DE602004012511T2

DE602004012511T2 - Bandpass Filter mit akustischem Volumenwellen-Resonatorstapel mit einstellbarer Bandbreite

Info

Publication number: DE602004012511T2
Application number: DE602004012511T
Authority: DE
Inventors: John D. Larson Iii
Original assignee: Avago Technologies Wireless IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2024-06-23
Also published as: CN1879300B; CN1868121B; EP1528674B1; DE602004012511D1; CN1902819A; US20050093653A1; US7424772B2; US7019605B2; EP1528674A1; CN1879300A; CN1868121A; CN100505535C; JP2005137002A; US20060114080A1

Description

Verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung betrifft die Bandpassfilterung.
Allgemeiner Stand der Technik
Elektrische Bandpassfilter werden in vielen verschiedenen Arten von konsumelektronischen und industrieelektronischen Produkten zum Auswählen oder Sperren elektrischer Signale in einer Reihe von Frequenzen verwendet. In den vergangenen Jahren neigten solche Produkte dazu, beträchtlich kleiner zu werden, während die Schaltkreiskomplexität der Produkte allgemein zugenommen hat. Folglich besteht Bedarf an hoch-miniaturisierten Hochleistungs-Bandpassfiltern. Ein besonderer Bedarf an solchen Bandpassfiltern besteht in Mobiltelefonen, bei denen die Antenne mit dem Ausgang des Senders und dem Eingang des Empfängers über einen Duplexer verbunden ist, der zwei Bandpassfilter enthält.
Moderne Mobiltelefone enthalten einen Duplexer, bei dem jedes der Bandpassfilter eine Abzweigschaltung (ladder circuit) enthält, bei der jedes Element der Abzweigschaltung ein Film-Bulk-Akustik-Resonator (FBAR) ist. Ein solcher Duplexer wird von Bradley et al. im US-Patent Nr. 6,262,637 mit dem Titel "Duplexer Incorporating Thin-film Bulk Acoustic Resonators (FBARs)" offenbart ist, das an den Assignee dieser Offenbarung übertragen wurde. Ein solcher Duplexer besteht aus einem Sender-Bandpassfilter, das in Reihe zwischen dem Ausgang des Senders und der Antenne angeschlossen ist, und einem Empfänger-Bandpassfilter, das in Reihe mit einem 90°-Phasenschieber zwischen der Antenne und dem Eingang des Empfängers angeschlossen ist. Die Mittenfrequenzen der Durchlassbänder des Sender-Bandpassfilters und des Empfänger-Bandpassfilters sind voneinander versetzt.
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines FBAR-basierten Bandpassfilters 10, das sich zur Verwendung als das Sender-Bandpassfilter eines Duplexers eignet. Das Sender-Bandpassfilter besteht aus in Reihe geschalteten FBARs 12 und Nebenschluss-FBARs 14, die in einer Abzweigschaltung verbunden sind. Die in Reihe geschalteten FBARs 12 haben eine höhere Resonanzfrequenz als die Nebenschluss-FBARs 14.
FBARs sind durch Ruby et al. im US-Patent Nr. 5,587,620 mit dem Titel "Tunable Thin Film Acoustic Resonators and Method of Making Same" offenbart, das nun an den Assignee dieser Offenbarung übertragen ist. 2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform 20 eines FBAR. Der FBAR 20 besteht aus einem Paar Elektroden 24 und 26 und einer Schicht aus piezoelektrischem Material 22, das zwischen den Elektroden angeordnet ist. Das piezoelektrische Material und die Elektroden sind über einem Hohlraum 28 aufgehängt, der in einem Substrat 30 ausgebildet ist. Diese Art des Aufhängens des FBAR gestattet es dem FBAR, in Reaktion auf ein elektrisches Signal, das zwischen den Elektroden angelegt wird, mechanisch zu schwingen. Es sind auch andere Aufhängungsvarianten möglich, die es dem FBAR ermöglichen, mechanisch zu schwingen.
Des Weiteren ist in dem oben angesprochenen US-Patent Nr. 5,587,620 ein gestapelter Dünnfilm-Bulk-Akustik-Resonator (SBAR) offenbart. 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform 40 des im US-Patent Nr. 5,587,620 offenbarten SBAR. Der SBAR 40 besteht aus zwei Schichten 22, 42 aus piezoelektrischem Material, die mit drei Elektroden 24, 26, 44 verschachtelt (interleaved) sind. Ein elektrisches Eingangssignal wird zwischen Elektroden 44 und 26 angelegt, und ein elektrisches Ausgangssignal wird zwischen Elektroden 24 und 26 angelegt. Die Mittelelektrode 26 ist für Eingang und Ausgang gemeinsam.
Es wurde angenommen, dass sich der im US-Patent Nr. 5,587,620 offenbarte SBAR zur Verwendung als Bandpassfilter anbieten könnte, weil er eine inhärente Bandpasscharakteristik hat. Allerdings weisen praktische Beispiele des SBAR eine extrem schmale Durchlassbandbreite auf, wodurch der SBAR für die meisten Bandpassfilterungsanwendungen ungeeignet ist, einschließlich der oben angesprochenen Mobiltelefon-Duplexer-Anwendung. Die schmale Durchlassbandbreite des SBAR kann in 4 gesehen werden, welche die Frequenzreaktion eines tatsächlichen Beispiels des in 3 gezeigten SBAR 40 (Kurve 46) mit dem Frequenzgang eines tatsächlichen Beispiels des in 1 gezeigten FBAR-basierten Bandpass-Abzweigfilters (Kurve 48) vergleicht. 4 zeigt auch, dass, obgleich der Frequenzgang des in 1 gezeigten Abzweigfilters außerhalb des Durchlassbandes vorteilhafterweise steil abfällt, der Frequenzgang unerwünschterweise wieder ansteigt, während die Frequenzdifferenz zur Mittenfrequenz weiter zunimmt.
Es wird darum ein Bandpassfilter mit einem geringen Einfügungsverlust (insertion loss) und flachem Frequenzgang in seinem Durchlassband, mit einer Durchlassbandbreite im Bereich von etwa 3% bis etwa 5% einer Mittenfrequenz irgendeinem Punkt im Bereich von etwa 0,5 GHz bis etwa 10 GHz und mit einem guten Sperrvermögen außerhalb des Bandes benötigt. Es wird des Weiteren solch ein Bandpassfilter mit der strukturellen Einfachheit des SBAR benötigt.
K. M. Lakin, "Bulk Acoustic Wave Coupled Resonator Filters", 2002 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition, Seiten 8–14, offenbart ein Gekoppelt-Resonator Filter mit oberen und unteren Resonatoren, die eine verringerte mechanische Kopplung aufweisen. Vertikal angeordnete Resonatoren sind akustisch mittels einer oder mehreren Schichten mit begrenztem Übertragungsverhalten gekoppelt.
US 5,873,154 offenbart einen Dünnfilm-Bulk-Schallwellenresonator (FBAR), der aufweist: eine obere Elektrodenschicht, ein Substrat, einen Akustik-Spiegel, der auf dem Substrat ausgebildet ist, und eine piezoelektrische Schicht, die zwischen der oberen Elektrodenschicht und dem Akustik-Spiegel ausgebildet ist. Der Akustik-Spiegel besteht aus mehreren gestapelten Schichten. Eine der gestapelten Schichten bildet eine untere Elektrodenschicht. Zumindest eine andere der gestapelten Schichten weist ein Polymermaterial auf. Das Piezoelektrikum erzeugt Schwingungen in Reaktion auf das Anlegen einer Spannung zwischen der oberen Elektrode und der unteren Elektrode. Der Akustik-Spiegel isoliert diese Schwingungen akustisch von dem Substrat. Das Polymermaterial mag ein Polymer von elektronischer Qualität sein und mag die Fähigkeit besitzen, einer Abscheidung der piezoelektrischen Schicht bei einer erhöhten Temperatur zu widerstehen.
EP 0,880,227 offenbart einen Bulk-Schallwellenresonator-Stapelkristallfilter (BAWR-SCF)-Filterschaltkreis oder -vorrichtung. Der BAWR-SCF-Schaltkreis weist ein erstes Paar Ports, ein zweites Paar Ports, eine erste Leitung (lead), die zwischen einem ersten und einem zweiten Port des ersten Port-Paares verbunden ist, und eine zweite Leitung, die zwischen einem ersten und einem zweiten Port des zweiten Port-Paares verbunden ist. Der BAWR-SCF-Schaltkreis weist des Weiteren einen ersten BAW-Resonator, der in Reihe in der ersten Leitung angeschlossen ist, und einen zweiten BAW-Resonator auf, der zwischen den ersten und den zweiten Leitungen angeschlossen ist. Das BAWR-SCF weist des Weiteren ein Stapelkristallfilter (SCF) mit einem ersten und einem zweiten Anschluss auf, die in der ersten Leitung zwischen dem ersten BAW-Resonator und dem zweiten Port des ersten Port-Paares verbunden sind. Das SCF hat außerdem einen dritten Anschluss, der mit einem Knoten des zweiten Anschlussdrahtes verbunden ist.
Kurzdarstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine effiziente Bandpassfilterung zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand gemäß den unabhängigen Ansprüchen erfüllt.
Die Erfindung stellt in einem ersten Aspekt ein Bandpassfilter bereit, das ein gestapeltes Paar Film-Bulk-Akustik-Resonatoren (FBARs) und einen Akustik-Entkoppler zwischen den FBARs aufweist. Jeder der FBARs hat einander gegenüberliegende planare Elektroden und eine Schicht aus piezoelektrischem Material zwischen den Elektroden. Der Akustik-Entkoppler steuert die Kopplung von akustischer Energie zwischen den FBARs. Genauer gesagt, koppelt der Akustik-Entkoppler weniger akustische Energie zwischen den FBARs, als mittels eines direkten Kontakts zwischen den FBARs gekoppelt werden würde, wie in dem in 3 gezeigten beispielhaften SBAR. Die verringerte akustische Kopplung verleiht dem Bandpassfilter solche wünschenswerten Eigenschaften wie einen geringen Einfügeverlust und einen flachen Frequenzgang in seinem Durchlassband, eine Durchlassbandbreite im Bereich von etwa 3% bis etwa 5% der Mittenfrequenz und ein gutes Sperrvermögen außerhalb des Bandes.
In einer Ausführungsform enthält der Akustik-Entkoppler eine Schicht aus Akustik-Entkopplungsmaterial mit einer Schallimpedanz, die geringer ist als die der anderen Materialien der FBARs. In einer weiteren Ausführungsform enthält der Akustik-Entkoppler eine Bragg-Struktur.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Bandpassfilter bereit, das durch eine Mittenfrequenz gekennzeichnet ist. Das Bandpassfilter hat ein gestapeltes Paar Film-Bulk-Akustik-Resonatoren (FBARs) und eine Schicht aus Akustik-Entkopplungsmaterial zwischen den FBARs. Jeder der FBARs hat einander gegenüberliegende planare Elektroden und eine Schicht aus piezoelektrischem Material zwischen den Elektroden. Die Schicht aus Akustik-Entkopplungsmaterial hat eine Nenndicke gleich einem ungeraden integralen Mehrfachen eines Viertels der Wellenlänge – in dem Akustik-Entkopplungsmaterial – einer Akustikwelle, die eine Frequenz gleich der Mittenfrequenz aufweist. Das Akustik-Entkopplungsmaterial hat eine Schallimpedanz, die kleiner als die Schallimpedanz des piezoelektrischen Materials ist.
In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein elektrisches Filterungsverfahren bereit. In dem Verfahren wird ein Paar Film-Bulk-Akustik-Resonatoren (FBARs) bereitgestellt. Ein elektrisches Eingangssignal wird an einen der FBARs angelegt. Akustische Energie wird zwischen den FBARs gekoppelt. Die gekoppelte akustische Energie ist geringer, als durch einen direkten Kontakt zwischen den FBARs gekoppelt werden würde. Ein gefiltertes elektrisches Ausgangssignal wird von dem anderen der FBARs ausgegeben.
In einem letzten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer akustisch gekoppelten Vorrichtung bereit. In dem Verfahren wird ein erster Film-Bulk-Akustik-Resonator (FBAR) hergestellt, und ein Akustik-Entkoppler wird auf dem ersten FBAR hergestellt. Ein zweiter FBAR wird auf dem Akustik-Entkoppler hergestellt. Das Herstellen des zweiten FBAR auf dem Akustik-Entkoppler involviert, dass der Akustik-Entkoppler einer Maximaltemperatur ausgesetzt wird. Vor dem Herstellen des zweiten FBAR werden der erste FBAR und der Akustik-Entkoppler bei einer Temperatur nicht unterhalb der Maximaltemperatur gebrannt. Dies gewährleistet eine zuverlässige Verbindung zwischen dem zweiten FBAR und dem Akustik-Entkoppler.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Zeichnung eines Bandpassfilters, das FBARs enthält.
2 ist eine schematische Seitenansicht eines FBAR.
3 ist eine schematische Seitenansicht eines SBAR.
4 ist ein Graph, der den errechneten Frequenzgang des in 3 gezeigten SBAR und den Frequenzgang des in 1 gezeigten FBAR-basierten Bandpassfilters zeigt.
5A ist eine Draufsicht auf ein Beispiel einer ersten Ausführungsform eines Bandpassfilters gemäß der Erfindung.
5B ist eine Querschnittsansicht des in 5A gezeigten Bandpassfilters entlang der Schnittlinie 5B-5B.
5C ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils des in 5A gezeigten Bandpassfilters entlang der Schnittlinie 5B-5B, die eine erste Ausführungsform des Akustik-Entkopplers zeigt.
5D ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils des in 5A gezeigten Bandpassfilters entlang der Schnittlinie 5B-5B, die eine zweite Ausführungsform des Akustik-Entkopplers zeigt.
6 ist ein Graph, der die errechneten Frequenzgänge von Ausführungsformen des Bandpassfilters gemäß der Erfindung, das Akustik-Entkoppler aus Akustik-Entkopplungsmaterialien mit verschiedenen Schallimpedanzen enthält, vergleicht.
7A–7J sind Draufsichten, die einen Prozess zum Herstellen eines Bandpassfilters gemäß der Erfindung veranschaulichen.
7K–7S sind jeweils Querschnittsansichten entlang den Schnittlinien 7K-7K, 7L-7L, 7M-7M, 7N-7N, 7O-7O, 7P-7P, 7Q-7Q, 7R-7R, 7S-7S und 7T-7T in den 7A–7J.
8 ist eine schematische Zeichnung eines Beispiels einer zweiten Ausführungsform eines Bandpassfilters gemäß der Erfindung.
9 ist ein Graph, der den errechneten Frequenzgang der Ausführungsform des in 8 gezeigten Bandpassfilters mit der Ausführungsform des in den 5A und 5B gezeigten Bandpassfilters vergleicht.
Detaillierte Beschreibung
Der in 3 gezeigte SBAR kann als aus zwei FBARs bestehend betrachtet werden, von denen einer über den anderen gestapelt ist. Einer der FBARs besteht aus einer piezoelektrischen Schicht 22, die zwischen Elektroden 24 und 26 angeordnet ist. Der andere der FBARs besteht aus einer piezoelektrischen Schicht 42, die zwischen Elektroden 26 und 44 angeordnet ist. Die Elektrode 26, die beiden FBARs gemeinsam ist, bewirkt eine direkte Kopplung von akustischer Energie zwischen den FBARs. Das hat zur Folge, dass die FBARs akustisch stark überkoppelt sind, so dass der SBAR 40 die einzelne Lorentzsche Resonanz aufweist, die in der Kurve 46 von 4 veranschaulicht ist. Die einzelne Lorentzsche Resonanz macht es schwierig oder unmöglich, ein Bandpassfilter mit solchen wünschenswerten Eigenschaften wie zum Beispiel einem breiten Durchlassband, einem flachem Frequenzgang innerhalb des Bandes und einem steilen Abfallen außerhalb des Durchlassbandes zu konstruieren.
5A ist eine schematische Seitenansicht, die die Struktur einer beispielhaften Ausführungsform 100 eines Bandpassfilters gemäß der Erfindung zeigt. 5B ist eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie 5B-5B in 5A. Das Bandpassfilter 100 besteht aus einem gestapelten Paar Film-Bulk-Akustik-Resonatoren (FBARs) 110 und 120. In dem gezeigten Beispiel ist der FBAR 120 auf den FBAR 110 gestapelt. Der FBAR 110 besteht aus einander gegenüberliegenden planaren Elektroden 112 und 114 und einer Schicht 116 aus piezoelektrischem Material zwischen den Elektroden. Der FBAR 120 besteht aus einander gegenüberliegenden planaren Elektroden 122 und 124 und einer Schicht 126 aus piezoelektrischem Material zwischen den Elektroden. Das Bandpassfilter 100 besteht ebenfalls aus einem Akustik-Entkoppler 130 zwischen den FBARs 110 und 120, genauer gesagt, zwischen den Elektroden 114 und 122. Der Akustik-Entkoppler steuert die Kopplung von akustischer Energie zwischen den FBARs 110 und 120. Genauer gesagt, koppelt der Akustik-Entkoppler weniger akustische Energie zwischen den FBARs, als durch einen direkten Kontakt zwischen den FBARs gekoppelt werden würde, wie in dem in 3 gezeigten beispielhaften SBAR.
In dem gezeigten Beispiel sind die gestapelten FBARs 110 und 120 über einem Hohlraum 104 aufgehängt, der in einem Substrat 102 definiert ist. Diese Art des Aufhängens der gestapelten FBARs ermöglicht es den gestapelten FBARs, mechanisch in Reaktion auf ein elektrisches Eingangssignal zu schwingen, das zwischen den Elektroden eines von ihnen angelegt wird. Es sind auch andere Aufhängungsvarianten möglich, die es den gestapelten FBARs gestatten, in Reaktion auf ein elektrisches Eingangssignal mechanisch resonant zu schwingen. Zum Beispiel können die gestapelten FBARs über einem (nicht gezeigten) fehlausgerichteten akustischen Bragg-Reflektor angeordnet sein, der in oder auf dem Substrat 102 ausgebildet ist, wie von Lakin im US-Patent Nr. 6,107,721 offenbart, dessen Offenbarung durch Bezugnahme in diese Offenbarung aufgenommen wird.
Wie oben angesprochen, steuert der Akustik-Entkoppler 130 die akustische Kopplung zwischen den FBARs 110 und 120. Die durch den Akustik-Entkoppler 130 bewirkte akustische Kopplung ist wesentlich geringer als die akustische Kopplung zwischen den FBARs in der in 3 gezeigten SBAR-Ausführungsform. Infolge dessen sind die FBARs 110 und 120 nicht überkoppelt, und das Bandpassfilter 100 hat einen relativ breiten und flachen Frequenzgang innerhalb des Bandes und einen steilen Abfall außerhalb des Durchlassbandes anstatt der in 4 (Kurve 46) gezeigten einzelnen Lorentzschen Resonanz des überkoppelten herkömmlichen SBAR. Der Frequenzgang des Bandpassfilters 100 wird weiter unten mit Bezug auf 6 beschrieben.
5C ist eine vergrößerte Ansicht einer ersten Ausführungsform des Akustik-Entkopplers 130, wobei der Akustik-Entkoppler aus einer Schicht 131 aus Akustik-Entkopplungsmaterial besteht, das sich zwischen den Elektroden 114 und 122 der FBARs 110 bzw. 120 (5B) befindet. Die Schicht 131 aus Akustik-Entkopplungsmaterial hat eine Nenndicke, die ein ungerades integrales Mehrfaches eines Viertels der Wellenlänge – in dem Akustik-Entkopplungsmaterial – einer Akustikwelle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpassfilters 100 ist. Das Akustik-Entkopplungsmaterial hat eine Schallimpedanz, die geringer ist als die des piezoelektrischen Materials, aus dem die FBARs 110, 120 bestehen. In Ausführungsformen des Bandpassfilters 100, die zusätzlich eine elektrische Isolierung zwischen Eingang und Ausgang bereitstellen, hat das Akustik-Entkopplungsmaterial außerdem einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand und eine niedrige Dielektrizitätskonstante.
Wie oben angesprochen, hat das Akustik-Entkopplungsmaterial des Akustik-Entkopplers 130 eine Schallimpedanz, die geringer ist als die des piezoelektrischen Materials der FBARs 110 und 120. Das Akustik-Entkopplungsmaterial hat auch eine Schallimpedanz, die wesentlich größer als die von Luft ist. Die Schallimpedanz eines Materials ist das Verhältnis von Belastung zu Teilchengeschwindigkeit in dem Material und wird in Rayleighs gemessen, abgekürzt als "rayl". Das piezoelektrische Material der Schichten 116, 216 der FBARs ist in der Regel Aluminiumnitrid (AIN). Die Schallimpedanz von AIN beträgt in der Regel etwa 35 Mrayl, und die von Molybdän, eines typischen Elektrodenmaterials, beträgt etwa 63 Mrayl. Die Schallimpedanz von Luft ist etwa 1 krayl. In Ausführungsformen des Bandpassfilters 100, bei denen die Materialien der FBARs 110, 120 die oben genannten sind, funktionieren Materialien mit einer Schallimpedanz im Bereich von etwa 2 Mrayl bis etwa 16 Mrayl gut als das Akustik-Entkopplungsmaterial der Schicht 131.
6 zeigt, wie der errechnete Frequenzgang des Bandpassfilters 100 von der Schallimpedanz des Akustik-Entkopplungsmaterials der Schicht 131 abhängt, aus der eine Ausführungsform des Akustik-Entkopplers 130 besteht. Die veranschaulichte Ausführungsform hat eine Mittenfrequenz von etwa 1.900 MHz. Es sind die errechneten Frequenzgänge für Ausführungsformen gezeigt, bei denen das Akustik-Entkopplungsmaterial eine Schallimpedanz von etwa 4 Mrayl, zum Beispiel Polyimid (Kurve 140), etwa 8 Mrayl (Kurve 142) und etwa 16 Mrayl (Kurve 144) hat. Es ist zu sehen, dass die Breite des Durchlassbandes des Bandpassfilters mit zunehmender Schallimpedanz des Akustik-Entkopplungsmaterials zunimmt. Dementsprechend können Ausführungsformen des Bandpassfilters 100 mit einer gewünschten Durchlassbandcharakteristik hergestellt werden, indem man eine geeignete Wahl des Akustik-Entkopplungsmaterials trifft.
Die Ausführungsform, bei der das Akustik-Entkopplungsmaterial der Schicht 131 Polyimid ist (Kurve 140), weist etwas Unterkopplung von akustischer Energie zwischen den FBARs 110, 120 auf, hat aber trotzdem ein Durchlassband von brauchbarer Breite. Die Ausführungsform, bei der das Akustik-Entkopplungsmaterial eine Schallimpedanz von etwa 8 Mrayl (Kurve 142) hat, weist eine fast-kritische Kopplung von akustischer Energie zwischen den FBARs 110, 120 auf. Die Ausführungsform, bei der die Schallimpedanz des Akustik-Entkopplungsmaterials etwa 16 Mrayl (Kurve 144) beträgt, weist eine Doppelspitze in dem Frequenzgang innerhalb des Bandes auf, die für eine erhebliche Überkopplung von akustischer Energie zwischen den FBARs 110, 120 typisch ist. Eine Ausführungsform, bei der das Akustik-Entkopplungsmaterial eine Schallimpedanz zwischen 4 Mrayl und 8 Mrayl hätte, würde einen Frequenzgang innerhalb des Bandes haben, der einen flachen Abschnitt enthalten würde, der eine kritische Kopplung von akustischer Energie zwischen den FBARs 110, 120 anzeigen würde. 6 zeigt auch, dass Ausführungsformen, bei denen das Akustik-Entkopplungsmaterial eine Schallimpedanz von 8 Mrayl oder weniger hat, einen Einfügeverlust von weniger als 3 dB haben, und dass einige Ausführungsformen einen Einfügungsverlust von weniger als 1 dB haben.
Die Ausführungsform des in 5C gezeigten Akustik-Entkopplers 130 besteht aus einer Schicht 131 aus Akustik-Entkopplungsmaterial mit einer Nenndicke gleich einem Viertel der Wellenlänge – in dem Akustik-Entkopplungsmaterial – einer Akustikwelle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpassfilters, d. h. t ≈ λ_n/4, wobei t die Dicke der Schicht 131 ist und λ_n die Wellenlänge – in dem Akustik-Entkopplungsmaterial – einer Akustikwelle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpassfilters 100 ist. Alternativ kann eine Dicke der Schicht 131 innerhalb von ungefähr ±10% der Nenndicke verwendet werden. Eine Dicke außerhalb dieses Bereichs kann alternativ mit einer gewissen Performanceverschlechterung verwendet werden. Jedoch sollte sich die Dicke der Schicht 131 erheblich von 0λ_n als ein Extrem (siehe 3) und λ_n/2 als anderes Extrem unterscheiden.
Allgemeiner ausgedrückt, besteht die Ausführungsform des in 5C gezeigten Akustik-Entkopplers 130 aus einer Schicht 131 aus Akustik-Entkopplungsmaterial mit einer Nenndicke gleich einem ungeraden integralen Mehrfachen eines Viertels der Wellenlänge – in dem Akustik-Entkopplungsmaterial – einer Akustikwelle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpassfilters 100, d. h. t ≈ (2m + 1)λ_n/4, wobei t und λ_n der obigen Definition entsprechen und m eine ganze Zahl gleich oder größer als Null ist. In diesem Fall kann alternativ eine Dicke der Schicht 131 verwendet werden, die sich von der Nenndicke um ungefähr ±10% von λ_n/4 unterscheidet. Eine Dickentoleranz außerhalb dieses Bereichs kann mit einer gewissen Performanceverschlechterung verwendet werden, aber die Dicke der Schicht 131 sollte sich erheblich von einem integralen Mehrfachen von λ_n/2 unterscheiden.
In einer Ausführungsform des Akustik-Entkopplers 130 wird die Schicht 131 durch Aufschleudern des Akustik-Entkopplungsmaterials über die Elektrode 114 ausgebildet. Eine durch Aufschleudern gebildete Schicht hat aufgrund der Konturierung der Oberfläche, die mit dem Akustik-Entkopplungsmaterial der Schicht 131 beschichtet wird, in der Regel Regionen von unterschiedlicher Dicke. In einer solchen Ausführungsform ist die Dicke der Schicht 131 aus Akustik-Entkopplungsmaterial die Dicke des Abschnitts der Schicht zwischen den Elektroden 114 und 122.
Viele Kunststoffmaterialien haben Schallimpedanzen in dem oben genannten Bereich und können in Schichten von gleichmäßiger Dicke in den oben genannten Dickenbereichen aufgebracht werden. Solche Kunststoffmaterialien sind darum potenziell zur Verwendung als das Akustik-Entkopplungsmaterial der Schicht 131 des Akustik-Entkopplers 130 geeignet. Jedoch muss das Akustik-Entkopplungsmaterial auch die Temperaturen der Fertigungsabläufe überstehen, die ausgeführt werden, nachdem die Schicht 131 aus Akustik-Entkopplungsmaterial auf der Elektrode 114 abgeschieden wurde, um den Akustik-Entkoppler 130 zu bilden. Wie weiter unten noch näher beschrieben wird, werden in tatsächlichen Ausführungsformen des Bandpassfilters 100 die Elektroden 122 und 124 und die piezoelektrische Schicht 126 mittels Sputterns deponiert, nachdem die Schicht 131 deponiert wurde. Temperaturen bis zu 300°C werden während dieser Abscheidungsprozesse erreicht. Darum wird ein Kunststoff, der bei solchen Temperaturen stabil bleibt, als das Akustik-Entkopplungsmaterial verwendet.
Kunststoffmaterialien haben in der Regel eine sehr hohe akustische Dämpfung je Längeneinheit im Vergleich zu den anderen Materialien der FBARs 110 und 120. Da jedoch die oben beschriebene Ausführungsform des Akustik-Entkopplers 130 aus einer Schicht 131 aus Kunststoff-Akustik-Entkopplungsmaterial, die in der Regel weniger als 1 μm dick ist, besteht, kann die akustische Dämpfung, die durch die Schicht 131 aus Akustik-Entkopplungsmaterial verursacht wird, in der Regel vernachlässigt werden.
In einer Ausführungsform wird ein Polyimid als das Akustik-Entkopplungsmaterial der Schicht 131 verwendet. Polyimid wird unter dem Warenzeichen Kapton^® durch E. I. du Pont de Nemours and Company verkauft. In einer solchen Ausführungsform besteht der Akustik-Entkoppler 130 aus einer Schicht 131 aus Polyimid, das auf die Elektrode 114 aufgeschleudert wird. Polyimid hat eine Schallimpedanz von etwa 4 Mrayl. In einer weiteren Ausführungsform wird ein Poly(para-xylylen) als das Akustik-Entkopplungsmaterial der Schicht 131 verwendet. In einer solchen Ausführungsform besteht der Akustik-Entkoppler 130 aus einer Schicht 131 aus Poly(para-xylylen), die auf die Elektrode 114 durch Vakuumabscheidung aufgebracht wird. Poly(para-xylylen) ist dem Fachmann auch als Parylen bekannt. Der Dimer-Vorläufer Diparaxylylen, aus dem Parylen hergestellt wird, und Ausrüstung zum Durchführen einer Vakuumabscheidung der Schichten aus Parylen sind von vielen Anbietern erhältlich. Parylen hat eine Schallimpedanz von etwa 2,8 Mrayl.
In einer alternativen Ausführungsform hat das Akustik-Entkopplungsmaterial der Schicht 131, die den Akustik-Entkoppler 130 bildet, eine Schallimpedanz, die wesentlich größer als die der Materialien der FBARs 110 und 120 ist. Derzeit sind noch keine Materialien mit dieser Eigenschaft bekannt, aber solche Materialien können in der Zukunft zur Verfügung stehen, oder in der Zukunft können FBAR-Materialien mit niedrigerer Schallimpedanz zur Verfügung stehen. Die Dicke der Schicht 131 aus einem solchen Akustik-Entkopplungsmaterial mit hoher Schallimpedanz ist wie oben beschrieben.
5D ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Bandpassfilters 100, die eine zweite Ausführungsform des Akustik-Entkopplers 130 zeigt, der eine Bragg-Struktur 161 enthält. Die Bragg-Struktur 161 besteht aus einem Bragg-Element 163 mit geringer Schallimpedanz, das zwischen Bragg-Elementen 165 und 167 mit hoher Schallimpedanz angeordnet ist. Das Bragg-Element 163 mit geringer Schallimpedanz ist eine Schicht eines Materials mit geringer Schallimpedanz, während die Bragg-Elemente 165 und 167 mit hoher Schallimpedanz jeweils eine Schicht aus Material mit hoher Schallimpedanz sind. Die Schallimpedanzen der Materialien der Bragg-Elemente sind mit Bezug aufeinander und mit Bezug auf die Schallimpedanz des piezoelektrischen Materials der Schichten 116 und 126 als "niedrig" und "hoch" charakterisiert. In Ausführungsformen des Bandpassfilters 100, die zusätzlich eine elektrische Isolierung zwischen Eingang und Ausgang bereitstellen, hat mindestens eines der Bragg-Elemente außerdem einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand und eine niedrige Dielektrizitätskonstante.
Jede der Schichten, aus denen die Bragg-Elemente 161, 163 und 165 bestehen, hat eine Nenndicke gleich einem ungeraden integralen Mehrfachen eines Viertels der Wellenlänge – in dem Material der Schicht – einer Schallwelle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpassfilters 100. Schichten, die sich von der Nenndicke um ungefähr ±10% eines Viertels der Wellenlänge unterscheiden, können alternativ verwendet werden. Eine Dickentoleranz außerhalb dieses Bereichs kann mit einer gewissen Performanceverschlechterung verwendet werden, aber die Dicke der Schichten sollte sich erheblich von einem integralen Mehrfachen der Hälfte der Wellenlänge unterscheiden.
In einer Ausführungsform ist das Bragg-Element 163 mit geringer Schallimpedanz eine Schicht aus Siliziumdioxid (SiO₂), die eine Schallimpedanz von etwa 13 Mrayl hat, und jedes der Bragg-Elemente 165 und 167 mit hoher Schallimpedanz ist eine Schicht aus dem gleichen Material wie die Elektroden 114 bzw. 122, d. h. Molybdän, das eine Schallimpedanz von etwa 63 Mrayl hat. Das Verwenden des gleichen Materials für die Bragg-Elemente 165 und 167 mit hoher Schallimpedanz und die Elektroden 114 bzw. 122 der FBARs 110 bzw. 120 (5B) ermöglicht es, dass die Bragg-Elemente 165 und 167 mit hoher Schallimpedanz außerdem als Elektroden 114 bzw. 122 dienen.
In einem Beispiel haben die Bragg-Elemente 165 und 167 mit hoher Schallimpedanz eine Dicke eines Viertels der Wellenlänge – in Molybdän – einer Akustikwelle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpassfilters 100, und das Bragg-Element 163 mit geringer Schallimpedanz hat eine Dicke von drei Vierteln der Wellenlänge – in SiO₂ – einer Akustikwelle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpassfilters. Das Verwenden einer drei Viertel Wellenlänge dicken Schicht aus SiO₂ anstelle einer ein Viertel Wellenlänge dicken Schicht aus SiO₂ als das Bragg-Element 163 mit geringer Schallimpedanz verringert die Kapazität zwischen den FBARs 110 und 120.
In Ausführungsformen, bei denen die Schallimpedanzdifferenz zwischen den Bragg-Elementen 165 und 167 mit hoher Schallimpedanz und dem Bragg-Element 163 mit geringer Schallimpedanz relativ gering ist, mag die Bragg-Struktur 161 aus mehr als einem (zum Beispiel n) Bragg-Element mit geringer Schallimpedanz bestehen, die mit einer entsprechenden Anzahl (d. h. n + 1) von Bragg-Elementen mit hoher Schallimpedanz verschachtelt sind. Nur eines der Bragg-Elemente braucht isolierend zu sein. Zum Beispiel mag die Bragg-Struktur aus zwei Bragg-Elementen mit geringer Schallimpedanz bestehen, die mit drei Bragg-Elementen mit hoher Schallimpedanz verschachtelt sind.
Es kommt eine Fertigung auf Waferskala zum Einsatz, um Tausende Bandpassfilter ähnlich dem Bandpassfilter 100 gleichzeitig herzustellen. Eine solche Waferskalafertigung ermöglicht eine kostengünstige Fertigung der Bandpassfilter. Als nächstes wird ein beispielhaftes Herstellungsverfahren mit Bezug auf die Draufsichten der 7A–7J und die Querschnittsansichten der 7K–7T beschrieben.
Es wird ein Wafer aus Einkristallsilizium bereitgestellt. Ein Abschnitt des Wafer bildet, für jedes herzustellende Bandpassfilter, ein Substrat entsprechend dem Substrat 102 des Bandpassfilters 100. Die 7A–7J und die 7K–7T veranschaulichen, und die folgende Beschreibung beschreibt, die Fertigung des Bandpassfilters 100 in und auf einem Abschnitt des Wafers. Während Bandpassfilters 100 hergestellt wird, werden die übrigen Bandpassfilter auf dem Wafer in einer ähnlichen Weise hergestellt.
Der Abschnitt des Wafers, der das Substrat 102 des Bandpassfilters 100 darstellt, wird selektiv nassgeätzt, um den Hohlraum 104 zu bilden, wie in den 7A und 7K gezeigt.
Eine Schicht aus Füllmaterial (nicht gezeigte) wird auf der Oberfläche des Wafers mit einer Dicke abgeschieden, die ausreicht, um die Hohlräume zu füllen. Die Oberfläche des Wafers wird dann so planarisiert, dass die Hohlräume mit dem Füllmaterial gefüllt bleiben. Die 7B und 7L zeigen den Hohlraum 104 in dem Substrat 102 mit Füllmaterial 105 ausgefüllt.
In einer Ausführungsform war das Füllmaterial Phosphorsilikatglas (PSG) und wurde mittels einer herkömmlichen chemischen Niederdruck-Chemical Vapor Deposition (LPCVD) abgeschieden. Das Füllmaterial mag alternativ mittels Sputterns oder Aufschleudern deponiert werden.
Eine Schicht aus Metall wird auf der Oberfläche des Wafers und dem Füllmaterial abgeschieden. Das Metall wird so strukturiert, dass eine Elektrode 112, ein Bondpad 132 und eine Leiterbahn 133, die zwischen der Elektrode 112 und dem Bondpad 132 verläuft, definiert werden, wie in den 7C und 7M gezeigt. Die Elektrode 112 hat in der Regel eine unregelmäßige Form in einer Ebene parallel zu der Hauptfläche des Wafers. Eine unregelmäßige Form minimiert laterale Modi in dem FBAR 110, wovon sie einen Teil bildet, wie im US-Patent Nr. 6,215,375 von Larson III et al. beschrieben, dessen Offenbarung durch Bezugnahme in diese Offenbarung aufgenommen wird. Die Elektrode 112 ist so geformt und positioniert, dass ein Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105 frei liegt, so dass das Füllmaterial später fortgeätzt werden kann, wie weiter unten noch beschrieben wird.
Die Metallschichten, in denen die Elektroden 112, 114, 122 und 124 (5B) definiert sind, sind so strukturiert, dass – in jeweiligen Ebenen parallel zur Hauptfläche des Wafers – die Elektroden 112 und 114 die gleiche Form, Größe, Ausrichtung und Position haben, die Elektroden 122 und 124 die gleiche Form, Größe, Ausrichtung und Position haben und die Elektroden 114 und 122 in der Regel die gleiche Form, Größe, Ausrichtung und Position haben.
In einer Ausführungsform war das Metall, das abgeschieden wurde, um die Elektrode 112, das Bondpad 132 und die Bahn 133 zu bilden, Molybdän. Das Molybdän wurde mit einer Dicke von etwa 440 nm aufgesputtert und wurde durch Trockenätzen so strukturiert, dass eine fünfeckige Elektrode mit einer Fläche von etwa 26.000 Quadratmikrometern gebildet wurde. Andere feuerfeste Metalle wie zum Beispiel Wolfram, Niob und Titan können alternativ als das Material der Elektrode 112, des Bondpad 132 und der Bahn 133 verwendet werden. Die Elektrode, das Bondpad und die Bahn mögen alternativ Schichten aus mehr als einem Material aufweisen.
Eine Schicht aus piezoelektrischem Material wird abgeschieden und wird so strukturiert, dass die piezoelektrische Schicht 116 definiert wird, wie in den 7D und 7N gezeigt. Die piezoelektrische Schicht 116 wird so strukturiert, dass ein Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105 und des Bondpad 132 der Elektrode 112 freigelegt wird. Die piezoelektrische Schicht 116 wird außerdem so strukturiert, dass Fenster 119 definiert werden, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials gestatten.
In einer Ausführungsform war das piezoelektrische Material, das abgeschieden wurde, um die piezoelektrische Schicht 116 zu bilden, Aluminiumnitrid und wurde mit einer Dicke von etwa 780 nm aufgesputtert. Das piezoelektrische Material wurde durch Nassätzen in Kaliurnhydroxid oder durch Trockenätzen auf Chlorbasis strukturiert. Alternative Materialien für die piezoelektrische Schicht 116 beinhalten Zinkoxid und Blei-Zirkonium-Titanat.
Eine Schicht aus Metall wird abgeschieden und wird so strukturiert, dass eine Elektrode 114, ein Bondpad 134 und eine Leiterbahn 135, die sich zwischen der Elektrode 114 und dem Bondpad 134 erstreckt, definiert werden, wie in den 7E und 7O gezeigt.
In einer Ausführungsform war das Metall, das abgeschieden wurde, um die Elektrode 114 zu bilden, Molybdän. Das Molybdän wurde mit einer Dicke von etwa 440 nm aufgesputtert und wurde mittels Trockenätzens strukturiert. Andere feuerfeste Metalle mögen alternativ als das Material der Elektrode 114, des Bondpad 134 und der Bahn 135 verwendet werden. Die Elektrode, die Bondinsel und die Bahn mögen alternativ Schichten aus mehr als einem Material aufweisen.
Dann wird eine Schicht aus Akustik-Entkopplungsmaterial abgeschieden und so strukturiert, dass ein Akustik-Entkoppler 130 definiert wird, wie in den 7F und 7P gezeigt. Der Akustik-Entkoppler 130 ist so geformt, dass er zumindest die Elektrode 114 bedeckt, und ist zusätzlich so geformt, dass er einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105 und der Bondpads 132 und 134 frei legt. Der Akustik-Entkoppler 130 ist zusätzlich so strukturiert, dass er Fenster 119 definiert, die einen Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials ermöglichen.
In einer Ausführungsform war das Akustik-Entkopplungsmaterial Polyimid mit einer Dicke von etwa 750 nm, d. h. drei Vierteln der Mittenfrequenzwellenlänge in dem Polyimid. Das Polyimid wurde aufgeschleudert und durch Photolithographie strukturiert. Polyimid ist lichtempfindlich, so dass kein Photoresist benötigt wird. Wie oben angesprochen, können auch andere Kunststoffmaterialien als das Akustik-Entkopplungsmaterial verwendet werden. Das Akustik-Entkopplungsmaterial kann auch mittels anderer Verfahren als Aufschleudern abgeschieden werden.
In einer Ausführungsform, bei der das Material des Akustik-Entkopplers 130 Polyimid war, wurde der Wafer nach dem Abscheiden und Strukturieren des Polyimids bei etwa 300°C gebrannt, bevor weiteres Prozessieren durchgeführt wurde. Durch das Brennen verdampfen flüchtige Bestandteile des Polyimids, und es wird verhindert, dass das Verdampfen solcher flüchtigen Bestandteile während anschließender Verarbeitungsschritte ein Ablösen später abgeschiedener Schichten verursacht.
Eine Schicht aus Metall wird abgeschieden und wird so strukturiert, dass eine Elektrode 122 und eine Leiterbahn 137, die von der Elektrode 122 zu dem Bondpad 134 verläuft, definiert werden, wie in den 7G und 7Q gezeigt. Das Bondpad 134 ist ebenfalls durch die Bahn 135 elektrisch mit der Elektrode 114 verbunden.
In einer Ausführungsform war das Metall, das abgeschieden wurde, um die Elektrode 122 zu bilden, Molybdän. Das Molybdän wurde mit einer Dicke von etwa 440 nm aufgesputtert und wurde durch Trockenätzen strukturiert. Andere feuerfeste Metalle mögen alternativ als das Material der Elektrode 122 und der Bahn 137 verwendet werden. Die Elektrode und die Bahn mögen alternativ Schichten aus mehr als einem Material aufweisen.
Eine Schicht aus piezoelektrischen Material wird abgeschieden und wird so strukturiert, dass eine piezoelektrische Schicht 126 definiert wird. Die piezoelektrische Schicht 126 ist so geformt, dass Bondpads 132 und 134 frei gelegt werden und dass ein Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105 frei gelegt wird, wie in den 7H und 7R gezeigt. Die piezoelektrische Schicht 126 ist zusätzlich so strukturiert, dass Fenster 119 definiert werden, die einen Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials ermöglichen.
In einer Ausführungsform war das piezoelektrische Material, das abgeschieden wurde, um die piezoelektrische Schicht 126 zu bilden, Aluminiumnitrid und wurde mit einer Dicke von etwa 780 nm aufgesputtert. Das piezoelektrische Material wurde durch Nassätzen in Kaliumhydroxid oder durch Trockenätzen auf Chlorbasis strukturiert. Alternative Materialien für die piezoelektrische Schicht 126 beinhalten Zinkoxid und Blei-Zirkonium-Titanat.
Eine Schicht aus Metall wird abgeschieden und so strukturiert, dass eine Elektrode 124, ein Bondpad 138 und eine Leiterbahn 139, die von der Elektrode 124 zu dem Bondpad 138 verläuft, definiert werden, wie in den 7I und 7S gezeigt.
In einer Ausführungsform war das Metall, das abgeschieden wurde, um die Elektrode 124 zu bilden, Molybdän. Das Molybdän wurde mit einer Dicke von etwa 440 nm aufgesputtert und wurde durch Trockenätzen strukturiert. Andere feuerfeste Metalle mögen alternativ als das Material der Elektrode 124, dem Bondpad 138 und der Bahn 139 verwendet werden. Die Elektrode, das Bondpad und die Bahn mögen alternativ Schichten aus mehr als einem Material aufweisen.
Der Wafer wird dann isotrop nassgeätzt, um Füllmaterial 105 aus dem Hohlraum 104 zu entfernen. Wie oben angesprochen, bleiben Abschnitte der Oberfläche des Füllmaterials 105 zum Beispiel durch Fenster 119 frei liegen. Nach dem Ätzprozess bleibt das Bandpassfilter 100 über dem Hohlraum 104 aufgehängt zurück, wie in den 7J und 7T gezeigt.
In einer Ausführungsform war das Ätzmittel, das zum Entfernen des Füllmaterials 105 verwendet wurde, verdünnte Fluorwasserstoffsäure.
Eine Schutzschicht aus Gold wird auf den frei liegenden Oberflächen der Bondpads 132, 134 und 138 abgeschieden.
Der Wafer wird dann in einzelne Bandpassfilter, einschließlich des Bandpassfilters 100, unterteilt. Jedes Bandpassfilter wird in einem Package montiert, und es werden elektrische Verbindungen zwischen den Bondpads 132, 134 und 138 des Bandpassfilters und Pads, die einen Teil des Package bilden, hergestellt.
Eine Ausführungsform, bei der der Akustik-Entkoppler 130 eine Bragg-Struktur enthält, wie in 5D gezeigt, wird durch einen Prozess ähnlich dem oben beschriebenen hergestellt. Der Prozess unterscheidet sich folgendermaßen:
Nachdem eine Schicht aus piezoelektrischem Material abgeschieden und zu einer piezoelektrischen Schicht 116 strukturiert wurde, wird eine Schicht aus Metall abgeschieden und so strukturiert, dass das Bragg-Element 165 mit hoher Schallimpedanz, das in 5D gezeigt ist, ein Bondpad 134 und eine Leiterbahn 135, die zwischen dem Bragg-Element 165 mit hoher und dem Bondpad 134 verläuft, definiert werden, und zwar in einer ähnlichen Weise, wie sie in den 7E und 7O gezeigt ist. Die Schicht aus Metall wird mit einer Nenndicke abgeschieden, die gleich einem ungeraden, integralen Mehrfachen eines Viertels der Wellenlänge – in dem Metall – einer Akustikwelle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpassfilters 100 ist. Das Bragg- Element 165 mit hoher Schallimpedanz dient zusätzlich als Elektrode 114, wie in 5D gezeigt.
In einer Ausführungsform ist das Metall, das abgeschieden wird, um das Bragg-Element 165 mit hoher Schallimpedanz zu bilden, Molybdän. Das Molybdän wird mit einer Dicke von etwa 820 nm (einer Viertel Wellenlänge in Mo) aufgesputtert und wird durch Trockenätzen strukturiert. Andere feuerfeste Metalle mögen alternativ als das Material des Bragg-Elements 165 mit hoher Schallimpedanz, dem Bondpad 134 und der Bahn 135 verwendet werden. Das Bragg-Element mit hoher Schallimpedanz, das Bondpad und die Bahn mögen alternativ Schichten aus mehr als einem Metall aufweisen.
Dann wird eine Schicht aus Material mit geringer Schallimpedanz abgeschieden und wird so strukturiert, dass das Bragg-Element 163 mit geringer Schallimpedanz definiert wird, und zwar in einer ähnlichen Weise, wie sie in den 7F und 7P gezeigt ist. Die Schicht aus Material mit geringer Schallimpedanz wird mit einer Nenndicke abgeschieden, die gleich einem ungeraden, integralen Mehrfachen eines Viertels der Wellenlänge – in dem Material – einer Akustikwelle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpassfilters 100 ist. Das Bragg-Element 163 mit geringer Schallimpedanz ist so geformt, dass es zumindest das Bragg-Element 165 mit hoher bedeckt, und ist zusätzlich so geformt, dass es einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105 und dem Bondpad 132 und 134 frei legt. Die Schicht aus Material mit geringer Schallimpedanz ist zusätzlich so strukturiert, dass Fenster 119 definiert werden, die einen Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials ermöglichen.
In einer Ausführungsform ist das Material mit geringer Schallimpedanz SiO₂ mit einer Dicke von etwa 790 nm. Das SiO₂ wird aufgesputtert und wird durch Ätzen strukturiert. Zu anderen Materialien mit geringer Schallimpedanz, die als das Material des Bragg-Elements mit geringer Schallimpedanz verwendet werden können, gehören Phosphorsilikatglas (PSG), Titandioxid und Magnesiumfluorid. Das Material mit geringer Schallimpedanz kann alternativ auch durch andere Verfahren als Sputtern abgeschieden werden.
Eine Schicht aus Metall wird abgeschieden und wird so strukturiert, dass das in 5D gezeigte Bragg-Element 167 mit hoher Schallimpedanz und eine Leiterbahn 137, die von dem Bragg-Element 167 mit hoher Schallimpedanz zu Bondpad 134 verläuft, definiert werden, und zwar in einer ähnlichen Weise, wie sie in den 7G und 7Q gezeigt ist. Die Bondinsel 134 ist ebenfalls elektrisch mit dem Bragg-Element 167 mit hoher Schallimpedanz durch die Bahn 135 verbunden. Die Schicht aus Metall wird mit einer Nenndicke abgeschieden, die gleich einem ungeraden, integralen Mehrfachen eines Viertels der Wellenlänge – in dem Metall – einer Akustikwelle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpassfilters 100 ist. Das Bragg-Element 167 mit hoher Schallimpedanz dient zusätzlich als Elektrode 122, wie in 5D gezeigt.
In einer Ausführungsform ist das Metall, das abgeschieden wird, um das Bragg-Element 167 mit hoher Schallimpedanz und die Leiterbahn 137 zu bilden, Molybdän. Das Molybdän wird mit einer Dicke von etwa 820 nm (einer Viertel Wellenlänge in Mo) aufgesputtert und wird durch Trockenätzen strukturiert. Andere feuerfeste Metalle mögen alternativ als das Material des Bragg-Elements 167 mit hoher Schallimpedanz und der Bahn 137 verwendet werden. Das Bragg-Element mit hoher Schallimpedanz und die Bahn mögen alternativ Schichten aus mehr als einem Material aufweisen.
Eine Schicht aus piezoelektrischen Material wird dann abgeschieden und wird so strukturiert, dass eine piezoelektrische Schicht 126 definiert wird, wie oben mit Bezug auf die 7H und 7R beschrieben, und der Prozess wird wie oben beschrieben fortgesetzt, um die Fertigung des Bandpassfilters 100 zu Ende zu führen.
Das Bandpassfilter 100 wird folgendermaßen verwendet. Bondpad 134, das elektrisch mit den Elektroden 114 und 122 verbunden ist, bildet einen Erdungsanschluss des Bandpassfilters 100; Bondpad 132, das elektrisch mit der Elektrode 112 verbunden ist, bildet einen Eingangsanschluss des Bandpassfilters 100; und Bondpad 138, das elektrisch mit der Elektrode 124 verbunden ist, bildet einen Ausgangsanschluss des Bandpassfilters 100. Der Eingangsanschluss und der Ausgangsanschluss können miteinander vertauscht werden.
Wie oben angesprochen, mag das Bandpassfilter 100 zusätzlich eine elektrische Isolierung zwischen Eingang und Ausgang bereitstellen. In einer solchen Ausführungsform ist ein (nicht gezeigte) zusätzliches Bondpad in dem Metall definiert, in dem die Elektrode 122 und die Bahn 137 definiert sind, und die Bahn 137 verläuft von der Elektrode 122 zu dem zusätzlichen Bondpad anstatt zu dem Bondpad 134. Die Bondpads 132 und 134, die elektrisch mit den Elektroden 112 bzw. 114 verbunden sind, bilden ein Paar Eingangsanschlüsse, und das (nicht gezeigte) zusätzliche Bondpad, das durch die Bahn 137 elektrisch mit der Elektrode 122 verbunden ist, und das Bondpad 138, das elektrisch mit der Elektrode 124 verbunden ist, bilden ein Paar Ausgangsanschlüsse. Die Eingangsanschlüsse und die Ausgangsanschlüsse sind elektrisch voneinander isoliert. Auch hier mögen die Eingangsanschlüsse und die Ausgangsanschlüsse miteinander vertauscht werden.
Ein Vergleich von 6 mit der Kurve 46 von 4 zeigt, dass die Neigung des Frequenzgangs des Bandpassfilters 100 außerhalb des Bandes weniger steil ist als die des in 1 gezeigten Bandpass-Abzweigfilters. Der Vergleich zeigt auch, dass, im Gegensatz zu dem Bandpass-Abzweigfilter 10, der Frequenzgang des Bandpassfilters 100 nach dem anfänglichen steilen Abfall nicht wieder ansteigt. 8 ist eine schematische Zeichnung einer beispielhaften Ausführungsform 200 eines Bandpassfilters gemäß der Erfindung, welches außerhalb des Bandes einen Frequenzgang hat, der eine steilere Neigung als die des Bandpassfilter 100 hat, und bei dem der Frequenzgang nach dem anfänglichen steilen Abfall zu einem wesentlich niedrigeren Pegel ansteigt als bei dem in 1 gezeigten Bandpass-Abzweigfilter.
Das Bandpassfilter 200 besteht aus einem vereinfachten FBAR-basierten Abzweigfilter (ladder filter) 210, das mit dem Bandpassfilter 100, das oben mit Bezug auf die 5A und 5B beschrieben wurde, in Reihe geschaltet ist. Das Abzweigfilter 210 besteht aus den in Reihe geschalteten FBARs 212 und 214 und einem Nebenschluss-FBAR (shunt FBAR) 216. Die in Reihe geschalteten FBARs 212 und 214 haben eine höhere Resonanzfrequenz als der Nebenschluss-FBAR 214.
In dem Bandpassfilter 100 ist die Elektrode 112 mit Erde verbunden, die Elektroden 114 und 122 sind mit dem Ausgang des Abzweigfilters 210, d. h. mit der Elektrode 218 des FBAR 214, verbunden, und die Elektrode 124 bildet den Ausgangsanschluss des Bandpassfilters 200. Die FBARs 212, 214 und 216 und das Bandpassfilter 100 sind so strukturiert, dass das Bandpassfilter 100 ein breiteres Durchlassband als das Abzweigfilter 210 hat.
9 ist ein Graph, das den errechneten Frequenzgang des Bandpassfilters 200 (Kurve 242) und den des Bandpassfilters 100, das in den 5A und 5B gezeigt ist, zeigt (Kurve 244). Der Graph zeigt, dass der Frequenzgang des Bandpassfilters 200 außerhalb des Bandes eine steilere Neigung hat als die des Bandpassfilters 100 und dass der Pegel, auf den der Frequenzgang nach dem anfänglichen steilen Abfall ansteigt, niedriger ist als bei dem in 4 gezeigten Bandpass-Abzweigfilter.
Wie in dem oben erwähnten US-Patent Nr. 6,262,637 offenbart, werden die FBARs, aus denen ein FBAR-basiertes Abzweigfilter besteht, in der Regel alle unter Verwendung einer gemeinsamen Schicht aus piezoelektrischem Material hergestellt. Das Bandpassfilter 200 kann in einer ähnlichen Weise hergestellt werden. Der FBAR 110 (5B) des Bandpassfilters 100 wird unter Verwendung derselben Schicht aus piezoelektrischem Material hergestellt wie die FBARs 212, 214 und 216. Die Elektrode 112 des FBAR 110 ist ein Teil derselben Metallschicht wie die Elektrode 220 des FBAR 216. Die Elektrode 114 des FBAR 110 ist ein Teil derselben Metallschicht wie die Elektrode 218 des FBAR 214. Nach der Fertigung der FBARs 110, 212, 214 und 216 wird eine Schicht aus Akustik-Entkopplungsmaterial abgeschieden und wird so strukturiert, dass der Akustik-Entkoppler 130 auf der Elektrode 114 definiert wird. Der FBAR 120 wird dann auf dem Akustik-Entkoppler mittels eines Prozesses ähnlich dem oben beschriebenen hergestellt.
Elektrische Verbindungen zu der Elektrode 222 des FBAR 212 und zu der Elektrode 220 des FBAR 216 bilden die Eingangsanschlüsse des Bandpassfilters 200, während elektrische Verbindungen zu den Elektroden 112 und 124 des Bandpassfilters 100 die Ausgangsanschlüsse des Bandpassfilters 200 bilden.
Diese Offenbarung beschreibt die Erfindung im Detail anhand veranschaulichender Ausführungsformen. Jedoch ist die Erfindung, die durch die angehängten Ansprüche definiert wird, nicht auf die konkret beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.

Claims

Bandpassfilter (100), das aufweist: ein gestapeltes Paar Film-Bulk-Akustik-Resonatoren (FBARs) (110, 120), wobei jeder der FBARs einander gegenüberliegende planare Elektroden (zum Beispiel 112, 114) und eine Schicht (116) aus piezoelektrischem Material zwischen den Elektroden aufweist; und einen Akustik-Entkoppler (130) zwischen den FBARs, der angepasst ist, weniger Schallenergie zwischen den FBARs zu koppeln, als durch einen direkten Kontakt zwischen den FBARs gekoppelt werden würde, wobei der Akustik-Entkoppler eine Schicht (131) aus Akustil-Entkopplungsmaterial aufweist, wobei das Akustik-Entkopplungsmaterial Kunststoff aufweist, der eine Schallimpedanz zwischen 4 Mrayl und 8 Mrayl hat.
Bandpassfilter nach Anspruch 1, wobei: das piezoelektrische Material eine Schallimpedanz hat; und das Akustik-Entkopplungsmaterial eine Schallimpedanz zwischen der Schallimpedanz des piezoelektrischen Materials und der Schallimpedanz von Luft hat.
Bandpassfilter nach Anspruch 1 oder 2, wobei: das Bandpassfilter durch eine Mittenfrequenz gekennzeichnet ist; und die Schicht aus Akustik-Entkopplungsmaterial eine Nenndicke aufweist, die gleich einem ungeraden integralen Mehrfachen eines Viertels der Wellenlänge – in dem Akustik-Entkopplungsmaterial – einer Akustikwelle ist, die eine Frequenz gleich der Mittenfrequenz aufweist.
Bandpassfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kunststoffmaterial Polyimid oder Poly(paraxylylen) aufweist.
Bandpassfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, das ferner eine elektrische Verbindung (134, 137) zwischen benachbarten der Elektroden der FBARs aufweist.
Bandpassfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, das außerdem ein Abzweigfilter (210) aufweist, das elektrisch mit dem gestapelten Paar FBARs in Reihe geschaltet ist.
Bandpassfilter nach Anspruch 6, wobei das Abzweigfilter zusätzliche FBARs (zum Beispiel 212) aufweist.
Elektrisches Filterverfahren, das aufweist: Bereitstellen eines Bandpassfilters nach einem der vorangehenden Ansprüche; Einspeisen eines elektrischen Eingangssignals in einen der FBARs; und Abgreifen eines gefilterten elektrischen Ausgangssignals an dem anderen der FBARs.
Verfahren zum Herstellen eines akustikgekoppelten Bauelements, wobei das Verfahren aufweist: Herstellen eines ersten Film-Bulk-Akustik-Resonators (FBAR) (110); Herstellen eines Akustik-Entkopplers auf dem ersten FBAR (130); Herstellen eines zweiten (FBAR) (120) auf dem Akustik-Entkoppler, wobei der Akustik-Entkoppler einer maximalen Temperatur ausgesetzt wird; und vor dem Herstellen des zweiten FBAR Brennen des ersten FBAR und des Akustik-Entkopplers bei einer Temperatur, die nicht unter der maximalen Temperatur liegt; wobei der Akustik-Entkoppler angepasst ist, weniger Schallenergie zwischen den FBARs zu koppeln, als durch einen direkten Kontakt zwischen den FBARs gekoppelt werden würde, und eine Schicht (131) aus Kunststoffmaterial aufweist, das eine Schallimpedanz zwischen 4 Mrayl und 8 Mrayl hat.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Akustik-Entkoppler eine Schicht aus Polyimid aufweist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Herstellung des Akustik-Entkopplers das Abscheiden der Polyimidschicht durch Aufschleudern aufweist.