Dementsprechend
ist es die Aufgabe der Erfindung, die Probleme des Standes der Technik
zu überwinden
und einen verbesserten Resonator, der imstande ist, die Größe und die
Filmdicke leicht zu verringern, einen denselben verwendenden Oszillator
und einen neuartigen Halbleiter-IC zur Verfügung zu stellen, der denselben
in einem identischen Substrat mit einer integrierten Halbleiterschaltung
enthält.
Im
bereits vorhandenen FBAR wird das Gravitationszentrum 19g,
das im Wesentlichen auf der Mittellinie des FBAR liegt, durch die
angelegte Spannung nicht verschoben und die Verschiebungsrichtung
der Schwingung wird im Gravitationszentrum 19g als Grenze
umgekehrt, wie in den 2A, 2B gezeigt ist. Das heißt, in 2A,
die das Anlegen einer positiven (+) Spannung an die Elektrode 4 und
einer negativen (–)
Spannung an die Elektrode 5 zeigt, ist in einem Fall, in
dem die obere Hälfte
durch die Verschiebung 19a nach oben verschoben ist, die
untere Hälfte
durch die Verschiebung 19b in Bezug auf die Mitte des piezoelektrischen
Dünnfilms 16 (Position
für das
Gravitationszentrum 19g) als Grenze nach unten verschoben.
Ferner ist in 2B, in der die Elektrodenspannung
umgekehrt ist, die Verschiebung ebenfalls umgekehrt und in einem
Fall, in dem die obere Hälfte
durch 19a nach unten verschoben ist, ist die untere Hälfte durch 19b nach
oben verschoben.
Im
Allgemeinen breitet sich in den vorstehend beschriebenen Schwingungen
die Schwingungsenergie über
und unter dem piezoelektrischen Dünnfilm aus, Schwingungen werden
an den oberen und unteren Oberflächen
des Dünnfilms
reflektiert, durch welche statische Wellen erzeugt werden, die ein
nachhallendes Phänomen
erzeugen. Da weiterhin die Ausbreitungsrichtung der Schwingungen senkrecht
ist und die Richtung der Hauptkomponente der Verschiebung in den
Schwingungen des piezoelektrischen Dünnfilms 16 ebenfalls
senkrecht ist, wird eine solche Schwingung als Schwingung durch
longitudinale Wellen bezeichnet. Da beispielsweise die akustische
Geschwindigkeit der longitudinalen Wellen in AlN: V1 ≒ 10360
m/s beträgt,
ist λ/2
= (V1(2 × 109))/2 ≒ 2,5 μm im 2 GHz-Band.
Da die Wellenlänge in
einem umgekehrten Verhältnis
zur Frequenz steht, ist die Filmdicke übermäßig dick, da: λ/2 = (V1(2 × 109))/2 ≒ 250 μm im 20 MHz-Band,
was kein praktischer Wert ist.
Die
vorliegende Erfindung ist zur Lösung
eines solchen Problems gemacht worden und eines von typischen Beispielen
ist nachstehend gezeigt. Das heißt, erfindungsgemäß umfasst
der piezoelektrische Dünnfilmresonator
zwei oder mehr Schichten eines dielektrischen Dünnfilmbereichs, der zumindest
eine Schicht piezoelektrischer Dünnfilme,
zumindest ein Paar Elektroden, die über und unter zumindest einer
Schicht in dem piezoelektrischen Dünnfilm ausgebildet sind, und
Einspeisungsanschlüsse
zum Anlegen einer Spannung enthält,
deren Polarität
periodisch umgekehrt wird, an die Elektroden in denen der dielektrische
Dünnfilmbereich wegen
der an die Elektroden angelegten Spannung schwingt, wobei der Resonator
einen dielektrischen Dünnfilmbereich
aufweist, in dem die Verschiebungskomponente, die senkrecht zur
Ebene aller dielektrischen Dünnfilme
ist, für
die Schwingungsverschiebung in den dielektrischen Dünnfilmen
auf der Resonanzfrequenz überwiegt
und die zur Ebene senk rechte Verschiebungsrichtung entlang dem zur
Ebene senkrechten Querschnitt gleichförmig ist.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
des piezoelektrischen Dünnfilmresonators
sind weiterhin ein fester Bereich und ein nicht-fester Bereich am
Außenumfang
des piezoelektrischen Dünnfilmresonators
angeordnet, eine Spannung, deren Polarität periodisch umgekehrt wird,
wird den beiden Elektroden von den Einspeisungsanschlüsse zugeführt und
der nicht-feste Bereich wird auf der Basis der Spannungsdifferenz
geschwungen, die zwischen den Elektroden bewirkt wird, wodurch Stehende
Wellen in der Ebenenrichtung des piezoelektrischen Dünnfilms erzeugt
werden.
Des
Weiteren wird in einem piezoelektrischen Dünnfilmresonator gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ein Resonator der Schwingungsschaltung
vom Colpitts-Typ mit dem vorstehend beschriebenen piezoelektrischen
Dünnfilmresonator hergestellt.
Ferner
wird in einer integrierten Halbleiterschaltung gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ein piezoelektrischer Dünnfilmresonator
einstückig
in einem identischen Substrat gebildet, in dem eine Halbleitervorrichtung
eingebaut ist, und der piezoelektrische Dünnfilmoszillator wird mit dem
vorstehend beschriebenen Dünnfilmresonator
hergestellt.
Gemäß der vorstehend
beschriebenen Erfindung lässt
sich ein piezoelektrischer Dünnfilmresonator
leicht ausbilden. Erfindungsgemäß kann ferner die
Größe des piezoelektrischen
Dünnfilmresonators verringert
werden.
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
1A, 1B sind
Querschnittsansichten eines Resonators zur Erläuterung eines ersten Beispiels
der Erfindung;
2A, 2B sind
Querschnittsansichten eines bereits vorhandenen FBAR-Resonators;
3 ist
eine Ansicht, die die Kristallstruktur eines Hexagonalsystems (AlN
usw.) eines piezoelektrischen Kristalls zeigt;
4A, 4B sind
perspektivische Querschnittsansichten eines Resonators zur Erläuterung des
ersten Beispiels der Erfindung;
5A, 5B sind
Querschnittsansichten eines Resonators zur Erläuterung eines zweiten Beispiels
der Erfindung;
6A, 6B sind
Querschnittsansichten des Resonators zur Erläuterung des zweiten Beispiels der
Erfindung;
7A, 7B sind
Querschnittsansichten des Resonators zur Erläuterung des zweiten Beispiels der
Erfindung;
8A, 8B sind
Querschnittsansichten eines Resonators zur Erläuterung eines dritten Beispiels
der Erfindung;
9A, 9B sind
Querschnittsansichten des Resonators zur Erläuterung des dritten Beispiels
der Erfindung;
10A, 10B sind
Querschnittsansichten des Resonators zur Erläuterung des dritten Beispiels der
Erfindung;
11A, 11B sind
Querschnittsansichten eines Resonators zur Erläuterung eines vierten Beispiels
der Erfindung;
12A, 12B sind
Querschnittsansichten des Resonators zur Erläuterung des vierten Beispiels der
Erfindung;
13A, 13B sind
Querschnittsansichten des Resonators zur Erläuterung des vierten Beispiels der
Erfindung;
14 ist
eine perspektivische Querschnittsansicht eines Resonators zur Erläuterung
eines fünften
Beispiels der Erfindung;
15 ist
eine perspektivische Querschnittsansicht eines Resonators zur Erläuterung
eines sechsten Beispiels der Erfindung;
16 ist
eine perspektivische Draufsicht auf einen Resonator zur Erläuterung
des sechsten Beispiels der Erfindung;
17A, 17B sind
Querschnittsansichten eines Resonators zur Erläuterung des sechsten Beispiels
der Erfindung;
18 ist
eine perspektivische Draufsicht auf einen Resonator zur Erläuterung
des sechsten Beispiels der Erfindung;
19A, 19B sind
Querschnittsansichten eines Resonators zur Erläuterung eines siebten Beispiels
der Erfindung;
20A ist eine perspektivische Ansicht eines
Resonators zur Erläuterung
eines achten Beispiels der Erfindung;
20B ist eine Querschnittsansicht des Resonators
zur Erläuterung
des achten Beispiels der Erfindung;
21A ist eine perspektivische Ansicht des Resonators
zur Erläuterung
des achten Beispiels der Erfindung;
21B ist eine Querschnittsansicht des Resonators
zur Erläuterung
des achten Beispiels der Erfindung; und
22 ist
ein äquivalentes
Schaltungsdiagramm eines einen Resonator enthaltenden Halbleiter-ICs
zur Erläuterung
eines neunten Beispiels der Erfindung.
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es
werden bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung beschrieben.
Zunächst werden
in der Erfindung Schwingungen, in denen das Gravitationszentrum
an sich eines piezoelektrischen Dünnfilms verschoben ist, anstelle
von Schwingungen verwendet, in denen das Gravitationszentrum 19g nicht
wie in dem bereits vorhandenen FBAR in den 2A, 2B verschoben ist.
Insbesondere
liegt die Richtung der Hauptverschiebungskomponente von Schwingungen
in der Richtung der Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms, d.
h. in senkrechter Richtung auf dieselbe Weise wie vorstehend beschrieben,
aber sie ist innerhalb des Querschnitts des piezoelektrischen Dünnfilms
immer gleichförmig
und die Richtung der Verschiebung wird nicht im Gravitationszentrum 19g als
Grenze wie in dem bereits vorhandenen FBAR umgekehrt. In den 2A, 2B für die bereits
vorhandene Struktur expandiert und kontrahiert der Mittelbereich
des piezoelektrischen Dünnfilms 16 im
Querschnitt in Ab hängigkeit
von der Polarität
der an die Elektrode angelegten Spannung.
Ferner
breitet sich in der Erfindung die Energie von Schwingungen rechts
und links des piezoelektrischen Dünnfilms aus. Das heißt, sie
werden an den linken und rechten Enden reflektiert, so dass sie stehende
Wellen erzeugen und ein nachhallendes Phänomen zeigen. Die Richtung
der Hauptverschiebungskomponente von Schwingungen ist senkrecht und
da die Ausbreitungsrichtung der Schwingungen links und rechts ist,
sind sie Schwingungen, die tansversale Wellen verwenden.
In
einem Fall, in dem der piezoelektrische Dünnfilm 16 aus AlN
besteht, ist, da die akustische Geschwindigkeit der transversalen
Wellen lautet: Vsv ≒ 6057m/s, λ/2 = (Vsv/(2 × 109)/2 ≒ 150 μm im 20 MHz-Band.
Da jedoch der Wert für
die Transversale Wellen ist, ist er nicht die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms,
sondern die Größe in der
Richtung der Breite des piezoelektrischen Dünnfilms. In Anbetracht des
vorstehend beschriebenen Grunds ist es notwendig, die Größe in der
Richtung der Breite und nicht in der Richtung der Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms
genau zu steuern. Was die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms
betrifft, so hat sie wenig Bezug zur Resonanzfrequenz. Dies ist
vielmehr ein bestimmender Faktor für die elektrische Impedanz.
Gemäß der vorstehend
beschriebenen Ausführungsform
kann ein piezoelektrischer Dünnfilm leicht
auf einem Substrat auf Si-Basis durch eine gut bekannte Dünnfilmherstellungstechnik
ausgebildet werden und die Filmdicke des piezoelektrischen Films
selbst ist kein Faktor bei der Bestimmung der Frequenz, sondern
die Größe in der
Richtung der Breite des Dünnfilmresonators
bestimmt die Resonanzfrequenz. Dementsprechend kann ein Resonator,
der bei mehreren zehn MHz arbeitet, mit einem extrem dünnen piezoelektrischen
Dünnfilm
auf dieselbe Weise hergestellt werden wie in dem bereits vorhandenen
FBAR mit 2 GHz-Band, und die Größe in der
Richtung der Breite des Resonators ist extrem klein, beispielsweise
etwa 150 μm
bei ebenfalls 20 MHz.
Auf
einer höheren
Frequenz nimmt die Größe in der
Richtung der Breite in umgekehrtem Verhältnis zur Frequenz ab. Dementsprechend
kann die Größe im Vergleich
mit einem Resonator, der einen bereits vorhandenen Quarz-Oszillator
verwendet, stark verringert werden.
Da
weiterhin der Resonator durch Anwenden derselben Dünnfilmherstellungstechnik
wie beim Herstellungsprozess für
einen Halbleiter-IC hergestellt werden kann, kann ein einen Resonator
enthaltender Halbleiter-IC hergestellt werden, indem ein Substrat
verwendet wird, das er gemeinsam mit dem Halbleiter-IC hat. Beispielsweise
kann durch die Koexistenz des Resonators in einem mit jenem für den IC
auf Si-Basis identischen Chip die Größe eines Standard-Oszillators oder
dergleichen weiter verringert werden.
Beispiele
für die
vorliegende Erfindung werden insbesondere unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen beschrieben.
[Beispiel 1]
1A, 1B sind
strukturelle Querschnittsansichten, die eine erste Ausführungsform
eines Resonators gemäß der Erfindung
zeigen. Zunächst
werden der Grundaufbau und das Prinzip der Erfindung auf der Grundlage
der Zeichnung beschrieben. In 1A, 1B werden
zwei Schichten piezoelektrischer Dünnfilme mit identischer Polarisationsrichtung 18,
d. h. die piezoelektrischen Dünnfilme 16a, 16b, ü ber einem
Basissubstrat 15 ausgebildet, das beispielsweise aus Si
besteht. Eine Elektrode 1 ist zwischen zwei Lagen piezoelektrischer
Dünnfilme 16a und 16b ausgebildet
und Elektroden 2, 3 sind auf den oberen und unteren
piezoelektrischen Dünnfilmen ausgebildet,
während
sie sie sandwichartig umgeben. Das Bezugszeichen 18 in
der Zeichnung zeigt die Polarisation des piezoelektrischen Dünnfilms 16 bzw. 20 zeigt
ein Klemmmuster.
Wenn
eine Hochfrequenzspannung zwischen der Elektrode 1 und
den Elektroden 2, 3 angelegt wird, so kontrahiert
der piezoelektrische Dünnfilm
im Fall der 1A, in dem die Elektrode 1 eine positive
Spannung hat und die Elektroden 2, 3 eine negative
Spannung haben, da die Richtung des elektrischen Felds und die Richtung
der Polarisation im piezoelektrischen Dünnfilm 16b der oberen
Schicht gleich sind. Da die Richtung des elektrischen Felds und
die Richtung der Polarisation im piezoelektrischen Dünnfilm 16a der
unteren Schicht einander entgegengesetzt sind, dehnt sich der piezoelektrische
Dünnfilm.
Dementsprechend nimmt in den beiden Lagen piezoelektrischer Dünnfilme 16a, 16b die Dicke
der oberen Schicht 16b ab und jene der unteren Schicht 16a nimmt
zu. Dies entspricht der Tatsache, dass das Gravitationszentrum 19g des
piezoelektrischen Dünnfilms
in der Richtung der Dicke sich nach unten, d. h. in die Richtung –Z, bewegt.
Andererseits
nimmt in einem Fall der 1B, in der
die Elektrode 1 eine negative Spannung aufweist und die
Elektroden 2, 3 eine positive Spannung aufweisen,
die Dicke der oberen Schicht 16b zu und jene der unteren
Schicht 16a nimmt ab, da die Richtung des elektrischen
Felds und die Richtung der Polarisation im piezoelektrischen Dünnfilm 16b der
oberen Schicht identisch sind und die Richtung des elektrischen
Felds und die Richtung der Polarisation im piezoelektrischen Dünnfilm 16a der
unteren Schicht einander entgegenge setzt sind. In diesem Fall bewegt
sich das Gravitationszentrum 19g des piezoelektrischen
Dünnfilms
nach oben, d. h. in die Richtung +Z.
Unter
Bezugnahme auf die Polarisation zeigt 3 ein Beispiel
eines Diagramms für
die Kristallstruktur, in der der piezoelektrische Film 16 beispielsweise
AlN enthält.
Im Fall eines Hexagonalsystems (6 mm-Gruppe), wie es in 3 gezeigt
ist, werden Kristallflächen
als Kombination hexagonaler Prismen gebildet. Die hexagonalen Prismen
wachsen durch abwechselndes Wiederholen von Al-Atom-Schichten und
N-Atom-Schichten. Die Richtung der hexagonalen Prismen wird als
Richtung der C-Achse bezeichnet und sie sind in der Richtung der
C-Achse polarisiert. Das heißt,
das hexagonale Prisma selbst kontrahiert und expandiert durch die
elektrische Feldkomponente in der Richtung der C-Achse (Polarisation).
In
den 1A, 1B bewirkt
in dem Fall des Fixierens des piezoelektrischen Films rechts und
links unter Verwendung des in 20 gezeigten
Klemmmusters die senkrechte Bewegung des Gravitationszentrums 19g des
piezoelektrischen Dünnfilms 16 Schwingungen
mit rechten und linken Enden als festen Seiten und dem Mittelbereich
(entsprechend dem Gravitationszentrum 19g) als Schleife.
Die Schwingung unterscheidet sich von jener im FBAR in den 2A, 2B bzw.
die Verschiebungsrichtungen in den beiden Lagen piezoelektrischer
Dünnfilme 16a, 16b sind
identisch und die Richtung wird nicht am Gravitationszentrum 19g als
Grenze wie im FBAR umgekehrt.
Unter
der Annahme der Richtung von rechts nach links in den 1A, 1B als
Richtung X breiten sich des Weiteren Schwingungen in die Richtung
X aus und werden an den festen Seiten rechts und links reflektiert,
so dass sie stehende Wellen erzeugen. Da, wie aus den 1A, 1B ersichtlich
ist, die Ausbreitungsrichtung der Schwingungen und die Richtung
der Hauptverschiebungskomponente senkrecht zueinander sind, wird
ein transversale Wellen verwendender Resonator gebildet. Das heißt, der
erfindungsgemäße Resonator
unterscheidet sich hinsichtlich des Aufbaus grundlegend von dem
in den 2A, 2B gezeigten
bereits vorhandenen Resonator, der Längswellen verwendet, in denen
sich das Gravitationszentrum 19g nicht bewegt.
Die
Resonanzfrequenz des Resonators gemäß der Erfindung wird wie folgt
bestimmt. Es sei beispielsweise der piezoelektrische Dünnfilm so
angenommen, dass die Geschwindigkeit der transversalen Wellen von
AlN Vsv = 6057 m/s beträgt
und die Entfernung zwischen den festen Seiten an den rechten und
den linken Enden L ist, so tritt eine Resonanz auf, wenn L etwa
eine Hälfte
der Wellenlänge
der transversalen Welle beträgt.
Dementsprechend ist die Resonanzfrequenz gegeben durch: fr ≒ Vsv/(2 × L). Wie
vorstehend beschrieben ist, kann ein Resonator bei: fr = 20 MHz
mit L = 150 μm
erhalten werden. Ferner weist der Dünnfilmresonator in 1A, 1B das
Merkmal auf, dass die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms 16 kein
direkter Faktor zum Bestimmen der Resonanzfrequenz ist. Das heißt, dies
ist ein Grund, der imstande ist, die Dicke und Größe des erfindungsgemäßen Resonators
zu verringern.
Obwohl Überlegungen
für einen
zweidimensionalen Gesichtspunkt unter Bezug auf die 1A, 1B gemacht wurden, ist es auch notwendig,
die Stehende Wellen in Richtung Y zu berücksichtigen, da ein tatsächlicher
Resonator auch in der Richtung Y eine definierte Größe hat,
wobei angenommen wird, dass die Richtung senkrecht zur Oberfläche der Zeichnung
die Richtung Y ist. Beispielsweise beträgt bei fr = 20 MHz in einem
Fall, in dem die Größe in Richtung
Y im Vergleich mit der Größe in Richtung
X groß genug
ist, die Breite in Richtung X: L ≒ 150 μm auf dieselbe Weise wie vorstehend
beschrieben. In einem Fall, in dem die Größe in Richtung Y im Wesentlichen
gleich der Grö ße in Richtung
X ist, d. h. in dem die Form fast quadratisch ist, ist L 210 μm.
Das
Klemmmuster auf den rechten und linken Seiten in 1A, 1B ist nicht immer notwendig. Im Allgemeinen
ist in einem Fall der Ausbildung einer Austiefung 17 im
Basissubstrat 15, das etwa aus Si besteht, wie in den 2A, 2B, oder
in einem Fall des Ausbildens eines Lochs 21 durch Rückenätzen am
Substrat 15 wie in den 1A, 1B die Steuerung für die Richtung der Breite schwierig.
Da die Fluktuation in der Richtung der Breite eine Fluktuation der Resonanzfrequenz
bewirkt, ist eine Steuerung mit hoher Präzision erforderlich. Dementsprechend
ist, wenn die Austiefung 17 wie in den 2A, 2B oder das Loch 21 wie in den 1A, 1B mit
guter Steuerbarkeit gebildet werden kann, das Klemmmuster 20 manchmal
nicht notwendig. In einem Fall, in dem ein Problem mit der Steuerbarkeit
besteht, ist das Klemmmuster 20 von Bedeutung. Im Allgemeinen kann
durch Ausbilden des Klemmmusters 20 durch Trockenätzen, Abheben,
etc. die Fluktuation in der Richtung der Breite ausreichend unterdrückt werden.
Ferner
kann, da ein Material, das das Klemmmuster 20 durch Verwenden
eines Materials mit einer akustischen Impedanz Zo = ρV(ρ: Dichte,
V: akustische Geschwindigkeit) sich stark von jenem des piezoelektrischen
Dünnfilms
unterscheidet, das meiste der Schwingung an den festen Seiten reflektiert
werden. Da ein Leckverlust der Schwingungsenergie zum Klemmmuster 20 einen
Q-Wert (Qualitätsfaktor)
des Resonators verschlechtert, muss er so weit wie möglich reduziert
werden.
Wie
vorstehend beschrieben ist, ist es in der Erfindung möglich, einen
Dünnfilmresonator
zu erhalten, in dem die seitliche Größe des piezoelektrischen Dünnfilms 16 die
Resonanzfrequenz bestimmt, überwiegend
durch den Aufbau in den 1A, 1B.
Der
Resonator der Erfindung kann auch mit dem IC auf Si-Basis integriert
sein und die Größe kann
im Vergleich mit jenen, die den bereits vorhandenen Quarz-Resonator
verwenden, drastisch reduziert sein. Das heißt, durch einteiliges Einfügen des erfindungsgemäßen Resonators
in das IC-Substrat 15, das in eine Halbleitervorrichtung
eingefügt
ist, kann ein in einen IC eingebauter Resonator erhalten werden,
obwohl dies nicht veranschaulicht ist.
Weiterhin
kann, obwohl die 1A, 1B ein Beispiel
für das Öffnen eines
Lochs 21 durch Rückenätzen vom
Boden zum Basissubstrat 15, das etwa aus Si besteht, zeigt,
ganz dieselbe Wirkung erhalten werden, indem ebenfalls die Austiefung 17 zum
Basissubstrat 15 ausgebildet wird und darüber der
Resonator ausgebildet wird, wie in den 2A, 2B gezeigt ist.
4A, 4B zeigen
ein Beispiel für
den Aufbau für
einen aktuellen Resonator, in dem der in den 1A, 1B gezeigte erfindungsgemäße Resonator in
der Tiefenrichtung seines Querschnitts gesehen ist. 4A zeigt
einen Querschnitt längs
der Ebene, die identisch mit den 1A, 1B ist und zeigt eine perspektivische Ansicht
in der Richtung Y vom Querschnitt. 4B ist
eine Querschnittsansicht längs
der Ebene XY, und sie sind perspektivische Ansichten in der Richtung –X vom dem
zu den 1A, 1B senkrechten
Querschnitt. Die Form der Elektrode 1 ist durch eine gestrichelte
Linie für
einen verborgenen Bereich gezeigt. Die elektrische Versorgung der Elektrode 1 wird
durch Verwenden einer Speiseelektrode 6 durchgeführt, die
in einem solchen Maß verschmälert ist,
dass sie auf die Schwingungen keine wesentlichen Wirkungen ausübt. Da die
Elektrode selbst groß genug
ist, kann die elektrische Versorgung der Elektroden 2, 3 von
einem beliebigen Platz aus durch Leiten von einem geeigneten Bereich
und Verbinden zur senkrechten Richtung mittels nicht gezeigter Durchgangslöcher usw.
erfolgen.
Eine
wesentliche Bedingung für
das die Elektroden 1 bis 3 bildende Elektrodenmaterial
ist, dass der piezoelektrische Dünnfilm 16 bei
hoher Ausrichtung auf einem Metalldünnfilm ausgebildet werden kann.
Als Ergebnis verschiedener Studien wurde festgestellt, dass elementare
Metalle wie Molybdän (Mo),
Platin (Pt), Wolfram (W), Ruthenium (Ru), Gold (Au) usw. oder solche
elementaren Metalle enthaltende Legierungen bevorzugt sind.
[Beispiel 2]
5A, 5B, 6A, 6B und 7A, 7B zeigen
andere Beispiele der Erfindung. Im Allgemeinen besitzen piezoelektrische
Materialien wie AlN, die Elektrode bildende Metallmaterialien usw.
die negativen Temperaturcharakteristika, dass die akustische Geschwindigkeit
sinkt, wenn die Temperatur höher ist.
Dies bedeutet, dass eine Resonanzfrequenz sinkt, wenn eine Temperatur
im Fall der Herstellung eines Resonators steigt. Aufgrund des negativen Temperaturkoeffizienten
ist der Anwendungseinsatz in einem Fall der Herstellung eines Resonators
unter Verwendung des im Beispiel 1 gezeigten erfindungsgemäßen Resonators
beschränkt.
Beispiele der 5A, 5B, 6A, 6B und 7A, 7B lösen ein solches
Problem.
Es
gibt ein Material, in dem die akustische Geschwindigkeit zunimmt,
wenn die Temperatur ansteigt, beispielsweise Siliziumoxid (SiO2), auch ist dies ein Ausnahmebeispiel. 5A, 5 zeigen
ein Beispiel für
die Herstellung eines dielektrischen Films 7 zur Temperaturkompensation,
beispielsweise einen SiO2-Film mit einer
Temperaturcharakteristik, die jener von AlN entgegengesetzt ist,
auf der obe ren Oberfläche
des Resonators mit dem in 1A, 1B gezeigten Aufbau. Allgemein ist es bekannt,
dass in SAW (akustischen Oberflächenwellen)-Filtern
die Temperaturcharakteristik der Filter durch Ausbilden des dielektrischen
Films mit einer entgegengesetzten Temperaturcharakteristik auf einem
piezoelektrischen Substrat verbessert wird.
Für den Dünnfilmresonator
wurde festgestellt, dass dieselbe Wirkung als Ergebnis von Simulation
und grundlegendem Experiment mit dem in den 5A, 5b gezeigten Aufbau erhalten werden kann.
Des
Weiteren zeigen von den 6A, 6B und den 7A, 7B zur Bewahrung der Symmetrie von Schwingungen
des piezoelektrischen Dünnfilms 16 die 6A, 6B ein
Beispiel für
die Herstellung eines dielektrischen Films 7 mit einer
Temperaturcharakteristik, die jener des piezoelektrischen Dünnfilms entgegengesetzt
ist, auf der Oberfläche
der oberen und unteren beiden piezoelektrischen Dünnfilme
und die 7A, 7B zeigen
ein Beispiel für
die Herstellung eines dielektrischen Films 7 zur Temperaturkompensation
zwischen zwei piezoelektrischen Dünnfilmen 16a, 16b und
die Anordnung von Elektroden 1, 8, die kürzer als
die Elektroden 2, 3 sind, etwa um den Mittelbereich
zu dessen beiden Seiten. Es wurde bestätigt, dass sie als Ergebnis
von Simulation und grundlegendem Experiment die Wirkung erzielen
können, die
jener der 5A, 5B äquivalent
ist.
[Beispiel 3]
Die 8A, 8B, 9A, 9B und 10A, 10B zeigen
weitere Beispiele der Erfindung. In den 8A, 8B ist eine der beiden Schichten dielektrischer
Dünnfilme
entfernt (im vorliegenden Beispiel ist das Ende des piezoelektrischen
Dünnfilms 16 der oberen
Schicht entfernt) und eine Lücke 22 ist
vorgesehen, um die Dicke des piezoelektrischen Dünnfilms auf äquivalente
Weise zu verringern. Damit soll verhindert werden, dass die Energie
von Schwingungen mittels des Klemmmusters 20 leckt und
der Q-Wert des Resonators soll verbessert werden.
Ferner
wird in den 9A, 9B ein
Temperaturkompensationsfilm weiter in den Aufbau der 8A, 8B eingeführt und
soll sowohl die Temperaturcharakteristik in den 5A, 5B verbessern als auch gleichzeitig den
Q-Wert in den 8A, 8B verbessern.
Des
noch Weiteren ist in den 10A, 10B die Anzahl von Schichten der Dünnfilme
nahe des Klemmmusters 20 auf dieselbe Weise wie vorstehend
beschrieben verringert, aber der Dünnfilm ist durch das Klemmmuster 20 mittels
des dielektrischen Films 7 zur Temperaturkompensation und
Metalldünnfilme
(Elektroden 2, 3) auf seinen beiden Oberflächen fest.
Obwohl
verschiedene Modifikationen in Betracht gezogen werden können, beispielsweise
solche, dass ein Hauptbereich des Resonators zumindest den piezoelektrischen
Dünnfilm 16 und
den dielektrischen Film 7 durch das Klemmmuster 20 nur mittels
des Metalldünnfilms
(Elektroden 2, 3) aufweist, wird es zusätzlich zu
den vorstehend beschriebenen Beispielen ersichtlich, dass sie auch
in derselben Kategorie enthalten sein können.
[Beispiel 4]
Die 11A, 11B, 12A, 12B und 13A, 13B zeigen
weitere Beispiele. In den 11A, 11B besitzt der dielektrische Körper eine zweischichtige
Struktur, in der die untere Schicht ein piezoelektrischer Dünnfilm 16 ist
und die obere Schicht ein dielektrischer Film 7 zur Temperaturkompensation
ist. Er ist insofern identisch, als das Resonanzphänomen durch
die senkrechte Verschiebung des Gravita tionszentrums des dielektrischen
Dünnfilms
in der vielschichtigen Struktur auftritt. Unter diesem Gesichtspunkt
wird auch in der Struktur der 11A, 11B, wenn der piezoelektrische Dünnfilm 16 der
unteren Schicht kontrahiert und expandiert, das Gravitationszentrum
der zweischichtigen dielektrischen Dünnfilme als Ergebnis senkrecht
verschoben. Die Umwandlungseffizienz, dass die den Elektroden eingegebenen
elektrischen Signale durch den dielektrischen Dünnfilm in Schwingungen umgewandelt
werden, ist im Vergleich mit dem Fall in 1A, 1B, in dem sowohl die obere als auch die
untere Schicht piezoelektrische Dünnfilme 16 sind, etwas verringert.
Jedoch in einem Fall der Herstellung insbesondere des Oszillators
oder dergleichen kann die Senkung der Umwandlungseffizienz ausreichend durch
Festlegen der Schaltungsimpedanz oder dergleichen kompensiert werden.
Dieses Beispiel kann die Aufgabe der Erfindung selbst durch einen
einfachen Dünnfilmaufbau
erfüllen.
In
den 12A, 12B und
den 13A, 13B wird
der Leckverlust der Energie von Schwingungen durch Reduzieren der
Anzahl dielektrischer Schichten nahe den festen Seiten durch das
auf dem Aufbau der 11A, 11B basierende Klemmmuster 20 gesenkt.
Das heißt,
wie vorstehend unter Bezugnahme auf Beispiel 3 beschrieben wurde,
kann der Leckverlust der Energie gesenkt werden, um dadurch den Q-Wert
des Resonators durch Vorsehen einer Lücke 22 zwischen dem
dielektrischen Film 7 zur Temperaturkompensation auf dem
piezoelektrischen Dünnfilm 16 als
einem Bereich der dielektrischen Schicht und dem Klemmmuster 20 in
den 12A, 12B und durch
Vorsehen einer Lücke 22 zwischen
dem dielektrischen Film 7 zur Temperaturkompensation auf
dem piezoelektrischen Dünnfilm 16 als
einem Bereich der dielektrischen Schicht und dem Klemmmuster 20 in den 13A und 13B gleichzeitig
gesenkt werden.
[Beispiel 5]
14 zeigt
ein weiteres Beispiel der Erfindung. Es ist ein Querschnitt längs der
Ebene YZ in derselben Weise wie in 4B und
die Zeichnung ist eine perspektivische Ansicht in der Richtung –X. Im Aufbau
dieses Beispiels ist das Fixieren durch das Klemmmuster 20 nur
in der Richtung X durchgeführt und
eine Lücke 23 ist
an beiden Enden in der Richtung Y vorgesehen, um freie Enden zu
bilden, die nicht fest sind.
Eine
solche Struktur kann leicht durch Anwenden der bereits vorhandenen
Prozesstechnik ausgebildet werden, insbesondere durch Trockenätzen oder
dergleichen, das zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen verwendet
wird.
Der
Aufbau des Beispiels bewirkt Schwingungen, die kaum stehende Wellen
in der Richtung Y und stehende Wellen in der Richtung X erzeugen. Unter
der Annahme, dass der Klemmmusterabstand in der Richtung X L ist,
ist die Resonanzfrequenz gegeben durch: fr ≒ Vsv/(2 × L). L beträgt etwa
150 μm bei
fr ≒ 20
MHz. Da in diesem Beispiel die freien Enden in der Richtung Y ohne
Klemmmuster vorgesehen sind, wird der Leckverlust von Schwingungsenergie
unterdrückt
und es kann eine Verbesserung des Q-Werts erwartet werden. Ferner
wird ersichtlich, dass die Temperaturcharakteristik des Resonators durch
Einführen
des dielektrischen Films 7 zur Temperaturkompensation auf
dieselbe Weise wie in den 5A, 5B etc. verbessert werden kann.
[Beispiel 6]
15 zeigt
ein weiteres Beispiel der Erfindung. Es ist ein Querschnitt längs der
Ebene XY auf dieselbe Weise wie in 4A und
die Zeichnung ist eine perspektivische Ansicht in die Richtung Y.
Im Aufbau dieses Beispiels wird das Fixieren durch das Klemmmuster 20 nur
in der Richtung Y durchgeführt und
freie Enden sind in der Richtung X vorgesehen, die nicht fest sind.
Das heißt,
dies ist ein der für
das Beispiel 5 gezeigten 14 entgegengesetzter
Aufbau.
In 15 ist
ein der Elektrode 1 in 14 entsprechender
Bereich zur Herstellung der Elektroden 9, 10 halbiert
und eine der Spannungen ist an die Elektrode 9 in einer
identischen Ebene angelegt, die den Resonator aus einem Speiseelektrodemuster 13 bildet,
und die andere Spannung ist in einer identischen Ebene an die Elektrode 10 angelegt,
die den Resonator aus einem Speiseelektrodemuster 14 bildet.
In der Zeichnung bezeichnen die Bezugszeichen 11 und 12 den
Resonator darstellende gleitende Elektroden.
16 ist
eine perspektivische Draufsicht auf den ganzen Resonator, der dieses
in 15 gezeigte Beispiel bildet, das von oben beobachtet
wird. In 15 und 16, sind
die Formen der Elektroden 9 und 10 durch gestrichelte
Linien für
verborgene Bereiche abgebildet. Der Aufbau weist das Merkmal auf,
dass die Elektroden 9 und 10, die in der bereits vorhandenen
Struktur eine einzelne Lage waren, in zwei Lagen ausgebildet sind,
wie in der Zeichnung gezeigt ist, und eine elektrische +/– Versorgung
zwischen den Elektroden 9 und 10 stattfindet.
Die Elektroden 11 und 12 sind gleitende Elektroden
ohne elektrische Versorgung, die sich von dem Fall der 1A, 1B unterscheiden.
17A, 17B sind
schematische Ansichten zur Erläuterung
des Betätigungsstatus
des in 15 und 16 gezeigten
Resonators und zeigen die Form von Schwingungen in einem Fall elektrischer Versorgung
zwischen den Elektroden 9 und 10.
Im
Fall des Anlegens einer positiven Spannung an eine Elektrode 9 und
einer negativen Spannung an die andere Elektrode 10, wie
in 17A gezeigt ist, wird, da die elektrische
Kraftlinie aus der Elektrode 9 zu den oberen und unteren
Elektroden 11, 12 erzeugt wird, eine Verschiebung
in der Abwärtsrichtung,
d. h. in die Richtung –Z,
bewirkt, wie in 1A gezeigt ist. Bei
der anderen Elektrode 10 wird, da die elektrische Kraftleitung
aus den oberen und unteren Elektroden 11, 12 zur
Elektrode 10 aufgrund der negativen Spannung erzeugt wird,
eine Verschiebung in die Aufwärtsrichtung,
d. h. in die Richtung +Z, bewirkt, wie in 1B gezeigt
ist.
In
einem Fall, in dem eine negative Spannung an die Elektrode 9 und
eine positive Spannung an die Elektrode 10 angelegt ist,
wird die Richtung der Verschiebung, wie in 17B gezeigt,
umgekehrt. Dementsprechend ist die Schwingungsform darin identisch,
dass die Hauptkomponente der Verschiebung in Richtung Z ist. Dies
wird jedoch durch stehende Wellen dargestellt, in denen die Verschiebungsrichtung
am Zentrum längs
der Achse X umgekehrt ist. Da die beiden Seiten durch das Klemmmuster 20 in
Richtung Y fest sind, werden Stehende Wellen erzeugt, in denen die
festen Seiten Knoten bilden und der Mittelbereich eine Schleife
bildet.
Unter
der Annahme, dass der Abstand zwischen den freien Seiten in der
Richtung X Lx ist und der Abstand zwischen den festen Seiten in
der Richtung Y Ly ist, ist die Resonanzfrequenz fr gegeben durch:
1/Lx2 + 1/Ly2 ≒ (2fr)2/Vsv2. Dementsprechend ist
unter der Annahme, dass Lx ≒ Ly ≒ L, L ≒ 210 μm bei fr ≒ 20 MHz.
Da in diesem Aufbau das Klemmmuster in der Richtung X nicht vorhanden
ist, kann der Leckverlust der Schwingungsenergie unterdrückt werden
und es kann eine Verbesserung des Q-Werts erwartet werden.
Des
Weiteren wird ersichtlich, dass die Temperaturcharakteristik des
Resonators durch Einführen
des dielektrischen Films 7 zur Temperaturkompensation auf
dieselbe Weise wie in den 5A, 5B usw. verbessert werden kann.
Ferner
zeigt 18 eine perspektivische Draufsicht
auf einen Resonator, der ähnlich
jener in 16 ist. Dieses Beispiel hat
einen Aufbau, in dem die Breite des Schwingungsbereichs in der Richtung X
nahe dem Klemmmuster 20 in der Richtung Y verschmälert ist.
Da die durch das Klemmmuster 20 feste Seite auf einen schmalen
Bereich beschränkt
ist, in dem die Verschiebung von Schwingungen extrem gering ist,
kann mit einem solchen Aufbau der Leckverlust der Schwingungsenergie
unterdrückt
werden, um extrem verringert zu werden, und es kann eine weitere
Verbesserung für
den Q-Wert des Resonators erwartet werden.
[Beispiel 7]
19A, 19B zeigen
ein anderes Beispiel der Erfindung. Obwohl die grundlegende Struktur
mit jener in den 1A, 1B identisch
ist, ist die vorliegende eine vorteilhafte Struktur, wenn man die
Hybridisierung im Reihen-IC mit dem Merkmal Si in Betracht zieht.
Dies ist eine Struktur, in der ein Rückenätzen wie jenes für das Basissubstrat
in den 1A, 1B nicht
angewendet wird und der Schwingungsbereich mittels einer Luftlücke auf
einem gleichförmigen
Si-Substrat gleitet. Dies ähnelt
etwas dem FBAR in den 2A, 2B, ist aber für eine Hybridisierung mit IC
dahingehend geeignet, dass ein Einkerben des Si-Basissubstrats wie
in den 2A, 2B nicht
notwendig ist. Weiterhin gibt es zwar verschiedene Verfahren zur
Ausbildung der Luftlücke, aber
sie kann im Allgemeinen erhalten werden, indem zuerst eine Oberflächenschicht
gebildet wird, darüber
eine notwendige Schicht aus einem piezoelektrischen Dünnfilm,
eine Elektrode usw. ausgebildet wird und die Oberflächenschicht
im letzten Schritt im Wesentlichen durch Ätzen entfernt wird. Ferner
ist der Aufbau der 19A, 19B nur ein Beispiel und es wird ersichtlich,
die Aufbauten der 5A, 5B bis 18 einzuschließen, die
mittels der Luftlücke 25 ausgebildet
sind, wie in den 19A, 19B gezeigt
ist.
[Beispiel 8]
20A, 20B und 21A, 21B zeigen
weitere Beispiele der Erfindung. Sie werden basierend auf den Strukturen
der 15, 16, 17A, 17B und 18 unter
Verwendung der Luftlücke,
wie in den 19A, 19B gezeigt,
erhalten. Wenn in 20A eine Hochfrequenzspannung
an Speiseelektroden 13, 14 angelegt wird, können Schwingungen
auf dieselbe Weise wie in den 17A, 17B durchgeführt werden, wie am Querschnitt
XZ in 20B gezeigt ist. Da in diesem
Fall die durch das Klemmmuster feste Seite für die Breite in der Richtung
X auf dieselbe Weise wie in 18 verschmälert wird,
ergibt dies eine Struktur, die imstande ist, den Leckverlust der
Schwingungsenergie extrem zu beschränken.
21A ist ähnlich der 20A und
die grundlegende Betätigung
ist im Wesentlichen identisch mit jener in den 1A, 1B. Das heißt, es wird eine Hochfrequenzspannung
zwischen der Elektrode 1 und den Elektroden 2, 3 angelegt.
Wie auch längs des
Querschnitts XZ in 21B gezeigt ist,
bewegt sich in einem Fall, in dem die Elektrode 1 an einer
positiven Spannung ist und die Elektroden 2, 3 an
der negativen Spannung sind, das Schwerpunktzentrum in die Richtung –Z, wogegen
in einem Fall, in dem die Elektrode 1 an einer negativen
Spannung ist und die Elektroden 2, 3 an der positiven
Spannung sind, das Schwerpunktzentrum in die Richtung +Z.
Wie
aus 21A ersichtlich ist, sind, da
die beiden Enden in der Richtung X nicht fest sind und das Fixieren
durch das Klemmmuster an einem Mittelbereich in dieser Struktur
durchgeführt
wird, Schwingungen längs
der Achse X von rechts nach links symmetrisch. Da die feste Seite
für die
Breite in der Richtung X auf dieselbe Weise wie in 18 verschmälert ist,
kann der Leckverlust von Schwingungsenergie extrem beschränkt werden.
Während die 20A, B und die 21A,
B Beispiele zeigen, in denen die Schwingungen längs der Achse X in einer Antisymmetrie
von rechts nach links oder einer Symmetrie von rechts nach links sind,
ist es nicht immer notwendig, dass sie in einer Symmetrie von rechts
nach links angesichts der Charakteristik sind und es wird ersichtlich,
dass ein Fall, der asymmetrische Schwingungen verwendet, ebenfalls
in der Erfindung eingeschlossen ist.
[Beispiel 9]
22 ist
ein äquivalentes
Schaltungsdiagramm eines Halbleiter-IC, der einen Resonator 24 der
Erfindung monolithisch enthält.
Der piezoelektrische Dünnfilmresonator 24 der
Erfindung wird für
den Resonatorbereich eines Oszillators vom Colpitts-Typ verwendet.
Der Resonator 24 weist einen Aufbau auf, wie er beispielhaft
in den Beispielen 1 bis 8 ausgeführt ist,
und da er durch eine Dünnfilmtechnik
hergestellt wird, kann er in der Größe und Dicke im Vergleich mit
dem bereits vorhandenen Resonator extrem verringert werden. Da ferner
das Substrat 15 auf Si-Basis als Basissubstrat verwendet
wird, ist es in periphere aktive Elementen integriert, die, wie
gezeigt, auf einem identischen Substrat ausgebildet sind.
Des
Weiteren ist der mit dem Temperaturkompensationsfilm 7 eingeführte Resonator
auch in den Temperaturcharakteristiken ausge zeichnet. Ferner kann
in einem Fall, in dem auch eine Temperaturkompensationsfunktion
angesichts einer Schaltung, die eine variable Kapazität oder dergleichen
verwendet, zu einem Bereich einer peripheren Schaltung hinzugefügt wird,
eine Leistung, die mit jener des bereits vorhandenen TCXO (temperaturkompensierten Kristalloszillators)
in einer Supermikrogröße und mit reduzierter
Dicke erhalten werden.
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Standardoszillator, wie etwa
einen TCXO, der im Wesentlichen zu mehreren in elektronischen Geräten, beispielsweise
tragbaren Telefonen, Personalcomputern und Digitalkameras verwendet
wird. Da bisher Quarz-Resonatoren verwendet worden sind, sind die Reduzierung
von Größe und Dicke
sowie die Integration mit einem IC auf Si-Basis beschränkt. Da
jedoch der Resonatorbereich als eine Schlüsselkomponente durch die Dünnfilmtechnologie
auf Si-Basis gemäß der Erfindung
ausgebildet werden kann, ist es möglich, die Größe und die
Dicke zu reduzieren und ihn mit dem IC auf Si-Basis eines TCXO zu
integrieren. Darin liegt ein großer industrieller Wert.