JPS58137317A - 圧電薄膜複合振動子 - Google Patents

圧電薄膜複合振動子

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JPS58137317A
JPS58137317A JP57019105A JP1910582A JPS58137317A JP S58137317 A JPS58137317 A JP S58137317A JP 57019105 A JP57019105 A JP 57019105A JP 1910582 A JP1910582 A JP 1910582A JP S58137317 A JPS58137317 A JP S58137317A
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piezoelectric thin
vibrator
temperature coefficient
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    • H03H9/54—Filters comprising resonators of piezo-electric or electrostrictive material
    • H03H9/58—Multiple crystal filters
    • H03H9/582—Multiple crystal filters implemented with thin-film techniques
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本実明社、フィルタ、発振子等に使用される圧電振動子
に関し、特にＶＨＦ、ＵＨＦ帯において基本厚み振動を
用いて使用できる高安定の高周波用圧電振動子に関する
ものである。
一般に、高周波帯において使用される圧電振動子は、薄
板の厚み振動が用いられている。従来。
高周波用の圧電振動子として、 （１）　　水晶、圧電セラミックス等の圧電板を薄く研
磨し、その基本振動を用いた圧電振動子。
（２）　　水晶、圧電セラミック板等の高次振動を利用
した高次モード振動子。
（３）圧電性蒸着膜を基板上につくり、圧電性蒸着膜を
励振して基板を高次振動させて用いる複合振動子。
等がある。ここで（１）Ｋよる場合には、水晶、圧電上
う虐ツクス等の圧電物質を薄くすれば、板厚に反比例し
て基本共振周波数が高くなるがしかし。
板厚を薄くすればするほど機械加工の困難さが増すため
、現在板厚が３０〜４０μｍで５０　ＭＨｚ程度が製造
上の限界となっている。（２）による場合に杜、高次振
動を用いるので電気機械結合係数が小さくなり、周波数
帯域幅が小さすぎて実用に供しない場合が生じ、またよ
り電気機械結合係数が大きい低次振動がスプリアスとな
る欠点かある。また（３）による場合は、基板の高次振
動を使うので、や祉り（２）と同一の欠点を有している
。
一方、数百ＭＨｚの高周波帯において、電気機械結合係
数の大きな圧電振動子を得る方法としてはスパッタ法尋
の薄膜製造技術とエツチング技術を用いる方法が知られ
ている。つまり、シリコン。
水晶などの基板上に、半導体、絶縁体あるいは金属の薄
膜と圧電薄膜とを層状に作製し、振動子として使用する
部分の基板をエツチングによって除去することにより、
振動部分は半導体、絶縁体あるいは金属の薄膜と圧電Ｗ
ＩＮからなり、その外周部を基板によって支持された構
造の圧電薄膜振動子がそれである。このような、圧電薄
膜振動子はその振動部分を機械加工に比べてはるかに薄
くできるのでＶＩ（Ｆ、ＵＨＦ帯においても基本振動を
利用することができる。しかし、圧電薄膜として用いら
れる代表的な圧電材料であるＺｎＯ，Ｏｄ８゜ＡｊＮ等
は、周波数温度係数が大きいため、温度安定度の高い圧
！振動子を得ることはできない。
この対策として、圧電材料と周波数温度係数の符号が異
る材料との組合わせで、圧電振動子全体としての周波Ｗ
Ｌ温度係数の謹対値を小さくすることが考えられる。そ
こで％　ＺｎＯとＳｔＯ，の周波数温度係数の符号が異
ることに着目し、第１図に示すようにシリコン基板１１
の表面にＳｉｎ、膜１３を形成し、この上に電極１５．
ＺｎＯ薄膜１４．電極１６．の順で形成し、この振動部
位にあたるシリコン基板の部分１２をエツチングによっ
て取除いた構造の圧電薄膜振動子が提案されている。第
１図において、ｔｐｌ、　ｔｓ＋は、それぞれＺｒｔＯ
，８ｉ０゜薄膜の膜厚を示している。次に第２図に、第
１図に示した構造のＺｎＯ／８ｉ０を複合圧電振動子の
５ｔＯ１膜１３とＺｎＯ膜１４との膜厚比ｔｓｔ／ｌｐ
１に対する基本厚みたて共振周波数温度係数Ｔｘｆｒ（
ｐｐｍ／℃）の関係を理論的に求めたものを示す。尚Ｚ
ｎＯ膜及び８１０．膜の周波数温度係数は、それぞれ−
６１，５ｐｐｍ、／℃、　１１９．５　ｐｐｍ／ｌｌ：
である。第２図から、ｔｓｌ／ｌｒｔが約０．５のとき
零温度係数が得られていることがわかる。しかしながら
、この構造では、零温度係数を与える膜厚比において８
ｉ０．の膜厚が相当大きくなり、基本厚みたて振動の振
動節点に関してＺｎＯ膜が対称の位置から相当ずれてし
まうために、３次、５次・・・といった奇数次高調波の
他に２次、４次、・・・といった偶数次高調波がスプリ
アスとして強勢に励振されるといった欠点があった。
第１図に示したＺｎＯ／８ｉ０．複合圧電振動子におい
て発生する偶数次高調波を抑圧する試みとして第３図に
示したようにＺｎＯの圧電薄膜１４の両面に、ＺｎＯ薄
膜に対して上下対称に８ｉ０２薄膜１３゜１７を設けた
構造の薄膜複合振動子が考えられる。
このような構造ではｓ　ＺｎＯ圧電薄膜の中央部分が振
動節点となり、２次、４次、・・・といった偶数次高調
波によるスプリアスは圧電薄膜内で電荷が相殺されるた
めに抑圧されるわけである。尚、第３図において２ｔｒ
ｚ、　ｔｓ２は、それぞれＺｎＯ，８１０１の膜厚を示
す。
第４図に、第３図に示した構造のＺｎＯ／８ｉ０ｍ複合
振動子の膜厚比ｔ　８２　／　ｔ　ｐ　２に対する基本
厚みたて共振周波数温度係数Ｔｘｒｒ（ｐｐｒｎ／℃）
の関係を分布定数等価回路から理論的に求めたものを示
す。
第４図から、零温度係数が得られる膜厚比ｔｓ＊／ｌｒ
ｙは１．１程度であることがわかる。即ち、零温度係数
が得られる膜厚比の条件は、この複合振動子における振
動部位の膜厚に対するＺｎＯ圧電薄膜の占める割合が、
　ＳｔＯ，薄膜のそれより小さくなっている。ＺｎＯ圧
電薄膜は、基本厚みたて振動に関するエネルギー閉じ込
めが可能な材料であるがこのようにＺｎＯ薄膜両面の８
ｉ０．膜厚が厚い構造の場合には圧電反作用による周波
数低下量が小さくなり、良好なエネルギー閉じ込めが行
われなくなる。従って、第３図に示した構造では、零温
度係数を得ようとすると良好な共振応答を得ることが、
困１１１になる。
本発明は上記のようなＺｉｐ／Ｓｉｎ、複合振動子の欠
点を除き温度安定性が良く、基本厚みたて振動において
良好な共振応答が得られ、かつ２次、４次９等の偶数次
高調波によるスプリアスを十分抑圧した圧電薄膜複合振
動子を提供しようとするものである。
本発明は半導体あるいは絶縁体の薄膜上の厚み方向に電
極、圧電薄膜、電極の順に形成した多層構造の振動部位
、あるいはこの構造の上にさらに半導体あるいけ絶縁体
の薄膜を形成した多層構造の振動部位を有し、該振動部
位の周囲の半導体あるいは絶縁体から彦る薄膜側を基板
で支持した構造の薄膜振動子において、振動部位の厚み
方向の中央部分に前記圧電薄膜の共振□周波数の温度係
数とは符号の異なる材料からなる薄膜を形成することを
特徴としている。次に本発明について詳細に説明する。
第５図は、本発明の振動子における振動部位の一部の構
造を示している。圧電薄膜５１．５２の中間部分に、薄
膜５３を一層設け、この薄膜５３は圧電薄膜とは温度係
数の符号の異る材料を選びこの圧電薄膜の両外側に電極
５４．５５を設けた構造である。ここで圧電薄膜５１．
５２の材料としてＺｎＯ、薄膜５３の材料としてＳｉｎ
、を選び、また図においてｔｐｓ、　２ｔｓｓをそれぞ
れＺｎＯ＋　８　ｌ　Ｏｔの膜厚を表わすものとする。
すると、第５図に示した構造のＺｎＯ／８　ｉｃｙ複合
振動子の膜厚比ｔｓｓ／ｌｒｓに対する、基本厚みたて
共振周波数の温度係数ＴＫｆｒ　（ＰＰｍ／’Ｃ）の関
係を分布定数等価回路から理論的に求めたグラフは第６
図のようになる。第６図から、零温度係数が得られる膜
厚比ｔｓｓ／ｌｐｓは−０，０８５であることがわかる
。即ち、ＺｎＯの膜厚に比べてｓ　Ｓｉｎ、の膜厚を極
めて小さくするごとができ、　ＳｔＯ，の膜厚が小さい
ために、エネルギー閉じ込め効果にほとんど支障はなく
、良好な共振応答が得られるゎけである。また、ｉ！動
節点に対して、圧電膜が上下対称の位置にあるため、２
次、４次、−・・といった偶数次高調波は励振されるこ
とはない。
次に、本発明の圧電薄膜複合振動子の基本的構造を第７
図に示す。第７図において、７１は振動部位の周囲を支
持する基板であり、７２はエツチングにより振動部位に
対応する基板の部分に設けられた空孔である。基板７１
として望ましい材料は、表面が（１００）面であるシリ
コンである。その理由として、たとえばＫＯＨ，４るい
はエチレンジアミンのようなエツチング液を使用すれば
（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
方性を示すことにより、（１１１）面方向へのエツチン
グの拡がりが極めて小さく、従って精度良く空孔の寸法
を制御できるからである。また、第７図において、７３
は、ホウ素をドープしたシリコン、あるいは酸化物、窒
化物等の絶縁体のうちいずれか一つからなる薄膜である
。薄膜７３として、シリコン基板へのホウ素の拡散又は
イオン注入によって形成するか、或いはシリコン基板上
にホウ素を高濃度にドープしたエピタキシャル膜を成長
させて形成したシリコン薄膜や、あるいはＳ１０．薄膜
、　８ｉ３Ｎ、薄膜等の絶縁体の薄膜を用いると、これ
らの薄膜はＫＯＨ，あるいはエチレンジアミンのような
エツチング液によるエツチング速度が極めて小さいため
、薄膜７３の厚さを精密に制御することができる。
さらに本発明の振動子はこの薄膜７３上の厚み方向に電
極５４．圧電薄膜５１．この圧電薄膜とは共振周波数の
温度係数の符号の異なる材料からなる薄膜５３．圧電薄
膜５２．電極５５半導体あるいは絶縁体からなる薄膜７
４の順で形成したものである。半導体あるいは絶縁体か
らなる薄膜７４は偶数次の高調波を抑制する機能と周波
数調整を行なう機能をもつ。５１．５２の圧電薄膜材料
としては、現在のところ電気機械結合係数が大きく製造
が容易であることからＺｎＯが最適である。
ＺｎＯ薄膜ｅ’；ｉ、スパッタ法、ＯＶＤ法、イオンブ
レーティング法により、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興でき、しかも高い抵抗率を
持った薄膜となることが知られている。
次に、第７図の構造をもった圧電薄膜複合振動子の一例
として、圧電薄膜５１．５２としてＺｎＯを用い、薄膜
５３としてＺｎＯと共振周波数の温度係数の異る８ｉ０
２膜、薄膜７３及び薄膜７４として同じ＜　Ｓｉｎ、を
用いた振動子について説明する。
ＺｎＯ膜５１．５２の厚さをｔＰ４＋　５ｔｏ２膜５３
の厚さを２ｔｓ４＋　８ｉ０．膜７３．７４の厚さをｔ
６ｓとする。
このとき、この振動子の基本厚みたて振動の共振周波数
の温度係数が零となる条件の膜厚比ｔＢ４／　ｔ　Ｐ　
４及びｔａｓ／ｌｒｉを分布定数等価回路から理論的に
求めたものを第８図に示す。第８図において実用的な部
分は膜厚比ｔｓｓ／ｌｒ４が０．５以下の部分である。
０．５より大きい場合９前述のように良好なエネルギー
閉じ込めができない。膜厚比ｔｓｓ／ｌＰ４が０．５以
下の部分にお、いて、零温度係数を得るもう一方の膜厚
比ｔ　１１４　／　ｔ　Ｐ　４の値はほぼ一走で０．０
８５〜０．０９３の間にある。即ち、圧電薄膜内部外部
にあるＳ１０．膜の膜厚ｔｓｓの温度係数に及ぼす影響
は極めて小さいことがわかる。薄膜７３゜７４は、音響
的表自由端に近い部分にあるため、この部分はほとんど
質量として働き、この部分の材料の違いによる圧電振動
子の温度係数に及はす影響はそれほど大きくない。（の
ため、７３゜７４の部分は５ｉ０２の他に、ＫＯＨ，エ
チレンジアミンのようなエツチング液にエツチングされ
Ｋくい５１３Ｎ４７！ｌ膜等の絶縁体薄膜、ホウ素を高
濃度にドープしたシリコン薄膜を用いても、ｓｔｏｗ　
と同様な結果が得られることは明白である。
以上は第７図において薄膜７３と７４の膜厚が等しい場
合である。しかし、第８図にも示すように圧電薄膜の膜
厚（第７図においてｔＰ４で示す。）に比べ薄膜７３と
７４の膜厚（第７図においてｔｌＢで示す。）を薄くす
ることができ、この場合薄膜７３と７４の膜厚は等しく
なくとも偶数次の高調波によるスプリアス振動を抑制す
ることができる。さらに第９図に示すような第７図の構
造において薄膜７４を取除いた構造の圧電薄膜複合振動
子においても第７図の構造の特性に近い良好な特性が得
られる。第９図の構造において圧電薄膜５１と５２とし
てＺｎＯ薄膜を用い、薄膜５３，５４゜５５としてＳｔ
Ｏ！を用いた場合、振動子の基本厚みたて振動の共振周
波数の温度係数が零となる各膜厚の比を理論的に求めた
ものを第１０図に示す。
第９，１０図にオイＴ　ｔｐｓ、　ｔｐｓはＺｎＯ薄膜
の厚みでありｓ　ｉＰフ＝　ｔ　Ｐ　５　＋ｔ　Ｐ　６
とする。またｔｅａは振動部のほぼ中央部に形成する薄
膜の厚み、さらにｔｓｙは絶縁体あるいは半導体からな
る薄膜の厚みである。第１０図からも判かるように薄膜
７３を圧電薄膜５１．５２に対して薄くすることができ
る。この場合％　　ｔｒｓとｔｉ’ｓが等しい構成でも
よいしｓ　　ｔｐｓとｔＰ・を異なった値にして薄膜５
３が振動部位の中央部に位置するように構成してもよい
。
以上の説明において圧電薄膜材料としてＺｎＯを、また
振動部位の厚み方向の中央部に形成する薄膜の材料とし
て８１０．を用いた例を示した。しかしこれら以外の圧
電材料及びこれらの圧電材料と共振周波数の温度係数の
符号の異なる薄膜用材料を組合わせても、これらの圧電
材料と薄膜用材料が互いに適切な共振扁波数の温度係数
を有するならば１本発明の特徴及びその有効性は少しも
失なわれることはない。
以下、第７図、第９画に示した構造の本発明の圧電薄膜
複合振動子について、実施例に従って具体的に説明する
。第９図に示す構造において、まず表面が（１００）面
であるシリコン基板７１にｏｖｎ法により１．５　ａｍ
　Ｏ８１ｊＮ４薄［１７３を形成し１次にシリコン基板
７１に、あらかじめ裏面に形成した８ｉ、Ｎ、　ｃｖＩ
）膜をマスクとしてエチレンジアミン、パイロカテコー
ル及び水からなるエツチング液で空孔７２を設けた。さ
らに、表面に形成した８１．Ｎ４薄膜７３上にＯｒを下
地としてムＵを蒸着した後、フォトリソグラフィーによ
り部分電極５４を形成し、順次スパッタ法により３．４
μｍのＺｎＯ薄膜５１，０．６ａｍの８１０．薄膜５３
．５１と同じ膜厚のＺｎＯ薄膜５２を形成した後、す７
トｔｉＫよってムｊの部分電極５５を形成した。この圧
電薄膜振動子において共振周波数３２１．９ＭＨｚ。
共振尖鋭度２８００．共振周波数温度係数−２，２９ｐ
ｍ／℃を得た。また第１１図にインピーダンス特性を実
線で示す。なおこの図中で点線で示したものは、第１図
に示した従来の圧電薄膜振動子の第２次共振によるスプ
リアスを示す。この図から本発明による圧電薄膜振動子
は第２次振動の抑圧に有効であることは明白である。
さらＫ、上記のように作製した第９図に示す圧電薄膜振
動子のム！電極５５及びＺｎＯ薄膜５２の表面ＫＬ２μ
ｍの８１０！薄膜をスパッタ法で形成し第７図のような
圧電薄膜振動子を作製した。その結果共振周波数３００
．０　ＭＨｚ　、共振尖鋭度２９００　。
共振周波数の温度係数−１７ｐｐｍ／Ｕ　を得た。この
とき、第２次振動によるスプリアスは第１２図に示すよ
うに、第１１図の実線の特性のさらに５分の１に抑圧さ
れた。
以上、圧電薄膜複合振動子のうち共振子についてのべて
きたが、本発明は第１３図（イ）、（ロ）に示すように
、相対向する多数の電極１１１，１１２゜１１３．１１
４を設け、左側にある１　１１．１１２の電極を入力電
極、右側にある１１３，１１４を出力電極として、多重
モードを用いたフィルタも容易に可能であることは言う
までもない。
以上詳述したように、本発明に従えば温度安定度が極め
て優れ、かつ２次、４次といった偶数次
【図面の簡単な説明】
第１図は、従来の圧電薄膜複合振動子を示す図である。 第２図は第１図に示した構造の従来のＺｎＯ／８ｉ０を
複合振動子の膜厚比と共振周波数温度係数の関係を示す
図である。第３図は、従来の圧電薄膜複合振動子を示す
図である。第４図は第３図に示した構造のＺｎＯ／８ｉ
０ｔ複合振動子の膜厚比と共振周波数温度係数の関係を
示す図である。 第５図は、本発明の圧電薄膜複合振動子の振動部位の一
部を示す図である。第６図社第５図に示した複合振動子
の膜厚比と共振周波数温度係数の関係を示す図である。 第７図は１本発明の圧電薄膜複合振動子の基本的構造を
示す図である。第８図は、第７図に示した本発明の圧電
薄膜複合振動子の構造において、Ｚｎ０．８１０．を組
み合めせた場合の、共振周波数の零温度係数が得られる
膜厚比の関係を示す図である。 第９図は、本発明の圧電薄膜複合振動子の構造を示す図
である。 第１０図は、第９図に示した本発明の圧電薄膜複合振動
子の構造においてＺｎ０．８１０ｇを組合わせた場合の
共振周波数の零温度係数が得られる膜厚比の関係を示す
図である。 第１１図は第９図に示した本発明の圧電薄膜複合振動子
のインピーダンス特性を示す図である。 第１２図は第７図に示した本発明の圧電薄膜複合振動子
のインピーダンス特性を示す図である。 第１３図は、本発明の圧電薄膜複合振動子のフィルタへ
の応用例を示し、（イ）は平面図、（ロ）は断面図を示
す。 以上の図において、１１．７１Ｆｉ、基板、１２゜７２
は空孔、１３，１７，７３，７４は半導体あるいは絶縁
体からなる薄膜、１４，５１．５２は圧電薄膜、５３は
５１．５２の圧電薄膜の共振周波数と異なる符号の材料
からなる薄膜、１５゜１６．５４，５５，１１１，１１
２，１１３゜１１４は電極。 Ｑ５０ 第２図 ′ｉＰ、３　　図　　　　　　　　　１００１００ 第４図 ［ ［ ０１，０２，０３，０ ｔｓｚ／　ｔｐ２ 第５図 １００ ５０ （ 第６図 ０　　　　　　　　０．５　　　　　　　　　Ｃｏ　　
　　　　　　　１５莞７図 第８図 ０　　　　　　　　０．５　　　　　　　１．Ｑｔｓｓ
／ｌｐ４ 第９図 第１０図 ｔｓｑ／ｌＰ７ 第１２図 １１Ｊ　　シ巧し４已ＥＣ）’ＩＨ乙う第１３図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）　　半導体あるいは絶縁体からなる薄膜上のその
    厚み方向に、電極、圧電薄膜、電極の順に形成してなる
    多層構造の振動部位を有し、咳振動部位の周囲の前記半
    導体あるいは絶縁体からなる薄膜側を基板で支持した構
    造の薄膜振動子において、振動部位の厚み方向の中央部
    分に前記圧電薄膜の共振周波数の温度係数とは符号の異
    なる材料からなる薄膜を形成したことを特徴とする圧電
    薄膜複合振動子。
  2. （２）　　半導体あるいは絶縁体からなる薄膜上のその
    厚み方向に、電極、圧電薄膜、電極、半導体あるいは絶
    縁体からなる薄膜の順に形成してなる多層構造の振動部
    位を有し、該振動部位の周囲の一方の面を基板によって
    支持した構造の薄膜振動子において、振動部位の厚み方
    向の中央部分に前記圧電薄膜の共振周波数の温度係数と
    は符号の異なる材料からまる薄膜を形成したことを特徴
    とする圧電薄膜複合振動子。
JP57019105A 1982-02-09 1982-02-09 圧電薄膜複合振動子 Granted JPS58137317A (ja)

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