JPS6068710A - 圧電薄膜共振子 - Google Patents

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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、圧電薄膜共振子に関し、特に半導体結晶基板
を使用した圧電薄膜共振子に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

一般に、電子部品のうち共振子やフィルタ等の受動素子
では、振動部品の長さ、幅あるいは厚み等の物理的寸法
が共振周波数等の部品性能を決定する重要なファクター
となっている。しかし、部品の小型化・高性能化の実現
の為には、水晶振動子の場合の如く研摩技術だけでは圧
電基板の厚みをせいぜい数十μｍ程度とするにとどまり
限度がある。そこで、半導体製造技術がそのまま利用で
きしかも高周波帯域において動作する超小型の圧電薄膜
共振子として、第１図及び第２図に示す様な中央部が薄
肉の形のものが研究されている。例えば、１９８０年Ｉ
ＥＥＢのＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ
論文集ｌＯＯ頁他である。これは、−表面に酸化シリコ
ン薄膜２を形成したシリコン基板１ｆ：、他面から中央
部が凹部６のダイヤフラム形に異方性エツチング加工し
、酸化シリコン薄膜２上に第１の電極３．圧電膜４及び
第２の電極５をそれぞれ形成したものである。

その特長としては、■厚み縦振動又は厚みすべり振動等
の電気機械結合係数が比較的大きくなる振動モードを利
用するため、小型化が可能、しかもフィルタでは広帯域
特性が実現しやすい。■弾性ステイフネスに対する温度
係数が異符号の複数材料を組合せて振動部分を構成でき
るので、温度特性の良好な共振子が得られる。■振動子
保持部に半導体基板を使用するため、トランジスタ等の
能動素子との一体化及び集積化が可能、等が挙げられる
。

周知の如く、圧電共振子はその使用に際し、周囲環境か
らの影響を避ける為、種々の方法により封止工程が施こ
される。さらに、励振用゛電極には電圧を印加する為の
配線あるいは電気的接続も不可欠である。

ところが、いわゆるダイヤフラム形と称される圧電薄膜
共振子は構造上いくつかの問題点を有している。まず、
第１に振動部分が極めて薄い膜なので、薄膜周囲の風圧
や薄膜に作用する張力の変化に対し非常に敏感で機械的
歪みを生じやすい。

第２に、厚み振動の結果、振動エネルギは封止気体に放
出されるので、共振時の尖鋭度Ｑが低下する。第３に、
圧電薄膜としてＺｎＯ等の吸湿性のある材料を用いた場
合、封止気体中の湿度により経年変化が生じやすい、等
である。第１の問題点についてさらに考察する。一般に
、振動部分を保持する基体の中央部が薄肉の圧電薄膜共
振子においでは、振動部分の薄膜に外圧が作用すると形
状の変化が生ずるだけでなく、近似的に薄膜の弾性定数
そのものが静的歪の関数となる。この為、薄膜に作用す
る外圧は共振子の共振特性に大きな影響を及ぼす。

（発明の目的〕 本発明は、封止工程を施しても共振特性が劣化する虞れ
がなく小型でしかも高帯域において動作する圧電薄膜共
振子を提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明においては半導体結
晶基板の中央部を薄肉に形成した振動子支持体平担面上
に、少なくとも圧電膜を含む圧電体及び励振用電極をそ
れぞれ形成し、その振動子支持体を圧電体側から封止す
る第１の封止体と振動子支持体との空隙、振動子支持体
を裏面側から封止する第２の封止体と振動子支持体との
空隙における各静圧が略等しくなる様に、振動子支持体
、第２の封止体のいずれか一方又は双方に通気孔を設け
た圧電薄膜共振子を提供する。

（発明の実施例〕 以下、本発明の一実施例へついて図面を参照して説明す
る。尚、図面中間−箇所には同一符号を付しである。第
３図は本発明に係る圧電薄膜共振子の一例を示す分解斜
視図、第４図は同じく分解断面図である。

半導体結晶基板１は、例えば８ｉ単結晶基板を使用する
。半導体結晶基板ｌの両面には、例えば８　ｉ０２　を
主成分とする薄膜（以下、「５Ｉ０２系薄榎 膜」という）２を積層する。これは、圧電薄弄素材の温
度特性を考慮し共振子の温度補償をするため及び、半導
体結晶基板ｌの加工をここで停止させるため積層するも
のである。５１０２　系薄膜２は、例えばＳｉｎ、にリ
ンをドープしたＰ　８Ｇ（ｉ’ｈｏｓｐｈ。

８ｉｌｉｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ　）やボｏ７とリンをド
ープしたＢＰ８Ｇ（Ｂｏｒｏ　Ｐｂｏｓｐｈｏ’　８ｉ
＋１ｃａｔｅ　Ｇｌａｓｓ　）でも良い。この５ｉｎ２
　不徳１摸２の片面の一部を方形にエツチング加工し、
加工したＳ　ｉｏ２系薄糸導面側から、８ｉ単結晶基板
ｌを異方性エツチングすることにより、中央部が薄肉で
ある振動子支持体旦を形成している。尚、Ｓ１単結晶基
板１及び方形加工の施してない方のＳｉＯ□系薄股糸導
厚みは、所望する共振子の共振周波数と温度特性から定
められ、中央部を薄肉に加工する為使用するエツチング
液に対するエツチング量を考慮して設定される。次に振
動子支持体止の平担面上には第１の電極３が形成されて
いる。この第１の電極３は圧″成体４１に電圧全印加し
励振させるためのものであり、圧電体４１の形状・配置
や圧電薄膜共振子の共振特性′！ｆ？を考慮して、その
形状が定められる。この第１ノ電極３は、例えば！’Ｊ
　、　Ｃｒ　−Ａｕ　、　Ｔｉ−Ａｕ等を電極材料とし
て形成する。一般的に、第１の電極３炙 を振動子芋持体旦の平担面上に形成する場合、第１の電
極３の振動部分が、薄肉になっている凹部６の中央に略
対向する位置に在るように形成するのが望ましい。これ
は、振動部分の厚み振動のみを利用し、不要振動による
影響をなくすためである。第１の電極３の励振部上には
、圧電膜を含む圧電体４１が形成される。圧電体４１は
、所望の共振特性により圧電膜と誘電体膜等を組合せ、
多層構造とすることもできる。圧電体４１を構成する圧
１！膜は、所望する共振周波数や温度係数及び電気機械
結合係数の大きさ等から材質を決定される。例えば、　
ＺｎＯ，ＡｄＮ、ＣｄＳ等が周知である。これらの中で
、特にＺｎＯは電気機械結合係数が大きく、しかも膜の
形成が容易であることから好適である。この圧電体４１
の厚みｔ（−ｍ）は、所望の共振周波数をｆ（Ｈｚ）、
少なくとも圧電膜を含む圧電体４１の複合振動膜固有の
周波数定数をＮ（ＩＩｚ−ｍｍ）とすればｆ＝Ｎ／ｌな
る関係からおおよそ定められる。圧電体４１の上には第
２の電極５が形成される。

尚、第１の電極３と第２の電極５は必ずしも上述の実施
例の如く、圧電体４１の上下にある必要はない。即ち、
圧電体４１を励振させるため圧電体４１の構造等に応じ
て配置・形成するからである。第２の電極は第１の電極
３と同じ材質で造ることができる。逗動子支持体旦には
、半導体結晶基板１の厚み方向に泪って気体が通９うる
通気孔７が設けである。通気孔７は、圧電薄膜共振子の
振動部分に影響を与えない位置に設けるのが望ましい。

通気孔７は、半導体結晶基板１の中央部を薄肉に加工し
たと同様に異方性エツチング法で形成してもよく・、あ
るいはレーザ加工法で形成してもよい。尚、第３図、第
４図においては通気孔７を異方性エツチング法により加
工した場合を示している。この通気孔７は、振動子支持
体重に限らず、第２の封ＩｌＺ体に凸部もしくは溝を形
成することによっても、同様の効果が得られれば差し支
えない。

平担面上（心合電極３，５や圧電体４１が形成され、通
気孔７が設けられた振動子支持体旦は、第１の封止体９
と第２の封止体１０により封止され、外界等からの影響
を少なくすることができる。第１の封止体９は、各電極
３．５の励振部分及び圧電体４１のいずれにも接触しな
いように空隙をもって、振動子支持体邑を圧電体４１側
力≧ら封止する。振動部分に触れていると共振子の共振
特性力！劣化するからである。この為、第１の封止体９
には、振動子支持体旦に対向する面に凹部１１を形成す
るのが望ましい。該凹部１１の大きさは通気孔７をふさ
ぐことのないように決められる。（同様に、第２の封止
体１０は振動子支持体旦の薄肉部に接触しないように振
動子支持体旦σ）凹部６狽ｌＩ力）ら封止する。この第
２の封止体１０は、振動子支持体技を支持する役目も果
たすこと力；できる。尚、この第２の封止体１０は封止
の際に通気孔７をふさぐおそれがなければ、凹部１２は
必ずしも必要ではない。また、凹部１２を設ける場合で
あっても、その大きさは第１の封止体９の凹部１１と同
寸法である必要はない。しかし、各封止体９．１０を同
一形状・同一寸法で製作すれば生産効率等の点で有利で
ある。さらに、各封止体９，１０の製作に際し、振動子
支持体旦と同種の半導体結晶基板、例えば８ｉ基板を使
用すれば、共振子全体の熱膨張係数を全ての方向で一致
させることができるので、温度変化に強い共振子が得ら
れる。これら各封止体９，１ｏの実際の封止は、接着あ
るいは溶着により行５ことができる。各封止体９．１０
を通気孔７に対し上述の如く構成するから、振動子支持
体旦を封止しても、振動子支持体旦の振動部分の上側と
下側とＫおける静圧を略等しく保つことができる。尚、
各封止体９，１ｏを接着する場合には注意を要する点が
ある。ｆｆ１７ち、接着時に余分の接着剤が振動子支持
体８の凹部６に流入して、振動部分に付着しないように
しなければならない。共振特性が変化してしまうからで
ある。ところが、高周波用共振子であることがら振動部
分の厚さも数十μｍ以下となり外形寸法が小さく、微量
の接着剤量であっても係る弊害の生じないようにするの
は難しい。したがって、接着により封止作業をする場合
には、余分な接着剤の取扱いについて考慮しなければな
らない。そこで、この実施例においては、振動子支持体
旦が第２の封止体１０と相接する位置に少なくとも接着
剤が入り込める空一部として、溝１４を振動子支持体８
に形成している。

したがって、接着時の余分な接着剤はこの溝１４に入り
込むので、振動部分に悪影響を及ぼすことなく接着作業
を良好に行うことができる。この溝１４は振動子支持体
旦だけでなく、第１の封止体９あるいは第２の封止体１
０に設けることもできる。また、余分な接着剤が入り込
める空隙であればよいから溝に限られない。例えば、第
２の封止体ｌＯが振動子支持体旦に接する位置において
、第２の封止体１０に凸部又は四部を形成しても良い。

周囲の影響から、圧電体４１．各電極３．５等の振動部
分をさらに保護しなければならない場合がある。このよ
うな場合、真空封止や水分を含まない高純度不活性ガス
封入が有効である。この為この実施例では第２の封止体
１０に厚さ方向に気体の通る排気孔１３ｔｌ−形成して
いる。例えば、真空封止作業は次の要領で行う。まず、
排気孔１３を形成した第２の封止体１０と第１の封止体
９とで振動子支持体旦をパッケージングする。それを真
空装置に入れ、排気孔１３全通して内部を真空にする。

その後排気孔１３をハンダ等で封じることによって容易
に真空封止全行うことができる。

このようにすれば、大気中の湿度による悪影響等を除去
することができる。この実施例では排気孔１３を第２の
封止体１ｏに形成しているが、第１の封止体９に形成し
ても良い。また、排気孔１３を封じる前に、例えば水分
を殆んど含まない高純度不活性ガス等を封入し、その後
排気孔１３を閉じれば理想的なガス封止ができる。これ
らの場合。

圧電体４１等の振動部分の上側と下側とでは、通気孔７
を通って空気が略均−に排気される。この為、振動部分
の上側と下側とでは作用する静圧も略均−である。した
がって、刺止工程？施こしても圧電体４１等の振動部分
に歪を生せしめる虞れがない。このことは、真空状態に
した後不活性ガスを封入する場合も同様である。尚、排
気孔１３は通気孔７や振動部分から離れた位置に形成す
るのが望ましい。これは、排気孔１３の封止時にハンダ
等の封止材料の飛散により、通気孔７がふさがれたり振
動部分が汚染され尖鋭度Ｑの低下の虞れがあるからであ
る。

次に本発明の他の実施例について説明する。第５図は圧
電薄膜共振子を振動子支持体の凹部から見た斜視図であ
り、第６図はその構成を示す断面図である。尚、各封止
体９，１０については省略している。ここで通気孔７は
、半導体結晶基板１の圧電体４１側から該基板１の厚さ
方向に設けられ、しかも該基板１の裏面近くではダイヤ
フラム形の凹部６まで延びている。１５は通気孔７が凹
部６まで及んでいる箇所を示している。

この実施例における通気孔７は、凹部６を形成する際の
方形の穴明は加工時に併せて適当な幅の溝を形成してお
くことにより、半導体結晶基板１の異方性エツチングと
同一の工程で形成することができる。したがって、工程
数を特に増やす必要はなく生産性にも優れている。この
実施例においては、平板状の第２の封止体１０で封止し
ても振動子支持体旦の凹部６と通気孔７ｉｉ連通してい
る為、振動部分の上側と下側とにおける静圧全等しくす
ることができる。さらに第７図は、本発明の別の他の実
施例を示す斜視図である。ここでは、通気孔７を、圧４
体４１上において第１の電極３、第２の′電極５を避け
た部分、即ち直接的には振動に寄与しない部分に形成し
ている。この実施例によれば、裏作工程は増すが振動部
分の形状が変わるため振動モード成分の漏洩による悪影
響を少なくすることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、圧電体悌及び電極艶を形成した振動子
支持体に気体等が通る通気孔を略厚さ方向に形成してい
る。したがって、振動部分の上側と下側とで静圧が等し
くなり振動部分に歪みを生ぜしめることなく封止するこ
とができる。さらに接着により封止する場合余分な接着
剤の入り込む空隙部を振動子支持体もしくは封止体に形
成している。この為、余分な接着剤が振動部分に付着す
る虞れがなく封止工程を施こすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の圧電薄膜共振子を示す斜視図、流側に係
る圧電薄膜共振子を示す分解斜視図、第４図は本発明の
一実施例に係る圧電薄膜共振子の分解断面図、第５図は
本発明の他の実施例に係る圧電薄膜共振子を裏面から見
た斜視図、第６図は本発明の他の実施例に係る圧電薄膜
共振子の断面図、第７図は別の他の実施例に係る圧電薄
膜共振子の斜視図である。 １・・・・半導体結晶基板　３・・・・第１の電極４・
・・・圧電膜　５・・・・第２の電極７・・・・通気孔
　旦・・・・振動子支持体９・・・・第１の封止体　１
０・・・・第２の封止体４１・・・圧電体 代理人　弁理士　則　近　憲　佑　（ほか１名）第　１
　図 、（ 第２図 第　３　図 ん− 第　４　図 第　５　図 第　６　図 １！５ｂ　ｔＡ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 この振動子支持体の薄肉部に配置され少なくとも圧′電
   膜を含んで形成した圧電体と、この圧電体を励振させる
   電接と、この電極の各励振部分及び前記圧′１体のいず
   れにも触れないように空隙をもって、前記振動子支持体
   を前記圧電体側から封止する第１の封止体と、前記振動
   子支持体の薄肉部に触れないように、振動子支持体を裏
   面側から封止する第２の封止体と、前記振動子支持体の
   振動部分を境界として、少なくとも第２の封止体側の空
   隙における静圧が第１の封止体側の空隙における静圧と
   略等しくなるように、前記振動子支持体。 前記第２の封止体の少なくとも一方に設けた通気孔から
   成る圧電薄膜共振子。 （２）　通気孔を、振動子支持体の肉厚部から凹部内側
   に渡って設けた特許請求の範囲第１項記載の圧′亀薄膜
   共振子。 （３）圧電体を貫通し振動子支持体の薄肉部であって且
   つ電極から離れた位置に通気孔を設けた特許請求の範囲
   第１項記載の圧電薄膜共振子。 〔４）振動子支持体が第１の封止体と第２の封止体のい
   ずれかと相接する位置、においで、少なくとも接着剤が
   入り込める空隙部を設けた特許請求の範囲第１項記載の
   圧電薄膜共振子。 （５）第１の封止体もしくは第２の封止体に排気孔を設
   けた特許請求の範囲第１項記載の圧電薄膜共振子。 （６〕　第１の封止体と第２の封止体の少なくとも一方
   が振動子支持体と同一の半導体結晶基板から成る特許請
   求の範囲第１項記載の圧電薄膜共振子。