DE102022103177A1

DE102022103177A1 - Transversal angeregte akustische filmvolumenresonatoren mit schmalen spalten zwischen sammelschienen und enden von interdigitalwandler-fingern

Info

Publication number: DE102022103177A1
Application number: DE102022103177.2A
Authority: DE
Inventors: Bryant Garcia; Filip Iliev
Original assignee: Resonant Inc
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2021-02-12
Filing date: 2022-02-10
Publication date: 2022-08-18
Also published as: US20220263494A1; JP2022123876A; CN114928345A; US20230022403A1

Abstract

Ein akustischer Resonator weist eine piezoelektrische Platte auf, die an der Oberfläche des Substrats angebracht ist, mit Ausnahme eines Teils der piezoelektrischen Platte, der eine Membran bildet, die einen Hohlraum im Substrat überspannt. Ein auf der Platte gebildeter Interdigitalwandler (IDT) weist ineinander verschachtelte Finger auf der Membran auf, wobei sich erste parallele Finger von einer ersten Sammelschiene und zweite parallele Finger von einer zweiten Sammelschiene des IDT erstrecken. Ein Abstand zwischen den ineinander verschachtelten Fingern definiert den IDT-Abstand. Der IDT weist einen Spaltabstand zwischen den Enden der ersten Vielzahl von parallelen Fingern und der zweiten Sammelschiene und zwischen den Enden der zweiten Vielzahl von parallelen Fingern und der ersten Sammelschiene auf, und wobei der Spaltabstand kleiner als das 2/3-Fache des IDT-Abstands ist.

Description

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 parallel anhängigen vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/148,803 , eingereicht am 12. Februar 2021, mit dem Titel XBAR MIT SCHMALER SPALTE ZWISCHEN SAMMELSCHIENE UND ELEKTRODE (NARROW BUSBAR-ELECTRODE GAP XBAR).
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 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 „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 Entwurfskompromisse, um für jede spezifische Anwendung den besten Kompromiss zwischen Leistungsparametern wie Einfügungsdämpfung, Unterdrückung, Isolierung, Belastbarkeit, Linearität, Größe und Kosten zu erzielen. Spezifische Entwurfs- 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 (3^rd 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 oder aufweisend ein einkristallines piezoelektrisches 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 und zwei schematische Querschnittsansichten eines transversal angeregten akustischen Filmvolumenresonators (XBAR).
2 ist eine erweiterte schematische Querschnittsansicht eines Teils des XBAR von 1.
3A ist eine alternative schematische Querschnittsansicht eines XBAR.
3B ist eine grafische Darstellung der primären akustischen Mode von Interesse in einem XBAR.
4A zeigt eine vereinfachte schematische Draufsicht auf einen XBAR mit schmalen Spalten zwischen Sammelschienen und Enden von Interdigitalwandler (IDT)-Fingern.
4B ist ein Diagramm, das die Größe von Admittanz und den Leitwert von XBAR mit verschiedenen Spaltabständen vergleicht.
4C ist ein Diagramm, das den Leitwert von XBAR mit verschiedenen Spaltabständen vergleicht.
4D ist ein weiteres Diagramm, das den Leitwert von XBAR mit verschiedenen Spaltabständen vergleicht.
4E ist ein Diagramm, das den maximalen Spaltabstand zwischen Sammelschiene und Elektrode mit dem IDT-Abstand für XBAR vergleicht.
5 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Filters mit XBAR.
6 ist ein Flussdiagramm eines herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung eines 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
Der transversal angeregte akustische Filmvolumenresonator (XBAR) ist eine neue Resonatorstruktur zur Verwendung in Mikrowellenfiltern. Der XBAR ist im US-Patent Nr. 10,491,291 mit dem Titel TRANSVERSAL ANGEREGTER AKUSTISCHER FILMVOLUMENRESONATOR (TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR) beschrieben, das hier durch Bezugnahme in vollem Umfang aufgenommen wird. Ein XBAR-Resonator umfasst eine Leiterstruktur mit einem Interdigitalwandler (IDT), der auf einer dünnen schwimmenden Schicht oder Membran aus einem piezoelektrischen Material gebildet ist. Der IDT hat zwei Sammelschienen, die jeweils an einem Satz von Fingern angebracht sind, und die beiden Sätze von Fingern sind auf der Membran über einem Hohlraum ineinander verschachtelt, der in einem Substrat gebildet ist, auf dem der Resonator montiert ist. Die Membran überspannt den Hohlraum und kann vorderseitige und/oder rückseitige dielektrische Schichten enthalten. Ein an den IDT angelegtes Mikrowellensignal regt eine primäre akustische Scherwelle in der piezoelektrischen Membran derart an, dass die akustische Energie im Wesentlichen senkrecht zu den Oberflächen der Schicht fließt, die orthogonal oder quer zur Richtung des vom IDT erzeugten elektrischen Feldes liegt. XBAR-Resonatoren bieten eine sehr hohe elektromechanische Kopplung und Hochfrequenzfähigkeit.
Eine piezoelektrische Membranhaut kann ein Teil einer Platte aus einkristallinem piezoelektrischem Material sein, die einen Hohlraum im Substrat überspannt. Eine piezoelektrische Membran kann die Membranhaut sein und kann vorderseitige und/oder rückseitige dielektrische Schichten enthalten. Ein XBAR-Resonator kann eine solche Membran oder Membranhaut mit einem auf der Membran oder Membranhaut gebildeten Interdigitalwandler (IDT) sein.
Der dominante Parameter, der die Resonanzfrequenz eines XBAR bestimmt, ist die Dicke der piezoelektrischen Membranhaut oder Membran, die über einem Hohlraum aufgehängt ist. Die Resonanzfrequenz hängt in geringerem Maße auch von dem Abstand (Pitch) und der Breite bzw. der Marke der IDT-Finger ab. Viele Filteranwendungen erfordern Resonatoren mit einem Bereich von Resonanz- und/oder Antiresonanzfrequenzen, der über den Bereich hinausgeht, der durch Variation des Abstands der IDT erreicht werden kann.
Bei XBAR, die Y-geschnittenes Lithiumniobat als piezoelektrisches Material in der piezoelektrischen Platte verwenden, können Störmoden im Spaltbereich zwischen den Enden der IDT-Finger und den benachbarten Sammelschienen angeregt werden. Solche Störmoden können unerwünschte Störungen in der Admittanz eines XBAR verursachen. Diese Störmoden werden unterdrückt oder beseitigt, wenn der Spaltabstand zwischen den Enden der IDT-Finger und den benachbarten/gegenüberliegenden Sammelschienen auf einen Bruchteil des IDT-Fingerabstands reduziert wird.
Im Folgenden werden verbesserte XBAR-Resonatoren, Filter und Herstellungstechniken für XBAR-Resonatoren mit schmalen Spalten zwischen den Sammelschienen und Enden der Interdigitalwandler (IDT)-Finger beschrieben. In einigen Fällen kann der Spaltabstand zwischen den Enden der IDT-Finger und den benachbarten IDT-Sammelschienen weniger als das 2/3-Fache des IDT-Fingerabstands betragen. Zusätzlich oder unabhängig davon kann der Spaltabstand zwischen den Enden der IDT-Finger und den benachbarten IDT-Sammelschienen zwischen 2/3 und 1/2 des IDT-Fingerabstands von ineinander verschachtelten Fingern des IDT betragen.
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 Vielzahl von HF-Filtern verwendet werden, darunter Bandsperrfilter, Bandpassfilter, Duplexer und Multiplexer. XBAR eignen sich besonders für den Einsatz in Filtern für Kommunikationsbänder mit Frequenzen über 3 GHz.
Der XBAR 100 besteht aus einer Dünnfilm-Leiterstruktur, die auf einer Oberfläche einer piezoelektrischen Platte 110 mit parallelen Vorder- und Rückflächen 112 bzw. 114 gebildet ist. Die piezoelektrische Platte ist eine dünne einkristalline Schicht aus einem piezoelektrischen Material wie Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Lanthangalliumsilikat, Galliumnitrid oder Aluminiumnitrid. Die piezoelektrische Platte ist so geschnitten, dass die Ausrichtung der X-, Y- und Z-Kristallachsen in Bezug auf die Vorder- und Rückflächen bekannt und konsistent ist. In einigen Beispielen können die piezoelektrischen Platten Z-geschnitten sein, d. h. die Z-Achse verläuft normal zu den Oberflächen. In anderen Beispielen können die piezoelektrischen Platten gedreht Y-geschnitten sein, wie im US-Patent Nr. 10,790,802 , erteilt am 29.9.2020, mit dem Titel TRANSVERSAL ANGEREGTER AKUSTISCHER FILMVOLUMENRESONATOR UNTER VERWENDUNG VON GEDREHT Y-X-GESCHNITTENEM LITHIUMNIOBAT (TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR USING ROTATED Y-X CUT LITHIUM NIOBATE) beschrieben, das hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. In einigen Fällen können die piezoelektrischen Platten Y-geschnitten sein und Euler-Winkel von 0, B, 0 mit 0 < B < 70 haben, wie in der US-Patentanmeldung Nr. 17/122,977 , eingereicht am 15.12.2020, mit dem Titel AKUSTISCHE RESONATOREN UND FILTER MIT REDUZIERTEM TEMPERATURKOEFFIZIENTEN DER FREQUENZ (ACOUSTIC RESONATORS AND FILTERS WITH REDUCED TEMPERATURE COEFFICIENT OF FREQUENCY) beschrieben, die hier durch Bezugnahme aufgenommen wird. XBAR können jedoch auch auf piezoelektrischen Platten mit anderen kristallographischen Ausrichtungen hergestellt werden.
Die Rückfläche 114 der piezoelektrischen Platte 110 ist an einem Substrat 120 angebracht, das die piezoelektrische Platte 110 mechanisch unterstützt. Das Substrat 120 kann beispielsweise aus Silizium, Saphir, Quarz oder einem anderen Material bestehen. Das Substrat kann Schichten aus thermischem Siliziumoxid (TOX) und kristallinem Silizium enthalten. Die Rückfläche 114 der piezoelektrischen Platte 110 kann mit Hilfe eines Wafer-Bonding-Verfahrens an das Substrat 120 gebondet, auf dem Substrat 120 aufgewachsen oder auf andere Weise am Substrat angebracht sein. Die piezoelektrische Platte kann direkt oder über eine oder mehrere Materialzwischenschichten an das Substrat angebracht sein.
Wie in 1 dargestellt, ist die Membran 115 mit dem Rest der piezoelektrischen Platte 110 um den gesamten Umfang 145 des Hohlraums 140 angrenzend verbunden. In diesem Zusammenhang bedeutet „angrenzend“ „angrenzend verbunden ohne ein dazwischenliegendes Element“.
Die Leiterstruktur des XBAR 100 umfasst einen Interdigitalwandler (IDT) 130. Der IDT 130 enthält eine erste Vielzahl von parallelen Fingern, wie beispielsweise Finger 136, die sich von einer ersten Sammelschiene 132 aus erstrecken, und eine zweite Vielzahl von Fingern, die sich von einer zweiten Sammelschiene 134 aus erstrecken. Die erste und zweite Vielzahl paralleler Finger sind ineinander verschachtelt. Die ineinander verschachtelten Finger überlappen sich mit einem Abstand AP, der 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.
Der Abstand gm zwischen den Enden der IDT-Finger und den benachbarten IDT-Sammelschienen (z. B. Sammelschiene für die gegenüberliegenden Finger der ineinander verschachtelten Finger) kann zwischen 5 und 10 Mikrometer (um) betragen. In einigen Fällen beträgt er 5 um. Die benachbarten IDT-Sammelschienen sind Sammelschienen für die gegenüberliegenden Finger der ineinander verschachtelten Finger. Die benachbarten Sammelschienen können eine entgegengesetzte elektrische Polarität haben (z. B. Plus und Minus) oder während der Verwendung des XBAR-Filters als Signaleingänge und -ausgänge dienen.
Die erste und die zweite Sammelschiene 132, 134 dienen als Anschlüsse oder Elektroden 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. Wie noch näher erläutert wird, handelt es sich bei der angeregten primären akustischen Mode um eine Volumenschermode, bei der sich die akustische Energie entlang einer Richtung ausbreitet, die im Wesentlichen orthogonal zur Oberfläche der piezoelektrischen Platte 110 verläuft, also auch senkrecht oder quer zur Richtung des von den IDT-Fingern erzeugten elektrischen Feldes. Daher wird der XBAR als ein transversal angeregter Filmvolumenwellenresonator betrachtet.
In dem Substrat 120 ist ein Hohlraum 140 derart gebildet, dass ein Teil 115 der piezoelektrischen Platte 110, die den IDT 130 enthält, über dem Hohlraum 140 aufgehängt ist, ohne das Substrat 120 oder den Boden des Hohlraums zu berühren. Der Begriff „Hohlraum“ hat die übliche Bedeutung von „einem leeren Raum innerhalb eines festen Körpers“. Der Hohlraum kann ein Gas, Luft oder ein Vakuum enthalten. In manchen Fällen gibt es auch ein zweites Substrat, Packung oder anderes Material mit einem Hohlraum (nicht dargestellt) über der Platte 110, die ein Spiegelbild des Substrats 120 und des Hohlraums 140 sein können. Der Hohlraum über der Platte 110 kann eine größere Leerraumtiefe haben als der Hohlraum 140. Die Finger erstrecken sich über (und ein Teil der Sammelschienen kann sich optional erstrecken über) den Hohlraum (oder zwischen den Hohlräumen). Bei dem Hohlraum 140 kann es sich um ein Loch, das das Substrat 120 vollständig durchdringt (wie in den Abschnitten A-A und B-B von 1 dargestellt), oder um eine Vertiefung im Substrat 120 (wie nachfolgend in 3A dargestellt) handeln. Der Hohlraum 140 kann beispielsweise durch selektives Ätzen des Substrats 120 vor oder nach dem Anbringen der piezoelektrischen Platte 110 und des Substrats 120 gebildet werden. Wie in 1 dargestellt, hat der Hohlraum 140 eine rechteckige Form mit einer Ausdehnung, die größer ist als die Apertur AP1 und die Länge L des IDT 130. Ein Hohlraum eines XBAR kann eine andere Form haben, wie beispielsweise ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Vieleck. Der Hohlraum eines XBAR kann mehr oder weniger als vier Seiten haben, die gerade oder gekrümmt sein können.
Der Teil 115 der piezoelektrischen Platte, der über dem Hohlraum 140 aufgehängt ist, wird hier (in Ermangelung eines besseren Begriffs) als „Membran“ bezeichnet, da er physisch der Membran eines Mikrofons ähnelt. Die Membran kann angrenzend und nahtlos mit dem Rest der piezoelektrischen Platte 110 um den gesamten oder fast den gesamten Umfang des Hohlraums 140 verbunden sein. In diesem Zusammenhang bedeutet „angrenzend“ „angrenzend verbunden, ohne ein dazwischenliegendes Element“. In einigen Fällen kann eine BOX-Schicht die Platte 110 um den Umfang herum an das Substrat 120 bonden.
Um die Darstellung in 1 zu vereinfachen, ist der geometrische Abstand und die Breite der IDT-Finger im Vergleich zur Länge (Dimension L) und Apertur (Dimension AP) des XBAR stark übertrieben. Ein typischer XBAR hat mehr als zehn parallele Finger im IDT 110. Ein XBAR kann Hunderte, möglicherweise Tausende von parallelen Fingern im IDT 110 haben. Ebenso ist die Dicke der Finger in den Querschnittsansichten stark übertrieben.
2 zeigt eine detaillierte schematische Querschnittsansicht des XBAR 100 von 1. Bei der Querschnittsansicht kann es sich um einen Teil des XBAR 100 handeln, der die Finger des IDT enthält. Die piezoelektrische Platte 110 ist eine einkristalline Schicht aus piezoelektrischem Material mit einer Dicke ts. Die Dicke ts kann beispielsweise 100 nm bis 1500 nm betragen. Bei der Verwendung in Filtern für LTE™-Bänder von 3,4 GHz bis 6 GHz (z. B. Bänder 42, 43, 46) kann die Dicke ts beispielsweise 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 dargestellt, 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 die rückseitige dielektrische Schicht 214, 216 können aus einem nicht-piezoelektrischen dielektrischen Material bestehen, wie beispielsweise Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, tfd und tbd können beispielsweise 0 bis 500 nm betragen. tfd und tbd sind typischerweise kleiner als die Dicke ts der piezoelektrischen Platte, tfd und tbd sind nicht notwendigerweise gleich, und die vorderseitige und die rückseitige dielektrische Schicht 214, 216 sind nicht notwendigerweise aus demselben Material. Die vorderseitige und/oder die rückseitige dielektrische Schicht 214, 216 können aus mehreren Schichten aus zwei oder mehr Materialien bestehen.
Die vorderseitige dielektrische Schicht 214 kann über den IDT einiger (z. B. gewählter) der XBAR-Vorrichtungen in einem Filter gebildet sein. Das vorderseitige Dielektrikum 214 kann zwischen den IDT-Fingern einiger XBAR-Vorrichtungen gebildet sein und diese abdecken, aber nicht auf anderen XBAR-Vorrichtungen gebildet sein. Beispielsweise kann eine vorderseitige dielektrische Frequenzeinstellschicht über den IDT von Shunt-Resonatoren gebildet sein, um die Resonanzfrequenzen der Shunt-Resonatoren in Bezug auf die Resonanzfrequenzen von Serienresonatoren zu verringern, die ein dünneres oder kein vorderseitiges Dielektrikum haben. Einige Filter können zwei oder mehr unterschiedliche Dicken des vorderseitigen Dielektrikums über verschiedenen Resonatoren aufweisen. Die Resonanzfrequenz der Resonatoren kann zumindest teilweise durch Wahl einer Dicke des vorderseitigen Dielektrikums eingestellt werden, wodurch der Resonator „abgestimmt“ wird.
Darüber hinaus kann eine Passivierungsschicht auf der gesamten Oberfläche der XBAR-Vorrichtung 100 gebildet sein, mit Ausnahme von Kontaktpads, an denen elektrische Verbindungen zu Schaltkreisen außerhalb der XBAR-Vorrichtung hergestellt werden. Die Passivierungsschicht ist eine dünne dielektrische Schicht, die die Oberflächen der XBAR-Vorrichtung versiegeln und schützen soll, während die XBAR-Vorrichtung in eine Packung eingebaut wird. Die vorderseitige dielektrische Schicht und/oder die Passivierungsschicht kann aus SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃, einem anderen dielektrischen Material oder einer Kombination dieser Materialien bestehen.
Die Dicke der Passivierungsschicht kann so gewählt sein, dass die piezoelektrische Platte und die Metallelektroden vor Wasser und chemischer Korrosion geschützt sind, insbesondere im Hinblick auf die Dauerhaftigkeit der Leistung. Sie kann zwischen 10 und 100 nm betragen. Das Passivierungsmaterial kann aus mehreren Oxid- und/oder Nitridbeschichtungen wie SiO2 und Si3N4 bestehen.
Die IDT-Finger 238 können aus einer oder mehreren Schichten aus Aluminium oder einer Legierung im Wesentlichen aus Aluminium, Kupfer oder einer Legierung im Wesentlichen aus Kupfer, Beryllium, Wolfram, Molybdän, Gold oder einem anderen leitfähigen 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 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 denselben oder anderen Materialien wie die Finger bestehen.
Dimension p ist der Mitte-zu-Mitte-Abstand oder „Pitch“ der IDT-Finger, der als Abstand des IDT und/oder als Abstand des XBAR bezeichnet werden kann. Dimension w ist die Breite oder „Marke“ der IDT-Finger. Der IDT eines XBAR unterscheidet sich wesentlich von den IDT, die in akustischen Oberflächenwellenresonatoren (SAW-Resonatoren) verwendet werden. In einem SAW-Resonator beträgt der Abstand der IDT die Hälfte der akustischen Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz. Darüber hinaus liegt das Verhältnis zwischen Marke und Abstand eines SAW-Resonators typischerweise nahe bei 0,5 (d. h. die Marke oder Fingerbreite beträgt etwa ein Viertel der akustischen Wellenlänge bei Resonanz). 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 212. Der Abstand p kann zwischen 3 um und 8 um liegen. Der Abstand p kann zwischen 4 um und 5 um liegen. Die Plattendicke tm kann zwischen 300 nm und 500 nm liegen. Die Plattendicke tm kann 400 nm betragen. Die Fingerbreite w kann zwischen 0,5 um und 7,5 um liegen. Die Fingerbreite w kann 1 um betragen. Die Breite der IDT-Finger in einem XBAR ist nicht auf ein Viertel der akustischen Wellenlänge bei Resonanz beschränkt. Die Breite der IDT-Finger eines XBAR kann beispielsweise 500 nm oder mehr betragen, so dass der IDT mit 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.
3A ist eine alternative Querschnittsansicht der XBAR-Vorrichtung 300 entlang der in 1 definierten Schnittebene A-A. In 3A ist eine piezoelektrische Platte 310 an einem Substrat 320 angebracht. Ein Teil der piezoelektrischen Platte 310 bildet eine Membran 315, die einen Hohlraum 340 im Substrat überspannt. Der Hohlraum 340 durchdringt das Substrat 320 nicht vollständig und ist im Substrat unter dem Teil der piezoelektrischen Platte 310 gebildet, der den IDT eines XBAR enthält. Finger, wie beispielsweise Finger 336, eines IDT sind auf der Membran 315 angeordnet. Platte 310, Membran 315 und Finger 336 können Platte 110, Membran 115 und Finger 136 sein. Der Hohlraum 340 kann beispielsweise durch Ätzen des Substrats 320 vor dem 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 342 in der piezoelektrischen Platte 310 erreicht. Die Membran 315 kann mit dem Rest der piezoelektrischen Platte 310 um einen großen Teil des Umfangs 345 des Hohlraums 340 angrenzend sein. Zum Beispiel kann die Membran 315 mit dem Rest der piezoelektrischen Platte 310 um mindestens 50 % des Umfangs des Hohlraums 340 angrenzend sein.
Eine oder mehrere Zwischenmaterialschichten 322 können zwischen Platte 310 und Substrat 320 angebracht sein. Bei einer Zwischenschicht kann es sich um eine Bondingschicht, eine Ätzstoppschicht, eine Versiegelungsschicht, eine Haftschicht oder eine Schicht aus einem anderen Material handeln, die an Platte 310 und Substrat 320 angebracht oder an sie gebondet ist. In anderen Ausführungsformen ist die piezoelektrische Platte 310 direkt an dem Substrat 320 angebracht und eine Zwischenschicht ist nicht vorhanden.
Während der Hohlraum 340 im Querschnitt dargestellt ist, sollte verstanden werden, dass die seitliche Ausdehnung des Hohlraums ein kontinuierlicher geschlossener Bandbereich vom Substrats 320 ist, der den Hohlraum 340 in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene umgibt und seine Größe definiert. Die seitliche (d. h. links-rechts, wie in der Zeichnung dargestellt) Ausdehnung des Hohlraums 340 ist durch die seitlichen Kanten des Substrats 320 definiert. Die vertikale (d. h. von der Platte 310 abwärts, wie in der Zeichnung dargestellt) Ausdehnung oder Tiefe des Hohlraums 340 in das Substrat 320. In diesem Fall hat der Hohlraum 340 einen rechteckigen oder nahezu rechteckigen seitlichen Querschnitt.
Die in 3A gezeigte XBAR 300 wird hier als „vorderseitige Ätzkonfiguration“ bezeichnet, da der Hohlraum 340 von der Vorderseite des Substrats 320 aus geätzt wird (vor oder nach Anbringen der piezoelektrischen Platte 310). Der XBAR 100 von 1 wird hier als „rückseitige Ätzkonfiguration“ bezeichnet, da der Hohlraum 140 von der Rückseite des Substrats 120 nach Anbringen der piezoelektrischen Platte 110 geätzt wird. Der XBAR 300 weist eine oder mehrere Öffnungen 342 in der piezoelektrischen Platte 310 auf der linken und rechten Seite des Hohlraums 340 auf. In einigen Fällen befinden sich die Öffnungen 342 in der piezoelektrischen Platte 310 jedoch nur auf der linken oder rechten Seite des Hohlraums 340.
3B ist eine grafische Darstellung der primären akustischen Mode von Interesse in einem XBAR. 3B zeigt einen kleinen Teil eines XBAR 350 mit einer piezoelektrischen Platte 310 und drei ineinander verschachtelten IDT-Fingern 336. Der XBAR 350 kann Teil eines beliebigen XBAR sein. An die ineinander verschachtelten Finger 336 wird eine HF-Spannung angelegt. Diese Spannung erzeugt ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld zwischen den Fingern. Die Richtung des elektrischen Feldes ist hauptsächlich lateral oder parallel zur Oberfläche der piezoelektrischen Platte 310, wie durch die Pfeile mit der Bezeichnung „elektrisches Feld“ angedeutet. Aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstante der piezoelektrischen Platte ist das elektrische Feld in der Platte im Vergleich zur Luft stark konzentriert. Das laterale elektrische Feld führt zu einer Scherverformung und regt somit eine primäre akustische Schermode in der piezoelektrischen Platte 310 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 bewegen. Eine „akustische Schermode“ ist definiert als eine akustische Schwingungsmode in einem Medium, die zu einer Scherverformung des Mediums führt. Die Scherverformungen in dem XBAR 350 sind durch die Kurven 360 dargestellt, wobei die nebenstehenden kleinen Pfeile eine schematische Darstellung der Richtung und des Ausmaßes der atomaren Bewegung liefern. Das Ausmaß der atomaren Bewegung sowie die Dicke der piezoelektrischen Platte 310 wurden zur besseren Veranschaulichung stark übertrieben dargestellt. Während die atomaren Bewegungen überwiegend lateral sind (d. h. horizontal, wie in 3B gezeigt), verläuft die Richtung des akustischen Energieflusses der angeregten primären akustischen Schermode im Wesentlichen orthogonal zur Vorder- und Rückfläche der piezoelektrischen Platte, wie durch den Pfeil 365 angedeutet.
Ein akustischer Resonator, der auf akustischen Scherwellenresonanzen basiert, kann eine bessere Leistung erzielen als derzeitige akustische Filmvolumenresonator-Vorrichtungen (FBAR-Vorrichtungen) und fest montierte akustische Volumenwellenresonator-Vorrichtungen (SMR BAW-Vorrichtungen), bei denen das elektrische Feld in Richtung der Dicke angelegt wird. Die piezoelektrische Kopplung für Scherwellen-XBAR-Resonanzen kann im Vergleich zu anderen akustischen Resonatoren hoch sein (> 20 %). Eine hohe piezoelektrische Kopplung ermöglicht den Entwurf und Entwicklung und Implementierung von Mikrowellen- und Millimeterwellenfiltern mit beträchtlicher Bandbreite.
4A ist eine schematische Querschnittsansicht von einer XBAR-Vorrichtung 400 mit schmalem Spalt zwischen Sammelschienen 432 und 434 und Enden von Interdigitalwandler (IDT)-Fingern 436, um Störmoden zu reduzieren, die im Spaltbereich zwischen den Enden der IDT-Finger und den benachbarten Sammelschienen angeregt werden. Solche Störmoden können unerwünschte Störungen in der Admittanz eines XBAR verursachen. Im Vergleich zum XBAR 100 werden diese Störmoden unterdrückt oder eliminiert, wenn der Spaltabstand zwischen den Enden der IDT-Finger und den gegenüberliegenden Sammelschienen verringert wird, wie beispielsweise auf einen Bruchteil des IDT-Fingerabstands, auf unter 2 um und/oder auf 1 um.
Die Vorrichtung 400 kann eine Version der Vorrichtung 100 darstellen, jedoch mit kürzeren Spalten ngm verglichen mit gm. Die Vorrichtung 400 kann eine Version der Vorrichtung 300 sein. 4A zeigt die Filtervorrichtung 400 mit einer piezoelektrischen Platte 410, die parallele Vorder- und Rückflächen aufweist. Die Rückfläche der Platte ist an der oberen Oberfläche eines Substrats angebracht (nicht sichtbar, aber hinter der piezoelektrischen Platte 410), mit Ausnahme eines Teils der piezoelektrischen Platte 410, der eine Membran bildet, die einen Hohlraum im Substrat überspannt. Die gestrichelte Linie ist der Umfang 145 des Hohlraums, der durch den Schnittpunkt des Hohlraums und der Oberfläche des Substrats definiert ist. Der Teil der piezoelektrischen Platte 110 innerhalb der gestrichelten Linie ist die Membran.
Die piezoelektrische Platte hat eine Plattendicke ts (nicht dargestellt, aber in die Seite hineinreichend, siehe auch 2) zwischen der Vorder- und der Rückfläche der piezoelektrischen Platte. Die Dicke ts kann eine konstante Dicke sein. Die Dicke ts kann dort eine konstante Dicke sein, wo die Platte den Hohlraum überspannt.
Auf der dem Hohlraum abgewandten Oberfläche der piezoelektrischen Platte ist ein IDT 430 gebildet. Das IDT 430 enthält eine erste Sammelschiene 432, eine zweite Sammelschiene 434 und eine Vielzahl von ineinander verschachtelten Fingern 436, ähnlich zu 136, jedoch mit einem anderen Spaltabstand ngm anstelle von gm. Die ineinander verschachtelten Finger 436 enthalten einen Satz paralleler Finger 438, die an der Sammelschiene 432 des IDT angebracht sind und sich von dieser erstrecken, und einen Satz paralleler Finger 440, die an der Sammelschiene 434 des IDT angebracht sind und sich von dieser erstrecken. Die ineinander verschachtelten Finger haben einen IDT-Fingerabstand p zwischen benachbarten Sätzen 438 und 440 von parallelen Fingern. Der Abstand p kann der Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen unmittelbar benachbarten parallelen Fingern der Sätze 438 und 440 sein. Während der Verwendung ist die benachbarte Sammelschiene mit der entgegengesetzten Signalverbindung der Signalverbindung zur Sammelschiene verbunden, die an Fingern mit Fingerenden angebracht ist, die den Spaltabstand mit der benachbarten Sammelschiene bilden.
Die ineinander verschachtelten Finger des IDT sind mit einem Überlappungsabstand der ineinander verschachtelten Finger, der eine Apertur AP2 der Resonatorvorrichtung definiert, auf der Membran angeordnet. Die Apertur AP2 kann einen größeren Abstand aufweisen als die Apertur AP1 in 1A. Die Finger 436 überspannen den Hohlraum 140 oder liegen darüber. In einigen Fällen befindet sich ein Teil der Sammelschienen des IDT auch über dem Hohlraum. In anderen Fällen befinden sich alle Sammelschienen über dem Substrat, aber nicht über dem Hohlraum.
Der IDT hat einen Spaltabstand ngm zwischen den Enden der Finger 440 und der benachbarten Sammelschiene 432 sowie zwischen den Enden der Finger 438 und der benachbarten Sammelschiene 434. Ein Abstand zwischen den ineinander verschachtelten Fingern kann einen IDT-Abstand definieren. Der IDT-Abstand kann ein Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen benachbarten Fingern der ersten und zweiten Vielzahl paralleler Finger sein. Der Spaltabstand kann weniger als das 2/3-Fache des IDT-Abstands betragen. Der Spaltabstand ngm kann zwischen 1,0 und 5 um liegen. Der Spaltabstand ngm kann zwischen dem 1/2- und 2/3-Fachen der IDT-Teilung liegen. Der Spaltabstand ngm kann zwischen 2,5 um und 1,0 um liegen; und die IDT-Teilung liegt zwischen 3 um und 6,5 um. Der Abstand ngm kann 1 Mikrometer (um) um betragen und die Plattendicke liegt zwischen 200 nm und 800 nm. Der Abstand ngm kann unabhängig von der Plattendicke 1 Mikrometer (um) um betragen. Die Beziehung zwischen den Bereichen des Abstands ngm und dem IDT-Abstand kann linear sein.
In einigen Fällen ist die Länge der Finger 436 2 - 5 um länger als die der Finger 136, um den Spaltabstand von gm auf ngm zu ändern. In einigen Fällen ist sie 3 - 4 um länger, um den Spaltabstand zu ändern.
Während der Verwendung von XBAR 400 regt ein an den IDT angelegtes Hochfrequenzsignal eine primäre akustische Schermode in der piezoelektrischen Platte über dem Hohlraum an; und eine Dicke der piezoelektrischen Platte ist zum Abstimmen der primären akustischen Schermode in der piezoelektrischen Platte gewählt. Das Hochfrequenzsignal kann an oder über die benachbarten Sammelschienen in Reihe oder parallel angelegt werden. Das Hochfrequenzsignal kann an die benachbarten Sammelschienen angelegt werden, um den XBAR als Shunt- oder als Serienresonator zu verwenden, wie in 5 dargestellt.
In einigen Fällen ist die Platte ein piezoelektrisches Lithiumniobat-Material im Y-Schnitt, und das an den IDT angelegte Hochfrequenzsignal regt Störmoden in einem Spaltbereich zwischen den Enden der IDT-Finger und den benachbarten Sammelschienen an, die unerwünschte Störungen in der Admittanz eines XBAR 400 verursachen. In diesem Fall kann der Spaltabstand ngm ein vorbestimmter Spaltabstand sein, um die Störmoden um bis zu 10 oder 20 dB bei bestimmten Frequenzen während der Verwendung zu unterdrücken. Beispielsweise kann eine Änderung des Spaltabstands von gm auf ngm eine Verringerung der im Spaltbereich zwischen den Enden der IDT-Finger und den benachbarten Sammelschienen angeregten Störmoden um bis zu 10 oder 20 dB bei bestimmten Frequenzen während der Verwendung bewirken. Die Beziehung zwischen der Verringerung der im Spaltbereich angeregten Störmoden und der Verringerung des Spaltabstands von gm auf ngm kann linear sein.
4B ist beispielsweise ein Diagramm 450, das die Größe der Admittanz und des Leitwerts von XBAR mit verschiedenen Spaltabständen vergleicht, wie beispielsweise für Abstände gm oder ngm. Die Admittanz ist ein Vektorwert, der durch eine Größe und eine Phase ausgedrückt werden kann. Der Leitwert ist die Komponente der Admittanz, die gleichphasig mit dem angelegten Signal ist. Der Leitwert ist ein Skalarwert. Diagramm 450 zeigt graphische Darstellungen 451 und 452 der Größen der Admittanzen und graphische Darstellungen 451 und 459 des Leitwerts (auf einer logarithmischen Skala, wie beispielsweise Dezibel-Skala - dB) als Funktion der Frequenz der XBAR, die mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) simuliert wurden. Die Admittanz- und Leitwertdaten resultieren aus der dreidimensionalen Simulation von XBAR mit einem Y-geschnittenem Lithiumniobat und mit den folgenden Unterschieden bei Parametern: a) graphische Darstellungen 451 und 458 gelten für eine Version von XBAR 400 mit einem Spaltabstand ngm von 1 um; und b) graphische Darstellungen 452 und 459 gelten für eine Version von XBAR 100 mit einem Spaltabstand gm von 5 um. Die beispielhaften graphischen Darstellungen in 4B können für eine Y-geschnittene piezoelektrische Lithiumniobat-Platte und Eulerwinkeln von (0, 38, 0) und einer Plattendicke von 276 nm sowie einem IDT-Abstand von 3 Mikrometern gelten.
Das Diagramm 450 zeigt, dass die Admittanzleistung für graphische Darstellung 452 weniger stabil und weniger vorhersehbar ist und im Vergleich zur graphischen Darstellung 451 einen größeren Verlust bei der Antiresonanz an der niedrigsten Admittanzspitze 455 aufweist. Insbesondere steigt die graphische Darstellung 452 zwischen 6300 und 6600 MHz ungleichmäßig an, was auf Energieverluste durch Störmoden in den Spalten an den Enden der IDT-Finger zurückzuführen ist. Dieser Leistungsunterschied macht die Version von XBAR 400 für graphische Darstellung 451 wünschenswerter als jene der Version von XBAR 100 für graphische Darstellung 452. Die frequenzverschobene Spitze der Kurve bei 454 im Vergleich zu 455 bei Antiresonanz wird durch die zusätzliche Kapazität zwischen den IDT-Fingern und der benachbarten Sammelschiene verursacht und kann ein negatives Merkmal für graphische Darstellung 451 sein, da eine große Kopplung (Abstand zwischen den Resonanz- und Antiresonanzspitzen) erwünscht sein kann. Wenn dies jedoch ein nachteiliges Merkmal der graphischen Darstellung 451 ist, ist es möglicherweise nicht so wichtig wie die Verringerung der Energieverluste durch Störmoden der Spalten in der graphischen Darstellung 452 bei 6300 bis 6600 MHz und in der graphischen Darstellung 459.
Vor allem zeigt das Diagramm 450 auch, dass die Admittanzleistung für die graphische Darstellung 459 im Vergleich zur graphischen Darstellung 458 unerwünschte Störungen in der Admittanz aufweist. Insbesondere zeigt Diagramm 450, dass die Admittanzleistung für die graphische Darstellung 459 unerwünschte Störungen in der Admittanz mit Spitzen bei 6100, 6300 und 6450 MHz im Vergleich zur graphischen Darstellung 458 aufweist. Diese drei Spitzen können als „bestimmte Frequenzen während der Verwendung“ betrachtet werden, bei denen der Spaltabstand ngm ein vorbestimmter Spaltabstand sein kann, um die unerwünschten Moden um bis zu 10 oder 20 dB zu unterdrücken. Diese unerwünschten Störungen können durch Verringerung des Spaltabstandes zwischen Sammelschiene und Elektrode eliminiert werden, wie beispielsweise von gm auf ngm. Durch diese Verringerung oder Beseitigung der Störungen ist die Version von XBAR 400 für die graphische Darstellung 458 wünschenswerter als die Version von XBAR 100 für die graphische Darstellung 459.
4C ist ein Diagramm 460, das den Leitwert (reale Komponente der Admittanz) von XBAR mit verschiedenen Spaltabständen vergleicht, wie beispielsweise für Abstände gm oder ngm. Das Diagramm 460 zeigt die graphische Darstellungen 461 und 462 des Leitwerts (auf einer logarithmischen Skala, wie beispielsweise der Dezibel-Skala - dB) als Funktion der Frequenz der XBAR, die mit FEM-Simulationstechniken simuliert wurden. Die Leitwertdaten resultieren aus der dreidimensionalen Simulation von XBAR mit einem Y-geschnittenen Lithiumniobat, wobei graphische Darstellung 461 für eine Version von XBAR 400 mit einem Spaltabstand ngm von 1 um und graphische Darstellung 462 für eine Version von XBAR 100 mit einem Spaltabstand gm von 5 um gilt. Die beispielhaften graphischen Darstellungen in 4C-D können für eine piezoelektrische Platte aus Y-geschnittenem Lithiumniobat und einem Euler-Winkel von (0, 38, 0) und einer Plattendicke von 562 nm sowie einem IDT-Abstand von 6 Mikrometern gelten.
Die graphische Darstellung 462 zeigt, dass der Resonator mit dem 5 um Spalt von gm eine große Störung 465 bei etwa 4,22 GHz aufweist. Wenn es sich um einen Shunt-Resonator in einem Filter handelt, liegt diese Störung 465 an oder nahe der unteren Bandgrenze des Filters und ist somit eine unerwünschte Störung. Die graphische Darstellung 461 zeigt, dass die Störung 465 mit einem Spalt ngm von 1 um entfernt wird, beispielsweise durch Verringerung des Spaltabstands zwischen Sammelschiene und Elektrode von gm auf ngm. Die unerwünschte Störung 465 ist auf Energieverluste durch Störmoden in den Spalten an den Enden der IDT-Finger zurückzuführen und macht die Version von XBAR 400 für die graphische Darstellung 461 wünschenswerter als die Version von XBAR 100 für die graphische Darstellung 462.
4D ist ein Diagramm 470, das den Leitwert von XBAR mit unterschiedlichen Spaltabständen vergleicht, wie beispielsweise für Abstände zwischen gm oder ngm. Das Diagramm 470 zeigt graphische Darstellungen 471, 472, 473 und 474 des Leitwerts dB als Funktion der Frequenz der XBAR, die mit FEM-Simulationstechniken simuliert wurden. Die Leitwertdaten resultieren aus der dreidimensionalen Simulation von XBAR mit einer piezoelektrischen Platte aus Y-geschnittenem Lithiumniobat oder Lithiumtantalat, wobei die graphische Darstellung 471 Teil der graphischen Darstellung 461 ist; die graphische Darstellung 472 für einen XBAR mit einem Spaltabstand zwischen Sammelschiene und Elektrode von 2 um ist; die graphische Darstellung 473 für einen XBAR mit einem Spaltabstand zwischen Sammelschiene und Elektrode von 2,5 um ist; die graphische Darstellung 474 für einen XBAR mit einem Spaltabstand zwischen Sammelschiene und Elektrode von 4 um ist; und die graphische Darstellung 475 Teil der graphischen Darstellung 462 ist.
Die graphische Darstellung 472 zeigt, dass der Resonator mit dem Spalt von 2 um die großen Störungen 476 und 465 bei etwa 4,175 und 4,22 GHz der graphische Darstellungen 474 und 475 eliminiert. Wenn es sich um einen Shunt-Resonator in einem Filter handelt, liegen diese Störungen direkt an der unteren Bandgrenze des Filters und sind somit unerwünschte Störungen. Diese Störungen werden entfernt, indem der Spaltabstand zwischen Sammelschiene und Elektrode von 5 um oder 4 um auf 2 um verringert wird. Diese Störungen sind auf Energieverluste durch Störmoden in den Spalten an den Enden der IDT-Finger zurückzuführen und machen die Versionen von XBAR für die graphische Darstellungen 471 und 472 wünschenswerter als die Versionen von XBAR für die graphischen Darstellungen 474 und 475.
Die graphische Darstellung 473 zeigt, dass der Resonator mit dem Spalt von 2,5 um eine leichte Störung 477 bei etwa 4,1 bis 4,15 GHz hat, verglichen mit den großen Störungen 476 und 465. Diese Störung 477 kann für einen Shunt-Resonator akzeptabel sein. Die Verringerung des Spaltabstands zwischen Sammelschiene und Elektrode von 5 um oder 4 um auf 2,5 um kann daher die Versionen von XBAR für die graphische Darstellung 473 wünschenswerter machen als die Versionen von XBAR für die graphischen Darstellungen 474 und 475.
4E ist ein Diagramm 480, das den maximalen Spaltabstand zwischen Sammelschiene und Elektrode mit dem IDT-Abstand für XBAR mit zwei verschiedenen Y-Schnittwinkeln des LN-Plattenmaterials und drei verschiedenen Dicken der piezoelektrischen LN-Platte vergleicht. Die Schnittwinkel können Winkel darstellen, die einen Raum überspannen, der mehrere Filterentwürfe umfasst. Das Diagramm 480 zeigt dreieckige, X-förmige, quadratische und kreisförmige Datenpunkte des maximalen Spaltabstands zwischen Sammelschiene und Elektrode als Funktion des IDT-Abstands, simuliert mit FEM-Simulationstechniken. Die Leitwertdaten resultieren aus der dreidimensionalen Simulation von XBAR mit Y-geschnittenen piezoelektrischen Lithiumniobat-Platten. Der dreieckige Datenpunkt gilt für einen XBAR mit einem Spaltabstand zwischen Sammelschiene und Elektrode von 2 um, einem IDT-Abstand von 3,05 um, einer LN-Plattendicke von 276 nm und einem Y-Schnittwinkel des LN-Plattenmaterials für ein erstes Filterdesign von beispielsweise 128 Grad. Der X-förmige Datenpunkt gilt für einen XBAR mit einem Spaltabstand zwischen Sammelschiene und Elektrode von 2,5 um, einem IDT-Abstand von 4,44 um, einer LN-Plattendicke von 383 nm und einem Y-Schnittwinkel des LN-Plattenmaterials für ein zweites Filterdesign von beispielsweise 157 Grad. Der quadratische Datenpunkt ist für einen XBAR mit einem Spaltabstand zwischen Sammelschiene und Elektrode von 2,5 um, einem IDT-Abstand von 4,48 um, einer LN-Plattendicke von 360 nm und einem Y-Schnittwinkel des LN-Plattenmaterials für das erste Filterdesign. Die kreisförmigen Datenpunkte gelten für XBAR mit einem Spaltabstand zwischen Sammelschiene und Elektrode von 3 bis 4,5 um, einem IDT-Abstand von 6 bis 7,5 um, einer LN-Plattendicke von 562 nm und einem Y-Schnittwinkel des LN-Plattenmaterials für das erste Filterdesign.
Das Diagramm 480 zeigt Linien 481 und 482, die darstellen, wo das Verhältnis von Spaltabstand zwischen Sammelschiene und Elektroden zu IDT-Abstand (Spalt/Abstand) 2/3 bzw. 1/2 beträgt. Basierend auf den Beziehungen dieser extrapolierten Linien zu den Datenpunkten ist es wünschenswert, einen XBAR mit einem Verhältnis von Spaltabstand zwischen Sammelschiene und Elektrode zu IDT-Abstand von weniger als 2/3 zu haben, um unerwünschte Störungen aufgrund von Energieverlusten durch Störmoden in den Spalten an den Enden der IDT-Finger zu vermeiden. Daher ist eine Verringerung des Verhältnisses von Spaltabstand zwischen Sammelschiene und Elektrode zu IDT-Abstand auf weniger als 2/3 wünschenswerter als jenes von mehr als 2/3. In einem anderen Fall ist eine Verringerung des Verhältnisses von Spaltabstand zwischen Sammelschiene und Elektrode zu IDT-Abstand auf einen Wert zwischen 2/3 und 1/2 wünschenswerter als eine Verringerung auf einen Wert außerhalb dieses Bereichs.
5 ist ein schematischer Schaltplan und Layout für ein Hochfrequenz-Bandpassfilter 500 unter Verwendung von XBAR, wobei die beiden dargestellten Verbindungen zu einem XBAR Verbindungen zu den beiden Sammelschienen des XBAR sind. Das Filter 500 hat eine herkömmliche Leiterfilterarchitektur mit drei Serienresonatoren 510A, 510B, 510C und zwei Shunt-Resonatoren 520A, 520B. Die drei Serienresonatoren 510A, 510B und 510C sind zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss in Reihe geschaltet (daher die Bezeichnung „Serienresonator“). In 5 sind der erste und der zweite Anschluss mit „In“ bzw. „Out“ bezeichnet. Das Filter 500 ist jedoch bidirektional und jeder Anschluss kann als Eingang oder Ausgang des Filters dienen. Die beiden Shunt-Resonatoren 520A, 520B sind von den Knoten zwischen den Serienresonatoren an Masse geschaltet. Ein Filter kann zusätzliche reaktive Komponenten enthalten, wie beispielsweise Induktivitäten, die in 5 nicht dargestellt 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 insgesamt fünf Resonatoren, mehr oder weniger als drei Serienresonatoren und mehr oder weniger als zwei Shunt-Resonatoren aufweisen. In der Regel sind alle Serienresonatoren in Reihe zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Filters geschaltet. Alle Shunt-Resonatoren sind in der Regel zwischen Masse und dem Eingang, dem Ausgang oder einem Knoten zwischen zwei Serienresonatoren geschaltet.
In dem beispielhaften Filter 500 sind die drei Serienresonatoren 510A, B, C und die beiden Shunt-Resonatoren 520A, B des Filters 500 auf einer einzigen Platte 530 aus piezoelektrischem Material gebildet, die an ein Siliziumsubstrat (nicht sichtbar) gebondet ist. Jeder Resonator enthält einen entsprechenden IDT (nicht dargestellt), wobei zumindest die Finger des IDT über einem Hohlraum im Substrat angeordnet sind. In diesem und ähnlichen Zusammenhängen bedeutet der Begriff „jeweils“ „in Beziehung zueinander stehend“, d. h. mit einer Eins-zu-Eins-Entsprechung. In 5 sind die Hohlräume schematisch als gestrichelte Rechtecke dargestellt (wie beispielweise das Rechteck 535). In diesem Beispiel ist jeder IDT über einem entsprechenden Hohlraum angeordnet. Bei anderen Filtern können die IDT von zwei oder mehr Resonatoren über einem einzigen Hohlraum angeordnet sein.
Jeder der Resonatoren 510A, 510B, 510C, 520A, 520B in dem Filter 500 weist eine Resonanz, bei der die Admittanz des Resonators sehr hoch ist, und eine Antiresonanz auf, 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 500 gleich oder unterschiedlich sein können. Vereinfacht ausgedrückt kann jeder Resonator bei seiner Resonanzfrequenz als Kurzschluss und bei seiner Antiresonanzfrequenz als offener Stromkreis betrachtet werden. Die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion ist bei den Resonanzfrequenzen der Shunt-Resonatoren und bei den Antiresonanzfrequenzen der Serienresonatoren nahe Null. In einem typischen Filter liegen die Resonanzfrequenzen der Shunt-Resonatoren unterhalb der unteren Grenze des Durchlassbereichs des Filters und die Antiresonanzfrequenzen der Serienresonatoren oberhalb der oberen Grenze des Durchlassbereichs.
Verfahrensbeschreibung
6 ist ein vereinfachtes Flussdiagramm, das ein Verfahren 600 zur Herstellung eines XBAR oder eines Filters mit XBAR zeigt. Das Verfahren 600 beginnt bei 605 mit einem Substrat und einer Platte aus piezoelektrischem Material und endet bei 695 mit einem fertigen XBAR oder Filter. Wie später beschrieben wird, kann die piezoelektrische Platte auf einem Opfersubstrat montiert sein oder aus einem Teil eines Wafers aus piezoelektrischem Material bestehen. Das Flussdiagramm von 6 enthält nur die wichtigsten Verfahrensschritte. Verschiedene konventionelle Verfahrensschritte (z. B. Oberflächenvorbereitung, chemischmechanische Bearbeitung (CMP), Reinigung, Inspektion, Abscheidung, Photolithographie, Einbrennen, Ausglühen, Überwachung, Prüfung usw.) können vor, zwischen, nach und während der in 6 dargestellten Schritte durchgeführt werden.
Das Flussdiagramm von 6 zeigt drei Varianten des Verfahrens 600 zur Herstellung eines XBAR, die sich darin unterscheiden, wann und wie die Hohlräume im Substrat gebildet werden. Die Hohlräume können in den Schritten 610A, 610B oder 610C gebildet werden. In jeder der drei Varianten des Verfahrens 600 wird nur einer dieser Schritte durchgeführt.
Die piezoelektrische Platte kann beispielsweise aus Z-geschnittenem, gedreht Z-geschnittenem oder gedreht Y-geschnittenem Lithiumniobat oder Lithiumtantalat bestehen. In einigen Fällen handelt es sich um Y-geschnittenes oder gedreht Y-geschnittenes Lithiumniobat. Die piezoelektrische Platte kann auch aus einem anderen Material und/oder mit einem anderen Schnitt bestehen. Das Substrat kann aus Silizium bestehen. Das Substrat kann aus einem anderen Material bestehen, das Bildung tiefer Hohlräume durch Ätzen oder andere Verfahren ermöglicht. Das Siliziumsubstrat kann Schichten aus Silizium-TOX und polykristallinem Silizium enthalten.
In einer Variante des Verfahrens 600 werden ein oder mehrere Hohlräume in dem Substrat 120 oder 320 bei 610A gebildet, bevor die piezoelektrische Platte bei 620 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 photolithographischen Techniken und Ätztechniken hergestellt werden. Diese Techniken können isotrop oder anisotrop sein und können tiefes reaktives Ionenätzen (DRIE) verwenden. Typischerweise durchdringen die bei 610A gebildeten Hohlräume das Substrat oder die Schicht 322 nicht, und die resultierenden Resonatorvorrichtungen haben einen Querschnitt wie in 3A dargestellt.
Bei 620 wird die piezoelektrische Platte an das Substrat gebondet. Die piezoelektrische Platte und das Substrat können durch ein Wafer-Bonding-Verfahren gebondet werden. Typischerweise sind die Kontaktflächen des Substrats und der piezoelektrischen Platte hochglanzpoliert. Eine oder mehrere Schichten aus Zwischenmaterialien, wie beispielsweise ein Oxid oder Metall, können auf der Kontaktfläche der piezoelektrischen Platte und/oder des Substrats gebildet oder abgeschieden werden. Eine oder beide Kontaktflächen können beispielweise durch ein Plasmaverfahren aktiviert werden. Die Kontaktflächen können dann mit erheblicher Kraft zusammengepresst werden, um molekulare Bindungen zwischen der piezoelektrischen Platte und dem Substrat oder den Zwischenschichten herzustellen.
In einer ersten Variante von 620 wird die piezoelektrische Platte zunächst auf ein Opfersubstrat montiert. Nachdem die piezoelektrische Platte und das Substrat gebondet sind, werden das Opfersubstrat und alle dazwischenliegenden Schichten entfernt, um die Oberfläche der piezoelektrischen Platte freizulegen (die Oberfläche, die zuvor dem Opfersubstrat gegenüberlag). Das Opfersubstrat kann beispielsweise durch materialabhängiges Nass- oder Trockenätzen oder ein anderes Verfahren entfernt werden.
In einer zweiten Variante von 620 wird mit einem einkristallinen piezoelektrischen Wafer begonnen. Ionen werden bis zu einer kontrollierten Tiefe unterhalb der Oberfläche des piezoelektrischen Wafers implantiert (in 6 nicht dargestellt). Der Teil des Wafers von der Oberfläche bis zur Tiefe der Ionenimplantation ist (oder wird) die dünne piezoelektrische Platte und der Rest des Wafers ist praktisch das Opfersubstrat. Nachdem die implantierte Oberfläche des piezoelektrischen Wafers und das Vorrichtungssubstrat gebondet sind, kann der piezoelektrische Wafer in der Ebene der implantierten Ionen gespalten werden (z. B. durch einen thermischen Schock), wodurch eine dünne Platte aus piezoelektrischem Material verbleibt, die freigelegt und an das Substrat gebondet ist. Die Dicke der dünnen Platte aus piezoelektrischem Material wird durch die Energie (und damit die Tiefe) der implantierten Ionen bestimmt. Der Prozess der Ionenimplantation und der anschließenden Abtrennung einer dünnen Platte wird allgemein als „Ionen-Slicing“ bezeichnet. Die freiliegende Oberfläche der dünnen piezoelektrischen Platte kann poliert oder planarisiert werden, nachdem der piezoelektrische Wafer geteilt wurde.
Leiterstrukturen und dielektrische Schichten, die eine oder mehrere XBAR-Vorrichtungen definieren, werden auf der Oberfläche der piezoelektrischen Platte bei 630 gebildet. Typischerweise hat eine Filtervorrichtung zwei oder mehr Leiterschichten, die nacheinander abgeschieden und strukturiert werden. Die Leiterschichten können Bondpads, Gold- oder Lötpunkte oder andere Mittel zur Herstellung einer Verbindung zwischen der Vorrichtung und externen Schaltkreisen enthalten. Die Leiterschichten können beispielsweise aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer, einer Kupferlegierung, Molybdän, Wolfram, Beryllium, Gold 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 den Leiterschichten und der piezoelektrischen Platte zu verbessern. Die Leiterschichten können Bondpads, Gold- oder Lötpunkte oder andere Mittel zur Herstellung einer Verbindung zwischen der Vorrichtung und externen Schaltkreisen enthalten.
Die Leiterstrukturen können bei 630 durch Aufbringen der Leiterschichten auf die Oberfläche der piezoelektrischen Platte und Entfernen von überschüssigem Metall durch Ätzen durch strukturierten Photoresist gebildet werden. Alternativ können die Leiterstrukturen bei 630 durch ein Lift-off-Verfahren gebildet werden. Photoresist kann auf die piezoelektrische Platte abgeschieden und strukturiert werden, um die Leiterstruktur zu definieren. Die Leiterschicht kann nacheinander auf die Oberfläche der piezoelektrischen Platte abgeschieden werden. Der Photoresist kann dann entfernt werden, wodurch das überschüssige Material entfernt wird und die Leiterstruktur übrigbleibt. In einigen Fällen erfolgt das Bilden bei 630 vor dem Bonden bei 620, beispielsweise wenn die IDT vor dem Bonden der Platte an das Substrat gebildet werden.
Das Bilden von Leiterstrukturen bei 630 kann Bilden des IDT 430 mit dem Spaltabstand ngm auf der Oberfläche der piezoelektrischen Platte umfassen, die vom Hohlraum abgewandt ist, wie für 4A beschrieben. Dies umfasst Bilden der ineinander verschachtelten Finger, Sammelschienen und Spaltabstand ngm.
Bei 640 können eine oder mehrere dielektrische Schichten auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte über einer oder mehrerer gewünschter Leiterstrukturen von IDT oder XBAR-Vorrichtungen abgeschieden werden. Die eine oder die mehreren dielektrischen Schichten können mit einer herkömmlichen Abscheidungstechnik wie Sputtern, Aufdampfen oder chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden werden. Die eine oder die mehreren dielektrischen Schichten können auf der gesamten Oberfläche der piezoelektrischen Platte, einschließlich der oberen Oberfläche der Leiterstruktur, abgeschieden werden. Alternativ können ein oder mehrere lithographische Verfahren (unter Verwendung von Photomasken) eingesetzt werden, um die Abscheidung der dielektrischen Schichten auf ausgewählte Bereiche der piezoelektrischen Platte zu beschränken, wie beispielsweise nur zwischen den ineinander verschachtelten Fingern der IDT. Masken können auch verwendet werden, um die Abscheidung unterschiedlich dicker dielektrischer Materialien auf verschiedenen Teilen der piezoelektrischen Platte zu ermöglichen. In einigen Fällen umfasst Abscheiden bei 640 Abscheiden einer ersten Dicke mindestens einer dielektrischen Schicht auf der Vorderseite ausgewählter IDT, aber kein Dielektrikum oder eine zweite Dicke, die geringer ist als die erste Dicke, mindestens eines Dielektrikums auf den anderen IDT. Eine Alternative ist, dass diese dielektrischen Schichten nur zwischen den ineinander verschachtelten Fingern der IDT liegen.
Die eine oder die mehreren dielektrischen Schichten können beispielsweise eine dielektrische Schicht umfassen, die selektiv über den IDT der Shunt-Resonatoren gebildet wird, um die Resonanzfrequenz der Shunt-Resonatoren relativ zur Resonanzfrequenz der Serienresonatoren zu verschieben, wie im US-Patent Nr. 10,491,192 beschrieben. Die eine oder die mehreren dielektrischen Schichten können eine Verkapselungs-/Passivierungsschicht enthalten, die auf dem gesamten oder einem wesentlichen Teil der Vorrichtung abgeschieden wird.
Die unterschiedliche Dicke dieser dielektrischen Schichten bewirkt, dass die gewählten XBAR im Vergleich zu den anderen XBAR auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt werden. Zum Beispiel können die Resonanzfrequenzen der XBAR in einem Filter durch unterschiedliche Dicke der vorderseitigen dielektrischen Schicht einiger XBAR abgestimmt werden.
Im Vergleich zur Admittanz eines XBAR mit tfd = 0 (d. h. eines XBAR ohne dielektrische Schichten) reduziert die Admittanz eines XBAR mit tfd = 30 nm dielektrischer Schicht die Resonanzfrequenz um etwa 145 MHz im Vergleich zum XBAR ohne dielektrische Schichten. Die Admittanz eines XBAR mit einer dielektrischen Schicht von tfd = 60 nm verringert die Resonanzfrequenz um etwa 305 MHz im Vergleich zu einem XBAR ohne dielektrische Schichten. Die Admittanz eines XBAR mit einer dielektrischen Schicht von tfd = 90 nm verringert die Resonanzfrequenz um etwa 475 MHz im Vergleich zu einem XBAR ohne dielektrische Schichten. Wichtig ist, dass das Vorhandensein der dielektrischen Schichten unterschiedlicher Dicke nur geringe oder gar keine Auswirkungen auf die piezoelektrische Kopplung hat.
In einer zweiten Variante des Verfahrens 600 werden ein oder mehrere Hohlräume auf der Rückseite des Substrats bei 610B gebildet, nachdem alle Leiterstrukturen und dielektrische Schichten bei 630 gebildet worden sind. Für jeden Resonator in einer Filtervorrichtung kann ein separater Hohlraum gebildet werden. Der ein oder die mehreren Hohlräume können durch anisotropes oder orientierungsabhängiges Trocken- oder Nassätzen gebildet werden, um Löcher durch die Rückseite des Substrats zur piezoelektrischen Platte zu öffnen. In diesem Fall haben die resultierenden Resonatorvorrichtungen einen Querschnitt wie in 1 dargestellt.
In einer dritten Variante des Verfahrens 600 können ein oder mehrere Hohlräume in Form von Vertiefungen in der oberen Schicht 322 des Substrats bei 610C durch Ätzen einer auf der Vorderseite des Substrats gebildeten Opferschicht unter Verwendung eines durch Öffnungen in der piezoelektrischen Platte eingeführten Ätzmittels gebildet werden. Für jeden Resonator in einer Filtervorrichtung kann ein separater Hohlraum gebildet werden. Der eine oder die mehreren Hohlräume können mit einer isotropen oder orientierungsunabhängigen Trockenätzung gebildet werden, die durch Löcher in der piezoelektrischen Platte verläuft und die in Vertiefungen auf der Vorderseite des Substrats gebildete Opferschicht ätzt. Der eine oder die mehreren bei 610C gebildeten Hohlräume durchdringen die obere Schicht 322 des Substrats nicht vollständig, und die resultierenden Resonatorvorrichtungen haben einen Querschnitt wie in 3A dargestellt.
In allen Varianten des Verfahrens 600 wird der Filter oder die XBAR-Vorrichtung bei 660 fertiggestellt. Zu den Maßnahmen, die bei 660 durchgeführt werden können, gehören Abscheiden einer Verkapselungs-/Passivierungsschicht wie SiO₂ oder Si₃O₄ auf die gesamte Vorrichtung oder einen Teil davon, Bilden von Bondpads oder Lötstellen oder anderen Mitteln zur Herstellung einer Verbindung zwischen der Vorrichtung und externen Schaltkreisen, Herausschneiden einzelner Vorrichtungen aus einem Wafer, der mehrere Vorrichtungen enthält, andere Verpackungsschritte und Testen. Eine weitere Maßnahme, die bei 660 durchgeführt werden kann, ist Abstimmen der Resonanzfrequenzen der Resonatoren innerhalb einer Filtervorrichtung durch Hinzufügen oder Entfernen von Metall oder dielektrischem Material auf der Vorderseite der Vorrichtung. Nachdem die Filtervorrichtung fertiggestellt ist, endet das Verfahren bei 695. 1 - 4A können Beispiele der Finger gewählter IDT nach Fertigstellen bei 660 darstellen.
Das Bilden der Hohlräume bei 610A kann insgesamt die wenigsten Verfahrensschritte erfordern, hat aber den Nachteil, dass die XBAR-Membranen während aller nachfolgenden Verfahrensschritte nicht gestützt werden. Dies kann zu einer Beschädigung oder inakzeptablen Verformung der Membranen während der nachfolgenden Verarbeitung führen.
Das Bilden der Hohlräume durch rückseitiges Ätzen bei 610B erfordert eine zusätzliche Handhabung, die mit der zweiseitigen Wafer-Bearbeitung einhergeht. Das Bilden der Hohlräume von der Rückseite aus erschwert auch das Verpacken der XBAR-Vorrichtungen erheblich, da sowohl die Vorder- als auch die Rückseite der Vorrichtung durch die Verpackung versiegelt werden müssen.
Das Bilden der Hohlräume durch Ätzen von der Vorderseite bei 610C erfordert keine zweiseitige Wafer-Bearbeitung und hat den Vorteil, dass die XBAR-Membranen während aller vorangegangenen Verfahrensschritte unterstützt werden. Ein Ätzprozess, der in der Lage ist, die Hohlräume durch Öffnungen in der piezoelektrischen Platte zu bilden, ist jedoch zwangsläufig isotrop. Wie in 3A dargestellt, ermöglicht ein solcher Ätzprozess unter Verwendung eines Opfermaterials jedoch ein kontrolliertes Ätzen des Hohlraums sowohl lateral (d. h. parallel zur Oberfläche des Substrats) als auch normal zur Oberfläche des Substrats.
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
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Zitierte Patentliteratur

US 63/148803 [0002]
US 10491291 [0010, 0012]
US 10790802 [0018]
US 17/122977 [0018]
US 10491192 [0073]

Claims

Akustische Resonatorvorrichtung mit schmalen Spalten zwischen Sammelschienen und Enden von Interdigitalwandler (IDT)-Fingern, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Substrat mit einer Oberfläche; eine piezoelektrische Platte mit einer Vorder- und einer Rückfläche, wobei die Rückfläche an der Oberfläche des Substrats angebracht ist, mit Ausnahme eines Teils der piezoelektrischen Platte, der eine Membran bildet, die einen Hohlraum in dem Substrat überspannt; einen Interdigitalwandler (IDT), der auf der Vorderfläche der piezoelektrischen Platte so gebildet ist, dass ineinander verschachtelte Finger des IDT auf der Membran mit einem Überlappungsabstand der ineinander verschachtelten Finger angeordnet sind, der eine Apertur der Resonatorvorrichtung definiert; wobei die ineinander verschachtelten Finger eine erste Vielzahl von parallelen Fingern, die sich von einer ersten Sammelschiene des IDT erstrecken, und eine zweite Vielzahl von Fingern enthalten, die sich von einer zweiten Sammelschiene des IDT erstrecken; wobei ein Abstand zwischen den ineinander verschachtelten Fingern einen IDT-Abstand definiert; wobei der IDT einen Spaltabstand zwischen den Enden der ersten Vielzahl von parallelen Fingern und der zweiten Sammelschiene und zwischen den Enden der zweiten Vielzahl von parallelen Fingern und der ersten Sammelschiene enthält; und wobei der Spaltabstand weniger als das 2/3-Fache des IDT-Abstands beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Spaltabstand zwischen 1,0 und 5 um liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Spaltabstand zwischen dem 1/2- und 1/3-Fachen des IDT-Abstands liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Spaltabstand zwischen 1,5 um und 5,0 um liegt; und der IDT-Abstand zwischen 3 um und 7,5 um liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der IDT-Abstand ein Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen benachbarten Fingern der ersten und zweiten Vielzahl von parallelen Fingern ist; und wobei die erste und zweite Vielzahl von parallelen Fingern an der ersten bzw. zweiten Sammelschiene angebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein an den IDT angelegtes Hochfrequenzsignal eine primäre akustische Schermode in der piezoelektrischen Platte über dem Hohlraum anregt; und wobei eine Dicke der piezoelektrischen Platte zum Abstimmen der primären akustischen Schermode in der piezoelektrischen Platte gewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei: die Platte ein piezoelektrisches Lithiumniobat-Material im Y-Schnitt ist; das an den IDT angelegte Hochfrequenzsignal Störmoden in einem Spaltbereich zwischen den Enden der IDT-Finger und den benachbarten Sammelschienen anregt, die unerwünschte Störungen in der Admittanz eines XBAR verursachen; und der Spaltabstand ein vorbestimmter Spaltabstand zum Unterdrücken der Störmoden um bis zu 10 oder 20 dB bei bestimmten Frequenzen während der Verwendung ist.
Akustische Resonatorvorrichtung mit schmalen Spalten zwischen Sammelschienen und Enden von Interdigitalwandler (IDT)-Fingern, wobei die Vorrichtung umfasst: ein Substrat mit einer Oberfläche; eine piezoelektrische Platte mit einer Vorder- und einer Rückfläche, wobei die Rückfläche an der Oberfläche des Substrats angebracht ist, mit Ausnahme eines Teils der piezoelektrischen Platte, der eine Membran bildet, die einen Hohlraum in dem Substrat überspannt; einen Interdigitalwandler (IDT), der auf der Vorderfläche der piezoelektrischen Platte so gebildet ist, dass ineinander verschachtelte Finger des IDT auf der Membran mit einem Überlappungsabstand der ineinander verschachtelten Finger angeordnet sind, der eine Apertur der Resonatorvorrichtung definiert; wobei die ineinander verschachtelten Finger eine erste Vielzahl von parallelen Fingern, die sich von einer ersten Sammelschiene des IDT erstrecken, und eine zweite Vielzahl von Fingern enthalten, die sich von einer zweiten Sammelschiene des IDT erstrecken; wobei die ineinander verschachtelten Finger einen IDT-Fingerabstand zwischen benachbarten Fingern der ersten und zweiten Vielzahl von parallelen Fingern aufweisen; wobei der IDT einen Spaltabstand zwischen den Enden der ersten Vielzahl von parallelen Fingern und der zweiten Sammelschiene und zwischen den Enden der zweiten Vielzahl von parallelen Fingern und der ersten Sammelschiene enthält; und wobei der Spaltabstand weniger als 2/3 des IDT-Fingerabstands beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Spaltabstand zwischen 1/3 und 1/2 des IDT-Fingerabstands beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Spaltabstand zwischen 5 um und 1,0 um liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der IDT-Abstand zwischen 3 um und 75 um liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der IDT-Fingerabstand der Mitte-zu-Mitte-Abstand zwischen unmittelbar benachbarten Fingern der ersten und zweiten Vielzahl von parallelen Fingern ist; und wobei die erste und zweite Vielzahl von parallelen Fingern an der ersten bzw. zweiten Sammelschiene angebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei ein an den IDT angelegtes Hochfrequenzsignal eine primäre akustische Schermode in der piezoelektrischen Platte über dem Hohlraum anregt; und wobei eine Dicke der piezoelektrischen Platte zum Abstimmen der primären akustischen Schermode in der piezoelektrischen Platte gewählt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei: die Platte ein piezoelektrisches Lithiumniobat-Material im Y-Schnitt ist; das an den IDT angelegte Hochfrequenzsignal Störmoden in einem Spaltbereich zwischen den Enden der IDT-Finger und den benachbarten Sammelschienen anregt, die unerwünschte Störungen in der Admittanz eines XBAR verursachen; und der Spaltabstand ein vorbestimmter Spaltabstand zum Unterdrücken der Störmoden um bis zu 10 oder 20 dB bei bestimmten Frequenzen während der Verwendung ist.
Verfahren zum Herstellen einer akustischen Resonatorvorrichtung, umfassend: Bonden einer Rückfläche einer piezoelektrischen Platte an ein Substrat derart, dass ein Teil der piezoelektrischen Platte eine Membran bildet, die einen Hohlraum in dem Substrat überspannt; und Bilden eines Interdigitalwandlers (IDT) auf einer Vorderfläche der piezoelektrischen Platte derart, dass ineinander verschachtelte Finger des IDT auf der Membran mit einem Überlappungsabstand der ineinander verschachtelten Finger angeordnet sind, der eine Apertur der Resonatorvorrichtung definiert; wobei die piezoelektrische Platte und der IDT so eingerichtet sind, dass ein an den IDT angelegtes Hochfrequenzsignal eine primäre akustische Schermode in der Membran anregt, wobei die ineinander verschachtelten Finger eine erste Vielzahl von parallelen Fingern, die sich von einer ersten Sammelschiene des IDT erstrecken, und eine zweite Vielzahl von Fingern enthalten, die sich von einer zweiten Sammelschiene des IDT erstrecken; wobei ein Abstand zwischen den ineinander verschachtelten Fingern einen IDT-Abstand definiert; wobei der IDT einen Spaltabstand zwischen den Enden der ersten Vielzahl von parallelen Fingern und der zweiten Sammelschiene und zwischen den Enden der zweiten Vielzahl von parallelen Fingern und der ersten Sammelschiene enthält; und wobei der Spaltabstand das 1/2- und 1/3-Fache des IDT-Abstands beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Spaltabstand zwischen 1,0 und 5 um liegt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Spaltabstand zwischen 1,5 um und 5,0 um liegt; und der IDT-Abstand zwischen 3 um und 7,5 um liegt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei ein an den IDT angelegtes Hochfrequenzsignal eine primäre akustische Schermode in der piezoelektrischen Platte über dem Hohlraum anregt; und wobei eine Dicke der piezoelektrischen Platte zum Abstimmen der primären akustischen Schermode in der piezoelektrischen Platte gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei: die Platte ein piezoelektrisches Lithiumniobat-Material im Y-Schnitt ist; das an den IDT angelegte Hochfrequenzsignal Störmoden in einem Spaltbereich zwischen den Enden der IDT-Finger und den benachbarten Sammelschienen anregt, die unerwünschte Störungen in der Admittanz eines XBAR verursachen; und der Spaltabstand ein vorbestimmter Spaltabstand zum Unterdrücken der Störmoden um bis zu 10 oder 20 dB bei bestimmten Frequenzen während der Verwendung ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei Bonden der Rückfläche der piezoelektrischen Platte an einem Substrat Bonden der Rückfläche einer einkristallinen piezoelektrischen Platte an eine planarisierte Oberfläche eines Siliziumsubstrats enthält.