DE102023119122A1

DE102023119122A1 - Resonator mit intrinsischer Auslöschung der zweiten Harmonischen

Info

Publication number: DE102023119122A1
Application number: DE102023119122.5A
Authority: DE
Inventors: Paul Bradley; Richard Ruby; Reed Parker; Donald E. Lee
Original assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2022-07-20
Filing date: 2023-07-19
Publication date: 2024-01-25
Also published as: CN117439568A; US20240030889A1

Abstract

Ein Resonator kann eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein piezoelektrisches Material zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode umfassen, wobei das piezoelektrische Material durch Herstellen des piezoelektrischen Materials mit einem Kompressionsachsenvektor (C-Achsenvektor), der entlang einer ersten Richtung ausgerichtet ist, und durch Anlegen eines elektrischen Feldes an das piezoelektrische Material, um eine Richtung des C-Achsenvektors so zu verändern, dass er entlang einer zweiten Richtung ausgerichtet ist. gebildet wird. Die zweite Richtung kann antiparallel zur ersten Richtung sein.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Resonatoren und insbesondere Resonatoren mit modifizierten Kompressionsachsenvektoren.
HINTERGRUND
Resonatoren (zum Beispiel akustische Resonatoren) werden in vielen Anwendungen eingesetzt, unter anderem in der Hochfrequenzkommunikation (HF). Resonatoren werden beispielsweise häufig in HF-Durchlassbandfiltern auf Sende- und/oder Empfangspfaden eingesetzt. Eine Klasse von Resonatoren sind Bulk-Akustik-Wave-Resonatoren, die aus piezoelektrischen Materialien gebildet werden, die akustische Schwingungen als Reaktion auf zeitlich veränderliche elektronische Signale erzeugen. Beispielsweise kann sich ein piezoelektrisches Material als Reaktion auf eine angelegte Spannung entlang einer Kompressionsachse (C-Achse) ausdehnen oder zusammenziehen, wobei die C-Achse typischerweise auf der Orientierung einer kristallinen Struktur des piezoelektrischen Materials beruht. Darüber hinaus können solche Resonatoren akustische Resonanzmoden (zum Beispiel Resonanzfrequenzen, Resonanzen oder Ähnliches) aufweisen, die bei der Implementierung in eine elektronische Schaltung, wie zum Beispiel einen Filter, genutzt werden können, um gewünschte Eigenschaften zu erzielen.
Es wird zunehmend wünschenswerter, eine größere Kontrolle über die Richtung einer C-Achse (zum Beispiel eines C-Achsenvektors) für ein oder mehrere piezoelektrische Materialien in einem Resonator bereitzustellen. Die Steuerung der C-Achsenrichtung piezoelektrischer Materialien kann beispielsweise eine größere Flexibilität bei der Konstruktion von Resonatoren oder elektrischen Schaltungen wie zum Beispiel Filtern, die Resonatoren enthalten, ermöglichen.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Resonator wird in Übereinstimmung mit einer oder mehreren veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenbart. In einer veranschaulichenden Ausführungsform enthält ein Resonator eine erste Elektrode. In einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform enthält ein Resonator eine zweite Elektrode. In einer weiteren Ausführungsform enthält ein Resonator ein piezoelektrisches Material zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode. In einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform wird das piezoelektrische Material gebildet durch Herstellen des piezoelektrischen Materials mit einem C-Achsenvektor, der entlang einer ersten Richtung ausgerichtet (orientiert) ist, und Anlegen eines elektrischen Feldes an das piezoelektrische Material, um eine Richtung des C-Achsenvektors so zu verändern, dass er entlang einer zweiten Richtung ausgerichtet ist, die sich von der ersten Richtung unterscheidet.
Eine Schaltung (Schaltkreis) wird in Übereinstimmung mit einer oder mehreren veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenbart. In einer veranschaulichenden Ausführungsform enthält die Schaltung einen oder mehrere Resonatoren. In einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform enthält mindestens einer der ein oder mehreren Resonatoren eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode und ein piezoelektrisches Material zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode. In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform wird das piezoelektrische Material gebildet durch Herstellen des piezoelektrischen Materials mit einem C-Achsenvektor, der entlang einer ersten Richtung ausgerichtet ist, und Anlegen eines elektrischen Feldes an das piezoelektrische Material, um eine Richtung des C-Achsenvektors so zu verändern, dass er entlang einer zweiten Richtung ausgerichtet ist, die sich von der ersten Richtung unterscheidet.
Ein Verfahren wird in Übereinstimmung mit einer oder mehreren veranschaulichenden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung offenbart. In einer veranschaulichenden Ausführungsform umfasst das Verfahren das Herstellen einer ersten Elektrode. In einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform umfasst das Verfahren das Herstellen eines piezoelektrischen Materials mit einem Kompressionsachsenvektor (C-Achse), der entlang einer ersten Richtung ausgerichtet ist. In einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform umfasst das Verfahren das Anlegen eines elektrischen Feldes an das piezoelektrische Material, um eine Richtung des C-Achsenvektors von der ersten Richtung in eine zweite Richtung zu ändern, wobei die zweite Richtung von der ersten Richtung verschieden ist. In einer weiteren veranschaulichenden Ausführungsform umfasst das Verfahren das Herstellen einer zweiten Elektrode, wobei das piezoelektrische Material zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist.
Es versteht sich, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung nur beispielhaft und erläuternd sind und die beanspruchte Erfindung nicht notwendigerweise einschränken. Die beigefügten Zeichnungen, die Bestandteil der Beschreibung sind, veranschaulichen Ausführungsformen der Erfindung und erläutern zusammen mit der allgemeinen Beschreibung die Grundsätze der Erfindung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die zahlreichen Vorteile der Offenbarung können von Fachleuten durch Bezugnahme auf die beigefügten Figuren besser verstanden werden.

1 A ist ein Flussdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Resonators in Übereinstimmung mit einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
1 B ist ein Flussdiagramm, das eine Technik zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das piezoelektrische Material darstellt, um die Richtung seines Kompressionsachsenvektors (C-Achse) zu ändern, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
1C ist ein Flussdiagramm, das zusätzliche Schritte des Verfahrens zur Herstellung einer elektrischen Verbindung mit dem piezoelektrischen Material in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
1D ist ein Flussdiagramm, das zusätzliche Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines Resonators mit einer gestapelten Struktur in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
2A ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Teils eines Resonators, der die erste Elektrode enthält, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
2B ist eine Draufsicht auf eine Probe mit mehreren ersten Elektroden in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
3 ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Teils eines Resonators mit einer ersten Elektrode und einem piezoelektrischen Material in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
4A ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Teils eines Resonators zusammen mit einer zweiten Elektrode, die als leitfähige Platte ausgebildet und in Kontakt mit dem piezoelektrischen Material platziert ist, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
4B ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Teils eines Resonators zusammen mit einer zweiten Elektrode, die als leitfähige Platte ausgebildet ist, die von dem piezoelektrischen Material durch einen Spalt getrennt ist, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
4C ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Teils eines Resonators zusammen mit einer zweiten Elektrode, die als biegsames leitfähiges Material in teilweisem Kontakt mit dem piezoelektrischen Material ausgebildet ist, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
5A ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Teils eines Resonators mit der zweiten Elektrode vor der Änderung des C-Achsenvektors in Übereinstimmung mit einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
5B ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Teils eines Resonators mit der zweiten Elektrode nach Änderung des C-Achsenvektors in Übereinstimmung mit einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
6A ist eine Draufsicht auf eine Probe, die einem Teil von 2A entspricht und mehrere erste Elektroden und elektrische Pfade zeigt in Übereinstimmung mit einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
6B zeigt eine Fotomaske zum Ätzen durch zumindest das piezoelektrische Material, das verschiedene zu ätzende Löcher enthält, wobei zumindest einige der Löcher mit elektrischen Pfaden ausgerichtet sind, die abgetrennt werden sollen, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
6C zeigt eine Draufsicht auf die Probe, in der die abgetrennten elektrischen Pfade dargestellt sind, die sich aus dem Ätzen mit der Fotomaske in 6B ergeben, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
7 ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Resonators, der zwei piezoelektrische Materialien mit antiparallelen C-Achsenvektoren und eine Zwischenelektrode enthält, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
8 ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Resonators mit zwei piezoelektrischen Materialien mit antiparallelen C-Achsenvektoren und ohne Zwischenelektrode in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
9 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Filters mit mehreren Resonatoren, bei dem mindestens einer der Resonatoren einen modifizierten C-Achsenvektor aufweist, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird im Detail auf den Gegenstand der Offenbarung eingegangen, der in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. Die vorliegende Offenbarung wurde in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen und deren spezifische Merkmale gezeigt und beschrieben. Die hier dargestellten Ausführungsformen sind eher zur Veranschaulichung denn als Einschränkung zu verstehen. Es sollte für den Fachmann leicht ersichtlich sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne den Geist und den Umfang der Offenbarung zu verlassen.
Wie sie hier verwendet werden, dienen Richtungsbegriffe wie „oben“, „unten“, „über“, „unter“, „nach oben“ und „nach unten“ der Beschreibung relativer Positionen und nicht der Bezeichnung eines absoluten Bezugsrahmens. Verschiedene Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen sind für den Fachmann offensichtlich, und die hier definierten allgemeinen Grundsätze können auch auf andere Ausführungsformen angewendet werden.
Es ist zu verstehen, dass die dargestellten Architekturen nur beispielhaft sind und dass viele andere Architekturen implementiert werden können, die die gleiche Funktionalität erreichen. In einem konzeptionellen Sinne ist jede Anordnung von Komponenten zur Erreichung der gleichen Funktionalität effektiv „verbunden“, so dass die gewünschte Funktionalität erreicht wird. Daher können zwei Komponenten, die hier kombiniert werden, um eine bestimmte Funktionalität zu erreichen, als „miteinander verbunden“ angesehen werden, so dass die gewünschte Funktionalität erreicht wird, unabhängig von Architekturen oder intermedialen Komponenten. Ebenso können zwei beliebige Komponenten, die auf diese Weise miteinander verbunden sind, als miteinander „verbunden“ oder „gekoppelt“ angesehen werden, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen, und zwei beliebige Komponenten, die auf diese Weise verbunden werden können, können auch als „koppelbar“ angesehen werden, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen. Wenn nicht anders angegeben, bedeutet eine Beschreibung, dass eine Komponente mit einer anderen Komponente „verbunden“ ist (alternativ „gelegen auf“, „angeordnet auf“ oder ähnlichem), dass diese Komponenten funktionell verbunden sind, und nicht unbedingt, dass diese Komponenten physisch in Kontakt sind. Vielmehr können solche Komponenten in physischem Kontakt stehen oder alternativ auch dazwischen liegende Elemente enthalten. Auch die Beschreibung, dass eine bestimmte Komponente „über“ einer anderen Komponente hergestellt ist, weist auf eine relative Position dieser Komponenten hin, bedeutet aber nicht unbedingt, dass diese Komponenten physisch in Kontakt sind. Solche Komponenten können in physischem Kontakt stehen oder alternativ Zwischenelemente enthalten.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf Systeme und Verfahren zur Bereitstellung eines Resonators mit mindestens einem piezoelektrischen Material mit einem Kompressionsachsenvektor (C-Achsenvektor), der nach der Herstellung modifiziert wird, wobei der C-Achsenvektor einer Bewegungsrichtung des piezoelektrischen Materials als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld entspricht. Ein Resonator kann eine Vorrichtung sein, die mechanische Schwingungen ausführt als Reaktion auf angelegte Signale oder umgekehrt. Auf diese Weise können Resonatoren mechanische Antworten auf angelegte elektrische Signale geben oder elektrische Signale als Reaktion auf eine mechanische Belastung bereitstellen. Eine solche Vorrichtung kann auch als akustischer Resonator, Akustik-Wave-Resonator oder Bulk-Akustik-Wave-Resonator (BAW) bezeichnet werden.
Der modifizierte C-Achsenvektor kann eine beliebige Ausrichtung (Orientierung) in Bezug auf einen anfänglichen (ursprünglichen) C-Achsenvektor haben. In einigen Ausführungsformen hat ein modifizierter C-Achsenvektor eine zum anfänglichen C-Achsenvektor antiparallele Ausrichtung. Zum Beispiel kann ein modifizierter C-Achsen-Vektor, der antiparallel zu einem anfänglichen C-Achsen-Vektor ist, eine Richtung haben, die dem anfänglichen C-Achsen-Vektor entgegengesetzt ist, aber entlang einer gemeinsamen Achse ausgerichtet ist.
Wie hier verwendet, kann ein piezoelektrisches Material jedes Material oder jede Kombination von Materialien umfassen, das bzw. die piezoelektrische Eigenschaften aufweist, die als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld einen modifizierten strukturellen Zustand (zum Beispiel einen komprimierten strukturellen Zustand, einen expandierten mechanischen Zustand, mechanische Spannung oder Ähnliches) bewirken, oder umgekehrt. Insbesondere kann eine mechanische Verformung eines piezoelektrischen Materials als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld von der Richtung und Stärke des angelegten elektrischen Feldes sowie von einer Polarisation (zum Beispiel einem Polarisationsvektor) abhängen, die mit einer Dichte von Dipolen in dem piezoelektrischen Material verbunden ist, wobei die Polarisation eines Materials als positiv oder negativ charakterisiert werden und auf der Kristallorientierung beruhen kann. Der Begriff „piezoelektrischer Effekt“ wird hier im weitesten Sinne verwendet und bezieht sich sowohl auf eine mechanische Verformung als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld als auch auf die Erzeugung eines elektrischen Feldes (zum Beispiel getrennte Ladungen) in einem Material als Reaktion auf eine mechanische Belastung.
Einige Kombinationen von Materialpolarisation und elektrischem Feld können zu einem piezoelektrischen Material führen, das kompressionspositiv ist (zum Beispiel ein piezoelektrisches Material der Klasse I), das sich entlang einer C-Achse zusammenzieht. Als weiteres Beispiel können einige Kombinationen von Materialpolarisation und elektrischem Feld zu einem piezoelektrischen Material führen, das kompressionsnegativ ist (zum Beispiel ein piezoelektrisches Material der Klasse II), das sich entlang einer C-Achse ausdehnt.
Hier wird der Begriff „C-Achsenvektor“ verwendet, um sowohl zu beschreiben, ob ein piezoelektrisches Material kompressionspositiv oder kompressionsnegativ ist, sowie eine Kompressions- oder Expansionsachse (zum Beispiel eine C-Achse). Insbesondere wird der C-Achsenvektor als Pfeil dargestellt, wobei die Orientierung eines C-Achsenvektors die C-Achse angibt und die Richtung des Pfeils angibt, ob das piezoelektrische Material entlang dieser C-Achse kompressionspositiv oder kompressionsnegativ ist.
Es wird hier erwogen, dass ein piezoelektrisches Material auf unterschiedliche Stärken eines angelegten elektrischen Feldes unterschiedlich reagieren kann. Beispielsweise kann ein piezoelektrisches Material als Reaktion auf eine elektrische Feldstärke in einem ersten Bereich (zum Beispiel einem Betriebsbereich) eine vorübergehende mechanische Verformung gemäß dem piezoelektrischen Effekt aufweisen. In einigen Fällen ist die mechanische Verformung proportional zur Stärke des angelegten elektrischen Feldes in diesem ersten Bereich. Dieser erste Bereich kann daher für Anwendungen geeignet sein, die sich den piezoelektrischen Effekt zunutze machen. Als weiteres Beispiel kann ein piezoelektrisches Material einen destruktiven Durchbruch (destructive breakdown) aufweisen, wenn es einem elektrischen Feld mit einer Stärke oberhalb einer Durchbruchschwelle (breakdown threshold) ausgesetzt wird. So kann das Anlegen eines elektrischen Feldes an ein piezoelektrisches Material mit einer Stärke, die der Durchbruchschwelle entspricht oder diese überschreitet, die piezoelektrischen Eigenschaften des piezoelektrischen Materials über eine Toleranz hinaus stören, so dass ein Resonator, der das piezoelektrische Material enthält, nicht innerhalb der vorgegebenen Parameter arbeitet. In einem anderen Fall kann das Anlegen eines elektrischen Feldes an ein piezoelektrisches Material mit einer Stärke, die der Durchbruchspannung entspricht oder diese übersteigt, zu einem dielektrischen Durchbruch des piezoelektrischen Materials führen.
Ferner wird hier erwogen, dass zumindest bei einigen Zusammensetzungen piezoelektrischer Materialien das Anlegen eines elektrischen Feldes mit einer Stärke in einem bestimmten Bereich eine strukturelle Veränderung hervorrufen kann, die die Polarisation und/oder den C-Achsenvektor des Materials beeinflusst. Dieser Vorgang kann als Polung bezeichnet werden. Beispielsweise kann das Anlegen eines elektrischen Feldes mit einer Stärke in diesem Bereich ein piezoelektrisches Material von kompressionspositiv zu kompressionsnegativ oder umgekehrt verändern. Ferner kann diese strukturelle Veränderung nach dem Anlegen des elektrischen Feldes fortbestehen, so dass diese strukturelle Veränderung und die damit verbundene Änderung des C-Achsenvektors als permanent oder semipermanent bezeichnet werden kann. Zumindest bei einigen Zusammensetzungen piezoelektrischer Materialien kann diese strukturelle Veränderung jedoch durch Anlegen eines elektrischen Feldes einer bestimmten Stärke in einer entgegengesetzten Richtung (zum Beispiel Polung in der entgegengesetzten Richtung) rückgängig gemacht werden.
Die mechanische Reaktion des piezoelektrischen Materials auf ein einfallendes elektrisches Feld mit einer Stärke im ersten Bereich (zum Beispiel dem Betriebsbereich) kann somit durch eine Änderung des C-Achsenvektors des piezoelektrischen Materials modifiziert werden.
Die Zusammensetzung eines piezoelektrischen Materials, das für die Modifikation des C-Achsenvektors geeignet ist, kann so gewählt werden, dass ein elektrisches Feld, das für die Modifikation der Richtung seines C-Achsenvektors geeignet ist, niedriger ist als eine entsprechende Durchbruchschwelle. Auf diese Weise führt die Änderung des C-Achsenvektors nicht zu einer zerstörerischen Beschädigung des piezoelektrischen Materials.
In einigen Ausführungsformen kann ein piezoelektrisches Material einen oder mehrere Dotierungsstoffe (zum Beispiel Dotierungsmaterialien) enthalten, die die Größe des elektrischen Feldes verringern können, das zur Änderung des C-Achsenvektors erforderlich ist. In einigen Ausführungsformen enthält ein Resonator ein piezoelektrisches Material, das aus Aluminiumnitrid (AIN) gebildet ist, das mit einem oder mehreren Dotierungsstoffen dotiert ist. Ein Resonator kann beispielsweise ein piezoelektrisches Material aus AIN enthalten, das mit Scandium dotiert ist, um Aluminium-Scandium-Nitrid (AlScN oder einfacher ASN) zu bilden. Als weiteres Beispiel kann ein Resonator ein piezoelektrisches Material aus AIN enthalten, das mit Bor dotiert ist. Als weiteres Beispiel kann ein Resonator ein piezoelektrisches Material enthalten, das aus AIN gebildet wird, das mit einer Kombination aus Scandium und Bor dotiert ist.
Ein elektrisches Feld kann an ein piezoelektrisches Material angelegt werden, um den C-Achsenvektor mit Hilfe einer beliebigen, im Stand der Technik bekannten Technik zu verändern. In einigen Ausführungsformen wird ein elektrisches Feld an ein piezoelektrisches Material angelegt, indem eine Spannung (zum Beispiel ein elektrisches Potenzial) an das piezoelektrische Material angelegt wird. Es ist jedoch zu verstehen, dass Beschreibungen oder Beispiele, die sich auf das Anlegen einer Spannung an ein piezoelektrisches Material beziehen, nur der Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind. So werden Beschreibungen des Anlegens einer Spannung an ein Material oder des Anlegens eines elektrischen Feldes an ein Material austauschbar verwendet.
Es wird hier erwogen, dass die Modifikation eines C-Achsenvektors eines piezoelektrischen Materials unter Verwendung eines angelegten elektrischen Feldes die Herstellung eines Resonators oder einer anderen piezoelektrischen Vorrichtung ermöglichen und gleichzeitig einen hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten gewährleisten kann (z.B. $k_{t}^{2}$
oder jedes andere geeignete Maß). Bei einigen Anwendungen kann es möglich sein, ein piezoelektrisches Material mit einem C-Achsenvektor in einer beliebigen oder ausgewählten Richtung direkt herzustellen. Beispielsweise wird die Herstellung von Resonatoren mit mehreren piezoelektrischen Schichten mit antiparallelen C-Achsenvektoren unter Verwendung verschiedener Keimschichten bzw. Impfschichten (seed layer) allgemein in dem am 19. Dezember 2017 erteilten US-Patent Nr. 9,847,768 beschrieben, das durch Bezugnahme hierin in vollem Umfang aufgenommen wird. Der elektromechanische Kopplungskoeffizient kann jedoch bei unterschiedlichen Wachstumsmustern variieren, so dass die direkte Herstellung piezoelektrischer Schichten mit unterschiedlichen C-Achsenvektoren möglicherweise keine gleichwertige Leistung erbringt. In Resonatoren oder anderen Bauelementen, die mehrere piezoelektrische Schichten enthalten, können unterschiedliche elektromechanische Kopplungskoeffizienten für die verschiedenen piezoelektrischen Schichten die Leistung auf verschiedene Weise beeinträchtigen, zum Beispiel durch eine geringere Auslöschung von Oberwellen (Harmonischen), aber nicht nur. Im Gegensatz dazu kann die Herstellung piezoelektrischer Schichten mit C-Achsenvektoren in einer gemeinsamen Richtung und die anschließende Änderung der C-Achsenvektoren einer oder mehrerer piezoelektrischer Schichten konsistentere und in einigen Fällen bessere elektromechanische Kopplungskoeffizienten liefern.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf Verfahren zur Herstellung eines Resonators, die die Herstellung eines oder mehrerer piezoelektrischer Materialien und die anschließende Änderung des C-Achsenvektors von mindestens einem der piezoelektrischen Materialien gegenüber einem Ausgangszustand umfassen.
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf Resonatoren, die mindestens ein piezoelektrisches Material mit einem gegenüber dem Ausgangszustand modifizierten C-Achsenvektor enthalten. Ein solcher Resonator kann beliebig gestaltet sein, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Film-Bulk-Akustik-Resonatoren (FBAR), Doppel-BAR (DBAR), gestapelte BAR (SBAR) oder umgekehrt gestapelte BAR (RSBAR).
Einige Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich auf eine Schaltung mit einem oder mehreren Resonatoren mit einem modifizierten C-Achsenvektor, wie er hierin offenbart ist. Eine solche Schaltung kann zum Beispiel ein Filter sein, der eine beliebige Anzahl von Resonatoren enthält, die in einem geeigneten Filterdesign angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen sind alle Resonatoren in einer Schaltung mit einem modifizierten C-Achsenvektor, wie er hier offenbart ist, ausgebildet. In einigen Ausführungsformen umfasst eine Schaltung Resonatoren mit unterschiedlichen Designs, wobei mindestens einer der Resonatoren einen modifizierten C-Achsenvektor, wie hierin offenbart, aufweist.
Unter Bezugnahme auf 1 A-8 werden nun Systeme und Verfahren zur Bereitstellung von Resonatoren mit mindestens einem piezoelektrischen Material mit einem modifizierten C-Achsenvektor (zum Beispiel in Bezug auf eine anfängliche Richtung (Ausgangsrichtung) oder Ausrichtung) gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ausführlicher beschrieben.
1 A ist ein Flussdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens 100 zur Herstellung eines Resonators gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Es ist zu verstehen, dass das Verfahren 100 nicht auf die in 1 A dargestellten Schritte beschränkt ist. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren 100 zusätzliche Schritte umfassen, die vor den dargestellten Schritten, nach den dargestellten Schritten und/oder zwischen jedem der dargestellten Schritte durchgeführt werden können. In einigen Ausführungsformen werden nicht alle der in 1A dargestellten Schritte durchgeführt.
Wie hier verwendet, werden Abbildungen und/oder Beschreibungen der Herstellung einer Komponente oder eines Materials über einer anderen Komponente oder einem anderen Material verwendet, um die relative Ausrichtung der verschiedenen Komponenten zu verdeutlichen. Solche Abbildungen und/oder Beschreibungen dienen jedoch nur der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Sofern nicht anders angegeben, können die Abbildungen und/oder Beschreibungen der Herstellung einer Komponente über einer anderen Komponente sowohl an Ausführungsformen angewendet werden, bei denen die beiden Komponenten in direktem physischen Kontakt stehen, als auch an Ausführungsformen, bei denen sich zwischen den beiden Komponenten Zwischenkomponenten befinden.
Die 2A-8 zeigen verschiedene, nicht einschränkende Darstellungen eines Resonators 200 auf einer Probe 202, die mit den Schritten des Verfahrens 100 hergestellt wurde. Es versteht sich, dass die hier im Zusammenhang mit den 2A-8 beschriebenen Ausführungsformen und Grundlagentechnologien so ausgelegt werden sollten, dass sie sich auf das Verfahren 100 erstrecken. Das Verfahren 100 ist jedoch nicht auf die Darstellungen in den 2A-8 beschränkt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 102 des Herstellens einer ersten Elektrode 204 (zum Beispiel eines Leiters, durch den Elektrizität ein- oder austritt). 2A ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Teils eines Resonators 200 mit der ersten Elektrode 204 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die erste Elektrode 204 kann aus jedem geeigneten leitfähigen Material gebildet werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Molybdän (Mo) oder Wolfram (W).
Die erste Elektrode 204 kann auf jedem geeigneten Material hergestellt werden. In einigen Ausführungsformen, wie in 2A dargestellt, wird die erste Elektrode 204 auf einem Substrat 206 hergestellt. In einigen Ausführungsformen wird die erste Elektrode 204 zumindest teilweise über einem Hohlraum (zum Beispiel einem Hohlraum in einem Substrat 206) hergestellt, auch wenn dies nicht dargestellt ist. In einigen Ausführungsformen wird die erste Elektrode 204 als Zwischenelektrode in einer gestapelten Struktur hergestellt. Beispielsweise kann die erste Elektrode 204 über einer Materialschicht hergestellt werden, wie zum Beispiel einer Schicht aus piezoelektrischem Material, ohne darauf beschränkt zu sein.
2B ist eine Draufsicht auf eine Probe 202 mit mehreren ersten Elektroden 204 (zum Beispiel zur Bildung mehrerer Resonatoren 200) gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere zeigt 2B einen Teil einer Probe 202 mit mehreren Dies 208, die durch Gassen (Bahnen, Pfade) 210 getrennt sind, wobei jeder der Dies 208 mehrere erste Elektroden 204 enthält, die von einem Dichtungsring 212 umgeben sind. Es ist zu verstehen, dass die besondere Darstellung der Dies 208 und der sie bildenden Komponenten lediglich der Veranschaulichung dient und nicht als einschränkend ausgelegt werden sollte. Vielmehr kann eine Probe 202 eine beliebige Anzahl von ersten Elektroden 204 mit beliebigen Größen oder Verteilungen enthalten. Außerdem müssen die Dies 208 nicht unbedingt einen Dichtungsring 212 enthalten.
Bezugnehmend auf 1A und 3 umfasst das Verfahren 100 in einigen Ausführungsformen einen Schritt 104 des Herstellens eines piezoelektrischen Materials 302 mit einem C-Achsenvektor 304, der entlang einer anfänglichen Richtung ausgerichtet ist. Der Schritt 104 des Herstellens eines piezoelektrischen Materials 302 kann mit jeder in der Technik bekannten Technik durchgeführt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, eine Sputtertechnik. 3 ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Teils eines Resonators 200 mit einer ersten Elektrode 204 und einem piezoelektrischen Material 302 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
In 3 ist der C-Achsenvektor 304 als Pfeil dargestellt, der in eine +Z-Richtung zeigt (zum Beispiel weg vom Substrat 206), so dass das piezoelektrische Material 302 entlang der Z-Achse kompressionspositiv ist. Diese anfängliche Richtung des C-Achsenvektors 304 kann durch eine Struktur des piezoelektrischen Materials 302 (zum Beispiel eine Orientierung einer kristallinen Struktur) vorgegeben oder zumindest beeinflusst sein. Es versteht sich jedoch von selbst, dass der C-Achsenvektor 304 eine beliebige anfängliche Richtung haben kann und nicht auf die in 3 dargestellte Richtung beschränkt ist.
Es wird hier davon ausgegangen, dass das piezoelektrische Material 302 im Allgemeinen aus einer beliebigen Zusammensetzung gebildet werden kann, die für die Bereitstellung eines piezoelektrischen Effekts geeignet ist und bei der eine Richtung des C-Achsenvektors 304 nach der Herstellung durch Anlegen eines elektrischen Feldes geändert werden kann. Beispielsweise kann das piezoelektrische Material 302 jedes Material mit piezoelektrischen Eigenschaften umfassen, das für die Verwendung in einem Resonator 200 geeignet ist, wie zum Beispiel AIN oder Zinkoxid (ZnO) sowie Varianten davon, jedoch nicht darauf beschränkt.
In einigen Ausführungsformen enthält das piezoelektrische Material 302 ein Basismaterial und ein oder mehrere Dotierungsmaterialien (zum Beispiel Dotierstoffe). Beispielsweise kann das piezoelektrische Material 302 ein Basismaterial enthalten, das mit einem oder mehreren Seltenerdmetallen dotiert ist, wie zum Beispiel Scandium, Yttrium, Lanthan oder Elementen mit Ordnungszahlen im Bereich von 58-71, ohne darauf beschränkt zu sein. Zur Veranschaulichung kann das piezoelektrische Material 302 ein Basismaterial aus AIN enthalten, das mit Scandium dotiert ist, um ASN zu bilden. In einigen Ausführungsformen wird das piezoelektrische Material 302 als AIN gebildet, das mit einer Scandiumkonzentration von etwa 35 % oder weniger dotiert ist. In einigen Ausführungsformen wird das piezoelektrische Material 302 als AIN gebildet, das mit einer Scandiumkonzentration von etwa 22 % oder weniger dotiert ist. Als weiteres Beispiel kann das piezoelektrische Material 302 ein Basismaterial enthalten, das mit Bor dotiert ist. In einigen Ausführungsformen wird das piezoelektrische Material 302 als AIN gebildet, das mit einer Borkonzentration von ungefähr 7 % dotiert ist. Als weiteres Beispiel kann das piezoelektrische Material 302 ein Basismaterial enthalten, das mit einer Kombination aus zwei oder mehr verschiedenen Dotierstoffen dotiert ist. Zur Veranschaulichung kann das piezoelektrische Material 302 AIN enthalten, das mit einer Kombination aus Scandium und Bor dotiert ist. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die hier genannten Beispiele lediglich der Veranschaulichung dienen und die vorliegende Offenbarung nicht einschränken.
Ferner wird hier erwogen, dass die Zusammensetzung des piezoelektrischen Materials 302 so (maßgeschneidert) angepasst werden kann, dass ein Gleichgewicht verschiedener Eigenschaften erreicht wird, wie zum Beispiel eine elektrische Feldstärke, die zur Änderung eines C-Achsenvektors 304 erforderlich ist, elektromechanische Kopplungseigenschaften (zum Beispiel gemessen durch $k_{t}^{2}$
oder jedes andere geeignete Maß) oder thermische Eigenschaften. Zur Veranschaulichung kann eine bestimmte Zusammensetzung von AIN mit einem oder mehreren Dotierungsmaterialien (zum Beispiel mit einem Seltenerdmetall, Bor oder einem anderen geeigneten Material) so gewählt werden, dass die elektrische Feldstärke, die zur Modifizierung eines C-Achsenvektors 304 (oder Polung des Materials allgemeiner) erforderlich ist, auf einen Wert oder einen Wertebereich gesenkt wird, der unter einer Durchbruchschwelle des AIN (oder allgemeiner eines Basismaterials) liegt. Auf diese Weise kann der C-Achsenvektor 304 ohne Beschädigung des piezoelektrischen Materials 302 verändert werden. Darüber hinaus kann die besondere Zusammensetzung und/oder Konzentration der Dotierstoffe zusätzliche Eigenschaften beeinflussen, wie zum Beispiel elektromechanische Kopplungseigenschaften. Zum Beispiel kann mit Bor dotiertes AIN in manchen Fällen eine niedrigere $k_{t}^{2}$
Kennzahl aufweisen als mit Scandium dotiertes AIN. Auf diese Weise kann der jeweilige Wert der $k_{t}^{2}$
Kennzahl durch die Auswahl der Konzentrationen von Bor- und Scandium-Dotierungsmaterial feinabgestimmt werden, während die Fähigkeit erhalten bleibt, den C-Achsenvektor 304 durch Anlegen eines elektrischen Feldes, wie hier offenbart, zu verändern.
Wie in 3 dargestellt, kann das piezoelektrische Material 302 direkt auf der ersten Elektrode 204 hergestellt werden. In einigen nicht dargestellten Ausführungsformen kann das piezoelektrische Material 302 mit einem oder mehreren dazwischenliegenden Materialien zwischen der ersten Elektrode 204 und dem piezoelektrischen Material 302 hergestellt werden. Der Resonator 200 kann zum Beispiel eine oder mehrere Schichten enthalten, um die Herstellung des piezoelektrischen Materials 302 zu erleichtern. So kann der Resonator 200 beispielsweise eine polarisationsbestimmende Keimschicht (polarization-determining seed layer, PDSL) enthalten, um einen C-Achsenvektor 304 mit einer ausgewählten anfänglichen Richtung bereitzustellen. Die Verwendung einer PDSL zur Steuerung der anfänglichen Richtung eines C-Achsenvektors 304 eines piezoelektrischen Materials wird allgemein im US-Patent Nr. 9,847,768 beschrieben, auf das oben Bezug genommen wird und das hier durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit aufgenommen ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 106 des Anlegens eines elektrischen Feldes an das piezoelektrische Material 302, um die Richtung des C-Achsenvektors 304 zu ändern. Der C-Achsenvektor 304 kann so modifiziert werden, dass er eine andere Richtung als die anfängliche Richtung hat. Dementsprechend kann die Ausrichtung der C-Achse des piezoelektrischen Materials 302 und/oder die Tatsache, ob das piezoelektrische Material 302 kompressionspositiv oder -negativ ist, durch Anlegen des elektrischen Feldes verändert werden. In einigen Ausführungsformen wird der C-Achsenvektor 304 so verändert, dass er eine zur anfänglichen Richtung antiparallele Richtung aufweist. Auf diese Weise kann die Änderung des C-Achsenvektors 304 das piezoelektrische Material 302 entlang der anfänglichen C-Achse (hier der Z-Achse) von kompressionspositiv zu kompressionsnegativ (oder umgekehrt) umkehren. Wie weiter unten näher beschrieben wird, wird hier erwogen, dass die Modifizierung des C-Achsenvektors 304 so, dass er antiparallel zu einer anfänglichen Richtung ist, die Herstellung von gestapelten Resonatoren mit antiparallelen C-Achsenvektoren 304 erleichtern kann, um die Auslöschung von Resonanzmoden höherer Ordnung (zum Beispiel die Auslöschung von Resonanzmoden zweiter Ordnung) und hohe elektromechanische Kopplungsmetriken zu erreichen.
Der Schritt 106 kann mit jeder Technik durchgeführt werden, die geeignet ist, um die Richtung des C-Achsenvektors 304 zu ändern, wie zum Beispiel das Anlegen einer Spannung zwischen zwei Elektroden auf gegenüberliegenden Seiten des piezoelektrischen Materials 302, aber nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann eine Spannung zwischen der ersten Elektrode 204 und einer zusätzlichen Elektrode angelegt werden, die sich auf einer gegenüberliegenden Seite des piezoelektrischen Materials 302 befindet.
Unter Bezugnahme auf die 4A-5B wird in einigen Ausführungsformen eine zweite Elektrode 402 auf oder in der Nähe des piezoelektrischen Materials 302 auf einer der ersten Elektrode 204 gegenüberliegenden Seite platziert und anschließend verwendet, um ein elektrisches Feld über das piezoelektrische Material 302 anzulegen, um die Richtung seines C-Achsenvektors 304 zu ändern. Beispielsweise kann der Schritt 106 des Verfahrens 100 das Anlegen einer Spannung zwischen der zweiten Elektrode 402 und der ersten Elektrode 204 umfassen, um ein elektrisches Feld über das piezoelektrische Material 302 zu erzeugen, das zur Modifizierung seines C-Achsenvektors 304 geeignet ist.
Die 4A-4C veranschaulichen verschiedene, nicht einschränkende Ausführungsformen der Modifikation des C-Achsenvektors 304 des piezoelektrischen Materials 302 durch Anlegen einer Spannung zwischen der zweiten Elektrode 402 und der ersten Elektrode 204. Beispielsweise zeigen die 4A-4C eine Quelle 404 (z.B. eine Spannungsquelle oder ähnliches), die mit der zweiten Elektrode 402 und der ersten Elektrode 204 verbunden ist, und ferner den C-Achsenvektor 304, der entlang der -Z-Richtung (z.B. antiparallel zu der in 3 dargestellten +Z-Richtung) ausgerichtet ist, um anzuzeigen, dass das piezoelektrische Material 302 nun entlang der Z-Achse kompressionsnegativ ist. Die Quelle 404 kann mit der zweiten Elektrode 402 und der ersten Elektrode 204 in beliebiger Konfiguration verbunden werden, um eine beliebige Spannung mit beliebiger Polarität bereitzustellen, die zur Änderung des C-Achsenvektors 304 des piezoelektrischen Materials 302 geeignet ist. Wie in den 4A-4C dargestellt, kann die erste Elektrode 204 mit Masse (Erdung) verbunden sein und die Quelle 404 kann eine gewünschte Spannung an die zweite Elektrode 402 relativ zur Masse anlegen. Als weiteres Beispiel kann die Quelle 404 eine Spannung zwischen der zweiten Elektrode 402 und der ersten Elektrode 204 ohne Bezug zu einer externen Masse anlegen.
Die Werte eines elektrischen Feldes und/oder einer Spannung, die zur Veränderung des C-Achsenvektors 304 erforderlich sind, können von verschiedenen Faktoren abhängen, wie zum Beispiel von der Zusammensetzung oder Dicke des piezoelektrischen Materials 302 sowie von etwaigen dazwischenliegenden Schichten. Zum Beispiel kann eine Spannung von etwa 70 V geeignet sein, den C-Achsenvektor 304 von ASN mit etwa 35 % Scandium zu verändern. Als weiteres Beispiel kann eine Spannung von etwa 100 V geeignet sein, den C-Achsenvektor 304 von ASN mit etwa 22 % Scandium zu verändern. Wie bereits beschrieben, sind diese Werte jedoch nur als Beispiele zu verstehen und sollten nicht als einschränkend interpretiert werden. Es kann jeder beliebige Wert des elektrischen Feldes und/oder der Spannung angelegt werden, der geeignet ist, den C-Achsenvektor 304 zu verändern. Darüber hinaus kann es sein, dass eine Reihe bzw. ein Bereich von elektrischen Feldern und/oder Spannungen geeignet sind, den C-Achsenvektor 304 für eine bestimmte Zusammensetzung des piezoelektrischen Materials 302 zu verändern.
In einigen Ausführungsformen wird die zweite Elektrode 402 aus Komponenten gebildet, die vom Resonator 200 getrennt (zum Beispiel unabhängig) sind. Auf diese Weise kann die zweite Elektrode 402 vorübergehend auf oder in der Nähe des piezoelektrischen Materials 302 platziert werden, um die Änderung seines C-Achsenvektors 304 zu unterstützen, ohne selbst als Schicht hergestellt zu werden. Darüber hinaus kann die zweite Elektrode 402 aus einem beliebigen elektrisch leitfähigen Material bestehen, das als Elektrode für das Anlegen einer Spannung an das piezoelektrische Material 302 geeignet ist, wie zum Beispiel ein Metall, aber nicht darauf beschränkt.
Die zweite Elektrode 402 kann zum Beispiel eine leitfähige Platte umfassen, die auf oder in der Nähe des piezoelektrischen Materials 302 platziert werden kann. 4A ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Teils eines Resonators 200 zusammen mit einer zweiten Elektrode 402, die als leitfähige Platte ausgebildet ist, die in Kontakt mit dem piezoelektrischen Material 302 platziert ist, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. 4B ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Teils eines Resonators 200 zusammen mit einer zweiten Elektrode 402, die als leitfähige Platte ausgebildet ist, die vom piezoelektrischen Material 302 durch einen Spalt 406 getrennt ist, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Es wird hier erwogen, dass das piezoelektrische Material 302 typischerweise eine ausreichend hohe Dielektrizitätskonstante (z.B. relative Permittivität) aufweist, so dass das Anlegen einer Spannung zwischen der zweiten Elektrode 402 und der ersten Elektrode 204 zu einem relativ stärkeren elektrischen Feld über dem piezoelektrischen Material 302 führt als über dem Spalt 406.
Als weiteres Beispiel kann die zweite Elektrode 402 ein biegsames leitfähiges Material umfassen, wie zum Beispiel einen Kolben bzw. Stempel (plunger), ohne darauf beschränkt zu sein, der zumindest teilweise in Kontakt mit dem piezoelektrischen Material 302 platziert werden kann. 4C ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Teils eines Resonators 200 zusammen mit einer zweiten Elektrode 402, die als biegsames leitfähiges Material in teilweisem Kontakt mit dem piezoelektrischen Material 302 ausgebildet ist, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Wie in dem in 4B dargestellten Fall kann die relativ hohe Dielektrizitätskonstante des piezoelektrischen Materials 302 relativ zur Umgebungsatmosphäre zu einem relativ höheren elektrischen Feld über dem piezoelektrischen Material 302 führen. Wie bereits beschrieben, kann ferner ein Bereich von elektrischen Feldwerten geeignet sein, den C-Achsenvektor 304 des piezoelektrischen Materials 302 so zu modifizieren, dass die Variation des elektrischen Feldes über dem piezoelektrischen Material 302, die durch einen teilweisen oder ungleichmäßigen Kontakt zwischen der zweiten Elektrode 402 und dem piezoelektrischen Material 302 verursacht wird, vernachlässigbar ist oder zumindest innerhalb akzeptabler Toleranzen liegt.
In einigen Ausführungsformen wird eine zweite Elektrode 402 als leitfähige Schicht aus einem Material gebildet, die direkt auf einer oder mehreren zusätzlichen Komponenten des Resonators 200, wie zum Beispiel dem piezoelektrischen Material 302, hergestellt wird, ohne darauf beschränkt zu sein.
1 B ist ein Flussdiagramm, das eine Technik zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das piezoelektrische Material 302 darstellt, um eine Richtung seines C-Achsenvektors 304 zu modifizieren, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. 5A ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Teils eines Resonators 200 mit der zweiten Elektrode 402 vor der Modifizierung des C-Achsenvektors 304 in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. 5B ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Teils eines Resonators 200 mit der zweiten Elektrode 402 nach der Modifizierung des C-Achsenvektors 304, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 108 des Herstellens einer zweiten Elektrode 402. Zum Beispiel kann die zweite Elektrode 402 auf einer der ersten Elektrode 204 gegenüberliegenden Seite des piezoelektrischen Materials 302 hergestellt werden. Die zweite Elektrode 402 kann so hergestellt werden, dass sie in direktem physischen Kontakt mit dem piezoelektrischen Material 302 steht, oder es können Zwischenschichten zwischen dem piezoelektrischen Material 302 und der zweiten Elektrode 402 vorhanden sein. Die zweite Elektrode 402 kann aus jedem geeigneten leitfähigen Material hergestellt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Molybdän (Mo) oder Wolfram (W).
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 110 des Anlegens eines elektrischen Feldes zwischen der zweiten Elektrode 402 und der ersten Elektrode 204, um eine Richtung des C-Achsenvektors 304 zu ändern. Zum Beispiel kann der Schritt 110 durch Anlegen einer Spannung zwischen der zweiten Elektrode 402 und der ersten Elektrode 204 durchgeführt werden, wie in 5B dargestellt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 112 des Entfernens der zweiten Elektrode 402. Die zweite Elektrode 402 kann mittels jeder im Stand der Technik bekannten Technik entfernt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Ätzen. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben, kann in einigen Ausführungsformen die zweite Elektrode 402 in Schritt 112 entfernt werden, nachdem der C-Achsenvektor 304 des piezoelektrischen Materials 302 modifiziert wurde, um Resonatordesigns ohne eine dazwischenliegende Elektrode zu ermöglichen. Alternativ kann in einigen Ausführungsformen der Schritt 112 weggelassen werden und die zweite Elektrode 402 ganz oder teilweise als Bestandteil des Resonators 200 beibehalten werden, um zusätzliche Resonatordesigns zu ermöglichen.
Unter erneuter Bezugnahme auf die 1A-1C werden verschiedene nicht einschränkende Überlegungen und Ansätze zum Anlegen einer Spannung zwischen der zweiten Elektrode 402 und den ersten Elektroden 204, um den C-Achsenvektor 304 des piezoelektrischen Materials 302 zu verändern, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass das Anlegen einer Spannung zwischen der zweiten Elektrode 402 und der ersten Elektrode 204 die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen jeder dieser Elektroden und der Quelle 404 erfordert.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 100 das Verbinden von Leitungen von einer Quelle 404 an die erste Elektrode 204 und/oder die zweite Elektrode 402, um eine Spannung zwischen der ersten Elektrode 204 und der zweiten Elektrode 402 zur Modifizierung des C-Achsenvektors 304 des piezoelektrischen Materials 302 bereitzustellen. Beispielsweise kann die erste Elektrode 204 und/oder die zweite Elektrode 402 in einigen Ausführungen leicht zugänglich sein, so dass Leitungen die erste Elektrode 204 und/oder die zweite Elektrode 402 direkt kontaktieren können. Zur Veranschaulichung kann die zweite Elektrode 402 als unabhängige Elektrode konfiguriert sein (zum Beispiel wie in den 4A-4C dargestellt) und kann direkt mit der Quelle 404 verbunden sein. Zur weiteren Veranschaulichung kann die erste Elektrode 204 und/oder die zweite Elektrode 402 (zum Beispiel als eine hergestellte leitfähige Schicht aus Material, wie in den 5A-5B dargestellt) mit der Quelle 404 über eine oder mehrere Leitungen verbunden sein, die in direktem Kontakt mit der ersten Elektrode 204 und/oder der zweiten Elektrode 402 platziert sind.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 100 das Verbinden der ersten Elektrode 204 und/oder der zweiten Elektrode 402 mit der Quelle 404 unter Verwendung eines oder mehrerer elektrischer Pfade zu einem elektrischen Kontakt. Wie hierin verwendet, kann ein elektrischer Pfad eine beliebige Anzahl von elektrisch leitfähigen Komponenten umfassen, die geeignet sind, eine elektrische Verbindung zwischen zwei Objekten bereitzustellen, und kann einen Draht, eine elektrische Leiterbahn (zum Beispiel einen elektrisch leitfähigen Pfad auf einer Leiterplatte), ein Pad, einen elektrisch leitfähigen Dichtungsring 212 (zum Beispiel wie in 2B dargestellt) oder ein elektrisches Gitter (zum Beispiel eine Reihe von elektrischen Leiterbahnen in den Gassen 210 zwischen den Dies 208, die elektrische Verbindungen zwischen Komponenten, wie zum Beispiel Dichtungsringen 212, bereitstellen) umfassen, ist aber nicht darauf beschränkt. Ferner kann es bei einer Anwendung, bei der mehrere Resonatoren 200 mit modifizierten Richtungen des C-Achsenvektors 304 hergestellt werden sollen, wünschenswert sein, elektrische Pfade zwischen gemeinsamen Elektroden (zum Beispiel zwischen mehreren ersten Elektroden 204 und/oder zwischen mehreren zweiten Elektroden 402) bereitzustellen, so dass die Richtungen des C-Achsenvektors 304 der verschiedenen piezoelektrischen Materialien 302 gleichzeitig modifiziert werden können. Ein elektrischer Kontakt kann eine beliebige elektrisch leitende Komponente sein, die für die Quelle 404 (oder eine an der Quelle 404 angebrachte Leitung) physisch zugänglich ist, wie zum Beispiel ein leitfähiges Pad oder eine leitfähige Platte, ohne darauf beschränkt zu sein.
Auf diese Weise kann das Verfahren 100 das Herstellen eines oder mehrerer elektrischer Pfade zu der ersten Elektrode 204 und/oder der zweiten Elektrode 402 umfassen, die für die Quelle 404 zugänglich sind, bevor die Richtung des C-Achsenvektors 304 des piezoelektrischen Materials 302 geändert wird.
Nach der Modifizierung des C-Achsenvektors 304 des piezoelektrischen Materials 302 können die elektrischen Pfade und/oder das elektrische Pad optional abgetrennt oder anderweitig zerstört werden. Auf diese Weise kann das piezoelektrische Material 302, das einen Teil eines vollständigen Resonators 200 bildet, in einer elektrischen Schaltung mit weiteren Komponenten verbunden werden, wobei andere elektrische Verbindungen verwendet werden als bei der Veränderung des C-Achsenvektors 304 des piezoelektrischen Materials 302.
Unter Bezugnahme auf die 1C und 6A-6C wird nun die Herstellung elektrischer Pfade zur Bereitstellung einer elektrischen Verbindung mit dem piezoelektrischen Material 302 in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
1C ist ein Flussdiagramm, das zusätzliche Schritte des Verfahrens 100 in Bezug auf die Bereitstellung einer elektrischen Verbindung mit der ersten Elektrode 204 in Übereinstimmung mit einer oder mehrerer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darstellt. 6A-6C zeigen eine Probe 202 bei verschiedenen Herstellungsschritten, die mit dem Verfahren 100 verbunden sind.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 114 des Herstellens eines oder mehrerer elektrischer Pfade 602 von der ersten Elektrode 204 zu einem elektrischen Kontakt.
6A ist eine Draufsicht auf eine Probe 202, die einem Teil von 2A entspricht und mehrere erste Elektroden 204 und elektrische Pfade 602 in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt. Insbesondere sind die elektrischen Pfade 602 in 6A als elektrische Leiterbahnen zwischen den ersten Elektroden 204 und einem Dichtungsring 212 für jeden der Dies 208 sowie als elektrische Leiterbahnen zwischen den Dichtungsringen 212 und einem elektrischen Gitter 604 in den Gassen 210 dargestellt. Auf diese Weise können die verschiedenen ersten Elektroden 204 auf der Probe 202 alle elektrisch miteinander verbunden sein. Darüber hinaus kann jedes dieser elektrisch verbundenen Elemente einen elektrischen Kontakt bilden, der zur Verbindung mit der Quelle 404 geeignet ist. In einigen Ausführungsformen, die jedoch nicht dargestellt sind, kann ein separater elektrischer Kontakt (zum Beispiel ein leitfähiges Pad oder dergleichen) hergestellt werden.
Der Schritt 114 des Herstellens eines oder mehrerer elektrischer Pfade 602 von der ersten Elektrode 204 zu einem elektrischen Kontakt kann in jeder geeigneten Reihenfolge in dem Verfahren 100 durchgeführt werden. In einigen Ausführungsformen wird der Schritt 114 gleichzeitig mit dem Schritt 102 der Herstellung der ersten Elektrode 204 ausgeführt. Beispielsweise können die elektrischen Pfade 602 in einem Herstellungsdesign für eine oder mehrere erste Elektroden 204 bereitgestellt sein.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 116 des Anlegens einer Spannung zwischen der zweiten Elektrode 402 und dem elektrischen Kontakt, der mit der ersten Elektrode 204 verbunden ist (zum Beispiel jede Komponente, die in 6A elektrisch mit den ersten Elektroden 204 verbunden ist), um eine Richtung des C-Achsenvektors 304 des piezoelektrischen Materials 302 zu ändern. Zum Beispiel kann der Schritt 116 nach dem Schritt 108 des Herstellens der zweiten Elektrode 402 durchgeführt werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 118 des Abtrennens mindestens eines der elektrischen Pfade 602 im Anschluss an die Änderung der Richtung des C-Achsenvektors 304 des piezoelektrischen Materials 302. Auf diese Weise können die ersten Elektroden 204 (und die vollständig ausgebildeten Resonatoren 200 im Allgemeinen) in jeder geeigneten elektrischen Schaltung angeschlossen werden.
Der Schritt 118 kann mit jeder im Stand der Technik bekannten Technik durchgeführt werden, die zur Unterbrechung der elektrischen Verbindung zwischen verbundenen Komponenten geeignet ist. In einigen Ausführungsformen können einer oder mehrere der elektrischen Pfade 602 nach dem Aufbringen des piezoelektrischen Materials 302 und/oder der zweiten Elektrode 402 zugänglich sein. In diesen Konfigurationen können die elektrischen Pfade 602 durch jedes geeignete Verfahren abgetrennt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Anwendung mechanischer Kraft oder Ätzen. In einigen Ausführungsformen können einer oder mehrere der elektrischen Pfade 602 unter einer oder mehreren Materialschichten (zum Beispiel dem piezoelektrischen Material 302, der zweiten Elektrode 402 oder ähnlichem) vergraben sein. In diesen Konfigurationen können die elektrischen Pfade 602 mit jedem geeigneten Verfahren abgetrennt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf das Ätzen eines Lochs durch Materialschichten oberhalb der elektrischen Pfade 602 und das weitere Ätzen mindestens eines Teils der elektrischen Pfade 602 (zum Beispiel unter Verwendung desselben oder verschiedener Ätzmittel).
Zur Veranschaulichung zeigt 6B eine Fotomaske 606 zum Ätzen durch zumindest das piezoelektrische Material 302, die verschiedene zu ätzende Löcher 608 enthält, wobei zumindest einige der Löcher 608 mit abzutrennenden elektrischen Pfaden 602 ausgerichtet sind, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. 6C zeigt eine Draufsicht auf die Probe 202, die die abgetrennten elektrischen Pfade 602 zeigt, die aus dem Ätzen mit der Fotomaske 606 in 6B resultieren, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Zusätzlich, wenn auch nicht explizit dargestellt, können elektrische Pfade 602 zwischen Dies 208, wie zum Beispiel aber nicht beschränkt auf, elektrische Pfade 602 zwischen Dichtungsringen 212 und dem elektrischen Gitter 604 oder das elektrische Gitter 604 selbst, abgetrennt werden, wenn die hergestellten Dies 208 vereinzelt werden.
Unter allgemeiner Bezugnahme auf die 2 und 6A-6C ist zu verstehen, dass die 2 und 6A-6C lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend ausgelegt werden sollten. So kann eine Probe 202 beispielsweise eine beliebige Anzahl, Form oder Ausrichtung von ersten Elektroden 204 oder elektrischen Pfaden 602 aufweisen. Darüber hinaus muss die Probe 202 nicht alle abgebildeten Komponenten enthalten, wie zum Beispiel Dichtungsringe 212 oder ein elektrisches Gitter 604 in den Gassen 210, ohne darauf beschränkt zu sein.
In den 1 D und 7-8 wird die Herstellung eines Resonators 200, der das piezoelektrische Material 302 mit einem modifizierten C-Achsenvektor 304 enthält, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung näher beschrieben. Es wird hierin erwogen, dass das Verfahren 100 die Herstellung einer Vielzahl von Resonatordesigns ermöglichen kann, bei denen die konstituierenden piezoelektrischen Materialien unter Bedingungen hergestellt werden können, die für eine hohe elektromechanische Kopplung geeignet sind, und bei denen die C-Achsenvektoren 304 jedes der konstituierenden piezoelektrischen Materialien anschließend modifiziert werden können, wie es für ein bestimmtes Resonatordesign erforderlich ist.
Nach der Änderung des C-Achsenvektors 304 des piezoelektrischen Materials 302 kann die zweite Elektrode 402, wenn sie über dem piezoelektrischen Material 302 hergestellt wurde, wie in den 5A und 5B dargestellt, entweder zumindest teilweise beibehalten und als Betriebskomponente des Resonators 200 verwendet oder entfernt werden (zum Beispiel wie in Schritt 112 in 1 B). Bei Anwendungen, bei denen die zweite Elektrode 402 eine unabhängige Komponente ist und nicht als Schicht zumindest zeitweise Teil eines Resonators 200 ist, kann die zweite Elektrode 402 in nachfolgenden Schritten einfach entfernt werden.
In einigen Ausführungsformen kann die zweite Elektrode 402 nach Änderung des C-Achsenvektors 304 des piezoelektrischen Materials 302 eine Betriebskomponente eines Resonators 200 bilden.
Der in den 5A und 5B dargestellte Resonator 200, bei dem die zweite Elektrode 402 erhalten bleibt, kann beispielsweise ein FBAR sein. Auf diese Weise zeigen 5A und 5B FBAR-Resonatoren mit verschiedenen C-Achsenvektoren 304, die mit demselben Herstellungsverfahren für das piezoelektrische Material 302 hergestellt wurden. Obwohl nicht dargestellt, kann die zweite Elektrode 402 zusätzlich entweder vor oder nach der Änderung des C-Achsenvektors 304 des piezoelektrischen Materials 302 strukturiert werden.
In einigen Ausführungsformen werden eine oder mehrere zusätzliche Materialschichten über dem piezoelektrischen Material 302 und optional der zweiten Elektrode 402 hergestellt. Beispielsweise können ein oder mehrere zusätzliche piezoelektrische Materialien und eine oder mehrere zusätzliche Elektroden über der zweiten Elektrode 402 hergestellt werden, um einen Resonator 200 mit einer gestapelten Struktur zu bilden, wie zum Beispiel einen DBAR, einen SBAR oder einen RSBAR, ohne darauf beschränkt zu sein. Gestapelte Resonatordesigns werden allgemein in dem am 15. Februar 2011 erteilten US-Patent Nr. 7,889,024 , dem am 19. Dezember 2017 erteilten US-Patent Nr. 9,847,768 und der am 26. März 2019 veröffentlichten US-Patentveröffentlichung Nr. 2009/0079514 beschrieben, die alle durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen werden.
In einigen Ausführungsformen enthält ein Resonator 200 ein zusätzliches piezoelektrisches Material mit einem C-Achsenvektor 304, der antiparallel zu dem modifizierten C-Achsenvektor 304 eines ersten piezoelektrischen Materials 302 ausgerichtet ist. Das zusätzliche piezoelektrische Material kann zum Beispiel nach demselben Verfahren hergestellt werden wie das erste piezoelektrische Material 302 und kann daher gleiche elektromechanische Eigenschaften, aber unterschiedliche C-Achsenvektoren 304 aufweisen.
1D ist ein Flussdiagramm, das zusätzliche Schritte des Verfahrens 100 zur Herstellung eines Resonators 200 mit einer gestapelten Struktur in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 120 des Herstellens eines zusätzlichen piezoelektrischen Materials. Der Schritt 120 des Herstellens eines zusätzlichen piezoelektrischen Materials kann mit jeder im Stand der Technik bekannten Technik durchgeführt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, einer Sputtertechnik. Das zusätzliche piezoelektrische Material kann eine beliebige Richtung des C-Achsenvektors 304 aufweisen, wie zum Beispiel eine Richtung, die antiparallel zum modifizierten C-Achsenvektor 304 des piezoelektrischen Materials 302 verläuft, ohne darauf beschränkt zu sein. Bei Anwendungen, bei denen die zweite Elektrode 402 als Schicht ausgebildet ist (zum Beispiel wie in 1 B dargestellt) und nach der Modifizierung des C-Achsenvektors 304 ganz oder teilweise erhalten bleibt, kann das zusätzliche piezoelektrische Material beispielsweise über dem piezoelektrischen Material 302 mit oder ohne dazwischenliegende Schichten hergestellt werden. Als weiteres Beispiel kann das zusätzliche piezoelektrische Material bei Anwendungen, bei denen die zweite Elektrode 402 vom Resonator 200 entfernt oder unabhängig ist, mit oder ohne dazwischenliegende Schichten über der zweiten Elektrode 402 hergestellt werden.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 122 des Herstellens einer dritten Elektrode (zum Beispiel über dem zusätzlichen piezoelektrischen Material). Die dritte Elektrode kann zum Beispiel so hergestellt werden, dass sie in direktem Kontakt mit dem zusätzlichen piezoelektrischen Material steht. Als weiteres Beispiel können eine oder mehrere Zwischenschichten zwischen dem zusätzlichen piezoelektrischen Material und der dritten Elektrode hergestellt werden. Die dritte Elektrode kann somit eine weitere Betriebselektrode des Resonators bilden.
7 ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Resonators 200, der zwei piezoelektrische Materialien mit antiparallelen C-Achsenvektoren 304 und eine Zwischenelektrode enthält, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der in 7 dargestellte Resonator 200 kann zum Beispiel 5B entsprechen und zusätzlich ein weiteres piezoelektrisches Material 702 und eine dritte Elektrode 704 aufweisen. Dementsprechend kann der in 5B dargestellte Resonator 200 als zwei gestapelte FBARs mit antiparallelen C-Achsenvektoren 304 charakterisiert werden. In dieser Konfiguration wird die zweite Elektrode 402 als Zwischenelektrode beibehalten, was für den Betrieb des Resonators 200 in einem Differentialmodus geeignet sein kann, aber nicht darauf beschränkt ist. Das zusätzliche piezoelektrische Material 702 kann also entweder direkt auf der zweiten Elektrode 402 oder auf einer oder mehreren dazwischenliegenden Schichten hergestellt werden.
8 ist eine vereinfachte Seitenansicht eines Resonators 200 mit zwei piezoelektrischen Materialien mit antiparallelen C-Achsenvektoren 304 und ohne eine Zwischenelektrode in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der in 8 dargestellte Resonator 200 kann beispielsweise 4C entsprechen, nachdem die unabhängige zweite Elektrode 402 entfernt wurde, oder 5B, nachdem die zweite Elektrode 402 entfernt wurde. Das zusätzliche piezoelektrische Material 702 kann also entweder direkt auf dem piezoelektrischen Material 302 oder auf einer oder mehreren dazwischenliegenden Schichten hergestellt werden.
In den 7 und 8 sind weitere, nicht einschränkende Beispiele für den Betrieb des Resonators 200 dargestellt. Insbesondere zeigen die 7 und 8 eine Konfiguration, in der die erste Elektrode 204 mit Masse verbunden ist und eine Quelle 706 mit der dritten Elektrode 704 verbunden ist, um ein Signal (zum Beispiel ein HF-Signal) an die dritte Elektrode 704 in Bezug auf Masse anzulegen. In dieser Konfiguration ist das elektrische Feld 708 sowohl im piezoelektrischen Material 302 als auch im zusätzlichen piezoelektrischen Material 702 in eine gemeinsame Richtung gerichtet, während die C-Achsenvektoren 304 antiparallel sind. Es versteht sich jedoch von selbst, dass der Resonator 200 in jeder beliebigen Konfiguration angeschlossen werden kann, die für eine gewünschte Anwendung geeignet ist, und die hier dargestellten Verbindungen sind lediglich illustrativ.
Unter allgemeiner Bezugnahme auf die 7 und 8 ist zu verstehen, dass die 7 und 8 und die zugehörigen Beschreibungen lediglich der Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend zu verstehen sind. Ein Resonator 200 kann im Allgemeinen eine beliebige Anzahl von piezoelektrischen Materialien in beliebiger Anordnung enthalten, wobei ein C-Achsenvektor von mindestens einem der piezoelektrischen Materialien durch Anlegen eines elektrischen Feldes verändert wird. Darüber hinaus kann dieses piezoelektrische Material mit einem modifizierten C-Achsenvektor an einer beliebigen Stelle innerhalb des Resonators 200 hergestellt werden.
Beispielsweise kann der Resonator 200 mit einer endgültigen Struktur, wie sie in 7 dargestellt ist, durch die Herstellung der ersten Elektrode 204, des piezoelektrischen Materials 302, der zweiten Elektrode 402, des zusätzlichen piezoelektrischen Materials 702 und der dritten Elektrode 704 gebildet werden, so dass sowohl das piezoelektrische Material 302 als auch das zusätzliche piezoelektrische Material 702 anfängliche C-Achsenvektoren 304 aufweisen, die entlang der -Z-Richtung ausgerichtet sind. Anschließend kann der C-Achsenvektor 304 des zusätzlichen piezoelektrischen Materials 702 durch Anlegen einer Spannung zwischen der zweiten Elektrode 402 und der dritten Elektrode 704 in die +Z-Richtung geändert werden.
Als weiteres Beispiel kann ein Resonator 200 mehr als zwei piezoelektrische Schichten entweder mit oder ohne dazwischenliegende Elektroden enthalten. Auf diese Weise fällt ein Resonator 200 mit einem beliebigen Aufbau, bei dem mindestens eine der piezoelektrischen Schichten durch Anlegen eines elektrischen Feldes verändert wird, in den Sinn und Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung.
Es wird hier davon ausgegangen, dass ein Resonator 200 mit einer gestapelten Struktur aus zwei piezoelektrischen Materialien mit entgegengesetzten (zum Beispiel antiparallelen) C-Achsenvektoren 304, wie zum Beispiel in den 7 und 8 gezeigt, aber ohne darauf beschränkt zu sein, zahlreiche Vorteile gegenüber alternativen Resonatordesigns bieten kann. Zur Veranschaulichung können solche Designs eine Alternative zu mehreren herkömmlichen FBAR-Vorrichtungen (zum Beispiel wie in 5 dargestellt) darstellen, die parallel geschaltet sind.
Ein solches Design kann beispielsweise verschiedene harmonische Resonanzmoden unterdrücken oder auf andere Weise auslöschen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, zweite harmonische Moden, die in einigen Anwendungen unerwünscht sein können. Insbesondere können die antiparallelen Ausrichtungen der C-Achsenvektoren 304 der einzelnen piezoelektrischen Materialien (zum Beispiel des piezoelektrischen Materials 302 und des zusätzlichen piezoelektrischen Materials 702) zu antiparallelen Schwingungen führen, die zumindest die zweiten harmonischen Moden (bzw. die Moden der zweiten Harmonischen) wirksamer unterdrücken als bei alternativen Designs.
Ein weiteres Beispiel ist, dass ein solches Design relativ dicke Elektroden als herkömmliche FBAR-Vorrichtungen für eine bestimmte Betriebsfrequenz begünstigen kann. Da die kombinierte Dicke der piezoelektrischen Schichten (zum Beispiel des piezoelektrischen Materials 302 und des zusätzlichen piezoelektrischen Materials 702) eines hierin beschriebenen Resonators 200 größer ist als (zum Beispiel doppelt so dick wie) die piezoelektrischen Schichten in einer herkömmlichen FBAR-Vorrichtung, sind relativ dicke Elektroden erforderlich, um die gleiche Betriebsfrequenz wie bei einer herkömmlichen FBAR-Vorrichtung zu erreichen.
Es wird hier davon ausgegangen, dass der Schichtwiderstand, der mit dünner werdenden Elektroden zunimmt, einen wesentlichen Beitrag zu den Betriebsverlusten (zum Beispiel Dämpfung) leistet. Infolgedessen fördern die relativ dicken Elektroden, die mit dieser Konstruktion verbunden sind, einen geringeren Schichtwiderstand und eine Reduzierung der damit verbundenen Verluste für eine bestimmte Betriebsfrequenz. Alternativ ermöglichen die relativ dicken Elektroden, die mit diesem Design zusammenhängen, eine effiziente Skalierung auf höhere Frequenzbänder. Die Skalierung eines Resonatordesigns auf höhere Frequenzen bringt in der Regel eine Verringerung der Dicke der Materialien, aus denen er besteht, zum Beispiel der Elektroden, mit sich. Zusätzlich zu den Schichtwiderstandverlusten stellen die praktischen Beschränkungen der Mindestdicke der Elektroden ein Hindernis für den Hochfrequenzbetrieb dar. Die hier beschriebenen Systeme und Verfahren können jedoch eine Skalierung auf höhere Frequenzen als alternative Designs ermöglichen. In einigen Ausführungsformen eignen sich die hierin offenbarten Systeme und Verfahren für einen Resonator 200, der bei einer Frequenz von 6 GHz oder mehr arbeitet, was bei herkömmlichen Designs eine Herausforderung darstellt. Ein solcher Resonator 200 kann zum Beispiel eine oder mehrere Resonanzfrequenzen haben, die gleich oder größer als 6 GHz sind. Auf diese Weise kann ein solcher Resonator 200 in einem Filter oder einer anderen Schaltung verwendet werden, die für den Empfang von Signalen mit Frequenzen gleich oder größer als 6 GHz geeignet ist.
Es wird ferner davon ausgegangen, dass die hier offenbarten Systeme und Verfahren verschiedene Vorteile gegenüber Resonatoren mit ähnlichen Designs bieten, die mit anderen Techniken hergestellt werden. Beispielsweise können Techniken zur Herstellung von Resonatoren 200 mit entgegengesetzten C-Achsenvektoren 304, wie zum Beispiel die in den 7 und 8 dargestellten, durch direktes Herstellen piezoelektrischer Schichten mit entgegengesetzten C-Achsenvektoren 304, unter nicht-passenden elektromechanischen und/oder thermischen Eigenschaften oder uneinheitlicher Herstellungsqualität zwischen den verschiedenen Verfahren leiden.
Im Gegensatz dazu erleichtern die hier offenbarten Systeme und Verfahren die Herstellung mehrerer piezoelektrischer Materialien (hier als piezoelektrisches Material 302 und zusätzliches piezoelektrisches Material 702 bezeichnet) mit einem gemeinsamen Herstellungsprozess, um anfängliche C-Achsenvektoren 304 entlang einer gemeinsamen Richtung zu erzeugen. Auf diese Weise kann die Ausrichtung der anfänglichen C-Achsenvektoren 304 und/oder das Herstellungsverfahren für die piezoelektrischen Materialien so gewählt werden, dass die gewünschten Eigenschaften, wie zum Beispiel elektromechanische Eigenschaften oder thermische Eigenschaften, ohne darauf beschränkt zu sein, erzielt werden. Darüber hinaus können die verschiedenen Eigenschaften der unterschiedlichen piezoelektrischen Schichten so aufeinander abgestimmt werden, dass unerwünschte Oberwellen wirksam unterdrückt werden.
Unter Bezugnahme nun auf 9 wird eine Schaltung mit einem oder mehreren Resonatoren 200 in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung näher beschrieben. Es wird hier erwogen, dass ein oder mehrere Resonatoren 200 mit modifizierten C-Achsenvektoren 304 in jeder geeigneten Art von Schaltung (zum Beispiel elektrische Schaltung) verwendet werden können, die für jede Anwendung geeignet ist, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Filter, HF-Kommunikationssysteme oder Sensoren. Auf diese Weise kann eine Schaltung mindestens einen Resonator 200 mit einem modifizierten C-Achsenvektor 304 und eine beliebige Anzahl zusätzlicher Komponenten enthalten, einschließlich, aber nicht beschränkt auf zusätzliche, mit anderen Techniken hergestellte Resonatoren, passive Komponenten (zum Beispiel Widerstände, Kondensatoren, Induktoren oder Ähnliches) oder aktive Komponenten (zum Beispiel Verstärker oder Ähnliches).
9 ist ein vereinfachtes schematisches Diagramm eines Filters 902 mit mehreren Resonatoren 200, bei dem mindestens einer der Resonatoren einen modifizierten C-Achsenvektor 304 aufweist, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Insbesondere ist in 9 ein Filter 902 mit zwei Serienresonatoren (series resonators) 904 und einem Nebenschlussresonator (Shunt-Resonator) 906 dargestellt. Die Serienresonatoren 904 befinden sich beispielsweise in Reihe zwischen einem Eingangsanschluss 908 und einem Ausgangsanschluss 910, während der Nebenschlussresonator 906 zwischen Masse (Erdung) und einem Knotenpunkt zwischen einem der Serienresonatoren 904 angeschlossen ist. Es wird hierin erwogen, dass der Filter 902 als Bandpassfilter oder als Bandsperrfilter (z.B. ein Kerbfilter, ein Bandstoppfilter oder Ähnliches) in Abhängigkeit von den Resonanzfrequenzen des Nebenschlussresonators 906 arbeiten kann. In einigen Ausführungsformen umfasst der Filter 902 mindestens einen Resonator 200 mit mindestens einem piezoelektrischen Material 302 mit einem modifizierten C-Achsenvektor 304. In 9 beispielsweise sind die Serienresonatoren 904 und der Nebenschlussresonator 906 alle als Resonatoren 200 mit mindestens einem piezoelektrischen Material 302 mit einem modifizierten C-Achsenvektor 304 ausgebildet.
Es ist zu verstehen, dass 9 und die zugehörige Beschreibung nur zur Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend ausgelegt werden sollten. So kann der Filter 902 beispielsweise eine beliebige Anzahl von Serienresonatoren 904 oder Nebenschlussresonatoren 906 umfassen. Allgemeiner ausgedrückt kann mindestens ein Resonator 200 mit mindestens einem piezoelektrischen Material 302 mit einem modifizierten C-Achsenvektor 304, wie hierin offenbart, in einem beliebigen Filterdesign implementiert werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf ein Leiterdesign oder ein Gitterdesign. Darüber hinaus kann ein Resonator 200, wie hierin offenbart, in einem beliebigen Filter implementiert werden, der eine beliebige Art von Filterverhalten bietet, wie zum Beispiel ein Tiefpassfilter, ein Hochpassfilter, ein Bandpassfilter oder ein Bandsperrfilter.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Filter 902 mindestens einen Resonator 200, wie hierin offenbart, der als eine gestapelte Struktur mit zwei piezoelektrischen Materialien mit antiparallelen C-Achsenvektoren 304 gebildet wird (zum Beispiel wie in den 7 und 8 dargestellt). Wie bereits beschrieben, kann ein solcher Resonator 200 vorteilhafte elektromechanische Kopplungseigenschaften, thermische Eigenschaften und/oder eine effiziente Abschwächung von harmonischen Resonanzmoden (zum Beispiel Resonanzmoden zweiter Ordnung) bieten. Darüber hinaus kann ein solcher Resonator 200 relativ dickere Elektroden aufweisen als alternative Resonatordesigns (zum Beispiel einzelne FBAR-Designs oder ähnliches), was in vorteilhafter Weise einen relativ geringeren Schichtwiderstand zur Folge haben und den Betrieb bei relativ höheren Frequenzen ermöglichen kann, wie zum Beispiel, aber nicht beschränkt auf 6 GHz und darüber. Infolgedessen kann ein Filter 902, der einen oder mehrere solcher Resonatoren 200 enthält, bei einer Frequenz gleich oder größer als 6 GHz arbeiten und relativ geringe Verluste aufweisen. Beispielsweise kann ein solches Filter 902 eine gut definierte Frequenzantwort für Signale mit Frequenzen gleich oder größer als 6 GHz aufweisen. Zur Veranschaulichung kann ein als Bandpassfilter konfiguriertes Filter 902 einen Durchlassbereich haben, der Frequenzen von 6 GHz oder mehr umfasst. Zur weiteren Veranschaulichung kann ein als Bandsperrfilter konfiguriertes Filter 902 einen Sperrbereich mit Frequenzen von 6 GHz oder mehr aufweisen. In ähnlicher Weise kann ein als Tiefpass und/oder Hochpass konfiguriertes Filter 902 eine wohldefinierte Frequenzantwort für Frequenzen gleich oder größer als 6 GHz aufweisen (zum Beispiel entweder einen Durchlassbereich oder einen Sperrbereich mit einer ausgewählten Durchlässigkeit).
In einigen Ausführungsformen wird ein Filter 902 mit mindestens einem Resonator 200, wie hierin offenbart, in einem HF-Kommunikationssystem implementiert. Beispielsweise wird ein Filter 902 mit mindestens einem Resonator 200, wie hier offenbart, in einem Übertragungspfad eines HF-Kommunikationssystems implementiert. Auf diese Weise kann der relativ geringe Verlust des Filters 902, der durch die hierin offenbarten Resonatoren 200 bereitgestellt wird, relativ höhere Übertragungsdistanzen ermöglichen. Ein weiteres Beispiel ist ein Filter 902 mit mindestens einem Resonator 200, wie er hier offenbart ist, in einem Empfangspfad eines HF-Kommunikationssystems. Auf diese Weise kann der relativ geringe Verlust des Filters 902, der durch die hier beschriebenen Resonatoren 200 bereitgestellt wird, relativ niedrige Rauschwerte ermöglichen.
Der hier beschriebene Gegenstand veranschaulicht manchmal verschiedene Komponenten, die in anderen Komponenten enthalten oder mit diesen verbunden sind. Es versteht sich, dass solche dargestellten Architekturen lediglich beispielhaft sind und dass in der Tat viele andere Architekturen implementiert werden können, die die gleiche Funktionalität erreichen. In einem konzeptionellen Sinne ist jede Anordnung von Komponenten zur Erreichung der gleichen Funktionalität effektiv „verbunden“, so dass die gewünschte Funktionalität erreicht wird. Daher können zwei Komponenten, die hier kombiniert werden, um eine bestimmte Funktionalität zu erreichen, als „miteinander verbunden“ angesehen werden, so dass die gewünschte Funktionalität erreicht wird, unabhängig von Architekturen oder dazwischenliegenden Komponenten. Ebenso können zwei auf diese Weise verbundene Komponenten als miteinander „verbunden“ oder „gekoppelt“ angesehen werden, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen, und zwei Komponenten, die auf diese Weise miteinander verbunden werden können, können auch als „koppelbar“ angesehen werden, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen. Spezifische Beispiele für koppelbar sind unter anderem physisch interagierbare und/oder physisch interagierende Komponenten und/oder drahtlos interagierbare und/oder drahtlos interagierende Komponenten und/oder logisch interagierbare und/oder logisch interagierende Komponenten.
Es wird davon ausgegangen, dass die vorliegende Offenbarung und viele der damit verbundenen Vorteile durch die vorstehende Beschreibung verstanden werden, und es wird deutlich, dass verschiedene Änderungen in der Form, Konstruktion und Anordnung der Komponenten vorgenommen werden können, ohne von dem offengelegten Gegenstand abzuweichen oder ohne alle seine wesentlichen Vorteile zu opfern. Die beschriebene Form ist lediglich erläuternd, und es ist die Absicht der folgenden Ansprüche, solche Änderungen zu umfassen und einzuschließen. Darüber hinaus ist die Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9847768 [0023, 0039, 0072]
US 7889024 [0072]
US 2009/0079514 [0072]

Claims

Resonator, der Folgendes umfasst: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; und ein piezoelektrisches Material zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei das piezoelektrische Material gebildet wird durch: Herstellen des piezoelektrischen Materials mit einem Kompressionsachsenvektor (C-Achsenvektor), der entlang einer ersten Richtung ausgerichtet ist; und Anlegen eines elektrischen Feldes an das piezoelektrische Material, um eine Richtung des C-Achsenvektors so zu verändern, dass er entlang einer zweiten Richtung ausgerichtet ist, wobei die zweite Richtung antiparallel zur ersten Richtung ist.
Resonator nach Anspruch 1, der ferner Folgendes umfasst: ein zusätzliches piezoelektrisches Material mit einem zusätzlichen C-Achsenvektor, der entlang der ersten Richtung ausgerichtet ist, wobei das piezoelektrische Material und das zusätzliche piezoelektrische Material zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet sind.
Resonator nach Anspruch 2, der ferner Folgendes umfasst: eine dritte Elektrode, die zwischen dem piezoelektrischen Material und dem zusätzlichen piezoelektrischen Material angeordnet ist.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das piezoelektrische Material Folgendes umfasst: ein Basismaterial, das mit einem oder mehreren Dotierungsmaterialien dotiert ist.
Resonator nach Anspruch 4, wobei das Basismaterial Aluminiumnitrid enthält, wobei das eine oder die mehreren Dotierungsmaterialien mindestens eines von einem Seltenerdmetall oder Bor enthalten.
Resonator nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, wobei das Basismaterial Aluminiumnitrid enthält, wobei das eine oder die mehreren Dotierungsmaterialien Scandium mit einer Konzentration von weniger als etwa 35 % enthalten.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Resonator bei einer Frequenz von 6 GHz oder mehr arbeitet.
Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Anlegen des elektrischen Feldes an das piezoelektrische Material zur Änderung der Richtung des C-Achsenvektors von der ersten Richtung zur zweiten Richtung Folgendes umfasst: Herstellen eines oder mehrerer elektrischer Pfade von der ersten Elektrode zu einem elektrischen Kontakt; Anlegen der Spannung zwischen dem elektrischen Kontakt und mindestens einer der zweiten Elektrode oder einer zusätzlichen Elektrode, um das elektrische Feld zu erzeugen; und Abtrennen von mindestens einem der elektrischen Pfade.
Schaltung, die Folgendes umfasst: einen oder mehrere Resonatoren, wobei mindestens einer der ein oder mehreren Resonatoren Folgendes umfasst: eine erste Elektrode; eine zweite Elektrode; und ein piezoelektrisches Material zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wobei das piezoelektrische Material gebildet wird durch: Herstellen des piezoelektrischen Materials mit einem Kompressionsachsenvektor (C-Achsenvektor), der entlang einer ersten Richtung ausgerichtet ist; und Anlegen eines elektrischen Feldes an das piezoelektrische Material, um die Richtung des C-Achsenvektors so zu verändern, dass er entlang einer zweiten Richtung ausgerichtet ist, wobei die zweite Richtung von der ersten Richtung verschieden ist.
Schaltung nach Anspruch 9, wobei die Schaltung Folgendes umfasst: einen Filter.
Schaltung nach Anspruch 10, wobei der Filter bei einer Frequenz gleich oder größer als 6 GHz arbeitet.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, die ferner Folgendes umfasst: ein zusätzliches piezoelektrisches Material mit einem zusätzlichen C-Achsenvektor, der entlang der ersten Richtung ausgerichtet ist, wobei das piezoelektrische Material und das zusätzliche piezoelektrische Material zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet sind.
Schaltung nach Anspruch 12, die ferner Folgendes umfasst: eine dritte Elektrode, die zwischen dem piezoelektrischen Material und dem zusätzlichen piezoelektrischen Material angeordnet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das piezoelektrische Material Folgendes umfasst: ein Basismaterial, das mit einem oder mehreren Dotierungsmaterialien dotiert ist.
Schaltung nach Anspruch 14, wobei das Basismaterial Aluminiumnitrid enthält, wobei das eine oder die mehreren Dotierungsmaterialien mindestens eines von einem Seltenerdmetall oder Bor enthalten.
Schaltung nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, wobei das Basismaterial Aluminiumnitrid enthält, wobei das eine oder die mehreren Dotierungsmaterialien Scandium mit einer Konzentration von weniger als etwa 35 % enthalten.
Verfahren, das Folgendes umfasst: Herstellen einer ersten Elektrode; Herstellen eines piezoelektrischen Materials mit einem Kompressionsachsenvektor (C-Achsenvektor), der entlang einer ersten Richtung ausgerichtet ist; Anlegen eines elektrischen Feldes an das piezoelektrische Material, um eine Richtung des C-Achsenvektors von der ersten Richtung in eine zweite Richtung zu ändern, wobei die zweite Richtung antiparallel zur ersten Richtung ist; und Herstellen einer zweiten Elektrode, wobei das piezoelektrische Material zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 17, das ferner Folgendes umfasst: Herstellen eines zusätzlichen piezoelektrischen Materials mit einem zusätzlichen C-Achsenvektor, der entlang der ersten Richtung ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 18 das ferner Folgendes umfasst: Herstellen einer dritten Elektrode, wobei das zusätzliche piezoelektrische Material zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, wobei das piezoelektrische Material und das zusätzliche piezoelektrische Material zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet sind.