JPH0211043B2 - - Google Patents
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- JPH0211043B2 JPH0211043B2 JP56129685A JP12968581A JPH0211043B2 JP H0211043 B2 JPH0211043 B2 JP H0211043B2 JP 56129685 A JP56129685 A JP 56129685A JP 12968581 A JP12968581 A JP 12968581A JP H0211043 B2 JPH0211043 B2 JP H0211043B2
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- JP
- Japan
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- thin film
- piezoelectric
- silicon
- substrate
- frequency
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Links
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/46—Filters
- H03H9/54—Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H9/56—Monolithic crystal filters
- H03H9/564—Monolithic crystal filters implemented with thin-film techniques
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は圧電薄膜を用いたVHF、UHF用高周
波圧電振動子に関し、特にホウ素を高濃度にドー
プしたシリコン薄膜と圧電薄膜との組合せからな
る複合構造の振動部位を有する薄膜圧電振動子に
関するものである。
波圧電振動子に関し、特にホウ素を高濃度にドー
プしたシリコン薄膜と圧電薄膜との組合せからな
る複合構造の振動部位を有する薄膜圧電振動子に
関するものである。
一般に数十ＭHz以上のような高い周波数で使用
される圧電振動子は、振動モードとして板面が厚
さに比して十分広い薄板の厚み振動を使用する。
される圧電振動子は、振動モードとして板面が厚
さに比して十分広い薄板の厚み振動を使用する。
厚み振動の共振周波数は厚さに反比例するので
高い周波数で使用するためには厚さを薄くしなけ
ればならない。しかし、厚さが40ミクロン程度以
下になると平行平面研磨などの加工が非常に難し
くなり、したがつてバルク結晶或いはセラミツク
を用いると基本共振周波数で50MHz以上の厚み振
動圧電振動子を量産することは困難である。これ
に対して、バルク結晶或いはセラミツクの奇数次
の高周波を使用すれば、同じ厚みで基本波の３
倍、５倍、…等の共振周波数が得られ、これはオ
ーバートーン振動子として発振器などに使われて
いる。しかし、第ｎ次の高周波を用いた場合の容
量比は基本波の容量比γのn2倍となり、このとき
共振周波数と反共振周波数の間隔と共振周波との
比は、ほぼ1/2γn2となる。したがつて高調波を使
つたのでは容量比の増大に伴つてフイルタの比帯
域幅及び発振器の制御範囲が狭くなりすぎる結果
を招き、これまた実用に適さないことが多くな
る。
高い周波数で使用するためには厚さを薄くしなけ
ればならない。しかし、厚さが40ミクロン程度以
下になると平行平面研磨などの加工が非常に難し
くなり、したがつてバルク結晶或いはセラミツク
を用いると基本共振周波数で50MHz以上の厚み振
動圧電振動子を量産することは困難である。これ
に対して、バルク結晶或いはセラミツクの奇数次
の高周波を使用すれば、同じ厚みで基本波の３
倍、５倍、…等の共振周波数が得られ、これはオ
ーバートーン振動子として発振器などに使われて
いる。しかし、第ｎ次の高周波を用いた場合の容
量比は基本波の容量比γのn2倍となり、このとき
共振周波数と反共振周波数の間隔と共振周波との
比は、ほぼ1/2γn2となる。したがつて高調波を使
つたのでは容量比の増大に伴つてフイルタの比帯
域幅及び発振器の制御範囲が狭くなりすぎる結果
を招き、これまた実用に適さないことが多くな
る。
高調波を用いる他の方法は、基板の上に圧電薄
膜を作成し圧電薄膜の厚さが半波長となる共振モ
ードに於いて基板を高次振動させるものであり、
この場合基板の厚さが半波長の整数倍に等しいと
きに容量比は最小値を持つが、この容量比の最小
値は共振モードが高次になるに従つてやはり増大
する。この方法に於いても基板を薄くすることが
できないために、50MHz以上の周波数ではかなり
高次の共振モードを用いることになり、したがつ
て基板の厚さを半波長の整数倍に一致させたとし
ても容量比が大きいためフイルタの比帯域幅及び
発振器の制御範囲は狭くなり実用に適さない。
膜を作成し圧電薄膜の厚さが半波長となる共振モ
ードに於いて基板を高次振動させるものであり、
この場合基板の厚さが半波長の整数倍に等しいと
きに容量比は最小値を持つが、この容量比の最小
値は共振モードが高次になるに従つてやはり増大
する。この方法に於いても基板を薄くすることが
できないために、50MHz以上の周波数ではかなり
高次の共振モードを用いることになり、したがつ
て基板の厚さを半波長の整数倍に一致させたとし
ても容量比が大きいためフイルタの比帯域幅及び
発振器の制御範囲は狭くなり実用に適さない。
振動部分の厚さを薄くして容量比の小さな圧電
振動子を得る方法としては、たとえば特許公告昭
46−25579に於いて提案されているようにシリコ
ン、水晶などの基板上にSiO2のような絶縁材料
の薄膜と圧電薄膜とを層状に作成し、振動子とし
て使用する部分の基板をエツチングによつて除去
することにより、振動部分はSiO2のような絶縁
材料の薄膜と圧電薄膜とからなり、外縁部を基板
によつて支持された構造の薄膜圧電振動子が知ら
れている。このような薄膜圧電振動子は、その振
動部分を薄くできるので、50MHz以上数千ＭHzに
及ぶ周波数においても基本振動或いは第２次、第
３次などの低次の高調波振動を使用することがで
き、したがつて広い比帯域のフイルタ及び制御範
囲の広い発振器を実現することができる。
振動子を得る方法としては、たとえば特許公告昭
46−25579に於いて提案されているようにシリコ
ン、水晶などの基板上にSiO2のような絶縁材料
の薄膜と圧電薄膜とを層状に作成し、振動子とし
て使用する部分の基板をエツチングによつて除去
することにより、振動部分はSiO2のような絶縁
材料の薄膜と圧電薄膜とからなり、外縁部を基板
によつて支持された構造の薄膜圧電振動子が知ら
れている。このような薄膜圧電振動子は、その振
動部分を薄くできるので、50MHz以上数千ＭHzに
及ぶ周波数においても基本振動或いは第２次、第
３次などの低次の高調波振動を使用することがで
き、したがつて広い比帯域のフイルタ及び制御範
囲の広い発振器を実現することができる。
しかし上記のような薄膜圧電振動子の機械的強
度及び音響的クオリテイフアクタＱは低く、この
点の改善が望まれていた。その後これらの特性が
改善された薄膜圧電振動子として振動部分におい
て圧電薄膜と組合せる薄膜材料としてホウ素を高
濃度にドープしたシリコン薄膜を用いた振動子が
提案された。
度及び音響的クオリテイフアクタＱは低く、この
点の改善が望まれていた。その後これらの特性が
改善された薄膜圧電振動子として振動部分におい
て圧電薄膜と組合せる薄膜材料としてホウ素を高
濃度にドープしたシリコン薄膜を用いた振動子が
提案された。
この提案でホウ素を高濃度にドープしたシリコ
ン薄膜を用いた理由は次のとおりである。
ン薄膜を用いた理由は次のとおりである。
一般に基板に用いる材料としては表面が（100）
面であるようなシリコンが使用される。なぜなら
ば例えばKOH、エチレンジアミンのようなエツ
チング液を用いれば、（100）面のエツチング速度
に比較して（111）面のエツチング速度が非常に
小さいというエツチングの異方性を示し、したが
つて面方向へのエツチングの拡がりが極めて小さ
く振動部分の空孔を寸法精度良く作成することが
できるためである。したがつて薄膜材料としては
前述のKOH、エチレンジアミンのようなエツチ
ング液に侵されにくいような材料に限定されるが
SiO2、Si3N4などの材料に比べて、シリコン基板
表面への形成が容易であること、機械的強度が高
いこと、音響的クオリテイ・フアクタＱが大きい
ことなどの理由から圧電薄膜と組合せる薄膜材料
としてはホウ素を高濃度にドープしたシリコン薄
膜が最も優れている。
面であるようなシリコンが使用される。なぜなら
ば例えばKOH、エチレンジアミンのようなエツ
チング液を用いれば、（100）面のエツチング速度
に比較して（111）面のエツチング速度が非常に
小さいというエツチングの異方性を示し、したが
つて面方向へのエツチングの拡がりが極めて小さ
く振動部分の空孔を寸法精度良く作成することが
できるためである。したがつて薄膜材料としては
前述のKOH、エチレンジアミンのようなエツチ
ング液に侵されにくいような材料に限定されるが
SiO2、Si3N4などの材料に比べて、シリコン基板
表面への形成が容易であること、機械的強度が高
いこと、音響的クオリテイ・フアクタＱが大きい
ことなどの理由から圧電薄膜と組合せる薄膜材料
としてはホウ素を高濃度にドープしたシリコン薄
膜が最も優れている。
したがつて振動部位がホウ素を高濃度にドープ
したシリコン薄膜と圧電薄膜とからなる薄膜圧電
振動子は、上記のことからわかるように機械的強
度が高く、音響的クオリテイ・フアクタＱが大き
いという大きな特長を有する。しかしホウ素を高
濃度にドープしたシリコン薄膜は導電率が非常に
大きいため、振動子の特性に関して次のような重
大な欠点を有している。すなわち、このような振
動子は、圧電薄膜の両面に設けた電極付近へのエ
ネルギー閉じ込め効果を利用したいわゆるエネル
ギー閉じ込め振動子とするのが普通であるが、ホ
ウ素を高濃度にドープしたシリコン薄膜は導電率
が非常に大きいため、該シリコン薄膜と、圧電薄
膜との界面に設ける電極は部分電極とすることが
不可能であり、したがつて特に反共振周波数付近
においてエネルギー閉じ込め効果が不完全となる
結果、帯域外減衰量が小さくなり、また圧電薄膜
上の部分電極と入出力電極とを接続するリード線
部に於いても弾性波が励振される結果、周波数特
性に多くのリツプルを生じるという欠点である。
したシリコン薄膜と圧電薄膜とからなる薄膜圧電
振動子は、上記のことからわかるように機械的強
度が高く、音響的クオリテイ・フアクタＱが大き
いという大きな特長を有する。しかしホウ素を高
濃度にドープしたシリコン薄膜は導電率が非常に
大きいため、振動子の特性に関して次のような重
大な欠点を有している。すなわち、このような振
動子は、圧電薄膜の両面に設けた電極付近へのエ
ネルギー閉じ込め効果を利用したいわゆるエネル
ギー閉じ込め振動子とするのが普通であるが、ホ
ウ素を高濃度にドープしたシリコン薄膜は導電率
が非常に大きいため、該シリコン薄膜と、圧電薄
膜との界面に設ける電極は部分電極とすることが
不可能であり、したがつて特に反共振周波数付近
においてエネルギー閉じ込め効果が不完全となる
結果、帯域外減衰量が小さくなり、また圧電薄膜
上の部分電極と入出力電極とを接続するリード線
部に於いても弾性波が励振される結果、周波数特
性に多くのリツプルを生じるという欠点である。
本発明の目的は、上記のような欠点を除いた薄
膜圧電振動子を提供することであり、本発明の最
たる特徴はホウ素を高濃度にドープしたシリコン
薄膜と圧電薄膜との間にSiO2、Si3N4などの絶縁
材料の薄膜を一層有し、この絶縁材料と圧電薄膜
との界面に部分電極を設けた構造にある。本発明
によれば圧電薄膜の両面の電極は共に部分電極と
することが可能であり、したがつて帯域外減衰量
が大きく、周波数特性上にリツプルのない良好な
薄膜圧電振動子を得ることができる。
膜圧電振動子を提供することであり、本発明の最
たる特徴はホウ素を高濃度にドープしたシリコン
薄膜と圧電薄膜との間にSiO2、Si3N4などの絶縁
材料の薄膜を一層有し、この絶縁材料と圧電薄膜
との界面に部分電極を設けた構造にある。本発明
によれば圧電薄膜の両面の電極は共に部分電極と
することが可能であり、したがつて帯域外減衰量
が大きく、周波数特性上にリツプルのない良好な
薄膜圧電振動子を得ることができる。
以下、実施例にしたがつて本発明を詳細に説明
する。
する。
第１，２図は本発明の薄膜圧電振動子を利用し
たエネルギー閉じ込め二重モードフイルタの構造
を示す。第１図は平面図、第２図は断面図であ
る。第１，２図において１は表面が（100）面で
あるようなシリコン基板、２はエツチングによつ
て基板１に設けた空孔であり、３は拡散、エピタ
キシヤル成長或いはイオン注入によつて形成した
ホウ素を高濃度にドープしたシリコン薄膜であ
る。４は本発明の最たる特徴とするところの絶縁
材薄膜であり、たとえばSiO2、Si3N4などの薄膜
をスパツタリング法、CVD法などの方法で形成
する。５は絶縁材薄膜４の上に形成したグラウン
ド電極である。６は圧電薄膜であり、材料として
は酸化亜鉛（ZnO）を用いた。ZnOはスパツタリ
ング法、CVD法、イオン・プレーテイング法な
どによつてＣ軸が基板面に対して垂直に配向した
薄膜を再現性良く作成でき、しかも高い抵抗率を
持つた薄膜となる特長を有している。さらにZnO
に関しては厚みたて振動モードのエネルギー閉じ
込めが可能なことも知られている。７は圧電薄膜
上に形成した電極であり、一方は入力端子８に、
他方は出力端子９に接続されている。
たエネルギー閉じ込め二重モードフイルタの構造
を示す。第１図は平面図、第２図は断面図であ
る。第１，２図において１は表面が（100）面で
あるようなシリコン基板、２はエツチングによつ
て基板１に設けた空孔であり、３は拡散、エピタ
キシヤル成長或いはイオン注入によつて形成した
ホウ素を高濃度にドープしたシリコン薄膜であ
る。４は本発明の最たる特徴とするところの絶縁
材薄膜であり、たとえばSiO2、Si3N4などの薄膜
をスパツタリング法、CVD法などの方法で形成
する。５は絶縁材薄膜４の上に形成したグラウン
ド電極である。６は圧電薄膜であり、材料として
は酸化亜鉛（ZnO）を用いた。ZnOはスパツタリ
ング法、CVD法、イオン・プレーテイング法な
どによつてＣ軸が基板面に対して垂直に配向した
薄膜を再現性良く作成でき、しかも高い抵抗率を
持つた薄膜となる特長を有している。さらにZnO
に関しては厚みたて振動モードのエネルギー閉じ
込めが可能なことも知られている。７は圧電薄膜
上に形成した電極であり、一方は入力端子８に、
他方は出力端子９に接続されている。
以下に実際に行なつた製造工程を述べ、本実施
例を具体的に説明する。（100）シリコン基板表面
にホウ素の濃度が１×1020／cm3であるようなシリ
コン層を2μｍ成長させ、この上にスパツタリン
グ法によつて3000ÅのSiO2薄膜を形成した。
SiO2薄膜上にCrを下地にしてAuを2000Å蒸着し
フオトリソグラフイにより所望のグラウンド電極
パターンとした。次にスパツタリング法によつて
11μｍのZnO薄膜を形成し、ZnO薄膜上にリフ
ト・オフによつてAlの電極を形成した。最後に
シリコン基板の裏面に形成したSi3N4薄膜をマス
クとしてKOH水溶液によつて基板の裏面からエ
ツチングをし振動部分の空孔を形成した。以上の
ようにして作成したフイルタは第３図に示すごと
く予定通り約280MHzを中心周波数とする帯域通
過フイルタ特性を示した。この際シリコン薄膜と
ZnO薄膜との間にSiO2層を持たない構造のフイ
ルタを同様の工程で製造した。このフイルタの周
波数特性を第４図に示す。第３図及び第４図から
判かるとおりSiO2層を持たない構造のフイルタ
では特に高周波側での帯域外減衰量が低下してお
り、また周波数特性にリツプルが顕著に見られる
のに対し、シリコン薄膜とZnO薄膜との間に
SiO2層を有する構造のフイルタでは帯域外減衰
量が大きく、リツプルはほとんど見られず、本発
明の有用性が実証された。
例を具体的に説明する。（100）シリコン基板表面
にホウ素の濃度が１×1020／cm3であるようなシリ
コン層を2μｍ成長させ、この上にスパツタリン
グ法によつて3000ÅのSiO2薄膜を形成した。
SiO2薄膜上にCrを下地にしてAuを2000Å蒸着し
フオトリソグラフイにより所望のグラウンド電極
パターンとした。次にスパツタリング法によつて
11μｍのZnO薄膜を形成し、ZnO薄膜上にリフ
ト・オフによつてAlの電極を形成した。最後に
シリコン基板の裏面に形成したSi3N4薄膜をマス
クとしてKOH水溶液によつて基板の裏面からエ
ツチングをし振動部分の空孔を形成した。以上の
ようにして作成したフイルタは第３図に示すごと
く予定通り約280MHzを中心周波数とする帯域通
過フイルタ特性を示した。この際シリコン薄膜と
ZnO薄膜との間にSiO2層を持たない構造のフイ
ルタを同様の工程で製造した。このフイルタの周
波数特性を第４図に示す。第３図及び第４図から
判かるとおりSiO2層を持たない構造のフイルタ
では特に高周波側での帯域外減衰量が低下してお
り、また周波数特性にリツプルが顕著に見られる
のに対し、シリコン薄膜とZnO薄膜との間に
SiO2層を有する構造のフイルタでは帯域外減衰
量が大きく、リツプルはほとんど見られず、本発
明の有用性が実証された。
以上のように本発明に従えばUHF、VHF帯域
に於いて、機械的強度が高く、音響的なクオリテ
イ・フアクタＱが大きく、しかも帯域外域衰量が
大きく周波数特性にリツプルのない薄膜圧電振動
子が提供できる。
に於いて、機械的強度が高く、音響的なクオリテ
イ・フアクタＱが大きく、しかも帯域外域衰量が
大きく周波数特性にリツプルのない薄膜圧電振動
子が提供できる。
第１，２図は本発明の一実施例であるエネルギ
ー閉じ込め二重モードフイルタの構造を示し、第
１図は平面図、第２図は断面図である。図におい
て、１は表面が（100）面であるようなシリコン
基板、２はエツチングによつて基板に作成した空
孔である。３はホウ素を高濃度にドープしたシリ
コン薄膜、７は絶縁材料の薄膜である。５はグラ
ンド電極、６は圧電薄膜、７は上部電極、８は入
力電極、９は出力電極である。 第３図は本発明の実施例であるエネルギー閉じ
込め二重モードフイルタの周波数特性を示す。横
軸はＭHz単位で表わした周波数であり、縦軸は
dB単位で表わした減衰量である。第４図は従来
の構造のエネルギー閉じ込め二重モードフイルタ
の周波数特性を示す。
ー閉じ込め二重モードフイルタの構造を示し、第
１図は平面図、第２図は断面図である。図におい
て、１は表面が（100）面であるようなシリコン
基板、２はエツチングによつて基板に作成した空
孔である。３はホウ素を高濃度にドープしたシリ
コン薄膜、７は絶縁材料の薄膜である。５はグラ
ンド電極、６は圧電薄膜、７は上部電極、８は入
力電極、９は出力電極である。 第３図は本発明の実施例であるエネルギー閉じ
込め二重モードフイルタの周波数特性を示す。横
軸はＭHz単位で表わした周波数であり、縦軸は
dB単位で表わした減衰量である。第４図は従来
の構造のエネルギー閉じ込め二重モードフイルタ
の周波数特性を示す。
Claims (1)
- １ シリコン基板によつて外縁部を支持された高
濃度にホウ素がドープされたシリコン薄膜と、該
シリコン薄膜上に形成された絶縁材料の薄膜層
と、該薄膜層上の中央部に形成された下部電極
層、圧電薄膜層、上部電極層とを備えたことを特
徴とする薄膜圧電振動子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12968581A JPS5831609A (ja) | 1981-08-19 | 1981-08-19 | 薄膜圧電振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12968581A JPS5831609A (ja) | 1981-08-19 | 1981-08-19 | 薄膜圧電振動子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5831609A JPS5831609A (ja) | 1983-02-24 |
| JPH0211043B2 true JPH0211043B2 (ja) | 1990-03-12 |
Family
ID=15015642
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12968581A Granted JPS5831609A (ja) | 1981-08-19 | 1981-08-19 | 薄膜圧電振動子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5831609A (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58121817A (ja) * | 1982-01-14 | 1983-07-20 | Murata Mfg Co Ltd | 圧電共振子 |
| JPS59202722A (ja) * | 1983-04-30 | 1984-11-16 | Murata Mfg Co Ltd | 複合圧電共振子 |
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Also Published As
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|---|---|
| JPS5831609A (ja) | 1983-02-24 |
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