JP2009194915A - 結合音響共振器を有するフィルタ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】結合共振器を有する機械的に結合されるＢＡＷ型音響共振器に基づく帯域通過フィルタ回路の帯域幅近傍における選択度を改良する。
【解決手段】基板１００と、音響共振器を支持し、これらの共振器を基板から絶縁するための音響ミラー１０１と、少なくとも一層の音響結合層１３０を介して互いに結合される上側共振器１２０および下側共振器１１０を有する第１構造（左）と、少なくとも一層の音響結合層２３０を介して互いに結合される上側共振器２２０および下側共振器２１０を有する第２構造（右）と、を有し、第１および第２構造の前記下側共振器は同一電極２１１、２１３を有する。フィルタは、第１および第２構造が、第５共振器３００を介して接続され、第５共振器の電極および圧電層は、いわゆる第１および第２構造の前記下側共振器のものである。
【選択図】図６

Description

発明の技術分野

本発明は、電子回路に関し、より詳細には、結合音響共振器を有するフィルタ回路に関する。

背景

今日では、音響共振器は、効率の高さから消費者用途だけでなく業務用途でも広範囲に使用され、携帯電話で使用される非常に高性能の帯域通過フィルタの実現性を含んでいる。

この研究は、著しく高い性能を示す２種類の音響共振器、すなわち、ＳＡＷ共振器（表面音響波共振器または表面弾性波共振器）および、最近では、ＢＡＷ型共振器（バルク音響波共振器）に対して行われている。第１の種類のものでは、音響共振器は半導体製品の表面に配置され、一方、ＢＡＷでは、音響共振器は下部電極と上部電極の間の境界が定められた体積内部に配置され、音響波はこの体積内で展開される。ＢＡＷ共振器は、半導体製品メーカーの幅広い研究の対象であり、それは、この部品により高集積度のフィルタ回路を想定することができ、その結果、著しい生産コスト削減が期待できるためである。

ＢＡＷ共振器は、よりコンパクトな構造を達成しながら、ＳＡＷで用いられるものよりも高い周波数が可能である。

従来、ＢＡＷ共振器は、より効果的な帯域通過フィルタを達成するために、「ラダー型」または「格子型」等の複雑な構造を形成するよう組み合されている。

別の周知の共振器組合せは、より複雑な構造を達成するために幾つかの共振器を結合させることを基本としている。これが、図１に示す、いわゆる結合共振器フィルタ（ＣＲＦ）である。

図で示すように、この回路には、図の中央に沿った対称軸に対して完全に対称な二つの構造またはステージが含まれている。

第１のステージは、圧電材料層７でそれぞれ分離される下部電極１１および上部電極１２の二つの電極を有する上側共振器を備えている。この構造は、音響結合が行われる層６の上に配置され、層６は、圧電物質層４でそれぞれ分離される下部電極３および上部電極５の二つの電極を有する下側共振器上に配置される。

この回路は、縦軸の他方の側に、第１のステージと完全に対称に、音響結合層６により分離される上側共振器および下側共振器を備える第２のステージを含む。上側共振器は、層７によりそれぞれ分離される下部電極２１および上部電極２２の二つの電極を備える。下側共振器は、層４を挟む電極３および５を備える。

この２ステージ構造は、ロジックおよびアナログのＭＯＳまたはＣＭＯＳ回路を備えてもよいシリコン基板１またはＳｉＧｅ上に配置される音響ミラー２上に編成される。

このいわゆるＣＦＲ構造は技術者には周知であり、これ以上説明しないし、その生産プロセスについても説明しない。上側共振器（電極１１、１２および層７）が、フィルタ処理すべき電気信号を受け取り、かかる信号が、体積波（volume wave）である音響波に変換されることを想記すれば事足りる。

この音響波は、音響結合層６を経由して上部から下部へ、第１ステージの下側共振器まで伝搬し、そこで電気信号に変換されて、第２ステージの下側共振器に、第１ステージの下側共振器と同じ電極を共有しているため、送られる。

次いで、体積波は、第２ステージの層まで伝搬し、層６の音響結合を通って、図の右側に配置されている第２ステージの上側共振器に達する。

図２は、ＣＲＦ回路の左右それぞれの二つの構造内で、電気機械的であり機械的でもある連続している結合を通る体積波の実際の経路を示す。

図３は、ＣＲＦフィルタ内で行なわれる結合チェーンを詳細に説明したものである。上側および下側共振器は、図４の要素３２および３４によりそれぞれ表される。第１ステージに入力される電気信号が電気機械変換（Ｋｅｍ）され、その結果、電気エネルギーが電気機械結合Ｋｅｍ３１のブロックにより表される機械エネルギーに転換されることがわかるであろう。

体積波は、ブロック３３で表される純粋に機械的な結合Ｋｍを行う層６を通って第１ステージの下側共振器に伝送される。

第１ステージの下側共振器がこの波を受け、受けた機械エネルギーを電気エネルギーに変換し、結果として、右側の下側共振器の端子３および５に電気信号を生じさせる。

次いで、この電気信号は、第２ステージの下側共振器に、第１ステージの下側共振器と同じ電極を共有しているため、伝送される。

図４に、ＣＲＦ回路のフィルタ曲線を、古典的グループの「ｓｃａｌｅ」型ＢＡＷ共振器と比較して示す。

同一の帯域幅において、ＣＲＦ回路の方が古典的ＳＣＡＬＥの回路よりも高い除去率をもたらすこと、特に帯域幅から離れると高いことを本発明者らは見出した。これは、広帯域の周波数全体をフィルタ処理する場合に効率がよい。

ＣＲＦ構造は二つのＢＡＷ共振器を積層して単一ステージを形成できるので、ＣＲＦ回路のこの性能向上は半導体回路内で要求される空間的制限の中でも得ることができる。

この回路は、別のＣＲＦ回路と組み合せて、二つのインピーダンス、それぞれ入力インピーダンスＺｉｎおよび出力インピーダンスＺｏｕｔを別々に有するフィルタ回路を作製することも容易にできる。

そのためには、入力フロアを並列に、出力フロアを直列に接続して二つのＣＲＦ回路を組み合せる。

最後に、結合共振器を有するフィルタは、異なる構造への変換が容易である。

これらの利点にもかかわらず、ＣＲＦ回路は、それ以上に、高性能を達成しようとするとある困難、深刻な欠点を示す。

実際、帯域幅近傍の隣接部では、回路は、いわゆるラダー型構造から得られるものよりも緩い傾斜を選択的に示す。この欠点は、効率的にフィルタ処理する必要がある異なる周波数帯、但し近接した周波数帯の使用に基づく無線通信の分野では重大な問題となる。

特に、新世代の移動体通信の場合、非常に近接した二つの周波数帯、つまり放送通信用の第１帯域および受信用の第２帯域を編成するよう計画されており、このような状況では、ＣＲＦが適していないことは明らかである。

明らかに、帯域通過フィルタの全体的な水準を向上させるために、様々な構造の同一ＣＲＦフィルタを組み合せることによって、帯域近傍のフィルタ処理の選択度を改良することが検討されてきた。しかし、この解決策は、半導体基板表面積の著しい増加を招き、更に重要なことは、フィルタの損失増加を招いてフィルタの品質係数を低下させることになる。

これらが、本発明により解決される課題である。

機械的に結合されるＢＡＷ型音響共振器に基づく帯域通過フィルタ回路を実現し、帯域幅近傍においても選択度を改良することが本発明の目的である。

本発明の別の目的は、最新世代の携帯電話の用途で使用することができる強力な帯域通過フィルタ回路を実現することである。

本発明の第３の目的は、半導体製品内部に集積し、半導体基板上で使用する空間を制限できる強力な帯域通過フィルタ回路を実現することである。

これらの目的は、
―基板と；
―音響共振器を支持し、これらの共振器を基板から絶縁するための音響ミラーと；
―少なくとも一層の音響結合層を介して互いに結合される上側共振器および下側共振器を有する第１構造と；
―少なくとも一層の音響結合層を介して互いに結合される上側共振器および下側共振器を有する第２構造と、を備えた共振器結合フィルタにより達成さる。第１および第２構造の上側共振器はそれぞれフィルタへの入力および出力のために使用され、第１および第２構造の下側共振器は同一電極を有する。

このフィルタは、第１および第２構造が、第５共振器を介して接続され、第５共振器の電極および圧電層は、いわゆる第１および第２構造の前記下側共振器のものであることを特徴とする。

実施の形態では、第１および第２構造は、縦軸に対して完全に対称である。

実施の形態では、共振器はバルク音響波（Ｂ.Ａ.Ｗ）型である。

好ましくは、ＢＡＷ型共振器は、薄膜堆積（フィルム・デポジション）、スパッタ、真空蒸着または堆積ＣＶＤ（化学気相成長）法で製造する。

実施の形態では、ＢＡＷ型共振器は、ＺｎＯ、ＮＬＡ、ＺｎＳまたは強誘電体セラミックの圧電材料を含む。

特に一実施形態では、共振器は、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（ＡＬ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（ＭＯ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタニウム（Ｔｉ）、銀（Ｓｉ）、金（Ａｕ）およびタンタル（Ｔａ）で製造される電極を含む。

本発明は、結合共振器を有するフィルタ回路の製造プロセスも以下のステップにより実現する：
―基板を作製するステップ；
―基板上に音響ミラーを編成するステップ；
―下部電極、上部電極および圧電層を持つ下側共振器をそれぞれ有し、更に下部電極、上部電極および圧電層を持つ上側共振器を有する第１および第２構造の堆積ステップであって、各構造の前記下側および上側の共振器は一層の音響結合層により分離されているようなステップ。

本発明では、第１および第２構造には、前記下側共振器の電極および圧電層を共有する第５のＳＭＲ型共振器を二つの構造の間に挿入するのに十分な距離がある。

添付図面と併せて読めば、以下の詳細説明を参照することにより、本発明の一つ以上の実施形態の他の特徴を良く理解できるであろう。
図１は、公知のＣＲＦ型フィルタ回路の構造を確認のために示すものである。 図２は、公知のＣＲＦ回路における体積波経路の略図を示すものである。 図３は、公知のＣＲＦ回路の第１フロアの電気的等価モデルを示すものである。 図４は、ＣＲＦ回路のフィルタ曲線を、古典的な「ｓｃａｌｅ」型ＢＡＷ共振器のグループと比較して示すものである。 図５は、本発明の実施に適合するＣＲＦフィルタ回路の全体構造を示すものである。 図６は、本発明によるフィルタ回路を達成するために図５の構造を変化させたものを示すものである。 図７は、本発明によるフィルタの「左」と「右」の二つの構造の間に作製した除去部分の効果を示すものである。 図８は、図７の回路の電気的等価モデルを示し、係数Ｓ１１、Ｓ２１、ＳＣを説明するものである。 図９は、各性能曲線を、広帯域および狭帯域それぞれについて示すものである。 図１０は、各性能曲線を、広帯域および狭帯域それぞれについて示すものである。 図１１は、本発明によるフィルタ回路の係数Ｓ１１の性能曲線を示すものである。 図１２は、本発明の一実施の形態によるフィルタ回路を製造するためのプロセスを示すものである。

好ましい実施形態の説明

携帯電話、および超大規模集積回路（ＶＬＳＩ）型の集積回路で使用するための回路フィルタの実現に特に適している結合共振器を備える回路フィルタの一実施の形態を説明する。移動体通信、特に広帯域符号分割多元接続（ＷＣＤＭＡ）等の最新の用途では、互いに密接している別々のチャンネルを分離するために大きな効果があるフィルタ処理を実行する必要がある。しかし、上記用途は単に、以下に説明する新規集積化音響部品の使用例を限定しないものに過ぎないということに留意されたい。

図５を参照して、本発明の一実施の形態による結合共振器を有するフィルタ回路の実現を説明する。

フィルタ回路は、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、ガラスまたはセラミックシリコン内の、シリコン（Ｓｉ）から成る基板タイプのシリコン１００で作製される。基板１００は、本発明の一部ではなく、詳細に後述するロジック回路および／またはアナログ回路を実現する従来型ＭＯＳ構造を含んでいてもよい。

フィルタ回路は次いで、音響特性および様々な誘電体定数を持つ層のスタックから成り、基板１００の上に作製される反射ミラー１０１、またはＢＲＡＧＧミラーを基板１００上に備えている。この反射ミラーは、基板１００内部における音響波の損失を確実に最小にする。

回路フィルタは、音響ミラー上に、図の中央を通る縦軸に対して完全に対称な二つの構造、「左」と「右」のそれぞれに分割された４種類のＢＡＷ共振器の一セットを含んでいる。

二つの構造は、図６で詳細に説明する第５の共振器３００を挿入するだけの十分な距離があるという特有な左右構造の変更点を除けば、結合共振器を有する古典的なＣＲＦフィルタ内の二つの周知の構造とあらゆる局面で類似している。

二つの構造、「左」と「右」のそれぞれは、二つの共振器のスタックを含み、必要であれば下位結合層にそれ自体を分割できる音響結合層１３０により上側および下側にそれぞれ分離されている。

共振器は、周知のスパッタ技法、真空蒸着堆積またはＣＶＤ（化学気相成長）による周知の薄膜堆積技法で得られるバルク音響波（Ｂ.Ａ.Ｗ.）型の音響共振器である。各共振器は、音響特性を有する圧電材料層、その層をそれぞれ挟む下部および上部の二つの電極により作製される。圧電材料は、ＺｎＯ、ＡＬＮ、ＺｎＳまたは技術者には周知の任意の強誘電体セラミックとすることができる。電極は、要求される用途に適した、例えば、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（ＡＬ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（ＭＯ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタニウム（Ｔｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）またはタンタル（Ｔａ）等の、任意の金属で実現することができる。

図５から分かるように、「左」（または「右」）構造は、圧電材料１１１の層を挟む下部電極２１１および上部電極２１３を有する下側共振器１１０（または２１０）を備えている。

「左」構造（または「右」）は更に、圧電材料１２２の層を挟む下部電極１２１（または２２１）および上部電極１２３（または２２３）を有する上側共振器１２０（または２２０）を備える。

従って、「左」構造と「右」構造の間の距離を十分離すために、材料１１１を挟持している電極２１１および電極２１３それぞれの寸法が大きくなっていることを除けば、結合共振器を有するフィルタは、ＣＲＦフィルタの形式と類似の形式を持っていることがわかる。

図５に示す要素の製造ステップは、古典的なＣＲＦフィルタに使用される従来プロセスと同様なので、これ以上の説明は避けることに留意されたい。

図６を参照して、結合共振器を有するフィルタ回路と周知のＣＲＦ回路とを区別する特徴について説明する。

縦の対称軸の両側に編成される「左」構造と「右」構造の間に作成された空間には、図から分かるように、圧電層１２２だけでなく、音響結合層１３０のほとんども除去するための特定の空洞が設けられる。これを達成するには、ドライまたはウェットエッチングプロセスいずれかの従来のエッチングプロセスを用いる。

フィルタ回路の中央領域で実施されるエッチングプロセスは「左」と「右」の構造両方の上部を切り離す効果がある。次いで、作成された空洞部分は、例えばＳｉＯ_２等の任意の従来のパッシベーション層により充填される。

従って、「右」構造は、元の音響結合層１３０から離れた音響結合層２３０を備えている。

同様に、「右」構造の上側共振器は、元の圧電層１２２から離れた圧電層２２２を含んでいる。

空洞化により、電極２１１および２１３および挟まれている圧電層１１１を有するＳＭＲ（表面実装共振器）型の第５の共振器３００を形成する効果が得られた。

この第５のＢＡＷ共振器は、使用される特定の圧電材料（ＺｎＯ、ＮＬＡ、ＺｎＳまたは技術者には周知の任意の強誘電体セラミック）に応じて二つの共振周波数も提供し、直列（最小インピーダンスと対応するｕｓ）および並列（最大インピーダンスと対応するｕｐ）の二つのパルス値をそれぞれ示す。

二つの共振周波数の外側近傍では、共振器は容量性の振舞いを示す。

パルス値ｕｓおよびｕｐは圧電材料の厚さに依存し、これら二つの値の間隔は電気機械的結合係数に起因する。

このように、この第５共振器３００は、結合共振器フィルタの最初の構造から容易に達成することができ、周波数曲線内にゼロ伝送部が出現するので、上記のように、従来のＣＲＦフィルタでは十分に処理できなかった帯域幅近傍のフィルタ周波数応答の傾斜が著しく増加する。

図７に、本発明によるフィルタの「左」および「右」の二つの構造の間に設けられた孔の効果を示す。図３のものと共通の要素には同一の参照番号を付している。二つの共振および反共振の周波数を持つ共振器３００が第１ステージの出力に挿入されていることがわかる。

図８は、係数Ｓ１１、Ｓ２１、Ｓ１２およびＳ２２の定義によるフィルタ回路の四重極（quadripole）の等価モデルを示す。技術者には周知のように、係数Ｓ１１はフィルタ内部の反射損失を表す一方で、係数Ｓ２１は四重極を通じて転送されるエネルギーと対応する。

図９は、狭帯域の近傍における第５共振器３００の存在によるフィルタ曲線の変化を示す。

図１０は、帯域幅から著しく離れた広帯域における第５共振器３００の存在によるフィルタ曲線の変化を示す。

図１１は、本発明による回路の係数Ｓ１１およびＳ２１を表す曲線を示す。

本発明の一実施の形態によるフィルタ回路を製造するためのプロセスを説明する。

本発明により、周知のＣＲＦフィルタの既存プロセスの大部分に基づくプロセスを用いて、結合共振器を有する効果的なフィルタの実現が可能となる。

このために、プロセスは以下のステップを含む：
ステップ３０１では、共振器構造を受けるための基板１００を準備する。場合によって、この基板は、技術者には周知の他の任意のＭＯＳ型構造を受けるよう作製してもよい。

ステップ３０２では、周知の方法により、音響ミラー１０１が基板上に堆積される。

ステップ３０３では、下側共振器の下部電極を形成するために第１金属層２１１が堆積される。

ステップ３０４では、第１圧電層１１１の堆積に進む。

ステップ３０５では、下側共振器１１０および２１０の構造を完成させるために第２金属層２１３が堆積される。

ステップ３０６では、一層または数層の音響結合層１３０の材料を堆積する。

ステップ３０７では、上側共振器１２０および２２０の下部電極（１２１、２２１）を形成するための第３金属層が堆積される。

ステップ３０８では、第２圧電層１２２の堆積で進行する。

ステップ３０９では、プロセスは、前記一層または数層の音響結合材料の部分から構成されるそれ自体の音響結合層を有するそれぞれ二つの構造を反射する中央部の空洞化により進行する。

より詳細には、各構造（「左」または「右」）は、圧電材料層（１２２または２２２）を持つそれ自体の下部電極（１２１または２２１）および上部電極（１２３または２２３）を備える。

次いで、本プロセスは、達成したウェルを閉じるパシベーションの段階で完了する。

これらのステップは、二つの構造が互いに第５共振器３００により接続されていることを示し、その電極（２１１、２１３）および圧電層（１１１）は、前記第１および第２構造の下側共振器のものであるという結果をもたらす。

本発明は、携帯電話への適用に有利であり、特に、密接した二つの周波数帯域を明瞭に弁別するための帯域通過フィルタの実現に有利である。

Claims (10)

1. 結合共振器を有するフィルタであって、
   ―基板（１００）と、
   ―前記音響共振器がその上に編成され、これらの共振器の前記基板からの絶縁も達成する音響ミラー（１０１）と、
   ―少なくとも一層の音響結合層（１３０）を介して互いに結合される上側共振器（１２０）および下側共振器（１１０）を備える第１構造（左）と、
   ―少なくとも一層の音響結合層（１３０）を介して互いに結合される上側共振器（２２０）および下側共振器（２１０）を有する第２構造（右）とを含み、
   ―前記第１および第２構造の前記上側共振器はそれぞれ、前記フィルタの入力および出力のために使用され、前記第１および第２構造の前記下側共振器は、同一電極（２１１、２１３）を共有するものにおいて、
   前記第１および第２構造が、前記第５共振器（３００）を介して接続され、前記第５共振器の電極および圧電層は、前記第１および第２構造の前記下側共振器のものであることを特徴とするフィルタ。
2. 前記第１および第２構造は、前記第５共振器（３００）を通る縦軸に対して対称であることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
3. 共振器はバルク音響波（Ｂ.Ａ.Ｗ）型共振器であることを特徴とする請求項１または２に記載のフィルタ。
4. 前記ＢＡＷ型共振器が、薄膜堆積、スパッタ、真空蒸着または堆積ＣＶＤ（化学気相成長）法で製造される請求項３に記載のフィルタ。
5. ＢＡＷ型共振器は、ＺｎＯ、ＮＬＡ、ＺｎＳまたは強誘電体セラミックとすることができる圧電材料を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のフィルタ。
6. 共振器は、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（ＡＬ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（ＭＯ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタニウム（Ｔｉ）、銀（Ｓｉ）、金（Ａｕ）およびタンタル（Ｔａ）から成る電極を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のフィルタ。
7. フィルタが携帯電話のための受信回路を実現するために使用されることを特徴とする上記請求項のいずれかに記載のフィルタ。
8. 結合共振器を有する回路フィルタの製造プロセスであって、
   ―基板を作製するステップ（１００）と、
   ―前記基板上に音響ミラー（１０１）を堆積するステップと、
   ―電極および圧電層を持つ下側共振器（１１０、２１０）、ならびに上側共振器（１２０、２１０）をそれぞれ有する第１（「左」）および第２（「右」）の構造を堆積するステップであって、前記下側および上側共振器は一層の音響結合層（１３０）により分離され、前記第１および第２構造は、前記下側共振器の前記電極および前記圧電層を共有する第５の共振器（３００）を、前記二つの構造の間に挿入するために離間されているステップと、
   を含む製造プロセス。
9. 製造プロセスが、
   ―基板を作製するステップ（１００）と、
   ―前記基板上に音響ミラー（１０１）を提供するステップと、
   ―第１金属層（２１１）を提供するステップと、
   ―第１圧電層（１１１）を提供するステップと、
   ―第２金属層（２１３）を提供するステップと、
   ―一層または数層の音響結合材料層（１３０）を提供するステップであって、前記層は、音響体積波を確実に伝送するステップと、
   ―第３金属層（１２１、２２１）を提供するステップと、
   ―第２圧電層（１２２、２２２）を提供するステップと、
   ―第４金属層（１２３、２２３）を提供するステップと、
   ―前記二つの構造を分離する空洞を作成するためにエッチングするステップであって、前記各構造は、
   ―前記一層または数層の音響結合材料層（１３０）の一部から構成されるそれ自体の音響結合層と、
   ―下部電極（１２１または２２１）および上部電極（１２３または２２３）および圧電材料層（１２２または２２２）を有する上側共振器を有し、前記構造は、電極（２１１、２１３）および圧電層（１１１）が前記第１および第２構造の前記下側共振器のものである第５共振器（３００）により互いに接続されること、
   を含むことを特徴とする請求項８に記載の製造プロセス。
10. ＢＡＷ型共振器が、ＺｎＯ、ＡＬＮ、ＺｎＳまたは任意の強誘電体セラミックとすることができる圧電材料を備えることを特徴とする請求項９に記載のプロセス。