DE112019005403T5

DE112019005403T5 - Fest montierter transversal angeregter akustischer filmvolumenresonator

Info

Publication number: DE112019005403T5
Application number: DE112019005403.1T
Authority: DE
Inventors: Viktor PLESSKI; Soumya Yandrapalli; Robert B. Hammond; Bryant Garcia; Patrick Turner; Jesson John; Ventsislav Yantchev
Original assignee: Resonant Inc
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2018-10-31
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2021-07-15
Also published as: TWI805867B; US20240039506A1; CN113169721B; WO2020092414A3; CN113169721A; TW202037074A; WO2020092414A2; JP7501529B2; JP2022506474A

Abstract

Es werden Resonatorvorrichtungen, Filtervorrichtungen und Herstellungsverfahren offenbart. Eine Resonatorvorrichtung enthält ein Substrat und eine einkristalline piezoelektrische Platte mit parallelen Vorder- und Rückflächen. Ein akustischer Bragg-Reflektor ist zwischen einer Oberfläche des Substrats und der Rückfläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte sandwichartig angeordnet. Ein Interdigitalwandler (IDT) ist auf der Vorderfläche ausgebildet. Der IDT ist dazu eingerichtet, akustische Scherwellen in der piezoelektrischen Platte in Reaktion auf ein an den IDT angelegtes Hochfrequenzsignal anzuregen.

Description

HINTERGRUND
Gebiet
Diese Offenbarung bezieht sich auf Hochfrequenzfilter, die akustische Wellenresonatoren verwenden, und speziell auf Filter zur Verwendung in Kommunikationsgeräten.
Beschreibung des Standes der Technik
Ein Hochfrequenz (HF)-Filter ist ein Gerät mit zwei Anschlüssen, das dazu eingerichtet ist, einige Frequenzen durchzulassen und andere Frequenzen zu unterbinden, wobei „durchlassen“ bedeutet, mit relativ geringem Signalverlust zu übertragen, und „unterbinden“ bedeutet, zu blockieren oder wesentlich zu dämpfen. Der Bereich der Frequenzen, die von einem Filter durchgelassen werden, wird als „Durchlassbereich“ des Filters bezeichnet. Der Bereich der Frequenzen, die von einem solchen Filter unterbunden werden, wird als „Sperrband“ des Filters bezeichnet. Ein typisches HF-Filter hat mindestens ein Durchlassband und mindestens ein Sperrband. Die spezifischen Anforderungen an ein Durchlass- oder Sperrband hängen von der jeweiligen Anwendung ab. Zum Beispiel kann ein „Durchlassband“ als ein Frequenzbereich definiert werden, in dem die Einfügedämpfung eines Filters besser als ein definierter Wert wie 1 dB, 2 dB oder 3 dB ist. Ein „Sperrband“ kann als ein Frequenzbereich definiert werden, in dem die Einfügedämpfung eines Filters größer als ein definierter Wert ist, wie z. B. 20 dB, 30 dB, 40 dB oder größer, je nach Anwendung.
HF-Filter werden in Kommunikationssystemen verwendet, in denen Informationen über drahtlose Verbindungen übertragen werden. HF-Filter finden sich beispielsweise in den HF-Frontends von Mobilfunk-Basisstationen, Mobiltelefonen und Computergeräten, Satellitentransceivern und Bodenstationen, IoT-Geräten (Internet der Dinge), Laptops und Tablets, Festpunkt-Funkverbindungen und anderen Kommunikationssystemen. HF-Filter werden auch in Radar-, Elektronik- und Informationskriegsführungssystemen verwendet.
HF-Filter erfordern typischerweise viele Kompromisse beim Design, um für jede spezifische Anwendung den besten Kompromiss zwischen Leistungsparametern wie Einfügedämpfung, Unterdrückung, Isolation, Leistungsaufnahme, Linearität, Größe und Kosten zu erreichen. Spezifische Konstruktions- und Fertigungsmethoden und - verbesserungen können gleichzeitig eine oder mehrere dieser Anforderungen erfüllen.
Leistungsverbesserungen an den HF-Filtern in einem drahtlosen System können weitreichende Auswirkungen auf die Systemleistung haben. Verbesserungen bei HF-Filtern können genutzt werden, um die Systemleistung zu verbessern, z. B. durch größere Zellen, längere Akkulaufzeit, höhere Datenraten, größere Netzwerkkapazität, geringere Kosten, verbesserte Sicherheit, höhere Zuverlässigkeit usw. Diese Verbesserungen können auf vielen Ebenen des drahtlosen Systems sowohl einzeln als auch in Kombination realisiert werden, zum Beispiel auf der Ebene des HF-Moduls, des HF-Transceivers, des mobilen oder festen Subsystems oder des Netzwerks.
Der Wunsch nach größeren Bandbreiten der Kommunikationskanäle führt unweigerlich zur Nutzung höherer Kommunikationsfrequenzbänder. Die aktuelle LTE™-Spezifikation (Long Term Evolution) definiert Frequenzbänder von 3,3 GHz bis 5,9 GHz. Einige dieser Bänder werden derzeit noch nicht genutzt. Zukünftige Vorschläge für die drahtlose Kommunikation beinhalten Millimeterwellen-Kommunikationsbänder mit Frequenzen bis zu 28 GHz.
Hochleistungs-HF-Filter für aktuelle Kommunikationssysteme enthalten üblicherweise akustische Wellenresonatoren, einschließlich akustischer Oberflächenwellenresonatoren (SAW), akustischer Volumenwellenresonatoren (BAW), akustischer Filmvolumenresonatoren (FBAR) und anderer Arten von akustischen Resonatoren. Diese bestehenden Technologien sind jedoch nicht gut für den Einsatz bei den höheren Frequenzen geeignet, die für zukünftige Kommunikationsnetzwerke vorgeschlagen werden.
Figurenliste

1 enthält eine schematische Draufsicht und schematische Querschnittsansichten eines transversal angeregten akustischen Filmvolumenresonators (XBAR).
2 enthält eine schematische Draufsicht und eine schematische Querschnittsansicht eines fest montierten transversal angeregten akustischen Filmvolumenresonators (SM XBAR).
3 ist eine erweiterte schematische Querschnittsansicht eines Teils des SM XBAR von 2.
4 ist eine Grafik, die eine horizontale akustische Schermode in einem SM XBAR darstellt.
5A ist eine erweiterte schematische Querschnittsansicht eines Teils eines ersten beispielhaften SM XBAR.
5B ist ein Diagramm der Admittanz des ersten beispielhaften SM XBAR.
6A ist eine erweiterte schematische Querschnittsansicht eines Teils eines zweiten beispielhaften SM XBAR.
6B ist ein Diagramm der Admittanz des zweiten beispielhaften SM XBAR.
7A ist eine erweiterte schematische Querschnittsansicht eines Teils eines dritten beispielhaften SM XBAR.
7B ist ein Diagramm der Admittanz des dritten beispielhaften SM XBAR.
8A ist eine erweiterte schematische Querschnittsansicht eines Teils eines vierten beispielhaften SM XBAR.
8B ist ein Diagramm der Admittanz des vierten beispielhaften SM XBAR.
9 ist ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Q-Faktors von SM XBAR von der Anzahl der Schichten im akustischen Bragg-Reflektor zeigt.
10 ist ein Diagramm, in dem die Admittanzen von zwei simulierten SM XBAR mit unterschiedlichen dielektrischen Schichtdicken verglichen werden.
11 ist ein Diagramm, das die Admittanzen von simulierten SM XBAR und XBAR als Funktion der Dicke der dielektrischen Frontschicht vergleicht.
12 ist ein Blockdiagramm eines Filters mit fünf SM XBAR.
13 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines SM XBAR.

In dieser Beschreibung werden Elemente, die in Figuren vorkommen, mit drei- oder vierstelligen Referenzbezeichnern versehen, wobei die beiden niedrigstwertigen Ziffern spezifisch für das Element sind und die ein- oder zweistellige höchstwertige Ziffer die Nummer der Figur ist, in der das Element erstmals eingeführt wird. Bei einem Element, das nicht in Verbindung mit einer Figur beschrieben wird, kann davon ausgegangen werden, dass es die gleichen Eigenschaften und die gleiche Funktion hat wie ein zuvor beschriebenes Element mit dem gleichen Referenzbezeichner.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Vorrichtungsbeschreibung
1 zeigt eine vereinfachte schematische Draufsicht und orthogonale Querschnittsansichten eines transversal angeregten akustischen Filmvolumenresonators (XBAR) 100, wie in der Anmeldung 16/230,443, TRANSVERSAL ANGEREGTERAKUSTISCHER FILNIVOLUNIIENRESONATOR (TRANSVERSELY-EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR) beschrieben. XBAR-Resonatoren wie der Resonator 100 können in einer Vielzahl von HF-Filtern verwendet werden, darunter Bandsperrfilter, Bandpassfilter, Duplexer und Multiplexer. XBAR eignen sich besonders für den Einsatz in Filtern für Kommunikationsbänder mit Frequenzen über 3 GHz.
Der XBAR 100 besteht aus einer Dünnfilm-Leiterstruktur, die auf einer Oberfläche einer piezoelektrischen Platte 110 mit parallelen Vorder- und Rückflächen 112 bzw. 114 ausgebildet ist. Die piezoelektrische Platte ist eine dünne einkristalline Schicht aus einem piezoelektrischen Material wie Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Lanthangalliumsilikat, Galliumnitrid oder Aluminiumnitrid. Die piezoelektrische Platte wird so geschnitten, dass die Orientierung der X-, Y- und Z-Kristallachsen in Bezug auf die Vorder- und Rückflächen bekannt und konsistent ist. In den in diesem Patent vorgestellten Beispielen sind die piezoelektrischen Platten Z-geschnitten, d. h. die Z-Achse steht normal zu den Flächen. XBAR können jedoch auch auf piezoelektrischen Platten mit anderen kristallographischen Orientierungen hergestellt werden.
Die Rückfläche 114 der piezoelektrischen Platte 110 ist an einem Substrat 120 befestigt, das die piezoelektrische Platte 110 mechanisch unterstützt. Das Substrat 120 kann z. B. aus Silizium, Saphir, Quarz oder einem anderen Material bestehen. Die piezoelektrische Platte 110 kann mit einem Wafer-Bonding-Verfahren auf das Substrat 120 gebondet, auf dem Substrat 120 aufgewachsen oder auf andere Weise an dem Substrat befestigt werden. Die piezoelektrische Platte kann direkt auf dem Substrat befestigt sein oder über eine oder mehrere Materialzwischenschichten auf dem Substrat angebracht sein.
Die Leiterstruktur des XBAR 100 umfasst einen Interdigitalwandler (IDT) 130. Der IDT 130 umfasst eine erste Vielzahl von parallelen Fingern, wie z. B. Finger 136, die sich von einer ersten Sammelschiene 132 erstrecken, und eine zweite Vielzahl von Fingern, die sich von einer zweiten Sammelschiene 134 erstrecken. Die erste und zweite Vielzahl paralleler Finger sind ineinander verschachtelt. Die ineinander verschachtelten Finger überlappen über einen Abstand AP, der allgemein als „Apertur“ des IDT bezeichnet wird. Der Abstand L von Mitte zu Mitte zwischen den äußersten Fingern des IDT 130 ist die „Länge“ des IDT.
Die erste und zweite Sammelschiene 132, 134 dienen als Anschlüsse des XBAR 100. Ein Hochfrequenz- oder Mikrowellensignal, das zwischen den beiden Sammelschienen 132, 134 des IDT 130 angelegt wird, regt eine akustische Welle innerhalb der piezoelektrischen Platte 110 an. Wie noch näher erläutert wird, handelt es sich bei der angeregten akustischen Welle um eine Scherwelle, die sich in der Richtung senkrecht zur Oberfläche der piezoelektrischen Platte 110 ausbreitet, die auch senkrecht oder quer zur Richtung des von den IDT-Fingern erzeugten elektrischen Feldes liegt. Somit wird der XBAR als ein transversal angeregter Filmvolumenwellenresonator betrachtet.
In dem Substrat 120 ist ein Hohlraum 125 ausgebildet, so dass der Teil der piezoelektrischen Platte 110, der den IDT 130 enthält, über dem Hohlraum 125 hängt, ohne das Substrat 120 zu berühren. „Hohlraum“ hat die übliche Bedeutung von „ein leerer Raum innerhalb eines festen Körpers“. Der Hohlraum 125 kann ein Loch sein, das das Substrat 120 vollständig durchdringt (wie in Abschnitt A-A und Abschnitt B-B gezeigt), oder eine Ausnehmung im Substrat 120. Der Hohlraum 125 kann z. B. durch selektives Ätzen des Substrats 120 vor oder nach dem Anbringen der piezoelektrischen Platte 110 und des Substrats 120 gebildet werden. Wie in 1 dargestellt, hat der Hohlraum 125 eine rechteckige Form mit einer Ausdehnung, die größer ist als die Apertur AP und die Länge L des IDT 130. Der Hohlraum eines XBAR kann eine andere Form haben, z. B. ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Vieleck. Der Hohlraum eines XBAR kann mehr oder weniger als vier Seiten haben, die gerade oder gekrümmt sein können.
Zur Vereinfachung der Darstellung in 1 ist der geometrische Abstand und die Breite der IDT-Finger in Bezug auf die Länge (Dimension L) und die Apertur (Dimension AP) des XBAR stark übertrieben dargestellt. Ein typischer XBAR hat mehr als zehn parallele Finger in dem IDT 110. Ein XBAR kann Hunderte, möglicherweise Tausende von parallelen Fingern in dem IDT 110 haben. Ebenso ist die Dicke der Finger in den Querschnittsansichten stark übertrieben dargestellt.
2 zeigt eine vereinfachte schematische Draufsicht und eine orthogonale Querschnittsansicht eines fest montierten transversal angeregten akustischen Filmvolumenresonators (SM XBAR) 200. SM XBAR-Resonatoren wie der Resonator 200 können in einer Vielzahl von HF-Filtern verwendet werden, darunter Bandsperrfilter, Bandpassfilter, Duplexer und Multiplexer. SM XBAR eignen sich besonders für den Einsatz in Filtern für Kommunikationsbänder mit Frequenzen über 3 GHz.
Der SM XBAR 200 besteht aus einer Dünnfilm-Leiterstruktur, die auf einer vorderen Oberfläche 212 einer piezoelektrischen Platte 210 mit parallelen Vorder- und Rückflächen 212 bzw. 214 ausgebildet ist. Die piezoelektrische Platte ist eine dünne einkristalline Schicht aus einem piezoelektrischen Material wie Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Lanthangalliumsilikat, Galliumnitrid oder Aluminiumnitrid. Die piezoelektrische Platte wird so geschnitten, dass die Orientierung der X-, Y- und Z-Kristallachsen in Bezug auf die Vorder- und Rückflächen bekannt und konsistent ist. In den in diesem Patent vorgestellten Beispielen sind die piezoelektrischen Platten Z-geschnitten, d. h. die Z-Achse verläuft normal zu den Flächen der Platte. SM XBAR können jedoch auch auf piezoelektrischen Platten mit anderen kristallographischen Orientierungen hergestellt werden.
Die Rückfläche 214 der piezoelektrischen Platte 210 ist an einem Substrat 220 befestigt und wird von diesem mechanisch getragen. Das Substrat 220 kann z. B. aus Silizium, Saphir, Quarz oder einem anderen Material bestehen. Wie nachfolgend beschrieben wird, kann die piezoelektrische Platte 210 über eine Vielzahl von Materialzwischenschichten am Substrat 220 befestigt sein.
Die Leiterstruktur des SM XBAR 200 umfasst einen Interdigitalwandler (IDT) 230. Der IDT 230 umfasst eine erste Vielzahl von parallelen Fingern, wie z. B. Finger 236, die sich von einer ersten Sammelschiene 232 erstrecken, und eine zweite Vielzahl von Fingern, die sich von einer zweiten Sammelschiene 234 erstrecken. Die erste und zweite Vielzahl paralleler Finger sind ineinander verschachtelt. Die ineinander verschachtelten Finger überlappen sich über einen Abstand AP, der allgemein als „Apertur“ des IDT bezeichnet wird. Der Abstand L von Mitte zu Mitte zwischen den äußersten Fingern des IDT 230 ist die „Länge“ des IDT. Jeder Finger der ersten und zweiten Vielzahl von Fingern kann parallel zur X-Achse der piezoelektrischen Platte 210 liegen.
Die erste und zweite Sammelschiene 232, 234 dienen als Anschlüsse der SM XBAR 200. Ein Hochfrequenz- oder Mikrowellensignal, das zwischen den beiden Sammelschienen 232, 234 des IDT 230 angelegt wird, regt eine akustische Welle innerhalb der piezoelektrischen Platte 210 an. Wie noch näher erläutert wird, handelt es sich bei der angeregten akustischen Welle um eine Scherwelle, die sich in der Richtung senkrecht zur Oberfläche der piezoelektrischen Platte 210 ausbreitet, die auch senkrecht bzw. quer zur Richtung des von den IDT-Fingern erzeugten elektrischen Feldes liegt. Somit wird der SM XBAR als transversal angeregter Filmvolumenwellenresonator betrachtet.
Zur Vereinfachung der Darstellung in 2 sind der geometrische Abstand und die Breite der IDT-Finger in Bezug auf die Länge (Dimension L) und die Apertur (Dimension AP) des SM XBAR stark übertrieben dargestellt. Ein typischer SM XBAR hat mehr als zehn parallele Finger in dem IDT 210. Ein SM XBAR kann Hunderte, möglicherweise Tausende von parallelen Fingern in dem IDT 210 haben. Ebenso ist die Dicke der Finger in den Querschnittsansichten stark übertrieben dargestellt.
3 zeigt eine detaillierte schematische Querschnittsansicht des SM XBAR 200. Die piezoelektrische Platte 210 ist eine einkristalline Schicht aus piezoelektrischem Material mit einer Dicke ts. ts kann z. B. 100 nm bis 1500 nm betragen. Die Anmeldung 16/230,443, TRANSVERSAL ANGEREGTER AKUSTISCHER FILMVOLUMENRESONATOR (TRANSVERSELY-EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR), enthält Simulationsdaten für XBAR auf piezoelektrischen Platten mit einer Dicke von 200 nm bis 1000 nm. Bei Verwendung in Filtern für LTE™-Bänder von 3,4 GHZ bis 6 GHz (z. B. Bänder 42, 43, 46) kann die Dicke ts z. B. 200 nm bis 500 nm betragen.
Auf der Vorderfläche 212 der piezoelektrischen Platte 210 kann optional eine vorderseitige dielektrische Schicht 314 ausgebildet sein. Die vorderseitige dielektrische Schicht 314 hat eine Dicke tfd. Die vorderseitige dielektrische Schicht 314 kann zwischen den IDT-Fingern 236 ausgebildet sein. Obwohl in 2 nicht dargestellt, kann die vorderseitige dielektrische Schicht 314 auch über den IDT-Fingern 236 abgeschieden werden. Die vorderseitige dielektrische Schicht 314 kann ein nicht-piezoelektrisches dielektrisches Material sein, wie z. B. Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, tfd kann z. B. 0 bis 500 nm betragen.
Die IDT-Finger 238 können aus Aluminium oder einer Legierung im Wesentlichen aus Aluminium, Kupfer oder einer Legierung im Wesentlichen aus Kupfer, Beryllium, Gold oder einem anderen leitfähigen Material bestehen. Dünne (relativ zur Gesamtdicke der Leiter) Schichten aus anderen Metallen, wie Chrom oder Titan, können unter und/oder über den Fingern gebildet werden, um die Haftung zwischen den Fingern und der piezoelektrischen Platte 210 zu verbessern und/oder um die Finger zu passivieren oder zu verkapseln. Die Sammelschienen (232, 234 in 2) des IDT können aus den gleichen oder anderen Materialien wie die Finger bestehen.
Die Dimension p ist der Mittenabstand oder der „Abstand“ („pitch“) der IDT-Finger, die als Abstand des IDT und/oder als Abstand des SM XBAR bezeichnet werden kann. Die Dimension w ist die Breite oder „Marke“ der IDT-Finger. Der IDT eines SM XBAR unterscheidet sich wesentlich von den IDT, die in akustischen Oberflächenwellenresonatoren (SAW) verwendet werden. In einem SAW-Resonator beträgt der Abstand des IDT die Hälfte der akustischen Wellenlänge bei der Resonanzfrequenz. Darüber hinaus liegt das Verhältnis von Marke zu Abstand eines SAW-Resonator-IDT typischerweise nahe bei 0,5 (d. h. die Marke oder Fingerbreite w beträgt etwa ein Viertel der akustischen Wellenlänge bei Resonanz). In einem SM XBAR beträgt der Abstand p des IDT typischerweise das 2- bis 20-Fache der Breite w der Finger. Außerdem beträgt der Abstand p des IDT typischerweise das 2 bis 20-Fache der Dicke ts der piezoelektrischen Platte 212. Die Breite der IDT-Finger in einem SM XBAR ist nicht auf ein Viertel der akustischen Wellenlänge bei Resonanz beschränkt. Beispielsweise kann die Breite der SM XBAR IDT-Finger 500 nm oder mehr betragen, so dass die IDT mittels optischer Lithographie hergestellt werden können. Die Dicke tm der IDT-Finger kann von 100 nm bis etwa gleich der Breite w betragen. Die Dicke der Sammelschienen (132, 134 in 1) des IDT kann gleich oder größer als die Dicke tm der IDT-Finger sein.
Ein akustischer Bragg-Reflektor 340 ist zwischen einer Oberfläche 222 des Substrats 220 und der Rückfläche 214 der piezoelektrischen Platte 110 sandwichartig angeordnet. Der Begriff „sandwichartig“ bedeutet, dass der akustische Bragg-Reflektor 340 sowohl zwischen einer Oberfläche 222 des Substrats 220 und der Rückfläche 214 der piezoelektrischen Platte 210 angeordnet als auch physisch mit diesen verbunden ist. Unter Umständen können zwischen dem akustischen Bragg-Reflektor 340 und der Oberfläche 222 des Substrats 220 und/oder zwischen dem Bragg-Reflektor 340 und der Rückfläche 214 der piezoelektrischen Platte 210 dünne Schichten aus zusätzlichen Materialien angeordnet sein. Solche zusätzlichen Materialschichten können z. B. vorhanden sein, um das Bonden der piezoelektrischen Platte 210, des akustischen Bragg-Reflektors 340 und des Substrats 220 zu erleichtern.
Der akustische Bragg-Reflektor 340 enthält mehrere Schichten, die abwechselnd aus Materialien mit hoher akustischer Impedanz und Materialien mit niedriger akustischer Impedanz bestehen. „Hoch“ und „niedrig“ sind relative Begriffe. Für jede Schicht sind die benachbarten Schichten der Maßstab für den Vergleich. Jede Schicht mit „hoher“ akustischer Impedanz hat eine höhere akustische Impedanz als die beiden benachbarten Schichten mit niedriger akustischer Impedanz. Jede Schicht mit „niedriger“ akustischer Impedanz hat eine niedrigere akustische Impedanz als die beiden benachbarten Schichten mit hoher akustischer Impedanz. Jede der Schichten hat eine Dicke, die gleich oder etwa ein Viertel der akustischen Wellenlänge bei oder nahe einer Resonanzfrequenz des SM XBAR 200 ist. Zu den Materialien mit vergleichsweise geringer akustischer Impedanz gehören Siliziumdioxid, Siliziumoxycarbid, Aluminium und bestimmte Kunststoffe wie vernetzte Polyphenylenpolymere. Zu den Materialien mit vergleichsweise hoher akustischer Impedanz gehören Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Siliziumkarbid und Metalle wie Molybdän, Wolfram, Gold und Platin. Alle Schichten mit hoher akustischer Impedanz des akustischen Bragg-Reflektors 340 bestehen nicht notwendigerweise aus dem gleichen Material, und alle Schichten mit niedriger akustischer Impedanz bestehen nicht notwendigerweise aus dem gleichen Material. Im Beispiel von 2 hat der akustische Bragg-Reflektor 340 insgesamt sechs Schichten. Ein akustischer Bragg-Reflektor kann mehr als oder weniger als sechs Schichten aufweisen.
4 ist eine grafische Darstellung der akustischen Primärmode in einem SM XBAR 400. 4 zeigt einen kleinen Teil des SM XBAR 400 mit einer piezoelektrischen Platte 410 und drei ineinander verschachtelten IDT-Fingern 430. Die piezoelektrische Platte 410 kann aus einkristallinem Lithiumniobat bestehen, das so geschnitten ist, dass die z-Achse normal zu den Oberflächen der Platte verläuft. Die IDT-Finger können parallel zur x-Achse der Platte ausgerichtet sein, so dass die y-Achse senkrecht zu den Fingern steht.
Eine an die ineinander verschachtelten Finger 430 angelegte HF-Spannung erzeugt ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld zwischen den Fingern. Die Richtung des elektrischen Feldes ist lateral oder parallel zur Oberfläche der piezoelektrischen Platte 410 und orthogonal zur Länge der IDT-Finger, wie durch die gestrichelten Pfeile mit der Beschriftung „elektrisches Feld“ angezeigt. Aufgrund der hohen Dielektrizitätskonstante der piezoelektrischen Platte ist das elektrische Feld in der Platte relativ zur Luft stark konzentriert. Das laterale elektrische Feld führt in der piezoelektrischen Platte 410 zu einer Scherverformung und damit zu einer starken Anregung von akustischen Scherwellen. In diesem Zusammenhang ist „Scherverformung“ definiert als Verformung, bei der parallele Ebenen in einem Material parallel bleiben und einen konstanten Abstand beibehalten, während sie sich relativ zueinander verschieben. „Akustische Scherwellen“ sind definiert als akustische Wellen in einem Medium, die zu einer Scherverformung des Mediums führen. Die Scherverformungen in der piezoelektrischen Platte 410 werden durch die Kurven 460 dargestellt, wobei die nebenstehenden kleinen Pfeile eine schematische Darstellung der Richtung und des Ausmaßes der atomaren Bewegung liefern. Das Ausmaß der atomaren Bewegung sowie die Dicke der piezoelektrischen Platte 410 sind zur besseren Veranschaulichung stark übertrieben dargestellt. Während die atomaren Bewegungen überwiegend lateral (d. h. horizontal, wie in 4 gezeigt) verlaufen, ist die Richtung des akustischen Energieflusses der akustischen Primär-Schermode im Wesentlichen orthogonal zur Oberfläche der piezoelektrischen Platte, wie durch den Pfeil 465 angedeutet.
Ein akustischer Bragg-Reflektor 440 ist zwischen der piezoelektrischen Platte 410 und einem Substrat 420 sandwichartig angeordnet. Der akustische Bragg-Reflektor 440 reflektiert die akustischen Scherwellen, um die akustische Energie (Pfeil 465) überwiegend auf die piezoelektrische Platte 410 zu beschränken. Wie zuvor beschrieben, besteht der akustische Bragg-Reflektor 440 aus abwechselnden Schichten von Materialien mit relativ hoher und relativ niedriger akustischer Impedanz, wobei jede Schicht eine Dicke von etwa einem Viertel der Wellenlänge der akustischen Scherwellen (Pfeil 465) bei der Resonanzfrequenz des XBAR 400 hat. Im Beispiel von 4 hat der akustische Bragg-Reflektor 440 insgesamt sechs Schichten. Ein akustischer Bragg-Reflektor kann mehr als oder weniger als sechs Schichten aufweisen.
Beispiel 1
5A ist eine schematische Querschnittsansicht eines SM XBAR 500 mit einem akustischen Bragg-Reflektor 510, der abwechselnd SiO2- und Si3N4-Schichten umfasst. Die piezoelektrische Platte besteht aus Z-geschnittenem (d. h. Z-Achse normal zu den Oberflächen der Platte) Lithiumniobat (LN) mit einer Dicke von 400 nm. Die IDT-Finger sind aus Aluminium mit einer Dicke von 100 nm. Der Abstand und die Breite der IDT-Finger betragen 5 um bzw. 500 nm. Der IDT ist so ausgerichtet, dass die IDT-Finger parallel zur X-Achse der piezoelektrischen Platte liegen. Der akustische Bragg-Reflektor 510 hat insgesamt 20 Schichten, die abwechselnd aus 210 nm dicken SiO2-Schichten und 320 nm dicken Si3N4-Schichten bestehen. Die große Anzahl von Schichten im akustischen Bragg-Reflektor 510 wird durch den relativ geringen Unterschied in der akustischen Impedanz der SiO2- und SiN3-Schichten notwendig. Das Substrat, das den akustischen Bragg-Reflektor 510 und die piezoelektrische Platte trägt, ist Silizium.
5B ist ein Diagramm 550 mit einer Kurve 560 des normalisierten Betrags der Admittanz (auf einer logarithmischen Skala) des SM XBAR 500 aus 5A als Funktion der Frequenz. Die Daten im Diagramm 550 und den nachfolgenden Diagrammen 650, 750, 850 wurden durch Simulation von SM XBAR-Vorrichtungen unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode (FEM) entwickelt. Die Verluste in der piezoelektrischen Platte, dem akustischen Bragg-Reflektor und den IDT-Fingern wurden mit Standardmaterialparametern simuliert.
Die Admittanzkurve 560 für den simulierten XBAR 500 zeigt eine Resonanz bei einer Frequenz FR von 4166 MHz und eine Antiresonanz bei einer Frequenz FAR von 4375 MHz. Der Q bei der Resonanz und der Q bei der Antiresonanz sind beide zu niedrig, um in einem Hochfrequenzfilter nützlich zu sein. Die schlechte Leistung des SM XBAR 500 ist in erster Linie auf den akustischen Energieverlust in das Substrat zurückzuführen. Die akustische Impedanzfehlanpassung zwischen SiO2- und Si3N4-Schichten ist relativ klein und bestimmt einen niedrigen Reflexionskoeffizienten pro Schichtenpaar. Dies wiederum führt zu großen Transmissionsverlusten durch den Bragg-Spiegel selbst bei relativ großer Anzahl von Paaren.
Beispiel 2
6A ist eine schematische Querschnittsansicht eines SM XBAR 600 mit einem akustischen Bragg-Reflektor 610, der abwechselnd SiO2- und Wolfram (W)-Schichten umfasst. Die piezoelektrische Platte besteht aus Z-geschnittenem (d. h. Z-Achse normal zur Platte) Lithiumniobat (LN) mit einer Dicke von 400 nm. Die IDT-Finger bestehen aus Aluminium mit einer Dicke von 100 nm. Der Abstand und die Breite der IDT-Finger betragen 6 um bzw. 1,8 µm. Der IDT ist so ausgerichtet, dass die IDT-Finger parallel zur X-Achse der piezoelektrischen Platte liegen. Der akustische Bragg-Reflektor 610 hat insgesamt sieben Schichten, die abwechselnd aus 210 nm oder 270 nm dicken SiO2-Schichten und 160 nm oder 170 nm dicken W-Schichten bestehen. Die reduzierte Anzahl der Schichten im akustischen Bragg-Reflektor 610 (im Vergleich zum akustischen Bragg-Reflektor 510) wird durch den relativ hohen Unterschied in der akustischen Impedanz der SiO2- und W-Schichten ermöglicht. Das Substrat ist Silizium.
6B ist ein Diagramm 650 mit einer Kurve 660 des normalisierten Betrags der Admittanz (auf einer logarithmischen Skala) des SM XBAR 600 aus 6A als Funktion der Frequenz. Das Admittanzkurve 660 für den simulierten XBAR 600 zeigt eine Resonanz mit hohem Q bei einer Frequenz FR von 4225 MHz und eine Antiresonanz mit hohem Q bei einer Frequenz FAR von 4375 MHz. Die Differenz zwischen der Resonanz- und der Antiresonanzfrequenz beträgt 150 MHz, also etwa 3,5 % der Resonanzfrequenz.
Der relativ geringe Unterschied zwischen den Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen ist ein Hinweis auf eine geringe elektromechanische Kopplung in dem fest montierten XBAR 600. Die geringe elektromechanische Kopplung wird zumindest teilweise durch das Vorhandensein der leitenden W-Schichten verursacht, die verhindern, dass die von den IDT-Elektroden erzeugten elektrischen Felder durch die piezoelektrische Platte dringen.
Beispiel 3
7A ist eine schematische Querschnittsansicht eines SM XBAR 700 mit einem akustischen Bragg-Reflektor 710, der abwechselnd Schichten mit niedriger akustischer Impedanz und Schichten mit hoher akustischer Impedanz umfasst. Die piezoelektrische Platte besteht aus Z-geschnittenem (d. h. Z-Achse normal zur Platte) Lithiumniobat (LN) mit einer Dicke von 400 nm. Die IDT-Finger sind aus Aluminium mit einer Dicke von 100 nm. Der Abstand und die Breite der IDT-Finger betragen 6 µm bzw. 1,8 µm. Der IDT ist so ausgerichtet, dass die IDT-Finger parallel zur X-Achse der piezoelektrischen Platte liegen. Der akustische Bragg-Reflektor 710 besteht aus insgesamt sieben Schichten. Die Schichten mit niedriger akustischer Impedanz bestehen aus 210 nm, 270 nm oder 285 nm dickem Si02. Die Schicht mit hoher akustischer Impedanz, die der piezoelektrischen Platte am nächsten ist, hat eine Dicke von 360 nm (Si3N4). Die beiden anderen Schichten mit hoher Impedanz bestehen aus W mit Dicke von 170 nm. Durch die Einfügung einer dielektrischen Si3N4-Schicht mit hoher Impedanz sind die leitenden W-Schichten im Vergleich zur SM XBAR 500 von 5A um 570 nm weiter von den IDT-Elektroden entfernt. Das Substrat ist Silizium.
7B ist ein Diagramm 750 mit einer Kurve 760 des normalisierten Betrags der Admittanz (auf einer logarithmischen Skala) des SM XBAR 700 von 7A als Funktion der Frequenz. Das Admittanzkurve 760 für die simulierte XBAR 700 zeigt eine Resonanz mit hohem Q bei einer Frequenz FR von 4200 MHz und eine Antiresonanz mit hohem Q bei einer Frequenz FAR von 4416 MHz. Die Differenz zwischen der Resonanz- und der Antiresonanzfrequenz beträgt 216 MHz, also etwa 5,1 % der Resonanzfrequenz.
Der Anstieg (im Vergleich zum SM XBAR 600) der Differenz zwischen der Resonanz- und der Antiresonanzfrequenz von 150 MHz auf 216 MHz deutet darauf hin, dass der SM XBAR 700 von 7 eine höhere elektromechanische Kopplung aufweist als der SM XBAR 600 von 6, was vermutlich darauf zurückzuführen ist, dass die leitenden W-Schichten weiter von der piezoelektrischen Platte entfernt sind. Der Abstand zwischen der piezoelektrischen Platte und der nächstgelegenen Metallschicht im akustischen Bragg-Reflektor kann zur Einstellung (in Stufen) des elektromechanischen Kopplungsfaktors eines SM XBAR verwendet werden.
Beispiel 4
8A ist eine schematische Querschnittsansicht eines SM XBAR 800 mit einem akustischen Bragg-Reflektor 810, der abwechselnd dielektrische Schichten mit niedriger akustischer Impedanz und hoher akustischer Impedanz umfasst. Die piezoelektrische Platte besteht aus Z-geschnittenem (d. h. Z-Achse normal zur Platte) Lithiumniobat (LN) mit einer Dicke von 400 nm. Die IDT-Finger sind aus Aluminium mit einer Dicke von 100 nm. Der Abstand und die Breite der IDT-Finger betragen 5 µm bzw. 1 µm. Der IDT ist so ausgerichtet, dass die y-Achse der piezoelektrischen Platte senkrecht zu den IDT-Fingern liegt. Der akustische Bragg-Reflektor 810 besteht aus insgesamt sieben Schichten. Die Schichten mit niedriger akustischer Impedanz bestehen aus 75 nm dickem SiOC. Die Schichten mit hoher akustischer Impedanz bestehen aus Si3N4 mit einer Dicke von 300 nm. Das Substrat ist Silizium. Eine 10 nm dicke Schicht aus SiO2 kann verwendet werden, um die Haftung zwischen der piezoelektrischen Platte und der angrenzenden SiOC-Schicht zu gewährleisten.
8B ist ein Diagramm 850 mit einer Kurve 860 des normalisierten Betrags der Admittanz (auf einer logarithmischen Skala) des SM XBAR 800 aus 8A als Funktion der Frequenz. Die Admittanzkurve 860 für den simulierten SM XBAR 800 zeigt eine Resonanz mit hohem Q bei einer Frequenz FR von 4539 MHz und eine Antiresonanz mit hohem Q bei einer Frequenz FAR von 4965 MHz. Die Differenz zwischen der Resonanz- und der Antiresonanzfrequenz beträgt 424 MHz, also etwa 9,3 % der Resonanzfrequenz.
Der große Unterschied (im Vergleich zu den vorherigen Beispielen) zwischen den Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen des SM XBAR 800 ist auf die Verwendung eines volldielektrischen Bragg-Reflektors und den großen Unterschied in der akustischen Impedanz zwischen Si3N4 und SiOC zurückzuführen. Ein ähnliches Ergebnis kann bei Verwendung von Aluminiumnitrid für die hochohmigen Schichten im akustischen Bragg-Reflektor 810 erzielt werden.
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Q-Faktor eines SM XBAR und der Anzahl der Schichten im akustischen Bragg-Reflektor zeigt. Der SM XBAR ähnelt dem SM XBAR, der in Paragraph 0066 oben beschrieben ist. Die durchgezogene Linie 910 ist eine Kurve des Q-Faktors bei der Resonanzfrequenz für SM XBAR mit akustischen Si3N4/SiOC-Bragg-Reflektoren mit insgesamt 3, 4, 5 und 7 Schichten im Bragg-Reflektor. Die gestrichelte Linie 920 ist eine Kurve des Q-Faktors bei der Antiresonanzfrequenz für die SM XBAR mit akustischen Si3N4/SiOC- Bragg-Reflektoren mit insgesamt 3, 4, 5 und 7 Schichten im Bragg-Reflektor. Das Paar von Linien 930 stellt die Q-Faktoren bei der Resonanzfrequenz (durchgezogene Linie) und der Antiresonanzfrequenz (gestrichelte Linie) für SM XBAR mit akustischen SiO2/W-Bragg-Reflektoren mit insgesamt 3, 4, 5 und 7 Schichten im Bragg-Reflektor dar. Alle in 9 gezeigten Daten stammen aus Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode. Für beide Typen von akustischen Bragg-Reflektoren sind insgesamt mindestens vier Schichten erforderlich, um Q > 1000 sowohl bei der Resonanz- als auch bei der Antiresonanzfrequenz zu erreichen. Darüber hinaus kann eine Erhöhung der Anzahl der Schichten über 7 im akustischen Bragg-Reflektor eine weitere Verbesserung des Q-Faktors bewirken.
10 ist ein Diagramm 1000, das die Admittanzen als Funktionen der Frequenz von SM XBAR mit und ohne dielektrische Schicht auf der Vorderseite vergleicht. Die Admittanzdaten resultieren aus Simulationen von SM-XBAR-Vorrichtungen unter Verwendung der Technik der Finite-Elemente-Methode (FEM). Die piezoelektrische Platte ist Z-geschnittenes Lithiumniobat mit einer Dicke von 400 nm. Die IDT haben einen Abstand von 3,9 µm und die IDT-Leitern bestehen aus Aluminium mit einer Dicke von 100 nm.
Die durchgezogene Linie 1010 ist eine Kurve der Admittanz eines SM XBAR mit tfd = 0 (d. h. eines SM XBAR ohne dielektrische Schicht) und einer IDT-Leiterbreite von 1,1 µm. Die gestrichelte Linie 1020 ist eine Kurve der Admittanz einer SM XBAR mit einer 100 nm dicken SiO2-Schicht und einer IDT-Leiterbreite von 1,0 µm. Die Hinzufügung der 100 nm dicken Si02-Schicht reduziert die Resonanzfrequenz um etwa 460 MHz im Vergleich zum SM XBAR ohne dielektrische Schicht. Die Frequenz und Größe der sekundären Resonanzen werden anders beeinflusst als die Primär-Schermodenresonanz.
Wichtig ist, dass für die Resonatoren mit und ohne dielektrische Schicht die gleiche Bragg-Reflektorstruktur (wie in 8A) verwendet wurde.
11 ist ein Diagramm 1100, in dem die Resonanzfrequenzen von XBAR-Resonatoren (nicht fest montiert) und SM-XBAR-Resonatoren als Funktionen der vorderseitigen dielektrischen Dicke verglichen werden. Die beiden ausgefüllten Kreise stellen die SM XBAR dar, deren Admittanzcharakteristik in 10 gezeigt wurde. Die vier ungefüllten Kreise stellen vier XBAR-Vorrichtungen dar, deren Admittanzcharakteristiken in 7 der Anmeldung 16/230,443 gezeigt wurden. Die vier XBAR haben die folgenden Parameter: ts = 400 nm; tfd = 0, 30, 60, 90 nm; tm = 100 nm; p = 4,2 µm; w = 500 nm; AP = 20 µm; und N (Gesamtzahl der IDT-Finger) = 51. Die piezoelektrische Platte besteht aus Z-geschnittenem Lithiumniobat, die IDT-Leiter bestehen aus Aluminium, die IDT sind auf Teilen der piezoelektrischen Platte gebildet, die über Hohlräumen im Substrat aufgehängt sind, und die dielektrischen Schichten bestehen aus SiO2.
Die Beziehung zwischen der vorderseitigen dielektrischen Dicke und der Resonanzfrequenz für die vier XBAR-Resonatoren ist in etwa linear, wie durch die gestrichelte Linie 1120 angezeigt. Obwohl 11 nur Daten für zwei SM-XBAR-Resonatoren enthält, wird davon ausgegangen, dass die Beziehung zwischen der vorderseitigen dielektrischen Dicke und der Resonanzfrequenz auch für SM-XBAR-Resonatoren in etwa linear ist, wie durch die gestrichelte Linie 1110 angedeutet.
12 ist ein schematischer Schaltplan für ein Hochfrequenz-Bandpassfilter 1200 unter Verwendung von SM XBAR. Das Filter 1200 hat eine herkömmliche Leiterfilterarchitektur mit drei Serienresonatoren 1210A, 1210B, 1210C und zwei Shunt-Resonatoren 1220A, 1220B. Die drei Serienresonatoren 1210A, 1210B und 1210C sind zwischen einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss in Reihe geschaltet. In 12 sind der erste und der zweite Anschluss mit „In“ bzw. „Out“ beschriftet. Der Filter 1200 ist jedoch symmetrisch und jeder Anschluss kann als Eingang oder Ausgang des Filters dienen. Die beiden Shunt-Resonatoren 1220A, 1220B sind von den Knotenpunkten zwischen den Serienresonatoren an Masse angeschlossen. Alle Shunt-Resonatoren und Serienresonatoren sind SM XBAR.
Das Filter 1200 kann ein Substrat mit einer Oberfläche, einer einkristallinen piezoelektrischen Platte mit parallelen Vorder- und Rückflächen und einem akustischen Bragg-Reflektor umfassen, der zwischen der Oberfläche des Substrats und der Rückfläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte sandwichartig angeordnet ist. Das Substrat, der akustische Bragg-Reflektor und die einkristallinen Platten werden durch das Rechteck 1210 in 12 dargestellt. Eine auf der Vorderfläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte gebildete Leiterstruktur enthält Interdigitalwandler (IDT) für jeden der drei Serienresonatoren 1210A, 12110B, 1210C und zwei Shunt-Resonatoren 1220A, 1220B. Alle IDT sind dazu eingerichtet, akustische Scherwellen in der einkristallinen piezoelektrischen Platte als Reaktion auf entsprechende Hochfrequenzsignale, die an jeden IDT angelegt werden, anzuregen.
In einem Leiterfilter, wie dem Filter 1200, sind die Resonanzfrequenzen von Shunt-Resonatoren typischerweise niedriger als die Resonanzfrequenzen von Serienresonatoren. Die Resonanzfrequenz eines SM XBAR-Resonators wird zum Teil durch den IDT-Abstand bestimmt. Der IDT-Abstand wirkt sich auch auf andere Filterparameter wie Impedanz und Belastbarkeit aus. Für Breitband- und Filteranwendungen ist es möglicherweise nicht praktikabel, die erforderliche Differenz zwischen den Resonanzfrequenzen von Shunt- und Serienresonatoren nur durch Unterschiede in dem IDT-Abstand zu erreichen.
Um die Resonanzfrequenzen einiger oder aller Shunt-Resonatoren relativ zu den Serienresonatoren zu reduzieren, kann eine erste dielektrische Schicht (dargestellt durch das gestrichelte Rechteck 1225) mit einer ersten Dicke t1 über den IDT eines oder beider Shunt-Resonatoren 1220A, 1220B abgeschieden werden. Eine zweite dielektrische Schicht (dargestellt durch das gestrichelte Rechteck 1215) mit einer zweiten Dicke t2, die geringer ist als t1, kann über den IDT der Serienresonatoren 1210A, 1210B, 1210C abgeschieden werden. Die Dicke jeder der ersten und zweiten dielektrischen Schicht kann zwischen 0 und 300 nm liegen, so dass 0 ≦ t2 < t1 ≦ 300 nm. Die Verwendung von zwei unterschiedlichen dielektrischen Schichtdicken kann in Situationen sinnvoll sein, in denen eine Verschiebung von mindestens 100 MHz zwischen den Resonanzfrequenzen von Serien- und Shunt-Resonatoren erforderlich ist. Wenn die dielektrischen Schichten aus Siliziumdioxid bestehen, ist t1 - t2 ≧ 25 nm ausreichend, um eine Verschiebung von mindestens 100 MHz zwischen den Resonanzfrequenzen von Serien- und Shunt-Resonatoren zu bewirken.
Verfahrensbeschreibung
13 ist ein vereinfachtes Flussdiagramm eines Verfahrens 1300 zur Herstellung eines SM XBAR oder eines Filters, der SM XBAR enthält. Das Verfahren 1300 beginnt bei 1310 mit einer piezoelektrischen Schicht, die auf einem Opfersubstrat 1302 und einem Vorrichtungssubstrat 1304 angeordnet ist. Das Verfahren 1310 endet bei 1395 mit einem fertigen SM XBAR oder einem Filter. Das Flussdiagramm von 13 enthält nur wichtige Prozessschritte. Verschiedene konventionelle Prozessschritte (z. B. Oberflächenvorbereitung, Reinigung, Inspektion, Einbrennen, Ausglühen, Überwachung, Prüfung usw.) können vor, zwischen, nach und während der in 13 dargestellten Schritte durchgeführt werden.
Dünne Platten aus einkristallinen piezoelektrischen Materialien, die an ein nicht-piezoelektrisches Substrat gebondet sind, sind im Handel erhältlich. Zum Zeitpunkt dieser Anwendung sind sowohl Lithiumniobat- als auch Lithiumtantalat-Platten erhältlich, die an verschiedene Substrate wie Silizium, Quarz und Quarzglas gebondet sind. Dünne Platten aus anderen piezoelektrischen Materialien können jetzt oder in Zukunft verfügbar sein. Die Dicke der piezoelektrischen Platte kann zwischen 300 nm und 1000 nm betragen. Wenn das Substrat aus Silizium besteht, kann eine Schicht aus SiO2 zwischen der piezoelektrischen Platte und dem Substrat angeordnet sein. Die piezoelektrische Platte 1302 kann z. B. z-geschnittenes Lithiumniobat mit einer Dicke von 400 nm sein (wie in allen vorherigen Beispielen verwendet), das mit einer dazwischenliegenden SiO2-Schicht auf einen Siliziumwafer gebondet ist. Das Vorrichtungssubstrat 1304 kann aus Silizium (wie in den vorherigen Beispielen verwendet), Quarzglas, Quarz oder einem anderen Material bestehen.
Bei 1320 wird ein akustischer Bragg-Reflektor gebildet, indem abwechselnd Schichten aus Materialien mit hoher akustischer Impedanz und niedriger akustischer Impedanz abgeschieden werden. Jede der Schichten hat eine Dicke, die gleich oder etwa ein Viertel der akustischen Wellenlänge beträgt. Zu den Materialien mit vergleichsweise geringer akustischer Impedanz gehören Siliziumdioxid, Siliziumoxycarbid, Aluminium und bestimmte Kunststoffe wie vernetzte Polyphenylenpolymere. Zu den Materialien mit vergleichsweise hoher akustischer Impedanz gehören Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid und Metalle wie Molybdän, Wolfram, Gold und Platin. Alle Schichten mit hoher akustischer Impedanz bestehen nicht notwendigerweise aus dem gleichen Material, und alle Schichten mit niedriger akustischer Impedanz bestehen nicht notwendigerweise aus dem gleichen Material. Die Gesamtzahl der Schichten im akustischen Bragg-Reflektor kann zwischen etwa fünf und mehr als zwanzig liegen.
Bei 1320 können alle Schichten des akustischen Bragg-Reflektors entweder auf der Oberfläche der piezoelektrischen Platte auf dem Opfersubstrat 1302 oder auf einer Oberfläche des Vorrichtungssubstrats 1304 abgeschieden werden. Alternativ können einige der Schichten des akustischen Bragg-Reflektors auf der Oberfläche der piezoelektrischen Platte auf dem Opfersubstrat 1302 und die restlichen Schichten des akustischen Bragg-Reflektors auf einer Oberfläche des Vorrichtungssubstrats 1304 abgeschieden werden.
Bei 1330 können die piezoelektrische Platte auf dem Opfersubstrat 1302 und dem Vorrichtungssubstrat 1304 so gebondet werden, dass die Schichten des akustischen Bragg-Reflektors sandwichartig zwischen der piezoelektrischen Platte und dem Vorrichtungssubstrat angeordnet sind. Die piezoelektrische Platte auf dem Opfersubstrat 1302 und dem Vorrichtungssubstrat 1304 kann mit einem Wafer-Bonding-Verfahren wie z. B. direktem Bonding, oberflächenaktiviertem oder plasmaaktiviertem Bonding, elektrostatischem Bonding oder einer anderen Bonding-Technik gebondet werden. Beachten Sie, dass, wenn eine oder mehrere Schichten des akustischen Bragg-Reflektors sowohl auf der piezoelektrischen Platte als auch auf dem Vorrichtungssubstrat abgeschieden werden, das Bonden zwischen oder innerhalb der Schichten des akustischen Bragg-Reflektors erfolgt.
Nachdem die piezoelektrische Platte auf dem Opfersubstrat 1302 und dem Vorrichtungssubstrat 1304 gebondet sind, werden das Opfersubstrat und alle dazwischenliegenden Schichten bei 1340 entfernt, um die Oberfläche der piezoelektrischen Platte freizulegen (die Oberfläche, die zuvor dem Opfersubstrat zugewandt war). Das Opfersubstrat kann z. B. durch materialabhängiges Nass- oder Trockenätzen oder einen anderen Prozess entfernt werden.
Eine Leiterstruktur, einschließlich der IDT jedes SM XBAR, wird bei 1350 durch Abscheiden und Strukturieren einer oder mehrerer Leiterschichten auf der Oberfläche der piezoelektrischen Platte gebildet, die beim Entfernen des Opfersubstrats bei 1340 freigelegt wurde. Die Leiterstruktur kann z. B. aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer, einer Kupferlegierung oder einem anderen leitfähigen Metall bestehen. Optional können eine oder mehrere Schichten aus anderen Materialien unterhalb (d. h. zwischen der Leiterschicht und der piezoelektrischen Platte) und/oder oberhalb der Leiterschicht angeordnet sein. Zum Beispiel kann ein dünner Film aus Titan, Chrom oder einem anderen Metall verwendet werden, um die Haftung zwischen der Leiterschicht und der piezoelektrischen Platte zu verbessern. Eine Schicht zur Verbesserung der Leitfähigkeit aus Gold, Aluminium, Kupfer oder einem anderen Metall mit höherer Leitfähigkeit kann über Teilen der Leiterstruktur (z. B. den IDT-Sammelschienen und den Verbindungen zwischen den IDT) gebildet werden.
Die Leiterstruktur kann bei 1350 gebildet werden, indem die Leiterschicht und optional eine oder mehrere andere Metallschichten nacheinander auf die Oberfläche der piezoelektrischen Platte aufgebracht werden. Das überschüssige Metall kann dann durch Ätzen durch strukturiertes Photoresist entfernt werden. Die Leiterschicht kann z. B. durch Plasmaätzen, reaktives Ionenätzen, nasschemisches Ätzen und andere Ätztechniken geätzt werden.
Alternativ kann die Leiterstruktur bei 1350 mit einem Lift-off-Verfahren gebildet werden. Photoresist kann auf die piezoelektrische Platte abgeschieden und strukturiert werden, um die Leiterstruktur zu definieren. Die Leiterschicht und optional eine oder mehrere andere Schichten können nacheinander auf die Oberfläche der piezoelektrischen Platte abgeschieden werden. Das Photoresist kann dann entfernt werden, wodurch das überschüssige Material entfernt wird und die Leiterstruktur übrig bleibt.
Bei 1360 können eine oder mehrere optionale vorderseitige dielektrische Schichten gebildet werden, indem eine oder mehrere Schichten aus dielektrischem Material auf der Vorderseite der piezoelektrischen Platte abgeschieden werden. Die eine oder mehreren dielektrischen Schichten können mit einer herkömmlichen Abscheidungstechnik wie Sputtern, Aufdampfen oder chemischer Gasphasenabscheidung aufgebracht werden. Die eine oder mehreren dielektrischen Schichten können über die gesamte Oberfläche der piezoelektrischen Platte abgeschieden werden, auch auf der Oberseite der Leiterstruktur. Alternativ können ein oder mehrere lithografische Verfahren (unter Verwendung von Photomasken) verwendet werden, um die Abscheidung der dielektrischen Schichten auf ausgewählte Bereiche der piezoelektrischen Platte zu beschränken, z. B. nur zwischen den ineinander verschachtelten Fingern der IDT. Masken können auch verwendet werden, um die Abscheidung unterschiedlich dicker dielektrischer Materialien auf verschiedenen Teilen der piezoelektrischen Platte zu ermöglichen. Zum Beispiel kann eine erste dielektrische Schicht mit einer ersten Dicke t1 über den IDT eines oder mehrerer Shunt-Resonatoren abgeschieden werden. Eine zweite dielektrische Schicht mit einer zweiten Dicke t2, wobei t2 gleich oder größer als Null und kleiner als t1 ist, kann über den IDT von Serienresonatoren abgeschieden werden.
Nachdem die Leiterstruktur und die optionale vorderseitige dielektrische Schicht bei 1350 und 1360 gebildet wurden, kann die Filtervorrichtung bei 1370 fertiggestellt werden. Zu den Maßnahmen, die bei 1370 durchgeführt werden können, gehören das Abscheiden und Strukturieren zusätzlicher Metallschichten, um andere Leiter als die IDT-Leiterstruktur zu bilden, das Abscheiden einer Verkapselungs-/Passivierungsschicht wie Si02 oder Si3O4 über der gesamten Vorrichtung oder einem Teil davon, das Bilden von Bondpads oder Lötstellen oder anderen Mitteln zum Herstellen einer Verbindung zwischen der Vorrichtung und einer externen Schaltung, das Herausschneiden einzelner Vorrichtungen aus einem Wafer, der mehrere Vorrichtungen enthält, andere Verpackungsschritte und das Testen. Ein weiterer Vorgang, der bei 1370 stattfinden kann, ist das Abstimmen der Resonanzfrequenzen der Resonatoren innerhalb der Vorrichtung durch Hinzufügen oder Entfernen von Metall oder dielektrischem Material auf der Vorderseite der Vorrichtung. Nachdem die Filtervorrichtung fertiggestellt ist, endet der Prozess bei 1395.
Eine Variante des Verfahrens 1300 beginnt mit einem einkristallinen piezoelektrischen Wafer bei 1302 anstelle einer dünnen piezoelektrischen Platte auf einem Opfersubstrat aus einem anderen Material. Ionen werden bis zu einer kontrollierten Tiefe unterhalb einer Oberfläche des piezoelektrischen Wafers implantiert (in 13 nicht dargestellt). Der Teil des Wafers von der Oberfläche bis zur Tiefe der Ionenimplantation ist (oder wird) die dünne piezoelektrische Platte und der Rest des Wafers ist das Opfersubstrat. Der akustische Bragg-Reflektor wird bei 1320, wie zuvor beschrieben, gebildet und der piezoelektrische Wafer und das Vorrichtungssubstrat werden bei 1330 so gebondet, dass der akustische Bragg-Reflektor zwischen der ionenimplantierten Oberfläche des piezoelektrischen Wafers 1302 und dem Vorrichtungssubstrat 1304 angeordnet ist. Bei 1340 kann der piezoelektrische Wafer in der Ebene der implantierten Ionen gespalten werden (z. B. durch einen thermischen Schock), so dass eine dünne Platte aus piezoelektrischem Material freigelegt und mit dem akustischen Bragg-Reflektor verbunden wird. Die Dicke der dünnen Platte aus piezoelektrischem Material wird durch die Energie (und damit die Tiefe) der implantierten Ionen bestimmt. Der Prozess der Ionenimplantation und der anschließenden Abtrennung einer dünnen Platte wird gemeinhin als „Ionen-Slicing“ bezeichnet.
Abschließende Kommentare
In dieser Beschreibung sollten die gezeigten Ausführungsformen und Beispiele als Beispiele und nicht als Einschränkungen der offengelegten oder beanspruchten Vorrichtungen und Verfahren betrachtet werden. Obwohl viele der hier vorgestellten Beispiele spezifische Kombinationen von Verfahrensschritten oder Systemelementen beinhalten, sollte verstanden werden, dass diese Schritte und Elemente auch auf andere Weise kombiniert werden können, um die gleichen Ziele zu erreichen. In Bezug auf die Flussdiagramme können zusätzliche und weniger Schritte ausgeführt werden, und die gezeigten Schritte können kombiniert oder weiter verfeinert werden, um die hier beschriebenen Methoden zu erreichen. Handlungen, Elemente und Merkmale, die nur im Zusammenhang mit einer Ausführungsform besprochen werden, sollen nicht von einer ähnlichen Rolle in anderen Ausführungsformen ausgeschlossen werden.
Wie hierin verwendet, bedeutet „Vielzahl“ zwei oder mehr. Wie hierin verwendet, kann ein „Satz“ von Gegenständen einen oder mehrere solcher Gegenstände umfassen. Wie hier verwendet, ob in der schriftlichen Beschreibung oder in den Ansprüchen, sind die Begriffe „umfassend“, „einschließlich“, „tragend“, „aufweisend“, „enthaltend“, „einbeziehend“ und dergleichen so zu verstehen, dass sie offen sind, d. h., sie bedeuten einschließlich, aber nicht beschränkt auf. Nur die Übergangsphrasen „bestehend aus“ bzw. „im Wesentlichen bestehend aus“ sind geschlossene oder halbgeschlossene Übergangsphrasen in Bezug auf die Ansprüche. Die Verwendung von Ordinalbegriffen wie „erster“, „zweiter“, „dritter“ usw. in den Ansprüchen, um ein Anspruchselement zu modifizieren, bedeutet an sich keine Priorität, keinen Vorrang oder keine Reihenfolge eines Anspruchselements gegenüber einem anderen oder die zeitliche Reihenfolge, in der Handlungen eines Verfahrens ausgeführt werden, sondern wird lediglich als Kennzeichnung verwendet, um ein Anspruchselement mit einem bestimmten Namen von einem anderen Element mit demselben Namen (außer der Verwendung des Ordinalbegriffs) zu unterscheiden. Wie hier verwendet, bedeutet „und/oder“, dass die aufgelisteten Elemente Alternativen sind, aber die Alternativen auch eine beliebige Kombination der aufgelisteten Elemente umfassen.

Claims

Akustische Resonatorvorrichtung, umfassend: ein Substrat mit einer Oberfläche; eine einkristalline piezoelektrische Platte mit parallelen Vorder- und Rückflächen; einem akustischen Bragg-Reflektor, der zwischen der Oberfläche des Substrats und der Rückfläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte sandwichartig angeordnet ist; und einen Interdigitalwandler (IDT), der auf der Vorderfläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte ausgebildet ist, wobei der IDT dazu eingerichtet ist, eine akustische Primärmode in der einkristallinen piezoelektrischen Platte in Reaktion auf ein an den IDT angelegtes Hochfrequenzsignal anzuregen, wobei eine Richtung des akustischen Energieflusses der akustischen Primärmode im Wesentlichen orthogonal zu den Vorder- und Rückflächen der einkristallinen piezoelektrischen Platte ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine z-Achse der einkristallinen piezoelektrischen Platte normal zu der Vorder- und Rückfläche ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der IDT so ausgerichtet ist, dass die Finger des IDT parallel zu einer x-Achse der einkristallinen piezoelektrischen Platte liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die einkristalline piezoelektrische Platte aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der akustische Bragg-Reflektor dazu eingerichtet ist, akustische Scherwellen bei einer Resonanzfrequenz der akustischen Resonatorvorrichtung zu reflektieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der akustische Bragg-Reflektor umfasst: eine Vielzahl von Schichten, die zwischen Schichten mit hoher akustischer Impedanz und Schichten mit niedriger akustischer Impedanz abwechseln, wobei alle der Vielzahl von Schichten dielektrische Materialien sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Schichten mit hoher akustischer Impedanz aus Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid sind, und die Schichten mit niedriger akustischer Impedanz aus Silizium-Oxycarbid sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Vielzahl der Schichten mindestens vier und höchstens sieben Schichten umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Dicke zwischen der Vorder- und der Rückfläche der piezoelektrischen Platte größer oder gleich 200 nm und kleiner oder gleich 1000 nm ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Abstand der Finger des IDT größer oder gleich dem 2-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte und kleiner oder gleich dem 25-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Finger des IDT eine Breite haben, und der Abstand größer oder gleich dem 2-Fachen der Breite und kleiner oder gleich dem 25-Fachen der Breite ist.
Filtervorrichtung, umfassend: ein Substrat mit einer Oberfläche; eine einkristalline piezoelektrische Platte mit parallelen Vorder- und Rückflächen; einem akustischen Bragg-Reflektor, der zwischen der Oberfläche des Substrats und der Rückfläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte sandwichartig angeordnet ist; und eine Leiterstruktur, die auf der Vorderfläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte ausgebildet ist, wobei die Leiterstruktur eine Vielzahl von Interdigitalwandlern (IDT) einer jeweiligen Vielzahl von Resonatoren einschließlich eines Shunt-Resonators und eines Serienresonators enthält; eine erste dielektrische Schicht mit einer ersten Dicke, die über dem IDT des Shunt-Resonators abgeschieden ist; und eine zweite dielektrische Schicht mit einer zweiten Dicke, die über dem IDT des Serienresonators abgeschieden ist, wobei alle der Vielzahl von IDT dazu eingerichtet sind, jeweilige akustische Primärmoden in der einkristallinen piezoelektrischen Platte als Reaktion auf jeweilige an die IDT angelegte Hochfrequenzsignale anzuregen, wobei eine Richtung des akustischen Energieflusses aller akustischen Primärmoden im Wesentlichen orthogonal zu den Vorder- und Rückflächen der einkristallinen piezoelektrischen Platte ist, und die erste Dicke größer als die zweite Dicke ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 12, wobei eine z-Achse der einkristallinen piezoelektrischen Platte normal zu der Vorder- und Rückfläche ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 13, wobei alle der Vielzahl von IDT so ausgerichtet sind, dass die Finger jedes IDT parallel zu einer x-Achse der einkristallinen piezoelektrischen Platte liegen.
Filtervorrichtung nach Anspruch 12, wobei die piezoelektrische Platte aus Lithiumniobat oder Lithiumtantalat ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 12, wobei der akustische Bragg-Reflektor dazu eingerichtet ist, akustische Scherwellen über einen Frequenzbereich zu reflektieren, der die Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen aller der Vielzahl von Resonatoren umfasst.
Filtervorrichtung nach Anspruch 16, wobei der akustische Bragg-Reflektor umfasst: eine Vielzahl von dielektrischen Schichten, die zwischen Schichten mit hoher akustischer Impedanz und Schichten mit niedriger akustischer Impedanz abwechseln, wobei die Schichten mit hoher akustischer Impedanz aus Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid sind, und die Schichten mit niedriger akustischer Impedanz aus Silizium-Oxycarbid sind.
Filtervorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Vielzahl von Schichten mindestens vier und höchstens sieben Schichten umfasst.
Filtervorrichtung nach Anspruch 12, wobei eine Dicke zwischen der Vorder- und Rückfläche der piezoelektrischen Platte größer oder gleich 200 nm und kleiner oder gleich 1000 nm ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 12, wobei alle der Vielzahl von IDT einen jeweiligen Abstand aufweisen, der größer als oder gleich dem 2-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte und kleiner als oder gleich dem 25-Fachen der Dicke der piezoelektrischen Platte ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 12, wobei die zweite Dicke größer oder gleich 0 ist, und die erste Dicke kleiner oder gleich 300 nm ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vielzahl von Resonatoren zwei oder mehr Shunt-Resonatoren umfasst, und die erste dielektrische Schicht über den zwei oder mehr Shunt-Resonatoren abgeschieden ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Vielzahl von Resonatoren zwei oder mehr Serienresonatoren umfasst, und die zweite dielektrische Schicht über den zwei oder mehr Serienresonatoren abgeschieden ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 12, wobei eine Resonanzfrequenz des Shunt-Resonators zumindest teilweise durch die erste Dicke eingestellt wird, und eine Resonanzfrequenz des Serienresonators zumindest teilweise durch die zweite Dicke eingestellt wird.
Filtervorrichtung nach Anspruch 24, wobei eine Differenz zwischen der ersten Dicke und der zweiten Dicke ausreicht, um die Resonanzfrequenz des Shunt-Resonators um mindestens 100 MHz niedriger einzustellen als die Resonanzfrequenz des Serienresonators.
Filtervorrichtung nach Anspruch 12, wobei die erste und zweite dielektrische Schicht aus SiO2 sind, und eine Differenz zwischen der ersten Dicke und der zweiten Dicke größer als oder gleich 25 nm ist.
Verfahren zur Herstellung einer akustischen Resonatorvorrichtung, umfassend: Bilden eines akustischen Bragg-Reflektors durch Abscheiden von Materialschichten auf einer oder beiden Oberflächen eines Vorrichtungssubstrats und einer ersten Fläche einer einkristallinen piezoelektrischen Platte mit einer zweiten Fläche, die an einem Opfersubstrat befestigt ist; Bonden der einkristallinen piezoelektrischen Platte, die an dem Opfersubstrat befestigt ist, auf das Vorrichtungssubstrat, so dass die Schichten des akustischen Bragg-Reflektors zwischen der ersten Fläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte und dem Vorrichtungssubstrat sandwichartig angeordnet sind; Entfernen des Opfersubstrats, um die zweite Fläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte freizulegen; und Ausbilden eines Interdigitalwandlers (IDT) auf der zweiten Fläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte, wobei der IDT dazu eingerichtet ist, eine akustische Primärmode in der einkristallinen piezoelektrischen Platte als Reaktion auf ein an den IDT angelegtes Hochfrequenzsignal anzuregen, und eine Richtung des akustischen Energieflusses der akustischen Primärmode im Wesentlichen orthogonal zu den Vorder- und Rückflächen der einkristallinen piezoelektrischen Platte ist.
Verfahren zum Herstellen einer Filtervorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines akustischen Bragg-Reflektors durch Abscheiden von Materialschichten auf einer oder beiden Oberflächen eines Vorrichtungssubstrats und einer ersten Fläche einer einkristallinen piezoelektrischen Platte mit einer zweiten Fläche, die an einem Opfersubstrat befestigt ist; Bonden der einkristallinen piezoelektrischen Platte, die an dem Opfersubstrat befestigt ist, auf das Vorrichtungssubstrat, so dass die Schichten des akustischen Bragg-Reflektors zwischen der ersten Fläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte und dem Vorrichtungssubstrat sandwichartig angeordnet sind; Entfernen des Opfersubstrats, um die zweite Fläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte freizulegen; und Bilden einer Leiterstruktur auf der zweiten Fläche der einkristallinen piezoelektrischen Platte, wobei die Leiterstruktur eine Vielzahl von Interdigitalwandlern (IDT) einer jeweiligen Vielzahl von Resonatoren einschließlich eines Shunt-Resonators und eines Serienresonators enthält; Abscheiden einer ersten dielektrischen Schicht mit einer ersten Dicke über dem IDT des Shunt-Resonators; und Abscheiden einer zweiten dielektrischen Schicht mit einer zweiten Dicke über dem IDT des Serienresonators, wobei alle der mehreren IDTs dazu eingerichtet sind, die jeweiligen akustischen Primärmoden in der einkristallinen piezoelektrischen Platte als Reaktion auf die jeweiligen an die IDT angelegten Hochfrequenzsignale anzuregen, eine Richtung des akustischen Energieflusses aller akustischen Primärmoden im Wesentlichen orthogonal zu den Vorder- und Rückflächen der einkristallinen piezoelektrischen Platte ist, und die erste Dicke größer als die zweite Dicke ist.