JPH0365046B2 - - Google Patents
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- JPH0365046B2 JPH0365046B2 JP3854882A JP3854882A JPH0365046B2 JP H0365046 B2 JPH0365046 B2 JP H0365046B2 JP 3854882 A JP3854882 A JP 3854882A JP 3854882 A JP3854882 A JP 3854882A JP H0365046 B2 JPH0365046 B2 JP H0365046B2
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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
- H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
- H03H9/171—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator implemented with thin-film techniques, i.e. of the film bulk acoustic resonator [FBAR] type
- H03H9/172—Means for mounting on a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
- H03H9/174—Membranes
Landscapes
- 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
波圧電振動子に関するもので、特に非圧電薄膜部
材と圧電薄膜との組合わ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。
波圧電振動子に関するもので、特に非圧電薄膜部
材と圧電薄膜との組合わ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圧電性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圧電性薄板の厚み振動を使用
する。
厚み振動の共振周波数は圧電性薄膜の厚さに反
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が、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
に困難となる。したがつてバルク圧電結晶或いは
圧電セラミツクに於ける基本厚み振動を用いた場
合には50MHz以上の圧電振動子を量産することは
困難である。一方、バルク圧電結晶或いは圧電セ
ラミツクの奇数次の高調波厚み振動を使用すれば
同じ厚みで基本振動の３倍、５倍、…倍の共振周
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
高調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数との比がほぼ１／（2γn2）
となるため、高調波を使つたのではフイルタの比
帯域幅或いは発振器の制御範囲が狭くなりすぎて
実用に適さないことが多い。
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が、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
に困難となる。したがつてバルク圧電結晶或いは
圧電セラミツクに於ける基本厚み振動を用いた場
合には50MHz以上の圧電振動子を量産することは
困難である。一方、バルク圧電結晶或いは圧電セ
ラミツクの奇数次の高調波厚み振動を使用すれば
同じ厚みで基本振動の３倍、５倍、…倍の共振周
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
高調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数との比がほぼ１／（2γn2）
となるため、高調波を使つたのではフイルタの比
帯域幅或いは発振器の制御範囲が狭くなりすぎて
実用に適さないことが多い。
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第１，２図の構造の薄
膜圧電振動子が公知である。この薄膜圧電振動子
は基板１１の上に半導体或いは絶縁体の薄膜部材
１３を形成した後、エツチングによつて基板１１
に空孔１２を作成し、さらに薄膜部材１３の上に
順に電極１４、圧電薄膜１５、電極１６を形成す
ることにより製造するもので、一般に非圧電性で
ある薄膜部材１３と圧電薄膜１５とからなる複合
ダイヤフラムが周縁部を基板１１によつて支持さ
れた構造となつている。この薄膜圧電振動子は、
その振動部分を薄くできるので、50MHz以上の周
波数に於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可能であ
り、したがつてこの薄膜圧電振動子を用いれば制
御範囲の広い発振器或いは広い比帯域のフイルタ
を実現することができる。
振動子を得る方法としては第１，２図の構造の薄
膜圧電振動子が公知である。この薄膜圧電振動子
は基板１１の上に半導体或いは絶縁体の薄膜部材
１３を形成した後、エツチングによつて基板１１
に空孔１２を作成し、さらに薄膜部材１３の上に
順に電極１４、圧電薄膜１５、電極１６を形成す
ることにより製造するもので、一般に非圧電性で
ある薄膜部材１３と圧電薄膜１５とからなる複合
ダイヤフラムが周縁部を基板１１によつて支持さ
れた構造となつている。この薄膜圧電振動子は、
その振動部分を薄くできるので、50MHz以上の周
波数に於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可能であ
り、したがつてこの薄膜圧電振動子を用いれば制
御範囲の広い発振器或いは広い比帯域のフイルタ
を実現することができる。
第１図、２図の構造の薄膜圧電振動子におい
て、基板１１としては一般に表面が（100）面で
あるようなシリコンが用いられる。なぜならば、
エチレンジアミン、ピロカテコール、水からなる
エツチング液（以下EDP液という）或いは水酸
化カリウム（KOH）水溶液を用いると、（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
方性を示すために面方向へのエツチングの拡がり
が極めて小さく、したがつて精度良く突孔１２の
寸法を制御できるからである。薄膜部材１３とし
ては上記のようなEDP液或いはKOH水溶液に対
してできるだけエツチング速度の小さい材料が必
要であり、従来この目的に適合する材料として
種々の酸化物、窒化物或いはホウ素を高濃度にド
ープしたシリコンなどの薄膜が提案されている。
圧電薄膜１５として現在のところ信頼性良く作成
できる実用的な材料は酸化亜鉛（ZnO）薄膜であ
る。
て、基板１１としては一般に表面が（100）面で
あるようなシリコンが用いられる。なぜならば、
エチレンジアミン、ピロカテコール、水からなる
エツチング液（以下EDP液という）或いは水酸
化カリウム（KOH）水溶液を用いると、（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
方性を示すために面方向へのエツチングの拡がり
が極めて小さく、したがつて精度良く突孔１２の
寸法を制御できるからである。薄膜部材１３とし
ては上記のようなEDP液或いはKOH水溶液に対
してできるだけエツチング速度の小さい材料が必
要であり、従来この目的に適合する材料として
種々の酸化物、窒化物或いはホウ素を高濃度にド
ープしたシリコンなどの薄膜が提案されている。
圧電薄膜１５として現在のところ信頼性良く作成
できる実用的な材料は酸化亜鉛（ZnO）薄膜であ
る。
ところで、UHF、VHF帯の発振器或いはフイ
ルタでは一般に発振周波数或いは中心周波数の温
度による変化の小さいものが要求されるから、共
振周波数の温度係数の小さい薄膜圧電振動子が必
要である。ZnOの弾性定数の温度係数は−
120ppm／℃であり、弾性定数の温度係数が＋
240ppm／℃であるSiO2以外の材料は弾性定数が
一般にZnOと同符号すなわち負の温度係数を有す
るところから、従来SiO2を第１図、第２図にお
ける薄膜部材１３として用い、ZnOを圧電薄膜１
５として用いた薄膜圧電動子が提案されており、
この振動子ではSiO2の厚さをZnOの厚さの1/2と
することにより共振周波数の温度係数は10ppm／
℃以下となる。
ルタでは一般に発振周波数或いは中心周波数の温
度による変化の小さいものが要求されるから、共
振周波数の温度係数の小さい薄膜圧電振動子が必
要である。ZnOの弾性定数の温度係数は−
120ppm／℃であり、弾性定数の温度係数が＋
240ppm／℃であるSiO2以外の材料は弾性定数が
一般にZnOと同符号すなわち負の温度係数を有す
るところから、従来SiO2を第１図、第２図にお
ける薄膜部材１３として用い、ZnOを圧電薄膜１
５として用いた薄膜圧電動子が提案されており、
この振動子ではSiO2の厚さをZnOの厚さの1/2と
することにより共振周波数の温度係数は10ppm／
℃以下となる。
しかし、従来のSiO2を用いた薄膜圧電振動子
ではシリコン基板の熱酸化によつて形成した
SiO2薄膜を用いており、このSiO2薄膜は大きな
圧縮応力を有するため、エツチングによつて振動
部分のシリコン基板を除いた時にこれが破損した
りひび割れが生じたりすることが多く量産は困難
である。また、SiO2はKOH水溶液に対する耐性
が十分でなく、基板のエツチング液はEDP液に
限られ、この場合、シリコンの（100）方向のエ
ツチング速度はEDP液の沸点においても60μｍ／
Hrと小さく、通常用いられる厚さ300μｍ／Hr程
度のシリコン基板の場合は、エツチングに５時間
を要するため量産には不適当であつた。またスパ
ツタリング法或いはCVD法によつて作成した
SiO2薄膜ではEDP液に対しても耐性が不十分で
あり、従来の構造に於いては使用することができ
なかつた。
ではシリコン基板の熱酸化によつて形成した
SiO2薄膜を用いており、このSiO2薄膜は大きな
圧縮応力を有するため、エツチングによつて振動
部分のシリコン基板を除いた時にこれが破損した
りひび割れが生じたりすることが多く量産は困難
である。また、SiO2はKOH水溶液に対する耐性
が十分でなく、基板のエツチング液はEDP液に
限られ、この場合、シリコンの（100）方向のエ
ツチング速度はEDP液の沸点においても60μｍ／
Hrと小さく、通常用いられる厚さ300μｍ／Hr程
度のシリコン基板の場合は、エツチングに５時間
を要するため量産には不適当であつた。またスパ
ツタリング法或いはCVD法によつて作成した
SiO2薄膜ではEDP液に対しても耐性が不十分で
あり、従来の構造に於いては使用することができ
なかつた。
本発明の目的は上記のような従来の薄膜圧電振
動子の欠点を除いて機械的強度が大きく、共振周
波数の温度係数が小さく、かつ量産に適した薄膜
圧電振動子を提供することにある。
動子の欠点を除いて機械的強度が大きく、共振周
波数の温度係数が小さく、かつ量産に適した薄膜
圧電振動子を提供することにある。
すなわち、本発明は薄膜圧電振動子の振動部分
である複合ダイヤフラムを、シリコン窒化膜で、
SiO2膜を間にはさんだ三層サンドイツチ構造の
薄膜部材と、圧電薄膜と電極とで構成したことを
特徴とするものである。
である複合ダイヤフラムを、シリコン窒化膜で、
SiO2膜を間にはさんだ三層サンドイツチ構造の
薄膜部材と、圧電薄膜と電極とで構成したことを
特徴とするものである。
以下本発明の一実施例を図によつて詳細に説明
する。
する。
第３図、第４図に本発明の薄膜圧電振動子の構
造を示す。図において、３１は表面が（100）面
であるようなシリコン基板、３２はエツチングに
よつて基板に作成した空孔であり、３３及び３
３′はSi3N4薄膜、３４はSiO2薄膜、３５は下地
電極、３６はZnO薄膜、３７は上部電極である。
一般にCVD法で作成した、Si3N4薄膜は引張応力
を有し、スパツタリング法で作成したSiO2薄膜
は圧縮応力を有するからSiO2薄膜をSi3N4薄膜で
はさんだ三層サンドイツチ構造の薄膜部材に構成
することにより応力は軽減され、したがつてエツ
チングによつて空孔３２を作成した時に従来の構
造と違つて薄膜部材が破損したり、ひび割れが生
じるようなことはない。さらにSi3N4薄膜は
KOH水溶液によつてまつたくエツチングされな
いから、シリコン基板のエツチングにKOH水溶
液を使用することができる。KOH水溶液でのシ
リコンの（100）方向のエツチング速度は沸点に
おいて約300μｍ／Hrと大きく、EDP液の場合の
５倍の速さでエツチング可能である。したがつて
本発明では従来の構造に比べて基板のエツチング
に要する時間は1/5となり、その工業的価値は多
大である。なお、薄膜３３，３３′としては
Si3N4薄膜に限らず、プラズマCVD法によつて作
成したSiN薄膜など一般にシリコン窒化膜と称さ
れる薄膜が使用できる。
造を示す。図において、３１は表面が（100）面
であるようなシリコン基板、３２はエツチングに
よつて基板に作成した空孔であり、３３及び３
３′はSi3N4薄膜、３４はSiO2薄膜、３５は下地
電極、３６はZnO薄膜、３７は上部電極である。
一般にCVD法で作成した、Si3N4薄膜は引張応力
を有し、スパツタリング法で作成したSiO2薄膜
は圧縮応力を有するからSiO2薄膜をSi3N4薄膜で
はさんだ三層サンドイツチ構造の薄膜部材に構成
することにより応力は軽減され、したがつてエツ
チングによつて空孔３２を作成した時に従来の構
造と違つて薄膜部材が破損したり、ひび割れが生
じるようなことはない。さらにSi3N4薄膜は
KOH水溶液によつてまつたくエツチングされな
いから、シリコン基板のエツチングにKOH水溶
液を使用することができる。KOH水溶液でのシ
リコンの（100）方向のエツチング速度は沸点に
おいて約300μｍ／Hrと大きく、EDP液の場合の
５倍の速さでエツチング可能である。したがつて
本発明では従来の構造に比べて基板のエツチング
に要する時間は1/5となり、その工業的価値は多
大である。なお、薄膜３３，３３′としては
Si3N4薄膜に限らず、プラズマCVD法によつて作
成したSiN薄膜など一般にシリコン窒化膜と称さ
れる薄膜が使用できる。
以下に本発明の実施例について具体的に説明す
る。
る。
実施例
表面が（100）面であるような厚さ300μｍのシ
リコン基板の裏面にCVD法で1000ÅのSi3N4薄膜
を形成し、基板に空孔を形成する部分のSi3N4薄
膜にウインドウをを作成した。次にシリコン基板
の表面に、順に2000ÅのSi3N4薄膜、3μｍのSiO2
薄膜、2000ÅのSi3N4薄膜を形成した。なお、
Si3N4薄膜はCVD法で、SiO2薄膜はスパツタリン
グ法で形成した。以上の処理を行なつたシリコン
基板を30％KOH水溶液で113℃の沸点に於いて１
時間エツチングして基板に裏面から空孔を形成し
た。直径50mmのシリコン基板の中に、合計50個の
空孔を形成したが、空孔上部ののSi3N4−SiO2−
Si3N4からなる薄膜部材はどの空孔部分に於いて
も破損したりひび割れが発生したりすることはな
かつた。次に表面にCrを下地にしてAuを蒸着し、
フオトリソグラフイによつて下地電極を形成した
後、スパツタリング法で6μｍのZnO薄膜を形成
し、さらにZnO薄膜の上にリフトオフによつて
Alの上部電極を形成した。以上の工程によつて
第３図、第４図に示した構造の薄膜圧電振動子を
製造した。この薄膜圧電振動子を、−20℃から60
℃で共振周波数測定したところ室温での共振周波
数は380MHz、共振周波数の温度係数は−5ppm／
℃であり、温度係数の小さい薄膜圧電振動子が実
現できた。
リコン基板の裏面にCVD法で1000ÅのSi3N4薄膜
を形成し、基板に空孔を形成する部分のSi3N4薄
膜にウインドウをを作成した。次にシリコン基板
の表面に、順に2000ÅのSi3N4薄膜、3μｍのSiO2
薄膜、2000ÅのSi3N4薄膜を形成した。なお、
Si3N4薄膜はCVD法で、SiO2薄膜はスパツタリン
グ法で形成した。以上の処理を行なつたシリコン
基板を30％KOH水溶液で113℃の沸点に於いて１
時間エツチングして基板に裏面から空孔を形成し
た。直径50mmのシリコン基板の中に、合計50個の
空孔を形成したが、空孔上部ののSi3N4−SiO2−
Si3N4からなる薄膜部材はどの空孔部分に於いて
も破損したりひび割れが発生したりすることはな
かつた。次に表面にCrを下地にしてAuを蒸着し、
フオトリソグラフイによつて下地電極を形成した
後、スパツタリング法で6μｍのZnO薄膜を形成
し、さらにZnO薄膜の上にリフトオフによつて
Alの上部電極を形成した。以上の工程によつて
第３図、第４図に示した構造の薄膜圧電振動子を
製造した。この薄膜圧電振動子を、−20℃から60
℃で共振周波数測定したところ室温での共振周波
数は380MHz、共振周波数の温度係数は−5ppm／
℃であり、温度係数の小さい薄膜圧電振動子が実
現できた。
以上のように本発明の薄膜圧電振動子は、共振
周波数の温度係数が10ppm／℃以下で、機械的強
度に優れており、しかも短時間で歩留り良く製造
することができる。したがつて本発明によれば共
振周波数の温度係数が小さい薄膜圧電振動子を量
産できる効果を有するものである。
周波数の温度係数が10ppm／℃以下で、機械的強
度に優れており、しかも短時間で歩留り良く製造
することができる。したがつて本発明によれば共
振周波数の温度係数が小さい薄膜圧電振動子を量
産できる効果を有するものである。
第１図、２図は従来の薄膜圧電振動子の構造を
示す図であり、第１図は平面図、第２図は断面
図、第３図、４図は本発明の薄膜圧電振動子の構
造を示す図であり、第３図は平面図、第４図は断
面図である。 ３１はシリコン基板、３２はエツチングによつ
て基板に形成した空孔、３３及び３３′はSi3N4
薄膜、３４はSiO2薄膜、３５は下地電極、３６
はZnO薄膜、３７は上部電極である。
示す図であり、第１図は平面図、第２図は断面
図、第３図、４図は本発明の薄膜圧電振動子の構
造を示す図であり、第３図は平面図、第４図は断
面図である。 ３１はシリコン基板、３２はエツチングによつ
て基板に形成した空孔、３３及び３３′はSi3N4
薄膜、３４はSiO2薄膜、３５は下地電極、３６
はZnO薄膜、３７は上部電極である。
Claims (1)
- １ 非圧電薄膜部材と圧電薄膜及び電極とからな
る複合ダイヤフラムを基板上に支持させ、該非圧
電薄膜部材をSiO2薄膜と、その上下をはさんだ
シリコン窒化膜との三層サンドイツチ構造とした
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 |
|---|---|---|---|
| JP3854882A JPS58175314A (ja) | 1982-03-11 | 1982-03-11 | 薄膜圧電振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3854882A JPS58175314A (ja) | 1982-03-11 | 1982-03-11 | 薄膜圧電振動子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58175314A JPS58175314A (ja) | 1983-10-14 |
| JPH0365046B2 true JPH0365046B2 (ja) | 1991-10-09 |
Family
ID=12528339
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3854882A Granted JPS58175314A (ja) | 1982-03-11 | 1982-03-11 | 薄膜圧電振動子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58175314A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001203558A (ja) * | 1999-11-11 | 2001-07-27 | Murata Mfg Co Ltd | 圧電共振子、フィルタ及び電子機器 |
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