JPH0584684B2 - - Google Patents
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- JPH0584684B2 JPH0584684B2 JP59044122A JP4412284A JPH0584684B2 JP H0584684 B2 JPH0584684 B2 JP H0584684B2 JP 59044122 A JP59044122 A JP 59044122A JP 4412284 A JP4412284 A JP 4412284A JP H0584684 B2 JPH0584684 B2 JP H0584684B2
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- 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
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- H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
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- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H10N30/074—Forming of piezoelectric or electrostrictive parts or bodies on an electrical element or another base by depositing piezoelectric or electrostrictive layers, e.g. aerosol or screen printing
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Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
この発明は、圧電薄膜共振器およびその製造方
法に関する。
法に関する。
近年、材料技術や加工技術の進歩に伴ない電子
部品の集積化が進み、その集積度も大規模なもの
となつている。しかしながら共振器やフイルタ等
受動部品についての集積化は遅れており、通信機
器、あるいはOA機器等の応用分野において、
VHFあるいはUHF帯域で使用可能な小型の共振
器の出現が望まれている。
部品の集積化が進み、その集積度も大規模なもの
となつている。しかしながら共振器やフイルタ等
受動部品についての集積化は遅れており、通信機
器、あるいはOA機器等の応用分野において、
VHFあるいはUHF帯域で使用可能な小型の共振
器の出現が望まれている。
従来、共振器やフイルタとして水晶等の圧電基
板の厚み振動を利用したものが実用化され数多く
使用されている。ところが、この圧電基板の機械
的強度および加工上の制約から基板の厚みをせい
ぜい数十μｍ程度とするにとどまり、したがつて
利用可能な共振周波数も数十ＭHzが殆んど限界と
なつていた。それ以上の周波数を必要とする場合
には、高次厚み振動を利用することとなるが、高
次になると電気機械結合係数が小さくなり、周波
数帯域幅が狭い欠点を有し、実用的でなかつた。
板の厚み振動を利用したものが実用化され数多く
使用されている。ところが、この圧電基板の機械
的強度および加工上の制約から基板の厚みをせい
ぜい数十μｍ程度とするにとどまり、したがつて
利用可能な共振周波数も数十ＭHzが殆んど限界と
なつていた。それ以上の周波数を必要とする場合
には、高次厚み振動を利用することとなるが、高
次になると電気機械結合係数が小さくなり、周波
数帯域幅が狭い欠点を有し、実用的でなかつた。
これに対し、最近、厚み振動等の基本モードあ
るいは比較的低次のオーバートーンで動作する超
小型のVHF，UHF帯共振器の実現を目指して、
いわゆる圧電薄膜を用いた共振器が研究されてい
る。このような圧電薄膜共振器としては例えば、
「ZnO／SiO2−Diaphragm Composit resonator
on ａ silicon wafer」Eleclronics Letters 9th
July 1981 Vol 17No.14P507〜509等において開示
されたようなものが知られており、これを第１図
ないし第２図に示す。すなわち、第１図は圧電膜
として酸化亜鉛（ZnO）を用いた圧電薄膜共振器
の斜視図であり、第２図はその構成を示す断面図
である。このような共振器は、シリコン基板１の
両面にSiO2膜２，３を形成したのち、基板裏面
のSio2膜３を一部分取り除き、SiO2膜２，３をマ
スクとしてシリコン基板を異方性エツチングして
SiO2膜２まで達する凹部４を形成する。そして
SiO2膜２の上に第１の電極５を形成し、この電
極５を含むSiO2膜２上にZnO圧電薄膜６を形成
し、さらにZnO圧電薄膜６上に第１の電極５と少
なくとも一部対向させて第２の電極７を形成して
作製される。電極５，７間に電気信号を印加する
と、ZnO圧電薄膜６の圧電効果により、ZnO圧電
薄膜６と凹部４上のSiO2膜２との複合体膜が振
動し、共振器として動作する。
るいは比較的低次のオーバートーンで動作する超
小型のVHF，UHF帯共振器の実現を目指して、
いわゆる圧電薄膜を用いた共振器が研究されてい
る。このような圧電薄膜共振器としては例えば、
「ZnO／SiO2−Diaphragm Composit resonator
on ａ silicon wafer」Eleclronics Letters 9th
July 1981 Vol 17No.14P507〜509等において開示
されたようなものが知られており、これを第１図
ないし第２図に示す。すなわち、第１図は圧電膜
として酸化亜鉛（ZnO）を用いた圧電薄膜共振器
の斜視図であり、第２図はその構成を示す断面図
である。このような共振器は、シリコン基板１の
両面にSiO2膜２，３を形成したのち、基板裏面
のSio2膜３を一部分取り除き、SiO2膜２，３をマ
スクとしてシリコン基板を異方性エツチングして
SiO2膜２まで達する凹部４を形成する。そして
SiO2膜２の上に第１の電極５を形成し、この電
極５を含むSiO2膜２上にZnO圧電薄膜６を形成
し、さらにZnO圧電薄膜６上に第１の電極５と少
なくとも一部対向させて第２の電極７を形成して
作製される。電極５，７間に電気信号を印加する
と、ZnO圧電薄膜６の圧電効果により、ZnO圧電
薄膜６と凹部４上のSiO2膜２との複合体膜が振
動し、共振器として動作する。
このような圧電薄膜共振器は次のような特長を
持つている。即ち、 振動部分を極めて薄くできるため、100MHz
〜数ＧHzの周波数帯において基本モードあるい
は低次モードで動作する。
持つている。即ち、 振動部分を極めて薄くできるため、100MHz
〜数ＧHzの周波数帯において基本モードあるい
は低次モードで動作する。
電気機械結合係数が大きく広帯域化が計れ
る。
る。
圧電膜と逆符号の共振周波数温度係数をもつ
SiO2膜との組合せにより零温度係数が得られ
る。
SiO2膜との組合せにより零温度係数が得られ
る。
共振器の超小型化が可能である。
共振器の製作工程が一般的な集積回路とコン
パチブルであるため、集積回路内に組み込むこ
とが可能である。
パチブルであるため、集積回路内に組み込むこ
とが可能である。
ところが、このようなシリコン基板に凹部を形
成した圧電薄膜共振器では次のような重大な欠点
がある。すなわち、表面が（100）面のシリコン
基板をPED液（ピロカテコールC6H4（OH）2，エ
チレンジアミンNH2（CH2）2NH2，水H2Ｏ）によ
りエツチングすると、この液はエツチング速度の
結晶方位依存性が大きく、111方向にくらべて100
方向のエツチング速度が大きいという異方性を示
すことから第２図に示すようなピラミツド形の穴
４が形成される。この場合、シリコン基板100方
向のエツチング速度は最大50μm／Hrと小さいた
め、通常用いられる３インチ径シリコン基板（厚
さ400μm）の場合には８時間ものエツチング時間
を要し、きわめて生産性が悪く、量産化が困難で
あつた。また、基板に凹部が形成されていること
から、機械的強度が弱く壊れやすいので、製作工
程上取り扱いが難しいことや信頼性に問題があつ
た。さらに他の集積回路を同一基板上に組み込む
場合に、凹部を形成する工程で、他の集積回路部
に損傷を与えることが多く大きな障害となつてい
た。
成した圧電薄膜共振器では次のような重大な欠点
がある。すなわち、表面が（100）面のシリコン
基板をPED液（ピロカテコールC6H4（OH）2，エ
チレンジアミンNH2（CH2）2NH2，水H2Ｏ）によ
りエツチングすると、この液はエツチング速度の
結晶方位依存性が大きく、111方向にくらべて100
方向のエツチング速度が大きいという異方性を示
すことから第２図に示すようなピラミツド形の穴
４が形成される。この場合、シリコン基板100方
向のエツチング速度は最大50μm／Hrと小さいた
め、通常用いられる３インチ径シリコン基板（厚
さ400μm）の場合には８時間ものエツチング時間
を要し、きわめて生産性が悪く、量産化が困難で
あつた。また、基板に凹部が形成されていること
から、機械的強度が弱く壊れやすいので、製作工
程上取り扱いが難しいことや信頼性に問題があつ
た。さらに他の集積回路を同一基板上に組み込む
場合に、凹部を形成する工程で、他の集積回路部
に損傷を与えることが多く大きな障害となつてい
た。
この発明は上記欠点を解決するために成された
もので量産性が良く、機械的強度が大きく、他の
集積回路が組み込みやすい圧電薄膜共振器および
その製造方法を提供するものである。
もので量産性が良く、機械的強度が大きく、他の
集積回路が組み込みやすい圧電薄膜共振器および
その製造方法を提供するものである。
上記目的を達成するために、本発明において
は、基板上に薄膜による空隙層を形成し、これら
空隙層を含む薄膜上に圧電膜と、この圧電膜をは
さんで対向するよう少くとも一対の電極を設ける
ようにしたことを特徴とするものである。
は、基板上に薄膜による空隙層を形成し、これら
空隙層を含む薄膜上に圧電膜と、この圧電膜をは
さんで対向するよう少くとも一対の電極を設ける
ようにしたことを特徴とするものである。
以下図面を参照して、この発明を詳細に説明す
る。第３図は、この発明に係る圧電薄膜共振器の
一実施例を示す斜視図であり、第４図は、第３図
の共振器のＢ−B′における断面図である。図に
示す如く、基板１１上にSiO2膜１２が、基板１
１との間に一部空隙層１３が形成されよう設けら
れる。このSiO2膜１２及び基板１１は圧電薄膜
共振器の保持部となるものである。この保持部上
に第１の電極１４，ZnO圧電膜１５，第２の電極
１６の順に形成される。この場合、ZnO圧電膜１
５はSiO2膜１２の前記空隙層１３に対応した位
置に形成され、第１の電極１４と第２の電極１６
はZnO圧電膜１５をはさんで少くとも一部が互い
に対向して配置されている。第１の電極１４と第
２の電極１６との間に電気信号が印加される。こ
のとき空隙層１３上のSiO2膜１２とZnO圧電膜
１５との複合体膜が振動することにより共振器と
して動作する。尚、圧電膜はZnOに限定されるも
のではなくAlN，CdS等の圧電薄膜であれば何を
用いても良い。
る。第３図は、この発明に係る圧電薄膜共振器の
一実施例を示す斜視図であり、第４図は、第３図
の共振器のＢ−B′における断面図である。図に
示す如く、基板１１上にSiO2膜１２が、基板１
１との間に一部空隙層１３が形成されよう設けら
れる。このSiO2膜１２及び基板１１は圧電薄膜
共振器の保持部となるものである。この保持部上
に第１の電極１４，ZnO圧電膜１５，第２の電極
１６の順に形成される。この場合、ZnO圧電膜１
５はSiO2膜１２の前記空隙層１３に対応した位
置に形成され、第１の電極１４と第２の電極１６
はZnO圧電膜１５をはさんで少くとも一部が互い
に対向して配置されている。第１の電極１４と第
２の電極１６との間に電気信号が印加される。こ
のとき空隙層１３上のSiO2膜１２とZnO圧電膜
１５との複合体膜が振動することにより共振器と
して動作する。尚、圧電膜はZnOに限定されるも
のではなくAlN，CdS等の圧電薄膜であれば何を
用いても良い。
本発明の特徴は基板１１上に空隙層１３を形成
することにあり、以下これらの形成法について説
明する。まず、基板上にマスクを介して所望の大
きさの空隙層範囲にZnO膜をスパツタリング法等
により形成し、次にこのZnO膜の一部分含んで基
板上にSiO2膜をスパツタリング法等に形成し、
ZnO膜がSiO2膜で被覆された部分と被覆されて
いない部分とを形成する。次にこれらをHCl溶液
につけるとSiO2膜は全く溶解しないがZnO膜は
容易に溶解するため、SiO2膜で被覆されていな
いZnO膜から溶解しはじめ、SiO2膜の下のZnO膜
も溶解される。このようにして空隙層を形成す
る。ZnO膜は希酸類に簡単に溶解するため、
HNO3，H3PO4，H2SO4等の溶液を用いても良
い。空隙層の厚さは、共振器の動作周波数の振動
変位幅の数倍以上であれば充分であるが、作成の
容易さから数百Å〜数μm位が望ましい。上記説
明では空隙層の形成にZnO膜を用いたが、容易に
溶解できるものであれば、酸化物，圧電体，半導
体，絶縁体，金属等の材料を用いても何んらさし
つかえない。さらに、SiO2膜は100％純粋である
必要はなく、例えばリンを数％〜10％程度ドープ
したPSG（Phospho Silicate Glass）や、ボロン
とリンをドープしたBPSG（Boro Phospho
Silicate Glass）等でも良い。またSiO2膜１２の
かわりにSi3N4膜を用いて空隙層を形成しても良
い。Si3N4膜はち密で化学的にも熱的にも極めて
安定なので良好に空隙層を形成することができ
る。この場合圧電膜の温度特性補正のために
SiO2膜をSi3N4膜の上に積層するか、電極を含む
圧電膜上に形成する必要がある。後者の場合には
表面の保護膜としても働らくのでいつそう有効で
ある。基板としては、他の集積回路を組み込む場
合にはSiやGaAsなどの半導体基板を用いるが、
デイスクリートな部品として使用する場合には、
ガラスやセラミツク基板を用いれば良いので、コ
ストが安いというメリツトがある。
することにあり、以下これらの形成法について説
明する。まず、基板上にマスクを介して所望の大
きさの空隙層範囲にZnO膜をスパツタリング法等
により形成し、次にこのZnO膜の一部分含んで基
板上にSiO2膜をスパツタリング法等に形成し、
ZnO膜がSiO2膜で被覆された部分と被覆されて
いない部分とを形成する。次にこれらをHCl溶液
につけるとSiO2膜は全く溶解しないがZnO膜は
容易に溶解するため、SiO2膜で被覆されていな
いZnO膜から溶解しはじめ、SiO2膜の下のZnO膜
も溶解される。このようにして空隙層を形成す
る。ZnO膜は希酸類に簡単に溶解するため、
HNO3，H3PO4，H2SO4等の溶液を用いても良
い。空隙層の厚さは、共振器の動作周波数の振動
変位幅の数倍以上であれば充分であるが、作成の
容易さから数百Å〜数μm位が望ましい。上記説
明では空隙層の形成にZnO膜を用いたが、容易に
溶解できるものであれば、酸化物，圧電体，半導
体，絶縁体，金属等の材料を用いても何んらさし
つかえない。さらに、SiO2膜は100％純粋である
必要はなく、例えばリンを数％〜10％程度ドープ
したPSG（Phospho Silicate Glass）や、ボロン
とリンをドープしたBPSG（Boro Phospho
Silicate Glass）等でも良い。またSiO2膜１２の
かわりにSi3N4膜を用いて空隙層を形成しても良
い。Si3N4膜はち密で化学的にも熱的にも極めて
安定なので良好に空隙層を形成することができ
る。この場合圧電膜の温度特性補正のために
SiO2膜をSi3N4膜の上に積層するか、電極を含む
圧電膜上に形成する必要がある。後者の場合には
表面の保護膜としても働らくのでいつそう有効で
ある。基板としては、他の集積回路を組み込む場
合にはSiやGaAsなどの半導体基板を用いるが、
デイスクリートな部品として使用する場合には、
ガラスやセラミツク基板を用いれば良いので、コ
ストが安いというメリツトがある。
本発明によれば、空隙層上に薄膜振動部分が形
成されているために、従来のように長時間を要す
るシリコン基板のエツチング工程が不要なことか
ら、製造工程の短縮化が計れ量産が可能となり、
他の集積回路の組み込みも容易となる。さらに、
基板の機械的強度が損われないため取り扱いが容
易で歩留りが向上する。
成されているために、従来のように長時間を要す
るシリコン基板のエツチング工程が不要なことか
ら、製造工程の短縮化が計れ量産が可能となり、
他の集積回路の組み込みも容易となる。さらに、
基板の機械的強度が損われないため取り扱いが容
易で歩留りが向上する。
また、従来の構造と比較して振動エネルギーが
基板に漏れにくいため共振器特性の性能が向上す
る。更に空隙部がアーチ状に形成出来るため、従
来型より振動衝撃にも強くなり信頼性が向上す
る。
基板に漏れにくいため共振器特性の性能が向上す
る。更に空隙部がアーチ状に形成出来るため、従
来型より振動衝撃にも強くなり信頼性が向上す
る。
第１図は従来の圧電薄膜共振器を示す斜視図、
第２図は第１図の共振器のＡ−A′における断面
図、第３図は本発明の一実施例に係る圧電薄膜共
振器を示す斜視図、第４図は第３図の圧電薄膜共
振器のＢ−B′における断面図である。 １……シリコン基板、２，３，１２……SiO2
薄膜、４……エツチングによる凹部、５，１４…
…第１の電極、６，１５……圧電膜、７，１６…
…第２の電極、１１……基板、１３……空隙層。
第２図は第１図の共振器のＡ−A′における断面
図、第３図は本発明の一実施例に係る圧電薄膜共
振器を示す斜視図、第４図は第３図の圧電薄膜共
振器のＢ−B′における断面図である。 １……シリコン基板、２，３，１２……SiO2
薄膜、４……エツチングによる凹部、５，１４…
…第１の電極、６，１５……圧電膜、７，１６…
…第２の電極、１１……基板、１３……空隙層。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 基板と、 この基板面との間で一部空隙層が形成されるよ
う前記基板上に形成された非圧電性薄膜と、 少なくとも一部分が前記空隙層にほぼ対応する
前記非圧電性薄膜上の位置に形成された第１の電
極と、 この第１の電極上にあつて前記空隙層にほぼ対
応する位置全体に形成された圧電膜と、 前記空隙層にほぼ対応する前記圧電膜上の位置
に前記第１の電極と少なくとも一部分が対向する
よう形成された第２の電極とを備えたことを特徴
とする圧電薄膜共振器。 ２ 基板上に所定の範囲で第１の膜を形成する工
程と、 この工程により形成された第１の膜の一部を含
んで前記基板上に非圧電性の第２の膜を形成する
工程と、 前記第１の膜を溶解することのできる溶液によ
り前記第１の膜を溶解して前記基板および第２の
膜間に空隙層を形成する工程と、 この工程により形成された空隙層に対応した前
記第２の膜上に圧電膜およびこの圧電膜をはさん
で互いに少なくとも一部が対向するよう一対の電
極を形成する工程とからなることを特徴とする圧
電薄膜共振器の製造方法。
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