JP2004007847A

JP2004007847A - 薄膜バルク波共振子フィルタ

Info

Publication number: JP2004007847A
Application number: JP2003316522A
Authority: JP
Inventors: Eiki Komuro; 小室　栄樹; Masaaki Imura; 伊村　正明; Qingxin Su; スウ，チンシン; Paul B Kirby; カービー，ポール・ビー; Roger W Whatmore; ホワットモア，ロジャー・ダブリュー
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2004-01-08
Also published as: GB0029090D0; DE60131888D1; JP2004515149A; WO2002045265A1; DE60131888T2; US7199504B2; AU2001269334A1; US7187254B2; US20040061416A1; US20040150295A1; EP1340315A1; EP1340315B1

Abstract

【課題】小型で製造の容易な薄膜バルク波共振子フィルタを実現する。
【解決手段】はしご型の薄膜バルク波共振子フィルタは、それぞれ下部電極２５と上部電極２４，２７とこれらに挟まれた圧電層とを有する薄膜バルク波共振子（ＦＢＡＲ）よりなる２つの直列ＦＢＡＲ１０および２つの並列ＦＢＡＲ１１を備えている。２つの直列ＦＢＡＲ１０の各上部電極２４は、コプレーナ導波路構造の伝送線路における信号線路の一部をなしている。２つの直列ＦＢＡＲ１０の各上部電極２４は、関連回路に接続される。また、上部電極２４によって関連回路に接続される２つの直列ＦＢＡＲ１０は、共通の下部電極２５を有している。
【選択図】図４−Ａ

Description

　本発明は、薄膜バルク波共振子（ＦＢＡＲ）フィルタであって、その中でも特に薄膜技術を用いて簡単に製造できる、マイクロ波周波数で動作するＦＢＡＲフィルタに関する。

　ＭＨｚやＧＨｚ域の高い周波数でフィルタを用意することは重要である。というのは、今日、これらの周波数域が無線通信に頻繁に使用されているからである。かかる用途のためには、フィルタのサイズは可能な限り小さいことが重要である。したがって、基板表面上のフィルタのサイズを極力小さくできるフィルタ構成が望まれている。

　ＦＢＡＲは、高い周波数、特にＭＨｚおよびＧＨｚ域において共振ピークを示すため、魅力的なデバイスである。さらに、ＦＢＡＲは小型デバイスにすることも可能である（〜１００ミクロンサイズ）。したがって、ＦＢＡＲは携帯電話などの小型かつ軽量で薄い電気製品に実装するのにも有用であると考えられる。

　ＦＢＡＲは、典型的には酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）またはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）といった薄膜圧電層を、半導体基板上に形成された薄膜や四分の一波長音響スタックの上に堆積することにより作製される。この組合せは、特定の周波数において共振する音響構造を形成する。

　従来のＦＢＡＲデバイスは、接触パッドおよびワイヤボンドによって関連回路に連結されている。この方法では、金属導線の寄生インダクタンスのせいで接地接続が不充分になる。また、この手法ではシミュレーションおよび結果の分析が困難になる。

　コプレーナ導波路（ＣＰＷ）構造内にＦＢＡＲを組み込むという代替方法では、接地−信号−接地接続部において、圧電層の上部と下部に接触する信号接続部が必要になる。公知の配置では、電極は伝送線路構造から分離されている。そのため面積が大きくなって、製造できるデバイスのサイズが制限されることになる。

　本発明の目的は、小型で製造の容易な薄膜バルク波共振子フィルタを提供することにある。

　本発明の第１の薄膜バルク波共振子フィルタは、それぞれ下部電極と上部電極とこれらに挟まれた圧電層とを有する複数の薄膜バルク波共振子を備え、少なくとも２つの薄膜バルク波共振子の各上部電極が関連回路に接続されるものである。

　本発明の第１の薄膜バルク波共振子フィルタにおいて、関連回路に接続される少なくとも２つの上部電極は、コプレーナ導波路構造の伝送線路の一部をなしていてもよい。

　また、本発明の第１の薄膜バルク波共振子フィルタにおいて、上部電極によって関連回路に接続される少なくとも２つの薄膜バルク波共振子は、共通の下部電極を有していてもよい。

　本発明の第２の薄膜バルク波共振子フィルタは、それぞれ下部電極と上部電極とこれらに挟まれた圧電層とを有する薄膜バルク波共振子よりなる少なくとも２つの直列共振子および少なくとも２つの並列共振子を備えたはしご型の薄膜バルク波共振子フィルタであって、２つの直列共振子の各上部電極が関連回路に接続されるものである。

　本発明の第２の薄膜バルク波共振子フィルタにおいて、関連回路に接続される２つの上部電極は、コプレーナ導波路構造の伝送線路における信号線路の一部をなしていてもよい。

　本発明の第２の薄膜バルク波共振子フィルタにおいて、上部電極によって関連回路に接続される２つの直列共振子は、共通の下部電極を有していてもよい。

　フィルタをＣＰＷ構造として構成することにより、浮遊寄生効果に影響されない小型フィルタが得られる。さらに、コプレーナ伝送線路構造内にフィルタを組み込むことにより、ワイヤボンドが不要となって、その結果、製造が簡単になる。

　フィルタは、直列ＦＢＡＲが一つのグループを形成し、並列ＦＢＡＲが他のグループを形成しているはしご型フィルタが好ましい。はしご型フィルタ構成の利点は、余分な面積を占める追加の受動キャパシタンスやインダクタを必要としないことである。一般的に、バンドパスフィルタの場合、フィルタ内で使用するＦＢＡＲが多いほど、信号通過域と比較した減衰レベルが改善する。本発明によれば、小型であり低位の帯域端減衰極（クローズインリジェクション）および低位の帯域外減衰（アウトオブバンドリジェクション）を示す、複数のＦＢＡＲからなるフィルタが提供される。

　典型的には、直列ＦＢＡＲと並列ＦＢＡＲとでは面積と厚みの両方が異なっていてもよいが、直列ＦＢＡＲは同一の面積と厚みを有し、並列ＦＢＡＲも同様に同一の面積と厚みを有する。同一の直列ＦＢＡＲを“Ａ”型ＦＢＡＲと称し、同一の並列ＦＢＡＲを“Ｂ”型ＦＢＡＲと称する。

　直列ＦＢＡＲと並列ＦＢＡＲは、ＡＢＡＢという順序で、もしくはＡＢＢＡという順序で配列し得る。ＣＰＷ構造内においてＡＢＡＢ構成はＡＢＢＡ構成に比べてより大きな領域を占めるため、ＡＢＢＡ構成を採用すれば、デバイス領域を充分に利用することが可能になる。

　また、ＣＰＷ内のＡＢＢＡ構成は、薄膜技術を用いた小型フィルタの製造を簡素化するのにも適しており、圧電層をパターニングせずにより高次のフィルタを容易に製造することをも可能にする。

　ＦＢＡＲは、圧電層の縁端部上にエアブリッジや金属線路を形成せずに配置してもよい。

　圧電層の圧電材料は、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、チタン酸ジルコン酸鉛、スカンジウムタンタル酸鉛およびチタン酸ビスマスナトリウムから選択するのが好都合である。

　強誘電性の圧電層の場合には、圧電層を分極処理するための電極への接続路が提供されるのが好ましい。

　本発明において、各直列ＦＢＡＲの上部電極がコプレーナ導波路構造の信号線路の一部をなし、各並列ＦＢＡＲの上部電極がコプレーナ導波路構造の接地線路の一部をなすようにしてもよい。信号線路は、２つの接地線路の間に配置されるのが好ましい。

　本発明によれば、小型で製造の容易な薄膜バルク波共振子フィルタを実現することができる。

　これより添付の図面を参照しながら、専ら一例として、本発明の実施の形態をより詳細に説明する。

　まず図１（Ａ）および（Ｂ）を参照すると、標準的なＦＢＡＲの上面図および断面図が示されている。ＦＢＡＲはコプレーナ伝送線路における接地−信号−接地線路の信号線路上に配置されている。

　このデバイスは２ポート測定用に構成されており、接地プローブは接地電極２７のいずれかの端部に配置でき、一方の信号プローブはコンタクトホール２６を通して下部電極２５上に配置でき、もう一方の信号プローブは上部電極２４の端部に配置できるようになっている。

　コプレーナ伝送線路の寸法は、このシステムに５０オームの環境を与えるように設計されるが、ＦＢＡＲおよびＦＢＡＲフィルタの全体のサイズを最小化しつつ、様々な面積のＦＢＡＲを収容するため、接地線路と信号線路との間の距離の変更が許されるよう、設計上充分な柔軟性を有している。

　ＦＢＡＲは、絶縁層２２上に堆積された連続的な圧電層２３からなっている。ＦＢＡＲの下部電極２５を形成する入力電極は、絶縁層２２上に形成されており、コプレーナ伝送線路の信号線路の一部として構成されている。

　絶縁層２２上に規定される信号線路と圧電層２３の上部に規定される信号線路部分との重複領域が、基板２０における開口部２８の上方に位置している。この開口部２８は、背面パターン２１を用いてエッチングにより作製される。

　出力伝送線路は、測定点もしくははしご型構成内に配列されたその他のＦＢＡＲまで延在する。連続した圧電薄膜を用いているので、この圧電薄膜の堆積の前後において入力電極と出力電極を規定しなければならない。上部電極２４を作製する際には、上部電極２４が特性インピーダンスを約５０オームに設定されたコプレーナ導波路構造を有するよう、２つの接地電極２７を同時に作製する。

　測定のためのＦＢＡＲの下部電極２５への接続は、コンタクトホール２６をエッチングすることにより達成される。上部電極２４と下部電極２５の中央部分に相当する作用領域の大きさは、通常、ＺｎＯの場合は５０〜２００ミクロン角、ＰＺＴの場合は２０〜４５ミクロン角である。

　図２および図３は、はしご型フィルタを形成する直列および並列ＦＢＡＲの配列を２種類示した概略図である。各フィルタは、直列に配列された２つのＦＢＡＲと、並列に配列された２つのＦＢＡＲを備えている。このようなフィルタは２×２はしご型フィルタという共通の名称で称され、ここで最初の数字は直列共振子の数を指し、二番目の数字は並列共振子の数を指す。ここでは便宜上、直列共振子をＡで表し、並列共振子をＢで表すこととする。直列共振子Ａは、並列共振子Ｂとは面積と厚みが異なることも大いにありうる。直列共振子Ａは全て同一であり、並列共振子Ｂも全て同一である。

　図２および図３におけるＦＢＡＲの配列は、接地順序において異なる。ここで、図２の配列をＡＢＡＢと称し、図３の配列をＡＢＢＡと称する。これらの用語は直列共振子と並列共振子の順序を表すものである。

　図３に示されるＡＢＢＡコプレーナ構成の２×２フィルタの実現例を、圧電層２３がＺｎＯからなる場合に適した寸法で図４−Ａ〜図４−Ｄに示し、図２に示されるＡＢＡＢコプレーナ構成の２×２フィルタの実現例を図５−Ａ〜図５−Ｄに示す。

　いずれの例においても、上部電極２４，２７は、コプレーナ導波路構造の伝送線路の一部をなしている。上部電極２４，２７は、関連回路に接続される。上部電極２４，２７によって関連回路に接続されるＦＢＡＲ１０，１１は、共通の下部電極２５を有している。また、いずれの例においても、２つの直列ＦＢＡＲ１０の各上部電極２４は、コプレーナ導波路構造の伝送線路における信号線路の一部をなしている。信号線路は、２つの接地電極２７の間に配置されている。２つの直列ＦＢＡＲ１０の各上部電極２４は、関連回路に接続される。また、上部電極２４によって関連回路に接続される２つの直列ＦＢＡＲ１０は、共通の下部電極２５を有している。

　直列ＦＢＡＲ１０および並列ＦＢＡＲ１１は単一の膜構造上に配置されている。本発明によれば、工程が非常に簡素化され、ＺｎＯからなる圧電層２３をエッチングによりパターニングする必要がなくなる。コプレーナ伝送線路内においてＡＢＢＡ構成の場合もＡＢＡＢ構成の場合も、その２×２フィルタを構成する４つ全部のＦＢＡＲに対し、一つの層によって下部電極２５が形成される。

　ＣＰＷ内でＡＢＢＡ構成のフィルタを用いると、例えばＡＢＢＡＢＢＡ（３／４）やＡＢＢＡＢＢＡＡ(４／４)といったように、並列ＦＢＡＲの数が直列ＦＢＡＲの数以上となる、ある次数のはしご型フィルタをＣＰＷ内に形成することがより容易になる。

　単純なＣＰＷ内におけるＡＢＡＢ構成のフィルタの場合には、エッチングにより圧電メサを形成しないことには、ＡＢＡＢＡＢ（３／３）のように直列ＦＢＡＲと並列ＦＢＡＲが同数のフィルタを作製することは困難である。一つのＦＢＡＲにおいて、次のＦＢＡＲの下部電極を形成できるように上部電極の金属パターンを圧電材料側にまで伸ばすには、メサが必要である。圧電材料をエッチングせずに作製できるのは、ＡＢＡＡＢ（３／２）のように並列ＦＢＡＲの数が直列ＦＢＡＲよりも少ないフィルタだけである。

　ＡＢＢＡ構造は、他の導波路構成、例えばマイクロストリップなどにおいても使用できるが、ＡＢＡＢ構成で使用するよりもフィルタの占める面積が大きくなる。マイクロストリップ内のＡＢＢＡフィルタの場合、圧電材料上の上部電極を次のＦＢＡＲの下部電極に接続できるようにする電極の伝送構成のためには、圧電メサをエッチングしたり、エアブリッジ技術を用いたりすることが必要になる。

　図４−Ａに示されるＡＢＢＡ構成に配列された４つのＦＢＡＲを包含するフィルタにおける上部表面の作製順序を説明する。まず、下部電極２５のメタライズパターンを従来の作製技術によって規定する。そして圧電層２３を全面に堆積させる。

　そして、従来技術にしたがい、直列ＦＢＡＲと並列ＦＢＡＲにそれぞれ異なる金属の厚み、およびそれによって異なる周波数を要求するかどうかに応じて、上部電極２４の１つあるいは２つのメタライズパターンを堆積することにより、フィルタを完成する。

　作製の最終工程は、当業者に周知のバルクシリコンエッチングあるいは深い反応性エッチングといった技術により、絶縁層２２の下に開口部２８を形成することである。

　図５−Ａに示されるＡＢＡＢフィルタの作製工程は、層の作製順序が異なるがＡＢＢＡ構成の場合と同様である。

　ＡＢＡＢ構成およびＡＢＢＡ構成の、ＺｎＯを用いた２×２ＦＢＡＲフィルタの透過係数（Ｓ₂₁）を図６−Ａ，図６−Ｂで比較している。これらフィルタは挿入損失が同じで、帯域外減衰にほとんど差異はない。ＡＢＡＢ構成のほうが、ＡＢＢＡ構成よりも帯域端減衰極が深く、ロールオフが急峻で、帯域幅がわずかに広い。ＡＢＢＡ構造は、通過帯域がより平坦になりうる。

　強誘電性でもあり、従って分極処理が必要な圧電層２３を用いた、本発明の２×２はしご型フィルタの更なる実施形態を図７−Ａ〜図７−Ｄに示す。その作製手順は、共通の下部電極２５にコンタクトホール２６を形成することを除き、上述したＺｎＯによるＦＢＡＲフィルタの作製手順と同じである。このコンタクトホール２６を使えば、ＡＢＢＡ構成において分極処理を行う際、共通の下部電極２５への接続が可能になり、一つのフィルタ上で多数の下部電極を接続することが不要になる。ＡＢＡＢ構成の場合は、分極処理のための追加のコンタクトホールが必要となる。

（Ａ）はＦＢＡＲの上面図、（Ｂ）は（Ａ）に示したＦＢＡＲの断面図である。ＡＢＡＢはしご型フィルタの概要図である。ＡＢＢＡはしご型フィルタの概要図である。図３に示したＡＢＢＡ構成を有する本発明の第１の実施形態に係るはしご型フィルタの上面図である。図４−Ａに示したＡＢＢＡはしご型フィルタの下部電極を示す図である。図４−Ａに示したＡＢＢＡはしご型フィルタにおける並列ＦＢＡＲの上部電極を示す図である。図４−Ａに示したＡＢＢＡはしご型フィルタにおける直列ＦＢＡＲの上部電極を示す図である。図２に示したＡＢＡＢ構成を有する本発明の第２の実施形態に係るはしご型フィルタの上面図である。図５−Ａに示したＡＢＡＢはしご型フィルタの下部電極を示す図である。図５−Ａに示したＡＢＡＢはしご型フィルタにおける並列ＦＢＡＲの上部電極を示す図である。図５−Ａに示したＡＢＡＢはしご型フィルタにおける直列ＦＢＡＲの上部電極を示す図である。図４−Ａおよび図５−Ａに示したＡＢＡＢおよびＡＢＢＡはしご型フィルタのＳパラメータの比較モデルを示す図である。図４−Ａおよび図５−Ａに示したＡＢＡＢおよびＡＢＢＡはしご型フィルタのＳパラメータの比較モデルを示す図である。本発明の第３の実施形態に係る、強誘電層を備えた図４−Ａと類似のＡＢＢＡはしご型フィルタの上面図である。図７−Ａに示したＡＢＢＡはしご型フィルタの下部電極を示す図である。図７−Ａに示したＡＢＢＡはしご型フィルタにおける並列ＦＢＡＲの上部電極を示す図である。図７−Ａに示したＡＢＢＡはしご型フィルタにおける直列ＦＢＡＲの上部電極を示す図である。

符号の説明

　１０…直列ＦＢＡＲ、１１…並列ＦＢＡＲ、２４…上部電極、２５…下部電極、２７…接地電極。

Claims

それぞれ下部電極と上部電極とこれらに挟まれた圧電層とを有する複数の薄膜バルク波共振子を備え、少なくとも２つの薄膜バルク波共振子の各上部電極が関連回路に接続されることを特徴とする薄膜バルク波共振子フィルタ。
関連回路に接続される少なくとも２つの上部電極は、コプレーナ導波路構造の伝送線路の一部をなしていることを特徴とする請求項１記載の薄膜バルク波共振子フィルタ。
上部電極によって関連回路に接続される少なくとも２つの薄膜バルク波共振子は、共通の下部電極を有していることを特徴とする請求項１または２記載の薄膜バルク波共振子フィルタ。
それぞれ下部電極と上部電極とこれらに挟まれた圧電層とを有する薄膜バルク波共振子よりなる少なくとも２つの直列共振子および少なくとも２つの並列共振子を備えたはしご型の薄膜バルク波共振子フィルタであって、
　２つの直列共振子の各上部電極が関連回路に接続されることを特徴とする薄膜バルク波共振子フィルタ。
関連回路に接続される２つの上部電極は、コプレーナ導波路構造の伝送線路における信号線路の一部をなしていることを特徴とする請求項４記載の薄膜バルク波共振子フィルタ。
上部電極によって関連回路に接続される２つの直列共振子は、共通の下部電極を有していることを特徴とする請求項４または５記載の薄膜バルク波共振子フィルタ。