JP2014171218A - カラー及びフレームを含む音響共振器 - Google Patents

Abstract

【課題】音響共振器の性能の改善
【解決手段】音響共振器構造体は、基板の上に配置された第１の電極と、第１の電極の上に配置された圧電層と、圧電層の上に配置された第２の電極と、第１の電極、圧電層及び第２の電極の間の重なり部分により画定された主膜領域内に配置され、且つ主膜領域の境界と実質的にそろえられた外側エッジを含むフレームと、フレームから離れて形成され、主膜領域の外側に配置され、且つ主膜領域の境界と実質的にそろえられた又は主膜領域と部分的に重なる内側エッジを有するカラーとを含む。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、カラー及びフレームを含む音響共振器に関する。

関連出願に対する相互参照
本出願は、２０１２年１０月２９日に出願され、「Acoustic Resonator Having Collar Structure」と題する、共同所有された米国特許出願第１３／６６３，４４９号の、米国特許法施行規則（３７ＣＦＲ）セクション１．５３（ｂ）に従う一部継続出願であり、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。

音響共振器は、様々な電子応用形態において信号処理機能を実現するために使用され得る。例えば、幾つかの携帯電話および他の通信デバイスは、音響共振器を用いて、送信信号および／または受信信号の周波数フィルタを実現する。様々な応用形態に従って、幾つかの異なるタイプの音響共振器が使用されることができ、実例には、圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ：Film Bulk Acoustic Resonator）のようなバルク音響波（ＢＡＷ：bulk acoustic wave）共振器、結合共振器フィルタ（ＣＲＦ：coupled resonator filter）、二重バルク音響共振器（ＤＢＡＲ：Double Bulk Acoustic Resonator）、及びソリッドマウント共振器（ＳＭＲ：Solidly Mounted Resonator）が含まれる。

音響共振器は一般に、音響スタックと呼ばれる構造体において２つの平板電極の間に挟まれた圧電材料の層を含む。入力電気信号が電極間に印加される場合、逆圧電効果により、音響スタックは圧電材料の分極に依存して機械的に膨張または収縮する。入力電気信号が時間と共に変化する場合、音響スタックの膨張および収縮は音波を生成し、当該音波は、様々な方向に音響共振器を通して伝播し、圧電効果により出力電気信号へ変換される。音波の一部は音響スタックを横切って共振を達成し、この場合、共振周波数は、音響スタックの材料、寸法、及び動作状態のような要因により決定される。音響共振器のこれら及び他の機械的特性が、その周波数応答を決定する。

一般に、音響共振器は、異なる種類の共振または共振モードの支配を受ける可能性がある異なる横方向領域を含む。これら横方向領域は、非常に大ざっぱに主膜領域および周辺領域として特徴付けられることができ、この場合、主膜領域は、２つの平板電極と圧電材料との間の重なり部分によってほぼ画定され、周辺領域は、主膜領域の外側の領域として画定される。主膜領域は、２つの平板電極間の電場により生成された電気的励起モードを被り、主膜領域および周辺領域の双方は、電気的励起モードのエネルギーの散乱により生成された何らかの微分モード（derivative mode）を被る。電気的励起モードには例えば、主膜領域のエッジにおける境界でもって縦方向の音波により形成されたピストンモードが含まれる。微分モードには例えば、主膜領域のエッジにおいて励起された横方向の音波により形成された横モードが含まれる。

横モードは、主膜領域と周辺領域との間の適切な機械的粒子速度および応力の連続性を容易にする。横モードは、励起の点から自由に伝播する（いわゆる伝播モード）、又は指数関数的に減衰する（いわゆるエバネセント及び複雑モード）ことができる。横モードは、横方向の構造的不連続部（例えば、主膜領域における異なる厚さの領域間の接合部分（interface：界面）、又は上部または下部電極のエッジ）により、又は電場の不連続性（例えば、電場が突然に終了する上部電極のエッジ）により励起され得る。

横モードは一般に、音響共振器の性能に有害な影響を及ぼす。従って、幾つかの音響共振器は、横モードを抑制する、阻止する、又は軽減するように設計された補助的な構造的特徴要素を含む。例えば、境界から発するエバネセントモードの滑らかな減衰を可能にし、且つ機械的動きの主膜領域への閉じ込めを改善するために、カラー（collar：つば）が、主膜領域の境界の外側に誘電体材料により形成され得る。別の例において、電気的に励起されたピストンモードの散乱を上部電極のエッジにおいて最小限にし、且つ機械的動きの主膜領域への閉じ込めを改善するために、フレームが、主膜領域の境界内に導電材料または誘電体材料により形成され得る。

米国特許第６，１０７，７２１号 米国特許第５，５８７，６２０号 米国特許第５，８７３，１５３号 米国特許第６，５０７，９８３号 米国特許第６，３８４，６９７号 米国特許第７，２７５，２９２号 米国特許第７，６２９，８６５号 米国特許第７，２８０，００７号 米国特許出願公開第２００７／０２０５８５０号 米国特許第７，３８８，４５４号 米国特許出願公開第２０１０／０３２７６９７号 米国特許出願公開第２０１０／０３２７９９４号 米国特許出願第１３／６５８，０２４号 米国特許出願第１３／６６３，４４９号 米国特許出願第１３／６６０，９４１号 米国特許出願第１３／６５４，７１８号 米国特許出願公開第２００８／０２５８８４２号 米国特許第６，５４８，９４３号 米国特許第７，３４５，４１０号 米国特許第７，３５８，８３１号 米国特許出願第１３／２８６，０３８号 米国特許出願公開第２０１１／０２０４９９６号

これら補助的な構造的特徴要素の従来の具現化形態は、幾つかの潜在的な欠点を有する。例えば、これらの特定の設計に依存して、それらは、それらの利益より勝る可能性があるピストンモードの追加の散乱発生源となる可能性がある。更に、それらは、比較的柔軟な平坦化層のような、音響スタックの音響エネルギーを有害に再分配する可能性がある何らかの追加の材料の存在を必要とする可能性がある。また、幾つかの設計は、適度な性能の改善のみをもたらすことができる一方で、大幅にコストを上昇させる。更に、補助的な構造的特徴要素の形成は、構造的安定性を低下させる、又は上に重なる層の形成を妨げる可能性がある。従って、従来の音響共振器の構造に関するこれら及び他の欠点に鑑みて、改善された音響共振器の設計が一般的に必要とされている。

代表的な実施形態において、音響共振器構造体は、基板の上に配置された第１の電極と、第１の電極の上に配置された圧電層と、圧電層の上に配置された第２の電極と、第１の電極、圧電層、及び第２の電極の間の重なり部分により画定された主膜領域内に配置され、主膜領域の境界と実質的にそろえられた外側エッジを含むフレームと、フレームから離れて形成され、主膜領域の外側に配置され、主膜領域の境界と実質的にそろえられた、又は主膜領域と部分的に重なる内側エッジを有するカラーとを含む。

別の代表的な実施形態において、音響共振器構造体は、第１の電極層と第２の電極層との間に挟まれた圧電層を含み、且つ第１の電極、圧電層、及び第２の電極の間の重なり部分により画定された主膜領域を有する音響スタックと、主膜領域内に配置され、主膜領域の境界と実質的にそろえられた外側エッジを有するフレームと、主膜領域の外側に配置され、主膜領域の境界と実質的にそろえられた又は主膜領域と部分的に重なる内側エッジを有するカラーとを含み、フレーム及びカラーが音響スタックの異なる層に配置される。

例示的な実施形態は、添付図面と共に読まれる場合に以下の詳細な説明から最も良く理解される。様々な特徴要素は必ずしも一律の縮尺に従って描かれていないことが強調される。実際には、寸法は、説明の明瞭化のために適宜拡大または縮小され得る。適用できる及び実用的である場合には、同様の参照符号が同様の要素を表す。

本発明によれば、フレーム及びカラーを用いて主膜領域の全てのスプリアスモード及び主膜領域の外側の伝播モードを抑制することが可能となり、ひいては音響共振器の性能を向上させることが可能になる。

代表的な実施形態による、音響共振器の上面図である。 代表的な実施形態による、音響共振器の断面図である。 別の代表的な実施形態による、音響共振器の断面図である。 別の代表的な実施形態による、音響共振器の断面図である。 別の代表的な実施形態による、音響共振器の断面図である。 別の代表的な実施形態による、音響共振器の断面図である。 別の代表的な実施形態による、音響共振器の断面図である。 別の代表的な実施形態による、音響共振器の断面図である。 別の代表的な実施形態による、音響共振器の断面図である。 別の代表的な実施形態による、音響共振器の断面図である。 別の代表的な実施形態による、音響共振器の断面図である。 別の代表的な実施形態による、音響共振器の断面図である。 別の代表的な実施形態による、音響共振器の断面図である。 様々な代表的な実施形態の音響共振器に使用され得るフレーム構成の４つの異なる例を示す図である。 複合フレームの幅の関数として、カラーを備えない図１Ｂの音響共振器の並列抵抗Ｒｐを示すグラフである。 複合フレームの幅の関数として、図１Ｂの音響共振器の並列抵抗Ｒｐを示すグラフである。 カラー及びフレームを備える及び備えない、図１Ｂの音響共振器の品質係数（quality factor）及び並列抵抗Ｒｐを示すグラフである。 カラー領域の音響分散図を示すグラフである。 直列共振周波数Ｆｓより上の周波数において、図１Ｂの音響共振器の粒子変位の横方向プロファイルを示すグラフである。 図７Ｂに示された粒子変位プロファイルにより生じた自己バイアスを示すグラフである。

以下の詳細な説明において、制限ではなく説明を目的として、本教示の完全な理解を提供するために、特定の細部を開示する例示的な実施形態が説明される。しかしながら、本開示の利益を得る当業者には明らかなように、本明細書で開示される特定の細部から逸脱した、本教示による他の実施形態は、依然として添付の特許請求の範囲内にある。更に、例示的な実施形態の説明を不明瞭にしないように、よく知られた装置および方法に関する説明は省略され得る。そのような方法及び装置は、明らかに本教示の範囲内にある。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態の説明のみを目的としており、制限することは意図されていない。定義された用語は、関連する文脈において一般に理解されて許容されるものとして、定義された用語の技術的意味、科学的意味、又は通常の意味に追加される。

用語「１つの（a）」、「１つの（an）」及び「前記（the）」は、文脈で特に明示しない限り、単一の対象、及び複数の対象の双方を含む。このため、例えば、「１つのデバイス（a device）」は、１つのデバイス及び複数のデバイスを含む。用語「実質的な」又は「実質的に」は、許容可能な限界内または又は程度内を意味する。用語「約」は、当業者にとって許容可能な限界内または量内を意味する。「上に」、「下に」、「上部」、「下部」、「上側」、及び「下側」のような相対的な用語は、添付図面に示されたような様々な要素の相互の関係を説明するために使用され得る。これらの相対的な用語は、図面に示された向きに加えて、デバイス及び／又は要素の異なる向きを包含するることが意図されている。例えば、デバイスが図面の表示に対して反転された場合、例えば、別の要素の「上に」と説明された要素は、その要素の「下に」あることになる。第１のデバイスが第２のデバイスに接続される又は結合されると言われる場合、これは、１つ又は複数の介在デバイスを利用して２つのデバイスを互いに接続することができる例を包含する。対照的に、第１のデバイスが第２のデバイスに直接的に接続または直接的に結合されると言われる場合、これは、電気コネクタ（例えば、ワイヤ、ボンディング材料など）以外の任意の介在デバイスなしに２つのデバイスが互いに接続される例を包含する。

本教示は一般に、圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ）又はソリッドマウント共振器（ＳＭＲ）のような音響共振器に関する。材料および製造方法を含む音響共振器の特定の細部は、以下の共同所有された米国特許および米国特許出願、即ちLakinに対する特許文献１、Ruby他に対する特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６及び特許文献７、Feng他に対する特許文献８、Jamneala他に対する特許文献９、Ruby他に対する特許文献１０、Choy他に対する特許文献１１、Choy他に対する特許文献１２、Nikkel他に対する特許文献１３、Burak他に対する特許文献１４、Burak他に対する特許文献１５、Burak他に対する特許文献１６、Ruby他に対する特許文献１７、及びKaitila他に対する特許文献１８の１つ又は複数に見出され得る。これら特許および特許出願の開示は特に、参照により本明細書に組み込まれる。これら特許および特許出願において説明されたコンポーネント、材料、及び製造方法は、代表的であり、他の製造方法および材料は当業者が企図する範囲内であることが強調される。

後述される特定の実施形態において、音響共振器は、上部電極と下部電極との間に配置された圧電層、主膜領域の外側に配置されたカラー（collar：つば）、及び主膜領域内に配置されたフレームを含む。カラーは一般に、主膜領域の境界と実質的にそろえられた又は主膜領域に多少部分的に重なる内側エッジを有し、フレームは一般に、主膜領域の境界と実質的にそろえられた外側エッジを有する。

カラーは通常、有限の幅の比較的厚い誘電体領域から形成され、それは、上部電極の上、下部電極の下、又は下部電極と圧電層との間のような、様々な選択的位置に配置され得る。また、カラーは、幾つかの層に分割されて、２箇所以上の上記の位置に形成されてもよい。また、カラーは、音響共振器の他の特徴要素の内部に、例えば圧電層の内部に形成されてもよい。カラーの上および下の音響共振器の領域は、カラー領域と呼ぶ。

カラーは一般に、そのカットオフ周波数が主膜領域のカットオフ周波数と実質的に同じであり、その主な非伝播モード（例えば、エバネセントモード）が主膜領域のピストンモードと実質的に同じモード分布を有するように設計される。これは、ピストンモードの音響エネルギーがカラー領域において不要な伝播モードへ、並びに主膜領域において伝播およびエバネセントモードへ変換されることを防止する。励起される場合、カラー領域の伝播モードは一般に、音響共振器の外側の領域への音響放射に起因してエネルギー損失につながる可能性がある。同様に、励起される場合、主膜領域の内側の伝播およびエバネセントモードは一般に、横方向の電流およびジュール加熱に起因したエネルギー損失につながる可能性がある、横方向の電圧勾配を生じる可能性がある。かくして、カラーは、主膜領域の内側および外側での不要なスプリアス横モードの励起を抑制しながら、主膜領域内でのピストンモードの閉じ込めを改善することができる。その結果として、これは、全体的な音響散乱損失を低減し、音響共振器の並列抵抗Ｒｐ及び品質係数Ｑを向上させることができる。

カラーが存在しない場合、電気的に励起されたピストンモードに関して上部電極のエッジにおいて著しい音響インピーダンスの不連続性が存在する可能性がある。電場も上部電極のエッジにおいて終了するので、そのエッジは、主膜領域の内側および外側の双方の構造体によりサポートされた機械的および電気的励起のエバネセント、伝播および複雑モードを生じる。かくして、適切に設計されたカラーの存在下で、上部電極エッジにおけるピストンモードエネルギーの大部分は、カラー領域のエバネセントモードに結合することができ、次いで十分に広いカラー構造体の内側で指数関数的に減衰して効率的に抑制され得る。更に、幾つかの伝播モードは、適切な幅でカラー構造体を形成することにより抑制され得る。

フレームが、上部または下部電極に材料の層、通常は導電材料（しかし、誘電体材料もまた可能である）の層を追加することにより形成される。フレームは、複合フレーム又はアドオンフレームとすることができる。アドオンフレームは、主膜領域の周辺部に沿って下部または上部電極を形成する層の上または下に材料を堆積することにより形成される。複合フレームは、一般に上部または下部電極の上面または下面と同一平面である露出した上面または下面を備える上部または下部電極内に材料を埋め込むことにより形成される。複合フレームの使用は、平面上に層を付加することに関して音響共振器の製造を簡素化することができる。例えば、それは、上に重なる層において突出部分の形成を防止することができ、音響共振器の構造的安定性を保持することができる。フレームの上および下の音響共振器の領域は総称して、フレーム領域と呼ぶ。

フレームは一般に、電気的に励起されたピストンモードをフレーム領域において抑制し、及びフレームは反射し、そうでなければ横方向において伝播固有モードを共振的に抑制し、双方は、結果として音響共振器の動作を同時に改善することをもたらす。これは、一般にフレームが存在することにより、カットオフ周波数の不整合、及びフレーム領域と主膜領域の他の部分との間の音響インピーダンスの不整合の少なくとも１つを生じるからである。主膜領域と比べてフレーム領域のカットオフ周波数を下げるフレームは、低速フレーム（Low Velocity Frame）又はＬＶＦと呼び、当該カットオフ周波数を上げるフレームは高速フレーム（High Velocity Frame）又はＨＶＦと呼ぶ。この用語の背後にある論法は、複合フレーム（フレームと主膜領域の厚さが実質的に同じ）について、カットオフ周波数の増加または減少がそれぞれ、フレームを形成するスタックの有効な音速の増加または減少に実質的に等しいことである。

主膜の対応する音速より低い音速を有する複合またはアドオンフレーム（即ち、ＬＶＦ）は一般に、主膜領域のカットオフ周波数より上で音響共振器の並列抵抗Ｒｐ及び品質係数Ｑを増加させる。逆に、主膜の対応する音速より高い音速を有する複合またはアドオンフレーム（即ち、ＨＶＦ）は一般に、主膜領域のカットオフ周波数より下で音響共振器の直列抵抗Ｒｓを減少させて品質係数Ｑを増加させる。例えば、典型的な低速フレームは、主膜領域より大幅に低いカットオフ周波数を有する領域を有効に提供し、それ故に図７Ｂに関連して更に詳細に後述されるように、フレーム領域の上部電極のエッジに向かう電気的に励起されたピストンモードの振幅を最小化する。更に、それは、伝播固有モードの反射を増大させる２つの界面（インピーダンス不整合平面）を提供する。これら伝播固有モードは、膜／フレームの界面（interface：接合部分）において機械的に励起され、上部電極のエッジにおいて機械的および電気的に励起される。フレームの幅が所与の固有モードに対して適切に設計されている場合、その特定の固有モードに関して共振的に強化された抑制という結果になる。更に、十分に広い低速フレームは、伝播固有モードと類似したメカニズムにより励起されるエバネセント及び複雑モードの滑らかな減衰の領域を提供する。上記の効果の組み合わせは、より良好なエネルギー閉じ込め、及び並列共振周波数Ｆｐにおいてより高い品質係数Ｑを生じる。

カラー及びフレーム、並びに関連する材料および動作特性の様々な例が、上記のBurak他に対する特許文献１４及び特許文献１５に説明されている。これらの特許文献に説明されているように、カラー及びフレームは、音響スタックの電極および圧電層のような音響共振器の他の部分に対して様々な選択的位置および構成で配置され得る。更に、これらの寸法、材料、相対位置などは、目標共振周波数、直列抵抗Ｒｓ、並列抵抗Ｒｐ又は電気機械結合係数Ｋｔ^２のような特定の設計目標を達成するために調整され得る。以下の説明はＦＢＡＲデバイスの形態で幾つかの実施形態を提供するが、説明される概念の幾つかは、例えばＳＭＲのような他の形態の音響共振器で具現化され得る。

図１Ａは、代表的な実施形態による音響共振器１００の上面図であり、図１Ｂ〜図１Ｅは、線Ａ−Ａ’に沿った音響共振器１００の断面図である。断面図は、音響共振器１００の異なる変形態様に対応し、それぞれ音響共振器１００Ｂ〜１００Ｅと呼ばれる。音響共振器１００Ｂ〜１００Ｅは、多くの同じ特徴要素を有し、そのためこれら特徴要素の個々の説明は、冗長性を避けるために省略され得る。

図１Ａを参照すると、音響共振器１００は、５つの側部を有する上部電極１３５を含み、相互接続部１０２に電気接続を提供するように構成された接続用側部１０１を有する。相互接続部１０２は、上部電極１３５に電気信号を提供し、音響共振器１００の圧電層（図１Ａに示されず）に所望の音波を励起する。

図１Ｂを参照すると、音響共振器１００Ｂは、空気キャビティ１１０を有する基板１０５、空気キャビティ１１０をおおって基板１０５上に配置された下部電極１１５、下部電極１１５に隣接して基板１０５上に配置された第１の平坦化層１２０、下部電極１１５及び第１の平坦化層１２０の上に配置された圧電層１２５、圧電層１２５上に配置された上部電極１３５、上部電極１３５に隣接して圧電層１２５上に配置された第２の平坦化層１３０を含む。ひとまとめにして、下部電極１１５、圧電層１２５及び上部電極１３５は音響共振器１００Ｂの音響スタックを構成する。音響共振器１００Ｂは更に、第２の平坦化層１３０及び上部電極１３５の上に配置されたカラー１４０、及び上部電極１３５の下側部分に配置されたフレーム１４５を含む。図示されていないけれども、パッシベーション層が上部電極１３５の上部に存在することができ、その厚さは、湿気、腐食、汚染物質、破片などからの保護を含む、環境から音響スタックの全ての層を隔離するのに十分である。

基板１０５は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ガラス、サファイア、アルミナ等のような、半導体プロセスと適合する材料から形成され得る。基板の空気キャビティに関する様々な例示的な製造技術が、Grannen他に対する特許文献１９（2008年３月18日）により説明され、音響ミラーに関する様々な例示的な製造技術が、Larson III他に対する特許文献２０（2008年４月15日）により説明されており、それらは参照により全体として本明細書に組み込まれる。基板１０５が空気キャビティ１１０と共に示されるが、それは代案として、例えば分布ブラグ反射器のような音響反射器を含むことができる。

第１及び第２の平坦化層１２０と１３０は一般に、例えばホウケイ酸ガラス（ＢＳＧ）から形成される。第１の平坦化層１２０は、ＦＢＡＲ１００Ｂの機能に厳密に必要とされないが、その存在は様々な利点を与えることができる。例えば、下部平坦化層１２０の存在は、ＦＢＡＲ１００Ｂの構造的安定性を改善する傾向があり、後続の層の成長の品質を改善することができ、下部電極１１５が空気キャビティ１１０を越えて延びるそのエッジを有さずに形成されることを可能にすることができる。更なる平坦化の潜在的な利点の例は、2011年10月31日に出願された特許文献２１で提供されており、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。下部および上部電極１１５と１３５は一般に、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）のような１つ又は複数の導電金属材料から形成される。これらの電極は、同じ又は異なる材料から形成され得る。カラー１４０は一般に、例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、ダイヤモンド、ダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）、又はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のような誘電体材料から形成される。フレーム１４５は一般に、例えばＷ、Ｍｏ、Ｃｕ、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＺｎＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＤＬＣ、又はＳｉＣのような１つ又は複数の導電材料または誘電体材料から形成される。圧電層１２５は、例えばＺｎＯ、ＡｌＮ、又はＰＺＴのような圧電材料の薄膜から形成され得る。本教示の範囲から逸脱せずに、他の材料が、音響共振器１００Ｂのこれら及び他の特徴要素へ組み込まれ得る。

両矢印１１２は、音響共振器１００Ｂの主膜領域または活性領域を示し、垂直の点線は、主膜領域の境界を示す。この境界は、主膜領域の境界を越えて延在する接続用側部１０１を除いて、上部電極１３５のエッジと一致する。両矢印１１４と１１６は、音響共振器１００Ｂの個々のカラー領域およびフレーム領域を示し、対応する垂直の点線はこれら領域の境界を示す。図１Ａのように上側の角度から見られる場合、上部領域およびそれらの境界は、アポダイズされた形状（apodized shape）を有することができる。図１Ｂに示されたように、カラー１４０は、主膜領域の境界と実質的にそろえられた内側エッジを有し、フレーム１４５は、主膜領域の境界と実質的にそろえられた外側エッジを有する。

図１Ｂの例において、主膜領域は、下部および上部電極１１５及び１３５と圧電層１２５との間の重なり部分の最大限の範囲を含んでいない。その理由は、図示された上部電極１３５の右側が接続エッジであり、何らかの著しい方法で音響共振器１００Ｂの動作周波数範囲において特性電気インピーダンスを変更することが意図されていないからである。しかしながら、上部電極接続エッジにおける下部電極１１５、圧電層１２５、上部電極１３５、及び基板１０５の間の重なり部分は通常、「デッド（dead：死んだ）ＦＢＡＲ」と呼ばれ、その領域においてピストンモードが空気キャビティ１１０の外周囲までずっと電気的に励起され、当該領域においてそれが基板１０５の領域によりサポートされる伝播モードに結合することができるので、大幅な音響エネルギーの損失を生じる可能性がある。その領域にカラー１４０が存在することは、上部電極接続エッジを質量負荷することによってその不要なエネルギー損失を最小限に抑えることができ、その結果として、電気的に励起されたピストンモードの振幅を空気キャビティ１１０の外側エッジにおいて大幅に低下させる。

例えば、はしご型フィルタの一部として、音響共振器１００Ｂの典型的な動作中、入力電気信号が、下部電極１１５の入力端子に印加されることができ、上部電極１３５は出力端子に接続され得る。入力電気信号は一般に、主膜領域に振動を生じる時間的に変化する電圧からなる。次いで、この振動は、上部電極１３５の出力端子において出力電気信号をもたらす。入力および出力端子は、図１Ｂに示されたような主膜領域から離れて延在する接続エッジを介して、下部および上部電極１１５と１３５に接続され得る。例えば、上面図から、これら接続エッジは、図１Ａに示されたようなアポダイズされた五角形の外側に延在するように看取され得る。音響共振器１００Ｂの入力および出力端子は、例えば、はしご型フィルタを形成する他の音響共振器の適切な端子に接続され得る。

電気的に励起されたピストンモードは、上部電極１３５のエッジにおいて終了する。上部電極１３５のエッジにおけるこの構造的不連続性は、主膜領域と周辺領域との間でカットオフ周波数の著しい不連続性を与え、それにより、主膜領域と周辺領域の双方における横モードの励起が、これら双方の領域間の界面において適切な粒子速度および応力成分の連続性を容易にする。これは、ピストンモードからの音響エネルギーの望ましくない散乱、及び音響共振器１００Ｂの電気応答の結果としての劣化につながる可能性がある。しかしながら、カラー１４０は、主膜領域の外側のカットオフ周波数を低下させる質量負荷を提供し、音響共振器１００Ｂにわたって、より横方向に均一なカットオフ周波数のプロファイルをもたらす。同様に、フレーム１４５は、電気的に励起されたピストンモードをフレーム領域において抑制し、及びフレーム１４５は反射し、そうでなければ横方向において伝播（エバネセント及び複雑）固有モードを共振的（指数関数的）に抑制し、双方は、音響共振器１００Ｂの動作を同時に改善することをもたらす。言い換えれば、音響共振器１００Ｂの性能改善は、カットオフ周波数の不整合、及びフレーム領域とフレーム１４５により生じた主膜領域の他の部分との間の音響インピーダンスの不整合の少なくとも１つにより、容易にされる。

図１Ｃ、図１Ｄ、及び図１Ｅを参照すると、音響共振器１００Ｃは、フレーム１４５が省かれて、下部電極１１５の下側部分に配置されたフレーム１５０に置き換えられていることを除いて、音響共振器１００Ｂと実質的に同じである。音響共振器１００Ｄは、フレーム１４５及び１５０の双方が存在することを除いて、音響共振器１００Ｂと実質的に同じである。音響共振器１００Ｅは、フレーム１５０がフレーム１５０’に置き換えられていることを除いて、音響共振器１００Ｄと実質的に同じであり、フレーム１５０’は、下部電極１１５の下側部分ではなくて上側部分に配置される。音響共振器１００Ｃ〜１００Ｅのフレームは、音響共振器１００Ｂのフレーム１４５に類似した利点を提供するが、これらの性能および製造プロセスは、フレームの異なる位置に起因して音響共振器１００Ｂとは多少異なる。異なるフレーム構成の幾つかの一般的なトレードオフが、例えば上記の特許文献１５に説明されている。

図２Ａ〜図２Ｄは、更に他の代表的な実施形態による音響共振器２００Ａ〜２００Ｄの断面図である。これらの音響共振器はそれぞれ、カラー１４０が省かれて代わりにカラー２０５が下部電極１１５と圧電層１２５との間に形成されていることを除いて、音響共振器１００Ｂ〜１００Ｅと実質的に同じである。カラー２０５は、音響共振器１００Ｂ〜１００Ｅのカラー１４０と類似した利点を提供するが、その性能および製造は、カラー２０５の異なる位置に起因して多少異なる。留意すべきは、例示ために、音響共振器２００Ａ〜２００Ｄの下部電極１１５に形成された複合フレームは、音響共振器１００Ｂ〜１００Ｅの下部電極のフレームとは異なって構築される。図２Ａ、図２Ｃ及び図２Ｄの上部電極は、２つの異なる金属材料からなる。また、図２Ｂ、図２Ｃ及び図２Ｄの下部電極も、２つの異なる金属材料からなる。図２Ａ〜図２Ｄに示されたように、フレームは、個々の電極において、第１の電極材料を第２の電極材料へ埋め込むことにより形成される。異なるフレーム構成の幾つかの一般的なトレードオフが、例えば上記の特許文献１４に説明されている。

図３Ａ〜図３Ｄは、更に他の代表的な実施形態による音響共振器３００Ａ〜３００Ｄの断面図である。これらの音響共振器はそれぞれ、カラー１４０が省かれて代わりにカラー３０５が下部電極１１５と基板層１０５との間に形成されていることを除いて、音響共振器１００Ｂ〜１００Ｅと実質的に同じである。言い換えれば、カラー３０５は下部電極１１５の下に形成される。同様に、カラー２０５、カラー３０５は、音響共振器１００Ｂ〜１００Ｅのカラー１４０と類似した利点を提供するが、その性能および製造は、カラー３０５の異なる位置に起因して多少異なる。全てのフレームが複合フレームである音響共振器１００Ｂ〜２００Ｄとは異なり、図３Ａ、図３Ｃ及び図３Ｄにそれぞれ示された音響共振器３００Ａ、３００Ｃ及び３００Ｄの上部電極１３５のフレームは、アドオンフレームである。そのようなフレームは、音響共振器３００Ａ、３００Ｃ及び３００Ｄにおいて実質的に非平面の上部電極１３５の外形という結果になる。一般に、通常パッシベーション層のみが上部電極１３５上に形成されるので、このような上部電極１３５の非平面の外形は、音響共振器３００Ａ、３００Ｃ及び３００Ｄの構造的頑強性に何らかの著しい影響を及ぼすことはない。一方で、複合フレームが音響共振器３００Ｂ、３００Ｃ及び３００Ｄの下部電極１１５に形成される。そのような実質的に平面のフレームは、下部電極１１５の上に高品質で空隙のない圧電層１２５及び上部電極層１３５を形成するために、下部電極１１５に好ましい。異なるフレーム構成の幾つかの追加の一般的なトレードオフが、例えば上記の特許文献１４に説明されている。

図４は、様々な代表的な実施形態の音響共振器に使用され得るフレーム構成の４つの異なる例を示す図である。これらの例は、フレームの個々の影響を示すためにカラーを備えずに示されるが、説明される実施形態は一般に、図１〜図３に示されたようなカラーと組み合わせてこれらフレームを使用する。これらフレームの構成は、フレームの幾何学的配置および材料の双方が音響共振器の動作に如何にして影響を及ぼすかを示すために、以下の表１と共に説明される。より具体的には、以下の説明は、これらの異なるフレームの幾何学的配置および材料を使用することが、フレーム領域の内側の主膜領域の部分に対してフレーム領域のカットオフ周波数を如何にして上昇させる又は下降させることができるかを説明する。

図４を参照すると、４つの異なるフレーム構成４００Ａ〜４００Ｄは、上部電極の上側部分または下側部分の何れかに形成された複合フレーム又はアドオンフレームを含む。構成４００Ａは、上部電極１３５の上部に形成された複合フレームを含み、構成４００Ｂは、上部電極１３５の上部に形成されたアドオンフレームを含み、構成４００Ｃは、上部電極１３５の下に形成された複合フレームを含み、構成４００Ｄは、上部電極１３５の下に形成されたアドオンフレームを含む。他の実施形態に関連して上述されたように、複合フレームにより、上部電極は平面の上側表面で形成されることが可能になるが、アドオンフレームでは不可能である。アドオンフレームは一般に、複合フレームよりも製造することは容易であるが、アドオンフレームは一般に、上に重なる層に突出部分（例えば、構成４００Ｂのパッシベーション層４０５、並びに構成４００Ｄの上部電極１３５及びパッシベーション層４０５）を生じさせ、それは、数ある中でも音響共振器の機械的頑強性を低減する可能性がある。

例示された構成のそれぞれにおいて、下部電極は、約３８０ｎｍ（３８００Å）の厚さでＭｏから形成され、圧電層は、約９３０ｎｍ（９３００Å）の厚さでＡｌＮから形成され、上部電極は、約３２５ｎｍ（３２５０Å）の厚さでＭｏから形成され、パッシベーション層は、約２００ｎｍ（２０００Å）の厚さでＡｌＮから形成される。フレームのそれぞれは、約５０ｎｍ（５００Å）の厚さで形成される。

表１は、様々な異なる材料の制限しないセットでもって形成されたフレームの構成４００Ａ〜４００Ｄの一般的な挙動を示す。表１において、略語ＬＶＦは、「低速フレーム」を表し、フレーム領域のカットオフ周波数（Ｆ_ＳＦ）がフレーム領域の内側に位置する主膜領域の部分のカットオフ周波数（Ｆ_ＳＭ）より低いことを示す（Ｆ_ＳＦ＜Ｆ_ＳＭ）。同様に、略語ＨＶＦは、「高速フレーム」を表し、フレーム領域のカットオフ周波数（Ｆ_ＳＦ）が主膜領域のカットオフ周波数（Ｆ_ＳＭ）より高いことを示す（Ｆ_ＳＦ＞Ｆ_ＳＭ）。好都合に参照するために、これら個々の材料の正規化音響インピーダンス（Ｚａ）及び正規化音速（Ｖ）を示して、異なる構成のこれら変化するものとカットオフ周波数のシフトとの間の関係を示す。構成４００Ａ〜４００Ｄの例における上部電極がＭｏから形成されているので、音響インピーダンス及び音速は、音響インピーダンス及び音速の対応するＭｏ値に関して正規化された。表１において、ＣＤＯは、炭素ドープド酸化ケイ素を表し、ＢＳＧは、ホウ素ドープド酸化ケイ素を表し、ＨＺａ−ＳｉＣは、高音響インピーダンスのスパッタリングされたＳｉＣを表し、ＬＺａ−ＳｉＣは、ＣＶＤにより成長された低音響インピーダンスのＳｉＣを表し、及びＢｅはベリリウムを表す。これらの材料の幾つかを如何にして成長させて使用するかの例、特にＣＤＯは、Steve Gilbert他に対する特許文献２２に開示されており、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。ＢＳＧを如何にして成長させて使用するかの例は、Gannen他に対する上記特許文献１９（2008年３月18日）に開示されている。

表１に示されているように、アドオンフレームを有する構成４００Ｂ及び４００Ｄは、フレームに使用される材料に関係なく、低速フレームの挙動を生じる。これは、アドオンフレームの領域においてスタックがより厚く、スタックの上側と下側との間のより長い往復時間につながり、その領域においてカットオフ周波数を効果的に低下させるからである。一方で、構成４００Ａ及び４００Ｃは、スタックのフレームの位置、並びにフレームを形成するために使用される材料の音響インピーダンス及び音速に依存して、低速フレーム又は高速フレームの挙動を生じる。一般に、フレームが上部電極１３５の上に配置される構成４００Ａの場合、高速フレームの挙動が、Ｗ及びＣＤＯを除いて、表１に示された全材料に関して生じた。留意すべきは、２つの材料はＭｏよりも低い音速を有し、そのためフレーム領域の有効な音速が主膜領域においてよりも低くなり、それが低速フレームの挙動を生じる理由である。全ての他の材料はＭｏよりも高い音速を有し、それ故に等しい厚さのＭｏ層を置き換えると、それらは高速フレームの挙動を生じる。フレームが上部電極１３５の下に位置する構成４００Ｃの場合、ＨＺａ−ＳｉＣ及びＢｅを除いて、表１に示された全ての材料に関して低速フレームの挙動が生じた。留意すべきは、Ｗ及びＣＤＯのみがＭｏよりも低い音速を有し、それは構成４００Ａに関して予想される低速フレームの挙動につながる。Ｗ及びＣＤＯ以外のフレーム材料に関して低速フレームの挙動の理由は、構成４００Ｃに示された典型的なスタックについて、Ｍｏから形成された下部電極１１５及び上部電極１３５の厚み及び音響インピーダンスにより決定される特定量である約７０〜９０％のエネルギーが圧電層１２５に閉じ込められるからである。圧電層１２５に隣接して配置された低音響インピーダンス材料から形成されたフレームは、圧電層１２５に閉じ込められたより多くのエネルギーがスタックの上部へ貫通することを可能にし、かくしてスタックに存在する全材料からの速度の重み付けされた合計に対して上部Ｍｏ及びフレーム層の速度の寄与が増大される。Ｍｏの音速がＡｌＮの音速より約４０％低いので（表１を作成するために使用された特定のスタックの例において）、音響スタックの全体的な周波数はシフトダウンし、低速フレームをもたらす。これは特に、フレーム材料の音速がＭｏの音速に匹敵する又はそれより低い（例えば、Ａｌ、ＣＤＯ、ＢＳＧ、ＬＺａ−ＳｉＣに関してのような）材料について明白である。しかしながら、Ｂｅ及びＨＺａ−ＳｉＣの双方がＭｏの音速よりも大幅に大きい音速を有するので、それらの寄与は、フレーム領域の有効なスタック速度の正味の増加を生じ、高速フレームの挙動をもたらす。当業者には理解されるべきであるように、表１に提示された挙動は、特定の成長条件、機器および技術に依存して変化する可能性があるシミュレーションで使用された材料特性に強く依存し、それ故に表１の結果は例示の目的のためだけに示されている。また、当業者には理解されるべきであるように、異なる設計、厚さ、及び構成４００Ａ及び４００Ｃの音響スタックを形成するために使用された材料のセットについて、異なる挙動が得られる場合もある。

図５Ａは、フレーム１４５の幅の関数として、カラー１４０及び第２の平坦化層１３０を備えない音響共振器１００Ｂのシミュレートされた並列抵抗Ｒｐを示すグラフであり、図５Ｂは、フレーム１４５の幅の関数として、カラー１４０及び第２の平坦化層１３０を備える同じ音響共振器の並列抵抗を示すグラフである。図５Ａ及び図５Ｂの例において、下部電極１１５は、約３８０ｎｍ（３８００Å）の厚さでＭｏから形成され、圧電層１２５は、約９３０ｎｍ（９３００Å）の厚さでＡｌＮから形成され、上部電極１３５は、約３２５ｎｍ（３２５０Å）の厚さでＭｏから形成され、パッシベーション層は、約２００ｎｍ（２０００Å）の厚さでＡｌＮから形成される。カラー１４０は、約１１．５μｍの幅で、約４５０ｎｍ（４５００Å）の厚さでスパッタリングされたＳｉＣから形成される。

図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、４つの曲線Ｃ１〜Ｃ４は、４つの異なるシミュレーションに対応する。これら異なるシミュレーションにおいて、フレーム１４５は、３５ｎｍ（３５０Å）、５０ｎｍ（５００Å）、１００ｎｍ（１０００Å）、及び２００ｎｍ（２０００Å）の個々の厚さでＡｌから形成される。図５Ａ及び図５Ｂの双方の曲線により示されるように、フレーム１４５の追加（フレームの幅＞０）は、カラー１４０を備える及び備えない、音響共振器１００Ｂの並列抵抗Ｒｐを改善する傾向にある。改善の大きさは、フレーム１４５の幅の周期関数として変化し、それは、フレーム１４５の幅が増加するにつれて一般に増加する傾向にある。更に、最も大きい幅のフレーム１４５について、Ｒｐの値は、例えば曲線Ｃ１及びＣ２により示されるように、フレーム１４５のより薄いバージョンに関してより高くなる傾向がある。

任意のフレームを備えずに、カラー１４０を追加することは、Ｒｐを約４倍、即ち約５００オーム（図５Ａ、フレーム幅０）から約２０００オーム（図５Ｂ、フレーム幅＝０）に増やす。カラー１４０及びフレーム１４５の双方を有することは、Ｒｐに相加効果を有し、約５５０オーム（図５Ａ、フレーム幅＝０）から最高のシミュレートされたカラー／フレーム設計の約３６００オーム（図５Ｂ、曲線Ｃ１、フレーム幅＝３．２５μｍ）までのトータルで約６倍の増加を生じる。図７Ｂに関連して後述されるように、この追加の改善は一般に、フレーム領域と主膜領域の内側部分との間の界面およびフレーム領域とカラー領域との間の界面においてピストンモードの散乱損失の最小化に起因することができ、ピストンモードの散乱の結果として励起された伝播モードの改善された抑制にも起因することができる。

図６は、カラー１４０及びフレーム１４５を備える及び備えない音響共振器１００Ｂのシミュレートされた品質係数Ｑ及び並列抵抗Ｒｐを示すグラフである。カラー１４０、第２の平坦化層１３０及びフレーム１４５を備えない音響共振器のバージョンは、「裸の共振器」と呼ぶ。このグラフの目的は、カラー１４０及びフレーム１４５の追加の結果として生じる音響共振器１００Ｂの通過帯域の性能変化を示すことである。

図６の例において、音響共振器１００Ｂの寸法は、高いＲｐのために調整された。特に、下部電極１１５は約３８０ｎｍ（３８００Å）の厚さでＭｏから形成され、圧電層１２５は、約９３０ｎｍ（９３００Å）の厚さでＡｌＮから形成され、上部電極１３５は、約３２５ｎｍ（３２５０Å）の厚さでＭｏから形成され、パッシベーション層は、約２００ｎｍ（２０００Å）の厚さでＡｌＮから形成される。カラー１４０は、約１１．５μｍの幅で、約４５０ｎｍ（４５００Å）の厚さでスパッタリングされたＳｉＣから形成され、フレーム１４５は、約３．２５μｍの幅で、約３５ｎｍ（３５０Å）の厚さでＡｌから形成される。特に、音響共振器１００Ｂの設計は、デバイスＣ１について図５Ｂに示された最も高いシミュレートされたＲｐ値に対応するものと同じである。

図６を参照すると、品質係数Ｑが左側のｙ軸により表され、Ｒｐが右側のｙ軸により表される。品質係数Ｑ及びＲｐの値が入力信号の周波数の関数として示される。

第１の曲線Ｃ１は裸の共振器の品質係数Ｑを示し、第２の曲線Ｃ２は音響共振器１００Ｂの品質係数Ｑを示す。第３の曲線Ｃ３は裸の共振器のＲｐの値を示し、第４の曲線Ｃ４は音響共振器１００ＢのＲｐの値を示す。より具体的には、曲線Ｃ３及びＣ４は、音響共振器１００Ｂの複素数値電気インピーダンスの大きさを示す。並列共振周波数Ｆｐにおいて、電気インピーダンスは、ほぼ実数値になり、電気インピーダンスの大きさのピーク値は、並列抵抗Ｒｐを示す。

品質係数Ｑのピーク値は、デバイスのそれぞれについて約１．９２５ＧＨｚで生じる。この周波数は、個々のデバイスの直列共振周波数Ｆｓに対応する。同様に、Ｒｐのピーク値は、２つのデバイスのそれぞれについて約１．９６８ＧＨｚで生じる。この周波数は、個々のデバイスの並列共振周波数Ｆｐに対応する。これらデバイスの帯域幅は、これら個々の値のＦｓとＦｐとの間の周波数範囲に対応する。従って、この例において、２つのデバイスは同様の帯域幅を有する。

Ｆｓより上の周波数において、音響共振器１００Ｂは、裸の共振器よりも大幅に高い品質係数Ｑを有する。更に、第３及び第４の曲線Ｃ３とＣ４の個々のピークにより示されたように、音響共振器１００Ｂは、裸の共振器よりも大幅に高いＲｐ値を有する。特に、音響共振器１００Ｂは、約３８００オームのＲｐ値を有するが、裸の共振器は約５５０オームのＲｐ値を有する。当業者には理解されるべきであるように、音響共振器１００ＢのＲｐは、裸の共振器と比較した場合、帯域幅の何らかの著しい劣化なしに約６倍も増加する。

改善された性能の音響共振器１００Ｂを設計することに関する特定の態様は、音響共振器１００Ｂの各横方向領域においてモード構造を調べることにより理解され得る。図７Ａは、音響共振器１００Ｂについてカラー１４０の領域における音響分散図を示す。音響共振器１００Ｂの任意の他の横方向領域において、音響分散図は、主膜領域よりも高い（低い）カットオフ周波数を有する領域に関して、分散曲線が水平軸および垂直軸に沿って広げられる（圧縮される）ことを除いて、図７Ａに示されたものと定性的に似ている。

図７Ａの水平軸は、横方向の波数Ｋｘに対応し、正の数は実数のＫｘ値を示し、負の数は虚数のＫｘ値を示す。図７Ａの各点は、後述されるように、特定のスタックによりサポートされる特定の音響偏波（acoustic polarization）の固有モード及び伝播の方向に対応する。実数Ｋｘ値は、所与のモードが伝播モードであることを示し（例示的に、それは、励起の点から周期的な態様で伝播することができる）、虚数Ｋｘ値は、所与のモードがエバネセントモードであることを示す（例示的に、それは、励起の点から指数関数的に減衰することができる）。複雑モードは、非ゼロの実数および虚数のＫｘ値の双方を有し、励起の点から周期的な態様で伝播するが、それらの振幅は指数関数的に減衰する。図７Ａの垂直軸は、音響共振器１００Ｂの主膜領域のカットオフ周波数（第１次の厚み伸張（thickness extensional）モードＴＥ１）に正規化された周波数に対応する。音響共振器の動作領域は、Ｆｓと表示され且つ音響共振器１００Ｂの直列共振周波数（又はＴＥ１モードのカットオフ周波数）を示す水平線の上下約５％以内に広がる。

図７Ａにおいて、曲線Ｃ１は、たわみモードを示し、曲線Ｌ１はダイラタンシー（dilatational）モードを示し、曲線ｐＴＳ１は第１次の伝播厚みすべりモードを示し、曲線ｐＴＥ１は第１次の伝播厚み伸張モードを示し、曲線ｐＴＳ２は第２次の伝播厚みすべりモードを示し、曲線ｐＴＥ２は第２次の伝播厚み伸張モードを示し、曲線ｅＴＳ１は第１次のエバネセント厚みすべりモードを示し、曲線ｅＴＥ１は第１次のエバネセント厚み伸張モードを示し、曲線ｃＴＥ１、ｃＴＥ２、ｃＴＥ３、及びｃＴＥ４はそれぞれ、第１次、第２次、第３次、及び第４次の複雑厚み伸張モードを示す。一般に、無限数の複雑厚み伸張モードが存在し、４つの最も低い次数のモードのみが図７Ａに示される。

図７Ａに示されたモードの重要性は、下部電極１１５、圧電層１２５及び上部電極１３５が重なる領域においてピストンモードで音響共振器１００Ｂを励起する際に、当該モードが構造的不連続部（フレーム／膜の界面、上部および下部電極のエッジのような）において且つ電場の不連続部（上部電極のエッジのような）において励起される点である。これらモードは、音響共振器１００Ｂの各横方向領域において励起され、それらの振幅は、音響共振器１００Ｂの各横方向の界面における適切な粒子速度および応力成分の連続性から決定される。しかしながら、横方向の領域に依存して、これらのモードは異なる損失メカニズムにつながる。主膜領域において、これらモードは、横方向の不均一な垂直変位プロファイルを生じ、当該変位は、直接的な圧電効果を介して、横方向の不均一な電圧プロファイルを生じる。高導電率の電極が圧電層の上下に配置されるので、横方向の不均一な電圧プロファイルは、横方向の電流につながり、ジュール加熱による音響エネルギーの、結果として生じる損失につながる。特に、この損失メカニズムは、膜で励起された全モード（即ち、ｅＴＥ１、ｐＴＥ１、ｐＴＳ１、Ｌ１、Ｆ１、及び全ての複雑モード）に関して存在し、但し、これらのモードが非ゼロの厚み伸張偏波成分により電場に結合されることが可能にされる場合である。

上部電極の外側領域において、スタックによりサポートされたエバネセント及び複雑モードは、上部電極のエッジと空気キャビティ１１０のエッジとの間の距離がこれらモードの振幅の十分な指数関数的な減衰を提供するほど十分に広い限り、任意の損失をまねくことができない。一方、伝播モード（所与の周波数でサポートされる場合、Ｌ１、Ｆ１及びＴＳ１のような）は、空気キャビティ１１０のエッジまで自由に伝播することができ、基板１０５への音響放射による損失をもたらす可能性がある。

上記の説明から、音響共振器１００Ｂの性能を向上させるために、主膜領域の全てのスプリアスモード及び主膜領域の外側の伝播モードが抑制されるべきであることが明らかである。図１Ｂ〜図３Ｄに関連して説明されたように、フレーム及びカラーを用いて、スプリアスモードを抑制することができ、それ故に品質計数Ｑを増加させることができる。そのような性能増加のメカニズムは、図７Ｂに例示的に示される。図７Ｂの上部は、音響共振器１００Ｂを示し、その音響共振器１００Ｂは、下部電極１１５、圧電層１２５、上部電極１３５、パッシベーション層１５５、低速複合Ａｌ／Ｍｏフレーム１４５及び上部カラー１４０を含むが、図７Ｂの下部に関して音響共振器１００Ｂの水平位置に関する情報を提供する目的で基板１０５を備えていない。図７Ｂの下部は、図７Ｂの上部に示された下部電極１１５の底面に沿って直列共振周波数Ｆｓより上の周波数において計算された粒子変位の垂直成分と水平成分を示す。水平軸は、マイクロメートル（μｍ）で測定されたデバイス内の横方向位置を表し、垂直軸は、ピコメートル（ｐｍ）で測定された粒子変位を表す。

より具体的には、曲線Ｃ１は、カラー１４０を備えていないが複合フレーム１４５が存在する音響共振器１００Ｂにおけるピストンモードの垂直（又は縦）方向Ｕｚ変位の大きさを示す。曲線Ｃ２は、カラー１４０及び複合フレーム１４５の双方が存在する構造体の音響共振器１００Ｂにおけるピストンモードの垂直（又は縦）方向Ｕｚ変位の大きさを示す。曲線Ｃ３は、カラー１４０を備えていないが複合フレーム１４５が存在する音響共振器１００Ｂにおける全（ピストンモード及び全てのスプリアスモード）垂直（又は縦）方向Ｕｚ変位の大きさを示す。曲線Ｃ４は、カラー１４０及び複合フレーム１４５の双方が存在する構造体の音響共振器１００Ｂにおける全（ピストンモード及び全てのスプリアスモード）垂直（又は縦）方向Ｕｚ変位の大きさを示す。曲線Ｃ５は、カラー１４０を備えていないが複合フレーム１４５が存在する音響共振器１００Ｂにおける全（全てのスプリアスモード、ピストンモード成分無し）水平（又はせん断（すべり））方向Ｕｘ変位の大きさを示す。曲線Ｃ６は、カラー１４０及び複合フレーム１４５の双方が存在する構造体の音響共振器１００Ｂにおける全（全てのスプリアスモード、ピストンモード成分無し）水平（又はせん断（すべり））方向Ｕｘ変位の大きさを示す。曲線Ｃ１〜Ｃ６は、いわゆる音響散乱近似値（Acoustic Scattering Approximation：ＡＳＡ）の範囲内で計算される。ＡＳＡの範囲内で、散乱問題のソース（発生源）項は、考察される幾何学的構成に依存して曲線Ｃ１及びＣ２により求められ（本質的にＫｘ＝０においてメイスン（Mason）モデルから計算される）、全場（考察される幾何学的構成に依存して、曲線Ｃ３及びＣ５、Ｃ２及びＣ６）が、図７Ａに示された固有モードの項のモード展開を用いて各横方向の界面において適切な粒子速度および応力成分連続性条件から計算される。曲線Ｃ１、Ｃ３及びＣ５は裸の共振器に対応し、例示的な性能が、図６の曲線Ｃ１及びＣ３と対応して示された。曲線Ｃ２、Ｃ４及びＣ６は「最高の共振器」に対応し（この場合、「最高」は、説明される文脈において観測された最高の性能を示す）、例示的な性能が、図６の曲線Ｃ２及びＣ４と対応して示された。しかしながら、図６に示された最高の共振器と図７Ｂに示された複合化フレーム及びカラーを備える構造体との間の顕著な違いは、図７Ｂに示された構造体の主膜、複合フレーム１４５及びカラー１４０の横方向の寸法が任意に及び例示の目的のためだけに選択されている点である。特に、複合フレーム１４５は３５ｎｍ（３５０Å）の厚さのＡｌから形成され、約５μｍの幅を有し、カラー１４０はＳｉＣから形成され、約１０μｍの幅を有する。複合フレーム１４５の内側エッジ、上部電極１３５のエッジ、及び外側カラー１４０のエッジは、図７Ｂの上部において垂直線で示される。

図７Ｂを参照すると、裸の共振器に関して、曲線Ｃ１により示されるように、均一なピストンモードが、２０μｍに等しい水平座標に位置する上部電極１３５のエッジまでずっと延びている。上部電極の外側の領域が電気的に駆動されず、明確に異なるモードのセットをサポートするので（Ｌ１、Ｆ１、ｐＴＳ１又はｅＴＳ１、及び非常に多くの複雑ｃＴＥモード、その理由は、駆動周波数が、上部電極の外側の領域におけるカットオフ周波数に比べて主膜領域のＦｓに比較的接近しているからである）、上部電極のエッジは、曲線Ｃ３により示されるように、全粒子変位場の急激な降下を強いる。より具体的には、垂直運動の振幅Ｕｚは、上部電極のエッジから約６μｍの距離における約４２ｐｍから上部電極のエッジ（０μｍのデバイス中心から２０μｍの距離に位置する）における約０ｐｍまで減少する。この降下は、曲線Ｃ３及びＣ５により示されるように、上部電極の下および領域の外側の双方において伝播および複雑モードの追加の励起でもって膜領域における強いエバネセントモードの励起により達成される。図７Ｃに関連して後述されるように、７μｍの範囲内における上部電極の下のＵｚ変位の著しい降下は、横方向の電圧勾配を生じる可能性があり、それは、下部電極１１５及び上部電極１３５のそれぞれにおける横方向電流につながる可能性があり、ジュール加熱に起因するエネルギー損失という結果になる可能性がある。電場に結合することができないスプリアス伝播モードは、音響共振器１００Ｂを形成する材料の粘性損失により最終的に減衰され得る。同時に、曲線Ｃ５により示されるように、約８ｐｍの全振幅を有するせん断（すべり）モードが上部電極の外側の領域で励起され、音響放射に起因してエネルギー損失をまねく。これらエネルギー損失のメカニズムの全ては、裸の共振器のより低い品質係数Ｑの一因になり、その性能は図６の曲線Ｃ１及びＣ３で示された。

再び、図７Ｂを参照すると、複合フレーム１４５及びカラー１４０の双方を含む最高の共振器について、曲線Ｃ２により示されるように、均一なピストンモードが複合フレーム１４５の内側エッジまで延び、そこでその振幅は、約５０％（この特定のフレーム設計および駆動周波数に関して）だけ低下した。上部電極の外側の領域はカラー１４０を含むので、それは、複合フレーム１４５のピストン及びｅＴＥ１モードと機械的に効率的に結合することができるエバネセントモードｅＴＥ１をサポートする（カラー１４０及び主膜が実質的に同様のカットオフ周波数を有するので）。一般に、より薄い複合フレーム１４５は、複合フレーム１４５及びカラー１４０が接近すればするほど、主膜のカットオフ周波数としてｅＴＥ１モード間の結合がより効率的になることである。これは、図５Ｂのそれぞれの曲線Ｃ１、Ｃ２及びＣ３により示された３５ｎｍ（３５０Å）、５０ｎｍ（５００Å）、及び１００ｎｍ（１ｋÅ）の薄いＡｌ／Ｍｏ複合フレームが、図５Ｂの曲線Ｃ４により示された２００ｎｍ（２ｋÅ）の厚い複合フレームよりも良好な性能を何故提供するかを部分的に説明することができる。主膜、複合フレーム１４５及びカラー１４０にエバネセントモードが存在することにより、曲線Ｃ４に示されたような全垂直変位場の漸次的な減衰が可能になる。より具体的には、全垂直運動Ｕｚの振幅は、上部電極のエッジから約１０μｍの距離で約４２ｐｍから、フレーム１４５の内側エッジで約２７ｐｍまで、並びに上部電極のエッジ及びカラー１４０の内側エッジで約１０ｐｍまで減少する。この降下は、曲線Ｃ３及びＣ５により示されるように上部電極、フレーム、カラー及び外側領域の下で伝播および複雑モードの双方の追加の（裸の共振器と比較して）より弱い励起でもって、膜領域における比較的弱いエバネセントモードの励起により達成される。図７Ｃに関連して後述されるように、約１０μｍの範囲内で上部電極の下のＵｚ変位の比較的小さい降下は、比較的より小さい横方向の電圧勾配（裸の共振器と比較して）を生じる可能性があり、それは、下部電極１１５及び上部電極１３５のそれぞれにおける比較的より小さい横方向電流につながる可能性があり、ジュール加熱に起因する比較的より小さいエネルギー損失（裸の共振器と比較して）につながる可能性がある。同時に、約３ｐｍの全振幅を有するせん断モードが、曲線Ｃ６により示されるように、上部電極の外側の領域（カラーを含む）で励起され、結局、裸の共振器に比較して音響放射に起因して約１／７のエネルギー損失ということになる（音響放射を記述するポインティングベクトルの振幅が、機械的変位の二乗振幅に比例するので）。

図７Ｂを再び参照すると、フレーム１４５及びカラー１４０により提供されるデバイス性能に対する上述した改善に加えて、これら双方の構造体の幅は、曲線Ｃ４及びＣ６の局所的な山（ピーク）および谷として示された伝播モードの励起を更に最小化するために調整され得る。しかしながら、一般的にモードｐＴＳ１及びＦ１は、スタックの片側（例えば、下部電極１１５の周りに）に大部分は閉じ込められるが、モードｐＴＥ１及びＬ１は、スタックの反対側（例えば、上部電極１３５の周りに）に大部分は閉じ込められる。かくして、スタックの異なる部分に複合またはアドオン（又はプロセス要件に依存して双方のタイプ）のフレームを配置することは、伝播モードを抑制することに様々な影響を与えることができる。かくして、たとえ図７Ｂの例が単一の複合フレーム及び単一のカラーを示したとしても、図１Ｂ〜図３Ｄに示された例で示されたように、より大幅な性能改善が、スタックの複数の場所に配置されたフレーム（複数）及びカラー（複数）を用いることにより得られることができる。更に、たとえ図７Ｂの例が単一の複合フレームを示したとしても、音響共振器１００Ｂの品質係数での同様の改善は、アドオンフレームでも得られることができる。

横方向の電流から結果として生じるジュール加熱に起因したエネルギー損失は、音響共振器１００Ｂで励起された横方向の固有モードにより生じる電位（自己バイアス）の横方向のプロファイルを分析することにより理解され得る。図７Ｃは、下部電極１１５を接地した状態で上部電極１３５について計算された、デバイスの様々な横方向領域において図７Ｂに示された粒子変位分布により生じた自己バイアスを示す。モデルにおいて、横方向の電流はどちらの電極でも許容されない。特に、曲線Ｃ１及びＣ２は、図７Ｂに関連して説明されたような裸の共振器および最高の共振器それぞれに関して、上部電極１３５により圧電層１２５に提供される電圧の横方向のプロファイルを示す。曲線Ｃ３は、裸の共振器に関して、図７Ｂの曲線Ｃ３及びＣ５により与えられる粒子変位プロファイルにより生じた自己バイアスの大きさを示す。曲線Ｃ４は、最高の共振器に関して、図７Ｂの曲線Ｃ４及びＣ６により与えられる粒子変位プロファイルにより生じた自己バイアスの大きさを示す。留意すべきは、曲線Ｃ１及びＣ２は、２０μｍに位置する上部電極１３５のエッジにおいて急激に終了している。しかしながら、曲線Ｃ３及びＣ４は、スタックの機械的な動きにより生じた圧電層１２５の上部の電位を表すように、上部電極１３５のエッジを越えて続いている。裸の共振器の場合、横方向の粒子分布プロファイル（図７Ｂの曲線Ｃ３及びＣ５）により生じた電圧は、曲線Ｃ３により示されるように、上部電極１３５のエッジに向かって約５μｍの距離にわたって約１Ｖから約０．１Ｖまで減衰する。最高の共振器の場合、横方向の粒子分布プロファイル（図７Ｂの曲線Ｃ４及びＣ６）により生じた電圧は、曲線Ｃ４により示されるように、上部電極１３５のエッジに向かって約１０μｍの距離にわたって約１Ｖから約０．２Ｖまで減衰する。理想的な電圧源条件の下でのジュール加熱は２点間の電圧差の二乗に比例し、これら２点間の抵抗に反比例するので、上部電極１３５におけるジュール加熱に起因したエネルギー損失は、裸の共振器と比較して、最高の共振器に関して約１／２から１／３になることができる。上述した複合フレーム１４５及びカラー１４０を含む最高の共振器におけるジュール加熱の低減は主として、主膜、複合フレーム１４５、及びカラー１４０のような構造体の様々な部分によりサポートされたエバネセントｅＴＥ１モードを用いた上部電極１３５のエッジに向かう自己バイアス減衰の低減に関係する。しかしながら、追加の利点は、主膜領域において伝播モードを抑制することにより得られることができる。特に、裸の共振器（曲線Ｃ３）に比較して最高の共振器（曲線Ｃ４）のデバイスの中央部分における自己バイアスのリップル（伝播モードから結果として生じる）のより小さい振幅は、ジュール加熱に起因したエネルギー損失の追加の低減につながることができる。

上述した実施形態において、カラー及びフレームは一般に、従来の処理技術を用いて形成されることができ、その例には、様々な形態の堆積、スパッタリング、エッチング、研磨などが含まれる。更に、説明された実施形態および関連する製造方法は、当業者には明らかなように様々な態様に変更され得る。

例示的な実施形態が本明細書で説明されたが、当業者には理解されるように、本教示に従った多くの変形形態が可能であり、それは添付の特許請求の範囲の範囲内にある。例えば、上述したように、カラー及び／又はフレームの位置、寸法および材料は、様々に変更され得る。更に、説明されたデバイスの様々な性能特性を更に改善するために、他の特徴要素を追加および／または除去することができる。これらの及び他の変形形態は、本明細書、図面および特許請求の範囲を検証した後に当業者に明らかになるであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の思想および範囲内を除いて制限されるべきではない。

100、100B〜100D、200A〜200D、300A〜300D 音響共振器
105 基板
110 空気キャビティ
115 下部電極
120、130 平坦化層
125 圧電層
135 上部電極
140 カラー
145 フレーム

Claims (20)

1. 音響共振器構造体であって、
   基板の上に配置された第１の電極と、
   前記第１の電極の上に配置された圧電層と、
   前記圧電層の上に配置された第２の電極と、
   前記第１の電極、前記圧電層、及び前記第２の電極の間の重なり部分により画定された主膜領域内に配置され、前記主膜領域の境界と実質的にそろえられた外側エッジを含むフレームと、
   前記フレームから離れて形成され、前記主膜領域の外側に配置され、前記主膜領域の境界と実質的にそろえられた、又は前記主膜領域と部分的に重なる内側エッジを有するカラーとを含む、音響共振器構造体。
2. 前記第２の電極に隣接して前記圧電層の上に配置された平坦化層を更に含み、前記カラーが前記平坦化層と前記第２の電極の上に配置される、請求項１に記載の音響共振器構造体。
3. 前記カラーが、前記下部電極と前記圧電層との間に配置される、請求項１に記載の音響共振器構造体。
4. 前記カラーが、前記下部電極と前記基板との間に配置される、請求項１に記載の音響共振器構造体。
5. 前記フレームが、前記上部電極の下側部分に配置されている、請求項１に記載の音響共振器構造体。
6. 前記フレームが、前記下部電極の下側部分に配置されている、請求項１に記載の音響共振器構造体。
7. 前記主膜領域内に配置され、前記主膜領域の境界と実質的にそろえられた外側エッジを有する追加のフレームを更に含み、前記フレームが前記上部電極の下側部分に配置され、前記追加のフレームが前記下部電極の下側部分に配置される、請求項１に記載の音響共振器構造体。
8. 前記主膜領域内に配置され、前記主膜領域の境界と実質的にそろえられた外側エッジを有する追加のフレームを更に含み、前記フレームが前記上部電極の下側部分に配置され、前記追加のフレームが前記下部電極の上側部分に配置される、請求項１に記載の音響共振器構造体。
9. 前記フレームが、アドオンフレーム又は複合フレームである、請求項１に記載の音響共振器構造体。
10. 前記カラーが、ホウケイ酸ガラス、炭素ドープド酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、ダイヤモンド、又はダイヤモンド状炭素からなる、請求項１に記載の音響共振器構造体。
11. 前記フレームが、銅、モリブデン、アルミニウム、タングステン、イリジウム、ホウケイ酸ガラス、炭素ドープド酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、ダイヤモンド、又はダイヤモンド状炭素の層からなる、請求項１に記載の音響共振器構造体。
12. 前記基板が前記第１の電極の下に位置する空気キャビティを有し、前記主膜領域の境界が、前記空気キャビティの上の前記第２の電極のエッジにより画定される、請求項１に記載の音響共振器構造体。
13. 前記カラーが、前記主膜領域のカットオフ周波数と実質的に同じであるカットオフ周波数を有するカラー領域を画定する、請求項１に記載の音響共振器構造体。
14. 前記フレームは、フレーム領域を画定し、前記フレーム領域と前記主膜領域の中央部分との間でカットオフ周波数の不整合および音響インピーダンスの不整合の少なくとも一方を生じるように構成されている、請求項１に記載の音響共振器構造体。
15. 前記主膜領域内で前記第１又は第２の電極に接続され、前記フレームと隣り合わせの構成に構成された追加のフレームを更に含む、請求項１に記載の音響共振器構造体。
16. 前記フレームが第１のフレーム領域に配置され、第１の方向において前記第１のフレーム領域のカットオフ周波数をシフトするように構成され、前記追加のフレームが、第２のフレーム領域に配置され、前記第１の方向とは反対の第２の方向において前記第２のフレーム領域のカットオフ周波数をシフトするように構成されている、請求項１５に記載の音響共振器構造体。
17. 前記第１の電極と前記基板との間に配置された音響反射器を更に含む、請求項１に記載の音響共振器構造体。
18. 音響共振器構造体であって、
    第１の電極層と第２の電極層との間に挟まれた圧電層を含み、前記第１の電極、前記圧電層、及び前記第２の電極の間の重なり部分により画定された主膜領域を有する音響スタックと、
    前記主膜領域内に配置され、前記主膜領域の境界と実質的にそろえられた外側エッジを有するフレームと、
    前記主膜領域の外側に配置され、前記主膜領域の境界と実質的にそろえられた又は前記主膜領域と部分的に重なる内側エッジを有するカラーとを含み、
    前記フレーム及び前記カラーが前記音響スタックの異なる層に配置される、音響共振器構造体。
19. 前記第１の電極層が空気キャビティを有する基板の上に配置され、前記カラーが前記基板と前記第１の電極層との間に配置され、前記フレームが前記圧電層と前記第２の電極層との間に形成されている、請求項１８に記載の音響共振器構造体。
20. 音響反射器および基板を更に含み、前記音響スタックが、前記音響反射器にわたって前記基板の上に形成されている、請求項１８に記載の音響共振器構造体。

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