JP2009246561A

JP2009246561A - 圧電デバイス

Info

Publication number: JP2009246561A
Application number: JP2008088803A
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: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2009-10-22

Abstract

【課題】パッケージとして半導体材料を用いた従来技術の圧電デバイスにおいて、その貫通電極配線部に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デバイスを提供する。
【解決手段】圧電デバイスのパッケージ外面および中空部の少なくとも一部の表面に絶縁体膜１６が施されており、パッケージ中空部であって該絶縁体膜１６上に第一の電極が設けられ、さらに、第一の電極とパッケージを挟んで相対するパッケージ外面の絶縁体膜１６上に第二の電極が設けられ、パッケージにおいて前記第一の電極あるいは前記第二の電極が設けられた領域部分の少なくとも一方の少なくとも一部分が凹部１９又は２０をなし、前記凹部１９又は２０の底面が前記パッケージの一部を挟んで他方の電極と対向し、前記第一の電極と前記第二の電極の間は交流的に電気的接続が可能となる圧電デバイスとする。
【選択図】図１

Description

本発明は内部に圧電デバイス部品を有する圧電デバイスで、そのパッケージが半導体材料からなるものに関する。

現在、産業上利用可能な圧電デバイスは、水晶振動子に代表される圧電振動子、表面弾性波振動子、表面弾性波フィルタ、圧電角速度センサなどがある。このうち、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。この他の圧電デバイスに関しても、小型化の要求については同様なことがいえる、

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）技術によって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。

特許文献１に示される従来技術による圧電振動子について図１０を用いて説明する。図１０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断面図である。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。１１９は貫通孔１０４内に施された貫通電極配線、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は外部接続電極、１２１は圧電振動子片接続電極である。

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、それぞれの電極は圧電振動子片接続電極１２１に接続されている。さらに、圧電振動子片接続電極１２１は、貫通孔１０４の内部に施された貫通電極配線１１９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、外部接続電極１１８により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、外部接続電極１１８、貫通電極配線１１９および圧電振動子片接続電極１２１がパッケージ底部１１２に直接接触するように形成すると、それらはパッケージ底部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、外部接続電極１１８、貫通電極配線１１９および圧電振動子片接続電極１２１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、従来技術による圧電振動子１００には解決しなければならない課題が有る。圧電振動子１００は、貫通孔１０４の内壁に酸化膜が施され、その内側に金属の貫通電極配線１１９が設けられている構造である。すなわち、貫通孔１０４内には、半導体−酸化膜および酸化膜−金属の界面がある。半導体、酸化膜、金属はそれぞれ熱膨張係数が異なるため温度変化が繰り返されたり、あるいは機械的なストレスが繰り返し加えられると、その度に界面の応力が変化して界面に破壊が生じる可能性がある。

圧電振動子１００において、圧電振動子片１０５が格納される空間であるキャビティ１０５内部は、一般的に真空あるいは特定の気体が充填されている。これは、圧電振動子片１０５の電気的特性が圧電振動子片１０５の周辺気体の圧力に強く影響を受け、周辺気体の圧力が高いと発振時の等価抵抗が高くなり、発振特性が悪化するからである。また、周辺気体の分子が圧電振動子片１０５の表面に付着したり、圧電振動子片１０５上に施されている金属電極膜が酸化すると、圧電振動子片１０５の質量が変化し、発振周波数が変動したり、発振時の等価抵抗が変動し、圧電振動子の特性が経時的に変化してしまうことがあり問題となる。

圧電振動子１００において、繰り返される温度変化にさらされたり、機械的なストレスが加えられるなどして、前述した界面の破壊が生じると、キャビティ１１６の内部に大気が流入し、上述した発振特性の悪化や、発振特性の経時的変化が生じてしまう。圧電振動子以外の従来技術による圧電デバイスに関しても同様な問題を抱えている。

本発明は上述した従来技術による圧電デバイスの問題点を解決することを可能とする圧電デバイスを提供することを目的とする。

従来技術による圧電デバイスの問題点を解決するため、本発明における圧電デバイスは、該圧電デバイスのパッケージを半導体により構成されており、前記パッケージは圧電デバイス部品を格納する中空部を有し、前記パッケージの外面および中空部の少なくとも一部の表面に絶縁膜が施されており、前記パッケージの中空部であって前記絶縁膜上に第一の電極が設けられ、さらに、前記第一の電極と前記パッケージを挟んで相対する前記パッケージの外面の絶縁膜上に第二の電極が設けられ、前記第一の電極あるいは前記第二の電極が設けられた領域部分の少なくとも一方の少なくとも一部分が凹部をなし、前記凹部の底面が前記パッケージの一部を挟んで他方の電極と対向し、前記第一の電極と前記第二の電極の間は交流的に電気的接続が可能となることを特徴とする。

さらに、前記第一の電極あるいは前記第二の電極の下部にある前記凹部の底面と、相対する他方の電極に挟まれた前記圧電デバイスの前記パッケージの部分が、半導体酸化物からのみなすこともできる。

さらに、前記圧電デバイスの前記パッケージが半導体−半導体酸化物−半導体の三層構造からなり、前記第一の電極あるいは前記第二の電極の下部にある前記凹部の底面と、相対する他方の電極に挟まれた前記圧電デバイスの前記パッケージの部分が、前記三層構造のうちの前記半導体酸化物層から構成されるようにすることもできる。

本発明により、パッケージとして半導体材料を用いた従来技術の圧電デバイスにおいて、その貫通電極配線部に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デバイスを提供することが可能になる。

本発明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は圧電振動子片、１５はキャビティ、１６は絶縁体膜、１８は圧電振動子片接続電極、１９および２０は凹部、２１は導電性部材、２２および２３は外部接続電極である。

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、圧電振動子片１３を格納するためのキャビティ１５、キャビティ１５内には凹部１９が形成されている。また、パッケージ底部１１の底面には凹部２０が形成されている。これら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。本実施例では、凹部１９と凹部２０との間にはパッケージ底部１１のシリコン母材が残されている。

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が形成されており、凹部１９および凹部２０は全体が絶縁体膜１６で覆われている。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、パッケージ底部１１のキャビティ１５内の絶縁体膜１６の上には圧電振動子片接続電極１８が、パッケージ底部１１の底面側の絶縁膜１６の上には外部接続電極２２が施されている。

圧電振動子片１３には、その表面に通常二極の金属電極が施されており、導電性接着剤などの導電性部材２１を介して振動子片接続電極１８に電気的に接続されると共に、機械的に保持されている。圧電振動子片１３が搭載されたパッケージ底部１１は、キャビティ１５が真空、あるいは、特定の気体が充填された状態で蓋体１２と気密封止される。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。

図３は、本実施例における圧電振動子片接続電極１８と外部接続電極２２の間の等価回路を示す図である。静電容量Ｃ１は、圧電振動子片接続電極１８とパッケージ底部１１が絶縁膜１６を挟み込む構造により生じる静電容量、静電容量Ｃ２は同様に、外部接続電極２３とパッケージ底部１１の間に生じる静電容量である。抵抗Ｒは静電容量Ｃ１とＣ２の間に生じる等価的な抵抗で、凹部１９と凹部２０の間にあるパッケージ底部１１の母材であるシリコンの抵抗である。

抵抗Ｒは、パッケージ底部１１のシリコン母材の導電率、凹部１９と凹部２１の間のシリコンの厚み、凹部１９および凹部２１の底面積から概略決まり、圧電デバイスの電気信号に対して、設計的に無視できるほど小さくすることができる。その場合、抵抗Ｒが０Ωと考えられるので、圧電振動子片片接続電極１８と外部接続電極２２の間の等価回路は、静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２が直列接続された形である。

図４は、本実施例における外部接続電極２２と外部接続電極２３の間の等価回路を示す図である。１３は圧電振動子片、静電容量Ｃ３は静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２の直列合成容量である。一方、静電容量Ｃ４は外部接続電極２３側に存在する同様な直列合成容量である。図４の圧電振動子１０を発振回路の中で用いる際、静電容量Ｃ３および静電容量Ｃ４は、圧電振動子片１３に対しては負荷容量として働く。圧電振動子１０の製造工程においては、これらの負荷容量が付いた状態で周波数調整を行なうことができるので、図４の圧電振動子として所望の発振周波数が得られる。

静電容量Ｃ１および静電容量Ｃ２は主に凹部１９および凹部２０の底面積、絶縁体膜１６の厚さとその比誘電率によって決まる。したがって、圧電デバイスの周波数により異なる最適な静電容量値を、凹部１９および凹部２０の底面積、絶縁体膜１６の厚さとその種類を選ぶことにより設定することが可能である。

図５乃至図７は凹部の変形例の説明図である。図５は図１の凹部拡大図である。図６は凹部をキャビティ１５側のみから形成した例である。さらに図示はしていないが、凹部をパッケージ底部１１の底面側のみから形成することもできる。また、図７は凹部の形状が角錐あるいは円錐形状の一部をとる例である。これらの変形例は、製造工程や製造コストを考慮する上で、適宜選択することができる

本実施例の圧電振動子１０は、従来技術による圧電デバイスのように、パッケージの中空部と外部をつなぐ貫通孔は無く、温度変化が繰り返されても、破壊され周辺大気が流入してしまう原因になる界面が無いので、発振特性が悪化したり経時的変化してしまうことなく、従来技術の圧電デバイスの課題が解決されている。

実施例２としての圧電振動子の凹部拡大断面図を図８に示す。２４はシリコン酸化物層である。実施例１では凹部１９と凹部２０の間に、パッケージ底部１１の母材であるシリコン層が挟まれているのに対して、本実施例ではシリコン層が無くシリコン酸化物層２４のみとなっていることが特徴である。凹部１９および凹部２０の形成の段階で、二つの凹部の間にシリコン層を残し、そのシリコン層を熱酸化法などで酸化してシリコン酸化物層２４を形成することにより製造することができる。

等価回路を実施例１と比較すると、圧電振動子片接続電極１８と外部接続電極２２の間には、図３の抵抗Ｒにあたる抵抗は存在せず、圧電振動子片接続電極１８と外部接続電極２２がシリコン酸化物２４を挟む構造により生じる一個の静電容量が存在するだけである。したがって、図４における静電容量Ｃ３および静電容量Ｃ４を大きくすることが容易になるので、圧電素子のインピーダンスが比較的低い圧電デバイスに有利な構成である。また、周波数の低い圧電デバイスに有利な構成である。

実施例３としての圧電振動子の断面図を図９に示す。２５はシリコン酸化物層である。本実施例は、パッケージ底部１１をシリコン酸化物層を内包したシリコンウェハ、いわゆるＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハから形成することを特徴としている。ＳＯＩウェハを用いることにより、凹部１９および凹部２０を形成する工程において、シリコンはエッチングされるがシリコン酸化物はエッチングされない選択的エッチングを利用することで工程が簡略化され、製造歩留りが改善される。特性については実施例２と同等である。

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圧電振動子片接続電極と外部接続電極の間の等価回路（実施例１）本実施例による圧電振動子の外部接続電極間の等価回路（実施例１）本実施例による圧電振動子の凹部拡大断面図（実施例１）本実施例による圧電振動子の凹部変形例（実施例１）本実施例による圧電振動子の凹部変形例（実施例１）本実施例による圧電振動子の凹部拡大断面図（実施例２）本実施例による圧電振動子の底面図（実施例３）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断面図

符号の説明

１０圧電振動子
１１パッケージ底部
１２蓋体
１３圧電振動子片
１５キャビティ
１６絶縁体膜
１８圧電振動子片接続電極
１９凹部
２０凹部
２１導電性部材
２２外部接続電極
２３外部接続電極
２４シリコン酸化物層
２５シリコン酸化物層
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
１１９貫通電極配線
１１８外部接続電極
１２０蓋体
１２１圧電振動子片接続電極

Claims

圧電デバイスであって、
該圧電デバイスのパッケージは半導体により構成されており、
前記パッケージは圧電デバイス部品を格納する中空部を有し、
前記パッケージの外面および中空部の少なくとも一部の表面に絶縁膜が施されており、
前記パッケージの中空部であって前記絶縁膜上に第一の電極が設けられ、
さらに、前記第一の電極と前記パッケージを挟んで相対する前記パッケージの外面の絶縁膜上に第二の電極が設けられ、
前記第一の電極あるいは前記第二の電極が設けられた領域部分の少なくとも一方の少なくとも一部分が凹部をなし、
前記凹部の底面が前記パッケージの一部を挟んで他方の電極と対向し、
前記第一の電極と前記第二の電極の間は交流的に電気的接続が可能となることを特徴とする圧電デバイス。
前記第一の電極あるいは前記第二の電極の下部にある前記凹部の底面と、相対する他方の電極とに挟まれた前記圧電デバイスの前記パッケージの部分が、
半導体酸化物からのみなっていることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
前記圧電デバイスの前記パッケージが半導体−半導体酸化物−半導体の三層構造からなり、
前記第一の電極あるいは前記第二の電極の下部にある前記凹部の底面と、相対する他方の電極とに挟まれた前記圧電デバイスの前記パッケージの部分が、
前記三層構造のうちの前記半導体酸化物層から構成されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電デバイス。