DE112004002041B4 - Akustische Filmvolumenresonator-Vorrichtungen (FBAR-Vorrichtungen) ohne Hohlraum - Google Patents

Akustische Filmvolumenresonator-Vorrichtungen (FBAR-Vorrichtungen) ohne Hohlraum Download PDF

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Abstract

Eine akustische Filmvolumenresonator-Vorrichtung (FBAR-Vorrichtung) (100, 200), die folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (102); einen akustischen Bragg-Reflektor (180, 280) über dem Substrat (102), wobei der akustische Bragg-Reflektor (180, 280) eine metallische Bragg-Schicht (182, 282) und eine zu der metallischen Bragg-Schicht (182, 282) benachbarte Kunststoff-Bragg-Schicht (184) umfasst; ein piezoelektrisches Element (116, 216) über dem akustischen Bragg-Reflektor (180, 280); und eine fernseitige Elektrode (114, 214) über dem piezoelektrischen Element (116, 216), wobei die FBAR-Vorrichtung (100) eine Bandpasscharakteristik aufweist, die eine Mittenfrequenz aufweist, wobei zumindest eine der Bragg-Schichten (182, 184, 186, 188) eine nominelle Dicke aufweist, die gleich einem Viertel der Wellenlänge in dem Material der jeweiligen Bragg-Schicht eines akustischen Signals ist, dessen Frequenz gleich der Mittenfrequenz ist, und wobei die metallische Bragg-Schicht (182, 186) dünner ist als die nominelle Dicke.

Description

  • Hintergrund
  • FBAR-Vorrichtungen bzw. FBAR-Bauelemente, die einen oder mehr akustische Filmvolumenresonatoren (FBARs – film bulk acoustic resonators) beinhalten, bilden einen Bestandteil einer sich ständig erweiternden Vielfalt an elektronischen Produkten, insbesondere an drahtlosen Produkten. Beispielsweise beinhalten moderne Mobiltelefone einen Duplexer, bei dem jedes der Bandpassfilter eine Leiterschaltung umfasst, wobei jedes Element der Leiterschaltung ein FBAR ist. Ein Duplexer, der FBARs beinhaltet, wird von Bradley et al. in der US-Patentschrift Nr. 6,262,637 mit dem Titel „Duplexer Incorporating Thin-film Bulk Acoustic Resonators (FBARs)” („Duplexer mit eingebauten akustischen Dünnschichtvolumenresonatoren (FBARs)”) offenbart, die an die Anmelderin der vorliegenden Offenbarung übertragen ist und durch Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung aufgenommen ist. Ein derartiger Duplexer besteht aus einem Senderbandpassfilter, das zwischen dem Ausgang des Senders und der Antenne in Reihe geschaltet ist, und einem Empfängerbandpassfilter, das mit einem 90°-Phasenschieber zwischen der Antenne und dem Eingang des Empfängers in Reihe geschaltet ist. Die Mittenfrequenzen der Durchlassbänder des Senderbandpassfilters und des Empfängerbandpassfilters sind voneinander versetzt. Auf FBARs beruhende Leiterfilter werden auch bei anderen Anwendungen verwendet.
  • 1 zeigt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel eines FBAR-basierten Bandpassfilters 10, das sich zur Verwendung als Senderbandpassfilter eines Duplexers eignet. Das Senderbandpassfilter besteht aus Reihen-FBARs 12 und Nebenschluss-FBARs 14, die in einer Leiterschaltung verbunden sind. Reihen-FBARs 12 weisen eine höhere Resonanzfrequenz auf als Nebenschluss-FBARs 14.
  • 2 zeigt ein exemplarisches Ausführungsbeispiel 30 eines FBAR. Der FBAR 30 besteht aus einem Paar von Elektroden 32 und 34 und einem piezoelektrischen Element 36 zwischen den Elektroden. Das piezoelektrische Element und die Elektroden sind über einem in einem Substrat 42 definierten Hohlraum 44 aufgehängt. Diese Art und Weise, den FBAR aufzuhängen, ermöglicht, dass der FBAR ansprechend auf ein zwischen die Elektroden angelegtes elektrisches Signal mechanisch schwingt.
  • Die US-Patentanmeldung US 2005/0093653 A1 offenbart ein Bandpassfilter, das einen entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonator (DSBAR – decoupled stacked bulk acoustic resonator) beinhaltet, der aus einem unteren FBAR, einem auf dem unteren FBAR gestapelten oberen FBAR und einem akustischen Entkoppler zwischen FBARs besteht. Jeder der FBARs besteht aus einem Paar von Elektroden und einem piezoelektrischen Element zwischen den Elektroden. Ein elektrisches Eingangssignal wird zwischen Elektroden des unteren FBAR und des oberen FBAR angelegt und liefert ein bandpassgefiltertes elektrisches Ausgangssignal zwischen seinen Elektroden. Das elektrische Eingangssignal kann alternativ zwischen die Elektroden des oberen FBAR angelegt werden, wobei das elektrische Ausgangssignal in diesem Fall von den Elektroden des unteren FBAR genommen wird.
  • Die US-Patentanmeldung US 2005 0093656 A1 offenbart einen akustisch gekoppelten Filmtransformator (FACT – film acoustically-coupled transformer), der aus zwei entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonatoren (DSBARs) besteht. Eine erste elektrische Schaltung verbindet die unteren FBARs der DSBARs in Reihe oder parallel miteinander. Eine zweite elektrische Schaltung verbindet die oberen FBARs der DSBARs in Reihe oder parallel miteinander. Je nach den Konfigurationen der elektrischen Schaltungen können symmetrische oder asymmetrische Dieser Text wurde durch das DPMA aus Originalquellen übernommen. Er enthält keine Zeichnungen. Die Darstellung von Tabellen und Formeln kann unbefriedigend sein. FACT-Ausführungsbeispiele, die Impedanzwandlungsverhältnisse von 1:1 oder 1:4 aufweisen, erhalten werden. Derartige FACTs liefern auch eine galvanische Isolierung zwischen der ersten elektrischen Schaltung und der zweiten elektrischen Schaltung.
  • Bei den oben beschriebenen DSBARs und FACTs ist jeder untere FBAR über einem Hohlraum in einem Substrat aufgehängt, der ähnlich dem oben unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Hohlraum 44 ist. Der Hohlraum ermöglicht, dass die eine Komponente bildenden FBARs ansprechend auf ein elektrisches Signal, das zwischen die Elektroden eines oder mehrerer der FBARs angelegt wird, mechanisch schwingen.
  • Der oben unter Bezugnahme auf 2 beschriebene FBAR und Vorrichtungen wie z. B. Leiterfilme, DSBARs und FACTs, die einen oder mehrere FBARs beinhalten, werden in der vorliegenden Offenbarung generisch als FBAR-Vorrichtungen bezeichnet.
  • Praktische Ausführungsbeispiele von FBAR-Vorrichtungen werden hergestellt, indem ein Hohlraum in einem starren Substrat, z. B. einem Siliziumsubstrat, gebildet wird, indem der Hohlraum mit einem Opfermaterial gefüllt wird, indem die Oberfläche des Substrats geebnet wird und indem die jeweiligen Schichten der FBAR-Vorrichtung auf die Oberfläche des Opfermaterials aufgebracht und auf derselben strukturiert werden, wie zum Beispiel in der US Patentanmeldung US 2005/0093653 A1 beschrieben ist, jedoch bleiben Teile der Oberfläche des Opfermaterials freiliegend. Teile zumindest der Schicht aus piezoelektrischem Material, die das piezoelektrische Element 116 liefert, überlappen außerdem das Substrat außerhalb des Hohlraums. Nachdem alle Schichten aufgebracht und strukturiert wurden, wird eine Freigabeätzung durchgeführt, um das Opfermaterial aus dem Hohlraum zu entfernen. Als Folge ist die FBAR-Vorrichtung über dem Hohlraum aufgehängt, wie in 2 gezeigt ist.
  • Die Notwendigkeit, am Ende des Herstellungsvorgangs eine Freigabeätzung durchzuführen, beschränkt die Auswahl an Materialien, die zum Bilden des Substrats, der Elektroden und des piezoelektrischen Elements bzw. der piezoelektrischen Elemente der FBAR-Vorrichtung verwendet werden können, auf Materialien, die mit der Freigabeätzung ätzkompatibel sind. Manchmal ist es wünschenswert, dieser Beschränkung nicht zu unterliegen. Außerdem kann die Freigabeätzung selbst dann, wenn ätzkompatible Materialien verwendet werden, eine Trennung zwischen den Schichten der FBAR-Vorrichtung und eine daraus resultierende Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit bewirken. Dementsprechend wird eine alternative Art und Weise der Herstellung von FBAR-Vorrichtungen gewünscht, die keine Durchführung einer Freigabeätzung beinhaltet.
  • Die US-Patentschrift Nr. 5,872,493 von Ella offenbart einen akustischen Volumenwellen (BAW – bulk acoustic wave) Filter, der ein Substrat, mindestens eine über dem Substrat angeordnete Resonatorstruktur und einen akustischen Spiegel, der eine Mehrzahl von Schichten aufweist. Der akustische über der Resonatorstruktur angeordnet sein und kann akustische Vibrationen, die von dem Resonator erzeugt werden, im Wesentlichen davon isolieren, über eine obere Oberfläche des akustischen Spiegels hinaus zu gelangen. Der akustische Spiegel verhindert auch, dass Verunreinigungen aus der Umgebung in Kontakt mit dem Resonator kommen. In einer anderen Ausführungsform kann der akustische Spiegel zwischen der Resonatorstruktur und dem Substrat angeordnet sein und kann von dem Resonator erzeugte akustische Vibrationen im Wesentlichen davon isolieren, unter eine untere Oberfläche des akustischen Spiegels hinaus in das Substrat zu gelangen.
  • Die US-Patentschrift Nr. 6,107,721 von Lakin offenbart eine FBAR-Vorrichtung, bei der zwischen der FBAR-Vorrichtung und dem Substrat ein akustischer Reflektor angeordnet ist. Bei der Herstellung dieser Vorrichtung ist eine Freigabeätzung erforderlich. Der akustische Reflektor basiert auf einem Bragg-Reflektor und besteht aus abwechselnden Schichten aus Siliziumdioxid und nicht-piezoelektrischem Aluminiumnitrid. Bei dem von Lakin offenbarten Beispiel wies der akustische Reflektor neun Schichten auf. Ferner gibt Lakin an, dass auch mehr oder weniger Schichten verwendet werden können.
  • Die Notwendigkeit, neun oder mehr zusätzliche Materialschichten aufzubringen, um den akustischen Reflektor zu bilden, verkompliziert den Vorgang des Herstellens der FBAR-Vorrichtung beträchtlich, trotz des Fehlens einer Freigabeätzung. Überdies führen Versuche, den Vorgang durch ein Verringern der Anzahl von Schichten zu vereinfachen, zu einer FBAR-Vorrichtung, deren Frequenzantwort unerwünschte Störartefakte aufweist. Die Artefakte resultieren aus der durch die verringerte Anzahl von Schichten gelieferten verringerten Isolierung und ermöglichen, dass die FBAR-Vorrichtung mechanisch mit dem Substrat interagiert.
  • Einige im Handel erhältliche FBAR-Vorrichtungen beinhalten einen akustischen Reflektor, der aus abwechselnden Schichten aus Siliziumdioxid und einem Metall besteht. Jedoch weisen die Frequenzantworten derartiger FBAR-Vorrichtungen unerwünschte Störartefakte auf, z. B. zusätzliche Übertragungsspitzen im Sperrbereich.
  • Somit wird eine Art und Weise des Isolierens einer FBAR-Vorrichtung von dem Substrat benötigt, die keine Freigabeätzung erfordert, die den Herstellungsvorgang nicht übermäßig verkompliziert und die eine ausreichende Isolierung zwischen der FBAR-Vorrichtung und dem Substrat liefert, so dass die Frequenzantwort der FBAR-Vorrichtung frei von unerwünschten Störartefakten ist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • In Bezug auf einen ersten Aspekt liefert die Erfindung eine akustische Filmvolumenresonator-Vorrichtung (FBAR-Vorrichtung), die ein Substrat, einen akustischen Bragg-Reflektor über dem Substrat, ein piezoelektrisches Element über dem akustischen Bragg-Reflektor und eine auf der fernen Seite befindliche Elektrode über dem piezoelektrischen Element umfasst. Der akustische Bragg-Reflektor umfasst eine metallische Bragg-Schicht und eine Kunststoff-Bragg-Schicht, die zu der metallischen Bragg-Schicht benachbart ist. Die FBAR-Vorrichtung weist eine Bandpasscharakteristik aufweist, die eine Mittenfrequenz auf und zumindest eine der Bragg-Schichten hat eine nominelle Dicke, die gleich einem Viertel der Wellenlänge in dem Material der jeweiligen Bragg-Schicht eines akustischen Signals ist, dessen Frequenz gleich der Mittenfrequenz ist. Dabei ist metallische Bragg-Schicht ist dünner als die nominelle Dicke.
  • Beispiele einer FBAR-Vorrichtung umfassen einen FBAR wie z. B. einen FBAR, der ein Element eines Leiterfilters liefert, einen gestapelten akustischen Volumenresonator (SBAR – stacked bulk acoustic resonator), einen entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonator (DSBAR), ein Bandpassfilter und einen akustisch gekoppelten Filmtransformator (FACT).
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist die metallische Bragg-Schicht dahingehend strukturiert, eine Elektrode auf einer Substratseite zu definieren. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist die metallische Bragg-Schicht eine erste metallische Bragg-Schicht, umfasst der akustische Bragg-Reflektor zusätzlich eine zu der Kunststoff-Bragg-Schicht benachbarte zweite metallische Bragg-Schicht, und umfasst die FBAR-Vorrichtung zusätzlich eine substratseitige Elektrode zwischen dem akustischen Bragg-Reflektor und dem piezoelektrischen Element.
  • Das große Verhältnis zwischen den akustischen Impedanzen des Metalls der metallischen Bragg-Schicht und dem Kunststoffmaterial der Kunststoff-Bragg-Schicht liefert eine ausreichende akustische Isolierung zwischen dem FBAR und dem Substrat, damit die Frequenzantwort der FBAR-Vorrichtung keine oder nur geringfügige Störartefakte aufweist, die sich aus einer unerwünschten akustischen Kopplung zwischen dem FBAR und dem Substrat ergeben. Dies gilt besonders in Bezug auf das Ausführungsbeispiel, das eine dritte Bragg-Schicht und die substratseitige Elektrode aufweist.
  • Das große Verhältnis zwischen den akustischen Impedanzen des Metalls der metallischen Bragg-Schicht und dem Kunststoffmaterial der Kunststoff-Bragg-Schicht bedeutet, dass die FBAR-Vorrichtung zusätzlich zu den Schichten, die den FBAR selbst bilden, üblicherweise aus zwischen einer und vier Bragg-Schichten bestehen kann. Dies bedeutet, dass der Herstellungsvorgang der FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung nicht oder nur minimal komplexer ist als der Herstellungsvorgang einer herkömmlichen FBAR-Vorrichtung desselben Typs. Insbesondere fehlt bei dem Herstellungsvorgang der oben erwähnte Freigabeätzungsvorgang.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Zeichnung eines Leiterfilters, das FBARs gemäß dem Stand der Technik beinhaltet.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht eines FBAR gemäß dem Stand der Technik.
  • 3A ist eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
  • 3B ist eine Querschnittsansicht des ersten Ausführungsbeispiels einer FBAR-Vorrichtung entlang der Schnittlinie 3B-3B, die in 3A gezeigt ist.
  • 3C–3F sind Querschnittsansichten alternativer Strukturen des akustischen Bragg-Reflektors der in 3A gezeigten FBAR-Vorrichtung.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
  • 5A ist eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel einer FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
  • 5B ist eine Querschnittsansicht des dritten Ausführungsbeispiels einer FBAR-Vorrichtung entlang der Schnittlinie 5B-5B, die in 5A gezeigt ist.
  • 6A ist eine Draufsicht auf ein viertes Ausführungsbeispiel einer FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
  • 6B ist eine Querschnittsansicht des vierten Ausführungsbeispiels einer FBAR-Vorrichtung entlang der Schnittlinie 6B-6B, die in 6A gezeigt ist.
  • 6C ist eine Querschnittsansicht des vierten Ausführungsbeispiels einer FBAR-Vorrichtung entlang der Schnittlinie 6C-6C, die in 6A gezeigt ist.
  • 6D ist ein schematisches Diagramm der elektrischen Schaltungen des vierten Ausführungsbeispiels einer FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung.
  • 7A–7K sind Draufsichten, die einen Prozess zum Herstellen eines Ausführungsbeispiels einer FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung veranschaulichen.
  • 7L–7V sind Querschnittsansichten entlang der Schnittlinien 7L-7L, 7M-7M, 7N-7N, 7O-7O, 7P-7P, 7Q-7Q, 7R-7R, 7S-7S, 7T-7T, 7U-7U bzw. 7V-7V in den 7A–7K.
  • 8A und 8B sind Smith-Diagramme, die den Reflexionskoeffizientenvektor einer ersten Teststruktur bzw. einer zweiten Teststruktur zeigen, wodurch die Erfindung über einen Frequenzbereich zwischen etwa 1,7 GHz und 2,1 GHz verkörpert wird.
  • Ausführliche Beschreibung
  • 3A und 3B sind eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht eines ersten exemplarischen Ausführungsbeispiels 100 einer FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die FBAR-Vorrichtung 100 umfasst einen einzigen FBAR 110. Der einzige FBAR 110 ist üblicherweise ein Element eines FBAR-Leiterfilters wie z. B. des in 1 gezeigten, oder ein Duplexer, jedoch sind die übrigen Elemente des Leiterfilters oder Duplexers weggelassen, um die Zeichnung zu vereinfachen.
  • Unter Bezugnahme auf 3B besteht die FBAR-Vorrichtung 100 aus einem Substrat 102, einem akustischen Bragg-Reflektor 180 über dem Substrat, einem piezoelektrischen Element 116 über dem akustischen Bragg-Reflektor und einer fernseitigen Elektrode 114 über dem piezoelektrischen Element 116. Der akustische Bragg-Reflektor 180 umfasst eine erste metallische Bragg-Schicht 182, die zu einer ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 benachbart ist. Bei dem gezeigten Beispiel ist die erste metallische Bragg-Schicht 182 zu dem Substrat benachbart, und der akustische Bragg-Reflektor 180 besteht zusätzlich aus einer zweiten metallischen Bragg-Schicht 186, die zu der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 benachbart ist, und aus einer zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 188, die zu der zweiten metallischen Bragg-Schicht 186 benachbart ist. In dem gezeigten Beispiel besteht die FBAR-Vorrichtung 100 außerdem aus einer substratseitigen Elektrode 112, die zwischen dem akustischen Bragg-Reflektor 180 und dem piezoelektrischen Element 116 angeordnet ist. Die substratseitige Elektrode 112, das piezoelektrische Element 116 und die fernseitige Elektrode 116 bilden kollektiv einen akustischen Filmvolumenresonator (FBAR) 110. Der akustische Bragg-Reflektor 180 isoliert den FBAR 110 akustisch von dem Substrat 102.
  • Bragg-Schichten, die in der vorliegenden Offenbarung als benachbart beschrieben sind, berühren einander üblicherweise physisch, wie in 3B gezeigt ist. Jedoch können benachbarte Bragg-Schichten durch Zwischenschichten getrennt sein, vorausgesetzt, dass derartige Zwischenschichten einen vernachlässigbaren Effekt auf die akustischen Eigenschaften der benachbarten Bragg-Schichten aufweisen.
  • Die FBAR-Vorrichtung 100 weist eine Bandpassfrequenzantwortcharakteristik auf, die eine Mittenfrequenz aufweist. Gemäß der Verwendung in der vorliegenden Offenbarung bezieht sich der Begriff Bragg-Schicht auf eine Schicht, die eine nominelle Dicke t eines ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge λn in dem Material der Bragg-Schicht eines akustischen Signals aufweist, dessen Frequenz gleich der Mittenfrequenz ist, d. h. t = (2m + 1)λn/4, wobei m eine Ganzzahl ist, die größer als oder gleich Null ist. Bragg-Schichten, bei denen die Ganzzahl m Null ist, verringern üblicherweise die Wahrscheinlichkeit, dass die Frequenzantwort der FBAR-Vorrichtung Störartefakte aufweist. Bei derartigen Bragg-Schichten beträgt die nominelle Dicke der Bragg-Schicht ein Viertel der Wellenlänge in dem Material der Schicht des oben erwähnten akustischen Signals, d. h. t = λn/4. Überdies, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird, liefern Ausführungsbeispiele, bei denen zumindest die Bragg-Schichten aus Metall λn/16 dünn sind, eine ausreichende akustische Isolierung für einen Einsatz bei vielen Anwendungen.
  • Die Erfinder entdeckten, dass die durch einen akustischen Bragg-Reflektor gelieferte akustische Isolierung von dem Verhältnis der akustischen Impedanzen der Materialien der Bragg-Schichten, die den akustischen Bragg-Reflektor bilden, abhängt. Die effektive akustische Impedanz Zeff1, die durch eine erste Bragg-Schicht dargestellt wird, die eine Dicke von λn/4 aufweist und zu einer anderen Schicht benachbart ist, ist die akustische Impedanz, die man an der Oberfläche der von der anderen Schicht fernen ersten Bragg-Schicht sieht. Die durch die erste Bragg-Schicht präsentierte akustische Impedanz hängt von der akustischen Impedanz der ersten Bragg-Schicht und der effektiven akustischen Impedanz, die der ersten Bragg-Schicht durch die andere Schicht präsentiert wird, ab. Die effektive akustische Impedanz, die durch die erste Bragg-Schicht präsentiert wird, ist durch Folgendes gegeben: Zeff1 = Zp 2/Zm (1) wobei Zp die akustische Impedanz des Materials der ersten Bragg-Schicht ist, und Zm die akustische Impedanz der anderen Schicht ist.
  • Beispielsweise hängt die effektive akustische Impedanz an der Oberfläche der ersten metallischen Bragg-Schicht 182, die dem Substrat 102 fern ist, von der akustischen Impedanz des Materials der ersten metallischen Bragg-Schicht 182 und von der akustischen Impedanz des Materials des Substrats 102 ab. Bei diesem Beispiel ist Zeff1 die effektive akustische Impedanz, die an der Oberfläche der ersten metallischen Bragg-Schicht 182, die dem Substrat 102 fern ist, präsentiert wird, Zp ist die akustische Impedanz des Materials der ersten metallischen Bragg-Schicht 182, und Zm ist die akustische Impedanz des Materials des Substrats 102.
  • Die durch die Gleichung (1) definierte Beziehung liegt zwischen jeder Bragg-Schicht und der vorhergehenden Bragg-Schicht vor. In der Gleichung (1) ist Zm die effektive akustische Impedanz, die der Bragg-Schicht durch die vorhergehende Bragg-Schicht präsentiert wird.
  • Beispielsweise präsentiert die erste metallische Bragg-Schicht 182 der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 die effektive akustische Impedanz Zeff1. Die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 184 wandelt die effektive akustische Impedanz Zeff1 in eine andere effektive akustische Impedanz Zeff2 um und präsentiert die effektive akustische Impedanz Zeff2 der zweiten metallischen Bragg-Schicht 186. Die zweite metallische Bragg-Schicht 186 wandelt die effektive akustische Impedanz Zeff2 in eine andere effektive akustische Impedanz Zeff3 um und präsentiert die effektive akustische Impedanz Zeff3 der zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 188. Die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 188 wandelt die effektive akustische Impedanz Zeff3 in eine andere effektive akustische Impedanz Zeff4 um und präsentiert die effektive akustische Impedanz Zeff4 dem FBAR 110. Die effektive akustische Impedanz Zeff4 ist auch die effektive akustische Impedanz des akustischen Bragg-Reflektors 180.
  • Die Nichtübereinstimmung der akustischen Impedanz zwischen dem FBAR 110 und der durch den akustischen Bragg-Reflektor 180 an der zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 188 präsentierten effektiven akustischen Impedanz liefert die akustische Isolierung zwischen dem FBAR 110 und dem Substrat 102. Die durch die Bragg-Schichten 182, 184, 186 bzw. 188 präsentierten effektiven akustischen Impedanzen wechseln von der ersten metallischen Bragg-Schicht 182 zu der zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 188 zwischen hoch und niedrig, wobei die hohe Impedanz zunimmt und die niedrige Impedanz abnimmt.
  • Damit der akustische Bragg-Reflektor 180 eine effektive akustische Isolierung liefert, kann die effektive akustische Impedanz, die er dem FBAR 110 präsentiert, größer oder geringer sein als die akustische Impedanz des FBAR. Die durch den akustischen Bragg-Reflektor 180 gelieferte akustische Isolierung kann durch den Absolutwert des Verhältnisses der effektiven akustischen Impedanz des akustischen Bragg-Reflektors 180 und der akustischen Impedanz des FBAR 110 quantifiziert werden, in Dezibel (das Zwanzigfache des Logarithmus des Verhältnisses) ausgedrückt. Ein Erhöhen der akustischen Isolierung verringert die Wahrscheinlichkeit, dass die Frequenzantwort des FBAR unerwünschte Störartefakte auf Grund einer unerwünschten Kopplung zwischen dem FBAR und dem Substrat aufweist.
  • Gemäß der Erfindung besteht der akustische Bragg-Reflektor 180 aus den metallischen Bragg-Schichten 182 und 186, die sich mit den Kunststoff-Bragg-Schichten 184 und 188 eines Kunststoffmaterials abwechseln. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Metall ein feuerfestes Metall wie z. B. Wolfram bzw. Molybdän. Die akustische Impedanz des Metalls der metallischen Bragg-Schichten ist hoch, während die des Kunststoffmaterials der Kunststoff-Bragg-Schichten niedrig ist. Das große Verhältnis zwischen den akustischen Impedanzen von Metallen und Kunststoffmaterialien befähigt den akustischen Bragg-Reflektor 180, unter Verwendung relativ weniger Bragg-Schichten eine akustische Isolierung von vielen Zehn Dezibel zu liefern. Mehrere feuerfeste Metalle sind erhältlich, die eine akustische Impedanz von mehr als 50 Mrayl aufweisen und die mit den bei typischen FBAR-Herstellungsprozessen verwendeten Ätzmitteln kompatibel sind. Molybdän beispielsweise weist eine akustische Impedanz von etwa 63 Mrayl auf. Es sind mehrere Kunststoffmaterialien erhältlich, die eine akustische Impedanz von weniger als 5 Mrayl aufweisen und die mit den bei typischen FBAR-Herstellungsprozessen verwendeten hohen Temperaturen und Ätzmitteln kompatibel sind. Die akustischen Impedanzen mancher derartiger Kunststoffmaterialien betragen nur etwa 2 Mrayl. Somit sind mehrere Kombinationen von Metallen und Kunststoffen erhältlich, die ein Akustische-Impedanz-Verhältnis von mehr als zehn aufweisen. Eine Kombination aus Molybdän und einem vernetzten Polyphenylenpolymer, das nachfolgend beschrieben wird, weist ein Akustische-Impedanz-Verhältnis von etwa 30 auf.
  • Kunststoffmaterialien, die mit den hohen Temperaturen (> 400°C) und Ätzmitteln kompatibel sind, denen die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 184 und die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 188 während der anschließenden Herstellung des FBAR 110 unterworfen werden, sind mit akustischen Impedanzen im Bereich von etwa 2 Mrayl bis etwa 4 Mrayl erhältlich. Auf Grund des quadratischen Ausdrucks in Gleichung (1) liefern die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 184 aus Kunststoffmaterial, die eine akustische Impedanz von etwa 4 Mrayl aufweist, und die erste metallische Bragg-Schicht 182 aus feuerfestem Metall kollektiv eine effektive akustische Impedanz, die etwa 1/14 derjenigen einer Struktur aufweist, die aus einer metallischen Bragg-Schicht und einer Bragg-Schicht aus SiO2 besteht. Bei einem Kunststoffmaterial, das eine akustische Impedanz von 2 Mrayl aufweist, beträgt die effektive akustische Impedanz etwa 1/56 derjenigen der oben beschriebenen ähnlichen Struktur aus Metall/SiO2.
  • Eine Verwendung eines Metalls, z. B. eines feuerfesten Metalls, mit einer akustischen Impedanz von mehr als etwa 50 Mrayl als Material der ersten metallischen Bragg-Schicht 182 und der zweiten metallischen Bragg-Schicht 186, und eine Verwendung eines Kunststoffmaterials, das eine akustische Impedanz von weniger als etwa 5 Mrayl aufweist, als Material der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 und der zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 188 führt zu einem akustischen Bragg-Reflektor 180, der dem FBAR 110 eine effektive akustische Impedanz von etwa 0,1 krayl präsentiert. Angenommen, der FBAR 110 weist eine effektive akustische Impedanz von etwa 50 Mrayl auf, so würde ein Ausführungsbeispiel des akustischen Bragg-Reflektors 180, das aus derartigen Materialien besteht, eine akustische Isolierung von über 100 dB liefern. Zum Vergleich weist die Luft in dem Hohlraum 44 in der in 2 gezeigten FBAR-Vorrichtung 30 eine akustische Impedanz von etwa 1 krayl auf und liefert eine errechnete akustische Isolierung von weniger als etwa 90 dB. Somit liefert der akustische Bragg-Reflektor 180 eine ausreichende akustische Isolierung zwischen dem FBAR 110 und dem Substrat 102, so dass die Frequenzantwort des FBAR 110 eine Frequenzantwort aufweist, die im Wesentlichen frei von Störartefakten ist. Ausführungsbeispiele, bei denen das Kunststoffmaterial eine akustische Impedanz von etwa 2 Mrayl aufweist, liefern eine errechnete akustische Isolierung von über 120 dB.
  • Bei Ausführungsbeispielen, die eine noch höhere akustische Isolierung zwischen dem FBAR 110 und dem Substrat 102 erfordern, können zusätzliche Paare von Bragg-Schichten aus Kunststoff und Metall zwischen der ersten Bragg-Schicht 182 und dem Substrat 102 vorliegen. Jedoch reicht die durch den akustischen Bragg-Reflektor 180 gelieferte akustische Isolierung für die meisten Anwendungen aus.
  • Die substratseitige Elektrode 112, die fernseitige Elektrode 114 und die piezoelektrische Schicht 116 bilden eine mechanische Struktur, die eine mechanische Resonanz aufweist, die die Mittenfrequenz des Durchlassbandes des FBAR 110 definiert. Die substratseitige Elektrode 112, die fernseitige Elektrode 114 und das piezoelektrische Element 116 weisen eine ähnliche Dicke auf wie die entsprechenden Elemente eines herkömmlichen FBAR, dessen Bandpassfrequenzantwort dieselbe nominelle Mittenfrequenz aufweist. Folglich weist die FBAR-Vorrichtung 100 ähnliche elektrische Charakteristika auf wie eine ähnliche herkömmliche FBAR-Vorrichtung.
  • Die FBAR-Vorrichtung 100 weist zusätzlich eine Anschlusskontaktstelle 132, eine Anschlusskontaktstelle 134, eine elektrische Bahn 133, die die Anschlusskontaktstelle 132 elektrisch mit der substratseitigen Elektrode 112 verbindet, und eine elektrische Bahn 135, die die Anschlusskontaktstelle 134 elektrisch mit der fernseitigen Elektrode 114 verbindet, auf. Die Anschlusskontaktstellen 132 und 134 werden dazu verwendet, elektrische Verbindungen von der FBAR-Vorrichtung 100 zu externen elektrischen Schaltungen (nicht gezeigt) herzustellen.
  • Die Herstellung der FBAR-Vorrichtung 100 ist bezüglich ihrer Komplexität vergleichbar mit der der in 2 gezeigten herkömmlichen luftisolierten FBAR-Vorrichtung 30: Vorgänge zum Bilden und Füllen des Hohlraums 44 und zum Durchführen der Freigabeätzung werden weggelassen und Vorgänge zum Aufbringen von vier Bragg-Schichten aus Metall, Kunststoff bzw. Metall Kunststoff werden hinzugefügt. Die Herstellung der FBAR-Vorrichtung 100 ist wesentlich weniger komplex als die einer herkömmlichen FBAR-Vorrichtung, die einen herkömmlichen akustischen Bragg-Reflektor aufweist, der viel mehr Schichten aus Materialien verwendet, die kleinere Unterschiede bezüglich ihrer akustischen Impedanz aufweisen, um die benötigte akustische Isolierung zu liefern. Beispielsweise benötigt ein akustischer Bragg-Reflektor, der SiO2 als sein Material mit der niedrigeren akustischen Impedanz aufweist, acht Bragg-Schichten, um 100 dB an akustischer Isolierung zu liefern. Überdies beträgt die Dicke einer SiO2-Bragg-Schicht etwa das Dreifache der Dicke einer Kunststoff-Bragg-Schicht. Dies verringert die Gesamtdicke des akustischen Bragg- Reflektors noch mehr und mildert Stufenüberdeckungsprobleme ab.
  • Bei in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Ausführungsbeispielen der FBAR-Vorrichtungen wird Polyimid als Material der Kunststoff-Bragg-Schichten verwendet. Polyimid wird von E. I. du Pont de Nemours and Company unter dem Warenzeichen Kapton®; vertrieben. Bei derartigen Ausführungsbeispielen bestehen die Kunststoff-Bragg-Schichten 184 und 188 jeweils aus Polyimid, das mittels Schleuderbeschichtung aufgebracht wurde. Polyimid weist eine akustische Impedanz von etwa 4 Mrayl auf.
  • Bei anderen Ausführungsbeispielen wird ein Poly(paraxylylen) als Material der Kunststoff-Bragg-Schichten verwendet. Bei derartigen Ausführungsbeispielen bestehen die Kunststoff-Bragg-Schichten 184 und 188 jeweils aus Poly(paraxylylen), das mittels Aufdampfung aufgebracht wurde. Poly(paraxylylen) ist in der Technik auch als Parylen bekannt. Der Dimer-Vorläufer Di-Paraxylylen, aus dem Parylen hergestellt ist, und Ausrüstung zum Durchführen einer Vakuumaufdampfung von Parylenschichten sind von vielen Lieferanten erhältlich. Parylen weist eine akustische Impedanz von etwa 2,8 Mrayl auf.
  • Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird ein vernetztes Polyphenylenpolymer als Material der Kunststoff-Bragg-Schichten verwendet. Bei derartigen Ausführungsbeispielen bestehen die Kunststoff-Bragg-Schichten 184 und 188 jeweils aus dem mittels Schleuderbeschichtung aufgebrachten vernetzten Polyphenylenpolymer. Vernetzte Polyphenylenpolymere wurden als dielektrische Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante zur Verwendung bei integrierten Schaltungen entwickelt und bleiben folglich bei den hohen Temperaturen, denen das vernetzte Polyphenylenpolymer während der anschließenden Herstellung des FBAR 110 ausgesetzt wird, stabil. Die Erfinder entdeckten, dass vernetzte Polyphenylenpolymere zusätzlich eine errechnete akustische Impedanz von etwa 2 Mrayl aufweisen. Diese akustische Impedanz liefert eine besonders starke akustische Isolierung.
  • Vorlauferlösungen, die verschiedene Oligomere enthalten, die polymerisieren, um jeweilige vernetzte Polyphenylenpolymere zu bilden, werden von The Dow Chemical Company, Midland, MI, USA, unter dem Warenzeichen SiLK vertrieben. Die Vorläuferlösungen werden mittels Schleuderbeschichtung aufgebracht. Das vernetzte Polyphenylenpolymer, das aus einer dieser als SiLkTM J bezeichneten Vorlauferlösungen erhalten wird und das zusätzlich einen Adhäsionsverbesserer enthält, weist eine errechnete akustische Impedanz von 2,1 Mrayl, d. h. etwa 2 Mrayl, auf.
  • Die Oligomere, die polymerisieren, um vernetzte Polyphenylenpolymere zu bilden, werden aus Monomeren hergestellt, die Biscyclopentadienon und aromatisches Acetylen enthalten. Eine Verwendung derartiger Monomere bildet lösliche Oligomere ohne das Erfordernis einer übermäßigen Substitution. Die Vorlauferlösung enthält ein spezifisches Oligomer, das in Gamma-Butyrolacton- und Cyclohexanon-Lösungsmitteln aufgelöst ist. Der Prozentsatz des Oligomers in der Vorlauferlösung bestimmt die Schichtdicke, wenn die Vorläuferlösung aufgeschleudert wird. Nach der Aufbringung verdampft die Aufbringungswärme die Lösungsmittel und härtet dann das Oligomer aus, um ein vernetztes Polymer zu bilden. Die Biscyclopentadienone reagieren mit den Acetylenen in einer 4 + 2-Cycloadditionsreaktion, die einen neuen aromatischen Ring bildet. Weiteres Aushärten führt zu dem vernetzten Polyphenylenpolymer. Die oben beschriebenen vernetzten Polyphenylenpolymere sind von Godschalx et al. in der US-Patentschrift Nr. 5,965,679 , die durch Bezugnahme in das vorliegende Dokument aufgenommen ist, offenbart. Zusätzliche praktische Einzelheiten werden von Martin et al., ”Development of Low-Dielectric Constant Polymer for the Fabrication of Integrated Circuit Interconnect” („Entwicklung eines Polymers mit niedriger dielektrischer Konstante für die Herstellung von Verbindungen zwischen integrierten Schaltkreisen”), 12, ADVANCED MATERIALS, 1769 (2000), ebenfalls durch Bezugnahme aufgenommen, beschrieben. Im Vergleich zu Polyimid weisen vernetzte Polyphenylenpolymere eine geringere akustische Impedanz, eine geringere akustische Dämpfung und eine niedrigere Dielektrizitätskonstante auf. Ferner ist eine aufgeschleuderte Schicht der Vorläuferlösung in der Lage, einen qualitativ hochwertigen Film des vernetzten Polyphenylenpolymers mit einer Dicke in der Größenordnung von 200 nm zu erzeugen, was eine typische Dicke der Kunststoff-Bragg-Schichten 184 und 188 ist.
  • Jede der Bragg-Schichten 182, 184, 186 und 188 weist eine nominelle Dicke auf, die ein Viertel der Wellenlänge in dem Material der Bragg-Schicht eines akustischen Signals aufweist, dessen Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Durchlassbandes des FBAR 110 ist. Bei Bragg-Schichten, die eine Viertelwelle dick sind, präsentiert der akustische Bragg-Reflektor 180 eine errechnete effektive akustische Impedanz von etwa 310 rayl bei Kunststoff-Bragg-Schichten aus Polyimid und etwa 19 rayl bei Kunststoff-Bragg-Schichten aus vernetztem Polyphenylenpolymer. Diese akustischen Impedanzen entsprechen akustischen Isolierungen von etwa 104 dB bzw. 128 dB.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel eines akustischen Bragg-Reflektors 180, der dahin gehend strukturiert ist, bei etwa 2 GHz zu arbeiten, und bei dem das Kunststoffmaterial der Kunststoff-Bragg-Schichten 184 und 188 vernetztes Polyphenylenpolymer ist und das Metall der metallischen Bragg-Schichten 182 und 186 Molybdän ist, beträgt die Dicke der Kunststoff-Bragg-Schichten etwa 190 nm, und die Dicke der metallischen Bragg-Schichten etwa 800 nm. Vorläuferlösungen für vernetzte Polyphenylenpolymere, die dahin gehend formuliert sind, mit einer Dicke von etwa 190 nm aufgeschleudert zu werden, sind im Handel erhältlich. Polyimid kann ebenfalls in Schichten dieser Dicke aufgeschleudert werden.
  • Dementsprechend ist ein Bilden von Kunststoff-Bragg-Schichten 184 und 188 als nominelle Viertelwellenschichten unkompliziert. Dagegen ist ein Aufsputtern von Molybdän in einer Dicke von 800 nm mit einer hohen Materialqualität und ein Strukturieren einer derartigen Schicht unter Verwendung heutiger Produktionstechnologie schwierig. Jedoch bedeutet das große Verhältnis bezüglich der akustischen Impedanzwandlung, das dadurch erhalten wird, dass eine Kunststoff-Bragg-Schicht neben einer Bragg-Schicht aus feuerfestem Metall angeordnet wird, dass eine entsprechend starke akustische Isolierung mit metallischen Bragg-Schichten erhalten werden kann, die wesentlich dünner sind als die nominelle Viertelwellendicke. Teststrukturen, die metallische Bragg-Schichten einer Dicke von nur 220 nm (kaum dicker als eine Sechzehntelwelle) verwenden, liefern akzeptable Ergebnisse. Eine Verwendung von metallischen Bragg-Schichten von etwa 300 nm, deren Dicke gleich der Dicke der Elektroden 112 und 114 des FBAR 110 ist, liefert bei einem Ausführungsbeispiel, das dahin gehend strukturiert ist, bei etwa 2 GHz zu arbeiten, gute Ergebnisse.
  • Eine Verwendung von metallischen Bragg-Schichten, die dünner sind als Viertelwellenschichten, liefert eine größere proportionale Verringerung der akustischen Isolierung, während die Anzahl von Bragg-Schichten verringert wird. Bei einer Verwendung der heutigen Herstellungstechnologie werden bessere Ergebnisse und niedrigere Kosten üblicherweise erhalten, wenn mehr Bragg-Schichten verwendet werden, bei denen die metallischen Bragg-Schichten dünner sind als Viertelwellenschichten, als wenn weniger Bragg-Schichten verwendet werden, bei denen die metallischen Bragg-Schichten Viertelwellenschichten sind.
  • Die Seiten des akustischen Bragg-Reflektors 180 sind von Seiten des Substrats 102 seitlich eingerückt, um unerwünschte akustische Modi zu verringern.
  • 3C–3F sind Querschnittsansichten von vereinfachten Beispielen der FBAR-Vorrichtung 100 gemäß der Erfindung, bei denen der akustische Bragg-Reflektor aus weniger Bragg-Schichten besteht als der in 3B gezeigte akustische Bragg-Reflektor 180. Die in den 3C–3F gezeigten 3C–3F gezeigten FBAR-Vorrichtungen ähneln in der Draufsicht der in 3A gezeigten FBAR-Vorrichtung 100.
  • Bei der in 3C gezeigten FBAR-Vorrichtung ist die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 188 (3B) weggelassen, und der akustische Bragg-Reflektor 181 besteht aus der ersten metallischen Bragg-Schicht 182, die zu der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 benachbart ist, und der zweiten metallischen Bragg-Schicht 186, die zu der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 benachbart ist. Der FBAR 110 befindet sich auf der Oberfläche der zweiten metallischen Bragg-Schicht 186. Die substratseitige Elektrode 112 kann durch eine isolierende Schicht, die wesentlich dünner ist als eine Viertelwellenschicht, elektrisch von der zweiten metallischen Bragg-Schicht 186 isoliert sein. Bei Bragg-Schichten, die eine Viertelwelle dick sind, präsentiert der akustische Bragg-Reflektor 181 eine errechnete effektive akustische Impedanz von etwa 51 Grayl mit Kunststoff-Bragg-Schichten aus Polyimid und von etwa 207 Grayl mit Kunststoff-Bragg-Schichten aus vernetztem Polyphenylenpolymer. Diese akustischen Impedanzen entsprechen akustischen Isolierungen von etwa 60 dB bzw. 72 dB. Die elektrischen Eigenschaften einer Teststruktur, die dem Ausführungsbeispiel der in 3C gezeigten FBAR-Vorrichtung ähnelt, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 8B beschrieben.
  • Bei der in 3D gezeigten FBAR-Vorrichtung sind die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 188 und die zweite metallische Bragg-Schicht 186 ( 3B) weggelassen, und der akustische Bragg-Reflektor 183 besteht aus der ersten metallischen Bragg-Schicht 182, die zu der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 benachbart ist. Der FBAR 110 befindet sich auf der Oberfläche der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184. Bei Bragg-Schichten einer Viertelwellendicke präsentiert der akustische Bragg-Reflektor 183 eine errechnete effektive akustische Impedanz von etwa 77 krayl mit Kunststoff-Bragg-Schichten aus Polyimid und von etwa 19 krayl mit Kunststoff-Bragg-Schichten aus vernetztem Polyphenylenpolymer. Diese akustischen Impedanzen entsprechen akustischen Isolierungen von etwa 56 dB bzw. 68 dB. Die elektrischen Eigenschaften einer Teststruktur, die dem Ausführungsbeispiel der in 3D gezeigten FBAR-Vorrichtung ähnelt, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 8A beschrieben.
  • Die akustische Impedanz von Silizium, dem Material des Substrats 102, beträgt etwa 19 Mrayl, was zwischen der akustischen Impedanz von Metall und der von Kunststoff liegt. Dementsprechend liefern Ausführungsbeispiele des akustischen Bragg-Reflektors 180, bei denen die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 184 zu dem Substrat 102 benachbart ist, ebenfalls eine gute akustische Isolierung. Beispiele derartiger Ausführungsbeispiele sind in den 3E und 3F gezeigt, bei denen die Reihenfolge der ersten metallischen Bragg-Schicht 182 und der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 umgekehrt ist, d. h. die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 184 ist zu dem Substrat 102 benachbart, und die erste metallische Bragg-Schicht 182 ist zu der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 benachbart. Bei Ausführungsbeispielen der FBAR-Vorrichtung 100, bei denen das Substrat 102 ein Material mit niedriger akustischer Impedanz, z. B. ein Kunststoffmaterial, ist, liefern die in 3B–3D gezeigten Ausführungsbeispiele, bei denen die erste metallische Bragg-Schicht 182 zu dem Substrat 102 benachbart ist, eine höhere akustische Isolierung als die in 3E und 3F gezeigten Ausführungsbeispiele. Bei Ausführungsbeispielen der FBAR-Vorrichtung 100, bei denen das Substrat 102 ein Material mit hoher akustischer Impedanz ist, liefern die in 3E und 3F gezeigten Ausführungsbeispiele, bei denen die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 184 zu dem Substrat 102 benachbart ist, eine stärkere akustische Isolierung als die in 3D–3D gezeigten Ausführungsbeispiele.
  • Bei dem in 3E gezeigten Ausführungsbeispiel der FBAR-Vorrichtung 100 ist die zweite metallische Bragg-Schicht 186 (3B) weggelassen, und der akustische Bragg-Reflektor 185 besteht aus der ersten metallischen Bragg-Schicht 182, die zu der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 benachbart ist, und aus der zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 188, die zu der ersten metallischen Bragg-Schicht 182 benachbart ist. Der FBAR 110 befindet sich auf der Oberfläche der zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 188. Mit Bragg-Schichten einer Viertelwellendicke präsentiert der akustische Bragg-Reflektor 185 eine errechnete effektive akustische Impedanz von etwa 3,4 krayl mit Kunststoff-Bragg-Schichten aus Polyimid, und von etwa 0,2 krayl mit Kunststoff-Bragg-Schichten aus vernetztem Polyphenylenpolymer. Diese akustischen Impedanzen entsprechen akustischen Isolierungen von etwa 83 dB bzw. 107 dB.
  • Bei dem in 3F gezeigten Ausführungsbeispiel der FBAR-Vorrichtung 100 sind die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 188 und die zweite metallische Bragg-Schicht 186 (3B) weggelassen, und der akustische Bragg-Reflektor 187 besteht aus der ersten metallischen Bragg-Schicht 182, die zu der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 benachbart ist. Der FBAR 110 befindet sich auf der Oberfläche der ersten metallischen Bragg-Schicht 182. Die substratseitige Elektrode 112 kann durch eine isolierende Schicht, die wesentlich dünner ist als eine Viertelwellenschicht, von der ersten metallischen Bragg-Schicht 182 elektrisch isoliert sein. Mit Bragg-Schichten einer Viertelwellendicke präsentiert der akustische Bragg-Reflektor 187 eine errechnete effektive akustische Impedanz von etwa 4,7 Grayl mit Kunststoff-Bragg-Schichten aus Polyimid, und von etwa 18 Grayl mit Kunststoff-Bragg-Schichten aus vernetztem Polyphenylenpolymer. Diese akustischen Impedanzen entsprechen akustischen Isolierungen von etwa 40 dB bzw. 51 dB.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht eines zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiels 200 einer FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die FBAR-Vorrichtung 200 ähnelt in der Draufsicht der in 3A gezeigten FBAR-Vorrichtung 100. Die FBAR-Vorrichtung 200 umfasst einen einzigen FBAR 210. Der einzige FBAR 210 ist üblicherweise ein Element eines FBAR-Leiterfilters, z. B. in 1 gezeigt, oder ein Duplexer, jedoch sind die übrigen Elemente des Leiterfilters oder des Duplexers weggelassen, um die Zeichnung zu vereinfachen.
  • Die FBAR-Vorrichtung 200 ist bezüglich ihrer Struktur einfacher als die oben unter Bezugnahme auf 3A und 3B beschriebene FBAR-Vorrichtung 100, liefert jedoch eine geringere akustische Isolierung zwischen dem FBAR und dem Substrat. Folglich weist die Frequenzantwort der FBAR-Vorrichtung 200 üblicherweise mehr Störartefakte auf als die der FBAR-Vorrichtung 100. Jedoch kann das Ausmaß von Störartefakten bei vielen Anwendungen akzeptabel sein.
  • Die FBAR-Vorrichtung 200 besteht aus dem Substrat 102, einem akustischen Bragg-Reflektor 280 über dem Substrat, einem piezoelektrischen Element 216 über dem akustischen Bragg-Reflektor 280 und einer fernseitigen Elektrode 214 über dem piezoelektrischen Element 216. Der akustische Bragg-Reflektor 280 besteht aus einer metallischen Bragg-Schicht 282, die zu der Kunststoff-Bragg-Schicht 184 benachbart ist. Die Kunststoff-Bragg-Schicht 184 ist zu dem Substrat 102 benachbart, und die metallische Bragg-Schicht 282 ist dahin gehend strukturiert, die substratseitige Elektrode 212 des FBAR 210 zu definieren. Die Bragg-Schichten 282 und 184 weisen jeweils eine nominelle Dicke eines Viertels der Wellenlänge des Materials der Schicht einer akustischen Welle auf, deren Frequenz gleich der Mittenfrequenz der FBAR-Vorrichtung 200 ist. Die fernseitige Elektrode 214 weist die gleiche nominelle Dicke auf wie die substratseitige Elektrode 212.
  • Die in der metallischen Bragg-Schicht 282 definierte substratseitige Elektrode 212, das piezoelektrische Element 216 und die fernseitige Elektrode 214 bilden kollektiv den FBAR 210. Der akustische Bragg-Reflektor 280 isoliert den FBAR 210 akustisch von dem Substrat 102.
  • Die FBAR-Vorrichtung 200 weist zusätzlich eine Anschlusskontaktstelle 232, eine Anschlusskontaktstelle 234, eine elektrische Bahn 233, die die Anschlusskontaktstelle 232 elektrisch mit der substratseitigen Elektrode 212 verbindet, und eine elektrische Bahn 235, die die Anschlusskontaktstelle 234 elektrisch mit der fernseitigen Elektrode 214 verbindet, auf. Die Anschlusskontaktstellen 232 und 234 werden dazu verwendet, elektrische Verbindungen von der FBAR-Vorrichtung 200 zu externen elektrischen Schaltungen (nicht gezeigt) herzustellen.
  • Die akustische Isolierung, die durch den aus der Kunststoff-Bragg-Schicht 184 und der metallischen Bragg-Schicht 282 bestehenden akustischen Bragg-Reflektor 280 geliefert wird, ist üblicherweise nicht ausreichend, um alle Störartefakte aus der Frequenzantwort des FBAR 210 zu eliminieren, auch dann nicht, wenn die Kunststoff-Bragg-Schicht 184 aus einem Kunststoffmaterial besteht, dessen akustische Impedanz nur etwa 2 Mrayl beträgt. Trotzdem kann die FBAR-Vorrichtung 200, wie oben erwähnt wurde, bei Anwendungen verwendet werden, bei denen gewisse Störartefakte akzeptabel sind.
  • Die FBAR-Vorrichtung 200 weist den Vorteil auf, dass sie äußerst einfach herzustellen ist, wobei sie die Aufbringung lediglich einer einzigen Kunststoff-Bragg-Schicht 184 zusätzlich zu den Schichten aus metallischem und piezoelektrischem Material, die den FBAR 210 bilden, erfordert. Überdies beinhaltet eine Herstellung der FBAR-Vorrichtung 200 keine Durchführung der oben erwähnten Freigabeätzung.
  • Die elektronischen Eigenschaften des FBAR 210 unterscheiden sich etwas von denen eines ansonsten ähnlichen, herkömmlichen FBAR. Sowohl die substratseitige Elektrode 212 als auch die fernseitige Elektrode 214 sind Metallschichten einer Viertelwellendicke und sind somit mehr als doppelt so dick wie die Elektroden des herkömmlichen FBAR. Die substratseitige Elektrode 212, die fernseitige Elektrode 214 und die piezoelektrische Schicht 216 bilden eine mechanische Struktur, die eine mechanische Resonanz aufweist, die die Mittenfrequenz des Durchlassbandes des FBAR 210 definiert. Um dieselbe Mittenfrequenz wie die des herkömmlichen FBAR mit den dickeren Elektroden 212 und 214 zu erhalten, wird das piezoelektrische Element 216 dicker gemacht als das des herkömmlichen FBAR, so dass die Phasenänderung über das piezoelektrische Element hinweg π Radiane beträgt. Dies führt zu einer Phasenänderung über den FBAR 210 von insgesamt 3π Radianen im Vergleich zu einer Phasenänderung über den herkömmlichen FBAR von insgesamt π Radianen. Folglich weist der FBAR 210 elektroakustische und elektrische Eigenschaften auf, die sich von denen des herkömmlichen FBAR wesentlich unterscheiden. Beispielsweise weist der FBAR 210 ein höheres Q (schmalere Bandbreite) und eine niedrigere effektive Kopplungskonstante auf als der FBAR 110. Derartige Charakteristika sind bei einer Vielzahl von Anwendungen nützlich.
  • 5A und 5B sind eine Draufsicht bzw. eine Querschnittsansicht eines dritten exemplarischen Ausführungsbeispiels 300 einer FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die FBAR-Vorrichtung 300 ist ein Bandpassfilter, das einen einzigen entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonator (DSBAR) beinhaltet. Das nachstehend beschriebene Beispiel der FBAR-Vorrichtung 300 weist einen akustischen Bragg-Reflektor auf, der bezüglich seiner Struktur dem oben unter Bezugnahme auf 3B beschriebenen akustischen Bragg-Reflektor 180 ähnelt. Der akustische Bragg-Reflektor kann alternativ so strukturiert sein, wie dies oben unter Bezugnahme auf 3C–3F beschrieben wurde. Die FBAR-Vorrichtung 300 kann alternativ dazu einen akustischen Bragg-Reflektor beinhalten, der dem oben unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen ähnelt.
  • Bei der FBAR-Vorrichtung 300 besteht der DSBAR 106 aus einem unteren FBAR 110, einem über dem unteren FBAR 120 gestapelten oberen FBAR 120 und aus einem akustischen Entkoppler 130 zwischen den FBARs. Der FBAR 110 besteht aus gegenüberliegenden planaren Elektroden 112 und 114 und aus einem piezoelektrischen Element 116 zwischen den Elektroden. Der FBAR 120 besteht aus gegenüberliegenden planaren Elektroden 122 und 124 und einem piezoelektrischen Element 126 zwischen den Elektroden.
  • Der akustische Entkoppler 130 ist zwischen den FBARs 110 und 120, genauer gesagt zwischen der Elektrode 114 des FBAR 110 und der Elektrode 122 des FBAR 120, angeordnet. Der akustische Entkoppler steuert die Kopplung akustischer Energie zwischen den FBARs 110 und 120. Der akustische Entkoppler koppelt weniger akustische Energie zwischen den FBARs, als durch einen direkten Kontakt zwischen den FBARs gekoppelt würde. Bei dem in 5B gezeigten Beispiel besteht der akustische Entkoppler 130 aus einer akustischen Entkopplungsschicht 131 eines akustischen Entkopplungsmaterials, wie es in der US-Patentanmeldung Nr. US 2005/0093653 A1 beschrieben ist. Alternativ dazu kann der akustische Entkoppler 130 aus (nicht gezeigten) Schichten akustischer Entkopplungsmaterialien bestehen, die unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen, wie in der US-Patentanmeldung US 2005/0093658 A1 von John D. Larson III et al. mit dem Titel „Pass Bandwidth Control in Decoupled Stacked Bulk Acoustic Resonator Devices” („Durchlassbandbreiten-Steuerung in entkoppelten, gestapelten, akustischen Volumenresonator-Einrichtungen”), die an die Anmelderin der vorliegenden Offenbarung übertragen ist, beschrieben ist.
  • Bei dem gezeigten Beispiel befindet sich der akustische Bragg-Reflektor 180 zwischen dem DSBAR 106 und dem Substrat 102 und isoliert den DSBAR akustisch von dem Substrat. Die Struktur des akustischen Bragg-Reflektors 180 wurde oben unter Bezugnahme auf 3B beschrieben. Das große Akustische-Impedanz-Verhältnis zwischen dem Metall der metallischen Bragg-Schichten 182 und 186 und dem Kunststoffmaterial der Kunststoff-Bragg-Schichten 184 und 188 befähigt den akustischen Bragg-Reflektor 180, dem DSBAR 106 eine sehr hohe effektive akustische Impedanz zu präsentieren. Das große Akustische-Impedanz-Verhältnis zwischen dem akustischen Bragg-Reflektor 185 und dem DSBAR 106 befähigt den akustischen Bragg-Reflektor 180, zwischen dem DSBAR 106 und dem Substrat 102 eine ausreichende akustische Isolierung zu liefern, um es den FBARs 110 und 120 zu ermöglichen, ansprechend auf ein elektrisches Eingangssignal, das zwischen die Elektroden von einem der beiden angelegt wird, mechanisch zu schwingen. Die akustische Energie, die in dem FBAR erzeugt wird, der das elektrische Eingangssignal empfängt, gelangt durch den akustischen Entkoppler 130 in den anderen FBAR. Der die akustische Energie empfangende FBAR wandelt einen Teil der akustischen Energie in ein zwischen seinen Elektroden geliefertes elektrisches Ausgangssignal um. Das zwischen den Elektroden des die akustische Energie empfangenden FBAR ausgegebene elektrische Signal weist eine Bandpassfrequenzantwortcharakteristik auf, die im Wesentlichen frei von unerwünschten Störartefakten ist.
  • Bei dem gezeigten Beispiel sind die Elektroden 112 und 114 des FBAR 110 durch elektrische Bahnen 133 bzw. 135 mit den Anschlusskontaktstellen 132 bzw. 134 elektrisch verbunden. Außerdem sind die Elektroden 122 und 124 des FBAR 120 durch elektrische Bahnen 137 und 139 mit den Anschlusskontaktstellen 134 bzw. 138 elektrisch verbunden. Bei einem Ausführungsbeispiel, das eine elektrische Isolierung zwischen Eingang und Ausgang liefert, ist die elektrische Bahn 137 mit einer zusätzlichen (nicht gezeigten) Anschlusskontaktstelle statt mit der Anschlusskontaktstelle 134 verbunden. Die Anschlusskontaktstellen 132, 134 und 138 werden dazu verwendet, elektrische Verbindungen von der FBAR-Vorrichtung 300 zu (nicht gezeigten) externen elektrischen Schaltungen herzustellen.
  • Bei dem gezeigten Beispiel liefert eine erste akustische Entkopplungsschicht 131 einen akustischen Entkoppler 130. Die akustische Entkopplungsschicht 131 ist ebenfalls eine Viertelwellenschicht aus einem Kunststoffmaterial. Dasselbe Kunststoffmaterial kann bei der akustischen Entkopplungsschicht 131 und den Kunststoff-Bragg-Schichten 184 und 188 verwendet werden. Die akustische Impedanz des Materials der akustischen Entkopplungsschicht 131 bestimmt die Durchlassbandbreite der FBAR-Vorrichtung 300. Das Erfordernis, eine festgelegte Durchlassbandbreite zu liefern, kann dazu führen, dass die akustische Entkopplungsschicht 131 aus einem anderen Kunststoffmaterial besteht als die Kunststoff-Bragg-Schichten 184 und 188.
  • Ein (nicht gezeigtes) alternatives Ausführungsbeispiel weist einen akustischen Bragg-Reflektor auf, dessen Struktur der des oben unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen akustischen Bragg-Reflektors 280 statt der des akustischen Bragg-Reflektors 180 ähnelt. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel sind die zweite metallische Bragg-Schicht 186 und die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 188 weggelassen, die Reihenfolge der ersten metallischen Bragg-Schicht 182 und der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 ist umgekehrt, die erste metallische Bragg-Schicht 182 ist dahingehend strukturiert, eine substratseitige Elektrode 112 zu definieren, die fernseitige Elektrode 114 ist in einer eine Viertelwellendicke aufweisenden Schicht aus Metall definiert, und die Dicke des piezoelektrischen Elements 116 ist dahin gehend definiert, eine Phasenänderung von insgesamt 3π Radianen über den FBAR 110 zu liefern. Der FBAR 120 ist dahin gehend strukturiert, dieselbe Resonanzfrequenz aufzuweisen wie der FBAR 110.
  • 6A ist eine Draufsicht eines vierten exemplarischen Ausführungsbeispiels 400 einer FBAR-Vorrichtung gemäß der Erfindung. Die FBAR-Vorrichtung 400 ist ein akustisch gekoppelter Filmtransformator (FACT), der zwei entkoppelte gestapelte akustische Volumenresonatoren (DSBARs) beinhaltet. 6B und 6C sind Querschnittsansichten entlang der Schnittlinien 6B-6B bzw. 6C-6C in 6A. 6D ist eine schematische Zeichnung der elektrischen Schaltungen des Beispiels des FACT 400, das in 6A gezeigt ist. Das nachfolgend beschriebene Beispiel der FBAR-Vorrichtung 400 weist einen akustischen Bragg-Reflektor auf, der von seiner Struktur her dem oben unter Bezugnahme auf 3B beschriebenen akustischen Bragg-Reflektor 180 ähnelt. Der akustische Bragg-Reflektor kann alternativ dazu so strukturiert sein, wie dies oben unter Bezugnahme auf 3C–3F beschrieben wurde. Die FBAR-Vorrichtung 400 kann alternativ dazu einen akustischen Bragg-Reflektor beinhalten, der dem oben unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen ähnelt.
  • Der FACT 400 weist ein Substrat 102, entkoppelte gestapelte akustische Volumenresonatoren (DSBARs) 106 und 108 und einen zwischen den DSBARs und dem Substrat angeordneten akustischen Bragg-Reflektor 180 auf. Jeder DSBAR besteht aus einem unteren akustischen Filmvolumenresonator (FBAR), einem oberen FBAR und einem akustischen Entkoppler zwischen den FBARs. Der FACT 400 besteht zusätzlich aus einer elektrischen Schaltung, die die unteren FBARs 110 und 150 der DSBARs 106 bzw. 108 miteinander verbindet, und einer elektrischen Schaltung, die die oberen FBARs 120 und 160 der DSBARs 106 bzw. 108 miteinander verbindet. 6D zeigt ein Beispiel, bei dem eine elektrische Schaltung 141 den unteren FBAR 110 des DSBAR 106 und den unteren FBAR 150 des DSBAR 108 antiparallel verbindet, und bei dem eine elektrische Schaltung 142 den oberen FBAR 120 des DSBAR 106 und den oberen FBAR 160 des DSBAR 108 in Reihe verbindet.
  • Bei dem DSBAR 106 besteht der untere FBAR 110 aus gegenüberliegenden planaren Elektroden 112 und 114 und einem piezoelektrischen Element 116 zwischen den Elektroden, und der obere FBAR 120 besteht aus gegenüberliegenden planaren Elektroden 122 und 124 und einem piezoelektrischen Element 126 zwischen den Elektroden. Bei dem DSBAR 108 besteht der untere FBAR 150 aus gegenüberliegenden planaren Elektroden 152 und 154 und einem piezoelektrischen Element 156 zwischen den Elektroden, und der obere FBAR 160 besteht aus gegenüberliegenden planaren Elektroden 162 und 164 und einem piezoelektrischen Element 166 zwischen den Elektroden.
  • Bei dem FACT 400 befindet sich der akustische Entkoppler 130 des DSBAR 106 zwischen dem unteren FBAR 110 und dem oberen FBAR 120; genauer gesagt zwischen der Elektrode 114 des unteren FBAR 110 und der Elektrode 122 des oberen FBAR 120. Der akustische Entkoppler 130 steuert die Kopplung akustischer Energie zwischen dem FBAR 110 und dem FBAR 120. Der akustische Entkoppler 130 koppelt weniger akustische Energie zwischen den FBARs 110 und 120 als gekoppelt würde, wenn die FBARs in direktem Kontakt zueinander stünden, wie sie es bei einem herkömmlichen gestapelten akustischen Volumenresonator (SBAR) wären. Überdies befindet sich der akustische Entkoppler 170 des DSBAR 108 zwischen den FBARs 150 und 160; genauer gesagt zwischen der Elektrode 154 des unteren FBAR 150 und der Elektrode 162 des oberen FBAR 160. Der akustische Entkoppler 170 steuert das Koppeln akustischer Energie zwischen den FBARs 150 und 160. Der akustische Entkoppler 170 koppelt weniger akustische Energie zwischen den FBARs 150 und 160 als gekoppelt würde, wenn die FBARs in direktem Kontakts zueinander stünden. Das durch die akustischen Entkoppler 130 und 170 definierte Koppeln akustischer Energie bestimmt die Durchlassbandbreite des FACT 400.
  • Bei dem in 6A–6C gezeigten Beispiel sind die akustischen Entkoppler 130 und 170 jeweilige Bestandteile einer akustischen Entkopplungsschicht 131. Bei anderen Ausführungsbeispielen bestehen die akustischen Entkoppler 130 und 170 jeweils aus akustischen Entkopplungsschichten aus akustischen Entkopplungsmaterialien, die unterschiedliche akustische Impedanzen aufweisen, wie in der US Patentanmeldung US 2005/0093658 A1 von John D. Larson et al. mit dem Titel „Pass Bandwidth Controlled in Decoupled Stacked Bulk Acoustic Resonator Devices” („Durchlassbandbreiten-Steuerung in entkoppelten, gestapelten, akustischen Volumenresonator-Einrichtungen”) beschrieben ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind die akustischen Entkoppler 130 und 170 strukturell unabhängig.
  • Der zwischen den DSBARs 106 und 108 und dem Substrat 102 angeordnete akustische Bragg-Reflektor 180 isoliert die DSBARs akustisch von dem Substrat. Die Struktur des akustischen Bragg-Reflektors 180 wird oben unter Bezugnahme auf 3B beschrieben. Das große Akustische-Impedanz-Verhältnis zwischen dem Metall der metallischen Bragg-Schichten 182 und 186 und dem Kunststoffmaterial der Kunststoff-Bragg-Schichten 184 und 188 befähigt den akustischen Bragg-Reflektor 180, dem DSBAR 106 und dem DSBAR 108 eine sehr hohe effektive Impedanz zu präsentieren. Das große Akustische-Impedanz-Verhältnis zwischen dem akustischen Bragg-Reflektor 180 und den DSBARs 106 und 108 befähigt den akustischen Bragg-Reflektor 180, zwischen den DSBARs 106 und 108 und dem Substrat 102 eine ausreichende akustische Isolierung zu liefern, um zu ermöglichen, dass die FBARs 110 und 120 ansprechend auf ein elektrisches Eingangssignal, das zwischen den Elektroden eines derselben angelegt wird, mechanisch zu schwingen, und um zu ermöglichen, dass die FBARs 150 und 160 ansprechend auf ein elektrisches Eingangssignal, das zwischen die Elektroden eines derselben angelegt wird, mechanisch zu schwingen. Bei jedem DSBAR gelangt die akustische Energie, die in dem FBAR erzeugt wird, der das elektrische Eingangssignal empfängt, durch den jeweiligen akustischen Entkoppler 130 oder 170 in den anderen FBAR. Der die akustische Energie empfangende FBAR wandelt einen Teil der akustischen Energie in ein elektrisches Ausgangssignal um, das zwischen seinen Elektroden bereitgestellt wird. Das zwischen den Elektroden des die akustische Energie aufnehmenden FBAR ausgegebene elektrische Signal weist eine Bandpassfrequenzantwortcharakteristik auf, die im Wesentlichen frei von unerwünschten Störartefakten ist.
  • 6D zeigt schematisch ein Beispiel der elektrischen Schaltungen, die die DSBARs 106 und 108 miteinander verbinden und die die DSBARs 106 und 108 mit (nicht gezeigten) externen elektrischen Schaltungen verbinden. Die elektrische Schaltung 141 verbindet die unteren FBARs 110 und 150 auf antiparallele Weise und mit einem Signalanschluss 143 und einem Masseanschluss 144. Bei dem in den 6A–6C gezeigten Ausführungsbeispiel liefert die Anschlusskontaktstelle 138 einen Signalanschluss 143, und die Anschlusskontaktstellen 132 und 172 liefern einen Masseanschluss 144. Bei dem Ausführungsbeispiel wird die elektrische Schaltung 141 (6D) durch eine elektrische Bahn 133, die sich von der Anschlusskontaktstelle 132 zu der Elektrode 112 des FBAR 110 erstreckt, durch eine elektrische Bahn 137, die sich von der Elektrode 114 des FBAR 110 zu einer Verbindungskontaktstelle 136 erstreckt, die in elektrischem Kontakt mit einer Verbindungskontaktstelle 176 steht, durch eine elektrische Bahn 139, die sich von der Verbindungskontaktstelle 176 zu einer Signalkontaktstelle 138 erstreckt, durch eine elektrische Bahn 177, die sich von der Verbindungskontaktstelle 176 zu der Elektrode 152 des FBAR 150 erstreckt, durch eine elektrische Bahn 173, die sich von einer Elektrode 154 des FBAR 150 zu der Anschlusskontaktstelle 172 erstreckt, und durch eine elektrische Bahn 167, die die Anschlusskontaktstellen 132 und 172 miteinander verbindet, geliefert.
  • Bei dem in 6D gezeigten exemplarischen elektrischen Diagramm verbindet die elektrische Schaltung 142 die oberen FBARs 120 und 160 in Reihe und mit Signalanschlüssen 145 und 146 und mit einem optionalen Mittelabgriffsanschluss 147. Bei dem in 6A–6C gezeigten Ausführungsbeispiel liefern die Anschlusskontaktstellen 134 und 174 Signalkontaktstellen 145 und 146, und die Anschlusskontaktstelle 178 liefert den Mittelabgriffsanschluss 147. Bei dem Ausführungsbeispiel wird die elektrische Schaltung 142 durch eine elektrische Bahn 135, die sich von der Anschlusskontaktstelle 134 zu der Elektrode 124 des FBAR 120 erstreckt, durch eine elektrische Bahn 171, die sich von der Elektrode 122 des FBAR 120 zur Elektrode 162 des FBAR 160 erstreckt, durch eine elektrische Bahn 179, die sich von der Bahn 171 zu dem Mittelabgriff 137 erstreckt, und durch eine elektrische Bahn 175, die sich von der Elektrode 164 des FBAR 160 zu der Anschlusskontaktstelle 174 erstreckt, geliefert. Ebenfalls gezeigt sind Anschlusskontaktstellen 163 und 168, die durch eine elektrische Bahn 169 miteinander verbunden sind und die lokale Massen für die Anschlusskontaktstellen 134 und 174 liefern. Bei dem gezeigten Beispiel erstreckt sich die elektrische Bahn 169 zusätzlich zu der Anschlusskontaktstelle 178. Bei anderen Beispielen wird die Anschlusskontaktstelle 178 floatend belassen.
  • Die in 6D veranschaulichten elektrischen Verbindungen liefern einen FACT mit einer symmetrischen Primärwicklung und einem Impedanzwandlungsverhältnis von 4:1, oder einen FACT mit einer symmetrischen Sekundärwicklung und einem Impedanzwandlungsverhältnis von 1:4. Die unteren FBARs können alternativ parallel, in Reihe und in Anti-Reihe miteinander verbunden sein, und die oberen FBARs können alternativ parallel, antiparallel und in Anti-Reihe miteinander verbunden sein, um andere Impedanzwandlungsverhältnisse zu erzielen, wie in der nachfolgenden Tabelle 1 gezeigt ist.
  • In der Tabelle 1 geben die Reihenbezeichnungen die Konfiguration der elektrischen Schaltung 141 an, und die Spaltenbezeichnungen geben die Konfiguration der elektrischen Schaltung 142 an, B gibt an, dass der FACT elektrisch symmetrisch ist, U gibt an, dass der FACT asymmetrisch ist, und X gibt einen funktionsuntüchtigen FACT an. Das gezeigte Impedanzwandlungsverhältnis ist die Impedanzwandlung von der durch die Reihenbezeichnung angegebenen Konfiguration der elektrischen Schaltung 141 zu der durch die Spaltenbezeichnung angegebenen Konfiguration der elektrischen Schaltung 142. Für die Konfigurationen, die ein Wandlungsverhältnis von 1:1 aufweisen, bezeichnet NIEDRIG, dass der FACT eine niedrige Impedanz aufweist, die äquivalent zu der von zwei parallel geschalteten FBARs ist, und HOCH gibt an, dass der FACT eine hohe Impedanz aufweist, die äquivalent zu der von zwei in Reihe geschalteten FBARs ist.
  • Ein (nicht gezeigtes) alternatives Ausführungsbeispiel weist einen akustischen Bragg-Reflektor auf, dessen Struktur der des oben unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen akustischen Bragg-Reflektors 280 statt des akustischen Bragg-Reflektors 180 ähnlich ist. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel sind die zweite metallische Bragg-Schicht 186 und die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 188 weggelassen, die Reihenfolge der ersten metallischen Bragg-Schicht 182 und der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 ist umgekehrt, die erste metallische Bragg-Schicht 182 ist dahin gehend strukturiert, die substratseitigen Elektroden 112 und 152 zu definieren, die fernseitigen Elektroden 114 und 154 sind in einer eine Dicke einer Viertelwelle aufweisenden Schicht aus Metall definiert, und die Dicke der piezoelektrischen Elemente 116 und 156 ist dahin gehend definiert, eine Phasenänderung von insgesamt 3π Radianen über die FBARs 110 und 150 zu liefern. Die FBARs 120 und 160 sind dahingehend strukturiert, dieselbe Resonanzfrequenz aufzuweisen wie die FBARs 110 und 150.
  • Eine Wafer-Ebene-Herstellung wird verwendet, um tausende von FBAR-Vorrichtungen, die den oben beschriebenen FBAR-Vorrichtungen 100, 200, 300 oder 400 ähneln, gleichzeitig herzustellen. Auf Grund einer derartigen Wafer-Ebene-Herstellung werden die FBAR-Vorrichtungen kostengünstig in der Herstellung. Ein Beispiel eines Herstellungsverfahrens, das dazu verwendet wird, ein Ausführungsbeispiel der oben unter Bezugnahme auf 5A und 5B beschriebenen FBAR-Vorrichtung 300 herzustellen, wird als Nächstes unter Bezugnahme auf die Draufsichten der 7A–7K und der Querschnittsansichten der 7L–7V beschrieben. Mit unterschiedlichen Masken kann der Prozess auch dazu verwendet werden, Ausführungsbeispiele der FBAR-Vorrichtungen 100, 200 und 400 herzustellen. Operationen, die weggelassen werden, um Ausführungsbeispiele der FBAR-Vorrichtungen 100 und 200 herzustellen, werden in der nachfolgenden Beschreibung identifiziert. Das Durchlassband des Ausführungsbeispiels der FBAR-Vorrichtung 300, deren Herstellung beschrieben wird, weist eine nominelle Mittenfrequenz von etwa 1,9 GHz auf. Ausführungsbeispiele zum Betrieb bei anderen Frequenzen sind bezüglich der Struktur und Herstellung ähnlich, weisen jedoch andere Dicken und laterale Abmessungen als die nachstehend beispielhaft Aufgeführten auf. Das Beispiel der FBAR-Vorrichtung 300, deren Herstellung nachstehend beschrieben wird, weist einen akustischen Bragg-Reflektor auf, der bezüglich seiner Struktur dem oben unter Bezugnahme auf 3B beschriebenen akustischen Bragg-Reflektor 180 ähnelt. Der beschriebene Prozess kann dahin gehend modifiziert werden, weniger Bragg-Schichten aufzubringen, um akustische Bragg-Reflektoren herzustellen, die so strukturiert sind, wie dies oben unter Bezugnahme auf 3C–3F beschrieben wurde.
  • Es ist ein Wafer aus einem Einkristall-Silizium vorgesehen. Ein Teil des Wafers stellt für jede in der Herstellung befindliche FBAR-Vorrichtung ein Substrat dar, das dem Substrat 102 der FBAR-Vorrichtung 300 entspricht. 7A–7K und 7L–7V veranschaulichen, und die folgende Beschreibung beschreibt die Herstellung der FBAR-Vorrichtung 300 auf einem Abschnitt des Wafers. Während die FBAR-Vorrichtung 300 hergestellt wird, werden die übrigen FBAR-Vorrichtungen auf dem Wafer auf ähnliche Weise hergestellt.
  • Eine erste Metallschicht wird auf die Oberfläche des Substrats 102 aufgebracht und dahin gehend strukturiert, die erste metallische Bragg-Schicht 182 zu definieren, wie in den 7A und 7L gezeigt ist.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel waren die erste Metallschicht und die zweite Metallschicht, deren Aufbringung nachfolgend beschrieben wird, jeweils Schichten aus Molybdän, die jeweils in einer Dicke von etwa 800 nm mittels Sputtern aufgebracht wurden. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel mit drei oder mehr Bragg-Schichten betrug die Dicke der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht 300 nm. Die erste und die zweite Metallschicht wurden mittels Trockenätzen strukturiert. Jede metallische Bragg-Schicht ist dahin gehend strukturiert, ihre Seiten von den Seiten des Substrats 102 einzusetzen.
  • Hauptoberfläche der ersten Metallschicht aufgebracht und dahin gehend strukturiert, die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 184 zu definieren, wie in den 7B und 7M gezeigt ist.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel waren die erste Schicht aus Kunststoffmaterial und die zweite Schicht aus Kunststoffmaterial, deren Aufbringung nachfolgend beschrieben wird, jeweils Schichten aus Polyimid, von denen jede eine Dicke von etwa 200 nm aufwies, d. h. ein Viertel der Mittenfrequenzwellenlänge in dem Polyimid. Die erste Kunststoffschicht und die zweite Kunststoffschicht wurden auf die erste metallische Bragg-Schicht 182 bzw. auf die zweite metallische Bragg-Schicht 186 aufgeschleudert und ausgehärtet, um eine Schicht zu bilden. Nach jeder Aufbringung wurde der Wafer anfänglich bei einer Temperatur von etwa 250°C an der Luft und schließlich bei einer Temperatur von etwa 415°C in einer inerten Atmosphäre, z. B. einer Stickstoffatmosphäre, gehärtet, bevor eine Weiterverarbeitung durchgeführt wurde. Das Härten verdampft flüchtige Bestandteile des Polyimids und verhindert, dass die Verdampfung derartiger flüchtiger Bestandteile während einer nachfolgenden Verarbeitung eine Trennung von anschließend aufgebrachten Schichten bewirkt. Jede Kunststoffschicht wurde anschließend dahin gehend strukturiert, die jeweilige Kunststoff-Bragg-Schicht zu definieren. Polyimid wird mittels Photolithographie strukturiert. Polyimid ist lichtempfindlich, so dass kein Photoresist benötigt wird. Jede Kunststoff-Bragg-Schicht wird dahin gehend strukturiert, ihre Seiten von den Seiten des Substrats 102 einzusetzen.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel war das Kunststoffmaterial, das aufgebracht wurde, um jede der ersten Kunststoffschicht und der zweiten Kunststoffschicht zu bilden, Parylen, das mittels Vakuumaufdampfung aus dem Dimer-Vorläufer Di-Paraxylylen aufgebracht wurde. Die erste Kunststoffschicht und die zweite Kunststoffschicht wurden jeweils strukturiert, die jeweilige Kunststoff-Bragg-Schicht, wie nachfolgend bezüglich eines Strukturierens einer Schicht aus einem vernetzten Polyphenylenpolymer, um den akustischen Entkoppler 130 zu definieren, beschrieben wird.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wurde eine Vorläuferlösung für das vernetzte Polyphenylenpolymer aufgeschleudert, um jede der ersten Kunststoffschicht und der zweiten Kunststoffschicht mit einer Dicke von etwa 187 nm, d. h. einem Viertel der Mittenfrequenzwellenlänge in dem vernetzten Polyphenylenpolymer zu bilden. Bei einem Beispiel war die Vorläuferlösung für das vernetzte Polyphenylenpolymer eine Vorlauferlösung, die von The Dow Chemical Company vertrieben wird und als SiLKTM J bezeichnet wird. Alternativ dazu kann die Vorlauferlösung eine beliebige geeignete der von The Dow Chemical Company unter dem Warenzeichen SiLK vertriebenen Vorläuferlösungen sein. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen wurde eine Schicht eines Adhäsionsverbesserers aufgebracht, bevor die Vorlauferlösung aufgeschleudert wurde. Vorlauferlösungen, die Oligomere enthalten, die, wenn sie ausgehärtet werden, ein vernetztes Polyphenylenpolymer mit einer akustischen Impedanz von etwa 2 Mrayl bilden, können jetzt oder in Zukunft auch von anderen Lieferanten erhältlich sein und können ebenfalls verwendet werden. Der Wafer wird anschließend bei einer Temperatur im Bereich von etwa 385°C bis etwa 450°C in einer inerten Umgebung, z. B. unter Vakuum oder in einer Stickstoffatmosphäre, gehärtet, bevor eine weitere Verarbeitung durchgeführt wird. Das Härten vertreibt zuerst die organischen Lösungsmittel aus der Vorläuferlösung und bewirkt dann, dass sich das Oligomer wie oben beschrieben vernetzt, um das vernetzte Polyphenylenpolymer zu bilden. Die erste Kunststoffschicht und die zweite Kunststoffschicht wurden jeweils wie nachstehend beschrieben dahin gehend strukturiert, die jeweilige Kunststoff-Bragg-Schicht zu definieren.
  • Die zweite Metallschicht wird auf die Oberfläche der ersten Kunststoff-Bragg-Schicht 184 aufgebracht und dahin gehend strukturiert, die zweite metallische Bragg-Schicht 186 zu definieren, wie oben beschrieben und in den 7C und 7N gezeigt ist.
  • Die oben beschriebene zweite Schicht aus Kunststoffmaterial wird auf die Oberfläche der zweiten metallischen Bragg-Schicht 186 aufgebracht und dahin gehend strukturiert, die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 188 zu bilden, wie oben beschrieben und in den 7D und 7O gezeigt ist. Die Aufbringung der zweiten Schicht aus Kunststoffmaterial und das Strukturieren der zweiten Kunststoffschicht dahin gehend, die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 188 zu definieren, schließt die Herstellung des akustischen Bragg-Reflektors 180 ab.
  • Bei Herstellungsumgebungen, deren Entwurfsregeln erfordern, dass sich die Anschlusskontaktstellen 132, 134 und 138 (5A) auf der Oberfläche des Substrats 102 und nicht auf der Oberfläche einer auf das Substrat aufgebrachten Schicht befinden, definiert die oben beschriebene Strukturierung jeder der Bragg-Schichten, deren Aufbringung oben beschrieben wurde, zusätzlich Fenster an den Stellen der Anschlusskontaktstellen 132, 134 und 138. Die Fenster liefern einen Zugang zu der Oberfläche des Substrats 102.
  • Eine dritte Metallschicht wird auf die Oberfläche der zweiten Kunststoff-Bragg-Schicht 188 aufgebracht und dahin gehend strukturiert, die Elektrode 112, die Anschlusskontaktstelle 132 und die elektrische Bahn 133, die sich zwischen der Elektrode 112 und der Anschlusskontaktstelle 132 erstreckt, zu definieren, wie in 7E und 7P gezeigt ist.
  • Die Elektrode 112 weist in der Regel eine asymmetrische Form in einer zu der Hauptoberfläche des Wafers parallelen Ebene auf. Eine asymmetrische Elektrodenform minimiert laterale Modi in dem FBAR, von dem sie ein Bestandteil ist, wie in der US-Patentschrift Nr. 6,215,375 von Larson III et al., deren Offenbarung durch Bezugnahme in die vorliegende Offenbarung aufgenommen ist, beschrieben ist.
  • Unter weiterer Bezugnahme auf 5B ist die Elektrode 114 in einer vierten Metallschicht definiert, die Elektrode 122 ist in einer fünften Metallschicht definiert, und die Elektrode 124 ist in einer sechsten Metallschicht definiert, wie nachstehend ausführlich beschrieben wird. Die Metallschichten, in denen die Elektroden definiert sind, sind derart strukturiert, dass die Elektroden 112 und 114 des FBAR 110 in jeweiligen Ebenen, die zu der Hauptoberfläche des Wafers parallel sind, dieselbe Form, Größe, Orientierung und Position aufweisen, und dass die Elektroden 122 und 124 des FBAR 120 dieselbe Form, Größe, Orientierung und Position aufweisen. Üblicherweise weisen die Elektroden 114 und 122 zusätzlich dieselbe Form, Größe, Orientierung und Position auf.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel war das Material jeder der Metallschichten Molybdan, das mittels Sputtern aufgebracht wurde. Die Metallschichten wurden jeweils mittels Trockenätzen strukturiert. Die in jeder der dritten mit sechsten Metallschicht definierten Elektroden waren zu einer Fläche von etwa 12.000 μm2 und einer Dicke von etwa 300 nm pentagonal. Andere Elektrodenflächen ergeben andere charakteristische Impedanzen.
  • Andere feuerfeste Metalle wie z. B. Wolfram, Niob und Titan können alternativ als das Material der ersten mit sechsten Metallschicht verwendet werden. Die Metallschichten können jeweils alternativ Schichten aus mehr als einem Material umfassen. Ein Faktor, der beim Auswählen des Materials der Elektroden und der metallischen Bragg-Schichten der FBAR-Vorrichtung 300 zu berücksichtigen ist, sind die akustischen Eigenschaften des Materials der Elektroden und der metallischen Bragg-Schichten: die akustischen Eigenschaften des Materials bzw. der Materialien der übrigen Metallteile der FBAR-Vorrichtung 300 sind weniger wichtig als andere Eigenschaften, z. B. die elektrische Leitfähigkeit. Somit kann sich das Material bzw. können sich die Materialien der übrigen Metallteile der FBAR-Vorrichtung 300 von dem Material der Elektroden und der metallischen Bragg-Schichten unterscheiden.
  • Eine erste piezoelektrische Schicht 117 aus piezoelektrischem Material wird aufgebracht und dahin gehend strukturiert, das piezoelektrische Element 116 zu definieren, wie in den 7F und 7Q gezeigt ist. Die erste piezoelektrische Schicht 117 ist dahin gehend strukturiert, die Anschlusskontaktstelle 132, die mit der Elektrode 112 verbunden ist, freizulegen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel war das piezoelektrische Material, das aufgebracht wurde, um die erste piezoelektrische Schicht 117 und die zweite piezoelektrische Schicht 127, die nachfolgend beschrieben werden, zu bilden, Aluminiumnitrid und wurde mit einer Dicke von etwa 1,4 μm mittels Sputtern aufgebracht. Das piezoelektrische Material wurde anhand von Nassätzen in Kaliumhydroxid oder anhand von Trockenätzen auf Chlorbasis strukturiert. Alternative Materialien für die piezoelektrischen Schichten 117 und 127 umfassen Zinkoxid, Kadmiumsulfid und gepolte ferroelektrische Materialien wie z. B. ferroelektrische Perowskit-Materialien, einschließlich Bleizirconiumtitanat, Bleimetaniobat und Bariumtitanat.
  • Die vierte Metallschicht wird aufgebracht und dahin gehend strukturiert, die Elektrode 114, die Anschlusskontaktstelle 134 und die elektrische Bahn 135, die sich zwischen der Elektrode 114 und der Anschlusskontaktstelle 134 erstreckt, zu definieren, wie in 7G und 7R gezeigt ist.
  • Anschließend wird eine Schicht aus akustischem Entkopplungsmaterial aufgebracht und dahin gehend strukturiert, den akustischen Entkoppler 130 zu definieren, wie in den 7H und 7S gezeigt ist. Der akustische Entkoppler 130 wird dahin gehend strukturiert, zumindest die Elektrode 114 zu bedecken, und wird zusätzlich dahin gehend strukturiert, die Anschlusskontaktstellen 132 und 134 freizulegen. Die akustische Entkopplungsschicht 131 ist üblicherweise eine dritte Viertelwellenschicht aus Kunststoffmaterial. Diese Operation ist bei der Herstellung der FBAR-Vorrichtung 100 weggelassen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel war das akustische Entkopplungsmaterial der akustischen Entkopplungsschicht 131 Polyimid mit einer Dicke von etwa 200 nm, d. h. einem Viertel der Mittenfrequenzwellenlänge in dem Polyimid. Das Polyimid wurde mittels Schleuderbeschichtung aufgebracht und mittels Photolithographie strukturiert. Polyimid ist lichtempfindlich, so dass kein Photoresist benötigt wird. Wie oben angemerkt wurde, können als akustisches Entkopplungsmaterial auch andere Kunststoffmaterialien verwendet werden. Das akustische Entkopplungsmaterial kann anhand anderer Verfahren als Schleuderbeschichten aufgebracht werden.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel, bei dem das akustische Entkopplungsmaterial Polyimid war, wurde der Wafer nach dem Aufbringen und Strukturieren des Polyimids wie oben beschrieben gehärtet, um die flüchtigen Bestandteile des Polyimids zu verdampfen und zu verhindern, dass die Verdampfung derartiger flüchtiger Bestandteile während eines nachfolgenden Verarbeitens eine Trennung von anschließend aufgebrachten Schichten bewirkt.
  • Die fünfte Metallschicht wird aufgebracht und dahin gehend strukturiert, die Elektrode 122 und die elektrische Bahn 137, die sich von der Elektrode 122 zu der Anschlusskontaktstelle 134 erstreckt, zu definieren, wie in 7I und 7T gezeigt ist. Die Anschlusskontaktstelle 134 ist ebenfalls durch die Bahn 135 elektrisch mit der Elektrode 114 verbunden. Diese Operation wird bei der Herstellung der FBAR-Vorrichtung 100 weggelassen.
  • Eine zweite Schicht 127 aus piezoelektrischem Material wird aufgebracht und dahin gehend strukturiert, das piezoelektrische Element 126 zu definieren. Die piezoelektrische Schicht 127 ist dahin gehend strukturiert, Anschlusskontaktstellen 132 und 134 freizugeben, wie in den 7J und 7U gezeigt ist. Diese Operation wird bei der Herstellung der FBAR-Vorrichtungen 100 weggelassen.
  • Die sechste Metallschicht wird aufgebracht und dahin gehend strukturiert, die Elektrode 124, die Anschlusskontaktstelle 138 und die elektrische Bahn 139, die sich von der Elektrode 124 zu der Anschlusskontaktstelle 138 erstreckt, zu definieren, wie in den 7K und 7V gezeigt ist. Diese Operation wird bei der Herstellung der FBAR-Vorrichtung 100 weggelassen.
  • Auf die freiliegenden Oberflächen der Anschlusskontaktstellen 132, 134 und 138 wird eine Schutzschicht aus Gold aufgebracht.
  • Der Wafer wird anschließend in einzelne FBAR-Vorrichtungen, einschließlich der FBAR-Vorrichtung 300, aufgeteilt. Jede FBAR-Vorrichtung ist in einem Gehäuse angebracht, und zwischen den Anschlusskontaktstellen 132, 134 und 138 der FBAR-Vorrichtung und Kontaktstellen, die Bestandteil des Gehäuses sind, werden elektrische Verbindungen hergestellt.
  • Wie oben erwähnt wurde, ist eine alternative akustische Entkopplungsschicht aus einem akustischen Entkopplungsmaterial der akustischen Entkopplungsschicht 131 ein vernetztes Polyphenylenpolymer. Nachdem die vierte Metallschicht dahin gehend strukturiert wurde, die Elektrode 114 zu definieren, wie oben unter Bezugnahme auf 7G und 7R beschrieben wurde, wird die Vorlauferlösung für das vernetzte Polyphenylenpolymer auf eine Weise aufgeschleudert, die der oben unter Bezugnahme auf 7H und 7T beschriebenen ähnelt, wird jedoch nicht strukturiert. Die Formulierung der Vorläuferlösung und die Aufschleudergeschwindigkeit werden so ausgewählt, dass das vernetzte Polyphenylenpolymer eine Schicht mit einer Dicke von etwa 187 nm bildet. Dies entspricht einem Viertel der Wellenlänge λn in dem vernetzten Polyphenylenpolymer eines akustischen Signals, das eine Frequenz aufweist, die gleich der Mittenfrequenz des Durchlassbandes der FBAR-Vorrichtung 300 ist. Der Wafer wird anschließend bei einer Temperatur im Bereich zwischen etwa 385°C und etwa 450°C in einer inerten Umgebung, z. B. unter einem Vakuum oder in einer Stickstoffatmosphäre, gehärtet, bevor eine weitere Verarbeitung durchgeführt wird. Das Härten vertreibt die organischen Lösungsmittel aus der Vorläuferlösung und bewirkt anschließend, dass sich das Oligomer wie oben beschrieben vernetzt, um das vernetzte Polyphenylenpolymer zu bilden.
  • Anschließend wird die fünfte Metallschicht auf eine Weise, die der oben unter Bezugnahme auf 7I und 7T beschriebenen ähnelt, auf die Schicht des vernetzten Polyphenylenpolymers aufgebracht, wird jedoch anfänglich ähnlich der Strukturierung der akustischen Entkopplungsschicht 131, die in 7H gezeigt ist, dahin gehend strukturiert, eine harte Maske zu definieren, die später dazu verwendet wird, die Schicht des vernetzten Polyphenylenpolymers dahin gehend zu strukturieren, die akustische Entkopplungsschicht zu definieren. Die anfänglich strukturierte fünfte Metallschicht weist denselben Umfang auf wie die akustische Entkopplungsschicht 131 und legt die Anschlusskontaktstellen 132 und 134 frei.
  • Anschließend wird die Schicht des vernetzten Polyphenylenpolymers wie in 7H gezeigt strukturiert, wobei die anfänglich strukturierte fünfte Metallschicht als Hartätzmaske verwendet wird. Das Strukturieren der Schicht des vernetzten Polyphenylenpolymers definiert den Umfang der akustischen Entkopplungsschicht, die die Anschlusskontaktstellen 132 und 134 freilegt. Die Strukturierung wird mit einer Sauerstoffplasmaätzung durchgeführt.
  • Die fünfte Metallschicht wird anschließend dahin gehend erneut strukturiert, wie in den 7I und 7T gezeigt ist, die Elektrode 122 und die elektrische Bahn 137, die sich zwischen der Elektrode 122 und der Anschlusskontaktstelle 134 erstreckt, zu definieren.
  • Die Herstellung des Ausführungsbeispiels der FBAR-Vorrichtung 300 mit einer Schicht aus vernetztem Polyphenylenpolymer als ihrem akustischen Entkoppler wird abgeschlossen, indem die oben unter Bezugnahme auf 7J, 7K, 7U und 7V beschriebene Verarbeitung durchgeführt wird.
  • Bei Ausführungsbeispielen, bei denen die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 184 und die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 188 Schichten eines vernetzten Polyphenylenpolymers oder von Parylen sind, können die Kunststoff-Bragg-Schichten unter Verwendung eines ähnlichen Prozesses strukturiert werden. Die zweite Metallschicht, in der die zweite metallische Bragg-Schicht 186 definiert ist, wird anfänglich dahin gehend strukturiert, die erste Kunststoff-Bragg-Schicht 184 in der ersten Kunststoffschicht zu definieren, und die dritte Metallschicht, in der die Elektrode 112 definiert ist, wird anfänglich dahin gehend strukturiert, die zweite Kunststoff-Bragg-Schicht 188 in der zweiten Kunststoffschicht zu definieren.
  • Bei der Herstellung der FBAR-Vorrichtung 200 und anderer FBAR-Vorrichtungen, bei denen der akustische Bragg-Reflektor nicht mehr als eine Kunststoff-Bragg-Schicht aufweist, ist die Aufbringungsreihenfolge der ersten Kunststoffschicht und der ersten Metallschicht umgekehrt. Die erste Schicht aus Kunststoffmaterial wird auf die Hauptoberfläche des Substrats 102 aufgebracht, bevor die erste Metallschicht auf die erste Kunststoffschicht aufgebracht wird. Die erste Metallschicht wird anschließend dahin gehend strukturiert, die Elektrode 112, die Anschlusskontaktstelle 132 und die elektrische Bahn 133, die sich zwischen der Elektrode 112 und der Anschlusskontaktstelle 132 erstreckt, zu definieren, wie oben unter Bezugnahme auf 7E und 7P beschrieben wurde. Ferner wird die Aufbringung der zweiten Metallschicht und der dritten Metallschicht weggelassen. Die Metallschichten werden in einer Dicke von 800 nm aufgebracht, was der Viertelwellendicke entspricht. Die piezoelektrischen Schichten werden in einer Dicke aufgebracht, die die gewünschte Resonanzfrequenz liefert.
  • 8A ist ein Smith-Diagramm, das den Reflexionskoeffizientenvektor einer ersten Teststruktur über einen Frequenzbereich von etwa 1,7 GHz bis 2,1 GHz zeigt. Die erste Teststruktur ähnelt dem Ausführungsbeispiel der in 3D gezeigten FBAR-Vorrichtung 100, bei der der FBAR 110 aus zwei 440 nm dicken Molybdänelektroden und einem 760 nm dicken piezoelektrischen Element aus Aluminiumnitrid zwischen den Elektroden bestand und der akustische Bragg-Reflektor 183 aus einer 440 nm dicken (etwa λn/8) Schicht aus Molybdän als erster metallischer Bragg-Schicht 182 und einer 800 nm dicken (etwa 3&Igr;n/4) Schicht aus Polyimid als erster Kunststoff-Bragg-Schicht 184 bestand. Das Diagramm weist mehrere Störartefakte auf, die auf eine akustische Kopplung zwischen dem FBAR und dem Substrat zurückzuführen sind.
  • 8B ist ein Smith-Diagramm, das den Reflexionskoeffizientenvektor einer zweiten Teststruktur über den obigen Frequenzbereich zeigt. Die zweite Teststruktur ähnelt dem Ausführungsbeispiel der in 3E gezeigten FBAR-Vorrichtung 100, bei der der FBAR 110 aus zwei 220 nm dicken Molybdänelektroden und einem 1,5 μm dicken piezoelektrischen Element aus Aluminiumnitrid zwischen den Elektroden bestand und der akustische Bragg-Reflektor 185 aus einer 220 nm dicken (etwa λn/4) Schicht aus Polyimid als erster Kunststoff-Bragg-Schicht 184, einer 225 nm dicken Schicht aus Molybdän (etwa λn/16) als erster metallischer Bragg-Schicht 182 und einer 220 nm dicken Schicht aus Polyimid als zweiter Kunststoff-Bragg-Schicht 188 bestand. Das Diagramm ist fast frei von Störartefakten, was demonstriert, dass der akustische Bragg-Reflektor 185 eine angemessene akustische Isolierung liefert, obwohl die erste metallische Bragg-Schicht 182 eine Dicke aufweist, die wesentlich geringer ist als eine Viertelwellendicke.
  • Zusammenfassend wird eine akustische Filmvolumenresonator-Vorrichtung (FBAR-Vorrichtung), z. B. mit dem Bezugszeichen 100, offenbart, die ein Substrat 102, einen akustischen Bragg-Reflektor 180 über dem Substrat, ein piezoelektrisches Element 116 über dem akustischen Bragg-Reflektor und eine fernseitige Elektrode 114 über dem piezoelektrischen Element umfasst. Der akustische Bragg-Reflektor umfasst eine metallische Bragg-Schicht 182, die zu einer Kunststoff-Bragg-Schicht 184 benachbart ist und die insbesondere dünner als eine nominelle Dicke der Kunststoff-Bragg-Schicht ist. Das große Verhältnis zwischen der akustischen Impedanz des Kunststoffmaterials der Kunststoff-Bragg-Schicht und der des Metalls der metallischen Bragg-Schicht liefert eine ausreichende akustische Isolierung zwischen dem FBAR und dem Substrat, so dass die Frequenzantwort der FBAR-Vorrichtung keine oder nur minimale Störartefakte aufweist, die sich aus einer unerwünschten akustischen Kopplung zwischen dem FBAR und dem Substrat ergeben.

Claims (17)

  1. Eine akustische Filmvolumenresonator-Vorrichtung (FBAR-Vorrichtung) (100, 200), die folgende Merkmale aufweist: ein Substrat (102); einen akustischen Bragg-Reflektor (180, 280) über dem Substrat (102), wobei der akustische Bragg-Reflektor (180, 280) eine metallische Bragg-Schicht (182, 282) und eine zu der metallischen Bragg-Schicht (182, 282) benachbarte Kunststoff-Bragg-Schicht (184) umfasst; ein piezoelektrisches Element (116, 216) über dem akustischen Bragg-Reflektor (180, 280); und eine fernseitige Elektrode (114, 214) über dem piezoelektrischen Element (116, 216), wobei die FBAR-Vorrichtung (100) eine Bandpasscharakteristik aufweist, die eine Mittenfrequenz aufweist, wobei zumindest eine der Bragg-Schichten (182, 184, 186, 188) eine nominelle Dicke aufweist, die gleich einem Viertel der Wellenlänge in dem Material der jeweiligen Bragg-Schicht eines akustischen Signals ist, dessen Frequenz gleich der Mittenfrequenz ist, und wobei die metallische Bragg-Schicht (182, 186) dünner ist als die nominelle Dicke.
  2. Die FBAR-Vorrichtung (200) gemäß Anspruch 1, bei der die metallische Bragg-Schicht (282) dahin gehend strukturiert ist, eine substratseitige Elektrode (212) zu definieren.
  3. Die FBAR-Vorrichtung (300) gemäß Anspruch 2, bei der: die substratseitige Elektrode (212), das piezoelektrische Element (216) und die fernseitige Elektrode (214) kollektiv einen unteren FBAR (210) umfassen; und die FBAR-Vorrichtung zusätzlich folgende Merkmale aufweist: einen oberen FBAR (120), der auf dem unteren FBAR gestapelt ist, wobei der obere FBAR (120) gegenüberliegende planare Elektroden (122, 124) und ein piezoelektrisches Element (126) zwischen den Elektroden (122, 124) umfasst, und einen akustischen Entkoppler (130) zwischen den FBARs (210, 120).
  4. Die FBAR-Vorrichtung (400) gemäß Anspruch 3, bei der: der untere FBAR (210, 110), der obere FBAR (120) und der akustische Entkoppler (130) einen ersten entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonator (DSBAR) (106) umfassen; und die FBAR-Vorrichtung (400) zusätzlich folgende Merkmale aufweist: einen zweiten DSBAR (108) über der Kunststoff-Bragg-Schicht (188), wobei der zweite DSBAR (108) einen unteren FBAR (150), einen oberen FBAR (160) und einen akustischen Entkoppler (170) zwischen den FBARs (150, 160) umfasst, und eine erste elektrische Schaltung (141), die die unteren FBARs (210, 110; 150) miteinander verbindet, und eine zweite elektrische Schaltung (142), die die oberen FBARs (120; 160) miteinander verbindet.
  5. Die FBAR-Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, die zusätzlich eine substratseitige Elektrode (112) zwischen dem akustischen Bragg-Reflektor (180, 181) und dem piezoelektrischen Element (116) umfasst.
  6. Die FBAR-Vorrichtung (100, 300) gemäß Anspruch 5, bei der: die substratseitige Elektrode (112), das piezoelektrische Element (116) und die fernseitige Elektrode (114) kollektiv einen unteren FBAR (110) umfassen; und die FBAR-Vorrichtung (300) zusätzlich folgende Merkmale aufweist: einen oberen FBAR (120), der auf dem unteren FBAR (110) gestapelt ist, wobei der obere FBAR (120) gegenüberliegende planare Elektroden (122, 124) und ein piezoelektrisches Element (126) zwischen den Elektroden (122, 124) umfasst, und einen akustischen Entkoppler (130) zwischen den FBARs (110, 120).
  7. Die FBAR-Vorrichtung (100, 300, 400) gemäß Anspruch 6, bei der: der untere FBAR (110), der obere FBAR (120) und der akustische Entkoppler (130) einen ersten entkoppelten gestapelten akustischen Volumenresonator (DSBAR) (106) bilden; und die FBAR-Vorrichtung (400) zusätzlich folgende Merkmale aufweist: einen zweiten DSBAR (108) über dem akustischen Bragg-Reflektor (180), wobei der zweite DSBAR (108) einen unteren FBAR (150), einen oberen FBAR (160) und einen akustischen Entkoppler (170) zwischen den FBARs (150, 160) umfasst, und eine erste elektrische Schaltung (141), die die unteren FBARs (110; 150) miteinander verbindet, und eine zweite elektrische Schaltung (142), die die oberen FBARs (120; 160) miteinander verbindet.
  8. Die FBAR-Vorrichtung (100, 300, 400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der: die Kunststoff-Bragg-Schicht eine erste Kunststoff-Bragg-Schicht (184) ist; der akustische Bragg-Reflektor (180) zusätzlich eine zweite Kunststoff-Bragg-Schicht (188), die zu der metallischen Bragg-Schicht (182) benachbart ist, umfasst.
  9. Die FBAR-Vorrichtung (100, 300, 400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der: die metallische Bragg-Schicht eine erste metallische Bragg-Schicht (182) ist; der akustische Bragg-Reflektor (180) zusätzlich eine zweite metallische Bragg-Schicht (186), die zu der Kunststoff-Bragg-Schicht (184) benachbart ist, umfasst.
  10. Die FBAR-Vorrichtung (100, 300, 400) gemäß Anspruch 9, bei der: die Kunststoff-Bragg-Schicht eine erste Kunststoff-Bragg-Schicht (184) ist; und der akustische Bragg-Reflektor (180) zusätzlich eine zweite Kunststoff-Bragg-Schicht (188), die zu der ersten metallischen Bragg-Schicht (186) benachbart ist, umfasst.
  11. Die FBAR-Vorrichtung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der der akustische Bragg-Reflektor (180) Seiten aufweist, die gegenüber den Seiten des Substrats (102) eingerückt sind.
  12. Die FBAR-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Kunststoff-Bragg-Schicht (184, 188) Polyimid umfasst.
  13. Die FBAR-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Kunststoff-Bragg-Schicht Parylen umfasst.
  14. Die FBAR-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Kunststoff-Bragg-Schicht (184, 188) ein vernetztes Polyphenylenpolymer umfasst.
  15. Die FBAR-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der die metallische Bragg-Schicht (182, 186) ein feuerfestes Metall umfasst.
  16. Die FBAR-Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kunststoff-Bragg-Schicht (184, 188) ein Kunststoffmaterial umfasst, das eine akustische Impedanz von weniger als fünf Mrayl aufweist und bei der die metallische Bragg-Schicht (182, 186) ein Metall umfasst, das eine akustische Impedanz von mehr als 50 Mrayl aufweist.
  17. Die FBAR-Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kunststoff-Bragg-Schicht (184, 188) ein Kunststoffmaterial umfasst, das eine erste akustische Impedanz aufweist, die metallische Bragg-Schicht (182, 186) ein Metall umfasst, das eine zweite akustische Impedanz aufweist, wobei die zweite akustische Impedanz und die erste akustische Impedanz ein Verhältnis von mehr als zehn aufweisen.
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