JP2008506302A - チューナブル共振器 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１電極１３０，２４０、３５０、５５０、６５０を有する構造体を支持する基盤層１４０、２６０、３６０、５６０、６６０、９６０を備えた調整可能な発振器１００、２００、３００、５００、６００、７００、９００を開示する。第１電極には、共振発生材料の層１２０、２３０、３３０、５３０、６３０、９３０が接続される。共振器は、更に、共振発生材料に接続された第２電極１１０、２１０、３１０、５１０、６１０、７１０、９１０を備える。この共振発生材料は、強誘電体材料である。強誘電体材料は、第１及び第２電極間に印加されたＤＣ電界及びＡＣ電界によって共振し、その電界を変化させることにより、その調整が行なわれる。

Description

本発明は、第１電極を有する構造体を支持する基板と、第１電極に接続された共振発生材料の層と、共振発生材料に接続された第２電極と、を備えたチューナブル共振器に関する。

フィルターや電圧制御発振器など、多くの電子機器においてチューナブル共振器が用いられている。

現在、一般に利用されるチューナブル共振器は、ＬＣ共振器と呼ばれ、通常、半導体バラクターを含む。ＬＣ共振器の欠点は、そのＱ因子が、通常、インダクタコイルの損失によって制限されることにある。

現在、一般的に用いられている他の種類の共振器としては、いわゆる薄膜バルク音響共鳴器(TFBAR)が挙げられ、これは、より高いＱを実現する。しかし、TFBARは、通常、圧電材料を利用するため、チューナブル（可変）ではない。これは、つまり、圧電材料が、DC電圧依存音響パラメータを有していないからである。

以上を踏まえ、本発明は、高いＱ因子を実現するチューナブル共振器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るチューナブル共振器は、第１電極を有する構造体を支持する基板と、第１電極に接続された共振発生材料の層と、共振発生材料に接続された第２電極と、を備える。そして、共振発生材料は、無極性の常誘電性相にある非結晶性強誘電体材料である。

非結晶性強誘電体材料が、[110]方向又は[111]方向を有することは必須ではないが望ましい。

本発明のデバイスは、第１、第２電極間にＤＣ電界及びＡＣ電界を印加することによって共振し、ＡＣ電界を変化させることによってチューニングを行なうことができる。

無極性相又は常誘電性相にある強誘電体材料を共振器に用いるという発想は現在までなかったが、本発明によれば、それにより共振を生じさせ、高いＱをユーザに提供することができる。

本発明は更に、チューナブル共振器の製造方法に係る。

図１は、本発明に係るチューナブルなベーシック薄膜バルク音響共振器(TFBAR)１００の断面図である。このＴＦＢＡＲ１００は、非導電性の、或いは、シリコンＳｉといった、高いインピーダンスを有する材料から形成された基板１４０を含む。基板１４０上には、導電層１３０が第１電極として配されている。そして、第１電極１３０上には、後述する方法で共振を発生させる材料からなる層１２０が配されている。

本発明に係る共振発生材料の層１２０は、非極性の相、または常誘電性の相にある結晶性強誘電体材料である。非結晶性強誘電体材料が、[110]方向又は[111]方向を有することは必須ではないが望ましい。

共振発生材料は、広範囲の強誘電体材料から選択できるが、たとえば、SrTiO₃、Ba_xSr_1-xTiO₃、K_xNa_1-xNbO₃、KTaO₃, Ca_xSr_1-xTiO₃、及びK_xLi_1-xTaO₃の内の少なくとも何れか１つの材料を含むことが特に望ましい。

図１に示すように、ＤＣ電圧とＡＣ電圧の両方を共振器１００に印加するための接続部１５０が配され、これにより、共振器は共振する。詳細は、後述するが、簡単に説明すると、印加されたＤＣ電界が、強誘電体材料に圧電効果を発生させ、ＡＣ電界が、強誘電体材料に音波を発生させる。

図２ａでは、本発明の実施形態２００のより詳しい構成が断面図に示されている。この装置は、非導電性、或いは、高いインピーダンスの基板２６０を基礎としている。この基板２６０は、シリコンＳｉで構成されることが望ましいが、必須ではない。

この相の最適な厚さの例は、０．５ｍｍである。しかし、本明細書で記載された他の数値と同様に、これも単なる例示に過ぎず、本発明の範囲がこれに限定されるものではない。

基板２６０上には、音響的に隔離された材料、たとえば酸化シリコンSiO₂の層２５０が配されている。そのような層の適当な厚さは、数ミクロンであり、たとえば０．４３ミクロンである。

一般的に、構造体２５０は、複数層構造となっており、それぞれの層は厚みと、音響インピーダンスを有する。これにより、それぞれの層は、ＴＦＢＡＲの音響共振時に、ブラッグ反射面として機能する。

第１（下部）電極２４０は、分離層２５０上に配され、たとえば、プラチナＰｔ、プラチナ・金合金Ｐｔ／Ａｕなどといった、導電性の良い材料からなる。下部電極は、薄い層であればよく、望ましくは（必須ではないが）ナノレンジの厚み、たとえば２００ｎｍ程度であればよい。

下部電極２４０上には、強誘電体材料からなる層２３０が配されている。この強誘電体材料は、常誘電相、即ち、非極性相にあることが望ましい。これに適した材料は、先に挙げたが、たとえば、SrTiO₃、Ba_xSr_1-xTiO₃、KTaO₃や、キューリー温度以上にあるペロブスカイト型強誘電体が挙げられる。どのように、この強誘電体材料、つまり、装置全体１００、２００を製造する方法について以下に示す。

強誘電体材料の層上には、やはり導電性の良い材料からなる第２（上部）電極２１０が配されている。図２ａ及び図２ｂに示したように上部電極は２つの部分を有する。環状開口を有する外側部分２１０と、内側部分２１０’である。内側部分２１０’は、円形であることが望ましい。

図３は、本発明の他の実施形態のＴＦＢＡＲ３００を示す図である。このＴＦＢＡＲ３００は、基本的な構成は図２に示したＴＦＢＡＲ２００と同様であるが、以下の違いがある。つまり、下部電極３４０と基板３６０との間の分離層は、本実施形態に係るＴＦＢＡＲ３００には存在しない。上部電極３１０及び下部電極３４０は、上述の実施形態より薄く、１００ｎｍ以下であることが適当である。

一方、図３のＴＦＢＡＲ３００が、図２で示したＴＦＢＡＲ２００と共通に有する特徴は、上部電極３１０である。この上部電極は、環状開口を有する外側部分３１０を備え、円形のパッチ３１０’をその内部に有する。そうでなければ、３１０及び３３０で示す部分が、下部電極３４０へアクセスするために取り外されても良い。

図４は、本発明に係るＴＦＢＡＲを適正な製造方法を示すフローチャートである。主たる製造工程を以下に詳しく説明する。

ステップ４１０では、高品質の材料が、基板の層を形成するために選択される。そのような材料の例としては、ガラス、石英、半導体、及び酸化物が挙げられる。基板の材料は、光学グレード或いはエピタキシャルグレードの研磨面を有し、５０ｎｍ以下の表面荒さを有することが望ましい。たとえば、SiO₂/Siが望ましく、低価格で対費用効果の高いシリコン技術を利用することができる。

ステップ４２０では、Pt, NiCr, Ti, TiO2などといった、スタンダードな接着剤からなる約２００ｎｍ程度までの適度な厚みを有する接着層が、蒸着、スパッタリング、レーザアブレーションなどの薄膜形成処理によって配される。蒸着温度は、９００度以下であることが好ましい。

接着層上には、Pt, Au, Ag, Cuなどといった高電導材料で比較的薄い（たとえば０．１μｍ以下の）下部電極が形成される。

上述したように、基板をエッチングすることにより、或いは、Ｂｒａｇｇ反射を利用することで、遮音（アコースティックアイソレーション）を実現することもできる。

ステップ４３０では、上層に対する上向きの拡散を防止するため、下部電極上に、好ましくは薄膜（２００ｎｍ以下）の、拡散隔壁を形成する。この拡散隔壁上には、強誘電体フィルム(たとえば、SrTiO₃, Ba_xSr_1-xTiO₃, K_xNa_1-xNbO₃, KTaO₃, Ca_xSr_1-xTiO₃, K_xLi_1-xTaO₃など)の結晶成長を実現するために、たとえば２００ｎｍ以下の薄膜結晶性テンプレートが生成される。

テンプレートの材料は、望ましくはたとえばSrRuO₃などといった、酸化金属であることがのぞましい。強誘電体材料がSrTiO₃又はBa_xSr_1-xTiO₃から選択された場合、テンプレートは、[111]方位のプラチナＰｔであることが望ましいが、[110]方位であってもよい。

ステップ４３０の次に、下部電極のプレパターニング（イオンミリング、リアクティブイオンミリングなど）を行なっても良い。この時、上述したように下部電極上に形成された層を含めてプレパターニングしてもよい。このステップは、オプショナルであり、本装置を使用しようとする用途に応じて行なえばよい。

また、下部電極のエッチングを続けて、下部電極からくさび形のエッジをエッチングして取り除いても良い。そのようにすれば、マイクロ波損失を減らすことができる。加えて、たとえば、溝状、又は他の所望の形状を形成するために基板に、ドライエッチングやウェットエッチングなどのエッチング又は表面マイクロマシニング又はバルクマイクロマシニングを行ない、基板の一部を取り除いてもよい。

ステップ４４０では、それまでに形成された層上に、強誘電体材料の層を形成する。この時、たとえば、SrTiO₃, Ba_xSr_1-xTiO₃, K_xNa_1-xNbO₃, KTaO₃, Ca_xSr_1-xTiO₃, K_xLi_1-xTaO₃など結晶性強誘電体膜の成長によって結晶性強誘電体材料の層が形成されることが望ましい。

結晶性強誘電体膜の生成方法としては、様々なものが考えられるが、スパッタリング、レーザアブレーション、ＭＯＣＶＤ、或いは他の同様の技術を用いればよい。強誘電体材料は、[111]方位又は[110]方位のSrTiO₃又はBa_xSr_1-xTiO₃から選択することが好ましい。

次に、ステップ４５０では、たとえば、たとえばPt, Au, Ag, Cu, Alなどの通常の電極材料で厚みのある（２００ｎｍ以上、好ましくは０．５μｍ以上の）膜をデポジションすることによって、上部電極が製造される。

必要であれば、スタンダードなドライエッチングやウェットエッチング技術を用いて、上部電極にパターンを形成しても良い。この処理は、フォトレジスト層のスピンコーティングを行ない、上部電極に窓（ウィンドウ）を開ける処理を含んでも良い。

図５は、本発明の他の実施形態５００を示す。本実施形態５００は、上述した実施形態と同じ原理を用いるが、ここでは、上部電極５１０と下部電極５５０が長尺の矩形であって、その２つの矩形の主たる延設方向（長尺方向）同士の角度が、０度よりも大きくなるように形成されている。本実施形態では、この角度は９０度としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の角度でもよい。

上述の他の実施形態と同様に、本実施形態５００は、また、基板５６０と強誘電体材料の層５３０とを含む。

本発明の範囲内において、本明細書で概説した原理にのっとって、それぞれの層上に２つ以上のＴＦＢＡＲを形成することも可能である。

また、本発明のチューナブルＴＦＢＡＲを、既知の方法で複数配置し、アコースティックカップリング及び・又は電子カップリングによって接続して、多極（マルチポール）及び２以上の複数ポートを有するチューナブルバンドパスストップバンドフィルタを形成しても良い。

一方、ＴＦＢＡＲを２次元及び３次元配列で配置して、周波数可変表面を形成し、それによって２次元又は３次元のフリースペース電磁バンドギャップ構造（フリースペースフィルタ）を形成しても良い。

チューナブル２次元ＴＤＢＡＲ配列の例が、図６に示されている。ここでは、各ＴＦＢＡＲが、それぞれ電極及び強誘電体材料を備えても良い。図６に示すように、デバイス６００は、上部電極６１０が長尺形状であって、互いに機械的な接触がないように、互いに平行に配された、グリッド又はアレイ配置である。

下部電極６５０もまた、長尺形状であって、互いに機械的な接触がないように、互いに平行に配されている。一方、この上部電極及び下部電極は、互いに延設方向が９０度の角度を為すように配置され、結果としてグリッドパターンが形成されている。この角度は、９０度よりも小さくても良い。上述の実施形態と同様に、本実施形態６００も、基板の層６６０と、強誘電体材料の層６３０とを有する。

図７に示す実施形態７００では、本発明に係るＴＦＢＡＲ配列が２次元に配列されており、たとえば環状パターンでも良い。実施形態７００では、上部電極７１０は、異なる半径の同心円状に配列され、下部電極７５０は、上部電極７１０によって描かれた同心円と同じ中心を持つ輪のスポークのように配されている。

本発明に係るデバイスを共振させる点に話を移すと、発明者によれば、ＡＣ電界とＤＣ電界の両方を本発明に係るデバイスの電極に印加することにより、本発明に係るＴＦＢＡＲが、前記電界に比例した周波数であって、かつ、選択した強誘電体材料の種類及びその結晶構造に応じた周波数で共振することが分かった。

図１に戻って、ＡＣ電界及びＤＣ電界を印加する基本原理について説明する。上部電極１１０及び下部電極１３０は、外部信号との接続手段を備えている。その接続手段を使えば、ＤＣ電界が、上部電極と下部電極の間に生成される。印加したＤＣ電界によって、強誘電体の誘電特性及び音響特性の両方が変化すること、ひいては、ＴＦＢＡＲの共振周波数の電界依存性が、本発明の基礎となる原理である。

図８を参照すると、ＤＣ電界が強誘電体に及ぼす効果の例として、厚さ３００ｎｍのSrTiO₃の薄膜を基礎とするＴＦＢＡＲの共振周波数が、ＤＣ電界の影響下で、どのように変化するかをグラフに示している。Ｘ軸は、与えられたＤＣ電界（kV/cm)を示し、Ｙ軸は共振周波数（GHz）を示す。

上述の通り、図１に示すように、ＡＣ電界も、ＤＣ電界と同時に印加される。ＤＣ電界は、ＡＣ電界によって音響電子変換が可能となった常誘電相（無極性相）の強誘電体材料に圧電効果を引き起こす。

共振周波数ｆｎは、主として、選択された材料と、ＤＣ電界の強度によって決定される。つまり、以下の式が成り立つ。
ｆｎ＝ｖ_ac・ｎ／２ｔ
ここで、ｎ＝１，２，３，…ｔは、強誘電体膜の厚さを示し、ｖは、電界依存音響速度を示す。電界依存共振周波数を図８に示す。

ＤＣ電界が印加された複数の端子の１つに、ＡＣ接続とＤＣ接続を分離する（図１に示すような）フィルタを使用して、ＡＣ電界を印加することが好ましい。

強誘電体膜の好適な厚みは、１０ｎｍから２ｍｍまでの幅である。印加されるＤＣ電圧の強度は、５０ボルトから５００ボルトの範囲であり、１００ボルトが、通常用いられる値の好例となる。ＡＣ電界は、ＤＣ電界と同じオーダーの大きさであることが好適である。

ここで、図２、３で示された実施形態での上部電極の形状の理由について説明する。図１に示す実施形態では、所望のＡＣ電界及びＤＣ電界を印加するために下部電極にアクセスすることが困難な場合がある。

この理由により、第１電極は、図２、図３に示す形状、つまり、大きな外側部分２１０、３１０と、それに比べてかなり小さい内側部分２１０’及び３１０’、たとえばパッチと、を有する。そして、これらの２つの部分は、たとえば、図２、図３に示す「ギャップ」によって、互いに電気的に分離されている。その小ささにより、下部電極と本質的には接続されていない小部分に比べると、上部電極の大きな外側部分２１０、３１０は、下部電極２５０、３５０に対し、実質的に静電結合する。これにより、上部電極の２つの部分の間に電界が生じ、上部電極と下部電極との間に電界が印加された場合と同じ効果を生ずる。

図２及び図３に示す上部電極の、外側部分及び内側部分の形状は、単なる例であって、２つの部分が分離している限りにおいて、任意の形状を選択可能であり、それら二つの部分の割合も同様に選択可能である。ここで、外側部分が、下部電極に対し、内側部分と下部電極との間の静電接続に比べて、高い電導性接続を有するように、２つの部分の割合を定めればよい。当然ながら、その割合は逆でも良く、内側部分が、外側部分よりも大きいか、或いは、１つが大きく、１つが小さい、２つの「島」が上部電極として設けられても良い。

図９は、本発明に係る他の実施形態９００を示す。この実施形態は、本発明に係る上部電極及び下部電極の原理を、第１電極と第２電極との間の原理にまで事実上拡大できることを示す。図９に示すように、デバイスは、基板９６０と、基板上に直接配された強誘電体材料９３０の層とを含む。場合によっては、上記に概説したように、これらが分離して配されても良い。

強誘電体の層９３０と接続して、２つの電極９１０、９５０が配されている。ここで、一方の電極９１０は、強誘電体の層９３０の上面に配され、他方の電極９５０は、強誘電体材料の側面に配されている。明らかに、本発明の範囲内で、この原理の多くの実施形態を発想することができる。

本発明の理論的側面に目を向けると、以下のような点に気がつく。たとえば、SrTiO₃のような材料は、比較的低い電界において、かなり大きな電歪効果を奏する。加えて、強い電界においては、点対称結晶は圧電性を有し、その音響定数（音響速度、コンプライアンス定数、圧電計数）は、電界依存状態になる。

外部電界下では、電気歪み効果（全ての材料に固有、しかし、そのほとんどは弱い）が、電界による圧電効果と共に生じ、結果として、電界依存有効圧電係数は、以下のようになる。
d^* ₃₃ = d₃₃ + g₃₃E₃ （６）
ここで、ｄ₃₃は、電界非依存圧電係数であり、g₃₃は、電気歪み係数である。電界依存圧電係数d^* ₃₃によれば、電気機械結合係数もまた、以下に示すように電界依存となる。
K² = k² ₃₃/(1 +k² ₃₃ ) （７）
ここで
k² ₃₃ = (d^* ₃₃)²s₃₃/ε₀ε₃₃ （８）
またここで、ε₃₃は、共振器の面の法線方向における強誘電体膜の電界依存誘電率を示す。
ε₃₃ = 8.85・10^-12 F/m は、フリースペースの誘電率である。

圧電係数、電わい係数、及び誘電率だけではなく、弾性コンプライアンスS₃₃も電界依存性を有する。後者は、以下のように概算できる。
S₃₃ = 2.3^*10^{-13[1-1.11410*E2]} （９）
ここでE2はEの二乗を示している。

S₃₃の電界依存性は、以下のような電界依存音響速度v_acに帰結する。
v_ac = 1/(ρS₃₃)^1/2 （１０）
そして、共振器の共振周波数f_nは、以下のようになる。
f_n = (v_ac/2t)n = (n/2t){1/ρs₃₃}, n = 1,2... （１１）
ここで{x}は、xの平方根を示すものとする。tは膜の厚さ、ρは、材料の密度を示す。

図１０は、本発明に係るデバイスが、異なる「共振ピーク」で共振できることを示している。各ピークは、式（１１）の整数ｎの値に対応する。異なる曲線は、上述した方法でデバイスに印加されたＤＣ電圧に応じた共振関数を表すものである。図１の異なる曲線に対応するＤＣ電圧は、大きい順に、それぞれ２０、１０、０ボルトである。

上述のように印加されるＡＣ電圧は、５ボルト程度である。たとえば、実験などを通じて、特定のアプリケーション毎に、材料の組合せ及び材料の厚みに応じ、ＡＣ、ＤＣ両方について、適切な電圧の大きさを決定することができるし、そのようにすべきである。

本発明に係る装置の第１実施形態を示す断面図である。 本発明に係る装置の第２実施形態を示す断面図である。 図２ａに示す実施形態を示す平面図である。 本発明の他の実施形態を示す断面図である。 本発明の一実施形態の製造プロセスに含まれる主たる工程のいくつかを示すフローチャートである。 本発明の他の実施形態を示す平面図である。 本発明の他の実施形態を示す平面図である。 本発明の他の実施形態を示す平面図である。 本発明の一実施形態のＤＣ電界との関係を示す図である。 本発明の他の実施形態を示す断面図である。 本発明の一実施形態における異なる発振周波数を示す図である。

Claims (9)

1. 第１電極130, 240, 350, 550, 650を有する構造体を支持する基板140, 260, 360, 560, 660, 960と、
   前記第１電極に接続された共振発生材料の層120, 230, 330, 530, 630, 930と、
   前記共振発生材料に接続された第２電極110, 210, 310, 510, 610, 710, 910と、
   を備えたチューナブル共振器100, 200, 300, 500, 600, 700, 900であって、
   前記共振発生材料は、非極性相又は常誘電性相にある非結晶性強誘電体材料であることを特徴とするチューナブル共振器。
2. 前記非結晶性強誘電体材料は、[110]方向又は[111]方向を有することを特徴とする請求項１に記載のチューナブル共振器。
3. 前記非結晶性強誘電体材料は、
   前記共振発生材料に圧電効果を引き起こすために前記第１及び第２電極間に印加されたＤＣ電界により共振し、
   前記共振発生材料中に音波を生成するために前記第１及び第２電極間に印加されたＡＣ電界によっても共振することを特徴とする請求項１に記載のチューナブル共振器。
4. 前記第１及び第２電極と、前記共振発生材料とは、サンドイッチ構造に配され、前記第１電極は前記基板に近接して配され、前記共振発生材料は前記第１電極上に配され、前記第２電極は、前記共振発生材料上に配されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のチューナブル共振器。
5. 前記共振発生材料は、SrTiO₃、Ba_xSr_1-xTiO₃、K_xNa_1-xNbO₃、KTaO₃, Ca_xSr_1-xTiO₃、及びK_xLi_1-xTaO₃の内の少なくとも何れか１つを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のチューナブル共振器。
6. 前記第１及び第２電極は、矩形であり、その２つの矩形の長辺方向同士は、０度以上の角度を為すように配置されることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のチューナブル共振器。
7. 非伝導状態の基板の上に第１電極を形成する工程と、
   前記第１電極上に、共振発生材料の層を形成する工程と、
   前記共振発生材料の層上に第２電極を形成する工程と、
   を含み、
   前記共振発生材料は、非極性相又は常誘電性相にある非結晶性強誘電体材料であることを特徴とするチューナブル共振器の製造方法。
8. 前記非結晶性強誘電体材料は、[110]方向又は[111]方向を有することを特徴とする請求項７に記載のチューナブル共振器の製造方法。
9. 前記共振発生材料は、SrTiO₃、KTaO₃、Ba_xSr_1-xTiO₃、から選択されることを特徴とする請求項７又は８に記載のチューナブル共振器の製造方法。

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