JP4318653B2 - バルク弾性波フィルタおよび不要な側波通過帯域を除去する方法 - Google Patents

Description

本発明は、強固に載置された薄膜バルク弾性波共振器から製造された格子形フィルタあるいは、はしご形フィルタのようなバルク弾性波（ｂｕｌｋ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ）フィルタ、およびフィルタ応答における不要な側波通過帯域を除去する方法に関する。

図１に示されるように、従来技術による強固に載置された、あるいは音響ミラー型の薄膜バルク弾性波共振器フィルタ１０は、ＺｎＯあるいはＡｌＮのような圧電材料の圧電層１９に基づいた共振器部１１、および音響ミラー１２を含み、これら全ては、例えばガラスからなる基板１４上に載置される。薄膜バルク弾性波共振器（１６、１８）は、音波を電気信号に変換し（逆も同様）、またその周波数に依存したインピーダンスのために、電気回路内のフィルタとして使用され得る。

典型的には、薄膜バルク弾性波共振器フィルタ１０の音響ミラー１２は、異なる音響インピーダンスの材料からなる反射層（２４〜３０）の組み合わせから形成される。音響ミラー１２は、基板１４上に異なる材料の反射層（２４〜３０）の積層を形成するために、異なる材料の種々の層（２４〜３０）を堆積することによって、基板１４上に形成される。次に、下部電極（２０、３２）が音響ミラー１２の上に堆積され、続いて圧電層１９が、いわゆる圧電層１９を形成する下部電極（２０、３２）の上に堆積される。最後に、上部電極（２１、３３）が圧電層１９の上に堆積される。上部および下部電極（２１，２０；３３、３２）、ならびに圧電層１９の結合は、デバイスの共振器部１１と呼ばれる。音響ミラー１２は、電極（２１，２０；３３、３２）を介して供給される電圧に応答して共振器部１１によって生成される音波を反射する。その際、基板１４は圧電層１９から音響的に隔離される。

反射層（２４〜３０）に基本的に要求される事項は、圧電材料内において生成される音響エネルギーの好適な反射を有すことである。その結果、このエネルギーは共振器から漏れることはなく、最終的に所望されないエネルギー損失を生じさせない。

薄膜バルク弾性波共振器フィルタ１０の機械的共振周波数は、音波が上面から底部に至り、反射によって上面に戻る時間によって決定される。デバイスが薄くなるほど、音波の戻りは速くなる。簡易的な観点では、共振すなわち共鳴振動は、デバイスに入力された波が、前周期において導入された波が元の位置に戻ったときにその波に構造的に加算される周波数において発生する。そのため、バルク弾性波共振器の共振周波数は、厚さおよび堆積された膜の性質（すなわち、速度、密度）によって設定される。

バルク弾性波共振器は、例えば携帯電話のＲＦ部内の帯域通過（バンドパス）フィルタ用の素子として使用される。そのようなフィルタは、いわゆる、はしご形フィルタであり得、また格子形フィルタであり得る。はしご形フィルタは、例えば少なくとも１つの、いわゆるＬ部を含み、Ｌ部の直列共振器は、直列共振器２２および分路（ｓｈｕｎｔ）共振器２３を含み、これにより偶数の共振器からなる。しかしながら、他の応用においては、フィルタは奇数の共振器からなる。例えば、２・１／２段のフィルタは、２個の直列共振器２２と３個の分路共振器２３とを有するか、あるいは３個の直列共振器２２と２個の分路共振器２３とを有する。

そのような薄膜バルク弾性波共振器からバルク弾性波バンドパスフィルタを形成するために、直列および分路バルク弾性波共振器（２２、２３）は、異なる周波数において共振するように製造される（典型的には、全ての直列バルク弾性波共振器２２が１つの周波数において共振する必要はなく、また全ての分路バルク弾性波共振器２３が他の１つの周波数において共振する必要はない）。これは、図１および対応する説明に示されるように、分路バルク弾性波共振器２３の厚さを増加させることにより達成される。典型的には、分路バルク弾性波共振器の共振周波数は、その上部電極３３に厚さΔｄ_ｅの厚さ増加材料を追加することによって、あるいは、例えば、上部電極３３の上部に離調層３１を堆積することによって、低減される。

バルク弾性波共振器のこれらのフィルタの応用は、典型的には、基本振動数、すなわち図２に示されるように、第一次共振モード（Ｍ_１Ｒ、Ｍ_２Ｒ）において動作される。なぜなら、第一次共振モード（Ｍ_１Ｒ、Ｍ_２Ｒ）は、励起電界に対して最も強い結合を有するからである。そのため、第一次共振モード（Ｍ_１Ｒ、Ｍ_２Ｒ）は、最も広いフィルタ応答を達成する。しかしながら、第一次共振モード（Ｍ_１Ｒ、Ｍ_２Ｒ）の他に、他の音響モード（Ｍ_１Ｓ、Ｍ_２Ｓ）が確認され得る。バルク弾性波共振器構造の積層内におけるこれらのより高いモード（Ｍ_１Ｒ、Ｍ_２Ｒ）は、より高い周波数において励起される。図２はこの現象を示し、また、それぞれ、はしご形フィルタの分路および直列のバルク弾性波共振器を形成する２つのバルク弾性波共振器のインピーダンスプロットを示す。ほぼ１８００ＭＨｚの強いピーク（Ｐ_１Ｓ、Ｐ_２Ｓ）は、図１に示される２つのバルク弾性波共振器（１６、１７）の基本共振モード（Ｍ_１Ｒ、Ｍ_２Ｒ）に対応する。一方、ほぼ２８００ＭＨｚのピーク（Ｐ_１Ｓ、Ｐ_２Ｓ）は、上記音響オーバーモード（ｏｖｅｒｍｏｄｅ）に対応する。破線３４は、図１に示される直列バルク弾性波共振器２２に対応し、一方、実線は、図１に示される分路バルク弾性波共振器２３に対応する。

図３に示されるオーバーモードＭ_Ｓは、第一次バンドパスモードＭ_Ｒの二次、あるいは三次、あるいはより高次の高調波に対応しないことは、注目に値する。実際に、音響オーバーモードＭ_Ｓの周波数は、第一次バンドパスモードＭ_Ｒと、図３には示されない第二次高調波共振モードとの間に位置する。分路共振器の基本共振モードＭ_１Ｒおよび直列共振器の基本共振モードＭ_２Ｒが、フィルタ仕様に従ってフィルタ通過帯域を形成するように、音響共振（Ｍ_１ＳおよびＭ_２Ｓ）は、図３に示される「側波通過帯域」を生じさせる。ここで、バルク弾性波バンドパスフィルタの対応する透過は、周波数の関数としてプロットされる。

この側波通過帯域は、一般的には非常に狭い帯域であり、また、あまり言及されないが、側波通過帯域は、例えば図３に示されるように、それぞれの応用において適正な所定のフィルタ特性を維持するために、厳密な減衰帯域の制限が適応される周波数範囲に侵入する。そのため、各々が共振周波数のセットを有する複数の直列バルク弾性波共振器および複数の分路バルク弾性波共振器から形成される、新しいバルク弾性波フィルタが要求される。それにより、本発明の課題は、特に減衰帯域内において、抑制された側波通過帯域を有するバルク弾性波フィルタを提供すること、およびそのようなバルク弾性波フィルタの製造方法を提供することにある。

この課題は、独立請求項の主要事項によって解決される。好ましい実施形態の特徴は、従属請求項において規定される。

本発明のバルク弾性波フィルタは基板を備える。基板は、典型的には、音響共振周波数の波長のほぼ１／４の波長の厚さを有する必要のない音響ミラー層を支える。音響ミラー層は、低音響インピーダンスおよび高音響インピーダンス変更可能な形態において積層される。

音響ミラー層の最上面上に、第１のおよび第２の圧電共振器手段が並んで配置される。これらの圧電共振器手段は薄膜共振器構造を有する。そのような薄膜共振器構造は、圧電層および音響ミラー層の最上面上に配置された下部電極を含む。上部電極は圧電層の上部に配置される。第１の圧電共振器手段の電極は直列共振器枝路に電気的に接続され得、第２の圧電共振器手段の電極は分路共振器枝路に電気的に接続され得る。

分路共振器の周波数シフトおよび離調は、圧電中間線Ｌｍの上部において、分路共振器の積層の厚さを増加させることによって達成される。これは、分路共振器の圧電層の厚さを増加させることによって、あるいは上部電極の層の厚さを増加させることによって、あるいは分路共振器の上部電極の上部に追加の誘電体層を堆積させることによって、可能である。他に、直列共振器の対応する層を適正なエッチング手段によって薄くすること（薄層化）によっても可能である。簡易のために、そのような層を「所定の共振器（各々、共振器の所定のサブセット）用の特異層」と呼ぶ。それは、この共振器（各々、共振器のサブセット）の上あるいは下のみに、追加の層を堆積することによって、あるいは他の全ての共振器の対応する層を薄くすることによって、形成されることを意味する。

そのため、第２の圧電共振器手段セット内の少なくとも１つの共振器の基本共振周波数は、少なくとも１つの特異離調層を圧電中間面Ｌｍの上部の位置に提供することによって、低周波数側にシフトされる。離調層は、バルク弾性波フィルタの帯域幅Δｆを決定する。第１および第２の圧電共振器手段セットは並んで配置される。音響ミラー層は、基板と圧電共振器手段セットとの間に配置され、低音響インピーダンスおよび高音響インピーダンスを変化させる積層を含む。

さらに、本発明の薄膜バルク弾性波フィルタは、第１の圧電共振器手段セット内の少なくとも１つの共振器のために、圧電中間面Ｌｍの下方の位置において、少なくとも１つの追加的な特異層が供給されるオーバーモード離調要素を有する。

特に、バルク弾性波フィルタは、圧電中間面Ｌｍの下方において、分路共振器の少なくとも１つの層の層厚の低減が提供される、オーバーモード離調要素を有する。これは、最も好適には、分路共振器の最上位の低インピーダンスミラー層の小部分をエッチングすることにより、あるいは直列共振器の最上位の低インピーダンスミラー層の上に薄い追加層を堆積することにより、達成される。これは、従来の離調様式（基本共振モード）と完全に対照的である。なぜなら、本発明の方法においては、直列共振器の周波数が、分路共振器の周波数に対して低いからである。従来の離調様式の目標は、まさに反対である。

提示された方法は、圧電中間面Ｌｍの上下における層厚の変化に対する、基本モード対オーバーモードの異なる周波数感度に基づく。基本モードは圧電中間面Ｌｍの上の積層の変化に対して高感度であり、一方、オーバーモードは圧電中間面Ｌｍの下の積層の変化に対して高感度である。そのため、オーバーモード離調を、下部電極内および他のミラー層の１つ内においても達成し得る。

このバルク弾性波フィルタは、特に第１次および第２次共振器周波数間の上記オーバーモードが抑制されるという利点を有する。バルク弾性波フィルタは、また、特に、携帯電話に関連する仕様、あるいは他のセルラー、ワイヤレスあるいは光ファイバー通信に関連する仕様、およびコンピュータ内での仕様、あるいはコンピュータに関連する情報変換または情報分配システム内での仕様のために、要求されるフィルタ仕様の減衰帯域領域において側波通過帯域が発生しないという利点を有する。

交互に直列および分路の関係にある、本発明の第１および第２圧電共振器手段の有利な配置は、はしご構造を形成する。第１圧電共振器手段の直列共振器枝路は、信号を入力ポートから出力ポートに運び、一方、第２圧電共振器手段の分路共振器枝路は、信号をグランドに運ぶ他の経路を提供する。直列および分路素子の伝達特性あるいは減衰特性は、入力ポートから出力ポートに達する信号に影響する。本発明はバンドパスフィルタに関連するが、本発明による離調要素による離調の抑制作用は、異なる周波数共振器の多重化を要求する任意数のフィルタの改善に適用され得る。

さらに、本発明のバルク弾性波フィルタは、特に、ますます密集化する無線周波数スペクトルの状況において、正確なフィルタリングを許容するという利点を有する。それは、非常に強固で、大量生産可能で、小型であるという厳しい物理的要求に合致する。さらに、本発明のバルク弾性波フィルタは、その大きな減衰帯域の減衰によって、厳密な減衰および伝達特性を維持する。その際、最上位の音響ミラー層の厚さのミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）を含むオーバーモード離調要素によって、携帯電話のフロントエンドにおいて信号が効果的にクリーンアップされる。

好ましい実施形態においては、圧電層は、結晶性のＣｄＳ、ＰＺＴ、ＡｌＮおよび／またはＺｎＯを含む層である。これらの圧電層の結晶性の材料は、電気エネルギーを機械エネルギーにおよびその逆に変換し、その結果、その機械的共振周波数において、本発明のデバイスの電気的作用が急激に変化する。本発明の結果として、特定の周波数の電気信号は本発明のバルク弾性波フィルタを容易に通過し、一方、他の周波数の電気信号は好適に減衰され伝達されない。

さらなる本発明の好ましい実施形態は、２層から８層の低音響インピーダンス層、および１層から７層の高音響インピーダンス層を有する音響ミラー層の積層を含み、好ましくは、３層から５層の低音響インピーダンス層、および２層から４層の高音響インピーダンス層を有する音響ミラー層の積層を含む。各層は、音響共振周波数の波長のほぼ４分の１の厚さを有する。可変音響ミラー層の層数が大きくなるほど、バルク弾性波フィルタの通過帯域のエッジは鋭くなる。音響ミラー層の積層は、好ましくは、低音響インピーダンス材料としてＳｉＯ_２あるいはＳｉ_３Ｎ_４を含み、高音響インピーダンス材料としてＡｌＮ、Ｃｒ、およびＭｏからなる群の１つを含む。

本発明のバルク弾性波フィルタのさらなる好ましい実施形態においては、上部電極および前記下部電極は、少なくとも２つの層を有するサンドイッチ構造をそれぞれ含む。そのうち、第１の層は圧電層に密接し、一方、第２の層は第１の層と密接する。各電極内の第１の層の材料は、共振器内の圧電層の材料と、電極に供給される電圧によって形成される電界との効果的な結合係数を増加させるように選択され、かつ使用される。各電極内の第２の層の材料は、電極内の電気的損失を低減するように選択され、かつ使用される。そのため、第１の層は、第２の層と比較して高音響インピーダンス材料、例えば、Ｗ、ＴａあるいはＡｕから、好ましくはＷから形成される。第２の層は、第１の層と比較して高導電性材料、例えば、Ａｌ、Ａｇ、あるいはＣｕから、好ましくはＡｌから形成されるから形成される。

バルク弾性波フィルタの製造方法は、以下の工程を含む。

低音響インピーダンスおよび高音響インピーダンスを変化させる積層が堆積された基板が、提供される。音響ミラー層の上に、音響ミラー層に対向する下部電極および上部電極を有する、第１および第２の圧電共振器手段セットが生成される。バルク弾性波フィルタの帯域幅Δｆは、少なくとも１つの特異離調層を圧電中間面（Ｌｍ）上の位置に提供することによって、基本共振周波数を低周波数側にシフトすることにより、基本共振周波数を低周波数側にシフトすることによって、決定される。さらに、第１の圧電共振器手段セット内の少なくとも１つの共振器のために、圧電中間面（Ｌｍ）の下方の位置に１つの追加的な特異層の実施によって、オーバーモード離調要素が追加される。

圧電共振器手段の所定領域を薄くあるいは厚くすることによって、直列枝路あるいは分路枝路内の薄膜共振器要素による共振周波数のセットを生成するために、従来の離調工程が適用される。そのため、分路枝路の薄膜共振器素子の共振周波数に対して、直列枝路の薄膜共振器素子の共振周波数のセットをアップシフトさせるために、直列枝路の薄膜共振器素子から圧電層を薄くすることが実行され、あるいは分路枝路の薄膜共振器素子から上位電極の厚さを厚くすることが実行される。

音響オーバーモード共振周波数のオーバーモード離調工程は、分路枝路の領域内の最上位の音響ミラー層の少なくとも１つの厚さを薄くすることによって実行される。その際、音響オーバーモード共振周波数を離調するための音響共振周波数の波長の４分の１の、ほぼ５０分の１から３００分の１の範囲において、この音響ミラー層の厚さが薄くされる。

この方法は、特に第１次および第２次共振器周波数間のオーバーモードが、携帯電話に関連する仕様、あるいは他のセルラー、ワイヤレスあるいは光ファイバー通信に関連する仕様、およびコンピュータ内での仕様、あるいはコンピュータに関連する情報変換または情報分配システム内での仕様のために、要求されるフィルタ仕様の減衰帯域領域において側波通過帯域が発生しないという方法によって、周波数がシフトされるという利点を有する。

この方法は、最上位の音響ミラー層をわずかに薄くする工程が、下部電極の堆積の実施の前に実行されるという、さらなる利点を有する。この薄層化は、通過帯域領域内の側波通過帯域周波数を抑制するために、分路共振器枝路領域内の最上位の音響ミラー層から数ナノメートルをエッチングすることによって行われる。実際には、薄層化の範囲は、音響共振周波数の波長の４分の１の、５０分の１から３００分の１の範囲である。薄層化は、ウェットエッチング、プラズマエッチング、スパッタエッチング、あるいは反応性イオンエッチングによって、容易に行われ得る。直列共振器枝路領域は、分路共振器枝路領域のエッチング工程の間、レジスト層によって保護され得る。

分路共振器枝路の上位電極の厚さを増加させることによって離調する工程は、この工程がかなり最終的な工程として行われ得るため、コスト的に有効な方法であるという利点を有する。そのため、上記指摘されたように、バルク弾性波フィルタのバンド幅の適正な決定を達成するために、ほぼ完成したデバイスのこれら電極の厚さの変更によって、離調の後調整あるいは再調整を行うことが可能である。

圧電層を薄層化することによって離調する工程は、薄膜共振器素子の厚さを低減するために、直列枝路薄膜共振器素子から圧電材料を選択的にエッチング工程を含む。選択的にエッチング工程は、フィルタの帯域通過応答の所望の形状を生成し、バルク弾性波フィルタのバンド幅を決定する。バルク弾性波フィルタのバンド幅を決定するためのそのような薄層化は、圧電層が下部電極上に堆積された直後に行われ得る。この薄層化は、直列共振器枝路の領域内において選択的に行われる。この薄層化工程において、圧電層の厚さの１０分の１から２０分の１の範囲の差厚がエッチングされ、そのエッチング差厚は、オーバーモード離調のための薄層化より少なくとも一段階大きい。そのため、バルク弾性波フィルタのバンド幅を決定するために、圧電層内において行われる離調要求は、音響ミラーフィルタ内において行われるオーバーモード離調要求とは比較できない。

基板上にそのような薄膜共振器領域を生成した後に、複数の薄膜共振器素子が、ネットワークを形成するために、フィルタの直列枝路及び分路枝路に結合されて、電気的に接続される。このネットワークは複数のＴセルを含み、各Ｔセルは、直列枝路及び分路枝路に結合された複数の薄膜共振器素子を含む。各薄膜共振器素子は、共振周波数セットを有する。これは、Ｔセルの直列枝路内の薄膜共振器素子の共振周波数セットを、分路枝路の薄膜共振器素子内の共振周波数に対して、上側にシフトさせることによって、達成される。このとき、直列枝路の薄膜共振器素子の表面から、圧電材料が除去される。

薄膜共振器フィルタを離調するための他の方法は、分路枝路の薄膜共振器素子を形成する領域内に追加的な圧電材料を堆積することによって、フィルタの分路枝路内の薄膜共振器素子の共振周波数セットを、直列枝路の薄膜共振器素子に対して、下側にシフトさせることである。この方法は、音響共振周波数の波長の２分の１の、ほぼ２分の１から２０分の１の分路共振器枝路の範囲の圧電層の厚さを増加させる必要があるため、上記された離調方法とは部分的に異なる。これは、圧電材料を化学気相成長法あるいは物理気相成長法によって堆積することにより行われ得る。これは、分路電極の堆積の前に行う必要がある。
（要約）
本発明は、薄膜バルク弾性波共振器から製造されるバルク弾性波（ＢＡＷ）フィルタ（４０）および不要な側波通過帯を除去する方法に関する。ＢＡＷフィルタは、基板（１４）、共振器部（１１）、および音響ミラー部（１２）を含む。ＢＡＷフィルタは、正確な通過帯域特性を提供するために、共振器部（１１）内に配置された離調要素（３１）と、不要な側波通過帯域を抑制するために、音響ミラー部（１２）内に配置された追加の離調要素（４１）とを、さらに含む。

本発明は、以下の図面を参照した詳細な説明によって十分に理解される。ここで、同一の要素は同一の参照番号によって示される。説明は例示的なものであり、本発明を限定するものではない。

図１は、上記従来技術による、音響ミラー型薄膜バルク弾性波共振器フィルタ１０を概略的に示す。図２は、図１の薄膜バルク弾性波共振器フィルタ１０を形成する直列及び分路バルク弾性波共振器（２２，２３）のインピーダンスのプロットを示す。さらに、図３は、図１の薄膜バルク弾性波共振器フィルタの透過特性を示す。図２および図３に見出されるように、音響ミラー型薄膜バルク弾性波共振器フィルタ１０は、フィルタの第一次共振周波数と第二次高調波共振周波数との間に、弱い側波通過帯域を形成するオーバーモード共振を示す。フィルタのこの側波通過帯域は、様々なフィルタ応用のために要求される減衰帯域に侵入する可能性がある。そのため、複数の直列バルク弾性波共振器および複数の分路バルク弾性波共振器から形成される、新しいバルク弾性波共振器フィルタが要求される。

図４は、本発明の第１の実施形態による音響ミラー型薄膜バルク弾性波共振器フィルタ４０を概略的に示す。この薄膜バルク弾性波共振器フィルタ４０は基板１４を含み、基板１４上には、音響ミラー１２を形成するために、音響ミラー層（２４〜３０）の積層が堆積されている。各音響ミラー層（２４〜３０）は、音響共振周波数の波長λのほぼ４分の１波長λ／４の厚さｄ_ｍを有する。この音響ミラー層（２４〜３０）は、４つの低音響インピーダンス層（２４、２６、２８、３０）と、その間の３つの高音響インピーダンス層（２５、２７、２９）とからなる。

低音響インピーダンスの最上位音響ミラー層３０は、第１の圧電共振器手段１６と第２の圧電共振器手段１８によって占められる領域間のミスマッチを提供するオーバーモード離調要素４１を含む。このオーバーモード離調要素４１は、最上位音響ミラー層３０の厚さｄｍ内にミスマッチΔｄ_ｍを提供する。このミスマッチΔｄ_ｍの厚さは、音響波長λの４分の１（λ／４）の、ほぼ１００分の１から２００分の１の範囲にある。第１の圧電共振器手段１６と第２の圧電共振器手段１８との間の厚さの差の、このオーバーモード離調要素４１は、上記側波通過帯域フィルタ特性を抑制する効果を有する。

直列共振器枝路２２および分路共振器枝路２３の下部電極（２０、３２）は、それぞれこの最上位音響ミラー層３０上に位置する。この下部電極上に、共振波長λのほぼ４分の１（λ／４）の厚さの圧電層１９が堆積され、この圧電層１９の上に、直列共振器枝路２２および分路共振器枝路２３の既知の上部電極（２１および３３）が、それぞれ堆積される。薄膜バルク弾性波共振器フィルタ４０の離調を達成するために、上部電極３３は、該上部電極３３の厚さの２分の１から２０分の１の厚さΔｄ_ｅを有する離調要素３１によって覆われている。そのため、本発明のデバイスの共振器部１１は、図１に示される従来の共振器部１１と同一である。

図５は、１８７０ＭＨｚの第一次共振周波数での、基板１４からの距離の関数として、直列共振器内でのバルク弾性波フィルタによって生成される変位を示す。図３に示される側波通過帯域の理由は、図１の直列共振器枝路２２および分路共振器枝路２３のオーバーモード共振が、側波通過帯域の形成を引き起こす適正な周波数分離を示すことにある。側波通過帯域の実際の形状は、分離における最小挿入損失（あるいは、対応した、通過帯域仕様の最大の妨害）を伴う、この分離の強い機能である。ここで、分路共振器の並列共振および直列共振器の直列共振は、ほぼ同一の周波数を有する。

本発明の概念は、生じた側波通過帯域の特徴が特定の応用の仕様を妨害せず、一方、同時に主通過帯域の作用がゆがめられないという方法において、オーバーモードのこの周波数分離を変更する方法を提供することである。

図５と比較して、図６は、２８００ＭＨｚのオーバーモードの周波数での、基板１４からの距離の関数として、直列共振器内でのバルク弾性波フィルタによって生成される変位を示す。この比較は、オーバーモードが、圧電層１９の基本共振周波数の実際のオーバーモードからよりむしろ、ミラー層自身内での音響共振から来ることを、明確に示す。圧電層１９の基本共振周波数の実際のオーバーモードは、ほぼ３．６ＧＨｚの第二次高調共振、あるいは、ほぼ５．４ＧＨｚの第三次高調共振のように、より高い周波数が予期される。

所望しない２．８ＧＨｚの第一のオーバーモード共振は、主に、ゼロμｍの基板表面からほぼ３μｍの位置のフィールドノード周辺の上位の２つの低音響インピーダンス層の振動によって生じる。その結果として、所望しないオーバーモードの共振周波数は、様々な音響ミラー層、特に、最上位の低音響インピーダンスミラー層３０および低音響インピーダンスミラー層２８の層厚の敏感な関数である。

ミラー層内のオーバーモードのこの局在性の他の結果は、オーバーモードの共振周波数が、共振器部１１の層の、特に圧電中間面の上部の層の厚さの変動に対してかなり少ない敏感性を示すことにある。さらに、オーバーモードの狭い共振器バンド幅（あるいは、低い結合）特性によって、かなり小さいオーバーモード離調が、かなりの側波通過帯域を引き起こすために、実際に必要とされる。そのため、従来技術の離調が、基本モードおよびオーバーモードのための適正な離調を生成する、積層および離調形態の広い多様性が存在する。直列共振器および分路共振器は、追加的な離調要素を共振器部１１の上部あるいはその内部に追加することによって所望の通過帯域を形成するために、離調される。

この離調要素は、共振器部１１の上部あるいはその内部において大きな厚さの差を作成することによって行われる。また、離調要素は、図３に示されるように、バンド幅Δｆを有する正確な通過帯域共振モードＭ_Ｒを形成するために、第一次共振周波数あるいは基本モードの大きな周波数シフトを引き起こす。一方、それは、同時に第一次オーバーモードのわずかなシフトをもたらす。本発明による方法によって補償されない場合、それは、図３に示されるように、所望しないオーバーモード側波通過帯域フィルタＭ_Ｓを生じさせる。

所望しない側波通過帯域は、主に、圧電層１９あるいは上部電極によってではなく、低音響インピーダンスミラー層３０によって引き起こされるため、本発明の概念は、音響ミラー層の１つの層厚をわずかに変更することにある。それは、薄いバルク弾性波共振器膜内の直列共振器枝路のための、あるいは分路共振器枝路のためのオーバーモード周波数に敏感な効果を示す。図４に示されるように、オーバーモード離調要素４１の導入によって、図２に示されるような直列共振器枝路の第一次共振モードＭ_１Ｒの音響オーバーモードＭ_１Ｓの、図２に示されるオーバーモード共振のピークＰ_１Ｓ、および分路共振器枝路の第一次共振モードＭ_２Ｒの音響オーバーモードＭ_２Ｓの、オーバーモード共振のピークＰ_２Ｓは、上記不都合でかつ所望しないケースから除去され得る。そのため、側波通過帯域は、少なくとも十分に抑制され得る。側波バンドパスフィルタのオーバーモードＭ_Ｓの抑制に対する図４のオーバーモード離調要素４１の効果は、次の図に示される。

図７は、ＧＨｚの周波数の関数として、側波通過帯域の挿入損失をｄＢの単位で示す。減衰帯域のための挿入損失は、この場合、マイナス１５ｄＢである。図７は、分路共振器枝路領域と直列共振器枝路領域との間において、最上位の音響ミラー層の２ｎｍから１４ｎｍの範囲の厚さのミスマッチ（オーバーモード離調要素４１）の影響を示す。図７から見出されるように、単に４ｎｍのミスマッチは、すでに、減衰帯域仕様の間近まで側波通過帯域を低減させるために十分である。図４に示されるオーバーモード離調要素４１の６ｎｍのミスマッチは、すでに、減衰帯域が二度と侵されない効果を有する。

従来の離調機構と本発明によるオーバーモード抑制離調機構との間の相違は、従来の機構が、分路共振器の領域内に少なくとも１つの追加的な層の材料を堆積することによって、あるいは、少なくとも１つの共通の層を、直列共振器内の同一の層に対して薄く形成することによって、分路積層の有効な厚さを増加させようとする（および、それによって、その共振周波数を低減して）ことにある。本発明によって提案された機構は、オーバーモードの周波数離調を低減させるために、および最終的にフィルタ応答における所望しない側波通過帯域を低減するために、完全に逆の構想（すなわち、直列共振器のためにより厚くする）を用いて、追加的な特異層を含む。

このミスマッチは、より薄い層厚を有するように想定された領域を開口するリソグラフィーマスクを使用することによって達成され得る。続くエッチング工程において、露出された層の適切な部分が、ドライあるいはウェットエッチング、あるいはイオンミリングのような標準の半導体プロセス方法によってエッチングされる。最後に、レジストマスクが除去され、薄膜バルク弾性波共振器フィルタのための製造プロセスが、通常の方法によって継続される。他に、露出された表面領域の上部に追加的な薄い層の材料を堆積するために、リフト−オフ（ｌｉｆｔ−ｏｆｆ）マスクとして、レジストマスクを使用することも可能である。しかしながら、この場合、マスクは、反対の共振器タイプを開口する必要がある。

実際に、分路共振器の最上位の音響ミラー層３０は、オーバーモード離調の反転が生じるように薄層化され得る。そのような反転は、分路オーバーモードの周波数が直列オーバーモードの周波数より高いという結果となる。この場合は、側波通過帯域フィルタの影響が完全に除去されるため、好ましい（図７の１４ｎｍの厚さのミスマッチを参照）。

音響ミラー層の層厚の変化は、また、直列および分路共振器の基本共振の離調への影響を有する。しかしながら、基本共振周波数は、最上位の音響ミラー層のこれらの厚さに対してかなり鈍感であり、また、厚さ変化はきわめて小さいため、この影響はかなり小さい。そのため、このわずかな「アンチ離調」は、共振器部内の基本モード離調層の厚さを調節することによって、補償することができる。

最上位の音響ミラー層の薄層化の側波通過帯域の形状への効果は、図７に、６ｎｍの層厚の削減が、すでに挿入損失のピークＰＳを減衰帯域の仕様以下に押し下げることによって示される。さらなる薄層化は、側波通過帯域の向きをさらに変える。この特定の例のために最適な薄層化は、１０ｎｍ ＋／− ４ｎｍの範囲内である。このミスマッチは、上記エッチングプロセスによって達成され、＋／− ４ｎｍの許容差を有する。

図８は、図４のバルク弾性波フィルタの透過特性を示す。ここでも、ｄＢ単位の挿入損失が、ＧＨｚの周波数の関数として示される。減衰帯域は、マイナス１５ｄＢの挿入損失に接近した水平の線によって特徴づけられている。この図から認識され得るように、図４に示されるオーバーモード離調要素４１の、分路共振器枝路の領域と直列共振器枝路の領域との間の、最上位の音響ミラー層３０の厚さのミスマッチを形成するためのほぼ１０ｎｍの、最上位の音響ミラー層３０の薄層化によって、側波通過帯域は十分に抑制される。

図９は、本発明の第２の実施形態による音響ミラー型薄膜バルク弾性波共振器フィルタ５０を概略的に示す。本発明の第２の実施形態において、全ての電極（２０、２１、３２、および３３）の厚さは、離調要素を有せずに変更されない状態で存在する。本発明の第２の実施形態の離調要素３１は、直列共振器枝路２２の領域内において、１０分の１から２０分の１の範囲の圧電層１９の厚さｄ_ｐの差厚Δｄ_ｐによって提供される。第一次すなわち基本共振周波数のための正確な通過帯域のための、この離調は、圧電層１９の内部に設けられるが、オーバーモード離調要素４１による側波通過帯域の抑制のためのオーバーモード離調は、本発明の図４による第１の実施形態を同様に達成される。

従来技術による音響ミラー型バルク弾性波共振器フィルタを概略的に示す。 図１のバルク弾性波バンドパスフィルタを形成する直列及び分路バルク弾性波共振器のインピーダンスのプロットを示す。 図１のバルク弾性波バンドパスフィルタの透過特性を示す。 本発明の第１の実施形態による音響ミラー型バルク弾性波共振器フィルタを概略的に示す。 １８７０ＭＨｚの第一次共振周波数での、基板からの距離に関連した、直列共振器内でのバルク弾性波フィルタによって生成される変位を示す。 ２８００ＭＨｚのオーバーモードの周波数での、基板からの距離に関連した、直列共振器内でのバルク弾性波フィルタによって生成される変位を示す。 分路共振器枝路と直列共振器枝路との間において、最上位の音響ミラー層の２ｎｍから１４ｎｍの範囲のミスマッチの影響を示す。 図４のバルク弾性波バンドパスフィルタの透過特性を示す。 本発明の第２の実施形態による音響ミラー型バルク弾性波共振器フィルタを概略的に示す。

符号の説明

１０ 薄膜バルク弾性波共振器フィルタ
１１ 共振器部
１２ 音響ミラー部
１４ 基板
１６ 第１の圧電共振器手段
１７ 薄膜共振器構造
１８ 第２の圧電共振器手段
１９ 圧電層
２０ 直列共振器枝路の下部電極
２１ 直列共振器枝路の上部電極
２２ 直列共振器枝路あるいは直列薄膜共振器素子
２３ 分路共振器枝路あるいは分路薄膜共振器素子
２４、２６、２８、３０ 低音響インピーダンスを有する音響ミラー層
２５、２７、２９ 高音響インピーダンスを有する音響ミラー層
３１ 離調要素
３２ 分路共振器枝路の下部電極
３３ 分路共振器枝路の上部電極
３４ ダッシュ線
４０ 薄膜バルク弾性波共振器フィルタ
４１ 離調要素
５０ 薄膜バルク弾性波共振器フィルタ
ｄ_ｐ 圧電層の厚さ
ｄ_ｍ 音響ミラー層の厚さ
ｄ_ｅ 上部電極の厚さ
Δｄ_ｐ 圧電層の厚さの差
Δｄ_ｅ 上部電極の厚さの差
Δｄ_ｍ 最上音響ミラー層の厚さミスマッチ
Δｆ 帯域幅
Ｍ_Ｒ 帯域通過応答モード
Ｍ_Ｓ オーバーモード
Ｍ_１Ｒ 直列共振器枝路の第１オーダー応答モード
Ｍ_２Ｒ 分路共振器枝路の第１オーダー応答モード
Ｐ_１Ｒ Ｍ_１Ｒのピーク
Ｐ_２Ｒ Ｍ_２Ｒのピーク
Ｍ_１Ｓ Ｍ_１Ｒの音響オーバーモード
Ｍ_２Ｓ Ｍ_２Ｒの音響オーバーモード
Ｐ_Ｓ 挿入損失のピーク
Ｐ_１Ｓ Ｍ_１Ｓのピーク
Ｐ_２Ｓ Ｍ_２Ｓのピーク
λ 共振波長
λ／２ 共振波長の２分の１
λ／４ 共振波長の４分の１

Claims (19)

1. 基板（１４）を備えるバルク弾性波フィルタであって、
   該基板は、
   圧電層（１９）と下部電極（２０）と上部電極（２１）とを直列共振器枝路を形成するように電気的に結合するように含む薄膜共振器（１７）を有する、第１の圧電共振器手段セット（１６）と、
   該第１の圧電共振器手段セットと並んで配置され、該第１の圧電共振器手段セットと同様にしてなる薄膜共振器（１７）を有し、分路共振器枝路を形成するように電気的に結合する第２の圧電共振器手段セット（１８）と、ここで、
   該バルク弾性波フィルタの帯域幅（Δｆ）を決定する少なくとも１つの特異離調層を圧電中間面（Ｌｍ）の上部の位置に提供することによって、基本共振周波数が低周波数側にシフトされ、
   該基板（１４）と該圧電共振器手段セット（１６、１８）との間に配置され、低音響インピーダンス（２４、２６、２８、３０）および高音響インピーダンス（２５、２７、２９）を変化させる音響ミラー層（２４〜３０）と、
   を支え、
   該バルク弾性波フィルタは、オーバーモード離調要素を有し、該オーバーモード離調要素は、前記第１の圧電共振器手段セット（１６）の少なくとも１つの共振器の位置において該圧電中間面（Ｌｍ）の下部に少なくとも１つの追加的な特異層を設けることにより構成されており、
   該追加的な特異層は、該圧電中間面（Ｌｍ）の下部の下部電極（２０、３２）の厚さのミスマッチ、または該圧電中間面の下部の該音響ミラー層（２４〜３０）の厚さのミスマッチを前記第１と第２の圧電共振器手段セットの間にもたらすことにより形成されており、側波通過帯域を抑制するものである、バルク弾性波フィルタ。
2. 前記圧電層（１９）は、結晶性のＣｄＳ、ＰＺＴ、ＡｌＮおよび／またはＺｎＯを含む層である、請求項１に記載のバルク弾性波フィルタ。
3. 前記圧電層（１９）は、音響共振周波数の波長（λ）のほぼ４分の１の厚さ（ｄｐ）を有し、前記圧電中間面（Ｌｍ）は、該波長（λ）のほぼ８分の１の厚さの場所に位置する、請求項１または２に記載のバルク弾性波フィルタ。
4. 音響ミラー層（２４〜３０）の積層は、２層から８層の低音響インピーダンス層（２４、２６、２８、３０）、および１層から７層の高音響インピーダンス層（２５、２７、２９）を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のバルク弾性波フィルタ。
5. 前記音響ミラー層（２４〜３０）の積層は、低音響インピーダンス材料としてＳｉＯ２あるいはＳｉ３Ｎ４を含み、高音響インピーダンス材料としてＡｌＮ、Ｃｒ、ＷおよびＭｏからなる群の１つを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のバルク弾性波フィルタ。
6. 前記音響ミラー層（２４〜３０）の各々は、前記音響共振周波数の前記波長（λ）のほぼ４分の１の厚さ（ｄｍ）を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載のバルク弾性波フィルタ。
7. 前記オーバーモード離調要素は、前記分路共振器の領域内の少なくとも１つの、前記圧電中間面（Ｌｍ）の下方の厚さのミスマッチ（Δｄｍ）を提供し、および／または前記直列共振器は、前記音響共振周波数の前記波長（λ）の４分の１の、ほぼ３００分の１から５０分の１の範囲の厚さのミスマッチ（Δｄｍ）を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載のバルク弾性波フィルタ。
8. 前記上部電極（２１、３３）および前記下部電極（２０、３２）は、前記圧電層に密接する第１の層と該第１の層と密接する第２の層との少なくとも２つの層を有するサンドイッチ構造をそれぞれ含み、ここで該第１の層は該第２の層と比較して高音響インピーダンス材料から形成され、該第２の層は該第１の層と比較して高導電性材料から形成される、請求項１から７のいずれか一項に記載のバルク弾性波フィルタ。
9. 前記第１の層は、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、あるいはＡｕから、好ましくはＷから形成され、前記第２の層は、Ａｌ、Ａｇ、あるいはＣｕから、好ましくはＡｌから形成される、請求項１または８に記載のバルク弾性波フィルタ。
10. 前記電極の厚さ間のミスマッチは、前記第２の層のミスマッチによって提供される、請求項１、８、および９のいずれか一項に記載のバルク弾性波フィルタ。
11. バルク弾性波フィルタの製造方法であって、
    基板を提供する工程と、
    低音響インピーダンス（２４、２６、２８、３０）および高音響インピーダンス（２５、２７、２９）を変化させる積層（２４〜３０）を、該基板上に堆積する工程と、
    該音響ミラー層（２４〜３０）の上に、該音響ミラー層に対向する下部電極（２０）および上部電極（２１）を有する、第１および第２の圧電共振器手段セット（１６、１８）を生成する工程と、
    少なくとも１つの特異離調層を圧電中間面（Ｌｍ）上の位置に提供することにより、基本共振周波数を低周波数側にシフトすることによって、該バルク弾性波フィルタの帯域幅（Δｆ）を離調する工程と
    を包含するバルク弾性波フィルタの製造方法において、
    前記第１の圧電共振器手段セット内の少なくとも１つの共振器の位置における該圧電中間面（Ｌｍ）の下部に少なくとも１つの追加的な特異層を設けることによって、オーバーモード離調要素が追加されることを特徴とし、
    該追加的な特異層は、該圧電中間面の下部の下部電極の厚さのミスマッチ、または該圧電中間面の下部の該音響ミラー層の厚さのミスマッチを前記第１と第２の圧電共振器手段セットの間にもたらすことにより形成されており、側波通過帯域を抑制するものである、方法。
12. 前記離調する工程は、薄膜共振器の厚さ（ｄｐ）を低減するために、および前記バルク弾性波フィルタ（４０、５０）の帯域幅を決定するために、前記共振器の構成素子（２２）の１つから圧電材料を選択的にエッチングすることにより、圧電層（１９）を薄くすることによって行われる、請求項１１に記載の方法。
13. 前記選択的エッチングする工程は、フィルタの帯域通過応答の所望の形状を生成する、請求項１２に記載の方法。
14. 薄膜共振器（２２、２３）が、基板上の電極（２０、２１；３２、３３）間に圧電材料を挿入することにより形成され、
    前記離調する工程は、薄膜共振器素子（２２）を形成するために、領域から圧電材料を除去することを包含する、請求項１３に記載の方法。
15. 単一の基板（１４）上に薄膜技術を使用して製造され、ネットワークに接続される複数の薄膜共振器素子（２２、２３）から形成された薄膜共振器フィルタを離調するための、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法であって、
    該複数の薄膜共振器素子（２２、２３）の各々は、所定の複数の薄膜共振器素子の共振周波数のセットを全体的な初期値から増加させることによってフィルタ機能を提供するために要求された異なる共振周波数のセットを用いて製造され、
    該増加させる工程は、薄膜共振器素子の厚さ（ｄｐ）を減少させるために、該所定の薄膜共振器素子（２２）から圧電材料を選択的にエッチングすることによって有効化され、
    該圧電材料の除去は、フィルタ内の他の薄膜共振器素子（２３）の共振周波数のセットに対して、該低減された素子の厚さ（ｄｐ−Δｄｐ）を有する所定の薄膜共振器素子の共振周波数のセットを上側にシフトさせる、方法。
16. 前記複数の薄膜共振器素子（２２、２３）は、直列に結合され、前記ネットワークを形成するために該フィルタの枝路に分路する、請求項１５に記載の方法。
17. 接続された複数の薄膜Ｔセルから形成されたラダーフィルタを離調するための、請求項１１から１６のいずれか一項に記載の方法であって、該複数の薄膜Ｔセルの各々が、直列に結合され枝路に分路する複数の薄膜共振器素子（２２、２３）を含み、該複数の薄膜共振器素子の各々が共振周波数のセットを有する、方法において、
    該直列枝路の薄膜共振器素子（２２）の表面から圧電材料を除去することによって、該Ｔセルの直列枝路内の薄膜共振器素子（２２、２３）の該共振周波数のセットを、該分路枝路の薄膜共振器素子（２３）内の共振周波数に対して上側にシフトさせる工程を包含する、請求項１１から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記複数の薄膜共振器素子（２２、２３）の各々は、基板上の電極（２０、２１；３２、３３）間に圧電材料を挿入することにより形成され、
    前記離調する工程は、分路薄膜共振器素子（２３）を形成するための領域内の圧電材料を除いて、直列薄膜共振器素子（２２）および／または前記基板を形成するための領域から圧電材料を除去すること、を包含する、請求項１７に記載の方法。
19. 電気的に直列枝路および分路枝路に接続された複数の薄膜共振器素子（２２、２３）から形成された薄膜共振器フィルタを離調するための、請求項１１から１８のいずれか一項に記載の方法であって、該複数の薄膜共振器素子（２２、２３）の各々が、２つの電極（２０、２１；３２、３３）間に挿入された圧電材料の圧電層（１９）含み、該複数の薄膜共振器素子の各々が共振周波数のセットを有する、方法において、
    該分路枝路の薄膜共振器素子（２３）を形成する領域内に追加的な圧電材料を堆積することによって、該フィルタの分路枝路（２３）内の薄膜共振器素子（２３）の該共振周波数のセットを、該直列枝路の薄膜共振器素子（２２）に対して、下側にシフトさせる工程を包含する、方法。

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