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CN113615083A - 带有半λ介电层的横向激励的薄膜体声波谐振器 - Google Patents

带有半λ介电层的横向激励的薄膜体声波谐振器 Download PDF

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CN113615083A CN202080018468.7A CN202080018468A CN113615083A CN 113615083 A CN113615083 A CN 113615083A CN 202080018468 A CN202080018468 A CN 202080018468A CN 113615083 A CN113615083 A CN 113615083A
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Abstract

公开了声波谐振器器件和滤波器。一种声波谐振器器件，包括：一基板，具有一表面；一单晶压电板，具有正面和背面，所述背面附接到所述基板的表面上，除了一部分的压电板未附接到所述基板的表面上，其中这部分的压电板形成了隔膜，所述隔膜跨越所述基板中的空腔。一叉指换能器(IDT)，在所述单晶压电板的正面上形成，使得IDT的交错指状物设置在所述隔膜上。所述压电板和IDT配置为使得施加到IDT的射频信号激发所述隔膜中的剪切主声模。一半λ介电层，在所述压电板的正面和背面中的其中一面上形成。

Description

带有半λ介电层的横向激励的薄膜体声波谐振器
技术领域
本公开涉及使用声波谐振器的射频滤波器，尤其涉及用于通信设备中的滤波器。
背景技术
射频(RF)滤波器是双端器件，其被配置为通过一些频率，阻止其它频率，其中“通过”意味着以相对低的信号损耗进行传输，而“阻止”意味着阻塞或基本上衰减。滤波器通过的频率范围称为滤波器的“通带”。由这种滤波器阻止的频率范围称为滤波器的“阻带”。典型的RF滤波器具有至少一个通带和至少一个阻带。通带或阻带的具体要求取决于具体应用。例如，“通带”可以定义为一个频率范围，其中滤波器的插入损耗优于诸如1dB、2dB或3dB的定义值。“阻带”可以定义为一个频率范围，其中滤波器的抑制大于定义值，例如20dB、30dB、40dB或更大的值，这取决于具体的应用。
RF滤波器用于通过无线链路传输信息的通信系统中。例如，RF滤波器可见于蜂窝基站、移动电话和计算设备、卫星收发器和地面站、物联网(IoT)设备、膝上型计算机和平板电脑、定点无线电链路和其它通信系统的RF前端中。RF滤波器也用于雷达和电子和信息战系统。
RF滤波器通常需要许多设计方面的权衡，以针对每个特定应用实现诸如插入损耗、拒绝、隔离、功率处理、线性、尺寸和成本之类的性能参数之间的最佳折中。具体的设计和制造方法和增强可以同时使这些需求中的一个或几个受益。
无线系统中RF滤波器的性能的增强可对系统性能产生广泛影响。可以通过改进RF滤波器来改进系统性能，例如单元尺寸更大、电池续航时间更长、数据速率更高、网络容量更大、成本更低、安全性增强、可靠性更高等。可在无线系统的各个级别上单独地或组合地实现这些改进点，例如在RF模块、RF收发器、移动或固定子系统或网络级别实现这些改进点。
要想获得更宽的通信信道带宽，就势必要用到更高频率的通信频段。当前的LTETM(长期演进)规范定义了在3.3GHz至5.9GHz之间的频段。其中一些频段目前未使用。未来的无线通信提议包括毫米波通信频段，该频段的频率高达28GHz。
用于当前通信系统的高性能RF滤波器通常包含声波谐振器，声波谐振器又包括表面声波(SAW)谐振器、体声波BAW)谐振器、薄膜体声波谐振器(FBAR)和其他类型的声谐振器。然而，这些现有技术并不太适合于在更高的频率下使用，其中人们提出在未来的通信网络中用到这些更高的频率。
附图说明
图1包括横向激励膜体声波谐振器(XBAR)的示意性平面图和两个示意性截面图。
图2是图1的XBAR的局部放大示意性横截面图。
图3是包括“半λ”介电层的改进的XBAR的局部放大示意性横截面图。
图4是比较具有半λ介电层的XBAR和传统XBAR的导纳的图表。
图5是具有轮廓的半λ介电层的XBAR的横截面图，其中轮廓代表谐振频率处的应力。
图6是比较具有半λAlN层的三个XBAR的导纳的图表。
图7是比较具有半λSiO2层的三个XBAR的导纳的图表。
图8是比较具有半λSiO2层的三个其他XBAR的导纳的图表。
图9是具有过薄半λSiO2层的XBAR的导纳的图表。
图10是具有过厚半λSiO2层的XBAR的导纳的图表。
图11是XBAR的温度频率系数随SiO2厚度变化的图表。
图12是使用XBAR的滤波器的示意电路图和布局。
图13是用于制造包括半λ介电层的XBAR的工艺的流程图。
在整个说明书中，附图中出现的元件分配有三位数或四位数的附图标记，其中两个最低有效位是该元件特有的，而一个或两个最高有效位是首先示出元件的编号。可以假定未结合附图描述的元件具有与具有相同附图标记的先前描述的元件相同的特性和功能。
具体实施方式
器件说明
图1示出了美国专利No.10,491,192中描述的横向激励薄膜体声波谐振器(XBAR)100的简化的示意性俯视图和正交横截面图。诸如谐振器100的XBAR谐振器可用于各种RF滤波器，RF滤波器包括带阻滤波器、带通滤波器、双工器和多路复用器。XBAR非常适合用于频率高于3GHz的通信频段的滤波器。
XBAR 100由在压电板110的表面上形成的薄膜导体图案组成，所述压电板分别具有平行的正面和背面112、114。压电板是压电材料制成的薄单晶层，所述压电材料例如有铌酸锂、钽酸锂、硅酸镧镓、氮化镓或氮化铝。将压电板切割成使X，Y和Z晶轴相对于正面和背面的方向已知且一致。在本专利中示出的示例中，压电板可以是Z切割的，也就是说Z轴垂直于正面和背面112、114。然而，可以在具有其他晶体取向的压电板上制造XBAR。
压电板110的背面114附接到基板120的表面上，除了一部分的压电板110未附接到基板120的表面上，其中这部分的压电板110形成了隔膜115，隔膜115跨越基板中形成的空腔140。压电板110的跨越空腔的部分在本文中称为“隔膜”115，这是因为这部分在物理上与麦克风的隔膜相似。如图1所示，隔膜115在空腔140的整个周边145周围与压电板110的其余部分邻接。在这种情况下，“邻接”是指“连续连接，中间没有任何其他物品”。
基板120为压电板110提供机械支撑。基板120可以是，例如硅、蓝宝石、石英，或一些其它材料，或这些材料的组合。可以使用晶圆键合工艺使压电板110的背面114与基板120结合。或者，压电板110在基板120上生长，或者以某种其他方式将压电板110附着到基板。压电板110可以直接附接到基板，或者可以经由一个或多个中间材料层附接到基板120。
“空腔”的常规含义是“固体内的一个空的空间”。空腔140可以是完全穿过基板120的孔(如A-A和B-B截面所示)，或者可以是基板120中的凹槽。例如，可以在将压电板110附接到基板120之前或之后，通过对基板120进行选择性蚀刻来形成空腔140。
XBAR100的导体图案包括叉指换能器(IDT)130。IDT130包括第一多个平行指状物，例如指状物136，从第一母线132延伸，IDT130还包括第二多个指状物，从第二母线134延伸。第一和第二多个平行指状物交错。交错的指状物重叠一段距离AP，其通常称为IDT的“孔径”。IDT 130的最外处的指状物之间的中心到中心距离L是IDT的“长度”。
第一和第二母线132、134用作XBAR 100的端子。在IDT 130的两个母线132、134之间施加的射频或微波信号激发压电板110内的主声学模。主声学模是体剪切模，其中声能在基本垂直于压电板110表面的方向上传播，该方向也与IDT指状物所产生的电场方向垂直或横向。因此，XBAR视为横向激励的薄膜体波谐振器。
IDT 130放置在压电板110上，使得至少IDT 130的指状物设置在压电板的部分115上，该部分115跨过或悬挂在空腔140上。如图1所示，空腔140呈矩形，该矩形的大小为大于孔径AP和IDT 130的长度L。XBAR的空腔可以具有不同的形状，例如规则或不规则的多边形。XBAR的空腔可以具有多于或少于四个侧面，这些侧面可以是直的或弯曲的。
为了便于在图1中示出，相对于XBAR的长度(尺寸L)和孔径(尺寸AP)，IDT指状物的几何间距和宽度被大大放大。典型的XBAR在IDT 110中具有十个以上的平行指状物。一个XBAR在IDT 110中可能具有数百个，可能数千个平行指状物。类似地，横截面图中，IDT指状物的厚度被大大放大。
图2示出了XBAR 200的详细示意横截面图，该XBAR 200可以是图1的XBAR 100。压电板210是压电材料的单晶层，具有正面214和背面216。正面214和背面216之间的厚度ts可以是例如100nm至1500nm。当用于5G NR(第五代新无线电)和3.3GHz至6GHz的Wi-FiTM频段的滤波器时，厚度ts可以是例如280nm至550nm。
IDT指状物238可以是铝、基本上铝合金、铜、基本上铜合金、钨、钼、铍、金或一些其他导电材料。可以在指状物的下方和/或上方形成其他金属(例如铬或钛)的薄(相对于导体的总厚度)层，以改善指状物与压电板210之间的粘附力和/或钝化或封装指状物。IDT的母线(图1中的132、134)可以由与指状物相同或不同的材料制成。
尺寸p是IDT指状物的中心到中心的间隔或“间距”，可以称为IDT的间距和/或XBAR的间距。尺寸w是IDT指状物的宽度或“标记”。XBAR的IDT与表面声波(SAW)谐振器中使用的IDT明显不同。在SAW谐振器中，IDT的间距是谐振频率处声波波长的一半。另外，SAW谐振器IDT的标记间距比通常接近0.5(即，标记或指状物的宽度约为谐振时声波波长的四分之一)。在XBAR中，IDT的间距p通常为指状物宽度w的2至20倍。另外，IDT的间距p通常是压电板210的厚度ts的2至20倍。XBAR中的IDT指状物的宽度不被限制为谐振时的声波波长的四分之一。例如，XBAR IDT指状物的宽度可以为500nm或更大，从而可以使用光刻技术制造IDT。IDT指状物的厚度tm可以从100nm到大约等于宽度w。IDT的母线(图1中的132、134)的厚度可以等于或大于IDT指状物的厚度tm。
当压电板的厚度ts是声波波长λ的一半的整数倍时，垂直于压电板表面传播的剪切体声波(BAW)将从表面反射并谐振或形成驻波。发生这种谐振的最长波长/最低频率是频率f0和波长λ0,s处的剪切BAW基波谐振，等于压电板厚度ts的两倍。术语“λ0,s”是指压电板中压电板的剪切BAW基波(0阶)谐振的波长。相同声波的波长(即以相同频率在相同方向传播的剪切BAW)在其他材料中可能不同。频率f0可以通过将压电板中的剪切BAW的速度除以波长λ0，s来确定。压电板的剪切BAW基波谐振与XBAR器件200的谐振不同，后者受IDT结构的影响。
图3示出了包含“半λ”介电层的XBAR的详细示意性截面图。图3具体示出了在压电板310的正面(即背离基板的一侧；如图3所示的上侧)具有厚介电层350的XBAR 300。可以使用压电板310的背面316上的可比介电层，而不用介电层350。在更大的范围内，具有厚介电层350的XBAR 300类似于图1的XBAR 100。图3还示出了如前所述的两个IDT指状物338。尺寸p是IDT指状物的中心到中心间距或“间距”，尺寸w是IDT指状物的宽度或“标记”。
压电板310是诸如铌酸锂或钽酸锂的压电材料的薄单晶层。压电板310被切割成使得X、Y和Z晶轴相对于正面和背面314、316的取向是已知的和一致的。压电板310的厚度ts可以是例如100nm至1500nm。
介电层350可以是几乎任何介电材料，例如SiO2、Si3N4、Al2O3、AlN和其他介电材料。如将要讨论的，当介电材料是或包含AlN并且当介电材料是SiO2时，可以产生特别的好处。
压电板310的厚度ts和介电层350的厚度td被配置为使得垂直于表面316和352传播的剪切BAW在预定的频率下在表面316和352之间形成全周期驻波，所述预定频率可能略小于XBAR器件300的期望谐振频率。换言之，在预定频率下发生剪切BAW第二泛音谐振。根据定义，压电板的厚度ts是λ0,s的二分之一，如前所述，其是没有介电层350时压电板310的剪切BAW基波谐振的波长。民意上介电层350的厚度td是λ0，d的二分之一，其中λ0，d是介电层350中相同体BAW的波长。在这种情况下，压电板310和介电层350中的每一个将包含一个频率为f0的半周期驻波，其中频率f0现在是第二泛音谐振的频率。λ0，d等于λ0，s，乘以介电层350中的剪切声波速度与压电板310中的剪切声波速度之比。对于相对较慢的介电材料，例如SiO2,λ0,d可以等于或略大于λ0,s。在这种情况下，介电层350的厚度td可以等于或略大于ts。对于相对较快的介电材料，例如Si3N4或AlN，λ0,d可以显著大于λ0,s。在这种情况下，介电层350的厚度td将成比例地大于ts。
虽然介电层350在本文中被称为“半λ”介电层，但介电层的厚度td不必精确地为λ0，d/2。厚度td可以不同于λ0，d/2，只要压电板310和介电层350的组合厚度使得体剪切波的第二泛音谐振在预定频率下发生。仿真结果(接下来会讨论其中的一些仿真结果)表明介电层厚度导致XBAR具有低杂散模式和一致的机电耦合，其中介电层厚度范围由以下定义
0.85 λ0,d≤2td≤1.15 λ0,d (1)
超出此范围的td值会导致机电耦合降低和杂散模式增加。在此范围内改变td允许将XBAR的谐振频率调谐约10％，这足以在许多滤波器应用的并联谐振器和串联谐振器之间建立必要的频率偏移。
在图3中，介电层350被示出为沉积在IDT指状物338之上和之间。在其他实施例中，半λ介电层可以仅形成在IDT指状物之间。半λ介电层350可以是单层或两层或更多层的具有相似声阻抗的不同介电材料。
将半λ介电层350结合到XBAR 300中的主要好处是增加了隔膜的厚度。取决于在半λ介电层350中使用的材料的不同，XBAR 300的隔膜的厚度可以是图1的XBAR 100的隔膜115的厚度的两到三倍。越厚的隔膜越硬，同时随着温度变化弯曲或变形的可能性越小。
XBAR 300的较厚隔膜也将具有较高的热导率，特别是如果半λ介电层350是或包括高热导率介电材料，例如氮化铝时，更是如此。热导率越高，去除隔膜上的热量的效率越高，由此针对给定的热负荷或功耗用到的谐振器面积越小。
(对于相同的IDT间距而言)与图1的XBAR 100相比，XBAR 300还将具有更高的单位面积电容。谐振器电容是一个电路设计问题。特别是，使用声学谐振器的RF滤波器通常需要满足滤波器的输入和输出阻抗匹配定义值(通常为50欧姆)的这一要求。该要求规定了滤波器中部分或全部谐振器的最小电容值。带有部分布拉格反射器的XBAR 300每单位面积的电容较高，使得可以使用较小的谐振器面积来满足任何所需的电容值。
在压电板310(未示出)的背面上具有半λ介电层的XBAR的刚度和热导率有所改善，但每单位面积的电容仅略微增加。
图4是比较具有半λ介电层的XBAR和常规XBAR的导纳的图表400。图4所示的数据和图6、图7所示的数据是使用有限元方法模拟XBAR器件的结果。实线410是包括半λ介电层的XBAR的导纳大小根据频率变化的图。压电板是400nm厚的铌酸锂。IDT是100nm厚的铝。IDT指状物的间距和标记分别为4.25μm和1.275μm。半λ介电层由一层350nm厚的Si3N4和一层350nm厚的AlN组成。谐振频率为4.607GHz，反谐振频率为4.862GHz。反谐振频率与谐振频率之差为255MHz，即谐振频率与反谐振频率平均值的约5.4％。
虚线420是常规XBAR的导纳大小随频率变化的图。压电板是400nm厚的铌酸锂。IDT是100nm厚的铝。IDT指状物的间距和标记分别为3.7μm和0.47μm。谐振频率为4.71GHz，反谐振频率为5.32GHz。反谐振频率与谐振频率之差为610MHz，即谐振频率与反谐振频率平均值的约12.2％。常规XBAR的导纳(虚线420)在谐振频率和反谐振频率之间呈现出一些寄生模式，这些寄生模式在具有半λ介电层(实线410)的XBAR的导纳中不存在。
与常规的XBAR器件相比，在XBAR器件300中并入半λ介电层会产生更硬的隔膜，其热导率更高，同时可能会更少地激发寄生模式。这些好处是以减少机电耦合和相应地降低谐振频率和反谐振频率之间的差为代价。
图5是具有半λ介电层的XBAR 500的横截面图，其中轮廓代表谐振频率处的应力。压电板510是400nm厚的铌酸锂。IDT指状物538是100nm厚的铝。半λ介电层550由一层350nm厚的Si3N4552和一层350nm厚的AlN 554组成。
在谐振频率下的XBAR 500中的应力说明了器件表面之间的全周期驻波。在压电板510的厚度中心附近和介电层550的中心附近的应力最高，其与两个半周期驻波的峰值对应。在器件表面和压电板510之间的边界附近和介电层550的中心附近的应力最小，与驻波的零交叉对应。
图6是说明使用间距和介电层厚度来调谐具有半λ介电层的XBAR的谐振和反谐振频率的图表600。实线610是间距和标记分别为4.25μm和1.275μm的XBAR的导纳大小随频率变化的图。压电板是400nm厚的铌酸锂。IDT是100nm厚的铝。半λ介电层由一层700nm厚的Si3N4组成。谐振频率为4.513GHz，反谐振频率为4.749GHz。反谐振频率和谐振频率之间的差异为236MHz，或约为谐振频率和反谐振频率平均值的5.1％。
虚线620具有类似构造但是IDT指状物的间距和标记分别为3.75μm和1.31μm的类似XBAR的导纳大小随频率变化的图。谐振频率为4.557GHz，反谐振频率为4.795GHz。将IDT间距从4.25μm更改为3.75μm会使谐振和反谐振频率增加约45MHz。在3μm到5μm的范围内改变间距将提供大约200MHz的调谐范围。
虚线630是类似XBAR的导纳大小随频率变化的图。IDT指状物的间距和标记分别为4.25μm和1.275μm，介电层包括一层700nm厚的Si3N4和一层50nm厚的SiO2层。谐振频率为4.400GHz，反谐振频率为4.626GHz。添加50nm“调谐层”可将谐振和反谐振频率降低约110MHz。
图7是另一个图表700，示出了使用间距和介电层厚度来调谐具有半λ介电层的XBAR的谐振和反谐振频率。实线710是间距和标记分别为4.25μm和1.275μm的XBAR的导纳大小随频率变化的图。压电板是400nm厚的铌酸锂。IDT是100nm厚的铝。半λ介电层由一层400nm厚的SiO2组成。谐振频率为4.705GHz，反谐振频率为5.108GHz。反谐振频率与谐振频率之差为403MHz，即约为谐振频率与反谐振频率平均值的8.2％。
虚线720具有类似构造但是IDT指状物的间距和标记分别为3.75μm和1.31μm的类似XBAR的导纳大小随频率变化的图。谐振频率为4.740GHz，反谐振频率为5.137GHz。将IDT间距从4.25μm更改为3.75μm会使谐振和反谐振频率增加约35MHz。在3μm到5μm的范围内改变间距将提供大约100MHz的调谐范围。
虚线730具有类似构造的类似XBAR的导纳大小随频率变化的图，其中XBAR的不同点是IDT指状物的间距和标记分别为4.25μm和1.275μm，并且介电层是450nm厚的SiO2。谐振频率为4.512GHz，反谐振频率为4.905GHz。反谐振频率与谐振频率之差为393MHz，即约为谐振频率与反谐振频率平均值的8.3％。将介电层的厚度增加50nm会在不减少机电耦合的情况下将谐振和反谐振频率降低约190MHz。
图8是另一个图表800，示出了使用介电层厚度来调谐具有半λ介电层的XBAR的谐振和反谐振频率。虚线810是间距和标记分别为4.25μm和1.275μm的XBAR的导纳大小随频率变化的图。压电板是400nm厚的铌酸锂。IDT是100nm厚的铝。半λ介电层由一层425nm厚的SiO2组成。该示例表示介电层的厚度td等于λ0,d/2的情况。
实线820是相同构造的类似XBAR的导纳大小随频率变化的图，此处的XBAR的不同点是介电层是375nm厚的SiO2。在这种情况下，td＝0.88(λ0,d/2)。虚线830是相同构造的类似XBAR的导纳大小随频率变化的图，此处的XBAR的不同点是介电层是475nm厚的SiO2。在这种情况下，td＝1.12(λ0,d/2)。将SiO2从375nm改变到475nm会使谐振和反谐振频率移动约400MHz，同时保持机电耦合并且不会引入令人讨厌的寄生模式。
假设400nm厚的铌酸锂压电板，式(1)中表达的td范围对应于约350nm至500nm。压电板的厚度ts可用该范围表示：
0.875 ts≤td≤1.25 ts (2)
预计该范围将适用于铌酸锂压电板的任何厚度。
图9是说明过薄的“半λ”介电层的影响的图表900。实线910是具有与图8的器件相同结构的XBAR的导纳大小随频率变化的曲线图，SiO2介电层的厚度减少到325nm。在这种情况下，td＝0.76(λ0,d/2)。将介电层厚度减小到会使机电耦合降低和器件谐振频率以下非常大的寄生模式的程度。
图10是说明过厚的“半λ”介电层的影响的图表1000。实线910是具有与图8的器件相同结构的XBAR的导纳大小随频率变化的曲线图，SiO2介电层的厚度增加到525nm。在这种情况下，td＝1.24(λ0,d/2)。将介电层厚度增加到会使机电耦合降低和器件谐振频率以上非常大的寄生模式的程度。
SiO2的频率温度系数和铌酸锂的频率温度系数具有相似的大小和相反的符号。与传统XBAR器件相比，具有SiO2半λ介电层的XBAR器件随温度的频率变化要小得多。
图11是XBAR的频率温度系数随SiO2厚度变化的图表。具体地，实线1110是其导纳特性先前在图7和图8中示出的XBAR器件的反谐振频率的温度系数图。虚线1120是相同器件的谐振频率的温度系数图。仿真结果表明，没有介电层的传统XBAR器件的频率温度系数约为-113ppm/C0。SiO2半λ介电层的存在将频率温度系数的大小降低了大约3。
图12是使用五个XBAR X1-X5的带通滤波器1200的示意电路图。滤波器1200可以是例如用于通信设备中的n79带通滤波器。滤波器1200具有传统的梯形滤波器架构，包括三个串联谐振器X1、X3、X5和两个并联谐振器X2、X4。三个串联谐振器X1、X3、X5串联连接在第一端口和第二端口之间。在图12中，第一端口和第二端口分别标记为“In”和“Out”。然而，滤波器1200是双向的并且任一端口都可以用作滤波器的输入或输出端。两个并联谐振器X2、X4从串联谐振器之间的节点连接到地。所有并联谐振器和串联谐振器都是XBAR。
滤波器1200的三个串联谐振器X1、X3、X5和两个并联谐振器X2、X4可以在结合至硅基板(不可见)的压电材料的单个板1230上形成。每个谐振器包括相应的IDT(未示出)，至少IDT的指状物设置在基板中的空腔上方。在这种和类似的上下文中，术语“各自”的意思是“将事物彼此联系起来”，即一一对应。在图12中，空腔示意性地图示为虚线矩形(例如矩形1235)。在该示例中，每个谐振器的IDT设置在相应的空腔上方。在其他滤波器中，两个或多个谐振器的IDT可以设置在一个公共腔上。谐振器也可以级联到多个IDT中，这些IDT可以在多个空腔上形成。
谐振器X1至X5中的每一个都具有谐振频率和反谐振频率。简而言之，每个谐振器在其谐振频率下实际上是短路，在其反谐振频率下实际上是开路。每个谐振器X1到X5都会创建一个“零传输”，其中滤波器的输入和输出端口之间的传输非常低。请注意，由于通过寄生组件和其他效应的能量泄漏，“零传输”处的传输实际上并不为零。三个串联谐振器X1、X3、X5在它们各自的反谐振频率(其中每个谐振器实际上是一个开路)产生传输零点。两个并联谐振器X2、X4在它们各自的谐振频率(其中每个谐振器实际上是一个短路)产生传输零点。在使用声学谐振器的典型带通滤波器中，串联谐振器的反谐振频率高于通带的上边缘，使得串联谐振器在通带上方产生传输零点。并联谐振器的谐振频率小于通带的下边缘，使得并联谐振器在通带以下产生传输零点。
参考图7和图8的导纳与频率之间的关系的数据，可以看出，具有400nm铌酸锂压电板和半λ介电层的XBAR的谐振频率和反谐振频率之间的频率偏移约为400MHz。对于n79(4400MHz至5000MHz)和n77(3300MHZ至4200MHz)等电信频段的带通滤波器而言，这种频率分离本身是不够的。美国专利No.10,491,192描述了使用沉积在并联谐振器上的介电层以相对于串联谐振器的谐振频率降低并联谐振器的谐振频率。专利No.10,491,192描述了以下特征的滤波器，其中在串联谐振器上具有非常薄的介电层或没有介电层且介电层厚度为并联谐振器上的压电板厚度的大约0.25倍。
当谐振器是具有半λ介电层的XBAR时，可以使用类似的方法降低并联谐振器相对于串联谐振器的谐振频率。在这种情况下，串联谐振器上介电层的厚度tds和并联(平行)谐振器上介电层的厚度tdp可以定义为
0.85 λ0,d≤2tds<2tdp≤1.15 λ0,d (3)
参照图8，实线820是在400nm铌酸锂压电板上具有375nm SiO2层的XBAR的导纳。虚线830是在400nm铌酸锂压电板上具有475nm SiO2层的XBAR的导纳。可以通过在串联谐振器上使用带有375nm的SiO2层的400nm铌酸锂压电板，以及在并联谐振器上使用带有475nm的SiO2层的400nm铌酸锂压电板来制造滤波器，例如滤波器1200。在这种情况下，并联谐振器的谐振频率和串联谐振器的反谐振频率之间的频率间隔约为800MHz，这对于n79频带的带通滤波器来说已经足够了。频率分离将与压电板的厚度成正比。
串联和并联谐振器上的SiO2层的厚度范围可以用铌酸锂压电板的厚度ts表示如下：
0.875 ts≤tds<tdp≤1.25 ts, (4)
其中tds是串联谐振器上SiO2层的厚度，tdp是并联(平行)谐振器上SiO2层的厚度。
方法说明
图13是示出了用于制造包括部分布拉格反射器或包含此类XBAR的滤波器的XBAR的方法1300的简化流程图。方法1300开始于1305，其中薄压电板设置在牺牲基板1302和器件基板1304上。方法1300在1395结束，XBAR或滤波器完成。图13的流程图仅包括主要处理步骤。可以在图13所示的步骤之前，之间，之后以及过程中执行各种常规的工艺步骤(例如，表面准备、清洁、检查、烘烤、退火、监测、测试等)。
图13捕获了用于制造XBAR的方法1300的三个变体，这三个变体在何时以及如何在基板中形成空腔方面不同。空腔可以在步骤1310A、1310B或1310C形成。在方法1300的三个变体中的每一个变体中仅执行这些步骤中的一个步骤。
结合到非压电基板的单晶压电材料的薄板是可商购的。在此申请时，铌酸锂和钽酸锂板均可用于粘合到各种基板上，基板包括硅、石英和熔融石英。现在或将来可能会提供其他压电材料的薄板。压电板的厚度可以在300nm和1000nm之间。压电板可以是例如Z-切割、旋转Z切割或旋转Y-切割的铌酸锂或钽酸锂。压电板可以是一些其他材料和/或一些其他切口。基板可以是硅。当基板为硅时，可在压电板与基板之间设置一层SiO2。基板可以是允许通过蚀刻或其他处理形成深腔的一些其他材料。
在方法1300的一种变体中，在1330处将压电板接合到基板之前，在1310A处在基板中形成一个或多个空腔。可以为滤波器装置中的每个谐振器形成单独的空腔。一个或多个空腔可以使用传统的光刻和蚀刻技术形成。例如，可以使用深反应离子蚀刻(DRIE)来形成空腔。通常，在1310A处形成的空腔不会穿透基板。
在1330处，牺牲基板1302和器件基板1304上的压电板可以结合。牺牲基板1302和器件基板1304上的压电板可以使用晶片键合工艺接合，例如直接接合、表面活化或等离子体活化接合、静电接合或一些其他接合技术。在晶片键合工艺之前，器件基板可以涂覆有键合层，键合层可以是SiO2或一些其他材料。
在牺牲基板1302和器件基板1304上的压电板结合之后，牺牲基板和任何中间层在1340处被去除以暴露压电板的表面(先前面对牺牲基板的表面)。例如，可以通过依赖于材料的湿法或干法蚀刻或一些其他工艺去除牺牲基板。压电板的暴露表面可以在1340抛光或以某种其他方式处理以准备表面并控制压电板的厚度。
在1350处形成定义一个或多个XBAR器件的导体图案和介电层。通常，滤波器装置将具有两个或更多个按顺序沉积和图案化的导体层。导体层可以包括焊盘、金或焊料凸块、或用于在器件和外部电路之间建立连接的其他装置。导体层可以是例如铝、铝合金、铜、铜合金、钼、钨、铍、金或一些其他导电金属。可选地，一层或多层其他材料可以设置在导体层下方(即，在导体层和压电板之间)和/或在导体层上方。例如，可以使用钛、铬或其他金属的薄膜来提高导体层和压电板之间的附着力。导体层可以包括焊盘、金或焊料凸块、或用于在器件和外部电路之间建立连接的其他装置。
在1350处可以通过在压电板的表面上沉积导体层并通过蚀刻穿过图案化的光刻胶去除多余的金属来形成导体图案。或者，可以使用剥离工艺在1350处形成导体图案。光刻胶可以沉积在压电板上并图案化以限定导体图案。导体层可以依次沉积在压电板的表面上。然后可以去除光刻胶，去除多余的材料，留下导体图案。
在1360处，可以在压电层的正面上形成半λ介电层。半λ介电层可以沉积在导体图案上或者可以仅形成在IDT的指状物之间。在一些滤波器装置中，第一介电层可以沉积在所有IDT的指状物之上/之间，并且第二介电层可以选择性地形成在部分IDT之上，例如仅仅在并联谐振器的IDT之上。第一介电层通常比第二介电层厚。第一介电层和第二介电层可以是相同或不同的材料。可以首先沉积第一介电层或第二介电层。
在工艺1300的第二变体中，在1350和1360处形成所有导体图案和介电层之后，在1310B处在基板的背面形成一个或多个空腔。可以针对滤波器装置中的每个谐振器形成一个单独的空腔。可以使用各向异性或依赖于取向的干蚀刻或湿蚀刻来形成一个或多个空腔，以通过基板的背面开出一个通向压电板的孔。
在工艺1300的第三变体中，可以在1310C处通过使用由压电板和半λ介电层中的开口引入的蚀刻剂蚀刻基板，来在基板中形成凹槽形式的一个或多个空腔。可以为滤波器装置中的每个谐振器形成单独的空腔。在1310C成形成的一个或多个空腔不会穿透基板。
在工艺1300的所有变体中，滤波器器件在1370处完成。在1370处可能发生的动作包括：在整个或部分器件上沉积诸如SiO2或Si3O4的封装/钝化层和/或如果不在1350处执行这些布置，形成焊盘或焊料凸块或其他用于在器件和外部电路之间建立连接的装置。1370处的其他动作可包括从包含多个器件的晶片中切出单个器件，其他包装步骤和测试。在1370处可能发生的另一动作是通过添加或去除器件的正面上的金属或介电材料来调谐器件内的谐振器的谐振频率。滤波器器件完成后，在1395处工艺结束。
工艺1300的变体开始1302处的单晶压电晶片，而不是不同材料的牺牲基板上的薄压电板。离子被注入到压电晶片表面下方的受控深度(图13中未示出)。晶片从表面到离子注入深度的部分是(或将成为)薄压电板，晶片的其余部分是牺牲基板。如前所述，压电晶片和器件基板在1330键合。在1340处，压电晶片可以在注入离子的平面处(例如，使用热冲击)分裂，将压电材料的薄板暴露在外，并使其结合到声布拉格反射器。薄板压电材料的厚度部分由注入离子的能量(以及深度)决定。离子注入和随后分离薄板的过程通常被称为“离子切片”。在压电晶片被分裂之后，压电板的暴露表面可以被平坦化，并且可以使用例如化学机械抛光来减小其厚度。
结束语
在整个说明书中，所示的实施例和示例应被认为是示例，而不是对所公开或要求的设备和过程的限制。尽管本文提供的许多示例涉及方法动作或系统元素的特定组合，但应当理解，可以以其他方式组合那些动作和那些元素以实现相同的目标。关于流程图，可以采取额外的步骤和更少的步骤，并且可以组合或进一步细化所示的步骤以实现本文所述的方法。仅结合一个实施例讨论的动作、要素和特征不旨在排除其在其他实施例中的相似作用。
如本文所用，“多个”是指两个或更多个。如本文所用，“一组”项目可以包括一个或多个这样的项目。如本文所用，无论在书面具体实施方式中还是在权利要求中，术语“包括”，“包含”，“携带”，“具有”，“含有”，“涉及”等应被理解为开放式的，即，指的是包括但不限于。相对于权利要求，仅过渡短语“由…组成”和“基本上由…组成”是封闭式或半封闭式的过渡短语。权利要求中用到的序数词，例如“第一”、“第二”、“第三”等是用来修饰权利要求元素，这本身不表示一个权利要求元素相较于另一个权利要求元素的优先权，或顺序，或执行方法动作的先后顺序，而只是用于区分具有相同名称的一个权利要求元素与另一个具有相同名称的元素(但是有用到序数词)，从而区分权利要求元素。如本文所用，“和/或”是指所列项目是替代方案，但是替代方案也包括所列项目的任何组合。

Claims (12)

1.一种声波谐振器器件，包括：
一基板，具有一表面；
一单晶压电板，具有正面和背面，所述背面附接到所述基板的表面上，除了一部分的压电板未附接到所述基板的表面上，其中这部分的压电板形成了隔膜，所述隔膜跨越所述基板中的空腔；
一叉指换能器(IDT)，在所述单晶压电板的正面上形成，使得IDT的交错指状物设置在所述隔膜上，所述压电板和IDT配置为使得施加到IDT的射频信号激发所述隔膜中的剪切主声模；和
一半λ介电层，在所述压电板的正面和背面中的其中一面上形成。
2.根据权利要求1所述的声波谐振器器件，其特征在于，
所述压电板的厚度ts和所述介电层的厚度td定义如下：
2ts＝λ0,s,和
0.85λ0,d≤2td≤1.15λ0,d,
其中λ0,s是所述压电板中基本剪切体声波谐振的波长，并且
λ0,d是所述介电层中基本剪切体声波谐振的波长。
3.根据权利要求1所述的声波谐振器器件，其特征在于，
所述介电层为SiO2、Si3N4、Al2O3和AlN中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的声波谐振器器件，其特征在于，
所述压电板是铌酸锂，
所述介电层是SiO2，并且
所述压电板的厚度ts和所述介电层的厚度td由以下关系定义：
0.875ts≤td≤1.25ts。
5.根据权利要求4所述的声波谐振器器件，其特征在于，
所述声波谐振器器件的频率温度系数在谐振频率下在-32ppm/℃和-42ppm/℃之间，在反谐振频率下在-20ppm/℃和-36ppm/℃之间。
6.一种滤波器装置，包括：
一基板；
一压电板，具有平行的正面和背面且厚度为ts，其背面附接到所述基板；
一导体图案，在所述正面上形成，所述导体图案包括相应多个谐振器的多个叉指换能器(IDT)，所述多个谐振器包括并联谐振器和串联谐振器，多个IDT中的每一个的交错的指状物设置在所述压电板相应的部分上，所述压电板相应的部分悬浮在形成于所述基板中的一个或多个空腔之上；
厚度为tds的第一介电层，沉积在所述串联谐振器的指状物之间；和
厚度为tdp的第二介电层，沉积在所述并联谐振器的指状物之间，其中
ts、tds和tdp由以下等式关联：
2ts＝λ0,s,和
0.85λ0,d≤2tds<2tdp≤1.15λ0,d
其中λ0,s是压电板中基本剪切体声波谐振的波长，并且
λ0,d是所述介电层中基本剪切体声波谐振的波长。
7.一种滤波器装置，包括：
一基板；
一铌酸锂压电板，具有平行的正面和背面，且厚度为ts，所述背面附接到所述基板；
一导体图案，在所述正面上形成，所述导体图案包括相应多个谐振器的多个叉指换能器(IDT)，所述多个谐振器包括并联谐振器和串联谐振器，多个IDT中的每一个的交错的指状物设置在所述压电板相应部分上，所述压电板相应部分悬浮在形成于所述基板中的一个或多个空腔之上；
厚度为tds的第一SiO2层，沉积在所述串联谐振器的指状物之间；和
厚度为tdp的第二SiO2层，沉积在所述并联谐振器的指状物之间，其中
ts,tds和tdp通过以下式关联：
0.875ts≤tds<tdp≤1.25ts。
8.根据权利要求7所述的声波谐振器器件，其特征在于，
在所有多个谐振器的谐振频率和反谐振频率下，所述声波谐振器器件的频率温度系数在-20ppm/℃和-42ppm/℃之间。
9.一种在具有平行的正面和背面的单晶压电板上制造声波谐振器器件的方法，所述背面附接到所述基板，所述方法包括：
在所述基板中形成空腔，使得所述单晶压电板的一部分形成横跨所述空腔的隔膜；
在所述单晶压电板的正面上形成叉指换能器(IDT)，使得IDT的交错的指状物设置在所述隔膜上，所述单晶压电板和IDT配置为使得施加到IDT的射频信号在所述隔膜内激发剪切主声模；以及
在所述压电板的正面和背面中的其中一面上上形成半λ介电层。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
所述压电板的厚度ts和所述介电层的厚度td定义如下：
2ts＝λ0,s,和
0.85λ0,d≤2td≤1.15λ0,d,
其中λ0,s是所述压电板中基本剪切体声波谐振的波长，并且
λ0,d是所述介电层中基本剪切体声波谐振的波长。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，形成半λ介电层还包括：
沉积SiO2、Si3N4、Al2O3和AlN中的一种或多种。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
所述压电板是铌酸锂，和
形成半λ介电层包括沉积SiO2至厚度td，其中td大于或等于0.875ts且小于或
等于1.25ts，其中ts为所述压电板的厚度。
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