CN1211923C - 水晶振子及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了利用基体材料和基体材料上形成的水晶薄膜制造的水晶振子及其制造方法。本发明中水晶振子的水晶振动片(2)是加工基体材料结晶(5)的表面上外延生长的水晶薄膜而形成的。激振前述水晶振动片(2)所必要的电极(3a)等是以金属蒸镀层形成的。作为前述基体材料(1)的结晶可以用单元素半导体、化合物半导体或者氧化物结晶。基体材料用半导体，其中设置半导体电路，可以达到与振子一同模块化利用的目的。
Description
发明领域
本发明涉及一种以水晶薄膜为振动体的振荡器用水晶振子且包含滤波器的水晶振子及前述水晶振子的制造方法。
背景技术
一般水晶振子是指具有根据性能要求设计在水晶片表面设置薄膜电极，保持密封的保持器内具有为其提供机械支持并兼有导电引线性能的支持薄板的装置。水晶滤波器是具有在各种信号成分中只取出必要的频率成分，把不必要的频率成分减弱功能的水晶装置。一个水晶板中设置两个独立电极，结合两个振动方式得到滤波特性的MCF(Monolithic Crystal Fielter)是共知的。本发明涉及的物质及方法与前述一般水晶振子及水晶滤波器结构及制造方法有关，以下本发明所指水晶振子包括前述水晶滤波器的广的定义。
水晶振子因其高稳定性，在信息通信领域成为不可缺少的重要装置而广泛被利用。近来，随着通讯卫星和移动电话等的发展，其高性能化、小型化成了一个重大目标。
对于这些要求，特开平8-157297号论述了用溶胶-凝胶法制造单结晶薄膜水晶的方法，特开平5-327383号论述了水晶基板的加工方法。一方面本发明在特愿2000-270,300论述了不用真空装置在大气压条件下，通过烃氧基硅烷原料和氧气的反应在基体材料上外延生长的大气压气相外延生长法(AP-VPE)。
发明内容
随着移动通信使用的频带达到GHz带的高频化，水晶振子的振动频率也需要达到高频化。
水晶振子的振动频率与水晶基板的厚度成反比，所以为了实现振动频率的高频化，有必要把水晶基板进行薄加工。但是现有的加工方法很难把水晶基板加工成40μm以下。
所以，通过基本振动波能够得到并且可批量生产的水晶振子的振动频率上限只达到了40MHz左右。
为了进一步的高频化，有必要采用湿腐蚀和干腐蚀等方法。但是为了达到良好的厚度控制性而降低腐蚀度的话，因腐蚀后去掉的水晶量多，水晶基板要达到所需厚度需要较长时间。
基于上述，本发明在特愿2000-270,300申请了如前述在不用真空装置的大气压条件下，通过烃氧基硅烷原料和氧气的反应在基体材料上外延生长的大气压气相外延生长法(AP-VPE)。
本发明的目的是提供利用前述方法在基体材料上形成的水晶薄膜和基体材料的水晶振子及其制造方法。
为了达到前述目的，本发明技术方案1所述水晶振子，包括：由结晶构成的基体材料、在所述基体材料的表面上在大气压条件下外延生长的水晶薄膜、以及激振所述水晶薄膜的上部激发电极和下部激发电极，在所述基体材料上设置使所述水晶薄膜的背面露出的孔，水晶振动片是加工所述水晶薄膜，使其一端在所述孔上突出，所述上部激发电极是在所述水晶振动片的上表面、利用蒸镀而形成的金属层，所述下部激发电极是在所述水晶振动片的下表面和基体材料背面、利用蒸镀而形成的金属层。
本发明技术方案2所述水晶振子，包括：由结晶构成的基体材料、在所述基体材料的表面上在大气压条件下外延生长的水晶薄膜、以及激振所述水晶薄膜的上部激发电极和下部激发电极，所述基体材料是高掺杂化的基体材料，在所述基体材料上设置使所述水晶薄膜的背面露出的孔，水晶振动片是加工所述水晶薄膜，使其一端在所述孔上突出，所述上部激发电极是在所述水晶振动片的上表面、利用蒸镀而形成的金属层，所述下部激发电极是使作为所述水晶振动片的所述水晶薄膜生长的所述高掺杂化的基体材料。
本发明技术方案3所述水晶振子，包括：由结晶构成的基体材料、在所述基体材料的表面形成的缓冲层、在所述缓冲层的表面上在大气压条件下外延生长的水晶薄膜、以及激振所述水晶薄膜的上部激发电极和下部激发电极，在所述基体材料和缓冲层上设置使所述水晶薄膜的背面露出的孔，水晶振动片是加工所述水晶薄膜，使其一端在所述孔上突出，所述上部激发电极是在所述水晶振动片的上表面、利用蒸镀而形成的金属层，所述下部激发电极是在所述水晶振动片的下表面和基体材料背面、利用蒸镀而形成的金属层。
本发明技术方案4所述水晶振子，包括：由结晶构成的基体材料、在所述基体材料的表面上在大气压条件下外延生长的水晶薄膜、以及激振所述水晶薄膜的上部激发电极和下部激发电极，所述基体材料是高掺杂化的基体材料，在所述基体材料上设置朝向所述水晶薄膜的背面的逆台面型凹槽，所述凹槽的底部对应的部分形成水晶薄膜振动部，所述上部激发电极是在所述水晶振动片的上表面、利用蒸镀而形成的金属层，所述下部激发电极是使所述水晶薄膜生长的所述高掺杂化的基体材料。
为了达到前述目的，本发明技术方案5所述水晶振子如技术方案1-4中任一项的水晶振子，作为所述基体材料的结晶是单元素半导体、化合物半导体或者氧化物结晶，所述单元素半导体是Si或Ge，所述化合物半导体是GaAs、GaP、GaN、ZnS或ZnSe，所述氧化物结晶是Al2O3、ZnO或MgO。
本发明技术方案6所述水晶振子如技术方案5的水晶振子，在形成所述基体材料的半导体的水晶薄膜区域以外形成半导体电路，利用于所述水晶振子的电路。
本发明技术方案7所述水晶振子的制造方法，是制造技术方案1所述的水晶振子的制造方法，包括以下步骤：准备作为基体材料的结晶板的步骤，在所述基体材料的表面上在大气压条件下外延生长水晶薄膜的水晶薄膜生成步骤；利用蚀刻加工所述水晶薄膜和所述基体材料，形成在所述基体材料上设置的孔上突出的振动片的振动片形成步骤，和在所述振动片的表面和背面蒸镀金属而形成激发电极的激发电极形成步骤。
本发明技术方案8所述水晶振子的制造方法，是制造技术方案2所述的水晶振子的制造方法，包括以下步骤：准备作为基体材料及下部激发电极的高掺杂的结晶板的步骤；在所述基体材料的表面上在大气压条件下外延生长水晶薄膜的水晶薄膜生成步骤；利用蚀刻加工水晶薄膜和基体材料，形成使一端在由蚀刻加工后的孔上突出的振动片的振动片形成步骤；和仅在所述振动片的表面蒸镀金或银而形成激发电极的形成上部激发电极的激发电极形成步骤。
本发明技术方案9所述水晶振子的制造方法，是制造技术方案3所述的水晶振子的制造方法，包括以下步骤：准备作为基体材料的结晶板的步骤；在基体材料上生成缓冲层的步骤，在所述基体材料的表面上在大气压条件下外延生长由与基体材料不同的结晶构成的缓冲层；在所述缓冲层的表面上在大气压条件下外延生长水晶薄膜的水晶薄膜生成步骤；利用蚀刻加工所述水晶薄膜、缓冲层和基体材料，形成使一端在由蚀刻加工后的孔上突出的振动片的振动片形成步骤；和在所述振动片的表面和背面蒸镀金属而形成上部和下部激发电极的激发电极形成步骤。
本发明技术方案10所述水晶振子的制造方法，是制造技术方案4所述的水晶振子的制造方法，包括以下步骤：准备作为基体材料及激发电极的高掺杂的结晶板的步骤；在基体材料的一面设置逆台面型凹槽的加工步骤；在所述基体材料的表面上在大气压条件下外延生长水晶薄膜的水晶薄膜生成步骤；和在所述水晶薄膜的与逆台面型凹槽对应的水晶薄膜表面蒸镀金属而形成上部激发电极、使所述基体材料的逆台面型凹槽的底部部分成为下部激发电极的激发电极形成步骤。
附图说明
图1是表示本发明中水晶振子的第一实施例的侧视图。
图2是表示前述实施例的截面图。
图3是表示变形前述实施例的第二实施例截面图。
图4是表示本发明中水晶振子的第三实施例(电极形成前)的侧视图。
图5是前述实施例的截面图。
图6是表示本发明中水晶振子的第三实施例(电极形成后)的侧视图。
图7是前述实施例的截面图。
图8是表示本发中水晶振子的第四实施例的侧视图。
图9是前述实施例的截面图。
图10是表示前述实施例中使用的基体材料上水晶外延生长层二结晶X线衍射光谱图。
图11是表示本发明中水晶振子实施例的振动频率与强度关系的曲线图。
具体实施方式
以下参照附图，说明本发明中水晶振子及制造方法。
[水晶薄膜形成实施例1]
根据发明者们已做的报告(特愿2000-270,300)中大气压气相外延生长法(AP-VPE)，在下面条件下得到了厚度为1μm至300μm的水晶外延生长薄膜。样品的厚度为96μm。
表1表示典型的反应条件。表中[sccm]表示[Standard cubiccentimeter per minute]。
[表1]
四乙氧基硅烷分压 3.3×10-3atm
氧分压 3.3×10-1atm
氯化氢 1.67×10-3atm
全压 1atm
全流量 800sccm
基体材料 Si(III)
生长温度 550-850℃
下面说明实施例1中得到的水晶外延生长层。首先，以本研究所得水晶外延生长层为例，图10表示生长温度为800℃时，X射线衍射(XRD)结果。膜的厚度为96μm。
测定利用[RIGAKU RINT2000]进行，测定条件如表2所示。
[表2]
X射线 Cuk α1 30kV 20mA
扫描轴 2θ/θ
受光狭缝 0.3mm
扫描范围 35-55°
扫描速度 1°/min
从图10所示X射线曲线中可以看出，六方体水晶相(003)对应的强衍射峰为2θ＝50.6°，因此可以推断生长层具有六方晶型结构。2θ＝28.44°所表示的峰为Si基体材料(III)的衍射峰。
[振子的实施例1]
如前所述在Si基板上直接生长的前述水晶薄膜上利用半导体加工技术形成振动片，制造了水晶振子。
图1为上述过程所得到的Si(III)基板所形成的基体材料5上形成的水晶振子的实施例1透视图，图2为截面图。
水晶薄膜1在以Si(III)为基板的Si基体材料上形成。振动片2的上面设置有上部激发电极3a及振动片2的下面和基体材料5的下面设置有下部激发电极3b。激发电极3a，3b是把金或银蒸镀附着而形成的。
前述振动片2是从水晶薄膜1切出加工而成的。图1中振动片2是在基体材料5的中央加工设置的矩形孔4的右侧突起而受支持的部分。振动片2是宽为0.8mm，长为5mm的矩形。前述激发电极3a及3b的实效部分是宽为0.5mm，长为2mm的矩形。下部激发电极3b在基体材料5的背面形成槽部，这个槽部和振动片2的下面形成了下部激发电极3b。
前述振动片2是把前述水晶薄膜1通过干腐蚀拉拔加工而成。在这个实施例中前述水晶薄膜的厚度为96μm。
前述实施例1的制造方法如下。
(准备基体材料结晶板的步骤)这个步骤准备Si(III)基体材料。
(水晶薄膜生成步骤)前述基体材料的表面上使水晶薄膜外延生长。如水晶薄膜形成实施例中所述。
(振动片形成步骤)把水晶薄膜和基体材料利用腐蚀进行加工，形成前述形状的振动片2。
(激发电极形成步骤)前述振动片的表面和里面蒸镀金或银而形成激发电极。
图11表示如上所述制造的水晶振子的频率与振动强度的关系。如图11所示在17.34MHz显示出了强烈振动。在这里可以确定实施例1中已经制备了具有优越振动特性的水晶薄膜。因水晶薄膜直接在硅基体材料上生长，而且可以控制厚度，所以至今在水晶振子的制造方法中必需的腐蚀成为不必要的条件，于是大幅缩短了制造时间。
而且这个方法可以利用光蚀刻和腐蚀等半导体加工技术把水晶薄膜加工成任意形状、任意尺寸，是可以实现高性能化、小型化及批量生产的优越方法。
[振子实施例2]
参照图3，下面说明把前述实施例变形的其他实施例。
图3是把基体材料5A进行高掺杂化，自身作为电极功能的部分。
这个实施例2的制造方法如下。
(准备基体材料结晶板的步骤)这个步骤准备Si(III)的高掺杂基体材料。
(水晶薄膜生成步骤)前述基体材料的表面上使水晶薄膜外延生长。如水晶薄膜形成实施例中所述，与前面的实施例没有区别。
(振动片形成步骤)把水晶薄膜和基体材料利用腐蚀进行加工，形成前述形状的振动片2。
(激发电极形成步骤)只在前述振动片的表面蒸镀金或银而形成激发电极。相当于里面电极的基体材料在前步骤中所残留。图3的3a为上部激发电极，基体材料5A的振动片2的下侧具有激发电极的功能。
[水晶振子实施例3]
这个实施例的特点是在基体材料结晶上外延生长不同的结晶，这个不同的结晶表面上生长水晶薄膜。前述不同结晶材料为GaAs，ZnO。这个实施例3的制造方法如下。
(准备基体材料结晶板的步骤)这个步骤准备Si(III)基体材料。
(生成与基体材料不同结晶步骤)前述基体材料的表面上生长基体材料结晶不同的结晶GaAs，厚度为数十微米。
(水晶薄膜生成步骤)前述GaAs外延生长层的表面上外延生长水晶薄膜。
(振动片形成步骤)对于前述水晶振子实施例1中图1及图2所示振动片的形成步骤，用图4，图5，图6，图7来说明。
首先，为了加工基体材料5、GaAs层6和水晶薄膜1，使用作为腐蚀液的氢氟酸，腐蚀加工成图4、图5所示空间4形状。但此时在图5所示振动片2里面留下GaAs层6。接着使用不能腐蚀基体材料5和水晶薄膜1，但能腐蚀GaAs的弱酸，如硫酸、硝酸、盐酸、过氧化氢中任选一种腐蚀液，腐蚀图5所示振动片2的里面剩余的GaAs层6，形成图6、图7所示形状。使用这种加工手段，比前述振子的第一实施例中的腐蚀加工更为容易。
(激发电极形成步骤)前述振动片2的表面和里面蒸镀金或银形成激发电极3a及3b。
[振子的实施例4]
下面参照图8，图9说明对前述实施例1和2实行变形的实施例4。这个实施例中，特例是水晶薄膜的厚度为10μm以下，得到极其薄的振子。
基体材料5B与实施例2相同进行高掺杂化，增加了导电性，自身具有电极功能。
实施例4的制造方法如下。
(准备基体材料结晶板的步骤)这个步骤准备Si(III)的高掺杂基体材料5B。
(基体材料的加工步骤)基体材料5B的一侧加工逆台面型凹槽。去掉这个逆台面型凹槽以后剩余平面部分厚度应不影响下一个步骤中生成的水晶薄膜1的振动部分的振动，而且可以机械地保持结晶薄膜的厚度。
(水晶薄膜生成步骤)前述基体材料的表面上使水晶薄膜的厚度外延生长。如水晶薄膜的厚度形成实施例中的说明，与前面的实施例相同。
(振动片或薄膜形成步骤)在形成逆台面型凹槽的前述基体材料5B上形成的水晶薄膜1成为振动片(或者振动薄膜)2a。
(激发电极形成步骤)前述振动片的表面蒸镀金或银而形成激发电极。相当于里面电极的基体材料为在前步骤中所残留5B的一部分。
图8，图9所示3a为上部激发电极，基体材料5B的振动片2a的下面具有激发电极功能。
[其他水晶薄膜形成实施例]
这个实施例的特点是在基体材料上预先形成缓冲层。水晶外延生长层形成之前，在基体材料上设置了各种厚度的缓冲层，并测试了缓冲层的效果。缓冲层是在550℃堆积水晶再冷却的方法制造的。在其上面生成了水晶外延生长层。加工得到的水晶(96μm)/缓冲层(25nm)/Si(III)基体材料制备了与实施例1相同形状的振子并测定了特性。
对频率和振动强度关系测定结果，17.34MHz上显示出了比实施例1更强的振动。在这里可以确定缓冲层可以增强水晶的结晶性，增加振动强度。
[材料变化的其他实施例]
Si以外的单元素半导体Ge和GaAs、GaP、GaN、 ZnS、 ZnSe等化合物半导体及ZnO、MgO等氧化物基体材料上直接生长水晶薄膜，也发现具有相同的效果。
而且Si、Ge基材以外的GaAs、GaP、GaN、ZnS、ZnSe等化合物半导体及ZnO、MgO等氧化物基体材料上直接生长水晶薄膜，也可以制造水晶振子。
根据本发明可以在硅、锗、化合物半导体基体材料生长水晶薄膜，在相同基体材料上可形成硅、锗、化合物半导体电路，这个电路可利用在前述振子的振动电路中，可以容易制造与振动电路一体化的水晶振子，而且前述水晶薄膜在水晶滤波器中使用时，可以把滤波器前置放大器、缓冲放大器成为一体化。
如上所述，前述水晶薄膜是在硅、锗、化合物半导体及氧化物基体材料上直接生长的水晶薄膜，所以可以应用半导体加工技术对水晶薄膜1进行精密加工，而且水晶薄膜1加工成很薄的程度也变得容易，至今很难得到的具有100MHz以上的共振频率、水晶薄膜在20μm以下的水晶振子的制造也变得容易了。
前述水晶薄膜是在硅、锗、化合物半导体及氧化物基体材料上直接生长的水晶薄膜，所以水晶薄膜的厚度非常薄，操作方便，作业性也良好。
前述水晶振子的制造方法中没有以往制造水晶振子的腐蚀过程中水晶的消除，可以降低制造成本。
而且本发明在水晶振子的基体材料上可以形成半导体电路，这个电路如果利用在前述振子的振动电路的话，就可以得到使振动电路形成一体化的水晶振子。如果用在水晶滤波器的话，就可以得到使前置放大器和缓冲放大器一体化，滤波性不随外连电路影响，并且阻抗匹配容易的一体型滤波器。
Claims (10)
1.一种水晶振子，包括：由结晶构成的基体材料、在所述基体材料的表面上在大气压条件下外延生长的水晶薄膜、以及激振所述水晶薄膜的上部激发电极和下部激发电极，
在所述基体材料上设置使所述水晶薄膜的背面露出的孔，水晶振动片是加工所述水晶薄膜，使其一端在所述孔上突出，所述上部激发电极是在所述水晶振动片的上表面、利用蒸镀而形成的金属层，所述下部激发电极是在所述水晶振动片的下表面和基体材料背面、利用蒸镀而形成的金属层。
2.一种水晶振子，包括：由结晶构成的基体材料、在所述基体材料的表面上在大气压条件下外延生长的水晶薄膜、以及激振所述水晶薄膜的上部激发电极和下部激发电极，
所述基体材料是高掺杂化的基体材料，在所述基体材料上设置使所述水晶薄膜的背面露出的孔，水晶振动片是加工所述水晶薄膜，使其一端在所述孔上突出，所述上部激发电极是在所述水晶振动片的上表面、利用蒸镀而形成的金属层，所述下部激发电极是使作为所述水晶振动片的所述水晶薄膜生长的所述高掺杂化的基体材料。
3.一种水晶振子，包括：由结晶构成的基体材料、在所述基体材料的表面形成的缓冲层、在所述缓冲层的表面上在大气压条件下外延生长的水晶薄膜、以及激振所述水晶薄膜的上部激发电极和下部激发电极，
在所述基体材料和缓冲层上设置使所述水晶薄膜的背面露出的孔，水晶振动片是加工所述水晶薄膜，使其一端在所述孔上突出，所述上部激发电极是在所述水晶振动片的上表面、利用蒸镀而形成的金属层，所述下部激发电极是在所述水晶振动片的下表面和基体材料背面、利用蒸镀而形成的金属层。
4.一种水晶振子，包括：由结晶构成的基体材料、在所述基体材料的表面上在大气压条件下外延生长的水晶薄膜、以及激振所述水晶薄膜的上部激发电极和下部激发电极，
所述基体材料是高掺杂化的基体材料，在所述基体材料上设置朝向所述水晶薄膜的背面的逆台面型凹槽，所述凹槽的底部对应的部分形成水晶薄膜振动部，所述上部激发电极是在所述水晶振动片的上表面、利用蒸镀而形成的金属层，所述下部激发电极是使所述水晶薄膜生长的所述高掺杂化的基体材料。
5.如权利要求1-4中任一项所述的水晶振子，作为所述基体材料的结晶是单元素半导体、化合物半导体或者氧化物结晶，所述单元素半导体是Si或Ge，所述化合物半导体是GaAs、GaP、GaN、ZnS或ZnSe，所述氧化物结晶是Al2O3、ZnO或MgO。
6.如权利要求5所述的水晶振子，在形成所述基体材料的半导体的水晶薄膜区域以外形成半导体电路，利用于所述水晶振子的电路。
7.一种制造权利要求1所述的水晶振子的制造方法，包括以下步骤：
准备作为基体材料的结晶板的步骤，
在所述基体材料的表面上在大气压条件下外延生长水晶薄膜的水晶薄膜生成步骤；
利用蚀刻加工所述水晶薄膜和所述基体材料，形成在所述基体材料上设置的孔上突出的振动片的振动片形成步骤，和
在所述振动片的表面和背面蒸镀金属而形成激发电极的激发电极形成步骤。
8.一种制造权利要求2所述的水晶振子的制造方法，包括以下步骤：
准备作为基体材料及下部激发电极的高掺杂的结晶板的步骤；
在所述基体材料的表面上在大气压条件下外延生长水晶薄膜的水晶薄膜生成步骤；
利用蚀刻加工水晶薄膜和基体材料，形成使一端在由蚀刻加工后的孔上突出的振动片的振动片形成步骤；和
仅在所述振动片的表面蒸镀金或银而形成激发电极的形成上部激发电极的激发电极形成步骤。
9.一种制造如权利要求3所述的水晶振子的制造方法，包括以下步骤：
准备作为基体材料的结晶板的步骤；
在基体材料上生成缓冲层的步骤，在所述基体材料的表面上在大气压条件下外延生长由与基体材料不同的结晶构成的缓冲层；
在所述缓冲层的表面上在大气压条件下外延生长水晶薄膜的水晶薄膜生成步骤；
利用蚀刻加工所述水晶薄膜、缓冲层和基体材料，形成使一端在由蚀刻加工后的孔上突出的振动片的振动片形成步骤；和
在所述振动片的表面和背面蒸镀金属而形成上部和下部激发电极的激发电极形成步骤。
10.一种制造如权利要求4所述的水晶振子的制造方法，包括以下步骤：
准备作为基体材料及激发电极的高掺杂的结晶板的步骤；
在基体材料的一面设置逆台面型凹槽的加工步骤；
在所述基体材料的表面上在大气压条件下外延生长水晶薄膜的水晶薄膜生成步骤；和
在所述水晶薄膜的与逆台面型凹槽对应的水晶薄膜表面蒸镀金属而形成上部激发电极、使所述基体材料的逆台面型凹槽的底部部分成为下部激发电极的激发电极形成步骤。
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