JPS60142607A - 圧電薄膜複合振動子 - Google Patents

圧電薄膜複合振動子

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JPS60142607A
JPS60142607A JP24676883A JP24676883A JPS60142607A JP S60142607 A JPS60142607 A JP S60142607A JP 24676883 A JP24676883 A JP 24676883A JP 24676883 A JP24676883 A JP 24676883A JP S60142607 A JPS60142607 A JP S60142607A
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JP
Japan
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thin film
thickness
electrode
piezoelectric
vibrator
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Pending
Application number
JP24676883A
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English (en)
Inventor
Shigeki Hoshino
茂樹 星野
Yoichi Miyasaka
洋一 宮坂
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/15Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
    • H03H9/17Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
    • H03H9/171Constructional 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
    • H03H9/172Means for mounting on a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
    • H03H9/174Membranes

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】 (産業上の利用分野) 本発明は圧電薄膜を用いたVHF 、 UI(F用高周
波圧電振動子に関し、特にシリコン・ダイヤスラムと圧
電薄膜との組み合わせからなる複合構造の振動部位を有
する圧電薄膜振動子に関するものである。
(従来技術) 一般に、高周波領域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べて十分広い圧電性薄板の厚み
振動が用いられている。
厚み振動の残根周波数は圧電性薄板の厚さに反比例する
ので高周波帯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齢となる。
振動部分の厚さを薄くして50Mト以上の厚み振動圧電
振動子を得る方法としては、第1図、第2図の構造の圧
電薄膜振動子が公知である。この圧電薄膜振動子はクリ
コン基板22の上に新らたにシリコン薄膜23と絶縁体
の薄膜24を形成した後、エツチングによってシリコン
基板22に空孔21を形成し、さらに絶縁体薄膜24の
上に順に下地電極26、圧電薄膜25、上部電極27を
形成することによって製造するもので、一般に非圧電性
である薄膜部材23.24と圧電薄膜25とからなる複
合ダイアフラムが周縁部を基板22によって支持された
構造となっている。
圧電板だけからなる圧電振動子ではすでに実験的にも理
論的にも詳しく調べられておシ、インハーモニック・オ
ーバートーン−モードがスフ’lJ7スとして励振され
ないような電極寸法もよく知られている。しかし、従来
圧電薄膜を利用した複合振動子においては、圧電板だけ
からなる圧電振動子についての理論や実験から類推する
ほかはなく、その類推が正しいかどうかは確かめられて
いなかった0 圧電薄膜複合振動子において発振器やフィルタへの応用
面から電極寸法はできるだけ大きくすることが必要であ
るが、電極寸法を増大するとスプリアスが励振されるよ
うになり、特性が悪くなる0よってスプリアスが励振さ
れずできるだけ大きな電極寸法をもつ振動子が実現でき
れば、非常に実用上大きな効果をもたらす0 (発明の目的) 本発明は上記のような複合振動子において、インハーモ
ニック・オーバートーンがスプリアスとして励振されな
い最大電極寸法をもち、かつ振動成分が電極近傍にだけ
存在することができるシリコン・ダイアフラムと圧電薄
膜の厚さの比をもち、良好な厚み縦振動特性をもつ複合
振動子を実現することを目的としている0 (発明の構成) l明はシリコン・ダイアフラムの薄i上の厚み方向に絶
縁薄膜、下部電極、ZnO薄膜、上部電極の順に積層さ
れた多層構造の振動部位を有し、周縁部をシリコン基板
によって支持された厚み振動圧電振動子においてZnn
模膜厚さをT1、シリコン・ダイヤフラムの薄層部の厚
さをT2多層構造の振動部位全体の厚さをTとし、さら
に前記振動部位上の上部電極は円形であり、その直径を
Lとシ、ZnO薄膜とシリコン・ダイアフラムとの厚さ
の比T* /TtをX、全体の厚さと円形電極の直径の
比L/TをYと置き換えたときにXとYが次式Y≦to
X”−2oX+s、2(ただし0<X≦0.7)Y≦t
0.3X+4.4 (ただし0.7 <X< 3.0 
)で表わされる関係を有していることを特徴とする圧電
薄膜複合振動子である。
次に本発明について詳細に説明する〇 (実施例) 第1.第2図は本発明の振動子の振動部位の基本構造を
示している。第1.第2図において、22は表面が(1
00)面であるようなシリコン基板、21はエツチング
によって基板に作製した空孔、23はホウ素を高濃度に
ドープしたシリコン薄膜である。24は温度補償のため
に設けられた薄いSiへ薄膜、26は下地電極、25は
ZnO圧電薄膜、27は上部円形電極である。
第1.第2図のような複合振動子に対して一例として、
以下ZnO薄膜25とシリコン薄膜23の厚さの比が〆
1.の場合について説明する。
ZnO薄膜25の厚さをT1 +シリコン薄膜の厚さを
%r上部円形電極の直径をL、複合構造部位の全厚をT
とする。複合振動子において全面電極の場合の共振周波
数をfr 、反共振周波数fR、電極直径がLのときの
共振周波数をfrとする。また複合板の圧電反作用に帰
因し実効電気機械結合係数Rtに依存する周波数低下量
を ” π刀 Δ=1−7(l+ff、、R?) とする。この時、この複合振動子の基本厚み縦振動の共
振特性を第3図に示す。第3図は電極直径りを変化させ
たときの振動子の規格化された共振周波数の変化を示し
たものである0第3図においし て、ry Jマ= t、9ではO≦ψ痴領域には共振周
波数は1点(0印をつけた1点)しか々く、その場合の
振動子の表面の変位υ2は振動部位中心から端の方へ第
4図に示したようになシ、基本モードだけが電極近傍に
閉じ込められ、スプリアスは生じない。一方、7T J
2Z ”::2.2では、0<、ψ≦1の領域に共振周
波数が2点(目印をつけた5点)あり、その場合の2点
での振動子の表面の変位IJfは振動部位中心から端の
方へ、第5図[al、第5図fb)に示されたようにな
り、基本モードだけでなく、第5図(blに示されたよ
うな2次のインハーモニック・オーバートーンも電極近
傍に閉じ込められ、スプリアスとなる。
一般に第3図においてわかるように、vJ”E−の値が
大きくなるとインハーモニック・オーバートーンがO−
ψ−1の領域に入り、その場合、スプリアスとして励振
される。第3図における破線は圧電板だけからなる円形
電極をもつ振動子について示したものであシ、実線は円
形電極をもつ複合振動子の場合を示し、ている。第3図
かられかるように同じ下JKの値に対しても圧電板だけ
の場合と複合振動子の場合とで共振周波数が異なり、圧
電振動子の結果から複合振動子の場合を予想することは
できない。
一トーンが存在しなくなるので、その時の一一伝になる
ような電極寸法にすれば、発振器及びフィルタ等に使用
してもスプリアスが生じない特性が得られることに寿る
〇 第6図にZnO薄膜とシリコン薄膜の厚さの比T、/T
、に対する下の値を示す。第6図から、スプリアスが生
じない最大電極寸法となる時の−4の値はり。/T二Y
 、 ’[’、/T、 =Xとするとほぼ次式で近似で
きることが明らかである。
即ち、Y=10X−20X+8.2(ただしO<X≦0
.7)Y=10.3X+4.4 (ただしO<X< 3
.0 )また、T、7T、 = 3. Oの場合におい
て、〒=200の場合、0≦ψ≦1の領域には共振周波
数は基本モード1点だけしかないけれども、その時の変
位は第7図に示したようになり、振動子に励振される振
動変位は電極の外側にも減衰せずに伝播する。このため
、振動子を構成するダイアフラムの端の影響が無視でき
なくなり、良い特性が得られないととがわか□る。よっ
て、発振器及びフィルタへ応用する時には複合振動にお
いては、T!/T1の値を3.0より小さくする必要が
ある。
(11式で表わされる領域に関する具体的カー例として
、ZnOの膜厚Tt =3.88ttrn s S i
の膜厚T2=3.80μmの複合振動子の特性について
述べると、一〒−の値が16 (L=125μm)の場
合を試作した結果、スプリアスが生じない共振特性が得
られた。
なお本発明に係る振動子の製造方法の概略は次のとおり
である。
表面ニボロンドープされたシリコン基板の両面にSi、
N、保護膜CVDをつけ、フォトレジストで異方性エツ
チングし寿い部分をおおう。プラズマエツチングによっ
てレジストが力い部分の8i3N、膜を除去し、その後
エチレンジアミンービロカテコ−ルー水の異−1エツチ
ング液でエツチングスフx=その後リン酸で残りのS 
i 、 N、膜を除去し、表面に(リフトオフ)でZn
O上につける。
また前述の式はスプリアスの発生しない最大電極寸法の
条件であるが、Y<IOX” −20X+8.2(o<
X≦0.7 )父ハY<10.3X+4.4(0,7<
X<3.0) (7)Ii[f ’++(91 Yの値がそれぞれ10X” −20X+8.2 (ある
いは10.3X+4.4 )に近い場合はスプリアスの
ない良好な特性が得られる。ただしYが1に近づく範囲
では振動子は良好な特性が得られない。
以上述べたように本発明によればスプリアスのない良好
外特性の複合振動子が得られ工業的価値も多大である。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図はZnO/Si複合振動子の構造を示す
図、第3図は振動子において電極寸法を変化した時の共
振周波数の変化を示す図、第4図、第5図1第7図は振
動子の表面における変位Tl+zの大きさを示す図、第
6図はZnO薄膜と8i薄膜の比T!/T、に対するス
プリアスが生じない最大電極寸法りと振動子の厚さTの
比L0/Tの値を示す図である。 以上の図において22はシリコン基板、23はシリコン
薄膜、24は5102薄膜、25はZnO薄膜、26 
、27 、28は電極%21は空孔な示し和る。 (、。テ理人弁理士内 原 晋 昂 1 図 ZS 亭 Z 図 −〇 乎 5 図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 シリコン・ダイアフラムの薄層−ヒに絶縁薄膜、電極、
    ZnO圧電薄膜、電極の順で積層された構造の振動部位
    をもち、その周縁部をシリコン基板によって支持された
    厚み振動圧電複合振動子において、 ZnO薄膜の厚さ
    をTI、シリコン・ダイヤフラムの薄層部の厚さをT、
    多層構造の振動部位全体の厚さをTとし、さらに前記振
    動部位上の上部電極は円形であり、その直径をLとし、
    ZnO薄膜とシリコン・ダイヤフラムとの厚さの比T2
     /TIをX。 全体の厚さと円形電極の直径の比L/TをYと置き換え
    たときに、XとYが次式 %式%) Y≦IO,3X+4.4 (ただし0.7 <X< 3
    .0 )となる関係を有することを特徴とする圧電薄膜
    複合振動子。
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