JP2010081156A - 圧電薄膜振動片、圧電薄膜振動片の製造方法、圧電薄膜振動子及び発振回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電薄膜の圧電作用を用いた振動腕部の共振の効率が向上した圧電薄膜振動片、及びこの圧電薄膜振動片の製造方法の提供。
【解決手段】圧電薄膜振動片は、少なくとも2つの互いに略平行な振動腕部10,11と、振動腕部10,11を連結する連結部12とを有し、振動腕部10,11のそれぞれの主面10a,11aに、上部電極20a,21a及び下部電極20b,21bからなる対向電極間に圧電薄膜20c,21cを設けた圧電薄膜振動部20,21を備え、圧電薄膜20c,21cと上部電極20a,21aとの間に、高誘電率絶縁薄膜20d,21dが形成されていることを特徴とする。
【選択図】図1
【解決手段】圧電薄膜振動片は、少なくとも2つの互いに略平行な振動腕部10,11と、振動腕部10,11を連結する連結部12とを有し、振動腕部10,11のそれぞれの主面10a,11aに、上部電極20a,21a及び下部電極20b,21bからなる対向電極間に圧電薄膜20c,21cを設けた圧電薄膜振動部20,21を備え、圧電薄膜20c,21cと上部電極20a,21aとの間に、高誘電率絶縁薄膜20d,21dが形成されていることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
本発明は、圧電薄膜振動部を備えた圧電薄膜振動片、この圧電薄膜振動片の製造方法、この圧電薄膜振動片を備えた圧電薄膜振動子及びこの圧電薄膜振動子を用いた発振回路に関する。
従来、基部(以下、連結部という)と、連結部から延在された2つのアーム(以下、振動腕部という)と、2つの振動腕部のそれぞれの主面上に形成された駆動部(以下、圧電薄膜振動部という)などが備えられた薄膜微少機械式共振子(以下、圧電薄膜振動片という)が知られている(例えば、特許文献1参照)。
この圧電薄膜振動片の圧電薄膜振動部は、それぞれの振動腕部の主面上の、振動腕部が延在された延在方向の中心線より内側及び外側に、それぞれ離間するように、第1、第2の電極(以下、下部電極という)と、下部電極上にそれぞれ設けられた圧電薄膜と、圧電薄膜上にそれぞれ設けられた第3、第4の電極(以下、上部電極という)とを有する。
これにより、圧電薄膜振動片は、圧電薄膜振動部のそれぞれの下部電極と上部電極との間に互いに逆相の交流電圧を印加することにより、圧電薄膜振動部が伸縮し、振動腕部がX方向(2つの振動腕部の配列方向)に共振する。
この圧電薄膜振動片の圧電薄膜振動部は、それぞれの振動腕部の主面上の、振動腕部が延在された延在方向の中心線より内側及び外側に、それぞれ離間するように、第1、第2の電極(以下、下部電極という)と、下部電極上にそれぞれ設けられた圧電薄膜と、圧電薄膜上にそれぞれ設けられた第3、第4の電極(以下、上部電極という)とを有する。
これにより、圧電薄膜振動片は、圧電薄膜振動部のそれぞれの下部電極と上部電極との間に互いに逆相の交流電圧を印加することにより、圧電薄膜振動部が伸縮し、振動腕部がX方向(2つの振動腕部の配列方向)に共振する。
上記圧電薄膜振動片の圧電薄膜は、反応性スパッタリング法などの方法を用いて形成されることにより、圧電薄膜の厚み方向(上部電極と下部電極とを結ぶ方向)に貫通するピンホールやリークパス、ボイドなどが発生することがある。
このピンホールやリークパス、ボイドなどに起因する圧電薄膜振動部の上部電極と下部電極(以下、両者をまとめて対向電極ともいう)との間の絶縁性能の劣化を回避する方策としては、圧電薄膜と対向電極との間に絶縁薄膜を形成する構成が考えられる。
このピンホールやリークパス、ボイドなどに起因する圧電薄膜振動部の上部電極と下部電極(以下、両者をまとめて対向電極ともいう)との間の絶縁性能の劣化を回避する方策としては、圧電薄膜と対向電極との間に絶縁薄膜を形成する構成が考えられる。
しかしながら、圧電薄膜振動片は、絶縁薄膜として比誘電率が比較的に低い物質、例えば酸化シリコン(比誘電率:約3.9)を用いた場合、対向電極間に交流電圧が印加された際に、ガウスの法則から対向電極間の電界が、絶縁薄膜内で強くなり、圧電薄膜内で弱くなる。
これにより、圧電薄膜振動片は、対向電極間に交流電圧が印加される際に、交流電圧が圧電薄膜に効率よく印加されないことから、圧電薄膜内に十分な電界強度が得られず、圧電薄膜の圧電作用を用いた振動腕部の共振の効率が低下するという問題がある。
これにより、圧電薄膜振動片は、対向電極間に交流電圧が印加される際に、交流電圧が圧電薄膜に効率よく印加されないことから、圧電薄膜内に十分な電界強度が得られず、圧電薄膜の圧電作用を用いた振動腕部の共振の効率が低下するという問題がある。
本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
[適用例1]本適用例にかかる圧電薄膜振動片は、少なくとも2つの互いに略平行な振動腕部と、前記振動腕部を連結する連結部とを有し、前記振動腕部のそれぞれの主面に、上部電極及び下部電極からなる対向電極間に圧電薄膜を設けた圧電薄膜振動部を備え、前記圧電薄膜と前記上部電極との間に、高誘電率絶縁薄膜が形成されていることを特徴とする。
これによれば、圧電薄膜振動片は、振動腕部のそれぞれの主面に、対向電極間に圧電薄膜を設けた圧電薄膜振動部を備え、圧電薄膜と上部電極との間に、高誘電率絶縁薄膜が形成されている。
このことから、圧電薄膜振動片は、絶縁薄膜(高誘電率絶縁薄膜の上位概念)として比誘電率が比較的に低い物質、例えば、上述した酸化シリコン(比誘電率:約3.9)などを用いた場合と比較して、対向電極間に交流電圧が印加された際に、対向電極間の電界が圧電薄膜内で強くなり、絶縁薄膜内で弱くなる。
したがって、圧電薄膜振動片は、対向電極間に交流電圧が印加される際に、交流電圧が圧電薄膜に効率よく印加されることから、圧電薄膜内に十分な電界強度が得られ、圧電薄膜の圧電作用を用いた振動腕部の共振の効率が向上する。
このことから、圧電薄膜振動片は、絶縁薄膜(高誘電率絶縁薄膜の上位概念)として比誘電率が比較的に低い物質、例えば、上述した酸化シリコン(比誘電率:約3.9)などを用いた場合と比較して、対向電極間に交流電圧が印加された際に、対向電極間の電界が圧電薄膜内で強くなり、絶縁薄膜内で弱くなる。
したがって、圧電薄膜振動片は、対向電極間に交流電圧が印加される際に、交流電圧が圧電薄膜に効率よく印加されることから、圧電薄膜内に十分な電界強度が得られ、圧電薄膜の圧電作用を用いた振動腕部の共振の効率が向上する。
[適用例2]上記適用例にかかる圧電薄膜振動片は、前記高誘電率絶縁薄膜の比誘電率が4以上であることが好ましい。
これによれば、圧電薄膜振動片は、高誘電率絶縁薄膜の比誘電率が4以上であることから、比誘電率が4未満の場合と比較して、圧電薄膜内の電界が強くなる。
したがって、圧電薄膜振動片は、対向電極間に交流電圧が印加される際に、交流電圧が圧電薄膜に効率よく印加されることから、圧電薄膜内に十分な電界強度が得られ、圧電薄膜の圧電作用を用いた振動腕部の共振の効率が向上する。
したがって、圧電薄膜振動片は、対向電極間に交流電圧が印加される際に、交流電圧が圧電薄膜に効率よく印加されることから、圧電薄膜内に十分な電界強度が得られ、圧電薄膜の圧電作用を用いた振動腕部の共振の効率が向上する。
[適用例3]上記適用例にかかる圧電薄膜振動片は、前記高誘電率絶縁薄膜の比誘電率が前記圧電薄膜の比誘電率より大きいことが好ましい。
これによれば、圧電薄膜振動片は、高誘電率絶縁薄膜の比誘電率が圧電薄膜の比誘電率より大きいことから、対向電極間の電界が圧電薄膜内で更に強くなり、高誘電率絶縁薄膜内で更に弱くなる。
したがって、圧電薄膜振動片は、交流電圧が圧電薄膜に更に効率よく印加されることから、圧電薄膜内に更に十分な電界強度が得られ、圧電薄膜の圧電作用を用いた振動腕部の共振の効率が更に向上する。
したがって、圧電薄膜振動片は、交流電圧が圧電薄膜に更に効率よく印加されることから、圧電薄膜内に更に十分な電界強度が得られ、圧電薄膜の圧電作用を用いた振動腕部の共振の効率が更に向上する。
[適用例4]上記適用例にかかる圧電薄膜振動片は、前記高誘電率絶縁薄膜が、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ハフニウムシリケート、ハフニウムアルミネートのいずれか1つ、またはこれらの物質のいずれか1つに遷移金属元素を少なくとも1つ含んだ化合物を有していることが好ましい。
これによれば、圧電薄膜振動片は、高誘電率絶縁薄膜が、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ハフニウムシリケート、ハフニウムアルミネートのいずれか1つ、またはこれらの物質のいずれか1つに遷移金属元素を少なくとも1つ含んだ化合物を有している。
このことから、圧電薄膜振動片は、これらの物質の比誘電率が4以上であって、例えば、上述した酸化シリコンのような比誘電率が比較的に低い物質より高いことから、この比誘電率が比較的に低い物質を用いた場合と比較して、圧電薄膜内の電界が強くなる。
したがって、圧電薄膜振動片は、対向電極間に交流電圧が印加される際に、交流電圧が圧電薄膜に効率よく印加されることから、圧電薄膜内に十分な電界強度が得られ、圧電薄膜の圧電作用を用いた振動腕部の共振の効率が向上する。
このことから、圧電薄膜振動片は、これらの物質の比誘電率が4以上であって、例えば、上述した酸化シリコンのような比誘電率が比較的に低い物質より高いことから、この比誘電率が比較的に低い物質を用いた場合と比較して、圧電薄膜内の電界が強くなる。
したがって、圧電薄膜振動片は、対向電極間に交流電圧が印加される際に、交流電圧が圧電薄膜に効率よく印加されることから、圧電薄膜内に十分な電界強度が得られ、圧電薄膜の圧電作用を用いた振動腕部の共振の効率が向上する。
[適用例5]上記適用例にかかる圧電薄膜振動片は、前記上部電極上に前記振動腕部の共振特性に関する温度係数を低減する酸化シリコン層が形成されていることが好ましい。
これによれば、圧電薄膜振動片は、上部電極上に振動腕部の共振特性に関する温度係数を低減する酸化シリコン層が形成されていることから、振動腕部の共振周波数の変化の要因となる温度係数を低減できる。
したがって、圧電薄膜振動片は、周囲の温度変化に起因する振動腕部の共振周波数の変動が抑制された良好な共振周波数−温度特性が得られる。
したがって、圧電薄膜振動片は、周囲の温度変化に起因する振動腕部の共振周波数の変動が抑制された良好な共振周波数−温度特性が得られる。
[適用例6]本適用例にかかる圧電薄膜振動子は、上記適用例のいずれか1つに記載の圧電薄膜振動片と、前記圧電薄膜振動片を気密封止された内部に収容するパッケージとを備えたことを特徴とする。
これによれば、圧電薄膜振動子は、上記適用例のいずれか1つの圧電薄膜振動片と、圧電薄膜振動片を気密封止された内部に収容するパッケージとを備えていることから、圧電薄膜の圧電作用を用いた振動腕部の共振の効率が向上した圧電薄膜振動片の共振を、安定した状態で維持することができる。
[適用例7]本適用例にかかる発振回路は、上記適用例に記載の圧電薄膜振動子を用いたことを特徴とする。
これによれば、発振回路は、上記適用例に記載の圧電薄膜振動子を用いたことから、圧電薄膜の圧電作用を用いた振動腕部の共振の効率が向上した発振を、安定した状態で行うことができる。
[適用例8]本適用例にかかる圧電薄膜振動片の製造方法は、少なくとも2つの互いに略平行な振動腕部と、前記振動腕部を連結する連結部とを有し、前記振動腕部のそれぞれの主面に、上部電極及び下部電極からなる対向電極間に圧電薄膜を設けた圧電薄膜振動部を備え、前記圧電薄膜と前記上部電極との間に、高誘電率絶縁薄膜が形成されている圧電薄膜振動片の製造方法であって、前記高誘電率絶縁薄膜を、前記下部電極上に前記圧電薄膜を形成した後に、化学気相堆積法(CVD法)、原子層堆積法(ALD法)、またはスパッタリング法を用いて前記圧電薄膜上に堆積させることを特徴とする。
これによれば、圧電薄膜振動片の製造方法は、高誘電率絶縁薄膜を、圧電薄膜を形成した後に、化学気相堆積法(CVD法)、原子層堆積法(ALD法)、またはスパッタリング法を用いて圧電薄膜上に堆積させることから、上記適用例に記載した効果を奏する圧電薄膜振動片を得ることかできる。
[適用例9]上記適用例にかかる圧電薄膜振動片の製造方法は、前記圧電薄膜振動片が前記上部電極上に前記振動腕部の共振特性に関する温度係数を低減する酸化シリコン層を有し、前記酸化シリコン層を、150℃以下の温度で化学気相堆積法(CVD法)を用いて前記上部電極上に堆積させることが好ましい。
これによれば、圧電薄膜振動片の製造方法は、酸化シリコン層を150℃以下の温度で化学気相堆積法(CVD法)を用いて上部電極上に堆積させることから、圧電薄膜振動片の加熱に起因する変形、割れなどの損傷を回避できる。
以下、圧電薄膜振動片、圧電薄膜振動片の製造方法、圧電薄膜振動子及び発振回路の実施形態について図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の圧電薄膜振動片の一例としての圧電薄膜水晶振動片の概略構成を示す模式図である。図1(a)は平面図、図1(b)は、図1(a)のA−A線での断面図である。なお、図1では、引出し電極部や配線など、一部の構成要素を省略してある。
図1は、第1の実施形態の圧電薄膜振動片の一例としての圧電薄膜水晶振動片の概略構成を示す模式図である。図1(a)は平面図、図1(b)は、図1(a)のA−A線での断面図である。なお、図1では、引出し電極部や配線など、一部の構成要素を省略してある。
図1に示すように、圧電薄膜水晶振動片1は、2つの互いに略平行な矩形薄板状の振動腕部10,11と、振動腕部10,11を連結する矩形厚板状の連結部12とを有している。
そして、圧電薄膜水晶振動片1は、振動腕部10,11のそれぞれの主面10a,11aに、上部電極20a,21a及び下部電極20b,21bからなる対向電極(上部電極20a及び下部電極20b、上部電極21a及び下部電極21b)間に圧電薄膜20c,21cを設けた圧電薄膜振動部20,21を備えている。
そして、圧電薄膜水晶振動片1は、圧電薄膜振動部20,21の圧電薄膜20c,21cと上部電極20a,21aとの間に、高誘電率絶縁薄膜20d,21dが形成されている。
なお、振動腕部10,11の主面10a,11aは、振動腕部10,11の延在方向と、この延在方向と交差する振動腕部10,11の配列方向とで規定される平面に沿った面である。
そして、圧電薄膜水晶振動片1は、振動腕部10,11のそれぞれの主面10a,11aに、上部電極20a,21a及び下部電極20b,21bからなる対向電極(上部電極20a及び下部電極20b、上部電極21a及び下部電極21b)間に圧電薄膜20c,21cを設けた圧電薄膜振動部20,21を備えている。
そして、圧電薄膜水晶振動片1は、圧電薄膜振動部20,21の圧電薄膜20c,21cと上部電極20a,21aとの間に、高誘電率絶縁薄膜20d,21dが形成されている。
なお、振動腕部10,11の主面10a,11aは、振動腕部10,11の延在方向と、この延在方向と交差する振動腕部10,11の配列方向とで規定される平面に沿った面である。
振動腕部10,11と、連結部12とは、所定の厚みに研磨された水晶基板から一体で形成され、振動腕部10,11は、更にエッチングなどの加工を施すことで、所望の共振周波数が得られる厚みに形成されている。なお、本実施形態では、結晶Z軸に垂直な主面を有する水晶基板を用いて、連結部12の厚みを100μm、振動腕部10,11の厚みを10μmとし、共振周波数が32.768kHzとなるよう振動腕部10,11の長さを調節した。
圧電薄膜水晶振動片1は、振動腕部10,11の端部が連結部12に接続されて、振動腕部10,11が連結部12を介して互いに連結されることで、音叉状に構成されている。
圧電薄膜水晶振動片1は、振動腕部10,11の端部が連結部12に接続されて、振動腕部10,11が連結部12を介して互いに連結されることで、音叉状に構成されている。
圧電薄膜振動部20,21の上部電極20a,21a及び下部電極20b,21bには、Ti/Ptを用いた。このTi/Ptの各電極は、スパッタリング法などを用いて形成した後、リフトオフ法或いはウェットエッチング法によりパターニングされている。なお、本実施形態では、上部電極20a,21a及び下部電極20b,21bの厚みを、0.1μm程度とした。
圧電薄膜振動部20,21の圧電薄膜20c,21cには、ZnOが用いられ、反応性スパッタリング法などにより形成され、下部電極20b,21b上に個々の結晶の分極軸(c軸)が上部電極20a,21aと下部電極20b,21bのそれぞれに対して垂直な方向(分極軸方向B)に揃うように配向されている。なお、本実施形態では、圧電薄膜20c,21cの厚みを、1μm程度とした。
また、本実施形態の圧電薄膜20c,21cの比誘電率は、ZnOを用いていることから9〜12となっている。
圧電薄膜振動部20,21の圧電薄膜20c,21cには、ZnOが用いられ、反応性スパッタリング法などにより形成され、下部電極20b,21b上に個々の結晶の分極軸(c軸)が上部電極20a,21aと下部電極20b,21bのそれぞれに対して垂直な方向(分極軸方向B)に揃うように配向されている。なお、本実施形態では、圧電薄膜20c,21cの厚みを、1μm程度とした。
また、本実施形態の圧電薄膜20c,21cの比誘電率は、ZnOを用いていることから9〜12となっている。
圧電薄膜振動部20,21の高誘電率絶縁薄膜20d,21dには、窒化シリコンが用いられ、化学気相堆積法(CVD法)などにより圧電薄膜20c,21c上に形成されている。
これにより、圧電薄膜水晶振動片1は、圧電薄膜20c,21c形成の際に発生するピンホール22やリークパス23、ボイド24などが封止され、上部電極20a,21a及び下部電極20b,21b間の絶縁性能の劣化が回避され、良好な絶縁性能が得られている。
なお、本実施形態では、高誘電率絶縁薄膜20d,21dの厚みを、0.1μm程度とした。また、本実施形態の高誘電率絶縁薄膜20d,21dの比誘電率は、窒化シリコンを用いていることから、7〜8となっている。なお、高誘電率とは、比誘電率が4以上の場合をいう。
これにより、圧電薄膜水晶振動片1は、圧電薄膜20c,21c形成の際に発生するピンホール22やリークパス23、ボイド24などが封止され、上部電極20a,21a及び下部電極20b,21b間の絶縁性能の劣化が回避され、良好な絶縁性能が得られている。
なお、本実施形態では、高誘電率絶縁薄膜20d,21dの厚みを、0.1μm程度とした。また、本実施形態の高誘電率絶縁薄膜20d,21dの比誘電率は、窒化シリコンを用いていることから、7〜8となっている。なお、高誘電率とは、比誘電率が4以上の場合をいう。
ここで、圧電薄膜水晶振動片1の動作について説明する。
圧電薄膜水晶振動片1は、圧電薄膜振動部20,21の対向電極間に極性(+,−)が交互に変わる交流電圧が印加されると、対向電極間に電界が発生する。
そして、図1に示すように、圧電薄膜水晶振動片1は、圧電薄膜振動部20,21に圧電薄膜20c,21cの圧電作用により、分極軸方向Bと交差して振動腕部10,11の延在方向に沿った方向Cに伸縮する変位が発生し、これに伴い振動腕部10,11が厚み方向(主面10a,11aと交差する方向)Dに共振する(面外振動)。
このとき、振動腕部10,11のそれぞれの圧電薄膜振動部20,21の対向電極間に印加される交流電圧の極性を互いに逆相にすると(但し、図1では配線を省略)、圧電薄膜水晶振動片1は、振動腕部10,11のそれぞれの変位方向が互いに逆になる共振を励振する。
圧電薄膜水晶振動片1は、圧電薄膜振動部20,21の対向電極間に極性(+,−)が交互に変わる交流電圧が印加されると、対向電極間に電界が発生する。
そして、図1に示すように、圧電薄膜水晶振動片1は、圧電薄膜振動部20,21に圧電薄膜20c,21cの圧電作用により、分極軸方向Bと交差して振動腕部10,11の延在方向に沿った方向Cに伸縮する変位が発生し、これに伴い振動腕部10,11が厚み方向(主面10a,11aと交差する方向)Dに共振する(面外振動)。
このとき、振動腕部10,11のそれぞれの圧電薄膜振動部20,21の対向電極間に印加される交流電圧の極性を互いに逆相にすると(但し、図1では配線を省略)、圧電薄膜水晶振動片1は、振動腕部10,11のそれぞれの変位方向が互いに逆になる共振を励振する。
この際、圧電薄膜水晶振動片1は、高誘電率絶縁薄膜20d,21dに比誘電率が7〜8の窒化シリコンが用いられていることから、上述した酸化シリコン(比誘電率:約3.9)を用いた場合と比較して、圧電薄膜20c,21c内の電界が強くなり、高誘電率絶縁薄膜20d,21d内の電界が弱くなる。
これにより、圧電薄膜水晶振動片1は、対向電極間に交流電圧が印加される際に、交流電圧が圧電薄膜20c,21cに効率よく印加される。
これにより、圧電薄膜水晶振動片1は、対向電極間に交流電圧が印加される際に、交流電圧が圧電薄膜20c,21cに効率よく印加される。
したがって、圧電薄膜水晶振動片1は、高誘電率絶縁薄膜20d,21dに、酸化シリコンなどに代表される比誘電率が比較的に低い(比誘電率が4未満)物質を用いた場合と比較して、圧電薄膜20c,21c内に十分な電界強度が得られ、圧電薄膜20c,21cの圧電作用を用いた振動腕部10,11の共振の効率が向上する。
ここで、圧電薄膜水晶振動片1の製造方法について図面を参照して説明する。
図2は、圧電薄膜水晶振動片の製造方法について説明する模式図である。
まず、図2(a)に示すように、所定の厚みに研磨した水晶基板に更にエッチングなどの加工を施すことで、所望の共振周波数が得られる厚みに形成した振動腕部10,11及び連結部12を用意し、スパッタリング法などにより振動腕部10,11の主面10a,11a上に、下部電極20b,21bを0.1μm程度の厚みで形成する。
図2は、圧電薄膜水晶振動片の製造方法について説明する模式図である。
まず、図2(a)に示すように、所定の厚みに研磨した水晶基板に更にエッチングなどの加工を施すことで、所望の共振周波数が得られる厚みに形成した振動腕部10,11及び連結部12を用意し、スパッタリング法などにより振動腕部10,11の主面10a,11a上に、下部電極20b,21bを0.1μm程度の厚みで形成する。
ついで、図2(b)に示すように、反応性スパッタリング法などにより下部電極20b,21b上に、圧電薄膜20c,21cを1μm程度の厚みで形成する。
このとき、圧電薄膜20c,21cは、下部電極20b,21bが有する配向促進性などにより、個々の結晶の分極軸(c軸)が上部電極20a,21aと下部電極20b,21bとを結ぶ方向(分極軸方向B)に揃うように配向される。
なお、この際、圧電薄膜20c,21c内には、ピンホール22やリークパス23、ボイド24などが発生することがある。
このとき、圧電薄膜20c,21cは、下部電極20b,21bが有する配向促進性などにより、個々の結晶の分極軸(c軸)が上部電極20a,21aと下部電極20b,21bとを結ぶ方向(分極軸方向B)に揃うように配向される。
なお、この際、圧電薄膜20c,21c内には、ピンホール22やリークパス23、ボイド24などが発生することがある。
ついで、図2(c)に示すように、化学気相堆積法(CVD法)、原子層堆積法(ALD法)、またはスパッタリング法などを用いて堆積させることで、圧電薄膜20c,21c上に、高誘電率絶縁薄膜20d,21dを0.1μm程度の厚みで形成する。
このとき、圧電薄膜20c,21c内のピンホール22やリークパス23、ボイド24などは、高誘電率絶縁薄膜20d,21dによって封止される。
このとき、圧電薄膜20c,21c内のピンホール22やリークパス23、ボイド24などは、高誘電率絶縁薄膜20d,21dによって封止される。
ついで、図2(d)に示すように、スパッタリング法などにより高誘電率絶縁薄膜20d,21d上に、上部電極20a,21aを0.1μm程度の厚みで形成する。
上記の工程を経ることにより、図1に示す圧電薄膜水晶振動片1を得る。
上記の工程を経ることにより、図1に示す圧電薄膜水晶振動片1を得る。
上述したように、第1の実施形態の圧電薄膜水晶振動片1は、振動腕部10,11のそれぞれの主面10a,11aに、対向電極間に圧電薄膜20c,21cを設けた圧電薄膜振動部20,21を備え、圧電薄膜20c,21cと上部電極20a,21aとの間に、比誘電率が7〜8の窒化シリコンを用いた高誘電率絶縁薄膜20d,21dが形成されている。
このことから、圧電薄膜水晶振動片1は、対向電極間の絶縁性能が向上するとともに、対向電極間に交流電圧が印加された際に、高誘電率絶縁薄膜20d,21dに酸化シリコンなどの比誘電率が比較的に低い物質を用いた場合と比較して、対向電極間の電界が圧電薄膜20c,21c内で強くなり、高誘電率絶縁薄膜20d,21d内で弱くなる。
したがって、圧電薄膜水晶振動片1は、圧電薄膜20c,21c内に十分な電界強度が得られ、圧電薄膜20c,21cの圧電作用を用いた振動腕部10,11の共振の効率が向上する。
このことから、圧電薄膜水晶振動片1は、対向電極間の絶縁性能が向上するとともに、対向電極間に交流電圧が印加された際に、高誘電率絶縁薄膜20d,21dに酸化シリコンなどの比誘電率が比較的に低い物質を用いた場合と比較して、対向電極間の電界が圧電薄膜20c,21c内で強くなり、高誘電率絶縁薄膜20d,21d内で弱くなる。
したがって、圧電薄膜水晶振動片1は、圧電薄膜20c,21c内に十分な電界強度が得られ、圧電薄膜20c,21cの圧電作用を用いた振動腕部10,11の共振の効率が向上する。
(第2の実施形態)
ここで、第2の実施形態について図面を参照して説明する。
図3は、第2の実施形態の圧電薄膜振動片の一例としての圧電薄膜水晶振動片の概略構成を示す模式図である。図3(a)は平面図、図3(b)は、図3(a)のE−E線での断面図である。なお、第1の実施形態との共通部分には、同一符号を付して説明を省略する。
ここでは、第2の実施形態と第1の実施形態との異なる点を中心に説明する。
ここで、第2の実施形態について図面を参照して説明する。
図3は、第2の実施形態の圧電薄膜振動片の一例としての圧電薄膜水晶振動片の概略構成を示す模式図である。図3(a)は平面図、図3(b)は、図3(a)のE−E線での断面図である。なお、第1の実施形態との共通部分には、同一符号を付して説明を省略する。
ここでは、第2の実施形態と第1の実施形態との異なる点を中心に説明する。
図3に示すように、圧電薄膜水晶振動片101は、圧電薄膜振動部20,21の上部電極20a,21a上に、振動腕部10,11の共振特性に関する温度係数を低減する酸化シリコン層20e,21eが形成されている。
なお、本実施形態では、振動腕部10,11及び連結部12にシリコン基板が用いられ、上部電極20a,21a及び下部電極20b,21bにMoが用いられ、圧電薄膜20c,21cにAlNが用いられている。そして、高誘電率絶縁薄膜20d,21dには、酸化ハフニウムが用いられている。
なお、本実施形態では、振動腕部10,11及び連結部12にシリコン基板が用いられ、上部電極20a,21a及び下部電極20b,21bにMoが用いられ、圧電薄膜20c,21cにAlNが用いられている。そして、高誘電率絶縁薄膜20d,21dには、酸化ハフニウムが用いられている。
圧電薄膜水晶振動片101は、第1の実施形態と同様の製造方法で上部電極20a,21aまで形成した後に、上部電極20a,21a上に、150℃以下の温度で化学気相堆積法(CVD法)を用いて酸化シリコン層20e,21eを堆積させることで得られる。
なお、酸化シリコン層20e,21eの厚みは、振動腕部10,11の共振特性に関する温度係数の値に応じて適宜設定される。
なお、酸化シリコン層20e,21eの厚みは、振動腕部10,11の共振特性に関する温度係数の値に応じて適宜設定される。
これによれば、圧電薄膜水晶振動片101は、上部電極20a,21a上に振動腕部10,11の共振特性に関する温度係数を低減する酸化シリコン層20e,21eが形成されていることから、振動腕部10,11の共振周波数の変化の要因となる温度係数を低減できる。
したがって、圧電薄膜水晶振動片101は、周囲の温度変化に起因する振動腕部10,11の共振周波数の変動が抑制された良好な共振周波数−温度特性が得られる。
したがって、圧電薄膜水晶振動片101は、周囲の温度変化に起因する振動腕部10,11の共振周波数の変動が抑制された良好な共振周波数−温度特性が得られる。
加えて、圧電薄膜水晶振動片101は、高誘電率絶縁薄膜20d,21dに用いられている酸化ハフニウムの比誘電率が20以上で、圧電薄膜20c,21cに用いられているAlNの比誘電率(8〜12)より高いことから、第1の実施形態より圧電薄膜20c,21c内に更に十分な電界強度が得られ、圧電薄膜20c,21cの圧電作用を用いた振動腕部10,11の共振の効率が更に向上する。
また、圧電薄膜水晶振動片101は、酸化シリコン層20e,21eが150℃以下の温度で化学気相堆積法(CVD法)を用いて形成されていることから、振動腕部10,11及び連結部12などの加熱に起因する変形、割れ、欠けなどの損傷を回避できる。
また、上記酸化シリコン層20e、21eは、上部電極20a、21aの直上に形成されているため、上下の電極間の電界分布に影響を与えない。従って圧電薄膜20c、21c内の電界強度分布と、振動腕部10、11の共振周波数−温度特性を両立させることができる。
また、上記酸化シリコン層20e、21eは、上部電極20a、21aの直上に形成されているため、上下の電極間の電界分布に影響を与えない。従って圧電薄膜20c、21c内の電界強度分布と、振動腕部10、11の共振周波数−温度特性を両立させることができる。
なお、上記各実施形態では、振動腕部10,11を2つとしたが、これに限定するものではなく、3つ以上としてもよい。
また、上記各実施形態では、上部電極20a,21a及び下部電極20b,21bにTi/Pt、Moを用いたが、これに限定するものではなく、圧電薄膜20c,21cの配向促進性を有するTi/Au、Ti、Al、Ruなどを用いてもよい。
また、上記各実施形態では、圧電薄膜20c,21cにZnO、AlNを用いたが、これに限定するものではなく、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)、GaN、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3などを用いてもよい。
また、上記各実施形態では、上部電極20a,21a及び下部電極20b,21bにTi/Pt、Moを用いたが、これに限定するものではなく、圧電薄膜20c,21cの配向促進性を有するTi/Au、Ti、Al、Ruなどを用いてもよい。
また、上記各実施形態では、圧電薄膜20c,21cにZnO、AlNを用いたが、これに限定するものではなく、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)、GaN、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3などを用いてもよい。
なお、上記各実施形態では、高誘電率絶縁薄膜20d,21dに窒化シリコン、酸化ハフニウムを用いたが、これに限定するものではなく、酸化アルミニウム、ハフニウムシリケート、ハフニウムアルミネート、または窒化シリコン、酸化ハフニウムを含むこれらのいずれか1つに遷移金属元素を少なくとも1つ含んだ化合物など、比誘電率が4以上である物質を用いてもよい。
これによれば、圧電薄膜水晶振動片1,101は、これらの物質の比誘電率が4以上であって、上述した酸化シリコンのような比誘電率が比較的に低い物質より高いことから、これらの物質を用いることにより上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。
これによれば、圧電薄膜水晶振動片1,101は、これらの物質の比誘電率が4以上であって、上述した酸化シリコンのような比誘電率が比較的に低い物質より高いことから、これらの物質を用いることにより上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、高誘電率絶縁薄膜20d,21dは、対向電極間の絶縁性能の向上の観点から考えれば、下部電極20b,21bと圧電薄膜20c,21cとの間に設けることも可能である。
しかしながら、圧電薄膜20c,21cは、圧電薄膜20c,21cの個々の結晶の分極軸(c軸)が分極軸方向Bに揃うように配向される必要があることから、圧電薄膜20c,21cの配向促進性を有する下部電極20b,21b上に設けられているのが好ましい。
したがって、上述したように高誘電率絶縁薄膜20d,21dは、圧電薄膜20c,21cと上部電極20a,21aとの間に設けられているのが好ましい。
しかしながら、圧電薄膜20c,21cは、圧電薄膜20c,21cの個々の結晶の分極軸(c軸)が分極軸方向Bに揃うように配向される必要があることから、圧電薄膜20c,21cの配向促進性を有する下部電極20b,21b上に設けられているのが好ましい。
したがって、上述したように高誘電率絶縁薄膜20d,21dは、圧電薄膜20c,21cと上部電極20a,21aとの間に設けられているのが好ましい。
なお、高誘電率絶縁薄膜20d,21dは、上述した単層構造に限定するものではなく、複数の層が積層された多層構造としてもよい。
また、上記各実施形態における各構成要素の厚みは、上記の値に限定するものではなく、振動腕部10,11の共振周波数、外形寸法などに応じて適宜設定される。
また、上記各実施形態における各構成要素の厚みは、上記の値に限定するものではなく、振動腕部10,11の共振周波数、外形寸法などに応じて適宜設定される。
(圧電薄膜振動子)
ここで、上記各実施形態の圧電薄膜振動片としての圧電薄膜水晶振動片を備えた、圧電薄膜振動子としての圧電薄膜水晶振動子について図面を参照して説明する。
ここで、上記各実施形態の圧電薄膜振動片としての圧電薄膜水晶振動片を備えた、圧電薄膜振動子としての圧電薄膜水晶振動子について図面を参照して説明する。
図4は、圧電薄膜水晶振動子の概略構成の一例を示す断面図である。
図4に示すように、圧電薄膜水晶振動子400は、圧電薄膜水晶振動片1、圧電薄膜水晶振動片1を気密封止された内部に収容するパッケージ410などから構成されている。
図4に示すように、圧電薄膜水晶振動子400は、圧電薄膜水晶振動片1、圧電薄膜水晶振動片1を気密封止された内部に収容するパッケージ410などから構成されている。
パッケージ410は、ベース部410a、枠部410b、蓋体部410c、接合部410dなどから構成されている。
ベース部410aの2つの層411,412には、セラミックグリーンシートを成形して焼成した酸化アルミニウム質焼結体などが用いられている。
ベース部410aの2つの層411,412には、セラミックグリーンシートを成形して焼成した酸化アルミニウム質焼結体などが用いられている。
ベース部410aの第1層411には、金属被膜からなる電極411cが形成されており、圧電薄膜水晶振動片1が、図示しない引出し電極部を電極411cに位置合わせして搭載されている。圧電薄膜水晶振動片1は、連結部12が導電性接着剤430などにより図示しない引出し電極部を介して電極411cに電気的に接続され固定されている。
また、第1層411には、貫通穴411aが形成されている。
なお、第1層411には、平面視において、圧電薄膜水晶振動片1の先端部1aと重なる部分に開口部411bが形成されている。これにより、圧電薄膜水晶振動子400は、外部からの衝撃などにより発生する圧電薄膜水晶振動片1のたわみに起因する圧電薄膜水晶振動片1の先端部1aとベース部410aの第1層411との接触を回避できる。なお、開口部411bは、形成されていなくてもよい。
また、第1層411には、貫通穴411aが形成されている。
なお、第1層411には、平面視において、圧電薄膜水晶振動片1の先端部1aと重なる部分に開口部411bが形成されている。これにより、圧電薄膜水晶振動子400は、外部からの衝撃などにより発生する圧電薄膜水晶振動片1のたわみに起因する圧電薄膜水晶振動片1の先端部1aとベース部410aの第1層411との接触を回避できる。なお、開口部411bは、形成されていなくてもよい。
ベース部410aの第2層412には、外面に金属被膜からなる実装端子412cが形成されている。この実装端子412cは、ベース部410aの図示しない内部配線により電極411cと接続されている。また、第2層412には、第1層411の貫通穴411aと重なり、貫通穴411aより大きい貫通穴412aが形成されている。
ベース部410aには、圧電薄膜水晶振動片1を囲むように枠状に形成された枠部410bが積層されている。枠部410bには、ベース部410aと同様にセラミックグリーンシートを成形して焼成した酸化アルミニウム質焼結体などが用いられている。
枠部410b上には、圧電薄膜水晶振動片1を覆うように蓋体部410cが配設されている。蓋体部410cは、コバールなどの金属が用いられ、同じくコバールなどの金属からなる接合部410dを介して、シーム溶接、ロウ付けなどにより枠部410bに接合されている。
圧電薄膜水晶振動子400は、貫通穴411a,412aを塞ぐことにより、パッケージ410を気密封止する封止部413が形成されている。圧電薄膜水晶振動子400は、封止部413にAu−Ge合金などから成る封止材414が充填されている。
これにより、圧電薄膜水晶振動子400は、パッケージ410の内部が気密封止されている。なお、パッケージ410の内部は、真空状態または窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスが封入されていてもよい。
これにより、圧電薄膜水晶振動子400は、パッケージ410の内部が気密封止されている。なお、パッケージ410の内部は、真空状態または窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスが封入されていてもよい。
なお、圧電薄膜水晶振動子400は、パッケージ410の蓋体部410cの材料として、コバールなどの金属の他にガラスを用いてもよい。この場合は、接合部410dの材料として低融点ガラスが用いられ、低融点ガラスが溶融されて蓋体部410cと枠部410bとが接合される。
上述したように、圧電薄膜水晶振動子400は、圧電薄膜水晶振動片1と、圧電薄膜水晶振動片1を気密封止された内部に収容するパッケージ410とを備えている。
このことから、圧電薄膜水晶振動子400は、圧電薄膜水晶振動片1が気密封止されたパッケージ410内に収容されていることで、圧電薄膜20c,21cの圧電作用を用いた振動腕部10,11の共振の効率が向上した圧電薄膜水晶振動片1の共振を、安定した状態で維持することができる。
なお、圧電薄膜水晶振動子400は、圧電薄膜水晶振動片1に代えて、圧電薄膜水晶振動片101を用いてもよい。
このことから、圧電薄膜水晶振動子400は、圧電薄膜水晶振動片1が気密封止されたパッケージ410内に収容されていることで、圧電薄膜20c,21cの圧電作用を用いた振動腕部10,11の共振の効率が向上した圧電薄膜水晶振動片1の共振を、安定した状態で維持することができる。
なお、圧電薄膜水晶振動子400は、圧電薄膜水晶振動片1に代えて、圧電薄膜水晶振動片101を用いてもよい。
(発振回路)
ここで、圧電薄膜振動子としての上記圧電薄膜水晶振動子を備えた、発振回路について図面を参照して説明する。
図5は、発振回路の概略構成の一例を示す回路図である。
図5に示すように、発振回路500は、圧電薄膜水晶振動子400、1つのインバータ501、2つの抵抗502,503、2つのコンデンサ504,505、を含んで構成されている。
これによれば、発振回路500は、圧電薄膜水晶振動子400を備えていることから、圧電薄膜20c,21cの圧電作用を用いた振動腕部10,11の共振の効率が向上した発振を、安定した状態で行うことができる。
ここで、圧電薄膜振動子としての上記圧電薄膜水晶振動子を備えた、発振回路について図面を参照して説明する。
図5は、発振回路の概略構成の一例を示す回路図である。
図5に示すように、発振回路500は、圧電薄膜水晶振動子400、1つのインバータ501、2つの抵抗502,503、2つのコンデンサ504,505、を含んで構成されている。
これによれば、発振回路500は、圧電薄膜水晶振動子400を備えていることから、圧電薄膜20c,21cの圧電作用を用いた振動腕部10,11の共振の効率が向上した発振を、安定した状態で行うことができる。
1…圧電薄膜振動片としての圧電薄膜水晶振動片、10,11…振動腕部、10a,11a…主面、12…連結部、20,21…圧電薄膜振動部、20a,21a…上部電極、20b,21b…下部電極、20c,21c…圧電薄膜、20d,21d…高誘電率絶縁薄膜。
Claims (9)
- 少なくとも2つの互いに略平行な振動腕部と、前記振動腕部を連結する連結部とを有し、
前記振動腕部のそれぞれの主面に、上部電極及び下部電極からなる対向電極間に圧電薄膜を設けた圧電薄膜振動部を備え、
前記圧電薄膜と前記上部電極との間に、高誘電率絶縁薄膜が形成されていることを特徴とする圧電薄膜振動片。 - 請求項1に記載の圧電薄膜振動片において、前記高誘電率絶縁薄膜の比誘電率が4以上であることを特徴とする圧電薄膜振動片。
- 請求項1または2に記載の圧電薄膜振動片において、前記高誘電率絶縁薄膜の比誘電率が前記圧電薄膜の比誘電率より大きいことを特徴とする圧電薄膜振動片。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧電薄膜振動片において、前記高誘電率絶縁薄膜が、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、ハフニウムシリケート、ハフニウムアルミネートのいずれか1つ、またはこれらの物質のいずれか1つに遷移金属元素を少なくとも1つ含んだ化合物を有していることを特徴とする圧電薄膜振動片。
- 請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電薄膜振動片において、前記上部電極上に前記振動腕部の共振特性に関する温度係数を低減する酸化シリコン層が形成されていることを特徴とする圧電薄膜振動片。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載の圧電薄膜振動片と、前記圧電薄膜振動片を気密封止された内部に収容するパッケージとを備えたことを特徴とする圧電薄膜振動子。
- 請求項6に記載の圧電薄膜振動子を用いたことを特徴とする発振回路。
- 少なくとも2つの互いに略平行な振動腕部と、前記振動腕部を連結する連結部とを有し、前記振動腕部のそれぞれの主面に、上部電極及び下部電極からなる対向電極間に圧電薄膜を設けた圧電薄膜振動部を備え、前記圧電薄膜と前記上部電極との間に、高誘電率絶縁薄膜が形成されている圧電薄膜振動片の製造方法であって、
前記高誘電率絶縁薄膜を、前記下部電極上に前記圧電薄膜を形成した後に、化学気相堆積法(CVD法)、原子層堆積法(ALD法)、またはスパッタリング法を用いて前記圧電薄膜上に堆積させることを特徴とする圧電薄膜振動片の製造方法。 - 請求項8に記載の圧電薄膜振動片の製造方法において、前記圧電薄膜振動片が前記上部電極上に前記振動腕部の共振特性に関する温度係数を低減する酸化シリコン層を有し、
前記酸化シリコン層を、150℃以下の温度で化学気相堆積法(CVD法)を用いて前記上部電極上に堆積させることを特徴とする圧電薄膜振動片の製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2008245398A JP2010081156A (ja) | 2008-09-25 | 2008-09-25 | 圧電薄膜振動片、圧電薄膜振動片の製造方法、圧電薄膜振動子及び発振回路 |
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-
2008
- 2008-09-25 JP JP2008245398A patent/JP2010081156A/ja not_active Withdrawn
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