Platte mit parallelen Vorder- und Rückflächen, wobei die Rückfläche an einem Substrat angebracht ist, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines Hohlraums in dem Substrat, so dass ein Teil der piezoelektrischen Platte über dem Hohlraum aufgehängt ist; Bilden einer entkoppelnden dielektrischen Schicht auf der Vorderfläche der piezoelektrischen Platte; und Bilden eines Interdigitalwandlers (IDT) über der entkoppelnden dielektrischen Schicht, so dass sich ineinander verschachtelte Finger des IDT über dem Teil der piezoelektrischen Platte liegen, der über dem Hohlraum aufgehängt ist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die piezoelektrische Platte aus gedreht Y-geschnittenem Lithiumniobat besteht und die entkoppelnde dielektrische Schicht Siliziumdioxid umfasst.