滤波器芯片及制造滤波器芯片的方法与流程

针对诸多应用而言，需要具有频响特性相异的两个谐振器的滤波电路。例如，可能涉及双工器的谐振器或者阶梯型结构的谐振器。需通过十分繁复的方法才能实现具有频响特性相异的谐振器的滤波器芯片。举例而言，改变这两个谐振器的压电层中的至少一个的厚度，因为通过压电层的厚度可以调节体波谐振器的谐振频率。还可以在谐振器中的至少一个上涂覆修整层。然而，这种方法十分繁复并且需要对两个谐振器进行不同的处理，而通常须在分开的工序中实现这两种不同的处理。

本发明的目的在于，提出一种改善的滤波器芯片，其例如实现更加简单的制造方法，以及提出一种相应的制造方法。

本发明用以达成上述目的的解决方案为权利要求1所述的主题。本发明用以达成上述目的的解决方案还有第二个独立权利要求所述的方法。本发明的其他实施方案及优选实施方式参阅其他权利要求的主题。

本发明提出一种滤波器芯片，其包括至少一个通过体声波工作的第一和第二谐振器的电路系统，其中，所述通过体声波工作的第一谐振器包括第一压电层，其如此被结构化，使得所述第一谐振器具有低于所述第二谐振器的谐振频率。

所述通过体声波工作的第二谐振器还包括第二压电层。所述第二压电层可以是非结构化的或者也可以是结构化的。

通过体声波工作的谐振器是所谓的BAW谐振器(BAW＝Bulk Acoustic Wave Resonator，体声波谐振器)。在BAW谐振器中，借助压电效应，使电子信号转换成在衬底(块体)中传播的声波。所述两个谐振器中的每一个都包括下电极和上电极，其中，各压电层被布置于所述下电极与所述上电极之间，以及其中，所述下电极被布置于相应压电层面向芯片衬底的一侧上，并且所述上电极被布置于所述压电层的相反侧上。自此，可以在所述下电极与所述上电极之间施加交流电压，由此，如果交流电压的频率处于相应压电层的固有谐振的范围内，便能够在相应压电层中激励声波。

所述第一谐振器及所述第二谐振器可以是膜型体声波谐振器(FBAR)或者固态装配型体声波谐振器(SMR)。膜型体声波谐振器以悬臂方式布置，其中空腔位于谐振器之下。固态装配型谐振器被布置于声反射镜上。

所述第一和第二压电层可以分别包括氮化铝或者由氮化铝组成。也可以将其他压电材料用于压电层。

所述第一压电层以及也可能所述第二压电层可以被结构化。这就能够有针对性地调节所述第一和第二谐振器各自的谐振频率。在此，结构化是指有针对性地移除相应压电层的一部分。在结构化之前，相应压电层可能由不具有开口或空腔的非结构化块体组成。此后，在结构化过程中，从这种块体中移除材料，具体方式例如是，由块体构成凹穴，其中，移除该凹穴中的压电材料。

特别是，所述第一谐振器以及也可能所述第二谐振器如此被结构化，使得它们具有相互不同的谐振频率。这是通过使所述第一压电层及也可能所述第二压电层结构化得以实现，这样就能利用显著简化的制备过程制成滤波器芯片。特别是，首先，可以在同一工序中将所述第一和第二压电层以非结构化的方式施加于芯片上。随后，可以通过光刻法将所述第一压电层结构化，以便更大幅地降低所述第一谐振器的谐振频率。视需要，还可以在同一工序中通过光刻法将所述第二压电层结构化，其中，对所述第一压电层的结构化强于所述第二压电层，以便更大幅地降低所述第一谐振器的谐振频率。相应地，能够省略诸如施加修正层或者改变压电层之一的厚度的繁复工序。

此外，这种对第一压电层以及也可能第二压电层进行结构化的优势还在于，易于实现并且能够在高精度下实施。特别是，与借助改变层厚相比，借助对压电层进行结构化能够更加精确地调节谐振频率。

所述第一压电层以及也可能第二压电层可以如此被结构化，即在结构化过程中移除相应压电层材料的5％至90％，其中，从所述第一压电层移除多于所述第二压电层上的材料。

除有针对性地调节谐振频率之外，对相应压电层进行结构化的优势还在于，提高了相应谐振器的耦合因数。高耦合因数能够实现滤波器的大带宽。

所述通过体声波工作的第一谐振器可以具有厚度方向上的主模式，以及其中，所述通过体声波工作的第二谐振器也可能具有厚度方向上的主模式。

在本文中，厚度方向可以指从布置于压电层的一侧上的上电极到布置于该压电层的相反侧上的下电极的方向。

所述第一压电层可以被结构化成具有贯穿该第一压电层的凹穴。替选地或补充地，所述第二压电层可以被结构化成具有贯穿该第二压电层的凹穴。在本文中，凹穴是指延伸穿过相应压电层的凹口。此外，所述凹穴还可以延伸穿过相应上电极以及也可能延伸穿过相应下电极。

所述凹穴能够易于在光刻工序中制成。通过选择所述凹穴的直径和/或通过选择所述凹穴的数目，能够有针对性地调节对相应压电层进行结构化的所需程度。将压电层结构化的程度越强，则谐振频率下降的幅度越大。

在此，所述凹穴可以具有任意形状。例如，它们可以是圆柱体形状或者长方体形状。然而，也可以考虑其他形状的凹穴。

在光刻工序中，首先，可以将漆层施加于所述第一和第二谐振器上。然后，可以借助掩模使所述漆层部分曝光并且随后使其显影。此后，可以进行蚀刻过程，例如干法蚀刻、等离子蚀刻、离子铣削、反应离子蚀刻或者化学液蚀刻。在此情形下，能够获得所需的结构化。结构化可以产生xy平面中的图案，该图案因其构造于xy平面中而也可称作横向结构化。蚀刻可以确保这种凹穴形式的图案沿竖向穿过相应谐振器。

在替选的实施方式中，所述凹穴并未完全穿过所述第一或可能第二压电层，而是逐渐变窄，这样它们就能在相应压电层中形成开口，但并非完全穿透压电层。

在某些实施方式中，首先，可以在光刻工序中产生硬掩模，然后可以再将其用于蚀刻。这种多步程序在侵蚀性的蚀刻过程中会十分有利。

有利地，所述凹穴是未填充的。替选地，所述凹穴可以填充有填充层，其中，所述填充层例如可以具有异常热机械行为。相应地，所述填充层可以补偿相应压电层的热机械行为。在替选的实施方案中，所述凹穴的内侧可以覆有覆盖层。所述覆盖层可以具有异常热机械行为和/或用于防护所述凹穴不受环境影响。

所述第一和/或第二压电层能够如此被结构化，使得所述凹穴在竖向上延伸穿过所述第一和/或第二压电层。平行于电极曲面法线的方向是竖向。此外，可以将横向定义成垂直于电极曲面法线的方向。

所述第一和第二压电层可以具有相同的厚度。通过对所述第一和第二压电层进行不同的结构化而能对所述第一和第二谐振器的谐振频率进行不同的调节，因此不再需要将两层的厚度配置成相互不同。确切而言，可以在同一工序中将所述第一和第二压电层以相同的厚度制成，并且无需后续再更改它们的厚度。然而，所述第一和第二压电层也可以在其厚度上有所区别。针对某些应用而言，所述第一和第二压电层具有相互不同的厚度可能有利于更加有力地区分两个谐振频率。

此外，所述第一和/或第二谐振器可以包括修整层。如上所述，由于所述第一和第二压电层受到彼此不同的结构化，因此原则上不再需要为实现不同的谐振频率而施加修整层。尽管如此，针对某些应用而言，额外设置修整层可能有利于更加有力地区分两个谐振频率。据此，在所述两个谐振器中的至少一个上施加额外的修整层提高了设计灵活性。

在本文中，修整层是指不同于压电层的层。所述修整层能够通过选择其厚度而调节谐振器的频率。所述修整层通常位于所述压电层之上。所述修整层可以直接施加于相应谐振器的上电极上。所述修整层可以是Si0₂层。通过施加修整层或通过选择其厚度，可以调节相应谐振器的谐振频率。所述上电极本身或者电极的一些部分也可以充当修整层。

所述第一压电层和/或所述第二压电层可以被布置于声反射镜上。在此情形下，特别是相应谐振器的下电极可以被构造于压电层与声反射镜之间。所述声反射镜确保射入反射镜的体声波反射并射回谐振器中，从而可令损耗降至最低限度。相应地，所述谐振器可以是所谓的固态装配型谐振器。

此外，所述第一谐振器和/或所述第二谐振器能够以悬臂方式布置。在此情形下，在相应谐振器的下电极之下布置空腔。这相应涉及膜型体声波谐振器或者薄膜型体声波谐振器。

所述第一压电层和/或所述第二压电层可以被构造成光子带隙结构。在光子带隙结构中，在阻带频率范围内，在两个或三个空间方向上没有行声波传播。由此，能够将因横向辐射所致的损耗减小到最低限度。

所述第一和第二谐振器可以互联成具有串联谐振器和并联谐振器的阶梯型结构中，其中，所述第一谐振器构成串联谐振器或并联谐振器，以及其中，所述第二谐振器构成选自串联谐振器或并联谐振器的另一个。在带通滤波器的情况下，所述第一和第二谐振器优选被如此结构化，使得串联谐振器的通带频率与并联谐振器的阻带频率几乎一致。

阶梯型滤波器结构可以包括信号路径，具有信号输入路径及信号输出路径。串联谐振器串联于信号路径中。并联谐振器如此连接，使得该并联谐振器的一个电极与信号路径连接并且该并联谐振器的另一个电极通过电抗元件接地。

具有阶梯型结构的滤波电路可以由多个串联的基本构件构建，其中，基本构件大体上由串联谐振器和并联谐振器组成。串联谐振器的表征性通带频率大概与并联谐振器的阻带频率一致。与此同时，这种基本构件本身构成带通滤波器。通带的衰减特性的右缘由串联谐振器的具体配置来判定，而左缘则由并联谐振器的配置来判定。所述滤波器芯片可以是这种基本构件。

特别是，所述第一和第二谐振器可以均为FBAR谐振器。替选地，它们可以是SMR谐振器。

所述滤波器芯片也可以具有两个以上谐振器。特别地，所述滤波器芯片还可以包括其他谐振器，所述其他谐振器在其谐振频率上不同于所述第一和第二谐振器。

举例而言，所述滤波器芯片可以被配置成双工器，其中，至少一个第一谐振器与至少一个第二谐振器互联成发射滤波器，其中，所述滤波器芯片还包括至少一个第三谐振器和至少一个第四谐振器，它们互练成接收滤波器，其中，所述第一谐振器、所述第二谐振器、所述第三谐振器以及所述第四谐振器各自具有彼此不同的谐振频率。

在此情形下，所述滤波器芯片例如包括具有第一至第四压电层的第一至第四谐振器。在此情形下，例如，所述第一谐振器与所述第二谐振器可以构成发射滤波器，并且所述第三谐振器与所述第四谐振器可以构成接收滤波器。相应地，这四个谐振器中的每一个可以如此被配置，使其具有与另外三个谐振器的谐振频率不同的谐振频率。例如，所述第一谐振器受结构化的强度可以最高，使其具有最低的谐振频率。此外，所述第二谐振器受结构化的强度可以弱于所述第一谐振器，使其具有第二低的谐振频率。此外，所述第三谐振器受结构化的强度可以弱于所述第二谐振器，使其具有第三低的谐振频率。此外，所述第四谐振器受结构化的强度可以弱于所述第三谐振器，使其具有最高的谐振频率。此外还可行的是，所述第四谐振器未经结构化。此外，所述第四谐振器的谐振频率还可能另外受到相应厚度和/或施加修整层的影响。

在本文中针对具有两个谐振器的滤波器芯片所述的特征同样也会适用于具有两个以上谐振器的滤波器芯片。

能够通过滤波器芯片实现的其他声学组件的示例有L型构件、陷波滤波器、桥接电路、T型构件、P型构件、双工器、三工器或四工器。

根据另一方面，提出一种用于制造滤波器芯片的方法。所述方法包括以下步骤：

-在芯片衬底上制作具有第一压电层的通过体声波工作的第一谐振器，

-在所述芯片衬底上制作具有第二压电层的通过体声波工作的第二谐振器，以及

-以光刻法对所述第一及也可能第二压电层进行结构化。

特别是，首先，可以在同一工序中将所述第一和第二压电层以非结构化的方式施加于芯片上。随后，可以在同一工序中对所述第一及也可能第二压电层进行结构化。

在此，可以使用掩模，其导致对第一光刻层进行更强的结构化，以便更大幅地降低所述第一谐振器的谐振频率。

特别是，在本方法中能够制成上述滤波器芯片。相应地，结合所述滤波器芯片公开的任何结构性或功能性特征同样也可以适用于所述方法。

借此，所述用于制造滤波器芯片的方法还可以包括以下步骤：以光刻法对所述第二压电层进行结构化。在此情形下，对所述第二压电层进行结构化的程度要低于所述第一压电层，以致所述第一谐振器具有小于所述第一谐振器的谐振频率。可以在同一工序中进行所述第一和第二压电层的结构化过程。

可以首先在同一工序中将所述第一和第二压电层以非结构化的方式施加于芯片衬底上。

下面将参照附图对本发明予以详述。

图1示出SMR型BAW谐振器的滤波器芯片的剖视图。

图2示出另一SMR型BAW谐振器的滤波器芯片的剖视图。

图3示出针对不同的谐振器以对数尺度标绘导纳幅值的线图。

图4示出结构化压电层的第一实施例在xy平面上的俯视图。

图5a至图5f、图6、图7a、图7b、图8和图9示出结构化压电层的其他实施例分别在xy平面上的俯视图。

图1示出滤波器芯片1。滤波器芯片1包括通过体声波工作的第一谐振器2以及通过体声波工作的第二谐振器3。

通过体声波工作的第一谐振器2包括第一压电层4，其被布置于上电极5与下电极6之间。此外，通过体声波工作的第二谐振器3也包括第二压电层7，其被布置于上电极8与下电极9之间。下电极6、9分别被布置于相应压电层4、7面向芯片衬底10的一侧上。上电极5、8分别被布置于相应压电层4、7背向芯片衬底10的一侧上。

第一和第二谐振器2、3具有相同的厚度。特别是，第一压电层4与第二压电层7等厚。第一和第二压电层4、7可以分别包括氮化铝或者由氮化铝组成。

第一和第二谐振器2、3被布置于共同的芯片衬底10上。芯片衬底具有硅。在两个谐振器2、3之下构造声反射镜11。声反射镜11包括交替布置的第一层12和第二层13，其中，第二层13在其声阻抗方面有别于第一层12。声反射镜11例如由交替布置的SiO₂层和钨层组成。

第一压电层4是结构化的。将在光刻法工序中对压电层4进行结构化。结构化部分包括贯穿压电层4的凹穴14。在此，凹穴14在竖向上延伸。

在图1中，z方向表示通过电极5、6、8、9的曲面法线确定的方向。将其称作竖向。凹穴14在z方向上延伸。y方向垂直于竖向。x方向垂直于y方向并且垂直于z方向。无论y方向还是x方向都被称作横向。有鉴于此，图1示出滤波器芯片1在xz平面的剖视图。

对压电层4进行结构化导致第一谐振器2的谐振频率下降。特别是，对第一压电层4的结构化越强，第一谐振器2的谐振频率就降得越低。在此情形下，更强的结构化意味着移除更多第一压电层4的材料。通过对第一谐振器2的第一压电层4进行结构化，该第一谐振器具有低于第二谐振器4的谐振频率。

图2示出另一种滤波器芯片1，其与图1中所示滤波器芯片1的区别仅在于，在图2中所示的滤波器芯片1中，第二压电层7也被结构化。在此，将在光刻法工序中对第二压电层7进行结构化。特别是，将在同一工序中以光刻法对第一及第二压电层进行结构化。此外，第二压电层7具有在竖向上延伸穿过第二压电层7的凹穴14。

第二压电层7被结构化的强度低于第一压电层4，也就是说，在结构化过程中，从第一压电层4中移除的材料多于从第二压电层7中移除的材料。因此，第一谐振器2具有低于第二谐振器3的谐振频率。

无论在图1中所示的实施例还是图2中所述的实施例中，凹穴14都是未填充的。在替选的实施例中，可以将凹穴完全填充有填充层。替选地，可以仅将其内侧覆有覆盖层。填充层和/或覆盖层可以包括具有异常热机械行为的材料。这种材料补偿相应压电层4、7的正常热机械行为。特别是，所述材料会因异常热机械行为而在受热过程中不易变形。

此外，填充层和/或覆盖层可以防护相应压电层4、7不受环境影响。例如，填充层和/或覆盖层可以确保钝化作用。

在第一种实施例中，第一谐振器2和第二谐振器3互联成阶梯型滤波器，其中这两个谐振器2、3中的一个谐振器构成并联谐振器，而另一个谐振器构成串联谐振器。

此外，两个这类滤波器芯片1可以联成双工器，其中通过相应的结构化调配谐振器各自的谐振频率。此外还可行的是，在单个滤波器芯片上布置四个谐振器。在此情形下，这四个谐振器可以分别如此被结构化，使其具有相互不同的谐振频率。例如，四个谐振器可以联成两个阶梯型滤波器，它们构成双工器的发射滤波器和接收滤波器。

在另一种实施例中，滤波器芯片1上的第一和第二谐振器2、3互联成陷波结构，其中谐振器2、3中的一个谐振器构成并联谐振器，而另一个谐振器构成串联谐振器。

图3在线图中示出结构化对谐振器2的频响特性的影响。在横坐标轴上绘出以MHz为单位的频率。在纵坐标轴上绘出以对数尺度表示的导纳幅值。

图3首先示出基准曲线K_ref，其表示具有非结构化压电层的谐振器的频响特性。此外，在图2中还绘出曲线K₁、K₂、K₃和K₄，它们分别表示具有结构化压电层的谐振器的频响特性，其中各压电层被结构化成具有孔眼并且孔眼的直径从曲线K₁到曲线K₄增大。

从图3可以看出，通过对各压电层4进行结构化，谐振器2的谐振频率和反谐振频率下降。在此，对压电层4的结构化越强，也就是说，从压电层4中移除的材料越多，这种下降就越甚。

此外，图3还示出，对压电层4的结构化越强，谐振器2的零极点间距则越大。谐振器2的零极点间距被定义成谐振频率与反谐振频率的距离。

图4示出压电层4在xy平面上的俯视图，其中凹穴构成随机布置的孔眼15和狭缝16。孔眼15和狭缝16在竖向上延伸穿过压电层4。该压电层可以是第一压电层4。如上所述，第二压电层7可以保持非结构化，或者以与第一压电层4相似的方式受到结构化，但比其程度更轻。

某些孔眼15被具有异常热机械行为的覆盖层17覆盖。该覆盖层17抵消压电层4的正常热机械行为。由此，有可能是部分补偿、完全补偿或过度补偿。此外，狭缝16的侧壁也可以被覆盖层17覆盖。

此外，孔眼15中的一些和狭缝16中的一些被填充有由介电材料制成的填充层18，其具有异常热机械行为。对此，可以使用任何具有异常热机械行为的材料。

此外，孔眼15和狭缝16中的一些包括不具有覆盖层17或填充层18。

图5a至图5f示出结构化压电层4的其他实施例。在此，图a至f示出压电层4在xy平面上的俯视图。此外，正如后续附图，压电层是第一或第二压电层4、7。

在此，凹穴14在竖向上延伸穿过所示的压电层4。通过这些凹穴14，将相应压电层4结构化成块。如图5a和图5b所示，倘若将凹穴14配置成具有足够小的直径，则块角重叠。如图5c至图5f所示，倘若将凹穴14的直径选成较大，则将压电层4结构化成通过桥片彼此相连的块。在某些实施例中，如图5d和图5e所示，桥片在块角连接两个块。在其他实施例中，如图5c和图5f所示，桥片在块的侧面使其彼此相连。

图6示出结构化压电层4的另一些实施例，在此也在xy平面上示出其俯视图。图6中所示的压电层4是通过具有圆形截面的凹穴14来结构化。在图6的各图中包括不同直径的凹穴14。凹穴14的直径越大，则谐振频率降低的程度越强且谐振器2的零极点间距越大。

例如，凹穴14的直径可以介于0.2至6μm之间。

图7a和图7b示出结构化压电层4的另外两种实施例。在图7a和图7b中，同样在xy平面上示出压电层4的俯视图。压电层4分别是通过具有圆形横截面的凹穴14来结构化。压电层4分别被如此结构化，即构成光子带隙结构。光子带隙结构尤其确保横向上的辐射损耗会被降至最低限度。

在竖向上(z方向)，就SMR谐振器而言，声反射镜导致声波反射，就FBAR谐振器而言，自由边界条件导致声波反射，由此确保损耗最小化。此外，倘若构成二维光子带隙结构，则这种横向上的辐射损耗最小化。

凹穴14以行和列的方式布置，其中在，在y方向上成行。两个相邻行的凹穴14彼此错列。凹穴被如此规律性布置成行，使得凹穴14布置成相同的两行，在二者之间布置另一行。

如图7a所示，用d₂表示两个凹穴14的中心点19、20的距离，其中，第一凹穴14被布置于第一行中，另一凹穴14被布置于紧邻的行中并且最接近第一凹穴14。此外，用2d₁表示两个凹穴14的中心点21、22的距离，其中，第一凹穴14被布置于第一行中，另一凹穴14位于具有相同凹穴排列的最近一行中并且在该行中最接近第一凹穴。当d₁和d₂满足下列条件时，构成光子带隙结构：

d₂/d₁＝√2

借助于其他设计规则，也能够获得更简单或更佳的光子带隙结构。对此，在图7b中示出一个示例。如图7b所示，定义2_d1和2_d2。当d₁和d₂满足下列条件时，产生光子带隙结构：

d₂/d₁＝0.5×√3

就此而言，也将其称作六边形排列。

图8示出结构化压电层4的另一些实施例，其中压电层4分别被结构化成具有六边形或十二边形基本面的块。在所示的一些实施例中，这些块彼此过渡，而在其他一些实施例中，这些块通过桥片彼此相连。

图9示出结构化压电层4的另一实施例。压电层被结构化成具有正方形基本面的块。这些块的侧面通过桥片而彼此相连，其中，桥片的宽度对应于块的边长。

附图标记列表

1 滤波器芯片

2 第一谐振器

3 第二谐振器

4 第一压电层

5 上电极

6 下电极

7 第二压电层

8 上电极

9 下电极

10 芯片衬底

11 声反射镜

12 声反射镜的第一层

13 声反射镜的第二层

14 凹穴

15 孔眼

16 狭缝

17 覆盖层

18 填充层

19 中心点

20 中心点

21 中心点

22 中心点