TWI805867B - 固裝橫向激發薄膜腔體聲諧振器 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示諧振器器件、濾波器器件及製造方法。一種諧振器器件包含一基板，及具有平行之前表面與後表面之一單晶壓電板。一聲布拉格反射器經夾置於該基板之一表面與該單晶壓電板之該後表面之間。一交叉指形換能器(IDT)經形成於該前表面上。該IDT經組態以回應於經施加至該IDT之一射頻信號而在該單晶壓電板中激發剪切聲波。
Description
本發明係關於使用聲波諧振器之射頻濾波器，且具體而言係關於用於通信設備中之濾波器。
一射頻(RF)濾波器係經組態以使一些頻率通過且阻止其他頻率之兩埠器件，其中「通過」意謂著以相對低信號損耗進行傳輸且「阻止」意謂著阻塞或實質上衰減。由一濾波器通過之頻率範圍被稱為濾波器之「通帶」。由此一濾波器阻止之頻率範圍被稱為濾波器之「阻帶」。一典型RF濾波器具有至少一個通帶及至少一個阻帶。對一通帶或阻帶之特定要求取決於特定應用。例如，一「通帶」可被定義為其中一濾波器之插入損耗較佳於一定義值(諸如1dB、2dB或3dB)之一頻率範圍。一「阻帶」可被定義為其中取決於應用一濾波器之插入損耗大於一定義值(諸如20 dB、30 dB、40 dB或更大)之一頻率範圍。
RF濾波器用於其中透過無線鏈路傳輸資訊之通信系統中。例如，可在蜂巢式基地台、行動電話及運算器件、衛星收發器及地面站、IoT (物聯網)器件、膝上型電腦及平板電腦、固定點無線電鏈路、及其他通信系統中發現RF濾波器。RF濾波器亦用於雷達及電子及資訊戰系統中。
RF濾波器通常需要諸多設計權衡以針對各特定應用達成效能參數之間的最佳折衷，諸如插入損耗、拒絕、隔離、功率處置、線性度、尺寸及成本。特定設計及製造方法及增強可同時使一或若干個此等要求受益。
對一無線系統中之RF濾波器之效能增強可對系統效能具有廣泛影響。可利用RF濾波器之改良來提供系統效能改良，諸如更大單元尺寸、更長電池壽命、更高資料速率、更大網路容量、更低成本、增強之安全性、更高可靠性等。此等改良可例如以諸多無線系統級(單獨地及組合地兩者)實現：以RF模組級、RF收發器級、行動或固定子系統級、或網路級。
對更寬通信通道頻寬之需求將不可避免地導致使用更高頻率通信頻帶。當前LTETM
(長期演進)規範定義自3.3 GHz至5.9 GHz之頻帶。一些此等頻帶目前未被使用。無線通信之未來提議包含具有高達28 GHz之頻率之毫米波通信頻帶。
用於目前通信系統之高效能RF濾波器通常併入聲波諧振器，包含表面聲波(SAW)諧振器、腔體聲波(BAW)諧振器、薄膜腔體聲波諧振器(FBAR)及其他類型之聲諧振器。然而，此等既有技術不太適合在針對未來通信網路提議之更高頻率下使用。
在一項實施例中，一種聲諧振器器件包括：一基板，其具有一表面；一單晶壓電板，其具有平行之前表面及後表面；一聲布拉格反射器，其經夾置於該基板之該表面與該單晶壓電板之該後表面之間；及一交叉指形換能器(IDT)，其經形成於該單晶壓電板之該前表面上，該IDT經組態以回應於施加至該IDT之一射頻信號而在該單晶壓電板中激發一主聲模，其中該主聲模之一聲能流方向實質上正交於該單晶壓電板之該前表面及該後表面。
在另一實施例中，一種濾波器器件包括：一基板，其具有一表面；一單晶壓電板，其具有平行之前表面及後表面；一聲布拉格反射器，其經夾置於該基板之該表面與該單晶壓電板之該後表面之間；及一導體圖案，其經形成於該單晶壓電板之該前表面上，該導體圖案包含內含一並聯諧振器及一串聯諧振器之各自複數個諧振器之複數個交叉指形換能器(IDT)；一第一介電層，其具有沈積於該並聯諧振器之該IDT上方之一第一厚度；及一第二介電層，其具有沈積於該串聯諧振器之該IDT上方之一第二厚度，其中所有該複數個IDT皆經組態以回應於施加至該等IDT之各自射頻信號而在該單晶壓電板中激發各自主聲模，其中所有該等主聲模之一聲能流方向實質上正交於該單晶壓電板之該前表面及該後表面，且該第一厚度大於該第二厚度。
在另一實施例中，一種製造一聲諧振器器件之方法包括：藉由在一器件基板之一表面及一單晶壓電板之一第一表面之一者或兩者上沈積材料層來形成一聲布拉格反射器，該單晶壓電板具有附接至一犧牲基板之一第二表面；將附接至該犧牲基板之該單晶壓電板接合至該器件基板，使得該聲布拉格反射器之該等層經夾置於該單晶壓電板之該第一表面與該器件基板之間；移除該犧牲基板以曝露該單晶壓電板之該第二表面；及在該單晶壓電板之該第二表面上形成一交叉指形換能器(IDT)，其中該IDT經組態以回應於施加至該IDT之一射頻信號而在該單晶壓電板中激發一主聲模，且該主聲模之一聲能流方向實質上正交於該單晶壓電板之前表面及後表面。
在另一實施例中，一種製造一濾波器器件之方法包括：藉由在一器件基板之一表面及一單晶壓電板之一第一表面之一者或兩者上沈積材料層來形成一聲布拉格反射器，該單晶壓電板具有附接至一犧牲基板之一第二表面；將附接至該犧牲基板之該單晶壓電板接合至該器件基板，使得該聲布拉格反射器之該等層經夾置於該單晶壓電板之該第一表面與該器件基板之間；移除該犧牲基板以曝露該單晶壓電板之該第二表面；及在該單晶壓電板之該第二表面上形成一導體圖案，該導體圖案包含內含一並聯諧振器及一串聯諧振器之各自複數個諧振器之複數個交叉指形換能器(IDT)；在該並聯諧振器之該IDT上方沈積具有一第一厚度之一第一介電層；及在該串聯諧振器之該IDT上方沈積具有一第二厚度之一第二介電層，其中所有該複數個IDT皆經組態以回應於施加至該等IDT之各自射頻信號而在該單晶壓電板中激發各自主聲模，該等主聲模之一聲能流方向實質上正交於該單晶壓電板之前表面及後表面，且該第一厚度大於該第二厚度。
裝置之描述
圖1展示如申請案第16/230,443號「TRANSVERSELY-EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR」中所描述之一橫向激發薄膜腔體聲諧振器(XBAR) 100之一簡化示意性俯視圖及正交截面視圖。XBAR諧振器(諸如諧振器100)可用於多種RF濾波器中，包含帶拒濾波器、帶通濾波器、雙工器及多工器。XBAR尤其適合用於具有高於3 GHz之頻率之通信頻帶之濾波器中。
XBAR 100由形成於分別具有平行之前表面112及後表面114之一壓電板110之一表面上之一薄膜導體圖案組成。該壓電板係一壓電材料之一薄單晶層，諸如鈮酸鋰、鉭酸鋰、矽酸鑭鎵、氮化鎵或氮化鋁。該壓電板經切割使得X、Y及Z晶軸相對於前表面及後表面之定向係已知且一致的。在本專利中所呈現之實例中，該壓電板係Z切割的，即，Z軸法向於表面。然而，XBAR可經製造於具有其他結晶定向之壓電板上。
壓電板110之後表面114經附接至一基板120，該基板120為壓電板110提供機械支撐。基板120可為例如矽、藍寶石、石英或某種其他材料。壓電板110可使用一晶圓接合程序接合至基板120，或經生長於基板120上，或以某種其他方式附接至該基板。該壓電板可直接附接至該基板或可經由一或多個中間材料層附接至該基板。
XBAR 100之導體圖案包含一交叉指形換能器(IDT) 130。IDT 130包含自一第一匯流條132延伸之第一複數個平行指狀物(諸如指狀物136)及自一第二匯流條134延伸之第二複數個指狀物。第一複數個及第二複數個平行指狀物係交錯的。交錯指狀物重疊達一距離AP，通常被稱為IDT之「孔徑」。IDT 130之最外指狀物之間的中心至中心距離L係IDT之「長度」。
第一匯流條132及第二匯流條134用作XBAR 100之端子。施加於IDT 130之兩個匯流條132、134之間的一射頻或微波信號在壓電板110內激發一聲波。如將進一步詳細論述，經激發聲波係在法向於壓電板110之表面之方向上傳播之一腔體剪切波，該方向亦法向或橫向於由IDT指狀物產生之電場方向。因此，XBAR被視為一橫向激發薄膜腔體波諧振器。
一空腔125經形成於基板120中，使得壓電板110中內含IDT 130之部分經懸置於空腔125上方而不接觸基板120。「空腔」具有其「一固體內之一空白空間」之習知含義。空腔125可為完全穿過基板120之一孔(如區段A-A及區段B-B中所展示)或基板120中之一凹口。空腔125可例如藉由在附接壓電板110及基板120之前或之後選擇性地蝕刻基板120來形成。如圖1中所展示，空腔125具有具大於IDT 130之孔徑AP及長度L之一程度之一矩形形狀。一XBAR之一空腔可具有一不同形狀，諸如一規則或不規則多邊形。一XBAR之空腔可多於或少於四側，其等可為筆直的或彎曲的。
為了便於在圖1中呈現，相對於XBAR之長度(尺寸L)及孔徑(尺寸AP)極大地誇大IDT指狀物之幾何節距及寬度。一典型XBAR在IDT 110中具有十個以上平行指狀物。一XBAR在IDT 110中可具有數百個(可能數千個)平行指狀物。類似地，極大地誇大截面視圖中之指狀物之厚度。
圖2展示一固裝橫向激發薄膜腔體聲諧振器(SM XBAR) 200之一簡化示意性俯視圖及一正交截面視圖。SM XBAR諧振器(諸如諧振器200)可用於多種RF濾波器中，包含帶拒濾波器、帶通濾波器、雙工器及多工器。SM XBAR尤其適合用於具有高於3 GHz之頻率之通信頻帶之濾波器中。
SM XBAR 200由形成於分別具有平行之前表面212及後表面214之一壓電板210之一前表面212上之一薄膜導體圖案組成。該壓電板係一壓電材料之一薄單晶層，諸如鈮酸鋰、鉭酸鋰、矽酸鑭鎵、氮化鎵或氮化鋁。該壓電板經切割使得X、Y及Z晶軸相對於前表面及後表面之定向係已知且一致的。在本專利中所呈現之實例中，該壓電板係Z切割的，即，Z軸法向於板之表面。然而，SM XBAR可經製造於具有其他結晶定向之壓電板上。
壓電板210之後表面214經附接至一基板220，且由一基板220機械地支撐。基板220可為例如矽、藍寶石、石英或某種其他材料。如隨後將描述，壓電板210可經由複數個中間材料層附接至基板220。
SM XBAR 200之導體圖案包含一交叉指形換能器(IDT) 230。IDT 230包含自一第一匯流條232延伸之第一複數個平行指狀物(例如指狀物236)及自一第二匯流條234延伸之第二複數個指狀物。第一複數個及第二複數個平行指狀物係交錯的。交錯指狀物重疊達一距離AP，通常被稱為IDT之「孔徑」。IDT 230之最外指狀物之間的中心至中心距離L係IDT之「長度」。第一複數個指狀物及第二複數個指狀物之各指狀物可平行於壓電板210之X軸。
第一匯流條232及第二匯流條234用作SM XBAR 200之端子。施加於IDT 230之兩個匯流條232、234之間的一射頻或微波信號在壓電板210內激發一聲波。如將進一步詳細論述，經激發聲波係在法向於壓電板210之表面之方向上傳播之一腔體剪切波，該方向亦法向於或橫向於由IDT指狀物產生之電場之方向。因此，SM XBAR被視為一橫向激發薄膜腔體波諧振器。
為了便於在圖2中呈現，相對於SM XBAR之長度(尺寸L)及孔徑(尺寸AP)極大地誇大IDT指狀物之幾何節距及寬度。一典型SM XBAR在IDT 210中具有十個以上平行指狀物。一SM XBAR在IDT 210中可具有數百個(可能數千個)平行指狀物。類似地，極大地誇大截面視圖中之指狀物之厚度。
圖3展示SM XBAR 200之一詳細示意性截面視圖。壓電板210係具有一厚度ts之壓電材料之單晶層。ts可為例如100 nm至1500 nm。申請案第16/230,443號「TRANSVERSELY-EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR」包含用於具有自200 nm至1000 nm之厚度之壓電板上之XBAR之模擬資料。當用於自3.4 GHZ至6 GHz之LTETM
頻帶(例如頻帶42、43、46)之濾波器中時，厚度ts可為例如200 nm至500 nm。
一前側介電層314可視情況形成於壓電板210之前表面212上。前側介電層314具有一厚度tfd。前側介電層314可經形成於IDT指狀物236之間。儘管圖2中未展示，但前側介電層314亦可經沈積於IDT指狀物236上方。前側介電層314可為一非壓電介電材料，諸如二氧化矽或氮化矽。tfd可為例如0 nm至500 nm。
IDT指狀物238可為鋁或一實質上鋁合金、銅或一實質上銅合金、鈹、金或某種其他導電材料。其他金屬(諸如鉻或鈦)之薄(相對於導體之總厚度)層可經形成於指狀物下方及/或上方以改良指狀物與壓電板210之間的黏附性及/或鈍化或囊封指狀物。IDT之匯流條(圖2中之232、234)可由相同或不同於指狀物之材料製成。
尺寸p係IDT指狀物之中心至中心間距或「節距」，其可被稱為IDT之節距及/或SM XBAR之節距。尺寸w係IDT指狀物之寬度或「標示」。一SM XBAR之IDT實質上不同於表面聲波(SAW)諧振器中使用之IDT。在一SAW諧振器中，IDT之節距係在諧振頻率下之聲波波長的一半。另外，一SAW諧振器IDT之標示節距比通常接近0.5 (即，標示或指狀物寬度w係諧振時之聲波波長之約四分之一)。在一SM XBAR中，IDT之節距p通常係指狀物之寬度w的2倍至20倍。另外，IDT之節距p通常係壓電平板212之厚度ts的2倍至20倍。一SM XBAR中之IDT指狀物的寬度不限於諧振時之聲波波長的四分之一。例如，SM XBAR IDT指狀物之寬度可為500 nm或更大，使得可使用光學微影術來製造IDT。IDT指狀物之厚度tm可自100 nm至約等於寬度w。IDT之匯流條(圖1中之132、134)之厚度可相同於或大於IDT指狀物之厚度tm。
一聲布拉格反射器340經夾置於基板220之一表面222與壓電板110之後表面214之間。術語「夾置」意謂著聲布拉格反射器340既經安置於基板220之一表面222與壓電板210之後表面214之間又經實體地連接至基板220之一表面222及壓電板210之後表面214。在一些情況下，額外材料之薄層可經安置於聲布拉格反射器340與基板220之表面222之間，及/或經安置於布拉格反射器340與壓電板210之後表面214之間。例如，可存在此等額外材料層，以促進接合壓電板210、聲布拉格反射器340及基板220。
聲布拉格反射器340包含在具有高聲阻抗之材料與具有低聲阻抗之材料之間交替的多個層。「高」及「低」係相對術語。針對各層，比較標準係相鄰層。各「高」聲阻抗層具有高於兩個相鄰低聲阻抗層之聲阻抗之一聲阻抗。各「低」聲阻抗層具有低於兩個相鄰高聲阻抗層之聲阻抗之一聲阻抗。該等層之各者具有等於或約為在或接近SM XBAR 200之一諧振頻率下之聲波波長之四分之一之一厚度。具有相對低聲阻抗之材料包含二氧化矽、碳氧化矽、鋁及特定塑膠，諸如交聯聚苯聚合物。具有相對高聲阻抗之材料包含氮化矽、氮化鋁、碳化矽及金屬，諸如鉬、鎢、金及鉑。聲布拉格反射器340之所有高聲阻抗層未必係相同材料，且所有低聲阻抗層未必係相同材料。在圖2之實例中，聲布拉格反射器340具有總共六個層。一聲布拉格反射器可具有多於或少於六個層。
圖4係一SM XBAR 400中之主聲模之一圖示。圖4展示SM XBAR 400之一小部分，其包含一壓電板410及三個交錯IDT指狀物430。壓電板410可為單晶鈮酸鋰切割的，使得z軸法向於板之表面。IDT指狀物可平行於板之x軸定向，使得y軸法向於指狀物。
施加至交錯指狀物430之一RF電壓在該等指狀物之間產生一時變電場。電場之方向橫向或平行於壓電板410之表面，且正交於IDT指狀物之長度，如由被標記為「電場」之虛線箭頭所指示。歸因於壓電板之高介電常數，電場相對於空氣高度集中於板中。橫向電場在壓電板410引發剪切變形且因此強烈地激發剪切模式聲波。在此背景下，「剪切變形」被定義為其中一材料中之平行平面保持平行且維持一恆定距離同時相對彼此平移之變形。「剪切聲波」被定義為導致一介質中之聲波，該等聲波導致介質之剪切變形。壓電板410中之剪切變形由標繪圖460表示，其中相鄰小箭頭提供原子運動之方向及量值之一示意性指示。為了易於視覺化，已極大地誇大原子運動之程度以及壓電板410之厚度。雖然原子運動主要係橫向的(即，如圖4中所展示係水平的)，但主剪切聲模之聲能流方向實質上正交於壓電板之表面，如由箭頭465所指示。
一聲布拉格反射器440經夾置於壓電板410與一基板420之間。聲布拉格反射器440反射剪切聲波以將聲能(箭頭465)主要限制於壓電板410。如先前所描述，聲布拉格反射器440由具有相對高聲阻抗之材料及相對低聲阻抗之材料之交替層組成，其中各層具有在XBAR 400之諧振頻率下之剪切聲波(箭頭465)之波長之約四分之一的一厚度。在圖4之實例中，聲布拉格反射器440具有總共六個層。一聲布拉格反射器可具有多於或少於六個層。
實例1
圖5A係具有包括交替之SiO2層及Si3N4層之一聲布拉格反射器510之一SM XBAR 500之一示意性截面視圖。壓電板係具有400 nm之一厚度之Z切割(即，Z軸法向於板之表面)鈮酸鋰(LN)。IDT指狀物係具有100 nm之一厚度之鋁。IDT指狀物之節距及寬度分別係5 μm及500 nm。IDT經定向使得IDT指狀物平行於壓電板之X軸。聲布拉格反射器510具有在210 nm厚之SiO2層與320 nm厚之Si3N4層之間交替的總共20個層。由於SiO2及SiN3層之聲阻抗之相對小差，在聲布拉格反射器510中需要大數目個層。支撐聲布拉格反射器510及壓電板之基板係矽。
圖5B係具有圖5A之SM XBAR 500之依據頻率而變化之導納(對數標度)之正規化量值之一標繪圖560之一圖表550。圖表550及後續圖表650、750、850中之資料係藉由使用有限元素法(FEM)技術模擬SM XBAR器件來產生。壓電板、聲布拉格反射器及IDT指狀物中之損耗係使用標準材料參數來模擬。
經模擬XBAR 500之導納標繪圖560展現在4166 MHz之一頻率FR下之一諧振及在4375 MHz之一頻率FAR下之一反諧振。諧振時之Q及反諧振時之Q皆過低以致於無法用於一射頻濾波器中。SM XBAR 500之不良效能主要歸因於至基板中之聲能損耗。SiO2層與Si3N4層之間的聲阻抗失配係相對小的且判定每對層之低反射係數。此繼而導致穿過布拉格鏡之大傳輸損耗，即使有相對大數目個對。
實例2
圖6A係具有包括交替之SiO2層及鎢(W)層之一聲布拉格反射器610之一SM XBAR 600之一示意性截面視圖。壓電板係具有400 nm之一厚度之Z切割(即，Z軸法向於該板)鈮酸鋰(LN)。IDT指狀物係具有100 nm之一厚度之鋁。IDT指狀物之節距及寬度分別係6 μm及1.8 μm。IDT經定向使得IDT指狀物平行於壓電板之X軸。聲布拉格反射器610具有在210 nm或270 nm厚之SiO2層與160 nm或170 nm厚之W層之間交替的總共七個層。SiO2層及W層之聲阻抗之相對高差允許聲布拉格反射器610中之減少數目個層(與聲布拉格反射器510相較)。基板係矽。
圖6B係具有圖6A之SM XBAR 600之依據頻率而變化之導納(對數標度)之正規化量值之一標繪圖660之一圖表650。經模擬XBAR 600之導納標繪圖660展現在4225 MHz之一頻率FR下之一高Q諧振及在4375 MHz之一頻率FAR下之一高Q反諧振。諧振頻率與反諧振頻率之間的差係150 MHz，或諧振頻率之約3.5%。
諧振頻率與反諧振頻率之間的相對小差指示固裝XBAR 600中之低機電耦合。低機電耦合至少部分地由導電W層之存在致使，該等導電W層防止由IDT電極產生之電場穿透壓電板。
實例3
圖7A係具有包括交替之低聲阻抗層及高聲阻抗層之一聲布拉格反射器710之一SM XBAR 700之一示意性截面視圖。壓電板係具有400 nm之一厚度之Z切割(即，Z軸法向於該板)鈮酸鋰(LN)。IDT指狀物係具有100 nm之一厚度之鋁。IDT指狀物之節距及寬度分別係6 μm及1.8 μm。IDT經定向使得IDT指狀物平行於壓電板之X軸。聲布拉格反射器710具有總共七個層。低聲阻抗層係210 nm、270 nm或285 nm厚之SiO2。最接近壓電板之高聲阻抗層係360 nm厚之Si3N4。另外兩個高阻抗層係170 nm厚之W。與圖5A之SM XBAR 500相較，一介電Si3N4高阻抗層之併入使570 nm之導電W層更遠離IDT電極。基板係矽。
圖7B係具有圖7A之SM XBAR 700之依據頻率而變化之導納(對數標度)之正規化量值之一標繪圖760之一圖表750。經模擬XBAR 700之導納標繪圖760展現在4200 MHz之一頻率FR下之一高Q諧振及在4416 MHz之一頻率FAR下之一高Q反諧振。諧振頻率與反諧振頻率之間的差係216 MHz，或諧振頻率之約5.1%。
自150 MHz至216 MHz之諧振頻率與反諧振頻率之間的差之增加(與SM XBAR 600相較)指示與圖6之SM XBAR 600相比，圖7之SM XBAR 700具有更高機電耦合，此大概歸因於使導電W層更遠離壓電板。壓電板與聲布拉格反射器中之最接近金屬層之間的一距離可用來調整(按步驟)一SM XBAR之機電耦合因數。
實例4
圖8A係具有包括交替之低聲阻抗介電層及高聲阻抗介電層之一聲布拉格反射器810之一SM XBAR 800之一示意性截面視圖。壓電板係具有400 nm之一厚度之Z切割(即，Z軸法向於該板)鈮酸鋰(LN)。IDT指狀物係具有100 nm之一厚度之鋁。IDT指狀物之節距及寬度分別係5 μm及1 μm。IDT經定向使得壓電板之y軸法向於IDT指狀物。聲布拉格反射器810具有總共七個層。低聲阻抗層係75 nm厚之SiOC。高聲阻抗層為300 nm厚之Si3N4。基板係矽。可使用一10 nm之SiO2層來在壓電板與相鄰SiOC層之間提供黏附性。
圖8B係具有圖8A之SM XBAR 800之依據頻率而變化之導納(對數標度)之正規化量值之一標繪圖860之一圖表850。經模擬SM XBAR 800之導納標繪圖860展現在4539 MHz之一頻率FR下之一高Q諧振及在4965 MHz之一頻率FAR下之一高Q反諧振。諧振頻率與反諧振頻率之間的差係424 MHz，或諧振頻率之約9.3%。
SM XBAR 800之諧振頻率與反諧振頻率之間的大差(與先前實例相較)係歸因於一全介電布拉格反射器之使用及Si3N4與SiOC之間的大聲阻抗差。可使用氮化鋁用於聲布拉格反射器810中之高阻抗層獲得一類似結果。
圖9係展示一SM XBAR之Q因子與聲布拉格反射器中之層數目之間的關係之一圖表。SM XBAR類似於上文段落0064中所描述之SM XBAR。實線910係具有Si3N4/SiOC聲布拉格反射器之SM XBAR在諧振頻率下之Q因子之一標繪圖，其中在該布拉格反射器中具有總共3個、4個、5個及7個層。虛線920係具有Si3N4/SiOC聲布拉格反射器之SM XBAR在反諧振頻率下之Q因子之一標繪圖，其中在該布拉格反射器中具有總共3個、4個、5個及7個層。一對線930繪製具有SiO2/W聲布拉格反射器之SM XBAR在諧振頻率(實線)及反諧振頻率(虛線)下之Q因子，其中在該布拉格反射器中具有總共3個、4個、5個及7個層。圖9中所展示之所有資料起因於使用一有限元素法進行模擬。針對任一類型之聲布拉格反射器，需要總共至少四個層以在諧振頻率及反諧振頻率兩者下提供Q＞1000。此外，將聲布拉格反射器中之層數目增加至超過7可能提供Q因子之進一步改良。
圖10係比較具有一前側介電層之SM XBAR與不具有一前側介電層之SM XBAR之依據頻率而變化之導納之一曲線圖1000。導納資料起因於使用有限元素法(FEM)技術對SM XBAR器件進行模擬。壓電板係400 nm厚之Z切割鈮酸鋰。IDT具有3.9 μm之一節距且IDT導體係100 nm厚之鋁。
實線1010係具有tfd=0及1.1 μm之IDT導體寬度之一SM XBAR (即，不具有一介電層之一SM XBAR)之導納之一標繪圖。虛線1020係具有一100 nm厚之SiO2層及1.0 μm之IDT導體寬度之一SM XBAR之導納之一標繪圖。與不具有一介電層之SM XBAR相較，添加100 nm之SiO2層可使諧振頻率降低達約460 MHz。次級諧振之頻率及量值與初級剪切模式諧振不同地受影響。
重要的是，相同布拉格反射器結構(如圖8A中所展示)用於具有及不具有一介電層之諧振器。
圖11係比較XBAR (非固裝)諧振器與SM XBAR諧振器之依據前側介電質厚度而變化之諧振頻率之一曲線圖1100。兩個實心圓表示其導納特性在圖10中展示之SM XBAR。四個空心圓表示其導納特性在申請案第16/230,443號之圖7中展示之四個XBAR器件。四個XBAR具有以下參數：ts=400 nm；tfd=0 nm、30 nm、60 nm、90 nm；tm=100 nm；p=4.2 μm；w=500 nm；AP=20 μm；及N (IDT指狀物之總數目)=51。壓電板係Z切割鈮酸鋰，IDT導體係鋁，IDT經形成於懸置於基板中之空腔內之壓電板之部分上，且介電層係SiO2。
四個XBAR諧振器之前側介電質厚度與諧振頻率之間的關係大致線性，如由點劃線1120所指示。儘管圖11具有用於僅兩個SM XBAR諧振器之資料，但預期針對SM XBAR諧振器，前側介電質厚度與諧振頻率之間的關係亦將係大致線性，如由虛線1110所指示。
圖12係使用SM XBAR之一高頻帶通濾波器1200之一示意性電路圖。濾波器1200具有一習知梯形濾波器架構，該架構包含三個串聯諧振器1210A、1210B、1210C及兩個並聯諧振器1220A、1220B。三個串聯諧振器1210A、1210B及1210C串聯連接於一第一埠與一第二埠之間。在圖12中，第一埠及第二埠分別被標記為「輸入(In)」及「輸出(Out)」。然而，濾波器1200係對稱的且任一埠可用作濾波器之輸入或輸出。兩個並聯諧振器1220A、1220B自串聯諧振器之間的節點連接至接地。所有並聯諧振器及串聯諧振器皆係SM XBAR。
濾波器1200可包含：一基板，其具有一表面；一單晶壓電板，其具有平行之前表面及後表面；及一聲布拉格反射器，其經夾置於基板之表面與單晶壓電板之背面之間。基板、聲布拉格反射器及單晶板係由圖12中之矩形1210表示。形成於單晶壓電板之前表面上之一導體圖案包含用於三個串聯諧振器1210A、12110B、1210C及兩個並聯諧振器1220A、1220B之各者之交叉指形換能器(IDT)。所有IDT皆經組態以回應於施加至各IDT之各自射頻信號而在單晶壓電板中激發剪切聲波。
在一梯形濾波器(諸如濾波器1200)中，並聯諧振器之諧振頻率通常低於串聯諧振器之諧振頻率。一SM XBAR諧振器之諧振頻率部分地由IDT節距判定。IDT節距亦影響其他濾波器參數，包含阻抗及功率處置能力。針對寬頻帶濾波器應用，僅使用IDT節距差提供並聯諧振器與串聯諧振器之諧振頻率之間的所要差可能係不切實際的。
為了降低一些或所有並聯諧振器相對於串聯諧振器之諧振頻率，可在並聯諧振器1220A、1220B之一者或兩者之IDT上方沈積具有一第一厚度t1之一第一介電層(由虛線矩形1225所表示)。可在串聯諧振器1210A、1210B、1210C之IDT上方沈積具有小於t1之一第二厚度t2之一第二介電層(由虛線矩形1215所表示)。第一介電層及第二介電層之各者之厚度可在0 nm與300 nm之間，使得0＜
t2＜
t1＜
300 nm。在串聯諧振器之諧振頻率與並聯諧振器之諧振頻率之間需要至少100 MHz之一偏移之情況下，使用兩個不同介電層厚度可能係適當的。當介電層係二氧化矽時，t1-t2＞
25 nm足以在串聯諧振器之諧振頻率與並聯諧振器之諧振頻率之間引起至少100 MHz之一偏移。
方法描述
圖13係用於製造一SM XBAR或併入SM XBAR之一濾波器之一方法1300之一簡化流程圖。方法1300開始於1310處，其中在一犧牲基板1302及一器件基板1304上安置一壓電薄膜。方法1310結束於1395處，其中完成一SM XBAR或濾波器。圖13之流程圖僅包含主要程序步驟。可在圖13中所展示之步驟之前、之間、之後及期間執行各種習知程序步驟(例如，表面製備、清潔、檢測、烘烤、退火、監測、測試等)。
接合至一非壓電基板之單晶壓電材料之薄板係市售的。在本申請案時，鈮酸鋰板及鉭酸鋰板兩者可用於接合至包含矽、石英及熔融矽石之各種基板。其他壓電材料之薄板可係現在或將來可用的。壓電板之厚度可在300 nm與1000 nm之間。當基板係矽時，一SiO2層可經安置於壓電板與基板之間。壓電板1302可為例如接合至具有一中介SiO2層之一矽晶圓的具有400 nm之一厚度之z切割鈮酸鋰(如在所有先前實例中所使用)。器件基板1304可為矽(如在先前實例中所使用)、熔融矽石、石英或某種其他材料。
在1320處，藉由沈積高聲阻抗材料及低聲阻抗材料之交替層來形成一聲布拉格反射器。該等層之各者具有等於或約為聲波長之四分之一的一厚度。具有相對低聲阻抗之材料包含二氧化矽、碳氧化矽、鋁及特定塑膠，諸如交聯聚苯聚合物。具有相對高聲阻抗之材料包含氮化矽、氮化鋁及金屬，諸如鉬、鎢、金及鉑。所有高聲阻抗層未必係相同材料，且所有低聲阻抗層未必係相同材料。聲布拉格反射器中之總層數目可自約五個至超過二十個。
在1320處，可在犧牲基板1302上之壓電板之表面上或在器件基板1304之一表面上沈積聲布拉格反射器之所有層。替代地，可在犧牲基板1302上之壓電板之表面上沈積聲布拉格反射器之一些層，且可在器件基板1304之一表面上沈積聲布拉格反射器之剩餘層。
在1330處，可接合犧牲基板1302上之壓電板及器件基板1304，使得聲布拉格反射器之層經夾置於壓電板與器件基板之間。可使用一晶圓接合程序(諸如直接接合、表面活化或電漿活化接合、靜電接合或某種其他接合技術)接合犧牲基板1302上之壓電板及器件基板1304。應注意，當聲布拉格反射器之一或多個層經沈積於壓電板及器件基板兩者上時，接合將發生在聲布拉格反射器之層之間或內。
在可接合犧牲基板1302上之壓電板及器件基板1304之後，在1340處移除犧牲基板及任何中介層以曝露壓電板之表面(先前面向犧牲基板之表面)。可例如藉由材料相依濕式或乾式蝕刻或某個其他程序移除犧牲基板。
在1350處，藉由在當在1340處移除犧牲基板時曝露之壓電板之表面上沈積及圖案化一或多個導體層來形成包含各SM XBAR之IDT之一導體圖案。導體圖案可例如為鋁、一鋁合金、銅、一銅合金或某種其他導電金屬。視情況，可在導體層下方(即，在導體層與壓電板之間)及/或頂部上安置一或多個其他材料層。例如，可使用鈦、鉻或其他金屬之一薄膜來改良導體層與壓電板之間的黏附性。金、鋁、銅或其他更高電導率金屬之一導電增強層可經形成於導體圖案之部分上方(例如，IDT匯流條及IDT之間的互連件)。
在1350處，可藉由在壓電板之表面上方循序地沈積導體層及視情況一或多個其他金屬層來形成導體圖案。接著可藉由蝕穿經圖案化光阻劑來移除過剩金屬。可例如藉由電漿蝕刻、反應性離子蝕刻、濕式化學蝕刻及其他蝕刻技術蝕刻導體層。
替代地，在1350處，可使用一剝離程序來形成導體圖案。光阻劑可經沈積於壓電板上方且經圖案化以界定導體圖案。可循序地在壓電板之表面上方沈積導體層，及視情況一或多個其他層。接著可移除光阻劑，此移除過剩材料，從而留下導體圖案。
在1360處，可藉由在壓電板之前側上沈積一或多個介電材料層來形成一或多可選前側介電層。可使用一習知沈積技術(諸如濺鍍、蒸鍍或化學氣相沈積)來沈積一或多個介電層。一或多個介電層可經沈積於壓電板之整個表面上方，包含在導體圖案之頂部上。替代地，可使用一或多種微影程序(使用光罩)來限制介電層沈積至壓電板之選定區域的沈積，例如僅在IDT的交錯指狀物之間。亦可使用遮罩以允許將不同厚度之介電材料沈積於壓電板之不同部分上。例如，可在一或多個並聯諧振器之IDT上方沈積具有一第一厚度t1之一第一介電層。可在串聯諧振器之IDT上方沈積具有一第二厚度t2之一第二介電層，其中t2等於或大於零且小於t1。
在於1350及1360處形成導體圖案及可選前側介電層之後，在1370處可完成濾波器器件。可能發生在1370處之動作包含沈積及圖案化額外金屬層以形成除IDT導體圖案以外之導體；在該器件之全部或一部分上方沈積一囊封/鈍化層，諸如SiO2
或Si3
O4
；形成接合墊或焊料凸塊或用於在該器件與外部電路之間進行連接之其他構件；自內含多個器件之一晶圓切除個別器件；其他封裝步驟；及測試。可能發生在1370處之另一動作係藉由自該器件之前側添加或移除金屬或介電材料來調諧該器件內之諧振器的諧振頻率。在濾波器器件完成之後，該程序於1395處結束。
程序1300之一變動開始於1302處之單晶壓電晶圓，代替一不同材料之一犧牲基板上之一薄壓電板。將離子植入至壓電晶圓(圖13中未展示)之一表面下方之一受控深度。晶圓自表面至離子植入深度之部分係(或將變為)薄壓電板，且晶圓之其餘部分係犧牲基板。在1320處如先前所描述般形成聲布拉格反射器且在1330處接合壓電晶圓及器件基板，使得聲布拉格反射器經安置於壓電晶圓1302之經離子植入表面與器件基板1304之間。在1340處，壓電晶圓可能在經植入離子之平面處分裂(例如，使用熱衝擊)，從而留下一壓電材料薄板被曝露且接合至聲布拉格反射器。薄板壓電材料之厚度係由經植入離子之能量(及因此深度)判定。離子植入及一薄板之後續分離之程序通常被稱為「離子切片」。
結束語
貫穿本說明書，所展示實施例及實例應被視為實例性的，而非對所揭示或所主張裝置及程序進行限制。儘管本文中所呈現之諸多實例涉及方法動作或系統元件之特定組合，但應理解，彼等動作及彼等元件可以其他方式組合以實現相同目的。關於流程圖，可採取額外步驟及更少步驟，且可組合或進一步細化如所展示之步驟以達成本文中所描述之方法。僅結合一項實施例所論述之動作、元件及特徵並非意欲於被排除於其他實施例中之一類似角色之外。
如本文中所使用，「複數個」意謂著兩個或更多個。如本文中所使用，一「組」品項可包含此等品項之一或多者。如本文中所使用，無論是在書面描述或在發明申請專利範圍中，術語「包括」、「包含」、「攜帶」、「具有」、「內含」、「涉及」及類似者應被理解為係開放式的，即，意謂著包含但不限於。僅連接片語「由…組成」及「本質上由…組成」分別係關於發明申請專利範圍之封閉式或半封閉式連接片語。在發明申請專利範圍中使用序數術語(諸如「第一」、「第二」、「第三」等)來修飾一請求項元件本身並不意謂著一個請求項元件元素相對於另一請求項元件之任何優先權、優先級或順序，或執行一方法之動作之時間順序，但僅僅用作區分具有一特定名稱之一個請求項元件與具有同一名稱之另一元件(但用於序數術語)以區分請求項元件。如本文中所使用，「及/或」意謂著所列品項為替代物，但替代物亦包含所列品項之任何組合。
110:壓電板
112:前表面
114:後表面
120:基板
125:空腔
130:交叉指形換能器(IDT)
132:第一匯流條
134:第二匯流條
136:指狀物
200:固裝橫向激發薄膜腔體聲諧振器(SM XBAR)
210:壓電板
212:前表面
214:後表面
220:基板
222:表面
230:交叉指形換能器(IDT)
232:第一匯流條
234:第二匯流條
236:IDT指狀物
314:前側介電層
340:聲布拉格反射器
400:SM XBAR
410:壓電板
420:基板
430:交錯IDT指狀物
440:聲布拉格反射器
460:標繪圖
465:箭頭
500:SM XBAR
510:聲布拉格反射器
550:圖表
560:標繪圖
600:SM XBAR
610:聲布拉格反射器
650:圖表
660:標繪圖
700:SM XBAR
710:聲布拉格反射器
750:圖表
760:標繪圖
800:SM XBAR
810:聲布拉格反射器
850:圖表
860:標繪圖
910:實線
920:虛線
930:線
1000:曲線圖
1010:實線
1020:虛線
1100:曲線圖
1110:虛線
1120:點劃線
1200:高頻帶通濾波器
1210:矩形
1210A:串聯諧振器
1210B:串聯諧振器
1210C:串聯諧振器
1215:第二介電層/虛線矩形
1220A:並聯諧振器
1220B:並聯諧振器
1225:第一介電層/虛線矩形
1300:方法
1302:犧牲基板
1304:器件基板
1310:方法
1320:操作
1330:操作
1340:操作
1350:操作
1360:操作
1370:操作
1395:操作
AP:距離/孔徑
L:中心至中心距離/長度
p:節距
t1:第一厚度
t2:第二厚度
tfd:厚度
tm:厚度
ts:厚度
w:寬度
圖1包含一橫向激發薄膜腔體聲諧振器(XBAR)之一示意性平面視圖及示意性截面視圖。
圖2包含一固裝橫向激發薄膜腔體聲諧振器(SM XBAR)之一示意性平面視圖及一示意性截面視圖。
圖3係圖2之SM XBAR之一部分之一放大示意性截面視圖。
圖4係繪示一SM XBAR中之一剪切水平聲模之一圖表。
圖5A係一第一實例性SM XBAR之一部分之一放大示意性截面視圖。
圖5B係第一實例性SM XBAR之導納之一圖表。
圖6A係一第二實例性SM XBAR之一部分之一放大示意性截面視圖。
圖6B係第二實例性SM XBAR之導納之一圖表。
圖7A係一第三實例性SM XBAR之一部分之一放大示意性截面視圖。
圖7B係第三實例性SM XBAR之導納之一圖表。
圖8A係一第四實例性SM XBAR之一部分之一放大示意性截面視圖。
圖8B係第四實例性SM XBAR之導納之一圖表。
圖9係展示SM XBAR之Q因子對聲布拉格反射器中之層數目之相依性之一圖表。
圖10係比較具有不同介電層厚度之兩個經模擬SM XBAR之導納之一圖表。
圖11係比較經模擬SM XBAR與XBAR之依據前介電層厚度而變化之導納之一圖表。
圖12係包含五個SM XBAR之一濾波器之一方塊圖。
圖13係用於製造一SM XBAR之一程序之一流程圖。
貫穿此描述，圖中出現之元件被指派三位數或四位數之參考指定符，其中兩個最低有效數位特定於元件且一個或兩個最高有效數位係其中首先介紹元件之圖號。可假定未結合一圖所描述之一元件具有相同於具有相同參考指定符之一前述元件之特性及功能。
110:壓電板
112:前表面
114:後表面
120:基板
125:空腔
130:交叉指形換能器(IDT)
132:第一匯流條
134:第二匯流條
136:指狀物
AP:距離/孔徑
L:中心至中心距離/長度
Claims (27)
- 一種聲諧振器器件，其包括：一基板，其具有一表面；一單晶壓電板，其具有前表面及後表面；一聲布拉格反射器，其經夾置於該基板之該表面與該單晶壓電板之該後表面之間，該聲布拉格反射器經組態以在該聲諧振器器件之一諧振頻率下反射剪切聲波；及一交叉指形換能器(IDT)，其經形成於該單晶壓電板之該前表面上，該IDT及該單晶壓電板經組態使得經施加至該IDT之一射頻信號在該單晶壓電板內激發一剪切主聲模。
- 如請求項1之器件，其中該剪切主聲模之一聲能流方向係實質上正交於該單晶壓電板之該前表面及該後表面。
- 如請求項2之器件，其中該單晶壓電板係鈮酸鋰及鉭酸鋰中之一者，且該單晶壓電板之一z軸係法向於該前表面及該後表面。
- 如請求項2之器件，其中該IDT經定向使得該IDT之指狀物平行於該單晶壓電板之一x軸。
- 如請求項1之器件，其中該單晶壓電板之該前表面與該後表面之間之 一厚度大於或等於200nm且小於或等於1000nm。
- 如請求項1之器件，其中該聲布拉格反射器包括：複數個層，其等在高聲阻抗層與低聲阻抗層之間交替，其中所有該複數個層皆係介電材料。
- 如請求項6之器件，其中該等高聲阻抗層係氮化矽及氮化鋁中之一者，且該等低聲阻抗層係碳氧化矽。
- 如請求項7之器件，其中該複數個層包含至少四個層且不超過七個層。
- 如請求項1之器件，其中該IDT之指狀物之一節距大於或等於該單晶壓電板之一厚度的2倍且小於或等於該單晶壓電板之該厚度的25倍。
- 如請求項9之器件，其中該IDT之該等指狀物具有一寬度，且該節距大於或等於該寬度的2倍且小於或等於該寬度的25倍。
- 一種製造一濾波器器件之方法，該方法包括：藉由在一器件基板之一表面及一單晶壓電板之一第一表面中之一者或兩者上沈積材料層來形成一聲布拉格反射器，該單晶壓電板具有經附接 至一犧牲基板之一第二表面；將經附接至該犧牲基板之該單晶壓電板接合至該器件基板，使得該聲布拉格反射器之該等材料層係夾置於該單晶壓電板之該第一表面與該器件基板之間；移除該犧牲基板以曝露該單晶壓電板之該第二表面；在該單晶壓電板之該第二表面上形成一導體圖案，該導體圖案包含內含一並聯諧振器及一串聯諧振器之各自複數個諧振器的複數個交叉指形換能器(IDT)；在該並聯諧振器之該IDT上方沈積具有一第一厚度之一第一介電層；及在該串聯諧振器之該IDT上方沈積具有一第二厚度之一第二介電層，該第二厚度小於該第一厚度，其中該單晶壓電板及所有該複數個IDT皆經組態使得經施加至該等IDT之各自射頻信號在該單晶壓電板內激發各自剪切主聲模。
- 一種濾波器器件，其包括：一基板，其具有一表面；一單晶壓電板，其具有前表面及後表面；一聲布拉格反射器，其經夾置於該基板之該表面與該單晶壓電板之該後表面之間；及一導體圖案，其經形成於該單晶壓電板之該前表面上，該導體圖案包含內含一並聯諧振器及一串聯諧振器之各自複數個諧振器的複數個交叉指形換能器(IDT)；一第一介電層，其具有經沈積於該並聯諧振器之該IDT上方之一第一 厚度；及一第二介電層，其具有經沈積於該串聯諧振器之該IDT上方之一第二厚度，該第二厚度小於該第一厚度，其中該單晶壓電板及所有該複數個IDT皆經組態使得經施加至該等IDT之各自射頻信號在該單晶壓電板內激發各自剪切主聲模。
- 如請求項12之濾波器器件，其中所有該等各自剪切主聲模之一聲能流方向係實質上正交於該單晶壓電板之該前表面及該後表面。
- 如請求項12之濾波器器件，其中該單晶壓電板係鈮酸鋰及鉭酸鋰中之一者，且該單晶壓電板之一z軸係法向於該前表面及該後表面。
- 如請求項14之濾波器器件，其中所有該複數個IDT皆經定向使得各IDT之指狀物平行於該單晶壓電板之一x軸。
- 如請求項12之濾波器器件，其中該聲布拉格反射器經組態以在包含所有該複數個諧振器之諧振頻率及反諧振頻率之一頻率範圍內反射剪切聲波。
- 如請求項16之濾波器器件，其中該聲布拉格反射器包括： 複數個介電層，其等在高聲阻抗層與低聲阻抗層之間交替，其中該等高聲阻抗層係氮化矽及氮化鋁中之一者，且該等低聲阻抗層係碳氧化矽。
- 如請求項17之濾波器器件，其中該複數個介電層包含至少四個層且不超過七個層。
- 如請求項12之濾波器器件，其中該單晶壓電板之該前表面與該後表面之間之一厚度大於或等於200nm且小於或等於1000nm。
- 如請求項12之濾波器器件，其中所有該複數個IDT皆具有大於或等於該單晶壓電板之該厚度之2倍且小於或等於該單晶壓電板之該厚度之25倍之各自節距。
- 如請求項12之濾波器器件，其中該第二厚度大於或等於0，且該第一厚度小於或等於300nm。
- 如請求項12之濾波器器件，其中該複數個諧振器包含兩個或更多個並聯諧振器，且該第一介電層經沈積於該兩個或更多個並聯諧振器上方。
- 如請求項12之濾波器器件，其中 該複數個諧振器包含兩個或更多個串聯諧振器，且該第二介電層經沈積於該兩個或多個串聯諧振器上方。
- 如請求項12之濾波器器件，其中該並聯諧振器之一諧振頻率係至少部分地由該第一厚度設定，且該串聯諧振器之一諧振頻率係至少部分地由該第二厚度設定。
- 如請求項24之濾波器器件，其中該第一厚度與該第二厚度之間之一差足以將該並聯諧振器之該諧振頻率設定為比該串聯諧振器之該諧振頻率低至少100MHz。
- 如請求項12之濾波器器件，其中該第一介電層及該第二介電層係SiO2，且該第一厚度與該第二厚度之間之一差係大於或等於25nm。
- 一種製造一聲諧振器器件之方法，其包括：藉由在一器件基板之一表面及一單晶壓電板之一第一表面中之一者或兩者上沈積材料層來形成一聲布拉格反射器，該單晶壓電板具有經附接至一犧牲基板之一第二表面；將經附接至該犧牲基板之該單晶壓電板接合至該器件基板，使得該聲布拉格反射器之該等材料層係夾置於該單晶壓電板之該第一表面與該器件基板之間；移除該犧牲基板以曝露該單晶壓電板之該第二表面；及 在該單晶壓電板之該第二表面上形成一交叉指形換能器(IDT)，其中該單晶壓電板及該IDT經組態使得經施加至該IDT之一射頻信號在該單晶壓電板內激發一剪切主聲模。
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