JP5134959B2 - 音響波により動作する素子および該素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、音響波により動作する素子に関する。

刊行物WO 01/99276 A1によれば、互いに並置され１つの共通の電極により互いに電気的に接続され音響的に互いに結合されているＢＡＷ共振器（ＢＡＷ＝Bulk Acoustic Wave）が公知である。

本発明の課題は、音響体積波ないしはバルク弾性波により動作する素子において、非平衡／平衡モードあるいは平衡／平衡モードで駆動できるようにすることである。本発明の別の課題は、この種の素子の製造方法を提供することである。

本発明によれば１つめの課題は、請求項１の特徴を備えた電気音響素子によって解決される。本発明によれば２つめの課題は、請求項１５記載の方法により解決される。従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。

本発明は、ガイド音響体積波（ＧＢＡＷ＝Guided Bulk Acoustic Wave）により動作する素子に関する。この素子は、互いに音響的に結合された２つの共振器を有している。これらの共振器の各電極は互いに電気的に絶縁されている。１つの有利な実施形態によれば、各共振器は周期的に配置された電極構造体を有するインタディジタル変換器ないしは交差指変換器を有している。インタディジタル変換器のことを、以下では単に変換器と称する。電極構造体には公知のＳＡＷ素子部材のようにウェイトを設けることができ、可変のフィンガ中央間隔、フォーカシング特性、湾曲フィンガ、可変の幅のフィンガ、音響トラック長に関して種々のアパーチャ（横方向でそれぞれ異なる極性をもつ隣り合う２つの電極構造体のオーバラップ長）等を有するように構成することができる。

音響体積波は、層系によって形成された音響導波体を介して横方向平面で導かれる。層系には圧電層およびその上に配置され構造形成された第１の金属層が含まれており、この第１の金属層に第１の共振器における第１の電極の電極構造体が形成されている。１つの実施形態によれば、第１の共振器における第２の電極を第１の電極と同じ金属化平面に配置することができ、これによって第１の変換器を構成することができる。このケースでは両方の電極の電極構造体が並べて配置されており、この場合、電気的励起が横方向で行われる。

別の実施形態によれば、第１の共振器における第２の電極をたとえば圧電層の下に配置された金属化平面に配置することができる。このケースでは両方の電極の電極構造体が上下に配置されており、この場合、電気的励起が垂直方向で行われる。

同じ共振器における（並置されたまたは上下に配置された）各電極構造体間の電気的励起を１次励起と称する。それぞれ異なる金属化平面に同じ共振器の電極が設けられている場合、同じ平面に配置されたそれぞれ異なる共振器の電極を互いにかみ合わせることができ、ないしは交互に入り込んで配置されている。異なる共振器における並置された各電極構造体間の電気的励起を２次励起と称する。

さらに１つの変形実施形態によれば、層系には金属層の上に配置された誘電層が含まれ、これは金属層とは反対側で有利には平坦な表面を有している。１つの変形実施形態によれば、誘電層を省くことができる。

共振器をたとえば、変換器およびその下もしくはその上に配置された層系の各層によって形成することができる。さらに共振器を、２つの共振器およびそれらの間に配置された変換器によって形成することもできる。ＧＢＡＷのガイドに適した層構造を備えた任意の音響トラックにより、共振器の結合された音響共振器装置を構成することができる。たとえば、互いに音響的に結合された共振器を２つの反射器の接する音響トラック内に配置することも可能である。

圧電層の厚さｈをλよりも著しく小さくすることができ、ここでλは素子駆動周波数における音響波の波長である。圧電層の厚さを、たとえばλ／２〜２λの間とすることができる。１つの有利な実施形態によれば、ｈを実質的にλ／２またはλとすることができる。

有利であるのは、層系を２つの基板の間に配置することである。１つの変換器は、互いにかみ合ったないしは交互に入り込んだ２つの櫛形電極を有することができる。電極構造体は周期的に配置された金属ストライプを成しており、これらは集合レールないしは母線に接続されている。１つの変換器において、それぞれ異なる電位に接続されている並置された２つの電極構造体間で電気的励起が生じる。その際、圧電層のボリュームないしはバルクを介して横方向に有利には流れ方向に伝播する音響波が励起される。

互いに音響的に結合されかつ導電分離された共振器をたとえば、少なくとも１つの対称なゲートを備えた素子の電気的なゲートを導電分離するために利用することができる。横方向平面における電極構造体の周期的な配置によりＧＢＡＷの波長λが設定され、その際、同じ電位と接続された電極構造体の各中央部を１波長分互いに隔てると有利である。

波の励起は励起中心において横方向で行われ、この励起中心は圧電基板上に並置されそれぞれ異なる電位と接続された２つの電極構造体の間に位置している。電極構造体が上下に配置され圧電層を介して互いに接続されている場合、励起は垂直方向で行われる。特定の方向における励起は、励起中心もしくはその方向に沿った互いに逆極性の２つの電極構造体の配置に関係する。

横方向もしくは長手方向で１次励起が行われ、垂直方向で２次励起が行われるように共振器を配置することができる。さらに、垂直方向で１次励起が行われ、横方向もしくは長手方向で２次励起が行われるように共振器を配置することも可能である。

横方向の励起の場合、同じ金属層に形成された同極性の各電極構造体中央間の横方向間隔を、実質的にλとするのが有利である。また、同じ金属層に形成され互いに逆極性である各電極構造体の中央間の間隔を、実質的にλ／２とするのが有利である。垂直方向における励起の場合、圧電層の厚さに対応する互いに逆極性の各電極構造体間の垂直方向最小間隔ｈを、実質的にλ／２とするのが有利である。

各共振器間で音響結合が生じる方向を励起方向に対し９０°ずらすのが有利であり、これによればたとえば励起は長手方向で、音響結合は横断方向および／または垂直方向で行われる。これに対する代案として、励起を垂直方向で、音響結合を横断方向および／または長手方向で行わせることもできる。まえもって定めた方向における音響結合は、この方向で伝播する音響モードを介して行われる。

さらに、励起と音響結合を同方向で行わせることもできる。

ＧＢＡＷにより動作する素子における変換器の配置構成を、それ自体知られているＤＭＳフィルタ（DMS = Double Mode Surface Acoustic Wave）の場合のように選定することもでき、その際、公知の配置構成とは異なり本発明による素子によれば、変換器ではなくこれらの変換器を含む共振器が長手方向で（ＳＡＷの代わりにＧＢＡＷを介して）互いに音響的に結合される。この場合、互いに音響的に結合された２つの共振器は、同一の音響トラック内に並置される。ＧＢＡＷにより動作する装置を２つのトラックに配置することも可能であり、このような配置構成の場合、第１の金属層は２つのトラックに配置された（たとえば１つの音響トラックごとに３つの変換器を備えた）ＤＭＳ装置に相応する構造を有している。その際にこれらの音響トラックは、結合変換器を含む複数の共振器を介して互いに電気的に接続されている。

原則的に、横方向における電気的励起および音響的結合の場合、ＳＡＷにより動作する任意の既知の変換器・共振器配置構成たとえば横断方向で結合された共振器（transversal mode resonatorまたはTMR）を、本発明による素子に転用することができる。

また、長手方向における励起および垂直方向における励起ならびに横断方向における音響結合も可能である（図５Ａ）。

さらに、それぞれ異なる電位と接続された２つの櫛形状共振器電極をそれぞれ異なる横方向平面に形成することも可能であり、たとえば第１の電極を第１の金属層に設け、第２の電極を第２の金属層に形成することも可能であり、この場合、双方の電極構造体は互いに向かい合って配置されている。ガイド体積波はこのケースでは垂直方向で励起され、横断方向で伝播する。

双方の電極を互いに所定の値だけ横方向にずらして配置することも可能であり、および／または互いに所定の角度だけ回転させて配置することも可能であり、この目的はたとえば所定の励起形状を実現することである。

１つの実施形態によれば、音響モードの垂直方向における電気的励起を、上下に配置された変換器の互いに対向する各電極構造体間で生じさせることができる。垂直におけるにおける波モードの電気的励起を、横方向における励起のほかに生じさせることができる。垂直方向における励起はたとえば、第１の変換器の「ホット」電極構造体と、これと向き合った第２の変換器の「コールド」電極構造体との間およびその逆で行われる。その際に同時に、ガイド体積波の２つの音響モードが励起される。垂直方向で励起されるモードの周波数を、横方向で励起されるモードの周波数に対しずらすことができる。１次励起される波を装置の駆動周波数に対応させると有利であり、この場合、２次励起される波の周波数を駆動周波数から２０％よりも僅かに異ならせる。また、双方の周波数を一致させることもできる。

１つの実施形態によれば層系には第２の金属層が含まれており、これは圧電層の下に配置されている。この第２の金属層に第２の変換器の構造体を配置することができ、これは第１の変換器の構造体と向き合って配置されている。第1の共振器は、第1の変換器およびその下に配置された圧電層によって形成されている。第２の共振器は、第２の変換器の構造体およびその下に配置された圧電層によって形成されている。このケースでは圧電層は、双方の共振器を垂直方向において音響的に結合するための結合系として用いられる。

音響的に結合された双方の共振器における変換器を、たとえば第１の金属層に相応する同一の横方向平面に配置することができる。また、変換器を長手方向にすなわち波の伝播方向に並置することができる。対応する共振器はこの方向で圧電層を介して互いに音響的に結合されており、この場合、電気的励起の方向は音響的結合の方向と一致している。さらに変換器を横方向で並置し、それらの共振器に対応する共振器をこの方向で圧電層を介して音響的に結合することもできる。

択一的に第２の金属層に、第１の変換器の構造体と向き合って位置する導電面（たとえばアース面）を形成することができる。１つの実施形態によれば、この導電面を浮いた状態とすることができる。１つの有利な実施形態によれば、アース面として設けられている導電面は基準電位と接続されている。

１つの実施形態によれば、導電面は第１の変換器ならびに第２の変換器と対向して配置されており、この場合、これらの変換器は同一の横方向平面に配置されている。このケースでは、圧電層と導電面の複合体により１つの結合系が形成されており、これによって両方の共振器が互いに結合される。全体に渡って延びている導電平面は平衡／平衡モードで駆動すべき素子にとって有利であり、その際にたとえば第１の変換器は対称の第１のゲートと接続されており、第２の変換器は対称の第２のゲートと接続されている。

別の変形実施形態によれば、２つの変換器は同一の横方向平面に配置されており、この場合、第１の変換器は第１の導電面を介して配置されており、第２の変換器は第１の導電面とは電気的に分離されている第２の導電面を介して配置されている。その際に有利であるのは、これらの変換器を横断方向に並べて配置することである。このケースでは、各変換器に対応づけられている共振器は横断方向で互いに音響的に結合されており、かつ互いに電気的に分離されている。上記の導電面は、有利にはそれぞれ固有の基準電位と接続されている。互いに電気的に分離されている導電面は非平衡／平衡モードで駆動すべき素子にとって有利であり、その際にたとえば第１の変換器は非対称の第１のゲートと接続されており、第２の変換器は対称の第２のゲートと接続されている。

電気的１次励起は、同一の変換器における各電極構造体間において横方向で行われる。電気的２次励起を、一方の変換器電極の電極構造体とその下に位置する導電面（有利にはアース面）との間において垂直方向で生じさせることができる。

圧電層が２つの部分層を有するように構成できる。これらの部分層を、第３の金属層によって互いに分離することができる。また、これらの部分層が互いにそれぞれ異なる圧電軸配向を有するように構成できる。有利であるのは、圧電軸が各部分層の境界面に対し点対称、鏡面対称あるいは反響面対称の配向をもつことである。殊に有利であるのは、圧電軸が逆平行の配向をもつことである（有利には個々の軸が部分層境界面に対し直交して配向されている場合）。また、２つの部分層の境界面に対するそれら双方の部分層の圧電軸配向が等しくてもよいし、ないしは平行でもよい。この場合、第１の変換器は第１の金属層に配置され、第２の変換器は第２の金属層に配置される。双方の変換器の電極構造体は、有利には上下に配置されている。全体に延びるアース面を第３の金属層に形成するのが有利であり、このアース面は第１の変換器と第２の変換器との間に配置されている。

さらに１つの共振器配置構成として、双方の共振器が第１の金属層に形成された第１の電極と第２の金属層に形成された第２の電極をそれぞれ有するようにしてもよい。この場合、同一の変換器における第１の電極と第２の電極の電極構造体が上下に配置される。第１および第２の共振器における第１の（もしくは第２の）電極は、双方の共振器における櫛形状の第１（もしくは第２の）電極が互いに入り組んでかみ合うよう、同一の金属層に形成され長手方向で交互に配置される。

電気的１次励起は、同一の共振器における各電極構造体間において垂直方向で行われる。電気的２次励起を、同じ金属層に形成され並置されたそれぞれ異なる共振器の各電極構造体間で行わせることができる。

また、対応する共振器電極において同じ金属層に形成された各電極構造体の中央間の間隔を、１波長とするのが有利である。同じ金属層に形成されたそれぞれ異なる共振器における電極構造体の各中央間の間隔は、横方向に励起すべき波の位相に整合される。

１つの実施形態によれば、垂直方向に１次励起される共振器が長手方向に並置されている。この場合、各共振器間の音響的結合は長手方向で行われる。

さらに別の実施形態によれば、垂直方向に１次励起される共振器が横断方向に並置されている。これによれば各共振器間の音響結合は、横断方向において圧電層を介して行われる。

２つの共振器をそれぞれ対称に結線することもできるし、あるいは２つの対称の信号経路間に接続された互いに異なる分岐路中に配置することもできる。しかしながらこれらの共振器の一方を非対称に結線してもよい。この場合、非対称に結線された共振器における一方の電極は基準電位と接続される。

さらに本発明は、ガイド音響波により動作する素子の製造方法に関する。本発明による方法は、
Ａ）犠牲基板の上に第１の金属層と圧電層と構造形成された第２の金属層から成る層構造を形成するステップと、
Ｂ）この層構造を基板と固定的に接合するステップと、
Ｃ）犠牲基板を除去するステップと、
Ｄ）第１の金属層を構造形成するステップと、
Ｅ）上記の層構造を第１の金属層の側で別の基板と固定的に接合するステップ
を有している。

基板として、電気的絶縁材料あるいは半導体材料が適している。基板（たとえば二酸化シリコン、窒化シリコン、ポリマー）がそのために設けられた層構造表面上に、有利には厚膜プロセスでそれぞれ厚膜として被着される。基板の開放された表面を、基板材料の硬化後に平坦化することができる。

ただ１つの基板の代わりに積層体を堆積させることも可能である。この堆積を、たとえば化学蒸着法または他の層堆積プロセスによって行うことができる。

また、基板をウェハボンディングによりその他の層構造と固定的に接合することができる。このケースにおいて有利であるのは、ステップＢ）の前に第２の金属層上に、ステップＥ）の前に第１の金属層上に、誘電性平坦化層たとえば二酸化シリコンを設けることである。この場合、基板材料としてたとえばＳｉを用いることができる。

平坦化層が最初に誘電層として生成され、これはたとえば化学機械研磨によって平坦化される。１つの実施形態によれば、圧電層の代わりに複数の誘電部分層を含む多層系が生成される。最初にステップＡ）〜Ｃ）が実施される。第１の金属層の開放されている表面上に別の層構造が取り付けられ、これには別の誘電層と構造形成された第３の金属層が含まれている。この別の層構造が第３の金属層の側で、別の基板と固定的に接合される。

次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。なお、これらの図面には本発明の様々な実施例が概略的に示されており、縮尺どおりには描かれていない。同じ部材あるいは同等の働きをする部材には同一の参照符号が付されている。

図１Ａは、変換器を含む共振器を示す図である。

図１Ｂは、分岐路に配置され互いに音響的に結合された共振器を示す図（等価回路図）である。

図１Ｃは、それぞれ異なる信号経路に配置され互いに音響的に結合された共振器を示す図（等価回路図）である。

図２Ａは、ＧＢＡＷにより動作する素子の層構造を示す断面図であり、この図には電気的1次励起と電気的2次励起が２つの横方向平面で、音響結合が垂直方向で描かれている。

図２Ｂは、図２Ａに示した第１の変換器の平面図である。

図２Ｃは、図２Ａに示した第２の変換器の平面図である。

図３Ａは、ＧＢＡＷにより動作する共振器の層構造を示す断面図であり、この図にはガイド体積波の垂直方向における電気的励起が描かれている。

図３Ｂは、ＧＢＡＷにより動作する素子の層構造を示す断面図であり、この図には垂直方向における電気的励起と長手方向における音響結合が描かれている。

図３Ｃは、図３Ａに示した共振器の変形実施形態を示す図であり、この実施形態では対向電極が全体に延びるアース面として構成されている。

図４Ａは、ＧＢＡＷにより動作する共振器の層構造を示す断面図であり、この図にはＧＢＡＷの電気的1次励起が長手方向で、ＧＢＡＷの電気的2次励起が垂直方向で描かれている。

図４Ｂは、図４Ａに示した２つの共振器を示す図であり、これらの共振器は圧電層および導電面の結合体を介して長手方向で互いに音響的に結合されている。

図４Ｃは、図４Ａに示した２つの共振器から成る共振器の配置構成を描いた平面図であり、これらの共振器は圧電層および導電面の結合体を介して横断方向で互いに音響的に結合されている。

図４Ｄは、図４Ｂに示した共振器の配置構成を描いた斜視図である。

図５Ａは、圧電層を介して横断方向で音響的に結合された図４Ａによる共振器を備えた素子を示す平面図である。

図５Ｂは、図４Ａに示した２つの共振器を示す図であり、これらの共振器は圧電層を介して長手方向で互いに音響的に結合されている。

図６は、図２Ａに示した素子の変形実施形態を示す図であり、この実施形態では圧電層は中央の金属層により分離された２つの部分層を有している。

図７は、図３Ｂに示した素子の変形実施形態を示す図であり、この実施形態では圧電層は中央の金属層により分離された２つの部分層を有している。

図８Ａは、それぞれ異なる共振器の相互にかみ合った電極を備えた素子を垂直方向の１次励起とともに示す図である。

図８Ｂは、図８Ａによる第１の共振器の斜視図である。

図８Ｃは、図８Ａによる第２の共振器の斜視図である。

図９Ａ〜図９Ｅは、１つの圧電層だけが設けられたＧＢＡＷ導波体構造におけるプロセスステップを示す図である。

図１０Ａ〜図１０Ｅは、２つの圧電層を備えたＧＢＡＷ導波体構造におけるプロセスステップを示す図である。

図１１Ａ〜図１１Ｅは、平坦化層を備えたＧＢＡＷ導波体構造におけるプロセスステップを示す図である。

図１Ａには、ＧＢＡＷにより動作する共振器Ｒ１が略示されており、この共振器は変換器Ｗ１およびその下に配置された圧電層ＰＳを有している。図２Ｂにも示されている変換器Ｗ１は、図２Ａに示されている第１の金属層ＭＥ１に形成されている。金属層ＭＥ１および圧電層ＰＳは図９Ｅに示されている層系ＳＳに対応しており、これは導波体として用いられ、ＧＢＡＷを導くのに適している。

図１Ｂ、図１Ｃに示されている素子は、互いに音響的に結合された２つの共振器Ｒ１，Ｒ２を有している。

ＧＢＡＷは横方向で（この方向を以下では長手方向と称する）基板を案内され、この基板の上に変換器構造が配置されている。２つの共振器間の音響結合を、変換器が並置されている場合には横方向平面で、変換器が上下に配置されている場合には垂直方向で行うことができる。電気的励起も変換器の配置に応じて、横方向平面でまたは垂直方向で行うことができる。

図１Ｂ、図１Ｃには、２つの電気的ゲートを有する素子の等価回路図が示されている。第１のゲート（たとえば入力ゲート）は第１の端子１１と第２の端子１２を有している。第２のゲート（出力ゲート）は第１の端子２１と第２の端子２２を有している。１つの変形実施形態によれば、第１のゲートは対称に、第２のゲートは非対称に構成されている。さらに別の変形実施形態によれば、両方のゲートは対称に結線されている。両方のゲートを非対称に結線することも可能である。両方のゲートにおける各第１の端子１１，２１間に、第１の信号経路が配置されている。両方のゲートにおける各第２の端子１２，２２間に、第１の信号経路が配置されている。

図１Ｃによれば、第１の共振器Ｒ１が第１のゲートにおける第１の端子１１と第２の端子１２の間に配置されている。同様に、第２のゲート２１，２２には第２の共振器Ｒ２が接続されている。つまりこれらの共振器Ｒ１，Ｒ２は、上述の信号経路を接続している横断分岐路中に配置されている。図１Ｂの場合、それぞれ異なる信号経路において音響的に結合された共振器が配置されている。

図２ＡにはＧＢＡＷにより動作する素子が断面図として部分的に描かれており、この素子には構造形成された２つの金属層ＭＥ１とＭＥ２との間に配置された圧電層ＰＳが設けられている。圧電層ＰＳならびに金属層ＭＥ１とＭＥ２がいっしょになって１つの層系ＳＳを成しており、これは２つの基板Ｓ１とＳ２との間に配置されている。

第１の金属層ＭＥ１には、互いに逆の極性をもつ２つの電極ＡおよびＢを備えた第１の変換器Ｗ１が形成されている。第２の金属層ＭＥ２には、互いに逆の極性をもつ２つの電極Ａ′およびＢ′を備えた第２の変換器Ｗ２が形成されている。図２Ｂには第１の変換器Ｗ１を上から見た平面図が示されており、図２Ｂには第２の変換器Ｗ２の平面図が示されている。第１の変換器における電気的励起は、並置された電極Ａおよび電極Ｂの各構造体の間で生じる。第２の変換器における電気的励起は、電極Ａ′およびＢ′の並置された構造の間で生じる。このケースでは、２つの横方向の平面ＭＥ１，ＭＥ２において長手方向ｘに沿って、水平方向の単線の矢印によって表された電気的1次励起が生じる。互いに向かい合う電極ＡとＡ′（ないしはＢとＢ′）の構造体の間において、垂直方向ｚで2次励起を生じさせることができる。

第1の共振器Ｒ１は、第1の変換器Ｗ１およびその下に位置する圧電層ＰＳによって形成されている。第２の共振器Ｒ２は、第２の変換器Ｗ２およびその上に位置する圧電層ＰＳによって形成されている。

この場合、圧電層ごとの厚さないしは金属層ＭＥ１，ＭＥ２の間隔によって、励起すべき体積波の波長が決まる。

同じ極性をもつ各電極ストライプ中央間の間隔Ｌは実質的に、１次励起すべき波モードの波長λ₁となる。

圧電層の厚さｈは有利には、２次励起すべき波モードの半波長λ₂／２または全波長λ₂となる。

本発明におけるすべての実施形態において間隔Ｌを、λ_１（もしくはλ_２）の分数またはその整数倍とすることができる。また、圧電層の厚さを、λ₂／２（もしくはλ₁／２）の分数またはその整数倍とすることができる（添え字１もしくは２は１次励起すべきモードもしくは２次励起すべきモードを表す）。

励起された音響波は長手方向で伝播する。音響結合は垂直方向ｚで生じる。白抜き矢印はすべての実施形態において音響結合の方向を表す。

図３Ａには共振器Ｒ１を備えた素子が示されており、この場合、矢印で表された電気的励起が垂直方向ｚにおいて、それぞれ異なる電位と接続されそれぞれ異なる金属層ＭＥ１，ＭＥ２に設けられていて互いに上下に配置された２つの電極構造体ＡとＢとの間で生じる。

圧電層の厚さｈは有利には、（１次）励起すべき波モードの半波長λ₁／２または（２ｎ＋１）（λ₁／２）となる。ただしｎ＝０，１，２．．．である。

図３Ｂには、図３Ａに示した共振器Ｒ１およびＲ２を長手方向に並置した素子の断面図が略示されている。

第２の共振器Ｒ２は上下に配置された電極Ａ′およびＢ′の電極構造体を有しており、これらの電極構造体の間で垂直方向の励起が行われる。第１の共振器もしくは第２の共振器における第１の電極ＡもしくはＡ′は、同じ金属層ＭＥ１に形成されている。また、第１の共振器もしくは第２の共振器における第２の電極ＢもしくはＢ′は、同じ金属層ＭＥ２に形成されている。各電極Ａ，Ａ′，Ｂ，Ｂ′はそれぞれ、周期的に配置された金属ストライプ（＝電極構造体）を有している。さらに、第１の共振器および／または第２の共振器における電極の一方を、図３Ｃに示すように全体に延びた金属面として形成することも可能である。第１の共振器および第２の共振器におけるそれぞれ一方の電極を金属面として構成する場合、それらの金属面を互いに異なる平面の金属層に設けることができる。たとえば左側の共振器が金属層ＭＥ１において全体に延びる金属面を有し、右側の共振器が金属層ＭＥ２において全体に延びる金属面を有するように構成できる。白抜きの矢印によって、各共振器Ｒ１，Ｒ２間の長手方向における音響結合が示されている。

図３Ｃには、図３Ａに示した共振器の変形実施形態が示されており、この実施形態によれば第２の電極Ｂが（有利には共振器の非対称結線において基準電位Ｇ１と電気的に接続されている）導電面ＭＦ１として形成されている。

図４Ａには、図２Ａに示したような長手方向における電気的１次励起が生じる共振器Ｒ１が示されている。

この場合、金属層ＭＥ２において、櫛形の電極Ａ，Ｂを備えた変換器の下に導電面ＭＦ１が配置されている。

２次励起すべき波モードは、一方では第１の電極Ａの電極構造体と導電面ＭＦ１との間において、他方では第２の電極Ｂの電極構造体と導電面ＭＦ１との間で励起される。１次励起もしくは２次励起は、水平方向の矢印もしくは垂直方向の矢印によって表されている。

この場合、同じ極性をもつ各電極ストライプ中央間の間隔Ｌは実質的に、１次励起すべき波モードの波長λ₁となる。また、圧電層の厚さｈは有利には、２次励起すべき波モードの半波長λ₂／２となる。

図４Ｂには、図４Ａに示した共振器Ｒ１およびＲ２を長手方向に並置して結合した素子の断面図が略示されている。第２の共振器Ｒ２は、電極Ａ′とＢ′を備えた変換器Ｗ２を有している。基本的に、横断方向に伝播し２つの共振器の横断方向における音響結合に用いることのできる波を、長手方向および／または垂直方向で励起することも可能である。図４Ｃには、横断方向に並置されこの方向で互いに音響結合される２つの共振器Ｒ１，Ｒ２を備えた素子が平面図として略示されている。図４Ｄには、図４Ｃに示した共振器の配置構成が斜視図として描かれている。

図４Ｂおよび図４Ｃの場合、両方の共振器Ｒ１，Ｒ２は全体に延びる同一の導電面ＭＦ１の上方に配置されている。これらの共振器の各電極は互いに電気的に絶縁されている。共振器Ｒ１，Ｒ２は、圧電層と導電面ＭＦ１を有する１つの結合系を介して互いに音響的に結合されている。

図５Ａには、図４Ｃに示した配置構成の変形実施形態が示されており、この実施形態によれば各変換器Ｗ１，Ｗ２は固有の導電面ＭＦ１，ＭＦ２の上方に配置されており、その際、これらの導電面は互いに電気的に絶縁されており、有利にはそれぞれ異なる基準電位と電気的に接続されている。各共振器間の音響結合は、ここでは横断方向ｙにおいて圧電層ＰＳ１のみを介して行われる。

図５Ｂには、図４Ｂに示した配置構成の変形実施形態が示されており、この実施形態によれば各変換器Ｗ１，Ｗ２は固有の導電面ＭＦ１，ＭＦ２の上方に配置されている。各共振器間の音響結合は、ここでは長手方向ｘにおいて圧電層ＰＳ１のみを介して行われる。

図６には、２つの横方向の励起平面ＭＥ１，ＭＥ２を有する本発明による素子が示されている。電極ＡおよびＢの電極構造体を備えた第１の変換器Ｗ１は第１の金属層ＭＥ１に配置されており、電極Ａ′およびＢ′の電極構造体を備えた第２の変換器Ｗ２は第２の金属層ＭＥ２に配置されている。この場合、横方向の電気的励起は、同一変換器においてそれぞれ異なる電位と接続され金属層ＭＥ１もしくはＭＥ２に設けられている各電極構造体間で、つまり第１の変換器における電極ＡとＢとの間もしくは第２の変換器における電極Ａ′とＢ′との間で、長手方向ｘにおいて行われる。図２Ａとの相違点は、層系が１つの圧電層だけの代わりに、第３の金属層ＭＥ３によって互いに分離された２つの圧電層ＰＳ１，ＰＳ２を有していることである。（中央の）第３の金属層ＭＥ３には、２つの変換器の間に配置され全体に延びる導電面ＭＦ１が形成されている。

導電面ＭＦ１は有利には基準電位Ｇ１と接続されており、アース面を成している。この場合、有利には垂直方向においても、第１の変換器または第２の変換器の各電極構造体間で、２次波が励起される。別の変形実施形態によれば、導電面ＭＦ１を浮いた状態とすることもできる。別の変形実施形態によれば、導電面ＭＦ１をフィンガ構造または格子構造によって置き換えることも可能である。第１の変換器において励起されるＧＢＡＷは第１の圧電層ＰＳ１において、第２の変換器において励起されるＧＢＡＷは第２の圧電層ＰＳ２において、横方向（ここでは長手方向）で導かれる。図６によれば共振器Ｒ１，Ｒ２は、２つの圧電層ＰＳ１，ＰＳ２とアース面ＭＦ１を含む結合系を介して、垂直方向に互いに音響的に結合されている。

図７には、図３Ｂに示されている素子の変形実施形態が示されている。この場合、図３Ｂとは異なり圧電層は、中央の金属層により互いに分離された２つの部分層ＰＳ１およびＰＳ２を有している。中央の金属層には金属面ないしは導電面ＭＦ１が形成されており、これは第１の共振器Ｒ１における第１の電極Ａと第２の電極Ｂとの間に配置されている。中央の金属層にはさらに第２の金属面ないしは導電面ＭＦ２が形成されており、これは第１の共振器Ｒ２における第１の電極Ａ′と第２の電極Ｂ′との間に配置されている。これらの金属面ＭＦ１，ＭＦ２は有利には互いに電気的に絶縁されており、１つの実施形態によればそれぞれ固有の電位Ｇ１もしくはＧ２と電気的に接続されている。別の実施形態によれば、金属面ＭＦ１，ＭＦ２を互いに電気的に接続しておくことができる。

第１の共振器Ｒ１において、個々の電極（ＡもしくはＢ）と金属面ＭＦ１との間で垂直方向の励起が行われる。第２の共振器Ｒ２において、個々の電極（Ａ′もしくはＢ′）と金属面ＭＦ２との間で垂直方向の励起が行われる。個々の圧電層ＰＳ１，ＰＳ２のところで双方の共振器において励起された波は、これらの層を介して互いに結合される。

図８Ａには２つの共振器Ｒ１およびＲ２を備えた素子が示されており、この場合、各共振器の電極Ａ，Ｂ（もしくはＡ′，Ｂ′）は互いに向かい合って位置しており、つまり互いにそれぞれ異なる素子ＭＥ１，ＭＥ２に配置されている。図８Ｂには第１の共振器Ｒ１が示されており、これは第１の（ホット）電極Ａと第２の（コールド）電極Ｂを有している。図８Ｃには第２の共振器Ｒ２が示されており、これは第１の（たとえばコールド）電極Ａと第２の（ホット）電極Ｂ′を有している。電極構造体Ａ，Ａ′は金属層ＭＥ１に形成されており、交互に配置されている。電極構造体Ｂ，Ｂ′は金属層ＭＥ２に形成されており、交互に配置されている。

第３の金属層ＭＥ３に形成されている導電面ＭＦ３は、この実施形態では有利にはアースにおかれている。

１次励起は、第１の共振器もしくは第２の共振器の電極構造体と導電面との間で垂直方向に行われる。２次音響モードは、第１の共振器もしくは第２の共振器においてそれぞれ異なる電位に接続され同一の金属層ＭＥ１に存在する並置された２つの電極構造体ＡとＡ′との間で長手方向に励起される。さらに、第１の共振器もしくは第２の共振器においてそれぞれ異なる電位に接続され同一の金属層ＭＥ２に存在する並置された２つの電極構造体ＢとＢ′との間で、別の２次音響モードが長手方向に励起される。

この場合、図８Ａに示されているように第３の金属層ＭＥ３により圧電層を２つの部分層に分離する構成を省くこともできる。垂直方向の励起は、第１の共振器において第１の電極Ａとこれと向き合った第２の電極Ｂとの間で行われる。さらに垂直方向の励起は、第２の共振器において第１の電極Ａ′とこれと向き合った第２の電極Ｂ′との間でも行われる。

垂直方向においても長手方向においても励起される波モードは横方向で伝播する。長手方向で励起されるモードと垂直方向で励起されるモードを同じ方向（たとえば長手方向）ｘで伝播させることができる。垂直方向で励起される波モードと長手方向で励起される波モードをたとえば９０°異ならせることも可能である。たとえばこの場合、長手方向で励起される波モードは長手方向で進行し、垂直方向で励起される波モードは横方向ｙで進行する。さらに、垂直方向で励起される波モードを長手方向で伝播させ、長手方向で励起される波モードを横方向で伝播させることも可能である。

図８Ａの場合、共振器Ｒ１，Ｒ２は長手方向で音響的に互いに結合される。

図９Ａ〜図９Ｅには、ＧＢＡＷにより動作し２つの励起平面をもつ素子を製造する際のプロセスステップが概略的に示されている。

最初に、図９Ａに示されている層構造が準備される。この場合、犠牲基板ＯＳの上に、第１の金属層ＭＥ１と圧電層ＰＳと構造形成された第２の金属層ＭＥ２が配置される。図９Ａに示されている層構造は１８０°回転させられ、その際、犠牲基板ＯＳは上側に向けられる。１つの変形実施形態によれば、はじめは全体に渡って延びている第２の金属層ＭＥ２において、たとえばエッチングにより電極構造体が形成される。構造形成された金属層を、マスクを利用して構造形成することも可能である。

図９Ｂに示されているプロセスステップによれば、既述の層構造が第２の基板Ｓ２と固定的に接合される。その後、犠牲基板ＯＳが取り除かれる（図９Ｃ）。

電極構造体とコンタクト面を形成するために、金属層ＭＥ１が構造形成される（図９Ｄ）。構造形成された金属層ＭＥ１の上に、基板Ｓ１が取り付けられる（図９Ｅ）。この実施形態によれば、波を導く層系ＳＳには上下に順次配置される層ＭＥ２，ＰＳ，ＭＥ1が含まれている。

図１０Ａ〜図１０Ｅには別の方法が示されている。図１０Ａ〜図１０Ｃに示されているステップは図９Ａ〜図９Ｃのステップに対応しているが、この場合、第１の金属層ＭＥ１を第３の金属層ＭＥ３に置き換えることができ、ないしは圧電層ＰＳを第１の圧電層ＰＳ１に置き換えることができる。

第３の金属層ＭＥ３の開放されている方の表面上に第１の圧電層ＰＳ１が取り付けられ、構造形成された金属層ＭＥ１がこの層の上に形成される（図１０Ｄ）。さらにこの金属層ＭＥ１の上に基板Ｓ１が取り付けられる（図１０Ｅ）。この実施形態によれば、波を導く層系ＳＳには上下に順次配置される層ＭＥ２，ＰＳ２，ＭＥ３，ＰＳ１，ＭＥ1が含まれている。

図１１Ａ〜１１Ｅには、図１０Ａ〜１０Ｅで説明したプロセスの変形実施形態が示されている。

第１の基板Ｓ１と第１の金属層ＭＥ１との間ならびに第２の基板Ｓ２と第２の金属層ＭＥ２との間に、平坦化された誘電層ＤＳ１もしくはＤＳ２が形成され、これらの誘電層は第１もしくは第２の基板Ｓ１，Ｓ２へ向かって平坦な表面を有している。

この実施形態によれば、波を導く層系ＳＳには上下に順次配置される層ＤＳ２，ＭＥ２，ＰＳ２，ＭＥ３，ＰＳ１，ＭＥ1およびＤＳ１が含まれている。

図１０Ａ〜図１０Ｅによるプロセスの利点は、これによって圧電部分層においてそれぞれ異なる圧電軸配向をもつ層系を形成できることである。

実施例では本発明について限られた数の実施形態しか説明できなかったが、本発明はこれらに限定されるものではない。素子の特性を要求に合わせて変更する目的で、たとえば変換器やレフレクタといった電気音響的にアクティブな構造体を任意の個数および任意の形状で製造することができる。 本発明は既述の材料あるいは特定の周波数レンジに限定されるものではない。また、１つの実施例と関連して言及した特徴は既述の実施形態に限定されるものではなく、別の実施形態と組み合わせることができる。さらにすべての金属層に、電極構造体のほか外部から接触接続可能なコンタクト面を設けることができる。種々の金属層に設けられている電極構造体が、互いに異なる高さおよび組成をもつようにしてもよい。さらにすべての層に、上下に連続する複数の部分層をもたせることもできる。たとえば１つの金属層を、一例としてＡｌおよびＣｕから成る層列とすることができる。

変換器を含む共振器を示す図 分岐路に配置され互いに音響的に結合された共振器を示す図（等価回路図） それぞれ異なる信号経路に配置され互いに音響的に結合された共振器を示す図（等価回路図） ＧＢＡＷにより動作する素子の層構造を示す断面図 図２Ａに示した第１の変換器の平面図 図２Ａに示した第２の変換器の平面図 ＧＢＡＷにより動作する共振器の層構造を示す断面図 ＧＢＡＷにより動作する素子の層構造を示す断面図 図３Ａに示した共振器の変形実施形態を示す図 ＧＢＡＷにより動作する共振器の層構造を示す断面図 図４Ａに示した２つの共振器を示す図 図４Ａに示した２つの共振器から成る共振器の配置構成を描いた平面図 図４Ｂに示した共振器の配置構成を描いた斜視図 圧電層を介して横断方向で音響的に結合された図４Ａによる共振器を備えた素子を示す平面図 図４Ａに示した２つの共振器を示す図 図２Ａに示した素子の変形実施形態を示す図 図３Ｂに示した素子の変形実施形態を示す図 それぞれ異なる共振器の相互にかみ合った電極を備えた素子を垂直方向の１次励起とともに示す図 図８Ａによる第１の共振器の斜視図 図８Ａによる第２の共振器の斜視図 １つの圧電層だけが設けられたＧＢＡＷ導波体構造におけるプロセスステップを示す図 ２つの圧電層を備えたＧＢＡＷ導波体構造におけるプロセスステップを示す図 平坦化層を備えたＧＢＡＷ導波体構造におけるプロセスステップを示す図

符号の説明

１１，１２ 第１のゲートの端子
２１，２２ 第２のゲートの端子
Ａ 第１の共振器Ｒ１の第１の電極
Ａ′ 第２の共振器Ｒ２の第１の電極
Ｂ 第１の共振器Ｒ１の第２の電極
Ｂ′ 第２の共振器Ｒ２の第２の電極
ＤＳ１，ＤＳ２ 誘電層
Ｇ１ 第１の基準電位
Ｇ２ 第２の基準電位
ＭＥ_j ｊ番目の金属層、ｊ＝１〜３
ＭＦ１ 第１の導電面
ＭＦ２ 第２の導電面
ＯＳ 犠牲基板
ＰＳ，ＰＳ１，ＰＳ２ 圧電層
Ｒ１ 第１の共振器
Ｒ２ 第２の共振器
ＳＳ 層系
Ｓ１ 第１の基板
Ｓ２ 第２の基板
Ｗ１ 第１の変換器
Ｗ２ 第２の変換器
ｘ 長手方向
ｙ 横断方向
ｚ 垂直方向

Claims (4)

1. ガイド音響波により動作する素子において、
   基板上に配置された層系と第１の共振器と第２の共振器とが設けられており、
   前記層系は、圧電層（ＰＳ１）、該圧電層（ＰＳ１）の上に配置された第１の金属層（ＭＥ１）、前記圧電層の下に配置された第２の金属層（ＭＥ２）、および１つの金属層の上に直接配置された誘電層（ＤＳ）を含んでおり、
   前記層系は２つの基板の間に配置されており、当該２つの基板はウェハボンディングにより層構造に接合されているか、または厚膜として前記層構造に被着されており、
   前記第１の共振器は、前記第１の金属層（ＭＥ１）の上に形成された第１および第２の電極（Ａ、Ｂ）を備え、該第１および第２の電極は、波の伝播方向で周期的に配置された電極構造体を有しており、前記第１および第２の電極（Ａ、Ｂ）の電極構造体は交互に配置されていて第１の変換器（Ｗ１）を成しており、電気的励起は水平方向に生じ、
   前記第２の共振器は、前記第１の共振器と音響的に結合されかつ該第１の共振器とは電気的に絶縁されており、
   前記第２の共振器は第２の変換器（Ｗ２）を有し、該第２の変換器（Ｗ２）は相互にかみ合った電極（Ａ′，Ｂ′）を備えており、
   前記第１の共振器の電極は第１の電気的ゲートを形成しており、音響的に結合された前記第２の共振器の電極は第２の電気的ゲートを形成しており、
   前記音響的結合は垂直方向に生じ、
   前記層系は導波体を成しており、該導波体を介してガイド音響体積波が横方向に案内され、
   前記両方の共振器は前記導波体を介して互いに結合されていることを特徴とする、
   音響波により動作する素子。
2. ガイド音響波により動作する素子において、
   基板上に配置された層系と第１の共振器と第２の共振器とが設けられており、
   前記層系は、圧電層（ＰＳ１）、該圧電層（ＰＳ１）の上に配置された第１の金属層（ＭＥ１）、前記圧電層の下に配置された第２の金属層（ＭＥ２）、および１つの金属層の上に直接配置された誘電層（ＤＳ）を含んでおり、
   前記層系は２つの基板の間に配置されており、当該２つの基板はウェハボンディングにより層構造に接合されているか、または厚膜として前記層構造に被着されており、
   前記第１の共振器は、前記第１の金属層（ＭＥ１）の上に形成された第１の電極（Ａ）と前記第２の金属層（ＭＥ２）の上に形成された第２の電極（Ｂ）とを備え、前記第１および第２の電極（Ａ、Ｂ）の電極構造体は第１の変換器（Ｗ１）を成しており、電気的励起は垂直方向に生じ、
   前記第２の共振器は、前記第１の共振器と音響的に結合されかつ該第１の共振器とは電気的に絶縁されており、
   前記第２の共振器は、前記第１の金属層（ＭＥ１）に形成された第１の電極（Ａ′）と前記第２の金属層（ＭＥ２）に形成された第２の電極（Ｂ′）とを有し、前記第１の第１の電極（Ａ′）と前記第２の電極（Ｂ′）は第２の変換器（Ｗ２）を形成しており、
   前記第１の共振器の電極は第１の電気的ゲートを形成しており、音響的に結合された前記第２の共振器の電極は第２の電気的ゲートを形成しており、
   前記音響的結合は水平方向に生じ、
   前記層系は導波体を成しており、該導波体を介してガイド音響体積波が横方向に案内され、
   前記両方の共振器は前記導波体を介して互いに結合されていることを特徴とする、
   音響波により動作する素子。
3. 請求項１記載の素子において、
   前記両方の共振器は、圧電層を含んだ結合系を介して横断方向（ｙ）で互いに音響的に結合されていることを特徴とする素子。
4. 請求項２記載の素子において、
   前記両方の共振器は、圧電層を含んだ結合系を介して長手方向（ｘ）で互いに音響的に結合されていることを特徴とする素子。

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