JP4772866B2 - バルク音波共振器装置 - Google Patents
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Description
本発明は、バルク音波(BAW、bulk acoustic wave)共振器装置に、BAW共振器装置を備えるフィルタに、及びBAW共振器装置を備える電子機器に関する。
薄膜のバルク-音波(BAW)フィルタは、高度に小型化され、及び低価格の高周波性(RF)及び中間-周波性(IF)の選択度を、移動型通信、無線接続性、及び衛星及び移動型デジタルTV(テレビ)のような適用において提供することができる。薄膜のBAWは約1GHz(ギガヘルツ)を超える選択の技術になっている。
これらのフィルタの基礎的な構成要素(ビルディングブロック)はBAW共振器である。BAW共振器は本質的に、金属電極層間に挟まれる圧電性層を備える音響的な空洞(キャビティ)である。交流電気信号がこれらの電極を横切って適用されるとき、エネルギは機械的な形態に変換され、及び定常波が励起される。振動の原則的様態(モード)は厚さ拡大(TE、thickness extensional)であり、それは層に対する法線(normal)であり、及びそれについての周波数で、半波長(half a wavelength)が空洞の厚さとおよそ等しい。この様態の励起は、圧電性層の配向、C-軸法線の結果であり、それは他の配向よりも成長し易い。0.1から2.0までのμmの等級の層は容易に成長させることができ、そしてこの技術は、1から10までのGHzの等級の周波数に最良に適する。
2種の主要な種類のBAW共振器は、Film-Bulk-Acoustic-wave-Resonator(フィルム-バルク-音響-波-共振器(FBAR)及びSolidly-mounted-Bulk-Acoustic-wave-Resonator(強固に-装着される-バルク-音響-波-共振器(SBAR又はSMR)である。SBARはFBARとは異なり、それではBAW共振器が1組の音響的に不一致な層に装着され、層は交互に高い及び低い音響的なインピーダンス及び各々の波長厚さ(wavelength thick)の四分の一を持つ。そのような反射体(reflector)層は、音響的なBragg(ブラッグ)反射体として言及される。ブラッグ反射体は、音波の法線入射(normally-incident)TE様態の非常に強い反射を、周波数の帯域(バンド)にわたり、典型的なフィルタ帯域幅よりも著しく広く提供する。ブラッグ反射体は、それ自体、固形基板(基材)で、典型的にガラス又はケイ素(シリコン)のものの上に装着される。FBARは例えば、“FBAR-from technology development to production(FBAR-生産のための技術の開発から)”、R. Ruby(ルビー)、2nd International Symposium on Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems(未来の移動型通信システム用の音波装置についての第2回国際シンポジウム)、Chiba University(千葉大学)、日本国、p. 133、2004年3月において議論される。SBARは例えば、“Solidly mounted bulk acoustic wave (BAW) filters for the GHz range(GHz圏域用の強固に装着されるバルク音波(BAW)フィルタ)”、H-P Lobl et al.(レーベル等)、IEEE(電気電子技術者協会) Ultrasonics Symposium(超音波学シンポジウム)、Munich(ミュンヘン)、p. 897、2002年において論議される。
BAWフィルタでは、BAW共振器は、電気的に、いずれかの、はしご型の立体配置で、不均衡にされるものにおいてか、又は格子型立体配置で、均衡にされるものにおいてか、又は基本設計概念で、これらの組合せで、また通常は均衡がとれたものにおいて相互接続される。電気的接続は設計の柔軟性上に制限を課し、それは次いで適用を限る。特に、時として、1種のポート(開口)での不均衡にされる終止、例えば、フィルタ入力をアンテナに接続するためのもの、及び他のポートでの均衡にされる終止、例えば、フィルタ出力を低-騒音増幅器(LNA)にまでの接続するためのものの組合せを持つことが好ましい。さらにこれらの終止は、異なるインピーダンス、典型的に50オーム及び150オームの可能性があり、従ってインピーダンスの転換がまた望ましい。この付加的なバラン(balum、平衡不平衡変成器)及び/又はインピーダンスの変換の機能性は、フィルタにおいて包含することができず、次いでいくつか(5又は6くらい)の付加的な受動的構成成分が要求される。
インピーダンス転換は、薄膜BAWフィルタにおいて含まれることができ、その場合、2種の共振器がつながり(カップリング)を提供するように付加的な薄膜層によって縦方向に分かれる層の同じ積み重ね(スタック)において含められる。そのような立体配置において、2種の共振器間の接続は、電気的よりもむしろ音響的であり、即ち、音波がエネルギを伝える。インピーダンス転換は次いで、電気的に2種のそのような積み重ねを接続することによって達成され、そこでは、領域(エリア)、及び従ってインピーダンスが、共振器のもので、2種の積み重ねにおいて異なる。バランの機能性はまた実現させることができる。そのような構造は、“Coupled Resonator Filters(つながれる共振器フィルタ)”、K. Lakin(ラキン)、等、IEEE Ultrasonics Symposium、Munich、p. 879、2004年において論議される。
縦方向に共振器をつなぐこの取組みは、バラン及び/又はインピーダンスの転換の機能性について要求される付加的な構成成分を除去するが、要求される多くの付加的な層に関して費用がかかり、それは概して、複雑性、及び従ってウェファ処理の費用を加える。
加えて、この取組みにおける設計の柔軟性の欠乏がある。フィルタの帯域幅は2種の共振器間の薄膜積み重ねにおける音響的なつながりの程度の関数である。これは、つながりの層の数によって制御され、及び従って別個の工程でしか調節することができない。
水晶フィルタ(quartz crystal filters)の分野から、2種の矩形の共振器を並べて置くこと、及び共振器間の厚みせん断(TS、thickness shear)音波の横方向の広がり(伝播)を採用することは既知であり、例えば、“The bilithic quartz crystal filter(ビリシック水晶フィルタ)”、J. F. Werner(ワーナー)、J. Sci. Tech.(ジャーナル・オブ・サイエンス・アンド・テクノロジ)、Vol. 38(第38巻)、pp. 74-82、1971年を参照。この取組みでは、フィルタの帯域幅は、共振器の幅及び共振器間の空隙を介して制御され、それは連続的に調節することができる。しかし、2種の矩形の共鳴器を並べて置くことによるこの取組みは、TE様態を採用する薄膜BAWフィルタについて用いることができず、その理由は、TE様態がTS様態よりも所定の寸法について各共振器に対し強く限定するからである。効果は、受入れ難いほど高い挿入損失であり、及び狭い帯域幅で、“Fundamental mode VHF/UHF bulk acoustic wave resonators and filters on silicon(ケイ素上の基本的な様態のVHF/UHFバルク音波共振器及びフィルタ)”、T.W. Grudkowski(グラジコウスキ)等、Proc. IEEE(プロシーディングズ・オブ・ザ・IEEE) Ultrasonics Symposium、pp. 829-833、1980年において例証されており、そこでは、8.5dBの挿入損失が実証された。共振器の領域は、特定のインピーダンス、典型的に50オームの等級のものに適合する必要性によって定められ、及びこのインピーダンスレベルで、厚さに対する領域(面積)の高い比率が要求される。他方で、結果として、エネルギが余りに強くは限定されないで、及び電極間で広がることができ、各共振器の電極は横方向の寸法において狭くなければならず、言えば、共振器の厚さの10倍以下である。そのように、電極の2種の隣接した領域と共に、電極の縦横比(アスペクト比)は数(いくつか、5又は6つくらいの)100の等級である必要がある。そのような装置は非常に高い電気抵抗及びひいては高い挿入損失を持つ。
本発明の目的は増加する帯域幅及び減少する挿入損失を持つBAW共振器装置を提供することである。
本発明の最初の局面に従って、バルク音波、BAWの共振器装置を提供し、これは第1及び第2の金属層及び介在性圧電性(intervening piezoelectric)層を備え、第1金属層は、間隔を開けられる第1及び第2の部分を備え、そこで、第1及び第2の部分が各々、複数の相互接続される指状部分(フィンガ)(interconnected fingers)として配置され、及びそこで、第1部分の各々の複数の指状部分が音響的に第2部分の少なくとも1種の指状部分につながれる。
複数の指状部分を採用することによって、第1金属層の第1及び第2の部分により規定される共振器間の音響的なつながりが、改善され、及び電気抵抗が減少し、増加する帯域幅及び減少する挿入損失がもたらされる。音響的なつながりは横方向であり、近接する指状部分の間である。
本発明の1具体例では、第1金属層の第1部分の指状部分は、第1金属層の第2部分の指状部分と織り交ぜられる(interlaced)。そのような具体例は、隣接する指状部分間で、隣接する指状部分間での直接的なつながりを伴い、強い音響的なつながりを隣接する指状部分間に提供する。
本発明の第2の具体例で、第1金属層の第1部分の指状部分は、音響的に、第2部分の近接する指状部分に対し、間接的に、第1金属層の更なる部分によってつながれる。そのような具体例は特に適し、そこでは、インピーダンス転換が求められ、それはインピーダンスが領域に対して反比例し、及び入力及び出力の部分の領域が異なることができるからである。
装置の第1及び第2の部分は、それぞれ、入力及び出力の電極として用い得、及びそれぞれ、入力口及び出力口につながれ得る。不均衡にされる操作は、接地路(ground path)へ第2金属層をつなげることによって履行し得る。均衡にされる操作のために、装置は、第2金属層について、第1金属層の構造に対応するものを備え即ち、第2金属層は、空間を開けられる第3及び第4の部分を備え、そこでは、第3及び第4の部分が各々、複数の相互接続される指状部分として配置され、そこで、第3部分の指状部分が、第4部分の指状部分と織り交ぜられ、又は更なる部分により音響的につなげられ、及びそこで、第3部分の指状部分が第1部分の指状部分に対向するように配置され、及び第4部分の指状部分が第2部分の指状部分に対向するように配置される。この場合、第1及び第3の部分は、均衡にされる入力口として用い得、及び第2及び第4の部分は、均衡にされる出力口として用い得る。
随意に、均衡にされる操作のため、第3金属層を、装置の圧電性層内に位置付け(located)得る。そのような第3金属層は、高度の振幅(amplitude)及び相平衡に役立ち、及び入力及び出力の共振器が、同じ周波数で共振するのを確実にするのに役立つことができる。
随意に、インピーダンス転換は、指状部分を、第1金属層の第2部分の指状部分と異なる長さを持つ第1金属層の第1部分、及び存在するなら、第2金属層の第4部分の指状部分と異なる長さを持つ第2金属層の第3部分の指状部分において採用することにより履行し得る。
随意に、装置は、反射体上に配置される第2金属層及び基板上に配置される反射体を伴い履行され得る。そのような配置はSBAR装置を提供する。反射体はブラッグ反射体でよいが、代わりに他の種類の反射体を用い得る。
本発明はまた、フィルタ、例えば、通信受信機のための選択フィルタで、本発明の最初の局面に従うBAW共振器装置を備えるものを提供する。
本発明はまた電子機器(electronic apparatus)、例えば、移動型電話又は放送用受信機で、本発明の最初の局面に従うBAW共振器装置を備えるものを提供する。
本発明を次に、一例としてだけで、付随する図面を参照して、説明する。図1〜21の説明は(図面の簡単な説明)の項に移す。
図面において、対応する特長を示すのに、同じ参照符号を用いている。
図面において、対応する特長を示すのに、同じ参照符号を用いている。
図1は不均衡にされる開口を要する適用において用いるのに適切なFBAR共振器の層を介して断面図を図式的に示し、それは、第1金属層10、第2金属層20及び介在性圧電性層30を備える。図2は第1金属層10の割付け(レイアウト)の平面図を図式的に示す。第2金属層20は連続的な面であり、及びそれで平面図に例証されない。図1の断面は図2の線X-X’に対応する。図1及び2では、第1金属層10は、複数の相互接続される指状部分16を持つ第1金属部分12、及びまた複数の相互接続される指状部分18を持つ第2金属部分14を備える。第1及び第2の金属部分12、14は、空隙17によって間隙を介し(spaced apart)、それは、誘電性の平坦化(planarisation)物質を含有する。第1部分12の指状部分16は、第2部分14の指状部分18と織り交ざり、それによって、隣接する指状部分間の音響的なつながりが提供される。明確にするために、図1及び2において、第1部分12を、3種の指状部分18を持つよう例証し、及び第2部分14を、2種の指状部分18を持つようにするが、典型的な履行において、多くのより一層の指状部分がある。
使用において、第1金属層10の第1部分12は入力電極として働き、及び不均衡にされる入力口42につながれ、及び第1金属層10の第2部分14は出力電極として働き、及び不均衡にされる出力口41につながれる。第2金属層20は接地路40に対してつながれる。
第1及び第2の金属層10、20は、典型的にアルミニウム、白金、モリブデン、タングステン又は金であり、100nmの等級の厚さを持つ。圧電性層は典型的に、窒化アルミニウム、酸化亜鉛、又はジルコン酸チタン酸鉛であり、層に対するC-軸の法線を伴い、1-2μmの等級の厚さを有して堆積される。窒化アルミニウムは現在好ましい物質である。誘電性の平坦化物質は省いてよい。
製造中に、図1において例証する層状化される構造は、ケイ素基板(例証してない)上に作製され、及びケイ素基板を、音響的に活性な圏域から、典型的に微細機械加工(micro-machining)によって除去し、そして音響的な分離及び従って低い音響損失を提供する。
図3は均衡にされる開口を要する適用において用いるのに適切なFBAR共振器の層を通した断面を図式的に示す。構造は図1において例証するものと同じであるが、例外として、第2金属層20が図2において例証する第1金属層10と同じ割付けを持つ。図1及び3において例証する構造間の相違だけしか記載していないが、図3の第2金属層20は、図4の平面において例証される。それは、複数の相互接続される指状部分26を持つ第3金属部分22、及びまた複数の相互接続される指状部分28を持つ第4金属部分24を備える。第3及び第4の金属部分22、24は、誘電性の平坦化物質を含有する空隙27によって間隙を介する。第3部分22の指状部分26は、第4部分24の指状部分28と織り交ざり、それによって隣接する指状部分間での音響的なつながりが提供される。第3部分22の指状部分26は、対向して、即ち、次のものの鏡像において、第1部分12の指状部分16に対し配列され、及び第4部分24の指状部分28は第2部分14の指状部分18に対向して配列される。典型的な履行において、図3及び4において例証するよりも多くのより一層の指状部分がある。
図3及び4において例証する構造を、均衡にされる開口を要する適用において用いるとき、第1金属層10の第1部分12及び第2金属層20の第3部分22が1組の入力電極として働き、及び均衡にされる入力口43、44に対しつながれ、及び第1金属層10の第2部分14及び第2金属層20の第4部分24が1組の出力電極として働き、及び均衡にされる出力口45、46に対してつながれる。
図5はSBAR装置の層状構造を通した断面を図式的に示す。第1金属層10、第2金属層20、及び介在性圧電性層30は図1において例証する構造と同一で、それで再度記載はしていない。図5では、第2金属層20は、音響的なブラッグ反射体50上に配置され、及びブラッグ反射体50は基板60上に配置される。ブラッグ反射体50は上記論議をしている。
図6は均衡にされる開口を要する適用において用いるのに適切なSBAR装置の層状構造を通した断面を図式的に示す。構造は図3において例証するものと同一であるが、例外として、第2金属層20を、音響的なブラッグ反射体50上に配置し、及びブラッグ反射体50を基板60上に配置する。第2金属層20を、均衡にされる開口の終端(ターミナル)に対してつなぐことは、明確さのためには例証していないが、典型的に、第2金属層20の横方向の拡大(側面延長、lateral extension)によって、又は層状構造におけるビア(vias)によってのものである。
交流電場が第1及び第2の金属層10、20間で適用されるとき、音響振動が励起される。C-軸法線の圧電性層について、原則的な音響様態は厚さ拡大(TE)で、即ち、動きは、層に対する法線である。基本的なTE共振は、ある周波数で起こり、それについて、第1及び第2の金属層10、20及び圧電性層30の組合せの厚さがこの様態の半-波長におよそ等しい。BAW共振器が、高い幅-対-厚さの比率の、言えば100又はそれよりも高い等級を有する第1及び第2の金属層10、20を持つことがあった場合、音響エネルギは大いにそれらの重複によって規定される領域に限定されるが、しかし、横方向に広がる付加的な様態は、小量の望まれない損失及び他の第2次の効果を与える共振器の端部で励起される。本発明に従う共振器にとって、好ましくは、低い幅-対-厚さの比率が、指状部分16、18、26、28について、言えば、10又はそれより少ない等級のもので用いられ、及びそのように著しく高い割合のエネルギが横方向の様態に変換され、及び従って、著しく多い有意な割合の音響的エネルギが隣接する指状部分の間で伝わる。したがって、一定の周波数で、図1から5までにおいて例証する織り交ざる構造は、隣接する指状部分で、16及び18、及び26及び28の間に、強い音響的なつながりを提供する。そのようにして、本発明に従う共振器について、横方向に広がる波の1種が、共振器間のそのような音響的なつながりを提供するように、慎重に引き出される。織り交ぜられる指状部分の使用は、すべての指状部分の双方の端部のため、2種の最外部分を除き、つながりのプロセスにおいて採用され、より一層大きなつながりの更なる利益を持つ。
図7は第1金属層10の代わりの割付けの平面を図式的に示す。第1及び第2の部分12、14の指状部分16、18で、図4に関して上記されるようにそれぞれが織り交ぜられるものに代わって、第1部分12の指状部分16は、第2部分14の指状部分18の間で伸びない。更なる部分15が、第1部分12の指状部分16の間及びそれらから空間を開けられ、及び第2部分14の指状部分18の間及びそれらから間隔を開けられて位置付けされてある。更なる部分15は、第1部分12の指状部分16及び第2部分14の指状部分18の間に間接的なつながりを提供する。第1部分12の指状部分16は第2 部分14の指状部分18と異なる長さを持ち得、このように、装置はインピーダンス転換を入力及び出力の開口間に提供する。
図8は図7において示すような第1金属層10を持つFBAR装置を通した断面を図式的に示す。断面は図7における線Y-Y’に対応する。第2金属層20及び圧電性層30は図1に関して記述されるようなものである。第1金属層10の第1及び第2の部分12、14、及び更なる部分15は、誘電性の平坦化物質を含有する空隙17によって間隙を介する。典型的な履行では、図7及び8において例証されるものよりも多くのより一層の指状部分16、18及び更なる部分15がある。
入力及び出力の接続を図8において例証しないが、使用時に、第1金属層10の第1部分12(指状部分16を含む)は、入力電極として働き、及び不均衡にされる入力口につながれ、第1金属層10の第2部分14(指状部分18を含む)は、出力電極として働き、及び不均衡にされる出力口につながれ、及び第2金属層20は接地路に対してつながれる。
均衡にされる操作を要する適用のため、第2金属層20の割付けは、図7において例証する第1金属層10の割付けと同じであり、そのような装置のY-Y’の断面を図9のいて図式的に示し、及びそれは、指状部分26、更なる部分25、及び誘電性の平坦化物質を含有する空隙27を示す。均衡にされる操作のために、使用時に、第1金属層10の第1部分12(指状部分16を含む)及び第2金属層20の対向する部分(指状部分26を含む)は、均衡にされる入力口につながれ、及び第1金属層10の第2部分14(指状部分18を含む)及び第2金属層20の対向する部分(指状部分28を含む)は、均衡にされる出力口につながれる。
図7、8及び9において例証する構造を持つSBAR装置は、第2金属層20を音響的なブラッグ反射体上に配置すること、及びブラッグ反射体を基板上に、図5及び6に関して上記するような様式において配置することにより構築し得る。
均衡にされる操作について記載する装置構造はまた、バランの操作、即ち、1種の開口の均衡にされるもの及び1種の開口の不均衡にされるもののため、接地路へのつながりによって用い得、第2金属層20の部分が不均衡にされる開口に対応する。
不均衡にされる入力口及び均衡にされる出力口を伴う使用のための装置は、随意に、第3金属層を圧電性層30内に含み得る。図11は図7において例証するような第1金属層10を持つ装置の平面を図式的に示すが、加えて、第5部分81及び第6部分82を備える第3金属層の割付けを例証する(鎖線)。第5部分81は第1部分12の指状部分16の領域を包含する形状における矩形であり、及び付加的な突出する指状部分を伴い、それは更なる部分15に対応し、及び第6部分82は第2部分14と同じ形状である。第5部分81は高度の双方の振幅及び出力口での相平衡を確かにするのに働く。図9は、図11において例証する装置の層状構造を通した線Y-Y’での断面を図式的に例証するが、そこでは次のように、この位置で、第5部分81が装置を横切って連続し、圧電性層30の端部圏域が間隙を介することを見ることができる。図10は、図11において例証する装置の層状構造を通した線Z-Z’での断面を図式的に例証し、そこでは、次のように、この位置で、第6部分82が第3金属層の3種の金属の指状部分を通した断面を備えることを見ることができる。使用時は、第1金属層10(指状部分26を含む)の第1部分12は、不均衡にされる入力口につながれ、第2金属層20の第3部分(指状部分26を含む)は、接地路につながれ、第3金属層の第5部分81は電気的に浮き(electrically floating)、及び双方の入力及び出力の共振器が同じ周波数で共振することを確実にするのに働き、第1金属層10の第2部分14(指状部分18を含む)及び第2金属層20の第4部分(指状部分28を含む)は均衡にされる出力口につながれ、及び第6部分82は接地路につながる。
本発明に従い層状化される構造の横方向への導波(ガイドされる波)のための分散曲線は“Simulation of second order effects in SBAR and FBAR(SBAR及びFBARにおける第2次効果のシミュレーション)”、R. F. Milsom(ミルサム)等、2nd International Symposium on Acoustic Wave Devices for Future Mobile Communication Systems、Chiba University、Japan、p. 143、2004年3月における理論を適用することによって予測され、及び図12から15において示される。図12から15までに提示されるデータについて、第1金属層10は100nmの厚さのアルミニウムであり、及び空隙17は100nmの厚さの五酸化タンタルを含む。分散曲線における慣行(convention)は、縦方向の軸上の周波数、陽性の水平方向の(positive horizontal)軸上の正規化される(normalized)波数Ωの実数部分、及び陰性の水平方向の軸上の正規化される波数Ωの虚数部分を表示することである。5種の最も重要な横方向の導波のためのFBARsにおける分散曲線は、すべてLamb(ラム)-種類(タイプ)の波であるが、それを図12において指状部分の圏域について、及び図13において空隙の圏域について示す。
図12に関し、曲線標識1(四角い点)は横方向に導かれるTE波に対応し、それは実際また、かなり平行な(x1-方向付け)構成成分並びに法線(x3-方向付け)の動きの構成成分を含み、及び純粋なTEだけしか遮断周波数の1種でなく、この場合1.95GHzである。これは、横方向のつながりについて採用される原則的な様態である。図13は空隙圏域についての対応する曲線を示す。双方の指状部分及び空隙の圏域のために、図12及び13において指示するような別個の周波数帯域がある。上側停止帯域において、波数は虚数であり、そのような様態1は、x1-方向において強く減衰され、一方で、放射-帯域において、様態1は弱められていないで広がり、及び下側停止-帯域において、様態1及び2は、共役複素数の(complex conjugate)波数を持ち、及び双方が強く減衰される。高いQ-因子の横方向の共振だけしか、所定の周波数で起こらず、これが、双方の指状部分圏域の放射帯域及び空隙圏域における停止帯域の1種において横たわる場合である。そのような共振は“エネルギ-捕捉される”様態と称され、それは、それらが指状部分圏域において、指状部分の端部での内部反射のために定常波を組み合わせ、及び空隙及び端部の圏域の周波数帯域の間の一過性の外乱(evanescent disturbance)、即ち、振動の振幅が、指状部分圏域の外側の端部から離れて急速に衰える。指状部分の周波数帯域及び空隙圏域の間の必要なオフセットは、2種の代わりのやり方の1種において達成し得る。どちらかで、第1金属層10は、比較的重い金属、例えば、白金で形成され、それは、指状部分圏域の放射帯域を、空隙圏域の下側停止帯域が重複されるに至るまでシフトさせ、又は(図12及び13において例証する場合のように)頂部分の電極を軽い金属(この場合においてアルミニウム)で形成し、及び空隙を、重い誘電性の(この場合において五酸化タンタル)の平坦化層により充填し、それは、空隙圏域の上側停止帯域を、指状部分圏域の放射帯域が重複されるに至るまでシフトさせる。空隙の負荷(いずれかの、誘電性物質、又は金属、それに基づき可能性のあるものを用い、及び非常に小さな空隙を用いて電気的分離を提供すること)は、第1の場合において随意なものであるが、しかし、平坦化はまだ、電極の端部での音響的な不連続性を最小にするために推奨され、及びそのように望まれ、及び望まれていない横方向の波の間のエネルギ変換が減らされる。
SBARの分散曲線は図14及び15において示される。これらの波は、レーリー型(Rayleigh-type)の表面音波(SAW)であり、その若干のものは、若干の周波数で漏れ易く、即ち、エネルギがブラッグ反射体を介して漏れる。様態1の挙動だけしか、上に論議されるFBARの場合についてのものに近似しないことを見ることができる。別個の放射帯域及び停止帯域は起こらず、従ってフィルタの挙動は異なると見込むことができる。
図16は、電気的な散乱変数(パラメータ)(S-変数、S11及びS12)の規模を、図1及び2において例証する構造を持つが、しかし、種々の数の指状部分を伴ったFBARを採用する広帯域のBAWフィルタについて示す。第1金属層10は、アルミニウムの100nmであり、指状部分16、18の間での空隙17において、平坦化物質を有し、それは五酸化タンタルの100nmのものである。この例において、広帯域幅を達成するために、指状部分16、18及び空隙17の幅は、それぞれ、5μm及び2μmであるように要求される。図16において提示するデータについて、第1部分12における指状部分16(入力電極のため)及び第2部分14の指状部分18(出力電極のため)の数N、及び指状部分16、18の長さW、及び指状部分16、18及び空隙17を備える音響的に活性な領域の面積Aは次の通りである。
すべての場合において、指状部分の長さWは、50オームまでへの最適な適合のために選ばれ、及び無批判の(uncritical)2nHの誘導物質(インダクタ)は、各開口と直列的に加わり、通過帯域の中央において小さな(約1dB)の窪み(ディップ)を平らにする。指状部分の数を増加させることはいくつかの次の効果を持つことに注目せよ。
(1)指状部分の面内の縦横比はより一層低く、及び指状部分の電気的に並列な数はより一層大きく、より一層低い連続する電気的抵抗を与える。
(2)挿入損失は、増加する音響的なつながりのため、通過帯域にわたりより一層低い。
(3)開口での電気的適合は改善される。
(4)合計の音響的に活性な領域はほとんど増加しない(N=1は非常に乏しい性能を持つ特別な場合である)。加えて、この領域の全体的な縦横比はより一層適度になる。
(5)停止帯域における望まれない反応の鋭さは増加する。
これらの効果のすべては、最後を除いて有利である。
(2)挿入損失は、増加する音響的なつながりのため、通過帯域にわたりより一層低い。
(3)開口での電気的適合は改善される。
(4)合計の音響的に活性な領域はほとんど増加しない(N=1は非常に乏しい性能を持つ特別な場合である)。加えて、この領域の全体的な縦横比はより一層適度になる。
(5)停止帯域における望まれない反応の鋭さは増加する。
これらの効果のすべては、最後を除いて有利である。
比較を、FBARフィルタで、図17において、各々の第1及び第2の金属部分12、14において50の指状部分を伴って、本発明に従い、S-変数の予測される周波数反応について、及び図18において、3種のつながり層を伴って、先行技術の縦方向につながれるSBARについて提示する。図17に提示するデータは、幅5μm及び厚さ100nmの指状部分、及び100nmの厚さの五酸化タンタルの平坦化物質を含む2μmの空隙の幅を持つフィルタについてのものである。圧電性層30の物質及び金属層10、20の物質(アルミニウムの100nm)は、双方の図17及び18について同じである。SBARにおける反射体及びつながり層の物質は、二酸化ケイ素(SiO2)及び五酸化タンタル(Ta2O5)である。音響的なブラッグ反射体は、6つ及び5つの層のSiO2及びTa2O5をそれぞれ持つ。結合器(カプラ)はそれぞれSiO2及びTa2O5の3つ及び2つの層を持つ。FBARの予測を、上記に参照するMilsom等によって記述される2次元の解析様態を用いて実行した。これは、必要なことであり、それは、横方向の伝搬(横方向に広がる)波が挙動を支配するからである。SBARのシミュレーションを1次元の様態を用いて実行し、それは2次元様態のサブセットで、及び横方向の伝搬波が無視される。これはそのような構造のための良好な近似であることを示し、それは、法線入射のTE波が次いで、挙動を支配するからである。開口での連続する誘導物質は、図16において、予測内に含まれ、図17及び18のシミュレーションから省かれ、S21における窪みを例証し、及び乏しい適合性が、中心周波数でBAW装置から単独で生じるS11の高い値によって指示され、そのとき、比較的高い帯域幅が必要とされる。いくつかの解説が図16、17及び18において提示するデータ上で行われる。
(1)図17のFBARの帯域幅、及び図18の縦方向につながるSBARが正確に同じであるように設計する試みはなされず、しかし、再度、これが、横方向につながる指状部分について続けて調節可能であることが強調され、それは、それが指状部分及び空隙の幅の関数であり、それらが、自由にマスクにおいて規定されるからであり、一方、それだけが、別個の工程において、縦方向につながる共振器について調節することができるに過ぎず、それは、それがつながり層の数の関数であり、それが整数だからである。
(2)周波数反応の一般的な形状は、図17のFBARについて、及び図18の縦方向につながるSBARについて同じであるが、しかし、明らかに多くの帯域外の反応がFBARにおいて存在し、一方、縦方向につながるSBARの反応は偽りないものである(spurious-free)。縦方向につながるSBARの場合には、シミュレーションから除かれる横方向の伝搬波は、若干の偽りの反応を、実際には低い水準ではあるが、導入する。
(3)図16は指状部分の数、通過帯域の挿入損失及び帯域外反応の強さの間の交換があることを示す。しかし、最良の取組みはおそらく、指状部分のより一層大きな数を持ち(上記に論議する理由のため)及び他の手段によって望んでいない反応を抑制又は引き出すかのいずれかをすることである。
(4)帯域外共振はフィルタ反応に関して問題を表すように見え得るが、しかし、利益を引き出すことができる。それらは指状部分の圏域についての様態1の停止帯域において起こり、及び従ってこの波のためであることができない。これらの各々の反応は実際、他の波(典型的に様態2又は様態3)で、それらは進行波であるものの1種の多重の内部反射と関連付けられる。通過帯域の端部の近くの2種の主要な共振とは違い、それらは普通に受け入れられる感覚においてエネルギを捕捉せず、即ち、問題の導波の振数はすべての圏域において実在する。共振は、層状構造中に非-均等性を導入することによって、抑制され、又はさもなければ修飾されることができ、そこでは、指状部分及び空隙の幅が構造に沿って変動し、そのようにして、内部反射の一貫性が減らされる。代わりに、狭い空隙(即ち、長さ方向の細長い隙間)を、各指状部分の中心に沿って導入することができ、一方、2等分間の電気的な接続が維持される。エネルギ捕捉され、及び非-エネルギ捕捉の共振の異なる性質は、それらが、無関係に、設計において、少なくとも若干の範囲で、修飾されることができることを示唆する。深い零(nulls)を停止帯域中に導入することができ、及びこれらが、特に強く拒まれなければならない周波数であるように設計することができることは明らかである。概して、通過帯域及び停止帯域は双方とも十分に合わせることができる。この設計の柔軟性は、縦方向につながる共振については利用できない。
(5) 図14及び15は、本発明に従うSBARの指状部分の構造について、指状部分の圏域において、様態1のための波数が、遮断を除くすべての周波数で複雑であることを指示する。これは、音響的なエネルギの反射体を介する漏出のためであり、及びFBAR設計について予測される挿入損失よりも高いものをもたらす。他方で、他の横方向様態への様態変換は、これらが構造中に様態1よりも少なくしか浸透しない表面音波(SAW)であるので、より一層弱い。結果的に、帯域外の反応はSBARについて減少される。
(6)横方向につながる共振器は、縦方向につながる共振器よりも大いに簡単な技術を採用する。層の数は著しく小数である。加えて、フィルタの周波数-トリミングは例で、ウェファ上の拡大を修正するように、より一層容易である。例えば、二酸化ケイ素のような誘電体の薄層をウェファの1部分上に局部的に加えることは、中心周波数を、フィルタ反応の形状を有意に修飾しないで減少させる。比較では、縦方向につながれる共振器に適用されるかかる取組みは、頂部分の共振器を、底部分の共振器よりも大きな範囲にまで修飾し、及び従って双方の周波数及び反応の形状を変化させる。
(7)随意に、改善される停止帯域の減衰は、空隙におけるわずかな違い及び/又は異なる区分(セクション)における指状部分の幅を伴う2種又はそれよりも多くの横方向につながる共振器の区分を次へとつなげること(カスケード)によって達成することができ、その結果、鋭い帯域外共振が互いを補強しない。
(8)随意に、追加の共振器は、接地する双方の頂部分及び底部分の電極の指状部分を伴い、入力及び出力の電極の指状部分の間に介入させ得、入力及び出力の開口の間で双方のより一層高い等級のフィルタリング及び電磁波保護を提供する。そのような指状部分の配置の例は、次の通りである。入力、接地、接地、出力、接地、接地、入力、... 接地、接地、出力。原理的には、平行な入力、出力及び接地の指状部分の任意の配置でも採用し得る。
図19、20及び21は、図16、17及び18に似た結果を示すが、しかし、より一層狭い帯域幅を有するフィルタのためのものである。狭い帯域幅を達成することは、より一層少ない音響的つながりしか要求せず、それが、本発明に従う装置においては、より一層広い指状部分及び空隙を、指状部分16、18及び空隙17の幅をそれぞれ、10μm及び3μmで用いることによって、及び縦方向につなげられる装置において、つながりの層の数を5にまでに増加させることによって、達成することができる。第1金属層10の物質及び平坦化物質は、図16、17及び18についてのものと同じである。
図19において提示するデータについて、第1部分12における指状部分16(入力電極のため)及び第2部分14における指状部分18 (出力電極のため)の数N、及び指状部分16、18の長さW、及び指状部分16、18及び空隙17を備える音響的に活性な領域の面積Aは次の通りである。
図19、20及び21における周波数反応は、平らな反応及び優れたインピーダンスの終止への適合が次に連続する誘導物質を伴わずに達成されるという意味でより一層自然である。これは、音響的なつながりについて、狭い帯域幅の適用のための慣習的なはしご型及び格子型のフィルタ上での利益を例証する。後者における帯域幅の減少は常に、挿入損失における増加と一緒に伴う。他方は、狭帯域の音響的につながるフィルタが予測され、非常に低い挿入損失を持つ。一般的な結論は、広く及び狭い帯域幅のための、同じであるが、しかし、望んでいない帯域外の反応はより弱く、及び合計の活性な領域は狭帯域の場合においてのものより大いに少ない。図16から21までにおける結果は、帯域幅の範囲が、層の積み重ねへの何らの修正なしに、横方向のつながりを用いて達成することができることを示す。これは、横方向の音響的なつながりを、縦方向の音響的なつながりを採用する装置に対して用いる装置の別個の利益である。
随意に、平坦化物質は、空隙17、27から省き得るが、しかし、存在が第1金属層の空隙17及び第2金属層の空隙27において同じ必要がある場合にそうである。
本発明の特長の中で、大量の設計自由度が利用可能であり、その上、本発明の利益からまだ恩恵を受ける。特に、1種又はそれよりも多くの次の特長、その若干は上述したが、それをBAW共振器装置において含め、その装置の周波数反応を形作り、及び任意の特定の適用に適する入力及び出力のインピーダンスを提供し得る。
・第1部分12の指状部分16の少なくとも若干は等しくない長さでよく、及び/又は第2部分14の指状部分18の少なくとも若干は等しくない長さでよい、
・第1部分12の指状部分16の少なくとも若干のものの長さ及び第2部分14の指状部分18の少なくとも若干のものの長さは等しくなくてよい、
・第1部分12の指状部分16の少なくとも若干は等しくない幅でよく及び/又は第2部分14の指状部分18の少なくとも若干は等しくない幅でよい、
・第1部分12の指状部分16の少なくとも若干のものの幅及び第2部分14の指状部分18の少なくとも若干のものの幅は等しくなくてよい、
・第1部分12の指状部分16の少なくとも若干のものの間の空隙は等しくない幅でよく及び/又は第2部分14の指状部分18の少なくとも若干のものの間の空隙は等しくない幅でよい。
・第1部分12の指状部分16の少なくとも若干のものの長さ及び第2部分14の指状部分18の少なくとも若干のものの長さは等しくなくてよい、
・第1部分12の指状部分16の少なくとも若干は等しくない幅でよく及び/又は第2部分14の指状部分18の少なくとも若干は等しくない幅でよい、
・第1部分12の指状部分16の少なくとも若干のものの幅及び第2部分14の指状部分18の少なくとも若干のものの幅は等しくなくてよい、
・第1部分12の指状部分16の少なくとも若干のものの間の空隙は等しくない幅でよく及び/又は第2部分14の指状部分18の少なくとも若干のものの間の空隙は等しくない幅でよい。
図において例証する具体例はまっすぐな指状部分を持つ。しかし、これは必須な要件でない。請求の範囲は、まっすぐな指状部分及びまっすぐでない指状部分を包含するよう意図する。まっすぐでない指状部分の例は、曲がった、ジグザグ又はらせんの形である。
本明細書及び請求の範囲において、ある要素に先行する単語“a(ある1つの)”又は“an(ある1つの)”は、複数のかかる要素の存在を排除しない。さらに、単語“備える”は、挙げられるもの以外の他の要素及び工程の存在を排除しない。
請求の範囲における丸括弧内の参照符号の封入は、理解を助けることを意図するもので、及び制限するように意図していない。
本開示の読込みから、他の修飾は当業者に対し明らかである。そのような修飾は既に薄膜バルク音波装置及びそれらの適用の技術分野において知られる他の特長、及び本明細書に既に記載する特長の代わりに、又はそれに加えて用い得る他の特長を包含し得る。
Claims (5)
- バルク音波、ＢＡＷの共振器装置であり、第１及び第２の金属層及び介在性の圧電性層を備え、第１の金属層が間隔を開けられた第１及び第２の部分を備え、そこで、第１及び第２の部分が各々、複数の相互接続された指状部分として配置され、及びそこで第１部分の各々の複数の指状部分が音響的に第２部分の少なくとも１種の指状部分につながれ、及びそこで、第１部分が入力口につながれ、及び第２部分が出力口につながれ、第１金属層が、第１部分の指状部分及び第２部分の指状部分の間の音響的なつながりを提供するように配置される複数の更なる部分を備える、装置。
- 第２金属層が間隔を開けられた第３及び第４の部分を備え、そこで、第３及び第４の部分が各々、複数の相互接続された指状部分として配置され、そこで、第３部分の指状部分が第１部分の指状部分に対向するように配置され、及び第４部分の指状部分が第２部分の指状部分に対向するように配置され、及び第２金属層が、第３部分の指状部分及び第４部分の指状部分の間の音響的なつながりが提供されるように、複数の更なる部分を備える、請求項１記載のＢＡＷ共振器装置。
- バルク音波、ＢＡＷの共振器装置であり、第１及び第２の金属層及び介在性の圧電性層を備え、第１の金属層が間隔を開けられた第１及び第２の部分を備え、そこで、第１及び第２の部分が各々、複数の相互接続された指状部分として配置され、及びそこで第１部分の各々の複数の指状部分が音響的に第２部分の少なくとも１種の指状部分につながれ、及びそこで、第１部分が入力口につながれ、及び第２部分が出力口につながれ、第１部分の指状部分が第２部分の指状部分と織り交ざり、第２金属層が間隔を開けられた第３及び第４の部分を備え、そこで、第３及び第４の部分が各々、複数の相互接続された指状部分として配置され、そこで、第３部分の指状部分が第４部分の指状部分と織り交ざり、及びそこで、第３部分の指状部分が第１部分の指状部分に対向するように配置され、及び第４部分の指状部分が第２部分の指状部分に対向するように配置され、さらに、圧電性層内に位置付けられる第３の金属層を備える、ＢＡＷ共振器装置。
- さらに、圧電性層内に位置付けられる第３の金属層を備える、請求項２記載のＢＡＷ共振器装置。
- 少なくとも１種の指状部分が長さ方向の細長いスロットを構成する、請求項１〜４の何れか１項記載のＢＡＷ共振器装置。
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