振動裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及具有多個音叉臂的振動裝置，特別是，涉及MEMS型的振動裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]以往，公知有在Si半導(dǎo)體層上構(gòu)成有包含壓電薄膜的激發(fā)部的MEMS(MicroElectro Mechanical Systems:微機(jī)電系統(tǒng))構(gòu)造。在具有MEMS構(gòu)造的振子中，為了改善頻率溫度系數(shù)TCF進(jìn)行各種嘗試。在下述的專利文獻(xiàn)I中公開有通過層疊Si和S12而減小TCF的絕對值的方法。而且在下述的專利文獻(xiàn)2以及3中公開有通過對Si實(shí)施P型或者η型的摻雜，來減小Si本身的一次的頻率溫度系數(shù)的方法。
[0003]在下述的專利文獻(xiàn)4中公開有使用Si/Si02復(fù)合材料，并且對Si進(jìn)行高濃度摻雜的方法。在專利文獻(xiàn)4中，記載有能夠減小二次的頻率溫度系數(shù)的內(nèi)容。
[0004]專利文獻(xiàn)1:W02008/043727號公報
[0005]專利文獻(xiàn)2:W02010/062847號公報
[0006]專利文獻(xiàn)3:W02012/110708號公報
[0007]專利文獻(xiàn)4:W02012/156585號公報
[0008]如專利文獻(xiàn)I?4所記載的那樣，以往提出了各種在具有MEMS構(gòu)造的振子中減小TCF的絕對值的方法。然而，在它們所記載的方法中，另外充分減小TCF的絕對值很困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠充分地減小頻率溫度系數(shù)TCF的絕對值的振動
目.ο
[0010]本申請的第一發(fā)明所涉及的振動裝置是在俯視的情況下，具有具備長邊和短邊的矩形板狀的形狀，并在上述短邊方向伸縮振動的振動裝置。
[0011]第一發(fā)明所涉及的振動裝置包含由簡并半導(dǎo)體構(gòu)成的Si層、氧化硅層、壓電體層、以及對上述壓電體層施加電壓的第一、第二電極。而且，在將上述Si層的厚度的總和設(shè)為Tl、將氧化硅層的厚度的總和設(shè)為T2、將未設(shè)置有氧化硅層的情況下的上述振動裝置的TCF 設(shè)為 X (ppm/K)時，T2/(T1+T2)處于(-0.0003χ2_0.0256χ+0.0008) ±0.05 的范圍內(nèi)。
[0012]第二發(fā)明所涉及的振動裝置是具有正方形板狀的形狀，在與正方形板平行的面內(nèi)各邊伸縮振動的振動裝置。
[0013]第二發(fā)明所涉及的振動裝置包含由簡并半導(dǎo)體構(gòu)成的Si層、氧化硅層、壓電體層、以及對上述壓電體層施加電壓的第一、第二電極。在第二發(fā)明中，在將上述Si層的厚度的總和設(shè)為Tl、將氧化硅層的厚度的總和設(shè)為Τ2、將未設(shè)置有氧化硅層的情況下的上述振動裝置的 TCF 設(shè)為 X(ppm/K)時，T2/(T1+T2)處于(-0.0003χ2_0.0228χ+0.0024) ±0.05 的范圍內(nèi)。
[0014]第三發(fā)明所涉及的振動裝置是在俯視的情況下，具有具備長邊和短邊的矩形板狀的形狀，并在上述長邊方向伸縮振動的振動裝置。
[0015]第三發(fā)明所涉及的振動裝置包含由簡并半導(dǎo)體構(gòu)成的Si層、氧化硅層、壓電體層、以及對上述壓電體層施加電壓的第一、第二電極。在第三發(fā)明中，在將上述Si層的厚度的總和設(shè)為Tl、將氧化硅層的厚度的總和設(shè)為T2、將未設(shè)置有氧化硅層的情況下的上述振動裝置的 TCF 設(shè)為 X(ppm/K)時，T2/(T1+T2)處于(-0.0003χ2_0.0250χ+0.0215) ±0.05 的范圍內(nèi)。
[0016]在本發(fā)明(以下，對第一?第三發(fā)明進(jìn)行統(tǒng)稱，稱為本發(fā)明)的振動裝置的某個特定的方面，對上述Si層摻雜η型摻雜劑。優(yōu)選作為摻雜劑使用磷(P)。
[0017]在本發(fā)明所涉及的振動裝置的另一特定的方面，上述氧化硅層層疊于上述Si層的一個主面。
[0018]在本發(fā)明所涉及的振動裝置的其它的特定的方面，在上述壓電體層的一個主面設(shè)置有上述第一電極，在上述壓電體層的另一個主面設(shè)置有上述第二電極。
[0019]在本發(fā)明所涉及的振動裝置的另一其它的特定的方面，上述Si層兼作上述第二電極。
[0020]在本發(fā)明所涉及的振動裝置的另一其它特定的方面，上述氧化硅層形成于上述Si層的兩面。
[0021]在本發(fā)明所涉及的振動裝置中，由于作為上述氧化硅層的厚度的比例的厚度比Τ2/ (Τ1+Τ2)為上述特定的范圍內(nèi)，所以能夠顯著減小頻率溫度系數(shù)TCF的絕對值。因此，能夠提供溫度特性良好的振動裝置。
【附圖說明】
[0022]圖1 (a)是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的振動裝置的立體圖，圖1 (b)是其正面剖視圖，圖1(c)是在第一實(shí)施方式中所使用的激發(fā)部的局部剖切正面剖視圖。
[0023]圖2是用于對在第一實(shí)施方式中，在將未設(shè)置有氧化硅層的情況下的TCF的值設(shè)為X時，TCF的絕對值為O的厚度比T2/(T1+T2)進(jìn)行說明的圖。
[0024]圖3是表示第一實(shí)施方式的振動裝置中的溫度與諧振頻率變化率的關(guān)系的圖。
[0025]圖4(a)以及(b)是在本發(fā)明中，在Si層上層疊有氧化硅層的構(gòu)造以及在Si層的兩面設(shè)置有氧化硅層的構(gòu)造的各正面剖視圖。
[0026]圖5是本發(fā)明的第二實(shí)施方式所涉及的振動裝置的立體圖。
[0027]圖6是用于對在第二實(shí)施方式中，將未設(shè)置有氧化硅層的情況下的TCF的值設(shè)為X時，TCF的絕對值為O的厚度比T2/(T1+T2)進(jìn)行說明的圖。
[0028]圖7是本發(fā)明的第三實(shí)施方式所涉及的振動裝置的立體圖。
[0029]圖8是用于對在第三實(shí)施方式中，在將未設(shè)置有氧化硅層的情況下的TCF的值設(shè)為X時，TCF的絕對值為O的厚度比T2/(T1+T2)進(jìn)行說明的圖。
[0030]圖9是本發(fā)明的第四實(shí)施方式的振動裝置的立體圖。
[0031]圖10是表示Si層中的P的摻雜密度與Si層的電阻率的關(guān)系的圖。
[0032]圖11 (a)是本發(fā)明的第一實(shí)施方式的變形例所涉及的振動裝置的正面剖視圖，圖11(b)是該變形例的振動裝置所使用的激發(fā)部的局部剖切正面剖視圖，圖11(c)是在第一實(shí)施方式的變形例中，在Si層層疊有氧化硅層的構(gòu)造的正面剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]以下，通過參照附圖對本發(fā)明的具體的實(shí)施方式進(jìn)行說明，來使本發(fā)明變得清楚。
[0034]圖1 (a)是本發(fā)明的第一實(shí)施方式所涉及的振動裝置的立體圖。圖1 (b)是其正面剖視圖，圖1(c)是在第一實(shí)施方式中所使用的激發(fā)部的局部剖切正面剖視圖。
[0035]振動裝置I在俯視時，具有矩形板狀的形狀，該矩形具有一對長邊和一對短邊。在具有該矩形板狀的形狀的Si層2上，層疊有氧化硅層3以及激發(fā)部4。
[0036]Si層2由簡并半導(dǎo)體構(gòu)成。由于是簡并半導(dǎo)體，所以η型摻雜劑的摻雜濃度是I X 119個/cm3以上即可。作為η型摻雜劑能夠舉出P、As或者Sb等第15族元素。優(yōu)選作為摻雜劑使用P。在該情況下，能夠容易地制造η型的簡并半導(dǎo)體。
[0037]在本實(shí)施方式中，Si層由以5Χ 1019/cm3的濃度摻雜了磷的η型Si半導(dǎo)體構(gòu)成。另外，如圖10所示，由于磷(P)的摻雜密度是5Χ 119個/cm3，所以電阻率為1.5πιΩ ^cm以下，是簡并半導(dǎo)體。
[0038]在本實(shí)施方式中，氧化硅層3由S12構(gòu)成。在本實(shí)施方式中，在上述Si層2的上表面層疊有由3102構(gòu)成的氧化硅層3。
[0039]氧化硅層3并不局限于S12，也能夠由具有SiaOb (a、b是整數(shù))的適當(dāng)?shù)慕M成的氧化硅系材料構(gòu)成。
[0040]在本實(shí)施方式中，激發(fā)部4具有作為壓電體層的壓電薄膜5、第一電極6、以及第二電極7。第一電極6和第二電極7以夾持壓電薄膜5的方式設(shè)置。
[0041]并沒有對構(gòu)成上述壓電薄膜5的壓電材料進(jìn)行特別限定，但在利用了體波的振動裝置中，優(yōu)選Q值較高。因此，優(yōu)選使用電氣機(jī)械結(jié)合系數(shù)k2較小，但Q值較高的A1N。
[0042]但是，也可以使用ZnO、Sc置換A1N、PZT、KNN等。在Sc置換AlN膜(ScAlN)將Sc和Al的原子濃度設(shè)為10at %的情況下，優(yōu)選Sc濃度是0.5&丨％至50at%左右。
[0043]ScAlN與AlN相比電氣機(jī)械結(jié)合系數(shù)k2較大，與PZT、KNN相比機(jī)械的Qm較大。因此，若將ScAlN應(yīng)用于像本發(fā)明那樣的共振型振子，則具有以下的優(yōu)點(diǎn)。作為共振型振子的用途有振蕩器。例如將在TCXO (溫度補(bǔ)償型振蕩器)中內(nèi)置的溫度傳感器的信號反饋至與振子串聯(lián)連接的可變電容元件，使可變電容元件的容量值變化。因此，能夠調(diào)整振蕩頻率。此時，若作為壓電薄膜代替AlN使用ScAlN，則共振型振子的帶寬比擴(kuò)大。因此，能夠擴(kuò)大振蕩頻率的調(diào)整范圍。
[0044]同樣，在將ScAlN用于VCXO (電壓控減振蕩器)的情況下，振蕩頻率的調(diào)整范圍擴(kuò)大。因此，能夠通過可變電容元件來調(diào)整共振型振子的初始的頻率偏差。因此，能夠大幅減少頻率調(diào)整工序的成本。
[0045]第一、第二電極6、7能夠由Mo、Ru、Pt、T1、Cr、Al、Cu、Ag、或者它們的合金等的適當(dāng)?shù)慕饘傩纬伞?br>[0046]在本實(shí)施方式的振動裝置I中，通過對上述第一電極6和第二電極7之間施加交變電場，激發(fā)部4被激發(fā)。其結(jié)果，振動裝置I整體沿短邊方向伸縮振動。即在短邊方向，振動裝置I產(chǎn)生反復(fù)伸長狀態(tài)和收縮的狀態(tài)的伸縮振動。
[0047]本實(shí)施方式的特征在于上述氧化硅層3的厚度比以未設(shè)置有氧化硅層3的情況下的TCF為基準(zhǔn)為特定的厚度的范圍內(nèi)。更具體而言，將未設(shè)置有氧化硅層3的情況下的TCF設(shè)為X(ppm/K)。未設(shè)置有氧化硅層3的情況下的TCF是根據(jù)摻雜有磷(P)的Si層2中的摻雜量確定的值。將Si層2的厚度設(shè)為Tl，將氧化硅層3的厚度設(shè)為T2。在本實(shí)施方式中，厚度比 T2/(T1+T2)為下述的式(I) (-0.0003χ2-0.0256X+0.0008) ±0.05…式(I)的范圍內(nèi)。因此，頻率溫度系數(shù)的絕對值顯著變小為0±5ppm/°C以內(nèi)。參照圖2對其進(jìn)行說明。
[0048]圖2的橫軸是如上述那樣，未設(shè)置有氧化硅層的情況下的TCF，縱軸是厚度比T2/(T1+T2)。圖2中繪制的點(diǎn)在設(shè)置有上述氧化硅層3的本實(shí)施方式中，是TCF的絕對值是O的情況下的點(diǎn)。而且，曲線A是通過根據(jù)上述點(diǎn)近似得到的曲線，用y=-0.0003x2-0.0256x+0.0008 來表不。
[0049]因此，若厚度比T2/(T1+T2)是-0.0003χ2_0.0256χ+0.0008 則 TCF 為 O。另外，根據(jù)本申請發(fā)明者已經(jīng)確認(rèn)若上述厚度比是(-0.0003χ2-0.0256χ+0.0008) ±0.05的范圍內(nèi)，則TCF是O 土 5ppm/ °C的范圍內(nèi)。
[0050]因此，在第一實(shí)施方式中，可知根據(jù)與Si層2的摻雜量對應(yīng)的TCF值X，將上述厚度比T2/(T1+T2)設(shè)為上述式(I)的范圍內(nèi)，從而顯著減小頻率溫度系數(shù)TCF的絕對值，可構(gòu)成溫度特性良好的振動裝置I。
[0051]根據(jù)本申請發(fā)明者們的實(shí)驗，使用以SXlO1Vcm3以上的濃度添加了磷⑵的Si層2，使上述矩形的長邊方向與Si的(100)方向一致的情況下的上述振動特性的TCF約為-3ppm/K。在該情況下，由圖2可知，T2/(T1+T2) = 0.08。因此，氧化硅層3的厚度的最佳值為0.8 μπι。
[0052]圖3是表示本實(shí)施方式的振動裝置I的諧振頻率變化率dFr/dF (ppm)的溫度變化的圖。在這里，振動裝置I的尺寸的長邊=210 μm，短邊的長度=140 μπι。另外，Si層2的磷⑵的摻雜量為5X 119個/cm3，S