JP4754802B2 - 逆方向のｃ軸圧電材料を備えた音響結合変成器 - Google Patents

逆方向のｃ軸圧電材料を備えた音響結合変成器 Download PDF

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Description

本発明は、ｃ軸圧電材料を備えた音響結合変成器に関する。
変成器は、インピーダンスの変換、平衡回路要素に対するシングル・エンド回路要素の連結またはその逆、電気的遮蔽といった機能を実施するため、多様なタイプの電子装置において利用されている。しかし、全ての変成器が、これらの特性の全てを備えているわけではない。例えば、自動変成器では、電気的遮蔽は行えない。
ＶＨＦ周波数までの可聴周波数およびＲＦ周波数で動作する変成器は、一般に、透磁率の高い鉄心に一次巻線および二次巻線が結合されたものとして造られている。巻線の電流は、磁束を発生する。鉄心は磁束を封じ込め、巻線間の結合を強める。この周波数範囲で動作可能な変成器は、オプティカル・カプラを用いて実現することも可能である。この態様で用いられるオプト・カプラは、当該技術においてオプト・アイソレータと呼ばれる。
結合巻線またはオプト・カプラをベースにした変成器の場合、入力電気信号は、適合する変成構造（すなわち、別の巻線または光検出器）と相互作用する異なる形態（すなわち、磁束または光子）に変換され、出力において電気信号として復元される。例えば、オプト・カプラは、発光ダイオードを用いて入力電気信号を光子に変換する。光子は、光ファイバまたはアイソレーションをもたらす自由空間を通過する。光子によって照射されるフォトダイオードは、光子流から出力電気信号を発生する。出力電気信号は、入力電気信号の複製である。
ＵＨＦおよびマイクロ波周波数において、鉄心ベースの変成器は、鉄心における損失、巻線における損失、巻線間のキャパシタンス、および、波長に関連した問題を防止するのに十分な小型化が困難であるといった要因のために非実用的になる。こうした周波数のための変成器は、例えば、マルシャン・タイプ、直列入力／並列出力接続線路等のような４分の１波長伝送線路をベースにしている。微細機械加工されて結合されたコイル・セットをベースにし、波長効果が重要ではないほど十分に小さい、変成器も存在する。しかし、こうした変成器にも、やはり、高挿入損失に関する問題がある。
ＵＨＦおよびマイクロ波周波数での利用に関して解説したばかりの変成器は、全て、その寸法のために、携帯電話のような最新の小型高密度用途に利用するにはあまり望ましくないということになる。こうした変成器は、バッチ・プロセス方式で製造することができないので、また、基本的にオフ・チップ解決法であるため、やはりコストが高くつく傾向がある。さらに、こうした変成器の帯域幅は、一般に、携帯電話にとって許容できるが、その挿入損失は、一般に、１ｄＢを超え、あまりに高すぎる。
オプト・カプラは、入力ＬＥＤの接合キャパシタンス、光検出器に固有の非線形性、制限のあるパワー処理能力、および、優れた同相分除去（common mode rejection）を施すには不十分な遮蔽のため、ＵＨＦおよびマイクロ波周波数では用いられない。
米国特許出願第１０／６９９，４８１号明細書には、膜状音響結合変成器の開示がある。図１Ａには、こうした音響結合変成器の実施態様１００の概略が例示されている。音響結合変成器１００は、基板１０２のキャビティ１０４上に配置された第１のスタック型バルク音響共鳴器（ＳＢＡＲ）１０６と第２のＳＢＡＲ１０８を備えている。各ＳＢＡＲは、スタック対をなす膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）と、ＦＢＡＲ間にある音響デカプラを備えている。すなわち、ＳＢＡＲ１０６は、スタック対をなすＦＢＡＲ１１０および１２０と、それらの間にある音響デカプラ１３０を備えており、ＳＢＡＲ１０８は、スタック対をなすＦＢＡＲ１５０および１６０と、それらの間にある音響デカプラ１７０を備えている。ＦＢＡＲは、それぞれ、向かい合った平面電極と、電極間の圧電材料層を備えている。例えば、ＦＢＡＲ１１０は、向かい合った平面電極１１２および１１４と、電極間の圧電材料層１１６を備えている。
音響結合変成器１００は、さらに、ＳＢＡＲ１０６のＦＢＡＲの一方をＳＢＡＲ１０８のＦＢＡＲの一方に接続する第１の電気回路１４１と、ＳＢＡＲ１０６のＦＢＡＲの他方をＳＢＡＲ１０８のＦＢＡＲの他方に接続する第２の電気回路１４２を備えている。
図１Ａに示す上述の音響結合変成器の実施態様では、電気回路１４１は、それぞれのＦＢＡＲを非並列に接続し、電気回路１４２は、それぞれのＦＢＡＲを直列に接続する。この実施態様は、電気回路１４１と電気回路１４２との間のインピーダンス変換比が１：４、または、電気回路１４２と電気回路１４１との間のインピーダンス変換比が４：１である。
他の実施態様では、電気回路１４１は、ＳＢＡＲ１０６のＦＢＡＲの一方をＳＢＡＲ１０８のＦＢＡＲの一方に対して非並列または直列をなすように電気的に接続するか、電気回路１４２は、ＳＢＡＲ１０６のＦＢＡＲの他方をＳＢＡＲ１０８のＦＢＡＲの他方に対して非並列または直列をなすように電気的に接続する。
上述の音響結合変成器の実施態様は、全て、サイズが小さく、平衡回路要素に対するシングル・エンド回路要素の連結またはその逆を実施することが可能であり、一次側と二次側の間に電気的遮蔽を施す。詳細に上述の実施態様は、やはり、公称では電気的に平衡である。
図１Ａに示す実施態様は、いくつかの用途にとって特に重要である。しかし、この実施態様は公称では電気的に平衡であるが、その同相分除去は、多くの潜在的用途における要求を下回る。さらに、非並列に接続されたＦＢＡＲに異なるレベルの電極を接続する必要があるので、この実施態様の変成器を製作する複雑性が増すことになる。
米国特許第６，２６２，６３７号明細書 米国特許第６，２１５，３７５号明細書 米国特許第５，５８７，６２０号明細書 米国特許第６，１０７，７２１号明細書
従って、本発明の目的は、上述の音響結合変成器の利点を備えるが、より同相分除去に優れ、より製作が容易な音響結合変成器を提供することにある。
第１の態様において、本発明によれば、それぞれ、スタック対をなす膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）を備え、ＦＢＡＲ間に音響デカプラが設けられた、第１と第２のスタック型バルク音響共鳴器（ＳＢＡＲ）を備える、膜状音響結合変成器が得られる。各ＦＢＡＲは、向かい合った平面電極を備えており、その電極間に圧電材料の層が設けられている。圧電材料はｃ軸を備えている。第１の電気回路は、第１のＳＢＡＲのＦＢＡＲの一方を第２のＳＢＡＲのＦＢＡＲの一方に接続し、第２の電気回路は、第１のＳＢＡＲのＦＢＡＲの他方を第２のＳＢＡＲのＦＢＡＲの他方に接続する。ＦＢＡＲの１つの圧電材料のｃ軸は、他の３つのＦＢＡＲの圧電材料のｃ軸と逆方向である。この構成によって、音響デカプラ両端間の信号周波数電圧の振幅が大幅に小さくなり、変成器の同相分除去比が大幅に増すことになる。この構成によれば、導電性音響デカプラの利用も可能になり、音響デカプラ材料の利用可能な選択の範囲が広がることになる。
第２の態様において、本発明によれば、第１のスタック型バルク音響共鳴器および第２のスタック型バルク音響共鳴器（ＳＢＡＲ）が製作される膜状音響結合変成器の製造方法が得られる。ＳＢＡＲの製作において、下方の対をなす膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）、上方の対をなすＦＢＡＲ、および、ＦＢＡＲ間の音響デカプラが形成される。ＦＢＡＲには、それぞれ、向かい合った平面電極と、電極間の圧電材料の層が含まれている。圧電材料はｃ軸を備えている。ＦＢＡＲ対の形成には、ＦＢＡＲの１つの圧電材料のｃ軸が他の３つのＦＢＡＲの圧電材料のｃ軸と逆方向になるように設定するステップが含まれる。さらに、この方法には、第１のＳＢＡＲのＦＢＡＲの一方を第２のＳＢＡＲのＦＢＡＲの一方に電気的に接続し、第１のＳＢＡＲのＦＢＡＲの他方を第２のＳＢＡＲのＦＢＡＲの他方に電気的に接続するステップが含まれている。
実施態様の１つでは、ＦＢＡＲ対の形成時に、金属層を堆積させて、パターン形成を施すことによって、１対の電極が形成され、電極の上に、圧電材料の層が堆積させられる。圧電材料層の堆積に先立って、電極の１つの上に逆方向のｃ軸の圧電材料によるシード層を堆積させることによって、ＦＢＡＲの１つの圧電材料のｃ軸が、他の３つのＦＢＡＲの圧電材料のｃ軸と逆方向に設定される。
もう１つの実施態様では、ＦＢＡＲ対の形成時に、金属層を堆積させて、パターン形成を施すことによって、１対の電極が形成され、電極の上に、圧電材料の層が堆積させられる。この堆積層には、電極の一方における逆方向のｃ軸の材料による領域と、電極のもう一方における通常のｃ軸材料による領域が含まれている。異なる堆積条件を利用してこれらの領域を堆積させることによって、ＦＢＡＲの１つの圧電材料のｃ軸は、他の３つのＦＢＡＲの圧電材料のｃ軸と逆方向に設定される。
もう１つの実施態様では、ＦＢＡＲ対の形成時に、金属層を堆積させて、パターン形成を施すことによって、１対の第１の電極が形成され、第１の電極の上に強誘電性圧電材料の層が堆積させられ、追加金属層を堆積させて、パターン形成を施すことによって、第１の電極と向かい合った１対の第２の電極が形成される。第１の電極の一方と第２の電極の向かい合った一方の間に公称極性の分極処理電圧を印加し、前記第１の電極のもう一方と前記第２の電極の向かい合ったもう一方の間に逆極性の分極処理電圧を印加することによって、ＦＢＡＲの１つの圧電材料のｃ軸が、他の３つのＦＢＡＲの圧電材料のｃ軸と逆方向に設定される。
膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）は、ＦＢＡＲの一部を構成する圧電材料が極性依存性である結果として、極性依存素子である。ＦＢＡＲの電極間にある特定の極性の電圧が印加されると、ＦＢＡＲの厚さが第１の方向において変化し、一方、逆極性の同じ電圧によって、ＦＢＡＲの厚さが第１の方向とは逆の第２の方向において変化する。例えば、ある特定の極性の電圧によって、ＦＢＡＲの厚さが増し、一方、逆極性の電圧によって、ＦＢＡＲの厚さが減ることになる。ＦＢＡＲの厚さは、電極間におけるＦＢＡＲの寸法である。同様に、ＦＢＡＲの厚さを第１の方向において変化させる機械的応力がＦＢＡＲに加えられると、ＦＢＡＲの電極間にある特定の極性の電圧が発生し、一方、ＦＢＡＲの厚さを第１の方向とは逆の第２の方向において変化させる機械的応力によって、ＦＢＡＲの電極間に逆極性の電圧が発生することになる。例えば、ＦＢＡＲの厚さを増す機械的応力がＦＢＡＲに加えられると、ある特定の極性の電圧が発生し、一方、ＦＢＡＲの厚さを減らす機械的応力によって、逆極性の電圧が発生することになる。
結晶族における６ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような圧電材料は、ａ軸およびｂ軸が六角形の平面内にあり、ｃ軸が六角形の平面に対して直交する、六方晶系の単位胞を備えている。ＦＢＡＲの圧電材料のｃ軸方向によって、電圧の極性とＦＢＡＲの厚さの変化方向の関係が決まる。上記例は、圧電材料のｃ軸がある特定の方向に向けられたＦＢＡＲを用いることによって得られる。圧電材料のｃ軸が第１の方向とは逆の第２の方向に向けられたＦＢＡＲの場合、ＦＢＡＲの電極間にある特定の極性の電圧を印加すると、ＦＢＡＲの厚さが第２の方向に変化し、一方、逆極性の電圧によって、ＦＢＡＲの厚さが第１の方向に変化する。同様に、ＦＢＡＲの厚さを第１の方向に変化させる機械的応力がＦＢＡＲに加えられると、ＦＢＡＲの電極間に逆極性の電圧が発生し、一方、ＦＢＡＲの厚さを第１の方向とは逆の第２の方向に変化させる機械的応力がＦＢＡＲに加えられると、ＦＢＡＲの電極間にある特定の極性の電圧が発生することになる。その上にＦＢＡＲが浮かされた基板に向かってｃ軸が延びている圧電材料は、本明細書において、逆方向のｃ軸材料と呼ぶことにする。その上にＦＢＡＲが浮かされた基板から遠ざかる方向にｃ軸が延びている圧電材料は、通常のｃ軸材料と呼ぶことにする。
図１Ａに示す実施態様１００のような上述の米国特許出願第１０／６９９，４８１号明細書に記載の膜状音響結合変成器の実施態様において、変成器１００を構成するＦＢＡＲ１１０、１２０、１５０、および、１６０のそれぞれの圧電層１１６、１２６、１５６、および、１６６は、通常のｃ軸材料の層である。通常のｃ軸材料のｃ軸方向は、矢印１４４によって表示されている。あるいはまた、下方のＦＢＡＲ１１０および１５０のそれぞれの圧電層１１６および１５６は、通常のｃ軸材料による層であり、上方のＦＢＡＲ１２０および１６０のそれぞれの圧電層１２６および１６６は、逆方向のｃ軸材料による層である。逆方向のｃ軸材料のｃ軸方向は、矢印１４５によって表示されている。さらなる代替例では、下方のＦＢＡＲ１１０および１５０のそれぞれの圧電層１１６および１５６は、逆方向のｃ軸材料による層であり、上方のＦＢＡＲ１２０および１６０のそれぞれの圧電層１２６および１６６は、通常のｃ軸材料による層である。
発明者の発見によれば、上述のｃ軸配向をなす音響結合変成器の場合、変成器の通常動作中に、音響デカプラ１３０および１７０の両側の電極間に、信号周波数電圧差が生じる。例えば、図１Ａに示す実施態様が、電極１１２および１５４が接地され、電極１２２および１６２がセンタ・タップ端子１４３に接続される、典型的な応用例において用いられる場合、図１Ｂに示すように、音響デカプラ１３０の両側の電極１１４と１２２との間に、信号周波数電圧差が生じる。電極１１４および１２２と音響デカプラ１３０から構成されるコンデンサに印加されると、この電圧差は、変成器１００の同相分除去を損なうことになる。このコンデンサのキャパシタンスは、１７５で略示されている。実施態様によっては、さらに、音響デカプラ１７０の両側の電極１５４と１６２との間に信号周波数電圧差が生じるものもある。電極１５４および１６２と音響デカプラ１７０から構成されるコンデンサに印加されると、この電圧差は、さらに、変成器１００の同相分除去を損なうことになる。このコンデンサのキャパシタンスは、１７６で略示されている。
本発明による音響結合変成器のＦＢＡＲの１つの圧電層は、残りの３つのＦＢＡＲの圧電層のｃ軸と逆方向のｃ軸を備えている。これによって、両方のＳＢＡＲの音響デカプラの両側における電極を同じ電位に保持することが可能になる。音響デカプラおよび隣接する電極によって形成されるコンデンサの両端に信号周波数電圧差が生じないので、コンデンサのキャパシタンスが無関係になり、それに付随して変成器の電気的特性が向上する。さらに、ＦＢＡＲの１つが、ｃ軸が残りの３つのＦＢＡＲの圧電層とは逆方向の圧電層を備えていることによって、ＦＢＡＲにおけるレベルの異なる電極間の電気的接続が不要になり、このため、本発明による変成器の製作が簡単になる。
図２Ａ〜２Ｃには、それぞれ、本発明による膜状音響結合変成器の典型的な実施態様２００に関する平面図と２つの断面図が示されている。音響結合変成器２００は、平衡回路要素に対するシングル・エンド回路要素の連結またはその逆を実施することが可能であり、図１Ａに示す変成器１００よりも同相分除去に優れている。図示の例によって、さらに、一次側と二次側との間の電気的遮蔽も施される。音響結合変成器２００は、変成器の一次端子に電気回路のどちらが接続されるかに応じて、インピーダンス変換比が１：４または４：１になる。音響結合変成器２００は、１：４変成器として接続される場合には、二次側が平衡になり、そうではなく、４：１変成器として接続される場合には、一次側が平衡になる。
音響結合変成器２００は、２つのスタック型バルク音響共鳴器（ＳＢＡＲ）２０６および２０８から構成されている。各ＳＢＡＲは、スタック対をなす膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）と、それらの間にある音響デカプラから構成されている。変成器２００は、さらに、ＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲの一方をＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲの一方に接続する電気回路と、ＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲのもう一方をＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲのもう一方に接続する電気回路から構成されている。音響デカプラを組み込んだＳＢＡＲについては、本開示の譲受人に譲渡された米国特許出願公開第１０／６９９，２８９号明細書にさらに詳細な記述がある。
ＳＢＡＲ２０６は、スタック対をなすＦＢＡＲ２１０および２２０と、それらの間の音響デカプラ２３０から構成されている。音響デカプラ２３０は、ＦＢＡＲ２１０と２２０との間における音響エネルギの結合を制御する。ＳＢＡＲ２０８は、スタック対をなすＦＢＡＲ２５０および２６０と、それらの間の音響デカプラ２７０から構成されている。音響デカプラ２７０は、ＦＢＡＲ２５０と２６０との間における音響エネルギの結合を制御する。
ＦＢＡＲ２２０は、ＦＢＡＲ２１０の上にスタックされ、ＦＢＡＲ２６０は、ＦＢＡＲ２５０の上にスタックされている。ＦＢＡＲ２１０は、向かい合った平面電極２１２および２１４と、電極間にある圧電材料の層２１６から構成されている。ＦＢＡＲ２２０は、向かい合った平面電極２２２および２２４と、電極間にある圧電材料の層２２６から構成されている。ＦＢＡＲ２５０は、向かい合った平面電極２５２および２５４と、電極間にある圧電材料の層２５６から構成されている。ＦＢＡＲ２６０は、向かい合った平面電極２６２および２６４と、電極間にある圧電材料の層２６６から構成されている。
ＳＢＡＲ２０６およびＳＢＡＲ２０８は、基板２０２に形成されたキャビティ２０４の上に浮かされている。キャビティの上にＳＢＡＲを浮かすことによって、ＳＢＡＲのＦＢＡＲを機械的に共振させることが可能になる。ＦＢＡＲの機械的共振を可能にする他の浮かせる方式も可能である。例えば、ＳＢＡＲは、その開示が参考までに本明細書において援用されている、Ｌａｋｉｎによる米国特許第６，１０７，７２１号明細書に開示のように、基板２０２内または上に形成された不整合の音響ブラッグ・リフレクタ（不図示）の上に配置することが可能である。
ＦＢＡＲの１つの圧電層は、そのｃ軸が残りの３つのＦＢＡＲの圧電層とは逆方向の圧電材料から構成されている。図示の例の場合、ＦＢＡＲ２５０の圧電層２５６の圧電材料は、逆方向のｃ軸材料である。圧電層２５６の逆方向のｃ軸材料のｃ軸方向は、矢印２４８によって表示されている。残りの３つのＦＢＡＲ２１０、２２０、および、２６０の圧電層２１６、２２６、および、２６６の圧電材料は、通常のｃ軸材料である。圧電層２１６、２２６、および、２６６の通常のｃ軸材料のｃ軸方向は、それぞれ、矢印２４６、２４７、および、２４９によって表示されている。他の実施態様では、ＦＢＡＲの任意の１つの圧電層の圧電材料は、逆方向のｃ軸材料であり、残りのＦＢＡＲの圧電層の圧電材料は、通常のｃ軸材料である。あるいはまた、ＦＢＡＲの任意の１つの圧電層の圧電材料が、通常のｃ軸材料であり、残りの３つのＦＢＡＲの圧電層の圧電材料は、逆方向のｃ軸材料である。
図３は、音響結合変成器２００の電気回路の概略図である。第１の電気回路２４１は、ＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２５０の電極２５２をＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２１０の電極２１２に接続する電気トレース２３６と、ＦＢＡＲ２５０の電極２５４をＦＢＡＲ２１０の電極２１４に接続する電気トレース２３７から構成されている。従って、電気回路２４１は、ＦＢＡＲ２１０と２５０を並列に接続する。しかし、ＦＢＡＲ２５０の圧電層２５６のｃ軸方向は逆のため、並列に接続されたＦＢＡＲ２１０と２５０は、非並列に接続された従来のＦＢＡＲと電気機械的特性が同じである。第１の電気回路２４１は、さらに、電極２１２および２５２を端子２３２に電気的に接続する電気トレース２３３と、電極２１４および２５４を端子２７２に電気的に接続する電気トレース２７３から構成されている。端子２３２および２７２は、ボンディング・パッドとしての構造をなしている。並列および非並列という用語については、さらに後述する。
第２の電気回路２４２は、ＳＢＡＲ２０６のＦＢＡＲ２２０の電極２２２をＳＢＡＲ２０８のＦＢＡＲ２６０の電極２６２に電気的に接続する電気トレース２３８から構成されている。第２の電気回路２４２は、さらに、ＦＢＡＲ２２０の電極２２４を端子２３４に電気的に接続する電気トレース２３５と、ＦＢＡＲ２６０の電極２６４を端子２７４に電気的に接続する電気トレース２７５から構成されている。ＦＢＡＲ２２０および２６０の圧電層２２６および２６６のｃ軸方向が、それぞれ、同じであるため、電気回路２４２は、ＦＢＡＲ２２０および２６０を直列に接続する。端子２３４および２７４は、ボンディング・パッドとしての構造をなしている。
ある実施態様の場合、端子２３２および２７２は、膜状音響結合変成器２００の一次端子を構成し、端子２３４および２７４は、二次端子を構成している。このように接続されると、音響結合変成器２００は、昇圧変成器の働きをする。一次端子２３２および２７２に加えられた信号は、二次端子２３４および２７４から２倍のレベルで出力される。また、ＦＢＡＲ２１０、２２０、２５０、および、２６０の全ての特性インピーダンスが同様である典型的な実施態様の場合、一次端子２３２および２７２で観測されるインピーダンスは、並列をなす２つのＦＢＡＲのインピーダンス、すなわち、単一ＦＢＡＲの典型的な特性インピーダンスの２分の１であり、一方、二次端子２３４および２７４で観測されるインピーダンスは、直列をなす２つのＦＢＡＲのインピーダンス、すなわち、単一ＦＢＡＲの典型的な特性インピーダンスの２倍である。従って、音響結合変成器２００の一次側と二次側のインピーダンス比は、１：４になる。
代替実施態様の場合、端子２３２および２７２は、膜状音響結合変成器２００の二次端子を構成し、端子２３４および２７４は、一次端子を構成している。このように接続されると、音響結合変成器２００は、降圧変成器の働きをする。この場合、二次端子２３４および２７４から出力される信号は、一次端子２３２および２７２に加えられた信号レベルの２分の１になり、一次側と二次側のインピーダンス比は４：１になる。
電気回路２４１は、ＦＢＡＲ２１０および２５０を電気的に並列に接続するので、端子２３２および２７２に加えられる入力電気信号は、ＦＢＡＲ２１０および２５０に対して等しく同相で加えられる。ＦＢＡＲ２１０を機械的に収縮させる電気信号が端子２３２および２７２に加えられると、ＦＢＡＲ２１０および２５０の圧電層２１６および２５６のｃ軸方向が、それぞれ、逆のため、ＦＢＡＲ２５０が同じ量だけ機械的に伸張することになるが、逆もまた同様である。ＦＢＡＲ２５０によって発生する音響エネルギは、従って、ＦＢＡＲ２１０によって発生する音響エネルギと逆相をなす。このため、ＦＢＡＲ２６０がＦＢＡＲ２５０から受ける音響エネルギは、ＦＢＡＲ２２０がＦＢＡＲ２１０から受ける音響エネルギと逆相になり、電極２６４の信号は、電極２２４の信号と逆相になる。電気回路２４２は、ＦＢＡＲ２２０および２６０を直列に接続するので、端子２３４と２７４との電圧差は、ＦＢＡＲ２２０および２６０のいずれかの両端における電圧の２倍になる。
端子２３４および２７４のそれぞれと基板２０２との間には、ほぼ同じキャパシタンスが存在する。従って、膜状音響結合変成器２００の回路２４２は、電気的に平衡である。さらに、典型的な用途の場合、端子２７２が、接地され、端子２３４および２７４は、大地電位付近で対称的な揺れを生じるので、音響デカプラ２３０および２７０両端間の交流信号の振幅は小さい。音響デカプラの両側にある電極間のキャパシタンス（図１Ｂに示すキャパシタンス１７５および１７６と同様の）は、従って、回路２４２の電気的平衡にほとんど影響しない。従って、変成器２００は、図１Ａに示す変成器１００よりも同相分除去に優れている。さらに、音響デカプラの両端間における交流信号が欠乏するので、音響デカプラに導電性材料を利用することが可能になる。
現在では、本開示の譲受人に譲渡され、参考までに、本開示において援用されている、Ｒｕｂｙ他による「Ｔｕｎａｂｌｅ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｋｉｎｇ Ｓａｍｅ」と題する米国特許第５，５８７，６２０号明細書には、ＦＢＡＲの開示がある。この特許における開示には、３つの平面電極と交互配置された、２つの圧電材料の層から構成されるスタック型バルク音響共鳴器（ＳＢＡＲ）も開示されている。この特許のＳＢＡＲは、圧電層間の電極が両方のＦＢＡＲに対して共通である、スタック対をなすＦＢＡＲから構成されているものとみなすことが可能であり、共通電極ＳＢＡＲと呼ぶことにする。共通電極によって、共通電極ＳＢＡＲは、一部の用途では望ましい、一次側と二次側の間に電気的遮蔽を施すことが不可能になる。さらに、共通電極ＳＢＡＲは、大部分の用途において利用に適さないことになる、極度に狭い通過帯域幅を示す。狭い通過帯域幅は、共通電極がＦＢＡＲ間の音響エネルギを過剰結合する結果である。
上述のように、本発明による変成器２００の場合、音響デカプラ２３０が、スタック型ＦＢＡＲ２１０と２２０の間における音響エネルギの結合を制御し、音響デカプラ２７０が、スタック型ＦＢＡＲ２５０と２６０の間における音響エネルギの結合を制御する。さらに、音響デカプラ２３０および２７０が電気的に絶縁性である実施態様の場合、音響デカプラ２３０によって、ＦＢＡＲ２１０がＦＢＡＲ２２０から分離され、音響デカプラ２７０によって、ＦＢＡＲ２５０がＦＢＡＲ２６０から電気的に分離される。こうした実施態様の場合、音響デカプラ２３０および２７０によって得られる電気的遮蔽によって、変成器２００の一次側と二次側との電気的遮蔽が施される。
音響デカプラ２３０および２７０によって得られる音響結合は、上述の共通電極ＳＢＡＲのＦＢＡＲ間における音響結合に比べて大幅に少ない。結果として、ＦＢＡＲ２１０および２２０とＦＢＡＲ２５０および２６０は、過剰結合しなくなり、変成器２００は、図５に関連して後述するように、通過帯域における応答が比較的フラットになる。
図２Ａ〜図２Ｃに示す音響デカプラ２３０および２７０の実施態様は、音響デカプラ２３０がＦＢＡＲ２１０の電極２１４とＦＢＡＲ２２０の電極２２２の間に配置された音響デカプリング材料の層から構成され、音響デカプラ２７０が、ＦＢＡＲ２５０の電極２５４とＦＢＡＲ２６０の電極２６２の間に配置された音響デカプリング材料の層から構成されている、第１の実施態様である。
図４Ａは、音響デカプラ２３０の上述の第１の実施態様を組み込んだＳＢＡＲ２０６の一部をさらに詳細に示した拡大図である。さらに、図２Ａおよび２Ｂを参照すると、ＳＢＡＲ２０８および音響デカプラ２７０の対応する部分は、構造が同様であり、別個の解説は控えることにする。図示の例の場合、音響デカプラ２３０は、ＦＢＡＲ２１０の電極２１４とＦＢＡＲ２２０の電極２２２の間に配置された音響デカプリング材料の層２３１から構成されている。音響デカプリング材料の層２３１は、さらに、ＦＢＡＲ２５０の電極２４４とＦＢＡＲ２６０の電極２６２の間に延びて、ＳＢＡＲ２０８の音響デカプリング層２７０を形成している。他の実施態様には、別個ではあるが、同様の音響デカプリング材料の層によって、それぞれ、音響デカプラ２３０および２７０が形成されるものもある。
層２３１の音響デカプリング材料の重要な特性は、音響インピーダンスが、ＦＢＡＲ２１０、２２０、２５０、および、２６０の材料と大幅に異なり、一般に、それらよりかなり低く、公称厚さが、その周波数が音響結合変成器２００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、音響デカプリング材料内における波長の４分の１の奇数の整数倍という点である。用途によっては、高電気抵抗率が望ましい場合もある。層２３１の材料が電気的に絶縁性の実施態様では、低誘電率が望ましい場合もある。
音響デカプリング材料は、音響インピーダンスが、ＦＢＡＲ２１０、２２０、２５０、および、２６０の材料より低く、空気より大幅に高い。ある材料の音響インピーダンスは、その材料における応力と粒子速度の比であり、ｒａｙｌと略記されるレイリー単位で測定される。ＦＢＡＲの材料は、一般に、圧電層２１６、２２６、２５６、および、２６６の材料としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と、電極２１２、２１４、２２２、２２４、２５２、２５４、２６２、および、２６４の材料としてのモリブデン（Ｍｏ）である。ＦＢＡＲの材料の音響インピーダンスは、一般に、３０Ｍｒａｙｌを超え（ＡｌＮの場合は３５Ｍｒａｙｌで、Ｍｏの場合は６３Ｍｒａｙｌ）、空気の音響インピーダンスは、約１ｋｒａｙｌである。ＦＢＡＲの材料が上述のとおりである変成器２００の実施態様の場合、音響インピーダンスが約２Ｍｒａｙｌ〜約１６Ｍｒａｙｌの範囲の材料が、層２３１の音響結合材料としてうまく機能する。
図５は、膜状音響結合変成器２００について計算された周波数応答が、音響デカプラ２３０および２７０の第１の実施態様を構成する層２３１の音響デカプリング材料の音響インピーダンスにどれほど左右されるかを示すグラフである。例示の実施態様は、中心周波数が約１．９ＧＨｚである。音響デカプラの音響デカプリング材料の音響インピーダンスが約４Ｍｒａｙｌ（ポリイミド − 曲線２４０）、８Ｍｒａｙｌ（曲線２４２）、および、１６Ｍｒａｙｌ（曲線２４４）である実施態様について計算された周波数応答が示されている。明らかに、変成器２００の帯域幅は、音響デカプリング材料の音響インピーダンスが増すにつれて広くなる。音響インピーダンスが１６Ｍｒａｙｌである実施態様の場合、ＦＢＡＲの共振は、過剰に結合され、通過帯域応答に固有の二重ピークを生じることになる。
図２Ａ〜２Ｃに示す膜状音響結合変成器２００の実施態様において、音響デカプラ２３０および２７０を構成する音響デカプリング材料の層２３１（図４Ａ）の厚さは、周波数が変成器の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、音響デカプリング材料内における波長の４分の１に等しい公称厚さ、すなわち、ｔ≒λｎ／４であり、ここで、ｔは層２３１の厚さであり、λｎは、周波数が変成器２００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、音響デカプリング材料内における波長である。代わりに、公称厚さの約±１０％の範囲内の層２３１の厚さを利用することも可能である。代わりに、多少性能が劣化するが、この範囲外の厚さを利用することも可能である。しかし、層２３１の厚さは、一方の極値の０λｎから、もう一方の極値のλｎ／２から大幅に異なることが望ましい。
より一般的には、音響デカプリング材料の層２３１は、周波数が変成器２００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、音響デカプリング材料内における波長の４分の１の奇数の整数倍に等しい、すなわち、ｔ≒（２ｍ＋１）λｎ／４の公称厚さを備えているが、ここで、ｔおよびλｎは、上記定義の通りであり、ｍは、０以上の整数である。この場合、代わりに、公称厚さからλｎ／４の約±１０％だけ異なる厚さの層２３１を利用することも可能である。性能が多少劣化するものの、この範囲外の厚さ許容差を利用することも可能であるが、層２３１の厚さは、λｎ／２の整数倍から大幅に異なるのが望ましい。
多くのプラスチック材料は、上述の範囲内の音響インピーダンスを有しており、上述の厚さ範囲内で均一な厚さの層に適用可能である。従って、こうしたプラスチック材料は、潜在的に、音響デカプラ２３０および２７０を構成する層２３１の音響デカプリング材料として用いるのに適している。しかし、音響デカプリング材料は、電極２１４および２５４に層２３１を堆積させて、音響デカプラ２３０および２７０を形成した後で実施される製作工程の温度に耐えることも可能でなければならない。さらに詳細に後述するように、膜状音響結合変成器２００の実際の実施態様では、電極２２２、２２４、２６２、および、２６４と、圧電層２２６および２６６は、層２３１の堆積後、スパッタリングによって堆積させられる。これらの堆積プロセス中に、３００℃もの高温に達することになる。従って、こうした温度で安定状態を保つプラスチックが、層２３１の音響デカプリング材料として望ましい。
プラスチック材料は、一般に、ＳＢＡＲ２０６およびＳＢＡＲ２０８の他の材料に比べると、単位長あたりの音響減衰量が極めて大きい。しかし、プラスチック音響デカプリング材料による層２３１は、一般に、厚さが１μｍ未満のため、音響デカプラ２３０および２７０によって導入される音響減衰は、一般に、ごくわずかである。
実施態様の１つでは、ポリイミドが層２３１の音響デカプリング材料として利用される。ポリイミドは、Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ ＣｏｍｐａｎｙによってＫａｐｔｏｎ（商標）の商標で販売されている。こうした実施態様の場合、音響デカプラ２３０および２７０は、スピン・コーティング、噴霧、浸漬または他の適切な方法で電極２１４および２５４に塗布されたポリイミドの層２３１から構成される。ポリイミドの音響インピーダンスは約４Ｍｒａｙｌである。もう１つの実施態様では、ポリ（パラキシレン）が、層２３１の音響デカプリング材料として用いられる。こうした実施態様の場合、音響デカプラ２３０および２７０は、真空蒸着によって電極２１４および２５４に被着させられたポリ（パラキシレン）の層２３１から構成される。ポリ（パラキシレン）は、当該技術においてパリレンとしても知られている。パリレンが製造される二量体前駆物質であるジパラキシリレン、および、パリレンの層の真空蒸着を実施するための装置は、多くの供給業者から入手可能である。パリレンの音響インピーダンスは、約２．８Ｍｒａｙｌである。
代替実施態様の場合、層２３１の音響デカプリング材料は、音響インピーダンスがＦＢＡＲ２１０、２２０，２５０、および、２６０の材料よりかなり高い。この時点において、この特性を備えた材料は知られていないが、今後こうした材料の入手が可能になる可能性があるか、あるいは、より音響インピーダンスの低いＦＢＡＲ材料が、今後入手可能になる可能性がある。こうした高音響インピーダンスの音響デカプリング材料の層２３１の厚さは、上述の通りである。
一次側と二次側とのＤＣアイソレーションが重要ではないか、一次側の一方の側と二次側のセンタ・タップとの間の電気的接続、または、一次側のセンタ・タップと二次側の一方の側との間の電気的接続が望ましい用途に用いられるもう１つの代替実施態様の場合、音響デカプラ２３０および２７０を構成する層２３１の音響デカプリング材料は、導電性である。実施態様の１つでは、音響デカプリング材料はアルミニウムのような金属である。もう１つの実施態様では、音響デカプリング材料は、層２３１の両側間に導電経路を形成するのに十分な密度を備える、金属粉末が混入されたプラスチック材料である。例えば、スピン・コーティングまたは別の適合する堆積プロセスによって、約１ｎｍ〜１０ｎｍの範囲の炭素粒子を混入したポリイミドを塗布して、層２３１が形成される。
図４Ｂは、ブラッグ構造２６１を組み込んだ音響デカプラ２３０の第２の実施態様を取り入れた、ＳＢＡＲ２０６の一部をさらに詳細に示す拡大図である。音響デカプラ２７０のこうした第２の実施態様を取り入れたＳＢＡＲ２０８の対応する部分は、同様の構造であり、別個の解説は控えることにする。ブラッグ構造２６１は、高音響インピーダンスのブラッグ素子２６５と２６７の間に挟まれた低音響インピーダンスのブラッグ素子２６３から構成されている。低音響インピーダンスのブラッグ素子２６３は、低音響インピーダンス材料の層であり、一方、高音響インピーダンスのブラッグ素子２６５および２６７は、それぞれ、高音響インピーダンス材料の層である。ブラッグ素子の音響インピーダンス特性は、互いに対して、さらに、層２１６および２２６の圧電材料の音響インピーダンスに対して、「低」および「高」として示される。実施態様の一部には、さらに、ブラッグ素子の少なくとも１つに誘電率が低いものがある。用途によっては、さらに、一次側と二次側の間に電気的遮蔽を施すため、ブラッグ素子の少なくとも１つに電気抵抗率が高いものがある。
ブラッグ素子２６１、２６３、および、２６５を構成する層は、それぞれ、周波数が変成器２００の中心周波数に等しい音波の、層材料内における波長の４分の１の奇数の整数倍に等しい公称厚さを備えている。代わりに、波長の４分の１の約±１０％だけ公称厚さとは異なる層を利用することも可能である。性能が多少劣化するものの、この範囲外の厚さ許容差を利用することも可能であるが、層の厚さは、波長の２分の１の整数倍から大幅に異なるのが望ましい。
実施態様の１つでは、低音響インピーダンスのブラッグ素子２６３は、音響インピーダンスが約１３Ｍｒａｙｌの二酸化珪素（ＳｉＯ２）の層であり、高音響インピーダンスのブラッグ素子２６５および２６７のそれぞれは、それぞれ、電極２１４および２２２と同じ材料、すなわち、音響インピーダンスが約６３Ｍｒａｙｌのモリブデンの層である。ＦＢＡＲ２１０および２２０の、それぞれ、高音響インピーダンスのブラッグ素子２６５および２６７と電極２１４および２２２に、それぞれ、同じ材料を用いることによって、高音響インピーダンのブラッグ素子２６５および２６７は、さらに、それぞれ、電極２１４および２２２の働きをすることが可能になる。
ある例では、高音響インピーダンスのブラッグ素子２６５および２６７は、周波数が変成器２００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、モリブデン内における波長の４分の１に等しい公称厚さを備え、低音響インピーダンスのブラッグ素子２６３は、周波数が変成器の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、ＳｉＯ２内における波長の４分の３に等しい公称厚さを備えていた。低音響インピーダンスのブラッグ素子２６３として、４分の１波長の厚さのＳｉＯ２層の代わりに、４分の３波長の厚さのＳｉＯ２層を利用することによって、ＦＢＡＲ２１０と２２０の間のキャパシタンスが減少するが、変成器２００の帯域幅が狭くなる。
高音響インピーダンスのブラッグ素子２６５および２６７と低音響インピーダンスのブラッグ素子２６３との音響インピーダンス差が比較的少ない実施態様の場合、ブラッグ構造２６１は、２つ以上の（例えば、ｎの）低音響インピーダンスのブラッグ素子が、対応する数の（すなわち、ｎ＋１の）高音響インピーダンスのブラッグ素子と交互配置された構成とすることが可能である。例えば、ブラッグ構造は、３つの高音響インピーダンスのブラッグ素子と交互配置された２つの低音響インピーダンスのブラッグ素子から構成することが可能である。ブラッグ素子の１つだけしか絶縁する必要がない。
実施態様の１つでは、低音響インピーダンス・ブラッグ素子２６３は、さらに、ＳＢＡＲ２０８の電極２５４と２６２の間に延びて、音響デカプラ２３０および２７０の一部を形成する。さらに、電極２５４および２６２は、周波数が変成器２００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、電極材料内における波長の４分の１の公称厚さを備えている。あるいはまた、音響デカプラ２３０および２７０は、それぞれ別個であるが、同様の低音響インピーダンスのブラッグ素子を組み込むことが可能である。
ウェーハ・スケール製作によって、膜状音響結合変成器２００と同様の数千の膜状音響結合変成器が一度に製作される。こうしたウェーハ・スケール製作によって、膜状音響結合変成器２００の製作が低コストになる。典型的な製作方法については、次に、図６Ａ〜６Ｋの平面図および図６Ｌ〜６Ｖの断面図に関連して述べることにする。後述する量的な例は、約１．９ＧＨｚの周波数における動作に適した膜状音響結合変成器２００の例に関するものである。他の周波数における動作に適した例は、電極領域および薄膜厚といった細部が異なることになる。
単結晶シリコンのウェーハ（不図示）が用意される。ウェーハの一部は、製作される各変成器毎に、変成器２００の基板２０２に対応する基板を構成する。図６Ａ〜図６Ｋおよび図６Ｌ〜図６Ｖには、ウェーハの一部内およびウェーハの一部上における変成器２００の製作が例示されており、以下の説明では、それについて解説される。変成器２００が製作されると、ウェーハ上の残りの変成器が、同様に製作される。
変成器２００の基板２０２を構成するウェーハの一部に、選択的にウェット・エッチングが施されて、図６Ａおよび６Ｌに示すようなキャビティ２０４が形成される。代わりに、ドライ・エッチングによって、キャビティ２０４を形成することも可能である。
ウェーハ表面に、キャビティを充填するのに十分な厚さの充填材料の層（不図示）が堆積させられる。次に、ウェーハ表面を平坦化して、充填材料で充填されたキャビティが残される。図６Ｂおよび図６Ｍには、充填材料２０５を充填した、基板２０２のキャビティ２０４が示されている。
実施態様の１つでは、充填材料は、りん酸シリケート・ガラス（ＰＳＧ）であり、従来の低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）を用いて堆積させられた。充填材料は、代わりに、スパッタリングまたはスピン・コーティングによって堆積させることも可能である。
金属層が、ウェーハ表面および充填材料上に堆積させられる。金属にパターン形成を施して、図６Ｃおよび６Ｎに示すような、電極２１２、電極２５２、電極２１２と２５２の間に延びる電気トレース２３６、ボンディング・パッド２７２、および、電極２５２とボンディング・パッド２７２の間に延びる電気トレース２７３が形成される。電極２１２および電極２５２は、一般に、ウェーハの主表面に対して平行な平面に不規則な形状を備えている。不規則な形状は、ＬａｒｓｏｎIII他の米国特許第６，２１５、３７５号明細書に開示されているように、電極がその一部を形成するＦＢＡＲにおける横モードを最小限に抑える。電極２１２および電極２５２は、充填材料２０５の表面の一部が露出したままになるように配置されているので、後述するように、エッチングによって、後で、充填材料を除去することが可能である。
電極２１２、２１４、２２２、２２４、２５２、２５４、２６２、および、２６４は、ウェーハの主表面に対して平行なそれぞれの平面において、ＦＢＡＲ２１０の電極２１２および２１４の形状、サイズ、配向、および、位置が同じになり、ＦＢＡＲ２２０の電極２２２および２２４の形状、サイズ、配向、および、位置が同じになり、ＦＢＡＲ２５０の電極２５２および２５４の形状、サイズ、配向、および、位置が同じになり、ＦＢＡＲ２６０の電極２６２および２６４の形状、サイズ、配向、および、位置が同じになるように金属層にパターン形成を施すことによって形成される。一般に、電極２１４および２２２の形状、サイズ、配向、および、位置が、さらに、同じになり、電極２５４および２６２の形状、サイズ、配向、および、位置が、さらに、同じになる。
実施態様の１つでは、電極２１２、電極２５２、トレース２３６、ボンディング・パッド２７２、および、トレース２７３を形成するために堆積させられた金属は、モリブデンであった。モリブデンは、スパッタリングによって、約４４０ｎｍの厚さに堆積させられ、ドライ・エッチングでパターン形成を施されて、それぞれ、約７，０００平方μｍの面積の五角形電極が形成された。電極の面積は、ある特定の電気インピーダンスが得られるように選択される。インピーダンスは、ＳＢＡＲ２０６および２０８の高さ、および、動作周波数によっても決まる。代わりに、電極２１２および２５２、ボンディング・パッド２７２、および、トレース２３６および２７３の材料として、タングステン、ニオブ、および、チタンのような他の耐熱金属を利用することも可能である。あるいはまた、電極、ボンディング・パッド、および、トレースに、２つ以上の材料による層を含むことも可能である。
圧電材料の層を堆積させて、パターン形成を施し、ＦＢＡＲ２１０の圧電層２１６およびＦＢＡＲ２５０の圧電層２５６をなす圧電層２１７が形成される。まず、逆方向のｃ軸圧電材料の薄層を堆積させることによって、圧電材料の堆積が実施され、この薄層にパターン形成を施して、図６Ｄおよび図６Ｏに示すように、電極２５２の上にシード層２５５が形成される。次に、圧電層２１６および２５６の設計厚さに等しい公称厚さを備える圧電材料の薄層を堆積させ、これにパターン形成を施して、図６Ｅおよび図６Ｐに示すように、圧電層２１７が形成される。シード層２５５は、層２１７の一部の下方において所定位置にとどまるが、層２１７と比べるとその厚さはごくわずかであるため、図６Ｐには示されていない。圧電層２１７にパターン形成を施して、充填材料２０５の表面の一部、および、ボンディング・パッド２３２および２７２が露出させられる。さらに、圧電層２１７にパターン形成を施して、充填材料の表面の別の部分への接近を可能にするウィンドウ２１９が形成される。
再び図６Ｄおよび図６Ｎを参照すると、パターン形成を施して、シード層２５５が形成される圧電材料の薄層が、逆方向のｃ軸圧電材料の形成を促進する堆積条件下において堆積させられる。薄層にパターン形成を施して、シード層２５５を形成すると、電極２１２、電気トレース２３６の一部、充填材料２０５の表面の一部、ボンディング・パッド２７２、および、電気トレース２７３の一部が露出する。再び図６Ｅおよび図６Ｏを参照すると、圧電材料の厚層が通常の堆積条件下において堆積させられる。厚層の圧電材料は、シード層２５５上に堆積した部分については、そのｃ軸方向が逆になるが、他の部分ではｃ軸が通常方向になるように成長する。圧電材料の厚層にパターン形成を施して、圧電層２１６および圧電層２５６をなす、圧電層２１７が形成される。このパターン形成によって、充填材料２０５の表面の一部、ボンディング・パッド２７２、および、電気トレース２７３の一部が露出し、さらに、充填材料の表面の別の部分に対する接近を可能にするウィンドウ２１９が形成される。
実施態様の１つでは、圧電材料の薄層は、窒化アルミニウムであり、酸素を豊富に含むスパッタリング環境におけるスパッタリングによって、約４０ｎｍの厚さまで堆積させられた。この堆積プロセスを利用して、全厚の圧電層２１７を堆積させることが可能であるが、結果得られる圧電材料は、一般に、圧電特性が通常の成長条件下で成長させた圧電材料に比べて劣ることになる。シード層として酸素の豊富な成長条件下で逆方向のｃ軸圧電材料の薄層を堆積させることによって、シード層上に堆積した逆方向のｃ軸圧電材料は、圧電特性が通常のｃ軸圧電材料と同等になる。従って、圧電材料の層２１７を堆積させると、そのｃ軸（矢印２４６で表示）が通常方向の圧電層２１６と、そのｃ軸（矢印２４８で表示）が逆方向の圧電層２５６が形成される。
水酸化カリウムによるウェット・エッチングを施すか、または、塩素ベースのドライ・エッチングによって、圧電材料の薄層にパターン形成を施し、シード層２５５が形成された。
実施態様の１つでは、堆積させられて、圧電層２１７を形成する材料は、窒化アルミニウムであり、スパッタリングによって約７６０ｎｍの厚さに堆積させられた。圧電材料は、水酸化カリウムによるウェット・エッチングを施すか、または、塩素ベースのドライ・エッチングによってパターン形成が施された。圧電層２１７の代替材料には、酸化亜鉛、硫化カドミウム、および、ジルコン酸チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、および、チタン酸バリウムを含む、ペロブスカイト強誘電性材料のような、分極処理強誘電性材料が含まれている。強誘電性材料の分極処理については、図８Ａ〜図８Ｆに関連して後述する。
金属層が堆積させられ、パターン形成を施されて、図６Ｆおよび図６Ｑに示すように、電極２１４、電極２５４、電極２１４と電極２５４の間に延びる電気トレース２３７、ボンディング・パッド２３２、および、ボンディング・パッド２３２と電極２１４の間に延びる電気トレース２３３が形成される。
実施態様の１つでは、電極２１４、電極２５４、トレース２３７、ボンディング・パッド２３２、および、トレース２３３を形成するために堆積させられた金属は、モリブデンであった。モリブデンは、スパッタリングによって約４４０ｎｍの厚さに堆積させられ、ドライ・エッチングによってパターン形成が施された。代わりに、電極２１４および２５４、トレース２３３および２３７、および、ボンディング・パッド２３２の材料として、他の耐熱金属を利用することも可能である。あるいはまた、電極、トレース、および、ボンディング・パッドに、２つ以上の材料からなる層を含むことも可能である。
次に、音響デカプリング材料の層が堆積させられ、パターン形成を施されて、図６Ｇおよび図６Ｒに示すように、音響デカプラ２３０および音響デカプラ２７０をなす音響デカプリング層２３１が形成される。音響デカプリング層２３１は、少なくとも電極２１４および電極２５４を覆い（図６Ｆ）、さらに、充填材料２０５の表面の一部、および、ボンディング・パッド２３２および２７２を露出するようにパターン形成される。音響デカプリング層２３１は、さらに、パターン形成を施されて、充填材料の表面の別の部分に対する接近を可能にするウィンドウ２１９が形成される。
実施態様の１つでは、音響デカプリング材料は、ポリイミドであり、厚さが約７５０ｎｍ、すなわち、ポリイミドにおける１．９ＧＨｚの中心周波数波長の４分の３であった。ポリイミドが堆積させられ、スピン・コーティングによって音響デカプリング層２３１が形成され、フォトリソグラフィによってパターン形成を施された。ポリイミドは感光性であり、従って、フォトレジストが不要になる。上述のように、音響デカプリング材料として、他のプラスチック材料を利用することが可能である。音響デカプリング材料は、スピン・コーティング以外の方法によって堆積させることが可能である。
音響デカプリング層２３１の材料が、ポリイミドである実施態様の１つにおいて、ポリイミドの堆積およびパターン形成後、後続の処理を実施する前に、約３００℃でウェーハのベーキングが行われた。ベーキングによって、ポリイミドの揮発性成分が蒸発するので、後続処理中に、こうした揮発性成分が蒸発することによって生じる、引き続き堆積させられる層の剥離が阻止される。
金属層が堆積させられ、パターン形成を施されて、図６Ｈおよび図６Ｓに示すように、電極２２２、電極２６２、および、電極２２２から電極２６２まで延びる電気トレース２３８が形成される。
実施態様の１つでは、電極２２２および２６２、および、電気トレース２３８を形成するために堆積させられた金属は、モリブデンであった。モリブデンは、スパッタリングによって、約４４０ｎｍの厚さに堆積させられ、ドライ・エッチングによってパターン形成を施された。代わりに、電極２２２および２６２、および、電気トレース２３８の材料として、他の耐熱金属を利用することも可能である。あるいはまた、電極およびトレースには、２つ以上の材料からなる層を含むことも可能である。
圧電材料の層が堆積させられ、パターン形成を施されて、図６Ｉおよび図６Ｔに示すように、圧電層２２７が形成される。圧電層２２７を堆積させることによって、そのｃ軸（矢印２４７で表示）が通常方向の、ＦＢＡＲ２２０の圧電層２２６と、そのｃ軸（矢印２４９で表示）がやはり通常方向の、ＦＢＡＲ２６０の圧電層２６６が形成される。圧電層２２７は、ボンディング・パッド２３２および２７２を露出し、充填材料の２０５の表面の一部を露出するようにパターン形成が施される。圧電層２２７は、さらに、パターン形成を施されて、充填材料の表面の別の部分に対する接近を可能にするウィンドウ２１９が形成される。
実施態様の１つでは、圧電層２２７を形成するために堆積させられた圧電材料は、窒化アルミニウムであり、窒素の豊富な環境におけるスパッタリングによって約７６０ｎｍの厚さに堆積させられた。圧電層の材料は、従って、そのｃ軸が通常方向になるように成長する。圧電材料は、水酸化カリウムによるウェット・エッチングを施すか、または、塩素ベースのドライ・エッチングによってパターン形成された。圧電層２２７の代替材料には、酸化亜鉛およびジルコン酸チタン酸鉛が含まれている。
金属層が堆積させられ、パターン形成を施されて、図６Ｊび図６Ｕに示すように、電極２２４、電極２６４、ボンディング・パッド２３４、電極２２４からボンディング・パッド２３４まで延びる電気トレース２３５、ボンディング・パッド２７４、および、電極２６４からボンディング・パッド２７４まで延びる電気トレース２７５が形成される。
実施態様の１つでは、電極２２４および２６４、ボンディング・パッド２３４および２７４、および、電気トレース２３５および２７５を形成するために堆積させられた金属は、モリブデンであった。モリブデンは、スパッタリングによって、約４４０ｎｍの厚さに堆積させられ、ドライ・エッチングによってパターン形成を施された。代わりに、電極２２４および２６４、ボンディング・パッド２３４および２７４、および、電気トレース２３５および２７５の材料として、他の耐熱金属を利用することも可能である。あるいはまた、電極、ボンディング・パッドおよびトレースには、２つ以上の材料からなる層を含むことも可能である。
露出したボンディング・パッド２３２、２３４、２７２、および、２７４の表面には、金の保護層（不図示）が堆積させられる。
次に、ウェーハに等方性ウェット・エッチングを施して、キャビティ２０４から充填剤量２０５が除去される。上述のように、充填材料２０５の表面の一部は、例えば、ウィンドウ２１９によって露出したままである。図６Ｋおよび図６Ｖに示すように、エッチング・プロセスによって、キャビティ２０４の上に浮かされた膜状音響結合変成器２００は残される。
実施態様の１つでは、充填材料２０５の除去に用いられたエッチング液は希フッ化水素酸であった。
次に、ウェーハが、変成器２００を含む個別変成器に分割される。各変成器は、パッケージ内に実装され、次に、変成器のボンディング・パッド２３２、２７２、２３４、および、２７４と、パッケージの一部をなすパッドとの間で、電気的接続が施される。
使用時、電極２１２および２５２に電気的に接続されたボンディング・パッド２７２、および、電極２１４および２５４に電気的に接続されたボンディング・パッド２３２によって、変成器２００の第１の端子が得られ、電極２２４に電気的に接続されたボンディング・パッド２７２、および、電極２５４に電気的に接続されたボンディング・パッド２７４によって、変成器２００の第２の端子が得られる。実施態様の１つでは、第１の端子は、膜状音響結合変成器２００の一次端子をなし、第２の端子は、二次端子をなす。もう１つの実施態様では、第１の端子は、膜状音響結合変成器２００の二次端子をなし、第２の端子は、一次端子をなす。
本発明は、ＦＢＡＲ２５０の圧電層２５６が逆方向のｃ軸材料である実施態様に関連して解説された。しかし、これは、本発明にとってクリティカルではなく、代わりに、ＦＢＡＲ２１０、２２０、２５０、および、２６０の任意の１つの圧電層を逆方向のｃ軸材料とすることが可能である。あるいはまた、ＦＢＡＲ２１０、２２０、２５０、および、２６０の任意の３つの圧電層を逆方向のｃ軸材料とし、ＦＢＡＲの残りの１つの圧電層を通常のｃ軸材料とすることも可能である。さらに、電気回路２４１は、ボンディング・パッド２７２と２７２の間のＦＢＡＲ２５０に対して直列にＦＢＡＲ２１０を接続するように構成することが可能であり、電気回路２４２は、ＦＢＡＲ２６０とボンディング・パッド２３４および２７４に対して並列にＦＢＡＲ２２０を接続するように構成することが可能である。
音響デカプラ２３０および２７０に、図４Ｂに関連して上述のものと同様のブラッグ構造が組み込まれた、膜状音響結合変成器２００の実施態様の１つが、上述のものと同様のプロセスによって製作される。このプロセスには、下記のように相違がある。
圧電材料の層２１７を堆積させ、パターン形成を施した後（図６Ｄ、図６Ｅ、図６Ｏ、および、図６Ｐ）、図６Ｆおよび図６Ｑに示すのと同様のやり方で、金属層を堆積させて、パターン形成を施し、それぞれ、電極２１４および２５４を組み込んだ高音響インピーダンス・ブラッグ素子が形成され、さらに、電極間に延びる電気トレース２３７、ボンディング・パッド２３２、および、電極２１４とボンディング・パッド２３２の間に延びる電気トレース２３３が形成される。高音響インピーダンス・ブラッグ素子は、それぞれ、図４Ｂに示す高音響インピーダンス・ブラッグ素子１６５と同様である。金属層は、周波数が変成器２００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、金属内における波長の４分の１の奇数の整数倍に等しい公称厚さになるように堆積させられる。
実施態様の１つでは、それぞれ、電極２１４および２５４を組み込んだ高音響インピーダンス・ブラッグ素子を形成するために堆積させられた金属は、モリブデンであった。モリブデンは、スパッタリングによって約８２０ｎｍ（約１．９ＧＨｚのＭｏ内における波長の４分の１）の厚さに堆積させられ、ドライ・エッチングによってパターン形成が施された。代わりに、それぞれ、電極２１４および２５４を組み込んだ高音響インピーダンス・ブラッグ素子の材料として、他の耐熱金属を利用することも可能である。あるいはまた、高音響インピーダンス・ブラッグ素子に、２つ以上の金属からなる層を含むことも可能である。
次に、低音響インピーダンス材料の層が堆積させられ、パターン形成を施されて、図６Ｇおよび図６Ｒに示すのと同様のやり方で、低音響インピーダンス・ブラッグ素子が形成される。低音響インピーダンス材料の層は、周波数が変成器２００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、低音響インピーダンス材料内における波長の４分の１の奇数の整数倍に等しい公称厚さに堆積させられる。低音響インピーダンス・ブラッグ素子は、少なくとも高音響インピーダンス・ブラッグ素子を覆い、さらに、充填材料２０５の表面の一部、および、ボンディング・パッド２３２および２７２を露出するようにパターン形成される。低音響インピーダンス材料の層は、さらに、パターン形成を施されて、充填材料の表面の別の部分に対する接近を可能にするウィンドウ２１９が形成される。
実施態様の１つでは、低音響インピーダンス材料は、厚さが約７９０ｎｍのＳｉＯ２であった。ＳｉＯ２は、スパッタリングによって堆積させられ、エッチングによってパターン形成が施された。低音響インピーダンス・ブラッグ素子の材料として利用可能な他の低音響インピーダンス材料には、りん酸シリケート・ガラス（ＰＳＧ）、二酸化チタン、および、フッ化マグネシウムが含まれる。あるいはまた、スパッタリング以外の方法によって、低音響インピーダンス材料を堆積させることも可能である。
金属層が堆積させられ、図６Ｈおよび図６Ｓに示すのと同様のやり方でパターン形成を施されて、それぞれ、電極２２２および２６２を組み込んだ高音響インピーダンス・ブラッグ素子が形成される。金属層は、さらに、パターン形成を施されて、電極２２２から電極２６２まで延びる電気トレース２３８が形成される。金属層は、周波数が変成器２００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、金属内における波長の４分の１の奇数の整数倍に等しい公称厚さになるように堆積させられる。
実施態様の１つでは、それぞれ、電極２２２および２６２を組み込んだ高音響インピーダンス・ブラッグ素子を形成するために堆積させられた金属は、モリブデンであった。モリブデンは、スパッタリングによって約８２０ｎｍ（Ｍｏ内における波長の４分の１）の厚さに堆積させられ、ドライ・エッチングによってパターン形成が施された。代わりに、それぞれ、電極２２２および２６２を組み込んだ高音響インピーダンス・ブラッグ素子の材料として、他の耐熱金属を利用することも可能である。あるいはまた、高音響インピーダンス・ブラッグ素子、パッド、および、電気トレースに、２つ以上の材料からなる層を含むことも可能である。
次に、図６Ｉ〜図６Ｋおよび図６Ｔ〜図６Ｖに関連して上述のプロセスを利用して、変成器２００の製作が完了する。
本発明による膜状音響結合変成器の実施態様の中には、電極２１４と２２２の間、および、電極２５４と２６２の間に電気的接続を組み込んで、これらの向かい合った電極対を同じ電位に保持するものもある。これによって、向かい合った電極対が、音響デカプラ２３０と電極２１４および２２２によって形成される寄生コンデンサ、および、音響デカプラ２７０と電極２５４および２６２によって形成される寄生コンデンサの両端に電圧を印加するのが阻止される。上述のように、導電性音響デカプラによって、こうした電気的接続が施される。図７Ａおよび図７Ｂには、その２つの異なる製作時点における、本発明による膜状音響結合変成器の代替実施態様３００が示されている。この実施態様の場合、音響デカプラは電気的に絶縁性である。図２Ａ〜図２Ｃおよび図３に関連して上述の膜状音響結合変成器２００の構成要素に対応する、膜状音響結合変成器３００の構成要素は、同じ参照番号によって表示されており、再度の詳述は控えることにする。
図７Ａには、図６Ｆおよび図６Ｑに関連して上述のものに対応するその製作段階における膜状音響結合変成器３００が示されている。図６Ｅおよび図６Ｐに関連して上述のように、圧電材料の層２１７の堆積およびパターン形成が済むと、金属層を堆積させて、パターン形成を施し、電極２１４、電極２５４、電気トレース２３７、ボンディング・パッド２３２、電気トレース２３３、接続パッド２８２、および、接続パッド２８２とボンディング・パッド２３２の間に延びる電気トレース２８３が形成される。
実施態様の１つでは、堆積させられた金属は、厚さが約４４０ｎｍのモリブデンであった。金属は、スパッタリングによって堆積させられ、ドライ・エッチングによってパターン形成が施された。代わりに、他の耐熱金属を利用することも可能である。あるいはまた、電極、トレース、および、パッドには、２つ以上の材料からなる層を含むことも可能である。
図７Ｂには、図６Ｈおよび図６Ｓに関連して上述のものに対応する、その製作段階における膜状音響結合変成器３００が示されている。音響デカプリング材料の層２３１が、図６Ｇおよび図６Ｒに関連して上述のものと同様のやり方で堆積させられて、パターン形成を施された後、金属層が堆積させられ、パターン形成を施されて、電極２２２、電極２６２、電気トレース２３８、接続パッド２８４、および、接続パッド２８４と電気トレース２３８の間に延びる電気トレース２８５が形成される。接続パッド２８４は、図７Ｃの断面図に示されるように、接続パッド２８２の一部を覆い、電気的に接続されて、電極２１４および２５４を電極２２２および２６２に接続する。
実施態様の１つでは、堆積させられた金属は、厚さが約４４０ｎｍのモリブデンであった。金属は、スパッタリングによって堆積させられ、ドライ・エッチングによってパターン形成が施された。代わりに、他の耐熱金属を利用することも可能である。あるいはまた、電極、接続パッド、および、トレースには、２つ以上の材料からなる層を含むことも可能である。
他の実施態様には、電極２１４と電極２２２の間、および、電極２５４と電極２６２の間に電気的接続を施して、これらの電極がその一部をなす寄生コンデンサに印加される信号周波数電圧を最小限に抑えるものもある。
本発明による膜状音響結合変成器の製作については、圧電特性に優れた逆方向のｃ軸圧電材料の層が、逆方向のｃ軸材料の形成を促進する堆積条件下において堆積させられた逆方向のｃ軸圧電材料の薄いシード層上に、通常堆積条件下で堆積させられる例に関連して上述のところである。あるいはまた、上述のように、逆方向のｃ軸材料の形成を促進する堆積条件下において、逆方向のｃ軸圧電材料の層全体を堆積させることも可能である。
こうした方法の場合、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｌ、および、図６Ｍに関連して上述のプロセスが実施される。次に、金属層が堆積させられ、パターン形成を施されて、図６Ｃおよび図６Ｎに関連して上述のように、電極２１２および２５２等が形成された後、通常のｃ軸材料の形成を促進する堆積条件下において、圧電材料の層が堆積させられる。通常のｃ軸材料にパターン形成を施して、電極２５２、電極２５２に隣接する電気トレース２３６の一部、ボンディング・パッド２７２、および、電気トレース２７３が露出させられる。パターン形成後も残存する通常のｃ軸材料の層の一部が、モリブデンの層のような、適合するエッチング停止層で覆われる。次に、逆方向のｃ軸圧電材料層が、逆方向のｃ軸材料の形成を促進する堆積条件下において堆積させられる。フォトリソグラフィで規定されるエッチングによって、逆方向のｃ軸圧電材料にパターン形成が施されて、電極２１２を覆う通常のｃ軸材料が露出させられ、さらに、充填材料２０５の表面の一部、および、ボンディング・パッド２３２および２７２が露出させられる。このパターン形成によって、さらに、充填材料の別の部分に対する接近を可能にするウィンドウ２１９も形成される。逆方向のｃ軸材料層のパターン形成中、エッチング停止層によって、通常のｃ軸材料の層が保護される。次に、エッチング停止層が除去される。変成器の製作は、図６Ｆ〜図６Ｋおよび図６Ｑ〜図６Ｖに関連して上述のプロセスを実施することによって完了する。
もう１つの代替実施態様では、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｌ、および、図６Ｍに関連して上述のプロセスが実施される。次に、金属層が堆積させられ、パターン形成を施されて、図６Ｃおよび図６Ｎに関連して上述のように、電極２１２および２５２等が形成された後、通常のｃ軸材料の形成を促進する堆積条件下において、圧電材料の層が堆積させられる。通常のｃ軸材料にパターン形成を施して、電極２５２、電極２５２に隣接する電気トレース２３６の一部、ボンディング・パッド２７２、および、電気トレース２７３が露出させられる。フォトレジストまたは他の保護材料の層が堆積させられ、パターン形成を施されて、図６Ｄに示すシード層２５５と形状および大きさが同様のウィンドウが形成される。電極２５２、および、電極２５２に隣接した電気トレース２３６の一部が、ウィンドウによって露出する。次に、逆方向のｃ軸材料の形成を促進する堆積条件下において、逆方向のｃ軸圧電材料の層が堆積させられる。次に、リフト・オフ・プロセスを利用して、逆方向のｃ軸圧電材料の層にパターン形成が施される。リフト・オフ・プロセスによって、フォトレジスト層に堆積した逆方向のｃ軸材料は全て除去されるが、フォトレジストに形成されたウィンドウ内に堆積した逆方向のｃ軸材料は残される。次に、フォトレジストが除去される。変成器の製作は、図６Ｆ〜図６Ｋおよび図６Ｑ〜６Ｖに関連して上述のプロセスを実施することによって完了する。
通常のｃ軸圧電材料と逆方向のｃ軸圧電材料は、解説したばかりのものとは逆の順序に堆積させることが可能である。
図８Ａ〜図８Ｆには、本発明による膜状音響結合変成器の実施態様４００を製作するためのもう１つの方法が例示されている。図２Ａ〜図２Ｃおよび図３に関連して上述の膜状音響結合変成器２００の構成要素に対応する膜状音響結合変成器４００の構成要素は、同じ参照番号によって表示されており、再度の詳述は控えることにする。膜状音響結合変成器４００の場合、強誘電性圧電材料は、圧電層２１７および２２７の圧電材料として利用され、圧電層２６６の材料は、逆方向のｃ軸材料であり、残りの圧電層２１６、２２６、および、２５６の材料は、通常のｃ軸材料である。あるいはまた、圧電層２５６の材料を逆方向のｃ軸材料とすることが可能である。これらの層を構成する強誘電性材料のｃ軸方向が、圧電層２５６および２６６と逆方向に電界を印加することによって設定されており、それぞれ、圧電層２５６および２６６上に配置された電極２５４および２６４は、電気トレース２３６、２３７、および、２３８の１つによって相互接続されないただ２つきりの電極であるため、圧電層２５６または２６６は、逆方向のｃ軸材料から形成されている。
図８Ａ〜図８Ｆには、図２Ａ〜図２Ｃに関連して上述の膜状音響結合変成器２００と同様の膜状音響結合変成器４００の典型的な実施態様を製作する、ウェーハ４０２の処理を例示した平面図である。上述のように、単一ウェーハ上において、一般に、数千の膜状音響結合変成器が製作される。しかし、図８Ａ〜図８Ｆに示す膜状音響結合変成器の数は、図面の簡略化のため、４つにまで減らされている。後述の量的例は、約１．９ＧＨｚの周波数における動作に適した膜状音響結合変成器４００の実施態様に関するものである。他の周波数における動作に適した実施態様は、こうした細部において異なることになる。
まず、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｌ、および、図６Ｍに関連して上述のプロセスが実施される。次に、ウェーハ上に、第１の金属層が堆積させられる。圧電層４１７（図８Ｂ）の材料が、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のようなペロブスカイト強誘電性材料である実施態様の場合、第１の金属層の材料は、プラチナまたはイリジウムである。これらの材料は、後で、圧電層４１７の堆積に用いられる堆積プロセスに適合する。あるいはまた、第１の金属層は、プラチナまたはイリジウムの薄い保護層でコーティングされた、モリブデンのような耐熱金属の層から構成される。耐熱金属の層の厚さは、第１の金属層の設計厚さとは保護層の厚さだけ異なっている。この保護層によって、上述の堆積プロセス適合性が得られる。第１の金属層にパターン形成を施して、図８Ａに示され、図６Ｃおよび図６Ｎに関連して上述のように、電極２１２および２５２、電気トレース２３６、ボンディング・パッド２７２、および、充填材料２０５上に配置された電気トレース２７３が形成される。さらに、第１の金属層にパターン形成を施して、レベル１バス２８６、レベル１バス２８６の一方の端部のレベル１接触パッド２８７、および、それぞれ、変成器４００のボンディング・パッド２７２からバス２８６まで延びる電気トレース２８８が形成される。
次に、第１の圧電材料層を堆積させて、パターン形成を施し、図８Ｂに示す圧電層４１７が形成される。圧電層４１７は、圧電層２１６および２５６（図３）をなし、充填材料２０５の表面の一部およびボンディング・パッド２３２および２７２が露出するように、パターン形成を施される。さらに、圧電層４１７にパターン形成を施して、図８Ｂに示すように、レベル１バス２８６を覆うが、レベル１接触パッド２８７は露出したままにしておくウィンドウ２１９が形成される。圧電層４１７の圧電材料は、強誘電性材料である。
実施態様の１つでは、圧電層４１７を形成するために堆積させられた強誘電性材料は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）であり、ＲＦスパッタリング、ゾル・ゲルまたは有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）といったプロセスによって、約５００ｎｍの厚さに堆積させられた。強誘電性材料は、ウェット・エッチングまたは塩素ベースのドライ・エッチングによってパターン形成を施された。圧電層３１７のための代替強誘電性材料には、メタニオブ酸鉛およびチタン酸バリウムのようなペロブスカイト強誘電性材料が含まれる。
第２の金属層が堆積させられる。圧電層４２７（図８Ｄ）の材料が、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のようなペロブスカイト強誘電性材料である実施態様の場合、第２の金属層の材料は、プラチナまたはイリジウムである。これらの材料は、後で、圧電層４２７の堆積に用いられる堆積プロセスに適合する。あるいはまた、第２の金属層は、圧電層４１７に隣接したプラチナまたはイリジウムの薄い保護層と、モリブデンのような耐熱金属の層から構成される。耐熱金属の層の厚さは、第２の金属層の設計厚さとは保護層の厚さだけ異なっている。この保護層によって、上述の堆積プロセス適合性が得られる。第２の金属層にパターン形成を施して、図６Ｆおよび図６Ｑに関連して上述のように、また、図８Ｂに示されるように、電極２１４、電極２５４、電気トレース２３７、ボンディング・パッド２３２、および、電気トレース２３３が形成される。さらに、第２の金属層にパターン形成を施して、レベル２バス２８９、レベル２バス２８９の一方の端部のレベル２接触パッド２９０、および、それぞれ、変成器４００のボンディング・パッド２３２からバス２８９まで延びる電気トレース２９１が形成される。
次に、音響デカプリング材料の層を堆積させて、パターン形成を施し、図６Ｇおよび図６Ｒに関連して上述のように、また、図８Ｃに示されるように、音響デカプラ２３０および音響デカプラ２７０（図３）をなす音響デカプリング層４３１が形成される。音響デカプリング層４３１は、少なくとも、電極２１４および電極２５４を覆うが（図８Ｂ）、充填材料２０５の表面の一部およびボンディング・パッド２３２および２７２が露出するように、パターン形成を施される。さらに、音響デカプリング層４３１にパターン形成を施して、レベル２バス２８９を覆うが、接触パッド２８７および２９０は露出したままにしておくウィンドウ２１９が形成される。
ウェーハ上に、第３の金属層が堆積させられる。圧電層４２７（図８Ｄ）の材料が、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のようなペロブスカイト強誘電性材料である実施態様の場合、第３の金属層の材料は、プラチナまたはイリジウムである。これらの材料は、後で、圧電層４２７の堆積に用いられる堆積プロセスに適合する。あるいはまた、第３の金属層は、プラチナまたはイリジウムの薄い保護層でコーティングされた、モリブデンのような耐熱金属の層から構成される。耐熱金属の層の厚さは、第３の金属層の設計厚さとは保護層の厚さだけ異なっている。この保護層によって、上述の堆積プロセス適合性が得られる。第３の金属層にパターン形成を施して、図６Ｈおよび図６Ｓに関連して上述のように、また、図８Ｃに示されるように、電極２２２、電極２６２、電気トレース２３８が形成される。さらに、第３の金属層にパターン形成を施して、レベル３バス２９２、レベル３バス２９２の一方の端部のレベル３接触パッド２９３、および、それぞれ、変成器４００の電極２２２からバス２９２まで延びる電気トレース２９４が形成される。
次に、ウェーハ上に、第２の圧電材料層を堆積させて、パターン形成を施し、図８Ｄに示す圧電層４２７が形成される。圧電層４２７は、圧電層２２６および２６６（図３）をなし、充填材料２０５の表面の一部およびボンディング・パッド２３２および２７２が露出するように、パターン形成を施される。さらに、圧電層４２７にパターン形成を施して、図８Ｄに示すように、レベル３バス２９２を覆うが、接触パッド２８７、２９０、および、２９３は露出したままにしておくウィンドウ２１９が形成される。圧電層４２７の圧電材料は、強誘電性材料である。
実施態様の１つでは、圧電層４２７を形成するために堆積させられた強誘電性材料は、ＰＺＴであり、ＲＦスパッタリング、ゾル・ゲルまたは有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）といったプロセスによって、約５００ｎｍの厚さに堆積させられた。強誘電性材料は、ウェット・エッチングまたは塩素ベースのドライ・エッチングによってパターン形成を施された。圧電層４２７のための代替強誘電性材料には、メタニオブ酸鉛およびチタン酸バリウムのようなペロブスカイト強誘電性材料が含まれる。
第４の金属層が堆積させられる。第４の金属層の材料は、モリブデンのような耐熱金属である。第４の金属層の堆積後は、ペロブスカイト強誘電性材料の堆積プロセスは実施されないので、耐熱金属を第４の金属層の材料として用いることが可能になる。第４に金属にパターン形成を施して、図６Ｈおよび図６Ｓに関連して上述のように、また、図８Ｄに示されるように、電極２２４、電極２６４、ボンディング・パッド２３４、電気トレース２３５、ボンディング・パッド２７４、および、電気トレース２７５が形成される。さらに、第４の金属層にパターン形成を施して、第１のレベル４バス２９５、バス２９５の一方の端部の第１のレベル４接触パッド２９６、および、それぞれ、変成器４００の電極２２４からバス２９５まで延びる電気トレース２９７が形成される。さらに、第４の金属層にパターン形成を施して、第２のレベル４バス２９８、バス２９８の一方の端部の第２のレベル４接触パッド２９９、および、それぞれ、変成器４００のうち２つの変成器のボンディング・パッド２７４からバス２９８まで延びる電気トレース３００が形成される。さらに、第４の金属層にパターン形成を施して、図８Ｄに示すように、第３のレベル４バス３０１、バス３０１の一方の端部の第３のレベル４接触パッド３０２、および、それぞれ、変成器４００のうち残り２つの変成器のボンディング・パッド２７４からバス３０１まで延びる電気トレース３０３が形成される。
実施態様の１つでは、上述の金属層は、スパッタリングによって約４４０ｎｍの厚さにモリブデンを堆積させることによって形成され、ドライ・エッチングによってパターン形成を施された。上述のものと同様の代替実施態様も可能である。
次に、図８Ｅ、さらに、図８Ａ〜図８Ｃを参照すると、ウェーハが約１２５℃まで過熱され、下記のように、分極処理電圧が接触パッドに印加されて、接触パッド２９０および２９３が接地される。接触パッド２８７、２９９、および、３０２が負の分極処理電圧に接続され、接触パッド２９６が正の分極処理電圧に接続される。この構成の分極処理電圧が、バス２８６、２８９、２９２、２９５、２９８、および、３０１、および、トレース２３６、２８８、２３７、２９１、２３８、２９４、２９７、３００、および、３０３を介して、電極２１２、２１４、２２２、２２４、２５２、２５４、２６２、および、２６４に印加される。電極は、ＦＢＡＲ２１０、２２０、および、２５０（図３）の圧電層を横切って、ウェーハ４０２から離れる方向付けが施された分極処理電界を印加し、また、ＦＢＡＲ２６０（図３）の圧電層を横切って、ウェーハ４０２に向かう方向づけが施された電界を印加する。分極処理電界によって、ＦＢＡＲ２６０の圧電層２６６のｃ軸が、それぞれ、ＦＢＡＲ２１０、２２０、および、２５０の圧電層２１６、２２６、および、２５６のｃ軸と逆方向になるように設定される。
もう１つの実施態様では、表示とは逆の極性の分極処理電圧を接触パッドに印加して、圧電層２６６のｃ軸が圧電層２１６、２２６、および、２５６のｃ軸と逆方向になるように設定される。もう１つの実施態様では、図８Ｅにおける表示とは逆極性の分極処理電圧を接触パッド２９６、２９９、および、３０２に印加して、圧電層２５６のｃ軸が圧電層２１６、２２６、および、２６６のｃ軸と逆方向になるように設定される。分極処理電圧の他の組合せを利用して、圧電層の１つのｃ軸が他の３つの圧電層のｃ軸と逆方向になるように設定することも可能である。
実施態様の１つでは、分極処理電圧は、約２５０ｍＶ〜約１Ｖの範囲である。圧電層２１６、２２６、２５６、および、２６６の厚さが上述のように約５００ｎｍの場合、この範囲の分極処理電圧によって、約５００ｋＶ／ｍ〜約２ＭＶ／ｍの範囲の分極処理電界が圧電層に印加されることになる。
次に、ウェーハ４０２は、図８Ｆに示す破線３０５および３０６によって表示されたウェーハ４０２の領域を除去する既知のシンギュレーション・プロセスによって、個別膜状音響結合変成器に分割される。シンギュレーション・プロセスによって、さらに、バス２８６、２８９、２９２、２９５、２９８、および、３０１からトレース２８８、２９１、２９４、２９７、３００、および、３０３（図８Ａ〜図８Ｄ）が分離される。この結果、前にトレースとバスによって相互接続された電極間の電気的接続が切断される。
再び図３を参照すると、解説したばかりのプロセスによって製作された膜状音響結合変成器４００は、ＦＢＡＲ２１０および２５０を並列に接続する回路２４１と同様の回路、および、ＦＢＡＲ２５０および２６０を直列に接続する回路２４２と同様の回路を備えている。しかし、図３に示す例とは異なり、圧電層２１６および２５６のｃ軸が同じ方向であり、圧電層２２６および２６６のｃ軸が逆方向である。従って、ＦＢＡＲ２１０は、ＦＢＡＲ２５０によって生じる音響エネルギと同相の音響エネルギを発生する。ＦＢＡＲ２６０の圧電層２６６は、ｃ軸がＦＢＡＲ２５０の圧電層２５６と逆方向であるため、ＦＢＡＲ２６０によって生じる電気信号は、ＦＢＡＲ２２０によって生じる電気信号と逆相になる。膜状音響結合変成器４００の電極２５４および２６４における信号は、図３に示す膜状音響結合変成器２００における対応する信号と同様、逆相である。
ＦＢＡＲ１つにおける圧電層のｃ軸が、他のＦＢＡＲの圧電層のｃ軸と逆方向である膜状音響結合変成器の実施態様の１つでは、電気回路２４１および２４２は、上述の例とは別様にＦＢＡＲを相互接続するように構成することが可能である。
こうした他の実施態様の場合、電気回路２４１および２４２は、それぞれ、並列、直列、非並列、および、非直列構成の任意の１つをなすように、それぞれのＦＢＡＲを電気的に接続する。並列、直列、非並列、および、非直列電気回路構成の可能性のある１６の組み合わせのうち、実用的な変成器が得られるのは８つだけである。ＦＢＡＲを接続する電気回路構成の組み合わせによって、変成器のインピーダンスおよびインピーダンス変換比、すなわち、１：１低インピーダンス、１：１高インピーダンス、１：４、または、４：１が決まる。逆方向のｃ軸材料の単一圧電層によって、電気回路２４１および２４２が、両方とも、電気的に平衡な、実用的な実施態様を妨げる非対称性が生じる。各実施態様において、電気回路の一方だけが電気的に平衡になる。この欠点は、不平衡外部回路要素に対する不平衡電気回路の接続、および、その逆を実施することによって克服可能である。詳細に上述の並列／直列実施態様は、さらに、同相分除去に優れている。表１には、電気回路構成の可能性のある組み合わせが要約されている。
Figure 0004754802
表１において、行見出しには、例えば、電気回路２４１といった、電気回路の１つに関する構成が表示され、列見出しには、例えば、電気回路２４２といった、電気回路のもう１つに関する構成が表示され、Ｂ１は、行見出しによって表示された電気回路が電気的に平衡であることを表わしており、Ｂ２は、列見出しによって表示された電気回路が電気的に平衡であることを表わしており、Ｘは、機能しない変成器を表わしている。示されたインピーダンス変換比は、行見出しによって表示された電気回路に接続された電気端子から列見出しによって表示された電気回路に接続された電気端子へのインピーダンス変換である。ＬＯＷは、変成器が、並列をなす２つのＦＢＡＲのインピーダンスに相当する低インピーダンスを示すことを表わしており、ＨＩは、変成器が、直列をなす２つのＦＢＡＲのインピーダンスに相当する高インピーダンスを示すことを表わしている。並列または非直列に接続された電極には、同相の電圧が印加され、一方、直列または非並列に接続された電極には、逆相の電圧が印加される。
表１に示す電気回路は、電気回路が、ＳＢＡＲ２０６および２０８において互いに同じレベルのＦＢＡＲの電極だけしか接続できない、すなわち、電気回路の一方は、ＦＢＡＲ２１０および２５０の電極だけしか接続できず、電気回路のもう一方は、ＦＢＡＲ２２０および２６０の電極だけしか接続できないという制約を受ける。
本開示では、例証となる実施態様を用いて、本発明について詳述されている。しかし、付属の請求項によって定義される本発明は、解説の実施態様にそっくりそのまま制限されるものではない。
先行技術による１：４または４：１の膜状音響結合変成器の実施態様の電気回路に関する概略図。 図１Ａに示す膜状音響結合変成器における寄生キャパシタンスを示す概略図。 本発明による１：４または４：１の膜状音響結合変成器の第１の実施態様例に関する平面図。 図２Ａにおける断面線２Ｂ−２Ｂに沿った膜状音響結合変成器の断面図。 図２Ａにおける断面線２Ｃ−２Ｃに沿った膜状音響結合変成器の断面図。 図２Ａから図２Ｃに示す膜状音響結合変成器の電気回路に関する概略図。 音響デカプラの第１の実施態様を示す、断面線２Ｂ−２Ｂに沿った図２Ａに示す音響結合変成器の一部に関する拡大断面図。 音響デカプラの第２の実施態様を示す、断面線２Ｂ−２Ｂに沿った図２Ａに示す音響結合変成器の一部に関する拡大断面図。 図２Ａから図２Ｃに示す膜状音響結合変成器の実施態様に関して計算された周波数応答が、音響デカプラの音響インピーダンスによってどれほど左右されるかを示すグラフ。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。 図６Ａの断面線６Ｌ−６Ｌに沿った断面図。 図６Ｂの断面線６Ｍ−６Ｍに沿った断面図。 図６Ｃの断面線６Ｎ−６Ｎに沿った断面図。 図６Ｄの断面線６Ｏ−６Ｏに沿った断面図。 図６Ｅの断面線６Ｐ−６Ｐに沿った断面図。 図６Ｆの断面線６Ｑ−６Ｑに沿った断面図。 図６Ｇの断面線６Ｒ−６Ｒに沿った断面図。 図６Ｈの断面線６Ｓ−６Ｓに沿った断面図。 図６Ｉの断面線６Ｔ−６Ｔに沿った断面図。 図６Ｊの断面線６Ｕ−６Ｕに沿った断面図。 図６Ｋの断面線６Ｖ−６Ｖに沿った断面図。 そのそれぞれの製作段階における本発明による１：４または４：１膜状音響結合変成器の第２の実施態様の平面図。 そのそれぞれの製作段階における本発明による１：４または４：１膜状音響結合変成器の第２の実施態様の平面図。 図７Ｂにおける断面線７Ｃ−７Ｃに沿った第２の実施態様の断面図である。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的なもう１つの製作プロセスを例示した平面図。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的なもう１つの製作プロセスを例示した平面図。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的なもう１つの製作プロセスを例示した平面図。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的なもう１つの製作プロセスを例示した平面図。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的なもう１つの製作プロセスを例示した平面図。 本発明による膜状音響結合変成器の典型的なもう１つの製作プロセスを例示した平面図。

Claims (14)

  1. 音響結合変成器であって、
    第１のスタック型バルク音響共鳴器と、第２のスタック型バルク音響共鳴器と、を備え、前記第１および第２のスタック型バルク音響共鳴器のそれぞれは、積み重ねられた１対の膜状バルク音響共鳴器と、該膜状バルク音響共鳴器間の音響デカプラと、を備え、前記膜状バルク音響共鳴器のそれぞれは、向かい合った平面電極と、該平面電極間の圧電材料の層と、を備え、該圧電材料はｃ軸を有し、
    前記第１のスタック型バルク音響共鳴器の膜状バルク音響共鳴器の一方を前記第２のスタック型バルク音響共鳴器の膜状バルク音響共鳴器の一方に接続する第１の電気回路と、
    前記第１のスタック型バルク音響共鳴器の膜状バルク音響共鳴器の他方を前記第２のスタック型バルク音響共鳴器の膜状バルク音響共鳴器の他方に接続する第２の電気回路と、
    を備え、
    前記膜状バルク音響共鳴器のうちの１つの圧電材料のｃ軸が、他の３つの膜状バルク音響共鳴器の圧電材料のｃ軸と逆方向である、音響結合変成器。
  2. 前記第１の電気回路が、前記第１のスタック型バルク音響共鳴器の膜状バルク音響共鳴器の一方を前記第２のスタック型バルク音響共鳴器の膜状バルク音響共鳴器の一方に並列に接続し、
    前記第２の電気回路が、前記第１のスタック型バルク音響共鳴器の膜状バルク音響共鳴器の他方を前記第２のスタック型バルク音響共鳴器の膜状バルク音響共鳴器の他方に直列に接続する、請求項１に記載の音響結合変成器。
  3. 前記音響デカプラがそれぞれ音響デカプリング材料の層を備える、請求項１または２のいずれかに記載の音響結合変成器。
  4. 前記音響デカプリング材料はプラスチックを含む、請求項３に記載の音響結合変成器。
  5. 前記音響デカプリング材料が導電性である、請求項３に記載の音響結合変成器。
  6. 前記音響結合変成器が、中心周波数によって特性が決められる通過帯域を有し、
    前記音響デカプリング材料の層の公称厚さが、前記中心周波数に等しい周波数を有する音波の、前記音響デカプリング材料内における波長の４分の１の奇数の整数倍に等しい、請求項３から５のいずれかに記載の音響結合変成器。
  7. 前記音響デカプラのそれぞれがブラッグ構造を有する、請求項１または２のいずれかに記載の音響結合変成器。
  8. 前記音響デカプラの両側に配置された平面電極間における電気的接続をさらに含む、請求項１から７のいずれかに記載の音響結合変成器。
  9. 音響結合変成器を作る方法であって、
    第１のスタック型バルク音響共鳴器と、第２のスタック型バルク音響共鳴器と、を作成するステップを含み、該作成するステップは、下方の膜状バルク音響共鳴器、上方の膜状バルク音響共鳴器、および両者間に音響デカプラを形成するステップを含み、膜状バルク音響共鳴器のそれぞれは、向かい合った平面電極と、該平面電極間の圧電材料の層と、を含み、前記圧電材料はｃ軸を有し、前記形成するステップは、膜状バルク音響共鳴器の１つの前記圧電材料のｃ軸を他の３つの膜状バルク音響共鳴器の前記圧電材料のｃ軸と逆方向に設定するステップを含み、
    前記第１のスタック型バルク音響共鳴器の前記膜状バルク音響共鳴器の一方を前記第２のスタック型バルク音響共鳴器の前記膜状バルク音響共鳴器の一方に電気的に接続するステップと、
    前記第１のスタック型バルク音響共鳴器の前記膜状バルク音響共鳴器の他方を前記第２のスタック型バルク音響共鳴器の前記膜状バルク音響共鳴器の他方に電気的に接続するステップと、
    を含む方法。
  10. 前記形成するステップは、
    金属層を堆積させてパターン形成し、１対の平面電極を規定するステップと、
    前記平面電極の上に圧電材料層を堆積させるステップと、を含み、
    前記設定するステップは、前記圧電材料層を堆積させる前に、前記平面電極の一方に、前記他の３つの膜状バルク音響共鳴器の前記圧電材料のｃ軸と逆方向のｃ軸を有する圧電材料のシード層を堆積させるステップを含む、請求項９に記載の方法。
  11. 前記シード層を堆積させるステップが、酸素を豊富に含むスパッタリング環境におけるスパッタリングによって実行され、
    前記圧電材料層を堆積させるステップが、通常のｃ軸材料の形成を促進する堆積条件下において行われ、前記シード層に堆積する層の領域が、前記堆積条件下において堆積するにもかかわらず逆方向のｃ軸材料である、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記形成するステップは、
    金属層を堆積させてパターン形成し、１対の平面電極を規定するステップと、
    前記平面電極の上に圧電材料層を堆積させ、前記圧電材料層が、前記平面電極の一方における逆方向のｃ軸材料の領域と、前記平面電極のもう一方における通常のｃ軸材料の領域を有するステップと
    を含む、請求項９に記載の方法。
  13. 前記形成するステップは、
    金属層を堆積させてパターン形成し、１対の第１の平面電極を形成するステップと、
    前記第１の平面電極の上に強誘電性材料の層を堆積させるステップと、
    さらなる金属層を堆積させてパターン形成し、前記第１の平面電極に向かい合った１対の第２の平面電極を形成するステップと、を有し、
    前記設定ステップは、前記第１の平面電極の一方と前記第２の平面電極の向かい合った一方との間に公称極性の分極処理電圧を印加し、前記第１の平面電極の他方と前記第２の平面電極の他方との間に逆極性の分極処理電圧を印加するステップを含む、請求項９に記載の方法。
  14. 前記音響デカプラの両側に配置された平面電極を電気的に接続するステップをさらに含む、請求項９から１３のいずれかに記載の方法。
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