DE602004000851T2

DE602004000851T2 - Akustisch gekoppelter Dünnschicht-Transformator mit zwei piezoelektrischen Elementen, welche entgegengesetzte C-Axen Orientierung besitzten

Info

Publication number: DE602004000851T2
Application number: DE602004000851T
Authority: DE
Inventors: John D. III Palo Alto Larson; Yuri Laguna Beach Oshmyansky
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: JP2005136992A; US20060185139A1; DE602004000851D1; US7367095B2; EP1528677A1; EP1528677B1; JP4754803B2

Description

Hintergrund
Transformatoren werden in vielen Arten von elektronischen Vorrichtungen verwendet, um Funktionen, wie beispielsweise das Transformieren von Impedanzen, das Verbinden eines asymmetrischen Schaltkreises mit einem symmetrischen Schaltkreis oder vice versa und das Bereitstellen einer elektrischen Isolation auszuführen. Jedoch haben nicht alle Transformatoren alle diese Eigenschaften. Beispielsweise bietet ein Auto- oder Selbsttransformator nicht die elektrische Isolation.
Transformatoren, die bei Audiofrequenzen und Radiofrequenzen bis zum UKW-Bereich arbeiten, werden üblicherweise als gekoppelte Primär- und Sekundärwicklungen um einen Kern hoher Permeabilität gebaut. Ein Strom in den Wicklungen erzeugt einen magnetischen Fluß. Der Kern enthält den magnetischen Fluß und steigert die Kopplung zwischen den Wicklungen. Ein Transformator, der in diesem Frequenzbereich betreibbar ist, kann auch unter Verwendung eines optischen Kopplers realisiert werden. Ein Opto-Koppler, der in diesem Modus verwendet wird, wird im Stand der Technik als Opto-Isolator bezeichnet.
Bei Transformatoren, die auf gekoppelten Wicklungen oder Opto-Kopplern basieren, wird das elektrische Signal in eine unterschiedliche Form (d.h., einen Magnetfluß oder Photonen) umgewandelt, die mit einer geeigneten Transformationsstruktur (d.h., einer anderen Wicklung oder einem Lichtdetektor) wechselwirkt, und es wird an der Ausgabe wieder in ein elektrisches Signal zurückversetzt. Beispielsweise konvertiert ein Opto-Koppler ein eingehendes elektrisches Signal in Photonen unter Verwendung einer lichtemittierenden Diode. Die Photonen durchlaufen eine optische Phase oder den freien Raum, der die Isolierung bereitstellt. Eine durch die Photonen beleuchtete Photodiode erzeugt ein elektrisches Ausgabesignal aus dem Photonenfluß. Das elektrische Ausgabesignal ist eine Replik des elektrischen Eingabesignals.
Bei UKW- und Mikrowellenfrequenzen werden spulenbasierende Transformatoren unbrauchbar, infolge von Faktoren wie Verlusten im Kern, Verlusten in den Wicklungen, der Kapazität zwischen den Wicklungen und der Schwierigkeit, sie klein genug zu machen, um wellenlängenbezogene Probleme zu verhindern. Transformatoren solcher Frequenzen basieren auf Viertel-Wellenlängen-Transmissionslinien, z.B. nach dem Marchand-Typ, Leitungen, die zur seriellen Eingabe und parallelen Ausgabe verbunden sind etc. Es existieren auch Transformatoren, die auf mikromechanisch hergestellten gekoppelten Spulensets basieren und die klein genug sind, daß die Wellenlängeneffekte unwichtig sind. Jedoch liegen bei solchen Transformatoren Probleme eines hohen Einfügungsverlustes vor.
Alle soeben beschriebenen Transformatoren zur Verwendung bei UKW- und Mikrowellenfrequenzen haben Abmessungen, die sie weniger erstrebenswert für die Verwendung in modernen miniaturisierten, sogenannten "High-Density"-Anwendungen machen, wie beispielsweise in mobilen Telefonen. Solche Transformatoren neigen außerdem zu hohen Kosten, da sie nicht durch einen Chargenprozeß hergestellt werden können und weil sie im wesentlichen eine Lösung abseits des Chips darstellen. Obwohl solche Transformatoren typischerweise eine Bandbreite haben, die für die Verwendung in mobilen Telefonen akzeptabel ist, haben sie darüber hinaus typischerweise einen Einfügungsverlust, der größer als 1 dB ist, was zu hoch ist.
Opto-Koppler werden aufgrund der Kapazität der Junction der Eingabe-LED, der Nichtlinearitäten, die dem Photodetektor inhärent sind, der begrenzten Leistungs-Handhabungskapabilität und der ungenügenden Isolation, um eine gute Abweisung der gemeinsamen Mode bereitzustellen, für UKW- und Mikrowellenfrequenzen nicht verwendet.
Was daher benötigt wird, ist ein Transformator, der in der Lage ist, eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften bei elektrischen Frequenzen im Bereich von UKW bis Mikrowellen bereitzustellen: Impedanztransformation, Kopplung zwischen symmetrischen und asymmetrischen Schaltungen und elektrische Isolation. Was außerdem benötigt wird, ist ein Transformator, der einen geringen Einfügungsverlust hat, eine Bandbreite, die beispielsweise ausreicht, um den Frequenzbereich der RF-Signale eines Mobiltelefons unterzubringen, eine Größe, die geringer ist als diejenige gegenwärtig in Mobiltelefonen verwendeter Transformatoren, und niedrige Herstellungskosten.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die Erfindung einen akustisch gekoppelten Transformator bereit, der einen ersten in Schichten aufgebauten akustischen Resonator ("stacked bulk acoustic resonator", SBAR) und einen zweiten SBAR hat. Ein jeder der SBARs hat einen unteren aus Dünnschicht aufgebauten akustischen Resonator ("film bulk acoustic resonator", FBAR) und einen oberen FBAR und einen akustischen Entkoppler zwischen den FBARs. Der obere FBAR ist auf den unteren FBAR geschichtet. Ein jeder FBAR hat einander gegenüberliegende ebene Elektroden und ein piezoelektrisches Element zwischen den Elektroden. Das piezoelektrische Element wird durch eine c-Achse charakterisiert. Die c-Achsen der piezoelektrischen Elemente der unteren FBARs haben eine entgegengesetzte Richtung, und die c-Achsen der piezoelektrischen Elemente der oberen FBARs haben eine entgegengesetzte Richtung. Der Transformator hat zusätzlich eine erste elektrische Schaltung, die den unteren FBAR des ersten SBAR mit dem unteren FBAR des zweiten SBAR verbindet, und eine zweite elektrische Schaltung, die den oberen FBAR des ersten SBAR mit dem oberen FBAR des zweiten SBAR verbindet.
Gemäß einem zweiten Aspekt gibt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer akustisch gekoppelten Transformators an. In dem Verfahren werden ein erster in Schichten aufgebauter akustischer Resonator ("stacked bulk acoustic resonator", SBAR) und ein zweiter SBAR hergestellt. Die SBARs werden hergestellt, indem untere in Dünnschicht aufgebaute akustische Resonatoren ("film bulk acoustic resonator", FBAR) und obere FBARs hergestellt werden und ein akustischer Entkoppler zwischen dem unteren FBAR und dem oberen FBAR eines jeden SBAR angeordnet wird. Ein jeder der FBARs hat gegenüberliegende ebene Elektroden und ein piezoelektrisches Element zwischen den Elektroden. Das piezoelektrische Element wird durch eine c-Achse charakterisiert. Beim Ausbilden der FBARs werden die c-Achsen der piezoelektrischen Elemente der unteren FBARs in entgegengesetzte Richtung ausgerichtet, und die c-Achsen der oberen FBARs werden in entgegengesetzte Richtung ausgerichtet. Zusätzlich werden in dem Verfahren der untere FBAR des ersten SBAR und der untere FBAR des zweiten SBAR elektrisch verbunden, und der obere FBAR des ersten SBAR und der obere FBAR des zweiten SBAR werden elektrisch verbunden.
In einer Ausführungsform wird beim Ausbilden der FBARs eine Metallschicht abgelagert und strukturiert, um ein Paar der Elektroden zu definieren, und eine Schicht eines piezoelektrischen Materials wird auf den Elektroden abgelagert. Die c-Achsen der piezoelektrischen Elemente werden in entgegengesetzter Richtung angesetzt, indem eine Keimschicht eines piezo elektrischen Materials umgekehrter c-Achse vor dem Ablagern der Schicht des piezoelektrischen Materials auf einer der Elektroden abgelagert wird.
In einer anderen Ausführungsform wird bei dem Ausbilden der FBARs eine Metallschicht abgelagert und strukturiert, um ein Paar von Elektroden zu definieren, und eine Schicht eines piezoelektrischen Materials wird auf den Elektroden abgelagert. Die abgelagerte Schicht hat einen Bereich eines Materials umgekehrter c-Achse auf einer der Elektroden und einen Bereich normaler c-Achse auf der anderen der Elektroden. Die c-Achsen der piezoelektrischen Elemente werden entgegengesetzt ausgerichtet, indem die Bereiche unter Verwendung unterschiedlicher Ablagerungsbedingungen abgelagert werden.
In einer anderen Ausführungsform wird beim Ausbilden der FBARs eine Metallschicht abgelagert und strukturiert, um ein Paar von ersten Elektroden zu definieren. Eine Schicht eines ferroelektrischen piezoelektrischen Materials wird über den ersten Elektroden abgelagert, und eine zusätzliche Metallschicht wird abgelagert und strukturiert, um ein Paar von zweiten Elektroden zu definieren, das den ersten Elektroden gegenüberliegt. Die c-Achsen der piezoelektrischen Elemente werden in entgegengesetzte Richtung gerichtet, indem eine Polungsspannung einer nominellen Polarität zwischen einer der ersten Elektroden und einer gegenüberliegenden der zweiten Elektroden angelegt wird, und eine Polungsspannung mit einer entgegengesetzten Polarität zwischen der anderen der ersten Elektroden und der anderen der zweiten Elektroden angelegt wird.
Ausführungsformen eines akustisch gekoppelten Transformators gemäß der Erfindung sind in der Lage, eine oder mehrere der folgenden Eigenschaften bei elektrischen Frequenzen im Bereich zwischen UKW und Mikrowellen bereitzustellen: Impedanztransformation, Kopplung zwischen symmetrischen und asymmetrischen Schaltungen und elektrische Isolation. Solche Ausführungsformen haben typischerweise einen geringen Einfügungsverlust, eine Bandbreite, die ausreicht, um beispielsweise den Frequenzbereich von RF-Signalen von Mobiltelefonen aufzunehmen, eine Größe, die geringer ist als diejenige von Transformatoren, die gegenwärtig in mobilen Telefonen verwendet werden, und niedrige Herstellungskosten.
Kurzbeschreibung der Figuren
1A ist eine Draufsicht eines Beispiels einer ersten Ausführungsform eines im Verhältnis 1:1 akustisch gekoppelten Transformators gemäß der Erfindung.
1B und 1C sind Querschnittsansichten des in 1A gezeigten akustisch gekoppelten Transformators entlang der Schnittlinien 1B-1B bzw. 1-C-1C.
2 ist eine schematische Zeichnung der elektrischen Schaltungen des in den 1A–1C gezeigten akustisch gekoppelten Transformators.
3A ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils des in 1A gezeigten akustisch gekoppelten Transformators entlang der Schnittlinie 1B-1B, die eine erste Ausführungsform des akustischen Entkopplers zeigt.
3B ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teils des in 1A gezeigten akustisch gekoppelten Transformators entlang der Schnittlinie 1B-1B, die eine zweite Ausführungsform des akustischen Entkopplers zeigt.
4 ist ein Graph, der zeigt, wie die berechnete Frequenz-Respons von Ausführungsformen des in 1A–1C gezeigten akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators von der akustischen Impedanz des akustischen Entkopplers abhängt.
5A–5L sind Draufsichten, die einen exemplarischen Prozeß zum Herstellen eines akustisch gekoppelten Transformators gemäß der Erfindung illustrieren.
5M–5X sind Querschnittsansichten entlang der Schnittlinien 5M-5M, 5N-5N, 5O-5O, 5P-5P, 5Q-SQ, 5R-5R, 5S-5S, 5T-5T, 5U-5U, 5V-5V, 5W-5W bzw. 5X-5X in 5A–5L.
6A ist eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines im Verhältnis 1:1 akustisch gekoppelten Transformators gemäß der Erfindung während dessen Herstellung.
6B ist eine schematische Zeichnung der elektrischen Schaltungen des in 6A gezeigten akustisch gekoppelten Transformators.
7A–7F sind Draufsichten, die ein anderes exemplarisches Verfahren gemäß der Erfindung zum Herstellen einer dritten Ausführungsform eines akustisch gekoppelten Transformators gemäß der Erfindung zeigen, in der die piezoelektrischen Elemente jeweils eine Schicht aus einem gepolten ferroelektrischen Material umfassen.
Detaillierte Beschreibung
Aus Dünnschicht aufgebaute akustische Resonatoren ("Film bulk acoustic resonators", FBARs) wurden von Ruby et al. im U.S. Patent 5,587,620 mit dem Titel Tunable Film Acoustic Resonators and Method of Making Same offenbart, welches jetzt dem Inhaber dieser Offenbarung gehört und welches durch Bezugnahme in diese Offenbarung aufgenommen wird. Die Offenbarung von Ruby offenbart einen in Schichten aufgebauten akustischen Resonator ("Stacked film bulk acoustic resonator", SBAR), der aus zwei Schichten von piezoelektrischem Material aufgebaut ist, in die drei ebene Elektroden schichtförmig eingelagert sind. Der SBAR von Ruby kann als ein übereinandergeschichtetes Paar von FBARs betrachtet werden, bei denen eine Elektrode beiden FBARs gemeinsam ist, und wird im folgenden als SBAR mit gemeinsamer Elektrode bezeichnet. Die gemeinsame Elektrode hat zur Folge, daß der SBAR mit gemeinsamer Elektrode nicht in der Lage ist, symmetrische Schaltungen mit asymmetrischen Schaltungen und vice versa zu verbinden und eine elektrische Isolation zwischen der primären und der sekundären Seite herzustellen. Darüber hinaus weist der SBAR mit gemeinsamer Elektrode eine sehr enge Durchlaß-Bandbreite auf, die ihn für die meisten Anwendungen ungeeignet macht. Die enge Durchlaß-Bandbreite ist ein Resultat der gemeinsamen Elektrode, die die akustische Energie zwischen den FBARs über-koppelt.
Die US-Anmeldung 10/699,481, von der diese Anmeldung eine Continuation in Part ist, offenbart einen akustisch gekoppelten Transformator, der aus einem Paar von verbundenen SBARs besteht, wobei ein jeder der SBARs einen akustischen Entkoppler enthält, der zwischen seine ihn aufbauenden FBARs gesetzt ist. Der akustische Entkoppler bietet eine elektrische Isolation zwischen der primären und der sekundären Seite und beseitigt die Über- Kopplung der akustischen Energie zwischen den FBARs, wodurch dem akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformator eine nutzbare Bandbreite verliehen wird.
Der aus Dünnschichten aufgebaute akustische Resonator (FBAR) ist aufgrund einer Polaritätsabhängigkeit des piezoelektrischen Materials, welches ein Teil des FBAR bildet, eine polaritätsabhängige Vorrichtung. Eine Spannung mit einer gegebenen Polarität, die zwischen den Elektroden des FBAR angelegt wird, wird verursachen, daß sich die Dicke des FBAR in eine erste Richtung ändert, während dieselbe Spannung entgegengesetzter Polarität verursachen wird, daß sich die Dicke des FBAR in eine zweite Richtung ändert, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist. Beispielsweise wird eine Spannung der gegebenen Polarität verursachen, daß die Dicke des FBAR zunimmt, während eine Spannung der entgegengesetzten Polarität verursachen wird, daß die Dicke des FBAR abnimmt. Die Dicke des FBAR ist die Abmessung des FBAR zwischen den Elektroden. Auf ähnliche Weise wird eine auf den FBAR ausgeübte mechanische Beanspruchung, die eine Änderung der Dicke des FBAR in eine erste Richtung verursacht, eine Spannung der gegebenen Polarität zwischen den Elektroden des FBAR erzeugen, während eine mechanische Beanspruchung, die verursacht, daß sich die Dicke des FBAR in eine zweite Richtung, die zur ersten Richtung entgegengesetzt ist, ändert, eine Spannung der entgegengesetzten Polarität zwischen den Elektroden des FBAR erzeugen wird. Beispielsweise wird eine auf den FBAR ausgeübte mechanische Beanspruchung, die verursacht, daß die Dicke des FBAR zunimmt, eine Spannung der gegebenen Polarität erzeugen, während eine mechanische Beanspruchung, die verursacht, daß die Dicke des FBAR abnimmt, eine Spannung der entgegengesetzten Polarität erzeugen wird.
Piezoelektrische Materialien, wie beispielsweise Aluminiumnitrid (AlN) in der Kristallklasse 6 mm haben eine hexagonale Einheitszelle mit einer a-Achse und einer b-Achse in der hexagonalen Ebene und einer c-Achse, die zur hexagonalen Ebene orthogonal ist. Die Richtung der c-Achse des piezoelektrischen Materials des FBARs bestimmt das Verhältnis zwischen der Polarität der Spannung und der Richtung der Dickenänderung des FBAR. Die obigen Beispiele werden unter Verwendung eines FBARs erhalten, bei dem das piezoelektrische Material seine c-Achse in einer gegebenen Richtung ausgerichtet hat. In einem FBAR, bei dem die c-Achse des piezoelektrischen Materials in eine zweite Richtung, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, gerichtet ist, wird eine Spannung der gegebenen Polarität, die zwischen den Elektroden des FBAR angelegt ist, verursachen, daß sich die Dicke des FBAR in die zweite Richtung ändert, während eine Spannung der entgegengesetzten Polarität verursachen wird, daß sich die Dicke des FBAR in eine erste Richtung ändert. Auf ähnliche Weise wird eine auf den FBAR wirkende mechanische Beanspruchung, die eine Änderung der Dicke des FBAR in eine erste Richtung verursacht, eine Spannung der entgegengesetzten Polarität zwischen den Elektroden des FBAR erzeugen, während eine mechanische Beanspruchung, die eine Dickenänderung des FBAR in eine zweite Richtung verursacht, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist, eine Spannung der gegebenen Polarität zwischen den Elektroden des FBAR erzeugen wird. Ein piezoelektrisches Material, dessen c-Achse sich in Richtung auf das Substrat erstreckt, über dem der FBAR aufgehängt ist, wird hier als Material umgekehrter c-Achse bezeichnet. Ein piezoelektrisches Material, dessen c-Achse sich von dem Substrat, über dem die FBARs aufgehängt sind, forterstreckt, werden hier als Material normaler c-Achse bezeichnet.
1A–1C zeigen eine Draufsicht bzw. zwei Querschnittsansichten einer beispielhaften Ausführungsform 100 eines akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators gemäß der Erfindung. Der akustisch gekoppelte Transformator 100 ist in der Lage, eine asymmetrische Schaltung mit einer symmetrischen Schaltung oder vice versa zu verbinden, er bietet eine elektrische Isolierung zwischen der Primär- und der Sekundärseite und er ist elektrisch ausbalanciert bzw. symmetrisch. Der akustisch gekoppelte Transformator 100 ist ein Transformator geringer Impedanz mit einem Impedanzwandlungsverhältnis von 1:1.
Der akustisch gekoppelte Transformator 100 besteht aus zwei in Schichten aufgebauten akustischen Resonatoren (SBARs) 106 und 108. Ein jeder SBAR besteht aus einem unteren aus Dünnschicht aufgebauten akustischen Resonator (FBAR) und einem oberen FBAR und einem akustischen Entkoppler zwischen den FBARs. Der obere FBAR ist über den unteren FBAR geschichtet. Der Transformator 100 besteht ferner aus einem elektrischen Schaltkreis, der den unteren FBAR des SBAR 106 mit dem unteren FBAR der SBAR 108 verbindet, und einem elektrischen Schaltkreis, der den oberen FBAR von SBAR 106 mit dem oberen FBAR von SBAR 108 verbindet. SBARs, die akustische Entkoppler verwenden, sind mehr im Detail in der US-Patentanmeldung Nr. 10/600,289 beschrieben, die dem Inhaber dieser Offenbarung gehört und die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in die vorliegende Schrift aufgenommen wird.
SBAR 106 besteht aus einem unteren FBAR 110 und einem oberen FBAR 120 und einem akustischen Entkoppler 130 zwischen den FBARs 110 und 120. Der obere FBAR 120 ist über den unteren FBAR 110 geschichtet. Der akustische Entkoppler 130 steuert die Kopplung der akustischen Energie zwischen den FBARs 110 und 120. SBAR 108 besteht aus einem unteren FBAR 150 und einem oberen FBAR 160 und einem akustischen Entkoppler 170 zwischen den FBARs 150 und 160. Der obere FBAR 160 ist über den unteren FBAR 150 geschichtet. Der akustische Entkoppler 170 steuert die Kopplung der akustischen Energie zwischen den FBARs 150 und 160.
Der untere FBAR 110 besteht aus gegenüberliegenden ebenen Elektroden 112 und 114 und einem piezoelektrischen Element 116 zwischen den Elektroden. Der untere FBAR 150 besteht aus gegenüberliegenden ebenen Elektroden 152 und 154 und einem piezoelektrischen Element 156 zwischen den Elektroden. Der obere FBAR 160 besteht aus gegenüberliegenden ebenen Elektroden 162 und 164 und einem piezoelektrischen Element 166 zwischen den Elektroden.
SBAR 106 und SBAR 108 sind über einem Hohlraum 104 aufgehängt, der in einem Substrat 102 definiert ist. Das Aufhängen der SBARs über einem Hohlraum gestattet es den FBARs der SBARs, mechanisch zu schwingen. Andere Schemata der Aufhängung, die es den FBARs gestatten, mechanisch zu schwingen, sind möglich. Beispielsweise können die SBARs über einem fehlangepaßten akustischen Bragg-Reflektor (nicht gezeigt) angeordnet sein, der in oder auf dem Substrat 102 ausgebildet ist, wie von Lakin im US Patent Nr. 6,107,721 offenbart ist, dessen Offenbarung durch Bezugnahme in diese Offenbarung aufgenommen wird.
In dem gezeigten Beispiel bestehen die piezoelektrischen Elemente jeweils aus einer jeweiligen Schicht eines piezoelektrischen Materials. Das piezoelektrische Material hat eine c-Achse. Die c-Achsen der piezoelektrischen Elemente 116 und 156 der unteren FBARs 110 bzw. 150 haben entgegengesetzte Richtungen, und die c-Achsen der piezoelektrischen Elemente 126 und 166 der oberen FBARs 120 bzw. 160 haben unterschiedliche Richtungen.
In dem gezeigten Beispiel sind das piezoelektrische Material des piezoelektrischen Elements 156 des unteren FBAR 150 und das piezoelektrische Material des piezoelektrischen Elements 166 des oberen FBAR 160 Materialien umgekehrter c-Achsen. Die Richtungen der c-Achsen der piezoelektrischen Elemente 156 und 166 sind durch Pfeile 148 bzw. 149 angezeigt. Das piezoelektrische Material des piezoelektrischen Elements 116 des unteren FBAR 110 und das piezoelektrische Material des piezoelektrischen Elements 126 des oberen FBAR 120 sind Ma terialien normaler c-Achse. Die Richtungen der c-Achsen der piezoelektrischen Elemente 116 und 126 sind durch Pfeile 146 bzw. 147 angezeigt.
In anderen Ausführungsformen sind die piezoelektrischen Materialien der piezoelektrischen Elemente 126 und 156 der FBARs 120 bzw. 150 Materialien umgekehrter c-Achse, und die piezoelektrischen Elemente 116 und 166 der piezoelektrischen Elemente der FBARs 110 und 116 sind Materialien normaler c-Achse. Alternativ sind die piezoelektrischen Materialien der piezoelektrischen Elemente 126 und 156 der FBARs 120 bzw. 150 Materialien umgekehrter c-Achse, und die piezoelektrischen Element 116 und 166 der piezoelektrischen Elemente der FBARs 110 und 160 sind Materialien normaler c-Achse. In einer weiteren Alternative sind die piezoelektrischen Materialien der piezoelektrischen Elemente 116 und 126 der FBARs 110 bzw. 120 Materialien umgekehrter c-Achse, und die piezoelektrischen Elemente 156 und 166 der piezoelektrischen Elemente der FBARs 150 und 160 sind Materialien normaler c-Achse. In einer letzten Alternative sind die piezoelektrischen Materialien der piezoelektrischen Elemente 116 und 166 der FBARs 110 bzw. 160 Materialien umgekehrter c-Achse, und die piezoelektrischen Elemente 126 und 156 der piezoelektrischen Elemente der FBARs 120 und 150 sind Materialien normaler c-Achse.
2 ist eine schematische Zeichnung der elektrischen Schaltungen des akustisch gekoppelten Transformators 100. Eine erste elektrische Schaltung 141 besteht aus einer elektrischen Spur 137, die die Elektrode 154 des unteren FBAR 150 mit der Elektrode 114 des unteren FBAR 110 verbindet. Somit verbindet die elektrische Schaltung 141 die unteren FBARs 110 und 150 in Reihe. Da jedoch die Richtung der c-Achse des piezoelektrischen Elements 156 des unteren FBAR 150 umgekehrt ist wie diejenige des unteren FBAR 110, haben die in Reihe geschalteten FBARs 110 und 150 dieselben elektromechanischen Eigenschaften wie herkömmliche FBARs, die in Reihe mit entgegengesetzter Polung geschaltet sind. Die erste elektrische Schaltung 141 besteht ferner aus einer elektrischen Spur 133, die die Elektrode 112 mit einem Anschluß 132 verbindet, und einer elektrischen Spur 173, die die Elektrode 152 mit einem Anschluß 172 verbindet. Die Anschlüsse 132 und 172 sind als Verbindungsfelder bzw. Bondpads stukturiert. Die Begriffe in Reihe und in Reihe mit entgegengesetzter Polung werden unten näher beschrieben.
Eine zweite elektrische Schaltung 152 besteht aus einer elektrischen Spur 138, die die Elektrode 122 des oberen FBAR 120 des SBAR 106 elektrisch mit der Elektrode 162 der oberen FBAR 160 von SBAR 108 verbindet. Die zweite elektrische Schaltung 142 besteht darüber hinaus aus einer elektrischen Spur 135, die die Elektrode 124 elektrisch mit einem Anschluß 134 verbindet, und einer elektrischen Spur 175, die eine Elektrode 164 mit einem Anschluß 174 elektrisch verbindet. Somit verbindet die elektrische Schaltung 142 die oberen FBARs elektrisch in Reihe. Da jedoch die Richtung der c-Achse des piezoelektrischen Elements 166 des oberen FBAR 160 relativ zu derjenigen des oberen FBAR 120 umgekehrt ist, haben die in Reihe geschalteten FBARs 120 und 160 dieselben elektromechanischen Eigenschaften wie herkömmliche FBARs, die mit entgegengesetzter Polung in Reihe geschaltet sind. Die Anschlüsse 134 und 174 sind als Bondpads strukturiert.
In einer Ausführungsform bilden die Anschlüsse 132 und 172 die primären Anschlüsse und die Anschlüsse 134 und 174 bilden die sekundären Anschlüsse des akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 100. So verbunden arbeitet der akustisch gekoppelte Transformator 100 als ein 1:1-Transformator. Ein an die primären Anschlüsse 132 und 172 angelegtes Signal wird auf demselben Niveau an den sekundären Anschlüssen 134 und 174 ausgegeben. In einer typischen Ausführungsform, in der alle FBARs 110, 120, 150 und 160 eine ähnliche charakteristische Impedanz aufweisen, ist zudem die Impedanz, die zwischen den primären Anschlüssen 132 und 172 gesehen wird, diejenige von zwei FBARs in Reihe, d.h., das Doppelte der typischen charakteristischen Impedanz eines einzelnen FBAR, und die zwischen den sekundären Anschlüssen 134 und 174 gesehene Impedanz ist ebenfalls diejenige von zwei FBARs in Reihe. Somit hat der akustisch gekoppelte Transformator 100 ein Primär-zu-Sekundär-Impedanzverhältnis von 1:1.
In einer alternativen Ausführungsform bilden die Anschlüsse 132 und 172 die sekundären Anschlüsse, und die Anschlüsse 134 und 174 bilden die primären Anschlüsse des akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 100. So verbunden arbeitet der akustisch gekoppelte Transformator 100 immer noch als ein 1:1-Transformator, und er gibt ein Signal an den sekundären Anschlüssen 134 und 174 auf demselben Niveau aus, wie dasjenige des Signals, das an die primären Anschlüsse 132 und 172 angelegt wird, und das Primär-zu-Sekundär-Impedanzverhältnis beträgt 1:1.
Die elektrische Schaltung 141 verbindet die unteren FBARs 110 und 150 elektrisch in Reihe, so daß ein gegebenes elektrisches Signal, welches an die Anschlüsse 132 und 172 angelegt wird, auf gleiche Weise und in entgegengesetzter Phase an die FBARs 110 und 150 angelegt wird. Ein an die Anschlüsse 132 und 172 angelegtes elektrisches Signal, welches verursacht, daß FBAR 110 sich mechanisch zusammenzieht, verursacht auch, daß sich FBAR 150 im selben Ausmaß mechanisch ausdehnt, und vice versa, aufgrund der entgegengesetzten Richtungen der c-Achsen der piezoelektrischen Elemente 116 und 156 der FBARs 110 bzw. 150. Die vom FBAR 150 erzeugte akustische Energie ist daher mit der vom FBAR 110 erzeugten akustischen Energie in Phase. Dementsprechend ist die akustische Energie, die der FBAR 160 von FBAR 150 empfängt, in Phase mit der akustischen Energie, die der FBAR 120 von dem FBAR 110 empfängt. Die in-phasigen akustischen Signale, die an die piezoelektrischen Elemente 126 und 166 der oberen FBARs 120 bzw. 160 angelegt werden, erzeugen elektrische Signale zwischen den Elektroden 122 und 124 und zwischen 162 und 164, die aufgrund der entgegengesetzten Richtungen der c-Achsen der piezoelektrischen Elemente 126 und 166 zueinander gegenphasig sind. Die elektrische Schaltung 142 verbindet FBARs 120 und 160 in Reihe, so daß der Spannungsunterschied zwischen den Anschlüssen 134 und 174 gleich der doppelten Spannung über einem jeden der oberen FBARs 120 und 160 ist.
Wie oben angemerkt wurde, steuert bei dem erfindungsgemäßen Transformator 100 der Entkoppler 130 die Kopplung der akustischen Energie zwischen den geschichteten FBARs 110 und 120, und der akustische Entkoppler 170 steuert die Kopplung der akustischen Energie zwischen den geschichteten FBARs 150 und 160. Darüber hinaus sind die akustischen Entkoppler 130 und 170 elektrisch isolierend, so daß der akustische Entkoppler 130 den FBAR 110 vom FBAR 120 elektrisch isoliert, und der akustische Entkoppler 170 isoliert den FBAR 150 elektrisch vom FBAR 160. Die durch die akustischen Entkoppler 130 und 170 bewirkte elektrische Isolation stellt eine elektrische Isolation zwischen der Primär- und der Sekundärseite des akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 100 bereit.
Die akustische Kopplung, die durch die akustischen Entkoppler 130 und 170 bereitgestellt wird, ist wesentlich geringer als die akustische Kopplung zwischen den FBARs bei dem oben genannten SBAR mit gemeinsamer Elektrode. Demzufolge sind die FBARs 110 und 120 und die FBARs 150 und 160 nicht über-koppelt, und der Transformator 100 hat eine relative flache Response im Durchlaßbereich, wie unten unter Bezugnahme auf 5 beschrieben werden wird.
Die in 1A–1C gezeigte Ausführungsform der akustischen Entkoppler 130 und 170 ist eine erste Ausführungsform, in der der akustische Entkoppler 130 aus einer Schicht von akustisch entkoppelndem Material aufgebaut ist, welches zwischen der Elektrode 114 des unteren FBAR 110 und der Elektrode 122 des oberen FBAR 120 angeordnet ist, und der akustische Entkoppler 170 besteht aus einer Schicht von akustisch entkoppelndem Material, welches zwischen der Elektrode 154 des unteren FBARs 150 und der Elektrode 162 des oberen FBARs 160 angeordnet ist.
3A ist eine vergrößerte Ansicht, die einen Teil des SBAR 106 mehr im Detail zeigt, der die oben erwähnte erste Ausführungsform des akustischen Entkopplers 130 eingebaut hat. Unter zusätzlicher Bezugnahme auf 1A und 1B sind der entsprechende Teil des SBAR 108 und der akustische Entkoppler 170 von ähnlicher Struktur, und sie werden nicht unabhängig beschrieben. In dem gezeigten Beispiel ist der akustische Entkoppler 130 aus einer Schicht 131 aus akustisch entkoppelndem Material bzw. Entkopplungsmaterial aufgebaut, welches zwischen der Elektrode 114 des FBAR 110 und der Elektrode 122 des FBAR 120 angeordnet ist. Die Schicht 131 von akustisch entkoppelndem Material erstreckt sich darüber hinaus zwischen der Elektrode 144 des FBAR 150 und der Elektrode 162 des FBAR 160, um die akustische Entkopplungsschicht 170 des SBAR 108 zu bilden. In anderen Ausführungsformen können unabhängige aber ähnliche Schichten von akustischem Entkopplungsmaterial akustische Entkoppler 130 bzw. 170 bereitstellen.
Wichtige Eigenschaften des akustischen Entkopplungsmaterials von Schicht 131 bestehen in einer akustischen Impedanz, die signifikant verschieden von, und typischerweise signifikant geringer ist, als diejenige der Materialien der FBARs 110, 120, 150 und 160, und einer nominellen Dicke, die ein ungerades Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge einer akustischen Welle in dem akustischen Entkopplermaterial beträgt, die eine Frequenz hat, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlaßbereichs des akustisch gekoppelten Transformators 100 ist. In manchen Anwendungen ist auch ein hoher elektrischer Widerstand wünschenswert. In Ausführungsformen, in denen das Material der Schicht 131 elektrisch isolierend ist, ist außerdem eine niedrige Dielektrizitätskonstante wünschenswert.
Das akustische Entkopplungsmaterial hat eine akustische Impedanz, die geringer als diejenige der Materialien der FBARs 110, 120, 150 und 160 ist, und die wesentlich größer ist als diejenige der Luft. Die akustische Impedanz eines Materials ist das Verhältnis zwischen Spannung und Teilchengeschwindigkeit in dem Material, und sie wird in Rayleighs, abgekürzt als rayl, gemessen. Die Materialien der FBARs sind typischerweise Aluminiumnitrid (AlN) als Mate rial der piezoelektrischen Schichten 116, 126, 156 und 166 und Molybdän (Mo) als Material der Elektroden 112, 114, 122, 124, 152, 154, 162 und 164. Die akustischen Impedanzen der Materialien der FBARs sind typischerweise größer als 30 Mrayl (35 Mrayl für AlN und 63 Mrayl für Mo), und die akustische Impedanz von Luft beträgt ungefähr 1 Krayl. Bei Ausführungsformen des Transformators 100, bei denen die Materialien der FBARs wie oben erwähnt gewählt sind, funktionieren Materialien mit einer akustischen Impedanz im Bereich von ungefähr 1 Mrayl bis ungefähr 16 Mrayl gut als akustisches Kopplungsmaterial der Schicht 131.
4 ist ein Graph, der zeigt, wie die berechnete Frequenzantwort bzw. -response des akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 100 von der akustischen Impedanz des akustischen Entkopplungsmaterials der Schicht 131 abhängt, die die erste Ausführungsform der akustischen Entkoppler 130 und 170 bildet. Die dargestellte Ausführungsform hat eine Mittenfrequenz von ungefähr 1,9 GHz. Berechnete Frequenzantworten für Ausführungsformen, bei denen das akustische Entkopplungsmaterial des akustischen Entkopplers akustische Impedanzen von ungefähr 4 Mrayl (Polyimid-Kurve 240), 8 Mrayl (Kurve 242) und 16 Mrayl (Kurve 244) hat, sind gezeigt. Man kann sehen, daß die Bandbreite des Transformators 100 mit zunehmender akustischer Impedanz des akustischen Entkopplungsmaterials zunimmt. Bei der Ausführungsform, bei der die akustische Impedanz 16 Mrayl beträgt, sind die Resonanzen der FBARs über-koppelt, was die charakteristischen Doppelspitzen in der Durchlaßband-Antwort verursacht.
Bei der in 1A–1C gezeigten Ausführungsform des akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 100 hat die Schicht 131 (3A) des akustischen Entkopplungsmaterials, das die akustischen Entkoppler 130 und 170 bildet, eine nominelle Dicke, die gleich einem Viertel der Wellenlänge einer akustischen Welle im akustischen Entkopplermaterial ist, die eine Frequenz hat, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlaßbandes des Transformators ist, d.h., t ≈ λ_n/4, wobei t die Dicke der Schicht 131 ist und λ_n die Wellenlänge einer akustischen Welle im akustischen Entkopplungsmaterial ist, die eine Frequenz hat, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlaßbereichs des Transformators 100 ist. Eine Dicke der Schicht 131 innerhalb von ungefähr ±10 % der nominellen Dicke kann alternativ verwendet werden. Eine Dicke außerhalb dieses Bereichs kann alternativ mit etwas verschlechtertem Leistungsverhalten verwendet werden. Jedoch sollte die Dicke der Schicht 113 signifikant von 0λ_n an einem Extrem und λ_n/2 am anderen Extrem entfernt sein.
Allgemeiner gesagt hat die Schicht 131 des akustischen Entkopplungsmaterials eine nominelle Dicke, die gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge einer akustischen Welle im akustischen Entkopplungsmaterial ist, die eine Frequenz hat, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlaßbereichs des Transformators 100 ist, d.h., t ≈ (2m + 1) λ_n/4, wobei t und λ_n wie oben definiert sind und m eine ganze Zahl größer oder gleich Null ist. In diesem Fall kann alternativ eine Dicke der Schicht 131 verwendet werden, die von der nominellen Dicke um ungefähr ±10 % von ≈ λ_n/4 abweicht. Eine Dickentoleranz außerhalb dieses Bereichs kann mit einiger Verschlechterung im Leistungsverhalten verwendet werden, aber die Dicke der Schicht 131 sollte sich signifikant von einem ganzzahligen Vielfachen von λ_n/2 unterscheiden.
Viele Kunststoffmaterialien haben akustische Impedanzen in dem oben erwähnten Bereich und können in Schichten gleichförmiger Dicke in den oben genannten Dickenbereichen verwendet werden. Solche Kunststoffmaterialien sind daher potentiell zur Verwendung als das akustische Entkopplungsmaterial der Schicht 131 geeignet, die die akustischen Entkoppler 130 und 170 bildet. Jedoch muß das akustische Entkopplungsmaterial auch in der Lage sein, den Temperaturen der Herstellungsoperationen standzuhalten, die durchgeführt werden, nachdem die Schicht 131 auf den Elektroden 114 und 154 abgelagert wurde, um die akustischen Entkoppler 130 und 170 zu bilden.
Wie unten mehr im Detail beschrieben wird, werden in praktischen Ausführungsformen des akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 100 die Elektroden 122, 124, 162 und 164 und die piezoelektrischen Schichten 126 und 166 durch Sputtern abgelagert, nachdem die Schicht 131 aufgetragen wurde. Während dieser Ablagerung bzw. dieses Auftragens werden Temperaturen von bis zu 300°C erreicht. Somit ist als akustisches Entkopplungsmaterial der Schicht 131 ein Kunststoff erstrebenswert, der bei solchen Temperaturen stabil bleibt.
Kunststoffmaterialien haben typischerweise eine sehr hohe akustische Dämpfung pro Einheitslänge, verglichen mit den anderen Materialien der SBARs 106 und 108. Da jedoch die Dicke der Schicht 131 des aus Kunststoff bestehenden akustischen Entkopplungsmaterials typischerweise geringer als 1 μm ist, ist die durch die akustischen Entkoppler 130 und 170 induzierte akustische Dämpfung typischerweise vernachlässigbar.
In einer Ausführungsform wird Polyimid als das akustische Entkopplungsmaterial der Schicht 131 verwendet. Polyimid wird unter der Marke Kapton^® von E. I. Dupont de Nemours & Co. verkauft. Bei solch einer Ausführungsform bestehen die akustischen Entkoppler 130 und 170 aus der Schicht 131 aus Polyimid, die auf die Elektroden 114 und 154 durch Aufschleudern, Sprühen, Tauchen oder ein anderes geeignetes Verfahren aufgebracht wird. Polyimid hat eine akustische Impedanz von ungefähr 4 Mrayl. In einer anderen Ausführungsform wird ein Poly(para-Xylylen) als akustisches Entkopplungsmaterial der Schicht 131 verwendet. In solch einer Ausführungsform bestehen die akustischen Entkoppler 130 und 170 aus einer Schicht 131 aus Poly(para-Xylylen), welches durch Vakuumaufdampfen auf die Elektroden 114 und 154 aufgebracht wird. Poly(para-Xylylen) ist im Stand der Technik auch als Parylen bekannt. Der Dimer-Vorläufer di-para-Xylylen, aus dem Parylen hergestellt wird, und die Ausrüstung zum Durchführen des Vakkumbedampfens der Schichten von Parylen sind von vielen Herstellern erhältlich. Parylen hat eine akustische Impedanz von ungefähr 1,8 Mrayl.
In einer alternativen Ausführungsform hat das akustische Entkopplungsmaterial der Schicht 131 eine akustische Impedanz, die wesentlich größer als diejenige der Materialien der FBARs 110, 120, 150 und 160 ist. Gegenwärtig sind keine Materialien bekannt, die diese Eigenschaft haben, aber solche Materialien können in der Zukunft verfügbar werden, oder FBAR-Materialien mit niedrigerer akustischer Impedanz können in der Zukunft verfügbar werden. Die Dicke der Schicht 131 eines solchen akustischen Entkopplungsmaterials mit hoher akustischer Impedanz ist so, wie oben beschrieben wurde.
3B ist eine vergrößerte Ansicht, die ein Teil des SBAR 106 mehr im Detail zeigt, der eine zweite Ausführungsform des akustischen Entkopplers 130 verwendet, die eine Bragg-Struktur 161 enthält. Der entsprechende Teil des SBAR 108, der solch eine zweite Ausführungsform des akustischen Entkopplers 170 enthält, ist von ähnlicher Struktur und wird nicht unabhängig beschrieben. Die Bragg-Struktur 161 besteht aus einem Bragg-Element 163 niedriger akustischer Impedanz, welches zwischen Bragg-Elementen 165 und 167 hoher akustischer Impedanz angeordnet ist. Das Bragg-Element 163 niedriger akustischer Impedanz ist eine Schicht aus einem material niedriger akustischer Impedanz, während die Bragg-Elemente 165 und 167 hoher akustischer Impedanz jeweils eine Schicht aus einem Material hoher akustischer Impedanz sind. Die akustischen Impedanzen der Bragg-Elemente werden als "niedrig" und "hoch" im Verhältnis zueinander und zusätzlich im Verhältnis zur akustischen Impedanz des piezoelektrischen Materials der piezoelektrischen Elemente 116 und 126 charakterisiert. Min destens eines der Bragg-Elemente hat zusätzlich eine niedrige Dielektrizitätskonstante. In manchen Anwendungen hat mindestens eines der Bragg-Elemente zusätzlich einen hohen elektrischen Widerstand, um eine elektrische Isolation zwischen der Primär- und Sekundärseite herzustellen.
Eine jede der Schichten, die die Bragg-Elemente 161, 163 und 165 bilden, hat eine nominelle Dicke, die gleich einem ungeraden Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge einer akustischen Welle in dem Material der Schicht ist, die eine Frequenz hat, die gleich der Mittenfrequenz des Transformators 100 ist. Schichten, die von der nominellen Dicke um ungefähr ±10 % eines Viertels der Wellenlänge abweichen, können alternativ verwendet werden. Eine Dickentoleranz außerhalb dieses Bereichs kann mit einiger Verschlechterung in dem Leistungsverhalten verwendet werden, aber die Dicke der Schichten sollte signifikant von einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge verschieden sein.
In einer Ausführungsform ist das Bragg-Element 163 niedriger akustischer Impedanz eine Schicht aus Silizium-dioxid (SiO₂), welches eine akustische Impedanz von ungefähr 13 Mrayl hat, und die Bragg-Elemente 165 und 167 sind jeweils eine Schicht aus demselben Material wie die Elektroden 114 bzw. 122, d.h., aus Molybdän, welches eine akustische Impedanz von ungefähr 63 Mrayl hat. Die Verwendung desselben Materials für die Bragg-Elemente 166 und 167 hoher Impedanz und für die Elektroden 114 und 122 der FBARs 110 bzw. 120 erlaubt, daß die Bragg-Elemente 165 und 167 hoher akustischer Impedanz zusätzlich jeweils als Elektroden 114 und 122 dienen.
In einem Beispiel haben die Elemente 165 und 167 hoher Impedanz eine nominelle Dicke, die gleich einem Viertel der Wellenlänge einer akustischen Welle in Molybdän ist, die eine Frequenz hat, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlaßbereichs des Transformators 100 ist, und das Bragg-Element 163 niedriger akustischer Impedanz hat eine nominelle Dicke, die gleich dreiviertel der Wellenlänge einer akustischen Welle in SiO₂ ist, die eine Frequenz hat, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches des Transformators ist. Die Verwendung einer SiO₂-Schicht, die dreiviertel Wellenlängen anstatt einer Viertelwellenlänge dick ist, als Bragg-Element 163 niedriger akustischer Impedanz verringert die Kapazität zwischen den FBARs 110 und 120, aber verringert die Bandbreite des Transformators 100.
In Ausführungsformen, in denen der Unterschied der akustischen Impedanz zwischen den Bragg-Elementen 165 und 167 hoher akustischer Impedanz und dem Bragg-Element 163 geringer akustischer Impedanz relativ gering ist, kann die Bragg-Struktur 161 aus mehr als einem (z.B., n) Bragg-Elementen niedriger akustischer Impedanz bestehen, zwischen denen eine entsprechende Anzahl (d.h., n + 1) Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz angeordnet sind. Beispielsweise kann die Bragg-Struktur aus zwei Bragg-Elementen niedriger akustischer Impedanz gebildet sein, mit denen drei Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz verschachtelt sind. Nur eines der Bragg-Elemente braucht isolierend zu sein.
In einer Ausführungsform erstreckt sich das Bragg-Element 163 niedriger akustischer Impedanz zusätzlich zwischen den Elektroden 154 und 162 des SBAR 108 und bildet Teile der akustischen Entkoppler 130 und 170. Zusätzlich haben die Elektroden 154 und 162 nominelle Dicken, die gleich einem Viertel der Wellenlänger einer akustischen Welle in dem Elektrodenmaterial ist, die eine Frequenz hat, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches des Transformators ist. Alternativ können die akustischen Entkoppler 130 und 170 jeweils unabhängige aber ähnliche Bragg-Elemente niedriger akustischer Impedanz enthalten.
Tausende von akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformatoren ähnlich dem akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformator 100 werden gleichzeitig durch Herstelldung auf Wafer-Skala hergestellt. Solch eine Herstellung auf Wafer-Skala macht die Herstellung des akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 100 preiswert. Ein exemplarisches Herstellungsverfahren wird als nächstes unter Bezugnahme auf die Draufsichten von 5A–5L und die Querschnittsansichten von 5M–5X beschrieben. Die unten angeführten quantitativen Beispiele beziehen sich auf ein Beispiel eines akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 100, der für den Betrieb bei einer Frequenz von ungefähr 1,9 GHz geeignet ist. Beispiele, die für den Betrieb bei anderen Frequenzen geeignet sind, werden sich in Details, wie beispielsweise Elektrodenflächen und Filmdicken, unterscheiden.
Ein Wafer (nicht gezeigt) eines Silizium-Monokristalls wird bereitgestellt. Ein Abschnitt des Wafers bildet für einen jeden hergestellten Transformator ein Substrat, das dem Substrat 102 des Transformators 100 entspricht. 5A–5L und 5M–5X zeigen, und die folgende Beschreibung beschreibt die Herstellung des Transformators 100 in und auf einem Abschnitt des Wafers. Während der Transformator 100 hergestellt wird, werden die übrigen Transformatoren auf dem Wafer auf ähnliche Weise hergestellt.
Der Abschnitt des Wafers, der das Substrat 102 des Transformators 100 bildet, wird selektiv naßgeätzt, um einen Hohlraum 104 zu bilden, wie in 5A und 5M gezeigt ist. Der Hohlraum 104 kann alternativ durch Trockenätzen ausgebildet werden.
Eine Schicht eines Füllmaterials (nicht gezeigt) wird auf dem Wafer mit einer Dicke abgelagert, die ausreicht, die Hohlräume zu füllen. Die Oberfläche des Wafers wird dann geebnet, um den mit dem Füllmaterial gefüllten Hohlraum übrigzulassen. 5B und 5N zeigen in den Hohlraum 104 in dem Substrat 102, der mit einem Füllmaterial 105 gefüllt ist.
In einer Ausführungsform war das Füllmaterial Phosphosilikatglas (PSG) und wurde es unter Verwendung von chemischer Gasphasenabscheidung bei Niedrigdruck ("low-pressure chemical vapor deposition", LPCVD) abgelagert. Das Füllmaterial kann alternativ durch Sputtern oder durch Aufschleudern aufgetragen werden.
Auf der Oberfläche des Wafers und des Füllmaterials wird eine Metallschicht abgelagert. Das Metall wird strukturiert, um die Elektrode 112, die Elektrode 152, das Bond-Pad 132 und die elektrische Spur 133, die sich zwischen der Elektrode 113 und dem Bond-Pad 132 erstreckt, das Bond-Bad 172 und die elektrische Spur 173, die sich zwischen der Elektrode 152 und dem Bond-Pad 172 erstreckt, zu definieren, wie in 5C und 5O gezeigt ist. Die Elektrode 112 und die Elektrode 152 sind so angeordnet, daß ein Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105 frei bleibt, um zu gestatten, daß das Füllmaterial später durch Ätzen entfernt wird, wie unten beschrieben wird.
Die Elektrode 112 und die Elektrode 152 haben typischerweise eine irreguläre Form in einer Ebene parallel zur Hauptfläche des Wafers 302. Eine irreguläre Form minimiert laterale Moden in den FBARs, von denen die Elektroden einen Teil bilden, wie im US Patent Nr. 6,215,375 von Larson III et al. beschrieben ist, dessen Offenbarung durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen wird.
Die Elektroden 112, 114, 122, 124, 152, 154, 162 und 164 werden ausgebildet, indem Metallschichten so strukturiert werden, daß in den jeweiligen Ebenen parallel zur Hauptfläche des Wafers die Elektroden 112 und 114 des FBAR 110 dieselbe Größe, Form, Orientierung und Position haben, die Elektroden 122 und 121 des FBAR 120 dieselbe Form, Größe, Orientie rung und Position haben, die Elektroden 152 und 154 des FBAR 150 dieselbe Form, Größe, Orientierung und Position haben und die Elektroden 162 und 164 des FBAR 160 dieselbe Form, Größe, Orientierung und Position haben. Typischerweise haben die Elektroden 114 und 122 außerdem dieselbe Form, Größe, Orientierung und Position, und die Elektroden 154 und 162 haben zusätzlich dieselbe Form, Größe, Orientierung und Position.
In einer Ausführungsform war das Metall, das zum Ausbilden der Elektrode 112, des Bond-Pads 132, der Spur 133, der Elektrode 152, des Bond-Pads 172 und der Spur 173 verwendet wurde, Molybdän. Das Molybdän wurde mit einer Dicke von ungefähr 440 nm durch Sputtern abgelagert, und es wurde durch Trockenätzen strukturiert, um fünfeckige Elektroden zu definieren, von denen eine jede eine Fläche von ungefähr 7.000 μm² hat. Die Fläche der Elektroden ist so gewählt, daß sie eine gegebene elektrische Impedanz aufweisen. Die Impedanz hängt auch von der Höhe der SBARs 106 und 108 und der Betriebsfrequenz ab. Andere hitzebeständige Metalle, wie beispielsweise Wolfram, Niob und Titan können alternativ als Material für die Elektroden 112 und 152, die Bond-Pads 132 und 172 und die Spuren 133 und 173 verwendet werden. Die Elektroden, Bond-Pads und Spuren können alternativ Schichten aus mehr als einem Material umfassen.
Ein piezoelektrisches Material wird abgelagert und strukturiert, um eine piezoelektrische Schicht 117 zu definieren, die das piezoelektrische Element 116 normaler c-Achse des FBAR 110 und das piezoelektrische Element 156 umgekehrter c-Achse des FBAR 150 bildet. Das piezoelektrische Material wird abgelagert, indem zuerst eine dünne Schicht des piezoelektrischen Materials umgekehrter c-Achse abgelagert wird und die dünne Schicht strukturiert wird, um eine Keimschicht 155 über der Elektrode 152 zu definieren, wie in 5D und 5P gezeigt ist. Dann wird eine dicke Schicht piezoelektrischen Materials mit einer nominellen Dicke, die gleich der Designdicke der piezoelektrischen Elemente 116 und 156 ist, abgelagert und strukturiert, um die piezoelektrische Schicht 117 zu definieren, wie in 5E und 5Q gezeigt ist. Die Keimschicht 155 verbleibt an ihrem Ort unter einem Teil der Schicht 117, aber sie ist in 5Q aufgrund ihrer vernachlässigbaren Dicke verglichen mit der Schicht 117 nicht gezeigt. Die piezoelektrische Schicht 117 wird strukturiert, um einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105 und der Bond-Pads 132 und 172 freizulegen. Die piezoelektrische Schicht 117 ist zusätzlich strukturiert, um Fenster 119 zu definieren, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials gestatten.
Unter Bezugnahme wiederum auf 5D und 5P wird die dünne Schicht des piezoelektrischen Materials, die strukturiert ist, um die Keimschicht 155 zu definieren, unter Ablagerungsbedingungen abgelagert, die die Ausbildung eines piezoelektrischen Materials umgekehrter c-Achse begünstigen. Das Mustern der dünnen Schicht des piezoelektrischen Materials, um die Keimschicht 155 zu definieren, legt die Elektrode 112, einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105, das Bond-Pad 132, die elektrische Spur 173, das Bond-Pad 172 und einen Teil der elektrischen Spur 173 frei.
Unter Bezugnahme nun auf 5E und 5U wird die dicke Schicht des piezoelektrischen Materials unter normalen Ablagerungsbedingungen abgelagert. Das piezoelektrische Material der dicken Schicht wächst in dem Abschnitt, der auf der Keimschicht 155 abgelagert ist, mit umgekehrter c-Achse, aber anderswo mit seiner c-Achse in der normalen Richtung. Die Strukturierung der dicken Schicht des piezoelektrischen Materials, um die piezoelektrische Schicht 117 zu definieren, die das piezoelektrische Element 116 und das piezoelektrische Element 156 bildet, legt einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105, das Bond-Pad 132 und einen Teil der elektrischen Spur 133, das Bond-Pad 172 und einen Teil der elektrischen Spur 173 frei, und es bildet zusätzlich ein Fenster 119, welches einen Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials gestattet.
In einer Ausführungsform war die dünne Schicht des piezoelektrischen Materials aus Aluminiumnitrid, und sie wurde mit einer Dicke von ungefähr 40 nm durch Sputtern in einer sauerstoffreichen Sputter-Umgebung abgelagert. Obwohl dieser Ablagerungsprozeß verwendet werden könnte, um die gesamte Dicke der piezoelektrischen Schicht 117 abzulagern, hat das piezoelektrische Material typischerweise piezoelektrische Eigenschaften, die denjenigen eines piezoelektrischen Materials, welches unter normalen Wachstumsbedingungen wächst, unterlegen ist. Indem eine dünne Schicht eines Materials umgekehrter c-Achse unter sauerstoffreichen Wachstumsbedingungen als Keimschicht abgelagert wird und dann eine dicke Schicht des piezoelektrischen Materials unter normalen, stickstoffreichen Wachstumsbedingungen abgelagert wird, hat das piezoelektrische Material umgekehrter c-Achse, welches auf der Keimschicht abgelagert wird, piezoelektrische Eigenschaften, die vergleichbar mit denjenigen eines piezoelektrischen Materials normaler c-Achse sind. Somit bildet das Ablagern der Schicht 117 aus piezoelektrischem Material das piezoelektrische Element 116 mit seiner c-Achse (angezeigt durch Pfeil 146) in der normalen Richtung und das piezoelektrische Element 156 mit seiner c-Achse (angezeigt durch Pfeil 148) in der umgekehrten Richtung.
Die dünne Schicht des piezoelektrischen Materials wurde durch Naßätzen in Kaliumhydroxid oder durch chlorbasierendes Trockenätzen strukturiert, um die Keimschicht 155 zu definieren.
In einer Ausführungsform war das piezoelektrische Material, welches abgelagert wurde, um die piezoelektrische Schicht 117 zu bilden, Aluminiumnitrid, und es wurde mit einer Dicke von ungefähr 760 nm durch Sputtern aufgetragen. Das piezoelektrische Material wurde durch Naßätzen in Kaliumhydroxid oder durch chlorbasierendes Trockenätzen strukturiert. Alternative Materialien für die piezoelektrische Schicht 117 umfassen Zinkoxid, Kadmiumsulfid und gepolte ferroelektrische Materialien, wie beispielsweise Perowskit-Ferroelektrika, darunter Blei-Zirkonium-Titanat, Blei-Meta-Niobat und Bariumtitanat. Das Polen von ferroelektrischen Materialien wird unten unter Bezugnahme auf 7A–7F beschrieben.
Eine Metallschicht wird abgelagert und strukturiert, um die Elektrode 114, die Elektrode 154 und die elektrische Spur 137, welche sich zwischen der Elektrode 114 und der Elektrode 154 erstreckt, zu definieren, wie in 5F und 5R gezeigt ist.
In einer Ausführungsform war das Metall, das abgelagert wurde, um die Elektrode 114, die Elektrode 154 und die Spur 137 zu bilden, Molybdän. Das Molybdän wurde mit einer Dicke von ungefähr 440 nm durch Sputtern abgelagert und wurde durch Trockenätzen strukturiert. Andere hitzebeständige Metalle können alternativ als Materialien der Elektroden 114 und 154 und der Spur 137 verwendet werden. Die Elektroden und die Spur können alternativ Schichten aus mehr als einem Material umfassen.
Eine Schicht eines akustischen Entkopplungsmaterials wird dann abgelagert und strukturiert, um eine akustische Entkopplungsschicht 131 zu definieren, die den akustischen Entkoppler 130 und den akustischen Entkoppler 170 bildet, wie in 5G und 5S gezeigt ist. Die akustische Entkopplungsschicht 131 bedeckt zumindest die Elektrode 114 und die Elektrode 154 (5F) und ist strukturiert, um einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105 und Bond-Pads 132 und 172 freizulegen. Die akustische Entkopplungsschicht 131 ist zusätzlich strukturiert, um Fenster 119 zu definieren, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials gestatten.
In einer Ausführungsform war das akustische Entkopplungsmaterial Polyimid mit einer Dicke von ungefähr 750 nm, d.h., von dreiviertel einer Mittenfrequenz-Wellenlänge von 1,9 GHz in dem Polyimid. Das Polyimid wurde durch Aufschleudern abgelagert, um eine akustische Entkopplungsschicht 131 zu bilden, und wurde durch Photolithographie strukturiert. Polyimid ist photosensitiv, so daß kein Photoresist benötigt wird. Wie oben erwähnt, können andere Kunststoffmaterialien als das akustische Entkopplungsmaterial verwendet werden. Das akustische Entkopplungsmaterial kann durch andere Verfahren als Aufschleudern abgelagert werden.
In einer Ausführungsform, in der das Material der akustischen Entkopplungsschicht 131 Polyimid war, wurde der Wafer nach dem Ablagern und Strukturieren des Polyimids bei ungefähr 300°C gebacken, bevor eine weitere Verarbeitung durchgeführt wurde. Das Backen verdampft flüchtige Bestandteile des Polyimids und verhindert, daß die Verdampfung von solchen flüchtigen Bestandteilen während der nachfolgenden Verarbeitung die Trennung von nachfolgend abgelagerten Schichten verursacht.
Eine Metallschicht wird abgelagert und strukturiert, um die Elektrode 122, die Elektrode 162 und die elektrische Spur 138 zu definieren, die sich von der Elektrode 122 zur Elektrode 162 erstreckt, wie in 5H und 5T gezeigt ist.
In einer Ausführungsform war das Metall, das abgelagert wurde, um die Elektroden 122 und 162 und die elektrische Spur 138 zu bilden, Molybdän. Das Molybdän wurde mit einer Dicke von ungefähr 440 nm durch Sputtern abgelagert, und es wurde durch Trockenätzen strukturiert. Andere hitzebeständige Metalle können alternativ als das Material der Elektroden 122 und 162 und der elektrischen Spur 138 verwendet werden. Die Elektroden und die Spur können alternativ Schichten aus mehr als einem Material umfassen.
Das piezoelektrische Material wird abgelagert und strukturiert, um eine piezoelektrische Schicht 127 zu definieren, die das piezoelektrische Element 126 normaler c-Achse des FBAR 120 bereitstellt und das piezoelektrische Element 166 umgekehrter c-Achse des FBAR 160 bereitstellt. Das piezoelektrische Material wird abgelagert, indem zuerst eine dünne Schicht eines piezoelektrischen Materials umgekehrter c-Achse abgelagert wird und die dünne Schicht strukturiert wird, um eine Keimschicht 165 über der Elektrode 162 zu definieren, wie in 5I und 5U gezeigt ist. Dann wird eine dicke Schicht eines piezoelektrischen Materials, die eine nominelle Dicke hat, die gleich der Designdicke der piezoelektrischen Elemente 126 und 166 ist, abgelagert und strukturiert, um die piezoelektrische Schicht 127 zu definieren, wie in 5J und SV gezeigt ist. Die Keimschicht 165 bleibt an ihrem Ort unter einem Teil der Schicht 127, aber sie ist in 5V aufgrund ihrer vernachlässigbaren Dicke im Vergleich zur Schicht 127 nicht gezeigt. Die piezoelektrische Schicht 127 wird strukturiert, um einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105 und Bond-Pads 132 und 172 freizulegen. Die piezoelektrische Schicht 127 wird zusätzlich strukturiert, um Fenster 119 zu definieren, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials gestatten.
Unter Bezugnahme wiederum auf 5I und 5U wird die dünne Schicht des piezoelektrischen Materials, die strukturiert wird, um die Keimschicht 165 zu definieren, unter Ablagerungsbedingungen abgelagert, die die Ausbildung eines piezoelektrischen Materials umgekehrter c-Achse begünstigen. Die Strukturierung der dünnen Schicht des piezoelektrischen Materials zum Definieren der Keimschicht 165 legt die Elektrode 122, einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105, das Bond-Pad 132, einen Teil der elektrischen Spur 133, einen Teil der elektrischen Spur 138, der an die Elektrode 122 angrenzt, das Bond-Pad 172 und einen Teil der elektrischen Spur 173 frei.
Unter Bezugnahme nun auf 5J und 5V wird die dicke Schicht des piezoelektrischen Materials unter normalen Ablagerungsbedingungen abgelagert. Das piezoelektrische Material der dicken Schicht wächst mit umgekehrter Richtung seiner c-Achse in dem Abschnitt, der auf der Keimschicht 165 abgelagert ist, aber mit seiner c-Achse in der normalen Richtung andernorts. Die Strukturierung der dicken Schicht des piezoelektrischen Materials, um die piezoelektrische Schicht 127 zu definieren, die das piezoelektrische Element 126 und das piezoelektrische Element 166 bildet, legt einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105, das Bond-Pad 132 und einen Teil der elektrischen Spur 133, das Bond-Pad 172 und einen Teil der elektrischen Spur 173 frei und bildet zusätzlich Fenster 119 aus, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials gestatten.
In einer Ausführungsform war die dünne Schicht des piezoelektrischen Materials Aluminiumnitrid, und sie wurde mit einer Dicke von ungefähr 40 nm durch Sputtern in einer sauerstoffreichen Sputter-Umgebung abgelagert. Alternativ könnte dieser Ablagerungsprozeß verwendet werden, um die gesamte Dicke der piezoelektrischen Schicht 127 abzulagern, wie oben beschrieben wurde.
Die dünne Schicht des piezoelektrischen Materials wurde durch Naßätzen in Kaliumhydroxid oder durch chlorbasierendes Trockenätzen strukturiert, um die Keimschicht 165 zu definieren.
In einer Ausführungsform war das piezoelektrische Material, das abgelagert wurde, um die piezoelektrische Schicht 127 zu bilden, Aluminiumnitrid, und es wurde mit einer Dicke von ungefähr 760 nm durch Sputtern abgelagert. Das piezoelektrische Material wurde durch Naßätzen in Kaliumhydroxid oder durch chlorbasierendes Trockenätzen strukturiert. Alternative Materialien für die piezoelektrische Schicht 127 umfassen Zinkoxid, Kadmiumsulfid und gepolte ferroelektrische Materialien wie beispielsweise Perowskit-ferroelektrische Materialien, darunter Blei-Zirkonium-Titanat, Blei-Meta-Niobat und Bariumtitanat. Das Polen von ferroelektrischen Materialien wird unten unter Bezugnahme auf 7A–7F beschrieben.
Eine Metallschicht wird abgelagert und strukturiert, um die Elektrode 124, Elektrode 164, Bond-Pad 134, die elektrische Spur 135, die sich von der Elektrode 124 zum Bond-Pad 134 erstreckt, Bond-Pad 174 und die elektrische Spur 175, die sich von der Elektrode 164 zum Bond-Pad 174 erstreckt, zu definieren, wie in 5K und 5W gezeigt ist.
In einer Ausführungsform war das Metall, das abgelagert wurde, um Elektroden 124 und 164, Bond-Pads 134 und 174 und die elektrischen Spuren 135 und 175 zu bilden, Molybdän. Das Molybdän wurde mit einer Dicke von ungefähr 440 nm durch Sputtern abgelagert, und es wurde durch Trockenätzen strukturiert. Andere hitzebeständige Metalle können alternativ als Material der Elektroden 124 und 164, der Bond-Pads 134 und 174 und der elektrischen Spuren 135 und 175 verwendet werden. Die Elektroden, Bond-Pads und Spuren können alternativ Schichten aus mehr als einem Material umfassen.
Dann wird eine Gold-Schutzschicht (nicht gezeigt) auf den freiliegenden Oberflächen der Bond-Pads 132, 134, 172 und 174 abgelagert.
Der Wafer wird dann isotropisch naßgeätzt, um das Füllmaterial 105 aus dem Hohlraum 104 zu entfernen. Wie oben erwähnt wurde, verbleiben Abschnitte der Oberfläche des Füllmaterials 105 beispielsweise durch Fenster 119 freiliegend. Der Ätzprozeß hinterläßt einen akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformator 100, der über dem Hohlraum 104 aufgehängt ist, wie in 5L und 5X gezeigt ist.
In einer Ausführungsform war das Ätzmittel, das verwendet wurde, um das Füllmaterial 105 zu entfernen, verdünnte Fluorwasserstoffsäure.
Der Wafer wird dann in individuelle akustisch gekoppelte Dünnschicht-Transformatoren, darunter den Transformator 100, geteilt. Ein jeder Transformator wird dann in einem Paket montiert, und elektrische Verbindungen werden zwischen den Bond-Pads 132, 172, 134 und 174 des Transformators und Pads hergestellt, die Teil des Pakets sind.
In der Verwendung bilden das Bond-Pad 132, welches elektrisch mit der Elektrode 112 verbunden ist, und das Bond-Pad 172, welches elektrisch mit der Elektrode 152 verbunden ist, die ersten Anschlüsse des Transformators 100 und das Bond-Pad 172, welches elektrisch mit der Elektrode 174 verbunden ist, und das Bond-Pad 174, welches elektrisch mit der Elektrode 154 verbunden ist, bilden die zweiten Anschlüsse des Transformators 100. In einer Ausführungsform stellen die ersten Anschlüsse die primären Anschlüsse und die zweiten Anschlüsse die sekundären Anschlüsse des akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 100 bereit. In einer anderen Ausführungsform stellen die ersten Anschlüsse die sekundären Anschlüsse und die zweiten Anschlüsse die primären Anschlüsse des akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 100 bereit.
Die Erfindung wurde oben unter Bezugnahme auf eine Ausführungsform beschrieben, bei der Schichten aus piezoelektrischem Material umgekehrter c-Achse das piezoelektrische Element 156 des FBAR 150 und das piezoelektrische Element 166 des FBAR 160 bilden. Jedoch ist dies nicht kritisch für die Erfindung: Das piezoelektrische Material umgekehrter c-Achse kann das piezoelektrische Element eines der oberen FBARs 120 und 160 bilden und das piezoelektrische Element eines der unteren FBARs 110 und 150 bilden.
Eine Ausführungsform eines akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 100, bei dem die akustischen Entkoppler 130 und 170 eine Bragg-Struktur enthalten, die ähnlich zu derjenigen ist, die oben unter Bezugnahme auf 3B beschrieben wurde, wird durch einen Prozeß hergestellt, der dem oben beschriebenen ähnlich ist. Der Prozeß unterscheidet sich wie folgt:
Nachdem die Schicht 117 des piezoelektrischen Materials abgelagert und strukturiert wurde (5D, 5E, 5P und 5Q wird eine Metallschicht abgelagert und in einer Weise ähnlich zu derjenigen, die in 5F und 5Q gezeigt ist, strukturiert, um Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz zu definieren, die Elektroden 114 bzw. 154 enthalten, und um zusätzlich die elektrische Spur 137 zu definieren, die sich zwischen den Elektroden erstreckt. Die Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz sind jeweils ähnlich zu den Bragg-Elementen 165 hoher akustischer Impedanz, die in 3B gezeigt sind. Die Metallschicht wird mit einer nominellen Dicke abgelagert, die gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge einer akustischen Welle in dem Metall beträgt, die eine Frequenz hat, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches des Transformators 100 ist.
In einer Ausführungsform ist das Metall, das abgelagert wird, um die Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz zu bilden, die jeweils die Elektroden 114 und 154 enthalten, Molybdän. Das Molybdän wird mit einer Dicke von ungefähr 820 nm (eine Viertelwellenlänge in Molybdän bei ungefähr 1,9 GHz) durch Sputtern abgelagert, und durch Trockenätzen strukturiert. Andere hitzebeständige Metalle können alternativ als Material der Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz verwendet werden, die jeweils die Elektroden 114 und 154 einschließen. Die Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz können alternativ Schichten aus mehr als einem Metall umfassen.
Dann wird eine Schicht eines Materials niedriger akustischer Impedanz abgelagert und auf eine Weise strukturiert, die derjenigen ähnlich ist, die in 5G und 5S gezeigt ist, um ein Bragg-Element einer niedrigen akustischen Impedanz zu definieren. Die Schicht des Materials niedriger akustischer Impedanz wird mit einer nominellen Dicke abgelagert, die gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels einer Wellenlänge einer akustischen Welle in dem Material niedriger akustischer Impedanz ist, die eine Frequenz hat, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches des Transformators 100 ist. Das Bragg-Element niedriger akustischer Impedanz bedeckt zumindest die Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz, und es ist zusätzlich strukturiert, um Teile der Oberfläche des Füllmaterials 105 und Bond-Pads 132 und 172 freizulegen. Die Schicht des Materials niedriger akustischer Impedanz wird zusätzlich strukturiert, um Fenster 119 zu definieren, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials gestatten.
In einer Ausführungsform ist das Material niedriger akustischer Impedanz SiO₂ mit einer Dicke von ungefähr 790 nm. Das SiO₂ wird durch Sputtern abgelagert und durch Ätzen strukturiert. Andere Materialien niedriger akustischer Impedanz, die als das Material des Bragg-Elements niedriger akustischer Impedanz verwendet werden können, umfassen Phosphosilikatglas (PSG), Titandioxid und Magnesiumfluorid. Das Material niedriger akustischer Impedanz kann alternativ durch andere Verfahren als Sputtern abgelagert werden.
Eine Metallschicht wird auf eine ähnliche Weise wie diejenige, die in 5H und 5T gezeigt ist, abgelagert und strukturiert, um die Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz zu definieren, die jeweils die Elektroden 122 und 162 einschließen. Die Metallschicht wird zusätzlich strukturiert, um eine elektrische Spur 138 zu definieren, die sich von der Elektrode 122 zur Elektrode 162 erstreckt. Die Metallschicht wird mit einer nominellen Dicke abgelagert, die gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels einer Wellenlänge einer akustischen Welle in dem Metall beträgt, die eine Frequenz hat, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlaßbereichs des Transformators 100 ist.
In einer Ausführungsform ist das Metall, das abgelagert wird, um die Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz zu bilden, die jeweils die Elektroden 122 und 162 einschließen, Molybdän. Das Molybdän wird mit einer Dicke von ungefähr 820 nm (eine Viertelwellenlänge im Molybdän) durch Sputtern abgelagert und durch Trockenätzen strukturiert. Andere hitzebeständige Materialien können alternativ als Material der Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz verwendet werden, die jeweils die Elektroden 122 und 162 und die elektrische Spur 138 enthalten. Die Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz, die Pads und elektrischen Spuren können alternativ Schichten aus mehr als einem Material umfassen.
Die Herstellung des Transformators 100 wird dann unter Verwendung der Prozesse vollendet, die oben unter Bezugnahme auf 5I–5L und 5U–5X beschrieben wurden.
In manchen Ausführungsformen eines akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators gemäß der Erfindung hat eine oder beide der elektrischen Schaltungen 141 und 142 (2) einen Mittelabgriffanschluß. 6A zeigt eine zweite Ausführungsform 200 eines akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators gemäß der Erfindung während dessen Herstellung. Bei dem Beispiel des gezeigten akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 200 hat die elektrische Schaltung 142 einen Mittelabgriffanschluß. Elemente des akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 200, die Elementen des akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 100, der oben unter Bezugnahme auf 1A–1C und 2 beschrieben wurde, entsprechen, sind durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet und werden nicht noch einmal im Detail beschrieben.
6A zeigt einen akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformator 200 in einer Stufe seiner Herstellung, die derjenigen entspricht, die oben unter Bezugnahme auf 5H und 5T beschrieben wurde. In den oben unter Bezugnahme auf 5E, 5Q, 5G und 5S beschriebenen Prozessen werden die piezoelektrische Schicht 117 und die Schicht 131 des akustischen Entkopplungsmaterials zusätzlich strukturiert, um einen Haltebereich 186 zu definieren. Nachdem die Schicht 131 wie oben unter Bezugnahme auf 5G und 5S beschrieben abgelagert und strukturiert wurde, wird eine Metallschicht abgelagert und strukturiert, um die Elektrode 122, die Elektrode 162 und die elektrische Spur 138, die sich zwischen den Elektroden 122 und 162 erstreckt, zu definieren, wie oben beschrieben wurde. Die Metallschicht wird zusätzlich strukturiert, um ein Bond-Pad 182 und eine elektrische Spur 182 zu definieren, die sich zwischen der elektrischen Spur 138 und dem Bond-Pad 182 erstreckt. Das Bond-Pad 182 ist auf dem Haltebereich 186 angeordnet und stellt den Mittelabgriffanschluß der elektrischen Schaltung 241 bereit.
In einer Ausführungsform war das abgelagerte Metall Molybdän mit einer Dicke von ungefähr 440 nm. Das Metall wurde durch Sputtern abgelagert und durch Trockenätzen strukturiert. Andere hitzebeständige Metalle können alternativ verwendet werden. Elektroden 122 und 162, die elektrischen Spuren 138 und 183 und das Bond-Pad 182 können alternativ Schichten aus mehr als einem Material umfassen.
Die Herstellung des akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 200 wird im wesentlichen fertiggestellt, wie oben unter Bezugnahme auf 5I, 5U, 5J, 5V, 5K, 5W, 5L und 5X beschrieben wurde, außer daß die piezoelektrische Schicht 127 zusätzlich strukturiert wird, um das Bond-Pad 182 freizulegen.
6B ist eine schematische Zeichnung der elektrischen Schaltungen des akustisch gekoppelten Transformators 200. Die erste elektrische Schaltung 141 ist oben beschrieben. Eine zweite elektrische Schaltung 242 besteht aus der elektrischen Spur 138, die die Elektrode 122 des oberen FBAR 120 von SBAR 106 mit der Elektrode 162 des oberen FBAR 160 des SBAR 108 verbindet. Die zweite elektrische Schaltung 242 besteht außerdem aus einer elektrischen Spur bzw. einem elektrischen Leiterzug 135, der die Elektrode 124 mit dem Anschluß 134 elektrisch verbindet, einer elektrischen Spur 175, die die Elektrode 164 elektrisch mit dem Anschluß 174 verbindet, und der elektrischen Spur 183, die die elektrische Spur 138 mit dem Anschluß 182 verbindet. Somit verbindet die elektrische Schaltung 242 die oberen FBARs elektrisch in Reihe, und sie stellt eine Mittelabgriffverbindung bereit.
Zusätzlich oder alternativ können ein Bond-Pad, welches ähnlich dem Bond-Pad 182 ist, und eine elektrische Spur, die ähnlich der Spur 183 ist, aber mit der Spur 137 verbunden ist, in der Metallschicht definiert sein, die in dem oben unter Bezugnahme auf 5F und 5R beschriebenen Prozeß abgelagert und strukturiert wird, um einen Mittelabgriffanschluß in der elektrischen Schaltung 141 bereitzustellen (6B).
Die Herstellung eines akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators gemäß der Erfindung ist oben unter Bezugnahme auf ein Beispiel beschrieben, in dem piezoelektrische Elemente mit umgekehrten c-Achsen und guten piezoelektrischen Eigenschaften unter normalen Ablagerungsbedingungen auf einer dünnen Keimschicht eines piezoelektrischen Materials umgekehrter c-Achse abgelagert werden, welche unter Ablagerungsbedingungen abgelagert wird, die die Ausbildung eines Materials umgekehrter c-Achse fördern. Wie oben erwähnt wurde, kann alternativ die gesamte Schicht des Materials umgekehrter c-Achse unter Ablagerungsbedingungen abgelagert werden, die die Ausbildung des Materials umgekehrter c-Achse fördern.
In solch einem Verfahren werden die Prozesse durchgeführt, die oben unter Bezugnahme auf 5A und 5M, 5B und 5M und 5C und 5O beschrieben wurden. Eine Schicht eines piezoelektrischen Materials mit einer Dicke, die gleich der Designdicke des piezoelektrischen Elements 116 (2) ist, wird dann unter Ablagerungsbedingungen abgelagert, die die Ausbildung des Materials normaler c-Achse fördern. Das piezoelektrische Material normaler c-Achse wird dann strukturiert, um das piezoelektrische Element 116 zu definieren. Die Strukturierung legt die Elektrode 152, das Bond-Pad 132, einen Teil der elektrischen Spur 133, das Bond-Pad 172 und die elektrische Spur 173 frei und definiert darüber hinaus Fenster 119, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials gestatten. Das piezoelektrische Element 116 wird dann mit einer geeigneten Ätz-Stopp-Schicht bedeckt, wie beispielsweise einer Schicht aus Molybdän.
Dann wird eine Schicht eines piezoelektrischen Materials mit einer Dicke, die gleich der Designdicke des piezoelektrischen Elements 156 (2) ist, unter Ablagerungsbedingungen abgelagert, die die Ausbildung eines Materials umgekehrter c-Achse fördern. Das Material umgekehrter c-Achse wird dann durch photolithographisch definiertes Ätzen strukturiert, um das piezoelektrische Element 156 zu definieren. Die Strukturierung legt das piezoelektrische Element 116 frei, und sie legt außerdem einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105 und der Bond-Pads 132 und 172 frei. Die Ätz-Stopp-Schicht schützt das piezoelektrische Element 116 während des Strukturierens der Schicht des Materials umgekehrter c-Achse, um das piezoelektrische Element 156 zu definieren. Dann wird die Ätz-Stopp-Schicht entfernt.
Die Herstellung des Transformators wird fortgesetzt, indem die oben unter Bezugnahme auf 5F–5H beschriebenen Prozesse durchgeführt werden. Ein ähnlicher Prozeß zu dem soeben beschriebenen wird dann verwendet, um das piezoelektrische Element 126 aus einem Material normaler c-Achse und das piezoelektrische Element 166 aus einem Material umgekehrter c-Achse zu bilden, welches in 5J gezeigt ist. Die piezoelektrischen Elemente 126 und 166 können alternativ auf andere Arten hergestellt werden. Die Herstellung des Transformators wird dann fertiggestellt, indem die Prozesse ausgeführt wurden, die oben unter Bezugnahme auf 5K, 5L, 5W und 5X beschrieben wurden.
In einer anderen Alternative werden die Prozesse durchgeführt, die oben unter Bezugnahme auf 5A und 5M, 5B und 5N und 5C und 5O beschrieben wurden. Eine Schicht eines piezoelektrischen Materials mit einer Dicke, die gleich der Designdicke des piezoelektrischen Elements 116 ist, wird dann unter Ablagerungsbedingungen abgelagert, die die Ausbildung des Materials normaler c-Achse begünstigen. Das Material normaler c-Achse wird dann strukturiert, um das piezoelektrische Element 116 zu definieren. Der Strukturierungsprozeß legt die Elektrode 152, das Bond-Pad 132, einen Teil der elektrischen Spur 133, das Bond-Pad 172 und die elektrische Spur 173 frei, und definiert darüber hinaus Fenster 119, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials gestatten. Eine Photoresist-Schicht oder anderes Schutzmaterial wird abgelagert und strukturiert, um ein Fenster zu definieren, das eine ähnliche Form und ein ähnliches Ausmaß hat, wie die in 5D gezeigte Keimschicht 155. Die Elektrode 152 wird durch das Fenster freigelegt.
Eine Schicht eines piezoelektrischen Materials umgekehrter c-Achse mit einer Dicke, die gleich der Designdicke des piezoelektrischen Elements 156 ist, wird dann unter Ablagerungsbedingungen abgelagert, die die Ausbildung eines Materials umgekehrter c-Achse begünstigen. Die Schicht des piezoelektrischen Materials umgekehrter c-Achse wird dann unter Verwendung eines Lift-Off-Prozesses strukturiert, um das piezoelektrische Element 156 zu definieren. Der Lift-Off-Prozeß entfernt alles Material umgekehrter c-Achse, welches auf dem Photoresist abgelagert ist, aber beläßt das Material umgekehrter c-Achse, welches in dem Fenster abgelagert ist, welches in dem Photoresist definiert ist. Der Photoresist wird dann entfernt.
Die Herstellung des Transformators wird dann fortgesetzt, indem die Prozesse durchgeführt werden, die oben unter Bezugnahme auf 5F–5H und 5R–5T beschrieben wurden. Ein Prozeß, der ähnlich dem soeben beschriebenen ist, wird verwendet, um das piezoelektrische Element 126 aus einem Material normaler c-Achse zu bilden und das piezoelektrische Element 166 aus eine Materials umgekehrter c-Achse zu bilden, wie in 5J gezeigt sind. Die piezoelektrischen Elemente 126 und 166 können alternativ auf andere Arten ausgebildet werden. Die Herstellung des Transformators wird dann abgeschlossen, indem die Prozesse durchgeführt werden, die oben unter Bezugnahme auf 5K und 5L und 5W und 5X beschrieben wurden.
Das piezoelektrische Material normaler c-Achse und das piezoelektrische Material umgekehrter c-Achse kann in einer umgekehrten Ordnung als der soeben beschriebenen abgelagert werden.
7A–7F zeigen eine exemplarische Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Ausführungsform 300 eines akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators gemäß der Erfindung, bei dem die piezoelektrischen Elemente jeweils eine Schicht eines gepolten ferroelektrischen Materials umfassen. Elemente des akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 300, die Elementen des akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 100 entsprechen, der oben unter Bezugnahme auf 1A–1C und 2 beschrieben wurde, werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht noch einmal im Detail beschrieben.
Bei dem akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformator 300 ist das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schichten 117 und 127 ein gepoltes ferroelektrisches Material. Der Abschnitt der piezoelektrischen Schicht 117, der das piezoelektrische Element 116 bildet, ist in der normalen Richtung gepolt, während der Abschnitt der piezoelektrischen Schicht 117, der das piezoelektrische Element 156 bildet, in umgekehrter Richtung gepolt ist. Auf ähnliche Weise ist der Abschnitt der piezoelektrischen Schicht 127, der das piezoelektrische Element 126 bildet, in der normalen Richtung gepolt, während der Abschnitt der piezoelektrischen Schicht 127, der das piezoelektrische Element 166 bildet, in umgekehrter Richtung gepolt ist. Die entgegengesetzte Polung der Abschnitte der piezoelektrischen Schichten wird auferlegt, indem elektrische Felder in entgegengesetzte Richtungen an den jeweiligen Abschnitten angelegt werden.
7A–7F sind Draufsichten, die die Verarbeitung eines Wafers 302 zeigen, um exemplarische Ausführungsformen von akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformatoren 300 herzustellen, die dem akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformator 100 ähnlich sind, welcher oben unter Bezugnahme auf 1A–1C beschrieben wurde. Wie oben erwähnt wurde, werden typischerweise Tausende von akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformatoren auf einem einzigen Wafer hergestellt. Jedoch wurde die Anzahl der akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformatoren, die in 7A–7F gezeigt sind, auf vier reduziert, um die Zeichnung zu vereinfachen. Die unten dargelegten quantitativen Beispiele beziehen sich auf eine Ausführungsform eines akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators 300, der geeignet für einen Betrieb bei einer Frequenz von ungefähr 1,9 GHz ist. Ausführungsformen, die für den Betrieb bei anderen Frequenzen geeignet sind, werden sich in solchen Details unterscheiden.
Zuerst werden die Prozesse durchgeführt, die oben unter Bezugnahme auf 5A und 5M und 5B und 5N beschrieben wurden. Dann wird eine erste Metallschicht auf dem Wafer abgelagert. In einer Ausführungsform, bei der das Material der piezoelektrischen Schicht 317 (7B) ein Perowskit-Ferroelektrikum wie beispielsweise Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) ist, ist das Material der ersten Metallschicht Platin oder Iridium. Diese Materialien sind mit dem Ablagerungsprozeß kompatibel, der später verwendet wird, um die piezoelektrische Schicht 317 abzulagern. Alternativ ist das Material der ersten Metallschicht ein hitzebeständiges Metall, wie beispielsweise Molybdän, welches mit einer dünnen Schutzschicht aus Platin oder Iridium bedeckt ist. Die Schicht des hitzebeständigen Metalls hat eine Dicke, die von derjenigen der Designdicke der ersten Metallschicht um die Dicke der Schutzschicht abweicht. Die Schutzschicht liefert die oben beschriebene Kompatibilität des Ablagerungsprozesses. Die erste Metallschicht wird strukturiert, um die Elektroden 112 und 152, das Bond-Pad 132, die elektrische Spur 133, das Bond-Pad 172 und die elektrische Spur 173 zu definieren, die alle auf dem Füllmaterial 105 angeordnet sind, wie in 7A gezeigt ist, und wie oben unter Bezugnahme auf 5C und 5O beschrieben wurde. Die erste Metallschicht wird außerdem strukturiert, um normale Busse 311 des ersten Levels, ein normales Kontakt-Pad 313 des ersten Levels an einem Ende eines jeden Busses 311 und eine elektrische Spur 315 zu definieren, die sich von der Elektrode 112 eines jeden Transformators 300 zu dem benachbarten der normalen Busse 311 des ersten Levels erstreckt. Die erste Metallschicht wird zusätzlich strukturiert, um einen umgekehrten Bus 321 des ersten Levels, ein umgekehrtes Kontakt-Pad 323 des ersten Levels an einem Ende des Busses 321 und eine elektrische Spur 325 zu definieren, die sich von dem Bond-Pad 172 eines jeden Transformators 300 zum umgekehrten Bus 321 des ersten Levels erstreckt.
Eine erste Schicht eines ferroelektrischen Materials wird dann abgelagert und strukturiert, um die piezoelektrische Schicht 317 zu definieren, die das piezoelektrische Element 116 und das piezoelektrische Element 156 bereitstellt, wie in 7B gezeigt ist. Die piezoelektrische Schicht bedeckt zumindest die Elektroden 112 und 152 (7A) und bedeckt zusätzlich die Busse 311 und 321 des ersten Levels. Die Strukturierung legt einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105, Bond-Pads 132 und 172, das normale Kontakt-Pad 313 des ersten Levels und das umgekehrte Kontakt-Pad 323 des ersten Levels frei, und definiert darüber hinaus Fenster 119.
In einer Ausführungsform war das ferroelektrische Material, das abgelagert und strukturiert wurde, um die piezoelektrische Schicht 317 zu definieren, Blei-Zirkonium-Titanat (PZT), und es wurde mit einer Dicke von ungefähr 500 nm durch einen Prozeß wie beispielsweise RF-Sputtern, Solgel- oder metallorganische chemische Gasphasenabscheidung ("metal-organic chemical vapor deposition", MOCVD) abgelagert. Das ferroelektrische Material wurde durch Naßätzen oder chlorbasierendes Trockenätzen strukturiert. Alternative ferroelektrische Materialien umfassen ferroelektrische Perowskit-Materialien, wie beispielsweise Blei-Meta-Niobat und Bariumtitanat.
Eine zweite Metallschicht wird abgelagert. In einer Ausführungsform, in der das Material der piezoelektrischen Schicht 327 (7D) ein ferroelektrisches Perowskit-Material, wie bei spielsweise Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) ist, ist das Material der zweiten Metallschicht Platin oder Iridium. Diese Materialien sind mit dem Ablagerungsprozeß kompatibel, der später verwendet wird, um die piezoelektrische Schicht 327 abzulagern. Alternativ besteht die zweite Metallschicht aus einer dünnen Schutzschicht aus Platin oder Iridium-Molybdän, die an die piezoelektrische Schicht 317 angrenzt, und einer Schicht aus einem hitzebeständigen Metall, wie beispielsweise Molybdän. Die Schicht des hitzebeständigen Metalls hat eine Dicke, die von der Designdicke der zweiten Metallschicht um die Dicke der Schutzschicht abweicht. Die Schutzschicht stellt die oben erwähnte Kompatibilität des Ablagerungsprozesses sicher. Die zweite Metallschicht wird strukturiert, um die Elektrode 114, die Elektrode 154 und die elektrische Spur 137 zu definieren, wie oben unter Bezugnahme auf 5F und 5R beschrieben wurde, und wie in 7B gezeigt ist. Die zweite Metallschicht wird zusätzlich strukturiert, um einen Bus 331 des zweiten Levels, ein Kontakt-Pad 333 des zweiten Levels an einem Ende des Busses 331 und eine elektrische Spur 335 zu definieren, die sich von der elektrischen Spur 137 eines jeden Transformators 300 zum Bus 331 des zweiten Levels erstreckt.
Dann wird eine Schicht aus akustischem Entkopplungsmaterial abgelagert und strukturiert, um eine akustische Entkopplungsschicht 331 zu definieren, die den akustischen Entkoppler 130 und den akustischen Entkoppler 170 bereitstellt, wie oben unter Bezugnahme auf 5G und 5S beschrieben wurde, und wie in 7C gezeigt ist. Die akustische Entkopplungsschicht 331 bedeckt die Elektrode 114 und die Elektrode 154 (7B), und sie bedeckt zusätzlich den Bus 331 des zweiten Levels. Die Strukturierung legt einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105, die Bond-Pads 132 und 172, die Kontakt-Pads 313 und 323 des ersten Levels und das Kontakt-Pad 333 des zweiten Levels frei, und definiert außerdem Fenster 119.
Eine dritte Metallschicht wird auf dem Wafer abgelagert. In einer Ausführungsform, in der das Material der piezoelektrischen Schicht 327 (7D) ein ferroelektrisches Perowskit-Material, wie beispielsweise Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) ist, ist das Material der dritten Metallschicht Platin oder Iridium. Diese Materialien sind mit dem Ablagerungsprozeß kompatibel, der später verwendet wird, um die piezoelektrische Schicht 327 abzulagern. Alternativ besteht die dritte Metallschicht aus einer Schicht eines hitzebeständigen Metalls, wie beispielsweise Molybdän, welches mit einer dünnen Schutzschicht aus Platin oder Iridium beschichtet ist. Die Schicht des hitzebeständigen Metalls hat eine Dicke, die von der Designdicke der dritten Metallschicht um die Dicke der Schutzschicht abweicht. Die Schutzschicht stellt die oben erwähnte Kompatibilität des Ablagerungsprozesses her. Die dritte Metall schicht wird strukturiert, um die Elektrode 122, die Elektrode 162 und die elektrische Spur 138 zu definieren, wie oben unter Bezugnahme auf 5H und 5T beschrieben wurde, und wie in 7C gezeigt ist. Die dritte Metallschicht wird zusätzlich strukturiert, um einen Bus 341 des dritten Levels, ein Kontakt-Pad 343 des dritten Levels an einem Ende des Busses 341 und eine elektrische Spur 194 auszubilden, die sich von der elektrischen Spur 138 eines jeden Transformators 300 zum Bus 341 des dritten Levels erstreckt.
Dann wird eine zweite Schicht des ferroelektrischen Materials auf dem Wafer abgelagert und strukturiert, um die piezoelektrische Schicht 327 zu definieren, die die piezoelektrischen Elemente 126 und 166 bereitstellt, wie in 7D gezeigt ist. Die piezoelektrische Schicht 327 bedeckt die Elektroden 122 und 162 und bedeckt zusätzlich den Bus 341 des dritten Levels. Die Strukturierung legt einen Teil der Oberfläche des Füllmaterials 105, die Bond-Pads 132 und 172, die Kontakt-Pads 313 und 323 des ersten Levels, das Kontakt-Pad 333 des zweiten Levels und das Kontakt-Pad 343 des dritten Levels frei, und definiert außerdem Fenster 119.
In einer Ausführungsform war das ferroelektrische Material, welches abgelagert und strukturiert wurde, um die piezoelektrische Schicht 327 zu bilden, PZT und wurde mit einer Dicke von ungefähr 500 nm durch einen Prozeß, wie beispielsweise RF-Sputtern, Sol-Gel- oder metallorganische chemische Gasphasenabscheidung abgelagert. Das ferroelektrische Material wurde durch Naßätzen oder durch chlorbasierendes Trockenätzen strukturiert. Alternative ferroelektrische Materialien enthalten ferroelektrische Perowskit-Materialien, wie beispielsweise Blei-Meta-Niobat und Bariumtitanat.
Eine vierte Metallschicht wird abgelagert. Das Material der vierten Metallschicht ist ein hitzebeständiges Metall, wie beispielsweise Molybdän. Ein hitzebeständiges Metall kann als Material der vierten Metallschicht verwendet werden, weil kein Ablagerungsprozeß eines ferroelektrischen Perowskit-Materials durchgeführt wird, nachdem die vierte Metallschicht abgelagert ist. Die vierte Metallschicht wird strukturiert, um die Elektrode 124, die Elektrode 164, das Bond-Pad 134, die elektrische Spur 135, das Bond-Pad 174 und die elektrische Spur 175 zu definieren, wie unter Bezugnahme auf 5H und 5T oben beschrieben wurde und wie in 7D gezeigt ist. Die vierte Metallschicht wird zusätzlich strukturiert, um einen normalen Bus 351 des vierten Levels zu definieren, ein normales Kontakt-Pad 353 des vierten Levels an einem Ende des Busses 351 und eine elektrische Spur 355 zu definieren, die sich von der Elektrode 124 eines jeden Transformators 300 zum normalen Bus 351 des vierten Levels erstreckt. Die vierte Metallschicht wird zusätzlich strukturiert, um die umgekehrten Busse 361 des vierten Levels, ein umgekehrtes Kontakt-Pad 363 des vierten Levels an dem Ende eines jeden Busses 361 und eine elektrische Spur 365 zu definieren, die sich von dem Bond-Pad 124 eines jeden Transformators 300 zum angrenzenden Bus 361 des vierten Levels erstreckt, wie in 7D gezeigt ist.
In einer Ausführungsform wurden die oben beschriebenen Metallschichten ausgebildet, indem Molybdän mit einer Dicke von ungefähr 440 nm durch Sputtern abgelagert wurde, und sie wurden durch Trockenätzen strukturiert. Alternativen, die den oben beschriebenen ähnlich sind, sind möglich.
Unter Bezugnahme auf 7E und zusätzlich auf 7A–7C wird der Wafer 302 auf eine Temperatur von ungefähr 125°C erhitzt, und Polungsspannungen werden an den Kontakt-Pads wie folgt angelegt: Kontakt-Pad 330 des zweiten Levels und Kontakt-Pad 343 des dritten Levels werden geerdet, die normalen Kontakt-Pads 313 des ersten Levels und die umgekehrten Kontakt-Pads 363 des vierten Levels werden mit einer negativen Polungsspannung verbunden, und das umgekehrte Kontakt-Pad 323 des ersten Levels und das normale Kontakt-Pad 353 des vierten Levels werden mit einer positiven Polungsspannung verbunden. Diese Anordnung der Polungsspannungen wird über Busse 311, 321, 331, 341, 351 und 361 und Spuren 315, 325, 335, 345, 355 und 365 an den Elektroden 112, 114, 122, 124, 152, 154, 162 und 164 angelegt. Die Elektroden legen ein elektrisches Polungsfeld, welches von dem Wafer 302 fort gerichtet ist, über die piezoelektrischen Elemente der FBARs 110 und 120 (2) an, und legen ein elektrisches Polungsfeld, welches in Richtung auf den Wafer 302 gerichtet ist, über die piezoelektrischen Elemente der FBARs 150 und 160 (2) an. Die elektrischen Polungsfelder richten die c-Achsen des piezoelektrischen Elements 156 des FBAR 150 und des piezoelektrischen Elements 166 des FBAR 160 in entgegengesetzte Richtung wie die c-Achsen des piezoelektrischen Elements 116 des FBAR 110 und des piezoelektrischen Elements 126 des FBAR 120.
In einer anderen Ausführungsform werden Polungsspannungen, deren Polaritäten umgekehrt zu denjenigen sind, die angezeigt wurden, an die Kontakt-Pads angelegt, um die Richtungen der c-Achsen der piezoelektrischen Elemente gegensinnig zu denjenigen, die in 2 gezeigt sind, anzusetzen. In einer anderen Ausführungsform werden Polungsspannungen mit Polaritäten, die gegensinnig zu denjenigen sind, die in 7E angezeigt sind, an die Kontakt-Pads 353 und 363 angelegt, um die c-Achse des piezoelektrischen Elements 166 in die der c-Achse des piezoelektrischen Elements 156 entgegengesetzte Richtung auszurichten, und um die c-Achse des piezoelektrischen Elements 126 in die der Richtung der c-Achse des piezoelektrischen Elements 116 entgegengesetzte Richtung auszurichten bzw. anzusetzen. Andere Kombinationen von Polungsspannungen können verwendet werden, um die c-Achsen der piezoelektrischen Elemente der unteren FBARs in einander entgegengesetzte Richtungen auszurichten und die c-Achsen der piezoelektrischen Elemente der oberen FBARs in einander entgegengesetzte Richtungen auszurichten.
In einer Ausführungsform liegen die Polungsspannungen in einem Bereich von ungefähr 250 mV bis ungefähr 1 V. Bei piezoelektrischen Elementen 116, 126, 156 und 166, die eine Dicke von ungefähr 500 nm haben, wie oben beschrieben wurde, legen Polungsspannungen in diesem Bereich ein elektrisches Polungsfeld in einem Bereich von ungefähr 250 kV/m bis ungefähr 1 MV/m an die piezoelektrischen Elemente an.
Der Wafer 300 wird dann in individuelle akustisch gekoppelte Dünnfilm-Transformatoren durch einen bekannten Vereinzelungsprozeß geteilt, der die Bereiche des Wafers 203 entfernt, die durch die gestrichelten Linienpaare 305 und 306 von 7F angezeigt sind. Der Vereinzelungsprozeß trennt zusätzlich die Spuren 315, 325, 335, 345, 355 und 365 (7A–7D) von den Bussen 311, 321, 331, 341, 351 und 361. Dies bricht die elektrischen Verbindungen zwischen den Elektroden, die zuvor durch die Spuren und Busse verbunden waren.
Unter Bezugnahme nochmals auf 2 können die elektrischen Schaltungen 141 und 142 in anderen Ausführungsformen eines akustisch gekoppelten Dünnfilm-Transformators gemäß der Erfindung, bei denen die c-Achsen der piezoelektrischen Elemente der unteren FBARs einander entgegengesetzt sind und die c-Achsen der piezoelektrischen Elemente der oberen FBARs einander entgegengesetzt sind, konfiguriert sein, um die unteren FBARs und die oberen FBARs jeweils zu verbinden, in Abweichung von dem oben beschriebenen Beispiel.
In solchen anderen Ausführungsformen können die elektrischen Schaltungen 141 und 142 die unteren FBARs und die oberen FBARs jeweils elektrisch verbinden, und zwar parallel, in Reihe, parallel mit entgegengesetzter Polung oder in Reihe mit entgegengesetzter Polung. Von den sechzehn verschiedenen Kombinationen der Konfigurationen parallel, in Reihe, parallel mit entgegengesetzter Polung und in Reihe mit entgegengesetzter Polung der elektri schen Schaltung liefern nur acht einen funktionierenden Transformator. Die Kombination von Konfigurationen elektrischer Schaltungen, die die FBARs verbinden, bestimmt die Impedanz und das Impedanz-Transformationsverhältnis des Transformators, d.h., 1:1 niedrige Impedanz, 1:1 hohe Impedanz, 1:4 oder 4:1, und ob der Transformator elektrisch symmetrisch oder elektrisch asymmetrisch ist. Die möglichen Kombinationen der elektrischen Schaltungskonfigurationen sind in Tabelle 1 zusammengefaßt:
Tabelle 1
In Tabelle 1 zeigen die Zeilenlegenden die Konfiguration einer der elektrischen Schaltungen, z.B. der elektrischen Schaltung 141 an, die Spaltenlegenden zeigen die Konfiguration der anderen der elektrischen Schaltungen, z.B. der elektrischen Schaltung 142 an, B zeigt an, daß der Transformator elektrisch symmetrisch bzw. balanciert ist, und X zeigt einen nicht funktionierenden Transformator an. Das gezeigte Impedanz-Transformationsverhältnis ist die Impedanz-Transformation von elektrischen Anschlüssen, die mit der elektrischen Schaltung verbunden sind, die durch die Zeilenlegende angezeigt ist, zu den elektrischen Anschlüssen, die mit der elektrischen Schaltung verbunden sind, die durch die Spaltenlegende angezeigt ist. NIEDRIG bezeichnet, daß der Transformator eine niedrige Impedanz hat, äquivalent zu derjenigen von zwei FBARs, die parallel geschaltet sind, HOCH zeigt an, daß der Transformator eine hohe Impedanz hat, äquivalent zu derjenigen von zwei FBARs, die in Reihe geschaltet sind. Elektroden, die parallel oder in Reihe mit umgekehrter Polung geschaltet sind, haben Spannungen, die in Phase sind, während Elektroden, die in Reihe oder parallel mit entgegengesetzter Polung geschaltet sind, Spannungen haben, die gegenphasig sind.
Diese Offenbarung beschreibt die Erfindung im Detail unter Verwendung von illustrativen Ausführungsformen. Jedoch ist die Erfindung durch die anhängenden Ansprüche definiert und nicht auf die präzisen beschriebenen Ausführungsformen beschränkt.

Claims

Akustisch gekoppelter Transformator (100) mit: einem ersten, in Schichten aufgebauten, akustischen Resonator (stacked bulk acoustic resonator), SBAR, (106) und einem zweiten SBAR (108), wobei jeder SBAR umfaßt: einen unteren, aus Dünnschicht aufgebauten, akustischen Resonator (film bulk acoustic resonator), FBAR, (beispielsweise 1100) und einen oberen FBAR (beispielsweise 120), wobei der obere FBAR über den unteren FBAR geschichtet ist und jeder FBAR gegenüberliegende ebene Elektroden (beispielsweise 112, 114) und ein piezoelektrisches Element (116) zwischen den Elektroden aufweist, wobei das piezoelektrische Element durch eine C-Achse (beispielsweise 146) charakterisiert ist, einen akustischen Entkoppler (beispielsweise 130) zwischen den FBARen, wobei die C-Achsen (146, 148) der piezoelektrischen Elemente der unteren FBARen (110, 150) in entgegengesetzte Richtungen zeigen und die C-Achsen (147, 149) der piezoelektrischen Elemente der oberen FBARen (120, 160) in entgegengesetzte Richtungen zeigen; eine erste elektrische Schaltung (141), die den unteren FBAR (110) des ersten SBAR mit dem unteren FBAR (150) des zweiten SBAR verbindet; und eine zweite elektrische Schaltung (142), die den oberen FBAR (120) des ersten SBAR mit dem oberen FBAR (160) des zweiten SBAR verbindet.
Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektrische Schaltung die unteren FBARen in Reihe verbindet und die zweite elektrische Schaltung die oberen FBARen in Reihe verbindet.
Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektrische Schaltung die unteren FBARen in Reihe mit entgegen gesetzter Polung, parallel oder parallel mit entgegen gesetzter Polung verbindet, und die zweite elektrische Schaltung die oberen FBARen in Reihe mit entgegen gesetzter Polung, parallel oder parallel mit entgegen gesetzter Polung verbindet.
Transformator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Entkoppler jeweils eine Schicht (131) aus akustischem Entkopplungsmaterial aufweisen.
Transformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Entkopplungsmaterial Kunststoff umfaßt.
Transformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Entkopplungsmaterial Polyimid oder Poly(para-xylylene) aufweist.
Transformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator einen Durchlassbereich aufweist, der durch eine Mittenfrequenz charakterisiert ist, und die Schicht aus akustischen Entkopplungsmaterial eine nominelle Dicke aufweist, die einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen von einem Viertel der Wellenlänge in dem akustischen Entkopplungsmaterial von einer akustischen Welle mit einer Frequenz, die der Mittenfrequenz entspricht, entspricht.
Transformator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die akustischen Entkoppler jeweils eine Braggstruktur (161) aufweisen.
Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der elektrischen Schaltungen einen Mittelabgriff aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines akustisch gekoppelten Transformators, wobei das Verfahren umfaßt: Herstellen eines ersten, in Schichten aufgebauten, akustischen Resonators (stacked bulk acoustic resonator – SBAR) (106) und eines zweiten SBAR (108), wobei das Herstellen umfaßt: Bilden von unteren, in Dünnschicht aufgebauten, akustischen Resonatoren (film bulk acoustic resonator – FBAR) (110, 150) und oberen FBARen (120, 160), wobei jeder FBAR (beispielsweise 110) gegenüberliegende ebene Elektroden (beispielsweise 112, 114) und ein piezoelektrisches Element (beispielsweise 116) zwischen diesen aufweist, und das piezoelektrische Element durch eine C-Achse (beispielsweise 146) charakterisiert ist, wobei das Bilden ein Ausrichten der C-Achsen (146, 148) der piezoelektrischen Elemente der unteren FBARen in entgegen gesetzte Richtungen und ein Ausrichten der C-Achsen (147, 149) der oberen FBARen in entgegen gesetzte Richtungen umfaßt, und Anordnen eines akustischen Entkopplers (beispielsweise 130) zwischen dem unteren FBAR und dem oberen FBAR eines jeden SBAR; elektrisches Verbinden des unteren FBAR (110) des ersten SBAR mit dem unteren FBAR (150) des zweiten SBAR; und elektrisches Verbinden des oberen FBAR (120) des ersten SBAR mit dem oberen FBAR (160) des zweiten SBAR.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bilden ferner umfaßt: Auftragen und Bearbeiten einer Metallschicht, um ein Paar von Elektroden (beispielsweise 112, 152) zu bilden, und Auftragen einer Schicht (beispielsweise 117) aus piezoelektrischen Material über den Elektroden, und das Ausrichten ein Auftragen einer Keimschicht (beispielsweise 155) aus einem piezoelektrischen Material mit entgegen gesetzter C-Achse auf einer (beispielsweise 152) der Elektroden aufweist, bevor die Schicht aus piezoelektrischen Material aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß: das Auftragen der Keimschicht unter ersten Auftragungsbedingungen, die die Bildung von Material mit entgegen gesetzter C-Achse begünstigen, durchgeführt wird, und das Auftragen der Schicht aus piezoelektrischen Material unter zweiten Auftragungsbedingungen, die die Bildung von Material mit normaler C-Achse begünstigen, durchgeführt wird, wobei der Bereich (156) der Schicht, die auf die Keimschicht aufgetragen ist, Material mit entgegen gesetzter C-Achse ist, trotz seiner Auftragung unter den zweiten Auftragungsbedingungen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bilden zusätzlich umfaßt: Auftragen und Bearbeiten einer Metallschicht, um ein Paar von Elektroden (beispielsweise 112, 152) zu bilden, und Auftragen einer Schicht (beispielsweise 117) aus piezoelektrischen Material auf den Elektroden, wobei die Schicht einen Bereich (beispielsweise 156) aus Material mit entgegen gesetzter C-Achse auf einer (beispielsweise 152) der Elektroden und einen Bereich (beispielsweise 116) aus Material mit normaler C-Achse auf der anderen der Elektroden (beispielsweise 112) aufweist, und das Ausrichten ein Auftragen der Bereiche unter verschiedenen Auftragungsbedingungen umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Bilden zusätzlich umfaßt: Auftragen einer Metallschicht und Bearbeiten derselben, um ein Paar von ersten Elektroden (beispielsweise 112, 152) zu bilden, Auftragen einer Schicht (317) aus ferroelektrischen Material über die ersten Elektroden, und Auftragen einer zusätzlichen Metallschicht und Bearbeiten derselben, um ein Paar von zweiten Elektroden (114, 154) gegenüber den ersten Elektroden zu bilden, und das Ausrichten ein Anlegen einer Polspannung mit normaler Polarität zwischen einer (112) der ersten Elektroden und einer gegenüberliegenden (114) der zweiten Elektroden und ein Anlegen einer Polspannung entgegen gesetzter Polarität zwischen der anderen (152) der ersten Elektroden und der anderen (154) der zweiten Elektroden umfaßt.