同一管芯上具有不同膜厚度的谐振器

技术领域

本公开涉及使用声波谐振器的射频滤波器，并且具体地，涉及用于通信设备的滤波器。

背景技术

射频(RF)滤波器是双端口装置，该双端口装置被配置为通过某些频率并阻止其他频率，其中“通过”意味着以相对较低的信号损失进行传输，并且“停止”意味着阻止或大幅衰减。滤波器所通过的频率的范围被称为滤波器的“通带”。这种滤波器所停止的频率的范围被称为滤波器的“阻带”。典型的RF滤波器具有至少一个通带和至少一个阻带。对通带或阻带的具体要求取决于具体应用。例如，“通带”可以被定义为滤波器的插入损耗优于诸如1dB、2dB或3dB的定义值的频率范围。“阻带”可以被定义为滤波器的抑制大于诸如20dB、30dB、40dB或更大的定义值的频率范围，具体取决于应用。

RF滤波器用于通过无线链路来传输信息的通信系统。例如，RF滤波器可以在蜂窝基站、移动电话和计算设备、卫星收发器和地面站、IoT(物联网)设备、膝上型计算机和平板电脑、定点无线电链路和其他通信系统的RF前端中找到。RF滤波器也用于雷达和电子及信息战系统。

RF滤波器通常需要许多设计权衡，以针对每个特定应用实现诸如插入损耗、抑制、隔离、功率处理、线性度、尺寸和成本之类的性能参数之间的最佳折衷。特定设计和制造方法以及增强可以同时受益于这些要求中的一项或多项。

无线系统中RF滤波器的性能增强可以对系统性能产生广泛影响。RF滤波器的改进可以用于提供系统性能改进，例如更大的单元尺寸、更长的电池寿命、更高的数据速率、更大的网络容量、更低的成本、增强的安全性、更高的可靠性等。这些改进可以在无线系统的多个级别(例如，在RF模块、RF收发器、移动或固定子系统、或网络级别)处单独或组合地实现。

用于当前通信系统的高性能RF滤波器通常包含声波谐振器，该声波谐振器包括表面声波(SAW)谐振器、体声波(BAW)谐振器、薄膜体声波谐振器(FBAR)和其他类型的声学谐振器。然而，这些现有技术并不非常适合于在针对未来通信网络所提出的更高频率和带宽下使用。

对更宽通信信道带宽的期望将不可避免地导致使用更高频率的通信频带。用于移动电话网络的无线电接入技术已经由3GPP(第三代合作伙伴计划)进行了标准化。用于第5代移动网络的无线电接入技术在5G NR(新无线电)标准中进行了定义。5G NR标准定义了若干个新的通信频带。这些新的通信频带中的两个是：n77，其使用从3300MHz至4200MHz的频率范围；以及n79，其使用从4400MHz至5000MHz的频率范围。频带n77和频带n79二者都使用时分双工(TDD)，使得在频带n77和/或频带n79中操作的通信设备使用相同的频率进行上行链路和下行链路传输。针对频带n77和n79的带通滤波器必须能够处理通信设备的传输功率。5GHz和6GHz处的WiFi频带也需要高频率和宽带宽。5G NR标准还定义了频率在24.25GHz与40GHz之间的毫米波通信频带。

横向激发薄膜体声学谐振器(XBAR)是用于微波滤波器的声学谐振器结构。XBAR在题为“TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR(横向激发薄膜体声学谐振器)”的专利US10,491,291中进行了描述。XBAR谐振器包括叉指换能器(IDT)，其形成在单晶压电材料的薄浮层或振膜上。IDT包括从第一母线延伸的第一组平行指和从第二母线延伸的第二组平行指。第一组平行指和第二组平行指是交错的。施加到IDT的微波信号在压电振膜中激发剪切主声波。XBAR谐振器提供非常高的机电耦合和高频能力。XBAR谐振器可以用于包括带阻滤波器、带通滤波器、双工器和多路复用器在内的各种RF滤波器。XBAR非常适合用于频率高于3GHz的通信频带的滤波器。

附图说明

图1包括横向激发薄膜体声学谐振器(XBAR)的示意性平面图和两个示意性截面图。

图2是图1的XBAR的一部分的放大示意性截面图。

图3A是图1的XBAR的替代示意性截面图。

图3B是XBAR中的感兴趣的主要声学模式的图形说明。

图4A是在同一管芯上形成的具有不同膜厚度的改进的XBAR谐振器的替代示意性截面图。

图4B是比较具有不同膜结构的XBAR的导纳的曲线图。

图4C是示出了在同一管芯上形成的具有不同膜厚度的改进的XBAR并联谐振器和串联谐振器的导纳的曲线图。

图4D是示出了在同一管芯上形成的改进的XBAR串联谐振器的导纳的曲线图，其中改进的XBAR并联谐振器具有不同的膜厚度。

图4E是示出了在同一管芯上形成的改进的XBAR并联谐振器的导纳的曲线图，其中改进的XBAR串联谐振器具有不同的膜厚度。

图5是使用XBAR的滤波器的示意性框图。

图6是用于制造XBAR的过程的流程图。

图7A、图7B和图7C(统称为“图7”)是用于在同一管芯上制造具有不同膜厚度的XBAR谐振器的另一过程的流程图。

贯穿本说明书，图中出现的元件被分配了三位数或四位数的参考符号，其中，两个最低有效位数特定于该元件，而一个或两个最高有效位数是该元件被第一次引入的图号。可以假定未结合附图描述的元件具有与先前描述的具有相同参考符号的元件相同的特性和功能。

具体实施方式

装置的描述

剪切模式薄膜体声学谐振器(XBAR)是用于微波滤波器的新谐振器结构。XBAR在题为“TRANSVERSELY EXCITED FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR(横向激发薄膜体声学谐振器)”的专利US 10,491,291中进行了描述，其全部内容通过引用并入本文。XBAR谐振器包括叉指换能器(IDT)，其形成在压电材料的薄浮层或振膜上。施加到IDT的微波信号在压电振膜中激发剪切主声波，使得声能基本上垂直于层的表面流动，这正交或横向于IDT所产生的电场的方向。XBAR谐振器提供非常高的机电耦合和高频能力。

RF滤波器可以包含多个XBAR装置，这些XBAR装置连接为常规梯形滤波器电路。梯形滤波器电路包括串联连接在滤波器的输入和输出之间的一个或多个串联谐振器、以及各自连接在地与输入、输出之一或两个串联谐振器之间的节点之间的一个或多个并联谐振器。每个谐振器具有谐振器的导纳接近短路的导纳的谐振频率、以及谐振器的导纳接近开路的导纳的反谐振频率。在典型的梯形带通滤波器电路中，并联谐振器的谐振频率位于滤波器的通带的下沿以下，而串联谐振器的反谐振频率位于该通带的上沿以上。

确定XBAR的谐振频率的主导参数是悬在空腔上方的压电膜或振膜的厚度。谐振频率在较小程度上还取决于IDT指的间距和宽度或标记。许多滤波器应用需要谐振器的谐振频率和/或反谐振频率的范围超出通过改变IDT的间距可以实现的范围。专利10,491,291描述了使用沉积在并联谐振器的IDT指的指状物之间和/或上方的介电频率设置层来相对于串联谐振器的谐振频率降低并联谐振器的谐振频率。

宽带滤波器所需的介电频率设置层厚度有助于激发可能位于滤波器的通带内的杂散模式。本文描述的是在同一管芯上形成两个(或更多个)不同XBAR压电膜(例如，振膜)厚度而不是通过使用膜上的介电频率设置层来调谐膜的装置和方法。

下面描述了在同一管芯上形成的具有不同膜厚度的改进的XBAR谐振器。谐振器可以是用于宽带滤波器的复合压电晶片，该复合压电晶片使用薄的Al2O3接合层来形成不同的膜厚度。复合压电晶片允许通过使用与薄接合层接合的两个薄压电层在单个XBAR管芯上实现不同厚度谐振器的两个芯片可比性能。

图1示出了横向激发薄膜体声学谐振器(XBAR)100的简化示意性俯视图和正交截面图。诸如谐振器100的XBAR谐振器可以用于包括带阻滤波器、带通滤波器、双工器和多路复用器在内的各种RF滤波器。XBAR特别适合用于频率高于3GHz的通信频带的滤波器。

XBAR 100由形成在具有分别平行的前表面112和后表面114的压电板110的表面上的薄膜导体图案构成。压电板110是诸如铌酸锂、钽酸锂、硅酸镧镓、氮化镓或氮化铝之类的压电材料的薄单晶层。在一些情况下，板110是由接合层接合的压电单晶材料的两层。在其他情况下，板110是压电单晶材料的下层和上接合层。切割压电板使得X、Y和Z晶轴相对于前表面和后表面的取向是已知的且是一致的。在所呈现的示例中，压电板可以是Z-切割的，也就是说，Z轴垂直于表面。然而，XBAR可以在具有其他晶体取向的压电板上制造。

压电板110的后表面114附着到向压电板110提供机械支撑的基板120。基板120可以是例如硅、蓝宝石、石英或一些其他材料。基板可以具有硅热氧化物(TOX)和结晶硅的层。压电板110的后表面114可以使用晶片接合工艺接合到基板120，或者生长在基板120上，或者以一些其他方式附接到基板。压电板可以直接附接到基板或可经由一个或多个中间材料层附接到基板120。

XBAR 100的导体图案包括叉指换能器(IDT)130。IDT 130包括从第一母线132延伸的第一多个平行指(例如，指136)和从第二母线134延伸的第二多个指。第一多个平行指和第二多个平行指是交错的。交错的指重叠距离AP，通常被称为IDT的“孔径”。IDT 130的最外侧指之间的中心到中心距离L是IDT的“长度”。

第一母线132和第二母线134用作XBAR 100的端子。施加在IDT 130的两个母线132、134之间的射频或微波信号在压电板110内激发主声学模式。如将进一步详细讨论的，激发的主声学模式是体剪切模式，其中声能沿与压电板110的表面基本正交的方向传播，该方向也垂直于或横向于由IDT指产生的电场的方向。因此，XBAR被视为横向激发薄膜体波谐振器。

在基板120中形成空腔140，使得压电板110的包含IDT 130的部分115悬在空腔140上方而不接触基板120。“空腔”的常规含义是“实体内的空的空间”。空腔140可以是完全穿过基板120的孔(如截面A-A和截面B-B所示)或者是基板120中的凹槽(如随后在图3A所示)。空腔140可以例如通过在压电板110和基板120附接之前或之后选择性蚀刻基板120来形成。如图1所示，空腔140具有矩形形状，其范围大于IDT 130的孔径AP和长度L。XBAR的空腔可以具有不同的形状，例如规则或不规则多边形。XBAR的空腔可以具有多于或少于四个侧面，其可以是直的或弯曲的。

由于压电板的悬在空腔140上方的部分115在物理上类似于麦克风的振膜，因此它在本文中将被称为“振膜”(因为缺少更好的术语)。振膜可以连续且无缝地连接到压电板110的围绕空腔140的全部或几乎全部周边145的其余部分。在该上下文中，“邻接”是指“连续地连接而没有任何中间项目”。

为了便于在图1中呈现，IDT指的几何间距和宽度相对于XBAR的长度(尺寸L)和孔径(尺寸AP)被大大夸大了。典型的XBAR在IDT 110中具有多于十个平行指。XBAR可以在IDT110中具有成百上千个平行指。类似地，截面图中指的厚度被大大夸大了。

图2示出了图1的XBAR 100的详细示意性截面图。截面图可以是XBAR 100的包括IDT的指的部分。压电板110是具有厚度ts的单晶压电材料层。ts可以是例如100nm至1500nm。当用于从3.4GHZ到6Ghz的LTE

前侧介电层214可以可选地形成在压电板110的前侧上。根据定义，XBAR的“前侧”是背对基板的表面。前侧介电层214具有厚度tfd。前侧介电层214形成在IDT指236之间。尽管未在图2中示出，前侧介电层214也可以沉积在IDT指236上方。后侧介电层216可以可选地形成在压电板110的后侧上。后侧介电层216具有厚度tbd。前侧介电层214和后侧介电层216可以是非压电介电材料，例如二氧化硅或氮化硅。tfd和tbd可以是例如0至500nm。tfd和tbd通常小于压电板的厚度ts。tfd和tbd不必相等，并且前侧介电层214和后侧介电层216不必是相同材料。前侧介电层214和后侧介电层216中的任一个或两者可以由两种或更多种材料的多层形成。

前侧介电层214可以形成在滤波器中的一些XBAR装置(例如，选择的XBAR装置)的IDT上方。前侧介电层214可以形成在一些XBAR装置的IDT指之间并覆盖IDT指，但不形成在其他XBAR装置上。例如，前侧频率设置介电层可以形成在并联谐振器的IDT上方，以相对于具有较薄的前侧介电层或没有前侧介电层的串联谐振器的谐振频率降低并联谐振器的谐振频率。一些滤波器可以在各种谐振器上方包括两种或更多种不同厚度的前侧介电层。可以设置谐振器的谐振频率，从而至少部分地通过选择前侧介电层的厚度来“调谐”谐振器。

此外，可以在XBAR装置100的除了接触焊盘之外的整个表面上方形成钝化层，在接触焊盘处与XBAR装置外部的电路进行电连接。钝化层是薄介电层，该薄介电层旨在在XBAR装置并入到封装中时密封并保护XBAR装置的表面。前侧介电层和/或钝化层可以是SiO

可以选择钝化层的厚度以保护压电板和金属电极免受水和化学腐蚀，特别是为了功率耐久性目的。钝化层的厚度可以在10nm至100nm的范围内。钝化材料可以由多重氧化物和/或氮化物涂层(例如，SiO2和Si3N4材料)组成。

IDT指236可以是一层或多层铝或基本铝合金、铜或基本铜合金、铍、钨、钼、金或一些其他导电材料。诸如铬或钛的其他金属的薄(相对于导体的总厚度)层可以形成在指的下方和/或上方，以提高指与压电板110之间的粘附力，和/或钝化或封装指。IDT的母线(图1中的132、134)可以由与指相同或不同的材料制成。

尺寸p是IDT指的中心到中心间隔或“间距”，其可以被称为IDT的间距和/或XBAR的间距。尺寸w是IDT指的宽度或“标记”。XBAR的IDT与表面声波(SAW)谐振器中使用的IDT有很大不同。在SAW谐振器中，IDT的间距是谐振频率下的声波波长的二分之一。此外，SAW谐振器IDT的标记间距比通常接近0.5(即，标记或指宽度约为在谐振时声波波长的四分之一)。在XBAR中，IDT的间距p通常是指的宽度w的2倍至20倍。此外，IDT的间距p通常是压电板212的厚度ts的2倍至20倍。XBAR中IDT指的宽度不限于谐振时声波波长的四分之一。例如，XBARIDT指的宽度可以是500nm或更大，使得IDT可以使用光刻来制造。IDT指的厚度tm可以从100nm至约等于宽度w。IDT的母线(图1中的132、134)的厚度可以等于或大于IDT指的厚度tm。

图3A是XBAR装置300沿图1中定义的截面A-A的替代截面图。在图3A中，压电板310附接到基板320。压电板310的一部分形成跨越基板中的空腔340的振膜315。空腔340未完全穿透基板320，而是形成在压电板310的包含XBAR的IDT的部分下方的基板中。IDT的指(例如，指336)设置在振膜315上。空腔340可以例如通过在附接压电板310之前蚀刻基板320来形成。备选地，空腔340可以通过用选择性蚀刻剂蚀刻基板320来形成，该选择性蚀刻剂通过设置在压电板310中的一个或多个开口342到达该基板。振膜315可以与压电板310的围绕空腔340的周边345的大部分的其余部分邻接。例如，振膜315可以与压电板310的围绕空腔340的周边的至少50％的其余部分邻接。

一个或多个中间材料层322可以附接在板310和基板320之间。中间层可以是蚀刻停止层、密封层、粘合层或附接或接合到板310和基板320的其他材料层。在其他实施例中，压电板310直接附接到基板320并且不存在中间层。

虽然空腔340以截面示出，但应当理解，空腔的横向范围是基板320的连续闭合带区域，该连续闭合带区域在垂直于附图的平面的方向上围绕并限定空腔340的大小。空腔340的横向(即，如图所示的左右)范围由横向边缘基板320限定。空腔340的纵向(即，如图所示从板310向下)范围或深度进入基板320。在这种情况下，空腔340具有矩形或近似矩形的侧截面。

图3A所示的XBAR300在本文中将被称为“前侧蚀刻”配置，因为空腔340是(在附接压电板310之前或之后)从基板320的前侧进行蚀刻的。图1的XBAR 100在本文中将被称为“后侧蚀刻”配置，因为空腔140是在附接压电板110之后从基板120的后侧进行蚀刻的。XBAR300在空腔340的左侧和右侧处示出了压电板310中的一个或多个开口342。然而，在一些情况下，压电板310中的开口342仅在空腔340的左侧或右侧处。

图3B是XBAR中的感兴趣的主声学模式的图形说明。图3B示出了XBAR 350的一小部分，包括压电板310和三个交错的IDT指336。XBAR 350可以是本文中任何XBAR的一部分。RF电压被施加到交错的指336。该电压在这些指之间产生随时间变化的电场。电场的方向主要是横向的，或平行于压电板310的表面，如标记为“电场”的箭头所指示的。由于压电板的高介电常数，相对于空气，电场高度地集中在板中。横向电场在压电板310中引入剪切变形，并因此强烈激发主剪切模式声学模式。在该上下文中，“剪切变形”被定义为材料中的平行平面保持平行并在相对于彼此平移的同时保持恒定距离的变形。“剪切声学模式”被定义为介质中导致介质的剪切变形的声学振动模式。XBAR 350中的剪切变形由曲线390表示，其中相邻小箭头提供原子运动的方向和幅度的示意性指示。为了便于可视化，原子运动的程度以及压电板310的厚度已经被大大夸大了。虽然原子运动主要是横向的(即，如图3A所示的水平的)，但所激发的主剪切声学模式的声能流的方向基本上正交于压电板的前表面和后表面，如箭头395所指示的。

基于剪切声波谐振的声学谐振器可以实现比当前最先进的薄膜体声学谐振器(FBAR)和固态安装谐振器体声波(SMR BAW)装置更好的性能，其中电场施加在厚度方向上。在这种装置中，声学模式是压缩的，其中原子运动和声能流动的方向在厚度方向上。另外，与其他声学谐振器相比，剪切波XBAR谐振的压电耦合可以较高(>20％)。高压电耦合使得能够设计和实现具有可观带宽的微波和毫米波滤波器。

图4A是在同一管芯400A上形成的具有不同膜厚度的改进的XBAR谐振器402和404的示意性截面图。管芯400A可以是滤波器装置或可以是滤波器装置的一部分，该滤波器装置具有作为相对于滤波器装置的输入和输出的较低频率的并联谐振器的谐振器402、以及作为相对于滤波器装置的输入和输出的较高频率的串联谐振器的谐振器404。在任何情况下，谐振器402或404可以是本文描述的任何谐振器。“管芯”可以是从诸如晶片的其他芯片切割而来的半导体芯片或集成电路(IC)芯片。它可以是单片集成电路(也被称为IC、芯片或微芯片)，该单片集成电路在通常为硅的半导体材料的一个小平片(或“芯片”)上具有一组电子电路。

管芯400A具有基板420，该基板420具有第一空腔440和第二空腔444。第一压电膜(例如，振膜)410跨越第一空腔440；以及第二压电膜450跨越第二空腔444。第一压电膜410包括压电板412、接合层414和压电板416。第二压电膜450包括压电板412和接合层414，但不包括第二压电板416。膜410可以是复合(至少两种材料)层，该复合层是板416化学或分子地接合到层414，层414化学或分子地接合到板412。膜450可以是复合层，该复合层是层414化学或分子地接合到板412，并且板416可能已经被图案化并使用接合层414作为蚀刻停止层从谐振器404的顶部蚀刻掉。

压电板412具有可以在300和600nm之间的厚度tp1。接合层414具有可以在5和50nm之间的厚度tb。并且压电板416具有可以在50和200nm之间的厚度tp2。在一些情况下，分别地，tp1是451、458或465nm；以及tb是10、20或30nm。Tp2可以是120nm，并且tm可以是650nm。在一些情况下，tp1和tp2是相同的，并且可以是197.5nm。在其他情况下，它们是不同的，并且可以是tp1＝465nm和tp2＝120nm。Tp1可以大于tp2。在一种情况下，tp1是400nm而板416不存在。压电板412和/或压电板416可以是如针对板110所述的材料。在一些情况下，它们是相同的材料。在其他情况下，它们是不同的材料。接合层可以是或包括Al2O3或SiO2。

图4B是比较具有不同膜结构的XBAR的导纳的曲线图460。曲线图460是作为使用有限元方法(FEM)模拟技术模拟的XBAR的频率的函数的导纳幅度(在对数刻度上)的绘图。导纳数据来自XBAR的三维模拟，具有以下参数差异：a)绘图461为单片低频膜，其中tp1是400nm并且不存在接合层或第二压电板；以及b)绘图462为复合低频膜，其中tp1和tp2是197.5nm，并且tb是10nm。

例如，实线绘图461表示具有膜的XBAR的导纳，该膜是400nm厚板的a)单片(单一材料)层；以及虚线绘图462表示具有膜的XBAR的导纳，该膜是如下b)复合(至少两种材料)层：铌酸锂的197.5nm厚顶层化学或分子地接合到10nm厚Al2O3接合层，该接合层化学或分子地接合到铌酸锂的197.5nm厚下层。该模拟假设接合层中的声学损失是铌酸锂中的声学损失的100倍。

曲线图460示出了：与单片层a)相比，将接合层添加到复合层b)中的膜对导纳性能的影响最小。例如，复合层b)的谐振器耦合(即，如反谐振频率与谐振频率差所示)(其是最低导纳峰值(例如，FR＝4693MHz处的峰值463)处的反谐振的频率与最高导纳峰值(例如，FAR＝5306MHz处的峰值464)处的谐振的频率之间的距离)与单片层a)(例如，FAR＝5333MHz处的峰值466)的谐振器耦合相比仅降低了约5％。

此外，曲线图460还示出了：与单片层a)相比，复合层b)的某些杂散(例如，468处的杂散)仅在频率上进行了轻微调整。Al2O3接合层的存在不会显著地影响装置性能。

图4C是示出了在同一管芯上形成的具有不同膜厚度的改进的XBAR并联谐振器和串联谐振器的导纳的曲线图470。谐振器可以是图4A的并联谐振器402和串联谐振器404。曲线图470是作为使用FEM模拟技术模拟的XBAR的频率的函数的导纳幅度的绘图。导纳数据来自对于两者具有tm＝650nm的铝的XBAR的三维模拟。

虚线绘图471用于具有复合低频并联膜的XBAR，其中板412具有tp1＝465nm的板110材料，板416具有tp2＝120nm的板110材料，以及层414具有tb为10nm的Al2O3。实线绘图472用于具有复合高频串联膜的XBAR，其中tp1＝465nm的板110材料，tb是10nm的Al2O3，并且不存在第二板416。板416可能已经被图案化并且使用接合层414作为蚀刻停止层从高频膜蚀刻掉。层414可以化学或分子地接合到板412，并且板416(当存在时)可以化学或分子地接合到层414。

曲线图470示出了将接合层添加到串联膜的复合层中的膜对导纳性能的影响最小，因为停留在Al2O3接合层上的金属(例如，IDT指和母线的金属)不会降低装置性能。尽管在LiNbO3板之间添加了接合层，但谐振器Q因子和耦合在很大程度上得到了保留。单个管芯上的这种并联谐振器和串联谐振器可以用于梯形配置，以产生无杂散的n77通带滤波器。

图4D是示出了在同一管芯上形成的具有不同接合层厚度的两个改进的XBAR串联谐振器的导纳的曲线图480，其中改进的XBAR并联谐振器具有与串联谐振器不同的膜厚度。谐振器可以是串联谐振器404并且并联谐振器可以是图4A的谐振器402。曲线图480是作为使用FEM模拟技术模拟的XBAR的频率的函数的导纳幅度的绘图。导纳数据来自XBAR的三维模拟，具有tm＝650nm的铝并且不存在第二板416。

实线绘图481用于具有以下特征的XBAR膜：a)tb＝10nm的Al2O3和tp1＝465nm的板110材料。虚线绘图482用于具有以下特征的XBAR膜：b)tb＝30nm的Al2O3和tp1＝451nm的板110材料。板416可能已经被图案化并且使用接合层414作为蚀刻停止层从这些膜蚀刻掉。层414可以化学或分子地接合到板412。

曲线图480示出了将接合层耦合到复合层412和414中的膜对导纳性能的影响最小。例如，两个谐振器之间相对于它们的相应谐振反谐振频率间隔(RAR)存在很小变化(0.2％)，该RAR计算如下：

曲线图480示出了两个膜的相对谐振频率483和相对反谐振频率484之间的RAR是：a)16.5％和b)16.3％。保持这种强谐振器耦合对于宽带宽滤波器的设计是重要的，同时还要保持高Q谐振，高Q谐振给出了低损耗滤波器响应。此外，添加的接合层不会显著地将新的杂散模式引入谐振器，这对于设计良好的滤波器很重要。

图4E是示出在同一管芯上形成的具有不同接合层厚度的两个改进的XBAR并联谐振器的导纳的曲线图490，其中改进的XBAR串联谐振器具有与并联谐振器不同的膜厚度。谐振器可以是并联谐振器402并且串联谐振器可以是图4A的谐振器404。曲线图490是作为使用FEM模拟技术模拟的XBAR的频率的函数的导纳幅度的绘图。导纳数据来自具有tm＝650nm的铝的XBAR的三维模拟。

实线绘图491用于具有以下特征的XBAR膜：a)tb＝10nm的Al2O3，tp2＝120nm的板110材料，以及tp1＝465nm的板110材料。虚线绘图492用于具有以下特征的XBAR膜：b)tb＝30nm的Al2O3，tp2＝120nm的板110材料，以及tp1＝450nm的板110材料。层414可以化学或分子地接合到板412，并且板416可以化学或分子地接合到层414。

曲线图490示出了通过将较厚的接合层耦合到复合层412、414和416中的膜，导纳性能具有一些损失。例如，两个谐振器之间相对于它们的RAR存在一些损耗(0.7％)。曲线图490示出了两个膜的相对谐振频率493和相对反谐振频率494之间的RAR是：a)14.7和b)14.0％。这里同样，保持这种强谐振器耦合对于宽带宽滤波器的设计是重要的，同时还要保持高Q谐振，高Q谐振给出了低损耗滤波器响应。此外，添加的接合层不会显著地将新的杂散模式引入该谐振器，这对于设计良好的滤波器很重要。

图5是使用XBAR的高频带通滤波器500的示意性电路图和布局。滤波器500具有常规梯形滤波器架构，包括三个串联谐振器510A、510B、510C和两个并联谐振器520A、520B。三个串联谐振器510A、510B和510C串联连接在第一端口与第二端口之间。在图5中，第一端口和第二端口分别被标记为“输入(In)”和“输出(Out)”。然而，滤波器500是双向的并且任一端口用作滤波器的输入或输出。两个并联谐振器520A、520B从串联谐振器之间的节点连接到地。所有并联谐振器和串联谐振器是单个管芯上的XBAR。

滤波器500的三个串联谐振器510A、510B、510C和两个并联谐振器520A、520B形成在接合到硅基板(不可见)的压电材料的单个板412上。串联谐振器和并联谐振器都具有形成在压电材料的单个板412上的接合层414。三个串联谐振器510A、510B、510C而不是两个并联谐振器520A、520B具有接合到接合层414的压电材料的单个板416。每个谐振器包括相应的IDT(未示出)，其中，至少IDT的指设置在基板中的空腔上方。在该上下文和类似上下文中，术语“相应的”意味着“将事物彼此关联”，也就是说具有一对一的对应关系。在图5中，空腔被示意性地示出为虚线矩形(例如，矩形535)。在该示例中，每个IDT设置在相应的空腔上方。在其他滤波器中，两个或更多个谐振器的IDT可以设置在单个空腔上方。

方法的描述

图6是示出了用于制造XBAR或包含XBAR的滤波器的过程600的简化流程图。过程600以基板和压电材料的板(其可以是板412)开始于605，并且以完成的XBAR或滤波器结束于695。如随后将描述的，压电板可以安装在牺牲基板上或者可以是压电材料的晶片的一部分。图6的流程图仅包括主要过程步骤。可以在图6所示的步骤之前、之间、之后和期间执行各种常规过程步骤(例如，表面准备、化学机械加工(CMP)、清洁、检查、沉积、光刻、烘烤、退火、监测、测试等)。

图6的流程图捕捉了用于制造XBAR的过程600的三种变体，其在何时以及如何在基板中形成空腔方面不同。可以在步骤610A、610B或610C处形成空腔。在过程600的三种变体中的每种变体中仅执行这些步骤之一。

压电板可以是例如Z-切割、旋转Z-切割或旋转Y-切割的铌酸锂、钽酸锂或针对板110所述的材料。压电板可以是一些其他材料和/或一些其他切割。板可以是板412、膜410和/或膜450。基板可以是硅。该基板可以是允许通过蚀刻或其他处理形成深空腔的一些其他材料。硅基板可以具有硅TOX和多晶硅的层。

在过程600的一种变体中，在620处压电板接合到基板之前，在610A处在基板120、320、420中形成一个或多个空腔。可以针对滤波器装置中的每个谐振器形成单独的空腔。可以使用常规光刻和蚀刻技术来形成一个或多个空腔。这些技术可以是各向同性或各向异性的；以及可以使用深反应离子蚀刻(DRIE)。通常，在610A处形成的空腔将不穿透基板或层320、420，并且所得谐振器装置将具有如图3A或图4A所示的截面。

在620处，压电板接合到基板。压电板和基板可以通过晶片接合工艺接合。通常，基板和压电板的配合表面被高度抛光。中间材料(例如，氧化物或金属)的一层或多层可以形成或沉积在压电板和基板之一或两者的配合表面上。一个或两个配合表面可以使用例如等离子工艺来激活。然后可以用相当大的力将配合表面压在一起，以在压电板和基板或中间材料层之间建立分子键。

在620的第一变体中，压电板最初安装在牺牲基板上。在压电板和基板接合之后，牺牲基板和任何中间层被去除以暴露压电板的表面(先前面对牺牲基板的表面)。可以例如通过材料相关的湿法或干法蚀刻或某个其他工艺来去除牺牲基板。

在620的第二变体中，以单晶压电晶片开始。离子被注入到压电晶片表面下方的受控深度(图6中未示出)。晶片的从表面到离子注入深度的部分是(或将成为)薄压电板，并且晶片的其余部分实际上是牺牲基板。在压电晶片的注入表面和装置基板接合之后，压电晶片可以在注入离子的平面处(例如，使用热冲击)进行拆分，留下暴露并接合到基板的压电材料的薄板。薄板压电材料的厚度由注入离子的能量(以及因此深度)确定。离子注入和随后分离薄板的过程通常被称为“离子切片”。可以在拆分压电晶片之后抛光或平坦化薄压电板的暴露表面。

在620处接合到基板的压电板可以是板412。在620处接合该板可以包括用于在图4A和/或图7A至图7C处形成膜410和450的描述。在620处接合到基板的压电板可以在同一管芯上具有两个(或更多个)不同的XBAR压电膜(例如，振膜)厚度而不是通过使用膜上的介电频率设置层来调谐膜。可以选择这些压电层的不同厚度来使所选择的XBAR与其他XBAR相比被调谐到不同的频率。例如，滤波器中的XBAR的谐振频率可以使用不同厚度的这些压电层进行调谐。

在630处，在压电板的表面上形成限定一个或多个XBAR装置的导体图案和介电层。通常，滤波器装置将具有顺序地进行沉积和图案化的两个或更多个导体层。导体层可以包括接合焊盘、金或焊料凸块、或用于在装置和外部电路之间建立连接的其他手段。导体层可以是例如铝、铝合金、铜、铜合金、钼、钨、铍、金或一些其他导电金属。可选地，其他材料的一层或多层可以设置在导体层之下(即，在导体层与压电板之间)和/或在导体层之上。例如，钛、铬或其他金属的薄膜可以用于改进导体层与压电板之间的粘附力。导体层可以包括接合焊盘、金或焊料凸块、或用于在装置和外部电路之间建立连接的其他手段。

在630处，通过在压电板的表面上方沉积导体层并通过图案化的光刻胶进行蚀刻来去除多余的金属，可以形成导体图案。备选地，在630处，可以使用剥离工艺来形成导体图案。光刻胶可以沉积在压电板上方并被图案化以限定导体图案。导体层可以顺序地沉积在压电板的表面上方。然后光刻胶可以被去除，这去除了多余的材料，留下导体图案。在一些情况下，630处的形成发生在620处的接合之前，例如其中在将板接合到基板之前形成IDT。

在630处形成导体图案可以包括用于在图4A和/或图7A至图7C处形成膜410和/或450的描述。

在640处，可以通过在压电板的前侧上沉积介电材料的一层或多层来在IDT或XBAR装置的一个或多个期望的导体图案上方形成一个或多个前侧介电层。可以使用诸如溅射、蒸发或化学气相沉积的常规沉积技术来沉积一个或多个介电层。一个或多个介电层可以沉积在压电板的整个表面上方，包括在导体图案之上。备选地，一种或多种光刻工艺(使用光掩模)可以用于将介电层的沉积限制到压电板的选定区域，例如仅在IDT的交错的指之间。掩模也可以用于允许在压电板的不同部分上沉积不同厚度的介电材料。在一些情况下，640处的沉积包括：在所选择的IDT的前侧表面上方沉积第一厚度的至少一个介电层，但在其他IDT上方不沉积介电或沉积小于第一厚度的第二厚度的至少一个介电层。备选方案是这些介电层仅在IDT的交错的指之间。

一个或多个介电层可以包括例如选择性地形成在并联谐振器的IDT上方以相对于串联谐振器的谐振频率偏移并联谐振器的谐振频率的介电层，如美国专利No.10,491,192中所述。一个或多个介电层可以包括沉积在装置的全部或相当部分上方的封装/钝化层。

不同厚度的这些介电层导致所选择的XBAR与其他XBAR相比被调谐到不同的频率。例如，滤波器中XBAR的谐振频率可以使用一些XBAR上不同的前侧介电层厚度进行调谐。在620处所述的不同厚度的压电板可以用作这些不同厚度介电层的替代或与这些不同厚度介电层结合来调谐XBARS。与tfd＝0的XBAR(即，没有介电层的XBAR)的导纳相比，具有tfd＝30nm的介电层的XBAR的导纳与没有介电层的XBAR相比将谐振频率降低了约145MHz。与没有介电层的XBAR相比，具有tfd＝60nm的介电层的XBAR的导纳将谐振频率降低了约305MHz。与没有介电层的XBAR相比，具有tfd＝90nm的介电层的XBAR的导纳将谐振频率降低了约475MHz。重要的是，各种厚度的介电层的存在对压电耦合影响很小或没有影响。

在过程600的第二变体中，在630处形成所有导体图案和介电层之后，在610B处，在基板的后侧中形成一个或多个空腔。可以针对滤波器装置中的每个谐振器形成单独的空腔。可以使用各向异性或取向相关的干法或湿法蚀刻以开孔穿过基板的后侧至压电板来形成一个或多个空腔。在这种情况下，所得谐振器装置将具有如图1所示的截面。

在过程600的第三变体中，在610C处，通过使用通过压电板中的开口引入的蚀刻剂对形成在基板的前侧中的牺牲层进行蚀刻，可以在基板中形成凹槽形式的一个或多个空腔。可以针对滤波器装置中的每个谐振器形成单独的空腔。可以使用各向同性或与取向无关的干法蚀刻来形成一个或多个空腔，该干法蚀刻穿过压电板中的孔并蚀刻基板的前侧中的凹槽。在610C处形成的一个或多个空腔将不完全穿透基板，并且所得谐振器装置将具有如图3A或图4A所示的截面。对于变体610B和610C，以上关于620至640处的空腔的描述是关于在610B或610C处形成空腔之前的空腔的位置。

在过程600的所有变体中，在660处完成滤波器或XBAR装置。在660处可以发生的动作包括：在装置的全部或部分上方沉积封装/钝化层，例如SiO

在610A处形成空腔可能需要最少的总过程步骤，但具有XBAR振膜将在所有后续过程步骤中得不到支撑的缺点。这可以导致在后续处理期间振膜的损坏或不可接受的变形。

在610B处使用后侧蚀刻形成空腔需要双侧晶片处理中固有的附加处理。从后侧形成空腔也大大使封装XBAR装置复杂化，因为装置的前侧和后侧两者必须通过封装进行密封。

通过在610C处从前侧进行蚀刻来形成空腔不需要双侧晶片处理，并且具有XBAR振膜在所有先前过程步骤期间得到支撑的优点。然而，能够通过压电板中的开口形成空腔的蚀刻工艺将必定是各向同性的。然而，如图3D和图8所示，使用牺牲材料的这种蚀刻工艺允许横向(即，平行于基板表面)以及垂直于基板表面对空腔进行受控蚀刻。

图7A、图7B和图7C(统称为“图7”)是用于制造具有在同一管芯400A上形成的具有不同膜厚度的谐振器402和404的XBAR(如图4A所示)的改进过程700的简化流程图。过程700可以描述在同一管芯上制造两个(或更多个)不同XBAR压电膜(例如，振膜)厚度以调谐膜。流程图中每个动作的右侧是表示每个动作的结束的示意性截面图。过程700以基板420和第一压电材料板411开始于在图7A中的710。第一压电板可以安装在牺牲基板上或者可以是如前所述的压电材料的晶片的一部分。过程700以具有形成在同一管芯上的谐振器402和404的完成XBAR结束于图7C中的785。图7的流程图仅包括主要过程步骤。可以在图7所示的步骤之前、之间、之后和期间执行各种常规过程步骤(例如，表面准备、清洁、检查、沉积、光刻、烘烤、退火、监测、测试等)。

在710处，第一压电板411接合到基板420。710处的接合可以是将压电晶片接合到硅载体晶片。该接合可以表示或者是用于形成在620处所述的压电板的任何过程。第一压电板411和基板420可以是针对如本文所述的任何板和基板所描述的材料并且如针对如本文所述的任何板和基板所述地接合。基板420可在接合之前包括空腔440和444(图7中未示出)或稍后被蚀刻以形成空腔440和444，如图4A所示。这些空腔可以通过在610A、610B或610C处所述的任何过程来形成。

在720处，平坦化第一压电板411以形成具有厚度tp1的压电板412。720处的平坦化可以精确地将压电晶片的厚度减薄到例如465nm或tp1的另一厚度。在720处，可以例如使用化学机械处理(CMP)将第一压电板411的暴露表面抛光或平坦化为从大于如710处所示的厚度tp1的厚度下降到如720处所示的厚度tp1。

在730处，在压电板412的平坦化表面上形成接合层414。730处的形成可以是用薄接合层涂覆压电板界面，该薄接合层为2-5nm厚并且可以充当蚀刻停止层以用于随后蚀刻到压电板层厚度定义。接合层可以是Al2O3或SiO2。在一些情况下，接合层是适合于分子接合到板412材料和板416材料的任何材料。730处的形成可以包括使用原子层沉积(ALD)在板的所有暴露的顶表面上方毯式沉积接合材料以形成接合层。接合层具有厚度tb并且是针对层414描述的材料。

在740处，第二压电板415接合到接合层414。740处的接合可以是使用接合层414将压电晶片接合到层412的顶表面。该接合可以表示或者是用于形成在620处所述的压电板的任何过程。第二压电板415可以是如本文针对任何板所述的材料。板415与接合层414的接合可以如针对接合如本文所述的任何板和接合层所描述的。第二压电板415层可以使用直接接合工艺接合到接合层414。

压电板412和415的晶体切割取向可以不同，以便它们作为双晶片(例如，接合在一起的两个压电板)堆叠比它们具有相同取向时更好地接合、更好地耦合并且执行得更好。可以选择压电板412和415的晶体切割取向的差异，以用于并联谐振器的预定性能或调谐，这需要更厚的压电双晶片板以低于串联谐振器的频率操作。

在750处，平坦化第二压电板415以形成具有厚度tp2的压电板416。750处的平坦化可以精确地将压电晶片的厚度减薄到例如120nm的最终厚度或tp2的另一厚度。在750处，可以例如使用化学机械处理(CMP)将第二压电板415的暴露表面抛光或平坦化为从大于如740处所示的厚度tp2的厚度下降到如740处所示的厚度tp2。

在760处，蚀刻并去除压电板416的一个或多个部分以形成膜450，其中板被蚀刻。760处的蚀刻可以是对具有基板以及层412、414和416的晶片进行图案化以暴露串联谐振器404的位置处的区域；然后，从晶片的顶部选择性地蚀刻板416以从较高频率串联膜450上方去除板416，同时将板416留在较低频率并联膜410上方。760处的蚀刻可以是图案化和蚀刻以：在一个或多个空腔444上方的一个或多个区域处去除厚度tp2的板416以形成膜450；以及在一个或多个空腔440上方的一个或多个区域处留下厚度tp2的板416以形成膜410。在蚀刻期间，层414可以用作蚀刻停止层，该蚀刻停止层防止在高频串联谐振器膜450上方的区域中的层416的蚀刻期间对板412(和层414)的蚀刻损坏。层414可以用作蚀刻停止层，因为它将不受用于蚀刻板416的工艺和化学物质的影响和/或被用于蚀刻板416的工艺和化学物质蚀刻地比板416的材料更慢。该蚀刻可以表示或者是用于去除层416的部分以形成如本文所述的膜450的任何过程。

形成薄的膜450可以包括在将形成谐振器410的区域处在板416上方形成图案化的掩模层。图案化的掩模可以用作蚀刻停止层，因为它将不受用于蚀刻板416的工艺和化学物质的影响和/或被用于蚀刻板416的工艺和化学物质蚀刻地比板416更慢。合适的掩模层可以包括光刻胶材料，例如光敏材料、光敏有机材料(例如，光聚合、光分解或光交联光刻胶)、或氧化物或氮化物硬掩模。

在图案化掩模之后，蚀刻板416的材料，并且在未被掩模保护的地方去除板416的材料，从而形成薄的膜450。可以例如通过各向异性等离子蚀刻、反应离子蚀刻、湿法化学蚀刻和/或其他蚀刻技术来蚀刻板416。层414可以不受用于蚀刻板416的工艺和化学物质的影响或被用于蚀刻板416的工艺和化学物质蚀刻得更慢。在该蚀刻之后，从板416的顶表面去除光刻胶掩模以留下所期望的膜410的图案。如图所示，留在晶片上的包括膜410和膜450。

在770处，在板416和层414的分别形成并联膜410和串联膜450的部分上方形成IDT。770处形成IDT可以从它们各自的IDT和膜产生并联谐振器402和串联谐振器404。在770处的形成期间，层414可以用作蚀刻停止层，该蚀刻停止层防止在从高频串联谐振器的周边145内的区域蚀刻IDT材料期间对板412(和层414)的蚀刻损坏。在770处形成IDT可以包括用于在图6的630处形成IDT的描述。

在770处形成IDT可以包括回蚀处理，该回蚀处理开始于在板416和层414的暴露顶表面上方毯式沉积IDT导体材料。在该沉积之后，可以在将形成IDT的位置或区域处在IDT导体材料上方形成图案化的光刻胶掩模。光刻胶掩模可以毯式沉积在IDT导体材料上方，然后使用光刻来图案化以在图案化之后存在掩模的位置处限定导体图案。图案化的光刻胶掩模可以用作蚀刻停止层，因为它将不受用于蚀刻导体材料的工艺和化学物质的影响(和/或被用于蚀刻导体材料的工艺和化学物质蚀刻得比导体材料更慢)。合适的光刻胶材料可以包括光敏有机材料(例如，光聚合、光分解或光交联光刻胶)。

在图案化掩模之后，例如通过干法刻蚀来刻蚀IDT导体材料，并且在未被光刻胶掩模保护的地方去除IDT导体材料，从而形成IDT导体图形。可以例如通过各向异性等离子蚀刻、反应离子蚀刻、湿法化学蚀刻和其他蚀刻技术来蚀刻导体层。该蚀刻蚀刻或去除谐振器410上方的板416和谐振器450上方的层414上的导体。板416和层414两者可以不受用于蚀刻导体的工艺和化学物质的影响(或被用于蚀刻导体的工艺和化学物质蚀刻得更慢)。在该蚀刻之后，从导体材料的顶表面去除光刻胶掩模以留下用于IDT的所期望的导体材料的图案。其余期望的导体材料包括IDT导体以及指436和438。过程700可以以具有在同一管芯400A上形成的具有不同膜厚度以调谐膜的谐振器402和404的XBAR结束于770。在其他情况下，该过程继续到图6的640，其中形成介电层。

使用接合和蚀刻过程700使同一管芯上的XBAR谐振器能够具有精确形成的不同膜厚度。这避免了：精确地制造所期望的膜厚度的困难；谐振器频率特性对它们的膜厚度的精度的敏感性；以及谐振器特性对它们的膜的声学和压电性质的敏感性。过程700通过提供在管芯上精确地制造多个膜厚度而不显著地降低谐振器特性(例如，谐振频率和反谐振频率以及品质因子(Q)、杂散、耦合、功率处理、频率的温度系数(TCF))或机械或热膜特性的手段来解决这些问题。

结束评论

贯穿本说明书，所示实施例和示例应被视为示例，而不是对所公开或要求保护的设备和过程的限制。尽管本文呈现的许多示例涉及方法动作或系统元素的具体组合，但是应当理解，这些动作和这些元素可以以其他方式组合以实现相同的目标。关于流程图，可以采取附加和更少的步骤，并且所示的步骤可以组合或进一步细化以实现本文所述的方法。仅结合一个实施例讨论的动作、元素和特征不旨在排除在其他实施例中的类似作用。

如本文中所使用的，成对的术语“顶部”和“底部”可以与成对的“前”和“后”互换。如本文所使用的，“多个”意指两个或更多个。如本文所使用的，项目的“集合”可以包括一个或多个这种项目。如本文所使用的，无论是在书面说明书或权利要求中，术语“包含”、“包括”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”等应理解为开放式的，即意味着包括但不仅限于。只有过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”分别是关于权利要求的封闭或半封闭过渡短语。在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等顺序术语来修饰权利要求元素本身并不意味着一个权利要求元素相对于另一权利要求元素的任何优先权、优先级或顺序或者执行方法的动作的时间顺序，但仅用作标签，以将具有特定名称的一个权利要求元素与具有相同名称(但使用顺序术语)的另一元素区分开以区分权利要求元素。如本文所使用的，“和/或”意味着所列项目是备选方案，但备选方案还包括所列项目的任何组合。