Title:
Akustischer Volumenwellenresonator mit reduzierten Verlusten, HF-Filter mit solchen Resonatoren und Verfahren zur Herstellung solcher Resonatoren
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Es wird ein BAW-Resonator mit reduzierten Verlusten bereitgestellt. Der Resonator weist ein Wärmeisolierungselement auf, um den Wärmefluss in die Umgebung des Resonators zu reduzieren.





Inventors:
Caruyer, Gregory, Dr. (80805, München, DE)
Application Number:
DE102016111061A
Publication Date:
12/21/2017
Filing Date:
06/16/2016
Assignee:
SnapTrack, Inc. (Calif., San Diego, US)
International Classes:
H03H9/17; H03H3/04
Foreign References:
68126192004-11-02
20130049888
Attorney, Agent or Firm:
BARDEHLE PAGENBERG Partnerschaft mbB Patentanwälte, Rechtsanwälte, 81675, München, DE
Claims:
1. BAW-Resonator (R) mit reduzierten Verlusten, welcher Folgendes umfasst:
– einen aktiven Abschnitt mit einer unteren Elektrode (BE), einer oberen Elektrode (TE) und einer piezoelektrischen Schicht (PL) zwischen der unteren Elektrode (BE) und der oberen Elektrode (TE), sowie
– ein Wärmeisolierungselement (HIE),
wobei
– das Wärmeisolierungselement (HIE) eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die direkt angrenzenden Elemente des Resonators (R).

2. Resonator nach dem vorangehenden Anspruch, wobei das Wärmeisolierungselement (HIE) den Wärmefluss vom Resonator (R) in seine Umgebung reduziert.

3. Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wärmeisolierungselement (HIE) eine Wärmeleitfähigkeit Whie ≤ 150 W/(m·K) aufweist.

4. Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wärmeisolierungselement (HIE) eine Wärmeisolierungsschicht umfasst.

5. Resonator nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Wärmeisolierungsschicht in der Nähe der oberen Elektrode (TE) oder der unteren Elektrode (BE) angeordnet ist.

6. Resonator nach dem vorangehenden Anspruch, wobei die Wärmeisolierungsschicht oberhalb oder unterhalb der unteren Elektrode (BE) angeordnet ist.

7. Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wärmeisolierungselement (HIE) ein dielektrisches Material umfasst.

8. Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Wärmeisolierungselement (HIE) ein Material umfasst oder aus diesem besteht, welches aus einem Siliziumoxid, einem Aluminiumoxid, einem Siliziumnitrid, einem sauerstoffdotierten Aluminiumnitrid und einem sauerstoffreichen Oxid ausgewählt ist.

9. Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher ein Resonator vom FBAR-Typ oder vom SMR-Typ ist.

10. Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, welcher eine Rahmenstruktur zum Reduzieren unerwünschter akustischer Moden aufweist.

11. HF-Filter (F), welcher einen Resonator (R) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst.

12. Verfahren zur Herstellung eines Resonators (R) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, welches den Schritt des Ausbildens eines Wärmeisolierungselements (HIE) im Resonator (R) umfasst.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft akustische Volumenwellenresonatoren (BAW-Resonatoren), welche reduzierte Verluste aufweisen. Solche Resonatoren können in HF-Filtern eingesetzt werden. Ferner betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung solcher Resonatoren.

BAW-Resonatoren bilden Schaltkreiselemente, die in HF-Filtern, z. B. Bandpassfiltern oder Bandsperrfiltern, verwendet werden können. In BAW-Resonatoren ist ein piezoelektrisches Material in einer Sandwichanordnung zwischen zwei Elektroden angeordnet. Ein solcher Resonator wandelt HF-Signale einer entsprechenden Frequenz in Schallwellen um und umgekehrt. Die Resonanzfrequenz eines solchen Resonators hängt von der Geometrie des Resonators ab, insbesondere von der Dicke der piezoelektrischen Schicht, welche hauptsächlich die halbe Schallwellenlänge λ/2 der Schallwelle bestimmt.

Wenn solche Resonatoren verwendet werden, um einen HF-Filter zu bilden, z. B. für batteriebetriebene mobile Kommunikationsvorrichtungen, führen Verluste von Resonatoren zu einer Signaldämpfung, was zu einer erforderlichen Erhöhung des Verstärkungsfaktors entsprechender Verstärker führt, was zu einer reduzierten Batterielebensdauer führt. Daher sollten Verluste bei elektroakustischen Resonatoren so gering wie möglich sein.

Verluste können aufgrund der Anregung unerwünschter akustischer Moden (Nebenmoden) auftreten. Aus US 6.812.619 B1 ist bekannt, dass eine rahmenartige Struktur auf einem Schichtaufbau eines Resonators die Anregung unerwünschter Moden reduziert. Eine solche zusätzliche Struktur ist jedoch akustisch an den Resonator gekoppelt und kann die erwünschten akustischen Moden des Resonators negativ beeinflussen.

Ferner können andere Verluste nicht mit einer solchen rahmenartigen Struktur reduziert werden.

Daher ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen elektroakustischen Resonator bereitzustellen, der mit akustischen Volumenwellen arbeitet, bei welchem die Verluste reduziert sind, obwohl die erwünschten akustischen Moden ungestört bleiben können. Ferner ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, entsprechende HF-Filter und Verfahren zur Herstellung solcher Resonatoren bereitzustellen.

Zu diesem Zweck wird der BAW-Resonator gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 bereitgestellt. Abhängige Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen des Resonators bereit.

Der BAW-Resonator mit reduzierten Verlusten umfasst einen aktiven Abschnitt mit einer unteren Elektrode, einer oberen Elektrode und einer piezoelektrischen Schicht zwischen der unteren Elektrode und der oberen Elektrode. Ferner weist der Resonator ein Wärmeisolierungselement auf. Das Wärmeisolierungselement weist eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit auf als die direkt angrenzenden Elemente des Resonators.

Das Wärmeisolierungselement kann oberhalb des aktiven Abschnittes, innerhalb des aktiven Abschnittes, unterhalb des aktiven Abschnittes, direkt über dem aktiven Abschnitt und/oder direkt unter dem aktiven Abschnitt angeordnet sein.

Die beiden Elektroden können gängige Metalle oder Legierungen umfassen, die für BAW-Resonatoren verwendet werden. Ebenso kann die piezoelektrische Schicht ein piezoelektrisches Material umfassen, das üblicherweise bei BAW-Resonatoren verwendet wird. Das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schicht kann ein Aluminiumnitrid oder ein ähnliches Material sein.

Wenn er aktiv ist, wandelt ein BAW-Resonator zwischen HF-Signalen und Schallwellen. Verluste können reduziert werden, wenn die Ohm'schen Verluste reduziert werden, indem Elektroden mit niedrigem Widerstand oberhalb und unterhalb des piezoelektrischen Materials angeordnet werden.

Jedoch erzeugt die entstehende mechanische Verformung aufgrund der Schallwellen sogar bei reduzierten elektrischen Verlusten einen Verlustkanal. In diesem Verlustkanal wird die mechanische Energie dissipiert, und Wärme wird erzeugt. Die erzeugte Wärme wird an die Umgebung des Resonators verteilt. Daher erwärmt die Batterie einer mobilen Kommunikationsvorrichtung die Umgebung des Resonators.

Physische Ausführungsformen von BAW-Resonatoren unterscheiden sich insofern von idealen BAW-Resonatoren, als dass sie nichtlineare Effekte zeigen. Es ist die normale Auffassung eines Fachmannes, dass Wärme von einem BAW-Resonator weggeleitet werden sollte, um unerwünschte Effekte zu minimieren, welche zu einer Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften eines BAW-Resonators führen. Daher können gängige BAW-Resonatoren Maßnahmen umfassen, um den Wärmefluss vom aktiven Segment des Resonators an seine Umgebung zu erhöhen.

Nun wurde im Gegensatz dazu festgestellt, dass das Isolieren des Resonators gegenüber seiner Umgebung dazu beitragen kann, die Eigenschaften eines Resonators zu verbessern, indem die Energieverluste reduziert werden, welche durch einen Wärmefluss weg vom Resonator verursacht werden. Das Wärmeisolierungselement erhöht die Wärmeisolierung des Resonators, und der Energiefluss der dissipierenden Energie wird reduziert. Dementsprechend weist der Resonator reduzierte Verluste auf, und der Betrieb des Resonators verbraucht weniger Leistung.

Dementsprechend ist es möglich, dass das Wärmeisolierungselement den Wärmefluss vom Resonator an seine Umgebung reduziert.

Um den Wärmefluss zu reduzieren, ist die Position des Isolierungselements wichtig. Unterschiedliche Resonatortypen werden auf unterschiedliche Weise befestigt. Wärme kann vom Resonator als Strahlung und über Wärmebrücken, z. B. Befestigungspunkte des Resonators, emittiert werden. Daher wird bevorzugt, ein oder mehrere Wärmeisolierungselemente anzuordnen, insbesondere an Positionen, an denen der Wärmefluss an die Umgebung groß ist. Um jedoch ausreichende elektroakustische Eigenschaften des Resonators sicherzustellen, sollte das Wärmeisolierungselement die Wellenausbreitung nicht zu sehr stören.

Da BAW-Resonatoren hauptsächlich Schichtstrukturen mit einer homogenen Dichte an einer bestimmten vertikalen Position sind, um eine zweidimensionale Isotropie zu erhöhen, um eindimensionale Oszillationsmoden in einer vertikalen Richtung zu verstärken, kann das Wärmeisolierungselement eine Schicht sein, die eine horizontale Dimension aufweist, die der horizontalen Dimension des Resonators entspricht.

Es ist möglich, dass das Wärmeisolierungselement eine Wärmeleitfähigkeit WHIE ≤ 150 W/(m·K) aufweist.

Gängige piezoelektrische Materialien wie z. B. Aluminiumnitrid weisen üblicherweise eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, z. B. größer als 150 W/(m·K), auf. Ein Isolierungselement, welches den Resonator von seiner Umgebung isoliert und eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit aufweist, reduziert die erzeugte Wärmeübertragung, insbesondere an Positionen mit einem höheren Spannungsprofil, während des Betriebs des Resonators. In Folge dessen werden die Verluste des Resonators reduziert, was zu einer erhöhten Batterielebenszeit und einem erhöhten Qualitätsfaktor des Resonators führt, was HF-Filter mit erhöhten Signaleigenschaften wie z. B. der Steilheit von Durchlassbandflanken ermöglicht.

Es ist möglich, dass das Isolierungselement eine Wärmeisolierungsschicht umfasst.

Um die Symmetrie des Resonators in horizontalen Richtungen anzupassen, kann die Isolierungsschicht dieselben horizontalen Dimensionen wie andere Schichten oder Strukturen wie z. B. Elektrodenschichten oder piezoelektrischen Schichten des Resonators aufweisen.

Die Anzahl von Wärmeisolierungselementen ist nicht auf eines beschränkt. Der Resonator kann zwei oder mehr Wärmeisolierungselemente umfassen. Es wird bevorzugt, dass der Resonator überall ein Wärmeisolierungselement aufweist, wo er mit seiner Umgebung verbunden ist.

Die Anzahl von Wärmeisolierungsschichten ist ebenfalls nicht auf eine beschränkt. Der Resonator kann zwei oder mehr Schichten umfassen.

Die Wärmeisolierungsschicht oder die mehreren Wärmeisolierungsschichten können in der Nähe der Elektroden angeordnet sein. Eine Isolierungsschicht kann in der Nähe der unteren Elektrode angeordnet sein. Eine Isolierungsschicht kann in der Nähe der oberen Elektrode angeordnet sein.

Die Elektroden des BAW-Resonators umfassen Metall, das normalerweise ein guter Wärmeleiter ist. Über die Elektroden ist der Resonator elektrisch und mechanisch mit einer externen Schaltkreisumgebung verbunden, z. B. mit anderen Resonatoren eines HF-Filters oder mit einem Eingangsanschluss oder mit einem Ausgangsanschluss eines solchen Filters. Eine solche mechanische Verbindung über ein Material mit niedrigem Widerstand bildet eine Wärmebrücke, welche einen hohen Beitrag zu einer erhöhten Wärmeübertragung an die Umgebung des Resonators leistet. Dementsprechend sind die Elektroden des Resonators Strukturen, die kritisch in Bezug auf einen Wärmefluss sind, und es wird bevorzugt, die Elektroden thermisch zu isolieren, um einen niedrigen Wärmefluss weg vom Resonator zu erzielen.

Die Schwingung der Schallwelle weist eine maximale Amplitude im Zentrum der piezoelektrischen Schicht auf. Die Wärmeerzeugung innerhalb der piezoelektrischen Schicht kann als homogen betrachtet werden. Je kleiner daher der Abstand zwischen einer entsprechenden Wärmeisolierungsschicht und einer Elektrode, desto größer das wärmeerzeugende Volumen, das über die Isolierungsschichten isoliert wird. Daher kann bevorzugt werden, dass die Wärmeisolierungselemente, z. B. Wärmeisolierungsschichten, zwischen dem Zentrum der piezoelektrischen Schicht und der entsprechenden Elektrode angeordnet sind. Ferner wird bevorzugt, dass der Abstand zwischen der oberen und der unteren Elektrode und der entsprechenden Wärmeisolierungsschicht geringer als 0,1 Mal die Schallwellenlänge λ ist. Es ist möglich, dass die Wärmeisolierungsschichten direkt zwischen dem piezoelektrischen Material und den entsprechenden Elektroden angeordnet sind. Es ist jedoch möglich, dass die Wärmeisolierungsschichten in der Nähe der entsprechenden Elektrode im piezoelektrischen Material eingebettet sind.

Es ist möglich, dass die Wärmeisolierungsschicht oberhalb oder unterhalb der unteren Elektrode angeordnet ist.

Es gibt unterschiedliche Typen von Resonatoren. Bei einem Resonator des SMR-Typs ist der aktive Abschnitt auf einem akustischen Spiegel angeordnet, welcher die Schallenergie räumlich begrenzt. Der akustische Spiegel umfasst Schichten niedriger und hoher akustischer Impedanz, um die Schallwellen zum aktiven Abschnitt zu reflektieren. In einem solchen Resonator wird beinahe die gesamte Wärme über den akustischen Spiegel in ein Trägersubstrat dissipiert. In einer solchen Anordnung wird lediglich eine oder eine geringe Anzahl von Wärmeisolierungsschichten benötigt, um den Wärmefluss auf ein Minimum zu begrenzen. Dann kann/können die entsprechende Wärmeisolierungsschicht oder die mehreren Wärmeisolierungsschichten lediglich auf einer Seite des aktiven Abschnittes angeordnet sein, vorzugsweise unterhalb des aktiven Abschnittes, um die Akustik des Resonators nicht zu stören. Es ist jedoch möglich, dass die Wärmeisolierungsschicht zwischen einem solchen akustischen Spiegel und dem darunter liegenden Trägersubstrat angeordnet ist.

Es ist möglich, dass das Wärmeisolierungselement ein dielektrisches Material umfasst.

Dielektrische Materialien weisen normalerweise Wärmeleitfähigkeiten auf, die geringer als die Wärmeleitfähigkeiten elektrischer Leiter sind. Ferner stellen dielektrische Materialien keine Gefahr für die elektrische Zuverlässigkeit dar, weil dielektrisches Material die Elektroden des Resonators nicht kurzschließen kann.

Es ist möglich, dass das Wärmeisolierungselement oder die Vielzahl von Wärmeisolierungselementen eine Materialauswahl aus einem Siliziumoxid, einem Aluminiumoxid, einem Siliziumnitrid, einem sauerstoffdotierten Aluminiumnitrid, einem sauerstoffreichen Oxid umfasst/umfassen oder aus dieser besteht/bestehen.

Das Material eines Isolierungselements muss nicht notwendigerweise das Material eines anderen Isolierungselements sein. Unterschiedliche Wärmeisolierungselemente können aus denselben Materialien bestehen, aber es ist ebenso möglich, dass unterschiedliche Wärmeisolierungselemente unterschiedliche Materialien aufweisen.

Es ist möglich, dass der Resonator ein FBAR-Typ-Resonator oder ein SMR-Typ-Resonator ist. Bei einem FBAR-Typ-Resonator (FBAR = Film Bulk Acoustic Resonator) ist der aktive Abschnitt über einem Hohlraum angeordnet, welcher eine Schallisolierung bildet, um die Schallenergie räumlich zu begrenzen. Ein FBAR-Typ-Resonator kann mechanisch an seiner Randregion an einem Trägersubstrat befestigt sein. Bei einem SMR-Typ-Resonator (SMR = Solidly Mounted Resonator) ist der aktive Abschnitt über einem akustischen Spiegel angeordnet, um die Energie räumlich zu begrenzen.

Es ist möglich, dass der Resonator eine Rahmenstruktur aufweist, um unerwünschte akustische Moden zu reduzieren. Die Rahmenstruktur kann eine Rahmenstruktur wie die in US 6.812.619 B1 gezeigte oder eine ähnliche Rahmenstruktur sein.

Ein HF-Filter, z. B. ein Bandpassfilter oder ein Bandsperrfilter, kann einen oder mehrere oben beschriebene Resonatoren umfassen. Der HF-Filter kann eine leiterähnliche Schaltkreistopologie oder eine gitterartige Schaltkreistopologie aufweisen.

Solche Filtertopologien weisen Reihenresonatoren und Nebenschluss-Resonatoren auf. Reihenresonatoren sind mit dem Signalpfad elektrisch in Reihe verbunden. Nebenschluss-Resonatoren verbinden den Reihenpfad elektrisch mit Masse. Reihenresonatoren blockieren HF-Signale oder unerwünschte Frequenzen. Nebenschluss-Resonatoren leiten HF-Signale unerwünschter Frequenzen auf Masse. Insbesondere bei Reihenresonatoren sollte der Einfügungsverlust so gering wie möglich sein, und die oben beschriebenen Verfahren zum Reduzieren von Verlusten werden bevorzugt. Nebenschluss-Resonatoren können oben beschriebene Maßnahmen umfassen. Nebenschluss-Resonatoren können jedoch auch ohne Wärmeisolierungselemente konstruiert werden, um das Augenmerk auf ideale Schwingungsmoden zu legen, ohne zusätzliche Elemente zu stören.

Ein Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen Resonators umfasst den Schritt des Ausbildens eines Wärmeisolierungselements im Resonator.

Falls das Wärmeisolierungselement oder mehrere Wärmeisolierungselemente aus Wärmeisolierungsschichten bestehen oder diese umfassen, dann werden die Wärmeisolierungsschichten während des Herstellungsprozesses auf anderen Elementen der Schichtstruktur wie z. B. Spiegelschichten, Elektrodenschichten oder Piezo-Schichten abgeschieden. Daher ist der zusätzliche Aufwand für das Hinzufügen einer Wärmeisolierungsschicht zum Reduzieren von Verlusten des Resonators minimal, und auch eine Erhöhung der Herstellungskosten kann auf ein Minimum reduziert werden.

Der Resonator und die Filter, die solche Resonatoren umfassen, sowie ihre Funktionsgrundlagen werden detaillierter in den schematischen Figuren beschrieben.

Insbesondere zeigt

1 einen grundlegenden Aufbau eines Resonators, welcher ein Wärmeisolierungselement umfasst,

2 einen Resonator vom SMR-Typ, welcher ein Wärmeisolierungselement umfasst,

3 die Verwendung von zwei Wärmeisolierungselementen, welche als Wärmeisolierungsschichten konstruiert sind,

4 die Verwendung einer Wärmeisolierungsschicht in einem SMR-Typ-Resonator,

5 die Anordnung einer Wärmeisolierungsschicht zwischen dem aktiven Abschnitt und einem Befestigungselement,

6 die Situation, in der die piezoelektrische Schicht selbst das Wärmeisolierungselement bildet,

7 eine Leitertopologie eines HF-Filters,

8 die Verteilung der Wärmeleitfähigkeit für verschiedene Materialparameter,

9 Wärmeleitfähigkeitsverteilungen für Ausführungsformen, welche zwei Wärmeisolierungsschichten umfassen.

1 zeigt die grundsätzliche Beziehung zwischen den Elektroden und dem piezoelektrischen Material. Das piezoelektrische Material ist in einer piezoelektrischen Schicht PL angeordnet, und zwischen einer unteren Elektrode BE und einer oberen Elektrode TE sandwichartig angeordnet. Wenn den Elektroden ein HF-Signal zugeführt wird, z. B. über externe Kontakte EC, schwingt das piezoelektrische Material der piezoelektrischen Schicht PL aufgrund des piezoelektrischen Effekts, und eine Schallwelle AW wird angeregt. Die mechanische Schwingung führt zur Energiedissipation und der Erzeugung von Wärme. Abgeleitete Wärme ist abgeleitete Energie, und ein Wärmefluss an die Umgebung des Resonators bildet einen Kanal für Energieverluste. Hier wird dem Resonator ein Wärmeisolierungselement HIE hinzugefügt, um den Wärmefluss zu reduzieren. Das Wärmeisolierungselement ist ein Element mit einer reduzierten Wärmeleitfähigkeit. Daher wird die Wärmeenergie örtlich auf den Resonator begrenzt, und Verluste werden reduziert.

2 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Resonators des SMR-Typs, bei dem der aktive Abschnitt auf einem Befestigungselement angeordnet ist, das ein Trägersubstrat CS sein und Schichten eines akustischen Spiegels M umfassen kann. Insbesondere sind Resonatoren des SMR-Typs anfällig für Energieverluste aufgrund von Wärmeübertragung an das Trägersubstrat. Daher wird das Hinzufügen eines Wärmeisolierungselements insbesondere bei SMR-Typ-Resonatoren bevorzugt.

Neben der abgestrahlten Wärmeenergie ist ein Wärmefluss durch das Trägersubstrat normalerweise der wichtigste Energieverlustkanal. Daher ist das räumliche Begrenzen der Wärmeenergie durch ein Wärmeisolierungselement optimal, wenn das Wärmeisolierungselement in der Nähe der Unterseite des aktiven Abschnittes angeordnet ist.

3 zeigt grundlegende Aufbaumerkmale des aktiven Abschnittes, in welchem zwei Wärmeisolierungselemente HIE in Form von Wärmeisolierungsschichten in der Nähe der Elektroden angeordnet sind. Eine Wärmeisolierungsschicht ist nahe der unteren Elektrode angeordnet, und eine Wärmeisolierungsschicht ist in der Nähe der oberen Elektrode TE angeordnet. Da die Elektroden über normalerweise wärmeleitende Strukturen elektrisch verbunden sind, kann Wärme über beide Elektroden an die Umgebung des Resonators übertragen werden.

Die Energiebarriere, die durch die Wärmeisolierungselemente erzielt wird, funktioniert nicht effizient für Wärme, die jenseits der Wärmeisolierungselemente erzeugt wird. Daher wird bevorzugt, dass die Wärmeisolierungselemente den Hauptteil des wärmeerzeugenden Bereichs, welcher hauptsächlich das Volumen zwischen den Elektroden ist, einschließen.

4 zeigt einen grundsätzlichen Aufbau, wobei ein einzelnes Wärmeisolierungselement HIE in Form einer Wärmeisolierungsschicht an der Unterseite nahe der unteren Elektrode angeordnet und in die piezoelektrische Schicht PL eingebettet ist. Die Verbindung des aktiven Abschnittes mit dem Trägersubstrat CS oder dem Spiegel M bildet den Hauptkanal für Wärmefluss. Daher wird, um die Akustik des Resonators nicht zu sehr zu stören, lediglich eine Wärmeisolierungsschicht bereitgestellt, die vorzugsweise nahe der Unterseite des Resonators angeordnet ist.

5 zeigt eine mögliche Ausführungsform, in welcher das Wärmeisolierungselement zwischen dem aktiven Abschnitt und dem Trägersubstrat CS angeordnet ist. Das Erzeugen des Wärmeisolierungselements kann durchgeführt werden, bevor der aktive Abschnitt erzeugt wird. Während oder nach der Herstellung des Trägersubstrats oder des Spiegels kann eine zusätzliche Schicht, welche das Material des Wärmeisolierungselements umfasst – und gegebenenfalls eine Strukturierung des Materials des Wärmeisolierungselements – ausgebildet werden. Danach kann das Standardverfahren zur Erzeugung der unteren Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und der oberen Elektrode sowie gegebenenfalls zusätzlicher Strukturen oder Schichten durchgeführt werden.

5 zeigt die Möglichkeit, dass die piezoelektrische Schicht PL selbst das Wärmeisolierungselement HIE ist. Normalerweise wird ein a piezoelektrisches Material für die piezoelektrische Schicht gemäß dessen akustischen oder piezoelektrischen Eigenschaften gewählt. Es kann jedoch ein Kompromiss zwischen leicht verringerten akustischen Eigenschaften und verringerten Verlusten erzielt werden, falls ein Material für eine piezoelektrische Schicht gemäß seiner Wärmeleitfähigkeit gewählt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Material für die piezoelektrische Schicht gewählt, welches eine niedrigere Leitfähigkeit als Aluminiumnitrid aufweist.

6 zeigt eine mögliche Topologie eines HF-Filters F mit einer Leitertypstruktur. Der HF-Filter F umfasst Reihenresonatoren SR, die im Signalpfad in Reihe verbunden sind. Nebenschlusspfade, welche Parallelresonatoren PR umfassen, verbinden die Signalpfade elektrisch mit Masse. Ein Paar aus einem Reihenresonator und einem Parallelresonator bildet einen Grundblock einer Leitertypstruktur, die bereits eine Bandpass- oder Bandsperrfunktionalität bietet. Solche Grundblöcke können in einer Kaskade angeordnet werden, um die Isolierung des Filters F zu verbessern.

Insbesondere können die Reihenresonatoren SR mit den obigen Verfahren bereitgestellt werden, um Verluste zu reduzieren. Parallelresonatoren PR bilden Pfade zur Masse für unerwünschte Signale, und der Einfügungsverlust des Filters hängt weniger von Verlusten der Parallelresonatoren PR ab.

8 zeigt die räumliche Wärmeflussverteilung innerhalb des aktiven Abschnittes eines BAW-Resonators. F0 bezeichnet den Wärmefluss Q = –k∇T eines gängigen piezoelektrischen Resonators mit einer Wärmeleitfähigkeit des piezoelektrischen Materials von 200 W/(m·K). F1 bezeichnet den Wärmefluss in einem Resonator, in welchem die Wärmeleitfähigkeit des piezoelektrischen Materials auf 100 W/(m·K) reduziert ist. F2 bezeichnet den Wärmefluss eines Resonators, in welchem die Wärmeleitfähigkeit des piezoelektrischen Materials weiter auf 50 W/(m·K) reduziert ist.

Reduzierte Wärmeleitfähigkeiten führen zu einem reduzierten Wärmefluss, welcher zu reduzierten Energieverlusten führt, welche zu einem erhöhten Qualitätsfaktor des Resonators führen.

9 zeigt die räumliche Wärmeflussverteilung in vertikaler Richtung z eines Resonators, in welchem ein Wärmeisolierungselement HIE in der Nähe der entsprechenden Elektrode angeordnet ist, um Wärmeenergie auf das Zentrum des aktiven Abschnittes zu begrenzen. F'0 bezeichnet den Wärmefluss eines Resonators ohne solche Wärmeisolierungselemente als Referenz. F'1 bezeichnet den Wärmefluss eines Resonators, in welchem die Wärmeisolierungsschichten Material der Wärmeleitfähigkeit von 25 W/(m·K) umfassen. F'2 bezeichnet den Wärmefluss eines Resonators, in welchem die beiden Wärmeisolierungsschichten ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von 5 W/(m·K) umfassen.

Bevorzugte Materialien für die Wärmeisolierungselemente sind ein Siliziumoxid wie z. B. Siliziumdioxid SiO2 mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1,4 W/(m·K) oder Aluminiumoxid wie z. B. Al2O3 mit einer Wärmeleitfähigkeit von 50 W/(m·K), das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Siliziumdioxid aufweist, welches aber stattdessen aufgrund seiner akustischen Impedanz gewählt werden kann.

Dies steht im Gegensatz zur Wärmeleitfähigkeit von Aluminiumnitrid als piezoelektrisches Material, welche 170 W/(m·K) sein kann, oder Wolfram, welches eine Wärmeleitfähigkeit von 175 W/(m·K) aufweist, oder Molybdän, welches eine Wärmeleitfähigkeit von 130 W/(m·K) aufweist. Die beiden Metalle sind Metalle, die aufgrund ihrer hohen akustischen Impedanz als Elektroden verwendet werden können.

In 8 und 9 zeigen positive Werte einen Wärmefluss hin zur unteren Elektrode BE an; negative Werte zeigen einen Wärmefluss hin zur entgegengesetzten Seite, d. h. der oberen Elektrode TE, an.

Die Resonatoren, die Filter und die Verfahren zur Herstellung von Resonatoren sind nicht auf die oben genannten Merkmale beschränkt. Resonatoren, welche weitere Schichten umfassen, z. B. weitere Spiegelschichten oder weitere Schichten für eine akustischen Impedanzanpassung oder zur elektrischen Verbindung oder zur hermetischen Versiegelung des Resonators, d. h. Passivierungsschichten, sind ebenfalls umfasst.

Liste der Bezugszeichen

  • AW:
    Schallwelle
    BE:
    untere Elektrode
    CS:
    Trägersubstrat
    EC:
    elektrische Verbindung
    F:
    HF-Filter
    F:
    räumliche Verteilung des Wärmeflusss in vertikaler Richtung z
    HIE:
    Wärmeisolierungselement
    –k∇Q:
    Wärmefluss
    M:
    akustischer Spiegel
    PL:
    piezoelektrische Schicht
    PR:
    Parallelresonator
    R:
    BAW-Resonator
    SR:
    Reihenresonator
    TE:
    obere Elektrode
    z:
    vertikale Richtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 6812619 B1 [0004, 0034]