JP5834335B2 - 薄膜付き基板、薄膜の加工方法、圧電デバイス、及び圧電振動子の周波数調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、薄膜付き基板、薄膜の加工方法、圧電デバイス、及び圧電振動子の周波数調整方法に関するものである。

特に電子部品製造の分野において、基板の一表面（上面）に透過波長帯域のレーザーを照射して基板を透過させ、透過したレーザーを基板の他表面（下面）に形成された薄膜に照射して加工する技術が知られている。この技術は、例えば、電子部品パッケージ内に収納された圧電振動子の共振周波数を外部から調整する場合などに利用されるが、その用途は多岐にわたる。（例えば、特許文献１〜３参照）

図１１は、従来の薄膜の加工方法を示す図である。ここに示す従来の薄膜の加工方法においては、透過波長帯域のレーザー１を基板２の一表面（上面）に照射して透過させ、透過したレーザー１を、各界面で発生する光の屈折を考慮した上で、基板２の他表面（下面）に形成された薄膜３に焦点を結ぶように照射することで、薄膜３を加工する。

特開平２−１７９０１３号公報 特開平５−２９８６３号公報 特許第３８４３７７９号

図１２は、従来の薄膜の加工方法の問題点を示す図である。基板２の表面に形成された薄膜３は、そこに照射されるレーザー１のエネルギー密度が薄膜３の加工閾値を上回った時点で初めて加工されるが、薄膜３は基板２に密接しているため、薄膜３に焦点を結ぶようにレーザー１を照射すると、図１２に示すように、薄膜３との界面近傍に存在する基板２にも高密度のレーザー１が照射されることとなり、基板２の加工閾値が薄膜３と同等かそれよりも小さい場合には、薄膜３が加工されるのと同時かそれよりも前に、基板２にダメージ（ダメージ発生領域４）が発生する虞がある。また、基板２にダメージが発生すると、レーザー１の基板２への吸収が促進されるため、レーザー１が薄膜３に到達する前に減衰して、本来の加工対象物である薄膜３の加工効率が低下するか加工自体が行えなくなる。これらの対策として、基板２の材料をレーザー１に対する加工閾値が大きいものにすることが考えられるが、製品設計上、必ずしもそれが許されるとは限らない。

本発明は、以上の問題点に鑑みて成されたものであり、レーザーによる基板のダメージを抑えつつ、基板の表面に形成された薄膜を、基板を透過したレーザーにより効率的に加工することが可能な、薄膜付き基板、薄膜の加工方法、圧電デバイス、及び圧電振動子の周波数調整方法を提供することを目的とする。

少なくとも一部がシリコンで構成されたパッケージの内部に圧電振動子が収納されると共に、前記パッケージの前記シリコンで構成された部位の内面に前記圧電振動子の周波数を調整するための周波数調整用の薄膜が形成された圧電デバイスであって、前記パッケージの前記シリコンで構成された部位と前記周波数調整用の薄膜との間に、前記パッケージの前記シリコンで構成された部位を透過するレーザーを透過可能な中間層が介在し、前記中間層は、前記レーザーの屈折率が前記パッケージの前記シリコンで構成された部位よりも小さい、圧電デバイスとする。

前記中間層は、前記レーザーの透過率が前記パッケージと同じかそれよりも大きい圧電デバイスとする。

前記中間層は、前記レーザーに対する加工閾値が前記パッケージよりも大きい圧電デバイスとする。

前記パッケージはシリコンで構成され、前記中間層は二酸化シリコンで構成されている圧電デバイスとする。

少なくとも一部がシリコンで構成されたパッケージの内部に収納された圧電振動子の周波数を、前記パッケージの前記シリコンで構成された部位の内面に形成された周波数調整用の薄膜を前記パッケージの前記シリコンで構成された部位を透過したレーザーにより飛散させて前記圧電振動子に付着させることで調整する圧電振動子の周波数調整方法であって、請求項１〜４の何れか１つに記載の圧電デバイスの前記パッケージの前記シリコンで構成された部位の外表面にレーザーを照射して透過させ、透過したレーザーを前記パッケージの前記シリコンで構成された部位と前記周波数調整用の薄膜との間に介在する中間層を介して前記周波数調整用の薄膜に焦点を結ぶように照射して前記周波数調整用の薄膜を飛散させ、飛散した前記周波数調整用の薄膜を前記圧電振動子に付着させることで前記圧電振動子の周波数を調整する圧電振動子の周波数調整方法とする。

前記レーザーは、パルス幅が５０〜１０００ｆｓのパルスレーザーである圧電振動子の周波数調整方法とする。

本発明によれば、レーザーによる基板のダメージを抑えつつ、基板の表面に形成された薄膜を、基板を透過したレーザーにより効率的に加工することができる。

本発明の薄膜付き基板の一実施例を示す断面図 本発明の薄膜の加工方法の一実施例を示す断面図 本発明の薄膜の加工方法の変形例を示す断面図 本発明の薄膜の加工方法の変形例を示す断面図 基礎実験の方法を示す模式図 評価サンプル（中間層厚１μｍ）を薄膜形成面側から観察したＳＥＭ画像 評価サンプル（中間層厚５μｍ）を薄膜形成面側から観察したＳＥＭ画像 評価サンプル（中間層厚１０μｍ）を薄膜形成面側から観察したＳＥＭ画像 本発明の圧電デバイスの一実施例を示す断面図 本発明の圧電振動子の周波数調整方法の一実施例を示す断面図 従来の薄膜の加工方法を示す断面図 従来の薄膜の加工方法の問題点を示す図

以下、具体的な実施例を挙げて本発明について説明をする。

図１は、本発明の薄膜付き基板の一実施例を示す断面図である。ここに示す本発明の薄膜付き基板においては、シリコン（Ｓｉ）から成る平板状の基板１１の一表面（下面）に、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）から成る中間層１２を介して、クロム（Ｃｒ）から成る第一の薄膜１３と、金（Ａｕ）から成る第二の薄膜１４が順次積層されている。

図２は、本発明の薄膜の加工方法の一実施例を示す断面図である。図１に示した本発明の薄膜付き基板において、第一の薄膜１３と第二の薄膜１４を、基板１１を透過したレーザー１により加工する際には、図２に示すように、まず、第一の薄膜１３と第二の薄膜１４が形成された側とは反対側の基板１１の表面（上面）に、レーザー１を集光光学系により集光した上で照射する。照射されたレーザー１は、レーザー照射空間（大気空間、真空空間等）１５と基板１１とので界面で、集光範囲が広がる方向へ屈折した上で基板１１を透過し、中間層１２に達する。中間層１２に達したレーザー１は、基板１１と中間層１２におけるレーザー１の屈折率の大小関係（基板１１の屈折率＞中間層１２の屈折率）により、基板１１と中間層１２との界面で、集光範囲が狭まる方向へ屈折した上で中間層１２を透過し、第一の薄膜１３に達する。第一の薄膜１３に達したレーザー１は、第一の薄膜１３の膜厚範囲内の任意の点で焦点を結び、エネルギー密度が第一の薄膜１３の加工閾値を上回ることで第一の薄膜１３の加工が始まり、それと同時に、第一の薄膜１３が加工される際の衝撃や熱により、第二の薄膜１４の加工が連鎖的に始まる。

ここで、本発明においては、基板１１と第一の薄膜１３との間に中間層１２が設けられていることから、その中間層１２の厚みの分だけレーザー１の焦点位置（第一の薄膜１３の位置）が基板１１から遠ざかり、基板１１がレーザー１の高密度領域に晒されることがなくなるため、レーザー１による基板１１へのダメージと、それに伴うレーザー１の基板１１への吸収（減衰）が抑制される。また、その結果として、基板１１にダメージが無い範囲でレーザー１の出力を上げ、第一の薄膜１３と第二の薄膜１４の加工効率を上げることもできるようになる。

また、中間層１２は、レーザー１の屈折率が基板１１よりも低く、基板１１を透過したレーザー１は基板１１と中間層１２との界面で屈折して集光されるため、レーザー１のエネルギー密度の立ち上がり方がより急峻となって、第一の薄膜１３と第二の薄膜１４の加工性が向上する。

尚、中間層１２自体は、基板１１よりもレーザーに対する加工閾値が大きいため、レーザー１のエネルギー密度が高くても加工され難い。

図３、４は、本発明の薄膜の加工方法の変形例を示す断面図である。前述のように基板１１と中間層１２との界面でレーザー１の集光作用を得る意味では、中間層１２はレーザー１の屈折率が基板１１よりも小さい材料で構成されているのが好ましいが、それに限定されるものではなく、レーザー１の屈折率が基板１１と同じかそれよりも大きい材料で構成されていてもよい。ここで、仮に中間層１２がレーザー１の屈折率が基板１１と同じ材料で構成されていた場合には、図３中に点線で示すように、基板１１を透過したレーザー１は、基板１１と中間層１２との界面で屈折しないことから、基板１１を透過した時点の角度を保ったまま中間層１２を透過することとなり、一方で、仮に中間層１２がレーザーの屈折率が基板１１よりも大きい材料で構成されていた場合には、図４中に点線で示すように、基板１１を透過したレーザー１は、基板１１と中間層１２との界面で集光範囲が広がる方向へ屈折した上で中間層１２を透過することとなる。

これらの場合には、レーザー１が基板１１と中間層１２との界面で集光されない分、レーザー１の焦点位置は第二の薄膜側１４へ移動するが、移動する分については、レーザー１の出射位置等を調節して、図３、４中に実線で示すように、焦点位置が第一の薄膜１３の膜厚範囲内に収まるようにしたり、中間層１２の厚みを増加させて、レーザー１の焦点位置を基板１１側へ相対的に移動させるなどして、補正をする。逆に、レーザー１の焦点位置を第二の薄膜１４側へ移動させる場合には、それらとは逆の操作をすることになるが、いずれにしても、各界面における光の屈折を考慮した上で、基板１１を透過したレーザー１が第一の薄膜１３に焦点を結ぶように制御する。

中間層１２は、レーザー１が焦点を結ぶ第一の薄膜１３の位置を基板１１から物理的に遠ざける役割を果たすもので、少なくとも、レーザー１を透過させることが理論上可能な材料が選択されるが、レーザー１の透過を極力妨げないようにする意味では、レーザー１の透過率が基板１１と同じかそれよりも高い材料が好ましく、この条件を数式で表すと、レーザー１の透過率を基板１１と中間層１２についてそれぞれＴｓ、Ｔｍとした場合に、Ｔｓ＜＝Ｔｍ（条件Ａ）となる。

また、中間層１２は、特に不都合がないのであれば、第一の薄膜１３及び第二の薄膜１４と共にレーザー１により加工されても構わないが、それを避ける意味では、中間層１２は、レーザー１に対する加工閾値が基板１１よりも大きい材料であるのが好ましく、この条件を数式で表すと、レーザー１に対する加工閾値を基板１１と中間層１２についてそれぞれＦｓ、Ｆｍとした場合に、Ｆｓ＜Ｆｍ（条件Ｂ）となる。

また、基板１１を透過したレーザー１を基板１１と中間層１２との界面で光の屈折により集光させる意味では、中間層１２は、レーザー１の屈折率が基板１１よりも小さい材料であるのが好ましく、この条件を数式で表すと、レーザーの屈折率を基板１１と中間層１２についてそれぞれＤｓ、Ｄｍとした場合に、Ｄｓ＞Ｄｍ（条件Ｃ）となる。

図１に示した本発明の薄膜付き基板において、基板１１を構成するシリコン（Ｓｉ）と中間層１２を構成する二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）は、以上の条件Ａ〜Ｃを全てを満たす材料の組み合わせであるが、基板１１と中間層１２の材料の組み合わせは、それに限定されるものではない。

尚、中間層１２は、ＣＶＤ法等の成膜技術を用いて微粒子を基板１１の表面に薄膜状に堆積させたり、基板１１自体の表層を化合物化（酸化等）したり、予め別体として作製された薄板状のものを基板１１の表面に接合することなどにより形成することが可能であり、形成する領域についても、少なくとも、レーザー１を照射する側とは反対側の基板１１の表面（下面）の、レーザー１が透過する領域にのみ形成されていればよい。

また、加工対象物である薄膜は、平坦に形成されたものに限らず、複雑な立体形状を有するようなものであってもよく、材料についても、レーザーにより加工することが理論上可能なものであればよく、例えば、図１に示した実施例において、第一の薄膜１３を省略して第二の薄膜１４のみの単層膜とするようなことも可能である。

また、使用するレーザーの種類は特に限定されないが、基板へ与えるダメージが小さいものとしては、パルス幅が５０〜１０００ｆｓのパルスレーザーである所謂フェムト秒レーザーが好適である。

図５は、基礎実験の方法を示す模式図である。本願出願人は、本発明の薄膜の加工方法が有効であることを確認するために基礎実験を行った。基礎実験としては、図５に示すように、平板状の基板２１の一表面（下面）に中間層２２を介して第一の薄膜２３と第二の薄膜２４を形成したものを評価サンプルとして用い、その評価サンプルを第一の薄膜２３と第二の薄膜２４が下となるようにサンプル設置面に０．９９°傾けた状態で配置し、その状態で基板２１の他表面（上面）に焦点を合わせるようにレーザー１を照射すると共に、そのまま焦点距離を変えずに傾斜した評価サンプルの高位側に向けて０．５ｍｍ／ｓの速度で十数ｍｍに亘ってに直線的に走査した。尚、レーザー１の焦点距離は一定であるが、評価サンプルが傾いているため、レーザー１の焦点位置は、走査が進むに連れて第一の薄膜２３側へ相対的に移動する。

評価サンプルの仕様は、以下の通りである。
基板の材料 ：シリコン（Ｓｉ）
基板の厚さ ：３００μｍ
基板の外形サイズ ：２０ｍｍ角
中間層の材料 ：二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）
中間層の厚さ ：１μｍ、５μｍ、１０μｍ
第一の薄膜の材料 ：クロム（Ｃｒ）
第一の薄膜の厚さ ：２５０Å
第二の薄膜の材料 ：金（Ａｕ）
第二の薄膜の厚さ ：１２００Å

レーザーの仕様は、以下の通りである。
種類 ：ファイバーレーザー
波長 ：１５５２ｎｍ
パルス幅 ：８００ｆｓ（フェムト秒）
繰り返し周波数 ：５００ｋＨｚ
パルスエネルギー ：２μＪ
出力 ：１Ｗ

図６〜８は、評価サンプルを薄膜形成面側から観察したＳＥＭ画像で、それぞれ中間層２２の厚さが１μｍ、５μｍ、１０μｍの場合の評価サンプルを示している。図６〜８を参照すると、中間層２２の厚さが１μｍ、５μｍ、１０μｍと厚くなるに連れて薄膜（第一の薄膜２３、第二の薄膜２４）の加工痕が拡大していることから、中間層２２の影響により薄膜の加工性が向上しているのが分かる。

図９は、本発明の圧電デバイスの一実施例を示す断面図である。ここに示す本発明の圧電デバイスは、シリコン（Ｓｉ）から成る箱型のベース基板３１に同じくシリコン（Ｓｉ）から成る平板状の蓋部材３２が接合されることで形成されたパッケージの内部に平板状の圧電振動子３３が収納された所謂パッケージ型の圧電デバイスで、ベース基板３１の内底面上に実装された圧電振動子３３が、ベース基板３１の底部に設けられた２つの貫通配線３４（１つは不図示）やベース基板の内底面又は外底面に設けられた引回し配線（不図示）等を介して、ベース基板３１の外底面に設けられた２つの外部端子３５に電気的に接続されると共に、圧電振動子３３と対向する蓋部材３２の表面（内表面）に、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）から成る中間層３６を介して、金（Ａｕ）から成る周波数調整用の薄膜３７が形成されている。

図１０は、本発明の圧電振動子の周波数調整方法の一実施例を示す断面図である。図９に示した本発明の圧電デバイスにおいて、圧電振動子３３の周波数を調整する際には、予め製作段階で圧電振動子３３の周波数を目標値よりも高周波側に設定した上で、図１０に示すように、蓋部材３２を透過する波長帯域（１２００〜４０００ｎｍ程度）のレーザー１を蓋部材３２の外表面に照射して透過させ、透過したレーザー１を中間層３６を介して周波数調整用の薄膜３７に焦点を結ぶように照射することで薄膜３７を飛散させ、飛散した粒子３８を圧電振動子３３の表面に付着させて質量を増加させることにより、周波数を低周波側へと変移させる。

尚、周波数調整用の薄膜３７は、それを飛散させて圧電振動子３３の表面に付着させることができるのであれば、蓋部材３２の内表面に限らず、ベース基板３１の内底面や内側面に形成されていてもよく、材料についても、金（Ａｕ）の単層膜に限らず、図１に示したようなクロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）の積層膜などであってもよく、特に限定されない。

また、ベース基板３１と蓋部材３２の形状は、ベース基板３１が平板状で、蓋部材３２が箱型であってもよく、材料についても、シリコン（Ｓｉ）同士の組み合わせに限らず、その他種々の材料の組み合わせが適宜選択可能である。

本発明は、基板の表面に形成された薄膜を、基板を透過したレーザーにより加工（除去、改質、溶融等）することが求められる、あらゆる用途に適用することが可能である。

１ レーザー
２ 基板
３ 薄膜
４ ダメージ発生領域
１１ 基板
１２ 中間層
１３ 第一の薄膜
１４ 第二の薄膜
１５ レーザー照射空間
２１ 基板
２２ 中間層
２３ 第一の薄膜
２４ 第二の薄膜
３１ ベース基板
３２ 蓋部材
３３ 圧電振動子
３４ 貫通配線
３５ 外部端子
３６ 中間層
３７ 周波数調整用の薄膜
３８ 飛散した粒子

Claims (6)

1. 少なくとも一部がシリコンで構成されたパッケージの内部に圧電振動子が収納されると共に、前記パッケージの前記シリコンで構成された部位の内面に前記圧電振動子の周波数を調整するための周波数調整用の薄膜が形成された圧電デバイスであって、
   前記パッケージの前記シリコンで構成された部位と前記周波数調整用の薄膜との間に、前記パッケージの前記シリコンで構成された部位を透過するレーザーを透過可能な中間層が介在し、
   前記中間層は、前記レーザーの屈折率が前記パッケージの前記シリコンで構成された部位よりも小さい、
   ことを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記中間層は、前記レーザーの透過率が前記パッケージと同じかそれよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記中間層は、前記レーザーに対する加工閾値が前記パッケージよりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電デバイス。
4. 前記パッケージはシリコンで構成され、前記中間層は二酸化シリコンで構成され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。
5. 少なくとも一部がシリコンで構成されたパッケージの内部に収納された圧電振動子の周波数を、前記パッケージの前記シリコンで構成された部位の内面に形成された周波数調整用の薄膜を前記パッケージの前記シリコンで構成された部位を透過したレーザーにより飛散させて前記圧電振動子に付着させることで調整する圧電振動子の周波数調整方法であって、
   請求項１〜４の何れか１つに記載の圧電デバイスの前記パッケージの前記シリコンで構成された部位の外表面にレーザーを照射して透過させ、透過したレーザーを前記パッケージの前記シリコンで構成された部位と前記周波数調整用の薄膜との間に介在する中間層を介して前記周波数調整用の薄膜に焦点を結ぶように照射して前記周波数調整用の薄膜を飛散させ、飛散した前記周波数調整用の薄膜を前記圧電振動子に付着させることで前記圧電振動子の周波数を調整することを特徴とする圧電振動子の周波数調整方法。
6. 前記レーザーは、パルス幅が５０〜１０００ｆｓのパルスレーザーであることを特徴とする請求項５に記載の圧電振動子の周波数調整方法。