JPS60142607A - 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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- JPS60142607A JPS60142607A JP24676883A JP24676883A JPS60142607A JP S60142607 A JPS60142607 A JP S60142607A JP 24676883 A JP24676883 A JP 24676883A JP 24676883 A JP24676883 A JP 24676883A JP S60142607 A JPS60142607 A JP S60142607A
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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
- H03H9/15—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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
本発明は圧電薄膜を用いたVHF 、 UI(F用高周
波圧電振動子に関し、特にシリコン・ダイヤスラムと圧
電薄膜との組み合わせからなる複合構造の振動部位を有
する圧電薄膜振動子に関するものである。
波圧電振動子に関し、特にシリコン・ダイヤスラムと圧
電薄膜との組み合わせからなる複合構造の振動部位を有
する圧電薄膜振動子に関するものである。
(従来技術)
一般に、高周波領域で使用される圧電振動子は振動モー
ドとして板面が厚さに比べて十分広い圧電性薄板の厚み
振動が用いられている。
ドとして板面が厚さに比べて十分広い圧電性薄板の厚み
振動が用いられている。
厚み振動の残根周波数は圧電性薄板の厚さに反比例する
ので高周波帯で使用するためには厚さを薄くしなければ
ならないが、厚さが40ミクロン程度以下になると平行
平面研磨などの加工が非常に困齢となる。
ので高周波帯で使用するためには厚さを薄くしなければ
ならないが、厚さが40ミクロン程度以下になると平行
平面研磨などの加工が非常に困齢となる。
振動部分の厚さを薄くして50Mト以上の厚み振動圧電
振動子を得る方法としては、第1図、第2図の構造の圧
電薄膜振動子が公知である。この圧電薄膜振動子はクリ
コン基板22の上に新らたにシリコン薄膜23と絶縁体
の薄膜24を形成した後、エツチングによってシリコン
基板22に空孔21を形成し、さらに絶縁体薄膜24の
上に順に下地電極26、圧電薄膜25、上部電極27を
形成することによって製造するもので、一般に非圧電性
である薄膜部材23.24と圧電薄膜25とからなる複
合ダイアフラムが周縁部を基板22によって支持された
構造となっている。
振動子を得る方法としては、第1図、第2図の構造の圧
電薄膜振動子が公知である。この圧電薄膜振動子はクリ
コン基板22の上に新らたにシリコン薄膜23と絶縁体
の薄膜24を形成した後、エツチングによってシリコン
基板22に空孔21を形成し、さらに絶縁体薄膜24の
上に順に下地電極26、圧電薄膜25、上部電極27を
形成することによって製造するもので、一般に非圧電性
である薄膜部材23.24と圧電薄膜25とからなる複
合ダイアフラムが周縁部を基板22によって支持された
構造となっている。
圧電板だけからなる圧電振動子ではすでに実験的にも理
論的にも詳しく調べられておシ、インハーモニック・オ
ーバートーン−モードがスフ’lJ7スとして励振され
ないような電極寸法もよく知られている。しかし、従来
圧電薄膜を利用した複合振動子においては、圧電板だけ
からなる圧電振動子についての理論や実験から類推する
ほかはなく、その類推が正しいかどうかは確かめられて
いなかった0 圧電薄膜複合振動子において発振器やフィルタへの応用
面から電極寸法はできるだけ大きくすることが必要であ
るが、電極寸法を増大するとスプリアスが励振されるよ
うになり、特性が悪くなる0よってスプリアスが励振さ
れずできるだけ大きな電極寸法をもつ振動子が実現でき
れば、非常に実用上大きな効果をもたらす0 (発明の目的) 本発明は上記のような複合振動子において、インハーモ
ニック・オーバートーンがスプリアスとして励振されな
い最大電極寸法をもち、かつ振動成分が電極近傍にだけ
存在することができるシリコン・ダイアフラムと圧電薄
膜の厚さの比をもち、良好な厚み縦振動特性をもつ複合
振動子を実現することを目的としている0 (発明の構成) l明はシリコン・ダイアフラムの薄i上の厚み方向に絶
縁薄膜、下部電極、ZnO薄膜、上部電極の順に積層さ
れた多層構造の振動部位を有し、周縁部をシリコン基板
によって支持された厚み振動圧電振動子においてZnn
模膜厚さをT1、シリコン・ダイヤフラムの薄層部の厚
さをT2多層構造の振動部位全体の厚さをTとし、さら
に前記振動部位上の上部電極は円形であり、その直径を
Lとシ、ZnO薄膜とシリコン・ダイアフラムとの厚さ
の比T* /TtをX、全体の厚さと円形電極の直径の
比L/TをYと置き換えたときにXとYが次式Y≦to
X”−2oX+s、2(ただし0<X≦0.7)Y≦t
0.3X+4.4 (ただし0.7 <X< 3.0
)で表わされる関係を有していることを特徴とする圧電
薄膜複合振動子である。
論的にも詳しく調べられておシ、インハーモニック・オ
ーバートーン−モードがスフ’lJ7スとして励振され
ないような電極寸法もよく知られている。しかし、従来
圧電薄膜を利用した複合振動子においては、圧電板だけ
からなる圧電振動子についての理論や実験から類推する
ほかはなく、その類推が正しいかどうかは確かめられて
いなかった0 圧電薄膜複合振動子において発振器やフィルタへの応用
面から電極寸法はできるだけ大きくすることが必要であ
るが、電極寸法を増大するとスプリアスが励振されるよ
うになり、特性が悪くなる0よってスプリアスが励振さ
れずできるだけ大きな電極寸法をもつ振動子が実現でき
れば、非常に実用上大きな効果をもたらす0 (発明の目的) 本発明は上記のような複合振動子において、インハーモ
ニック・オーバートーンがスプリアスとして励振されな
い最大電極寸法をもち、かつ振動成分が電極近傍にだけ
存在することができるシリコン・ダイアフラムと圧電薄
膜の厚さの比をもち、良好な厚み縦振動特性をもつ複合
振動子を実現することを目的としている0 (発明の構成) l明はシリコン・ダイアフラムの薄i上の厚み方向に絶
縁薄膜、下部電極、ZnO薄膜、上部電極の順に積層さ
れた多層構造の振動部位を有し、周縁部をシリコン基板
によって支持された厚み振動圧電振動子においてZnn
模膜厚さをT1、シリコン・ダイヤフラムの薄層部の厚
さをT2多層構造の振動部位全体の厚さをTとし、さら
に前記振動部位上の上部電極は円形であり、その直径を
Lとシ、ZnO薄膜とシリコン・ダイアフラムとの厚さ
の比T* /TtをX、全体の厚さと円形電極の直径の
比L/TをYと置き換えたときにXとYが次式Y≦to
X”−2oX+s、2(ただし0<X≦0.7)Y≦t
0.3X+4.4 (ただし0.7 <X< 3.0
)で表わされる関係を有していることを特徴とする圧電
薄膜複合振動子である。
次に本発明について詳細に説明する〇
(実施例)
第1.第2図は本発明の振動子の振動部位の基本構造を
示している。第1.第2図において、22は表面が(1
00)面であるようなシリコン基板、21はエツチング
によって基板に作製した空孔、23はホウ素を高濃度に
ドープしたシリコン薄膜である。24は温度補償のため
に設けられた薄いSiへ薄膜、26は下地電極、25は
ZnO圧電薄膜、27は上部円形電極である。
示している。第1.第2図において、22は表面が(1
00)面であるようなシリコン基板、21はエツチング
によって基板に作製した空孔、23はホウ素を高濃度に
ドープしたシリコン薄膜である。24は温度補償のため
に設けられた薄いSiへ薄膜、26は下地電極、25は
ZnO圧電薄膜、27は上部円形電極である。
第1.第2図のような複合振動子に対して一例として、
以下ZnO薄膜25とシリコン薄膜23の厚さの比が〆
1.の場合について説明する。
以下ZnO薄膜25とシリコン薄膜23の厚さの比が〆
1.の場合について説明する。
ZnO薄膜25の厚さをT1 +シリコン薄膜の厚さを
%r上部円形電極の直径をL、複合構造部位の全厚をT
とする。複合振動子において全面電極の場合の共振周波
数をfr 、***振周波数fR、電極直径がLのときの
共振周波数をfrとする。また複合板の圧電反作用に帰
因し実効電気機械結合係数Rtに依存する周波数低下量
を ” π刀 Δ=1−7(l+ff、、R?) とする。この時、この複合振動子の基本厚み縦振動の共
振特性を第3図に示す。第3図は電極直径りを変化させ
たときの振動子の規格化された共振周波数の変化を示し
たものである0第3図においし て、ry Jマ= t、9ではO≦ψ痴領域には共振周
波数は1点(0印をつけた1点)しか々く、その場合の
振動子の表面の変位υ2は振動部位中心から端の方へ第
4図に示したようになシ、基本モードだけが電極近傍に
閉じ込められ、スプリアスは生じない。一方、7T J
2Z ”::2.2では、0<、ψ≦1の領域に共振周
波数が2点(目印をつけた5点)あり、その場合の2点
での振動子の表面の変位IJfは振動部位中心から端の
方へ、第5図[al、第5図fb)に示されたようにな
り、基本モードだけでなく、第5図(blに示されたよ
うな2次のインハーモニック・オーバートーンも電極近
傍に閉じ込められ、スプリアスとなる。
%r上部円形電極の直径をL、複合構造部位の全厚をT
とする。複合振動子において全面電極の場合の共振周波
数をfr 、***振周波数fR、電極直径がLのときの
共振周波数をfrとする。また複合板の圧電反作用に帰
因し実効電気機械結合係数Rtに依存する周波数低下量
を ” π刀 Δ=1−7(l+ff、、R?) とする。この時、この複合振動子の基本厚み縦振動の共
振特性を第3図に示す。第3図は電極直径りを変化させ
たときの振動子の規格化された共振周波数の変化を示し
たものである0第3図においし て、ry Jマ= t、9ではO≦ψ痴領域には共振周
波数は1点(0印をつけた1点)しか々く、その場合の
振動子の表面の変位υ2は振動部位中心から端の方へ第
4図に示したようになシ、基本モードだけが電極近傍に
閉じ込められ、スプリアスは生じない。一方、7T J
2Z ”::2.2では、0<、ψ≦1の領域に共振周
波数が2点(目印をつけた5点)あり、その場合の2点
での振動子の表面の変位IJfは振動部位中心から端の
方へ、第5図[al、第5図fb)に示されたようにな
り、基本モードだけでなく、第5図(blに示されたよ
うな2次のインハーモニック・オーバートーンも電極近
傍に閉じ込められ、スプリアスとなる。
一般に第3図においてわかるように、vJ”E−の値が
大きくなるとインハーモニック・オーバートーンがO−
ψ−1の領域に入り、その場合、スプリアスとして励振
される。第3図における破線は圧電板だけからなる円形
電極をもつ振動子について示したものであシ、実線は円
形電極をもつ複合振動子の場合を示し、ている。第3図
かられかるように同じ下JKの値に対しても圧電板だけ
の場合と複合振動子の場合とで共振周波数が異なり、圧
電振動子の結果から複合振動子の場合を予想することは
できない。
大きくなるとインハーモニック・オーバートーンがO−
ψ−1の領域に入り、その場合、スプリアスとして励振
される。第3図における破線は圧電板だけからなる円形
電極をもつ振動子について示したものであシ、実線は円
形電極をもつ複合振動子の場合を示し、ている。第3図
かられかるように同じ下JKの値に対しても圧電板だけ
の場合と複合振動子の場合とで共振周波数が異なり、圧
電振動子の結果から複合振動子の場合を予想することは
できない。
一トーンが存在しなくなるので、その時の一一伝になる
ような電極寸法にすれば、発振器及びフィルタ等に使用
してもスプリアスが生じない特性が得られることに寿る
〇 第6図にZnO薄膜とシリコン薄膜の厚さの比T、/T
、に対する下の値を示す。第6図から、スプリアスが生
じない最大電極寸法となる時の−4の値はり。/T二Y
、 ’[’、/T、 =Xとするとほぼ次式で近似で
きることが明らかである。
ような電極寸法にすれば、発振器及びフィルタ等に使用
してもスプリアスが生じない特性が得られることに寿る
〇 第6図にZnO薄膜とシリコン薄膜の厚さの比T、/T
、に対する下の値を示す。第6図から、スプリアスが生
じない最大電極寸法となる時の−4の値はり。/T二Y
、 ’[’、/T、 =Xとするとほぼ次式で近似で
きることが明らかである。
即ち、Y=10X−20X+8.2(ただしO<X≦0
.7)Y=10.3X+4.4 (ただしO<X< 3
.0 )また、T、7T、 = 3. Oの場合におい
て、〒=200の場合、0≦ψ≦1の領域には共振周波
数は基本モード1点だけしかないけれども、その時の変
位は第7図に示したようになり、振動子に励振される振
動変位は電極の外側にも減衰せずに伝播する。このため
、振動子を構成するダイアフラムの端の影響が無視でき
なくなり、良い特性が得られないととがわか□る。よっ
て、発振器及びフィルタへ応用する時には複合振動にお
いては、T!/T1の値を3.0より小さくする必要が
ある。
.7)Y=10.3X+4.4 (ただしO<X< 3
.0 )また、T、7T、 = 3. Oの場合におい
て、〒=200の場合、0≦ψ≦1の領域には共振周波
数は基本モード1点だけしかないけれども、その時の変
位は第7図に示したようになり、振動子に励振される振
動変位は電極の外側にも減衰せずに伝播する。このため
、振動子を構成するダイアフラムの端の影響が無視でき
なくなり、良い特性が得られないととがわか□る。よっ
て、発振器及びフィルタへ応用する時には複合振動にお
いては、T!/T1の値を3.0より小さくする必要が
ある。
(11式で表わされる領域に関する具体的カー例として
、ZnOの膜厚Tt =3.88ttrn s S i
の膜厚T2=3.80μmの複合振動子の特性について
述べると、一〒−の値が16 (L=125μm)の場
合を試作した結果、スプリアスが生じない共振特性が得
られた。
、ZnOの膜厚Tt =3.88ttrn s S i
の膜厚T2=3.80μmの複合振動子の特性について
述べると、一〒−の値が16 (L=125μm)の場
合を試作した結果、スプリアスが生じない共振特性が得
られた。
なお本発明に係る振動子の製造方法の概略は次のとおり
である。
である。
表面ニボロンドープされたシリコン基板の両面にSi、
N、保護膜CVDをつけ、フォトレジストで異方性エツ
チングし寿い部分をおおう。プラズマエツチングによっ
てレジストが力い部分の8i3N、膜を除去し、その後
エチレンジアミンービロカテコ−ルー水の異−1エツチ
ング液でエツチングスフx=その後リン酸で残りのS
i 、 N、膜を除去し、表面に(リフトオフ)でZn
O上につける。
N、保護膜CVDをつけ、フォトレジストで異方性エツ
チングし寿い部分をおおう。プラズマエツチングによっ
てレジストが力い部分の8i3N、膜を除去し、その後
エチレンジアミンービロカテコ−ルー水の異−1エツチ
ング液でエツチングスフx=その後リン酸で残りのS
i 、 N、膜を除去し、表面に(リフトオフ)でZn
O上につける。
また前述の式はスプリアスの発生しない最大電極寸法の
条件であるが、Y<IOX” −20X+8.2(o<
X≦0.7 )父ハY<10.3X+4.4(0,7<
X<3.0) (7)Ii[f ’++(91 Yの値がそれぞれ10X” −20X+8.2 (ある
いは10.3X+4.4 )に近い場合はスプリアスの
ない良好な特性が得られる。ただしYが1に近づく範囲
では振動子は良好な特性が得られない。
条件であるが、Y<IOX” −20X+8.2(o<
X≦0.7 )父ハY<10.3X+4.4(0,7<
X<3.0) (7)Ii[f ’++(91 Yの値がそれぞれ10X” −20X+8.2 (ある
いは10.3X+4.4 )に近い場合はスプリアスの
ない良好な特性が得られる。ただしYが1に近づく範囲
では振動子は良好な特性が得られない。
以上述べたように本発明によればスプリアスのない良好
外特性の複合振動子が得られ工業的価値も多大である。
外特性の複合振動子が得られ工業的価値も多大である。
第1図、第2図はZnO/Si複合振動子の構造を示す
図、第3図は振動子において電極寸法を変化した時の共
振周波数の変化を示す図、第4図、第5図1第7図は振
動子の表面における変位Tl+zの大きさを示す図、第
6図はZnO薄膜と8i薄膜の比T!/T、に対するス
プリアスが生じない最大電極寸法りと振動子の厚さTの
比L0/Tの値を示す図である。 以上の図において22はシリコン基板、23はシリコン
薄膜、24は5102薄膜、25はZnO薄膜、26
、27 、28は電極%21は空孔な示し和る。 (、。テ理人弁理士内 原 晋 昂 1 図 ZS 亭 Z 図 −〇 乎 5 図
図、第3図は振動子において電極寸法を変化した時の共
振周波数の変化を示す図、第4図、第5図1第7図は振
動子の表面における変位Tl+zの大きさを示す図、第
6図はZnO薄膜と8i薄膜の比T!/T、に対するス
プリアスが生じない最大電極寸法りと振動子の厚さTの
比L0/Tの値を示す図である。 以上の図において22はシリコン基板、23はシリコン
薄膜、24は5102薄膜、25はZnO薄膜、26
、27 、28は電極%21は空孔な示し和る。 (、。テ理人弁理士内 原 晋 昂 1 図 ZS 亭 Z 図 −〇 乎 5 図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 シリコン・ダイアフラムの薄層−ヒに絶縁薄膜、電極、
ZnO圧電薄膜、電極の順で積層された構造の振動部位
をもち、その周縁部をシリコン基板によって支持された
厚み振動圧電複合振動子において、 ZnO薄膜の厚さ
をTI、シリコン・ダイヤフラムの薄層部の厚さをT、
多層構造の振動部位全体の厚さをTとし、さらに前記振
動部位上の上部電極は円形であり、その直径をLとし、
ZnO薄膜とシリコン・ダイヤフラムとの厚さの比T2
/TIをX。 全体の厚さと円形電極の直径の比L/TをYと置き換え
たときに、XとYが次式 %式%) Y≦IO,3X+4.4 (ただし0.7 <X< 3
.0 )となる関係を有することを特徴とする圧電薄膜
複合振動子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24676883A JPS60142607A (ja) | 1983-12-29 | 1983-12-29 | 圧電薄膜複合振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24676883A JPS60142607A (ja) | 1983-12-29 | 1983-12-29 | 圧電薄膜複合振動子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS60142607A true JPS60142607A (ja) | 1985-07-27 |
Family
ID=17153374
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP24676883A Pending JPS60142607A (ja) | 1983-12-29 | 1983-12-29 | 圧電薄膜複合振動子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS60142607A (ja) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6842088B2 (en) | 2001-05-11 | 2005-01-11 | Ube Industries, Ltd. | Thin film acoustic resonator and method of producing the same |
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