JP2008035137A

JP2008035137A - 水晶モジュール

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Publication number: JP2008035137A
Application number: JP2006205457A
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Inventors: Takaya Watanabe; 隆彌渡邉
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Priority date: 2006-07-28
Filing date: 2006-07-28
Publication date: 2008-02-14
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Abstract

【課題】水晶振動子機能または水晶発振器機能を有する究極の水晶モジュールを実現すること。
【解決手段】上側のシリコン素子４０１と下側のシリコン素子４０６が接合箇所４０７、４０８で組合され、真空または不活性ガス（Ｎ２、Ａｒ、Ｈｅ）雰囲気中で、３７０℃の温度で金Ｓｉ共晶接合による拡散接合で一体化された状態の断面図である。接合面４１２、４１３は４０２、４０３のフィードスルー部から外部接続用電極ＰＡＤの接続状態を外観から目視で確認できる。４１６，４１７は水晶モジュールの実装用の金電極ＰＡＤである。接合チップ内部に収納される水晶板４１１は、収納された空間４０５、４０９内にあることから、水晶板４１１の外周部を薄膜からなるハニカム構造で保持し、上下に設けられた励振用ギャップ電極４０４、４１０から高周波電界で励振される厚み振動は妨害されない。
【選択図】図４

Description

本発明の水晶モジュールは、高安定性・高品質が要求される移動体通信分野の携帯電話機用や光通信分野における各種基準信号発信源として使用されるエレクトロメカニカル機能部品の心臓部となる特定発明である水晶振動子とその関連発明となる水晶発振器に関する。本発明を適用して製造される水晶モジュールは、半導体製造プロセスを水晶に適用したＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術をベースに製造される。本発明の水晶モジュールで使用する水晶板は、すでに無歪研磨法として確立されているメカノケミカル研磨された水晶板である。このメカノケミカル研磨された水晶板は、ＭＥＭＳ技術により加工されたシリコンウエハまたは石英ガラスウエハまたはセラミックスウエハ内に支持・固定し気密封止される。接合ウエハは、個々の水晶チップに分割するプロセスを採用していることから、一括処理が可能である。しかも多品種少量生産にも対応可能である。本発明の水晶モジュールは、基本波やオーバートーンである３倍波、５倍波、７倍波からなる厚み振動を利用した水晶モジュールである。この水晶モジュールの周波数安定度は、１０^−７／年以下の高安定・高性能である。本発明は、基本波動作のダイヤフラム構造の６０ＭＨｚ以上の高周波の水晶モジュールやコンベクス形状の超高安定ＨｉｇｈＱの水晶モジュールにも適用可能である。

超小型・高安定性が要求される移動体通信機器や光通信機器等の分野において、時間と周波数を制御する水晶発振器は必須のデバイスとしてその地位を確立している。これまでの水晶発振器には、温度補償型水晶発振器（ＴＣＸＯ）、デジタル温度補償型水晶発振器（Ｄ−ＴＣＸＯ）、電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）等がある。切断角度のバラツキの少ない水晶板を選別して水晶振動子を製作し、この水晶振動子とＬＳＩとを抵抗・コンデンサ等の受動部品と組み合わせて、各種高機能水晶発振器を実現している。水晶板は、製造の容易さから、平板加工が主流であり、平板水晶振動子の長期エージング特性は、周波数安定度は１０^−６／年レベルが製造限界となっている。近年のデジタル化で基準信号発生源としては、さらなる周波数安定度の改善が望まれている。これまでの水晶振動子は、ワンバイワン生産方式による生産技術をベースに製造されてきた。時計用水晶振動子やダイヤフラム構造のメサ型水晶振動子においては、フォトリソグラフィ技術や水晶のエッチング技術により、大板の角形水晶に多数個の水晶エッチングパターンや電極膜を形成する。その後、個々の水晶振動子に分離し、シリンダータイプの金属製保持器やセラミックパッケージに収納後、気密封止されてきた。しかしながら現在のＭＥＭＳ技術をベースに考えると、このような水晶の生産方式は時代遅れの感は否めない。ＭＥＭＳ技術を用いてシリコンウエハ上に電磁気素子からなる発振モジュールが提案されている。しかしながら非特許文献１にあるように水晶の機械振動エネルギーの蓄積量は、電気・磁気エネルギーの蓄積量と比較して４桁以上大きく、実現できるＱや周波数安定度は極めて高い。本発明の水晶モジュールは、水晶の固有振動を利用した水晶振動子や水晶発振回路の高機能・超小型化に最適な電子部品である。

特許文献１は、ＭＥＭＳ技術をベースにしたこれまでの高安定水晶振動子が抱える問題を解決できる一つの形態ではあるが、水晶板の支持方法で耐衝撃性や耐振性に懸念が残る。非特許文献２は、機械研磨法により実現できる水晶板の厚みの限界が２６ミクロン（周波数換算で６２ＭＨｚ）である。非特許文献３は、ダイヤフラム構造の水晶板がエッチングにより薄板に加工する方法が採用されている。特許文献２は、水晶板のエッチング加工に適用することでエッチチャンネルやエッチピットの無いメサ水晶加工ができる。

特開２００６−０５０５０８号（第１２頁、図２）特許第３５６４５６４号（第９頁、図１）渡辺隆弥「フィルタについて」、ＮＥＣ技報、Ｖｏｌ．４１、Ｎｏ．１、１９８８渡辺隆弥、他２名、「基本波を用いた６０ＭＨｚ帯ＭＣＦ」、昭和５５年度電子通信学会通信部門全国大会、２０石井修、他２名、「基本波を用いた９０ＭＨｚ帯モノリシック・クリスタル・フィルタ」、１９９２電子通信学会秋季全国大会、Ａ−２２１

本発明が解決しようとする課題は、水晶振動子機能を有する究極の形態である水晶モジュールをいかにして量産に移行させるかである。特に水晶に電極膜を形成しない空隙式水晶振動子は、基本的にメカノケミカル研磨された水晶板の表面に電極膜を形成しない無電極状態で使用する。本発明は、ＭＥＭＳ技術により加工された二枚のウエハ内に無電極の周波数調整された水晶板を収納し気密封止後、個々の水晶モジュールに分割するプロセスを採用しているが多品種少量生産にも対応可能である。本発明は、極めて安定な電流特性を有し、かつ優れた長期エージング特性を保ちながら耐衝撃性と耐振性を備えた高安定な水晶モジュールを提供できる。

本発明が解決しようとするもう一つの課題は、これまでの水晶発振器の大きな弱点を解決することである。水晶発振器は、シリコン基板への集積が難しいこと、外形寸法を小さくするためのコストが掛かりすぎること、製造方法やパッケージに業界標準が存在しないこと、熱や衝撃、振動に弱いことである。本発明の水晶モジュールを使用することで、エレクトロニクス業界はこれまでの水晶発振器の性能を犠牲にすることなく従来の水晶発振器の弱点を克服することができる。本発明の水晶モジュールを高安定な水晶発振器とするには、水晶モジュールを構成する接合シリコンウエハに周波数調整機能をもった発振回路が組み込まれているウエハを使用することで解決する。

本発明の水晶モジュールは、シリコンまたは石英ガラスまたはセラミックスからなる対向する二枚のウエハの内部に形状加工によるエネルギー閉じ込め水晶板を収納する空間を設けて真空または不活性ガス（Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅ）中の接合（常温接合、拡散接合等）で一体化し個々の水晶モジュールに分離してなる水晶モジュールである。具体的には、接合ウエハの一方のウエハに凹部を形成する手段とこの凹部に電極を形成する手段とこの凹部にセル構造体で水晶板を支持・固定する手段とウエハの裏面から電気的接続のためのフィードスルーを形成する手段を備え且つ水晶板を収納する凹部の周辺に表面を薄膜で被った接合用凹部が形成されている。接合ウエハの他方のウエハは、ウエハに凹部を形成する手段と凹部に電極を形成する手段とこの凹部にセル構造体で水晶板を支持・固定する手段を備え且つ水晶板を収納する凹部の周辺には表面を薄膜で被った接合用凸部から構成されている。本発明で使用するセル構造体としては、真空成膜または微小メッキからなるバンプまたはダマシンメッキ、または膜内部に空隙（フォーム）をもつ発泡金属またはエポキシポリマーからなるハニカムまたはフォームである。セル構造体としてウエハ基板であるシリコンまたは石英ガラスまたはセラミックスを使用する場合は、エッチングによりウエハ基板の表面を図８のような六角形のハニカム形状に加工する。本発明で使用される水晶板は、メカノケミカル研磨され研磨用クロスの選定で水晶はバイコンベクス状に加工される。水晶板は、必然的に形状によるエネルギー閉じ込めが実現される。本発明で使用される水晶板は、あらゆる周波数において優れたＣＩを有する形状加工されたエネルギー閉じ込め水晶板である。半導体シリコンウエハで電極形成時の絶縁層として使用する絶縁膜は、プラズマＣＶＤによるＳｉＮ_ｘ膜、ＳｉＯ_２膜やスパッタ法によるＳｉＯ_２膜や電子ビーム蒸着によるＳｉＯ_２膜、ＴｉＯ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３膜である。本発明で使用する水晶素子は、水晶表面に電極は形成しないことが望ましい。しかしながら形状加工によるエネルギー閉じ込めが十分でない水晶板の場合、Ｑを高めるため質量負荷によるエネルギー閉じ込め電極を水晶板の表面に形成することがある。この場合、電極からのアウトガスの発生や電極を水晶表面に形成したときの応力ひずみを開放した構造の電極膜からなる水晶素子であれば、本発明の水晶モジュールとして使用することは可能である。なお、凹部に設けられた励振用ギャップ電極で発生する電界により効率的な厚み振動を励振できることから、あえて水晶表面に設けられたエネルギー閉じ込め電極とパターンによる直接接続や機械的電気接続は必要としない。

本発明の水晶モジュールは、シリコンウエハまたは石英ガラスウエハまたはセラミックスウエハ内に水晶板を収納する空間を設けて真空または不活性ガス（Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅ）中のウエハ接合で一体化し個々に分離してなる水晶モジュールである。ウエハ内の凹部に薄膜またはウエハ材からなるセル構造体により、形状加工によるエネルギー閉じ込め水晶板を支持・固定収納し緩衝作用を有したセル構造体で軽量・堅牢に固定する構造としている。ウエハ接合前の工程で水晶板を収納する筐体内に内在する有機溶剤や付着ガス等の汚染物を遠紫外線（ＵＶ）照射またはイオン照射で清浄化する工程と熱エージング後、真空または不活性ガス（Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅ）中で二枚の接合ウエハを気密封止後、個々の水晶モジュールに分離される工程からなる。本発明は、マイクロマシーンニングをベースにした半導体製造工程を適用することにより、１０^−７／年レベル以下の周波数安定度を有する高安定・高性能な表面実装タイプの水晶モジュールが、低コストで量産化できることである。本発明の水晶モジュールは、水晶板の収容されたウエハ素子内部に長期的なアウトガス発生源となる有機系接着剤やステンレス容器を使用していない。

以上のとおり、本発明の水晶モジュールは、１０ＭＨｚ〜６０ＭＨｚの基本波での周波数と高調波成分である３倍波、５倍波、７倍波からなる約２００ＭＨｚまでの水晶振動子やダイヤフラム構造で６０ＭＨｚ以上の基本波動作の高周波の水晶振動子に適用可能である。本発明の水晶モジュールは、１０^−７レベル／年以下の周波数安定度を有する高安定・高性能な水晶モジュールを再現性よくかつ多量に一括生産できる。本発明の水晶モジュールは、容器内部のアウトガスの発生量を極めて小さくほとんど無視できるレベルに抑えることができる。本発明の水晶モジュールは、１０^−９／年〜１０^−１０／年レベル以下の周波数安定度を有するマスター並みの超高安定な水晶モジュールが実現可能である。本発明の水晶モジュールは、汚染物や水晶素子に内在する歪を抑えることで更なる高安定な水晶モジュールが得られる。したがって、本発明の水晶モジュールの工業的価値は極めて高い。

本発明の水晶モジュールは、シリコンまたは石英ガラスまたはセラミックスからなる対向する二枚のウエハの内部に水晶板を収納する空間を設けて真空または不活性ガス（Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅ）中の接合（常温接合、拡散接合等）で一体化し個々の素子に分離してなる水晶モジュールである。具体的には、接合ウエハの一方のウエハに凹部を形成する手段とこの凹部に励振用ギャップ電極を形成する手段とこの凹部に薄膜またはウエハ材からなるハニカムやフォームであるセル構造体で水晶板を支持・固定できるようにする手段と裏面から電気的接続のための手段が施されている。接合ウエハの他方のウエハの凹部に電極を形成する手段とこの凹部にセル構造体で水晶板を支持・固定できるようにする手段とこの凹部に水晶板を収納する空間の周辺に薄膜で被った凸部が形成されている。一方のウエハの凹部と他方のウエハの凸部とを組合せ、真空または不活性ガス（Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅ）中で比較的低い３７０℃の温度で金Ｓｉ共晶接合による拡散接合で一体化した後、個々の素子に分離してなる。

図１は、本発明の水晶モジュールの基本製造プロセスであり、ウエハ基板は、シリコンウエハを対象として述べる。ウエハ基板が石英ガラス基板（絶縁基板）やセラミックス基板（絶縁物）の場合は、プロセスＰ００３とプロセスＰ００８の絶縁層を形成するプロセスは必要ない。接合ウエハの一方のウエハ：Ａでは、プロセスＰ００１でシリコンウエハの素子の内部にエッチング等の手段により凹部を形成後、凹部内にセル構造体による水晶板の支持・固定箇所を形成する。プロセスＰ００２でシリコンウエハの素子の外周部に接合用凹部、最底部に励振用電極を形成する。プロセスＰ００３でシリコンウエハの素子の内部に絶縁層を介してギャップ電極と引出電極を形成する。プロセスＰ００４でシリコンウエハの素子の外周部に形成された接合用凹部の表面を金薄膜で被う。接合ウエハの他方のウエハ：Ｂでは、プロセスＰ００５ではシリコンウエハの裏面から異方性エッチングで電気的接続用フィールドスルーを形成する。シリコンウエハの異方性エッチングは、時間がかかるのでシリコン表面からも異方性エッチングで加工し、エッチング時間を短縮している。フィールドスルー部のエッチング深さは、シリコンウエハの厚みの半分程度にする。プロセスＰ００６でシリコン素子にエッチング等の手段により凹部を形成後、凹部内にセル構造体による形状加工によるエネルギー閉じ込め水晶板の支持・固定箇所を形成する。プロセスＰ００７でシリコンウエハの素子の外周部に形成された接合用凸部、最底部に励振用電極を形成する。Ｐ００８でシリコンウエハの素子の内部に絶縁層を介してギャップ電極と引出電極を形成する。プロセスＰ００９でシリコンウエハの素子の外周部に形成された接合用凸部の表面を金薄膜で被う。プロセスＰ０１０でシリコンウエハＡとシリコンウエハＢの内部の清浄化と熱エージングを行なう。この工程で水晶板を収納するウエハ筐体内に内在する有機溶剤や付着ガス等の汚染物を遠紫外線（ＵＶ）照射またはイオン照射で清浄化する。プロセスＰ０１１でシリコンウエハＡに形成された凹部にウエハ材の上に真空成膜または微小メッキまたは発泡金属またはエポキシポリマーまたはウエハ材でセル構造体を形成し、形状加工によるエネルギー閉じ込め水晶板を支持・固定する。プロセスＰ０１２は一方のウエハＡの凹部と他方のウエハＢの凸部とを接合する。ここで、採用している接合は、強固な凹凸の組合せ接合による封止である。デバイスが小型すればするほど、外部環境変化に対して素子の気密性は高くなる。プロセスＰ０１３で真空または不活性ガス（Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅ）中にて例えば３７０℃の温度での金Ｓｉ共晶接合による拡散接合で一体化する。このとき、電気的接続用フィールドスルーは、接合ウエハに形成された電極ＰＡＤと電気的に接続されている。プロセスＰ０１４では、ダイシングソーで個々に分離して水晶モジュールを得る。

図２は、本発明で実現される水晶モジュールの接合ウエハの一方のウエハ素子の平面図Ａと断面図Ｂである。ウエハに形成される素子のサイズは２ｍｍ×１．６ｍｍ×０．４ｍｍである。例えば（１００）面シリコン基板２０１に凹部２０２をシリコンの異方性エッチングで形成する。この作製された凹部２０２を囲む外周部に凸部２０７を同様にシリコンの異方性エッチングで形成する。凸部２０７は、図３に示すウエハ素子に形成された凹部３０７と接合するための接合箇所である。凹部２０２の最底部には、絶縁膜上に水晶の厚み振動を励振するΦ０．６ｍｍのギャップ電極（下地Ｃｒ：１００Å、上部に金電極：２０００Å）２０３と引出電極２０４がパターンで接続され、外部引出電極ＰＡＤ２１０と電気的につながっている。基板２０１が石英ガラス（絶縁物）やセラミックス（絶縁物）の場合は、電極形成時の絶縁膜は必要としない。セル構造体２０５は、メカノケミカル研磨された水晶板（Φ１ｍｍ、厚み５５μｍ）の支持・固定に使用する。セル構造体として、ここでは、真空成膜を採用した。セル構造体は、下地Ｃｒ：３００Å、上部に金電極：２μｍの蒸着膜を、フォトレソグラフィ技術で一辺が４μｍの六角形のハニカム形状に加工した。２０６は円形の形状加工によるエネルギー閉じ込め水晶板の外周部を支持・固定するセル構造体を囲むシリコンである。２１０と２１１は、フィードスルー２０８、２０９を通して、電気的接続を確保している電極ＰＡＤである。フィードスルー２０８、２０９は、シリコン基板２０１の裏面からエッチングされた四角錐状の貫通孔である。

図３は、本発明で実現される水晶モジュールの接合ウエハの他方のウエハ素子の平面図Ａと断面図Ｂである。ウエハに形成される素子のサイズは２ｍｍ×１．６ｍｍ×０．４ｍｍである。シリコン基板３０１に凹部３０２をシリコンの異方性エッチングで形成する。この作製された凹部３０２を囲む接合用外周部に凹部３０７を同様にシリコンの異方性エッチングで形成する。凹部３０７は、図２に示すチップに形成された凸部２０７と接合するための接合箇所である。凹部３０２の最底部には、絶縁膜上に水晶の厚み振動を励振するΦ０．６ｍｍのギャップ電極（下地Ｃｒ：１００Å、上部に金電極：２０００Å）３０３と引出電極３０４がパターンで接続され、外部引出電極ＰＡＤ３０９と電気的につながっている。基板３０１が石英ガラス（絶縁物）やセラミックス（絶縁物）の場合は、電極形成時の絶縁膜は必要としない。３０５はメカノケミカル研磨された水晶板（Φ１ｍｍ、厚み５５μｍ）の外周部をセル構造体で支持するためのシリコンである。セル構造体は、下地Ｃｒ：３００Å、上部に金電極：２μmの蒸着膜を、フォトレソグラフィ技術で一辺が４μｍの六角形のハニカム形状に加工した。３０６は円形の形状加工によるエネルギー閉じ込め水晶板の外周部を支持・固定するセル構造体を囲むシリコンである。３０８と３０９は、電気的接続を確保するための電極ＰＡＤである。

図４は、接合後に分割して得られた本発明の外形サイズが２ｍｍ×１．６ｍｍ×０．８ｍｍの共振周波数３０ＭＨｚ、ＣＩ＝２３Ωの水晶モジュールの断面図である。上側のシリコン素子４０１と下側のシリコン素子４０６が接合箇所４０７、４０８で組合され、真空または不活性ガス（Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅ）中で、例えば３７０℃の温度で金Ｓｉ共晶接合による拡散接合で一体化された状態の断面図である。接合面４１２、４１３は４０２、４０３のフィードスルー部から外部接続用電極ＰＡＤの接続状態を外観から目視で確認できる。４１６，４１７は
水晶モジュールの実装用の金電極ＰＡＤである。接合チップ内部に収納される水晶板４１１は、収納された空間４０５、４０９内にあることから、バイコンベクス形状に加工された水晶板４１１の外周部を薄膜からなるセル構造体４１２，４１３，４１４，４１５で支持・固定し、上下に設けられた励振用ギャップ電極４０４、４１０から高周波電界で励振された厚み振動は妨害されない。本来は、形状加工によるバイコンベクスやプラノコンベクス形状のエネルギー閉じ込め水晶板の表面には電極が形成されていないことが望ましいが、励振用電極を形成した水晶素子であってもよい。

図５は、本発明で実現されるメサ構造水晶板（メサ加工前のメカノケミカル研磨された母水晶板３．２ｍｍ×２ｍｍ×８０μｍ、メサ部の寸法１．６ｍｍ×１．５ｍｍ×１１μｍ：共振周波数換算で１５５ＭＨｚ）を使用する高周波帯の水晶モジュールの接合ウエハの一方のウエハ素子の平面図Ａと断面図Ｂである。ウエハに形成される素子のサイズは５ｍｍ×４ｍｍ×０．４ｍｍのシリコン基板５０１に凹部５０２をシリコンの異方性エッチングで形成する。この作製された凹部５０２を囲む外周部に凸部５０５を同様にシリコンの異方性エッチングで形成する。凸部５０５は、図６に示す素子に形成された凹部６０６と接合するための接合箇所である。凹部５０２には、絶縁膜上に水晶の厚み振動を励振するギャップ電極５０６と引出電極５０７がパターンで接続され、外部引出電極ＰＡＤ５１０と電気的につながっている。基板５０１が石英ガラス（絶縁物）やセラミックス（絶縁物）の場合は、電極形成時の絶縁膜は必要としない。５０３はメサ構造の水晶板の外周部を支持・固定するための、ハニカム構造のセル構造体である。セル構造体としてウエハ基板であるシリコンを異方性エッチングにより、ウエハ基板の表面の高さ４μｍ、一辺１０μｍの六角形のハニカム形状に加工している。５０４はメサ構造の水晶板の外周部を支えるセル構造体を囲むシリコンである。５１０と５１１は、フィードスルー５０８、５０９を通して、電気的接続を確保している電極ＰＡＤである。フィードスルー５０８、５０９は、シリコン基板５０１の裏面からエッチングされた貫通孔である。

図６は、本発明で実現されるメサ構造の水晶モジュールの接合ウエハの他方のウエハ素子の平面図Ａと断面図Ｂである。ウエハに形成される素子のサイズは５ｍｍ×４ｍｍ×０．４ｍｍである。シリコン基板６０１に凹部６０２の中央部に凸部６０３をシリコンの異方性エッチングで形成する。この作製された凹部６０２を囲む外周部に凹部６０６を同様にシリコンの異方性エッチングで形成する。凹部６０６は、図５に示すチップに形成された凸部５０５と接合するための接合箇所である。凹部６０２の最底部には、メサ構造の水晶板を効率よく励振するための凸部６０３上に厚み振動を励振するギャップ電極６０７を形成し、このギャップ電極６０７と引出電極６０８がパターンで接続され、外部引出電極ＰＡＤ６１０に電気的につながっている。基板６０１が石英ガラス（絶縁物）やセラミックス（絶縁物）の場合は、電極形成時の絶縁膜は必要としない。６０４はメサ構造水晶板（メサ加工前のメカノケミカル研磨された母水晶板３．２ｍｍ×２ｍｍ×８０μｍ、メサ部の寸法１．６ｍｍ×１．５ｍｍ×１１μｍ：共振周波数換算で１５５ＭＨｚ）の外周部を支持・固定するための、ハニカム構造のセル構造体である。セル構造体としてウエハ基板であるシリコンを異方性エッチングにより、ウエハ基板の表面の高さ４μm、一辺１０μｍの六角形のハニカム形状に加工している。６０５はメサ構造水晶板の外周部を支えるセル構造体を囲むシリコンのフレームである。６０９と６１０は、電気的接続を確保するための電極ＰＡＤである。

図７は、本発明のメサ構造の高周波帯の外形サイズが５ｍｍ×４ｍｍ×０．８ｍｍの１５５ＭＨｚ基本波の水晶モジュールの断面図である。上側のシリコン素子７０１と下側のシリコン素子７１２が組合せ箇所７０７、７０８で合され、真空中または不活性ガス（Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅ）中で、例えば３７０℃の温度で金Ｓｉ共晶接合による拡散接合で一体化された状態である。接合面７１５、７１６は７０２、７０３のフィードスルー部から外部接続用電極ＰＡＤの接続状態が目視で確認できる。７２３，７２４は水晶モジュールの実装用の金電極ＰＡＤである。接合チップ内部に形成されるメサ構造水晶板（メサ加工前の母水晶板３．２ｍｍ×２ｍｍ×８０μｍ、メサ部の寸法１．６ｍｍ×１．５ｍｍ×１１μｍ：共振周波数換算で１５５ＭＨｚ）７１７をセル構造体７１０、７１９、７１１、７２０で水晶板７１７を支持・固定できる構造になっている。エッチングによりメサ部が平行平板に加工されているため、メサ構造水晶板７１７にエネルギー閉じ込め電極７２１、７２２を形成し、水晶モジュールとしてのＱの向上を図っている。７２１、７２２の電極の膜厚は、下地Ｃｒ５０Å、Ａｕ２５０Åの二層構造とした。セル構造体としては、ウエハ基板であるシリコンを異方性エッチングにより、ウエハ基板の表面の高さ４μｍ、一辺１０μｍの六角形のハニカム形状に加工している。空間７０６、７０９内にメサ構造水晶板７１７があるが、メサ構造水晶板７１７の上下に設けられたギャプ電極７０４、７１３とこのギャプ電極７０４、７１３からパターン的に接続されている引出電極７０５，７１４がある。ギャプ電極７０４、７１３からの高周波電界で励振される厚み振動は、空間７０６、７０９で振動妨害されない。メサ構造の厚さ１０μｍの水晶片の効率的な励振効率を確保するためギャップ電極７１３は、凸部７１８の上に形成されている。水晶板７１７は、メサ構造水晶板の他に、方形の水晶板であるバイコンベクス形状に加工した水晶板やプラノコンベクス形状に加工した水晶板が使用できるということは言及するまでもない。

図８は、最も単純な蜂の巣の六角形状のセル構造体である。二次元的に配列した六角形のハニカム８０１、８０２、８０３、８０４は六角形のセル構造体である。セル構造体のハニカムコアは、次のような特徴を持つ。
（１）衝撃または圧縮によりハニカムは、座屈を開始し、衝撃エネルギーを吸収する。
（２）軽量で強度が高い。
（３）ハニカム構造にすることで熱伝導度が低くなるため、断熱性が高い。
（アルミハニカム：熱伝導度０．５Ｋｃａｌ／ｍｈ℃、アルミニウム：１９６Ｋｃａｌ／ｍｈ℃）

図９は、接合後に分割して得られた本発明の外形サイズが２ｍｍ×１．６ｍｍ×０．８ｍｍの発振周波数３０ＭＨｚの水晶モジュールの断面図である。上側の周波数調整機能を有する発振回路９１６が組み込まれているシリコン素子９０１（図中には、水晶板９１１との接続ラインは表示していない）と下側のシリコン素子９０６が接合箇所９０７、９０８で組合され、真空または不活性ガス（Ｎ_２、Ａｒ、Ｈｅ）中で、例えば３７０℃の温度で金Ｓｉ共晶接合による拡散接合で一体化された状態の断面図である。接合面９１２、９１３は９０２、９０３のフィードスルー部から外部接続用電極ＰＡＤの接続状態を外観から目視で確認できる。９１７，９１８は水晶モジュールの実装用の金電極ＰＡＤである。接合チップ内部に収納される水晶板９１１は、収納された空間９０５、９０９内にあることから、バイコンベクス形状に加工された水晶板９１１の外周部を薄膜からなるセル構造体９１２，９１３，９１４，９１５で支持・固定し、上下に設けられた励振用ギャップ電極９０４、９１０から高周波電界で励振された厚み振動は妨害されない。

本発明の水晶モジュールの基本製造プロセスである。本発明の水晶モジュールを構成するパーツの接合ウエハの一方の加工ウエハ素子の平面図Ａと断面図Ｂである。本発明の水晶モジュールを構成するパーツの接合ウエハの一方の加工ウエハ素子の平面図Ａと断面図Ｂである。本発明の水晶モジュールの断面図である。本発明のメサ構造の水晶モジュールを構成するパーツの接合ウエハの一方の加工ウエハ素子の平面図Ａと断面図Ｂである。本発明のメサ構造の水晶モジュールを構成するパーツの接合ウエハの他方の加工ウエハ素子の平面図Ａと断面図Ｂである。本発明のメサ構造の水晶モジュールの断面図である。本発明で使用されるハニカム構造のセル構造体である。本発明の周波数調整手段をもった発振回路の組み込まれた水晶モジュールの断面図である。

符号の説明

Ｐ００１凹部形成プロセス
Ｐ００２凹部形成プロセス
Ｐ００３電極形成プロセス
Ｐ００４凹部、金薄膜形成プロセス
Ｐ００５フィードスルー形成プロセス
Ｐ００６水晶板保持部形成プロセス
Ｐ００７凸部、凹部形成プロセス
Ｐ００８電極形成プロセス
Ｐ００９凸部に金薄膜形成プロセス
Ｐ０１０清浄化、熱エージングプロセス
Ｐ０１１水晶板固定プロセス
Ｐ０１２接合プロセス
Ｐ０１３共晶接合プロセス
Ｐ０１４ダイシングプロセス
２０１シリコン基板
２０２凹部
２０３ギャップ電極
２０４引出電極
２０５水晶板
２０６シリコン
２０７凸部
２０８フィードスルー
２０９フィードスルー
２１０外部引出電極ＰＡＤ
２１１電極ＰＡＤ
３０１シリコン基板
３０２凹部
３０３ギャップ電極
３０４引出電極
３０５セル構造体
３０６シリコン
３０７凹部
３０８電極ＰＡＤ
３０９電極ＰＡＤ
４０１素子
４０２フィードスルー
４０３フィードスルー
４０４ギャップ電極
４０５空間
４０６素子
４０７接合箇所
４０８接合箇所
４０９空間
４１０ギャップ電極
４１１バイコンベクス水晶板
４１２セル構造体（ハニカム）
４１３セル構造体（ハニカム）
４１４セル構造体（ハニカム）
４１５セル構造体（ハニカム）
４１６金電極ＰＡＤ
４１７金電極ＰＡＤ
５０１シリコンウエハ
５０２素子
５０３セル構造体
５０４シリコン
５０５凸部
５０６ギャップ電極
５０７引出電極
５０８フィードスルー
５０９フィードスルー
５１０電極ＰＡＤ
５１１電極ＰＡＤ
６０１シリコン基板
６０２凹部
６０３凸部
６０４セル構造体
６０５シリコン
６０６凹部
６０７ギャップ電極
６０８ギャップ電極
６０９電極ＰＡＤ
６１０電極ＰＡＤ
７０１シリコン素子
７０２電極ＰＡＤ
７０３電極ＰＡＤ
７０４シリコン
７０５引出電極
７０６ギャップ電極
７０７接合箇所
７０８接合箇所
７０９空間
７１０セル構造体（シリコン）
７１１セル構造体（シリコン）
７１２シリコン素子
７１３ギャップ電極
７１４引出電極
７１５接合面
７１６接合面
７１７メサ構造水晶板
７１８凸部
７１９セル構造体（シリコン）
７２０セル構造体（シリコン）
７２１エネルギー閉じ込め電極
７２２エネルギー閉じ込め電極
７２３金電極ＰＡＤ
７２４金電極ＰＡＤ
８０１ハニカムコア
８０２ハニカムコア
８０３ハニカムコア
８０４ハニカムコア
９０１素子
９０２フィードスルー
９０３フィードスルー
９０４ギャップ電極
９０５空間
９０６素子
９０７接合箇所
９０８接合箇所
９０９空間
９１０ギャップ電極
９１１バイコンベクス水晶板
９１２セル構造体（ハニカム）
９１３セル構造体（ハニカム）
９１４セル構造体（ハニカム）
９１５セル構造体（ハニカム）
９１６周波数調整機能を有する発振回路
９１７金電極ＰＡＤ
９１８金電極ＰＡＤ

Claims

シリコンまたは石英ガラスまたはセラミックスからなる対向する二枚のウエハの内部に水晶板を収納する空間を設けて真空または不活性ガス中でウエハ接合により一体化し個々に分離してなる水晶モジュールにおいて、接合ウエハの一方のウエハの凹部に水晶板を支持・固定できるセル構造体と励振用ギャップ電極と引出電極が形成され裏面から電気的接続のためのフィードスルーを形成する手段が施され且つ水晶板を収納する凹部の周辺に表面を薄膜で被った接合用凹部が形成され、接合ウエハの他方のウエハの凹部に水晶板を支持・固定できるセル構造体と励振用ギャップ電極と引出電極が形成されて且つ水晶板を収納する凹部の周辺に表面を薄膜で被った接合用凸部が形成されこれら二枚のウエハからなる空間内に水晶板を収納し真空または不活性ガス中にてウエハ接合で一体化し個々に分離されてなることを特徴とする水晶モジュール。
接合ウエハの少なくも一つは発振回路が組み込まれたシリコンウエハであることを特徴とする請求項１記載の水晶モジュール。
凹部内の水晶板を支持・固定できるセル構造体は真空成膜または微小メッキまたは発泡金属またはポリマーまたはシリコンまたは石英ガラスまたはセラミックスからなることを特徴とする請求項１記載の水晶モジュール。
水晶板をプラノコンベクス形状又はバイコンベクス形状又はメサ形状に加工されてなる水晶板であることを特徴とする請求項１記載の水晶モジュール。
水晶板をプラノコンベクス形状又はバイコンベクス形状又はメサ形状に加工されてなる水晶板の表面に電極が形成されてなることを特徴とする請求項１記載の水晶モジュール。