母线和叉指换能器指状物端部之间具有窄间隙的横向激励薄膜体声波谐振器的制作方法

1.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：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.用于当前通信系统的高性能rf滤波器通常结合声波谐振器，声波谐振器包括表面声波(saw)谐振器、体声波baw)谐振器、薄膜体声波谐振器(fbar)和其他类型声波谐振器。但是，这些现有技术不适合在更高的频率和带宽下使用，而未来的通信网络需要用到更高的频率和带宽。
7.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。3gpp(第三代合作伙伴计划)已对用于移动电话网络的无线电接入技术进行了标准化处理。5g nr(新无线电)标准中定义了用于第五代移动网络的无线电接入技术。5g nr标准定义了若干个新的通信频段。这些新的通信频段中有两个频段是n77和n79，其中n77使用3300mhz至4200mhz的频率范围，n79使用4400mhz至5000mhz的频率范围。频段n77和频段n79都使用时分双工(tdd)，因此在频段n77和/或频段n79中工作的通信设备将相同的频率用于上行链路和下行链路传输。n77和n79频段的带通滤波器必须能够处理通信设备的发射功率。在5ghz和6ghz的无线频段也需要高频率和宽带宽。5g nr标准还定义了频率在24.25ghz和40ghz之间的毫
米波通信频段。
8.横向激励薄膜体声波谐振器(xbar)是用于微波滤波器的声波谐振器结构。题为“transversely excited film bulk acoustic resonator”的美国专利10,491,291中描述了这种xbar。xbar谐振器包括叉指换能器(idt)，该叉指换能器(idt)在单晶压电材料或具有单晶压电材料的薄浮层或隔膜上形成。idt包括从第一母线延伸的第一组平行指状物和从第二母线延伸的第二组平行指状物。第一组平行指状物和第二组平行指状物交错。施加到idt上的微波信号在压电隔膜中激发出剪切的主声波。xbar谐振器提供了很高的机电耦合和高频能力。xbar谐振器可用于各种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中。


技术实现要素：

9.本发明公开了一种在母线和叉指换能器(idt)指状物末端之间具有窄间隙的声波谐振器器件，所述器件包括：一衬底，具有表面；一压电板，具有正面和背面，所述背面附接到所述衬底除所述压电板的部分外的表面上，该部分形成隔膜，所述隔膜跨越所述衬底中的空腔；一叉指换能器(idt)，在所述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，所述交错指状物的重叠距离限定所述谐振器器件的孔径；其中所述交错指状物包括从idt的第一母线延伸的第一多个平行指状物和从idt的第二母线延伸的第二多个指状物；其中所述交错指状物之间的距离定义了idt间距；其中所述idt包括在所述多个第一平行指状物末端和所述第二母线之间的间隙距离，和在所述多个第二平行指状物末端和所述第一母线之间的间隙距离；以及其中所述间隙距离小于所述idt间距的2/3倍。
10.其中，所述间隙距离在1.0μm和5μm之间。
11.其中，所述间隙距离在所述idt间距的1/2到1/3倍之间。
12.其中，所述间隙距离在1.5um和5.0um之间；所述idt间距在3um和7.5um之间。
13.其中，所述idt间距是所述第一和第二多个平行指状物中的相邻指状物之间的中心到中心间距；并且其中所述第一和第二多个平行指状物分别附接到所述第一和第二母线。
14.其中，施加到idt的射频信号在所述空腔上方的所述压电板中激发主剪切声模；并且其中选择所述压电板的厚度以调谐所述压电板中的主剪切声模。
15.其中，所述板为y切割铌酸锂压电材料；施加到idt的所述射频信号会在所述idt指状物末端和所述相邻母线之间的间隙区域中激发杂散模式，从而在xbar的导纳中引起不希望的杂散；和所述间隙距离是预先确定的间隙距离，用于在使用期间在某些频率下将杂散模式抑制至多10或20db。
16.本发明还公开了一种在母线和叉指换能器(idt)指状物末端之间具有窄间隙的声波谐振器器件，所述器件包括：一衬底，具有表面；一压电板，具有正面和背面，所述背面附接到所述衬底除所述压电板的部分外的表面上，该部分形成隔膜，所述隔膜跨越所述衬底中的空腔；一叉指换能器(idt)，在所述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，所述交错指状物的重叠距离限定所述谐振器器件的孔径；其中交错指状物包括从idt的第一母线延伸的第一多个平行指状物和从idt的第二母线延伸的第二多个指状物；其中所述交错指状物在所述第一和第二多个平行指状物中的相邻指状物之间具有idt
指状物间距；其中，idt包括所述第一多个平行指状物末端与所述第二母线之间的间隙距离，和所述第二多个平行指状物末端与所述第一母线之间的间隙距离；以及其中所述间隙距离小于所述idt指状物间距的2/3。
17.其中，所述间隙距离在所述idt指状物间距的1/3和1/2之间。
18.其中，所述间隙距离在5μm和1.0μm之间。
19.其中，所述idt间距在3um和75um之间。
20.其中，所述idt指状物间距是所述第一和第二多个平行指状物中的相邻的指状物之间的中心到中心间距；并且其中所述第一和第二多个平行指状物分别附接到所述第一和第二母线。
21.其中，施加到idt的射频信号在所述空腔上方的所述压电板中激发主剪切声模；并且其中选择所述压电板的厚度以调谐所述压电板中的主剪切声模。
22.其中，所述板为y切割铌酸锂压电材料；施加到idt的所述射频信号会在所述idt指状物末端和所述相邻母线之间的间隙区域中激发杂散模式，从而在xbar的导纳中引起不希望的杂散；和所述间隙距离是预先确定的间隙距离，用于在使用期间在某些频率下将杂散模式抑制至多10或20db。
23.本发明进一步公开了一种制造声波谐振器器件的方法，包括：将压电板的背面粘合到衬底上，使得压电板的一部分形成横跨所述衬底中的空腔的隔膜；和在所述压电板的正面上形成叉指换能器(idt)，使得idt的交错指状物设置在所述隔膜上，所述交错指状物的重叠距离限定所述谐振器器件的孔径；其中所述压电板和idt被配置为使得施加到idt的射频信号在所述隔膜中激发主剪切声模，其中所述交错指状物包括从idt的第一母线延伸的第一多个平行指状物和从idt的第二母线延伸的第二多个指状物；其中所述交错指状物之间的距离定义了idt间距；其中所述idt包括在所述多个第一平行指状物末端和所述第二母线之间的间隙距离，和在所述多个第二平行指状物末端和所述第一母线之间的间隙距离；以及其中，所述间隙距离为所述idt间距的1/2和1/3倍。
24.其中，所述间隙距离在1.0μm和5μm之间。
25.其中，所述间隙距离在1.5um和5.0um之间；所述idt间距在3um到7.5um之间。
26.其中，施加到idt的射频信号在所述空腔上方的所述压电板中激发主剪切声模；并且其中选择所述压电板的厚度以调谐所述压电板中的主剪切声模。
27.其中，所述板为y切割铌酸锂压电材料；施加到idt的所述射频信号会在所述idt指状物末端和所述相邻母线之间的间隙区域中激发杂散模式，从而在xbar的导纳中引起不希望的杂散；和所述间隙距离是预先确定的间隙距离，用于在使用期间在某些频率下将杂散模式抑制至多10或20db。
28.其中，将所述压电板的背面粘合到所述衬底包括将单晶压电板的背面粘合到硅衬底的平坦表面。
附图说明
29.图1包括横向激励薄膜体声波谐振器(xbar)的示意性平面图和两个示意性截面图。
30.图2是图1的xbar的局部放大示意性截面图。
31.图3a是xbar的替代示意性截面图。
32.图3b是xbar中感兴趣的主声模的图解说明。
33.图4a示出了xbar的简化示意俯视图，在母线和叉指换能器(idt)指状物末端之间具有窄间隙。
34.图4b是比较具有不同间隙距离的xbar的导纳大小和电导的图。
35.图4c是比较具有不同间隙距离的xbar的电导的图。
36.图4d是比较具有不同间隙距离的xbar的电导的另一张图。
37.图4e是将最大母线-电极间隙距离与xbar的idt间距进行比较的图。
38.图5是使用xbar的滤波器的示意性框图。
39.图6是制造xbar的传统工艺的流程图。
40.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图号。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
41.器件说明
42.横向激励薄膜体声谐振器(xbar)是一种用于微波滤波器的新型谐振器结构。申请号为10,491,291，题为transversely excited film bulk acoustic resonator的美国专利中描述了这种xbar，其全部内容通过引用并入本文。xbar谐振器包括导体图案，该导体图案具有在压电材料的薄浮动层或隔膜上形成的叉指换能器(idt)。idt具有两个母线，每个母线都连接到一组指状物上，并且两组指状物交错在空腔上方的隔膜上，该空腔在衬底中形成，谐振器安装在该衬底上。隔膜跨越空腔并且可以包括正面和/或背面介电层。施加到idt的微波信号在压电隔膜中激发剪切主声波，使得声能基本上垂直于层的表面流动，该层的表面垂直于或横向于由idt产生的电场的方向。xbar谐振器提供非常高的机电耦合和高频能力。
43.压电膜可以是跨越衬底中的空腔的单晶压电材料板的一部分。压电隔膜可以是膜并且可以包括正面和/或背面介电层。xbar谐振器可以是这样的隔膜或膜，其中叉指换能器(idt)在隔膜或膜上形成。
44.确定xbar的谐振频率的主要参数是悬浮在空腔上方的压电膜或隔膜的厚度。谐振频率在较小程度上还取决于idt指状物的间距和宽度或标记。许多滤波器应用需要谐振器的谐振和/或反谐振频率范围超出通过改变idt的间距可以实现的范围。
45.在使用y切割铌酸锂作为压电板中的压电材料的xbar中，可以在idt指状物末端和相邻母线之间的间隙区域中激发杂散模式。这种杂散模式可能会在xbar的导纳中引起不希望的杂散。当idt指状物末端与相邻/相对母线之间的间隙距离减小到idt指状物间距的一小部分时，这些杂散模式被抑制或消除。
46.以下描述了改进的xbar谐振器、滤波器，和用于xbar谐振器的制造技术，在母线和叉指换能器(idt)指状物末端之间具有窄间隙。在某些情况下，idt指状物末端与相邻idt母线之间的间隙距离可能小于idt指状物间距的2/3倍。另外地或独立地，idt指状物末端与相邻idt母线之间的间隙距离可以在idt的交错的指状物的idt指状物间距的2/3和1/2之间。
47.图1示出了横向激励薄膜体声波谐振器(xbar)100的简化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特别适用于频率高于3ghz的通信频段的滤波器。
48.xbar 100由在压电板110的表面上形成的薄膜导体图案组成，所述压电板具有分别平行的正面112和背面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。压电板切割成使得相对于正面和背面的x、y和z晶轴的取向是已知的且一致的。在一些示例中，压电板可以是z切割的，也就是说z轴垂直于表面。在其他示例中，压电板可以旋转y切割的，如申请号为10,790,802，于2020年9月29日颁布，题为“transversely excited film bulk acoustic resonator using roatted y-x cut lithium biobate,”的美国专利所述，其通过应用并入本文。在一些情况下，压电板可以是y切割的，欧拉角为0,b,0，0《b《70，如2020年月12日15日提交，申请号为17/122,977，题为“acoustic resonators and filters with reduced temperature coefficient of frequency”美国专利所述，其通过引用并入本文。然而，xbar可以在具有其他晶体取向的压电板上制造。
49.压电板110的背面114附接到衬底120，衬底120为压电板110提供机械支撑。衬底120可以是例如硅、蓝宝石、石英或一些其他材料。衬底可以具有硅热氧化物(tox)和晶体硅层。可以使用晶圆键合工艺将压电板110的背面114附着到衬底120，或者，压电板110在衬底120上生长，或者以其它一些方式附着到衬底。压电板110可以直接附着到衬底，或者可以经由一个或多个中间材料层附接到衬底。
50.如图1所示，隔膜115与围绕空腔140的整个周边145的压电板110的其余部分邻接。在本文中，“邻接”是指“连续连接而没有任何介入物品”。
51.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，和第二多个指状物，其中第一多个平行指状物从第一母线132延伸，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“孔口”。idt130的最外处的指状物之间的中心到中心距离l是idt的“长度”。
52.idt指状物末端和相邻的idt母线(例如，交错指状物的相对指状物的母线)之间的距离gm可以在5和10微米(um)之间。在某些情况下，距离gm是5um。相邻的idt母线是交错指状物的相对指状物的母线。相邻母线可以具有相反的电极性(例如，正v负)；或者是xbar滤波器使用期间的信号输入和输出。
53.第一和第二母线132、134用作xbar 100的端子或电极。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。如接下来详细讨论的那样，激发的主声模是体剪切模，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视为横向激励薄膜体波谐振器。
54.空腔140在衬底120中形成，使得压电板110的包含idt 130的部分115悬置在空腔140上方而不接触衬底120或空腔底部。“空腔”的常规含义是“固体内的空的空间”。空腔可以包含气体、空气或真空。在一些情况下，在板110上方还存在具有空腔(未示出)的第二衬底、封装或其他材料，其可以是衬底120和空腔140的镜像。板110上方的空腔可以具有空的空间深度，该空间深度大于空腔140的深度。指状物在空腔(或空腔之间)上延伸(并且母线
的一部分可以可选地在空腔上延伸)。空腔140可以是完全穿过衬底120的孔(如图1的截面a-a和截面b-b)或衬底120中的凹槽(随后如图3a所示)。空腔140可以例如通过在压电板110和衬底120贴附之前或之后选择性蚀刻衬底120来形成。如图1所示，空腔140呈矩形，该矩形的大小为大于孔口ap1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。
55.压电板的悬挂在空腔140上方的部分115在本文中将被称为“隔膜”(因为没有更好的术语)，因为它与麦克风的隔膜物理相似。隔膜可以连续且无缝地连接到围绕空腔140的所有或几乎所有周边的压电板110的其余部分。在本文中，“连续”的意思是“连续连接而没有任何介入物品”。在一些情况下，box层可以将板110与周边周围的衬底120结合。
56.为了便于在图1中呈现出来，idt指状物的几何间距和宽度相对于xbar的长度(尺寸l)和孔口(尺寸ap)被大大夸大了。典型的xbar在idt 110中具有十多个平行指状物。一个xbar在idt 110中可能具有数百甚至数千个平行指状物。类似地，横截面图中的指状物的厚度被大大夸大了。
57.图2示出了图1的xbar 100的详细示意性横截面图。横截面图可以是xbar 100的一部分，包括idt指状物。压电板110是具有厚度ts的压电材料的单晶层。ts可以是例如100nm至1500nm。当用于从3.4ghz到6ghz的lte
tm
频带(例如频带42、43、46)的滤波器中时，厚度ts可以是例如200nm到1000nm。
58.正面介电层214可以可选地在压电板110的正面上形成。根据定义，xbar的“正面”是背离衬底的表面。正面介电层214具有厚度tfd。正面介电层214在idt指状物238之间形成。虽然图2未示出，正面介电层214也可以沉积在idt指状物238上。背面介电层216可以可选地在压电板110的背面上形成。背面介电层216具有厚度tbd。正面和背面介电层214、216可以是非压电介电材料，例如二氧化硅或氮化硅。tfd和tbd可以是例如0至500nm。tfd和tbd通常小于压电板的厚度ts。tfd和tbd不一定相等，并且正面和背面介电层214、216不一定是相同的材料。正面和/或背面介电层214、216可以由两种或更多种材料的多层形成。
59.正面介电层214可以在滤波器中的一些(例如，选定的)xbar器件的idt上形成。正面介电层214可以在一些xbar器件的idt指状物之间形成并覆盖它，但不在其他xbar器件上形成。例如，可以在并联谐振器的idt上方形成正面频率设定介电层，以相对于具有较薄或没有正面电介质的串联谐振器的谐振频率降低并联谐振器的谐振频率。一些滤波器可以在各种谐振器上包括两种或更多种不同厚度的正面电介质。可以设置谐振器的谐振频率，从而至少部分地通过选择正面电介质的厚度来“调谐”谐振器。
60.此外，钝化层可以在xbar器件100的整个表面上形成，除了接触焊盘，其中电连接到xbar器件外部的电路。钝化层是一层薄的介电层，用于密封和保护xbar器件的表面，而xbar器件被合并到一个封装中。正面介电层和/或钝化层可以是sio2、si3n4、al2o3、一些其他介电材料或这些材料的组合。
61.可以选择钝化层的厚度以保护压电板和金属电极免受水和化学腐蚀，特别是用于实现电力耐久性。厚度范围可以从10到100nm。钝化材料可以由多种氧化物和/或氮化物涂层组成，例如sio2和si3n4材料。
62.idt指状物238可以是一层或多层铝或基本上铝合金、铜或基本上铜合金、铍、钨、钼、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)层或其他金属薄层，以改善指状物与压电板110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。
63.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大不相同。在saw谐振器中，idt的间距是谐振频率处声波波长的二分之一。此外，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通常是指状物宽度w的2到20倍。此外，idt的间距p通常是压电板212的厚度ts的2至20倍。间距p可以在3um和8um之间。间距p可以在4um和5um之间。板厚tm可以在300nm和500nm之间。板厚tm可以是400nm。指状物宽度w可以在0.5um和7.5um之间。指状物宽度w可以是1um。xbar中idt指状物的宽度不限于谐振时声波波长的四分之一。例如，xbar idt指状物的宽度可以是500nm或更大，使得idt可以使用光学光刻来制造。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。
64.图3a是xbar器件300沿图1中定义的截面a-a的替代横截面图。在图3a中，压电板310附接到衬底320。压电板310的一部分形成跨越衬底中的空腔340的隔膜315。空腔340没有完全穿透衬底320，并且在压电板310的部分下方的衬底中形成，压电板310含有xbar的idt。idt的指状物(例如指状物336)设置在隔膜315上。板310、隔膜315和指状物336可以是板110、隔膜115和指状物136。例如可以在附接压电板310之前通过蚀刻衬底320来形成空腔340。或者，可以用选择性蚀刻剂蚀刻衬底320的方式来形成空腔340，其中所述蚀刻剂通过设置在压电板310中的一个或多个开口342到达衬底。隔膜315可以绕空腔340的周边345的大部分与压电板310的其余部分邻接。例如，隔膜315可绕空腔340的周边的至少一半与压电板310的其余部分邻接。
65.一个或多个中间材料层322可以附接在板310和衬底320之间。中间层可以是粘合层、蚀刻停止层、密封层、粘合剂层或附接或粘合在压电板310和衬底320的其它材料层。在其他实施例中，压电板310直接附接到衬底320并且不存在中间层。
66.虽然空腔340以横截面显示，但应理解，空腔的横向范围是衬底320的连续封闭带区域，封闭带区域在与附图的平面垂直的方向上包围和限定空腔340的尺寸。空腔340的横向(即图中所示的左右)范围由衬底320的横向边缘限定。空腔340进入衬底320的竖直(即，如附图中所示的从板310向下)的程度或深度。在这种情况下，空腔340具有矩形或接近矩形的横截面。
67.由于空腔340是从衬底320的正面蚀刻(在附接压电板310之前或之后)，因此图3a中所示的xbar 300在本文中将称为“正面蚀刻”配置。由于在附接压电板110之后从衬底120的背面蚀刻空腔140，因此图1的xbar 100将在本文中称为“背面蚀刻”配置。xbar 300显示压电板310中的一个或多个开口342在空腔340的左右两侧。然而，在某些情况下，压电板310中的开口342仅位于空腔340的左侧或右侧。
68.图3b是xbar中感兴趣的主声模的图解说明。图3b示出了xbar 350的一小部分，包括压电板310和三个交错的idt指状物336。xbar 350可以是本文中任何xbar的一部分。rf电压施加到交错的指状物336。该电压在指状物之间产生随时间变化的电场。电场的方向主要
是横向的，或与压电板310的表面平行，如标记为“电场”的箭头所示。由于压电板的高介电常数，电场相对于空气高度集中在板内。横向电场引入剪切变形，因此强烈激发压电板310中的主剪切模式声模。在这种情况下，“剪切变形”定义为材料中的平行平面主要保持平行并在相对于彼此平移时保持恒定分离的变形。“剪切声模”定义为介质中导致介质剪切变形的声振动模式。xbar 350中的剪切变形由曲线360表示，相邻的小箭头示意性地指示了原子运动的方向和幅度。为了便于观察，原子运动的程度，以及压电板310的厚度已经被大大夸大了。虽然原子运动主要是横向的(即，如图3所示的水平方向)，但如箭头365所示，激发的主声模的声能流方向与压电板的前后表面基本正交。
69.基于剪切声波谐振的声波谐振器可以实现比当前最先进的薄膜体声波谐振器(fbar)和固态安装型谐振器体声波(smr baw)器件更好的性能，其中电场沿厚度方向施加。与其他声波谐振器相比，剪切波xbar谐振的压电耦合可能很高(》20％)。高压电耦合能够设计和实现具有可观带宽的微波和毫米波滤波器。
70.图4a是xbar器件400的示意性横截面图，在母线432和434与叉指换能器(idt)指状物436末端之间具有窄间隙，以减少在idt指状物末端和相邻母线之间的间隙区域激发的杂散模式。这种杂散模式可能会在xbar的导纳中引起不希望的杂散。与xbar 100相比，当idt指状物末端与相对母线之间的间隙距离减小(例如减小至idt指状物间距的一小部分，减少至低于2um和/或1um时，这些杂散模式被抑制或消除。
71.器件400可以代表器件100的一个版本，但是具有比gm更短的间隙ngm。器件400可以是器件300的一个版本。4a示出了滤波器器件400，其包括具有平行正面和背面的压电板410。除了压电板410的一部分形成跨越衬底中的空腔的隔膜之外，板的背面附接到衬底的顶表面(不可见，但在压电板410后面)。虚线是由空腔和衬底表面的交叉点限定的空腔的周边145。虚线内的压电板110的部分是隔膜。
72.压电板在压电板正面和背面之间具有板厚度ts(未示出但延伸到页面中，也参见图2)。厚度ts可以是恒定的厚度。厚度ts可以是板跨越空腔的恒定厚度。
73.idt 430在压电板的背离空腔的表面上形成。idt 430包括第一母线432、第二母线434和多个交错的指状物436，类似于136但具有不同的间隙距离ngm而不是gm。交错的指状物436包括一组平行的指状物438，其附接到idt的母线432并从其延伸；一组平行的指状物440，其附接到idt的母线434并从其延伸。交错的指状物在平行指状物组438和440中的相邻指状物组之间具有idt指状物间距p。间距p可以是组438和440的紧邻的平行指状物之间的中心到中心间距。在使用期间，相邻母线连接信号连接至母线的相对信号连接，该母线附接到具有指状物末端的指状物，指状物末端与相邻母线形成间隙距离。
74.idt的交错指状物设置在隔膜上，交错指状物的重叠距离限定谐振器器件的孔径ap2。孔径ap2的距离可以大于图1a的孔径ap1。指状物436跨越或位于空腔140上方。在某些情况下，idt的部分母线也在空腔上方。在其他情况下，所有母线都在衬底之上，但不在空腔之上。
75.idt在指状物440末端与相邻母线432之间以及指状物438末端与相邻母线434之间具有间隙距离ngm。交错的指状物之间的距离可以定义idt间距。idt间距可以是第一和第二多个平行指状物中的相邻指状物之间的中心到中心间距。间隙距离可能小于idt间距的2/3倍。间隙距离ngm可以在1.0和5um之间。间隙距离ngm可以在idt间距的1/2到2/3倍之间。间
隙距离ngm可以在2.5um和1.0um之间；idt间距在3um和6.5um之间。距离ngm可以是1um并且板厚在200nm和800nm之间。距离ngm可以是1um，而与板厚度无关。距离ngm的范围和idt间距之间的关系可以是线性的。
76.在一些情况下，指状物436的长度比指状物136的长度长2-5um，以将间隙距离从gm改变至ngm。在某些情况下，为了改变间隙距离，它会长3-4um
77.在使用xbar 400期间，施加到idt的射频信号在空腔上方的压电板中激发主剪切声模；并且其中选择压电板的厚度以调谐压电板中的主剪切声模。射频信号可以串联或并联施加到或跨过相邻母线。射频信号可以施加到相邻母线以将xbar用作并联谐振器或串联谐振器，如图5所示。
78.在一些情况下，板是y切割铌酸锂压电材料，并且施加到idt的射频信号会在idt指状物末端和相邻母线之间的间隙区域中激发杂散模式，从而会在xbar400的导纳中引起不希望的杂散。在这种情况下，间隙距离ngm可以是预定的间隙距离，以在使用期间在某些频率下将杂散模式抑制高达10或20db。例如，将间隙距离从gm更改为ngm可能会导致在使用期间在特定频率下，idt指状物末端和相邻母线之间的间隙区域中激发的杂散模式减少高达10或20db。在间隙区域中激发的杂散模式的减少与间隙距离从gm减少到ngm之间的关系可能是线性的。
79.例如，图4b是将导纳大小与具有不同间隙距离(例如，gm或ngm)的xbar的电导进行比较。导纳是一个向量值，可以表示为幅度和相位。电导是与施加的信号同相的导纳分量。电导是一个标量值。图450显示了使用有限元方法(fem)模拟技术根据xbar频率得到的导纳大小的曲线451和452，以及电导的曲线451和459(在对数刻度上，例如分贝刻度-db)。导纳和电导数据来自xbar的三维模拟，该xbar具有y型切割铌酸锂，并具有以下参数差异：a)曲线451和458是针对间隙距离ngm为1um的xbar 400版本；b)图452和459是针对间隙距离gm为5um的xbar100版本。图4b中的示例图可以是y切割铌酸锂压电板，其具有(0,38,0)欧拉角和276nm板厚；和3um的idt间距。
80.如与图451相比，图450显示，曲线452的导纳性能不太稳定、不太可预测并且在最低导纳峰值455处的反谐振处遭受更多损失。具体而言，曲线452在6300和6600mhz之间不均匀地上升，这是由于idt指状物末端间隙中的杂散模式的能量损失。这种性能差异使得用于曲线451的xbar 400版本比用于图452的xbar 100版本更理想。与在反谐振时的455相比，454处曲线的频移峰值是由idt指状物和相邻母线之间的额外的电容引起的，并且可能是曲线451的负面特征，因为可能需要大的耦合(谐振和反谐振峰值之间的分离)。然而，如果这是曲线451的不利特征，则它可能不如曲线452在6300和6600mhz之间以及曲线459对寄生间隙模式的能量损失的减少重要。
81.值得注意的是，图450还显示与曲线458相比，曲线459的导纳性能在导纳中具有不想要的杂散。具体地，图450示出了与曲线458相比，曲线459在6100,6300和6450mhz下，在导纳峰值出具有不需要的杂散，这三个峰值可以被认为是“使用期间的某些频率”，在这些频率下，间隙距离ngm可以是预定间隙距离，以将杂散模式抑制高达10或20db。这些不需要的杂散可以通过减小母线电极间隙距离来消除，例如将间隙距离从距离gm减少到ngm。因此，这些杂散的减少或消除使得用于曲线458的xbar 400版本比用于曲线459的xbar100版本更理想。
82.图4c是比较具有不同间隙距离，例如距离gm或ngm的xbar的电导(导纳的实际分量)的图460。图460示出了使用fem仿真技术根据xbar频率得出的(在对数刻度，例如分贝刻度-db上的)电导的曲线461和462。电导数据来自具有y切割铌酸锂的xbar的3d模拟结果，其中曲线461是针对间隙距离ngm为1um的xbar 400版本，曲线462是针对间隙距离gm为5um的xbar 100版本。图4c-d中的示例图可以是y切铌酸锂压电板，其具有(0,38,0)欧拉角和562nm板厚；和6um的idt间距。
83.曲线462显示具有gm的5μm间隙的谐振器在大约4.22ghz处具有大杂散465。如果这是滤波器中的并联谐振器，则该杂散465将处于或接近滤波器的低频带边缘，因此是不希望的杂散。曲线461显示，例如通过将母线-电极间隙距离从距离gm减小到ngm，去除间隙为1um的ngm的杂散465。不希望的杂散465是由于idt指状物末端间隙中的杂散模式的能量损失造成的，并且使得用于曲线461的xbar 400版本比用于图462的xbar100版本更为理想。
84.图4d是比较具有不同间隙距离(例如gm或ngm之间的距离)的xbar的电导的图470。图470显示了使用fem仿真技术仿真的根据xbar频率得到的电导db的曲线471、472、473和474。电导数据来自具有y切割铌酸锂或钽酸锂压电板的xbar的三维模拟，其中曲线471是曲线461的一部分；曲线472是针对母线电极间隙距离为2um的xbar；曲线473是针对母线电极间隙距离为2.5um的xbar；曲线474是针对母线电极间隙距离为4um的xbar；并且曲线475是曲线462的一部分。
85.曲线472显示具有2um间隙的谐振器消除了曲线474和475在大约4.175和4.22ghz处的大杂散476和465。如果这是滤波器中的并联谐振器，则这些杂散将正好在滤波器的低频带边缘处，因此是不希望的杂散。通过将母线电极间隙距离从5um或4um减少到2um，可以消除这些杂散。这些杂散是由于idt指状物末端间隙中的杂散模式的能量损失造成的，并且使曲线471和472的xbar版本比曲线474和475的xbar版本更理想。
86.曲线473显示具有2.5um间隙的谐振器在与大杂散线476和465相比，在大约4.1到4.15ghz下具有轻微杂散。这种杂散477对于并联谐振器来说是可以接受的。因此，将母线-电极间隙距离从5um或4um减小到2.5um可能会使用于曲线473的xbar版本比用于曲线474和475的xbar版本更理想。
87.图4e是比较xbar的最大母线电极间隙距离与idt间距，其中该xbar具有两个不同的ln板材料的y切割角度，和三个不同的ln压电板厚度。切割角度可以表示跨越包含多个滤波器设计的空间的角度。图480显示了根据使用fem仿真技术仿真的idt间距得到的最大母线-电极间隙距离。电导数据来自具有y切割铌酸锂压电板的xbar的3d模拟。三角形数据点适用于xbar，该xbar的母线电极间隙距离为2um、idt间距为3.05um、ln板厚度为276nm以及用于第一滤波器设计的ln板材料的y切割角为128度。x数据点适用于xbar，该xbar的母线电极间隙距离为2.5um、idt间距为4.44um、ln板厚度为383nm以及用于第二滤波器设计的ln板材料的y切割角为例如157度。方形数据点适用于xbar，该xbar的母线电极间隙距离为2.5um、idt间距为4.48um、ln板厚度为360nm以及用于第一滤波器设计的ln板材料的y切割角。圆形数据点适用于xbar，该xbar的母线电极间隙距离在3至4.5um之间、idt间距在6至7.5um之间、ln板厚度为562nm以及用于第一滤波器设计的ln板材料的y切割角。
88.图480示出了线481和482，它们表示母线电极间隙距离与idt间距(间隙/间距)的比率分别为2/3和1/2。基于这些外推线与数据点的关系，希望xbar的母线电极间隙距离与
idt间距比小于2/3，从而避免由于idt指状物末端出的间隙中的杂散模式的能量损失引起的不需要的杂散。因此，将母线-电极间隙距离与idt间距比减小到小于2/3比大于2/3更可取。在另一种情况下，将母线-电极间隙距离与idt间距比减小到2/3和1/2之间比减小到在该范围之外更可取。
89.图5是使用xbar的高频带通滤波器500的示意性电路图和布局，其中示出的到xbar的两个连接是到xbar的两个母线的连接。滤波器500具有常规的梯形滤波器架构，包括三个串联谐振器510a、510b、510c和两个并联谐振器520a、520b。三个串联谐振器510a、510b和510c串联连接在第一端口和第二端口之间(因此称为“串联谐振器”)。在图5中，第一和第二端口分别标记为“in”和“out”。然而，滤波器500是双向的，并且任一端口可以用作滤波器的输入或输出。两个并联谐振器520a、520b从串联谐振器之间的节点连接到地。滤波器可以包含附加的电抗元件，例如电感器，在图5中未示出。所有并联谐振器和串联谐振器都是xbar。包含三个串联和两个并联谐振器是示例性的。一个滤波器可以具有多于或少于五个总谐振器、多于或少于三个串联谐振器以及多于或少于两个并联谐振器。通常，所有串联谐振器串联连接在滤波器的输入和输出之间。所有并联谐振器通常连接在地和输入、输出或两个串联谐振器之间的节点之间。
90.在示例性滤波器500中，滤波器500的三个串联谐振器510a、b、c和两个并联谐振器520a、b在结合到硅衬底(不可见)的压电材料的单个板530上形成。每个谐振器包括相应的idt(未示出)，至少idt的指状物设置在衬底中的空腔上方。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5中，空腔示意性地示为虚线矩形(例如矩形535)。在该示例中，每个idt设置在相应的空腔上方。在其他滤波器中，两个或更多个谐振器的idt可以设置在单个空腔上。
91.滤波器500中的每个谐振器510a、510b、510c、520a、520b具有谐振器的导纳非常高的谐振和谐振器的导纳非常低的反谐振。谐振和反谐振分别发生在谐振频率和反谐振频率，它们可以相同或不同对于滤波器500中的各种谐振器。在过于简化的术语中，每个谐振器可以被认为在其谐振频率处是短路并且在其反谐振频率处是开路。在并联谐振器的谐振频率和串联谐振器的反谐振频率处，输入-输出传递函数将接近于零。在典型的滤波器中，并联谐振器的谐振频率位于滤波器通带下边缘的下方，串联谐振器的反谐振频率位于通带上边缘的上方。
92.方法说明
93.图6是示出用于制造xbar或结合xbar的滤波器的工艺600的简化流程图。工艺600在605开始于衬底和压电材料板，并在695处以完成的xbar或滤波器结束。如随后将描述的，压电板可以安装在牺牲衬底上或者可以是压电材料的晶片的一部分。图6仅包括主要工艺步骤。可以在图6示出的步骤之前、之间、之后和期间执行各种常规工艺步骤(例如，表面准备、化学机械加工(cmp)、清洁、检查、沉积、光刻、烘烤、退火、监测、测试等)。
94.图6的流程图捕获了用于制造xbar的工艺600的三种变体，这三种变体在何时以及如何在衬底中形成空腔方面有所不同。空腔可以在步骤610a、610b或610c形成。在工艺600的三个变体中的每一个中仅执行这些步骤中的一个。
95.压电板可以是例如z-切割、旋转z-切割的或旋转y-切割的铌酸锂或钽酸锂。在某些情况下，它是y切割或旋转-y切割的铌酸锂。压电板可以是一些其他材料和/或一些其他
切口。衬底可以是硅。衬底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。硅衬底可以具有硅tox层和多晶硅层。
96.在工艺600的一种变体中，在620处将压电板接合到衬底之前，在610a处在衬底120或320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。这些技术可以是各向同性的或各向异性的；并且可以使用深反应离子蚀刻(drie)。通常，在610a处形成的空腔将不会穿透衬底或层322，并且所得谐振器装置将具有如图3a所示的横截面。
97.在620处，压电板粘合到衬底。压电板和衬底可以通过晶圆键合工艺接粘合。通常，衬底和压电板的配合表面被高度抛光。一层或多层中间材料，例如氧化物或金属，可以形成或沉积在压电板和衬底之一或两者的配合表面上。可以使用例如等离子体工艺来激活一个或两个配合表面。然后可以用相当大的力将配合表面压在一起以在压电板和衬底或中间材料层之间建立分子键。
98.在620的第一变体中，压电板最初安装在牺牲衬底上。在将压电板和衬底粘合之后，去除牺牲衬底和任何中间层以暴露压电板的表面(先前面对牺牲衬底的表面)。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衬底。
99.在620的第二变体中，从单晶压电晶片开始。离子被注入到压电晶片表面下方的受控深度(图6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，晶片的其余部分实际上是牺牲衬底。在压电晶片的注入表面与器件衬底粘合之后，压电晶片可以在注入离子的平面处(例如，使用热冲击)分裂，使压电材料的薄板暴露并粘合到衬底。薄板压电材料的厚度由注入离子的能量(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，薄压电板的暴露表面可以被抛光或平坦化。
100.在630处，在压电板的表面上形成限定一个或多个xbar器件的导体图案和介电层。通常，滤波器器件将具有顺序沉积和图案化的两个或多个导体层。导体层可以包括焊盘、金或焊料凸块、或用于在装置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、或用于在装置和外部电路之间建立连接的其他装置。
101.可以在630处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致抗蚀剂去除多余的金属来形成导体图案。或者，可以在630使用剥离工艺形成导体图案。光致抗蚀剂可以沉积在压电板上，同时将光致抗蚀剂图案化以定义导体图案。导体层可以依次沉积在压电板的表面上。然后可以去除光致抗蚀剂，去除多余的材料，留下导体图案。在一些情况下，在620处粘合之前在630出成型，例如，在将板粘合之衬底之间在此时形成idt。
102.在630处形成导体图案可以包括在压电板的表面上形成具有间隙距离ngm的idt 430，压电板的表面指的是背离图4a所述的空腔的那一面。这包括形成交错的指状物、母线和间隙距离ngm。
103.在640处，可以通过在压电板的正面、idt或xbar器件的一个或多个所需导体图案上方沉积一层或多层介电材料来形成一个或多个正面介电层。可以使用诸如溅射、蒸发或化学气相沉积之类的常规沉积技术来沉积一个或多个介电层。一个或多个介电层可以沉积
在压电板的整个表面上，包括在导体图案的顶部上。或者，可以使用一个或多个光刻工艺(使用光掩模)来将介电层的沉积限制到压电板的选定区域，例如仅在idt的交错指状物之间。掩模也可用于允许在压电板的不同部分上沉积不同厚度的介电材料。在一些情况下，在640处沉积包括在所选idt的正面上方沉积至少一个介电层的第一厚度，但在其他idt上方没有电介质或小于至少一个介电层的第一厚度的第二厚度。另一种替代方案是这些介电层仅位于idt的交错指状物之间。
104.如美国专利no.10,491,192中所述，一个或多个介电层可包括，例如在并联谐振器的idt上选择性地形成的介电层，以使并联谐振器的谐振频率相对于串联谐振器的谐振频率变化。一个或多个介电层可包括沉积在全部装置或装置的大部分上的封装/钝化层。
105.与其他xbar相比，这些介电层的不同厚度使得所选择的xbar被调谐到不同的频率。例如，滤波器中xbar的谐振频率可以使用某些xbar上的不同正面介电层厚度进行调谐。
106.与具有tfd＝0的xbar(即没有介电层的xbar)的导纳相比，具有tfd＝30nm介电层的xbar的导纳与没有介电层的xbar相比降低了大约145mhz的谐振频率层。与没有介电层的xbar相比，具有tfd＝60nm介电层的xbar的导纳将谐振频率降低了约305mhz。与没有介电层的xbar相比，具有tfd＝90nm介电层的xbar的导纳将谐振频率降低了约475mhz。重要的是，不同厚度的介电层的存在对压电耦合影响很小或没有影响。
107.在工艺600的第二变体中，在630处形成所有导体图案和介电层之后，在610b处在衬底的背面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一个单独的空腔。可以使用各向异性或依赖于取向的干法或湿法蚀刻来形成一个或多个空腔，以通过衬底背面至压电板开孔。在这种情况下，所得谐振器装置将具有如图1所示的横截面。
108.在工艺600的第三变体中，可以在610c处通过使用通过在压电板中的开口引入的蚀刻剂蚀刻形成在衬底正面中的牺牲层来在衬底层322中形成一个或多个凹槽形式的空腔。可以为滤波器装置中的每个谐振器形成单独的空腔。可以使用各向同性或与取向无关的干蚀刻来形成一个或多个空腔，该干蚀刻穿过压电板中的孔并蚀刻形成在衬底正面的凹槽中的牺牲层。在610c处形成的一个或多个空腔将不会完全穿透衬底顶层322，并且所得谐振器装置将具有如图3a所示的横截面。
109.在工艺600的所有变体中，滤波器或xbar器件在660完成。在660处发生的动作还可以包括在器件的全部或一部分上沉积封装/钝化层，例如sio2或si3o4；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；从包含多个装置的晶片中切除单个装置；其他包装步骤；和测试。可以在660处处发生的另一个动作是通过从装置的正面添加或去除金属或介电材料来调谐滤波器器件内的谐振器的谐振频率。在滤波器器件完成后，工艺在695处结束。图1-4a可以显示在660完成之后选定idt指状物的示例。
110.在610a处形成空腔可能需要最少的总工艺步骤，但具有在所有后续工艺步骤期间将不支撑xbar隔膜的缺点。这可能会在后续处理过程中导致隔膜损坏或出现不可接受的变形。
111.在610b处使用背面蚀刻形成空腔需要两侧晶片处理中固有的额外处理。从背面形成空腔也使xbar器件的封装变得非常复杂，因为器件的正面和背面都必须由封装密封。
112.通过在610处从正面蚀刻形成空腔不需要双面晶片处理，并且具有在所有前述工艺步骤期间支撑xbar隔膜的优点。然而，能够通过压电板中的开口形成空腔的蚀刻工艺将
必然是各向同性的。然而，如图3a所示，这种使用牺牲材料的蚀刻工艺允许在横向(即平行于衬底表面)以及垂直于衬底表面的情况下对空腔进行受控蚀刻。
113.结束语
114.在整个说明书中，所示的实施方式和实施例应被认为是示例，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。
115.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。