JP2007510386A - 温度補償型圧電薄膜共振器（ｆｂａｒ）デバイス - Google Patents

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Abstract

ＦＢＡＲ（圧電薄膜共振器）スタックを含む温度補償型圧電薄膜共振器デバイス（１００）。ＦＢＡＲスタックはＦＢＡＲ（１１０）及び温度補償要素（１０９）を含む。ＦＢＡＲは、温度係数を有する共振周波数によって特徴付けられ、対向する２枚の平坦な電極（１１２、１１４）、及び、それらの電極間に配置された圧電素子（１１６）を含む。圧電素子は温度係数を有し、共振周波数の温度係数はその温度係数に少なくとも一部依存する。温度補償要素は、圧電素子の温度係数の符号とは反対の符号の温度係数を有する。

Description

背景
１以上の圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）が組み込まれたＦＢＡＲデバイスは、かつてないほど様々な電子製品の一部を形成し、特に無線製品の一部を形成している。例えば、最近の携帯電話は送受切り換え器を内蔵していて、各バンドパスフィルタははしご型回路を含み、はしご型回路の各要素がＦＢＡＲになっている。ＦＢＡＲを内蔵した送受切り換え器は、ブラッドレイ他により、「Duplexer Incorporating Thin-film Bulk Acoustic Resonators (FBARs)」と題する、本願と同じ譲受人の米国特許第６，２６２，６３７号に開示されている。こうした送受切り換え器は、送信機の出力とアンテナとの間に直列に接続された送信機バンドパスフィルタと、アンテナと受信機の入力との間に９０度位相シフタと共に直列に接続された受信機バンドパスフィルタとから構成される。送信機バンドパスフィルタと受信機バンドパスフィルタの通過帯域の中心周波数は、互いにオフセットされている。ＦＢＡＲを利用したはしご型フィルタは、他の用途にも使用されている。
図１は、送受切り換え器の送信機バンドパスフィルタとして使用するのに適した、ＦＢＡＲを利用したバンドパスフィルタ１０の一実施形態を示している。送信機バンドパスフィルタは、はしご型回路に接続された直列ＦＢＡＲ１２及び分路ＦＢＡＲ１４から構成される。直列ＦＢＡＲ１２は、分路ＦＢＡＲ１４よりも高い共振周波数を有する。
図２は、ＦＢＡＲの一実施形態３０を示している。ＦＢＡＲ３０は、一対の電極３２及び３４、並びに、それらの電極間に配置された圧電素子３６から構成される。これらの圧電素子及び電極は、基板４２に形成されたキャビティ４４の上に浮かんでいる。このようにＦＢＡＲを浮かばせると、電極間に印加される信号に応じて、ＦＢＡＲを機械的に共振させることができる。
米国特許出願第１０／６９９，２８９号は、下側ＦＢＡＲ、下側ＦＢＡＲの上に積み重ねられた上側ＦＢＡＲ、及び、それらのＦＢＡＲ間に配置された音響減結合器から構成される減結合積層型薄膜共振器（ＤＳＢＡＲ）が組み込まれたバンドパスフィルタを開示している。各ＦＢＡＲは、一対の電極、及びそれらの電極間に配置された圧電素子から構成される。下側ＦＢＡＲの電極間に入力信号を印加すると、上側ＦＢＡＲはその電極間にバンドパスフィルタを通して電気出力を出力する。あるいは、入力電気信号は、上側ＦＢＡＲの電極間に印加してもよく、その場合、出力電気信号は下側ＦＢＡＲの電極から出力される。
米国特許出願第１０／６９９，４８１号は、２つの減結合積層型圧電薄膜共振器（ＤＳＢＡＲ）から構成される薄膜音響結合変成器（ＦＡＣＴ）を開示している。第１の電気回路は、２つのＤＳＢＡＲの下側ＦＢＡＲ同士を直列又は並列に相互接続する。第２の電気回路は、２つのＤＳＢＡＲの上側ＦＢＡＲ同士を直列又は並列に相互接続する。電気回路の構成に応じて、インピーダンス変換比１：１又は１：４の平衡型または非平衡型のＦＡＣＴ実施形態が得られる。こうしたＦＡＣＴは、第１の電気回路と第２の電気回路の間を流電結合する。
図２を参照して上で説明した１以上のＦＢＡＲが組み込まれたはしご型フィルタ、ＤＳＢＡＲ、及びＦＡＣＴのようなデバイスは、本明細書では一般に、ＦＢＡＲデバイスと呼ばれる。
大抵のＦＢＡＲデバイスの周波数応答は、中心周波数によって特徴付けられるバンドパス特性を有する。構成要素であるＦＢＡＲの周波数応答は、共振周波数によって特徴付けられる。圧電素子の材料が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、電極の材料がモリブデン（Ｍｏ）である現在のＦＢＡＲデバイスの実際的な実施形態では、ＦＢＡＲ（複数の場合もあり）の共振周波数は、約−２０ｐｐｍ／℃〜約−３５ｐｐｍ／℃の温度係数を有する。このような温度係数は、ＦＢＡＲが組み込まれたＦＢＡＲデバイスが通過帯域幅仕様を満たすことのできる温度範囲を狭める。更に、このような温度係数は製造歩留まりも低下させる。なぜなら、ＦＢＡＲデバイスを試験する際の帯域幅制限は、ＦＢＡＲデバイスがその動作範囲全体にわたって帯域幅仕様を確実に満たすように定めなければならないからである。
従って、より低い温度係数の共振周波数を有するＦＢＡＲが必要とされている。
発明の概要
第１の態様において、本発明は、ＦＢＡＲスタックを有する、温度補償型圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）デバイスを提供する。ＦＢＡＲスタックは、ＦＢＡＲと温度補償要素から構成される。ＦＢＡＲは、温度係数を有する共振周波数によって特徴づけられ、対向する２枚の電極と、それらの電極間に配置された圧電素子とを含む。圧電素子は温度係数を有し、共振周波数の温度係数はその温度係数に少なくとも一部依存する。温度補償要素の温度係数は、圧電素子の温度係数とは反対の符号を有する。
温度補償要素は、その温度係数の符号がＦＢＡＲデバイスの温度係数とは反対であるため、圧電素子の温度係数の影響を低減し、通常は更に、電極の温度係数の影響も低減する。従って、ＦＢＡＲデバイスの温度係数の大きさは、温度補償要素を持たない同様のＦＢＡＲデバイスの温度係数よりも小さくなる。
温度補償要素は通常、ＦＢＡＲスタックに配置された１以上の温度補償層として構成される。一実施形態において、温度補償層は、２つの電極のうちの一方または両方に対して平行に配置される。例えば、温度補償層は、電極と圧電素子の間に配置される。他の実施形態において、温度補償層は、圧電素子とは反対側の電極の面上に配置される。更に他の実施形態において、温度補償層は圧電素子に埋め込まれる。
他の実施形態において、２つの電極のうちの一方又は両方は、圧電素子とは反対の符号の温度係数を有し、温度補償要素として機能する。
ＦＢＡＲデバイスの例には、はしご型フィルタ、積層型薄膜共振器（ＳＢＡＲ）、減結合積層型圧電薄膜共振器（ＤＳＢＡＲ）、バンドパスフィルタ、共振器結合型フィルタ、及び、薄膜音響結合変成器（ＦＡＣＴ）などの一要素として使用されるものがある。
第２の態様において、本発明は、伝搬時間関連特性を有する音響伝搬経路を有する音響デバイスを提供する。伝搬時間関連特性は温度係数を有する。音響伝搬経路は温度係数を有する音響伝搬素子を含み、音響伝搬経路の伝搬時間関連特性はその温度係数に少なくとも一部依存する。音響伝搬経路は、音響伝搬経路の温度係数とは反対の符号の温度係数を有する温度補償素子を更に含む。
詳細な説明
本明細書の開示で使用される場合、ＦＢＡＲスタックという用語は、１以上のＦＢＡＲを含む種々の材料の層のスタックを指す。ＦＢＡＲスタックが２以上のＦＢＡＲを含む実施形態では、それらのＦＢＡＲは、ＦＢＡＲスタック中の同じ階層にあってもよいし、ＦＢＡＲスタック中の異なる階層にあってもよく、また、一部のＦＢＡＲがＦＢＡＲスタック中の同じ階層にあり、一部のＦＢＡＲがＦＢＡＲスタック中の別の階層にあってもよい。例えば、ＦＢＡＲはしご型フィルタの場合、ＦＢＡＲは通常、ＦＢＡＲスタック中の同じ階層に位置し、減結合積層型圧電薄膜共振器（ＤＳＢＡＲ）の場合、ＦＢＡＲは通常、ＦＢＡＲスタック中の異なる階層に位置し、薄膜音響結合変成器（ＦＡＣＴ）の場合、一部のＦＢＡＲはＦＢＡＲスタック中の同じ階層に位置し、一部のＦＢＡＲはＦＢＡＲスタック中の異なる階層に位置する。
ＦＢＡＲの共振周波数は、ＦＢＡＲ中の音の伝搬速度に比例的に依存し、また、ＦＢＡＲを構成する種々の層の厚さに反比例的に依存する。現在ＦＢＡＲを製造する元になる材料の大半における伝搬速度は負の温度係数を有する。なぜなら、温度が上昇するほど原子間に働く力が弱まるからである。これらの力が弱まると、材料の弾性定数が減少し、同時に伝搬速度も低下する。温度が上昇すると、伝搬速度は低下し、それらの層の厚さは増加する。これら両方の影響によって、ＦＢＡＲの共振周波数は低下し、上記のような負の温度係数が生じる。例えば、現在ＦＢＡＲを製造する元になる窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やモリブデン（Ｍｏ）の温度係数はそれぞれ、約−２５ｐｐｍ／℃及び約−６０ｐｐｍ／℃である。ＦＢＡＲの共振周波数の全体的温度係数と、ＦＢＡＲの電極や圧電素子の温度係数との間の関係は、電極や圧電素子の相対的厚さによって決まる。ＦＢＡＲを利用した送受切り換え器は受信機はしご型フィルタを有し、受信機はしご型フィルタのＦＢＡＲは通常、比較的薄い電極と比較的厚い圧電素子を有する。こうしたＦＢＡＲの共振周波数の温度係数は、ＡｌＮの温度係数に似た温度係数、すなわち、約−２５ｐｐｍ／℃である。ＦＢＡＲを利用した送受切り換え器の送信機はしご型フィルタのＦＢＡＲは通常、比較的厚い電極と比較的薄い圧電素子を有する。モリブデン電極の温度係数は、ＦＢＡＲの共振周波数の温度係数に大きく影響する。そのため、そのようなＦＢＡＲの共振周波数は、約−３５ｐｐｍ／℃〜約−４０ｐｐｍ／℃の範囲の温度係数を有する。
本発明によれば、ＦＢＡＲスタックは、ＦＢＡＲデバイスの共振周波数の温度係数を減少させる温度補償要素を更に有する。この温度補償要素は、ＦＢＡＲスタックの一部を形成する圧電素子とは反対の符号の温度係数を有する。すなわち、圧電素子が負の温度係数を有する上記の例では、温度補償要素は正の温度係数を有する。温度補償要素を使用した場合、ＦＢＡＲの有効温度係数ＴＣｅｆｆは次のように近似することができる。
ＴＣｅｆｆ＝｛（ＴＣＥ＊ｔＥ）＋（ＴＣＰ＊ｔＰ）＋（ＴＣＣ＊ｔＣ）｝／（ｔＥ＋ｔＰ＋ｔＣ）・・・（１）
ただし、ＴＣＥは電極材料の温度係数、ＴＣＰは圧電素子の温度係数、ＴＣＣは温度補償要素の温度係数、ｔＥは電極全体の厚さ、ｔＰは圧電素子の厚さ、ｔＣは温度補償要素全体の厚さである。これらの厚さは、ＦＢＡＲデバイスの動作中に、音が素子を通って伝搬する方向において測定される。式（１）は、縦モードの伝搬と剪断モードの両方に当てはまる。式（１）は、温度補償要素の温度補償効果に対する、電極、圧電素子及び温度補償要素の音響インピーダンスの二次的影響を無視している。ＦＢＡＲスタックに組み込むのに適した正の温度係数を有する伝搬速度の材料はわりと珍しいが、存在はしている。温度補償要素の望ましい特性には次のようなものがある。
１．不溶性であること、又は、蒸着後の処理において使用されるエッチング液によってゆっくりしか浸食されないこと。
２．圧電素子よりも先に蒸着された場合、軟化温度、及び／又は、分解温度が圧電素子の分解温度（ＡｌＮの場合、通常約４５０℃）よりも高く、それ以外の場合、電極材料の分解温度（Ｍｏの場合、通常約３００℃）よりも高いこと。
３．電極や圧電素子の材料に強力に接着する能力。
４．フォトリソグラフィによってパターニング可能であること、及び、電極材料の場合と同じウェットエッチング液又はドライエッチング液でエッチング可能であること。
５．最大１μｍの厚さまで真空蒸着又はスパッタリング可能であること。
６．例えば二元合金や二元無機化合物のように比較的単純な化学組成であること。
７．金属製の温度補償要素の場合、透磁率が低く、導電性が高く、電極の一部又は全部を構成可能であること。
８．絶縁性の温度補償要素の場合、損失正接が小さいこと。
中でも、ＦＢＡＲの共振周波数が負の温度係数を有する一般的なＦＢＡＲデバイスの場合、温度補償要素の伝搬速度は正の温度係数を有する。
図３Ａ及び図３Ｂはそれぞれ、本発明によるＦＢＡＲデバイスの第1の実施形態１００の平面図及び断面図である。ＦＢＡＲデバイス１００は、1つのＦＢＡＲを含むＦＢＡＲスタックからなる。このＦＢＡＲは、図１に示したはしご型フィルタのようなＦＢＡＲはしご型フィルタの例示的ＦＢＡＲ、又は、ＦＢＡＲ送受切り換え器の例示的ＦＢＡＲである。これらのはしご型フィルタや送受切り換え器の残りのＦＢＡＲも、ＦＢＡＲスタックの一部を構成する。ただし、図を分かり易くするために、図３Ａ及び図３Ｂでは、残りのＦＢＡＲを省略している。
ＦＢＡＲデバイス１００は、ＦＢＡＲスタック１１１を含む。ＦＢＡＲスタック１１１は、ＦＢＡＲ１１０及び温度補償要素１０９を含む。ＦＢＡＲ１１０は、対向する２枚の平坦な電極１１２及び１１４を有し、それらの電極の間に圧電素子１１６を有する。圧電素子１１６は温度係数を有し、ＦＢＡＲの共振周波数はその温度係数に少なくとも一部依存する。共振周波数は通常、電極の温度係数にも更に依存する。温度補償要素１０９は、圧電素子の温度係数とは反対の符号の温度係数を有する。温度補償要素１０９は、その温度係数が反対の符号であるため、ＦＢＡＲデバイス１００の温度係数に対する圧電素子の温度係数の影響を低減する。その結果、ＦＢＡＲデバイス１００の温度係数の大きさは、温度補償要素を持たない同様のＦＢＡＲデバイスの温度係数よりも小さくなる。
図３Ｂに示す例において、温度補償要素１０９は、電極１１２と圧電素子１１６の間に配置された温度補償層１１３と、電極１１４と圧電素子１１６の間に配置された温度補償層１１５とから構成される。温度補償層１１３及び１１５はそれぞれ、温度補償材料の層であり、ＦＢＡＲ１１０の圧電素子１１６や電極１１２及び１１４の温度係数とは反対の符号の温度係数を有する。高い導電性の温度補償材料を温度補償層１１３及び１１５の材料として使用することにより、それらの温度補償層による、ＦＢＡＲ１１０の結合定数の望ましくない減少を防止することができる。ＦＢＡＲデバイス１００の一般的な実施形態では、圧電素子及び電極は負の温度係数を有し、温度補償層は正の温度係数を有する。
本明細書で使用される場合、例えば温度補償要素１０９、温度補償層１１３及び１１５、圧電素子１１６、電極１１２及び１１４のようなＦＢＡＲスタック１１１の構成要素の「温度係数」は、ＦＢＡＲ１１０の共振周波数の温度係数が依存する構成要素のパラメータの温度係数である。一般に、このパラメータは、その構成要素中の音の伝搬速度と、その構成要素の熱膨張率との組み合わせである。パラメータは、構成要素の音響インピーダンスを更に考慮してもよい。
図示の例において、温度補償要素１０９を構成する温度補償層１１３及び１１５はそれぞれ、電極１１２及び１１４と実質的に同じ形及びサイズを有し、それらの層の主表面に対して平行な面にある。この例は更に、温度補償層１１３及び１１５が、電極１１２及び１１４にそれぞれ近接配置され、電極１１２と圧電素子１１６の間及び電極１１４と圧電素子１１６の間にそれぞれ配置されることを示している。あるいは、温度補償層１１３及び１１５は、圧電素子１１６と実質的に同じ形及びサイズであってもよい。
他の実施形態において、温度補償層１１３及び１１５はそれぞれ、図３Ｃに示すように、圧電素子１１６とは反対側の電極１１２の面及び電極１１４の面に配置される。電極１１２と電極１１４の間の電位差によって圧電素子１１６に印加される電界の外側に温度補償層が配置される実施形態の場合、温度補償層１１３及び１１５の温度補償材料は、導電性であってもよいし、絶縁性であってもよい。
他の実施形態において、温度補償層１０９は、図３Ｄに示すように単一の温度補償層１１３だけから構成される。単一の温度補償層１１３の厚さは温度補償層１１３と１１５の厚さの合計に等しく、温度補償層１１３は電極１１２に近接配置される。図示の例では、単一の温度補償層が、電極１１２と圧電素子１１６の間に配置されている。高〜中の導電性を持つ温度補償材料を温度補償層１１３の材料として使用することにより、温度補償層による望ましくないＦＢＡＲ１１０の結合定数の低下を防止することができる。代替として、単一の温度補償層は、図３Ｃに示したものと同様のやり方で、圧電素子１１６とは反対側の電極１１２の面に配置してもよい。あるいは、単一の温度補償要素は、電極１１２に関して今説明した方法のうちのいずれかにより、電極１１４に近接配置してもよい。
図３Ｄに示す実施形態では、電極１１４の厚さを増加させ、ＦＢＡＲデバイス１００の対称性を復元してもよい。ただし、電極１１４の厚さを増やすと、温度補償要素１０９によって補償しなければならない温度係数も増加する。デバイスが非対称であると、結合定数は減少するが、その程度の減少は通常容認できる。
他の実施形態において、温度補償要素１０９は、図３Ｅに示すように圧電素子１１６に埋め込まれた単一の温度補償層１１３から構成される。温度補償層１１３は、圧電素子１１６の中を途中まで、例えば半分まで通る。圧電素子１１６は２つの部分１１６Ａ及び１１６Ｂからなり、その間に温度補償層１１３が配置される。高〜中の導電性を有する温度補償材料を温度補償層１１３の材料として使用することにより、温度補償層による望ましくないＦＢＡＲ１１０の結合定数の減少を防止することができる。
温度補償要素１０９が電極１１２と電極１１４の間に配置される実施形態では一般に、図３Ｃに示す実施形態のように温度補償要素１０９がどこか他の場所に配置される実施形態に比べて、高い温度補償効率が得られる。
他の実施形態において、温度補償要素１０９は、図３Ｆに示すように電極１１２及び１１４から構成される。この実施形態では、電極１１２及び１１４は、圧電素子１１６の温度係数とは反対の符号の温度係数を有する。電極１１２及び１１４が圧電素子１１６の温度係数とは反対の符号の温度係数を有する実施形態におけるＦＢＡＲ１１０の共振周波数は、それらの電極が圧電素子１１６の温度係数と同じ符号の温度係数を有する実施形態におけるＦＢＡＲ１１０の温度係数よりも小さい温度係数を有する。代替実施形態において、温度補償要素１０９は、電極１１２及び１１４のうちの一方だけから構成され、他方の電極の材料には従来の電極材料が使用される。高い導電性の温度補償材料を電極１１２及び１１４の材料として使用することにより、それらの電極の抵抗値により、ＦＢＡＲ１１０の直列抵抗が増加することを防止することができる。
上記の実施形態において、温度補償要素１０９は、ＦＢＡＲ１１０の共振周波数の温度係数を減少させる。温度補償要素の伝搬速度の正の温度係数は、圧電素子及び電極の伝搬速度の負の温度係数を少なくとも一部オフセットする。実施形態によっては、ＦＢＡＲ１１０の有効温度係数がゼロになるように、温度補償要素の厚さを設定する場合がある。他の実施形態では、ＦＢＡＲ１１０の有効温度係数が負のままであり、且つその有効温度係数が、ＦＢＡＲスタック１１１が温度補償要素を持たない従来のＦＢＡＲデバイスの温度係数よりも実質的に小さくなるように、温度補償要素の厚さを設定する場合がある。ＦＢＡＲ１１０の温度係数を減少させると、ＦＢＡＲ１１０の動作温度範囲と製造歩留まりのうちの一方又は両方が増加する。ＦＢＡＲデバイス１１０の温度係数を従来のＦＢＡＲデバイスの温度係数の半分に減少させるだけで、製造歩留まりの有効な向上が得られる。
図示の例において、ＦＢＡＲデバイス１００は基板１０２を更に含む。基板１０２にはキャビティ１０４が画定され、ＦＢＡＲスタック１１１はキャビティ１０４の上に浮かんでいる。キャビティ１０４は、ＦＢＡＲスタック１１１を基板１０２から音響的に分離する。従って、ＦＢＡＲスタック１１１は、ＦＢＡＲ１１０の電極１１２と１１４の間に印加された電気信号に応じて、自由に機械的に振動することができる。あるいは、ＦＢＡＲスタック１１１は、ラキンが米国特許第６，１０７，７２１号に開示しているような音響ブラック反射器によって基板１０２から分離してもよい。交互配置された金属ブラッグ層とプラスチックブラッグ層からなる音響ブラッグ反射器は、Ｌａｒｓｏｎ III他により「Cavity-less Film Bulk Acoustic Resonator (FBAR) Devices」と題する本願と同じ譲受人の米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸ，ＸＸＸ号に記載されている一対又は二対のブラッグ層だけを使用して、キャビティ１０４によって得られるものと同等の音響減結合が可能である。
本明細書の開示において「近接配置」されるものとして記載される要素は通常、図３Ｂに示すように互いに物理的に接触している。ただし、介在要素が、近接要素の音響特性に対してごく僅かな影響しか与えないものであれば、近接要素は介在要素によって分離してもよい。
温度補償要素１０９は、ＦＢＡＲ１１０の音響共振構造の一部を形成する。指定された共振周波数のＦＢＡＲを形成するために、例えば圧電素子や電極のようなＦＢＡＲの１以上の他の構成要素の一部は、温度補償要素によって置き換えられる場合がある。市販の温度補償要素は通常、ＦＢＡＲの残りの構成要素よりも劣った電気的音響特性を有する。そのため、温度補償要素を使用した場合、種々の実施形態のＦＢＡＲ１１０の電気的音響特性は、同様の従来のＦＢＡＲデバイスのものに比べて低下する可能性がある。この音響特性の低下は、大きな正の温度係数を有する温度補償材料を温度補償要素の材料として使用することによって、最小限に抑えることができる。なぜなら、式（１）によれば、それによって、温度補償要素の厚さが最小になるからである。その結果、他の構成要素の厚さの減少量が最小になる。温度補償要素の厚さを最小にすると、ＦＢＡＲの電気的音響特性に対する温度補償要素の影響は最小になる。
一例において、受信機はしご型フィルタに組み込まれる図３Ｂに示したものと同様のＦＢＡＲ１１０の一実施形態において、電極１１２及び１１４はそれぞれ１１０ｎｍ厚のモリブデンの層であり、圧電素子１１６は１．５μｍ厚の窒化アルミニウムの層であり、温度補償層１１３及び１１５はそれぞれ、＋２００ｐｐｍ／℃の温度係数を有する１１５ｎｍ厚の温度補償材料の層である。温度補償層１１３及び１１５は、ＦＢＡＲ１１０の温度係数をゼロまで減少させる。これらの温度補償層は更に、ＦＢＡＲ１１０の厚さ結合定数ｋｔ ２を約５％にまで減少させる。結合定数は、ＦＢＡＲが電気エネルギーを機械エネルギーに変換する効率を特徴付けるものであり、可能な限り高くすべきである。これに対し、同じ公称共振周波数を有する従来のＦＢＡＲは、２．２μｍ厚の圧電素子、約−２５ｐｐｍ／℃の温度係数、及び、約５．５％の厚さ結合定数ｋｔ ２を有する。温度補償材料が比較的低い正の温度係数を有するＦＢＡＲ１１０の実施形態の場合、温度補償層の厚さを上記の例におけるものよりも厚くしたほうが望ましい。温度補償層を厚くすると、受信機はしご型フィルタの用途において、結合定数を許容レベル未満に低減することができる場合がある。
他の例において、従来の送信機はしご型フィルタに組み込まれるＦＢＡＲにおいて、電極１１２及び１１４はそれぞれ４４０ｎｍ厚のモリブデンの層であり、圧電素子１１６は７６０ｎｍ厚の窒化アルミニウムの層である。送信機フィルタは、高いＲＦパワーを受けることがあり、発生する高周波加熱を見込んで余分な共振周波数を必要とする。送信機フィルタは、指定されたロールオフを実現するために、通常、比較的低い有効結合定数を必要とする。これは電極を厚くすることによって実現される。従来の電極材料からなる厚い電極は、ＦＢＡＲの温度係数を増加させるという望ましくない作用を持つ。ただし、本発明によれば、電極は、図３Ｆに示したようにモリブデンの代わりに温度補償材料から形成される。そのため、ＦＢＡＲの有効結合定数が減少し、温度係数が減少するという二重の利点が得られる。
ＦＢＡＲ１００の上記の種々の実施形態は、温度係数を持つ伝搬時間関連特性を有する音響伝搬経路を有する音響デバイスの一例とみなすこともできる。伝搬経路は、１以上の音響伝搬要素から構成される。音響伝搬要素の集まりは、伝搬時間関連特性の温度係数を少なくとも一部決定する温度係数を有する。伝搬経路は、音響伝搬要素の温度係数とは反対の符号の温度係数を有する温度補償要素を更に含む。本明細書の開示で使用されるように、「音響」及び「音」という用語は、音声周波数範囲よりも遥かに広い振動周波数範囲を含む。
図３Ｂに示す例において、伝搬時間関連特性はＦＢＡＲ１１０の共振周波数である。音響伝搬経路は電極１１２から電極１１４まで延び、音響伝搬要素は電極１１４、電極１１４、及び圧電素子１１６である。音響伝搬要素の集まりは温度係数を有し、それによって、音響伝搬経路の伝搬時間特性は負の温度係数を有する。音響伝搬経路は、温度補償要素１０９を更に含む。温度補償要素１０９は、音響伝搬要素の温度係数とは反対の符号である正の温度係数を有する。温度補償要素１０９は、音響伝搬経路の伝搬時間関連特性の温度係数の大きさを減少させる。図３Ｃに示す実施形態において、音響伝搬経路は、温度補償層１１３から温度補償層１１５まで延びている。
上記の音響デバイスの他の例には、表面弾性波（ＳＡＷ）フィルタ、水晶フィルタ、結合共振器フィルタ、及び、遅延ラインがある。
図４Ａ及び図４Ｂはそれぞれ、本発明によるＦＢＡＲの第２の実施形態の平面図及び断面図である。ＦＢＡＲデバイス２００はバンドパスフィルタであり、ＦＢＡＲスタックは２つのＦＢＡＲと、それらのＦＢＡＲ間に配置された音響減結合器から構成される。これらのＦＢＡＲと音響減結合器は、単一の減結合積層型圧電薄膜共振器（ＤＳＢＡＲ）を構成する。
ＦＢＡＲデバイス３００はＦＢＡＲスタック２１１を含む。上記のように、ＦＢＡＲスタック２１１は、ＦＢＡＲ１１０と温度補償要素１０９を含む。ＦＢＡＲ１１０は、ＦＢＡＲスタックにおける下側ＦＢＡＲである。ＦＢＡＲスタック２１１は、下側ＦＢＡＲの上に積み重ねられた上側ＦＢＡＲ１２０と、ＦＢＡＲ間に配置された音響減結合器１３０とを更に含む。
下側ＦＢＡＲ１１０は、対向する２枚の平坦な電極１１２及び１１４と、それらの電極間に配置された圧電素子１１６とを含む。圧電素子１１６は温度係数を有し、ＦＢＡＲ１１０の共振周波数はその温度係数に少なくとも一部依存する。ＦＢＡＲ１１０の共振周波数の温度係数は通常、電極１１２及び１１４の温度係数にも更に依存する。上側ＦＢＡＲ１２０は、対向する２枚の電極１２２及び１２４と、それらの電極間に配置された圧電素子１２６とを含む。圧電素子１２６は温度係数を有し、ＦＢＡＲ１２０の共振周波数の温度係数はその温度係数に少なくとも一部依存する。ＦＢＡＲ１２０の共振周波数は通常、電極１２２及び１２４の温度係数にも更に依存する。温度補償要素１０９は、圧電素子１１６及び１２６の温度係数の符号とは反対の符号の温度係数を有する。
温度補償要素１０９は、その温度係数の符号が反対であるため、ＦＢＡＲデバイス２００の温度係数に対する圧電素子１１６及び１２６の温度係数の影響を低減し、通常は更に、電極１１２、１１４、１２２及び１２４の温度係数の影響も低減する。そのため、ＦＢＡＲデバイス２００の温度係数の大きさは、温度補償要素を持たない同様のＦＢＡＲデバイスの温度係数よりも小さくなる。
図４Ｂに示す例において、温度補償要素１０９は、ＦＢＡＲ１１０の電極１１４と圧電素子１１６の間に配置された温度補償層１１５と、ＦＢＡＲ１２０の電極１２２と圧電素子１２６の間に配置された温度補償層１２３とから構成される。温度補償層１１５及び１２３はそれぞれ、圧電素子１１６及び１２６とは反対の符号の温度係数を有する上記の圧電材料の層である。ＦＢＡＲ２００の一般的な実施形態において、圧電素子１１６及び１２６はそれぞれ負の温度係数を有し、温度補償要素は正の温度係数を有する。
あるいは、図３Ｂ〜図３Ｆを参照して上で説明したいずれかの構成のＦＢＡＲ１１０及び１２０に関し、温度補償要素１０９は、ＦＢＡＲスタック２１１に配置された温度補償層から構成されるものであってもよい。ただし、図４Ｂに示すように温度補償層１１５及び１２３がＦＢＡＲ１１０の電極１１４とＦＢＡＲ１２０の電極１２２にそれぞれ近接配置され、電極１１４及び１２２が更に音響減結合器１３０にも近接配置されるような温度補償要素１０９の実施形態は一般に、他の実施形態の温度補償要素に比べて、高い効率で温度補償を行うことが可能である。
ＦＢＡＲデバイス２００において、音響減結合器１３０はＦＢＡＲ１１０とＦＢＡＲ１２０の間に配置され、詳しくは、ＦＢＡＲ１１０の電極１１４とＦＢＡＲ１２０の電極１２２の間に配置される。音響減結合器は、ＦＢＡＲ１１０とＦＢＡＲ１２０の間の音響エネルギーの結合を制御する。音響減結合器は、ＦＢＡＲ間を直接接触で結合した場合に比べて、ＦＢＡＲ間を結合する音響エネルギーを低下させる。図６Ｂに示す例において、音響減結合器１３０は、音響減結合材料からなる音響減結合層から構成される。
図示の例において、ＦＢＡＲスタック２１１は、基板１０２に画定されたキャビティ１０４の上に浮かんでいる。キャビティ１０４は、ＦＢＡＲスタック２１１を基板１０２から音響的に分離する。ＦＢＡＲスタック２１１と基板１０２との間を音響的に分離することにより、ＤＳＢＡＲ１０６を構成するＦＢＡＲ１１０及び１２０は、一方のＤＳＢＡＲの電極間に印加された入力電気信号に応じて、機械的に共振することが可能となる。入力信号を受信する方のＦＢＡＲにおいて発生した音響エネルギーは、音響減結合器１３０を通過して他方のＦＢＡＲに到達する。音響エネルギーを受け取ったＦＢＡＲは、その音響エネルギーの一部を出力電気信号に変換し、その電極間に出力する。音響エネルギーを受け取るＦＢＡＲの電極間に生じる電気信号出力は、バンドパス周波数応答特性を有し、ＦＢＡＲスタック２１１と基板１０２との間の望ましくない音響結合によって生じる不要なスプリアスアーチファクトを持たない。
図示の例において、ＦＢＡＲ１１０の電極１１２及び１１４はそれぞれ、電気トレース１３３及び１３８によって、端子パッド１３２及び１３４に電気的に接続される。また、ＦＢＡＲ１２０の電極１２２及び１２４はそれぞれ、電気トレース１３７及び１３９によって、端子パッド１３４及び１３８にそれぞれ電気的に接続される。入力と出力の間に絶縁を施す実施形態の場合、電気トレース１３７は、端子パッド１３４ではなく更に別の端子パッド（図示せず）に接続される。端子パッド１３２、１３４及び１３８を使用して、ＦＢＡＲデバイス２００から外部電気回路（図示せず）への電気接続が形成される。
図示の実施形態において、音響減結合器１３０は、音響減結合材料の四分の一波長層である。この音響減結合材料の音響インピーダンスは、ＦＢＡＲ１１０及び１２０のものより小さく、実質的に空気の音響インピーダンスの四分の一である。材料の音響インピーダンスは、材料中の応力と粒子速度の比であり、レーリー（レイルと略される）で測定される。ＦＢＡＲの音響インピーダンスは通常、３０メガレーリー（ＡｌＮの場合は３５メガレーリー、Ｍｏの場合は６３メガレーリー）よりも大きく、空気の音響インピーダンスは約１キロレーリーである。ＦＢＡＲ１１０、１２０の材料が上記のようなものであるＦＢＡＲデバイス２００の実施形態の場合、約２メガレーリー〜約８メガレーリーの範囲の音響インピーダンスを有する音響減結合材料が、音響減結合器１３０の音響結合材料として良好に機能する。
四分の一波長層の通常の厚さｔは、ＦＢＡＲデバイス２００の通過帯域の中心周波数に等しい周波数の音響信号の音響減結合材料中における波長λｎの四分の一の奇数倍に等しい。すなわち、ｔ≒（２ｍ＋１）λｎ／４である。ただし、λｎは上で定義されたようなものであり、ｍはゼロ以上の整数である。一実施形態において、整数ｍの値はゼロである。すなわち、ｔ≒λｎ／４である。整数ｍの値がゼロである音響減結合器を有するＦＢＡＲデバイス２００の一実施形態の周波数応答にスプリアスアーチファクトが現れる可能性は、整数ｍが０よりも大きい音響減結合器を有する実施形態に比べて小さい。整数ｍの値がゼロよりも大きい後者の実施形態の周波数応答には、複数の音響モードをサポートする比較的厚い音響減結合器の能力によって、スプリアスアーチファクトが現れる可能性が高い。
通常の四分の一波長の厚さからλｎ／４の±１０％だけ厚さの異なる音響減結合器１３０の実施形態を代わりに使用してもよい。この範囲以外の厚さ許容範囲を使用した場合、性能が幾らか劣化する可能性がある。ただし、音響減結合器１３０の厚さは、λｎ／２の整数倍とは大きく異なるものでなければならない。
多くのプラスチック材料は、上記のような約２メガレーリー〜約８メガレーリーの範囲の音響インピーダンスを有し、上に記載した厚さ範囲の均一な厚さの層に使用することができる。従って、そのようなプラスチック材料は、音響減結合器１３０の音響減結合材料として使用するのに適する可能性がある。ただし、音響減結合材料は、音響減結合器１３０の製造後に実施される製造処理の温度に耐えられるものでなければならない。後で詳しく説明するように、ＦＢＡＲデバイス２００の実際的な実施形態において、電極１２２及び１２４並びに圧電層１２６は、音響減結合器１３０の製造後にスパッタリングによって蒸着される。こうした蒸着処理中は、４００℃程度の温度に達する。従って、そのような温度においても安定した状態を維持できるプラスチック材料が、音響減結合材料として使用される。
プラスチック材料は一般に、ＦＢＡＲ１１０及び１２０の他の材料に比べて、単位長さあたりの音響の減衰が非常に大きい。しかしながら、プラスチックの音響減結合器１３０は通常、１μｍ厚未満、例えば２００ｎｍ厚であるため、そのような実施形態の音響減結合器１３０によって生じる音響の減衰は通常、無視することができる。
一実施形態では、ポリイミドが、音響減結合器１３０の音響減結合材料として使用される。ポリイミドは、Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ ＣｏｍｐａｎｙからＫａｐｔｏｎという登録商標で販売されている。そのような実施形態では、音響減結合器１３０は、スピンコーティングによって電極１１４に付着させたポリイミドの四分の一波長層から構成される。ポリイミドは約４メガレーリーの音響インピーダンスを有する。
他の実施形態では、ポリ（パラキシレン）が、音響減結合器１３０の音響減結合材料として使用される。そのような実施形態の場合、音響減結合器１３０は、真空蒸着によって電極１１４に蒸着されるポリ（パラキシレン）の四分の一波長層から構成される。ポリ（パラキシレン）は、当該技術分野ではパリレンとも呼ばれる。パリレンを作成する元になるダイマー型前駆体のジパラキシレン、及び、パリレンの層の真空蒸着を実施するための装置は、多数のサプライヤから入手することができる。パリレンの音響インピーダンスは、約２．８メガレーリーである。
他の実施形態では、架橋ポリフェニレンポリマーが、音響減結合器１３０の音響減結合材料として使用される。そのような実施形態の場合、音響減結合器１３０は、スピンコーティングによって塗布される架橋ポリフェニレンポリマーの四分の一波長層である。架橋ポリフェニレンポリマーは、集積回路に使用する低誘電率の誘電体材料として開発されたものであるため、ＦＡＢＡＲ１２０のその後の製造において音響減結合器１３０が受ける高温においても、安定した状態を維持する。本発明者は、架橋ポリフェニレンポリマーが約２メガレーリーの計算上の音響インピーダンスを更に有することを発見した。この音響インピーダンスは、有用な通過帯域を有するＦＢＡＲデバイス２００を得るための音響インピーダンスの範囲内に含まれる。
重合によって架橋ポリフェニレンポリマーを形成する種々のオリゴマーを含む前駆体溶液は、米国ミシガン州ミッドランドにあるＴｈｅ Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＣｏｍｐａｎｙからＳｉＬＫという登録商標で販売されている。前駆体溶液はスピンコーティングによって塗布される。ＳｉＬＫ Ｊに指定されるこれらの前駆体溶液の１つから得られる架橋ポリフェニレンポリマーは、接着促進剤を更に含み、２．１メガレーリー、すなわち約２メガレーリーの計算上の音響インピーダンスを有する。
重合によって架橋ポリフェニレンポリマーを形成するオリゴマーは、ビスシンクロペンタジエノン含有モノマーや芳香族アセチレン含有モノマーから作成される。これらのモノマーを使用すれば、過度の置換を行うことなく、可溶性オリゴマーを形成することができる。前駆体溶液は、ガンマブチロラクトン溶液やシクロヘキサノン溶液に溶かされた特定のオリゴマーを含む。溶液を塗布し、熱を加えて蒸発させた後、オリゴマーを硬化させて、架橋ポリマーを形成する。ビスシンクロペンタジエノンは、４＋２付加還化反応によってアセチレンと反応し、新たな芳香環を形成する。更に、硬化により、架橋ポリフェニレンポリマーが得られる。上述した架橋ポリフェニレンポリマーは、Godschalx他による米国特許第５，９６５，６７９号に開示されている。さらなる実用的な詳細は、Martin他著、「Development of Low-Dielectric Constant Polymer for the Fabrication of Integrated Circuit Interconnect」12 Advanced Materials、1769（2000年）に説明されている。架橋ポリフェニレンポリマーは、ポリイミドと比較して、より低い音響インピーダンス、より低い音響減衰、及びより低い誘電率を有する。さらに、スピンコーティングにされた前駆体溶液の層は、音響減結合器１３０の典型的な厚さである約２００ｎｍの厚さを有する架橋ポリフェニレンポリマーの高品質の薄膜を作成することができる。
他の実施形態において、音響減結合器１３０は、Ｊｏｈｎ Ｄ．Ｌａｒｓｏｎ III及びＳｔｅｐｈｅｎ Ｅｌｌｉｓによる「Ｐａｓｓ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ Ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ Ｓｔａｃｋｅｄ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ」と題する上記の米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸ，ＸＸＸに記載されているような種々の音響インピーダンスを有する音響減結合材料からなる音響減結合層（図示せず）から構成される。音響減結合器１３０の音響インピーダンスは、音響減結合層の音響インピーダンスと厚さによって決まる。従って、ＦＢＡＲデバイス２００の通過帯域幅は、音響減結合層の音響インピーダンスによって決まる。種々の音響インピーダンスを有する音響減結合材料の音響減結合層から構成される音響減結合器１３０の実施形態は、ＦＢＡＲデバイス２００の通過帯域の中心周波数に等しい音響信号の周波数に対し、π／２ラジアンの奇数倍の公称位相変化を与えるような構造を有する。一実施形態において、音響減結合器は、中心周波数に等しい周波数の音響信号に対し、π／２ラジアンの公称位相変化を与えるような構造を有する。この位相変化は、中心周波数に等しい周波数の音響信号の音響減結合材料の波長の四分の一に等しい公称厚さを有する音響結合材料の単一の層から構成される音響減結合器によって与えられる公称位相変化に等しい。
一例において、音響減結合器１３０は、約２メガレーリーの音響インピーダンスを有する架橋ポリフェニレンポリマーの音響減結合層と、その上に配置された約４メガレーリーの音響インピーダンスを有するポリイミドの音響減結合層とから構成される。このような音響減結合器によれば、音響減結合器がポリイミドの単一の四分の一波長層から構成される実施形態と、音響結合器が架橋ポリフェニレンポリマーの単一の四分の一波長層から構成される実施形態との間の通過帯域幅インピーダンスを有するＦＢＡＲデバイス２００の一実施形態が得られる。
他の実施形態において、音響減結合器１３０の音響減結合材料の音響インピーダンスは、ＦＢＡＲ１１０及び１２０のものよりも実質的に大きい。現時点でそのような特性を有する音響減結合材料は知られていないが、将来はこうした材料も使用可能になるかもしれない。あるいは、将来は、もっと低い音響インピーダンスのＦＢＡＲ材料が利用可能になるかもしれない。そのような高い音響インピーダンスの音響減結合材料の音響減結合器１３０の厚さは、上で述べたとおりである。
他の実施形態（図示せず）において、音響減結合器１３０は、高い音響インピーダンスのブラッグ要素間に挟み込まれた低音響インピーダンスのブラッグ要素から構成されるブラッグ構造として構成される。低い音響インピーダンスのブラッグ要素は、低い音響インピーダンス材料の層であり、高い音響インピーダンスのブラッグ要素はそれぞれ、高い音響インピーダンスの材料の層である。これらのブラッグ要素の音響インピーダンスは、互いに「低い」又は「高い」として特徴付けられ、更に、圧電素子１１６及び１２６の圧電材料の音響インピーダンスに対して「低い」又は「高い」として特徴付けられる。ブラッグ要素のうちの少なくとも１つは、高い電気抵抗率及び低い誘電率を有し、ＦＢＡＲデバイス２００の入力と出力の間を絶縁する働きをする。
ブラッグ要素を構成する各層は通常、四分の一波長層である。公称の四分の一波長の厚さから四分の一波長の約±１０％だけ異なる厚さの層を代わりに使用してもよい。幾らかの性能低下とともに、この範囲以外の厚さ許容範囲を使用してもよいが、層の厚さは、波長の二分の一の整数倍から大きく異なるものでなければならない。
一実施形態において、低い音響インピーダンスのブラッグ要素は、約１３メガレーリーの音響インピーダンスを有する二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の層であり、高い音響インピーダンスのブラッグ要素は、約６３メガレーリーの音響インピーダンスを有する例えばモリブデンのような、電極１１４及び１２２と同じ材料の層である。高い音響インピーダンスのブラッグ要素と、ＦＢＡＲ１１０及び１２０の電極に同じ材料を使用することにより、高い音響インピーダンスのブラッグ要素を音響結合要素に隣接するＦＢＡＲの電極として更に機能させることが可能になる。
図５Ａは、本発明によるＦＢＡＲデバイスの第３の実施形態３００の平面図である。ＦＢＡＲデバイス３００は薄膜音響結合変成器（ＦＡＣＴ）であり、そのＦＢＡＲスタックは、２つの減結合積層型圧電薄膜共振器（ＤＳＢＡＲ）を構成する４つのＦＢＡＲから構成される。図５Ａ及び図５Ｃはそれぞれ、図５Ａにおいてライン５Ｂ−５Ｂ及びライン５Ｃ−５Ｃに沿って切断してみたときの断面図である。図５Ｄは、図５Ａに示すＦＡＣＴ３００の例の電気回路の概略図であり、以下で説明される。
ＦＢＡＲデバイス３００はＦＢＡＲスタック３１１を含む。上記のように、ＦＢＡＲスタック３１１は、ＦＢＡＲ１１０及び温度補償要素１０９を有する。ＦＢＡＲ１１０はＦＢＡＲスタックにおける下側ＦＢＡＲである。ＦＢＡＲスタック３１１は、下側ＦＢＡＲ１１０の上に積み重ねられた上側ＦＢＡＲ１２０と、ＦＢＡＲ１１０とＦＢＡＲ１２０の間に配置された音響減結合器１３０と更にを含む。ＦＢＡＲ１１０、ＦＢＡＲ１２０、及び音響減結合器１３０は、上記のＤＳＢＡＲ１０６を構成する。ＦＢＡＲスタック３１１は、下側ＦＢＡＲ１５０、下側ＦＢＡＲ１５０の上に積み重ねられた上側ＦＢＡＲ１６０、及び、ＦＢＡＲ１５０とＦＢＡＲ１６０の間に配置された音響減結合器１３０とから構成される第２のＤＳＢＡＲ１０８を更に含む。ＦＢＡＲ１１０は、対向する２枚の平坦な電極１１２及び１１４、及びそれらの電極間に配置された圧電素子１１６を含む。
ＦＡＣＴ３００は、ＤＳＢＡＲ１０６及び１０８のそれぞれの下側ＦＢＡＲ１１０と下側ＦＢＡＲ１５０を相互接続する電気回路と、ＤＳＢＡＲ１０６及び１０８のそれぞれの上側ＦＢＡＲ１２０と上側ＦＢＡＲ１６０を相互接続する電気回路とを更に含む。図５Ｄは、電気回路１４１によって、ＤＳＢＡＲ１０６の下側ＦＢＡＲ１１０とＤＳＢＡＲ１０８の下側ＦＢＡＲ１５０とが逆並列に接続され、電気回路１４２によって、ＤＳＢＡＲ１０６の上側ＦＢＡＲ１２０とＤＳＢＡＲ１０８の上側ＦＢＡＲ１６０とが直列に接続される例を示している。
ＤＳＢＡＲ０６１において、下側ＦＢＡＲ１１０は、対向する２枚の平坦な電極１１２及び１１４、並びにそれらの電極間に配置された圧電素子１１６から構成される。圧電素子１１６は温度係数を有し、ＦＢＡＲ１１０の共振周波数の温度係数はその温度係数に少なくとも一部依存する。ＦＢＡＲ１１０は通常、電極１１２及び１１４の温度係数にも更に依存する。上側ＦＢＡＲ１２０は、対向する２枚の平坦な電極１２２及び１２４、並びにそれらの電極間に配置された圧電素子１２６から構成される。圧電素子１２６は温度係数を有し、ＦＢＡＲ１２０の共振周波数の温度係数はその温度係数に少なくとも一部依存する。ＦＢＡＲ１２０の共振周波数は通常、電極１２２及び１２４の温度係数にも更に依存する。温度補償要素１０９は、圧電素子１１６及び１２６の温度係数とは反対の符号の温度係数を有する。
ＤＳＢＡＲ１０８において、ＦＢＡＲ１５０は、対向する２枚の平坦な電極１５２及び１５４、並びにそれらの電極間に配置された圧電素子１５６から構成される。圧電素子１５６は温度係数を有し、ＦＢＡＲ１５０の共振周波数の温度係数はその温度係数に少なくとも一部依存する。ＦＢＡＲ１５０の共振周波数は通常、電極１５２及び１５４の温度係数にも更に依存する。上側ＦＢＡＲ１６０は、対向する２枚の平坦な電極１６２及び１６４、並びにそれらの電極間に配置された圧電素子１６６から構成される。圧電素子１６６は温度係数を有し、ＦＢＡＲ１６０の共振周波数の温度係数はその温度係数に少なくとも一部依存する。ＦＢＡＲ１６０の共振周波数は通常、電極１６２及び１６４の温度係数にも更に依存する。温度補償要素１０９は、圧電素子１５６及び１６６の温度係数とは反対の符号の温度係数を有する。
温度補償要素１０９は、その温度係数が反対の符号を有するため、ＦＢＡＲデバイス３００の温度係数に対する圧電素子１１６、１２６、１５６及び１６６の温度係数の影響を低減し、通常は更に、電極１１２、１１４、１２２、１２４、１５２、１５４、１６２及び１６６の温度係数の影響も低減する。そのため、ＦＢＡＲデバイス３００の温度係数の大きさは、温度補償要素を持たない同様のＦＢＡＲデバイスのものに比べて小さくなる。
図５Ｂに示す例において、温度補償要素１０９は、ＦＢＡＲ１１０における電極１１４と圧電素子１１６の間に配置された温度補償層１１５、ＦＢＡＲ１２０における電極１２２と圧電素子１２６の間に配置された温度補償層１２３、ＦＢＡＲ１５０における電極１５４と圧電素子１５６の間に配置された温度補償層１５５、及び、ＦＢＡＲ１６０における電極１６２と圧電素子１６６の間に配置された温度補償層１６３から構成される。温度補償層１１５、１２３、１５５、及び１６３はそれぞれ、圧電素子１１６、１２６、１５６及び１６６の温度係数とは反対の符号の温度係数を有する上記の温度補償材料からなる層である。ＦＢＡＲデバイス３００の一般的な実施形態において、圧電素子１１６、１２６、１５６及び１６６はそれぞれ負の温度係数を有し、温度補償要素は正の温度係数を有する。
図３Ｂ〜図３Ｆを参照して上で説明したいずれかの構成のＦＢＡＲ１１０、１２０、１５０及び１６０に関し、温度補償要素１０９は、代わりに、ＦＢＡＲスタック３１１に配置された温度補償層から構成されてもよい。ただし、図５Ｂに示すように温度補償層１１５及び１２３がそれぞれ、ＦＢＡＲ１１０の電極１１４とＦＢＡＲ１２０の電極１２２に近接配置され、電極１１４及び１２２がそれぞれ、ＦＢＡＲ１５０の電極１５４とＦＢＡＲ１６０の電極１６２に近接配置され、電極１５４及び１６２が、音響減結合器１７０に近接配置される温度補償要素１０９の実施形態は通常、他の実施形態の温度補償要素に比べて、高い効率の温度補償を行うことができる。
ＦＡＣＴ３００において、ＤＳＢＡＲ１０６の音響減結合器１３０は下側ＦＢＡＲ１１０と上側ＦＢＡＲ１２０の間に配置され、詳しくは、下側ＦＢＡＲ１１０の電極１１４と上側ＦＢＡＲ１２０の電極１２２の間に配置される。音響減結合器１３０は、ＦＢＡＲ１１０とＦＢＡＲ１２０の間の音響エネルギーの結合を制御する。音響減結合器１３０は、従来の積層型音響結合器（ＳＢＡＲ）のようにＦＢＡＲ１１０とＦＢＡＲ１２０を互いに直接接触させた場合に比べて、少ない音響エネルギーでそれらのＦＢＡＲ間を結合する。また、ＤＳＢＡＲ１０８の音響減結合器１７０は、ＦＢＡＲ１５０とＦＢＡＲ１６０の間に配置され、詳しくは、下側ＦＢＡＲ１５０の電極１５４と上側ＦＢＡＲ１６０の電極１６２の間に配置される。音響減結合器１７０は、ＦＢＡＲ１５０とＦＢＡＲ１６０の間の音響エネルギーの結合を制御する。音響減結合器１７０は、ＦＢＡＲ１５０とＦＢＡＲ１６０を互いに直接接触させた場合に比べて、少ない音響エネルギーでそれらのＦＢＡＲ間を結合する。ＦＡＣＴ３００の通過帯域幅は、音響減結合器１３０及び１７０によって決まる音響エネルギーのエネルギーによって決まる。
図５Ａ〜図５Ｃに示す例において、音響減結合器１３０及び１７０はそれぞれ、音響減結合層１３１の個々の部分である。他の実施形態において、音響減結合器１３０及び１７０はそれぞれ、Ｊｏｈｎ Ｄ．Ｌａｒｓｏｎ他による「Ｐａｓｓ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｉｎ Ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ Ｓｔａｃｋｅｄ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ」と題する本願と同じ譲受人の米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸ，ＸＸＸ号（アジレント整理番号１００４０９５５−１）に記載されているような種々の音響インピーダンスを有する音響減結合材料の音響減結合層から構成される。他の実施形態において、音響減結合器１３０及び１７０は独立した構造を有する。
図５Ｄは、ＤＳＢＡＲ１０６及び１０８を相互接続する電気回路、及び、ＤＳＢＡＲ１０６及び１０８を外部電気回路（図示せず）に接続する電気回路の一例を概略的に示している。電気回路１４１は、下側ＦＢＡＲ１１０及び１５０を逆並列に接続し、信号端子１４３及びグラウンド端子１４４に接続される。図５Ａ〜図５Ｃに示す実施形態において、端子パッド１３８は信号端子１４３として機能し、端子パッド１３２及び１７２はグラウンド端子１４４として機能する。この実施形態において、電気回路１４１は、端子パッド１３２からＦＢＡＲ１１０の電極１１２まで延びる電気トレース１３３、ＦＢＡＲ１１０の電極１１４から相互接続パッド１７６に電気的に接触する相互接続パッド１３６まで延びる電気トレース１３７、相互接続パッド１７６から信号パッド１３８まで延びる電気トレース１３９、相互接続パッド１７６からＦＢＡＲ１５０の電極１５２まで延びる電気トレース１７７、ＦＢＡＲ１５０の電極１５４から端子パッド１７２まで延びる電気トレース１７３、及び、端子パッド１３２と１７２を相互接続する電気トレース１６７によって形成される。
図５Ｄに示す電気的概略図の例において、電気回路１４２は上側ＦＢＡＲ１２０と上側ＦＢＡＲ１６０を直列に接続し、信号端子１４５及び１４６に接続され、任意選択で更にセンタータップ端子１４７にも接続される。図５Ａ〜図５Ｃに示す実施形態において、端子パッド１４５及び１４６は、信号パッド１４５及び１４６として機能し、端子パッド１７８は、センタータップ端子１４７として機能する。この実施形態の場合、電気回路１４２は、端子パッド１３４からＦＢＡＲ１２０の電極１２４まで延びる電気トレース１３５、ＦＢＡＲ１２０の電極１２２からＦＢＡＲ１６０の電極１６２まで延びる電気トレース１７１、トレース１７１からセンタータップ１３７まで延びる電気トレース１７９、及び、ＦＢＡＲ１６０の電極１６４から端子パッド１７４まで延びる電気トレース１７５によって形成される。図面には、端子パッド１３４及び１７４の局部グラウンドとして機能する電気トレース１６９によって相互接続された端子パッド１６３及び１６８も描かれている。図示の例において、電気トレース１６９は更に端子パッド１７８まで延びる。他の例において、端子パッド１７８は浮いたままにされる。
図５Ｄに示す電気接続によれば、一次側が平衡状態の４：１のインピーダンス変換比を有するＦＡＣＴ、又は、二次側が平衡状態の１：４のインピーダンス変換比を有するＦＡＣＴが形成される。代替として、下側ＦＢＡＲ間は並列、直列又は逆直列で相互接続することもでき、また、上側ＦＢＡＲ間は並列、逆並列又は逆直列で相互接続することもでき、その結果、下記の表１に示すような他のインピーダンス変換比が実現される。
Figure 2007510386
表１において、行見出しは電気回路１４１の構成を示し、列見出しは電気回路１４２の構成を示す。ＢはＦＡＣＴが電気的に平衡していることを意味し、ＵはＦＡＣＴが比平衡であることを意味し、ＸはＦＡＣＴが機能しないことを意味する。表に示したインピーダンス変換比は、行見出しに示す電気回路１４１の構成と、列見出しに示す電気回路１４２の構成によって得られるインピーダンス変換比である。１：１のインピーダンス変換比を有する構成の場合、「低」は、ＦＡＣＴが並列な２つのＦＢＡＲのインピーダンスと同等の低インピーダンスであることを意味し、「高」は、ＦＡＣＴが直列な２つのＦＢＡＲのインピーダンスと同等の高インピーダンスであることを意味する。
上で述べたＦＢＡＲの実施形態１００、２００及び３００において、温度補償要素１０９は、ニオビウムとコバルトの合金からなる１以上の温度補償層から構成される。「Ａｎｏｍａｌｏｓ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｄｅｐｅｎｄａｎｃｅ ｏｆ Ｅｌａｓｔｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ ｉｎ Ｎｂ−Ｍｏ Ａｌｌｏｙｓ」（３９ＰＨＹＳ、ＬＥＦＴ、２６１〜２６２（１９７２）、Ｗ．Ｃ．Ｈｕｂｂｅｌ他）の報告データから、本発明者は、３４％のモリブデン含有率を有する合金について、約３００ｐｐｍ／℃の剪断モードの伝搬速度の正の温度係数を計算した。約１７％から約５１％の範囲のモリブデン含有率を有する合金も、正の温度係数を有するはずであり、約３２％から約３６％の範囲のモリブデン含有率を有する合金は、大きな正の温度係数を有するはずである。上記のように、大きな正の温度係数によれば、温度補償要素を比較的薄くすることができ、ＦＢＡＲデバイスの温度係数を有効に低減することができる。式（１）を使用して温度補償要素の厚さを計算すると、温度補償要素を持たない同様のＦＢＡＲデバイスの温度係数に比べて低い所望の温度係数が得られる。
そのようなニオビウムとモリブデンの合金は、合金のターゲットからスパッタリングすることにより、又は、ニオビウムのるつぼとモリブデンのるつぼから同時蒸着することにより蒸着することができる。合金は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによってパターニングされる。
上で述べたＦＢＡＲデバイスの実施形態１００、２００及び３００において、温度補償要素１０９は、コバルトとパラジウムの合金からなる１以上の温度補償層から構成される。「Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｙｏｕｎｇ’ｓ Ｍｏｄｕｌｕｓ ｏｆ Ｃｏｂａｌｔ ａｎｄ Ｐａｌｌａｄｉｕｍ Ａｌｌｏｙ」（１１ＴＲＡＮＳ、ＪＰＮ．ＩＮＳＴ．ＯＦ ＭＥＴＡＬＳ、９１−９３（１９７０）、Ｈ．Ｈａｓｕｍｏｔｏ他）の報告データから、本発明者は、９４％のパラジウム含有率を有する合金について、約３００ｐｐｍ／℃の縦モードの伝搬速度の正の温度係数を計算した。約９２％から約９６％のパラジウム含有率を有する合金も正の温度係数を有するはずであり、９３％から９５％のパラジウム含有率を有する合金は大きな正の温度係数を有するはずである。そのような大きな正の温度係数の利点については上で説明した。

コバルトとパラジウムの合金は、合金のターゲットからスパッタリングすることにより、又は、コバルトのるつぼとパラジウムのるつぼから同時蒸着することにより、蒸着することができる。合金は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによりパターニングされる。
上記のＦＢＡＲデバイスの実施形態１００、２００及び３００において、温度補償層１０９は、強誘電体材料の１以上の温度補償層から構成される。強誘電体材料は通常、絶縁性である。
ニオブ酸ニッケル鉛は、大きな正の温度係数を有する強誘電体材料である。「Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ａｎｄ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｈａｓｅ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ Ｒｅｌａｘｏｒ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３」（９１、Ｊ．ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ、２２６２−２２６６９（２００２）、Ｆａｎ他）は、約１／３のニッケル率を有するニオブ酸ニッケル鉛の場合、３７１ｐｐｍ／℃の正の温度係数を提案するデータを報告している。そのような大きな正の温度係数は上に記載されている。
そのようなニオブ酸ニッケル鉛は、ＰｂＮｉＮｂＯ３のターゲット、又は、中間酸化物のターゲットからスパッタリングによって蒸着することができる。ニオブ酸ニッケル鉛は、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによってパターニングされる。
他の使用可能な強誘電体材料には、霞石（（ＫＡｌＳｉＯ４）（ＮａＡｌＳｉＯ４）３）がある。「Ｅｌａｓｔｉｃ ａｎｄ Ｔｈｅｒｍｏｅｌａｓｔｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ ｏｆ Ｎｅｐｈｅｌｉｎｅ」（４６Ｊ．ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．、４３３９−４３４０（１９７５）、Ｌ．Ｊ． Ｂｏｎｃｚａｒ他）は、霞石（かすみ石）の弾性定数は２５ｐｐｍ／℃の正の温度係数を示すことを報告している。霞石はスパッタリングによって蒸着することができ、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによってパターニングすることができる。
他の使用可能な強誘電体材料には、タングステン酸ジルコニウム（ＺｒＷ２Ｏ８）がある。「Ｏｒｉｇｉｎ ｏｆ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｉｎ Ｃｕｂｉｃ ＺｒＷ２Ｏ８ Ｒｅｖｅａｌｅｄ ｂｙ Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｉｎｅｌａｓｔｉｃ Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ」（８６ＰＨＹＳ．ＲＥＶ．ＬＥＦＴ、４６９２−４８９５（２００１）、Ｒ．Ｍｉｔｔｅｌ他）は、−２７ｐｐｍ／℃の線形熱膨張係数を有する材料を開示している。この負の膨張係数は、この材料を温度補償要素１０９の材料として使用したときに、共振周波数の温度係数が大きな正の温度係数になるであろうことを示唆している。タングステン酸ジルコニウムはスパッタリングによって蒸着することができ、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによってパターニングすることができる。
ウェーハスケールの製造を使用すれば、上で説明したＦＢＡＲデバイス１００、２００又は３００に似た数千ものＦＢＡＲデバイスを一度に製造することができる。そのようなウェーハスケールの製造によれば、ＦＢＡＲデバイスの製造が安価になる。次に、図４Ａ及び図４Ｂを参照して上で説明したＦＢＡＲデバイスの一実施形態２００の製造に使用される製造方法の一例について、図６Ａ〜図６Ｊの平面図及び図６Ｋ〜図６Ｔの断面図を参照して説明する。別のマスクを使用することで、このプロセスは、ＦＢＡＲデバイス１００及び３００の実施形態の製造にも使用することが可能である。これから製造方法を説明するＦＢＡＲデバイス２００の通過帯域の公称中心周波数は約１．９ＧＨｚである。他の周波数で動作させる実施形態も、同様の構造を有し、同様に製造されるが、以下に記載するものとは厚さ及び水平方向の寸法が異なる。以下で製造方法を説明するＦＢＡＲ２００の例は、図４Ａ及び図４Ｂを参照して上で説明した温度補償要素１０９と似たような構造を有する。説明するプロセスに変更を加えることにより、図３Ｃ〜図３Ｆを参照して上で説明したものと似たような構成を有する温度補償要素１０９を製造することも可能である。
単結晶シリコンのウェーハを用意する。各ＦＢＡＲが製造されるウェーハの部分に、ＦＢＡＲデバイス２００の基板１０２に対応する基板が形成される。図６Ａ〜図６Ｊ及び図６Ｋ〜図６Ｔ並びに下記の説明は、基板１０２を構成するウェーハの部分における、ＦＢＡＲデバイス２００の製造を示すものである。ＦＢＡＲデバイス２００を製造する際に、残りのＦＢＡＲデバイスも同様にウェーハ上に製造される。
図６Ａ及び図６Ｋに示すように、各ＦＢＡＲデバイスの位置において、ウェーハを選択的にウェットエッチングし、キャビティ１０４を形成する。ウェーハの表面に、各キャビティを充填するのに十分なだけの厚さを有する充填材料の層（図示せず）を蒸着する。次に、各キャビティに充填材料を充填した状態で、ウェーハの表面を平坦化する。図６Ａ及び図６Ｋは、充填材料１０５で充填された基板１０２のキャビティ１０４を示している。
一実施形態において、充填材料はリンガラス（ＰＳＧ）であり、従来の低圧化学気相蒸着（ＬＰＣＶＤ）によって蒸着された。充填材料は、スパッタリングやスピンコーティングによって蒸着してもよい。
キャビティ１０４を形成し、充填材料１０５で充填する代わりに、金属及びプラスチックの交互のブラッグ層をウェーハ１０２の表面に蒸着し、パターニングすることにより、「Ｃａｖｉｔｙ−ｌｅｓｓ Ｆｉｌｍ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ（ＦＢＡＲ） Ｄｅｖｉｃｅｓ」と題する本願と同じ譲受人の米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸ，ＸＸＸ号（アジレント整理番号１００３１２７７−１）にＬａｒｓｏｎ III他が記載しているような音響ブラッグ反射器を形成してもよい。
基板１０２の主表面に第１の金属層を蒸着し、充填材料１０５を充填する。第１の金属層を図６Ｂ及び図６Ｌに示すようにパターニングし、電極１１２、端子パッド１３２、及び、電極１１２と端子パッド１３２の間に延びる電気トレース１３３を画定する。
電極１１２は通常、ウェーハの主表面に対して平行な面において非対称な形を有する。Ｌａｒｓｏｎ III他の米国特許第６，２１５，３７５号に記載されているように、非対称形によれば、電極１１２によって一部が形成されるＦＢＡＲ１１０（図４Ｂ）の横モードを最小限に抑えることができる。後で説明するように、後で充填材料１０５をエッチングによって除去できるように、電極１１２は、充填材料１０５の表面の一部が露出したまま残される。
図４Ｂを更に参照すると、後で詳しく説明するように、第２の金属層に電極１１４が形成され、第３の金属層に電極１２２が形成され、第４の金属層に電極１１４が形成される。電極を形成するためのこれらの金属層は、各面がウェーハの主表面に対して平行であり、ＦＢＡＲ１１０の電極１１２と１１４は同じ形、同じサイズ、同じ向き、及び同じ位置を有し、ＦＢＡＲ１２０の電極１２２と１２４は同じ形、同じサイズ、同じ向き、及び同じ位置を有するようにパターニングされる。また、電極１１４と１２２は通常、同じ形、同じサイズ、同じ向き、及び同じ位置を有する。
一実施形態において、各金属層の材料は、スパッタリングによって約３００ｎｍの厚さに蒸着されたモリブデンであった。金属層はそれぞれドライエッチングによってパターニングされた。各金属層に形成される電極は、面積約１２，０００平方マイクロメートルの五角形であった。電極面積を他の面積にすれば、別の特性インピーダンスが得られる。タングステン、ニオビウム及びチタニウムのような他の耐火性金属を金属層の材料として代わりに使用してもよい。各金属層は、２以上の層から構成されるものであってもよい。
ＦＢＡＲデバイス３００の電極の材料を選択する際に考慮すべき１つの要素は、電極材料の音響特性である。すなわち、ＦＢＡＲデバイスの残りの金属部分の材料（複数の場合もあり）の音響特性は、導電性のような他の特性に比べてあまり重要でない。従って、ＦＢＡＲデバイス３００の残りの部分の材料（複数の場合もあり）は、電極の材料とは異なるものであってよい。
圧電材料の層は、図６Ｃ及び図６Ｍに示すように蒸着及びパターニングされ、圧電素子１１６が形成される。この圧電層は、電極１１２を覆うように、且つ、端子パッド１３２と、充填材料１０５の表面の一部を露出させるようにパターニングされる。圧電素子１１６の他の部分は、基板１０２の上にキャビティ１０４の外側の上に延びる。
一実施形態において、以下で説明する圧電素子１１６及び圧電素子１２６を形成するための圧電材料は、窒化アルミニウムであり、スパッタリングによって厚さ約１．４μｍに蒸着された。圧電材料は、水酸化カリウムによるウェットエッチング、又は、塩素系ドライエッチングによってパターニングされた。圧電素子１１６及び１２６の代替材料には、酸化亜鉛、硫化カドミウム、並びに、チタン酸ジルコン酸塩、メタニオブ酸鉛、及び、チタン酸バリウムなどのペロブスカイト型強誘電体材料のような分極強誘電体材料がある。
温度補償材料の第１の層は図６Ｄ及び図６Ｎに示すように蒸着及びパターニングされ、温度補償層１０９の一部を構成する温度補償層１１５が形成される。温度補償材料は、電極１１２と同じ形、同じサイズ、及び、同じ位置になるようにパターニングされる。
一実施形態において、後でその蒸着について説明する温度補償材料の第１の層の材料、及び、温度補償材料の第２の層の材料は、パラジウム含有率約９４％のパラジウムとコバルトの合金であった。温度補償材料は、スパッタリングによって蒸着され、ドライエッチングによってパターニングされる。層の厚さは、ＦＢＡＲデバイス２００（図４Ａ）の所望の温度係数によって決まる。
図６Ｅ及び図６Ｄに示すように、第２の金属層は、電極１１４、端子パッド１３４、及び、電極１１４と端子パッド１３４の間に延びる電気トレース１３５を形成するようにパターニングされる。これで、ＦＢＡＲ１１０の製造は完了する。
次に、音響減結合材料の層が、図６Ｆ及び６Ｐに示すように蒸着及びパターニングされ、音響減結合器１３０が形成される。音響減結合器１３０は、少なくとも電極１１４を覆うように、且つ、端子パッド１３２及び１３４並びに充填材料１０５の一部を露出させるようにパターニングされる。音響減結合器は通常、プラスチック材料の四分の一波長層である。
一実施形態において、音響減結合器１３０の音響減結合材料は、厚さ約２００ｎｍ、すなわち、ポリイミドの中心周波数波長の四分の一のポリイミドであった。ポリイミドはスピンコーティングによって蒸着され、フォトリソグラフィによってパターニングされた。ポリイミドは感光性であるため、フォトレジストが不要である。上記のように、他のプラスチック材料を音響減結合材料として使用してもよい。音響減結合材料は、スピンコーティング以外の方法によって蒸着することも可能である。
音響減結合材料がポリイミドである実施形態では、ポリイミドを蒸着及びパターニングした後、更なる処理を実施する前に、まずウェーハを約２５０℃の温度で空気中で焼き、最後に約４１５℃の温度で窒素雰囲気のような不活性雰囲気中で焼く。焼くことによってポリイミドの揮発成分が蒸発させることができ、その後の処理においてそのような揮発成分が蒸発し、次に蒸着される層が剥離することを防止することができる。
図６Ｇ及び図６Ｑに示すように、第３の金属層は、電極１２２、及び、電極１２２から端子パッド１３４まで延びる電気トレース１３７を形成するように蒸着及びパターニングされる。端子パッド１３４は、トレース１３５によって電極１１４にも電気的に接続される。
温度補償材料の第２の層は、図６Ｈ及び図６Ｒに示すように蒸着及びパターニングされ、この実施形態における温度補償素子１０９を構成する温度補償層１２３が形成される。温度補償材料は、電極１２２と同じ形、同じサイズ、同じ向き及び同じ位置になるようにパターニングされる。
圧電材料の第２の層は、図６Ｉ及び図６Ｓに示すように蒸着及びパターニングされ、圧電素子１２６が形成される。第２の圧電層は、端子パッド１３２及び１３４、並びに充填材料１０５の一部を露出させるようにパターニングされる。
図６Ｊ及び図６Ｔに示すように、第４の金属層は、電極１２４、端子パッド１３８、及び、電極１２４から端子パッド１３８まで延びる電気トレース１３９を形成するようにパターニングされる。これで、ＦＢＡＲスタック２１１のＦＢＡＲ１２０の製造が完了する。
端子パッド１３２、１３４及び１３８の露出された表面に、金の保護層（図示せず）が蒸着される。
リリースエッチングを実施し、キャビティ１０４から犠牲材料１０５を除去する。その結果、図４Ａ及び図４Ｂに示すようなＦＢＡＲデバイス２００が残る。
次に、このウェーハをＦＢＡＲデバイス２００のような個々のＦＢＡＲデバイスに分割する。
ＦＢＡＲデバイス２００は、無線電話のようなホスト電気装置に組み込まれ、ＦＢＡＲデバイスの端子パッド１３２、１３４及び１３８と、ホストデバイスの一部であるパッドとの間に、電気接続が形成される。
上記のように、音響減結合器１３０の１つの代替音響減結合材料は、架橋ポリフェニレンポリマーである。図６Ｅ及び図６Ｏを参照して上で説明したように第３の金属層をパターニングして電極１１４を形成した後、図６Ｆ及び図６Ｐを参照して上で説明したものと同様のやり方で、架橋ポリフェニレンポリマーの前駆体溶液をスピンコーティングする。ただし、パターニングはしない。前駆体溶液の組成とスピン速度は、厚さ約１８７ｎｍの架橋ポリフェニレンポリマーの層が形成されるようなものを選択する。この厚さは、ＦＢＡＲデバイス２００の通過帯域の中心周波数に等しい周波数を有する音響信号の架橋ポリフェニレンポリマーにおける波長λｎの四分の一に対応する。前駆体溶液の層を蒸着した後、さらなる処理を実施する前に、約３８５℃〜約４５０℃の範囲の温度の真空雰囲気や窒素雰囲気のような不活性雰囲気中でウェーハを焼いた。焼くことにより、前駆体溶液から有機溶媒が除去され、上記のようにオリゴマーが交差結合され、架橋ポリフェニレンポリマーが形成される。
一実施形態において、架橋ポリフェニレンポリマーの前駆体溶液は、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐａｎｙからＳｉＫＬ Ｊという商標で販売されているものであった。あるいは、前駆体溶液は、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＣｏｍｐａｎｙからＳｉＬＫという登録商標で現在市販されている、又は将来販売されるであろう前駆体溶液のうちの任意の適当な１つであってもよい。実施形態によっては、前駆体溶液をスピンコーティングする前に、接着促進剤の層が蒸着される場合もある。硬化させることにより約２メガレーリーの音響インピーダンスを有する架橋ポリフェニレンポリマーが形成されるオリゴマーを含む前駆体溶液は、他のサプライヤから現在又は将来入手することができる場合があり、それらを使用してもよい。
次に、図６Ｇ及び図６Ｑを参照して上で説明したものと同様のやり方によって、架橋ポリフェニレンポリマーの層の上に、第３の金属層を蒸着する。ただし、第３の金属層は最初に、図６Ｆに示す音響減結合器１３０のパターンと同様にパターニングされ、ハードマスクが形成される。このハードマスクは、後で音響減結合器１３０を形成するための架橋ポリフェニレンポリマーの層のパターニングに使用される。最初にパターニングされる第３の金属層は、音響減結合器１３０と同じ大きさを有し、端子パッド１３２及び１３４、並びに充填材料１０５の幾つかの部分を露出する。
次に、最初にパターニングした第３の金属層をハードエッチングマスクとして使用し、架橋ポリフェニレンポリマーの層を図６Ｆに示すようにパターニングする。架橋ポリフェニレンポリマーの層をパターニングすることにより、音響減結合器１３０の範囲が画定される。音響減結合器１３０は、端子パッド１３２及び１３４、並びに充填材料１０５の幾つかの部分を露出する。このパターニングは、酸素プラズマエッチングによって実施される。
次に、第３の金属層を図６Ｇ及び図６Ｑに示すように再パターニングし、電極１２２、及び、電極１２２と端子パッド１３４の間に延びる電気トレース１３７を形成する。
音響減結合器として架橋ポリフェニレンポリマーの層を有するＦＢＡＲ２００の実施形態の製造は、図６Ｈ〜図６Ｊ及び図６Ｒ〜図６Ｔを参照して上で説明した処理を実施することによって完了する。
今説明したものと同様の技術は、真空蒸着によって蒸着されたパリレンの層に音響減結合層１０３を形成するのにも利用することができる。
上に例示した電極や圧電素子の厚さは、温度補償要素１０９を持たないＦＢＡＲ２００の実施形態と同様の従来のＦＢＡＲデバイスの厚さである。ＦＡＢＡ２００の一実施形態では、それらの厚さのうちの１以上を減らすことにより、温度補償要素１０９をＦＢＡＲスタック２１１に追加しても、ＦＢＡＲデバイスの中心周波数は維持される場合がある。厚さを低減する１以上の要素の指定、及び、それに対応する厚さ低減量は、温度補償要素１０９、及び、温度補償要素１０９によって可能となる温度補償の大きさによって決まる。また、上記のように、要素の指定や厚さの低減量は、ＦＢＡＲデバイスを使用する用途によっても異なる。圧電素子の厚さを減らすと、結合定数が減少する。すなわち、電極のうちの１以上の厚さを増加させた場合、温度補償材料がそれらの電極と同じ導電率を有していない限り、直列抵抗は増加する。
本明細書の開示は、幾つかの例示的実施形態を使用して、本発明を詳細に説明している。しかしながら、本発明は、添付の特許請求の範囲によって規定されるものであり、記載した実施形態に厳密に制限されるものではない。
従来技術によるＦＢＡＲが組み込まれたはしご型フィルタを示す概略図である。 従来技術によるＦＢＡＲの断面図である。 本発明によるＦＢＡＲデバイスの第１の実施形態を示す平面図である。 図３Ａに示すＦＢＡＲデバイスの第１の実施形態をライン３Ｂ−３Ｂに沿って切断してみたときの断面図である。 図３Ａに示すＦＢＡＲデバイスの温度補償要素の代替構造を示す断面図である。 図３Ａに示すＦＢＡＲデバイスの温度補償要素の代替構造を示す断面図である。 本発明によるＦＢＡＲデバイスの第２の実施形態の平面図である。 図４Ａに示すＦＢＡＲデバイスの第２の実施形態をライン４Ｂ−４Ｂに沿って切断してみたときの断面図である。 本発明によるＦＢＡＲデバイスの第３の実施形態を示す平面図である。 図５Ａに示すＦＢＡＲデバイスの第３の実施形態をライン５Ｂ−５Ｂに沿って切断してみたときの断面図である。 図５Ａに示すＦＢＡＲデバイスの第３の実施形態をライン５Ｃ−５Ｃに沿って切断してみたときの断面図である。 図５Ａに示すＦＢＡＲデバイスの第３の実施形態の電気回路を示す概略図である。 本発明によるＦＢＡＲデバイスを作成するプロセスを示す平面図である。 本発明によるＦＢＡＲデバイスを作成するプロセスを示す平面図である。 本発明によるＦＢＡＲデバイスを作成するプロセスを示す平面図である。 本発明によるＦＢＡＲデバイスを作成するプロセスを示す平面図である。 本発明によるＦＢＡＲデバイスを作成するプロセスを示す平面図である。 本発明によるＦＢＡＲデバイスを作成するプロセスを示す平面図である。 本発明によるＦＢＡＲデバイスを作成するプロセスを示す平面図である。 本発明によるＦＢＡＲデバイスを作成するプロセスを示す平面図である。 本発明によるＦＢＡＲデバイスを作成するプロセスを示す平面図である。 本発明によるＦＢＡＲデバイスを作成するプロセスを示す平面図である。 図６Ａにおいてライン６Ｋ−６Ｋに沿って切断してみたときの断面図である。 図６Ａにおいてライン６Ｌ−６Ｌに沿って切断してみたときの断面図である。 図６Ａにおいてライン６Ｍ−６Ｍに沿って切断してみたときの断面図である。 図６Ａにおいてライン６Ｎ−６Ｎに沿って切断してみたときの断面図である。 図６Ａにおいてライン６Ｏ−６Ｏに沿って切断してみたときの断面図である。 図６Ａにおいてライン６Ｐ−６Ｐに沿って切断してみたときの断面図である。 図６Ａにおいてライン６Ｑ−６Ｑに沿って切断してみたときの断面図である。 図６Ａにおいてライン６Ｒ−６Ｒに沿って切断してみたときの断面図である。 図６Ａにおいてライン６Ｓ−６Ｓに沿って切断してみたときの断面図である。 図６Ａにおいてライン６Ｔ−６Ｔに沿って切断してみたときの断面図である。

Claims (31)

  1. 温度係数を有する共振周波数によって特徴付けられる圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）であって、対向する２枚の平坦な電極と、該電極間に配置された圧電素子とを有し、前記圧電素子が温度係数を有し、前記共振周波数の温度係数が、その温度係数に少なくとも一部依存するように構成される、ＦＢＡＲと、
    前記圧電素子の温度係数とは反対の符号の温度係数を有する温度補償要素と
    からなる温度補償型圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）デバイス。
  2. 前記ＦＢＡＲは下側ＦＢＡＲであり、
    前記ＦＢＡＲデバイスは、
    前記下側ＦＢＡＲの上に積み重ねられた上側ＦＢＡＲであって、対向する２枚の平坦な電極と、該電極間に配置された圧電素子とを有する、上側ＦＢＡＲと、
    前記ＦＢＡＲ間に配置された音響減結合器と
    を含む、請求項１に記載のＦＢＡＲデバイス。
  3. 第１のＦＢＡＲ、第２のＦＢＡＲ及び前記音響減結合器が、第１の減結合積層型圧電薄膜共振器（ＤＳＢＡＲ）を構成し、
    前記ＦＢＡＲスタックは、下側ＦＢＡＲ、該下側ＦＢＡＲの上に積み重ねられた上側ＦＢＡＲ、及び、前記ＦＢＡＲ間に配置された音響減結合器からなる第２のＤＳＢＡＲを更に含み、
    前記ＦＢＡＲデバイスは、
    前記下側ＦＢＡＲ間を接続する第１の電気回路と、
    前記上側ＦＢＡＲ間を接続する第２の電気回路と
    を更に含む、請求項２に記載のＦＢＡＲデバイス。
  4. 前記ＦＢＡＲは第１のＦＢＡＲであり、
    前記ＦＢＡＲスタックは、１以上のＦＢＡＲを更に含み、
    前記ＦＢＡＲは、はしご型フィルタとして相互接続される、請求項１に記載のＦＢＡＲデバイス。
  5. 前記温度補償要素は、前記電極の一方に近接配置された温度補償層からなる、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のＦＢＡＲデバイス。
  6. 前記温度補償要素は、前記電極の他方に近接配置された更に別の温度補償層からなる、請求項５に記載のＦＢＡＲデバイス。
  7. 前記温度補償層は、前記電極の一方と、前記圧電素子との間に配置される、請求項５又は請求項６に記載のＦＢＡＲデバイス。
  8. 前記温度補償要素は、前記ＦＢＡＲのそれぞれの電極の一方に近接配置された温度補償層からなる、請求項２〜４のうちのいずれか一項に記載のＦＢＡＲデバイス。
  9. 前記温度補償層は、前記電極のうちの１つと、その圧電素子との間に配置される、請求項８に記載のＦＢＡＲデバイス。
  10. 前記ＦＢＡＲのそれぞれにおいて、前記電極のうちの１つが前記音響減結合器に近接配置される、請求項８又は請求項９に記載のＦＢＡＲデバイス。
  11. 前記温度補償要素は、前記圧電素子に埋め込まれた温度補償層からなる、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のＦＢＡＲデバイス。
  12. 前記温度補償要素は、前記ＦＢＡＲのそれぞれの圧電素子に埋め込まれた温度補償層からなる、請求項２〜４のうちのいずれか一項に記載のＦＢＡＲデバイス。
  13. 前記温度補償要素は、前記電極のうちの１つからなる、請求項１〜４のうちのいずれか一項に記載のＦＢＡＲデバイス。
  14. 前記温度補償要素は、前記ＦＢＡＲのそれぞれの電極のうちの１つからなる、請求項２〜４のうちのいずれか一項に記載のＦＢＡＲデバイス。
  15. 前記温度補償要素は、ニオビウムとモリブデン（Ｎｂ−Ｍｏ）の合金からなる、請求項１〜１４のうちのいずれか一項に記載のＦＢＡＲデバイス。
  16. 前記ニオビウムとモリブデンの合金は、約１７％〜約５１％の範囲のモリブデン含有率を有する、請求項１５に記載のＦＢＡＲデバイス。
  17. 前記ニオビウムとモリブデンの合金は、約２３％〜約３６％の範囲のモリブデン含有率を有する、請求項１５に記載のＦＢＡＲデバイス。
  18. 前記温度補償要素は、コバルトとパラジウム（Ｃｏ−Ｐｄ）の合金からなる、請求項１〜１４のうちのいずれか一項に記載のＦＢＡＲデバイス。
  19. 前記コバルトとパラジウムの合金は、約９２％〜約９６％の範囲のパラジウム含有率を有する、請求項１８に記載のＦＢＡＲデバイス。
  20. 前記コバルトとパラジウムの合金は、約９３％〜約９５％の範囲のパラジウム含有率を有する、請求項１８に記載のＦＢＡＲデバイス。
  21. 前記温度補償要素は強誘電体材料からなる、請求項１〜１４のうちのいずれか一項に記載のＦＢＡＲデバイス。
  22. 前記強誘電体材料はニオブ酸ニッケル鉛（Ｐｂ（ＮｉｘＮｂ１−ｘ）Ｏ３）からなる、請求項２１に記載のＦＢＡＲデバイス。
  23. 前記強誘電体材料は霞石（（ＫＡｌＳｉＯ４）（ＮａＡｌＳｉＯ４）３）からなる、請求項２１に記載のＦＢＡＲデバイス。
  24. 前記強誘電体材料はタングステン酸ジルコニウム（ＺｒＷ２Ｏ８）からなる、請求項２１に記載のＦＢＡＲデバイス。
  25. 伝搬時間関連特性を有する音響伝搬経路を有する音響デバイスであって、前記伝搬時間関連特性が温度係数を有し、前記音響伝搬経路が、
    温度係数を有する音響伝搬要素であって、前記音響伝搬経路の前記伝搬時間関連特性が、その温度係数に少なくとも一部依存するように構成される、音響伝搬要素と、
    前記音響伝搬要素の温度係数とは反対の符号の温度係数を有する温度補償要素と
    を含む、音響デバイス。
  26. 前記温度補償要素は、ニオビウムとモリブデン（Ｎｂ−Ｍｏ）の合金からなる、請求項２５に記載のＦＢＡＲデバイス。
  27. 前記温度補償要素は、コバルトとパラジウム（Ｃｏ−Ｐｄ）の合金からなる、請求項２５に記載のＦＢＡＲデバイス。
  28. 前記温度補償要素は強誘電体材料からなる、請求項２５に記載のＦＢＡＲデバイス。
  29. 前記強誘電体材料は、ニオブ酸ニッケル鉛（Ｐｂ（ＮｉｘＮｂ１−ｘ）Ｏ３）からなり、そのニッケル含有率は約１／３である、請求項２５に記載のＦＢＡＲデバイス。
  30. 前記強誘電体材料は、霞石（（ＫＡｌＳｉＯ４）（ＮａＡｌＳｉＯ４）３）からなる、請求項２５に記載のＦＢＡＲデバイス。
  31. 前記強誘電体材料は、タングステン酸ジルコニウム（ＺｒＷ２Ｏ８）からなる、請求項２５に記載のＦＢＡＲデバイス。
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