JP2005512442A - 反射性の改善された音響鏡 - Google Patents

Abstract

λ／４層または３λ／４層から成る少なくとも１つの層対を有しており、各層対の第１の層は低い音響インピーダンスを有する材料から成り、第２の層は第１の層よりも高い音響インピーダンスを有する材料から成る、ＢＡＷ共振器用またはスタックドクリスタルフィルタ用の音響鏡を提案する。本発明では、低い音響インピーダンスを有する第１の層の材料としてｌｏｗ−ｋ誘電体が選択される。

Description

本発明は、λ／４層または３λ／４層から成る少なくとも１つの層対を有しており、各層対の第１の層は低い音響インピーダンスを有する材料から成り、第２の層は第１の層よりも高い音響インピーダンスを有する材料から成る、バルク音波共振器（ＢＡＷ共振器）用またはスタックドクリスタルフィルタ（ＳＣＦフィルタ）用の音響鏡に関する。

音波で動作する共振器、いわゆるＦＢＡＲ（Thin-film Bulk Acoustic Resonator）またはＢＡＷ共振器（Bulk Acoustic Wave Resonator）は２つの主表面にそれぞれ１つずつ電極を設けた圧電性のベースボディを基礎としている。こうした共振器は共振周波数ｆｒを有しており、これは振動するベースボディの全厚さＬ_０に依存する式
ｆｒ＝ｖ／２Ｌ_０
にしたがって得られる。ここでｖは圧電性のベースボディの縦波の速度である。この種の共振器は例えばＨＦフィルタの製造に用いられる。このために多数の共振器がフィルタ回路網、いわゆるリアクタンスフィルタの分岐回路として接続される。

ＨＦ領域で共振するＢＡＷ共振器に必要なベースボディの層厚さＬ_０はμｍ領域もしくはサブμｍ領域にある。したがってこうしたベースボディの層を製造するためには薄膜製造プロセスが必要となる。

共振器のベースボディ内部の音波エネルギを維持し、シャープな共振周波数を保証するために、界面で充分に高い音波反射性が得られる２つの基本的な構造原理が知られている。これにより低い音響損失および電力損失で充分なフィルタ作用が保証される。

共振器ベースボディ内の音波エネルギを得る手段として、ベースボディに中空室を設け、下方電極と基板とのあいだに薄い支持体層としてメンブレインを配置することが挙げられる。こうした構成はブリッジ型共振器と称される。

ミラータイプのＢＡＷ共振器はいわゆる音響鏡を使用している。この音響鏡は高い音響インピーダンスを有する層と低い音響インピーダンスを有する層とが交互に配置された複数の層対から成っている。各層はλ／４の層厚さを有しており、界面で反射された波の成分を構造によって重畳する。基本的に、層厚さの選択の際にはλ／４の奇数倍に相応する値、つまりｎを自然数としてλ／４，３λ／４，．．．，（２ｎ−１）λ／４の値が選択される。共振器の特性を最適化するために、鏡層の厚さは僅かだけλ／４，３λ／４，．．．，（２ｎ−１）λ／４の値から偏差を有していてもよい。低い音響インピーダンスを有する材料としては特にＳｉＯ_２が用いられ、高い音響インピーダンスを有する材料としてはタングステン、モリブデンまたはアルミニウム窒化物などの重金属が用いられる。２つの材料のあいだのインピーダンスの差が大きくなるにつれて、音響鏡に必要な層対の数は小さくなる。従来の音響鏡で良好な反射性を得るには少なくとも２つのλ／４層対が下方電極と基板とのあいだに必要であった。層が追加されると共振器の結合効率が低下し、帯域幅も狭くなる。この場合、ブリッジ型共振器に比べて３０％ほども帯域幅が狭くなってしまう。こうした共振器を用いて充分な帯域幅を有するバンドパスフィルタを実現しようとすれば著しく手間がかかる。

ミラー型のＢＡＷ共振器のさらなる欠点は、必要な多層構造体の堆積プロセスおよびパターニングプロセスが煩雑となることである。多数のλ／４層を設ける手段は複雑で、製造プロセスのコストがかさむ。必要な層の数によっては誤差が大きくなり、ウェハ全体で見て共振周波数の著しいばらつきが生じたり、このためにフィルタの中心周波数への差を甘受しなければならなくなったりする。

層対の数によって音響鏡の帯域幅が低下するので、例えば異なる透過領域（パスバンド）の２つのフィルタを有するデュプレクサでは、それぞれのフィルタに対して個別の音響鏡が必要となる。したがって製造の煩雑性はいっそう高くなってしまう。

高い誘電定数を有する層、例えばタングステンやモリブデンなどの金属の層は電気信号を基板へ結合する。これにより例えば望ましくないクロストークが生じたり、挿入減衰量が高まったりすることがある。

したがって本発明の課題は、従来のものよりも簡単に製造できかつ上述の欠点を回避できるＢＡＷ共振器用の音響鏡を提供することである。

この課題は請求項１の特徴部分に記載の構成により解決される。本発明の音響鏡の有利な実施形態、また、この音響鏡を含むＢＡＷ共振器、このＢＡＷ共振器から成るフィルタ、およびこのフィルタを含むデュプレクサもその他の請求項に記載されている。

本発明の特徴は、異なる音響インピーダンスを有する層から成る少なくとも１つの層対を形成し、ここで低い音響インピーダンスを有する第１の層の材料としてｌｏｗ−ｋ誘電体を選択することである。こうした誘電体材料が他方の高い音響インピーダンスを有する材料と組み合わされると、高い反射性を有する音響鏡が得られる。本発明によれば、唯一の層対のみで高い反射性が得られる材料の組み合わせが見いだされる。

本発明で使用されるｌｏｗ−ｋ誘電体はマイクロエレクトロニクスの分野では絶縁層、カバー層および中間層に用いられるものとして知られている。ｌｏｗ−ｋ材料には硬化フォーム、多孔性の酸化物、エーロゲル、架橋された硬化ポリマーおよび他の有機材料などがある。これらはＣＶＤ技術（化学蒸着法）またはＳＯＤ技術（スピンオンデポジション）などの薄膜堆積プロセスによって製造される。これらの物質はＳｉＯ_２よりも格段に低い誘電定数を有しており、εは３より小さい。さらにこれらの物質は密度ρも低く、弾性定数ｃも小さい。音響インピーダンスＺは式

によって計算されるので、ρとｃの２つの値がどちらも小さければ極端に小さい音響インピーダンスが得られる。この材料と高い音響インピーダンスを有する材料とを組み合わせると、本発明の高反射性の音響鏡が得られる。高い音響インピーダンスを有する材料であるタングステンを用いると、λ／４層から成る唯一の層対のみで、ＢＡＷ共振器用の音響鏡を製造するのに充分な反射性が得られる。λ／４層から成る層対とは、本発明では、λ／４の奇数倍の層厚さを有する層の対、またはこの値から僅かに偏差した層厚さを有する層の対であると解されたい。下方電極とｌｏｗ−ｋ誘電体とのあいだの界面での音響反射性は、下方電極の材料としてＡｕが選択されるとき９０％以上である。従来の材料ＳｉＯ_２が使用されると、下方電極とｌｏｗ−ｋ誘電体との界面の音響反射性は４０％ほどにとどまる。

この場合、２つの層１，２のあいだの界面での音響反射性Ｒは式
Ｒ＝｜（Ｚ_１−Ｚ_２）／（Ｚ_１＋Ｚ_２）｜^２
にしたがって求められる。ここでＺ_１はＡｕの音響インピーダンス（Ｚ_Ａｕ＝６３＊１０^６ｋｇ／ｓｍ^２）に相応し、Ｚ_２はｌｏｗ−ｋ誘電体（実験ではＳｉＬＫ^（Ｒ）およびＢＣＢ）の音響インピーダンス（Ｚ_{ｌｏｗ−ｋ}＝＜２＊１０^６ｋｇ／ｓｍ^２）またはＳｉＯ_２の音響インピーダンス（Ｚ_ＳｉＯ２＝１４＊１０^６ｋｇ／ｓｍ^２）に相応する。

或る材料の音響インピーダンスはその密度に応じて上昇したり低下したりするので、本発明では、低い音響インピーダンスを有する層の密度をさらに低減する措置を採用することもできる。有利には例えば、低い音響インピーダンスを有する鏡層にナノホールを設ける。こうしたナノホールは相応のポリマーまたは３Ｄ構造を有する材料に設けることができる。またナノホールは例えば材料にガスを放出する物質、特に膨張剤（Treibmittel）を用いて発泡させることにより後から形成することもできる。シルセスキオキサンから誘導されるシロキサンも構造に起因する中空室を有しており、密度ひいては音響インピーダンスが低減される。エーロゲルまたは多孔性のシリケートなどの材料も同様にホールを有しており、低密度である。

本発明にとって有利なｌｏｗ−ｋ誘電体はポリ芳香族ポリマーであり、これは例えばシクロペンタジエノンおよびアセチレンで置換されたポリフェニレンのモノマーまたはビスベンゾシクロブテンのモノマーを重合することにより誘導される。この重合により例えば架橋されたポリフェニレン（商標名ＳｉＬＫ^（Ｒ））または架橋されたビスベンゾシクロブテン（商標名ＢＣＢ）が得られる。これらは例えばＢＣＢでは３５０℃以上のガラス転移温度（最大の温度安定性）、約２ＧＰａの弾性定数、１．０ｇ／ｃｍ^３の平均密度を有しており、１．４×１０^６ｋｇ／ｓｍ^２の音響インピーダンスを有する。ｌｏｗ−ｋ誘電体ＳｉＬＫは４９０℃以上のガラス転移温度（最大の温度安定性）、約２．４５ＧＰａの弾性定数、１．２ｇ／ｃｍ^３の平均密度を有しており、１．７×１０^６ｋｇ／ｓｍ^２の音響インピーダンスを有する。

これらをベースとしたポリマーは、例えばS.J.Martin et al., "Development of a low-dielectric-constant polymer for the fabrication of integrated circuit interconnect", in: Adv.Mater 2000 12 No.23., December 1, 1769頁〜1778頁から周知であり、市販で入手可能である。この材料の弾性定数はＧＰａ領域にあり、これまで低インピーダンス層として使用されていたＳｉＯ_２の弾性定数よりも１オーダー以上小さい。またこの材料は密度もＳｉＯ_２より小さく、きわめて小さな音響インピーダンスが得られる。

この材料の高い安定性は続けて他の機能層（例えば高インピーダンス層、圧電層、電極、拡散バリアまたはパシベーション層など）を必要な高温のもとで堆積するのに最良に適している。これによりきわめて均一な層構造がスピンオン技術で得られ、所望の層厚さが高い精度で形成される。こうしたポリ芳香族層を含む鏡層の層対を設けることにより、ＢＡＷ共振器での結合度が増大する。これによりＢＡＷ共振器の帯域幅も従来の音響鏡に比べて平均で１４％ほども増大する。このように本発明の音響鏡を備えたＢＡＷ共振器はブリッジ型共振器に完全に置き換わることができる能力を有している。

ＢＡＷ共振器またはＢＡＷ共振器用の音響鏡の製造時のプロセスコストは必要な鏡層の数を低減することによって格段に低減される。タングステンとポリ芳香族材料のｌｏｗ−ｋ誘電体とから成る層対であれば、唯一の層対が必要なだけである。

必要な鏡層の数を低減することにより、１つのウェハ上に製造される共振器の中心周波数のばらつきも低減される。障害となりうる基板への電気的結合は特に金属の高インピーダンス層を使用する際に生じるが、これも鏡層の数ひいてはｌｏｗ−ｋ誘電体の相対誘電定数を低減することにより低減される。

ＳｉＬＫ^（Ｒ）のほか、低い誘電定数、低い密度および低い弾性定数を有する材料としてベンゾシクロブテンが存在する。この材料はＢＣＢという略称でマイクロエレクトロニクス分野では誘電層、絶縁層およびカバー層として用いられており、周知である。これは本発明の低インピーダンスの音響鏡に対してもきわめて適している。なぜならこの材料によれば製造の際に例えばスピンオン技術によって所望の層厚さについて高い均一性および再現性が保証されるからである。

本発明の音響鏡の有利な実施形態では、支持体として機能する材料の直接上方にまず高い音響インピーダンスを有する層（例えばタングステン）を被着し、その上方に低い音響インピーダンスを有する層（例えばＳｉＬＫ^（Ｒ）またはＢＣＢなどの前述のポリ芳香族化合物または他のｌｏｗ−ｋ誘電体）を被着し、さらにその上方に第１の電極、圧電層および上方の第２の電極から成る共振器を被着する。基板材料として例えばガラス、セラミックまたは半導体が適している。また多層基板を使用することもでき、その場合に個々の層または基板全体を有機材料から形成することもできる。

音響鏡の層対の層厚さは共振器に所望される共振周波数、ひいてはこれらから形成されるフィルタの中心周波数に適合化される。高い帯域幅のために、λ／４層または３λ／４層から成る層対は、所定の１つの共振周波数だけでなく鏡の帯域幅内の他の共振周波数でも使用できるので、こうした複数の共振周波数を有する共振器にも適している。

下方電極の材料として、アルミニウム、タングステン、モリブデンまたは金などの金属が適している。有利には、下方電極の層には高いインピーダンスを有する金属が使用される。これにより下方電極とｌｏｗ−ｋ誘電体とのあいだの界面に高い反射性が得られる。

圧電層には有利には高い結合定数を有する材料が選択される。この材料は中心周波数に依存する所望の層厚さで均一に堆積することができる。ＢＡＷ共振器では例えば亜鉛酸化物またはアルミニウム窒化物が特に適している。ただし基本的には前述の限界条件を満足するものであれば他の圧電材料を使用することもできる。

上方電極にも基本的には下方電極と同じ材料を使用することができる。ＢＡＷ共振器の積層構造体の各下方電極は上方に被着される層の“基板”として用いられるため、少なくとも上方の層の堆積条件を損なわないものでなければならない。また界面で音響散乱や損失、成長障害などが発生して共振器のダイナミクスが低下したりフィルタの挿入減衰量が大きくなったりしないように、小さな粗面性を有していなければならない。

ＳｉＯ_２を低インピーダンスの鏡層に用いた従来の音響鏡は、ＳｉＯ_２の粗面性のために下方電極を堆積する前に所定の研磨プロセス（ウェットエッチングとしてケミカルメカニカルポリシングＣＭＰ、ドライエッチングとしてイオンビームエッチング）が必要となっていた。従来の音響鏡の上方電極のＳｉＯ_２層の粗面性が高まってしまう主たる原因は、低インピーダンスのＳｉＯ_２層が大きな粗面性を有する高インピーダンスの層（Ｗ，Ｍｏ，ＡｌＮ）の上に続けて堆積されるからである。研磨ステップを省略してしまうと、下方電極と低インピーダンス層とのあいだの界面に生じた粗面が共振器の音響損失を増大し、さらにフィルタの挿入減衰量をも増大させる。これに対してＳｉＬＫ^（Ｒ）などのｌｏｗ−ｋ誘電体は例えばスピンオン技術で高インピーダンス層の上に被着されるが、その流動特性によって下方の層の粗面を平滑化する。ＳｉＬＫ^（Ｒ）、ＢＣＢなどのｌｏｗ−ｋ誘電体の粗面性は各層の硬化プロセスののちにはきわめて小さくなる。典型的なＲＭＳ粗面は１ｎｍよりも小さい。本発明によれば均一な界面の形成を保証するための煩雑で高価な研磨プロセスを省略することができる。

ＢＡＷ共振器またはこれを幾らか変更した実施態様であるスタックドクリスタルフィルタがリアクタンスフィルタを製造するためのインピーダンス素子として使用されることは米国特許第５９１０７５６号明細書から公知である。当該のフィルタは並列および直列に接続された共振器から成る分岐回路を含む。このときそれぞれの接続はラダータイプであってもよいしラティスタイプであってもよい。当該のリアクタンスフィルタで知られている他の設計ルールを考慮しながら、ＨＦ領域および現行の通信システムに必要な帯域を有するバンドパスフィルタがこのようにして製造される。

本発明の音響鏡を有するＢＡＷ共振器は、個々の共振器として見ても、従来の音響鏡を有する周知の共振器に比べて高い帯域幅が得られる。このことは直接に共振器のアドミタンス曲線から読み取ることができる。ここでは共振器の共振周波数と反共振周波数とのあいだの差が帯域幅の尺度となっている。

有利な実施形態として、本発明の音響鏡を有するＢＡＷ共振器はデュプレクサに使用される。デュプレクサとは中心周波数の近接した２つのバンドパスフィルタから成り、例えば通信システムの送信帯域と受信帯域とをカバーすることのできる装置である。デュプレクサの２つのバンドパスフィルタはそれぞれ一方のフィルタが他方のフィルタの中心周波数に対してできる限り大きな挿入減衰量を有するように相互に調整しなければならない。２つの中心周波数のあいだに要求される差に応じて、２つのフィルタの透過領域のエッジが特に急峻となることが要求される。こうした要望のために多値のフィルタが要求され、またリアクタンスフィルタにも多値の共振器が要求される。このためにＢＡＷ共振器から製造されるリアクタンスフィルタではこれまでそれぞれの共振器ごとに固有に適合する音響鏡を設けることが必要であった。本発明の音響鏡は唯一の層対のみから成るにもかかわらず、デュプレクサの２つのフィルタに対して使用されてもエッジの急峻性、帯域幅および近接選択性に対する要求を満足することができる。本発明によれば、唯一の基板上に全面で被着された本発明の音響鏡から相互に近接する２つの周波数領域で動作するフィルタのための共振器を実現することができる。これにより製造が簡単化され、コストも低くなる。音響鏡を介した結合度が低下するので、本発明の音響鏡では層対を全面にわたって被着することができ、その際にも個々の共振器間のパターニングまたは個々のフィルタ間のパターニングは必要ない。

以下に本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１のＡには本発明の音響鏡を有するＢＡＷ共振器の断面図が示されており、図１のＢには本発明の音響鏡を有するスタックドクリスタルフィルタＳＣＦの断面図が示されている。図２には走査電子顕微鏡で撮影されたｌｏｗ−ｋ誘電体であるＢＣＢの表面トポグラフィが示されている。図３には従来の共振器のアドミタンス曲線と本発明の共振器のアドミタンス曲線とを比較したグラフが示されている。図４のＡにはラダータイプ構造のリアクタンスフィルタの第１の例が示されており、図４のＢにはラダータイプ構造のリアクタンスフィルタの第２の例が示されており、図４のＣにはラティスタイプ構造のリアクタンスフィルタの例が示されている。図５には従来のＢＡＷ共振器から構成されたリアクタンスフィルタの透過曲線１と本発明のＢＡＷ共振器から構成されたリアクタンスフィルタの透過曲線２とを比較したグラフが示されている。図６には従来のＢＡＷ共振器から構成されたデュプレクサの透過曲線１と本発明のＢＡＷ共振器から構成されたデュプレクサの透過曲線２とを比較したグラフが示されている。図７には本発明のＢＡＷ共振器から構成されたデュプレクサの透過曲線がｌｏｗ−ｋ誘電体の層厚さの偏差の関数として示されている。図８には本発明のＢＡＷ共振器から構成されたデュプレクサの透過曲線が音響鏡の高インピーダンス層の層厚さの偏差の関数として示されている。

図１のＡには本発明の音響鏡を有するＢＡＷ共振器の断面図が示されている。この音響鏡の鏡層は相互に独立にλ／４層または３λ／４層として構成されるが、共振特性を最適化するためにこの条件から僅かに偏差させて用いる。断面図の下方にはＢＡＷ共振器の電子的な等価回路図が示されている。当該の共振器は機械的に固定の支持体として用いられる基板Ｓ上に構成される。これに応じて適切な材料が選択される。基板の直接上方には高いインピーダンスを有する第１の層ＨＺ、例えばタングステン層が被着される。第１の層のインピーダンスは約１０５×１０^６ｋｇ／ｓｍ^２である。第１の層ＨＺの層厚さは、ＢＡＷ共振器の所望の共振周波数および当該の材料（ここではタングステン）について所定の音波伝搬速度でλ／４の厚さが得られるように選定される。例えば共振周波数を２．１ＧＨｚとするならば層厚さは６１１ｎｍである。この層ＨＺの上方にはλ／４または３λ／４の厚さの別の層としてｌｏｗ−ｋ誘電体、例えばDow Chemical Corporation社のＳｉＬＫ^（Ｒ）が配置される。ＳｉＬＫ^（Ｒ）材料は架橋されたポリフェニレンから成っており、シクロペンタジエノンおよびアセチレンで置換されたモノマーを重合することによって得られる。音響的にこれときわめて似た特性を有するＢＣＢは架橋されたビスベンゾシクロブテンから成る。ＳｉＬＫ^（Ｒ）またはＢＣＢを使用する場合、鏡層の厚さとして実験から次のような値が得られた。すなわち２．１ＧＨｚの共振周波数ではλ／４層の厚さは約１６５ｎｍ、３λ／４層の厚さは約５００ｎｍである。

ＷとＳｉＬＫ^（Ｒ）との組み合わせによって前述の中心周波数の音波エネルギに対して９５％以上の反射性を有する広帯域の音響鏡Ａが実現される。音響鏡Ａはさらに別の層対、つまり高インピーダンスを有する層ＨＺと低インピーダンスを有する層ＬＫとから成る別の層対を有していても良い。これらの層は交互に所望の数だけ積層される。ｌｏｗ−ｋ誘電体から成る層の上方にＢＡＷ共振器の下方電極、または接着媒体層、拡散バリアまたは成長層が形成される。これは例えば約１９５ｎｍの層厚さのモリブデン層をＣＶＤまたはスパッタリングすることにより形成される。

下方電極Ｅ１の上方に圧電層Ｐ、例えば亜鉛酸化物層が被着される。被着プロセスとして例えばスパッタリングが適している。また圧電層Ｐは他の材料、例えばアルミニウム窒化物または他の適切な圧電材料から形成されても良い。

ＢＡＷ共振器の上方電極Ｅ２として圧電層Ｐの上方に第２の電極層が被着される。ただしこれは必ずしも第１の電極層と同じ材料から形成しなくてもよい。たいていの場合上方電極Ｅ２には付加的にチューニングプロセス、トリミングプロセスまたはパシベーションプロセスが行われる。

ＢＡＷ共振器の共振周波数は近似的に式ｆ＝ｖ／２Ｌ_０にしたがって定まる。ここでＬ_０はＢＡＷ共振器の層厚さであり、つまり圧電層Ｐの厚さと２つの電極層Ｅ１，Ｅ２の厚さとを加えた値である。ＢＡＷ共振器の主振動モードに対してはλ／２の厚さが調整される。ただし厚さｄをλ／２の整数倍とし、相応に高い振動モードを励振してもよい。図１のＡでは断面図の下方にＢＡＷ共振器の電子的な等価回路図が示されている。

図１のＢには本発明の音響鏡を有するスタックドクリスタルフィルタＳＣＦの断面図が示されている。ここでも音響鏡の鏡層は相互に独立にλ／４層または３λ／４層として構成されるが、共振特性を最適化するためにこの条件から僅かに偏差させて用いる。ＳＣＦの構造は基本的には第１のＢＡＷ共振器とこれに電気的および音響的に結合された第２のＢＡＷ共振器とから成る構造に相応する。断面図の下方にはＳＣＦの電子的な等価回路図が示されている。こうしたＳＣＦの種々の実施例およびバリエーションはK.M.Lakin et al., "High Performance Stacked Crystal Filters for GPS and Wide Bandwidth Applications", IEEE2001 Ultrasonics Symposium Paper 3E-6, Oct.9.2001 に記載されている。

ＳＣＦはさしあたりは図１のＡに則して説明したＢＡＷ共振器と同様に製造される。使用される材料、製造技術およびプロセスフローも類似している。ただしここでは圧電層Ｐ１上に電極層Ｅ２が堆積され、さらにその上方に例えばスパッタリングによって第２の圧電層Ｐ２が被着される。この層はさらに最上方電極Ｅ３によってカバーされる。

ＳＣＦの別の実施例として、電極Ｅ２ａとその上方に堆積された電極Ｅ２ｂとのあいだに１つまたは複数の音響鏡を挿入することが挙げられる。挿入される音響鏡によって共振器Ｅ１−Ｐ１−Ｅ２ａと共振器Ｅ２ｂ−Ｐ２−Ｅ３との間の電気結合度および音響結合度が変化する。これらの鏡層もλ／４層または３λ／４層として構成することができ、例えばＳｉＬＫまたはＢＣＢなどのｌｏｗ−ｋ誘電体を低インピーダンス層として使用しうる。断面図の下方にはＳＣＦの最も簡単な実施例の電子的な等価回路図が示されている。

図２にはｌｏｗ−ｋ誘電体であるＢＣＢについて走査電子顕微鏡を用いて２μｍ×２μｍの区域で撮影された表面トポグラフィの例が示されている。ｌｏｗ−ｋ誘電体は硬化ののちＲＭＳ＝０．２８ｎｍのきわめて低い粗面性を有する。この小さい値が続く電極層などの層の障害ない成長を保証し、ｌｏｗ−ｋ誘電体と電極との界面でも共振器のダイナミクスを低減したりフィルタの挿入減衰量を高めたりする音響損失や散乱が生じない。ＢＣＢまたはＳｉＬＫ^（Ｒ）などのｌｏｗ−ｋ誘電体はスピンオン技術で表面に被着されるが、付加的にその流動特性により下方の層の粗面を平滑化する。界面での粗面性は従来の鏡では上方へ累積されていくが、本発明ではｌｏｗ−ｋ誘電体を使用することにより他の層へ影響しない。従来の低インピーダンス層としてのＳｉＯ_２の鏡で必要とされた表面研磨などの措置も本発明の音響鏡では省略することができる。

図３には本発明の音響鏡Ａを備えたＢＡＷ共振器のアドミタンス特性が示されている。ここでは従来の音響鏡を有するＢＡＷ共振器の特性曲線１と本発明のＢＡＷ共振器の特性曲線２とが比較されている。周知の音響鏡はＳｉＯ_２とＷとを組み合わせた２つのλ／４層の層対から形成されている。図からわかるように、本発明の共振器は従来の共振器よりも高い帯域幅を有している。この帯域幅は共振周波数ｆ_ｒと反共振周波数ｆ_ａとの差から得られる。広帯域性は高い帯域幅を有するバンドパスフィルタを製造するための最良の前提条件である。図３からわかるように帯域幅の増大分は９．４ＭＨｚである。これに対して従来の音響鏡を有するＢＡＷ共振器の帯域幅は５７．５ＭＨｚであり、これは１６％の帯域幅増大を意味する。図示のアドミタンス特性は金およびアルミニウムを電極材料として用い、基板としてシリコンを用いたＢＡＷ共振器のものである。本発明の共振器の特性の改善は特にｌｏｗ−ｋ誘電体層の有利な特性に負うところが大きく、従来使用されているＳｉＯ_２に比べてほぼ全てのパラメータにおいて改善が認められる。次表は周知の材料ＳｉＯ_２と本発明で使用されるポリ芳香族物質ＳｉＬＫ^（Ｒ）とを比較したものである。

ＳｉＯ_２ ＳｉＬＫ^（Ｒ）
密度 ２．２ｇ／ｃｍ^３ ＜２．０ｇ／ｃｍ^３
弾性定数 ７．８×１０^１０Ｐａ ＜０．２７×１０^１０ｐａ
相対誘電定数 ４ ２．６５
音響インピーダンス １３×１０^６ｋｇ／ｓｍ^２ ＜２．３×１０^６ｋｇ／ｓｍ^２
図４には複数のＢＡＷ共振器から成るリアクタンスフィルタの３つの例が示されている。図４のＡ，Ｂのラダータイプ構造のものでは少なくとも１つの共振器Ｒ_ｓがフィルタ入力側とフィルタ出力側とのあいだに直列に接続されており、これに並列に少なくとも１つの別の共振器Ｒ_ｐがアースへ接続されている。直列分岐に配置された共振器Ｒ_ｓの共振周波数はここではフィルタの並列分岐の共振器Ｒ_ｐの反共振周波数にほぼ相応するように選定されており、つまりｆ_ａｐ＝ｆ_ｒｓとなっている。

有利にはラダータイプ構造のリアクタンスフィルタは、直列に接続された複数のＢＡＷ共振器Ｒ_ｓ１，Ｒ_ｓ２，Ｒ_ｓ３とこれに並列に接続された複数の共振器Ｒ_ｐ１，Ｒ_ｐ２とが図示のように相互に接続されたかたちをとっている。入力側または出力側から並列に接続された共振器Ｒ_ｐをｐと略し、直列に接続された共振器Ｒ_ｓをｓと略すものとする。図４のＡに示されているように例えば５個の共振器をｓ−ｐ−ｓ−ｐ−ｓのかたちで配置してもよいし、図４のＢに示されているように６個の共振器をｐ−ｓ−ｐ−ｓ−ｐ−ｓのかたちで配置してもよい。

ラダータイプ構造では任意の数だけ並列に接続された共振器および直列に接続された共振器を拡張することができる。このとき並列に接続された共振器Ｒ_ｐと直列に接続された共振器Ｒ_ｓとのそれぞれをまとめることもできる。ラダータイプ構造のフィルタで知られている設計ルールを応用することができる。

図４のＣには複数のＢＡＷ共振器から成るラティスタイプ構造のリアクタンスフィルタが示されている。この構造は有利にはフィルタのいわゆるバランスド‐バランスドモードに使用される。

図５には本発明のラダータイプ構造のＢＡＷ共振器から構成されたバンドパスフィルタの透過特性が示されている。ここでは従来のＢＡＷ共振器の特性曲線１と本発明のＢＡＷ共振器の透過曲線２とが比較されている。比較には再びＳｉＯ_２とＷとを組み合わせた２つのλ／４層の層対からなる音響鏡が用いられている。本発明の新しいフィルタは従来のフィルタに対して少なくとも同じ程度の挿入減衰量および同じ程度の阻止領域抑圧量でより高い帯域幅を有している。帯域幅は例えば１４％増大しているが、挿入減衰量はほとんど変化していない。このように亜鉛酸化物に代えて、低い結合率を特長とするアルミニウム窒化物を使用することができる。本発明の鏡を使用すると相対帯域幅が増大することから、他の仕様を等しくしたときの効率を補償することができる。また本発明の音響鏡を用いれば、圧電層Ｐの品質低下に起因する帯域幅の低減を補償することもできる。

本発明の音響鏡では界面での反射性および広帯域性が増大することにより、λ／４層および３λ／４層について所定の厚さトレランスも得られる。したがって同一の層厚さを共振周波数の近接した２つの異なるフィルタの音響鏡に対して用いることができる。つまり例えばＲＸフィルタとＴＸフィルタとを有する３ＧのＵＭＴＳ規格用のデュプレクサを形成することができる。

図６にはＵＭＴＳデュプレクサのＲＸフィルタおよびＴＸフィルタの透過曲線が示されている。図中、本発明のＢＡＷ共振器を有するデュプレクサの曲線と前述の従来の音響鏡を備えたＢＡＷ共振器を有するデュプレクサの曲線とが比較されている。従来の音響鏡の曲線１はλ／４層がＲＸフィルタおよびＴＸフィルタに対して個別に、それぞれ異なる層レベルで最適化されている。これに対して本発明のＢＡＷ共振器から成るデュプレクサの透過曲線２はλ／４層にとって平均的な層厚さ、例えばＲＸフィルタの中心周波数に合わせて最適化された層厚さを有する１つの音響鏡が使用されている。図からわかるように、本発明によれば、こうした簡単化の利点を享受してもＲＸフィルタおよびＴＸフィルタの双方ともが設定された仕様を満足する。図中、透過領域での曲線の下方、阻止領域での曲線の上方に位置する限界値は垂直な形状をしている。本発明の１つの音響鏡を用いたＵＭＴＳデュプレクサの製造は簡単であるが、これは本発明の音響鏡が唯一のλ／４層の層対のみで従来の鏡よりも大きな周波数領域にわたって一定の反射特性をもたらすからである。このことはさらに本発明の鏡の広帯域性に貢献しており、これによりデュプレクサのＲＸフィルタおよびＴＸフィルタを唯一の基板上に同一の鏡を製造するのみで実現することができる。したがってプロセスの煩雑さや製造コストが著しく低減される。ＲＸフィルタに対してもＴＸフィルタに対しても同一の鏡層の層厚さを適用できるうえ、ここでは帯域幅もＴＸフィルタに対して１３％、ＲＸフィルタに対して１４％増大する。このときＴＸフィルタは図４のＡに示されているようなラダータイプ構造を有するのに対して、ＲＸフィルタは入力側で並列に接続された別の共振器Ｒ_ｐを有している。

別の試みとしてフィルタ特性と音響鏡内での層厚さの変動幅との依存関係が求められる。このために前述の本発明の音響鏡を有するＵＭＴＳデュプレクサ用のＲＸフィルタとＴＸフィルタとの対において、ｌｏｗ−ｋ誘電体（ここではＳｉＬＫ^（Ｒ））の層厚さを最適値（ここでは１６５ｎｍ）から±１３ｎｍ変化させた。図７にはそれぞれ最適でない層厚さ、すなわち目標値１６５ｎｍから±７．８％の偏差を有する層厚さについて２つの曲線が示されている。ただし図からわかるように本発明によれば、層厚さが最適でなくとも設定された仕様を満足するバンドパスフィルタが得られる。このことから本発明の音響鏡では個々の鏡層の相対的な層厚さ変動幅が±７％まで許容されることがわかる。したがって許容される層厚さ変動幅がＳｉＬＫ材料を用いる場合に見込まなければならない最大値よりも格段に大きくなる。ちなみにメーカ仕様では層厚さの精度はＳＯＤ堆積技術を用いたとき±０．５％より小さくなっている。

図８では第１の高インピーダンス層（ここではタングステン）の層厚さを最適値（ここでは６１１ｎｍ）から±３００ｎｍ変化させた。最適でない層厚さについての２つの透過曲線は図８ではほとんど区別できないものの、タングステンのλ／４層の層厚さの変動幅はほぼ±５０％となっている。鏡層で大きく層厚さが変動しているにもかかわらず、設定された仕様を満足する透過曲線のバンドパスフィルタが得られる。高インピーダンス層のこうした層厚さ変動幅に対して、ＳｉＬＫまたはＢＣＢなどのｌｏｗ−ｋ誘電体を使用すれば透過曲線のトレランスを大きくできるのは、音波の大部分が下方電極とｌｏｗ−ｋ誘電体とのあいだの界面で反射してしまうことに帰せられる（実験では９０％以上の反射率が得られている）。これにより下方の層の材料やジオメトリの変動の影響は共振器のアドミタンス曲線またはフィルタの透過曲線の位置および形状によって大幅に低減される。層厚さの変動幅に対して大きなトレランスが得られるため堆積プロセスが簡単化され、音響鏡の製造にかかるコストもさらに低減される。

本発明を幾つかの材料の組み合わせに基づいて説明したが、もちろん本発明では使用される材料を変更した別のバリエーションも可能である。材料は音響鏡に最適な条件を備えた前述の有機ｌｏｗ−ｋ誘電体のみに限らない。また音響鏡のλ／４層または３λ／４層の層対を増やすこともできる。高インピーダンスを有する層としてタングステンを用いる実施例を説明したが、例えばこれをモリブデンやアルミニウム窒化物に変更することもできる。いずれの場合にも本発明の音響鏡では必要な鏡の層の数は低減される。同様にいずれの場合にも障害を引き起こしやすい基板への電気的結合が低減される。また特にパターニングを必要としないので製造プロセスも簡単化される。さらにいずれの場合にも本発明の音響鏡は所望の材料を選定する際に自由度が大きく、ＢＡＷ共振器やここから製造されるフィルタなどのいっそうの最適化も可能である。このとき少なくとも従来のＢＡＷ共振器の特性が達成され、また最適な層の組み合わせが得られればこれをはるかに凌駕する特性が得られる。

本発明の音響鏡を有するＢＡＷ共振器およびスタックドクリスタルフィルタを示す図である。 ｌｏｗ−ｋ誘電体であるＢＣＢの表面トポグラフィである。 従来の共振器のアドミタンス曲線と本発明の共振器のアドミタンス曲線とを比較したグラフである。 リアクタンスフィルタの３つの例を示す図である。 従来のリアクタンスフィルタの透過曲線と本発明のリアクタンスフィルタの透過曲線とを比較したグラフである。 従来のデュプレクサの透過曲線と本発明のデュプレクサの透過曲線とを比較したグラフである。 本発明のデュプレクサの透過曲線をｌｏｗ−ｋ誘電体の層厚さの偏差の関数として示したグラフである。 本発明のデュプレクサの透過曲線を音響鏡の高インピーダンス層の層厚さの偏差の関数として示したグラフである。

Claims (18)

1. λ／４層または３λ／４層から成る少なくとも１つの層対を有しており、各層対の第１の層（ＬＫ）は低い音響インピーダンスを有する材料から成り、第２の層（ＨＺ）は第１の層よりも高い音響インピーダンスを有する材料から成る、
   ＢＡＷ共振器用またはスタックドクリスタルフィルタ用の音響鏡において、
   低い音響インピーダンスを有する第１の層（ＬＫ）の材料としてｌｏｗ−ｋ誘電体が選択される
   ことを特徴とする音響鏡。
2. ＢＡＷ共振器またはスタックドクリスタルフィルタの最上層に配置されており、低い音響インピーダンスを有する第１の層（ＬＫ）と、第１の層よりも高い音響インピーダンスを有しかつ第１の層の上方に堆積された第２の層（ＨＺ）とから成る、請求項１記載の音響鏡。
3. 相対的に高い音響インピーダンスを有する第２の層（ＨＺ）の材料はタングステンＷ、モリブデンＭｏまたはアルミニウム窒化物から選択される、請求項１記載の音響鏡。
4. ｌｏｗ−ｋ誘電体（ＬＫ）の密度は２．４ｇ／ｃｍ^３よりも小さく、弾性定数の値は１０ＧＰａより小さく、相対誘電定数は３より小さい、請求項１から３までのいずれか１項記載の音響鏡。
5. ｌｏｗ−ｋ誘電体（ＬＫ）として、エーロゲル、多孔性のシリケート、有機シリケート、縮合したシルセスキオキサンから誘導されたシロキサン、ポリ芳香族化合物、架橋したポリフェニレンまたは重合したベンゾシクロブテンから選択される、請求項１から４までのいずれか１項記載の音響鏡。
6. ｌｏｗ−ｋ誘電体（ＬＫ）としてポリ芳香族化合物が選択され、該ポリ芳香族化合物は置換されていないかまたは極性の無い基を有しておりかつ芳香族化されたポリアリーレンから誘導される、請求項５記載の音響鏡。
7. ｌｏｗ−ｋ誘電体（ＬＫ）として、ベンゾシクロブテンから誘導された音響インピーダンスの低い誘電体が使用される、請求項１から４までのいずれか１項記載の音響鏡。
8. ｌｏｗ−ｋ誘電体（ＬＫ）として、置換されたポリフェニレンから誘導された音響インピーダンスの低い誘電体が使用される、請求項１から４までのいずれか１項記載の音響鏡。
9. ｌｏｗ−ｋ誘電体（ＬＫ）にナノホールが設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載の音響鏡。
10. λ／４層の唯一の層対から形成され、ｌｏｗ−ｋ誘電体は芳香族化されたポリフェニレンから誘導されたポリ芳香族化合物であるかまたは重合したベンゾシクロブテンであり、高い音響インピーダンスを有する第２の層の材料はタングステン、モリブデンまたはアルミニウム窒化物、ガリウム窒化物または亜鉛酸化物から選択される、請求項１から９までのいずれか１項記載の音響鏡。
11. 支持体として機能する基板（Ｓ）の上方に相対的に高い音響インピーダンスを有する層（ＨＺ）が配置され、その上方に低い音響インピーダンスを有する層（ＬＫ）が配置されてこれらの層が音響鏡（Ａ）を成し、
    該音響鏡の上方に第１の電極（Ｅ１）、圧電層（Ｐ）および第２の電極（Ｅ２）が配置され、
    ここで電極材料はＡｌ、Ｗ、Ｍｏ、ＣｕまたはＡｕから選択され、圧電材料は亜鉛酸化物、アルミニウム窒化物、ガリウム窒化物またはその他の圧電材料に適した化合物から選択される
    ことを特徴とするＢＡＷ共振器。
12. 支持体として機能する基板（Ｓ）の上方に相対的に高い音響インピーダンスを有する層（ＨＺ）が配置され、その上方に低い音響インピーダンスを有する層（ＬＫ）が配置されてこれらの層が音響鏡（Ａ）を成し、
    該音響鏡の上方に第１の電極（Ｅ１）、第１の圧電層（Ｐ１）、第２の電極（Ｅ２）、、第２の圧電層（Ｐ２）および第３の電極（Ｅ３）が配置され、
    ここで第１の電極および第２の電極用の電極材料はＡｌ、Ｗ、ＣｕまたはＡｕから選択され、圧電材料は亜鉛酸化物、アルミニウム窒化物、ガリウム窒化物またはその他の圧電材料に適した化合物から選択される
    ことを特徴とするスタックドクリスタルフィルタ。
13. 第２の電極（Ｅ２）は２つの部分電極に分割されており、各部分電極のあいだにｌｏｗ−ｋ誘電体から成る少なくとも１つのλ／４層の音響鏡が配置される、請求項１２記載のスタックドクリスタルフィルタ。
14. 直列部と並列部とからなる分岐回路として接続されてリアクタンスフィルタを成す、請求項１１から１３までのいずれか１項記載のＢＡＷ共振器またはスタックドクリスタルフィルタ。
15. ラティス構造で接続されてリアクタンスフィルタを成す、請求項１４記載のＢＡＷ共振器またはスタックドクリスタルフィルタ。
16. 請求項１１記載のＢＡＷ共振器として構成された第１のリアクタンスフィルタおよび第２のリアクタンスフィルタを有することを特徴とするデュプレクサ。
17. ２つのリアクタンスフィルタの全てのＢＡＷ共振器が共通の音響鏡（Ａ）の上方に配置されている、請求項１６記載のデュプレクサ。
18. 共通の音響鏡（Ａ）はＢＡＷ共振器の下方の基板（Ｓ）上の全面にわたってパターニングなしで配置されている、請求項１７記載のデュプレクサ。

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