DE112004001996T5

DE112004001996T5 - Durchlassbandbreitensteuerung in entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonatorvorrichtungen

Info

Publication number: DE112004001996T5
Application number: DE112004001996T
Authority: DE
Inventors: John D. Palo Alto Larson III; Stephen L. Pleasanton Ellis
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2024-10-30
Also published as: DE112004002027T5; DE112004001968B4; US7362198B2; JP2007510383A; GB0605782D0; DE112004002041B4; US20050093654A1; US20050093655A1; JP4782016B2; DE112004002041T5; WO2005043753A1; WO2005046053A1; US7391285B2; JP4805836B2; GB0605971D0; US20050093658A1; JP2007510386A; DE112004001996B4; GB0605775D0; GB2421381A

Abstract

Eine entkoppelte, gestapelte, akustische Volumenresonator- (DSBAR-) Vorrichtung mit folgenden Merkmalen:
einem unteren akustischen Filmvolumenresonator (FBAR) und einem oberen FBAR, der auf den unteren FBAR gestapelt ist, wobei jeder FBAR gegenüberliegende planare Elektroden und ein piezoelektrisches Element zwischen den Elektroden aufweist; und
einem akustischen Entkoppler zwischen den FBARs, wobei der akustische Entkoppler akustische Entkopplungsschichten aus akustischen Entkopplungsmaterialien mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen aufweist.

Description

Hintergrund
Elektrische Bandpassfilter werden in vielen unterschiedlichen Typen elektronischer Verbraucher- und Industrieprodukte eingesetzt, um elektrische Signale in einem Frequenzbereich auszuwählen oder zurückzuweisen. In den letzten Jahren ist die physische Größe derartiger Produkte tendenziell wesentlich zurückgegangen, während die Schaltungskomplexität der Produkte tendenziell angestiegen ist. Die Patentanmeldung der Vereinigten Staaten, Seriennummer 10/699,298, von John D. Larson III, mit dem Titel Stacked Bulk Acoustic Resonator Band-Pass Filter with Controllable Pass Bandwidth offenbart ein stark miniaturisiertes billiges Hochleistungs-Bandpassfilter, das auf einem entkoppelten, gestapelten, akustischen Volumenresonator (DSBAR; DSBAR = decoupled stacked bulk acoustic resonator) basiert. Ein DSBAR umfasst gestapelte akustische Filmvolumenresonatoren (FBARs; FBAR = film bulk acoustic resonator) und einen akustischen Entkoppler, der sich zwischen den FBARs befindet.
Transformatoren werden in vielen Typen einer elektronischen Vorrichtung eingesetzt, um derartige Funktionen, wie z. B. Transformieren von Impedanzen, Verbinden eines unsymmetrischen Schaltungsaufbaus mit einem symmetrischen Schaltungsaufbau oder umgekehrt und Bereitstellen einer elektrischen Trennung, durchzuführen. Nicht alle Transformatoren besitzen jedoch all diese Eigenschaften. Ein Auto-Transformator z. B. liefert keine elektrische Trennung. Die Patentanmeldung der Vereinigten Staaten, Seriennummer 10/699,481, von John D. Larson III und Richard Ruby, mit dem Titel Thin- Film Acoustically-Coupled Transformer offenbart einen stark miniaturisierten, billigen Hochleistungstransformator, der einen oder mehrere DSBARs aufweist, die jeweils einen akustischen Entkoppler beinhalten. Dieser akustisch gekoppelte Film-Transformator (FACT; FACT = film acoustically-coupled transformer) ist in der Lage, eines oder mehrere der folgenden Attribute bei elektrischen Frequenzen in dem Bereich von UHF bis Mikrowelle bereitzustellen: Impedanztransformation, Kopplung zwischen symmetrischen und unsymmetrischen Schaltungen und elektrische Trennung. Ein FACT weist üblicherweise zusätzlich einen geringen Einfügungsverlust, eine Bandbreite, die ausreichend ist, um den Frequenzbereich von Mobiltelefon-HF-Signalen unterzubringen, z.B. eine Größe, die kleiner ist als in Transformatoren, die gegenwärtig in Mobiltelefonen eingesetzt werden, und geringe Herstellungskosten auf.
Das oben beschriebene Bandpassfilter und der FACT und andere Vorrichtungen, die einen oder mehrere DSBARs beinhalten, die jeweils einen akustischen Entkoppler beinhalten, der zwischen seinen Bestandteils-FBARs angeordnet ist, werden in dieser Offenbarung als entkoppelte, gestapelte Filmvolumenresonatorvorrichtungen oder präziser als DSBAR-Vorrichtungen bezeichnet.
Wie in den oben erwähnten Patentanmeldungen der Vereinigten Staaten, Seriennummern 10/669,289 und 10/669,481, (den Stammanmeldungen) offenbart ist, weisen DSBAR-Vorrichtungen eine Bandpasscharakteristik auf, die eine Durchlassbandbreite aufweist, die durch die Eigenschaften des akustischen Entkoppler bestimmt wird. In Ausführungsbeispielen der DSBAR-Vorrichtungen, die in den Stammanmeldungen offenbart sind, war der akustische Entkoppler als eine einzelne akustische Entkopplungsschicht ausgeführt. Die akustische Entkopplungsschicht jedes DSBARs ist eine Schicht aus einem akustischen Entkopplungsmaterial, das eine akustische Impedanz aufweist, die sich von den akustischen Impedanzen der Materialien der FBARs unterscheidet, die den DSBAR bilden.
Die akustische Impedanz eines akustischen Entkopplungsmaterials ist das Verhältnis einer Belastung zu einer Teilchengeschwindigkeit in dem Material und wird in Rayleighs, abgekürzt als Rayl, gemessen.
In praktischen Ausführungsbeispielen war das akustische Entkopplungsmaterial ein Kunststoffmaterial mit einer akustischen Impedanz, die kleiner ist als die akustischen Impedanzen der Materialien der FBARs. Ein typisches akustisches Kunststoff-Entkopplungsmaterial weist eine akustische Impedanz von weniger als zehn auf, wohingegen die Materialien der FBARs akustische Impedanzen von mehr als 30 aufweisen. Die Durchlassbandbreite derartiger Ausführungsbeispiele hängt von der akustischen Impedanz des akustischen Entkopplungsmaterials ab. Entsprechend würde die Durchlassbandbreite einer DSBAR-Vorrichtung als einfach durch ein Auswählen eines akustischen Entkopplungsmaterials mit der geeigneten akustischen Impedanz definierbar erscheinen.
In der Praxis hat es sich als schwierig erwiesen, die Durchlassbandbreite einer DSBAR-Vorrichtung einfach durch ein Auswählen eines geeigneten akustischen Entkopplungsmaterials zu definieren. Materialien, die akustische Impedanzen in dem Bereich aufweisen, der die am häufigsten verwendeten Durchlassbandbreiten mit typischen FBAR-Materialien erzeugt, und die zusätzlich die Fähigkeit besitzen, den hohen Temperaturen und den Ätzmitteln zu widerstehen, die in der Verarbeitung eingesetzt werden, die durchgeführt wird, nachdem die akustische Entkopplungsschicht gebildet wurde, sind tatsächlich wenige.
Deshalb wird eine alternative Weise zum Definieren der Durchlassbandbreite einer DSBAR-Vorrichtung benötigt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung stellt bei einem Aspekt eine entkoppelte, gestapelte, akustische Volumenresonator- (DSBAR-) Vorrichtung bereit, die einen unteren akustischen Filmvolumenresonator (FBAR), einen oberen FBAR, der auf den unteren FBAR gestapelt ist, und einen akustischen Entkoppler zwischen den FBARs aufweist. Jeder FBAR weist gegenüberliegende planare Elektroden und ein piezoelektrisches Element zwischen den Elektroden auf. Der akustische Entkoppler weist akustische Entkopplungsschichten aus akustischen Entkopplungsmaterialien auf, die unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen. Die akustischen Impedanzen und Dicken der akustischen Entkopplungsschichten bestimmen die akustische Impedanz des akustischen Entkopplers und so die Durchlassbandbreite der DSBAR-Vorrichtung. Prozesskompatible akustische Entkopplungsmaterialien können verwendet werden, um akustische Entkoppler mit akustischen Impedanzen herzustellen (führt zu Durchlassbandbreiten), die anderweitig aufgrund des Mangels prozesskompatibler akustischer Entkopplungsmaterialien mit derartigen akustischen Impedanzen nicht erhältlich sind.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die DSBAR-Vorrichtung ein akustisch gekoppelter Filmtransformator (FACT) und weist zusätzlich einen zusätzlichen unteren FBAR, einen zusätzlichen oberen FBAR, der auf den zusätzlichen unteren FBAR gestapelt ist, und einen zusätzlichen akustischen Entkoppler zwischen den zusätzlichen FBARs auf. Jeder zusätzliche FBAR weist gegenüberliegende planare Elektroden und ein piezoelektrisches Element zwischen den Elektroden auf. Der zusätzliche akustische Entkoppler weist akustische Entkopplungsschichten aus akustischen Entkopplungsmaterialien, die unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen, auf. Der FACT weist zusätzlich eine erste elektrische Schaltung, die die unteren FBARs untereinander verbindet, und eine zweite elektrische Schaltung, die die oberen FBARs untereinander verbindet, auf.
Bei einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine DSBAR-Vorrichtung bereit, die einen unteren akustischen Filmvolumenresonator (FBAR), einen oberen FBAR, der auf den unteren FBAR gestapelt ist, und einen akustischen Entkoppler zwischen den FBARs aufweist. Jeder FBAR weist gegenüberliegende planare Elektroden und ein piezoelektrisches Element zwischen den Elektroden auf. Der akustische Entkoppler weist eine akustische Impedanz in einem Bereich von etwa 2 MRayl bis etwa 4 MRayl auf. Bei einem Ausführungsbeispiel weist der akustische Entkoppler nicht mehr als eine akustische Entkopplungsschicht aus einem akustischen Entkopplungsmaterial auf, das eine akustische Impedanz in einem Bereich von etwa 2 MRayl bis etwa 4 MRayl aufweist. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der akustische Entkoppler akustische Entkopplungsschichten aus akustischen Entkopplungsmaterialien auf, die jeweilige unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Graph, der die berechneten Frequenzantworten von Ausführungsbeispielen einer DSBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung, die akustische Entkoppler mit unterschiedlichen Strukturen gemäß der Erfindung aufweist, vergleicht.
2A ist eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Bandpassfilters als ein erstes Beispiel einer DSBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
2B ist eine Querschnittsansicht des Bandpassfilters aus 2A entlang der Schnittlinie 2B-2B in 2A.
2C ist eine vergrößerte Ansicht des Teils aus 2B, die ein Ausführungsbeispiel des akustischen Entkopplers zeigt, der Schichten aus akustischen Entkopplungsmaterialien umfasst, die unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen.
2D ist eine vergrößerte Ansicht ähnlich 2C, die ein alternatives Ausführungsbeispiel des akustischen Entkopplers zeigt.
3A ist eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines akustisch gekoppelten Filmtransformators (FACT) als ein zweites Beispiel einer DSBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
3B ist eine Querschnittsansicht des FACT aus 3A entlang der Schnittlinie 3B-3B.
3C ist eine Querschnittsansicht des FACT aus 3A entlang der Schnittlinie 3C-3C.
3D ist eine vergrößerte Ansicht des Teils aus 3B, die ein Ausführungsbeispiel des akustischen Entkopplers zeigt, der Schichten aus akustischen Entkopplungsmaterialien umfasst, die unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen.
3E ist eine vergrößerte Ansicht ähnlich 3D, die ein alternatives Ausführungsbeispiel des akustischen Entkopplers zeigt.
3F ist eine schematische Zeichnung der elektrischen Schaltungen des Beispiels des FACT aus 3A.
3G ist eine schematische Zeichnung der elektrischen Schaltungen eines Ausführungsbeispiels des FACT aus 3A, der einen Induktor umfasst, um die Wirkungen einer parasitären Kapazität zu lindern.
4A bis 4J sind Draufsichten, die ein Verfahren zur Herstel lung einer DSBAR-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen.
4K bis 4T sind Querschnittsansichten entlang der Schnittli nien 4K-4K, 4L-4L, 4M-4M, 4N-4N, 4O-4O, 4P-4P, 4Q-4Q, 4R-4R, 4S-4S bzw. 4T-4T in den 4A-4J.
Detaillierte Beschreibung
Die Anmelder haben entdeckt, dass ein akustischer Mehrschichtentkoppler, der akustische Entkopplungsschichten aus akustischen Entkopplungsmaterialien umfasst, die unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen, mit Vorteil verwendet werden kann, um die Durchlassbandbreite einer DSBAR-Vorrichtung zu definieren. In einer DSBAR-Vorrichtung verhält sich ein akustischer Mehrschichtentkoppler, der strukturiert ist, um eine Phasenänderung eines ganzzahligen Vielfachen von π/2 Radian auf ein akustisches Signal aufzuerlegen, das frequenzmäßig gleich der Mittenfrequenz des Durchlassbandes der DSBAR-Vorrichtung ist, so, als ob er ein akustischer Einschichtentkoppler wäre, der eine effektive akustische Impedanz aufweist, die sich von den akustischen Impedanzen der akustischen Entkopplungsmaterialien des akustischen Mehrschichtentkopplers unterscheidet, und der eine Dicke aufweist, die nominell gleich einem Viertel der Wellenlänge eines akustischen Signals in dem akustischen Entkopplungsmaterials des akustischen Einschichtentkopplers ist. Bezugnahmen in dieser Beschreibung auf die akustische Impedanz eines akustischen Entkopplers sollen so verstanden werden, um sich auf die effektive akustische Impedanz des akustischen Entkopplers zu beziehen, wenn der akustische Entkoppler ein akustischer Mehrschichtentkoppler ist. Ein akustischer Mehrschichtentkoppler erlaubt es, dass prozesskompatible akustische Entkopplungsmaterialien verwendet werden können, um eine akustische Impedanz (und so Durchlassbandbreite der DSBAR-Vorrichtung) zu erhalten, die mit einem akustischen Einschichtentkoppler aufgrund des Mangels eines prozesskompatiblen akustischen Entkopplungsmaterials mit der gleichen akustischen Impedanz nicht erhältlich ist.
Die akustische Impedanz Z_n eines akustischen Entkopplers mit n akustischen Entkopplungsschichten ist durch die Gleichung (1) definiert:
wobei Z_i die akustische Impedanz des akustischen Entkopplungsmaterials der akustischen Entkopplungsschicht i ist, t_i die Dicke der akustischen Entkopplungsschicht i ist und v_i die Schallgeschwindigkeit in dem akustischen Entkopplungsmaterial der akustischen Entkopplungsschicht i ist.
Der akustische Entkoppler ist strukturiert, um eine Phasenänderung ΔΦ eines ganzzahligen ungeraden Vielfachen von π/2 Radian, d. h. (2m + 1) π/2 Radian, wobei m eine Ganzzahl ist, auf ein akustisches Signal aufzuerlegen, das nominell frequenzmäßig gleich der Mittenfrequenz des DSBAR ist. Die Phasenänderung ΔΦ, die durch den akustischen Entkoppler auferlegt wird, ist gegeben durch:
Deshalb gilt:
Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem Ganzzahl m = 0 ist, gilt:
So umfasst gemäß der Erfindung bei Ausführungsbeispielen einer DSBAR-Vorrichtung, bei denen die akustische Impedanz eines prozesskompatiblen akustischen Entkopplungsmaterials die erwünschte Durchlassbandbreite bereitstellt, der akustische Entkoppler eine einzelne akustische Entkopplungsschicht aus einem derartigen akustischen Entkopplungsmaterial. Zusätzlich umfasst in Ausführungsbeispielen einer DSBAR-Vorrichtung, in der die erwünschte Durchlassbandbreite nicht durch die akustische Impedanz eines beliebigen einzelnen prozesskompatiblen akustischen Entkopplungsmaterials bereitgestellt wird, der akustische Entkoppler akustische Entkopplungsschichten aus üblicherweise zwei unterschiedlichen akustischen Entkopplungsmaterialien, einem mit einer akustischen Impedanz, die größer ist als die erwünschte akustische Impedanz, wobei das andere eine akustische Impedanz aufweist, die kleiner ist als die erwünschte akustische Impedanz. Die Dicken der akustischen Entkopplungsschichten sind ausgewählt, um die akustische Impedanz des akustischen Entkopplers auf diejenige zu setzen, die die erwünschte Durchlassbandbreite bereitstellt, und um die durch die akustische Entkopplung auferlegte Phasenänderung auf ein ungerades ganzzahliges Vielfaches von π/2 Radian zu setzen.
1 zeigt die berechnete Durchlassband-Frequenz-Antwort fünf exemplarischer Ausführungsbeispiele einer DSBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung. Eine Kurve 185 zeigt die Frequenzantwort eines Ausführungsbeispiels, bei dem der akustische Entkoppler eine einzelne akustische Entkopplungsschicht aus einem ersten akustischen Entkopplungsmate rial mit einer akustischen Impedanz von etwa 4 MRayl umfasst. Eine Kurve 189 zeigt die Frequenzantwort eines Ausführungsbeispiels, bei dem der akustische Entkoppler eine einzelne akustische Entkopplungsschicht aus einem zweiten akustischen Entkopplungsmaterial mit einer akustischen Impedanz von etwa 2 MRayl umfasst. Kurven 186, 187 und 188 zeigen die Frequenzantworten jeweiliger Ausführungsbeispiele, bei denen der akustische Entkoppler eine erste akustische Entkopplungsschicht aus dem ersten akustischen Entkopplungsmaterial und eine zweite akustische Entkopplungsschicht aus dem zweiten akustischen Entkopplungsmaterial umfasst, wobei die erste akustische Entkopplungsschicht und die zweite akustische Entkopplungsschicht jeweils 75 % und 25 %, 50 % und 50 % bzw. 25 % und 75 % der Gesamtphasenverschiebung, die durch den akustischen Entkoppler auferlegt wird, bilden. Die akustischen Entkoppler sind alle strukturiert, um eine nominelle Phasenänderung von π/2 Radian auf ein akustisches Signal aufzuerlegen, das eine Frequenz aufweist, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlassbandes der DSBAR-Vorrichtung ist. Die akustischen Entkoppler der durch die Kurven 185-189 dargestellten Ausführungsbeispiele weisen akustische Impedanzen von 4,9, 3,3, 3,0, 2,5 und 2,1 MRayl auf. 1 zeigt, wie die Durchlassbandbreite der DSBAR-Vorrichtung mit abnehmender akustischer Impedanz des akustischen Entkopplers abnimmt.
Die in 1 gezeigten Frequenzantworten zeigen wenig Beweis für störende Artefakte, unabhängig davon, ob der akustische Entkoppler eine einzelne akustische Entkopplungsschicht umfasst (Kurven 185 und 189) oder zwei akustische Entkopplungsschichten aus akustischen Entkopplungsmaterialien mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen umfasst (Kurven 186-188). Die Frequenzantworten von Ausführungsbeispielen mit zwei oder mehr akustischen Entkopplungsschichten zeigen wahrscheinlicher störende Artefakte, da das Verhältnis der akustischen Impedanzen der akustischen Entkopplungsschichten über Eins zunimmt: störende Artefakte z. B. erscheinen wahrscheinlich in Ausführungs beispielen, bei denen das Verhältnis der akustischen Impedanz etwa sechs überschreitet. 1 ist unten detaillierter beschrieben.
2A ist eine Draufsicht eines exemplarischen Ausführungsbeispiels 100 eines Bandpassfilters als ein erstes Beispiel einer DSBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung. 2B ist eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie 2B- 2B in 2A. Das Bandpassfilter 100 umfasst einen DSBAR 106. Der DSBAR 106 umfasst einen unteren akustischen Filmvolumenresonator (FBAR) 110, einen oberen FBAR 120, der auf den unteren FBAR 120 gestapelt ist, und einen akustischen Entkoppler 130 zwischen den FBARs.
Der FBAR 110 umfasst gegenüberliegende planare Elektroden 112 und 114 und ein piezoelektrisches Element 116 zwischen den Elektroden. Der FBAR 120 umfasst gegenüberliegende planare Elektroden 122 und 124 und ein piezoelektrisches Element 126 zwischen den Elektroden.
Der akustische Entkoppler 130 befindet sind zwischen den FBARs 110 und 120, insbesondere zwischen der Elektrode 114 des FBAR 110 und der Elektrode 122 des FBAR 120. Der akustische Entkoppler steuert die Kopplung einer akustischen Energie zwischen den FBARs 110 und 120. Der akustische Entkoppler koppelt weniger akustische Energie zwischen die FBARs, als durch einen direkten Kontakt zwischen den FBARs gekoppelt würde. Bei dem in 2B und in vergrößerter Form in 2C gezeigten Beispiel umfasst der akustische Entkoppler 130 eine akustische Entkopplungsschicht 182 aus einem ersten akustischen Entkopplungsmaterial und eine akustische Entkopplungsschicht 183 aus einem zweiten akustischen Entkopplungsmaterial. Die akustischen Entkopplungsmaterialien weisen unterschiedliche akustische Impedanzen auf.
In dem gezeigten Beispiel ist der DSBAR 106 über einem Hohlraum 104 aufgehängt, der in einem Substrat 102 defi niert ist. Diese Weise eines Aufhängens des DSBAR erlaubt es, dass die FBARs 110 und 120 mechanisch ansprechend auf ein elektrisches Eingangssignal, das zwischen die Elektroden eines derselben angelegt wird, in Resonanz sind. Die akustische Energie, die in dem FBAR erzeugt wird, der das elektrische Eingangssignal empfängt, läuft durch den akustischen Entkoppler 130 in den anderen FBAR. Der FBAR, der die akustische Energie empfängt, wandelt einen Teil der akustischen Energie in ein elektrisches Ausgangssignal um, das zwischen seinen Elektroden bereitgestellt wird. Andere Aufhängeschemata, die es erlauben, dass die FBARs ansprechend auf ein elektrisches Eingangssignal mechanisch in Resonanz sind, sind möglich. Der DSBAR kann z. B. über einem fehlangepassten akustischen Bragg-Reflektor (nicht gezeigt), der in oder auf dem Substrat 102 gebildet ist, angeordnet sein, wie durch Lakin in dem Patent der Vereinigten Staaten Nr. 6,107,721 offenbart ist.
In dem gezeigten Beispiel sind die Elektroden 112 und 114 des FBAR 110 elektrisch mit Anschlusskontaktflächen 132 bzw. 134 durch elektrische Leiterbahnen 133 bzw. 135 verbunden. Zusätzlich sind die Elektroden 122 und 124 des FBAR 120 elektrisch mit Anschlusskontaktflächen 134 bzw. 138 durch elektrische Leiterbahnen 137 und 139 verbunden. Bei einem Ausführungsbeispiel, das eine elektrische Trennung zwischen Eingang und Ausgang schafft, ist die elektrische Leiterbahn 137 mit einer zusätzlichen Anschlusskontaktfläche (nicht gezeigt) anstelle der Anschlusskontaktfläche 134 verbunden.
3A ist eine Draufsicht eines exemplarischen Ausführungsbeispiels 200 eines akustisch gekoppelten Filmtransformators (FACT) als ein zweites Beispiel einer DSBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die 3B und 3C sind Querschnittsansichten entlang der Schnittlinien 3B-3B bzw. 3C-3C in 3A. 3F ist eine schematische Zeichnung der elektrischen Schaltungen des Beispiels des FACT aus 3A.
Der FACT 200 umfasst ein Substrat 102 und entkoppelte, gestapelte, akustische Volumenresonatoren (DSBARs) 106 und 108. Jeder DSBAR umfasst einen unteren akustischen Filmvolumenresonator (FBAR), einen oberen FBAR und einen akustischen Entkoppler zwischen den FBARs. Der FACT 200 umfasst zusätzlich eine elektrische Schaltung, die die unteren FBARs 110 und 150 der DSBARs 106 bzw. 108 untereinander verbindet, und eine elektrische Schaltung, die die oberen FBARs 120 und 160 der DSBARs 106 bzw. 108 untereinander verbindet. 3F zeigt ein Beispiel, bei dem eine elektrische Schaltung 141 den unteren FBAR 110 des DSBAR 106 und den unteren FBAR 150 des DSBAR 108 antiparallel verbindet und eine elektrische Schaltung 142 den oberen FBAR 120 des DSBAR 106 und den oberen FBAR 160 des DSBAR 108 in Serie schaltet.
In dem DSBAR 106 umfasst der untere FBAR 110 gegenüberliegende planare Elektroden 112 und 114 und ein piezoelektrisches Element 116 zwischen den Elektroden und der obere FBAR 120 umfasst gegenüberliegende planare Elektroden 122 und 124 und ein piezoelektrisches Element 126 zwischen den Elektroden. In dem DSBAR 108 umfasst der untere FBAR 150 gegenüberliegende planare Elektroden 152 und 154 und ein piezoelektrisches Element 156 zwischen den Elektroden und der obere FBAR 160 umfasst gegenüberliegende planare Elektroden 162 und 164 und ein piezoelektrisches Element 166 zwischen den Elektroden.
In dem FACT 200 weist der DSBAR 106 einen akustischen Entkoppler 130 auf, der sich zwischen dem unteren FBAR 110 und dem oberen FBAR 120 befindet, insbesondere zwischen der Elektrode 114 des unteren FBAR 110 und der Elektrode 122 des oberen FBARs 120. Der akustische Entkoppler 130 steuert die Kopplung einer akustischen Energie zwischen den FBARs 110 und 124. Der akustische Entkoppler 130 koppelt weniger akustische Energie zwischen den FBARs 110 und 120, als gekoppelt würde, wenn die FBARs in direktem Kontakt mitein ander wären, wie dies in einem herkömmlichen gestapelten akustischen Volumenresonator (SBAR) der Fall wäre. Zusätzlich weist der DSBAR 108 einen akustischen Entkoppler 170 auf, der sich zwischen den FBARs 150 und 160 befindet, insbesondere zwischen der Elektrode 154 des unteren FBAR 150 und der Elektrode 162 des oberen FBAR 160. Der akustische Entkoppler 170 steuert die Kopplung einer akustischen Energie zwischen FBARs 150 und 160. Der akustische Entkoppler 170 koppelt weniger akustische Energie zwischen den FBARs 150 und 160, als gekoppelt würde, wenn die FBARs in direktem Kontakt miteinander wären. Die Kopplung einer akustischen Energie, die durch die akustischen Entkoppler 130 und 170 definiert ist, bestimmt die Durchlassbandbreite des FACT 200.
Bei dem in den 3A-3C gezeigten Beispiel und in der in 3D gezeigten vergrößerten Ansicht sind die akustischen Entkoppler 130 und 170 jeweilige Teile eines akustischen Entkopplers 180, der akustische Entkopplungsschichten aus akustischen Entkopplungsmaterialien mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen umfasst. Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind die akustischen Entkoppler 130 und 170 strukturmäßig unabhängig.
In dem gezeigten Beispiel sind der DSBAR 106 und der DSBAR 108 über einem gemeinsamen Hohlraum 104, der in einem Substrat 102 definiert ist, in einer ähnlichen Weise wie diejenige, die oben Bezug nehmend auf die 2A und 2B beschrieben wurde, aufgehängt. Andere Aufhängeschemata, die es erlauben, dass die FBARs, die die DSBARs bilden, ansprechend auf ein elektrisches Eingangssignal mechanisch in Resonanz sind, sind möglich, wie ebenfalls oben beschrieben ist. Der DSBAR 106 und der DSBAR 108 könnten alternativ über jeweiligen einzelnen Hohlräumen (nicht gezeigt) in dem Substrat 102 aufgehängt sein.
3F zeigt schematisch ein Beispiel der elektrischen Schaltungen, die die DSBARs 106 und 108 untereinander verbinden und die DSBARs 106 und 108 mit einem externen Schaltungsaufbau (nicht gezeigt) verbinden. Die elektrische Schaltung 141 verbindet die unteren FBARs 110 und 150 antiparallel und stellt eine Verbindung zu einem Signalanschluss 143 und einem Masseanschluss 144 her. Bei dem in den 3A-3C gezeigten Ausführungsbeispiel stellt die Anschlusskontaktfläche 138 den Signalanschluss 143 bereit und die Anschlusskontaktflächen 132 und 172 stellen den Masseanschluss 144 bereit. Bei dem Ausführungsbeispiel wird die elektrische Schaltung 141 (3F) durch eine elektrische Leiterbahn 133, die sich von der Anschlusskontaktfläche 132 zu der Elektrode 112 des FBAR 110 erstreckt, eine elektrische Leiterbahn 137, die sich von der Elektrode 114 des FBAR 110 zu einer Zwischenverbindungskontaktfläche 136 in elektrischem Kontakt mit einer Zwischenverbindungskontaktfläche 176 erstreckt, durch eine elektrische Leiterbahn 139, die sich von der Zwischenverbindungskontaktfläche 176 zu der Signalkontaktfläche 138 erstreckt, durch eine elektrische Leiterbahn 177, die sich von der Zwischenverbindungskontaktfläche 176 zu der Elektrode 152 des FBAR 150 erstreckt, durch eine elektrische Leiterbahn, die sich von der Elektrode 154 des FBAR 150 zu der Anschlusskontaktfläche 172 erstreckt, und durch eine elektrische Leiterbahn 167, die die Anschlusskontaktflächen 132 und 172 untereinander verbindet, bereitgestellt.
Bei dem exemplarischen in 3F gezeigten elektrischen Schema schaltet die elektrische Schaltung 142 die oberen FBARs 120 und 160 in Serie und stellt eine Verbindung zu den Signalanschlüssen 145 und 146 und einem optionalen Mittelabgriffsanschluss 147 her. Bei dem in den 3A-3C gezeigten Ausführungsbeispiel liefern die Anschlusskontaktflächen 134 und 174 Signalkontaktflächen 145 und 146 und die Anschlusskontaktfläche 178 liefert den Mittelabgriffsanschluss 147. Bei dem Ausführungsbeispiel wird die elektrische Schaltung 142 durch eine elektrische Leiterbahn 135, die sich von der Anschlusskontaktfläche 134 zu der Elektrode 124 des FBAR 120 erstreckt, eine elektrische Leiterbahn 171, die sich von der Elektrode 122 des FBAR 120 zu der Elektrode 162 des FBAR 160 erstreckt, eine elektrische Leiterbahn 179, die sich von der Leiterbahn 171 zu dem Mittelabgriff 137 erstreckt, und eine elektrische Leiterbahn 175, die sich von der Elektrode 164 des FBAR 160 zu der Anschlusskontaktfläche 174 erstreckt, bereitgestellt. Ebenso gezeigt sind Anschlusskontaktflächen 163 und 168, die durch eine elektrische Leiterbahn 169 untereinander verbunden sind, die lokale Massen für die Anschlusskontaktflächen 134 und 174 bereitstellen. Bei dem gezeigten Beispiel erstreckt sich die elektrische Leiterbahn 169 zusätzlich zu der Anschlusskontaktfläche 178. Bei weiteren Beispielen bleibt die Anschlusskontaktfläche 178 schwebend bzw. floatend.
Die exemplarisch in 3F gezeigten elektrischen Verbindungen liefern einen FACT mit einer symmetrischen Primärseite und einem 4:1-Impedanztransformationsverhältnis oder einen FACT mit einer symmetrischen Sekundärseite und einem 1:4-Impedanztransformationsverhältnis. Die unteren FBARs könnten alternativ parallel, seriell und antiseriell untereinander verbunden sein und die oberen FBARs könnten alternativ parallel, antiparallel und antiseriell untereinander verbunden sein, um andere Impedanztransformationsverhältnisse zu erzielen.
Unter Bezugnahme auf die 2C und 2D und zusätzlich auf die 2A und 2B ist 2C eine vergrößerte Ansicht eines Teils aus 2B, die einen Teil eines ersten exemplarischen Ausführungsbeispiels eines akustischen Entkopplers 130 des DSBAR 106 eines Bandpassfilters 100 zeigt. Dieses Ausführungsbeispiel des akustischen Entkopplers 130 umfasst akustische Entkopplungsschichten 182 und 183 aus akustischen Entkopplungsmaterialien mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen, die kollektiv den akustischen Entkoppler 130 mit einer akustischen Impedanz bereitstellen, die das Bandpassfilter 100 mit seiner erwünschten Durchlassbandbreite liefert. 2D ist eine vergrößerte An sicht eines Teils aus 2B, die einen Teil eines zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiels eines akustischen Entkopplers 130 des DSBAR 106 des Bandpassfilters 100 zeigt. Dieses Ausführungsbeispiel des akustischen Entkopplers 130 umfasst eine einzelne akustische Entkopplungsschicht 184 aus einem akustischen Entkopplungsmaterial mit einer akustischen Impedanz, die ein Bandpassfilter 100 mit seiner erwünschten Durchlassbandbreite bereitstellt. Die 2C und 2D zeigen jeweils zusätzlich Teile der Elektroden 114 und 122 der FBARs 110 bzw. 120 (2B), zwischen welchen sich der akustische Entkoppler 130 befindet.
Unter Bezugnahme auf die 3D und 3E und zusätzlich die 3A-3C ist 3D eine vergrößerte Ansicht eines Teils aus 3B, die einen Teil eines ersten exemplarischen Ausführungsbeispiels eines akustischen Entkopplers 170 des DSBAR 108 zeigt. Dieses Ausführungsbeispiel des akustischen Entkopplers 170 umfasst akustische Entkopplungsschichten 182 und 183 aus akustischen Entkopplungsmaterialien mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen, die kollektiv den akustischen Entkoppler 170 mit einer akustischen Impedanz bereitstellen, die dem FACT 200 seine erwünschte Durchlassbandbreite verleiht. 3E ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils aus 3B, die einen Teil eines zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiels eines akustischen Entkopplers 170 des DSBAR 108 zeigt. Dieses Ausführungsbeispiel des akustischen Entkopplers 170 umfasst eine einzelne akustische Entkopplungsschicht 184 aus einem akustischen Entkopplungsmaterial mit einer akustischen Impedanz, die dem FACT 200 seine erwünschte Durchlassbandbreite verleiht. Die 3D und 3E zeigen jeweils zusätzlich Teile der Elektroden 154 und 162 der FBARs 150 bzw. 160 (3B), zwischen denen sich der akustische Entkoppler 170 befindet. Der akustische Entkoppler 130 des DSBAR 106 ist strukturmäßig identisch zu dem akustischen Entkoppler 170 und zu dem akustischen Entkoppler 130, der in den 2B und 2C gezeigt ist.
Das Ausführungsbeispiel des akustischen Entkopplers 130 des Bandpassfilters 100, in 2C gezeigt, wird nun Bezug nehmend auf diese Figur und 2B detaillierter beschrieben. Ein akustischer Entkoppler 180, der akustische Entkoppler 130 und 170 bereitstellt, die in den 3B-3E gezeigt sind, ist in Bezug auf Struktur und Eigenschaften ähnlich. Entsprechend trifft die folgende Beschreibung des akustischen Entkopplers 130 auch auf die in den 3B-3E gezeigten akustischen Entkoppler zu und die akustischen Entkoppler, die in den 3B-3E gezeigt sind, werden nicht separat beschrieben.
Bei dem in 2C gezeigten Beispiel umfasst der akustische Entkoppler 130 eine akustische Entkopplungsschicht 182 aus einem ersten akustischen Entkopplungsmaterial mit einer akustischen Impedanz Z₁ und eine zweite akustische Entkopplungsschicht 183 aus einem zweiten akustischen Entkopplungsmaterial mit einer akustischen Impedanz Z₂, die sich von der akustischen Impedanz Z₁ unterscheidet. Die Schallgeschwindigkeit in dem ersten akustischen Entkopplungsmaterial beträgt v₁ und die Schallgeschwindigkeit in dem zweiten akustischen Entkopplungsmaterial beträgt v₂. Die erste akustische Entkopplungsschicht 182 weist eine nominelle Dicke t₁ auf und die zweite akustische Entkopplungsschicht 183 weist eine nominelle Dicke t₂ auf.
Das Bandpassfilter 100 weist eine Bandpassfrequenzantwort auf. Die Bandpassantwort weist eine Durchlassbandbreite auf, die von der akustischen Impedanz Z₂ des akustischen Entkopplers 130 abhängt. Die akustische Impedanz des akustischen Entkopplers 130 befindet sich zwischen den akustischen Impedanzen Z₁ und Z₂ der akustischen Entkopplungsmaterialien der akustischen Entkopplungsschichten 182 bzw. 183. Insbesondere ist die akustische Impedanz des akustischen Entkopplers 130 folgendermaßen gegeben: Z2 = ((Z1t1/v1) + (Z2t2/v2))/((v1/t1) + (v2/t2)) (5)
Der akustische Entkoppler 130 ist strukturiert, um eine nominelle Phasenänderung eines ungeraden ganzzahligen Vielfachen von π/2 Radian (d. h. (2m + 1) π/2, wobei m eine Ganzzahl größer oder gleich Null ist) auf ein akustisches Signal aufzuerlegen, das eine Frequenz f₀ aufweist, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlassbandes der DSBAR-Vorrichtung 100 ist. Ein derartiger akustischer Entkoppler weist eine Gesamtdicke (t₁ + t₂) auf, die nominell gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge λ_n in dem akustischen Entkoppler eines akustischen Signals ist, das eine Frequenz aufweist, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlassbandes der DSBAR-Vorrichtung ist. Eine Phasenänderung von (2m + 1) π/2 entspricht einer Ausbreitungszeit durch den akustischen Entkoppler 130 von (2m + 1)/(4f₀) . Bei dem gezeigten Beispiel umfasst der akustische Entkoppler 130 akustische Entkopplungsschichten 182 und 183 mit Dicken t₁ bzw. t₂, in denen die Schallgeschwindigkeit v₁ bzw. v₂ beträgt. Die Ausbreitungszeit durch den akustischen Entkoppler 130 ist gegeben durch (t₁/v₁ + t₂/v₂). Deshalb gilt: (t1/v1 + t2/v2) = (2m + 1)/(4f0) (6)
In einem Ausführungsbeispiel, in dem Ganzzahl m = 0 ist, gilt: (t1/v1 + t2/v2) = 1/(4f0) (7)
Aus den Gleichungen (5) und (6) oder (7) können Werte der Dicken t₁ und t₂ der akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 berechnet werden, die der akustischen Entkopplungsschicht 130 eine erwünschte akustische Impedanz und eine Struktur verleihen, die eine nominelle Phasenänderung von (2m + 1) π/2 oder π/2 auf ein akustisches Signal auferlegt, das eine Frequenz aufweist, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlassbandes der DSBAR-Vorrichtung 100 ist. Ferner kann die Bandbreite der DSBAR-Vorrichtung 100 einfach durch ein Verändern der Dicken der akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 verändert werden, um die akustische Impedanz des akustischen Entkopplers 130 zu verändern, während die nominelle Phasenänderung, die durch den akustischen Entkoppler auferlegt wird, gleich (2m + 1) π/2 Radian beibehalten wird. Dies ist unten Bezug nehmend auf 1 detaillierter beschrieben.
Ein Ausführungsbeispiel des akustischen Entkopplers 130 mit minimaler Dicke, d. h. ein Ausführungsbeispiel, bei dem der akustische Entkoppler strukturiert ist, um eine nominelle Phasenänderung von π/2 Radian (m = 0) auf ein akustisches Signal aufzuerlegen, das eine Frequenz aufweist, die gleich der Mittenfrequenz f₀ des Durchlassbandes der DSBAR-Vorrichtung 100 ist, weist eine Frequenzantwort auf, die wesentlich näher an einer idealen Frequenzantwort ist als dickere akustische Entkoppler, die eine nominelle Phasenänderung eines ungeraden ganzzahligen Vielfachen, die größer ist als Eins (m > 0) von π/2 Radian, d. h. 3π/2, 5π/2, ..., (2m + 1) π/2, auf das oben erwähnte akustische Signal der Frequenz f₀ auferlegen. Der Frequenzantwort einer DSBAR-Vorrichtung mit einem akustischen Entkoppler mit minimaler Dicke (m = 0) fehlen die störenden Artefakte, die eine DSBAR-Vorrichtung zeigt, die einen dickeren akustischen Entkoppler aufweist (m > 0).
Die glatte Frequenzantwort, die aus einem Verwenden eines akustischen Entkopplers mit minimaler Dicke resultiert, wird zu Lasten des parasitären Kondensators erhalten, der durch die Elektroden 114 und 122 und den akustischen Entkoppler 130 gebildet ist, der eine wesentlich größere Kapazität aufweist als ein Ausführungsbeispiel mit einem dickeren akustischen Entkoppler. In Anwendungen, in denen die parasitäre Kapazität problematisch ist, wie z. B. Anwendungen, in denen ein hohes Gleichtaktzurückweisungsverhältnis erwünscht ist, kann die parasitäre Kapazität durch ein Parallelschalten eines Induktors mit dem parasi tären Kondensator, d. h. durch ein Schalten des Induktors zwischen die Elektroden 114 und 122, wie in 3G gezeigt ist, abgestimmt werden. Ein Blockierkondensator (nicht gezeigt) könnte in Serie zu dem Induktor geschaltet sein, um eine Gleichsignaltrennung bereitzustellen, wenn eine Gleichsignaltrennung erforderlich ist. Die Verwendung eines Induktors zum Abstimmen der Effekte des parasitären Kondensators ist durch Larson III u. a. in der Patenanmeldung der Vereinigten Staaten Seriennummer 10/XXX,XXX mit dem Titel Film Acoustically-Coupled Transformer With Increased Common Mode Rejection (Agilent-Anwaltsaktenzeichen 10031284) offenbart.
3G zeigt ein Kondensatorsymbol, das C_P genannt ist und durch unterbrochene Linien dargestellt ist, das den parasitären Kondensator C_P darstellt, der Elektroden 114 und 122 und einen akustischen Entkoppler 130 umfasst. Die Kapazität des parasitären Kondensators ist ein Maximum in Ausführungsbeispielen, in denen der akustische Entkoppler 130 ein akustischer Entkoppler mit minimaler Dicke ist, wie oben beschrieben wurde. In dem FACT 200 ist ein Induktor 195 zwischen die Elektrode 114 und die Elektrode 122 auf gegenüberliegenden Seiten des akustischen Entkopplers 130 geschaltet. Dies verbindet den Induktor 195 parallel mit dem parasitären Kondensator C_P. Der Induktor 195 und die Parallelkombination des parasitären Kondensators C_P und der Kapazität C₀ zwischen Anschlüssen 143 und 144 bilden eine Parallelresonanzschaltung 196 mit einer Resonanzfrequenz in dem Durchlassband. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Resonanzfrequenz gleich der Mittenfrequenz des Durchlassbands des FACT 200.
Ein Ausführungsbeispiel des akustischen Entkopplers 130, bei dem akustische Entkopplungsschichten 182 und 183 Dicken aufweisen, die sich von den oben beschriebenen Dicken um weniger als etwa ±10 % der jeweiligen Dicken unterscheiden, kann alternativ verwendet werden. Dicken außerhalb dieses Bereichs können alternativ mit einer bestimmten Leistungs verschlechterung verwendet werden. Die Dicken der akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 jedoch sollten sich wesentlich von den Dicken unterscheiden, die zu einem akustischen Entkoppler 130 führen würden, der eine nominelle Phasenänderung eines ganzzahligen geraden Vielfachen von π/2 auf ein akustisches Signal auferlegt, das eine Frequenz aufweist, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlassbands der DSBAR-Vorrichtung ist.
Wieder zurück zu den 3A-3F weisen die akustischen Entkopplungsmaterialien der akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183, die den akustischen Entkoppler 130 der DSBAR-Vorrichtung 100 bilden, akustische Impedanzen auf, die sich wesentlich von den akustischen Impedanzen der Materialien der Elektroden und der piezoelektrischen Elemente, die die FBARs 110, 120 bilden, unterscheiden. In den gezeigten Beispielen weisen die akustischen Entkopplungsmaterialien der akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 akustische Impedanzen auf, die kleiner sind als die akustischen Impedanzen der Materialien der Elektroden und der piezoelektrischen Elemente, die die FBARs 110, 120 bilden. Das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Elemente 116 und 126 der FBARs ist üblicherweise Aluminiumnitrid (AlN) und das Elektrodenmaterial der Elektroden 112, 114, 122 und 124 ist üblicherweise Molybdän (Mo). Die akustische Impedanz von AlN beträgt typischerweise etwa 35 MRayl und diejenige von Mo beträgt etwa 63 MRayl. Bei Ausführungsbeispielen des Bandpassfilters 100, in denen die Materialien der FBARs 110, 120 so sind, wie oben angegeben ist, wird ein erwünschter Bereich von Durchlassbandbreiten mit einem akustischen Entkoppler erhalten, der eine akustische Impedanz in dem Bereich von etwa 2 MRayl bis etwa 4 MRayl aufweist. Bei Ausführungsbeispielen des Bandpassfilters 100, die zusätzlich eine elektrische Trennung zwischen Eingang und Ausgang bereitstellen, weist zumindest eines der akustischen Entkopplungsmaterialien zusätzlich einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand und eine geringe dielektrische Durchlässigkeit auf.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183, die den akustischen Entkoppler 130 bilden, durch Aufschleudern jeweiliger akustischer Entkopplungsmaterialien über der Elektrode 114 gebildet. Eine Schicht, die durch Aufschleudern gebildet ist, könnte aufgrund der Konturierung der Oberfläche, auf die die akustischen Entkopplungsmaterialien aufgebracht werden, Regionen mit unterschiedlicher Dicke aufweisen. In diesem Fall ist die Dicke der akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 die Dicke des Abschnitts der akustischen Entkopplungsschichten, der sich zwischen den Elektroden 114 und 122 befindet.
Wie oben angemerkt wurde, sind relativ wenige akustische Entkopplungsmaterialien in der Lage, den Temperaturen und Ätzmitteln der Herstellungsoperationen zu widerstehen, die durchgeführt werden, nachdem die akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 auf die Elektrode 114 aufgebracht wurden, um den akustischen Entkoppler 130 zu bilden. Wie unten detaillierter beschrieben ist, werden bei praktischen Ausführungsbeispielen des Bandpassfilters 100 Elektroden 122 und 124 und ein piezoelektrisches Element 126 durch Zerstäuben aufgebracht, nachdem der akustische Entkoppler 131 gebildet wurde. Temperaturen von ganzen 400°C werden während dieser Aufbringungsverfahren erreicht. Ferner wird ein Löseätzen unter Verwendung von Fluorwasserstoffsäure durchgeführt, um Opfermaterial zwischen einem Substrat 102 und einem DSBAR 106 zu entfernen. So werden Kunststoffe, die bei derartigen Temperaturen und bei Vorliegen derartiger Ätzmittel stabil bleiben, als die akustischen Entkopplungsmaterialien der akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 verwendet.
Akustische Kunststoff-Entkopplungsmaterialien weisen üblicherweise eine sehr hohe akustische Dämpfung pro Längeneinheit verglichen mit den anderen Materialien der FBARs 110 und 120 auf. Da jedoch die Gesamtdicke des akustischen Entkopplers 130 üblicherweise kleiner als 1 μm ist, ist die akustische Dämpfung, die durch den akustischen Entkoppler 130 eingeführt wird, üblicherweise vernachlässigbar.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der DSBAR-Vorrichtungen 100 und 200 wird ein Polyimid als das akustische Entkopplungsmaterial der akustischen Entkopplungsschicht 182 verwendet und ein vernetztes Polyphenylen-Polymer wird als das akustische Entkopplungsmaterial der akustischen Entkopplungsschicht 183 verwendet.
Polyimid wird unter dem registrierten Markenzeichen Kapton durch E. I. du Pont de Nemours and Company verkauft. Polyimid weist eine akustische Impedanz von etwa 4 MRayl auf und wird durch Aufschleudern aufgebracht.
Vernetzte Polyphenylen-Polymere wurden als Dielektrika mit niedriger Dielektrizitätskonstante zur Verwendung in integrierten Schaltungen entwickelt und bleiben folglich bei den hohen Temperaturen stabil, denen der akustische Entkoppler 130 während der nachfolgenden Herstellung des FBAR 120 ausgesetzt wird. Die Erfinder haben entdeckt, dass vernetzte Polyphenylen-Polymere zusätzlich eine berechnete akustische Impedanz von etwa 2 MRayl aufweisen. Dies unterscheidet sich ausreichend von der akustischen Impedanz von Polyimid, um es zu ermöglichen, dass Ausführungsbeispiele des akustischen Entkopplers 130, die eine akustische Entkopplungsschicht aus Polyimid und eine akustische Entkopplungsschicht aus einem vernetzten Polyphenylen-Polymer umfassen, einen nützlichen Bereich akustischer Impedanzen besitzen. Die akustische Impedanz des vernetzten Polyphenylen-Polymers jedoch unterscheidet sich nicht so sehr von derjenigen von Polyimid, dass störende Artefakte in der Frequenzantwort der DSBAR-Vorrichtung bewirkt werden.
Vorläuferlösungen, die verschiedene Oligomere beinhalten, die polymerisieren, um jeweilige vernetzte Polyphenylen-Polymere zu bilden, werden durch The Dow Chemical Company, Midland, MI unter dem Markennamen SiLK verkauft. Die Vorläuferlösungen werden durch Aufschleudern aufgebracht. Das vernetzte Polyphenylen-Polymer, das aus einer dieser Vorläuferlösungen erhalten wird, mit dem Namen SiLK^TM J, das zusätzlich einen Adhäsionsförderer beinhaltet, weist eine berechnete akustische Impedanz von 2,1 MRayl, d. h. etwa 2 MRayl, auf.
Die Oligomere, die polymerisieren, um vernetzte Polyphenylen-Polymere zu bilden, werden aus Biscyclopentadienon- und aromatisches-Acetylen-haltigen Monomeren hergestellt. Ein Verwenden derartiger Monomere bildet lösliche Oligomere ohne den Bedarf einer übermäßigen Substitution. Die Vorläuferlösung beinhaltet ein spezifisches Oligomer, das in Gamma-Butyrolacton- und Zyclohexanon-Lösungsmitteln gelöst ist. Der Prozentsatz des Oligomers in der Vorläuferlösung bestimmt die Schichtdicke, wenn die Vorläuferlösung aufgeschleudert wird. Nach der Aufbringung verdampft ein Anlegen von Wärme die Lösungsmittel, härtet dann das Oligomer aus, um ein vernetztes Polymer zu bilden. Die Biscyclopentadienone reagieren mit den Acetylenen in einer 4+2-Zykloadditionsreaktion, die einen neuen aromatischen Ring bildet. Ein weiteres Aushärten führt zu dem vernetzten Polyphenylen-Polymer. Die oben beschriebenen vernetzten Polyphenylen-Polymere sind durch Godschalx u. a. in dem Patent der Vereinigten Staaten Nr. 5,965,679 offenbart. Zusätzliche praktische Details sind durch Martin u. a., Development of Low-Dielectric Constant Polymer for the Fabrication of Integrated Circuit Interconnect, 12 ADVANCED MATERIALS, 1796 (2000), beschrieben. Verglichen mit Polyimid weisen vernetzte Polyphenylen-Polymere eine geringere akustische Impedanz, eine geringere akustische Dämpfung und eine geringere Dielektrizitätskonstante auf. Ferner ist eine aufgeschleuderte Schicht der Vorläuferlösung in der Lage, einen qualitativ hochwertigen Film des vernetzten Polyphenylen-Polymers mit einer Dicke des Bereichs von etwa 40 nm bis etwa 200 nm zu erzeugen, was der typische Bereich von Dicken der akustischen Entkopplungsschichten 182, 183 und 184 ist.
Mit akustischen Entkopplungsschichten 182 und 83 aus Polyimid bzw. einem vernetzten Polyphenylen-Polymer können Ausführungsbeispiele des akustischen Entkopplers 130 mit akustischen Impedanzen in dem Bereich von mehr als etwa 2,1 MRayl bis zu weniger als etwa 4 MRayl hergestellt werden. Die akustische Impedanz des und die Phasenänderung, die durch den akustischen Entkoppler 130 auferlegt wird, hängen von den Dicken der akustischen Entkopplungsschichten ab. Die akustischen Entkopplungsmaterialien der akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 könnten alternativ ein vernetztes Polyphenylen-Polymer bzw. Polyimid sein.
Ein Ausführungsbeispiel des akustischen Entkopplers 130 mit einer akustischen Impedanz, die gleich derjenigen von Polyimid ist oder derjenigen des vernetzten Polyphenylen-Polymers, wird durch ein Verwenden des Ausführungsbeispiels der akustischen Entkopplungsschicht 130, die in 2D gezeigt ist, erhalten. Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst der akustische Entkoppler 130 eine einzelne akustische Entkopplungsschicht 184 aus entweder Polyimid oder dem vernetzten Polyphenylen-Polymer. Die einzelne akustische Entkopplungsschicht 184 weist eine Dicke auf, die eine nominelle Phasenänderung eines ungeraden ganzzahligen Vielfachen von π/2 auf ein akustisches Signal auferlegt, das eine Frequenz aufweist, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlassbandes der DSBAR-Vorrichtung 100 ist.
3E zeigt ein Ausführungsbeispiel eines akustischen Entkopplers 170 einer DSBAR-Vorrichtung 200, bei dem eine akustische Impedanz, die gleich derjenigen von Polyimid oder derjenigen des vernetzten Polyphenylen-Polymers ist, durch ein Verwenden einer einzelnen akustischen Entkopplungsschicht 184 aus entweder Polyimid bzw. dem vernetzten Polyphenylen-Polymer als akustischer Entkoppler 180 erhalten wird.
Wieder Bezug nehmend auf die 3A-3F wird bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des akustischen Entkopplers 130 ein Poly(Para-Xylylen) als das akustische Entkopplungsmaterial einer der akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 verwendet. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel ist eine der akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 eine Schicht aus Poly(Para-Xylylen), die auf die Elektrode 114 oder auf die andere der akustischen Entkopplungsschichten durch Vakuumaufbringung aufgebracht wird. Poly(Para-Xylylen) ist in der Technik als Parylen bekannt. Der Dimer-Vorläufer Di-Para-Xylylen, aus dem Parylen hergestellt wird, und Ausrüstung zur Durchführung einer Vakuumaufbringung von Schichten aus Parylen sind von vielen Lieferanten erhältlich. Parylen weist eine berechnete akustische Impedanz von etwa 2,8 MRayl auf. So würde die Verwendung von Parylen als das akustische Entkopplungsmaterial einer der akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 einen akustischen Impedanzbereich von mehr als etwa 2,1 MRayl bis weniger als etwa 2,8 MRayl in Ausführungsbeispielen ergeben, in denen das akustische Entkopplungsmaterial der anderen der akustischen Entkopplungsschichten ein vernetztes Polyphenylen-Polymer ist, und von mehr als etwa 2,8 MRayl bis weniger als etwa 4 MRayl in Ausführungsbeispielen, in denen das akustische Entkopplungsmaterial der anderen der akustischen Entkopplungsschichten Polyimid ist. Parylen könnte ebenso als das akustische Entkopplungsmaterial der einzelnen akustischen Entkopplungsschicht 184, die in 2D und 3E gezeigt ist, verwendet werden.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen des akustischen Entkopplers 130 weisen die akustischen Entkopplungsmaterialien der akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 oder der akustischen Entkopplungsschicht 184 akustische Impedanzen auf, die wesentlich größer sind als die akustischen Impedanzen der Materialien der FBARs 110 und 120. Keine akustischen Entkopplungsmaterialien, die diese Eigenschaft aufweisen, sind gegenwärtig bekannt, derartige Materialien könnten jedoch in Zukunft verfügbar werden. Alternativ könnten FBAR-Materialien mit niedrigeren akustischen Impedanzen in Zukunft verfügbar werden. Die Dicken der akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 oder der akustischen Entkopplungsschicht 184 derartiger akustischer Entkopplungsschichten mit hoher akustischer Impedanz werden berechnet, wie oben beschrieben ist.
1 zeigt, wie die berechnete Frequenzantwort des Bandpassfilters 100 von der akustischen Impedanz des akustischen Entkopplers 130 abhängt. Das dargestellte Ausführungsbeispiel weist eine Mittenfrequenz von etwa 1.850 MHz auf. 1 zeigt berechnete Frequenzantworten des Bandpassfilters mit verschiedenen Ausführungsbeispielen des akustischen Entkopplers 130 wie folgt. Die Kurve 185 zeigt die Frequenzantwort mit einem Ausführungsbeispiel eines akustischen Entkopplers 130, der eine akustische Impedanz von etwa 4 MRayl aufweist und als eine einzelne akustische Entkopplungsschicht 184 aus Polyimid strukturiert ist, wie in 2D gezeigt ist. Die Kurve 186 zeigt die Frequenzantwort mit einem Ausführungsbeispiel eines akustischen Entkopplers 130, der eine akustische Impedanz von etwa 3,3 MRayl aufweist und als eine akustische Entkopplungsschicht 182 aus Polyimid und eine akustische Entkopplungsschicht 183 aus einem vernetzten Polyphenylen-Polymer strukturiert ist, wie in 2 gezeigt ist, bei dem die akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 etwa 75 % bzw. etwa 25 der Gesamtphasenänderung, die durch den akustischen Entkoppler 130 auferlegt wird, beitrugen. Das vernetzte Polyphenylen-Polymer hatte eine akustische Impedanz von etwa 2 MRayl. Die Kurve 187 zeigt die Frequenzantwort mit einem Ausführungsbeispiel eines akustischen Entkopplers 130, der eine akustische Impedanz von etwa 3,0 MRayl aufweist und als eine akustische Entkopplungsschicht 182 aus Polyimid und eine akustische Entkopplungsschicht 183 aus dem vernetzten Polyphenylen-Polymer strukturiert ist, wie in 2C gezeigt ist, bei dem die Dicken der akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 jeweils etwa eine Hälfte der Gesamtphasenänderung, die durch den akustischen Entkoppler 130 auferlegt wird, beitrugen. Die Kurve 188 zeigt die Frequenzantwort mit einem Ausführungsbeispiel eines akustischen Entkopplers 130, der eine akustische Impedanz von etwa 2,5 MRayl aufweist und als eine akustische Entkopplungsschicht 182 aus Polyimid und eine akustische Entkopplungsschicht 183 des vernetzten Polyphenylen-Polymers strukturiert ist, wie in 2C gezeigt ist, bei dem die akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 etwa 25 bzw. etwa 75 % der Gesamtphasenänderung, die durch den akustischen Entkoppler 130 auferlegt wird, beitrugen. Die Kurve 189 zeigt die Frequenzantwort mit einem Ausführungsbeispiel eines akustischen Entkopplers 130, der eine akustische Impedanz von etwa 2,1 MRayl aufweist und als eine einzelne akustische Entkopplungsschicht 184 des vernetzten Polyphenylen-Polymers strukturiert ist, wie in 2D gezeigt ist.
Tabelle 1 zeigt die Abhängigkeit der berechneten Durchlassbandbreiten der obigen Ausführungsbeispiele des Bandpassfilters 100 von den Dicken der einen oder mehreren akustischen Entkopplungsschichten. Die Durchlassbandbreite wird bei –3 dB relativ zu dem Maximum genommen.
Tabelle 1
Es ist zu sehen, dass die Durchlassbandbreite des Bandpassfilters 100 mit zunehmender Bruchteilsdicke der akustischen Polyimid-Entkopplungsschicht 182 zunimmt und so mit zunehmender akustischer Impedanz des akustischen Entkopplers 130. Entsprechend können durch ein Durchführen einer geeigneten Auswahl der Dicken der akustischen Entkopplungsschichten 182 und 183 Ausführungsbeispiele des Bandpassfilters 100 mit einer erwünschten Durchlassbandbreite hergestellt werden.
Eine Wafer-Skala-Herstellung wird verwendet, um Tausende von DSBAR-Vorrichtungen, ähnlich dem Bandpassfilter 100 oder dem FACT 200 gleichzeitig herzustellen. Eine derartige Wafer-Skala-Herstellung macht eine Herstellung der DSBAR-Vorrichtungen billig. Ein exemplarisches Verfahren zum Herstellen eines exemplarischen Ausführungsbeispiels des FACT 200 ist als Nächstes Bezug nehmend auf die Draufsichten der 4A-4J und die Querschnittsansichten der 4K-4T beschrieben. Der gleiche Vorgang mit unterschiedlichen Masken kann zur Herstellung des Bandpassfilters 100 verwendet werden. Das Durchlassband des Ausführungsbeispiels des FACT 200, dessen Herstellung beschrieben wird, weist eine nominelle Mittenfrequenz von etwa 1,9 GHz auf. Ausführungsbeispiele zur Funktion bei anderen Frequenzen sind in Struktur und Herstellung ähnlich, weisen jedoch Dicken und laterale Abmessungen auf, die sich von denjenigen, die unten exemplarisch dargestellt sind, unterscheiden.
Ein Wafer aus Einkristallsilizium wird bereitgestellt. Ein Abschnitt des Wafers bildet, für jeden gerade hergestellten FACT, ein Substrat, das dem Substrat 102 des FACT 200 entspricht. Die 4A-4H und die 4I-4P stellen die Herstellung des FACT 200 in oder auf einem Abschnitt des Wafers dar und die folgende Beschreibung beschreibt dies. Wie der FACT 200 hergestellt wird, werden die anderen FACTs auf dem Wafer ähnlich hergestellt.
Der Abschnitt des Wafers, der das Substrat 102 des FACT 200 bildet, wird selektiv nassgeätzt, um einen Hohlraum 104 zu bilden, wie in den 4A und 4K gezeigt ist. Eine Schicht aus Füllmaterial (nicht gezeigt) wird auf die Oberfläche des Wafers mit einer Dicke aufgebracht, die ausreichend ist, um jeden Hohlraum zu füllen. Die Oberfläche des Wafers wird dann planarisiert, wobei jeder Hohlraum mit Füllmaterial gefüllt zurückbleibt. Die 4A und 4K zeigen auch den Hohlraum 104 in dem Substrat 102, der mit Füllmaterial 105 gefüllt ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel war das Füllmaterial Phosphosilikatglas (PSG) und wurde unter Verwendung einer herkömmlichen chemischen Aufdampfung mit niedrigem Druck (LPCVD) aufgebracht. Das Füllmaterial könnte alternativ durch Zerstäuben oder durch Aufschleudern aufgebracht werden.
Eine erste Metallschicht wird auf die Hauptoberfläche des Substrats 102 und das Füllmaterial 105 aufgebracht. Die erste Metallschicht wird strukturiert, wie in den 4B und 4L gezeigt ist, um eine Elektrode 112, eine Elektrode 152, eine Anschlusskontaktfläche 132, eine Anschlusskontaktfläche 138 und eine Zwischenverbindungskontaktfläche 176 zu definieren. Die Strukturierung definiert außerdem in der ersten Metallschicht eine elektrische Leiterbahn 133, die sich zwischen der Elektrode 112 und der Anschlusskontaktfläche 132 erstreckt, eine elektrische Leiterbahn 177, die sich zwischen der Elektrode 152 und der Zwischenverbindungskontaktfläche 176 erstreckt, und eine elektrische Leiterbahn 139, die sich zwischen der Zwischenverbindungskontaktfläche 176 und der Anschlusskontaktfläche 138 erstreckt.
Die Elektrode 112 und die Elektrode 152 weisen üblicherweise eine asymmetrische Form in einer Ebene parallel zu der Hauptoberfläche des Wafers auf. Eine asymmetrische Form minimiert laterale Moden in dem FBAR 110 und dem FBAR 150 (3B), von denen die Elektroden einen Teil bilden. Dies ist in dem Patent der Vereinigten Staaten Nr. 6,215,375 von Larson III u. a., beschrieben. Die Elektrode 112 und die Elektrode 152 lassen einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105 freigelegt, so dass das Füllmaterial später durch Ätzen entfernt werden kann, wie unten beschrieben wird.
Zusätzlich Bezug nehmend auf 3B sind Elektroden 114 und 154 in einer zweiten Metallschicht definiert, Elektroden 122 und 162 sind in einer dritten Metallschicht definiert und Elektroden 124 und 164 sind in einer vierten Metallschicht definiert, wie unten detailliert beschrieben wird. Die Metallschichten, in denen die Elektroden definiert sind, werden derart strukturiert, dass in jeweiligen Ebenen parallel zu der Hauptoberfläche des Wafers die Elektroden 112 und 114 des FBAR 110 die gleiche Form, Größe, Ausrichtung und Position aufweisen, die Elektroden 122 und 124 des FBAR 120 die gleiche Form, Größe, Ausrichtung und Position aufweisen, die Elektroden 152 und 154 des FBAR 150 die gleiche Form, Größe, Ausrichtung und Position aufweisen, und die Elektroden 162 und 164 des FBAR 160 die gleiche Form, Größe, Ausrichtung und Position aufweisen. Üblicherweise weisen die Elektroden 114 und 122 zusätzlich die gleiche Form, Größe, Ausrichtung und Position auf und die Elektroden 154 und 162 weisen zusätzlich die gleiche Form, Größe, Ausrichtung und Position auf.
Bei einem Ausführungsbeispiel war das Material jeder der Metallschichten Molybdän, das durch Zerstäuben auf eine Dicke von etwa 300 nm aufgebracht wurde. Die Metallschichten wurden jeweils durch Trockenätzen strukturiert. Die Elektroden, die in jeder der Metallschichten definiert sind, waren fünfeckig, jeweils mit einer Fläche von etwa 12.000 Quadratmikrometern. Andere Elektrodenflächen ergeben andere charakteristische Impedanzen. Andere feuerfeste Metalle, wie z. B. Wolfram, Niob und Titan, könnten alternativ als das Material der Metallschichten verwendet wer den. Die Metallschichten könnten alternativ jeweils Schichten aus mehr als einem Materials aufweisen. Ein Faktor, der beim Auswählen des Materials der Elektroden des FACT 200 zu berücksichtigen ist, sind die akustischen Eigenschaften des Elektrodenmaterials: die akustischen Eigenschaften des oder der Materialien der verbleibenden Metallteile des FACT 200 sind weniger wichtig als andere Eigenschaften, wie z. B. elektrische Leitfähigkeit. So könnten das oder die Materialien der verbleibenden Metallteile des FACT 200 sich von dem Material der Elektroden unterscheiden.
Eine Schicht aus piezoelektrischem Material wird aufgebracht und wird strukturiert, wie in den 4C und 4M gezeigt ist, um eine piezoelektrische Schicht 117 zu definieren, die ein piezoelektrisches Element 116 des FBAR 110 und ein piezoelektrisches Element 156 des FBAR 150 liefert. Die piezoelektrische Schicht 117 erstreckt sich über dem Substrat 102 über das Ausmaß des Hohlraums 104 hinaus, um einen Träger für die Anschlusskontaktflächen 163, 134, 178, 174, 168 und 172 bereitzustellen, unten beschrieben. Die piezoelektrische Schicht 117 wird strukturiert, um einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105, der Anschlusskontaktflächen 132 und 138 und der Zwischenverbindungskontaktfläche 176 freizulegen. Die piezoelektrische Schicht 117 wird zusätzlich strukturiert, um Fenster 119 zu definieren, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials liefern. Die piezoelektrische Schicht 117 könnte alternativ strukturiert werden, um die piezoelektrischen Elemente 116 und 156 unabhängig zu definieren.
Bei einem Ausführungsbeispiel war das piezoelektrische Material, das aufgebracht wurde, um die piezoelektrische 117 und die piezoelektrische Schicht 127 zu bilden, wie unten beschrieben wird, Aluminiumnitrid, das durch Zerstäuben auf eine Dicke von etwa 1,4 μm aufgebracht wurde. Das piezoelektrische Material wurde durch Nassätzen in Kalium-Hydroxid oder durch Trockenätzen auf Chlorbasis strukturiert. Alternative Materialien für die piezoelektrischen Schichten umfassen Zinkoxid, Cadmiumsulfid und gepolte ferroelektrische Materialien, wie z. B ferroelektrische Perowskit-Materialien, einschließlich Bleizirkoniumtitanat, Bleimetaniobat und Bariumtitanat.
Eine zweite Metallschicht wird auf der piezoelektrischen Schicht 117 aufgebracht und wird strukturiert, wie in den 4D und 4N gezeigt ist, um die Elektrode 114, Elektrode 154, Anschlusskontaktfläche 172 und Zwischenverbindungskontaktfläche 136 in elektrischem Kontakt mit der Zwischenverbindungskontaktfläche 176 zu definieren. Die Strukturierung definiert zusätzlich in der zweiten Metallschicht eine elektrische Leiterbahn 137, die sich zwischen der Elektrode 114 und der Zwischenverbindungskontaktfläche 136 erstreckt, eine elektrische Leiterbahn 173, die sich zwischen der Elektrode 154 und der Anschlusskontaktfläche 172 erstreckt, und eine elektrische Leiterbahn 167, die sich zwischen den Anschlusskontaktflächen 132 und 172 erstreckt.
Eine erste Schicht 192 aus einem ersten akustischen Entkopplungsmaterial wird dann aufgebracht, gefolgt durch eine zweite Schicht 193 aus einem zweiten akustischen Entkopplungsmaterial, wie in den 4E und 4N gezeigt ist. Das zweite akustische Entkopplungsmaterial unterscheidet sich in der akustischen Impedanz von dem ersten akustischen Entkopplungsmaterial. Eine dritte Metallschicht 194 wird dann aufgebracht, wie auch in den 4E und 4N gezeigt ist. In 4E wird ein Teil der Schicht 194 weggeschnitten, um einen Teil der Schicht 193 zu zeigen, und ein Teil der Schicht 193 wird weggeschnitten, um einen Teil der Schicht 122 zu zeigen.
Bei einem Ausführungsbeispiel hatte die erste Schicht 192 eine Dicke in dem Bereich von etwa 150 nm bis etwa 190 nm und das erste akustische Entkopplungsmaterial war Polyimid, das durch Aufschleudern aufgebracht wurde. Bei diesem Ausführungsbeispiel hatte die zweite Schicht 193 eine Dicke in dem Bereich von etwa 50 nm bis etwa 140 nm und das zweite akustische Entkopplungsmaterial war das vernetzte Polyphenylen-Polymer, aufgebracht durch Aufschleudern. Um die zweite Schicht 193 zu bilden, wurde eine Vorläuferlösung, die ein Oligomer umfasste, das aus Biscyclopentadienon und aromatisches Acetylen beinhaltenden Monomeren hergestellt wurde, durch Aufschleudern aufgebracht. Bei einem Ausführungsbeispiel war die Vorläuferlösung für das vernetzte Polyphenylen-Polymer eine, die von The Dow Chemical Company als SiLK^TM J. verkauft wird. Alternativ könnte die Vorläuferlösung eine beliebige geeignete der Vorläuferlösungen sein, die durch The Dow Chemical Company unter dem Markennamen SiLK verkauft werden. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen wurde eine Schicht eines Adhäsionsförderers aufgebracht, bevor die Vorläuferlösung aufgeschleudert wurde. Vorläuferlösungen, die Oligomere beinhalten, die, wenn sie ausgehärtet sind, ein vernetztes Polyphenylen-Polymer bilden, das eine akustische Impedanz von etwa 2 MRayl aufweisen, könnten heute oder in der Zukunft von anderen Lieferanten erhältlich sein und könnten auch verwendet werden.
Die tatsächlichen Dicken, auf die die akustischen Entkopplungsschichten 192 und 193 aufgebracht wurden, hängen von der erwünschten akustischen Impedanz des akustischen Entkopplers 180 und der Durchlassband-Mittenfrequenz des FACT 200 ab, wie oben beschrieben wurde. Das vernetzte Polyphenylen-Polymer könnte alternativ als erste Schicht 192 aufgebracht werden und Polyimid könnte alternativ als Schicht 193 aufgebracht werden. Parylen, oben erläutert, könnte alternativ durch Vakuumaufbringung als das akustische Entkopplungsmaterial von entweder der Schicht 192 oder der Schicht 193 aufgebracht werden.
In Ausführungsbeispielen, in denen eines der akustischen Entkopplungsmaterialien Polyimid ist, wird nach einer Aufbringung der Schicht aus Polyimid der Wafer zu Beginn bei einer Temperatur von etwa 250° in Luft und schließlich bei einer Temperatur von etwa 415°C in einer trägen Atmo sphäre, wie z. B. Stickstoff, bevor eine weitere Verarbeitung durchgeführt wird, gebacken. Das Backen verdampft flüchtige Bestandteile des Polyimids und verhindert, dass die Verdampfung derartiger flüchtiger Bestandteile während der nachfolgenden Verarbeitung eine Trennung nachfolgend aufgebrachter Schichten bewirkt. In Ausführungsbeispielen, in denen eines der akustischen Entkopplungsmaterialien ein vernetztes Polyphenylen-Polymer ist, wird der Wafer nach einer Aufbringung der Schicht der Vorläuferlösung bei einer Temperatur in dem Bereich von etwa 385°C bis etwa 450°C in einer trägen Umgebung, wie z. B. unter Vakuum oder in einer Stickstoffatmosphäre, gebacken, bevor eine weitere Verarbeitung durchgeführt wird. Das Backen treibt zuerst die organischen Lösungsmittel aus der Vorläuferlösung heraus und bewirkt dann, dass das Oligomer sich vernetzt, wie oben beschrieben wurde, um das vernetzte Polyphenylen-Polymer zu bilden.
Eine dritte Metallschicht 194 wird strukturiert, wie in den 4F und 4Q gezeigt ist, um eine Hartmaske 195 zu definieren, die verwendet wird, um den akustischen Entkoppler 180, der die akustische Entkopplungsschicht 182 und die akustische Entkopplungsschicht 183 umfasst, in Schichten 192 bzw. 193 des ersten und des zweiten akustischen Entkopplungsmaterials zu definieren. Der akustische Entkoppler 180 stellt den akustischen Entkoppler 130 und den akustischen Entkoppler 170 bereit. Die Hartmaske 195 definiert das Ausmaß des akustischen Entkopplers 180 und den Ort und das Ausmaß der Fenster 119 in dem akustischen Entkoppler. Die dritte Metallschicht 194 könnte alternativ so strukturiert werden, dass die Hartmaske 195 unabhängige akustische Entkoppler 130 und 170 anstelle des akustischen Entkopplers 180 definiert.
Die Schichten 192 und 193 des ersten und des zweiten akustischen Entkopplungsmaterials werden dann strukturiert, um den akustischen Entkoppler 180 mit einer Form zu definieren, die durch die Hartmaske 195 definiert ist. Der akusti sche Entkoppler 180 stellt den akustischen Entkoppler 130 und den akustischen Entkoppler 170 bereit. Die Schichten 192 und 193 werden so strukturiert, dass der akustische Entkoppler 180 zumindest die Elektrode 114 und die Elektrode 154 bedeckt und einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105, der Anschlusskontaktflächen 132, 138 und 172 und der Zwischenverbindungskontaktflächen 136 und 176 freilegt. Die Schichten 192 und 193 werden zusätzlich strukturiert, um Fenster 119 zu definieren, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials liefern. Die Schichten 192 und 193 könnten alternativ strukturiert werden, um unabhängige akustische Entkoppler 130, 170 anstelle des akustischen Entkopplers 180 zu definieren.
Die dritte Metallschicht 194 wird dann wieder strukturiert, wie in den 4G und 4R gezeigt ist, um die Elektrode 122, Elektrode 162 und Anschlusskontaktfläche 178 zu definieren. Die erneute Strukturierung definiert außerdem in der dritten Metallschicht eine elektrische Leiterbahn 171, die sich zwischen der Elektrode 122 und der Elektrode 162 erstreckt, und eine elektrische Leiterbahn 179, die sich zwischen der elektrischen Leiterbahn 171 und der Anschlusskontaktfläche 178 erstreckt.
Eine Schicht aus piezoelektrischem Material wird aufgebracht und wird strukturiert, wie in den 4I und 4S gezeigt ist, um eine piezoelektrische Schicht 127 zu definieren, die ein piezoelektrisches Element 126 des FBAR 120 und ein piezoelektrisches Element 166 des FBAR 150 bereitstellt. Die piezoelektrische Schicht 127 wird strukturiert, um Anschlusskontaktflächen 132, 138, 178 und 172, Zwischenverbindungskontaktflächen 136 und 176 und einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105 freizulegen. Die piezoelektrische Schicht 127 wird zusätzlich strukturiert, um die Fenster 119 zu definieren, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials bereitstellen.
Eine vierte Metallschicht wird aufgebracht und wird strukturiert, wie in den 4J und 4T gezeigt ist, um die Elektrode 124, Elektrode 164, Anschlusskontaktfläche 163, Anschlusskontaktfläche 134, Anschlusskontaktfläche 174 und Anschlusskontaktfläche 168 zu definieren. Die Strukturierung definiert außerdem in der vierten Metallschicht eine elektrische Leiterbahn 135, die sich von der Elektrode 124 zu der Anschlusskontaktfläche 134 erstreckt, eine elektrische Leiterbahn 175, die sich von der Elektrode 164 zu der Anschlusskontaktfläche 174 erstreckt, und eine elektrische Leiterbahn 169, die sich von der Anschlusskontaktfläche 163 und der Anschlussfläche 168 zu der Anschlusskontaktfläche 178 erstreckt.
Der Wafer wird dann isotropisch nassgeätzt, um Füllmaterial 105 aus dem Hohlraum 104 zu entfernen. Wie oben angemerkt wurde, bleiben Abschnitte der Oberfläche des Füllmaterials 105 durch z. B. die Fenster 119 freigelegt. Der Ätzvorgang hinterlässt den akustisch gekoppelten Film-FACT 200 über dem Hohlraum 104 aufgehängt, wie in den 3A-3C gezeigt ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel war das zur Entfernung des Füllmaterials 105 verwendete Ätzmittel verdünnte Fluorwasserstoffsäure.
Eine Goldschutzschicht wird auf die freiliegenden Oberflächen der Anschlusskontaktflächen 172, 138, 132, 163, 134, 178, 174 und 168 aufgebracht.
Der Wafer wird dann in einzelne FACTs unterteilt, einschließlich des FACT 200. Jeder FACT wird dann in einem Gehäuse befestigt und elektrische Verbindungen werden zwischen den Anschlusskontaktflächen 172, 132, 163, 134, 178, 174 und 168 des FACT und Anschlusskontaktflächen oder anderen Verbindungen, die Teil des Gehäuses sind, hergestellt.
Diese Beschreibung beschreibt die Erfindung detailliert unter Verwendung darstellender Ausführungsbeispiele. Die durch die beigefügten Ansprüche definierte Erfindung jedoch ist nicht auf die beschriebenen genauen Ausführungsbeispiele eingeschränkt.
Zusammenfassung
Die entkoppelte, gestapelte akustische Volumenresonator-(DSBAR-) Vorrichtung (z. B. 100) weist einen unteren akustischen Filmvolumenresonator (FBAR)(110), einen oberen FBAR (120), der auf den unteren FBAR gestapelt ist, und einen akustischen Entkoppler (130) zwischen den FBARs auf. Jeder der FBARs weist gegenüberliegende planare Elektroden (z. B. 112, 114) und ein piezoelektrisches Element (116) zwischen den Elektroden auf. Der akustische Entkoppler weist akustische Entkopplungsschichten (z. B. 182, 183) aus akustischen Entkopplungsmaterialen mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen auf. Die akustischen Impedanzen und Dicken (z. B. t₁, t₂) der akustischen Entkopplungsschichten bestimmen die akustische Impedanz des akustischen Entkopplers und so die Durchlassbandbreite der DSBAR-Vorrichtung. Prozesskompatible akustische Entkopplungsmaterialen können dann verwendet werden, um akustische Entkoppler mit akustischen Impedanzen (und Durchlassbandbreiten) herzustellen, die anderweitig aufgrund des Mangels prozesskompatibler akustischer Entkopplungsmaterialien mit derartigen akustischen Impedanzen nicht erhältlich sind.

Claims

Eine entkoppelte, gestapelte, akustische Volumenresonator- (DSBAR-) Vorrichtung mit folgenden Merkmalen: einem unteren akustischen Filmvolumenresonator (FBAR) und einem oberen FBAR, der auf den unteren FBAR gestapelt ist, wobei jeder FBAR gegenüberliegende planare Elektroden und ein piezoelektrisches Element zwischen den Elektroden aufweist; und einem akustischen Entkoppler zwischen den FBARs, wobei der akustische Entkoppler akustische Entkopplungsschichten aus akustischen Entkopplungsmaterialien mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der: die piezoelektrischen Elemente ein piezoelektrisches Material aufweisen, das eine akustische Impedanz aufweist; und die akustischen Entkopplungsmaterialien akustische Impedanzen aufweisen, die sich von der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Materials unterscheiden.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der: die DSBAR-Vorrichtung durch eine Mittenfrequenz gekennzeichnet ist; und der akustische Entkoppler strukturiert ist, um eine nominelle Phasenänderung eines ungeraden ganzzahligen Vielfachen von π/2 auf ein akustisches Signal aufzuer legen, das frequenzmäßig gleich der Mittenfrequenz ist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der das ungerade ganzzahlige Vielfache Eins ist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2, 3 oder 4, die zusätzlich eine elektrische Verbindung zwischen benachbarten der Elektroden der FBARs aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, die zusätzlich folgende Merkmale aufweist: einen zusätzlichen unteren FBAR und einen zusätzlichen oberen FBAR, der auf den zusätzlichen unteren FBAR gestapelt ist, wobei jeder zusätzliche FBAR gegenüberliegende planare Elektroden und ein piezoelektrisches Element zwischen den Elektroden aufweist; einen zusätzlichen akustischen Entkoppler zwischen den zusätzlichen FBARs, wobei der zusätzliche akustische Entkoppler akustische Entkopplungsschichten aus akustischen Entkopplungsmaterialien mit unterschiedlichen akustischen Impedanzen aufweist; eine erste elektrische Schaltung, die die unteren FBARs untereinander verbindet; und eine zweite elektrische Schaltung, die die oberen FBARs untereinander verbindet.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der der akustische Entkoppler eine akustische Impedanz in dem Bereich von etwa 2 MRayl bis etwa 4 MRayl aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der eines der akustischen Entkopplungsmaterialien Polyimid aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der ein weiteres der akustischen Entkopplungsmaterialen ein vernetztes Polyphenylen-Polymer aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der eines der akustischen Entkopplungsmaterialien Poly(Para-Xylylen) aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der eines der akustischen Entkopplungsmaterialien ein vernetztes Polyphenylen-Polymer aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 11, bei der das vernetzte Polyphenylen-Polymer aus einer Vorläuferlösung gebildet ist, die durch The Dow Chemical Company unter dem Markennamen SiLK verkauft wird.
Eine entkoppelte, gestapelte, akustische Volumenresonator- (DSBAR-) Vorrichtung mit folgenden Merkmalen: einem unteren akustischen Filmvolumenresonator (FBAR) und einem oberen FBAR, der auf den unteren FBAR gestapelt ist, wobei jeder FBAR gegenüberliegende planare Elektroden und ein piezoelektrisches Element zwischen den Elektroden aufweist; und einem akustischen Entkoppler zwischen den FBARs, wobei der akustische Entkoppler eine akustische Impedanz in einem Bereich von etwa 2 MRayl bis etwa 4 MRayl aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 13, bei der der akustische Entkoppler nicht mehr als eine akustische Entkopplungsschicht aus einem akustischen Entkopp lungsmaterial mit einer akustischen Impedanz in einem Bereich von etwa 2 MRayl bis etwa 4 MRayl aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der das akustische Entkopplungsmaterial eine akustische Impedanz von etwa 2 MRayl aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der das akustische Entkopplungsmaterial Polyimid aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der das akustische Entkopplungsmaterial Poly(Para-Xylylen) aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 14, bei der das akustische Entkopplungsmaterial ein vernetztes Polyphenylen-Polymer aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der der akustische Entkoppler akustische Entkopplungsschichten aus akustischen Entkopplungsmaterialien mit jeweiligen unterschiedlichen akustischen Impedanzen aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 19, bei der: eines der akustischen Entkopplungsmaterialien Polyimid aufweist; und ein weiteres der akustischen Entkopplungsmaterialen ein vernetztes Polyphenylen-Polymer aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 19, bei der: die akustischen Entkopplungsschichten jeweilige Dicken aufweisen; und die akustische Impedanz des akustischen Entkopplers durch die akustischen Impedanzen und Dicken der akustischen Entkopplungsschichten bestimmt wird.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 19, bei der: die DSBAR-Vorrichtung durch eine Mittenfrequenz gekennzeichnet ist; und die akustischen Impedanzen und Dicken der akustischen Entkopplungsschichten ausgewählt sind, um zu bewirkten, dass der akustische Entkoppler eine nominelle Phasenänderung eines ungeraden ganzzahligen Vielfachen von π/2 auf ein akustisches Signal auferlegt, das frequenzmäßig gleich der Mittenfrequenz ist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 22, bei der das ungerade ganzzahlige Vielfache Eins ist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 13, bei der: die DSBAR-Vorrichtung durch eine Mittenfrequenz gekennzeichnet ist; und der akustische Entkoppler strukturiert ist, um eine Phasenänderung, die nominell gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen von π/2 ist, auf ein akustisches Signal aufzuerlegen, das frequenzmäßig gleich der Mittenfrequenz ist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 22, bei der das ungerade ganzzahlige Vielfache Eins ist.
Eine entkoppelte, gestapelte, akustische Volumenresonator- (DSBAR-) Vorrichtung mit folgenden Merkmalen: einem unteren akustischen Filmvolumenresonator (FBAR) und einem oberen FBAR, der auf den unteren FBAR gesta pelt ist, wobei jeder FBAR gegenüberliegende planare Elektroden und ein piezoelektrisches Element zwischen den Elektroden aufweist; und einem akustischen Entkoppler zwischen den FBARs, wobei der akustische Entkoppler eine akustische Entkopplungsschicht aus einem akustischen Entkopplungsmaterial mit einer akustischen Impedanz von etwa 2 MRayl aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 26, bei der: die akustische Entkopplungsschicht eine erste akustische Entkopplungsschicht ist und das akustische Entkopplungsmaterial ein erstes akustisches Entkopplungsmaterials ist; und der akustische Entkoppler zusätzlich eine zweite akustische Entkopplungsschicht aus einem zweiten akustischen Entkopplungsmaterial mit einer akustischen Impedanz, die sich von der akustischen Impedanz des ersten akustischen Entkopplungsmaterials unterscheidet, aufweist.
Die DSBAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 26, bei der das akustische Entkopplungsmaterial ein vernetztes Polyphenylen-Polymer aufweist.