JP5872002B2 - 保護された共振器 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その開示が参照により本明細書に組み込まれている、２００９年１月２６日に出願した「Ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ」という名称の米国特許出願第１２／３２１，８６０号の利益を主張するものである。

環境効果（environmental effect）および経年劣化（aging）の影響をほとんど受けない高安定共振器、より詳細には薄膜バルク音波共振器が、本明細書で開示される。

バルク音波共振器（ＦＢＡＲ、ＳＭＲ、ＨＢＡＲ、他）の応答は、その特性、とりわけ周波数において、長期にわたるドリフトを示す。この時間依存性の長期にわたる変化は、共振器のドリフトとして知られている。ドリフトは、内在的および外在的の両方の要因によって引き起こされ、内在的不安定性は、多くの場合、共振器の経年劣化と呼ばれる。経年劣化は、たとえ外部環境要因が一定に保たれるときでも発生する。従来技術によるＳＭＲ構造の一例を、図１に示す。

文献では、ＷａｌｌｓおよびＶｉｇ、「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｌｉｍｉｔｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ、Ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ、４２（４）：５７６−５８９頁、１９９５年７月（本明細書でＷａｌｌｓおよびＶｉｇ、１９９５と呼ぶ）、ならびにＶｉｇおよびＭｅｅｋｅｒ、「Ｔｈｅ Ａｇｉｎｇ ｏｆ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ，Ｆｉｌｔｅｒｓ，ａｎｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ」、Ｐｒｏｃ．４５ｔｈ Ａｎｎ．Ｓｙｍｐ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ、ＩＥＥＥ Ｃａｔ．Ｎｏ．９１ ＣＨ２９６５−２、７７−１０１頁、（１９９１年）（本明細書でＶｉｇおよびＭｅｅｋｅｒ １９９１と呼ぶ）が、共振器および発振器に経年劣化を引き起こすメカニズムの分類法を提示する。これらのメカニズムは、汚染物質の堆積もしくは剥離、結晶の取付構造における応力緩和、電極における変化、パッケージ内の漏れ、および圧電材料における変化による、共振器の表面を出入りする物質移動を含む。他のメカニズムは、温度と応力のサイクリング（ヒステリシス）および慣性効果などの外部環境効果を含む。

全体的に、環境効果および経年劣化に抗して共振器を安定にするためのこれまでの試みは、周波数の安定に焦点をおいていた。この努力は、パッケージング設計および取付構造設計に焦点をおいてきた。

通常、共振器のパッケージングは、汚染および漏れによって引き起こされる経年劣化に抗して共振器を保護する主要な方法であった。また、パッケージングは、共振器を外部環境効果から部分的に隔離する。

水晶共振器を、ある経年劣化現象から保護するために、水晶共振器は、伝統的に、容器内にパッケージングされてきた。多くの例が、従来技術において存在する。例えば、１９９７年６月２４日に発行されたＫｎｅｃｈｔらの「Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｈｅｒｍｅｔｉｃａｌｌｙ Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｎｇ ａ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ Ｓｈｅｌｌ」という名称の米国特許第５，６４０，７４６号を参照されたい。

微小機械化薄膜共振器は、ウェーハ・スケールまたはデバイス・スケールのカプセル化技術を使用してパッケージングされる。多くの例が、従来技術において存在する。シリコン共振器および薄膜バルク音波共振器（ＦＢＡＲ）のような微小機械化薄膜共振器は、支柱および懸架器など、微小機械用支持構造を使用する。また、これらの構造は、結晶共振器に温度で誘発される応力を含む、応力の伝達を最小化するように設計される。例えば、Ｋｉｍら、「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗａｆｅｒ−ｓｃａｌｅ ｆｉｌｍ ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ−ｂａｓｅｄ ＭＥＭＳ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ」、Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ １３６ （２００７年） １２５−１３１頁を参照されたい。また、２００６年１２月２６日に発行されたＣａｒｌｅｙらの「Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＭＥＭＳ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｐｉｌｌａｒ−Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ Ｃａｐｓ」という名称の米国特許第７，１５３，７１７号を参照されたい。

パッケージングの最近の方法は、高いプロフィール（水晶の場合）となってそれらを製品内に一体化することを困難にするか、あるいはそれらの方法は、拘束されない（released）慣性共振器もしくはＦＢＡＲのような薄膜構造をカプセル化して、加速度もしくは衝撃など、他の形の不安定性の影響を受けやすいかのいずれかである。

取付構造は、経年劣化の可能性のある別の場所である。パッケージングで誘発され、結晶に伝達される応力が長期にわたる周波数の経年劣化を引き起こす。

水晶共振器は、キャップの下に封止される前は、支持脚を介して取り付けられていた。支持構造は、結晶への応力伝達（したがって、経年劣化）を最小化するために注意深く設計される。多くの例が、従来技術において存在する。例えば、１９８７年２月１０日に発行されたＹａｍａｓｈｉｔａの「Ｍｏｕｎｔ ｆｏｒ ｑｕａｒｔｚ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ ｄｅｖｉｃｅ」という名称の米国特許第４，６４２，５１０号を参照されたい。また、１９９１年７月９日に発行されたＫｎｅｃｈｔの「Ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｏｕｎｔ」という名称の米国特許第５，０３０，８７５号を参照されたい。また、機械的取付構造に関連する経年劣化効果を最小化するように、静電浮揚を使用して結晶を浮揚させることが、提唱されてきた。ＷａｌｌおよびＶｉｇ、１９９５を参照されたい。

共振器の取り付けの最近の方法は、慣性疲労および熱疲労、したがって経年劣化の影響を受けやすい。しかし、これらのアプローチは、いずれも、結晶および／または電極材料自体の保護に対処していない。最近のアプローチは、結晶または電極材料を、経年劣化を含めた環境効果から保護していない。

米国特許第５，６４０，７４６号 米国特許第７，１５３，７１７号 米国特許第４，６４２，５１０号 米国特許第５，０３０，８７５号 米国特許出願第１２／００２，５２４号

ＷａｌｌｓおよびＶｉｇ、「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ Ｌｉｍｉｔｓ ｏｎ ｔｈｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｔａｂｉｌｉｔｉｅｓ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ、Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ、Ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ、４２（４）：５７６−５８９頁、１９９５年７月 ＶｉｇおよびＭｅｅｋｅｒ、「Ｔｈｅ Ａｇｉｎｇ ｏｆ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ，Ｆｉｌｔｅｒｓ，ａｎｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ」、Ｐｒｏｃ．４５ｔｈ Ａｎｎ．Ｓｙｍｐ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ、ＩＥＥＥ Ｃａｔ．Ｎｏ．９１ ＣＨ２９６５−２、７７−１０１頁、（１９９１年） Ｋｉｍら、「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗａｆｅｒ−ｓｃａｌｅ ｆｉｌｍ ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ−ｂａｓｅｄ ＭＥＭＳ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ」、Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ １３６ （２００７年） １２５−１３１頁

周波数安定性の持続期間（date）に研究の焦点をおくことは、ある用途に対して適切である。しかし、周波数（ｆ）および時間の両方における、一次共振付近の共振器の全挙動に対してより全体的に焦点をおくことが望ましい。

本発明は、コア共振器を環境効果および経年劣化効果の両方から離隔するバルク音波共振器構造に関する。この構造は、汚染、パッケージ漏れ、ならびに電離放射線およびパッケージ応力のような外部効果による、圧電材料に対する変化に抗して保護しながら、依然として優れた慣性抵抗をもたらす。本発明の好ましい実施形態では、この構造は、経年劣化効果を規定の閾値以下に制限する１つまたは複数の保護要素を有する。その閾値は、本明細書では、周波数の関数としての共振器のインピーダンス応答における、ある値以下の転移（shift）として表される。音響共振器デバイスが、各周波数の値に対してインピーダンスの値を有することは、当業者に理解されている通りである。共振器が経年劣化するにつれて、周波数の値に関連するインピーダンスの値が、長期にわたって変化する可能性がある。したがって、設計された、音響共振器に対する周波数ｆに関連するインピーダンスの値（Ｚ）は、長期にわたって値Ｚ_ｉに変化する可能性がある。本発明は、周波数の変化の速度を、ある水準以下に制限する。

より具体的には、音響共振器は、発振器の中で構成されるとき、複素数値のインピーダンスＺ＝（Ｚａ、Ｚφ）と関連する周波数ｆ_ＯＳＣで発振する。この複素数値のインピーダンスは、関数ｇ（Ｚ）の値が規定の設計値ｇ_０に等しいときに、最初に確定される。その帯域幅内の共振器の挙動におけるドリフトが、複素数値のインピーダンスがｇ_０に関連する値から変化するときに発生する。このドリフトは、複素数値のインピーダンスに関連する発振器周波数（ｆ_ＯＳＣ）における、ｇ_０での複素数値のインピーダンスに関連する（ｆ_ＯＳＣ）からの転移として現れる。ｆ_ＯＳＣにおけるドリフトは、本明細書では、単位時間当たりの特定の複素数値のインピーダンスに関連する周波数におけるｐｐｍの変化として表される。本明細書で使用するように、「ｐｐｍ」は、ＭＨｚの尺度に対するＨｚである。すなわち、５Ｈｚの変化は、１ＭＨｚのｆ_ＯＳＣにおける５ｐｐｍの変化である。ｆ_ＯＳＣにおける変化の速度は、約５ｐｐｍ／年以下である。

他の実施形態では、このドリフトは、共振器の直列共振または並列共振の変化として測定されうる。共振器の帯域幅にわたって、インピーダンス応答が、特定の周波数に関連する振幅において最小を示すことは、当業者には理解されよう。この最小の振幅に関連する周波数が、直列共振と呼ばれる。最大の振幅に関連する周波数が、並列共振である。また、経年劣化の効果が、直列共振および並列共振に関連する周波数の変化として現れる。これらの好ましい実施形態では、デバイスの直列共振周波数または並列共振周波数のうちの少なくとも一方における転移は、約５ｐｐｍ／年以下である。

本明細書で説明される実施形態によれば、経年劣化を引き起こす効果の緩和は、直列共振または並列共振の周波数ドリフトを単に最小化すること以上のものである。例えば、直列共振周波数は、音響経路および任意の寄生体によって決まる。それゆえ、共振器材料の電気機械結合係数および誘電率（ならびに長期にわたる電気機械結合係数および誘電率の変化）は、直列共振周波数およびその周波数における後続のドリフトを確定することにおいて、影響を及ぼさない。

その結果、ある実施形態では、共振器の挙動は、直列共振においてのみならず、共振器の全帯域幅にわたって安定化される。そのような安定性を達成するために、共振器材料の電気機械結合係数および誘電率は、長期にわたって安定でなければならない。本発明の実施形態は、周波数ドリフトの長期的な経年劣化効果のみならず、短期的に環境が引き起こす不安定にも対処する。しかし、ある好ましい実施形態では、共振器の挙動は、直列共振および並列共振の少なくとも一方に対する共振周波数における転移が、デバイスの動作の５ｐｐｍ／年未満であるように、安定化される。

共振器は、周辺および縁部に関連する環境的現象および経年劣化現象をコア共振器から遠ざけておくように、材料、特定の一実施形態では圧電材料、のカラーである保護要素をコア共振器の周りに設けることによって、環境プロセスおよび／または経年劣化プロセスによる材料の劣化の影響から保護される。

ある実施形態では、共振器は、複数のエネルギーを閉じ込めるブラッグ層である保護要素で共振器の全面を取り囲むことによって、表面の汚染の影響から保護される。

ある実施形態では、パッケージ応力および環境的応力が減衰され、それにより、主たる共振器構造に到達するのが防止される。減衰は、共振器機能部位の上および周りに形成された１層または複数層の保護要素を設けることによって達成される。これらの層は、本明細書でより詳細に説明するように、ブラッグ層、スペーサ層、応力緩和層もしくは封止層、またはそれらの何らかの組合せである。

薄膜固体実装の従来技術のＳＭＲ（固体実装型共振器）の断面図である。 共振器の電気インピーダンスの周波数スペクトルである。 カラーで取り囲まれたコア共振器を有する、本発明の代替実施形態の断面図である。 カラーで取り囲まれたコア共振器を有する、代替実施形態の断面図である。 従来技術のＳＭＲ（図１）の周波数スペクトルの図である。 代替実施形態の周波数スペクトルの図である。 図５のＳＭＲと同じ材料の従来技術のＳＭＲ（図１）の周波数スペクトルの図である。 図５のＳＭＲと同じ材料の代替実施形態の周波数スペクトルの図である。 カラーで取り囲まれたコア共振器を有する代替実施形態の断面図である。 キャップの下にコア共振器、カラーおよびスペーサを有するＦＢＡＲ構成の別の代替実施形態の断面図である。 キャップの下にコア共振器、カラーおよびスペーサを有するＦＢＡＲ構成において、ＦＢＡＲが構造の中央で支持される代替実施形態の断面図である。 コア共振器およびカラーを有し、ブラッグ反射器として構築されたキャップの下にカプセル化された、反転式ＳＭＲ構成を有する代替実施形態の断面図である。 コア共振器およびカラーを有し、代替電極構成を有するブラッグ反射器として構築されたキャップの下にカプセル化された、反転式ＳＭＲ構成を有する代替実施形態の断面図である。 ｆ_ＯＳＣの関数としての共振器の複素インピーダンス応答を示すグラフである。

明確かつ簡潔にするために、諸図面を通して、同じ要素および部品は同じ記号および番号を有する。

図１は、薄膜固体実装の従来技術のＳＭＲ（固体実装型共振器）１０の断面図である。ＳＭＲは、下部ブラッグ反射器１２、下部電極１４、圧電１６の層および上部電極１８を有する。下部ブラッグ反射器１２は、複数の高音響インピーダンス層２４および低音響インピーダンス層２２の対を有する。各層（２２、２４）は、材料中の動作モードの１／４音響波長の奇数倍にほぼ等しい厚さを有する。動作モードは、構造で支持され、厚み振動モード、厚みすべりモード、他を含むいくつかの共振モードのうちの１つである。これらのモードのそれぞれに対して、図２に示すような共振器スペクトルが、実現可能である。特定のモードに基づいて１／４音響波長の奇数倍の厚さを選択することで、そのモードにおける音響エネルギーの全反射の最大反射がもたらされる。また、２つ以上の異なるモードにおいて音響エネルギーの良好な反射を得るために、１／４波長の厚さと異なる値に厚さを最適化することが可能である。

本発明の実施形態は、一次共振付近の全共振器のインピーダンスのドリフトを低減する。一次共振は、図２を参照して、デバイスの直列共振２８の直前から並列共振３０のピークの直後までのスペクトルの領域である。直列共振は、通常、インピーダンスが最小である周波数として定義される。並列共振は、多くの場合、インピーダンスが最大の周波数として定義される。両者の間の周波数の範囲は、共振器の帯域幅として知られる。

本発明の実施形態は、直列共振および並列共振の少なくとも一方、好ましくは両方の、長期にわたるドリフトを緩和する保護要素を提供する。本発明の好ましい実施形態は、保護要素として一括して称される３つのフィーチャのうちの少なくとも１つを有し、保護要素は、直列共振および／または並列共振におけるこれらの望ましくない転移の主要因である、最も重要な環境効果および経年劣化のメカニズムのうちのいくつかに対処する。そのような実施形態の１つを、図３に示す。第１の例示的な保護要素は、コア共振器４２の周りに形成されたカラー４４である。図３に示すカラー４４は、コア共振器を取り囲む領域であり、コア領域を形成する材料の層を含む。例えば、圧電層１６の周辺部は、カラー４４の中に延びて、その一部をなす。カラー４４は、周辺および縁部に関連する環境的現象および経年劣化現象が、コア共振器４２から遠ざけられることを確実にする。

コア共振器４２は、全側面をブラッグ層（２２、２４）で取り囲まれるので、汚染物質の堆積の影響を受けない。そのようなブラッグ層は、以前に引用された米国特許出願第１２／００２，５２４号に記載されている。

代替の一実施形態（図４）では、全体構造５２が、エアロゲルなどの低音響インピーダンスで低密度のカプセル材料５０である保護要素の中にカプセル化される。この実施形態では、パッケージおよび外部の応力は、構造５２に伝達されない。

再び図３を参照すると、５２の断面図は、カラー４４で取り囲まれたコア共振器４２を有する。構造５２は、圧電層１６の下（１２）および上（４０）の両方にエネルギーを閉じ込めるブラッグ反射器４８を有する。また、構造は、下部電極１４、スペーサ３８の層、任意選択の温度補償層３２、上部電極１８、任意選択の相互接続３４の層、および不動態３６の層を有する。各反射器は、複数の高音響インピーダンス層２４および低音響インピーダンス層２２の対を有する。これらのブラッグ材料層（２２、２４）のそれぞれは、材料中の動作モードの１／４音響波長の奇数倍に等しい厚さを有する。スペーサ３８の層は、材料中の動作モードの１／４音響波長の奇数倍に等しい厚さを有することができる。任意選択の相互接続３４の層は、共振器の電極（１４、１８）をパッド（４９）に、またはバイア４６を通して下方の基板２０内のＣＭＯＳ回路（図示せず）に電気的に接続する。本発明は、シングルエンドおよび差動の両方の実施形態を企図する。本明細書で使用するように、シングルエンドの実施形態は、上部および下部の電極のそれぞれが、回路に電気的に接続される実施形態である。差動の実施形態では、回路につながる両方の電極が、デバイスの一方の面に配置される。他方の面の電極は、フローティングのままである。

図３に示す構造は、以下に示すやり方で形成される。層状構造５２は、以下のように、材料の層を堆積させるかまたはパターン形成することによって基板２０上に形成される。層は、下部ブラッグ反射器１２（高音響インピーダンス層２４と低音響インピーダンス層２２とを交互に重ねて形成される）および下部電極１４を形成するように堆積される。圧電１６の材料が、下部電極１４の上に堆積される。圧電１６の材料は、フォトリソグラフィおよびエッチングでパターン形成される。次いで、電極１４、およびいくつかの場合には反射器１２が、フォトリソグラフィおよび後続の１つまたは複数のエッチング・ステップによって、同様にパターン形成される。次いで、絶縁スペーサ３８の層が堆積され、パターン形成され、それにより、圧電１６の材料の部分の上のスペーサ材料が、デバイスが形成されるコア共振器領域４２から除去される。それゆえ、スペーサ層は、この実施形態におけるコアおよびカラーの領域を画定する。上部電極１８が、圧電１６の材料の露出領域の上に形成され、デバイスの活性部が生成される。ＣＭＯＳデバイスを有する基板上に共振器を一体化することが望まれる製品では、下部電極１４へのオーム接点が設けられる。図示の実施形態では、フォトリソグラフィおよびエッチングによって、絶縁スペーサ層３８の中を下方の下部電極１４まで、バイア４６が形成される。次いで、導電性相互接続３４が形成されて、電極１４および１８が、必要に応じて基板内に形成されるＣＭＯＳデバイスと電気的に接続される。次いで、上部ブラッグ構造を形成する、エネルギーを閉じ込めるブラッグ反射器層２２および２４が順に堆積され、続いてパターン形成される。好ましくは、そのようなパターン形成は、後のパッケージングのために、相互接続層３４へのアクセスを設ける。次いで、封止層３６が構造の上に形成され、環境および環境の影響から活性構造をさらに保護し、離隔する。層３６は、本明細書では不動態化層または封止層と呼ばれる。不動態化層または封止層として使用するのに適切な材料の例は、窒化ケイ素、ポリイミド、またはベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を含む。

図４は、保護要素のカラー４４で取り囲まれたコア共振器４２を有する構造５２をやはり有する、本発明の好ましい実施形態の断面図である。低音響インピーダンス材料５０である保護要素が、構造５２全体を覆って設置される。この材料がデバイスをカプセル化し、外部応力およびパッケージ応力のデバイスへの伝達を減衰させる。図３に示す実施形態と同様に、この実施形態はまた、シングルエンドまたは差動であってよい。長期にわたって変化するパッケージの応力の伝達をさらに低減するために、共振器がパッケージの中に組み付けられた後で、パッケージをプラスティックでオーバーモールドする前に、一般に「グロップ・トップ（glop top）」として知られるカプセル化樹脂（例えば、シリコン）などの柔軟材料の追加層が、共振器の上に堆積されてよい。カプセル化樹脂は当業者によく知られており、本明細書では詳細に説明しない。

構造５２の上に形成される材料は、エアロゲルなどの低密度、低音響インピーダンスのカプセル化材料５０である。層５０は、プラスティック・パッケージングの前に構造５２の上に堆積される。層５２は、外部応力およびパッケージ応力がコア共振器構造４２まで伝達されないことを確実にする。

上述のように、図３および図４に示すコア共振器４２の周りのカラー４４は、コア共振器４２を大部分の環境効果から離隔する。カラーは、熱、応力または経年劣化効果を、それらがコア共振器４２に到達する前に減衰させる。出願者らは、特定の理論に拘束されることを望まないが、カラー４４が、コア共振器４２の寄生共振器のように働くものと考える。有利には、寄生共振の大きさは、製品の性能要求に適合するように、デバイス設計の間にカスタマイズすることができる。

また、上述のように、エネルギーを閉じ込めるブラッグ反射器４８の使用は、環境によって放出された外部汚染物質からコア共振器４２を離隔するばかりでなく、温度効果および／または応力効果に抗して、コア共振器４２のために付加的に封止することをもたらす保護要素である。保護要素５０は、これらの応力がコア共振器４２まで伝播するのを防ぐために、コア共振器を外部の源（例えば、パッケージ、環境）から保護する応力障壁である。

スペーサ３８は、環境効果を減衰させるために追加の材料をカラー４４の領域内に供給することに加えて、下部電極１４を上部電極１８から電気的に絶縁するためにも使用される、別の保護要素である。この点で、スペーサ層３８が誘電材料（例えば、二酸化ケイ素）であれば有利である。好ましい実施形態では、スペーサ３８の層の厚さは、材料中のブラッグ波長の奇数倍にほぼ等しい。ブラッグ波長は、下式
ｖ＝ｖ（ｃ３３／ｄ） （１）
で定義され、ここで、ｖは材料中の音速であり、ｃ３３は波の伝播方向における材料の剛性係数であり、ｄは材料密度である。層厚さは、下式
ｔ＝Ｎｘ（ｖ／ｆ）／４ （２）
で計算され、ここで、ｔは層厚さであり、ｆはブラッグ中心周波数である。Ｎは１以上の奇数である。

図１４を参照すると、発振器に対するインピーダンス応答が、ｆ_ＯＳＣの関数として示される。インピーダンス応答は、発振器タイプの共振器デバイスに対して示される。デバイスは、複素数値のインピーダンスＺ＝（Ｚａ、Ｚφ）で確定される周波数ｆ_ＯＳＣで発振する。このインピーダンス値は、関数ｇ（Ｚ）の値が規定の設計値ｇ_０に等しいときに確定される。共振器の挙動におけるその帯域幅内のドリフトは、共振器のインピーダンスが（Ｚａ、Ｚφ）に等しくなるｆ_ＯＳＣの値におけるドリフトをもたらす。ｆ_ＯＳＣにおけるドリフトは、ｐｐｍ／時で定量化されうる。本発明によれば、経年劣化効果は、複素数値のインピーダンスＺ＝（Ｚａ、Ｚφ）に関連する周波数における変化が、５ｐｐｍ／年以下の速度で変化するように制御される。

外部応力および／または電離放射線は、共振器の材料特性を変える可能性がある環境条件の例である。とりわけ、圧電１６の特性は、外部要因による変化の影響を受けやすい。図５は、従来技術（図１に示すＳＭＲ）によるＳＭＲの共振スペクトルを示す。上述のように、電離放射線または他の外部プロセスが、共振器層の材料構造を、それゆえ共振器層の電気機械特性を、変える可能性がある。これらの変化は、共振器スペクトルにおける変化または転移として現れる。図１に示すようなＳＭＲにおける圧電１６の結合係数に１０％の減少が存在するとき、共振スペクトルに大きな転移が存在する。図１の構造は、タングステン／酸化物の３．５対のブラッグ反射器層と、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）圧電層１６と、モリブデン（ＭＯ）電極（１４、１８）とを有する。直列共振および並列共振は、Ａｇｉｌｅｎｔ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｓｙｓｔｅｍ（ＡＤＳ）２００６で実施された１−Ｄ音響モデルおよび３−Ｄ電気モデルを使用して、この構造に対する長期にわたるモデルを作成された。図１に示す従来技術の構造に対して、共振スペクトルの結合係数における１０％の減少の影響が、モデル化された。この図１の構造に対して、図５に示すように、図５は、直列共振５４において−５１０ｐｐｍの転移（すなわち、８７０，５７０Ｈｚの下方への転移）、および並列共振５６において−２２００ｐｐｍの転移（すなわち、３，７９０，６００Ｈｚの下方への転移）が存在することを示す。直列共振２８に比べてより大きな並列共振３０の減少は、共振器に対して引き下げられたｋ２または帯域幅をもたらす。多くの用途に対して、挙動におけるそのような転移は、性能に重大な悪影響を与える可能性がある。

図６は、ブラッグ層、圧電層および電極に対して、図５の従来技術の例と同じ材料を有するが、カラー４４の材料の圧電１６の結合において１０％の減少を有する構造５２（例えば、図３および図４）の周波数スペクトルの図を示す。図５に示す転移を引き起こしたのと同じ環境条件によって引き起こされたこの変化は、共振スペクトルにおいて、並列共振５６における＋３２ｐｐｍの転移（すなわち、５４，６２４Ｈｚの上向きの転移）および直列共振２８における０ｐｐｍの転移（０転移）の、無視できる転移を結果としてもたらす。２つのデバイスの周波数転移に対する結合係数の影響において観察された差の理由は、図３および図４のデバイスでは、圧電材料の結合係数の変化が、大部分、カラー領域４２に閉じ込められたからである。コア共振器４４内の圧電材料は、結合係数において、極めてわずかな変化であった。

図６に示す例では、共振の転移は、狭帯域の周波数の掃引においてかろうじて見ることができる。極めて狭い帯域を掃引することは、並列共振５６において無視できる転移が存在し、直列共振２８において転移が存在しないことを明示する。このことは、材料特性に対する環境の悪影響を緩和するカラー４４を設けることによって、コア共振器４２の性能に影響を与えることなくコア共振器４２を保護する、本明細書で説明する構造の能力を示す。

図７は、図５の考察（discussion）で特定される（identified）ものと同じ材料を使用する、図１のＳＭＲの周波数スペクトルの図である。図７は、デバイスの頂面（図１の圧電層１６）上の０．１μｍの厚さの酸化物汚染層による、ＳＭＲの共振スペクトルにおける転移を示す。直列共振および並列共振は、上で説明したソフトウェア・ツールを使用して、この構造に対する長期にわたるモデルを作成された。図１に示す従来技術の構造に対して、１つのシナリオにおける経年劣化の物理的効果の一例として、デバイスの頂面上の０．１μｍの厚さの酸化物汚染層が、使用の最初の１年にわたって形成されることが予測される。汚染物質は、何らかの期間にわたって任意の速度で堆積する任意の材料であってよい。これは、単に、上部ブラッグの概念および利点を説明するために使用された。これは、直列共振５４において−１１４３ｐｐｍの転移（すなわち、１，９３９，６７１Ｈｚの下向きの転移）および並列共振５６において−２４６１ｐｐｍの転移（すなわち、４，１９９，６９７Ｈｚの下向きの転移）を引き起こす。さらに、スプリアス・モード５８が、スペクトルの主共振の付近で誘発される。

図７は、構造の上に汚染物質が堆積した結果として共振器の応答に発生する大きな変化を示す。直列共振５４における大きな負の転移および並列共振５６におけるさらに大きな負の転移が、共振器に対して引き下げられたｋ２または帯域幅をもたらす。さらに、スプリアス・モード５８が主共振の付近で誘発されて、挙動をベースラインからさらに変化させる。多くの用途に対して、性能におけるそのような転移は、受け入れがたい。

図８は、図５で説明したのと同じ材料で作製された構造５２に対する周波数スペクトルの図である。構造は、デバイスの頂面上に、０．１μｍの厚さの酸化物汚染層を有する。従来技術のデバイス上のこの層で引き起こされたスペクトルの転移とは対照的に、酸化物汚染は、構造５２を有するデバイスの共振スペクトルに、無視できる転移を引き起こす。

具体的には、構造５２が図１の従来技術の構造と同じ環境汚染の影響を受けるとき、共振の転移は、狭帯域の周波数掃引においてかろうじて見ることができる。図８に示すように、直列共振５４において＋１ｐｐｍの転移（すなわち、１，６９７Ｈｚの上向きの転移）、および並列共振５６において＋１．２ｐｐｍの転移（すなわち、２，０４７．８Ｈｚの上向きの転移）が存在する。このことは、共振器が、デバイスの表面に堆積する汚染物質の音響的および電気的効果を減衰させる、エネルギーを閉じ込めるブラッグ構造によって保護されることを示す。

付加的な保護要素としてデバイス（図４）の周りにエアロゲル状のカプセル材料５０を導入することで、パッケージ応力および慣性応力を共振器デバイスからより遠ざけることによって、両応力をさらに減衰させる。

図９は、本発明の別の実施形態である。また、この実施形態は、外部応力から共振器を保護するように構成される。ＳＭＲ構造が、前に説明したように、保護要素であるカラー４４を装備される。次いで、結果としてもたらされた構造が、別の保護要素で覆われる。その保護要素は、汚染物質の影響から共振器を離隔するばかりでなく、パッケージ応力をも減衰させることができるデバイス・レベルの薄膜キャップ６０の構造である。この構造では、構造の応力管理機能は、音響共振器の機能と分離される。

図９の構造は、以下の順序で作製される。下部ブラッグ反射器１２（高音響インピーダンス層２４と低音響インピーダンス層２２との交互の積み重ね）は、基板２０上に層２２および層２４が複数、交互に積み重なって堆積することによって形成される。下部電極１４および圧電１６の材料層が、ブラッグ反射器１２の上に堆積される。圧電１６の材料が、フォトリソグラフィおよびエッチングでパターン形成される。次いで、電極１４、およびいくつかの実施形態では反射器１２が、フォトリソグラフィおよび１つまたは複数のエッチング・ステップによってパターン形成される。次いで、絶縁スペーサ３８の層が堆積され、領域４２内の圧電１６の材料の部分から絶縁スペーサ３８の層を除去するためにパターン形成される。上部電極１８が、圧電材料１６の露出された領域の上に形成され、デバイスの活性部を生成する。共振器をＣＭＯＳデバイスと一体化することが望まれる（それゆえ、下部電極１４へのオーム接点を必要とする）製品では、バイア４６が、フォトリソグラフィおよびエッチングによって、絶縁層の中を下部電極１４まで形成される。導電性相互接続層３４が、電極のそれぞれに電気的に接続するために形成される。この点まで、図３および図４に示す実施形態に対して説明された製造プロセスが続く。

犠牲層を構造の上に最初に堆積させ、その上にキャップ６０の構造を形成し、次いで犠牲層を除去するために構造をパターン形成することによって、保護要素であるキャップ６０の構造が、上で説明した構造の上に形成される。もたらされた空間は、完成したデバイスにおいて、真空または希ガスを収容する。犠牲層は、下層にある露出した材料をエッチ・ストップとして使用できる任意の材料で作製されてよい。シリコンは、適切な犠牲層の一例である。図示したようなキャップ層は、内部保護層６２および外部封止層６４の２層構造である。内部保護層６２は、上で説明した犠牲層の上に堆積される。犠牲層は、その中に形成されたバイアを有し、バイアは、保護層が犠牲層の上に形成されるときに保護層の材料で満たされる。これらのバイアは保護層の材料で満たされるので、保護層の材料は、犠牲層が除去されるときに残留する。内部の保護層は、犠牲層が除去された後に残留する保護層の材料によって基板２０に固定されたデバイス領域４２の上に残留するようにパターン形成される。次いで、犠牲層が完全にエッチング除去され、デバイスおよび保護層６２が、支持なしに立つ（freestanding）拘束されない構造として残される。このことは、デバイス構造と保護層６２との間のすき間６３によって観察される。封止層６４は構造の上に堆積され、キャップ６０の下に、デバイスをカプセル化する。層６２は、アルミナ、窒化ケイ素、金、他など、任意の構造的に堅い材料であってよい。ある実施形態では、層６２は、上で説明したようなブラッグ構造として構成される。層６４は、下層の構造に対して気密封止をもたらす材料であってよい。アルミナおよび窒化ケイ素が、適切な材料の例である。

図９は、カラー４４で取り囲まれたコア共振器４２を有する、上で説明した代替実施形態６６の断面図である。構造６６は、下部ブラッグ反射器１２、下部電極１４、圧電１６の層、スペーサ３８の層、任意選択の温度補償層３２、上部電極１８、および任意選択の相互接続３４の層を有する。ブラッグ反射器１２は、高音響インピーダンス層２４および低音響インピーダンス層２２が交互に重なる層を有する。ブラッグ反射器は、複数のこれらの層の対を有する。これらの材料層のそれぞれは、材料中の動作モードの１／４音響波長に等しい厚さを有する。共振器構造の上に形成されたキャップ６０は、内部保護層６２および外被の封止層６４を有する。本明細書で説明した他の実施形態と同様に、図９の構造は、シングルエンドでよく、または差動でよい。

ある用途に対して、たとえ拘束されない（ＦＢＡＲ）構造が、低減された慣性抵抗を示すとしても、ウェーハ自体に起因する応力が、拘束されない（ＦＢＡＲ）構造を必要とすることを十分に示唆する。図１０および図１１は、別の代替実施形態６６を示す。拘束されないＦＢＡＲは、コア共振器４２を保護するカラー４４およびスペーサ３８を有する。ＦＢＡＲは、図９に対して上で説明したように、キャップ６０の構造で覆われる。

図１０および図１１に示す構造は、以下のように形成される。犠牲剥離層が堆積され、デバイス領域４２の下に残留するようにパターン形成される。基板２０の上に、温度補償層３２、下部電極１４、圧電１６の材料、および上部電極１８が形成される。上部電極１８が、フォトリソグラフィおよびエッチングでパターン形成される。圧電１６の材料、下部電極１４および温度補償層がすべて、フォトリソグラフィおよび一連のエッチングを使用して、（好ましくは同じマスクで）パターン形成される。第２の温度補償層３２が堆積され、パターン形成されて、デバイスの４２および４４の両領域が、上部電極１８への電気的相互接続を除いて封止される。次いで、デバイスを電気的に接続し、剥離後の構造を機械的に支持する導電層７０が堆積され、パターン形成される。

キャップ６０の構造が、上の構造を覆って形成される。第２の犠牲層（図示せず）が堆積され、パターン形成される。内部保護層６２が堆積され、デバイス領域の上に残留し、第２の犠牲層の中だけの穴を通して基板２０に固定されるようにパターン形成される。犠牲層がエッチング除去され、デバイスおよび保護層が、支持なしに立つ拘束されない構造として残される。封止層６４が堆積され、保護膜の下にデバイスがカプセル化される。

図１０を参照すると、構造は、キャップ６０の下に、コア共振器４２、カラー４４、およびスペーサ３８を有する。構造６６は、下部電極１４、圧電１６の層、スペーサ３８の層、任意選択の温度補償層３２、上部電極１８、および相互接続層７０を有する。また、相互接続７０の層は、懸架支持である。懸架器７０は、ＦＢＡＲを支持し、固定具（anchor）７２で基板２０に接続される。相互接続／懸架器７０は、アルミニウムまたは銅などの金属で作製される。共振器が、前に作製された回路ウェーハの上面に直接築かれる状況では、固定具７２の材料は、下層にある回路との相互接続を容易にするために、やはり金属である。共振器構造の上に形成されるキャップ６０は、内部保護層６２および封止層６４からなる。

図１１は、図１０に示すＦＢＡＲの実施形態の一変形を示し、そこにおいて、ＦＢＡＲは、側部支持物の代わりに中柱７２で支持される。この実施形態の利点は、温度関連の応力および他の環境効果（デバイスの経年劣化の主要因の１つ）が、ＦＢＡＲの性能に変化を誘発しないことである。このことは、共振器構造内の異なる材料、とりわけ圧電物質および酸化物、の温度係数の不適合が、材料の界面に応力を引き起こすことができないためである。

図１１は、この代替の中柱の実施形態の断面図である。図１１は、キャップ６０の下に形成されたコア共振器４２、カラー４４およびスペーサ３８を示し、ＦＢＡＲは構造の中央で支持される。構造は、下部電極１４、圧電１６の層、スペーサ３８の層、任意選択の温度補償層３２、上部電極１８、および相互接続（図示せず）層を有する。上部電極１８および相互接続３４の層は、図示の実施形態の中で懸架器７０を形成する。懸架器７０は、ＦＢＡＲを支持し、固定具７２で基板２０に接続される。基板２０は、その上に形成された障壁層７８を有する。障壁層は、例えば窒化ケイ素など、任意の適切な材料である。キャップ６０は、共振器構造の上に形成される。キャップ６０は、内部保護層６２および封止層６４を有する。

代替のＦＢＡＲ構成を、図１３に示す。この実施形態では、相互接続７６が、キャップ６０の下、とりわけキャップ６０の保護層６２の下に配置される。この実施形態では、上部電極１８は、キャップの下に配置された相互接続７６に容量結合または誘導結合される。相互接続７６が障壁層７８上に配置される代替構成は、図示していない。この構成では、下部電極１４は、相互接続７６に容量結合または誘導結合される。それゆえ、下部電極１４は、この代替構成では、２つの部分の電極である。代替構成における上部電極は、（図１３に示す下部電極１４のように）１つの部分である。また、相互接続は、この代替構成では２つの部分であり、それぞれの１つの部分は、障壁層に配置された温度補償層のいずれかの側に配置される。この構造の利点は、下部電極１４と上部電極のどちらも支持機能を実施していないことである。それゆえ、環境効果または経年劣化による、それらの機械的特性の劣化は、共振器の性能に影響を与えない。

図１２は、代替実施形態７４の断面図である。この実施形態は、コア共振器４２およびカラー４４を有する反転されたＳＭＲであり、コア共振器４２およびカラー４４の両方が、ブラッグ反射器として構築されたキャップ４０の下にカプセル化される。構造７４は、下部電極１４、圧電１６の層、および上部電極１８を有する。温度補償層は任意選択であり、図示されない。共振器構造の上に形成されたキャップ４０は、内部保護層６２および封止層６４からなる。封止層６４は、エネルギーを閉じ込める上部ブラッグ反射器として構成される。上で説明したように、そのような層は複数の層の対を有し、各対は、高音響インピーダンス層２４および低音響インピーダンス層２２を有する。上で説明したように、これらの材料のそれぞれは、材料中の動作モードの１／４音響波長に等しい厚さを有する。個々の反射器層は図示しないが、１つのモノリシック層４０として図示する。他の実施形態と同様に、この実施形態は、シングルエンドであってよく、または差動であってよい。

この実施形態は、ブラッグ反射器として構築されたキャップ４０からぶら下がる、反転されたＳＭＲと考えられる。下部ブラッグ反射器（例えば、図９に示す構造における１２）はなく、代わりに、犠牲層が剥離プロセスでエッチング除去されるときに生成される空洞８０が存在する。

極めて低いプロフィールのパッケージングを必要とする製品に対して、他の実施形態におけるエアロゲル状のカプセル材料は、適切でない可能性がある。高度の慣性衝撃抵抗を必要とする他の製品に対して、拘束されないＦＢＡＲ構造は、適切でない可能性がある。キャップ４０は、デバイス４２をパッケージ応力および外部応力から保護することが可能でありながら、依然として極めて低いプロフィールを提供する。共振器は、キャップ４０の一部であるので、キャップ４０の機械的強度によって恩恵を受けながら、依然としてキャップ４０のブラッグ反射器特性によって、環境から音響的に離隔される。

本明細書における本発明を、特定の実施形態を参照して説明してきたが、これらの実施形態は、本発明の原理および用途の単なる例示であることを理解されたい。それゆえ、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、多数の改変形態が例示的実施形態に対して作成可能であり、他の構造が想起されうることを理解されたい。

特定の動作要求および動作環境に適合するように変更された他の改変形態および変更形態は、当業者には明らかであるので、本発明は、開示のために選択された例に限定されるとはみなされず、本発明の真の趣旨および範囲を逸脱しないすべての変更形態および改変形態を包含するものである。

Claims (13)

1. 共振器であって、
   基板と、
   前記基板の上に形成され、圧電材料を含む圧電層であって、前記圧電層の少なくとも一部が２つの電極の間に配置され、前記圧電層が、活性的内部領域および周辺のカラー領域の２つの画定された領域を有する、圧電層と、
   前記圧電層の上、前記圧電層の下、または前記圧電層の上および下の両方のいずれかに形成され、前記圧電層と少なくとも同一の広がりを持つ横方向の広がりを有するブラッグ構造と、
   前記活性的内部領域の前記横方向の広がりを画定する誘電体スペーサと
   を備え、前記スペーサが前記圧電層の前記周辺に隣接し、窓が、下部の前記電極で終端する前記スペーサの中に形成され、導電性材料が、前記窓の中に配置され、少なくとも前記ブラッグ構造と前記周辺のカラー領域は前記共振器の前記活性的内部領域内の前記圧電材料を外部環境から隔離する、共振器。
2. 前記導電性材料が、前記２つの電極と前記基板上に形成された接触パッドとの間の電気的相互接続をもたらす、請求項１に記載の共振器。
3. 前記導電性材料が、下部の前記電極と前記基板に形成された活性的デバイスとの間に電気的相互接続をもたらす、請求項１に記載の共振器。
4. 前記導電性材料が、上部の前記ブラッグ構造と接触する、請求項１に記載の共振器。
5. 上部の前記ブラッグ層および前記導電性材料の上に形成された不動態化層をさらに備える、請求項４に記載の共振器。
6. 絶縁材料が前記不動態化層の上に形成される、請求項５に記載の共振器。
7. 前記周辺のカラー領域、前記ブラッグ構造、前記不動態化層、および前記絶縁材料が共に、前記共振器の前記活性的内部領域内の前記圧電材料を、外部環境から隔離する、請求項６に記載の共振器。
8. 前記共振器が配置されるプラスティック・パッケージをさらに備える、請求項７に記載の共振器。
9. 前記圧電層上に形成された温度補償層をさらに備える、請求項１に記載の共振器。
10. 動作中に、周波数の関数としての前記共振器のインピーダンス応答において、約５ｐｐｍ／年以下の速度で転移を示す、請求項１に記載の共振器。
11. 基板と、
    前記基板の上に形成された圧電層であって、前記圧電層の少なくとも一部が２つの電極の間に配置され、前記圧電層が、活性的内部領域および周辺のカラー領域の２つの画定された領域を有し、前記領域がスペーサで画定される、圧電層と、
    前記圧電層の上に形成されたキャップ層であって、前記圧電層が前記基板と分離され、前記キャップ層で前記基板上に支持される、キャップ層と
    を備える、共振器。
12. 前記キャップ層がブラッグ層として構築される、請求項１１に記載の共振器。
13. 動作中に、周波数の関数としての前記共振器のインピーダンス応答において、約５ｐｐｍ／年以下の速度で転移を示す、請求項１１に記載の共振器。

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