DE112004002004B4

DE112004002004B4 - Akustische Filmvolumenresonator-Vorrichtungen (FBAR-Vorrichtungen) mit vereinfachtem Gehäuseeinbau

Info

Publication number: DE112004002004B4
Application number: DE112004002004.2T
Authority: DE
Inventors: John D. Larson III; Stephen L. Ellis; Yury Oshmyanski
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2018-03-29
Anticipated expiration: 2024-10-30
Also published as: GB2423428A; GB2422969A; US20050110597A1; DE112004002068T5; GB0610006D0; WO2005043751A1; GB2421646A; GB2423428B; WO2005043754A1; GB0605779D0; JP4676440B2; DE112004002068B4; US7358831B2; WO2005043756A1; US7332985B2; JP2007514341A; US20050104690A1; GB0609024D0; GB2422969B; DE112004002004T5

Abstract

Eine eingekapselte akustische Filmvolumenresonator-Vorrichtung, FBAR-Vorrichtung, (100), die folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (102); einen FBAR-Stapel (111) über dem Substrat (102), wobei der FBAR-Stapel (111) einen FBAR (110) umfasst und eine dem Substrat (102) ferne obere Oberfläche aufweist, wobei der FBAR (110) gegenüberliegende planare Elektroden (112, 114) und ein piezoelektrisches Element (116) zwischen den Elektroden (112, 114) aufweist; eine Einrichtung (104) zum akustischen Isolieren des FBAR-Stapels (111) von dem Substrat (102); ein Kapselungsmittel (121), das den FBAR-Stapel (111) bedeckt; und einen akustischen Bragg-Reflektor (190) zwischen der oberen Oberfläche des FBAR-Stapels (111) und dem Kapselungsmittel (121), wobei der akustische Bragg-Reflektor (190) eine metallische Bragg-Schicht (192) und eine zu der metallischen Bragg-Schicht (192) benachbarte Kunststoff-Bragg-Schicht (194) umfasst, wobei die FBAR-Vorrichtung (100) eine Bandpasscharakteristik aufweist, die eine Mittenfrequenz aufweist; wobei zumindest eine der Bragg-Schichten (192, 194) eine nominelle Dicke aufweist, die gleich einem Viertel der Wellenlänge in dem Material der jeweiligen Bragg-Schicht (192, 194) eines akustischen Signals ist, dessen Frequenz gleich der Mittenfrequenz ist, und wobei die metallische Bragg-Schicht (192, 194) dünner ist als die nominelle Dicke.

Description

Hintergrund
FBAR-Vorrichtungen bzw. FBAR-Bauelemente, die einen oder mehr akustische Filmvolumenresonatoren (FBARs – film bulk acoustic resonators) beinhalten, bilden einen Bestandteil einer sich ständig erweiternden Vielfalt an elektronischen Produkten, insbesondere an drahtlosen Produkten. Beispielsweise beinhalten moderne Mobiltelefone einen Duplexer, bei dem jedes der Bandpassfilter eine Leiterschaltung umfasst, wobei jedes Element der Leiterschaltung ein FBAR ist. Ein Duplexer, der FBARs beinhaltet, wird von Bradley et al. in der US-Patentschrift Nr. 6,262,637 mit dem Titel Duplexer Incorporating Thin-film Bulk Acoustic Resonators (FBARs) offenbart. Ein derartiger Duplexer besteht aus einem Senderbandpassfilter, das zwischen dem Ausgang des Senders und der Antenne in Reihe geschaltet ist, und einem Empfängerbandpassfilter, das mit einem 90°-Phasenschieber zwischen der Antenne und dem Eingang des Empfängers in Reihe geschaltet ist. Die Mittenfrequenzen der Durchlassbänder des Senderbandpassfilters und des Empfängerbandpassfilters sind voneinander versetzt. Auf FBARs beruhende Leiterfilter werden auch bei anderen Anwendungen verwendet.
1 zeigt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines FBAR-basierten Bandpassfilters 10, das sich zur Verwendung als Senderbandpassfilter eines Duplexers eignet. Das Senderbandpassfilter besteht aus Reihen-FBARs 12 und Nebenschluss-FBARs 14, die in einer Leiterschaltung verbunden sind. Reihen-FBARs 12 weisen eine höhere Resonanzfrequenz auf als Nebenschluss-FBARs 14.
2 zeigt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel 30 eines FBAR. Der FBAR 30 besteht aus einem Paar von Elektroden 32 und 34 und einem piezoelektrischen Element 36 zwischen den Elektroden. Das piezoelektrische Element und die Elektroden sind über einem in einem Substrat 42 definierten Hohlraum 44 aufgehängt. Diese Art und Weise, den FBAR aufzuhängen, ermöglicht, dass der FBAR ansprechend auf ein zwischen die Elektroden angelegtes elektrisches Signal mechanisch schwingt.
Die US-Patentanmeldung Seriennummer 10/699,289, veröffentlicht als US 2005 093653 A1 , offenbart ein Bandpassfilter, das einen entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonator (DSBAR – decoupled stacked bulk acoustic resonator) beinhaltet, der aus einem unteren FBAR, einem auf dem unteren FBAR gestapelten oberen FBAR und einem akustischen Entkoppler zwischen FBARs besteht. Jeder der FBARs besteht aus einem Paar von Elektroden und einem piezoelektrischen Element zwischen den Elektroden. Ein elektrisches Eingangssignal wird zwischen Elektroden des unteren FBAR und des oberen FBAR angelegt und liefert ein bandpassgefiltertes elektrisches Ausgangssignal zwischen seinen Elektroden. Das elektrische Eingangssignal kann alternativ zwischen die Elektroden des oberen FBAR angelegt werden, wobei das elektrische Ausgangssignal in diesem Fall von den Elektroden des unteren FBAR genommen wird.
Die US-Patentanmeldung Seriennummer 10/699,481, veröffentlicht als US 2005 093656 A1 , offenbart einen akustisch gekoppelten Filmtransformator (FACT – film acoustically-coupled transformer), der aus zwei entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonatoren (DSBARs) besteht. Eine erste elektrische Schaltung verbindet die unteren FBARs der DSBARs in Reihe oder parallel miteinander. Eine zweite elektrische Schaltung verbindet die oberen FBARs der DSBARs in Reihe oder parallel miteinander. Je nach den Konfigurationen der elektrischen Schaltungen können symmetrische oder asymmetrische FACT Ausführungsbeispiele, die Impedanzwandlungsverhältnisse von 1:1 oder 1:4 aufweisen, erhalten werden. Derartige FACTs liefern auch eine galvanische Isolierung zwischen der ersten elektrischen Schaltung und der zweiten elektrischen Schaltung.
Der oben unter Bezugnahme auf 2 beschriebene FBAR und Vorrichtungen wie z. B. Leiterfilme, DSBARs und FACTs, die einen oder mehrere FBARs beinhalten, werden in der vorliegenden Offenbarung generisch als FBAR-Vorrichtungen bezeichnet.
Derzeit werden die FBAR-Stapel von tausenden von FBAR-Vorrichtungen gleichzeitig auf einem Wafer aus Silizium oder einem anderen geeigneten Material hergestellt. Jede FBAR-Vorrichtung umfasst zusätzlich einen Abschnitt des Wafers als ihr Substrat. Ein FBAR-Stapel besteht aus Schichten verschiedener Materialien, in denen zumindest ein FBAR definiert ist. FBAR-Vorrichtungen sind üblicherweise in ein Gehäuse eingebaut, das von Merchant et al. in der US-Patentanmeldung Nr. 6,090,687, die an die Anmelderin der vorliegenden Offenbarung übertragen ist, beschrieben ist. Der Wafer, auf dem die FBAR-Stapel hergestellt werden, wird als FBAR-Wafer bezeichnet. Jeder FBAR-Stapel, der auf dem FBAR-Wafer hergestellt wird, ist von einer auf der Oberfläche des FBAR-Wafers angeordneten ringförmigen Dichtung umgeben. Ein Abdeckungswafer wird dann neben dem FBAR-Wafer platziert und an die Dichtungen gebondet. Der FBAR-Wafer, der Abdeckungswafer und die Dichtungen sowie die FBARs zwischen den Wafern bilden einen Waferstapel. Der Waferstapel wird dann zu einzelnen eingekapselten FBAR-Vorrichtungen vereinzelt, wobei eine Beispielhafte derselben in der Querschnittsansicht in 3 gezeigt ist.
3 zeigt eine eingekapselte FBAR-Vorrichtung 50, die aus einer FBAR-Vorrichtung 52 und einem Gehäuse 54 besteht. Die FBAR-Vorrichtung besteht aus einem FBAR-Stapel 56 und einem Substrat 58. Das Substrat 58 bildet außerdem einen Bestandteil des Gehäuses 54. Der FBAR-Stapel 56 besteht aus Schichten verschiedener Materialien, in denen zumindest ein FBAR definiert ist. Der FBAR-Stapel 56 ist über einem in dem Substrat 58 definierten Hohlraum 60 aufgehängt. Das Substrat 58 war vor der Vereinzelung ein Bestandteil des oben erwähnten FBAR-Wafers. Der FBAR-Stapel 56 ist von einer ringförmigen Dichtung 62 umgeben, die an die Hauptoberfläche des Substrats 58 gebondet ist. Die Abdeckung 64, die vor der Vereinzelung ein Bestandteil des oben erwähnten Abdeckungswafers war, ist an die Dichtung 62 gegenüber dem Substrat 58 gebondet. Das Substrat 58, die Dichtung 62 und die Abdeckung 64 definieren kollektiv eine hermetisch abgedichtete Kammer 66, in der sich der FBAR-Stapel 56 befindet.
Wie oben erwähnt wurde, ist der FBAR-Stapel 56 über dem in dem Substrat 58 definierten Hohlraum 60 aufgehängt. Die große Nichtübereinstimmung zwischen den akustischen Impedanzen der Materialien des FBAR-Stapels 56 (üblicherweise mehrere zehn Megarayleighs (Mrayl)) und der Luft oder dem anderen Gas in dem Hohlraum 60 (etwa 1 Kilorayleigh (krayl)) isoliert den FBAR-Stapel 56 akustisch von dem Substrat 58. Herbei gilt [im MKS-Einheitensystem]: 1 rayl = 1 Pa·s·m^–1. Desgleichen wird die obere Oberfläche 68 des FBAR-Stapels 56, die fern von dem Substrat 58 ist, durch einen Zwischenraum 70 von der Abdeckung 64 getrennt. Der Zwischenraum 70 ist üblicherweise mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt. Die große Nichtübereinstimmung zwischen den akustischen Impedanzen der Materialien des FBAR-Stapels 56 und der Luft oder dem anderen Gas in dem Zwischenraum 70 isoliert den FBAR-Stapel 56 akustisch von der Abdeckung 64. Somit ist der FBAR-Stapel 56 sowohl von dem Substrat 58 als auch von der Abdeckung 64 akustisch entkoppelt und kann somit ansprechend auf ein zwischen seine Elektroden angelegtes elektrisches Signal mechanisch frei schwingen. Obwohl das Gehäuse 54 der in 3 gezeigten eingekapselten FBAR-Vorrichtung 50 relativ einfach und kostengünstig ist, ist ein einfacherer und kostengünstigerer Gehäuseeinbau erhältlich. Ein Beispiel eines derartigen Gehäuseeinbaus beinhaltet ein Einkapseln des FBAR-Stapels in ein Kapselungsmittel (nicht gezeigt), das den FBAR-Stapel und einen Teil des Substrats bedeckt. Jedoch verschlechtert ein mechanischer Kontakt zwischen dem Kapselungsmittel und der von dem Substrat fernen oberen Oberfläche 68 des FBAR-Stapels die elektrischen Eigenschaften der eingekapselten FBAR-Vorrichtung, da der FBAR-Stapel nicht mehr mechanisch frei schwingen kann.
Somit wird eine eingekapselte FBAR-Vorrichtung benötigt, bei der der FBAR-Stapel effektiv von dem Kapselungsmittel akustisch isoliert ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Bezüglich eines ersten Aspekts liefert die Erfindung eine eingekapselte akustische Filmvolumenresonator-Vorrichtung (FBAR-Vorrichtung), die ein Substrat, einen FBAR-Stapel über dem Substrat, ein Element zum akustischen Isolieren des FBAR-Stapels von dem Substrat, ein den FBAR-Stapel bedeckendes Kapselungsmittel und einen akustischen Bragg-Reflektor zwischen der oberen Oberfläche des FBAR-Stapels und dem Kapselungsmittel umfasst. Der FBAR-Stapel umfasst einen FBAR und weist eine von dem Substrat ferne obere Oberfläche auf. Der FBAR umfasst gegenüberliegende planare Elektroden und ein piezoelektrisches Element zwischen den Elektroden. Der akustische Bragg-Reflektor umfasst eine metallische Bragg-Schicht und eine Kunststoff-Bragg-Schicht, die zu der metallischen Bragg-Schicht benachbart ist.
Beispiele einer FBAR-Vorrichtung umfassen einen FBAR wie z. B. einen FBAR, der ein Element eines Leiterfilters liefert, einen gestapelten akustischen Volumenresonator (SBAR – stacked bulk acoustic resonator), einen entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonator (DSBAR), ein Bandpassfilter, ein Gekoppelter-Resonator-Filter und einen akustisch gekoppelten Filmtransformator (FACT).
Das große Verhältnis zwischen den akustischen Impedanzen des Metalls der metallischen Bragg-Schicht und dem Kunststoffmaterial der Kunststoff-Bragg-Schicht befähigt den akustischen Bragg-Reflektor, eine ausreichende akustische Isolierung zwischen dem FBAR und dem Kapselungsmittel zu liefern, damit die Frequenzantwort der FBAR-Vorrichtung keine oder nur geringfügige Störartefakte aufweist, die sich aus einer unerwünschten akustischen Kopplung zwischen dem FBAR und dem Kapselungsmittel ergeben.
Das große Verhältnis zwischen den akustischen Impedanzen des Metalls der metallischen Bragg-Schicht und dem Kunststoffmaterial der Kunststoff-Bragg-Schicht bedeutet, dass die FBAR-Vorrichtung zusätzlich zu den Schichten, die den FBAR selbst bilden, üblicherweise aus zwischen einer und vier Bragg-Schichten bestehen kann. Dies bedeutet, dass der Herstellungsvorgang der FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung nicht oder nur geringfügig komplexer ist als der Herstellungsvorgang einer herkömmlichen FBAR-Vorrichtung desselben Typs. Der akustische Bragg-Reflektor ermöglicht, dass zum Einkapseln der FBAR-Vorrichtung ein einfacherer und kostengünstigerer Prozess verwendet wird.
Die niedrige Geschwindigkeit des Schalls bei Kunststoffmaterialen bedeutet, dass die Kunststoff-Bragg-Schichten relativ dünn sind. Demgemäß ist die Gesamthöhe der Akustik des akustischen Bragg-Reflektors gering.
Bezüglich eines zweiten Aspekts liefert die Erfindung eine eingekapselte akustische Filmvolumenresonator-Vorrichtung (FBAR-Vorrichtung), die ein Substrat, einen FBAR-Stapel über dem Substrat, ein Element zum akustischen Isolieren des FBAR-Stapels von dem Substrat, ein den FBAR-Stapel bedeckendes Kapselungsmittel und einen akustischen Bragg-Reflektor zwischen der oberen Oberfläche des FBAR-Stapels und dem Kapselungsmittel umfasst. Der FBAR-Stapel umfasst einen FBAR und weist eine von dem Substrat ferne obere Oberfläche auf. Der FBAR umfasst gegenüberliegende planare Elektroden und ein piezoelektrisches Element zwischen den Elektroden. Der akustische Bragg-Reflektor umfasst eine erste Bragg-Schicht und eine zweite Bragg-Schicht, die zu der ersten Bragg-Schicht benachbart ist. Die erste Bragg-Schicht umfasst ein erstes Material, das eine akustische Impedanz von weniger als fünf aufweist. Die zweite Bragg-Schicht umfasst ein zweites Material, das eine akustische Impedanz von mehr als 50 aufweist. Bei einem Ausführungsbeispiel weist das erste Material eine akustische Impedanz von weniger als drei auf, und das zweite Material weist eine akustische Impedanz von mehr als 60 auf.
Bezüglich eines letzten Aspekts liefert die Erfindung eine eingekapselte akustische Filmvolumenresonator-Vorrichtung (FBAR-Vorrichtung), die ein Substrat, einen FBAR-Stapel über dem Substrat, ein Element zum akustischen Isolieren des FBAR-Stapels von dem Substrat, ein den FBAR-Stapel abdeckendes Kapselungsmittel und einen akustischen Bragg-Reflektor zwischen der oberen Oberfläche des FBAR-Stapels und dem Kapselungsmittel umfasst. Der FBAR-Stapel umfasst einen FBAR und weist eine dem Substrat ferne obere Oberfläche auf. Der FBAR umfasst gegenüberliegende planare Elektroden und ein piezoelektrisches Element zwischen den Elektroden. Der akustische Bragg-Reflektor umfasst eine erste Bragg-Schicht und eine zu der ersten Bragg-Schicht benachbarte zweite Bragg-Schicht. Die erste Bragg-Schicht umfasst ein erstes Material, das eine erste akustische Impedanz aufweist, und die zweite Bragg-Schicht umfasst ein zweites Material, das eine zweite akustische Impedanz aufweist. Die zweite akustische Impedanz und die erste akustische Impedanz weisen ein Verhältnis von mehr als zehn auf. Bei einem Ausführungsbeispiel weisen die zweite akustische Impedanz und die erste akustische Impedanz ein Verhältnis von mehr als 16 auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Zeichnung eines Leiterfilters, das FBARs gemäß dem Stand der Technik beinhaltet.
2 ist eine Querschnittsansicht eines FBAR gemäß dem Stand der Technik.
3 ist eine Querschnittsansicht einer eingekapselten FBAR-Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
4A ist eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer eingekapselten FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
4B ist eine Querschnittsansicht des ersten Ausführungsbeispiels der eingekapselten FBAR-Vorrichtung, die in 4A entlang der Schnittlinie 4B-4B gezeigt ist.
4C und 4D sind Querschnittsansichten alternativer Strukturen des akustischen Bragg-Reflektors der in 4A gezeigten eingekapselten FBAR-Vorrichtung.
5 ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer eingekapselten FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
6A ist eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel einer eingekapselten FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
6B ist eine Querschnittsansicht des dritten Ausführungsbeispiels der eingekapselten FBAR-Vorrichtung, die in 6A entlang der Schnittlinie 6B-6B gezeigt ist.
7A ist eine Draufsicht auf ein viertes Ausführungsbeispiel einer eingekapselten FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
7B ist eine Querschnittsansicht des vierten Ausführungsbeispiels der FBAR-Vorrichtung, die in 7A entlang der Schnittlinie 7B-7B gezeigt ist.
7C ist eine Querschnittsansicht des vierten Ausführungsbeispiels der FBAR-Vorrichtung, die in 7A entlang der Schnittlinie 7C-7C gezeigt ist.
7D ist ein schematisches Diagramm der elektrischen Schaltungen des vierten Ausführungsbeispiels der in 7A gezeigten eingekapselten FBAR-Vorrichtung.
8A–8M sind Draufsichten, die einen Prozess zum Herstellen eines Ausführungsbeispiels einer eingekapselten FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung veranschaulichen.
8N–8Z sind Querschnittsansichten entlang der Schnittlinien 8N-8N mit 8Z-8Z in den 8A–8M.
Ausführliche Beschreibung
4A und 4B sind eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht eines ersten exemplarischen Ausführungsbeispiels 100 einer eingekapselten FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung 100 umfasst einen FBAR-Stapel 111, der einen FBAR 110 umfasst. Der FBAR 110 ist ein beispielhafter FBAR eines FBAR-Leiterfilters, z. B. des in 1 gezeigten, oder ein exemplarischer FBAR eines Duplexers. Die übrigen FBARs eines derartigen Leiterfilters oder Duplexers bilden ferner einen Bestandteil des FBAR-Stapels 111. Jedoch sind die übrigen FBARs bei den 4A und 4B weggelassen, um die Zeichnung zu vereinfachen.
Unter Bezugnahme auf 4B besteht die eingekapselte FBAR-Vorrichtung 100 aus einem Substrat 102, einem FBAR-Stapel 111 über dem Substrat, einem Element, das den FBAR-Stapel von dem Substrat isoliert, einem den FBAR-Stapel 111 bedeckenden Kapselungsmittel 121 und einem akustischen Bragg-Reflektor 190 zwischen der oberen Oberfläche 113 des FBAR-Stapels 111 und dem Kapselungsmittel 121. Der akustische Bragg-Reflektor 190 umfasst eine erste metallische Bragg-Schicht 192, die zu einer ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 194 benachbart ist. Bei dem gezeigten Beispiel ist die erste metallische Bragg-Schicht 192 zu dem Kapselungsmittel 121 benachbart, und der akustische Bragg-Reflektor 190 besteht ferner aus einer zweiten metallischen Bragg-Schicht 196, die zu der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 194 benachbart ist, und aus einer zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 198, die zu der zweiten metallischen Bragg-Schicht 196 benachbart ist. Die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 198 ist zu der oberen Oberfläche 113 des FBAR-Stapels 111 benachbart. Ferner besteht bei dem gezeigten Beispiel der FBAR-Stapel 111 aus einer einzigen FBAR-Vorrichtung 110, die gegenüberliegende planare Elektroden 112 und 114 und ein piezoelektrisches Element 116 zwischen den Elektroden aufweist.
Bei dem gezeigten Beispiel erfüllt der in dem Substrat 102 definierte Hohlraum 104 ferner die Funktion, den FBAR-Stapel 111 von dem Substrat 102 akustisch zu isolieren. Zusätzlich isoliert der akustische Bragg-Reflektor 190 den FBAR-Stapel akustisch von dem Kapselungsmittel 121. Somit wird der FBAR-Stapel 111 sowohl von dem Substrat 102 als auch von dem Kapselungsmittel 121 akustisch isoliert und kann somit ansprechend auf ein zwischen die Elektroden 112 und 114 des FBAR 110 angelegtes elektrisches Signal mechanisch frei schwingen.
Bragg-Schichten, die in der vorliegenden Offenbarung als benachbart beschrieben sind, berühren einander üblicherweise physisch, wie in 4B gezeigt ist. Jedoch können benachbarte Bragg-Schichten durch Zwischenschichten getrennt sein, vorausgesetzt, dass derartige Zwischenschichten einen vernachlässigbaren Effekt auf die akustischen Eigenschaften der benachbarten Bragg-Schichten aufweisen.
Ein Element, das in dem vorliegenden Dokument als über einem anderen Element angeordnet beschrieben ist, berührt üblicherweise ein anderes Element physisch, wie dies die fernseitige Elektrode 114 und das piezoelektrische Element 116 tun. Jedoch kann ein als über einem anderen Element befindlich beschriebenes Element alternativ durch ein oder mehr andere Elemente von diesem anderen Element getrennt sein. Beispielsweise kann das piezoelektrische Element 116 als über dem Substrat 102 befindlich beschrieben werden, ist jedoch bei dem in 4B gezeigten Ausführungsbeispiel durch die Elektrode 112 von dem Substrat getrennt.
Gemäß der Verwendung in der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff FBAR-Stapel auf einen Stapel von Schichten verschiedener Materialien, der einen oder mehrere FBARs umfasst. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen der Stapel mehr als einen FBAR umfasst, können sich die FBARs auf derselben Ebene in dem FBAR-Stapel oder auf unterschiedlichen Ebenen in dem FBAR-Stapel befinden, oder manche der FBARs können sich auf derselben Ebene in dem FBAR-Stapel befinden, und manche der FBARs können sich auf unterschiedlichen Ebenen in dem FBAR-Stapel befinden. Beispielsweise befinden sich die FBARs in einem FBAR-Leiterfilter üblicherweise auf derselben Ebene in dem FBAR-Stapel, die FBARs in einem entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonator (DSBAR) befinden sich auf unterschiedlichen Ebenen in dem FBAR-Stapel, und manche der FBARs eines akustisch gekoppelten Dünnfilmtransformators (FACT) befinden sich auf derselben Ebene in dem FBAR-Stapel, und manche der FBARs des FACT befinden sich auf unterschiedlichen Ebenen in dem FBAR-Stapel.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung 100 weist eine Bandpassfrequenzantwortcharakteristik auf, die eine Mittenfrequenz aufweist. Gemäß der Verwendung in der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff Bragg-Schicht auf eine Schicht, die eine nominelle Dicke t eines ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge λ_n in dem Material der Bragg-Schicht eines akustischen Signals aufweist, dessen Frequenz gleich der Mittenfrequenz ist, d. h. t = (2m + 1)λ_n/4, wobei m eine Ganzzahl ist, die größer als oder gleich Null ist. Bragg-Schichten, bei denen die Ganzzahl m Null ist, verringern üblicherweise die Wahrscheinlichkeit, dass die Frequenzantwort der eingekapselten FBAR-Vorrichtung Störartefakte aufweist. Bei derartigen Bragg-Schichten beträgt die nominelle Dicke der Bragg-Schicht ein Viertel der Wellenlänge in dem Material der Schicht des oben erwähnten akustischen Signals, d. h. t = λ_n/4. Eine Schicht dieser Dicke wird als Viertelwellenschicht bezeichnet. Überdies, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, liefern Ausführungsbeispiele, bei denen zumindest die metallischen Bragg-Schichten dünner als Viertelwellenschichten sind, manche λ_n/16 dünn sind, eine ausreichende akustische Isolierung für einen Einsatz bei vielen Anwendungen.
Die Erfinder entdeckten, dass die durch einen akustischen Bragg-Reflektor gelieferte akustische Isolierung von dem Verhältnis der akustischen Impedanzen der Materialien der Bragg-Schichten, die den akustischen Bragg-Reflektor bilden, abhängt. Die effektive akustische Impedanz Z_eff1, die durch eine erste Bragg-Schicht dargestellt wird, die zu einer anderen Schicht benachbart ist, ist die akustische Impedanz, die man an der Oberfläche der von der anderen Schicht fernen ersten Bragg-Schicht sieht. Die durch die erste Bragg-Schicht präsentierte effektive akustische Impedanz hängt von der akustischen Impedanz der ersten Bragg-Schicht und der effektiven akustischen Impedanz, die der ersten Bragg-Schicht durch die andere Schicht präsentiert wird, ab. Die effektive akustische Impedanz, die durch die erste Bragg-Schicht präsentiert wird, ist durch Folgendes gegeben: Z_eff1 = Z_p ²/Z_m (1) wobei Z_p die akustische Impedanz des Materials der ersten Bragg-Schicht ist, und Z_m die akustische Impedanz der anderen Schicht ist.
Beispielsweise hängt die effektive akustische Impedanz an der Oberfläche der ersten metallischen Bragg-Schicht 192, die dem Kapselungsmittel 121 fern ist, von der akustischen Impedanz des Materials der ersten metallischen Bragg-Schicht 192 und von der akustischen Impedanz des Materials des Kapselungsmittels ab. Bei diesem Beispiel ist Z_eff1 die effektive akustische Impedanz, die an der Oberfläche der ersten metallischen Bragg-Schicht 192, die dem Kapselungsmittel 121 fern ist, präsentiert wird, Z_p ist die akustische Impedanz des Materials der ersten metallischen Bragg-Schicht 192, und Z_m ist die akustische Impedanz des Materials des Kapselungsmittels 121.
Die durch die Gleichung (1) definierte Beziehung liegt zwischen jeder Bragg-Schicht und der vorhergehenden Bragg-Schicht vor. In der Gleichung (1) ist Z_m die effektive akustische Impedanz, die der Bragg-Schicht durch die vorhergehende Bragg-Schicht präsentiert wird.
Beispielsweise präsentiert die erste metallische Bragg-Schicht 192 der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 194 die effektive akustische Impedanz Z_eff1. Die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 194 wandelt die effektive akustische Impedanz Z_eff1 in eine andere effektive akustische Impedanz Z_eff2 um und präsentiert die effektive akustische Impedanz Z_eff2 der zweiten metallischen Bragg-Schicht 196. Die zweite metallische Bragg-Schicht 196 wandelt die effektive akustische Impedanz Z_eff2 in eine andere effektive akustische Impedanz Z_eff3 um und präsentiert die effektive akustische Impedanz Z_eff3 der zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 198. Die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 198 wandelt die effektive akustische Impedanz Z_eff3 in eine andere effektive akustische Impedanz Z_eff4 um und präsentiert die effektive akustische Impedanz Z_eff4 dem FBAR 110. Die effektive akustische Impedanz Z_eff4 ist auch die effektive akustische Impedanz des akustischen Bragg-Reflektors 190.
Die Nichtübereinstimmung der akustischen Impedanz zwischen dem FBAR-Stapel 111 und der durch den akustischen Bragg-Reflektor 190 an der zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 198 präsentierten effektiven akustischen Impedanz liefert die akustische Isolierung zwischen dem FBAR-Stapel 111 und dem Kapselungsmittel 121. Die durch die Bragg-Schichten 192, 194, 196 bzw. 198 präsentierten effektiven akustischen Impedanzen wechseln von der ersten metallischen Bragg-Schicht 192 zu der zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 198 zwischen hoch und niedrig, wobei die hohe Impedanz zunimmt und die niedrige Impedanz abnimmt.
Damit der akustische Bragg-Reflektor 190 eine effektive akustische Isolierung liefert, kann die effektive akustische Impedanz, die er dem FBAR-Stapel 111 präsentiert, größer oder geringer sein als die akustische Impedanz des FBAR-Stapels. Die durch den akustischen Bragg-Reflektor 190 gelieferte akustische Isolierung kann durch den Absolutwert des Verhältnisses der effektiven akustischen Impedanz des akustischen Bragg-Reflektors 190 und der akustischen Impedanz des FBAR-Stapels 111 quantifiziert werden, in Dezibel (das Zwanzigfache des Logarithmus des Verhältnisses) ausgedrückt. Ein Erhöhen der akustischen Isolierung verringert die Wahrscheinlichkeit, dass die Frequenzantwort der FBAR-Vorrichtung 100 unerwünschte Störartefakte auf Grund einer unerwünschten Kopplung zwischen dem FBAR-Stapel 111 und dem Kapselungsmittel 121 aufweist.
Gemäß der Erfindung sind Materialien von Abwechselnden der Bragg-Schichten des akustischen Bragg-Reflektors 190 ein Kunststoffmaterial bzw. ein Metall, insbesondere ein feuerfestes Metall wie z. B. Wolfram oder Molybdän. Das große Verhältnis zwischen den akustischen Impedanzen von Metallen und Kunststoffmaterialien ermöglicht, dass unter Verwendung relativ weniger Bragg-Schichten eine akustische Isolierung von vielen Zehn Dezibel erhalten wird. Mehrere feuerfeste Metalle sind erhältlich, die eine akustische Impedanz von mehr als 50 Mrayl aufweisen und die mit den bei typischen FBAR-Herstellungsprozessen verwendeten Ätzmitteln kompatibel sind. Molybdän beispielsweise weist eine akustische Impedanz von etwa 63 Mrayl auf. Es sind mehrere Kunststoffmaterialien erhältlich, die eine akustische Impedanz von weniger als 5 Mrayl aufweisen und die mit den bei typischen FBAR-Herstellungsprozessen verwendeten hohen Temperaturen und Ätzmitteln kompatibel sind. Die akustischen Impedanzen mancher derartiger Kunststoffmaterialien betragen nur etwa 2 Mrayl. Somit sind mehrere Kombinationen von Metallen und Kunststoffen erhältlich, die ein Akustische-Impedanz-Verhältnis von mehr als zehn aufweisen. Molybdän und ein vernetztes Polyphenylenpolymer, das nachfolgend beschrieben wird, weisen ein Akustische-Impedanz-Verhältnis von etwa 30 auf.
Kunststoffmaterialien, die mit den hohen Temperaturen (> 400°C) und Ätzmitteln kompatibel sind, denen die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 194 und die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 198 während der Aufbringung der ersten metallischen Bragg-Schicht 192 und der zweiten ersten metallischen Bragg-Schicht 196 unterworfen werden, sind mit akustischen Impedanzen im Bereich von etwa 2 Mrayl bis etwa 4 Mrayl erhältlich.
Eine Verwendung eines Metalls, z. B. eines feuerfesten Metalls, mit einer akustischen Impedanz von mehr als etwa 50 Mrayl als Material der ersten metallischen Bragg-Schicht 192 und der zweiten metallischen Bragg-Schicht 196, und eine Verwendung eines Kunststoffmaterials, das eine akustische Impedanz von weniger als etwa 5 Mrayl aufweist, als Material der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 194 und der zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 198 führt zu einem Ausführungsbeispiel des akustischen Bragg-Reflektors 190, der dem FBAR-Stapel 111 eine effektive akustische Impedanz von etwa 400 Rayleighs (rayl) präsentiert. Angenommen, der FBAR-Stapel 111 weist eine effektive akustische Impedanz von etwa 50 Mrayl auf, so führt dies zu einer akustischen Isolierung von über 100 dB. Der akustische Bragg-Reflektor 190 liefert eine ausreichende akustische Isolierung zwischen dem FBAR-Stapel 111 und dem Kapselungsmittel 121, so dass die Frequenzantwort des FBAR 110 eine Frequenzantwort aufweist, die im Wesentlichen frei von Störartefakten ist. Ausführungsbeispiele, bei denen das Kunststoffmaterial eine akustische Impedanz von etwa 2 Mrayl aufweist, liefern eine errechnete akustische Isolierung von über 120 dB. Zum Vergleich beträgt die errechnete akustische Isolierung, die durch den in 3 gezeigten Zwischenraum 70 geliefert wird, weniger als etwa 90 dB. Das Gas in dem Zwischenraum weist eine akustische Impedanz von etwa 1 krayl auf.
Bei Ausführungsbeispielen, die eine noch höhere akustische Isolierung zwischen dem FBAR-Stapel 111 und dem Kapselungsmittel 121 erfordern, können zusätzliche Paare von Bragg-Schichten aus Kunststoff und Metall zwischen der ersten metallischen Bragg-Schicht 192 und dem Kapselungsmittel 121 vorliegen. Jedoch reicht die durch das veranschaulichte Ausführungsbeispiel des akustischen Bragg-Reflektors 190 gelieferte akustische Isolierung für die meisten Anwendungen aus.
Die Elektrode 112, die Elektrode 114 und die piezoelektrisch Schicht 116 bilden eine mechanische Struktur, die eine mechanische Resonanz aufweist, die die Mittenfrequenz des Durchlassbandes des FBAR 110 definiert. Die Elektrode 112, die Elektrode 114 und das piezoelektrische Element 116 weisen eine ähnliche Dicke auf wie die entsprechenden Elemente eines herkömmlichen FBAR, dessen Bandpassfrequenzantwort dieselbe nominelle Mittenfrequenz aufweist. Folglich weist die eingekapselte FBAR-Vorrichtung 100 ähnliche elektrische Charakteristika auf wie eine ähnliche konventionelle FBAR-Vorrichtung, z. B. die in 3 gezeigte, bei der das obere Ende des FBAR-Stapels durch einen Zwischenraum von dem Gehäuse isoliert ist.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung 100 weist zusätzlich eine Anschlusskontaktstelle 132, eine Anschlusskontaktstelle 134, eine elektrische Bahn 133, die die Anschlusskontaktstelle 132 elektrisch mit der Elektrode 112 verbindet, und eine elektrische Bahn 135, die die Anschlusskontaktstelle 134 elektrisch mit der Elektrode 114 verbindet, auf. Die Anschlusskontaktstellen 132 und 134 werden dazu verwendet, elektrische Verbindungen von der eingekapselten FBAR-Vorrichtung 100 zu externen elektrischen Schaltungen (nicht gezeigt) herzustellen.
Wie nachstehend beschrieben wird, ist die Herstellung des FBAR-Stapels 111 und des akustischen Bragg-Reflektors 190 der eingekapselten FBAR-Vorrichtung 100 auf Grund des Erfordernisses, den akustischen Bragg-Reflektor 190 zu bilden, indem zusätzliche Schichten eines Materials auf die obere Oberfläche 113 des FBAR-Stapels 111 aufgebracht und dort strukturiert werden, etwas komplexer als die Herstellung des FBAR-Stapels 56 der in 3 gezeigten herkömmlichen, mittels eines Zwischenraums isolierten eingekapselten FBAR-Vorrichtung. Dagegen wird die FBAR-Vorrichtung 100 einfach dadurch eingekapselt, dass der FBAR-Stapel 111 und der akustische Bragg-Reflektor 190 mit einem Kapselungsmaterial eingekapselt werden und das Kapselungsmaterial gehärtet wird, um das Kapselungsmittel 121 zu bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Kapselungsmaterial Polyimid, was nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist das Kapselungsmaterial ein kaltvulkanisierender Gummi (RTV – room-temperature vulcanizing rubber), ein glasbeladenes Epoxid oder ein anderes geeignetes Kapselungsmaterial. Bei Anwendungen, bei denen eine hermetische Einkapselung wünschenswert ist, kann das Kapselungsmittel 121 zusätzlich eine dünne Abdichtschicht aus Metall (nicht gezeigt) umfassen, die als Beschichtung auf die Außenoberfläche des gehärteten Kapselungsmaterials aufgebracht wird. Geeignete Metalle umfassen Aluminium und Gold. Die zusätzliche Metallabdichtschicht verringert die Porosität des Kapselungsmittels 121 beträchtlich.
Der FBAR-Stapel 111 kann durch ein Kapselungsmittel bedeckt sein, das sich von dem Kapselungsmittel 121 unterscheidet. Beispielsweise kann ein ein niedriges Profil aufweisendes Ausführungsbeispiel des in 3 gezeigten Gehäuses 54, bei dem die Abdeckung 64 den akustischen Bragg-Reflektor 190 berührt, ein Kapselungsmittel liefern, das den FBAR-Stapel 111 bedeckt.
Bei in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Ausführungsbeispielen der eingekapselten FBAR-Vorrichtungen ist das Kunststoffmaterial der Kunststoff-Bragg-Schichten Polyimid. Polyimid wird von E. I. du Pont de Nemours and Company unter dem Warenzeichen Kapton^® vertrieben. Bei derartigen Ausführungsbeispielen bestehen die Kunststoff-Bragg-Schichten 194 und 198 jeweils aus Polyimid, das mittels Schleuderbeschichtung aufgebracht wurde. Polyimid weist eine akustische Impedanz von etwa 4 Mrayl auf.
Bei anderen Ausführungsbeispielen ist das Kunststoffmaterial der Kunststoff-Bragg-Schichten Poly(paraxylylen). Bei derartigen Ausführungsbeispielen bestehen die Kunststoff-Bragg-Schichten 194 und 198 jeweils aus Poly(paraxylylen), das mittels Aufdampfung aufgebracht wurde. Poly(paraxylylen) ist in der Technik auch als Parylen bekannt. Der Dimer-Vorläufer Di-Paraxylylen, aus dem Parylen hergestellt ist, und Ausrüstung zum Durchführen einer Vakuumaufdampfung von Parylenschichten sind von vielen Lieferanten erhältlich. Parylen weist eine akustische Impedanz von etwa 2,8 Mrayl auf.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist das Kunststoffmaterial der Kunststoff-Bragg-Schichten ein vernetztes Polyphenylenpolymer. Bei derartigen Ausführungsbeispielen bestehen die Kunststoff-Bragg-Schichten 194 und 198 jeweils aus dem mittels Schleuderbeschichtung aufgebrachten vernetzten Polyphenylenpolymer. Vernetzte Polyphenylenpolymere wurden als dielektrische Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante zur Verwendung bei integrierten Schaltungen entwickelt und bleiben folglich bei den hohen Temperaturen, denen das vernetzte Polyphenylenpolymer während der anschließenden Aufbringung und Strukturierung der metallischen Bragg-Schichten des akustischen Bragg-Reflektors 190 ausgesetzt wird, stabil. Die Erfinder entdeckten, dass vernetzte Polyphenylenpolymere zusätzlich eine errechnete akustische Impedanz von etwa 2 Mrayl aufweisen. Die niedrige akustische Impedanz von vernetzten Polyphenylenpolymeren ermöglicht, dass Ausführungsbeispiele des akustischen Bragg-Reflektors 190, bei denen das Kunststoffmaterial der Kunststoff-Bragg-Schichten ein vernetztes Polyphenylenpolymer ist, eine besonders hohe akustische Isolierung liefern.
Vorläuferlösungen, die verschiedene Oligomere enthalten, die polymerisieren, um jeweilige vernetzte Polyphenylenpolymere zu bilden, werden von The Dow Chemical Company, Midland, MI, USA, unter dem Warenzeichen SiLK vertrieben. Die Vorläuferlösungen werden mittels Schleuderbeschichtung aufgebracht. Das vernetzte Polyphenylenpolymer, das aus einer dieser als SiLk^TM J bezeichneten Vorläuferlösungen erhalten wird und das zusätzlich einen Adhäsionsverbesserer enthält, weist eine errechnete akustische Impedanz von 2,1 Mrayl, d. h. etwa 2 Mrayl, auf.
Die Oligomere, die polymerisieren, um vernetzte Polyphenylenpolymere zu bilden, werden aus Monomeren hergestellt, die Biscyclopentadienon und aromatisches Acetylen enthalten. Eine Verwendung derartiger Monomere bildet lösliche Oligomere ohne das Erfordernis einer übermäßigen Substitution. Die Vorläuferlösung enthält ein spezifisches Oligomer, das in Gamma-Butyrolacton- und Cyclohexanon-Lösungsmitteln aufgelöst ist. Der Prozentsatz des Oligomers in der Vorläuferlösung bestimmt die Schichtdicke, wenn die Vorläuferlösung aufgeschleudert wird. Nach der Aufbringung verdampft die Aufbringungswärme die Lösungsmittel und härtet dann das Oligomer aus, um ein vernetztes Polymer zu bilden. Die Biscyclopentadienone reagieren mit den Acetylenen in einer 4 + 2-Cycloadditionsreaktion, die einen neuen aromatischen Ring bildet. Weiteres Aushärten führt zu dem vernetzten Polyphenylenpolymer. Die oben beschriebenen vernetzten Polyphenylenpolymere sind von Godschalx et al. in der US-Patentschrift Nr. 5,965,679 offenbart. Zusätzliche praktische Einzelheiten werden von Martin et al., Development of Low-Dielectric Constant Polymer for the Fabrication of Integrated Circuit Interconnect, 12 ADVANCED MATERIALS, 1769 (2000), beschrieben. Im Vergleich zu Polyimid weisen vernetzte Polyphenylenpolymere eine geringere akustische Impedanz, eine geringere akustische Dämpfung und eine niedrigere Dielektrizitätskonstante auf. Ferner ist eine aufgeschleuderte Schicht der Vorläuferlösung in der Lage, einen qualitativ hochwertigen Film des vernetzten Polyphenylenpolymers mit einer Dicke in der Größenordnung von 200 nm zu erzeugen, was eine typische Dicke der Kunststoff-Bragg-Schichten 194 und 198 ist.
Jede der Bragg-Schichten 192, 194, 196 und 198 weist eine nominelle Dicke auf, die ein Viertel der Wellenlänge in dem Material der Bragg-Schicht eines akustischen Signals aufweist, dessen Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Durchlassbandes des FBAR 110 ist. Bei Bragg-Schichten, die eine Viertelwelle dick sind, präsentiert der akustische Bragg-Reflektor 190 eine errechnete effektive akustische Impedanz von etwa 65 rayl bei Kunststoff-Bragg-Schichten aus Polyimid und etwa 4 rayl bei Kunststoff-Bragg-Schichten aus vernetztem Polyphenylenpolymer. Diese akustischen Impedanzen entsprechen akustischen Isolierungen von etwa 118 dB bzw. 142 dB.
Bei einem Ausführungsbeispiel eines akustischen Bragg-Reflektors 190, der dahin gehend strukturiert ist, bei etwa 2 GHz zu arbeiten, und bei dem das Kunststoffmaterial der Kunststoff-Bragg-Schichten 194 und 198 vernetztes Polyphenylenpolymer ist und das Metall der metallischen Bragg-Schichten 192 und 196 Molybdän ist, beträgt die Dicke der Kunststoff-Bragg-Schichten etwa 190 nm, und die Dicke der metallischen Bragg-Schichten etwa 800 nm. Vorläuferlösungen für vernetzte Polyphenylenpolymere, die dahin gehend formuliert sind, mit einer Dicke von etwa 190 nm aufgeschleudert zu werden, sind im Handel erhältlich. Polyimid kann ebenfalls in Schichten dieser Dicke aufgeschleudert werden. Dementsprechend ist ein Bilden von Kunststoff-Bragg-Schichten 194 und 198 als nominelle Viertelwellenschichten unkompliziert. Dagegen ist ein Aufsputtern von Molybdän in einer Dicke von 800 nm mit einer hohen Materialqualität und ein Strukturieren einer derartigen Schicht unter Verwendung heutiger Produktionstechnologie schwierig. Jedoch bedeutet die große effektive akustischen Impedanzwandlung, die dadurch erhalten wird, dass eine Kunststoff-Bragg-Schicht neben einer Bragg-Schicht aus feuerfestem Metall angeordnet wird, dass eine entsprechend starke akustische Isolierung mit metallischen Bragg-Schichten erhalten werden kann, die wesentlich dünner sind als Viertelwellenschichten. Teststrukturen, die metallische Bragg-Schichten einer Dicke von nur 220 nm (kaum dicker als Sechzehntelwelle-Schichten) verwenden, liefern akzeptable Ergebnisse. Eine Verwendung von metallischen Bragg-Schichten von etwa 300 nm, deren Dicke gleich der Dicke der Elektroden 112 und 114 des FBAR 110 ist, liefert gute Ergebnisse.
Eine Verwendung von metallischen Bragg-Schichten, die dünner sind als Viertelwellenschichten, bei dem akustischen Bragg-Reflektor 190 liefert eine größere proportionale Verringerung der akustischen Isolierung, während die Anzahl von Bragg-Schichten verringert wird. Bei einer Verwendung der heutigen Herstellungstechnologie werden bessere Ergebnisse und niedrigere Kosten üblicherweise erhalten, wenn mehr Bragg-Schichten verwendet werden, bei denen die metallischen Bragg-Schichten dünner sind als Viertelwellenschichten, als wenn weniger Bragg-Schichten verwendet werden, bei denen die metallischen Bragg-Schichten Viertelwellenschichten sind.
4C und 4D sind Querschnittsansichten von vereinfachten Beispielen der eingekapselten FBAR-Vorrichtung 100 gemäß der Erfindung, bei denen der akustische Bragg-Reflektor aus weniger Bragg-Schichten besteht als der in 4B gezeigte akustische Bragg-Reflektor 190. Die in den 4C–4D gezeigten eingekapselten FBAR-Vorrichtungen ähneln in der Draufsicht der in 4A gezeigten eingekapselten FBAR-Vorrichtung 100.
Bei der in 4C gezeigten eingekapselten FBAR-Vorrichtung ist die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 198 (4B) weggelassen, und der akustische Bragg-Reflektor 191 besteht aus der ersten metallischen Bragg-Schicht 192, die zu der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 194 benachbart ist, und der zweiten metallischen Bragg-Schicht 196, die zu der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 194 benachbart ist. Die zweite metallische Bragg-Schicht 196 ist zu der oberen Oberfläche 113 des FBAR-Stapels 111, d. h. zu der Elektrode 114, benachbart. Die Elektrode 114 kann durch eine isolierende Schicht, die wesentlich dünner ist als eine Viertelwellenschicht, elektrisch von der zweiten metallischen Bragg-Schicht 196 isoliert sein. Bei Bragg-Schichten, die eine Viertelwelle dick sind, präsentiert der akustische Bragg-Reflektor 191 eine errechnete effektive akustische Impedanz von etwa 25 Grayl mit Kunststoff-Bragg-Schichten aus Polyimid und von etwa 99 Grayl mit Kunststoff-Bragg-Schichten aus vernetztem Polyphenylenpolymer. Diese akustischen Impedanzen entsprechen akustischen Isolierungen von etwa 74 dB bzw. 86 dB.
Bei der in 4D gezeigten eingekapselten FBAR-Vorrichtung sind die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 198 und die zweite metallische Bragg-Schicht 196 (4B) weggelassen, und der akustische Bragg-Reflektor 193 besteht aus der ersten metallischen Bragg-Schicht 192, die zu der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 194 benachbart ist. Der FBAR 110 befindet sich auf der Oberfläche der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 194. Die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 194 ist zu der oberen Oberfläche 113 des FBAR-Stapels 111 benachbart. Bei Bragg-Schichten einer Viertelwellendicke präsentiert der akustische Bragg-Reflektor 193 eine errechnete effektive akustische Impedanz von etwa 16 krayl mit Kunststoff-Bragg-Schichten aus Polyimid und von etwa 4 krayl mit Kunststoff-Bragg-Schichten aus vernetztem Polyphenylenpolymer. Diese akustischen Impedanzen entsprechen akustischen Isolierungen von etwa 70 dB bzw. 82 dB.
5 ist eine Querschnittsansicht eines zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiels 200 einer eingekapselten FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung 200 ähnelt in der Draufsicht der in 4A gezeigten eingekapselten FBAR-Vorrichtung 100. Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung 200 umfasst den FBAR-Stapel 111, der den FBAR 110 umfasst. Der FBAR 110 ist ein exemplarischer FBAR eines FBAR-Leiterfilters, z. B. des in 1 gezeigten, oder ein exemplarischer FBAR eines Duplexers. Die verbleibenden FBARs eines derartigen Leiterfilters oder Duplexers bilden ferner einen Bestandteil des FBAR-Stapels 111. Jedoch sind die übrigen FBARs bei 5 weggelassen, um die Zeichnung zu vereinfachen. Elemente der eingekapselten FBAR-Vorrichtung 200, die Elementen der oben unter Bezugnahme auf 4A und 4B beschriebenen eingekapselten FBAR-Vorrichtung 100 entsprechen, sind unter Verwendung derselben Bezugszeichen angegeben und werden hier nicht erneut ausführlich beschrieben.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung 200 besteht aus dem Substrat 102, dem FBAR-Stapel 111 über dem Substrat, einem Element, das den FBAR-Stapel von dem Substrat isoliert, dem Kapselungsmittel 121, das den FBAR-Stapel 111 bedeckt, und dem akustischen Bragg-Reflektor 190 zwischen der oberen Oberfläche 113 des FBAR-Stapels 111 und dem Kapselungsmittel 121. Der akustische Bragg-Reflektor 190 umfasst eine erste metallische Bragg-Schicht 192, die zu der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 194 benachbart ist. Bei dem gezeigten Beispiel ist die erste metallische Bragg-Schicht 192 zu dem Kapselungsmittel 121 benachbart, und der akustische Bragg-Reflektor 190 besteht zusätzlich aus der zweiten metallischen Bragg-Schicht 196, die zu der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 194 benachbart ist, und aus der zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 198, die zu der zweiten metallischen Bragg-Schicht 196 benachbart ist. Die Bragg-Schicht 198 ist zu der oberen Oberfläche 113 des FBAR-Stapels 111 benachbart. Bei dem gezeigten Beispiel besteht der Stapel 111 ferner aus einer einzigen FBAR-Vorrichtung 110, die gegenüberliegende planare Elektroden 112 und 114 und ein piezoelektrisches Element 116 zwischen den Elektroden aufweist.
Bei der FBAR-Vorrichtung erfüllt ein zwischen dem FBAR-Stapel 111 und dem Substrat 102 angeordneter akustischer Bragg-Reflektor 180 die Funktion, den FBAR-Stapel 111 von dem Substrat 102 akustisch zu isolieren, wie in der US Patentanmeldung Seriennr. 10/969,744 mit dem Titel Cavityless Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR) Devices, veröffentlicht als US 2005 104690 A1 , beschrieben ist. Außerdem isoliert der akustische Bragg-Reflektor 190 den FBAR-Stapel akustisch von dem Kapselungsmittel 121, wie oben beschrieben wurde. Somit ist der FBAR-Stapel 111 sowohl von dem Substrat 102 als auch von dem Kapselungsmittel 121 akustisch isoliert und kann daher ansprechend auf ein zwischen die Elektroden 112 und 114 des FBAR 110 angelegtes elektrisches Signal frei schwingen.
Der akustische Bragg-Reflektor 180 umfasst eine erste metallische Bragg-Schicht 182, die zu einer ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 benachbart ist. Bei dem gezeigten Beispiel ist die erste metallische Bragg-Schicht 182 zu dem Substrat benachbart, und der akustische Bragg-Reflektor 180 besteht zusätzlich aus einer zweiten metallischen Bragg-Schicht 186, die zu der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 benachbart ist, und aus einer zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 188, die zu der zweiten metallischen Bragg-Schicht 186 benachbart ist.
Die Materialien der metallischen Bragg-Schichten 182 und 186 sind üblicherweise dieselben wie die der oben beschriebenen metallischen Bragg-Schichten 192 und 196, obwohl unterschiedliche Materialien verwendet werden können. Die Materialien der Kunststoff-Bragg-Schichten 184 und 188 sind üblicherweise dieselben wie die der oben beschriebenen metallischen Bragg-Schichten 194 und 198, obwohl unterschiedliche Materialien verwendet werden können. Die Bragg-Schichten 182, 184, 186 und 188 sind nominell Viertelwellenschichten. Jedoch sind die metallischen Bragg-Schichten 182 und 186 ähnlich den metallischen Bragg-Schichten 192 und 196 zur leichteren Herstellung üblicherweise dünner als Viertelwellenschichten.
Ähnlich dem akustischen Bragg-Reflektor 190 kann der akustische Bragg-Reflektor 180 aus mehr oder weniger Bragg-Schichten bestehen als die in 5 beispielhaft genannte Anzahl. Eine der zweiten metallischen Bragg-Schicht 186 und der zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 186, oder beide, kann bzw. können auf ähnliche Weise, wie dies unter Bezugnahme auf 4C und 4D oben beschrieben wurde, weggelassen werden. Überdies weisen typische Materialien des Substrats 102 eine höhere akustische Impedanz auf als das Kapselungsmittel 121, so dass eine effektive akustische Isolierung von dem Substrat 102 dadurch erhalten werden kann, dass die Reihenfolge der ersten metallischen Bragg-Schicht 182 und der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 umgekehrt wird, um die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 184 benachbart zu dem Substrat 102 anzuordnen. Somit besteht ein weiteres Ausführungsbeispiel des akustischen Bragg-Reflektors 180 einfach aus der ersten metallischen Bragg-Schicht 182 und der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184, wobei die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 184 benachbart zu dem Substrat 102 ist, und die erste metallische Bragg-Schicht 182 benachbart zu dem FBAR-Stapel 111 ist. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 186 zwischen der ersten metallischen Bragg-Schicht 182 und dem FBAR-Stapel 111 angeordnet. Bei einem wieder anderen Ausführungsbeispiel sind die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 186 und die zweite metallische Bragg-Schicht 188 in ihrer Reihenfolge zwischen der ersten metallischen Bragg-Schicht 182 und dem FBAR-Stapel 111 angeordnet.
Im Gegensatz zu der eingekapselten FBAR-Vorrichtung 100 benötigt die eingekapselte FBAR-Vorrichtung 200 keine Durchführung einer Freigabeätzung zum Ende des Herstellungsprozesses hin, um Opfermaterial aus dem Hohlraum 104 in dem Substrat 102 der FBAR-Vorrichtung 100 zu entfernen. Die fehlende Notwendigkeit der Durchführung einer Freigabeätzung erhöht die Bandbreite an Materialien, die zum Herstellen der FBAR-Vorrichtung 200 verwendet werden können, da die Materialien nicht mit einer Freigabeätzung kompatibel sein müssen.
Die FBAR-Vorrichtung 200 weist zusätzlich eine Anschlusskontaktstelle 132, eine Anschlusskontaktstelle 134, eine elektrische Bahn 133, die die Anschlusskontaktstelle 132 elektrisch mit der Elektrode 112 verbindet, und eine elektrische Bahn 135, die die Anschlusskontaktstelle 134 elektrisch mit der Elektrode 114 verbindet, auf. Die Anschlusskontaktstellen 132 und 134 werden dazu verwendet, elektrische Verbindungen von der FBAR-Vorrichtung 200 zu (nicht gezeigten) externen elektrischen Verbindungen herzustellen.
6A und 6B sind eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht eines dritten exemplarischen Ausführungsbeispiels 300 einer eingekapselten FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die FBAR-Vorrichtung 300 ist ein Bandpassfilter, bei dem der FBAR-Stapel aus zwei FBARs und einem akustischen Entkoppler zwischen den FBARs besteht. Die FBARs und der akustische Entkoppler bilden einen einzigen entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonator (DSBAR). Das Beispiel der in 6A und 6B gezeigten und nachfolgend beschriebenen FBAR-Vorrichtung 300 weist einen akustischen Bragg-Reflektor auf, der bezüglich seiner Struktur dem akustischen Bragg-Reflektor 190 ähnelt, der oben unter Bezugnahme auf 4A und 4B beschrieben wurde und zwischen der oberen Oberfläche des FBAR-Stapels und dem Kapselungsmittel angeordnet ist, um den FBAR-Stapel akustisch von dem Kapselungsmittel zu isolieren. Der akustische Bragg-Reflektor kann alternativ gemäß der obigen Beschreibung unter Bezugnahme auf 4C und 4D strukturiert sein. Bei dem Beispiel der in den 6A und 6B gezeigten und nachfolgend beschriebenen FBAR-Vorrichtung 300 ist der FBAR-Stapel über einem in dem Substrat definierten Hohlraum aufgehängt, um den FBAR-Stapel akustisch von dem Substrat zu isolieren. Die FBAR-Vorrichtung 300 kann alternativ dazu einen zusätzlichen akustischen Bragg-Reflektor aufweisen, der ähnlich einem der Ausführungsbeispiele des oben unter Bezugnahme auf 5 beschriebenen akustischen Bragg-Reflektors 180 zwischen dem Substrat und dem FBAR-Stapel ist, um den FBAR-Stapel akustisch von dem Substrat zu isolieren.
Die FBAR-Vorrichtung 300 weist ein Substrat 102, einen FBAR-Stapel 311 über dem Substrat, ein Element, das den FBAR-Stapel akustisch von dem Substrat isoliert, ein den FBAR-Stapel bedeckendes Kapselungsmittel 121 und einen akustischen Bragg-Reflektor 190 zwischen der oberen Oberfläche 313 des FBAR-Stapels und dem Kapselungsmittel auf.
Bei der FBAR-Vorrichtung 300 besteht der FBAR-Stapel 111 aus einem unteren FBAR 110, einem über dem unteren FBAR 120 gestapelten oberen FBAR 120 und aus einem akustischen Entkoppler 130 zwischen den FBARs. Der FBAR 110 besteht aus gegenüberliegenden planaren Elektroden 112 und 114 und aus einem piezoelektrischen Element 116 zwischen den Elektroden. Der FBAR 120 besteht aus gegenüberliegenden planaren Elektroden 122 und 124 und einem piezoelektrischen Element 126 zwischen den Elektroden.
Der akustische Entkoppler 130 ist zwischen den FBARs 110 und 120, genauer gesagt zwischen der Elektrode 114 des FBAR 110 und der Elektrode 122 des FBAR 120, angeordnet. Der akustische Entkoppler steuert die Kopplung akustischer Energie zwischen den FBARs 110 und 120. Der akustische Entkoppler koppelt weniger akustische Energie zwischen den FBARs, als durch einen direkten Kontakt zwischen den FBARs gekoppelt würde. Bei dem in 6B gezeigten Beispiel besteht der akustische Entkoppler 130 aus einer akustischen Entkopplungsschicht eines akustischen Entkopplungsmaterials.
Bei dem gezeigten Beispiel ist der FBAR-Stapel 311 über dem in dem Substrat 102 definierten Hohlraum 104 aufgehängt. Der Hohlraum 104 erfüllt die Funktion des akustischen Isolierens des FBAR-Stapels 311 von dem Substrat 102. Außerdem ist der akustische Bragg-Reflektor 190 zwischen dem Kapselungsmittel 121 und der oberen Oberfläche 313 des FBAR-Stapels 311 angeordnet, um den FBAR-Stapel akustisch von dem Kapselungsmittel zu isolieren. Die Struktur des akustischen Bragg-Reflektors 190 wird oben unter Bezugnahme auf 4A und 4B beschrieben. Das große Akustische-Impedanz-Verhältnis zwischen dem Metall der metallischen Bragg-Schichten 192 und 196 und dem Kunststoffmaterial der Kunststoff-Bragg-Schichten 194 und 198 befähigt den akustischen Bragg-Reflektor 190, dem FBAR-Stapel 311 eine sehr niedrige effektive akustische Impedanz zu präsentieren. Das große Akustische-Impedanz-Verhältnis zwischen dem akustischen Bragg-Reflektor 190 und dem FBAR-Stapel 311 befähigt den akustischen Bragg-Reflektor 190, eine ausreichende akustische Isolierung zwischen dem FBAR-Stapel 311 und dem Kapselungsmittel 121 zu liefern, um es den FBARs 110 und 120, die den DSBAR 106 darstellen, zu ermöglichen, ansprechend auf ein elektrisches Signal, das zwischen die Elektroden eines derselben angelegt wird, mechanisch zu schwingen. Die akustische Energie, die in dem FBAR erzeugt wird, der das elektrische Eingangssignal empfängt, gelangt durch den akustischen Entkoppler 130 in den anderen FBAR. Der die akustische Energie empfangende FBAR wandelt einen Teil der akustischen Energie in ein zwischen seinen Elektroden geliefertes elektrisches Ausgangssignal um. Das elektrische Signal, das zwischen den Elektroden des die akustische Energie empfangenden FBAR ausgegeben wird, weist eine Bandpassfrequenzantwortcharakteristik auf, die im Wesentlichen frei von unerwünschten Störartefakten ist, die sich aus einer unerwünschten akustischen Kopplung zwischen dem FBAR-Stapel 311 und dem Kapselungsmittel 121 ergeben.
Bei dem gezeigten Beispiel sind die Elektroden 112 und 114 des FBAR 110 durch elektrische Bahnen 133 bzw. 135 mit den Anschlusskontaktstellen 132 bzw. 134 elektrisch verbunden. Außerdem sind die Elektroden 122 und 124 des FBAR 120 durch elektrische Bahnen 137 und 139 mit den Anschlusskontaktstellen 134 bzw. 138 elektrisch verbunden. Bei einem Ausführungsbeispiel, das eine elektrische Isolierung zwischen Eingang und Ausgang liefert, ist die elektrische Bahn 137 mit einer zusätzlichen (nicht gezeigten) Anschlusskontaktstelle statt mit der Anschlusskontaktstelle 134 verbunden. Die Anschlusskontaktstellen 132, 134 und 138 werden dazu verwendet, elektrische Verbindungen von der FBAR-Vorrichtung 300 zu (nicht gezeigten) externen elektrischen Schaltungen herzustellen.
Bei dem gezeigten Beispiel liefert eine akustische Entkopplungsschicht den akustischen Entkoppler 130. Die akustische Entkopplungsschicht ist ebenfalls eine Viertelwellenschicht aus Kunststoffmaterial. Dasselbe Kunststoffmaterial kann bei der akustischen Entkopplungsschicht und bei den Kunststoff-Bragg-Schichten 194 und 198 verwendet werden. Die akustische Impedanz des Kunststoffmaterials der akustischen Entkopplungsschicht bestimmt die Durchlassbandbreite der FBAR-Vorrichtung 300. Das Erfordernis, eine festgelegte Durchlassbandbreite zu liefern, kann dazu führen, dass die akustische Entkopplungsschicht aus einem anderen Kunststoffmaterial besteht als die Kunststoff-Bragg-Schichten 194 und 198.
7A ist eine Draufsicht eines vierten exemplarischen Ausführungsbeispiels 400 einer eingekapselten FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die FBAR-Vorrichtung 400 ist ein akustisch gekoppelter Filmtransformator (FACT), bei dem der FBAR-Stapel aus vier FBARs besteht, die als zwei entkoppelte gestapelte akustische Volumenresonatoren (DSBARs) angeordnet sind. 7B und 7C sind Querschnittsansichten entlang der Schnittlinien 7B-7B bzw. 7C-7C in 7A. 7D ist eine schematische Zeichnung der elektrischen Schaltungen des in 7A gezeigten und nachstehend beschriebenen Beispiels des FACT 400. Das in 7A und 7B gezeigte und nachfolgend beschriebene Beispiel der FBAR-Vorrichtung 400 weist einen akustischen Bragg-Reflektor auf, der von seiner Struktur her dem akustischen Bragg-Reflektor 190 ähnelt, der oben unter Bezugnahme auf 4A und 4B beschrieben wurde und zwischen der oberen Oberfläche des FBAR-Stapels und dem Kapselungsmittel angeordnet ist, um den FBAR-Stapel akustisch von dem Kapselungsmittel zu isolieren. Der akustische Bragg-Reflektor kann alternativ dazu wie oben unter Bezugnahme auf 4C und 4D beschrieben strukturiert sein. Bei dem in 7A und 7B gezeigten und nachstehend beschriebenen Beispiel der FBAR-Vorrichtung 400 ist der FBAR-Stapel über einem in dem Substrat definierten Hohlraum aufgehängt, um den FBAR-Stapel akustisch von dem Substrat zu isolieren. Die FBAR-Vorrichtung 400 kann alternativ dazu einen zusätzlichen akustischen Bragg-Reflektor aufweisen, der ähnlich einem der Ausführungsbeispiele des oben unter Bezugnahme auf 5 beschriebenen akustischen Bragg-Reflektors 180 zwischen dem Substrat und dem FBAR-Stapel ist, um den FBAR-Stapel akustisch von dem Substrat zu isolieren.
Der FACT 400 weist ein Substrat 102, einen FBAR-Stapel 411 über dem Substrat, ein Element, das den FBAR-Stapel akustisch von dem Substrat isoliert, ein Kapselungsmittel 121, das den FBAR-Stapel bedeckt, und einen akustischen Bragg-Reflektor 190 zwischen der oberen Oberfläche 413 des FBAR-Stapels und dem Kapselungsmittel auf. Der FBAR-Stapel 411 umfasst einen gestapelten akustischen Volumenresonator (DSBAR) 106 und einen DSBAR 108. Der DSBAR 106 besteht aus dem unteren FBAR 110, dem oberen FBAR 120, der auf dem unteren FBAR 110 gestapelt ist, und dem akustischen Entkoppler 130 zwischen den FBARs. Der DSBAR 108 besteht aus einem unteren FBAR 150, einem oberen FBAR 160, der auf dem unteren FBAR 150 gestapelt ist, und einem akustischen Entkoppler 170 zwischen den FBARs. Der FACT 400 besteht zusätzlich aus einer elektrischen Schaltung, die die unteren FBARs 110 und 150 der DSBARs 106 bzw. 108 miteinander verbindet, und einer elektrischen Schaltung, die die oberen FBARs 120 und 160 der DSBARs 106 bzw. 108 miteinander verbindet. 7D zeigt ein Beispiel, bei dem eine elektrische Schaltung 141 den unteren FBAR 110 des DSBAR 106 und den unteren FBAR 150 des DSBAR 108 antiparallel verbindet, und bei dem eine elektrische Schaltung 142 den oberen FBAR 120 des DSBAR 106 und den oberen FBAR 160 des DSBAR 108 in Reihe verbindet.
Bei dem DSBAR 106 besteht der untere FBAR 110 aus gegenüberliegenden planaren Elektroden 112 und 114 und einem piezoelektrischen Element 116 zwischen den Elektroden, und der obere FBAR 120 besteht aus gegenüberliegenden planaren Elektroden 122 und 124 und einem piezoelektrischen Element 126 zwischen den Elektroden. Bei dem DSBAR 108 besteht der untere FBAR 150 aus gegenüberliegenden planaren Elektroden 152 und 154 und einem piezoelektrischen Element 156 zwischen den Elektroden, und der obere FBAR 160 besteht aus gegenüberliegenden planaren Elektroden 162 und 164 und einem piezoelektrischen Element 166 zwischen den Elektroden.
Bei dem FACT 400 befindet sich der akustische Entkoppler 130 des DSBAR 106 zwischen dem unteren FBAR 110 und dem oberen FBAR 120; genauer gesagt zwischen der Elektrode 114 des unteren FBAR 110 und der Elektrode 122 des oberen FBAR 120. Der akustische Entkoppler 130 steuert die Kopplung akustischer Energie zwischen dem FBAR 110 und dem FBAR 120. Der akustische Entkoppler 130 koppelt weniger akustische Energie zwischen den FBARs 110 und 120 als gekoppelt würde, wenn die FBARs in direktem Kontakt zueinander stünden, wie sie es bei einem herkömmlichen gestapelten akustischen Volumenresonator (SBAR) wären. Überdies befindet sich der akustische Entkoppler 170 des DSBAR 108 zwischen den FBARs 150 und 160; genauer gesagt zwischen der Elektrode 154 des unteren FBAR 150 und der Elektrode 162 des oberen FBAR 160. Der akustische Entkoppler 170 steuert das Koppeln akustischer Energie zwischen den FBARs 150 und 160. Der akustische Entkoppler 170 koppelt weniger akustische Energie zwischen den FBARs 150 und 160 als gekoppelt würde, wenn die FBARs in direktem Kontakt zueinander stünden. Das durch die akustischen Entkoppler 130 und 170 definierte Koppeln akustischer Energie bestimmt die Durchlassbandbreite des FACT 400.
Bei dem in 7A–7C gezeigten Beispiel sind die akustischen Entkoppler 130 und 170 jeweilige Bestandteile einer akustischen Entkopplungsschicht 131. Bei anderen Ausführungsbeispielen bestehen die akustischen Entkoppler 130 und 170 jeweils aus akustischen Entkopplungsschichten aus akustischen Entkopplungsmaterialien, die unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen, wie in der US-Patentanmeldung Seriennummer 10/965,449 von John D. Larson et al., veröffentlicht als US 2005 093658 A1 , mit dem Titel Pass Bandwidth Controlled in Decoupled Stacked Bulk Acoustic Resonator Devices (Agilent Anwaltsaktenzeichen Nr. 10040955-1), die an die Anmelderin der vorliegenden Offenbarung übertragen ist, beschrieben ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind die akustischen Entkoppler 130 und 170 strukturell unabhängig.
Der akustische Bragg-Reflektor 190, der zwischen der oberen Oberfläche 413 des FBAR-Stapels 411 und dem Kapselungsmittel 121 angeordnet ist, liefert eine akustische Isolierung zwischen den DSBARs 106 und 108 und dem Kapselungsmittel. Die Struktur des akustischen Bragg-Reflektors 190 wird oben unter Bezugnahme auf 4A und 4B beschrieben. Das große Akustische-Impedanz-Verhältnis zwischen dem Metall der metallischen Bragg-Schichten 192 und 196 und dem Kunststoffmaterial der Kunststoff-Bragg-Schichten 194 und 198 befähigt den akustischen Bragg-Reflektor 190, dem DSBAR 106 und dem DSBAR 108 eine sehr hohe effektive Impedanz zu präsentieren. Das große Akustische-Impedanz-Verhältnis zwischen dem akustischen Bragg-Reflektor 190 und den DSBARs 106 und 108 befähigt den akustischen Bragg-Reflektor 190, zwischen den DSBARs 106 und 108 und dem Kapselungsmittel 121 eine ausreichende akustische Isolierung zu liefern, um zu ermöglichen, dass die FBARs 110 und 120 ansprechend auf ein elektrisches Eingangssignal, das zwischen den Elektroden eines derselben angelegt wird, mechanisch zu schwingen, und um zu ermöglichen, dass die FBARs 150 und 160 ansprechend auf ein elektrisches Eingangssignal, das zwischen die Elektroden eines derselben angelegt wird, mechanisch zu schwingen. Bei jedem DSBAR gelangt die akustische Energie, die in dem FBAR erzeugt wird, der das elektrische Eingangssignal empfängt, durch den jeweiligen akustischen Entkoppler 130 oder 170 zu dem anderen FBAR. Der die akustische Energie empfangende FBAR wandelt einen Teil der akustischen Energie in ein elektrisches Ausgangssignal um, das zwischen seinen Elektroden bereitgestellt wird. Das zwischen den Elektroden des die akustische Energie aufnehmenden FBAR ausgegebene elektrische Signal weist eine Bandpassfrequenzantwortcharakteristik auf, die im Wesentlichen frei von unerwünschten Störartefakten ist.
7D zeigt schematisch ein Beispiel der elektrischen Schaltungen, die die DSBARs 106 und 108 miteinander verbinden und die die DSBARs 106 und 108 mit (nicht gezeigten) externen elektrischen Schaltungen verbinden. Die elektrische Schaltung 141 verbindet die unteren FBARs 110 und 150 auf antiparallele Weise und mit einem Signalanschluss 143 und einem Masseanschluss 144. Bei dem in den 7A–7C gezeigten Ausführungsbeispiel liefert die Anschlusskontaktstelle 138 einen Signalanschluss 143, und die Anschlusskontaktstellen 132 und 172 liefern einen Masseanschluss 144. Bei dem Ausführungsbeispiel wird die elektrische Schaltung 141 durch eine elektrische Bahn 133, die sich von der Anschlusskontaktstelle 132 zu der Elektrode 112 des FBAR 110 erstreckt, durch eine elektrische Bahn 137, die sich von der Elektrode 114 des FBAR 110 zu einer Verbindungskontaktstelle 136 erstreckt, die in elektrischem Kontakt mit einer Verbindungskontaktstelle 176 steht, durch eine elektrische Bahn 139, die sich von der Verbindungskontaktstelle 176 zu einer Signalkontaktstelle 138 erstreckt, durch eine elektrische Bahn 177, die sich von der Verbindungskontaktstelle 176 zu der Elektrode 152 des FBAR 150 erstreckt, durch eine elektrische Bahn 173, die sich von einer Elektrode 154 des FBAR 150 zu der Anschlusskontaktstelle 172 erstreckt, und durch eine elektrische Bahn 167, die die Anschlusskontaktstellen 132 und 172 miteinander verbindet, geliefert.
Bei dem in 7D gezeigten exemplarischen elektrischen Diagramm verbindet die elektrische Schaltung 142 die oberen FBARs 120 und 160 in Reihe und mit Signalanschlüssen 145 und 146 und mit einem optionalen Mittelabgriffsanschluss 147. Bei dem in 7A–7C gezeigten Ausführungsbeispiel liefern die Anschlusskontaktstellen 134 und 174 Signalkontaktstellen 145 und 146, und die Anschlusskontaktstelle 178 liefert den Mittelabgriffsanschluss 147. Bei dem Ausführungsbeispiel wird die elektrische Schaltung 142 durch eine elektrische Bahn 135, die sich von der Anschlusskontaktstelle 134 zu der Elektrode 124 des FBAR 120 erstreckt, durch eine elektrische Bahn 171, die sich von der Elektrode 122 des FBAR 120 zur Elektrode 162 des FBAR 160 erstreckt, durch eine elektrische Bahn 179, die sich von der Bahn 171 zu dem Mittelabgriff 137 erstreckt, und durch eine elektrische Bahn 175, die sich von der Elektrode 164 des FBAR 160 zu der Anschlusskontaktstelle 174 erstreckt, geliefert. Ebenfalls gezeigt sind Anschlusskontaktstellen 163 und 168, die durch eine elektrische Bahn 169 miteinander verbunden sind und die lokale Massen für die Anschlusskontaktstellen 134 und 174 liefern. Bei dem gezeigten Beispiel erstreckt sich die elektrische Bahn 169 zusätzlich zu der Anschlusskontaktstelle 178. Bei anderen Beispielen wird die Anschlusskontaktstelle 178 floatend belassen.
Die in 7D veranschaulichten elektrischen Verbindungen liefern einen FACT mit einer symmetrischen Primärwicklung und einem Impedanzwandlungsverhältnis von 4:1, oder einen FACT mit einer symmetrischen Sekundärwicklung und einem Impedanzwandlungsverhältnis von 1:4. Die unteren FBARs können alternativ parallel, in Reihe und in Anti-Reihe miteinander verbunden sein, und die oberen FBARs können alternativ parallel, antiparallel und in Anti-Reihe miteinander verbunden sein, um andere Impedanzwandlungsverhältnisse zu erzielen, wie in der nachfolgenden Tabelle 1 gezeigt ist.

Parallel Reihe Antiparallel Anti-Reihe

Parallel U 1:1 NIEDRIG X X U 1:4

Reihe X B 1:1 HOCH B 4:1 X

Antiparallel X B 1:4 B 1:1 NIEDRIG X

Anti-Reihe U 4:1 X X U 1:1 HOCH
In der Tabelle 1 geben die Reihenbezeichnungen die Konfiguration der elektrischen Schaltung 141 an, und die Spaltenbezeichnungen geben die Konfiguration der elektrischen Schaltung 142 an, B gibt an, dass der FACT elektrisch symmetrisch ist, U gibt an, dass der FACT asymmetrisch ist, und X gibt einen funktionsuntüchtigen FACT an. Das gezeigte Impedanzwandlungsverhältnis ist die Impedanzwandlung von der durch die Reihenbezeichnung angegebenen Konfiguration der elektrischen Schaltung 141 zu der durch die Spaltenbezeichnung angegebenen Konfiguration der elektrischen Schaltung 142. Für die Konfigurationen, die ein Impedanzwandlungsverhältnis von 1:1 aufweisen, bezeichnet NIEDRIG, dass der FACT eine niedrige Impedanz aufweist, die äquivalent zu der von zwei parallel geschalteten FBARs ist, und HOCH gibt an, dass der FACT eine hohe Impedanz aufweist, die äquivalent zu der von zwei in Reihe geschalteten FBARs ist.
Eine Wafer-Ebene-Herstellung wird verwendet, um tausende von FBAR-Vorrichtungen, die den oben beschriebenen FBAR-Vorrichtungen 100, 200, 300 oder 400 ähneln, gleichzeitig herzustellen. Auf Grund einer derartigen Wafer-Ebene-Herstellung werden die FBAR-Vorrichtungen kostengünstig in der Herstellung. Ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens, das dazu verwendet wird, ein Ausführungsbeispiel der oben unter Bezugnahme auf 6A und 6B beschriebenen FBAR-Vorrichtung 300 herzustellen, wird als Nächstes unter Bezugnahme auf die Draufsichten der 8A–8M und der Querschnittsansichten der 8K–8Z beschrieben. Mit unterschiedlichen Masken kann der Prozess auch dazu verwendet werden, Ausführungsbeispiele der FBAR-Vorrichtungen 100, 200 und 400 herzustellen. Das Durchlassband des Ausführungsbeispiels der FBAR-Vorrichtung 300, deren Herstellung beschrieben wird, weist eine nominelle Mittenfrequenz von etwa 1,9 GHz auf. Ausführungsbeispiele zum Betrieb bei anderen Frequenzen sind bezüglich der Struktur und Herstellung ähnlich, weisen jedoch andere Dicken und laterale Abmessungen als die nachstehend beispielhaft Aufgeführten auf. Das Beispiel der FBAR-Vorrichtung 300, deren Herstellung nachstehend beschrieben wird, weist einen akustischen Bragg-Reflektor auf, der bezüglich seiner Struktur dem oben unter Bezugnahme auf 4A und 4B beschriebenen akustischen Bragg-Reflektor 190 ähnelt. Der beschriebene Prozess kann dahin gehend modifiziert werden, weniger Bragg-Schichten aufzubringen, um akustische Bragg-Reflektoren herzustellen, die so strukturiert sind, wie dies oben unter Bezugnahme auf 4C und 4D beschrieben wurde.
Es ist ein Wafer aus einem Einkristall-Silizium vorgesehen. Ein Teil des Wafers stellt für jede in der Herstellung befindliche FBAR-Vorrichtung ein Substrat dar, das dem Substrat 102 der FBAR-Vorrichtung 300 entspricht. 8A–8M und 8K–8Z veranschaulichen, und die folgende Beschreibung beschreibt die Herstellung der FBAR-Vorrichtung 300 in und auf einem Abschnitt des Wafers, der das Substrat 102 bildet. Während die FBAR-Vorrichtung 300 hergestellt wird, werden die übrigen FBAR-Vorrichtungen auf dem Wafer auf ähnliche Weise hergestellt.
Der Wafer wird selektiv einer Nassätzung unterzogen, um einen Hohlraum 104, wie in 8A und 8N gezeigt ist, in der Position jeder FBAR-Vorrichtung zu bilden. Eine Schicht aus einem Füllmaterial (nicht gezeigt) wird mit einer Dicke, die ausreichend ist, um jeden Hohlraum zu füllen, auf die Oberfläche des Wafers aufgebracht. Die Oberfläche des Wafers wird anschließend planarisiert, wobei danach jeder Hohlraum mit Füllmaterial gefüllt ist. 8A und 8N zeigen ferner den Hohlraum 104 in dem Substrat 102, der mit einem Füllmaterial 105 gefüllt ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel war das Füllmaterial Phosphosilikatglas (PSG), das unter Verwendung eines chemischen Tiefdruck-Aufdampfens (LPCVD – low-pressure chemical vapor deposition) aufgebracht wurde. Das Füllmaterial kann alternativ dazu mittels Sputtern oder Aufschleudern aufgebracht werden.
Als Alternative dazu, den Hohlraum 104 zu bilden und mit dem Füllmaterial 105 zu füllen, werden abwechselnde Bragg-Schichten aus Metall und Kunststoff auf die Oberfläche des Wafers 102 aufgebracht und dahin gehend strukturiert, einen akustischen Bragg-Reflektor zu definieren, der ähnlich dem in 5 gezeigten akustischen Bragg-Reflektor 180 ist. Der akustische Bragg-Reflektor 180 oder der Hohlraum 104 erfüllt die Funktion des akustischen Isolierens des FBAR-Stapels 311 (6B) von dem Substrat 102, wie oben beschrieben wurde.
Eine erste Metallschicht wird auf die Hauptoberfläche des Substrats 102 und des Füllmaterials 105 aufgebracht. Die erste Metallschicht wird wie in den 8A und 8N gezeigt dahin gehend strukturiert, die Elektrode 112, die Anschlusskontaktstelle 132 und die sich zwischen der Elektrode 112 und der Anschlusskontaktstelle 132 erstreckende elektrische Bahn 133 zu definieren.
Die Elektrode 112 weist in der Regel eine asymmetrische Form in einer zu der Hauptoberfläche des Wafers parallelen Ebene auf. Eine asymmetrische Form minimiert laterale Modi in dem FBAR 110 (6B), von dem die Elektrode 112 ein Bestandteil ist. Dies ist in der US-Patentschrift Nr. 6,215,375 von Larson III et al., deren Offenbarung durch Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung aufgenommen ist, beschrieben. Die Elektrode 112 belässt einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105 freiliegend, so dass das Füllmaterial später mittels Ätzen beseitigt werden kann, wie nachstehend beschrieben wird.
Unter weiterer Bezugnahme auf 6B ist die Elektrode 114 in einer zweiten Metallschicht definiert, die Elektrode 122 ist in einer dritten Metallschicht definiert, und die Elektrode 124 ist in einer vierten Metallschicht definiert, wie nachstehend ausführlich beschrieben wird. Die Metallschichten, in denen die Elektroden definiert sind, sind derart strukturiert, dass die Elektroden 112 und 114 des FBAR 110 in jeweiligen Ebenen, die zu der Hauptoberfläche des Wafers parallel sind, dieselbe Form, Größe, Orientierung und Position aufweisen, und dass die Elektroden 122 und 124 des FBAR 120 dieselbe Form, Größe, Orientierung und Position aufweisen. Üblicherweise weisen die Elektroden 114 und 122 zusätzlich dieselbe Form, Größe, Orientierung und Position auf.
Bei einem Ausführungsbeispiel war das Material jeder der Metallschichten Molybdän, das mittels Sputtern in einer Dicke von etwa 300 nm aufgebracht wurde. Die Metallschichten wurden jeweils mittels Trockenätzen strukturiert. Die in jeder der dritten mit sechsten Metallschicht definierten Elektroden waren zu einer Fläche von etwa 12.000 μm² pentagonal. Andere Elektrodenflächen ergeben andere charakteristische Impedanzen. Andere feuerfeste Metalle wie z. B. Wolfram, Niob und Titan können alternativ als das Material der Metallschichten verwendet werden. Die Metallschichten können jeweils alternativ Schichten aus mehr als einem Material umfassen.
Ein Faktor, der beim Auswählen des Materials der Elektroden der FBAR-Vorrichtung 300 zu berücksichtigen ist, sind die akustischen Eigenschaften des Elektrodenmaterials: die akustischen Eigenschaften des Materials bzw. der Materialien der übrigen Metallteile der FBAR-Vorrichtung sind weniger wichtig als andere Eigenschaften, z. B. die elektrische Leitfähigkeit. Somit kann sich das Material bzw. können sich die Materialien der übrigen Metallteile der FBAR-Vorrichtung 300 von dem Material der Elektroden unterscheiden.
Eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material wird aufgebracht und, wie in 8B und 80 gezeigt ist, dahin gehend strukturiert, das piezoelektrische Element 116 zu definieren. Die piezoelektrische Schicht ist dahin gehend strukturiert, die Elektrode 112 zu bedecken, jedoch die Anschlusskontaktstelle 132 und einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105 freizulegen. Andere Abschnitte des piezoelektrischen Elements 116 erstrecken sich über das Substrat 102 außerhalb des Hohlraums 104.
Bei einem Ausführungsbeispiel war das piezoelektrische Material, das aufgebracht wurde, um das piezoelektrische Element 116 und das piezoelektrische Element 126, das nachfolgend beschrieben werden, zu bilden, Aluminiumnitrid und wurde mit einer Dicke von etwa 1,4 μm mittels Sputtern aufgebracht. Das piezoelektrische Material wurde anhand von Nassätzen in Kaliumhydroxid oder anhand von Trockenätzen auf Chlorbasis strukturiert. Alternative Materialien für die piezoelektrischen Schichten 116 und 126 umfassen Zinkoxid, Kadmiumsulfid und gepolte ferroelektrische Materialien wie z. B. ferroelektrische Perowskit-Materialien, einschließlich Bleizirconiumtitanat, Bleimetaniobat und Bariumtitanat.
Die zweite Metallschicht wird aufgebracht und dahin gehend strukturiert, die Elektrode 114, die Anschlusskontaktstelle 134 und die elektrische Bahn 135, die sich zwischen der Elektrode 114 und der Anschlusskontaktstelle 134 erstreckt, zu definieren, wie in 8C und 8P gezeigt ist. Damit ist die Herstellung des FBAR 110 abgeschlossen.
Anschließend wird eine Schicht aus akustischem Entkopplungsmaterial aufgebracht und dahin gehend strukturiert, den akustischen Entkoppler 130 zu definieren, wie in den 8D und 8Q gezeigt ist. Der akustische Entkoppler 130 wird dahin gehend strukturiert, zumindest die Elektrode 114 zu bedecken, und wird zusätzlich dahin gehend strukturiert, die Anschlusskontaktstellen 132 und 134 und einen Teil des Füllmaterials 105 freizulegen. Der akustische Entkoppler ist üblicherweise eine dritte Bragg-Schicht aus Kunststoffmaterial.
Bei einem Ausführungsbeispiel war das akustische Entkopplungsmaterial des akustischen Entkopplers 130 Polyimid mit einer Dicke von etwa 200 nm, d. h. einem Viertel der Mittenfrequenzwellenlänge in dem Polyimid. Das Polyimid wurde mittels Schleuderbeschichtung aufgebracht und mittels Photolithographie strukturiert. Polyimid ist lichtempfindlich, so dass kein Photoresist benötigt wird. Wie oben angemerkt wurde, können als akustisches Entkopplungsmaterial auch andere Kunststoffmaterialien verwendet werden. Das akustische Entkopplungsmaterial kann anhand anderer Verfahren als Schleuderbeschichten aufgebracht werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem das akustische Entkopplungsmaterial Polyimid war, wurde der Wafer anfänglich bei einer Temperatur von etwa 250°C an der Luft und schließlich bei einer Temperatur von etwa 415°C in einer inerten Atmosphäre, z. B. einer Stickstoffatmosphäre, gehärtet, bevor eine weitere Verarbeitung durchgeführt wurde. Das Härten bringt flüchtige Bestandteile des Polyimids zum Verdampfen und verhindert, dass die Verdampfung derartiger flüchtiger Bestandteile während eines nachfolgenden Verarbeitens eine Trennung von anschließend aufgebrachten Schichten bewirkt.
Die dritte Metallschicht wird aufgebracht und dahin gehend strukturiert, die Elektrode 122 und die elektrische Bahn 137, die sich von der Elektrode 122 zu der Anschlusskontaktstelle 134 erstreckt, zu definieren, wie in 8E und 8R gezeigt ist. Die Anschlusskontaktstelle 134 ist ebenfalls durch die Bahn 135 elektrisch mit der Elektrode 114 verbunden.
Eine zweite Schicht aus piezoelektrischem Material wird aufgebracht und dahin gehend strukturiert, das piezoelektrische Element 126 zu definieren, wie in 8F und 8S gezeigt ist. Die zweite piezoelektrische Schicht ist dahin gehend strukturiert, Anschlusskontaktstellen 132 und 134 und einen Teil des Füllmaterials 105 freizulegen.
Die vierte Metallschicht wird aufgebracht und dahin gehend strukturiert, die Elektrode 124, die Anschlusskontaktstelle 138 und die elektrische Bahn 139, die sich von der Elektrode 124 zu der Anschlusskontaktstelle 138 erstreckt, zu definieren, wie in den 8G und 8T gezeigt ist. Damit ist die Herstellung des FBAR 120 und des FBAR-Stapels 311 abgeschlossen.
Auf die freiliegenden Oberflächen der Anschlusskontaktstellen 132, 134 und 138 wird eine (nicht gezeigte) Schutzschicht aus Gold aufgebracht. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen das Kapselungsmittel metallisiert wird, wie nachfolgend beschrieben wird, wird außerdem über jede der elektrischen Bahnen 133, 137 und 139 eine (nicht gezeigte) isolierende Schicht aufgebracht.
Eine Schicht aus Kunststoffmaterial wird auf die obere Oberfläche 313 des FBAR-Stapels 311 aufgebracht und wird, wie in den 8H und 8U gezeigt ist, dahin gehend strukturiert, die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 198 zu bilden.
Bei einem Ausführungsbeispiel war das Kunststoffmaterial, das aufgebracht wurde, um die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 198 und die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 194, deren Aufbringung nachfolgend beschrieben wird, zu bilden, Polyimid. Das Polyimid wurde aufgeschleudert, gehärtet und dahin gehend strukturiert, die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 198 und die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 194 mit jeweils einer Dicke von etwa 200 nm, d. h. einem Viertel der Mittenfrequenzwellenlänge in dem Polyimid, zu definieren. Das Strukturieren des Poyimids erfolgt wie nachstehend beschrieben wird. Nachdem jede Schicht aus Polyimid aufgebracht wurde, wurde der Wafer anfänglich bei einer Temperatur von etwa 250°C an der Luft und schließlich bei einer Temperatur von etwa 415°C in einer inerten Atmosphäre, z. B. Stickstoffatmosphäre, gehärtet, bevor eine weitere Verarbeitung durchgeführt wurde. Das Härten bringt flüchtige Bestandteile des Polyimids zum Verdampfen und verhindert, dass die Verdampfung derartiger flüchtiger Bestandteile während einer nachfolgenden Bearbeitung eine Trennung von anschließend aufgebrachten Schichten bewirkt.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel war das Kunststoffmaterial, das aufgebracht wurde, um die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 198 und die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 194 zu bilden, Parylen, das mittels Vakuumaufdampfung aus dem Dimer-Vorläufer Diparaxylylen aufgebracht wurde.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel war das Kunststoffmaterial, das aufgebracht wurde, um die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 198 und die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 194 zu bilden, eine Vorläuferlösung für ein vernetztes Polyphenylenpolymer. Die Vorläuferlösung wurde aufgeschleudert, gehärtet und dahin gehend strukturiert, die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 198 und die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 194 mit jeweils einer Dicke von etwa 187 nm, d. h. einem Viertel der Mittenfrequenzwellenlänge in dem vernetzten Polyphenylenpolymer, zu definieren. Im Folgenden wird die Strukturierung von vernetztem Polyphenylenpolymer beschrieben. Bei einem Beispiel war die Vorläuferlösung für das vernetzte Polyphenylenpolymer eine Vorläuferlösung, die von The Dow Chemical Company vertrieben und als SiLK^TM J bezeichnet wird. Alternativ dazu kann die Vorläuferlösung eine beliebige geeignete der Vorläuferlösungen sein, die derzeit oder in Zukunft von The Dow Chemical Company unter dem Warenzeichen SiLK vertrieben werden. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen wurde eine Schicht aus einem Adhäsionsverbesserer aufgebracht, bevor die Vorläuferlösung aufgeschleudert wurde. Vorläuferlösungen, die Oligomere enthalten, die, wenn sie gehärtet werden, ein vernetztes Polyphenylenpolymer bilden, das eine akustische Impedanz von etwa 2 Mrayl aufweist, können jetzt oder in Zukunft von anderen Lieferanten erhältlich sein und können eventuell ebenfalls verwendet werden. Nachdem jede Schicht der Vorläuferlösung aufgebracht wurde, wurde der Wafer bei einer Temperatur im Bereich zwischen etwa 385°C und etwa 450°C in einer inerten Umgebung, z. B. unter Vakuum oder in einer Stickstoffatmosphäre, gehärtet, bevor eine weitere Verarbeitung durchgeführt wurde. Das Härten vertreibt zuerst die organischen Lösungsmittel aus der Vorläuferlösung und bewirkt anschließend, dass sich das Oligomer vernetzt, wie oben beschrieben wurde, um das vernetzte Polyphenylenpolymer zu bilden.
Auf die Oberfläche der zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 wird eine fünfte Metallschicht aufgebracht und dahin gehend strukturiert, die zweite metallische Bragg-Schicht 196 zu definieren, wie in 8I und 8V gezeigt ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel waren die fünfte und die sechste Metallschicht, deren Aufbringung nachfolgend beschrieben wird, jeweils Schichten aus Molybdän, die jeweils in einer Dicke von etwa 800 nm mittels Sputtern aufgebracht wurden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel mit drei oder mehr Bragg-Schichten betrug die Dicke der fünften Metallschicht und der sechsten Metallschicht 300 nm, wie oben beschrieben wurde. Die Metallschichten wurden mittels Trockenätzen strukturiert. Andere feuerfeste Metalle wie z. B. Wolfram, Niob und Titan können alternativ dazu als das Material der fünften und der sechsten Metallschicht verwendet werden.
Eine Schicht aus Kunststoffmaterial wird wie oben beschrieben auf die Oberfläche der zweiten metallischen Bragg-Schicht 196 aufgebracht und wurde dahin gehend strukturiert, die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 194 zu definieren, wie in 8J und 8W gezeigt ist.
Die sechste Metallschicht wird auf die Oberfläche der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 194 aufgebracht und dahin gehend strukturiert, die erste metallische Bragg-Schicht 192 zu definieren, wie in 8K und 8X gezeigt ist. Die Aufbringung der sechsten Metallschicht, um die erste metallische Bragg-Schicht 192 zu bilden, schließt die Herstellung des akustischen Bragg-Reflektors 190 ab.
Der FBAR-Stapel 311 und der akustische Bragg-Reflektor 190 werden anschließend durch das Kapselungsmittel 121 bedeckt, wie in 8M und 8Z gezeigt ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein Tropfen eines Kapselungsmaterials auf die freiliegende Oberfläche des akustischen Bragg-Reflektors 190 aufgebracht. Das Kapselungsmaterial läuft von dem akustischen Bragg-Reflektor herunter, um die Oberseite und die Seiten des akustischen Bragg-Reflektors 190 und des FBAR-Stapels 311 zu bedecken. Das Kapselungsmaterial wird gehärtet, um das Kapselungsmittel 121 zu bilden. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Kapselungsmaterial Polyimid. Das Polyimid-Kapselungsmaterial wird wie oben beschrieben gehärtet, um das Kapselungsmittel 121 zu bilden.
Bei anderen Ausführungsbeispielen wird das Kapselungsmaterial mittels Spritzgießen aufgebracht. Alternative Kapselungsmaterialien sind ein kaltvulkanisierender Gummi (RTV – room-temperature vulcanizing rubber), ein glasbeladenes Epoxid oder ein anderes geeignetes Kapselungsmaterial. Andere Anwendungstechniken sind möglich.
Bei Ausführungsbeispielen, die eine hermetische Kapselung benötigen, wird ein zusätzlicher Prozess durchgeführt, bei dem das gehärtete Kapselungsmaterial mit einer (nicht gezeigten) Metallabdichtschicht bedeckt wird, um das Kapselungsmittel 121 zu bilden. Geeignete Materialien der Metallabdichtschicht umfassen Aluminium und Gold. Die Metallabdichtschicht verringert die Porosität des Kapselungsmittels beträchtlich. Die Metallabdichtschicht wird dahin gehend strukturiert, die Anschlusskontaktstellen 132, 134 und 138 freizulegen. Die oben beschriebene isolierende Schicht, die vor der Kapselung auf die elektrischen Bahnen 133, 137 und 139 aufgebracht wird, verhindert, dass die Metallabdichtschicht die elektrischen Bahnen elektrisch miteinander verbindet. Alternativ dazu kann das Kapselungsmittel 121 die Anschlusskontaktstellen bedecken. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel erstrecken sich Durchkontaktierungen durch das Substrat 102, um die Anschlusskontaktstellen 132, 134 und 138 mit Anschlusskontaktstellen zu verbinden, die gegenüber den Anschlusskontaktstellen 132, 134 und 138 auf der Oberfläche 103 des Substrats 102 angeordnet sind.
Anschließend wird der Wafer in einzelne FBAR-Vorrichtungen, einschließlich der FBAR-Vorrichtung 300, unterteilt.
Die FBAR-Vorrichtung 300 ist in einer elektrischen Wirtsvorrichtung, z. B. einem drahtlosen Telefon, angebracht, und elektrische Verbindungen werden zwischen den Anschlusskontaktstellen 132, 134 und 138 der FBAR-Vorrichtung und Kontaktstellen, die Bestandteil der Wirtsvorrichtung sind, hergestellt.
Wie oben erwähnt wurde, ist ein alternatives akustisches Entkopplungsmaterial des akustischen Entkopplers 130 ein vernetztes Polyphenylenpolymer. Nachdem die dritte Metallschicht dahin gehend strukturiert wurde, die Elektrode 114 zu definieren, wie oben unter Bezugnahme auf 8C und 8P beschrieben wurde, wird die Vorläuferlösung für das vernetzte Polyphenylenpolymer auf eine Weise aufgeschleudert, die der oben unter Bezugnahme auf 8D und 8Q beschriebenen ähnelt, wird jedoch nicht strukturiert. Die Formulierung der Vorläuferlösung und die Aufschleudergeschwindigkeit werden so ausgewählt, dass das vernetzte Polyphenylenpolymer eine Schicht mit einer Dicke von etwa 187 nm bildet. Dies entspricht einem Viertel der Wellenlänge λ_n in dem vernetzten Polyphenylenpolymer eines akustischen Signals, das eine Frequenz aufweist, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlassbandes der FBAR-Vorrichtung 300 ist. Der Wafer wird anschließend gemäß der obigen Beschreibung gehärtet, um zu bewirken, dass sich das Oligomer, das einen Bestandteil der Vorläuferlösung darstellt, vernetzt, um das vernetzte Polyphenylenpolymer zu bilden.
Anschließend wird die dritte Metallschicht auf eine Weise, die der oben unter Bezugnahme auf 8E und 8R beschriebenen ähnelt, auf die Schicht des vernetzten Polyphenylenpolymers aufgebracht, wird jedoch anfänglich ähnlich der Strukturierung des akustischen Entkopplers 130, der in 8D gezeigt ist, dahin gehend strukturiert, eine harte Maske zu definieren, die später dazu verwendet wird, die Schicht des vernetzten Polyphenylenpolymers dahin gehend zu strukturieren, den akustischen Entkoppler 130 zu definieren. Die anfänglich strukturierte dritte Metallschicht weist denselben Umfang auf wie der akustische Entkoppler 130 und legt die Anschlusskontaktstellen 132 und 134 und Teile des Füllmaterials 105 frei.
Anschließend wird die Schicht des vernetzten Polyphenylenpolymers wie in 8D gezeigt strukturiert, wobei die anfänglich strukturierte dritte Metallschicht als Hartätzmaske verwendet wird. Das Strukturieren der Schicht des vernetzten Polyphenylenpolymers definiert den Umfang des akustischen Entkopplers 130, der die Anschlusskontaktstellen 132 und 134 und Teile des Füllmaterials 105 freilegt. Die Strukturierung wird mit einer Sauerstoffplasmaätzung durchgeführt.
Die dritte Metallschicht wird anschließend dahin gehend erneut strukturiert, wie in den 8E und 8R gezeigt ist, die Elektrode 122 und die elektrische Bahn 137, die sich zwischen der Elektrode 122 und der Anschlusskontaktstelle 134 erstreckt, zu definieren.
Die Herstellung des Ausführungsbeispiels der FBAR-Vorrichtung 300 mit einer Schicht aus vernetztem Polyphenylenpolymer als ihrem akustischen Entkoppler wird abgeschlossen, indem die oben unter Bezugnahme auf 8F–8M und 8S–8M beschriebene Verarbeitung durchgeführt wird.
Desgleichen wird bei Ausführungsbeispielen, bei denen die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 198 eine Schicht aus vernetztem Polyphenylenpolymer ist, die Schicht aus vernetzten Polyphenylenpolymer, die aufgebracht wird, um die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 198 zu bilden, aufgebracht, und die fünfte Metallschicht wird aufgebracht. Die fünfte Metallschicht wird anschließend anfänglich dahin gehend strukturiert, die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 198 zu definieren, die Schicht des vernetzten Polyphenylenpolymers wird unter Verwendung der anfänglich strukturierten fünften Metallschicht als Hartätzmaske verwendet, und die fünfte Metallschicht wird anschließend dahin gehend neu strukturiert, die zweite metallische Bragg-Schicht 196 zu definieren. Bei Ausführungsbeispielen wie z. B. dem in den 8H und 8I gezeigten Ausführungsbeispiel, bei denen die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht und die zweite metallische Bragg-Schicht denselben Umfang aufweisen, definiert die anfängliche Strukturierung der fünften Metallschicht die zweite metallische Bragg-Schicht 196, und die oben beschriebene Neustrukturierung der fünften Metallschicht wird weggelassen. Eine ähnliche Technik kann dazu verwendet werden, die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 198 in einer Schicht aus Parylen zu definieren.
Desgleichen wird bei Ausführungsbeispielen, bei denen die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 194 eine Schicht aus vernetztem Polyphenylenpolymer ist, die Schicht aus vernetztem Polyphenylenpolymer, die aufgebracht wird, um die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 194 zu bilden, aufgebracht, und die sechste Metallschicht wird aufgebracht. Die sechste Metallschicht wird dann anfänglich dahin gehend strukturiert, die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 194 zu definieren, die Schicht des vernetzten Polyphenylenpolymers wird unter Verwendung der anfänglich strukturierten sechsten Metallschicht als Hartätzmaske strukturiert, und die sechste Metallschicht wird anschließend dahin gehend neu strukturiert, die erste metallische Bragg-Schicht 192 zu definieren. Bei Ausführungsbeispielen wie z. B. dem in 8J und 8K gezeigten Ausführungsbeispiel, bei denen die erste Kunststoff-Bragg-Schicht und die erste metallische Bragg-Schicht denselben Umfang aufweisen, definiert die anfängliche Strukturierung der sechsten Metallschicht die erste metallische Bragg-Schicht 192, und die oben beschriebene Neustrukturierung der sechsten Metallschicht wird weggelassen. Eine ähnliche Technik kann dazu verwendet werden, die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 196 in einer Schicht aus Parylen zu definieren.

Claims

Eine eingekapselte akustische Filmvolumenresonator-Vorrichtung, FBAR-Vorrichtung, (100), die folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (102); einen FBAR-Stapel (111) über dem Substrat (102), wobei der FBAR-Stapel (111) einen FBAR (110) umfasst und eine dem Substrat (102) ferne obere Oberfläche aufweist, wobei der FBAR (110) gegenüberliegende planare Elektroden (112, 114) und ein piezoelektrisches Element (116) zwischen den Elektroden (112, 114) aufweist; eine Einrichtung (104) zum akustischen Isolieren des FBAR-Stapels (111) von dem Substrat (102); ein Kapselungsmittel (121), das den FBAR-Stapel (111) bedeckt; und einen akustischen Bragg-Reflektor (190) zwischen der oberen Oberfläche des FBAR-Stapels (111) und dem Kapselungsmittel (121), wobei der akustische Bragg-Reflektor (190) eine metallische Bragg-Schicht (192) und eine zu der metallischen Bragg-Schicht (192) benachbarte Kunststoff-Bragg-Schicht (194) umfasst, wobei die FBAR-Vorrichtung (100) eine Bandpasscharakteristik aufweist, die eine Mittenfrequenz aufweist; wobei zumindest eine der Bragg-Schichten (192, 194) eine nominelle Dicke aufweist, die gleich einem Viertel der Wellenlänge in dem Material der jeweiligen Bragg-Schicht (192, 194) eines akustischen Signals ist, dessen Frequenz gleich der Mittenfrequenz ist, und wobei die metallische Bragg-Schicht (192, 194) dünner ist als die nominelle Dicke.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung (300) gemäß Anspruch 1, bei der: der FBAR ein unterer FBAR (110) ist; und die FBAR-Vorrichtung (300) zusätzlich folgende Merkmale aufweist: einen auf dem unteren FBAR (110) gestapelten oberen FBAR (120), wobei der obere FBAR (120) gegenüberliegende planare Elektroden (122, 124) und ein piezoelektrisches Element (126) zwischen den Elektroden (122, 124) aufweist, und einen akustischen Entkoppler (130) zwischen den FBARs (110, 120).
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung (400) gemäß Anspruch 2, bei der: der untere FBAR (110), der obere FBAR (162) und der akustische Entkoppler (130) einen ersten entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonator, DSBAR, (106) bilden; der FBAR-Stapel (411) zusätzlich einen zweiten DSBAR (108) aufweist, der einen unteren FBAR (150), einen oberen FBAR (160) und einen akustischen Entkoppler (170) zwischen den FBARs (150, 160) umfasst; und die FBAR-Vorrichtung (400) zusätzlich folgende Merkmale aufweist: eine erste elektrische Schaltung (141), die die unteren FBARs (110, 150) miteinander verbindet, und eine zweite elektrische Schaltung (142), die die oberen FBARs (120, 160) miteinander verbindet.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung (300) gemäß Anspruch 1, bei der: der FBAR ein erster FBAR (110) ist; der FBAR-Stapel (311) zusätzlich einen oder mehr zusätzliche FBARs (120) umfasst; und die FBARs (110, 120) als Leiterfilter miteinander verbunden sind.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Kunststoff-Bragg-Schicht (194) Polyimid umfasst.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Kunststoff-Bragg-Schicht (194) Parylen umfasst.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Kunststoff-Bragg-Schicht (194) ein vernetztes Polyphenylenpolymer umfasst.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 7, bei der das vernetzte Polyphenylenpolymer aus einer Vorläuferlösung gebildet ist, die von The Dow Chemical Company vertrieben wird.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die metallische Bragg-Schicht (192) ein feuerfestes Metall umfasst.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die metallische Bragg-Schicht (192) zu dem Kapselungsmittel benachbart ist.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 10, bei der: die metallische Bragg-Schicht (192) eine erste metallische Bragg-Schicht (192) ist; der akustische Bragg-Reflektor (190) zusätzlich eine zweite metallische Bragg-Schicht (196) aufweist, die zu der Kunststoff-Bragg-Schicht (194) gegenüber der ersten metallischen Bragg-Schicht (192) benachbart ist.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 11, bei der: die Kunststoff-Bragg-Schicht (194) eine erste Kunststoff-Bragg-Schicht (194) ist; der akustische Bragg-Reflektor (190) zusätzlich eine zweite Kunststoff-Bragg-Schicht (198) aufweist, die zu der zweiten metallischen Bragg-Schicht (196) gegenüber der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht (194) benachbart ist.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Einrichtung zum akustischen Isolieren des FBAR-Stapels (111) von dem Substrat (102) einen in dem Substrat (102) definierten Hohlraum (104) umfasst, über dem der FBAR-Stapel (111) aufgehängt ist.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der: der akustische Bragg-Reflektor (190) ein erster akustischer Bragg-Reflektor (190) ist; und die Einrichtung zum akustischen Isolieren des FBAR-Stapels von dem Substrat einen zweiten akustischen Bragg-Reflektor (180) umfasst, wobei der zweite akustische Bragg-Reflektor (180) eine metallische Bragg-Schicht (182) umfasst, die zu einer Kunststoff-Bragg-Schicht (184) benachbart ist.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der: die Kunststoff-Bragg-Schicht (194) ein Kunststoffmaterial umfasst, das eine akustische Impedanz von weniger als 5 Pa·s·m^–1 aufweist; und die metallische Bragg-Schicht (192) ein Metall umfasst, das eine akustische Impedanz von mehr als 50 Pa·s·m^–1 aufweist.
Die eingekapselte FBAR-Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der: die Kunststoff-Bragg-Schicht (194) ein Kunststoffmaterial umfasst, das eine erste akustische Impedanz aufweist; und die metallische Bragg-Schicht (192) ein Metall umfasst, das eine zweite akustische Impedanz aufweist; die zweite akustische Impedanz und die erste akustische Impedanz ein Verhältnis von mehr als zehn aufweisen.