JP6822118B2 - 振動子、発振器、電子機器、および移動体 - Google Patents

振動子、発振器、電子機器、および移動体 Download PDF

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Description

本発明は、振動子、振動子を備えた発振器、電子機器、および移動体に関する。
従来、Ｓｉ半導体層上に圧電薄膜を含む励振部が構成されているＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造の振動子が知られている。例えば下記の特許文献１には、複数の振動腕の各一端が基部に接続されている振動装置（振動子）が開示されている。この振動装置は、振動腕となるＳｉ層上に、酸化ケイ素層を積層し、酸化ケイ素層上に励振部が設けられている構造を有している。そして、Ｓｉ層の厚みと酸化ケイ素層の厚みとの総和と、Ｓｉ層の厚みとの比を所定条件にすることで、周波数温度係数ＴＣＦ（Temperature Coefficient of Frequency）を小さくし、良好な周波数温度特性を有する振動子を構成することができる。
国際公開第２０１４／１８５２８１号
特許文献１には、酸化ケイ素層は複数層積層されていてもよい旨の記載がある。しかしながら、特許文献１に記載の振動装置（振動子）には、酸化ケイ素層が複数層である場合に、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくする酸化ケイ素層の具体的な構成が開示されていない。そのため、必ずしも周波数温度特性が良好な振動子が得られるとは限らなかった。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例又は形態として実現することが可能である。
［適用例１］本適用例に係る振動子は、基材と、前記基材の第１面に配置された第１の酸化ケイ素層と、前記第１の酸化ケイ素層の前記基材とは反対側に配置された第２の酸化ケイ素層と、を含み、前記基材の厚さをｔｓｉ、前記第１の酸化ケイ素層の厚さをｔａ、前記第２の酸化ケイ素層の厚さをｔｂとした場合に、（０．１３８×ｔｓｉ）／２＜ｔａ＜（０．２６８×ｔｓｉ）／２、且つ、（０．１８９×ｔｓｉ）／２＜ｔｂ＜（０．５２７×ｔｓｉ）／２を満たす。
本願発明者は検討の結果、基材上に形成した第１の酸化ケイ素層の膜厚と、第２の酸化ケイ素層の膜厚と、が上記条件を満たすことにより、酸化ケイ素層が２層の場合の周波数温度特性が良好であることを発見した。従って、本適用例によれば、周波数温度特性に優れた振動子を得ることができる。
［適用例２］上記適用例に記載の振動子において、（０．１５７×ｔｓｉ）／２＜ｔａ＜（０．２２９×ｔｓｉ）／２、且つ、（０．２２６×ｔｓｉ）／２＜ｔｂ＜（０．４５１×ｔｓｉ）／２を満たすことが好ましい。
本適用例によれば、周波数温度係数ＴＣＦをより小さくすることができ、より周波数温度特性に優れた振動子を得ることができる。
［適用例３］上記適用例に記載の振動子において、（０．１７６×ｔｓｉ）／２＜ｔａ＜（０．１９１×ｔｓｉ）／２、且つ、（０．２６４×ｔｓｉ）／２＜ｔｂ＜（０．３７５×ｔｓｉ）／２を満たすことが好ましい。
本適用例によれば、周波数温度係数ＴＣＦをよりさらに小さくすることができ、よりさらに周波数温度特性に優れた振動子を得ることができる。
［適用例４］上記適用例に記載の振動子において、前記第２の酸化ケイ素層は、前記第１の酸化ケイ素層よりも密度が低いことが好ましい。
相対的に密度が高い酸化ケイ素層と、相対的に密度が低い酸化ケイ素層と、では、例えば膜厚制御の容易さや周波数温度特性の補正能力が異なる。本適用例によれば、相対的に密度が高い第１の酸化ケイ素層と、相対的に密度が低い第２の酸化ケイ素層と、で相互に特性を補完し合うことができる。そのため、酸化ケイ素層が１層である場合よりも、酸化ケイ素層全体としての品質ばらつきを抑制できるので、周波数温度特性ばらつきを低減することができる。
［適用例５］上記適用例に記載の振動子において、前記第２の酸化ケイ素層のエッチングレートは、前記第１の酸化ケイ素層のエッチングレートよりも大きいことが好ましい。
本適用例によれば、第２の酸化ケイ素層のエッチングレートが第１の酸化ケイ素層のエッチングレートよりも大きいことにより、第２の酸化ケイ素層の膜厚を第１の酸化ケイ素層の膜厚より厚く形成しても第２の酸化ケイ素層のエッチング時間が長くならず、エッチングにおけるタクト時間を小さくすることができ、生産性を向上させることができる。
［適用例６］上記適用例に記載の振動子において、前記第１面は、前記基材の振動方向に交差する面であることが好ましい。
本適用例によれば、基材の振動方向と交差する面に、第１の酸化ケイ素層と第２の酸化ケイ素層とを積層して形成することにより、振動子の周波数温度係数ＴＣＦをより効果的に変化させることができ、周波数温度特性に優れた振動子を容易に得ることができる。
［適用例７］上記適用例に記載の振動子において、さらに、前記第２の酸化ケイ素層の前記第１の酸化ケイ素層とは反対側に配置された第１電極と、前記第１電極の前記第２の酸化ケイ素層とは反対側に配置された圧電体層と、前記圧電体層の前記第１電極とは反対側に配置された第２電極と、を含むことが好ましい。
本適用例によれば、第２の酸化ケイ素層に第１電極と、圧電体層と、第２電極と、をこの順に積層することにより、振動子を基材の第１面と交差する方向に安定して振動させることができる。
［適用例８］本適用例に係る発振器は、上記適用例に記載の振動子と、前記振動子を発振させる発振回路と、を備えている。
本適用例によれば、周波数温度特性に優れた振動子が備えられていることにより、より高性能の発振器を提供することができる。
［適用例９］本適用例に係る電子機器は、上記適用例に記載の振動子を備えている。
本適用例によれば、電子機器に周波数温度特性に優れた振動子が活用されることにより、より高性能の電子機器を提供することができる。
［適用例１０］本適用例に係る移動体は、上記適用例に記載の振動子を備えている。
本適用例によれば、移動体に周波数温度特性に優れた振動子が活用されることにより、より高性能の移動体を提供することができる。
本実施形態に係る振動子の構成を示す概略平面図。 図１ＡのＢ−Ｂ’線における概略断面図。 図１ＡのＣ−Ｃ’線における概略断面図。 各種振動子の周波数温度特性を示すグラフ。 酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の厚みと１次温度係数αとの関係を示すグラフ。 本実施形態に係る振動子の製造工程を示す概略平面図。 本実施形態に係る振動子の製造工程を示す概略平面図。 本実施形態に係る振動子の製造工程を示す概略平面図。 本実施形態に係る振動子の製造工程を示す概略平面図。 本実施形態に係る振動子の製造工程を示す図４ＡのＡ−Ａ’線の位置に相当する概略断面図。 本実施形態に係る振動子の製造工程を示す図４ＡのＡ−Ａ’線の位置に相当する概略断面図。 本実施形態に係る振動子の製造工程を示す図４ＡのＡ−Ａ’線の位置に相当する概略断面図。 本実施形態に係る振動子の製造工程を示す図４ＡのＡ−Ａ’線の位置に相当する概略断面図。 本実施形態に係る振動子の製造工程を示す図４ＡのＡ−Ａ’線の位置に相当する概略断面図。 本実施形態に係る振動子の製造工程を示す図４ＡのＡ−Ａ’線の位置に相当する概略断面図。 本実施形態に係る振動子の製造工程を示す図４ＡのＡ−Ａ’線の位置に相当する概略断面図。 本実施形態に係る振動子の製造工程を示す図４ＡのＡ−Ａ’線の位置に相当する概略断面図。 本発明の振動子を備える発振器の構成を示す概略断面図。 本発明の振動子を備える電子機器としてのモバイル型（又はノート型）のパーソナルコンピューターの構成を示す斜視図。 本発明の振動子を備える電子機器としての携帯電話機の構成を示す斜視図。 本発明の振動子を備える電子機器としてのデジタルカメラの構成を示す斜視図。 本発明の振動子を備える移動体としての自動車の構成を示す斜視図。
以下に本発明を具体化した実施形態について、図面を参照して説明する。以下は、本発明の一実施形態であって、本発明を限定するものではない。なお、以下の各図においては、説明を分かりやすくするため、実際とは異なる尺度で記載している場合がある。
（実施形態）
［振動子］
先ず、本実施形態に係る振動子１について、図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃを参照して説明する。
図１Ａは、本実施形態に係る振動子の構成を示す概略平面図である。また、図１Ｂは、図１Ａに示すＢ−Ｂ’における概略断面図であり、図１Ｃは、図１Ａに示すＣ−Ｃ’における概略断面図である。ただし、断面の背景を示す線は省略されている。
本実施形態に係る振動子１は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１０を加工することによって製造することができる。ＳＯＩ基板１０は、基層（シリコン基板１１）と、埋め込み酸化膜（ＢＯＸ：Buried Oxide）１２と、表面シリコン層１３とが、この順で積層された基板である。例えば、シリコン基板１１および表面シリコン層１３は、単結晶シリコンで構成され、埋め込み酸化膜１２は、酸化ケイ素層（ＳｉＯ2等）で構成される。本実施形態において、表面シリコン層１３は、基材に相当する。
図１Ａ〜図１Ｃに示すように、振動子１は、シリコン基板１１と、シリコン基板１１の一部の領域に配置された埋め込み酸化膜１２と、表面シリコン層１３のシリコンで構成された振動体２０と、振動体２０の所定の領域に配置された酸化ケイ素層である温度特性調整膜３０と、温度特性調整膜３０の振動体２０とは反対側に配置され、温度特性調整膜３０の少なくとも一部を覆う圧電駆動部４０と、を含んでいる。
振動体２０は、埋め込み酸化膜１２によって支持された固定部２１と、埋め込み酸化膜１２が除去された領域上において溝（トレンチ）１３ａによって固定部２１以外の周囲のシリコンから分離された振動腕部２２と、を有している。図１Ａ〜図１Ｃに示す例においては、振動体２０が３つの振動腕部２２を有している。振動腕部２２に対向する位置におけるシリコン基板１１には、キャビティー１１ａが形成されている。なお、本実施形態では、振動腕部２２が３つの、基材にシリコンを用いた振動子を３脚型シリコン振動子と称する。
温度特性調整膜３０は、第１の酸化ケイ素（ＳｉＯ2）層３１と、第２の酸化ケイ素（ＳｉＯ2）層３２と、で構成されており、表面シリコン層１３側から第１の酸化ケイ素層３１、第２の酸化ケイ素層３２の順で積層されている。つまり、表面シリコン層１３の埋め込み酸化膜１２が配置されている面とは反対側の第１面１０ａに第１の酸化ケイ素層３１が配置され、第１の酸化ケイ素層３１の表面シリコン層１３とは反対側に第２の酸化ケイ素層３２が配置されている。なお、振動腕部２２は、３つの振動腕部２２を通る面に交差する方向に振動する。従って、表面シリコン層１３の第１面１０ａは、振動腕部２２の振動方向に交差する面である。
また、第１の酸化ケイ素層３１は、表面シリコン層１３を熱酸化法により熱酸化して形成されたものであり、第２の酸化ケイ素層３２は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法又はスパッタ法により形成されたものである。従って、第２の酸化ケイ素層３２は、第１の酸化ケイ素層３１に比べ、酸素欠陥等の欠陥が多く、膜質が緻密でないため密度が低い。従って、第２の酸化ケイ素層３２のエッチングレート（単位時間あたりのエッチング量）は、第１の酸化ケイ素層３１のエッチングレートよりも大きくなる。
ここで、基材としての表面シリコン層１３の厚さをｔｓｉ、第１の酸化ケイ素層３１の厚さをｔａ、第２の酸化ケイ素層３２の厚さをｔｂとした場合に、（０．１３８×ｔｓｉ）／２＜ｔａ＜（０．２６８×ｔｓｉ）／２、且つ、（０．１８９×ｔｓｉ）／２＜ｔｂ＜（０．５２７×ｔｓｉ）／２の関係を満たしている。なお、好ましくは、（０．１５７×ｔｓｉ）／２＜ｔａ＜（０．２２９×ｔｓｉ）／２、且つ、（０．２２６×ｔｓｉ）／２＜ｔｂ＜（０．４５１×ｔｓｉ）／２の関係を満しており、より好ましくは、（０．１７６×ｔｓｉ）／２＜ｔａ＜（０．１９１×ｔｓｉ）／２、且つ、（０．２６４×ｔｓｉ）／２＜ｔｂ＜（０．３７５×ｔｓｉ）／２の関係を満している。
圧電駆動部４０は、ポリシリコン膜４１と、第１電極４２と、圧電体層４３と、第２電極４４と、複数の配線４５と、を含んでいる。なお、ポリシリコン膜４１は、不純物がドープされていないポリシリコンで構成され、例えば、アモルファスシリコンで構成されても良い。本実施形態においては、ポリシリコン膜４１と振動体２０とで温度特性調整膜３０を覆っている。それにより、ポリシリコン膜４１が、圧電駆動部４０の周囲の酸化ケイ素層のエッチングから温度特性調整膜３０を保護することができる。
第１電極４２および第２電極４４は、圧電体層４３を挟むように配置されている。つまり、第２の酸化ケイ素層３２の第１の酸化ケイ素層３１とは反対側に、ポリシリコン膜４１を介して配置された第１電極４２と、第１電極４２の第２の酸化ケイ素層３２とは反対側に配置された圧電体層４３と、圧電体層４３の第１電極４２とは反対側に配置された第２電極４４と、がこの順で積層されている。図１Ａ〜図１Ｃに示す例においては、３つの振動腕部２２に対応して、３組の第１電極４２、圧電体層４３、および第２電極４４が設けられている。
複数の配線４５は、隣り合う振動腕部２２を逆相で振動させるように、第１電極４２および第２電極４４に電気的に接続されている。また、複数の配線４５は電極パッド４６と電気的に接続されており、２つの電極パッド４６間に外部から電圧を印加することにより、隣り合う振動腕部２２を逆相で振動させることができる。
なお、これらを構成する材料としては、例えば、圧電体層４３は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等で構成され、第１電極４２および第２電極４４は、窒化チタン（ＴｉＮ）等で構成され、複数の配線４５および電極パッド４６は、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）等で構成されている。
２つの電極パッド４６を介して、第１電極４２と第２電極４４との間に電圧が印加されると、それによって圧電体層４３が伸縮して振動腕部２２が振動する。その振動は固有の共振周波数において大きく励起されて、インピーダンスが最小となる。その結果、この振動子１を用いた発振器１００（図６参照）が、主に振動腕部２２の共振周波数によって決定される発振周波数で発振する。
次に、温度特性調整膜３０について、図２および図３を参照して詳細に説明する。
図２は、各種振動子の周波数温度特性を示すグラフである。図３は、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の厚みと１次温度係数αとの関係を示すグラフである。
温度特性調整膜３０は、振動腕部２２の共振周波数の周波数温度特性を補正するために設けられている。シリコンは、温度が高くなるにつれて共振周波数が低下する周波数温度特性を有しており、一方、酸化ケイ素は、温度が高くなるにつれて共振周波数が上昇する周波数温度特性を有している。従って、シリコンの振動体２０の振動腕部２２上に酸化ケイ素である温度特性調整膜３０を配置することにより、振動体２０の振動腕部２２と温度特性調整膜３０とで構成される複合体の共振周波数の周波数温度特性をフラットに近付けることができる。
図２は、各種振動子の温度範囲−３５℃から＋８５℃における周波数温度特性（実測値）を共振周波数変化量によって示すグラフであり、横軸が温度［℃］であり、縦軸が２５℃の共振周波数を基準とする共振周波数変化量△Ｆ［ｐｐｍ］である。
図２におけるＣ１は、振動体２０が水晶で構成された音叉型水晶振動子の周波数温度特性であり、Ｃ２は、振動体２０がシリコンで構成された３脚型シリコン振動子の周波数温度特性である。３脚型シリコン振動子の周波数温度特性が非常に急峻であるのに対し、音叉型水晶振動子の周波数温度特性は温度範囲−２５℃〜＋７５℃において、共振周波数変化量ΔＦが０ｐｐｍ〜−１８０ｐｐｍとフラットである。Ｃ１の音叉型水晶振動子の周波数温度特性は電子機器等の基準クロックとして活用可能な水準である。
また、図２におけるＡ１〜Ａ３は、振動腕部２２上に温度特性調整膜３０を形成した３脚型シリコン振動子の周波数温度特性である。Ａ１は、熱酸化法による酸化ケイ素層（図１Ｂおよび図１Ｃにおける第１の酸化ケイ素層３１に相当）で厚みｔａを１μｍで形成した温度特性調整膜３０を有する３脚型シリコン振動子である。Ａ２は、熱酸化法による酸化ケイ素層（第１の酸化ケイ素層３１）で厚みｔａを０．５μｍとしたものと、ＣＶＤ法による酸化ケイ素層（図１Ｂおよび図１Ｃにおける第２の酸化ケイ素層３２に相当）、厚みｔｂを０．５μｍとしたものと、の２層で形成した温度特性調整膜３０を有する３脚型シリコン振動子である。Ａ３は、ＣＶＤ法による酸化ケイ素層（第２の酸化ケイ素層３２）で厚みｔｂを１μｍで形成した温度特性調整膜３０を有する３脚型シリコン振動子である。
従って、図２より、温度特性調整膜３０を形成した３脚型シリコン振動子Ａ１〜Ａ３は、温度特性調整膜３０の無い３脚型シリコン振動子Ｃ２に比べ、周波数温度特性を大幅に補正することができ、音叉型水晶振動子Ｃ１に近い周波数温度特性を得ることができることが確認できる。
次に、図３は、温度特性調整膜３０となる酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の厚みと、周波数温度係数ＴＣＦの中で周波数温度特性に大きく影響を及ぼす１次温度係数αと、の関係を示したグラフであり、横軸が酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の厚み［μｍ］であり、縦軸が１次温度係数α［ｐｐｍ／ｄｅｇ］である。
図３における曲線Ｃ３は、温度特性調整膜３０である酸化ケイ素（ＳｉＯ2）層を形成した３脚型シリコン振動子のシリコンおよび酸化ケイ素の材料定数、例えば、弾性定数、密度、線膨張係数等の理論値を用いて計算した酸化ケイ素（ＳｉＯ2）の厚みと１次温度係数αとの関係を示す方程式のグラフである。なお、計算に用いた３脚型シリコン振動子の表面シリコン層１３の厚みは５μｍであり、振動腕部２２の長さは４００μｍ、幅は２０μｍであり、振動腕部２２の間隔は２０μｍであり、温度特性調整膜３０である酸化ケイ素層の長さは２００μｍ、幅は１５μｍである。
また、プロットＰ１〜Ｐ３は、図２におけるＡ１〜Ａ３の周波数温度特性から算出した１次温度係数α（実測値）をプロットしたものであり、曲線Ｅ１〜Ｅ３は、曲線Ｃ３から予想されるプロットＰ１〜Ｐ３を通る方程式である。つまり、曲線Ｅ１は、温度特性調整膜３０を熱酸化法による酸化ケイ素層（第１の酸化ケイ素層３１）で形成した場合の予想方程式であり、曲線Ｅ３は、温度特性調整膜３０をＣＶＤ法による酸化ケイ素層（第２の酸化ケイ素層３２）で形成した場合の予想方程式である。曲線Ｅ１〜Ｅ３より、本実施形態の熱酸化法により形成された第１の酸化ケイ素層３１とＣＶＤ法により形成された第２の酸化ケイ素層３２とによる２層から構成される温度特性調整膜３０を備えた３脚型シリコン振動子の予想方程式（曲線Ｅ２）は、曲線Ｅ１と曲線Ｅ３とに挟まれた領域を通ることとなる。
なお、第１の酸化ケイ素層３１は表面シリコン層１３を熱酸化して形成されているため、緻密で欠陥が少なく密度が大きいので、温度補正膜厚感度（膜厚に対する共振周波数変化量ΔＦ）が大きく、曲線Ｅ１の傾きがＣＶＤ法により形成された第２の酸化ケイ素層３２の曲線Ｅ３に比べ、急峻である。そのため、第１の酸化ケイ素層３１は、同じ１次温度係数αを得るには、第２の酸化ケイ素層３２の厚みより薄くすることができる。しかし、温度補正膜厚感度が大きいため、膜厚制御が難しく、１次温度係数αのばらつきが大きくなってしまうという虞がある。
逆に、ＣＶＤ法により形成された第２の酸化ケイ素層３２は、欠陥が多く、密度が低いので、温度補正膜厚感度が小さく、膜厚制御がし易い。そのため、膜厚制御が難しく、１次温度係数αのばらつきを生じ易い第１の酸化ケイ素層３１上に積層して温度特性調整膜３０とすることにより、第１の酸化ケイ素層３１による１次温度係数αのばらつきを低減することができ、１次温度係数αが小さく、且つ、１次温度係数αのばらつきが小さい、周波数温度特性に優れた３脚型シリコン振動子（振動子１）を得ることができる。なお、ＣＶＤ法に代えてスパッタリング法を用いた場合も同様である。
図３より、温度特性調整膜３０を備えた３脚型シリコン振動子の温度範囲−２５℃〜＋７５℃における共振周波数変化量△Ｆが±５００ｐｐｍとなる温度特性調整膜３０の厚みは、曲線Ｅ１およびＥ３が１次温度係数αの５ｐｐｍ／ｄｅｇおよび−５ｐｐｍ／ｄｅｇで交差する酸化ケイ素の厚みとなる。温度特性調整膜３０が第１の酸化ケイ素層３１のみである曲線Ｅ１の場合は、１次温度係数αの−５ｐｐｍ／ｄｅｇと交差する厚みＧ１１が下限であり、１次温度係数αの５ｐｐｍ／ｄｅｇと交差する厚みＧ１２が上限となる。第１の酸化ケイ素層３１の厚みｔａの下限（Ｇ１１）は０．６９０μｍとなり、第１の酸化ケイ素層３１の厚みｔａの上限（Ｇ１２）は１．３４１μｍとなる。また、温度特性調整膜３０が第２の酸化ケイ素層３２のみである曲線Ｅ３の場合は、第２の酸化ケイ素層３２の厚みｔｂの下限（Ｇ３１）は０．９４３μｍとなり、第２の酸化ケイ素層３２の厚みｔｂの上限（計算で算出）は２．６２９μｍとなる。
なお、第１の酸化ケイ素層３１の厚みｔａの下限と上限と、および第２の酸化ケイ素層３２の厚みｔｂの下限と上限と、を振動腕部２２の厚みとなる表面シリコン層１３の厚みｔｓｉ（５μｍ）で規格化すると、第１の酸化ケイ素層３１の厚みｔａの下限が０．１３８×ｔｓｉ、上限が０．２６８×ｔｓｉとなり、第２の酸化ケイ素層３２の厚みｔｂの下限が０．１８９×ｔｓｉ、上限が０．５２７×ｔｓｉとなる。
従って、温度特性調整膜３０を第１の酸化ケイ素層３１と第２の酸化ケイ素層３２とで構成する本実施形態の場合には、第１の酸化ケイ素層３１の厚さｔａを（０．１３８×ｔｓｉ）／２より大きく、（０．２６８×ｔｓｉ）／２より小さくし、且つ、第２の酸化ケイ素層３２の厚さｔｂを（０．１８９×ｔｓｉ）／２より大きく、（０．５２７×ｔｓｉ）／２より小さくすることで、温度範囲−２５℃〜＋７５℃における共振周波数変化量△Ｆが±５００ｐｐｍ以内となる周波数温度特性の優れた３脚型シリコン振動子（振動子１）を得ることができる。
次に、温度特性調整膜３０を備えた３脚型シリコン振動子の温度範囲−２５℃〜＋７５℃における共振周波数変化量△Ｆが±３００ｐｐｍとなる温度特性調整膜３０の厚みは、共振周波数変化量△Ｆが±５００ｐｐｍの場合と同様に、曲線Ｅ１およびＥ３が１次温度係数αの３ｐｐｍ／ｄｅｇおよび−３ｐｐｍ／ｄｅｇで交差する酸化ケイ素の厚みとなる。
よって、第１の酸化ケイ素層３１の厚みｔａの下限が０．７８５μｍ（０．１５７×ｔｓｉ）、上限が１．１４７μｍ（０．２２９×ｔｓｉ）となり、第２の酸化ケイ素層３２の厚みｔｂの下限が１．１３２μｍ（０．２２６×ｔｓｉ）、上限が２．２５３μｍ（０．４５１×ｔｓｉ）となる。
従って、温度特性調整膜３０を第１の酸化ケイ素層３１と第２の酸化ケイ素層３２とで構成する本実施形態の場合には、第１の酸化ケイ素層３１の厚さｔａを（０．１５７×ｔｓｉ）／２より大きく、（０．２２９×ｔｓｉ）／２より小さくし、且つ、第２の酸化ケイ素層３２の厚さｔｂを（０．２２６×ｔｓｉ）／２より大きく、（０．４５１×ｔｓｉ）／２より小さくすることで、温度範囲−２５℃〜＋７５℃における共振周波数変化量△Ｆが±３００ｐｐｍ以内となる周波数温度特性の優れた３脚型シリコン振動子（振動子１）を得ることができる。
更に、温度特性調整膜３０を備えた３脚型シリコン振動子の温度範囲−２５℃〜＋７５℃における共振周波数変化量△Ｆが±１００ｐｐｍとなる温度特性調整膜３０の厚みは、共振周波数変化量△Ｆが±５００ｐｐｍおよび±３００ｐｐｍの場合と同様に、曲線Ｅ１およびＥ３が１次温度係数αの１ｐｐｍ／ｄｅｇおよび−１ｐｐｍ／ｄｅｇで交差する酸化ケイ素の厚みとなる。
よって、第１の酸化ケイ素層３１の厚みｔａの下限が０．８８０μｍ（０．１７６×ｔｓｉ）、上限が０．９５３μｍ（０．１９１×ｔｓｉ）となり、第２の酸化ケイ素層３２の厚みｔｂの下限が１．３２１μｍ（０．２６４×ｔｓｉ）、上限が１．８７６μｍ（０．３７５×ｔｓｉ）となる。
従って、温度特性調整膜３０を第１の酸化ケイ素層３１と第２の酸化ケイ素層３２とで構成する本実施形態の場合には、第１の酸化ケイ素層３１の厚さｔａを（０．１７６×ｔｓｉ）／２より大きく、（０．１９１×ｔｓｉ）／２より小さくし、且つ、第２の酸化ケイ素層３２の厚さｔｂを（０．２６４×ｔｓｉ）／２より大きく、（０．３７５×ｔｓｉ）／２より小さくすることで、温度範囲−２５℃〜＋７５℃における共振周波数変化量△Ｆが±１００ｐｐｍ以内となる周波数温度特性の優れた３脚型シリコン振動子（振動子１）を得ることができる。
なお、本実施形態では、３つの振動腕部２２を有する３脚型の振動子１を一例に挙げ、説明したが、固定部２１から延出する複数の振動腕部２２の数は限定されない。
以上述べたように、本実施形態に係る温度特性調整膜３０を備えた振動子１によれば、表面シリコン層１３上に第１の酸化ケイ素層３１と第２の酸化ケイ素層３２とを積層した温度特性調整膜３０を形成しているため、一層の酸化ケイ素層による周波数温度係数ＴＣＦの補正のための膜厚制御に比べ、膜厚制御が容易となり、周波数温度特性のばらつきを低減することができる。また、表面シリコン層１３の厚さをｔｓｉとし、第１の酸化ケイ素層３１の厚さｔａと、第２の酸化ケイ素層３２の厚さｔｂと、を（０．１３８×ｔｓｉ）／２＜ｔａ＜（０．２６８×ｔｓｉ）／２、且つ、（０．１８９×ｔｓｉ）／２＜ｔｂ＜（０．５２７×ｔｓｉ）／２の関係を満たすようにすることにより、１次温度係数αを小さくすることができ、温度範囲−２５℃〜＋７５℃における共振周波数変化量△Ｆが±５００ｐｐｍ以内となる、周波数温度特性に優れた振動子１を得ることができる。
また、（０．１５７×ｔｓｉ）／２＜ｔａ＜（０．２２９×ｔｓｉ）／２、且つ、（０．２２６×ｔｓｉ）／２＜ｔｂ＜（０．４５１×ｔｓｉ）／２の関係を満たすことにより、１次温度係数αをより小さくすることができ、温度範囲−２５℃〜＋７５℃における共振周波数変化量△Ｆが±３００ｐｐｍ以内となる、より周波数温度特性に優れた振動子１を得ることができる。
また、（０．１７６×ｔｓｉ）／２＜ｔａ＜（０．１９１×ｔｓｉ）／２、且つ、（０．２６４×ｔｓｉ）／２＜ｔｂ＜（０．３７５×ｔｓｉ）／２の関係を満たすことにより、１次温度係数αをよりさらに小さくすることができ、温度範囲−２５℃〜＋７５℃における共振周波数変化量△Ｆが±１００ｐｐｍ以内となる、よりさらに周波数温度特性に優れた振動子１を得ることができる。

また、第２の酸化ケイ素層３２は、第１の酸化ケイ素層３１よりも密度が低いことにより、密度が高く膜厚制御が難しい第１の酸化ケイ素層３１の膜厚ばらつきを、密度が低く膜厚制御がし易い第２の酸化ケイ素層３２により補正することができる。そのため、第１の酸化ケイ素層３１の膜厚ばらつきに伴う１次温度係数αばらつきや周波数温度特性ばらつきを低減することができる。
また、第２の酸化ケイ素層３２のエッチングレートが第１の酸化ケイ素層３１のエッチングレートよりも大きいことにより、第２の酸化ケイ素層３２の膜厚を第１の酸化ケイ素層３１の膜厚より厚く形成しても第２の酸化ケイ素層３２のエッチング時間が長くならず、エッチングにおけるタクト時間を小さくすることができ、生産性を向上させることができる。
また、表面シリコン層１３の振動方向に交差する面に、第１の酸化ケイ素層３１と第２の酸化ケイ素層３２とを積層して形成することにより、振動子１の１次温度係数αをより効果的に変化させることができ、周波数温度特性に優れた振動子１を容易に得ることができる。
また、第２の酸化ケイ素層３２に第１電極４２と、圧電体層４３と、第２電極４４と、をこの順に積層することにより、振動子１を振動腕部２２となる表面シリコン層１３の第１面１０ａと交差する方向に安定して振動させることができ、周波数温度特性に優れた振動子１を得ることができる。
［製造方法］
次に、本実施形態に係る振動子１の製造工程について、図４Ａ〜図４Ｄおよび図５Ａ〜〜図５Ｈを参照して説明する。
図４Ａ〜図４Ｄは、本実施形態に係る振動子１の製造工程を示す概略平面図である。また、図５Ａ〜図５Ｈは、本実施形態に係る振動子１の製造工程を示す図４ＡのＡ−Ａ’線の位置に相当する概略断面図である。なお、断面の背景を示す線は省略されている。
まず、準備工程として、図１Ｂおよび図１Ｃ等に示すように、シリコン基板１１と、埋め込み酸化膜１２と、表面シリコン層１３とが、この順で積層されたＳＯＩ基板１０を用意する。あるいは、シリコン基板１１上に埋め込み酸化膜１２を形成し、埋め込み酸化膜１２上に表面シリコン層１３を形成して、ＳＯＩ基板１０を作製しても良い。本実施形態において、表面シリコン層１３は、基材に相当する。
次に、第１の工程において、図４Ａに示すように、ＳＯＩ基板１０の表面シリコン層１３に、振動体２０の振動腕部２２となる領域を振動体２０の固定部２１となる領域以外の周囲のシリコンから分離する溝（トレンチ）１３ａを形成する。その際に、ＳＯＩ基板１０の表面シリコン層１３の溝１３ａによって振動体２０の振動腕部２２から分離される領域に、スリット１３ｂが形成されても良い。それにより、後に行われる振動腕部２２の周囲のシリコンのリリースエッチングを容易にすることができる。
溝（トレンチ）１３ａの形成は、表面シリコン層１３上にフォトレジスト１４を塗布し、フォトリソグラフィー法によってマスクパターンを形成し、フォトレジスト１４をマスクとして表面シリコン層１３をエッチングすることにより、図５Ａに示すように、表面シリコン層１３に、振動体２０の振動腕部２２となる領域を振動体２０の固定部２１となる領域以外の周囲のシリコンから分離する溝１３ａを形成する。なお、ＳＯＩ基板１０の表面シリコン層１３の表面を熱酸化することにより、酸化ケイ素層を形成し、フォトリソグラフィー法によって酸化ケイ素層によるマスクを形成し、表面シリコン層１３をエッチングすることで、溝１３ａを形成しても構わない。
第２の工程において、図５Ｂに示すように、ＳＯＩ基板１０の表面シリコン層１３を熱酸化することにより、表面シリコン層１３の上面および溝１３ａ内の側壁に、温度特性調整膜３０の一部となる第１の酸化ケイ素層３１を形成する。
次に、第３の工程において、図５Ｃに示すように、第１の酸化ケイ素層３１上に、ＣＶＤ法又はスパッタ法により、温度特性調整膜３０の一部となる第２の酸化ケイ素層３２を形成する。
第４の工程において、第２の酸化ケイ素層３２上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によってマスクパターンを形成し、フォトレジストをマスクとして第２の酸化ケイ素層３２および第１の酸化ケイ素層３１をエッチングすることにより、振動体２０に達する溝（トレンチ）を形成する。その後、第２の酸化ケイ素層３２上面と第１の酸化ケイ素層３１の溝の側壁を覆うポリシリコン膜４１をＣＶＤ法又はスパッタ法により成膜し、フォトリソグラフィー法によって、図４Ｂおよび図５Ｄに示すように、振動腕部２２を含む振動体２０の所定の領域上にポリシリコン膜４１を形成する。
第５の工程において、振動体２０の所定の領域に形成されたポリシリコン膜４１上に第１電極４２、圧電体層４３、および第２電極４４を、この順でフォトリソグラフィー法により形成する。なお、ポリシリコン膜４１〜第２電極４４は、圧電駆動部４０を構成する。その後、図５Ｅに示すように、圧電駆動部４０が形成されたＳＯＩ基板１０上に、第３の酸化ケイ素層３３をＣＶＤ法又はスパッタ法により形成する。なお、第１〜第３の酸化ケイ素層３１，３２，３３は、後に行われる振動腕部２２の周囲のシリコンのリリースエッチングから振動腕部２２および圧電駆動部４０を保護する。
第６の工程において、図４Ｃおよび図５Ｆに示すように、第３の酸化ケイ素層３３上にフォトレジスト１７を塗布し、フォトリソグラフィー法によってマスクパターンを形成し、フォトレジスト１７をマスクとして第１〜第３の酸化ケイ素層３１，３２，３３をエッチングする。それにより、振動腕部２２および圧電駆動部４０を保護する第１〜第３の酸化ケイ素層３１，３２，３３を残しつつ、振動腕部２２の周囲を囲むような形状で、シリコン基板１１に達する深さの開口を形成する。
その際に、振動腕部２２との間に所定の距離を保つ開口を有するフォトレジスト１７を設けるようにすると、振動腕部２２の周囲のシリコンをエッチングする際に、振動腕部２２および圧電駆動部４０を保護する第１〜第３の酸化ケイ素層３１，３２，３３を残すことができる。また、表面シリコン層１３にスリット１３ｂが形成されている場合には、開口が埋め込み酸化膜１２に達するので、第１〜第３の酸化ケイ素層３１，３２，３３と共に、ＳＯＩ基板１０の埋め込み酸化膜１２をエッチングできる。
第７の工程において、図５Ｇに示すように、フォトレジスト１７を剥離した後に、第１〜第３の酸化ケイ素層３１，３２，３３の開口を通して、振動腕部２２の周囲のシリコンをエッチングする（リリースエッチング）。その際に、シリコン基板１１のシリコンの一部をエッチングして、振動腕部２２の下方におけるシリコン基板１１にキャビティー１１ａを形成する。第７の工程においてはウエットエッチングが行われ、エッチング液としては、例えば、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）が用いられる。
第８の工程において、図４Ｄおよび図５Ｈに示すように、振動腕部２２及び圧電駆動部４０の周囲の第１〜第３の酸化ケイ素層３１，３２，３３および埋め込み酸化膜１２がエッチングされる（リリースエッチング）。それにより、振動腕部２２上のみに第１の酸化ケイ素層３１と第２の酸化ケイ素層３２との積層構造の温度特性調整膜３０が残る。第８の工程においてはウエットエッチングが行われ、エッチング液としては、例えば、ＢＨＦ（バッファードフッ酸）が用いられる。その結果、図１Ａ〜図１Ｃに示すような振動子１を得ることができる。
［発振器］
次に、本発明の振動子１を備える発振器１００について説明する。
図６は、本発明の振動子１を備える発振器１００の構造を示す概略断面図である。
発振器１００は、振動子１と、振動子１を収納するパッケージ本体５０と、振動子１を発振させるための発振回路を有するＩＣチップ（チップ部品）６０と、ガラス、セラミック、又は金属等から成る蓋部材５６と、で構成されている。なお、振動子１を収容するキャビティー７０内はほぼ真空の減圧空間となっている。
パッケージ本体５０は、図６に示すように、第１の基板５１と、第２の基板５２と、第３の基板５３と、第４の基板５４と、実装端子５５と、を積層して形成されている。また、パッケージ本体５０は、振動子１側に開放するキャビティー７０と、ＩＣチップ６０側に開放するキャビティー８０とを有している。
実装端子５５は、第４の基板５４の第３の基板５３側とは反対側の面に複数設けられている。また、実装端子５５は、第１の基板５１の第２の基板５２側の面に設けられた接続電極７２や第３の基板５３の第４の基板５４側の面に設けられた接続電極８２と、図示しない貫通電極や層間配線を介して、電気的に導通されている。
パッケージ本体５０のキャビティー７０内には、第１の基板５１の第２の基板５２側の面に接着剤等の接合部材７４を介して振動子１が接合され、振動子１に設けられた電極パッド４６と第１の基板５１の第２の基板５２側の面に設けられた接続電極７２とがボンディングワイヤー７６によって電気的に接続されている。また、キャビティー７０内は、ホウケイ酸ガラス等の封止材５８により蓋部材５６が接合されることで、気密封止されている。
一方、パッケージ本体５０のキャビティー８０内には、ＩＣチップ６０が収容されており、このＩＣチップ６０は、ろう材あるいは接着剤等の接合部材８４を介して第１の基板５１の第３の基板５３側の面に固定されている。また、キャビティー８０内には、少なくとも２つの接続電極８２が設けられている。接続電極８２は、ボンディングワイヤー８６によってＩＣチップ６０と電気的に接続されている。また、キャビティー８０内には、樹脂材料８８が充填されており、この樹脂材料８８によって、ＩＣチップ６０が封止されている。
ＩＣチップ６０は、振動子１の発振を制御するための発振回路を有しており、この発振回路によって接続電極８２を介して振動子１に電圧を印加することにより、振動子１を発振させ、所定の発振周波数を出力することができる。
従って、周波数温度特性に優れた振動子１を備えていることにより、高性能な発振器１００を得ることができる。
［電子機器］
次に、本発明の一実施形態に係る振動子１を適用した電子機器について、図７、図８、および図９を参照して説明する。
図７は、本実施形態に係る振動子１を備える電子機器としてのモバイル型（又はノート型）のパーソナルコンピューターの構成の概略を示す斜視図である。この図において、パーソナルコンピューター１１００は、キーボード１１０２を備えた本体部１１０４と、ディスプレイ１０００を備えた表示ユニット１１０６とにより構成され、表示ユニット１１０６は、本体部１１０４に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター１１００には、基準クロック等として機能する振動子１が内蔵されている。
図８は、本発明の一実施形態に係る振動子１を備える電子機器としての携帯電話機（ＰＨＳ（Personal Handyhone System）やスマートフォンも含む）の構成の概略を示す斜視図である。この図において、携帯電話機１２００は、複数の操作ボタン１２０２、受話口１２０４および送話口１２０６を備え、操作ボタン１２０２と受話口１２０４との間には、ディスプレイ１０００が配置されている。このような携帯電話機１２００には、基準クロック等として機能する振動子１が内蔵されている。
図９は、本発明の一実施形態に係る振動子１を備える電子機器としてのデジタルスチールカメラの構成の概略を示す斜視図である。なお、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。デジタルスチールカメラ１３００は、被写体の光像をＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子により光電変換して撮像信号（画像信号）を生成する。
デジタルスチールカメラ１３００におけるケース（ボディー）１３０２の背面には、ディスプレイ１０００が設けられ、ＣＣＤによる撮像信号に基づいて表示を行なう構成になっており、ディスプレイ１０００は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース１３０２の正面側（図中裏面側）には、光学レンズ（撮像光学系）やＣＣＤ等を含む受光ユニット１３０４が設けられている。
撮影者がディスプレイ１０００に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン１３０６を押下すると、その時点におけるＣＣＤの撮像信号が、メモリー１３０８に転送・格納される。また、このデジタルスチールカメラ１３００においては、ケース１３０２の側面に、ビデオ信号出力端子１３１２と、データ通信用の入出力端子１３１４とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子１３１２にはテレビモニター１３３０が、データ通信用の入出力端子１３１４にはパーソナルコンピューター１３４０が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー１３０８に格納された撮像信号が、テレビモニター１３３０や、パーソナルコンピューター１３４０に出力される構成になっている。このようなデジタルスチールカメラ１３００には、基準クロック等として機能する振動子１が内蔵されている。
上述したように、電子機器に、周波数温度特性に優れた振動子１が活用されることにより、より高性能の電子機器を提供することができる。
なお、本発明の一実施形態に係る振動子１は、図７のパーソナルコンピューター１１００（モバイル型パーソナルコンピューター）、図８の携帯電話機１２００、図９のデジタルスチールカメラ１３００の他にも、例えば、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ（Point of Sale）端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター等の電子機器に適用することができる。
［移動体］
次に、本発明の一実施形態に係る振動子１を適用した移動体について、図１０を参照して説明する。
図１０は、本発明の移動体の一例としての自動車１４００を概略的に示す斜視図である。
自動車１４００には、振動子１が搭載されている。振動子１は、キーレスエントリー、イモビライザー、ナビゲーションシステム、エアコン、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ：Antilock Brake System）、エアバック、タイヤプレッシャーモニタリングシステム（ＴＰＭＳ：Tire Pressure Monitoring System）、エンジンコントロール、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター、車体姿勢制御システム等の電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１４１０に広く適用できる。
上述したように、移動体に、周波数温度特性に優れた振動子１が活用されることにより、より高性能の移動体を提供することができる。
以上、本発明の振動子１、発振器１００、電子機器（１１００，１２００，１３００）、および移動体（１４００）について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていても良い。また、前述した各実施形態を適宜組み合わせても良い。
１…振動子、１０…ＳＯＩ基板、１０ａ…第１面、１１…シリコン基板、１１ａ…キャビティー、１２…埋め込み酸化膜、１３…基材としての表面シリコン層、１３ａ…溝、１３ｂ…スリット、１４，１７…フォトレジスト、２０…振動体、２１…固定部、２２…振動腕部、３０…温度特性調整膜、３１…第１の酸化ケイ素層、３２…第２の酸化ケイ素層、３３…第３の酸化ケイ素層、４０…圧電駆動部、４１…ポリシリコン膜、４２…第１電極、４３…圧電体層、４４…第２電極、４５…配線、４６…電極パッド、５０…パッケージ本体、５１…第１の基板、５２…第２の基板、５３…第３の基板、５４…第４の基板、５５…実装端子、５６…蓋部材、５８…封止材、６０…ＩＣチップ、７０…キャビティー、７２…接続電極、７４…接合部材、７６…ボンディングワイヤー、８０…キャビティー、８２…接続電極、８４…接合部材、８６…ボンディングワイヤー、８８…樹脂材料、１００…発振器、１０００…ディスプレイ、１１００…パーソナルコンピューター、１１０２…キーボード、１１０４…本体部、１１０６…表示ユニット、１２００…携帯電話機、１２０２…操作ボタン、１２０４…受話口、１２０６…送話口、１３００…デジタルスチールカメラ、１３０２…ケース、１３０４…受光ユニット、１３０６…シャッターボタン、１３０８…メモリー、１３１２…ビデオ信号出力端子、１３１４…入出力端子、１３３０…テレビモニター、１３４０…パーソナルコンピューター、１４００…自動車、１４１０…電子制御ユニット。

Claims (9)

  1. ３つの振動腕部を有する振動体を備え、
    シリコンからなる基材と、
    前記基材の第１面に配置された第１の酸化ケイ素層と、
    前記第１の酸化ケイ素層の前記基材とは反対側に配置されており、前記第１の酸化ケイ素層よりも密度が低い第２の酸化ケイ素層と、を含み、
    前記基材の厚さをｔｓｉ、前記第１の酸化ケイ素層の厚さをｔａ、前記第２の酸化ケイ素層の厚さをｔｂとした場合に、
    （０．１３８×ｔｓｉ）／２＜ｔａ＜（０．２６８×ｔｓｉ）／２、且つ、（０．１８９×ｔｓｉ）／２＜ｔｂ＜（０．５２７×ｔｓｉ）／２
    を満たすことを特徴とする振動子。
  2. （０．１５７×ｔｓｉ）／２＜ｔａ＜（０．２２９×ｔｓｉ）／２、且つ、（０．２２６×ｔｓｉ）／２＜ｔｂ＜（０．４５１×ｔｓｉ）／２
    を満たすことを特徴とする請求項１に記載の振動子。
  3. （０．１７６×ｔｓｉ）／２＜ｔａ＜（０．１９１×ｔｓｉ）／２、且つ、（０．２６４×ｔｓｉ）／２＜ｔｂ＜（０．３７５×ｔｓｉ）／２
    を満たすことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の振動子。
  4. 前記第２の酸化ケイ素層のエッチングレートは、前記第１の酸化ケイ素層のエッチングレートよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の振動子。
  5. 前記第１面は、前記振動腕部の振動方向と交差する面であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の振動子。
  6. さらに、
    前記第２の酸化ケイ素層の前記第１の酸化ケイ素層とは反対側に配置された第１電極と、
    前記第１電極の前記第２の酸化ケイ素層とは反対側に配置された圧電体層と、
    前記圧電体層の前記第１電極とは反対側に配置された第２電極と、
    を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の振動子。
  7. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の振動子と、
    前記振動子を発振させる発振回路と、
    を備えていることを特徴とする発振器。
  8. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の振動子を備えていることを特徴とする電子機器。
  9. 請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の振動子を備えていることを特徴とする移動体。
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