JP2009510884A - 薄膜バルク音響（ｂａｗ）共振器におけるまたはそれに関連する改良 - Google Patents

Abstract

１ＧＨｚのオーダの周波数で動作するＲＦ選択フィルタで使用するためのＳＢＡＲまたはＦＢＡＲのような薄膜バルク音響（ＢＡＷ）共振器。ＢＡＷ共振器は、反対側に第１および第２の表面、ならびに第１の表面に広がる第１の電極（１６）および第２の表面に広がる第２の電極（１２）を有し、第１および第２の電極の重なり合いの区域（Ｒ１）の広がりが共振器の基本的な厚み伸張（ＴＥ）モードの励振領域を決める圧電層（１４）を備える。共振器に対する挿入損失は、誘電体（１８）を第１の電極（１６）と同じ層内にその電極を取り囲んで設けることによって削減される。誘電体（１８）を構成する材料は、それが取り囲んでいる第１の電極（１６）をなす材料と一般的に５％〜１５％異なる質量を有する。誘電体（１８）の質量は、第１の電極（１６）の質量より小さくまたは大きくすることができる。誘電体（１８）の平坦化が装置の性能を高める。

Description

本発明は、例えば移動体通信または無線接続装置における大体１ＧＨｚを超える用途で無線周波数（ＲＦ）選択機能のためのフィルタに対する特定用途（ただし限定ではない）を有するバルク音響（ＢＡＷ）共振器に関する。本発明は、バルク音響（ＢＡＷ）共振器の通過帯域における挿入損失を削減する方法にも関する。

薄膜バルク音響フィルタの基礎的な構成物は、膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）または強固に装着されたバルク音響共振器（ＳＢＡＲまたはＳＭＲ）技術のいずれかを使用したＢＡＷ共振器である。このようなフィルタの通過帯域で挿入損失が低いことは必須の要件である。一般的には２〜３ｄＢの挿入損失が達成されるが、多くの仕様では１ｄＢより低いことが好ましい。

近年ＢＡＷ装置の性能改善を目的として調査が行われてきた。

非特許文献１（Ｊ．Ｋａｉｔｉｌａ他による「Ｓｐｕｒｉｏｕｓ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｆｒｅｅ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、Ｈｏｎｏｌｕｌｕ、２００３、８４ページ）が、各構造領域が円形である共振器を用いて好ましくない定常波を減少させるための方法を開示している。それは、エネルギー損失をある程度少なくすると言われているが、なぜそのような構造が損失を少なくさせるのか十分な説明がされてこなかった。

特許文献１（米国特許出願公開２００２／００３０４２４号明細書）が、頂部および底部表面を有するＡＴカットされた水晶振動子板を備える素子構造によって、高周波圧電共振器内に生成される不協和モードに起因するスプリアスモードの発生を抑制することを開示している。主電極と呼ばれる頂部励振電極が頂部表面の所定の区域に設けられ、底部励振電極が底部表面の区域全体を覆って設けられる。第２の電極が頂部表面上に主電極を取り巻いて設けられるが並行する主電極の縁部と第２の電極の縁部の間にギャップが残される。第２の電極は、スプリアスモードを抑制するために設けられている。説明される一部の実施形態では、主および第２の電極の材料は、材料の密度が異なっていて、例えば銀は第２の電極をなすが、主電極をなす材料、例えば金の密度より低い。さらに第２の電極の厚さは、主電極の厚さより大きく、これはエネルギーがトラップされたモードの物体波を主振動だけに制限するためである。金および銀をそれぞれ主および第２の電極のために使用する場合、第２の電極の厚さは、主電極の厚さの大体２倍である。さらに、第２の電極のカットオフ周波数（ｆ３）が主電極のカットオフ周波数（ｆ１）より高くなるように、かつギャップのカットオフ周波数（ｆ２）がｆ３より高くなるように、つまりｆ１＜ｆ３＜ｆ２になるように、主および第２の電極のカットオフ周波数を設定する必要がある。

以前の調査、非特許文献２（Ｒ．Ｆ．Ｍｉｌｓｏｍ他による「Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ−ＥＭ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｂｕｌｋ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ ｆｉｌｔｅｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、Ｍｕｎｉｃｈ、２００２、９６３ページ）が、薄膜ＢＡＷ共振器における主要な損失機構は、共振周波数ｆ_ｒ（最大アドミタンスの周波数）近くの非常に狭い範囲の周波数（この範囲では電気抵抗が主な損失源である）を除き元来音響であることを立証した。解明されていない損失が周波数で大きく変化するという観察から、粘性およびその他の薄膜層内の材料関連の機構が主な原因ではあり得ないことも明白である。例えば、反共振点ｆ_ａでの音響損失は、共振点でのものよりはるかに大きいが、この２つの周波数は、３％異なっているだけである。この強い周波数依存性から、原因が、求められている厚み伸張（ＴＥ）モードの定常波エネルギーを伴う、各共振器から離れて移動する音波エネルギーの好ましくない放射であることがほぼ結論付けられた。移動する音波は、ＦＢＡＲの場合はラム波であり、ＳＢＡＲの場合には弾性表面波および漏洩波である。しかし、新しい２Ｄモデルの開発までは正確なメカニズムが識別または認定されず、したがって効果的な救済策はなんら導入されなかった。
Ｊ．Ｋａｉｔｉｌａ他による「Ｓｐｕｒｉｏｕｓ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｆｒｅｅ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、Ｈｏｎｏｌｕｌｕ、２００３、８４ページ 米国特許出願公開２００２／００３０４２４号明細書 Ｒ．Ｆ．Ｍｉｌｓｏｍ他による「Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ａｃｏｕｓｔｉｃ−ＥＭ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｎ−ｆｉｌｍ ｂｕｌｋ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ ｆｉｌｔｅｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、Ｍｕｎｉｃｈ、２００２、９６３ページ

ＢＡＷ共振器で損失を、ＢＡＷフィルタで挿入損失を削減することが本発明の目的である。

本発明の第１の態様により、第１および第２の層ならびにその間に介在する圧電層を備え、第１および第２の層がそれぞれ第１および第２の金属の重なり合う領域を電極として使用するために備え、第１の層がさらに誘電体の領域を重なり合いの領域の外側に、少なくとも部分的に第１の金属領域を囲んで備えるバルク音響共振器（ＢＡＷ）であって、誘電体が第１の金属領域の質量と異なる質量を有するバルク音響共振器が提供される。

本発明の第２の態様により、本発明の第１の態様による複数のＢＡＷ共振器を備えるフィルタが提供される。

本発明の第３の態様により、本発明の第１の態様による複数のＢＡＷ共振器を備えるフィルタを含む無線周波数器機が提供される。

本発明の第４の態様により、各ＢＡＷ共振器が第１および第２の層ならびにその間に介在する圧電層を備え、第１および第２の層がそれぞれ第１および第２の金属の重なり合う領域を電極として使用するために備える複数のバルク音響（ＢＡＷ）共振器を備えるフィルタの通過帯域内で挿入損失を減少させる方法であって、前記方法が第１の層において誘電体の領域を重なり合いの領域の外側に、少なくとも部分的に第１の金属領域を囲んで形成するステップを備え、誘電体が第１の金属領域の質量と異なる質量を有する方法が提供される。

金属の第１および第２の領域が重なり合う領域が基本的なＴＥモードの励振領域を決定する。

本発明は、ＢＡＷ共振器の２次元（２Ｄ）モデル化から得られた、このような（または低損失）装置におけるエネルギー損失の主な出処が、本明細書で「放射帯域」と呼ばれている周波数の狭い帯域にわたる、ＢＡＷ共振器から離れる音波の強い放射であるという理解に基づいている。ＦＢＡＲでは放射帯域は明瞭であるがＳＢＡＲでは、バンド端はそれほど明瞭ではないが広範囲で同じ効果が発生する。放射帯域は、各共振器によって占められる区域の内側と外側にある薄膜積層の構造で使用されている材料と材料の間の関係の属性であることがモデルによって示されている。本発明によって製作されるＢＡＷフィルタでは、これらの層は、放射帯域がフィルタの通過帯域の上または下にシフトされ、したがって挿入損失のこの支配的な出処を排除するように選択される。相対オフセットの合計は、理想的には、帯域間にわずかなマージンを伴い、放射帯域と通過帯域の重なりを防ぐのに過不足がないだけであるべきで、そうでない場合には、ＳＢＡＲ内の好ましくない弾性表面波およびＦＢＡＲ内のラム波が増加し、これらの波に起因する損失が支配的になる。

本発明の一実施形態では、誘電体と第１の金属領域の質量の違いは５％〜１５％である。

一例では、誘電体の質量は、第１の金属領域の質量より大きい。例えば、誘電体は五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）のような比較的重いまたは大きい質量の誘電体からなることもあり、第１の金属領域は例えばアルミニウム（Ａｌ）のような比較的小さい質量の導体からなることもある。この構造が、放射帯域を周波数でフィルタ通過帯域に対して下方へ移動させる。

他の例では、誘電体の質量は第１の金属領域の質量より小さい。例えば、第１の金属領域は、プラチナ（Ｐｔ）のような比較的重いまたは大きい質量の導体からなることもあり、誘電体は、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）のような比較的軽いまたは質量の小さい誘電体からなることもある。誘電体の質量が第１の金属領域の質量より小さいさらなる例では、第１の金属領域は、モリブデン（Ｍｏ）のような比較的重いまたは大きい質量の導体からなることもあり、誘電体は、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）のような比較的軽いまたは小さい質量の誘電体からなることもある。これらの構造は放射帯域を周波数でフィルタ通過帯域に対して上方へ移動させる。

必要に応じて誘電体は、それが少なくとも部分的に取り囲む第１の金属領域と同じ厚さを有する平坦化材料を形成することもある。

ここで本発明を例証として添付図面を参照に説明する。

図面では相当する機能を示すために同じ符号が使用されてきた。

図１および２の説明では、冒頭に、従来技術によるＢＡＷ装置および放射帯域が存在する影響を説明する。その後、放射帯域の影響を克服するための方策が説明される。

図１に示すＳＢＡＲは、一般的にはシリコン（Ｓｉ）でありＳＢＡＲの全区域を構成する基板１０を備える。一般的にそれぞれが二酸化珪素（ＳｉＯ_２）および五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）である、低（Ｌ）−高（Ｈ）交互の機械式インピーダンス層を備える音響ブラグ反射体ＢＲが基板１０上に設けられる。ブラグ反射体ＢＲ上には圧電構造が設けられる。圧電構造は、底部電極１２を底部層Ｌ２内に備え、一般的に、頂部層Ｌ１内の頂部電極１６の区域より大きい圧電層１４の底部表面区域を覆う。底部電極１２は、一般的にチタンおよびプラチナ（Ｔｉ／Ｐｔ）からなり、圧電層１４は一般的に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる。一般的にアルミニウム（Ａｌ）からなる頂部電極１６が、圧電層１４の上側表面の限られた中央部分に設けられる。頂部電極１６は、円形、楕円形、または、長方形、例えば任意選択で丸くなった角部を有する正方形のような任意の適切な形であることもある。

断面図で見られるようにＳＢＡＲは内部領域Ｒ１（または領域タイプ１）および外部領域Ｒ２（または領域タイプ２）を備える。内部領域Ｒ１は、頂部電極１６および圧電層１４の全部分、下部電極１２、ブラグ反射体ＢＲ、ならびに頂部電極１６の直下の基板１０によって効果的に画定される。外部領域Ｒ２（または領域タイプ２）は、層Ｌ１、Ｌ２の区域、ブラグ反射体ＢＲの区域、および頂部電極１６によって画定される区域の外側に在る基板１０の区域を備える。これまでに説明したＳＢＡＲの構造は一般的な装置のものである。

図１の外部領域Ｒ２は、頂部電極層１６を取り囲むさらなる誘電体層１８を備えるが、その誘電体層については後ほど本発明を説明するときに説明する。

図２は、一般的なＦＢＡＲの層の断面を示す。図１に示すＳＢＡＲの層の構造に比較すると、ブラグ反射体が空隙１１で置き換えられている。一般的なＦＢＡＲは、底部および頂部電極１２、１６ならびに圧電層１４をシリコン基板１０上に蒸着し、次いでシリコン基板１０を微細加工して頂部電極１６が重なり合っている底部電極１２の部分の下側に空隙１１を形成することによって製作される。図２でＬ１層内に示されているのは、圧電層１４の上の外部領域Ｒ２内に追加されている一般的には五酸化タンタルである誘電体１８である。この追加誘電体１８は、図２に示すように内部領域Ｒ１内の頂部電極１６と同じ厚さを有するが、その他の実施形態では誘電体１８は、頂部電極１６の厚さとは異なる厚さのこともある。誘電体１８が頂部電極１６と同じ厚さを有するとき、それは平坦化材料と呼ばれる。図１に示すＳＢＡＲの外部領域Ｒ２区域を構成する誘電体１８は、平坦化材料とすることができる。図２に示すＦＢＡＲは、一般的に２００μｍの幅を有し、アルミニウムからなる頂部電極１６の厚さおよび頂部層Ｌ１内の平坦化された五酸化タンタルの誘電体の厚さは１００ｎｍである。

運転中、頂部および底部電極１２、１６の間に交流信号が印加されると圧電層内に音響振動が励起される。一般的に用いられる、薄膜ＢＡＷ共振器のいずれかのタイプの簡単な１次元モデルは、音響振動が図１および２に示すようなＸ_３方向だけ、つまり層に法線方向の運動を伴う純粋に長手方向のものであることを想定している。この振動は厚み伸張（ＴＥ）モードと呼ばれる。この１次元モデルは、さらに外部領域Ｒ２には振動が存在しないと想定している。このモデルは、共振器の実際の挙動よりもその所望の挙動を述べるが、場合によっては装置の性能の非常に正確な予測を提供する。しかし、予測される音響振動は実質的に「駆動」フィールドのみである。それは、「駆動」フィールドによって励起され、その他の方向に、層と平行なＸ_１方向にガイドされる特定のモードで伝播する波Ｗ（図１および２）を無視している。（層の関連する向きに対しては、Ｘ_２依存性を無視しても一般性を失わない）。これらの好ましくないモードは、連成せん断（主にＸ_１に向けられている）および長手（主にＸ_３に向けられている）運動を伴う複雑な振動パターンを有する。これらのモードの間のエネルギー変換および電極縁部での散乱が好ましくない損失を生じさせる。ＳＢＡＲの場合、あるモードも共振器から離れて、反射体を通してエネルギーを漏洩する可能性がある。モード変換に起因する散乱および損失は平坦化層によって削減される。

与えられた任意の導波モードに対する（正規化された）波数ΩのそのＸ_１成分と周波数との関係が分散曲線により説明されている。図３および４は、それぞれＦＢＡＲの内部領域Ｒ１および外部領域Ｒ２両方に対する分散曲線を示し、一方図５および６は、対応するＳＢＡＲに対する同等の曲線を示している。いずれの場合も頂部層Ｌ１は、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）の誘電体層で平坦化されている。これらの図表では、周波数をｙ軸上に、波数の実数部分を正のｘ軸Ｒｅ（Ω１）上に、波数の虚数部分を負のｘ軸Ｉｍ（Ω１）上に表示する。これらの例では、５つの最も重要な導波モードが示されている。これらは、ＦＢＡＲで一般化ラム波であり、ＳＢＡＲでモード１および２が漏洩波（つまり、それらはある周波数で反射体を通してエネルギーを基板に漏洩する）であり、一方モード３、４および５は弾性表面波である。対象の周波数範囲にわたりその振動パターンが「駆動」フィールドの振動パターンに密接に対応しているので、共振器の両方のタイプでモード１が最も強く励起される。この導波モードは、一般的に２つの重要な特徴的カットオフ周波数ｆ_ｃ１およびｆ_ｃ２を有する。まずＦＢＡＲ（図３および４）を考える。ｆ_ｃ１の下側ではモード１の波数は複合であり、実際、モード１および２は、複素共役である（モード１の曲線がモード２の曲線の下に隠されている）。周波数ｆ_ｃ２の上側ではモード１の波数は虚数である。周波数ｆ_ｃ１とｆ_ｃ２の間では、モード１の波数は実数であり、このモードが減衰せずにｘ１方向に伝播することができることを意味する。その結果、周波数ｆ_ｃ１とｆ_ｃ２の間では、モード１と関連する音響エネルギーが共振器から離れて外部領域Ｒ２に伝播し、ここに「放射帯域」つまり図３および４のＲＢとして定義されているこの周波数範囲にわたって相当なエネルギー損失を生じさせる。薄膜ＢＡＷ共振器およびフィルタのある設計で、これがエネルギー損失の支配的な成分であることがここに明らかである。

図７〜１０は、一般的なＦＢＡＲ（図７および８）ならびにＳＢＡＲ（図９および１０）のアドミタンスの大きさおよび相を周波数に対して示している。破線は１次モデルに関し、実線は２次モデルに関する。ＦＢＡＲおよびＳＢＡＲにおける層の組合せは、共振周波数および反共振周波数が「放射帯域」で発生するようにされている。したがって、フィルタの通過帯域と「放射帯域」は重なり合っている。事実上理想共振器を想定している、ＦＢＡＲの簡単な１次モデル（図７）では、位相は共振点ｆ_ｒの下側で＋９０度、共振点ｆ_ｒと反共振点ｆ_ａの間で−９０度、および反共振点ｆ_ａの上側で＋９０度である。放射帯域におけるモード１の放射に起因する損失の結果はこの位相応答（図８）の丸まりで最も顕著である。結果は、モード１の分散曲線でのいくらかの違いにもかかわらずＳＢＡＲ（図１０）で同様である。具体的には、ＳＢＡＲのモード１の波数はすべての周波数で複合であり、ｆ_ｃ１の上ではその虚数部分が反射体を通る損失に関連している。損失のこの比較的小さな成分は実際には有用であり、ＦＢＡＲに関して全体損失が実質的に増加しない間、等価ＦＢＡＲ応答においてｆ_ｒより下で発生する筈である好ましくない共振をすべて効果的に抑制するのに十分である。２つの装置の反共振での丸まりの程度を比較することからこれを理解することができる。本明細書で検討した層構成を有するＳＢＡＲにおいてこれら好ましくない共振を自動的に抑制することが構造領域の必要性を除去する。ＦＢＡＲおよびＳＢＡＲ両方での損失のある成分（およびいくつかのリップルも）は、モード１以外の横方向の導波モードへのモード変換の結果である。これは、平坦化によって、つまり例えば図２に示すように層Ｌ１および全体構造の全厚さが如何なるところでも同じになるように誘電体１８を外部領域Ｒ２に加えることによって最小にすることができる。しかし平坦化それ自体はモード１の放射を削減せず、本発明によって取られる方策により達成されるのがこのより顕著な損失の削減である。

本発明は、薄膜ＢＡＷフィルタの通過帯域を決める周波数間隔は、基本的には各共振器の内側（電極化）領域Ｒ１の積層の属性であり、一方「放射帯域」を決める周波数間隔は、基本的には共振器を取り囲む外部（重なりあっていない）領域Ｒ２の積層の属性であるという事実を利用している。したがって原理的にはこれらは独立しており、２つの領域を決める積層の材料を、これら２つの周波数帯域が重なり合わず、したがってフィルタの通過領域でモード１の放射を除去するように選択することをここに提案する。これはさまざまな異なる方法を使用して達成することができる。方法の第１の例では、アルミニウム（Ａｌ）のような軽い（小さい質量）導体を頂部電極１６のために使用し、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）のような重い（大きい質量）誘電体を取り囲み誘電体１８のために使用する。これが「放射帯域」を周波数でフィルタ通過帯域に対して下方に移動させる。方法の第２の例ではプラチナ（Ｐｔ）のような比較的重い導体を頂部電極１６のために使用し、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）のような比較的軽い誘電体を取り囲み誘電体１８のために使用する。方法の第３の例では、比較的重い頂部電極１６はモリブデン（Ｍｏ）からなり、比較的軽い誘電体１８は二酸化珪素（ＳｉＯ_２）からなる。第２および第３の例で与えられた材料の組合せの使用は、放射帯域を周波数で通過領域に対して上方へ移動させる。頂部電極１６および誘電体１８を形成する材料の相対質量が内部および外部領域Ｒ１およびＲ２それぞれの間の周波数シフトを決定する。このシフトの量はこれら最上部層の密度および厚さの両方の関数である。質量負荷の考察に加え、考慮に入れなければならない重要なさらなる要素は、圧電層１４の表面の電気的短絡に起因するフィルタ通過帯域周波数の減少が存在することである。理想的には、相対オフセットの合計は、帯域間にわずかなマージンを伴う、放射帯域と通過帯域の重なりを防ぐのに過不足がないだけであるべきである。過剰なシフトは、エネルギーのモード１以外のモードへのより多い変換をもたらすことになりがちであり、対応して損失およびリップルが増加する。そのために、Ｐｔが電極のために使用されるとき、Ｔａ_２Ｏ_５が適切な平坦化材料となることもある。Ｐｔはこれら２つの材料でより重いほうであるので「放射帯域」は、このような組合せに対して周波数でやはり上方へ移動させられる。

図１１および１２は、提案した構成を実行した結果を示している。これは、１００μｍの幅を有し、１００ｎｍの厚さのＡｌ頂部電極１６および１００ｎｍの厚さのＴａ_２Ｏ_５平坦化取り囲み誘電体１８を伴うＦＢＡＲの予測された大きさ（図１１）および相（図１２）応答を示している。破線は１次モデルに関し、実線は２次モデルに関する。放射帯域が共振周波数ｆ_ｒおよび反共振周波数ｆ_ａの両方を含む（図７に示すもののような）ときに得られる相応答に比較するとき、応答はこれら２つの周波数でより鋭い、より角ばった相移転を有する。本発明によって製作された共振器を使用して設計され、説明した放射帯域オフセットを用いるフィルタは、したがってより少ない挿入損失を立証する筈である。図７から類推して同じ頂部電極および平坦化誘電体をもつ対応するＳＢＡＲも、リップルを最小化するさらなる利点を伴って低い損失を立証する。

簡単のためにＢＡＷ薄膜装置の製作については説明してこなかったが、これは詳細が多くの出版物で参照可能だからであり、出版物には例えばＨ−Ｐ．Ｌｏｂｌ他による「Ｓｏｌｉｄｌｙ ｍｏｕｎｔｅｄ ｂｕｌｋ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ（ＢＡＷ）ｆｉｌｔｅｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ＧＨｚ ｒａｎｇｅ」、ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、Ｍｕｎｉｃｈ、２００２、８９７ページがある。同じ理由で平坦化は開示されてこなかったが、これも詳細をＰＣＴ特許出願第２００５／０３４３４５号から取得することができ、例えば化学−機械研磨（ＣＭＰ）によって実現することができるからである。頂部電極１６および取り囲み誘電体（または平坦化）１８のための材料選択で、５％〜１５％の周波数シフトが、内部領域Ｒ１と外部領域Ｒ２の音響的に活性な部分の間で大体５％〜１５％の質量の違いになる。音響的に活性な部品とは、底部電極層を含みそれより上側のすべての層を意味する。Ａｌの頂部電極１６を備える内部領域Ｒ１および五酸化タンタルの誘電体１８を備える外部領域Ｒ２を有するＢＡＷにおける例証として、これら両方の領域の厚さは１００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲にある必要がある。

一般的に、上記で開示した方策を使用するより低いＢＡＷフィルタの挿入損失の実現には、共振器区域および圧電層の厚さに対する一般的に些細な調整の他には、その他のどのような層の厚さまたはマスクのレイアウトに対するどのような変更も含まれない。このような変更はフィルタの中心周波数の維持およびそのターミネーションでの５０オームに対する電気的なインピーダンス整合のためにだけ求められる。

図１３は、取り囲み誘電体１８が平坦化材料として形成されていないが頂部電極１６より小さな、または大きな厚さを有するＦＢＡＲを図示している。これは、それぞれ内部および外部領域Ｒ１、Ｒ２において頂部層の厚さを完全に自由に選択することを可能にし、それに対応して「放射帯域」とフィルタの通過帯域の間の最適オフセットを実施する自由を伴っている。図１に示すＳＢＡＲの頂部電極１６と誘電体１８の厚さを別にすることもできる。しかし、ノンプレーナ構造はモード１以外のモードへのモード変換に起因するより多くの損失を被りがちである。

図１４は、基板１０に最も近い電極層、即ち電極１６が図１、２および１３に示す実施形態における「頂部電極」に機能的に同等である、ＦＢＡＲのもう１つの実施形態を示している。圧電層１４の反対側の電極、即ち電極１２は、図１、２および１３に図示する実施形態における「底部電極」１２に機能的に同等である。内部領域Ｒ１（または領域タイプ１）は、電極１６と１２間の重なり合いの区域によって画定されている。外部領域Ｒ２（または領域タイプ２）は電極１６を取り巻く誘電体１８を備える。任意選択で、誘電体１８０は圧電層１４上に設けられ、電極１２を取り囲むこともある。以前説明した実施形態のように内部および外部領域Ｒ１およびＲ２は、電極１６をなす材料および誘電体１８をなす材料の相対質量で決められ、質量で大体５％〜１５％の違いがこの実施形態にも適用される。

「放射帯域」の最適オフセットおよび平坦化を導入することによって音響損失が最大限削減される。

説明した方策は、薄膜ＢＡＷフィルタすべてに、特に無線周波数（ＲＦ）フィルタに適用可能である。このような適用例においてはＲＦで挿入損失が非常に低いことが決定的に重要である。損失が低いと受信経路での感度が増加し、送信経路でのバッテリ電力消費が削減される。中間周波数（ＩＦ）でも低損失が望ましい。さらなる適用例はＢＡＷ共振器に基づく発振器のためのものである。より低い損失はより高いＱファクタに、したがってより低い位相雑音に繋がる。

図１５は、本発明によって製作されたＢＡＷ共振器で形成されるフィルタを用いたトランシーバのブロック略図を図示している。トランシーバは、スーパーヘテロダイン受信器部分Ｒｘおよび送信器部分Ｔｘに接続された分岐を有するデュプレクサまたはディプレクサ２２に接続されたアンテナ２０を備える。受信器部分Ｒｘは、ディプレクサ／デュプレクサ２２に接続された入力部および低雑音増幅器（ＬＮＡ）２６に接続された出力部を有するＢＡＷ共振器で形成されたＲＦフィルタ２４を備える。ＬＮＡ２６からのＲＦ信号は、局部発振器３０が接続されているミキサ２８で中間周波数（ＩＦ）に周波数ダウン変換される。ミキサ２８からのＩＦ出力は、ＩＦフィルタ３２でフィルタにかけられ、ＩＦ信号の周波数をミックスしてベースバンドのような低周波数に下げるために第２の局部発振器３６が接続されている第２のミキサ３４に与えられる。信号は、ローパスフィルタ３８でローパスフィルタにかけられ続いてターミナル４２で出力をもたらすためにベースバンドステージ４０で処理される。受信器部分Ｒｘの図示されていない一代替実施形態では、それは直接変換受信器として実装される。

送信器部分Ｔｘは、送信しようとする情報、例えば言語またはデータのための、ベースバンド部分４６に接続されている入力ターミナル４４を備える。ベースバンド部分４６からの出力は、発振器５０が接続されたミキサ４８で周波数アップ変換される。ミキサ４８からの出力信号は、ＢＡＷ共振器で形成されているバンドパスフィルタ５２でフィルタにかけられ電力増幅器５４に与えられる。電力増幅器５４の出力はディプレクサ／デュプレクサ２２に与えられる。

本発明の上記説明で、誘電体１８が電極１２を取り囲むと説明されたが、そのいずれの場合でもその誘電体が完全に電極１２を取り囲むこともあるし、部分的に取り囲むこともある。

本発明の上記説明で、誘電体１８が電極１２を取り囲むと説明されたが、そのいずれの場合でもその誘電体が電極１２に接触することもあるし、本発明の有益な効果がその存在により減少する可能性があるがギャップによって間隔を置いて配置されていることもある。音の波長は、一般的に２ＧＨｚで約３ミクロンであり、ギャップは１ミクロンより短くするべきであるし、この寸法は逆に周波数で測定できるが、どのギャップも音の波長よりずっと短いことが好ましい。

本明細書および特許請求項の範囲で、要素に先立つ「１つの」という言葉は、このような要素が複数存在することを排除するものではない。さらに「備える」、「からなる」いう言葉は、掲げられている要素またはステップの他の要素またはステップの存在を排除するものではない。

特許請求項の範囲で括弧に囲まれた符号の使用は特許請求項の範囲を制限すると解釈されるべきではない。

当業者にとって、本開示を読むことからその他の改変形態は明白であろう。したがって、そのような改変形態にはＢＡＷフィルタの設計、製造および使用ならびに構成部品で既に知られているその他の特徴と、したがって本明細書で既に説明されている特徴に代わりまたはそれに追加して使用されることができる特徴を含むことができる。

無線周波数装置および機器。

ＳＢＡＲ層の断面図である。 ＦＢＡＲ層の断面図である。 ＦＢＡＲの内部領域Ｒ１の５つの最も重要な横方向導波モードに対する分散曲線を図示する図である。 ＳｉＯ_２で平坦化されたＦＢＡＲの外部領域Ｒ２の５つの最も重要な横方向導波モードに対する分散曲線を図示する図である。 ＳＢＡＲの内部領域Ｒ１の５つの最も重要な横方向導波モードに対する分散曲線を図示する図である。 ＳｉＯ_２で平坦化されたＳＢＡＲの外部領域Ｒ２の５つの最も重要な横方向導波モードに対する分散曲線を図示する図である。 ＦＢＡＲのアドミタンスＹの大きさを図示し、破線が１次元モデルに関し、実線が２次元モデルに関する図である。 ＦＢＡＲのアドミタンスＹの相を図示し、破線が１次元モデルに関し、実線が２次元モデルに関する図である。 ＳＢＡＲのアドミタンスＹの大きさを図示し、破線が１次元モデルに関し、実線が２次元モデルに関する図である。 ＳＢＡＲのアドミタンスＹの相を図示し、破線が１次元モデルに関し、実線が２次元モデルに関する図である。 幅１００μｍであり、頂部層が、これも厚さ１００ｎｍのＴａ_２Ｏ_５誘電体層で平坦化された１００ｎｍの厚さを有するアルミニウムを備えるＦＢＡＲのアドミタンスの大きさ｜Ｙ｜を図示し、破線が１次元モデルに関し、実線が２次元モデルに関する図である。 幅１００μｍであり、頂部層が、これも厚さ１００ｎｍのＴａ_２Ｏ_５誘電体層で平坦化された１００ｎｍの厚さを有するアルミニウムを備えるＦＢＡＲのアドミタンスの相を図示し、破線が１次元モデルに関し、実線が２次元モデルに関する図である。 平坦化されていないＦＢＡＲの層の断面図である。 層１２および１６の位置が図２および１３に比較して入れ替えられている、ＦＢＡＲの層の断面図である。 本発明により製作されたＢＡＷ共振器を少なくとも１つ含むラジオトランシーバのブロック略図である。

Claims (17)

1. 第１および第２の層ならびにその間に介在する圧電層を備え、前記第１および第２の層がそれぞれ第１および第２の金属の重なり合う領域を電極として使用するために備え、前記第１の層がさらに誘電体の領域を前記重なり合いの領域の外側に、少なくとも部分的に前記第１の金属領域を囲んで備えるバルク音響（ＢＡＷ）共振器であって、前記誘電体が前記第１の金属領域の質量と異なる質量を有するバルク音響（ＢＡＷ）共振器。
2. 前記誘電体と前記第１の金属の領域の質量の違いが５％〜１５％の間であることを特徴とする請求項１に記載のＢＡＷ共振器。
3. 前記誘電体の質量が前記第１の金属領域の質量より小さいことを特徴とする請求項２に記載のＢＡＷ共振器。
4. 前記第１の金属領域がプラチナからなり、前記誘電体が五酸化タンタルからなることを特徴とする請求項３に記載のＢＡＷ共振器。
5. 前記第１の金属領域がモリブデンからなり、前記誘電体が二酸化珪素からなることを特徴とする請求項３に記載のＢＡＷ共振器。
6. 前記誘電体の質量が前記第１の金属領域の質量より大きいことを特徴とする請求項２に記載のＢＡＷ共振器。
7. 前記第１の金属領域がアルミニウムからなり、前記誘電体が五酸化タンタルからなることを特徴とする請求項６に記載のＢＡＷ共振器。
8. 前記誘電体が前記第１の金属領域と同じ厚さを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のＢＡＷ共振器。
9. 前記第２の層が誘電体の領域を前記重なり合いの領域の外側に少なくとも部分的に前記第２の金属領域を取り囲んで備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のＢＡＷ共振器。
10. 前記誘電体の領域が前記第１の金属領域から間隔を置いて配置されている請求項１から９のいずれか一項に記載のＢＡＷ共振器。
11. 前記共振器が強固に装着されたバルク音響共振器（ＳＢＡＲ）からなることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のＢＡＷ共振器。
12. 前記共振器が膜バルク音響共振器（ＦＢＡＲ）からなることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のＢＡＷ共振器。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の複数のＢＡＷ共振器を備えるフィルタ。
14. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の複数のＢＡＷ共振器を備えるフィルタを含む無線周波数器機。
15. 複数のバルク音響（ＢＡＷ）共振器を備え、前記各ＢＡＷ共振器の各々が第１および第２の層ならびにその間に介在する圧電層を備え、前記第１および第２の層がそれぞれ第１および第２の金属の重なり合う領域を電極として使用するために備えるフィルタの通過帯域で挿入損失を減少させる方法であって、前記方法が前記第１の層において誘電体の領域を前記重なり合いの領域の外側に、少なくとも部分的に前記第１の金属領域を囲んで形成するステップを備え、前記誘電体が前記第１の金属領域の質量と異なる質量を有する方法。
16. 前記誘電体を前記第１の金属領域と同じ厚さを有するように形成するステップを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 前記誘電体と前記第１の金属領域の質量の違いが５％〜１５％の間であることを特徴とする請求項１５または１６に記載の方法。

Images