JP7135576B2 - 振動デバイス、振動デバイスの製造方法、電子機器および移動体 - Google Patents

振動デバイス、振動デバイスの製造方法、電子機器および移動体 Download PDF

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Description

本発明は、振動デバイス、振動デバイスの製造方法、電子機器および移動体に関するものである。
従来から、水晶振動子を用いた発振器が知られており、種々の電子機器の基準周波数源や発振源等として広く用いられている。
このような発振器は、水晶振動子を発振させる発振回路の他、発振回路からの出力周波数を所定の出力形式に変換して出力する出力回路、発振回路や出力回路の動作を制御する制御回路等を備えている。これらの回路を組み合わせることにより、出力回路から目的とする周波数のクロック信号を出力させることができる。
例えば、特許文献１には、シリコンからなる第１基板と、シリコンからなる第２基板（リッド基板）と、発振器の動作をするための回路部と、水晶振動子と、を備える圧電発振器が開示されている。また、第１基板には、回路部を構成する活性層が形成されており、第１基板と第２基板との間は、金等の接合材または接着剤を介して接合されている。そして、水晶振動子は、第１基板と第２基板とで形成された気密性のキャビティー内に収納されている。
また、特許文献２には、半導体集積部品に圧電振動子を直接載置して接続した後、半導体集積部品上から圧電振動子を覆うようにフタをしてなる圧電発振器が開示されている。
以上のような各特許文献に記載された発振器では、いずれも、水晶振動片がキャビティー内に収納されることにより、外部環境等から水晶振動片を保護することができる。
特開２０１７－１３９７１７号公報 特開２００４－１２８５９１号公報
しかしながら、前述した特許文献１、２に記載されている発振器では、外部から侵入してきた電磁ノイズが振動片に接続された電極や配線等に重畳するおそれがある。このような電磁ノイズの重畳が生じると、異常発振が発生したり、出力信号の品質が低下したりするといった不具合を発生させる。このため、発振器において電磁ノイズによる不具合の発生を抑制する手段が求められている。
本発明の適用例に係る振動デバイスは、振動片と、
半導体基板、前記半導体基板の表面に設けられている絶縁膜、マウント電極、前記絶縁膜の前記半導体基板とは反対側に設けられ、前記マウント電極よりも大きい面積を持つコンデンサー電極、および、前記マウント電極を介して前記振動片と電気的に接続されている回路部、を備えるＩＣ基板と、
前記半導体基板に直接接合されているリッドと、
を有し、
前記半導体基板および前記リッドはそれぞれＰ型半導体であるか、または、前記半導体基板および前記リッドはそれぞれＮ型半導体である。
本発明の振動デバイスの第１実施形態を示す分解斜視図である。 図１に示す振動デバイスが備えるＩＣ（Integrated Circuit）基板を示す平面図である。 図１に示す振動デバイスの断面図である。 図２に示すＩＣ基板に形成されている回路を示すブロック図である。 図４に示す回路の一部を示す回路図である。 本発明の振動デバイスの第２実施形態を示す断面図である。 本発明の振動デバイスの第３実施形態を示す断面図である。 本発明の振動デバイスの第４実施形態が備えるＩＣ基板を示す平面図である。 図８に示すＩＣ基板を備える振動デバイスの断面図である。 図８に示すＩＣ基板に形成されている回路の一部を示す回路図である。 本発明の振動デバイスの製造方法の実施形態を説明するための工程図である。 図１１に示す製造方法を説明するための図である。 図１１に示す製造方法を説明するための図である。 図１１に示す製造方法を説明するための図である。 図１１に示す製造方法を説明するための図である。 図１１に示す製造方法を説明するための図である。 図１１に示す製造方法を説明するための図である。 本発明の電子機器の実施形態であるモバイル型のパーソナルコンピューターを示す斜視図である。 本発明の電子機器の実施形態である携帯電話機を示す平面図である。 本発明の電子機器の実施形態であるデジタルスチールカメラを示す斜視図である。 本発明の移動体の実施形態である自動車を示す斜視図である。
以下、本発明の振動デバイス、振動デバイスの製造方法、電子機器および移動体の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
＜振動デバイス＞
≪第１実施形態≫
まず、本発明の振動デバイスの第１実施形態について説明する。
図１は、本発明の振動デバイスの第１実施形態を示す分解斜視図である。図２は、図１に示す振動デバイスが備えるＩＣ（Integrated Circuit）基板を示す平面図である。図３は、図１に示す振動デバイスの断面図である。図４は、図２に示すＩＣ基板に形成されている回路を示すブロック図である。図５は、図４に示す回路の一部を示す回路図である。
図１に示す振動デバイス１は、振動片２と、ＩＣ基板３と、リッド４と、を有する発振器である。このうち、ＩＣ基板３は、半導体基板３１と回路部３２とを備えている。また、半導体基板３１およびリッド４は互いに直接接合されており、双方の間には気密性を有するキャビティー４５が形成されている。そして、このキャビティー４５内に振動片２が収納されている。
以下、振動デバイス１についてさらに詳述する。
振動片２は、例えばＡＴカットと呼ばれるカット角で切り出された水晶素板を備えている。なお、ＡＴカットとは、水晶の結晶軸であるＸ軸とＺ軸とを含む平面（Ｙ面）をＸ軸回りにＺ軸から反時計方向に約３５度１５分程度回転させて得られる主面を有するように切り出されていることをいう。また、振動片２の主面は、Ｘ軸に平行な長軸を有する長方形をなしている。
なお、振動片２が備える水晶素板のカット角は、ＡＴカットに限定されず、ＺカットやＢＴカット等であってもよい。また、振動片２の主面の形状は、長方形に限定されず、二脚音叉、Ｈ型音叉、三脚音叉、くし歯型、直交型、角柱型等の形状であってもよい。さらに、振動片２は、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）振動片、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）振動片、加速度センサー用振動片、角速度センサー用振動片等であってもよい。
したがって、振動デバイス１の例としては、水晶発振器（ＳＰＸＯ）、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）、恒温槽付水晶発振器（ＯＣＸＯ）、電圧制御型ＳＡＷ発振器（ＶＣＳＯ）、ＳＡＷ発振器（ＳＰＳＯ）、ＭＥＭＳ発振器等の各種発振器の他、加速度センサー、角速度センサーのような慣性センサー、傾斜センサーのような力センサー等が挙げられる。
ＩＣ基板３は、前述したように、半導体基板３１と、回路部３２と、を備えている。
半導体基板３１は、Ｐ型半導体であって、導電性を有する。このような半導体基板３１は、振動片２を支持したり回路部３２を形成したりするためのベース基板として用いられる。
半導体基板３１の主材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、酸化ケイ素、窒化ガリウム、インジウム・ガリウム・ヒ素等の各種半導体材料が挙げられる。このうち、半導体基板３１は、シリコンを主材料とするものが好ましい。シリコンは、半導体材料として入手および加工がし易く、安価であるためである。
半導体基板３１は、結晶性基板であるのが好ましく、単結晶基板であるのがより好ましい。これにより、半導体基板３１とリッド４との直接接合において、より低温で、より気密性の高い接合が可能になる。また、それとともに、単結晶基板の一部に回路部３２を容易に形成することができる。
なお、本明細書では、半導体基板３１の互いに表裏の関係にある２つの主面と、これらの主面同士をつなぐ側面と、を合わせて表面という。また、２つの主面のうち、回路部３２が設けられている側の主面を「第２面３１２」とし、その反対側の主面を「第１面３１１」という。また、主面の形状は、特に限定されないが、例えば四角形、長円形等が挙げられる。
回路部３２は、半導体材料に対し半導体基板３１よりも高濃度でドーパントを添加してなる拡散層と、拡散層と電気的に接続されている配線やランドのような導電部および導電部同士を絶縁する絶縁膜等を含む再配線層と、を備える部位である。これらの拡散層や再配線層により、トランジスター、ダイオード、抵抗、コンデンサー等の回路要素が形成されている。そして、回路要素の組み合わせにより、所定の回路が形成されている。したがって、回路部３２は例えば集積回路（ＩＣ）であり、後述するように振動片２と電気的に接続されている。
なお、本実施形態に係る回路部３２は、図３に示すように、半導体基板３１の第２面３１２に設けられている。これにより、回路部３２は、キャビティー４５を形成するパッケージの一部である半導体基板３１に付属するように位置し、かつ、キャビティー４５の外側に位置することになる。このため、例えば回路部３２に外部と電気的に接続するための外部端子を設けるとき、ＩＣ基板３の製造工程において外部端子を形成することができるため、半導体基板３１を貫通する配線等を設ける必要がなく、外部端子の形成が容易になるとともに、振動デバイス１の小型化および薄型化を図ることができる。
また、本実施形態に係るＩＣ基板３は、このような回路部３２を備えるとともに、キャビティー４５を形成するパッケージの一部を構成している。このため、パッケージの一部に回路部３２が内蔵されていることになり、振動デバイス１の薄型化および小型化を図ることができる。
また、図３における回路部３２の下面にはパッシベーション膜３３が設けられている。これにより、回路部３２を保護することができる。パッシベーション膜３３としては、例えば、プラズマＣＶＤにより形成される窒化シリコン（ＳｉＮ）を用いることができる。
一方、半導体基板３１の第１面３１１には、図２または図３に示すように、２つのマウント電極３４、３４と、１つのコンデンサー電極３５と、これらの電極３４、３５と半導体基板３１との間に位置する絶縁膜５１と、が設けられている。
２つのマウント電極３４、３４は、それぞれ導電性を有するバンプ６、６を介して振動片２と電気的および機械的に接続されている。これにより、振動片２は、バンプ６、６によって片持ち支持されている。
また、コンデンサー電極３５は、絶縁膜５１の半導体基板３１とは反対側に設けられている。このため、コンデンサー電極３５および半導体基板３１は、絶縁膜５１を介して互いに対向する対向電極となる。これにより、絶縁膜５１、コンデンサー電極３５および半導体基板３１によってコンデンサーＣ１が構成されている。
なお、コンデンサー電極３５の面積は、マウント電極３４の面積以下であっても構わないが、好ましくは大きくなるように設定される。これにより、コンデンサーＣ１の静電容量を十分に大きくすることができ、コンデンサーＣ１を様々な目的で用いることができる。なお、マウント電極３４およびコンデンサー電極３５の面積とは、これらの電極３４、３５と絶縁膜５１との界面の面積として求められる。
また、コンデンサー電極３５の面積は、コンデンサーＣ１に必要とされる静電容量に応じて適宜設定されるが、一例として、マウント電極３４の合計の面積の１．１倍以上であるのが好ましく、２．０倍以上であるのがより好ましい。これにより、十分な静電容量を確保することができる。
以上のように、ＩＣ基板３は、振動片２と電気的に接続されているマウント電極３４、３４を備えており、半導体基板３１の表面に設けられている絶縁膜５１と、絶縁膜５１の半導体基板３１とは反対側に設けられ、マウント電極３４の面積よりも大きい面積を持つコンデンサー電極３５と、を有する。
このような振動デバイス１によれば、絶縁膜５１、コンデンサー電極３５および半導体基板３１により構築されるコンデンサーＣ１の静電容量を十分に大きくすることも、あるいは小さくすることも容易であり、コンデンサーＣ１を様々な目的で用いることができる。また、コンデンサーＣ１と回路部３２との間の配線長を十分に短くすることができるので、インダクタンスが非常に小さくなり、例えば、後述するように、コンデンサーＣ１を高性能なデカップリングコンデンサーとして機能させることができる。その結果、振動デバイス１の外部に、別途、デカップリングコンデンサーを接続する必要がなくなるため、振動デバイス１を実装するときの実装コストの低減および省スペース化を図ることができる。
また、図１における回路部３２の下面には、外部電極３６１、３６２、３６３、３６４が設けられている。
このうち、外部電極３６１は、半導体基板３１や回路部３２を厚さ方向に貫通する貫通配線３７１を介してコンデンサー電極３５と電気的に接続されている。これにより、外部電極３６１は、キャビティー４５内に設けられたコンデンサー電極３５に対して外部との電気的接続を図る端子となる。本実施形態では、前述したように、外部電極３６１に対して電源電位Ｖｄｄが接続されている。
なお、貫通配線３７１は、半導体基板３１および回路部３２を厚さ方向に貫通する貫通孔３０１に挿通されている。半導体基板３１がシリコン基板である場合、貫通配線３７１は、例えばＴＳＶ（Through Silicon via）の技術を用いて形成される。また、貫通孔３０１の内壁に沿って絶縁膜５１が延在している。これにより、貫通孔３０１の内壁と貫通配線３７１との間が絶縁されている。
一方、外部電極３６２、３６３、３６４は、それぞれ回路部３２と電気的に接続されている。これにより、外部電極３６２、３６３、３６４を介して、回路部３２に任意の信号を入力したり、回路部３２から発生させた任意の信号を出力したりすることができる。本実施形態では、外部電極３６２、３６３、３６４のいずれかにグランド電位ＧＮＤが接続されている。また、残る２つの電極のうち、一方には、図４に示す制御信号ＣＯＮＴが入力され、他方からは、図４に示す出力信号Ｆ_ｏｕｔが出力される。なお、この回路構成は一例であり、これに限定されるものではない。
図３に示す配線３２０は、回路部３２に含まれる配線である。このような配線３２０は、半導体基板３１や回路部３２を厚さ方向に貫通する貫通配線３７２を介してマウント電極３４と電気的に接続されている。これにより、振動片２を駆動するための信号を回路部３２からマウント電極３４に向けて出力し、振動片２を振動させることができる。なお、この回路構成は一例であり、これに限定されるものではない。
なお、貫通配線３７２は、半導体基板３１および回路部３２を厚さ方向に貫通する貫通孔３０２に挿通されている。また、貫通孔３０２の内壁に沿って絶縁膜５１が延在している。これにより、貫通孔３０２の内壁と貫通配線３７２との間が絶縁されている。
なお、本実施形態では、半導体基板３１が図示しない外部電極を介してグランド電位ＧＮＤに接続されている。
また、絶縁膜５１は、半導体基板３１とコンデンサー電極３５や貫通配線３７１との間を電気的に絶縁し得る被膜であれば、特に限定されない。
絶縁膜５１の構成材料としては、例えば、酸化ケイ素、窒化ケイ素のようなケイ素化合物、ガラス、樹脂等が挙げられる。
コンデンサー電極３５は、半導体基板３１とともに絶縁膜５１を挟むように配置された導電膜であれば、特に限定されない。
コンデンサー電極３５の構成材料としては、例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ニッケル、タングステン、モリブデン等を含む単体または合金等が挙げられる。なお、これらの材料は、コンデンサー電極３５以外の電極、配線においても用いられる。
リッド４は、半導体基板３１の厚さ方向から見たとき、ＩＣ基板３とほぼ重なるように、その形状および大きさが設定されている。そして、リッド４は、半導体基板３１に直接接合されている。このため、接合界面の気密性を特に高めることができる。その結果、キャビティー４５内に載置されている振動片２を外部環境から保護することができ、振動デバイス１の信頼性を高めることができる。
また、リッド４のうち、半導体基板３１側に臨む面には、その面に開口する凹部４１が形成されている。この凹部４１により、振動片２を収納するためのキャビティー４５が形成される。そして、凹部４１が形成されている結果、凹部４１の外周部には半導体基板３１側に向かって立設する壁部４２が形成されている。図３における壁部４２の下面４２１は、半導体基板３１の第１面３１１の外周部との直接接合に供される接合面となる。
リッド４は、Ｐ型半導体であって、導電性を有する。そして、リッド４における半導体の極性は、前述した半導体基板３１における半導体の極性と同じになるように選択される。すなわち、本実施形態では、半導体基板３１がＰ型半導体であることから、リッド４もＰ型半導体とされる。これにより、半導体基板３１とリッド４との間を等電位にすることができる。
リッド４の主材料としては、例えば、シリコン、ゲルマニウム、酸化ケイ素、窒化ガリウム、インジウム・ガリウム・ヒ素等の各種半導体材料が挙げられる。このうち、リッド４は、シリコンを主材料とするものが好ましい。シリコンは、半導体材料として入手および加工がし易く、安価であるためである。
リッド４は、結晶基板であるのが好ましく、単結晶基板であるのがより好ましい。これにより、リッド４と半導体基板３１との直接接合において、より低温で、より気密性の高い接合が可能になる。
なお、半導体基板３１とリッド４との直接接合は、介在物を必要としない接合であれば、いかなる方式の接合であってもよい。具体的には、常温活性化接合、プラズマ活性化接合のような活性化接合の他、拡散接合等が挙げられる。このうち、活性化接合が好ましく用いられる。活性化接合では、イオンビームやプラズマ、機械研磨等の活性化手法によって被着体の表面を活性化させた後、処理面同士を貼り合わせる。これにより、半導体基板３１とリッド４との間が強固に接合される。
本実施形態では、半導体基板３１およびリッド４の双方を、グランド電位ＧＮＤに維持することができる。このため、半導体基板３１およびリッド４で構成されるパッケージを電磁シールドとして機能させることができる。その結果、電磁シールド内に設けられた電極や配線等に対し、外部からの電磁ノイズが重畳するのを抑制することができ、異常発振等の不具合が発生するのを抑制することができる。また、電磁シールドに隣接する回路部３２においても、外部からの電磁ノイズの影響を最小限に留めることができる。これにより、出力信号におけるジッターの増大、出力信号に含まれる位相ノイズの増大といった不具合の発生を抑制することができる。
また、反対に、配線や回路部３２から外部に向けて電磁ノイズが放射されるのを抑制することができる。このため、振動デバイス１の周囲に設けられる他の回路における電磁干渉の発生を抑制することができる。
また、直接接合による接合界面は、気密性が良好である。このため、キャビティー４５を気密空間にすることも容易である。また、直接接合のプロセスを減圧下または所定のガス下で行う場合、キャビティー４５内を減圧状態に維持したり、所定のガスを充填したりすることができる。これにより、振動デバイス１の信頼性を高めることができる。
なお、キャビティー４５内は、好ましくは減圧状態に維持される。これにより、振動片２や電極等の経時変性を抑え、振動デバイス１のエージング特性を向上させることができる。
以上のように、振動デバイス１は、振動片２と、半導体基板３１および振動片２と電気的に接続されている回路部３２を備えるＩＣ基板３と、半導体基板３１に直接接合されているリッド４と、を有し、半導体基板３１およびリッド４は、それぞれＰ型半導体である。
このような振動デバイス１によれば、半導体基板３１とリッド４との間にＰＮ接合が形成されることが防止され、半導体基板３１とリッド４との間を互いに等電位にすることができる。このため、振動デバイス１において外部からの電磁ノイズの影響を最小限に留めることができる。また、振動デバイス１から外部への電磁ノイズの漏洩についても最小限に留めることができる。
また、直接接合では、接合強度および接合界面の気密性を特に高められるため、信頼性の高い振動デバイス１を実現することができる。
ここで、図４は、回路部３２における回路構成の一例である。図４に示す回路部３２は、制御回路３２１と、発振回路３２２と、出力回路３２３と、を備えている。制御回路３２１、発振回路３２２および出力回路３２３には、それぞれ電源電位Ｖｄｄおよびグランド電位ＧＮＤが接続されている。
また、制御回路３２１には、外部から制御信号ＣＯＮＴが入力可能になっている。また、制御回路３２１から発振回路３２２に向けて制御信号ＣＮＴ１が出力可能になっており、制御回路３２１から出力回路３２３に向けて制御信号ＣＮＴ２が出力可能になっている。
また、発振回路３２２から出力された出力信号は、出力回路３２３を経て、外部に出力可能になっている。
図５は、図４に示す発振回路３２２の回路構成の一例を示す回路図である。
図５に示す発振回路３２２は、破線で囲んだ領域である。発振回路３２２により、振動片２を発振させることができる。
また、図５に示す発振回路３２２は、振動片２と並列に接続されているインバーターＩＮＶおよび帰還抵抗Ｒｆを備えている。さらに、インバーターＩＮＶの出力側とグランド電位ＧＮＤとの間のラインのうち、帰還抵抗Ｒｆと振動片２との間には、振幅制限抵抗Ｒｄが接続されている。
また、インバーターＩＮＶの入力側とグランド電位ＧＮＤとの間には、周波数調整用コンデンサーＣｇが接続されている。さらに、振幅制限抵抗Ｒｄとグランド電位ＧＮＤとの間には、周波数調整用コンデンサーＣｄが接続されている。
以上のように、回路部３２は、振動片２を駆動する発振回路３２２を含んでいる。これにより、振動片２を共振駆動させ、クロック信号を出力回路３２３に向けて出力させることができる。
そして、このような回路部３２に近接するように、図４に示す電源電位Ｖｄｄのラインとグランド電位ＧＮＤのラインとの間には、前述したコンデンサーＣ１が設けられている。このコンデンサーＣ１は、デカップリングコンデンサーとして機能する。このため、例えば回路部３２で発生した電磁ノイズをデカップリングコンデンサーによって除去または減衰させることができる。これにより、電磁ノイズが電源電位Ｖｄｄのラインに重畳することによる電磁干渉、例えばこのラインに接続されている他の回路に誤作動を引き起こすことを抑制したり、外部の電磁ノイズが回路部３２やその周辺の配線等に重畳し、回路部３２や振動片２の誤作動を招くことを抑制したりするデカップリング効果を得ることができる。特に回路部３２では、発振回路３２２による発振動作や、出力回路３２３によるクロック出力動作の際に、電磁ノイズが発生し易い。このため、デカップリングコンデンサーを設けることにより、かかる電磁ノイズが他の回路に伝達され、他の回路の誤作動を招くことを抑制することができる。
また、前述したコンデンサーＣ１は、前述したように、半導体基板３１と、その第１面３１１に成膜された絶縁膜５１およびコンデンサー電極３５と、を利用して構築されている。このため、回路部３２や振動片２の極めて近い位置にデカップリングコンデンサーが配置されることになり、回路部３２や振動片２からの配線長を実質的に最短化することができる。これにより、配線長が長くなることによるインダクタンスの影響でデカップリング効果が減少してしまうのを抑制し、コンデンサーＣ１の静電容量によるデカップリング効果を高めることができる。
また、コンデンサーＣ１に含まれる絶縁膜５１は、半導体基板３１の表面のうち振動片２に対向する第１面３１１側に設けられている。つまり、半導体基板３１のうち、振動片２を収容するキャビティー４５内に設けられている。これにより、キャビティー４５のスペースを有効に利用しつつ、デカップリングコンデンサーを構築することができる。このため、振動デバイス１の大型化を避けつつ、デカップリングコンデンサーを内蔵した振動デバイス１を実現することができる。なお、半導体基板３１とコンデンサー電極３５との間には、絶縁膜５１以外の別の膜が設けられていてもよい。
また、前述したように、振動デバイス１は、電源電位Ｖｄｄとグランド電位ＧＮＤとの間に設けられているデカップリングコンデンサーとして機能し得るコンデンサーＣ１を有しているが、このコンデンサーＣ１は、前述したように、絶縁膜５１、コンデンサー電極３５および半導体基板３１により構成されたものである。つまり、導電性を有する半導体基板３１をコンデンサーＣ１の電極として用いることにより、振動片２や回路部３２の極めて近い位置にデカップリングコンデンサーを配置することができる。
このような振動デバイス１によれば、電磁ノイズが電源電位Ｖｄｄのラインに重畳することによる回路部３２の誤作動をより確実に抑制することができる。
コンデンサーＣ１の静電容量は、除去したい電磁ノイズの周波数に対するインピーダンス特性を考慮して適宜設定され、特に限定されないが、１０ｐＦ以上であるのが好ましく、５０ｐＦ以上であるのがより好ましく、１００ｐＦ以上であるのが更に好ましい。また、インピーダンス特性に加えて、振動デバイス１の小型化のために必要なコンデンサーＣ１の平面サイズも考慮すると、コンデンサーＣ１の静電容量は、１０ｐＦ以上１μＦ以下であるのが好ましく、５０ｐＦ以上５００ｐＦ以下であるのがより好ましく、１００ｐＦ以上５００ｐＦ以下であるのが更に好ましい。これにより、十分なデカップリング効果を得ることができる。
なお、絶縁膜５１の厚さは、コンデンサーＣ１に求められる静電容量や絶縁膜５１の比誘電率等に応じて適宜設定されるが、０．０１μｍ以上１０μｍ以下であるのが好ましく、０．０５μｍ以上１μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、絶縁膜５１の厚さを確保して信頼性を高めることができるとともに、コンデンサーＣ１の静電容量を確保し、十分なデカップリング効果を得ることができる。
また、コンデンサー電極３５の面積も、コンデンサーＣ１に求められる静電容量等に応じて適宜設定されるが、０．１ｍｍ２以上１０ｍｍ２以下であるのが好ましく、０．３ｍｍ２以上５ｍｍ２以下であるのがより好ましい。これにより、コンデンサーＣ１の静電容量を確保し、十分なデカップリング効果を得ることができる。
また、半導体基板３１の厚さは、特に限定されないが、２０μｍ以上２００μｍ以下であるのが好ましく、３０μｍ以上１５０μｍ以下であるのがより好ましい。これにより、回路部３２とコンデンサーＣ１との配線長を十分に短くすることができ、十分なデカップリング効果を得ることができる。また、十分な薄型化が図られた振動デバイス１が得られる。
また、前述したように、半導体基板３１およびリッド４はそれぞれＰ型半導体であり、半導体基板３１はグランド電位ＧＮＤに接続され、コンデンサー電極３５は電源電位Ｖｄｄに接続されている。
このような振動デバイス１によれば、前述したように、コンデンサーＣ１が電源電位Ｖｄｄとグランド電位ＧＮＤとの間に接続されることになる。これにより、振動デバイス１の外部に別途コンデンサーを設けることなく、デカップリングコンデンサーを内蔵した振動デバイス１を実現することができる。
≪第２実施形態≫
次に、本発明の振動デバイスの第２実施形態について説明する。
図６は、本発明の振動デバイスの第２実施形態を示す断面図である。
以下、第２実施形態について説明するが、以下の説明では第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図６において、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
前述した第１実施形態では、半導体基板３１がＰ型半導体であるのに対し、本実施形態では、半導体基板３１がＮ型半導体であって、同様に導電性を有する。また、それに応じて、半導体基板３１およびコンデンサー電極３５に接続されている電位が入れ替わっている。なお、それ以外については、本実施形態は第１実施形態と同様である。
また、半導体基板３１の主材料が例えばシリコンである場合、Ｎ型半導体の半導体基板３１には、例えばドーパントとしてリンイオンやヒ素イオン等が添加される。
さらに、本実施形態では、リッド４もＮ型半導体であって、導電性を有する。
このように、本実施形態に係る振動デバイス１Ａでは、半導体基板３１およびリッド４がそれぞれＮ型半導体である。そして、半導体基板３１は図示しない外部電極を介して電源電位Ｖｄｄに接続され、コンデンサー電極３５は、外部電極３６１を介してグランド電位ＧＮＤに接続されている。これにより、半導体基板３１とリッド４との間を等電位にすることができる。その結果、振動デバイス１Ａにおいて外部からの電磁ノイズの影響を最小限に留めることができる。また、振動デバイス１から外部への電磁ノイズの漏洩についても最小限に留めることができる。
以上のような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
≪第３実施形態≫
次に、本発明の振動デバイスの第３実施形態について説明する。
図７は、本発明の振動デバイスの第３実施形態を示す断面図である。
以下、第３実施形態について説明するが、以下の説明では第２実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図７において、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
本実施形態に係る振動デバイス１Ｂでは、半導体基板３１およびリッド４がそれぞれＮ型半導体であって、互いに直接接合されている。そして、本実施形態に係る絶縁膜５１およびコンデンサー電極３５は、それぞれ、半導体基板３１の表面のうちの第２面３１２、すなわち振動片２に対向する第１面３１１とは反対側の第２面３１２に設けられている。また、それに応じて、回路部３２およびそれに含まれる配線３２０については、キャビティー４５内に設けられている。これにより、コンデンサーＣ１をキャビティー４５の外側に配置させることができるので、例えばキャビティー４５の外部においてコンデンサー電極３５の面積を調整し、コンデンサーＣ１の静電容量を調整することも容易になる。
また、前述したように、コンデンサー電極３５は、十分に大きい面積を有しているため、回路部３２の大部分に重なるように配置される。このため、コンデンサー電極３５自体も、回路部３２を覆う電磁シールドとして機能させることができ、図７に示す振動デバイス１Ｂの電磁ノイズ耐性をより高めることができる。
また、本実施形態の例では、配線３２０の一部が、貫通配線３７２を介して外部電極３６２と電気的に接続され、別の一部が、貫通配線３７１を介してコンデンサー電極３５と電気的に接続されている。なお、この回路構成は一例であり、これに限定されるものではない。
以上のような第３実施形態においても、第１、第２実施形態と同様の効果が得られる。
なお、図７では、半導体基板３１が電源電位Ｖｄｄに接続され、コンデンサー電極３５がグランド電位ＧＮＤに接続されているが、図７とは反対に、半導体基板３１がグランド電位ＧＮＤに接続され、コンデンサー電極３５が電源電位Ｖｄｄに接続されていてもよい。
≪第４実施形態≫
次に、本発明の振動デバイスの第４実施形態について説明する。
図８は、本発明の振動デバイスの第４実施形態が備えるＩＣ基板を示す平面図である。図９は、図８に示すＩＣ基板を備える振動デバイスの断面図である。図１０は、図８に示すＩＣ基板に形成されている回路の一部を示す回路図である。
以下、第４実施形態について説明するが、以下の説明では第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項についてはその説明を省略する。なお、図８において、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
前述した第１～第３実施形態に係る振動デバイスでは、コンデンサーＣ１がデカップリングコンデンサーとして機能しているのに対し、本実施形態に係る振動デバイス１Ｃでは、図８に示すコンデンサーＣ２、Ｃ３が周波数調整用コンデンサーとして機能している点で相違している。
すなわち、図８に示す振動デバイス１Ｃでは、半導体基板３１およびリッド４がそれぞれＰ型半導体であって、互いに直接接合されている。そして、振動デバイス１Ｃは、半導体基板３１の第１面３１１に設けられた２つのマウント電極３４１、３４２と、２つのコンデンサー電極３５１、３５２と、を備えている。また、これらの電極および半導体基板３１は、絶縁膜５１を介して絶縁されている。このため、絶縁膜５１、コンデンサー電極３５１および半導体基板３１により、コンデンサーＣ２が構築されている。また、絶縁膜５１、コンデンサー電極３５２および半導体基板３１により、コンデンサーＣ３が構築されている。
また、マウント電極３４１とコンデンサー電極３５１との間は、互いに電気的に接続されている。また、マウント電極３４２とコンデンサー電極３５２との間は、互いに電気的に接続されている。
さらに、貫通配線３７２は、図９に示すように、半導体基板３１および回路部３２を厚さ方向に貫通している。そして、第１実施形態と同様、貫通配線３７２を介してマウント電極３４１、３４２と配線３２０とが電気的に接続されている。
一方、本実施形態に係る外部電極３６１、３６２は、それぞれ回路部３２と電気的に接続されている。なお、本実施形態では、一例として外部電極３６１が電源電位Ｖｄｄに接続されている。
また、本実施形態に係る半導体基板３１は、図示しない外部電極を介してグランド電位ＧＮＤに接続されている。
ここで、このようなコンデンサーＣ２、Ｃ３は、図１０に示す周波数調整用コンデンサーＣｄ、Ｃｇとして機能する。すなわち、本実施形態では、図１０に示すように、発振回路３２２に周波数調整用コンデンサーＣｄ、Ｃｇが含まれていない。その代わりとして、回路部３２の外部に設けられたコンデンサーＣ２、Ｃ３が、周波数調整用コンデンサーＣｄ、Ｃｇの役割を担っている。
すなわち、本実施形態に係る振動デバイス１Ｃは、周波数調整用コンデンサーＣｄとして、マウント電極３４１とグランド電位ＧＮＤとの間に設けられているコンデンサーＣ２を有している。そして、このコンデンサーＣ２は、前述したように、絶縁膜５１、コンデンサー電極３５１および半導体基板３１により構成されている。
また、本実施形態に係る振動デバイス１Ｃは、周波数調整用コンデンサーＣｇとして、マウント電極３４２とグランド電位ＧＮＤとの間に設けられているコンデンサーＣ３を有している。そして、このコンデンサーＣ３は、前述したように、絶縁膜５１、コンデンサー電極３５２および半導体基板３１により構成されている。
このような振動デバイス１Ｃによれば、振動デバイス１Ｃの外部に別途、周波数調整用コンデンサーを設けることなく、振動デバイス１Ｃの発振周波数を調整することができる。このため、振動デバイス１Ｃの実装コストの低減および省スペース化を図ることができる。
なお、発振周波数は、公知の方法により、周波数調整用コンデンサーＣｄの静電容量および周波数調整用コンデンサーＣｇの静電容量を適宜変更することによって調整可能である。したがって、コンデンサーＣ２、Ｃ３における絶縁膜５１の厚さやコンデンサー電極３５１、３５２の面積等を適宜変更することにより、発振周波数の調整が可能になる。
以上のような第４実施形態においても、第１～第３実施形態と同様の効果が得られる。
＜振動デバイスの製造方法＞
次に、本発明の振動デバイスの製造方法の実施形態について説明する。
図１１は、本発明の振動デバイスの製造方法の実施形態を説明するための工程図である。図１２～図１７は、それぞれ図１１に示す製造方法を説明するための図である。なお、以下の説明では、図３に示す振動デバイス１の製造方法を例に説明する。また、以下の説明では、半導体基板３１およびリッド４が、それぞれシリコンを主材料とする場合を例に説明する。
振動デバイス１の製造方法は、図１１に示すように、振動片接続工程Ｓ１と、接合工程Ｓ２と、を有する。以下、各工程について順次説明する。
［１］振動片接続工程Ｓ１
［１－１］ＩＣ基板３の製造
まず、図１２に示すように、ＩＣ基板３を形成するためのシリコン基板３０を用意する。本実施形態に係るシリコン基板３０は、Ｐ型半導体である。なお、シリコン基板３０は、Ｎ型半導体であってもよい。また、このシリコン基板３０には、あらかじめ回路部３２を形成しておく。
次に、必要に応じて研磨処理を施す。これにより、シリコン基板３０が薄板化される。
次に、図１３に示すように、シリコン基板３０および回路部３２に対し、貫通孔３０１、３０２を形成する。この貫通孔３０１、３０２は、例えば誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）を用いたドライエッチング法により形成することができる。これにより、シリコン基板３０から半導体基板３１が得られる。
次に、図１４に示すように、半導体基板３１に対し、各種気相成膜法により絶縁膜５１を形成する。なお、絶縁膜５１の形成方法は、これに限定されず、例えばシリコン基板３０の表面や貫通孔３０１、３０２の内壁面を酸化させる方法であってもよい。
次に、半導体基板３１の表面および貫通孔３０１、３０２の内壁面に、例えば銅（Ｃｕ）のような導電性材料を成膜する。また、必要に応じて、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）のような材料も、積層して成膜されてもよい。これらの成膜には、例えば電解めっき法、気相成膜法等が用いられる。
以上のようにして導電性材料を成膜した後、各種パターニング法により、目的の形状にパターニングする。これにより、マウント電極３４、コンデンサー電極３５１、外部電極３６１、３６２、貫通配線３７１、３７２等を形成することができる。
その後、パッシベーション膜３３を形成し、外部電極３６１、３６２が露出するようにパッシベーション膜３３をパターニングする。
以上のようにして、図１５に示すＩＣ基板３が得られる。
［１－２］振動片２の接続
次に、振動片２を用意し、ＩＣ基板３に載置する。そして、図１６に示すように、バンプ６を介して、振動片２とＩＣ基板３との間を接続する。
具体的には、まず、ＩＣ基板３側にバンプ６を形成する。次いで、熱圧着等の方法により、振動片２とバンプ６とを接続する。これにより、振動片２をバンプ６で支持することができる。
バンプ６には、例えば、各種金属材料が用いられる。また、バンプ６に代えて、導電性接着剤を用いるようにしてもよい。
［２］接合工程Ｓ２
［２－１］リッド４の製造
次に、リッド４を形成するための図示しないシリコン基板を用意する。本実施形態に係るリッド４は、Ｐ型半導体である。なお、前述した半導体基板３１がＮ型半導体である場合、リッド４はＮ型半導体とされる。すなわち、リッド４の半導体の極性は、シリコン基板３０と同じに設定される。
次に、用意したシリコン基板に図３に示すような凹部４１を形成する。この凹部４１は、例えば誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ）を用いたドライエッチング法により形成することができる。
以上のようにしてリッド４が得られる。
［２－２］半導体基板とリッドの積層
次に、図１７に示すように、リッド４の凹部４１に振動片２が収まるように、半導体基板３１とリッド４とを重ねて積層体１０を得る。
次に、得られた積層体１０を、接合装置のチャンバー内に入れる。そして、チャンバー内を減圧することにより、半導体基板３１とリッド４とが密着し、所定時間維持することによって双方が直接接合される。また、このとき、半導体基板３１とリッド４との間に形成されるキャビティー４５内は、減圧状態が維持されることとなる。このようにして図３に示す振動デバイス１が得られる。
以上のような本実施形態に係る振動デバイス１の製造方法は、半導体基板３１および回路部３２を備えるＩＣ基板３に振動片２を載置し、回路部３２と振動片２とを電気的に接続する振動片接続工程Ｓ１と、振動片２を介してＩＣ基板３とリッド４とを重ねて、半導体基板３１とリッド４とを直接接合する接合工程Ｓ２と、を有している。そして、半導体基板３１およびリッド４はそれぞれＰ型半導体であるか、または、半導体基板３１およびリッド４はそれぞれＮ型半導体である。
このような製造方法によれば、半導体基板３１とリッド４との間にＰＮ接合が形成されることが防止され、半導体基板３１とリッド４との間を互いに等電位にすることができる。このため、振動デバイス１において外部からの電磁ノイズの影響を最小限に留めることができる。また、振動デバイス１から外部への電磁ノイズの漏洩についても最小限に留めることができる。
＜電子機器＞
図１８は、本発明の電子機器の実施形態であるモバイル型のパーソナルコンピューターを示す斜視図である。
図１８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、表示部１１０８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にはフィルター、共振器、基準クロック等として機能する振動デバイス１が内蔵されている。
図１９は、本発明の電子機器の実施形態である携帯電話機を示す平面図である。
図１９において、携帯電話機１２００は、図示しないアンテナ、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、表示部１２０８が配置されている。このような携帯電話機１２００にはフィルター、共振器、基準クロック等として機能する振動デバイス１が内蔵されている。
図２０は、本発明の電子機器の実施形態であるデジタルスチールカメラを示す斜視図である。
図２０において、デジタルスチールカメラ１３００におけるケース１３０２の背面には表示部１３１０が設けられ、ＣＣＤによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部１３１０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、すなわち図中裏面側には、光学レンズのような撮像光学系やＣＣＤなどを含む受光ユニット１３０４が設けられている。そして、撮影者が表示部１３１０に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン１３０６を押すと、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。このようなデジタルスチールカメラ１３００には、フィルター、共振器、基準クロック等として機能する振動デバイス１が内蔵されている。
以上のような電子機器は、振動デバイス１を備える。このような電子機器によれば、振動デバイス１の優れた電磁ノイズ耐性を利用して、電子機器の特性、例えば信頼性を向上させることができる。
なお、本発明の電子機器は、図１８のパーソナルコンピューター、図１９の携帯電話機、図２０のデジタルスチールカメラの他にも、例えば、スマートフォン、タブレット端末、スマートウォッチを含む時計、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、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等のウェアラブル端末、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、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、通信機能付も含む電子手帳、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、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端末、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、電子内視鏡のような医療機器、魚群探知機、各種測定機器、車両、航空機、船舶のような計器類、携帯端末用の基地局、フライトシミュレーター等に適用することができる。
＜移動体＞
図２１は、本発明の移動体の実施形態である自動車を示す斜視図である。
図２１に示す自動車１５００には、前述した振動デバイス１が内蔵されている。振動デバイス１は、例えば、キーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、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、ブレーキシステム、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）に広く適用できる。
以上のような自動車１５００は、振動デバイス１を備える。このような自動車１５００によれば、振動デバイス１の優れた電磁ノイズ耐性を利用して、信頼性を向上させることができる。
なお、本発明の移動体は、図２１に示す自動車の他にも、ロボット、ドローン、二輪車、航空機、船舶、電車、ロケット、宇宙船等に適用することもできる。
以上、本発明の振動デバイス、振動デバイスの製造方法、電子機器および移動体を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よい。
また、前述した振動片の構成材料としては、前述した水晶以外の材料、例えば、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電単結晶や圧電セラミックスであってもよい。
１…振動デバイス、１Ａ…振動デバイス、１Ｂ…振動デバイス、１Ｃ…振動デバイス、２…振動片、３…ＩＣ基板、４…リッド、６…バンプ、１０…積層体、３０…シリコン基板、３１…半導体基板、３２…回路部、３３…パッシベーション膜、３４…マウント電極、３５…コンデンサー電極、４１…凹部、４２…壁部、４５…キャビティー、５１…絶縁膜、３０１…貫通孔、３０２…貫通孔、３１１…第１面、３１２…第２面、３２０…配線、３２１…制御回路、３２２…発振回路、３２３…出力回路、３４１…マウント電極、３４２…マウント電極、３５１…コンデンサー電極、３５２…コンデンサー電極、３６１…外部電極、３６２…外部電極、３６３…外部電極、３６４…外部電極、３７１…貫通配線、３７２…貫通配線、４２１…下面、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、１１０８…表示部、１２００…携帯電話機、１２０２…操作ボタン、１２０４…受話口、１２０６…送話口、１２０８…表示部、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、１３１０…表示部、１５００…自動車、Ｃ１…コンデンサー、Ｃ２…コンデンサー、Ｃ３…コンデンサー、ＣＮＴ１…制御信号、ＣＮＴ２…制御信号、ＣＯＮＴ…制御信号、Ｃｄ…周波数調整用コンデンサー、Ｃｇ…周波数調整用コンデンサー、ＧＮＤ…グランド電位、ＩＮＶ…インバーター、Ｒｄ…振幅制限抵抗、Ｒｆ…帰還抵抗、Ｓ１…振動片接続工程、Ｓ２…接合工程、Ｖｄｄ…電源電位

Claims (12)

  1. 振動片と、
    半導体基板、前記半導体基板の表面に設けられている絶縁膜、マウント電極、前記絶縁膜の前記半導体基板とは反対側に設けられ、前記マウント電極よりも大きい面積を持つコンデンサー電極、および、前記マウント電極を介して前記振動片と電気的に接続されている回路部、を備えるＩＣ基板と、
    前記半導体基板に直接接合されているリッドと、
    を有し、
    前記半導体基板および前記リッドはそれぞれＰ型半導体であるか、または、前記半導体基板および前記リッドはそれぞれＮ型半導体であることを特徴とする振動デバイス。
  2. 前記半導体基板および前記リッドは、それぞれシリコンを主材料とする請求項１に記載の振動デバイス。
  3. 前記半導体基板および前記リッドは、それぞれＮ型半導体であり、
    前記半導体基板は電源電位に接続され、前記コンデンサー電極はグランド電位に接続されている請求項１または２に記載の振動デバイス。
  4. 前記半導体基板および前記リッドは、それぞれＰ型半導体であり、
    前記半導体基板はグランド電位に接続され、前記コンデンサー電極は電源電位に接続されている請求項１または２に記載の振動デバイス。
  5. 前記マウント電極と前記グランド電位との間に設けられている周波数調整用コンデンサーを有し、
    前記周波数調整用コンデンサーは、前記絶縁膜、前記コンデンサー電極および前記半導体基板により構成されている請求項４に記載の振動デバイス。
  6. 前記電源電位と前記グランド電位との間に設けられているデカップリングコンデンサーを有し、
    前記デカップリングコンデンサーは、前記絶縁膜、前記コンデンサー電極および前記半導体基板により構成されている請求項３または４に記載の振動デバイス。
  7. 前記絶縁膜は、前記半導体基板の表面のうち前記振動片に対向する第１面に設けられている請求項６に記載の振動デバイス。
  8. 前記絶縁膜は、前記半導体基板の表面のうち前記振動片に対向する第１面とは反対側の第２面に設けられている請求項６に記載の振動デバイス。
  9. 前記回路部は、前記振動片を駆動する回路を含む請求項１ないし８のいずれか１項に記載の振動デバイス。
  10. 半導体基板、前記半導体基板の表面に設けられている絶縁膜、マウント電極、前記絶縁膜の前記半導体基板とは反対側に設けられ、前記マウント電極よりも大きい面積を持つコンデンサー電極、および、回路部、を備えるＩＣ基板に振動片を載置し、前記マウント電極を介して前記回路部と前記振動片とを電気的に接続する工程と、
    前記振動片を介して前記ＩＣ基板とリッドとを重ねて、前記半導体基板と前記リッドとを直接接合する工程と、
    を有し、
    前記半導体基板および前記リッドはそれぞれＰ型半導体であるか、または、前記半導体基板および前記リッドはそれぞれＮ型半導体であることを特徴とする振動デバイスの製造方法。
  11. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の振動デバイスを備えることを特徴とする電子機器。
  12. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の振動デバイスを備えることを特徴とする移動体。
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