JP6205937B2 - 圧電膜製造方法、振動子製造方法、振動片、振動子、発振器、電子機器及び移動体 - Google Patents
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Description
上記振動片は、圧電膜に窒化アルミニウム(以下、AlNという)が用いられている。この圧電膜は、N2(窒素)ガスとAr(アルゴン)ガスとの混合雰囲気中において、Al(アルミニウム)をターゲット材(成膜材料)として用い、スパッタ(スパッタリング)することにより成膜(形成)されている。
これにより、上記圧電膜は、Alにボイドが生じるストレスマイグレーションが発生する虞がある。
この結果、上記圧電膜は、電気機械結合係数が劣化することにより、インピーダンスが上昇し、圧電膜としての機能が劣化するとともに、ストレスマイグレーションの進行(ボイドの拡散など)により信頼性(特に長期信頼性)が低下する虞がある。
これにより、上記圧電膜を備えている上記振動片は、CI(クリスタルインピーダンス)値が増大して振動特性が劣化するとともに、信頼性が低下する虞がある。
これにより、圧電膜製造方法は、圧電膜を成膜する成膜材料としてAl−Cu合金を用いることから、スパッタ法を用いて成膜された圧電膜(具体的にはAlN膜)の結晶粒界のAlに、Cuが分散して存在することになる(換言すれば、金属間化合物(Al3Cu)が生成されることになる)。
これにより、圧電膜製造方法は、結晶粒界のAlの拡散が抑制されることから、ストレスマイグレーションの発生を抑制することができる。
この結果、圧電膜製造方法は、圧電膜としての機能を従来(例えば、特許文献1)の製造方法より向上させることができるとともに、ストレスマイグレーションの抑制により圧電膜の信頼性を向上させることが可能となる。
これにより、振動片は、圧電膜の機能を従来(例えば、特許文献1)より向上させることができるとともに、圧電膜の信頼性を向上させることが可能となる。
この結果、振動片は、CI値が低下することによって振動特性が向上するとともに、信頼性を向上させることができる。
ここでは、振動片の一例として、基材にSi(シリコン)を用いている振動片について説明する。
図1は、第1実施形態の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、各配線は省略してあり、各構成要素の寸法比率は実際と異なる。
図2は、図1(a)のB−B線での断面図及び各励振電極の配線図である。
なお、各図におけるX軸、Y軸、Z軸は、互いに直交する座標軸である。
振動腕11a,11b,11cは、略角柱状に形成され、平面視において、Y軸方向と直交するX軸方向に配列されると共に、X軸とY軸とで特定される平面(XY平面)に沿った主面10a,10bの少なくとも一方に(ここでは主面10aに)、励振電極12a,12b,12cが設けられている。
振動腕11a,11b,11cは、励振電極12a,12b,12cによって、主面10aと直交するZ軸方向(図1(b)の矢印方向)に屈曲振動(面外振動:主面10aに沿わない方向の振動)する。
基部10及び振動腕11a,11b,11c、励振電極12a,12b,12cは、例えば、スパッタ(スパッタリング)法、フォトリソグラフィー法、エッチング法などを用いて精度よく形成されている。
圧電体13は、Al−Cu合金を成膜材料(ターゲット材)として、スパッタ法を用いて形成(成膜)されている(詳細後述)。
なお、第1電極12a1,12b1,12c1、第2電極12a2,12b2,12c2には、TiNと異なる別の材料(例えば、Mo、Ti、Ni、Pt、Au、W、WSi、Ta、ITOなど)を含んでいる膜が用いられてもよい。
また、図1(a)に2点鎖線で示すように、基部10のX軸方向の両端部の主面10b側には、パッケージなどの外部部材への固定領域である固定部10c,10dが設けられている。なお、固定部10c,10dは、Y軸方向において基部10の振動腕11a,11b,11c側とは反対側の端部に設けられていることが好ましい。
図2に示すように、振動片1の励振電極12a,12b,12cは、第1電極12a1,12b1,12c1と第2電極12a2,12b2,12c2とが交差配線によって交流電源に接続され、駆動電圧としての交番電圧が印加されるようになっている。
振動片1は、上記交差配線によって励振電極12a,12cに発生する電界の方向と励振電極12bに発生する電界の方向とを互いに逆方向にして、圧電体13の伸縮が振動腕11a,11cと振動腕11bとの間で逆になるように構成されている。
具体的には、振動腕11a,11cの圧電体13が伸張したとき、振動腕11bの圧電体13が収縮し、振動腕11a,11cの圧電体13が収縮したとき、振動腕11bの圧電体13が伸張する。
これを繰り返すことで、振動片1は、振動腕11a,11b,11cがZ軸方向に屈曲振動(面外振動)することになる。この際、隣り合う振動腕(ここでは、11aと11b、11bと11c)は、互いに逆方向に(逆相で)屈曲振動する。
図3は、圧電体の製造方法について説明する模式図である。
ついで、図示しない真空ポンプなどを用いて、真空チャンバー50内にN2(窒素)ガスとAr(アルゴン)ガスとを導入し、N2ガスとArガスとの混合雰囲気を生成する。
このときの真空チャンバー内の圧力は、0.53Pa(4mTorr)程度が好ましい。また、N2ガスとArガスとの混合比は、N2ガス50体積%:Arガス50体積%〜N2ガス99体積%:Arガス1体積%の範囲であることが好ましい。
なお、振動片1の温度は常温が好ましい。
ここで、Al−Cu合金におけるCuの含有率は、0.25質量%〜1.0質量%の範囲であることが好ましく、0.4質量%〜0.6質量%の範囲であることがより好ましい。
これにより、N2ガスとArガスとの混合ガスのイオン原子が、Al−Cu合金52の表面を叩き、Al−Cu合金52から飛び出した粒子(原子、分子)が、絶縁膜14を覆うようにして振動片1に堆積して固着し、圧電体13(AlN膜)を成膜(形成)する。
ついで、フォトリソグラフィー法、エッチング法などを用いて圧電体13を所望の形状にパターニングする。
以上の工程などを経ることにより、圧電体13を得ることができる。
このように、圧電膜製造方法は、圧電体13を成膜する成膜材料としてAl−Cu合金を用いることから、スパッタ法を用いて成膜された圧電膜としての圧電体13(具体的にはAlN膜)の結晶粒界のAlに、Cuが分散して存在することになる(換言すれば、金属間化合物(Al3Cu)が生成されることになる)。
この結果、圧電膜製造方法は、圧電体13としての機能を従来(例えば、特許文献1)の製造方法より向上させることができるとともに、ストレスマイグレーションの抑制により圧電体13の信頼性を向上させることが可能となる。
ここで、上記に関して、図を用いて詳述する。
ここで、圧電体13のシート抵抗は、概ね30000Ω□(オームスクエア)以上であればよく、FWHM(圧電体13のX線回折による配向性評価におけるピーク時の半値幅)は、角度として3度〜4度の間であればよいとされている。
なお、評価結果の○、△は、圧電体として実用上問題のないレベルであることを表し、×は、実用に耐えないレベルであることを表す。なお、このときの圧電体13の成膜材料であるAl−Cu合金におけるCuの含有率は、0.5質量%である。
サンプルNo.2(N2ガス80:Arガス20)は、シート抵抗が無限大Ω□であり、FWHMが3.42度であることから、評価結果として○となっている。
サンプルNo.3(N2ガス70:Arガス30)は、シート抵抗が無限大Ω□であり、FWHMが3.43度であることから、評価結果として○となっている。
サンプルNo.4(N2ガス60:Arガス40)は、シート抵抗が無限大Ω□であり、FWHMが3.69度であることから、評価結果として○となっている。
サンプルNo.5(N2ガス50:Arガス50)は、シート抵抗が31146Ω□であり、FWHMが3.50度であることから、評価結果として△となっている(シート抵抗のマージンが若干少ないことから△評価となっている)。
また、サンプルNo.7(N2ガス10:Arガス90)は、シート抵抗が0.0621Ω□であり、FWHMが算出不可(ピークが不明瞭のため、半値幅が算出できない)であることから、評価結果として×となっている。
これにより、振動片1は、圧電体13の機能(具体的には、電界印加時の伸縮性など)を、従来(例えば、特許文献1)より向上させることができるとともに、圧電体13の信頼性を向上させることが可能となる。
この結果、振動片1は、CI値が低下することによって振動特性が向上するとともに、信頼性を向上させることができる。
これによれば、振動片1は、SiO2を含む膜が、振動腕11a,11b,11cの温度特性補正膜として機能する。
詳述すると、振動片1は、SiO2を含む膜の周波数−温度特性の傾きにより、基材がSiである振動腕11a,11b,11cの周波数−温度特性の傾きが補正(相殺)され、フラットな周波数−温度特性となる。
これにより、振動片1は、温度変化に起因する周波数の変動を抑制することが可能となり、周波数−温度特性を向上させることができる。
これによれば、振動片1は、上記と同様の効果を得ることができる。
次に、上記第1実施形態で述べた振動片を備えている振動子について説明する。
図5は、第2実施形態の振動子の概略構成を示す模式図である。図5(a)は、リッド(蓋体)側から俯瞰した平面図であり、図5(b)は、図5(a)のC−C線での断面図である。なお、平面図では、リッドを省略してある。また、各配線は省略してある。
なお、上記第1実施形態との共通部分には、同一符号を付して詳細な説明を省略し、上記第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
パッケージベース21には、セラミックグリーンシートを成形して積層し焼成した酸化アルミニウム質焼結体、水晶、ガラス、Siなどが用いられている。
リッド22には、パッケージベース21と同材料、または、コバール、42アロイなどの金属が用いられている。
内部端子24,25は、振動片1の基部10に設けられた接続電極18a,18bの近傍となる位置に略矩形状に形成されている。接続電極18a,18bは、図示しない配線により、振動片1の各励振電極(12bなど)の第1電極(12b1など)及び第2電極(12b2など)に接続されている。
例えば、図2の配線において、交流電源の一方側の配線が接続電極18aに接続され、他方側の配線が接続電極18bに接続されている。
外部端子27,28は、図示しない内部配線によって内部端子24,25と接続されている。例えば、外部端子27は、内部端子24と接続され、外部端子28は、内部端子25と接続されている。
内部端子24,25及び外部端子27,28は、W、Moなどのメタライズ層にNi、Auなどの各被膜をメッキなどの方法により積層した金属膜からなる。
そして、振動子5は、振動片1の接続電極18a,18bが、Au、Alなどの金属ワイヤー31により内部端子24,25と接続されている。
振動子5は、振動片1がパッケージベース21の内部端子24,25と接続された状態で、パッケージベース21の凹部がリッド22により覆われ、パッケージベース21とリッド22とがシームリング、低融点ガラス、接着剤などの接合部材29で接合されることにより、パッケージ20の内部が気密に封止される。
なお、パッケージ20の内部は、減圧状態(真空度の高い状態)またはN2、He(ヘリウム)、Arなどの不活性ガスが充填された状態となっている。
また、振動片1の基部10は、固定部10c,10dに代えて、固定部10c,10d以外の部分、例えば、固定部10cと固定部10dとを結んだ直線の中心を含む部分の1個所で固定されていてもよい。
これによれば、振動片1は、1個所で固定されることによって、固定部に生じる熱応力に起因する基部10の歪みを抑制することができる。
次に、上記第1実施形態で述べた振動片を備えている発振器について説明する。
図6は、第3実施形態の発振器の概略構成を示す模式図である。図6(a)は、リッド側から俯瞰した平面図であり、図6(b)は、図6(a)のC−C線での断面図である。なお、平面図では、リッド及び一部の構成要素を省略してある。また、各配線は省略してある。
なお、上記第1実施形態及び第2実施形態との共通部分には、同一符号を付して詳細な説明を省略し、上記第1実施形態及び第2実施形態と異なる部分を中心に説明する。
発振回路を内蔵するICチップ40は、パッケージベース21の内底面23に、図示しない接着剤などを用いて固定されている。
ICチップ40は、図示しない接続パッドが、Au、Alなどの金属ワイヤー41により内部接続端子23aと接続されている。
なお、ICチップ40の接続パッドと内部接続端子23aとの接続には、金属ワイヤー41を用いたワイヤーボンディングによる接続方法以外に、ICチップ40を反転させてのフリップチップ実装による接続方法などを用いてもよい。
そして、発振器6は、この発振に伴って生じる発振信号をICチップ40、内部接続端子23a、外部端子27,28などを経由して外部に出力する。
なお、発振器6は、ICチップ40をパッケージ20に内蔵ではなく、外付けした構成のモジュール構造(例えば、1つの基板上に、振動片1を備えている振動子及びICチップが個別に搭載されている構造)としてもよい。
次に、上記第1実施形態で述べた振動片を備えている電子機器としての携帯電話について説明する。
図7は、第4実施形態の携帯電話を示す模式斜視図である。
図7に示す携帯電話700は、上記第1実施形態で述べた振動片1を、基準クロック発振源などとして備え、更に液晶表示装置701、複数の操作ボタン702、受話口703、及び送話口704を備えて構成されている。
次に、上記第1実施形態で述べた振動片を備えている移動体としての自動車について説明する。
図8は、第5実施形態の自動車を示す模式斜視図である。
自動車800は、上記第1実施形態で述べた振動片1を、例えば、搭載されている各種電子制御式装置(例えば、電子制御式燃料噴射装置、電子制御式ABS装置、電子制御式一定速度走行装置など)の基準クロック発振源などとして用いている。
これによれば、自動車800は、振動片1を備えていることから、上記第1実施形態で説明した効果を奏し、信頼性が高く、優れた性能を発揮することができる。
また、振動片の振動方向は、Z軸方向(厚さ方向)に限定するものではなく、例えば、励振電極を振動腕の側面(主面同士を接続する面)に設けることにより、X軸方向(主面に沿った方向)としてもよい(この方向の屈曲振動は、面内振動と呼ばれている)。
また、振動片の振動腕の数は、3本に限定するものではなく、1本、2本、4本、5本、n本(nは6以上の自然数)でもよい。
なお、振動片の基部の厚さは、振動腕と同じ厚さにしてもよい。これによれば、振動片は、平板状となることから、製造が容易となる。
Claims (11)
- N2ガスとArガスとの混合雰囲気中において、Al−Cu合金を成膜材料とし、スパッタ法を用いて、窒化アルミニウム膜の圧電膜を成膜する工程を含むことを特徴とする圧電膜製造方法。
- 請求項1に記載の圧電膜製造方法において、
前記Al−Cu合金におけるCuの含有率は、0.25質量%〜1.0質量%の範囲であることを特徴とする圧電膜製造方法。 - 請求項1に記載の圧電膜製造方法において、
前記Al−Cu合金におけるCuの含有率は、0.4質量%〜0.6質量%の範囲であることを特徴とする圧電膜製造方法。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の圧電膜製造方法において、
前記N2ガスと前記Arガスとの混合比は、N2ガス50体積%:Arガス50体積%〜N2ガス99体積%:Arガス1体積%の範囲であることを特徴とする圧電膜製造方法。 - 振動腕を有する振動片と、前記振動片を収容するパッケージとを準備する工程と、
N2ガスとArガスとの混合雰囲気中において、Al−Cu合金を成膜材料とし、スパッタ法を用いて、窒化アルミニウム膜の圧電膜を前記振動腕に成膜する工程と、
前記振動片を前記パッケージに収容する工程と、を含むことを特徴とする振動子製造方法。 - 振動腕、を有し、
前記振動腕は、窒化アルミニウム膜の圧電膜を備えており、
前記圧電膜は、Cuを含んでいることを特徴とする振動片。 - 請求項6に記載の振動片において、
前記圧電膜は第1面、および前記第1面と反対側にある第2面を有し、
前記第1面に第1導電膜が設けられ、前記第2面に第2導電膜が設けられていることを特徴とする振動片。 - 請求項6に記載の振動片と、
前記振動片を収容しているパッケージと、
を備えていることを特徴とする振動子。 - 請求項6に記載の振動片と、
前記振動片を発振させる発振回路と、
を備えていることを特徴とする発振器。 - 請求項6に記載の振動片を備えていることを特徴とする電子機器。
- 請求項6に記載の振動片を備えていることを特徴とする移動体。
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