本发明涉及一种射频谐振器与滤波器。
背景技术：
手机用户要求在更广阔的区域内拥有高质量的信号接收与传输，射频(rf)信号的质量取决于手机中的射频滤波器。每个射频滤波器都可以传导特定的频率并阻挡其他不需要的频率，这一特性使得频段选择成为可能，并且允许手机只处理指定的某些信号。
据信到2020年，载波聚合、5g、4x4mimo等技术将成为主流应用，届时手机内的滤波器将增至100个之多，全球滤波器市场年需求量将达2千亿只。
声波谐振器是射频滤波器和传感器的基本组件，一般都含有将机械能转化为电能的压电机电转导层。这些谐振器必须物美价廉。表面声波(saw)谐振器和体声波(baw)谐振器是其最常见的两种类型。
在表面声波谐振器中，声波信号是由表面波传导。在体声波(baw)谐振器中，信号在谐振器薄膜的体内传导。这两种滤波器的谐振频率，是由其本身尺寸、构成材料的机械性能所决定的一种特质。
谐振器的质量由其品质因子给出，它是谐振器所储存的能量与其消散的能量之比率。品质因子的值高说明滤波器在工作中损失的能量少，插入损耗较低，拥有更加陡峭的裙边曲线，与临近波频有更加显著的隔离区分。
为了接收与传输日益增大的数据流，下一代手机需要在更高的频段下工作。在不增大手机体积的前提下处理如此高的频率，就必须有能处理高频率信号、小巧且耗能低的谐振器，将其置于手机中不至于大量消耗电池的电量。
品质因子，或称q因子，是一个无量纲参数，它描述振荡器或谐振器的振动衰减，表征谐振器相对其中心频率的带宽。下一代手机需要使用q因子高的高质量谐振器。
体声波(baw)滤波器相较于表面声波(saw)滤波器有更佳的表现。最好的saw滤波器的q因子可达1000至1500，而目前最先进的baw滤波器q因子已可达2500至5000。
相较于saw滤波器，baw滤波器可在更高的频率下工作，消耗更少的能量，拥有更小巧的体积，更高的静电放电(esd)能力，更好的辐射发散能力以及更少的带外波纹。
然而，saw滤波器的制造流程却更为简单，造价相对低廉。由于可以通过光掩模的布局来调整idt间距，频率相差甚远的谐振器亦可被组装在同一晶片上，并使用同一厚度的压电薄膜。
baw谐振器的电阻具有两个特征频率：谐振频率fr和反谐振频率fa。在fr处，电阻非常小，而在fa处，电阻则非常大。滤波器是通过组合几个谐振器而制成。并联谐振器的频率会依据串联谐振器的频率做相应的偏移。当串联谐振器的谐振频率等于并联谐振器的反谐振频率时，最大信号从设备的输入端传输到输出端。在串联谐振器的反谐振频率处，输入端和输出端之间的阻抗非常高，滤波器的传输被阻挡。在并联谐振器的谐振频率处，任何通过滤波器的电流都会由于并联谐振器的超低阻抗而接地短路，因而baw滤波器亦具有阻止该频率信号传输的功能。fr和fa之间的频率间隔决定了滤波器带宽。
置于谐振频率和反谐振频率之外的频率时，baw谐振器则像金属-绝缘体-金属(mim)电容器般工作。置于远低于或远高于这些谐振频率的频率时，baw谐振器电阻抗的大小与1/f成正比，其中f是频率。fr和fa间的频率间隔是谐振器压电强度的量度，称为有效耦合系数，由k2eff表示。描述有效耦合系数的另一种方法是测量谐振器(或滤波器)的电能与机械能之间转换的效率。应当注意，机电耦合系数是一种与材料性质有关的属性，可定义压电薄膜的k2eff。
滤波器的性能等级是由其优质因数(factorofmerit,fom)决定，定义为fom＝q×k2eff。
实际应用中，人们偏好拥有较高k2eff和q因子的滤波器。而这些参数之间却存在一些权衡取舍。k2eff与频率间并不存在函数关系，而q因子却依赖于频率变动，因而fom与频率间也存在函数关系。因此，相较于谐振器的设计，fom在滤波器的设计过程中被更为普遍的应用。
根据应用情况，设备设计人员通常可以容忍k2eff稍降，以换取更高的q因子，其中k2eff较小的降幅即可以换取q因子较大的升幅。相反，通过降低q因子以获取k2eff提升的设计是无法实现的。
可以通过选择高声阻抗电极，或调整其他参数，如电极厚度、绝缘层增厚等方法提升k2eff。
baw谐振器(及滤波器)主要有两种类型：smr(固态装配型谐振器)与fbar(薄膜体声波谐振器)。
在smr谐振器中，把低阻抗薄膜与高阻抗薄膜交替层叠堆积在底部电极之下，可生成一种布拉格反射器。每个薄膜的厚度均为λ/4，其中λ为目标频率的波长。所生成的布拉格反射器可以像镜子一样把声波反射回谐振器内。
与fbar谐振器相比，smr谐振器的制造工艺较为简单，价格较低。由于其压电薄膜直接附着在衬底上，散热效率更高。但因其只反射纵波，不反射横波，所以q因子更低。
fbar谐振器中使用了一种只有边缘支撑的独立体声膜。下电极与载体晶圆之间有一个空气腔体。相较于smr滤波器，fbar滤波器的高q因子是一个巨大的优势。
目前，商用fbar滤波器市场主要被博通公司(前身为avago)垄断。该公司使用氮化铝(aln)作为压电薄膜材料，极好的平衡了产品性能、生产能力与晶圆级封装(wlp)工艺间的取舍。该工艺利用硅通孔(tsv)技术在位于fbar上方的硅晶圆上蚀刻出腔体并进行微封装，从而实现倒装芯片。氮化铝是压电薄膜材料中声速最高的(11,300m/s)，因此在特定谐振频率下需要增加其厚度，这反而会缓解工艺公差。此外，高质量溅射出的氮化铝薄膜，其x射线衍射峰(xrd)半峰全宽(fwhm)少于1.8度，可以使k2eff达到或超过6.4％，这几乎是美国联邦通信委员会(fcc)所规定的美国数字蜂窝技术(pcs)传输带宽的两倍。当它的q因子达到5000时，优质因数(fom)就可达到250-300，这样的滤波器已是超一流产品。为了满足带宽要求，k2eff必须保持恒定。若想提高滤波器的fom，通常的做法是提升q因子。
虽然fbar滤波器有上述诸多优越的性能，目前仍存在一些问题导致它无法迈向下一代无线通讯技术。越来越多的用户在接收和发送日益庞大的数据流，这导致了越来越多的波段重叠冲撞。为解决这一问题，未来的滤波器应该更加灵活可变，以适应各种不同的波段组合。例如，5ghz无线局域网(wi-fi)波段下辖3个子波段，分别处于5.150-5.350ghz,5.475-5.725ghz,5.725-5.825ghz，其相对应的k2eff分别为7.6％、8.8％和3.4％。耦合系数k2eff主要由压电材料本身属性所决定，但亦受压电薄膜的晶化质量和晶位、外界电容器和电感器、电极以及其它层叠材料的厚度的影响。alnfbar的波段主要由预先集成在ic衬底中的电容器和电感器所调制。但这些元件会降低q因子，增加衬底的层数，进而增加成品的体积。另一种设定k2eff的方法是采用电致伸缩材料打造可调波段的fbar滤波器。钛酸锶钡(bst)是候选材料的一种，在加以直流电场的时候，其k2eff可被调节。
bst的可调性体现在，当作为fbar谐振器电路内置的可变电容器时，它可协助滤波器匹配并调节其带阻。此外，bstfbar只在施加特定的直流偏置电压时才谐振，表明其具有低泄露开关的特性，这意味着它有可能替代移动设备前端模组(fem)开关，进而简化模组结构，降低其体积和成本。bstfbar在射频应用领域还具有其他有利的属性。铁电材料的高介电常数(εr>100)可以使设备体积缩小，例如，在低吉赫标准50-ω射频系统中，典型的bst谐振器和滤波器的面积分别为0.001mm2和0.01mm2。实际上，bst谐振器的体积可能比传统的aln谐振器小一个数量级。由于bst薄膜只泄漏极少的电流，即使在整个设备中施加直流偏置电压，bstfbar自身的能量消耗依然可以忽略不计。
具有较强c轴方向排列的晶面分布是aln/bstfbar最重要的先决条件，因为这类fbar的声学模式都需要被纵向激活；并且aln/bstfbar的压电轴是c轴取向。以fwhm小于1°为代表的高质量单晶压电薄膜对fbar滤波器的属性有巨大的影响，它能减少50％以热量形式损耗掉的射频能量。这些节约下的能量可以显著减少通话掉线率，并增加手机电池的使用寿命。
单向取向附生的压电薄膜可能具有其它优点。例如，与随机取向的薄膜相比，具有较强同方向排列的晶面分布，且外延生长的单晶压电薄膜会拥有更平滑的表面。这反过来又会减少散射损耗，使金属电极与压电薄膜之间的界面更加平滑，这两者都有助于提高q因子。
此外，aln/bst滤波器中的压电薄膜厚度与工作频率呈负相关。在极高频率下工作的滤波器，如5ghzwi-fi、ku和k波段滤波器，都需要使用超薄膜。在6.5ghz频率下工作的滤波器所使用的bst层厚须为270nm左右，10ghz下aln层厚须为200nm。这些超薄的规格为膜制造带来了极大的挑战，因为定锚层越薄越难以保持应有的硬度，自身的晶体缺陷和压力都更容易造成裂缝和破碎。因此，下一代高频fbar需要更具创新性的膜支撑结构以及无缺陷单晶体薄膜。
可惜，aln、bst及其他压电材料与硅或当前使用的下电极金属相比，具有更大的晶格间距和取向差异。此外，下电极可选材料非常有限，特别是使用bst作为压电材料时。因为电极金属必须要能承受压电材料沉积时的超高温度。因此，到目前为止，没有真正高质量的压电fbar薄膜被成功论证。
技术实现要素：
本发明一方面涉及滤波器封装元件，包括夹裹在下电极与一组上电极之间的一组压电薄膜：单个压电薄膜和上电极被绝缘材料隔开；下电极连接至转接板，下电极和转接板之间大部分由第一腔体隔开。滤波器封装元件进一步包括具有既定的厚度的硅晶圆，其附接到上电极，一组上层腔体都位于硅膜与硅盖之间；每个上层腔体与一组压电薄膜中的一个压电薄膜对齐，上层腔体其四周为包括绝缘材料的侧壁。
优选地，压电薄膜包括baxsr(1-x)tio3(bst)。
优选地，每个压电薄膜由单晶体材料构成。
可选地，下电极为铝、钨、钛钨或鉬。
优选地，下电极的边缘被凸块底层金属材料加固，该材料包括钛粘合层加上钨或钽。
下电极与转接板之间由顶部焊锡的铜柱相连接。
典型地，包括钨或钽或钛钨的凸块底层金属材料将下电极与铜柱连接。
优选地，上电极为铝。
优选地，绝缘材料包括聚酰亚胺或苯并环丁烯(bcb)。
典型地，压电薄膜与下电极间存在第一钛或钛钨粘合层。
优选地，第一粘合层包括钛。
优选地，硅晶圆通过邻近上电极的粘合层、键合层和与硅晶圆相连的进一步粘合层来连接上电极，从而形成复合电极。
典型地，两个粘合层包括钛。
权利要求13中的滤波器封装元件，其中键合层的可选材料为au-in合金、au和aln。
典型地，硅晶圆的厚度在0.3微米到10微米之间，并且通过绝缘材料和/或氧化硅连接到硅盖。
优选地，硅盖厚度介于90到250微米。
典型地，滤波器封装元件被封装在聚合物顶部填充中，其中滤波器阵列和转接板之间的屏障物构成了下腔体四周的墙壁，其中所述屏障物包括至少一个围绕滤波器阵列并与下电极相接的su8垫片和与附接到转接板的的环氧树脂坝。
可选地，至少一个通孔层和一个封有铜的介电基质布线层。
权利要求18的滤波器封装元件，其中转接板包括聚合物基质为聚酰亚胺、环氧树脂、bt(双马来酰亚胺/三嗪)、聚苯醚(ppe)、聚苯醚(ppo)或其共混物中的一种。
典型地，转接板进一步包括玻璃纤维和/或陶瓷填料。
附图说明
为了更好的解释本发明及其在实际中的应用，下文描述将配以图示。
下述图例中均带有详尽标识与细节。应强调的是，所示细节、标识仅作参见用途，目的是说明性的讨论本发明的优选实施例；最清晰、最简明、最易懂的阐述本发明的原理与概念。因此，除最基本理解需求之外的更多、更深入的结构细节并不会予以展示。对于本领域技术人员，附图与说明足以明确阐述本发明的一些变形在实际中的应用。特别说明，为了更清晰的阐述原理与概念，示意图并未按实际比例绘制，某些超薄膜的厚度被明显放大了。在附图中：
图1为一个未按比例绘制的复合fbar滤波器模块的截面示意图，复合fbar滤波器模块由若干复合fbar谐振器以半梯子或格子型或其组合构成；
图2(i)a为简化的梯子型rf滤波器电路组态；
图2(i)b为图2(i)a所示的梯子型滤波器组态的传输响应曲线图；
图2(ii)a为简化的格子型rf滤波器电路组态；
图2(ii)b为图2(ii)a所示的格子型滤波器组态的传输响应曲线图；
图2(iii)a为简化的格子与梯子复合型rf滤波器电路组态；
图2(iii)b为图2(iii)a所示滤波器组态的传输响应曲线图；
图3为制造图1所示的复合fbar滤波器的方法流程图；
图3(a)到3(u)为图3所示制造方法之分步骤结构示意图；
图4为在载体衬底上的baxsr(1-x)tio3(bst)压电薄膜的x射线衍射图，显示单晶体baxsr(1-x)tio3(bst)被获取。
具体实施方式
结合图1与制造流程图3，复合fbar滤波器模块的设计细节将被详细描述。它是由若干单晶体压电谐振器构成，压电材料为baxsr(1-x)tio3。
图1所示为复合fbar滤波器模块5的原理图。该滤波器模块5由若干半梯子型、半格子型或组合型排列组合的复合fbar谐振器构成。复合fbar谐振器含有构成材料优选为baxsr(1-x)tio3(bst)的压电薄膜18'、18"，其彼此间被构成材料为苯并环丁烯(bcb)的绝缘材料54分隔开，并被两个电极22、60夹裹在中间。
应注意，在下述构建方法中，上电极22与下电极60都是直接沉积在压电材料18上，而不像当前fbar滤波器制造行业的标准操作---先将压电体沉积在一个电极上。本发明的操作方法使得许多先前无法作为电极使用的金属，如铝，被采用为下电极材料。铝的密度相对较低，导电性能更高，可减轻电极重量，进而减小谐振器机械阻尼。电极谐振器材料连接到硅薄膜30，硅薄膜30能提供机械强度和降低声损耗。通过通过soi技术覆有一层二氧化硅34，使得硅薄膜30附在盖32上，该盖32是较厚的硅晶圆，并且被称为“操作晶圆”，可提供支撑。腔体76存在于二氧化硅层34中，位于压电薄膜18上方。上电极22与硅薄膜30之间的键合层可由多种材料构成，例如金-铟共熔合金48、镍/锡、金50或氮化铝52。键合材料中的一种可通过钛粘合层46、46'与电极22硅薄膜30相连。然后位于两侧的键合薄膜被熔合为一体。
被包裹的压电谐振器列阵通过内部连接件与转接板85相连。这些内部连接件是被封装在聚合物模塑底部填充72中的顶端焊锡68铜柱66。垫片70设置在滤波器周围，在限定滤波器的谐振器阵列周围的中阶层85和下电极60之间。垫片70可以由附接至下电极60的su-8组成并且转接板85上可造环氧树脂坝86。垫片70与环氧树脂坝86可阻挡密封单元的模塑底部填充72渗漏到谐振器阵列之下；二者在下电极60与转接板85之间构造出腔体92。另外一个腔体76位于压电薄膜18'、18"之上，硅薄膜30与硅盖32之间；通过蚀刻，择性的移除二氧化硅34而制成，且通常为聚酰亚胺或bcb(苯并环丁烯)的绝缘材料54的网格作为蚀刻停止并限定腔体76的侧壁。绝缘材料54将上电极22、粘合层20、46、46'、键合层48、50、52和硅薄膜30分割为独立的小区域；起到支撑平行的谐振器，阻隔串联的谐振器的功能。
凸块底层金属(ubm)层62由钨、钼或钽(可能含有钛粘合层)构成，它的存在使在下电极60下制造铜柱66成为可能。由于下电极的材料为铝，本身质量很轻，ubm63的残余部分一般环绕下电极60的周界，起到加固作用。因此，电极22、60可以是具有高导电性和质量轻的铝，因此几乎不对谐振器薄膜18’、18”产生阻尼，但质量和厚度可在电极的边缘需要的地方起到加固作用。
商用fbar滤波器市场主要由博通公司占据，该公司使用氮化铝作为压电薄膜材料，最大限度的平衡了产品性能与可制造性。然而，本文公开的优选实施例中将使用baxsr(1-x)tio3(bst)等材料，因为它使滤波器的数量级变小，因为它的介电常数比ain高一到两个数量级。。
因为单晶体baxsr(1-x)tio3可以用于谐振器薄膜，生产出非常高质量的滤波器。在撰写时，最好的fabrs现有技术中可以取得优质因数(fom)在250～300。因为单晶体baxsr(1-x)tio3具有4000的q因子，可以利用该材料获得248的fom同时只有6.2％的耦合。达到8.5％的耦合的材料可以获得340的fom。
据我们所知，单晶薄膜从未用于谐振器和单晶薄膜baxsr(1-x)tio3从未被用于生产。
图2(i)展示了一个半梯子型滤波器的简化电路构造，它由baw谐振器通过串联与并联排列实现。在滤波器中，谐振器被组合成“梯子”形状，其中的每一个“阶梯(rung)”或“阶段(stage)”都由两个谐振器构成：一个串联排列、一个并联排列。参见图示2(i)b，给梯子型电路增加“阶梯”可增强其排除干扰频率的能力，使其产生更少带外抑制(拥有更陡峭的裙边曲线)信号，但这是建立在插入损耗和更多能量消耗的基础上的。参见图2(ii)a，另一种谐振器的构造是“格子”型，如图2(ii)b所示，该造型的裙边曲线过于平缓，但带外衰减更好。
图2(iii)a所示，梯子型与格子型电路可以结合在一起，产生如图2(iii)b所示的传输反应。谐振器可以千变万化的排列与组合形式构成滤波器，无法仅在本应用中将其一一体现。但制造基本串并联谐振器单元的方法，将会结合图3(m’)、3(m”)在下文中论述。灵活运用这些基本构造，谐振器可被排列成各种梯子型、格子型以及组合型。
参见图1，在优选的实施例中，谐振器的薄膜18应该是单晶体压电薄膜，优选<111>方向的单晶体baxsr(1-x)tio3。
因为单晶体中不存在晶界和这类fbar的声学模式是沿着<111>面纵向被激活，声信号的衰减被降到最低。以散热形式损耗的能量亦被减至最低，减少了散热的需求。
相较晶格方位随机的薄膜，晶面分布同方向排列较强的单晶体bst薄膜具有更加平滑的表面。这一特性可以减少散射损失，提高q因子。由于存在皮肤效应，粗糙的表面，尤其至于高频段下，是造成金属电极界面缺失的主要原因。因此，制造工艺为上电极与下电极双双沉积在具有单一方向性的单晶体薄膜，并且拥有平滑电极-压电界面的谐振器，具有非常大的优势。
据我们所知，单晶体baxsr(1-x)tio3谐振器薄膜和复合fbar滤波器过去一直没有实现，而本文描述的技术是针对这种薄膜及其制造方法。
复合fbar含有压电薄膜18，它被上电极22与下电极60像三明治一样夹裹在中间。当前的制造工艺是先沉积上电极22，再在其上沉积压电层18。此工艺要求电极22为质量较重的金属，例如铂、钨、钼或金。为了在其上沉积压电薄膜，电极金属必须要禁受很高的沉积温度。然而，已经发现这种难熔金属与bst晶格失配，因此不能在<111>方向上获得单晶体baxsr(1-x)tio3。此外，这些金属普遍具有较低的直流电阻，会降低谐振器q因子。在本发明的实施例中，电极22、60通过物理气相技术被双双沉积在压电薄膜18上。该工艺使质量较轻的金属，例如铝，亦可被用作电极材料，单独或与其他金属一起构建复合电极。铝的传导性能好，作为电极材料使用可降低电极厚度。铝比难熔金属密度小，用它做成的电极质量轻，阻尼效应小；采用它的谐振器在性能和耦合上将大大优于现有技术。
铁电bst复合fbar传感器的机理是电致伸缩，即电场诱导压电效应。上电极22与下电极60的功能是施加直流电和射频信号。bst复合fbar理想的结构包含被上电极22与下电极60夹裹的单晶体bst薄膜18。该薄膜18可在机械能与电能之间互相转换。
低声损耗硅层30与压电薄膜18配套，可使电极在硬度提升的情况下避免大幅增加自身重量。单晶硅层厚度一般在1μm至10μm之间，厚度越小，谐振器在高频段的工作性能就越好。应注意，复合fbar存在奇数个或偶数个谐振模态，每个模态下都有q峰，他们是bst与硅厚比率的函数。随着模态数增加，bst、aln和alxga(1-x)n声位移分数会减小，k2eff峰值亦会降低了。然而，随着模态数增加，低损耗硅层的声位移分数会增加，q峰亦会增加。因此，为取得最佳优质因数，谐振器模态的数量要经过仔细的选择；高频段滤波器则要求硅晶膜与bst层厚越小越好。腔体76、92存在于压电体18与硅层30组合的上方与下方。这一结构被封装在聚合物模塑底部填充72中，利用铜柱66做支撑，立在转接板85上。铜柱的典型宽度为40-55微米，高度40微米，通过焊锡头68与转接板85的接触垫82相连。聚合物垫片70，可由su-8构成，这样会具有较高的波形因数。大坝结构86，一般材料为环氧树脂，被环绕着建造在滤波器边缘，其目的是阻挡聚合物模塑底部填充(muf)72溢进底腔92中。转接板85的制造技术已相当成熟。
图1所示的复合fbar拥有典型的压电体18在硅晶膜30上之结构，优选其中压电薄膜18是bst单晶<111>。上电极22与下电极60由轻量铝制成。
尽管目前rf谐振器的主要应为滤波器，其它形式的应用也存在，例如传感器。可在多种频段下工作的可调式谐振器也引起了广泛的兴趣。
参见图3和3(a)至3(u)，制造这种材料的主要工艺流程包括获得和提供具有释放层——步骤3(a)的可移除的晶圆载体，未按比例示意的图3(a)为一个c轴<0001>±1°蓝宝石晶圆10，上附有一层c轴<0001>±1°无掺杂氮化镓(u-gan)释放层12。沉积有u-gan12的蓝宝石晶圆10为市售商品，直径一般为2"、4"和6"，厚度为430μm，表面抛光rms平滑度1nm以内。u-gan12层一般厚度为4μm，表面抛光rms平滑度1nm以内，适合晶体在其上取向附生。这些覆膜的衬底原先是为发光二极管(led)行业开发，市面上有多家中国公司在生产，例如三安光电(san'an)和苏州纳维科技(nanowin)tm。
将压电薄膜沉积在可移除的载体晶圆10上。参见图3(bi)，为了在沉积过程中散热并均匀厚度，金属层14可被沉积在蓝宝石晶圆10的背面——步骤3(bi)，就是覆有gan12面的反面。金属层14的厚度取决于所选用的金属。在本实施例中，由于缓冲层的性质和沉积的压电材料18，钛就成为了散热层14一个很好的选择，它的适宜厚度约为150nm。散热金属例如，层14可用溅射(sputtering)的方法沉积。
参见图3(bii)，利用氧化物分子束外延——步骤3(bii)将缓冲层<100>tio2(金红石)16沉积在c轴<0001>±1°无掺杂氮化镓(u-gan)释放层12。这可以通过从供应商获得的商用设备来实现，例如variantm、veecotm和svt公司。氮化镓释放层12厚度为4nm，rms粗糙度小于2nm。由于tio2(金红石)16的缓冲层<100>和氮化镓12的<0001>平面和蓝宝石晶圆10之间晶格匹配的需求，tio216可能需要被制成单晶体薄膜。srtio3缓冲层不是沉积在tio2缓冲层16中，也不是沉积在tio216和baxsr(1-x)tio3(bst)薄膜之间。参见图3(biii)，在低压过量氧中通过氧化物分子束外延(mbe)技术利用氧化钡、氧化锶和氧化钛将baxsr(1-x)tio3(bst)层18沉积在金红石tio216、srtio3或tio216/srtio3双层上，baxsr(1-x)tio3(bst)层18厚度在10-50nm之间通常是20-40nm之间。氧化物分子束外延(mbe)是一种高纯度低能量的沉积技术，其产物具有低点缺陷的特点。由于<111>baxsr(1-x)tio3(bst)层18栅格间距和<100>tio2(金红石)16和/或<111>srtio3栅格间距之间的密切配合，以及同时使用了覆盖层的<100>tio2(金红石)16和<111>srtio3栅格间距间的密切配合，baxsr(1-x)tio3(bst)18沉积在单晶体膜上，厚度在100nm-500nm范围内，并且公差为±1％。
参见图4，示出了叠层的xrd谱。证明了baxsr(1-x)tio3薄膜是真正的外延<111>单晶体baxsr(1-x)tio3。得到的xrd峰的半高宽度(fehm)可能小于1°。由于晶界抑制声波的传播和在聚晶体压电薄膜中不易控制晶粒大小，不像聚晶体压电衰减的信号，使用的单晶薄膜提供了q值高于3000的q值和高于6.6％的bst耦合值，从而使谐振器获得198的优质因数(fom)，这是比任何先前取得的要好得多，尽管事实上，bst薄膜也是可行。此外，可以获得非常薄的bst薄膜，从而可以制造非常高频率使用的滤波器。
可以控制的钡和锶的比率同时具有±1％的高精度，这会影响薄膜的q因子和耦合。
外延生长的bst薄膜，其rms粗糙度可在1.5nm之内，极大地减少所谓的波纹效应。
使用bst，优选单晶bst作为复合fbar中的压电材料，提供了在射频应用上的良好性能。铁电材料的高介电常数(εr>100)可以使设备体积缩小，例如，在低吉赫标准50-ω射频系统中，典型的bst谐振器和滤波器的面积分别为0.001mm2和0.01mm2。因此，谐振器的大小比传统的ain谐振器小一个数量级。随着移动通信设备如智能手机变得越来越复杂，他们需要更多的滤波器，因此更小的滤波器尺寸是非常重要的。此外，由于薄膜铁电bst的非常小的漏电流，bst谐振器和滤波器的功耗可以忽略不计，甚至利用必要的具有直流偏置电压的装置就可驱动它。
目前的谐振器生产工艺，下电极需要首先被沉积，然后将压电薄膜沉积在其上。由于制造压电层时温度很高，难熔金属如钼、邬、铂或金，成为较常用的下电极材料。可以理解，这些难熔金属在<111>方向上实现单晶baxsr(1-x)tio3存在晶格失配。此外，这些金属中大多数具有相对较低直流电阻，可能降低滤波器的q因子。
而本工艺流程中，第一电极22被沉积在压电薄膜之上。因而电极金属的可选范围增大，铝和/或钛也可被选用。
将第一电极层22沉积在压电膜10上——步骤3(c)，参见图3(ci)，为了帮助粘合，先将粘合层20沉积在baxsr(1-x)tio318上。粘合层原料可为钛或钛钨，薄可至5nm，厚可至50nm。将厚度为100-150nm的铝电极层22沉积在粘合层上—步骤3(cii)。粘合层20和铝电极22均可使用溅射方法沉积。公差±5％可轻易获得并在可接受范围内。
压电谐振器的谐振频率fr可近似被定义为：fr＝υ/λ≈υl/2t，υl为压电层的法线方向--纵向声速压，t为压电薄膜厚度，λ纵向声波的波长。
然而在实操中，谐振器中其他层次的声学特性也会影响谐振腔性能。由于制造压电薄膜时温度极高，电极大都采用钼和铂这类能禁受高热的重金属，电极的质量复合效应会尤其突出。
虽然本实施例只在将铝沉积于baxsr(1-x)tio3上时提到了pvd/cvd技术的运用，但其实，其他任何低密度高电导率的电极材料沉积在不同的压电层上时，都会使用这一技术。例如，该技术亦可被运用在碳纳米管(cnt)沉积在单晶aln或zno中。铝作为谐振器的电极材料，非常具有吸引力，因为它具有较高的电导性和热导性，密度又低，很难对谐振器q因子造成负面影响。然而，因为在当前生产工艺中，电极层要先于压电层被沉积，铝只能被排除。
压电薄膜18、粘合层20和铝电极22作为连续层被沉积在整片蓝宝石晶圆10之上。
参见图3(d)，制取晶圆背膜28——步骤3(d)。这是一种绝缘体上硅(soi)商业产品。典型的，晶圆背膜28的构成是一个硅晶薄膜30与载体硅32夹裹一层二氧化硅34。
图3(d)为kstworldcorptm(www.kstworld.co.jp)所售晶圆背膜28产品的结构示意图。该产品所含硅膜30厚度为1.5-10μm，二氧化硅盒厚度一般为10-20μm，硅盖32一般厚度至少400μm。
图3(d’)为另外一种soi产品36结构示意。其中，硅晶圆38与载体硅42通过二氧化硅层40连接，但二者之间存在一个预制的空气腔体44。这样结构的商品由icemostm(www.icemostech.com)公司生产。
两种soi产品28、36均可外覆金属涂层。金属涂层在硅薄膜30、38上，帮助它们与压电层-电极三明治结构相结合。
参见图3(e)，在晶圆产品28(36)背膜32(42)上的商用薄膜30(38)附接到沉积在叠层电极22上的氧化层28——步骤3(e)。
硅薄膜30(38)与电极22结合的方式有许多种。例如图3(e’)所示，电极层22上可以沉积钛粘合层46，钛层上再沉积含0.6％金与99.4％铟的金-铟共晶合金48粘合剂。金-铟共晶合金在156℃熔化，200℃热压成型，可与soi晶圆28上的硅晶膜30结合。可选地，钛键合层46'可沉积在硅晶膜30上，钛层上再覆一层金-铟共晶合金48粘合剂。这两个粘合层通过热压熔合在一起。
该工艺亦可有多种变化形式。参见图3(e”)，若硅晶薄膜30(38)与电极22的两个暴露面都非常光滑，则可选用另一种工艺。可以选用溅射方法，在两个暴露面上沉积厚度一般为2-4nm的钛粘合层46、46'，而后在其上沉积厚度一般为10-40nm的纯金50、50'。室温下，将这两层纯金50、50'压合，则会发生熔合(参见shimatsu,t.&uomoto,m.(2010)《纳米晶体金属薄膜与晶圆的原子扩散键合》，刊于《真空科学技术期刊b：微电子与纳米结构》28(4).页码.706–714)。这一技术需要较低温度以及比步骤3e’中使用的金-铟层更薄的纯金层50。
参见图3(e”’)，也是在两个暴露面上沉积厚度为2-4nm钛粘合层46、46’，然后在钛层46、46’上沉积厚度一般为10-40nm的氮化铝52(52')涂层。这两个氮化铝52(52')涂层可被ar等离子激活，在室温下接触，压合后可融合在一起。一般在300℃氮气环境下退火3小时，可强化该融合。值得注意的是，ain本身就是压电材料。
应注意，堆叠的钛粘合层20、46、46'和金-铟或金键合层48、50，与铝电极层22一起构成了上电极。这一复合电极可利用自身的特质，如直流电阻、声阻抗、不同组成材料的重量(密度)，展现不同性能。
一般建议在尽可能低的温度下进行生产，一来可将压电薄膜与对应电极损坏的可能性降至最低，二来由于硅与蓝宝石之间存在热膨胀系数差异，低温可进一步降低堆层翘曲。此外，为了提高q因子，键合层的厚度应尽量做薄；然而，如若可较好的平衡复合电极的直流电阻、重量与声阻抗，较厚的键合层也未尝不可。
将硅薄膜与硅盖28连接后，移除蓝宝石衬底10。如果衬底背面有沉积钛散热层14，则可通过化学机械抛光将其移除，示例参见图3(fi)给出的结构——步骤3(fi)。然后，可以利用248nm准分子激光器透过蓝宝石衬底10照射gan12，实现gan12与蓝宝石衬底10的分离，并使蓝宝石衬底10具备剥离条件(步骤(fii))。ipgphotonicstm生产这种具有方波形的脉冲激光。该过程称为激光剥离，并可产生图3(fii)中所示的结构。
可以使用诸如cl2、bcl3和ar等电感耦合等离子体(icp)去除残留的gan12。该操作可在低于150℃的温度下进行，免去了压电薄膜18和铝22及其他层次的热处理。电感耦合等离子体(icp)是市售的工艺，被诸如nmc(northmicroelectrics)chinatool和samcoinctm等公司使用。
由于沉积涂层u-gan12可能是更接近压电界面的镓，需要用缓冲层保护压电界面。参见图3(fiv)，例如暴露使用n2：cf4：ar比例在6:16:4的混合气的电感耦合等离子体移除tio2金红石层16——步骤3f(iv)。
在移除tio216之后，需要对压电膜18进行厚度测量和修整处理以获得与薄膜厚度有关的完美频率响应——步骤3(g)。修整过程使用ar+离子束研磨，该方法可用于定制任何金属粘合层、阻隔层或氧化物层，例如sio2、al2o3、aln、w、mo、ta、al、cu、ru、ni或fe；这一过程中，晶圆被置放在4轴卡盘中，并相应地旋转。德国meyerburgertm公司提供该系统的商业化产品，名为inoscantm。由此产生的结构(旋转)的示意图如图3(g)所示。
将压电层18图形化成压电岛阵列，以制造滤波器及其他应用。本步骤所用工艺即为清洁压电层18背面的icp制程——步骤3(h)。仅作示例，图3(h’)为示意性顶视图，图3(h”)为侧视图。本处只展示了矩形的压电岛，但实际上，这些压电体可以组成光刻掩模工具所设计出的任何形状。
制造一组沟槽21结构。使用cl2+bcl3+ar的电感耦合等离子体(icp)，可分别移除铝层、粘合层、高声阻抗层、键合层、硅膜、二氧化硅和下降10微米，从而制造出沟槽21，通过端点检测停止进程——步骤(i)。该工艺需在低于150℃的温度下操作，且不会对光刻胶掩模保护下的压电薄膜18'、18"产生负面影响。icp是一种市售工艺，被诸如nmc(beijingnorthmicroelectronics)chinatool和samcoinctm等公司使用。
图3(i’)为所得结构的顶视示意图，图3(i”)为侧视示意图。
参见图3(j’)的顶视图和图3(j”)侧视图，绝缘层被填入所造沟槽21。绝缘层的材料可以为光敏聚酰亚胺或苯并环丁烯(bcb)。相同的绝缘材料54也可被用于覆盖压电岛18’、18”的周边区域，并在岛中间留有可向下打开到压电岛的窗户构造。当绝缘材料为感光聚酰亚胺或bcb时，窗户构造可通过选择性曝光来实现。这是一种精密工艺，包括一组子过程，如光敏聚合物绝缘层的旋涂、曝光、显影和固化。感光聚酰亚胺绝缘材料是倒装芯片与晶圆级芯片尺寸封装(wl-csp)行业的一种标准化解决方案，该材料的商品由hdmicrosystemstm公司供应。感光bcb商品cyclotenetm由dowchemicalstm供应。
制造上电极——步骤3(k)。如图3(k’)所示，粘合层58，材料可选用钛，将首先被沉积。如图3(k”)所示，上电极60随后被沉积步骤3(kii)。粘合层58与上电极60均可由溅射方法沉积。可接受并易获得的误差为±5％。
下文将描述上电极结构如何与转接板相连接。首先，制造凸块底层金属(ubm)层62—步骤3(l)。通过沉积一层金属，其材料可为钛(通常约500埃)、tiav(通常约500埃的钛，其次是约750埃的钨)、或ti/ta(通常约500埃的钛，其次是约1000埃的钽)——步骤3(li)、图3(li)。可以利用溅射方法或pvd。
在该结构上覆盖一层铜64，典型的，铜层厚度约为1μm，可通过溅射方法沉积——步骤3(lii)——参见图3(ii)。凸块底层金属层62将铜64与铝60分隔开。
制造铜柱66——步骤3l(iii)、图3(liii)。典型的，这些铜柱直径约为40-50μm，高约为40μm。首先需沉积光刻胶65，然后做图案，最后将铜66电镀在这些图案中。
继续在光刻胶图案中沉积焊料68，以封盖铜柱66——步骤3l(iv)。这一步是通过将某种适宜的原料电镀或化学镀进已镀有铜柱66的光刻胶图案中实现。剥离光刻胶——步骤3(lv)、图3(u)。
蚀掉铜柱66周围的铜层64——步骤3l(vi)、图3(lvi)。该步可通过高温下暴露于氢氧化铵溶液中实现。其他市售的铜微蚀刻溶液也可作为蚀刻剂，例如氯化铜。选择性移除ubm62——步骤3(vii)、图3(lvii)，只留下周界区段63。该区段即为上电极的边缘，还可以起到增加谐振器边缘重量的作用。这个“凸起的框架”结构可极大的消除复合fbar的横波杂散模，不管模态数量有多少，从而防止q因子降低。该构造使谐振器膜18的活跃区域与外部区域间有了边界，从而只有横波主模才能被激活。因此，参见图3(m’)的顶视图与侧视图，展示了一对并联连接的压电电容器。图3(m”)为示意性的顶视图与侧视图，展示了一对串联连接的压电电容器。电感耦合等离子体cl2+bcl3+ar可以选择性的移除电极层多余的铝60，因此而暴露的多余的钛粘合层58，则可通过sf6与o2的反应诱导蚀刻被选择性的移除。
参见图3(n)，围绕谐振器阵列制造聚合物垫片70，进而定义滤波器——步骤3(n)。该步骤可通过su-8技术实现。su-8是一种常用的环氧基负性光刻胶，其暴露于紫外线的部分会变成交联性质，其余未曝光的部分则保持溶解性，可在显影期间被冲洗去除。作为粘性聚合物被沉积时，su8可在低于1μm至超过300μm的范围内旋转或铺展。su8可以被沉积为高约55μm的薄壁并与10至30μm的钎焊铜柱相匹配，因而是一种非常有吸引力的材料。
如图3(n’)所示，这一阶段，将铜柱66与su8垫片70一侧朝下，滤波器阵列即可被连接到胶带71上。利用化学机械抛光(cmp)工艺将硅盖32削薄至大约90微米——步骤3(o)，以产生图3(o)所示构造。其他可能的打薄工艺还包括机械研磨、化学抛光、大气下游等离子体(adp)湿刻、干法化学蚀刻(dce)。
在sio2层34制造腔体76——步骤3(p)，若使用带有预制腔体44的soi衬底36则本步可省略。参见图3(p’)，使用“通过硅通孔”(tsv)蚀刻技术在削薄后的硅盖层32上钻孔74，一直钻到二氧化硅盒34，位于两个压电薄膜18'、18"的对面——步骤3p(i)。根据反应式sio2+4hf(g)→sif4(g)+h2o所示原理，当施以hf蒸汽时，二氧化硅34可经由硅通孔74被选择性的蚀刻并移除，因而形成腔体76，其具有绝缘层，该绝缘层在硅晶圆30与硅盖32之间的间隙上，通过二氧化硅层34起止蚀作用并限定腔体的侧壁并填充——步骤p(ii)、图3(p”)。干蒸气蚀刻比湿法蚀刻效果更为理想，盖因干法可穿透更小的空间并阻止薄膜与硅盖粘连。
直到这步之前，晶圆制造技术所生产的滤波器都是排列在一起的。现在要把他们分割成独立的滤波器元件——步骤3(q)。
可以利用机械刀、等离子或激光进行切割作业。等离子与激光可避免膜损伤，在某些设计下更为理想。日本的discotm公司可提供该切片工具。
制造转接板85——步骤3(r)、图3(q)。转接板最少只需两层，其制造方法为：先将光刻胶涂在牺牲铜衬底上，然后在光刻胶的设计图形--垫板80和通孔82中电镀铜，最后进行层压。该工序所使用的绝缘体材料84为聚合物基质，如聚酰亚胺、环氧树脂、bt(双马来酰亚胺/三嗪)、聚苯醚(ppe)、聚苯醚(ppo)或其共混物。该绝缘体的形式可为薄膜，或玻璃纤维增强预浸料。更多细节可参见美国专利7,682,972号，作者hurwitz的《高级多层无核结构与其制造方法(advancedmultilayercorelessstructuresandmethodfortheirfabrication)》一文。当然，成熟的转接板制造工艺并不止上述一种。图3(q)所示为一个转接板85，其构造为铜垫板80和通孔82嵌在绝缘聚合物基质84中。
如果我们采用hurwitz等人在专利7,682,972中的技术。使用时，最好在通过蚀刻去除电镀铜基板前将谐振器接到电极然后封装。
通常，转接板85应该很薄，这样整体封装结构才能薄。然而，不同的谐振器18'、18"可能通过布线层与转接板85相通，根据实际需求，转接板也可有额外的层次。
首先在转接板85的表面沉积一个实用的环氧树脂坝结构86——步骤(s)，参见图3(r)。环氧树脂坝86可通过丝网印刷环氧聚合物或层压可光固化的干膜环氧树脂坝屏障制成。后者是优选方法，因为它可提供高位置精度，从而使su-8垫片70与大坝的距离精度可控。应注意，干膜需要被沉积数层才能达到理想厚度。与围绕谐振器阵列的垫片70一样，大坝86也可以用su-8材料制造。大坝86被设计成适于围在垫片70周围，可以比垫片70所围绕的区域稍大或更小，因此可被定位在垫片70的内部或外部。实际上，可以存在两个大坝86结构(一个环绕垫片，另一个被垫片环绕)或多个垫片70结构。
复合fbar谐振器阵列安装到转接板上。使二者对齐，将锡头68融化并焊接在铜柱66上——步骤(t)，如图3(s)所示。
使用聚合物90将谐振器阵列封装；大坝86和su8垫片70一起作用于防止腔体92底部填充——步骤3(u)。
这样，紧密对齐的su8垫片连接到复合fbar阵列，环氧大坝连接衬底，阻止底填胶72渗入位于压电谐振器18'、18"下方的腔体92。
谐振器阵列随后被切割成独立的滤波器元件被测试、封装和运输。参见图3(v)所示滤波器结构。
转接板85可为内嵌电感器、导线和耦合器的功能性衬底。应注意，由于上述所描述的bstfbar滤波器具有小外形尺寸，转接板85可因此与控制器、信号放大器和开关一起被置放于同一个ic衬底，成为一个完全整合的射频前端模组(fem)。这可使所有元件被设计在一起，达到最佳系统性能。
至此，单晶复合fbar已被详细示出和描述。
由于其高介电常数，当偏置电压为零，单晶bstfbar成为低漏电容器，它可以作为一个开关。
因此，单晶bstfbar只在特定电压下共振。这可能使从fem中消除开关，fem目前包括滤波器、功率放大器、开关和控制器，从而简化和降低了fem的成本，人们认识到bst开关以极快的速度工作，超过万亿个周期，具有非常低的漏电流。。
在设计以bst为压电层的谐振器/滤波器时，上电极可以被分为两个部分：铝电极本身，和一个向压电薄膜施加偏置电压并使其谐振的单独的铝线。偏置电压一般在5v至40v之间，具体数值取决于谐振器频率。例如，在19v时对
若在同一个硅载体上，围绕滤波器边缘建造电容器，可使单晶bst滤波器具有可调谐性。诸多研究都已证实，单晶bst的可调比为1:8有时甚至高达1:10，而无定形或多晶bst的可调比只能达到1:3至1:4。
单晶bstfbar谐振器/滤波器具有如下优势：
●单晶bst的fbar谐振器/滤波器的介电常数比ain小。
●bstfbar滤波器是“可用开关控制的”，它们只需通过施加适当的直流电压进行谐振。
●因为建立一个可调谐bst电容和bstfbar谐振器的过程基本上是相同的，因此通过调谐bst电容构建fbar滤波器部分或作为一个完整的bst滤波器电路部分来匹配和调整排斥反应的发生率是可能的。
●由于单晶取向使活跃的声学波极化，因此对比现有的滤波器，单晶bstfbar谐振器可以节省高达40％的射频能量热浪费。
●因为高频所需的超薄bst压电层的厚度是由附加膜(复合fbar)支撑的，因此这里公开的单晶bstfbar可以在更高的频率上工作。
●这里公开的单晶bstfbar使用led制造中的工艺和fab而不是专用的和昂贵的硅fab，这降低了研制滤波器设备的投资和总成本。led的制造过程是能很好被理解，这样的收益率是高于标准的fbar的过程。
●本文公开的单晶bstfbar制造工艺均使用成熟的低成本后段制程，诸多运用此方法的晶圆凸块与封装工厂已可取得较高良率。
尽管上文仅讨论了通信滤波器，但实际上，基于厚度剪切的复合fbar和表面生成的基于声波的复合fbar也有其它应用。例如，它们广泛的应用于生物传感器中，因其检测液体中生物分子的灵敏度极高。
因此，请本领域技术人员理解，本发明不限于上文具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围由所附权利要求限定，并且包括上文描述的各种特征的组合和子组合及其变化和修改，本领域技术人员在阅读前文描述时应已预计到。
在权利要求中，“包括”一词及其同义词，如“包含”、“含有”等，意为所列出的组件被包括，但通常不排除其他组件。