專利名稱：具有可控制通帶寬的解耦層疊體聲諧振器帶通濾波器的制作方法
背景技術(shù)：
在許多不同類型的用電設(shè)備和工業(yè)電子產(chǎn)品中使用電氣帶通濾波器來選擇或抑制在一定頻率范圍內(nèi)的電信號(hào)。近些年來，這種產(chǎn)品的物理尺寸傾向于顯著降低，同時(shí)產(chǎn)品的電路復(fù)雜性傾向于增加。因此，存在對(duì)高度小型化、高性能的帶通濾波器的需要。在移動(dòng)電話中存在對(duì)這種帶通濾波器的特殊需要，其中天線通過包括兩個(gè)帶通濾波器的雙工器而與發(fā)射器的輸出端和接收器的輸入端連接。
現(xiàn)代移動(dòng)電話含有一雙工器，在雙工器中每個(gè)帶通濾波器包括梯形電路，其中梯形電路的每個(gè)元件是薄膜體聲諧振器(FBAR)。這種雙工器由Bradley等人在題為Duplexer Incorporating Thin-filmBulk Acoustic Resonators(FBAR)的美國專利No.6262637中公開了，該專利被轉(zhuǎn)讓給了本公開的受讓人。這種雙工器由在發(fā)射器的輸出端與天線之間串聯(lián)連接的發(fā)射器帶通濾波器和在天線與接收器的輸入端之間具有90°移相器串聯(lián)連接的接收器帶通濾波器構(gòu)成。發(fā)射器帶通濾波器和接收器帶通濾波器的通帶的中心頻率彼此偏移。
圖1示出了適合用作雙工器的發(fā)射器帶通濾波器的FBAR基帶通濾波器10的代表性實(shí)施方式。發(fā)射器帶通濾波器由連接在梯形電路中的串聯(lián)FBAR12和并聯(lián)FBAR14構(gòu)成。FBAR12具有比并聯(lián)FBAR14高的諧振頻率。
Ruby等人在發(fā)明名稱為Tunable Thin Film AcousticResonators and Method of Making Same的美國專利No.5587620中公開了FBAR，該專利現(xiàn)在轉(zhuǎn)讓給了本公開的受讓人。圖2示出了FBAR的代表性實(shí)施方式20。FBAR20由一對(duì)電極24和26以及夾在電極之間的一層壓電材料22構(gòu)成。壓電材料和電極懸浮于在基底30中形成的空腔28的上方。這種懸浮FBAR的方式使得FBAR能夠響應(yīng)于在電極之間施加的電信號(hào)而機(jī)械諧振。能夠使FBAR機(jī)械諧振的其它懸浮方案也是可行的。
在上面提及的美國專利No.5587620中還公開了一種層疊薄膜體聲諧振器(SBAR)。圖3示出了在美國專利No.5587620中公開的SBAR的代表性實(shí)施方式40。SBAR40由和三個(gè)電極24、26、44交錯(cuò)的兩層壓電材料22、42構(gòu)成。在電極44和26之間施加輸入電信號(hào)并且在電極24和26之間提供輸出電信號(hào)。中心電極26對(duì)于輸入和輸出是共用的。
在美國專利No.5587620中公開的SBAR被認(rèn)為有希望用作帶通濾波器，因?yàn)樗哂泄逃袔ㄌ匦?。然而，SBAR的實(shí)用實(shí)施例表現(xiàn)出極其窄的通帶寬，這使得SBAR不適合應(yīng)用在大多數(shù)帶通濾波應(yīng)用中，包括上面提及的移動(dòng)電話雙工器的應(yīng)用。SBAR窄的通帶寬可以在圖4中看出，圖4將圖3中示出的SBAR40的實(shí)用實(shí)施例的頻率響應(yīng)(曲線46)與圖1中示出的FBAR基帶通梯形濾波器的實(shí)用實(shí)施例的頻率響應(yīng)(曲線48)相比較。圖4也示出了，雖然圖1中示出的梯形濾波器的頻率響應(yīng)很有利地在通頻帶之外顯著下降，但是隨著與中心頻率的頻率差進(jìn)一步增加，頻率響應(yīng)不令人希望地再一次上升了。
因此所需要的是一種在其通頻帶內(nèi)具有低插入損失和平坦的頻率響應(yīng)、從約0.5GHz到約10GHz任何處的中心頻率的約3％到約5％范圍內(nèi)的通帶以及優(yōu)良的帶外抑制的帶通濾波器。還需要的是具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的SBAR這種帶通濾波器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在一個(gè)方面提供一種具有下薄膜體聲諧振器(FBAR)、層疊在下FBAR上的上FBAR以及在FBAR之間的、包括一層聲解耦材料的聲解耦器的帶通濾波器。每個(gè)FBAR具有相對(duì)的平面電極和在電極之間的壓電元件。聲解耦器控制FBAR之間的聲能耦合。具體地，聲解耦器在FBAR之間耦合比如圖3中示出的常規(guī)SBAR中FBAR之間的直接接觸耦合的聲能更少的聲能。減少的聲耦合賦予帶通濾波器如低插入損失和在其通帶內(nèi)平坦的頻率響應(yīng)、在中心頻率的約3％到約5％的范圍內(nèi)的通帶寬以及優(yōu)良的帶外抑制的令人滿意的性能。
在另一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種帶通濾波器，該帶通濾波器的特征在于中心頻率。帶通濾波器包括下薄膜體聲諧振器(FBAR)、層疊在下FBAR上的上FBAR以及在FBAR之間的一層聲解耦材料。每個(gè)FBAR包括相對(duì)的平面電極和在電極之間的壓電元件。該層聲解耦材料具有等于頻率與該中心頻率相等的聲信號(hào)在該聲解耦材料中的波長的四分之一的標(biāo)稱厚度。聲解耦材料的聲阻抗比壓電元件低。


圖1是包括FBAR的帶通濾波器的示意圖。
圖2是FBAR的示意側(cè)面圖。
圖3是常規(guī)SBAR的示意側(cè)面圖。
圖4是比較圖3中示出的常規(guī)SBAR的計(jì)算頻率響應(yīng)和圖1中示出的FBAR基帶通濾波器的計(jì)算頻率響應(yīng)的圖。
圖5A是根據(jù)本發(fā)明帶通濾波器的第一實(shí)施方式的實(shí)施例的平面圖。
圖5B是圖5A中示出的帶通濾波器沿截線5B-5B的橫截面圖。
圖5C是圖5A中示出的帶通濾波器的一部分沿截線5B-5B的放大橫截面圖，示出根據(jù)本發(fā)明的聲解耦器。
圖5D是圖5A中示出的帶通濾波器的一部分沿截線5B-5B的放大橫截面圖，示出可選擇的聲解耦器。
圖6是比較根據(jù)本發(fā)明的帶通濾波器的實(shí)施方式的計(jì)算頻率響應(yīng)的圖，他們包括具有不同聲阻抗的聲解耦材料的聲解耦器。
圖7A-7J是圖示制作根據(jù)本發(fā)明的帶通濾波器的工藝的平面圖。
圖7K-7S分別是沿圖7A-7J中截線7K-7K、7L-7L、7M-7M、7N-7N、7O-7O、7P-7P、7Q-7Q、7R-7R、7S-7S和7T-7T的橫截面圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明帶通濾波器的第二實(shí)施方式的實(shí)施例的示意圖。
圖9是比較圖8中示出的帶通濾波器的實(shí)施方式和圖5A和5B中示出的帶通濾波器的實(shí)施方式的計(jì)算頻率響應(yīng)的圖。
具體實(shí)施例方式在圖3中示出的常規(guī)SBAR可以認(rèn)為是由一個(gè)層疊在另一個(gè)的頂端并與其接觸的兩個(gè)FBAR構(gòu)成。一個(gè)FBAR由夾在電極24和26之間的壓電層22構(gòu)成。另一個(gè)FBAR由夾在電極26和44之間的壓電層42構(gòu)成。兩個(gè)FBAR共用的電極26提供FBAR之間聲能的強(qiáng)耦合。這導(dǎo)致FBAR嚴(yán)重過臨界聲耦合，使得SBAR40表現(xiàn)出圖4的曲線46中示出的單個(gè)洛侖茲諧振。單個(gè)洛侖茲諧振使設(shè)計(jì)具有例如寬通帶、平坦的帶內(nèi)頻率響應(yīng)和通帶之外尖銳的馬脊嶺這樣的令人滿意的特性的帶通濾波器很困難或者不可能。
圖5A是示出根據(jù)本發(fā)明的帶通濾波器的代表性實(shí)施方式100的結(jié)構(gòu)的示意側(cè)面圖。圖5B是圖5A中沿截線5B-5B的橫截面圖。帶通濾波器100由薄膜體聲諧振器(FBAR)的層疊對(duì)110和120以及在FBAR110和120之間的聲解耦器130構(gòu)成。在示出的實(shí)施例中，F(xiàn)BAR120層疊在FBAR110的頂端。由FBAR的層疊對(duì)和FBAR之間的聲解耦器構(gòu)成的結(jié)構(gòu)將被稱為解耦層疊體聲諧振器(DSBARdecoupled stacked bulk acoustic resonator)，以將它與上面描述的在其中FBAR相互直接接觸的常規(guī)SBAR區(qū)別開。
FBAR110由相對(duì)的平面電極112和114以及在電極之間的一層116壓電材料構(gòu)成。FBAR120由相對(duì)的平面電極122和124以及在電極之間的一層126壓電材料構(gòu)成。聲解耦器130位于FBAR110的電極114與FBAR120的電極122之間。該聲解耦器控制FBAR110與120之間的聲能耦合。具體地，聲解耦器在FBAR之間耦合比如圖3中示出的常規(guī)SBAR中FBAR之間的直接接觸耦合的聲能更少的聲能。因此，F(xiàn)BAR110和120沒有過耦合，并且?guī)V波器100具有相對(duì)寬和平坦的帶內(nèi)響應(yīng)以及通帶外尖銳的馬脊嶺，而沒有過耦合的常規(guī)SBAR在圖4(曲線46)中示出的單個(gè)的洛侖茲諧振。下面將參照?qǐng)D6進(jìn)一步表述帶通濾波器100的頻率響應(yīng)。
在示出的實(shí)施例中，層疊的FBAR110和120懸浮于在基底102中形成的空腔104的上方。這種懸浮層疊的FBAR的方式使得層疊的FBAR能夠響應(yīng)于在它們中一個(gè)的電極之間施加的輸入電信號(hào)而機(jī)械諧振。使得層疊的FBAR能夠響應(yīng)于輸入電信號(hào)而機(jī)械諧振的其它懸浮方案是可行的。例如，將層疊的FBAR設(shè)置在形成于基底102中或其上的失配聲布拉格反射器(未示出)的上方，這由Lakin在美國專利No.6107721中公開了。
圖5C是聲解耦器130的第一實(shí)施方式的放大圖，其中聲解耦器由位于FBAR110和120(圖5B)各自的電極114和122之間的一層131聲解耦材料構(gòu)成。聲解耦材料的層131具有的標(biāo)稱厚度是頻率與帶通濾波器100的中心頻率相等的聲信號(hào)在該聲解耦材料中的波長的四分之一的奇數(shù)倍。聲解耦材料具有比構(gòu)成FBAR110、120的壓電材料的聲阻抗低的聲阻抗。在另外提供輸入與輸出之間電絕緣的帶通濾波器100的實(shí)施方式中，聲解耦材料另外具有高電阻率和低介電系數(shù)。
如上所述，聲解耦器130的聲解耦材料具有比構(gòu)成FBAR110和120的壓電材料的聲阻抗低的聲阻抗。聲解耦材料還具有基本上大于空氣的聲阻抗的聲阻抗。材料的聲阻抗是該材料中應(yīng)力與質(zhì)點(diǎn)速度的比值，用瑞利(Rayleighs)為測(cè)量單位，縮寫為rayl。FBAR的層116、216的壓電材料典型地是氮化鋁(AlN)。AlN的聲阻抗典型地是35Mrayl左右，典型的電極材料鉬的聲阻抗是63Mrayl左右。空氣的聲阻抗是1krayl左右。在其中FBAR110、120的材料為如上所述的帶通濾波器100的實(shí)施方式中，具有從2Mrayl左右到8Mrayl左右范圍內(nèi)的聲阻抗的材料作為層131的聲解耦材料運(yùn)行良好。
圖6示出帶通濾波器100的計(jì)算頻率響應(yīng)如何取決于構(gòu)成聲解耦器130的實(shí)施方式的層131的聲解耦材料聲阻抗。所示出的實(shí)施方式具有1,900MHz左右的中心頻率。示出了對(duì)于其中聲解耦材料具有4Mrayl左右，例如聚酰亞胺(曲線140)、8Mrayl左右(曲線142)和16Mrayl左右(曲線144)的聲阻抗的實(shí)施方式的計(jì)算頻率響應(yīng)。可以看出，帶通濾波器的帶寬隨聲解耦材料聲阻抗的增加而增加。因此，通過適當(dāng)選擇聲阻抗材料，可以作出具有令人滿意的通帶特性的帶通濾波器100的實(shí)施方式。
在其中層131的聲解耦材料是聚酰亞胺(曲線140)的實(shí)施方式表現(xiàn)出FBAR110、120之間聲能的一些耦合不足，但是仍然具有有用寬的通帶。在其中聲解耦材料具有8Mrayl左右的聲阻抗(曲線142)的實(shí)施方式表現(xiàn)出FBAR110、120之間聲能的接近臨界耦合。在其中聲解耦材料的聲阻抗是16Mrayl左右(曲線144)的實(shí)施方式表現(xiàn)出FBAR110、120之間聲能嚴(yán)重過耦合所典型具有的帶內(nèi)響應(yīng)的雙峰。在其中聲解耦材料具有2Mrayl和8Mrayl之間聲阻抗的聲解耦材料的實(shí)施方式將具有的帶內(nèi)響應(yīng)包括預(yù)示FBAR110、120之間聲能臨界耦合的平坦部分。圖6還示出了其中聲解耦材料具有8Mrayl或更小的聲阻抗的聲解耦材料的實(shí)施方式具有小于3dB的插入損失，并且一些實(shí)施方式具有小于1dB的插入損失。
在圖5C中示出的聲解耦器130的實(shí)施方式由具有頻率等于帶通濾波器中心頻率的聲信號(hào)在聲解耦材料中的波長四分之一的標(biāo)稱厚度的聲解耦材料層131構(gòu)成，也就是t≈λn/4，其中t是層131的厚度，λn是頻率等于帶通濾波器100中心頻率的聲信號(hào)在聲解耦材料中的波長?？蛇x擇地使用層131在標(biāo)稱厚度約±10％范圍內(nèi)的厚度?？蛇x擇地使用這個(gè)范圍之外的厚度，但會(huì)伴隨一些性能的下降。然而，層131的厚度應(yīng)該在一個(gè)極值處與0λn(見圖3)顯著不同，在另一個(gè)極值處與λn/2顯著不同。
更加常見，在圖5C中示出的聲解耦器130的實(shí)施方式由具有頻率與帶通濾波器100中心頻率相等的聲信號(hào)在聲解耦材料中波長的四分之一的奇數(shù)倍的標(biāo)稱厚度的聲解耦材料層131構(gòu)成，也就是t≈(2m+1)λn/4，其中t和λn如同上面所限定的，并且m是等于或大于零的整數(shù)。在這種情況下，可選擇地使用與標(biāo)稱厚度相差大約λn/4的±10％的層131的厚度。也可以使用這個(gè)范圍之外的厚度公差，但會(huì)伴隨一些性能的下降，但是層131的厚度應(yīng)該與λn/2的整數(shù)倍顯著不同。然而，其中聲解耦材料層131的厚度比頻率等于帶通濾波器100中心頻率的聲信號(hào)在聲解耦材料中波長的四分之一大奇數(shù)倍的聲解耦器130的實(shí)施方式由于這樣更厚的層支撐多個(gè)聲振蕩的能力而典型地具有表現(xiàn)出亂真的響應(yīng)假象的頻率現(xiàn)象。
在聲解耦器130的一個(gè)實(shí)施方式中，通過在電極114上旋涂聲解耦材料來形成層131。由于被層131的聲解耦材料所涂覆的表面的造型，通過旋涂形成的層將典型地具有不同厚度的區(qū)域。在這樣的實(shí)施方式中，聲解耦材料層131的厚度是位于電極114與122之間的層的部分的厚度。
許多塑料材料具有在上述范圍內(nèi)的聲阻抗，并且可以應(yīng)用在上面所述厚度范圍內(nèi)的均勻厚度的層中。這種塑料材料因此有潛力適合用作聲解耦器130的層131的聲解耦材料。然而，聲解耦材料必須也能夠經(jīng)受在聲解耦材料層131被沉積在電極114上以形成聲解耦器130之后所進(jìn)行的制備操作的高溫。如下面將詳細(xì)描述的，在帶通濾波器100的實(shí)用實(shí)施方式中，在沉積層131之后，通過濺射沉積電極122和124以及壓電層126。在這些沉積工藝中達(dá)到400℃的高溫。因此，用在這樣的溫度下保持穩(wěn)定的塑料作為聲解耦材料。
塑料材料與FBAR110和120的其它材料相比典型地具有每單位長度很高的聲衰減。然而，由于聲解耦器130的上述實(shí)施方式由典型地小于1μm厚的塑料聲解耦材料層131構(gòu)成，因此由聲解耦材料層131引入的聲衰減典型地是可忽略的。
在一個(gè)實(shí)施方式中，用聚酰亞胺作為層131的聲解耦材料。聚酰亞胺由E.I.du Pont de Nemours and Company以Kapton為商標(biāo)出售。在這樣的實(shí)施方式中，聲解耦器130由通過旋涂涂覆到電極114上的聚酰亞胺層131構(gòu)成。聚酰亞胺具有4Mrayl左右的聲阻抗。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，用聚(對(duì)-二甲基苯)作為層131的聲解耦材料。在這樣的實(shí)施方式中，聲解耦器130由通過真空沉積涂覆到電極114上的聚(對(duì)-二甲基苯)構(gòu)成。聚對(duì)-二甲基苯在現(xiàn)有技術(shù)中也被稱為聚對(duì)二甲苯。用來制造聚對(duì)二甲苯的二聚物前驅(qū)體二對(duì)二甲基苯和用來進(jìn)行聚對(duì)二甲苯的層的真空沉積的設(shè)備可以從許多供應(yīng)商得到。聚對(duì)二甲苯具有2.8Mrayl左右的聲阻抗。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，用交聯(lián)的聚亞苯基聚合物作為層131的聲解耦材料。在這樣的實(shí)施方式中，聲解耦器130由通過旋涂涂覆到電極114上的交聯(lián)的聚亞苯基聚合物的層131構(gòu)成。交聯(lián)的聚亞苯基聚合物已經(jīng)作為低介電常數(shù)介電材料被開發(fā)用于集成電路中，并因此在FBAR120隨后的制備過程中聲解耦器130所經(jīng)受的高溫下保持穩(wěn)定。本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，交聯(lián)的聚亞苯基聚合物還具有2Mrayl左右的計(jì)算聲阻抗。這個(gè)聲阻抗處于給帶通濾波器100提供有用的通帶寬的聲阻抗范圍內(nèi)。
含有通過聚合來形成各自的交聯(lián)聚亞苯基聚合物的各種低聚物由Dow Chemical Company，Midland，MI在商標(biāo)SiLk下出售。通過旋涂來涂覆前驅(qū)體溶液。從另外還含有粘結(jié)助聚劑的名稱為SiLkTMJ的這些前驅(qū)體溶液中的一種獲得的交聯(lián)聚亞苯基聚合物具有2.1Mrayl(也就是2Mrayl左右)的計(jì)算聲阻抗。
通過聚合來形成交聯(lián)的聚亞苯基聚合物的低聚物由含有雙環(huán)戊二烯酮和芳香乙炔的單體來制備。用這樣的單體形成可溶的低聚物不需要不適當(dāng)?shù)闹脫Q。前驅(qū)體溶液含有溶解在γ-丁內(nèi)酯和環(huán)己酮溶劑中的特定的低聚物。前驅(qū)體溶液中低聚物的百分比確定了當(dāng)涂覆上前驅(qū)體溶液時(shí)層的厚度。在涂覆后，用熱將溶劑蒸發(fā)，然后固化低聚物以形成交聯(lián)的聚合物。雙環(huán)戊二烯酮與乙炔進(jìn)行4+2的環(huán)加成反應(yīng)形成新的芳香環(huán)。進(jìn)一步的固化產(chǎn)生交聯(lián)的聚亞苯基聚合物。上述的交聯(lián)聚亞苯基聚合物由Godschalx等人在美國專利No.5965679中公開了。其它實(shí)際的細(xì)節(jié)由Martin等人在Development of Low-DielectricConstant Polymer for the Fabrication of Integrated CircuitInterconnect，12 ADVANCED MATERIALS，1769(2000)中公開了。與聚酰亞胺相比，交聯(lián)的聚亞苯基聚合物具有低的聲阻抗、低的聲衰減和低的介電常數(shù)。而且，前驅(qū)體溶液的涂覆層能夠產(chǎn)生具有200nm量級(jí)厚度的交聯(lián)聚亞苯基聚合物的高質(zhì)量薄膜，200nm量級(jí)的厚度是聲解耦器130的典型厚度。
在可選擇的實(shí)施方式中，構(gòu)成聲解耦器130的層131的聲解耦材料具有顯著大于FBAR110和120的材料的聲阻抗。直到現(xiàn)在沒有具有這種性能的材料為人們所知，但是這種材料在將來會(huì)得到，或者低聲阻抗FBAR材料在將來會(huì)得到。這種高聲阻抗聲解耦材料層131的厚度如上所述。
圖5D是示出包括布拉格結(jié)構(gòu)161的聲解耦器130的第二實(shí)施方式的帶通濾波器100的部分放大圖。布拉格結(jié)構(gòu)161由夾在高聲阻抗布拉格元件165和167之間的低聲阻抗布拉格元件163構(gòu)成。低聲阻抗布拉格元件163是一個(gè)低聲阻抗材料層而高聲阻抗布拉格元件165和167分別是一個(gè)高聲阻抗材料層。布拉格元件的材料的聲阻抗以“低”和“高”為特征，“低”和“高”是相對(duì)于彼此以及相對(duì)于層116和126的壓電材料的聲阻抗而言的。在還提供輸入端與輸出端之間的電絕緣的帶通濾波器100的實(shí)施方式中，至少一個(gè)布拉格元件還具有高電阻和低介電系數(shù)。
構(gòu)成布拉格元件161、163和165的每一層具有的標(biāo)稱厚度等于頻率與帶通濾波器100中心頻率相等的聲信號(hào)在該層的材料中的波長四分之一的奇數(shù)倍?？蛇x擇地使用與標(biāo)稱厚度相差大約波長四分之一的±10％的層。也可以使用這個(gè)范圍之外的厚度公差，但會(huì)伴隨一些性能的下降，但是層的厚度應(yīng)該與波長二分之一的整數(shù)倍顯著不同。
在一個(gè)實(shí)施方式中，低聲阻抗布拉格元件163是一層具有13Mrayl左右聲阻抗的二氧化硅(SiO2)，并且每個(gè)高聲阻抗布拉格元件165和167分別是一層與電極114和122相同的材料(也就是具有63Mrayl左右聲阻抗)的鉬。分別對(duì)于FBAR110和120(圖5B)各自的高聲阻抗布拉格元件165和167與電極114和122分別使用相同的材料使得高聲阻抗布拉格元件165和167還分別充當(dāng)電極114和122。
在實(shí)施例中，高聲阻抗布拉格元件165和167具有的厚度是頻率等于帶通濾波器100中心頻率的聲信號(hào)在鉬中波長的四分之一，并且低聲阻抗布拉格元件163具有的厚度是頻率等于帶通濾波器中心頻率的聲信號(hào)在二氧化硅中波長的四分之三。用四分之三波長厚的一層SiO2的而不是用四分之一波長厚的一層SiO2作為低聲阻抗布拉格元件163降低了FBAR110與120之間的電容。
在高聲阻抗布拉格元件165和167與低聲阻抗布拉格元件163之間的聲阻抗差相對(duì)低的實(shí)施方式中，布拉格結(jié)構(gòu)161可以由多于一個(gè)(例如n個(gè))的低聲阻抗布拉格元件與相應(yīng)數(shù)量(例如n+1個(gè))的高聲阻抗布拉格元件交錯(cuò)來構(gòu)成。只有一個(gè)布拉格元件需要是絕緣的。例如，布拉格結(jié)構(gòu)可以由兩個(gè)低聲阻抗布拉格元件與三個(gè)高聲阻抗布拉格元件交錯(cuò)來構(gòu)成。
用晶片規(guī)模制備方法來同時(shí)制備幾千個(gè)類似于帶通濾波器100的帶通濾波器。這種晶片規(guī)模制備方法使制造帶通濾波器不昂貴。下面將參照?qǐng)D7A-7J的平面圖和圖7K-7T的橫截面圖來描述代表性的制備方法。將要描述其制備方法的帶通濾波器100的實(shí)施方式的通帶具有約1.9GHz的標(biāo)稱中心頻率。在其它頻率運(yùn)行的實(shí)施方式與下面解釋的實(shí)施方式在結(jié)構(gòu)和制備方法上類似，但是具有的不同的厚度和側(cè)向尺寸。
提供單晶硅的晶片。對(duì)于每個(gè)被制備的帶通濾波器，晶片的一部分構(gòu)成相應(yīng)于帶通濾波器100的基底102的基底。圖7A-7J和圖7K-7T圖示出了并且下面的描述說明了在晶片的一部分中和其上的帶通濾波器100的制備方法。晶片上的其余帶通濾波器與所制備的帶通濾波器100相類似地進(jìn)行制備。
如圖7A和7K所示，對(duì)構(gòu)成帶通濾波器100的基底102的晶片的一部分選擇性地進(jìn)行濕蝕刻來形成空腔104。
在晶片的表面上沉積一層填充材料(未示出)具有足以填充空腔的厚度。然后對(duì)晶片的表面進(jìn)行平面化以使空腔充滿填充材料。圖7B-7L示出了基底102中填充有填充材料105的空腔104。
在一個(gè)實(shí)施方式中，填充材料是磷硅酸鹽玻璃(PSG)，并且用常規(guī)的低壓化學(xué)氣相沉積(LPVCD)來沉積。填充材料可選擇的通過濺射或者通過旋涂來沉積。
在晶片和填充材料的表面上沉積一層金屬。如圖7C和7M中所示，對(duì)該金屬進(jìn)行圖形化以形成電極112、連接墊片132和在電極112與連接墊片132之間延伸的電跡線133。電極112典型地在平行于晶片主表面的平面內(nèi)具有不規(guī)則的形狀。如在授予Larson III等人的美國專利No.6215375中所述，不規(guī)則的形狀使它形成為其中一部分的FBAR110的側(cè)面振蕩最小化。如下所述，成形并設(shè)置電極112以暴露填充材料105的表面的一部分，使得填充材料可以在后面通過蝕刻來去除。
對(duì)在其中形成電極112、114、122和124(圖5B)的金屬層進(jìn)行圖形化，使得在平行于晶片主表面的各自的平面內(nèi)，電極112和114具有相同的形狀、尺寸、方向和位置，電極122和124具有相同的形狀、尺寸、方向和位置，并且電極114和122典型地有相同的形狀、尺寸、方向和位置。
在一個(gè)實(shí)施方式中，通過沉積來形成電極112、連接墊片132和電跡線133的金屬是鉬。通過濺射以大約300nm的厚度來沉積鉬，然后通過干蝕刻對(duì)鉬進(jìn)行圖形化以形成具有約12000平方μm面積的五邊形電極?？蛇x擇地用其它難熔金屬例如鎢、鈮和鈦?zhàn)鳛殡姌O112、連接墊片132和電跡線133的材料。電極、連接墊片和電跡線可選擇地包括多于一種材料的層。
如圖7D和7N中所示，沉積并圖形化一層壓電材料來形成壓電層116。對(duì)壓電層116進(jìn)行圖形化以暴露填充材料105表面的一部分和電極112的連接墊片132。另外對(duì)壓電層116進(jìn)行圖形化以形成窗口119，后者提供進(jìn)入填充材料表面的另外部分的入口。
在一個(gè)實(shí)施方式中，通過沉積來形成壓電層116的壓電材料是氮化鋁，并且通過濺射沉積為具有約1.4μm的厚度。通過氫氧化鉀中的濕蝕刻或氯基干蝕刻對(duì)壓電材料進(jìn)行圖形化。壓電層116可選擇的材料包括氧化鋅、硫化鎘和極化的鐵電材料，如包括鈦酸鉛鋯、偏鈮酸鉛和鈦酸鋇的鈣鈦礦鐵電材料。
如圖7E和7O中所示，沉積并圖形化一層金屬來形成電極114、連接墊片134和在電極114與連接墊片134之間延伸的電跡線135。
在一個(gè)實(shí)施方式中，通過沉積來形成電極114的金屬是鉬。通過濺射以大約300nm的厚度來沉積鉬，然后通過干蝕刻進(jìn)行圖形化?？蛇x擇地用其它難熔金屬作為電極114、連接墊片134和電跡線135的材料。電極、連接墊片和電跡線可選擇地包括多于一種材料的層。
然后如圖7F和7P中所示，沉積并圖形化一層聲解耦材料來形成聲解耦器130。對(duì)聲解耦器130進(jìn)行成形以至少覆蓋電極114，并且還進(jìn)行成形以暴露填充材料105表面的一部分以及連接墊片132和134。另外對(duì)聲解耦器130進(jìn)行圖形化以形成窗口119，后者提供進(jìn)入填充材料表面的另外部分的入口。
在一個(gè)實(shí)施方式中，聲解耦材料是具有約600nm厚度(也就是聚酰亞胺中中心頻率波長的四分之三)的聚酰亞胺。通過旋涂來沉積聚酰亞胺，然后通過光刻來進(jìn)行圖形化。聚酰亞胺是光阻性的，從而不需要光阻劑。如上所述，也可以用其它塑料材料作為聲解耦材料?？梢杂贸恐獾姆椒▉沓练e聲解耦材料。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，聲解耦材料是具有約200nm厚度(也就是聚酰亞胺中中心頻率波長的四分之一)的聚酰亞胺。如上所述通過旋涂來沉積聚酰亞胺層，然后通過光刻來進(jìn)行圖形化。
在聲解耦材料是聚酰亞胺的實(shí)施方式中，在沉積和圖形化聚酰亞胺之后，在進(jìn)行后面的工藝之前，最初在空氣中在250℃左右的溫度下然后在例如氮?dú)獾亩栊詺怏w中在415℃左右的溫度下烘焙晶片。烘焙使聚酰亞胺的可揮發(fā)性組成物揮發(fā)，并防止在隨后的工藝過程中這種可揮發(fā)性組成物的揮發(fā)引起隨后沉積的層的層離。
如圖7G和7Q中所示，沉積并圖形化一層金屬來形成電極122和從電極122向連接墊片134延伸的電跡線137。連接墊片134還通過跡線135與電極114電連接。
在一個(gè)實(shí)施方式中，通過沉積來形成電極122的金屬是鉬。通過濺射以大約300nm的厚度來沉積鉬，然后通過干蝕刻進(jìn)行圖形化?？蛇x擇地用其它難熔金屬作為電極122和跡線137的材料。電極和跡線可選擇地包括多于一種材料的層。
沉積并圖形化一層壓電材料來形成壓電層126。如圖7H和7R中所示，對(duì)壓電層126進(jìn)行成形以暴露連接墊片132和134并暴露填充材料105的表面的一部分。另外對(duì)壓電層126進(jìn)行圖形化以形成窗口119，后者提供進(jìn)入填充材料表面的另外部分的入口。
在一個(gè)實(shí)施方式中，通過沉積來形成壓電層126的壓電材料是氮化鋁，并且通過濺射沉積為具有約780nm的厚度。通過氫氧化鉀中的濕蝕刻或通過氯基干蝕刻對(duì)壓電材料進(jìn)行圖形化。壓電層126可選擇的材料包括氧化鋅、硫化鎘和極化的鐵電材料，如包括鈦酸鉛鋯、偏鈮酸鉛和鈦酸鋇的鈣鈦礦鐵電材料。
如圖7I和7S中所示，沉積并圖形化一層金屬來形成電極124、連接墊片138和從電極124向連接墊片138延伸的電跡線139。
在一個(gè)實(shí)施方式中，通過沉積來形成電極124的金屬是鉬。通過濺射來沉積鉬具有約300nm的厚度，然后通過干蝕刻進(jìn)行圖形化?？蛇x擇地用其它難熔金屬作為電極124、連接墊片138和跡線139的材料。電極、連接墊片和電跡線可選擇地包括多于一種材料的層。
然后對(duì)晶片進(jìn)行各向同性濕蝕刻以從空腔104中除去填充材料105。如上所述，填充材料105表面的一些部分例如通過窗口119保持暴露。如圖7J和7T中所示，蝕刻工藝使帶通濾波器100懸浮于空腔104的上方。
在一個(gè)實(shí)施方式中，用來除去填充材料105的蝕刻劑是稀釋的氫氟酸。
在連接墊片132、134和138暴露的表面上沉積一個(gè)金保護(hù)層。
然后將晶片分成單個(gè)的帶通濾波器，包括帶通濾波器100。將每個(gè)帶通濾波器安裝在包裝中并在帶通濾波器的連接墊片132、134和138與包裝的一部分的墊片之間進(jìn)行電連接。
通過類似于上面所描述的工藝來制作如圖5D中所示出的其中的解耦器130包括布拉格結(jié)構(gòu)的實(shí)施方式。工藝不同如下 在沉積并圖形化一層壓電材料以形成壓電層116后，按照與圖7E和7O中示出的方式相類似的方式沉積并圖形化一層金屬以形成圖5D中示出的高聲阻抗布拉格元件165、連接墊片134和在高聲阻抗布拉格元件165與連接墊片134之間延伸的電跡線135。沉積金屬層具有的標(biāo)稱厚度等于頻率與帶通濾波器100的中心頻率相等的聲信號(hào)在該金屬中的波長四分之一的奇數(shù)倍。如圖5D中所示高聲阻抗布拉格元件165還充當(dāng)電極114。
在一個(gè)實(shí)施方式中，通過沉積來形成高聲阻抗布拉格元件165的金屬是鉬。通過濺射來沉積鉬具有約820nm(Mo中波長的四分之一)的厚度，然后通過干蝕刻進(jìn)行圖形化?？蛇x擇地用其它難熔金屬作為高聲阻抗布拉格元件165、連接墊片134和跡線135的材料。高聲阻抗布拉格元件、連接墊片和電跡線可選擇地包括多于一種金屬的層。
然后按照與圖7F和7P中示出的方式相類似的方式沉積并圖形化一層低聲阻抗材料以形成低聲阻抗布拉格元件163。沉積低聲阻抗材料層具有的標(biāo)稱厚度等于頻率與帶通濾波器100中心頻率相等的聲信號(hào)在該材料中的波長四分之一的奇數(shù)倍。對(duì)布拉格元件163進(jìn)行成形以至少覆蓋高聲阻抗布拉格元件165，還進(jìn)行成形以暴露填充材料105的表面的一部分以及連接墊片132和134。還對(duì)低聲阻抗材料層進(jìn)行圖形化以形成窗口119，后者提供進(jìn)入填充材料表面的另外部分的入口。
在一個(gè)實(shí)施方式中，低聲阻抗材料是具有790nm厚度的SiO2。通過濺射來沉積SiO2，并通過蝕刻進(jìn)行圖形化?？梢杂米鞯吐曌杩共祭裨牟牧系钠渌吐曌杩共牧习坠杷猁}玻璃(PSG)、二氧化鈦和氟化鎂?？蛇x擇地用除濺射之外的方法沉積低聲阻抗材料。
按照類似于圖7G和7Q中示出的方式相類似的方式沉積并圖形化一層金屬來形成在圖5D中示出的高聲阻抗布拉格元件167和從高聲阻抗布拉格元件167到連接墊片134延伸的電跡線137。連接墊片134還通過跡線135與高聲阻抗布拉格元件167電連接。沉積金屬層具有等于頻率與帶通濾波器100的中心頻率相等的聲信號(hào)在該金屬中的波長四分之一的奇數(shù)倍的標(biāo)稱厚度。高聲阻抗布拉格元件167另外還如圖5D中所示充當(dāng)電極122。
在一個(gè)實(shí)施方式中，通過沉積來形成高聲阻抗布拉格元件167和電跡線137的金屬是鉬。通過濺射以大約820nm(Mo中波長的四分之一)的厚度來沉積鉬，然后通過干蝕刻進(jìn)行圖形化?？蛇x擇地用其它難熔金屬作為高聲阻抗布拉格元件167和跡線137的材料。高聲阻抗布拉格元件和跡線可選擇地包括多于一種材料的層。
然后如上面參照?qǐng)D7H和7R所述，沉積并圖形化一層壓電材料以形成壓電層126，然后如上所述工藝?yán)^續(xù)進(jìn)行以完成帶通濾波器100的制備。
在另一個(gè)實(shí)施方式中，層131的聲解耦材料是交聯(lián)的聚亞苯基聚合物。如上面參照?qǐng)D7E和7O所述，在對(duì)金屬層進(jìn)行圖形化以形成電極114之后，按照與上面參照?qǐng)D7F和7P所描述的方式相類似的方式，涂覆交聯(lián)聚亞苯基聚合物的前驅(qū)體溶液，但是不進(jìn)行圖形化。選擇前驅(qū)體溶液的配方和涂覆速度，使得交聯(lián)的聚亞苯基聚合物形成具有約187nm厚度的層。這與具有與帶通濾波器100中心頻率相等的頻率的聲信號(hào)在交聯(lián)的聚亞苯基聚合物中的波長λn的四分之一相一致。然后在進(jìn)行進(jìn)一步的處理之前，在例如真空或氮?dú)獾亩栊詺夥罩性?85℃左右到450℃左右范圍內(nèi)的溫度下烘焙晶片。烘焙首先將有機(jī)溶劑從前驅(qū)體溶液中驅(qū)除，然后如上所述使低聚物發(fā)生交聯(lián)以形成交聯(lián)的聚亞苯基聚合物。
然后按照與上面參照?qǐng)D7G和7Q所描述的方式相類似的方式在交聯(lián)的聚亞苯基聚合物層上沉積一層金屬，但是最初類似于在圖7F中示出的聲解耦器130的圖形化來進(jìn)行圖形化以形成硬掩模，后面用該硬掩模對(duì)交聯(lián)的聚亞苯基聚合物層進(jìn)行圖形化以形成聲解耦器130。最初圖形化的金屬層與聲解耦器130具有相同的區(qū)域，暴露連接墊片132和134以及填充材料105的表面的一部分，并且在聲解耦器130中的窗口119的預(yù)定位置處具有窗口。
然后用最初圖形化的金屬層作為硬蝕刻掩模如圖7F中所示對(duì)交聯(lián)的聚亞苯基聚合物層進(jìn)行圖形化。對(duì)交聯(lián)的聚亞苯基聚合物層進(jìn)行圖形化形成了聲解耦器130的區(qū)域，其暴露連接墊片132和134以及填充材料105的表面的一部分，并且形成了提供進(jìn)入填充材料表面另外部分的入口的窗口。用氧等離子蝕刻進(jìn)行圖形化。
然后如圖7G和7Q中所示對(duì)金屬層進(jìn)行再圖形化以形成電極122和在電極122與連接墊片134之間延伸的電跡線137。
通過進(jìn)行上面參照?qǐng)D7H、7I、7J、7R、7S和7T所描述的工藝來完成具有交聯(lián)的聚亞苯基聚合物層作為其聲解耦器的帶通濾波器100的實(shí)施方式的制備。
在一個(gè)實(shí)施方式中，交聯(lián)的聚亞苯基聚合物的前驅(qū)體溶液是由Dow Chemical Company出售的并且名稱為SiLKTMJ.的一種。可選擇地，前驅(qū)體溶液可以是由Dow Chemical Company在商標(biāo)SiLK下出售的前驅(qū)體溶液中任何一種合適的前驅(qū)體溶液。在某些實(shí)施方式中，在涂覆上前驅(qū)體溶液之前沉積助粘劑層。含有當(dāng)固化時(shí)形成具有2Mrayl左右聲阻抗的交聯(lián)聚亞苯基聚合物的低聚物的前驅(qū)體溶液現(xiàn)在或?qū)砜梢詮钠渌?yīng)商獲得并且也可以使用。
如下所述使用帶通濾波器100。與電極114和122電連接的連接墊片134提供帶通濾波器100的接地端子，與電極112電連接的連接墊片132提供帶通濾波器100的輸入端子，并且與電極124電連接的連接墊片138提供帶通濾波器100的輸出端子。輸入端子與輸出端子可以互換。
如上所述，帶通濾波器100可以另外提供輸入端與輸出端之間的電絕緣。在這種實(shí)施方式中，在形成電極122和跡線137的金屬中形成另外的連接墊片(未示出)，并且跡線137從電極122延伸到另外的連接墊片而不是連接墊片134。分別與電極112和114電連接的連接墊片132和134提供一對(duì)輸入端子，通過跡線137與電極122電連接的另外的連接墊片(未示出)和與電極124電連接的連接墊片138提供一對(duì)輸出端子。輸入端子與輸出端子相互電絕緣。再一次地，輸入端子與輸出端子可以互換。
圖6與圖4的曲線46的比較顯示出帶通濾波器100的帶外頻率響應(yīng)的斜率沒有圖1中示出的帶通濾波器10的陡。比較還顯示出，不象帶通梯形濾波器10的頻率響應(yīng)，帶通濾波器100的頻率響應(yīng)在最初的急劇下降之后沒有再次上升。圖8是根據(jù)本發(fā)明的帶通濾波器的代表性實(shí)施方式200的示意圖，該代表性實(shí)施方式200具有一定的帶外頻率響應(yīng)，這個(gè)帶外頻率響應(yīng)具有比帶通濾波器100的帶外頻率響應(yīng)斜率更陡的斜率，并且在其中，在最初的急劇下降之后，頻率響應(yīng)上升到基本上比圖1中示出的帶通梯形濾波器低的水平上。
帶通濾波器200由與上面參照?qǐng)D5A和5B所描述的帶通濾波器100串聯(lián)連接的簡(jiǎn)化FBAR基梯形濾波器210構(gòu)成。梯形濾波器210由串聯(lián)FBAR212和214以及并聯(lián)FBAR216構(gòu)成。串聯(lián)FBAR212和214比并聯(lián)FBAR216具有更高的諧振頻率。
在帶通濾波器100中，電極112接地，電極114和122與梯形濾波器210的輸出，也就是FBAR214的電極218連接，并且電極124提供帶通濾波器200的輸出端子。構(gòu)造FBAR212、214和216以及帶通濾波器100使得帶通濾波器100具有比梯形濾波器210更寬的通帶。
圖9是示出帶通濾波器200的計(jì)算頻率響應(yīng)(曲線242)和在圖5A和5B中示出的帶通濾波器100的計(jì)算頻率響應(yīng)(曲線244)的圖。該圖顯示出帶通濾波器200的帶外頻率響應(yīng)具有比帶通濾波器100的帶外頻率響應(yīng)更陡的斜率，并且頻率響應(yīng)在最初的急劇下降之后上升到的水平比圖4中示出的帶通梯形濾波器的頻率響應(yīng)在最初的急劇下降之后上升到的水平低。
如在上述的美國專利No.6262637中所公開的，構(gòu)成FBAR基梯形濾波器的FBAR典型地全部用常用的壓電材料層制備。帶通濾波器200可以按照類似的方式制備。帶通濾波器100的FBAR110(圖5B)用與FBAR212、214和216相同的壓電材料層來制備。FBAR110的電極112是與FBAR216的電極220相同的金屬層的一部分。FBAR110的電極114是與FBAR214的電極218相同的金屬層的一部分。在制備FBAR110、212、214和216之后，沉積一層聲解耦材料并進(jìn)行圖形化來形成電極114上的聲解耦器130。然后用類似于上面所描述的工藝在聲解耦器上制備FBAR120。
到FBAR212的電極222以及與FBAR216的電極220的電連接提供帶通濾波器200的輸入端子，同時(shí)到帶通濾波器100的電極112和124的電連接提供了帶通濾波器200的輸出端子。
本公開用圖解的實(shí)施方式詳細(xì)描述了本發(fā)明。然而，由附加權(quán)利要求所限定的本發(fā)明不受所描述的精確實(shí)施方式的限制。
權(quán)利要求
1.一種帶通濾波器，包括下薄膜體聲諧振器(FBAR)、層疊在下FBAR上的上FBAR，每個(gè)FBAR包括相對(duì)的平面電極和在電極之間的壓電元件；以及在FBAR之間的、包括一層聲解耦材料的聲解耦器。
2.權(quán)利要求1的帶通濾波器，其中該帶通濾波器的特征在于中心頻率；以及聲解耦材料層具有的標(biāo)稱厚度等于頻率與該中心頻率相等的聲信號(hào)在該聲解耦材料中波長的四分之一的奇數(shù)倍。
3.權(quán)利要求1的帶通濾波器，其中該帶通濾波器的特征在于中心頻率；以及聲解耦材料層具有的標(biāo)稱厚度等于頻率與該中心頻率相等的聲信號(hào)在聲解耦材料中波長的四分之一。
4.權(quán)利要求1、2或3的帶通濾波器，其中構(gòu)造該聲解耦器以提供FBAR之間基本臨界的聲能耦合。
5.權(quán)利要求1、2、3或4的帶通濾波器，其中該聲解耦材料在聲阻抗上比該壓電元件低。
6.權(quán)利要求5的帶通濾波器，其中該壓電元件具有聲阻抗；并且該聲解耦材料具有在該壓電元件的聲阻抗與空氣的聲阻抗之間的聲阻抗。
7.前面權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的帶通濾波器，其中該聲解耦材料具有從2Mrayl左右到8Mrayl左右范圍內(nèi)的聲阻抗。
8.權(quán)利要求1-7中任何一項(xiàng)的帶通濾波器，其中該聲解耦材料包括塑料。
9.權(quán)利要求1-7中任何一項(xiàng)的帶通濾波器，其中該聲解耦材料包括聚酰亞胺。
10.權(quán)利要求1-7中任何一項(xiàng)的帶通濾波器，其中該聲解耦材料包括聚(對(duì)-二甲基苯)。
11.權(quán)利要求1-7中任何一項(xiàng)的帶通濾波器，其中該聲解耦材料包括交聯(lián)的聚亞苯基聚合物。
12.權(quán)利要求11的帶通濾波器，其中交聯(lián)的聚亞苯基聚合物由DowChemical Company以SiLk為商標(biāo)出售的前驅(qū)體溶液形成。
13.一種帶通濾波器，其特征在于中心頻率，該帶通濾波器包括下薄膜體聲諧振器(FBAR)、層疊在下FBAR上的上FBAR，每個(gè)FBAR包括相對(duì)的平面電極和在電極之間的壓電元件；以及在FBAR之間的一層聲解耦材料，該層聲解耦材料具有的標(biāo)稱厚度等于頻率與該中心頻率相等的聲信號(hào)在該聲解耦材料中波長的四分之一，該聲解耦材料在聲阻抗上比壓電元件低。
14.權(quán)利要求13的帶通濾波器，其中該聲解耦材料包括聚酰亞胺、聚(對(duì)-二甲基苯)和交聯(lián)的聚亞苯基聚合物中的一種。
15.一種帶通濾波器，包括下薄膜體聲諧振器(FBAR)、層疊在下FBAR上的上FBAR，每個(gè)FBAR包括相對(duì)的平面電極和在電極之間的壓電元件；以及在FBAR之間的聲解耦器，該聲解耦器包括具有2Mrayl左右聲阻抗的聲解耦材料的一個(gè)聲解耦層。
全文摘要
一種帶通濾波器(100)具有下薄膜體聲諧振器FBAR(110)、層疊在下FBAR上的上FBAR(120)以及在FBAR之間的、包括一個(gè)聲解耦材料層(131)的聲解耦器(130)。每個(gè)FBAR具有相對(duì)的平面電極(112，114)和在電極之間的壓電元件(116)。聲解耦器控制FBAR之間的聲能耦合。具體地，聲解耦器在FBAR之間耦合比FBAR之間的直接接觸耦合更少的聲能。減少的聲耦合賦予帶通濾波器令人滿意的帶內(nèi)和帶外性能。
文檔編號(hào)H01L41/09GK1868121SQ200480029947
公開日2006年11月22日 申請(qǐng)日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月30日
發(fā)明者J·D·拉森三世, S·L·艾利斯 申請(qǐng)人:阿瓦戈科技通用Ip(新加坡)股份有限公司