JP2022542478A - 厚みモード共振器 - Google Patents

Abstract

空洞がその主面に延在する基板と、基板の主面の上方に配設された、下面および上面電極とその間に配設された圧電層とを含む振動共振子とを含む共振器。更に、基板の空洞を覆うために、二酸化ケイ素層が基板の上方且つ振動共振子の下方に設けられ、ケイ素層が二酸化ケイ素層と振動共振子との間に設けられている。振動共振子の下面電極、上面電極、および圧電層の各々は、共振器のほぼ半波長λ／２を収容するように構成された厚みを有し、ケイ素層は、共振器の半波長λ／２ほぼ倍数を収容する厚みを有する。【選択図】図３

Description

本出願は、高性能共振器に関し、より具体的には、厚みモードオーバートーン共振器に関する。

高速通信システムは、良好な安定性および品質係数を有する高性能共振器を必要とする。現在、これらの共振器は、一般に１０ＭＨｚと１００ＭＨｚの間の周波数で動作する水晶共振器として提供され得る。更に、イーサネット網などのデジタル網の場合は、１００ＭＨｚより高い周波数で動作する弾性表面波（ＳＡＷ：ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ）共振器の使用も可能であるが、これら共振器は相対的に大型で高価である。将来の通信システムおよび技術は、１００ＭＨｚより高い周波数を使用するために諸要件を増やすであろうと予想される。したがって、小型で良好な性能を有する高周波共振器に対する要求が高まっている。

１ＧＨｚ超の周波数においてフィルタとして使用できる共振器の１つの型は、圧電薄膜共振器（ＦＢＡＲ：ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ ｂｕｌｋ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）である。例えば、図１は、例示的な従来型エアギャップ型ＦＢＡＲを示す。図示のように、図１は、ケイ素基板１２から形成されたエアギャップ型ＦＢＡＲ１０の厚み方向の断面図を示す。空洞１４（すなわち、エアギャップ）がケイ素基板１２の中心部に広がっている。更に、振動共振子は、下面電極１６と、圧電層１８と、上面電極２０とから構成されている。更に、参照符号２２は、振動モードの形状を示している。エアギャップ型ＦＢＡＲ１０の振動は主に厚みモードである。この設計において、共振子の厚みは半波長に等しい。加えて、このような従来設計の場合、圧電層１８は、一般に窒化アルミニウム（ＡｌＮ：ａｌｕｍｉｎｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ）から形成されており、下面および上面電極１６および２０は、モリブデン、アルミニウム、タングステン、プラチナ、またはこれらに類するものなど、金属によって形成可能である。

別の種類の従来型共振器は音響多層膜共振器（ＳＭＲ：ｓｏｌｉｄｌｙ ｍｏｕｎｔｅｄ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）である。例えば、図２は、例示的な従来型ＳＭＲ３０を示す。ＳＭＲ３０もケイ素基板３２から形成されており、下面電極３４と、圧電層３６と、上面電極３８とを含む。図１に示されているＦＢＡＲ１０と同様に、参照符号４０は、ＳＭＲ３０の振動モードの形状を示している。この振動も主に厚みモードであり、共振子の厚みは半波長に等しい。ただし、ＦＢＡＲ１０と異なり、図２に示されているＳＭＲ３０は、振動する下面電極３４の下に空洞を有さない。代わりに、共振器３０は、ケイ素基板３２の上に形成された音響反射体４２を含む。反射体４２は、共振器３０からケイ素基板３２へのエネルギー漏洩を最小化するために設けられており、これにより、共振子４０の下の空洞を不要にしている。

ＦＢＡＲ１０は、フィルタ用途のために良好な特性を有するが、このような従来設計は発振器の製作にはあまり適さない。特に、共振周波数は高い（１ＧＨｚ超）が、品質係数は低い（例えば、１，０００と２，０００の間）。加えて、ＦＢＡＲ共振器の周波数温度係数（ＴＣＦ：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）は、水晶共振器より著しく大きい。したがって、良好な温度特性を有する小型の共振器が必要とされている。

本発明の各例示的実施形態は、高性能を可能にし、且つ小型であり、したがって高速通信システムのために必要とされる高周波発振器用途に適した、共振器を提供する。

したがって、一例示的実施形態によると、厚み方向に振動するための共振器が提供される。この態様において、共振器は、空洞がその主面に広がる基板と、基板の主面の上方に配設された圧電膜積層体であって、下面および上面電極とその間に配設された圧電層とを含み、共振器の半波長λ／２にほぼ相当する厚みを備えた圧電膜積層体と、基板の空洞を覆うために基板と圧電膜積層体との間に配設されたケイ素層を少なくとも含む正温度係数積層体であって、共振器の半波長λ／２の倍数にほぼ相当する厚みを備えた正温度係数積層体とを含む。更に、圧電膜積層体は負の温度係数を備え、正温度係数積層体が正の温度係数を有するように正温度係数積層体を構成するために不純物がケイ素層に添加されるので、圧電膜積層体と組み合された正温度係数積層体は、厚み方向に振動するゼロ温度係数オーバートーン共振器として共振器を構成する。

別の例示的態様において、正温度係数積層体は、ケイ素層と圧電膜積層体との間に配設された少なくとも１つの二酸化ケイ素層を更に備える。

別の例示的態様において、圧電膜積層体は、下面および上面電極層の間に配設された少なくとも１つの二酸化ケイ素層を更に備える。

別の例示的態様においては、正の温度係数を圧電膜積層体の負の温度係数と均衡させるように正温度係数積層体を構成するために、燐がケイ素層に添加される。この態様の一改良形態において、燐が添加されたケイ素層の抵抗率は０．８ｍΩ・ｃｍ以下である。

別の例示的態様において、空洞は、空洞の主面に平行な方向に延在する第１の幅を備え、上面電極は、空洞の主面に平行な方向に延在する第２の幅を備える。第２の幅は第１の幅より小さい。更に、１つの態様において、上面電極の第２の幅は、５０μｍと５００μｍの間である。

別の例示的態様において、共振器は、複数のエッチトレンチを含む。複数のエッチトレンチが基板の空洞まで延在するように、複数のエッチトレンチは圧電膜積層体の下面電極および圧電層を貫通して、更には正温度係数積層体を貫通して、延在する。更に、１つの態様において、上面電極は、複数のエッチトレンチの各々が上面電極から等距離に配設されるような表面積を備える。別の態様において、上面電極は、複数のエッチトレンチの各々が上面電極から１０～１００μｍの間の距離にあるような表面積を備える。

別の例示的態様においては、共振器が厚みモードオーバートーン共振器としてとして構成されるように、ケイ素層の厚みは共振器の波長λ／２、λ、３λ／２、または２λのうちの１つを備える。

別の例示的態様において、上面電極は、上面電極がその上に配設されている空洞領域の突出部の８０％以下の表面積を備える。更に、この態様の一改良形態において、共振器の幅方向における上面電極と空洞の一端縁との間の距離は、上面電極から１０～１００μｍの間である。

別の例示的態様においては、共振器が差動発振器として構成されるように、上面電極は複数のセグメント化された上面電極を備え、下面電極は接地され、複数のセグメント化された上面電極のうちの少なくとも２つが互いに位相が１８０度ずれて振動する差動発振器の隣接領域を構成する。

別の例示的実施形態によると、厚み方向に振動する共振器が提供される。この態様において、共振器は、空洞がその主面に広がる基板と、基板の主面の上方に配設された圧電共振子であって、下面および上面電極とその間に配設された圧電層とを含む圧電共振子と、基板の空洞を覆うために基板と圧電共振器との間に配設された正温度係数共振子であって、正温度係数共振子が正の温度係数を有するように正温度係数共振子を構成するために不純物が添加されたケイ素層を少なくとも含む正温度係数共振子とを含む。更に、空洞は、空洞の主面に平行な方向に延在する第１の幅を備え、上面電極は、空洞の主面に平行な方向に延在する第２の幅を備える。第２の幅は第１の幅より小さい。

別の例示的態様において、圧電共振子は負の温度係数を備える。厚み方向に振動するゼロ温度係数オーバートーン共振器として共振器が構成されるように、正温度係数共振子を圧電共振子と平衡させるために、燐がケイ素層に添加される。更に、１つの態様において、圧電共振子は、共振器の半波長λ／２にほぼ相当する厚みを備える。正温度係数共振子は、共振器の半波長λ／２の倍数にほぼ相当する厚みを備える。更に、別の例示的態様においては、共振器が厚みモードオーバートーン共振器として構成されるように、ケイ素層の厚みは共振器の波長λ／２、λ、３λ／２、または２λのうちの１つを備える。

別の例示的態様においては、少なくともケイ素層と圧電共振子との間に、または下面および上面電極層の間に、少なくとも１つの二酸化ケイ素層が配設される。

別の例示的態様において、共振器は、複数のエッチトレンチを含む。複数のエッチトレンチが基板の空洞まで延在するように、複数のエッチトレンチは圧電共振子の下面電極および圧電層を貫通して、更には正温度係数共振子を貫通して、延在する。

複数の例示的実施形態の上記の簡略化された概要は、本開示の基本的な理解をもたらすために役立つ。この概要は、考えられる全ての態様の広範な概要ではなく、その目的は、全ての態様の主要または不可欠な要素を特定することでも、本開示の何れか、または全ての、態様の範囲を示すことでもない。その唯一の目的は、本開示の以下のより詳細な説明の序文として、１つ以上の態様を簡略的に提示することである。上記を達成するために、本開示の１つ以上の態様は、特許請求の範囲に記載されている、特に指摘されている、諸特徴を含む。

本願明細書に組み込まれてその一部を構成する添付の図面は、本開示の１つ以上の例示的実施形態を示しており、詳細な説明と共に、それぞれの原理および具現例を説明するために役立つ。添付の図面は、説明のみを目的としており、したがって一定の縮尺では描かれていない。

例示的な従来型エアギャップ型圧電薄膜共振器の断面図を示す。

例示的な従来型多層膜共振器の断面図を示す。

第１の例示的実施形態による厚みモードオーバートーン共振器を示す。

図３の線Ａ－Ａに沿った、第１の例示的実施形態による厚みモードオーバートーン共振器の断面図を示す。

図４Ａに示されているような厚みモードオーバートーン共振器の例示的実施形態の一改良形態を示す。

図４Ａに示されているような厚みモードオーバートーン共振器の例示的実施形態の一改良形態を示す。

第２の例示的実施形態による厚みモードオーバートーン共振器を示す。

図５の線Ｂ－Ｂに沿った、第２の例示的実施形態による厚みモードオーバートーン共振器の断面図を示す。

第３の例示的実施形態による厚みモードオーバートーン共振器を示す。

図７の線Ｃ－Ｃに沿った、第３の例示的実施形態による厚みモードオーバートーン共振器の断面図を示す。

ここでは、上記の既存デバイスの技術的欠点の多くを克服する厚みモードオーバートーン共振器という文脈において複数の例示的態様を説明する。特に、本願明細書に開示されている各例示的実施形態は、高性能を可能にし、且つ小型であり、したがって高速通信システムのために必要とされる高周波発振器用途に適した、共振器を提供する。

以下の説明は単に説明のためであり、何らの制限も意図していないことを当業者は認識されるであろう。当業者には、本開示の利点を有する他の態様が容易に思い浮かぶであろう。次に、添付の図面に示されている例示的態様の具現例を詳細に参照する。図面および以下の説明の全体にわたって、同じまたは同様のアイテムに言及するために、できる限り同じ参照符号が使用される。

したがって、図３は、第１の例示的実施形態による厚みモードオーバートーン共振器１００を示す。図４Ａは、図３の線Ａ－Ａに沿った厚みモードオーバートーン共振器１００の断面図を示す。

図示のように、第１の例示的実施形態によると、厚みモードオーバートーン共振器１００は、空洞１２０が形成されたケイ素基板１１０の上に形成可能である。この態様において、空洞１２０はケイ素基板１１０の主面の（すなわち、ＸおよびＹ軸に平行な）中心部分または区画に形成され、ケイ素基板１１０の各側面から厚み方向に延在する各側縁１１２が空洞１２０を効果的に画成する。ケイ素層１１０における空洞１２０の形成は、エッチングなど何れかの従来手法を使用して行えることを理解されたい。

更に示されているように、空洞１２０を効果的に覆って密閉するために、二酸化ケイ素層１３０がケイ素基板１１０の上に、特にケイ素基板１１０の各側面１１２の上に、形成され、そこにエアギャップが画成される。一例示的実施形態において、二酸化ケイ素層１３０は１００ｎｍ～２μｍの厚みを備える。更に、単結晶ケイ素層１４０が二酸化ケイ素層１３０の上に形成される（且つその上に配設される）ので、二酸化ケイ素層１３０は単結晶ケイ素層１４０とケイ素基板１１０との間に形成される。単結晶ケイ素層１４０と二酸化ケイ素層１３０とは、正温度係数共振子とも称される正温度係数積層体を共に形成する。これについては、以下により詳細に説明する。更に、一例示的態様によると、単結晶ケイ素層１４０は、２μｍ～５０μｍの厚みを有し得る。

更に示されているように、圧電膜積層体（圧電共振子とも呼称）を単結晶ケイ素層１４０の上に形成するために、金属製下面電極１５０と圧電層１６０と上面電極１７０とが設けられる。１つの例示的態様において、圧電層１６０は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から形成可能であり、０．４μｍ～３μｍの範囲内の厚みを有し得る。加えて、下面および上面電極１５０および１７０は、一般にモリブデンなどの金属であり、０．１μｍ～１μｍの厚みを有する。

図３および図４Ａに示されている例示的実施形態によると、厚みモードオーバートーン共振器１００は、厚みモードで（すなわち、Ｚ軸または鉛直方向に）振動するように構成される。換言すると、振動モードは点線１８０で示されている。振動モードは、圧電膜積層体を貫通してケイ素層１４０の中まで延在する。共振周波数において、モード形状は半波長の倍数である。本例示的実施形態の複数の変形例によると、複数の半波長を厚み方向に収容する圧電膜積層体の厚みおよびケイ素の厚みについては、可能な多くの選択肢が存在することに注目されたい。計時用途のためには、電気機械式結合が最大化されて最小の電気インピーダンスと最大の共振器電流とがもたらされることが好ましい。最適な結合が実現されるのは、共振器１００の共振周波数において半波長λ／２をほぼ収容するように、（金属電極１５０および１７０と圧電薄膜１６０とを含む）圧電膜積層体の厚みが構成されている場合である。この設計構成では、単結晶ケイ素層１４０は、半波長λの倍数を収容するように構成された厚みを備える。例えば、単結晶ケイ素層１４０の厚みは、例えば、λ／２、λ、３λ／２、または２λとして選択可能である。これらの構成に基づき、オーバートーン共振器１００は、高い品質係数を有する厚みモードオーバートーン共振器として構成される。本願明細書に記載の用語「ほぼ（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」は、当業者には理解されるように、製造中に発生し得る各層の厚みの微小変動を考慮に入れるために加えられていることに留意されたい。

１つの例示的態様においては、図３および図４Ａに示されているような構成を有する厚みオーバートーン共振器１００が提供される。この構成において、ケイ素層１４０の厚みは６μｍであり、下面電極１５０の厚みは０．２μｍであり、窒化アルミニウムから形成された圧電層１６０の厚みは１．２μｍであり、上面電極１７０の厚みは０．６μｍである。これらの寸法を有する例示的オーバートーン共振器１００によると、オーバートーン共振器１００は、おおよそ約１．３ＧＨｚの共振周波数で動作するように構成されることになる。したがって、これらの寸法は、おおよそ２つの半波長をケイ素に収容し、１つの半波長をケイ素層１４０の上方の複数の層（すなわち、下面電極１５０、上面電極１７０、および窒化アルミニウム層１６０）に収容する。

別の例示的態様によると、図３および図４Ａに示されているような構成を有する別の厚みオーバートーン共振器１００が提供される。この構成において、ケイ素層１４０の厚みは５μｍであり、下面電極１５０の厚みは０．４μｍであり、窒化アルミニウムで形成された圧電層１６０の厚みは２．２μｍであり、上面電極１７０の厚みは１μｍである。これらの寸法を有する例示的オーバートーン共振器１００によると、例示的オーバートーン共振器１００は、おおよそ約８００ＭＨｚの共振周波数で動作するように構成されることになる。したがって、これらの寸法は、おおよそ２つの半波長をケイ素に収容し、１つの半波長をケイ素層１４０の上方の複数の層（すなわち、下面電極１５０、上面電極１７０、および窒化アルミニウム層１６０）に収容する。

本例示的実施形態によると、圧電層１６０と金属電極１５０および１７０とによって形成された圧電膜積層体は、負の周波数温度係数を有する。換言すると、共振周波数は温度と共に下がる。この技術的影響は、計時用途には極めて望ましくない。したがって、本例示的実施形態においては、図４Ｃ（下記）に示されているように下面電極１５０と上面電極１７０との間に二酸化ケイ素を組み込むことによって、負の周波数温度係数を下げることができる。このアプローチは温度係数を下げるが、その結果としての共振器は一般に相対的に大きな二次温度係数を有し、一般的な温度範囲である－４０℃～８５℃にわたって５０ｐｐｍ超の周波数ドリフトをもたらす。

本例示的態様の一改良形態においては、厚みオーバートーン共振器１００が計時用に構成される場合は、燐を単結晶ケイ素層１４０に添加することによって単結晶ケイ素層１４０の温度補償を行える。本例示的実施形態の好適な一態様においては、５・１０¹⁹１／ｃｍ³超の添加密度で燐をケイ素に添加することによって、ケイ素の温度係数を正にする。更に、本例示的態様の一改良形態においては、燐添加ケイ素の抵抗率を０．８ｍΩ・ｃｍ以下にできる。

好都合なことに、ケイ素の僅かに正の一次温度係数は、金属電極１５０および１７０および圧電層１６０の負の温度係数を平衡させる。良好な温度安定性を必要とする用途において厚みオーバートーン共振器１００が具現化される場合は、温度依存性を低減するための補償物質としてケイ素１４０を使用すると有利である。並外れた周波数安定性を必要とする用途においては、燐の添加を０．６５ｍΩ・ｃｍ未満まで増加できる。これも、共振器の二次温度係数を最小化する。ただし、極めて高い添加濃度は、燐添加ケイ素の正の温度係数の大きさを低下させることが知られている。極めて高い添加濃度で燐が添加されたケイ素は、圧電膜積層体の負の温度依存性を補償できない可能性がある。

本例示的実施形態の更なる改良形態においては、一次温度係数をより正にするために、１つ以上の二酸化ケイ素層を追加できる。これは、二次温度依存性を最小化するために、より高い添加濃度の使用を可能にする。例えば、図４Ｂに示されているような１つの態様においては、単結晶ケイ素層１４０と下面電極１５０との間に追加の二酸化ケイ素層１９０Ｂを組み込むことができる。図４Ｃに示されているような別の例示的態様においては、追加の二酸化ケイ素層１９０Ｃは、単結晶ケイ素１４０の下にある。この例示的態様において、単結晶ケイ素１４０および二酸化ケイ素層１３０または層１３０および１９０Ｂおよび／または１９０Ｃは、圧電膜積層体（すなわち、電極１５０および１７０および圧電層１６０）の温度依存性を補償する正の温度依存性を有する温度補償積層体を形成する。更に、この温度補償積層体層の厚みは、共振周波数においてこの積層体が半波長λの倍数を収容するように構成される。温度補償積層体（すなわち、単結晶ケイ素層と二酸化ケイ素層（単数または複数））と圧電膜積層体（すなわち、上面および下面電極と圧電層）とを組み合わせることによって、－４０℃～８５℃の温度範囲にわたって５０ｐｐｍ未満の総周波数変動を実現できる。

本例示的実施形態によると、１つ以上の半波長がケイ素に収容されるオーバートーン共振器１００を使用することの追加の一利点は、共振器の電気的および機械的特性を調整するために、共振周波数を変化させずに、単結晶ケイ素層１４０の厚みを増大できることである。例えば、上記の第２例においては、単結晶ケイ素層１４０の厚みを半波長の倍数にできる。可能な厚みは、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、等々である。単結晶ケイ素層１４０の厚みを増大させることによって、当業者には理解されるように、共振器１００が機械的により堅牢になる。更に、ケイ素の厚みを増大させることによって、共振器１００全体の周波数温度係数の決定において、ケイ素の温度特性がより大きな役割を果たす。ケイ素の温度依存性は精確に調整および制御可能であるので、金属電極１５０および１７０および圧電層１６０の厚みに比べ、ケイ素の層厚がより大きいと、良好な温度特性を有する高性能共振器を製作するために有利である。

良好な温度特性に加え、重要であるのは、上記のように、厚みオーバートーン共振器１００が高い品質係数を有することである。この性能特性のためには、振動１００を共振器内に閉じ込め、基板１１０へのエネルギー漏洩を最小化する必要がある。図３および図４において、例えば、厚み振動モード（すなわち、参照符号１８０）は、上面電極１７０によって画成された領域の下に閉じ込められる。１つの例示的態様において、上面電極１７０は、２，５００μｍ²～２５０，０００μｍ²の平坦な（すなわち、ＸおよびＹ軸方向に平行な方向に）表面積を有することができる。更に、５０μｍ～５００μｍの電極幅（すなわち、ＸおよびＹ軸方向）を有する上面電極１７０を形成できる。

本例示的態様の更なる改良形態においては、図４に示されているように、空洞１２０の幅（例えば、Ｘ軸方向の直径）は、上面電極１７０の対応する幅より大きい。特に、上面電極１７０の領域の外側では、上面電極の端縁１７２からの距離が増すにつれ、振動振幅が減衰する。そのため、空洞１２０が空洞１２０の主面に平行な方向に延在する第１の幅を備え、上面電極１７０が空洞の主面に平行な方向に延在する、第１の幅より狭い、第２の幅を備えるように、共振器が構成される。

したがって、エネルギー損失を最小化するために、ひいては共振器１００の品質係数を最大化するために、そのＸおよびＹ方向の幅が上面電極１７０の表面領域のＸおよびＹ方向の対応する幅より大きい空洞１２０がケイ素基板１１０に形成される。更に、一例示的態様において、電極端縁１７２と空洞端縁１１２との間の（例えば、Ｘ方向に延在する）距離は、理想的にはいくつかの波長であるべきである。例えば、電極端縁１７２から空洞端縁１１２までの（Ｘ軸方向の）距離は、１０μｍと１００μｍの間にできる。したがって、更に、空洞１２０によって画成される（すなわち、上面図からの）面積は、４，９００μｍ²～４９０，０００μｍ²である。この構成によると、上面電極１７０は、共振器の面積の８０％以下の面積を空洞１２０の上に備える。

別の例示的態様において、図５は、第２の例示的実施形態による厚みモードオーバートーン共振器を示す。図６は、図５の線Ｂ－Ｂに沿った、第２の例示的実施形態による厚みモードオーバートーン共振器の断面図を示す。

第２の例示的実施形態による厚みモードオーバートーン共振器２００は、図３および図４に示されている構成要素と同じ構成要素を多数備えていることに注目されたい。例えば、厚みモードオーバートーン共振器２００は、振動共振子を形成するために、通常、ケイ素基板２１０と、ケイ素基板２１０の上に形成された二酸化ケイ素層２３０と、その上に配設された単結晶ケイ素層２４０と、下面電極２５０、圧電層２６０、および上面電極２７０から成る積層構成とを含む。更に、これら構成要素の各々は、第１の例示的実施形態による厚みモードオーバートーン共振器１００の構成要素に関する上記説明と同じ構成および同じ寸法（例えば、厚み）で設けられ得る。更に、厚みモードオーバートーン共振器２００は、厚みモードで、すなわち点線２８０で示されているように、振動するように構成されていることに注目されたい。

加えて、第２の例示的実施形態によると、図３および図４に示されているように、複数のエッチトレンチ２６２が二酸化ケイ素層２３０およびケイ素層２４０（ならびに、電極２５０および２７０と圧電層２６０とによって形成された振動共振子）を貫通して延在するので、複数のエッチトレンチ２６２はケイ素基板２１０に形成された空洞２２０まで延在する。エネルギー損失を更に減らし、品質係数を向上させるために、複数のエッチトレンチ２６２が共振器２６２にエッチングされると有利である。これらエッチングされた溝は、複数の薄膜と単結晶ケイ素２４０とを貫通するエッチングによって画成可能である。更に、共振子（すなわち、電極２５０および２７０ならびに圧電層２６０）をケイ素基板２１０に取り付けるために、１つ以上の狭いアンカー２６４を効果的に形成するように、共振器の周囲のコーナー接続部２６４がエッチングされていない。

すなわち、この例示的態様の一改良形態においては、エッチングされたトレンチ２６２によって共振器のエネルギー損失が最小化される場合でも、上面電極２７０の側縁２７２から溝またはトレンチ２６２の（図６に示されている）端縁２６６までの距離は、複数の波長であり、１０μｍ～１００μｍの範囲内であることが好ましい。更に、上記のような同様の一構成において、上面電極２７０の面積（すなわち、ＸおよびＹ軸方向）は、エッチングされたトレンチ２６２によって囲まれる共振子の面積の８０％以下である。

本例示的態様の更なる一改良形態において、上面電極２７０は、多角形（例えば、矩形または正方形）の表面形状（すなわち、ＸおよびＹ軸方向に平行）を含む。更に、複数のエッチトレンチ２６２は、図５に更に示されているように、上面電極２７０から等距離に配設可能であると考えられる。

別の例示的態様において、図７は、第３の例示的実施形態による厚みモードオーバートーン共振器３００を示す。図８は、図７の線Ｃ－Ｃに沿った、第３の例示的実施形態による厚みモードオーバートーン共振器の断面図を示す。

第３の例示的実施形態による厚みモードオーバートーン共振器３００は、第１および第２の例示的実施形態に示されている構成要素と同じ構成要素を多数備えることに注目されたい。例えば、厚みモードオーバートーン共振器３００は、通常、ケイ素基板３１０と、ケイ素基板３１０の上に形成された二酸化ケイ素層３３０と、その上に配設された単結晶ケイ素層３４０と、下面電極３５０、圧電層３６０、および上面電極３７０を含む共振子用の積層構成とを含む。更に、これら構成要素の各々は、第１および第２の例示的実施形態による厚みモードオーバートーン共振器１００および２００の構成要素に関して上で説明したのと同じ構成および同じ寸法（例えば、厚み）で設けられ得る。更に、複数のエッチトレンチ３６２が二酸化ケイ素層３３０とケイ素層３４０（ならびに下面電極３５０と圧電層３６０）とを貫通して延在するので、複数のエッチトレンチ３６２はケイ素基板３１０に形成された空洞３２０まで延在する。

加えて、図７に示されているように、例えば、厚みモードオーバートーン共振器３００は、雑音および振動公差が必要とされる用途においても具現化されるように構成されている。その結果、共振器は、差動発振器を構築するために、差動入出力を有すると有利である。すなわち、本例示的実施形態によると、厚みモードオーバートーン共振器３００は、２つ以上の領域３７２および３７４にセグメント化された上面電極（すなわち、セグメント化された上面電極部分）を含む。更に図８に示されているように、対応する領域３７２および３７４の下で、振動モードは、点線のモード形状線３８０Ａおよび３８０Ｂで示されているように、位相が１８０度ずれている。したがって、差動発振器を形成するために、下面電極３５０は接地可能であり、信号出力は、２つの上面電極構成要素／領域３７２および３７４の間で差動的に測定され得る。厚みモードオーバートーン共振器３００は、差動発振器として具現化される場合も、厚みモードで振動するように構成されることを理解されたい。

明瞭化のために、本願明細書には実施形態の全ての通常の特徴が開示されている訳ではない。本開示の何れかの実際の具現例の開発において、設計者固有の目標を達成するために、実装固有の多数の決定を行う必要があるが、これら固有の目標は、さまざまな具現例およびさまざまな設計者にとって異なることを理解されたい。このような設計努力は複雑で時間がかかることもあるが、それにも拘わらず、当業者にとっては日常の設計業務であり、この開示の利点を有することを理解されたい。

更に、本願明細書に使用されている表現または用語は、制限のためではなく、説明のためであるので、本願明細書の用語または表現は、本願明細書に提示されている教示および指示に照らして、当業者（単数または複数）の知識と組み合わせて、当業者によって解釈されるべきであることを理解されたい。更に、明細書または特許請求の範囲に含まれている何れの用語も、明示的に記載されていない限り、非一般的または特殊な意味を有するとは意図されていない。

以上、複数の例示的実施形態と併せて説明してきたが、用語「例示的（ｅｘｅｍｐｌａｒｙ）」は単に一例であることを意味していると理解されたい。したがって、本出願は、本願明細書に開示されている厚みモード共振器の精神および範囲に含まれ得る代替、変更、および均等物をカバーすることを意図している。

１００、２００、３００ 厚みモードオーバートーン共振器
１１０、２１０、３１０ ケイ素基板
１１２ ケイ素基板の側面
１２０、２２０、３２０ 空洞
１３０、２３０、３３０、１９０Ｂ、１０９Ｃ 二酸化ケイ素層
１４０、２４０、３４０ 単結晶ケイ素層
１５０、２５０、３５０ 下面電極
１６０、２６０、３６０ 圧電層
２６２、３６２ エッチトレンチ
２６４ コーナー接続部
１７０、２７０ 上面電極
１７２ 電極端縁
１８０、２８０、３８０Ａ、３８０Ｂ 振動モード
３７２、３７４ セグメント化された上面電極領域

別の種類の従来型共振器は音響多層膜共振器（ＳＭＲ：ｓｏｌｉｄｌｙ ｍｏｕｎｔｅｄ ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）である。例えば、図２は、例示的な従来型ＳＭＲ３０を示す。ＳＭＲ３０もケイ素基板３２から形成されており、下面電極３４と、圧電層３６と、上面電極３８とを含む。図１に示されているＦＢＡＲ１０と同様に、参照符号４０は、ＳＭＲ３０の振動モードの形状を示している。この振動も主に厚みモードであり、共振子の厚みは半波長に等しい。ただし、ＦＢＡＲ１０と異なり、図２に示されているＳＭＲ３０は、振動する下面電極３４の下に空洞を有さない。代わりに、共振器３０は、ケイ素基板３２の上に形成された音響反射体４２を含む。反射体４２は、共振器３０からケイ素基板３２へのエネルギー漏洩を最小化するために設けられており、これにより、下面電極３４の下の空洞を不要にしている。

図示のように、第１の例示的実施形態によると、厚みモードオーバートーン共振器１００は、空洞１２０が形成されたケイ素基板１１０の上に形成可能である。この態様において、空洞１２０はケイ素基板１１０の主面の（すなわち、ＸおよびＹ軸に平行な）中心部分または区画に形成され、ケイ素基板１１０の各上面から厚み方向に延在する各側縁１１２が空洞１２０を効果的に画成する。ケイ素層１１０における空洞１２０の形成は、エッチングなど何れかの従来手法を使用して行えることを理解されたい。

更に示されているように、空洞１２０を効果的に覆って密閉するために、二酸化ケイ素層１３０がケイ素基板１１０の上に、特にケイ素基板１１０の各側縁１１２の上に、形成され、そこにエアギャップが画成される。一例示的実施形態において、二酸化ケイ素層１３０は１００ｎｍ～２μｍの厚みを備える。更に、単結晶ケイ素層１４０が二酸化ケイ素層１３０の上に形成される（且つその上に配設される）ので、二酸化ケイ素層１３０は単結晶ケイ素層１４０とケイ素基板１１０との間に形成される。単結晶ケイ素層１４０と二酸化ケイ素層１３０とは、正温度係数共振子とも称される正温度係数積層体を共に形成する。これについては、以下により詳細に説明する。更に、一例示的態様によると、単結晶ケイ素層１４０は、２μｍ～５０μｍの厚みを有し得る。

良好な温度特性に加え、重要であるのは、上記のように、厚みオーバートーン共振器１００が高い品質係数を有することである。この性能特性のためには、振動を共振器１００内に閉じ込め、基板１１０へのエネルギー漏洩を最小化する必要がある。図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃにおいて、例えば、厚み振動モード（すなわち、参照符号１８０）は、上面電極１７０によって画成された領域の下に閉じ込められる。１つの例示的態様において、上面電極１７０は、２，５００μｍ２～２５０，０００μｍ２の平坦な（すなわち、ＸおよびＹ軸方向に平行な方向に）表面積を有することができる。更に、５０μｍ～５００μｍの電極幅（すなわち、ＸおよびＹ軸方向）を有する上面電極１７０を形成できる。

加えて、第２の例示的実施形態によると、図５および図６に示されているように、複数のエッチトレンチ２６２が二酸化ケイ素層２３０およびケイ素層２４０（ならびに、電極２５０および２７０と圧電層２６０とによって形成された振動共振子）を貫通して延在するので、複数のエッチトレンチ２６２はケイ素基板２１０に形成された空洞２２０まで延在する。エネルギー損失を更に減らし、品質係数を向上させるために、複数のエッチトレンチ２６２が共振器２００にエッチングされると有利である。これらエッチングされた溝は、複数の薄膜と単結晶ケイ素２４０とを貫通するエッチングによって画成可能である。更に、共振子（すなわち、電極２５０および２７０ならびに圧電層２６０）をケイ素基板２１０に取り付けるために、１つ以上の狭いアンカー２６４を効果的に形成するように、共振器の周囲のコーナー接続部２６４がエッチングされていない。

１００、２００、３００ 厚みモードオーバートーン共振器
１１０、２１０、３１０ ケイ素基板
１１２ 側縁
１２０、２２０、３２０ 空洞
１３０、２３０、３３０、１９０Ｂ、１０９Ｃ 二酸化ケイ素層
１４０、２４０、３４０ 単結晶ケイ素層
１５０、２５０、３５０ 下面電極
１６０、２６０、３６０ 圧電層
２６２、３６２ エッチトレンチ
２６４ コーナー接続部
１７０、２７０ 上面電極
１７２ 電極端縁
１８０、２８０、３８０Ａ、３８０Ｂ 振動モード
３７２、３７４ セグメント化された上面電極領域

Claims (20)

1. 厚み方向に振動するように構成された共振器であって、前記共振器は、空洞がその主面に延在する基板と、前記基板の前記主面の上方に配設された圧電膜積層体であって、下面および上面電極とその間に配設された圧電層とを含み、前記共振器の半波長λ／２にほぼ相当する厚みを備えた圧電膜積層体と、前記基板の前記空洞を覆うために前記基板と前記圧電膜積層体との間に配設されたケイ素層を少なくとも含む正温度係数積層体であって、前記共振器の前記半波長λ／２の倍数にほぼ相当する厚みを備えた正温度係数積層体とを備え、前記圧電膜積層体は負の温度係数を備え、前記圧電膜積層体と組み合された前記正温度係数積層体が前記厚み方向に振動するゼロ温度係数オーバートーン共振器として前記共振器を構成するように、前記正温度係数積層体が正の温度係数を有するように前記正温度係数積層体を構成するために、不純物が前記ケイ素層に添加されている、共振器。
2. 前記正温度係数積層体は、前記ケイ素層と前記圧電膜積層体との間に配設された少なくとも１つの二酸化ケイ素層を更に備える、請求項１に記載の共振器。
3. 前記圧電膜積層体は、前記下面および上面電極層の間に配設された少なくとも１つの二酸化ケイ素層を更に備える、請求項１に記載の共振器。
4. 前記正温度係数を前記圧電膜積層体の前記負の温度係数と平衡させるように前記正温度係数積層体を構成するために、燐が前記ケイ素層に添加されている、請求項１に記載の共振器。
5. 前記燐添加ケイ素層の抵抗率は０．８ｍΩ・ｃｍ以下である、請求項４に記載の共振器。
6. 前記空洞は、前記空洞の前記主面に平行な方向に延在する第１の幅を備え、前記上面電極は、前記空洞の前記主面に平行な前記方向に延在する第２の幅を備え、前記第２の幅は前記第１の幅より小さい、請求項１に記載の共振器。
7. 前記上面電極の前記第２の幅は５０μｍと５００μｍの間である、請求項６に記載の共振器。
8. 複数のエッチトレンチが前記基板の前記空洞まで延在するように、前記圧電膜積層体の前記下面電極と前記圧電層とを貫通して、更には前記正温度係数積層体を貫通して、延在する複数のエッチトレンチを更に備える、請求項１に記載の共振器。
9. 前記上面電極は、前記複数のエッチトレンチの各々が前記上面電極から等距離に配設されるような表面積を備える、請求項８に記載の共振器。
10. 前記上面電極は、前記複数のエッチトレンチの各々が上面電極から１０～１００μｍの間の距離にあるような表面積を備える、請求項９に記載の共振器。
11. 前記共振器が厚みモードオーバートーン共振器として構成されるように、前記ケイ素層の厚みは前記共振器の波長λ／２、λ、３λ／２、または２λのうちの１つを備える、請求項１に記載の共振器。
12. 前記上面電極は、前記上面電極がその上に配設される空洞領域の突出部の８０％以下である表面積を備える、請求項１に記載の共振器。
13. 前記共振器の幅方向における前記上面電極と前記空洞の一端縁との間の距離は、上面電極から１０～１００μｍの間である、請求項１２に記載の共振器。
14. 前記共振器が差動発振器として構成されるように、前記上面電極は複数のセグメント化された上面電極を備え、前記下面電極は接地され、前記複数のセグメント化された上面電極のうちの少なくとも２つが互いに位相が１８０度ずれて振動する前記差動発振器の隣接領域を構成する、請求項１に記載の共振器。
15. 厚み方向に振動するように構成された共振器であって、前記共振器は、空洞がその主面に延在する基板と、前記基板の前記主面の上方に配設された圧電共振子であって、下面および上面電極とその間に配設された圧電層とを含む圧電共振子と、前記基板の前記空洞を覆うために前記基板と前記圧電共振子との間に配設された正温度係数共振子であって、前記正温度係数共振子が正の温度係数を有するように前記正温度係数共振子を構成するために、不純物が添加されたケイ素層を少なくとも含む正温度係数共振子とを備え、前記空洞は前記空洞の前記主面に平行な方向に延在する第１の幅を備え、前記上面電極は前記空洞の前記主面に平行な前記方向に延在する第２の幅を備え、前記第２の幅は前記第１の幅より小さい、共振器。
16. 前記圧電共振子は負の温度係数を備え、前記共振器が前記厚み方向に振動するゼロ温度係数オーバートーン共振器として構成されるように、前記正温度係数共振子を前記圧電共振子と平衡させるために、燐が前記ケイ素層に添加されている、請求項１５に記載の共振器。
17. 前記圧電共振子は、前記共振器の半波長λ／２にほぼ相当する厚みを備え、前記正温度係数共振子は、前記共振器の前記半波長λ／２の倍数にほぼ相当する厚みを備える、請求項１６に記載の共振器。
18. 前記共振器が厚みモードオーバートーン共振器として構成されるように、前記ケイ素層の厚みは、前記共振器の波長λ／２、λ、３λ／２、または２λのうちの１つを備える、請求項１７に記載の共振器。
19. 少なくとも前記ケイ素層と前記圧電共振子との間に、または前記下面および上面電極層の間に、少なくとも１つの二酸化ケイ素層が配設されている、請求項１５に記載の共振器。
20. 複数のエッチトレンチが前記基板の前記空洞まで延在するように、前記圧電共振子の前記下面電極と前記圧電層とを貫通して、更には前記正温度係数共振子を貫通して、延在する複数のエッチトレンチを更に備える、請求項１５に記載の共振器。

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