JPS6016010A - 圧電薄膜複合振動子 - Google Patents
圧電薄膜複合振動子Info
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- JPS6016010A JPS6016010A JP12400683A JP12400683A JPS6016010A JP S6016010 A JPS6016010 A JP S6016010A JP 12400683 A JP12400683 A JP 12400683A JP 12400683 A JP12400683 A JP 12400683A JP S6016010 A JPS6016010 A JP S6016010A
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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 piezo-electric or electrostrictive material
- H03H9/58—Multiple crystal filters
- H03H9/582—Multiple crystal filters implemented with thin-film techniques
- H03H9/586—Means for mounting to a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
- H03H9/588—Membranes
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/02007—Details of bulk acoustic wave devices
- H03H9/02086—Means for compensation or elimination of undesirable effects
- H03H9/02102—Means for compensation or elimination of undesirable effects of temperature influence
-
- 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
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。
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、フィルタ、発振子等に使用される圧電振動子
に関し、特にＶＩ（Ｆ 、 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。
に関し、特にＶＩ（Ｆ 、 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。
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。
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。
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）による場合には、水晶、圧電セ
ラミッ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３
０〜４０μｍで５ＱＭＨｚ程度が製造上の限界となって
いる。（２）による場合には、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がある。ま
た（３）による場合は、基板の高次振動を使うのでやは
り（２）と同一の欠点を有している。
ラミッ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３
０〜４０μｍで５ＱＭＨｚ程度が製造上の限界となって
いる。（２）による場合には、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がある。ま
た（３）による場合は、基板の高次振動を使うのでやは
り（２）と同一の欠点を有している。
一方、数百■ｈ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等の
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。
の大きな圧電振動子を得る方法としてはスパッタ法等の
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９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（３） 去することにより、振動部分は半導体、絶縁体あるいは
金属の薄膜と圧電薄膜からなり、その外周部を基板によ
って支持さゎ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ＶＨＦ 、ＵＨ，Ｆ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
、ＣｄＳ 。
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（３） 去することにより、振動部分は半導体、絶縁体あるいは
金属の薄膜と圧電薄膜からなり、その外周部を基板によ
って支持さゎ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ＶＨＦ 、ＵＨ，Ｆ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
、ＣｄＳ 。
ＡＪＩＮ等は、周波数温度係数が大きいため、温度安定
度の高い圧電振動子を得ることはできない。
度の高い圧電振動子を得ることはできない。
この対策として、圧ｉｎ料と周波数温度係数の符号が異
なる材料との組合わせで、圧電振動子全体としての周波
数温度係数の絶対値を小さくすることが考えられる。そ
こで、ＺｎＯと８ｉ０ｔの同波数温度係数の符号が異な
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８ｉ０２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（４） て、ｔｐｉ ＊ ｔＳｌは、それぞれＺｎＯ、５ｉｎ２
薄膜の膜厚を示している。ＺｎＯ膜及びＳｉｎ、膜の周
波数温度係数はそれぞれ−６１，５ｐ肩／℃、 １１９
．５１１１１０／℃である。第１図に示した複合振動子
の場合、’３１／’ｐｉが約０．５のときに基本共振周
波数の零温度係数が得られることが知らｎている。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５ｉｎ２ の膜厚が相当大きくなり、基本厚みた
て振動の温動節点に関して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
。
なる材料との組合わせで、圧電振動子全体としての周波
数温度係数の絶対値を小さくすることが考えられる。そ
こで、ＺｎＯと８ｉ０ｔの同波数温度係数の符号が異な
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８ｉ０２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（４） て、ｔｐｉ ＊ ｔＳｌは、それぞれＺｎＯ、５ｉｎ２
薄膜の膜厚を示している。ＺｎＯ膜及びＳｉｎ、膜の周
波数温度係数はそれぞれ−６１，５ｐ肩／℃、 １１９
．５１１１１０／℃である。第１図に示した複合振動子
の場合、’３１／’ｐｉが約０．５のときに基本共振周
波数の零温度係数が得られることが知らｎている。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５ｉｎ２ の膜厚が相当大きくなり、基本厚みた
て振動の温動節点に関して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／ＳｉＯ２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２図に
示したようＧこＺｎＯの圧電薄膜１４の両面にＺｎＯ薄
膜に対して上下対称に５ｉｎ２薄膜１３ 、１７を設け
た構造の薄膜振動子が考えられる。このような構造では
、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（５） よるスプリアスは圧電薄膜内で電荷が相殺さイするため
に抑圧されるわけである。尚、第２図において２ｔｐ２
、 ｔｓ２はそれぞれＺｎ０ 、８ｉ０２ の膜厚を
示す。しかしながら、第２図の構造を有する複合振動子
では、基本共振周波数の零温度係数が得られる膜厚比ｊ
ｓ２／ Ｌｐｚは１．１程度である。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８
ｉ０２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Ｓ
＋ Ｏｔ膜厚が厚ければ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２図に示した複合振動子では、零温度係
数を得ようとするさ良好な共摂応答を得ることは極めて
困難となる。
て発生する偶数次高調波を抑圧する試みとして第２図に
示したようＧこＺｎＯの圧電薄膜１４の両面にＺｎＯ薄
膜に対して上下対称に５ｉｎ２薄膜１３ 、１７を設け
た構造の薄膜振動子が考えられる。このような構造では
、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（５） よるスプリアスは圧電薄膜内で電荷が相殺さイするため
に抑圧されるわけである。尚、第２図において２ｔｐ２
、 ｔｓ２はそれぞれＺｎ０ 、８ｉ０２ の膜厚を
示す。しかしながら、第２図の構造を有する複合振動子
では、基本共振周波数の零温度係数が得られる膜厚比ｊ
ｓ２／ Ｌｐｚは１．１程度である。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８
ｉ０２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Ｓ
＋ Ｏｔ膜厚が厚ければ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２図に示した複合振動子では、零温度係
数を得ようとするさ良好な共摂応答を得ることは極めて
困難となる。
本発明は」＝記のようなＺｎＯ／ＳｉＯ２複合振動子の
欠点、を除き温度安定性に優れ７．良好な基本厚みたて
振動共振応答が得られ、かつ２次、４次等の偶（６） 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。
欠点、を除き温度安定性に優れ７．良好な基本厚みたて
振動共振応答が得られ、かつ２次、４次等の偶（６） 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、電極の順に形成された多層構造の振動
部位、あるいはこの構造の上にさらに半導体あるいは絶
縁体の薄膜を形成され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、さらに振
動部位の厚み方向の中央部付近に＠記圧電薄膜の共振周
波数温度係数とは符号の異なる材料からなり、その上下
面に互いに短絡している電極が設けられた薄膜が形成さ
れてい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。
電極、圧電薄膜、電極の順に形成された多層構造の振動
部位、あるいはこの構造の上にさらに半導体あるいは絶
縁体の薄膜を形成され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、さらに振
動部位の厚み方向の中央部付近に＠記圧電薄膜の共振周
波数温度係数とは符号の異なる材料からなり、その上下
面に互いに短絡している電極が設けられた薄膜が形成さ
れてい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３図は、本発明の振動子における振動部位の一部の構
造の一例を示している。圧電薄膜５１ 、５２の中間部
分に、薄膜５３を設け、この薄膜５３は圧電薄膜５１
、５２とは温度係数の異なる材料を選び、この薄膜５３
の両面に５６ 、５７を形成し、これらを短絡し、さら
に圧電薄膜５１ 、５２の内外側に電極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ＺｎＯ１薄膜５３の材料としてＳｉｎ、を選びま
た図においてｔｐ３ 、２”ｓ３はそれぞれＺｎＯ、８
ｉ０゜の膜厚を表すものとすると、第３図に示した構造
のＺｎＯ／８ｉ０．複合振動子の膜厚Ｌｔｔｓ３／ｌｐ
３に対する、基本厚みたて共振周波数の温度係数ＴＫｆ
ｒ（ｐｐｍ／’Ｃ）の関係を分布定数等価回路から理論
的にめたグラフは第４図のようになる。第４図から、零
温度係数が得られる膜厚比’ｓｓ／ｌｐａは０．０８５
であることがわかる。即ち、 ＺｎＯの膜厚に比べて、
Ｓｉｎ、の膜厚を極めて小さくすることができ、８ｉ０
２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わけであ
る。また振動節点に対して、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。なお、基本共振周波数に関する
温度補償用薄膜５３の両面に短絡電極５６ 、５７を設
けない構造を用いた場合は、より高インピーダンスにな
り、特に薄膜５３が絶縁体でかつ誘電率の小さい材料で
できている場合、電界が薄膜５３に集中し励振効率がか
なり低下する。
造の一例を示している。圧電薄膜５１ 、５２の中間部
分に、薄膜５３を設け、この薄膜５３は圧電薄膜５１
、５２とは温度係数の異なる材料を選び、この薄膜５３
の両面に５６ 、５７を形成し、これらを短絡し、さら
に圧電薄膜５１ 、５２の内外側に電極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ＺｎＯ１薄膜５３の材料としてＳｉｎ、を選びま
た図においてｔｐ３ 、２”ｓ３はそれぞれＺｎＯ、８
ｉ０゜の膜厚を表すものとすると、第３図に示した構造
のＺｎＯ／８ｉ０．複合振動子の膜厚Ｌｔｔｓ３／ｌｐ
３に対する、基本厚みたて共振周波数の温度係数ＴＫｆ
ｒ（ｐｐｍ／’Ｃ）の関係を分布定数等価回路から理論
的にめたグラフは第４図のようになる。第４図から、零
温度係数が得られる膜厚比’ｓｓ／ｌｐａは０．０８５
であることがわかる。即ち、 ＺｎＯの膜厚に比べて、
Ｓｉｎ、の膜厚を極めて小さくすることができ、８ｉ０
２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わけであ
る。また振動節点に対して、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。なお、基本共振周波数に関する
温度補償用薄膜５３の両面に短絡電極５６ 、５７を設
けない構造を用いた場合は、より高インピーダンスにな
り、特に薄膜５３が絶縁体でかつ誘電率の小さい材料で
できている場合、電界が薄膜５３に集中し励振効率がか
なり低下する。
本発明では、短絡電極５６ 、５７を設けているため、
電界がすべて圧電薄膜５１ 、５２に集中し、このよう
な励振効率の低下は皆無である。
電界がすべて圧電薄膜５１ 、５２に集中し、このよう
な励振効率の低下は皆無である。
次に本発明の圧電薄膜複合振動子の基本的構造例を第５
図に示す。第５図において、７１は振動部位の周囲を保
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，あるい
はエチレンジアミンのようなエツチング液を用いれば（
ｉｏｏ）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
性を利用することにより、（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５図において、７
３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（９） して、シリコン基板へのホウ素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弯
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５ｉｎｔ薄膜、８ｉ３０４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。
図に示す。第５図において、７１は振動部位の周囲を保
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，あるい
はエチレンジアミンのようなエツチング液を用いれば（
ｉｏｏ）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
性を利用することにより、（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５図において、７
３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（９） して、シリコン基板へのホウ素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弯
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５ｉｎｔ薄膜、８ｉ３０４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
温度係数の符号の異なる材料からなり、両面に短絡電極
５６ 、５７を設けた薄膜５３．圧電薄膜５２ 、１ａ
ｃ極５５．半導体あるいは絶縁体からなる薄膜７４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は偶数次高調波を抑圧する機能と周波数調整を
行う機能をもつ。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か大きく製造か容易で
あることからＺｎＯが最適である。ＺｎＯ薄膜は、スパ
ッタ法、ＣＶＤ法、イ（１０） 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製でき、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。
電極５４、圧電薄膜５１、この圧電薄膜とは共振周波数
温度係数の符号の異なる材料からなり、両面に短絡電極
５６ 、５７を設けた薄膜５３．圧電薄膜５２ 、１ａ
ｃ極５５．半導体あるいは絶縁体からなる薄膜７４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は偶数次高調波を抑圧する機能と周波数調整を
行う機能をもつ。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か大きく製造か容易で
あることからＺｎＯが最適である。ＺｎＯ薄膜は、スパ
ッタ法、ＣＶＤ法、イ（１０） 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製でき、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５図の構造を持った複合振動子の一例として、
圧電薄膜５１ 、５２にＺｎＯ膜、薄膜５３としてＺｎ
Ｏと共振周波数温度係数の符号の異なるＳｉｎ。
圧電薄膜５１ 、５２にＺｎＯ膜、薄膜５３としてＺｎ
Ｏと共振周波数温度係数の符号の異なるＳｉｎ。
膜、薄膜７３及び薄膜７４として同じくＳｉＯ２膜を用
いた振動子について説明する。ＺｎＯ膜５１． 、５２
の厚さをｉｐ４ 、８１０２膜５３の厚さを２ｔｓ４
、５ｉｎ２膜７３゜７４の厚さをｔｓ５とする。
いた振動子について説明する。ＺｎＯ膜５１． 、５２
の厚さをｉｐ４ 、８１０２膜５３の厚さを２ｔｓ４
、５ｉｎ２膜７３゜７４の厚さをｔｓ５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ｔ８４／１Ｉ）４及
びｔｓ５／ｌｐ４を分布定数等価回路から理論的にめた
ものを第６図に示す。第６図において、実用的な部分は
膜厚比ｔ８５／ｌｐ４が０．５以下の部分である。０．
５より大きい場合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／’ｐ４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ｔｓ４
／ｌｐ４はほぼ一定で０．０８３〜（１１） ０．０９３の間にある。即ち、圧電薄膜内部にあるＳｉ
ｎ、膜の膜厚１８４ に比べて、圧電薄膜の外部にある
８１０÷膜の膜厚ｔｓ５の温度係数に及ぼず影響は極め
て小さいことがわかる。薄膜７３ 、７４は音響的に自
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複合振動子の共
振周波数温度係数に及ぼす影響は極めて小さい。そのた
め、薄膜７３ 、７４の部分は、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にくいＳｉ
３Ｎ、薄膜等の絶縁体薄膜、ホウ素を高濃度にドープし
たシリコン薄膜を用いても、 ５ｉｎ２ と同様な結果
が得られることは明白である。
の温度係数が零となる条件の膜厚比ｔ８４／１Ｉ）４及
びｔｓ５／ｌｐ４を分布定数等価回路から理論的にめた
ものを第６図に示す。第６図において、実用的な部分は
膜厚比ｔ８５／ｌｐ４が０．５以下の部分である。０．
５より大きい場合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／’ｐ４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ｔｓ４
／ｌｐ４はほぼ一定で０．０８３〜（１１） ０．０９３の間にある。即ち、圧電薄膜内部にあるＳｉ
ｎ、膜の膜厚１８４ に比べて、圧電薄膜の外部にある
８１０÷膜の膜厚ｔｓ５の温度係数に及ぼず影響は極め
て小さいことがわかる。薄膜７３ 、７４は音響的に自
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複合振動子の共
振周波数温度係数に及ぼす影響は極めて小さい。そのた
め、薄膜７３ 、７４の部分は、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にくいＳｉ
３Ｎ、薄膜等の絶縁体薄膜、ホウ素を高濃度にドープし
たシリコン薄膜を用いても、 ５ｉｎ２ と同様な結果
が得られることは明白である。
以上は、第５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、圧電薄膜５１ 、５２の膜厚に比
べ薄膜７３ 、７４の膜厚を薄くすることができ、この
場合薄膜７３ 、７４の膜厚は等しくなくとも偶数次の
高調波ｔこよるスプリアスＪ辰動を抑圧することができ
る。さらに第７図に示すような第５図の構造において薄
膜７４を取り除いた構造の複合振動子（１２） においでも第５図の構造の特性に近い良好な特性が得ら
れる。第７図の構造において、圧電薄膜５１゜５２とし
てＺｎＯ薄膜を用い、薄膜５３ 、７３ 七して５ｉｎ
２を用いた場合、振動子の基本厚みたて振動の共振周波
数温度係数が零となる各膜厚の比を理論的にめたものを
第８図に示す。第７図、第８図において”Ｉ）！ｌ ｅ
ｔｐ６はＺｎＯ薄膜の膜厚であり、ｔｐ７＝ｔｐｓ
＋ ｔｐ６ とする。またｔｓ６は振動部のほぼ中央部
に形成する薄膜の厚み％ ｔ８７は絶縁体あるいは半導
体からなる薄膜の厚みである。第８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、ｔｐ５とｉｐ６が等しい構成で
も良いし、１ｐ５とｔｐ６を異なった値にして薄膜５３
が振動部位の中央部に位置するように構成しても良い。
場合である。しかし、圧電薄膜５１ 、５２の膜厚に比
べ薄膜７３ 、７４の膜厚を薄くすることができ、この
場合薄膜７３ 、７４の膜厚は等しくなくとも偶数次の
高調波ｔこよるスプリアスＪ辰動を抑圧することができ
る。さらに第７図に示すような第５図の構造において薄
膜７４を取り除いた構造の複合振動子（１２） においでも第５図の構造の特性に近い良好な特性が得ら
れる。第７図の構造において、圧電薄膜５１゜５２とし
てＺｎＯ薄膜を用い、薄膜５３ 、７３ 七して５ｉｎ
２を用いた場合、振動子の基本厚みたて振動の共振周波
数温度係数が零となる各膜厚の比を理論的にめたものを
第８図に示す。第７図、第８図において”Ｉ）！ｌ ｅ
ｔｐ６はＺｎＯ薄膜の膜厚であり、ｔｐ７＝ｔｐｓ
＋ ｔｐ６ とする。またｔｓ６は振動部のほぼ中央部
に形成する薄膜の厚み％ ｔ８７は絶縁体あるいは半導
体からなる薄膜の厚みである。第８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、ｔｐ５とｉｐ６が等しい構成で
も良いし、１ｐ５とｔｐ６を異なった値にして薄膜５３
が振動部位の中央部に位置するように構成しても良い。
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Ｓｉｎ、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（１３） 材料と薄膜用材料が互いに適切な共振周波数温度係数を
有するｆ、１′らば、本発明の特徴及びその有効性は少
しも失われることはない。
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Ｓｉｎ、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（１３） 材料と薄膜用材料が互いに適切な共振周波数温度係数を
有するｆ、１′らば、本発明の特徴及びその有効性は少
しも失われることはない。
以下、第５図、第７図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。
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７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ＣＶＤ法により１．５μｍのＳ
ｉ、Ｎ、薄膜７３を形成し、次にシリコン基板７１に、
あらかじめ裏面に形成したＳｉ３Ｎ。
あるシリコン基板７１にＣＶＤ法により１．５μｍのＳ
ｉ、Ｎ、薄膜７３を形成し、次にシリコン基板７１に、
あらかじめ裏面に形成したＳｉ３Ｎ。
ＣＶＤ 膜をマスクさ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を設り
た。さらに表面に形成したＳｉ３Ｎ、薄膜７３上にＣｒ
を下地としてＡｕを蒸着した後、フォ） ＩＪ極５６を
振動部位の外側に短絡部分が形成される部分を有するよ
うな形状に形成し、該短絡電極部をマスクしてＳｉｎ、
膜をスパッタリングし、この後該短絡部において霜、極
５６と短絡させるように′ｉ４Ｔ、極５７を形成した。
テコール及び水からなるエツチング液で空孔７２を設り
た。さらに表面に形成したＳｉ３Ｎ、薄膜７３上にＣｒ
を下地としてＡｕを蒸着した後、フォ） ＩＪ極５６を
振動部位の外側に短絡部分が形成される部分を有するよ
うな形状に形成し、該短絡電極部をマスクしてＳｉｎ、
膜をスパッタリングし、この後該短絡部において霜、極
５６と短絡させるように′ｉ４Ｔ、極５７を形成した。
さらに薄膜５１と同じ膜厚のＺｎＯ薄（１４）
膜５２をスパッタリングした。その後リフトオフによっ
てＭの部分電極５５を形成した。この圧電振動子におい
て共振周波数３１５．２ＭＨｚ 、共振尖鋭度２８００
、共振周波数温度係数−２，２ｐａ／’Ｃを得た。
てＭの部分電極５５を形成した。この圧電振動子におい
て共振周波数３１５．２ＭＨｚ 、共振尖鋭度２８００
、共振周波数温度係数−２，２ｐａ／’Ｃを得た。
また、第９図にインピーダンス特性を実線で示す。
尚、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。
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。
さらに、共振周波数３００ ＭＨｚ の振動子を実現す
るために、上記のように作成した第７図に示す圧電薄膜
振動子のＭ電極５５及びＺｎＯ薄膜５２の表面に１．２
μｍのＳｉｎ、薄膜をスパッタ法で形成し、第５図のよ
うな圧電薄膜振動子を作製した。その結果、容易に共振
周波数３００．０ ＭＨｚの振動子を得ることができた
。このときの共振尖鋭度は２９００ 。
るために、上記のように作成した第７図に示す圧電薄膜
振動子のＭ電極５５及びＺｎＯ薄膜５２の表面に１．２
μｍのＳｉｎ、薄膜をスパッタ法で形成し、第５図のよ
うな圧電薄膜振動子を作製した。その結果、容易に共振
周波数３００．０ ＭＨｚの振動子を得ることができた
。このときの共振尖鋭度は２９００ 。
共振周波数温度係数は−１，７ｐｐｍ／℃である。また
、第２次撮動によるスプリアスは第１０図に示すように
第９図の実線の特性のさらに５分の１に抑圧さねた。
、第２次撮動によるスプリアスは第１０図に示すように
第９図の実線の特性のさらに５分の１に抑圧さねた。
以上、圧電薄膜複合振動子のうち共振子について述べて
きたが、本発明は第１１図（イ）、（ロ）に示すように
相対向する複数対の電極１１１，１１２及び１１３゜１
１４を設け、左側にある１１１，１１２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。
きたが、本発明は第１１図（イ）、（ロ）に示すように
相対向する複数対の電極１１１，１１２及び１１３゜１
１４を設け、左側にある１１１，１１２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次といった偶数矢高両波によ
るスプリアスを十分の抑圧した、高周波用圧電薄膜複合
振動子を提供することができる。
めて優れ、かつ、２次、４次といった偶数矢高両波によ
るスプリアスを十分の抑圧した、高周波用圧電薄膜複合
振動子を提供することができる。
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図も同様に従来の圧電薄膜複合振動子を示す図であ
る。第３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４図は、第３図に示した複合
振動子の膜圧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基本的構造例
を示す図である。第６図は、第５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 、８ｉ０．
を組み合わせた場合の共振周波数の零温度係数が得られ
る膜圧比の関係を示す図であるＯ 第７図は、本発明の圧電薄膜複合振動子の別の構造例を
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 、８ｉ０２を
組み合わせた場合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、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１０図は、第５図に示した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。 を示す。 以上の図に於て、１１ 、７１は基板、１２．７２は空
孔、（１７） 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温度係数と異
なる符号の材料からなる薄膜、１５．１６．５４．５５
．１．１１ 、１１２ 、１１３ 。 １１４は電極、５６ 、５７は短絡電極。 （１８） 第 ３ 図 冒 谷 第 ５ 圀 第 ６１￥］ ０ ０．５ １．０ ’ｆ、ｓ５／’ｔｐη 第 ７ 図 ８８ 図 ’１．ｓ７／ｌｐｑ 第 １０ 肥 −５４− 第 ｌｌ 図
る。第３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４図は、第３図に示した複合
振動子の膜圧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基本的構造例
を示す図である。第６図は、第５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 、８ｉ０．
を組み合わせた場合の共振周波数の零温度係数が得られ
る膜圧比の関係を示す図であるＯ 第７図は、本発明の圧電薄膜複合振動子の別の構造例を
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 、８ｉ０２を
組み合わせた場合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、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１０図は、第５図に示した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。 を示す。 以上の図に於て、１１ 、７１は基板、１２．７２は空
孔、（１７） 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温度係数と異
なる符号の材料からなる薄膜、１５．１６．５４．５５
．１．１１ 、１１２ 、１１３ 。 １１４は電極、５６ 、５７は短絡電極。 （１８） 第 ３ 図 冒 谷 第 ５ 圀 第 ６１￥］ ０ ０．５ １．０ ’ｆ、ｓ５／’ｔｐη 第 ７ 図 ８８ 図 ’１．ｓ７／ｌｐｑ 第 １０ 肥 −５４− 第 ｌｌ 図
Claims (2)
- （１）半導体あるいは絶縁体からなる薄膜上に、その厚
み方向に電極、圧電薄膜、電極の順に形成されてなる多
層構造の振動部位を有し、該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付
近に前記圧電薄膜の共振周波数温度係数とは符号の異な
る材料からなる薄膜が形成されており、さらに該薄膜の
上下面に電極が設けられ、これらが短絡している構造を
有することを特徴とする圧電薄膜複合振動子。 - （２）半導体あるいは絶縁体からなる薄膜上に、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され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
の中央部付近に前記圧電薄膜の共振周波数温度係数とは
符号の異なる薄膜が形成されており、さらに該薄膜の上
下面に電極が設けられ、これらが短絡している構造を有
していることを特徴とする圧電薄膜複合振動子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12400683A JPS6016010A (ja) | 1983-07-07 | 1983-07-07 | 圧電薄膜複合振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12400683A JPS6016010A (ja) | 1983-07-07 | 1983-07-07 | 圧電薄膜複合振動子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6016010A true JPS6016010A (ja) | 1985-01-26 |
| JPH0532925B2 JPH0532925B2 (ja) | 1993-05-18 |
Family
ID=14874695
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12400683A Granted JPS6016010A (ja) | 1983-07-07 | 1983-07-07 | 圧電薄膜複合振動子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6016010A (ja) |
Cited By (14)
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|---|---|---|---|---|
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| JP2002181025A (ja) * | 2000-12-12 | 2002-06-26 | Toshiba Eng Co Ltd | 締付けボルト緩み防止装置 |
| JP2006203304A (ja) * | 2005-01-18 | 2006-08-03 | Hitachi Media Electoronics Co Ltd | 圧電薄膜共振器及びそれを用いた発振器並びにそれを内蔵した半導体集積回路 |
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-
1983
- 1983-07-07 JP JP12400683A patent/JPS6016010A/ja active Granted
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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