JP3929892B2 - 音響共振器 - Google Patents
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Description
【０００１】
このような共振器は、通常、２つの電極と、その間に配置されている圧電層（piezoelektrischen Schicht）とから構成されている一連の層を有している。また、バルク音響波共振器（Bulk-Acoustic-Wave Resonator）は、例えば、膜または音響鏡（akustischen Spiegel）上に配置されている上記のような一連の層により構成されている（例えば、米国特許公報５，８７３，１５４号（ＵＳ５，８７３，１５４）参照）。いわゆる直列および並列共振の領域においては、約半分の波が上記一連の層における全体の厚みに沿って広がるように、常在垂直波が形成される。
【０００２】
通常、圧電層は、プロセス技術では析出するのが難しい、例えば、ＡｌＮのような物質から構成されている。また、析出時間を短縮するためには、共振器ができるだけ薄い圧電層を有することが好ましい。
【０００３】
インピーダンスレベルが同である場合、圧電層が薄くなるにつれて、必要となる共振器の表面積が減少するという理由からも、薄い圧電層が好ましい。その結果、薄い圧電層を有する共振器は、所要面積が小さい。フィルター特性曲線の通過帯域において、挿入損失（Einfuegedaempfung）を少さくすることを保証するため、共振器には特定のインピーダンスレベルが必要である。
【０００４】
また、共振器の共振周波数は、上記一連の層に含まれる全ての層の厚みによって決定される。すなわち、共振器の共振周波数は、活性な圧電層のみによるのではなく、電極の厚さによっても決定されるので、所定の共振周波数の場合、電極の厚さを上昇させることにより、圧電層の厚さを減少させることができる。層の厚みの変化が、どれほど共振周波数に影響するかは、電極の音響パラメータに依存している。層の厚みが厚くなる場合、重く、硬い物質は、軽く、柔らかい物質よりも周波数をより減少させる。
【０００５】
通常、電極は、アルミニウムから作られている。これは、アルミニウムが、ＣＭＯＳ互換性を有するためである。このことにより、共振器を簡単に製造できる。更に、アルミニウムは、電気導電性が高い。しかし、アルミニウムの音響特性は、あまり好ましくない。
【０００６】
本発明に先立ち、本発明者は、これらの特性を調査した。ここで、得られた結果のいくつかを、以下に詳しく説明する。例えば、共振周波数９００ＭＨｚの場合、圧電層の厚みは、電極なしで約５．５μｍでなければならない。また、電極を備えることにより、共振周波数を同じにしたまま、この層の厚みを減少させることができる。図１ａは、上記のような共振周波数の場合に、圧電層の厚みが、アルミニウム電極の厚みに依存していることを示している。また、圧電層の厚みを、５．５μｍから３μｍに減少させるためには、約１．０５μｍの厚さのアルミニウム電極が必要である。このような厚みの電極の場合、共振器の音響特性が、不十分であることがわかった。これは、アルミニウム電極の厚みが厚い場合には、有効な結合係数が非常に小さいからである。結合係数の平方（Koppelkoeffizient zum Quadrat）は、Ｋeff 2＝ｐｉ＾２＊（ｆｐ／ｆｓ−１）／４として定義される。この際、ｆｓは、直列共振周波数、ｆｐは、並列共振周波数を示している。図１ｂは、結合係数の平方が、アルミニウム電極の厚みに依存していることを示している。この際、圧電層は、ＡｌＮから構成されている。共振周波数が９００ＭＨｚの場合に、圧電層の厚さを３μｍに減少させたいなら、結合係数の平方が、例えばＧＳＭ帯での使用には条件を満たさない０．０５未満へと著しく減少してしまう。
【０００７】
ところで、電極用の物質としてタングステンを使用することが、既に提案されている（例えば、米国特許公報第５，５８７，６２０号（ＵＳ５，５８７，６２０）参照）。そして、本発明に先立つ調査から以下の結果が得られた：図２ａは、９００ＭＨｚの共振周波数の場合に、圧電層の厚みが、タングステン電極の厚さに依存していることを示している。図１ａと比較して、アルミニウムの代わりに電極物質としてタングステンが使用される場合、極めて薄い（すなわち、約３００ｎｍ厚の）電極により、圧電層の厚さを、５．５μｍから３μｍへ確実に減少できる。その理由は、タングステンのより高い音響インピーダンスによる。図２ｂは、結合係数の平方が、タングステン電極の厚みに依存していることを示している。この際、圧電層は、ＡｌＮから構成されている。電極の厚さが３００ｎｍの場合、結合係数は非常に高い。これにより、共振器は、非常によい音響特性を備えている。
【０００８】
しかし、アルミニウム電極に対して、このタングステン電極には、対応する共振器が低質な電気特性を有するという不都合があるために、挿入損失があまりにも高くなる。その理由は、３００ｎｍの厚みのタングステン電極の電気抵抗が、高すぎるためである。
【０００９】
また、音響共振器の製造の際に圧電層を保護するため、米国特許公報第５，７６０，６６３号（ＵＳ５，７６０６６３）では、圧電層と、電極との間に、窒化シリコンから構成される緩衝層を備えることが提案されている。
【００１０】
本発明の目的は、従来技術と比較して、より薄い圧電層を有し、優れた音響的および電気的特性を有する音響共振器を提供することである。
【００１１】
本目的は、第１電極、第２電極、および、その間に配置されている圧電層を有する音響共振器によって達成される。この際、第１電極と圧電層との間に、第１音響圧縮層（erste akustische Verdichtungsschicht）が配置されている。この第１音響圧縮層は、第１電極よりも高い音響インピーダンスを有している。
【００１２】
そして、共振器は、第１電極、第１圧縮層、圧電層および第２電極から少なくとも構成される一連の層を備えている。共振の際に、半分の波が、上記一連の層における全ての厚みに沿って伝わる。
【００１３】
本発明は、上述した調査結果と、一連の層における１つの層の層厚を変更することによる共振周波数への影響が、該当する層の音響パラメータのみに依存しているのではなく、圧電層に対する該当する層の状態にも依存しているという認識とに基づいている。ここで、圧電層の近くにある層は、遠くにある層よりも強く作用する。
【００１４】
第１圧縮層を備えることにより、共振周波数を同じとしたまま、圧電層の厚みを減少できる。薄い第１圧縮層が、圧電層の厚みを著しく減少させるために十分なように、第１圧縮層の物質が選択される。このことにより、結合係数は高いままであり、その結果、共振器は優れた音響特性を備える。
【００１５】
上記第１電極は、圧電層から第１圧縮層よりも更に離れて置かれるため、共振器の音響特性にほとんど影響しない。また、上記第１電極の物質は、電気抵抗が小さいという音響特性を考慮せずに選択できるため、共振器は、優れた電気特性を備える。例えば、低い電気抵抗につながれる、３００〜６００ｎｍの厚みを有するＡｌ製の電極が、第１圧縮層を備えることにより達成される結合係数をほんの僅かに低質化させ、共振周波数をほんの少し下げる。このことは、圧電層の厚みの付加的な（望ましい）僅かな減少によって、同様に調整できる。
【００１６】
本発明により、圧電層を任意の厚みとしても、共振器の音響特性および電気特性を、相互に無関係に最適化できる。さらに、圧電層の厚さが薄い場合にも、共振器について優れた音響特性と電気特性とを得られる。
【００１７】
また、特に優れた音響特性が得られるのは、圧電層の音響インピーダンスに対する第１圧縮層の音響インピーダンスの比率ができるだけ大きい場合である。さらに、第１圧縮層の音響インピーダンスに対する第１電極の音響インピーダンスの比率は、できるだけ小さいことが好ましい。
【００１８】
ここで、高い音響インピーダンスを有する第１圧縮層の物質としては、Ｗ，Ｍｏ，Ｐｔ，Ｔａ，ＴｉＷ，ＴｉＮ，Ｉｒ，ＷＳｉ，Ａｕ，ＡＬ2Ｏ3，ＳｉＮ，Ｔａ2Ｏ5および酸化ジルコニウムが特に適している。最後の４つの物質は、誘電体である。
【００１９】
また、圧縮層には導電性の物質が使用されることが好ましい。この際、上に挙げた最初の９つの物質が特に好ましい。導電性物質は、誘電性物質の場合に生じるような直列キャパシタの形成を特に防止する。
【００２０】
また、圧電層の物質としては、例えば、ＡｌＮ，ＺｎＯ，ＰＺＴ，ＬｉＮｂＯ3が適している。
【００２１】
ここで、電極物質の導電性が、電極物質から接続配線を製造するのに十分となるように、電極物質を選択できる。従って、電極を生成する際に、同時に接続配線を製造できる。また、電極は、このような接続配線の一部でもよい。
【００２２】
また、電極物質を、接続配線との接続に適切なように選択できる。例えば、第１電極または第２電極は、接続配線が半田付けされるボンディングパッドとして使用される。
【００２３】
上記電極は、基本的に、アルミニウム、チタン、銀、または銅から構成されていることが好ましい。特に、ＡｌおよびＣｕは、電気導電性が高く、さらに、ＣＭＯＳ互換性がある。
【００２４】
また、上記電極の電気抵抗を十分に小さくするため、電極は少なくとも２００ｎｍの厚みであることが好ましい。
【００２５】
そして、上記第１圧縮層の近くに、第２圧縮層も備えられている場合に、共振器について特に優れた音響および電気特性が得られる。この第２圧縮層は、第２電極と、圧電層との間に配置されている。
【００２６】
上記音響共振器は、バルク音響波共振器として設計できる。一連の層は、膜または音響鏡の上に配置されていてもよい。この際、第１電極または第２電極は、音響鏡または膜に境を接していてもよい。正確に言えば、膜または音響鏡も共振周波数に影響する。しかし、この影響は僅かである。共振器の音響特性および電気特性を最適化する場合に、膜もしくは鏡を考慮できるが、必要ではない。
【００２７】
上記圧電層の音響インピーダンスに対する圧縮層の音響インピーダンスの比率が、２より大きくなるように、圧縮層の物質が選択されれば、特に好ましい。
【００２８】
また、圧縮層の音響インピーダンスに対する第１電極の音響インピーダンスの比率が、１／３より小さくなるように、第１電極の物質が選択されれば、更に好ましい。
【００２９】
以下に２つの比較例および本発明の実施例を、図３から６を参照しながら詳しく説明する。
【００３０】
図３は、アルミニウムから構成される第１電極、圧電層、および、アルミニウムから構成される第２電極を有する第１共振器の断面を示している。さらに、共振の際における音響波の応力場（Stressfeld）が記載されている。図４は、タングステンから構成される第１電極、圧電層、および、タングステンから構成される第２電極を有する第２共振器の断面を示している。さらに、共振の際における音響波の応力場が記載されている。図５は、アルミニウムから構成される第１電極、タングステンから構成される第１圧縮層、圧電層、タングステンから構成される第２圧縮層、および、アルミニウムから構成される第２電極を有する第３共振器の断面を示している。さらに、共振の際における音響波の応力場が記載されている。図６は、有効な結合係数の等値プロット（実線）、および、第３共振器に対してアナログに形成された共振器の圧電層の厚みを、電極および圧縮層の厚みの関数として示している。
【００３１】
上記第１比較例では、第１共振器が備えられている。この第１共振器は、ＡｌＮから構成される圧電層Ｐ’を備えている。この圧電層Ｐ’は、アルミニウムから構成される第１電極Ｅ１’と、アルミニウムから構成される第２電極Ｅ２’との間に配置されている。共振の際における対応する応力場は、圧電層Ｐ’について強い変化を示す（図３参照）。圧電結合は、平均応力に対して比例しているので、電極Ｅ１’，Ｅ２’の近くの領域は、圧電層Ｐ’の中央領域よりも寄与しない。
【００３２】
上記第２比較例では、第２共振器が備えられている。この第２共振器は、ＡｌＮから構成されている圧電層Ｐ”を備えている。この圧電層Ｐ”は、タングステンから構成されている第１電極Ｅ１”と、タングステンから構成されている第２電極Ｅ２”との間に配置されている。応力分布（Stressverteilung）は、電極Ｅ１”，Ｅ２”で強い傾斜を有しており、圧電層Ｐ”の上側では比較的一定である（図４参照）。このことは、圧電層Ｐ”の全ての領域の強い結合に通じる。タングステンの高い音響インピーダンスは、いわば、圧電層Ｐ”における音響波を「圧縮する」。
【００３３】
上記実施例において、第３共振器が備えられている。この第３共振器は、音響波と電気の電圧変化とを相互に変換するための一連の層を備えている。この一連の層は、アルミニウムから構成される第１電極Ｅ１、その上に、タングステンから構成される第１圧縮層Ｖ１、その上に、ＡｌＮから構成される圧電層Ｐ、その上に、タングステンから構成される第２圧縮層Ｖ２、そして、その上にアルミニウムから構成される第２電極Ｅ２を備えている。共振の際における応力分布は、ほぼ第２共振器の応力分布に相当している（図５参照）。つまり、圧縮効果は、第２共振器に更なる層（ここではアルミニウム）が備えられている場合でも、まだ存在する。アルミニウムでは音響波が僅かな傾斜を有しているにもかかわらず、タングステンは、音響圧力（すなわち、音響エネルギー）を圧電層に圧縮している。従って、タングステンは、「音響圧縮層」として使用されている。
【００３４】
上記２つの比較例および実施例の共振器は、同じ共振周波数と、ほぼ、それぞれに可能な最適な有効な結合係数を有するように配置されている。
【００３５】
電場と応力場との間に十分な結合を達成するために、上記圧縮層は、圧電層に形成されている応力場は比較的均一であるという効果を達成する。このことは、より高い結合係数をもたらす。これに対し、圧縮層に、より小さな応力場が割り当てられる。このより小さな応力場は、場が圧電性の層にある場合、割りあい、ほとんど結合に寄与しない。応力場の「圧縮」により、共振周波数が同じまま、共振器を全体的により薄く形成できる。
【００３６】
図６を参考に、望ましい境界条件を有する共振器が製造される。例として、共振器は、０．０６以上の結合係数を有し、直列抵抗を減少させるため、少なくとも２００ｎｍの厚みのＡｌ電極を有している。結合係数の平方ｋeff 2＝０．０６の線を、Ａｌ電極の厚さｄＡｌ＝０．２μｍまでたどると、約７００ｎｍのタングステン圧縮層の厚さと、約１．２μｍの圧電層の厚さとが得られる。さらに、Ａｌ電極の厚みを６００ｎｍに増し、タングステン圧縮層の厚みを６５０ｎｍに減少する場合、圧電層の厚さと結合係数との双方は、近似的に一定に留まるが、直列抵抗は、もう一度著しく減少させられる。比較として：Ａｌ電極を有し圧縮層のない等価共振器（aequivalenter Resonator）は、Ａｌ電極の厚さが、約９００ｎｍ、圧電層の厚さが、約３．５μｍである。従って、インピーダンスが適合された共振器は、ほぼ３倍大きく、９倍の量の窒化アルミニウムを必要とする。
【００３７】
以下に、いくつかの物質の音響インピーダンスを挙げる。
物質 １０6Ｋｇ／ｍ2ｓにおける音響インピーダンス
Ａｌ １７．３
Ｗ １０１
ＡｌＮ ３４．０
Ｍｏ ６３．１
Ｉｒ ９８
Ｐｔ ６９．７
Ｔａ ６５．３
ＴｉＷ ６４．２
Ｃｕ ４０．６
Ａｕ ６２．５
ＷＳｉ ９０
Ｃｒ ４７．４
Ａｌ2Ｏ3 ４４．３
ＳｉＮ ３６．２
Ｔａ2Ｏ5 ３８
ＺｎＯ ３６
ＰＺＴ １７．３
ＡＧ １７．２
【図面の簡単な説明】
【図１】 ａは、共振周波数の場合に、圧電層の厚みが、アルミニウム電極の厚みに依存していることを示す説明図である。ｂは、結合係数の平方が、アルミニウム電極の厚みに依存していることを示す説明図である。
【図２】 ａは、９００ＭＨｚの共振周波数の場合に、圧電層の厚さが、タングステン電極の厚みに依存していることを示す説明図である。ｂは、結合係数の平方が、タングステン電極の厚みに依存していることを示す説明図である。
【図３】 アルミニウムから構成される第１電極、圧電層、および、アルミニウムから構成される第２電極を有する第１共振器の断面図である。さらに、共振の際における音響波の応力場が示されている。
【図４】 タングステンから構成される第１電極、圧電層、および、タングステンから構成される第２電極を有する第２共振器の断面図である。さらに、共振の際における音響波の応力場が示されている。
【図５】 アルミニウムから構成される第１電極、タングステンから構成される第１圧縮層、圧電層、タングステンから構成される第２圧縮層、および、アルミニウムから構成される第２電極を有する第３共振器の断面図である。さらに、共振の際における音響波の応力場が示されている。
【図６】 効果的な結合係数の等値プロット（実線）、および、第３共振器に対してアナログに形成された共振器の圧電層の厚みを、電極および圧縮層の厚みの関数として示した図である。
【符号の説明】
Ｅ１，Ｅ２，Ｅ１’，Ｅ２’，Ｅ１”，Ｅ２” 電極
Ｐ，Ｐ’，Ｐ” 圧電層
Ｖ１，Ｖ２ 圧縮層
Claims (2)
- 第１電極（Ｅ１）、第２電極（Ｅ２）、および、これらの間に配置されている圧電層（Ｐ）を有する音響共振器であって、
第１電極（Ｅ１）および第２電極（Ｅ２）がＡｌからなり、圧電層（Ｐ）がＡｌＮからなり、
第１電極（Ｅ１）と圧電層（Ｐ）との間に、第１電極（Ｅ１）よりも高い音響インピーダンスを有する第１音響圧縮層（Ｖ１）が配置されており、
上記第１音響圧縮層（Ｖ１）がＷによって形成されていることを特徴とする音響共振器。 - 上記第２電極（Ｅ２）と上記圧電層（Ｐ）との間に、第２電極（Ｅ２）よりも高い音響インピーダンスを有する第２の音響圧縮層（Ｖ２）が配置されており、
上記第２の音響圧縮層（Ｖ２）がＷによって形成されている請求項１に記載の音響共振器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE10045090A DE10045090A1 (de) | 2000-09-12 | 2000-09-12 | Akustischer Resonator |
| PCT/EP2001/010435 WO2002023720A1 (de) | 2000-09-12 | 2001-09-10 | Akustischer resonator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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