1.本公开涉及使用声波谐振器的射频滤波器，尤其涉及用于通信设备中的滤波器。
背景技术：2.射频(rf)滤波器是双端器件，其被配置为通过一些频率，阻止其它频率，其中“通过”意味着以相对低的信号损耗进行传输，而“阻止”意味着阻塞或基本上衰减。滤波器通过的频率范围称为滤波器的“通带”。由这种滤波器阻止的频率范围称为滤波器的“阻带”。典型的rf滤波器具有至少一个通带和至少一个阻带。通带或阻带的具体要求取决于具体应用。例如，“通带”可以定义为一个频率范围，其中滤波器的插入损耗优于诸如1db、2db或3db的定义值。“阻带”可以定义为一个频率范围，其中滤波器的抑制大于定义值，例如20db、30db、40db或更大的值，这取决于具体的应用。
3.rf滤波器用于通过无线链路传输信息的通信系统中。例如，rf滤波器可见于蜂窝基站、移动电话和计算设备、卫星收发器和地面站、物联网(iot)设备、膝上型计算机和平板电脑、定点无线电链路和其它通信系统的rf前端中。rf滤波器也用于雷达和电子和信息战系统。
4.rf滤波器通常需要许多设计方面的权衡，以针对每个特定应用实现诸如插入损耗、拒绝、隔离、功率处理、线性、尺寸和成本之类的性能参数之间的最佳折中。具体的设计和制造方法和增强可以同时使这些需求中的一个或几个受益。
5.无线系统中rf滤波器的性能的增强可对系统性能产生广泛影响。可以通过改进rf滤波器来改进系统性能，例如单元尺寸更大、电池续航时间更长、数据速率更高、网络容量更大、成本更低、安全性更强、可靠性更高等。可在无线系统的各个级别上单独地或组合地实现这些改进点，例如在rf模块、rf收发器、移动或固定子系统或网络级别实现这些改进点。
6.用于当前通信系统的高性能rf滤波器通常结合声波谐振器，声波谐振器包括表面声波(saw)谐振器、体声波baw)谐振器、薄膜体声波谐振器(fbar)和其他类型声波谐振器。但是，这些现有技术不适合在更高的频率和带宽下使用，而未来的通信网络需要用到更高的频率和带宽。
7.要想获得更宽的通信信道带宽，就势必要用到更高频率的通信频段。3gpp(第三代合作伙伴计划)已对用于移动电话网络的无线电接入技术进行了标准化处理。5g nr(新无线电)标准中定义了用于第五代移动网络的无线电接入技术。5g nr标准定义了若干个新的通信频段。这些新的通信频段中有两个频段是n77和n79，其中n77使用3300mhz至4200mhz的频率范围，n79使用4400mhz至5000mhz的频率范围。频段n77和频段n79都使用时分双工(tdd)，因此在频段n77和/或频段n79中工作的通信设备将相同的频率用于上行链路和下行链路传输。n77和n79频段的带通滤波器必须能够处理通信设备的发射功率。在5ghz和6ghz的无线频段也需要高频率和宽带宽。5g nr标准还定义了频率在24.25ghz和40ghz之间的毫米波通信频段。
8.横向激励薄膜体声波谐振器(xbar)是用于微波滤波器的声波谐振器结构。题为“transversely excited film bulk acoustic resonator”的美国专利10,491,291中描述了这种xbar。xbar谐振器包括叉指换能器(idt)，该叉指换能器(idt)在具有单晶压电材料的薄浮层或隔膜上形成。idt包括从第一母线延伸的第一组平行指状物和从第二母线延伸的第二组平行指状物。第一组平行指状物和第二组平行指状物交错。施加到idt上的微波信号在压电隔膜中激发出剪切的主声波。xbar谐振器提供了很高的机电耦合和高频能力。xbar谐振器可用于各种rf滤波器，包括带阻滤波器、带通滤波器、双工器和多路复用器。xbar非常适合用于频率高于3ghz的通信频段的滤波器中。
技术实现要素：9.本发明公开了一种声学谐振器装置，包括：一隔膜，包括跨越衬底中的空腔的压电板的一部分；和一导体图案，在所述压电板表面上形成，该导体图案包括：一叉指换能器(idt)，包括第一母线、第二母线和多个交错的指状物，其中所述多个交错的指状物从所述第一和第二母线交替延伸，所述多个交错的指状物的部分重叠在所述隔膜上；第一和第二反射器元件，位于所述隔膜上，接近并平行于所述多个交错的指状物中的第一个指状物；和第三和第四反射器元件，位于所述隔膜上，接近并平行于所述多个交错的指状物中的最后一个指状物。
10.其中，所述第一个指状物从所述第一母线延伸，所述第一和第二反射器元件从所述第二母线延伸，所述最后一个指状物从所述第一和第二母线中的任一个延伸，并且所述第三和第四反射器元件从所述第一和第二母线中的另一个延伸。
11.其中，pr1是所述第一和第二反射器元件的中心到中心距离以及所述第三和第四反射器元件的中心到中心距离，p是所述多个交错的指状物的间距，并且1.2p≤pr1《≤1.5p。
12.其中，pr2是所述第一反射器元件和所述第一个指状物的中心到中心距离以及所述第三反射器元件和所述最后一个指状物的中心到中心距离，并且p≤pr2≤pr1。
13.其中，pr2＝(pr1+p)/2。
14.其中，所述第一、第二、第三和第四反射器元件的标记mr被配置为提高所述装置在预定频率下的q因子。
15.其中，所述装置是具有通带的梯形带通滤波器电路中的串联谐振器，并且选择mr以提高所述装置在所述通带上边缘的q因子。
16.本发明还公开了一种带通滤波器，包括：多个声学谐振器，包括连接在梯形滤波器电路中的一个或多个串联谐振器和一个或多个并联谐振器，其中所述多个声学谐振器中的每一个包括：一相应的隔膜，包括跨越衬底中相应空腔的压电板的一部分，以及一叉指换能器(idt)，在所述压电板的表面上形成，idt包括第一母线、第二母线和从所述第一和第二母线交替延伸的多个交错的指状物，部分所述多个交错的指状物的重叠在所述相应的隔膜上，其中所述一个或多个串联谐振器中的至少一个还包括：第一和第二反射器元件，位于所述相应隔膜上，接近并平行于所述多个交错的指状物中的第一个指状物；和第三和第四反射器元件，位于所述相应隔膜上，接近并平行于所述多个交错的指状物中的最后一个指状物。
17.其中，对于包括第一到第四反射器元件的每个串联谐振器：所述第一个指状物从所述第一母线延伸，所述第一和第二反射器元件从所述第二母线延伸，所述最后一个指状物从所述第一和第二母线中的任一个延伸，并且所述第三和第四反射器元件从所述第一和第二母线中的另一个延伸。
18.其中，对于包括第一到第四反射器元件的每个串联谐振器：pr1是所述第一和第二反射器元件的中心到中心距离以及所述第三和第四反射器元件的中心到中心距离，p是所述交错的指状物的间距，并且1.2p≤pr1≤1.5p。
19.其中，pr2是所述第一反射器元件和所述第一个指状物的中心到中心距离以及所述第三反射器元件和所述最后一个指状物的中心到中心距离，并且p《≤pr2《≤pr1。
20.其中，pr2＝(pr1+p)/2。
21.其中，对于包括第一到第四反射器元件的每个串联谐振器：所述第一、第二、第三和第四反射器元件的标记mr被配置为改进所述滤波器在预定频率下的输入/输出传递函数。
22.其中，选择mr以改善所述滤波器在所述通带上边缘的输入/输出传递函数。
23.其中，所有的一个或多个串联谐振器包括相应的第一到第四反射器元件。
附图说明
24.图1包括横向激励薄膜体声波谐振器(xbar)的示意性平面图、两个示意性截面图和详细视图。
25.图2是使用声学谐振器的带通滤波器的示意框图。
26.图3是xbar的q因子与xbar的叉指换能器(idt)中的指状物数量之间的关系图。
27.图4是具有反射器元件的idt的示意性平面图。
28.图5是具有反射器元件的另一个idt的示意性平面图。
29.图6是比较具有和不具有反射器元件的xbar在谐振频率下的归一化q因子的图。
30.图7是比较具有和不具有反射器元件的xbar在反谐振频率下的归一化q因子的图。
31.图8是示出在5150mhz频率下代表性xbar的相对q因子随着反射器元件间距和标记变化的图。
32.图9是示出在每一端具有两个反射器元件的xbar的相对q因子随着反射器元件标记和频率变化的图。
33.图10是示出在每一端具有一个反射器元件的xbar的相对q因子随着反射器元件标记和频率变化的图。
34.图11是示出在每一端具有五个反射器元件的xbar的相对q因子随着反射器元件标记和频率变化的图。
35.图12是比较使用具有和不具有反射器元件的xbar的两个带通滤波器的性能的图。
36.图13是具有反射器元件的另一个idt的示意性平面图。
37.图14a和图14b是比较使用具有和不具有反射器元件的xbar的带通滤波器的性能的图。
38.图15是用于制造xbar或使用xbar的滤波器的方法的流程图。
39.在整个说明书中，附图中出现的元件分配有三位数或四位数附图标记，其中两个
最低有效位是该元件特有的，而一个或两个最高有效位是首先示出元件的图号。可以假定未结合附图描述的元件具有与具有相同附图标记的先前描述的元件相同的特性和功能。
具体实施方式
40.装置说明
41.图1示出了xbar 100的简化示意性俯视图和正交横截面图。诸如谐振器100的xbar谐振器可用于各种rf滤波器，rf滤波器包括带阻滤波器、带通滤波器、双工器和多路复用器。
42.xbar 100由在压电板110的表面上形成的薄膜导体图案组成，所述压电板具有分别平行的正面112和背面114。压电板是压电材料制成的薄单晶层，所述压电材料例如有铌酸锂、钽酸锂、硅酸镧镓、氮化镓或氮化铝。压电板切割成使得相对于正面和背面的x、y和z晶轴的取向是已知的且一致的。压电板可以是z切割的，也就是说，z轴与正面和背面112、114垂直。压电板可以是旋转z切割的或旋转yx切割的。xbar可以在具有其他晶体取向的压电板上制造。
43.压电板110的背面114附接到衬底120的表面上，除了一部分的压电板110未附接到衬底120的表面上，其中这部分的压电板110形成了隔膜115，隔膜115跨越衬底中形成的空腔140。压电板跨越空腔的部分在本文中称为“隔膜”115，这是因为这部分在物理上与麦克风的隔膜相似。如图1所示，隔膜115在空腔140的整个周边145周围与压电板110的其余部分邻接。在这种情况下，“邻接”是指“连续连接，中间没有任何其他物品”。在其他配置中，隔膜115可以在空腔140的周边145的至少50％周围与压电板邻接。
44.衬底120为压电板110提供机械支撑。衬底120可以是，例如硅、蓝宝石、石英，或一些其它材料，或这些材料的组合。可以使用晶圆键合工艺将压电板110的背面114附接到衬底120。或者，压电板110可以在衬底120上生长，或者以其它一些方式附着到衬底。压电板110可以直接附接到衬底，或者可以经由一个或多个中间材料层(未在图1中示出)附接到衬底120。
[0045]“空腔”的常规含义是“固体内的空的空间”。空腔140可以是完全穿过衬底120的孔(如a-a和b-b截面所示)，或者可以是隔膜115下方的衬底120中的凹槽。例如，可以在将压电板110附接到衬底120之前或之后，通过对衬底120进行选择性蚀刻来形成空腔140。
[0046]
xbar 100的导体图案包括叉指换能器(idt)130。idt 130包括第一多个平行指状物，例如指状物136，和第二多个指状物，其中第一多个平行指状物从第一母线132延伸，第二多个指状物从第二母线134延伸。术语“母线”是指一导体，idt的指状物从该母线延伸。第一和第二多个平行指状物交错。交错的指状物重叠一段距离ap，其通常称为idt的“孔径”。idt 130的最外处的指状物之间的中心到中心距离l是idt的“长度”。
[0047]
第一和第二母线132、134用作xbar 100的端子。在idt 130的两个母线132、134之间施加的射频或微波信号激发压电板110内的主声学模。主声学模是体剪切模，其中声能在基本垂直于压电板110表面的方向上传播，该方向也与idt指状物所产生的电场方向垂直或横向。因此，xbar视为横向激励薄膜体波谐振器。
[0048]
idt 130放置在压电板110上，使得至少idt 130的指状物设置在隔膜115上，该隔膜115跨过或悬挂在空腔140上。如图1所示，空腔140呈矩形，该矩形的大小为大于idt 130
的孔径ap和长度l。xbar的空腔可以具有不同的形状，例如规则或不规则的多边形。xbar的空腔可以具有多于或少于四个侧面，这些侧面可以是直的或弯曲的。
[0049]
为了便于在图1中示出，相对于xbar的长度(尺寸l)和孔径(尺寸ap)，idt指状物的几何间距和宽度被大大放大。典型的xbar在idt 130中具有十个以上的平行指状物。一个xbar在idt 130中可能具有数百个，可能数千个平行指状物。类似地，横截面图中，idt指状物和压电板的厚度被大大放大。
[0050]
参考详细的横截面图，正面介电层150可选地在压电板110的正面上形成。根据定义，xbar的“正面”是背对衬底的表面。正面介电层150可以仅在idt指状物(例如idt指状物138b)之间形成，或者可以沉积为覆盖层，使得介电层在idt指状物(例如idt指状物138a)之间和上方形成。正面介电层150可为非压电介电材料，例如二氧化硅、氧化铝或氮化硅。正面介电层150的厚度通常约小于压电板110的厚度tp的三分之一。正面介电层150可以由两种或更多种材料的多层形成。在一些应用中，背侧介电层(未示出)可以在压电板110的背面上形成。
[0051]
idt指状物138a和138b可以是一层或多层铝、铝合金、铜、铜合金、铍、金、钨、钼、铬、钛或一些其他导电材料。如果idt指状物由铝或含至少50％铝的合金制成，则可认为idt指状物“基本上为铝”。如果idt指状物由铜或包含至少50％铜的合金制成，则可认为idt指状物“基本上为铜”。可以在指状物的下方和/或上方形成其他金属(例如铬或钛)的薄(相对于导体的总厚度)层或其他金属薄层作为指状物内的层，以改善指状物与压电板110之间的粘附力和/或钝化或封装指状物和/或改善功率处理。idt的母线(图1中的132、134)可以由与指状物相同或不同的材料制成。
[0052]
尺寸p是idt指状物的中心到中心距离或“间距”，其可以被称为idt的间距和/或xbar的间距。尺寸m是idt指状物的宽度或“标记”。在一些实施例中，idt指状物的间距和/或标记可以沿着idt的长度略微变化。在这种情况下，尺寸p和m分别是间距和标记的平均值。xbar的idt的几何形状与表面声波(saw)谐振器中使用的idt有很大不同。在saw谐振器中，idt的间距是谐振频率下声波波长的二分之一。此外，saw谐振器idt的标记间距比通常接近0.5(即标记或指状物宽度约为谐振时声波波长的四分之一)。在xbar中，idt的间距p可以是指状物的宽度w的2到20倍。间距p通常是指状物宽度w的3.3到5倍。此外，idt的间距p可以是压电板210的厚度的2至20倍。idt的间距p通常是压电板210的厚度的5至12.5倍。idt指状物的宽度m在xbar中，不限制在谐振声波波长的四分之一附近。例如，xbar idt指状物的宽度可以是500nm或更大，使得idt可以很容易地使用光学光刻制造。idt指状物的厚度可以从100nm到大约等于宽度m。idt的母线(132、134)的厚度可以等于或大于idt指状物的厚度tm。
[0053]
图2是使用xbar的高频带通滤波器200的示意电路图和布局。滤波器200具有常规的梯形滤波器架构，包括三个串联谐振器210a、210b、210c和两个并联谐振器220a、220b。三个串联谐振器210a、210b和210c串联连接在第一端口和第二端口之间(因此称为“串联谐振器”)。在图2中，第一和第二端口分别标记为“in”和“out”。然而，滤波器200是双向的并且任一端口都可以用作滤波器的输入或输出。两个并联谐振器220a、220b从串联谐振器之间的节点连接到地。滤波器可以包含额外的电抗元件，例如电容器和/或电感器，其在图2中未示出。所有并联谐振器和串联谐振器都是xbar。包含三个串联和两个并联谐振器是示例性的。一个滤波器可以具有多于或少于五个总谐振器、多于或少于三个串联谐振器以及多于或少
于两个并联谐振器。通常，所有串联谐振器串联连接在滤波器的输入和输出之间。所有并联谐振器通常连接在地和输入、输出或两个串联谐振器之间的节点之间。
[0054]
在示例性滤波器200中，滤波器200的三个串联谐振器210a、b、c和两个并联谐振器220a、220b在结合到硅衬底(不可见)的压电材料的单个板230上形成。在一些滤波器中，串联谐振器和并联谐振器可以形成在不同的压电材料板上。每个谐振器包括相应的idt(未示出)，至少idt的指状物设置在衬底中的空腔上方。在这种和类似的上下文中，术语“各自”的意思是“将事物相互关联”，也就是说，具有一对一的对应关系。在图2中，空腔被示意性地示为虚线矩形(例如矩形235)。在该示例中，每个idt设置在相应的空腔上。在其他滤波器中，两个或更多个谐振器的idt可以设置在单个空腔上。
[0055]
滤波器200中的谐振器210a、210b、210c、220a、220b中的每一个在谐振器的导纳非常高时具有谐振，并在谐振器的导纳非常低时具有反谐振。谐振和反谐振分别发生在谐振频率和反谐振频率，对于滤波器200中的各种谐振器而言，谐振频率和反谐振频率可以相同或不同。在过于简化的术语中，每个谐振器在其谐振频率下可视为短路，在其反谐振频率下可视为开路。在并联谐振器的谐振频率和串联谐振器的反谐振频率处，输入-输出传递函数将接近于零。在典型的滤波器中，并联谐振器的谐振频率位于滤波器通带下边缘的下方，串联谐振器的反谐振频率位于通带上边缘的上方。在一些滤波器中，由点划线矩形270表示的正面介电层(也称为“频率设置层”)可以在并联谐振器上形成，以将并联谐振器的谐振频率设置成低于串联谐振器的谐振频率。
[0056]
声学谐振器的q因子通常定义为在所施加的rf信号的一个周期内存储的峰值能量除以该周期内耗散或损失的总能量。xbar的q因子是多个参数的复杂函数，多个参数包括xbar的idt中的长度或指状物数量。
[0057]
声学谐振器中可能的损耗机制包括idt和其他导体中的电阻损耗；压电板、idt指状物和其他材料中的粘性或声学损失；以及声能从谐振器结构中泄漏出来。存储在谐振器中的峰值能量与谐振器的电容成正比。在xbar谐振器中，电容与idt指状物的数量成正比。电阻损耗和粘胶损耗也与idt指状物的数量成正比。在横向(即平行于idt指状物的方向)从谐振器泄漏的声能与谐振器的长度成正比，因此也与idt指状物的数量成正比。相比之下，idt末端在纵向(即垂直于idt指状物的方向)上的能量损失大致恒定，与idt指状物的数量无关。随着idt指状物的数量和xbar中存储的峰值能量的减少，纵向损失的声能成为存储的峰值能量中不断增加的部分。
[0058]
图3是代表性xbar的归一化q因子随xbar的idt中的指状物数量变化的图。“归一化q因子”是具有有限数量idt指状物的xbar的q因子除以具有相同结构和无限数量idt指状物的假设xbar的q因子。在图3中，归一化q因子被量化为具有无限数量的idt指状物的xbar的q因子的百分比。具体来说，实线310是在谐振频率下的归一化q因数的图，而虚线320是在反谐振频率下的归一化q因数的图。图3中的数据根据使用有限元方法进行的模拟得到。
[0059]
图3示出具有有限数量的idt指状物的xbar的归一化q因子小于100％，也就是说，具有有限数量的idt指状物的xbar的q因子小于具有无限数量的idt指状物的类似xbar的q因子。尽管图3中未示出，但是对于非常大量的idt指状物，xbar的归一化q因子可能会逐渐接近100％。正如预期的那样，归一化q因子取决于idt指状物的数量。特别是，由于纵向方向上声能损失的重要性增加，对于具有少于约20个idt指状物的xbar，归一化q因子急剧下降。
[0060]
图4是示例性导体图案400的平面图，其减少了xbar末端的纵向方向上的声能泄漏。导体图案400包括idt 430和四个反射器元件462、464、466、468。idt 430包括第一母线432、第二母线434和从第一和第二母线交替延伸的多个n个交错的idt指状物。在此示例中，idt指状物的数量n等于24。在其他xbar中，n可以在从20到100个或更多idt指状物的范围内。idt指状物436是第一个指状物，idt指状物438是第n个指状物。idt指状物从左到右编号(如图4所示)是任意的，第1个和第n个指状物的名称可以颠倒。
[0061]
如图4所示，奇数idt指状物从第一母线432延伸，偶数idt指状物从第二母线434延伸。idt 430具有偶数个idt指状物，使得第一个和第n’个idt指状物436、438从不同的母线延伸。在某些情况下，一个idt可能具有奇数个idt指状物，因此第1个和第n’个idt指状物以及所有反射器元件都从同一母线延伸。
[0062]
总共四个反射器元件设置在idt 430的外围之外。第一反射器元件462在idt 430的左端靠近并平行于第一个idt指状物436。第二反射器元件466在idt430的右端靠近并平行于第n’个idt指状物438。可选的第三反射器元件464平行于第一反射器元件462。可选的第四反射器元件468平行于第二反射器元件466。
[0063]
第一和第三反射器元件462、464从第一母线432延伸，因此与第一个idt指状物436处于相同的电势。类似地，第二和第四反射器元件466和468从第二母线430延伸，因此与第n’个idt指状物438处于相同的电势。
[0064]
反射器元件462、464、466、468被配置为将声能限制到idt 430的区域，从而减少纵向方向上的声能损失。为此，相邻反射器元件之间以及反射器元件462和466与相邻第一个和第n’个idt指状物之间的间距pr分别通常大于idt指状物的间距p。反射器元件462、464、466、468的宽度或标记mr不一定等于idt指状物的标记m。如随后将描述的，可以选择反射器元件的标记mr以优化特定频率或频率范围下的q因子。
[0065]
图5是另一个导体图案500的平面图，该导体图案500减少了xbar端部在纵向方向上的声能泄漏。导体图案500包括idt 530和四个反射器元件562、564、566、568。idt 530包括第一母线532、第二母线534和从如前所述的第一和第二母线交替延伸的多个交错的idt指状物。idt指状物536和538是idt530(如图5所示)左端和右端的第1个和第n’个idt指状物。
[0066]
总共四个反射器元件设置在idt 530的外围之外。第一和第三反射器元件562和564在idt 530的左端靠近并平行于第一个idt指状物536。第一和第三反射器元件562、564彼此连接但不连接到母线532、534中的任一个。第一和第三反射器元件562、564电容耦合到第一个idt指状物536并且因此处于与第一个idt指状物536基本相同的电势。如果在母线532、534之间施加rf信号时，反射器元件和第一个idt指状物之间的电势小于相邻idt指状物之间的电势，反射器元件视为基本上处于同一电势。
[0067]
类似地，第二和第四反射器元件566和568在idt 530的右端靠近并平行于第n’个idt指状物538。第二和第四反射器元件566、568彼此连接和未彼此连接或未连接到任一母线532、534。第二和第四反射器元件566、568彼此电容耦合，并且电容耦合到第n’个idt指状物538，因此处于与第n’个idt指状物538几乎相同的电势。
[0068]
反射器元件562、564、566、568被配置为将声能限制到idt 530的区域，从而减少在纵向方向上声能的损失。为此，相邻反射器元件之间以及反射器元件562和566与相邻端子
idt指状物之间的间距pr通常大于idt指状物的间距p。
[0069]
反射器元件562、564、566、568的宽度或标记mr不一定等于idt指状物的标记m。可以选择反射器元件的标记mr以针对频率范围的特定频率优化q因子。
[0070]
图6是另一个xbar的归一化q因子随idt指状物的数量变化的图，该xbar具有和不具有类似于图4所示的反射器元件。具体而言，实线610是不具有反射器元件的xbar在其谐振频率下的归一化q因子的图。虚线曲线620是在idt的每一侧具有两个反射器元件的类似xbar的谐振频率处的归一化q因子的图。在这两种情况下，压电板都是400nm厚的铌酸锂，idt指状物是500nm厚的铝，idt间距p＝4微米，idt指状物标记m＝1微米。对于具有反射器元件的xbar，pr＝4.2微米，mr＝0.735微米。使用反射器元件，只有10个指状物的xbar可以具有高达80％的归一化q因子。
[0071]
图7是另一个xbar的归一化q因子随idt指状物变化的图，该xbar具有和不具有类似于图4中所示的反射器元件的反射器元件。具体而言，实线710是没有反射器元件的xbar在其反谐振频率下的归一化q因子的图。虚线曲线720是在idt的每一侧具有两个反射器元件的类似xbar在反谐振频率下的归一化q因子的图。在这两种情况下，压电板都是400nm厚的铌酸锂，idt指状物是500nm厚的铝，idt间距p＝4微米，idt指状物标记m＝1微米。对于具有反射器元件的xbar，pr＝8微米，mr＝0.80微米。使用反射器元件，只有14个指状物的xbar可以具有高达80％的归一化q因子。
[0072]
图8示出了说明在5150mhz的固定频率下示例性xbar装置的反射器元件的间距pr和标记mr之间的关系的图表800。示例性xbar装置具有厚度为400nm的铌酸锂压电板和厚度为500nm的铝idt和反射器元件。idt指状物的间距和标记分别为4微米和1微米。idt的每一端都有两个反射器元件。较浅的阴影区域810a、810b、810c、810d识别pr和mr的组合，其中归一化q因子大于或等于85％。较暗的阴影区域820a、820b、820c、820d识别pr和mr的组合，其中归一化q因子大于或等于90％。为了进行比较，这个没有反射器元件的xbar的归一化q因子在5150mhz时为74％。虽然图8中未标识出，但的确存在pr和mr的组合，其中归一化q因子小于75％，表明配置不当的反射器元件会降低xbar q因子。
[0073]
pr和mr的多种组合将归一化q因子提高到85％或90％。为了实现大于或等于90％的归一化q因子，pr必须大于或等于idt指状物间距p的1.2倍。对于pr＝6微米(1.5p)，至少有四个mr值将归一化q因子提高到90％以上。
[0074]
图9示出了图表900，其说明了在idt的每一侧具有两个反射器元件并且pr＝5.2微米的示例性xbar装置的反射器元件的标记mr和频率之间的关系。与前面的示例一样，示例性xbar装置具有厚度为400nm的铌酸锂压电板和厚度为500nm的铝idt和反射器元件。idt指状物的间距和标记分别为4微米和1微米。较浅的阴影区域(例如区域910)识别频率和mr的组合，其中归一化q因子大于或等于85％。较深的阴影区域(例如区域920)识别频率和mr的组合，其中归一化q因子大于或等于90％。为了进行比较，这个没有反射器元件的xbar的归一化q因子在5150mhz时为74％。
[0075]
图表900示出，对于特定的反射器元件间距pr，必须考虑xbar的q因子需要改进的频率来选择反射器元件标记mr。例如，选择mr＝0.95微米可在从大约4980mhz到大于5200mhz的频率范围内提供大于90％的归一化q因子。选择mr＝1.7微米可在小于4700mhz至约4950mhz的频率范围内提供大于90％的归一化q因子。然而，与没有反射器元件的xbar相
比，选择mr＝1.7微米实际上可能会降低5200mhz处的q因子。
[0076]
图10示出了图表11000，其说明了示例性xbar装置的反射器元件的标记mr和频率之间的关系，其中xbar装置在idt的每一侧具有一个反射器元件并且pr＝5.2微米。示例性xbar装置与前面的示例相同。如图9所示，诸如区域1010的较浅阴影区域识别频率和mr的组合，其中归一化q因子大于或等于85％。较暗的阴影区域，例如区域1020，识别频率和mr的组合，其中归一化q因子大于或等于90％。
[0077]
图9和图10的比较示出了在改进归一化q因子方面，仅一个反射器元件通常不如两个反射器元件有效。然而，在某些应用中，在idt的每一端具有一个反射器元件可能就足够了。在此示例中，一个mr＝0.75微米的反射器元件(在idt的每一端)为大约4770mhz到4970mhz的频率范围提供了归一化q因子的显著改进。
[0078]
图11示出了说明示例性xbar装置的反射器元件的标记mr和频率之间的关系的图表1100，xbar装置在idt的每一端具有五个反射器元件，且pr＝5.2微米。示例性xbar装置与前面的示例相同。在图9中，例如区域1110的较浅阴影区域识别频率和mr的组合，其中归一化q因子大于或等于85％。较暗的阴影区域，例如区域1120，识别频率和mr的组合，其中归一化q因子大于或等于90％。
[0079]
图11示出了五个反射器元件与两个反射器元件相比没有提供任何显著改进。
[0080]
图12是具有和不具有反射器元件的示例性xbar带通滤波器的性能图表。具体地，实线1210是频段n77滤波器的s
21
(输入-输出传递函数)的幅度的图，其中在滤波器中的xbar的每一端具有两个反射器元件。并联谐振器的反射器元件针对3.35ghz的频率进行了优化，串联谐振器的反射器元件针对4.2ghz的频率进行了优化。这些频率处于或接近n77频段的边缘，在n77频段处通常最难达到最低s
21
的要求。虚线1220是xbar上没有反射器元件的相同滤波器的s
21
幅度图。所有数据都是通过使用有限元方法模拟滤波器得出的。
[0081]
包含反射器元件在3.35ghz下将s
21
提高了0.2db，在4.2ghz下提高了0.4db。然而，请注意，包含反射器元件在其他频率下可将s
21
降低多达0.25db，说明在设计xbar滤波器期间需要进行权衡考虑。在图12的示例性带通滤波器中，以在相同频率(3.35ghz)下获得最大q因子，选择所有并联谐振器的反射器元件。以在相同频率(4.2ghz)下获得最大q因子，选择所有串联谐振器的反射器元件。如果独立优化每个谐振器的反射器元件，则滤波器传递函数可能会进一步改进。
[0082]
图13是另一个示例性导体图案1300的平面图，其减少了xbar末端的纵向方向上的声能泄漏。导体图案1300包括idt 1330和第一、第二、第三和第四反射器元件1362、1364、1366、1368。idt 1330包括第一母线1332、第二母线1334和多个交替延伸的交错idt指状物从第一和第二母线。在此示例中，idt指状物的数量等于24。在其他xbar中，指状物的数量可以在20到100个或更多个idt指状物的范围内。交错的idt指状物和第一、第二、第三和第四反射器元件1362、1364、1366、1368的重叠部分在xbar的隔膜上。idt指状物1336是第一个指状物，idt指状物1338是最后一个指状物。第一个和最后一个idt指状物的名称是任意的，第一个和最后一个指状物的名称可以颠倒。
[0083]
idt 1330的外围之外总共设有四个反射器元件。第一和第二反射器元件1362、1364靠近并平行于idt的左端(如图所示)的第一个idt指状物1336。第三和第四反射器元件1366、1368接近并平行于idt 1330右端(如图所示)的最后一个idt指状物1338。
[0084]
第一和第二反射器元件1362、1364从与第一idt指状物不同的母线延伸。在该示例中，第一和第二反射器元件1362、1364从第二母线1334延伸并且第一idt指状物1336从第一母线1332延伸。因此，第一和第二反射器元件1362、1364上的电势与第一个idt指状物1336上的电势相反。类似地，第三和第四反射器元件1366、1368延伸与最后一个idt指状物1338不同的母线。因此，第三和第四反射器元件1366、1368上的电势与最后一个idt指状物1338上的电势相反。
[0085]
反射器元件1362、1364、1366、1368被配置为将声能限制到idt 1330的区域并因此减少纵向方向上的声能损失。为此，相邻反射器元件之间(即，第一和第二反射器元件之间以及第三和四个反射器元件之间)的中心到中心距离pr1通常大于或等于idt指状物的间距p的1.2倍且小于或等于p的1.5倍。
[0086]
反射器元件和相邻idt指状物之间(即第一反射器元件和第一idt指状物之间，以及第三反射器元件和最后一个idt指状物之间)的中心到中心距离pr2通常大于p并且小于pr1。在某些情况下，pr2可能是p和pr1的平均值。
[0087]
反射器元件1362、1364、1366、1368的宽度或标记mr不一定等于idt指状物的标记m。如前所述，可以选择反射器元件的标记mr以优化特定频率或频率范围的q因子。
[0088]
图14a是具有和不具有反射器指状物的第一对xbar滤波器的s21(输入/输出传递函数)幅度随频率变化的图1400。这些滤波器旨在通过5g nr频段n79。识别出频段n79频率范围。实线1410是在所有串联谐振器上具有反射指状物的滤波器的s21的幅度。对于每个串联谐振器，pr1＝1.3p和pr2＝1.15p。mr针对每个谐振器进行了独立优化，以最大限度地减少上频带边缘(5.0ghz)的损耗。虚线1420是对于在任何谐振器上没有反射指状物的相同滤波器的s21的幅度。与没有反射指状物的滤波器(虚线曲线1420)相比，串联谐振器(实线1410)上的反射指状物的存在使上频带边缘处的损耗(即增加s21)减少了约0.4db。
[0089]
图14b是具有和不具有反射指状物的第二对xbar滤波器随频率变化的s21(输入/输出传递函数)幅度的图1450。这些滤波器的设计独立于第一对滤波器的设计，以通过5g nr频段n79。识别出频段n79频率范围。
[0090]
实线1460是在所有串联谐振器上具有反射指状物的滤波器的s21的幅度。对于每个串联谐振器，pr1＝1.3p和pr2＝1.15p。mr针对每个谐振器进行了独立优化，以最大限度地减少上频带边缘(5.0ghz)的损耗。虚线曲线1470是对于在任何谐振器上没有反射指状物的相同滤波器的s21的幅度。与没有反射指状物的滤波器(虚线曲线1470)相比，串联谐振器(实线1460)上反射指状物的存在使上频带边缘处的损耗(即增加s21)减少了约0.3db。
[0091]
方法说明
[0092]
图15是概括用于制造并入xbar的滤波器装置的工艺1500的简化流程图。具体而言，工艺1500用于制造包括多个xbar的滤波器装置，其中一些xbar可以包括频率设置介电层。工艺1500开始于1505，其中装置衬底和压电材料薄板设置在牺牲衬底上。工艺1500在1595处结束，此时完成滤波器装置。图15的流程图仅包括主要的工艺步骤。可以在图15所示的步骤之前、之间、之后和期间执行各种常规工艺步骤(例如，表面准备、清洁、检查、烘烤、退火、监控、测试等)。
[0093]
虽然图15概括地描述了用于制造单个滤波器装置的工艺，但是可以在共同的晶片上(由结合到衬底的压电板组成)同时制作多个滤波器装置。在这种情况下，可以在晶片上
的所有滤波器装置上同时执行工艺1500的每个步骤。
[0094]
图15的流程图捕获了用于制造xbar的工艺1500的三个变体，这三个变体的不同之处在于何时以及如何在装置衬底中形成空腔。可以在步骤1510a、1510b或1510c处形成空腔。在工艺1500的三个变体中的每个变体中，仅执行这些步骤中的其中一个步骤。
[0095]
压电板可以是例如铌酸锂或钽酸锂，它们中的任一个都可以是z-切割、旋转z-切割或旋转yx-切割。压电板可以是一些其他材料和/或一些其他切口。装置衬底可以优选地是硅。装置衬底可以是允许通过蚀刻或其他处理形成深空腔的一些其他材料。
[0096]
在工艺1500的一个变体中，在1510a处在装置衬底中形成一个或多个空腔，然后在1515处将压电板接合到衬底。可以为滤波器装置中的每个谐振器形成单独的空腔。可以使用传统的光刻和蚀刻技术来形成一个或多个空腔。通常，在1510a处形成的空腔不会穿透装置衬底。
[0097]
在1515处，将压电板结合到装置衬底。可以通过晶圆键合工艺来结合压电板和装置衬底。通常，装置衬底和压电板的配合表面被高度抛光。可以在压电板和/或装置衬底的配合表面上形成或沉积一层或多层中间材料，例如氧化物或金属。可以使用例如等离子体工艺来激活一个和/或两个配合表面。然后可以用相当大的力将配合表面压在一起，以在压电板和装置衬底或中间材料层之间建立分子键。
[0098]
在1520处，可以去除牺牲衬底。例如，压电板和牺牲衬底可以是压电材料的晶片，该晶片已经被离子注入以在晶体结构中沿着限定将成为压电板和牺牲衬底之间的边界的平面产生缺陷。在1520处，晶片可以例如通过热冲击沿着缺陷平面分裂，分离牺牲衬底并且留下结合到装置衬底的压电板。在剥离牺牲衬底之后，可以对压电板的暴露表面进行抛光或以某种方式进行处理。
[0099]
层压到非压电衬底的单晶压电材料薄板是可商购的。在施加过程中，铌酸锂和钽酸锂板都可以与各种衬底粘合，衬底包括硅、石英和熔融石英。现在或将来可能会出现其他压电材料的薄板。压电板的厚度可以在300nm和1000nm之间。当衬底为硅时，可以在压电板与衬底之间设置一层sio2。当使用市售的压电板/装置衬底层压板时，不执行工艺1500的步骤1510a、1515和1520。
[0100]
在1545处，通过在压电板的正面上沉积和图案化一个或多个导体层来形成第一导体图案，包括idt和每个xbar的反射器元件。导体层可以是例如铝、铝合金、铜、铜合金或一些其他导电金属。可选地，一层或多层其他材料可以设置在导体层下方(即，在导体层和压电板之间)和/或在导体层之上。例如，钛、铬或其他金属的薄膜可用于提高导体层和压电板之间的粘附性。金、铝、铜或其他更高导电率金属的第二导体图案可以形成在第一导体图案的部分(例如idt母线和idt之间的互连)之上。
[0101]
可在1545处通过在压电板的表面上依次沉积导电层以及可选的一个或多个其他金属层来形成每个导体图案。然后可以通过穿过图案化的光致抗蚀剂蚀刻来去除多余的金属。可以例如通过等离子体蚀刻、反应离子蚀刻、湿化学蚀刻或其他蚀刻技术来蚀刻导体层。
[0102]
或者，可以在1545处使用剥离工艺形成每个导体图案。光致抗蚀剂可以沉积在压电板上，并进行图案化以定义导体图案。可以在压电板的表面上依次沉积导体层，以及可选的，一个或多个其他层。然后可以去除光致抗蚀剂，这去除了多余的材料，留下了导体图案。
[0103]
在1550处，可以通过在压电板的正面上沉积一层或多层介电材料来形成一层或多层频率设置介电层。例如，可以在并联谐振器上形成介电层，从而降低并联谐振器相对于串联谐振器的频率。可以使用常规沉积技术来沉积一层或多层介电层，常规沉积技术例如物理气相沉积、原子层沉积、化学气相沉积，或一些其它方法。可以使用一种或多种光刻工艺(使用光掩模)将介电层沉积限制在压电板的选定区域上。例如，掩模也可以用于将介电层限制为仅覆盖并联谐振器。
[0104]
在1555处，钝化/调谐介电层沉积在压电板和导体图案上。钝化/调谐介电层可以覆盖滤波器的整个表面，除了用于与滤波器外部的电路电连接的焊盘外。在工艺1500的一些实例中，钝化/调谐介电层可以在装置衬底中的空腔在1510b或810c处被蚀刻之后形成。
[0105]
在工艺1500的第二变体中，在1510b处，在装置衬底的背面中形成一个或多个空腔。可以为滤波器装置中的每个谐振器形成单独的空腔。可以使用各向异性或取向相关的干法或湿法蚀刻来形成一个或多个空腔，以从装置衬底的背面一直开孔至压电板。在这种情况下，所得的谐振器装置将具有如图1所示的横截面。
[0106]
在工艺1500的第三变体中，可以在1510c处通过使用通过压电板中的开口引入的蚀刻剂蚀刻衬底来在装置衬底中形成呈凹槽形式的一个或多个空腔。可以为滤波器装置中的每个谐振器形成单独的空腔。在1510c处形成的一个或多个空腔将不会穿透装置衬底。
[0107]
理想地，在1510b或1510c形成空腔之后，晶片上的大部分或全部滤波器装置将满足一组性能要求。然而，正常的工艺公差会导致参数变化，例如在1550和1555处形成的介电层的厚度变化，在1545处形成的导体和idt指状物的厚度和线宽变化，以及压电板厚度变化。这些变化导致滤波器装置性能与性能要求产生偏差。
[0108]
为了提高满足性能要求的滤波器装置的产量，可以通过选择性地调整在1555处沉积在谐振器上的钝化/调谐层的厚度来执行频率调谐。可通过向钝化/谐调层添加材料的方式降低滤波器装置通带的频率，以及可通过去除钝化/谐调层上的材料的方式提高滤波器装置通带的频率。通常，工艺1500被偏置以产生具有通带的滤波器装置，该通带最初低于所需频率范围但可通过从钝化/调谐层的表面去除材料而调谐到所需频率范围。
[0109]
在1560处，可以使用探针卡或其他装置与滤波器进行电连接以允许射频(rf)测试和滤波器特性例如输入-输出传递函数的测量。通常，在一些或大部分滤波器装置上进行rf测量，其中这些滤波器装置同时在同一压电板和衬底上进行制造。
[0110]
在1565处，可以通过使用选择性材料去除工具，例如，如前所述的扫描离子研磨机，从钝化/调谐层的表面去除材料来执行全局频率调谐。“全局”调谐是在空间分辨率等于或大于单个滤波器装置的情况下执行的。全局调谐的目的是将每个滤波器装置的通带移向所需的频率范围。可以处理1560中得到的测试结果以生成全局等值线图，该等值线图指示根据晶片上的二维位置来去除的材料的量。然后使用选择性材料去除工具根据等值线图去除材料。
[0111]
在1570处，除了或代替在1565处执行的全局频率调谐之外，可执行局部频率调谐。以小于单独滤波器装置的空间分辨率执行“局部”频率调谐。可以处理1560中得到的测试结果以生成指示在每个滤波器装置处要去除的材料量的图。局部频率调谐可能需要使用掩模来限制材料待去除区域的大小。例如，第一掩模可用于将调谐限制为仅并联谐振器，而第二掩模可随后用于将调谐限制为仅串联谐振器(或反之亦然)。这将允许独立谐调滤波器装置
的下频带边缘(通过调谐并联谐振器)和上频带边缘(通过调谐串联谐振器)。
[0112]
在1565和/或1570处完成频率调谐之后，滤波器装置在1575处完成。在1575处可能发生的动作包括形成接合焊盘或焊料凸块或用于在装置和外部电路之间建立连接的其他装置(如果这种焊盘不是在1545处形成)；从包含多个滤波器装置的晶片上切出单独的滤波器装置；其他包装步骤；和额外的测试。在每个滤波器装置完成后，工艺在1595处结束。
[0113]
结束语
[0114]
在整个说明书中，所示的实施方式和实施例应被认为是示例，而不是对所公开或要求保护的设备和过程的限制。尽管本文提供的许多示例涉及方法动作或系统元素的特定组合，但应当理解，可以以其他方式组合那些动作和那些元素以实现相同的目标。关于流程图，可以采取额外的步骤和更少的步骤，并且可以组合或进一步细化所示的步骤以实现本文所述的方法。仅结合一个实施例讨论的动作、要素和特征不旨在排除其在其他实施例中的相似作用。
[0115]
如本文所用，“多个”是指两个或更多个。如本文所用，“一组”项目可以包括一个或多个这样的项目。如本文所用，无论在书面具体实施方式中还是在权利要求中，术语“包括”，“包含”，“携带”，“具有”，“含有”，“涉及”等应被理解为开放式的，即，指的是包括但不限于。相对于权利要求，仅过渡短语“由
…
组成”和“基本上由
…
组成”是封闭式或半封闭式的过渡短语。权利要求中用到的序数词，例如“第一”、“第二”、“第三”等是用来修饰权利要求元素，这本身不表示一个权利要求元素相较于另一个权利要求元素的优先权，或顺序，或执行方法动作的先后顺序，而只是用于区分具有相同名称的一个权利要求元素与另一个具有相同名称的元素(但是有用到序数词)，从而区分权利要求元素。如本文所用，“和/或”是指所列项目是替代方案，但是替代方案也包括所列项目的任何组合。
技术特征：1.一种声学谐振器装置，包括：一隔膜，包括跨越衬底中的空腔的压电板的一部分；和一导体图案，在所述压电板表面上形成，该导体图案包括：一叉指换能器(idt)，包括第一母线、第二母线和多个交错的指状物，其中所述多个交错的指状物从所述第一和第二母线交替延伸，所述多个交错的指状物的部分重叠在所述隔膜上；第一和第二反射器元件，位于所述隔膜上，接近并平行于所述多个交错的指状物中的第一个指状物；和第三和第四反射器元件，位于所述隔膜上，接近并平行于所述多个交错的指状物中的最后一个指状物。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一个指状物从所述第一母线延伸，所述第一和第二反射器元件从所述第二母线延伸，所述最后一个指状物从所述第一和第二母线中的任一个延伸，并且所述第三和第四反射器元件从所述第一和第二母线中的另一个延伸。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，pr1是所述第一和第二反射器元件的中心到中心距离以及所述第三和第四反射器元件的中心到中心距离，p是所述多个交错的指状物的间距，并且1.2p≤pr1<≤1.5p。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，pr2是所述第一反射器元件和所述第一个指状物的中心到中心距离以及所述第三反射器元件和所述最后一个指状物的中心到中心距离，并且p≤pr2≤pr1。5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，pr2＝(pr1+p)/2。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一、第二、第三和第四反射器元件的标记mr被配置为提高所述装置在预定频率下的q因子。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置是具有通带的梯形带通滤波器电路中的串联谐振器，并且选择mr以提高所述装置在所述通带上边缘的q因子。8.一种带通滤波器，包括：多个声学谐振器，包括连接在梯形滤波器电路中的一个或多个串联谐振器和一个或多个并联谐振器，其中所述多个声学谐振器中的每一个包括：一相应的隔膜，包括跨越衬底中相应空腔的压电板的一部分，以及一叉指换能器(idt)，在所述压电板的表面上形成，idt包括第一母线、第二母线和从所述第一和第二母线交替延伸的多个交错的指状物，部分所述多个交错的指状物的重叠在所述相应的隔膜上，其中
所述一个或多个串联谐振器中的至少一个还包括：第一和第二反射器元件，位于所述相应隔膜上，接近并平行于所述多个交错的指状物中的第一个指状物；和第三和第四反射器元件，位于所述相应隔膜上，接近并平行于所述多个交错的指状物中的最后一个指状物。9.根据权利要求8所述的滤波器，其特征在于，对于包括第一到第四反射器元件的每个串联谐振器：所述第一个指状物从所述第一母线延伸，所述第一和第二反射器元件从所述第二母线延伸，所述最后一个指状物从所述第一和第二母线中的任一个延伸，并且所述第三和第四反射器元件从所述第一和第二母线中的另一个延伸。10.根据权利要求8所述的滤波器，其特征在于，对于包括第一到第四反射器元件的每个串联谐振器：pr1是所述第一和第二反射器元件的中心到中心距离以及所述第三和第四反射器元件的中心到中心距离，p是所述交错的指状物的间距，并且1.2p≤pr1≤1.5p。11.根据权利要求10所述的滤波器，其特征在于，pr2是所述第一反射器元件和所述第一个指状物的中心到中心距离以及所述第三反射器元件和所述最后一个指状物的中心到中心距离，并且p<≤pr2<≤pr1。12.根据权利要求11所述的滤波器，其特征在于，pr2＝(pr1+p)/2。13.根据权利要求8所述的滤波器，其特征在于，对于包括第一到第四反射器元件的每个串联谐振器：所述第一、第二、第三和第四反射器元件的标记mr被配置为改进所述滤波器在预定频率下的输入/输出传递函数。14.根据权利要求13所述的滤波器，其特征在于，选择mr以改善所述滤波器在所述通带上边缘的输入/输出传递函数。15.根据权利要求8所述的滤波器，其特征在于，所有的一个或多个串联谐振器包括相应的第一到第四反射器元件。
技术总结声学谐振器装置包括隔膜，该隔膜包括跨越衬底中的空腔的压电板的一部分。压电板表面上的导体图案包括具有第一母线、第二母线和多个交错的指状物的叉指换能器(IDT)，其中多个交错的指状物从第一和第二母线交替延伸，使多个交错的指状物部分重叠在隔膜上。导体图案还包括第一和第二反射器元件，以及第三和第四反射器元件，其中第一和第二反射器元件位于隔膜上且靠近并平行于多个交错的指状物中的第一个指状物，第三和第四反射器元件位于隔膜上且靠近并平行于多个交错的指状物中的最后一个指状物。状物。状物。
技术研发人员：布莱恩特
受保护的技术使用者：谐振公司
技术研发日：2022.05.26
技术公布日：2022/12/5
