振动装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及具有多个音叉臂的振动装置，特别是，涉及MEMS型的振动装置。
【背景技术】
[0002]以往，公知有在Si半导体层上构成有包含压电薄膜的激发部的MEMS(MicroElectro Mechanical Systems:微机电系统)构造。在具有MEMS构造的振子中，为了改善频率温度系数TCF进行各种尝试。在下述的专利文献I中公开有通过层叠Si和S12而减小TCF的绝对值的方法。而且在下述的专利文献2以及3中公开有通过对Si实施P型或者η型的掺杂，来减小Si本身的一次的频率温度系数的方法。
[0003]在下述的专利文献4中公开有使用Si/Si02复合材料，并且对Si进行高浓度掺杂的方法。在专利文献4中，记载有能够减小二次的频率温度系数的内容。
[0004]专利文献1:W02008/043727号公报
[0005]专利文献2:W02010/062847号公报
[0006]专利文献3:W02012/110708号公报
[0007]专利文献4:W02012/156585号公报
[0008]如专利文献I?4所记载的那样，以往提出了各种在具有MEMS构造的振子中减小TCF的绝对值的方法。然而，在它们所记载的方法中，另外充分减小TCF的绝对值很困难。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种能够充分地减小频率温度系数TCF的绝对值的振动
目.ο
[0010]本申请的第一发明所涉及的振动装置是在俯视的情况下，具有具备长边和短边的矩形板状的形状，并在上述短边方向伸缩振动的振动装置。
[0011]第一发明所涉及的振动装置包含由简并半导体构成的Si层、氧化硅层、压电体层、以及对上述压电体层施加电压的第一、第二电极。而且，在将上述Si层的厚度的总和设为Tl、将氧化硅层的厚度的总和设为T2、将未设置有氧化硅层的情况下的上述振动装置的TCF 设为 X (ppm/K)时，T2/(T1+T2)处于(-0.0003χ2_0.0256χ+0.0008) ±0.05 的范围内。
[0012]第二发明所涉及的振动装置是具有正方形板状的形状，在与正方形板平行的面内各边伸缩振动的振动装置。
[0013]第二发明所涉及的振动装置包含由简并半导体构成的Si层、氧化硅层、压电体层、以及对上述压电体层施加电压的第一、第二电极。在第二发明中，在将上述Si层的厚度的总和设为Tl、将氧化硅层的厚度的总和设为Τ2、将未设置有氧化硅层的情况下的上述振动装置的 TCF 设为 X(ppm/K)时，T2/(T1+T2)处于(-0.0003χ2_0.0228χ+0.0024) ±0.05 的范围内。
[0014]第三发明所涉及的振动装置是在俯视的情况下，具有具备长边和短边的矩形板状的形状，并在上述长边方向伸缩振动的振动装置。
[0015]第三发明所涉及的振动装置包含由简并半导体构成的Si层、氧化硅层、压电体层、以及对上述压电体层施加电压的第一、第二电极。在第三发明中，在将上述Si层的厚度的总和设为Tl、将氧化硅层的厚度的总和设为T2、将未设置有氧化硅层的情况下的上述振动装置的 TCF 设为 X(ppm/K)时，T2/(T1+T2)处于(-0.0003χ2_0.0250χ+0.0215) ±0.05 的范围内。
[0016]在本发明(以下，对第一?第三发明进行统称，称为本发明)的振动装置的某个特定的方面，对上述Si层掺杂η型掺杂剂。优选作为掺杂剂使用磷(P)。
[0017]在本发明所涉及的振动装置的另一特定的方面，上述氧化硅层层叠于上述Si层的一个主面。
[0018]在本发明所涉及的振动装置的其它的特定的方面，在上述压电体层的一个主面设置有上述第一电极，在上述压电体层的另一个主面设置有上述第二电极。
[0019]在本发明所涉及的振动装置的另一其它的特定的方面，上述Si层兼作上述第二电极。
[0020]在本发明所涉及的振动装置的另一其它特定的方面，上述氧化硅层形成于上述Si层的两面。
[0021]在本发明所涉及的振动装置中，由于作为上述氧化硅层的厚度的比例的厚度比Τ2/ (Τ1+Τ2)为上述特定的范围内，所以能够显著减小频率温度系数TCF的绝对值。因此，能够提供温度特性良好的振动装置。
【附图说明】
[0022]图1 (a)是本发明的第一实施方式的振动装置的立体图，图1 (b)是其正面剖视图，图1(c)是在第一实施方式中所使用的激发部的局部剖切正面剖视图。
[0023]图2是用于对在第一实施方式中，在将未设置有氧化硅层的情况下的TCF的值设为X时，TCF的绝对值为O的厚度比T2/(T1+T2)进行说明的图。
[0024]图3是表示第一实施方式的振动装置中的温度与谐振频率变化率的关系的图。
[0025]图4(a)以及(b)是在本发明中，在Si层上层叠有氧化硅层的构造以及在Si层的两面设置有氧化硅层的构造的各正面剖视图。
[0026]图5是本发明的第二实施方式所涉及的振动装置的立体图。
[0027]图6是用于对在第二实施方式中，将未设置有氧化硅层的情况下的TCF的值设为X时，TCF的绝对值为O的厚度比T2/(T1+T2)进行说明的图。
[0028]图7是本发明的第三实施方式所涉及的振动装置的立体图。
[0029]图8是用于对在第三实施方式中，在将未设置有氧化硅层的情况下的TCF的值设为X时，TCF的绝对值为O的厚度比T2/(T1+T2)进行说明的图。
[0030]图9是本发明的第四实施方式的振动装置的立体图。
[0031]图10是表示Si层中的P的掺杂密度与Si层的电阻率的关系的图。
[0032]图11 (a)是本发明的第一实施方式的变形例所涉及的振动装置的正面剖视图，图11(b)是该变形例的振动装置所使用的激发部的局部剖切正面剖视图，图11(c)是在第一实施方式的变形例中，在Si层层叠有氧化硅层的构造的正面剖视图。
【具体实施方式】
[0033]以下，通过参照附图对本发明的具体的实施方式进行说明，来使本发明变得清楚。
[0034]图1 (a)是本发明的第一实施方式所涉及的振动装置的立体图。图1 (b)是其正面剖视图，图1(c)是在第一实施方式中所使用的激发部的局部剖切正面剖视图。
[0035]振动装置I在俯视时，具有矩形板状的形状，该矩形具有一对长边和一对短边。在具有该矩形板状的形状的Si层2上，层叠有氧化硅层3以及激发部4。
[0036]Si层2由简并半导体构成。由于是简并半导体，所以η型掺杂剂的掺杂浓度是I X 119个/cm3以上即可。作为η型掺杂剂能够举出P、As或者Sb等第15族元素。优选作为掺杂剂使用P。在该情况下，能够容易地制造η型的简并半导体。
[0037]在本实施方式中，Si层由以5Χ 1019/cm3的浓度掺杂了磷的η型Si半导体构成。另外，如图10所示，由于磷(P)的掺杂密度是5Χ 119个/cm3，所以电阻率为1.5πιΩ ^cm以下，是简并半导体。
[0038]在本实施方式中，氧化硅层3由S12构成。在本实施方式中，在上述Si层2的上表面层叠有由3102构成的氧化硅层3。
[0039]氧化硅层3并不局限于S12，也能够由具有SiaOb (a、b是整数)的适当的组成的氧化硅系材料构成。
[0040]在本实施方式中，激发部4具有作为压电体层的压电薄膜5、第一电极6、以及第二电极7。第一电极6和第二电极7以夹持压电薄膜5的方式设置。
[0041]并没有对构成上述压电薄膜5的压电材料进行特别限定，但在利用了体波的振动装置中，优选Q值较高。因此，优选使用电气机械结合系数k2较小，但Q值较高的A1N。
[0042]但是，也可以使用ZnO、Sc置换A1N、PZT、KNN等。在Sc置换AlN膜(ScAlN)将Sc和Al的原子浓度设为10at %的情况下，优选Sc浓度是0.5&丨％至50at%左右。
[0043]ScAlN与AlN相比电气机械结合系数k2较大，与PZT、KNN相比机械的Qm较大。因此，若将ScAlN应用于像本发明那样的共振型振子，则具有以下的优点。作为共振型振子的用途有振荡器。例如将在TCXO (温度补偿型振荡器)中内置的温度传感器的信号反馈至与振子串联连接的可变电容元件，使可变电容元件的容量值变化。因此，能够调整振荡频率。此时，若作为压电薄膜代替AlN使用ScAlN，则共振型振子的带宽比扩大。因此，能够扩大振荡频率的调整范围。
[0044]同样，在将ScAlN用于VCXO (电压控减振荡器)的情况下，振荡频率的调整范围扩大。因此，能够通过可变电容元件来调整共振型振子的初始的频率偏差。因此，能够大幅减少频率调整工序的成本。
[0045]第一、第二电极6、7能够由Mo、Ru、Pt、T1、Cr、Al、Cu、Ag、或者它们的合金等的适当的金属形成。
[0046]在本实施方式的振动装置I中，通过对上述第一电极6和第二电极7之间施加交变电场，激发部4被激发。其结果，振动装置I整体沿短边方向伸缩振动。即在短边方向，振动装置I产生反复伸长状态和收缩的状态的伸缩振动。
[0047]本实施方式的特征在于上述氧化硅层3的厚度比以未设置有氧化硅层3的情况下的TCF为基准为特定的厚度的范围内。更具体而言，将未设置有氧化硅层3的情况下的TCF设为X(ppm/K)。未设置有氧化硅层3的情况下的TCF是根据掺杂有磷(P)的Si层2中的掺杂量确定的值。将Si层2的厚度设为Tl，将氧化硅层3的厚度设为T2。在本实施方式中，厚度比 T2/(T1+T2)为下述的式(I) (-0.0003χ2-0.0256X+0.0008) ±0.05…式(I)的范围内。因此，频率温度系数的绝对值显著变小为0±5ppm/°C以内。参照图2对其进行说明。
[0048]图2的横轴是如上述那样，未设置有氧化硅层的情况下的TCF，纵轴是厚度比T2/(T1+T2)。图2中绘制的点在设置有上述氧化硅层3的本实施方式中，是TCF的绝对值是O的情况下的点。而且，曲线A是通过根据上述点近似得到的曲线，用y=-0.0003x2-0.0256x+0.0008 来表不。
[0049]因此，若厚度比T2/(T1+T2)是-0.0003χ2_0.0256χ+0.0008 则 TCF 为 O。另外，根据本申请发明者已经确认若上述厚度比是(-0.0003χ2-0.0256χ+0.0008) ±0.05的范围内，则TCF是O 土 5ppm/ °C的范围内。
[0050]因此，在第一实施方式中，可知根据与Si层2的掺杂量对应的TCF值X，将上述厚度比T2/(T1+T2)设为上述式(I)的范围内，从而显著减小频率温度系数TCF的绝对值，可构成温度特性良好的振动装置I。
[0051]根据本申请发明者们的实验，使用以SXlO1Vcm3以上的浓度添加了磷⑵的Si层2，使上述矩形的长边方向与Si的(100)方向一致的情况下的上述振动特性的TCF约为-3ppm/K。在该情况下，由图2可知，T2/(T1+T2) = 0.08。因此，氧化硅层3的厚度的最佳值为0.8 μπι。
[0052]图3是表示本实施方式的振动装置I的谐振频率变化率dFr/dF (ppm)的温度变化的图。在这里，振动装置I的尺寸的长边=210 μm，短边的长度=140 μπι。另外，Si层2的磷⑵的掺杂量为5X 119个/cm3，S