TWI798451B - 橫向激發薄膜體聲波共振器 - Google Patents

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傑森 約翰
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Abstract

本發明揭示聲波共振器器件及濾波器。一濾波器包含一基板及一壓電板，該壓電板具有平行之前表面及後表面，該後表面附接至該基板。一導體圖案形成於該前表面上，該導體圖案包含各自複數個共振器之複數個交叉指形傳感器(IDT)，其中該複數個IDT之各者之交錯指狀部安置於懸置於形成於該基板中之一或多個腔上方之該壓電板之各自部分上。該複數個共振器包含一並聯共振器及一串聯共振器。安置於該並聯共振器之該IDT之該等指狀部之間的一第一介電層之一第一厚度大於安置於該串聯共振器之該IDT之該等指狀部之間的一第二介電層之一第二厚度。

Description

橫向激發薄膜體聲波共振器
本發明係關於使用聲波共振器之射頻濾波器，且具體言之係關於用於通信設備中之濾波器。
一射頻(RF)濾波器係經組態以傳遞一些頻率且停止其他頻率之一雙埠器件，其中「傳遞」意謂以相對低信號損耗進行傳輸且「停止」意謂阻擋或實質上衰減。將由一濾波器傳遞之頻率之範圍稱為濾波器之「通帶」。將由此一濾波器停止之頻率之範圍稱為濾波器之「阻帶」。一典型RF濾波器具有至少一個通帶及至少一個阻帶。對於一通帶或阻帶之特定要求取決於特定應用。例如，可將一「通帶」定義為其中一濾波器之***損耗比一定義值(諸如1 dB、2 dB或3 dB)更佳之一頻率範圍。可將一「阻帶」定義為其中一濾波器之拒斥比一定義值(取決於應用，諸如20 dB、30 dB、40 dB或更大)更大之一頻率範圍。
RF濾波器用於其中資訊係經由無線鏈路傳輸之通信系統中。例如，可在蜂巢式基地台之RF前端、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、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濾波器通常需要許多設計權衡以針對各特定應用達成效能參數(諸如***損耗、拒斥、隔離、功率處置、線性、大小及成本)之間的最佳折衷。特定設計及製造方法及增強可使此等要求之一者或若干者同時獲益。
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濾波器中之改良以提供系統效能改良，諸如更大單元大小、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。此等改良可在無線系統之許多層級處單獨地及組合地實現，例如，在RF模組、RF收發器、行動或固定子系統或網路級處。
對於更寬通信頻道頻寬之期望將不可避免地導致更高頻率通信頻帶之使用。當前LTETM (長期演進)規範定義自3.3 GHz至5.9 GHz之頻帶。當前未使用此等頻帶。對於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。
用於當前通信系統之高效能RF濾波器通常併入聲波共振器，該等聲波共振器包含表面聲波(SAW)共振器、體聲波(BAW)共振器、薄膜體聲波共振器(FBAR)及其他類型之聲波共振器。然而，此等現有技術不良好適合在針對未來通信網路提出之較高頻率下使用。
裝置之描述
圖1展示一橫向激發薄膜體聲波共振器(XBAR) 100的簡化示意性俯視圖及正交截面視圖。諸如共振器100之XBAR共振器可用於各種RF濾波器中，該等RF濾波器包含帶拒濾波器、帶通濾波器、雙工器及多工器。XBAR尤其適用於用於具有高於3 GHz之頻率之通信頻帶之濾波器中。
XBAR 100由形成於一壓電板110之一表面上的一薄膜導體圖案構成，該壓電板110具有平行之分別為前表面112及後表面114。壓電板係一壓電材料(諸如鈮酸鋰、鉭酸鋰、矽酸鑭鎵、氮化鎵或氮化鋁)之一薄單晶層。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已知且恆定。在本專利中呈現之實例中，壓電板經Z式切割，亦即，Z軸垂直於表面。然而，XBAR可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附接至對壓電板110提供機械支撐之一基板120。基板120可係(例如)矽、藍寶石、石英或某一其他材料。壓電板110可使用一晶圓接合程序經接合至基板120，或生長於基板120上，或以某一其他方式附接至基板。壓電板可直接附接至基板，或可經由一或多個中間材料層附接至基板。
XBAR 100之導體圖案包含一交叉指形傳感器(IDT) 130。IDT 130包含自一第一匯電條132延伸之第一複數個平行指狀部(諸如指狀部136)及自一第二匯電條134延伸之第二複數個指狀部。該等第一及第二複數個平行指狀部係交錯的。交錯指狀部重疊達一距離AP (通常被稱為IDT之「孔徑」)。IDT 130之最外指狀部之間的中心間距離L係IDT之「長度」。
第一匯電條132及第二匯電條134用作XBAR 100之終端。施加於IDT 130之兩個匯電條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，經激發聲波係在垂直於壓電板110之表面之方向(其亦垂直或橫向於由IDT指狀部產生之電場之方向)上傳播之一體剪切波。因此，XBAR被視為一橫向激發薄膜體波共振器。
一腔125形成於基板120中使得含有IDT 130之壓電板110之部分經懸置於腔125上方而不接觸基板120。「腔」具有「一實心體內之一空的空間」之其習知意義。腔125可係完全穿過基板120之一孔 (如截面A-A及截面B-B中展示)或基板120中之一凹槽。例如，可藉由在附接壓電板110及基板120之前或之後選擇性蝕刻基板120而形成腔125。如圖1中展示，腔125具有一矩形形狀，該矩形形狀具有大於IDT 130之孔徑AP及長度L之一範圍。一XBAR之一腔可具有一不同形狀，諸如一規則或不規則多邊形。一XBAR之腔可係多於或少於四條邊(其等可係筆直或彎曲)。
為了易於在圖1中呈現，相對於XBAR之長度(尺寸L)及孔徑(尺寸AP)在很大程度上誇大IDT指狀部之幾何節距及寬度。一典型XBAR具有IDT 110中之多於十個平行指狀部。一XBAR可具有IDT 110中之數百個，可能數千個平行指狀部。類似地，在截面視圖中在很大程度上誇大指狀部之厚度。
圖2展示XBAR 100的詳細示意性截面視圖。壓電板110係具有一厚度ts之壓電材料之一單晶層，ts可係(例如) 100 nm至1500 nm。當在用於自3.4 GHZ至6 GHz之LTETM 頻帶(例如，頻帶42、43、46)之濾波器中使用時，厚度ts可係(例如) 200 nm至1000 nm。
一前側介電層214可視情況形成於壓電板110之前側上。XBAR之「前側」之定義為背離基板之表面。前側介電層214具有一厚度tfd。前側介電層214形成於IDT指狀部238之間。雖然在圖2中未展示，但前側介電層214亦可安置於IDT指狀部238上方。一後側介電層216可視情況形成於壓電板110之後側上。後側介電層216具有一厚度tbd。前側介電層214及後側介電層216可係一非壓電介電材料，諸如二氧化矽或氮化矽。tfd及tbd可係(例如) 0至500 nm。tfd及tbd通常小於壓電板之厚度ts。tfd及tbd不一定相等，且前側介電層214及後側介電層216不一定係相同材料。前側介電層214及後側介電層216之任一者或兩者可由兩個或兩個以上材料之多個層形成。
IDT指狀部238可係鋁或一實質上鋁合金、銅或一實質上銅合金、鈹、金或某一其他導電材料。其他金屬(諸如鉻或鈦)(相對於導體之總厚度)之薄層可形成於指狀部下方及/或上方以改良指狀部與壓電板110之間的黏著性及/或鈍化或囊封指狀部。IDT之匯電條(圖1中之132、134)可由與指狀部相同或不同之材料製成。
尺寸p係IDT指狀部之中心間間隔或「節距」，其可被稱為IDT之節距及/或XBAR之節距。尺寸w係IDT指狀部之寬度或「標記」。一XBAR之IDT實質上不同於表面聲波(SAW)共振器中使用之IDT。在一SAW共振器中，IDT之節距係共振頻率下聲波波長之一半。另外，一SAW共振器IDT之標記對節距比率通常接近0.5 (即，標記或指狀部寬度係共振下聲波波長之約四分之一)。在一XBAR中，IDT之節距p通常係指狀部之寬度w之2至20倍。另外，IDT之節距p通常係壓電板片212之厚度ts之2至20倍。一XBAR中之IDT指狀部之寬度未被約束為共振下聲波波長之四分之一。例如，XBAR IDT指狀部之寬度可係500 nm或更大，使得IDT可使用光微影製造。IDT指狀部之厚度tm可係自100 nm至約等於寬度w。IDT之匯電條(圖1中之132、134)之厚度可等於或大於IDT指狀部之厚度tm。
圖3A及圖3B展示沿著圖1中定義之截面平面A-A的兩個替代截面視圖。在圖3A中，一壓電板310附接至一基板320。未完全穿透基板320之一腔325在含有一XBAR之IDT之壓電板310之部分下方形成於基板中。例如，可藉由在附接壓電板310之前蝕刻基板320而形成腔325。替代地，可藉由使用一選擇性蝕刻劑蝕刻基板320而形成腔325，該選擇性蝕刻劑透過提供於壓電板310中之一或多個開口到達基板。
在圖3B中，基板320包含一基底322及安置於壓電板310與基底322之間的一中間層324。例如，基底322可係矽且中間層324可係二氧化矽或氮化矽或某一其他材料。一腔325在含有一XBAR之IDT之壓電板310之部分下方形成於中間層324中。例如，可藉由在附接壓電板310之前蝕刻中間層324而形成腔325。替代地，可藉由使用一選擇性蝕刻劑蝕刻中間層324而形成腔325，該選擇性蝕刻劑透過提供於壓電板310中之一或多個開口到達基板。
圖3C係另一XBAR 350的示意性平面圖。XBAR 350包含形成於一壓電板310上的一IDT。壓電板310安置於一基板中之一腔380上方。在此實例中，腔380具有一不規則多邊形形狀使得無腔之邊緣平行，該等邊緣亦不平行於IDT之導體。一腔可具有具備筆直或彎曲邊緣之一不同形狀。
圖4係一XBAR中之所關注主要聲波模式的圖形圖解。圖4展示包含一壓電板410及三個交錯IDT指狀部430之一XBAR 400之一小部分。將一RF電壓施加至交錯指狀部430。此電壓在指狀部之間產生一時變電場。電場之方向係橫向於或平行於壓電板410之表面，如由標記為「電場」之箭頭指示。歸因於壓電板之高介電常數，相對於空氣，電場高度集中於板中。橫向電場引入剪切變形，且因此在壓電板410中強烈地激發剪切模式聲波。在此背景內容中，將「剪切變形」定義為其中一材料中之平行平面在相對於彼此平移時保持平行且維持一恆定距離之變形。將「剪切聲波」定義為導致一介質之剪切變形之介質中之聲波。XBAR 400中之剪切變形由曲線460表示，其中鄰近小箭頭提供原子運動之方向及量值的一示意性指示。為了易於視覺化，已在很大程度上誇大原子運動之程度以及壓電板410之厚度。雖然原子運動主要為橫向的(即，水平，如圖4中展示)，但經激發剪切聲波之聲能流動之方向主要為垂直的(垂直於壓電板之表面)，如由箭頭465指示。
考量圖4，在IDT指狀部430正下方基本上不存在電場，且因此在指狀部下方之區域470中僅最小地激發聲波模式。在此等區域中可存在消散聲波模式。由於在IDT指狀部430下方未激發聲波振動，故(例如，相較於一SAW共振器中之一IDT之指狀部)耦合至IDT指狀部430之聲能低，此最小化IDT指狀部中之黏滯損失。
基於剪切聲波共振器之一聲波共振器可達成比其中在厚度方向上施加電場之當前最先進技術薄膜體聲波共振器(FBAR)及固嵌式共振器體聲波(SMR BAW)器件更佳之效能。在此等器件中，聲波模式係壓縮的，其中原子運動及聲能流動之方向在厚度方向上。另外，相較於其他聲波共振器，用於剪切波XBAR共振之壓電耦合可係高的(＞20%)。因此，高壓電耦合實現具有客觀頻寬之微波及毫米波濾波器之設計及實施。
圖5係一圖表500，其具有使用有限元件方法(FEM)模擬技術模擬之依據一XBAR之頻率而變化之導納(以一對數標度)之正規化量值之一曲線510。在經模擬XBAR中，壓電板係Z式切割(即，Z軸垂直於板)鈮酸鋰。IDT指狀部係鋁。IDT經定向使得壓電板之y軸垂直於IDT指狀部。支撐壓電板之基板係矽，其中一腔完全穿過矽形成(如圖1中展示)。使用標準材料參數模擬壓電板及IDT指狀部中之損耗。經模擬實體尺寸如下：ts = 400 nm；tfd = 0；tbd = 0；tm = 100 nm；p = 5 μm；w = 500 nm。針對IDT指狀部之一單一對及1公尺之一孔徑使導納正規化。可藉由將提供於圖5中之正規化導納乘以(N-1)∙A而估計具有N個IDT指狀部及一孔徑A (以m為單位)之一XBAR之導納。
經模擬XBAR展現在4693 MHz之一頻率FR的一共振及在5306 MHz之一頻率FAR的一***振。在共振QR的Q係2645且在***振QAR的Q係4455。FAR與FR之間的絕對差係約600 MHz，且分數差係約0.12。聲波耦合可大致上被估計為24%。次級共振在低於FR及高於FAR之頻率的導納曲線中係明顯的。
聲波RF濾波器通常併入多個聲波共振器。通常言之，此等共振器具有至少兩個不同共振頻率。例如，使用熟知的「梯式」濾波器架構之一RF濾波器包含並聯共振器及串聯共振器。一並聯共振器通常具有低於濾波器之通帶之一共振頻率及在通帶內之一***振頻率。一串聯共振器通常具有在通帶內之一共振頻率及高於通帶之一***振頻率。在許多濾波器中，各共振器具有一獨有共振頻率。獲得在相同壓電板上製成之XBAR之不同共振頻率之一能力在很大程度上簡化使用XBAR之RF濾波器之設計及製造。
圖6係比較依據具有不同介電層之三個XBAR之頻率而變化之正規化導納的圖表600。導納資料源自使用與先前實例相同之材料及尺寸(惟介電層除外)之一XBAR結構之二維模擬。針對IDT指狀部之一單一對及1 m之一孔徑使導納正規化。實線610係針對其中tfd = tbd = 0之一XBAR (即，無介電層之一XBAR)之每單位孔徑之正規化導納之一曲線。此XBAR之正規化導納相當於圖5中之正規化導納曲線圖，其具有歸因於不同模擬方法之細微差異。虛線620係針對具有在介於IDT指狀部之間的壓電板片之前表面上的100 nm之SiO2 (tfd = 100 nm且tbd = 0)之一XBAR之正規化導納的曲線。相較於不具有介電層之XBAR，添加SiO2 層在壓電板之前表面上而使共振頻率向下移位約500 MHz或約11%。細點長點虛線630係針對具有在介於IDT指狀部之間的壓電板片之前表面上方的100 nm之SiO2 及在壓電板片之後表面上的100 nm之SiO2 (tfd = tbd =100 nm)之一XBAR之正規化導納的圖表。相較於不具有介電層之XBAR，添加SiO2 層在壓電板之兩個表面上而使共振頻率向下移位約900 MHz或20%。
圖7係比較依據具有不同前側介電層厚度之四個XBAR之頻率而變化之導納的圖表700。導納資料源自具有以下參數之XBAR之三維模擬：ts = 400 nm；tfd = 0、30、60、90 nm；tbd = 0；tm = 100 nm；p = 4.2 μm；w = 500 nm；AP = 20 μm；及N (IDT指狀部之總數) = 51。基板係Z式切割鈮酸鋰，IDT導體係鋁，且介電層係SiO2 。
實線710係其中tfd = 0之一XBAR (即，無介電層之一XBAR)之導納的曲線。虛線720係其中tfd = 30 nm之一XBAR之導納的曲線。相較於無介電層之XBAR，添加30 nm介電層而使共振頻率減小約145 MHz。細點長點虛線730係其中tfd = 60 nm之一XBAR之導納之一曲線。相較於無介電層之XBAR，添加60 nm介電層而使共振頻率減小約305 MHz。細點長點虛線740係其中tfd = 90 nm之一XBAR之導納的曲線。相較於無介電層之XBAR，添加90 nm介電層而使共振頻率減小約475 MHz。次級共振之頻率及量值與主要剪切模式共振受到不同影響。
重要地，具有各種厚度之介電層之存在對壓電耦合具有少或無影響，如由各XBAR之共振與***振之間的幾乎恆定頻率偏移證實。
圖8、圖9及圖10係展示藉由模擬判定之共振頻率對XBAR實體特性之相依性的圖表。具體言之，圖8係依據壓電板厚度ts而變化之共振頻率的圖表，其中IDT指狀部節距p = 3微米且無前側或後側介電層(tfd = tbd = 0)。圖9係針對壓電板厚度ts = 400 nm且IDT指狀部節距p = 3微米之依據前側介電層厚度tfd而變化之共振頻率的圖表。圖10係依據IDT指狀部節距p而變化之共振頻率的圖表，其中壓電板厚度ts = 400 nm且tfd = tbd = 0。在全部情況中，壓電基板係Z式切割鈮酸鋰且IDT指狀部係具有一寬度w = 500 nm及厚度tm = 100 nm之鋁。前側介電層(當存在時)係SiO2 。
圖11係比較依據具有不同壓電板材料之兩個XBAR之頻率而變化之導納的圖表1100。導納資料源自XBAR之三維模擬，其具有以下參數：ts = 415 nm；tfd =120 nm；tbd = 0；tm = 460 nm；p = 4.5 μm；w = 700 nm；AP = 71 μm；及N (IDT指狀部之總數) = 221。基板係Z式切割鈮酸鋰或Z式切割鉭酸鋰，IDT電極係銅，且介電層係SiO2 。
實線1110係鈮酸鋰板上的一XBAR之導納的曲線。虛線1120係鉭酸鋰板上的一XBAR之導納的曲線。應注意，鉭酸鋰XBAR之共振頻率與***振頻率之間的差異係約5%，或鈮酸鋰XBAR之頻率差之一半。鉭酸鋰XBAR之較低頻率差係歸因於材料之較弱壓電耦合。鈮酸鋰XBAR之經量測共振頻率溫度係數係約每攝氏度-71百萬分率。鉭酸鋰XBAR之頻率溫度係數(TCF)將係鈮酸鋰XBAR之TCF之約一半。鉭酸鋰XBAR可用於不需要在鈮酸鋰XBAR之情況下可行之大濾波器頻寬且其中經減小TCF有利之應用中。
圖12係展示在具有400 nm之一厚度之一Z式切割鈮酸鋰板上製造之一實驗XBAR之經量測導納的圖表。IDT具有5 μm之一節距，40 μm之一孔徑及101個IDT指狀部。IDT指狀部係具有100 nm之一厚度之鋁。器件不包含介電層。實線1210係依據頻率而變化之導納之量值。共振頻率係4617 MHz且***振頻率係5138 MHz。頻率差係521 MHz或多於共振頻率之11%。尚未針對量測系統之影響校正經量測資料。通常言之，針對量測系統校正增加***振頻率及***振頻率與共振頻率之間的差。
圖13係展示在具有400 nm之一厚度之一Z式切割鈮酸鋰板上製造之另一實驗XBAR之經量測導納的圖表。IDT具有5 μm之一節距，20 μm之一孔徑及51個指狀部。IDT指狀部係具有100 nm之一厚度之鋁。器件不包含介電層。實線1310係依據頻率而變化之導納之量值。主要XBAR共振之第三及第五諧波分別在約13.5 GHz及22.5 GHz處可見。已在其他XBAR中在高達60 GHz之頻率下量測共振。
圖14係使用XBAR之一高頻帶通濾波器1400的示意性電路圖及佈局。濾波器1400具有包含三個串聯共振器1410A、1410B、1410C及兩個並聯共振器1420A、1420B之一習知梯式濾波器架構。三個串聯共振器1410A、1410B及1410C在一第一埠與一第二埠之間串聯連接。在圖14中，第一埠及第二埠被分別標記為「入」及「出」。然而，濾波器1400對稱且任一埠用作濾波器之輸入或輸出。兩個並聯共振器1420A、1420B自串聯共振器之間的節點連接至接地。全部並聯共振器及串聯共振器係XBAR。
濾波器1400之三個串聯共振器1410A、1410B、1410C及兩個並聯共振器1420A、1420B形成於接合至矽基板(不可見)之壓電材料之一單一板1430上。各共振器包含一各自IDT (未展示)，其中至少IDT之指狀部安置於基板中之一腔上方。在此及類似背景內容中，術語「各自」意謂「使各事物彼此相關」，亦即，具有一一對一對應性。在圖14中，將腔示意性地繪示為虛線矩形(諸如矩形1435)。在此實例中，各IDT安置於一各自腔上方。在其他濾波器中，兩個或兩個以上共振器之IDT可安置於一單一腔上方。
圖15係展示來自模擬併入五個XBAR之一第一帶通濾波器之結果的圖表。第一濾波器之示意圖與圖14之濾波器1400相同。XBAR經形成於一0.4微米厚度之Z式切割鈮酸鋰板上。基板係矽，IDT導體係鋁，且不存在介電層。在以下表(全部尺寸係以微米為單位)中提供共振器之其他實體尺寸：
Figure 108120633-A0304-0001
使用一3D有限元件模型化工具模擬第一濾波器之效能。曲線1510係依據頻率而變化之第一濾波器之S21 (輸入-輸出轉移函數)之量值之一曲線。濾波器頻寬係約800 MHz，在5.15 GHz處居中。經模擬濾波器效能包含電阻及黏滯損失。藉由僅變動IDT指狀部之節距及寬度而完成各種共振器之共振頻率之調諧。
圖16係展示來自模擬使用五個XBAR之一第二濾波器之結果的圖表。第二濾波器之示意圖與圖14之濾波器1400相同。XBAR形成於一Z式切割鈮酸鋰(0.4 μm厚)壓電板上。基板係矽，且IDT電極係銅。藉由變動IDT指狀部之節距及寬度且藉由在並聯共振器上提供一前側介電層以減小其等頻率而完成調整共振器之共振頻率。在以下表(全部尺寸係以微米為單位)中提供共振器之其他實體尺寸：
Figure 108120633-A0304-0002
使用一3D有限元件模型化工具模擬濾波器之效能。曲線1610係依據頻率而變化之經模擬濾波器1400之S21 (輸入-輸出轉移函數)之一曲線。濾波器頻寬係約800 MHz，在4.75 GHz處居中。經模擬效能不包含電阻或黏滯損失。
第一濾波器及第二濾波器(其等S21傳輸函數在圖15及圖16中展示)係使用XBAR之濾波器之實例。一濾波器可使用多於或少於兩個並聯共振器，多於或少於三個串聯共振器及多於或少於五個總共振器。除XBAR之外，一濾波器亦可使用反應性組件，諸如電容器、電感器及延遲線。此等濾波器之個別共振器之進一步精細調諧可改良濾波器效能。
方法之描述
圖17係用於製造一XBAR或併入XBAR之一濾波器之一方法1700的簡化流程圖。方法1700在1705處以一基板及一壓電材料板開始，且在1795處以一經完成XBAR或濾波器結束。圖17之流程圖僅包含主要程序步驟。可在圖17中展示之步驟之前、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)。
壓電板可係(例如)如在先前呈現之實例中使用之Z式切割鈮酸鋰或鉭酸鋰。壓電板可係某一其他材料及/或某一其他切割。基板可較佳係矽。基板可係容許藉由蝕刻或其他處理而形成深腔之某一其他材料。
在1710處，將壓電板接合至基板。可藉由一晶圓接合程序接合壓電板及基板。通常言之，高度拋光基板及壓電板之配合表面。可在壓電板及基板之一者或兩者之配合表面上形成或沈積中間材料(諸如氧化物或金屬)之一或多個層。可使用(例如)一電漿程序活化一個或兩個配合表面。可接著使用相當大的力將配合表面按壓在一起以在壓電板與基板或中間材料層之間建立分子鍵。
程序1700之一變動係在基板上原地生長壓電板。在該程序變動中，不需要接合且將1710處之動作重新定義為「在基板上生長壓電板」。
在1720處，在基板中形成一或多個腔。可針對一濾波器器件中之各共振器形成一單獨腔。可使用一各向異性或定向相依乾式或濕式蝕刻形成一或多個腔以自基板之後側至壓電板打開孔。替代地，可藉由使用透過壓電板中之開口引入之一蝕刻劑蝕刻基板而形成呈基板中之凹槽之形式之腔。
程序1700之一變動係在將壓電板附接至基板之前在基板中形成一或多個腔。在該程序變動中，1720及1730處之動作在1710處之動作之前發生。
在1730處，可形成一後側介電層。在其中在1720處形成之腔係穿過基板之孔之情況中，可使用一習知沈積技術(諸如濺鍍、蒸鍍或化學氣相沈積)透過腔沈積後側介電層。當在1720處形成之腔係不完全穿透基板之凹槽時，必須在將壓電板接合至基板之前在壓電板或基板上形成後側介電層。在該情況中，1730處之動作在1710處之動作之前發生。
在1740處藉由在壓電板之前側上沈積且圖案化一或多個導體層而形成包含各XBAR之IDT之一導體圖案。導體層可係(例如)鋁、一鋁合金、銅、一銅合金或某一其他導電金屬。視情況，可在導體層下方(即，在導體層與壓電板之間)及/或導體層之頂部上沈積其他材料之一或多個層。例如，可使用鈦、鉻或其他金屬之一薄膜以改良導體層與壓電板之間的黏著性。可在導體圖案(例如，IDT匯電條及IDT之間的互連)之部分上方形成金、鋁、銅或其他較高導電性金屬之一導電增強層。
可在1740處藉由在壓電板之表面上方依序沈積導體層及視情況，一或多個其他金屬層而形成導體圖案。可接著藉由蝕刻穿過圖案化光阻劑而移除過量金屬。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而蝕刻導體層。
替代地，可在1740處使用一剝離程序形成導體圖案。可在壓電板上方沈積光阻劑且圖案化該光阻劑以定義導體圖案。可在壓電板之表面上方依序沈積導體層及視情況，一或多個其他層。可接著移除光阻劑，此移除過量材料，從而留下導體圖案。
在1750處，可藉由在壓電板之前側上沈積介電材料之一或多個層而形成一前側介電層。可使用一習知沈積技術(諸如濺鍍、蒸鍍或化學氣相沈積)沈積一或多個介電層。可在壓電板之整個表面上方(包含在導體圖案之頂部上)沈積一或多個介電層。替代地，可使用一或多個微影程序(使用光罩)以將介電層之沈積限於壓電板之選定區域，諸如僅在IDT之交錯指狀部之間。亦可使用遮罩以容許在壓電板之不同部分上沈積不同厚度之介電材料。
在於1750及1730處形成前側及後側介電層之後，可在1760處完成濾波器器件。可在1760處發生之動作包含：沈積及圖案化額外金屬層以形成除IDT導體圖案之外之導體；在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 )；形成銲墊或焊料凸塊或用於製造器件與外部電路之間的連接之其他構件；自含有多個器件之一晶圓切除個別器件；其他封裝步驟；及測試。可在1760處發生之另一動作係藉由自器件之前側添加或移除金屬或介電材料而調諧器件內之共振器之共振頻率。在完成濾波器器件之後，程序在1795處結束。
結束評論
貫穿此描述，所展示之實施例及實例應被視為實例，而非對所揭示或主張之裝置及程序之限制。雖然本文中呈現之許多實例涉及方法動作或系統元件之特定組合，但應理解，可以其他方式組合該等動作及該等元件以完成相同目標。關於流程圖，可採取額外及較少步驟，且組合或進一步細化如展示之步驟以達成本文中描述之方法。僅結合一項實施例論述之動作、元件及特徵不旨在自其他實施例中之一類似角色排除。
如本文中使用，「複數」意謂兩個或更多個。如本文中使用，一「組」品項可包含此等品項之一或多者。如本文中使用，無論係在所書寫描述或發明申請專利範圍中，術語「包括」、「包含」、「帶有」、「具有」、「含有」、「涉及」及類似者應理解為開放式，即，意謂包含但不限於。僅轉折片語「由…組成」及「基本上由…組成」應分別相對於發明申請專利範圍為封閉式或半封閉式轉折片語。在發明申請專利範圍中使用諸如「第一」、「第二」、「第三」等之序數詞以修飾一發明申請專利範圍元素自身不意謂一個發明申請專利範圍元素優於另一發明申請專利範圍元素之任何優先權、優先地位或順序或執行一方法之動作之時間順序，而僅被用作區分具有一特定名稱之一個發明申請專利範圍元素與具有一相同名稱(但使用順序術語)之另一元素以區分該等發明申請專利範圍元素之標記。如本文中使用，「及/或」意謂所列舉品項係替代例，但替代例亦包含所列舉品項之任何組合。
100:橫向激發薄膜體聲波共振器(XBAR) 110:壓電板 112:前表面 114:後表面 120:基板 125:腔 130:交叉指形傳感器(IDT) 132:第一匯電條 134:第二匯電條 136:指狀部 214:前側介電層 216:後側介電層 238:交叉指形傳感器(IDT)指狀部 310:壓電板 320:基板 322:基底 324:中間層 325:腔 350:橫向激發薄膜體聲波共振器(XBAR) 380:腔 400:橫向激發薄膜體聲波共振器(XBAR) 410:壓電板 430:交叉指形傳感器(IDT)指狀部 460:曲線 465:箭頭 470:區域 500:圖表 510:曲線 600:圖表 610:實線 620:虛線 630:細點長點虛線 700:圖表 710:實線 720:虛線 730:細點長點虛線 740:細點長點虛線 1100:圖表 1110:實線 1120:虛線 1210:實線 1310:實線 1400:高頻帶通濾波器 1410A:串聯共振器 1410B:串聯共振器 1410C:串聯共振器 1420A:並聯共振器 1420B:並聯共振器 1430:單一板 1435:矩形 1510:曲線 1610:曲線 1700:方法 1705:步驟 1710:步驟 1720:步驟 1730:步驟 1740:步驟 1750:步驟 1760:步驟 1795:步驟 AP:交錯指狀部重疊距離/孔徑 A-A:截面 B-B:截面 L:中心間距離 p:節距 tbd: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體聲波共振器(XBAR)的示意性平面圖及兩個示意性截面視圖。
圖2係圖1之XBAR之一部分的擴展示意性截面視圖。
圖3A係圖1之XBAR的替代示意性截面視圖。
圖3B係圖1之XBAR的另一替代示意性截面視圖。
圖3C係一XBAR的替代示意性平面圖。
圖4係繪示一XBAR中之一剪切水平聲波模式的圖表。
圖5係一經模擬XBAR之導納(admittance)的圖表。
圖6係比較具有不同介電層之三個經模擬XBAR之導納的圖表。
圖7係比較具有不同介電層厚度之四個經模擬XBAR之導納的圖表。
圖8係展示壓電板厚度對一XBAR之共振頻率之影響的曲線圖。
圖9係展示前介電層厚度對一XBAR之共振頻率之影響的曲線圖。
圖10係展示IDT指狀部節距對一XBAR之共振頻率之影響的曲線圖。
圖11係比較LiNbO3 及LiTaO3 板上的XBAR之導納的圖表。
圖12係一XBAR之經量測導納的圖表。
圖13係一XBAR之經量測導納的另一圖表。
圖14係使用XBAR之一濾波器的示意性電路圖及佈局。
圖15係圖12之濾波器之一實施例之轉移曲線(S21)的圖表。
圖16係圖12之濾波器之另一實施例之轉移曲線(S21)的圖表。
圖17係用於製造一XBAR之一程序的流程圖。
貫穿此描述，出現在圖中之元件經指派三數位或四數位參考標示符，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引入元件之圖號。可推測未結合一圖描述之一元件具有與具有相同參考標示符之一先前描述元件相同之特性及功能。
100:橫向激發薄膜體聲波共振器(XBAR)
110:壓電板
112:前表面
114:後表面
120:基板
125:腔
130:交叉指形傳感器(IDT)
132:第一匯電條
134:第二匯電條
136:指狀部
AP:交錯指狀部重疊距離/孔徑
A-A:截面
B-B:截面
L:中心間距離

Claims (22)

  1. 一種濾波器器件，其包括：一基板；一壓電板，其具有平行之前表面及後表面，該後表面附接至該基板；及一導體圖案，其形成於該前表面上，該導體圖案包含各自複數個共振器之複數個交叉指形傳感器(interdigital transducer,IDT)，其中該複數個IDT之各者之交錯指狀部安置於懸置於形成於該基板中之一或多個腔上方之該壓電板之各自部分上，該複數個共振器包含一並聯共振器(shunt resonator)及一串聯共振器(series resonator)，及安置於該並聯共振器之該IDT之該等指狀部之間的一第一介電層之一第一厚度大於安置於該串聯共振器之該IDT之該等指狀部之間的一第二介電層之一第二厚度，其中該並聯共振器之一共振頻率至少部分由該第一厚度設定，該串聯共振器之一共振頻率至少部分由該第二厚度設定，及該第一厚度與該第二厚度之間的一差足以將該並聯共振器之該共振頻率設定為比該串聯共振器之該共振頻率低至少140MHz。
  2. 如請求項1之濾波器器件，其中該複數個IDT之全部經組態以回應於施加至各IDT之各自射頻信號而在該壓電板中激發剪切聲波。
  3. 如請求項1之濾波器器件，其中該壓電板之該前表面與該後表面之間的一厚度大於或等於200nm且小於或等於1000nm。
  4. 如請求項1之濾波器器件，其中形成於該基板中之該一或多個腔係該複數個IDT之各者之各自腔。
  5. 如請求項1之濾波器器件，其中該複數個IDT之各者具有大於或等於該壓電板之該厚度之2倍且小於或等於該壓電板之該厚度之25倍之一各自節距。
  6. 如請求項1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500nm。
  7. 如請求項1之濾波器器件，其中該複數個共振器包含兩個或兩個以上並聯共振器，且該第一介電層在該兩個或兩個以上並聯共振器之全部之該等指狀部之間安置於該前表面上。
  8. 如請求項1之濾波器器件，其中該複數個共振器包含兩個或兩個以上串聯共振器，且該第二介電層在該兩個或兩個以上串聯共振器之全部之該等指狀部之間安置於該前表面上。
  9. 如請求項1之濾波器器件，其中該壓電板之一z軸垂直於該前表面及該後表面。
  10. 如請求項9之濾波器器件，其中該複數個IDT之全部經定向使得該等IDT之該等指狀部平行於該壓電板之一x軸。
  11. 一種濾波器器件，其包括：一基板；一壓電板，其具有平行之前表面及後表面，該後表面附接至該基板；及一導體圖案，其形成於該前表面上，該導體圖案包含各自複數個共振器之複數個交叉指形傳感器(IDT)，其中該複數個IDT之各者之交錯指狀部安置於懸置於形成於該基板中之一或多個腔上方之該壓電板之各自部分上，該複數個共振器包含一並聯共振器及一串聯共振器，及安置於該並聯共振器之該IDT之該等指狀部之間的一第一介電層之一第一厚度大於安置於該串聯共振器之該IDT之該等指狀部之間的一第二介電層之一第二厚度，其中該第一介電層及該第二介電層係SiO2及Si3N4之至少一者，及該第一厚度與該第二厚度之間的一差大於或等於30nm。
  12. 一種在具有平行之前表面及後表面之一壓電板上製造一濾波器器件之方法，該後表面附接至一基板，該方法包括：在該基板中形成一或多個腔使得該壓電板之各自部分懸置於該等腔上方；在該前表面上形成一導體圖案，該導體圖案包含包含一並聯共振器及一串聯共振器之各自複數個共振器之複數個交叉指形傳感器(IDT)，其中該複數個IDT之各者之交錯指狀部安置於懸置於該一或多個腔上方之該壓電板之該等部分之一者上；在該並聯共振器之該IDT之該等指狀部之間形成具有一第一厚度之一第一介電層；及在該串聯共振器之該IDT之該等指狀部之間形成具有一第二厚度之一第二介電層，其中該第一厚度大於該第二厚度，其中該並聯共振器之一共振頻率至少部分由該第一厚度設定，該串聯共振器之一共振頻率至少部分由該第二厚度設定，及該第一厚度與該第二厚度之間的一差足以將該並聯共振器之該共振頻率設定為比該串聯共振器之該共振頻率低至少140MHz。
  13. 如請求項12之方法，其中該複數個IDT之全部經組態以回應於施加至各IDT之各自射頻信號而在該壓電板中激發剪切聲波。
  14. 如請求項12之方法，其中該壓電板之該前表面與該後表面之間的一厚度大於或等於200nm且小於或等於1000nm。
  15. 如請求項12之方法，其中形成於該基板中之該一或多個腔係該複數個IDT之各者之各自腔。
  16. 如請求項12之方法，其中該複數個IDT之各者具有大於或等於該壓電板之該厚度之2倍且小於或等於該壓電板之該厚度之25倍之一各自節距。
  17. 如請求項12之方法，其中該第二厚度大於或等於0，且該第一厚度小於或等於500nm。
  18. 如請求項12之方法，其中該複數個共振器包含兩個或兩個以上並聯共振器，且形成該第一介電層包括在該兩個或兩個以上並聯共振器之全部之該等指狀部之間形成該第一介電層。
  19. 如請求項12之方法，其中該複數個共振器包含兩個或兩個以上串聯共振器，且形成該第二介電層包括在該兩個或兩個以上串聯共振器之全部之該等指狀部之間形成該第二介電層。
  20. 如請求項12之方法，其中該壓電板之一z軸垂直於該前表面及該後表面。
  21. 如請求項12之方法，其中該複數個IDT之全部經定向使得該等IDT之該等指狀部平行於該壓電板之一x軸。
  22. 一種在具有平行之前表面及後表面之一壓電板上製造一濾波器器件之方法，該後表面附接至一基板，該方法包括：在該基板中形成一或多個腔使得該壓電板之各自部分懸置於該等腔上方；在該前表面上形成一導體圖案，該導體圖案包含包含一並聯共振器及一串聯共振器之各自複數個共振器之複數個交叉指形傳感器(IDT)，其中該複數個IDT之各者之交錯指狀部安置於懸置於該一或多個腔上方之該壓電板之該等部分之一者上；在該並聯共振器之該IDT之該等指狀部之間形成具有一第一厚度之一第一介電層；及在該串聯共振器之該IDT之該等指狀部之間形成具有一第二厚度之一第二介電層，其中該第一厚度大於該第二厚度，其中該第一介電層及該第二介電層係SiO2及Si3N4之至少一者，及該第一厚度與該第二厚度之間的一差大於或等於30nm。
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