JP4037825B2 - 音響反射器を備える圧電性共振器装置 - Google Patents

Description

本発明は、共振器装置（Resonatorvorrichtung）に関するものであり、特に、圧電性共振器（piezoelektrischen Resonator）と、これに対応する音響反射器（akustischen Reflektor）とを備える共振器装置に関するものである。

図１に、圧電性共振器１０を備える共振器装置の例を示す。この圧電性共振器１０は、圧電性層（Piezoschicht）１２と、第１電極１４と、第２電極１６とを備えている。複数の層１８₁〜１８₇を備える音響ブラッグ反射器（Bragg-Reflektor）１８が、圧電性共振器１０に隣接して配置されている。さらに、基板２０が備えられている。反射器１８は、基板２０と圧電性共振器１０との間に配置されている。音響反射器の層１８₁，１８₃，１８₅，１８₇は、音響インピーダンス（akustischer Impedanz）の低い層であり、層１８₂，１８₄，１８₆は、音響インピーダンスの高い層である。

圧電性薄膜共振器には、ＴＦＢＡＲ（Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonator＝akustischer Volumenwellen-Duennfilm-Resonatoren）、または、ＦＢＡＲ（Film Bulk Acoustic Wave Resonator＝akustischer Volumenwellen-Film-Resonator、BAW＝Bulk Acoustic Wave＝akustische Volumenwelle）といったものがある。このような圧電性薄膜共振器では、機能性（Funktionalitaet）の確保のために、圧電性層（図１の符号１２参照）において励振される音波（Schallwelle）を、基板２０（この上に機器を形成する）から音響的に遮断しなければならない。

従来技術では、以下の２つの遮断方法が知られている。第１の方法は、機器の下の基板２０または適切な犠牲層（Opferschicht）を除去することである。この場合、共振器は、薄い独立した（freitragende）構造（膜またはブリッジ（Bruecke））となる。この方法の欠点は、上記のような構造が繊細すぎるため、この構造に対してさらなる加工処理を施せないことである。これは、特に、このような構造をパッケージングする場合に問題となる。

機器を基板２０から音響的に遮断するための第２の方法を図１に示す。第２の方法では、機器が、音響ブラッグ反射器１８上に形成されている。上記のように、このブラッグ反射器１８は、一連の層１８₁〜１８₇を含んでおり、各層の音響インピーダンスが、１層おきに交互に高く（低く）なっている。なお、図１の構造については、米国特許公報４，１６６，９６７（US-Patent 4,166,967）、および、K. Lakin著の論文「Appl. Phys. Lett. 38（1981)pp.125-127」に示されている。さらに、G.D. MasfeldおよびS.G. Alkeseev著の「Ultrasonics Symp. Proc., Vol. 2, 1997, pp891-894」にも言及されている。

図１に示したような圧電性共振器装置では、例えば、所定の動作周波数ｆ₀を得るための、各層の最適な層厚は、物質中または層中での音波の長さλ_acの４分の１である。そして、この最適な層厚は、以下の条件（１）に基づいて求められる。
ｄ_opt＝λ_ac／４＝ｖ_ac／（４・ｆ₀）＝Ｚ_ac／（ρ・４・ｆ₀） （１）
ただし、
ｖ_ac＝層中での音速
Ｚ_ac＝層の音響インピーダンス
ρ＝層をなす物質の密度
音響ブラッグ反射器を使用することの利点は、この反射器を使用して製造した共振器の機械的な安定性（mechanische Stabilitaet）を高められる点である。本発明は、この種類の音響的な分離（akustischen Entkopplung）にも関するものである。

典型的な高音響インピーダンス物質としては、例えば、タングステン（Ｗ）、プラチナ（Ｐｔ）、モリブデン（Ｍｏ）、または、金（Ａｕ）などの金属を挙げられる。また、音響インピーダンスの低い物質としては、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）またはアルミニウム（Ａｌ）を挙げられる。

図１に示したブラッグ反射器１８を実現する場合、以下に記載するように、いくつかの観点から問題の生じる可能性がある。

第１に、上述のような層厚ｄ_optの製造は、技術的な理由により困難なことがある。その一例としては、層を堆積または生成するときに生じる層応力（Schichtspannungen）による、実現可能な層厚の制限である。これにより、層厚を、厚さの上限よりも厚くできなくなる。この問題は、金属（例えばタングステン、プラチナまたはモリブデンなど）を用いる場合に生じる。９００ＭＨｚ薄膜共振器（動作周波数＝９００ＭＨｚ）の最適な厚さは、タングステンの場合はｄ_W＝１．４μｍ、プラチナの場合はｄ_Pt＝０．８５μｍ、モリブデンの場合はｄ_Mo＝１．６μｍである。このような厚い金属層を生成することは、技術的に困難である。

他の問題は、基板に対する機器の寄生容量（parasitaeren Kapazitaeten）である。これを考慮すると、ブラッグ共振器の誘電層（例えばＳｉＯ₂）に関しては、その層厚を最大化することが電気的には（aus elektrischen Gruenden）好ましいといえる（基板に対する寄生容量を最小化することとなる）。しかし、このように厚い誘電層は、上記の条件（１）に相反するものである。なぜなら、この場合、層の厚さが、上記した最適な層厚を上回るからである。

さらに他の問題は、層１８₁〜１８₇の温度係数（Temperaturkoeffizienten）が異なることである。使用する層の温度係数は、薄膜共振器の温度特性（Temperaturverhalten）に影響する。高音響インピーダンス層用の物質と、低音響インピーダンス層用の物質とが、符号の異なる温度係数を有する場合、一般的に、薄膜共振器の温度係数が最小となるような層厚の組み合わせ（Schichtdickenkombination）を見出せる。しかしながら、この層厚は、上記した最適な層厚ではない。従って、上記のような層厚の組み合わせは、一般的に、上記の条件（１）と相反するものである。

従来技術では、図１に示すような薄膜共振器を実現できることが知られている。この共振器では、音響反射器が、層厚に関する上記の条件（１）を満たしている層から形成されている。しかし、これは、使用する物質と達成できる周波数範囲とに目をつぶった結果である。例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を、高音響インピーダンス物質として使用し、ＳｉＯ₂を、低音響インピーダンス物質として使用すると、R.S. Naik他著の「IEEE Trans. Ultrasonics, Ferroelectrics and Freq. Control, 47（1）， 2000, pp292-296」に記載されているように、寄生容量に関する上記の問題を回避できる。上述の物質は双方とも誘電体なので、このような問題は生じない。しかし、この物質の組み合わせでは、音響インピーダンスの違いが比較的小さく、その結果、ブラッグ反射器の品質（Guete）が悪化する。なお、この場合のインピーダンスの違いは、層の数が同じ場合、上記の金属層の１つを高音響インピーダンス物質として使用する場合よりもかなり低くなる。

このような従来技術の問題に鑑み、本発明の目的は、厚い層の製造，寄生容量および温度係数の違いについての上述の問題を、できるだけ、あるいは完全に解決することの可能な、改善された共振器装置を提供することである。

上記の目的は、請求項１に記載の共振器装置により達成される。

本発明は、以下のような共振器装置を提供する。
すなわち、この共振器装置は、所定の動作周波数を有し、
圧電性薄膜共振器、および、
低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層とを交互に複数積み重ねて配置した一連の層を含んでいる音響反射器を備え、
上記高音響インピーダンス層の厚さは、上記複数の高音響インピーダンス層のそれぞれにおいて、上記動作周波数で上記高音響インピーダンス層を伝わる音波長の４分の１より小さく設定されており、
上記低音響インピーダンス層の厚さは、上記複数の低音響インピーダンス層のそれぞれにおいて、上記動作周波数で上記低音響インピーダンス層を伝わる音波長の４分の１より大きく、かつ上記音響反射器の品質が、上記低音響インピーダンス層および上記高音響インピーダンス層の各層の厚さが該各層を伝わる音波長の４分の１に設定されたときに得られる最良品質よりも低い品質となるような厚さに設定されている。
また、この共振器装置は、所定の動作周波数を有し、
圧電性薄膜共振器、および、
低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層とを交互に複数積み重ねて配置した一連の層を含んでいる音響反射器を備え、
上記低音響インピーダンス層の厚さは、上記複数の低音響インピーダンス層のそれぞれにおいて、上記動作周波数で上記低音響インピーダンス層を伝わる音波長の４分の１より小さく設定されており、
上記高音響インピーダンス層の厚さは、上記複数の高音響インピーダンス層のそれぞれにおいて、上記動作周波数で上記高音響インピーダンス層を伝わる音波長の４分の１より大きく、かつ上記音響反射器の品質が、上記低音響インピーダンス層および上記高音響インピーダンス層の各層の厚さが該各層を伝わる音波長の４分の１に設定されたときに得られる最良品質よりも低い品質となるような厚さに設定されている。

本発明の基礎となる発想（Erkenntnis）は、最適な層厚についての上記した条件を満たさずに、反射性（Reflektivitaet）の高いブラッグ反射器を実現することである。１つの層物質のために、ｄ_optに等しくない層厚ｄを選択しても、ブラッグ反射器の反射性（すなわちその品質）を最良とするような、他の層物質の層厚を見いだすことが可能である。

従って、本発明の好ましい実施例では、特に、厚さｄ＜ｄ_optである金属層と、厚さｄ＞ｄ_optであるＳｉＯ₂層とから構成されるブラッグ反射器を製造する。また、同時に、層を製造するときに、寄生容量に起因する問題を最小限にする、または、排除できる。さらに、共振器全体の温度係数が最小となるような反射器を実現でき、特に、最適な層厚に相当する厚さを有する層を用いた共振器よりも良好に条件を満たす共振器を実現できる。

このように、従来技術で知られている方法とは対照的に、本発明では、最適な層厚に関する条件を意図的に満たしていない。その結果、１つの物質の層厚を、他の物質の層厚と同時に調整することで、ブラッグ反射器の反射性を最大化できる。本発明の方法の利点は、このようにして得られる反射器の積層（Schichtstapel）を、技術的に簡単に実現できることにある。これに伴い、プロセス安定性（Prozessstabilitaet）およびプロセス経費（Prozesskosten）に関する他の利点も有することとなる。他の利点とは、特別な電気特性（例えば寄生容量を減少させること）や、薄膜共振器の安定した温度特性を、層厚調整（Schichtdickenanpassungen）によって得られることである。

好ましい実施例では、１つの層の厚さが最適値より減少し、他の層の厚さが最適値より増大する。ただし、他の実施例では、１つの層が低音響インピーダンス層または高音響インピーダンス層のいずれかである。この場合、他の層は、高インピーダンス層または低インピーダンス層となる。

高音響インピーダンス層は、同じ物質からなり、また、同様に、低音響インピーダンス層も、同じ物質からなることが好ましい。従って、この場合、ブラッグ反射器は、２つの異なる物質から構成される。しかし、本発明では、この設計に制限されず、３つ以上の物質をブラッグ反射器に使用することもできる。この場合には、例えば、高音響インピーダンス層および／または低音響インピーダンス層を、異なる物質から構成できる。

以下に、添付の図を参照しながら、本発明の好ましい実施例について説明する。
図１は、層厚の最適な音響反射器を備える従来技術の共振器装置を示す図である。図２は、本発明の実施例の共振器装置を示す図である。図３は、高音響インピーダンス層の厚さと低音響インピーダンス層の厚さとの関数として、図２に示す共振器の品質を等度線（Isokontur-Linien）で示す図である。

図２を参照しながら、以下に、本発明の好ましい実施例について詳しく説明する。図２における共振器装置のみかけ（Darstellung）は、図１のものに似ている。しかしながら、この実施例の共振器１８は、たった５つの層１８₁〜１８₅だけを備えた構成である。さらに、これらの層１８₁〜１８₅は、層の厚さが、最適な層厚（最適な層厚のための上記した条件（１）に応じて決定される最適な層厚）とは相違している点で、図１に示す実施例の層と異なっている。

図２の実施例では、ブラッグ反射器１８が、ＳｉＯ₂層１８₁，Ｍｏ層１８₂，ＳｉＯ₂層１８₃，Ｍｏ層１８₄，ＳｉＯ₂層１８₅の積層（Schichtfolge）を有している。共振器装置の共振周波数は、９００ＭＨｚである。一般的な特色（Allgemeinheit）を制限することのないように、他の構成を考慮すれば、基板物質としてシリコンを、圧電性物質１２としてＺｎＯを用いることが考えられる。

最適な層厚に関する上記した条件を基礎とすれば、ＳｉＯ₂は、ブラッグ反射器１８にとって最適な層厚となる。なお、この最適な層厚は、Ｍｏ層における最適な層厚とほぼ同じであり、約１６００ｎｍ（ｄ_opt ^SiO2≒ｄ_opt ^Mo≒１６００ｎｍ）である。メーソンモデル（Mason-Modells）を用いて、反射器における酸化物またはモリブデンの様々な厚さ（Oxid- bzw. Molybdaendicken）についての電気特性が計算されている。

なお、メーソンモデルは、例えば、K.M. Lakin, G.R. Kline and K.T. McCarron著の「IEEE Trans. Microwave Theory Techniques,vol. 41, 1993,」、または、V.M. Ristic著、「音響装置の原則（Principles of acoustic devices）, Wiley (1983)」に記載されている。

このモデルでは、物質減耗（Materialdaempfung）は考慮されず、基板下側は、完全な吸収性を有するとしてモデル化されている。その結果、基板へのエネルギー損失は、ブラッグ共振器を介してのみ生じる。従って、共振器品質を、ブラッグ共振器の品質における直接的な尺度（Mass）として使用できる。その結果、共振器の品質を、インピーダンス特性曲線（Impedanzkennlinie）から、位相曲線の傾斜（Steigung der Phasenkurve）を用いて非常に簡単に計算できる（K.M. Lakin, G.R. Kleine and K.T. McCarron著「IEEE Trans. Microwave Theory Techniques, vol. 41, No.12, 1993」参照）。

図３に、ブラッグ反射器上のＢＡＷ共振器における品質の等度線を示す。このブラッグ反射器は、モリブデンからなる２つの層と、酸化物からなる３つの層とから構成されている。また、品質は、酸化物およびモリブデンの厚さの関数として表わされている。図２の破線は、１つの層の厚さ（例えばモリブデンの厚さ）があらかじめ決められている場合の、最適な層厚組み合わせを示している。

図２からわかるように、上述のλ／４層厚が１６００ｎｍである場合に、約６２００の最良品質を得られる。１０００〜２０００の品質は、通常、遠距離通信分野（Telekommunikationsbereich）において一般的なフィルター用途（Filteranwendungen）のために十分なものである。なお、より高い品質については、原則として、実際には実施できない。なぜなら、構造全体の品質が、他の損失チャネル（Verlustkanaele）により支配されているからである。なお、他の損失チャネルの例としては、共振器における電気損失、非垂直な発振モード（nicht vertikale Schwingungsmoden）による音響損失、および、電気的な寄生（elektrische Parasitaeten）による電気損失などをあげられる。

図２のＱ＝２０００のところの等度線を見ると分かるように、この品質は、モリブデンの厚さを８００ｎｍとし、酸化物の厚さを１８００ｎｍとするだけで達成できる。従って、必要なモリブデンは半分だけであり、その結果、技術的な実現可能性（Realisierbarkeit）が非常に高くなる。同時に、ＳｉＯ₂層厚は、λ／４層厚と比べて１０％よりも多く増大している。これにより、基板に対する寄生容量を回避できる。

なお、反射器品質があらかじめ決められている場合、プロセス技術的な（prozesstechnische）付帯条件（Randbedingungen）に関して層厚を最適化するだけではなく、反射層の数自体も決定することも好ましい。上記と同様（ただしＭｏ層を３つとした場合）の計算によって、例えば、５０００の反射器品質を、３つのＭｏ層の厚さをそれぞれ５５０ｎｍとすることで達成できることがわかる。２つの層（図３参照）の場合、同じ品質を達成するためには、モリブデン層の層厚を、それぞれ約１３００ｎｍとすることとなる。従って、前者では、厚さ１６００ｎｍのモリブデンを析出すればよい。一方、後者では、同じ品質の反射器を実現するためには、厚さ２６００ｎｍに析出する必要がある。

なお、本発明では、高音響インピーダンス層である金属層の厚さを減少させる一方、誘電層を厚くすることを試みることが好ましい。これにより、金属層を技術的に実現することに関する問題と、寄生容量に関する問題とを同時に縮小できる。

層厚の最適な音響反射器を備える、従来技術の共振器装置を示す図である。 本発明の実施例にかかる共振器装置を示す図である。 高音響インピーダンス層の厚さと低音響インピーダンス層の厚さとの関数として、図２に示す共振器の品質を等度線で示す図である。

符号の説明

１０ 共振器
１２ 圧電性層
１４ 第１電極
１６ 第２電極
１８ ブラッグ反射器
１８１ 低音響インピーダンス層
１８２ 高音響インピーダンス層
１８３ 低音響インピーダンス層
１８４ 高音響インピーダンス層
１８５ 低音響インピーダンス層
１８６ 高音響インピーダンス層
１８７ 低音響インピーダンス層
２０ 基板

Claims (9)

1. 所定の動作周波数を有する共振器装置であって、
   圧電性薄膜共振器（１０）、および、
   低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層とを交互に複数積み重ねて配置した一連の層（１８₁〜１８₅）を含んでいる音響反射器（１８）を備え、
   上記高音響インピーダンス層の厚さは、上記複数の高音響インピーダンス層のそれぞれにおいて、上記動作周波数で上記高音響インピーダンス層を伝わる音波長の４分の１より小さく設定されており、
   上記低音響インピーダンス層の厚さは、上記複数の低音響インピーダンス層のそれぞれにおいて、上記動作周波数で上記低音響インピーダンス層を伝わる音波長の４分の１より大きく、かつ上記音響反射器の品質が、上記低音響インピーダンス層および上記高音響インピーダンス層の各層の厚さが該各層を伝わる音波長の４分の１に設定されたときに得られる最良品質よりも低い品質となるような厚さに設定されている、共振器装置。
2. 所定の動作周波数を有する共振器装置であって、
   圧電性薄膜共振器（１０）、および、
   低音響インピーダンス層と高音響インピーダンス層とを交互に複数積み重ねて配置した一連の層（１８ ₁ 〜１８ ₅ ）を含んでいる音響反射器（１８）を備え、
   上記低音響インピーダンス層の厚さは、上記複数の低音響インピーダンス層のそれぞれにおいて、上記動作周波数で上記低音響インピーダンス層を伝わる音波長の４分の１より小さく設定されており、
   上記高音響インピーダンス層の厚さは、上記複数の高音響インピーダンス層のそれぞれにおいて、上記動作周波数で上記高音響インピーダンス層を伝わる音波長の４分の１より大きく、かつ上記音響反射器の品質が、上記低音響インピーダンス層および上記高音響インピーダンス層の各層の厚さが該各層を伝わる音波長の４分の１に設定されたときに得られる最良品質よりも低い品質となるような厚さに設定されている、共振器装置。
3. 上記音響反射器（１８）が、複数の高音響インピーダンス層（１８ _２ ，１８ _４ ）と、複数の低音響インピーダンス層（１８ _１ ，１８ _３ ，１８ _５ ）とを備えている、請求項１または２に記載の共振器装置。
4. 高音響インピーダンス層（１８ _２ ，１８ _４ ）が、タングステン，プラチナ，モリブデンまたは金から構成されており、
   低音響インピーダンス層（１８ _１ ，１８ _３ ，１８ _５ ）が、酸化シリコンまたはアルミニウムから構成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の共振器装置。
5. 高音響インピーダンス層（１８ _２ ，１８ _４ ）が、タングステン，プラチナ，モリブデンまたは金から構成されており、
   低音響インピーダンス層（１８ _１ ，１８ _３ ，１８ _５ ）が、酸化シリコンまたはアルミニウムから構成されており、
   高音響インピーダンス層（１８ _２ ，１８ _４ ）の厚さが、動作周波数でこの層を伝わる波長の約８分の１であり、
   低音響インピーダンス層（１８ _１ ，１８ _３ ，１８ _５ ）の厚さが、波長の４分の１より約１０％だけ大きい、請求項１に記載の共振器装置。
6. 上記音響反射器（１８）が、複数の高音響インピーダンス層（１８ _２ ，１８ _４ ）と、複数の低音響インピーダンス層（１８ _１ ，１８ _３ ，１８ _５ ）とを備えており、
   高音響インピーダンス層（１８ _２ ，１８ _４ ）が、タングステン，プラチナ，モリブデンまたは金から構成されており、
   低音響インピーダンス層（１８ _１ ，１８ _３ ，１８ _５ ）が、酸化シリコンまたはアルミニウムから構成されており、
   高音響インピーダンス層（１８ _２ ，１８ _４ ）の厚さが、動作周波数でこの層を伝わる波長の約８分の１であり、
   低音響インピーダンス層（１８ _１ ，１８ _３ ，１８ _５ ）の厚さが、波長の４分の１より約１０％だけ大きい、請求項１に記載の共振器装置。
7. 基板２０を備え、
   上記音響反射器（１８）が、この基板（２０）と圧電性薄膜共振器（１０）との間に配置されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の共振器装置。
8. 上記圧電性薄膜共振器（１０）がＺｎＯまたはＡｌＮから構成されており、上記基板（２０）がシリコンから構成されている、請求項７に記載の共振器装置。
9. 上記圧電性薄膜共振器がＢＡＷ共振器である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の共振器装置。

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