CN106797207A - 压电振子以及压电振动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供压电振子以及压电振动装置，压电振子(13)为具备振动部(15)的压电振子(13)，振动部(15)具有Si层(22)，该Si层(22)是作为简并半导体的n型的Si层(22)，且具有0.5mΩcm以上0.9mΩcm以下的电阻率。
Description
技术领域
本发明涉及压电振子以及压电振动装置。
背景技术
以往，使用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)技术的压电振子例如，作为定时设备而被使用。专利文献1公开了一种在Si(硅)层上形成了振动部的MEMS谐振器，在该谐振器中，由于Si的温度依存性，谐振频率伴随着周围温度的变化而变动。该温度依存性被频率温度系数(TCF：Temperature Coefficient of Frequency：频率温度系数)所确定。
专利文献1：日本特表2014－507096号公报
专利文献2：国际公开第2008/043727号
在专利文献1中，为了降低频率温度系数，以规定的掺杂量对Si层实施n型、p型的掺杂。然而，由于一次频率温度系数例如根据Si层的厚度而变化，所以例如在专利文献1中即使是优选的掺杂量，也存在无法确保所希望的频率温度系数的情况。另外，在偏离优选的掺杂量的掺杂量中，存在频率温度系数增大的情况。频率温度系数的变动对于确保良好的温度特性来说，并不优选。
发明内容
本发明是鉴于这样的事实而完成的，目的在于提供能够将频率温度系数的变动抑制得较小的压电振子以及压电振动装置。
本发明的一个方式所涉及的压电振子为具备振动部的压电振子，振动部具有Si层，该Si层是作为简并半导体的n型的Si层，且具有0.5mΩcm以上0.9mΩcm以下的电阻率。
根据本发明，能够提供可将频率温度系数的变动抑制得较小的压电振子以及压电振动装置。
附图说明
图1是简要地表示本发明的第一实施方式所涉及的压电振动装置的外观的立体图。
图2是简要地表示本发明的第一实施方式所涉及的压电振动装置的构造的分解立体图。
图3是沿着图1的3-3线的剖面的示意图。
图4是表示Si层的电阻率与一次频率温度系数的关系的图表。
图5是表示Si层的电阻率与一次频率温度系数的关系的图表。
图6是表示Si层的电阻率与二次频率温度系数的关系的图表。
图7是表示水晶振子的温度特性的图表。
图8是简要地表示本发明的第二实施方式所涉及的压电振动装置的构造的分解立体图。
图9是沿着图8的9-9线的剖面的示意图。
图10是与图3相对应的振动部的剖面的示意图。
图11是与图3相对应的振动部的剖面的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的第一实施方式进行说明。图1是简要地表示本发明的第一实施方式所涉及的压电振动装置10的外观的立体图。该压电振动装置10例如具有扁平的立方体的形状，具备下侧基板11、在与该下侧基板11之间形成振动空间的上侧基板12、以及夹入下侧基板11以及上侧基板12之间而被保持的压电振子13。压电振子13是使用MEMS技术而制造的MEMS振子。
图2是简要地表示本发明的第一实施方式所涉及的压电振动装置10的构造的分解立体图。压电振子13具备：支承架14，沿着图2的正交坐标系中的XY平面展开为矩形的框状；振动部15，配置于支承架14的内侧，与支承架14同样地沿着XY平面展开为矩形；以及一对连结部16、16，它们使支承架14与振动部15相互连接。振动部15如后文所述，通过沿着XY平面沿Y轴方向反复伸缩而振动。
支承架14具备：一对长边的框体14a、14a，它们与X轴平行地延伸；以及一对短边的框体14b、14b，它们与Y轴平行地延伸，利用它们的两端分别与框体14a、14a的两端连接。在本实施方式中，连结部16、16在与X轴平行的一条直线上延伸，使框体14b、14b与振动部15相互连接。连结部16、16的位置被设定于振动部15的Y轴方向的中间位置、即振动部15的振动方向的中心位置的端部(节点)。
下侧基板11沿着XY平面展开为平板状，在其上表面形成有凹部17。凹部17例如形成为扁平的立方体形状，形成振动部15的振动空间的一部。在另一方面，上侧基板12沿着XY平面展开为平板状，在其下表面形成有凹部18。凹部18与凹部17同样，例如形成为扁平的立方体形状，形成振动部15的振动空间的一部分。
图3是沿着图1的3-3线的剖面的示意图。若一并参照图3，则压电振子13的支承架14被阻挡在下侧基板11的上表面的周边上，上侧基板12的下表面的周边被阻挡在支承架14的上表面。这样，压电振子13被保持在下侧基板11与上侧基板12之间，利用下侧基板11、上侧基板12以及压电振子13的支承架14，形成振动部15的振动空间。在该振动空间中维持真空状态。
下侧基板11以及上侧基板12由Si(硅)形成。在压电振子13中，支承架14、振动部15、连结部16由氧化硅层即SiO2(二氧化硅)层21、层叠于SiO2层21上的Si层22以及层叠于Si层22上的AlN(氮化铝)层23形成。此外，在氧化硅层，也可以代替SiO2层21，而使用含有SiaOb层(a以及b为整数)的适当的组成的氧化硅材料。
Si层22由作为简并半导体的n型的Si半导体形成，作为n型掺杂剂而含有P(磷)、As(砷)、Sb(锑)等的第15族元素等。在本实施方式中，作为n型掺杂剂而使用P(磷)。另外，在Si层22中，通过对n型掺杂剂的掺杂量进行控制，从而将其电阻率设定为0.5mΩcm以上0.9mΩcm以下的范围。Si层22的电阻率的详细情况在后文叙述。
在压电振子13中，振动部15还具备形成于AlN层23的上表面以及下表面而夹住AlN层23的第一以及第二Mo(钼)层24、25。第一以及第二Mo层24、25分别形成下部电极以及上部电极，与设置于压电振动装置10的外部的交流电源(未图示)连接。在连接中，例如使用形成于上侧基板12的上表面的电极(未图示)、形成于上侧基板12内的硅通孔(TSV)(未图示)等。
AlN层23是将被施加的电压转换为振动的压电薄膜。在压电薄膜，也可以代替AlN层23，例如使用ZnO(氧化锌)、ScAlN(氮化钪铝)、PZT(锆钛酸铅)、KNN((K、Na)NbO3：铌酸钾钠)等。此外，在ScAlN中，在将Sc以及Al的原子浓度形成为100at％的情况下，优选将Sc浓度设定为0.5at％以上50at％以下的程度。
在下部电极以及上部电极，也可以代替第一以及第二Mo层24、25，而使用Ru(钌)、Pt(铂金)、Ti(钛)、Cr(铬)、Al(铝)、Cu(铜)、Ag(银)、或者这些的合金等的金属材料。
在本实施方式的压电振动装置10中，AlN层23大致与Si层22垂直地进行C轴取向。通过在第一Mo层24与第二Mo层25之间大致沿C轴方向施加交变电场，从而振动部15被激励。其结果，振动部15沿短边方向即沿Y轴方向伸缩振动。换言之，在Y轴方向产生重复振动部15伸展的状态与振动部15收缩的状态的伸缩振动。
接下来，在以下，对Si层22的电阻率处于0.5mΩcm以上0.9mΩcm以下的范围的效果进行说明。本发明者们首先针对相对于伴随着掺杂量的变动的Si层22的电阻率的变化的、压电振动装置10的一次频率温度系数(TCF)的变化进行了验证。在验证中，基于上述的压电振动装置10，实施了根据有限元法(FEM)的模拟。在模拟中，假定一种压电振动装置10，其沿着XY平面在Y轴方向具有100μm的长度以及在X轴方向具有145μm的长度。
在振动部15中，分别将SiO2层21的厚度设定为0.52μm，将AlN层23的厚度设定为0.8μm，将第一Mo层24以及第二Mo层25的厚度设定为0.1μm、0.1μm。并且，分别将Si层22的厚度设定为5μm、10μm以及20μm，基于FEM的模拟，计算出使Si层22的电阻率变化时的频率温度特性。另外，在同时，将Si层22的厚度设定为10μm，实际地测量出使Si层22的电阻率变化时的频率温度特性。此外，在将AlN膜23等形成于Si层22上之前的状态下，例如，利用四探针法，实际地测量出Si层22的电阻率。
图4是表示Si层22的电阻率[mΩcm]与一次频率温度系数[ppm/K]的关系的图表。如图4所示，可确认FEM的模拟的结果表示与实测值相同的趋势。模拟的结果为电阻率相同的情况下，随着Si层22的厚度增大，一次频率温度系数增大。在另一方面，可确认即使使Si层22的厚度变化，相对于电阻率的变化的一次频率温度系数的变化的趋势也几乎没有变化。并且，可确认，Si层22的电阻率在例如0.5mΩcm以上1.2mΩcm以下的范围中，与Si层22的厚度无关，一次频率温度系数的变动较小。
接下来，本发明者们针对相对于使SiO2层21的厚度变化时的Si层22的电阻率的变化的、压电振动装置10的一次频率温度系数的变化进行了验证。在验证中，与上述相同，基于压电振动装置10，实施了FEM的模拟。基于FEM的模拟，对分别将SiO2层21的厚度设定为0μm(即，未形成SiO2层21的情况)、0.52μm以及1.0μm时的Si层22的电阻率的变化进行了计算。此外，在任一种情况下，都将Si层22的厚度设定为10μm。
图5是表示Si层22的电阻率[mΩcm]与一次频率温度系数[ppm/K]的关系的图表。如图5所示，在电阻率相同的情况下，随着SiO2层21的厚度增大，一次频率温度系数增大。在另一方面，可确认即使使SiO2层21的厚度变化，相对于电阻率的变化的一次频率温度系数的变化的趋势也几乎没有变化。并且，可确认Si层22的电阻率例如在0.5mΩcm以上1.2mΩcm以下的范围中，与SiO2层21的厚度无关，一次频率温度系数的变动较小。
根据图5所示的模拟的结果，可确认与SiO2层21的厚度无关，Si层22的电阻率例如在0.5mΩcm以上1.2mΩcm以下的范围中，一次频率温度系数的变动较小。并且，可确认与没有SiO2层21时(即，厚度为0μm时)相比较，随着SiO2层21的厚度增大，一次频率温度系数增大。因此，该模拟的结果为，可确认即使掺杂剂的掺杂量的值产生偏差，通过对SiO2层21的厚度进行控制，也能够修正一次频率温度系数。
接下来，本发明者们针对相对于Si层22的电阻率的变化的压电振动装置10的二次频率温度系数的变化进行了验证。在验证中，在上述的压电振动装置10中，基于实际的测量，对通过使Si层22的n型掺杂剂的掺杂量发生变化从而使电阻率变化时的二次频率温度系数进行了计算。此外，Si层22的厚度被设定为10μm。图6是表示Si层22的电阻率[mΩcm]与二次频率温度系数[ppm/K2]的关系的图表。由图6可知，可确认随着Si层22的电阻率伴随着n型掺杂剂相对于Si层22的掺杂量的增加而降低，二次频率温度系数增大。
图7是表示普通的音叉型水晶振子的温度特性的图表。由图7可知，音叉型水晶振子的二次频率温度系数成为－0.035左右。即使对于本发明的压电振子13，也要求音叉型水晶振子以上的温度特性。即，在图6中，需要控制掺杂量，以便将频率温度系数设定为－0.035以上。若将该频率温度系数应用于本发明的压电振动装置10，则由图6知，可确认优选将Si层22的电阻率大致设定为0.9mΩcm以下。
根据以上的模拟以及实际的测量的结果，根据Si层22的电阻率与一次频率温度特性的关系，优选将Si层22的电阻率设定为0.5mΩcm以上1.2mΩcm以下，另外根据Si层22的电阻率与二次频率温度特性的关系，优选将Si层22的电阻率的上限设为0.9mΩcm。若考虑这些结果，则在本发明中，特别优选通过控制n型掺杂剂相对于Si层22的掺杂量，从而将Si层22的电阻率设定为0.5mΩcm以上0.9mΩcm以下。根据这样的构成，能够良好地保持压电振动装置10的频率温度特性。
在如以上那样的压电振动装置10中，通过控制n型掺杂剂相对于Si层22的掺杂量，将Si层22的电阻率设定为0.5mΩcm以上0.9mΩcm以下，从而能够将一次频率温度系数的变动抑制得较小。并且，通过将Si层22的电阻率设定为0.9mΩcm以下，也能够将二次频率温度系数抑制得较小。因此，根据本发明，能够提供频率温度特性良好的压电振动装置10。
图8是简要地表示本发明的第二实施方式所涉及的压电振动装置10a的构造的分解立体图。该压电振动装置10a代替通过上述的面内的振动模式而进行振动的压电振子13，具备通过面外的振动模式而进行振动的压电振子13a。该压电振子13a与上述的压电振子13相同，夹入在下侧基板11以及上侧基板12之间而被保持。由于其他的构造与上述的第一实施方式的构造相同，所以省略重复的说明。
压电振子13a具备：支承架31，沿着图8的正交坐标系中的XY平面展开为矩形的框状；基部32，被配置于支承架31内，沿着XY平面展开，从支承架31的一端延伸至支承架31内；以及振动部即多个振动臂33，从连接于基部32的前端的固定端起朝向自由端沿着XY平面延伸。本实施方式的压电振子13a具备四条振动臂33，但是振动臂的数量并不局限于四条，例如也可以设定为三条以上的任意数量。
图9是沿着图8的9-9线的压电振子13a的剖面的示意图。由图9可知，各振动臂33与上述的振动部15相同，具备SiO2层34、Si层35、AlN层36、第一以及第二Mo层37、38。Si层35与Si层22相同，由作为简并半导体的n型的Si半导体形成，作为n型掺杂剂而含有P(磷)。第一以及第二Mo层37、38形成下侧电极以及上侧电极。AlN层36为将被施加的电压转换为振动的压电膜。
在该压电振子13a中，AlN层36大致与Si层35垂直地进行C轴取向。因此，若在第一以及第二Mo层37、38之间对AlN层36沿C轴方向施加电压，则AlN层36沿大致与C轴垂直的方向伸缩。利用该AlN层36的伸缩，振动臂33沿Z轴方向弯曲位移，利用面外的弯曲振动模式进行振动。即使在该压电振子13a中，也与上述相同，通过将Si层35的电阻率设定为0.5mΩcm以上0.9mΩcm以下，从而能够提供频率温度特性良好的压电振动装置10。
在如以上那样的压电振动装置10中，SiO2层21形成于Si层22的下表面，但是除了该SiO2层21，也可以如图10所示那样，在振动部15的上表面即第二Mo层25的上表面形成有SiO2层39。此时，也可以省略SiO2层21的形成。另外，如图11所示那样，也可以在Si层22与振动部15的下表面即第一Mo层24的下表面形成有SiO2层40。这种情况下，还可以形成有SiO2层21、39。利用这样的SiO2层21、39、40，能够进一步抑制压电振子13的频率温度特性的变动。此外，压电振动装置10a也可以同样地构成。
另外，以上的本实施方式用于方便理解本发明，而并不用于限定地解释本发明。本发明在不脱离其思想的前提下，可以对本发明进行变更/改良，并且本发明的同等发明也包含在本发明内。即，即使本领域技术人员对各实施方式加以适当的设计变更，只要具备本发明的特征，就被包含在本发明的范围内。例如，各实施方式所具备的各要素以及其配置、材料、条件、形状、尺寸等，也可以不限于例中所示的内容而进行适当的变更。另外，各实施方式具备的各要素可以在技术可能的范围里进行组合，将它们组合得到的内容只要包含本发明的特征就被包含在本发明的范围内。
附图标记说明
10…压电振动装置；10a…压电振动装置；15…振动部；21…氧化硅层(SiO2层)；22…Si层；23…压电薄膜(AlN层)；33…振动部；35…Si层；36…压电薄膜(AlN层)；39…氧化硅层(SiO2层)；40…氧化硅层(SiO2层)。
Claims (4)
1.一种压电振子，该压电振子具备振动部，其中，
所述振动部具有Si层，该Si层是作为简并半导体的n型的Si层，且具有0.5mΩcm以上0.9mΩcm以下的电阻率。
2.根据权利要求1所述的压电振子，其中，
所述振动部具有被形成在所述Si层上的压电薄膜。
3.根据权利要求2所述的压电振子，其中，
所述振动部还具有氧化硅层，该氧化硅层被形成在所述Si层的上表面、下表面、以及所述压电薄膜的上表面的至少任意一处。
4.一种压电振动装置，具备：
下侧基板；
上侧基板，在与所述下侧基板之间形成振动空间；以及
压电振子，被配置在所述振动空间内，
所述压电振子具备振动部，
所述振动部具有Si层，该Si层是作为简并半导体的n型的Si层，且具有0.5mΩcm以上0.9mΩcm以下的电阻率。
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