JP2023539758A - Filter device and method for manufacturing filter device - Google Patents

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Abstract

音響共振器は、第1の圧電プレートを基板に接合することによって製造され、基板内の第1及び第2のキャビティの位置にまたがる。第1の圧電プレートの上面は、第1の厚さに平坦化される。接合層が、第1の圧電プレート上に形成され、第1及び第2のキャビティ位置にまたがっている。第2の圧電プレートが接合層に接合され、第1及び第2のキャビティ位置にまたがっている。第2のキャビティ位置にまたがる第2の圧電プレートの一部がエッチング除去されて、第1のキャビティ位置の上方に第1の膜が形成され、第2のキャビティ位置の上方に第2の膜が形成される。櫛形トランスデューサが、同一ダイ上に第1及び第2の共振器を形成するために、第1及び第2のキャビティ位置の上方で第1及び第2の膜上に形成される。The acoustic resonator is fabricated by bonding a first piezoelectric plate to the substrate and spans the first and second cavity locations in the substrate. The top surface of the first piezoelectric plate is planarized to a first thickness. A bonding layer is formed on the first piezoelectric plate and spans the first and second cavity locations. A second piezoelectric plate is bonded to the bonding layer and spans the first and second cavity locations. A portion of the second piezoelectric plate spanning the second cavity location is etched away to form a first film over the first cavity location and a second film over the second cavity location. It is formed. Comb-shaped transducers are formed on the first and second membranes above the first and second cavity locations to form the first and second resonators on the same die.

Description

本開示は、音響波共振器を使用する無線周波数フィルタに関し、具体的には、通信機器に使用するためのフィルタに関する。 TECHNICAL FIELD The present disclosure relates to radio frequency filters that use acoustic wave resonators, and specifically relates to filters for use in communication equipment.

無線周波数(RF)フィルタは、いくつかの周波数を通過し、他の周波数を阻止するように構成された2ポートデバイスであり、「通過」は比較的低い信号損失で送信することを意味し、「阻止」はブロック又は実質的に減衰させることを意味する。フィルタを通過する周波数の範囲は、フィルタの「通過帯域」と呼ばれる。フィルタによって阻止される周波数の範囲は、フィルタの「阻止帯域」と呼ばれる。典型的なRFフィルタは、少なくとも1つの通過帯域及び少なくとも1つの阻止帯域を有する。通過帯域又は阻止帯域の特定の要件は、特定の用途に依存する。例えば、「通過帯域」は、フィルタの挿入損失が1dB、2dB、又は3dBなどの規定値よりも良好である周波数範囲として定義することができる。「阻止帯域」は、フィルタの除去が用途に応じて、20dB、30dB、40dB、又はそれ以上などの規定値よりも大きい周波数範囲として定義することができる。 A radio frequency (RF) filter is a two-port device configured to pass some frequencies and block others, where "pass" means transmit with relatively low signal loss; "Blocking" means blocking or substantially attenuating. The range of frequencies that pass through a filter is called the filter's "passband." The range of frequencies rejected by a filter is called the filter's "stopband." A typical RF filter has at least one passband and at least one stopband. The specific requirements for passband or stopband depend on the particular application. For example, a "passband" may be defined as a frequency range in which the filter's insertion loss is better than a specified value, such as 1 dB, 2 dB, or 3 dB. A "stop band" may be defined as a frequency range for which the filter's rejection is greater than a specified value, such as 20 dB, 30 dB, 40 dB, or more, depending on the application.

RFフィルタは、情報が無線リンクを介して送信される通信システムで使用される。例えば、RFフィルタは、セルラー基地局、携帯電話及びコンピューティングデバイス、衛星トランシーバ及び地上局、IoT(モノのインターネット)デバイス、ラップトップコンピュータ及びタブレット、定点無線リンク、並びに他の通信システムのRFフロントエンドに見ることができる。RFフィルタはまた、レーダ及び電子及び情報戦システムにおいても使用される。 RF filters are used in communication systems where information is transmitted over wireless links. For example, RF filters are used in RF front ends of cellular base stations, cell phones and computing devices, satellite transceivers and ground stations, Internet of Things (IoT) devices, laptop computers and tablets, fixed point wireless links, and other communication systems. It can be seen in RF filters are also used in radar and electronic and information warfare systems.

RFフィルタは、典型的には、特定の用途ごとに、挿入損失、除去、分離、電力処理、線形性、サイズ、及びコストなどの性能パラメータ間の最良の妥協点を達成するために、多くの設計上のトレードオフを必要とする。特定の設計及び製造方法及び向上は、これらの要件の1つ又はいくつかに同時に利益をもたらすことができる。 RF filters are typically manufactured in a number of configurations to achieve the best compromise between performance parameters such as insertion loss, rejection, isolation, power handling, linearity, size, and cost for each specific application. Requires design trade-offs. Certain design and manufacturing methods and improvements can benefit one or several of these requirements simultaneously.

無線システムにおけるRFフィルタの性能向上は、システム性能に広範な影響を及ぼすことができる。RFフィルタの改善は、より大きなセルサイズ、より長いバッテリ寿命、より高いデータレート、より大きなネットワーク容量、より低いコスト、セキュリティの向上、より高い信頼性などのシステム性能の改善を提供するために活用することができる。これらの改善は、無線システムの多くのレベルで、別個に及び組み合わせて、例えばRFモジュール、RFトランシーバ、モバイル又は固定サブシステム、又はネットワークレベルで実現することができる。 Improving the performance of RF filters in wireless systems can have a broad impact on system performance. RF filter improvements are leveraged to provide system performance improvements such as larger cell sizes, longer battery life, higher data rates, greater network capacity, lower cost, improved security, and higher reliability. can do. These improvements can be realized at many levels of the wireless system, separately and in combination, for example at the RF module, RF transceiver, mobile or fixed subsystem, or network level.

現在の通信システム用の高性能RFフィルタは、一般に、表面音響波(SAW)共振器、バルク音響波(BAW)共振器、フィルムバルク音響波共振器(FBAR)、及び他のタイプの音響共振器を含む音響波共振器を組み込む。しかしながら、これらの既存の技術は、将来の通信ネットワークで提案されるより高い周波数及び帯域幅での使用にはあまり適していない。 High-performance RF filters for current communication systems generally include surface acoustic wave (SAW) resonators, bulk acoustic wave (BAW) resonators, film bulk acoustic wave resonators (FBARs), and other types of acoustic resonators. Incorporating an acoustic wave resonator containing. However, these existing technologies are not well suited for use at the higher frequencies and bandwidths proposed in future communication networks.

より広い通信チャネル帯域幅が望まれると、必然的により高い周波数の通信帯域が使用されることになる。携帯電話ネットワークの無線アクセス技術は、3GPP(登録商標)(第3世代パートナーシッププロジェクト)によって標準化されている。第5世代モバイルネットワークのための無線アクセス技術は、5G NR(新無線)規格で定義されている。5G NR規格は、いくつかの新しい通信帯域を定義している。これらの新しい通信帯域のうちの2つは、3300MHz~4200MHzの周波数範囲を使用するn77、及び4400MHz~5000MHzの周波数範囲を使用するn79である。帯域n77及び帯域n79はいずれも、帯域n77及び/又は帯域n79で動作する通信デバイスがアップリンク送信及びダウンリンク送信の両方に同じ周波数を使用するように、時分割複信(TDD)を使用する。帯域n77及びn79のためのバンドパスフィルタは、通信デバイスの送信電力を処理することができなければならない。5GHz及び6GHzのWiFi帯域はまた、高周波及び広帯域幅を必要とする。5G NR規格はまた、24.25GHz~40GHzの周波数を有するミリ波通信帯域を定義する。 The desire for wider communication channel bandwidth necessarily results in the use of higher frequency communication bands. Radio access technology for mobile phone networks has been standardized by 3GPP (Third Generation Partnership Project). Radio access technologies for fifth generation mobile networks are defined in the 5G NR (New Radio) standard. The 5G NR standard defines several new communication bands. Two of these new communication bands are N77, which uses a frequency range of 3300 MHz to 4200 MHz, and N79, which uses a frequency range of 4400 MHz to 5000 MHz. Band N77 and Band N79 both use time division duplexing (TDD) such that communication devices operating in Band N77 and/or Band N79 use the same frequency for both uplink and downlink transmissions. . The bandpass filters for bands n77 and n79 must be able to handle the transmit power of the communication device. The 5GHz and 6GHz WiFi bands also require high frequencies and wide bandwidth. The 5G NR standard also defines a millimeter wave communication band with frequencies from 24.25 GHz to 40 GHz.

米国特許第10,491,291号明細書US Patent No. 10,491,291

横方向励起フィルムバルク音響共振器(XBAR)は、マイクロ波フィルタに使用するための音響共振器構造である。XBARは、「TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR」と題する米国特許第10,491,291号明細書に記載されている。XBAR共振器は、単結晶圧電材料の薄い浮遊層又はダイヤフラム上に形成されたインターデジタル変換器(IDT)を備える。IDTは、第1のバスバーから延びる平行なフィンガの第1のセットと、第2のバスバーから延びる平行なフィンガの第2のセットとを含む。第1及び第2のセットの平行なフィンガはインターリーブされる。IDTに印加されたマイクロ波信号は、圧電ダイヤフラム内の剪断一次音響波を励起する。XBAR共振器は、非常に高い電気機械結合及び高周波能力を提供する。XBAR共振器は、帯域除去フィルタ、バンドパスフィルタ、デュプレクサ、及びマルチプレクサを含む様々なRFフィルタで使用することができる。XBARは、3GHzを超える周波数の通信帯域用のフィルタでの使用によく適している。 A transversely excited film bulk acoustic resonator (XBAR) is an acoustic resonator structure for use in microwave filters. XBAR is described in US Pat. No. 10,491,291, entitled "TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR." An XBAR resonator comprises an interdigital transducer (IDT) formed on a thin floating layer or diaphragm of single crystal piezoelectric material. The IDT includes a first set of parallel fingers extending from a first busbar and a second set of parallel fingers extending from a second busbar. The first and second sets of parallel fingers are interleaved. A microwave signal applied to the IDT excites shear primary acoustic waves within the piezoelectric diaphragm. XBAR resonators offer very high electromechanical coupling and high frequency capabilities. XBAR resonators can be used in a variety of RF filters including band-reject filters, band-pass filters, duplexers, and multiplexers. XBAR is well suited for use in filters for communication bands of frequencies above 3 GHz.

図1は、横方向励起フィルムバルク音響共振器(XBAR)の概略平面図及び2つの概略断面図を含む図である。FIG. 1 is a diagram including a schematic plan view and two schematic cross-sectional views of a laterally excited film bulk acoustic resonator (XBAR). 図2は、図1のXBARの一部の拡大概略断面図である。FIG. 2 is an enlarged schematic cross-sectional view of a portion of the XBAR of FIG. 図3Aは、図1のXBARの代替的な概略断面図である。3A is an alternative schematic cross-sectional view of the XBAR of FIG. 1. FIG. 図3Bは、XBARにおける目的の一次音響モードのグラフ図である。FIG. 3B is a graphical representation of the primary acoustic mode of interest in the XBAR. 図4Aは、同一ダイ上に形成された膜厚が異なる改善型XBAR共振器の代替的な概略断面図である。FIG. 4A is an alternative schematic cross-sectional view of an improved XBAR resonator with different film thicknesses formed on the same die. 図4Bは、膜構造が異なるXBARのアドミッタンスを比較するグラフである。FIG. 4B is a graph comparing the admittance of XBARs with different membrane structures. 図4Cは、同一ダイ上に形成された膜厚が異なる改善型XBARシャント及び直列共振器のアドミッタンスを示すグラフである。FIG. 4C is a graph showing the admittance of an improved XBAR shunt and series resonator with different film thicknesses formed on the same die. 図4Dは、膜厚が異なる改善型XBARシャント共振器を有する、同一ダイ上に形成された改善型XBAR直列共振器のアドミッタンスを示すグラフである。FIG. 4D is a graph showing the admittance of improved XBAR series resonators formed on the same die with improved XBAR shunt resonators having different film thicknesses. 図4Eは、膜厚が異なる改善型XBAR直列共振器を有する、同一ダイ上に形成された改善型XBARシャント共振器のアドミッタンスを示すグラフである。FIG. 4E is a graph showing the admittance of improved XBAR shunt resonators formed on the same die with improved XBAR series resonators having different film thicknesses. 図5は、XBARを使用するフィルタの概略ブロック図である。FIG. 5 is a schematic block diagram of a filter using XBAR. 図6は、XBARを製造するためのプロセスのフローチャートである。FIG. 6 is a flowchart of a process for manufacturing an XBAR. 図7A、図7B、及び図7C(まとめて「図7」)は、同一ダイ上に異なる膜厚を有するXBAR共振器を製造するための別のプロセスのフローチャートである。7A, 7B, and 7C (collectively “FIG. 7”) are a flowchart of another process for fabricating XBAR resonators with different film thicknesses on the same die. 図7A、図7B、及び図7C(まとめて「図7」)は、同一ダイ上に異なる膜厚を有するXBAR共振器を製造するための別のプロセスのフローチャートである。7A, 7B, and 7C (collectively “FIG. 7”) are a flowchart of another process for fabricating XBAR resonators with different film thicknesses on the same die. 図7A、図7B、及び図7C(まとめて「図7」)は、同一ダイ上に異なる膜厚を有するXBAR共振器を製造するための別のプロセスのフローチャートである。7A, 7B, and 7C (collectively “FIG. 7”) are a flowchart of another process for fabricating XBAR resonators with different film thicknesses on the same die.

この説明全体を通して、図に現れる要素には3桁又は4桁の参照符号が割り当てられ、2つの最下位桁は要素に固有であり、1つ又は2つの最上位桁は要素が最初に導入される図番号である。図面に関連して説明されていない要素は、同じ参照符号を有する前述の要素と同じ特性及び機能を有すると仮定することができる。 Throughout this description, elements that appear in the figures are assigned a three-digit or four-digit reference number, with the two least significant digits being unique to the element and the one or two most significant digits indicating the number of digits when the element is first introduced. This is the figure number. Elements that are not described in connection with the drawings can be assumed to have the same characteristics and functions as the aforementioned elements with the same reference numerals.

(装置の説明)
剪断モードフィルムバルク音響共振器(XBAR)は、マイクロ波フィルタに使用するための新しい共振器構造である。XBARは、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、「TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR」と題する米国特許第10,491,291号明細書に記載されている。XBAR共振器は、圧電材料の薄い浮遊層又はダイヤフラム上に形成されたインターデジタル変換器(IDT)を備える。IDTに印加されたマイクロ波信号は、圧電ダイヤフラム内で剪断一次音響波を励起し、音響エネルギーは、IDTによって生成された電界の方向に対して直交又は横方向である層の表面に対して実質的に垂直に流れる。XBAR共振器は、非常に高い電気機械結合及び高周波能力を提供する。
(Description of the device)
Shear mode film bulk acoustic resonators (XBARs) are a new resonator structure for use in microwave filters. XBAR is described in US Pat. No. 10,491,291, entitled "TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR," which is incorporated herein by reference in its entirety. An XBAR resonator comprises an interdigital transducer (IDT) formed on a thin floating layer or diaphragm of piezoelectric material. The microwave signal applied to the IDT excites shearing primary acoustic waves within the piezoelectric diaphragm, and the acoustic energy is transmitted substantially perpendicularly or transversely to the direction of the electric field generated by the IDT to the surface of the layer. flows vertically. XBAR resonators offer very high electromechanical coupling and high frequency capabilities.

RFフィルタは、従来のラダーフィルタ回路として接続される複数のXBARデバイスを組み込むことができる。ラダーフィルタ回路は、フィルタの入力と出力との間に直列に接続された1つ以上の直列共振器と、各々がグランドと、入力、出力、又は2つの直列共振器の間のノードのうちの1つとの間に接続された1つ以上のシャント共振器とを含む。各共振器は、共振器のアドミッタンスが短絡回路のアドミッタンスに近づく共振周波数と、共振器のアドミッタンスが開放回路のアドミッタンスに近づく反共振周波数とを有する。典型的なラダーバンドパスフィルタ回路では、シャント共振器の共振周波数はフィルタの通過帯域の下端の下方に位置し、直列共振器の反共振周波数は通過帯域の上端の上方に位置する。 The RF filter can incorporate multiple XBAR devices connected as a conventional ladder filter circuit. A ladder filter circuit consists of one or more series resonators connected in series between the input and output of the filter, each connected to ground and one of the inputs, outputs, or nodes between the two series resonators. one or more shunt resonators connected between the one and one shunt resonators. Each resonator has a resonant frequency where the admittance of the resonator approaches a short-circuit admittance and an anti-resonant frequency where the admittance of the resonator approaches an open-circuit admittance. In a typical ladder bandpass filter circuit, the resonant frequency of the shunt resonator is located below the lower end of the filter's passband, and the anti-resonant frequency of the series resonator is located above the upper end of the passband.

XBARの共振周波数を決定する主要なパラメータは、キャビティに懸架された圧電膜又はダイヤフラムの厚さである。共振周波数はまた、比較的程度は低いが、IDTフィンガのピッチ及び幅、又はマークにも依存する。多くのフィルタ用途は、IDTのピッチを変えることによって達成することができる範囲を超える、共振及び/又は反共振周波数の範囲を有する共振器を必要とする。特許第10,491,291号明細書は、直列共振器の共振周波数に対してシャント共振器の共振周波数を低下させるために、シャント共振器のIDTのフィンガの間及び/又はフィンガの上方に堆積された誘電周波数設定層の使用を記載している。 The main parameter that determines the resonant frequency of an XBAR is the thickness of the piezoelectric membrane or diaphragm suspended in the cavity. The resonant frequency also depends, to a lesser extent, on the pitch and width of the IDT fingers, or marks. Many filter applications require resonators with a range of resonant and/or anti-resonant frequencies that exceeds the range that can be achieved by varying the pitch of the IDT. Patent No. 10,491,291 discloses a method of depositing between and/or over the fingers of an IDT of a shunt resonator to reduce the resonant frequency of the shunt resonator relative to the resonant frequency of the series resonator. describes the use of dielectric frequency setting layers.

広帯域幅フィルタに必要な誘電周波数設定層の厚さは、フィルタの通過帯域内に位置し得るスプリアスモードの励起を容易にする。本明細書では、膜上に誘電周波数設定層を使用するのではなく、同一ダイ上に2つ(又はそれ以上)の異なるXBAR圧電膜(例えば、ダイヤフラム)厚を有することで膜を調整するデバイス及びその形成方法について説明する。 The thickness of the dielectric frequency setting layer required for wide bandwidth filters facilitates the excitation of spurious modes that may be located within the passband of the filter. Rather than using a dielectric frequency setting layer on the membrane, we describe a device that tunes the membrane by having two (or more) different XBAR piezoelectric membrane (e.g., diaphragm) thicknesses on the same die. and its formation method will be explained.

以下では、同一ダイ上に形成された膜厚が異なる改善型XBAR共振器について説明する。共振器は、薄いAl接合層を使用して異なる膜厚を形成する広帯域フィルタ用の複合圧電ウエハであってもよい。複合圧電ウエハは、薄い接合層で接合された2つの薄い圧電層を使用することによって、単一のXBARダイ上において、厚さが異なる共振器が2チップと同等の性能を達成することを可能にする。 In the following, improved XBAR resonators with different film thicknesses formed on the same die will be described. The resonator may be a composite piezoelectric wafer for a broadband filter using a thin Al 2 O 3 bonding layer to form different film thicknesses. Composite piezoelectric wafers allow resonators of different thickness to achieve performance equivalent to two chips on a single XBAR die by using two thin piezoelectric layers joined by a thin bonding layer Make it.

図1は、横方向励起フィルムバルク音響共振器(XBAR)100の簡略化された概略上面図及び直交断面図を示す。共振器100などのXBAR共振器は、帯域除去フィルタ、バンドパスフィルタ、デュプレクサ、及びマルチプレクサを含む様々なRFフィルタで使用することができる。XBARは、3GHzを超える周波数の通信帯域用のフィルタでの使用に特に適している。 FIG. 1 shows a simplified schematic top view and orthogonal cross-sectional view of a laterally excited film bulk acoustic resonator (XBAR) 100. XBAR resonators, such as resonator 100, can be used in a variety of RF filters, including band-reject filters, band-pass filters, duplexers, and multiplexers. XBAR is particularly suitable for use in filters for communication bands of frequencies above 3 GHz.

XBAR100は、平行な前面112及び背面114を有する圧電プレート110の表面に形成された薄膜フィルムの導体パターンから作製される。圧電プレート110は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ケイ酸ランタンガリウム、窒化ガリウム、窒化アルミニウムなどの圧電材料の薄い単結晶層である。場合によっては、プレート110は、接合層によって接合された、圧電単結晶材料からなる2つの層である。他の場合には、プレート110は、圧電単結晶材料の下層と、上側接合層とである。圧電プレートは、前面及び背面に対するX、Y、及びZ結晶軸の配向が既知で、一貫しているように切断される。提示された例では、圧電プレートはZカットすることができ、すなわち、Z軸は表面に垂直である。しかしながら、XBARは、他の結晶学的配向を有する圧電プレート上に製造されてもよい。 XBAR 100 is fabricated from a thin film conductor pattern formed on the surface of a piezoelectric plate 110 having parallel front faces 112 and back faces 114. Piezoelectric plate 110 is a thin single crystal layer of piezoelectric material such as lithium niobate, lithium tantalate, lanthanum gallium silicate, gallium nitride, aluminum nitride. In some cases, plate 110 is two layers of piezoelectric single crystal material joined by a bonding layer. In other cases, the plate 110 is a lower layer of piezoelectric single crystal material and an upper bonding layer. The piezoelectric plate is cut such that the orientation of the X, Y, and Z crystal axes relative to the front and back surfaces is known and consistent. In the example presented, the piezoelectric plate can be Z-cut, ie the Z-axis is perpendicular to the surface. However, XBARs may be fabricated on piezoelectric plates with other crystallographic orientations.

圧電プレート110の背面114は、圧電プレート110を機械的に支持する基板120に取り付けられている。基板120は、例えば、シリコン、サファイア、石英、又は他の何らかの材料であってもよい。基板は、シリコン熱酸化物(TOX)及び結晶シリコンの層を有することができる。圧電プレート110の背面114は、ウエハ接合プロセスを使用して基板120に接合しても、又は基板120上に成長させても、又は他の方法で基板に取り付けてもよい。圧電プレートは、基板に直接取り付けても、又は1つ以上の中間材料層を介して基板に取り付けてもよい。 The back side 114 of the piezoelectric plate 110 is attached to a substrate 120 that mechanically supports the piezoelectric plate 110. Substrate 120 may be, for example, silicon, sapphire, quartz, or some other material. The substrate can have layers of silicon thermal oxide (TOX) and crystalline silicon. The back side 114 of the piezoelectric plate 110 may be bonded to the substrate 120 using a wafer bonding process, grown on the substrate 120, or otherwise attached to the substrate. The piezoelectric plate may be attached directly to the substrate or via one or more intermediate material layers.

XBAR100の導体パターンは、インターデジタル変換器(IDT)130を含む。IDT130は、第1のバスバー132から延びる第1の複数の平行なフィンガ、例えばフィンガ136と、第2のバスバー134から延びる第2の複数のフィンガとを含む。第1及び第2の複数の平行なフィンガはインターリーブされる。インターリーブされたフィンガは、一般にIDTの「アパーチャ」と呼ばれる距離APにわたって重なり合う。IDT130の最外フィンガ間の中心間距離Lが、IDTの「長さ」である。 The conductor pattern of XBAR 100 includes an interdigital converter (IDT) 130. IDT 130 includes a first plurality of parallel fingers, such as fingers 136 , extending from a first busbar 132 and a second plurality of fingers extending from a second busbar 134 . The first and second plurality of parallel fingers are interleaved. The interleaved fingers overlap over a distance AP, commonly referred to as the "aperture" of the IDT. The center-to-center distance L between the outermost fingers of IDT 130 is the "length" of the IDT.

第1及び第2のバスバー132、134は、XBAR100の端子として機能する。IDT130の2つのバスバー132、134の間に印加された無線周波数又はマイクロ波信号は、圧電プレート110内の一次音響モードを励起する。さらに詳細に説明するように、励起された一次音響モードは、音響エネルギーが圧電プレート110の表面に実質的に直交する方向に沿って伝播するバルク剪断モードであり、これはまた、IDTフィンガによって生成される電界の方向に対して垂直又は横方向である。したがって、XBARは、横方向励起フィルムバルク波共振器と考えられる。 The first and second bus bars 132 and 134 function as terminals of the XBAR 100. A radio frequency or microwave signal applied between the two busbars 132, 134 of the IDT 130 excites a primary acoustic mode within the piezoelectric plate 110. As will be explained in further detail, the excited primary acoustic mode is a bulk shear mode in which acoustic energy propagates along a direction substantially perpendicular to the surface of the piezoelectric plate 110, which is also generated by the IDT fingers. perpendicular or transverse to the direction of the applied electric field. Therefore, the XBAR can be considered a laterally pumped film bulk wave resonator.

IDT130を含有する圧電プレート110の一部115が基板120に接触することなくキャビティ140に懸架されるように、キャビティ140が基板120内に形成される。「キャビティ」は、「固形体内の空きスペース」というその従来の意味を有する。キャビティ140は、(断面A-A及び断面B-Bに示すように)基板120を完全に貫通する孔又は基板120の凹部(続いて図3Aに示す)であってもよい。キャビティ140は、例えば、圧電プレート110及び基板120を取り付ける前又は後に、基板120を選択的にエッチングすることによって形成することができる。図1に示すように、キャビティ140は、アパーチャAP及びIDT130の長さLよりも大きい範囲を有する矩形の形状を有する。XBARのキャビティは、規則的又は不規則な多角形などの異なる形状を有してもよい。XBARのキャビティは、4辺よりも多くても少なくてもよく、直線状でも、又は湾曲していてもよい。 A cavity 140 is formed in the substrate 120 such that a portion 115 of the piezoelectric plate 110 containing the IDT 130 is suspended in the cavity 140 without contacting the substrate 120. "Cavity" has its conventional meaning of "empty space within a solid body." Cavity 140 may be a hole completely through substrate 120 (as shown in cross-sections AA and BB) or a recess in substrate 120 (as subsequently shown in FIG. 3A). Cavity 140 can be formed, for example, by selectively etching substrate 120 before or after piezoelectric plate 110 and substrate 120 are attached. As shown in FIG. 1, the cavity 140 has a rectangular shape with a range larger than the length L of the aperture AP and the IDT 130. The XBAR cavity may have different shapes, such as regular or irregular polygons. The XBAR cavity may have more or less than four sides and may be straight or curved.

キャビティ140に懸架された圧電プレートの部分115は、マイクロフォンのダイヤフラムと物理的に類似しているため、本明細書では(より良い用語がないため)「ダイヤフラム」と呼ばれる。ダイヤフラムは、キャビティ140の周囲145のすべて又はほぼすべての周りで圧電プレート110の残りの部分に連続的かつシームレスに接続することができる。この文脈において、「連続的」とは、「介在する物品なしで連続的に接続されている」ことを意味する。 The portion 115 of the piezoelectric plate suspended in the cavity 140 is referred to herein as a "diaphragm" (for lack of a better term) because it is physically similar to the diaphragm of a microphone. The diaphragm may be continuously and seamlessly connected to the remainder of the piezoelectric plate 110 around all or substantially all of the perimeter 145 of the cavity 140. In this context, "continuous" means "connected in series without intervening items."

図1での提示を容易にするために、IDTフィンガの幾何学的ピッチ及び幅は、XBARの長さ(寸法L)及びアパーチャ(寸法AP)に対して非常に誇張されている。典型的なXBARは、IDT110に10を超える平行なフィンガを有する。XBARは、IDT110内に数百、場合によっては数千の平行なフィンガを有することができる。同様に、断面図におけるフィンガの厚さは非常に誇張されている。 For ease of presentation in FIG. 1, the geometric pitch and width of the IDT fingers are greatly exaggerated relative to the length (dimension L) and aperture (dimension AP) of the XBAR. A typical XBAR has more than ten parallel fingers on IDT 110. An XBAR can have hundreds or even thousands of parallel fingers within IDT 110. Similarly, the thickness of the fingers in the cross-sectional view is greatly exaggerated.

図2は、図1のXBAR100の詳細な概略断面図を示す。断面図は、IDTのフィンガを含むXBAR100の一部であってもよい。圧電プレート110は、厚さtsの圧電材料の単結晶層である。tsは、例えば、100nm~1500nmであってもよい。3.4GHZ~6GHz(例えば、帯域n77、n79)のLTETM帯域用のフィルタに使用される場合、厚さtsは、例えば、200nm~1000nmであってもよい。 FIG. 2 shows a detailed schematic cross-sectional view of the XBAR 100 of FIG. The cross-sectional view may be of a portion of the XBAR 100 including the fingers of the IDT. Piezoelectric plate 110 is a single crystal layer of piezoelectric material of thickness ts. ts may be, for example, 100 nm to 1500 nm. When used in a filter for the LTE TM band from 3.4 GHz to 6 GHz (eg bands n77, n79), the thickness ts may be, for example, from 200 nm to 1000 nm.

圧電プレート110の前面側には、前面側誘電体層214を任意選択的に形成することができる。XBARの「前面側」は、定義により、基板から外方に面する表面である。前面側誘電体層214は、厚みtfdを有する。前面側誘電体層214は、IDTフィンガ236の間に形成される。図2には示されていないが、前面側誘電体層214はまた、IDTフィンガ236に堆積されてもよい。圧電プレート110の背面側には、背面側誘電体層216を任意選択的に形成することができる。背面側誘電体層216の厚さはtbdである。前面側誘電体層214及び背面側誘電体層216は、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素などの非圧電性誘電材料であってもよい。tfd及びtbdは、例えば、0~500nmであってよい。tfd及びtbdは、典型的には、圧電プレートの厚さts未満である。tfdとtbdとは必ずしも等しいとは限らず、前面側誘電体層214と背面側誘電体層216とは必ずしも同じ材料であるとは限らない。前面側誘電体層214及び背面側誘電体層216のいずれか一方又は両方は、2種以上の材料からなる複数の層から形成することができる。 A front dielectric layer 214 may optionally be formed on the front side of the piezoelectric plate 110. The "front side" of an XBAR is, by definition, the surface facing outward from the substrate. The front dielectric layer 214 has a thickness tfd. Front side dielectric layer 214 is formed between IDT fingers 236 . Although not shown in FIG. 2, a front side dielectric layer 214 may also be deposited on the IDT fingers 236. A back side dielectric layer 216 may optionally be formed on the back side of the piezoelectric plate 110. The thickness of the back side dielectric layer 216 is tbd. Front dielectric layer 214 and back dielectric layer 216 may be non-piezoelectric dielectric materials such as silicon dioxide or silicon nitride. tfd and tbd may be, for example, 0 to 500 nm. tfd and tbd are typically less than the thickness of the piezoelectric plate, ts. tfd and tbd are not necessarily equal, and front dielectric layer 214 and back dielectric layer 216 are not necessarily made of the same material. Either or both of the front dielectric layer 214 and the back dielectric layer 216 can be formed from a plurality of layers made of two or more types of materials.

前面側誘電体層214は、フィルタ内のXBARデバイスのいくつか(例えば、選択されたもの)のIDTの上方に形成することができる。前面側誘電体214は、いくつかのXBARデバイスのIDTフィンガの間に形成され、それらを覆うことができるが、他のXBARデバイスには形成されない。例えば、前面側誘電体がより薄い又は前面側誘電体を有していない直列共振器の共振周波数に対してシャント共振器の共振周波数を低下させるために、シャント共振器のIDTの上方に前面側周波数設定誘電体層を形成することができる。いくつかのフィルタは、様々な共振器の上方に2つ以上の異なる厚さの前面側誘電体を含むことができる。共振器の共振周波数は、したがって、前面側誘電体の厚さを選択することによって、少なくとも部分的に共振器を「調整」することができる。 A front side dielectric layer 214 may be formed over the IDTs of some (eg, selected ones) of the XBAR devices in the filter. Front side dielectric 214 may be formed between and over the IDT fingers of some XBAR devices, but not in other XBAR devices. For example, to reduce the resonant frequency of the shunt resonator relative to the resonant frequency of a series resonator with a thinner front dielectric or no front dielectric, A frequency setting dielectric layer can be formed. Some filters may include two or more different thicknesses of front side dielectric above the various resonators. The resonant frequency of the resonator can therefore be at least partially "tuned" by selecting the thickness of the front side dielectric.

さらに、パッシベーション層を、XBARデバイスの外部の回路への電気接続を行う接触パッドを除いて、XBARデバイス100の表面全体にわたって形成することができる。パッシベーション層は、XBARデバイスがパッケージに組み込まれる一方で、XBARデバイスの表面をシール及び保護することを意図した薄い誘電体層である。前面側誘電体層及び/又はパッシベーション層は、SiO、Si、Al、他の何らかの誘電材料、又はこれらの材料の組み合わせであってもよい。 Additionally, a passivation layer may be formed over the entire surface of the XBAR device 100, except for contact pads that make electrical connections to circuitry external to the XBAR device. A passivation layer is a thin dielectric layer intended to seal and protect the surface of the XBAR device while it is assembled into a package. The front side dielectric layer and/or passivation layer may be SiO2 , Si3N4 , Al2O3 , some other dielectric material, or a combination of these materials.

パッシベーション層の厚さは、特に耐電力目的のために、圧電プレート及び金属電極を水及び化学腐食から保護するように選択することができる。これは、10nm~100nmの範囲であってもよい。パッシベーション材料は、SiO及びSi材料などの複数の酸化物及び/又は窒化物コーティングからなることができる。 The thickness of the passivation layer can be selected to protect the piezoelectric plate and metal electrodes from water and chemical corrosion, especially for power-bearing purposes. This may range from 10 nm to 100 nm. The passivation material may consist of multiple oxide and/or nitride coatings , such as SiO2 and Si3N4 materials.

IDTフィンガ236は、アルミニウム若しくは実質的にアルミニウム合金、銅若しくは実質的に銅合金、ベリリウム、タングステン、モリブデン、金、又は他の何らかの導電性材料からなる1つ以上の層であってもよい。フィンガと圧電プレート110との間の接着を改善するために、及び/又はフィンガを不動態化若しくは封入するために、クロム又はチタンなどの他の金属の薄い(導体の総厚に対して)層をフィンガの下方及び/又は上方に形成することができる。IDTのバスバー(図1の132、134)は、フィンガと同じ又は異なる材料で作製することができる。 IDT fingers 236 may be one or more layers of aluminum or a substantially aluminum alloy, copper or a substantially copper alloy, beryllium, tungsten, molybdenum, gold, or some other electrically conductive material. A thin (relative to the total conductor thickness) layer of chromium or other metal, such as titanium, to improve the adhesion between the fingers and the piezoelectric plate 110 and/or to passivate or encapsulate the fingers. can be formed below and/or above the fingers. The IDT busbars (132, 134 in FIG. 1) can be made of the same or different material as the fingers.

寸法pは、IDTフィンガの中心間間隔又は「ピッチ」であり、IDTのピッチ及び/又はXBARのピッチと呼ばれる場合がある。寸法wは、IDTフィンガの幅又は「マーク」である。XBARのIDTは、弾性表面波(SAW)共振器で使用されるIDTとは実質的に異なる。SAW共振器では、IDTのピッチは、共振周波数における音響波長の半分である。追加的に、SAW共振器IDTのマーク対ピッチ比は、典型的には0.5(すなわち、マーク又はフィンガの幅は、共振における音響波長の約1/4である)に近い。XBARでは、IDTのピッチpは、典型的にはフィンガの幅wの2~20倍である。さらに、IDTのピッチpは、典型的には、圧電スラブ212の厚みtsの2~20倍である。XBARにおけるIDTフィンガの幅は、共振における音響波長の1/4に制約されない。例えば、XBAR IDTフィンガの幅は、光リソグラフィを使用してIDTを製造することができるように、500nm以上であってもよい。IDTフィンガの厚さtmは、100nmから幅wにほぼ等しくてもよい。IDTのバスバー(図1の132、134)の厚さは、IDTフィンガの厚さtmと同じであっても、又はIDTフィンガの厚さtmよりも大きくてもよい。 Dimension p is the center-to-center spacing or "pitch" of the IDT fingers, sometimes referred to as the IDT pitch and/or the XBAR pitch. Dimension w is the width or "mark" of the IDT finger. The IDT in an XBAR is substantially different from the IDT used in surface acoustic wave (SAW) resonators. In a SAW resonator, the pitch of the IDT is half the acoustic wavelength at the resonant frequency. Additionally, the mark-to-pitch ratio of a SAW resonator IDT is typically close to 0.5 (ie, the width of the mark or finger is approximately 1/4 of the acoustic wavelength at resonance). In an XBAR, the IDT pitch p is typically 2 to 20 times the finger width w. Furthermore, the pitch p of the IDT is typically 2 to 20 times the thickness ts of the piezoelectric slab 212. The width of the IDT fingers in an XBAR is not constrained to 1/4 of the acoustic wavelength at resonance. For example, the width of an XBAR IDT finger may be 500 nm or more so that the IDT can be fabricated using optical lithography. The thickness tm of the IDT finger may be from 100 nm to approximately equal to the width w. The thickness of the IDT bus bars (132, 134 in FIG. 1) may be the same as the IDT finger thickness tm or greater than the IDT finger thickness tm.

図3Aは、図1に定義された断面A-Aに沿ったXBARデバイス300の代替的な断面図である。図3Aにおいて、圧電プレート310は、基板320に取り付けられている。圧電プレート310の一部は、基板内のキャビティ340にまたがるダイヤフラム315を形成する。キャビティ340は、基板320を完全には貫通せず、XBARのIDTを含有する圧電プレート310の部分の下の基板に形成される。フィンガ336などのIDTのフィンガは、ダイヤフラム315上に配置される。キャビティ340は、例えば、圧電プレート310を取り付ける前に基板320をエッチングすることによって形成することができる。代替的に、キャビティ340は、圧電プレート310に設けられた1つ以上の開口部342を通って基板に到達する選択的エッチング液を用いて基板320をエッチングすることによって形成されてもよい。ダイヤフラム315は、キャビティ340の周囲345の大部分において、圧電プレート310の残りの部分と連続することができる。例えば、ダイヤフラム315は、キャビティ340の周囲の少なくとも50%において、圧電プレート310の残りの部分と連続することができる。 FIG. 3A is an alternative cross-sectional view of the XBAR device 300 along section AA defined in FIG. In FIG. 3A, piezoelectric plate 310 is attached to substrate 320. A portion of the piezoelectric plate 310 forms a diaphragm 315 that spans a cavity 340 within the substrate. A cavity 340 does not extend completely through the substrate 320, but is formed in the substrate below the portion of the piezoelectric plate 310 that contains the IDT of the XBAR. Fingers of the IDT, such as fingers 336, are positioned on diaphragm 315. Cavity 340 can be formed, for example, by etching substrate 320 before attaching piezoelectric plate 310. Alternatively, the cavities 340 may be formed by etching the substrate 320 using a selective etchant that reaches the substrate through one or more openings 342 in the piezoelectric plate 310. The diaphragm 315 may be continuous with the remainder of the piezoelectric plate 310 around most of the perimeter 345 of the cavity 340. For example, diaphragm 315 can be continuous with the remainder of piezoelectric plate 310 on at least 50% of the circumference of cavity 340.

1つ以上の中間材料層322を、プレート310と基板320との間に取り付けることができる。中間層は、エッチング停止層、封止層、接着剤層、又はプレート310及び基板320に取り付け又は接合される他の材料の層であってもよい。他の実施形態では、圧電プレート310は基板320に直接取り付けられ、中間層は存在しない。 One or more intermediate material layers 322 can be attached between plate 310 and substrate 320. The intermediate layer may be an etch stop layer, a sealing layer, an adhesive layer, or a layer of other material attached to or bonded to plate 310 and substrate 320. In other embodiments, piezoelectric plate 310 is attached directly to substrate 320 and no intermediate layer is present.

キャビティ340は断面で示されているが、キャビティの横方向範囲は、図面の平面に垂直な方向にキャビティ340のサイズを囲んで画定する、基板320の連続的な閉じたバンド領域であることを理解されたい。キャビティ340の横方向(すなわち、図に示すように左右)の範囲は、側縁基板320によって画定される。基板320内へのキャビティ340の垂直(すなわち、図に示すようにプレート310から下方に)範囲又は深さ。この場合、キャビティ340は、矩形又はほぼ矩形の側面断面を有する。 Although cavity 340 is shown in cross-section, it is understood that the lateral extent of the cavity is a continuous closed band region of substrate 320 that surrounds and defines the size of cavity 340 in a direction perpendicular to the plane of the drawing. I want to be understood. The lateral extent (ie, left and right as shown) of cavity 340 is defined by side substrates 320 . Vertical extent or depth of cavity 340 into substrate 320 (i.e., downwardly from plate 310 as shown). In this case, the cavity 340 has a rectangular or nearly rectangular side cross-section.

図3Aに示すXBAR300は、(圧電プレート310を取り付ける前又は後に)キャビティ340が基板320の前面側からエッチングされるので、本明細書では「フロントサイドエッチング」構成と呼ばれる。図1のXBAR100は、圧電プレート110を取り付けた後に基板120の背面側からキャビティ140がエッチングされるので、本明細書では「バックサイドエッチング」構成と呼ばれる。XBAR300は、キャビティ340の左側及び右側に圧電プレート310の1つ以上の開口部342を示している。しかしながら、場合によっては、圧電プレート310の開口部342は、キャビティ340の左側又は右側のみにある。 The XBAR 300 shown in FIG. 3A is referred to herein as a "front side etched" configuration because the cavity 340 is etched from the front side of the substrate 320 (before or after attaching the piezoelectric plate 310). The XBAR 100 of FIG. 1 is referred to herein as a "backside etch" configuration because the cavity 140 is etched from the back side of the substrate 120 after the piezoelectric plate 110 is attached. XBAR 300 shows one or more openings 342 in piezoelectric plate 310 on the left and right sides of cavity 340. However, in some cases, the opening 342 in the piezoelectric plate 310 is only on the left or right side of the cavity 340.

図3Bは、XBARにおける目的の一次音響モードのグラフ図である。図3Bは、圧電プレート310と、3つのインターリーブされたIDTフィンガ336とを含むXBAR350の小部分を示す。XBAR350は、本明細書の任意のXBARの一部であってもよい。インターリーブされたフィンガ336には、RF電圧が印加される。この電圧は、時間変化する電界をフィンガ間に生成する。電界の方向は、「電界」とラベル付けされた矢印によって示されるように、主に圧電プレート310の表面に対して横方向、すなわち平行である。圧電プレートの高い誘電率により、電界は空気に対してプレートに高度に集中する。横方向電界は、圧電プレート310に剪断変形を導入し、一次剪断モードの音響モードを強く励起する。これに関連して、「剪断変形」は、材料内の平行な平面が平行のままであり、互いに対して並進しながら一定の距離を維持する変形として定義される。「剪断音響モード」は、媒体の剪断変形をもたらす媒体内の音響振動モードとして定義される。XBAR350の剪断変形は曲線390によって表され、隣接する小さな矢印は原子運動の方向及び大きさの概略表示を提供する。原子運動の程度及び圧電プレート310の厚さは、視覚化を容易にするために非常に誇張されている。原子運動は主に横方向(すなわち、図3Aに示すように水平)であるが、励起された一次剪断音響モードの音響エネルギーの流れの方向は、矢印395で示すように、圧電プレートの前面及び背面に実質的に直交する。 FIG. 3B is a graphical representation of the primary acoustic mode of interest in the XBAR. FIG. 3B shows a small portion of an XBAR 350 including a piezoelectric plate 310 and three interleaved IDT fingers 336. XBAR 350 may be part of any XBAR herein. An RF voltage is applied to interleaved fingers 336. This voltage creates a time-varying electric field between the fingers. The direction of the electric field is primarily transverse, or parallel, to the surface of the piezoelectric plate 310, as indicated by the arrow labeled "Electric Field." Due to the high dielectric constant of the piezoelectric plate, the electric field is highly concentrated at the plate relative to the air. The lateral electric field introduces shear deformation in the piezoelectric plate 310 and strongly excites the acoustic mode of the first shear mode. In this context, "shear deformation" is defined as a deformation in which parallel planes within a material remain parallel and maintain a constant distance while translating relative to each other. A "shear acoustic mode" is defined as an acoustic vibration mode within a medium that results in shear deformation of the medium. The shear deformation of XBAR 350 is represented by curve 390, with the adjacent small arrows providing a schematic representation of the direction and magnitude of atomic motion. The extent of atomic motion and the thickness of piezoelectric plate 310 are greatly exaggerated for ease of visualization. Although the atomic motion is primarily lateral (i.e., horizontal, as shown in FIG. 3A), the direction of flow of acoustic energy in the excited first-order shear acoustic mode is across the front surface of the piezoelectric plate and Substantially perpendicular to the back surface.

剪断音響波共振に基づく音響共振器は、電界が厚さ方向に印加される現在の最先端のフィルムバルク音響共振器(FBAR)及びソリッドマウント共振器バルク音響波(SMR BAW)デバイスよりも良好な性能を達成することができる。このようなデバイスでは、音響モードは原子運動を伴う圧縮性であり、音響エネルギーの流れの方向は厚さ方向である。さらに、剪断波XBAR共振の圧電結合は、他の音響共振器と比較して高く(>20%)することができる。高い圧電結合は、かなりの帯域幅を有するマイクロ波及びミリ波フィルタの設計及び実装を可能にする。 Acoustic resonators based on shear acoustic wave resonance offer better performance than current state-of-the-art film bulk acoustic resonators (FBARs) and solid-mount resonator bulk acoustic wave (SMR BAW) devices in which electric fields are applied through the thickness. performance can be achieved. In such devices, the acoustic mode is compressible with atomic motion, and the direction of acoustic energy flow is through the thickness. Furthermore, the piezoelectric coupling of the shear wave XBAR resonance can be high (>20%) compared to other acoustic resonators. High piezoelectric coupling allows the design and implementation of microwave and millimeter wave filters with significant bandwidth.

図4Aは、同一ダイ400A上に形成された膜厚が異なる改善型XBAR共振器402及び404の概略断面図である。ダイ400Aは、フィルタデバイスの入力及び出力に関して、低周波シャント共振器としての共振器402及び高周波直列共振器としての共振器404を有するフィルタデバイスであっても、又はその一部であってもよい。いずれの場合でも、共振器402又は404は、本明細書に記載の共振器のいずれかとすることができる。「ダイ」は、ウエハなどの他のチップからダイシングされた半導体チップ又は集積回路(IC)チップであってもよい。ダイは、通常はシリコンである半導体材料の1つの小型で平坦な部品(又は「チップ」)上に電子回路のセットを有するモノリシック集積回路(IC、チップ、又はマイクロチップとも呼ばれる)であってもよい。 FIG. 4A is a schematic cross-sectional view of improved XBAR resonators 402 and 404 with different film thicknesses formed on the same die 400A. The die 400A may be or be part of a filter device having a resonator 402 as a low frequency shunt resonator and a resonator 404 as a high frequency series resonator with respect to the input and output of the filter device. . In either case, resonator 402 or 404 can be any of the resonators described herein. A "die" may be a semiconductor chip or an integrated circuit (IC) chip diced from another chip, such as a wafer. A die may be a monolithic integrated circuit (also called an IC, chip, or microchip) that has a set of electronic circuits on one small, flat piece (or "chip") of semiconductor material, usually silicon. good.

ダイ400Aは、第1のキャビティ440及び第2のキャビティ444を有する基板420を有する。第1の圧電膜(例えば、ダイヤフラム)410が第1のキャビティ440にまたがり、第2の圧電膜450が第2のキャビティ444にまたがっている。第1の圧電膜410は、圧電プレート412と、接合層414と、圧電プレート416とを含む。第2の圧電膜450は、圧電プレート412と接合層414とを含むが、第2の圧電プレート416を含まない。膜410は、プレート412に化学的又は分子的に接合された層414に化学的又は分子的に接合されたプレート416である複合(少なくとも2種の材料)層であってもよい。膜450は、プレート412に化学的又は分子的に接合された層414である複合層であってもよく、プレート416は、エッチング停止部として接合層414を使用してパターニングされ、共振器404の上部からエッチング除去することができる。 Die 400A has a substrate 420 with a first cavity 440 and a second cavity 444. A first piezoelectric film (eg, diaphragm) 410 spans the first cavity 440 and a second piezoelectric film 450 spans the second cavity 444. The first piezoelectric film 410 includes a piezoelectric plate 412, a bonding layer 414, and a piezoelectric plate 416. Second piezoelectric film 450 includes piezoelectric plate 412 and bonding layer 414 but does not include second piezoelectric plate 416. Membrane 410 may be a composite (at least two materials) layer, with plate 416 chemically or molecularly bonded to layer 414 chemically or molecularly bonded to plate 412 . Membrane 450 may be a composite layer, with layer 414 chemically or molecularly bonded to plate 412 and plate 416 patterned using bonding layer 414 as an etch stop to form resonator 404. It can be etched away from the top.

圧電プレート412は、300nm~600nmであり得る厚さtp1を有する。接合層414は、5nm~50nmであり得る厚さtbを有する。そして、圧電プレート416は、50nm~200nmであり得る厚さtp2を有する。場合によっては、tp1は451、458又は465nmであり、tbはそれぞれ10、20又は30nmである。Tp2は120nmであってもよく、tmは650nmであってもよい。場合によっては、tp1とtp2とは同じであり、197.5nmであってもよい。他の場合、それらは異なり、tp1=465nm及びtp2=120nmであってもよい。Tp1は、tp2よりも大きくてもよい。一例では、tp1は400nmであり、プレート416は存在しない。圧電プレート412及び/又は圧電プレート416は、プレート110について述べたような材料であってもよい。場合によっては、それらは同じ材料であり、他の場合には、それらは異なる材料である。接合層は、Al又はSiOであっても、又はそれらを含んでもよい。 The piezoelectric plate 412 has a thickness tp1 that can be between 300 nm and 600 nm. Bonding layer 414 has a thickness tb that can be between 5 nm and 50 nm. The piezoelectric plate 416 then has a thickness tp2 which can be between 50 nm and 200 nm. In some cases, tp1 is 451, 458 or 465 nm and tb is 10, 20 or 30 nm, respectively. Tp2 may be 120 nm and tm may be 650 nm. In some cases, tp1 and tp2 may be the same and may be 197.5 nm. In other cases they may be different and tp1=465nm and tp2=120nm. Tp1 may be larger than tp2. In one example, tp1 is 400 nm and plate 416 is not present. Piezoelectric plate 412 and/or piezoelectric plate 416 may be of a material as described for plate 110. In some cases they are the same material, in other cases they are different materials. The bonding layer may be or include Al2O3 or SiO2 .

図4Bは、異なる膜構造を有するXBARのアドミッタンスを比較するグラフ460である。グラフ460は、有限要素法(FEM)シミュレーション技術を使用してシミュレートされた、XBARの周波数の関数としてのアドミッタンスの大きさ(対数スケール)をプロットしている。アドミッタンスデータは、以下のパラメータの違いを用いてXBARの三次元シミュレーションから得られる。
a)tp1が400nmであり、接合層又は第2の圧電プレートがないモノリシック低周波膜に対するプロット461
b)tp1及びtp2が197.5nmであり、tbが10nmである複合低周波膜に対するプロット462
FIG. 4B is a graph 460 comparing the admittance of XBARs with different membrane structures. Graph 460 plots the admittance magnitude (on a logarithmic scale) as a function of frequency for an XBAR, simulated using finite element method (FEM) simulation techniques. Admittance data is obtained from three-dimensional simulations of XBAR using the following parameter differences:
a) Plot 461 for a monolithic low frequency membrane with tp1 of 400 nm and no bonding layer or second piezoelectric plate.
b) Plot 462 for a composite low frequency film where tp1 and tp2 are 197.5 nm and tb is 10 nm.

例えば、実線プロット461は、a)厚さ400nmのプレートのモノリシック(単一材料)層である膜を有するXBARのアドミッタンスを表し、破線プロット462は、b)厚さ197.5nmのニオブ酸リチウムの下層に化学的又は分子的に接合した厚さ10nmのAl接合層に化学的又は分子的に接合した厚さ197.5nmのニオブ酸リチウムからなる複合(少なくとも2種の材料)層である膜を有するXBARのアドミッタンスを表す。このシミュレーションでは、接合層における音響損失がニオブ酸リチウムにおける音響損失の100倍であると想定している。 For example, solid line plot 461 represents the admittance of an XBAR with a membrane that is a) a monolithic (single material) layer of the plate 400 nm thick, and dashed line plot 462 represents the admittance of b) a lithium niobate layer that is 197.5 nm thick. A composite (at least two materials) layer consisting of 197.5 nm thick lithium niobate chemically or molecularly bonded to a 10 nm thick Al 2 O 3 bonding layer chemically or molecularly bonded to the underlying layer. It represents the admittance of an XBAR with a certain membrane. This simulation assumes that the acoustic loss in the bonding layer is 100 times the acoustic loss in the lithium niobate.

グラフ460は、接合層を複合層b)の膜に追加することによって、モノリシック層a)と比較してアドミッタンス性能が最小限にしか影響されないことを示している。例えば、複合層b)に対する共振器結合(すなわち、反共振対共振周波数差によって示される)は、最低アドミッタンスピーク(例えば、FR=4693MHzにおけるピーク463)での反共振周波数と最高アドミッタンスピーク(例えば、FAR=5306MHzにおけるピーク464)での共振周波数との間の距離であるが、モノリシック層a)に対する共振器結合(例えば、FAR=5333MHzにおけるピーク466)と比較して、約5%のみ減少する。 Graph 460 shows that by adding a bonding layer to the membrane of composite layer b), admittance performance is minimally affected compared to monolithic layer a). For example, the resonator coupling (i.e., indicated by the anti-resonant to resonant frequency difference) for composite layer b) is determined by the anti-resonant frequency at the lowest admittance peak (e.g. peak 463 at FR=4693 MHz) and the highest admittance peak (e.g. The distance between the resonant frequency at peak 464 at FAR=5306 MHz) is reduced by only about 5% compared to the resonator coupling to monolithic layer a) (eg peak 466 at FAR=5333 MHz).

また、グラフ460は、468のスパーなどのいくつかのスパーが、モノリシック層a)と比較して、複合層b)の周波数ではわずかに調整されているだけであることも示している。Al接合層の存在は、デバイス性能に顕著な影響を与えない。 Graph 460 also shows that some spurs, such as the spur at 468, are only slightly tuned in frequency for composite layer b) compared to monolithic layer a). The presence of the Al 2 O 3 bonding layer does not significantly affect device performance.

図4Cは、同一ダイ上に形成された膜厚が異なる改善型XBARシャント及び直列共振器のアドミッタンスを示すグラフ470である。共振器は、図4Aのシャント共振器402及び直列共振器404であってもよい。グラフ470は、FEMシミュレーション技術を使用してシミュレートされたXBARの周波数の関数としてのアドミッタンスの大きさをプロットしている。アドミッタンスデータは、両方に対して、tm=650nmのアルミニウムを有するXBARの三次元シミュレーションから得られる。 FIG. 4C is a graph 470 showing the admittance of an improved XBAR shunt and series resonator with different film thicknesses formed on the same die. The resonators may be shunt resonators 402 and series resonators 404 of FIG. 4A. Graph 470 plots the admittance magnitude as a function of frequency for an XBAR simulated using FEM simulation techniques. Admittance data are obtained from three-dimensional simulations of XBAR with aluminum at tm=650 nm for both.

破線のプロット471は、プレート412がtp1=465nmのプレート110材料を有し、プレート416がtp2=120nmのプレート110材料を有し、層414が10nmのAlである複合低周波シャント膜を有するXBARに関する。実線のプロット472は、tp1=465nmのプレート110材料、tbが10nmのAlであり、第2のプレート416が存在しない複合高周波直列膜を有するXBARに関する。プレート416は、エッチング停止部として接合層414を使用してパターニングされ、高周波膜からエッチング除去することができる。層414は、プレート412に化学的又は分子的に接合することができ、プレート416(存在する場合)は、層414に化学的又は分子的に接合することができる。 Dashed line plot 471 shows a composite low frequency shunt membrane in which plate 412 has plate 110 material with tp1 = 465 nm, plate 416 has plate 110 material with tp2 = 120 nm, and layer 414 is 10 nm of Al2O3 . Regarding the XBAR having The solid line plot 472 relates to an XBAR with a composite high frequency series film with plate 110 material of tp1 = 465 nm, Al2O3 with tb of 10 nm, and no second plate 416 present. Plate 416 can be patterned using bonding layer 414 as an etch stop and etched away from the RF film. Layer 414 can be chemically or molecularly bonded to plate 412, and plate 416 (if present) can be chemically or molecularly bonded to layer 414.

グラフ470は、Al接合層上に載置された金属(例えば、IDTフィンガ及びバスバーの金属)がデバイス性能を低下させないので、直列膜の複合層内の膜に接合層を追加することによって、アドミッタンス性能が最小限にしか影響されないことを示している。共振器のQ値及び結合は、LiNbOプレート間に接合層が追加されているにもかかわらず、大部分は保持される。単一のダイ上のそのようなシャント及び直列共振器をラダー構成で使用して、無スプールのn77通過帯域フィルタを作成することができる。 Graph 470 shows that adding a bonding layer to a film in a composite layer of series films does not reduce device performance because metals placed on the Al 2 O 3 bonding layer (e.g., IDT finger and busbar metals) do not degrade device performance. shows that the admittance performance is only minimally affected. The Q factor and coupling of the resonator are largely preserved despite the addition of a bonding layer between the LiNbO 3 plates. Such shunt and series resonators on a single die can be used in a ladder configuration to create a spoolless n77 passband filter.

図4Dは、直列共振器とは膜厚が異なる改善型XBARシャント共振器を有する、同一ダイ上に形成された接合層厚が異なる2つの改善型XBAR直列共振器のアドミッタンスを示すグラフ480である。共振器は図4Aの直列共振器404であってもよく、シャント共振器は共振器402であってもよい。グラフ480は、FEMシミュレーション技術を使用してシミュレートされたXBARの周波数の関数としてのアドミッタンスの大きさをプロットしている。アドミッタンスデータは、tm=650nmのアルミニウムを有し、第2のプレート416が存在しないXBARの三次元シミュレーションから得られる。 FIG. 4D is a graph 480 showing the admittance of two improved XBAR series resonators with different bonding layer thicknesses formed on the same die, with the improved XBAR shunt resonator having a different film thickness than the series resonator. . The resonator may be the series resonator 404 of FIG. 4A, and the shunt resonator may be the resonator 402. Graph 480 plots the admittance magnitude as a function of frequency for a simulated XBAR using FEM simulation techniques. The admittance data is obtained from a three-dimensional simulation of an XBAR with aluminum with tm=650 nm and no second plate 416 present.

実線のプロット481は、a)tb=10nmのAl及びtp1=465nmのプレート110材料を有するXBAR膜に関する。破線のプロット482は、b)tb=30nmのAl及びtp1=451nmのプレート110材料を有するXBAR膜に関する。プレート416は、エッチング停止部として接合層414を使用してパターニングされ、これらの膜からエッチング除去することができる。層414は、プレート412に化学的又は分子的に接合することができる。 The solid plot 481 relates to an XBAR film with a) Al 2 O 3 with tb = 10 nm and plate 110 material with tp1 = 465 nm. Dashed plot 482 relates to an XBAR film with b) Al 2 O 3 with tb = 30 nm and plate 110 material with tp1 = 451 nm. Plate 416 can be patterned and etched away from these films using bonding layer 414 as an etch stop. Layer 414 can be chemically or molecularly bonded to plate 412.

グラフ480は、接合層を複合層412及び414内の膜に結合することによって、アドミッタンス性能が最小限にしか影響されないことを示している。例えば、以下のように計算される相対共振反共振周波数間隔(relative resonance anti-resonance frequency spacing)(RAR)に関して、2つの共振器間にはほとんど変化がない(0.2%)。 Graph 480 shows that admittance performance is minimally affected by bonding the bonding layer to the membranes in composite layers 412 and 414. For example, there is little change (0.2%) between the two resonators in terms of relative resonance anti-resonance frequency spacing (RAR), which is calculated as:

グラフ480は、2つの膜の相対共振周波数483と相対反共振周波数484との間のRARが、a)16.5%及びb)16.3%であることを示している。この強い共振器結合を維持することは、広帯域幅フィルタを設計し、その一方で、低損失フィルタ応答を与える高Q共振も維持するために重要である。さらに、追加された接合層は、新しいスプリアスモードを共振器に有意に導入することはなく、これは良好なフィルタの設計に重要である。 Graph 480 shows that the RAR between the relative resonant frequency 483 and relative anti-resonant frequency 484 of the two membranes is a) 16.5% and b) 16.3%. Maintaining this strong resonator coupling is important for designing wide bandwidth filters while also maintaining a high Q resonance that provides a low loss filter response. Furthermore, the added bonding layer does not significantly introduce new spurious modes into the resonator, which is important for good filter design.

図4Eは、シャント共振器とは膜厚が異なる改善型XBAR直列共振器を有する、同一ダイ上に形成された接合層厚が異なる2つの改善型XBARシャント共振器のアドミッタンスを示すグラフ490である。共振器は図4Aのシャント共振器402であってもよく、直列共振器は共振器404であってもよい。グラフ490は、FEMシミュレーション技術を使用してシミュレートされたXBARの周波数の関数としてのアドミッタンスの大きさをプロットしている。アドミッタンスデータは、tm=650nmのアルミニウムを有するXBARの三次元シミュレーションから得られる。 FIG. 4E is a graph 490 showing the admittance of two improved XBAR shunt resonators with different bonding layer thicknesses formed on the same die, with the improved XBAR series resonator having a different film thickness than the shunt resonator. . The resonator may be shunt resonator 402 of FIG. 4A, and the series resonator may be resonator 404. Graph 490 plots the admittance magnitude as a function of frequency for an XBAR simulated using FEM simulation techniques. Admittance data are obtained from three-dimensional simulations of XBAR with aluminum at tm=650 nm.

実線のプロット491は、a)tb=10nmのAl、tp2=120nmのプレート110材料、及びtp1=465nmのプレート110材料を有するXBAR膜に関する。破線のプロット492は、b)tb=30nmのAl、tp2=120nmのプレート110材料、及びtp1=450nmのプレート110材料を有するXBAR膜に関する。層414は、プレート412に化学的又は分子的に接合することができ、プレート416は、層414に化学的又は分子的に接合することができる。 Solid line plot 491 relates to an XBAR film with a) Al 2 O 3 with tb = 10 nm, plate 110 material with tp2 = 120 nm, and plate 110 material with tp1 = 465 nm. Dashed plot 492 relates to an XBAR film with b) Al 2 O 3 with tb = 30 nm, plate 110 material with tp2 = 120 nm, and plate 110 material with tp1 = 450 nm. Layer 414 may be chemically or molecularly bonded to plate 412, and plate 416 may be chemically or molecularly bonded to layer 414.

グラフ490は、より厚い接合層を複合層412、414及び416内の膜に結合することによって、アドミッタンス性能がいくらかの損失を有することを示している。例えば、2つの共振器の間には、それらのRARに関していくらかの損失(0.7%)がある。グラフ490は、2つの膜の相対共振周波数493と相対反共振周波数494との間のRARが、a)14.7%及びb)14.0%であることを示している。ここでも、この強い共振器結合を維持することは、広帯域幅フィルタを設計し、その一方で、低損失フィルタ応答を与える高Q共振も維持するために重要である。さらに、追加された接合層は、新しいスプリアスモードをこの共振器に有意に導入することはなく、これは良好なフィルタの設計に重要である。 Graph 490 shows that there is some loss in admittance performance by bonding thicker bonding layers to the membranes in composite layers 412, 414, and 416. For example, there is some loss (0.7%) between the two resonators in terms of their RAR. Graph 490 shows that the RAR between the relative resonant frequency 493 and relative anti-resonant frequency 494 of the two membranes is a) 14.7% and b) 14.0%. Again, maintaining this strong resonator coupling is important for designing wide bandwidth filters while also maintaining a high-Q resonance that gives a low loss filter response. Furthermore, the added bonding layer does not significantly introduce new spurious modes into this resonator, which is important for good filter design.

図5は、XBARを使用する高周波バンドパスフィルタ500の概略回路図及びレイアウトである。フィルタ500は、3つの直列共振器510A、510B、510C及び2つのシャント共振器520A、520Bを含む従来のラダーフィルタアーキテクチャを有する。3つの直列共振器510A、510B、510Cは、第1のポートと第2のポートとの間に直列に接続される。図5では、第1及び第2のポートは、それぞれ「イン(In)」及び「アウト(Out)」とラベル付けされている。しかしながら、フィルタ500は双方向性であり、いずれかのポートがフィルタの入力又は出力として機能する。2つのシャント共振器520A、520Bは、直列共振器の間のノードからグランドに接続される。すべてのシャント共振器及び直列共振器は、単一のダイ上のXBARである。 FIG. 5 is a schematic circuit diagram and layout of a high frequency bandpass filter 500 using XBAR. Filter 500 has a conventional ladder filter architecture including three series resonators 510A, 510B, 510C and two shunt resonators 520A, 520B. Three series resonators 510A, 510B, 510C are connected in series between the first port and the second port. In FIG. 5, the first and second ports are labeled "In" and "Out", respectively. However, filter 500 is bidirectional, with either port serving as the input or output of the filter. The two shunt resonators 520A, 520B are connected to ground from the node between the series resonators. All shunt and series resonators are XBARs on a single die.

フィルタ500の3つの直列共振器510A、510B、510C及び2つのシャント共振器520A、520Bは、シリコン基板(見えない)に接合された圧電材料の単一のプレート412上に形成される。直列共振器及びシャント共振器はすべて、圧電材料の単一のプレート412上に形成された接合層414を有する。3つの直列共振器510A、510B、510Cは、接合層414に接合された圧電材料の単一のプレート416を有するが、2つのシャント共振器520A、520Bは有していない。各共振器は、それぞれのIDT(図示せず)を含み、IDTの少なくともフィンガは、基板内のキャビティの上方に配置される。この文脈及び同様の文脈において、「それぞれの」という用語は、「各物事を各々に対して関連付ける」、すなわち1対1の対応関係を有することを意味する。図5では、キャビティは破線の矩形(矩形535など)として概略的に示されている。この例では、各IDTは、それぞれのキャビティの上方に配置される。他のフィルタでは、2つ以上の共振器のIDTは、単一のキャビティの上方に配置されてもよい。 The three series resonators 510A, 510B, 510C and the two shunt resonators 520A, 520B of the filter 500 are formed on a single plate 412 of piezoelectric material bonded to a silicon substrate (not visible). The series and shunt resonators all have a bonding layer 414 formed on a single plate 412 of piezoelectric material. The three series resonators 510A, 510B, 510C have a single plate of piezoelectric material 416 bonded to the bonding layer 414, while the two shunt resonators 520A, 520B do not. Each resonator includes a respective IDT (not shown), with at least a finger of the IDT disposed above a cavity in the substrate. In this and similar contexts, the term "respective" means "relating each thing to each other," ie, having a one-to-one correspondence. In FIG. 5, cavities are shown schematically as dashed rectangles (such as rectangle 535). In this example, each IDT is placed above a respective cavity. In other filters, two or more resonator IDTs may be placed above a single cavity.

(方法の説明)
図6は、XBAR又はXBARを組み込んだフィルタを作成するためのプロセス600を示す簡略フローチャートである。プロセス600は、基板と、プレート412であり得る圧電材料のプレートと共に605で開始し、完成したXBAR又はフィルタと共に695で終了する。後述するように、圧電プレートは、犠牲基板にマウントされても、又は圧電材料のウエハの一部であってもよい。図6のフローチャートは、主要なプロセスステップのみを含む。図6に示すステップ前、ステップ間、ステップ後、及びステップ中に、様々な従来のプロセスステップ(例えば、表面処理、化学機械処理(CMP)、洗浄、検査、堆積、フォトリソグラフィ、焼成、アニーリング、監視、試験など)を実行することができる。
(Explanation of method)
FIG. 6 is a simplified flowchart illustrating a process 600 for creating an XBAR or a filter that incorporates an XBAR. Process 600 begins at 605 with a substrate and a plate of piezoelectric material, which may be plate 412, and ends at 695 with a completed XBAR or filter. As discussed below, the piezoelectric plate may be mounted to a sacrificial substrate or may be part of a wafer of piezoelectric material. The flowchart of FIG. 6 includes only the major process steps. Various conventional process steps (e.g., surface treatment, chemical mechanical processing (CMP), cleaning, inspection, deposition, photolithography, baking, annealing, monitoring, testing, etc.).

図6のフローチャートは、XBARを作成するためのプロセス600の3つの変形例を捕捉し、変形例では基板内でいつどのようにキャビティが形成されるかが異なる。キャビティは、ステップ610A、610B、又は610Cにおいて形成することができる。プロセス600の3つの変形例の各々において、これらのステップのうちの1つのみが実行される。 The flowchart of FIG. 6 captures three variations of the process 600 for creating an XBAR, which differ in when and how cavities are formed within the substrate. The cavity may be formed in steps 610A, 610B, or 610C. In each of the three variations of process 600, only one of these steps is performed.

圧電プレートは、例えば、Zカット、回転Zカット、又は回転Yカットされたニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、又はプレート110について述べた材料であってもよい。圧電プレートは、何らかの他の材料及び/又は何らかの他のカットであってもよい。プレートは、プレート412、膜410及び/又は膜450であってもよい。基板はシリコンであってもよい。基板は、エッチング又は他の処理によって深いキャビティの形成を可能にする他の何らかの材料であってもよい。シリコン基板は、シリコンTOX及び多結晶シリコンの層を有することができる。 The piezoelectric plate may be, for example, Z-cut, rotated Z-cut, or rotated Y-cut lithium niobate, lithium tantalate, or the materials mentioned for plate 110. The piezoelectric plate may be of some other material and/or of some other cut. The plate may be plate 412, membrane 410 and/or membrane 450. The substrate may be silicon. The substrate may be any other material that allows the formation of deep cavities by etching or other processing. The silicon substrate can have layers of silicon TOX and polycrystalline silicon.

プロセス600の一変形例では、620において圧電プレートが基板に接合される前に、610Aにおいて、基板120、320、420に1つ以上のキャビティを形成する。フィルタデバイス内の共振器ごとに別個のキャビティを形成することができる。1つ以上のキャビティは、従来のフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を使用して形成することができる。これらの技術は、等方性であっても、又は異方性であってもよく、深掘り反応性イオンエッチング(DRIE)を使用することができる。典型的には、610Aにおいて形成されたキャビティは、基板又は層320、420を貫通せず、結果として生じる共振器デバイスは、図3A又は図4Aに示すような断面を有する。 In one variation of the process 600, one or more cavities are formed in the substrate 120, 320, 420 at 610A before the piezoelectric plate is bonded to the substrate at 620. A separate cavity can be formed for each resonator within the filter device. The one or more cavities can be formed using conventional photolithography and etching techniques. These techniques can be isotropic or anisotropic and can use deep reactive ion etching (DRIE). Typically, the cavity formed at 610A does not penetrate the substrate or layers 320, 420, and the resulting resonator device has a cross-section as shown in FIG. 3A or FIG. 4A.

620において、圧電プレートを基板に接合する。圧電プレートと基板とは、ウエハ接合プロセスによって接合することができる。典型的には、基板と圧電プレートとの合わせ面は高度に研磨される。酸化物又は金属などの中間材料の1つ以上の層を、圧電プレート及び基板の一方又は両方の合わせ面上に形成又は堆積させることができる。一方又は両方の合わせ面は、例えばプラズマプロセスを使用して活性化することができる。次いで、合わせ面を相当な力で一緒に押圧して、圧電プレートと基板又は中間材料層との間に分子接合を確立することができる。 At 620, a piezoelectric plate is bonded to a substrate. The piezoelectric plate and substrate can be bonded by a wafer bonding process. Typically, the mating surfaces of the substrate and piezoelectric plate are highly polished. One or more layers of intermediate materials, such as oxides or metals, can be formed or deposited on the mating surfaces of one or both of the piezoelectric plate and substrate. One or both mating surfaces can be activated using, for example, a plasma process. The mating surfaces can then be pressed together with considerable force to establish a molecular bond between the piezoelectric plate and the substrate or intermediate material layer.

620の第1の変形例では、圧電プレートは最初に犠牲基板にマウントされる。圧電プレートと基板とを接合した後、犠牲基板及び介在層を除去して、圧電プレートの表面(以前に犠牲基板に面していた表面)を露出させる。犠牲基板は、例えば、材料依存性ウェット若しくはドライエッチング、又は他の何らかのプロセスによって除去することができる。 In a first variation of 620, the piezoelectric plate is first mounted on a sacrificial substrate. After bonding the piezoelectric plate and substrate, the sacrificial substrate and intervening layer are removed to expose the surface of the piezoelectric plate (the surface that previously faced the sacrificial substrate). The sacrificial substrate can be removed, for example, by material-dependent wet or dry etching, or some other process.

620の第2の変形例は、単結晶圧電ウエハから開始する。圧電ウエハ(図6には図示せず)の表面の下の制御された深さまで、イオンを注入する。ウエハの表面からイオン注入の深さまでの部分は、薄い圧電プレートであり(又は薄い圧電プレートになる)、ウエハの残りは事実上犠牲基板である。圧電ウエハの注入された表面とデバイス基板とが接合された後、圧電ウエハは、注入されたイオンの平面で分割され(例えば、熱衝撃を使用する)、圧電材料の薄板を露出させて基板に接合させたままにすることができる。薄板圧電材料の厚さは、注入されたイオンのエネルギー(したがって、深さ)によって決定される。薄板のイオン注入及びその後の分離のプロセスは、一般に「イオンスライス」と呼ばれる。圧電体ウエハを分割した後、薄い圧電プレートの露出面を研磨又は平坦化することができる。 A second variation of 620 starts with a single crystal piezoelectric wafer. Ions are implanted to a controlled depth below the surface of a piezoelectric wafer (not shown in FIG. 6). The portion of the wafer from the surface to the depth of the ion implantation is (or becomes) a thin piezoelectric plate, and the remainder of the wafer is effectively a sacrificial substrate. After the implanted surface of the piezoelectric wafer and the device substrate are bonded, the piezoelectric wafer is split (e.g., using thermal shock) in the plane of the implanted ions, exposing a thin plate of piezoelectric material and attaching it to the substrate. Can be left connected. The thickness of the thin piezoelectric material is determined by the energy (and therefore depth) of the implanted ions. The process of ion implantation and subsequent separation of thin plates is commonly referred to as "ion slicing." After dividing the piezoelectric wafer, the exposed surface of the thin piezoelectric plate can be polished or planarized.

620において基板に接合される圧電プレートは、プレート412であってもよい。620におけるプレートの接合は、図4A及び/又は図7A~図7Cにおける膜410及び450を形成するための説明を含むことができる。620において基板に接合された圧電プレートは、膜上に誘電周波数設定層を使用するのではなく、同一ダイ上に2つ(又はそれ以上)の異なるXBAR圧電膜(例えば、ダイヤフラム)厚を有することで膜を調整することができる。これらの圧電層の異なる厚さは、選択されたXBARを他のXBARと比較して異なる周波数に調整させるように選択することができる。例えば、フィルタ内のXBARの共振周波数は、これらの圧電層の異なる厚さを使用して調整することができる。 The piezoelectric plate bonded to the substrate at 620 may be plate 412. Joining the plates at 620 can include instructions for forming membranes 410 and 450 in FIGS. 4A and/or 7A-7C. The piezoelectric plate bonded to the substrate at 620 may have two (or more) different XBAR piezoelectric film (e.g., diaphragm) thicknesses on the same die, rather than using a dielectric frequency setting layer on the film. The membrane can be adjusted with Different thicknesses of these piezoelectric layers can be selected to cause selected XBARs to tune to different frequencies compared to other XBARs. For example, the resonant frequency of the XBAR within the filter can be tuned using different thicknesses of these piezoelectric layers.

630において、1つ以上のXBARデバイスを画定する導体パターン及び誘電体層が圧電プレートの表面に形成される。典型的には、フィルタデバイスは、順次堆積及びパターニングされる2つ以上の導体層を有する。導体層は、接合パッド、金若しくははんだバンプ、又はデバイスと外部回路との間を接続するための他の手段を含むことができる。導体層は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、モリブデン、タングステン、ベリリウム、金、又は他の何らかの導電性金属であってもよい。任意選択的に、他の材料の1つ以上の層は、導体層の下(すなわち、導体層と圧電プレートとの間)及び/又は上に配置することができる。例えば、チタン、クロム、又は他の金属の薄膜フィルムを使用して、導体層と圧電プレートとの間の接着性を改善することができる。導体層は、接合パッド、金若しくははんだバンプ、又はデバイスと外部回路との間を接続するための他の手段を含むことができる。 At 630, conductive patterns and dielectric layers defining one or more XBAR devices are formed on the surface of the piezoelectric plate. Typically, filter devices have two or more conductor layers that are sequentially deposited and patterned. The conductive layer may include bond pads, gold or solder bumps, or other means for connecting between the device and external circuitry. The conductive layer may be, for example, aluminum, aluminum alloy, copper, copper alloy, molybdenum, tungsten, beryllium, gold, or some other conductive metal. Optionally, one or more layers of other materials can be disposed below (i.e. between the conductor layer and the piezoelectric plate) and/or above the conductor layer. For example, thin films of titanium, chromium, or other metals can be used to improve the adhesion between the conductive layer and the piezoelectric plate. The conductive layer may include bond pads, gold or solder bumps, or other means for connecting between the device and external circuitry.

導体パターンは、630において、圧電プレートの表面に導体層を堆積させ、パターニングされたフォトレジストを介してエッチングすることによって余分な金属を除去することによって形成することができる。代替的に、導体パターンは、リフトオフプロセスを使用して630において形成されてもよい。フォトレジストは、圧電プレートに堆積することができ、導体パターンを画定するようにパターニングすることができる。導体層は、圧電プレートの表面に順次堆積することができる。次いで、フォトレジストを除去することができ、これにより余分な材料が除去され、導体パターンが残る。場合によっては、プレートを基板に接合する前にIDTが形成される場合など、620における接合の前に630における形成が行われる。 A conductive pattern may be formed at 630 by depositing a conductive layer on the surface of the piezoelectric plate and removing excess metal by etching through the patterned photoresist. Alternatively, the conductor pattern may be formed at 630 using a lift-off process. A photoresist can be deposited on the piezoelectric plate and patterned to define a conductive pattern. Conductor layers can be deposited sequentially on the surface of the piezoelectric plate. The photoresist can then be removed, removing excess material and leaving a conductor pattern. In some cases, forming at 630 occurs before bonding at 620, such as when the IDT is formed before bonding the plate to the substrate.

630における導体パターンの形成は、図4A及び/又は図7A~図7Cにおける膜410及び/又は450を形成するための説明を含むことができる。 Forming the conductive pattern at 630 can include instructions for forming membranes 410 and/or 450 in FIGS. 4A and/or 7A-7C.

640において、IDT又はXBARデバイスの1つ以上の所望の導体パターンの上方に、圧電プレートの前面側に誘電材料の1つ以上の層を堆積することによって、前面側誘電体層を形成することができる。1つ以上の誘電体層は、スパッタリング、蒸着、又は化学蒸着などの従来の堆積技術を使用して堆積することができる。1つ以上の誘電体層は、導体パターンの上部を含む圧電プレートの表面全体に堆積することができる。代替的に、(フォトマスクを使用する)1つ以上のリソグラフィプロセスを使用して、IDTのインターリーブされたフィンガ間のみなど、圧電プレートの選択された領域に誘電体層の堆積を制限することができる。マスクを使用して、圧電プレートの異なる部分に異なる厚さの誘電材料を堆積させることもできる。場合によっては、640における堆積は、選択されたIDTの前面に少なくとも1つの誘電体層の第1の厚さを堆積させるが、誘電体は堆積させないか、又は他のIDT上に少なくとも1つの誘電体の第1の厚さよりも薄い第2の厚さで堆積させることを含む。代替案は、これらの誘電体層がIDTのインターリーブされたフィンガ間にのみある場合である。 At 640, a front side dielectric layer can be formed by depositing one or more layers of dielectric material on the front side of the piezoelectric plate over one or more desired conductor patterns of the IDT or XBAR device. can. One or more dielectric layers can be deposited using conventional deposition techniques such as sputtering, evaporation, or chemical vapor deposition. One or more dielectric layers can be deposited over the entire surface of the piezoelectric plate, including the top of the conductor pattern. Alternatively, one or more lithographic processes (using a photomask) may be used to limit the deposition of the dielectric layer to selected areas of the piezoelectric plate, such as only between interleaved fingers of the IDT. can. Masks can also be used to deposit different thicknesses of dielectric material on different parts of the piezoelectric plate. In some cases, the deposition at 640 deposits a first thickness of at least one dielectric layer on the front side of the selected IDT, but no dielectric, or deposits at least one dielectric layer on the other IDT. depositing a second thickness that is less than the first thickness of the body. An alternative is if these dielectric layers are only between interleaved fingers of the IDT.

1つ以上の誘電体層は、例えば、米国特許第10,491,192号明細書に記載されているように、直列共振器の共振周波数に対してシャント共振器の共振周波数をシフトさせるために、シャント共振器のIDTの上方に選択的に形成された誘電体層を含むことができる。1つ以上の誘電体層は、デバイスのすべて又はかなりの部分に堆積された封入/パッシベーション層を含むことができる。 The one or more dielectric layers may be used to shift the resonant frequency of the shunt resonator relative to the resonant frequency of the series resonator, as described, for example, in U.S. Pat. No. 10,491,192. , a dielectric layer selectively formed over the IDT of the shunt resonator. The one or more dielectric layers may include an encapsulation/passivation layer deposited over all or a substantial portion of the device.

これらの誘電体層の異なる厚さは、選択されたXBARを、他のXBARと比較して異なる周波数に調整させる。例えば、フィルタ内のXBARの共振周波数は、いくつかのXBAR上の異なる前面側誘電体層の厚さを使用して調整することができる。620で述べた圧電プレートの異なる厚さは、XBARを調整するためにこれらの厚さが異なる誘電体層を有することの代わりに、又はそれと組み合わせて使用することができる。tfd=0のXBARのアドミッタンス(すなわち、誘電体層を有していないXBAR)と比較して、tfd=30nmの誘電体層を有するXBARのアドミッタンスは、誘電体層を有していないXBARと比較して共振周波数を約145MHzだけ低下させる。tfd=60nmの誘電体層を有するXBARのアドミッタンスは、誘電体層を有していないXBARと比較して共振周波数を約305MHzだけ低下させる。tfd=90nmの誘電体層を有するXBARのアドミッタンスは、誘電体層を有していないXBARと比較して共振周波数を約475MHzだけ低下させる。重要なことに、様々な厚さの誘電体層の存在は、圧電結合にほとんど又は全く影響を及ぼさない。 The different thicknesses of these dielectric layers cause the selected XBAR to tune to different frequencies compared to other XBARs. For example, the resonant frequency of the XBARs within the filter can be tuned using different front side dielectric layer thicknesses on the several XBARs. The different thicknesses of the piezoelectric plates mentioned at 620 can be used instead of or in combination with having dielectric layers of different thicknesses to tune the XBAR. The admittance of an XBAR with a dielectric layer of tfd = 30 nm compared to the admittance of an XBAR with tfd = 0 (i.e., an XBAR without a dielectric layer) is to lower the resonant frequency by about 145 MHz. The admittance of an XBAR with a dielectric layer of tfd=60 nm lowers the resonant frequency by about 305 MHz compared to an XBAR without a dielectric layer. The admittance of an XBAR with a dielectric layer of tfd=90 nm lowers the resonant frequency by about 475 MHz compared to an XBAR without a dielectric layer. Importantly, the presence of dielectric layers of varying thickness has little or no effect on piezoelectric coupling.

プロセス600の第2の変形例では、630においてすべての導体パターン及び誘電体層が形成された後、610Bにおいて基板の背面側に1つ以上のキャビティが形成される。フィルタデバイス内の共振器ごとに別個のキャビティを形成することができる。1つ以上のキャビティは、異方性又は配向依存性のドライエッチング又はウェットエッチングを使用して形成され、基板の背面側を貫通して圧電プレートに孔を開けることができる。この場合、結果として得られる共振器デバイスは、図1に示すような断面を有する。 In a second variation of process 600, after all conductor patterns and dielectric layers are formed at 630, one or more cavities are formed on the back side of the substrate at 610B. A separate cavity can be formed for each resonator within the filter device. One or more cavities can be formed using anisotropic or orientation-dependent dry or wet etching to drill holes in the piezoelectric plate through the backside of the substrate. In this case, the resulting resonator device has a cross section as shown in FIG.

プロセス600の第3の変形例では、610Cにおいて、圧電プレートの開口部を通して導入されたエッチング液を使用して基板の前面側に形成された犠牲層をエッチングすることによって、基板内の凹部の形態の1つ以上のキャビティを形成することができる。フィルタデバイス内の共振器ごとに別個のキャビティを形成することができる。1つ以上のキャビティは、圧電プレートの孔を通過し、基板の前面側の凹部をエッチングする等方性又は配向非依存ドライエッチングを使用して形成することができる。610Cにおいて形成された1つ以上のキャビティは、基板を完全に貫通せず、結果として生じる共振器デバイスは、図3A又は図4Aに示すような断面を有する。変形例610B及び610Cに関して、620~640におけるキャビティに関する上記の説明は、610B又は610Cにおいてキャビティを形成する前のキャビティの位置に関するものである。 In a third variation of process 600, at 610C, a recess is formed in the substrate by etching a sacrificial layer formed on the front side of the substrate using an etchant introduced through an opening in the piezoelectric plate. One or more cavities can be formed. A separate cavity can be formed for each resonator within the filter device. The one or more cavities may be formed using an isotropic or orientation independent dry etch that passes through the holes in the piezoelectric plate and etches a recess on the front side of the substrate. The one or more cavities formed at 610C do not completely penetrate the substrate, and the resulting resonator device has a cross-section as shown in FIG. 3A or FIG. 4A. With respect to variations 610B and 610C, the above description of the cavities at 620-640 relates to the position of the cavities prior to forming the cavities at 610B or 610C.

プロセス600のすべての変形例において、フィルタ又はXBARデバイスは660において完成する。660において生じ得る動作は、デバイスのすべて又は一部にSiO又はSiなどの封入/パッシベーション層を堆積させることと、接合パッド若しくははんだバンプ、又はデバイスと外部回路との間を接続するための他の手段を形成することと、複数のデバイスを含有するウエハから個々のデバイスを切除することと、他のパッケージングステップと、試験することとを含む。660において起こり得る別の動作は、デバイスの前面側から金属又は誘電材料を追加又は除去することによって、フィルタデバイス内の共振器の共振周波数を調整することである。フィルタデバイスが完成した後、プロセスは695において終了する。図1~図3Gは、660において完成した後の選択されたIDTのフィンガの例を示すことができる。 In all variations of process 600, the filter or XBAR device is completed at 660. Operations that may occur at 660 include depositing an encapsulation/passivation layer, such as SiO2 or Si3O4 , on all or part of the device and making bond pads or solder bumps or connections between the device and external circuitry. cutting out individual devices from a wafer containing a plurality of devices, other packaging steps, and testing. Another action that may occur at 660 is to adjust the resonant frequency of a resonator within the filter device by adding or removing metal or dielectric material from the front side of the device. After the filter device is completed, the process ends at 695. 1-3G may illustrate examples of selected IDT fingers after completion at 660. FIG.

610Aにおけるキャビティの形成は、必要とされる全プロセスステップを最小にすることができるが、後続のプロセスステップのすべての間でXBARダイヤフラムが支持されないという欠点を有する。これは、後続の処理中にダイヤフラムの損傷又は許容できない歪みをもたらす可能性がある。 Although forming the cavity at 610A may minimize the total process steps required, it has the disadvantage that the XBAR diaphragm is not supported during all subsequent process steps. This can lead to damage or unacceptable distortion of the diaphragm during subsequent processing.

610Bにおけるバックサイドエッチングを使用したキャビティの形成は、両面ウエハ処理に固有の追加の処理を必要とする。背面側からキャビティを形成することはまた、デバイスの前面側と背面側との両方がパッケージによって封止されなければならないため、XBARデバイスのパッケージングを非常に複雑にする。 Forming the cavity using backside etching in 610B requires additional processing inherent in double-sided wafer processing. Forming the cavity from the back side also greatly complicates the packaging of the XBAR device since both the front and back sides of the device must be sealed by the package.

610Cにおける前面側からのエッチングによるキャビティの形成は、両面ウエハ処理を必要とせず、先行するプロセスステップのすべての間でXBARダイヤフラムが支持されるという利点を有する。しかしながら、圧電プレートの開口部を通してキャビティを形成することができるエッチングプロセスは、必然的に等方性である。しかしながら、図3D及び図8に示すように、犠牲材料を使用するそのようなエッチングプロセスは、横方向(すなわち、基板の表面に平行)及び基板の表面に対して垂直の両方で、キャビティの制御されたエッチングを可能にする。 Forming the cavity by etching from the front side in 610C has the advantage that double-sided wafer processing is not required and the XBAR diaphragm is supported during all previous process steps. However, the etching process that can form cavities through the openings in the piezoelectric plate is necessarily isotropic. However, as shown in FIGS. 3D and 8, such an etching process using sacrificial materials can result in controlled cavities both laterally (i.e., parallel to the surface of the substrate) and perpendicular to the surface of the substrate. etching.

図7A、図7B、及び図7C(まとめて「図7」)は、図4Aに示すような、同一ダイ400A上に形成された膜厚が異なる共振器402及び404を有するXBARを製造するための改善されたプロセス700の簡略化されたフローチャートである。プロセス700は、同一ダイ上に2つ(又はそれ以上)の異なるXBAR圧電膜(例えば、ダイヤフラム)厚を製造して膜を調整することを記載することができる。フローチャートの各動作の右側には、各動作の終了時を表す概略断面図が示されている。プロセス700は、基板420及び圧電材料の第1のプレート411と共に図7Aの710において開始する。第1の圧電プレートは、前述のように、犠牲基板にマウントされても、又は圧電材料のウエハの一部であってもよい。プロセス700は、同一ダイ上に形成された共振器402及び404を有する完成したXBARによって図7Cの785において終了する。図7のフローチャートは、主要なプロセスステップのみを含む。図7に示すステップ前、ステップ間、ステップ後、及びステップ中に、様々な従来のプロセスステップ(例えば、表面処理、洗浄、検査、堆積、フォトリソグラフィ、焼成、アニーリング、監視、試験など)を実行することができる。 FIGS. 7A, 7B, and 7C (collectively "FIG. 7") are used to fabricate an XBAR having resonators 402 and 404 with different film thicknesses formed on the same die 400A, as shown in FIG. 4A. 7 is a simplified flowchart of an improved process 700 of FIG. Process 700 can describe manufacturing two (or more) different XBAR piezoelectric membrane (eg, diaphragm) thicknesses on the same die to tune the membrane. On the right side of each operation in the flowchart, a schematic sectional view showing the end of each operation is shown. Process 700 begins at 710 in FIG. 7A with a substrate 420 and a first plate of piezoelectric material 411. The first piezoelectric plate may be mounted on a sacrificial substrate or be part of a wafer of piezoelectric material, as described above. Process 700 ends at 785 in FIG. 7C with a completed XBAR having resonators 402 and 404 formed on the same die. The flowchart of FIG. 7 includes only the major process steps. Various conventional process steps (e.g., surface preparation, cleaning, inspection, deposition, photolithography, baking, annealing, monitoring, testing, etc.) are performed before, between, after, and during the steps shown in Figure 7. can do.

710において、第1の圧電プレート411を基板420に接合する。710における接合は、圧電ウエハをシリコンキャリアウエハに接合することであってもよい。この接合は、620で述べた圧電プレートを形成するためのプロセスのいずれかを表すか、又はいずれかであってもよい。第1の圧電プレート411及び基板420は、本明細書で述べたプレート及び基板のいずれかについて述べたように接合された材料であってもよい。基板420は、図4Aに示すように、キャビティ440及び444(図7には図示せず)を接合前に含むか、又は後にエッチングして形成することができる。これらのキャビティは、610A、610B、又は610Cで述べた任意のプロセスによって形成することができる。 At 710, first piezoelectric plate 411 is bonded to substrate 420. Bonding at 710 may be bonding a piezoelectric wafer to a silicon carrier wafer. This bonding may represent or be any of the processes for forming piezoelectric plates described at 620. First piezoelectric plate 411 and substrate 420 may be materials bonded as described for any of the plates and substrates described herein. Substrate 420 can include cavities 440 and 444 (not shown in FIG. 7) before bonding, as shown in FIG. 4A, or can be etched and formed afterward. These cavities can be formed by any of the processes described in 610A, 610B, or 610C.

720において、第1の圧電プレート411を平坦化して、厚さtp1の圧電プレート412を形成する。720における平坦化は、圧電ウエハの厚さを例えば465nm又は別の厚さtp1まで正確に薄くすることであってもよい。720において、第1の圧電プレート411の露出面は、710に示すような厚さtp1よりも大きい厚さから、720に示すような厚さtp1まで化学機械処理(CMP)を使用するなどして研磨又は平坦化することができる。 At 720, the first piezoelectric plate 411 is planarized to form a piezoelectric plate 412 having a thickness tp1. The planarization at 720 may be precisely reducing the thickness of the piezoelectric wafer to, for example, 465 nm or another thickness tp1. At 720, the exposed surface of the first piezoelectric plate 411 is removed, such as by using chemical mechanical processing (CMP), from a thickness greater than thickness tp1 as shown at 710 to a thickness tp1 as shown at 720. Can be polished or planarized.

730において、圧電プレート412の平坦化された表面上に接合層414が形成される。730における形成は、圧電プレート界面を、2~5nmの厚さで、圧電プレート層厚を画定する後続のエッチングに対するエッチング停止層として機能し得る薄い接合層でコーティングすることであってもよい。接合層は、Al又はSiOであってもよい。場合によっては、接合層はプレート412の材料及びプレート416の材料への分子接合に適した任意の材料である。730における形成は、原子層堆積(ALD)を使用してプレートの露出した上面のすべてに接合材料をブランケット堆積させて接合層を形成することを含むことができる。接合層は、厚さtbを有し、層414について説明した材料である。 At 730, a bonding layer 414 is formed on the planarized surface of piezoelectric plate 412. The formation at 730 may be to coat the piezoelectric plate interface with a thin bonding layer, 2-5 nm thick, that can serve as an etch stop layer for subsequent etching that defines the piezoelectric plate layer thickness. The bonding layer may be Al2O3 or SiO2 . In some cases, the bonding layer is any material suitable for molecular bonding to the material of plate 412 and the material of plate 416. Forming at 730 can include blanket depositing a bonding material on all exposed top surfaces of the plate using atomic layer deposition (ALD) to form a bonding layer. The bonding layer has a thickness tb and is the material described for layer 414.

740において、第2の圧電プレート415を接合層414に接合する。740における接合は、接合層414を使用して層412の上面に圧電ウエハを接合することであってもよい。この接合は、620で述べた圧電プレートを形成するためのプロセスのいずれかを表すか、又はいずれかであってもよい。第2の圧電プレート415は、本明細書のプレートのいずれかについて述べたような材料であってもよい。接合層414へのプレート415の接合は、本明細書で述べたプレート及び接合層のいずれかを接合するために説明した通りであってもよい。第2の圧電プレート415の層は、直接接合プロセスを用いて接合層414に接合することができる。 At 740, second piezoelectric plate 415 is bonded to bonding layer 414. The bonding at 740 may be bonding the piezoelectric wafer to the top surface of layer 412 using bonding layer 414. This bonding may represent or be any of the processes for forming piezoelectric plates described at 620. The second piezoelectric plate 415 may be of a material as described for any of the plates herein. Bonding of plate 415 to bonding layer 414 may be as described for bonding any of the plates and bonding layers described herein. The layer of second piezoelectric plate 415 can be bonded to bonding layer 414 using a direct bonding process.

圧電プレート412及び415の結晶切断配向は、それらが同じ配向を有する場合よりも良好に接合し、良好に結合し、デュアルウエハ(例えば、互いに接合された2つの圧電プレート)スタックとして良好に機能するように異なることができる。圧電プレート412及び415の結晶切断配向の違いは、直列共振器よりも低い周波数で動作するためにより厚い圧電デュアルウエハプレートを必要とするシャント共振器の所定の性能又は調整のために選択することができる。 The crystal cut orientation of piezoelectric plates 412 and 415 allows them to bond better, bond better, and function better as a dual wafer (e.g., two piezoelectric plates bonded to each other) stack than if they had the same orientation. It can be different like that. Differences in the crystal cut orientation of piezoelectric plates 412 and 415 can be selected for a given performance or tuning of shunt resonators that require thicker piezoelectric dual wafer plates to operate at lower frequencies than series resonators. can.

750において、第2の圧電プレート415を平坦化して、厚さtp2を有する圧電プレート416を形成する。750における平坦化は、圧電ウエハの厚さを最終厚さ、例えば120nm又は別の厚さtp2まで正確に薄くすることであってもよい。750において、第2の圧電プレート415の露出面は、740に示すような厚さtp2よりも大きい厚さから、740に示すような厚さtp2まで化学機械処理(CMP)を使用するなどして研磨又は平坦化することができる。 At 750, the second piezoelectric plate 415 is planarized to form a piezoelectric plate 416 having a thickness tp2. Planarization at 750 may be precisely reducing the thickness of the piezoelectric wafer to a final thickness, such as 120 nm or another thickness tp2. At 750, the exposed surface of second piezoelectric plate 415 is removed, such as by using chemical mechanical processing (CMP), from a thickness greater than thickness tp2 as shown at 740 to a thickness tp2 as shown at 740. Can be polished or planarized.

760において、圧電プレート416の1つ以上の部分をエッチングして除去し、プレートがエッチングされる膜450を形成する。760におけるエッチングは、直列共振器404の位置における領域を露出させるために、基板、並びに層412、414及び416を有するウエハをパターニングし、次いで、プレート416をウエハの上部から選択的にエッチングして、プレート416を高周波数直列膜450の上方から除去する一方で、プレート416を低周波数シャント膜410の上方に残すことであってもよい。760におけるエッチングは、パターニング及びエッチングであってもよく、1つ以上のキャビティ444の上方の1つ以上の領域でプレート416の厚さtp2を除去して膜450を形成し、1つ以上のキャビティ440の上方の1つ以上の領域においてプレート416の厚さtp2を残して膜410を形成することができる。エッチング中、層414は、高周波直列共振器膜450の上方の領域における層416のエッチング中のプレート412(及び層414)へのエッチング損傷を防止するエッチング停止層として機能することができる。層414は、プレート416をエッチングするために使用されるプロセス及び化学物質に対して不浸透性であり、及び/又はそれらによるエッチングがプレート416の材料よりも大幅に遅い(magnitudes slower)という点でエッチング停止層として機能することができる。このエッチングは、本明細書で述べるように、膜450を形成するために層416の一部を除去するプロセスのいずれかを表すか、又はいずれかであってもよい。 At 760, one or more portions of piezoelectric plate 416 are etched away to form membrane 450 from which the plate is etched. The etching at 760 patterns the substrate and wafer with layers 412, 414, and 416 to expose the area at the location of series resonator 404, and then selectively etches plate 416 from the top of the wafer. , plate 416 may be removed from above high frequency series membrane 450 while plate 416 remains above low frequency shunt membrane 410. The etching at 760 may be patterning and etching to remove the thickness tp2 of plate 416 in one or more regions above one or more cavities 444 to form membrane 450, and to form membrane 450 in one or more regions above one or more cavities 444. Membrane 410 may be formed leaving a thickness tp2 of plate 416 in one or more regions above 440. During etching, layer 414 can act as an etch stop layer to prevent etch damage to plate 412 (and layer 414) during etching of layer 416 in the region above high frequency series resonator film 450. Layer 414 is impermeable to and/or etched by the processes and chemicals used to etch plate 416 in a magnitude slower than the material of plate 416. It can function as an etch stop layer. This etch may represent or be any process that removes a portion of layer 416 to form membrane 450, as described herein.

薄膜450の形成は、共振器410が形成される領域でプレート416の上方にパターニングされたマスク層を形成することを含むことができる。パターニングされたマスクは、プレート416をエッチングするために使用されるプロセス及び化学物質に対して不浸透性であり、及び/又はそれらよるエッチングの規模がプレート416よりも大幅に遅いという点で、エッチング停止部のように機能することができる。適切なマスク層は、感光性材料、感光性有機材料(例えば、光重合フォトレジスト、光分解フォトレジスト、又は光架橋フォトレジスト)、又は酸化物若しくは窒化物ハードマスクなどのフォトレジスト材料を含むことができる。 Forming thin film 450 may include forming a patterned mask layer over plate 416 in the regions where resonators 410 are to be formed. The patterned mask is impermeable to the processes and chemicals used to etch plate 416 and/or is etched in that the extent of etching by them is significantly slower than that of plate 416. It can function like a stop. Suitable mask layers may include photoresist materials such as photosensitive materials, photosensitive organic materials (e.g., photopolymerized photoresists, photolytic photoresists, or photocrosslinked photoresists), or oxide or nitride hardmasks. I can do it.

マスクがパターニングされた後、プレート416の材料がエッチングされ、マスクによって保護されていない場所では除去され、したがって、薄膜450が形成される。プレート416は、例えば、異方性プラズマエッチング、反応性イオンエッチング、ウェット化学エッチング、及び/又は他のエッチング技術によってエッチングすることができる。層414は、プレート416をエッチングするために使用されるプロセス及び化学物質に対して不浸透性であるか、又はそれらによるエッチングが大幅に遅いことができる。このエッチングの後、フォトレジストマスクは、所望の膜410のパターンを残すようにプレート416の上面から除去される。ウエハ上に残っているものには、図示のように膜410及び450が含まれる。 After the mask is patterned, the material of plate 416 is etched and removed where it is not protected by the mask, thus forming thin film 450. Plate 416 may be etched by, for example, anisotropic plasma etching, reactive ion etching, wet chemical etching, and/or other etching techniques. Layer 414 can be impermeable to, or significantly slow to etch by, the processes and chemicals used to etch plate 416. After this etch, the photoresist mask is removed from the top surface of plate 416 leaving the desired film 410 pattern. What remains on the wafer includes films 410 and 450 as shown.

770において、IDTは、シャント膜410及び直列膜450がそれぞれ形成されるプレート416及び層414の部分の上方に形成される。770におけるIDTの形成により、それぞれのIDT及び膜からシャント共振器402及び直列共振器404を作成することができる。770における形成中、層414は、高周波直列共振器の周囲145内の領域からのIDT材料のエッチング中にプレート412(及び層414)へのエッチング損傷を防止するエッチング停止層として機能することができる。770におけるIDTの形成は、図6の630におけるIDTの形成の説明を含むことができる。 At 770, an IDT is formed over the portions of plate 416 and layer 414 where shunt membrane 410 and series membrane 450 are formed, respectively. The formation of the IDT at 770 allows the creation of shunt resonators 402 and series resonators 404 from the respective IDTs and membranes. During formation at 770, layer 414 can function as an etch stop layer to prevent etch damage to plate 412 (and layer 414) during etching of IDT material from regions within perimeter 145 of the radio frequency series resonator. . The formation of the IDT at 770 can include a description of the formation of the IDT at 630 of FIG.

770におけるIDTの形成は、プレート416及び層414の露出した上面にIDT導体材料をブランケット堆積することから始まるエッチバック処理を含むことができる。この堆積後、IDTが形成されることになる位置又は領域で、IDT導体材料の上方にパターニングされたフォトレジストマスクを形成することができる。フォトレジストマスクは、IDT導体材料にブランケット堆積され、次いでフォトリソグラフィを使用してパターニングされて、パターニング後にマスクが存在する位置に導体パターンを画定することができる。パターニングされたフォトレジストマスクは、導体材料をエッチングするために使用されるプロセス及び化学物質に対して不浸透性である(及び/又はそれらによるエッチングが導体材料よりも大幅に遅い)という点でエッチング停止部のように機能することができる。適切なフォトレジスト材料は、感光性有機材料(例えば、光重合フォトレジスト、光分解フォトレジスト、又は光架橋フォトレジスト)を含むことができる。 Forming the IDT at 770 can include an etchback process that begins with blanket depositing IDT conductor material on the exposed top surfaces of plate 416 and layer 414. After this deposition, a patterned photoresist mask can be formed over the IDT conductor material at the locations or areas where the IDT is to be formed. A photoresist mask can be blanket deposited onto the IDT conductor material and then patterned using photolithography to define a conductor pattern at the locations where the mask will be after patterning. Patterned photoresist masks are etchable in that they are impervious to (and/or etched by) the processes and chemicals used to etch the conductor material. It can function like a stop. Suitable photoresist materials can include photosensitive organic materials (eg, photopolymerized photoresists, photodegraded photoresists, or photocrosslinked photoresists).

マスクがパターニングされた後、IDT導体材料は、ドライエッチングなどによってエッチングされ、フォトレジストマスクによって保護されていない場所では除去され、したがって、IDT導体パターンが形成される。導体層は、例えば、異方性プラズマエッチング、反応性イオンエッチング、ウェット化学エッチング、及び他のエッチング技術によってエッチングすることができる。エッチングにより、共振器410の上方のプレート416上及びそれに対する導体、並びに共振器450の上方の層414をエッチング又は除去する。プレート416及び層414はいずれも、導体をエッチングするために使用されるプロセス及び化学物質に対して不浸透性である(又はそれらによるエッチングが大幅に遅い)ことができる。このエッチングの後、フォトレジストマスクを導体材料の上面から除去して、IDT用の所望の導体材料のパターンを残す。残りの所望の導体材料は、IDT導体と、フィンガ436及び438とを含む。プロセス700は、膜を調整するために、同一ダイ400A上に形成された膜厚が異なる共振器402及び404を有するXBARによって770において終了することができる。他の場合には、プロセスは、誘電体層が形成される図6の640に続く。 After the mask is patterned, the IDT conductor material is etched, such as by dry etching, and removed at locations not protected by the photoresist mask, thus forming the IDT conductor pattern. The conductor layer can be etched by, for example, anisotropic plasma etching, reactive ion etching, wet chemical etching, and other etching techniques. The etching etches or removes the conductor on and to plate 416 above resonator 410 and layer 414 above resonator 450. Both plate 416 and layer 414 can be impermeable to (or etched significantly slower by) the processes and chemicals used to etch the conductors. After this etch, the photoresist mask is removed from the top surface of the conductor material, leaving the desired pattern of conductor material for the IDT. The remaining desired conductive materials include IDT conductors and fingers 436 and 438. The process 700 can end at 770 with an XBAR having resonators 402 and 404 with different film thicknesses formed on the same die 400A to tune the film. In other cases, the process continues at 640 of FIG. 6 where a dielectric layer is formed.

接合及びエッチングプロセス700を使用することにより、同一ダイ上のXBAR共振器が、正確に形成される異なる膜厚を有することが可能になる。これにより、所望の膜厚を正確に製造すること、膜の厚さの正確さに対する共振器周波数特性の感度、並びにそれらの膜の音響及び圧電特性に対する共振器特性の感度における困難が回避される。プロセス700は、共振器特性(例えば、共振及び反共振周波数並びに品質係数(Q)、スパー、結合、電力処理、周波数の温度係数(TCF))又は機械的若しくは熱的膜特性を著しく低下させることなく、ダイ上に複数の膜厚を正確に製造する手段を提供することによってこれらの問題を解決する。 Using bonding and etching process 700 allows XBAR resonators on the same die to have different film thicknesses that are precisely formed. This avoids difficulties in precisely manufacturing the desired film thickness, in the sensitivity of the resonator frequency characteristics to the accuracy of the film thickness, and in the sensitivity of the resonator characteristics to the acoustic and piezoelectric properties of those films. . Process 700 may significantly reduce resonator properties (e.g., resonant and anti-resonant frequencies and quality factor (Q), spurs, coupling, power handling, temperature coefficient of frequency (TCF)) or mechanical or thermal film properties. It solves these problems by providing a means to accurately fabricate multiple film thicknesses on a die without having to do so.

(結びのコメント)
この説明全体を通して、示された実施形態及び例は、開示又は特許請求される装置及び手順に対する限定ではなく、例示として考慮されるべきである。本明細書に提示される例の多くは、方法動作又はシステム要素の特定の組み合わせを伴うが、それらの動作及びそれらの要素は、同じ目的を達成するために他の方法で組み合わせることができることを理解されたい。フローチャートに関して、追加のより少ないステップが行われてもよく、また、図示のステップは、本明細書に記載の方法を達成するために組み合わされても、又はさらに改良されてもよい。1つの実施形態に関連してのみ論じられる動作、要素、及び特徴は、他の実施形態における同様の役割から除外されることを意図しない。
(Concluding comment)
Throughout this description, the embodiments and examples shown are to be considered illustrative and not limitations to the disclosed or claimed apparatus and procedures. Although many of the examples presented herein involve particular combinations of method acts or system elements, it is understood that those acts and those elements can be combined in other ways to accomplish the same purpose. I want to be understood. With respect to flowcharts, additional fewer steps may be performed, and the illustrated steps may be combined or further refined to achieve the methods described herein. Acts, elements, and features discussed only in connection with one embodiment are not intended to be excluded from a similar role in other embodiments.

本明細書で使用される場合、「上部(top)」及び「下部(bottom)」という用語の対は、「前部(front)」及び「後部(back)」という対と交換することができる。本明細書で使用される場合、「複数(plurality)」は2つ以上を意味する。本明細書で使用される場合、項目の「セット(set)」は、そのような項目のうちの1つ以上を含むことができる。本明細書で使用される場合、明細書又は特許請求の範囲にかかわらず、「備える(comprising)」、「含む(including)」、「保持する(carrying)」、「有する(having)」、「含有する(containing)」、「伴う(involving)」などの用語は、オープンエンドである、すなわち、含むがこれらに限定されないことを意味すると理解されるべきである。「からなる(consisting of)」及び「から本質的になる(consisting essentially of)」という移行句のみが、特許請求の範囲に関する、それぞれ閉鎖的又は半閉鎖的な移行句である。請求項の要素を修飾するための特許請求の範囲における「第1」、「第2」、「第3」などの序数の用語の使用は、それ自体では、1つの請求項の要素の他の要素に対する時間の優先順位(priority)、順序の優先順位(precedence)、若しくは順序、又は方法の動作が実行される時間的順序を意味するものではなく、単に、請求項の要素を区別するために、ある名称を有する1つの請求項の要素を同じ名称を有する別の要素から区別する(ただし、序数の用語の使用に関して)ためのラベルとして使用される。本明細書で使用される場合、「及び/又は」は、列挙された項目が選択肢(alternatives)であるが、選択肢は列挙された項目の任意の組み合わせも含むことを意味する。
As used herein, the pair of terms "top" and "bottom" may be interchanged with the pair "front" and "back." . As used herein, "plurality" means two or more. As used herein, a "set" of items may include one or more such items. As used herein, "comprising", "including", "carrying", "having", " Terms such as "containing" and "involving" should be understood to be open-ended, meaning including, but not limited to. The only transitional phrases "consisting of" and "consisting essentially of" are respectively closed or semi-closed transitional phrases with respect to the claims. The use of ordinal terms such as "first,""second,""third," etc. in a claim to modify claim elements does not, by itself, limit the use of one claim element to another. It does not imply a temporal priority, precedence, or order for the elements, or a temporal order in which the acts of the method are performed, but merely to distinguish between the elements of the claim. , is used as a label to distinguish (with respect to the use of ordinal terms) one claim element having a certain name from another having the same name. As used herein, "and/or" means that the listed items are alternatives, but that alternatives also include any combination of the listed items.

Claims (19)

単一のダイ上に少なくとも第1のキャビティ及び第2のキャビティを有する基板と、
前記第1のキャビティ及び前記第2のキャビティにまたがる第1の圧電プレートと、
前記第1のキャビティ及び前記第2のキャビティにまたがる接合層と、
前記第1のキャビティにまたがるが前記第2のキャビティにはまたがらない第2の圧電プレートと、
前記第1のキャビティの上方の前記第1の圧電プレートの前面上の第1のインターデジタル変換器(IDT)と、
前記第2のキャビティの上方の前記接合層の表面上の第2のIDTと
を備える、フィルタデバイス。
a substrate having at least a first cavity and a second cavity on a single die;
a first piezoelectric plate spanning the first cavity and the second cavity;
a bonding layer spanning the first cavity and the second cavity;
a second piezoelectric plate spanning the first cavity but not the second cavity;
a first interdigital transducer (IDT) on the front surface of the first piezoelectric plate above the first cavity;
a second IDT on a surface of the bonding layer above the second cavity.
前記接合層は、Al又はSiOのうちの一方である、請求項1に記載のデバイス。 2. The device of claim 1, wherein the bonding layer is one of Al2O3 or SiO2 . 前記接合層は、前記第2の圧電プレートのエッチングに対するエッチング停止部である、請求項1に記載のデバイス。 2. The device of claim 1, wherein the bonding layer is an etch stop for etching of the second piezoelectric plate. 前記第2の圧電プレートは、第1のプロセスでエッチング可能な第1の材料であり、
前記接合層は、前記第1のプロセスに対して実質的に不浸透性である第2の材料である、
請求項1に記載のデバイス。
the second piezoelectric plate is a first material that can be etched in a first process;
the bonding layer is a second material that is substantially impermeable to the first process;
A device according to claim 1.
XBARの第1の共振器は、前記第1のキャビティの上方に、前記第1の圧電プレート、前記接合層、前記第2の圧電プレート、及び前記第1のIDTを有し、前記XBARの第2の共振器は、前記第2のキャビティの上方に、前記第1の圧電プレート、前記接合層、及び前記第2のIDTを有する、請求項1に記載のデバイス。 A first resonator of the XBAR includes the first piezoelectric plate, the bonding layer, the second piezoelectric plate, and the first IDT above the first cavity, and the first resonator of the 2. The device of claim 1, wherein the second resonator has the first piezoelectric plate, the bonding layer, and the second IDT above the second cavity. 前記第1の共振器及び前記第2の共振器は、前記第1のIDT及び前記第2のIDTに印加される無線周波数信号が、前記第1の共振器及び前記第2の共振器において異なる第1の一次剪断音響モード及び第2の一次剪断音響モードを励起するように構成される、
請求項5に記載のデバイス。
The first resonator and the second resonator are configured such that radio frequency signals applied to the first IDT and the second IDT are different in the first resonator and the second resonator. configured to excite a first primary shear acoustic mode and a second primary shear acoustic mode;
6. A device according to claim 5.
前記第1の圧電プレートの厚さ及び前記第2の圧電プレートの厚さは、前記第1の剪断一次音響波及び前記第2の剪断一次音響波を調整するように選択される、請求項5に記載のデバイス。 5. The thickness of the first piezoelectric plate and the thickness of the second piezoelectric plate are selected to tune the first shear primary acoustic wave and the second shear primary acoustic wave. Devices listed in. 前記第1の圧電プレート及び前記第2の圧電プレートはいずれも、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムのいずれかである、請求項1に記載のデバイス。 2. The device of claim 1, wherein the first piezoelectric plate and the second piezoelectric plate are either lithium niobate or lithium tantalate. 前記圧電プレート及び前記接合層を貫通する1つ以上の開口部をさらに備える、請求項1に記載のデバイス。 2. The device of claim 1, further comprising one or more openings through the piezoelectric plate and the bonding layer. 前記第1の圧電プレート及び前記第2の圧電プレートが異なる厚さを有する、請求項1に記載のデバイス。 2. The device of claim 1, wherein the first piezoelectric plate and the second piezoelectric plate have different thicknesses. 第1のキャビティのための基板内の位置及び第2のキャビティのための前記基板内の位置の上方で、第1の圧電プレートを前記基板に接合することと、
前記第1のキャビティのための前記位置及び前記第2のキャビティのための前記位置の上方で、前記第1のプレート上に接合層を形成することと、
前記第1のキャビティのための前記位置及び前記第2のキャビティのための前記位置の上で、前記接合層に第2の圧電プレートを接合することと、
前記第2のキャビティの前記位置にまたがる前記第2の圧電プレートの一部をエッチング除去することと、
前記第1のキャビティの前記位置の上方の前記第1の圧電プレートの前面に第1のインターデジタル変換器(IDT)を形成することと、
前記第2のキャビティの前記位置の上方の前記接合層の前面に第2のIDTを形成することと
を含む、フィルタデバイスを形成する方法。
bonding a first piezoelectric plate to the substrate above a location in the substrate for a first cavity and a location in the substrate for a second cavity;
forming a bonding layer on the first plate above the location for the first cavity and the location for the second cavity;
bonding a second piezoelectric plate to the bonding layer over the location for the first cavity and the location for the second cavity;
etching away a portion of the second piezoelectric plate spanning the location of the second cavity;
forming a first interdigital transducer (IDT) on the front surface of the first piezoelectric plate above the location of the first cavity;
forming a second IDT in front of the bonding layer above the location of the second cavity.
前記接合層は、Al又はSiOのうちの一方である、請求項11に記載の方法。 12. The method of claim 11, wherein the bonding layer is one of Al2O3 or SiO2 . 前記接合層は、前記第2の圧電プレートの一部をエッチング除去する際のエッチング停止部として機能する、請求項11に記載の方法。 12. The method of claim 11, wherein the bonding layer acts as an etch stop in etching away a portion of the second piezoelectric plate. エッチング中、
前記第2の圧電プレートは、前記エッチングによりエッチングされた第1の材料であり、
前記接合層は、前記エッチングに対して実質的に不浸透性である第2の材料である、
請求項11に記載の方法。
During etching,
the second piezoelectric plate is the first material etched by the etching,
the bonding layer is a second material that is substantially impermeable to the etching;
The method according to claim 11.
前記第1のキャビティを前記第1の位置に形成し、前記第2のキャビティを前記第2の位置に形成することをさらに含み、前記形成は、前記第1の圧電プレートを前記基板に接合する前、又は前記第1のIDT及び第2のIDTを形成した後に行われる、請求項11に記載の方法。 further comprising forming the first cavity at the first location and forming the second cavity at the second location, the forming joining the first piezoelectric plate to the substrate. 12. The method of claim 11, performed before or after forming the first IDT and the second IDT. XBARの第1の共振器は、前記第1のキャビティの上方に、前記第1の圧電プレート、前記接合層、前記第2の圧電プレート、及び前記第1のIDTを有し、前記XBARの第2の共振器は、前記第2のキャビティの上方に、前記第1の圧電プレート、前記接合層、及び前記第2のIDTを有する、請求項15に記載の方法。 A first resonator of the XBAR includes the first piezoelectric plate, the bonding layer, the second piezoelectric plate, and the first IDT above the first cavity, and the first resonator of the 16. The method of claim 15, wherein the second resonator has the first piezoelectric plate, the bonding layer, and the second IDT above the second cavity. 前記第1の共振器及び前記第2の共振器は、前記第1のIDT及び前記第2のIDTに印加されるそれぞれの無線周波数信号が、前記第1の共振器及び前記第2の共振器において異なる一次剪断音響モードを励起するように構成される、
請求項16に記載の方法。
The first resonator and the second resonator are configured such that the respective radio frequency signals applied to the first IDT and the second IDT are connected to the first resonator and the second resonator. configured to excite different first-order shear acoustic modes in the
17. The method according to claim 16.
前記第1の圧電プレートは前記第2の圧電プレートよりも厚く、異なる周波数の前記一次剪断音響モードを調整するために前記第1の圧電プレートの厚さ及び前記第2の圧電プレートの厚さを選択することをさらに含む、請求項16に記載の方法。 The first piezoelectric plate is thicker than the second piezoelectric plate, and the thickness of the first piezoelectric plate and the second piezoelectric plate are adjusted to adjust the primary shear acoustic mode of different frequencies. 17. The method of claim 16, further comprising selecting. 前記第1の圧電プレート及び前記第2の圧電プレートはいずれも、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムのいずれかである、請求項11に記載の方法。
12. The method of claim 11, wherein the first piezoelectric plate and the second piezoelectric plate are either lithium niobate or lithium tantalate.
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