JP2008211543A - 水晶振動子および水晶振動子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な振動特性を維持しながら信頼性が高い接合を可能とするＣＳＰ構造の水晶振動子と、この水晶振動子の製造方法を提供する。
【解決手段】振動腕１２と振動腕１２の平面方向周囲を取り囲む枠部１３とを有する水晶振動片１１と、水晶振動片１１の表面側を覆い枠部１３に対向する位置に平面部２３を備え、平面部２３にシリコン酸化膜２５を有する第１蓋体２１と、水晶振動片１１の裏面側を覆い枠部１３に対向する位置に平面部３３を備え、平面部３３にシリコン酸化膜３５を有する第２蓋体３１と、が備えられ、第１蓋体２１および第２蓋体３１に形成されたシリコン酸化膜２５，３５の表面がフッ化処理されており、水晶振動片１１の枠部１３と第１蓋体２１および第２蓋体３１の平面部２３，３３とがシリコン酸化膜２５，３５を介して接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓋体と水晶振動片とを接着剤を用いずに接合してパッケージングされる水晶振動子および、この水晶振動子の製造方法に関する。

従来から、被接合物同士の接合面をプラズマ処理にてＯＨ基を付着させて親水化し、両者を加熱・加圧して接合する方法が知られている。また、接合強度を向上させるために、被接合物の接合面をイオン衝撃力の強いプラズマでエッチングした後、イオン衝撃力の弱いプラズマでＯＨ基を付着させる２段階の処理が行われ、被接合物を加熱・加圧して接合する方法が特許文献１に開示されている。

特許第３７５１９７２号公報

しかしながら、このような接合方法をＣＳＰ（チップサイズパッケージ）構造の水晶振動子に適応する場合、次のような問題がある。
まず、イオン衝撃力の強いプラズマを励振電極が形成された水晶振動片に照射することで水晶、励振電極の両者がエッチングされて振動子の周波数が変化してしまうことがある。つぎに、イオン衝撃力の弱いプラズマを水晶振動片に照射すると、ＯＨ基が振動励振面に付着して、水晶振動子としてのＣＩ（Crystal Impedance）値が上昇して振動特性が劣化するという問題がある。
本発明は、上記の課題を解決することを目的とし、良好な振動特性を維持しながら信頼性が高い接合を可能とするＣＳＰ構造の水晶振動子と、この水晶振動子の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の水晶振動子は、振動腕と該振動腕の平面方向周囲を取り囲む枠部とを有する水晶振動片と、前記水晶振動片の表面側を覆い前記枠部に対向する位置に平面部を備え、該平面部にシリコン酸化膜を有する第１蓋体と、前記水晶振動片の裏面側を覆い前記枠部に対向する位置に平面部を備え、該平面部にシリコン酸化膜を有する第２蓋体と、が備えられ、前記第１蓋体および前記第２蓋体に形成された前記シリコン酸化膜の表面がフッ化処理されており、前記水晶振動片の前記枠部と前記第１蓋体および前記第２蓋体の前記平面部とが前記シリコン酸化膜を介して接合されていることを特徴とする。

この発明の水晶振動子は、水晶振動片を第１蓋体と第２蓋体で挟持するよう積層してパッケージングしたＣＳＰ構造である。ここで、フッ化処理は水晶振動片には施さず第１蓋体と第２蓋体に施すため、水晶振動片にはフッ化処理によるＣＩ値上昇などの振動特性の劣化がない。そして、第１蓋体および第２蓋体の平面部に形成されるシリコン酸化膜表面をフッ化処理して接合表面を活性化し、水晶振動片の枠部と接合することで接合強度が高く、高信頼性を有する水晶振動子を提供することができる。

本発明の水晶振動子は、前記第１蓋体および前記第２蓋体がシリコン、水晶、石英、ガラスの中から選択される材料で形成されていることが望ましい。

第１蓋体および第２蓋体の材料として、シリコン、水晶、石英、ガラスの中から選択される材料を用いることで、シリコン酸化膜と密着強度の良い蓋体を得ることができ、接合強度が高く、高信頼性を有する水晶振動子を得ることができる。また、第１蓋体および第２蓋体を水晶で形成した場合、それぞれの線膨張係数を同一にすることができ、熱変化によるパッケージの接合面にかかる応力を小さくすることができる。このことから、接合の信頼性および振動特性の良好な振動子を提供することができる。

また、本発明の水晶振動子の製造方法は、振動腕と該振動腕の平面方向周囲を取り囲む枠部とを有する水晶振動片を形成する工程と、前記水晶振動片の表面側の前記枠部に対向する平面部を備え、該平面部にシリコン酸化膜を有する第１蓋体を形成する工程と、前記水晶振動片の裏面側の前記枠部に対向する平面部を備え、該平面部にシリコン酸化膜を有する第２蓋体を形成する工程と、前記第１蓋体および前記第２蓋体の前記シリコン酸化膜の表面をフッ化処理する工程と、前記第１蓋体と前記水晶振動片と前記第２蓋体とを順に積層して酸素または水と接触しないように維持しつつ、それぞれを接合する工程と、を含むことを特徴とする。

この発明の水晶振動子は、水晶振動片を第１蓋体と第２蓋体で挟持するよう積層してパッケージングしたＣＳＰ構造である。
この水晶振動子の製造方法によれば、フッ化処理は水晶振動片には施さず第１蓋体と第２蓋体に施すため、水晶振動片にはフッ化処理によるＣＩ値上昇などの振動特性の劣化がない。そして、第１蓋体および第２蓋体の平面部に形成されるシリコン酸化膜表面をフッ化処理して接合表面を活性化し、水晶振動片の枠部と接合することで接合強度が高く、高信頼性を有する水晶振動子の製造方法を提供することができる。

本発明の水晶振動子の製造方法は、前記フッ化処理する工程および前記接合する工程が大気圧環境下で行うことが望ましい。

この水晶振動子の製造方法によれば、フッ化処理および接合工程が大気圧環境で行えるため、減圧または高圧環境にするためのチャンバー等の製造設備が不要で、安価な設備でフッ化処理を行うことができる。

本発明の水晶振動子の製造方法は、前記第１蓋体と前記水晶振動片と前記第２蓋体とを接合する工程が、窒素雰囲気で行うことが望ましい。

この水晶振動子の製造方法によれば、第１蓋体と水晶振動片と第２蓋体とを接合する工程を窒素雰囲気で行うことで、容易に酸素または水と接触しない環境に維持してそれぞれを接合することができる。

本発明の水晶振動子の製造方法は、前記フッ化処理が、反応性フッ化ガスと水蒸気との混合ガス、または放電により発生した活性フッ素ガスを前記酸化シリコン膜の表面に接触させることにより行われることが望ましい。

この水晶振動子の製造方法によれば、シリコン酸化膜の表面に、反応性フッ化ガスと水蒸気との混合ガス、または放電により発生した活性フッ素ガスを接触させることで、フッ素がシリコン酸化膜中に取り込まれ、表面を活性化させることができる。取り込まれるフッ素の量や深さはフッ化処理の条件によるが、反応性フッ化ガスと水蒸気との混合ガス、または放電により発生した活性フッ素ガスを用いれば、条件設定がしやすいという効果もある。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
（水晶振動子）

図１は本発明の実施形態に係る水晶振動子の構成を示す構成図であり、図１（ａ）は模式平面図、図１（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う模式断面図である。
図１において、水晶振動子１は、水晶振動片１１の表面に第１蓋体２１、裏面に第２蓋体３１が積層され、それぞれを接合したＣＳＰ構造を有している。

水晶振動片１１は、平面中央部に形成された振動腕１２、振動腕１２を取り囲む枠部１３とを有している。そして、振動腕１２の表裏両面にはそれぞれ電気的に独立する励振電極１５ａ，１５ｂが形成されている。また、励振電極１５ａ，１５ｂに接続された接続電極１６が枠部１３に形成されている。なお、励振電極１５ａ，１５ｂおよび接続電極１６はＣｒ膜を下地とするＡｕ膜にて形成されている。

第１蓋体２１はシリコンからなり、略中央部に凹部２２が穿設されて、振動腕１２が振動したときに接触しないように構成されている。第１蓋体２１の外周縁の平面部には、凹部２２を取り囲むようにシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）２５が形成されている。そして、シリコン酸化膜２５の表面はフッ化処理が施され、活性化された界面が構成される。

第２蓋体３１は、シリコンからなり、略中央部に凹部３２が穿設されて、振動腕１２が振動したときに接触しないように構成されている。第２蓋体３１の外周縁の平面部には、凹部３２を取り囲むようにシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂膜）３５が形成されている。そして、シリコン酸化膜３５の表面はフッ化処理が施され、活性化された界面が構成される。

また、第２蓋体３１には接続穴３７が穿設され、この接続穴３７に金属などの導通材４０が充填されて水晶振動片１１の接続電極１６と接続している。そして、第２蓋体３１の裏面には、導通材４０と接続する外部接続端子４１が形成される。
さらに、第２蓋体３１の凹部３２には内外を連通する封止穴３８が開設されており、水晶振動片１１と第１蓋体２１と第２蓋体３１とを接合したのち、凹部２２，３２内を減圧した後、封止材５０によって気密封止される。

上述したように構成された各要素は、下方から第２蓋体３１、水晶振動片１１、第１蓋体２１の順に積層され、水晶振動片１１の枠部１３と第２蓋体３１の外周縁部および第１蓋体２１の外周縁部とを正確に位置決めして、加熱圧接することで一体に接合して水晶振動子１が構成される。
このような水晶振動子１は、振動腕１２が凹部２２，３２内で自在に振動可能であり、凹部２２，３２内は減圧雰囲気である。そして、励振電極１５ａ，１５ｂは、接続電極１６、導通材４０を介して外部接続端子４１に接続される。
（水晶振動子の製造方法）

次に、上述した実施形態に係る水晶振動子の製造方法について図面を参照して説明する。まず第１蓋体２１の製造方法について説明する。
図２は、第１蓋体の製造方法を示す模式部分断面図である。図２において、第１蓋体２１はシリコン基板２０に複数個形成し、二点鎖線で示した切断線で切断することで個片化できる。
まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板２０の表面に熱酸化によるシリコン酸化膜２５を形成する。
次に、図２（ｂ）に示すように、シリコン基板２０の裏面（図では下面）に凹部２２を穿設する。凹部２２は、ウエットエッチングまたはドライエッチングを用いて形成する。また、凹部２２の周りの平面部２３におけるシリコン酸化膜２５の一部をドライエッチングにてエッチングして除去する。

続いて、シリコン酸化膜２５の表面に反応性フッ化ガスと水蒸気との混合ガス、または放電により発生した活性フッ素ガスを吹きかけフッ化処理を行い、フッ化処理層２６を形成する（図２（ｃ）、参照）。フッ化処理工程は、具体的には、Ｆ₂，ＦＨ，ＣＯＦ₂，ＣＦ₄などのフッ素ガスと水蒸気との混合ガスを被接合部、つまりシリコン酸化膜２５に接触させて行う。

反応性フッ素ガスは、水蒸気（水）と反応してフッ素イオン、フッ素ラジカル、フッ素原子などの活性なフッ素を生じる。フッ素はシリコン酸化膜２５と直接反応して、フッ化物を一部に形成するとともにフッ素が残存したフッ化処理層２６が形成される。
また、フッ化処理は、フッ素ガス（Ｆ₂，ＦＨ，ＣＯＦ₂，ＣＦ₄等）を含むガスを介した放電により活性なフッ素を生成し、この活性なフッ素ガスをシリコン酸化膜２５に接触させて行うことができる。
また、フッ素ガスに紫外線を照射して活性なフッ素を生成し、この活性なフッ素ガスをシリコン酸化膜２５に接触させて行うことができる。
なお、フッ化処理は凹部２２内の表面にわたって行われてもよい。
また、フッ化処理の前にシリコン酸化膜２５表面にＵＶ照射またはＨＦ洗浄などの前処理を行っても良い。

続いて、第２蓋体３１の製造方法について図面を参照して説明する。
図３は、第２蓋体の製造方法を示す模式部分断面図である。図３において、第２蓋体３１は、シリコン基板３０に複数個形成し、二点鎖線で示した切断線で切断することで個片化できる。
まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板３０の表面に熱酸化によるシリコン酸化膜３５を形成する。
次に、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板３０の表面（図では上面）に凹部３２を穿設する。凹部３２は、ウエットエッチングまたはドライエッチングを用いて形成する。また、凹部３２の周りの平面部３３におけるシリコン酸化膜３５の一部をドライエッチングにてエッチングして除去する。
次に、図３（ｃ）に示すように、封止穴３８および接続穴３７を形成する。封止穴３８および接続穴３７の形成方法としては、ウエットエッチング、ドライエッチング、サンドブラスト等の形成手段を用いることができる。
封止穴３８は、凹部３２の内外を連通して、接合後にキャビティ内を減圧状態にした後封止するための穴であり、凹部３２内に複数個形成してもよい。また、接続穴３７は、外部接続端子４１と接続するための穴であり、シリコン基板３０を貫通している。

続いて、シリコン酸化膜３５の表面に、反応性フッ化ガスと水蒸気との混合ガス、または放電により発生した活性フッ素ガスを接触させフッ化処理を行い、フッ化処理層３６を形成する（図３（ｄ）、参照）。フッ化処理工程は、前述したシリコン基板２０（つまり、第１蓋体２１）と同じ方法で行われる。
なお、フッ化処理は、凹部３２内、封止穴３８内および接続穴３７内の表面にわたって行われてもよい。
また、フッ化処理の前にシリコン酸化膜３５表面にＵＶ照射またはＨＦ洗浄などの前処理を行っても良い。

なお、上記で説明した第１蓋体２１、第２蓋体３１の材料としては、シリコンの他に、水晶、石英、ガラス（ソーダガラス、ホウ珪酸ガラスなど）などの材料を利用することができる。水晶、石英、ガラスを利用する場合には、シリコン酸化膜の形成にはスパッタリング、蒸着などの手法を用いて形成すれば良い。

次に、水晶振動片の製造方法について図面を参照して説明する。
図４は、本発明の実施形態に係る水晶振動片の製造方法を示し、（ａ）は模式部分平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断線に沿う模式部分断面図である。
図４（ａ）に示すように、水晶基板１０に水晶振動片１１を複数個形成し、二点鎖線で示した切断線で切断することで個片化できる。

水晶振動片１１は、水晶基板１０にウエットエッチングまたはドライエッチングを施して振動腕１２の外形が形成される。なお、図４（ａ）では、水晶振動片１１は音叉型を表しているが、水晶振動片１１の形状は音叉に限らない。そして、振動腕１２を取り囲むハッチングで示す領域Ｃが枠部１３である。
続いて、図４（ｂ）に示すように、水晶基板１０の表裏両面に、Ｃｒ膜を下地膜とするＡｕ膜の励振電極１５ａ，１５ｂ、および励振電極に接続する接続電極１６を形成する。このとき、枠部のハッチングで示す領域Ｄには電極が形成されず、水晶表面が露出している。

次に、水晶振動子の接合工程および以降の製造方法について図面を参照して説明する。
図５は、本実施形態に係る水晶振動子の製造方法を示す模式部分断面図である。
まず、接合工程について説明する。接合工程では、接合面が酸素または水と接触しないように乾燥した窒素雰囲気において行われる。図５（ａ）に示すように、接合面がフッ化処理された第１蓋体を形成するシリコン基板２０と第２蓋体を形成するシリコン基板３０とを、水晶振動片を形成する水晶基板１０の表裏両面に衝合する。そして、窒素雰囲気内で加熱および加圧し接合して積層体６０を形成する。

図２，３で説明した、フッ化処理層２６，３６には、フッ化物を一部に形成するとともにフッ素が残存している。このことから、フッ素が酸素や水を構成している酸素と置換されて酸化することを防ぐために乾燥した窒素雰囲気で接合が行われる。
シリコン基板２０、水晶基板１０、シリコン基板３０を圧接することで、残存したフッ素はシリコン酸化膜と水晶基板の間に閉じ込められる。閉じ込められたフッ素は水晶基板の内部に拡散して結晶を構成している結合手を切断すると共に、一部がシリコン酸化膜側に拡散してその結合手を切断する。このため、水晶基板とシリコン酸化膜との表層部にフリーな結合手が生じて結合し、水晶基板１０とシリコン基板２０，３０とがシリコン酸化膜２５，３５を介して接合される。

このように、加熱および加圧することで、フッ化処理されたシリコン酸化膜２５，３５のフッ素が水晶基板１０に拡散し、シリコンと水晶が結合して良好な接合強度が得られる。
また、接合工程において、超音波加圧をすることで小さい加圧力で効率的な接合を促進させることができる。

次に、図５（ｂ）に示すように、接続穴３７に金属から形成された導通材４０を充填して接続穴３７を塞ぎ、さらに水晶基板１０に形成された接続電極１６に接続して導通させる。
続いて、図５（ｃ）に示すように、封止穴３８を封止する。封止穴３８の封止は、減圧雰囲気下において、封止材５０としてＡｕＧｅボールまたはＡｕＳｎボールのような低融点の金属材料を封止穴３８内に挿入した後、レーザーで溶融して行う。

次に、図５（ｄ）に示すように、第２蓋体３１を多数形成するシリコン基板３０の底面に外部接続端子４１を形成する。外部接続端子４１は導通材４０に接続される位置に形成する。
そして、図５（ｄ）の二点鎖線で示した切断線に沿って、積層体６０をダイシング等の切断手段で切断し個片化して水晶振動子１を形成する（図５（ｅ））。このようにして、図１に示した水晶振動子１が完成する。

なお、本実施形態の水晶振動子１では減圧雰囲気での封止を行うために封止穴３８を設けたが、不活性ガス雰囲気での封止であれば封止穴を設けなくてもよい。
また、本実施形態の水晶振動子１では第１蓋体２１、第２蓋体３１に凹部２２，３２を設けたが、水晶振動片１１の振動部分をエッチングして厚さを薄く形成する逆メサ型とすることで、蓋体に凹部を設けない構成としても良い。

以上、本実施形態による水晶振動子１およびこの水晶振動子１の製造方法によれば、水晶振動子１は、水晶振動片１１を第１蓋体２１と第２蓋体３１とで挟持するよう積層してパッケージングしたＣＳＰ構造であり、第１蓋体２１と第２蓋体３１のシリコン酸化膜２５，３５の表面をフッ化処理し、表面を活性化することにより接合強度を高め、高信頼性を有する接合を実現する。
また、フッ化処理は水晶振動片１１には施さず第１蓋体２１と第２蓋体３１に施すため、水晶振動片１１にはフッ化処理によるＣＩ値上昇などの振動特性の劣化がない。

また、第１蓋体２１および第２蓋体３１の材料として、シリコン、水晶、石英、ガラスの中から選択される材料を用いることで、シリコン酸化膜２５，３５と密着強度の良い蓋体を得ることができ、接合強度が高く、高信頼性を有する水晶振動子１を得ることができる。また、第１蓋体２１および第２蓋体３１を水晶で形成した場合、それぞれ要素の線膨張係数を同一にすることができ、熱変化によるパッケージの接合面にかかる応力を小さくすることができる。このことから、接合の信頼性および振動特性の良好な振動子１を提供することができる。

また、フッ化処理工程を大気圧環境で行うため、減圧または高圧環境にするためのチャンバー等の製造設備が不要となり、安価な設備でフッ化処理を行うことができる。
さらに、接合工程も大気圧環境で行うため、接合のために減圧装置等の高価な製造設備、装置を必要としない。
そして、水晶振動子１の製造方法によれば、第１蓋体２１と水晶振動片１１と第２蓋体３１とを接合する工程を窒素雰囲気で行うことで、容易に酸素または水と接触しない環境に維持してそれぞれを接合することができる。

さらに、この水晶振動子１の製造方法によれば、シリコン酸化膜２５，３５の表面に、反応性フッ化ガスと水蒸気との混合ガス、または放電により発生した活性フッ素ガスを吹きかけることで、フッ素がシリコン酸化膜２５，３５中に取り込まれ、表面を活性化させることができる。取り込まれるフッ素の量や深さはフッ化処理の条件によるが、反応性フッ化ガスと水蒸気との混合ガス、または放電により発生した活性フッ素ガスを用いれば、条件設定がしやすいという効果もある。

本発明の実施形態に係る水晶振動子の構成を示す構成図であり、（ａ）は模式平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う模式断面図。 本発明の実施形態に係る第１蓋体の製造方法を示す模式部分断面図。 本発明の実施形態に係る第２蓋体の製造方法を示す模式部分断面図。 本発明の実施形態に係る水晶振動片の製造方法を示し、（ａ）は模式部分平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断線に沿う模式部分断面図。 本発明の実施形態に係る水晶振動子の製造方法を示す模式部分断面図。

符号の説明

１…水晶振動子、１０…水晶基板、１１…水晶振動片、１２…振動腕、１３…枠部、１５ａ，１５ｂ…励振電極、１６…接続電極、２０…シリコン基板、２１…第１蓋体、２２…凹部、２３…平面部、２５…シリコン酸化膜、２６…フッ化処理層、３０…シリコン基板、３１…第２蓋体、３２…凹部、３３…平面部、３５…シリコン酸化膜、３６…フッ化処理層、３７…接続穴、３８…封止穴、４０…導通材、４１…外部接続端子、５０…封止材、６０…積層体。

Claims (6)

1. 振動腕と該振動腕の平面方向周囲を取り囲む枠部とを有する水晶振動片と、
   前記水晶振動片の表面側を覆い前記枠部に対向する位置に平面部を備え、該平面部にシリコン酸化膜を有する第１蓋体と、
   前記水晶振動片の裏面側を覆い前記枠部に対向する位置に平面部を備え、該平面部にシリコン酸化膜を有する第２蓋体と、が備えられ、
   前記第１蓋体および前記第２蓋体に形成された前記シリコン酸化膜の表面がフッ化処理されており、
   前記水晶振動片の前記枠部と前記第１蓋体および前記第２蓋体の前記平面部とが前記シリコン酸化膜を介して接合されていることを特徴とする水晶振動子。
2. 請求項１に記載の水晶振動子において、
   前記第１蓋体および前記第２蓋体がシリコン、水晶、石英、ガラスの中から選択される材料で形成されていることを特徴とする水晶振動子。
3. 振動腕と該振動腕の平面方向周囲を取り囲む枠部とを有する水晶振動片を形成する工程と、
   前記水晶振動片の表面側の前記枠部に対向する平面部を備え、該平面部にシリコン酸化膜を有する第１蓋体を形成する工程と、
   前記水晶振動片の裏面側の前記枠部に対向する平面部を備え、該平面部にシリコン酸化膜を有する第２蓋体を形成する工程と、
   前記第１蓋体および前記第２蓋体の前記シリコン酸化膜の表面をフッ化処理する工程と、
   前記第１蓋体と前記水晶振動片と前記第２蓋体とを順に積層して酸素または水と接触しないように維持しつつ、それぞれを接合する工程と、
   を含むことを特徴とする水晶振動子の製造方法。
4. 請求項３に記載の水晶振動子の製造方法において、
   前記フッ化処理する工程および前記接合する工程が大気圧環境下で行うことを特徴とする水晶振動子の製造方法。
5. 請求項３に記載の水晶振動子の製造方法において、
   前記第１蓋体と前記水晶振動片と前記第２蓋体とを接合する工程が、窒素雰囲気で行うことを特徴とする水晶振動子の製造方法。
6. 請求項３乃至５のいずれか一項に記載の水晶振動子の製造方法において、
   前記フッ化処理が、反応性フッ化ガスと水蒸気との混合ガス、または放電により発生した活性フッ素ガスを前記酸化シリコン膜の表面に接触させることにより行われることを特徴とする水晶振動子の製造方法。

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