JPS6357966B2 - - Google Patents
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- JPS6357966B2 JPS6357966B2 JP3616682A JP3616682A JPS6357966B2 JP S6357966 B2 JPS6357966 B2 JP S6357966B2 JP 3616682 A JP3616682 A JP 3616682A JP 3616682 A JP3616682 A JP 3616682A JP S6357966 B2 JPS6357966 B2 JP S6357966B2
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- thin film
- sio
- zno
- film thickness
- film
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic elements; Electromechanical resonators
- H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
- H03H9/171—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator implemented with thin-film techniques, i.e. of the film bulk acoustic resonator [FBAR] type
- H03H9/172—Means for mounting on a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
- H03H9/174—Membranes
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (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、VHF、UHF帯において厚み振動を
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。
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おり、代表的な
ものとして水晶、圧電セラミツクスの圧電板を用
いた振動子が知られている。この振動子は、薄板
の平行平面研磨という機械加工を行つて製造され
ているが、研磨加工では板厚を30〜50μｍとする
のが限界であり、高次モードを用いたとしても使
用周波数はせいぜい200MHzが限界であつた。
子は薄板の厚み振動が用いられており、代表的な
ものとして水晶、圧電セラミツクスの圧電板を用
いた振動子が知られている。この振動子は、薄板
の平行平面研磨という機械加工を行つて製造され
ているが、研磨加工では板厚を30〜50μｍとする
のが限界であり、高次モードを用いたとしても使
用周波数はせいぜい200MHzが限界であつた。
そこで、最近、数百ＭHzの高周波帯において容
量比の小さな圧電振動子を得る方法として、スパ
ツタ法等により作成される圧電薄膜作成技術と異
方性エツチング技術を用いた圧電薄膜複合振動子
が提案されている。この振動子はシリコン基板上
にシリコン、酸化物などの薄膜と圧電薄膜とを層
状に作成し、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、外縁部
を基板によつて支持させた構造のものである。
量比の小さな圧電振動子を得る方法として、スパ
ツタ法等により作成される圧電薄膜作成技術と異
方性エツチング技術を用いた圧電薄膜複合振動子
が提案されている。この振動子はシリコン基板上
にシリコン、酸化物などの薄膜と圧電薄膜とを層
状に作成し、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、外縁部
を基板によつて支持させた構造のものである。
しかし、圧電薄膜はスパツタ法、CVD法など
で形成されるが、代表的な圧電薄膜材料である
ZnO、CdS、AlN等は周波数温度係数が大きいた
めに、Si基板との組合わせだけでは温度安定度の
高い圧電振動子を得ることはできない。
で形成されるが、代表的な圧電薄膜材料である
ZnO、CdS、AlN等は周波数温度係数が大きいた
めに、Si基板との組合わせだけでは温度安定度の
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により、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薄膜１
３を形成し、表面のSiO2だけが残るようにエツ
チングし、その上にZnO圧電薄膜１４を形成した
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、１２はエツチングによりシリコン基板
に形成した空孔、１５，１６はZnO圧電薄膜１４
に対向して設けた電極である。この振動子におい
て、SiO2の膜厚がZnOの膜厚の約２分の１のと
きに基本１次モードの共振に関して零温度係数が
得られることが知られている。
符号が異る材料との組合わせにより、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薄膜１
３を形成し、表面のSiO2だけが残るようにエツ
チングし、その上にZnO圧電薄膜１４を形成した
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、１２はエツチングによりシリコン基板
に形成した空孔、１５，１６はZnO圧電薄膜１４
に対向して設けた電極である。この振動子におい
て、SiO2の膜厚がZnOの膜厚の約２分の１のと
きに基本１次モードの共振に関して零温度係数が
得られることが知られている。
しかしながら、SiO2膜は非常にもろいために
製造中にクラツクが入りやすく量産する場合に大
きな障害となり、また、得られた振動子の共振尖
鋭度Qmも500〜2000程度であり、この構造では
共振尖鋭度Qmの大きな振動子を得ることが難か
しかつた。
製造中にクラツクが入りやすく量産する場合に大
きな障害となり、また、得られた振動子の共振尖
鋭度Qmも500〜2000程度であり、この構造では
共振尖鋭度Qmの大きな振動子を得ることが難か
しかつた。
本発明は上記問題点を解消するもので、共振尖
鋭度Qmが大きく、かつ温度安定性に優れた圧電
薄膜複合振動子を提供しようとするものである。
鋭度Qmが大きく、かつ温度安定性に優れた圧電
薄膜複合振動子を提供しようとするものである。
以下、本発明の実施例を図面によつて詳細に説
明する。
明する。
第２図は、本発明の圧電振動子の構成を示すも
のである。すなわち、第２図において、表面が
（100）面であるSi基板２１上にSiO2薄膜２２を
形成し、SiO2薄膜２２上に下部電極２５、及び
ZnO圧電薄膜２３、上部電極２４を順に積層して
形成し、振動部位に相当するSi基板２１の裏面に
エツチングにより空孔２６を設けたものである。
のである。すなわち、第２図において、表面が
（100）面であるSi基板２１上にSiO2薄膜２２を
形成し、SiO2薄膜２２上に下部電極２５、及び
ZnO圧電薄膜２３、上部電極２４を順に積層して
形成し、振動部位に相当するSi基板２１の裏面に
エツチングにより空孔２６を設けたものである。
第２図において、Si層が完全にはエツチングさ
れていないが、このSi層の厚さT3は、高濃度に
ホウ素をドープすることにより、ホウ素がドープ
されたSi層はパイロカテコール−エチレンジアミ
ンまたはKOHなどのエツチング液に殆んどエツ
チングされないことにより、容易に制御すること
ができる。また、ホウ素を高濃度に含んだSiは、
SiO2に比べてエツチング速度が遅く、それだけ
第１図の構造のものより高い平面度が得られやす
い長所がある。さらに、SiはSiO2に比べて機械
的強度が大きく、製造中にクラツクが入ることは
殆んでなく、生産性に優れている。以上の性質
と、Siが本質的に高振動（high Ｑ）材であるこ
とにより、共振尖鋭度Qmの大きな振動子を得る
ことができる。
れていないが、このSi層の厚さT3は、高濃度に
ホウ素をドープすることにより、ホウ素がドープ
されたSi層はパイロカテコール−エチレンジアミ
ンまたはKOHなどのエツチング液に殆んどエツ
チングされないことにより、容易に制御すること
ができる。また、ホウ素を高濃度に含んだSiは、
SiO2に比べてエツチング速度が遅く、それだけ
第１図の構造のものより高い平面度が得られやす
い長所がある。さらに、SiはSiO2に比べて機械
的強度が大きく、製造中にクラツクが入ることは
殆んでなく、生産性に優れている。以上の性質
と、Siが本質的に高振動（high Ｑ）材であるこ
とにより、共振尖鋭度Qmの大きな振動子を得る
ことができる。
一方、弾性スチフネスCE 33の温度係数の値が
ZnO、Siが負、SiO2が正であることから、ZnOの
膜厚T1、SiO2の膜厚T2、Siの膜厚T3の膜厚比を
選定することにより零温度係数を得ることができ
る。
ZnO、Siが負、SiO2が正であることから、ZnOの
膜厚T1、SiO2の膜厚T2、Siの膜厚T3の膜厚比を
選定することにより零温度係数を得ることができ
る。
また、振動子の容量比γを小さくするという意
味から基本１次モード及び２次モードを積極的に
利用することは有効な方法である。
味から基本１次モード及び２次モードを積極的に
利用することは有効な方法である。
次に、具体的な実施例に従つて詳細に説明す
る。
る。
〔実施例 １〕
第２図に示した本発明の構成で、共振時に２分
の１波長共振を行う基本１次モードを用いた振動
子の実施例についてのべる。表面が（100）面で
あるSi基板２１にホウ素を高濃度にドープし、そ
の上にSiO2膜をスパツタ法で作成した。次に、
Si基板２１の裏面にCVD法によつてSi3N4膜を形
成し、これをマスクとして、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２６を設けて、さらに表面に形成したSiO2
薄膜上にCrを下地としてAuを蒸着し、フオトリ
ングラフイーにより下部電極２５を形成したの
ち、スパツタ法によりZnO膜２３を形成し、リフ
トオフによつてAlの上部電極２４を形成した。
このとき、ZnO膜厚T1とSi膜厚T3との膜厚比
T3／T1及びZnO膜厚T1とSiO2膜厚との膜厚比
T2／T1をパラメータとして種々の値について実
験を行い、室温付近で零温度係数となる膜厚比
T3／T1、T2／T1の関係とそのときの容量比γの
値を求めた。それを第３図に示す。第３図から、
零温度係数となる膜厚比はT2／T1＝Ｙ、T3／T1
＝Ｘとすると、ほぼ次の実験式で与えられること
が明らかである。即ち Ｘ0.81のとき Ｙ＝−0.264X＋0.348 Ｘ＞0.81のとき Ｙ＝0.053X＋0.092 このとき、T3／T1が増大するとともに容量比γ
も増大していくが、T3／T1＜2.0ではγ＜100が
得られる。具体的な一例としてZnOの膜厚T1＝
5.2μｍ、SiO2の膜厚T2＝0.8μｍ、Siの膜厚T3＝
3.9μｍの振動子の特性について述べると、このと
き共振周波数r＝332.8MHz、容量比γ＝29.4、共
振尖鋭度Qm＝3200を得た。また−20℃〜60℃の
温度範囲において共振周波数温度偏差Δr／r＝
100ppm以下の値を容易に得ることができた。
の１波長共振を行う基本１次モードを用いた振動
子の実施例についてのべる。表面が（100）面で
あるSi基板２１にホウ素を高濃度にドープし、そ
の上にSiO2膜をスパツタ法で作成した。次に、
Si基板２１の裏面にCVD法によつてSi3N4膜を形
成し、これをマスクとして、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２６を設けて、さらに表面に形成したSiO2
薄膜上にCrを下地としてAuを蒸着し、フオトリ
ングラフイーにより下部電極２５を形成したの
ち、スパツタ法によりZnO膜２３を形成し、リフ
トオフによつてAlの上部電極２４を形成した。
このとき、ZnO膜厚T1とSi膜厚T3との膜厚比
T3／T1及びZnO膜厚T1とSiO2膜厚との膜厚比
T2／T1をパラメータとして種々の値について実
験を行い、室温付近で零温度係数となる膜厚比
T3／T1、T2／T1の関係とそのときの容量比γの
値を求めた。それを第３図に示す。第３図から、
零温度係数となる膜厚比はT2／T1＝Ｙ、T3／T1
＝Ｘとすると、ほぼ次の実験式で与えられること
が明らかである。即ち Ｘ0.81のとき Ｙ＝−0.264X＋0.348 Ｘ＞0.81のとき Ｙ＝0.053X＋0.092 このとき、T3／T1が増大するとともに容量比γ
も増大していくが、T3／T1＜2.0ではγ＜100が
得られる。具体的な一例としてZnOの膜厚T1＝
5.2μｍ、SiO2の膜厚T2＝0.8μｍ、Siの膜厚T3＝
3.9μｍの振動子の特性について述べると、このと
き共振周波数r＝332.8MHz、容量比γ＝29.4、共
振尖鋭度Qm＝3200を得た。また−20℃〜60℃の
温度範囲において共振周波数温度偏差Δr／r＝
100ppm以下の値を容易に得ることができた。
〔実施例 ２〕
同じく第２図に示したZnO／SiO2／Si三層構成
の圧電薄膜複合振動子において、共振時において
１波長共振を行う２次モードを用いた振動子の実
施例についてのべる。振動子の作成は実施例１と
全く同じ手準で行つた。このとき、膜厚比T3／
T1及びT2／T1をパラメータとして種々の値につ
いて実験を行い、室温付近で零温度係数となる膜
厚比T3／T1とT2／T1の関係とそのときの容量比
γの値を求めた。それを第４図に示す。第４図か
ら、零温度係数となる膜厚比はT2／T1＝Ｙ、
T3／T1＝Ｘとすると、ほぼ次の実験式で与えら
れることが明らかである。即ち、 Ｙ＝0.186X2−0.327X＋1.05（Ｘ＞０） このときの容量比γと膜厚比T3／T1との関係を
破線で示す。T3／T1＜1.5においてγ＜60が得ら
れていることがわかる。一方、２次モードでは、
実用的な容量比が得られかつ室温近傍において零
温度係数を有するもう一つの領域がＸ＜0.5にお
いて存在することがわかつた。即ち ０＜Ｘ＜0.5において Ｙ＝−Ｘ＋0.75 で表わされる一点鎖線に沿つた領域である。この
ときの膜厚比T3／T1と容量比γの関係を点線で
示す。γ＜30が得られていることがわかる。
の圧電薄膜複合振動子において、共振時において
１波長共振を行う２次モードを用いた振動子の実
施例についてのべる。振動子の作成は実施例１と
全く同じ手準で行つた。このとき、膜厚比T3／
T1及びT2／T1をパラメータとして種々の値につ
いて実験を行い、室温付近で零温度係数となる膜
厚比T3／T1とT2／T1の関係とそのときの容量比
γの値を求めた。それを第４図に示す。第４図か
ら、零温度係数となる膜厚比はT2／T1＝Ｙ、
T3／T1＝Ｘとすると、ほぼ次の実験式で与えら
れることが明らかである。即ち、 Ｙ＝0.186X2−0.327X＋1.05（Ｘ＞０） このときの容量比γと膜厚比T3／T1との関係を
破線で示す。T3／T1＜1.5においてγ＜60が得ら
れていることがわかる。一方、２次モードでは、
実用的な容量比が得られかつ室温近傍において零
温度係数を有するもう一つの領域がＸ＜0.5にお
いて存在することがわかつた。即ち ０＜Ｘ＜0.5において Ｙ＝−Ｘ＋0.75 で表わされる一点鎖線に沿つた領域である。この
ときの膜厚比T3／T1と容量比γの関係を点線で
示す。γ＜30が得られていることがわかる。
式で表わされる領域に関する具体的な一例と
して、ZnOの膜厚T1＝3.4μｍ、SiO2の膜厚T2＝
3.1μｍ、Siの膜厚T3＝3.2μｍの振動子の特性につ
いて述べると、このとき、２次モードの共振周波
数r＝723.1MHz、容量比γ＝27.93、共振尖鋭
Qm＝3300を得た。また、−20℃〜60℃の温度範
囲において共振周波数温度偏差Δr／r＝80ppm
以下の値が比較的容易に得られた。また、式で
表わされる領域に関する具体的な一例としてT1
＝5.7μｍ、T2＝2.8μｍ、T3＝1.4μｍの振動子の具
体的な特性について述べると、このとき２次モー
ドの共振周波数r＝572.8MHz、容量比γ＝21.7、
共振尖鋭度Qm＝2200を得た。また−20℃〜60℃
の温度範囲において共振周波数温度偏差Δr／r
＝100ppm以下の値が容易に得られた。
して、ZnOの膜厚T1＝3.4μｍ、SiO2の膜厚T2＝
3.1μｍ、Siの膜厚T3＝3.2μｍの振動子の特性につ
いて述べると、このとき、２次モードの共振周波
数r＝723.1MHz、容量比γ＝27.93、共振尖鋭
Qm＝3300を得た。また、−20℃〜60℃の温度範
囲において共振周波数温度偏差Δr／r＝80ppm
以下の値が比較的容易に得られた。また、式で
表わされる領域に関する具体的な一例としてT1
＝5.7μｍ、T2＝2.8μｍ、T3＝1.4μｍの振動子の具
体的な特性について述べると、このとき２次モー
ドの共振周波数r＝572.8MHz、容量比γ＝21.7、
共振尖鋭度Qm＝2200を得た。また−20℃〜60℃
の温度範囲において共振周波数温度偏差Δr／r
＝100ppm以下の値が容易に得られた。
以上の本発明の振動子の試作結果、エツチング
の際、クラツクが入つてしまう事故は皆無であ
り、良好な特性を示す振動子を容易に得ることが
できた。
の際、クラツクが入つてしまう事故は皆無であ
り、良好な特性を示す振動子を容易に得ることが
できた。
尚、本発明の振動子において、分割電極を用い
てフイルタ構成にすることも可能であり、また周
波数調製のため振動子の表面に絶縁物をスパツタ
することももちろん可能であることは言うまでも
ない。
てフイルタ構成にすることも可能であり、また周
波数調製のため振動子の表面に絶縁物をスパツタ
することももちろん可能であることは言うまでも
ない。
したがつて、本発明によれば、共振尖鋭度が大
きく、しかも温度安定性に優れた振動子を容易に
得ることができ、工業的価値も多大である効果を
有しているものである。
きく、しかも温度安定性に優れた振動子を容易に
得ることができ、工業的価値も多大である効果を
有しているものである。
第１図は従来のZnO／SiO2複合振動子、第２
図は本発明の実施例を示すZnO／SiO2／Si複合振
動子、第３図及び第４図はそれぞれ基本モード、
第２次モードに関する零温度係数となる膜厚比と
そのときの容量比の関係を示す図である。 ２１はSi基板、２２はSiO2膜、２３はZnO膜、
２４，２５は電極、１２，２６は空孔を示す。
図は本発明の実施例を示すZnO／SiO2／Si複合振
動子、第３図及び第４図はそれぞれ基本モード、
第２次モードに関する零温度係数となる膜厚比と
そのときの容量比の関係を示す図である。 ２１はSi基板、２２はSiO2膜、２３はZnO膜、
２４，２５は電極、１２，２６は空孔を示す。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ シリコン薄膜、SiO2薄膜、ZnO圧電薄膜か
らなり、SiO2薄膜がシリコン薄膜とZnO薄膜と
の間に位置するような多層構造の振動部位をも
ち、周縁部をシリコン基板によつて支持された厚
み振動圧電振動子において、ZnO薄膜の厚さを
T1，SiO2薄膜の厚さをT2、Si薄膜の厚さをT3と
し、ZnO薄膜とSi薄膜との膜厚比T3／T1をＸ、
ZnO薄膜とSiO2薄膜との膜厚比T2／T1をＹと置
き換えたときに、基本１次モードを使用する場合
には、次式、 Ｙ＝−0.264X＋0.348（Ｘ0.81） Ｙ＝−0.053X＋0.092（Ｘ＞0.81） で与えられる膜厚比とし、二次モードを使用する
場合には次式 Ｙ＝0.186X2−0.327×＋1.05（Ｘ＞０） Ｙ＝−Ｘ＋0.75（０＜Ｘ＜0.5） で与えられる膜厚比としたことを特徴とする圧電
薄膜複合振動子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3616682A JPS58153412A (ja) | 1982-03-08 | 1982-03-08 | 圧電薄膜複合振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3616682A JPS58153412A (ja) | 1982-03-08 | 1982-03-08 | 圧電薄膜複合振動子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58153412A JPS58153412A (ja) | 1983-09-12 |
| JPS6357966B2 true JPS6357966B2 (ja) | 1988-11-14 |
Family
ID=12462169
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3616682A Granted JPS58153412A (ja) | 1982-03-08 | 1982-03-08 | 圧電薄膜複合振動子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58153412A (ja) |
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-
1982
- 1982-03-08 JP JP3616682A patent/JPS58153412A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58153412A (ja) | 1983-09-12 |
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