用于大功率应用的使用YX切割的铌酸锂的横向激励的薄膜体声波谐振器的制作方法

用于大功率应用的使用yx切割的铌酸锂的横向激励的薄膜体声波谐振器
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3.相关申请的交叉引用
4.本专利要求于2020年5月19日提交，题为“idt sidewall angle to control spurious modes in xbars”的临时专利申请63/026,824的优先权。
技术领域
5.本公开涉及使用声波谐振器的射频滤波器，尤其涉及用于通信设备中的滤波器。


背景技术：

6.射频(rf)滤波器是双端器件，其被配置为通过一些频率，阻止其它频率，其中“通过”意味着以相对低的信号损耗进行传输，而“阻止”意味着阻塞或基本上衰减。滤波器通过的频率范围称为滤波器的“通带”。由这种滤波器阻止的频率范围称为滤波器的“阻带”。典型的rf滤波器具有至少一个通带和至少一个阻带。通带或阻带的具体要求取决于具体应用。例如，“通带”可以定义为一个频率范围，其中滤波器的插入损耗优于诸如1db、2db或3db的定义值。“阻带”可以定义为一个频率范围，其中滤波器的抑制大于定义值，例如20db、30db、40db或更大的值，这取决于具体的应用。
7.rf滤波器用于通过无线链路传输信息的通信系统中。例如，rf滤波器可见于蜂窝基站、移动电话和计算设备、卫星收发器和地面站、物联网(iot)设备、膝上型计算机和平板电脑、定点无线电链路和其它通信系统的rf前端中。rf滤波器也用于雷达和电子和信息战系统。
8.rf滤波器通常需要许多设计方面的权衡，以针对每个特定应用实现诸如插入损耗、拒绝、隔离、功率处理、线性、尺寸和成本之类的性能参数之间的最佳折中。具体的设计和制造方法和增强可以同时使这些要求中的一个或几个受益。
9.无线系统中rf滤波器的性能的增强可对系统性能产生广泛影响。可以通过改进rf滤波器来改进系统性能，例如更大的单元尺寸、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。可在无线系统的各个级别上单独地或组合地实现这些改进点，例如在rf模块、rf收发器、移动或固定子系统或网络级别实现这些改进点。
10.要想获得更宽的通信信道带宽，就势必要用到更高频率的通信频段。当前的lte
tm
(长期演进)规范定义了在3.3ghz到5.9ghz范围之间的频带。目前尚未用到这些频带。对无线通信的建议包括频率高达28ghz的毫米波通信频带。
11.用于当前通信系统的高性能rf滤波器通常结合声波谐振器，声波谐振器包括表面声波(saw)谐振器、体声波baw)谐振器、薄膜体声波谐振器(fbar)和其他类型声波谐振器。但是，这些现有技术不适合在更高的频率下使用，而未来的通信网络则需要用到更高的频率。


技术实现要素：

12.本发明公开了一种声波谐振器器件，包括：一基板，具有一表面；一种具有正面和背面的铌酸锂板，所述背面附接到所述基板的表面，但是所述铌酸锂板形成隔膜的部分未附接到所述基板的表面上，所述隔膜跨越所述基板中的空腔；和一叉指换能器(idt)，在所述铌酸锂板的正面上形成，使得idt的交错的指状物设置在所述隔膜上，其中所述铌酸锂板和idt配置为使得施加到idt的射频信号激发所述隔膜中的主剪切声学模，所述铌酸锂板的欧拉角为[0
°
，β，0
°
]，其中β大于或等于0
°
且小于或等于60
°
，并且所述idt的交错的指状物的厚度大于或等于所述铌酸锂板的厚度的0.8倍并且小于或等于所述铌酸锂板的厚度的2.0倍。
[0013]
其中，β大于或等于26
°
且小于或等于34
°
。
[0014]
其中，β约为30
°
。
[0015]
其中，还包含在所述idt的所述交错的指状物之间形成的介电层。
[0016]
其中，所述介电层的厚度小于或等于所述铌酸锂板的厚度的0.2倍，并且所述idt的交错的指状物的厚度大于或等于所述铌酸锂板的厚度的1.1倍并且小于或等于所述铌酸锂板的厚度的2.0倍。
[0017]
其中，所述介电层的厚度大于所述铌酸锂板的厚度的0.2倍且小于或等于所述铌酸锂板的厚度的0.3倍，以及所述idt的交错的指状物的厚度大于或等于所述铌酸锂板的厚度的1.15倍并且小于或等于所述铌酸锂板的厚度的1.8倍。
[0018]
其中，所述介电层的厚度小于或等于所述铌酸锂板的厚度的0.35倍。
[0019]
其中，所述主声学模的声能流的方向基本上与所述隔膜的正面和背面正交。
[0020]
本发明还公开了一种滤波器器件，包括：一基板，具有一表面；一种具有正面和背面的铌酸锂板，所述背面附接到所述基板的表面，但是所述铌酸锂板形成一个或多个隔膜的部分跨越所述基板中的相应空腔；和一导体图案，在所述正面上形成，所述导体图案包括相应的多个声波谐振器的多个叉指换能器(idt)，设置在所述一个或多个隔膜的相应隔膜上的所述多个idt中的每个idt的交错的指状物，其中所述铌酸锂板和所有idt配置为使得施加到idt的相应射频信号激发相应隔膜中的相应主剪切声学模，所述铌酸锂板的欧拉角为[0
°
，β，0
°
]，其中β大于或等于0
°
且小于或等于60
°
，并且所有所述idt的交错的指状物具有一共同厚度，其大于或等于所述铌酸锂板的厚度的0.8倍并且小于或等于所述铌酸锂板的厚度的2.0倍。
[0021]
其中，β大于或等于26
°
且小于或等于34
°
。
[0022]
其中，β约为30
°
。
[0023]
其中，还包含在所述多个idt的子集的所述交错的指状物之间形成的频率设定介电层。
[0024]
其中，所述频率设定介电层的厚度小于或等于所述铌酸锂板的厚度的0.2倍，并且
所述idt的交错的指状物的公同厚度大于或等于所述铌酸锂板的厚度的1.1倍并且小于或等于所述铌酸锂板的厚度的2.0倍。
[0025]
其中，所述频率设定介电层的厚度大于所述铌酸锂板的厚度的0.2倍且小于或等于所述铌酸锂板的厚度的0.3倍，以及所述idt的交错的指状物的共同厚度大于或等于所述铌酸锂板的厚度的1.15倍并且小于或等于所述铌酸锂板的厚度的1.8倍。
[0026]
其中，所述频率设定介电层的厚度小于或等于所述铌酸锂板的厚度的0.35倍。
[0027]
其中，所述多个声波谐振器包括连接在梯形滤波器电路中的一个或多个并联谐振器和一个或多个串联谐振器，以及所述多个idt的子集是一个或多个并联谐振器。
[0028]
其中，所有主声学模的声能流的各自方向基本上与所述隔膜的正面和背面正交。
[0029]
其中，所述多个idt中的每个idt的交错的指状物布置在跨越相应空腔的相应隔膜上。
[0030]
本发明又公开了一种制造声谐振器器件的方法，包括：将铌酸锂板的背面结合到基板上，使得所述铌酸锂板的一部分形成跨过所述基板中的空腔的隔膜；和在所述铌酸锂板的正面上形成叉指换能器(idt)，以使idt的交错的指状物设置在所述隔膜上，其中，所述铌酸锂板和idt配置谓使得施加到idt的射频信号激发所述隔膜中的主剪切声学模，所述铌酸锂板的欧拉角为[0
°
，β，0
°
]，其中β大于或等于0
°
且小于60
°
，并且idt的交错的指状物的厚度大于或等于所述铌酸锂板的厚度的0.8倍并且小于或等于所述铌酸锂板的厚度的2.0倍。
[0031]
其中，β大于或等于26
°
且小于或等于34
°
。
[0032]
其中，β约为30
°
。
附图说明
[0033]
图1是横向激励的膜体声波谐振器(xbar)的示意性平面图和两个示意性横截面图。
[0034]
图2是图1的xbar的局部放大示意性横截面图。
[0035]
图3是图1的xbar的替代性示意性横截面图。
[0036]
图4是示出了xbar中的剪切主声学模的图。
[0037]
图5是使用xbar的滤波器的示意性框图。
[0038]
图6是示出频率设定介电层的两个xbar的示意性横截面图。
[0039]
图7是欧拉角[0
°
,β,0
°
]为β的函数的铌酸锂板的e14和e15的压电系数的图。
[0040]
图8是比较在旋转的y
‑
x铌酸锂和z切割的铌酸锂上形成的xbar的导纳的图。
[0041]
图9是表示使用旋转的y
‑
x切割的铌酸锂的xbar的铝idt厚度和idt间距的优选组合的图，其中不具有正面介电层。
[0042]
图10是表示使用旋转的y
‑
x切割的铌酸锂的xbar的铝idt厚度和idt间距的优选组合的图，其中具有正面介电层，正面介电层的厚度是压电隔膜的厚度的0.2倍。
[0043]
图11是表示使用旋转的y
‑
x切割的铌酸锂的xbar的铝idt厚度和idt间距的优选组合的图，其中具有正面介电层，正面介电层的厚度是压电隔膜的厚度的0.3倍。
[0044]
图12是表示使用旋转的y
‑
x切割的铌酸锂的xbar的铝idt厚度和idt间距的优选组合的图，其中具有正面介电层，正面介电层的厚度是压电隔膜的厚度的0.35倍。
[0045]
图13是使用旋转的y
‑
x切割的铌酸锂制造声波谐振器或滤波器的工艺的流程图。
[0046]
在整个说明书中，附图中出现的元件分配有三位数或四位数的附图标记，其中两个最低有效位特定于该元件，而一个或两个最高有效位是首先示出元件的图号。可以假定未结合附图描述的元件具有与具有相同附图标记的先前描述的元件相同的特性和功能。
具体实施方式
[0047]
器件的描述
[0048]
图1示出了横向激励的薄膜体声波谐振器(xbar)100的简化的示意性俯视图和正交横截面图。诸如谐振器100的xbar谐振器可用于各种rf滤波器，rf滤波器包括带阻滤波器、带通滤波器、双工器和多路复用器。xbar特别适用于频率高于3ghz的通信频段的滤波器中。
[0049]
xbar 100由在压电板110的表面上形成的薄膜导体图案组成，所述压电板具有正面112和背面114。正面和背面基本平行。“基本平行”是指在正常制造公差范围内尽可能平行。压电板110是压电材料的单晶层，压电材料例如铌酸锂、钽酸锂、硅酸镧镓、氮化镓或氮化铝。切割压电板110，使得x、y和z晶轴的方向相对于正面和背面是已知的并且是一致的。在该专利提出的示例中，压电板110是z切割的，也就是说z轴垂直于正面112和背面114。但是，可以在具有其他晶体学取向的压电板上制造xbar，其他晶体学取向包括旋转的z切割和旋转的yx切割。
[0050]
压电板110的背面114附接到基板120的表面122上，除了一部分的压电板110未附接到基板120的表面122，其中这部分的压电板110形成了隔膜115，隔膜115跨越基板120中形成的空腔140。压电板110的跨越空腔的部分在本文中称为“隔膜”，这是因为这部分在物理上与麦克风的隔膜相似。如图1所示，隔膜115在空腔140的整个周边145周围与压电板110的其余部分邻接。在这种情况下，“邻接”是指“连续连接，中间没有任何其他物品”。
[0051]
基板120为压电板110提供机械支撑。基板120可以是，例如硅、蓝宝石、石英，或一些其它材料，或这些材料的组合。可以使用晶圆键合工艺将压电板110的背面114附接到基板120的表面122。或者，压电板110可以在基板120上生长，或者以某种其他方式将压电板110附接到基板。压电板110可以直接附接到基板，或者可以经由一个或多个中间材料层附接到基板120。
[0052]
空腔140是xbar 100固体内的空白空间。空腔140可以是完全穿过基板120的孔(如a
‑
a和b
‑
b截面所示)，也可以是基板120上的凹槽(如随后图3中所示)。例如，可以在将压电板110附接到基板120之前或之后，通过对基板120进行选择性蚀刻来形成空腔140。
[0053]
xbar 100的导体图案包括叉指换能器(idt)130。idt是用于在压电器件中在电能和声能之间进行转换的电极结构。idt 130包括从第一母线132延伸的第一多个平行的细长导体，通常称为“指状物”，例如指状物136。idt130包括从第二母线134延伸的第二多个指状物。第一和第二多个平行指状物交错。交错的指状物重叠一段距离ap，其通常称为idt的“孔径”。idt 130的最外处的指状物之间的中心到中心距离l是idt的“长度”。
[0054]
术语“母线”是指将idt中的第一和第二组指状物互连的导体。如图1所示，每个母线132、134是细长的矩形导体，其长轴与交错的指状物正交，并且其长度约等于idt的长度l。idt的母线不必为矩形或与交错的指状物正交，并且idt的母线的长度可以比idt的长度
长。
[0055]
第一和第二母线132、134用作xbar 100的端子。在idt 130的两个母线132、134之间施加的射频或微波信号激发压电板110内的主声学模。如接下来详细讨论的那样，主声学模是体剪切模，其中声能在基本垂直于压电板110表面的方向上传播，该方向也与idt指状物所产生的电场方向垂直或横向。因此，xbar被认为是横向激励的薄膜体波谐振器。
[0056]
idt 130放置在压电板110上，使得至少idt 130的指状物设置在压电板的隔膜115上，该隔膜115跨过或悬挂在空腔140上。如图1所示，空腔140呈矩形，该矩形的大小为大于孔径ap和idt 130的长度l。xbar的空腔可以具有不同的形状，例如规则或不规则的多边形。xbar的空腔可以具有多于或少于四个侧面，这些侧面可以是直的或弯曲的。
[0057]
为了便于在图1中示出，相对于xbar的长度(尺寸l)和孔径(尺寸ap)，idt指状物的几何间距和宽度被大大放大。用于5g设备的xbar在idt 110中将具有十个以上平行指状物。xbar在idt 110中可能具有数百个，甚至数千个平行指状物。类似地，横截面图中的指状物的厚度在该图中被大大夸大。
[0058]
图2示出了xbar 100的详细示意性截面图。压电板110是厚度为ts的压电材料的单晶层。ts可以是例如100nm至1500nm。当用于从3.4ghz到6ghz的lte
tm
频带(例如，频带42、43、46)的滤波器中时，厚度ts可以是例如200nm至1000nm。
[0059]
可以在压电板110的正面形成正面介电层214。xbar的“正面”是背离基板的那一面。正面介电层214具有厚度tfd。正面介电层214在idt指状物238之间形成。虽然图2中未示出，但是正面介电层214也可以沉积在idt指状物238上。背面介电层216可以在压电板110的背面形成。背面介电层216具有厚度tbd。正面和背面介电层214、216可以是非压电介电材料，例如二氧化硅或氮化硅。tfd和tbd可以是例如0至500nm。tfd和tbd通常小于压电板的厚度ts。tfd和tbd不必相等，并且正面介电层214和背面介电层216不必是相同的材料。正面介电层214和/或背面介电层216可以由两种或更多种材料组成的多层形成。
[0060]
idt指状物238可以是铝、基本铝合金、铜、基本铜合金、铍、金、钼或某种其他导电材料的一层或多层。可以在指状物的下方和/或上方形成诸如铬或钛的其他金属薄(这里的薄是相对于导体的总厚度而言)层，以改善指状物与压电板110之间的粘附力和/或钝化或封装指状物。idt的母线(图1中的132、134)可以由与指状物相同或不同的材料制成。如图2所示，idt指状物238具有矩形横截面。idt指状物可以具有一些其他横截面形状，例如梯形。
[0061]
尺寸p是idt指状物的中心到中心的间隔或“节距”，可以称为idt的间距和/或xbar的间距。尺寸w是idt指状物的宽度或“标记”。xbar的idt与表面声波(saw)谐振器中使用的idt基本不同。在saw谐振器中，idt的间距是谐振频率下声波波长的一半。另外，saw谐振器idt的标记节距比通常接近0.5(即，标记或指状物的宽度约为谐振时声波波长的四分之一)。在xbar中，idt的间距p通常为指状物宽度w的2至20倍。另外，idt的间距p通常是压电板212的厚度ts的2至20倍。xbar中的idt指状物的宽度不被限制为谐振时的声波波长的四分之一。例如，xbar idt指状物的宽度可以为500nm或更大，从而可以容易的使用光刻技术制造idt。idt指状物的厚度tm可以从100nm到约等于宽度w。idt的母线(图1中的132、134)的厚度可以等于或大于idt指状物的厚度tm。
[0062]
图3是沿着图1中限定的截面a
‑
a的替代横截面图。在图3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的隔膜315。空腔340没有完全穿透基板
320。idt的指状物设置在隔膜315上。例如，可以通过在附接压电板310之前蚀刻基板320来形成空腔340。或者，可以通过用选择性蚀刻剂蚀刻基板320来形成所述空腔340，该选择性蚀刻剂通过压电板310中设置的一个或多个开口(未示出)抵达基板。在这种情况下，隔膜315可绕空腔340的周边345的较大部分与压电板310的其余部分邻接。例如，隔膜315可绕空腔340的周边345的至少50％与压电板310的其余部分邻接。
[0063]
图4是xbar中感兴趣的主声学模的图形说明。图4示出了xbar 400的一小部分，其包括压电板410和三个交错的idt指状物430。射频(rf)电压施加到交错的指状物430上。这种电压在指状物之间产生时变电场。如标有“电场”的箭头所示，电场的方向主要是横向的，或与压电板410的表面平行。由于压电板的介电常数明显高于周围空气，因此与空气相比，电场高度集中在板中。横向电场在压电板410中引入剪切变形，从而强烈激发剪切模式声学模。剪切变形指的是材料中平行平面保持平行并保持恒定距离且相对于彼此平移的这样一种变形。“剪切声学模”为导致介质的剪切变形的介质中的声学振动模。xbar400中的剪切变形由曲线460表示，相邻的小箭头示意性指出了原子运动的方向和大小。为了清晰可见，原子运动的程度以及压电板410的厚度被大大放大了。虽然原子运动主要是横向的(即，如图4所示为水平)，但激励的主剪切声学模的声能流方向基本上与压电板的表面垂直，如箭头465所示。
[0064]
基于剪切声波谐振的声波谐振器可以实现的性能可以比当前最新的薄膜体声波谐振器(fbar)和固态装配型谐振器体声波(smrbaw)器件的性能好，在固态装配型谐振器体声波(smrbaw)器件中，沿厚度方向施加电场。在这样的器件中，声模在原子运动和声能沿厚度方向流动的方向上是压缩的。此外，与其他声波谐振器相比，用于剪切波xbar谐振的压电耦合可以更高(>20％)。高压电耦合使得可以设计出带可观带宽的微波和毫米波滤波器，并可以将其实现。
[0065]
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具有常规的梯形滤波器架构，其包括三个串联谐振器510a、510b、510c和两个并联谐振器520a、520b。这三个串联谐振器510a、510b和510c串联连接在第一端口和第二端口之间(因此，得到术语“串联谐振器”)。在图5中，第一和第二端口分别标记为“in”和“out”。然而，滤波器500是双向的，并且任一端口都可以用作滤波器的输入或输出。两个并联谐振器520a、520b从串联谐振器之间的节点接地。滤波器可以包含附加的电抗组件，例如电感器(未在图5中示出)。所有并联谐振器和串联谐振器均为xbar。包括三个串联谐振器和两个并联谐振器只是一种示例。滤波器可以具有多于或少于五个的总谐振器，多于或少于三个的串联谐振器，以及多于或少于两个的并联谐振器。通常，所有串联谐振器都串联连接在滤波器的输入和输出之间。通常，所有并联谐振器都连接在地与输入，输出或两个串联谐振器之间的节点之间。
[0066]
在示例性滤波器500中，滤波器500的三个串联谐振器510a、b、c和两个并联谐振器520a、b在结合到硅基板(不可见)的压电材料的单个板530上形成。每个谐振器包括各自的idt(未示出)，其中至少idt的指状物设置在基板中的空腔上方。在此以及类似的上下文中，术语“各自的”是指“将事物一对一进行关联”，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布置在各自的空腔上方。在其他滤波器中，两个或多个谐振器的idt可以设置在单个空腔上。
[0067]
滤波器500中的每个谐振器510a、510b、510c、520a、520b在谐振器的导纳非常高的情况下具有谐振，而在谐振器的导纳非常低的情况下具有反谐振。谐振和反谐振分别发生在谐振频率和反谐振频率下，对于滤波器500中的各个谐振器而言，谐振频率和反谐振频率可以相同或不同。在过度简化的术语中，每个谐振器在其谐振频率下可认为是短路，而在其反谐振频率下可认为是开路。输入输出传递函数在并联谐振器的谐振频率和串联谐振器的反谐振频率处将接近零。在典型的滤波器中，并联谐振器的谐振频率位于滤波器通带的下边缘下方，而串联谐振器的反谐振频率位于通带的上边缘上方。
[0068]
图6是滤波器600的并联谐振器和串联谐振器的示意性横截面图，该滤波器600使用介电频率设定层来分离并联谐振器和串联谐振器的谐振频率。压电板610附接到基板620上。压电板610的部分形成跨过基板620中的空腔640的隔膜。在隔膜上形成交错的idt指状物，例如指状物630。在并联谐振器的idt上方形成厚度为t1的第一介电层650。第一介电层650被认为是“频率设定层”，其是施加到滤波器中的谐振器的第一子集的介电层，以相对于谐振器的谐振频率来抵消谐振器的第一子集的谐振频率，其中谐振器的谐振频率不接收介电频率设定层。介电频率设定层通常为sio2，但也可以为氮化硅、氧化铝或其他某种介电材料。介电频率设定层可以是两种或更多种介电材料组成的层压材料或复合材料。
[0069]
厚度为t2的第二介电层655可以沉积在并联谐振器和串联谐振器上。第二介电层655用于密封和钝化滤波器600的表面。第二介电层可以是与第一介电层相同的材料或不同的材料。第二介电层可以是两种或更多种不同介电材料组成的层压材料或复合材料。此外，如随后所述，可以局部地调整第二介电层的厚度以微调滤波器600的频率。因此，第二介电层可以被称为“钝化和调谐层”。
[0070]
xbar的谐振频率大致与包括压电板610和介电层650、655的隔膜的总厚度的倒数成正比。并联谐振器的隔膜比串联谐振器的隔膜厚介电频率设定层650的厚度t1。因此，串联谐振器将具有比并联谐振器低的谐振频率。串联谐振器和并联谐振器之间的谐振频率之差由厚度t1决定。
[0071]
该专利涉及具有欧拉角[0
°
，β，0
°
]的铌酸锂板上的xbar器件。由于历史原因，该板配置通常称为“y切割”，其中“切割角”是y轴与板法线之间的角度。“切割角”等于β 90
°
。例如，具有欧拉角[0
°
，30
°
，0
°
]的板通常称为“120
°
旋转的y切割”。
[0072]
图7是具有欧拉角[0
°
，β，0
°
]的铌酸锂板的两个压电应力系数e15和e16的图700。实线710是压电应力系数e 15的图，压电应力系数e 15将沿x轴的电场与围绕y轴的剪切应力或转矩相关联，作为β的函数。该剪切应力激发图4所示的剪切主声学模。虚线720是压电应力系数e 16的图，压电应力系数e 16将沿x轴的电场与围绕z轴的剪切应力或转矩相关联，作为β的函数。该剪切应力激发具有垂直于图4的平面的原子位移的水平剪切模式(例如sh0板模式)，这是xbar中不希望的寄生模式。请注意，这两条曲线是相同的，并且偏移了90
°
。
[0073]
图7示出了在欧拉角β约为30
°
的情况下，第一压电应力系数最高。在0
°
＜β＜60
°
的情况下，第一压电应力系数高于约3.8(对于未旋转的z
‑
切割的铌酸锂，最高压电应力系数)。在欧拉角β约为30
°
的情况下，第二压电应力系数为零，其中第一压电应力系数最大。在这种情况下，“约30
°”
是指“在30
°
的合理制造公差范围内”。在26
°
＜β＜34
°
的情况下，第二压电应力系数比第一压电应力系数小大约10％。
[0074]
图8是示出了使用有限元方法(fem)仿真技术仿真的两个xbar器件的导纳的归一化幅度(对数标度)随频率变化的图800。虚线820是x切割的铌酸锂板上的xbar的导纳的图。在这种情况下，z晶轴正交于板的表面，沿y晶轴施加电场，压电板的欧拉角为0，0，90
°
。实线810是在120
°
y切割的铌酸锂板上xbar的导纳的图。在这种情况下，沿着x晶轴施加电场，该x晶轴位于铌酸锂板的表面的平面中。yz平面垂直于板的表面。z晶轴相对于正交于板的表面倾斜30
°
，并且压电板的欧拉角为0
°
，30
°
，0
°
。在这两种情况下，板厚均为400nm，idt指状物为100nm厚的铝。支撑压电板的基板是硅，在idt指状物下方形成了一个空腔。
[0075]
在旋转的y切割板(实线810)上的谐振器的反谐振和谐振频率之间的差(实线810)比在z切割板(虚线820)上的谐振器的反谐振和谐振频率之间的差大大约200mhz。xbar在旋转的y切割板上的机电耦合约为0.32；xbar在z切割板上的机电耦合约为0.24。
[0076]
美国专利10,637,438描述了用于高功率应用的xbar谐振器。美国专利10,637,438还描述了使用品质因数(fom)来定义设计空间(即idt导体厚度，间距和宽度的组合)，该设计空间为xbar提供了可接受的性能以用于滤波器。通过在定义的频率范围内整合杂散模式的负面影响来计算fom。对于idt导体厚度和间距的每种组合，均针对idt指状物宽度范围计算fom。在idt指状物宽度范围内的最小fom值被认为是该导体厚度/间距组合的最小fom。fom的定义和频率范围取决于特定滤波器的要求。频率范围通常包括滤波器的通带，并且可以包括一个或多个阻带。在每个假设谐振器的谐振和反谐振频率之间出现的杂散模式在fom中的权重可能比在低于谐振或高于反谐振频率的杂散模式的权重大。具有低于阈值的最小fom的假设谐振器被认为可能是“可用的”，也就是说，可能具有足够低的杂散模式以用于滤波器。具有高于阈值的最小化成本函数的假设谐振器被认为是不可用的。
[0077]
图9是示出可以提供可用的谐振器的idt间距p和idt指状物厚度tm的组合的图表900。将idt间距和idt指状物厚度两者均归一化为压电板的厚度ts。该图表基于对带有铌酸锂隔膜、铝导体且无介电层的xbar进行二维模拟。非阴影区域910、920、930中具有idt间距和厚度的xbar可能具有足够低的杂散效应以用于滤波器。非阴影区域940、950、960中具有idt间距和厚度的xbar可能具有足够低的杂散效应以用于滤波器，但是idt金属厚度太低以至于，无法用于高功率应用。中间阴影区域内具有idt间距和厚度的xbar为了用于目标滤波器中而具有不可接受的高杂散模式。在没有介电层的情况下，存在idt指状物厚度的可用谐振器，其中idt指状物的厚度大于或等于压电板厚度的0.8倍，并且小于或等于压电板厚度的2.0倍。
[0078]
图10是示出了idt间距和idt指状物厚度的组合的图表1000，其可以为有用的谐振器提供正面介电层，该正面介电层的厚度tfd等于压电板厚度ts的0.2倍。正面介电层可以是频率设定介电层，该频率设定介电层沉积在滤波器电路中的谐振器的子集的idt指状物之间，此处的谐振器例如为图5的滤波器电路中的并联谐振器520a，520b。在图表1000中，将idt间距和idt指状物厚度都归一化为压电板的厚度。该图表基于带有铌酸锂隔膜、铝导体和sio2正面介电层的xbar的二维模拟。非阴影区域1010、1020和1030中具有idt间距和厚度的xbar可能具有足够低的杂散效应以用于滤波器。非阴影区域1040环绕1050中具有idt间距和厚度的xbar可能具有足够低的杂散效应以用于滤波器，但是idt金属厚度太低以至于，无法用于高功率应用。中间阴影区域内具有idt间距和厚度的xbar为了用于目标滤波器中而具有不可接受的高杂散模式。在有正面介电层的情况下(正面介电层的厚度为压电板厚
度的0.2倍)，存在可用于idt指状物厚度的可用谐振器，该指状物厚度大于或等于压电板厚度的1.1倍且小于或等于压电板厚度的2.0倍。在正面介电层厚度小于或等于压电板厚度的0.2倍情况下，存在idt指状物厚度范围内可用的谐振器。
[0079]
图11是示出了可以为可用的谐振器提供正面介电层的idt间距和idt指状物的组合，其中正面介电层可为频率设定介电层，该正面介电层的厚度为压电板厚度的0.3倍。idt间距和idt指状物厚度均归一化为压电板的厚度。该图表基于带有铌酸锂隔膜、铝导体和sio2正面介电层的xbar的二维模拟。非阴影区域1110、1120、1130中具有idt间距和厚度的xbar可能具有足够低的杂散效应以用于滤波器中。中间阴影区域中具有idt间距和厚度的xbar具有不可接受的高杂散模式以用于目标滤波器。不存在带有细idt导体的可用xbar。在具有厚度等于压电板厚度的0.3倍的正面介电层的情况下，存在可用于idt指状物厚度的谐振器，其中该idt指状物厚度大于或等于压电板厚度的1.15倍，且小于或等于压电板厚度的1.8倍。在正面介电层厚度在于压电板厚度的02倍且小于或等于压电板厚度的0.3倍的idt指状物厚度的范围内，不存在可用的谐振器。
[0080]
图12是示出了idt间距和idt指状物厚度的组合的图表1200，其可以为有用的谐振器提供正面介电层，该正面介电层的厚度等于压电板厚度的0.35倍。idt间距和idt指状物厚度均归一化为压电板的厚度。该图表基于带有铌酸锂隔膜、铝导体和sio2正面介电层的xbar的二维模拟。小的非阴影区域1210内具有idt间距和厚度的xbar将具有可接受的低杂散模式以用于滤波器。在周围阴影区域内具有idt间距和厚度的xbar将具有不可接受的高杂散模式以用于目标滤波器。不存在带有细idt导体的可用xbar。压电板厚度的0.35倍是正面介电层厚度的上限。对于材料上较厚的介电层，不存在有用的xbar。
[0081]
方法说明
[0082]
图13是示出了用于制造xbar或结合有xbar的滤波器的工艺1300的简化流程图。工艺1300开始于1305，具有基板和压电材料板，并且结束于1395，完成xbar或滤波器。图13的流程图仅包括主要处理步骤。可以在图13所示的步骤之前，之间，之后以及过程中执行各种常规工艺步骤(例如，表面准备、清洁、检查、烘烤、退火、监测、测试等)。
[0083]
图13的流程图捕获了用于制造xbar的工艺1300的三个变型，这三个变型的不同之处在于何时以及如何在基板中形成空腔。可以在步骤1310a、1310b或1310c处形成空腔。在工艺1300的三个变型中的每个变型中，仅执行这些步骤中的其中一个步骤。
[0084]
压电板可以是例如旋转的y切割的铌酸锂。压电板的欧拉角为[0
°
，β，0
°
]，其中β在0
°
至60
°
的范围内。优选地，β可以在从26
°
到34
°
的范围内，以最小化耦合到剪切水平声模。β可以是大约30
°
基板可以优选地是硅。基板可以是允许通过蚀刻或其他处理形成深的空腔的其他材料。
[0085]
在工艺1300的一个变型中，在1320a处在基板中形成一个或多个空腔，然后在1320处将压电板粘结到基板上。可以为滤波器器件中的每个谐振器形成一个单独的空腔。可以使用常规的光刻和蚀刻技术来形成一个或多个空腔。通常，在1310a处形成的空腔将不会穿透基板。
[0086]
在1320处，将压电板结合到基板。可以通过晶片结合工艺来结合压电板和基板。通常，基板和压电板的配合表面被高度抛光。一层或多层中间材料，例如氧化物或金属，可以形成或沉积在压电板和基板之一或两者的配合表面上。可以使用例如等离子体工艺来激活
一个或两个配合表面。然后可以用相当大的力将配合表面压在一起，以在压电板和基板或中间材料层之间建立分子键。
[0087]
在1330处通过以下方式形成包括每个xbar的idt的导体图案：将一个或多个导体层沉积在压电板的正面上并图案化这一个或多个导体层。导体图案可以是例如铝、铝合金、铜、铜合金或某些其他导电金属。可选地，可以在下面(即，在导体层和压电板之间)和/或导体层的顶部上布置一层或多层其他材料。例如，可以使用钛、铬或其他金属的薄膜来改善导体层与压电板之间的粘附力。可以在导体图案的部分上(例如，idt总线和idt之间的互连)形成金、铝、铜或其他更高电导率的金属的导电增强层。
[0088]
可在1330处通过在压电板的表面上依次沉积导电层以及可选的一个或多个其他金属层来形成导体图案。然后可以通过蚀刻穿过图案化的光致抗蚀剂来去除多余的金属。可以例如通过等离子体蚀刻、反应离子蚀刻、湿化学蚀刻和其他蚀刻技术来蚀刻导体层。
[0089]
或者，可以在1330处使用剥离工艺形成导体图案。光致抗蚀剂可以沉积在压电板上，并进行图案化以定义导体图案。可以在压电板的表面上依次沉积导体层以及可选的一个或多个其他层。然后可以去除光致抗蚀剂，这去除了多余的材料，留下了导体图案。
[0090]
在1340处，可以通过在压电板的正面上沉积一层或多层介电材料来形成正面介电层。可以使用常规沉积技术来沉积一层或多层介电层，常规沉积技术例如溅射、蒸发或化学气相沉积。可以在压电板的整个表面上，包括在导体图案的顶部上，沉积一个或多个介电层。或者，可以使用一种或多种光刻工艺(使用光掩模)将介电层限制沉积在压电板的选定区域上，例如仅idt的交错的指状物之间。掩模也可以用于允许不同厚度的介电层沉积在压电板的不同部分上。
[0091]
在方法1300的第二变型中，在1310b处在基板的背面中形成一个或多个空腔。可以为滤波器器件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来形成一个或多个空腔，以从基板的背面一直开孔至压电板。在这种情况下，所得的谐振器器件将具有如图1所示的横截面。
[0092]
在工艺1300的第二变型中，可以在1350处形成背面介电层。在其中在1310b处形成空腔作为穿过基板的孔的情况下，可以通过使用常规的沉积技术(例如溅射、蒸发或化学气相沉积)通过空腔来沉积背面介电层。
[0093]
在方法1300的第三变型中，可以通过使用通过压电板中的开口引入的蚀刻剂蚀刻基板来在1310c形成基板中的凹槽形式的一个或多个空腔。可以为滤波器器件中的每个谐振器形成单独的空腔。
[0094]
在工艺1300的所有变型中，在1360处完成滤波器器件。在1360处可能发生的动作包括在整个或部分器件上沉积诸如sio2或si3o4的封装/钝化层；形成焊盘或焊料凸块或其他用于在器件和外部电路之间建立连接的装置；从包含多个器件的晶片中切出单个器件；其他包装步骤；和测试。在1360处可能发生的另一种动作是通过将金属或介电材料添加到器件的正面或去除器件正面的金属或介电材料来调整器件内的谐振器的谐振频率。在完成滤波器器件之后，该工艺在1395处终止。
[0095]
结束语
[0096]
在整个说明书中，所示的实施例和示例应被认为是示例，而不是对所公开或要求的设备和过程的限制。尽管本文提供的许多示例涉及方法动作或系统元素的特定组合，但
应当理解，可以以其他方式组合那些动作和那些元素以实现相同的目标。关于流程图，可以采取额外的步骤和更少的步骤，并且可以组合或进一步细化所示的步骤以实现本文所述的方法。仅结合一个实施例讨论的动作、要素和特征不旨在排除其在其他实施例中的相似作用。
[0097]
如本文所用，“多个”是指两个或更多个。如本文所用，“一组”项目可以包括一个或多个这样的项目。如本文所用，无论在书面具体实施方式中还是在权利要求中，术语“包括”，“包含”，“携带”，“具有”，“含有”，“涉及”等应被理解为开放式的，即，指的是包括但不限于。相对于权利要求，仅过渡短语“由
…
组成”和“基本上由
…
组成”是封闭式或半封闭式的过渡短语。权利要求中用到的序数词，例如“第一”、“第二”、“第三”等是用来修饰权利要求元素，这本身不表示一个权利要求元素相较于另一个权利要求元素的优先权，或顺序，或执行方法动作的先后顺序，而只是用于区分具有相同名称的一个权利要求元素与另一个具有相同名称的元素(但是有用到序数词)，从而区分权利要求元素。如本文所用，“和/或”是指所列项目是替代方案，但是替代方案也包括所列项目的任何组合。