JP4735032B2 - 微小共振器、バンドパスフィルタ、半導体装置、及び通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電駆動するビーム型振動子からなる微小共振器、この微小共振器を用いたバンドパスフィルタ、この微小共振器を有する半導体装置、及びこの微小共振器による帯域フィルタを用いた通信装置に関する。

近年、マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて作製された微小振動子（微小共振子）が知られている。半導体プロセスを用いて作製された微小共振子は、デバイスの占有面積が小さいこと、高Ｑ値を実現できること、他の半導体デバイスとの集積化が可能であること、という特長により、無線通信デバイスの中でも高周波フィルタとしての利用がミシガン大学を始めとする研究機関から提案されている（非特許文献１参照）。

また、複数の微小共振子を並列に配置して微小共振器を構成し、高周波フィルタとすることが知られている。また、異なる共振周波数を有する微小共振器を相互に接続して、フィルタの通過帯域を広げることが知られている。
しかし、異なる共振周波数を有する微小共振器を相互に接続すると、微小共振器の間にリップル電圧が発生し、このリップル電圧は、微小共振器のＱ値が高ければ大きくなるという問題が生じる。リップル電圧を低くするためには、微小共振器のＱ値を低くすればよいことが知られている。
そこで、共振周波数の異なる微小共振子を組み合わせて微小共振器を構成して、微小共振器のＱ値を低くすることが知られている。

C.T.-Nguyen, Micromechanical components for miniaturized low-power communications(invited plenary),proceedings,1999 IEEEMTT-S International Microwave Symposium RF MEMS Worksh′op,June,18,1999,pp,48-77

先行技術として、並列に配列された複数の微小共振子において、ビームの長さやビームの厚さ等の微小共振子の構造を異ならせることで、微小共振子の共振周波数を異ならせ、微小共振器のＱ値を低くすることが知られている。
しかしながら、この場合には、微小共振器を製造する工程において、微小共振子のビームの長さやビームの厚さを正確に異ならせる必要があるため、製造プロセスにおけるエッチング技術等の制御等が困難になるという問題がある。

本発明は、上述の点を考慮して、微小共振子の構造を異ならせることなく、共振周波数の異なる微小共振子を作成し、Ｑ値の低い微小共振器を提供するものである。
また、本発明は、この微小共振器を用いたバンドパスフィルタ、半導体装置及び通信装置を提供するものである。

本発明に係る微小共振器は、直流電圧が印加される並列に配置された複数のビーム型の振動子素子を具備し、前記振動子素子間の直流電圧を異ならせるようにしたものである。
好ましくは、振動子素子間に抵抗が設けられていることが適当である。

本発明に係るバンドパスフィルタは、直流電圧が印加される並列に配置された複数のビーム型の振動子素子を具備し、この振動子素子間の直流電圧を異ならせた微小共振器からなるものである。
本発明に係る半導体装置は、直流電圧が印加される並列に配置された複数のビーム型の振動子素子を具備し、この振動子素子間の直流電圧を異ならせた微小共振器からなる。
本発明に係る通信装置は、送信信号及び／又は受信信号の帯域制限を行うフィルタを備えた通信装置において、フィルタとして、上述したいずれかの微小共振器によるフィルタが用いられてなるものである。

本発明に係る微小共振器によれば、Ｑ値を低くおさえることができるので、通過帯域を広くすることができる。

本発明に係るバンドパスフィルタによれば、リップル電圧が低減された広い通過帯域を有するバンドパスフィルタを提供することができる。
また、本発明に係る半導体装置によれば、通過帯域の広い優れた特性のフィルタを備えた半導体装置を提供することができる。
また、本発明に係る通信装置によれば、通過帯域の広い優れた特性を有する通信装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１に、本発明の微小共振器をラダー型フィルタに適用した実施の形態を示す。なお、本実施の形態で対象とする微小共振器は、マイクロスケール、ナノスケールの素子である。以下の実施の形態においても同様である。
ラダー型フィルタ２１は、図２の等価回路に示すように、高周波信号線路２２をマイクロストリップ線路で構成し、その信号線路２３の入力端子ＩＮ及び出力端子ＯＵＴ間に直列に並列化された複数の微小共振子（振動子群）で構成された共振周波数ｆ１の微小共振器２５が接続され、この微小共振器２５の出力側とグランド（ＧＮＤ）線路２４間に同様に並列化された複数の微小共振子（振動子群）で構成された共振周波数ｆ２の微小共振器２６が接続されて構成される。

図３に示すように、微小共振器２５及び微小共振器２６を構成する微小共振子３１は、ビーム３７の長さ（ビーム長）が縦方向に向くように配列される。また、並列に配置された微小共振子３１と微小共振子３１の間、即ち、ＤＣバイアス電圧が印加されるビーム３７とビーム３７の間には抵抗４０が設けられている。
なお、並列に配置された複数の微小共振子の態様は、図４に示すようにビーム長が横方向に向くように配列されたものであってもよい。

図５に、微小共振器２５、２６に用いられる微小共振子３１の一例を示す。
この振動子３１は、例えば半導体基板１２上に絶縁膜１３を介して入力電極１４及び出力電極１５が形成され、この入力電極１４及び出力電極１５に対向して空間１６を挟んで振動板となる電極、いわゆるビーム（梁）３７が形成されて成る。ビーム３７は、入出力電極１４、１５をブリッジ状に跨ぎ、入出力電極１４、１５の外側に配置した配線層１８に接続されるように、両端をアンカー部（支持部）１９（１９Ａ，１９Ｂ）で一体に支持される。入力電極１４から入力端子ｔ１が導出され、入力端子ｔ１を通じて高周波信号Ｓ１が入力される、出力電極１５から出力端子ｔ２が導出される。ビーム３７には所要のＤＣバイアス電圧Ｖ１が印加される。

この振動子３１では、入力電極１４に高周波信号Ｓ１が入力されると、ＤＣバイアス電圧Ｖ１が印加されたビーム３７と入力電極１４間に生じる静電力でビーム３７が共振し、出力電極１５から目的周波数の高周波信号が出力される。
ここで、ビーム３７へ印加するＤＣバイアス電圧Ｖ１を大きくすると、入力電極１４との間で生じる静電力が大きくなり、ビーム３７が入力電極１４側へ大きく撓むという、いわゆるソフトニング現象が生じる。一般に、共振周波数の高い微小共振子３１のビーム長は小さく、共振周波数の低い微小共振子３１のビーム長は大きいので、ビーム３７に印加するＤＣバイアスの値が大きくなると、ビーム３７の撓みにより、ビーム長が見かけ上長くなるので、微小共振子３１の共振周波数は低くなる。また、ビーム３７へ印加するＤＣバイアスの値が小さくなると、ビームの撓みがなくなるので、ビーム長は見かけ上短くなり、微小共振子３１の共振周波数が高くなる。すなわち、ビーム３７へ印加するＤＣバイアスの値を異ならせることで、同一の構造を有する微小共振子３１であっても、共振周波数の大きさを異ならせることができる。

図６は、本実施の形態の微小共振器２５の要部を示すものである。
ＤＣ電源に接続された微小共振子３１−１、微小共振子３１−２、微小共振子３１−３が並列に配設されており、微小共振子３１−１のビーム３７と３１−２のビーム３７との間には、抵抗４０−１が設けられ、微小共振子３１−２のビーム３７と３１−３のビーム３７との間には、抵抗４０−２が設けられている。微小共振子３１−１、３１−２、３１−３は、ビーム３７の長さや厚さなどを含めて同一の構造となるように形成されている。
ＤＣ電源により微小共振子３１−１のビーム３７に所定のバイアスを印加した場合には、抵抗４０−１により電圧降下が生じて、微小共振子３１−２のビーム３７に印加されるバイアスは、微小共振子３１−１のビーム３７に印加されるバイアスよりも低くなる。同様に、抵抗４０−２により電圧降下が生じて、微小共振子３１−３のビーム３７に印加されるバイアスは、微小共振子３１−２のビーム３７に印加されるバイアスよりも低くなる。すなわち、微小共振子３１−１、３１−２、３１−３に印加されるバイアスの値はそれぞれ異なるので、ビーム３７の撓み量が変化し、微小共振子３１−１、３１−２、３１−３の共振周波数の大きさもそれぞれ異なることになる。
なお、印加されるＤＣ電圧の値が、並列に配設された複数の微小共振子３１間において異なるものであればよい。また、本実施の形態の微小共振器をラティス型のフィルタに適用することもできる。

図７に示すグラフは、微小共振子３１の間に抵抗を設けずに構成した微小共振器において、印加するＤＣバイアスの値を２４〜３４Ｖの範囲で変化させた場合の微小共振器のＱ値の変化を示したものである。また、図８に示すグラフは、微小共振子３１の間に抵抗を設けて構成した微小共振器おいて、所定のＤＣバイアスを印加した場合の微小共振器のＱ値の変化を示したものである。これらのグラフからも明らかなように、微小共振器の間に抵抗を設けた場合の微小共振器のＱ値は、抵抗を設けない場合のＱ値よりも小さくなる。

次に、図９〜図１１を用いて、図６の微小共振器３１−１、３１−２の製造に適用した一実施の形態の製造方法を説明する。

先ず、図９Ａに示すように、シリコン半導体基板３２にシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）３３１、及びシリコン窒化膜（ＳｉＮ）３３２を減圧ＣＶＤ法により成膜し、絶縁膜３３を形成する。

次に、図９Ｂに示すように、絶縁膜３３上に例えばリン（Ｐ）を含有したポリシリコン膜を形成した後に、リソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて、ポリシリコン膜をパターニングし、微小共振子３１の下部電極となる入力電極３４１、３４２、出力電極３５１、３５２及び共通の配線層３８、両側の配線層３８を形成する。

次に、図９Ｃに示すように、下部電極の入力電極３４１、３４２、出力電極３５１、３５２、配線層３８を含む表面に犠牲層７１、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）を減圧ＣＶＤ法により形成する。犠牲層７１が下部電極の入出力電極３４１、３４２、３５１、３５２、配線層３８の表面上に所望の厚さが形成される。

次に、図１０Ｄに示すように、再度、犠牲層７１、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 ）を減圧ＣＶＤ法で全面上に形成する。その後、リソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて、夫々の共振子素子側に配線層３８に達するコンタクト孔７２を形成する。

次に、図１０Ｅに示すように、例えば減圧ＣＶＤ法により、ポリシリコン膜を形成し、リソグラフィ技術及びドライエッチング技術を用いて、ポリシリコン膜をパターニングし、夫々ビーム３７１、３７２及びコンタクト孔７２を通じて配線層３８に接続するアンカー部形成する。

次に、図１１Ｆに示すように、ＤＨＦ溶液などのエッチング溶液により、犠牲層７１のシリコン酸化膜を選択的に除去し、ビーム３７１及び３７２と下部電極の入出力電極３４１、３５１及び３４２、３５２間に空間を形成して、微小共振子３１−１、３１−２を形成する。

最後に、図１１Ｇに示すように、配線層３８に含有する導電型不純物とは異なる導電型不純物をイオン注入法等により導入して、不純物濃度の低い配線層部７９を形成して、抵抗４０を形成する。また、配線層部７９の不純物濃度を低下させる事に代えて、配線層部７９の幅、又は高さを小さくすることによって、抵抗４０を形成するようにしてもよい。
また、不純物濃度の低い配線層部７９に代えて、スパッタリングにより導電性の低い膜を形成することにより、抵抗４０を形成するようにしてもよい。また、不純物濃度の低い配線層部７９に代えて、あらかじめＣＶＤ法により導電性の低い膜を形成し抵抗４０を形成するようにしてもよい。

また、微小共振子３１−１、３１−２のビーム３７１、３７２を、不純物濃度の低いポリシリコンを用いて形成し、ビーム部分で電圧降下を生じさせるようにしてもよい。

本実施の形態の微小共振器によれば、微小共振子の構造を異ならせることなく、各微小共振子の共振周波数の値及びＱ値を変えることができるので、複数の微小共振子により構成される微小共振器の全体のＱ値を低くすることができる。

本発明に係る他の実施の形態においては、異なる共振周波数を有する微小共振器を相互に接続することで、所要の帯域幅の信号透過特性を有するバンドパスフィルタを構成することができる。
本実施の形態のバンドパスフィルタによれば、微小共振器のＱ値が低くおさえられるので、リップル電圧の発生を抑えながら、通過帯域の広いバンドパスフィルタを提供することができる。

本発明に係る他の実施の形態においては、上述のラダー型フィルタ２１、微小共振器などを用いて、信号フィルタ、ミキサー、共振器、及びそれらが含まれるＳｉＰ（システム・イン・パッケージ）デバイスモジュール、ＳｏＣ（システム・オン・チップ）デバイスモジュール等の半導体装置を構成することができる。
本実施の形態の半導体装置によれば、通過帯域の広い優れた特性を有する半導体装置を提供することができる。

本発明は、上述した実施の形態の微小共振器によるフィルタを用いて構成される携帯電話機、無線ＬＡＮ機器、無線トランシーバ、テレビチューナ、ラジオチューナ等の、電磁波を利用して通信する通信装置を提供することができる。

次に、上述した本発明の実施の形態のフィルタを適用した通信装置の構成例を、図１２を参照して説明する。
まず送信系の構成について説明すると、Ｉチャンネルの送信データとＱチャンネルの送信データを、それぞれデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）２０１Ｉ及び２０１Ｑに供給してアナログ信号に変換する。変換された各チャンネルの信号は、バンドパスフィルタ２０２Ｉ及び２０２Ｑに供給して、送信信号の帯域以外の信号成分を除去し、バンドパスフィルタ２０２Ｉ及び２０２Ｑの出力を、変調器２１０に供給する。

変調器２１０では、各チャンネルごとにバッファアンプ２１１Ｉ及び２１１Ｑを介してミキサ２１２Ｉ及び２１２Ｑに供給して、送信用のＰＬＬ（phase-locked loop）回路２
０３から供給される送信周波数に対応した周波数信号を混合して変調し、両混合信号を加算器２１４で加算して１系統の送信信号とする。この場合、ミキサ２１２Ｉに供給する周波数信号は、移相器２１３で信号位相を９０°シフトさせてあり、Ｉチャンネルの信号とＱチャンネルの信号とが直交変調されるようにしてある。

加算器２１４の出力は、バッファアンプ２１５を介して電力増幅器２０４に供給し、所定の送信電力となるように増幅する。電力増幅器２０４で増幅された信号は、送受信切換器２０５と高周波フィルタ２０６を介してアンテナ２０７に供給し、アンテナ２０７から無線送信させる。高周波フィルタ２０６は、この通信装置で送信及び受信する周波数帯域以外の信号成分を除去するバンドパスフィルタである。

受信系の構成としては、アンテナ２０７で受信した信号を、高周波フィルタ２０６及び送受信切換器２０５を介して高周波部２２０に供給する。高周波部２２０では、受信信号を低ノイズアンプ（ＬＮＡ）２２１で増幅した後、バンドパスフィルタ２２２に供給して、受信周波数帯域以外の信号成分を除去し、除去された信号をバッファアンプ２２３を介してミキサ２２４に供給する。そして、チャンネル選択用ＰＬＬ回路２５１から供給される周波数信号を混合して、所定の送信チャンネルの信号を中間周波信号とし、その中間周波信号をバッファアンプ２２５を介して中間周波回路２３０に供給する。

中間周波回路２３０では、供給される中間周波信号をバッファアンプ２３１を介してバンドパスフィルタ２３２に供給して、中間周波信号の帯域以外の信号成分を除去し、除去された信号を自動ゲイン調整回路（ＡＧＣ回路）２３３に供給して、ほぼ一定のゲインの信号とする。自動ゲイン調整回路２３３でゲイン調整された中間周波信号は、バッファアンプ２３４を介して復調器２４０に供給する。

復調器２４０では、供給される中間周波信号をバッファアンプ２４１を介してミキサ２４２Ｉ及び２４２Ｑに供給して、中間周波用ＰＬＬ回路２５２から供給される周波数信号を混合して、受信したＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分を復調する。この場合、Ｉ信号用のミキサ２４２Ｉには、移相器２４３で信号位相を９０°シフトさせた周波数信号を供給するようにしてあり、直交変調されたＩチャンネルの信号成分とＱチャンネルの信号成分を復調する。

復調されたＩチャンネルとＱチャンネルの信号は、それぞれバッファアンプ２４４Ｉ及び２４４Ｑを介してバンドパスフィルタ２５３Ｉ及び２５３Ｑに供給して、Ｉチャンネル及びＱチャンネルの信号以外の信号成分を除去し、除去された信号をアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）２５４Ｉ及び２５４Ｑに供給してサンプリングしてデジタルデータ化し、Ｉチャンネルの受信データ及びＱチャンネルの受信データを得る。

ここまで説明した構成において、各バンドパスフィルタ２０２Ｉ，２０２Ｑ，２０６，２２２，２３２，２５３Ｉ，２５３Ｑの一部又は全てとして、上述した実施の形態の構成のフィルタを適用して帯域制限することが可能である。

本発明の通信装置によれば、通過帯域の広い優れた特性を有する通信装置を提供することができる。

図１２の例では、無線送信及び無線受信を行う通信装置としたが、有線の伝送路を介して送信及び受信を行う通信装置が備えるフィルタに適用してもよく、さらに送信処理だけを行う通信装置や受信処理だけを行う通信装置が備えるフィルタに、上述した実施の形態の構成のフィルタを適用してもよい。

本発明に係る微小共振器をラダー型フィルタに適用した実施の形態を示す概略構成図である。 ラダー型フィルタの等価回路図である。 図１の実施の形態の詳細図である。 微小共振器の他の実施の形態を示す要部の概略図である。 本発明の微小共振器に用いられる微小共振子の概略図である。 図３の実施の形態の要部の詳細図である。 従来の微小共振器にＤＣ電圧を印加した際のＱ値を示すグラフである。 本発明の微小共振器にＤＣ電圧を印加した際のＱ値を示すグラフである。 Ａ〜Ｃ 図６の微小共振器の製造方法の例を示す製造工程図（その１）である。 Ｄ〜Ｅ 図６の微小共振器の製造方法の例を示す製造工程図（その２）である。 Ｆ〜Ｇ 図６の微小共振器の製造方法の例を示す製造工程図（その３）である。 本発明に係る通信装置の実施の形態を示す回路図である。

符号の説明

２１・・ラダー型フィルタ、２５、２６・・微小共振器、３１・・振動子素子（微小共振子）、３７・・ビーム（梁）、４０・・抵抗、２２２、２３２、２５３Ｉ、２５３Ｑ、２０２Ｉ、２０２Ｑ・・フィルタ

Claims (4)

1. 直流電源と、同一構造の矩形のビームからなる複数の振動子素子を、前記ビームの短辺が対向するように直線的に配置し、抵抗を挟んで接続して構成した振動子群と、を備え、前記直流電源と前記振動子群とを接続し、この振動子群に直流電源から電圧を印加して、前記複数の振動子素子間の直流電圧を異ならせること
   を特徴とする微小共振器。
2. 直流電源と、同一構造の矩形のビームからなる複数の振動子素子を、前記ビームの短辺が対向するように直線的に配置し、抵抗を挟んで接続して構成した振動子群と、を備え、前記直流電源と前記振動子群とを接続し、この振動子群に直流電源から電圧を印加して、前記複数の振動子素子間の直流電圧を異ならせること
   を特徴とするバンドパスフィルタ。
3. 直流電源と、同一構造の矩形のビームからなる複数の振動子素子を、前記ビームの短辺が対向するように直線的に配置し、抵抗を挟んで接続して構成した振動子群と、を備え、前記直流電源と前記振動子群とを接続し、この振動子群に直流電源から電圧を印加して、前記複数の振動子素子間の直流電圧を異ならせる微小共振器を具備すること
   を特徴とする半導体装置。
4. 送信信号及び／又は受信信号の帯域制限を行うフィルタを備えた通信装置において、
   前記フィルタとして、直流電源と、同一構造の矩形のビームからなる複数の振動子素子を、前記ビームの短辺が対向するように直線的に配置し、抵抗を挟んで接続して構成した振動子群と、を備え、前記直流電源と前記振動子群とを接続し、この振動子群に直流電源から電圧を印加して、前記複数の振動子素子間の直流電圧を異ならせる微小共振器からなるフィルタを用いること
   を特徴とする通信装置。

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