JP6132022B2 - 圧電共振子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電共振子及び該圧電共振子の製造方法に関する。

従来、単結晶Ｓｉ上に圧電薄膜を含む励振部が構成されている圧電ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）振動子が知られている。

例えば、下記の特許文献１には、Ｓｉ単結晶上に、スカンジウム含有窒化アルミニウムからなる圧電体薄膜が設けられている、圧電ＭＥＭＳ振動子が開示されている。上記圧電ＭＥＭＳ振動子は、Ｓｉ単結晶にキャビティ部が設けられている、いわゆる、Ｃａｖｉｔｙ ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を有している。

また、下記の特許文献２や非特許文献１，２においても、ＳＯＩ基板上に窒化アルミニウムからなる圧電膜層が設けられている、圧電ＭＥＭＳ振動子が開示されている。

特開２００９−１０９２６号公報 ＵＳ２０１０／００１３３６０Ａ１

Ｐｒｏｃｅｄｉａ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ１（２００９）１３９５−１３９８ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，２００７，ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ １２１０−１２１３

しかしながら、特許文献１，２や非特許文献１，２に記載の圧電ＭＥＭＳ振動子では、Ｓｉ層の厚みばらつきが大きかった。他方、共振周波数はＳｉ層の厚みに依存する。従って、特許文献１，２や、非特許文献１，２に記載の圧電共振子では、周波数にばらつきが生じがちであった。そのため、トリミング工程を設け、周波数を調整しなければならなかった。

本発明の目的は、Ｓｉの厚みばらつきに基づく、共振周波数のばらつきを抑制することができる、圧電共振子及び該圧電共振子の製造方法を提供することにある。

本発明に係る圧電共振子は、単結晶Ｓｉと、上記単結晶Ｓｉ上に設けられた窒化アルミニウムからなる圧電薄膜と、上記圧電薄膜を挟むように設けられた第１，第２の電極とを備える。上記窒化アルミニウムからなる圧電薄膜において、窒素及びアルミニウムを除いた元素がドープされている。上記単結晶Ｓｉを除く部分の音速の合成音速は、上記単結晶Ｓｉの音速と実質的に一致されている。

本発明に係る圧電共振子のある特定の局面では、上記ドープが、上記単結晶Ｓｉを除く部分の音速の合成音速と、上記単結晶Ｓｉの音速とを実質的に一致させるようになされている。

本発明に係る圧電共振子の他の特定の局面では、上記ドープが、スカンジウム、イットリウム、ルテチウム及びジスプロシウムからなる群から選択された少なくとも１種の元素によりなされている。

本発明に係る圧電共振子のさらに別の特定の局面では、上記単結晶Ｓｉが、ｎ型ドーパントによりドープされており、該ｎ型ドーパントの濃度が１×１０^１９／ｃｍ^３以上である。

本発明に係る圧電共振子は、好ましくは、上記第１，第２の電極に接するように、シリコン酸化膜層が配置されている。

本発明に係る圧電共振子では、好ましくは、上記窒素及びアルミニウムを除いた元素がドープされている窒化アルミニウムからなる圧電薄膜よりも高音速な誘電体膜が、上記第１，第２の電極に接するように配置されている。上記高音速な誘電体膜は、好ましくは、ホウ素と炭素のうち少なくとも一方の元素がドープされた窒化アルミニウムからなる。

本発明に係る圧電共振子は、好ましくは、振動モードが、幅拡がり振動又は面内屈曲振動である。

本発明に係る圧電共振子の製造方法では、単結晶Ｓｉを用意する工程と、上記単結晶Ｓｉ上に第１の電極を形成する工程と、上記第１の電極上に窒化アルミニウムからなる圧電薄膜を形成する工程と、上記圧電薄膜上に第２の電極を形成する工程とを備える。上記圧電薄膜を形成する工程は、上記単結晶Ｓｉを除く部分の音速の合成音速を、上記単結晶Ｓｉの音速と実質的に一致させるように、窒素及びアルミニウムを除いた元素を、予め窒化アルミニウムにドープする工程を含む。

本発明に係る圧電共振子では、単結晶Ｓｉを除く部分の音速の合成音速が、単結晶Ｓｉの音速と実質的に一致されている。その結果、共振周波数が厚みに依存しなくなる。よって、厚みばらつきに基づく、共振周波数ばらつきを抑制することができる。

本発明に係る圧電共振子の製造方法では、Ｓｉの厚みばらつきに基づく、共振周波数のばらつきを抑制することができる圧電共振子を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振子の外観を示す斜視図である。 図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿う部分の断面図である。 図３は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に対するＳｃ濃度と音速の関係を示す図である。 図４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に対するＳｃ、Ｙ、Ｄｙ及びＬｕのドーパント濃度と音速の関係を示す図である。 図５は、第１の実施形態の第１の変形例を説明するための断面図である。 図６は、Ｓｃ濃度が１５ａｔ％のＳｃＡｌＮを用いたときの、ＳｃＡｌＮ膜厚比（ＳｃＡｌＮ／ＳｃＡｌＮ＋ＳｉＯ_２）と、合成音速（ＳｃＡｌＮの音速とＳｉＯ_２の音速の合成音速）との関係を示す図である。 図７は、スカンジウム（Ｓｃ）濃度と圧電定数（ｄ_３３）の関係を示す図である。 図８は、第１の実施形態の第２の変形例を説明するための断面図である。 図９は、第１の実施形態の第３の変形例を説明するための断面図である。 図１０は、窒化アルミニウムに対するＢ及びＣのドーパント濃度と音速の関係を示す図である。 図１１は、本発明の第２の実施形態に係る圧電共振子の外観を示す斜視図である。 図１２は、図１１中のＢ−Ｂ線に沿う部分の断面図である。 図１３は、実施例１に係る幅拡がり振動子のＳｉの厚みと周波数ばらつきの関係を示す図である。 図１４は、実施例２に係る面内屈曲振動子のＳｉの厚みと周波数ばらつきの関係を示す図である。 図１５は、実施例３に係る幅拡がり振動子のＳｉの厚みと周波数ばらつきの関係を示す図である。 図１６は、実施例４に係る幅拡がり振動子のＳｉの厚みと周波数ばらつきの関係を示す図である。 図１７は、第２の実施形態の変形例を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電共振子１の外観を示す斜視図である。圧電共振子１は、支持部２ａ，２ｂと、振動板３と、連結部４ａ，４ｂとを備える、幅拡がり振動を利用している共振子である。

振動板３は矩形板状であり、長さ方向と幅方向とを有している。振動板３は、連結部４ａ，４ｂを介して、支持部２ａ，２ｂに接続されている。すなわち、振動板３は、支持部２ａ，２ｂにより支持されている。振動板３は、交番電界が印加されると、幅拡がり振動モードで幅方向に振動する振動体である。

連結部４ａ，４ｂの一端は、振動板３の短辺側の側面中央に接続されている。上記振動板３の短辺側の側面中央は、幅拡がり振動のノードとなっている。

支持部２ａ，２ｂは、連結部４ａ，４ｂの他端に接続されている。支持部２ａ，２ｂは、連結部４ａ，４ｂの両側に延びている。支持部２ａ，２ｂの長さは、特に限定されないが、本実施形態においては、振動板３の短辺と同じ長さである。

支持部２ａ，２ｂ及び連結部４ａ，４ｂは、それぞれ、振動板３と同じ材料で構成されていてもよいし、別の材料で構成されていてもよい。

図２は、図１中のＡ−Ａ線に沿う部分の断面図である。図２に示すように、振動板３は、単結晶Ｓｉ５、第１，第２の電極６，７、圧電薄膜８により構成されている。

より具体的には、単結晶Ｓｉ５上に、圧電薄膜８が設けられている。第１，第２の電極６，７は、圧電薄膜８を挟むように設けられている。なお、本実施形態においては、図示を省略しているが、単結晶Ｓｉ５の上面５ａにシード層を設けてもよいし、第２の電極７の上面に保護層を設けてもよい。もっとも、上記シード層及び上記保護層は設けなくともよい。上記シード層及び上記保護層としては、圧電薄膜８と同じ材料を用いることができる。

上記単結晶Ｓｉは、特に限定されないが、縮退半導体であるｎ型半導体であり、ｎ型ドーパントのドーパント濃度が、１×１０^１９／ｃｍ^３以上であることが好ましい。高濃度にドープされたｎ型半導体を用いた場合、温度による共振周波数変動をより一層改善させることができるためである。なお、上記ｎ型ドーパントとしては、Ｐ、Ａｓ又はＳｂ等の第１５属元素を挙げることができる。

第１，第２の電極６，７の材料としては、特に限定されず、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ又はこれらの合金などの適宜の金属を用いることができる。共振子のＱ値を向上させるためには、電極材料にもＱ値が高い材料を用いることが有効であるため、ＭｏやＷを用いることが好ましい。

圧電薄膜８は、窒素及びアルミニウムを除いた元素がドープされている窒化アルミニウムにより構成されている。上記ドープされる元素としては、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ルテチウム（Ｌｕ）及びジスプロシウム（Ｄｙ）からなる群から選択された少なくとも１種の元素が好ましい。添加濃度に対して音速の変化率が小さく、濃度のばらつきに比較的強いＳｃを用いることがより好ましい。

本実施形態の圧電共振子１では、単結晶Ｓｉ５を除く部分の音速の合成音速が、上記単結晶Ｓｉ５の音速と実質的に一致されている。なお、本明細書における音速とは、縦波音速を意味する。また、音速は、完全に一致されていることが好ましいが、実質的に一致されていればよい。

上記単結晶Ｓｉ５を除く部分の音速の合成音速は、例えば、本実施形態では、第１，第２の電極６，７の音速と圧電薄膜８の音速との合成音速である。通常、第１，第２の電極６，７の厚みは、他の層と比較して、例えば、圧電薄膜８の１／２０〜１／４と薄く、音速への寄与が小さい。そこで、本明細書においては、第１，第２の電極６，７の音速は無視するものとする。

この場合、上記単結晶Ｓｉ５を除いた圧電共振子１の合成音速は、圧電薄膜８の音速となる。よって、本実施形態において、圧電薄膜８の音速と単結晶Ｓｉ５の音速とを一致させることが必要となる。

圧電薄膜８の音速と単結晶Ｓｉ５の音速を一致させる方法としては、圧電薄膜８を構成する窒化アルミニウムに対する、上記窒素及びアルミニウムを除いた元素のドーパント濃度を調節する方法が挙げられる。より具体的には、以下、図３を参照して説明する。

図３は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に対するＳｃのドーパント濃度と音速の関係を示す図である。図３より、図の実線で示すＳｃ含有窒化アルミニウム（ＳｃＡｌＮ）の音速は、Ｓｃ濃度の増加とともに低下していることが分かる。これは、Ｓｃを添加することで、ＳｃとＡｌが置換し、ａ軸方向の格子間隔が広がり、ｃ軸方向にＳｃやＡｌ原子が動きやすくなり、ヤング率が急激に低下するためである。一方、破線で示す単結晶Ｓｉ５は、Ｓｃ濃度に関わらず、音速が一定である。そこで、窒化アルミ二ウムに対するＳｃのドーパント濃度を増加させていくと、図中Ｘ点において、ＳｃＡｌＮの音速と単結晶Ｓｉ５の音速が一致する。このように、Ｓｃのドーパント濃度を調整することによって、ＳｃＡｌＮの音速（圧電薄膜８の音速）と、上記単結晶Ｓｉ５の音速とを一致させることが可能となる。

本実施形態の圧電共振子１の共振周波数（ｆｒ）は、以下の式（１）で表される。

式（１）により、厚みに依存するのは、以下の式（２）で表されるｖ_{ｔｏｔａｌ}のみであることがわかる。

本発明においては、Ｓｃのドーパント濃度を調整することにより、圧電薄膜８の音速と、上記単結晶Ｓｉ５の音速を一致させているので、ｖ₁＝ｖ_２となる。この場合、ｖ_{ｔｏｔａｌ}は、下記の式（３）で示すように、ｖ_{ｔｏｔａｌ}＝ｖ₁となる。

式（３）で示されるように、ｖ_{ｔｏｔａｌ}は、厚みに依存しないこととなるので、式（１）の共振周波数（ｆｒ）も、厚みに依存しないこととなる。よって、厚みばらつきに基づく、共振周波数のばらつきが抑制される。

図４は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に対するＳｃ、Ｙ、Ｄｙ及びＬｕのドーパント濃度と音速の関係を示す図である。図４から、Ｓｃの代わりに、Ｙ、Ｄｙ、Ｌｕを用いた場合も、ドーパント濃度を高めることにより、音速を低下させ、かつ単結晶Ｓｉ５の音速と一致させることができることがわかる。

図５は、第１の実施形態の第１の変形例を説明するための断面図である。本変形例では、単結晶Ｓｉ５の上面に、さらにシリコン酸化膜９が配置されている。また、本変形例においても、第１，第２の電極６，７の音速は無視する。よって、本変形例においては、上記単結晶Ｓｉ５を除く部分の音速の合成音速は、圧電薄膜８の音速とシリコン酸化膜９の音速との合成音速となる。ここで、シリコン酸化膜９の音速は、単結晶Ｓｉ５の音速よりも遅い。従って、膜厚比（圧電薄膜８の膜厚／圧電薄膜８とシリコン酸化膜９の膜厚の和）を変化させることにより、上記合成音速と単結晶Ｓｉ５の音速とを一致させることができる。より具体的には、図６を参照して、これを説明する。

図６は、Ｓｃ濃度が１５ａｔ％のＳｃＡｌＮを用いたときの、ＳｃＡｌＮ膜厚比（ＳｃＡｌＮ／ＳｃＡｌＮ＋ＳｉＯ_２）と、合成音速（ＳｃＡｌＮの音速とＳｉＯ_２の音速の合成音速）との関係を示す図である。図６より、ＳｃＡｌＮ膜厚比の増加に伴い、上記合成音速が速くなり、図中Ｙ点において、単結晶Ｓｉ５の音速と一致していることがわかる。すなわち、図中Ｙ点においては、単結晶Ｓｉ５の音速（ｖ_１）は、ＳｃＡｌＮ（圧電薄膜８）の音速（ｖ_２）とＳｉＯ_２（シリコン酸化膜９）の音速（ｖ_３）との合成音速（ｔ_２ｖ_２＋ｔ_３ｖ_３）／（ｔ_２＋ｔ_３）と一致する。よって、圧電共振子１の音速（ｖ_{ｔｏｔａｌ}）は下記の式（４）で表すことができる。

式（４）に示すように、圧電共振子の音速（ｖ_{ｔｏｔａｌ}）は、本変形例においても、ｖ_{ｔｏｔａｌ}＝ｖ_１となるので、厚みに依存しない。よって、式（１）の共振周波数も、厚みに依存しないので、厚みばらつきに基づく、共振周波数のばらつきが生じ難くなる。

このように、スカンジウムの濃度や、スカンジウムとシリコン酸化膜９との膜厚比の調整により、上記単結晶Ｓｉを除く部分の音速の合成音速と単結晶Ｓｉ５の合成音速を一致させることができる。その結果、共振周波数が厚みに依存しなくなる。すなわち、厚みばらつきによる共振周波数のばらつきが抑制される。

図７は、スカンジウム（Ｓｃ）濃度と圧電定数（ｄ_３３）の関係を示す図である。図７より、圧電定数（ｄ_３３）は、Ｓｃ濃度が、約４０ａｔ％の時、最大値を示すことがわかる。この場合、広帯域な共振子を安定して得ることができる。他方、Ｓｃ濃度が高いと、図３に示すように、ＳｃＡｌＮ（圧電薄膜８）の音速が低くなるため、単結晶Ｓｉ５の音速と一致させることができないおそれがある。

そこで、例えば、図８に示す、第１の実施形態の第２の変形例のように、第２の電極７の上面に、さらにドープされていない高音速の窒化アルミニウム層１０を配置してもよい。それによって、上記単結晶Ｓｉ５を除く部分の音速の合成音速を単結晶Ｓｉ５の音速と一致させてもよい。

また、図９に示す第１の実施形態の第３の変形例のように、第２の電極７の上面に、さらにホウ素（Ｂ）含有窒化アルミニウム層１１を配置することにより、上記単結晶Ｓｉ５を除く部分の音速の合成音速を単結晶Ｓｉ５の音速と一致させることができる。Ｂでドープした場合、図１０に示すように、ドーパント濃度の増加とともに、音速が速くなるからである。

加えて、上記Ｂ含有窒化アルミニウム（ＢＡｌＮ）の温度特性は良好であるため、圧電共振子１の温度特性を改善することもできる。

なお、本実施形態では、ドーパントとしてＢを用いたが、窒化アルミニウムの音速を速くすることができる元素であれば、特に限定されない。このような元素としては、例えば、炭素を例示することができる。図１０で示されているように、炭素（Ｃ）をドーパントとした場合にも、ドーパント濃度の増加とともに、音速が速くなることがわかる。

本発明の第１の実施形態に係る圧電共振子１は、幅拡がり振動を利用している共振子であったが、図１１に示す第２の実施形態の圧電共振子２１のように、面内屈曲振動を利用している共振子であってもよい。上記圧電共振子２１は、支持部２２と偶数本の振動腕を備える。なお、本実施形態においては、２本の振動腕２３ａ，２３ｂが備えられている。

振動腕２３ａ，２３ｂは、平面形状が細長い矩形であり、長さ方向と幅方向を有している。振動腕２３ａ，２３ｂは、それぞれ、一端が支持部２２に接続されて固定端とされており、他端が自由端として変位可能とされている。２本の振動腕２３ａ，２３ｂは互いに平行に延びており、同じ長さである。振動腕２３ａ，２３ｂは、交番電界が印加されると、面内屈曲振動モードで屈曲振動する振動体である。

支持部２２は、振動腕２３ａ，２３ｂの短辺に接続されている。支持部２２は、振動腕２３ａ，２３ｂの幅方向に延びている。支持部２２は、振動腕２３ａ，２３ｂを、片持ち梁で支持している。

図１２は、図１１中のＢ−Ｂ線に沿う部分の断面図である。図１２に示すように、振動腕２３ａ，２３ｂは、単結晶Ｓｉ５、第１の電極６ａ，６ｂ、第２の電極７ａ，７ｂ及び圧電薄膜８により構成されている。より具体的には、単結晶Ｓｉ５上に第１の電極６ａ，６ｂが形成されている。第１の電極６ａと第１の電極６ｂとは幅方向においてギャップを隔てて対向している。第１の電極６ａ，６ｂを覆うように、単結晶Ｓｉ５上に、圧電薄膜８が形成されている。圧電薄膜８上に第２の電極７ａ，７ｂが形成されている。第２の電極７ａと第２の電極７ｂとは幅方向においてギャップを隔てて対向している。

電極材料にはＭｏ、Ｔｉ、Ａｌ、ＲｕまたはＰｔなどを用いることができる。第１，第２の電極６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂは、上記電極材料の単層膜であっても積層膜であってもよい。第１の電極６ａ，６ｂと単結晶Ｓｉ５との間にシード層を挟んでも良い。それによって、第１の電極６ａ，６ｂの結晶性を高めることができる。シード層材料にはＡｌＮ、ＴｉまたはＳｃＡｌＮなどを用いることができる。

第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様の方法で、上記単結晶Ｓｉを除く部分の音速の合成音速と単結晶Ｓｉの音速を一致させることができる。すなわち、合成音速を厚みに依存しないものとすることができる。

また、第２の実施形態である面内屈曲振動子の共振周波数は、下記に示す式（５）で表される。

式（５）より、面内屈曲振動子の共振周波数においても、合成音速が厚みに依存しない場合、共振周波数は厚みに依存しないことがわかる。よって、面内屈曲振動子においても、上記単結晶Ｓｉ５を除く部分の音速の合成音速と単結晶Ｓｉ５の音速を一致させることで、厚みばらつきに基づく、共振周波数のばらつきを抑制することができる。

本発明に係る圧電共振子の製造方法では、単結晶Ｓｉ５を用意する工程と、上記単結晶Ｓｉ５上に第１の電極６を形成する工程と、上記第１の電極６上に窒化アルミニウムからなる圧電薄膜８を形成する工程と、上記圧電薄膜８上に第２の電極７を形成する工程とを備える。そして、本発明に係る圧電共振子の製造方法では、上記圧電薄膜８を形成する工程において、上記単結晶Ｓｉ５を除く部分の音速の合成音速を、上記単結晶Ｓｉ５の音速と一致させるように、窒素及びアルミニウムを除いた元素を、予め窒化アルミニウムにドープする。

図１７に示す第２の実施形態の変形例のように、単結晶Ｓｉ５上にシリコン酸化膜９を介して圧電薄膜８が形成されていてもよい。この場合も、第１の実施形態の第１の変形例と同様の方法で、上記単結晶Ｓｉ５を除く部分の音速の合成音速と単結晶Ｓｉ５の音速を一致させることができる。なお、シリコン酸化膜９に代えて、シリコン窒化膜が形成されていてもよい。

図１７に示す第２の実施形態の変形例の圧電共振子の製造方法では、用意した単結晶Ｓｉ５上にＣＶＤ法やスパッタリング法により導電膜を形成する。次に、エッチングなどにより上記導電膜のパターニングを行う。それによって、単結晶Ｓｉ５上においてギャップを隔てて対向している第１の電極６ａ，６ｂを形成する。次に、スパッタリング法やＣＶＤ法などを用いてシリコン酸化膜９を成膜する。次に、エッチング法やＣＭＰ法などによりシリコン酸化膜９を除去し、第１の電極６ａ，６ｂを露出させる。しかる後に、第１の電極６ａ，６ｂ上及びシリコン酸化膜９上に圧電薄膜８を形成する。

それによって、第１の電極６ａ，６ｂと単結晶Ｓｉ５との段差をシリコン酸化膜９により埋めることができるため、圧電薄膜８に段差を生じ難くすることができる。よって、圧電薄膜８にクラックやボイドを生じ難くすることができる。従って、弾性損失を小さくすることができ、かつＱ値及び電気機械結合係数を高めることができる。

次に、具体的な実施例につき説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
下記の条件で、上記第１の実施形態の第１の変形例に係る圧電共振子１とほぼ同様の構成を有する幅拡がり振動子を作製した。

単結晶Ｓｉ層：抵抗率１ｍΩｃｍ、ｎ型（濃度：７×１０^１９／ｃｍ^３）、厚み：１０μｍ
ＳｉＯ_２層：４００ｎｍ
シード層ＡｌＮ（下部電極とＳｉＯ_２の間）：２０ｎｍ
下部電極Ｍｏ：１００ｎｍ
圧電ＳｃＡｌＮのＳｃ濃度：２５ａｔ％
上部電極Ｍｏ：１００ｎｍ

（実施例２）
幅拡がり振動子ではなく、面内屈曲振動子としたこと、ＳｉＯ_２層を設けなかったこと、圧電ＳｃＡｌＮのＳｃ濃度を３８ａｔ％としたこと以外は実施例１と同様の要領でサンプルを作製した。

（実施例３）
厚み３５０ｎｍの高音速層ＡｌＮを上部電極の上に積層したことと、圧電ＳｃＡｌＮのＳｃ濃度を３８ａｔ％としたこと以外は実施例１と同様の要領でサンプルを作製した。

（実施例４）
Ｂを１５ａｔ％の濃度でドープした厚み２５０ｎｍのＡｌＮを上部電極の上に積層したことと、圧電ＳｃＡｌＮのＳｃ濃度を３８ａｔ％としたこと以外は実施例１と同様の要領でサンプルを作製した。

（実施例の評価）
作製したサンプルの周波数ばらつきは、インピーダンスアナライザを用いて、共振周波数により評価を行った。また、単結晶Ｓｉの厚みは、光学式厚み測定装置により測定した。

以下に評価結果を示す。

（実施例１）
図１３は、実施例１の幅拡がり振動子のＳｉの厚みと共振周波数ばらつきの関係を示す図である。共振周波数ばらつきは、Ｓｃドーピング前が、Δｆｒ＝１５６ｐｐｍ／ΔＳｉ＝０．１μｍだったのに対し、Δｆｒ＝６ｐｐｍ／ΔＳｉ＝０．１μｍと大幅に改善されていた。また、高濃度にドープしたｎ型Ｓｉを用いたため、温度による周波数変動も大幅に改善されていた。

（実施例２）
図１４は、実施例２の面内屈曲振動子のＳｉの厚みと共振周波数ばらつきの関係を示す図である。共振周波数ばらつきは、Ｓｃドーピング前が、Δｆｒ＝３１７ｐｐｍ／ΔＳｉ＝０．１μｍだったのに対し、Δｆｒ＝６ｐｐｍ／ΔＳｉ＝０．１μｍと大幅に改善されていた。また、高濃度にドープしたｎ型Ｓｉを用いたため、温度による周波数変動も大幅に改善されていた。

（実施例３）
図１５は、実施例３の幅拡がり振動子のＳｉの厚みと共振周波数ばらつきの関係を示す図である。共振周波数ばらつきは、Ｓｃドーピング前が、Δｆｒ＝１５６ｐｐｍ／ΔＳｉ＝０．１μｍだったのに対し、Δｆｒ＝０．２ｐｐｍ／ΔＳｉ＝０．１μｍと大幅に改善されていた。また、実施例３では、高濃度のＳｃをドープしているので、実施例１の比帯域が０．７８％であることと比較して、比帯域が１．３２％と広帯域化されていた。

（実施例４）
図１６は、実施例４の幅拡がり振動子のＳｉの厚みと共振周波数ばらつきの関係を示す図である。共振周波数ばらつきは、Ｓｃドーピング前が、Δｆｒ＝１５６ｐｐｍ／ΔＳｉ＝０．１μｍだったのに対し、Δｆｒ＝１ｐｐｍ／ΔＳｉ＝０．１μｍと大幅に改善されていた。実施例４では、ＢでＡｌＮをドーピングしているので、実施例３と比較して、温度特性が良好であり、振動子の温度特性が改善された。

１…圧電共振子
２ａ、２ｂ…支持部
３…振動板
４ａ、４ｂ…連結部
５…単結晶Ｓｉ
５ａ…上面
６，６ａ，６ｂ…第１の電極
７，７ａ，７ｂ…第２の電極
８…圧電薄膜
９…シリコン酸化膜
１０…窒化アルミニウム層
１１…Ｂ含有窒化アルミニウム層
２１…圧電共振子
２２…支持部
２３ａ、２３ｂ…振動腕

Claims (9)

1. 単結晶Ｓｉと、
   前記単結晶Ｓｉ上に設けられた窒化アルミニウムからなる圧電薄膜と、
   前記圧電薄膜を挟むように設けられた第１，第２の電極とを備える圧電共振子であって、
   前記窒化アルミニウムからなる圧電薄膜に、窒素及びアルミニウムを除いた元素がドープされており、
   前記単結晶Ｓｉを除く部分の音速の合成音速が、前記単結晶Ｓｉの音速と実質的に一致されている、圧電共振子。
2. 前記ドープが、前記単結晶Ｓｉを除く部分の音速の合成音速と、前記単結晶Ｓｉの音速とを実質的に一致させるようになされている、請求項１に記載の圧電共振子。
3. 前記ドープが、スカンジウム、イットリウム、ルテチウム及びジスプロシウムからなる群から選択された少なくとも１種の元素によりなされている、請求項１又は２に記載の圧電共振子。
4. 前記単結晶Ｓｉが、ｎ型ドーパントによりドープされており、該ｎ型ドーパントの濃度が１×１０^９／ｃｍ^３以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電共振子。
5. 前記第１，第２の電極に接するように、シリコン酸化膜層が配置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電共振子。
6. 前記窒素及びアルミニウムを除いた元素がドープされている窒化アルミニウムからなる圧電薄膜よりも高音速な誘電体膜が、前記第１，第２の電極に接するように配置されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電共振子。
7. 前記高音速な誘電体膜が、ホウ素と炭素のうち少なくとも一方の元素がドープされた窒化アルミニウムからなる、請求項６に記載の圧電共振子。
8. 振動モードが、幅拡がり振動又は面内屈曲振動である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電共振子。
9. 請求項１〜８に記載の圧電共振子の製造方法であって、
   単結晶Ｓｉを用意する工程と、
   前記単結晶Ｓｉ上に第１の電極を形成する工程と、
   前記第１の電極上に窒化アルミニウムからなる圧電薄膜を形成する工程と、
   前記圧電薄膜上に第２の電極を形成する工程とを備え、
   前記圧電薄膜を形成する工程が、前記単結晶Ｓｉを除く部分の音速の合成音速を、前記単結晶Ｓｉの音速と実質的に一致させるように、窒素及びアルミニウムを除いた元素を、予め窒化アルミニウムにドープする工程を含む、圧電共振子の製造方法。

Images