CN1868121B - 具有可控制通带宽的解耦层叠体声谐振器带通滤波器 - Google Patents

具有可控制通带宽的解耦层叠体声谐振器带通滤波器 Download PDF

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Abstract

一种带通滤波器(100)具有下薄膜体声谐振器FBAR(110)、层叠在下FBAR上的上FBAR(120)以及在FBAR之间的、包括一个声解耦材料层(131)的声解耦器(130)。每个FBAR具有相对的平面电极(112，114)和在电极之间的压电元件(116)。声解耦器控制FBAR之间的声能耦合。具体地，声解耦器在FBAR之间耦合比FBAR之间的直接接触耦合更少的声能。减少的声耦合赋予带通滤波器令人满意的带内和带外性能。

Description

具有可控制通带宽的解耦层叠体声谐振器带通滤波器
背景技术
在许多不同类型的用电设备和工业电子产品中使用电气带通滤波器来选择或抑制在一定频率范围内的电信号。近些年来，这种产品的物理尺寸倾向于显著降低，同时产品的电路复杂性倾向于增加。因此，存在对高度小型化、高性能的带通滤波器的需要。在移动电话中存在对这种带通滤波器的特殊需要，其中天线通过包括两个带通滤波器的双工器而与发射器的输出端和接收器的输入端连接。
现代移动电话含有一双工器，在双工器中每个带通滤波器包括梯形电路，其中梯形电路的每个元件是薄膜体声谐振器(FBAR)。这种双工器由Bradley等人在题为Duplexer Incorporating Thin-filmBulk Acoustic Resonators(FBAR)的美国专利No.6262637中公开了，该专利被转让给了本公开的受让人。这种双工器由在发射器的输出端与天线之间串联连接的发射器带通滤波器和在天线与接收器的输入端之间具有90°移相器串联连接的接收器带通滤波器构成。发射器带通滤波器和接收器带通滤波器的通带的中心频率彼此偏移。
图1示出了适合用作双工器的发射器带通滤波器的FBAR基带通滤波器10的代表性实施方式。发射器带通滤波器由连接在梯形电路中的串联FBAR 12和并联FBAR 14构成。FBAR 12具有比并联FBAR 14高的谐振频率。
Ruby等人在发明名称为Tunable Thin Film AcousticResonators and Method of Making Same的美国专利No.5587620中公开了FBAR，该专利现在转让给了本公开的受让人。图2示出了FBAR的代表性实施方式20。FBAR 20由一对电极24和26以及夹在电极之间的一层压电材料22构成。压电材料和电极悬浮于在基底30中形成的空腔28的上方。这种悬浮FBAR的方式使得FBAR能够响应于在电极之间施加的电信号而机械谐振。能够使FBAR机械谐振的其它悬浮方案也是可行的。
在上面提及的美国专利No.5587620中还公开了一种层叠薄膜体声谐振器(SBAR)。图3示出了在美国专利No.5587620中公开的SBAR的代表性实施方式40。SBAR40由和三个电极24、26、44交错的两层压电材料22、42构成。在电极44和26之间施加输入电信号并且在电极24和26之间提供输出电信号。中心电极26对于输入和输出是共用的。
在美国专利No.5587620中公开的SBAR被认为有希望用作带通滤波器，因为它具有固有带通特性。然而，SBAR的实用实施例表现出极其窄的通带宽，这使得SBAR不适合应用在大多数带通滤波应用中，包括上面提及的移动电话双工器的应用。SBAR窄的通带宽可以在图4中看出，图4将图3中示出的SBAR 40的实用实施例的频率响应(曲线46)与图1中示出的FBAR基带通梯形滤波器的实用实施例的频率响应(曲线48)相比较。图4也示出了，虽然图1中示出的梯形滤波器的频率响应很有利地在通频带之外显著下降，但是随着与中心频率的频率差进一步增加，频率响应不令人希望地再一次上升了。
因此所需要的是一种在其通频带内具有低插入损失和平坦的频率响应、从约0.5GHz到约10GHz任何处的中心频率的约3％到约5％范围内的通带以及优良的带外抑制的带通滤波器。还需要的是具有结构简化的SBAR这种带通滤波器。
发明内容
本发明在一个方面提供一种具有下薄膜体声谐振器(FBAR)、层叠在下FBAR上的上FBAR以及在FBAR之间的、包括一层声解耦材料的声解耦器的带通滤波器。每个FBAR具有相对的平面电极和在电极之间的压电元件。声解耦器控制FBAR之间的声能耦合。具体地，声解耦器在FBAR之间耦合比如图3中示出的常规SBAR中FBAR之间的直接接触耦合的声能更少的声能。减少的声耦合赋予带通滤波器如低插入损失和在其通带内平坦的频率响应、在中心频率的约3％到约5％的范围内的通带宽以及优良的带外抑制的令人满意的性能。
在另一个方面，本发明提供一种带通滤波器，该带通滤波器的特征在于中心频率。带通滤波器包括下薄膜体声谐振器(FBAR)、层叠在下FBAR上的上FBAR以及在FBAR之间的一层声解耦材料。每个FBAR包括相对的平面电极和在电极之间的压电元件。该层声解耦材料具有等于频率与该中心频率相等的声信号在该声解耦材料中的波长的四分之一的标称厚度。声解耦材料的声阻抗比压电元件低。
附图说明
图1是包括FBAR的带通滤波器的示意图。
图2是FBAR的示意侧面图。
图3是常规SBAR的示意侧面图。
图4是比较图3中示出的常规SBAR的计算频率响应和图1中示出的FBAR基带通滤波器的计算频率响应的图。
图5A是根据本发明带通滤波器的第一实施方式的实施例的平面图。
图5B是图5A中示出的带通滤波器沿截线5B-5B的横截面图。
图5C是图5A中示出的带通滤波器的一部分沿截线5B-5B的放大横截面图，示出根据本发明的声解耦器。
图5D是图5A中示出的带通滤波器的一部分沿截线5B-5B的放大横截面图，示出可选择的声解耦器。
图6是比较根据本发明的带通滤波器的实施方式的计算频率响应的图，他们包括具有不同声阻抗的声解耦材料的声解耦器。
图7A-7J是图示制作根据本发明的带通滤波器的工艺的平面图。
图7K-7S分别是沿图7A-7J中截线7K-7K、7L-7L、7M-7M、7N-7N、7O-7O、7P-7P、7Q-7Q、7R-7R、7S-7S和7T-7T的横截面图。
图8是根据本发明带通滤波器的第二实施方式的实施例的示意图。
图9是比较图8中示出的带通滤波器的实施方式和图5A和5B中示出的带通滤波器的实施方式的计算频率响应的图。
具体实施方式
在图3中示出的常规SBAR可以认为是由一个层叠在另一个的顶端并与其接触的两个FBAR构成。一个FBAR由夹在电极24和26之间的压电层22构成。另一个FBAR由夹在电极26和44之间的压电层42构成。两个FBAR共用的电极26提供FBAR之间声能的强耦合。这导致FBAR严重过临界声耦合，使得SBAR 40表现出图4的曲线46中示出的单个洛仑兹谐振。单个洛仑兹谐振使设计具有例如宽通带、平坦的带内频率响应和通带之外尖锐的马脊岭这样的令人满意的特性的带通滤波器很困难或者不可能。
图5A是示出根据本发明的带通滤波器的代表性实施方式100的结构的示意侧面图。图5B是图5A中沿截线5B-5B的横截面图。带通滤波器100由薄膜体声谐振器(FBAR)的层叠对110和120以及在FBAR 110和120之间的声解耦器130构成。在示出的实施例中，FBAR 120层叠在FBAR 110的顶端。由FBAR的层叠对和FBAR之间的声解耦器构成的结构将被称为解耦层叠体声谐振器(DSBAR：decoupled stacked bulk acoustic resonator)，以将它与上面描述的在其中FBAR相互直接接触的常规SBAR区别开。
FBAR 110由相对的平面电极112和114以及在电极之间的一层116压电材料构成。FBAR 120由相对的平面电极122和124以及在电极之间的一层126压电材料构成。声解耦器130位于FBAR 110的电极114与FBAR 120的电极122之间。该声解耦器控制FBAR 110与120之间的声能耦合。具体地，声解耦器在FBAR之间耦合比如图3中示出的常规SBAR中FBAR之间的直接接触耦合的声能更少的声能。因此，FBAR 110和120没有过耦合，并且带通滤波器100具有相对宽和平坦的带内响应以及通带外尖锐的马脊岭，而没有过耦合的常规SBAR在图4(曲线46)中示出的单个的洛仑兹谐振。下面将参照图6进一步表述带通滤波器100的频率响应。
在示出的实施例中，层叠的FBAR 110和120悬浮于在基底102中形成的空腔104的上方。这种悬浮层叠的FBAR的方式使得层叠的FBAR能够响应于在它们中一个的电极之间施加的输入电信号而机械谐振。使得层叠的FBAR能够响应于输入电信号而机械谐振的其它悬浮方案是可行的。例如，将层叠的FBAR设置在形成于基底102中或其上的失配声布拉格反射器(未示出)的上方，这由Lakin在美国专利No.6107721中公开了。
图5C是声解耦器130的第一实施方式的放大图，其中声解耦器由位于FBAR 110和120(图5B)各自的电极114和122之间的一层131声解耦材料构成。声解耦材料的层131具有的标称厚度是频率与带通滤波器100的中心频率相等的声信号在该声解耦材料中的波长的四分之一的奇数倍。声解耦材料具有比构成FBAR 110、120的压电材料的声阻抗低的声阻抗。在另外提供输入与输出之间电绝缘的带通滤波器100的实施方式中，声解耦材料另外具有高电阻率和低介电系数。
如上所述，声解耦器130的声解耦材料具有比构成FBAR110和120的压电材料的声阻抗低的声阻抗。声解耦材料还具有基本上大于空气的声阻抗的声阻抗。材料的声阻抗是该材料中应力与质点速度的比值，用瑞利(Rayleighs)为测量单位，缩写为rayl。FBAR的层116、216的压电材料典型地是氮化铝(AlN)。AlN的声阻抗典型地是35Mrayl左右，典型的电极材料钼的声阻抗是63Mrayl左右。空气的声阻抗是1krayl左右。在其中FBAR 110、120的材料为如上所述的带通滤波器100的实施方式中，具有从2 Mrayl左右到8 Mrayl左右范围内的声阻抗的材料作为层131的声解耦材料运行良好。
图6示出带通滤波器100的计算频率响应如何取决于构成声解耦器130的实施方式的层131的声解耦材料声阻抗。所示出的实施方式具有1,900MHz左右的中心频率。示出了对于其中声解耦材料具有4 Mrayl左右，例如聚酰亚胺(曲线140)、8 Mrayl左右(曲线142)和16 Mrayl左右(曲线144)的声阻抗的实施方式的计算频率响应。可以看出，带通滤波器的带宽随声解耦材料声阻抗的增加而增加。因此，通过适当选择声阻抗材料，可以作出具有令人满意的通带特性的带通滤波器100的实施方式。
在其中层131的声解耦材料是聚酰亚胺(曲线140)的实施方式表现出FBAR 110、120之间声能的一些耦合不足，但是仍然具有有用宽的通带。在其中声解耦材料具有8 Mrayl左右的声阻抗(曲线142)的实施方式表现出FBAR 110、120之间声能的接近临界耦合。在其中声解耦材料的声阻抗是16 Mrayl左右(曲线144)的实施方式表现出FBAR 110、120之间声能严重过耦合所典型具有的带内响应的双峰。在其中声解耦材料具有2 Mrayl和8 Mrayl之间声阻抗的声解耦材料的实施方式将具有的带内响应包括预示FBAR 110、120之间声能临界耦合的平坦部分。图6还示出了其中声解耦材料具有8 Mrayl或更小的声阻抗的声解耦材料的实施方式具有小于3dB的插入损失，并且一些实施方式具有小于1dB的插入损失。
在图5C中示出的声解耦器130的实施方式由具有频率等于带通滤波器中心频率的声信号在声解耦材料中的波长四分之一的标称厚度的声解耦材料层131构成，也就是t≈λn/4，其中t是层131的厚度，λn是频率等于带通滤波器100中心频率的声信号在声解耦材料中的波长。可选择地使用层131在标称厚度约±10％范围内的厚度。可选择地使用这个范围之外的厚度，但会伴随一些性能的下降。然而，层131的厚度应该在一个极值处与0λn(见图3)显著不同，在另一个极值处与λn/2显著不同。
更加常见，在图5C中示出的声解耦器130的实施方式由具有频率与带通滤波器100中心频率相等的声信号在声解耦材料中波长的四分之一的奇数倍的标称厚度的声解耦材料层131构成，也就是t≈(2m+1)λn/4，其中t和λn如同上面所限定的，并且m是等于或大于零的整数。在这种情况下，可选择地使用与标称厚度相差大约λn/4的±10％的层131的厚度。也可以使用这个范围之外的厚度公差，但会伴随一些性能的下降，但是层131的厚度应该与λn/2的整数倍显著不同。然而，其中声解耦材料层131的厚度比频率等于带通滤波器100中心频率的声信号在声解耦材料中波长的四分之一大奇数倍的声解耦器130的实施方式由于这样更厚的层支撑多个声振荡的能力而典型地具有表现出乱真的响应假象的频率现象。
在声解耦器130的一个实施方式中，通过在电极114上旋涂声解耦材料来形成层131。由于被层131的声解耦材料所涂覆的表面的造型，通过旋涂形成的层将典型地具有不同厚度的区域。在这样的实施方式中，声解耦材料层131的厚度是位于电极114与122之间的层的部分的厚度。
许多塑料材料具有在上述范围内的声阻抗，并且可以应用在上面所述厚度范围内的均匀厚度的层中。这种塑料材料因此有潜力适合用作声解耦器130的层131的声解耦材料。然而，声解耦材料必须也能够经受在声解耦材料层131被沉积在电极114上以形成声解耦器130之后所进行的制备操作的高温。如下面将详细描述的，在带通滤波器100的实用实施方式中，在沉积层131之后，通过溅射沉积电极122和124以及压电层126。在这些沉积工艺中达到400℃的高温。因此，用在这样的温度下保持稳定的塑料作为声解耦材料。
塑料材料与FBAR 110和120的其它材料相比典型地具有每单位长度很高的声衰减。然而，由于声解耦器130的上述实施方式由典型地小于1μm厚的塑料声解耦材料层131构成，因此由声解耦材料层131引入的声衰减典型地是可忽略的。
在一个实施方式中，用聚酰亚胺作为层131的声解耦材料。聚酰亚胺由E.I.du Pont de Nemours and Company以Kapton为商标出售。在这样的实施方式中，声解耦器130由通过旋涂涂覆到电极114上的聚酰亚胺层131构成。聚酰亚胺具有4 Mrayl左右的声阻抗。
在另一个实施方式中，用聚(对-二甲基苯)作为层131的声解耦材料。在这样的实施方式中，声解耦器130由通过真空沉积涂覆到电极114上的聚(对-二甲基苯)构成。聚对-二甲基苯在现有技术中也被称为聚对二甲苯。用来制造聚对二甲苯的二聚物前驱体二对二甲基苯和用来进行聚对二甲苯的层的真空沉积的设备可以从许多供应商得到。聚对二甲苯具有2.8 Mrayl左右的声阻抗。
在另一个实施方式中，用交联的聚亚苯基聚合物作为层131的声解耦材料。在这样的实施方式中，声解耦器130由通过旋涂涂覆到电极114上的交联的聚亚苯基聚合物的层131构成。交联的聚亚苯基聚合物已经作为低介电常数介电材料被开发用于集成电路中，并因此在FBAR 120随后的制备过程中声解耦器130所经受的高温下保持稳定。本发明者已经发现，交联的聚亚苯基聚合物还具有2 Mrayl左右的计算声阻抗。这个声阻抗处于给带通滤波器100提供有用的通带宽的声阻抗范围内。
含有通过聚合来形成各自的交联聚亚苯基聚合物的各种低聚物由Dow Chemical Company，Midland，MI在商标SiLk下出售。通过旋涂来涂覆前驱体溶液。从另外还含有粘结助聚剂的名称为SiLkTMJ的这些前驱体溶液中的一种获得的交联聚亚苯基聚合物具有2.1Mrayl(也就是2Mrayl左右)的计算声阻抗。
通过聚合来形成交联的聚亚苯基聚合物的低聚物由含有双环戊二烯酮和芳香乙炔的单体来制备。用这样的单体形成可溶的低聚物不需要不适当的置换。前驱体溶液含有溶解在γ-丁内酯和环己酮溶剂中的特定的低聚物。前驱体溶液中低聚物的百分比确定了当涂覆上前驱体溶液时层的厚度。在涂覆后，用热将溶剂蒸发，然后固化低聚物以形成交联的聚合物。双环戊二烯酮与乙炔进行4+2的环加成反应形成新的芳香环。进一步的固化产生交联的聚亚苯基聚合物。上述的交联聚亚苯基聚合物由Godschalx等人在美国专利No.5965679中公开了。其它实际的细节由Martin等人在Development of Low-DielectricConstant Polymer for the Fabrication of Integrated CircuitInterconnect，12 ADVANCED MATERIALS，1769(2000)中公开了。与聚酰亚胺相比，交联的聚亚苯基聚合物具有低的声阻抗、低的声衰减和低的介电常数。而且，前驱体溶液的涂覆层能够产生具有200nm量级厚度的交联聚亚苯基聚合物的高质量薄膜，200nm量级的厚度是声解耦器130的典型厚度。
在可选择的实施方式中，构成声解耦器130的层131的声解耦材料具有显著大于FBAR 110和120的材料的声阻抗。直到现在没有具有这种性能的材料为人们所知，但是这种材料在将来会得到，或者低声阻抗FBAR材料在将来会得到。这种高声阻抗声解耦材料层131的厚度如上所述。
图5D是示出包括布拉格结构161的声解耦器130的第二实施方式的带通滤波器100的部分放大图。布拉格结构161由夹在高声阻抗布拉格元件165和167之间的低声阻抗布拉格元件163构成。低声阻抗布拉格元件163是一个低声阻抗材料层而高声阻抗布拉格元件165和167分别是一个高声阻抗材料层。布拉格元件的材料的声阻抗以“低”和“高”为特征，“低”和“高”是相对于彼此以及相对于层116和126的压电材料的声阻抗而言的。在还提供输入端与输出端之间的电绝缘的带通滤波器100的实施方式中，至少一个布拉格元件还具有高电阻和低介电系数。
构成布拉格元件161、163和165的每一层具有的标称厚度等于频率与带通滤波器100中心频率相等的声信号在该层的材料中的波长四分之一的奇数倍。可选择地使用与标称厚度相差大约波长四分之一的±10％的层。也可以使用这个范围之外的厚度公差，但会伴随一些性能的下降，但是层的厚度应该与波长二分之一的整数倍显著不同。
在一个实施方式中，低声阻抗布拉格元件163是一层具有13 Mrayl左右声阻抗的二氧化硅(SiO2)，并且每个高声阻抗布拉格元件165和167分别是一层与电极114和122相同的材料(也就是具有63 Mrayl左右声阻抗)的钼。分别对于FBAR 110和120(图5B)各自的高声阻抗布拉格元件165和167与电极114和122分别使用相同的材料使得高声阻抗布拉格元件165和167还分别充当电极114和122。
在实施例中，高声阻抗布拉格元件165和167具有的厚度是频率等于带通滤波器100中心频率的声信号在钼中波长的四分之一，并且低声阻抗布拉格元件163具有的厚度是频率等于带通滤波器中心频率的声信号在二氧化硅中波长的四分之三。用四分之三波长厚的一层SiO2的而不是用四分之一波长厚的一层SiO2作为低声阻抗布拉格元件163降低了FBAR 110与120之间的电容。
在高声阻抗布拉格元件165和167与低声阻抗布拉格元件163之间的声阻抗差相对低的实施方式中，布拉格结构161可以由多于一个(例如n个)的低声阻抗布拉格元件与相应数量(例如n+1个)的高声阻抗布拉格元件交错来构成。只有一个布拉格元件需要是绝缘的。例如，布拉格结构可以由两个低声阻抗布拉格元件与三个高声阻抗布拉格元件交错来构成。
用晶片规模制备方法来同时制备几千个类似于带通滤波器100的带通滤波器。这种晶片规模制备方法使制造带通滤波器不昂贵。下面将参照图7A-7J的平面图和图7K-7T的横截面图来描述代表性的制备方法。将要描述其制备方法的带通滤波器100的实施方式的通带具有约1.9GHz的标称中心频率。在其它频率运行的实施方式与下面解释的实施方式在结构和制备方法上类似，但是具有的不同的厚度和侧向尺寸。
提供单晶硅的晶片。对于每个被制备的带通滤波器，晶片的一部分构成相应于带通滤波器100的基底102的基底。图7A-7J和图7K-7T图示出了并且下面的描述说明了在晶片的一部分中和其上的带通滤波器100的制备方法。晶片上的其余带通滤波器与所制备的带通滤波器100相类似地进行制备。
如图7A和7K所示，对构成带通滤波器100的基底102的晶片的一部分选择性地进行湿蚀刻来形成空腔104。
在晶片的表面上沉积一层填充材料(未示出)具有足以填充空腔的厚度。然后对晶片的表面进行平面化以使空腔充满填充材料。图7B-7L示出了基底102中填充有填充材料105的空腔104。
在一个实施方式中，填充材料是磷硅酸盐玻璃(PSG)，并且用常规的低压化学气相沉积(LPVCD)来沉积。填充材料可选择的通过溅射或者通过旋涂来沉积。
在晶片和填充材料的表面上沉积一层金属。如图7C和7M中所示，对该金属进行图形化以形成电极112、连接垫片132和在电极112与连接垫片132之间延伸的电迹线133。电极112典型地在平行于晶片主表面的平面内具有不规则的形状。如在授予Larson III等人的美国专利No.6215375中所述，不规则的形状使它形成为其中一部分的FBAR 110的侧面振荡最小化。如下所述，成形并设置电极112以暴露填充材料105的表面的一部分，使得填充材料可以在后面通过蚀刻来去除。
对在其中形成电极112、114、122和124(图5B)的金属层进行图形化，使得在平行于晶片主表面的各自的平面内，电极112和114具有相同的形状、尺寸、方向和位置，电极122和124具有相同的形状、尺寸、方向和位置，并且电极114和122典型地有相同的形状、尺寸、方向和位置。
在一个实施方式中，通过沉积来形成电极112、连接垫片132和电迹线133的金属是钼。通过溅射以大约300nm的厚度来沉积钼，然后通过干蚀刻对钼进行图形化以形成具有约12000平方μm面积的五边形电极。可选择地用其它难熔金属例如钨、铌和钛作为电极112、连接垫片132和电迹线133的材料。电极、连接垫片和电迹线可选择地包括多于一种材料的层。
如图7D和7N中所示，沉积并图形化一层压电材料来形成压电层116。对压电层116进行图形化以暴露填充材料105表面的一部分和电极112的连接垫片132。另外对压电层116进行图形化以形成窗口119，后者提供进入填充材料表面的另外部分的入口。
在一个实施方式中，通过沉积来形成压电层116的压电材料是氮化铝，并且通过溅射沉积为具有约1.4μm的厚度。通过氢氧化钾中的湿蚀刻或氯基干蚀刻对压电材料进行图形化。压电层116可选择的材料包括氧化锌、硫化镉和极化的铁电材料，如包括钛酸铅锆、偏铌酸铅和钛酸钡的钙钛矿铁电材料。
如图7E和7O中所示，沉积并图形化一层金属来形成电极114、连接垫片134和在电极114与连接垫片134之间延伸的电迹线135。
在一个实施方式中，通过沉积来形成电极114的金属是钼。通过溅射以大约300nm的厚度来沉积钼，然后通过干蚀刻进行图形化。可选择地用其它难熔金属作为电极114、连接垫片134和电迹线135的材料。电极、连接垫片和电迹线可选择地包括多于一种材料的层。
然后如图7F和7P中所示，沉积并图形化一层声解耦材料来形成声解耦器130。对声解耦器130进行成形以至少覆盖电极114，并且还进行成形以暴露填充材料105表面的一部分以及连接垫片132和134。另外对声解耦器130进行图形化以形成窗口119，后者提供进入填充材料表面的另外部分的入口。
在一个实施方式中，声解耦材料是具有约600nm厚度(也就是聚酰亚胺中中心频率波长的四分之三)的聚酰亚胺。通过旋涂来沉积聚酰亚胺，然后通过光刻来进行图形化。聚酰亚胺是光阻性的，从而不需要光阻剂。如上所述，也可以用其它塑料材料作为声解耦材料。可以用除旋涂之外的方法来沉积声解耦材料。
在另一个实施方式中，声解耦材料是具有约200nm厚度(也就是聚酰亚胺中中心频率波长的四分之一)的聚酰亚胺。如上所述通过旋涂来沉积聚酰亚胺层，然后通过光刻来进行图形化。
在声解耦材料是聚酰亚胺的实施方式中，在沉积和图形化聚酰亚胺之后，在进行后面的工艺之前，最初在空气中在250℃左右的温度下然后在例如氮气的惰性气体中在415℃左右的温度下烘焙晶片。烘焙使聚酰亚胺的可挥发性组成物挥发，并防止在随后的工艺过程中这种可挥发性组成物的挥发引起随后沉积的层的层离。
如图7G和7Q中所示，沉积并图形化一层金属来形成电极122和从电极122向连接垫片134延伸的电迹线137。连接垫片134还通过迹线135与电极114电连接。
在一个实施方式中，通过沉积来形成电极122的金属是钼。通过溅射以大约300nm的厚度来沉积钼，然后通过干蚀刻进行图形化。可选择地用其它难熔金属作为电极122和迹线137的材料。电极和迹线可选择地包括多于一种材料的层。
沉积并图形化一层压电材料来形成压电层126。如图7H和7R中所示，对压电层126进行成形以暴露连接垫片132和134并暴露填充材料105的表面的一部分。另外对压电层126进行图形化以形成窗口119，后者提供进入填充材料表面的另外部分的入口。
在一个实施方式中，通过沉积来形成压电层126的压电材料是氮化铝，并且通过溅射沉积为具有约780nm的厚度。通过氢氧化钾中的湿蚀刻或通过氯基干蚀刻对压电材料进行图形化。压电层126可选择的材料包括氧化锌、硫化镉和极化的铁电材料，如包括钛酸铅锆、偏铌酸铅和钛酸钡的钙钛矿铁电材料。
如图7I和7S中所示，沉积并图形化一层金属来形成电极124、连接垫片138和从电极124向连接垫片138延伸的电迹线139。
在一个实施方式中，通过沉积来形成电极124的金属是钼。通过溅射来沉积钼具有约300nm的厚度，然后通过干蚀刻进行图形化。可选择地用其它难熔金属作为电极124、连接垫片138和迹线139的材料。电极、连接垫片和电迹线可选择地包括多于一种材料的层。
然后对晶片进行各向同性湿蚀刻以从空腔104中除去填充材料105。如上所述，填充材料105表面的一些部分例如通过窗口119保持暴露。如图7J和7T中所示，蚀刻工艺使带通滤波器100悬浮于空腔104的上方。
在一个实施方式中，用来除去填充材料105的蚀刻剂是稀释的氢氟酸。
在连接垫片132、134和138暴露的表面上沉积一个金保护层。
然后将晶片分成单个的带通滤波器，包括带通滤波器100。将每个带通滤波器安装在包装中并在带通滤波器的连接垫片132、134和138与包装的一部分的垫片之间进行电连接。
通过类似于上面所描述的工艺来制作如图5D中所示出的其中的解耦器130包括布拉格结构的实施方式。工艺不同如下：
在沉积并图形化一层压电材料以形成压电层116后，按照与图7E和7O中示出的方式相类似的方式沉积并图形化一层金属以形成图5D中示出的高声阻抗布拉格元件165、连接垫片134和在高声阻抗布拉格元件165与连接垫片134之间延伸的电迹线135。沉积金属层具有的标称厚度等于频率与带通滤波器100的中心频率相等的声信号在该金属中的波长四分之一的奇数倍。如图5D中所示高声阻抗布拉格元件165还充当电极114。
在一个实施方式中，通过沉积来形成高声阻抗布拉格元件165的金属是钼。通过溅射来沉积钼具有约820nm(Mo中波长的四分之一)的厚度，然后通过干蚀刻进行图形化。可选择地用其它难熔金属作为高声阻抗布拉格元件165、连接垫片134和迹线135的材料。高声阻抗布拉格元件、连接垫片和电迹线可选择地包括多于一种金属的层。
然后按照与图7F和7P中示出的方式相类似的方式沉积并图形化一层低声阻抗材料以形成低声阻抗布拉格元件163。沉积低声阻抗材料层具有的标称厚度等于频率与带通滤波器100中心频率相等的声信号在该材料中的波长四分之一的奇数倍。对布拉格元件163进行成形以至少覆盖高声阻抗布拉格元件165，还进行成形以暴露填充材料105的表面的一部分以及连接垫片132和134。还对低声阻抗材料层进行图形化以形成窗口119，后者提供进入填充材料表面的另外部分的入口。
在一个实施方式中，低声阻抗材料是具有790nm厚度的SiO2。通过溅射来沉积SiO2，并通过蚀刻进行图形化。可以用作低声阻抗布拉格元件的材料的其它低声阻抗材料包括磷硅酸盐玻璃(PSG)、二氧化钛和氟化镁。可选择地用除溅射之外的方法沉积低声阻抗材料。
按照类似于图7G和7Q中示出的方式相类似的方式沉积并图形化一层金属来形成在图5D中示出的高声阻抗布拉格元件167和从高声阻抗布拉格元件167到连接垫片134延伸的电迹线137。连接垫片134还通过迹线135与高声阻抗布拉格元件167电连接。沉积金属层具有等于频率与带通滤波器100的中心频率相等的声信号在该金属中的波长四分之一的奇数倍的标称厚度。高声阻抗布拉格元件167另外还如图5D中所示充当电极122。
在一个实施方式中，通过沉积来形成高声阻抗布拉格元件167和电迹线137的金属是钼。通过溅射以大约820nm(Mo中波长的四分之一)的厚度来沉积钼，然后通过干蚀刻进行图形化。可选择地用其它难熔金属作为高声阻抗布拉格元件167和迹线137的材料。高声阻抗布拉格元件和迹线可选择地包括多于一种材料的层。
然后如上面参照图7H和7R所述，沉积并图形化一层压电材料以形成压电层126，然后如上所述工艺继续进行以完成带通滤波器100的制备。
在另一个实施方式中，层131的声解耦材料是交联的聚亚苯基聚合物。如上面参照图7E和7O所述，在对金属层进行图形化以形成电极114之后，按照与上面参照图7F和7P所描述的方式相类似的方式，涂覆交联聚亚苯基聚合物的前驱体溶液，但是不进行图形化。选择前驱体溶液的配方和涂覆速度，使得交联的聚亚苯基聚合物形成具有约187nm厚度的层。这与具有与带通滤波器100中心频率相等的频率的声信号在交联的聚亚苯基聚合物中的波长λn的四分之一相一致。然后在进行进一步的处理之前，在例如真空或氮气的惰性气氛中在385℃左右到450℃左右范围内的温度下烘焙晶片。烘焙首先将有机溶剂从前驱体溶液中驱除，然后如上所述使低聚物发生交联以形成交联的聚亚苯基聚合物。
然后按照与上面参照图7G和7Q所描述的方式相类似的方式在交联的聚亚苯基聚合物层上沉积一层金属，但是最初类似于在图7F中示出的声解耦器130的图形化来进行图形化以形成硬掩模，后面用该硬掩模对交联的聚亚苯基聚合物层进行图形化以形成声解耦器130。最初图形化的金属层与声解耦器130具有相同的区域，暴露连接垫片132和134以及填充材料105的表面的一部分，并且在声解耦器130中的窗口119的预定位置处具有窗口。
然后用最初图形化的金属层作为硬蚀刻掩模如图7F中所示对交联的聚亚苯基聚合物层进行图形化。对交联的聚亚苯基聚合物层进行图形化形成了声解耦器130的区域，其暴露连接垫片132和134以及填充材料105的表面的一部分，并且形成了提供进入填充材料表面另外部分的入口的窗口。用氧等离子蚀刻进行图形化。
然后如图7G和7Q中所示对金属层进行再图形化以形成电极122和在电极122与连接垫片134之间延伸的电迹线137。
通过进行上面参照图7H、7I、7J、7R、7S和7T所描述的工艺来完成具有交联的聚亚苯基聚合物层作为其声解耦器的带通滤波器100的实施方式的制备。
在一个实施方式中，交联的聚亚苯基聚合物的前驱体溶液是由Dow Chemical Company出售的并且名称为SiLKTM J.的一种。可选择地，前驱体溶液可以是由Dow Chemical Company在商标SiLK下出售的前驱体溶液中任何一种合适的前驱体溶液。在某些实施方式中，在涂覆上前驱体溶液之前沉积助粘剂层。含有当固化时形成具有2Mrayl左右声阻抗的交联聚亚苯基聚合物的低聚物的前驱体溶液现在或将来可以从其它供应商获得并且也可以使用。
如下所述使用带通滤波器100。与电极114和122电连接的连接垫片134提供带通滤波器100的接地端子，与电极112电连接的连接垫片132提供带通滤波器100的输入端子，并且与电极124电连接的连接垫片138提供带通滤波器100的输出端子。输入端子与输出端子可以互换。
如上所述，带通滤波器100可以另外提供输入端与输出端之间的电绝缘。在这种实施方式中，在形成电极122和迹线137的金属中形成另外的连接垫片(未示出)，并且迹线137从电极122延伸到另外的连接垫片而不是连接垫片134。分别与电极112和114电连接的连接垫片132和134提供一对输入端子，通过迹线137与电极122电连接的另外的连接垫片(未示出)和与电极124电连接的连接垫片138提供一对输出端子。输入端子与输出端子相互电绝缘。再一次地，输入端子与输出端子可以互换。
图6与图4的曲线46的比较显示出带通滤波器100的带外频率响应的斜率没有图1中示出的带通滤波器10的陡。比较还显示出，不象带通梯形滤波器10的频率响应，带通滤波器100的频率响应在最初的急剧下降之后没有再次上升。图8是根据本发明的带通滤波器的代表性实施方式200的示意图，该代表性实施方式200具有一定的带外频率响应，这个带外频率响应具有比带通滤波器100的带外频率响应斜率更陡的斜率，并且在其中，在最初的急剧下降之后，频率响应上升到基本上比图1中示出的带通梯形滤波器低的水平上。
带通滤波器200由与上面参照图5A和5B所描述的带通滤波器100串联连接的简化FBAR基梯形滤波器210构成。梯形滤波器210由串联FBAR 212和214以及并联FBAR 216构成。串联FBAR 212和214比并联FBAR 216具有更高的谐振频率。
在带通滤波器100中，电极112接地，电极114和122与梯形滤波器210的输出，也就是FBAR 214的电极218连接，并且电极124提供带通滤波器200的输出端子。构造FBAR 212、214和216以及带通滤波器100使得带通滤波器100具有比梯形滤波器210更宽的通带。
图9是示出带通滤波器200的计算频率响应(曲线242)和在图5A和5B中示出的带通滤波器100的计算频率响应(曲线244)的图。该图显示出带通滤波器200的带外频率响应具有比带通滤波器100的带外频率响应更陡的斜率，并且频率响应在最初的急剧下降之后上升到的水平比图4中示出的带通梯形滤波器的频率响应在最初的急剧下降之后上升到的水平低。
如在上述的美国专利No.6262637中所公开的，构成FBAR基梯形滤波器的FBAR典型地全部用常用的压电材料层制备。带通滤波器200可以按照类似的方式制备。带通滤波器100的FBAR 110(图5B)用与FBAR 212、214和216相同的压电材料层来制备。FBAR 110的电极112是与FBAR 216的电极220相同的金属层的一部分。FBAR110的电极114是与FBAR 214的电极218相同的金属层的一部分。在制备FBAR 110、212、214和216之后，沉积一层声解耦材料并进行图形化来形成电极114上的声解耦器130。然后用类似于上面所描述的工艺在声解耦器上制备FBAR 120。
到FBAR 212的电极222以及与FBAR 216的电极220的电连接提供带通滤波器200的输入端子，同时到带通滤波器100的电极112和124的电连接提供了带通滤波器200的输出端子。
本公开用图解的实施方式详细描述了本发明。然而，由附加权利要求所限定的本发明不受所描述的精确实施方式的限制。

Claims (13)

1.一种带通滤波器，包括：
下薄膜体声谐振器、层叠在下薄膜体声谐振器上的上薄膜体声谐振器，每个薄膜体声谐振器包括相对的平面电极和在电极之间的压电元件；以及
在薄膜体声谐振器之间的包括一声解耦材料层的声解耦器，其中所述声解耦材料层具有与标称厚度相差大约λn/4的±10％的厚度，所述标称厚度是λn/4或λn/4的奇数倍，λn是频率等于带通滤波器中心频率的声信号在声解耦材料中的波长。
2.权利要求1的带通滤波器，其中构造该声解耦器以提供薄膜体声谐振器之间基本临界的声能耦合。
3.权利要求1的带通滤波器，其中该声解耦材料在声阻抗上比该压电元件低。
4.权利要求3的带通滤波器，其中：
该压电元件具有声阻抗；并且
该声解耦材料具有在该压电元件的声阻抗与空气的声阻抗之间的声阻抗。
5.权利要求1的带通滤波器，其中该声解耦材料具有从2Mrayl左右到8Mrayl左右范围内的声阻抗。
6.权利要求1的带通滤波器，其中该声解耦材料包括塑料。
7.权利要求1的带通滤波器，其中该声解耦材料包括聚酰亚胺。
8.权利要求1的带通滤波器，其中该声解耦材料包括聚(对-二甲基苯)。
9.权利要求1的带通滤波器，其中该声解耦材料包括交联的聚亚苯基聚合物。
10.权利要求9的带通滤波器，其中交联的聚亚苯基聚合物由DowChemical Company以SiLk为商标出售的前驱体溶液形成。
11.一种带通滤波器，其特征在于中心频率，该带通滤波器包括：
下薄膜体声谐振器、层叠在下薄膜体声谐振器上的上薄膜体声谐振器，每个薄膜体声谐振器包括相对的平面电极和在电极之间的压电元件；以及
在薄膜体声谐振器之间的一层声解耦材料，该层声解耦材料具有的标称厚度等于频率与该中心频率相等的声信号在该声解耦材料中波长的四分之一，该声解耦材料在声阻抗上比压电元件低。
12.权利要求11的带通滤波器，其中该声解耦材料包括聚酰亚胺、聚(对-二甲基苯)和交联的聚亚苯基聚合物中的一种。
13.一种带通滤波器，包括：
下薄膜体声谐振器、层叠在下薄膜体声谐振器上的上薄膜体声谐振器，每个薄膜体声谐振器包括相对的平面电极和在电极之间的压电元件；以及
在薄膜体声谐振器之间的声解耦器，该声解耦器包括具有2Mrayl左右声阻抗的声解耦材料的一个声解耦层，其中所述声解耦层具有与标称厚度相差大约λn/4的±10％的厚度，所述标称厚度是λn/4或λn/4的奇数倍，λn是频率等于带通滤波器中心频率的声信号在声解耦材料中的波长。
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