(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響結合変成器であって、
第１のスタック型バルク音響共鳴器と、第２のスタック型バルク音響共鳴器と、を備え、前記第１および第２のスタック型バルク音響共鳴器のそれぞれは、下方の膜状バルク音響共鳴器、上方の膜状バルク音響共鳴器、および両者間に設けられた音響デカプラを備え、前記上方の膜状バルク音響共鳴器は前記下方の膜状バルク音響共鳴器の上に積み重ねられ、膜状バルク音響共鳴器のそれぞれは、向かい合った平面電極と、該平面電極間にある圧電素子と、を有し、該圧電素子はｃ軸によって特徴づけられ、
２つの前記下方の膜状バルク音響共鳴器の前記圧電素子のｃ軸が互いに逆方向であり、２つの前記上方の膜状バルク音響共鳴器の前記圧電素子のｃ軸が互いに逆方向であり、
前記第１のスタック型バルク音響共鳴器の下方の膜状バルク音響共鳴器を前記第２のスタック型バルク音響共鳴器の下方の膜状バルク音響共鳴器に接続する第１の電気回路と、
前記第１のスタック型バルク音響共鳴器の上方の膜状バルク音響共鳴器を前記第２のスタック型バルク音響共鳴器の上方の膜状バルク音響共鳴器に接続する第２の電気回路と、
を備える音響結合変成器。
【請求項２】
前記第１の電気回路は２つの前記下方の膜状バルク音響共鳴器どうしを直列に接続し、前記第２の電気回路は２つの前記上方の膜状バルク音響共鳴器どうしを直列に接続する、請求項１に記載の音響結合変成器。
【請求項３】
前記音響デカプラはそれぞれ音響デカプリング材料の層を有する、請求項１又は２に記載の音響結合変成器。
【請求項４】
前記音響デカプリング材料はプラスチックを含む、請求項３に記載の音響結合変成器。
【請求項５】
前記音響デカプリング材料がポリイミドまたはポリ（パラキシリレン）を含む、請求項３に記載の音響結合変成器。
【請求項６】
前記音響結合変成器が、中心周波数によって特性が決められる通過帯域を有し、
前記音響デカプリング材料の層の公称厚さが、前記中心周波数に等しい周波数を有する音波の、前記音響デカプリング材料内における波長の４分の１の奇数の整数倍に等しい、請求項３に記載の音響結合変成器。
【請求項７】
前記音響デカプラがそれぞれブラッグ構造を有する、請求項１又は２に記載の音響結合変成器。
【請求項８】
前記第１または第２の電気回路の一方がセンタ・タップを有する、請求項１から７のいずれかに記載の音響結合変成器。
【請求項９】
音響結合変成器を作る方法であって、
第１のスタック型バルク音響共鳴器と、第２のスタック型バルク音響共鳴器と、を作成するステップを含み、該作成するステップは、下方の膜状バルク音響共鳴器と、上方の膜状バルク音響共鳴器と、を形成するステップと、前記下方の膜状バルク音響共鳴器と前記上方膜状バルク音響共鳴器との間に音響デカプラを配置するステップとを含み、膜状バルク音響共鳴器のそれぞれは、向かい合った平面電極と、該平面電極間の圧電素子と、を備え、前記圧電素子はｃ軸によって特徴づけられ、前記形成するステップは、２つの前記下方の膜状バルク音響共鳴器の圧電素子のｃ軸を互いに逆方向に設定し、２つの前記上方の膜状バルク音響共鳴器の圧電素子のｃ軸を互いに逆方向に設定するステップを含み、
前記第１のスタック型バルク音響共鳴器の下方の膜状バルク音響共鳴器を前記第２のスタック型バルク音響共鳴器の下方の膜状バルク音響共鳴器に電気的に接続するステップと、
前記第１のスタック型バルク音響共鳴器の上方の膜状バルク音響共鳴器を前記第２のスタック型バルク音響共鳴器の上方の膜状バルク音響共鳴器に電気的に接続するステップと、
を含む方法。
【請求項１０】
前記形成するステップが、さらに、
金属層を堆積させてパターン形成し、１対の平面電極を規定するステップと、
前記平面電極の上に圧電材料層を堆積させるステップと、を含み、
前記設定するステップは、前記圧電材料層を堆積させる前に前記平面電極の一方の上に、該平面電極の一方に向かって延びるｃ軸を有する圧電材料のシード層を堆積させるステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記シード層を堆積させるステップが、酸素を豊富に含むスパッタリング環境におけるスパッタリングによって実行され、
前記圧電材料層を堆積させるステップが、通常のｃ軸材料の形成を促進する堆積条件下において行われ、前記シード層上に堆積させられる層の領域が、前記堆積条件下において堆積させられるにもかかわらず逆方向のｃ軸材料である、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記形成するステップが、さらに、
金属層を堆積させてパターン形成し、１対の平面電極を規定するステップと、
前記平面電極の一方の上における逆方向のｃ軸材料領域と前記平面電極のもう一方の上における通常のｃ軸材料領域とを有する圧電材料の層を前記平面電極上に堆積させるステップとを
含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記形成するステップが、さらに、
金属層を堆積させてパターン形成し、１対の第１の平面電極を形成するステップと、
前記第１の平面電極上に強誘電性材料の層を堆積させるステップと、
さらなる金属層を堆積させてパターン形成し、前記第１の平面電極と向かい合う１対の第２の平面電極を形成するステップと、を含み、
前記設定するステップが、前記第１の平面電極の一方と前記第２の平面電極のうち向かい合った一方との間に公称極性の分極処理電圧を印加し、前記第１の平面電極の他方と前記第２の平面電極の他方との間に逆極性の分極処理電圧を印加するステップと、
を含む請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ｃ軸圧電素子を備えた音響結合変成器に関する。
【背景技術】
【０００２】
変成器は、インピーダンスの変換、平衡回路要素に対するシングル・エンド回路要素の連結またはその逆、電気的遮蔽といった機能を実施するため、多様なタイプの電子装置において利用されている。しかし、全ての変成器が、これらの特性の全てを備えているわけではない。例えば、自動変成器では、電気的遮蔽は行えない。
【０００３】
ＶＨＦ周波数までの可聴周波数およびＲＦ周波数で動作する変成器は、一般に、透磁率の高い鉄心に一次巻線および二次巻線が結合されたものとして造られている。巻線内の電流により磁界が生じる。鉄心は磁束を封じ込め、巻線間の結合を強める。この周波数範囲で動作可能な変成器は、オプティカル・カプラを用いて実現することも可能である。この態様で用いられるオプト・カプラは、当該技術においてオプト・アイソレータと呼ばれる。
【０００４】
結合巻線またはオプト・カプラをベースにした変成器の場合、入力電気信号は、適合する変成構造（すなわち、別の巻線または光検出器）と相互作用する異なる形態（すなわち、磁束または光子）に変換され、出力において電気信号として復元される。例えば、オプト・カプラは、発光ダイオードを用いて入力電気信号を光子に変換する。光子は、光ファイバまたはアイソレーションをもたらす自由空間を通過する。光子によって照射されるフォトダイオードは、光子流から出力電気信号を発生する。出力電気信号は、入力電気信号の複製である。
【０００５】
ＵＨＦおよびマイクロ波周波数において、鉄心ベースの変成器は、鉄心における損失、巻線における損失、巻線間のキャパシタンス、および、波長に関連した問題を防止するのに十分な小型化が困難であるといった要因のために非実用的になる。こうした周波数のための変成器は、例えば、マルシャン・タイプ、直列入力／並列出力接続線路等のような４分の１波長伝送線路をベースにしている。微細機械加工されて結合されたコイル・セットをベースにし、波長効果が重要ではないほど十分に小さい、変成器も存在する。しかし、こうした変成器にも、やはり、高挿入損失に関する問題がある。
【０００６】
ＵＨＦおよびマイクロ波周波数での利用に関して解説したばかりの変成器は、全て、その大きさのために、携帯電話のような最新の小型高密度用途に利用するにはあまり望ましくないということになる。こうした変成器は、バッチ・プロセス方式で製造することができないので、また、基本的にオフ・チップ解決法であるため、やはりコストが高くつく傾向がある。さらに、こうした変成器の帯域幅は、一般に、携帯電話にとって許容できるが、その挿入損失は、一般に１ｄＢを超え、あまりに高すぎる。
【０００７】
オプト・カプラは、入力ＬＥＤの接合キャパシタンス、光検出器に固有の非線形性、制限のあるパワー処理能力、および、優れた同相分除去(common mode rejection)を施すには不十分な遮蔽のため、ＵＨＦおよびマイクロ波周波数では用いられない。
【特許文献１】米国特許第６，２６２，６３７号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２１５，３７５号明細書
【特許文献３】米国特許第５，５８７，６２０号明細書
【特許文献４】米国特許第６，１０７，７２１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、本発明の目的は、ＵＨＦからマイクロ波の範囲の電気的周波数において、インピーダンス変換、平衡回路と不平衡回路との結合、および、電気的遮蔽のうちの１つ以上の特質をもたらすことが可能な変成器を提供することにある。本発明のもう１つの目的は、低挿入損失で、帯域幅が携帯電話のＲＦ信号の周波数範囲に適応するのに十分であり、例えば、サイズが携帯電話で現在用いられている変成器より小さく、製造コストの低い、こうした変成器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の態様において、本発明によれば、第１のスタック型バルク音響共鳴器（ＳＢＡＲ）および第２のＳＢＡＲを備えた音響結合変成器が得られる。ＳＢＡＲは、それぞれ、下方の膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）と上方のＦＢＡＲと、ＦＢＡＲ間の音響デカプラを備えている。上方のＦＢＡＲは、下方のＦＢＡＲの上に積み重ねられる。各ＦＢＡＲは、向かい合った平面電極と、電極間の圧電素子を備えている。圧電素子は、ｃ軸に特徴づけられる。下方のＦＢＡＲの圧電素子のｃ軸は逆方向であり、上方のＦＢＡＲの圧電素子のｃ軸も逆方向である。変成器は、さらに、第１のＳＢＡＲの下方のＦＢＡＲを第２のＳＢＡＲの下方のＦＢＡＲに接続する第１の電気回路と、第１のＳＢＡＲの上方のＦＢＡＲを第２のＳＢＡＲの上方のＦＢＡＲに接続する第２の電気回路を備えている。
【００１０】
第２の態様において、本発明によれば、音響結合変成器の制作方法が得られる。この方法では、第１のスタック型バルク音響共鳴器（ＳＢＡＲ）と第２のＳＢＡＲが製作される。ＳＢＡＲは、下方の膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）と上方のＦＢＡＲを形成し、各ＳＢＡＲの下方のＦＢＡＲと上方のＦＢＡＲの間に音響デカプラを配置することによって製作される。ＦＢＡＲは、それぞれ、向かい合った平面電極と、電極間の圧電素子を備えている。圧電素子は、ｃ軸に特徴づけられる。ＦＢＡＲの形成において、下方のＦＢＡＲの圧電素子のｃ軸は逆方向に設定され、上方のＦＢＡＲの圧電素子のｃ軸も逆方向に設定される。さらに、この方法において、第１のＳＢＡＲの下方のＦＢＡＲと第２のＳＢＡＲの下方のＦＢＡＲ間が電気的に接続され、第１のＳＢＡＲの上方のＦＢＡＲと第２のＳＢＡＲの上方のＦＢＡＲ間も電気的に接続される。
【００１１】
実施態様の１つでは、ＦＢＡＲの製作において、金属層を堆積させて、パターン形成を施すことによって、１対の電極が形成され、電極上に圧電材料の層が堆積させられる。圧電素子のｃ軸は、圧電材料の層を堆積させる前に、電極の一方の上に逆方向のｃ軸の圧電材料のシード層を堆積させることによって、逆方向に設定される。
【００１２】
もう１つの実施態様では、ＦＢＡＲの形成において、金属層を堆積させて、パターン形成を施すことによって、１対の電極が形成され、電極上に圧電材料の層が堆積させられる。この堆積層は、電極の一方における逆方向のｃ軸材料の領域と、もう一方の電極における通常のｃ軸材料の領域を備えている。これらの圧電素子のｃ軸は、異なる堆積条件を用いてこれらの領域を堆積させることによって逆方向になるように設定される。
【００１３】
もう１つの実施態様では、ＦＢＡＲの形成において、金属層を堆積させて、パターン形成を施すことによって、１対の第１の電極が形成され、第１の電極の上に、強誘電性圧電材料が堆積させられ、もう１つの金属層を堆積させて、パターン形成を施すことによって、第１の電極と向かい合った１対の第２の電極が形成される。圧電素子のｃ軸は、第１の電極の一方と第２の電極の向かい合った一方との間に公称極性の分極処理電圧を印加し、第１の電極のもう一方と第２の電極のもう一方との間に逆極性の分極処理電圧を印加することによって、逆方向に設定される。
【００１４】
本発明による音響結合変成器の実施態様は、ＵＨＦからマイクロ波の範囲の電気的周波数において、インピーダンス変換、平衡回路と不平衡回路との結合、および、電気的遮蔽のうちの１つ以上の特質をもたらすことが可能である。こうした実施態様は、一般に、低挿入損失で、帯域幅が携帯電話のＲＦ信号の周波数範囲に適応するのに十分であり、例えば、サイズが携帯電話で現在用いられている変成器より小さく、製造コストが低い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
現在では、本開示の譲受人に譲渡された、米国特許第５，５８７，６２０号明細書には、膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）が開示されている。米国特許第５，５８７，６２０号明細書の開示には、３つの平面電極と交互配置された２つの圧電材料層から構成されるスタック型膜状バルク音響共鳴器（ＳＢＡＲ）も開示されている。米国特許第５，５８７，６２０号明細書のＳＢＡＲは、電極の１つが両方のＦＢＡＲにとって共通である、ＦＢＡＲのスタック対から構成されるものとみなすことが可能であり、今後は、共通電極ＳＢＡＲと呼ぶことにする。共通電極のため、共通電極ＳＢＡＲは、不平衡回路に対する平衡回路の連結またはその逆を実施し、一次側と二次側との間に電気的遮蔽を施すことができなくなる。さらに、共通電極ＳＢＡＲは、極めて狭い通過帯域幅を示すので、大部分の用途において利用に適さないことになる。狭い通過帯域幅は、ＦＢＡＲ間において音響エネルギを過度に結合する共通電極に起因する。
【００１６】
米国特許出願公開第１０／６９９，４８１号明細書には、それぞれ、その構成要素であるＦＢＡＲ間に挿入された音響デカプラが組み込まれている、１対の相互接続ＳＢＡＲから構成された膜状音響結合変成器が開示されている。音響デカプラは、一次側と二次側の間に電気的遮蔽を施して、ＦＢＡＲ間における音響エネルギの過剰結合を排除することによって、膜状音響結合変成器に有効な帯域幅をもたらす。
【００１７】
膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）は、ＦＢＡＲの一部を構成する圧電材料が極性依存性である結果として、極性依存素子である。ＦＢＡＲの電極間にある特定の極性の電圧が印加されると、ＦＢＡＲの厚さが第１の方向において変化し、一方、逆極性の同じ電圧によって、ＦＢＡＲの厚さが第１の方向とは逆の第２の方向において変化する。例えば、ある特定の極性の電圧によって、ＦＢＡＲの厚さが増し、一方、逆極性の電圧によって、ＦＢＡＲの厚さが減ることになる。ＦＢＡＲの厚さは、電極間におけるＦＢＡＲの寸法である。同様に、ＦＢＡＲの厚さを第１の方向において変化させる機械的応力がＦＢＡＲに加えられると、ＦＢＡＲの電極間にある特定の極性の電圧が発生し、一方、ＦＢＡＲの厚さを第１の方向とは逆の第２の方向において変化させる機械的応力によって、ＦＢＡＲの電極間に逆極性の電圧が発生することになる。例えば、ＦＢＡＲの厚さを増す機械的応力がＦＢＡＲに加えられると、ある特定の極性の電圧が発生し、一方、ＦＢＡＲの厚さを減らす機械的応力によって、逆極性の電圧が発生することになる。
【００１８】
結晶族における６ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような圧電材料は、ａ軸およびｂ軸が六角形の平面内にあり、ｃ軸が六角形の平面に対して直交する、六方晶系の単位胞を備えている。ＦＢＡＲの圧電材料のｃ軸方向によって、電圧の極性とＦＢＡＲの厚さの変化方向の関係が決まる。上記例は、圧電材料のｃ軸がある特定の方向に向けられたＦＢＡＲを用いることによって得られる。圧電材料のｃ軸が第１の方向とは逆の第２の方向に向けられたＦＢＡＲの場合、ＦＢＡＲの電極間にある特定の極性の電圧を印加すると、ＦＢＡＲの厚さが第２の方向に変化し、一方、逆極性の電圧によって、ＦＢＡＲの厚さが第１の方向に変化する。同様に、ＦＢＡＲの厚さを第１の方向に変化させる機械的応力がＦＢＡＲに加えられると、ＦＢＡＲの電極間に前記逆極性の電圧が発生し、一方、ＦＢＡＲの厚さを第１の方向とは逆の第２の方向に変化させる機械的応力がＦＢＡＲに加えられると、ＦＢＡＲの電極間に前記ある特定の極性の電圧が発生することになる。その上にＦＢＡＲが浮かされた基板に向かってｃ軸が延びている圧電材料は、本明細書において、逆方向のｃ軸材料と呼ぶことにする。その上にＦＢＡＲが浮かされた基板から遠ざかる方向にｃ軸が延びている圧電材料は、通常のｃ軸材料と呼ぶことにする。
【００１９】
図１Ａ〜図１Ｃには、それぞれ、本発明による膜状音響結合変成器の典型的な実施態様１００の平面図および２つの断面図が示されている。音響結合変成器１００は、平衡回路要素に対するシングル・エンド回路要素の連結またはその逆を実施することが可能であり、一次側と二次側の間に電気的遮蔽を施し、電気的に平衡である。音響結合変成器１００は、インピーダンス変換比が１：１の低インピーダンス変成器である。
【００２０】
音響結合変成器１００は、２つのスタック型バルク音響共鳴器（ＳＢＡＲ）１０６および１０８から構成されている。各ＳＢＡＲは、下方の膜状バルク音響共鳴器（ＦＢＡＲ）および上方のＦＢＡＲと、ＦＢＡＲ間の音響デカプラから構成されている。上方のＦＢＡＲは、下方のＦＢＡＲの上にスタックされている。変成器１００は、さらに、ＳＢＡＲ１０６の下方のＦＢＡＲをＳＢＡＲ１０８の下方のＦＢＡＲに接続する電気回路と、ＳＢＡＲ１０６の上方のＦＢＡＲをＳＢＡＲ１０８の上方のＦＢＡＲに接続する電気回路から構成されている。本開示の譲受人に譲渡された、米国特許出願公開第１０／６９９，２８９号明細書には、音響デカプラを組み込んだＳＢＡＲに関するさらに詳細な記載がある。
【００２１】
ＳＢＡＲ１０６は、下方のＦＢＡＲ１１０および上方のＦＢＡＲ１２０と、ＦＢＡＲ１１０と１２０の間の音響デカプラ１３０から構成されている。上方のＦＢＡＲ１２０は、下方のＦＢＡＲ１１０の上にスタックされている。音響デカプラ１３０は、ＦＢＡＲ１１０と１２０の間における音響エネルギの結合を制御する。ＳＢＡＲ１０８は、下方のＦＢＡＲ１５０と上方のＦＢＡＲ１６０と、ＦＢＡＲ１５０と１６０との間の音響デカプラ１７０から構成されている。上方のＦＢＡＲ１６０は、下方のＦＢＡＲ１５０の上にスタックされている。音響デカプラ１７０は、ＦＢＡＲ１５０と１６０の間における音響エネルギの結合を制御する。
【００２２】
下方のＦＢＡＲ１１０は、向かい合った平面電極１１２および１１４と、電極間の圧電素子１１６から構成されている。上方のＦＢＡＲ１２０は、向かい合った平面電極１２２および１２４と、電極間の圧電素子１２６から構成されている。下方のＦＢＡＲ１５０は、向かい合った平面電極１５２および１５４と、電極間の圧電素子１５６から構成されている。上方のＦＢＡＲ１６０は、向かい合った平面電極１６２および１６４と、電極間の圧電素子１６６から構成されている。
【００２３】
ＳＢＡＲ１０６およびＳＢＡＲ１０８は、基板１０２に形成されたキャビティ１０４上に浮かしている。ＳＢＡＲをキャビティ上に浮かせると、ＳＢＡＲのＦＢＡＲを機械的に共振させることが可能になる。ＦＢＡＲの機械的共振を可能にする他の浮かせる方式も可能である。例えば、ＳＢＡＲは、米国特許第６，１０７，７２１号明細書に開示されているように、基板１０２に形成された不整合音響ブラッグ反射器（不図示）の上に配置することが可能である。
【００２４】
図示の例の場合、圧電素子は、それぞれ、圧電材料のそれぞれの層から構成されている。圧電材料は、ｃ軸を備えている。従って、圧電素子のそれぞれ１１６、１２６、１５６、１６６は、それぞれのｃ軸に特徴づけられる。下方のＦＢＡＲ１１０および１５０の圧電素子１１６および１５６のｃ軸は、それぞれ、逆方向であり、上方のＦＢＡＲ１２０および１６０の圧電素子１２６および１６６のｃ軸も、それぞれ、逆方向である。
【００２５】
図示の例の場合、下方のＦＢＡＲ１５０の圧電素子１５６の圧電材料、および、上方のＦＢＡＲ１６０の圧電素子１６６の圧電材料は、逆方向のｃ軸材料である。圧電素子１５６および１６６のｃ軸方向は、それぞれ、矢印１４８および１４９によって表示されている。下方のＦＢＡＲ１１０の圧電素子１１６の圧電材料および上方のＦＢＡＲ１２０の圧電素子１２６の圧電材料は、通常のｃ軸である。圧電素子１１６および１２６のｃ軸方向は、それぞれ、矢印１４６および１４７によって表示されている。
【００２６】
もう１つの実施態様では、ＦＢＡＲ１２０および１５０の圧電素子１２６および１５６の圧電材料は、それぞれ、逆方向のｃ軸材料であり、ＦＢＡＲ１１０および１６０の圧電素子１１６および１６６の圧電材料は、通常のｃ軸材料である。代替実施態様では、ＦＢＡＲ１２０および１５０の圧電素子１２６および１５６の圧電材料は、それぞれ、逆方向のｃ軸材料であり、ＦＢＡＲ１１０および１６０の圧電素子１１６および１６６の圧電材料は、通常のｃ軸材料である。もう１つの代替実施態様では、ＦＢＡＲ１１０および１２０の圧電素子１１６および１２６の圧電材料は、それぞれ、逆方向のｃ軸材料であり、ＦＢＡＲ１５０および１６０の圧電素子１５６および１６６の圧電材料は、通常のｃ軸材料である。最後の代替実施態様では、ＦＢＡＲ１１０および１６０の圧電素子１１６および１６６の圧電材料は、それぞれ、逆方向のｃ軸材料であり、ＦＢＡＲ１２０および１５０の圧電素子１２６および１５６の圧電材料は、通常のｃ軸材料である。
【００２７】
図２は、音響結合変成器１００の電気回路の概略図である。第１の電気回路１４１は、下方のＦＢＡＲ１５０の電極１５４を下方のＦＢＡＲ１１０の電極１１４に接続する電気トレース１３７から構成されている。従って、電気回路１４１は、下方のＦＢＡＲ１１０および１５０を直列に接続する。しかし、下方のＦＢＡＲ１５０の圧電素子１５６のｃ軸方向は、下方のＦＢＡＲ１１０の圧電素子１１６に対して逆のため、ＦＢＡＲ１１０とＦＢＡＲ１５０を直列に接続すると、非直列に接続された従来のＦＢＡＲと電気機械特性が同じになる。第１の電気回路１４１は、さらに、電極１１２を端子１３２に電気的に接続する電気トレース１３３と、電極１５２を端子１７２に電気的に接続する電気トレース１７３から構成されている。端子１３２および１７２は、ボンディング・パッドとして構成されている。直列および非直列という用語については、さらに後述する。
【００２８】
第２の電気回路１４２は、ＳＢＡＲ１０６の上方のＦＢＡＲ１２０の電極１２２をＳＢＡＲ１０８の上方のＦＢＡＲ１６０の電極１６２に接続する電気トレース１３８から構成されている。さらに、第２の電気回路１４２は、さらに、電極１２４を端子１３４に電気的に接続する電気トレース１３５と、電極１６４を端子１７４に電気的に接続する電気トレース１７５から構成されている。従って、電気回路１４２は、上方のＦＢＡＲを電気的に直列に接続する。しかし、上方のＦＢＡＲ１６０の圧電素子１６６のｃ軸方向は、上方のＦＢＡＲ１２０の圧電素子１２６に対して逆のため、ＦＢＡＲ１２０とＦＢＡＲ１６０を直列に接続すると、非直列に接続された従来のＦＢＡＲと電気機械特性が同じになる。端子１３４および１７４は、ボンディング・パッドとして構成されている。
【００２９】
実施態様の１つでは、端子１３２および１７２は、膜状音響結合変成器１００の一次端子を構成し、端子１３４および１７４は、二次端子を構成している。このように接続されると、音響結合変成器１００は、１：１変成器の働きをする。一次端子１３２および１７２に加えられた信号は、二次端子１３４および１７４から同じレベルで出力される。また、ＦＢＡＲ１１０、１２０、１５０、および、１６０の全ての特性インピーダンスが同様である典型的な実施態様の場合、一次端子１３２および１７２で観測されるインピーダンスは、直列をなす２つのＦＢＡＲのインピーダンス、すなわち、単一ＦＢＡＲの典型的な特性インピーダンスの２倍であり、一方、二次端子１３４および１７４で観測されるインピーダンスは、やはり、直列をなす２つのＦＢＡＲのインピーダンスである。従って、音響結合変成器１００の一次側と二次側のインピーダンス比は、１：１になる。
【００３０】
代替実施態様の場合、端子１３２および１７２は、膜状音響結合変成器１００の二次端子を構成し、端子１３４および１７４は、一次端子を構成している。このように接続されると、音響結合変成器１００は、１：１変成器の働きをするので、二次端子１３４および１７４から、一次端子１３２および１７２に加えられた信号レベルと同じレベルの信号を出力し、一次側と二次側のインピーダンス比は１：１になる。
【００３１】
電気回路１４１は、ＦＢＡＲ１１０および１５０を電気的に直列に接続するので、端子１３２および１７２に加えられる入力電気信号は、ＦＢＡＲ１１０および１５０に対して等しく逆相で加えられる。ＦＢＡＲ１１０を機械的に収縮させる電気信号が端子１３２および１７２に加えられると、ＦＢＡＲ１１０および１５０の圧電素子１１６および１５６のｃ軸方向が、それぞれ、逆のため、ＦＢＡＲ１５０が同じ量だけ機械的に伸張することになるが、逆もまた同様である。ＦＢＡＲ１５０によって発生する音響エネルギは、従って、ＦＢＡＲ１１０によって発生する音響エネルギと同相をなす。このため、ＦＢＡＲ１６０がＦＢＡＲ１５０から受ける音響エネルギは、ＦＢＡＲ１２０がＦＢＡＲ１１０から受ける音響エネルギと同相になる。上方のＦＢＡＲ１２０および１６０の圧電素子１２６および１６６に、それぞれ、同相の音響信号が加えられると、圧電素子１２６および１６６のｃ軸が逆方向のため、電極１２２と１２４の間、および、１６２と１６４の間に、互いに逆相の電気信号が発生する。電気回路１４２は、ＦＢＡＲ１２０および１６０を直列に接続するので、端子１３４と１７４との電圧差は、ＦＢＡＲ１２０および１６０のそれぞれの両端における電圧の２倍に等しくなる。
【００３２】
上述のように、本発明による変成器１００の場合、音響デカプラ１３０が、スタック型ＦＢＡＲ１１０と１２０の間における音響エネルギの結合を制御し、音響デカプラ１７０が、スタック型ＦＢＡＲ１５０と１６０の間における音響エネルギの結合を制御する。さらに、音響デカプラ１３０および１７０が電気的に絶縁性であるため、音響デカプラ１３０によって、ＦＢＡＲ１１０がＦＢＡＲ１２０から電気的に分離され、音響デカプラ１７０によって、ＦＢＡＲ１５０がＦＢＡＲ１６０から電気的に分離される。音響デカプラ１３０および１７０によって得られる電気的遮蔽によって、音響結合変成器１００の一次側と二次側との電気的遮蔽が施される。
【００３３】
音響デカプラ１３０および１７０によって得られる音響結合は、上述の共通電極ＳＢＡＲのＦＢＡＲ間における音響結合に比べて大幅に少ない。結果として、ＦＢＡＲ１１０および１２０とＦＢＡＲ１５０および１６０は、過剰結合しなくなり、変成器１００は、図５に関連して後述するように、通過帯域における応答が比較的フラットになる。
【００３４】
図１Ａ〜図１Ｃに示す音響デカプラ１３０および１７０の実施態様は、音響デカプラ１３０が下方のＦＢＡＲ１１０の電極１１４と上方のＦＢＡＲ１２０の電極１２２の間に配置された音響デカプリング材料の層から構成され、音響デカプラ１７０が、下方のＦＢＡＲ１５０の電極１５４と上方のＦＢＡＲ１６０の電極１６２の間に配置された音響デカプリング材料の層から構成されている、第１の実施態様である。
【００３５】
図３Ａは、音響デカプラ１３０の上述の第１の実施態様を組み込んだＳＢＡＲ１０６の一部をさらに詳細に示した拡大図である。さらに、図１Ａおよび１Ｂを参照すると、ＳＢＡＲ１０８および音響デカプラ１７０の対応する部分は、構造が同様であり、別個の解説は控えることにする。図示の例の場合、音響デカプラ１３０は、ＦＢＡＲ１１０の電極１１４とＦＢＡＲ１２０の電極１２２の間に配置された音響デカプリング材料の層１３１から構成されている。音響デカプリング材料の層１３１は、さらに、ＦＢＡＲ１５０の電極１４４とＦＢＡＲ１６０の電極１６２の間に延びて、ＳＢＡＲ１０８の音響デカプリング層１７０を形成している。他の実施態様には、別個ではあるが、同様の音響デカプリング材料の層によって、それぞれ、音響デカプラ１３０および１７０が形成されるものもある。
【００３６】
層１３１の音響デカプリング材料の重要な特性は、音響インピーダンスが、ＦＢＡＲ１１０、１２０、１５０、および、１６０の材料と大幅に異なり、一般に、それらよりかなり低く、公称厚さが、その周波数が音響結合変成器１００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、音響デカプリング材料内における波長の４分の１の奇数の整数倍という点である。用途によっては、高電気抵抗率が望ましい場合もある。層１３１の材料が電気的に絶縁性の実施態様では、低誘電率が望ましい場合もある。
【００３７】
音響デカプリング材料は、音響インピーダンスが、ＦＢＡＲ１１０、１２０、１５０、および、１６０の材料より低く、空気より大幅に高い。ある材料の音響インピーダンスは、その材料における応力と粒子速度の比であり、ｒａｙｌと略記されるレイリー単位で測定される。ＦＢＡＲの材料は、一般に、圧電層１１６、１２６、１５６、および、１６６の材料としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と、電極１１２、１１４、１２２、１２４、１５２、１５４、１６２、および、１６４の材料としてのモリブデン（Ｍｏ）である。ＦＢＡＲの材料の音響インピーダンスは、一般に、３０Ｍｒａｙｌを超え（ＡｌＮの場合は３５Ｍｒａｙｌで、Ｍｏの場合は６３Ｍｒａｙｌ）、空気の音響インピーダンスは、約１ｋｒａｙｌである。ＦＢＡＲの材料が上述のとおりである変成器１００の実施態様の場合、音響インピーダンスが約１Ｍｒａｙｌ〜約１６Ｍｒａｙｌの範囲の材料が、層１３１の音響結合材料としてうまく機能する。
【００３８】
図４は、膜状音響結合変成器１００について計算された周波数応答が、音響デカプラ１３０および１７０の第１の実施態様を構成する層１３１の音響デカプリング材料の音響インピーダンスにどれほど左右されるかを示すグラフである。例示の実施態様は、中心周波数が約１．９ＧＨｚである。音響デカプラの音響デカプリング材料の音響インピーダンスが約４Ｍｒａｙｌ（ポリイミド  −  曲線２４０）、８Ｍｒａｙｌ（曲線２４２）、および、１６Ｍｒａｙｌ（曲線２４４）である実施態様について計算された周波数応答が示されている。明らかに、変成器１００の帯域幅は、音響デカプリング材料の音響インピーダンスが増すにつれて広くなる。音響インピーダンスが１６Ｍｒａｙｌである実施態様の場合、ＦＢＡＲの共振は、過剰に結合され、通過帯域応答に固有の二重ピークを生じることになる。
【００３９】
図１Ａ〜１Ｃに示す膜状音響結合変成器１００の実施態様において、音響デカプラ１３０および１７０を構成する音響デカプリング材料の層１３１（図３Ａ）の厚さは、周波数が変成器の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、音響デカプリング材料内における波長の４分の１に等しい公称厚さ、すなわち、ｔ≒λｎ／４であり、ここで、ｔは層１３１の厚さであり、λｎは、周波数が変成器１００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、音響デカプリング材料内における波長である。代わりに、公称厚さの約±１０％の範囲内の層１３１の厚さを利用することも可能である。代わりに、多少性能が劣化するが、この範囲外の厚さを利用することも可能である。しかし、層１３１の厚さは、一方の極値の０λｎ、および、もう一方の極値のλｎ／２から大幅に異なることが望ましい。
【００４０】
より一般的には、音響デカプリング材料の層１３１は、周波数が変成器１００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、音響デカプリング材料内における波長の４分の１の奇数の整数倍に等しい、すなわち、ｔ≒（２ｍ＋１）λｎ／４の公称厚さを備えているが、ここで、ｔおよびλｎは、上記定義の通りであり、ｍは、０以上の整数である。この場合、代わりに、公称厚さからλｎ／４の約±１０％だけ異なる厚さの層１３１を利用することも可能である。性能が多少劣化するものの、この範囲外の厚さ許容差を利用することも可能であるが、層１３１の厚さは、λｎ／２の整数倍から大幅に異なるのが望ましい。
【００４１】
多くのプラスチック材料は、上述の範囲内の音響インピーダンスを有しており、上述の厚さ範囲内で均一な厚さの層に適用可能である。従って、こうしたプラスチック材料は、潜在的に、音響デカプラ１３０および１７０を構成する層１３１の音響デカプリング材料として用いるのに適している。しかし、音響デカプリング材料は、電極１１４および１５４に層１３１を堆積させて、音響デカプラ１３０および１７０を形成した後で実施される製作工程の温度に耐えることも可能でなければならない。
【００４２】
さらに詳細に後述するように、膜状音響結合変成器１００の実際の実施態様では、電極１２２、１２４、１６２、および、１６４と、圧電層１２６および１６６は、層１３１の堆積後、スパッタリングによって堆積させられる。これらの堆積プロセス中に、３００℃もの高温に達することになる。従って、こうした温度で安定状態を保つプラスチックが、層１３１の音響デカプリング材料として望ましい。
【００４３】
プラスチック材料は、一般に、ＳＢＡＲ１０６およびＳＢＡＲ１０８の他の材料に比べると、単位長あたりの音響減衰量が極めて大きい。しかし、プラスチック音響デカプリング材料による層１３１は、一般に、厚さが１μｍ未満のため、音響デカプラ１３０および１７０によって導入される音響減衰は、一般に、ごくわずかである。
【００４４】
実施態様の１つでは、ポリイミドが層１３１の音響デカプリング材料として利用される。ポリイミドは、Ｅ．Ｉ．ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅ  Ｎｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  ｃｏｍｐａｎｙによってＫａｐｔｏｎＴＭの商標で販売されている。こうした実施態様の場合、音響デカプラ１３０および１７０は、スピン・コーティング、吹き付け、浸漬、または、別の適合する方法で電極１１４および１５４に塗布されたポリイミドの層１３１から構成される。ポリイミドの音響インピーダンスは約４Ｍｒａｙｌである。もう１つの実施態様では、ポリ（パラキシリレン）が、層１３１の音響デカプリング材料として用いられる。こうした実施態様の場合、音響デカプラ１３０および１７０は、真空蒸着によって電極１１４および１５４に被着させられたポリ（パラキシリレン）の層１３１から構成される。ポリ（パラキシリレン）は、当該技術においてパリレンとしても知られている。パリレンが製造される二量体前駆物質であるジパラキシリレン、および、パリレンの層の真空蒸着を実施するための装置は、多くの供給業者から入手可能である。パリレンの音響インピーダンスは、約１．８Ｍｒａｙｌである。
【００４５】
代替実施態様の場合、層１３１の音響デカプリング材料は、音響インピーダンスがＦＢＡＲ１１０、１２０、１５０、および、１６０の材料よりかなり高い。この時点において、この特性を備えた材料は知られていないが、今後こうした材料の入手が可能になる可能性があるか、あるいは、より音響インピーダンスの低いＦＢＡＲ材料が、今後入手可能になる可能性がある。こうした高音響インピーダンスの音響デカプリング材料の層１３１の厚さは、上述の通りである。
【００４６】
図３Ｂは、ブラッグ構造１６１を組み込んだ音響デカプラ１３０の第２の実施態様を取り入れた、ＳＢＡＲ１０６の一部をさらに詳細に示す拡大図である。音響デカプラ１７０のこうした第２の実施態様を取り入れたＳＢＡＲ１０８の対応する部分は、同様の構造であり、別個の解説は控えることにする。ブラッグ構造１６１は、高音響インピーダンスのブラッグ素子１６５と１６７の間に挟まれた低音響インピーダンスのブラッグ素子１６３から構成されている。低音響インピーダンスのブラッグ素子１６３は、低音響インピーダンス材料の層であり、一方、高音響インピーダンスのブラッグ素子１６５および１６７は、それぞれ、高音響インピーダンス材料の層である。ブラッグ素子の音響インピーダンス特性は、互いに対して、さらに、層１１６および１２６の圧電材料の音響インピーダンスに対して、「低」および「高」として示される。さらに、ブラッグ素子の少なくとも１つは、誘電率が低い。用途によっては、さらに、一次側と二次側の間に電気的遮蔽を施すため、ブラッグ素子の少なくとも１つの電気抵抗率が高いものもある。
【００４７】
ブラッグ素子１６１、１６３、および、１６５を構成する層は、それぞれ、周波数が変成器１００の中心周波数に等しい音波の、層材料内における波長の４分の１の奇数の整数倍に等しい公称厚さを備えている。代わりに、波長の４分の１の約±１０％だけ公称厚さとは異なる層を利用することも可能である。性能が多少劣化するものの、この範囲外の厚さ許容差を利用することも可能であるが、層の厚さは、波長の２分の１の整数倍から大幅に異なるのが望ましい。
【００４８】
実施態様の１つでは、低音響インピーダンスのブラッグ素子１６３は、音響インピーダンスが約１３Ｍｒａｙｌの二酸化珪素（ＳｉＯ２）の層であり、高音響インピーダンスのブラッグ素子１６５および１６７のそれぞれは、それぞれ、電極１１４および１２２と同じ材料、すなわち、音響インピーダンスが約６３Ｍｒａｙｌのモリブデンの層である。ＦＢＡＲ１１０および１２０の、それぞれ、高音響インピーダンスのブラッグ素子１６５および１６７と電極１１４および１２２に、それぞれ、同じ材料を用いることによって、高音響インピーダンのブラッグ素子１６５および１６７は、さらに、それぞれ、電極１１４および１２２の働きをすることが可能になる。
【００４９】
ある例では、高音響インピーダンスのブラッグ素子１６５および１６７は、周波数が変成器１００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、モリブデン内における波長の４分の１に等しい公称厚さを備え、低音響インピーダンスのブラッグ素子１６３は、周波数が変成器の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、ＳｉＯ２内における波長の４分の３に等しい公称厚さを備えていた。低音響インピーダンスのブラッグ素子１６３として、４分の１波長の厚さのＳｉＯ２層の代わりに、４分の３波長の厚さのＳｉＯ２層を利用することによって、ＦＢＡＲ１１０と１２０の間のキャパシタンスが減少するが、変成器１００の帯域幅が狭くなる。
【００５０】
高音響インピーダンスのブラッグ素子１６５および１６７と低音響インピーダンスのブラッグ素子１６３との音響インピーダンス差が比較的少ない実施態様の場合、ブラッグ構造１６１は、２つ以上の（例えば、ｎの）低音響インピーダンスのブラッグ素子が、対応する数の（すなわち、ｎ＋１の）高インピーダンスのブラッグ素子と交互配置された構成とすることが可能である。例えば、ブラッグ構造は、３つの高音響インピーダンスのブラッグ素子と交互配置された２つの低音響インピーダンスのブラッグ素子から構成することが可能である。ブラッグ素子の１つだけしか絶縁する必要がない。
【００５１】
実施態様の１つでは、低音響インピーダンス・ブラッグ素子１６３は、さらに、ＳＢＡＲ１０８の電極１５４と１６２の間に延びて、音響デカプラ１３０および１７０の一部を形成する。さらに、電極１５４および１６２は、周波数が変成器１００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、電極材料内における波長の４分の１の公称厚さを備えている。あるいはまた、音響デカプラ１３０および１７０は、それぞれ別個であるが、同様の低音響インピーダンスのブラッグ素子を組み込むことが可能である。
【００５２】
ウェーハ・スケール製作によって、膜状音響結合変成器１００と同様の数千の膜状音響結合変成器が一度に製作される。こうしたウェーハ・スケール製作によって、膜状音響結合変成器１００の製作が低コストになる。典型的な製作方法については、次に、図５Ａ〜５Ｌの平面図および図５Ｍ〜５Ｘの断面図に関連して述べることにする。後述する量的な例は、約１．９ＧＨｚの周波数における動作に適した膜状音響結合変成器１００の例に関するものである。他の周波数における動作に適した例は、電極面積および薄膜厚といった細部が異なることになる。
【００５３】
単結晶シリコンのウェーハ（不図示）が用意される。ウェーハの一部は、製作される変成器毎に、変成器１００の基板１０２に対応する基板を構成する。図５Ａ〜図５Ｌおよび図５Ｍ〜図５Ｘには、ウェーハの一部内およびウェーハの一部上における変成器１００の製作が例示されており、以下の説明では、それについて解説される。変成器１００が製作されると、ウェーハ上の残りの変成器が、同様に製作される。
【００５４】
変成器１００の基板１０２を構成するウェーハの一部に、選択的にウェット・エッチングが施されて、図５Ａおよび５Ｍに示すようなキャビティ１０４が形成される。代わりに、ドライ・エッチングによって、キャビティ１０４を形成することも可能である。
【００５５】
ウェーハ表面に、キャビティを充填するのに十分な厚さの充填材料の層（不図示）が堆積させられる。次に、ウェーハ表面を平坦化して、充填材料で充填されたキャビティが残される。図５Ｂおよび図５Ｎには、充填材料１０５を充填した、基板１０２のキャビティ１０４が示されている。
【００５６】
実施態様の１つでは、充填材料は、りん酸シリケート・ガラス（ＰＳＧ）であり、従来の低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）を用いて堆積させられた。充填材料は、代わりに、スパッタリングまたはスピン・コーティングによって堆積させることも可能である。
【００５７】
金属層が、ウェーハ表面および充填材料上に堆積させられる。金属にパターン形成を施して、図５Ｃおよび図５Ｏに示すような、電極１１２、電極１５２、ボンディング・パッド１３２、電極１１２とボンディング・パッド１３２の間に延びる電気トレース１３３、ボンディング・パッド１７２、および、電極１５２とボンディング・パッド１７２の間に延びる電気トレース１７３が形成される。電極１１２および電極１５２は、充填材料１０５の表面の一部が露出したままになるように配置されているので、後述するように、エッチングによって、後で、充填材料を除去することが可能である。
【００５８】
電極１１２および電極１５２は、一般に、ウェーハ３０２の主表面に対して平行な平面に不規則な形状を備えている。不規則な形状は、米国特許第６，２１５，３７５号明細書に開示されているように、電極がその一部を形成するＦＢＡＲにおける横モードを最小限に抑える。
【００５９】
電極１１２、１１４、１２２、１２４、１５２、１５４、１６２、および、１６４は、ウェーハの主表面に対して平行なそれぞれの平面において、ＦＢＡＲ１１０の電極１１２および１１４の形状、サイズ、配向、および、位置が同じになり、ＦＢＡＲ１２０の電極１２２および１２４の形状、サイズ、配向、および、位置が同じになり、ＦＢＡＲ１５０の電極１５２および１５４の形状、サイズ、配向、および、位置が同じになり、ＦＢＡＲ１６０の電極１６２および１６４の形状、サイズ、配向、および、位置が同じになるように金属層にパターン形成を施すことによって形成される。一般に、電極１１４および１２２の形状、サイズ、配向、および、位置が、さらに、同じになり、電極１５４および１６２の形状、サイズ、配向、および、位置が、さらに、同じになる。
【００６０】
実施態様の１つでは、電極１１２、ボンディング・パッド１３２、トレース１３３、電極１５２、ボンディング・パッド１７２、および、トレース１７３を形成するために堆積させられた金属は、モリブデンであった。モリブデンは、スパッタリングによって、約４４０ｎｍの厚さに堆積させられ、ドライ・エッチングでパターン形成を施されて、それぞれ、約７，０００平方μｍの面積の五角形電極が形成された。電極の面積は、ある特定の電気インピーダンスが得られるように選択される。インピーダンスは、ＳＢＡＲ１０６および１０８の高さ、および、動作周波数によっても決まる。代わりに、電極１１２および１５２、ボンディング・パッド１３２および１７２、および、トレース１３３および１７３の材料として、タングステン、ニオブ、および、チタンのような他の耐熱金属を利用することも可能である。あるいはまた、電極、ボンディング・パッド、および、トレースに、２つ以上の材料による層を含むことも可能である。
【００６１】
圧電材料を堆積させて、パターン形成を施し、ＦＢＡＲ１１０の通常のｃ軸圧電素子１１６およびＦＢＡＲ１５０の逆方向のｃ軸圧電素子１５６をなす圧電層１１７が形成される。まず、逆方向のｃ軸圧電材料の薄層を堆積させることによって、圧電材料の堆積が実施され、この薄層にパターン形成を施して、図５Ｄおよび図５Ｐに示すように、電極１５２の上にシード層１５５が形成される。次に、圧電素子１１６および１５６の設計厚さに等しい公称厚さを備える圧電材料の薄層を堆積させ、これにパターン形成を施して、図５Ｅおよび図５Ｑに示すように、圧電層１１７が形成される。シード層１５５は、層１１７の一部の下方のにおいて所定位置にとどまるが、層１１７と比べるとその厚さはごくわずかであるため、図５Ｑには示されていない。圧電層１１７にパターン形成を施して、充填材料１０５の表面の一部、および、ボンディング・パッド１３２および１７２が露出させられる。さらに、圧電層１１７にパターン形成を施して、充填材料の表面の別の部分への接近を可能にするウィンドウ１１９が形成される。
【００６２】
再び図５Ｄおよび図５Ｐを参照すると、パターン形成を施して、シード層１５５が形成される圧電材料の薄層が、逆方向のｃ軸圧電材料の形成を促進する堆積条件下において堆積させられる。圧電材料の薄層にパターン形成を施して、シード層１５５を形成すると、電極１１２、充填材料１０５の表面の一部、ボンディング・パッド１３２、電気トレース１７３、ボンディング・パッド１７２、および、電気トレース１７３の一部が露出する。
【００６３】
次に図５Ｅおよび図５Ｑを参照すると、圧電材料の厚層が通常の堆積条件下において堆積させられる。厚層の圧電材料は、シード層１５５上に堆積した部分については、そのｃ軸方向が逆になるが、他の部分ではｃ軸が通常方向になるように成長する。圧電材料の厚層にパターン形成を施して、圧電素子１１６および圧電素子１５６をなす、圧電層１１７を形成すると、充填材料１０５の表面の一部、ボンディング・パッド１３２、および、電気トレース１３３の一部、ボンディング・パッド１７２、および、電気トレース１７３の一部が露出し、さらに、充填材料の表面の別の部分に対する接近を可能にするウィンドウ１１９が形成される。
【００６４】
実施態様の１つでは、圧電材料の薄層は、窒化アルミニウムであり、酸素を豊富に含むスパッタリング環境におけるスパッタリングによって、約４０ｎｍの厚さまで堆積させられた。この堆積プロセスを利用して、全厚の圧電層１１７を堆積させることが可能であるが、結果得られる圧電材料は、一般に、圧電特性が通常の成長条件下で成長させた圧電材料に比べて劣ることになる。シード層として酸素の豊富な成長条件下で逆方向のｃ軸圧電材料の薄層を堆積させることによって、シード層上に堆積した逆方向のｃ軸圧電材料は、圧電特性が通常のｃ軸圧電材料と同等になる。従って、圧電材料の層１１７を堆積させると、そのｃ軸（矢印１４６で表示）が通常方向の圧電層１１６と、そのｃ軸（矢印１４８で表示）が逆方向の圧電層１５６が形成される。
【００６５】
水酸化カリウムによるウェット・エッチングを施すか、または、塩素ベースのドライ・エッチングによって、圧電材料の薄層にパターン形成を施し、シード層１５５が形成された。
【００６６】
実施態様の１つでは、堆積させられて、圧電層１１７を形成する材料は、窒化アルミニウムであり、スパッタリングによって約７６０ｎｍの厚さに堆積させられた。圧電材料は、水酸化カリウムによるウェット・エッチングを施すか、または、塩素ベースのドライ・エッチングによってパターン形成が施された。圧電層１１７の代替材料には、酸化亜鉛、硫化カドミウム、および、ジルコン酸チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、および、チタン酸バリウムを含む、ペロブスカイト強誘電性材料のような、分極処理強誘電性材料が含まれている。強誘電性材料の分極処理については、図７Ａ〜図７Ｆに関連して後述する。
【００６７】
金属層が堆積させられ、パターン形成を施されて、図５Ｆおよび図５Ｒに示すように、電極１１４、電極１５４、および、電極１１４と電極１５４の間に延びる電気トレース１３７が形成される。
【００６８】
実施態様の１つでは、電極１１４、電極１５４、および、トレース１３７を形成するために堆積させられた金属は、モリブデンであった。モリブデンは、スパッタリングによって約４４０ｎｍの厚さに堆積させられ、ドライ・エッチングによってパターン形成が施された。代わりに、電極１１４および１５４、および、トレース１３７の材料として、他の耐熱金属を利用することも可能である。あるいはまた、電極およびトレースに、２つ以上の材料からなる層を含むことも可能である。
【００６９】
次に、音響デカプリング材料の層が堆積させられ、パターン形成を施されて、図５Ｇおよび図５Ｓに示すように、音響デカプラ１３０および音響デカプラ１７０をなす音響デカプリング層１３１が形成される。音響デカプリング層１３１は、少なくとも電極１１４および電極１５４を覆い（図５Ｆ）、さらに、充填材料１０５の表面の一部、および、ボンディング・パッド１３２および１７２を露出するようにパターン形成される。音響デカプリング層１３１は、さらに、パターン形成を施されて、充填材料の表面の別の部分に対する接近を可能にするウィンドウ１１９が形成される。
【００７０】
実施態様の１つでは、音響デカプリング材料は、ポリイミドであり、厚さが約７５０ｎｍ、すなわち、ポリイミドにおける１．９ＧＨｚの中心周波数波長の４分の３であった。ポリイミドが堆積させられ、スピン・コーティングによって音響デカプリング層１３１が形成され、フォトリソグラフィによってパターン形成を施された。ポリイミドは感光性であり、従って、フォトレジストが不要になる。上述のように、音響デカプリング材料として、他のプラスチック材料を利用することが可能である。音響デカプリング材料は、スピン・コーティング以外の方法によって堆積させることが可能である。
【００７１】
音響デカプリング層１３１の材料が、ポリイミドである実施態様の１つにおいて、ポリイミドの堆積およびパターン形成後、後続の処理を実施する前に、約３００℃でウェーハのベーキングが行われた。ベーキングによって、ポリイミドの揮発性成分が蒸発するので、後続処理中に、こうした揮発性成分が蒸発することによって生じる、引き続き堆積させられる層の剥離が阻止される。
【００７２】
金属層が堆積させられ、パターン形成を施されて、図５Ｈおよび図５Ｔに示すように、電極１２２、電極１６２、および、電極１２２から電極１６２まで延びる電気トレース１３８が形成される。
【００７３】
実施態様の１つでは、電極１２２および１６２、および、電気トレース１３８を形成するために堆積させられた金属は、モリブデンであった。モリブデンは、スパッタリングによって、約４４０ｎｍの厚さに堆積させられ、ドライ・エッチングによってパターン形成を施された。代わりに、電極１２２および１６２、および、電気トレース１３８の材料として、他の耐熱金属を利用することも可能である。あるいはまた、電極およびトレースには、２つ以上の材料からなる層を含むことも可能である。
【００７４】
圧電材料を堆積させて、パターン形成を施し、ＦＢＡＲ１２０の通常のｃ軸圧電素子１２６およびＦＢＡＲ１６０の逆方向のｃ軸圧電素子１６６をなす圧電層１２７が形成される。まず、逆方向のｃ軸圧電材料の薄層を堆積させることによって、圧電材料の堆積が実施され、この薄層にパターン形成を施して、図５Ｉおよび図５Ｕに示すように、電極１６２の上にシード層１６５が形成される。次に、圧電素子１２６および１６６の設計厚さに等しい公称厚さを備える圧電材料の薄層を堆積させ、これにパターン形成を施して、図５Ｊおよび図５Ｖに示すように、圧電層１２７が形成される。シード層１６５は、層１２７の一部の下方のにおいて所定位置にとどまるが、層１２７と比べるとその厚さはごくわずかであるため、図５Ｖには示されていない。圧電層１２７にパターン形成を施して、充填材料１０５の表面の一部、および、ボンディング・パッド１３２および１７２が露出させられる。さらに、圧電層１２７にパターン形成を施して、充填材料の表面の別の部分への接近を可能にするウィンドウ１１９が形成される。
【００７５】
再び図５Ｉおよび図５Ｕを参照すると、パターン形成を施して、シード層１６５が形成される圧電材料の薄層が、逆方向のｃ軸圧電材料の形成を促進する堆積条件下において堆積させられる。圧電材料の薄層にパターン形成を施して、シード層１６５を形成すると、電極１２２、充填材料１０５の表面の一部、ボンディング・パッド１３２、電気トレース１３３の一部、電極１２２に隣接した電気トレース１３８の一部、ボンディング・パッド１７２、および、電気トレース１７３の一部が露出する。
【００７６】
次に図５Ｊおよび図５Ｖを参照すると、圧電材料の厚層が通常の堆積条件下において堆積させられる。厚層の圧電材料は、シード層１６５上に堆積した部分については、そのｃ軸方向が逆になるが、他の部分ではｃ軸が通常方向になるように成長する。圧電材料の厚層にパターン形成を施して、圧電素子１２６および圧電素子１６６をなす、圧電層１２７を形成すると、充填材料１０５の表面の一部、ボンディング・パッド１３２、および、電気トレース１３３の一部、ボンディング・パッド１７２、および、電気トレース１７３の一部が露出し、さらに、充填材料の表面の別の部分に対する接近を可能にするウィンドウ１１９が形成される。
【００７７】
実施態様の１つでは、圧電材料の薄層は、窒化アルミニウムであり、酸素を豊富に含むスパッタリング環境におけるスパッタリングによって、約４０ｎｍの厚さまで堆積させられた。この堆積プロセスを利用して、上述のように、全厚の圧電層１２７を堆積させることが可能である。
【００７８】
水酸化カリウムによるウェット・エッチングを施すか、または、塩素ベースのドライ・エッチングによって、圧電材料の薄層にパターン形成を施し、シード層１６５が形成された。
【００７９】
実施態様の１つでは、堆積させられて、圧電層１２７を形成する材料は、窒化アルミニウムであり、スパッタリングによって約７６０ｎｍの厚さに堆積させられた。圧電材料は、水酸化カリウムによるウェット・エッチングを施すか、または、塩素ベースのドライ・エッチングによってパターン形成が施された。圧電層１２７の代替材料には、酸化亜鉛、硫化カドミウム、および、ジルコン酸チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、および、チタン酸バリウムを含む、ペロブスカイト強誘電性材料のような、分極処理強誘電性材料が含まれている。強誘電性材料の分極処理については、図７Ａ〜図７Ｆに関連して後述する。
【００８０】
金属層が堆積させられ、パターン形成を施されて、図５Ｋおよび図５Ｗに示すように、電極１２４、電極１６４、ボンディング・パッド１３４、電極１２４からボンディング・パッド１３４まで延びる電気トレース１３５、ボンディング・パッド１７４、および、電極１６４からボンディング・パッド１７４まで延びる電気トレース１７５が形成される。
【００８１】
実施態様の１つでは、電極１２４および１６４、ボンディング・パッド１３４および１７４、および、電気トレース１３５および１７５を形成するために堆積させられた金属は、モリブデンであった。モリブデンは、スパッタリングによって約４４０μｍの厚さに堆積させられ、ドライ・エッチングによってパターン形成が施された。代わりに、電極１２４および１６４、ボンディング・パッド１３４および１７４、および、トレース１３５および１７５の材料として、他の耐熱金属を利用することも可能である。あるいはまた、電極、ボンディング・パッド、およびトレースに、２つ以上の材料からなる層を含むことも可能である。
【００８２】
露出したボンディング・パッド１３２、１３４、１７２、および、１７４の表面には、金の保護層（不図示）が堆積させられる。
【００８３】
次に、ウェーハに等方性ウェット・エッチングを施して、キャビティ１０４から充填材料１０５が除去される。上述のように、充填材料１０５の表面の一部は、例えば、ウィンドウ１１９によって露出したままである。図５Ｌおよび図５Ｘに示すように、エッチング・プロセスによって、キャビティ１０４の上に浮かされた膜状音響結合変成器１００は残される。
【００８４】
実施態様の１つでは、充填材料１０５の除去に用いられたエッチング液は希フッ化水素酸であった。
【００８５】
次に、ウェーハが、変成器１００を含む個別薄膜音響結合変成器に分割される。各変成器は、パッケージ内に実装され、次に、変成器のボンディング・パッド１３２、１７２、１３４、および、１７４と、パッケージの一部をなすパッドとの間で、電気的接続が施される。
【００８６】
使用時、電極１１２に電気的に接続されたボンディング・パッド１３２および電極１５２に電気的に接続されたボンディング・パッド１７２によって、変成器１００の第１の端子が得られ、電極１２４に電気的に接続されたボンディング・パッド１７２および電極１５４に電気的に接続されたボンディング・パッド１７４によって、変成器１００の第２の端子が得られる。実施態様の１つでは、第１の端子は、膜状音響結合変成器１００の一次端子をなし、第２の端子は、二次端子をなす。もう１つの実施態様では、第１の端子は、膜状音響結合変成器１００の二次端子をなし、第２の端子は、一次端子をなす。
【００８７】
本発明は、これまで、逆方向のｃ軸圧電材料の層がＦＢＡＲ１５０の圧電素子１５６およびＦＢＡＲ１６０の圧電素子１６６を構成する実施態様に関連して解説されてきた。しかし、これは、本発明にとって重要ではなく、代わりに、逆方向のｃ軸圧電材料の層は、上方のＦＢＡＲ１２０および１６０のいずれかの圧電素子、および、下方のＦＢＡＲ１１０および１５０のいずれかの圧電素子を構成することが可能である。
【００８８】
音響デカプラ１３０および１７０に、図３Ｂに関連して上述のものと同様のブラッグ構造が組み込まれた、膜状音響結合変成器１００の実施態様の１つが、上述のものと同様のプロセスによって製作される。このプロセスには、下記のように相違がある。
【００８９】
圧電材料の層１１７を堆積させ、パターン形成を施した後（図５Ｄ、図５Ｅ、図５Ｐ、および、図５Ｑ）、図５Ｆおよび図５Ｑに示すのと同様のやり方で、金属層を堆積させて、パターン形成を施し、それぞれ、電極１１４および１５４を組み込んだ高音響インピーダンス・ブラッグ素子が形成され、さらに、電極間に延びる電気トレース１３７が形成される。高音響インピーダンス・ブラッグ素子は、それぞれ、図３Ｂに示す高音響インピーダンス・ブラッグ素子１６５と同様である。金属層は、周波数が変成器１００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、金属内における波長の４分の１の奇数の整数倍に等しい公称厚さになるように堆積させられる。
【００９０】
実施態様の１つでは、それぞれ、電極１１４および１５４を組み込んだ高音響インピーダンス・ブラッグ素子を形成するために堆積させられた金属は、モリブデンであった。モリブデンは、スパッタリングによって約８２０ｎｍ（約１．９ＧＨｚのＭｏ内における波長の４分の１）の厚さに堆積させられ、ドライ・エッチングによってパターン形成が施された。代わりに、それぞれ、電極１１４および１５４を組み込んだ高音響インピーダンス・ブラッグ素子の材料として、他の耐熱金属を利用することも可能である。あるいはまた、高音響インピーダンス・ブラッグ素子に、２つ以上の金属からなる層を含むことも可能である。
【００９１】
次に、図５Ｇおよび図５Ｓに示すのと同様のやり方で、低音響インピーダンス材料の層が堆積させられ、パターン形成を施されて、低音響インピーダンス・ブラッグ素子が形成される。低音響インピーダンス材料の層は、周波数が変成器１００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、低音響インピーダンス材料内における波長の４分の１の奇数の整数倍に等しい厚さに堆積させられる。低音響インピーダンス・ブラッグ素子は、少なくとも高音響インピーダンス・ブラッグ素子を覆い、さらに、充填材料１０５の表面の一部、および、ボンディング・パッド１３２および１７２を露出するようにパターン形成される。低音響インピーダンス材料の層は、さらに、パターン形成を施されて、充填材料の表面の別の部分に対する接近を可能にするウィンドウ１１９が形成される。
【００９２】
実施態様の１つでは、低音響インピーダンス材料は、厚さが約７９０ｎｍのＳｉＯ２であった。ＳｉＯ２は、スパッタリングによって堆積させられ、エッチングによってパターン形成が施された。低音響インピーダンス・ブラッグ素子の材料として利用可能な他の低音響インピーダンス材料には、りん酸シリケート・ガラス（ＰＳＧ）、二酸化チタン、および、フッ化マグネシウムが含まれる。あるいはまた、スパッタリング以外の方法によって、低音響インピーダンス材料を堆積させることも可能である。
【００９３】
図５Ｈおよび図５Ｔに示すのと同様のやり方で、金属層が堆積させられ、パターン形成を施されて、それぞれ、電極１２２および１６２を組み込んだ高音響インピーダンス・ブラッグ素子が形成される。金属層は、さらに、パターン形成を施されて、電極１２２から電極１６２まで延びる電気トレース１３８が形成される。金属層は、周波数が変成器１００の通過帯域の中心周波数に等しい音波の、金属内における波長の４分の１の奇数の整数倍に等しい公称厚さになるように堆積させられる。
【００９４】
実施態様の１つでは、それぞれ、電極１２２および１６２を組み込んだ高音響インピーダンス・ブラッグ素子を形成するために堆積させられた金属は、モリブデンであった。モリブデンは、スパッタリングによって約８２０ｎｍ（Ｍｏ内における波長の４分の１）の厚さに堆積させられ、ドライ・エッチングによってパターン形成が施された。代わりに、それぞれ、電極１２２および１６２を組み込んだ高音響インピーダンス・ブラッグ素子、および、電気トレース１３８の材料として、他の耐熱金属を利用することも可能である。あるいはまた、高音響インピーダンス・ブラッグ素子、パッド、および、電気トレースに、２つ以上の材料からなる層を含むことも可能である。
【００９５】
次に、図５Ｉ〜図５Ｌおよび図５Ｕ〜図５Ｘに関連して上述のプロセスを利用して、変成器１００の製作が完了する。
【００９６】
本発明による膜状音響結合変成器の実施態様の中には、電気回路１４１および１４２（図２）の一方または両方が、追加センタ・タップ端子を備えているものもある。図６Ａには、その製作途中にある、本発明による膜状音響結合変成器の第２の実施態様が示されている。図示の膜状音響結合変成器２００の例では、電気回路１４２がセンタ・タップ端子を備えている。図１Ａ〜図１Ｃおよび図２に関連して上述の膜状音響結合変成器１００の構成要素に対応する、膜状音響結合変成器２００の構成要素は、同じ参照番号によって表示されており、再度の詳述は控えることにする。
【００９７】
図６Ａには、図５Ｈおよび図５Ｔに関連して上述の製作段階に対応するその製作段階における膜状音響結合変成器２００が示されている。図５Ｅ、図５Ｑ、図５Ｇ、および、図５Ｓに関連して上述のプロセスにおいて、さらに、圧電層１１７および音響デカプリング材料の層１３１にパターン形成が施されて、支持領域１８６が形成される。図５Ｇおよび図５Ｓに関連して上述のように、層１３１の堆積およびパターン形成が済むと、上述のように、金属層を堆積させて、パターン形成を施し、電極１２２、電極１６２、および、電極１２２と電極１６２の間に延びる電気トレース１３８が形成される。さらに、金属層にパターン形成を施して、ボンディング・パッド１８２、および、電気トレース１３８とボンディング・パッド１８２の間に延びる電気トレース１８３が形成される。ボンディング・パッド１８２は、支持領域１８６上に配置され、電気回路２４１のセンタ・タップ端子が形成されることになる。
【００９８】
実施態様の１つでは、堆積させられた金属は、約４４０ｎｍの厚さのモリブデンであった。この金属は、スパッタリングによって堆積させられ、ドライ・エッチングによってパターン形成が施された。代わりに、他の耐熱金属を利用することも可能である。あるいはまた、電極１２２および１６２、電気トレース１３８および１８３、および、ボンディング・パッド１８２に、２つ以上の材料からなる層を含むことも可能である。
【００９９】
さらに、圧電層１２７にパターン形成を施して、ボンディング・パッド１８２を露出させる点を除けば、図５Ｉ、図５Ｕ、図５Ｊ、図５Ｖ、図５Ｋ、図５Ｗ、図５Ｌ、および、ず５Ｘに関連してほぼ上述のように、膜状音響結合変成器２００の製作が完了する。
【０１００】
図６Ｂは、音響結合変成器２００の電気回路の概略図である。第１の電気回路１４１は、上述のところである。第２の電気回路２４２は、ＳＢＡＲ１０６の上方のＦＢＡＲ１２０の電極１２２をＳＢＡＲ１０８の上方のＦＢＡＲ１６０の電極１６２に電気的に接続する電気トレース１３８から構成されている。第２の電気回路２４２は、さらに、電極１２４を端子１３４に電気的に接続する電気トレース１３５、電極１６４を端子１７４に電気的に接続する電気トレース１７５、および、電気トレース１３８を端子１８２に電気的に接続する電気トレース１８３から構成されている。従って、電気回路２４２は、上方のＦＢＡＲを電気的に直列に接続し、センタ・タップ接続を可能にする。
【０１０１】
さらに、または、代わりに、図５Ｆおよび図５Ｒに関連して上述のプロセスによって堆積およびパターン形成を施された金属層に、ボンディング・パッド１８２と同様のボンディング・パッド、および、電気トレース１８３と同様であるが、トレース１３７に接続する電気トレースを形成して、電気回路１４１（図６Ｂ）にセンタ・タップ端子を設けることが可能である。
【０１０２】
本発明による膜状音響結合変成器の製作については、逆方向のｃ軸材料の形成を促進する堆積条件下において堆積させられた逆方向のｃ軸圧電材料の薄いシード層上に、通常堆積条件下において、逆方向のｃ軸を備え、圧電特性に優れた圧電素子が堆積させられる例に関連して上述のところである。上述のように、代わりに、逆方向のｃ軸材料の形成を促進する堆積条件下において、全体が逆方向のｃ軸材料の層を堆積させることも可能である。
【０１０３】
こうした方法では、図５Ａおよび図５Ｍ、図５Ｂおよび図５Ｎ、および、図５Ｃおよび図５Ｏに関連して上述のプロセスが実施される。次に、厚さが圧電素子１１６（図２）の設計厚さに等しい圧電材料の層が、通常のｃ軸材料の形成を促進する堆積条件下において堆積させられる。次に、通常のｃ軸圧電材料にパターン形成を施して、圧電素子１１６が形成される。このパターン形成によって、電極１５２、ボンディング・パッド１３２、電気トレース１３３の一部、ボンディング・パッド１７２、電気トレース１７３が露出し、さらに、充填材料の表面の別の部分に対する接近を可能にするウィンドウ１１９が形成される。次に、圧電素子１１６が、モリブデン層のような、適合するエッチング停止層によって被覆される。
【０１０４】
次に、逆方向のｃ軸材料の形成を促進する堆積条件下において、厚さが圧電素子１５６（図２）の設計厚さに等しい圧電材料の層が堆積させられる。次に、フォトリソグラフィで輪郭の決まるエッチングによって、逆方向のｃ軸材料にパターン形成を施して、圧電素子１５６が形成される。このパターン形成によって、圧電素子１１６が露出し、さらに、充填材料１０５の表面の一部およびボンディング・パッド１３２および１７２が露出する。逆方向のｃ軸材料の層にパターン形成を施して、圧電素子１５６を形成する間、エッチング停止層によって、圧電素子１１６が保護される。次に、エッチング停止層が除去される。
【０１０５】
変成器の製作は、図５Ｆ〜図５Ｈおよび図５Ｒ〜図５Ｔに関連して上述のプロセスを実施することによって続行される。解説したばかりのものと同様のプロセスを利用して、図５Ｊに示す通常のｃ軸材料の圧電素子１２６および逆方向のｃ軸材料の圧電素子１６６が形成される。あるいはまた、圧電素子１２６および１６６を別の方法で形成することも可能である。次に、図５Ｋおよび図５Ｌ、および、図５Ｗおよび図５Ｘに関連して上述のプロセスを実施することによって、変成器の製作が完了する。
【０１０６】
もう１つの代替実施例では、図５Ａおよび図５Ｍ、図５Ｂおよび図５Ｎ、および、図５Ｃおよび図５Ｏに関連して上述のプロセスが実施される。次に、厚さが圧電素子１１６の設計厚さに等しい圧電材料の層が、通常のｃ軸材料の形成を促進する堆積条件下において堆積させられる。次に、通常のｃ軸圧電材料にパターン形成を施して、圧電素子１１６が形成される。このパターン形成によって、電極１５２、ボンディング・パッド１３２、電気トレース１３３の一部、ボンディング・パッド１７２、および、電気トレース１７３が露出し、さらに、充填材料の表面の別の部分に対する接近を可能にするウィンドウ１１９が形成される。フォトレジストまたは他の保護材料の層を堆積させて、パターン形成を施し、図５Ｄに示すシード層と形状および寸法が同様のウィンドウが形成される。このウィンドウによって、電極１５２が露出する。
【０１０７】
次に、逆方向のｃ軸材料の形成を促進する堆積条件下において、厚さが圧電素子１５６の設計厚さに等しい圧電材料の層が堆積させられる。次に、リフト・オフ・プロセスを利用して、逆方向のｃ軸材料の層にパターン形成を施し、圧電素子１５６が形成される。このリフト・オフ・プロセスによって、フォトレジストに堆積した全ての逆方向のｃ軸材料が除去されるが、フォトレジストに形成されたウィンドウ内に堆積した逆方向のｃ軸材料は残される。次に、フォトレジストが除去される。
【０１０８】
変成器の製作は、図５Ｆ〜図５Ｈおよび図５Ｒ〜図５Ｔに関連して上述のプロセスを実施することによって続行される。解説したばかりのものと同様のプロセスを利用して、図５Ｊに示す通常のｃ軸材料の圧電素子１２６および逆方向のｃ軸材料の圧電素子１６６が形成される。あるいはまた、圧電素子１２６および１６６を別の方法で形成することも可能である。次に、図５Ｋおよび図５Ｌ、および、図５Ｗおよび図５Ｘに関連して上述のプロセスを実施することによって、変成器の製作が完了する。
【０１０９】
解説したばかりのものと逆の順序で、通常のｃ軸圧電材料および逆方向のｃ軸圧電材料を堆積させることも可能である。
【０１１０】
図７Ａ〜７Ｆには、圧電素子に、それぞれ、分極処理された強誘電性材料の層が含まれる、本発明による膜状音響結合変成器の実施態様３００の製作方法に関する典型的な実施態様が例示されている。図１Ａ〜図１Ｃおよび図２に関連して上述の膜状音響結合変成器１００の構成要素に対応する膜状音響結合変成器３００の構成要素は、同じ参照番号で表示されており、再度の詳述は控えることにする。
【０１１１】
膜状音響結合変成器３００において、圧電層１１７および１２７の圧電材料は、分極処理された強誘電性材料である。圧電素子１１６を構成する圧電層１１７の一部は、通常方向において分極処理されるが、圧電素子１５６を構成する圧電層１１７の一部は、逆方向において分極処理される。同様に、圧電素子１２６を構成する圧電素子１２７の一部は、通常方向において分極処理されるが、圧電素子１６６を構成する圧電層１２７の一部は、逆方向において分極処理される。圧電層のこれらの部分に対する逆分極処理は、それぞれの部分に対して逆方向の電界を印加することによって施される。
【０１１２】
図７Ａ〜図７Ｆは、図１Ａ〜図１Ｃに関連して上述の膜状音響結合変成器１００と同様の膜状音響結合変成器３００の典型的な実施態様を製作するためのウェーハ処理を例示した平面図である。上述のように、一般に、単一ウェーハ上に、数千の膜状音響結合変成器が製作される。しかし、図７Ａ〜図７Ｆに示す膜状音響結合変成器の数は、図面の簡略化のため、４つにまで減らされている。後述の量的例は、約１．９ＧＨｚの周波数における動作に適した膜状音響結合変成器３００の実施態様に関するものである。他の周波数における動作に適した実施態様は、こうした細部において異なることになる。
【０１１３】
まず、図５Ａおよび図５Ｍ、および、図５Ｂおよび図５Ｎに関連して上述のプロセスが実施される。次に、ウェーハ上に、第１の金属層が堆積させられる。圧電層３１７（図７Ｂ）の材料が、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のようなペロブスカイト強誘電性材料である実施態様の場合、第１の金属層の材料は、プラチナまたはイリジウムである。これらの材料は、後で、圧電層３１７の堆積に用いられる堆積プロセスに適合する。あるいはまた、第１の金属層の材料は、プラチナまたはイリジウムの薄い保護層でコーティングされた、モリブデンのような耐熱金属の層である。耐熱金属の層の厚さは、第１の金属層の設計厚さとは保護層の厚さだけ異なっている。この保護層によって、上述の堆積プロセス適合性が得られる。第１の金属層にパターン形成を施して、図７Ａに示され、図５Ｃおよび図５Ｏに関連して上述のように、電極１１２および１５２、ボンディング・パッド１３２、電気トレース１３３、ボンディング・パッド１７２、および、充填材料１０５上に配置された電気トレース１７３が形成される。さらに、第１の金属層にパターン形成を施して、レベル１通常バス３１１、バス３１１のそれぞれの一方の端部にあるレベル１通常接触パッド３１３、および、各変成器３００の電極１１２からレベル１通常バス３１１の隣接する１つまで延びる電気トレース３１５が形成される。さらに、第１の金属層にパターン形成を施して、レベル１逆バス３２１、バス３２１の一方の端部にあるレベル１逆接触パッド３２３、および、各変成器３００のボンディング・パッド１７２からレベル１逆バス３２１まで延びる電気トレース３２５が形成される。
【０１１４】
次に、第１の強誘電性材料層を堆積させて、パターン形成を施し、図７Ｂに示すように、圧電素子１１６および圧電素子１５６をなす圧電層３１７が形成される。圧電層は、少なくとも電極１１２および１５２（図７Ａ）を覆い、さらに、レベル１バス３１１および３２１を覆う。パターン形成によって、充填材料１０５の表面の一部、ボンディング・パッド１３２および１７２、レベル１通常接触パッド３１３、および、レベル１逆接触パッド３２３が露出し、さらに、ウィンドウ１１９が形成される。
【０１１５】
実施態様の１つでは、圧電層３１７を形成するために堆積させられた強誘電性材料は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）であり、ＲＦスパッタリング、ゾル・ゲルまたは有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）といったプロセスによって、約５００ｎｍの厚さに堆積させられた。強誘電性材料は、ウェット・エッチングまたは塩素ベースのドライ・エッチングによってパターン形成を施された。代替強誘電性材料には、メタニオブ酸鉛およびチタン酸バリウムのようなペロブスカイト強誘電性材料が含まれる。
【０１１６】
第２の金属層が堆積させられる。圧電層３２７（図７Ｄ）の材料が、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のようなペロブスカイト強誘電性材料である実施態様の場合、第２の金属層の材料は、プラチナまたはイリジウムである。これらの材料は、後で、圧電層３２７の堆積に用いられる堆積プロセスに適合する。あるいはまた、第２の金属層は、圧電層３１７に隣接したプラチナまたはイリジウムの薄い保護層と、モリブデンのような耐熱金属の層から構成される。耐熱金属の層の厚さは、第２の金属層の設計厚さとは保護層の厚さだけ異なっている。この保護層によって、上述の堆積プロセス適合性が得られる。第２の金属層にパターン形成を施して、図５Ｆおよび図５Ｒに関連して上述のように、また、図７Ｂに示されるように、電極１１４、電極１５４、および、電気トレース１３７が形成される。さらに、第２の金属層にパターン形成を施して、レベル２バス３３１、レベル２バス３３１の一方の端部のレベル２接触パッド３３３、および、各変成器３００の電気トレース１３７からレベル２バス３３１まで延びる電気トレース３３５が形成される。
【０１１７】
次に、音響デカプリング材料の層を堆積させて、パターン形成を施し、図５Ｇおよび図５Ｓに関連して上述のように、また、図７Ｃに示されるように、音響デカプラ１３０および音響デカプラ１７０をなす音響デカプリング層３３１が形成される。音響デカプリング層３３１は、電極１１４および電極１５４を覆い（図７Ｂ）、さらに、レベル２バス３３１を覆う。パターン形成によって、充填材料１０５の表面の一部、ボンディング・パッド１３２および１７２、レベル１接触パッド３１３および３２３、および、レベル２接触パッド３３３が露出し、さらに、ウィンドウ１１９が形成される。
【０１１８】
ウェーハ上に、第３の金属層が堆積させられる。圧電層３２７（図７Ｄ）の材料が、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）のようなペロブスカイト強誘電性材料である実施態様の場合、第３の金属層の材料は、プラチナまたはイリジウムである。これらの材料は、後で、圧電層３２７の堆積に用いられる堆積プロセスに適合する。あるいはまた、第３の金属層は、プラチナまたはイリジウムの薄い保護層でコーティングされた、モリブデンのような耐熱金属の層から構成される。耐熱金属の層の厚さは、第３の金属層の設計厚さとは保護層の厚さだけ異なっている。この保護層によって、上述の堆積プロセス適合性が得られる。第３の金属層にパターン形成を施して、図５Ｈおよび図５Ｔに関連して上述のように、また、図７Ｃに示されるように、電極１２２、電極１６２、および、電気トレース１３８が形成される。さらに、第３の金属層にパターン形成を施して、レベル３バス３４１、バス３４１の一方の端部のレベル３接触パッド３４３、および、各変成器３００の電気トレース１３８からレベル３バス３４１まで延びる電気トレース１９４が形成される。
【０１１９】
次に、ウェーハ上に、第２の圧電材料層を堆積させて、パターン形成を施し、図７Ｄに示すように、圧電素子１２６および１６６をなす圧電層３２７が形成される。圧電層３２７は、電極１２２および１６２を覆い、さらに、レベル３バス３４１を覆う。パターン形成によって、充填材料１０５の表面の一部、ボンディング・パッド１３２および１７２、レベル１接触パッド３１３および３２３、レベル２接触パッド３３３、および、レベル３接触パッド３４３が露出し、さらに、ウィンドウ１１９が形成される。
【０１２０】
実施態様の１つでは、圧電層３２７を形成するために堆積させられ、パターン形成を施された強誘電性材料は、ＰＺＴであり、ＲＦスパッタリング、ゾル・ゲルまたは有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）といったプロセスによって、約５００ｎｍの厚さに堆積させられた。強誘電性材料は、ウェット・エッチングまたは塩素ベースのドライ・エッチングによってパターン形成を施された。代替強誘電性材料には、メタニオブ酸鉛およびチタン酸バリウムのようなペロブスカイト強誘電性材料が含まれる。
【０１２１】
第４の金属層が堆積させられる。第４の金属層の材料は、モリブデンのような耐熱金属である。第４の金属層の堆積後は、ペロブスカイト強誘電性材料の堆積プロセスは実施されないので、耐熱金属を第４の金属層の材料として用いることが可能になる。第４の金属層にパターン形成を施して、図５Ｈおよび図５Ｔに関連して上述のように、また、図７Ｄに示されるように、電極１２４、電極１６４、ボンディング・パッド１３４、電気トレース１３５、ボンディング・パッド１７４、および、電気トレース１７５が形成される。さらに、第４の金属層にパターン形成を施して、レベル４通常バス３５１、バス３５１の一方の端部のレベル４接触パッド３５３、および、各変成器３００の電極１２４からレベル４通常バス３５１まで延びる電気トレース３５５が形成される。さらに、第４の金属層にパターン形成を施して、図７Ｄに示すように、レベル４逆バス３６１、バス３６１の端部のレベル４逆接触パッド３６３、および、各変成器３００のボンディング・パッド１７４から隣接する逆レベル４バス３６１まで延びる電気トレース３６５が形成される。
【０１２２】
実施態様の１つでは、上述の金属層は、スパッタリングによって約４４０ｎｍの厚さにモリブデンを堆積させることによって形成され、ドライ・エッチングによってパターン形成を施された。上述のものと同様の代替実施態様も可能である。
【０１２３】
次に、図７Ｅ、さらに、図７Ａ〜図７Ｃを参照すると、ウェーハ３０２が約１２５℃まで加熱され、下記のように、分極処理電圧が接触パッドに印加されて、接触パッドに対して、分極処理電圧が次のように印加される。レベル２接触パッド３３３およびレベル３接触パッド３４３が接地され、レベル１通常接触パッド３１３およびレベル４逆接触パッド３６３が負の分極処理電圧に接続され、レベル１逆接触パッド３２３およびレベル４通常接触パッド３５３が正の分極処理電圧に接続される。この構成の分極処理電圧が、バス３１１、３２１、３３１、３４１、３５１、および、３６１、および、トレース３１５、３２５、３３５、３４５、３５５、および、３６５を介して、電極１１２、１１４、１２２、１２４、１５２、１５４、１６２、および、１６４に印加される。電極は、ＦＢＡＲ１１０および１２０（図２）の圧電素子を横切って、ウェーハ３０２から離れる方向付けが施された分極処理電界を印加し、また、ＦＢＡＲ１５０および１６０（図２）の圧電素子を横切って、ウェーハ３０２に向かう方向づけが施された電界を印加する。分極処理電界によって、ＦＢＡＲ１５０の圧電素子１５６およびＦＢＡＲ１６０の圧電素子１６６のｃ軸が、それぞれ、ＦＢＡＲ１１０の圧電素子１１６およびＦＢＡＲ１２０の圧電素子１２６のｃ軸と逆方向になるように設定される。
【０１２４】
もう１つの実施態様では、表示とは逆の極性の分極処理電圧を接触パッドに印加して、圧電素子のｃ軸が図２に示すｃ軸と逆方向になるように設定される。もう１つの実施態様では、図７Ｅにおける表示とは逆極性の分極処理電圧を接触パッド３５３および３６３に印加して、圧電素子１６６のｃ軸が圧電素子１５６のｃ軸と逆方向になるように設定され、圧電素子１２６のｃ軸が圧電素子１１６のｃ軸と逆方向になるように設定される。分極処理電圧の他の組合せを利用して、下方のＦＢＡＲの圧電素子のｃ軸が互いに逆方向になるように設定し、上方のＦＢＡＲの圧電素子のｃ軸が互いに逆方向になるように設定することも可能である。
【０１２５】
実施態様の１つでは、分極処理電圧は、約２５０ｍＶ〜約１Ｖの範囲である。圧電層１１６、１２６、１５６、および、１６６の厚さが上述のように約５００ｎｍの場合、この範囲の分極処理電圧によって、約２５０ｋＶ／ｍ〜約１ＭＶ／ｍの範囲の分極処理電界が圧電素子に印加されることになる。
【０１２６】
次に、ウェーハ３０２は、図７Ｆに示す破線対３０５および３０６によって表示されたウェーハ３０２の領域を除去する既知のシンギュレーション・プロセスによって、個別膜状音響結合変成器に分割される。シンギュレーション・プロセスによって、さらに、バス３１１、３２１、３３１、３４１、３５１、および、３６１からトレース３１５、３２５、３３５、３４５、３５５、および、３６５（図７Ａ〜図７Ｄ）が分離される。この結果、前にトレースとバスによって相互接続された電極間の電気的接続が切断される。
【０１２７】
再び図２を参照すると、下方のＦＢＡＲの圧電素子のｃ軸が逆方向であり、上方のＦＢＡＲの圧電素子のｃ軸が逆方向である、本発明による膜状音響結合変成器のもう１つの実施態様では、電気回路１４１および１４２は、上述の例とは別様に、それぞれ、下方のＦＢＡＲと上方のＦＢＡＲを相互接続するように構成することが可能である。
【０１２８】
こうした他の実施態様の場合、電気回路１４１および１４２は、それぞれ、並列、直列、非並列、および、非直列構成の任意の１つをなすように、下方のＦＢＡＲおよび上方のＦＢＡＲを電気的に接続する。並列、直列、非並列、および、非直列電気回路構成の可能性のある１６の組み合わせのうち、実用的な変成器が得られるのは８つだけである。ＦＢＡＲを接続する電気回路構成の組み合わせによって、変成器のインピーダンスおよびインピーダンス変換比、すなわち、１：１低インピーダンス、１：１高インピーダンス、１：４、または、４：１が決まり、変成器が電気的に平衡であるか、不平衡であるかが決まる。表１には、電気回路構成の可能性のある組み合わせが要約されている。
【表１】
0004754803.tif 000002
【０１２９】
表１において、行見出しには、例えば、電気回路１４１といった、電気回路の１つに関する構成が表示され、列見出しには、例えば、電気回路１４２といった、電気回路のもう１つに関する構成が表示され、Ｂは、変成器が電気的に平衡であることを表わしており、Ｘは、機能しない変成器を表わしている。示されたインピーダンス変換比は、行見出しによって表示された電気回路に接続された電気端子から列見出しによって表示された電気回路へのインピーダンス変換である。ＬＯＷは、変成器が、並列をなす２つのＦＢＡＲのインピーダンスに相当する低インピーダンスを示すことを表わしており、ＨＩは、変成器が、直列をなす２つのＦＢＡＲのインピーダンスに相当する高インピーダンスを示すことを表わしている。並列または非直列に接続された電極には、同相の電圧が印加され、一方、直列または非並列に接続された電極には、逆相の電圧が印加される。
【０１３０】
本開示では、例証となる実施態様を用いて、本発明について詳述されている。しかし、付属の請求項によって定義される本発明は、解説の実施態様にそっくりそのまま制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１３１】
【図１Ａ】本発明による１：１音響結合変成器の第１の実施態様の例に関する平面図。
【図１Ｂ】図１Ａに示す音響結合変成器の断面線１Ｂ−１Ｂに沿った断面図。
【図１Ｃ】図１Ａに示す音響結合変成器の断面線１Ｃ−１Ｃに沿った断面図。
【図２】図１Ａから図１Ｃに示す音響結合変成器の電気回路に関する概略図。
【図３Ａ】音響デカプラの第１の実施態様を示す、図１Ａに示す音響結合変成器の一部の断面線１Ｂ−１Ｂに沿った拡大断面図。
【図３Ｂ】音響デカプラの第２の実施態様を示す、図１Ａに示す音響結合変成器の一部の断面線１Ｂ−１Ｂに沿った拡大断面図。
【図４】図１Ａから図１Ｃに示す膜状音響結合変成器の実施態様について計算された周波数応答が、音響デカプラの音響インピーダンスによってどれほど左右されるかを示すグラフ。
【図５Ａ】本発明による音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図５Ｂ】本発明による音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図５Ｃ】本発明による音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図５Ｄ】本発明による音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図５Ｅ】本発明による音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図５Ｆ】本発明による音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図５Ｇ】本発明による音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図５Ｈ】本発明による音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図５Ｉ】本発明による音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図５Ｊ】本発明による音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図５Ｋ】本発明による音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図５Ｌ】本発明による音響結合変成器の典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図５Ｍ】図５Ａにおける断面線５Ｍ−５Ｍに沿った断面図。
【図５Ｎ】図５Ｂにおける断面線５Ｎ−５Ｎに沿った断面図。
【図５Ｏ】図５Ｃにおける断面線５Ｏ−５Ｏに沿った断面図。
【図５Ｐ】図５Ｄにおける断面線５Ｐ−５Ｐに沿った断面図。
【図５Ｑ】図５Ｅにおける断面線５Ｑ−５Ｑに沿った断面図。
【図５Ｒ】図５Ｆにおける断面線５Ｒ−５Ｒに沿った断面図。
【図５Ｓ】図５Ｇにおける断面線５Ｓ−５Ｓに沿った断面図。
【図５Ｔ】図５Ｈにおける断面線５Ｔ−５Ｔに沿った断面図。
【図５Ｕ】図５Ｉにおける断面線５Ｕ−５Ｕに沿った断面図。
【図５Ｖ】図５Ｊにおける断面線５Ｖ−５Ｖに沿った断面図。
【図５Ｗ】図５Ｋにおける断面線５Ｗ−５Ｗに沿った断面図。
【図５Ｘ】図５Ｌにおける断面線５Ｘ−５Ｘに沿った断面図。
【図６Ａ】本発明による１：１音響結合変成器の第２の実施態様のその製作途中における平面図。
【図６Ｂ】図６Ａに示す音響結合変成器の電気回路に関する概略図。
【図７Ａ】圧電素子にそれぞれ分極処理された強誘電性材料の層が含まれている、本発明による音響結合変成器の第３の実施態様の本発明によるもう１つの典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図７Ｂ】圧電素子にそれぞれ分極処理された強誘電性材料の層が含まれている、本発明による音響結合変成器の第３の実施態様の本発明によるもう１つの典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図７Ｃ】圧電素子にそれぞれ分極処理された強誘電性材料の層が含まれている、本発明による音響結合変成器の第３の実施態様の本発明によるもう１つの典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図７Ｄ】圧電素子にそれぞれ分極処理された強誘電性材料の層が含まれている、本発明による音響結合変成器の第３の実施態様の本発明によるもう１つの典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図７Ｅ】圧電素子にそれぞれ分極処理された強誘電性材料の層が含まれている、本発明による音響結合変成器の第３の実施態様の本発明によるもう１つの典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図７Ｆ】圧電素子にそれぞれ分極処理された強誘電性材料の層が含まれている、本発明による音響結合変成器の第３の実施態様の本発明によるもう１つの典型的な製作プロセスを例示した平面図。
【図１Ａ】
0004754803.tif 000003
【図１Ｂ】
0004754803.tif 000004
【図１Ｃ】
0004754803.tif 000005
【図２】
0004754803.tif 000006
【図３Ａ】
0004754803.tif 000007
【図３Ｂ】
0004754803.tif 000008
【図４】
0004754803.tif 000009
【図５Ａ】
0004754803.tif 000010
【図５Ｂ】
0004754803.tif 000011
【図５Ｃ】
0004754803.tif 000012
【図５Ｄ】
0004754803.tif 000013
【図５Ｅ】
0004754803.tif 000014
【図５Ｆ】
0004754803.tif 000015
【図５Ｇ】
0004754803.tif 000016
【図５Ｈ】
0004754803.tif 000017
【図５Ｉ】
0004754803.tif 000018
【図５Ｊ】
0004754803.tif 000019
【図５Ｋ】
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【図５Ｌ】
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【図５Ｍ】
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【図５Ｎ】
0004754803.tif 000023
【図５Ｏ】
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【図５Ｐ】
0004754803.tif 000025
【図５Ｑ】
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【図５Ｒ】
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【図５Ｓ】
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【図５Ｔ】
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【図５Ｕ】
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【図５Ｖ】
0004754803.tif 000031
【図５Ｗ】
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【図５Ｘ】
0004754803.tif 000033
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
0004754803.tif 000035
【図７Ａ】
0004754803.tif 000036
【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
0004754803.tif 000040
【図７Ｆ】
0004754803.tif 000041