JP2004515149A

JP2004515149A - フィルタの、もしくはフィルタに関連する改善

Info

Publication number: JP2004515149A
Application number: JP2002546291A
Authority: JP
Inventors: スウ，チンシン; カービー，ポール・ビー; 小室　栄樹; 伊村　正明; ホワットモア，ロジャー・ダブリュー
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2004-05-20
Also published as: WO2002045265A1; US20040150295A1; US7199504B2; AU2001269334A1; EP1340315A1; EP1340315B1; US7187254B2; DE60131888D1; JP2004007847A; DE60131888T2; US20040061416A1; GB0029090D0

Abstract

コプレーナ導波路構造内において直列（１０）及び並列（１１）に構成された多重薄膜バルク波共振子（１０、１１）により、コンパクトなはしご型フィルタを提供する。共振子（１０、１１）は基板（２０）中の開口部（２８）上方に形成され、基板（２０）上に形成された１以上の伝送線路により関連回路に接続されている。コプレーナ線路構造の接地線路と信号線路との間に共振子（１０、１１）を配置することにより、フィルタ面積を最小化する手段が提供される。コプレーナ伝送線路構造内にはしご型フィルタを埋設することにより、ワイヤボンドが不要になり、よって製造を簡略化できる。２×２およびより高次のフィルタの実施形態を記載している。
【選択図】図４Ａ

Description

【０００１】
本発明は、フィルタの、もしくはフィルタに関連する改善に関し、特に薄膜バルク波共振子（ＦＢＡＲ）フィルタであって、その中でも特に薄膜技術を用いて簡単に製造できる、マイクロ波周波数で動作するＦＢＡＲフィルタの構成に関連する改善に関する。
【０００２】
ＭＨｚやＧＨｚ域の高い周波数でフィルタを用意することは重要である。というのは、今日、これらの周波数域が無線通信に頻繁に使用されているからである。かかる用途のためには、フィルタのサイズは可能な限り小さいことが重要である。したがって、基板表面上のフィルタのサイズを極力小さくできるフィルタ構成が望まれている。
【０００３】
ＦＢＡＲは、高い周波数、特にＭＨｚおよびＧＨｚ域において共振ピークを示すため、魅力的なデバイスである。さらに、ＦＢＡＲは小型デバイスにすることも可能である（〜１００ミクロンサイズ）。したがって、ＦＢＡＲは携帯電話などの小型かつ軽量で薄い電気製品に実装するのにも有用であると考えられる。
【０００４】
ＦＢＡＲは、典型的には酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）またはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）といった薄膜圧電層を、半導体基板上に形成された薄膜や四分の一波長音響スタックの上に堆積することにより作製される。この組合せは、特定の周波数において共振する音響構造を形成する。
【０００５】
従来のＦＢＡＲデバイスは、接触パッドおよびワイヤボンドによって関連回路に連結されている。この方法では、金属導線の寄生インダクタンスのせいで接地接続が不充分になる。また、この手法ではシミュレーションおよび結果の分析が困難になる。
【０００６】
コプレーナ導波路（ＣＰＷ）構造内にＦＢＡＲを組み込むという代替方法では、接地−信号−接地接続部において、圧電層の上部と下部に接触する信号接続部が必要になる。公知の配置では、電極は伝送線路構造から分離されている。そのため面積が大きくなって、製造できるデバイスのサイズが制限されることになる。
【０００７】
本発明は、既存のＦＢＡＲの不都合を克服もしくは緩和するとともに、複数のＦＢＡＲを備えつつ、よりコンパクトなフィルタ構成を可能にすることを追求している。
【０００８】
本発明の好適な目的は、複数のＦＢＡＲを備えたフィルタ、特に、ウェハ表面上のフィルタ領域のうちのプレーナー領域を最小にするために薄膜技術を用いて製造される圧電フィルタを提供することである。
【０００９】
本発明のさらに他の好適な目的は、小型であり低位の帯域端減衰極（クローズインリジェクション）および低位の帯域外減衰（アウトオブバンドリジェクション）を示す、複数のＦＢＡＲからなるフィルタを提供することである。
【００１０】
本発明のこれらおよびその他の目的は、電極がコプレーナ伝送線路内に組み込まれたコプレーナ導波路構造内にＦＢＡＲデバイスを配列することによって幅広く達成される。
【００１１】
したがって、本発明の一側面によれば、２つの金属層に挟まれた圧電材料の薄層からなる複数のＦＢＡＲを備えた電気フィルタであって、直列ＦＢＡＲの電極がコプレーナ導波路の伝送線路における信号線路の一部をなし、並列ＦＢＡＲの電極が接地コプレーナ伝送線路の片側あるいは両側に連結するように、前記ＦＢＡＲが直列および並列接続の配列にて連結されている電気フィルタが提供される。
【００１２】
フィルタをＣＰＷ構造として構成することにより、浮遊寄生効果に影響されない小型フィルタが得られる。さらに、コプレーナ伝送線路構造内にフィルタを組み込むことにより、ワイヤボンドが不要となって、その結果製造が簡単になる。
【００１３】
フィルタは、直列ＦＢＡＲが一つのグループを形成し、並列ＦＢＡＲが他のグループを形成しているはしご型フィルタが好ましい。はしご型フィルタ構成の利点は、余分な面積を占める追加の受動キャパシタンスやインダクタを必要としないことである。一般的に、バンドパスフィルタの場合、フィルタ内で使用するＦＢＡＲが多いほど、信号通過域と比較した減衰レベルが改善する。
【００１４】
典型的には、直列ＦＢＡＲと並列ＦＢＡＲとでは面積と厚みの両方が異なっていてもよいが、直列ＦＢＡＲは同一の面積と厚みを有し、並列ＦＢＡＲも同様に同一の面積と厚みを有する。同一の直列ＦＢＡＲを“Ａ”型ＦＢＡＲと称し、同一の並列ＦＢＡＲを“Ｂ”型ＦＢＡＲと称する。
【００１５】
直列ＦＢＡＲと並列ＦＢＡＲは、ＡＢＡＢという順序で、もしくはＡＢＢＡという順序で配列し得る。ＣＰＷ構造内においてＡＢＡＢ構成はＡＢＢＡ構成に比べてより大きな領域を占めるため、ＡＢＢＡ構成を採用すれば、デバイス領域を充分に利用することが可能になる。
【００１６】
また、ＣＰＷ内のＡＢＢＡ構成は、薄膜技術を用いた小型フィルタの製造を簡素化するのにも適しており、圧電層をパターニングせずにより高次のフィルタを容易に製造することをも可能にする。
【００１７】
ＦＢＡＲは、圧電層の縁端部上にエアブリッジや金属線路を形成せずに配置してもよい。
【００１８】
圧電材料は、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、チタン酸ジルコン酸鉛、スカンジウムタンタル酸鉛およびチタン酸ビスマスナトリウムから選択するのが好都合である。
【００１９】
強誘電性ＦＢＡＲフィルタを分極処理するための電極への接続路が提供されるのが好ましい。
【００２０】
本発明の他の側面によれば、各直列ＦＢＡＲの上部電極がコプレーナ導波路構造の信号線路の一部をなし、各並列ＦＢＡＲの上部電極がコプレーナ導波路構造の接地線路の一部をなすように、コプレーナ導波路構造内に直列および並列に配列されたＦＢＡＲを備えたはしご型フィルタが提供される。
【００２１】
信号線路は、２つの接地線路の間に配置されるのが好ましい。
【００２２】
本発明の両側面に係るフィルタのＦＢＡＲは、共通の下部電極を有しているのが好都合である。
【００２３】
本発明のさらなる側面によれば、コプレーナ導波路構造内に直列および並列に構成された複数のＦＢＡＲを備えたはしご型フィルタであって、前記ＦＢＡＲがコプレーナ導波路構造の伝送線路の一部として形成された電極を有しているはしご型フィルタが提供される。
【００２４】
本発明のまたさらなる側面によれば、コプレーナ導波路構造内に直列および並列に構成された複数のＦＢＡＲを備えたはしご型フィルタであって、基板上に形成された前記ＦＢＡＲが、前記基板上に形成された１以上の伝送線路によって関連回路に接続されているはしご型フィルタが提供される。
【００２５】
本発明のさらに他の側面によれば、コプレーナ導波路の伝送線路構造内に含まれた、直列および並列構成の複数のＦＢＡＲを備えたはしご型フィルタが提供される。
【００２６】
これより添付の図面を参照しながら、専ら一例として、本発明の実施の形態をより詳細に説明する。
【００２７】
まず図１（Ａ）および（Ｂ）を参照すると、標準的なＦＢＡＲの上面図および断面図が示されている。ＦＢＡＲはコプレーナ伝送線路における接地−信号−接地線路の信号線路上に配置されている。
【００２８】
このデバイスは２ポート測定用に構成されており、接地プローブは接地電極２７のいずれかの端部に配置でき、一方の信号プローブはコンタクトホール２６を通して下部電極２５上に配置でき、もう一方の信号プローブは上部電極２４の端部に配置できるようになっている。
【００２９】
コプレーナ伝送線路の寸法は、このシステムに５０オームの環境を与えるように設計されるが、ＦＢＡＲおよびＦＢＡＲフィルタの全体のサイズを最小化しつつ、様々な面積のＦＢＡＲを収容するため、接地線路と信号線路との間の距離の変更が許されるよう、設計上充分な柔軟性を有している。
【００３０】
ＦＢＡＲは、絶縁層２２上に堆積された連続的な圧電層２３からなっている。ＦＢＡＲの下部電極２５を形成する入力電極は、絶縁層２２上に形成されており、コプレーナ伝送線路の信号線路の一部として構成されている。
【００３１】
絶縁層２２上に規定される信号線路と圧電層２３の上部に規定される信号線路部分との重複領域が、基板２０における開口部２８の上方に位置している。この開口部２８は、背面パターン２１を用いてエッチングにより作製される。
【００３２】
出力伝送線路は、測定点もしくははしご型構成内に配列されたその他のＦＢＡＲまで延在する。連続した圧電薄膜を用いているので、この圧電薄膜の堆積の前後において入力電極と出力電極を規定しなければならない。上部電極２４を作製する際には、上部電極２４が特性インピーダンスを約５０オームに設定されたコプレーナ導波路構造を有するよう、２つの接地電極２７を同時に作製する。
【００３３】
測定のためのＦＢＡＲの下部電極２５への接続は、コンタクトホール２６をエッチングすることにより達成される。上部電極２４と下部電極２５の中央部分に相当する作用領域の大きさは、通常、ＺｎＯの場合は５０〜２００ミクロン角、ＰＺＴの場合は２０〜４５ミクロン角である。
【００３４】
図２および３は、はしご型フィルタを形成する直列および並列ＦＢＡＲの配列を２種類示した概略図である。各フィルタは、直列に配列された２つのＦＢＡＲと、並列に配列された２つのＦＢＡＲを備えている。このようなフィルタは２×２はしご型フィルタという共通の名称で称され、ここで最初の数字は直列共振子の数を指し、二番目の数字は並列共振子の数を指す。ここでは便宜上、直列共振子をＡで表し、並列共振子をＢで表すこととする。直列共振子Ａは、並列共振子Ｂとは面積と厚みが異なることも大いにありうる。直列共振子Ａは全て同一であり、並列共振子Ｂも全て同一である。
【００３５】
図２および３におけるＦＢＡＲの配列は、接地順序において異なる。ここで、図２の配列をＡＢＡＢと称し、図３の配列をＡＢＢＡと称する。これらの用語は直列共振子と並列共振子の順序を表すものである。
【００３６】
図３に示されるＡＢＢＡコプレーナ構成の２×２フィルタの実現例を、圧電層２３がＺｎＯからなる場合に適した寸法で図４Ａ〜Ｄに示し、図２に示されるＡＢＡＢコプレーナ構成の２×２フィルタの実現例を図５Ａ〜Ｄに示す。
【００３７】
直列ＦＢＡＲ１０および並列ＦＢＡＲ１１は単一の膜構造上に配置されている。本発明によれば、工程が非常に簡素化され、ＺｎＯからなる圧電層２３をエッチングによりパターニングする必要がなくなる。コプレーナ伝送線路内においてＡＢＢＡ構成の場合もＡＢＡＢ構成の場合も、その２×２フィルタを構成する４つ全部のＦＢＡＲに対し、一つの層によって下部電極２５が形成される。
【００３８】
ＣＰＷ内でＡＢＢＡ構成のフィルタを用いると、例えばＡＢＢＡＢＢＡ（３／４）やＡＢＢＡＢＢＡＡ（４／４）といったように、並列ＦＢＡＲの数が直列ＦＢＡＲの数以上となる、ある次数のはしご型フィルタをＣＰＷ内に形成することがより容易になる。
【００３９】
単純なＣＰＷ内におけるＡＢＡＢ構成のフィルタの場合には、エッチングにより圧電メサを形成しないことには、ＡＢＡＢＡＢ（３／３）のように直列ＦＢＡＲと並列ＦＢＡＲが同数のフィルタを作製することは困難である。一つのＦＢＡＲにおいて、次のＦＢＡＲの下部電極を形成できるように上部電極の金属パターンを圧電材料側にまで伸ばすには、メサが必要である。圧電材料をエッチングせずに作製できるのは、ＡＢＡＡＢ（３／２）のように並列ＦＢＡＲの数が直列ＦＢＡＲよりも少ないフィルタだけである。
【００４０】
ＡＢＢＡ構造は、他の導波路構成、例えばマイクロストリップなどにおいても使用できるが、ＡＢＡＢ構成で使用するよりもフィルタの占める面積が大きくなる。マイクロストリップ内のＡＢＢＡフィルタの場合、圧電材料上の上部電極を次のＦＢＡＲの下部電極に接続できるようにする電極の伝送構成のためには、圧電メサをエッチングしたり、エアブリッジ技術を用いたりすることが必要になる。
【００４１】
図４に示されるＡＢＢＡ構成に配列された４つのＦＢＡＲを包含するフィルタにおける上部表面の作製順序を説明する。まず、下部電極２５のメタライズパターンを従来の作製技術によって規定する。そして圧電層２３を全面に堆積させる。
【００４２】
そして、従来技術にしたがい、直列ＦＢＡＲと並列ＦＢＡＲにそれぞれ異なる金属の厚み、およびそれによって異なる周波数を要求するかどうかに応じて、上部電極２４の１つあるいは２つのメタライズパターンを堆積することにより、フィルタを完成する。
【００４３】
作製の最終工程は、当業者に周知のバルクシリコンエッチングあるいは深い反応性エッチングといった技術により、絶縁層２２の下に開口部２８を形成することである。
【００４４】
図５に示されるＡＢＡＢフィルタの作製工程は、層の作製順序が異なるがＡＢＢＡ構成の場合と同様である。
【００４５】
ＡＢＡＢ構成およびＡＢＢＡ構成の、ＺｎＯを用いた２×２ＦＢＡＲフィルタの透過係数（Ｓ_２１）を図６Ａ，６Ｂで比較している。これらフィルタは挿入損失が同じで、帯域外減衰にほとんど差異はない。ＡＢＡＢ構成のほうが、ＡＢＢＡ構成よりも帯域端減衰極が深く、ロールオフが急峻で、帯域幅がわずかに広い。ＡＢＢＡ構造は、通過帯域がより平坦になりうる。
【００４６】
強誘電性でもあり、従って分極処理が必要な圧電層２３を用いた、本発明の２×２はしご型フィルタの更なる実施形態を図７Ａ〜Ｄに示す。その作製手順は、共通の下部電極２５にコンタクトホール２６を形成することを除き、上述したＺｎＯによるＦＢＡＲフィルタの作製手順と同じである。このコンタクトホール２６を使えば、ＡＢＢＡ構成において分極処理を行う際、共通の下部電極２５への接続が可能になり、一つのフィルタ上で多数の下部電極を接続することが不要になる。ＡＢＡＢ構成の場合は、分極処理のための追加のコンタクトホールが必要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
図１（Ａ）は、ＦＢＡＲの上面図である。
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示したＦＢＡＲの断面図である。
【図２】
図２は、ＡＢＡＢはしご型フィルタの概要図である。
【図３】
図３は、ＡＢＢＡはしご型フィルタの概要図である。
【図４Ａ】
図４Ａは、図３に示したＡＢＢＡ構成を有する本発明の第１の実施形態に係るはしご型フィルタの上面図である。
【図４Ｂ】
図４Ｂは、図４Ａに示したＡＢＢＡはしご型フィルタの下部電極を示している。
【図４Ｃ】
図４Ｃは、図４Ａに示したＡＢＢＡはしご型フィルタにおける並列ＦＢＡＲの上部電極を示している。
【図４Ｄ】
図４Ｄは、図４Ａに示したＡＢＢＡはしご型フィルタにおける直列ＦＢＡＲの上部電極を示している。
【図５Ａ】
図５Ａは、図２に示したＡＢＡＢ構成を有する本発明の第２の実施形態に係るはしご型フィルタの上面図である。
【図５Ｂ】
図５Ｂは、図５Ａに示したＡＢＡＢはしご型フィルタの下部電極を示している。
【図５Ｃ】
図５Ｃは、図５Ａに示したＡＢＡＢはしご型フィルタにおける並列ＦＢＡＲの上部電極を示している。
【図５Ｄ】
図５Ｄは、図５Ａに示したＡＢＡＢはしご型フィルタにおける直列ＦＢＡＲの上部電極を示している。
【図６Ａ】
図６Ａは、図４および図５に示したＡＢＡＢおよびＡＢＢＡはしご型フィルタのＳパラメータの比較モデルを示している。
【図６Ｂ】
図６Ｂは、図４および図５に示したＡＢＡＢおよびＡＢＢＡはしご型フィルタのＳパラメータの比較モデルを示している。
【図７Ａ】
図７Ａは、本発明の第３の実施形態に係る、強誘電層を備えた図４と類似のＡＢＢＡはしご型フィルタの上面図である。
【図７Ｂ】
図７Ｂは、図７Ａに示したＡＢＢＡはしご型フィルタの下部電極を示している。
【図７Ｃ】
図７Ｃは、図７Ａに示したＡＢＢＡはしご型フィルタにおける並列ＦＢＡＲの上部電極を示している。
【図７Ｄ】
図７Ｄは、図７Ａに示したＡＢＢＡはしご型フィルタにおける直列ＦＢＡＲの上部電極を示している。

Claims

２つの金属層（２４、２５）に挟まれた圧電材料（２３）の薄層からなる複数の薄膜バルク波共振子（ＦＢＡＲ）（Ａ、Ｂ；１０、１１）を備えた電気フィルタであって、直列ＦＢＡＲの電極（２４）がコプレーナ導波路の伝送線路における信号線路の一部をなし、並列ＦＢＡＲの電極（２７）が接地コプレーナ伝送線路の片側あるいは両側に連結するように、前記ＦＢＡＲ（Ａ、Ｂ；１０、１１）が直列（Ａ；１０）および並列（Ｂ；１０）接続の配列にて連結されていることを特徴とする電気フィルタ。
前記ＦＢＡＲ（Ａ、Ｂ；１０、１１）がＡＢＢＡ構成に配置されていることを特徴とする請求項１記載の電気フィルタ。
前記ＦＢＡＲ（Ａ、Ｂ；１０、１１）がＡＢＡＢ構成に配置されていることを特徴とする請求項１記載の電気フィルタ。
前記ＦＢＡＲ（Ａ、Ｂ；１０、１１）が前記圧電層の縁端部上にエアブリッジや金属線路を形成せずに配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電気フィルタ。
前記圧電材料（２３）が酸化亜鉛であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電気フィルタ。
前記圧電材料（２３）が窒化アルミニウムであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電気フィルタ。
前記圧電材料（２３）がチタン酸ジルコン酸鉛であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電気フィルタ。
前記圧電材料（２３）がスカンジウムタンタル酸鉛であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電気フィルタ。
前記圧電材料（２３）がチタン酸ビスマスナトリウムであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電気フィルタ。
強誘電性ＦＢＡＲフィルタを分極処理するための電極への接続路（２６）が提供されていることを特徴とする請求項１記載の電気フィルタ。
各直列ＦＢＡＲ（Ａ；１０）の上部電極（２４）がコプレーナ導波路構造の信号線路の一部をなし、各並列ＦＢＡＲ（Ｂ；１１）の上部電極（２７）がコプレーナ導波路構造の接地線路の一部をなすように、コプレーナ導波路構造内に直列および並列に配列された薄膜バルク波共振子（ＦＢＡＲ）（Ａ、Ｂ；１０、１１）を備えたことを特徴とするはしご型フィルタ。
前記信号線路が２つの接地線路の間に配置されていることを特徴とする請求項１１記載のはしご型フィルタ。
前記ＦＢＡＲ（Ａ、Ｂ；１０、１１）が共通の下部電極（２５）を有することを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載のフィルタ。
コプレーナ導波路構造内に直列（Ａ；１０）および並列（Ｂ；１１）に構成された複数の薄膜バルク波共振子（ＦＢＡＲ）（Ａ、Ｂ；１０、１１）を備えたはしご型フィルタであって、前記ＦＢＡＲ（Ａ、Ｂ；１０、１１）がコプレーナ導波路構造の伝送線路の一部として形成された電極（２４、２７）を有することを特徴とするはしご型フィルタ。
コプレーナ導波路構造内に直列（Ａ；１０）および並列（Ｂ；１１）に構成された複数の薄膜バルク波共振子（ＦＢＡＲ）（Ａ、Ｂ；１０、１１）を備えたはしご型フィルタであって、基板（２０）上に形成された前記ＦＢＡＲ（Ａ、Ｂ；１０、１１）が、前記基板（２０）上に形成された１以上の伝送線路によって関連回路に接続されていることを特徴とするはしご型フィルタ。
コプレーナ導波路の伝送線路構造内に含まれた、直列（Ａ；１０）および並列（Ｂ；１１）構成の複数の薄膜バルク波共振子（ＦＢＡＲ）（Ａ、Ｂ；１０、１１）を備えたことを特徴とするはしご型フィルタ。