DE112020004488T5

DE112020004488T5 - Transversal angeregte akustische filmvolumenresonatoren fürhochleistungsanwendungen

Info

Publication number: DE112020004488T5
Application number: DE112020004488.2T
Authority: DE
Inventors: Bryant Garcia; Robert B. Hammond; Patrick Turner; Neal Fenzi; Viktor PLESSKI; Ventsislav Yantchev
Original assignee: Resonant Inc
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2020-10-08
Publication date: 2022-10-13
Anticipated expiration: 2040-10-09
Also published as: DE112020004488B8; CN116545405A; WO2021062421A1; CN116545408A; CN116545407A; CN115004548A; DE112020004488B4; JP2022540515A; CN115004548B; CN116545406A

Abstract

Es werden akustische Resonatoren und Filtervorrichtungen offenbart. Ein akustischer Resonator umfasst ein Substrat mit einer Oberfläche und einer einkristallinen piezoelektrischen Platte mit parallelen Vorder- und Rückflächen, wobei die Rückfläche an der Oberfläche des Substrats angebracht ist, mit Ausnahme eines Teils der piezoelektrischen Platte, der eine Membran bildet, die einen Hohlraum im Substrat überspannt. Auf der Vorderfläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte ist ein Interdigitalwandler (IDT) so gebildet, dass ineinander verschachtelte Finger des IDT auf der Membran angeordnet sind. Der IDT ist so eingerichtet, dass er eine primäre akustische Mode in der Membran als Reaktion auf ein an den IDT angelegtes Hochfrequenzsignal anregt. Die Dicke der ineinander verschachtelten Finger des IDT ist größer als oder gleich dem 0,85-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte.

Description

HINTERGRUND
Gebiet
Diese Offenbarung bezieht sich auf Hochfrequenzfilter, die akustische Wellenresonatoren verwenden, und insbesondere auf Bandpassfilter mit Hochleistungsfähigkeit zur Verwendung in Kommunikationsausrüstung.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Ein Hochfrequenzfilter (HF-Filter) ist ein Zwei-Port-Gerät, das so eingerichtet ist, dass es einige Frequenzen durchlässt und andere Frequenzen sperrt, wobei „Durchlassen“ Übertragen mit relativ geringem Signalverlust bedeutet und „Sperren“ Blockieren oder wesentliches Dämpfen bedeutet. Der Bereich der von einem Filter durchgelassenen Frequenzen wird als „Durchlassband“ des Filters bezeichnet. Der Bereich der von einem solchen Filter gesperrten Frequenzen wird als „Sperrband“ des Filters bezeichnet. Ein typisches HF-Filter hat mindestens ein Durchlassband und mindestens ein Sperrband. Spezifische Anforderungen an ein Durchlass- oder Sperrband hängen von der spezifischen Anwendung ab. Zum Beispiel kann ein „Durchlassband“ als ein Frequenzbereich definiert werden, in dem die Einfügungsdämpfung eines Filters kleiner als ein definierter Wert wie 1 dB, 2 dB oder 3 dB ist. Ein „Sperrband“ kann als ein Frequenzbereich definiert werden, in dem die Unterdrückung eines Filters je nach Anwendung größer als ein definierter Wert wie 20 dB, 30 dB, 40 dB oder mehr ist.
HF-Filter werden in Kommunikationssystemen verwendet, in denen Informationen über drahtlose Verbindungen übertragen werden. HF-Filter finden sich beispielsweise in den HF-Frontends von Mobilfunk-Basisstationen, Mobiltelefonen und Computergeräten, Satellitentransceivern und Bodenstationen, IoT-Geräten (Internet der Dinge), Laptops und Tablets, Festpunktfunkverbindungen und anderen Kommunikationssystemen. HF-Filter werden auch in Radar- und elektronischen und informationstechnischen Kriegsführungssystemen eingesetzt.
HF-Filter erfordern in der Regel viele Design-Kompromisse, um für jede spezifische Anwendung den besten Kompromiss zwischen Leistungsparametern wie Einfügungsdämpfung, Unterdrückung, Isolierung, Belastbarkeit, Linearität, Größe und Kosten zu erzielen. Spezifische Design- und Fertigungsmethoden und -verbesserungen können gleichzeitig einer oder mehreren dieser Anforderungen zugutekommen.
Leistungsverbesserungen an den HF-Filtern in einem Drahtlossystem können sich auf die Systemleistung auf breiter Front auswirken. Verbesserungen bei HF-Filtern können genutzt werden, um die Systemleistungsverbesserungen vorzusehen, wie z. B. größere Zellen, längere Batterielebensdauer, höhere Datenraten, größere Netzwerkkapazität, niedrigere Kosten, verbesserte Sicherheit, höhere Zuverlässigkeit usw. Diese Verbesserungen können auf vielen Ebenen des Drahtlossystems sowohl einzeln als auch in Kombination realisiert werden, wie zum Beispiel auf der Ebene des HF-Moduls, des HF-Transceivers, des mobilen oder festen Subsystems oder des Netzwerks.
Hochleistungs-HF-Filter für aktuelle Kommunikationssysteme enthalten üblicherweise akustische Wellenresonatoren, einschließlich akustische Oberflächenwellenresonatoren (Surface Acoustic Wave Resonator, SAW-Resonator), akustische Volumenwellenresonatoren (Bulk Acoustic Wave Resonator, BAW-Resonator), akustische Filmvolumenwellenresonatoren (Film Bulk Acoustic Wave Resonator, FBAR-Resonator) und andere Arten von akustischen Resonatoren. Diese bestehenden Technologien sind jedoch nicht gut für den Einsatz bei den höheren Frequenzen geeignet, die für zukünftige Kommunikationsnetze vorgeschlagen werden.
Der Wunsch nach größeren Kommunikationskanalbandbreiten führt unweigerlich zur Nutzung höherer Frequenzkommunikationsbänder. Die Funkzugangstechnologie für Mobilfunknetze wurde von der 3GPP (3rd Generation Partnership Project) standardisiert. Die Funkzugangstechnologie für Mobilfunknetze der 5. Generation ist im Standard 5G NR (New Radio) definiert. Der 5G NR-Standard definiert mehrere neue Kommunikationsbänder. Zwei dieser neuen Kommunikationsbänder sind n77, das den Frequenzbereich von 3300 MHz bis 4200 MHz nutzt, und n79, das den Frequenzbereich von 4400 MHz bis 5000 MHz nutzt. Sowohl das Band n77 als auch das Band n79 verwenden das Zeitduplexverfahren (TDD), so dass ein Kommunikationsgerät, das im Band n77 und/oder Band n79 arbeitet, dieselben Frequenzen für Uplink- und Downlink-Übertragungen verwendet. Die Bandpassfilter für die Bänder n77 und n79 müssen in der Lage sein, die Sendeleistung des Kommunikationsgeräts zu verarbeiten. Der 5G NR-Standard definiert auch Millimeterwellen-Kommunikationsbänder mit Frequenzen zwischen 24,25 GHz und 40 GHz.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Draufsicht und zwei schematische Querschnittsansichten eines transversal angeregten akustischen Filmvolumenresonators (XBAR).
2 ist eine erweiterte schematische Querschnittsansicht eines Teils des XBAR von 1.
3A ist eine alternative schematische Querschnittsansicht des XBAR von 1.
3B ist eine weitere alternative schematische Querschnittsansicht des XBAR von 1.
3C ist eine alternative schematische Draufsicht auf einen XBAR
4 ist eine Grafik, die eine primäre akustische Mode in einem XBAR veranschaulicht.
5 ist ein schematischer Schaltplan eines Bandpassfilters mit akustischen Resonatoren in einer Leiterschaltung.
6 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke der piezoelektrischen Membran und der Resonanzfrequenz eines XBAR zeigt.
7 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Kopplungsfaktor Gamma (Γ) und dem IDT-Abstand für einen XBAR zeigt.
8 ist ein Diagramm, das die Dimensionen von XBAR-Resonatoren mit einer Kapazität von einem Picofarad zeigt.
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem IDT-Fingerabstand und den Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen eines XBAR mit der dielektrischen Schichtdicke als ein Parameter zeigt.
10 ist ein Diagramm, in dem die Admittanzen von drei simulierten XBAR mit unterschiedlichen IDT-Metalldicken verglichen werden.
11 ist ein Diagramm, das die Auswirkung der IDT-Fingerbreite auf Störresonanzen in einem XBAR veranschaulicht.
12 ist ein Diagramm, das bevorzugte Kombinationen von Aluminium-IDT-Dicke und IDT-Abstand für XBAR ohne vordere dielektrische Schicht zeigt.
13 ist ein Diagramm, das bevorzugte Kombinationen von Aluminium-IDT-Dicke und IDT-Abstand für XBAR mit einer vorderen dielektrischen Schichtdicke gleich dem 0,25-Fachen der XBAR-Membrandicke zeigt.
14 ist ein Diagramm, das bevorzugte Kombinationen von Kupfer-IDT-Dicke und IDT-Abstand für XBAR ohne vordere dielektrische Schicht zeigt.
15 ist ein Diagramm, das bevorzugte Kombinationen von Kupfer-IDT-Dicke und IDT-Abstand für XBAR mit einer vorderen dielektrischen Schichtdicke gleich dem 0,25-Fachen der XBAR-Membrandicke zeigt.
16 ist ein Diagramm, das bevorzugte Kombinationen von Aluminium-IDT-Dicke und IDT-Abstand für XBAR ohne vordere dielektrische Schicht für Membrandicken von 300 nm, 400 nm und 500 nm zeigt.
17 ist eine detaillierte Querschnittsansicht eines Teils des XBAR 100 von 1.
18 ist ein schematischer Schaltplan eines beispielhaften Hochleistungs-Bandpassfilters mit XBAR.
19 ist ein Layout des Filters von 18.
20 ist ein Diagramm der gemessenen S-Parameter S11 und S21 in Abhängigkeit von der Frequenz für das Filter von 18 und 19.
21 ist ein Diagramm der gemessenen S-Parameter S11 und S21 in Abhängigkeit von der Frequenz über einen größeren Frequenzbereich für das Filter von 18 und 19.

In dieser Beschreibung werden Elementen, die in Zeichnungen erscheinen, drei- oder vierstellige Bezugsbezeichner zugewiesen, wobei die beiden niedrigstwertigen Ziffern für das Element spezifisch sind und die ein oder zwei höchstwertigen Ziffern die Zeichnungsnummer sind, bei der das Element zuerst eingeführt wird. Bei einem Element, das nicht in Verbindung mit einer Zeichnung beschrieben wird, kann davon ausgegangen werden, dass es dieselben Merkmale und dieselbe Funktion wie ein zuvor beschriebenes Element mit demselben Bezugsbezeichner hat.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Vorrichtungsbeschreibung
1 zeigt eine vereinfachte schematische Draufsicht und orthogonale Querschnittsansichten eines transversal angeregten akustischen Filmvolumenresonators (XBAR) 100. XBAR-Resonatoren wie der Resonator 100 können in einer Vielfalt von HF-Filtern verwendet werden, darunter Bandsperrfilter, Bandpassfilter, Duplexer und Multiplexer. XBAR eignen sich besonders für den Einsatz in Filtern für Kommunikationsbänder mit Frequenzen über 3 GHz.
Der XBAR 100 besteht aus einer Dünnfilm-Leiterstruktur, das auf einer Oberfläche einer piezoelektrischen Platte 110 mit parallelen Vorder- und Rückflächen 112 bzw. 114 gebildet wird. Die piezoelektrische Platte ist eine dünne einkristalline Schicht aus einem piezoelektrischen Material wie Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Lanthangalliumsilikat, Galliumnitrid oder Aluminiumnitrid. Die piezoelektrische Platte wird so geschnitten, dass die Orientierung der X-, Y- und Z-Kristallachsen in Bezug auf die Vorder- und Rückfläche bekannt und konsistent ist. In den in diesem Patent vorgestellten Beispielen sind die piezoelektrischen Platten Z-geschnitten, d. h. die Z-Achse steht senkrecht zu der Vorder- und Rückfläche. XBAR können jedoch auf piezoelektrischen Platten mit anderen kristallographischen Ausrichtungen hergestellt werden.
Die Rückfläche 114 der piezoelektrischen Platte 110 ist an einer Fläche des Substrats 120 angebracht, mit Ausnahme eines Bereichs der piezoelektrischen Platte 110, der eine Membran 115 bildet, die einen im Substrat gebildeten Hohlraum 140 überspannt. Der Bereich der piezoelektrischen Platte, der den Hohlraum überspannt, wird hier aufgrund seiner physikalischen Ähnlichkeit mit der Membran eines Mikrophons als „Membran“ 115 bezeichnet. Wie in 1 gezeigt, grenzt die Membran 115 an den Rest der piezoelektrischen Platte 110 um den gesamten Umfang 145 des Hohlraums 140 an. In diesem Zusammenhang bedeutet „angrenzend“ „durchgehend verbunden ohne ein dazwischenliegendes Element“. In anderen Konfigurationen kann die Membran 115 um mindestens 50 % des Umfangs 145 des Hohlraums 140 an die piezoelektrische Platte angrenzen.
Das Substrat 120 bietet eine mechanische Unterstützung für die piezoelektrische Platte 110. Das Substrat 120 kann zum Beispiel aus Silizium, Saphir, Quarz oder einem anderen Material oder einer Kombination von Materialien bestehen. Die Rückfläche 114 der piezoelektrischen Platte 110 kann mit Hilfe eines Wafer-Bonding-Verfahrens auf das Substrat 120 gebondet werden. Alternativ kann die piezoelektrische Platte 110 auf dem Substrat 120 aufgewachsen oder auf andere Weise auf dem Substrat angebracht werden. Die piezoelektrische Platte 110 kann direkt auf dem Substrat oder über eine oder mehrere Materialzwischenschichten (in 1 nicht gezeigt) auf dem Substrat 120 angebracht werden.
„Hohlraum“ hat die herkömmliche Bedeutung von „einem leeren Raum innerhalb eines festen Körpers“. Der Hohlraum 140 kann ein Loch sein, das vollständig durch das Substrat 120 geht (wie in Abschnitt A-A und Abschnitt B-B gezeigt), oder eine Aussparung im Substrat 120 unter der Membran 115. Der Hohlraum 140 kann zum Beispiel durch selektives Ätzen des Substrats 120 vor oder nach dem Anbringen der piezoelektrischen Platte 110 und des Substrats 120 gebildet werden.
Die Leiterstruktur des XBAR 100 enthält einen Interdigitalwandler (IDT) 130. Der IDT 130 umfasst eine erste Vielzahl von parallelen Fingern, wie z. B. Finger 136, die sich von einer ersten Sammelschiene 132 erstrecken, und eine zweite Vielzahl von Fingern, die sich von einer zweiten Sammelschiene 134 erstrecken. Die erste und zweite Vielzahl von parallelen Fingern sind ineinander verschachtelt. Die ineinander verschachtelten Finger überlappen über eine Distanz AP, die allgemein als „Apertur“ des IDT bezeichnet wird. Der Mitte-zu-Mitte-Abstand L zwischen den äußersten Fingern des IDT 130 ist die „Länge“ des IDT.
Die erste und zweite Sammelschiene 132, 134 dienen als Anschlüsse des XBAR 100. Ein Hochfrequenz- oder Mikrowellensignal, das zwischen den beiden Sammelschienen 132, 134 des IDT 130 angelegt wird, regt eine primäre akustische Mode innerhalb der piezoelektrischen Platte 110 an. Wie noch näher erläutert wird, ist die primäre akustische Mode eine Volumen-Schermode, bei der sich akustische Energie entlang einer Richtung ausbreitet, die im Wesentlichen orthogonal zur Oberfläche der piezoelektrischen Platte 110 verläuft, die auch senkrecht bzw. quer zur Richtung des von den IDT-Fingern erzeugten elektrischen Feldes verläuft. Daher wird der XBAR als transversal angeregter Filmvolumenwellenresonator betrachtet.
Der IDT 130 ist auf der piezoelektrischen Platte 110 so positioniert, dass zumindest die Finger des IDT 130 auf dem Teil 115 der piezoelektrischen Platte angeordnet sind, der den Hohlraum 140 überspannt oder darüber aufgehängt ist. Wie in 1 gezeigt, weist der Hohlraum 140 eine rechteckige Form mit einer Ausdehnung auf, die größer ist als die Apertur AP und Länge L des IDT 130. Ein Hohlraum eines XBAR kann eine andere Form aufweisen, wie z. B. ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Vieleck. Der Hohlraum eines XBAR kann mehr oder weniger als vier Seiten aufweisen, die gerade oder gekrümmt sein können.
Zur Vereinfachung der Darstellung in 1 ist der geometrische Abstand und die geometrische Breite der IDT-Finger in Bezug auf die Länge (Dimension L) und Apertur (Dimension AP) des XBAR stark übertrieben. Ein typischer XBAR hat mehr als zehn parallele Finger im IDT 110. Ein XBAR kann Hunderte, möglicherweise Tausende, parallele Fingern im IDT 110 aufweisen. Ebenso ist die Dicke der Finger in den Querschnittsansichten stark übertrieben dargestellt.
2 zeigt eine detaillierte schematische Querschnittsansicht des XBAR 100. Die piezoelektrische Platte 110 ist eine einkristalline Schicht aus piezoelektrischem Material mit einer Dicke ts. ts kann z. B. 100 nm bis 1500 nm betragen. Bei der Verwendung in Filtern für LTE-Bänder von 3,4 GHZ bis 6 GHz (z. B. Bänder 42, 43, 46) kann die Dicke ts beispielsweise 200 nm bis 1000 nm betragen.
Auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte 110 kann optional eine vorderseitige dielektrische Schicht 214 gebildet sein. Die „Vorderseite“ des XBAR ist per Definition die vom Substrat abgewandte Oberfläche. Die vorderseitige dielektrische Schicht 214 hat eine Dicke tfd. Die vorderseitige dielektrische Schicht 214 kann nur zwischen den IDT-Fingern (z. B. IDT-Finger 238b) gebildet sein, oder sie kann als Deckschicht so abgeschieden sein, dass die dielektrische Schicht sowohl zwischen als auch über den IDT-Fingern (z. B. IDT-Finger 238a) gebildet ist. Die vorderseitige dielektrische Schicht 214 kann ein nicht-piezoelektrisches dielektrisches Material sein, z. B. Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid. tfd kann beispielsweise 0 bis 500 nm betragen. tfd ist typischerweise kleiner als die Dicke ts der piezoelektrischen Platte. Die vorderseitige dielektrische Schicht 214 kann aus mehreren Schichten aus zwei oder mehr Materialien bestehen.
Die IDT-Finger 238 können aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer, einer Kupferlegierung, Beryllium, Gold, Wolfram, Molybdän oder einem anderen leitfähigen Material bestehen. Die IDT-Finger werden als „im Wesentlichen aus Aluminium“ betrachtet, wenn sie aus Aluminium oder einer Legierung mit mindestens 50 % Aluminium bestehen. Die IDT-Finger werden als „im Wesentlichen aus Kupfer“ betrachtet, wenn sie aus Kupfer oder einer Legierung mit mindestens 50 % Kupfer bestehen. Dünne (im Verhältnis zur Gesamtdicke der Leiter) Schichten aus anderen Metallen, wie z. B. Chrom oder Titan, können unter und/oder über und/oder als Schichten innerhalb der Finger gebildet werden, um die Haftung zwischen den Fingern und der piezoelektrischen Platte 110 zu verbessern und/oder die Finger zu passivieren oder zu verkapseln und/oder die Leistungsaufnahme zu verbessern. Die Sammelschienen (132, 134 in 1) des IDT können aus den gleichen oder anderen Materialien wie die Finger bestehen.
Dimension p ist der Mitte-zu-Mitte-Abstand oder „Abstand“ („Pitch“) der IDT-Finger, die als der Abstand des IDT und/oder als der Abstand des XBAR bezeichnet werden kann. Dimension w ist die Breite oder „Marke“ („Mark“) der IDT-Finger. Die Geometrie des IDT eines XBAR unterscheidet sich wesentlich von den in Oberflächenwellenresonatoren (Surface Acoustic Wave Resonatoren, SAW-Resonatoren) verwendeten IDT. In einem SAW-Resonator beträgt der Abstand des IDT die Hälfte der akustischen Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz. Darüber hinaus liegt das Marke-zu-Abstand-Verhältnis eines SAW-Resonator-IDT typischerweise nahe 0,5 (d. h. die Marke oder Fingerbreite beträgt etwa ein Viertel der akustischen Wellenlänge bei Resonanzfrequenz). Bei einem XBAR ist der Abstand p des IDT typischerweise das 2- bis 20-Fache der Breite w der Finger. Darüber hinaus ist der Abstand p des IDT typischerweise das 2- bis 20-Fache der Dicke ts der piezoelektrischen Platte 212. Die Breite der IDT-Finger in einem XBAR ist nicht auf etwa ein Viertel der akustischen Wellenlänge bei Resonanz beschränkt. Beispielsweise kann die Breite der XBAR-IDT-Finger 500 nm oder mehr betragen, so dass der IDT ohne Weiteres mittels optischer Lithographie hergestellt werden kann. Die Dicke tm der IDT-Finger kann von 100 nm bis etwa gleich der Breite w betragen. Die Dicke der Sammelschienen (132, 134 in 1) des IDT kann gleich oder größer als die Dicke tm der IDT-Finger sein.
3A und 3B zeigen zwei alternative Querschnittsansichten entlang der in 1 definierten Schnittebene A-A. In 3A ist eine piezoelektrische Platte 310 an einem Substrat 320 angebracht. Ein Teil der piezoelektrischen Platte 310 bildet eine Membran 315, die einen Hohlraum 340 im Substrat überspannt. Der Hohlraum 340 durchdringt das Substrat 320 nicht vollständig. Die Finger eines IDT sind auf der Membran 315 angeordnet. Der Hohlraum 340 kann beispielsweise durch Ätzen des Substrats 320 vor dem Anbringen der piezoelektrischen Platte 310 gebildet sein. Alternativ kann der Hohlraum 340 durch Ätzen des Substrats 320 mit einem selektiven Ätzmittel gebildet sein, das das Substrat durch eine oder mehrere Öffnungen (nicht dargestellt) in der piezoelektrischen Platte 310 erreicht. In diesem Fall kann die Membran 315 mit dem Rest der piezoelektrischen Platte 310 an einen großen Teil des Umfangs 345 des Hohlraums 340 angrenzen. Zum Beispiel kann die Membran 315 an den Rest der piezoelektrischen Platte 310 um mindestens 50 % des Umfangs 345 des Hohlraums 340 angrenzen. Zwischen der piezoelektrischen Platte 340 und dem Substrat 320 kann eine Zwischenschicht (nicht dargestellt), z. B. eine dielektrische Bondingschicht, vorhanden sein.
In 3B enthält das Substrat 320 eine Basis 322 und eine Zwischenschicht 324, die zwischen der piezoelektrischen Platte 310 und der Basis 322 angeordnet ist. Die Basis 322 kann beispielsweise aus Silizium und die Zwischenschicht 324 aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid oder einem anderen Material bestehen. Ein Teil der piezoelektrischen Platte 310 bildet eine Membran 315, die einen Hohlraum 340 in der Zwischenschicht 324 überspannt. Die Finger eines IDT sind auf der Membran 315 angeordnet. Der Hohlraum 340 kann beispielsweise durch Ätzen der Zwischenschicht 324 vor dem Anbringen der piezoelektrischen Platte 310 gebildet sein. Alternativ kann der Hohlraum 340 durch Ätzen der Zwischenschicht 324 mit einem selektiven Ätzmittel gebildet sein, das das Substrat durch eine oder mehrere Öffnungen in der piezoelektrischen Platte 310 erreicht. In diesem Fall kann die Membran 315 an den Rest der piezoelektrischen Platte 310 um einen großen Teil des Umfangs 345 des Hohlraums 340 angrenzen. Beispielsweise kann die Membran 315 um mindestens 50 % des Umfangs 345 des Hohlraums 340 an den Rest der piezoelektrischen Platte 310 angrenzen, wie in 3C gezeigt. Obwohl in 3B nicht dargestellt, kann sich ein in der Zwischenschicht 324 gebildeter Hohlraum in die Basis 322 erstrecken.
3C ist eine schematische Draufsicht auf einen anderen XBAR 350. Der XBAR 350 umfasst einen IDT, der auf einer piezoelektrischen Platte 310 gebildet ist. Ein Teil der piezoelektrischen Platte 310 bildet eine Membran, die einen Hohlraum in einem Substrat überspannt. In diesem Beispiel hat der Umfang 345 des Hohlraums eine unregelmäßige Polygonform, so dass keine der Kanten des Hohlraums parallel ist und auch nicht parallel zu den Leitern des IDT liegt. Ein Hohlraum kann eine andere Form mit geraden oder gekrümmten Kanten haben.
4 ist eine grafische Darstellung der primären akustischen Mode von Interesse in einem XBAR. 4 zeigt einen kleinen Teil eines XBAR 400 mit einer piezoelektrischen Platte 410 und drei ineinander verschachtelten IDT-Fingern 430, die sich in ihrer elektrischen Polarität von Finger zu Finger abwechseln. An die ineinander verschachtelten Finger 430 wird eine HF-Spannung angelegt. Diese Spannung erzeugt ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld zwischen den Fingern. Die Richtung des elektrischen Feldes ist überwiegend lateral oder parallel zur Oberfläche der piezoelektrischen Platte 410, wie durch die Pfeile mit der Bezeichnung „elektrisches Feld“ gezeigt. Aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstante der piezoelektrischen Platte ist die elektrische HF-Energie im Inneren der Platte im Vergleich zur Luft stark konzentriert. Das laterale elektrische Feld führt zu einer Scherverformung, die stark an eine primäre akustische Schermode (bei einer Resonanzfrequenz, die durch den akustischen Hohlraum, der durch das Volumen zwischen den beiden Oberflächen der piezoelektrischen Platte gebildet wird, definiert ist) in der piezoelektrischen Platte 410 koppelt. In diesem Zusammenhang wird „Scherverformung“ als Verformung definiert, bei der parallele Ebenen in einem Material überwiegend parallel bleiben und einen konstanten Abstand beibehalten, während sie sich (innerhalb ihrer jeweiligen Ebenen) relativ zueinander bewegen. Eine „akustische Schermode“ ist definiert als eine akustische Schwingungsmode in einem Medium, die zu einer Scherverformung des Mediums führt. Die Scherverformungen in dem XBAR 400 werden durch die Kurven 460 dargestellt, wobei die nebenstehenden kleinen Pfeile einen schematischen Hinweis auf die Richtung und das relative Ausmaß der atomaren Bewegung bei der Resonanzfrequenz geben. Das Ausmaß der atomaren Bewegung sowie die Dicke der piezoelektrischen Platte 410 wurden zur besseren Veranschaulichung stark übertrieben dargestellt. Während die atomaren Bewegungen überwiegend lateral sind (d. h. horizontal, wie in 4 gezeigt), verläuft die Richtung vom akustischen Energiefluss der angeregten primären akustischen Mode im Wesentlichen orthogonal zur Oberfläche der piezoelektrischen Platte, wie durch den Pfeil 465 angedeutet.
Betrachtet man 4, so ist unmittelbar unter den IDT-Fingern 430 im Wesentlichen kein elektrisches HF-Feld vorhanden, so dass die akustischen Moden in den Bereichen 470 unter den Fingern nur minimal angeregt werden. In diesen Bereichen kann es zu evaneszenten akustischen Bewegungen kommen. Da unter den IDT-Fingern 430 keine akustischen Schwingungen angeregt werden, ist die an die IDT-Finger 430 gekoppelte akustische Energie für die primäre akustische Mode gering (z. B. im Vergleich zu den Fingern eines IDT in einem SAW-Resonator), was die viskosen Verluste in den IDT-Fingern minimiert.
Ein akustischer Resonator, der auf akustischen Scherwellenresonanzen basiert, kann eine bessere Leistung erzielen als die derzeitigen akustischen Filmvolumenresonatoren (FBAR) und fest-montierte akustische Volumenwellenresonator-Vorrichtungen (SMR BAW), bei denen das elektrische Feld in der Dickenrichtung angelegt wird. In solchen Vorrichtungen ist die akustische Mode kompressiv mit atomaren Bewegungen und die Richtung vom akustischen Energiefluss in Richtung der Dicke. Darüber hinaus kann die piezoelektrische Kopplung für Scherwellen-XBAR-Resonanzen im Vergleich zu anderen akustischen Resonatoren hoch sein (>20%). Die hohe piezoelektrische Kopplung ermöglicht den Entwurf und die Realisierung von Mikrowellen- und Millimeterwellenfiltern mit beträchtlicher Bandbreite.
5 ist ein schematisches Schaltbild eines Bandpassfilters 500 mit fünf XBAR X1-X5. Bei dem Filter 500 kann es sich zum Beispiel um ein Bandpassfilter für Band n79 zur Verwendung in einem Kommunikationsgerät handeln. Das Filter 500 hat eine herkömmliche Leiterfilterarchitektur mit drei Serienresonatoren X1, X3, X5 und zwei Shunt-Resonatoren X2, X4. Die drei Serienresonatoren X1, X3, X5 sind zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss in Reihe geschaltet. In 5 sind der erste und der zweite Anschluss mit „In“ bzw. „Out“ bezeichnet. Das Filter 500 ist jedoch symmetrisch und jeder Anschluss kann als Eingang oder Ausgang des Filters dienen. Die beiden Shunt-Resonatoren X2, X4 sind von den Knotenpunkten zwischen den Serienresonatoren an Masse angeschlossen. Alle Shunt-Resonatoren und Serienresonatoren sind XBAR.
Die drei Serienresonatoren X1, X3, X5 und die beiden Shunt-Resonatoren X2, X4 des Filters 500 können auf einer einzigen Platte 530 aus piezoelektrischem Material gebildet sein, die an ein Siliziumsubstrat (nicht sichtbar) gebondet ist. Jeder Resonator enthält einen entsprechenden IDT (nicht dargestellt), wobei zumindest die Finger des IDT über einem Hohlraum im Substrat angeordnet sind. In diesem und ähnlichen Zusammenhängen bedeutet der Begriff „jeweils“ „in Beziehung zueinander stehend“, d. h. mit einer Eins-zu-Eins-Entsprechung. In 5 sind die Hohlräume schematisch als gestrichelte Rechtecke dargestellt (z. B. das Rechteck 535). In diesem Beispiel ist ein IDT jedes Resonators über einem entsprechenden Hohlraum angeordnet. Bei anderen Filtern können die IDT von zwei oder mehr Resonatoren über einem gemeinsamen Hohlraum angeordnet sein. Die Resonatoren können auch zu mehreren IDT kaskadiert sein, die auf mehreren Hohlräumen gebildet sein können.
Jeder der Resonatoren X1 bis X5 hat eine Resonanzfrequenz und eine Antiresonanzfrequenz. Stark vereinfacht ausgedrückt ist jeder Resonator bei seiner Resonanzfrequenz ein Kurzschluss und bei seiner Antiresonanzfrequenz ein offener Kreis. Jeder Resonator X1 bis X5 bildet eine „Übertragungsnullstelle“, an der die Übertragung zwischen den Ein- und Ausgängen des Filters sehr gering ist. Es ist zu beachten, dass die Übertragung an einer „Übertragungsnullstelle“ aufgrund von Energieverlusten durch parasitäre Komponenten und anderen Effekten nicht wirklich null ist. Die drei Serienresonatoren X1, X3 und X5 erzeugen Übertragungsnullstellen bei ihren jeweiligen Antiresonanzfrequenzen (wo jeder Resonator praktisch ein offener Kreis ist). Die beiden Shunt-Resonatoren X2, X4 erzeugen Übertragungsnullstellen bei ihren jeweiligen Resonanzfrequenzen (wo jeder Resonator praktisch ein Kurzschluss ist). In einem typischen Bandpassfilter mit akustischen Resonatoren liegen die Antiresonanzfrequenzen der Serienresonatoren oberhalb des Durchlassbandes und die Resonanzfrequenzen der Shunt-Resonatoren unterhalb des Durchlassbandes.
Ein Bandpassfilter für den Einsatz in einem Kommunikationsgerät, z. B. einem Mobiltelefon, muss eine Reihe von Anforderungen erfüllen. Erstens muss ein Bandpassfilter per Definition ein bestimmtes Durchlassband passieren lassen oder mit akzeptablem Verlust übertragen. In der Regel muss ein Bandpassfilter für den Einsatz in einem Kommunikationsgerät auch ein oder mehrere Sperrbänder sperren oder wesentlich abschwächen. So muss ein Bandpassfilter für Band n79 in der Regel das n79-Frequenzband von 4400 MHz bis 5000 MHz passieren lassen und das 5-GHz-WiFi-Band™ und/oder das n77-Band von 3300 MHz bis 4200 MHz sperren. Um diese Anforderungen zu erfüllen, würde ein Filter mit einer Leiterschaltung Serienresonatoren mit Antiresonanzfrequenzen um oder über 5100 MHz und Shunt-Resonatoren mit Resonanzfrequenzen um oder unter 4300 MHz erfordern.
Die Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen eines XBAR sind stark abhängig von der Dicke ts der piezoelektrischen Membran (115 in 1). 6 ist ein Diagramm 600 der Resonanzfrequenz eines XBAR gegenüber der Dicke der piezoelektrischen Membran. In diesem Beispiel besteht die piezoelektrische Membran aus z-geschnittenem Lithiumniobat. Die durchgezogene Kurve 610 ist die Darstellung der Resonanzfrequenz als Funktion des Kehrwerts der piezoelektrischen Plattendicke für XBAR mit einem IDT-Abstand von 3 Mikrometern. Dieses Diagramm basiert auf den Ergebnissen von Simulationen von XBAR mit Finite-Elemente-Methoden. Die Resonanzfrequenz ist in etwa proportional zum Kehrwert der piezoelektrischen Plattendicke.
Die Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen eines XBAR sind auch von dem Abstand (Dimension p in 2) des IDT abhängig. Außerdem ist die elektromechanische Kopplung eines XBAR, die die Trennung zwischen der Resonanz- und der Antiresonanzfrequenz bestimmt, von dem Abstand abhängig. 7 ist ein Diagramm von Gamma (Γ) als Funktion des normierten Abstands, d. h. des IDT-Abstand p geteilt durch die Membrandicke ts. Gamma ist eine Metrik, die durch die folgende Gleichung definiert ist: $r= \frac{1}{{(Fa/Fr)}^{2} - 1},$
wobei Fa die Antiresonanzfrequenz und Fr die Resonanzfrequenz ist. Große Werte für Gamma entsprechen einer geringeren Trennung zwischen der Resonanz- und der Antiresonanzfrequenz. Niedrige Werte für Gamma weisen auf eine starke Kopplung hin, die für Breitband-Leiterfilter gut ist.
In diesem Beispiel besteht die piezoelektrische Membran aus z-geschnittenem Lithiumniobat, und die Daten werden für Membrandicken von 300 nm, 400 nm und 500 nm dargestellt. In allen Fällen besteht das IDT aus Aluminium mit einer Dicke von 25 % der Membrandicke, das Tastverhältnis (d. h. das Verhältnis zwischen der Breite w und dem Abstand p) der IDT-Finger beträgt 0,14, und es gibt keine dielektrischen Schichten. Die „+“-Symbole, Kreise und „x“-Symbole stehen für Membrandicken von 300 nm, 400 nm bzw. 500 nm. Ausreißer, wie beispielsweise die Punkte für den relative IDT-Abstand von ca. 4,5 und ca. 8, werden durch Störmoden verursacht, die mit der primären akustischen Mode interagieren und das scheinbare Gamma verändern. Die Beziehung zwischen Gamma und dem IDT-Abstand ist relativ unabhängig von der Membrandicke und liegt mit zunehmendem relativem Abstand ungefähr asymptotisch bei Γ=3,5.
Eine weitere typische Anforderung an einen Bandpassfilter zur Verwendung in einem Kommunikationsgerät ist, dass die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen des Filters zumindest über den Durchlassbereich des Filters mit den Impedanzen anderer Elemente des Kommunikationsgeräts übereinstimmen müssen, an die der Filter angeschlossen ist (z. B. ein Sender, ein Empfänger und/oder eine Antenne), um eine maximale Leistungsübertragung zu gewährleisten. Üblicherweise müssen die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen eines Bandpassfilters mit einer 50-Ohm-Impedanz innerhalb einer Toleranz übereinstimmen, die beispielsweise als maximale Rückflussdämpfung oder maximales Stehwellenverhältnis ausgedrückt werden kann. Falls erforderlich, kann am Eingang und/oder Ausgang eines Bandpassfilters ein Impedanz-Anpassungsnetz mit einer oder mehreren reaktiven Komponenten verwendet werden. Solche Impedanz-Anpassungsnetze erhöhen die Komplexität, die Kosten und die Einfügungsdämpfung des Filters und sind daher unerwünscht. Um ohne zusätzliche Impedanz-Anpassungskomponenten eine 50-Ohm-Impedanz bei einer Frequenz von 5 GHz zu erreichen, müssen die Kapazitäten zumindest der Shunt-Resonatoren im Bandpassfilter in einem Bereich von etwa 0,5 Picofarad (pF) bis etwa 1,5 Picofarad liegen.
8 ist ein Diagramm, das die Fläche und die Dimensionen von XBAR-Resonatoren mit einer Kapazität von einem Picofarad zeigt. Die durchgezogene Linie 810 ist eine Darstellung der IDT-Länge, die für eine Kapazität von 1 pF erforderlich ist, als Funktion des Kehrwerts der IDT-Apertur, wenn der IDT-Abstand 3 Mikrometer beträgt. Die gestrichelte Linie 820 ist ein Diagramm der IDT-Länge, die für eine Kapazität von 1 pF erforderlich ist, als Funktion des Kehrwerts der IDT-Apertur, wenn der IDT-Abstand 5 Mikrometer beträgt. Die in 8 dargestellten Daten beziehen sich auf XBAR-Vorrichtungen mit einer Lithiumniobat-Membrandicke von 400 nm.
Für jede Apertur ist die IDT-Länge, die erforderlich ist, um die gewünschte Kapazität zu erreichen, bei einem IDT-Abstand von 5 Mikrometern größer als bei einem IDT-Abstand von 3 Mikrometern. Die erforderliche IDT-Länge ist ungefähr proportional zur Änderung des IDT-Abstands. Der Entwurf eines Filters mit XBAR ist ein Kompromiss zwischen teilweise widersprüchlichen Zielen. Wie in 7 gezeigt, kann ein größerer IDT-Abstand bevorzugt sein, um das Gamma zu reduzieren und die Trennung zwischen der Antiresonanz- und der Resonanzfrequenz zu maximieren. Wie aus 8 ersichtlich ist, ist ein kleinerer IDT-Abstand bevorzugt, um die IDT-Fläche zu minimieren. Ein vernünftiger Kompromiss zwischen diesen Zielen ist 6 ≤ p/ts ≤ 12,5. Wenn der IDT-Abstand p gleich oder größer als das Sechsfache der Membrandicke ts ist, ergibt sich ein Fa/Fr größer als 1,1. Die Einstellung des maximalen IDT-Abstands p auf das 12,5-Fache der Membrandicke ts ist sinnvoll, da Fa/Fr bei höheren Werten des relativen Abstands nicht nennenswert zunimmt.
Wie später noch näher erläutert wird, sind die Metallfinger der IDT der wichtigste Mechanismus zur Wärmeabfuhr aus einem XBAR-Resonator. Eine Vergrößerung der Apertur eines Resonators erhöht die Länge und den elektrischen und thermischen Widerstand der einzelnen IDT-Finger. Außerdem verringert sich bei einer gegebenen IDT-Kapazität durch die Vergrößerung der Apertur die Anzahl der im IDT benötigten Finger, was wiederum den in jedem Finger fließenden HF-Strom proportional erhöht. All diese Effekte sprechen dafür, bei Resonatoren für Hochleistungsfilter die kleinstmögliche Apertur zu verwenden.
Umgekehrt sprechen mehrere Faktoren für die Verwendung einer großen Apertur. Erstens umfasst die Gesamtfläche eines XBAR-Resonators die Fläche des IDT und die Fläche der Sammelschienen. Die Fläche der Sammelschienen ist im Allgemeinen proportional zur Länge des IDT. Bei sehr kleinen Aperturen kann die Fläche der IDT-Sammelschienen größer sein als die von den ineinander verschachtelten IDT-Fingern eingenommene Fläche. Außerdem kann ein Teil der elektrischen und akustischen Energie an den Enden der IDT-Finger verloren gehen. Diese Verluste werden umso größer, je kleiner die IDT-Apertur und je größer die Gesamtzahl der Finger ist. Diese Verluste können sich in einer Verringerung des Q-Faktors des Resonators bemerkbar machen, insbesondere bei der Antiresonanzfrequenz, wenn die IDT-Apertur verringert wird.
Als Kompromiss zwischen den gegensätzlichen Zielen liegen die Resonator-Aperturen in der Regel zwischen 20 µm und 60 µm.
Die Resonanz- und die Antiresonanzfrequenz eines XBAR hängen auch von der Dicke (Dimension tfd in 2) der vorderseitigen dielektrischen Schicht ab, die zwischen (und optional über) den Fingern des IDT angebracht ist. 9 ist ein Diagramm 900 der Antiresonanzfrequenz und der Resonanzfrequenz als Funktion des IDT-Fingerabstands p für XBAR-Resonatoren mit z-geschnittener piezoelektrischer Lithiumniobat-Plattendicke ts = 400 nm, mit der Dicke der vorderseitigen dielektrischen Schicht tfd als Parameter. Die durchgezogenen Linien 910 und 920 sind Darstellungen der Antiresonanz- bzw. der Resonanzfrequenz als Funktionen des IDT-Abstand für tfd = 0. Die gestrichelten Linien 912 und 922 sind Darstellungen der Antiresonanz- bzw. der Resonanzfrequenz als Funktionen des IDT-Abstands für tfd = 30 nm. Die gestrichelten Linien 914 und 924 sind Darstellungen der Antiresonanz- bzw. der Resonanzfrequenz als Funktionen des IDT-Abstands für tfd = 60 nm. Die gestrichelten Linien 916 und 926 sind Darstellungen der Antiresonanz- bzw. der Resonanzfrequenz als Funktionen des IDT-Abstands für tfd = 90 nm. Die Frequenzverschiebungen sind annähernd lineare Funktionen von tfd.
In 9 beträgt der Unterschied zwischen der Resonanz- und der Antiresonanzfrequenz 600 bis 650 MHz für bestimmte Werte für die Dicke der vorderseitigen dielektrischen Schicht und des IDT-Abstands. Dieser Unterschied ist groß im Vergleich zu älteren akustischen Filtertechnologien, wie z. B. akustischen Oberflächenwellenfiltern. Allerdings sind 650 MHz für sehr breitbandige Filter wie Bandpassfilter, die für die Bänder n77 und n79 benötigt werden, nicht ausreichend. Wie in der Anmeldung 16/230,443 beschrieben, kann die vorderseitige dielektrische Schicht über den Shunt-Resonatoren dicker sein als die vorderseitige dielektrische Schicht über den Serienresonatoren, um die Frequenzdifferenz zwischen den Resonanzfrequenzen der Shunt-Resonatoren und den Antiresonanzfrequenzen der Serienresonatoren zu erhöhen.
Kommunikationsgeräte, die in Zeitbereichsduplexbändern (TDD-Bändern) arbeiten, senden und empfangen im selben Frequenzband. Sowohl der Sende- als auch der Empfangssignalpfad durchlaufen ein gemeinsames Bandpassfilter, das zwischen einer Antenne und einem Transceiver angeschlossen ist. Kommunikationsgeräte, die in Frequenzbereichsduplexbändern (FDD-Bändern) arbeiten, senden und empfangen in unterschiedlichen Frequenzbändern. Die Sende- und Empfangssignalpfade durchlaufen separate Sende- und Empfangsbandpassfilter, die zwischen einer Antenne und dem Transceiver angeschlossen sind. Filter für den Einsatz in TDD-Bändern oder Filter für den Einsatz als Sendefilter in FDD-Bändern können Funkfrequenz-Eingangsleistungspegeln von 30 dBm oder mehr ausgesetzt sein und müssen Beschädigungen unter Leistung vermeiden.
Der Einfügungsverlust von Bandpassfiltern für akustische Wellen beträgt in der Regel nicht mehr als ein paar dB. Ein Teil dieser verlorenen Leistung ist eine Rückflussdämpfung, die zur Leistungsquelle zurückreflektiert wird; der Rest der verlorenen Leistung wird im Filter verbraucht. Typische Bandpassfilter für LTE-Bänder haben eine Oberfläche von 1,0 bis 2,0 Quadratmillimetern. Obwohl die Gesamtverlustleistung in einem Filter gering sein kann, kann die Leistungsdichte angesichts der kleinen Oberfläche hoch sein. Außerdem sind die primären Verlustmechanismen in einem akustischen Filter Widerstandsverluste in den Leiterstrukturen und akustische Verluste in den IDT-Fingern und dem piezoelektrischen Material. Daher konzentriert sich die Verlustleistung in einem akustischen Filter in den akustischen Resonatoren. Um einen übermäßigen Temperaturanstieg in den akustischen Resonatoren zu vermeiden, muss die durch die Verlustleistung entstehende Wärme von den Resonatoren durch die Filterverpackung an die Umgebung außerhalb des Filters abgeleitet werden.
In herkömmlichen akustischen Filtern wie akustische Oberflächenwellenfiltern (SAW-Filtern) und akustische Volumenwellenfiltern (BAW-Filtern) wird die durch die Verlustleistung in den akustischen Resonatoren erzeugte Wärme effizient durch das Filtersubstrat und die Metallelektrodenstrukturen in die Verpackung geleitet. In einer XBAR-Vorrichtung sind die Resonatoren auf dünnen piezoelektrischen Membranen angeordnet, die ineffiziente Wärmeleiter sind. Der größte Teil der in einer XBAR-Vorrichtung erzeugten Wärme muss über die IDT-Finger und die zugehörigen Leiterstrukturen aus dem Resonator abgeleitet werden.
Um die Verlustleistung zu minimieren und die Wärmeabfuhr zu maximieren, sollten die IDT-Finger und die zugehörigen Leiter aus einem Material mit niedrigem elektrischem Widerstand und hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen. Metalle, die sowohl einen niedrigen spezifischen Widerstand als auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, sind in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Metall Elektrischer Widerstand (10^-6 Ω-cm) Wärmeleitfähigkeit (W/m-K)

Silber 1,55 419

Kupfer 1,70 385

Gold 2,2 301

Aluminium 2,7 210
Silber bietet den niedrigsten spezifischen Widerstand und die höchste Wärmeleitfähigkeit, ist aber kein geeigneter Kandidat für IDT-Leiter, da es keine Verfahren für die Abscheidung und Strukturierung von Silber-Dünnschichten gibt. Geeignete Verfahren gibt es für Kupfer, Gold und Aluminium. Aluminium bietet die ausgereiftesten Verfahren für den Einsatz in akustischen Resonatoren und möglicherweise die niedrigsten Kosten, hat aber einen höheren spezifischen Widerstand und eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer und Gold. Zum Vergleich: Die Wärmeleitfähigkeit von Lithiumniobat beträgt etwa 4 W/m-K, also etwa 2 % der Wärmeleitfähigkeit von Aluminium. Aluminium hat auch gute akustische Dämpfungseigenschaften, was dazu beiträgt, die Verlustleistung zu minimieren.
Der elektrische Widerstand der IDT-Finger kann verringert und die Wärmeleitfähigkeit der IDT-Finger kann erhöht werden, indem die Querschnittsfläche der Finger so weit wie möglich vergrößert wird. Wie in Verbindung mit 4 beschrieben, gibt es bei XBAR im Gegensatz zu SAW oder AlN-BAW nur eine geringe Kopplung der primären akustischen Mode mit den IDT-Fingern. Eine Änderung der Breite und/oder Dicke der IDT-Finger hat nur minimale Auswirkungen auf die primäre akustische Mode in einer XBAR-Vorrichtung. Dies ist eine sehr ungewöhnliche Situation für einen akustischen Wellenresonator. Die Geometrie der IDT-Finger hat jedoch erhebliche Auswirkungen auf die Kopplung mit akustischen Störmoden, wie Schermoden höherer Ordnung und Plattenmoden, die sich seitlich in der piezoelektrischen Membran bewegen.
10 ist ein Diagramm, das die Auswirkungen der IDT-Fingerdicke auf die XBAR-Leistung veranschaulicht. Die durchgezogene Kurve 1010 ist eine Darstellung der Größe der Admittanz einer XBAR-Vorrichtung mit der Dicke der IDT-Finger tm = 100 nm. Die gestrichelte Kurve 1030 ist eine Darstellung der Admittanz einer XBAR-Vorrichtung mit der Dicke der IDT-Finger tm = 250 nm. Die gestrichelte Kurve 1020 ist eine Darstellung der Admittanz einer XBAR-Vorrichtung mit der Dicke der IDT-Finger tm = 500 nm. Die drei Kurven 1010, 1020, 1030 wurden zur besseren Sichtbarkeit vertikal um etwa 1,5 Einheiten verschoben. Die drei XBAR-Vorrichtungen sind bis auf die Dicke der IDT-Finger identisch. Die piezoelektrische Platte ist aus Lithiumniobat mit einer Dicke von 400 nm, die IDT-Elektroden sind aus Aluminium, und der IDT-Abstand beträgt 4 Mikrometer. Die XBAR-Vorrichtungen mit tm = 100 nm und tm = 500 nm haben ähnliche Resonanzfrequenzen, Q-Faktoren und elektromechanische Kopplung. Die XBAR-Vorrichtung mit tm = 250 nm weist eine Störmode bei einer Frequenz nahe der Resonanzfrequenz auf, so dass die Resonanz effektiv in zwei Spitzen mit niedrigem Q-Faktor und niedriger Admittanz aufgeteilt ist, die durch mehrere hundert MHz getrennt sind. Der XBAR mit tm = 250 nm (Kurve 1030) ist möglicherweise nicht in einem Filter verwendbar.
11 ist ein Diagramm, das die Auswirkungen der IDT-Fingerbreite w auf die XBAR-Leistung veranschaulicht. Die durchgezogene Kurve 1110 ist eine Darstellung der Größe der Admittanz einer XBAR-Vorrichtung mit der Breite der IDT-Finger w = 0,74 Mikrometer. Man beachte die Störmodenresonanz bei einer Frequenz von etwa 4,9 GHz, die im Durchlassband eines Filters liegen könnte, das diesen Resonator enthält. Solche Effekte könnten eine unannehmbare Störung des Übertragungsgrades im Durchlassband des Filters verursachen. Die gestrichelte Kurve 1120 ist eine Darstellung des Betrags der Admittanz einer XBAR-Vorrichtung mit der Breite der IDT-Finger w = 0,86 Mikrometer. Die beiden Resonatoren sind bis auf die Dimension w identisch. Die piezoelektrische Platte besteht aus 400 nm dickem Lithiumniobat, die IDT-Elektroden sind aus Aluminium, und der IDT-Abstand beträgt 3,25 Mikrometer. Die Änderung von w von 0,74 Mikrometer auf 0,86 Mikrometer unterdrückte die Störmode mit geringen oder keinen Auswirkungen auf die Resonanzfrequenz und die elektromechanische Kopplung.
Angesichts der komplexen Abhängigkeit der Störmodenfrequenz und -amplitude von der Membrandicke ts, der IDT-Metalldicke tm, des IDT-Abstands p und der IDT-Fingerbreite w führten die Erfinder eine empirische Bewertung einer großen Anzahl hypothetischer XBAR-Resonatoren unter Verwendung zweidimensionaler Finite-Elemente-Modelle durch. Für jede Kombination von Membrandicke ts, IDT-Fingerdicke tm und IDT-Abstand p wurde der XBAR-Resonator für eine Folge von Werten der IDT-Fingerbreite w simuliert. Für jeden Wert von w wurde eine Leistungszahl (FOM) berechnet, um die negativen Auswirkungen von Störmoden abzuschätzen. Die FOM wird berechnet, indem die negativen Auswirkungen der Störmoden über einen bestimmten Frequenzbereich integriert werden. Die FOM und der Frequenzbereich hängen von den Anforderungen eines bestimmten Filters ab. Der Frequenzbereich umfasst in der Regel das Durchlassband des Filters und kann ein oder mehrere Sperrbänder enthalten. Störungsmoden, die zwischen der Resonanz- und der Antiresonanzfrequenz jedes hypothetischen Resonators auftreten, wurden im FOM stärker gewichtet als Störungsmoden bei Frequenzen unterhalb der Resonanz oder oberhalb der Antiresonanz. Hypothetische Resonatoren, deren minimierter FOM-Wert unter einem Schwellenwert lag, wurden als potenziell „brauchbar“ eingestuft, d. h. sie wiesen wahrscheinlich ausreichend geringe Störmoden für die Verwendung in einem Filter auf. Hypothetische Resonatoren mit einer minimierten Kostenfunktion über dem Schwellenwert wurden als nicht brauchbar betrachtet.
12 ist ein Diagramm 1200, das Kombinationen von IDT-Abstand und IDT-Fingerdicke zeigt, die brauchbare Resonatoren ergeben können. Dieses Diagramm basiert auf zweidimensionalen Simulationen von XBAR mit Lithiumniobat-Membrandicke ts = 400 nm, Aluminiumleitern und vorderseitiger dielektrischer Dicke tfd = 0. XBAR mit IDT-Abstand und -Dicke innerhalb der schattierten Bereiche 1210, 1215, 1220, 1230 haben wahrscheinlich ausreichend geringe Störeffekte für die Verwendung in Filtern. Für jede Kombination von IDT-Abstand und IDT-Fingerdicke wurde die Breite der IDT-Finger so gewählt, dass die FOM minimiert wird. Der schwarze Punkt 1240 stellt einen XBAR dar, der in einem Filter verwendet wird, auf den später eingegangen wird. Brauchbare Resonatoren gibt es für IDT-Fingerdicken größer als oder gleich 340 nm und kleiner als oder gleich 1000 nm.
Wie bereits erwähnt, kann bei Breitbandfiltern, die XBAR verwenden, eine dickere vorderseitige dielektrische Schicht von Shunt-Resonatoren als auf Serienresonatoren verwendet werden, um die Resonanzfrequenzen der Shunt-Resonatoren im Vergleich zu den Resonanzfrequenzen der Serienresonatoren zu senken. Die vorderseitige dielektrische Schicht von Shunt-Resonatoren kann bis zu 150 nm dicker sein als die vorderseitige dielektrische Schicht von Serienresonatoren. Um die Herstellung zu vereinfachen, kann es vorteilhaft sein, die gleiche IDT-Fingerdicke sowohl bei Shunt- als auch bei Serienresonatoren zu verwenden.
13 ist ein weiteres Diagramm 1300, das Kombinationen von IDT-Abstand und IDT-Fingerdicke zeigt, die brauchbare Resonatoren ergeben können. Dieses Diagramm basiert auf Simulationen von XBAR mit Lithiumniobat-Membrandicke = 400 nm, Aluminiumleitern und tfd = 100 nm. XBAR mit einem IDT-Abstand und -Dicke innerhalb der schattierten Bereiche 1310, 1320, 1330 haben wahrscheinlich ausreichend geringe Störeffekte für die Verwendung in Filtern. Für jede Kombination von IDT-Abstand und IDT-Fingerdicke wurde die Breite der IDT-Finger so gewählt, dass die FOM minimiert wird. Der schwarze Punkt 1340 stellt einen XBAR dar, der in einem Filter verwendet wird, auf den später eingegangen wird. Brauchbare Resonatoren gibt es für IDT-Fingerdicken größer als oder gleich 350 nm und kleiner als oder gleich 900 nm.
Unter der Annahme, dass ein Filter ohne vorderseitige dielektrische Schicht von Serienresonatoren und mit einer 100 nm dicken vorderseitigen dielektrischen Schicht von Shunt-Resonatoren entworfen wird, definieren 12 und 13 gemeinsam die Kombinationen aus Metalldicke und IDT-Abstand, die zu verwendbaren Resonatoren führen. Insbesondere definiert 12 brauchbare Kombinationen von Metalldicke und IDT-Abstand für Serienresonatoren und 13 brauchbare Kombinationen von Metalldicke und IDT für Shunt-Resonatoren. Da aus Gründen der einfachen Herstellung nur eine einzige Metalldicke wünschenswert ist, definiert die Überlappung zwischen den in 12 und 13 definierten Bereichen den Bereich der Metalldicken für Filter, die eine vorderseitige dielektrische Schicht verwenden, um die Resonanzfrequenz des Shunt-Resonators zu verschieben. Ein Vergleich von 12 und 13 zeigt, dass eine IDT-Aluminiumdicke zwischen 350 nm und 900 nm (350 nm ≤ tm ≤ 900 nm) mindestens einen brauchbaren Wert für den Abstand sowohl für Serien- als auch für Shunt-Resonatoren liefert.
14 ist ein weiteres Diagramm 1400, das Kombinationen von IDT-Abstand und IDT-Fingerdicke zeigt, die brauchbare Resonatoren ergeben können. Das Diagramm ist vergleichbar mit 12 mit Kupfer- statt Aluminiumleitern. 14 basiert auf Simulationen von XBAR mit Lithiumniobat-Membrandicke = 400 nm, Kupferleitern und tfd = 0. XBAR mit IDT-Abstand und Fingerbreite innerhalb der schattierten Bereiche 1410, 1420, 1430, 1440 haben wahrscheinlich ausreichend geringe Störeffekte für die Verwendung in Filtern. Für jede Kombination von IDT-Abstand und IDT-Fingerdicke wird die Breite der IDT-Finger so gewählt, dass die FOM minimiert wird. Brauchbare Resonatoren gibt es für IDT-Fingerdicken größer als oder gleich 340 nm und kleiner als oder gleich 570 nm und für IDT-Fingerdicken größer als oder gleich 780 nm und kleiner als oder gleich 930 nm.
15 ist ein weiteres Diagramm 1500, das Kombinationen von IDT-Abstand und IDT-Fingerdicke zeigt, die brauchbare Resonatoren ergeben können. Dieses Diagramm basiert auf Simulationen von XBAR mit Lithiumniobat-Membrandicke = 400 nm, Kupferleitern und tfd = 100 nm. XBAR, deren IDT-Abstand und Fingerdicke innerhalb der schattierten Bereiche 1610, 1620 liegen, haben wahrscheinlich ausreichend geringe Störeffekte für die Verwendung in Filtern. Für jede Kombination von IDT-Abstand und IDT-Fingerdicke wird die Breite der IDT-Finger so gewählt, dass die Kostenfunktion minimiert wird. Die IDT-Fingerdicke ist größer als oder gleich 340 nm und kleiner als oder gleich 770 nm.
Unter der Annahme, dass ein Filter ohne vorderseitige dielektrische Schicht von Serienresonatoren und mit einer 100 nm dicken vorderseitigen dielektrischen Schicht von Shunt-Resonatoren entworfen wird, definieren 14 und 15 gemeinsam die Kombinationen von Metalldicke und IDT-Abstand, die zu brauchbaren Resonatoren führen. Insbesondere definiert 14 sinnvolle Kombinationen von Metalldicke und IDT-Abstand für Serienresonatoren und 15 sinnvolle Kombinationen von Metalldicke und IDT-Abstand für Shunt-Resonatoren. Da aus Gründen der einfachen Herstellung nur eine einzige Metalldicke wünschenswert ist, definiert die Überlappung zwischen den in 14 und 15 definierten Bereichen den Bereich der Metalldicken für Filter, die eine vorderseitige dielektrische Schicht verwenden, um die Resonanzfrequenz des Shunt-Resonators zu verschieben. Ein Vergleich von 14 und 15 zeigt, dass eine IDT-Kupferdicke zwischen 340 nm und 570 nm mindestens einen brauchbaren Wert für den Abstand von Serien- und Shunt-Resonatoren ergibt.
Ähnliche Diagramme wie in 12, 13, 14 und 15 können für andere Werte der Dicke der vorderseitigen dielektrischen Schicht und für andere Leitermaterialien wie Gold erstellt werden.
16 ist ein Diagramm 1600, das Kombinationen von IDT-Abstand und IDT-Fingerdicke zeigt, die verwendbare Resonatoren auf Membranen unterschiedlicher Dicke ergeben können. Die schattierten Bereiche 1610, 1615, 1620 definieren brauchbare Kombinationen von IDT-Abstand und Aluminium-IDT-Dicke für eine Membrandicke von 500 nm. Die von durchgezogenen Linien, z. B. die Linie 1630, umschlossenen Bereiche definieren verwendbare Kombinationen von IDT-Abstand und Aluminium-IDT-Dicke für eine Membrandicke von 400 nm. Die durchgezogenen Linien bilden die Grenzen der schattierten Bereiche 1210, 1215 und 1220 von 12. Die von gestrichelten Linien, wie z. B. die Linie 1640, umschlossenen Bereiche definieren brauchbare Kombinationen von IDT-Abstand und Aluminium-IDT-Dicke für eine Membrandicke von 300 nm.
Obwohl die Kombinationen von IDT-Dicke und -Abstand, die zu verwendbaren Resonatoren auf Membranen mit 500 nm (schraffierte Bereiche 1610, 1615, 1620), Membranen mit 500 nm (von durchgezogenen Linien umschlossene Bereiche) und Membranen mit 300 nm (von gestrichelten Linien umschlossene Bereiche) führen, nicht identisch sind, sind die gleichen allgemeinen Trends erkennbar. Für Membrandicken von 300, 400 und 500 nm können brauchbare Resonatoren mit einer IDT-Metalldicke von weniger als dem 0,375-Fachen der Membrandicke hergestellt werden. Für Membrandicken von 300, 400 und 500 nm können verwendbare Resonatoren mit einer IDT-Aluminiumdicke hergestellt werden, die größer ist als das 0,85-Fache der Membrandicke und bis zu mindestens dem 1,5-Fachen der Membrandicke. Obwohl in 16 nicht dargestellt, wird davon ausgegangen, dass die aus 12 bis 15 gezogenen Schlussfolgerungen mit der Membrandicke skaliert werden können. Für IDT-Leiter aus Aluminium ergibt sich der Bereich der IDT-Dicke, der brauchbare Resonatoren ergibt, aus der Formel 0,85 ≤ tm/ts ≤ 2,5. Bei Filtern, die eine vorderseitige dielektrische Schicht verwenden, um die Resonanzfrequenz von Shunt-Resonatoren zu verschieben, ergibt sich der Bereich der Aluminium-IDT-Dicke, der brauchbare Resonatoren ergibt, aus der Formel 0,875 ≤ tm/ts ≤ 2,25. Bei IDT-Leitern aus Kupfer ergibt sich der Bereich der IDT-Dicke, der brauchbare Resonatoren ergibt, aus der Formel 0,85 ≤ tm/ts ≤ 1,42 oder der Formel 1,95 ≤ tm/ts ≤ 2,325. Bei Filtern, die eine vorderseitige dielektrische Schicht verwenden, um die Resonanzfrequenz von Shunt-Resonatoren zu verschieben, ist der Bereich der Aluminium-IDT-Dicke, der brauchbare Resonatoren ergibt, durch die Formel 0,85 ≤ tm/ts ≤ 1,42 gegeben.
Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass dünne IDT-Finger (d. h. tm/ts ≤ 0,375) die Wärme nicht angemessen aus der Resonatorfläche abtransportieren können und IDT mit solch dünnen IDT-Fingern für Hochleistungsanwendungen ungeeignet sind. Dicke IDT-Leiter (d. h. tm/ts ≥ 0,85) ermöglichen einen wesentlich besseren Wärmetransport. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass Filter, die XBAR-Resonatoren mit 500 nm Aluminium-IDT-Fingern und 400 nm Membrandicke (tm/ts = 1,25) verwenden, 31 dBm CW (kontinuierliche Welle) HF-Eingangsleistung am oberen Rand des Filterdurchlassbandes (in der Regel die Frequenz mit der höchsten Verlustleistung innerhalb eines Filterdurchlassbandes) tolerieren können.
Zusätzlich zu einer hohen Wärmeleitfähigkeit, einem großen Querschnitt, IDT-Fingern und einer relativ kleinen Apertur können die verschiedenen Elemente eines XBAR-Filters so eingerichtet sein, dass der Wärmefluss zwischen den Membranen und der Umgebung außerhalb der Filterverpackung maximiert wird. 17 ist eine Querschnittsansicht eines Teils eines XBAR (Detail D wie in 1 definiert). Die piezoelektrische Platte 110 ist eine einkristalline Schicht aus piezoelektrischem Material. Eine Rückseite der piezoelektrischen Platte 110 ist an ein Substrat 120 gebondet. Zwischen der piezoelektrischen Platte 110 und dem Substrat 120 kann eine dielektrische Bondingschicht 1730 vorhanden sein, um das Bonden der piezoelektrischen Platte und des Substrats mit Hilfe eines Wafer-Bonding-Verfahrens zu erleichtern. Die Bondingschicht kann typischerweise aus SiO2 bestehen. Ein Teil der piezoelektrischen Platte 110 bildet eine Membran, die einen Hohlraum 140 im Substrat 120 überspannt.
Auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte 110 ist ein IDT (130 in 1) gebildet. Der IDT umfasst zwei Sammelschienen, von denen in 17 nur die Sammelschiene 134 dargestellt ist, und eine Vielzahl von ineinander verschachtelten parallelen Fingern, wie z. B. Finger 136, die sich von den Sammelschienen auf einen Teil der piezoelektrischen Platte 110 erstrecken, der die den Hohlraum 140 überspannende Membran bildet. Ein Leiter 1720 erstreckt sich von der Sammelschiene 134, um den XBAR mit anderen Elementen einer Filterschaltung zu verbinden. Der Leiter 1720 kann mit einer zweiten Leiterschicht 1725 überlagert sein. Die zweite Leiterschicht kann eine erhöhte elektrische und thermische Leitfähigkeit bieten. Die zweite Leiterschicht 1725 kann dazu dienen, den elektrischen Widerstand der Verbindung zwischen dem XBAR 100 und anderen Elementen der Filterschaltung zu verringern. Die zweite Leiterschicht kann aus demselben oder einem anderen Material wie die IDT 130 bestehen. Beispielsweise kann die zweite Leiterschicht 1725 auch dazu verwendet werden, Pads für die Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen dem XBAR-Chip und Schaltkreisen außerhalb des XBAR zu bilden. Die zweite Leiterschicht 1725 kann einen Teil 1710 aufweisen, der sich auf die Sammelschiene 134 erstreckt.
Wie bereits erörtert, stellen die Metallleiter des IDT (und die zweite Leiterschicht, sofern vorhanden) einen primären Mechanismus zur Ableitung von Wärme aus einer XBAR-Vorrichtung dar, wie durch die fett gestrichelten Pfeile 1750, 1760, 1770 angegeben. Die in der XBAR-Vorrichtung erzeugte Wärme wird entlang der IDT-Finger (Pfeil 1750) zu den Sammelschienen geleitet. Ein Teil der Wärme wird über die Leiterschichten 1720, 1725 (Pfeile 1760) von den Sammelschienen weggeleitet. Ein weiterer Teil der Wärme kann von den Sammelschienen durch die piezoelektrische Platte 110 und die dielektrische Schicht 1730 geleitet werden, um über das Substrat 120 abgeführt zu werden (Pfeil 1770).
Um die Wärmeübertragung von den Leitern zum Substrat zu erleichtern, erstrecken sich zumindest Teile der Sammelschienen von der Membran auf den Teil der piezoelektrischen Platte 110, der an das Substrat 120 gebondet ist. Dadurch kann die durch akustische und ohmsche Verluste in der XBAR-Vorrichtung erzeugte Wärme durch die parallelen Finger des IDT zu den Sammelschienen und dann durch die piezoelektrische Platte zum Substrat 120 fließen. In 3 ist beispielsweise die Dimension wbb die Breite der Sammelschiene 134 und die Dimension wol die Breite des Teils der Sammelschiene 134, der das Substrat 120 überlappt. wol kann mindestens 50 % von wbb betragen. Die Sammelschienen können sich von der Membran weg erstrecken und das Substrat 120 entlang der gesamten Länge (d. h. der Richtung senkrecht zur Ebene von 3) des IDT überlappen.
Um die Wärmeübertragung von den Leitern auf das Substrat weiter zu erleichtern, kann die Dicke der Bondingschicht 1730 minimiert werden. Derzeit haben handelsübliche gebondete Wafer (d. h. Wafer mit einem Lithiumniobat- oder Lithiumtantalatfilm, der an einen Siliziumwafer gebondet ist) eine SiO2-Zwischenbondingschicht mit einer Dicke von 2 Mikrometern. In Anbetracht der schlechten Wärmeleitfähigkeit von SiO2 ist es vorzuziehen, dass die Dicke der Bondingschicht auf 100 nm oder weniger reduziert wird.
Der primäre Weg für den Wärmefluss von einer Filtervorrichtung nach außen führt über die leitenden Kontaktstellen, die die elektrische Verbindung zum Filter herstellen. Die Wärme fließt von den Leitern und dem Substrat des Filters durch die leitenden Kontaktstellen zu einer Leiterplatte oder einer anderen Struktur, die als Kühlkörper für das Filter dient. Die Lage und Anzahl der leitenden Kontaktstellen haben einen erheblichen Einfluss auf den Temperaturanstieg innerhalb eines Filters. So können beispielsweise Resonatoren mit der höchsten Verlustleistung in unmittelbarer Nähe von leitenden Kontaktstellen angeordnet sein. Resonatoren mit hoher Verlustleistung können so weit wie möglich voneinander getrennt werden. Zusätzliche leitende Kontaktstellen, die für die elektrischen Verbindungen zum Filter nicht erforderlich sind, können vorgesehen sein, um den Wärmefluss vom Filter zum Kühlkörper zu verbessern.
18 ist ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Hochleistungs-XBAR-Bandpassfilters für das Band n79. Die Schaltung des Bandpassfilters 1800 ist ein Fünf-Resonator-Leiterfilter, ähnlich wie in 5. Die Serienresonatoren X1 und X5 sind jeweils in zwei Teile (X1A/B bzw. X5A/B) unterteilt, die parallel geschaltet sind. Die Shunt-Resonatoren X2 und X4 sind jeweils in vier Teile (X2A/B/C/D bzw. X4A/B/C/D) unterteilt, die parallel geschaltet sind. Die Aufteilung der Resonatoren in zwei oder vier Teile hat den Vorteil, dass die Länge der einzelnen Membranen verringert wird. Durch die Verringerung der Membranlänge wird die mechanische Festigkeit der Membran erhöht.
19 zeigt ein beispielhaftes Layout 1900 für das Bandpassfilter 1800. In diesem Beispiel sind die Resonatoren symmetrisch um eine zentrale Achse 1910 angeordnet. Der Signalweg verläuft im Allgemeinen entlang der zentralen Achse 1910. Die symmetrische Anordnung der Resonatoren verringert die unerwünschte Kopplung zwischen den Elementen des Filters und verbessert die Sperrbandunterdrückung. Die Länge der einzelnen Resonatoren ist in der Richtung senkrecht zur zentralen Achse angeordnet. Die beiden Teile der Serienresonatoren X1A-B und X5A-B sind in der Richtung senkrecht zur zentralen Achse in Reihe angeordnet. Diese Resonatoren können in mehr als zwei auf die gleiche Weise angeordnete Teile unterteilt werden. Der Serienresonator X3 könnte in zwei oder mehr Teile unterteilt werden. Die Shunt-Resonatoren sind in vier Teile X2A-D und X4A-D unterteilt, wobei die Teile paarweise auf beiden Seiten der zentralen Achse 1910 angeordnet sind. Durch diese Anordnung der Segmente der Shunt-Resonatoren wird der Abstand zwischen der Mitte jedes Resonatorteils und den breiten Masseleitern an der Oberseite und Unterseite (wie in 19 zu sehen) der Vorrichtung minimiert. Die Verkürzung dieses Abstands erleichtert die Wärmeabfuhr aus den Segmenten der Shunt-Resonatoren. Shunt-Resonatoren können in eine gerade Anzahl von Teilen unterteilt werden, die zwei, vier (wie dargestellt) oder mehr als vier betragen kann. In jedem Fall ist die Hälfte der Teile auf beiden Seiten der zentralen Achse 1910 angeordnet. Bei anderen Filtern können der Eingangsanschluss IN und der Ausgangsanschluss OUT auch entlang der zentralen Achse 1910 angeordnet sein.

20 ist ein Diagramm 2000, das die gemessene Leistung des Bandpassfilters 1800 zeigt. Die XBAR werden auf einer Z-geschnittenen Lithiumniobat-Platte gebildet. Die Dicke ts der Lithiumniobat-Platte beträgt 400 nm. Das Substrat besteht aus Silizium, die IDT-Leiter aus Aluminium und die vorderseitige dielektrische Schicht, sofern vorhanden, aus SiO2. Die Dicke tm der IDT-Finger beträgt 500 nm, so dass tm/ts = 1,25 ist. Die anderen physikalischen Parameter der Resonatoren sind in der folgenden Tabelle aufgeführt (alle Dimensionen sind in Mikrometer angegeben; p = IDT-Abstand, w = IDT-Fingerbreite, AP = Apertur, L = Länge und tfd = Dicke der vorderseitigen dielektrischen Schicht):

	Serie Resonatoren			Shunt-Resonatoren
Parameter	X1*	X3	X5*	X2**	X4**
p	3,75	3,75	3,75	4,12	4,12
w	1,01	0,86	1,10	0,84	0,93
AP	44	37	41	58	57
L	350	420	350	350	350
tfd	0	0	0	0,100	0,100

* Jeder von 2 Abschnitten
** Jeder von 4 Abschnitten

Die Serienresonatoren entsprechen dem gefüllten Kreis 1240 in 12, und die Shunt-Resonatoren entsprechen dem gefüllten Kreis 1340 in 13.
In 20 ist die durchgezogene Linie 2010 eine Darstellung von S(1,2), die die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion des Filters als Funktion der Frequenz darstellt. Die gestrichelte Linie 2020 ist eine Darstellung von S(1,1), also der Reflexion am Eingangsanschluss, als Funktion der Frequenz. Die gestrichelten vertikalen Linien begrenzen das Band N79 von 4,4 bis 5,0 GHz und das 5-GHz-Wi-Fi-Band von 5,17 GHz bis 5,835 GHz. Beide Darstellungen 2010, 2020 basieren auf Wafer-Sondenmessungen, die für eine 50-Ohm-Impedanz korrigiert wurden.
21 ist ein Diagramm 2100, das die gemessene Leistung des Band-N79-Bandpassfilters 1800 über einen breiteren Frequenzbereich zeigt. In 21 ist die durchgezogene Linie 2110 eine Darstellung von S(1,2), die die Eingangs-Ausgangs-Übertragungsfunktion des Filters als Funktion der Frequenz darstellt. Die gestrichelte Linie 2120 ist eine Darstellung von S(1,1), also der Reflexion am Eingangsanschluss, als Funktion der Frequenz. Beide Darstellungen 2110, 2120 basieren auf Wafer-Sondenmessungen, die für eine 50-Ohm-Impedanz korrigiert wurden.
Abschließende Bemerkungen
In dieser gesamten Beschreibung sollten die gezeigten Ausführungsformen und Beispiele als Muster betrachtet werden und nicht als Einschränkungen der offenbarten oder beanspruchten Vorrichtungen und Vorgehensweisen. Obwohl viele der hier dargestellten Beispiele spezifische Kombinationen von Verfahrenstätigkeiten oder Systemelementen beinhalten, sollte verstanden werden, dass diese Tätigkeiten und diese Elemente auf andere Weise kombiniert werden können, um die gleichen Ziele zu erreichen. Im Hinblick auf Flussdiagramme können zusätzliche und weniger Schritte unternommen werden, und die gezeigten Schritte können kombiniert oder weiter verfeinert werden, um die hier beschriebenen Verfahren zu erreichen. Tätigkeiten, Elemente und Merkmale, die nur im Zusammenhang mit einer Ausführungsform diskutiert werden, sollen nicht von einer ähnlichen Rolle in anderen Ausführungsformen ausgeschlossen werden.
Wie hier verwendet, bedeutet „Vielzahl“ zwei oder mehr. Wie hier verwendet, kann ein „Satz“ von Elementen einen oder mehrere solcher Elemente umfassen. In der hier verwendeten Form, sei es in der schriftlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen, sind die Begriffe „umfassend“, „einschließend“, „tragend“, „aufweisend“, „enthaltend“, „einbeziehend“ und dergleichen so zu verstehen, dass sie unbegrenzt sind, d. h. dass sie einschließen, aber nicht darauf beschränkt sind. Nur die Übergangsphrasen „bestehend aus“ bzw. „bestehend im Wesentlichen aus“ sind geschlossene oder halbgeschlossene Übergangsphrasen mit Bezug auf Ansprüche. Die Verwendung von ordinalen Ausdrücken wie „erster“, „zweiter“, „dritter“ usw. in den Ansprüchen, um ein Anspruchselement zu ändern, bedeutet an sich keine Priorität, keinen Vorrang oder keine Reihenfolge eines Anspruchselements gegenüber einem anderen oder die zeitliche Reihenfolge, in der die Tätigkeiten eines Verfahrens ausgeführt werden, sondern sie werden lediglich als Kennzeichnungen verwendet, um ein Anspruchselement mit einem bestimmten Namen von einem anderen Element mit demselben Namen zu unterscheiden (aber für die Verwendung des ordinalen Ausdrucks), um die Anspruchselemente zu unterscheiden. Wie hier verwendet, bedeutet „und/oder“, dass die aufgelisteten Elemente Alternativen sind, aber die Alternativen enthalten auch jede Kombination der aufgelisteten Elemente.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 16/230443 [0042]

Claims

Akustische Resonatorvorrichtung, umfassend: ein Substrat mit einer Oberfläche; eine einkristalline piezoelektrische Platte mit einer Vorder- und einer Rückfläche, wobei die Rückfläche an der Oberfläche des Substrats angebracht ist, mit Ausnahme eines Teils der piezoelektrischen Platte, der eine Membran bildet, die einen Hohlraum in dem Substrat überspannt; und einen Interdigitalwandler (IDT), der auf der Vorderfläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte so gebildet ist, dass ineinander verschachtelte Finger des IDT auf der Membran angeordnet sind, wobei die piezoelektrische Platte und der IDT so eingerichtet sind, dass ein an den IDT angelegtes Hochfrequenzsignal eine primäre akustische Schermode in der Membran anregt, wobei eine Dicke der ineinander verschachtelten Finger des IDT größer oder gleich dem 0,85-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte und kleiner als oder gleich dem 2,5-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte ist.
Akustische Resonatorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ineinander verschachtelten Finger des IDT im Wesentlichen aus Aluminium bestehen.
Akustische Resonatorvorrichtung nach Anspruch 2, ferner umfassend: eine vorderseitige dielektrische Schicht, die zwischen den Fingern des IDT abgeschieden ist, wobei eine Dicke der vorderseitigen dielektrischen Schicht größer als Null und kleiner als oder gleich dem 0,25-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte ist, wobei die Dicke der ineinander verschachtelten Finger des IDT größer als oder gleich dem 0,875-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte und kleiner als oder gleich dem 2,25-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte ist.
Akustische Resonatorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die ineinander verschachtelten Finger des IDT im Wesentlichen aus Kupfer bestehen, und die Dicke der ineinander verschachtelten Finger des IDT innerhalb eines Bereichs größer als oder gleich dem 0,85-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte und kleiner als dem 1,42-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte, oder eines Bereich größer als oder gleich dem 1,95-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte und kleiner als dem 2,325-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte liegt.
Akustische Resonatorvorrichtung nach Anspruch 4, ferner umfassend: eine vorderseitige dielektrische Schicht, die zwischen den Fingern des IDT abgeschieden ist, wobei eine Dicke der vorderseitigen dielektrischen Schicht größer als Null und kleiner als oder gleich 100 nm ist, wobei die Dicke der ineinander verschachtelten Finger des IDT im Bereich von größer als oder gleich dem 0,85-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte und kleiner als oder gleich dem 1,42-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte liegt.
Akustische Resonatorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Dicke der piezoelektrischen Platte größer als oder gleich 300 nm und kleiner als oder gleich 500 nm ist.
Akustische Resonatorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Abstand der ineinander verschachtelten Finger des IDT größer als oder gleich dem 6-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte und kleiner als oder gleich dem 12,5-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte ist.
Akustische Resonatorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Apertur des IDT größer als oder gleich 20 Mikrometer und kleiner als oder gleich 60 Mikrometer ist.
Akustische Resonatorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Richtung vom akustischen Energiefluss der primären akustischen Mode im Wesentlichen orthogonal zur Vorder- und Rückfläche der Membran verläuft.
Akustische Resonatorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Membran um mindestens 50 % des Umfangs des Hohlraums an die piezoelektrische Platte angrenzt.
Filtervorrichtung, umfassend: ein Substrat; eine einkristalline piezoelektrische Platte mit einer Vorder- und einer Rückfläche, wobei die Rückfläche an der Oberfläche des Substrats angebracht ist und Teile der einkristallinen piezoelektrischen Platte eine oder mehrere Membranen bilden, die entsprechende Hohlräume in dem Substrat überspannen; und eine Leiterstruktur, die auf der Vorderfläche gebildet ist, wobei die Leiterstruktur eine Vielzahl von Interdigitalwandlern (IDT) einer jeweiligen Vielzahl von akustischen Resonatoren enthält, wobei ineinander verschachtelte Finger von jedem der Vielzahl von IDT auf einer Membran der einen oder mehreren Membranen angeordnet sind, wobei die piezoelektrische Platte und alle IDT so eingerichtet sind, dass jeweilige Hochfrequenzsignale, die an jeden IDT angelegt werden, jeweilige primäre akustische Schermoden in den jeweiligen Membranen anregen, wobei die ineinander verschachtelten Finger aller IDT eine gemeinsame Fingerdicke haben, die größer als oder gleich dem 0,85-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte und kleiner als oder gleich dem 2,5-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die ineinander verschachtelten Finger aller IDT im Wesentlichen aus Aluminium bestehen.
Filtervorrichtung nach Anspruch 12, ferner umfassend: eine vorderseitige dielektrische Schicht, die zwischen den Fingern von mindestens einem der Vielzahl von IDT abgeschieden ist, wobei eine Dicke der vorderseitigen dielektrischen Schicht größer als Null und kleiner als oder gleich dem 0,25-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte ist, wobei die gemeinsame Fingerdicke größer als oder gleich dem 0,875-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte und kleiner als oder gleich dem 2,25-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die ineinander verschachtelten Finger aller IDT im Wesentlichen aus Kupfer bestehen und die gemeinsame Fingerdicke größer als oder gleich dem 0,85-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte und kleiner als dem 1,42-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 14, ferner umfassend: eine vorderseitige dielektrische Schicht, die zwischen den Fingern von mindestens einem der Vielzahl von IDT abgeschieden ist, wobei eine Dicke der vorderseitigen dielektrischen Schicht größer als Null und kleiner als oder gleich dem 0,25-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Dicke der piezoelektrischen Platte größer als oder gleich 300 nm und kleiner als oder gleich 500 nm ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 11, wobei jeweilige Abstände der ineinander verschachtelten Finger aller der Vielzahl von IDT größer als oder gleich dem 6-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte und kleiner als oder gleich dem 12,5-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte sind.
Filtervorrichtung nach Anspruch 11, wobei jeweilige Aperturen aller der Vielzahl von IDT größer als oder gleich 20 Mikrometer und kleiner als oder gleich 60 Mikrometer sind.
Filtervorrichtung nach Anspruch 11, wobei eine Richtung vom akustischen Energiefluss der jeweiligen primären akustischen Moden, die von allen IDT angeregt werden, im Wesentlichen orthogonal zur Vorder- und Rückfläche der Membran verläuft.
Filtervorrichtung nach Anspruch 11, wobei jede Membran der einen oder mehreren Membranen um mindestens 50 % des Umfangs des jeweiligen Hohlraums an die piezoelektrische Platte angrenzt.
Filtervorrichtung, umfassend: ein Substrat; eine einkristalline piezoelektrische Platte mit einer Vorder- und einer Rückfläche, wobei die Rückfläche an der Oberfläche des Substrats angebracht ist und Teile der einkristallinen piezoelektrischen Platte eine oder mehrere Membranen bilden, die entsprechende Hohlräume im Substrat überspannen; eine Leiterstruktur, die auf der Vorderfläche gebildet ist, wobei die Leiterstruktur eine Vielzahl von Interdigitalwandlern (IDT) einer jeweiligen Vielzahl von akustischen Resonatoren enthält, wobei ineinander verschachtelte Finger von jedem der Vielzahl von IDT auf einer Membran der einen oder mehreren Membranen angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Resonatoren einen oder mehrere Shunt-Resonatoren und einen oder mehrere Serienresonatoren enthält; eine erste dielektrische Schicht mit einer ersten Dicke, die zwischen den Fingern der IDT des einen oder der mehreren Shunt-Resonatoren abgeschieden ist; und eine zweite dielektrische Schicht mit einer zweiten Dicke, die zwischen den Fingern der IDT des einen oder der mehreren Serienresonatoren abgeschieden ist, wobei die zweite Dicke kleiner als die erste Dicke und größer als oder gleich Null ist, und die ineinander verschachtelten Finger aller IDT eine gemeinsame Fingerdicke haben, die größer als oder gleich dem 0,875-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte und kleiner als dem 2,25-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die ineinander verschachtelten Finger aller IDT im Wesentlichen aus Aluminium bestehen.
Filtervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die ineinander verschachtelten Finger aller IDT im Wesentlichen aus Kupfer bestehen und die gemeinsame Fingerdicke größer als oder gleich dem 0,85-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte und kleiner als dem 1,42-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Dicke der piezoelektrischen Platte größer als oder gleich 300 nm und kleiner als oder gleich 500 nm ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die jeweiligen Abstände der ineinander verschachtelten Finger aller der Vielzahl von IDT größer als oder gleich dem 6-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte und kleiner als oder gleich dem 12,5-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte sind.
Filtervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die jeweiligen Aperturen aller der Vielzahl von IDT größer als oder gleich 20 Mikrometer und kleiner als oder gleich 60 Mikrometer sind.
Filtervorrichtung nach Anspruch 21, wobei eine Richtung vom akustischen Energiefluss der jeweiligen primären akustischen Moden, die durch alle der Vielzahl von IDT angeregt werden, im Wesentlichen orthogonal zu den Vorder- und Rückflächen der Membran ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 21, wobei jede Membran der einen oder mehreren Membranen um mindestens 50 % des Umfangs des jeweiligen Hohlraums an die piezoelektrische Platte angrenzt.
Filtervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die erste Dicke kleiner als oder gleich dem 0,25-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte ist.