JP4963379B2 - 交互配列の縁部構造を利用した音響共振器の性能向上 - Google Patents
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Description
本発明は、音響共振器、特に薄膜バルク波共振器（ＦＢＡＲ）に関する。
関連出願の相互参照
本出願は、「ACOUSTIC RESONATOR PERFORMANCE ENHANCEMENT USING SELECTIVE METAL ETCH」との名称で２００４年６月１４日に出願された米国特許出願第１０／８６７５４０号明細書、「ACOUSTIC RESONATOR PERFORMANCE ENHANCEMENT USING FILLED RECESSED REGION」との名称で２００５年４月６日に出願された米国特許出願第１１／１００３１１号明細書、「A THIN FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR WITH A MASS LOADED PERIMETER」との名称で２００４年１０月１日に出願された米国特許出願第６０／６１５２２５号明細書、および「A THIN FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR WITH A MASS LOADED PERIMETER」との名称で２００４年１１月１５日に出願された米国特許出願第１０／９９０２０１号明細書に関連した出願であり、本発明の譲受人に譲渡されたものである。
本出願は、「ACOUSTIC RESONATOR PERFORMANCE ENHANCEMENT USING SELECTIVE METAL ETCH」との名称で２００４年６月１４日に出願された米国特許出願第１０／８６７５４０号明細書、「ACOUSTIC RESONATOR PERFORMANCE ENHANCEMENT USING FILLED RECESSED REGION」との名称で２００５年４月６日に出願された米国特許出願第１１／１００３１１号明細書、「A THIN FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR WITH A MASS LOADED PERIMETER」との名称で２００４年１０月１日に出願された米国特許出願第６０／６１５２２５号明細書、および「A THIN FILM BULK ACOUSTIC RESONATOR WITH A MASS LOADED PERIMETER」との名称で２００４年１１月１５日に出願された米国特許出願第１０／９９０２０１号明細書に関連した出願であり、本発明の譲受人に譲渡されたものである。
電子機器の製造コストの低減、またサイズ縮小に対する要求により、単一のフィルタエレメントをより小さくする必要が生じている。薄膜バルク音響共振器（Thin-Film Bulk Acoustic Resonator、ＦＢＡＲ）および積層薄膜バルク波音響共振器（Stacked Thin-Film Bulk Wave Acoustic Resonator、ＳＢＡＲ）は、このような要求を満たすことができるフィルエレメントの一分類を代表している。上記のフィルタは、総称してＦＢＡＲと呼ばれる。ＦＢＡＲは、薄膜圧電（ＰＺ）材料が発生する縦波のバルク音響波を利用する音響共振器である。通常、ＦＢＡＲは、２つの金属電極間に挟まれたＰＺ層を備えている。ＰＺ材料と電極とを組み合わせたものを、その周辺の周りで支持して空気中に浮かせるかまたは音響ミラー上に配置する。
２つの電極間に電場が形成されると、ＰＺ材料は、電気エネルギーの一部を、音響波の形態で機械エネルギーに変換する。この音響波は、通常、電場と同じ方向に伝搬し、共振振動数を含む所定の振動数で電極−空気の界面もしくは電極−音響ミラーの界面で反射する。複数のＦＢＡＲを、各ＦＢＡＲがＲＦフィルタのエレメントであるように組み合わせることができる。
フィルタエレメント中の共振エネルギーは、共振器内に完全に「閉じこめ（trapped）」られていることが理想的である。しかし、実際は、分散モードが存在する。この分散モードによって、フィルタの品質係数（Ｑ）は低下する。
共振器外への共振エネルギーの分散を抑えた、品質係数の高い音響共振器を提供する。
上記課題を解決した本発明の構成は、基板、第１の電極、圧電材料の層、第２の電極および交互配列の縁部領域（音響学的性質の異なる要素が交互に並べられた縁部の領域）を備えている音響共振器を提供する。第１の電極は、基板に隣接しており、外側周辺を有する。圧電層は、第１の電極に隣接している。第２の電極は、圧電層に隣接しており、外側周辺を有する。交互配列の縁部領域は、第１の電極および第２の電極のいずれかに形成されている。
以下の詳細な説明は、添付の図面を参照して行う。図面は、説明の一部となっており、本発明を実施するための具体的な態様を例示するように示されている。これに関連して、図面での向きを示すために、方向を示す用語、例えば「上」、「下」、「前」、「後」、「先端の」、「背後の」等を使用している。本発明の構成要素は様々な異なる向きで配置可能であるので、上記の方向を示す用語は、図示を目的として使用しているのにすぎず、本発明に何らかの制限を加えるものではない。また、本発明の範囲から逸脱することがなければ、別の実施態様を利用したり、構造的もしくは理論的な変更を行ったりすることが可能であることも理解されたい。したがって、以下の詳細な説明には、制限的な意味はない。本発明の範囲は、特許請求の範囲に記載されたものである。
図１および２に、ＦＢＡＲ１０の上面図および断面図をそれぞれ示す。ＦＢＡＲ１０は、基板１２、凹部１４、第１の電極１６、圧電（ＰＺ）層１８および第２の電極２０を備えている。図１では、ＰＺ層１８および凹部１４は図示されていない。第２の電極２０は、周辺（周縁部）を有し、図１では、辺２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄおよび２０ｅを有する五角形として図示されている。２つの辺２０ｂおよび２０ｅは、図２の断面図にも示されている。通常、コンタクト（図示せず）が、第１の電極１６および第２の電極２０に接続されており、パッシベーション層（図示せず）が、上部電極２０を覆っている。上記コンタクトによって、第１の電極１６および第２の電極２０を電圧源に接続することが容易となる。
第１の電極１６、ＰＺ層１８および第２の電極２０は、これら全体でＦＢＡＲ膜を形成している。ＦＢＡＲ膜は、基板１２に隣接しており、凹部１４上に架設され（凹部の周辺で支持され、凹部１４上で橋かけされ）、電極−空気の界面を形成している。一態様では、凹部１４は、基板１２の一部をエッチング除去することによって形成される。凹部１４は、ＦＢＡＲ膜の下に十分な電極−空気界面が形成すに足る深さを有する。
別の態様では、ＦＢＡＲ膜を、基板１２内に形成されている音響ミラー（図１および２に図示）に隣接して配置することもできる。この場合、電極−音響ミラーの界面が形成され、形成される共振器は、ソリッドマウンテッド共振器（Solid Mounted Resonator、ＳＭＲ）となる。
一態様では、基板１２はシリコン（Ｓｉ）からなっており、ＰＺ層１８は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなっている。別の態様では、ＰＺ層１８に別の圧電材料を使用することもできる。一態様では、第１の電極１６および第２の電極２０は、モリブデン（Ｍｏ）からなっている。別の態様では、電極に別の材料を使用することができる。一態様では、コンタクトは、金（Ａｕ）からなっている。別の態様では、コンタクトに別の材料を使用することができる。
図１および２に示すＦＢＡＲ１０は、ＰＺ層１８内を伝搬する縦波の音響波もしくは横波の音響波を利用するように構成されている。印加電圧により、第１の電極１６および第２の電極２０間に電場が形成される。ＰＺ層１８の圧電材料は、電気エネルギーの一部を、音響波の形態である機械エネルギーに変換する。図１および図２に図示の構成では、ＦＢＡＲ１０には分散モードが生じ、これにより、ＦＢＡＲ１０に対する品質係数（Ｑ）の損失を招く。
図３に、本発明の一態様によるＦＢＡＲ４０の断面図を示す。ＦＢＡＲ４０は、基板４２、凹部４４、第１の電極４６、圧電（ＰＺ）層４８、第２の電極５０、ならびに第１の縁部６０および第２の縁部６２を備えている。通常は、コンタクト（図示せず）が、第１の電極４６と第２の電極５０とを接続し、また、パッシベーション層が、第２の電極を覆っている（図示せず）。コンタクトによって、第１の電極４６および第２の電極５０と、電圧源との接続が容易となる。第１の電極４６、ＰＺ層４８および第２の電極５０は、これら全体でＦＢＡＲ膜を形成し、凹部４４または上述の音響ミラー上に設けられている。ＦＢＡＲ膜は、基板４２に隣接して図示されており、凹部４４上に架設されており、これにより、電極−空気の界面が形成されている。本発明では、上記態様と同様に、ＳＭＲ型の設計により電極−音響ミラー界面を形成してもよい。
第２の電極５０およびＦＢＡＲ膜の他の層は、様々な構成をとりうる周辺を有している。例えば、各層の周辺は、上述のＦＢＡＲ１０と同様に五角形の形状をしていてもよい。また、様々な多角形、円もしくは様々な不規則的な任意の形状をしていてもよい。図３の断面図は、第２の電極５０、辺５０ｂおよび５０ｅの周辺に沿った図である。一態様では、図３に示すように、ＰＺ層４８の辺（端部）は、通常、ＦＢＡＲ４０において垂直方向に、第２の電極５０の辺５０ｂおよび５０ｅと整合している。
図３に示すＦＢＡＲ４０では、第２の電極５０が、第１の縁部６０および第２の縁部６２を有する。これらの縁部は、電極の周辺を囲んで形成され、第２の電極５０の辺５０ｂおよび５０ｅに隣接して示されている。一態様では、第１の縁部６０および第２の縁部６２は、凹部４４の周辺の直ぐ外側に配置されている。このように凹部４４の周辺もしくは外直径が垂直方向（図３における向きで）に延びている場合、第１の縁部６０および第２の縁部６２は、凹部４４の周辺の直ぐ「外側」にある。別の態様では、第１の縁部６０および第２の縁部は、その一部が凹部４４の周辺の「内側」に位置しかつ別の一部が凹部４４の周辺の直ぐ「外側」にあるように、凹部４４の周辺と重なっている。さらに別の態様では、第１の縁部６０および第２の縁部６２は、凹部４４の周辺のすぐ内側に位置している。このように、凹部４４の周辺もしくは外直径が垂直方向（図３における向きで）に延びている場合、第１の縁部６０および第２の縁部６２は、凹部４４の周辺の直ぐ「内側」にある。
第１の縁部６０および第２の縁部６２は、交互配列の縁部領域を形成する。この交互配列の縁部領域では、第１の縁部６０および第２の縁部６２は互いに離れて配置され、これにより、隔置された縁部からなる多重の周期的パターンが得られる。この構成では、第１の音響インピーダンス（第１の縁部６０）を有する材料に続いて、異なる音響インピーダンスを有する領域（図３では空気として図示）が形成される。第１の縁部６０から間隔を置いて配置された第２の縁部６２により、異なる音響インピーダンスの界面がさらに形成され、これにより、周期的パターンに別のエレメントが追加される。このような交互配列の縁部領域によって、ＦＢＡＲ膜内で所定の波長の信号が反射し、反射波の一部に位相の変化が生じる。交互配列の縁部領域は、反射された全ての波長の波が干渉し、改善されたＱが提供されるように構成されている。
一態様では、この交互配列の第１の縁部領域６０および第２の縁部領域６２は、さらに、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）構造を形成している。これにより、第１の縁部領域６０および第２の縁部領域６２のそれぞれの幅（図面において左から右の距離）およびこれらの間のスペースの領域の幅が、少なくとも１つの横方向の音響モードのほぼ４分の１波長である。別の態様では、周期的パターンの各構成要素の幅が、少なくとも１つの横方向の音響モードのほぼ４分の１波長の倍数である。場合によっては、周期的なパターンの各構成要素の幅が、主要な横方向モードの４分の１波長である。これにより、交互配列の縁部領域構造を備えているＦＢＡＲ４０は、高効率のミラーとして機能する。
所定のモードを閉じ込める交互配列の縁部領域を有する構成に加え、いくつかの態様では、第１の縁部６０または第２の縁部６２のいずれかによって、ＦＢＡＲ４０の外側端部で、より厚い領域が提供されることもあり、これにより、その境界においてより大きな剛性が得られる。このように、縁部の厚みが端部でより厚くなっていることによって、さらなるエネルギーの閉じ込めが得られる。
図４に、本発明の一態様による図３のＦＢＡＲ４０の平面図を示す。図４に示すようにＦＢＡＲ４０は、基板４２、第１の電極４６および第２の電極５０を備えている。図４には、圧電（ＰＺ）層４８および凹部４４を図示しない。また、通常では、コンタクト（図示せず）が、第１の電極４６および第２の電極５０に接続されており、パッシベーション層（こちらも図示せず）が、第２の電極５０を覆っている。
図４に、第２の電極５０の周辺に隣接して延びる第１の縁部６０および第２の縁部６２を示す。図４には、第２の電極５０の周辺は、通常、比較的直線状の５つの辺（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ）を有する五角形状であるが、別の態様では、多角形、円形または別の任意の滑らかなもしくは不規則な形状であってよい。
図４に、五角形の電極の５つの辺のうち４つに沿って、つまり、辺５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅに隣接して、第２の電極５０の周辺に隣接して延びる第１の縁部６０および第２の縁部６２を示す。一態様では、コンタクトが、第２の電極５０の５番目の辺５０ａに取り付けられており、よって、図示の態様でも、第１の縁部６０および第２の縁部６２はこの５番目の辺に沿って延びていない。しかし、別の態様では、第１の縁部６０および第２の縁部６２は、第２の電極５０の周辺に隣接して、五角形状の電極の５つの辺全てに沿って、つまり５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄおよび５０ｅに隣接して延びている。
別の任意の数の第１の縁部６０および第２の縁部６２を、第２の端部に隣接して設け、本発明による交互配列の縁部領域を形成できることは、当業者に理解されよう。第１の縁部６０および第２の縁部６２は、図示のように、第２の電極５０の一部もしくは全ての辺（端部）に沿って延びていてよく、第１の縁部６０および第２の縁部６２は、辺に沿って連続的でないより小さなセグメントを含むこともできる。また、第１の縁部６０および第２の縁部６２の別の形状および構成を、特に第２の電極５０が五角形以外の形状である場合に使用できる。
図３および４に示す第１の縁部６０および第２の縁部６２を有する交互配列の縁部領域以外に、多重の交互配列の縁部構造を使用することもできる。いくつかの実施態様では、交互配列の縁部構造のそれぞれが、異なる横モードの４分の１波長もしくはその倍数に相当する幅を有する領域を備えているＤＢＲ構造を形成している。このような代替の態様は、反射された波長が干渉して、構造的に、主なおよび／またはそれ以外の横モードの閉じ込めが起こるように構成されており、これにより、ＦＢＡＲの向上した性能が得られる。さらに、この態様は、ＦＢＡＲの端部で剛性が提供され、モードの閉じ込めがより起こるように構成されており、これにより、ＦＢＡＲの性能が増大する。いくつかの態様では、交互配列の縁部領域は、電極表面上に延びる厚みのエリアを有し、さらに、電極と同じ厚みの領域が設けられている（図３参照）。別の態様では、交互配列の縁部構造の交互配列の領域は、電極表面上に延びる厚みを有し、さらに、電極よりも薄い厚みの領域が設けられている。
図５に、本発明の別の態様によるＦＢＡＲ７０の断面図を示す。ＦＢＡＲ７０は、図３に示すＦＢＡＲと同様であり、基板７２、凹部７４、第１の電極７６、圧電（ＰＺ）層７８、第２の電極８０、ならびに第１の縁部９０および第２の縁部９２を備えている。
一態様では、図５に示すＦＢＡＲ７０の性能は、上述の図３に示すＦＢＡＲ４０の性能と同様である。交互配列の縁部領域により、異なる音響インピーダンスの交互配列の領域が形成されることによって、ＦＢＡＲ膜内の信号の所定の波長が反射し、反射の一部に位相の変化が起こる。一態様では、反射された波長の全てが干渉し、Ｑが向上する。一態様では、ＦＢＡＲ７０の交互配列の縁部領域は、ＤＢＲ構造として構成されており、交互配列のパターンの各要素の幅が、少なくとも１つの横方向音響モードの４分の１波長の倍数となっている。
さらに、ＦＢＡＲ７０では、第１の縁部９０は、第２の縁部９２よりも幅が広い。したがって、ＦＢＡＲ７０の端部で、第１の縁部９０のより幅の広い領域がより大きな剛性を提供し、硬い境界のように機能し、これにより、良好なエネルギー閉じ込めが得られる。これにより、ＦＢＡＲ７０の性能はさらに向上する。
図６に、本発明の一態様によるＦＢＡＲ１００の断面図を示す。ＦＢＡＲ１００は、上述のものと同様であり、基板１０２、凹部１０４、第１の電極１０６、圧電（ＰＺ）層１０８、第２の電極１１０、ならびに第１の縁部１２０および第２の縁部１２２を備えている。
一態様では、図６に示すＦＢＡＲ１００の性能は、第１の縁部１２０および第２の縁部１２２が交互配列の縁部領域を形成しているという点で、上述のものと同じである。交互配列の縁部領域により、異なる音響インピーダンスを有する交互配列の領域が形成されることによって、ＦＢＡＲ膜内での所定の波長の信号が反射し、反射波の一部に位相の変化が生じる。交互配列の縁部領域は、一態様では、反射された全ての波長が干渉して、ＦＢＡＲ１００のＱが向上するように構成されており、これにより、性能が向上する。一態様では、ＦＢＡＲ１００の交互配列の縁部領域は、ＤＢＲ構造として構成されている。
さらに、第１の縁部１２０および第２の縁部１２２は、第２の電極１１０の残された部分（交互配列の縁部領域以外の部分）の厚みより薄い第２の電極１１０の一領域によって分離されている。さらに、縁部１２０によって、ＦＢＡＲ１００の端部の剛性が向上し、追加的なエネルギー閉じ込めが得られ、性能がさらに向上する。
図７に、本発明の別の一態様によるＦＢＡＲ１３０の断面図を示す。ＦＢＡＲ１３０は、上述のものと同様であり、基板１３２、凹部１３４、第１の電極１３６、圧電（ＰＺ）層１３８、第２の電極１４０、ならびに第１の縁部１５０および第２の縁部１５２を備えている。
一態様では、図７に示すＦＢＡＲ１３０の性能は、第１の縁部１５０および第２の縁部１５２が交互配列の縁部領域を形成しているという点で、上述のものと同様である。交互配列の縁部領域により、異なる音響インピーダンスの交互配列の領域が形成される（図示の例では、縁部１５０および縁部１５２が空気によって分離されている）ことによって、ＦＢＡＲ膜内の所定の波長の信号が、反射波の一部で位相の変化があるように反射する。交互配列の縁部領域は、反射された波長波の全てが干渉して、ＦＢＡＲ１３０のＱが向上するように構成されており、これにより、ＦＢＡＲ１３０の性能が向上する。一態様では、ＦＢＡＲ１３０の交互配列の縁部領域は、ＤＢＲ構造として構成されている。
さらに、第１の縁部１５０および第２の縁部１５２は、第２の電極１４０の一領域によって分離されており、その領域は、第２の電極１４０の残りの部分よりも厚くなっている。さらに、縁部１５０、および縁部１５０と縁部１５２との間の隆起した領域（つまり、第２の電極１４０の表面に対して隆起している領域）が、ＦＢＡＲ１３０の端部において剛性を提供し、これにより、さらなるエネルギー閉じ込めが得られ、ひいてはＦＢＡＲ１３０の性能が向上する。
図８に、本発明の一態様による交互配列のＦＢＡＲ１６０の断面図を示す。ＦＢＡＲ１６０は、上述のＦＢＡＲと同様であり、基板１６２、凹部１６４、第１の電極１６６、圧電（ＰＺ）層１６８、第２の電極１７０、ならびに第１の縁部１７０および第２の縁部１７２を備えている。
一態様では、図８に示すＦＢＡＲ１６０の性能は、縁部１７２が、この縁部１７２のどちらかの側に隣接して形成された切欠き領域と組み合わされて、交互配列の縁部領域を形成しているという点で、上述のものと同様である。交互配列の縁部領域（つまり、図において、縁部１７２、および縁部１７２の両側に直ぐ隣接する切欠き領域）により、異なる音響インピーダンスを有する交互配列の領域が形成されることによって、ＦＢＡＲ膜内での所定の波長の信号は、反射波の一部に位相の変化が生じるように反射する。この交互配列の縁部領域は、反射された全ての波長が干渉して、ＦＢＡＲ１６０のＱが向上するように構成されており、これによりＦＢＡＲ１６０の性能は向上する。一態様では、ＦＢＡＲ１６０の交互配列の縁部領域は、ＤＢＲ構造として構成されている。
さらに、縁部１７２の厚みは、第２の電極１７０の残りの部分の厚みと同じであり、縁部１７２に直ぐ隣接する切欠き領域の厚みは、第２の電極１７０の残りの部分より薄い。さらに、縁部１７２は、ＦＢＡＲ１６０の端部における剛性を提供し、これによりさらなるエネルギー閉じ込めが得られ、ひいはＦＢＡＲ１６０の性能がさらに向上する。
図９に、本発明の別の一態様によるＦＢＡＲ１７５の断面図を示す。ＦＢＡＲ１７５は、上述のものと同様であり、基板１７６、凹部１７７、第１の電極１７８、圧電（ＰＺ）層１７９、第２の電極１８０および縁部１８２を備えている。
一態様では、図９に示すＦＢＡＲ１７５の性能は、縁部１８２が、この縁部１８２のどちらかの側に隣接して形成されている切欠き領域と組み合わされて、交互配列の縁部領域を形成しているという点で、上述のものと同様である。この交互配列の縁部領域により、異なる音響インピーダンスの交互配列の領域が形成されることによって、ＦＢＡＲ膜内の所定の波長の信号が、反射波の一部に位相の変化が生じるように反射する。交互配列の縁部領域は、反射された全ての波長の波が干渉し、ＦＢＡＲ１７５のＱを向上させるよう構成されており、これにより、ＦＢＡＲ１７５の性能が向上する。一態様では、ＦＢＡＲ１７５の交互配列の縁部領域が、ＤＢＲ構造として構成されている。
さらに、縁部１８２は、第２の電極１８０の残りの部分よりも厚く、縁部１８２に直ぐ隣り合う切欠き領域は、第２の電極１８０の残りの部分よりも薄くなっている。さらに、切欠き領域に隣接する縁部１８２は、ＦＢＡＲ１７５の端部で剛性を提供し、これにより、さらなるエネルギー閉じ込めが得られ、ＦＢＡＲ１７５の性能がさらに向上する。
図１０に、スミスチャートにプロットしたＦＢＡＲの２つの例に対するＱの円を示し、ＦＢＡＲの１つにおけるＲｐ、ひいてはＱの向上を表す。当分野で周知のように、スミスチャートは、複素インピーダンスの極座標プロットである（図１０では、これを利用してｓ１１およびｓ２２のＳパラメータの測定値を表す）。これらのｓ１１およびｓ２２のＳパラメータは、後進波および前進波の複素振幅の比を示す。スミスチャートは、反射係数をインピーダンスに直すことを支援し、単位円内へ配置されるインピーダンスの一部を描き出す。
ＦＢＡＲ１７５の改善された性能は、図１０に示すＱ円により表されている。図１０は、ＦＢＡＲ装置の例、例えば交互配列の縁部領域を備えているＦＢＡＲ１７５のＳパラメータ測定値を示す。図示のように、ＦＢＡＲ１７５の交互配列の縁部領域（ｓ１１、実線で示す）は、チャートの上半分において、対照用の装置、例えば図２に示すＦＢＡＲの縁部領域（ｓ２２、点線で示す）に対してはるかに改善されたＲｐを有している。
通常、単位円を通って延びる水平方向軸線は、実際のインピーダンスを表しており、その軸線より上のエリアは誘導性リアクタンスを表し、軸線より下のエリアは容量性リアクタンスを表す。チャートの左部分はリアクタンスゼロで、直列共振振動数（ｆｓ）を表し、Ｑ円がスミスチャートの左側で実軸と交わる場所にある。チャートの左部分は、抵抗Ｒｓのパラメータも表している。チャートの右部分はリアクタンスゼロで、並列共振振動数（ｆｐ）を表し、Ｑ円がスミスチャートの右側で実線と交わる場所にある。チャートの右部分は、抵抗Ｒｐのパラメータも表している。スミスチャート上でのＦＢＡＲフィルタ特性のプロットが、スミスチャートの周辺に近づく程、そのＦＢＡＲのＱは高くなる。また、カーブが滑らかになる程、ＦＢＡＲのノイズは小さくなる。
図１０に、ＦＢＡＲ１７５のフィルタとしての性能を、実線のＱ円ｓ１１によって示し、電極における交互配列の縁部領域のない場合の従来のＦＢＡＲの性能を、点線のＱ円ｓ２２によって示す。ＦＢＡＲ１７５で、振動数ｆｐ付近のフィルタの品質が向上しているのが明らかである。ＦＢＡＲ１７５は、Ｑ円ｓ１１で示されているように、単位円の上半分で単位円により近付き、つまりそのエリア内でより損失の少ない装置であり、フィルタで使用された場合にＦＢＡＲ１７５の性能を向上させることを表している。
さらに、縁部１８２内に切欠き領域があることによって、ＦＢＡＲ１７５の単位円の下半分で改善がみられる。したがって、ＦＢＡＲ１７５は、チャートの８時の位置および２時の位置の両方での組み合わせられた改善（スミスチャートの端部へのＱ円の「近さ」）を示す。
図１１に、本発明の別の一態様によるＦＢＡＲ１９０の断面図を示す。ＦＢＡＲ１９０は上述のものと同様であり、基板１９２、凹部１９４、第１の電極１９６、圧電（ＰＺ）層１９８、第２の電極２００、ならびに第１の縁部２１０および第２の縁部２１２を備えている。
一態様では、図１１に示すＦＢＡＲ１９０の性能は、第１の縁部２１０および第２の縁部２１２が交互配列の縁部領域を形成しているという点で、上述のものと同様である。交互配列の縁部領域により、異なる音響インピーダンスの交互配列の領域（つまり、図面で、空気によって分離された縁部２１０および２１２）を形成することによって、ＦＢＡＲ膜内の信号の所定の波長は、反射波の一部に位相の変化が生じるように反射する。交互配列の縁部領域は、反射された波長の波の全てが干渉して、ＦＢＡＲ１９０のＱが向上するように構成されており、これにより、性能の向上が得られる。一態様では、ＦＢＡＲ１９０の交互配列の縁部領域は、ＤＢＲ構造として構成されている。
さらに、第１の縁部２１０および第２の縁部２１２は、第２の電極２００の一領域によって分離されており、この領域の厚みは、第２の電極２００の残りの部分よりも薄い。さらに、より薄い切欠き領域が、第２の縁部２１２に隣接して、ＦＢＡＲ１９０の中央側に設けられている。さらに、縁部２１０は、ＦＢＡＲ１９０の端部で剛性を提供し、追加的なエネルギー閉じ込めを提供し、その性能をさらに改善する。
図１２に、本発明の別の一態様によるＦＢＡＲ２２０の断面図を示す。ＦＢＡＲ２２０は上述のものと類似しており、基板２２２、凹部２２４、第１の電極２２６、圧電（ＰＺ）層２２８、第２の電極２３０、ならびに第１の縁部２４０および第２の縁部２４２を備えている。
一態様では、図１２に示すＦＢＡＲ２２０の性能は、第１の縁部２４０および第２の縁部２４２が、交互配列の縁部領域を形成している点で、上述のものと同様である。交互配列の縁部領域により、異なる音響インピーダンスの交互配列の領域（つまり、図面で空気によって分離されている縁部２４０および２４２）を形成することによって、ＦＢＡＲ膜内の信号の所定の波長が、反射の一部に位相の変化を生じるように反射する。交互配列の縁部領域は、全ての反射された波長波が干渉して、ＦＢＡＲ２２０のＱを向上させるように構成されており、これにより、ＦＢＡＲ２２０の性能が向上する。一態様では、ＦＢＡＲ２２０の交互配列の縁部領域は、ＤＢＲ構造として構成されている。
さらに、第１の縁部２４０および第２の縁部２４２は、第２の電極２３０の一領域によって分離されており、この領域の厚みは、第２の電極２３０の残りの部分より厚い。さらに、より薄い切欠き領域が、第２の縁部２４０に隣接して、ＦＢＡＲ２２０の中央側に設けられている。さらに、縁部２４０は、ＦＢＡＲ２２０の端部において剛性を提供し、さらなるエネルギー閉じ込めを提供し、さらにＦＢＡＲ２２０の性能を向上させる。
以上説明した様々なＦＢＡＲの態様の断面図のそれぞれにおいて、様々な交互配列の縁部領域を示した。交互配列の縁部領域内の部分の相対厚みについて、別の組み合わせ態様が可能であることは当業者によって理解されるであろう。例えば、相互配列の縁部領域は、単一の切欠き領域を有し、さらに、より厚い縁部が設けられている、もしくはいくつかの切り欠かれかつより厚い縁部を交互配列の縁部領域で交互に配列させてもよい。さらに、上述のＦＢＡＲの態様のそれぞれでは、交互配列の縁部領域の材料は、第２の電極と同じである。しかし、後述のように、別の材料を使用することもできる。
図１３に、本発明の別の一態様によるＦＢＡＲ２５０の断面図を示す。ＦＢＡＲ２５０は、上述のものと同様に、基板２５２、凹部２５４、第１の電極２５６、圧電（ＰＺ）層２５８、第２の電極２６０、ならびに第１の縁部２７０および第２の縁部２７２を備えている。
一態様では、図１３のＦＢＡＲ２５０の性能は、第１の縁部２７０および第２の縁部２７２が交互配列の縁部領域を形成しているという点で、上述のものと同様である。相互配列の縁部領域により、異なる音響インピーダンスの領域の相互の配列（つまり、図面では空気によって分離されている縁部２７０および２７２を）を形成することによって、ＦＢＡＲ膜内の信号の所定の波長は、反射波の一部で位相の変化が生じるように反射する。交互配列の縁部領域は、反射された波長波の全てが干渉し、ＦＢＡＲ２５０のＱを向上させるように構成されており、これにより、ＦＢＡＲの性能が向上する。一態様では、ＦＢＡＲ２５０の交互配列の縁部領域は、ＤＢＲ構造として構成されている。
さらに、第１の縁部２７０および第２の縁部２７２は、第２の電極２６０とは異なる材料からなっている。この態様では、ＦＢＡＲ２５０の性能を向上させるために異なる振動モードがＦＢＡＲ２５０内に捕らえるように、交互配列の縁部領域の、より厚いエリアおよびより薄いエリアの交互配列を使用することができ、また、さらなる性能向上が達成されるように、縁部２７０および２７２ならびに第２の電極２６０に対して異なる材料を選択することができる。
一態様では、交互配列の縁部領域および第２の電極の両領域は、モリブデン（Ｍｏ）からなっている。別の態様では、交互配列の縁部領域は、別の材料、例えば金属（例えばＷ、Ｐｔ、Ａｕ）、誘電体（例えばＳｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２）および圧電材料（例えばＡｌＮ）またはこれらの組合せからなっていてもよい。さらに別の態様では、第２の電極は、導電材料、例えばＭｏもしくはＰｔからなっていてよく、交互配列の縁部領域は、異なる音響インピーダンスを有する任意の別の材料、例えば、金属（例えばＷ、Ｐｔ、Ａｕ）、誘電体（例えばＳｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２）および圧電材料（例えばＡｌＮ）またはこれらの組合せからなっていてもよい。交互配列の縁部領域の少なくとも１つの隆起した縁部は、誘電体、金属、金属合金、圧電材料、Ｍｏ（モリブデン）、Ｐｔ（白金）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｗ（タングステン）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、ポリイミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）、ＳｉＯ２（二酸化シリコン）、Ｓｉ３Ｎ４（窒化シリコン）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＬｉＮｂＯ３（酸化ニオブリチウム）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＬｉＴａＯ３（酸化タンタルリチウム）およびＡｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム）含む群から選択されてよい。
図１４に、本発明の別の一態様によるＦＢＡＲ２８０の断面図を示す。ＦＢＡＲ２８０は上述のものと同様に、基板２８２、凹部２８４、第１の電極２８６、圧電（ＰＺ）層２８８、第２の電極２９０、ならびに第１の縁部３００および第２の縁部３０２を備えている。
一態様では、図１４に示すＦＢＡＲ２８０の性能は、第１の縁部３００および第２の縁部３０２が交互配列の縁部領域を形成しているという点で、上述のものと類似している。しかし、この態様では、交互配列の縁部領域は、第１の電極２８６の上面に形成されている。交互配列の縁部領域により、異なる音響インピーダンスの領域の交互配列（つまり、第１の電極２８６の領域によって分離されている縁部３００および３０２）を形成することによって、ＦＢＡＲ膜内での信号の所定の波長は、反射波の一部で位相の変化が起こるように反射する。交互配列の縁部領域は、反射された全ての波長が干渉して、ＦＢＡＲ２８０のＱを向上させるように構成されており、これにより、ＦＢＡＲ２８０の性能が向上する。一態様では、ＦＢＡＲ２８０の交互配列の縁部領域は、ＤＢＲ構造として構成されている。
図１５に、本発明の別の一態様によるＦＢＡＲ３１０の断面図を示す。ＦＢＡＲ３１０は上述のものと類似しており、基板３１２、凹部３１４、第１の電極３１６、圧電（ＰＺ）層３１８、第２の電極３２０、ならびに第１の縁部３３０および第２の縁部３３２を備えている。
一態様では、図１５に示すＦＢＡＲ３１０は、上述のものと同様に、第１の縁部３３０および第２の縁部３３２が交互配列の縁部領域を形成している。しかし、この態様では、交互配列の縁部領域は、第１の電極３１６の底面に形成されている。交互配列の縁部領域により、異なる音響インピーダンスの領域の交互配列（つまり、第１の電極３１６の領域によって分離されている縁部３３０および３３２）が形成されることによって、ＦＢＡＲ膜内での所定の波長の信号が反射し、反射波の一部に位相の変化が生じる。交互配列の縁部領域は、反射された全ての波長の波が干渉し、ＦＢＡＲ３１０のＱが向上するように構成されており、これにより、ＦＢＡＲ３１０の性能が向上する。さらに、縁部３３０および３３２が、第１の電極３１６と異なる材料からなっており、その材料が、性能をさらに向上させるように選択されている。一態様では、ＦＢＡＲ３１０の交互配列の縁部領域は、ＤＢＲ構造として構成されている。
上述の全てのＦＢＡＲにおいて、交互配列の縁部領域の別の態様が、第１の電極および第２の電極の両表面に組み込まれていてよい。さらに、縁部およびこれに対応する電極のそれぞれで、同じ材料を利用しても異なる材料を利用してもよい。別の態様では、交互配列の縁部領域が、圧電層内に組み込まれていてもよい。
上述の様々なＦＢＡＲの態様の断面図のそれぞれにおいては、コンタクトが図示されていないが、通常、第１の電極および第２の電極のそれぞれに追加されている。また、任意のパッシベーション層も図示されていないが、このパッシベーション層は、通常使用されるものであり、第２の電極のそれぞれを覆っている。さらに、各態様で、第１の電極、ＰＺ層および第２の電極は集合してＦＢＡＲ膜を形成しており、どの場合にも凹部上に配置されている。また、ＦＢＡＲ膜は、どの場合にも、本発明によるＳＭＲ設計を利用して電極−音響ミラー界面上に配置することもできる。
上述のＦＢＡＲのそれぞれは、本発明による様々な方法で製造することができる。図１６Ａ〜１６Ｃは、本発明の一態様によるＦＢＡＲ３４０の製造の様々な中間段階を示す断面図である。同様のステップを、上述のＦＢＡＲのそれぞれの製造に適用することができる。
ＦＢＡＲ３４０は、上述のものと同様であり、基板３４２、凹部３４４、第１の電極３４６、圧電（ＰＺ）層３４８および第２の電極３５０を備えており、これらは集合してＦＢＡＲ膜を形成する。図１６Ａは、任意の縁部、交互配列の縁部領域またはＤＢＲ構造を形成する前のＦＢＡＲ３４０を示す。
図１６Ｂに、ＦＢＡＲ膜上にフォトマスク３５２が堆積したＦＢＡＲ３４０を示す。このフォトマスク３５２を使用し、リフトオフ法によりマスク領域３５２ａおよび３５２ｂをパターン形成する。フォトマスク３５２のマスク領域３５２ａおよび３５２ｂは、効率的に切り欠かれ、後続のステップで、交互配列の縁部構造の製造での縁部の形成に使用される。
図１６Ｃに、付加的な電極材料金属３５４を堆積させた後のＦＢＡＲ３４０を示すが、これはリフトオフを実施する前のものである。このステップでは、第１の縁部３６０および第２の縁部３６２が、マスク領域３５２ａおよび３５２ｂに形成されていることが示されている。続いて、リフトオフ法によって、フォトマスク３５２およびフォトマスク３５２上の全ての金属３５４を除去する。リフトオフの実施後、フォトマスク３５２は除去されており、構造は洗浄され、図３のＦＢＡＲ４０のようなＦＢＡＲが残される。コンタクトを電極に追加し、いくつかの態様では、ＦＢＡＲは、追加的に少なくとも１つのパッシベーション層を使用する。
下部電極における交互配列の縁部領域も、同様に構成することができる。さらに、その場合、図１６Ｃの追加的な電極材料金属３５４を利用するのではなく、異なる材料をそのステップで使用し、電極および交互配列の縁部構造が異なる材料からなるようにする。
以上、具体的な実施態様を例示し説明したが、本発明の範囲を逸脱しなければ、この例示し説明した具体的な実施態様を、様々な代替形および／または等価な実施形態で置き換えることが可能であることは、当業者には明らかである。本出願は、本明細書で議論した具体的な態様の任意の適用形もしくは変形に及ぶことを意図している。したがって、本出願は、本発明を、特許請求の範囲およびこれと同等のもののみに限定することを意図している。
４２ 基板
４４ 凹部
３６ 第１の電極
４０ ＦＢＡＲ
４８ 圧電材料の層
５０ 第２の電極
５０ａ〜５０ｅ 第２の電極の辺
６０、６２ 縁部
３４０ ＦＢＡＲ
３４２ 基板
３４４ 凹部
３４６ 第１の電極
３４８ 圧電材料の層
３５０ 第２の電極
３５２ フォトマスク
３５４ 追加の材料
３６０、３６２ 縁部
４４ 凹部
３６ 第１の電極
４０ ＦＢＡＲ
４８ 圧電材料の層
５０ 第２の電極
５０ａ〜５０ｅ 第２の電極の辺
６０、６２ 縁部
３４０ ＦＢＡＲ
３４２ 基板
３４４ 凹部
３４６ 第１の電極
３４８ 圧電材料の層
３５０ 第２の電極
３５２ フォトマスク
３５４ 追加の材料
３６０、３６２ 縁部
Claims (27)
- 基板、
前記基板に隣接しかつ外側周辺を有する第１の電極、
前記第１の電極に隣接する圧電層、
前記圧電層に隣接しかつ外側周辺を有する第２の電極、および
前記第１の電極および前記第２の電極の一方に設けられている交互配列の縁部領域を備えており、
前記交互配列の縁部領域が、交互に配列された異なる音響インピーダンスを有する領域を備えており、音響共振器内で所定の波長の信号が反射して干渉し、Ｑを向上させるよう構成されている、音響共振器。 - 前記基板に凹部が形成されており、該凹部が凹部周辺を有している、請求項１に記載の音響共振器。
- 前記基板に音響ミラーが形成されており、前記第１の電極が、該音響ミラー上で橋渡しされている、請求項１に記載の音響共振器。
- 前記第２の電極に隣接するパッシベーション層をさらに備えている、請求項１から３のいずれか１項に記載の音響共振器。
- 前記交互配列の縁部領域が、相対的に切り欠かれている少なくとも１つの領域に隣接して、少なくとも１つの隆起した縁部を備えている、請求項１から４のいずれか１項に記載の音響共振器。
- 前記交互配列の縁部領域が、分布ブラッグ反射器である、請求項１から４のいずれか１項に記載の音響共振器。
- 前記交互配列の縁部領域の前記少なくとも１つの隆起した縁部が、誘電体、金属、金属合金、圧電材料、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、ポリイミド、ＢＣＢ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＡｌＮ、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＰＺＴ、ＬｉＴａＯ３およびＡｌ２Ｏ３含む群から選択される材料である、請求項５又は６に記載の音響共振器。
- 前記交互配列の縁部領域が、前記第２の電極の外側周辺に隣接して、前記凹部周辺の外側に位置している、請求項２及び４から７のいずれか１項に記載の音響共振器。
- 前記交互配列の縁部領域が、前記凹部周辺に重なっている、請求項２及び４から７のいずれか１項に記載の音響共振器。
- 前記交互配列の縁部領域が、前記凹部周辺の内側に位置している、請求項２及び４から７のいずれか１項に記載の音響共振器。
- 前記交互配列の縁部領域が、前記第１の電極および前記第２の電極の一方の外側周辺の実質的な部分を囲んで延びている、請求項２から１０のいずれか１項に記載の音響共振器。
- 第１の電極、
前記第１の電極に隣接する圧電材料、
前記圧電材料の層に隣接しかつ外側周辺を有する第２の電極、および
前記第２の電極上に、前記外側周辺に隣接して構成されている交互配列の縁部領域を備えており、
前記交互配列の縁部領域が、交互に配列された異なる音響インピーダンスを有する領域を備えており、音響共振器内で所定の波長の信号が反射して干渉し、Ｑを向上させるよう構成されている、音響共振器。 - 基板をさらに備え、前記基板の第１の面に、凹部周辺を有する凹部が形成されており、前記第１の電極が、該凹部上で橋渡しされている、請求項１２に記載の音響共振器。
- 音響ミラーが、前記基板の第１の面に形成されており、前記第１の電極が該音響ミラー上で橋渡しされている、請求項１２に記載の音響共振器。
- 前記交互配列の縁部領域が、前記第２の電極上に、少なくとも１つの第１の隆起した縁部と第２の隆起した縁部とを備えており、該第１の隆起した縁部および該第２の隆起した縁部が、互いに隔置している、請求項１２から１４のいずれか１項に記載の音響共振器。
- 前記交互配列の縁部領域が、分布ブラッグ反射器である、請求項１２から１５のいずれか１項に記載の音響共振器。
- 前記第１のおよび第２の互いに隔置された隆起した縁部の幅が同じである、請求項１５又は１６に記載の音響共振器。
- 前記第１の縁部が、前記第２の縁部より幅広である、請求項１５又は１６に記載の音響共振器。
- 前記第１の縁部が、前記第２の電極より厚い、請求項１５から１８のいずれか１項に記載の音響共振器。
- 前記第１および第２の隆起した縁部の内側に、隆起した領域をさらに備えている、請求項１５から１９のいずれか１項に記載の音響共振器。
- 基板、
前記基板に隣接する第１の電極、
前記第１の電極に隣接する圧電材料の層、
前記圧電材料の層に隣接する第２の電極であって、前記第１の電極、前記圧電材料の層および当該第２の電極が、これら全体で外側端部および中心を有する音響膜を形成する、第２の電極、および
前記音響膜の外側端部に隣接する、当該音響膜内で横方向のモードの閉じ込めのための手段を備えており、
前記手段が交互配列の縁部領域であって、前記交互配列の縁部領域が、交互に配列された異なる音響インピーダンスを有する領域を備えており、音響共振器内で所定の波長の信号が反射して干渉し、Ｑを向上させるよう構成されている、音響共振器。 - 前記交互配列の縁部領域が、前記第２の電極上に、複数の隆起した縁部を備えており、該複数の隆起した縁部が、互いに隔置されている、請求項２１に記載の音響共振器。
- 前記第２の電極上に設けられている前記隆起した縁部の少なくとも１つが、前記音響膜の端部の剛性を高め、これにより、前記共振器内でモードを閉じ込める、請求項２２に記載の音響共振器。
- 基板を設け、
前記基板に隣接させて第１の電極を形成し、
前記第１の電極に隣接させて圧電層を形成し、
前記圧電層に隣接させて、電極材料を堆積させて第１の厚みまで第２の電極を形成し、
前記第２の電極上に第１のフォトマスクを堆積させ、
前記第２の電極上に、追加の材料を堆積させ、少なくとも１つの隆起した縁部を形成し、
前記フォトマスクを除去し、これにより、第２の電極上に交互配列の縁部領域が現れることを含み、
前記交互配列の縁部領域が、交互に配列された異なる音響インピーダンスを有する領域を備えており、音響共振器内で所定の波長の信号が反射して干渉し、Ｑを向上させるよう構成されている、音響共振器の製造方法。 - 前記第２の電極上に、追加の材料を堆積させ、複数の隆起した縁部を形成することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
- 前記基板に凹部を形成することをさらに含む、請求項２４又は２５に記載の方法。
- 前記交互配列の縁部領域が、分布ブラッグ反射器である、請求項２４から２６のいずれか１項に記載の方法。
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