JP2005137002A - 通過帯域幅の制御が可能なスタック形バルク音響共鳴器用帯域フィルタ - Google Patents

通過帯域幅の制御が可能なスタック形バルク音響共鳴器用帯域フィルタ Download PDF

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Abstract

【課題】 低挿入損失で、帯域外除去に優れた帯域フィルタを提供する。
【解決手段】 スタック状の対をなす膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）とＦＢＡＲ間の音響デカップラを備えた帯域フィルタが得られる。ＦＢＡＲには、それぞれ、向かい合った平面電極と、電極間の圧電材料層が含まれている。音響デカップラは、ＦＢＡＲ間の音響エネルギの結合を制御する。すなわち、音響デカップラによって結合されるＦＢＡＲ間の音響エネルギは、典型的なＳＢＡＲにおけるような、ＦＢＡＲ間の直接接触によって結合される音響エネルギよりも少なくなる。音響結合が低減すると、低挿入損失で、その通過帯域における周波数応答がフラットであり、通過帯域幅が、中心周波数の約３％〜約５％の範囲内にあり、帯域外除去に優れるといった望ましい特性が、帯域フィルタに与えられる。
【選択図】図５Ｂ

Description

この発明は、音響共鳴器(acoustic resonator)用の帯域フィルタに関する。
電気帯域フィルタは、多種多様なタイプの消費者用及び工業電子製品において、ある周波数範囲内における電気信号の選択または除去に利用されている。近年、こうした製品の物理的サイズが、大幅に縮小される傾向にあるが、製品の回路の複雑性は増す傾向にある。従って、大幅に小型化された、高性能の帯域フィルタが要求されている。こうした帯域フィルタが特に要求されるのは、アンテナが、２つの帯域フィルタを含む送受切換え器を介して送信機の出力及び受信機の入力に接続されている、携帯電話である。
最新の携帯電話には、帯域フィルタのそれぞれに、その各構成要素が膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ、Film Bulk Acoustic Resonator）である梯子型回路が含まれる、送受切換え器が組み込まれている。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先行技術文献（例えば、特許文献１参照）に、こうした送受切換え器が開示されている。こうした送受切換え器は、送信器の出力とアンテナの間に直列に接続された送信機帯域フィルタと、アンテナと受信機の入力の間にある９０°移相器に直列に接続された受信機帯域フィルタから構成されている。送信機帯域フィルタと受信機帯域フィルタの通過帯域の中心周波数は、互いにオフセットしている。
図１には、送受切換え器の送信機帯域フィルタとして用いるのに適したＦＢＡＲベースの帯域フィルタ１０の具体例が示されている。送信機帯域フィルタは、梯子型回路に接続された直列ＦＢＡＲ１２と並列ＦＢＡＲ１４から構成されている。直列ＦＢＡＲ１２は、共振周波数が並列ＦＢＡＲ１４よりも高い。
現在では本件の出願人に譲渡され、参考までに本開示において援用されている先行技術文献（例えば、特許文献２参照）には、ＦＢＡＲの開示がある。図２には、ＦＢＡＲの典型的な実施態様２０が示されている。ＦＢＡＲ２０は、１対の電極２４及び２６と、電極間に挟まれた圧電材料層２２から構成されている。圧電材料及び電極は、基板３０に形成されたキャビティ２８上に吊るされている。このＦＢＡＲを吊るすやり方によって、電極間に印加された電気信号に応答して、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吊り下げ方式も可能である。
上述の特許文献２には、スタック形薄膜音響共鳴器（ＳＢＡＲ、Stacked Thin-Film Bulk Resonator）も開示されている。図３には、特許文献２に開示のＳＢＡＲの典型的な実施態様４０が示されている。ＳＢＡＲ４０は、３つの電極２４、２６、４４と交互配置された２つの圧電材料層２２、４２から構成されている。電極４４と２６の間に入力電気信号が加えられ、電極２４と２６の間に出力電気信号が生じる。中央電極２６は、入力と出力の両方に対して共通である。
特許文献２に開示のＳＢＡＲは、固有の帯域通過特性を備えているので、帯域フィルタとしての利用が有望であるとみなされた。しかし、ＳＢＡＲの実際例は、極めて狭い通過帯域幅を示し、このため、ＳＢＡＲは、上述の携帯電話の送受切換え器用途を含む、大部分の帯域フィルタ用途において利用に適さないことになる。図３に示すＳＢＡＲ４０の実際例の周波数応答（曲線４６）と図１に示すＦＢＡＲベースの梯子型帯域フィルタの実際例の周波数応答（曲線４８）を比較した図４において、ＳＢＡＲの狭い通過帯域幅を確かめることが可能である。また、図４に示すように、図１に示す梯子型フィルタの周波数応答は、通過帯域外で急激に低下するのが有利であるが、中心周波数からの周波数差がさらに増大すると、周波数応答が再び上昇するのが望ましくない。
米国特許第６，２６２，６３７号明細書 米国特許第５，５８７，６２０号明細書
低挿入損失で、その通過帯域における周波数応答がフラットであり、通過帯域幅が、およそ０．５ＧＨｚ〜約１０ＧＨｚの任意の箇所にある中心周波数の約３％〜約５％の範囲内にあり、帯域外除去に優れた帯域フィルタが求められている。また、ＳＢＡＲの構造が単純なこうした帯域フィルタが求められている。
本発明によれば、第１の態様において、スタック状の対をなす膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）とＦＢＡＲ間の音響デカップラを備えた帯域フィルタが得られる。ＦＢＡＲには、それぞれ、向かい合った平面電極と、電極間の圧電材料層が含まれている。音響デカップラは、ＦＢＡＲ間の音響エネルギの結合を制御する。すなわち、音響デカップラによって結合されるＦＢＡＲ間の音響エネルギは、図３に示す典型的なＳＢＡＲにおけるような、ＦＢＡＲ間の直接接触によって結合される音響エネルギよりも少なくなる。音響結合が低減すると、低挿入損失で、その通過帯域における周波数応答がフラットであり、通過帯域幅が、中心周波数の約３％〜約５％の範囲内にあり、帯域外除去に優れるといった望ましい特性が、帯域フィルタに与えられる。
実施態様の１つでは、音響デカップラに、音響インピーダンスがＦＢＡＲの他の材料に比べて小さい音響デカップリング材料の層が含まれている。もう１つの実施態様では、音響デカップラに、ブラッグ構造が含まれている。
本発明によれば、もう１つの態様において、中心周波数によって特性が決まる帯域フィルタが得られる。帯域フィルタは、スタック対をなす膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）と、ＦＢＡＲ間の音響デカップリング材層を備えている。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。音響デカップリング材料層は、周波数が中心周波数に等しい周波数の音波の、音響デカップリング材料内における波長の４分の１の奇整数倍に等しい公称厚さを備えている。音響デカップリング材料は、音響インピーダンスが圧電材料の音響インピーダンスよりも低い。
本発明によれば、もう１つの実施態様において、電気的濾波方法が得られる。この方法では、１対の膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）が得られる。ＦＢＡＲの一方には、入力電気信号が加えられる。ＦＢＡＲ間において音響エネルギが結合される。結合される音響エネルギは、ＦＢＡＲ間の直接接触によって結合される音響エネルギより少ない。濾波出力電気信号が、ＦＢＡＲのもう一方から出力される。
本発明によれば、最後の実施態様において、音響結合素子の制作方法が得られる。この方法では、第１の膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）が製作され、第１のＦＢＡＲ上に、音響デカップラが製作される。第２のＦＢＡＲは、音響デカップラ上に製作される。音響デカップラ上に第２のＦＢＡＲを製作するには、音響デカップラを最高温度にさらすことが必要になる。第２のＦＢＡＲの製作に先立って、第１のＦＢＡＲと音響デカップラが、最高温度以上の温度でベーキングを施される。これによって、第２のＦＢＡＲと音響デカップラとの確実な結合が保証される。
図３に示すＳＢＡＲは、一方がもう一方の上にスタックされた、２つのＦＢＡＲから構成されるものとみなすことが可能である。ＦＢＡＲの一方は、電極２４と２６の間に挟まれた圧電層２２から構成されている。ＦＢＡＲのもう一方は、電極２６と４４の間に挟まれた圧電層４２から構成されている。両方のＦＢＡＲに共通の電極２６は、ＦＢＡＲ間における音響エネルギの密結合を可能にする。この結果、ＦＢＡＲが音響的に極めて過剰に結合されるので、ＳＢＡＲ４０は図４の曲線４６に例示された単一ローレンツ共振を示すことになる。単一ローレンツ共振は、広い通過帯域、フラットな帯域内周波数応答、通過帯域外における急激なロール・オフといった望ましい特性を備える帯域フィルタの設計を困難または不可能にする。
図５Ａは、本発明による帯域フィルタの典型的な実施態様１００の構造を示す概略図である。図５Ｂは、図５Ａの断面線５Ｂ−５Ｂに沿った断面図である。帯域フィルタ１００は、スタック対をなす膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）１１０及び１２０から構成されている。図示の例の場合、ＦＢＡＲ１１０の上に、ＦＢＡＲ１２０がスタックされている。ＦＢＡＲ１１０は、向かい合った平面電極１１２及び１１４と、電極間の圧電材料層１１６から構成されている。ＦＢＡＲ１２０は、向かい合った平面電極１２２及び１２４と、電極間の圧電材料層１２６から構成されている。帯域フィルタ１００は、さらに、ＦＢＡＲ１１０と１２０の間、とりわけ、電極１１４と１２２の間にある音響デカップラ１３０から構成されている。音響デカップラは、ＦＢＡＲ１１０と１２０の間における音響エネルギの結合を制御する。すなわち、音響デカップラによって結合されるＦＢＡＲ間の音響エネルギは、図３に示す典型的なＳＢＡＲにおけるような、ＦＢＡＲ間の直接接触によって結合される音響エネルギよりも少なくなる。
図示の例の場合、スタック形ＦＢＡＲ１１０及び１２０は、基板１０２に形成されたキャビティ１０４上に吊るされている。このスタック形ＦＢＡＲを吊るすやり方によって、その一方の電極間に印加された入力電気信号に応答して、スタック形ＦＢＡＲを機械的に共振させることが可能になる。入力電気信号に応答して、スタック形ＦＢＡＲの機械的共振を可能にする他の吊り下げ方式も可能である。例えば、スタック形ＦＢＡＲは、その開示が参考までに本開示において援用されている、米国特許文献第６，１０７，７２１号明細書において開示されているように、基板１０２内または上に形成された不整合音響ブラッグ・リフレクタ（不図示）の上に配置することも可能である。
上述のように、音響デカップラ１３０は、ＦＢＡＲ１１０と１２０との間における音響結合を制御する。音響デカップラ１３０によって得られる音響結合は、図３に示すＳＢＡＲ実施態様におけるＦＢＡＲ間の音響結合よりも大幅に少ない。結果として、ＦＢＡＲ１１０及び１２０が、過剰結合することはなく、帯域フィルタ１００は、図４（曲線４６）に示す過剰結合する従来のＳＢＡＲの単一ローレンツ共振とは異なり、比較的通過帯域が広く、帯域内周波数応答がフラットで、通過帯域外におけるロール・オフが急激になる。帯域フィルタ１００の周波数応答が、さらに図６に関連して、以下に述べられる。
図５Ｃは、音響デカップラ１３０の第１の実施態様の拡大図である。音響デカップラが、それぞれ、ＦＢＡＲ１１０及び１２０の電極１１４と１２２の間に配置された、音響デカップリング材料の層１３１から構成されている（図５Ｂ）。音響デカップリング材料層１３１は、周波数が帯域フィルタ１００の中心周波数に等しい音波の、音響デカップリング材料内における波長の４分の１の奇整数倍に等しい公称厚さを備えている。音響デカップリング材料は、音響インピーダンスが、ＦＢＡＲ１１０、１２０を構成する圧電材料よりも低い。さらに、入力と出力間に電気的アイソレーションを施す帯域フィルタ１００の実施態様では、音響デカップリング材料は、さらに、電気抵抗率が高く、誘電率が低い。
上述のように、音響デカップラ１３０の音響デカップリング材料は、音響インピーダンスがＦＢＡＲ１１０及び１２０の圧電材料よりも低い。また、音響デカップリング材料は、音響インピーダンスが空気よりもかなり高い。ある材料の音響インピーダンスは、その材料内における応力対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の層１１６、２１６の圧電材料は、一般に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。ＡｌＮの音響インピーダンスは、一般に、約３５Ｍｒａｙｌであり、典型的な電極材料であるモリブデンの音響インピーダンスは、約６３Ｍｒａｙｌである。空気の音響インピーダンスは、約１ｋｒａｙｌである。ＦＢＡＲ１１０、１２０の材料が上述のとおりである帯域フィルタ１００の実施態様の場合、音響インピーダンスが約２Ｍｒａｙｌ〜約１６Ｍｒａｙｌの範囲内の材料が、層１３１の音響デカップリング材料としてうまく機能する。
図６には、帯域フィルタ１００について計算された周波数応答が、音響デカップラ１３０の実施態様を構成する層１３１の音響デカッ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１，９００ＭＨｚである。音響デカップラの音響デカップリング材料の音響インピーダンスが、約４Ｍｒａｙｌ、たとえばポリイミド、（曲線１４０）、８Ｍｒａｙｌ（曲線１４２）、及び、１６Ｍｒａｙｌ（曲線１４４）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、帯域フィルタの通過帯域幅は、音響デカッ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。従って、音響デカップリング材料を適切に選択することによって、所望の通過帯域特性を備えた帯域フィルタ１００の実施態様を製作することが可能になる。
層１３１の音響デカップリング材料がポリイミド（曲線１４０）である実施態様は、ＦＢＡＲ１１０、１２０間において音響エネルギのやや不足気味の結合を示すが、それにもかかわらず、通過帯域幅は有効である。音響デカップリング材料の音響インピーダンスが約８Ｍｒａｙｌ（曲線１４２）の実施態様は、ＦＢＡＲ１１０、１２０間において音響エネルギのほぼ臨界結合を示す。音響デカップリング材料の音響インピーダンスが約１６Ｍｒａｙｌ（曲線１４４）である実施態様は、ＦＢＡＲ１１０、１２０間における音響エネルギのかなりの過剰結合に特有の二重ピークを帯域内応答において示すことになる。音響デカップリング材料の音響インピーダンスが４Ｍｒａｙｌと８Ｍｒａｙｌの中間である実施態様は、ＦＢＡＲ１１０、１２０間における音響エネルギの臨界結合を表わしたフラットな部分を含む帯域内応答を示す。さらに、図６に示すように、音響デカップリング材料の音響インピーダンスが８Ｍｒａｙｌ以下の実施態様は、挿入損失が３ｄＢ未満であり、実施態様によっては、挿入損失が１ｄＢ未満のものもある。
図５Ｃに示す音響デカップラ１３０の実施態様は、周波数が帯域フィルタの中心周波数に等しい音波の、音響デカップリング材料内における波長の４分の１に等しい、すなわち、ｔ≒λｎ／４の公称厚さを有する音響デカップリング材料の層１３１から構成されており、ここで、ｔは層１３１の厚さであり、λｎは、周波数が帯域フィルタ１００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、音響デカッ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１３１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１３１の厚さは、一方の極値の０λｎ（図３参照）及びもう一方の極値のλｎ／２から大幅に異なることが望ましい。
より一般的には、図５Ｃに示す音響デカップラ１３０の実施態様は、周波数が帯域フィルタ１００の中心周波数に等しい音波の、音響デカップリング材料内における波長の４分の１の奇整数倍に等しい、すなわち、ｔ≒（２ｍ＋１）λｎ／４の公称厚さを有する音響デカップリング材料の層１３１から構成されており、ここで、ｔ及び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１３１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１３１の厚さは、λｎ／２の整数倍から大幅に異なるのが望ましい。
音響デカップラ１３０の実施態様の１つにおいて、層１３１は、電極１１４上に音響デカップリング材料をスピン・コーティングすることによって形成される。スピン・コーティングによって形成される層は、一般に、層１３１の音響デカップリング材料によってコーティングされる表面の輪郭のために厚さの異なる領域を備えている。こうした実施態様の場合、音響デカップリング材料の層１３１の厚さは、電極１１４と１２２の間に位置する層の一部の厚さである。
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、音響デカップラ１３０を構成する層１３１の音響デカップリング材料として用いるのに適している。しかし、音響デカップリング材料は、電極１１４に音響デカップリング材料の層１３１を付着させて、音響デカップラ１３０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、帯域フィルタ１００の実際の実施態様では、電極１２２及び１２４と、圧電層１２６及びは、層１３１の付着後、スパッタリングによって付着させられる。これらの付着プロセス中に、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、音響デカッ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、ＦＢＡＲ１１０及び１２０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、音響デカップラ１３０の上述の実施態様は、一般に、厚さが１μｍ未満のプラスチック音響デカップリング材料の層１３１から構成されるので、音響デカップリング材料の層１３１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１３１の音響デカッ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ＫａｐｔｏｎＴＭの商標で販売されている。こうした実施態様の場合、音響デカップラ１３０は、スピン・コーティングで電極１１４に塗布されたポリイミドの層１３１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（パラキシリレン）が、層１３１の音響デカッ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、音響デカップラ１３０は、真空蒸着によって電極１１４に被着させられたポリ（パラキシリレン）の層１３１から構成される。ポリ（パラキシリレン）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、及び、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、音響デカップラ１３０を構成する層１３１の音響デカップリング材料は、音響インピーダンスがＦＢＡＲ１１０及び１２０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。こうした音響インピーダンスの高い音響デカップリング材料の層１３１の厚さは、上述の通りである。
図５Ｄは、ブラッグ構造１６１を組み込んだ音響デカップラ１３０の第２の実施態様を示す、帯域フィルタ１００の一部の拡大図である。ブラッグ構造１６１は、高音響インピーダンスのブラッグ素子１６５と１６７の間に挟まれた低音響インピーダンスのブラッグ素子１６３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１６３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１６５及び１６７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材料特性は、互いに対して、さらに、層１１６及び１２６の圧電材料の音響インピーダンスに対して、「低」及び「高」として示される。さらに、入力と出力の間に電気的アイソレーションを施す帯域フィルタ１００の実施態様では、ブラッグ素子の少なくとも１つが、さらに、高電気抵抗率及び低誘電率を備えている。
ブラッグ素子１６１、１６３、及び、１６５を構成する層は、それぞれ、周波数が帯域フィルタ１００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１６３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１６５及び１６７のそれぞれは、それぞれ、電極１１４及び１２２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。ＦＢＡＲ１１０及び１２０（図５Ｂ）の、それぞれ、高音響インピーダンスのブラッグ素子１６５及び１６７と電極１１４及び１２２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１６５及び１６７は、さらに、それぞれ、電極１１４及び１２２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１６５及び１６７は、周波数が帯域フィルタ１００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の厚さを備え、低音響インピーダンスのブラッグ素子１６３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の厚さを備えている。低音響インピーダンスのブラッグ素子１６３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、ＦＢＡＲ１１０と１２０の間のキャパシタンスが減少する。
高音響インピーダンスのブラッグ素子１６５及び１６７と低音響インピーダンスのブラッグ素子１６３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１６１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。ブラッグ素子の１つだけしか絶縁する必要がない。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。
ウェーハ・スケール製作を利用して、帯域フィルタ１００と同様の数千の帯域フィルタ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、帯域フィルタ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７Ａ〜図７Ｊの平面図及び図７Ｋ〜図７Ｔの断面図に関連して述べることにする。
単結晶シリコンのウェーハが用意される。ウェーハの一部は、製作される各帯域フィルタ毎に、帯域フィルタ１００の基板１０２に対応する基板を構成する。図７Ａ〜図７Ｊ及び図７Ｋ〜図７Ｔには、ウェーハの一部内及びウェーハの一部上における帯域フィルタ１００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。帯域フィルタ１００が製作されると、ウェーハ上の残りの帯域フィルタが、同様に製作される。
帯域フィルタ１００の基板１０２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７Ａ及び７Ｋに示すようなキャビティ１０４が形成される。
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）が付着させられる。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７Ｂ及び図７Ｌには、充填材料１０５を充填した、基板１０２のキャビティ１０４が示されている。
実施態様の１つでは、充填材料は、燐酸シリケート・ガラス（ＰＳＧ）であり、従来の低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）を用いて付着させられた。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付着させることも可能である。
金属層が、ウェーハ表面及び充填材料上に付着させられる。金属にパターン形成を施して、図７Ｃ及び７Ｍに示すような、電極１１２、ボンディング・パッド１３２、及び、電極１１２とボンディング・パッド１３２の間に延びる電気トレース１３３が形成される。電極１１２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、その開示が参考までに本開示において援用されている、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ＦＢＡＲ１１０における横モードを最小限に抑える。電極１１２は、充填材料１０５の表面の一部が露出したままになるように整形され、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１１２、１１４、１２２、及び、１２４（図５Ｂ）が形成される金属層は、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、電極１１２及び１１４の形状、サイズ、配向、及び、位置が同じになり、電極１２２及び１２４の形状、サイズ、配向、及び、位置が同じになり、一般に、電極１１４及び１２２の形状、サイズ、配向、及び、位置が同じになるように、パターン形成が施される。
実施態様の１つでは、電極１１２、ボンディング・パッド１３２、及び、トレース１３３を形成するために付着させられた金属は、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の厚さに付着させられ、ドライ・エッチングでパターン形成を施されて、約２６，０００平方μｍの面積の五角形電極が形成された。代わりに、電極１１２、ボンディング・パッド１３２、及び、トレース１３３の材料として、タングステン、ニオブ、及び、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、及び、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。
圧電材料の層を付着させて、パターン形成を施し、図７Ｄ及び７Ｎに示すように、圧電層１１６が形成される。圧電層１１６にパターン形成を施して、電極１１２の充填材料１０５の表面の一部、及び、ボンディング・パッド１３２が露出させられる。さらに、圧電層１１６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１１９が形成される。
実施態様の１つでは、圧電層１１６を形成するために付着させられた圧電材料は、窒化アルミニウムであり、スパッタリングによって約７８０ｎｍの厚さに付着させられた。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１１６の代替材料には、酸化亜鉛及びジルコン酸チタン酸鉛が含まれている。
金属層が付着させられ、パターン形成を施されて、図７Ｅ及び図７Ｏに示すように、電極１１４、ボンディング・パッド１３４、及び、電極１１４とボンディング・パッド１３４の間に延びる電気トレース１３５が形成される。
実施態様の１つでは、電極１１４を形成するために付着させられた金属は、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４４０μｍの厚さに付着させられ、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１１４、ボンディング・パッド１３４、及び、トレース１３５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、及び、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、音響デカップリング材料の層が付着させられ、パターン形成を施されて、図７Ｆ及び図７Ｐに示すように、音響デカップラ１３０が形成される。音響デカップラ１３０は、少なくとも電極１１４を覆い、さらに、充填材料１０５の表面の一部、及び、ボンディング・パッド１３２及び１３４を露出するように整形される。音響デカップラ１３０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１１９が形成される。
実施態様の１つでは、音響デカップリング材料は、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中心周波数波長の４分の３であった。ポリイミドが、スピン・コーティングによって付着させられ、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、音響デカッ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。音響デカップリング材料は、スピン・コーティング以外の方法によって付着させることが可能である。
音響デカップラ１３０の材料が、ポリイミドである実施態様の１つにおいて、ポリイミドの付着及びパターン形成後、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、引き続き付着させられる層の剥離が阻止される。
金属層が付着させられ、パターン形成を施されて、図７Ｇ及び図７Ｑに示すように、電極１２２からボンディング・パッド１３４まで延びる電気トレース１３７が形成される。ボンディング・パッド１３４は、電気トレース１３５によって電極１１４にも電気的に接続される。
実施態様の１つでは、電極１２２を形成するために付着させられた金属は、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の厚さに付着させられ、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１２２及びトレース１３７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、電極及びトレースには、２つ以上の材料からなる層を含むことも可能である。
圧電材料の層が付着させられ、パターン形成を施されて、圧電層１２６が形成される。図７Ｈ及び図７Ｒに示すように、圧電層１２６は、ボンディング・パッド１３２及び１３４が露出し、充填材料の１０５の表面の一部が露出するように成形される。圧電層１２６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１１９が形成される。
実施態様の１つでは、圧電層１２６を形成するために付着させられた圧電材料は、窒化アルミニウムであり、スパッタリングによって約７８０ｎｍの厚さに付着させられた。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１２６の代替材料には、酸化亜鉛及びジルコン酸チタン酸鉛が含まれている。
金属層が付着させられ、パターン形成を施されて、図７Ｉび図７Ｓに示すように、電極１２４、ボンディング・パッド１３８、及び、電極１２４からボンディング・パッド１３８まで延びる電気トレース１３９が形成される。
実施態様の１つでは、電極１２４を形成するために付着させられた金属は、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の厚さに付着させられ、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１２４、ボンディング・パッド１３８、及び、トレース１３９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、及び、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。
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１０４から充填材料１０５が除去される。上述のように、充填材料１０５の表面の一部は、例えば、ウィンドウ１１９によって露出したままである。図７Ｊ及び図７Ｔに示すように、エッチング・プロセスによって、キャビティ１０４の上に吊るされた帯域フィルタ１００は残される。
実施態様の１つでは、充填材料１０５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。
露出したボンディング・パッド１３２、１３４、及び、１３８の表面には、金の保護層が付着させられる。
次に、ウェーハが、帯域フィルタ１００を含む個別帯域フィルタに分割される。各帯域フィルタは、パッケージ内に実装され、次に、帯域フィルタのボンディング・パッド１３２、１３４、及び、１３８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。
図５Ｄに示すように、音響デカップラ１３０にブラッグ構造が組み込まれた実施態様の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。
圧電材料の層を付着させ、パターン形成を施して、圧電層１１６を形成した後、図７Ｅ及び図７Ｏに示すのと同様のやり方で、金属層を付着させて、パターン形成を施し、図５Ｄに示す高音響インピーダンス・ブラッグ素子１６５、ボンディング・パッド１３４、及び、高音響インピーダンス・ブラッグ素子１６５とボンディング・パッド１３４の間に延びる電気トレース１３５が形成される。金属層が、周波数が帯域フィルタ１００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の奇整数倍に等しい公称厚さになるように付着させられる。高音響インピーダンス・ブラッグ素子１６５は、さらに、図５Ｄに示す電極１１４の働きをする。
実施態様の１つでは、高音響インピーダンス・ブラッグ素子１６５を形成するために付着させられた金属は、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）の厚さに付着させられ、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、高音響インピーダンス・ブラッグ素子１６５、ボンディング・パッド１３４、及び、トレース１３５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、ボンディング・パッド、及び、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、低音響インピーダンス材料の層が付着させられ、パターン形成を施されて、図７Ｆ及び図７Ｐ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１６３が形成される。低音響インピーダンス材料の層は、周波数が帯域フィルタ１００の中心周波数に等しい周波数を有する音響波の材料内における波長の４分の１の奇整数倍に等しい厚さに付着させられる。低音響インピーダンス・ブラッグ素子１６３は、少なくとも高音響インピーダンス・ブラッグ素子１６５を覆い、さらに、充填材料１０５の表面の一部、及び、ボンディング・パッド１３２及び１３４を露出するように整形される。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１１９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付着させられ、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、燐酸シリケート・ガラス（ＰＳＧ）、二酸化チタン、及び、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付着させることも可能である。
金属層が付着させられ、パターン形成を施されて、図７Ｇ及び図７Ｑに示すのと同様のやり方で、図５Ｄに示す高音響インピーダンス・ブラッグ素子１６７、及び、高音響インピーダンス・ブラッグ素子１６７からボンディング・パッド１３４まで延びる電気トレース１３７が形成される。ボンディング・パッド１３４は、トレース１３５によって高音響インピーダンス・ブラッグ素子１６７にも電気的に接続されている。金属層は、周波数が帯域フィルタ１００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の奇整数倍に等しい公称厚さになるように付着させられる。高音響インピーダンス・ブラッグ素子１６７は、さらに、図５Ｄに示す電極１２２の働きをする。
実施態様の１つでは、高音響インピーダンス・ブラッグ素子１６７及び電気トレース１３７を形成するために付着させられた金属は、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）の厚さに付着させられ、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、高音響インピーダンス・ブラッグ素子１６７及びトレース１３７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・ブラッグ素子及びトレースに、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７Ｈ及び図７Ｒに関連して上述のように、圧電材料の層を付着させて、パターン形成を施すことによって、圧電層１２６が形成され、このプロセスが上述のように続行されて、帯域フィルタ１００の製作が完了する。
帯域フィルタ１００は、次のように利用される。電極１１４及び１２２に電気的に接続されたボンディング・パッド１３４によって、帯域フィルタ１００の接地端子が形成され、電極１１２に電気的に接続されたボンディング・パッド１３２によって、帯域フィルタ１００の入力端子が形成され、電極１２４に電気的に接続されたボンディング・パッド１３８によって、帯域フィルタ１００の出力端子が形成される。入力端子と出力端子は、置き換えることが可能である。
上述のように、帯域フィルタ１００は、さらに、入力と出力の間に電気的アイソレーションを施すことが可能である。こうした実施態様の場合、電極１２２及びトレース１３７が形成されている金属に追加ボンディング・パッド（不図示）が形成され、トレース１３７が、電極１２２からボンディング・パッド１３４ではなく、この追加ボンディング・パッドまで延びる。それぞれ、電極１１２及び１１４に電気的に接続されたボンディング・パッド１３２と１３４が、１対の入力端子を形成し、トレース１３７によって電極１２２及びボンディング・パッド１３８に電気的に接続された追加ボンディング・パッド（不図示）が、１対の出力端子を形成する。入力端子及び出力端子は、電気的に、互いに分離される。再度、入力端子及び出力端子は、置き換えることが可能である。
図６と図４の曲線４６を比較すると明らかなように、帯域フィルタ１００の帯域外周波数応答の勾配は、図１に示す梯子型帯域フィルタ１０ほど急峻ではない。またこの比較によって明らかなように、梯子型帯域フィルタ１０とは異なり、帯域フィルタ１００の周波数応答は、初期の急激な低下後に、再度上昇することはない。図８は、帯域外周波数応答の勾配が帯域フィルタ１００よりも急峻で、初期の急激な低下後、周波数応答が、図１に示す梯子型帯域フィルタのよりもかなり低いレベルまで上昇する、本発明による帯域フィルタの典型的な実施態様２００の概略図である。
帯域フィルタ２００は、図５Ａ及び図５Ｂに関連して上述の帯域フィルタ１００と直列に接続された、単純化されたＦＢＡＲベースの梯子型フィルタ２１０から構成されている。梯子型フィルタ２１０は、直列ＦＢＡＲ２１２及び２１４と、並列ＦＢＡＲ２１６から構成される。直列ＦＢＡＲ２１２及び２１４の共振周波数は、並列ＦＢＡＲ２１４より高い。
帯域フィルタ１００の場合、電極１１２は、アースに接続され、電極１１４及び１２２は、梯子型フィルタ２１０の出力、すなわち、ＦＢＡＲ２１４の電極２１８に接続されて、電極１２４が、帯域フィルタ２００の出力端子を形成している。ＦＢＡＲ２１２、２１４、及び、２１６、及び、帯域フィルタ１００は、帯域フィルタ１００の通過帯域が梯子型フィルタ２１０よりも広くなるように構成されている。
図９は、帯域フィルタ２００について計算された周波数応答（曲線２４２）と図５Ａ及び図５Ｂに示す帯域フィルタ１００について計算された周波数応答（曲線２４４）を示すグラフである。このグラフに示すように、帯域フィルタ２００の帯域外周波数応答の勾配は帯域フィルタ１００よりも急峻であり、初期の急激な低下後、周波数応答が上昇するレベルは、図４に示す梯子型帯域フィルタよりも低い。
上述の特許文献１に開示のように、ＦＢＡＲベースの梯子型フィルタを構成するＦＢＡＲは、一般に、全て、同じ圧電材料層を利用して製作される。帯域フィルタ２００は、同様に製作されることが出来る。帯域フィルタ１００のＦＢＡＲ１１０（図５Ｂ）は、ＦＢＡＲ２１２、２１４、及び、２１６として、同じ圧電材料層を利用して製作される。ＦＢＡＲ１１０の電極１１２は、ＦＢＡＲ２１６の電極２２０と同じ金属層の一部である。ＦＢＡＲ１１０の電極１１４は、ＦＢＡＲ２１４の電極２１８と同じ金属層の一部である。ＦＢＡＲ１１０、２１２、２１４、及び、２１６の製作後、音響デカップリング材料の層を付着させて、パターン形成を施し、電極１１４に音響デカップラ１３０が形成される。次に、上述のものと同様のプロセスを利用して、音響デカップラ上にＦＢＡＲ１２０が製作される。
ＦＢＡＲ２１２の電極２２２及びＦＢＡＲ２１６の電極２２０に対する電気的接続部によって、帯域フィルタ２００の入力端子が得られ、一方、帯域フィルタ１００の電極１１２及び１２４に対する電気的接続部によって、帯域フィルタ２００の出力端子が形成される。
本開示では、例証となる実施態様を用いて本発明が詳細に解説されている。しかし、付属の請求項によって定義される本発明は、上で述べた実施態様に制限されるものではない。
ＦＢＡＲを組み込んだ帯域フィルタの概略図である。 ＦＢＡＲの略側面図である。 ＳＢＡＲの略側面図である。 図３に示すＳＢＡＲについて計算された周波数応答と図１に示すＦＢＡＲベースの帯域フィルタについて計算された周波数応答を比較するグラフである。 本発明による帯域フィルタの第１の実施態様の一例に関する平面図である。 図５Ａに示す帯域フィルタの断面線５Ｂ−５Ｂに沿った断面図である。 音響デカップラの第１の実施態様を示す、図５Ａに示す帯域フィルタの一部の断面線５Ｂ−５Ｂに沿った拡大断面図である。 音響デカップラの第２の実施態様を示す、図５Ａに示す帯域フィルタの一部の断面線５Ｂ−５Ｂに沿った拡大断面図である。 音響インピーダンスの異なる音響デカップリング材料による音響デカップラを組み込んだ、本発明による帯域フィルタの実施態様について計算された周波数応答を比較するグラフである。 帯域フィルタを製作するためのプロセスを例示した平面図。 帯域フィルタを製作するためのプロセスを例示した平面図。 帯域フィルタを製作するためのプロセスを例示した平面図。 帯域フィルタを製作するためのプロセスを例示した平面図。 帯域フィルタを製作するためのプロセスを例示した平面図。 帯域フィルタを製作するためのプロセスを例示した平面図。 帯域フィルタを製作するためのプロセスを例示した平面図。 帯域フィルタを製作するためのプロセスを例示した平面図。 帯域フィルタを製作するためのプロセスを例示した平面図。 帯域フィルタを製作するためのプロセスを例示した平面図。 図７Ａの断面線７Ｋ−７Ｋに沿った断面図。 図７Ｂの断面線７Ｌ−７Ｌに沿った断面図。 図７Ｃの断面線７Ｍ−７Ｍに沿った断面図。 図７Ｄの断面線７Ｎ−７Ｎに沿った断面図。 図７Ｅの断面線７Ｏ−７Ｏに沿った断面図。 図７Ｆの断面線７Ｐ−７Ｐに沿った断面図。 図７Ｇの断面線７Ｑ−７Ｑに沿った断面図。 図７Ｈの断面線７Ｒ−７Ｒに沿った断面図。 図７Ｉの断面線７Ｓ−７Ｓに沿った断面図。 図７Ｊの断面線７Ｔ−７Ｔに沿った断面図。 本発明による帯域フィルタの第２の実施態様の一例に関する概略図である。 図８に示す帯域フィルタの実施態様について計算された周波数応答と、図５Ａ及び図５Ｂに示す帯域フィルタの実施態様について計算された周波数応答を比較するグラフである。
符号の説明
１００ 帯域フィルタ
１０６ 圧電材料層
１１０ 第１の膜状バルク音響共鳴器
１１２、１１４ 平面電極
１２０ 第２の膜状バルク音響共鳴器
１３０ 音響デカップラ
１３１ 音響デカップリング材料層
１３４、１３７ 電気接続
２１０ 梯子型フィルタ
２１２ 追加膜状バルク音響共鳴器

Claims (14)

  1. 向かい合った平面電極、および該電極間の圧電材料の層を具備する、スタック状の対をなす膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）と、
    前記ＦＢＡＲ間の音響デカップラと、
    を備える、帯域フィルタ。
  2. 前記音響デカップラが、音響デカップリング材料の層を有する、請求項１に記載の帯域フィルタ。
  3. 前記圧電材料が音響インピーダンスを有することと、
    前記音響デカップリング材料の音響インピーダンスが、前記圧電材料の音響インピーダンスと空気の音響インピーダンスの中間にあることを特徴とする、請求項２に記載の帯域フィルタ。
  4. 前記帯域フィルタが、中心周波数によって特性が決まることと、
    前記音響デカップリング材料の層が、周波数が前記中心周波数等しい音波の、前記音響デカップリング材料内における波長の４分の１の奇整数倍に等しい公称厚さを有することを特徴とする、請求項２または３に記載の帯域フィルタ。
  5. 前記音響デカップリング材料にプラスチックが含まれる、請求項２、３、または、４に記載の帯域フィルタ。
  6. 前記プラスチック材料にポリイミドまたはポリ（パラキシリレン）が含まれる、請求項５に記載の帯域フィルタ。
  7. 前記音響デカップラが、ブラッグ構造を有する、請求項１に記載の帯域フィルタ。
  8. さらに、ＦＢＡＲの電極のうち隣接する電極間の電気的接続を具備する、請求項１から７のいずれかに記載の帯域フィルタ。
  9. さらに、前記スタック対をなすＦＢＡＲに電気的に直列に接続された梯子型フィルタを備える、請求項１から８いずれかに記載の帯域フィルタ。
  10. 前記梯子型フィルタが追加ＦＢＡＲを具備する、請求項９に記載の帯域フィルタ。
  11. 電気的濾波方法であって、
    先行請求項の任意の１つによる帯域フィルタを設けるステップと、
    ＦＢＡＲの一方に入力電気信号を加えるステップと、
    他方のＦＢＡＲから濾波出力電気信号を取り出すステップとを有する、
    方法。
  12. 音響結合素子を製作する方法であって、
    第１の膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）を製作するステップと、
    前記第１のＦＢＡＲ上に音響デカップラを製作するステップと、
    前記音響デカップラを最高温度にさらすことを含めて、前記音響デカップラ上に第２のＦＢＡＲを製作するステップと、
    前記第２のＦＢＡＲの製作前に、前記第１のＦＢＡＲ及び前記音響デカップラに前記最高温度以上の温度でベーキングを施すステップを有する、方法。
  13. 前記音響デカップラがポリイミドの層を有する、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記音響デカップラの製作ステップに、スピン・コーティングによるポリイミド層の付着が含まれる、請求項１３に記載の方法。
JP2004314021A 2003-10-30 2004-10-28 通過帯域幅の制御が可能なスタック形バルク音響共鳴器用帯域フィルタ Pending JP2005137002A (ja)

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