WO2014042020A2 - 振動装置及びその製造方法 - Google Patents

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WO2014042020A2
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layer
vibration device
film
piezoelectric thin
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圭一 梅田
武彦 岸
西村　俊雄
貴志 長谷
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株式会社村田製作所
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    • Y10T29/42—Piezoelectric device making

Definitions

  • the present invention relates to a vibration device in which a vibrating arm is connected to a support portion and a manufacturing method thereof, and more specifically, a vibration device in which an excitation portion is configured so that the vibrating arm vibrates in a flexural vibration mode and the manufacture thereof. Regarding the method.
  • Patent Document 1 discloses a vibrating device in which each end of a plurality of vibrating arms is connected to a support portion.
  • the vibrating arm has a Si semiconductor layer.
  • An SiO 2 film is provided on the Si semiconductor layer.
  • a first electrode, a piezoelectric thin film, and a second electrode are sequentially stacked on the SiO 2 film. That is, an excitation unit including a piezoelectric thin film is formed on the Si semiconductor layer.
  • the vibration device described in Patent Document 1 is a vibration device using a bulk wave.
  • a vibrator having a high Q value can be configured.
  • a relatively thick SiO 2 film of 2 ⁇ m or more is provided in order to improve temperature characteristics.
  • Patent Document 2 discloses a surface acoustic wave semiconductor device using an n-type Si substrate doped with P.
  • the temperature characteristics can be improved by changing the elastic constant and the velocity of the surface acoustic wave.
  • Patent Document 1 discloses that SiO 2 film is formed by thermal oxidation, a thermal oxidation method, an attempt to deposit a SiO 2 film or to a certain thickness, the growth of the SiO 2 film The speed is significantly slowed down. Therefore, it is difficult to form a SiO 2 film having a thickness of 2 ⁇ m or more.
  • a thick SiO 2 film can be easily formed by sputtering or CVD.
  • the mechanical loss Qm of the film was bad. Therefore, there is a problem that the Q value of the vibrator is lowered.
  • Patent Document 1 does not particularly mention doping of the Si semiconductor layer with impurities.
  • the surface acoustic wave semiconductor device described in Patent Document 2 relates to a structure for exciting surface waves, and is different from a vibration device using a bulk wave as described in Patent Document 1.
  • Patent Document 2 only suggests that the use of an n-type Si substrate doped with P changes the elastic constant and the speed of the surface acoustic wave, thereby changing the temperature characteristics. .
  • An object of the present invention is to provide a vibration device and a method for manufacturing the same that are excellent in temperature characteristics and hardly deteriorate in Q value.
  • the vibration device includes a support portion and a vibrating arm connected to the support portion.
  • the vibrating arm includes an n-type Si layer that is a degenerate semiconductor and an excitation unit provided on the n-type Si layer.
  • the excitation unit includes a piezoelectric thin film and first and second electrodes provided so as to sandwich the piezoelectric thin film, and causes the vibrating arm to bend and vibrate by the excitation unit.
  • the vibrating arm includes an n-type Si layer having a doping concentration of 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more, and an excitation unit provided on the n-type Si layer,
  • the excitation unit includes a piezoelectric thin film and first and second electrodes provided so as to sandwich the piezoelectric thin film, and the vibrating arm is flexibly vibrated by the excitation unit.
  • an odd number of vibration arms is provided, and the excitation unit is configured to cause the vibration arms to bend out of plane.
  • an even number of vibration arms are provided, and the excitation unit is configured to cause the vibration arms to flexurally vibrate in the plane.
  • a mass adding portion is provided at an end portion on the opposite side to the side connected to the support portion of the vibrating arm.
  • a silicon oxide film is disposed between the n-type Si layer and the excitation unit.
  • the silicon oxide film is a film formed by a thermal oxidation method.
  • a method for manufacturing the vibration device configured according to the present invention includes a step of preparing an n-type Si layer connected to a support portion, a step of forming a first electrode on the n-type Si layer, and a piezoelectric thin film on the first electrode. And forming a second electrode on the piezoelectric thin film.
  • the step of preparing a structure in which an n-type Si layer is connected to the support portion includes a recess formed on one surface and a support substrate made of Si. And a step of preparing and a step of laminating an n-type Si layer so as to cover the concave portion of the support substrate.
  • the vibration device includes first and second electrodes provided on a degenerate semiconductor, that is, an n-type Si layer having a doping concentration of 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more so as to sandwich a piezoelectric thin film. Since the excitation unit is provided, the temperature characteristics are excellent. Therefore, since it is not always necessary to provide a temperature characteristic improving film that causes deterioration of the Q value such as a thick SiO 2 film, the Q value is hardly deteriorated.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of the vibration device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a portion along the line AA in FIG.
  • FIG. 3A and FIG. 3B are schematic perspective views for explaining the vibration state of the vibration device according to the first embodiment of the present invention.
  • 4 is a cross-sectional view of a portion along the line BB in FIG.
  • FIG. 5 (a) is a schematic plan view showing the main part of the vibration device according to the second embodiment of the present invention, and
  • FIG. 5 (b) shows a portion along the line CC in FIG. 5 (a). It is sectional drawing.
  • FIG. 6 is a schematic perspective view for explaining a vibration state of the vibration device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a schematic perspective view for explaining a vibration state of the vibration device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is a transverse cross-sectional view at a position where the mass adding portion is provided in the vibration device according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 7B is a view where a plurality of vibration arms are provided. It is a cross-sectional view in the position.
  • FIG. 8A to FIG. 8D are cross-sectional views for explaining the method for manufacturing the vibration device according to the first embodiment of the invention.
  • 9 (a) to 9 (d) are cross-sectional views for explaining the method for manufacturing the vibration device according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 10 shows the rotation angle indicating the relationship between the longitudinal direction of the vibrating arm and the direction of the Si crystal axis of the n-type Si layer, the frequency temperature coefficient TCF, and n in the vibration device according to the first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the relationship with the doping concentration of the n-type dopant in a type Si layer.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the relationship among the temperature, the resonance frequency change rate, and the doping concentration of the n-type dopant in the n-type Si layer in the vibration device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 shows a rotation angle indicating the relationship between the longitudinal direction of the vibrating arm and the direction of the Si crystal axis of the n-type Si layer, the frequency temperature coefficient TCF, and n in the vibration device according to the second embodiment of the present invention. It is a figure which shows the relationship with the doping concentration of the n-type dopant in a type Si layer.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating the relationship among the temperature, the resonance frequency change rate, and the doping concentration of the n-type dopant in the n-type Si layer in the vibration device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic plan view of a vibration device according to a modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of a portion along line XX in FIG.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of the vibration device 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the vibration device 1 is a resonance type vibrator that includes a support portion 2, an odd number of vibration arms 3 a, 3 b, 3 c, and a mass addition portion 4. One end of each of the vibrating arms 3a to 3c is connected to the support portion 2. A mass adding portion 4 is provided at each of the other ends of the vibrating arms 3a to 3c.
  • the vibrating arms 3a to 3c have one end connected to the support portion 2 as a fixed end and the other end displaceable as a free end. In other words, the vibrating arms 3a to 3c are supported by the support portion 2 in a cantilever manner. The odd number of vibrating arms 3a to 3c are extended in parallel to each other.
  • side frames 5 and 6 are connected to both ends of the support portion 2 so as to extend in parallel with the vibrating arms 3a to 3c.
  • the support part 2 and the side frames 5 and 6 are integrally formed.
  • the structure having the support part 2 and the side frames 5 and 6 and the structure of the main parts of the vibrating arms 3a to 3c will be clarified later by explaining the manufacturing method.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a portion along the line AA in FIG.
  • the vibrating arms 3 a to 3 c are composed of a SiO 2 film 12, an n-type Si layer 11, a SiO 2 film 13, and an excitation unit 14.
  • the n-type Si layer 11 is made of an n-type Si semiconductor that is a degenerate semiconductor. Therefore, the doping concentration of the n-type dopant is 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more.
  • 15th group elements such as P, As, or Sb, can be mentioned.
  • An SiO 2 film 12 is provided on the lower surface of the n-type Si layer 11, and an SiO 2 film 13 is also provided on the upper surface.
  • the thickness of the SiO 2 films 12 and 13 is 0.4 ⁇ m.
  • the SiO 2 films 12 and 13 are provided to further improve the temperature characteristics.
  • the SiO 2 films 12 and 13 may not be provided as will be apparent from a third embodiment of the present invention described later.
  • the excitation unit 14 is provided on the upper surface of the SiO 2 film 13.
  • the excitation unit 14 includes a piezoelectric thin film 15, a first electrode 16, and a second electrode 17.
  • the first electrode 16 and the second electrode 17 are provided so as to sandwich the piezoelectric thin film 15.
  • a piezoelectric thin film 15 a is provided on the upper surface of the SiO 2 film 13, and a piezoelectric thin film 15 b is provided on the upper surfaces of the piezoelectric thin film 15 and the second electrode 17.
  • the piezoelectric thin film 15 a is a seed layer, and the piezoelectric thin film 15 b is a protective layer, and neither constitutes the excitation unit 14.
  • the piezoelectric thin films 15a and 15b may not be provided.
  • the piezoelectric material which comprises the said piezoelectric thin film 15 is not specifically limited, In the vibration apparatus using a bulk wave, it is preferable that Q value is high. Accordingly, AlN having a small electromechanical coupling coefficient k 2 but a high Q value is preferably used. However, ZnO, Sc-substituted AlN, PZT, KNN, or the like may be used.
  • the Sc-substituted AlN film (ScAlN) desirably has a Sc concentration of about 0.5 at% to 50 at% when the atomic concentration of Sc and Al is 100 at%.
  • ScAlN Since ScAlN has a larger electromechanical coupling coefficient k 2 than AlN and a larger mechanical Qm than PZT and KNN, it has the following advantages when applied to a resonance type resonator as in the present invention.
  • a TCXO temperature compensated oscillator
  • a built-in temperature sensor signal is fed back to a variable capacitor connected in series with a vibrator, and the oscillation frequency can be adjusted by changing the capacitance value of the variable capacitor.
  • the ratio band of the resonance type vibrator is widened, and the adjustment range of the oscillation frequency is widened.
  • the first and second electrodes 16 and 17 can be formed of an appropriate metal such as Mo, Ru, Pt, Ti, Cr, Al, Cu, Ag, or an alloy thereof.
  • the piezoelectric thin film 15 is polarized in the thickness direction. Therefore, by applying an alternating electric field between the first and second electrodes 16 and 17, the excitation unit 14 is excited by the piezoelectric effect. As a result, the vibrating arms 3a to 3c bend and vibrate so as to take the vibrating state shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). As is clear from FIGS. 3A and 3B, the center vibrating arm 3b and the vibrating arms 3a and 3c on both sides are displaced in opposite phases. This can be achieved by setting the phase of the alternating electric field applied to the central vibrating arm 3b and the phase of the alternating electric field applied to the vibrating arms 3a and 3c on both sides to be opposite phases. Alternatively, the polarization direction in the piezoelectric thin film 15 may be reversed between the central vibrating arm 3b and the vibrating arms 3a and 3c on both sides.
  • the side frames 5 and 6 are composed of the SiO 2 film 22, the Si substrate 21, the SiO 2 film 12, the n-type Si layer 11, the SiO 2 film 13, and the piezoelectric thin film 15.
  • the support portion 2 is also configured similarly to the side frames 5 and 6.
  • a recess 21 a is formed on the upper surface of the Si substrate 21, and a part of the side wall of the recess 21 a constitutes the support 2 and the side frames 5 and 6.
  • the vibrating arms 3a to 3c are disposed on the recess 21a.
  • the Si substrate 21 is a support substrate constituting the support portion 2 and the side frames 5 and 6.
  • the SiO 2 film 22 is a protective film and is provided on the lower surface of the Si substrate 21.
  • the mass adding portion 4 is provided at each tip of the vibrating arms 3a to 3c.
  • the mass adding portion 4 is in the form of a rectangular plate having a larger dimension in the width direction than the vibrating arms 3a to 3c.
  • the mass adding section 4 is configured by laminating an SiO 2 film 12, an n-type Si layer 11, an SiO 2 film 13, a piezoelectric thin film 15, and a mass adding film 18.
  • the mass addition film 18 is made of Au, and is provided on the upper surface side of the mass addition portion 4, that is, on the upper surface of the piezoelectric thin film 15.
  • the mass addition film 18 may be made of an appropriate metal or alloy having a high density such as W, Mo, or Pt in addition to Au. Further, the mass addition film 18 may be provided on the lower surface side of the mass addition portion 4, that is, the lower surface of the SiO 2 film 12.
  • the mass adding portion 4 has a laminated structure composed of the SiO 2 film 12, the n-type Si layer 11, the SiO 2 film 13, and the piezoelectric thin film 15, similarly to the side frames 5 and 6. Therefore, it is desirable that the mass addition film 18 is provided only on the upper surface side as in this embodiment. Further, since the mass adding portion 4 has a function of adding mass to the tips of the vibrating arms 3a to 3c, as described above, if the dimension in the width direction is larger than that of the vibrating arms 3a to 3c, It will have that function. Therefore, the mass addition film 18 is not necessarily provided.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the rotation angle of the n-type Si layer 11, the TCF, and the doping concentration of the n-type dopant in the n-type Si layer 11 in the vibration device 1.
  • the rotation angle is 0 degree in the case of Si (100)
  • the rotation angle is 45 degrees in the case of Si (110)
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship among the temperature, the resonance frequency change rate ⁇ Fr, and the n-type dopant doping concentration in the n-type Si layer 11 in the vibration device 1.
  • FIG. 11 shows the result when the rotation angle is 0 degree.
  • the TCF is improved by increasing the doping concentration of the n-type dopant in the n-type Si layer.
  • TCF also changes depending on the rotation angle.
  • the absolute value of TCF is large, and even if the rotation angle changes, TCF is Almost no change.
  • the vibration device 1 has a doping concentration of 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more, the absolute value of TCF can be more effectively reduced by selecting the rotation angle.
  • the resonance frequency change rate ⁇ Fr due to temperature change is small.
  • the doping concentration of the n-type dopant in the n-type Si layer 11 needs to be 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more.
  • the n-type Si layer 11 needs to be a semiconductor layer that behaves as a degenerate semiconductor.
  • the degenerate semiconductor is used, that is, an n-type Si semiconductor having an n-type dopant doping concentration of 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more is used.
  • the absolute value of TCF can be effectively reduced.
  • the SiO 2 films 12 and 13 are provided, but their thickness is as very thin as 0.4 ⁇ m. Nevertheless, as described above, the absolute value of TCF can be effectively reduced. Therefore, the Q value hardly deteriorates.
  • the manufacturing method of the vibration device 1 is not particularly limited, an example will be described with reference to FIGS. 8 (a) to (d) and FIGS. 9 (a) to (d).
  • a Si substrate 21 is prepared.
  • a recess 21a is formed on the upper surface of the Si substrate 21 by etching.
  • the depth of the recess 21a may be about 10 ⁇ m to 30 ⁇ m.
  • an n-type Si layer 11 having a doping concentration of 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more and doped with P is prepared, and SiO is formed on the upper and lower surfaces of the n-type Si layer 11.
  • Two films 12, 13A are formed.
  • the SiO 2 films 12 and 13A are formed by a thermal oxidation method.
  • a SiO 2 film formed by a thermal oxidation method is preferable because the Q value hardly deteriorates.
  • the thicknesses of the SiO 2 films 12 and 13A are 0.4 ⁇ m.
  • the n-type Si layer 11 on which the SiO 2 films 12 and 13A are formed is stacked on the Si substrate 21.
  • the SiO 2 film 12 is brought into contact with the surface of the Si substrate 21 on which the concave portion 21a is provided.
  • the SiO 2 film 13A is removed by polishing, and the thickness of the n-type Si layer 11 is further reduced. Thereby, the thickness of the n-type Si layer 11 is set to about 10 ⁇ m.
  • the SiO 2 film 13 is formed on the upper surface of the n-type Si layer 11 and the SiO 2 film 22 is formed on the lower surface of the Si substrate 21 by thermal oxidation.
  • the thickness of the SiO 2 film 13 is 0.4 ⁇ m.
  • the first electrode 16 is formed on the upper surface of the piezoelectric thin film 15a.
  • the first electrode 16 is a laminated electrode in which a first layer made of Mo and a second layer made of Al are laminated.
  • the piezoelectric thin film 15a is a seed layer, and by providing the piezoelectric thin film 15a, the first layer made of Mo in the first electrode 16 is formed with high orientation. Then, as shown in FIG. 9B, after the piezoelectric thin film 15a made of AlN having a thickness of about 30 nm to 100 nm is formed on the upper surface of the SiO 2 film 13, the first electrode 16 is formed on the upper surface of the piezoelectric thin film 15a.
  • the first electrode 16 is a laminated electrode in which a first layer made of Mo and a second layer made of Al are laminated.
  • the piezoelectric thin film 15a is a seed layer, and by providing the piezoelectric thin film 15a, the first layer made of Mo in the first electrode 16 is formed with high orientation
  • the second electrode 17 is formed on the upper surface of the piezoelectric thin film 15. .
  • the second electrode 17 is a laminated electrode in which a first layer made of Mo and a second layer made of Al are laminated.
  • the first electrode 16 and the second electrode 17 are formed by, for example, a lift-off process using a sputtering method.
  • a piezoelectric thin film 15b made of AlN is formed on the upper surface of the piezoelectric thin film 15 and the second electrode 17 with a thickness of about 30 nm to 100 nm.
  • a mass addition film 18 made of Au is formed on the upper surface of the piezoelectric thin film 15 where the mass addition portion 4 is formed.
  • processing is performed by dry etching or wet etching so that the plurality of vibrating arms 3a to 3c and the mass addition portion 4 shown in FIG. 1 remain. In this way, the vibration device 1 can be obtained.
  • FIG. 5A is a schematic plan view showing the main part of the vibration device 41 according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 5B is a CC line in FIG. 5A. It is sectional drawing of the part which follows.
  • the vibration device 41 is a resonance type vibrator including a support portion 42, an even number of vibration arms 43 a and 43 b, and a mass addition portion 44. Side frames (not shown) are connected to both ends of the support portion 42 so as to extend in parallel with the vibrating arms 43a and 43b.
  • each of the vibrating arms 43a and 43b is connected to the support portion.
  • Mass addition portions 44 are provided at the other ends of the vibrating arms 43a and 43b.
  • One end of each of the vibrating arms 43a and 43b is connected to the support portion 42 as a fixed end, and the other end can be displaced as a free end. That is, the vibrating arms 43a and 43b are supported by the support portion 42 in a cantilever manner. The even number of vibrating arms 43a and 43b are extended in parallel to each other.
  • the through-hole 43c has a rectangular shape with the length direction of the vibrating arms 43a and 43b as a longitudinal direction when seen in a plan view, and is provided along the length direction of the vibrating arms 43a and 43b.
  • FIG. 5B shows a cross section of a portion of the vibrating arm 43a where the through hole 43c is provided.
  • the resonating arm 43a is composed of an n-type Si layer 51 and an excitation unit 55 provided on both sides adjacent to the through hole 43c.
  • the excitation unit 55 includes a first electrode 52, a piezoelectric thin film 53, and a second electrode 54.
  • the first electrode 52 and the second electrode 54 are provided so as to sandwich the piezoelectric thin film 53.
  • the vibrating arm 43b is similarly configured.
  • the through hole 43c by providing the through hole 43c, the displacement of the vibrating arms 43a and 43b is smoothed.
  • the through hole 43c is not necessarily provided.
  • the vibration device 41 includes a Si substrate and a SiO 2 film provided on the lower surface of the Si substrate, as in the first embodiment.
  • the support portion 42 and the side frame (not shown) are composed of an SiO 2 film, an Si substrate, an n-type Si layer 51, and a piezoelectric thin film 53.
  • the mass addition part 44 is provided in each front-end
  • the mass addition part 44 is made into the rectangular plate shape whose dimension of the width direction is larger than the vibrating arms 43a and 43b.
  • the mass addition unit 44 is configured by laminating an n-type Si layer 51, a piezoelectric thin film 53, and a mass addition film 45.
  • the mass addition film 45 is provided on the upper surface side of the mass addition portion 44, that is, on the upper surface of the piezoelectric thin film 53.
  • the n-type Si layer 51 is made of an n-type Si semiconductor that is a degenerate semiconductor and has an n-type dopant doping concentration of 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more.
  • the first and second electrodes 52 and 54 and the piezoelectric thin film 53 are made of the same material as in the first embodiment. However, in the present embodiment, no SiO 2 film is provided on the upper and lower surfaces of the n-type Si layer 51.
  • the piezoelectric thin film 53 is polarized in the thickness direction. Therefore, by applying an alternating electric field between the first and second electrodes 52 and 54, the excitation unit 55 is excited by the piezoelectric effect. As a result, the vibrating arms 43a and 43b bend and vibrate so as to take the vibrating state shown in FIG. By setting the phase of the alternating electric field applied to the vibrating arm 43a and the phase of the alternating electric field applied to the vibrating arm 43b to opposite phases, the vibrating arm 43a and the vibrating arm 43b are displaced in opposite phases. The vibrating arms 43a and 43b vibrate in a tuning fork type in-plane bending vibration mode.
  • the n-type Si layer 51 constituting the vibrating arms 43a and 43b has an n-type Si semiconductor in which the doping concentration of the n-type dopant that is a degenerate semiconductor is 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more. Therefore, the absolute value of the frequency temperature coefficient TCF can be reduced. In other words, excellent temperature characteristics can be realized without forming an SiO 2 film. This will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship among the rotation angle of the n-type Si layer 51, the frequency temperature coefficient TCF, and the doping concentration of the n-type dopant in the n-type Si layer 51 in the vibration device 41.
  • the rotation angle on the horizontal axis in FIG. 12 indicates the relationship between the longitudinal direction of the vibrating arms 43a and 43b and the direction of the Si crystal axis of the n-type Si layer 51, as in FIG.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship among the temperature, the resonance frequency change rate ⁇ Fr, and the doping concentration of the n-type dopant in the n-type Si layer 51 in the vibration device 41.
  • FIG. 13 shows the result when the rotation angle is 0 degree.
  • the TCF can be improved by increasing the doping concentration of the n-type dopant in the n-type Si layer, and that the TCF also changes depending on the rotation angle.
  • the doping concentration is 1 ⁇ 10 18 / cm 3
  • the absolute value of TCF is large, and even if the rotation angle changes, TCF Almost no change.
  • the vibration device 41 has a doping concentration of 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more, the absolute value of TCF can be reduced more effectively by selecting the rotation angle.
  • the resonance frequency change rate ⁇ Fr due to temperature change is small in the vibration device 41 having a doping concentration of 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more.
  • the vibration device of the present invention may be a vibration device in which an even number of vibrating arms vibrate in a tuning fork type in-plane bending vibration mode.
  • SiO 2 films may be provided on the upper and lower surfaces of the n-type Si layer as necessary, and even in that case, the absolute value of the TCF can be reduced more effectively.
  • FIGS. 7A and 7B are cross-sectional views of the vibration device according to the third embodiment of the present invention.
  • the third embodiment is a modification of the first embodiment.
  • FIG. 7A is a transverse cross-sectional view at a position where the mass adding portion is provided in the vibration device according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 7B is a view where a plurality of vibration arms are provided. It is a cross-sectional view in the position.
  • the vibration device according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment in that the upper and lower surfaces of the n-type Si layer 11 are not provided with SiO 2 films. It is different from the vibration device 1 and the other structure is the same. Therefore, the description of the first embodiment is omitted by using the description of the first embodiment.
  • the n-type Si layer 11 is a degenerate semiconductor. Since the n-type Si semiconductor is 1 ⁇ 10 19 / cm 3 or more, the absolute value of the frequency temperature coefficient TCF can be effectively reduced. Further, in this embodiment, since the SiO 2 film is not provided on the upper surface and the lower surface of the n-type Si layer 11, the Q value hardly deteriorates.
  • the number is not particularly limited as long as it is an odd number.
  • the number is not particularly limited as long as it is an even number.
  • the out-of-plane bending vibration mode may be used, and any of the in-plane bending vibration modes may be used. May be used.
  • FIG. 14 is a schematic plan view of a vibration device 70 according to this modification
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of a portion along the line XX in FIG.
  • the microloading effect suppression patterns 71 and 71 described below are provided, the SiO 2 film is not provided on the upper and lower surfaces of the n-type Si layer, and the seed layer The piezoelectric thin film is not provided, and the SiO 2 film is not provided on the lower surface of the Si substrate. This is different from the vibration device 1 of the first embodiment, and the other structures are the same.
  • microloading effect suppression patterns 71 and 71 also function as a stopper for preventing the vibration rod from being greatly displaced and broken at the time of product drop impact.

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Abstract

　周波数温度特性に優れ、Ｑ値の劣化が生じ難い、振動装置を提供する。　振動腕３ａ，３ｂ，３ｃが支持部２に接続されており、振動腕３がａ，３ｂ，３ｃが縮退半導体であるｎ型Ｓｉ層１１と、ｎ型Ｓｉ層１１上に設けられた励振部１４とを有し、該励振部１４が圧電薄膜１５と圧電薄膜１５を挟むように設けられた第１，第２の電極１６，１７とを有する屈曲振動モードを利用した、振動装置１。

Description

振動装置及びその製造方法
　本発明は、支持部に振動腕が接続されている振動装置及びその製造方法に関し、より詳細には、振動腕が屈曲振動モードで振動するように励振部が構成されている振動装置及びその製造方法に関する。
　従来、Ｓｉ半導体層上に圧電薄膜を含む励振部が構成されているＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）構造が知られている。例えば下記の特許文献１には、複数の振動腕の各一端が支持部に接続されている振動装置が開示されている。この振動装置では、振動腕はＳｉ半導体層を有する。Ｓｉ半導体層上に、ＳｉＯ２膜が設けられている。そして、ＳｉＯ２膜上に、順に、第１の電極、圧電薄膜及び第２の電極が積層されている。すなわち、Ｓｉ半導体層上に圧電薄膜を含む励振部が構成されている。特許文献１に記載の振動装置は、バルク波を利用した振動装置である。
　上記Ｓｉ半導体層上に励振部が構成されていることにより、Ｑ値の高い振動子を構成することができる。もっとも、特許文献１に記載の振動装置では、温度特性を改善するために、２μｍ以上の比較的厚いＳｉＯ２膜が設けられている。
　他方、下記の特許文献２には、Ｐがドープされているｎ型Ｓｉ基板を用いた表面音響波半導体装置が開示されている。Ｐがドープされているｎ型Ｓｉ基板を用いることにより、弾性定数や表面音響波の速度を変化させ、温度特性を改善することができるとされている。
ＵＳＰ８，０９８，００２ 特開昭５７－１６２５１３号公報
　特許文献１に記載のバルク波を利用した振動装置では、温度特性を改善するために、上記のように２μｍ以上の比較的厚いＳｉＯ２膜を設けなければならなかった。特許文献１にはＳｉＯ２膜が熱酸化法により形成されることが記載されているが、熱酸化法では、ある一定の厚み以上にＳｉＯ２膜を成膜しようとすると、ＳｉＯ２膜の成長速度が著しく遅くなる。従って、厚みが２μｍ以上のＳｉＯ２膜の形成は困難であった。
　他方、スパッタリング法やＣＶＤ法によれば、厚いＳｉＯ２膜を容易に形成することは可能である。しかしながら、これらの方法で形成されたＳｉＯ２膜では、膜の機械的損失Ｑｍが悪かった。よって、振動子のＱ値が低下するという問題があった。
　なお、特許文献１ではＳｉ半導体層に不純物をドープすることについては特に言及されていない。
　他方、特許文献２に記載の表面音響波半導体装置は、表面波を励振させる構造に関するものであり、特許文献１に記載のようなバルク波を利用した振動装置とは異なるものである。また、特許文献２にはＰがドープされているｎ型Ｓｉ基板を用いることにより、弾性定数や表面音響波の速度が変化し、それによって温度特性が変化することが示唆されているだけである。
　本発明の目的は、温度特性に優れ、かつＱ値の劣化が生じ難い、振動装置及びその製造方法を提供することにある。
　本発明に係る振動装置は、支持部と、支持部に接続されている振動腕とを備える。本発明において、振動腕は、縮退半導体であるｎ型Ｓｉ層と、ｎ型Ｓｉ層上に設けられた励振部とを有する。励振部は、圧電薄膜と、圧電薄膜を挟むように設けられた第１，第２の電極とを有し、励振部により振動腕を屈曲振動させる。
　また、本発明の別の広い局面では、振動腕は、１×１０１９／ｃｍ３以上のドーピング濃度を有するｎ型Ｓｉ層と、ｎ型Ｓｉ層上に設けられた励振部とを有し、該励振部が、圧電薄膜と、圧電薄膜を挟むように設けられた第１，第２の電極とを有し、励振部により振動腕を屈曲振動させる。
　本発明の振動装置のある特定の局面では、奇数本の振動腕を備え、前記励振部が前記振動腕を面外屈曲振動させるように構成されている。
　本発明に係る振動装置の他の特定の局面では、偶数本の振動腕を備え、励振部が振動腕を面内屈曲振動させるように構成されている。
　本発明に係る振動装置のさらに別の特定の局面では、振動腕の支持部に接続されている側とは反対側の端部に質量付加部が設けられている。
　本発明に係る振動装置のさらに他の特定の局面では、ｎ型Ｓｉ層と、励振部との間に酸化シリコン膜が配置されている。
　本発明に係る振動装置のさらに他の特定の局面では、酸化シリコン膜が熱酸化法により形成された膜である。
　本発明に係る振動装置のさらに他の広い局面では、本発明に従って構成されている振動装置の製造方法が提供される。本発明の製造方法は、支持部に接続されているｎ型Ｓｉ層を用意する工程と、ｎ型Ｓｉ層上に、第１の電極を形成する工程と、第１の電極上に圧電薄膜を形成する工程と、圧電薄膜上に第２の電極を構成する工程とを備える。
　本発明に係る振動装置の製造方法のある特定の局面では、前記支持部にｎ型Ｓｉ層が接続されている構造を用意する工程が、１つの面に凹部をし、Ｓｉからなる支持基板を用意する工程と、前記支持基板の凹部を覆うようにｎ型Ｓｉ層を積層する工程とを有する。
　本発明に係る振動装置では、縮退半導体、すなわち１×１０１９／ｃｍ３以上のドーピング濃度を有するｎ型Ｓｉ層上に、圧電薄膜を挟むように設けられた第１，第２の電極を有する励振部が設けられているため、温度特性が優れている。従って、厚いＳｉＯ２膜のようなＱ値の劣化を引き起こす温度特性改善膜を必ずしも設けずともよいため、Ｑ値の劣化も生じ難い。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置の外観を示す斜視図である。 図２は、図１中のＡ－Ａ線に沿う部分の断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置の振動姿態を説明するための各模式的斜視図である。 図４は、図１中のＢ－Ｂ線に沿う部分の断面図である。 図５（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る振動装置の要部を示す略図的平面図であり、図５（ｂ）は（ａ）中のＣ－Ｃ線に沿う部分の断面図である。 図６は、本発明の第２の実施形態に係る振動装置の振動姿態を説明するための模式的斜視図である。 図７（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る振動装置における質量付加部が設けられている位置における横断面図であり、図７（ｂ）は、複数の振動腕が設けられている位置における横断面図である。 図８（ａ）～図８（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置の製造方法を説明するための各断面図である。 図９（ａ）～図９（ｄ）は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置の製造方法を説明するための各断面図である。 図１０は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置における、振動腕の長手方向とｎ型Ｓｉ層のＳｉ結晶軸の方向との関係を示す回転角と、周波数温度係数ＴＣＦと、ｎ型Ｓｉ層におけるｎ型ドーパントのドーピング濃度との関係を示す図である。 図１１は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置における、温度と、共振周波数変化率と、ｎ型Ｓｉ層におけるｎ型ドーパントのドーピング濃度との関係を示す図である。 図１２は、本発明の第２の実施形態に係る振動装置における、振動腕の長手方向とｎ型Ｓｉ層のＳｉ結晶軸の方向との関係を示す回転角と、周波数温度係数ＴＣＦと、ｎ型Ｓｉ層におけるｎ型ドーパントのドーピング濃度との関係を示す図である。 図１３は、本発明の第２の実施形態に係る振動装置における、温度と、共振周波数変化率と、ｎ型Ｓｉ層におけるｎ型ドーパントのドーピング濃度との関係を示す図である。 図１４は、本発明の第１の実施形態の変形例に係る振動装置の模式的平面図である。 図１５は、図１４中のＸ－Ｘ線に沿う部分の断面図である。
　以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置１の外観を示す斜視図である。振動装置１は、支持部２と、奇数本の振動腕３ａ，３ｂ，３ｃと、質量付加部４とを備える共振型振動子である。振動腕３ａ～３ｃの各一端は、支持部２に接続されている。振動腕３ａ～３ｃの各他端には質量付加部４が設けられている。
　振動腕３ａ～３ｃは、一端が固定端として支持部２に接続されており、他端が自由端として変位可能とされている。すなわち、振動腕３ａ～３ｃは、支持部２によって片持ち梁で支持されている。奇数本の振動腕３ａ～３ｃは互いに平行に延ばされている。
　なお、支持部２の両端には、振動腕３ａ～３ｃと平行に延びるように側枠５，６が接続されている。支持部２及び側枠５，６は一体に形成されている。支持部２及び側枠５，６を有する構造、並びに振動腕３ａ～３ｃの主要部分の構造については、後ほど製造方法を説明することにより明らかにする。
　図２は、図１中のＡ－Ａ線に沿う部分の断面図である。図２に示すように、振動腕３ａ～３ｃは、ＳｉＯ２膜１２、ｎ型Ｓｉ層１１、ＳｉＯ２膜１３、励振部１４により構成されている。
　ｎ型Ｓｉ層１１は縮退半導体であるｎ型Ｓｉ半導体からなる。従って、ｎ型ドーパントのドーピング濃度は１×１０１９／ｃｍ３以上である。上記ｎ型ドーパントとしては、Ｐ、ＡｓまたはＳｂなどの第１５属元素を挙げることができる。
　ｎ型Ｓｉ層１１の下面にはＳｉＯ２膜１２が設けられており、上面にもＳｉＯ２膜１３が設けられている。ＳｉＯ２膜１２，１３の厚みは０．４μｍである。ＳｉＯ２膜１２，１３は温度特性をさらに改善するために設けられている。もっとも、本発明においては、後述する本発明の第３の実施形態から明らかなようにＳｉＯ２膜１２，１３は設けられずともよい。
　ＳｉＯ２膜１３上面には励振部１４が設けられている。励振部１４は、圧電薄膜１５と、第１の電極１６と、第２の電極１７とを有する。第１の電極１６と第２の電極１７とは、圧電薄膜１５を挟むように設けられている。なお、ＳｉＯ２膜１３の上面には圧電薄膜１５ａが設けられており、圧電薄膜１５と第２の電極１７との上面には圧電薄膜１５ｂが設けられている。圧電薄膜１５ａはシード層、圧電薄膜１５ｂは保護層であり、いずれも励振部１４を構成するものではない。圧電薄膜１５ａ，１５ｂは設けられなくてもよい。
　上記圧電薄膜１５を構成する圧電材料は特に限定されないが、バルク波を利用した振動装置では、Ｑ値が高いことが好ましい。従って、電気機械結合係数ｋ２は小さいが、Ｑ値が高い、ＡｌＮが好適に用いられる。もっとも、ＺｎＯ、Ｓｃ置換ＡｌＮ、ＰＺＴ、ＫＮＮなどを用いてもよい。Ｓｃ置換ＡｌＮ膜（ＳｃＡｌＮ）は、ＳｃとＡｌの原子濃度を１００ａｔ％とした場合、Ｓｃ濃度が０．５ａｔ％から５０ａｔ％程度であることが望ましい。ＳｃＡｌＮはＡｌＮよりも電気機械結合係数ｋ２が大きく、ＰＺＴやＫＮＮよりも機械的なＱｍが大きいため、本発明のような共振型振動子に適用することで次のメリットがある。共振型振動子の用途として発振器がある。例えばＴＣＸＯ（温度補償型発振器）では内蔵する温度センサの信号を、振動子と直列接続された可変容量素子にフィードバックし、可変容量素子の容量値を変化させることで発振周波数を調整することができる。この時、圧電薄膜としてＡｌＮの代わりにＳｃＡｌＮを用いると、共振型振動子の比帯域が広がるため、発振周波数の調整範囲が広くなる。同様にＳｃＡｌＮをＶＣＸＯ（電圧制御発振器）に用いる場合は、発振周波数の調整範囲が広がるため、共振型振動子の初期の周波数ばらつきを可変容量素子で調整することができ、周波数調整工程のコストが大幅に削減できる。
　第１，第２の電極１６，１７は、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、またはこれらの合金などの適宜の金属により形成することができる。
　圧電薄膜１５は、厚み方向に分極している。従って、第１，第２の電極１６，１７間に交番電界を印加することにより、励振部１４が圧電効果により励振される。その結果、振動腕３ａ～３ｃは、図３（ａ）及び（ｂ）に示す振動姿態をとるように屈曲振動する。なお、図３（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、中央の振動腕３ｂと、両側の振動腕３ａ，３ｃとは逆相で変位している。これは、中央の振動腕３ｂに印加される交番電界の位相と両側の振動腕３ａ，３ｃに印加される交番電界の位相を逆位相とすることにより達成し得る。あるいは、圧電薄膜１５における分極方向を、中央の振動腕３ｂと、両側の振動腕３ａ，３ｃとで逆方向としてもよい。
　側枠５，６は、ＳｉＯ２膜２２、Ｓｉ基板２１、ＳｉＯ２膜１２、ｎ型Ｓｉ層１１、ＳｉＯ２膜１３、圧電薄膜１５により構成されている。支持部２も、側枠５，６と同様に構成されている。Ｓｉ基板２１の上面には凹部２１ａが形成されており、凹部２１ａの側壁の一部が支持部２及び側枠５，６を構成している。振動腕３ａ～３ｃは凹部２１ａ上に配置されている。Ｓｉ基板２１は支持部２及び側枠５，６を構成している支持基板である。ＳｉＯ２膜２２は、保護膜であり、Ｓｉ基板２１の下面に設けられている。
　質量付加部４は、振動腕３ａ～３ｃの各先端に設けられている。本実施形態では、質量付加部４は振動腕３ａ～３ｃよりも幅方向の寸法が大きい矩形板状とされている。
　図４は、図１中のＢ－Ｂ線に沿う部分の断面図である。図４に示すように、質量付加部４は、ＳｉＯ２膜１２、ｎ型Ｓｉ層１１、ＳｉＯ２膜１３、圧電薄膜１５、質量付加膜１８が積層されて構成されている。質量付加膜１８は、Ａｕからなり、質量付加部４の上面側すなわち圧電薄膜１５の上面に設けられている。質量付加膜１８は、Ａｕ以外に、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔなどの密度の高い適宜の金属もしくは合金からなるものであってもよい。さらに、質量付加膜１８は、質量付加部４の下面側すなわちＳｉＯ２膜１２の下面にも設けられていてもよい。
　もっとも、後述の製造工程から明らかなように、質量付加部４は、側枠５，６と同様に、ＳｉＯ２膜１２、ｎ型Ｓｉ層１１、ＳｉＯ２膜１３、圧電薄膜１５からなる積層構造を有するため、本実施形態のように、上面側にのみ質量付加膜１８が設けられていることが望ましい。さらに、質量付加部４は振動腕３ａ～３ｃの先端に質量を付加する機能を有するものであるため、上記のように、振動腕３ａ～３ｃよりも幅方向の寸法が大きいものであれば、その機能を有することになる。従って、質量付加膜１８は必ずしも設けられずともよい。
　本実施形態の振動装置１によれば、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。これを、図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は、上記振動装置１における、ｎ型Ｓｉ層１１の回転角と、ＴＣＦと、ｎ型Ｓｉ層１１におけるｎ型ドーパントのドーピング濃度との関係を示す図である。
　図１０の横軸の回転角は、振動腕３ａ～３ｃの長手方向とｎ型Ｓｉ層１１のＳｉ結晶軸の方向との関係を示す。例えば、Ｓｉ（１００）の場合に回転角は０度となり、Ｓｉ（１１０）の場合に回転角は４５度となり、Ｓｉ（０１０）＝Ｓｉ（１００）の場合に回転角は９０度となる。すなわち、Ｓｉ（０１０）である９０度の場合と、Ｓｉ（１００）である０度の場合とでは、等価となる。
　また、図１１は、上記振動装置１における、温度と、共振周波数変化率ΔＦｒと、ｎ型Ｓｉ層１１におけるｎ型ドーパントのドーピング濃度との関係を示す図である。なお、図１１は、回転角が０度の場合の結果を示す。
　図１０及び図１１では、本実施形態の振動装置１においてｎ型ドーパントのドーピング濃度を５×１０１９／ｃｍ３とした場合と、１×１０１９／ｃｍ３とした場合とを示すとともに、ｎ型Ｓｉ層におけるｎ型ドーパントのドーピング濃度が１×１０１８／ｃｍ３である点を除いては本実施形態の振動装置１と同じ構成を有する比較例１の場合も示している。
　図１０から明らかなように、ｎ型Ｓｉ層におけるｎ型ドーパントのドーピング濃度を高めることによりＴＣＦが改善されることがわかる。加えて、図１０よりＴＣＦは回転角によっても変化することがわかる。もっとも、ドーピング濃度が１×１０１８／ｃｍ３である比較例１の場合には、ｎ型Ｓｉ層が縮退半導体ではないため、ＴＣＦの絶対値が大きく、さらに回転角が変化してもＴＣＦはほとんど変化していない。これに対して、ドーピング濃度が１×１０１９／ｃｍ３以上である振動装置１であれば、回転角を選択することによりＴＣＦの絶対値をより効果的に小さくし得ることがわかる。
　また、図１１から明らかなように、ドーピング濃度が１×１０１９／ｃｍ３以上である振動装置１であれば、温度変化による共振周波数変化率ΔＦｒが小さくなっていることがわかる。
　従って、本実施形態では、上記のように、ｎ型Ｓｉ層１１におけるｎ型ドーパントのドーピング濃度は１×１０１９／ｃｍ３以上であることが必要である。言い換えれば、ｎ型Ｓｉ層１１は、縮退半導体としてふるまう半導体層であることが必要である。
　上記のように、本実施形態の振動装置１によれば、上記縮退半導体である、すなわちｎ型ドーパントのドーピング濃度が１×１０１９／ｃｍ３以上であるｎ型Ｓｉ半導体を用いているため、ＴＣＦの絶対値を効果的に小さくすることができる。
　なお、本実施形態では、ＳｉＯ２膜１２，１３が設けられているが、これらの厚みは０．４μｍと非常に薄い。にも関わらず、上記の通り、ＴＣＦの絶対値を効果的に小さくすることができる。よって、Ｑ値の劣化も生じ難い。
　上記振動装置１の製造法は特に限定されないが、一例を図８（ａ）～（ｄ）及び図９（ａ）～（ｄ）を参照して説明する。
　まず、図８（ａ）に示すように、Ｓｉ基板２１を用意する。Ｓｉ基板２１の上面にエッチングにより凹部２１ａを形成する。凹部２１ａの深さは１０μｍ～３０μｍ程度とすればよい。
　次に、図８（ｂ）に示すように、ドーピング濃度が１×１０１９／ｃｍ３以上でＰがドープされたｎ型Ｓｉ層１１を用意し、ｎ型Ｓｉ層１１の上面及び下面にＳｉＯ２膜１２，１３Ａを形成する。ＳｉＯ２膜１２，１３Ａは熱酸化法により形成する。熱酸化法により形成されたＳｉＯ２膜はＱ値の劣化が生じ難いため好ましい。ＳｉＯ２膜１２，１３Ａの厚みは、０．４μｍとする。
　次に、図８（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板２１上に、ＳｉＯ２膜１２，１３Ａが形成されているｎ型Ｓｉ層１１を積層する。積層に際しては、Ｓｉ基板２１の凹部２１ａが設けられている側の面に、ＳｉＯ２膜１２を接触させる。
　次に、図８（ｄ）に示すように、研磨により、ＳｉＯ２膜１３Ａを除去し、さらにｎ型Ｓｉ層１１の厚みを薄くする。それによって、ｎ型Ｓｉ層１１の厚みを、１０μｍ程度とする。
　次に、図９（ａ）に示すように、熱酸化法により、ｎ型Ｓｉ層１１の上面にＳｉＯ２膜１３を形成するとともに、Ｓｉ基板２１の下面にＳｉＯ２膜２２を形成する。ＳｉＯ２膜１３の厚みは０．４μｍとする。
　次に、図９（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２膜１３の上面に、３０ｎｍ～１００ｎｍ程度の厚みでＡｌＮからなる圧電薄膜１５ａを形成した後に、圧電薄膜１５ａの上面に第１の電極１６を形成する。第１の電極１６は、Ｍｏからなる第１の層とＡｌからなる第２の層とが積層された積層電極である。圧電薄膜１５ａはシード層であり、圧電薄膜１５ａが設けられていることにより、第１の電極１６におけるＭｏからなる第１の層が高い配向性で形成される。そして、図９（ｃ）に示すように、圧電薄膜１５ａと第１の電極１６との上面にＡｌＮからなる圧電薄膜１５を形成した後に、圧電薄膜１５の上面に第２の電極１７を形成する。第２の電極１７は、Ｍｏからなる第１の層とＡｌからなる第２の層とが積層された積層電極である。第１の電極１６と第２の電極１７とは、例えば、スパッタリング法を用いたリフトオフ・プロセスにより形成する。
　しかる後、図９（ｄ）に示すように、圧電薄膜１５と第２の電極１７との上面に、３０ｎｍ～１００ｎｍ程度の厚みでＡｌＮからなる圧電薄膜１５ｂを形成する。そして、圧電薄膜１５の上面であって質量付加部４が形成される領域に、Ａｕからなる質量付加膜１８を形成する。
　最後に、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより、図１に示した複数の振動腕３ａ～３ｃ及び質量付加部分４が残存するように加工する。このようにして、振動装置１を得ることができる。
　図５（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る振動装置４１の要部を示す略図的平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）中のＣ－Ｃ線に沿う部分の断面図である。振動装置４１は、支持部４２と、偶数本の振動腕４３ａ，４３ｂと、質量付加部４４とを備える共振型振動子である。支持部４２の両端には、振動腕４３ａ，４３ｂと平行に延びるように図示されていない側枠が接続されている。
　図５（ａ）に示すように、振動腕４３ａ，４３ｂの各一端は、支持部４２に接続されている。振動腕４３ａ，４３ｂの各他端には質量付加部４４が設けられている。振動腕４３ａ，４３ｂは、一端が固定端として支持部４２に接続されており、他端が自由端として変位可能とされている。すなわち、振動腕４３ａ，４３ｂは、支持部４２によって片持ち梁で支持されている。偶数本の振動腕振動腕４３ａ，４３ｂは互いに平行に延ばされている。
　図５（ａ），（ｂ）に示すように、振動腕４３ａ，４３ｂには、それぞれ、複数の貫通孔４３ｃが形成されている。貫通孔４３ｃは、平面視して振動腕４３ａ，４３ｂの長さ方向を長手方向とする矩形状であり、振動腕４３ａ，４３ｂの長さ方向に沿って設けられている。
　図５（ｂ）では、振動腕４３ａにおける貫通孔４３ｃが設けられている部分の横断面が示されている。振動腕４３ａは、貫通孔４３ｃに隣接する両側の部分に設けられている、ｎ型Ｓｉ層５１と励振部５５により構成されている。励振部５５は、第１の電極５２と、圧電薄膜５３と、第２の電極５４とを有する。第１の電極５２と第２の電極５４とは、圧電薄膜５３を挟むように設けられている。振動腕４３ｂも同様に構成されている。
　本実施形態では貫通孔４３ｃを設けることにより、振動腕４３ａ，４３ｂの変位が円滑化されている。貫通孔４３ｃは必ずしも設けられずともよい。
　図５では図示されていないが、振動装置４１は、第１の実施形態と同様に、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板の下面に設けられているＳｉＯ２膜とを有する。本実施形態においては、支持部４２と図示されていない側枠とは、ＳｉＯ２膜と、Ｓｉ基板と、ｎ型Ｓｉ層５１と、圧電薄膜５３により構成されている。また、質量付加部４４は、振動腕４３ａ，４３ｂの各先端に設けられている。本実施形態では、質量付加部４４は振動腕４３ａ，４３ｂよりも幅方向の寸法が大きい矩形板状とされている。質量付加部４４は、ｎ型Ｓｉ層５１、圧電薄膜５３、質量付加膜４５が積層されて構成されている。質量付加膜４５は、質量付加部４４の上面側すなわち圧電薄膜５３の上面に設けられている。
　ｎ型Ｓｉ層５１は、第１の実施形態と同様に、縮退半導体である、ｎ型ドーパントのドーピング濃度が１×１０１９／ｃｍ３以上であるｎ型Ｓｉ半導体からなる。そして、第１，第２の電極５２，５４及び圧電薄膜５３は第１の実施形態と同様の材料で構成されている。もっとも、本実施形態では、ｎ型Ｓｉ層５１の上面及び下面にＳｉＯ２膜が設けられていない。
　本実施形態の振動装置４１では、圧電薄膜５３は、厚み方向に分極している。従って、第１，第２の電極５２，５４間に交番電界を印加することにより、励振部５５が圧電効果により励振される。その結果、振動腕４３ａ，４３ｂは、図６に示す振動姿態をとるように屈曲振動する。振動腕４３ａに印加される交番電界の位相と振動腕４３ｂに印加される交番電界の位相を逆位相とすることにより、振動腕４３ａと振動腕４３ｂとは逆相で変位する。振動腕４３ａ，４３ｂは、音叉型面内屈曲振動モードで振動する。
　本実施形態の振動装置４１においても、振動腕４３ａ，４３ｂを構成するｎ型Ｓｉ層５１が、縮退半導体であるｎ型ドーパントのドーピング濃度が１×１０１９／ｃｍ３以上であるｎ型Ｓｉ半導体からなるため、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。すわなち、ＳｉＯ２膜を形成せずとも、優れた温度特性を実現することができる。これを図１２及び図１３を参照して説明する。
　図１２は、上記振動装置４１における、ｎ型Ｓｉ層５１の回転角と、周波数温度係数ＴＣＦと、ｎ型Ｓｉ層５１におけるｎ型ドーパントのドーピング濃度との関係を示す図である。図１２の横軸の回転角は、図１０と同様に、振動腕４３ａ，４３ｂの長手方向とｎ型Ｓｉ層５１のＳｉ結晶軸の方向との関係を示す。図１３は、上記振動装置４１における、温度と、共振周波数変化率ΔＦｒと、ｎ型Ｓｉ層５１におけるｎ型ドーパントのドーピング濃度との関係を示す図である。なお、図１３は、回転角が０度の場合の結果を示す。
　図１２及び図１３では、本実施形態の振動装置４１においてｎ型ドーパントのドーピング濃度を５×１０１９／ｃｍ３とした場合と、１×１０１９／ｃｍ３とした場合とを示すとともに、ｎ型Ｓｉ層におけるｎ型ドーパントのドーピング濃度が１×１０１８／ｃｍ３である点を除いては本実施形態の振動装置４１と同じ構成を有する比較例２の場合も示している。
　図１２から明らかなように、本実施形態においても、ｎ型Ｓｉ層におけるｎ型ドーパントのドーピング濃度を高めることによりＴＣＦが改善されることができること、ＴＣＦが回転角によっても変化することがわかる。もっとも、ドーピング濃度が１×１０１８／ｃｍ３である比較例２の場合には、ｎ型Ｓｉ層が縮退半導体ではないため、ＴＣＦの絶対値が大きく、さらに回転角が変化してもＴＣＦはほとんど変化していない。これに対して、ドーピング濃度が１×１０１９／ｃｍ３以上である振動装置４１であれば、回転角を選択することによりＴＣＦの絶対値をより効果的に小さくし得ることがわかる。
　さらに、図１３から明らかなように、ドーピング濃度が１×１０１９／ｃｍ３以上である振動装置４１であれば、温度変化による共振周波数変化率ΔＦｒが小さくなっていることがわかる。
　第２の実施形態の振動装置４１から明らかなように、本発明の振動装置は、偶数本の振動腕が音叉型面内屈曲振動モードで振動する振動装置であってもよい。また、第２の実施形態から明らかなように、ｎ型Ｓｉ層の上面及び下面にＳｉＯ２膜を必要に応じて設ければよく、その場合においても、ＴＣＦの絶対値をより効果的に小さくし得ることがわかる。
　図７（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施形態に係る振動装置の各横断面図である。第３の実施形態では、第１の実施形態の変形例である。図７（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る振動装置における質量付加部が設けられている位置における横断面図であり、図７（ｂ）は、複数の振動腕が設けられている位置における横断面図である。
　図７（ａ）及び（ｂ）から明らかなように、本実施形態に係る振動装置は、ｎ型Ｓｉ層１１の上面及び下面にＳｉＯ２膜が設けられていない点で第１の実施形態の振動装置１と異なっており、その他の構造は同じである。従って、第１の実施形態の説明を援用することによりその説明を省略する。
　第３の実施形態に係る振動装置のように、ｎ型Ｓｉ層１１の上面及び下面にＳｉＯ２膜が設けられていなくても、ｎ型Ｓｉ層１１が縮退半導体であるため、すなわちドーピング濃度が１×１０１９／ｃｍ３以上であるｎ型Ｓｉ半導体であるため、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を効果的に小さくすることができる。また、本実施形態では、ｎ型Ｓｉ層１１の上面及び下面にＳｉＯ２膜が設けられていないため、Ｑ値の劣化が生じ難い。
　なお、第１の実施形態及び第３の実施形態では、振動腕は３本であったが、奇数本である限りその数は特に限定されるものではない。同様に、第２の実施形態では、振動腕は２本であったが、偶数本である限りその数は特に限定されるものではない。
　また、第１及び第２の実施形態から明らかなように、本発明おいてはバルク波の屈曲振動モードを利用する限り、面外屈曲振動モードであってもよく、面内屈曲振動モードのいずれを用いてもよい。
　（追加実施例）
　図１４及び図１５は、上述した第１の実施形態の振動装置１の変形例に係る振動装置７０を説明するための図である。図１４は本変形例に係る振動装置７０の模式的平面図であり、図１５は図１４中のＸ－Ｘ線に沿う部分の断面図である。本変形例の振動装置７０では、以下に述べるマイクロローディング効果抑制パターン７１，７１が設けられている点と、ｎ型Ｓｉ層の上面及び下面にＳｉＯ２膜が設けられていない点と、シード層である圧電薄膜が設けられていな点、Ｓｉ基板の下面にＳｉＯ２膜が設けられていない点とが第１の実施形態の振動装置１と異なっており、その他の構造は同じである。
　図１及び図５に示した構造体を形成する際に、Ｓｉを加工するためにドライエッチング加工を行う。ドライエッチング加工では、エッチングで除去される部分の開口幅が狭い箇所ほどエッチングレートが速くなる。これは、マイクロローディング効果といわれる。そのため、ドライエッチング加工を行う領域内に異なる開口幅の部分が混在すると、エッチング量のばらつきが生じ、振動装置における周波数ばらつきの原因となる。そのため、本発明では、図１４及び図１５に示す変形例のようにマイクロローディング効果抑制パターン７１，７１を配置し、エッチングで除去される部分の開口幅Ｗ１を均一にすることが好ましい。それによって、エッチング量のばらつきを抑制することができる。なお、マイクロローディング効果抑制パターン７１，７１は側枠５，６と同様の積層構造を有する。
　さらに、マイクロローディング効果抑制パターン７１，７１は、製品の落下衝撃時に振動椀が大きく変位し、破損することを防ぐためのストッパとしても機能する。
１…振動装置
２…支持部
３ａ，３ｂ，３ｃ…振動腕
４…質量付加部
５，６…側枠
１１…ｎ型Ｓｉ層
１２，１３，１３Ａ…ＳｉＯ２膜
１４…励振部
１５…圧電薄膜
１５ａ，１５ｂ…圧電薄膜
１６…第１の電極
１７…第２の電極
１８…質量付加膜
２１…Ｓｉ基板
２１ａ…凹部
２２…ＳｉＯ２膜
４１…振動装置
４２…支持部
４３ａ，４３ｂ…振動腕
４３ｃ…貫通孔
４４…質量付加部
４５…質量付加膜
５１…ｎ型Ｓｉ層
５２…第１の電極
５３…圧電薄膜
５４…第２の電極
５５…励振部
７０…振動装置
７１…マイクロローディング効果抑制パターン

Claims (9)

  1. 　支持部と、
    　前記支持部に接続されている振動腕とを備え、
    　前記振動腕が、縮退半導体であるｎ型Ｓｉ層と、前記ｎ型Ｓｉ層上に設けられた励振部とを有し、該励振部が、圧電薄膜と、圧電薄膜を挟むように設けられた第１，第２の電極とを有し、前記励振部により前記振動腕を屈曲振動させる、振動装置。
  2. 　支持部と、
    　前記支持部に接続されている振動腕とを備え、
    　前記振動腕が、１×１０１９／ｃｍ３以上のドーピング濃度を有するｎ型Ｓｉ層と、前記ｎ型Ｓｉ層上に設けられた励振部とを有し、該励振部が、圧電薄膜と、圧電薄膜を挟むように設けられた第１，第２の電極とを有し、前記励振部により前記振動腕を屈曲振動させる、振動装置。
  3. 　奇数本の前記振動腕を備え、前記励振部が前記振動腕を面外屈曲振動させるように構成されている、請求項１または２に記載の振動装置。
  4. 　偶数本の前記振動腕を備え、前記励振部が前記振動腕を面内屈曲振動させるように構成されている、請求項１または２に記載の振動装置。
  5. 　前記振動腕の前記支持部に接続されている側とは反対側の端部に質量付加部が設けられている、請求項１～４のいずれか１項に記載の振動装置。
  6. 　前記ｎ型Ｓｉ層と、前記励振部との間に酸化シリコン膜が配置されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の振動装置。
  7. 　前記酸化シリコン膜が熱酸化法により形成された膜である、請求項６に記載の振動装置。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項に記載の振動装置の製造方法であって、
    　支持部に接続されているｎ型Ｓｉ層を用意する工程と、
    　前記ｎ型Ｓｉ層上に、第１の電極を形成する工程と、
    　前記第１の電極上に圧電薄膜を形成する工程と、
    　前記圧電薄膜上に第２の電極を構成する工程とを備える、振動装置の製造方法。
  9. 　前記支持部にｎ型Ｓｉ層が接続されている構造を用意する工程が、
    　１つの面に凹部を有し、Ｓｉからなる支持基板を用意する工程と、
    　前記支持基板の前記凹部を覆うようにｎ型Ｓｉ層を積層する工程とを有する、請求項８に記載の振動装置の製造方法。
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