DE602004002363T2

DE602004002363T2 - Akustisch gekoppelter Dünnschicht-Transformator mit piezoelektrischem Material, welches entgegengesetzte C-Axen Orientierung besitzt

Info

Publication number: DE602004002363T2
Application number: DE602004002363T
Authority: DE
Inventors: John D. III Palo Alto Larson; Yury Laguna Beach Oshmyansky
Original assignee: Avago Technologies Wireless IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2003-10-30
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: JP2005136991A; JP4754802B2; EP1528676A1; EP1528676B1; DE602004002363D1

Description

Transformatoren werden in vielen Typen von elektronischem Gerät verwendet, um solche Funktionen wie Transformieren von Impedanzen, Verbinden unsymmetrischer Schaltungen mit symmetrischen Schaltungen oder umgekehrt und Bereitstellen elektrischer Trennung auszuüben. Jedoch weisen nicht alle Transformatoren alle diese Eigenschaften auf. Beispielsweise stellt ein Spartransformator keine elektrische Trennung bereit.
Transformatoren, die bei Audio- und Hochfrequenzen bis zu VHF arbeiten, sind üblicherweise als gekoppelte primäre und sekundäre Wicklungen um einen Kern hoher Permeabilität aufgebaut. Strom in den Wicklungen generiert einen Magnetfluß. Der Kern enthält den Magnetfluß und steigert die Kopplung zwischen den Wicklungen. Ein in diesem Frequenzbereich betreibbarer Transformator kann auch mittels eines Optokopplers realisiert werden. Ein in dieser Betriebsart verwendeter Optokoppler wird auf dem Fachgebiet als Optoisolator bezeichnet.
In Transformatoren, die auf gekoppelten Wicklungen oder Optokopplern basieren, wird das elektrische Eingangssignal in eine unterschiedliche Form umgewandelt (d.h. einen Magnetfluß oder Photonen), die mit einer zweckentsprechenden transformierenden Struktur zusammenwirkt (d.h. einer anderen Wicklung oder einem Lichtdetektor), und wird am Ausgang als elektrisches Signal wiederhergestellt. Beispielsweise wandelt ein Optokoppler ein elektrisches Eingangssignal mittels einer Leuchtdiode in Photonen um. Die Photonen durchlaufen eine Lichtleitfaser oder einen Freiraum, der Trennung bereitstellt. Eine Fotodiode, die durch die Photonen beleuchtet wird, generiert aus dem Photonenstrom ein elektrisches Ausgangssignal. Das elektrische Ausgangssignal ist eine Nachbildung des elektrischen Eingangssignals.
Bei UHF und Mikrowellenfrequenzen werden spulenbasierte Transformatoren aufgrund solcher Faktoren wie Verluste im Kern, Verluste in den Wicklungen, Kapazität zwischen den Wicklungen und einer Schwierigkeit, sie klein genug herzustellen, um wellenlängenbezogene Probleme zu verhindern, unpraktisch. Transformatoren für derartige Frequenzen basieren auf Viertel-Wellenlängen-Übertragungsleitungen, z.B. der Marchand-Typ, seriell verbundenen Eingangs-/parallel verbundenen Ausgangsleitungen usw. Es gibt auch Transformatoren, die auf mikrobearbeiteten gekoppelten Spulensätzen basieren und klein genug sind, daß Wellenlängeneffekte unwesentlich sind. Derartige Transformatoren weisen jedoch Probleme mit hoher Einfügungsdämpfung auf.
Alle gerade beschriebenen Transformatoren zur Verwendung bei UHF und Mikrowellenfrequenzen weisen Abmessungen auf, die sie für die Verwendung in modernen miniaturisierten, eine hohe Dichte aufweisenden Anwendungen wie z.B. Mobiltelefonen weniger wünschenswert machen. Derartige Transformatoren sind außerdem tendenziell mit hohen Kosten verbunden, weil sie nicht in Serienfertigung hergestellt werden können und weil sie im wesentlichen eine Off-Chip-Lösung sind. Darüber hinaus weisen sie, obgleich derartige Transformatoren typischerweise eine Bandbreite aufweisen, die für die Verwendung in Mobiltelefonen brauchbar ist, typischerweise eine Einfügungsdämpfung größer als 1 dB auf, die zu hoch ist.
Optokoppler werden wegen der Sperrschichtkapazität der Eingangs-LED, inhärenten Nichtlinearitäten im Fotodetektor, eingeschränkter Leistungsaufnahmefähigkeit und unzureichender Trennung, um eine gute Gleichtaktunterdrückung zu erhalten, bei UHF und Mikrowellenfrequenzen nicht verwendet.
Die oben erwähnte US-Patentanmeldung Nr. 10/699.481, von dem diese Beschreibung eine Continuation-in-Part ist, beschreibt einen akustisch gekoppelten Schichttransformator. 1A stellt schematisch eine Ausführungsform 100 eines derartigen akustisch gekoppelten Transformators dar. Der akustisch gekoppelte Transformator 100 weist einen ersten gestapelten Verbund-Akustikresonator (SBAR) 106 und einen zweiten SBAR 108 auf, der sich oberhalb einer Kavität 104 in einem Substrat 102 befindet. Jeder SBAR weist ein gestapeltes Paar Schicht-Verbund-Akustikresonatoren (FBARs) und einen akustischen Entkoppler zwischen den FBARs auf. Insbesondere weist SBAR 106 ein gestapeltes Paar FBARs 110 und 120 und zwischen ihnen einen Akustikkoppler 130 auf und weist SBAR 108 ein gestapeltes Paar FBARs 150 und 160 und zwischen ihnen einen Akustikkoppler 170 auf. Jeder der FBARs weist entgegengesetzte planare Elektroden und eine Schicht piezoelektrischen Materials zwischen den Elektroden auf. Beispielsweise weist FBAR 110 entgegengesetzte planare Elektroden 112 und 114 mit einer Schicht 116 piezoelektrischen Materials zwischen ihnen auf.
Der akustisch gekoppelte Transformator 100 weist außerdem einen ersten elektrischen Schaltkreis 141, der einen der FBARs von SBAR 106 mit einem der FBARs von SBAR 108 verbindet, und einen zweiten elektrischen Schaltkreis 142 auf, der den anderen der FBARs von SBAR 106 mit dem anderen der FBARs von SBAR 108 verbindet.
In der Ausführungsform des oben beschriebenen akustisch gekoppelten Transformators, gezeigt in 1A, verbindet elektrischer Schaltkreis 141 die jeweiligen FBARs antiparallel und verbindet elektrischer Schaltkreis 142 die jeweiligen FBARs seriell. Diese Ausführungsform weist ein Impedanz-Übersetzungsverhältnis von 1:4 zwischen dem elektrischen Schaltkreis 141 und elektrischem Schaltkreis 142 oder ein Impedanz-Übersetzungsverhältnis von 4:1 zwischen elektrischem Schaltkreis 142 und elektrischem Schaltkreis 141 auf.
In anderen Ausführungsformen verbindet elektrischer Schaltkreis 141 den einen der FBARs von SBAR 106 entweder antiparallel oder seriell mit dem einem der FBARs von SBAR 108 und verbindet elektrischer Schaltkreis 142 den anderen der FBARs von SBAR 106 entweder antiparallel oder seriell mit dem anderen der FBARs von SBAR 108.
Alle Ausführungsformen des oben beschriebenen akustisch gekoppelten Transformators sind von kleiner Größe, zum Verbinden unsymmetrischer Schaltungen mit symmetrischen Schaltungen oder umgekehrt fähig und stellen elektrische Trennung zwischen Primärseite und Sekundärseite bereit. Auch sind die Ausführungsformen, die eigens oben beschrieben sind, nominal elektrisch symmetrisch.
Die in 1A gezeigte Ausführungsform ist für eine Anzahl von Anwendungen von besonderem Interesse. Obgleich diese Ausführungsform nominal elektrisch symmetrisch ist, ist ihre Gleichtaktunterdrückung kleiner, als viele mögliche Anwendungen es erfordern. Darüber hinaus erhöht die Notwendigkeit, Elektroden auf verschiedenen Ebenen in den antiparallel verbundenen FBARs zu verbinden, die Komplexität des Herstellens dieser Ausführungsform des Transformators.
Benötigt wird daher ein akustisch gekoppelter Transformator, der die Vorteile des oben beschriebenen akustisch gekoppelten Transformators aufweist, aber bessere Gleichtaktunterdrückung aufweist und einfacher herzustellen ist.
Kurzdarstellung der Erfindung
In einem ersten Aspekt stellt die Erfindung einen akustisch gekoppelten Dünnschichttransformator bereit, der erste und zweite gestapelte Verbund-Akustikresonatoren (SBARs) aufweist, wobei jeder ein gestapeltes Paar Schicht-Verbund-Akustikresonatoren (FBARs) mit einem akustischen Entkoppler zwischen den FBARs aufweist. Jeder FBAR weist entgegengesetzte planare Elektroden mit einer Schicht piezoelektrischen Materials zwischen den Elektroden auf. Das piezoelektrische Material weist eine c-Achse auf. Ein erster elektrischer Schaltkreis verbindet einen FBAR des ersten SBAR mit einem FBAR des zweiten SBAR, und ein zweiter elektrischer Schaltkreis verbindet den anderen FBAR des ersten SBAR mit dem anderen FBAR des zweiten SBAR. Die c-Achse des piezoelektrischen Materials eines der FBARs ist hinsichtlich der Richtung der c-Achsen des piezoelektrischen Materials der anderen drei FBARs entgegengesetzt. Diese Anordnung verringert die Amplitude von Signalfrequenzspannungen über dem akustischen Entkoppler wesentlich und erhöht das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis des Transformators erheblich. Auch gestattet es diese Anordnung, daß leitfähige akustische Entkoppler verwendet werden, wodurch die verfügbare. Auswahl akustischer Entkopplermaterialien vergrößert wird.
In einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren des Herstellens eines akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators bereit, wobei ein erster gestapelter Verbund-Akustikresonator und ein zweiter gestapelter Verbund-Akustikresonator (SBAR) hergestellt werden. Beim Herstellen der SBARs werden ein unteres Paar von Schicht-Verbund-Akustikresonatoren (FBARs), ein oberes Paar FBARs und akustische Entkoppler zwischen den FBARs ausgebildet. Jeder der FBARs umfaßt entgegengesetzte planare Elektroden und eine Schicht piezoelektrischen Materials zwischen den Elektroden. Das piezoelektrische Material weist eine c-Achse auf. Das Ausbilden der Paare von FBARs umfaßt das Einstellen der c-Achse des piezoelektrischen Materials eines der FBARs in entgegengesetzter Richtung zu den c-Achsen des piezoelektrischen Materials der anderen drei FBARs. Darüber hinaus umfaßt das Verfahren das elektrische Verbinden eines der FBARs des ersten SBAR mit einem der FBARs des zweiten SBAR und das elektrische Verbinden des anderen der FBARs des ersten SBAR mit dem anderen der FBARs des zweiten SBAR.
In einer Ausführungsform wird beim Ausbilden des Paars FBARs eine Metallschicht aufgebracht und mustergeformt, um ein Paar der Elektroden zu definieren, und eine Schicht aus piezoelektrischem Material wird über die Elektroden aufgebracht. Die c-Achse des piezoelektrische Materials eines der FBARs wird hinsichtlich der Richtung entgegengesetzt zu den c-Achsen des piezoelektrischen Materials der anderen drei FBARs eingestellt, indem vor dem Ausbringen der Schicht aus piezoelektrischem Material eine Keimschicht aus piezoelektrischem Material mit umgekehrter c-Achse auf eine der Elektroden aufgebracht wird.
In einer anderen Ausführungsform wird beim Ausbilden des Paars FBARs eine Metallschicht aufgebracht und mustergeformt, um ein Paar der Elektroden zu definieren, und eine Schicht aus piezoelektrischem Material wird auf die Elektroden aufgebracht. Die aufgebrachte Schicht umfaßt einen Bereich aus Material mit umgekehrter c-Achse auf einer der Elektroden sowie einen Bereich aus Material mit normaler c-Achse auf der anderen der Elektroden. Die c-Achse des piezoelektrischen Materials eines der FBARs wird hinsichtlich der Richtung entgegengesetzt zu den c-Achsen des piezoelektrischen Materials der anderen drei FBARs eingestellt, indem die Bereiche mittels verschiedener Aufbringungsbedingungen aufgebracht werden.
In einer anderen Ausführungsform wird beim Ausbilden des Paars FBARs eine Metallschicht aufgebracht und mustergeformt, um ein Paar erster Elektroden zu definieren, eine Schicht aus ferroelektrischem piezoelektrischem Material wird über die ersten Elektroden aufgebracht, und eine weitere Metallschicht wird aufgebracht und mustergeformt, um ein Paar zweiter Elektroden entgegengesetzt zu den ersten Elektroden zu definieren. Die c-Achse des piezoelektrischen Materials eines der FBARs wird hinsichtlich der Richtung entgegengesetzt zu den c-Achsen des piezoelektrischen Materials der anderen drei FBARs eingestellt, indem eine Polungsspannung einer nominalen Polarität zwischen einer der ersten Elektroden und einer entgegengesetzten der zweiten Elektroden angelegt wird und indem eine Polungsspannung einer entgegengesetzten Polarität zwischen der anderen der ersten Elektroden und der anderen der zweiten Elektroden angelegt wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A ist eine schematische Zeichnung der elektrischen Schaltkreise einer Ausführungsform eines akustisch gekoppelten 1:4- oder 4:1-Dünnschichttransformators gemäß dem Stand der Technik.
1B ist ein schematisches Diagramm, das Parasitärkapazitäten im akustisch gekoppelten Dünnschichttransformator zeigt, der in 1A gezeigt ist.
2A ist eine Draufsicht eines Beispiels einer ersten Ausführungsform eines akustisch gekoppelten 1:4- oder 4:1-Dünnschichttransformators gemäß der Erfindung.
2B und 2C sind Schnittansichten des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators entlang der Schnittlinien 2B-2B bzw 2C-2C in 2A.
3 ist eine schematische Zeichnung der elektrischen Schaltkreise des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators, der in 2A–2C gezeigt ist.
4A ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils des akustisch gekoppelten Transformators, der in 2A gezeigt ist, entlang der Schnittlinie 2B-2B, die eine erste Ausführungsform des akustischen Entkopplers zeigt.
4B ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils des akustisch gekoppelten Transformators, der in 2A gezeigt ist, entlang der Schnittlinie 2B-2B, die eine zweite Ausführungsform des akustischen Entkopplers zeigt.
5 ist ein Schaubild, das zeigt, wie der berechnete Frequenzgang von Ausführungsformen des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators, der in 2A–2C gezeigt ist, von der akustischen Impedanz des akustischen Entkopplers abhängt.
6A–6K sind Draufsichten, die einen beispielhaften Prozeß zum Herstellen eines akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators gemäß der Erfindung darstellen.
6L–6V sind Schnittansichten entlang der Schnittlinien 6L-6L, 6M-6M, 6N-6N, 6O-6O, 6P-6P, 6Q-6Q, 6R-6R, 6S-6S, 6T-6T, 6U-6U bzw. 6V-GV in 6A–6K.
7A und 7B sind Draufsichten einer zweiten Ausführungsform eines akustisch gekoppelten 1:4- oder 4:1-Dünnschichttransformators gemäß der Erfindung in jeweiligen Phasen seiner Herstellung.
7C ist eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform entlang der Schnittlinie 7C-7C in 7B.
8A–8F sind Draufsichten, die einen anderen beispielhaften Prozeß zum Herstellen eines akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators gemäß der Erfindung darstellen.
Detaillierte Beschreibung
Ein Schicht-Verbund-Akustikresonator (FBAR) ist eine polaritätsabhängige Anordnung als Ergebnis von Polaritätsabhängigkeit des piezoelektrischen Materials, das einen Teil des FBAR bildet. Eine Spannung einer gegebenen Polarität, die zwischen den Elektroden des FBAR angelegt wird, veranlaßt, daß sich die Dicke des FBAR in einer ersten Richtung ändert, wohingegen dieselbe Spannung der entgegengesetzten Polarität veranlaßt, daß sich die Dicke des FBAR in einer zweiten Richtung entgegengesetzt der ersten Richtung ändert. Beispielsweise veranlaßt eine Spannung der gegebenen Polarität, daß die Dicke des FBAR zunimmt, wohingegen eine Spannung der entgegengesetzten Polarität veranlaßt, daß der FBAR abnimmt. Die Dicke des FBAR ist das Maß des FBAR zwischen den Elektroden. In ähnlicher Weise generiert eine mechanische Spannung, die auf den FBAR ausgeübt wird und veranlaßt, daß sich die Dicke des FBAR in einer ersten Richtung ändert, eine Spannung der gegebenen Polarität zwischen den Elektroden des FBAR, wohingegen eine mechanische Spannung, die veranlaßt, daß sich die Dicke des FBAR in einer zweiten Richtung entgegengesetzt der ersten Richtung ändert, eine Spannung der entgegengesetzten Polarität zwischen den Elektroden des FBAR generiert. Beispielsweise generiert eine mechanische Spannung, die auf den FBAR ausgeübt wird und veranlaßt, daß die Dicke des FBAR zunimmt, eine Spannung der gegebenen Polarität, wohingegen eine mechanische Spannung, die veranlaßt, daß die Dicke des FBAR abnimmt, eine Spannung der entgegengesetzten Polarität generiert.
Piezoelektrische Materialien, wie z.B. Aluminumnitrid (AlN), in der Kristallklasse 6mm weisen eine hexagonale Einheitszelle mit einer a-Achse und einer b-Achse in der hexagonalen Ebene und einer c-Achse orthogonal zur hexagonalen Ebene auf. Die Richtung der c-Achse des piezoelektrischen Materials des FBAR bestimmt die Beziehung zwischen der Polarität der Spannung und der Richtung der Dickenänderung des FBAR. Die obigen Beispiele erhält man mittels eines FBAR, in dem das piezoelektrische Material mit seiner c-Achse in einer gegebenen Richtung ausgerichtet ist. In einem FBAR, in dem die c-Achse des piezoelektrischen Materials in einer zweiten Richtung entgegengesetzt der ersten Richtung ausgerichtet ist, veranlaßt eine Spannung der gegebenen Polarität, die zwischen den Elektroden des FBAR angelegt wird, daß sich die Dicke des FBAR in der zweiten Richtung ändert, wohingegen eine Spannung der entgegengesetzten Polarität veranlaßt, daß sich die Dicke des FBAR in einer ersten Richtung ändert. In ähnlicher Weise generiert eine mechanische Spannung, die auf den FBAR ausgeübt wird und veranlaßt, daß sich die Dicke des FBAR in einer ersten Richtung ändert, eine Spannung der entgegengesetzten Polarität zwischen den Elektroden des FBAR, wohingegen eine mechanische Spannung, die veranlaßt, daß sich die Dicke des FBAR in einer zweiten Richtung entgegengesetzt der ersten Richtung ändert, eine Spannung der gegebenen Polarität zwischen den Elektroden des FBAR generiert. Piezoelektrisches Material, dessen c-Achse sich auf das Substrat zu erstreckt, über dem der FBAR aufgehängt ist, wird hierin als Material mit umgekehrter c-Achse bezeichnet. Piezoelektrisches Material, dessen c-Achse sich vom Substrat fort erstreckt, über dem die FBARs aufgehängt sind, wird hierin als Material mit normaler c-Achse bezeichnet.
In den Ausführungsformen des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators, die in der oben erwähnten US-Patentanmeldung lfd. Nr. 10/699.481 beschrieben sind, wie z.B. der in 1A gezeigten Ausführungsform, sind die jeweiligen piezoelektrischen Schichten 116, 126, 156 und 166 von FBARs 110, 120, 150 und 160, die Transformator 100 bilden, Schichten aus Material mit normaler c-Achse. Die Richtung der c-Achse von Material mit normaler c-Achse ist durch einen Pfeil 144 angezeigt. Alternativ sind die jeweiligen piezoelektrischen Schichten 116 und 156 unterer FBARs 110 und 150 Schichten aus Material mit normaler c-Achse, und die jeweiligen piezoelektrischen Schichten 126 und 166 oberer FBARs 120 und 160 sind Schichten aus Material mit umgekehrter c-Achse. Die Richtung der c-Achse von Material mit umgekehrter c-Achse ist durch einen Pfeil 145 angezeigt. In einer weiteren Alternative sind die jeweiligen piezoelektrischen Schichten 116 und 156 unterer FBARs 110 und 250 Schichten aus Material mit umgekehrter c-Achse, und die jeweiligen piezoelektri schen Schichten 126 und 166 oberer FBARs 120 und 160 sind Schichten aus Material mit normaler c-Achse.
Die Erfinder haben entdeckt, daß in einem akustisch gekoppelten Transformator mit den oben beschriebenen c-Achsen-Ausrichtungen während des Normalbetriebs des Transformators zwischen den Elektroden auf entgegengesetzten Seiten von akustischen Entkopplern 130 und 170 eine Signalfrequenzspannnungsdifferenz vorhanden ist. Beispielsweise ist, wie in 1B gezeigt, wenn die in 1A gezeigte Ausführungsform in einer typischen Anwendung verwendet wird, in der Elektroden 112 und 154 an Masse gelegt sind und Elektroden 122 und 162 mit einem Mittelabgriffsanschluß 143 verbunden sind, eine Signalfrequenzspannungsdifferenz zwischen Elektroden 114 und 122 auf entgegengesetzten Seiten des akustischen Entkopplers 130 vorhanden. Wenn sie an den Kondensator angelegt ist, der aus Elektroden 114 und 122 und akustischem Entkoppler 130 besteht, beeinträchtigt diese Spannungsdifferenz die Gleichtaktunterdrückung von Transformator 100. Die Kapazität dieses Kondensators ist schematisch bei 175 gezeigt. In einigen Ausführungsformen ist zusätzlich eine Signalfrequenzspannungsdifferenz zwischen Elektroden 154 und 162 auf entgegengesetzten Seiten des akustischen Entkopplers 170 vorhanden. Wenn sie an den Kondensator angelegt ist, der aus Elektroden 154 und 162 und akustischem Entkoppler 170 besteht, beeinträchtigt diese Spannungsdifferenz die Gleichtaktunterdrückung von Transformator 100 weiter. Die Kapazität dieses Kondensators ist schematisch bei 176 gezeigt.
Die piezoelektrische Schicht eines der FBARs des akustisch gekoppelten Transformators gemäß der Erfindung weist eine c-Achse auf, die hinsichtlich der Richtung den c-Achsen der piezoelektrischen Schichten der übrigen drei FBARs entgegengesetzt ist. Dies gestattet es, daß die Elektroden auf entgegengesetzten Seiten der akustischen Entkoppler beider SBARs auf demselben Potential gehalten werden. Das Fehlen einer Signalfrequenzspannungsdifferenz über den Kondensatoren, die durch die akustischen Entkoppler und die benachbarten Elektroden ausgebildet sind, macht die Kapazität von Kondensatoren irrelevant und stellt eine gleichzeitige Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des Transformators bereit. Darüber hinaus entfällt dadurch, daß einer der FBARs eine piezoelektrische Schicht mit einer c-Achse aufweist, die hinsichtlich der Richtung zu jener der übrigen drei FBARs entgegengesetzt ist, die Notwendigkeit elektrischer Verbindungen zwischen Elektroden auf verschiedenen Ebenen in den FBARs, was die Herstellung eines Transformators gemäß der Erfindung vereinfacht.
2A–2C zeigen eine Draufsicht bzw. zwei Schnittansichten eines Ausführungsbeispiels 200 eines akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators gemäß der Erfindung. Der akustisch gekoppelte Transformator 200 ist fähig, eine unsymmetrische Schaltung mit einer symmetrischen Schaltung oder umgekehrt zu verbinden, und weist bessere Gleichtaktunterdrückung als Transformator 100 auf, der in 1A gezeigt ist. Das gezeigte Beispiel stellt außerdem elektrische Trennung zwischen Primärseite und Sekundärseite bereit. Der akustisch gekoppelte Transformator 200 weist ein Impedanz-Übersetzungsverhältnis von 1:4 oder 4:1 abhängig davon auf, welcher der elektrischen Schaltkreise mit den Primäranschlüssen des Transformators verbunden ist. Der akustisch gekoppelte Transformator 200 weist eine symmetrische Sekundärseite auf, wenn er als 1:4-Transformator angeschlossen ist, oder eine symmetrische Primärseite, wenn er als 4:1-Transformator angeschlossen ist.
Der akustisch gekoppelte Transformator 200 besteht aus zwei gestapelten Verbund-Akustikresonatoren (SBARs) 206 und 208. Jeder SBAR besteht aus einem gestapelten Paar Schicht-Verbund-Akustikresonatoren (FBARs) und einen akustischen Entkoppler zwischen ihnen. Transformator 200 besteht außerdem aus einem elektrischen Schaltkreis, der einen der FBARs von SBAR 206 mit einem der FBARs von SBAR 208 verbindet, und einem elektrischen Schaltkreis, der den anderen der FBARs von SBAR 206 mit dem anderen der FBARs von SBAR 208 verbindet. SBARs, in die akustische Entkoppler integriert sind, sind detaillierter in US-Patentanmeldung Nr. 10/699.289 beschrieben, die dem Inhaber dieser Offenbarung erteilt wurde und hierin durch Bezugnahme in vollem Umfang einbezogen ist.
SBAR 206 besteht aus einem gestapelten Paar FBARs 210 und 220 und einem akustischen Entkoppler 230 zwischen ihnen. Der akustische Entkoppler 230 steuert die Kopplung akustischer Energie zwischen FBARs 210 und 220. SBAR 208 besteht aus einem gestapelten Paar FBARs 250 und 260 und einem akustischen Entkoppler 270 zwischen ihnen. Der akustische Entkoppler 270 steuert die Kopplung akustischer Energie zwischen FBARs 250 und 260.
FBAR 220 ist auf FBAR 210 gestapelt und FBAR 260 ist auf FBAR 250 gestapelt. FBAR 210 besteht aus entgegengesetzten planaren Elektroden 212 und 214 und einer Schicht piezoelektrischen Materials 216 zwischen den Elektroden. FBAR 220 besteht aus entgegengesetzten planaren Elektroden 222 und 224 und einer Schicht piezoelektrischen Materials 226 zwischen den Elektroden. FBAR 250 besteht aus entgegengesetzten planaren Elektroden 252 und 254 und einer Schicht piezoelektrischen Materials 256 zwischen den Elektroden. FBAR 260 besteht aus entgegengesetzten planaren Elektroden 262 und 264 und einer Schicht piezoelektrischen Materials 266 zwischen den Elektroden.
SBAR 206 und SBAR 208 sind über einer Kavität 204 aufgehängt, die in einem Substrat 202 definiert ist. Das Aushängen der SBARs über einer Kavität gestattet es den FBARs der SBARs, mechanisch zu schwingen. Andere Aufhängungsschemata, die es den FBARs gestatten, mechanisch zu schwingen, sind möglich. Beispielsweise können sich die SBARs über einem (nicht gezeigten) fehlangepaßten akustischen Bragg-Reflektor befinden, der in oder auf Substrat 202 ausgebildet ist, wie durch Lakin in US-Patenschrift Nr. 6.107.721 beschrieben, deren Beschreibung in diese Beschreibung durch Erwähnung einbezogen ist.
Die piezoelektrische Schicht eines der FBARs besteht aus piezoelektrischem Material, dessen c-Achse hinsichtlich der Richtung gegenüber jener der piezoelektrischen Schichten der übrigen drei FBARs entgegengesetzt ist. Im gezeigten Beispiel ist das piezoelektrische Material von piezoelektrischer Schicht 256 von FBAR 250 Material mit umgekehrter c-Achse. Die Richtung der c-Achse des Materials mit umgekehrter c-Achse von piezoelektrischer Schicht 256 ist durch einen Pfeil 248 angezeigt. Das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schichten 216, 226 und 266 der drei übrigen FBARs 210, 220 und 260 ist Material mit normaler c-Achse. Die Richtung der c-Achsen des Materials mit normaler c-Achse der piezoelektrischen Schichten 216, 226 und 266 ist durch Pfeile 246, 247 bzw. 249 angezeigt. In anderen Ausführungsformen ist das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schicht irgendeines der FBARs Material mit umgekehrter c-Achse und ist das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schichten der übrigen drei FBARs Material mit normaler c-Achse. Alternativ ist das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schicht irgendeines der FBARs Material mit normaler c-Achse und ist das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schichten der übrigen drei FBARs Material mit umgekehrter c-Achse.
3 ist eine schematische Zeichnung der elektrischen Schaltkreise des akustisch gekoppelten Transformators 200. Ein erster elektrischer Schaltkreis 241 besteht aus einer Leiterbahn 236, die Elektrode 252 von FBAR 250 von SBAR 208 mit Elektrode 212 von FBAR 210 von SBAR 206 verbindet, und einer Leiterbahn 237, die Elektrode 254 von FBAR 250 mit Elektrode 214 von FBAR 210 verbindet. Somit verbindet der elektrische Schaltkreis 241 die FBARs 210 und 250 parallel. Jedoch weisen, da die Richtung der c-Achse von piezoelektrischer Schicht 256 von FBAR 250 umgekehrt ist, die parallel verbundenen FBARs 210 und 250 dieselben elektromechanischen Eigenschaften wie herkömmliche FBARs auf, die antiparallel verbunden sind. Der erste elektrische Schaltkreis 241 besteht außerdem aus einer Leiterbahn 233, die Elektroden 212 und 252 elektrisch mit einem Anschluß 232 verbindet, und einer Leiterbahn 273, die Elektroden 214 und 254 elektrisch mit einem Anschluß 272 verbindet. Die Anschlüsse 232 und 272 sind als Anschlußflächen strukturiert. Die Begriffe parallel und antiparallel sind weiter unten beschrieben.
Ein zweiter elektrischer Schaltkreis 242 besteht aus einer Leiterbahn 238, die Elektrode 222 von FBAR 220 von SBAR 206 elektrisch mit Elektrode 262 von FBAR 260 von SBAR 208 verbindet. Der zweite elektrische Schaltkreis 242 besteht außerdem aus einer Leiterbahn 235, die Elektrode 224 von FBAR 220 elektrisch mit einem Anschluß 234 verbindet, und einer Leiterbahn 275, die Elektrode 264 von FBAR 260 elektrisch mit einem Anschluß 274 verbindet. Da die Richtungen der c-Achsen der piezoelektrischen Schichten 226 und 266 von FBARs 220 bzw. 260 dieselben sind, verbindet der elektrische Schaltkreis 242 die FBARs 220 und 260 seriell. Die Anschlüsse 234 und 274 sind als Anschlußflächen strukturiert.
In einer Ausführungsform bilden die Anschlüsse 232 und 272 die Primäranschlüsse und die Anschlüsse 234 und 274 bilden die Sekundäranschlüsse des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators 200. So angeschlossen, arbeitet der akustisch gekoppelte Transformator 200 als Aufwärtstransformator. Ein Signal, das an die Primäranschlüsse 232 und 272 gelegt ist, wird mit dem doppelten Pegel an den Sekundäranschlüssen 234 und 274 ausgegeben. Auch in einer typischen Ausführungsform, in der alle FBARs 210, 220, 250 und 260 einen ähnlichen Wellenwiderstand aufweisen, ist die Impedanz, die an den Primäranschlüssen 232 und 272 zu sehen ist, jene von zwei parallelen FBARs, d.h. die Hälfte des typischen Wellenwiderstandes eines einzelnen FBAR, wohingegen die Impedanz, die an den Sekundäranschlüssen 234 und 274 zu sehen ist, jene von zwei seriellen FBARs ist, d.h. das Doppelte des typischen Wellenwiderstandes eines einzelnen FBAR. Somit weist der akustisch gekoppelte Transformator 200 ein Primär-zu-sekundär-Impedanzverhältnis von 1:4 auf.
In einer alternativen Ausführungsform bilden die Anschlüsse 232 und 272 die Sekundäranschlüsse und die Anschlüsse 234 und 274 bilden die Primäranschlüsse des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators 200. So angeschlossen, arbeitet der akustisch gekoppelte Transformator 200 als Abwärtstransformator. In diesem Fall besitzt das Signal, das an den Sekundäranschlüssen 234 und 274 ausgegeben wird, den halben Pegel des Signals, das an die Primäranschlüsse 232 und 272 gelegt ist, und das Primär-zu-sekundär-Impedanzverhältnis ist 4:1.
Der elektrische Schaltkreis 241 verbindet FBARs 210 und 250 elektrisch parallel, so daß ein elektrisches Eingangssignal, das an Anschlüsse 232 und 272 angelegt ist, gleich und phasengleich an FBARs 210 und 250 gelegt wird. Ein an Anschlüsse 232 und 272 gelegtes elektrisches Signal, das veranlaßt, daß FBAR 210 mechanisch kontrahiert, veranlaßt FBAR 250, um denselben Betrag mechanisch zu expandieren, und umgekehrt, und zwar auf Grund der entgegengesetzten Richtungen der c-Achsen der piezoelektrischen Schichten 216 und 256 von FBARs 210 bzw. 250. Die durch FBAR 250 generierte akustische Energie verläuft daher gegenphasig zur durch FBAR 210 generierten akustischen Energie. Folglich verläuft die durch FBAR 260 von FBAR 250 empfangene akustische Energie gegenphasig zur durch FBAR 220 von FBAR 210 empfangenen akustischen Energie, und das Signal auf Elektrode 264 verläuft gegenphasig zum Signal auf Elektrode 224. Der elektrische Schaltkreis 242 verbindet die FBARs 220 und 260 seriell, so daß die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen 234 und 274 das Doppelte der Spannung über jeden der beiden FBARs 220 und 260 ist.
Zwischen jedem der Anschlüsse 234 und 274 und dem Substrat 202 ist im wesentlichen dieselbe Kapazität vorhanden. Somit ist der Schaltkreis 242 des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators 200 elektrisch symmetrisch. Darüber hinaus ist in einer typischen Anwendung der Anschluß 272 an Masse gelegt, und die Anschlüsse 234 und 274 schwingen symmetrisch zur Masse, so daß die Amplitude eines beliebigen Wechselspannungssignals über den akustischen Entkopplern 230 und 270 klein ist. Die Kapazität zwischen den Elektroden auf entgegengesetzten Seiten der akustischen Entkoppler (ähnlich den Kapazitäten 175 und 176, die in 1B gezeigt sind) hat daher geringe Auswirkung auf die elektrische Symmetrie von Schaltkreis 242. Dementsprechend weist Transformator 200 bessere Gleichtaktunterdrückung als Transformator 100 auf, der in 1A gezeigt ist. Darüber hinaus gestattet das Fehlen jedweden Wechselstromsignals über den akustischen Entkopplern, daß in den akustischen Entkopplern elektrisch leitende Materialien verwendet werden.
FBARs sind durch Ruby et al. in US-Patentschrift Nr. 5.587.620 mit dem Titel Tunable Thin Film Acoustic Resonators and Method of Making Same beschrieben, die dem Inhaber dieser Offenbarung nunmehr erteilt wurde und durch Bezugnahme in diese Beschreibung einbezogen ist. Rubys Beschreibung beschreibt auch einen gestapelten Schicht-Verbund-Akustikresonator (SBAR), der aus zwei Schichten piezoelektrische Materials besteht, die mit drei planaren Elektroden verschachtelt sind. Rubys SBAR kann als aus einem gestapelten Paar FBARs bestehend angesehen werden, wobei die Elektrode zwischen den piezoelektrischen Schichten beiden FBARs gemein ist, und wird als SBAR mit gemeinsamer Elektrode bezeichnet. Die gemeinsame Elektrode macht den SBAR mit gemeinsamer Elektrode unfähig, die elektrische Trennung zwischen Primärseite und Sekundärseite bereitzustellen, die in einigen Anwendungen wünschenswert ist. Darüber hinaus zeigt der SBAR mit gemeinsamer Elektrode eine extrem schmale Durchlaßbandbreite, die ihn für die Verwendung in den meisten Anwendungen ungeeignet macht. Die schmale Durchlaßbandbreite, ist das Ergebnis der gemeinsamen Elektrode, die akustische Energie zwischen den FBARs überkoppelt.
Wie oben erwähnt, steuert in Transformator 200 gemäß der Erfindung der akustische Entkoppler 230 die Kopplung akustischer Energie zwischen gestapelten FBARs 210 und 220 und steuert der akustische Entkoppler 270 die Kopplung akustischer Energie zwischen gestapelten FBARs 250 und 260. Darüber hinaus trennt in Ausführungsformen, in denen akustische Entkoppler 230 und 270 elektrisch trennend sind, der akustische Entkoppler 230 FBAR 210 von FBAR 220, und der akustische Entkoppler 270 trennt FBAR 250 elektrisch von FBAR 260. In derartigen Ausführungsformen stellt die elektrische Trennung, die durch die akustischen Entkoppler 230 und 270 bereitgestellt ist, elektrische Trennung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite von Transformator 200 bereit.
Die akustische Kopplung, die durch akustische Entkoppler 230 und 270 bereitgestellt ist, ist wesentlich geringer als die akustische Kopplung zwischen den FBARs im SBAR mit gemeinsamer Elektrode, auf den oben verwiesen wird. Als Folge davon sind FBARs 210 und 220 und FBARs 250 und 260 nicht überkoppelt, und Transformator 200 weist eine relativ flache Antwort im Bandpaß auf, wie unten unter Bezug auf 5 beschrieben wird.
Die Ausführungsform der akustischen Entkoppler 230 und 270, die in 2A–2C gezeigt ist, ist eine erste Ausführungsform, in der der akustische Entkoppler 230 aus einer Schicht akustisch entkoppelnden Materials besteht, die sich zwischen der Elektrode 214 von FBAR 210 und der Elektrode 222 von FBAR 220 befindet, und der akustische Entkoppler 270 aus einer Schicht akustisch entkoppelnden Materials besteht, die sich zwischen der Elektrode 254 von FBARs 250 und der Elektrode 262 von FBAR 260 befindet.
4A ist eine vergrößerte Ansicht, die detaillierter einen Teil von SBAR 206 zeigt, in den die oben erwähnte erste Ausführungsform des akustischen Entkopplers 230 integriert ist. Außerdem Bezug nehmend auf 2A und 2B, sind der entsprechende Teil von SBAR 208 und akustischem Entkoppler 270 der Struktur nach ähnlich und werden nicht unabhängig beschrieben. Im gezeigten Beispiel besteht der akustische Entkoppler 230 aus einer Schicht 231 akustisch entkoppelnden Materials, die sich zwischen der Elektrode 214 von FBAR 210 und Elektrode 222 von FBAR 220 befindet. Schicht 231 akustisch entkoppelnden Materials erstreckt sich außerdem zwischen der Elektrode 244 von FBAR 250 und Elektrode 262 von FBAR 260, um die akustisch entkoppelnde Schicht 270 von SBAR 208 bereitzustellen. In anderen Ausführungsformen stellen unabhängige, aber ähnliche Schichten akustisch entkoppelnden Materials akustische Entkoppler 230 bzw. 270 bereit.
Wichtige Eigenschaften des akustisch entkoppelnden Materials von Schicht 231 sind eine akustische Impedanz, die signifikant verschieden von und typischerweise signifikant kleiner als jene der Materialien der FBARs 210, 220, 250 und 260 ist, und eine nominale Dicke, die ein ungerades ganzzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge innerhalb des akustisch entkoppelnden Materials einer akustischen Welle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpasses des akustisch gekoppelten Transformators ist. In einigen Anwendungen ist auch ein hoher elektrische Widerstand wünschenswert. In Ausführungsformen, in denen das Material von Schicht 231 elektrisch isolierend ist, ist auch eine niedrige Dielektrizitätskonstante erstrebenswert.
Das akustisch entkoppelnde Material weist eine akustische Impedanz kleiner als jene der Materialien der FBARs 210, 220, 250 und 260 und wesentlich größer als jene von Luft auf. Die akustische Impedanz eines Materials ist das Verhältnis von mechanischer Spannung zur Teilchengeschwindigkeit im Material und wird in Rayleigh, abgekürzt rayl, gemessen. Die Materialien der FBARs sind typischerweise Aluminumnitrid (AlN) als das Material piezoelektrischer Schichten 216, 226, 256 und 266 und Molybdän (Mo) als das Material von Elektroden 212, 214, 222, 224, 252, 254, 262 und 264. Die akustischen Impedanzen der Materialien der FBARs sind typischerweise größer als 30 Mrayl (35 Mrayl bei AlN und 63 Mrayl bei Mo), und die akustische Impedanz von Luft ist etwa 1 krayl. In Ausführungsformen von Transformator 200, in denen die Materialien der FBARs wie oben angegeben sind, funktionieren Materialien mit einer akustischen Impedanz im Bereich von etwa 2 Mrayl bis etwa 16 Mrayl gut als akustisch koppelndes Material von Schicht 231.
5 ist ein Schaubild, das zeigt, wie der berechnete Frequenzgang des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators 200 von der akustischen Impedanz des akustisch entkoppelnden Materials von Schicht 231 abhängt, die die erste Ausführungsform von akustischen Entkopplern 230 und 270 bildet. Die dargestellte Ausführungsform weist eine Mittenfrequenz von etwa 1,9 GHz auf. Gezeigt sind berechnete Frequenzgänge für Ausführungsformen, in denen das akustisch entkoppelnde Material des akustischen Entkopplers akustische Impedanzen von etwa 4 Mrayl (Polyimid-Kurve 240), 8 Mrayl (Kurve 242) und 16 Mrayl (Kurve 244) aufweist. Zu sehen ist, daß die Bandbreite von Transformator 200 mit zunehmender akustischer Impedanz des akustisch entkoppelnden Materials zunimmt. In der Ausführungsform, in der die akustische Impedanz 16 Mrayl beträgt, sind die Resonanzen der FBARs überkoppelt, was die charakteristische doppelte Spitze in der Bandpaßantwort verursacht.
In der Ausführungsform des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators 200, gezeigt in 2A–2C, weist die Dicke der Schicht 231 (4A) akustisch entkoppelnden Materials, das die akustischen Entkoppler 230 und 270 bildet, eine nominale Dicke gleich einem Viertel der Wellenlänge innerhalb des akustisch entkoppelnden Materials einer akustischen Welle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpasses des Transformators auf, d.h., t ? ?_n/4, wobei t die Dicke von Schicht 231 ist und ?_n die Wellenlänge innerhalb des akustisch entkoppelnden Materials einer akustischen Welle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpasses von Transformator 200 ist. Alternativ kann eine Dicke von Schicht 231 innerhalb von näherungsweise ±10 % der nominalen Dicke verwendet werden. Alternativ kann eine Dicke außerhalb dieses Bereiches bei einigen Leistungseinbußen verwendet werden. Jedoch muss sich die Dicke von Schicht 231 signifikant von 0?_n in einem Extrem und ?_n/2 im anderen Extrem unterscheiden.
Allgemeiner weist Schicht 231 des akustisch entkoppelnden Materials eine nominale Dicke gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge innerhalb des akustisch entkoppelnden Materials einer akustischen Welle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpasses von Transformator 200 auf, d.h., t ? (2m + 1)?_n/4, wobei t und ?_n wie oben definiert sind und m eine ganze Zahl gleich oder größer als null ist. In diesem Fall kann alternativ eine Dicke von Schicht 231 verwendet werden, die sich von der nominalen Dicke um näherungsweise ±10 % von ?_n/4 unterscheidet. Eine Dickentoleranz außerhalb dieses Bereiches kann bei einigen Leistungseinbußen verwendet werden, die Dicke von Schicht 231 muß sich aber signifikant von einem ganzzahligen Vielfachen von ?_n/2 unterscheiden.
Viele Kunststoffmaterialien weisen akustische Impedanzen im oben dargelegten Bereich auf und können in Schichten gleichmäßiger Dicke in den oben dargelegten Dickenbereichen angewendet werden. Derartige Kunststoffmaterialien sind daher potentiell zur Verwendung als das akustisch entkoppelnde Material von Schicht 231 geeignet, die die akustischen Entkoppler 230 und 270 bildet. Jedoch muß das akustisch entkoppelnde Material auch fähig sein, den Temperaturen der Herstellungsvorgänge zu widerstehen, die erfolgen, nachdem Schicht 231 auf Elektroden 214 und 254 aufgebracht worden ist, um akustische Entkoppler 230 und 270 auszubilden. Wie weiter unten detaillierter beschrieben wird, werden in praktischen Ausführungsformen des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators 200 Elektroden 222, 224, 262 und 264 und piezoelektrische Schichten 226 und 266 durch Sputtern aufgebracht, nachdem Schicht 231 aufgebracht worden ist. Während dieser Auftragungsprozesse werden Temperaturen von bis zu 300° C erreicht. Somit als das akustisch entkoppelnde Material von Schicht 231 ein Kunststoff wünschenswert, der bei derartigen Temperaturen stabil bleibt.
Verglichen mit den anderen Materialien der SBARs 206 und 208 weisen Kunststoffmaterialien typischerweise eine sehr hohe Schallschwächung pro Längeneinheit auf. Jedoch ist, da die Dicke von Schicht 231 akustisch entkoppelnden Kunststoffmaterials typischerweise kleiner als 1 μm ist, die Schallschwächung typischerweise vernachlässigbar, die durch akustische Entkoppler 230 und 270 eingeführt wird.
In einer Ausführungsform wird Polyimid als das akustisch entkoppelnde Material von Schicht 231 verwendet. Polyimid wird von E.I. du Pont de Nemours and Company unter der Handelsmarke Kapton^® vertrieben. In einer derartigen Ausführungsform bestehen akustische Entkoppler 230 und 270 aus Schicht 231 aus Polyimid, das auf Elektroden 214 und 254 durch Aufschleudern, Spritzen, Tauchen oder ein anderes geeignetes Verfahren aufgetragen wird. Polyimid weist eine akustische Impedanz von etwa 4 Mrayl auf In einer anderen Ausfüh rungsform wird ein Poly(para-Xylylen) als das akustisch entkoppelnde Material von Schicht 231 verwendet. In einer derartigen Ausführungsform bestehen akustische Entkoppler 230 und 270 aus Schicht 231 aus Poly(para-Xylylen), das auf Elektroden 214 und 254 durch Vakuumbeschichtung aufgetragen wird. Poly(para-Xylylen) ist auf dem Fachgebiet auch als Parylen bekannt. Die Dimervorstufe Di-para-Xylylen, aus der Parylen hergestellt ist, und Ausrüstungen zum Durchführen von Vakuumbeschichtung von Schichten aus Parylen sind bei zahlreichen Anbietern erhältlich. Parylen weist eine akustische Impedanz von etwa 1,8 Mrayl auf.
In einer alternativen Ausführungsform weist das akustisch entkoppelnde Material von Schicht 231 eine akustische Impedanz wesentlich größer als die Materialien von FBARs 210, 220, 250 und 260 auf. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt sind keine Materialien bekannt, die diese Eigenschaft aufweisen, derartige Materialien können aber in Zukunft verfügbar werden, oder es können FBAR-Materialien mit niedrigerer akustischer Impedanz in Zukunft verfügbar werden. Die Dicke von Schicht 231 aus derartigem akustisch entkoppelndem Material hoher akustischer Impedanz ist wie oben beschrieben.
In einer anderen alternativen Ausführungsform für die Verwendung in Anwendungen, in denen Gleichstromtrennung zwischen Primärseite und Sekundärseite unwichtig ist oder in denen eine elektrische Verbindung zwischen einer Seite der Primärseite und einem Mittelabgriff der Sekundärseite oder eine elektrische Verbindung zwischen einem Mittelabgriff der Primärseite und einer Seite der Sekundärseite wünschenswert ist, ist das akustisch entkoppelnde Material von Schicht 231, die akustische Entkoppler 230 und 270 bildet, elektrisch leitend. In einer Ausführungsform ist das akustisch entkoppelnde Material ein Metall wie z.B. Aluminium. In einer anderen Ausführungsform ist das akustisch entkoppelnde Material ein Kunststoffmaterial, das mit einem metallischen Pulver angereichert ist, das eine ausreichende Dichte aufweist, um einen leitfähigen Pfad zwischen entgegengesetzten Seiten von Schicht 231 bereitzustellen. Beispielsweise wird Polyimid, das mit Kohlenstoffpartikeln angereichert ist, die eine Größe im Bereich von 1 nm bis 10 nm aufweisen, durch Aufschleudern oder einen anderen geeigneten Auftragungsprozeß aufgetragen, um Schicht 231 auszubilden.
4B ist eine vergrößerte Ansicht, die detaillierter einen Teil von SBAR 206 zeigt, in den eine zweite Ausführungsform des akustischen Entkopplers 230 integriert ist, in den eine Bragg-Struktur 261 integriert ist. Der entsprechende Teil von SBAR 208, in den eine derartige Ausführungsform von akustischem Entkoppler 270 integriert ist, ist der Struktur nach ähnlich und wird nicht unabhängig beschrieben. Bragg-Struktur 261 besteht aus einem Bragg-Element 263 niedriger akustischer Impedanz, das sich zwischen Bragg-Elementen 265 und 267 hoher akustischer Impedanz befindet. Das Bragg-Element 263 niedriger akustischer Impedanz ist eine Schicht eines Materials niedriger akustischer Impedanz, wohingegen die Bragg-Elemente 265 und 267 hoher akustischer Impedanz jeweils eine Schicht aus Material hoher akustischer Impedanz sind. Die akustischen Impedanzen der Bragg-Elemente sind als „niedrig" und „hoch" in Bezug zueinander und außerdem in Bezug auf die akustische Impedanz des piezoelektrischen Materials der Schichten 216 und 226 charakterisiert. In einigen Ausführungsformen weist mindestens eines der Bragg-Elemente außerdem eine niedrige Dielektrizitätskonstante auf. In einigen Anwendungen weist mindestens eines der Bragg-Elemente außerdem einen hohen elektrischen Widerstand auf, um elektrische Trennung zwischen Primärseite und Sekundärseite bereitzustellen.
Jede der Schichten, die Bragg-Elemente 261, 263 und 265 bilden, weist eine nominale Dicke gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge innerhalb des Materials der Schicht einer akustischen Welle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz von Transformator 200 auf. Alternativ können Schichten verwendet werden, die sich von der nominalen Dicke um näherungsweise ±10 % eines Viertels der Wellenlänge unterscheiden. Eine Dickentoleranz außerhalb dieses Bereiches kann bei einigen Leistungseinbußen verwendet werden, die Dicken der Schichten müssen sich aber signifikant von einem ganzzahligen Vielfachen einer Hälfte der Wellenlänge unterscheiden.
In einer Ausführungsform ist das Bragg-Element 263 niedriger akustischer Impedanz eine Schicht aus Siliciumdioxid (SiO₂), das eine akustische Impedanz von etwa 13 Mrayl aufweist, und jedes der Bragg-Elemente 265 und 267 hoher akustischer Impedanz ist eine Schicht aus demselben Material wie die Elektroden 214 bzw. 222, d.h., Molybdän, das eine akustische Impedanz von etwa 63 Mrayl aufweist. Die Verwendung desselben Materials für die Bragg-Elemente 265 und 267 hoher akustischer Impedanz und die Elektroden 214 bzw. 222 der FBARs 210 bzw. 220 ermöglicht es, daß die Bragg-Elemente 265 und 267 hoher akustischer Impedanz außerdem als Elektroden 214 bzw. 222 dienen.
In einem Beispiel weisen die Bragg-Elemente 265 und 267 hoher akustischer Impedanz eine nominale Dicke gleich einem Viertel der Wellenlänge in Molybdän einer akustischen Welle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpasses von Transformator 200 auf und weist das Bragg-Element 263 niedriger akustischer Impedanz eine nominale Dicke gleich drei Vierteln der Wellenlänge in SiO₂ einer akustischen Welle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpasses des Transformators 200 auf. Die Verwendung einer drei Viertel Wellenlängen dicken Schicht SiO₂ statt einer ein Viertel Wellenlängen dicken Schicht SiO₂ als Bragg-Element 263 niedriger akustischer Impedanz verringert die Kapazität zwischen den FBARs 210 und 220, verringert aber die Bandbreite von Transformator 200.
In Ausführungsformen, in denen die Differenz der akustischen Impedanz zwischen den Bragg-Elementen 265 und 267 hoher akustischer Impedanz und dem Bragg-Element 263 niedriger akustischer Impedanz relativ gering ist, kann Bragg-Struktur 261 aus mehr als einem (z.B. n) Bragg-Element niedriger akustischer Impedanz bestehen, das mit einer entsprechenden Anzahl (d.h., n + 1) Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz verschachtelt ist. Beispielsweise kann die Bragg-Struktur aus zwei Bragg-Elementen niedriger akustischer Impedanz bestehen, die mit drei Bragg-Elementen hoher akustischer Impedanz verschachtelt sind. Nur eines der Bragg-Elemente braucht trennend zu sein.
In einer Ausführungsform erstreckt sich das Bragg-Element 263 niedriger akustischer Impedanz außerdem zwischen den Elektroden 254 und 262 von SBAR 208 und stellt Teile der akustischen Entkoppler 230 und 270 bereit. Darüber hinaus weisen die Elektroden 254 und 262 nominale Dicken gleich einem Viertel der Wellenlänge innerhalb des Elektrodenmaterials einer akustischen Welle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpasses von Transformator 200 auf. Alternativ können in akustische Entkoppler 230 und 270 jeweilige unabhängige, aber ähnliche Bragg-Elemente niedriger akustischer Impedanz integriert sein.
Tausende von akustisch gekoppelten Dünnschichttransformatoren ähnlich dem akustisch gekoppelten Dünnschichttransformator 200 werden durch Herstellung im Wafer-Maßstab gleichzeitig hergestellt. Derartige Herstellung im Wafer-Maßstab bewirkt, daß der akustisch gekoppelte Dünnschichttransformator 200 kostengünstig herzustellen ist. Als nächstes wird ein beispielhaftes Herstellungsverfahren unter Bezug auf die Draufsichten nach 6A–3K und die Schnittansichten nach 6L–6V beschrieben. Die unten dargelegten quantitativen Beispiele beziehen sich auf ein Beispiel eines akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators 200, der für den Betrieb bei einer Frequenz von etwa 1,9 GHz geeignet ist. Beispiele, die für den Betrieb bei anderen Frequenzen geeignet sind, unterscheiden sich in Details wie z.B. Elektrodenflächen und Schichtdicken.
Bereitgestellt ist ein (nicht gezeigter) Wafer aus Einkristallsilicium. Ein Abschnitt des Wafers bildet für jeden Transformator, der hergestellt wird, ein Substrat, das dem Substrat 202 von Transformator 200 entspricht. 6A–6K und 6L–6V stellen die Herstellung von Transformator 200 in und auf einem Abschnitt des Wafers dar, und die folgende Beschreibung beschreibt sie. Wie Transformator 200 hergestellt wird, werden die übrigen Transformatoren auf dem Wafer in ähnlicher Weise hergestellt.
Der Abschnitt des Wafers, der Substrat 202 von Transformator 200 bildet, wird selektiv naßgeätzt, um Kavität 204 auszubilden, wie in 6A und 6L gezeigt. Alternativ kann Kavität 204 durch Trockenätzen ausgebildet werden.
Eine Schicht Füllmaterial (nicht gezeigt) wird auf der Oberfläche des Wafers mit einer ausreichenden Dicke aufgebracht, um die Kavitäten zu füllen. Die Oberfläche des Wafers wird dann planarisiert, um die Kavität mit dem Füllmaterial gefüllt zu belassen. 6B und 6M zeigen Kavität 204 in Substrat 202 mit Füllmaterial 205 gefüllt.
In einer Ausführungsform war das Füllmaterial Phosphosilikatglas (PSG) und wurde mittels herkömmlicher Niederdruck-Gasphasenepitaxie (Low-Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD) aufgebracht. Alternativ kann das Füllmaterial durch Sputtern oder durch Aufschleudern aufgebracht werden.
Auf der Oberfläche des Wafers und des Füllmaterials wird eine Schicht aus Metall aufgebracht. Das Metall wird mustergeformt, um Elektrode 212, Elektrode 252, Leiterbahn 236, die sich zwischen Elektroden 212 und 252 erstreckt, Anschlußfläche 272 und Leiterbahn 237 zu definieren, die sich zwischen Elektrode 252 und Anschlußfläche 272 erstreckt, wie in 6C und 6N gezeigt. Elektrode 212 und Elektrode 252 weisen typischerweise eine unregelmäßige Gestalt in einer Ebene parallel zur Hauptoberfläche des Wafers auf. Eine unregelmäßige Gestalt minimiert laterale Moden in den FBARs, von denen die Elektroden einen Teil ausbilden, wie in US-Patentschrift Nr. 6.215.375 von Larson III et al. beschrieben, deren Beschreibung in diese Beschreibung durch Erwähnung einbezogen ist. Elektrode 212 und Elektrode 252 sind derart angeordnet, daß ein Teil der Oberfläche von Füllmaterial 205 freiliegend bleibt, um zu ermöglichen, daß das Füllmaterial später durch Ätzen entfernt wird, wie unten beschrieben wird.
Elektroden 212, 214, 222, 224, 252, 254, 262 und 264 werden durch Musterformen von Metallschichten derart ausgebildet, daß in jeweiligen Ebenen parallel zur Hauptoberfläche des Wafers die Elektroden 212 und 214 von FBAR 210 dieselbe Gestalt, Größe, Ausrichtung und Position aufweisen, die Elektroden 222 und 224 von FBAR 220 dieselbe Gestalt, Größe, Ausrichtung und Position aufweisen, die Elektroden 252 und 254 von FBAR 250 dieselbe Gestalt, Größe, Ausrichtung und Position aufweisen und die Elektroden 262 und 264 von FBAR 260 dieselbe Gestalt, Größe, Ausrichtung und Position aufweisen. Typischerweise weisen außerdem die Elektroden 214 und 222 dieselbe Gestalt, Größe, Ausrichtung und Position auf und weisen außerdem die Elektroden 254 und 262 dieselbe Gestalt, Größe, Ausrichtung und Position auf.
In einer Ausführungsform war das Metall, das aufgebracht wurde, um Elektrode 212, Elektrode 252, Bahn 236, Anschlußfläche 272 und Bahn 273 auszubilden, Molybdän. Das Molybdän wurde mit einer Dicke von etwa 440 nm durch Sputtern aufgebracht und wurde durch Trockenätzen ausgeformt, um fünfeckige Elektroden jeweils mit einer Fläche von etwa 7.000 Quadrat-μm zu definieren. Die Fläche der Elektroden ist gewählt, um eine gegebene elektrische Impedanz bereitzustellen. Die Impedanz hängt auch von der Höhe der SBARs 206 und 208 und der Betriebsfrequenz ab. Alternativ können andere hochschmelzende Metalle wie z.B. Wolfram, Niob und Titan als das Material von Elektroden 212 und 252, Anschlußfläche 272 und Bahnen 236 und 273 verwendet werden. Die Elektroden, Anschlußflächen und Bahnen können alternativ Schichten aus mehr als einem Material umfassen.
Piezoelektrisches Material wird aufgebracht und wird ausgeformt, um eine piezoelektrische Schicht 217 zu definieren, die piezoelektrische Schicht 216 von FBAR 210 und piezoelektrische Schicht 256 von FBAR 250 bereitstellt. Das piezoelektrische Material wird aufgebracht, indem zuerst eine dünne Schicht piezoelektrischen Materials mit umgekehrter c-Achse aufgebracht wird und die dünne Schicht mustergeformt wird, um Keimschicht 255 über Elektrode 252 zu definieren, wie in 6D und 6O gezeigt. Dann wird eine dicke Schicht piezoelektrischen Materials, die eine nominale Dicke gleich der Entwurfsdicke der piezoelektrischen Schichten 216 und 256 aufweist, aufgebracht und wird mustergeformt, um piezoelektrische Schicht 217 zu definieren, wie in 6E und 6P gezeigt. Keimschicht 255 verbleibt an Ort und Stelle unter einem Teil von Schicht 217, ist jedoch auf Grund ihrer verglichen mit Schicht 217 vernachlässigbaren Dicke in 6P nicht gezeigt. Die piezoelektrische Schicht 217 wird mustergeformt, um einen Teil der Oberfläche von Füllmaterial 205 und Anschlußflächen 232 und 272 freizulegen. Die piezoelektrische Schicht 217 wird außerdem mustergeformt, um Fenster 219 zu definieren, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials bereitstellen.
Erneut Bezug nehmend auf 6D und 6N, wird die dünne Schicht piezoelektrischen Materials, die mustergeformt wird, um Keimschicht 255 zu definieren, unter Aufbringungsbedingungen aufgebracht, die das Ausbilden von piezoelektrischem Material mit umgekehrter c-Achse unterstützen. Das Musterformen der dünnen Schicht, um Keimschicht 255 zu definieren, legt Elektrode 212, einen Teil von Leiterbahn 236, einen Teil der Oberfläche von Füllmaterial 205, Anschlußfläche 272 und einen Teil von Leiterbahn 273 frei. Erneut Bezug nehmend auf 6E und 6O, wird die dicke Schicht piezoelektrischen Materials unter normalen Aufbringungsbedingungen aufgebracht. Das piezoelektrische Material der dicken Schicht wächst in dem Abschnitt, der auf Keimschicht 255 aufgebracht ist, mit seiner c-Achse in umgekehrter Richtung, anderswo aber mit seiner c-Achse in normaler Richtung. Die dicke Schicht piezoelektrischen Materials wird mustergeformt, um piezoelektrische Schicht 217 zu definieren, die piezoelektrische Schicht 216 und piezoelektrische Schicht 256 bereitstellt. Das Musterformen legt einen Teil der Oberfläche von Füllmaterial 205, Anschlußfläche 272 und einen Teil von Leiterbahn 273 frei und bildet außerdem Fenster 219 aus, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials bereitstellen.
In einer Ausführungsform war die dünne Schicht piezoelektrischen Materials Aluminumnitrid und wurde mit einer Dicke von etwa 40 nm durch Sputtern in einer sauerstoffreichen Sputterumgebung aufgebracht. Obgleich dieser Auftragungsprozeß verwendet werden könnte, um die gesamte Dicke der piezoelektrischen Schicht 217 aufzubringen, weist das sich ergebende piezoelektrische Material typischerweise piezoelektrische Eigenschaften auf, die minderwertig gegenüber jenen piezoelektrischen Materials sind, das unter normalen Wachstumsbedingungen wuchs. Durch Aufbringen einer dünnen Schicht aus Material mit umgekehrter c-Achse unter sauerstoffreichen Wachstumsbedingungen als Keimschicht, dann Aufbringen einer dicken Schicht piezoelektrischen Materials unter normalen, stickstoffreichen Wachstumsbedingungen weist das piezoelektrische Material mit umgekehrter c-Achse, das auf der Keimschicht aufgebracht ist, piezoelektrische Eigenschaften auf, die mit jenen piezoelektischen Materials mit normaler c-Achse vergleichbar sind. Daher bildet das Aufbringen von Schicht 217 piezoelektrischen Materials die piezoelektrische Schicht 216 mit ihrer c- Achse (angezeigt durch Pfeil 246) in der normalen Richtung und die piezoelektrische Schicht 256 mit ihrer c-Achse (angezeigt durch Pfeil 248) in der umgekehrten Richtung aus.
Die dünne Schicht piezoelektrischen Materials wurde durch Naßätzen in Kaliumhydroxid oder durch chlorbasiertes Trockenätzen mustergeformt, um Keimschicht 255 zu definieren.
In einer Ausführungsform war das piezoelektrischen Material, das aufgebracht wurde, um piezoelektrische Schicht 217 auszubilden, Aluminumnitrid und wurde mit einer Dicke von etwa 760 nm durch Sputtern aufgebracht. Das piezoelektrische Material wurde durch Naßätzen in Kaliumhydroxid oder durch chlorbasiertes Trockenätzen mustergeformt. Zu den alternativen Materialien für piezoelektrische Schicht 217 zählen Zinkoxid, Cadmiumsulfid und gerichtete ferroelektrische Materialien wie z.B. Perowskit-Ferroelektrika einschließlich Bleizirkoniumtitanat, Bleimetaniobat und Bariumtitanat. Das Richten ferroelektrischer Materialien ist unten unter Bezug auf 8A–8F beschrieben.
Eine Schicht aus Metall wird aufgebracht und wird mustergeformt, um Elektrode 214, Elektrode 254, Leiterbahn 237, die sich zwischen Elektrode 214 und Elektrode 254 erstreckt, Anschlußfläche 232 und Leiterbahn 233 zu definieren, die sich zwischen Anschlußfläche 232 und Elektrode 214 erstreckt, wie in 6F und 6Q gezeigt.
In einer Ausführungsform war das Metall, das aufgebracht wurde, um Elektrode 214, Elektrode 254, Bahn 237, Anschlußfläche 232 und Bahn 233 auszubilden, Molybdän. Das Molybdän wurde mit einer Dicke von etwa 440 nm durch Sputtern aufgebracht und wurde durch Trockenätzen mustergeformt. Alternativ können andere hochschmelzende Metalle als das Material von Elektroden 214 und 254, Bahnen 233 und 237 und Anschlußfläche 232 verwendet werden. Die Elektroden, Bahnen und die Anschlußfläche können alternativ Schichten aus mehr als einem Material umfassen.
Dann wird eine Schicht akustisch entkoppelnden Materials aufgebracht und wird mustergeformt, um eine akustisch entkoppelnde Schicht 231 zu definieren, die den akustischen Entkoppler 230 und den akustischen Entkoppler 270 bereitstellt, wie in 6G und 6R gezeigt. Die akustisch entkoppelnde Schicht 231 bedeckt mindestens Elektrode 214 und Elektrode 254 (6F) und wird mustergeformt, um einen Teil der Oberfläche von Füllmaterial 205 und Anschlußflächen 232 und 272 freizulegen. Die akustisch entkoppelnde Schicht 231 wird außerdem mustergeformt, um Fenster 219 zu definieren, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials bereitstellen.
In einer Ausführungsform war das akustisch entkoppelnde Material Polyimid mit einer Dicke von etwa 750 nm, d.h., drei Vierteln einer Mittenfrequenz-Wellenlänge von 1,9 GHz im Polyimid. Das Polyimid wurde durch Aufschleudern aufgebracht, um akustisch entkoppelnde Schicht 231 auszubilden, und wurde durch Fotolithografie mustergeformt. Polyimid ist fotoempfindlich, so daß kein Fotoresist benötigt wird. Wie oben erwähnt, können andere Kunststoffmaterialien als das akustisch entkoppelnde Material verwendet werden. Das akustisch entkoppelnde Material kann durch andere Verfahren als Aufschleudern aufgebracht werden.
In einer Ausführungsform, in der das Material der akustisch entkoppelnden Schicht 231 Polyimid war, wurde nach Auftragung und Musterformen der Polyimids der Wafer bei etwa 300° C gebacken, bevor weitere Verarbeitung erfolgte. Das Backen verdampft flüchtige Bestandteile des Polyimids und verhindert, daß Verdampfen derartiger flüchtiger Bestandteile während nachfolgender Verarbeitung die Abtrennung nachfolgend aufgebrachter Schichten verursacht.
Eine Schicht aus Metall wird aufgebracht und wird mustergeformt, um Elektrode 222, Elektrode 262 und Leiterbahn 238, die sich von Elektrode 222 zu Elektrode 262 erstreckt, zu definieren, wie in 6H und 6S gezeigt.
In einer Ausführungsform war das Metall, das aufgebracht wurde, um Elektroden 222 und 262 und Leiterbahn 238 auszubilden, Molybdän. Das Molybdän wurde mit einer Dicke von etwa 440 nm durch Sputtern aufgebracht und wurde durch Trockenätzen mustergeformt. Alternativ können andere hochschmelzende Metalle als das Material von Elektroden 222 und 262 und Leiterbahn 238 verwendet werden. Die Elektroden und die Bahn können alternativ Schichten aus mehr als einem Material umfassen.
Eine Schicht piezoelektrischen Materials wird aufgebracht und wird mustergeformt, um piezoelektrische Schicht 227 zu definieren, wie in 6I und 6T gezeigt. Das Aufbringen der piezoelektrischen Schicht 227 bildet die piezoelektrische Schicht 226 von FBAR 220 mit ihrer c-Achse (angezeigt durch Pfeil 247) in der normalen Richtung und die piezoelektrische Schicht 266 von FBAR 260 mit ihrer c-Achse (angezeigt durch Pfeil 249) ebenfalls in der normalen Richtung aus. Die piezoelektrische Schicht 227 wird mustergeformt, um Anschlußflächen 232 und 272 freizulegen und um einen Teil der Oberfläche von Füllmaterial 205 freizulegen. Die piezoelektrische Schicht 227 wird außerdem mustergeformt, um die Fenster 219 zu definieren, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials bereitstellen.
In einer Ausführungsform war das piezoelektrischen Material, das aufgebracht wurde, um piezoelektrische Schicht 227 auszubilden, Aluminumnitrid und wurde mit einer Dicke von etwa 760 nm durch Sputtern in einer stickstoffreichen Umgebung aufgebracht. Das Material der piezoelektrischen Schicht wächst daher mit seiner c-Achse in der normalen Richtung. Das piezoelektrische Material wurde durch Naßätzen in Kaliumhydroxid oder durch chlorbasiertes Trockenätzen mustergeformt. Zu den alternativen Materialen für piezoelektrische Schicht 227 zählen Zinkoxid und Bleizirkoniumtitanat.
Eine Schicht aus Metall wird aufgebracht und wird mustergeformt, um Elektrode 224, Elektrode 264, Anschlußfläche 234, Leiterbahn 235, die sich von Elektrode 224 zu Anschlußfläche 234 erstreckt, Anschlußfläche 274 und Leiterbahn 275 zu definieren, die sich von Elektrode 264 zu Anschlußfläche 274 erstreckt, wie in 6J und 6U gezeigt.
In einer Ausführungsform war das Metall, das aufgebracht wurde, um Elektroden 224 und 264, Anschlußflächen 234 und 274 und Leiterbahnen 235 und 275 auszubilden, Molybdän. Das Molybdän wurde mit einer Dicke von etwa 440 nm durch Sputtern aufgebracht und wurde durch Trockenätzen mustergeformt. Alternativ können andere hochschmelzende Metalle derart als das Material von Elektroden 224 und 264, Anschlußflächen 234 und 274 und Leiterbahnen 235 und 275 verwendet werden. Die Elektroden, Anschlußflächen und Bahnen können alternativ Schichten aus mehr als einem Material umfassen.
Dann wird eine (nicht gezeigte) Goldschutzschicht auf den freiliegenden Oberflächen der Anschlußflächen 232, 234, 272 und 274 aufgebracht.
Der Wafer wird dann isotrop naßgeätzt, um Füllmaterial 205 aus Kavität 204 zu entfernen. Wie oben erwähnt, bleiben Abschnitte der Oberfläche von Füllmaterial 205 beispiels weise durch Fenster 219 freiliegend. Der Ätzprozeß hinterläßt den akustisch gekoppelten Dünnschichttransformator 200 über Kavität 204 aufgehängt, wie in 6K und 6V gezeigt.
In einer Ausführungsform war das Ätzmittel, das zum Entfernen von Füllmaterial 205 verwendet wurde, verdünnte Flußsäure.
Der Wafer wird dann in einzelne Transformatoren geteilt, einschließlich Transformator 200. Jeder Transformator wird dann in einem Gehäuse montiert, und zwischen den Anschlußflächen 232, 272, 234 und 274 des Transformators und Kontaktflecken, die Teil des Gehäuses sind, werden elektrische Verbindungen hergestellt.
Während des Gebrauchs stellen Anschlußfläche 272, die elektrisch mit den Elektroden 212 und 252 verbunden ist, und Anschlußfläche 232, die elektrisch mit den Elektroden 214 und 254 verbunden ist, die ersten Anschlüsse des Transformators 200 bereit und stellen Anschlußfläche 272, die elektrisch mit Elektrode 224 verbunden ist, und Anschlußfläche 274, die elektrisch mit Elektrode 254 verbunden ist, die zweiten Anschlüsse von Transformator 200 bereit. In einer Ausführungsform stellen die ersten Anschlüsse die Primäranschlüsse bereit und stellen die zweiten Anschlüsse die Sekundäranschlüsse des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators 200 bereit. In einer anderen Ausführungsform stellen die ersten Anschlüsse die Sekundäranschlüsse bereit und stellen die zweiten Anschlüsse die Primäranschlüsse des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators 200 bereit.
Die Erfindung ist oben unter Bezug auf eine Ausführungsform beschrieben worden, in der die piezoelektrische Schicht 256 von FBAR 250 Material mit umgekehrter c-Achse ist. Jedoch ist dies für die Erfindung nicht entscheidend: Die piezoelektrische Schicht irgendeiner der FBARs 210, 220, 250 und 260 kann alternativ Material mit umgekehrter c-Achse sein. Alternativ kann die piezoelektrische Schicht beliebiger drei der FBARs 210, 220, 250 und 260 Material mit umgekehrter c-Achse sein, wobei die piezoelektrische Schicht des übrigen einen der FBARs Material mit normaler c-Achse ist. Darüber hinaus kann der elektrische Schaltkreis 241 konfiguriert sein, um FBAR 210 seriell mit FBAR 250 zwischen Anschlußflächen 272 und 272 zu verbinden und kann der elektrische Schaltkreis 242 konfiguriert sein, um FBAR 220 parallel mit FBAR 260 und mit Anschlußflächen 234 und 274 zu verbinden.
Eine Ausführungsform des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators 200, in der in die akustischen Entkoppler 230 und 270 eine Bragg-Struktur ähnlich jener integriert ist, die oben unter Bezug auf 4B beschrieben ist, wird durch einen Prozeß ähnlich jenem hergestellt, der oben beschrieben ist. Der Prozeß unterscheidet sich wie folgt:
Nachdem Schicht 217 piezoelektrischen Materials aufgebracht und mustergeformt worden ist (6D, 6E, 6O und 6P), wird eine Schicht aus Metall in einer Weise ähnlich jener aufgebracht und mustergeformt, die in 6F und 6Q gezeigt ist, um Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz zu definieren, in die Elektroden 214 bzw. 254 integriert sind, und außerdem um Leiterbahn 237, die sich zwischen den Elektroden erstreckt, Anschlußfläche 232 und Leiterbahn 233 zu definieren, die sich zwischen Elektrode 214, und Anschlußfläche 232 erstreckt, Die Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz sind jeweils dem Bragg-Element 165 hoher akustischer Impedanz ähnlich, das in 4B gezeigt ist. Die Schicht aus Metall wird mit einer nominalen Dicke gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge innerhalb des Metalls einer akustischen Welle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpasses von Transformator 200 aufgebracht.
In einer Ausführungsform ist das Metall, das aufgebracht ist, um die Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz auszubilden, in die jeweils Elektroden 214 und 254 integriert sind, Molybdän. Das Molybdän wird mit einer Dicke von etwa 820 nm (eine Viertel Wellenlänge in Mo bei etwa 1,9 GHz) durch Sputtern aufgebracht und wird durch Trockenätzen mustergeformt. Alternativ können andere hochschmelzende Metalle als das Material der Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz verwendet werden, in die jeweils Elektroden 214 und 254 integriert sind. Alternativ können die Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz Schichten aus mehr als einem Metall umfassen.
Dann wird eine Schicht Materials niedriger akustischer Impedanz in einer Weise ähnlich jener aufgebracht und mustergeformt, die in 6G und 6R gezeigt ist, um ein Bragg-Element niedriger akustischer Impedanz zu definieren. Die Schicht Materials niedriger akustischer Impedanz wird mit einer nominalen Dicke gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge innerhalb des Materials niedriger akustischer Impedanz einer akustischen Welle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpasses von Transformator 200 aufgebracht. Das Bragg-Element niedriger akustischer Impedanz bedeckt mindestens die Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz und wird außerdem musterge formt, um einen Teil der Oberfläche von Füllmaterial 205 und Anschlußflächen 232 und 272 freizulegen. Die Schicht Materials niedriger akustischer Impedanz wird außerdem mustergeformt, um Fenster 219 zu definieren, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials bereitstellen.
In einer Ausführungsform ist das Material niedriger akustischer Impedanz SiO₂ mit einer Dicke von etwa 790 nm. Das SiO₂ wird durch Sputtern aufgebracht und wird durch Ätzen mustergeformt. Zu den anderen Materialien niedriger akustischer Impedanz, die als das Material des Bragg-Elements niedriger akustischer Impedanz verwendet werden können, zählen Phosphosilikatglas (PSG), Titandioxid und Magnesiumfluorid. Alternativ kann das Material niedriger akustischer Impedanz durch andere Verfahren als Sputtern aufgebracht werden.
Eine Schicht aus Metall wird in einer Weise ähnlich jener aufgebracht und mustergeformt, die in 6H und 6S gezeigt ist, um Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz zu definieren, in die jeweils Elektroden 222 und 262 integriert sind. Die Schicht aus Metall wird außerdem mustergeformt, um eine Leiterbahn 238 zu definieren, die sich von Elektrode 222 zu Elektrode 262 erstreckt. Die Schicht aus Metall wird mit einer nominalen Dicke gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge innerhalb des Metalls einer akustischen Welle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz des Bandpasses von Transformator 200 aufgebracht.
In einer Ausführungsform ist das Metall, das aufgebracht ist, um Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz auszubilden, in die jeweils Elektroden 222 und 262 integriert sind, Molybdän. Das Molybdän wird mit einer Dicke von etwa 820 nm (eine Viertel Wellenlänge in Mo) durch Sputtern aufgebracht und wird durch Trockenätzen mustergeformt. Alternativ können andere hochschmelzende Metalle als das Material der Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz verwendet werden, in die jeweils Elektroden 222 und 262 und Leiterbahn 238 integriert sind. Die Bragg-Elemente hoher akustischer Impedanz, Kontaktflecken und Leiterbahnen können alternativ Schichten aus mehr als einem Material umfassen.
Dann wird die Herstellung von Transformator 200 mittels der Prozesse abgeschlossen, die oben unter Bezug auf 6I–6K und 6T–6V beschrieben sind.
In einige Ausführungsformen eines akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators gemäß der Erfindung ist eine elektrische Verbindung zwischen Elektroden 214 und 222 und zwischen Elektroden 254 und 262 integriert, um diese entgegengesetzten Paare dieser Elektroden auf demselben elektrischen Potential zu halten. Dies hindert die entgegengesetzten Paare von Elektroden daran, eine Spannung über dem Parasitärkondensator, der durch den akustischen Entkoppler 230 und die Elektroden 214 und 222 ausgebildet ist, und dem Parasitärkondensator anzulegen, der durch den akustischen Entkoppler 270 und die Elektroden 254 und 262 ausgebildet ist. Wie oben erwähnt, stellen elektrisch leitende akustische Entkoppler derartige elektrische Verbindungen bereit. 7A und 7B zeigen eine alternative Ausführungsform 300 eines akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators gemäß der Erfindung an zwei verschiedenen Punkten seiner Herstellung. In dieser Ausführungsform sind die akustischen Entkoppler elektrisch trennend. Elemente des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators 300, die Elementen des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators 200 entsprechen, der oben unter Bezug auf 2A–2C und 3 beschrieben ist, sind durch dieselben Bezugszeichen angegeben und werden nicht erneut im einzelnen beschrieben.
7A zeigt den akustisch gekoppelten Dünnschichttransformator 300 in der Phase seiner Herstellung, die jener entspricht, die oben unter Bezug auf 6F und 6Q beschrieben ist. Nachdem Schicht 217 piezoelektrischen Materials aufgebracht und mustergeformt worden ist, wie oben unter Bezug auf 6E und 6P beschrieben, wird eine Metallschicht aufgebracht und wird mustergeformt, um Elektrode 214, Elektrode 254, Leiterbahn 237, Anschlußfläche 232, Leiterbahn 233, eine Verbindungsfläche 282 und eine Leiterbahn 283 zu definieren, die sich zwischen Verbindungsfläche 282 und Anschlußfläche 232 erstreckt.
In einer Ausführungsform war das aufgebrachte Metall Molybdän mit einer Dicke von etwa 440 nm. Das Metall wurde durch Sputtern aufgebracht und wurde durch Trockenätzen mustergeformt. Alternativ können andere hochschmelzende Metalle verwendet werden. Die Elektroden, Bahnen und Kontaktflecken können alternativ Schichten aus mehr als einem Material umfassen.
7B zeigt den akustisch gekoppelten Dünnschichttransformator 300 in der Phase seiner Herstellung, die jener entspricht, die oben unter Bezug auf 6H und 6S beschrieben ist. Nachdem Schicht 231 akustisch entkoppelnden Materials in einer Weise ähnlich jener aufgebracht und mustergeformt worden ist, die oben unter Bezug auf 6G und 6R be schrieben ist, wird eine Metallschicht aufgebracht und wird mustergeformt, um Elektrode 222, Elektrode 262, Leiterbahn 238, eine Verbindungsfläche 284 und eine Leiterbahn 285 zu definieren, die sich zwischen Verbindungsfläche 284 und Leiterbahn 238 erstreckt. Verbindungsfläche 284 überdeckt einen Teil von und ist elektrisch verbunden mit Verbindungsfläche 282, wie in der Schnittansicht nach 7C gezeigt, um Elektroden 214 und 254 mit Elektroden 222 und 262 zu verbinden.
In einer Ausführungsform war das aufgebrachte Metall Molybdän mit einer Dicke von etwa 440 nm. Das Metall wurde durch Sputtern aufgebracht und wurde durch Trockenätzen mustergeformt. Alternativ können andere hochschmelzende Metalle verwendet werden. Die Elektroden, die Verbindungsfläche und die Bahnen können alternativ Schichten aus mehr als einem Material umfassen.
In anderen Ausführungsformen sind andere Anordnungen integriert, die eine elektrische Verbindung zwischen Elektrode 214 und Elektrode 222 und zwischen Elektrode 254 und Elektrode 262 bereitstellen, um die Signalfrequenzspannung zu minimieren, die an die Parasitärkondensatoren gelegt ist, von denen diese Elektroden einen Teil ausbilden.
Die Herstellung eines akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators gemäß der Erfindung ist oben unter Bezug auf ein Beispiel beschrieben, in dem eine Schicht piezoelektrische Materials mit umgekehrter c-Achse mit guten piezoelektrischen Eigenschaften unter normalen Aufbringungsbedingung auf einer dünnen Keimschicht piezoelektrische Materials mit umgekehrter c-Achse aufgebracht wird, die unter Aufbringungsbedingungen aufgebracht wird, die das Ausbilden von Material mit umgekehrter c-Achse unterstützen. Wie oben erwähnt, kann eine ganze Schicht Materials mit umgekehrter c-Achse alternativ unter Aufbringungsbedingungen aufgebracht werden, die das Ausbilden von Material mit umgekehrter c-Achse unterstützen.
In einem derartigen Verfahren werden die Prozesse durchgeführt, die oben unter Bezug auf 6A, 6B, 6L und 6M beschrieben sind. Dann wird, nachdem eine Metallschicht aufgebracht und mustergeformt ist, um Elektroden 212 und 252 usw. zu definieren, wie oben unter Bezug auf 6C und 6N beschrieben, eine Schicht piezoelektrischen Materials unter Aufbringungsbedingungen aufgebracht, die das Ausbilden von Material mit normaler c-Achse unterstützen. Das Material mit normaler c-Achse wird mustergeformt, um Elektrode 252, ei nen Teil von Leiterbahn 236 in der Nähe von Elektrode 252, Anschlußfläche 272 und Leiterbahn 273 freizulegen. Der Abschnitt der Schicht Materials mit normaler c-Achse, der nach dem Musterformen verbleibt, wird mit einer geeigneten Ätzschutzschicht bedeckt, wie z.B. einer Schicht aus Molybdän. Eine Schicht piezoelektrischen Materials mit umgekehrter c-Achse wird dann unter Aufbringungsbedingungen aufgebracht, die das Ausbilden von Material mit umgekehrter c-Achse unterstützen. Das Material mit umgekehrter c-Achse wird durch fotolithografisch definiertes Ätzen mustergeformt, um das Material mit normaler c-Achse freizulegen, das Elektrode 212 bedeckt, und außerdem, um einen Teil der Oberfläche von Füllmaterial 205 und Anschlußflächen 232 und 272 freizulegen. Das Musterformen definiert außerdem Fenster 219, die Zugang zu zusätzlichen Teilen der Oberfläche des Füllmaterials bereitstellen. Die Ätzschutzschicht schützt die Schicht Materials mit normaler c-Achse während des Musterformens der Schicht Materials mit umgekehrter c-Achse. Dann wird die Ätzschutzschicht entfernt. Die Herstellung des Transformators wird durch Durchführen der Prozesse abgeschlossen, die oben unter Bezug auf 6F–6K und 6Q–6V beschrieben sind.
In einer anderen Alternative werden die Prozesse durchgeführt, die oben unter Bezug auf 6A, 6B, 6L und 6M beschrieben sind. Dann wird, nachdem eine Metallschicht aufgebracht und mustergeformt ist, um Elektroden 212 und 252 usw. zu definieren, wie oben unter Bezug auf 6C und 6N beschrieben, eine Schicht piezoelektrischen Materials unter Aufbringungsbedingungen aufgebracht, die das Ausbilden von Material mit normaler c-Achse unterstützen. Das Material mit normaler c-Achse wird mustergeformt, um Elektrode 252, einen Teil von Leiterbahn 236 in der Nähe von Elektrode 252, Anschlußfläche 272 und Leiterbahn 273 freizulegen. Eine Schicht aus Fotoresist oder anderem Schutzmaterial wird aufgebracht und wird mustergeformt, um ein Fenster zu definieren, das in Gestalt und Ausdehnung Keimschicht 255 ähnlich ist, die in 6D gezeigt ist. Elektrode 252 und ein Teil von Leiterbahn 236 in der Nähe von Elektrode 252 werden durch das Fenster freigelegt. Eine Schicht piezoelektrischen Materials mit umgekehrter c-Achse wird dann unter Aufbringungsbedingungen aufgebracht, die das Ausbilden von Material mit umgekehrter c-Achse unterstützen. Die Schicht piezoelektrischen Materials mit umgekehrter c-Achse wird dann mittels eines Abhebeprozesses mustergeformt. Der Abhebeprozeß entfernt alles Material mit umgekehrter c-Achse, das auf der Schicht aus Fotoresist aufgebracht ist, hinterläßt aber Material mit umgekehrter c-Achse, das in dem Fenster aufgebracht ist, das im Fotoresist definiert ist. Dann wird der Fotoresist entfernt. Die Herstellung des Transformators wird durch Durchführen der Prozesse abgeschlossen, die oben unter Bezug auf 6F–6K und 6Q–6V beschrieben sind.
Das piezoelektrische Material mit normaler c-Achse und das piezoelektrische Material mit umgekehrter c-Achse können in gegenüber der soeben beschriebenen umgekehrter Reihenfolge aufgebracht werden.
8A–8F stellen eine andere Art und Weise des Herstellens eine Ausführungsform 400 eines akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators gemäß der Erfindung dar. Elemente des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators 400, die Elementen des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators 200 entsprechen, der oben unter Bezug auf 2A–2C und 3 beschrieben ist, sind durch dieselben Bezugszeichen angegeben und werden nicht erneut im einzelnen beschrieben. Im akustisch gekoppelten Dünnschichttransformator 400 wird ein piezoelektrisches ferroelektrisches Material als das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schichten 217 und 227 verwendet, ist das Material von piezoelektrischer Schicht 266 Material mit umgekehrter c-Achse und ist das Material der übrigen piezoelektrischen Schichten 216, 226 und 256 Material mit normaler c-Achse. Alternativ kann das Material von piezoelektrischer Schicht 256 Material mit umgekehrter c-Achse sein. Piezoelektrische Schicht 256 oder 266 ist aus Material mit umgekehrter c-Achse hergestellt, weil die Richtungen der c-Achsen des ferroelektrischen Materials, das diese Schichten bildet, durch Anlegen elektrischer Felder in entgegengesetzten Richtungen zu den piezoelektrischen Schichten 256 und 266 eingestellt wird, und die Elektroden 254 und 264, die sich auf den piezoelektrischen Schichten 256 bzw. 266 befinden, sind die einzigen beiden Elektroden, die nicht über eine der Leiterbahnen 236, 237 und 238 miteinander verbunden sind.
8A–8F sind Draufsichten, die die Verarbeitung eines Wafers 402, um Ausführungsbeispiele von akustisch gekoppelten Dünnschichttransformatoren 400 ähnlich dem akustisch gekoppelten, oben unter Bezug auf 2A–2C beschriebenen Dünnschichttransformator 200 herzustellen, darstellen. Wie oben erwähnt, werden typischerweise Tausende von akustisch gekoppelten Dünnschichttransformatoren auf einem einzigen Wafer hergestellt. Jedoch ist die Anzahl der in 8A–8F gezeigten akustisch gekoppelten Dünnschichttransformatoren auf vier reduziert, um die Zeichnung zu vereinfachen. Die unten dargelegten quantitativen Beispiele beziehen sich auf Ausführungsformen eines akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators 400, der für den Betrieb bei einer Frequenz von etwa 1,9 GHz geeignet ist. Ausführungsformen, die für den Betrieb bei anderen Frequenzen geeignet sind, unterscheiden sich in derartigen Details.
Als erstes werden die Prozesse durchgeführt, die oben unter Bezug auf 6A, 6B, 6L und 6M beschrieben sind. Dann wird eine erste Metallschicht auf dem Wafer aufgebracht. In einer Ausführungsform, in der das Material von piezoelektrischer Schicht 417 (8B) ein Perowskit-Ferroelektrikum wie z.B. Bleizirkoniumtitanat (PZT) ist, ist das Material der ersten Metallschicht Platin oder Iridium. Diese Materialien sind mit dem Auftragungsprozeß kompatibel, der später zum Aufbringen der piezoelektrischen Schicht 417 benutzt wird. Alternativ besteht die erste Metallschicht aus einer Schicht eines hochschmelzenden Metalls, wie z.B. Molybdän, das mit einer dünnen Schutzschicht aus Platin oder Iridium beschichtet ist. Die Schicht hochschmelzenden Metalls weist eine Dicke auf, die sich von der Entwurfsdicke der ersten Metallschicht um die Dicke der Schutzschicht unterscheidet. Die Schutzschicht stellt die oben erwähnte Auftragungsprozeß-Kompatibilität bereit. Die erste Metallschicht wird mustergeformt, um Elektroden 212 und 252, Leiterbahn 236, Anschlußfläche 272 und Leiterbahn 273 zu definieren, die sich auf Füllmaterial 205 befindet, wie in 8A gezeigt und wie oben unter Bezug auf 6C und 6N beschrieben. Die erste Metallschicht wird außerdem mustergeformt, um einen Ebene-1-Bus 286, eine Ebene-1-Kontaktfläche 287 an einem Ende von Bus 286 und Leiterbahnen 288 zu definieren, die sich jeweils von den Anschlußflächen 272 von Transformatoren 400 zu Bus 286 erstrecken.
Dann wird eine erste Schicht piezoelektrischen Materials aufgebracht und wird mustergeformt, um piezoelektrische Schicht 417 zu definieren, die in 8B gezeigt ist. Piezoelektrische Schicht 417 stellt piezoelektrische Schichten 216 und 256 (3) bereit und wird mustergeformt, um einen Teil der Oberfläche von Füllmaterial 205 und Anschlußflächen 232 und 272 freizulegen. Piezoelektrische Schicht 417 wird außerdem mustergeformt, um Fenster 219 zu definieren, um Ebene-1-Bus 286 abzudecken, Ebene-1-Kontaktfläche 287 aber freiliegend zu lassen, wie in 8B gezeigt. Das piezoelektrische Material von piezoelektrischer Schicht 417 ist ein ferroelektrisches Material.
In einer Ausführungsform war das ferroelektrische Material, das aufgebracht wurde, um piezoelektrische Schicht 417 auszubilden, Bleizirkoniumtitanat (PZT) und wurde mit einer Dicke von etwa 500 nm durch einen Prozeß wie z.B. HF-Sputtern, einen Sol-Gel-Prozeß oder metallorganische Gasphasenepitaxie (metal-organic chemical Vapor Deposition, MOCVD) aufgebracht. Das ferroelektrische Material wurde durch Naßätzen oder chlorbasiertes Trockenätzen mustergeformt. Zu den alternativen ferroelektrischen Materialien für piezo elektrische Schicht 317 zählen Perowskit-Ferroelektrika wie z.B. Bleimetaniobat und Bariumtitanat.
Es wird eine zweite Metallschicht aufgebracht. In einer Ausführungsform, in der das Material von piezoelektrischer Schicht 427 (8D) ein Perowskit-Ferroelektrikum wie z.B. Bleizirkoniumtitanat (PZT) ist, ist das Material der zweiten Metallschicht Platin oder Iridium. Diese Materialien sind mit dem Auftragungsprozeß kompatibel, der später zum Aufbringen der piezoelektrischen Schicht 427 benutzt wird. Alternativ besteht die zweite Metallschicht der piezoelektrischen Schicht 417 benachbart aus einer dünnen Schutzschicht aus Platin oder Iridium und einer Schicht eines hochschmelzenden Metalls wie z.B. Molybdän. Die Schicht hochschmelzenden Metalls weist eine Dicke auf, die sich von der Entwurfsdicke der zweiten Metallschicht um die Dicke der Schutzschicht unterscheidet. Die Schutzschicht stellt die oben erwähnte Auftragungsprozeß-Kompatibilität bereit. Die zweite Metallschicht wird mustergeformt, um Elektrode 214, Elektrode 254, Leiterbahn 237, Anschlußfläche 232 und Leiterbahn 233 zu definieren, wie oben unter Bezug auf 6F und 6Q beschrieben und in 8B gezeigt. Die zweite Metallschicht wird außerdem mustergeformt, um einen Ebene-2-Bus 289, eine Ebene-2-Kontaktfläche 290 an einem Ende von Bus 289 und Leiterbahnen 291 zu definieren, die sich jeweils von den Anschlußflächen 232 von Transformatoren 400 zu Bus 289 erstrecken.
Dann wird eine Schicht akustisch entkoppelnden Materials aufgebracht und wird mustergeformt, um eine akustisch entkoppelnde Schicht 431 zu definieren, die den akustischen Entkoppler 230 und den akustischen Entkoppler 270 bereitstellt (3), wie oben unter Bezug auf 6G und 6R beschrieben und wie in 8C gezeigt. Die akustisch entkoppelnde Schicht 431 bedeckt mindestens Elektrode 214 und Elektrode 254 (8B) und wird mustergeformt, um einen Teil der Oberfläche von Füllmaterial 205 und Anschlußflächen 232 und 272 freizulegen. Akustisch entkoppelnde Schicht 431 wird außerdem mustergeformt, um Fenster 219 zu definieren, um Ebene-2-Bus 289 abzudecken, Kontaktflächen 287 und 290 aber freiliegend zu lassen.
Es wird eine dritte Metallschicht auf dem Wafer aufgebracht. In einer Ausführungsform, in der das Material von piezoelektrischer Schicht 427 (8D) ein Perowskit-Ferroelektrikum wie z.B. Bleizirkoniumtitanat (PZT) ist, ist das Material der dritten Metallschicht Platin oder Iridium. Diese Materialien sind mit dem Auftragungsprozeß kompatibel, der später zum Aufbringen der piezoelektrischen Schicht 427 benutzt wird. Alternativ besteht die dritte Metallschicht aus einer Schicht eines hochschmelzenden Metalls, wie z.B. Molybdän, das mit einer dünnen Schutzschicht aus Platin oder Iridium beschichtet ist. Die Schicht hochschmelzenden Metalls weist eine Dicke auf, die sich von der Entwurfsdicke der dritten Metallschicht um die Dicke der Schutzschicht unterscheidet. Die Schutzschicht stellt die oben erwähnte Auftragungsprozeß-Kompatibilität bereit. Die dritte Metallschicht wird mustergeformt, um Elektrode 222, Elektrode 262 und Leiterbahn 238 zu definieren, wie oben unter Bezug auf 6H und 6S beschrieben und wie in 8C gezeigt. Die dritte Metallschicht wird außerdem mustergeformt, um einen Ebene-3-Bus 292, eine Ebene-3-Kontaktfläche 293 an einem Ende von Bus 292 und Leiterbahnen 294 zu definieren, die sich jeweils von den Elektroden 222 von Transformatoren 400 zu Bus 292 erstrecken.
Dann wird eine zweite Schicht piezoelektrischen Materials auf dem Wafer aufgebracht und wird mustergeformt, um piezoelektrische Schicht 427 zu definieren, die in 8D gezeigt ist. Piezoelektrische Schicht 427 stellt piezoelektrische Schichten 226 und 266 (3) bereit und wird mustergeformt, um einen Teil der Oberfläche von Füllmaterial 205 und Anschlußflächen 232 und 272 freizulegen. Piezoelektrische Schicht 427 wird außerdem mustergeformt, um Fenster 219 zu definieren, um Ebene-3-Bus 292 abzudecken, Kontaktflächen 287, 290 und 293 aber freiliegend zu lassen, wie in 8D gezeigt. Das piezoelektrische Material von piezoelektrischer Schicht 427 ist ein ferroelektrisches Material.
In einer Ausführungsform war das ferroelektrische Material, das aufgebracht wurde, um piezoelektrische Schicht 427 auszubilden, PZT und wurde mit einer Dicke von etwa 500 nm durch einen Prozeß wie z.B. HF-Sputtern, einen Sol-Gel-Prozeß oder metallorganische Gasphasenepitaxie (MOCVD) aufgebracht. Das ferroelektrische Material wurde durch Naßätzen oder durch chlorbasiertes Trockenätzen mustergeformt. Zu den alternativen ferroelektrischen Materialien für piezoelektrische Schicht 427 zählen Perowskit-Ferroelektrika wie z.B. Bleimetaniobat und Bariumtitanat.
Es wird eine vierte Metallschicht aufgebracht. Das Material der vierten Metallschicht ist ein hochschmelzendes Metall wie z.B. Molybdän. Als das Material der vierten Metallschicht kann ein hochschmelzendes Metall verwendet werden, weil kein Auftragungsprozeß von Perowskit-Ferroelektrikum erfolgt, nachdem die vierte Metallschicht aufgebracht ist. Die vierte Metallschicht wird mustergeformt, um Elektrode 224, Elektrode 264, Anschlußfläche 234, Leiterbahn 235, Anschlußfläche 274 und Leiterbahn 275 zu definieren, wie oben unter Bezug auf 6H und 6S beschrieben und wie in 8D gezeigt. Die vierte Metallschicht wird außerdem mustergeformt, um einen ersten Ebene-4-Bus 295, eine erste Ebene-4-Kontaktfläche 296 an einem Ende von Bus 295 und Leiterbahnen 297 zu definieren, die sich jeweils von den Elektroden 224 von Transformatoren 400 zu Bus 295 erstrecken. Die vierte Metallschicht wird außerdem mustergeformt, um einen zweiten Ebene-4-Bus 298, eine zweite Ebene-4-Kontaktfläche 299 am Ende von Bus 298 und Leiterbahnen 300 zu definieren, die sich jeweils von den Anschlußflächen 274 zweier der Transformatoren 400 zu Bus 298 erstrecken. Die vierte Metallschicht wird außerdem mustergeformt, um einen dritten Ebene-4-Bus 301, eine dritte Ebene-4-Kontaktfläche 302 an einem Ende von Bus 301 und Leiterbahnen 303 zu definieren, die sich jeweils von den Anschlußflächen 274 der übrigen zwei der Transformatoren 400 zu Bus 301 erstrecken, wie in 8D gezeigt.
In einer Ausführungsform wurden die oben beschriebenen Metallschichten durch Aufbringen von Molybdän mit einer Dicke von etwa 440 nm durch Sputtern ausgebildet und wurden durch Trockenätzen mustergeformt. Alternativen ähnlich jenen, die oben beschrieben sind, sind möglich.
Nun Bezug nehmend auf 8E und außerdem auf 8A–8C, wird der Wafer auf eine Temperatur von etwa 125° C erwärmt, und Polungsspannungen werden wie folgt an die Kontaktflächen gelegt: Kontaktflächen 290 und 293 werden an Masse gelegt. Kontaktflächen 287, 299 und 302 werden mit einer negativen Polungsspannung verbunden, und Kontaktfläche 296 wird mit einer positiven Polungsspannung verbunden. Diese Anordnung von Polungsspannungen wird über Busse 286, 289, 292, 295, 298 und 301 und Bahnen 236, 288, 237, 291, 238, 294, 297, 300 und 303 an Elektroden 212, 214, 222, 224, 252, 254, 262 und 264 gelegt. Die Elektroden erzeugen über den piezoelektrischen Schichten von FBARs 210, 220 und 250 (3) ein richtendes elektrisches Feld, das von Wafer 402 fort gerichtet ist, und erzeugen über der piezoelektrischen Schicht von FBAR 260 (3) ein richtendes elektrisches Feld, das auf Wafer 402 zu gerichtet ist. Das richtende elektrische Feld stellt die c-Achse der piezoelektrischen Schicht 266 von FBAR 260 hinsichtlich der Richtung entgegengesetzt zu den c-Achsen der piezoelektrischen Schichten 216, 226 und 256 der FBARs 210, 220 bzw. 250 ein.
In einer anderen Ausführungsform werden Polungsspannungen mit Polaritäten entgegengesetzt jenen, die angegeben sind, an die Kontraktflächen gelegt, um die c-Achse von piezoelektrischer Schicht 266 hinsichtlich der Richtung entgegengesetzt zu den c-Achsen von piezoelektrischen Schichten 216, 226 und 256 einzustellen. In einer anderen Ausführungsform werden Polungsspannungen mit Polaritäten entgegengesetzt jenen, die in 8E angegeben sind, an Kontraktflächen 296, 299 und 302 gelegt, um die c-Achse von piezoelektrischer Schicht 256 hinsichtlich der Richtung entgegengesetzt zu den c-Achsen von piezoelektrischen Schichten 216, 226 und 266 einzustellen. Andere Kombinationen von Polungsspannungen können verwendet werden, um die c-Achse einer der piezoelektrischen Schichten hinsichtlich der Richtung entgegengesetzt zu den c-Achsen der anderen drei piezoelektrischen Schichten einzustellen.
In einer Ausführungsform liegen die Polungsspannungen im Bereich von etwa 250 mV bis etwa 1 V. Bei piezoelektrischen Schichten 216, 226, 256 und 266, die eine Dicke von etwa 500 nm aufweisen, wie oben beschrieben, erzeugen Polungsspannungen in diesem Bereich in den piezoelektrischen Schichten ein richtendes elektrisches Feld im Bereich von etwa 500 kV/m bis etwa 1 MV/m.
Wafer 402 wird dann durch einen bekannten Vereinzelungsprozeß, der die Bereiche von Wafer 402 entfernt, die durch die in 8F gezeigten unterbrochenen Linien 305 und 306 angezeigt sind, in einzelne akustisch gekoppelte Dünnschichttransformatoren geteilt. Der Vereinzelungsprozeß trennt außerdem Bahnen 288, 291, 294, 297, 300 und 303 (8A–8D) von Bussen 286, 289, 292, 295, 298 und 301. Dies unterbricht die elektrischen Verbindungen zwischen den Elektroden, die vorher durch die Bahnen und Busse miteinander verbunden waren.
Erneut Bezug nehmend auf 3, weisen akustisch gekoppelte Dünnschichttransformatoren 400, die durch den gerade beschriebenen Prozeß hergestellt sind, einen Schaltkreis ähnlich Schaltkreis 241, der FBARs 210 und 250 parallel verbindet, und einen Schaltkreis ähnlich Schaltkreis 242 auf, der FBARs 250 und 260 seriell verbindet. Jedoch sind, anders als das in 3 gezeigte Beispiel, die c-Achsen der piezoelektrischen Schichten 216 und 256 hinsichtlich der Richtung gleich und die c-Achsen der piezoelektrischen Schichten 226 und 266 hinsichtlich der Richtung entgegengesetzt. Folglich generiert FBAR 210 akustische Energie, die mit der akustischen Energie phasengleich ist, die durch FBAR 250 generieren wird. Das elektrische Signal, das durch FBAR 260 generiert wird, ist gegenphasig zum elektrischen Signal, das durch FBAR 220 generiert wird, weil die Richtung der c-Achse der piezoelektrischen Schicht 266 von FBAR 260 zu jener der piezoelektrischen Schicht 256 von FBAR 250 entgegengesetzt ist. Die Signale an Elektroden 254 und 264 des akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators 400 sind gegenphasig, ähnlich den entsprechenden Signalen im akustisch gekoppelten Dünnschichttransformator 200, der in 3 gezeigt ist.
In anderen Ausführungsformen eines akustisch gekoppelten Dünnschichttransformators gemäß der Erfindung, in denen die C-Achse der piezoelektrischen Schicht eines der FBARs hinsichtlich der Richtung den c-Achsen der piezoelektrischen Schichten der anderen FBARs entgegengesetzt ist, können elektrische Schaltkreise 241 und 242 konfiguriert sein, um die FBARs gegenüber dem oben beschriebenen Beispiel unterschiedlich miteinander zu verbinden.
In derartigen anderen Ausführungsformen verbinden die elektrischen Schaltkreise 241 und 242 jeweils die jeweiligen FBARs in einer beliebigen einer parallelen, einer seriellen, einer antiparallelen und einer antiseriellen Konfiguration. Von den sechzehn möglichen Kombinationen der parallelen, seriellen, antiparallelen und antiseriellen elektrischen Schaltkreis-Konfigurationen erzeugen nur acht einen funktionierenden Transformator. Die Kombination elektrischer Schaltkreis-Konfigurationen, die die FBARs verbinden, bestimmt die Impedanz und das Impedanz-Übersetzungsverhältnis des Transformators, d.h., 1:1 bei niedriger Impedanz, 1:1 bei hoher Impedanz, 1:4 oder 4:1. Die einzelne piezoelektrische Schicht aus Material mit umgekehrter c-Achse verursacht eine Asymmetrie, die funktionierende Ausführungsformen verhindert, in denen beide der elektrischen Schaltkreise 241 und 242 elektrisch symmetrisch sind. In jeder Ausführungsform ist nur einer der elektrische Schaltkreise elektrisch symmetrisch. Dieser Nachteil kann überwunden werden, indem der unsymmnetrische elektrische Schaltkreis mit einer unsymmetrischen externen Schaltung verbunden wird und umgekehrt. Die Parallel-Seriell-Ausführungsform, die oben detailliert beschrieben ist, weist außerdem gute Gleichtaktunterdrückung auf. Die möglichen Kombinationen elektrischer Schaltkreis-Konfigurationen sind in Tabelle 1 unten zusammengefaßt:
Tabelle 1
In Tabelle 1 geben die Zeilenüberschriften die Konfiguration eines der elektrischen Schaltkreise an, z.B. des elektrischen Schaltkreises 241, die Spaltenüberschriften geben die Konfiguration des anderen der elektrischen Schaltkreise an, z.B. des elektrischen Schaltkreises 242, B1 zeigt an, daß der elektrische Schaltkreis, der durch die Zeilenüberschrift angegeben ist, elektrisch symmetrisch ist, B2 zeigt an, daß der elektrische Schaltkreis, der durch die Spaltenüberschrift angegeben ist, symmetrisch ist, und X zeigt einen nicht funktionierenden Transformator an. Das gezeigte Impedanz-Übersetzungsverhältnis ist die Impedanztransformation von elektrischen Anschlüssen, die mit dem elektrische Schaltkreis verbunden sind, der durch die Zeilenüberschrift angegeben ist, zu elektrischen Anschlüssen, die mit dem elektrischen Schaltkreis verbunden sind, der durch die Spaltenüberschrift angegeben ist. NIEDRIG zeigt an, daß der Transformator eine niedrige Impedanz aufweist, die der zweier paralleler FBARs äquivalent ist; HOCH gibt an, daß der Transformator eine hohe Impedanz aufweist, die der zweier serieller FBARs äquivalent ist. Elektroden, die parallel oder antiseriell verbunden sind, weisen gleichphasige Spannungen über ihnen auf, wohingegen Elektroden, die seriell oder antiparallel verbunden sind, gegenphasige Spannungen über ihnen aufweisen.
Die in Tabelle 1 gezeigten elektrische Schaltkreise unterliegen der Bedingung, daß ein elektrischer Schaltkreis nur die Elektroden von FBARs auf derselben Ebene gegenseitig in SBARs 206 und 208 verbinden darf, d.h., einer der elektrischen Schaltkreise darf nur die Elektroden von FBARs 210 und 250 verbinden, und der andere der elektrischen Schaltkreise darf nur die Elektroden von FBARs 220 und 260 verbinden.
Diese Beschreibung beschreibt die Erfindung detailliert mittels anschaulicher Ausführungsformen. Jedoch ist die Erfindung, die durch die angehängten Ansprüche definiert ist, nicht auf die konkreten beschriebenen Ausführungsformen begrenzt.

Claims

Akustisch gekoppelter Transformator (200), umfassend: einen ersten gestapelten Verbund-Akustikresonator, SBAR, (206), und einen zweiten SBAR (208), wobei jeder SBAR umfaßt: ein gestapeltes Paar von Schicht-Verbund-Akustikresonatoren, FBARs, (z.B. 210, 220), wobei jeder FBAR ein entgegengesetztes Paar Elektroden (z.B. 212, 214) und eine Schicht (z.B. 216) piezoelektrischen Materials zwischen den Elektroden umfaßt, wobei das piezoelektrische Material eine c-Achse (z.B. 246) umfaßt, und einen akustischen Entkoppler (z.B. 230) zwischen den FBARs; einen ersten elektrischen Schaltkreis (241), der einen (210) der FBARs des ersten SBAR mit einem (250) der FBARs des zweiten SBAR verbindet; und einen zweiten elektrischen Schaltkreis (242), der den anderen (250) der FBARs des ersten SBAR mit dem anderen (260) der FBARs des zweiten SBAR verbindet, wobei die c-Achse (z.B. 248) des piezoelektrischen Materials eines FBAR (z.B. 250) hinsichtlich der Richtung der c-Achsen (246, 247, 249) des piezoelektrischen Materials der anderen drei FBARs (210, 220, 260) entgegengesetzt ist.
Transformator nach Anspruch 1, wobei: der erste elektrische Schaltkreis einen der FBARs des ersten SBAR parallel mit einem der FBARs des zweiten SBAR verbindet; und der zweite elektrische Schaltkreis den anderen der FBARs des ersten SBAR seriell mit dem anderen der FBARs des zweiten SBAR verbindet.
Transformator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die akustischen Entkoppler jeweils eine Schicht (231) akustisch entkoppelnden Materials umfassen.
Transformator nach Anspruch 3, wobei das akustisch entkoppelnde Material Kunststoff umfaßt.
Transformator nach Anspruch 3, wobei das akustisch entkoppelnde Material elektrisch leitend ist.
Transformator nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei: der Transformator einen Bandpass aufweist, der durch eine Mittenfrequenz charakterisiert ist; und die Schicht des akustisch entkoppelnden Materials eine nominale Dicke gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen einem Viertel der Wellenlänge innerhalb des akustisch entkoppelnden Materials einer akustischen Welle mit einer Frequenz gleich der Mittenfrequenz aufweist.
Transformator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die akustischen Entkoppler jeweils eine Bragg-Struktur (261) umfassen.
Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche, der ferner eine elektrische Verbindung zwischen bestimmten Elektroden der Elektroden umfaßt, die auf entgegengesetzten Seiten des akustischen Entkopplers angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen eines akustisch koppelnden Transformators (200), wobei das Verfahren umfaßt: Herstellen eines ersten gestapelten Verbund-Akustikresonators (206), SBAR, und eines zweiten SBAR (208), wobei das Herstellen umfaßt: Ausbilden von unteren Schicht-Verbund-Akustikresonatoren (210, 250), FBARs, oberen FBARs (220, 260) und Akustik-Entkopplern (230, 270) zwischen den unteren FBARs und den oberen FBARs, wobei jeder FBAR entgegengesetzte planare Elektroden (z.B. 212, 214) und eine Schicht (z.B. 216) piezoelektrischen Materials zwischen diesen umfaßt, wobei das piezoelektrische Material eine c-Achse (z.B. 246) umfaßt und das Ausbilden das Einstellen der c-Achse (248) des piezoelektrischen Materials eines der FBARs (250) in entgegengesetzter Richtung zu den c-Achsen (246, 247, 249) des piezoelektrischen Materials der anderen drei FBARs (210, 220, 260) umfaßt; elektrisch Verbinden einer der FBARs (z.B. 210) des ersten SBAR (206) mit einem der FBARs (z.B. 250) des zweiten SBAR (208); und elektrisch Verbinden des anderen FBAR (z.B. 220) des ersten SBAR mit dem anderen FBAR (z.B. 260) des zweiten SBAR.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei: das Ausbilden umfaßt: Aufbringen und Musterformen einer Metallschicht, um ein Paar der Elektroden (z.B. 212, 252) zu definieren, und Aufbringen einer Schicht (z.B. 217) piezoelektrischen Materials über die Elektroden; wobei das Einstellen das Aufbringen einer Keimschicht (255) piezoelektrischen Materials mit umgekehrter c-Achse auf eine (z.B. 252) der Elektroden vor dem Aufbringen der Schicht piezoelektrischen Materials umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei: das Aufbringen der Keimschicht unter ersten Ausbringungsbedingungen ausgeführt wird, die das Ausbilden von Material mit umgekehrter c-Achse unterstützen; und das Aufbringen der Schicht piezoelektrischen Materials unter zweiten Aufbringungsbedingungen ausgeführt wird, die das Ausbilden von Material mit normaler c-Achse unterstützen, wobei der Bereich (z.B. 256) der Schicht, die auf die Keimschicht aufgebracht wird, Material mit umgekehrter c-Achse ist, trotz seines Aufbringens unter zweiten Aufbringungsbedingungen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei: das Ausbilden umfaßt: Aufbringen und Musterformen einer Metallschicht, um ein Paar der Elektroden (z.B. 212, 252) zu definieren; und Aufbringen einer Schicht piezoelektrischen Materials auf die Elektroden, wobei die Schicht einen Bereich (z.B. 256) aus Material mit umgekehrter c-Achse auf einer (z.B. 252) der Elektroden sowie einen Bereich (z.B. 216) aus Material mit normaler c-Achse auf der anderen der Elektroden (z.B. 212) umfaßt; und das Einstellen der Bereiche mittels verschiedener Aufbringungsbedingungen umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei: das Ausbilden umfaßt: Aufbringen einer Metallschicht und Musterformen der Metallschicht, um ein Paar erster Elektroden (z.B. 222, 262) zu definieren, Aufbringen einer Schicht (z.B. 427) ferroelektrischen Materials auf die erste Elektrode, und Aufbringen einer weiteren Metallschicht und Musterformen dieser Metallschicht, um ein Paar zweiter Elektroden (z.B. 224, 264) entgegengesetzt zu den ersten Elektroden zu definieren; und das Einstellen das Anlegen von Polungsspannung einer nominalen Polarität zwischen eine (z.B. 222) der ersten Elektroden und eine entgegengesetzte Elektrode (z.B. 224) der zweiten Elektroden, und das Anlegen einer Polungsspannung einer entgegengesetzten Polarität zwischen die andere (z.B. 262) der ersten Elektroden und die andere (z.B. 264) der zweiten Elektroden umfaßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, das ferner das elektrische Verbinden bestimmter Elektroden der Elektroden umfaßt, die auf entgegengesetzten Seiten des Akustik-Entkopplers angeordnet sind.