WO2016098868A1 - 圧電振動子及び圧電振動装置 - Google Patents

圧電振動子及び圧電振動装置 Download PDF

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河合　良太
中村　大佐
西村　俊雄
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株式会社村田製作所
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    • H03H2009/241—Bulk-mode MEMS resonators

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric vibrator and a piezoelectric vibration device.
  • Patent Document 1 discloses a MEMS resonator in which a vibrating part is formed on a Si (silicon) layer.
  • the resonance frequency varies with changes in ambient temperature due to the temperature dependence of Si. To do. This temperature dependency is specified by a frequency temperature coefficient (TCF: Temperature Coefficient of Frequency).
  • n-type or p-type doping is applied to the Si layer with a predetermined doping amount in order to reduce the frequency temperature coefficient.
  • the desired frequency temperature coefficient may not be ensured even with the doping amount desired in Patent Document 1, for example.
  • the frequency temperature coefficient may increase when the doping amount deviates from the desired doping amount. Variations in the frequency temperature coefficient are undesirable for ensuring good temperature characteristics.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrator and a piezoelectric vibration device that can suppress fluctuations in the frequency temperature coefficient.
  • a piezoelectric vibrator is a piezoelectric vibrator including a vibrating portion, and the vibrating portion is an n-type Si layer that is a degenerate semiconductor and has a resistance of 0.5 m ⁇ cm to 0.9 m ⁇ cm.
  • a Si layer having a rate is a piezoelectric vibrator including a vibrating portion, and the vibrating portion is an n-type Si layer that is a degenerate semiconductor and has a resistance of 0.5 m ⁇ cm to 0.9 m ⁇ cm.
  • a Si layer having a rate is a rate.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing an appearance of a piezoelectric vibration device according to a first embodiment of the present invention.
  • 1 is an exploded perspective view schematically showing a structure of a piezoelectric vibration device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic view of a cross section taken along line 3-3 in FIG. It is a graph which shows the relationship between the resistivity of a Si layer, and a primary frequency temperature coefficient. It is a graph which shows the relationship between the resistivity of a Si layer, and a primary frequency temperature coefficient. It is a graph which shows the relationship between the resistivity of Si layer, and a secondary frequency temperature coefficient. It is a graph which shows the temperature characteristic of a crystal oscillator.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view taken along line 9-9 of FIG.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a cross section of a vibration unit corresponding to FIG. 3.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a cross section of a vibration unit corresponding to FIG. 3.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the external appearance of a piezoelectric vibration device 10 according to a first embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric vibration device 10 has, for example, a flat rectangular parallelepiped shape, and includes a lower substrate 11, an upper substrate 12 that forms a vibration space between the lower substrate 11, the lower substrate 11, and the upper substrate. And a piezoelectric vibrator 13 sandwiched and held between the two.
  • the piezoelectric vibrator 13 is a MEMS vibrator manufactured using the MEMS technology.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the structure of the piezoelectric vibration device 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric vibrator 13 is arranged in a rectangular frame shape along the XY plane in the orthogonal coordinate system of FIG. 2, and is disposed inside the support frame 14, and is arranged along the XY plane in the same manner as the support frame 14.
  • the vibration part 15 which spreads in a rectangle, and a pair of connection parts 16 and 16 which connect the support frame 14 and the vibration part 15 to each other are provided.
  • the vibration unit 15 vibrates by repeatedly expanding and contracting in the Y-axis direction along the XY plane.
  • the support frame 14 includes a pair of long-side frames 14a and 14a extending in parallel to the X axis, and a pair of short frames extending in parallel to the Y axis and connected to both ends of the frames 14a and 14a at both ends thereof.
  • the connecting portions 16, 16 extend on a straight line parallel to the X axis and connect the frame bodies 14 b, 14 b and the vibrating portion 15 to each other.
  • the positions of the connecting parts 16 and 16 are set at the intermediate position in the Y-axis direction of the vibration part 15, that is, the end (node point) of the center position of the vibration part 15 in the vibration direction.
  • the lower substrate 11 spreads in a flat plate shape along the XY plane, and a concave portion 17 is formed on the upper surface thereof.
  • the concave portion 17 is formed in a flat rectangular parallelepiped shape, for example, and forms a part of the vibration space of the vibration portion 15.
  • the upper substrate 12 extends in a flat plate shape along the XY plane, and a recess 18 is formed on the lower surface thereof.
  • the recess 18 is formed in, for example, a flat rectangular parallelepiped shape, like the recess 17, and forms a part of the vibration space of the vibration unit 15.
  • FIG. 3 is a schematic diagram of a cross section taken along line 3-3 in FIG.
  • the support frame 14 of the piezoelectric vibrator 13 is received on the periphery of the upper surface of the lower substrate 11, and the periphery of the lower surface of the upper substrate 12 is received on the upper surface of the support frame 14.
  • the piezoelectric vibrator 13 is held between the lower substrate 11 and the upper substrate 12, and the vibration space of the vibrating portion 15 is formed by the lower substrate 11, the upper substrate 12, and the support frame 14 of the piezoelectric vibrator 13. .
  • a vacuum state is maintained in this vibration space.
  • the lower substrate 11 and the upper substrate 12 are made of Si (silicon).
  • the support frame 14, the vibration part 15, and the connection part 16 are composed of a silicon oxide layer, that is, a SiO 2 (silicon dioxide) layer 21, a Si layer 22 laminated on the SiO 2 layer 21, and a Si layer 22.
  • the silicon oxide layer, in place of the SiO 2 layer 21, Si a O b layer (a and b are integers) may be used is silicon oxide material containing an appropriate composition.
  • the Si layer 22 is formed of an n-type Si semiconductor that is a degenerate semiconductor, and includes a Group 15 element such as P (phosphorus), As (arsenic), or Sb (antimony) as an n-type dopant.
  • P (phosphorus) is used as an n-type dopant.
  • the resistivity of the Si layer 22 is set in the range of 0.5 m ⁇ cm to 0.9 m ⁇ cm by controlling the doping amount of the n-type dopant. Details of the resistivity of the Si layer 22 will be described later.
  • the vibration unit 15 further includes first and second Mo (molybdenum) layers 24 and 25 formed on the upper and lower surfaces of the AlN layer 23 and sandwiching the AlN layer 23.
  • the first and second Mo layers 24 and 25 form a lower electrode and an upper electrode, respectively, and are connected to an AC power source (not shown) provided outside the piezoelectric vibration device 10.
  • an electrode (not shown) formed on the upper surface of the upper substrate 12 or a through silicon via (TSV) (not shown) formed in the upper substrate 12 is used.
  • TSV through silicon via
  • the AlN layer 23 is a piezoelectric thin film that converts an applied voltage into vibration.
  • the piezoelectric thin film instead of the AlN layer 23, for example, ZnO (zinc oxide), ScAlN (scandium aluminum nitride), PZT (lead zirconate titanate), KNN ((K, Na) NbO 3 : potassium sodium niobate) Etc. may be used.
  • ZnO zinc oxide
  • ScAlN sindium aluminum nitride
  • PZT lead zirconate titanate
  • KNN ((K, Na) NbO 3 : potassium sodium niobate) Etc.
  • ScAlN when the atomic concentration of Sc and Al is 100 at%, the Sc concentration is preferably set to about 0.5 at% or more and 50 at% or less.
  • Ru ruthenium
  • Pt platinum
  • Ti titanium
  • Cr chromium
  • Al aluminum
  • Cu copper
  • Ag silver
  • metal materials such as alloys thereof may be used.
  • the AlN layer 23 is C-axis oriented substantially perpendicular to the Si layer 22.
  • the vibration unit 15 is excited.
  • the vibration part 15 vibrates and contracts in the short side direction, that is, the Y-axis direction.
  • expansion / contraction vibration is generated that repeats the state in which the vibration unit 15 is extended and the state in which the vibration unit 15 is contracted.
  • the effect that the resistivity of the Si layer 22 is in the range of 0.5 m ⁇ cm to 0.9 m ⁇ cm will be described below.
  • the inventors first verified the change in the first-order frequency temperature coefficient (TCF) of the piezoelectric vibration device 10 with respect to the change in resistivity of the Si layer 22 accompanying the change in the doping amount.
  • TCF first-order frequency temperature coefficient
  • FEM finite element method
  • the thickness of the SiO 2 layer 21 is 0.52 ⁇ m
  • the thickness of the AlN layer 23 is 0.8 ⁇ m
  • the thicknesses of the first Mo layer 24 and the second Mo layer 25 are 0.1 ⁇ m and 0.1 ⁇ m, respectively.
  • the thickness of the Si layer 22 was set to 5 ⁇ m, 10 ⁇ m, and 20 ⁇ m, respectively, and the frequency-temperature characteristics when the resistivity of the Si layer 22 was changed were calculated based on FEM simulation.
  • the thickness of the Si layer 22 was set to 10 ⁇ m, and the frequency temperature characteristics when the resistivity of the Si layer 22 was changed were actually measured. Note that the resistivity of the Si layer 22 was actually measured by, for example, a four-probe method in a state before the AlN film 23 and the like were formed on the Si layer 22.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the resistivity [m ⁇ cm] of the Si layer 22 and the primary frequency temperature coefficient [ppm / K]. As shown in FIG. 4, it was confirmed that the result of the simulation by FEM shows the same tendency as the actual measurement value. As a result of the simulation, when the resistivity is the same, the primary frequency temperature coefficient increases as the thickness of the Si layer 22 increases. On the other hand, it was confirmed that even when the thickness of the Si layer 22 was changed, there was almost no change in the tendency of the change in the first-order frequency temperature coefficient with respect to the change in resistivity.
  • the variation of the first-order frequency temperature coefficient is small regardless of the thickness of the Si layer 22 in the range where the resistivity of the Si layer 22 is, for example, 0.5 m ⁇ cm or more and 1.2 m ⁇ cm or less.
  • the inventors verified the change in the primary frequency temperature coefficient of the piezoelectric vibration device 10 with respect to the change in resistivity of the Si layer 22 when the thickness of the SiO 2 layer 21 was changed.
  • a simulation by FEM was performed based on the piezoelectric vibration device 10 as described above.
  • the change in resistivity of the Si layer 22 when the thickness of the SiO 2 layer 21 is set to 0 ⁇ m (that is, when the SiO 2 layer 21 is not formed), 0.52 ⁇ m, and 1.0 ⁇ m, respectively, is calculated based on FEM simulation. did. In any case, the thickness of the Si layer 22 was set to 10 ⁇ m.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the resistivity [m ⁇ cm] of the Si layer 22 and the primary frequency temperature coefficient [ppm / K].
  • the primary frequency temperature coefficient increases as the thickness of the SiO 2 layer 21 increases.
  • the resistivity of the Si layer 22 is in the range of 0.5 m ⁇ cm or more and 1.2 m ⁇ cm or less, the variation of the first-order frequency temperature coefficient is small regardless of the thickness of the SiO 2 layer 21.
  • the first-order frequency temperature coefficient varies.
  • the first-order frequency temperature coefficient increases as the thickness of the SiO 2 layer 21 increases as compared to when the SiO 2 layer 21 does not exist (that is, when the thickness is 0 ⁇ m). Accordingly, as a result of this simulation, even if the doping amount of the dopant varies, it is possible to correct the first-order frequency temperature coefficient by controlling the thickness of the SiO 2 layer 21. confirmed.
  • the inventors verified the change in the secondary frequency temperature coefficient of the piezoelectric vibration device 10 with respect to the change in the resistivity of the Si layer 22.
  • the secondary frequency temperature coefficient when the resistivity was changed by changing the doping amount of the n-type dopant with respect to the Si layer 22 was calculated based on actual measurement.
  • the thickness of the Si layer 22 was set to 10 ⁇ m.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the resistivity [m ⁇ cm] of the Si layer 22 and the secondary frequency temperature coefficient [ppm / K 2 ]. As apparent from FIG. 6, it was confirmed that the second-order frequency temperature coefficient increases as the resistivity of the Si layer 22 decreases as the doping amount of the n-type dopant with respect to the Si layer 22 increases.
  • FIG. 7 is a graph showing temperature characteristics of a general tuning fork type crystal resonator.
  • the second-order frequency temperature coefficient of the tuning fork type crystal resonator is about ⁇ 0.035.
  • the piezoelectric vibrator 13 of the present invention is also required to have a temperature characteristic higher than that of a tuning fork type quartz vibrator. That is, in FIG. 6, it is necessary to control the doping amount so that the frequency temperature coefficient is set to ⁇ 0.035 or more.
  • this frequency temperature coefficient is applied to the piezoelectric vibration device 10 of the present invention, it is confirmed that it is desirable that the resistivity of the Si layer 22 be set to approximately 0.9 m ⁇ cm or less, as is apparent from FIG.
  • the resistivity of the Si layer 22 can be set to 0.5 m ⁇ cm or more and 1.2 m ⁇ cm or less from the relationship between the resistivity of the Si layer 22 and the primary frequency temperature characteristics.
  • the upper limit of the resistivity of the Si layer 22 is preferably set to 0.9 m ⁇ cm from the relationship between the resistivity of the Si layer 22 and the secondary frequency temperature characteristics.
  • the primary frequency is controlled by controlling the doping amount of the n-type dopant to the Si layer 22 and setting the resistivity of the Si layer 22 to 0.5 m ⁇ cm or more and 0.9 m ⁇ cm or less. Variations in the temperature coefficient can be kept small. In addition, by setting the resistivity of the Si layer 22 to 0.9 m ⁇ cm or less, the secondary frequency temperature coefficient can also be kept small. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide the piezoelectric vibration device 10 having good frequency temperature characteristics.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view schematically showing the structure of the piezoelectric vibration device 10a according to the second embodiment of the present invention.
  • the piezoelectric vibration device 10a includes a piezoelectric vibrator 13a that vibrates in an out-of-plane vibration mode, instead of the piezoelectric vibrator 13 that vibrates in an in-plane vibration mode.
  • the piezoelectric vibrator 13 a is sandwiched and held between the lower substrate 11 and the upper substrate 12 in the same manner as the piezoelectric vibrator 13 described above. Since the other structure is the same as the structure of the first embodiment described above, a duplicate description is omitted.
  • the piezoelectric vibrator 13 a extends in a rectangular frame shape along the XY plane in the orthogonal coordinate system of FIG. 8, and extends in the XY plane arranged in the support frame 31, from one end of the support frame 31.
  • a base 32 extending into the support frame 31 and a vibrating portion extending along the XY plane from the fixed end connected to the front end of the base 32 toward the free end, that is, a plurality of vibrating arms 33 are provided.
  • the piezoelectric vibrator 13a of the present embodiment includes four vibrating arms 33, the number of vibrating arms is not limited to four, and is set to an arbitrary number of three or more, for example.
  • FIG. 9 is a schematic view of a cross section of the piezoelectric vibrator 13a taken along line 9-9 of FIG.
  • each vibrating arm 33 includes a SiO 2 layer 34, a Si layer 35, an AlN layer 36, and first and second Mo layers 37 and 38, as in the above-described vibrating portion 15.
  • the Si layer 35 is formed of an n-type Si semiconductor that is a degenerate semiconductor, and contains P (phosphorus) as an n-type dopant.
  • the first and second Mo layers 37 and 38 form a lower electrode and an upper electrode.
  • the AlN layer 36 is a piezoelectric film that converts an applied voltage into vibration.
  • the AlN layer 36 is C-axis oriented substantially perpendicular to the Si layer 35. Therefore, when a voltage is applied to the AlN layer 36 between the first and second Mo layers 37 and 38 in the C-axis direction, the AlN layer 36 expands and contracts in a direction substantially perpendicular to the C-axis. The expansion and contraction of the AlN layer 36 causes the vibrating arm 33 to bend and displace in the Z-axis direction and vibrate in an out-of-plane bending vibration mode.
  • the SiO 2 layer 21 is formed on the lower surface of the Si layer 22.
  • An SiO 2 layer 39 may also be formed on the upper surface of the 2Mo layer 25. At this time, the formation of the SiO 2 layer 21 may be omitted.
  • the SiO 2 layer 40 may be formed on the lower surface of the Si layer 22 and the vibration portion 15, that is, the lower surface of the first Mo layer 24. In this case, SiO 2 layers 21 and 39 may be further formed. According to such SiO 2 layers 21, 39, and 40, fluctuations in frequency temperature characteristics of the piezoelectric vibrator 13 can be further suppressed.
  • the piezoelectric vibration device 10a may be configured similarly.
  • each above embodiment is for making an understanding of this invention easy, and is not for limiting and interpreting this invention.
  • the present invention can be changed / improved without departing from the gist thereof, and includes equivalents thereof. That is, those in which the person skilled in the art appropriately changes the design of each embodiment is also included in the scope of the present invention as long as the features of the present invention are included.
  • each element included in each embodiment and its arrangement, material, condition, shape, size, and the like are not limited to those illustrated, and may be changed as appropriate.
  • each element included in each embodiment is combined as far as technically possible, and a combination thereof is included in the scope of the present invention as long as it includes the features of the present invention.

Abstract

　圧電振動子（１３）は、振動部（１５）を備える圧電振動子（１３）であって、振動部（１５）は、縮退半導体であるｎ型のＳｉ層（２２）であって、０．５ｍΩｃｍ以上０．９ｍΩｃｍ以下の抵抗率を有するＳｉ層（２２）を有する。

Description

圧電振動子及び圧電振動装置
　本発明は、圧電振動子及び圧電振動装置に関する。
　従来、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた圧電振動子が例えばタイミングデバイスとして用いられている。特許文献１には、Ｓｉ（シリコン）層上に振動部を形成したＭＥＭＳ共振器が開示されており、この共振器では、Ｓｉの温度依存性によって、周囲温度の変化に伴って共振周波数が変動する。この温度依存性は周波数温度係数（ＴＣＦ：Temperature Coefficient of Frequency）で特定される。
特表２０１４－５０７０９６号公報 国際公開第２００８／０４３７２７号
　特許文献１では、周波数温度係数の低減のためにＳｉ層に所定のドープ量でｎ型やｐ型のドーピングを施している。しかしながら、１次の周波数温度係数は例えばＳｉ層の厚さによって変化するので、例えば特許文献１で望ましいとされるドープ量でも、所望の周波数温度係数を確保することができない場合がある。また、望ましいドープ量から外れたドープ量では周波数温度係数が増大することがある。周波数温度係数の変動は良好な温度特性の確保にとって望ましくない。
　本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、周波数温度係数の変動を小さく抑えることができる圧電振動子及び圧電振動装置を提供することを目的とする。
　本発明の一側面に係る圧電振動子は、振動部を備える圧電振動子であって、振動部は、縮退半導体であるｎ型のＳｉ層であって、０．５ｍΩｃｍ以上０．９ｍΩｃｍ以下の抵抗率を有するＳｉ層を有する。
　本発明によれば、周波数温度係数の変動を小さく抑えることができる圧電振動子及び圧電振動装置を提供することができる。
本発明の第１実施形態に係る圧電振動装置の外観を概略的に示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る圧電振動装置の構造を概略的に示す分解斜視図である。 図１の３－３線に沿った断面の模式図である。 Ｓｉ層の抵抗率と一次の周波数温度係数との関係を示すグラフである。 Ｓｉ層の抵抗率と一次の周波数温度係数との関係を示すグラフである。 Ｓｉ層の抵抗率と二次の周波数温度係数との関係を示すグラフである。 水晶振動子の温度特性を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る圧電振動装置の構造を概略的に示す分解斜視図である。 図８の９－９線に沿った断面の模式図である。 図３に対応し、振動部の断面の模式図である。 図３に対応し、振動部の断面の模式図である。
　以下、添付の図面を参照して本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る圧電振動装置１０の外観を概略的に示す斜視図である。この圧電振動装置１０は、例えば平たい直方体の形状を有しており、下側基板１１と、この下側基板１１との間に振動空間を形成する上側基板１２と、下側基板１１及び上側基板１２の間に挟み込まれて保持される圧電振動子１３と、を備えている。圧電振動子１３は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ振動子である。
　図２は、本発明の第１実施形態に係る圧電振動装置１０の構造を概略的に示す分解斜視図である。圧電振動子１３は、図２の直交座標系におけるＸＹ平面に沿って矩形の枠状に広がる支持枠１４と、支持枠１４の内側に配置されて、支持枠１４と同様にＸＹ平面に沿って矩形に広がる振動部１５と、支持枠１４と振動部１５とを互いに接続する１対の連結部１６、１６と、を備えている。振動部１５は、後述するように、ＸＹ平面に沿ってＹ軸方向に伸縮を繰り返すことによって振動する。
　支持枠１４は、Ｘ軸に平行に延びる１対の長辺の枠体１４ａ、１４ａと、Ｙ軸に平行に延びてその両端で枠体１４ａ、１４ａの両端にそれぞれ接続される１対の短辺の枠体１４ｂ、１４ｂと、を備えている。本実施形態では、連結部１６、１６は、Ｘ軸に平行な一直線上で延びて枠体１４ｂ、１４ｂと振動部１５とを互いに接続する。連結部１６、１６の位置は、振動部１５のＹ軸方向の中間位置すなわち振動部１５の振動方向の中心位置の端部（ノード点）に設定される。
　下側基板１１はＸＹ平面に沿って平板状に広がっており、その上面に凹部１７が形成されている。凹部１７は、例えば平たい直方体形状に形成されており、振動部１５の振動空間の一部を形成する。その一方で、上側基板１２はＸＹ平面に沿って平板状に広がっており、その下面に凹部１８が形成されている。凹部１８は、凹部１７と同様に、例えば平たい直方体形状に形成されており、振動部１５の振動空間の一部を形成する。
　図３は、図１の３－３線に沿った断面の模式図である。図３を併せて参照すると、下側基板１１の上面の周縁上に圧電振動子１３の支持枠１４が受け止められ、支持枠１４の上面に上側基板１２の下面の周縁が受け止められる。こうして下側基板１１と上側基板１２との間に圧電振動子１３が保持され、下側基板１１と上側基板１２と圧電振動子１３の支持枠１４とによって振動部１５の振動空間が形成される。この振動空間では真空状態が維持されている。
　下側基板１１及び上側基板１２はＳｉ（シリコン）から形成されている。圧電振動子１３では、支持枠１４や振動部１５、連結部１６は、酸化ケイ素層すなわちＳｉＯ2（二酸化ケイ素）層２１と、ＳｉＯ2層２１上に積層されたＳｉ層２２と、Ｓｉ層２２上に積層されたＡｌＮ（窒化アルミニウム）層２３と、から形成されている。なお、酸化ケイ素層には、ＳｉＯ2層２１に代えて、ＳｉaＯb層（ａ及びｂは整数）の適宜の組成を含む酸化ケイ素材料が用いられてもよい。
　Ｓｉ層２２は、縮退半導体であるｎ型のＳｉ半導体から形成されており、ｎ型ドーパントとしてＰ（リン）やＡｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）などの第１５族元素などを含む。本実施形態では、ｎ型ドーパントしてＰ（リン）を用いている。また、Ｓｉ層２２では、ｎ型ドーパントのドープ量を制御することによって、その抵抗率を０．５ｍΩｃｍ以上０．９ｍΩｃｍ以下の範囲に設定している。Ｓｉ層２２の抵抗率の詳細については後述する。
　圧電振動子１３では、振動部１５は、ＡｌＮ層２３の上面及び下面に形成されてＡｌＮ層２３を挟み込む第１及び第２Ｍｏ（モリブデン）層２４、２５をさらに備えている。第１及び第２Ｍｏ層２４、２５はそれぞれ、下部電極及び上部電極を形成し、圧電振動装置１０の外部に設けられた交流電源（図示せず）に接続される。接続にあたって、例えば上側基板１２の上面に形成された電極（図示せず）や上側基板１２内に形成されたスルーシリコンビア（ＴＳＶ）（図示せず）などが用いられる。
　ＡｌＮ層２３は、印加される電圧を振動に変換する圧電薄膜である。圧電薄膜には、ＡｌＮ層２３に代えて、例えばＺｎＯ（酸化亜鉛）やＳｃＡｌＮ（窒化スカンジウムアルミニウム）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＫＮＮ（（Ｋ、Ｎａ）ＮｂＯ3：ニオブ酸カリウムナトリウム）などが用いられてもよい。なお、ＳｃＡｌＮでは、Ｓｃ及びＡｌの原子濃度を１００ａｔ％とした場合に、Ｓｃ濃度が０．５ａｔ％以上５０ａｔ％以下程度に設定されることが好ましい。
　下部電極及び上部電極には、第１及び第２Ｍｏ層２４、２５に代えて、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｐｔ（白金）、Ｔｉ（チタニウム）、Ｃｒ（クロム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ａｇ（銀）、又は、これらの合金などの金属材料が用いられてもよい。
　本実施形態の圧電振動装置１０では、ＡｌＮ層２３は、Ｓｉ層２２に対してほぼ垂直にＣ軸配向している。第１Ｍｏ層２４と第２Ｍｏ層２５との間でほぼＣ軸方向に交番電界が印加されることによって、振動部１５が励振される。その結果、振動部１５が、短辺方向すなわちＹ軸方向に伸縮振動する。言い替えると、Ｙ軸方向において、振動部１５が伸びている状態と振動部１５が縮んでいる状態とを繰り返す伸縮振動が生じる。
　次に、Ｓｉ層２２の抵抗率が０．５ｍΩｃｍ以上０．９ｍΩｃｍ以下の範囲であることの効果について以下に説明する。本発明者らはまず、ドープ量の変動に伴うＳｉ層２２の抵抗率の変化に対する、圧電振動装置１０の１次の周波数温度係数（ＴＣＦ）の変化について検証した。検証にあたって、上述した圧電振動装置１０に基づき有限要素法（ＦＥＭ）によるシミュレーションを実施した。シミュレーションにあたって、ＸＹ平面に沿ってＹ軸方向に１００μｍの長さ及びＸ軸方向に１４５μｍの長さを有する圧電振動装置１０を想定した。
　振動部１５では、ＳｉＯ2層２１の厚さを０．５２μｍ、ＡｌＮ層２３の厚さを０．８μｍ、第１Ｍｏ層２４及び第２Ｍｏ層２５の厚さを０．１μｍ、０．１μｍにそれぞれ設定した。さらに、Ｓｉ層２２の厚さを５μｍ、１０μｍ及び２０μｍにそれぞれ設定し、Ｓｉ層２２の抵抗率を変化させた時の周波数温度特性をＦＥＭによるシミュレーションに基づき算出した。また同時に、Ｓｉ層２２の厚さを１０μｍに設定し、Ｓｉ層２２の抵抗率を変化させた時の周波数温度特性を実際に計測した。なお、Ｓｉ層２２の抵抗率は、Ｓｉ層２２上にＡｌＮ膜２３等が形成される前の状態で、例えば四探針法によって実際に計測された。
　図４は、Ｓｉ層２２の抵抗率［ｍΩｃｍ］と１次の周波数温度係数［ｐｐｍ／Ｋ］との関係を示すグラフである。図４に示すように、ＦＥＭによるシミュレーションの結果は実測値と同様の傾向を示すことが確認された。シミュレーションの結果、抵抗率が同じである場合、Ｓｉ層２２の厚さが増大するにつれて一次の周波数温度係数は増大する。その一方で、Ｓｉ層２２の厚さを変化させても、抵抗率の変化に対する１次の周波数温度係数の変化の傾向にほとんど変化がないことが確認された。さらに、Ｓｉ層２２の抵抗率が例えば０．５ｍΩｃｍ以上１．２ｍΩｃｍ以下の範囲では、Ｓｉ層２２の厚さに関わらず、１次の周波数温度係数の変動が小さいことが確認された。
　次に、本発明者らは、ＳｉＯ2層２１の厚さを変化させた時の、Ｓｉ層２２の抵抗率の変化に対する、圧電振動装置１０の１次の周波数温度係数の変化について検証した。検証にあたって、前述と同様に、圧電振動装置１０に基づきＦＥＭによるシミュレーションを実施した。ＳｉＯ2層２１の厚さを０μｍ（すなわち、ＳｉＯ2層２１を形成しない場合）、０．５２μｍ及び１．０μｍにそれぞれ設定した時のＳｉ層２２の抵抗率の変化をＦＥＭによるシミュレーションに基づき算出した。なお、いずれの場合もＳｉ層２２の厚さは１０μｍに設定された。
　図５は、Ｓｉ層２２の抵抗率［ｍΩｃｍ］と１次の周波数温度係数［ｐｐｍ／Ｋ］との関係を示すグラフである。図５に示すように、抵抗率が同じである場合、ＳｉＯ2層２１の厚さが増大するにつれて１次の周波数温度係数は増大する。その一方で、ＳｉＯ2層２１の厚さを変化させても、抵抗率の変化に対する１次の周波数温度係数の変化の傾向にほとんど変化がないことが確認された。さらに、Ｓｉ層２２の抵抗率が例えば０．５ｍΩｃｍ以上１．２ｍΩｃｍ以下の範囲では、ＳｉＯ2層２１の厚さに関わらず、１次の周波数温度係数の変動が小さいことが確認された。
　図５に示すシミュレーションの結果によれば、ＳｉＯ2層２１の厚さに関わらず、Ｓｉ層２２の抵抗率が例えば０．５ｍΩｃｍ以上１．２ｍΩｃｍ以下の範囲では、１次の周波数温度係数の変動が小さいことが確認された。しかも、ＳｉＯ2層２１がない時（すなわち、厚さが０μｍの時）と比較して、ＳｉＯ2層２１の厚さが増大するにつれて１次の周波数温度係数が増大することが確認された。従って、このシミュレーションの結果、仮にドーパントのドープ量の値にばらつきが生じても、ＳｉＯ2層２１の厚さを制御することによって、１次の周波数温度係数を補正することが可能であることが確認された。
　次に、本発明者らは、Ｓｉ層２２の抵抗率の変化に対する圧電振動装置１０の２次の周波数温度係数の変化について検証した。検証にあたって、前述の圧電振動装置１０において、Ｓｉ層２２に対するｎ型ドーパントのドープ量を変化させることによって抵抗率を変化させた時の２次の周波数温度係数を実際の計測に基づき算出した。なお、Ｓｉ層２２の厚さは１０μｍに設定された。図６は、Ｓｉ層２２の抵抗率［ｍΩｃｍ］と２次の周波数温度係数［ｐｐｍ／Ｋ2］との関係を示すグラフである。図６から明らかなように、Ｓｉ層２２に対するｎ型ドーパントのドープ量の増加に伴いＳｉ層２２の抵抗率が低下するにつれて、２次の周波数温度係数が増大することが確認された。
　図７は、一般的な音叉型水晶振動子の温度特性を示すグラフである。図７から明らかなように、音叉型水晶振動子の２次の周波数温度係数は－０．０３５程度となっている。本発明の圧電振動子１３に対しても、音叉型水晶振動子以上の温度特性が求められる。すなわち、図６において、周波数温度係数が－０．０３５以上に設定されるようにドープ量を制御する必要がある。この周波数温度係数を本発明の圧電振動装置１０に適用すると、図６から明らかなように、Ｓｉ層２２の抵抗率はおおむね０．９ｍΩｃｍ以下に設定されることが望ましいことが確認された。
　以上のシミュレーション及び実際の計測の結果によれば、Ｓｉ層２２の抵抗率と１次の周波数温度特性との関係から、Ｓｉ層２２の抵抗率を０．５ｍΩｃｍ以上１．２ｍΩｃｍ以下にすることが望ましく、また、Ｓｉ層２２の抵抗率と２次の周波数温度特性との関係から、Ｓｉ層２２の抵抗率の上限を０．９ｍΩｃｍにすることが望ましい。これらの結果を考慮すると、本発明では、Ｓｉ層２２に対するｎ型ドーパントのドープ量を制御することによって、Ｓｉ層２２の抵抗率を０．５ｍΩｃｍ以上０．９ｍΩｃｍ以下に設定することが特に望ましい。こうした構成によれば、圧電振動装置１０の周波数温度特性を良好に保持することができる。
　以上のような圧電振動装置１０では、Ｓｉ層２２に対するｎ型ドーパントのドープ量を制御して、Ｓｉ層２２の抵抗率を０．５ｍΩｃｍ以上０．９ｍΩｃｍ以下に設定することによって、１次の周波数温度係数の変動を小さく抑えることができる。しかも、Ｓｉ層２２の抵抗率を０．９ｍΩｃｍ以下に設定することによって、２次の周波数温度係数も小さく抑えることができる。従って、本発明によれば、周波数温度特性の良好な圧電振動装置１０を提供することができる。
　図８は、本発明の第２実施形態に係る圧電振動装置１０ａの構造を概略的に示す分解斜視図である。この圧電振動装置１０ａは、前述の面内の振動モードで振動する圧電振動子１３に代えて、面外の振動モードで振動する圧電振動子１３ａを備えている。この圧電振動子１３ａは、前述の圧電振動子１３と同様に、下側基板１１及び上側基板１２の間に挟み込まれて保持される。その他の構造については、前述の第１実施形態の構造と同一であるため、重複した説明は省略する。
　圧電振動子１３ａは、図８の直交座標系におけるＸＹ平面に沿って矩形の枠状に広がる支持枠３１と、支持枠３１内に配置されてＸＹ平面に沿って拡がり、支持枠３１の一端から支持枠３１内に延びる基部３２と、基部３２の前端に接続された固定端から自由端に向かってＸＹ平面に沿って延びる振動部すなわち複数の振動腕３３と、を備えている。本実施形態の圧電振動子１３ａは４本の振動腕３３を備えているが、振動腕の数は、４本に限定されず、例えば３本以上の任意の数に設定される。
　図９は、図８の９－９線に沿った圧電振動子１３ａの断面の模式図である。図９から明らかなように、各振動腕３３は、前述の振動部１５と同様に、ＳｉＯ2層３４、Ｓｉ層３５、ＡｌＮ層３６、第１及び第２Ｍｏ層３７、３８を備えている。Ｓｉ層３５は、Ｓｉ層２２と同様に、縮退半導体であるｎ型のＳｉ半導体から形成されており、ｎ型ドーパントとしてＰ（リン）を含んでいる。第１及び第２Ｍｏ層３７、３８は下側電極及び上側電極を形成する。ＡｌＮ層３６は、印加される電圧を振動に変換する圧電膜である。
　この圧電振動子１３ａでは、ＡｌＮ層３６は、Ｓｉ層３５に対してほぼ垂直にＣ軸配向している。従って、第１及び第２Ｍｏ層３７、３８の間でＡｌＮ層３６にＣ軸方向に電圧が印加されると、ＡｌＮ層３６はＣ軸にほぼ垂直な方向に伸縮する。このＡｌＮ層３６の伸縮によって、振動腕３３は、Ｚ軸方向に屈曲変位して、面外の屈曲振動モードで振動する。この圧電振動子１３ａにおいても、前述と同様に、Ｓｉ層３５の抵抗率を０．５ｍΩｃｍ以上０．９ｍΩｃｍ以下に設定することによって、周波数温度特性の良好な圧電振動装置１０を提供することができる。
　以上のような圧電振動装置１０では、ＳｉＯ2層２１はＳｉ層２２の下面に形成されているが、このＳｉＯ2層２１に加えて、図１０に示すように、振動部１５の上面すなわち第２Ｍｏ層２５の上面にもＳｉＯ2層３９が形成されてもよい。このとき、ＳｉＯ2層２１の形成は省略されてもよい。また、図１１に示すように、Ｓｉ層２２と振動部１５の下面すなわち第１Ｍｏ層２４の下面にＳｉＯ2層４０が形成されてもよい。この場合、ＳｉＯ2層２１、３９がさらに形成されてもよい。こうしたＳｉＯ2層２１、３９、４０によれば、圧電振動子１３の周波数温度特性の変動をさらに抑制することができる。なお、圧電振動装置１０ａも同様に構成されてもよい。
　なお、以上の各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更／改良され得るととともに、その等価物も含む。すなわち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更されてもよい。また、各実施形態が備える各要素は技術的に可能な限りにおいて組み合わせられ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
　１０　圧電振動装置
　１０ａ　圧電振動装置
　１５　振動部
　２１　酸化ケイ素層（ＳｉＯ2層）
　２２　Ｓｉ層
　２３　圧電薄膜（ＡｌＮ層）
　３３　振動部
　３５　Ｓｉ層
　３６　圧電薄膜（ＡｌＮ層）
　３９　酸化ケイ素層（ＳｉＯ2層）
　４０　酸化ケイ素層（ＳｉＯ2層）

Claims (4)

  1. 　振動部を備える圧電振動子であって、
    　前記振動部は、縮退半導体であるｎ型のＳｉ層であって、０．５ｍΩｃｍ以上０．９ｍΩｃｍ以下の抵抗率を有するＳｉ層を有する、圧電振動子。
  2. 　前記振動部は、前記Ｓｉ層上に形成される圧電薄膜を有する、請求項１に記載の圧電振動子。
  3. 　前記振動部は、前記Ｓｉ層の上面、下面、及び、前記圧電薄膜の上面の少なくともいずれかに形成される酸化ケイ素層をさらに有する、請求項２に記載の圧電振動子。
  4. 　下側基板と、
    　前記下側基板との間に振動空間を形成する上側基板と、
    　前記振動空間内に配置された圧電振動子と、を備え、
    　前記圧電振動子は振動部を備え、
    　前記振動部は、縮退半導体であるｎ型のＳｉ層であって、０．５ｍΩｃｍ以上０．９ｍΩｃｍ以下の抵抗率を有するＳｉ層を有する、圧電振動装置。
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