JPH0148694B2 - - Google Patents

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JPH0148694B2
JPH0148694B2 JP57019105A JP1910582A JPH0148694B2 JP H0148694 B2 JPH0148694 B2 JP H0148694B2 JP 57019105 A JP57019105 A JP 57019105A JP 1910582 A JP1910582 A JP 1910582A JP H0148694 B2 JPH0148694 B2 JP H0148694B2
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piezoelectric
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piezoelectric thin
film
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Takeshi Inoe
Yoichi Myasaka
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Nippon Electric Co Ltd
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    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
    • H03H9/46—Filters
    • H03H9/54—Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/58—Multiple crystal filters
    • H03H9/582—Multiple crystal filters implemented with thin-film techniques
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    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
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    • H03H9/02007—Details of bulk acoustic wave devices
    • H03H9/02086—Means for compensation or elimination of undesirable effects
    • H03H9/02102—Means for compensation or elimination of undesirable effects of temperature influence
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  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、フイルタ、発振子等に使用される圧
電振動子に関し、特にVHF、UHF帯において基
本厚み振動を用いて使用できる高安定の高周波用
圧電振動子に関するものである。
一般に、高周波帯において使用される圧電振動
子は、薄板の厚み振動が用いられている。従来、
高周波用の圧電振動子として、 (1) 水晶、圧電セラミツクス等の圧電板を薄く研
磨し、その基本振動を用いた圧電振動子。
(2) 水晶、圧電セラミツク板等の高次振動を利用
した高次モード振動子。
(3) 圧電性蒸着膜を基板上につくり、圧電性蒸着
膜を励振して基板を高次振動させて用いる複合
振動子。
等がある。ここで(1)による場合には、水晶、圧電
セラミツクス等の圧電物質を薄くすれば、板厚に
反比例して基本共振周波数が高くなるがしかし、
板厚を薄くすればするほど機械加工の困難さが増
すため、現在板厚が30〜40μｍで50MHz程度が製
造上の限界となつている。(2)による場合には、高
次振動を用いるので電気機械結合係数が小さくな
り、周波数帯域幅が小さすぎて実用に供しない場
合が生じ、またより電気機械結合係数が大きい低
次振動がスプリアスとなる欠点がある。また(3)に
よる場合は、基板の高次振動を使うので、やはり
(2)と同一の欠点を有している。
一方、数百ＭHzの高周波帯において、電気機械
結合係数の大きな圧電振動子を得る方法としては
スパツタ法等の薄膜製造技術とエツチング技術を
用いる方法が知られている。つまり、シリコン、
水晶などの基板上に、半導体、絶縁体あるいは金
属の薄膜と圧電薄膜とを層状に作製し、振動子と
して使用する部分の基板をエツチングによつて除
去することにより、振動部分は半導体、絶縁体あ
るいは金属の薄膜と圧電薄膜からなり、その外周
部を基板によつて支持された構造の圧電薄膜振動
子がそれである。このような、圧電薄膜振動子は
その振動部分を機械加工に比べてはるかに薄くで
きるのでVHF、UHF帯においても基本振動を利
用することができる。しかし、圧電薄膜として用
いられる代表的な圧電材料であるZnO、CdS、
AlN等は、周波数温度係数が大きいため、温度
安定度の高い圧電振動子を得ることはできない。
この対策として、圧電材料と周波数温度係数の
符号が異る材料との組合わせで、圧電振動子全体
としての周波数温度係数の絶対値を小さくするこ
とが考えられる。そこで、ZnOとSiO2の周波数
温度係数の符号が異ることに着目し、第１図に示
すようにシリコン基板１１の表面にSiO2膜１３
を形成し、この上に電極１５、ZnO薄膜１４、電
極１６、の順で形成し、この振動部位にあたるシ
リコン基板の部分１２をエツチングによつて取除
いた構造の圧電薄膜振動子が提案されている。第
１図において、tP1，tS1は、それぞれZnO、SiO2
薄膜の膜厚を示している。次に第２図に、第１図
に示した構造のZnO／SiO2複合圧電振動子の
SiO2膜１３とZnO膜１４との膜厚比tS1／tP1に対
する基本厚みたて共振周波数温度係数TKfr
（ppm／℃）の関係を理論的に求めたものを示す。
尚ZnO膜及びSiO2膜の周波数温度係数は、それ
ぞれ−61.5ppm／℃、119.5ppm／℃である。第
２図から、tS1／tP1が約0.5のとき零温度係数が得
られていることがわかる。しかしながら、この構
造では、零温度係数を与える膜厚比において
SiO2の膜厚が相当大きくなり、基本厚みたて振
動の振動節点に関してZnO膜が対称の位置から相
当ずれてしまうために、３次、５次………といつ
た奇数次高調波の他に２次、４次、………といつ
た偶数次高調波がスプリアスとして強勢に励振さ
れるといつた欠点があつた。
第１図に示したZnO／SiO2複合圧電振動子に
おいて発生する偶数次高調波を抑圧する試みとし
て第３図に示したようにZnOの圧電薄膜１４の両
面に、ZnO薄膜に対して上下対称にSiO2薄膜１
３，１７を設けた構造の薄膜複合振動子が考えら
れる。このような構造では、ZnO圧電薄膜の中央
部分が振動節点となり、２次、４次、………とい
つた偶数次高調波によるスプリアスは圧電薄膜内
で電荷が相殺されるために抑圧されるわけであ
る。尚、第３図において2tP2，tS2は、それぞれ
ZnO、SiO2の膜厚を示す。
第４図に、第３図に示した構造のZnO／SiO2
複合振動子の膜厚比tS2／tP2に対する基本厚みた
て共振周波数温度係数TKfr（ppm／℃）の関係を
分布定数等価回路から理論的に求めたものを示
す。第４図から、零温度係数が得られる膜厚比
tS2／tP2は1.1程度であることがわかる。即ち、零
温度係数が得られる膜厚比の条件は、この複合振
動子における振動部位の膜厚に対するZnO圧電薄
膜の占める割合が、SiO2薄膜のそれより小さく
なつている。ZnO圧電薄膜は、基本厚みたて振動
に関するエネルギー閉じ込めが可能な材料である
がこのようにZnO薄膜両面のSiO2膜厚が厚い構
造の場合には圧電反作用による周波数低下量が小
さくなり、良好なエネルギー閉じ込めが行われな
くなる。従つて、第３図に示した構造では、零温
度係数を得ようとすると良好な共振応答を得るこ
とが、困難になる。
本発明は上記のようなZnO／SiO2複合振動子
の欠点を除き温度安定性が良く、基本厚みたて振
動において良好な共振応答が得られ、かつ２次、
４次、等の偶数次高調波によるスプリアスを十分
抑圧した圧電薄膜複合振動子を提供しようとする
ものである。
本発明は半導体あるいは絶縁体の薄膜上の厚み
方向に電極、圧電薄膜、電極の順に形成した多層
構造の振動部位、あるいはこの構造の上にさらに
半導体あるいは絶縁体の薄膜を形成した多層構造
の振動部位を有し、該振動部位の周囲の半導体あ
るいは絶縁体からなる薄膜側を基板で支持した構
造の薄膜振動子において、振動部位の厚み方向の
中央部分に前記圧電薄膜の共振周波数の温度係数
とは符号の異なる材料からなる薄膜を形成するこ
とを特徴としている。次に本発明について詳細に
説明する。
第５図は、本発明の振動子における振動部位の
一部の構造を示している。圧電薄膜５１，５２の
中間部分に、薄膜５３を一層設け、この薄膜５３
は圧電薄膜とは温度係数の符号の異る材料を選び
この圧電薄膜の両外側に電極５４，５５を設けた
構造である。ここで圧電薄膜５１，５２の材料と
してZnO、薄膜５３の材料としてSiO2を選び、
また図においてtP3，2tS3をそれぞれZnO、SiO2の
膜厚を表わすものとする。
すると、第５図に示した構造のZnO／SiO2複
合振動子の膜厚比tS3／tP3に対する、基本厚みた
て共振周波数の温度係数TKfr（ppm／℃）の関係
を分布定数等価回路から理論的に求めたグラフは
第６図のようになる。第６図から、零温度係数が
得られる膜厚比tS3／tP3は0.085であることがわか
る。即ち、ZnOの膜厚に比べて、SiO2の膜厚を
極めて小さくすることができ、SiO2の膜厚が小
さいために、エネルギー閉じ込め効果にほとんど
支障はなく、良好な共振応答が得られるわけであ
る。また、振動節点に対して、圧電膜が上下対称
の位置にあるため、２次、４次、………といつた
偶数次高調波は励振されることはない。
次に、本発明の圧電薄膜複合振動子の基本的構
造を第７図に示す。第７図において、７１は振動
部位の周囲を支持する基板であり、７２はエツチ
ングにより振動部位に対応する基板の部分に設け
られた空孔である。基板７１として望ましい材料
は、表面が（100）面であるシリコンである。そ
の理由として、たとえばKOH、あるいはエチレ
ンジアミンのようなエツチング液を使用すれば
（100）面のエツチング速度に比較して（111）面
のエツチング速度が非常に小さいというエツチン
グの異方性を示すことにより、（111）面方向への
エツチングの拡がりが極めて小さく、従つて精度
良く空孔の寸法を制御できるからである。また、
第７図において、７３は、ホウ素をドープしたシ
リコン、あるいは酸化物、窒化物等の絶縁体のう
ちいずれか一つからなる薄膜である。薄膜７３と
して、シリコン基板へのホウ素の拡散又はイオン
注入によつて形成するか、或いはシリコン基板上
にホウ素を高濃度にドープしたエピタキシヤル膜
を成長させて形成したシリコン薄膜や、あるいは
SiO2薄膜、Si3N4薄膜等の絶縁体の薄膜を用いる
と、これらの薄膜はKOH、あるいはエチレンジ
アミンのようなエツチング液によるエツチング速
度が極めて小さいため、薄膜７３の厚さを精密に
制御することができる。
さらに本発明の振動子はこの薄膜７３上の厚み
方向に電極５４、圧電薄膜５１、この圧電薄膜と
は共振周波数の温度係数の符号の異なる材料から
なる薄膜５３、圧電薄膜５２、電極５５半導体あ
るいは絶縁体からなる薄膜７４の順で形成したも
のである。半導体あるいは絶縁体からなる薄膜７
４は偶数次の高調波を抑制する機能と周波数調整
を行なう機能をもつ。５１，５２の圧電薄膜材料
としては、現在のところ電気機械結合係数が大き
く製造が容易であることからZnOが最適である。
ZnO薄膜は、スパツタ法、CVD法、イオンプレ
ーテイング法により、Ｃ軸が基板面に対して垂直
に配向した薄膜を再現性良く作製でき、しかも高
い抵抗率を持つた薄膜となることが知られてい
る。
次に、第７図の構造をもつた圧電薄膜複合振動
子の一例として、圧電薄膜５１，５２としてZnO
を用い、薄膜５３としてZnOと共振周波数の温度
係数の異るSiO2膜、薄膜７３及び薄膜７４とし
て同じくSiO2を用いた振動子について説明する。
ZnO膜５１，５２の厚さをtP4、SiO2膜５３の厚
さを2tS4、SiO2膜７３，７４の厚さをtS5とする。
このとき、この振動子の基本厚みたて振動の共
振周波数の温度係数が零となる条件の膜厚比
tS4／tP4及びtS5／tP4を分布定数等価回路から理論
的に求めたものを第８図に示す。第８図において
実用的な部分は膜厚比tS5／tP4が0.5以下の部分で
ある。0.5より大きい場合前述のように良好なエ
ネルギー閉じ込めができない。膜厚比tS5／tP4が
0.5以下の部分において、零温度係数を得るもう
一方の膜厚比tS4／tP4の値はほぼ一定で0.085〜
0.093の間にある。即ち、圧電薄膜内部にある
SiO2膜の膜厚tS4に比べて、圧電薄膜の外部にあ
るSiO2膜の膜厚tS5の温度係数に及ぼす影響は極
めて小さいことがわかる。薄膜７３，７４は、音
響的な自由端に近い部分にあるため、この部分は
ほとんど質量として働き、この部分の材料の違い
による圧電振動子の温度係数に及ぼす影響はそれ
ほど大きくない。そのため、７３，７４の部分は
SiO2の他に、KOH、エチレンジアミンのような
エツチング液にエツチングされにくいSi3N4薄膜
等の絶縁体薄膜、ホウ素を高濃度にドープしたシ
リコン薄膜を用いても、SiO2と同様な結果が得
られることは明白である。
以上は第７図において薄膜７３と７４の膜厚が
等しい場合である。しかし、第８図にも示すよう
に圧電薄膜の膜厚（第７図においてtP4で示す。）
に比べ薄膜７３と７４の膜厚（第７図において
tS5で示す。）を薄くすることができ、この場合薄
膜７３と７４の膜厚は等しくなくとも偶数次の高
調波によるスプリアス振動を抑制することができ
る。さらに第９図に示すような第７図の構造にお
いて薄膜７４を取除いた構造の圧電薄膜複合振動
子においても第７図の構造の特性に近い良好な特
性が得られる。第９図の構造において圧電薄膜５
１と５２としてZnO薄膜を用い、薄膜５３，５
４，５５としてSiO2を用いた場合、振動子の基
本厚みたて振動の共振周波数の温度係数が零とな
る各膜厚の比を理論的に求めたものを第１０図に
示す。第９，１０図においてtP5，tP6はZnO薄膜
の厚みであり、tP7＝tP5＋tP6とする。またtS6は振
動部のほぼ中央部に形成する薄膜の厚み、さらに
tS7は絶縁体あるいは半導体からなる薄膜の厚み
である。第１０図からも判かるように薄膜７３を
圧電薄膜５１，５２に対して薄くすることができ
る。この場合、tP5とtP6が等しい構成でもよいし、
tP5とtP6を異なつた値にして薄膜５３が振動部位
の中央部に位置するように構成してもよい。以上
の説明において圧電薄膜材料としてZnOを、また
振動部位の厚み方向の中央部に形成する薄膜の材
料としてSiO2を用いた例を示した。しかしこれ
ら以外の圧電材料及びこれらの圧電材料と共振周
波数の温度係数の符号の異なる薄膜用材料を組み
合わせても、これらの圧電材料と薄膜用材料が互
いに適切な共振周波数の温度係数を有するなら
ば、本発明の特徴及びその有効性は少しも失なわ
れることはない。
以下、第７図、第９図に示した構造の本発明の
圧電薄膜複合振動子について、実施例に従つて具
体的に説明する。第９図に示す構造において、ま
ず表面が（100）面であるシリコン基板７１に
CVD法により1.5μｍのSi3N4薄膜７３を形成し、
次にシリコン基板７１に、あらかじめ裏面に形成
したSi3N4CVD膜をマスクとしてエチレンジアミ
ン、パイロカテコール及び水からなるエツチング
液で空孔７２を設けた。さらに、表面に形成した
Si3N4薄膜７３上にCrを下地としてAuを蒸着し
た後、フオトリソグラフイーにより部分電極５４
を形成し、順次スパツタ法により3.4μｍのZnO薄
膜５１、0.6μｍのSiO2膜５３，５１と同じ膜厚の
ZnO薄膜５２を形成した後、リフトオフによつて
Alの部分電極５５を形成した。この圧電薄膜振
動子において共振周波数321.9MHz、共振尖鋭度
2800、共振周波数温度係数−2.2ppm／℃を得た。
また第１１図にインピーダンス特性を実線で示
す。なおこの図中で点線で示したものは、第１図
に示した従来の圧電薄膜振動子の第２次共振によ
るスプリアスを示す。この図から本発明による圧
電薄膜振動子は第２次振動の抑圧に有効であるこ
とは明白である。
さらに、上記のように作製した第９図に示す圧
電薄膜振動子のAl電極５５及びZnO薄膜５２の
表面に1.2μｍのSiO2薄膜をスパツタ法で形成し第
７図のような圧電薄膜振動子を作製した。その結
果共振周波数300.0MHz、共振尖鋭度2900、共振
周波数の温度係数−1.7ppm／℃を得た。このと
き、第２次振動によるスプリアスは第１２図に示
すように、第１１図の実線の特性のさらに５分の
１に抑圧された。
以上、圧電薄膜複合振動子のうち共振子につい
てのべてきたが、本発明は第１３図イ，ロに示す
ように、相対向する多数の電極１１１，１１２，
１１３，１１４を設け、左側にある１１１，１１
２の電極を入力電極、右側にある１１３，１１４
を出力電極として、多重モードを用いたフイルタ
も容易に可能であることは言うまでもない。
以上詳述したように、本発明に従えば温度安定
度が極めて優れ、かつ２次、４次といつた偶数次
高調波によるスプリアスを十分に抑制した、高周
波用圧電薄膜複合振動子を提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は、従来の圧電薄膜複合振動子を示す図
である。第２図は第１図に示した構造の従来の
ZnO／SiO2複合振動子の膜厚比と共振周波数温
度係数の関係を示す図である。第３図は、従来の
圧電薄膜複合振動子を示す図である。第４図は第
３図に示した構造のZnO／SiO2複合振動子の膜
厚比と共振周波数温度係数の関係を示す図であ
る。第５図は、本発明の圧電薄膜複合振動子の振
動部位の一部を示す図である。第６図は第５図に
示した複合振動子の膜厚比と共振周波数温度係数
の関係を示す図である。第７図は、本発明の圧電
薄膜複合振動子の基本的構造を示す図である。第
８図は、第７図に示した本発明の圧電薄膜複合振
動子の構造において、ZnO、SiO2を組み合わせ
た場合の、共振周波数の零温度係数が得られる膜
厚比の関係を示す図である。第９図は、本発明の
圧電薄膜複合振動子の構造を示す図である。第１
０図は、第９図に示した本発明の圧電薄膜複合振
動子の構造においてZnO、SiO2を組合わせた場
合の共振周波数の零温度係数が得られる膜厚比の
関係を示す図である。第１１図は第９図に示した
本発明の圧電薄膜複合振動子のインピーダンス特
性を示す図である。第１２図は第７図に示した本
発明の圧電薄膜複合振動子のインピーダンス特性
を示す図である。第１３図は、本発明の圧電薄膜
複合振動子のフイルタへの応用例を示し、イは平
面図、ロは断面図を示す。 以上の図において、１１，７１は基板、１２，
７２は空孔、１３，１７，７３，７４は半導体あ
るいは絶縁体からなる薄膜、１４，５１，５２は
圧電薄膜、５３は５１，５２の圧電薄膜の共振周
波数と異なる符号の材料からなる薄膜、１５，１
６，５４，５５，１１１，１１２，１１３，１１
４は電極。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体あるいは絶縁体からなる薄膜上のその
    厚み方向に、電極、圧電薄膜、電極の順に形成し
    てなる多層構造の振動部位を有し、該振動部位の
    周囲の前記半導体あるいは絶縁体からなる薄膜側
    を基板で支持した構造の薄膜振動子において、振
    動部位の厚み方向の中央部分に前記圧電薄膜の共
    振周波数の温度係数とは符号の異なる材料からな
    る薄膜を形成したことを特徴とする圧電薄膜複合
    振動子。 ２ 半導体あるいは絶縁体からなる薄膜上のその
    厚み方向に、電極、圧電薄膜、電極、半導体ある
    いは絶縁体からなる薄膜の順に形成してなる多層
    構造の振動部位を有し、該振動部位の周囲の一方
    の面を基板によつて支持した構造の薄膜振動子に
    おいて、振動部位の厚み方向の中央部分に前記圧
    電薄膜の共振周波数の温度係数とは符号の異なる
    材料からなる薄膜を形成したことを特徴とする圧
    電薄膜複合振動子。
JP57019105A 1982-02-09 1982-02-09 圧電薄膜複合振動子 Granted JPS58137317A (ja)

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