JP2009232126A

JP2009232126A - 圧電振動子

Info

Publication number: JP2009232126A
Application number: JP2008074627A
Authority: JP
Inventors: Yoshio Yoda; 由雄依田
Original assignee: Citizen Finetech Miyota Co Ltd
Current assignee: Citizen Finetech Miyota Co Ltd
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2008-03-21
Publication date: 2009-10-08

Abstract

【課題】半導体材料をパッケージとする圧電振動子において、電極配線とパッケージの間に発生する静電容量の問題を解決し、安定で確実な発振特性を有する小型な圧電デバイスを提供する。
【解決手段】少なくとも、励振電極が形成された圧電振動片と、該圧電振動片を収容するパッケージ底部と、該パッケージ底部と接合され、前記圧電振動片を気密封止する蓋体とからなる圧電振動子であって、前記パッケージ底部は半導体材料により構成されており、前記パッケージ底部の少なくとも一部に、前記パッケージ底部と直接に電気的接触をしており、前記パッケージ底部体が外部との電気的接続を可能にするための電極を有する圧電振動子とする。
【選択図】図１

Description

本発明は内部に圧電振動片を有する圧電振動子で、特にそのパッケージが半導体から成るものに関する。

圧電振動子は、圧電材料をある形状に加工し励振電極を設けた圧電振動子片を、セラミックなどから作られたパッケージに搭載し、金属などでできた蓋により気密性封止をすることにより製造される電子部品であり、負性抵抗を有する回路素子と組み合わせ発振器を構成して利用される。圧電振動子は、共振器として高いＱ値を有しているため、発振器が生成する発振信号は高い周波数安定性を示し、さらに、その製造工程において、高精度の周波数調整が可能なため、周波数基準信号を発生するための主要電子部品として利用されている。圧電振動子は上記の特徴をもっているため、電子機器の基準周波数信号を発生するために利用され、例えば、携帯電話機やデジタルカメラなどにおいて、マイクロコントローラや時計機能などの基準クロックを発生するために使用されている。最近のこれらの電子機器の小型化に伴い、圧電振動子に対しても小型化が強く求められている。

現在、表面実装型の圧電振動子のパッケージとしては、セッラミックにより製造されるものが主流である。セラミック製パッケージはその製造工程において高温焼成を必要としており、その際の収縮のバラツキにより完成品の寸法精度が得にくい。このため、圧電振動子の小型化の要求に対して、セラミック製パッケージの小型化は限界に近づいている。

この問題を解決するために考えられているのが、半導体材料を加工することにより製造される圧電振動子に用いるパッケージである。代表的な半導体材料としてシリコンがある。シリコンは、フォトリソグラフィ、エッチングや成膜技術を組み合わせた、いわゆるＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術により加工することにより所望の形状にすることができ、また、必要な電極や配線を施すことが可能である。ＭＥＭＳ技術による加工精度はセラミック製パッケージの寸法精度より優れており、微細加工が可能であるため小型化に向いており、セラミック製パッケージでは製作することの出来なかった形状を得ることもできる。さらに、ＭＥＭＳ技術は多数個を集合的に加工するのに向いているので、例えば４〜８インチのウェハで供給されたシリコンウェハ上に多数のシリコンパッケージを集合的に作りこみ、さらに、ウェハ状態のまま圧電振動子片を実装し、ウェハの状態で蓋を気密封止し、最後に切断して単個化することにより、圧電振動子一個あたりの製造コストの低減が可能である。この例として、たとえば特許文献１に示される圧電振動子が挙げられる。

図９は従来技術によるシリコン製パッケージの圧電振動子の構造を示す図である。１００は圧電振動子であり、１１１はパッケージ底部を加工形成する母材となるシリコンウェハ、１１２はパッケージ底部、１２０は蓋体、１０５は圧電振動子片、１０４はパッケージ底部１１２の両主面間を電気的接続をするための貫通孔である。１１３はシリコンウェハに施された酸化膜、１１６は圧電振動子片を収納するためのキャビティ、１１７はキャビティ内面に施された酸化膜、１１８は電極配線である。圧電振動子片１０５は、通常二極の電極（不図示）が施されており、それぞれの電極は電極配線１１８に接続されている。さらに、電極配線１１８は、貫通孔１０４の内部に施された貫通電極配線（不図示）を通してキャビティ１１６の内部からパッケージ底部１１２の外部側に導かれ、外部接続が可能となっている。パッケージ底部１１２はシリコンにより形成されているので、電極配線１１８がパッケージ底部１１２に直接接触するように形成すると、電極配線１１８はパッケージ底部１１２と電気的に導通することになる。そうすると、圧電振動子１０５の二極の電極間は、パッケージ底部１１２を介して、シリコンウェハ１１１の導電率より決まる抵抗値により結合されてしまうことになる。この抵抗値は、圧電振動子が通常使用されるときの圧電振動子の直列抵抗より充分に大きくなければならないが、シリコンウェハの導電率により、充分な抵抗値が得られない。この問題を避けるため、電極配線１１８は酸化膜１１３あるいは１１７の上に施されて、パッケージ底部１１２のシリコン母材からの絶縁性を確保している。
特開平５−１２１９８５号公報

しかしながら、酸化膜１１３あるいは１１７を挟んで、電極配線１１８およびパッケージ底部１１２が積層する構造は、さらなる問題を生じさせる。それは、パッケージ底部１１２が絶縁体でなく、導電率を有するため、上記構造が電極とパッケージの間に静電容量を生じさせることである。この電極パッケージ間静電容量は、圧電振動子片１０５の二つの電極からそれぞれ接続される電極配線１１８とパッケージ底部１１２の間に発生する。

図１０はこれら電極パッケージ間静電容量を含めて考えたときの圧電振動子１００の等価回路である。２０１は圧電振動子片、２０２は、酸化膜１１３および１１７が電極配線１１８とパッケージ底部１１２により挟まれるために発生する電極パッケージ間静電容量、二つの電極パッケージ間静電容量２０２はパッケージ底部１１２のシリコン母材を通じて電気的に結合され、２０３はその際の二容量間の電極間抵抗、２０５は外部接続電極である。

図１０に示す等価回路おいて、圧電振動子片２０１に直列共振周波数が約３２．７６Ｈｚ、直列等価抵抗が約５５ｋΩの圧電振動子片、電極パッケージ間静電容量２０２が２ｐＦの場合を例にとり、電極間抵抗２０３が０Ω、１ｋΩ、１０ｋΩおよびオープンのそれぞれの場合について、インピーダンス特性および位相特性のシミュレーションを行なった。図１１がインピーダンス特性、図１２が位相特性の結果である。電極間抵抗２０３がオープンのとき、図１１および図１２に示されるそれぞれの特性は、圧電振動子片２０１そのものの特性である。図３におけるインピーダンス特性の極大点が共振点、極小点が反共振点である。電極間抵抗２０３が０Ωにおいては、圧電振動子に二つの電極パッケージ間静電容量２０２が直列接続された特性になり、圧電振動子片２０１そのものの特性と比べて、反共振周波数が下がり、反共振点は共振点に近づく。電極間抵抗２０３が有限のとき、すなわち１ｋΩおよび１０ｋΩのときは、反共振点のＱ値が低下し、反共振点近傍における位相の反転が緩慢になってしまう。圧電振動子が発振回路内で使用されるとき、共振点と反共振点の間の周波数において位相がほぼ１８０°反転する必要があるが、例えば電極間抵抗２０３が１ｋΩの場合においては、位相が１８０°まで充分に反転しなくなり、発振しにくくなっていることがわかる。図１３および図１４は電極パッケージ間静電容量２０２が３ｐＦの場合を同様にシミュレーションした結果である。電極パッケージ間静電容量２０２が２ｐＦの場合に比べて反共振点が共振点にさらに近づき、発振しにくくなっていることがわかる。シリコンは温度によりキャリア密度が大きく変化するので、抵抗率は温度により大きく変化し、したがって電極間抵抗２０３も温度により大きく変化する。そのため圧電振動子１００のインピーダンス特性および位相特性も変化し、その使用温度範囲に制約が生じる可能性もある。

また、パッケージ底部１１２はシリコンで形成されており、シリコンは完全なる絶縁体ではないため、圧電振動子１００が使用される周辺に電気信号配線が施されていると、パッケージ底部１１２と周辺の電気信号配線が静電的あるいは電磁的に結合する可能性があり、さらにパッケージ低部１１２と電気配線１１８は電極パッケージ間静電容量２０２により結合されているので、電気配線１１８は周辺の電気信号配線の影響を受けてしまう。これは、圧電振動子の発振信号におけるノイズとなったり、浮遊容量の変化による発振周波数の変化をもたらしてしまう。またその逆に、圧電振動子の発振信号が周辺の電気配線の信号にノイズを与えてしまう。さらに、電極間抵抗２０３が周囲温度の影響を強く受けるため、温度変化によりこれらの影響度も変化することがあり得る。

上述した従来技術による圧電振動子の問題点を鑑み、本発明は、パッケージとして半導体材料を用いた圧電振動子１００の電気配線１１８とパッケージ底部１１２間の電極パッケージ間静電容量２０２により生じる問題点を解決し、特性が安定しておりかつ小型化を実現できる圧電振動子を提供することを目的としている。

上記課題を達成するため、本発明による圧電振動子は、少なくとも、励振電極が形成された圧電振動片と、該圧電振動片を収容するパッケージ底部と、該パッケージ底部と接合され、前記圧電振動片を気密封止する蓋体とからなる圧電振動子であって、前記パッケージ底部は半導体材料により構成されており、前記パッケージ底部の少なくとも一部に、前記パッケージ底部と直接に電気的接触をしており、前記パッケージ底部体が外部との電気的接続を可能にするための電極を有することを特徴としている。

さらに、本発明による圧電振動子は、前記電極が前記圧電振動子の二つの外部接続電極間に配置することができる。

さらに、本発明による圧電振動子は、前記電極が前記圧電振動子の二つの前記外部接続電極を取り囲むよう配置することができる。

さらに、本発明による圧電振動子は、前記パッケージ底部が前記電極と接する前記パッケージ底部の表面の少なくとも一部に、不純物を添加した構成とすることができる。

本発明により、パッケージとして半導体材料を用いた圧電振動子の電気配線とパッケージ底部間の電極パッケージ間静電容量により生じる問題点を解決し、特性が安定しておりかつ小型化を実現できる圧電振動子を提供することが可能になる。

本発明の実施形態による圧電振動子の最良の実施形態を図を用いて説明する。

実施例１としての圧電振動子の断面図を図１に示す。また、図２はその底面図である。図１は図２におけるＡ−Ａ断面図である。１０は圧電振動子、１１はパッケージ底部、１２は蓋体、１３は圧電素子である水晶振動子片、１４は貫通孔、１５はキャビティ、１６は絶縁体膜、１７は外部接続電極、１８はパッケージ電極、１９は電極配線、２０は貫通電極配線、２１は導電性部材である。

パッケージ底部１１には、シリコン母材にＭＥＭＳ等の技術を用いて、水晶振動子片１３を格納するためのキャビティ１５、キャビティ１５内にはパッケージ底部１１の両面を貫通するよう貫通孔１４が形成されている。これはフォトリソグラフィとシリコンのウェットエッチングあるいはドライエッチングの技術などを利用して形成される。パッケージ底部１１の底面およびキャビティ１５内の少なくとも一部の表面には絶縁体膜１６が形成されている。絶縁体膜１６としては、熱酸化法やＣＶＤ法による酸化シリコン、あるいはポリイミド膜などが利用できる。さらに絶縁体膜１６の上には必要な電極配線１９が施されている。

電極配線１９は、金属を真空蒸着法やスパッタ法で成膜した後、フォトリソグラフィやエッチングの技術を用いるなどしてパターニングすることにより形成される。貫通孔１４の内面にも絶縁体膜１６が形成され、さらにその内側にはスパッタ法とメッキ技術などを利用して貫通電極配線２０が形成され、電極配線１９と外部接続電極１７を電気的に接続している。

キャビティ１５内には、水晶振動子片１３が電極配線１９上に導電性接着剤などの導電性部材２１を用いて固着され、電気的接続がなされるとともに、機械的に保持されている。水晶振動子片１３が固着されたパッケージ底部１１と蓋体１２は真空中あるいは特定気体雰囲気中で気密封止され、キャビティ１５は真空あるいは特定の気体で密封される。蓋体１２の材料としては、金属、ガラスあるいはシリコンなどが利用でき、気密封止の方法は蓋体１２の材料に合わせて選択され、はんだ接合、陽極接合、常温表面活性化接合などが利用できる。

水晶振動子片１３の表面には通常二つの励振電極が施されており、これら励振電極は、導電性部材２０、電極配線１９および貫通孔１４内の貫通電極配線２０を通して外部接続電極１７に接続されている。パッケージ電極１８は、絶縁体膜１６を介さずに直接パッケージ底部１１のシリコン表面上に設けられ、電気的接続がなされている。

パッケージ電極１８の材料としては金、ニッケルなどさまざまな金属を用いることができ、また数種の金属の積層構造とすることも可能である。形成方法としては真空蒸着法、スパッタ法などが利用できる。

上述した実施例による圧電振動子１０の効果をシミュレーションの結果を用いて説明する。図３はそのシミュレーションモデルである。図３において、３０は本実施例の圧電振動子１０の等価回路を示したもので、パッケージの等価定数も含んでいる。１３は圧電素子である水晶振動子片、１７は外部接続電極、１８はパッケージ電極、３１は図１における外部接続電極１７、電極配線１９および貫通電極配線２０が、パッケージ底部１１との間に形成する電極パッケージ間静電容量、３２は二つの電極パッケージ間静電容量３１がパッケージ底部１１を通して電気的に接続されることを表す電極間抵抗である。最も一般的な発振回路においては、負性抵抗としてインバータを用いているが、図３のシミュレーションモデルにおいては、インバータであるところを交流信号源３３に置き換え、インバータの入力端子の位置で発振帰還ループを切断して展開した形になっている。３４はインバータの入力および出力端子と接地間に接続される電極パッケージ間静電容量で、発振安定化容量とも呼ばれるものである。

図３において水晶振動子片１３の直列共振周波数ｆｒを約３２．７６ｋＨｚ、直列等価抵抗を約５５ｋΩ、電極パッケージ間静電容量３１を３ｐＦ、電極間抵抗３２を５００Ω、発振安定化容量３４を５ｐＦとしてシミュレーションを行なった。図４および図５は、それぞれ、端子Ｖｉｎにおける電圧特性および位相特性のシミュレーション結果を示している。電圧および位相は交流電圧源３３を基準とした相対値で示している。圧電振動子１０は発振回路において図４に示される電圧特性の最大点における発振周波数ｆｌで発振する。一方、電圧特性の最小点は反共振周波数ｆａである。パッケージ電極１８が開放（ｏｐｅｎ）の状態での特性は、前述した従来技術による圧電振動子の特性と同様であり、電極パッケージ間静電容量３１が圧電振動子と並列に入るため反共振周波数ｆａが発振周波数ｆｌに近づき、図５から、位相が発振周波数近傍において十分に反転しなくなり、発振回路を構成した場合に発振しにくいことがわかる。一方、パッケージ電極１８を接地（ｇｒｏｕｎｄ）した場合、反共振周波数ｆａは、水晶振動子片１３の反共振周波数そのものとほぼ等しく、位相が発振周波数近傍において十分反転し確実に発振することがわかる。すなわち、本実施例の圧電振動子１０は、パッケージ電極１８を接地して使用することにより、従来技術による圧電振動子よりも確実で安定に発振する。

さらに、本実施例の圧電振動子１０はパッケージ電極１８を接地することにより、パッケージ底部１１の電位が安定するので、静電的結合および電磁的結合による周辺電子回路からの影響を受けにくくなり、周辺ノイズによる発振信号の劣化が減少し、安定した発振信号が得られる。また、圧電振動子１０の発振信号による周辺電子回路に与える影響も少なくなる。さらに、周辺電子回路の配線との静電結合による浮遊静電容量の影響が小さくなり、周辺回路の影響による発振周波数の変動が小さくなり安定する。ここで、パッケージ電極１８の接地は、必ずしも直流的に接地されている必要が無く、十分な大きさの静電容量を介した交流的接地や、直流バイアス電圧をもった交流的接地でも良い。本実施例では３２．７６ｋＨｚの圧電振動子を例として用いたが、周波数についてこの限りではない。また、水晶以外の圧電素子を用いた圧電振動子にも適用可能である。

実施例２を図６に示す。図６ではパッケージ電極１８が二つの外部接続電極１７の間に配置されていることを特徴としている。以下にその効果を説明する。電極パッケージ間静電容量３１は面積の大きい外部接続電極１７とパッケージ底部１１の間によるものが支配的で、二つの電極パッケージ間静電容量３１がパッケージ底部１１のシリコンによる電極間抵抗３２を通して結合されている。

本実施例の圧電振動子１０は、パッケージ電極１８が接地されることにより、二つの電極パッケージ間静電容量３１の結合部が接地されることにより効果が生じるものであるから、パッケージ電極１８は、位置的に二つの電極パッケージ間静電容量３１の間にあるのが最も効果的である。したがって、二つの外部接続電極１７の間に配置されることが最適である。さらに、パッケージ電極１８は電極間抵抗３２を等価的に小さくする効果があるので、電極間抵抗３２が温度変化により変動した場合も、その影響が小さくなり安定した特性が得られる。本実施例ではパッケージ電極１８をパッケージ底部１１の底面のみに設けたが、パッケージ底部１１の側面に延在させることも可能である。

実施例３としての圧電振動子１０の底面図を図７に示す。本実施例では、パッケージ電極１８が外部接続電極１７を取り囲むように設けられているのが特徴である。このようにパッケージ電極１８が配置された圧電振動子１０を、パッケージ電極１８を接地して使用することにより、外部接続電極１７とパッケージ底部１１の間に発生する電極パッケージ間静電容量３１は、ほぼ全て接地されることになり、前述した、位相が発振周波数近傍において十分反転し安定確実に発振する、周辺電子回路からの影響を受けにくくなり安定した発振信号が得られる、発振信号による周辺電子回路に与える影響も少なくなる、周辺電子回路の配線との静電結合による浮遊電極パッケージ間静電容量の影響が小さくなり周辺回路の影響による発振周波数の変動が小さくなり安定する、という効果がより大きく得られる。本実施例ではパッケージ電極１８をパッケージ底部１１の底面のみに設けたが、パッケージ底部１１の側面に延在させることも可能である。

実施例４としての圧電振動子１０の断面図を図８に示す。本実施例の圧電振動子１０は、少なくとも、パッケージ底部１１がパッケージ電極１８が接触している表面とその深さ方向近傍部分に、シリコンのキャリア電荷密度を制御するための不純物を添加していることを特徴としている。２２が不純物添加領域である。不純物の添加方法は拡散法など半導体集積回路の製造において用いられる方法により実現できる。前述した本発明の効果をより大きく得るためには、パッケージ電極１８とパッケージ底部１１の間の電流−電圧特性は線形でその抵抗値は低い方が望ましい。しかし、パッケージ電極１８はパッケージ底部１１の表面に金属薄膜を形成したものであり、パッケージ底部１１はシリコンなどの半導体材料で構成されていることになり、その界面は金属−半導体接触であるから、その電圧−電流特性はシリコンのキャリア電荷密度により非線形となる場合がある。本実施例は、シリコンに不純物を添加することにより、シリコンのキャリア電荷密度を制御し、パッケージ電極１８とパッケージ底部１１の間の界面の電圧−電流特性を線形に近くし、抵抗値を下げることを目的としている。これにより、前述した、位相が発振周波数近傍において十分反転し安定確実に発振する、周辺電子回路からの影響を受けにくくなり安定した発振信号が得られる、発振信号による周辺電子回路に与える影響も少なくなる、周辺電子回路の配線との静電結合による浮遊電極パッケージ間静電容量の影響が小さくなり周辺回路の影響による発振周波数の変動が小さくなり安定する、という効果がより大きく得られる。

本実施例による圧電振動子の断面図（実施例１）本実施例による圧電振動子の底面図（実施例１）本実施例による圧電振動子のシミュレーションモデル本実施例による圧電振動子の電圧特性のシミュレーション結果本実施例による圧電振動子の位相特性のシミュレーション結果本実施例による圧電振動子の底面図（実施例２）本実施例による圧電振動子の底面図（実施例３）本実施例による圧電振動子の断面図（実施例４）従来技術よる圧電振動子の断面図従来技術よる圧電振動子の等価回路従来技術よる圧電振動子のインピーダンス特性のシミュレーション結果従来技術よる圧電振動子の位相特性のシミュレーション結果従来技術よる圧電振動子のインピーダンス特性のシミュレーション結果従来技術よる圧電振動子の位相特性のシミュレーション結果

符号の説明

１０圧電振動子
１１パッケージ底部
１２蓋体
１３水晶振動子片
１４貫通孔
１５キャビティ
１６絶縁体膜
１７外部接続電極
１８パッケージ電極
１９電極配線
２０貫通電極配線
２１導電性部材
２２不純物添加領域
３１電極パッケージ間静電容量
３２電極間抵抗
３３交流信号源
３４発振安定化容量
１００圧電振動子
１０４貫通孔
１０５圧電振動子片
１１１シリコンウェハ
１１２パッケージ底部
１１３酸化膜
１１６キャビティ
１１７酸化膜
１１８電極配線
１２０蓋体
２０１圧電振動子片
２０２電極パッケージ間静電容量
２０３電極間抵抗
２０５外部接続電極

Claims

少なくとも、励振電極が形成された圧電振動片と、該圧電振動片を収容するパッケージ底部と、該パッケージ底部と接合され、前記圧電振動片を気密封止する蓋体とからなる圧電振動子であって、
前記パッケージ底部は半導体材料により構成されており、前記パッケージ底部の少なくとも一部に、前記パッケージ底部と直接に電気的接触をしており、前記パッケージ底部体が外部との電気的接続を可能にするための電極を有することを特徴とする圧電振動子。
前記電極が前記圧電振動子の二つの外部接続電極間に位置することを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
前記電極が前記圧電振動子の二つの前記外部接続電極を取り囲むことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
前記パッケージ底部は前記電極と接する前記パッケージ底部の表面の少なくとも一部に、不純物を添加してなることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の圧電振動子。