JP3703773B2 - 水晶振動子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水晶薄膜を振動体として用いる発振器用の水晶振動子のみならず水晶フィルタを含む水晶振動子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、水晶振動子とは要求性能により設計された水晶片の表面に薄膜電極を配し、これを機械的な支持と電気的リードを兼ねた支持薄板を持った保持器内に保持密封されたものを言う。これに対して水晶フィルタは、種々の信号成分の中から必要な周波数成分のみを取り出し、不要な周波数成分を減衰させる機能をもった水晶デバイスである。１枚の水晶板に２分割された電極を配置し、２つの振動モードの結合により、フィルタ特性の得られるＭＣＦ（Monolithic Crystal Fielter) が広く知られている。本発明に係るものおよび方法は前述の一般的な水晶振動子および水晶フィルタの構造および製造方法に係わるものであるから、以下本発明において、水晶振動子の意味は、前述の水晶フィルタを含む広義な意味で用いることにする。
【０００３】
水晶振動子は、その高い安定性により、情報通信に欠かせない重要なデバイスとして用いられている。近年、通信衛星や携帯電話などの発達にともない、その高性能化、小型化が一つの大きな目標とされている。
これらの要請に応じて特開平８−１５７２９７号はゾルゲル法による単結晶薄膜水晶の製造方法を提案し、特開平５−３２７３８３号は水晶素板の加工方法を提案している。一方本件発明者らは、真空装置を用いない大気圧下で、珪素のアルコキシド原料と酸素との反応により基材上にエピタキシャル成長させる、大気圧気相エピタキシー成長法(AP-VPE)を特願２０００−２７０，３００で提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
また、移動体通信に使用される周波数帯がGHz 帯まで高周波化するにしたがって、水晶振動子の発振周波数も高周波数化が必要である。
水晶振動子の発振周波数は、水晶素板の厚みに反比例するため、発振周波数の高周波化を行うためには、水晶素板を薄く加工する必要がある。しかしながら、現在の加工方法では水晶素板の厚さが４０μm 以下になると実現は困難である。
そのため、基本発振波で得られる量産可能な水晶振動子の発振周波数の上限は４０MHz 程度であった。
一層の高周波化には、ウエットエッチングやドライエッチングなどの手法を用いる必要がある。しかし、厚さの制御性を良くするためにエッチンググレードを低く抑えると、エッチングして除去する水晶の量が多いために、水晶素板が所望の厚さになるまでに非常に時間がかかるという問題がある。
【０００５】
これに対して、本件発明者らは、前述したように、真空装置を用いない大気圧下で、珪素のアルコキシド原料と酸素との反応により基材上にエピタキシャル成長させる、大気圧気相エピタキシー成長法(AP-VPE)を開発し、特願２０００−２７０，３００号として出願をしている。
本発明の目的は、前述の方法で基材の上に形成された水晶薄膜と基材を利用した水晶振動子の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載の水晶振動子の製造方法は、
基材となる結晶表面に、大気圧下で水晶薄膜をエピタキシャル成長させた水晶振動子の製造方法であって、
前記基材は高ドープの基材で、一面に逆メサ型凹部を形成する凹部加工工程と、
前記基材の逆メサ型凹部の他面側に大気圧下で水晶薄膜をエピタキシャル成長させ、前記水晶薄膜を水晶振動片とする振動片成長工程と、
前記水晶振動片の裏面に前の工程で残存させられている前記基材の一部を前記水晶振動片の下部励起電極とし、前記水晶振動片の表面に金または銀を蒸着して上部励起電極とする電極形成工程
とからなることを特徴とするものである。
本発明による請求項２記載の水晶振動子の製造方法は、
基材となる結晶表面に、大気圧下で水晶薄膜をエピタキシャル成長させた水晶振動子の製造方法であって、
前記基材は高ドープの基材で、一面に逆メサ型凹部を形成する凹部加工工程と、
前記基材の逆メサ型凹部の他面側に大気圧下で水晶薄膜をエピタキシャル成長させ、前記水晶薄膜を水晶振動片とする振動片成長工程と、
前記水晶振動片の裏面に前の工程で残存させられている前記基材の一部を前記水晶振動片の下部励起電極とし、前記水晶振動片の表面に金または銀を蒸着して上部励起電極とする電極形成工程と、
前記基材の前記凹部に対応する水晶振動片以外の部分に、半導体回路を形成する工程
とからなることを特徴とするものである。
本発明による請求項３記載の水晶振動子の製造方法は、請求項１または２記載の水晶振動子の製造方法において、
前記基材となる結晶は単元素半導体、化合物半導体または酸化物結晶であり、前記単元素半導体はＳｉまたはＧｅ、前記化合物半導体はＧａＡｓ，ＧａＰ，ＧａＮ，ＺｎＳ，またはＺｎＳｅであり、前記酸化物結晶はＡｌ 2 Ｏ 3 ，ＺｎＯ，またはＭｇＯとするものである。
前述の本発明方法に関連する第１の水晶振動子は、
結晶よりなる基材と、前記基材の表面に大気圧下でエピタキシャル成長させた水晶薄膜と、前記水晶薄膜を励振する上励起電極と下励起電極よりなる水晶振動子であって、
前記基材には、前記水晶薄膜の裏面を露出させる穴が設けられ、
水晶振動片は、前記水晶薄膜を加工してその一端は前記穴の上に突出させられており、
前記上励起電極は前記水晶振動片の上面に蒸着により形成された金属層、前記下励起電極は前記水晶振動片の下面と基材裏面に蒸着により形成された金属層とすることができる。
前述の本発明方法に関連する第２の水晶振動子は、
結晶よりなる基材と、前記基材の表面に大気圧下でエピタキシャル成長させた水晶薄膜と、前記水晶薄膜を励振する上励起電極と下励起電極よりなる水晶振動子であって、
前記基材は、高ドープ化された基材であり、
前記基材には、前記水晶薄膜の裏面を露出させる穴が設けられ、
水晶振動片は、前記水晶薄膜を加工してその一端は前記穴の上に突出させられており、
前記上励起電極は前記水晶振動片の上面に蒸着により形成された金属層、前記下励起電極は前記水晶振動片である前記水晶薄膜を成長させた前記高ドープ化された基材とすることができる。
前述の本発明方法に関連する第３の水晶振動子は、
結晶よりなる基材と、前記基材の表面に形成されたバッファ層と、前記バッファ層の表面に大気圧下でエピタキシャル成長させた水晶薄膜と、前記水晶薄膜を励振する上励起電極と下励起電極よりなる水晶振動子であって、
前記基材とバッファ層には、前記水晶薄膜の裏面を露出させる穴が設けられ、
水晶振動片は、前記水晶薄膜を加工してその一端は前記穴の上に突出させられており、
前記上励起電極は前記水晶振動片の上面に蒸着により形成された金属層、前記下励起電極は前記水晶振動片の下面と基材裏面に蒸着により形成された金属層とすることができる。
【０００７】
前述の本発明方法に関連する第４の水晶振動子は、
前記基材を形成する半導体の水晶薄膜領域以外に半導体回路を生成し、前記水晶振動子の回路に利用することができる。
前述の本発明方法に関連する第１の水晶振動子の製造方法は、
基材となる結晶板を準備するステップと、
前記基材の表面に水晶薄膜をエピタキシャル成長させる水晶薄膜生成ステップと、
前記水晶薄膜と前記基材をエッチングにより加工して前記基材に設けられた穴の上に突出する振動片を形成する振動片形成ステップと、
前記振動片の表面と裏面に金属を蒸着して励起電極を形成する励起電極形成ステップと、
を含んで構成されている。
前述の本発明方法に関連する第２の水晶振動子の製造方法は、
基材となるとともに下励起電極となる高ドープの結晶板を準備するステップと、
前記基材の表面に水晶薄膜をエピタキシャル成長させる水晶薄膜生成ステップと、
水晶薄膜と基材をエッチングにより加工して、一端がエッチングにより加工された穴の上に突出させられている振動片を形成する振動片形成ステップと、
前記振動片の表面のみに金又は銀を蒸着して励起電極を形成する上励起電極を形成する励起電極形成ステップと、
から構成されている。
【０００８】
前述の本発明方法に関連する第３の水晶振動子の製造方法は、
基材となる結晶板を準備するステップと、
前記基材の表面に基材とは別の結晶よりなるバッファ層をエピタキシャル成長させる基 材にバッファ層を生成するステップと、
前記バッファ層の表面に水晶薄膜をエピタキシャル成長させる水晶薄膜生成ステップと、
前記水晶薄膜、バッファ層および基材をエッチングにより加工して、一端がエッチングにより加工された穴の上に突出させられている振動片を形成する振動片形成ステップと、
前記振動片の表面と裏面に金属を蒸着して上下の励起電極を形成する励起電極形成ステップと、
から構成されている。
【０００９】
【発明の実施の態様】
以下図面等を参照して、本発明による水晶振動子の製造方法を説明する。
〔水晶薄膜形成の実施例〕すでに発明者らが報告（特願２０００−２７０３００）した大気圧気相エピタキシー成長法(AP-VPE)により、下記の条件下で厚さ１μm から３００μm の水晶エピタキシー薄膜を得た。サンプルの厚さは９６μm である。
典型的な反応条件を表１に示す。
なお、表中の「sccm」は「Standard cubic centimeter per minute」のことである。
【表１】
テトラエトキシシラン分圧 3.3x10-3atm
酸素分圧 3.3x10-1atm
塩化水素 1.67x10-3atm
全圧 1atm
全流量 800sccm
基材 Si(111)
成長温度 550 〜850 ℃
次に前記実施例で得られた水晶エピタキシャル層について説明する。まず、本研究で得られた水晶エピタキシャル層の一例として、成長温度を800 ℃とした場合の、Ｘ線回折(XRD) の結果を図１０に示す。なお、膜の厚さは９６μm である。
測定は「RIGAKU RINT2000 」を用いて行い、測定条件は表２に示すとおりである。
【表２】
Ｘ線 Cuk α1 30kV 20mA
走査軸 2 θ／θ
受光スリット 0.3mm
走査範囲 35〜55°
スキャンスピード 1 °/min
【００１０】
図１０に示すＸ線回折プロフィールによれば、六方晶水晶相の(003) に対する強い回折ピークが 2θ=50.6 °にあり、成長した層は六方晶系の構造を有していることがわかる。 2θ=28.44°に見られるピークはSi基板の(111) 回折ピークである。
【００１１】
〔関連する第１の水晶振動子〕前述のようにしてSi基板上に直接成長させた前記水晶薄膜に、半導体加工技術を応用して振動片を形成し、水晶振動子を製造した。
図１は前記過程によって得られたSi(111) 基板により形成される基材５上に形成された本発明方法に関連する第１の水晶振動子を示す斜視図、図２は断面図である。
水晶薄膜１はSi(111) 基板よりなるSi基材５の上に形成されている。振動片２の上面に上部励起電極３ａおよび振動片２の下面と基材５の下面に下部励起電極３ｂがそれぞれ設けられている。励起電極３ａ，３ｂは金または銀を蒸着により付着させて形成したものである。
【００１２】
前記振動片２は水晶薄膜１から切り出されものであって、図１において、振動片２は基材５の中央に加工により設けられた矩形の穴４上に右方向から突き出され支持されたものである。振動片２の幅は０．８ｍｍ、長さは５ｍｍの矩形状である。また前記励起電極３ａおよび３ｂの実効部分は幅０．５ｍｍ、長さは２ｍｍの矩形状である。下側励起電極３ｂは基材５の背面に溝部を形成し、その溝部と、振動片２の下面に下部励起電極３ｂを形成する。
前記振動片２は前記水晶薄膜１をドライエッチングによってくり抜き加工して形成したものである。この実施例において前記水晶薄膜１は厚さを９６μm とした。
【００１３】
前記関連する第１の水晶振動子の製造方法は次のとおりである。
（基材となる結晶板を準備するステップ）このステップでSi(111) の基材を準備する。
（水晶薄膜生成ステップ）前記基材の表面に水晶薄膜をエピタキシャル成長させる。水晶薄膜形成の実施例で説明したとおりである。
（振動片を形成するステップ）水晶薄膜と基材をエッチングにより加工して、前述の形状の振動片２を形成する。
（励起電極を形成するステップ）前記振動片の表面と裏面に金または銀を蒸着して励起電極を形成する。
【００１４】
以上のようにして製造された水晶振動子の周波数と発振強度の関係を図１１に示す。図１１に示すように、17.34 MHz において強い発振を示している。このことから、この方法で発振特性の優れた水晶薄膜が作製できたことがわかる。水晶薄膜がシリコン基材上に直接成長され、厚さの制御が可能なため、これまでの水晶振動子の製造で必要とされてきたエッチングを必要とせず、製造時間が大幅に短縮される。
また、この方法は、水晶薄膜をフォトリゾグラフィーやエッチングなどの半導体加工技術を用いて任意の形状、寸法に加工することができ、高性能化、小型化や量産性に優れた加工方法である。
【００１５】
〔関連する第２の水晶振動子〕次に前記関連する第１の水晶振動子に変形を加えた第２の水晶振動子を図３を参照して説明する。
図３は基材５Ａを高ドープ化し、自体が、電極として機能するようにしたものである。
この関連する第２の水晶振動子の製造方法は次のとおりである。
（基材となる結晶板を準備するステップ）このステップでSi(111) の高ドープの基材を準備する。
（水晶薄膜生成ステップ）前記基材の表面に水晶薄膜をエピタキシャル成長させる。水晶薄膜形成の実施例で説明したとおりであり、前述の方法と異ならない。
（振動片を形成するステップ）水晶薄膜と基材をエッチングにより加工して、前述の形状の振動片２を形成する。
（励起電極を形成するステップ）前記振動片の表面のみに金又は銀を蒸着して励起電極を形成する。裏面の電極に相当する基材は前のステップで残存させられている。図３の３ａが上側の励起電極であり、基材５Ａの振動片２の下面が励起電極として機能する。
【００１６】
〔関連する第３の水晶振動子〕この第３の水晶振動子は基材となる結晶上に基材とは別の結晶をエピタキシャル成長させ、この別結晶の表面に水晶薄膜をエピタキシャル成長させる事を特徴としている。前記別結晶の材料としては、GaAs, ZnO を使用する。この第３の水晶振動子の製造方法は次の通りである。
（基材となる結晶板を準備するステップ）このステップでSi(111) の基材を準備する。
（基材とは別の結晶を生成するステップ）前記基材の表面に基材とは別の結晶であるGaAsを厚さ数十ミクロンにエピタキシャル成長させる。
（水晶薄膜生成ステップ）前記 GaAs のエピタキシャル成長層の表面に水晶薄膜をエピタキシャル成長させる。
（振動片を形成するステップ）前記第１の水晶振動子で記述した図１および図２に示す振動片を形成するステップについて図４，図５，図６，図７を用いて説明をする。
まず、基材５、GaAs層６と水晶薄膜１を加工する為に、エッチング液としてフッ酸を使用して図４，図５，に示す空間４の形状にエッチング加工を行う。但しこの時に、図５に示す様に振動片２の裏面に GaAs 層６を残しておく。次に、基材５と水晶薄膜１をエッチング出来ない弱い酸で GaAs をエッチング可能な硫酸、硝酸、塩酸、過酸化水素水のいずれかをエッチング液として使用して図５に示す振動片２の裏面に残してある GaAs 層６をエッチング加工して図６、図７に示す形状を形成する。この加工手段を使用することで、前記第１の水晶振動子のエッチング加工よりも加工が容易となる。
（励起電極を形成するステップ）前記振動片２の表面と裏面に金又は銀を蒸着して励起電極３ａおよび３ｂを形成する。
【００１７】
〔本発明方法による水晶振動子の実施例〕
次に前述の第１および第２の水晶振動子に変形を施した本発明による振動子の実施例を図８，図９を参照して説明する。この実施例は、特に水晶薄膜の厚みを１０μ以下とした、極めて薄い振動子を得るものである。
基材５Ｂは前記第２の水晶振動子の基材と同様に高ドープ化により導電性を高め自体が電極として機能するようにしたものである。
この実施例の製造方法は次のとおりである。
（基材となる結晶板を準備するステップ）このステップでSi(111) の高ドープの基材５Ｂを準備する。
（基材の加工ステップ）基材の５Ｂの一面に逆メサ型凹部を設ける加工をする。この逆メサ型凹部を除去した残りの平面部分の厚さは、次ステップで生成される水晶薄膜１の励振部の振動を阻害しない厚さであり、この結晶薄膜１を機械的に保持できる厚さとする。
（水晶薄膜生成ステップ）前記基材の表面に水晶薄膜１をエピタキシャル成長させる。水晶薄膜１の形成の実施例で説明したとおりである。
（振動片または薄膜を形成するステップ）前記逆メサ型の凹部が形成された基材５Ｂの部分に形成された水晶薄膜１が振動片（または振動薄膜）２ａとなる。
（励起電極を形成するステップ）前記振動片の表面に金または銀を蒸着して励起電極を形成する。裏面の電極に相当する基材は前のステップで残存させられている５Ｂの一部である。
図８，図９に示されている３ａが上側の励起電極であり、基材５Ｂの振動片２ａの下面が励起電極として機能する。
【００１８】
〔水晶薄膜形成の他の実施例〕
この実施例は基材の上に予めバッファ層を形成することを特徴としている。水晶エピタキシャル成長層を形成する前に、基材上に種々の厚さのバッファ層を設け、バッファ層の効果を調べた。バッファ層は、550 ℃で水晶を堆積させアニールすることにより作製する。その上に水晶エピタキシャル層を成長させた。得られた水晶(96 μm)/ バッファ層(25 nm)/Si(111) 基材を加工して、前記関連する第１の水晶振動子と同様な形状の振動子を作成して特性を測定した。
周波数と発振強度の関係について調べた結果、17.34MHzで、関連する第１の水晶振動子よりも強い発振を示した。このことから、バッファ層は水晶の結晶性を向上させ、発振強度を増加させていることがわかる。
【００１９】
〔材料等についての他の変形例〕
なお、Si基材以外の単元素半導体GeやGaAs，GaP ，GaN ，ZnS ，ZnSe等の化合物半導体およびZnO ，MgO 等の酸化物基材上に直接水晶薄膜を成長させたものについても、同様の効果が見られた。
【００２０】
なお、Si，Ge基材以外のGaAs，GaP ，GaN ，ZnS ，ZnSe等の化合物半導体およびZnO ，MgO 等の酸化物基材上に直接水晶薄膜を成長させたものについても、水晶振動子の製造が可能である。
【００２１】
また本発明によればシリコン、ゲルマニウム、化合物半導体基材上に水晶薄膜を成長させることができ、この同一基材上にシリコン、ゲルマニウム、化合物半導体回路を生成することができるので、この回路を前記振動子の発振回路に利用し、発振回路を一体形成した水晶振動子を容易に製造することができる。さらに、前記水晶薄膜を水晶フィルタに用いる場合は、フィルタ前置増幅器、緩衝増幅器を一体成型することもできる。
【発明の効果】
【００２２】
前述のように、前記水晶薄膜はシリコン、ゲルマニウム、化合物半導体および酸化物基材上に直接水晶薄膜を成長されているので、半導体加工技術を応用することによって水晶薄膜１を精密に加工することが可能となり、また、水晶薄膜１を非常に薄くすることも容易となり、これまで得ることが困難であった100MHz以上の共振周波数を持つ水晶薄膜が２０μm 以下の水晶振動子の製造が容易になった。
【００２３】
また、前記水晶薄膜は、シリコン，ゲルマニウム、化合物半導体および酸化物基材上に直接水晶薄膜を成長させているために、水晶薄膜の厚さが非常に薄くても取り扱いが容易で、作業性も良い。
さらに、前記水晶振動子製造方法の場合、従来の水晶振動子製造におけるエッチング過程での水晶削除がなくなり、製造コストを削減できる。
また本発明によれば水晶振動子の基材に半導体回路を形成することができるから、この回路を前記振動子の発振回路に利用すれば、発振回路を一体化した水晶振動子を提供することができる。水晶フィルタに用いれば、前置増幅器や緩衝増幅器を一体型にした、外部に接続される回路によってフィルタ特性が影響を受けにくく、かつインピーダンスマッチングが容易な一体型フィルタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明方法に関連する第１の水晶振動子を示す斜視図である。
【図２】 前記第１の水晶振動子の断面図である。
【図３】 前記第１の水晶振動子を変形した本発明方法に関連する第２の水晶振動子の断面図である。
【図４】 本発明方法に関連する第３の水晶振動子（電極形成前）を示す斜視図である。
【図５】 前記第３の水晶振動子の断面図である。
【図６】 本発明方法に関連する第３の水晶振動子（電極形成後）の斜視図である。
【図７】 前記第３の水晶振動子の断面図である。
【図８】 本発明方法による水晶振動子の実施例を示す斜視図である。
【図９】 前記実施例の断面図である。
【図１０】 前記実施例で使用する基材の上に成長させ水晶エピタキシャル成長層の二結晶Ｘ線回折スペクトル図である。
【図１１】 本発明による水晶振動子の実施例の発振周波数と強度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 水晶薄膜
２ 振動片
２ａ 水晶薄膜即振動片
３ａ，３ｂ 励起電極
４ 基材中の穴
５ 基材
５Ａ 励起電極を兼ねる基材
５Ｂ 逆メサ型の凹部が加工された励起電極を兼ねる基材
６ GaAs層
【発明の属する技術分野】
本発明は水晶薄膜を振動体として用いる発振器用の水晶振動子のみならず水晶フィルタを含む水晶振動子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、水晶振動子とは要求性能により設計された水晶片の表面に薄膜電極を配し、これを機械的な支持と電気的リードを兼ねた支持薄板を持った保持器内に保持密封されたものを言う。これに対して水晶フィルタは、種々の信号成分の中から必要な周波数成分のみを取り出し、不要な周波数成分を減衰させる機能をもった水晶デバイスである。１枚の水晶板に２分割された電極を配置し、２つの振動モードの結合により、フィルタ特性の得られるＭＣＦ（Monolithic Crystal Fielter) が広く知られている。本発明に係るものおよび方法は前述の一般的な水晶振動子および水晶フィルタの構造および製造方法に係わるものであるから、以下本発明において、水晶振動子の意味は、前述の水晶フィルタを含む広義な意味で用いることにする。
【０００３】
水晶振動子は、その高い安定性により、情報通信に欠かせない重要なデバイスとして用いられている。近年、通信衛星や携帯電話などの発達にともない、その高性能化、小型化が一つの大きな目標とされている。
これらの要請に応じて特開平８−１５７２９７号はゾルゲル法による単結晶薄膜水晶の製造方法を提案し、特開平５−３２７３８３号は水晶素板の加工方法を提案している。一方本件発明者らは、真空装置を用いない大気圧下で、珪素のアルコキシド原料と酸素との反応により基材上にエピタキシャル成長させる、大気圧気相エピタキシー成長法(AP-VPE)を特願２０００−２７０，３００で提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
また、移動体通信に使用される周波数帯がGHz 帯まで高周波化するにしたがって、水晶振動子の発振周波数も高周波数化が必要である。
水晶振動子の発振周波数は、水晶素板の厚みに反比例するため、発振周波数の高周波化を行うためには、水晶素板を薄く加工する必要がある。しかしながら、現在の加工方法では水晶素板の厚さが４０μm 以下になると実現は困難である。
そのため、基本発振波で得られる量産可能な水晶振動子の発振周波数の上限は４０MHz 程度であった。
一層の高周波化には、ウエットエッチングやドライエッチングなどの手法を用いる必要がある。しかし、厚さの制御性を良くするためにエッチンググレードを低く抑えると、エッチングして除去する水晶の量が多いために、水晶素板が所望の厚さになるまでに非常に時間がかかるという問題がある。
【０００５】
これに対して、本件発明者らは、前述したように、真空装置を用いない大気圧下で、珪素のアルコキシド原料と酸素との反応により基材上にエピタキシャル成長させる、大気圧気相エピタキシー成長法(AP-VPE)を開発し、特願２０００−２７０，３００号として出願をしている。
本発明の目的は、前述の方法で基材の上に形成された水晶薄膜と基材を利用した水晶振動子の製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明による請求項１記載の水晶振動子の製造方法は、
基材となる結晶表面に、大気圧下で水晶薄膜をエピタキシャル成長させた水晶振動子の製造方法であって、
前記基材は高ドープの基材で、一面に逆メサ型凹部を形成する凹部加工工程と、
前記基材の逆メサ型凹部の他面側に大気圧下で水晶薄膜をエピタキシャル成長させ、前記水晶薄膜を水晶振動片とする振動片成長工程と、
前記水晶振動片の裏面に前の工程で残存させられている前記基材の一部を前記水晶振動片の下部励起電極とし、前記水晶振動片の表面に金または銀を蒸着して上部励起電極とする電極形成工程
とからなることを特徴とするものである。
本発明による請求項２記載の水晶振動子の製造方法は、
基材となる結晶表面に、大気圧下で水晶薄膜をエピタキシャル成長させた水晶振動子の製造方法であって、
前記基材は高ドープの基材で、一面に逆メサ型凹部を形成する凹部加工工程と、
前記基材の逆メサ型凹部の他面側に大気圧下で水晶薄膜をエピタキシャル成長させ、前記水晶薄膜を水晶振動片とする振動片成長工程と、
前記水晶振動片の裏面に前の工程で残存させられている前記基材の一部を前記水晶振動片の下部励起電極とし、前記水晶振動片の表面に金または銀を蒸着して上部励起電極とする電極形成工程と、
前記基材の前記凹部に対応する水晶振動片以外の部分に、半導体回路を形成する工程
とからなることを特徴とするものである。
本発明による請求項３記載の水晶振動子の製造方法は、請求項１または２記載の水晶振動子の製造方法において、
前記基材となる結晶は単元素半導体、化合物半導体または酸化物結晶であり、前記単元素半導体はＳｉまたはＧｅ、前記化合物半導体はＧａＡｓ，ＧａＰ，ＧａＮ，ＺｎＳ，またはＺｎＳｅであり、前記酸化物結晶はＡｌ 2 Ｏ 3 ，ＺｎＯ，またはＭｇＯとするものである。
前述の本発明方法に関連する第１の水晶振動子は、
結晶よりなる基材と、前記基材の表面に大気圧下でエピタキシャル成長させた水晶薄膜と、前記水晶薄膜を励振する上励起電極と下励起電極よりなる水晶振動子であって、
前記基材には、前記水晶薄膜の裏面を露出させる穴が設けられ、
水晶振動片は、前記水晶薄膜を加工してその一端は前記穴の上に突出させられており、
前記上励起電極は前記水晶振動片の上面に蒸着により形成された金属層、前記下励起電極は前記水晶振動片の下面と基材裏面に蒸着により形成された金属層とすることができる。
前述の本発明方法に関連する第２の水晶振動子は、
結晶よりなる基材と、前記基材の表面に大気圧下でエピタキシャル成長させた水晶薄膜と、前記水晶薄膜を励振する上励起電極と下励起電極よりなる水晶振動子であって、
前記基材は、高ドープ化された基材であり、
前記基材には、前記水晶薄膜の裏面を露出させる穴が設けられ、
水晶振動片は、前記水晶薄膜を加工してその一端は前記穴の上に突出させられており、
前記上励起電極は前記水晶振動片の上面に蒸着により形成された金属層、前記下励起電極は前記水晶振動片である前記水晶薄膜を成長させた前記高ドープ化された基材とすることができる。
前述の本発明方法に関連する第３の水晶振動子は、
結晶よりなる基材と、前記基材の表面に形成されたバッファ層と、前記バッファ層の表面に大気圧下でエピタキシャル成長させた水晶薄膜と、前記水晶薄膜を励振する上励起電極と下励起電極よりなる水晶振動子であって、
前記基材とバッファ層には、前記水晶薄膜の裏面を露出させる穴が設けられ、
水晶振動片は、前記水晶薄膜を加工してその一端は前記穴の上に突出させられており、
前記上励起電極は前記水晶振動片の上面に蒸着により形成された金属層、前記下励起電極は前記水晶振動片の下面と基材裏面に蒸着により形成された金属層とすることができる。
【０００７】
前述の本発明方法に関連する第４の水晶振動子は、
前記基材を形成する半導体の水晶薄膜領域以外に半導体回路を生成し、前記水晶振動子の回路に利用することができる。
前述の本発明方法に関連する第１の水晶振動子の製造方法は、
基材となる結晶板を準備するステップと、
前記基材の表面に水晶薄膜をエピタキシャル成長させる水晶薄膜生成ステップと、
前記水晶薄膜と前記基材をエッチングにより加工して前記基材に設けられた穴の上に突出する振動片を形成する振動片形成ステップと、
前記振動片の表面と裏面に金属を蒸着して励起電極を形成する励起電極形成ステップと、
を含んで構成されている。
前述の本発明方法に関連する第２の水晶振動子の製造方法は、
基材となるとともに下励起電極となる高ドープの結晶板を準備するステップと、
前記基材の表面に水晶薄膜をエピタキシャル成長させる水晶薄膜生成ステップと、
水晶薄膜と基材をエッチングにより加工して、一端がエッチングにより加工された穴の上に突出させられている振動片を形成する振動片形成ステップと、
前記振動片の表面のみに金又は銀を蒸着して励起電極を形成する上励起電極を形成する励起電極形成ステップと、
から構成されている。
【０００８】
前述の本発明方法に関連する第３の水晶振動子の製造方法は、
基材となる結晶板を準備するステップと、
前記基材の表面に基材とは別の結晶よりなるバッファ層をエピタキシャル成長させる基 材にバッファ層を生成するステップと、
前記バッファ層の表面に水晶薄膜をエピタキシャル成長させる水晶薄膜生成ステップと、
前記水晶薄膜、バッファ層および基材をエッチングにより加工して、一端がエッチングにより加工された穴の上に突出させられている振動片を形成する振動片形成ステップと、
前記振動片の表面と裏面に金属を蒸着して上下の励起電極を形成する励起電極形成ステップと、
から構成されている。
【０００９】
【発明の実施の態様】
以下図面等を参照して、本発明による水晶振動子の製造方法を説明する。
〔水晶薄膜形成の実施例〕すでに発明者らが報告（特願２０００−２７０３００）した大気圧気相エピタキシー成長法(AP-VPE)により、下記の条件下で厚さ１μm から３００μm の水晶エピタキシー薄膜を得た。サンプルの厚さは９６μm である。
典型的な反応条件を表１に示す。
なお、表中の「sccm」は「Standard cubic centimeter per minute」のことである。
【表１】
テトラエトキシシラン分圧 3.3x10-3atm
酸素分圧 3.3x10-1atm
塩化水素 1.67x10-3atm
全圧 1atm
全流量 800sccm
基材 Si(111)
成長温度 550 〜850 ℃
次に前記実施例で得られた水晶エピタキシャル層について説明する。まず、本研究で得られた水晶エピタキシャル層の一例として、成長温度を800 ℃とした場合の、Ｘ線回折(XRD) の結果を図１０に示す。なお、膜の厚さは９６μm である。
測定は「RIGAKU RINT2000 」を用いて行い、測定条件は表２に示すとおりである。
【表２】
Ｘ線 Cuk α1 30kV 20mA
走査軸 2 θ／θ
受光スリット 0.3mm
走査範囲 35〜55°
スキャンスピード 1 °/min
【００１０】
図１０に示すＸ線回折プロフィールによれば、六方晶水晶相の(003) に対する強い回折ピークが 2θ=50.6 °にあり、成長した層は六方晶系の構造を有していることがわかる。 2θ=28.44°に見られるピークはSi基板の(111) 回折ピークである。
【００１１】
〔関連する第１の水晶振動子〕前述のようにしてSi基板上に直接成長させた前記水晶薄膜に、半導体加工技術を応用して振動片を形成し、水晶振動子を製造した。
図１は前記過程によって得られたSi(111) 基板により形成される基材５上に形成された本発明方法に関連する第１の水晶振動子を示す斜視図、図２は断面図である。
水晶薄膜１はSi(111) 基板よりなるSi基材５の上に形成されている。振動片２の上面に上部励起電極３ａおよび振動片２の下面と基材５の下面に下部励起電極３ｂがそれぞれ設けられている。励起電極３ａ，３ｂは金または銀を蒸着により付着させて形成したものである。
【００１２】
前記振動片２は水晶薄膜１から切り出されものであって、図１において、振動片２は基材５の中央に加工により設けられた矩形の穴４上に右方向から突き出され支持されたものである。振動片２の幅は０．８ｍｍ、長さは５ｍｍの矩形状である。また前記励起電極３ａおよび３ｂの実効部分は幅０．５ｍｍ、長さは２ｍｍの矩形状である。下側励起電極３ｂは基材５の背面に溝部を形成し、その溝部と、振動片２の下面に下部励起電極３ｂを形成する。
前記振動片２は前記水晶薄膜１をドライエッチングによってくり抜き加工して形成したものである。この実施例において前記水晶薄膜１は厚さを９６μm とした。
【００１３】
前記関連する第１の水晶振動子の製造方法は次のとおりである。
（基材となる結晶板を準備するステップ）このステップでSi(111) の基材を準備する。
（水晶薄膜生成ステップ）前記基材の表面に水晶薄膜をエピタキシャル成長させる。水晶薄膜形成の実施例で説明したとおりである。
（振動片を形成するステップ）水晶薄膜と基材をエッチングにより加工して、前述の形状の振動片２を形成する。
（励起電極を形成するステップ）前記振動片の表面と裏面に金または銀を蒸着して励起電極を形成する。
【００１４】
以上のようにして製造された水晶振動子の周波数と発振強度の関係を図１１に示す。図１１に示すように、17.34 MHz において強い発振を示している。このことから、この方法で発振特性の優れた水晶薄膜が作製できたことがわかる。水晶薄膜がシリコン基材上に直接成長され、厚さの制御が可能なため、これまでの水晶振動子の製造で必要とされてきたエッチングを必要とせず、製造時間が大幅に短縮される。
また、この方法は、水晶薄膜をフォトリゾグラフィーやエッチングなどの半導体加工技術を用いて任意の形状、寸法に加工することができ、高性能化、小型化や量産性に優れた加工方法である。
【００１５】
〔関連する第２の水晶振動子〕次に前記関連する第１の水晶振動子に変形を加えた第２の水晶振動子を図３を参照して説明する。
図３は基材５Ａを高ドープ化し、自体が、電極として機能するようにしたものである。
この関連する第２の水晶振動子の製造方法は次のとおりである。
（基材となる結晶板を準備するステップ）このステップでSi(111) の高ドープの基材を準備する。
（水晶薄膜生成ステップ）前記基材の表面に水晶薄膜をエピタキシャル成長させる。水晶薄膜形成の実施例で説明したとおりであり、前述の方法と異ならない。
（振動片を形成するステップ）水晶薄膜と基材をエッチングにより加工して、前述の形状の振動片２を形成する。
（励起電極を形成するステップ）前記振動片の表面のみに金又は銀を蒸着して励起電極を形成する。裏面の電極に相当する基材は前のステップで残存させられている。図３の３ａが上側の励起電極であり、基材５Ａの振動片２の下面が励起電極として機能する。
【００１６】
〔関連する第３の水晶振動子〕この第３の水晶振動子は基材となる結晶上に基材とは別の結晶をエピタキシャル成長させ、この別結晶の表面に水晶薄膜をエピタキシャル成長させる事を特徴としている。前記別結晶の材料としては、GaAs, ZnO を使用する。この第３の水晶振動子の製造方法は次の通りである。
（基材となる結晶板を準備するステップ）このステップでSi(111) の基材を準備する。
（基材とは別の結晶を生成するステップ）前記基材の表面に基材とは別の結晶であるGaAsを厚さ数十ミクロンにエピタキシャル成長させる。
（水晶薄膜生成ステップ）前記 GaAs のエピタキシャル成長層の表面に水晶薄膜をエピタキシャル成長させる。
（振動片を形成するステップ）前記第１の水晶振動子で記述した図１および図２に示す振動片を形成するステップについて図４，図５，図６，図７を用いて説明をする。
まず、基材５、GaAs層６と水晶薄膜１を加工する為に、エッチング液としてフッ酸を使用して図４，図５，に示す空間４の形状にエッチング加工を行う。但しこの時に、図５に示す様に振動片２の裏面に GaAs 層６を残しておく。次に、基材５と水晶薄膜１をエッチング出来ない弱い酸で GaAs をエッチング可能な硫酸、硝酸、塩酸、過酸化水素水のいずれかをエッチング液として使用して図５に示す振動片２の裏面に残してある GaAs 層６をエッチング加工して図６、図７に示す形状を形成する。この加工手段を使用することで、前記第１の水晶振動子のエッチング加工よりも加工が容易となる。
（励起電極を形成するステップ）前記振動片２の表面と裏面に金又は銀を蒸着して励起電極３ａおよび３ｂを形成する。
【００１７】
〔本発明方法による水晶振動子の実施例〕
次に前述の第１および第２の水晶振動子に変形を施した本発明による振動子の実施例を図８，図９を参照して説明する。この実施例は、特に水晶薄膜の厚みを１０μ以下とした、極めて薄い振動子を得るものである。
基材５Ｂは前記第２の水晶振動子の基材と同様に高ドープ化により導電性を高め自体が電極として機能するようにしたものである。
この実施例の製造方法は次のとおりである。
（基材となる結晶板を準備するステップ）このステップでSi(111) の高ドープの基材５Ｂを準備する。
（基材の加工ステップ）基材の５Ｂの一面に逆メサ型凹部を設ける加工をする。この逆メサ型凹部を除去した残りの平面部分の厚さは、次ステップで生成される水晶薄膜１の励振部の振動を阻害しない厚さであり、この結晶薄膜１を機械的に保持できる厚さとする。
（水晶薄膜生成ステップ）前記基材の表面に水晶薄膜１をエピタキシャル成長させる。水晶薄膜１の形成の実施例で説明したとおりである。
（振動片または薄膜を形成するステップ）前記逆メサ型の凹部が形成された基材５Ｂの部分に形成された水晶薄膜１が振動片（または振動薄膜）２ａとなる。
（励起電極を形成するステップ）前記振動片の表面に金または銀を蒸着して励起電極を形成する。裏面の電極に相当する基材は前のステップで残存させられている５Ｂの一部である。
図８，図９に示されている３ａが上側の励起電極であり、基材５Ｂの振動片２ａの下面が励起電極として機能する。
【００１８】
〔水晶薄膜形成の他の実施例〕
この実施例は基材の上に予めバッファ層を形成することを特徴としている。水晶エピタキシャル成長層を形成する前に、基材上に種々の厚さのバッファ層を設け、バッファ層の効果を調べた。バッファ層は、550 ℃で水晶を堆積させアニールすることにより作製する。その上に水晶エピタキシャル層を成長させた。得られた水晶(96 μm)/ バッファ層(25 nm)/Si(111) 基材を加工して、前記関連する第１の水晶振動子と同様な形状の振動子を作成して特性を測定した。
周波数と発振強度の関係について調べた結果、17.34MHzで、関連する第１の水晶振動子よりも強い発振を示した。このことから、バッファ層は水晶の結晶性を向上させ、発振強度を増加させていることがわかる。
【００１９】
〔材料等についての他の変形例〕
なお、Si基材以外の単元素半導体GeやGaAs，GaP ，GaN ，ZnS ，ZnSe等の化合物半導体およびZnO ，MgO 等の酸化物基材上に直接水晶薄膜を成長させたものについても、同様の効果が見られた。
【００２０】
なお、Si，Ge基材以外のGaAs，GaP ，GaN ，ZnS ，ZnSe等の化合物半導体およびZnO ，MgO 等の酸化物基材上に直接水晶薄膜を成長させたものについても、水晶振動子の製造が可能である。
【００２１】
また本発明によればシリコン、ゲルマニウム、化合物半導体基材上に水晶薄膜を成長させることができ、この同一基材上にシリコン、ゲルマニウム、化合物半導体回路を生成することができるので、この回路を前記振動子の発振回路に利用し、発振回路を一体形成した水晶振動子を容易に製造することができる。さらに、前記水晶薄膜を水晶フィルタに用いる場合は、フィルタ前置増幅器、緩衝増幅器を一体成型することもできる。
【発明の効果】
【００２２】
前述のように、前記水晶薄膜はシリコン、ゲルマニウム、化合物半導体および酸化物基材上に直接水晶薄膜を成長されているので、半導体加工技術を応用することによって水晶薄膜１を精密に加工することが可能となり、また、水晶薄膜１を非常に薄くすることも容易となり、これまで得ることが困難であった100MHz以上の共振周波数を持つ水晶薄膜が２０μm 以下の水晶振動子の製造が容易になった。
【００２３】
また、前記水晶薄膜は、シリコン，ゲルマニウム、化合物半導体および酸化物基材上に直接水晶薄膜を成長させているために、水晶薄膜の厚さが非常に薄くても取り扱いが容易で、作業性も良い。
さらに、前記水晶振動子製造方法の場合、従来の水晶振動子製造におけるエッチング過程での水晶削除がなくなり、製造コストを削減できる。
また本発明によれば水晶振動子の基材に半導体回路を形成することができるから、この回路を前記振動子の発振回路に利用すれば、発振回路を一体化した水晶振動子を提供することができる。水晶フィルタに用いれば、前置増幅器や緩衝増幅器を一体型にした、外部に接続される回路によってフィルタ特性が影響を受けにくく、かつインピーダンスマッチングが容易な一体型フィルタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明方法に関連する第１の水晶振動子を示す斜視図である。
【図２】 前記第１の水晶振動子の断面図である。
【図３】 前記第１の水晶振動子を変形した本発明方法に関連する第２の水晶振動子の断面図である。
【図４】 本発明方法に関連する第３の水晶振動子（電極形成前）を示す斜視図である。
【図５】 前記第３の水晶振動子の断面図である。
【図６】 本発明方法に関連する第３の水晶振動子（電極形成後）の斜視図である。
【図７】 前記第３の水晶振動子の断面図である。
【図８】 本発明方法による水晶振動子の実施例を示す斜視図である。
【図９】 前記実施例の断面図である。
【図１０】 前記実施例で使用する基材の上に成長させ水晶エピタキシャル成長層の二結晶Ｘ線回折スペクトル図である。
【図１１】 本発明による水晶振動子の実施例の発振周波数と強度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 水晶薄膜
２ 振動片
２ａ 水晶薄膜即振動片
３ａ，３ｂ 励起電極
４ 基材中の穴
５ 基材
５Ａ 励起電極を兼ねる基材
５Ｂ 逆メサ型の凹部が加工された励起電極を兼ねる基材
６ GaAs層
Claims (3)
- 基材となる結晶表面に、大気圧下で水晶薄膜をエピタキシャル成長させた水晶振動子の製造方法であって、
前記基材は高ドープの基材で、一面に逆メサ型凹部を形成する凹部加工工程と、
前記基材の逆メサ型凹部の他面側に大気圧下で水晶薄膜をエピタキシャル成長させ、前記水晶薄膜を水晶振動片とする振動片成長工程と、
前記水晶振動片の裏面に前の工程で残存させられている前記基材の一部を前記水晶振動片の下部励起電極とし、前記水晶振動片の表面に金または銀を蒸着して上部励起電極とする電極形成工程
とからなることを特徴とする水晶振動子の製造方法。 - 基材となる結晶表面に、大気圧下で水晶薄膜をエピタキシャル成長させた水晶振動子の製造方法であって、
前記基材は高ドープの基材で、一面に逆メサ型凹部を形成する凹部加工工程と、
前記基材の逆メサ型凹部の他面側に大気圧下で水晶薄膜をエピタキシャル成長させ、前記水晶薄膜を水晶振動片とする振動片成長工程と、
前記水晶振動片の裏面に前の工程で残存させられている前記基材の一部を前記水晶振動片の下部励起電極とし、前記水晶振動片の表面に金または銀を蒸着して上部励起電極とする電極形成工程と、
前記基材の前記凹部に対応する水晶振動片以外の部分に、半導体回路を形成する工程
とからなることを特徴とする水晶振動子の製造方法。 - 前記基材となる結晶は単元素半導体、化合物半導体または酸化物結晶であり、前記単元素半導体はＳｉまたはＧｅ、前記化合物半導体はＧａＡｓ，ＧａＰ，
ＧａＮ，ＺｎＳ，またはＺｎＳｅであり、前記酸化物結晶はＡｌ 2 Ｏ 3 ，ＺｎＯ，またはＭｇＯである請求項１または２記載の水晶振動子の製造方法。
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