Title:
Akustikresonator-Vorrichtung mit mindestens einem Luftring und einem Rahmen
Kind Code:
A1


Abstract:

Eine Akustikresonator-Vorrichtung umfasst eine untere Elektrode, die auf einem Substrat über einem Lufthohlraum angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht, die auf der unteren Elektrode angeordnet ist, und eine obere Elektrode, die auf der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei eine Überlappung zwischen der oberen Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und der unteren Elektrode über dem Lufthohlraum einen Membranhauptbereich definiert. Die Akustikresonator-Vorrichtung umfasst ferner mindestens einen Metallrahmen, der auf einer unteren Oberfläche der unteren Elektrode angeordnet ist und der eine Dicke aufweist, die von etwa 10% bis etwa 75% einer Dicke der unteren Elektrode in einem zentralen Bereich der unteren Elektrode reicht. Die Dicke des Metallrahmens verbessert die Wärmeableitung aus der Akustikresonator-Vorrichtung, während sie auch die strukturelle Stabilität der Akustikresonator-Vorrichtung verbessert, ohne ihre Leistungsfähigkeit nachteilig zu beeinflussen.




Inventors:
Choy, John, Col. (Westminster, US)
Burak, Dariusz, Col. (Fort Collins, US)
Nikkel, Phil, Col. (Loveland, US)
Martin, David, Col. (Fort Collins, US)
Application Number:
DE102017109102A
Publication Date:
01/04/2018
Filing Date:
04/27/2017
Assignee:
Avago Technologies General IP (Singapore) Pte. Ltd. (Singapur, SG)
International Classes:



Foreign References:
92033742015-12-01
91368182015-09-15
91541122015-10-06
61077212000-08-22
55876201996-12-24
58731531999-02-23
65079832003-01-21
63846972002-05-07
72752922007-10-02
76298652009-12-08
72800072007-10-09
73884542008-06-17
65489432003-04-15
73454102008-03-18
Attorney, Agent or Firm:
Dilg Haeusler Schindelmann Patentanwaltsgesellschaft mbH, 80636, München, DE
Claims:
1. Eine Akustikresonator-Vorrichtung, aufweisend:
eine untere Elektrode, die auf einem Substrat über einem Lufthohlraum angeordnet ist, wobei die untere Elektrode einen zentralen Bereich und einen peripheren Bereich aufweist,
eine piezoelektrische Schicht, die auf der unteren Elektrode angeordnet ist,
eine obere Elektrode, die auf der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei eine Überlappung zwischen der oberen Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und der unteren Elektrode über dem Lufthohlraum einen Membranhauptbereich definiert, und
einen ersten Metallrahmen, der auf einer unteren Oberfläche der unteren Elektrode angeordnet ist, wobei der erste Metallrahmen eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die erste Seite gegenüberliegend zu der zweiten Seite ist und wobei der erste Metallrahmen eine Dicke aufweist, die von etwa 10% bis etwa 75% einer Dicke der unteren Elektrode in dem zentralen Bereich der unteren Elektrode reicht.

2. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der erste Metallrahmen eine Dicke aufweist, die von etwa 500 Angström bis etwa 5000 Angström reicht.

3. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Seite des ersten Metallrahmens sich lateral von einer Stelle, die außerhalb des Membranhauptbereichs ist, zu einer Stelle, die innerhalb des Membranhauptbereichs ist, erstreckt.

4. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Seite des ersten Metallrahmens sich lateral von einer Stelle, die außerhalb des Membranhauptbereichs ist, zu einer Stelle, die an einem Rand des Membranhauptbereichs ist, erstreckt.

5. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner aufweisend:
einen zweiten Metallrahmen, der auf einer unteren Oberfläche der unteren Elektrode angeordnet ist, wobei der zweite Metallrahmen eine erste Seite aufweist, die sich lateral von einem inneren Rand der ersten Seite des ersten Metallrahmens zu einem äußeren Rand des zentralen Bereichs der unteren Elektrode erstreckt, und wobei der zweite Metallrahmen eine zweite Seite aufweist, die sich lateral von einem inneren Rand der zweiten Seite des ersten Metallrahmens zu einem äußeren Rand des zentralen Bereichs der unteren Elektrode erstreckt.

6. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei der zweite Metallrahmen eine Dicke aufweist, die von etwa 10% bis etwa 70% der Dicke der unteren Metallelektrode in dem zentralen Bereich reicht.

7. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei der erste Metallrahmen eine Dicke aufweist, die etwa das Doppelte der Dicke des zweiten Metallrahmens ist.

8. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Dicke des zweiten Metallrahmens von etwa 500 Angström bis etwa 5000 Angström reicht.

9. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zweite Seite des ersten Metallrahmens sich lateral von einer Stelle, die außerhalb des Membranhauptbereichs ist, zu einer Stelle, die innerhalb des Membranhauptbereichs ist, erstreckt.

10. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zweite Seite des ersten Metallrahmens sich lateral von einer Stelle, die innerhalb des Membranhauptbereichs ist, zu einer anderen Stelle, die innerhalb des Membranhauptbereichs ist, erstreckt.

11. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner aufweisend:
mindestens eine Luftbrücke, die zwischen der oberen Elektrode und der piezoelektrischen Schicht ausgebildet ist.

12. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß Anspruch 11, ferner aufweisend:
einen Luftflügel, der zwischen der oberen Elektrode und der piezoelektrischen Schicht ausgebildet ist.

13. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner aufweisend:
mindestens eine erste Luftbrücke, die zwischen der unteren Elektrode und der piezoelektrischen Schicht ausgebildet ist.

14. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner aufweisend:
mindestens eine zweite Luftbrücke, die zwischen der unteren Elektrode und der piezoelektrischen Schicht ausgebildet ist.

15. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 14, ferner aufweisend:
einen dritten Metallrahmen, der auf einer oberen Oberfläche der oberen Elektrode angeordnet ist, wobei der dritte Metallrahmen eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist und wobei die erste Seite des dritten Metallrahmens gegenüberliegend zu der zweiten Seite des dritten Metallrahmens ist.

16. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß Anspruch 15, ferner aufweisend:
einen vierten Metallrahmen, der auf der oberen Oberfläche der oberen Elektrode angeordnet ist, wobei der vierte Metallrahmen eine erste Seite aufweist, die sich lateral von einem inneren Rand der ersten Seite des dritten Metallrahmens zu einem äußeren Rand eines zentralen Bereichs der oberen Elektrode erstreckt, und wobei der vierte Metallrahmen eine zweite Seite aufweist, die sich lateral von einem inneren Rand der zweiten Seite des dritten Metallrahmens zu einem äußeren Rand des zentralen Bereichs der oberen Elektrode erstreckt.

17. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, ferner aufweisend:
mindestens eine erste Luftbrücke, die innerhalb der piezoelektrischen Schicht ausgebildet ist.

18. Eine Akustikresonator-Vorrichtung, aufweisend:
eine untere Elektrode, die auf einem Substrat über einem Lufthohlraum ausgebildet ist, wobei die untere Elektrode einen zentralen Bereich und einen peripheren Bereich aufweist,
eine piezoelektrische Schicht, die auf der unteren Elektrode angeordnet ist,
eine obere Elektrode, die auf der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei eine Überlappung zwischen der oberen Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und der unteren Elektrode über dem Lufthohlraum einen Membranhauptbereich definiert,
einen ersten Metallrahmen, der auf einer unteren Oberfläche der unteren Elektrode angeordnet ist, wobei der erste Metallrahmen eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist und wobei die erste Seite gegenüberliegend zu der zweiten Seite ist, und
einen zweiten Metallrahmen, der auf einer unteren Oberfläche der unteren Elektrode angeordnet ist, wobei der zweite Metallrahmen eine erste Seite aufweist, die sich lateral von einem inneren Rand der ersten Seite des ersten Metallrahmens zu einem äußeren Rand des zentralen Bereichs der unteren Elektrode erstreckt, und wobei der zweite Metallrahmen eine zweite Seite aufweist, die sich lateral von einem inneren Rand der zweiten Seite des ersten Metallrahmens zu einem äußeren Rand des zentralen Bereichs der unteren Elektrode erstreckt.

19. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß Anspruch 18, wobei der erste Metallrahmen eine Dicke aufweist, die von etwa 10% bis etwa 75% einer Dicke der unteren Elektrode in dem zentralen Bereich der unteren Elektrode reicht, und wobei die Dicke des ersten Metallrahmens etwa das Doppelte der Dicke des zweiten Metallrahmens ist.

20. Die Akustikresonator-Vorrichtung gemäß Anspruch 18 oder 19, ferner aufweisend:
mindestens eine/n der folgenden: eine Luftbrücke, die zwischen der oberen Elektrode und der piezoelektrischen Schicht ausgebildet ist; einen Luftflügel, der zwischen der oberen Elektrode und der piezoelektrischen Schicht ausgebildet ist; eine Luftbrücke, die zwischen der unteren Elektrode und der piezoelektrischen Schicht ausgebildet ist; eine Luftbrücke, die innerhalb der piezoelektrischen Schicht ausgebildet ist; eine Luftbrücke, die innerhalb der oberen Elektrode ausgebildet ist; und eine Luftbrücke, die innerhalb der unteren Elektrode ausgebildet ist.

Description:
QUERVERWEIS AUF KORRESPONDIERENDE ANMELDUNGEN

Diese Anmeldung ist eine Continuation-in-Part unter US 37 C.F.R. § 1.53(b) von der gemeinsam besessenen US Patentanmeldung Nr. 14/192,599 an Burak et al. mit dem Titel „Acoustic Resonator Device With At Least One Air-Ring And Frame“ (auf Deutsch: „Akustikresonator-Vorrichtung mit mindestens einem Luftring und Rahmen“), eingereicht am 27. Februar 2014 (zwischenzeitlich veröffentlicht als US Patentanmeldung-Offenlegungsschrift Nr. 2014/0176261), die eine Continuation-in-Part ist von der gemeinsam besessenen US Patentanmeldung Nr. 13/151,631 an Burak et al. mit dem Titel „Film Bulk Acoustic Resonator Comprising a Bridge“ (auf Deutsch: „Akustik-Schichtvolumen-Resonator mit einer Brücke“), eingereicht am 2. Juni 2011 (zwischenzeitlich erteilt als US Patent Nr. 9,203,374), die eine Continuation-in-part ist von der gemeinsam besessenen US Patentanmeldung Nr. 13/074,262 an Burak et al. mit dem Titel „Stacked Acoustic Resonator Comprising a Bridge“ (auf Deutsch: „Gestapelter Akustikresonator mit einer Brücke“), eingereicht am 29. März 2011 (nun erteilt als US Patent Nr. 9,136,818), die eine Continuation-in-Part ist von der gemeinsam besessenen US Patentanmeldung Nr. 13/036,489 an Burak mit dem Titel „Coupled Resonator Filter Comprising Bridge“ (auf Deutsch: „Gekoppelter Resonator-Filter mit einer Brücke“), eingereicht am 28. Februar 2011 (zwischenzeitlich erteilt als US Patent Nr. 9,154,112), welche alle hierin durch Verweis in ihren Gesamtheiten aufgenommen werden. Diese Anmeldung ist eine Continuation-in-Part unter US 37 C.F.R. § 1.53(b) von der gemeinsam besessenen US Patentanmeldung Nr. 13/660,941 an Burak et al. mit dem Titel „Acoustic Resonator Having Composite Electrodes With Integrated Lateral Features“ (auf Deutsch: „Akustikresonator mit Komposit-Elektroden mit integrierten lateralen Merkmalen“), eingereicht am 25. Oktober 2012 (zwischenzeitlich veröffentlicht als US Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2014/0118088), die hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.

HINTERGRUND

Akustikresonatoren (oder Akustikresonatoren) können verwendet werden, um Signalverarbeitungsfunktionen in verschiedenen elektronischen Geräten zu implementieren. Beispielsweise verwenden einige Mobiltelefone und andere Kommunikationsgeräte Akustikresonatoren, um Frequenzfilter für übertragene und/oder empfangene Signale zu implementieren. Mehrere verschiedene Arten von Akustikresonatoren können entsprechend verschiedener Anwendungen verwendet werden, wobei Beispiele die folgenden umfassen akustische Volumenwellen(BAW, bulk acoustic wave)-Resonatoren, wie etwa akustische Dünnschichtvolumen-Resonatoren (FBARs, thin film bulk acoustic resonators), gekoppelte Resonator-Filter (CRFs, coupled resonator filters), gestapelte Akustik-Volumen-Resonatoren (SBARs, stacked bulk acoustic resonators), Akustik-Doppelvolumen-Resonatoren (DBARs, double bulk acoustic resonators) und fest montierte Resonatoren (SMRs, solidly mounted resonators). Beispielsweise umfasst ein FBAR eine piezoelektrische Schicht zwischen einer unteren (ersten) Elektrode und einer oberen (zweiten) Elektrode über einem Hohlraum (oder Vertiefung). BAW-Resonatoren können in einer breiten Vielfalt von elektronischen Geräten verwendet werden, wie etwa Mobiltelefonen, Minicomputern (PDAs, personal digital assistants), elektronischen Spieleeinrichtungen, Laptop-Computern und anderen tragbaren Kommunikationsgeräte. Beispielsweise können FBARs, die auf Frequenzen in der Nähe ihrer Grund-Resonanzfrequenzen arbeiten, als Schlüsselkomponenten von Radiofrequenz(RF)-Filtern und -Duplexern in mobilen Geräten verwendet werden.

Ein Akustikresonator umfasst typischerweise eine Schicht aus einem piezoelektrischen Materials, die zwischen zwei ebenen Elektroden in einer Struktur, die als ein akustischer Stapel bezeichnet wird, eingebettet ist. Wenn zwischen den Elektroden ein elektrisches Eingangssignal angelegt wird, bewirkt der reziproke oder inverse piezoelektrische Effekt, dass der akustische Stapel sich in Abhängigkeit von der Polarisation des piezoelektrischen Materials mechanisch ausdehnt oder zusammenzieht. Wenn das elektrische Eingangssignal sich mit der Zeit verändert, erzeugt die Ausdehnung und Zusammenziehung des akustischen Stapels akustische Wellen, die sich durch den Akustikresonator in verschiedenen Richtungen ausbreiten und die durch den piezoelektrischen Effekt in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt werden. Einige der akustischen Wellen erzielen über dem akustischen Stapel eine Resonanz, wobei die Resonanzfrequenz durch Faktoren, wie etwa Materialien, Abmessungen und Betriebsbedingungen des akustischen Stapels, bestimmt sind. Diese und andere mechanische Eigenschaften des Akustikresonators bestimmen seine Frequenzantwort.

Im Allgemeinen umfasst ein Akustikresonator verschiedene laterale Bereiche, die verschiedenen Arten von Resonanzen, oder Resonanzmoden, ausgesetzt sein können. Diese lateralen Bereiche können sehr allgemein als Membranhauptbereich und periphere Bereiche gekennzeichnet werden, wobei der Membranhauptbereich grob durch eine Überlappung zwischen den zwei ebenen Elektroden und dem piezoelektrischen Material definiert ist, und die peripheren Bereiche als die Bereiche außerhalb des Membranhauptbereichs definiert sind. Insbesondere sind zwei periphere Bereiche definiert als ein Bereich, der zwischen dem Rand des Membranhauptbereichs und dem Rand des Lufthohlraums angeordnet ist, und ein Bereich einer Überlappung von mindestens einer ebenen Elektrode und dem piezoelektrischen Material mit dem Substrat. Der Membranhauptbereich ist elektrisch angeregten Moden ausgesetzt, die durch das elektrische Feld zwischen den zwei ebenen Elektroden erzeugt werden, und sowohl der Membranhauptbereich als auch die peripheren Bereiche sind bestimmten abgeleiteten Moden ausgesetzt, die durch das Streuen von akustischer Energie, die in den elektrisch angeregten Moden begrenzt ist, erzeugt werden. Die elektrisch angeregten Moden umfassen beispielsweise eine Kolbenmode (piston mode), die durch longitudinale akustische Wellen mit Grenzen an den Rändern des Membranhauptbereichs gebildet wird. Die abgeleiteten Moden umfassen beispielsweise laterale Moden, die durch laterale akustische Wellen gebildet werden, die an den Rändern des Membranhauptbereichs und der peripheren Bereiche angeregt werden.

Die lateralen Moden fördern (oder ermöglichen) eine Kontinuität von entsprechenden mechanischen Partikelgeschwindigkeiten und Spannungen zwischen dem elektrisch getriebenen Membranhauptbereich und den im Wesentlichen nicht getriebenen peripheren Bereichen. Sie [die lateralen Moden] können sich von dem Punkt der Anregung entweder frei ausbreiten (sogenannte sich ausbreitende Moden) oder exponentiell zerfallen (sogenannte verschwindende und komplexe Moden). Sie können sowohl durch laterale strukturelle Unstetigkeiten (z.B. eine Schnittstelle zwischen Bereichen von verschiedenen Dicken in dem Membranhauptbereich oder ein Rand von einer oberen oder unteren Elektrode) oder durch Unstetigkeiten des elektrischen Felds (z.B. ein Rand einer oberen Elektrode, wo das elektrische Feld abrupt endet) angeregt werden.

Die lateralen Moden haben allgemein einen abträglichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit eines Akustikresonators. Dementsprechend umfassen einige Akustikresonatoren zusätzliche strukturelle Merkmale, die dazu ausgebildet sind, die lateralen Moden zu unterdrücken, zu unterbinden oder abzuschwächen. Beispielsweise kann eine Luftbrücke unter der oberen Elektrode auf einem Verbindungsrand der oberen Elektrode des Akustikresonators ausgebildet werden, um den Strahlereffekt (transducer effect) über dem Substrat zu eliminieren. In einem anderen Beispiel kann ein Rahmen durch ein leitfähiges oder dielektrisches Material innerhalb der Begrenzung des Membranhauptbereichs ausgebildet werden, um eine Streuung der elektrisch angeregten Kolbenmode an den Rändern der oberen Elektrode zu minimieren und die Begrenzung der mechanischen Bewegung auf den Membranhauptbereich zu verbessern.

Die herkömmlichen Implementierungen von diesen zusätzlichen strukturellen Merkmalen weisen eine Anzahl von potentiellen Nachteilen auf. Beispielsweise können sie in Abhängigkeit von deren spezifischen Entwurf eine Quelle von zusätzlicher Streuung der Kolbenmode sein, was deren Vorteile aufheben kann. Auch können einige Design-Auswahlen nur leichte Verbesserungen hinsichtlich der Leistungsfähigkeit erzeugen, während sie die Kosten signifikant nach oben treiben. Des Weiteren kann die Ausbildung der zusätzlichen strukturellen Merkmale die strukturelle Stabilität verschlechtern oder bei der Ausbildung von darüber liegenden Schichten störend eingreifen.

Zusätzlich beruhen herkömmliche FBARs auf einer Luftschnittstelle, die sowohl an der unteren Seite als auch an der oberen Seite des Resonators vorhanden ist. Im Gegensatz zu SMRs, verhindert eine Luftschnittstelle, die an der Unterseite des Resonators vorhanden ist, dass parasitäre akustische Energie in das Substrat abfließt und verbessert daher die elektrische Gesamtleistungsfähigkeit von FBARs, ohne die Komplexitäten, die mit dem Design von akustischen Breitband- und/oder Festkörper-Spiegeln, wie etwa verteilten Bragg-Reflektor (distributed Bragg reflector) zusammenhängen. Andererseits jedoch führt ein Fehlen einer festen Verbindung des aktiven Bereichs des Resonators mit dem Substrat zu schlechteren Wärmeabfuhr-Eigenschaften und zu einer schwächeren strukturellen Stabilität im Vergleich zu herkömmlichen SMR Designs. Folglich besteht im Hinblick auf diese und andere Nachteile von herkömmlichen FBARs ein allgemeines Bedürfnis für ein verbessertes Design eines Akustikresonators, das diese Problematiken angeht, ohne die elektrische Leistungsfähigkeit des Akustikresonators und von Filtern, die diese Resonatoren umfassen, zu beeinträchtigen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die veranschaulichenden Ausführungsformen werden am besten aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung verstanden, wenn diese zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird. Es wird betont, dass die verschiedenen Merkmale nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen zur Klarheit der Darstellung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein. Wo immer dies anwendbar und praktikabel ist, bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.

1 ist eine Draufsicht auf einen Akustikresonator gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.

2 ist eine Querschnittsansicht eines Akustikresonators gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.

3 ist eine Querschnittsansicht eines Akustikresonators gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.

4 zeigt ein erstes und ein zweites Schaubild des thermischen Widerstands, normalisiert auf den thermischen Widerstand einer standardmäßigen FBAR-Vorrichtung, als eine Funktion der Änderungen der Dicke eines ersten Metallrahmens, der auf einer unteren Oberfläche einer unteren Elektrode des in 2 gezeigten Akustikresonators ausgebildet wird.

5 ist eine Querschnittsansicht eines Akustikresonators gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.

6 ist eine Querschnittsansicht eines Akustikresonators gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.

7 ist eine Querschnittsansicht einer Akustikresonator-Vorrichtung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.

8 ist eine Querschnittsansicht eines Akustikresonators gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.

9 ist eine Querschnittsansicht eines Akustikresonators gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.

10 ist eine Querschnittsansicht einer Akustikresonator-Vorrichtung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.

11 ist eine Querschnittsansicht eines Akustikresonators gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.

12 ist eine Querschnittsansicht eines Akustikresonators gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.

13 ist eine Querschnittsansicht einer Akustikresonator-Vorrichtung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.

14 ist eine Querschnittsansicht einer Akustikresonator-Vorrichtung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

In der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung werden für Zwecke der Darstellung und nicht zur Beschränkung beispielhafte Ausführungsformen, die spezifische Einzelheiten offenbaren, dargelegt, um ein gründliches Verständnis der vorliegenden Lehren bereitzustellen. Es wird jedoch für einen Fachmann in dem technischen Gebiet, der den Vorteil der vorliegenden Offenbarung gehabt hat, offensichtlich werden, dass andere Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Lehren, die von den hierin offenbarten, spezifischen Einzelheiten abweichen, innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Patentansprüche bleiben. Des Weiteren können Beschreibungen von wohl bekannten Vorrichtungen und Verfahren ausgelassen werden, um die Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen nicht zu verschleiern. Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind offensichtlich innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Lehren.

Die hierin verwendete Terminologie ist lediglich für Zwecke des Beschreibens von bestimmten Ausführungsformen, und ist nicht dazu gedacht, beschränkend zu sein. Die definierten Ausdrücke sind zusätzlich zu den technischen, wissenschaftlichen oder gewöhnlichen Bedeutungen der definierten Ausdrücke, so wie diese gemeinhin verstanden werden und in dem relevanten Kontext akzeptiert sind.

Die Ausdrücke „ein“, „eine“ und „der/die/das“ umfassen sowohl einzelne als auch mehrere Verweisobjekte, es sei denn, dass der Zusammenhang dies offensichtlich anderweitig vorgibt. Somit umfasst beispielsweise „eine Einrichtung“ eine Einrichtung oder mehrere Einrichtungen. Die Ausdrücke „wesentlich“ oder „im Wesentlichen“ bedeuten, innerhalb von akzeptierten Begrenzungen oder einem akzeptierten Grad zu sein. Der Ausdruck „näherungsweise“ bedeutet innerhalb einer akzeptablen Begrenzung oder einem akzeptablen Grad für einen Fachmann in dem technischen Gebiet zu sein. Relative Ausdrücke, wie etwa „über“, „unter“, „oben“, „unten“, „oberer“ und „unterer“, können verwendet werden, um die Beziehungen der verschiedenen Elemente zueinander zu beschreiben, so wie das in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. Diese relativen Ausdrücke sind dazu gedacht, verschiedene Orientierungen der Vorrichtung und/oder der Elemente zusätzlich zu den in den Zeichnungen dargestellten Orientierungen zu umfassen. Wenn beispielsweise die Vorrichtung in Bezug auf die Ansicht in den Zeichnungen invertiert würde, dann wäre ein Element, das als „oberhalb“ eines anderen Elements beschrieben ist, nun beispielsweise unterhalb dieses Elements sein. Wo ausgesagt wird, dass eine erste Vorrichtung mit einer zweiten Vorrichtung verbunden oder gekoppelt ist, umfasst dies Beispiele, wo eine oder mehrere Zwischen-Geräte verwendet werden können, um die beiden Vorrichtungen miteinander zu verbinden. Im Gegensatz dazu, wo ausgesagt wird, dass eine erste Vorrichtung mit einer zweiten Vorrichtung direkt verbunden oder direkt gekoppelt ist, umfasst dies Beispiele, wo die beiden Vorrichtungen ohne irgendwelche dazwischen liegenden Einrichtungen verschieden von elektrischen Verbindern (z.B. Drähten, Bonding-Materialien, usw.) zusammen verbunden sind.

Die vorliegenden Lehren beziehen sich allgemein auf Akustikresonatoren, wie beispielsweise etwa akustische Schichtvolumenwellen-Resonatoren (FBARs) oder fest montierte Resonatoren (SMRs). Zur Vereinfachung der Erläuterung sind einige Ausführungsformen im Kontext von FBAR-Technologien beschrieben; jedoch können die beschriebenen Konzepte zur Verwendung in anderen Arten von Akustikresonatoren angepasst werden. Bestimmte Einzelheiten von Akustikresonatoren, einschließlich Materialien und Herstellungsverfahren, können in einer oder mehreren der folgenden, gemeinsam besessenen US Patente und Patentanmeldungen gefunden werden: US Patent Nr. 6,107,721 an Lakin; US Patente Nrn. 5,587,620, 5,873,153, 6,507,983, 6,384,697, 7,275,292 und 7,629,865 an Ruby et al.; US Patent Nr. 7,280,007 an Feng et al.; US Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2007/0205850 an Jamneala et al.; US Patent Nr. 7,388,454 an Ruby et al.; US Patentanmeldung-Nr. 13/658,024 an Nikkel et al.; US Patentanmeldung Nr. 13/955,774 an Burak et al.; US Patentanmeldung Nr. 13/663,449 an Burak et al.; US Patentanmeldung Nr. 13/660,941 an Burak et al.; US Patentanmeldung Nr. 13/654,718 an Burak et al.; US Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2008/0258842 an Ruby et al.; und US Patent Nr. 6,548,943 an Kaitila et al. Die Offenbarungen dieser Patente und Patentanmeldungen werden hierin spezifisch in ihren Gesamtheiten durch Verweis aufgenommen. Es wird betont, dass die Komponenten, Materialien und Herstellungsverfahren, die in diesen Patenten und Patentanmeldungen beschrieben sind, repräsentativ sind, und dass andere Herstellungsverfahren und Materialien innerhalb des Blickfeldes eines Fachmanns in dem technischen Fachgebiet vorgesehen werden (können).

In einer repräsentativen Ausführungsform umfasst eine Akustikresonator-Vorrichtung (oder Akustikresonator-Vorrichtung) eine untere Elektrode, die auf einem Substrat über einem Lufthohlraum (oder Luftvertiefung) angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht, die auf der unteren Elektrode angeordnet ist, und eine obere Elektrode, die auf der piezoelektrischen Schicht angeordnet ist, wobei eine Überlappung zwischen der oberen Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und der unteren Elektrode über dem Lufthohlraum einen Membranhauptbereich definiert. Die Akustikresonator-Vorrichtung umfasst ferner mindestens einen ersten Metallrahmen, der auf einer unteren Oberfläche der unteren Elektrode angeordnet ist, und der mindestens eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist und der eine Dicke aufweist, die von etwa 10% bis etwa 70% von einer Dicke der unteren Elektrode in einem zentralen Bereich der unteren Elektrode reicht. Vorzugsweise weist der erste Metallrahmen eine Dicke auf, die von 35% bis 65% der Dicke der unteren Elektrode in dem zentralen Bereich der unteren Elektrode reicht. Die Dicke des ersten Metallrahmens unterstützt bzw. ermöglicht den Wärmefluss aus der Akustikresonator-Vorrichtung, während sie auch die strukturelle Stabilität der Akustikresonator-Vorrichtung verbessert, ohne ihre Leistungsfähigkeit nachteilig zu beeinflussen. Des Weiteren, gemäß bevorzugter Ausführungsformen, umfasst die Akustikresonator-Vorrichtung ferner einen zweiten Metallrahmen, der auf der unteren Oberfläche der unteren Elektrode angeordnet ist. Der zweite Rahmen weist eine erste Seite auf, die sich lateral von einem inneren Rand der ersten Seite des ersten Metallrahmens bis zu einem äußeren Rand des zentralen Bereichs der unteren Elektrode erstreckt. Der zweite Metallrahmen weist eine zweite Seite auf, die sich lateral von einem inneren Rand der zweiten Seite des ersten Metallrahmens zu einem äußeren Rand des zentralen Bereichs der unteren Elektrode erstreckt. Der zweite Metallrahmen weist typischerweise eine Dicke auf, die näherungsweise 50% der Dicke des ersten Metallrahmens ist.

Allgemein umfasst in verschiedenen, unten beschriebenen, repräsentativen Ausführungsformen ein Akustikresonator einen akustischen Stapel, der durch eine piezoelektrische Schicht ausgebildet ist, die zwischen einer oberen und einer unteren Elektrode angeordnet ist, die auf einem Substrat über einem Lufthohlraum angeordnet sind. Eine Überlappung zwischen der oberen Elektrode, der piezoelektrischen Schicht und der unteren Elektrode über dem Lufthohlraum definiert einen Membranhauptbereich. Ein oder mehrere Metallrahmen sind auf der unteren Oberfläche der unteren Elektrode ausgebildet, die einen aktiven Bereich innerhalb des Membranhauptbereichs definiert. Zusätzlich können eine oder mehrere Luftringe außerhalb einer äußeren Begrenzung des Membranhauptbereichs ausgebildet sein, der/die Luftring(e) können zwischen der unteren Elektrode und der piezoelektrischen Schicht, zwischen der piezoelektrischen Schicht und der oberen Elektrode, innerhalb der unteren Elektrode, innerhalb der oberen Elektrode und/oder innerhalb der piezoelektrischen Schicht geformt werden. Wenn ein Luftring zwischen der piezoelektrischen Schicht und der oberen Elektrode ausgebildet ist, umfasst er eine Luftbrücke auf der Verbindungsseite der oberen Elektrode und einen Luftflügel entlang des verbleibenden äußeren Umfanges.

Der erste und der zweite Metallrahmen können auf der unteren Oberfläche der unteren Elektrode ausgebildet werden, indem eine oder mehrere Schichten eines metallischen Materials auf der unteren Oberfläche der unteren Elektrode hinzugefügt werden. Der Metallrahmen kann entweder ein zusammengesetzter Metallrahmen (oder Komposit-Metallrahmen, composite metal frame) oder ein hinzugefügter Metallrahmen (add-on metal frame) sein. Ein zusammengesetzter Metallrahmen hat integrierte laterale Merkmale, die möglicherweise beispielsweise aus Aluminium (Al) und Molybdän (Mo) ausgebildet sind, und wird ausgebildet, indem ein verschiedenes Material innerhalb der unteren Elektrode eingebettet wird, typischerweise mit einer unteren Oberfläche, die koplanar mit der unteren Oberfläche der unteren Elektrode ist. Ein zugefügter Metallrahmen wird ausgebildet, indem das metallische Material unterhalb einer Schicht, die die untere Elektrode ausbildet, entlang eines Umkreises des aktiven Bereichs abgelagert wird. Die Verwendung eines zusammengesetzten Rahmens kann die Herstellung des Akustikresonators im Hinblick auf das Aufbringen von Schichten auf planaren Oberflächen vereinfachen. Beispielsweise kann er die Ausbildung von Zutagetretungen (outcroppings) in darüber liegenden Schichten verhindern, was die strukturelle Stabilität des Akustikresonators erhalten kann. Ein Bereich des Akustikresonators oberhalb des innersten Metallrahmens und begrenzt durch den innersten Metallrahmen kann gemeinsam als ein Rahmenbereich bezeichnet werden.

Der Metallrahmen unterdrückt allgemein elektrisch angeregte Kolbenmoden in dem Rahmenbereich, und er reflektiert und unterdrückt in resonanter Weise sich anderweitig ausbreitende Eigenmoden in lateralen Richtungen, was beides gleichzeitig bewirkt, dass ein Betrieb des Akustikresonators verbessert ist. Dies ist, weil die Anwesenheit des Rahmens allgemein mindestens eine Abschneidefrequenz-Fehlanpassung (cutoff frequency mismatch) und eine akustische Impedanz-Fehlanpassung (acoustic impedance mismatch) zwischen dem Rahmenbereich und den anderen Abschnitten des aktiven Bereichs erzeugt. Ein Metallrahmen, der die Abschneidefrequenz im Rahmenbereich im Vergleich zu dem aktiven Bereich verringert, kann als ein Niedrig-Geschwindigkeit-Rahmen (LVF, low velocity frame) bezeichnet werden, wohingegen ein Metallrahmen, der die Abschneidefrequenz im Rahmenbereich im Vergleich zu dem aktiven Hauptbereich vergrößert, als ein Hoch-Geschwindigkeit-Rahmen (HVF, high velocity frame) bezeichnet werden kann. Der Grund für diese Bezeichnungsweise ist, dass für zusammengesetzte Metallrahmen (für die die Dicken des Rahmens und des aktiven Bereichs im Wesentlichen dieselben sind), eine Erhöhung oder Verringerung der Abschneidefrequenz im Wesentlichen äquivalent zu einem Vergrößern oder Verringern einer effektiven Schallgeschwindigkeit in dem akustischen Stapel, der den Rahmen ausbildet, respektive, ist.

Ein zusammengesetzter oder ein hinzugefügter Rahmen mit einer niedrigeren effektiven Schallgeschwindigkeit als die entsprechende effektive Schallgeschwindigkeit des aktiven Bereichs (d.h. ein LVF) vergrößert allgemein den Parallelwiderstand Rp und den Q-Faktor des Akustikresonators oberhalb der Abschneidefrequenz des aktiven Bereichs. Umgekehrt verringert ein zusammengesetzter oder ein hinzugefügter Metallrahmen mit einer höheren effektiven Schallgeschwindigkeit als die entsprechende effektive Schallgeschwindigkeit des aktiven Bereichs (d.h. ein HVF) allgemein den Reihenwiderstand Rs (series resistance) und erhöht den Q-Faktor des Akustikresonators unterhalb der Abschneidefrequenz des aktiven Hauptbereichs. Ein typischer Niedrig-Geschwindigkeit-Metallrahmen beispielsweise erzeugt effektiv einen Bereich mit signifikant niedrigerer Abschneidefrequenz als der aktive Bereich, und minimiert daher die Amplitude der elektrisch angeregten Kolbenmode in Richtung zum Rand der oberen Elektrode in dem Rahmenbereich. Des Weiteren stellt er zwei Schnittstellen (Impedanz-Fehlanpassungs-Ebenen), die die Reflexion von sich ausbreitenden Eigenmoden vergrößern, bereit. Diese sich ausbreitenden Eigenmoden werden an der Aktiv/Rahmen-Schnittstelle mechanisch angeregt und werden sowohl mechanisch als auch elektrisch am Rand der oberen Elektrode angeregt. Wenn die Breite des Metallrahmens für eine gegebene Eigenmode geeignet entworfen ist, führt dies zu einer resonant verstärkten Unterdrückung von dieser bestimmten Eigenmode. Zusätzlich stellt ein ausreichend breiter Niedrig-Geschwindigkeits-Metallrahmen einen Bereich für einen gleichmäßigen Abfall der abklingenden und komplexen Moden, die durch ähnliche Mechanismen wie die sich ausbreitenden Eigenmoden angeregt werden, bereit. Die Kombination der obigen Effekte führt zu einer besseren Energiebeschränkung und zu einem höheren Q-Faktor bei einer Parallel-Resonanzfrequenz Fp.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen, von dem (oder den) Metallrahmen ausgeführten Funktionen führen sie auch andere wichtige Funktionen aus, die sich auf die Wärmeableitung und die strukturelle Stabilität beziehen. Das Ablagern von dem (oder den) Metallrahmen auf der unteren Oberfläche der unteren Elektrode verringert den thermischen Widerstand um den Umfang des aktiven Bereichs aufgrund des dickeren Metalls. Der verringerte thermische Widerstand verbessert den Wärmefluss weg aus dem aktiven Bereich. Zusätzlich verbessern der oder die Metallrahmen die strukturelle Stabilität an der Schnittstelle zwischen dem Metall und dem Substrat. In bekannten Akustikresonator-Vorrichtungen bildet die untere Oberfläche der unteren Elektrode um den Umfang des Swimming-Pools herum eine Schnittstelle mit dem Substrat. Eine übermäßige Wärme und/oder Vibrationen an dieser Schnittstelle können bewirken, dass diese Oberflächen sich trennen oder in anderer Weise beschädigt werden, was zu Problemen der Leistungsfähigkeit führen kann. Der Einbau von dem oder den Metallrahmen auf der unteren Oberfläche der unteren Elektrode verringert Wärme und Vibrationen an der Schnittstelle zwischen der unteren Oberfläche von dem oder den Metallrahmen und dem Substrat, wodurch die strukturelle Stabilität der Akustikresonator-Vorrichtung verbessert wird. Somit wird festgehalten, dass der oder die Metallrahmen, während sie dieselben oder ähnliche Vorteile hinsichtlich der Leistungsfähigkeit bereitstellen, die erzielt werden, wenn ein oder mehrere Metallrahmen auf der oberen Elektrode angeordnet werden, auch wichtige Vorteile hinsichtlich der Wärmeableitung und der strukturellen Stabilität bereitstellen.

1 ist eine Aufsicht von oben auf einen Akustikresonator 100 gemäß einer repräsentativen Ausführungsform, und die 2, 3 und 5 bis 14 sind Querschnittansichten eines Akustikresonators 100, genommen entlang einer Linie A-A‘, gemäß verschiedener Ausführungsformen. Die Querschnittansichten entsprechen verschiedenen Variationen des Akustikresonators 100 und werden, respektive, als Akustikresonatoren 100A100L bezeichnet. Die Akustikresonatoren 100A100L haben viele derselben Merkmale, so dass eine wiederholte Beschreibung dieser Merkmale in einer Bemühung, Redundanz zu vermeiden, ausgelassen werden kann.

Der Akustikresonator 100 umfasst eine obere Elektrode 103, die fünf (5) Seiten aufweist, mit einer Verbindungsseite 101, die dazu ausgebildet ist, eine elektrische Verbindung mit einer Verbindung 102 bereitstellen. Die Verbindung 102 stellt der oberen Elektrode 103 elektrische Signale bereit, um gewünschte akustische Wellen in einer piezoelektrischen Schicht (in 1 nicht gezeigt) des Akustikresonators 100 anzuregen.

Die fünf Seiten der oberen Elektrode 103 haben verschiedene Längen, so dass eine apodisierte Pentagon-Form ausgebildet ist. In alternativen Ausführungsformen kann die obere Elektrode 103 eine verschiedene Anzahl von Seiten aufweisen. Obwohl das in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, können andere Ausführungsformen des Akustikresonators, wie etwa diejenigen der 2, 3 und 5 bis 14, eine Erscheinung (oder ein Aussehen) ähnlich oder identisch zu derjenigen der 1 aufweisen, wenn sie von der Oberseite betrachtet werden.

Die 2, 3 und 5 bis 14 sind Querschnittschaubilder, die Akustikresonatoren gemäß repräsentativer Ausführungsformen darstellen. In den in den 2, 3 und 5 bis 14 gezeigten Beispielen ist der Akustikresonator ein FBAR. Jeder der in den 2, 3 und 5 bis 14 gezeigten Akustikresonatoren umfasst einen Hohlraum (oder eine Vertiefung), der auch als ein Swimming-Pool bezeichnet wird, die in einem Substrat ausgebildet ist. Es wird verstanden, dass dieselbe allgemeine Konfiguration in Akustikresonatoren enthalten sein kann, die Rahmen und/oder Luftringe in verschiedenen Positionen aufweisen, ohne vom Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen.

Mit Verweis auf 2 umfasst ein Akustikresonator 100A (z.B. ein FBAR) ein Substrat 104 mit einem darin ausgebildeten Lufthohlraum 105, eine untere Elektrode 106, einen ersten Metallrahmen 107, der auf der unteren Oberfläche der unteren Elektrode 106 angeordnet und in Kontakt mit dem Substrat 104 ist, einen zweiten Metallrahmen 108, der auf der unteren Oberfläche der unteren Elektrode 106 angeordnet ist, eine Planarisierungsschicht 109, die benachbart zu der unteren Elektrode 106 auf dem Substrat 104 angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht 111, die auf der unteren Elektrode 106 und auf der Planarisierungsschicht 109 angeordnet ist, und die obere Elektrode 103, die auf der piezoelektrischen Schicht 111 angeordnet ist. Zusammen bilden die untere Elektrode 106, die piezoelektrische Schicht 111 und die obere Elektrode 103 einen akustischen Stapel des Akustikresonators 100A aus. Auch definiert eine Überlappung zwischen der unteren Elektrode 106, der piezoelektrischen Schicht 111 und der oberen Elektrode 103 über dem Lufthohlraum 105 einen Membranhauptbereich 112 des Akustikresonators 100A. Der Membranhauptbereich 112 erstreckt sich in den lateralen Richtungen zwischen den gestrichelten Linien 119 und 120. Obwohl dies nicht gezeigt ist, kann auf der Oberseite der oberen Elektrode 103 (in jeder Ausführungsform) eine Passivierungsschicht vorhanden sein, die eine Dicke aufweist, die ausreichend ist, um alle Schichten des akustischen Stapels von der Umgebung zu isolieren, einschließlich eines Schutzes vor Feuchtigkeit, korrodierenden Stoffen, Verunreinigungen, Fremdkörpern und dergleichen.

Der erste Metallrahmen 107 weist einen ersten und einen zweiten inneren Rand 107a und 107b, respektive, auf einer ersten und einer zweiten Seite, respektive, des ersten Metallrahmens 107 auf. Der erste Metallrahmen 107 weist einen ersten und einen zweiten äußeren Rand 107c und 107d, respektive, auf der ersten und der zweiten Seite, respektive, des ersten Metallrahmens 107 auf. Der äußere Rand 107c auf der ersten Seite des ersten Metallrahmens 107 kann sich decken (oder übereinstimmen, zusammenfallen) mit dem äußeren Rand der unteren Elektrode 106. Der äußere Rand 107d auf der zweiten Seite des ersten Metallrahmens 107 deckt sich mit einem inneren Rand der Planarisierungsschicht 109. Der zweite Metallrahmen 108 hat einen ersten und einen zweiten inneren Rand 108a und 108b, respektive, auf einer ersten und einer zweiten Seite, respektive, des zweiten Metallrahmens 108. Der zweite Metallrahmen 108 hat einen ersten und einen zweiten äußeren Rand 108c und 108d, respektive, auf der ersten und der zweiten Seite, respektive, des zweiten Metallrahmens 108. Der äußere Rahmen 108c auf der ersten Seite des zweiten Metallrahmens 108 deckt sich mit dem inneren Rand 107a des ersten Metallrahmens 107. Der äußere Rand 108d auf der zweiten Seite des zweiten Metallrahmens 108 deckt sich mit dem inneren Rand 107b der zweiten Seite des ersten Metallrahmens 107. Insbesondere sind der erste und der zweite äußere Rand 108c und 108d, respektive, des zweiten Metallrahmens 108 lediglich zu veranschaulichenden Zwecken bereitgestellt als ein Mittel, um die Breite des zweiten Metallrahmens 108 zu definieren. Als solche ist die Breite des zweiten Metallrahmens 108 definiert als ein Abstand zwischen dem ersten inneren und äußeren Rand 108a und 108c, respektive, auf den nicht verbindenden Rändern des Akustikresonators 100A, und als der Abstand zwischen dem zweiten inneren und äußeren Rand 108b und 108d, respektive, auf der oberen Elektrode, die mit dem Rand des Akustikresonators 100A verbindet. Der zentrale Bereich 113 der unteren Elektrode 106 ist der Abschnitt der unteren Elektrode 106, der lateral einwärts (oder innerhalb) der inneren Ränder 108a und 108b des zweiten Metallrahmens 108 ist.

Der erste Metallrahmen 107 hat eine Dicke, die einem ersten Abstand, D1, zwischen der unteren Oberfläche der unteren Elektrode 106 und der unteren Oberfläche des ersten Metallrahmens 107 gleicht. Der zweite Metallrahmen 108 hat eine Dicke, die gleich einem zweiten Abstand, D2, zwischen der unteren Oberfläche der unteren Elektrode 106 und der unteren Oberfläche des zweiten Metallrahmens 108 ist. Die Dicke des ersten Metallrahmens 107 ist typischerweise im Bereich von etwa 10% bis 70% der Dicke der unteren Elektrode 106 in dem zentralen Bereich 113 der unteren Elektrode. Vorzugsweise reicht die Dicke des ersten Metallrahmens 107 von etwa 35% bis 65% der Dicke der unteren Elektrode 106 in dem zentralen Bereich 113 der unteren Elektrode 106. Die Dicke der unteren Elektrode 106 in dem zentralen Bereich 113 ist gleich einem dritten Abstand, D3, zwischen der oberen und der unteren Oberfläche der unteren Elektrode 106. Die Dicke des zweiten Metallrahmens 108 ist im Bereich von etwa 10% bis 70% der Dicke der unteren Elektrode 106 in einem zentralen Bereich 113 der unteren Elektrode 106, und ist typischerweise etwa die Hälfte der Dicke des ersten Metallrahmens 107.

Die obere Elektrode 103 hat eine Zusatz-Metallschicht 114, die auf ihrer oberen Oberfläche ausgebildet ist und die den Abschnitt der oberen Elektrode 103, der zwischen den gestrichelten Linien 115 und 116 ist, verdickt. Das Verdicken dieses Abschnitts der oberen Elektrode 103 und das Ausbilden des ersten und des zweiten Metallrahmens 107 und 108, respektive, auf der unteren Oberfläche der unteren Elektrode 106 führen dazu, dass der Stapel an den Stellen zwischen den Linien 115 und 117 und zwischen den gestrichelten Linien 116 und 118 am dünnsten ist. Das Ergebnis ist, dass diese Bereiche des Stapels Hochgeschwindigkeitsbereiche sind, die die höchste Resonanzfrequenz von allen Bereichen des Stapels aufweisen. Dies verbessert die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung 100A für Frequenzen, die unterhalb der Serienresonanzfrequenz der Vorrichtung 100A sind.

Das Substrat 104 kann aus einem Material, das mit Halbleiterprozessen kompatibel ist, ausgebildet werden, wie beispielsweise etwa Silizium (Si), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP), Glas, Saphir, Aluminium oder dergleichen. Die Vertiefung 107 kann ausgebildet werden, indem eine Vertiefung in das Substrat 104 geätzt wird, und dann die geätzte Vertiefung mit einem Opfermaterial, wie beispielsweise etwa Phosphosilikatglas (PSG), gefüllt wird, das anschließend entfernt wird, um einen Luftraum übrig zu behalten. Verschiedene veranschaulichende Herstellungstechniken für einen Lufthohlraum in einem Substrat sind in dem US Patent Nr. 7,345,410 (18. März 2008) an Grannen et al. beschrieben, das hierin durch Verweis in seiner Gesamtheit aufgenommen wird.

Die untere Elektrode 106 kann aus einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Materialien ausgebildet sein, wie etwa verschiedenen Metallen, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich beispielsweise Wolfram (W), Molybdän (Mo), Iridium (Ir), Aluminium (Al), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Niob (Nb) oder Hafnium (Hf). In verschiedenen Konfigurationen kann die untere Elektrode 106 aus zwei oder mehreren Schichten eines elektrisch leitfähigen Materials ausgebildet sein, die dieselben sein können wie, oder verschieden von, einander sein können. Gleichermaßen kann die obere Elektrode 103 aus elektrisch leitfähigen Materialien ausgebildet sein, wie etwa verschiedenen Metallen, die mit Halbleiterprozessen kompatibel sind, einschließlich beispielsweise Wolfram (W), Molybdän (Mo), Iridium (Ir), Aluminium (Al), Platin (Pt), Ruthenium (Ru), Niob (Nb), oder Hafnium (Hf). In verschiedenen Konfigurationen kann die obere Oberfläche 103 aus zwei oder mehreren Schichten eines elektrisch leitfähigen Materials ausgebildet sein, die dieselben sein können wie, oder verschiedenen von, einander sein können. Auch können die Konfiguration und/oder das Material (die Materialien), die die obere Elektrode 103 ausbilden, dasselbe sein wie oder verschieden sein von den Konfigurationen und/oder dem Material (oder den Materialien), die die untere Elektrode 103 ausbilden.

Die piezoelektrische Schicht 111 kann aus irgendeinem piezoelektrischen Material ausgebildet werden, das mit Halbleiterprozessen kompatibel ist, wie beispielsweise etwa Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO) oder Zirkonattitanat (PZT). Selbstverständlich können andere Materialien in die obigen und in andere Merkmale des Akustikresonators 100A (ebenso wie die anderen hierin beschriebenen Akustikresonatoren) eingebaut werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Lehren abzuweichen. Auch kann in verschiedenen Ausführungsformen die piezoelektrische Schicht 111 mit mindestens einem Seltenerdelement „dotiert“ sein, wie beispielsweise etwa Scandium (Sc), Yttrium (Y), Lanthan (La) oder Erbium (Er), um den piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten e33 in der piezoelektrischen Schicht 111 zu vergrößern. Beispiele für das Dotieren von piezoelektrischen Schichten mit einem oder mehreren Seltenerdelementen zum Verbessern des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten Kt2 sind in der US Patentanmeldung Nr. 3/662,425 (eingereicht am 27. Oktober 2012) an Bradley et al. und in der US Patentanmeldungs-Nr. 13/662,460 (eingereicht am 27. Oktober 2012) an Grannen et al. bereitgestellt, die hierin durch Verweis in ihren Gesamtheiten aufgenommen werden. Selbstverständlich kann das Dotieren von piezoelektrischen Schichten mit einem oder mehreren Seltenerdelementen auf jede der verschiedenen Ausführungsformen angewendet werden, einschließlich der nachfolgend mit Verweis auf die 2, 3 und 5 bis 14 beschriebenen Ausführungsformen.

Der erste und der zweite Metallrahmen 107 und 108, respektive, können aus einem oder mehreren leitfähigen Materialien ausgebildet sein, wie beispielsweise etwa Kupfer (Cu), Molybdän (Mo), Aluminium (Al) und Wolfram (W). Die Planarisierungsschicht 109 kann beispielsweise aus Borsilikatglas (BSG) ausgebildet sein. Die Planarisierungsschicht 109 ist für das Funktionieren des Akustikresonators 100A nicht streng erforderlich, ihr Vorhandensein kann jedoch verschiedene Vorteile bereitstellen. Beispielsweise neigt das Vorhandensein der Planarisierungsschicht 109 dazu, die strukturelle Stabilität des Akustikresonators 100A zu verbessern, kann die Qualität des Aufwachsens der nachfolgenden Schichten verbessern und kann es ermöglichen, die untere Elektrode 106 auszubilden, ohne dass sich ihre Ränder über den Hohlraum 105 hinaus erstrecken. Weitere Beispiele von möglichen Vorteilen der Planarisierung (oder Planarisierungsschicht) sind in der US Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. 2013/0106534 (veröffentlicht am 2. Mai 2013) an Burak et al. dargestellt, die hierin durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.

Während eines veranschaulichenden Betriebs des Akustikresonators 100A (z.B. als ein Teil eines Leiterfilters) wird an einem Eingangsanschluss der unteren Elektrode 106 ein elektrisches Eingangssignal angelegt und die obere Elektrode 103 wird mit dem Ausgangsanschluss verbunden. Das elektrische Eingangssignal umfasst typischerweise eine sich zeitlich verändernde Spannung, die eine Vibration in dem Membranhauptbereich 112 bewirkt. Diese Vibration wiederum kann an dem Ausgangsanschluss der oberen Elektrode 103 ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen. Der Eingangs- und der Ausgangsanschluss können mit der unteren und der oberen Elektrode 106 und 103 über Verbindungsränder, die sich von dem Membranhauptbereich 112 weg erstrecken, verbunden werden, so wie das in 2 gezeigt ist. Der Eingangs- und der Ausgangsanschluss des Akustikresonators 100A können mit geeigneten Anschlüssen von anderen Akustikresonatoren verbunden werden, so dass beispielsweise Leiterfilter ausgebildet werden.

Mit Verweis auf 3 ist ein Akustikresonator 100B (z.B. ein FBAR) identisch mit der Akustikresonator-Vorrichtung 100A, außer dass der innere Rand 107a des ersten Metallrahmens 107 sich nicht unterhalb der oberen Elektrode 103 erstreckt. Mit anderen Worten ist die erste Seite des ersten Metallrahmens 107 außerhalb des aktiven Bereichs des Akustikresonators 100B. Dies erlaubt, dass der erste Metallrahmen 107 eine beliebige Dicke aufweisen kann, die gleich einem Abstand D4 ist, weil dies keinen Einfluss auf den Betrieb des Akustikresonators 100B haben wird, wie etwa eine akustische Streuung der Kolbenmode, die in dem Membranhauptbereich 112 an den Rändern der oberen Elektrode 103 angeregt wird. Des Weiteren kann das metallische Material, aus dem der erste Metallrahmen 107 hergestellt ist, irgendein Metall sein, das mit dem Herstellungsprozess des Akustikresonators kompatibel ist, was eine größere Flexibilität erlaubt beim Auswählen von metallischen Materialien, die hohe thermische Leitfähigkeiten aufweisen. Die zusätzlich Metalldicke D4 verbessert ferner die Wärmeableitung und erhöht die strukturelle Stabilität am Umkreis des Akustikresonators 100B. Weil die zweite Seite des ersten Metallrahmens 107 sich wohl unter der oberen Elektrode 103 erstreckt und deshalb in dem aktiven Bereich ist, kann die vergrößerte Dicke des ersten Metallrahmens 107 die akustische Streuung am Verbindungsrand der oberen Elektrode des Akustikresonators 100B vergrößern. Die erhöhte akustische Streuung kann auf andere Arten verbessert werden, wie etwa durch das Aufnehmen von Luftringen oder Luftbrücken in dem Resonator 100B, so wie das unten in näherer Einzelheit beschrieben werden wird. Auch kann der Abschnitt des ersten Metallrahmens 107 auf der zweiten Seite, d.h. auf dem Verbindungsrand der oberen Elektrode, durch ein Opfermaterial, das zum Befüllen der Luftvertiefung 105 verwendet wird, ersetzt werden. Nach dem Membran-Freigabe-Prozessschritt verbleibt nur der zweite Metallrahmen 108 auf dem Verbindungsrand der oberen Elektrode, der sich bis zum Rand der unteren Elektrode 106 erstreckt, was durch die vertikale Linie 120 angezeigt ist.

Im Hinblick auf bekannte Akustikresonator-Vorrichtungen, besteht allgemein ein Engpass (choke point) für die Übertragung von Wärme aus der Vorrichtung heraus an den Umfang (oder Umkreis) des Membranhauptbereichs entlang eines Pfades von (oder aus) der piezoelektrischen Schicht durch die untere Elektrode und in das Substrat. Das Ausbilden von einem oder mehreren Metallrahmen 107 und/oder 108 auf der unteren Oberfläche der unteren Elektrode 106 verringert den thermischen Widerstand des Akustikresonators an dem Engpass, wodurch die Übertragung von Wärme aus der piezoelektrischen Schicht 111 verbessert wird. Das Verbessern der Wärmeübertragung auf diese Weise verbessert die Leistungsfähigkeit und ist besonders wichtig in Anwendungen mit hohen Leistungen. Zusätzlich verbessert die Dicke des ersten Metallrahmens 107 die mechanische Stabilität des Akustikresonators, um zu vermeiden, dass eine mögliche Schichtablösung (oder Delaminierung) an der Schnittstelle zwischen der unteren Oberfläche des ersten Metallrahmens 107 und dem Substrat 104 auftritt.

4 zeigt eine erste und eine zweite Kurve 131 und 132, respektive, des thermischen Widerstands RTH, normalisiert auf den thermischen Widerstand einer standardmäßigen FBAR-Vorrichtung (d.h. einer FBAR-Vorrichtung, die den ersten und den zweiten Metallrahmen 107 und 108 nicht enthält) als eine Funktion der Änderung in der Dicke des ersten Metallrahmens 107. Die erste Kurve 131 entspricht der in 2 gezeigten Akustikresonator-Vorrichtung 100A, in der die erste Seite des ersten Metallrahmens 107 mit dem Membranhauptbereich 112 um 2 µm überlappt. Die zweite Kurve 132 entspricht der in 3 gezeigten Akustikresonator-Vorrichtung, in der die erste Seite des ersten Metallrahmens 107 sich nicht in den Membranhauptbereich 112 erstreckt. Die Breite des zweiten Metallrahmens 108 wurde auf 3 µm konstant gehalten und seine Dicke wurde auf 1000 Å konstant gehalten. Die Dicke des ersten Metallrahmens 107 wurde von 1000 Å bis 2 µm variiert. Die Kurven 131 und 132 demonstrieren eine Verbesserung des thermischen Widerstands von bis zu 15% und 10%, respektive, aufgrund der verbesserten thermischen Pfade, die durch den ersten Metallrahmen 107 bereitgestellt werden. Insbesondere wurde in Simulationen dasselbe Metall (Molybdän) für die untere Elektrode 106, den ersten Metallrahmen 107 und den zweiten Metallrahmen 108 verwendet. In alternativen Ausführungsformen kann der erste Metallrahmen 107 aus Metallen mit einer besseren thermischen Leitfähigkeit als das Metall, das zum Ausbilden der unteren Elektrode 106 verwendet wird, wie etwa Silber (Ag), Gold (Au) oder Kupfer (Cu), ausgebildet sein, um die erwarteten Verbesserungen des thermischen Widerstands weiter zu vergrößern. Allgemein mögen Materialien mit derartiger hoher thermischer Leitfähigkeit zum Ausbilden der Elektroden der Akustikresonatoren 100A bis 100L aufgrund ihrer schlechten akustischen Eigenschaften, wie beispielsweise etwa hoher viskoser Verlust und niedrige akustische Impedanz, nicht bevorzugt sein.

Allgemein können Rahmen, Luftflügel und Luftbrücken in verschiedenen alternativen Positionen und Konfigurationen relativ zu anderen Abschnitten eines Akustikresonators, wie etwa die Elektroden und die piezoelektrische Schicht eines akustischen Stapels, angeordnet werden. Zusätzlich können ihre Abmessungen, Materialien, relative Positionierung usw. eingestellt werden, um spezifische Design-Ziele zu erreichen, wie etwa eine Soll-Resonanzfrequenz, ein Reihenwiderstand Rs, ein Parallelwiderstand Rp oder ein effektiver elektromechanischer Kopplungskoeffizient Kt2.

Mit Verweis auf 5 ist ein Akustikresonator 100C (z.B. ein FBAR) ähnlich wie die in 2 gezeigte Akustikresonator-Vorrichtung 100A, mit Ausnahme von Unterschieden zwischen der piezoelektrischen Schicht 141 und der oberen Elektrode 142, die in 5 gezeigt sind, und der piezoelektrischen Schicht 111 und der oberen Elektrode 103, die in 2 gezeigt sind, respektive. In gleicher Weise wie der in 2 gezeigte Akustikresonator 100A umfasst der in 5 gezeigte Akustikresonator 100C ein Substrat 104 mit einem darin ausgebildeten Lufthohlraum 105, eine untere Elektrode 106, einen ersten Metallrahmen 107, der auf der unteren Oberfläche der unteren Elektrode und im Kontakt mit dem Substrat 104 angeordnet ist, einen zweiten Metallrahmen 108, der auf der unteren Oberfläche der unteren Elektrode 106 angeordnet ist, und eine Planarisierungsschicht 109, die benachbart zu der unteren Elektrode 106 auf dem Substrat 104 angeordnet ist. Gemäß dieser Ausführungsform bilden die erste und die zweite Luftbrücke 151 und 152, respektive, zusammen einen Luftring, und sind zwischen der oberen Oberfläche der unteren Elektrode 106 und der unteren Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 141 ausgebildet. Der Luftring eliminiert den parasitären Strahlereffekt (transducer effect) am Verbindungsrand der oberen Elektrode in einem Bereich, wo die obere Elektrode 142, die piezoelektrische Schicht 141 und die untere Elektrode 106 mit dem Substrat 104 ohne die Anwesenheit eines Luftrings überlappen würden, und verbessert daher die elektrische Leistungsfähigkeit des Akustikresonators 100C.

Mit Verweis auf 6 ist ein Akustikresonator 100D (z.B. ein FBAR) ähnlich wie die in 2 gezeigte Akustikresonator-Vorrichtung 100A, mit Ausnahme von einigen Unterschieden zwischen der oberen Elektrode 162, die in 6 gezeigt ist, und der oberen Elektrode 103, die in 2 gezeigt ist. In gleicher Weise wie der in 2 gezeigte Akustikresonator 100A umfasst der in 6 gezeigte Akustikresonator 100D ein Substrat 104 mit einem darin ausgebildeten Lufthohlraum 105, eine untere Elektrode 106, einen ersten Metallrahmen 107, der auf der unteren Oberfläche der unteren Elektrode 106 und in Kontakt mit dem Substrat 104 angeordnet ist, einen zweiten Metallrahmen 108, der auf der unteren Oberfläche der unteren Elektrode 106 angeordnet ist, eine Planarisierungsschicht 109, die benachbart zu der unteren Elektrode 106 auf dem Substrat 104 angeordnet ist, und eine piezoelektrische Schicht 111, die zwischen der oberen Elektrode 162 und der unteren Elektrode 106 angeordnet ist. Gemäß dieser Ausführungsform sind eine Luftbrücke 163 und ein Luftflügel 164, die zusammen einen Luftring ausbilden, zwischen der unteren Oberfläche der oberen Elektrode 162 und der oberen Oberfläche der piezoelektrischen Schicht 111 ausgebildet. Der Luftring eliminiert den parasitären Strahlereffekt und verbessert die elektrische Leistungsfähigkeit des Akustikresonators 100D.

Mit Verweis auf 7 ist ein Akustikresonator 100 (z.B. ein FBAR) ähnlich wie die in den 5 und 6 gezeigten Akustikresonatoren 100C und 100D, respektive. Der Akustikresonator 100E umfasst den Luftring, der die kombinierte Luftbrücke 163 und einen Luftflügel 164, die in 6 gezeigt sind, umfasst, und den Luftring, der die Luftbrücken 151 und 152, die in 5 gezeigt sind, umfasst. Die Luftbrücken 152 und 163 sind miteinander ausgerichtet, so wie das durch die gestrichelten Linien 166 und 167 angedeutet ist. Gleichermaßen sind der Luftflügel 164 und die Luftbrücke 151 miteinander ausgerichtet, so wie das durch die gestrichelte Linie 168 angedeutet ist. Somit weist der Akustikresonator 100E zwei ausgerichtete Luftringe aus, die den parasitären Strahlereffekt eliminieren und die elektrische Leistungsfähigkeit des Akustikresonators 100E verbessern.

Mit Verweis auf 8 ist ein Akustikresonator 100F (z.B. ein FBAR) ähnlich wie der in 7 gezeigte Akustikresonator 100E, mit der Ausnahme, dass die Luftbrücken 152 und 163 zueinander versetzt sind, und dass der Luftflügel 164 und die Luftbrücke 151 zueinander versetzt sind, so wie das durch die gestrichelten Linien 171 und 172, respektive, angedeutet ist. Somit weist der Akustikresonator 100F zwei versetzte (oder nicht ausgerichtete) Luftringe auf. Die versetzten Luftringe eliminieren den parasitären Strahlereffekt und verbessern die elektrische Leistungsfähigkeit des Akustikresonators 100F.

Mit Verweis auf 9 ist der Akustikresonator 100G ähnlich dem in 5 gezeigten Akustikresonator 100C dahingehend, dass er den Luftring, der die Luftbrücken 151 und 152 umfasst, und die anderen in 5 gezeigten Merkmale enthält, mit der Ausnahme, dass der erste Metallrahmen 107 eine vergrößerte Dicke aufweist, die gleich einem Abstand D5 zwischen der unteren Oberfläche der unteren Elektrode 106 und der unteren Oberfläche des ersten Metallrahmens 107 ist. In gleicher Weise, wie der in 5 gezeigte Akustikresonator 100C umfasst der in 9 gezeigte Akustikresonator 100G ein Substrat 104 mit einer darin ausgebildeten Luftvertiefung 105, eine untere Elektrode 106, den ersten und den zweiten Metallrahmen 107 und 108, respektive, eine Planarisierungsschicht 109, die benachbart zu der unteren Elektrode 106 auf dem Substrat 104 angeordnet ist, eine piezoelektrischen Schicht 141 und eine obere Elektrode 142. Der Luftring eliminiert den parasitären Strahlereffekt und verbessert die elektrische Leistungsfähigkeit, während die vergrößerte Dicke des ersten Metallrahmens 107 die strukturelle Stabilität und den thermischen Widerstand verbessert. Weil der erste Metallrahmen 107 unterhalb des Luftrings endet, so wie dies durch die Positionen der gestrichelten Linien 181 und 182 relativ zu diesen Merkmalen angedeutet ist, kann der erste Metallrahmen 107 eine vergrößerte Dicke für eine verbesserte mechanische Stabilität und Wärmeübertragung aufweisen, ohne irgendeinen Einfluss auf den akustischen Verlust aufgrund der Streuung der elektrisch angeregten Kolbenmode am Rand der oberen Elektrode 142 aufzuweisen.

Mit Verweis auf 10 ist ein Akustikresonator 100H ähnlich dem in 6 gezeigten Akustikresonator 100D dahingehend, dass er den Luftring, der die Luftbrücke 163 und den Luftflügel 164 umfasst, und die anderen, in 6 gezeigten Merkmale enthält, außer dass der erste Metallrahmen 107 eine vergrößerte Dicke aufweist, die gleich dem Abstand D6 zwischen der unteren Oberfläche der unteren Elektrode 106 und der unteren Oberfläche des ersten Metallrahmens 107 ist. In gleicher Weise wie der in 6 gezeigte Akustikresonator 100D umfasst der in 10 gezeigte Akustikresonator 100H ein Substrat 104 mit einer darin ausgebildeten Luftvertiefung 105, eine untere Elektrode 106, einen ersten und einen zweiten Metallrahmen 107 und 108, respektive, eine Planarisierungsschicht 109, die benachbart zu der unteren Elektrode 106 auf dem Substrat 104 angeordnet ist, eine piezoelektrische Schicht 111 und eine obere Elektrode 162. Der Luftring eliminiert den parasitären Strahlereffekt und verbessert die elektrische Leistungsfähigkeit, während die vergrößerte Dicke des ersten Metallrahmens 107 die strukturelle Stabilität verbessert und den thermischen Widerstand verringert. Weil der erste Metallrahmen 107 unter dem Luftring endet, so wie das durch die Positionen der gestrichelten Linien 191 und 192 relativ zu diesen Merkmalen angedeutet ist, kann der erste Metallrahmen 107 eine vergrößerte Dicke für eine verbesserte mechanische Stabilität und Wärmeübertragung aufweisen, ohne irgendeinen Effekt auf den akustischen Verlust aufgrund der Streuung der elektrisch angeregten Kolbenmode am Rand der oberen Elektrode 162 aufzuweisen.

Mit Verweis auf 11 ist ein Akustikresonator 100I ähnlich dem in 5 gezeigten Akustikresonator 100C, mit der Ausnahme, dass der Luftring des Akustikresonators 100I in der unteren Elektrode 106 ausgebildet ist anstatt zwischen der piezoelektrischen Schicht 141 und der unteren Elektrode 106, wie in dem Akustikresonator 100C. Der Luftring umfasst Luftbrücken 201 und 202, die in der unteren Elektrode 106 ausgebildet sind. So wie bei den anderen Ausführungsformen eliminiert der Luftring den parasitären Strahlereffekt und verbessert die elektrische Leistungsfähigkeit des Akustikresonators 100I. Das Ausbilden des Luftrings in der unteren Elektrode 106, anstatt zwischen der unteren Elektrode 106 und der piezoelektrischen Schicht 141, trägt dazu bei, sicherzustellen, dass die piezoelektrische Schicht 141 von der höchsten Qualität ist, indem das Erfordernis vermieden wird, die piezoelektrische Schicht 141 über dem Opfermaterial, das zum Ausbilden des Luftrings benötigt wird, abzulagern.

Mit Verweis auf 12 ist ein Akustikresonator 100J ähnlich wie der in 5 gezeigte Akustikresonator 100D, mit der Ausnahme, dass der Luftring des Akustikresonators 100J in der oberen Elektrode 162 ausgebildet ist, anstatt zwischen der piezoelektrischen Schicht 111 und der oberen Elektrode 162, wie in dem Akustikresonator 100D. Der Luftring umfasst den Luftflügel 221 und die Luftbrücke 212, die in der oberen Elektrode 162 ausgebildet sind. Um den parasitären Strahlereffekt zu eliminieren, endet der äußere Rand 107d auf der zweiten Seite des ersten Metallrahmens 107 innerhalb des Lufthohlraums 105 an der Verbindungsseite der oberen Elektrode 103. Der Luftring kann die Leistungsfähigkeit des Akustikresonators 100J verbessern, indem die piezoelektrischen Schicht 111 möglicherweise schädlichen chemischen Wechselwirkungen mit der zum Ausbilden eines Luftrings verwendeten Opferschicht nicht ausgesetzt wird.

Mit Verweis auf 13 ist ein Akustikresonator 100K ähnlich dem in 5 gezeigten Akustikresonator 100C, mit der Ausnahme, dass der Luftring des Akustikresonators 100K innerhalb der piezoelektrischen Schicht 141 ist, anstatt zwischen der piezoelektrischen Schicht 141 und der unteren Elektrode 106, wie in dem Akustikresonator 100C. Der Luftring umfasst die Luftbrücken 221 und 222, die in der piezoelektrischen Schicht 141 ausgebildet sind. So wie bei den anderen Ausführungsformen eliminiert der Luftring den parasitären Strahlereffekt und verbessert die elektrische Leistungsfähigkeit des Akustikresonators 100K. Das Ausbilden des Luftrings in der piezoelektrischen Schicht 141, anstatt zwischen der unteren Elektrode 106 und der piezoelektrischen Schicht 141, kann Schwierigkeiten im Hinblick auf das Ausbilden einer piezoelektrischen Schicht, die eine sehr hohe Qualität aufweist, mit sich bringen. Wenn jedoch diese Schwierigkeiten überwunden werden können, kann das Ausbilden des Luftrings in der piezoelektrischen Schicht 141 den stärksten Effekt auf die Leistungsfähigkeit aufweisen.

Mit Verweis auf 14 ist ein Akustikresonator 100L ähnlich wie der in 2 gezeigte Akustikresonator 100A, mit der Ausnahme, dass auf der oberen Oberfläche der oberen Elektrode 103 zusätzliche Metallrahmen ausgebildet worden sind. In gleicher Weise, wie der in 2 gezeigte Akustikresonator 100A umfasst der in 14 gezeigte Akustikresonator 100L ein Substrat 104 mit einem darin ausgebildeten Lufthohlraum 105, eine untere Elektrode 106, einen ersten und einen zweiten Metallrahmen 107, 108, respektive, eine Planarisierungsschicht 109, eine piezoelektrische Schicht 111 und eine obere Elektrode 103. Die obere Elektrode 103 weist einen dritten Metallrahmen 231 und einen vierten Metallrahmen 232, die auf ihrer oberen Oberfläche ausgebildet sind, auf. So wie das durch die gestrichelten Linien 233 und 234 angedeutet ist, sind der erste und der dritte Metallrahmen 107 und 231, respektive, miteinander ausgerichtet. So wie das durch die gestrichelten Linien 233 und 235 angedeutet ist, sind der zweite und der vierte Metallrahmen 108 und 232, respektive, miteinander ausgerichtet.

Allgemein hat die Unstetigkeit an dem nicht-verbindenden Rand 103a der oberen Elektrode 103 den überwiegenden Einfluss auf mechanisch angeregte Eigenmoden. So wie das von einem Fachmann gewertschätzt werden sollte, können verschiedene Eigenmoden, die von dem mehrfach geschichteten Stapel, der die untere Elektrode 106, die piezoelektrische Schicht 111 und die obere Elektrode 103 umfasst, akustische Energie aufweisen, die entweder im unteren Teil des Stapels, im mittleren Teil des Stapels oder im oberen Teil des Stapels eingeschlossen ist. Folglich interagieren (oder wechselwirken) der erste und der zweite Metallrahmen 107 und 108, respektive, überwiegend mit den Eigenmoden, die akustische Energie eingegrenzt in der Unterseite des Stapels aufweisen, während der dritte und der vierte Metallrahmen 231 und 232, respektive, überwiegend mit Eigenmoden wechselwirken, die akustische Energie eingegrenzt in der Unterseite des Stapels aufweisen. Weil jedoch die hauptsächliche strukturelle Unstetigkeit in dem Akustikresonator 100L am Rand der oberen Elektrode 103a auftritt, werden während des elektrischen Betreibens des Akustikresonators 100L die Eigenmoden mit akustischer Energie angeregt, die überwiegend in der Oberseite des Stapels eingegrenzt ist. Infolgedessen werden der dritte und der vierte Metallrahmen 231 und 232, respektive, die auf der oberen Oberfläche der oberen Elektrode 103 angeordnet sind, einen größeren Einfluss auf das Unterdrücken von Eigenmoden aufweisen als der erste und der zweite Metallrahmen 107 und 108, respektive, die auf der unteren Oberfläche der unteren Elektrode 106 ausgebildet sind. Jedoch weisen der erste und der zweite Metallrahmen 107 und 108, respektive, einen größeren Einfluss auf das Wärmemanagement (oder den Wärmehaushalt) auf als der dritte und der vierte Metallrahmen 231 und 232, respektive. Folglich stellen die oberen Metallrahmen 231 und 232 eine verbesserte Leistungsfähigkeit im Hinblick auf das Unterdrücken von Eigenmoden bereit, während die unteren Metallrahmen 107 und 108 die Leistungsfähigkeit im Hinblick auf Wärmeübertragung verbessern.

Die obere Elektrode 103 hat die zugefügte Metallschicht 114 auf ihrer oberen Oberfläche ausgebildet, die den Abschnitt der oberen Elektrode 103, der zwischen den gestrichelten Linien 231 ist, verdickt. Das Verdicken jedes Abschnitts der oberen Elektrode 103 und das Ausbilden der Metallrahmen 107, 108, 231 und 232 auf der unteren und der oberen Elektrode 106 und 103, respektive, führt dazu, dass der Stapel an den Stellen zwischen den gestrichelten Linien 235 und 236 am dünnsten ist. Das Ergebnis ist, dass diese Bereiche des Stapels Hochgeschwindigkeits-Bereiche sind, die die höchste Resonanzfrequenz von allen Bereichen des Stapels aufweisen, was die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung 100L für Frequenzen, die unterhalb der Reihenresonanzfrequenz der Vorrichtung 100L sind, verbessert.

In gleicher Weise wie die in 14 gezeigte Konfiguration können eine oder mehrere obere Metallrahmen auf der oberen Oberfläche der oberen Elektrode der in den 5 bis 13 gezeigten Akustikresonatoren 100C bis 100K, respektive, hinzugefügt werden, um Vorteile bei der Leistungsfähigkeit zu erreichen, ähnlich wie die, die oben mit Verweis auf 14 beschrieben sind. Im Interesse der Knappheit der Darstellung wurden die Akustikresonatoren 100C bis 100K, die dahingehend modifiziert worden sind, dass sie obere Metallrahmen enthalten, nicht explizit gezeigt und hierin beschrieben, weil Fachleute verstehen werden, wie derartige Modifikationen im Hinblick auf die hierin bereitgestellten Lehren ausgeführt werden.

Während hierin beispielhafte Ausführungsformen offenbart sind, wertschätzt ein Fachmann, das viele Variationen, die gemäß der vorliegenden Lehren sind, möglich sind und innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Patentansprüche bleiben. Beispielsweise und so wie dies oben angedeutet wurde, können die Position, Abmessungen, Materialien und sogar die Anzahl der Rahmen in vielfältiger Weise verändert werden. Des Weiteren können andere Merkmale hinzugefügt und/oder entfernt werden, um verschiedene Leistungsfähigkeits-Kennzahlen der beschriebenen Vorrichtungen weiter zu verbessern. Diese und andere Variationen würden einen Fachmann nach einer Durchsicht der Beschreibung, der Zeichnungen und der Patentansprüche hierin klar werden. Die Erfindung ist daher nicht beschränkt außer innerhalb des Geistes und des Schutzumfangs der beigefügten Patentansprüche.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • US 9203374 [0001]
  • US 9136818 [0001]
  • US 9154112 [0001]
  • US 6107721 [0027]
  • US 5587620 [0027]
  • US 5873153 [0027]
  • US 6507983 [0027]
  • US 6384697 [0027]
  • US 7275292 [0027]
  • US 7629865 [0027]
  • US 7280007 [0027]
  • US 7388454 [0027]
  • US 6548943 [0027]
  • US 7345410 [0042]