JP7154487B2 - パッケージ構造及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、パッケージ構造及びその製造方法に関する。
電子素子、機械素子、光学素子などは、酸素や水蒸気との接触によって性能劣化を起こす可能性があるため、例えば気密封止されたパッケージ構造の内部空間に収容される。この場合、内部空間の真空度を向上させるため、内部空間には気体分子を吸着するゲッターと呼ばれる層が設けられることがある。
例えば、特許文献１には、共振子と合わせてＭＥＭＳ基板を構成する下蓋と、下蓋との間に共振子の振動空間を形成する上蓋と、上蓋に設けられ且つ内部空間に位置しアウトガスを吸着するゲッター層とを備える、パッケージ構造が開示されている。このようにパッケージ構造の内部空間にゲッター層が設けられることにより、内部空間の真空度が向上し、素子の性能劣化を抑制することができる。特に、特許文献１のような、圧電効果を利用した圧電振動素子においては、気体分子の吸着によって周波数特性の変動を抑制することができる。
国際公開第２０１９／１５５６６３号
しかしながら、特許文献１に記載のパッケージ構造では、上蓋を構成する基板に含まれる水素がゲッター層に侵入してゲッター層の水素貯蔵量が増大すると、ゲッター層からの水素の脱離反応が生じ、高い真空度を維持することができない場合があった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高い真空度を容易に維持することができるパッケージ構造及びその製造方法の提供である。
本発明の一態様に係るパッケージ構造は、互いに対向して配置される一対の基板と、一対の基板で囲まれた内部空間に素子を封止する、一対の基板の接合部と、一対の基板のうち少なくとも一方の基板に設けられかつ内部空間に位置する、少なくとも水素を吸着する吸着層と、少なくとも一方の基板と吸着層との間に設けられ、少なくとも一方の基板よりも水素が拡散し難い拡散防止層とを備える。
本発明の他の一態様に係るパッケージ構造の製造方法は、一対の基板を準備する工程と、一対の基板のうち少なくとも一方の基板に、少なくとも水素を吸着する吸着層を設ける工程と、一対の基板を、少なくとも一方の基板に設けられた吸着層が他方の基板に対向するように配置し、一対の基板で囲まれた内部空間に素子を封止する接合部を設ける工程とを備え、少なくとも一方の基板の上に、少なくとも一方の基板よりも水素が拡散し難い拡散防止層を設ける工程をさらに備える。
本発明によれば、高い真空度を容易に維持することができるパッケージ構造及びその製造方法が提供できる。
第１実施形態に係る共振装置の外観を概略的に示す斜視図である。 第１実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す分解斜視図である。 第１実施形態に係る共振子の構造を概略的に示す平面図である。 図１に示した共振装置の積層構造を概念的に示すＸ軸に沿った断面図である。 図１に示した共振装置の積層構造を概念的に示すＹ軸に沿った断面図である。 第１実施形態に係る共振装置の製造方法を概略的に示すフローチャートである。 拡散防止層を設ける工程を概略的に示す断面図である。 吸着層を設ける工程を概略的に示す断面図である。 第２実施形態に係る共振装置の製造方法において吸着層を設ける工程を概略的に示す断面図である。 第２実施形態に係る共振装置の製造方法において拡散防止層を設ける工程を概略的に示す断面図である。 第３実施形態に係る上蓋の構造を概略的に示す断面図である。 第４実施形態に係る共振装置の製造方法において吸着層を設ける工程を概略的に示す断面図である。 第４実施形態に係る共振装置の製造方法において拡散防止層を設ける工程を概略的に示す断面図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。各実施形態の図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本願発明の技術的範囲を当該実施形態に限定して解するべきではない。
本発明の一実施形態として、ＭＥＭＳ共振子を内蔵した共振装置を例に挙げて説明する。ＭＥＭＳ共振子が本発明の一実施形態に係るパッケージ構造において収容される素子に相当し、下蓋及び上蓋が本発明の一実施形態に係るパッケージ構造を構成する一対の基板に相当する。但し、本発明の一実施形態に係るパッケージ構造は、高い真空度又は低い水素分圧を要求する素子を内部空間に収容するものであればＭＥＭＳ共振子に限定されず、各種の電子素子、光学素子、機械素子などに適宜適用できる。
＜第１実施形態＞
まず、図１及び図２を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る共振装置１の構成について説明する。図１は、第１実施形態に係る共振装置の外観を概略的に示す斜視図である。図２は、第１実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す分解斜視図である。
以下において、共振装置１の各構成について説明する。各々の図面には、各々の図面相互の関係を明確にし、各部材の位置関係を理解する助けとするために、便宜的にＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系を付すことがある。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸と平行な方向をそれぞれ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向と呼ぶ。Ｘ軸及びＹ軸によって規定される面をＸＹ面と呼び、ＹＺ面及びＺＸ面についても同様とする。なお、以下の説明では、Ｚ軸と平行な方向であってＺ軸の矢印の向き（＋Ｚ軸方向）を上、Ｚ軸と平行な方向であってＺ軸の矢印とは反対の向き（－Ｚ軸方向）を下、として説明する。
この共振装置１は、共振子１０と、共振子１０を挟んで互いに対向するように設けられた下蓋２０及び上蓋３０と、を備えている。下蓋２０、共振子１０、及び上蓋３０がこの順でＺ軸方向に積層されている。共振子１０と下蓋２０とが接合され、共振子１０と上蓋３０とが接合されている。共振子１０を介して互いに接合された下蓋２０と上蓋３０との間には、共振子１０の振動空間が形成されている。言い換えると、下蓋２０及び上蓋３０のそれぞれは、間接的に互いに接合され、圧電振動素子に相当する共振子１０を収容する内部空間を形成している。そして、下蓋２０及び上蓋３０は、共振子１０を収容するパッケージ構造を構成している。
共振子１０は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ振動素子である。共振子１０は、振動部１１０と、保持部１４０と、保持腕１５０と、を備えている。振動部１１０は、振動空間に保持されている。振動部１１０の振動モードは限定されるものではなく、例えばＸＹ面に対する面外屈曲振動モードであるが、ＸＹ面に対する面内屈曲振動モードであってもよい。保持部１４０は、例えば振動部１１０を囲むように矩形の枠状に設けられている。保持腕１５０は、振動部１１０と保持部１４０とを接続している。
共振子１０の周波数帯は、例えば、１ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下である。このような共振子１０の振動モードは、振動部１１０の質量変化による周波数の変動が大きい。このため、共振装置１の振動空間の真空度を高くすることで、初期周波数の偏差や周波数の経時変化を小さくできる。
下蓋２０は、ＸＹ平面に沿って設けられる矩形平板状の底板２２と、底板２２の周縁部からＺ軸方向に延びる側壁２３と、を有している。側壁２３が、共振子１０の保持部１４０に接合されている。下蓋２０には、共振子１０の振動部１１０と対向する面において、底板２２と側壁２３とによって形成される凹部２１が形成されている。凹部２１は、上向きに開口する直方体状の開口部であり、共振子１０の振動空間の一部を形成している。言い換えると、下蓋２０は、凹部２１を構成する内壁２５を有し、凹部２１は、パッケージ構造の内部空間の一部に相当する。下蓋２０の内面において、底板２２の上面には振動空間に突出する突起部５０が形成されている。
上蓋３０の構造は、下蓋２０に設けられた突起部５０を除き、共振子１０を基準として下蓋２０の構造と対称的である。すなわち、上蓋３０は、ＸＹ平面に沿って設けられる矩形平板状の底板３２と、底板３２の周縁部からＺ軸方向に延びる側壁３３とを有し、側壁３３は共振子１０の保持部１４０に接合されている。上蓋３０には、共振子１０の振動部１１０と対向する面において凹部３１が形成されている。凹部３１は、下向きに開口する直方体状の開口部であり、共振子１０の振動空間の一部を形成する。言い換えると、上蓋３０は、凹部３１を構成する内壁３５を有し、凹部３１は、パッケージ構造の内部空間の一部に相当する。
なお、下蓋２０の構造と上蓋３０の構造は、上記態様に限定されるものではなく、例えば互いに非対称であってもよい。例えば、下蓋２０及び上蓋３０の一方がドーム状であってもよい。下蓋２０の凹部２１及び上蓋３０の凹部３１の形状が互いに異なってもよく、例えば凹部２１と凹部３１の深さが互いに異なってもよい。
次に、図３を参照しつつ、本発明の実施形態に係る共振子１０の振動部１１０、保持部１４０、及び保持腕１５０の構成について、より詳細に説明する。図３は、第１実施形態に係る共振子の構造を概略的に示す平面図である。
振動部１１０は、上蓋３０側からの平面視において、保持部１４０の内側に設けられている。振動部１１０と保持部１４０との間には、所定の間隔で空間が形成されている。振動部１１０は、４本の振動腕１２１Ａ，１２１Ｂ，１２１Ｃ，１２１Ｄからなる励振部１２０と、励振部１２０に接続された基部１３０と、を有している。なお、振動腕の数は、４本に限定されるものではなく、１本以上の任意の数に設定され得る。本実施形態において、励振部１２０と基部１３０とは、一体に形成されている。
振動腕１２１Ａ，１２１Ｂ，１２１Ｃ，１２１Ｄは、それぞれＹ軸方向に沿って延びており、この順でＸ軸方向に所定の間隔で並列して設けられている。振動腕１２１Ａの一端は後述する基部１３０の前端部１３１Ａに接続された固定端であり、振動腕１２１Ａの他端は基部１３０の前端部１３１Ａから離れて設けられた開放端である。振動腕１２１Ａは、振動腕１２１Ａの延びる方向に並んだ質量付加部１２２Ａ及び腕部１２３Ａを有している。質量付加部１２２Ａは開放端側に形成され、腕部１２３Ａは固定端から延びて質量付加部１２２Ａに接続されている。言い換えると、質量付加部１２２Ａは、振動部１１０における変位が相対的に大きい位置に設けられている。振動腕１２１Ｂ，１２１Ｃ，１２１Ｄも同様に、それぞれ、質量付加部１２２Ｂ，１２２Ｃ，１２２Ｄと、腕部１２３Ｂ，１２３Ｃ，１２３Ｄと、を有している。なお、腕部１２３Ａ～１２３Ｄは、それぞれ、例えばＸ軸方向の幅が５０μｍ程度、Ｙ軸方向の長さが４５０μｍ程度である。
４本の振動腕のうち、振動腕１２１Ａ，１２１ＤはＸ軸方向の外側に配置された外側振動腕であり、他方、振動腕１２１Ｂ，１２１ＣはＸ軸方向の内側に配置された内側振動腕である。一例として、内側振動腕１２１Ｂ，１２１Ｃのそれぞれの腕部１２３Ｂ，１２３Ｃ同士の間に形成された間隙の幅（以下、「リリース幅」という。）Ｗ１は、Ｘ軸方向において隣接する外側振動腕１２１Ａと内側振動腕１２１Ｂのそれぞれの腕部１２３Ａ，１２３Ｂ同士の間のリリース幅Ｗ２、及び、Ｘ軸方向において隣接する外側振動腕１２１Ｄと内側振動腕１２１Ｃのそれぞれの腕部１２３Ｄ，１２３Ｃ同士の間のリリース幅Ｗ２、よりも大きく設定されている。このように、リリース幅Ｗ１をリリース幅Ｗ２よりも大きく設定することにより、振動特性や耐久性が改善される。リリース幅Ｗ１，Ｗ２の数値は限定されるものではないが、例えば、リリース幅Ｗ１は２５μｍ程度、リリース幅Ｗ２は１０μｍ程度である。なお、内側振動腕同士の腕部間のリリース幅Ｗ１と、内側振動腕と外側振動腕の腕部間のリリース幅Ｗ２は、図３に示す態様に限られるものではなく、リリース幅Ｗ１をリリース幅Ｗ２よりも小さく設定してもよいし、あるいはそれらを等間隔に設定しても良い。
質量付加部１２２Ａ～１２２Ｄは、それぞれの表面に質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄを備えている。言い換えると、上蓋３０側から平面視したときに質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄのそれぞれの位置する部分が質量付加部１２２Ａ～１２２Ｄである。質量付加部１２２Ａ～１２２Ｄのそれぞれの単位長さ当たりの重さ（以下、単に「重さ」ともいう。）は、質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄを有することにより、腕部１２３Ａ～１２３Ｄのそれぞれの重さよりも重い。これにより振動部１１０を小型化しつつ、振動特性を改善することができる。また、質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄは、それぞれ、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄの先端部分の重さを大きくする機能だけではなく、その一部を削ることによって振動腕１２１Ａ～１２１Ｄの共振周波数を調整する、いわゆる周波数調整膜としての機能も有する。
本実施形態においては、質量付加部１２２Ａ～１２２ＤのそれぞれのＸ軸方向に沿った幅は、腕部１２３Ａ～１２３ＤのそれぞれのＸ軸方向に沿った幅よりも大きい。これにより、質量付加部１２２Ａ～１２２Ｄのそれぞれの重さを、さらに大きくできる。但し、質量付加部１２２Ａ～１２２Ｄのそれぞれの単位長さ当たりの重さが腕部１２３Ａ～１２３Ｄのそれぞれの単位長さ当たりの重さよりも大きければ、質量付加部１２２Ａ～１２２ＤのそれぞれのＸ軸方向に沿った幅は上記に限定されるものではない。質量付加部１２２Ａ～１２２ＤのそれぞれのＸ軸方向に沿った幅は、腕部１２３Ａ～１２３ＤのそれぞれのＸ軸方向に沿った幅と同等、もしくはそれ以下であってもよい。
上蓋３０側から平面視したとき、質量付加部１２２Ａ～１２２Ｄのそれぞれの形状は、四隅に丸みを帯びた曲面形状（例えば、いわゆるＲ形状）を有する略長方形状である。腕部１２３Ａ～１２３Ｄのそれぞれの形状は、基部１３０に接続される固定端付近、及び、質量付加部１２２Ａ～１２２Ｄのそれぞれに接続される接続部分付近にＲ形状を有する略長方形状である。但し、質量付加部１２２Ａ～１２２Ｄ及び腕部１２３Ａ～１２３Ｄのそれぞれの形状は、上記に限定されるものではない。例えば、質量付加部１２２Ａ～１２２Ｄのそれぞれの形状は、台形状やＬ字形状であってもよい。また、腕部１２３Ａ～１２３Ｄのそれぞれの形状は、台形状であってもよく、スリット等が形成されていてもよい。
上蓋３０側から平面視したとき、内側振動腕１２１Ｂ，１２１Ｃのそれぞれの腕部１２３Ｂ，１２３Ｃの間には、下蓋２０から突出した突起部５０が形成されている。突起部５０は、腕部１２３Ｂ，１２３Ｃに並行してＹ軸方向に延びている。突起部５０のＹ軸方向の長さは２４０μｍ程度、Ｘ軸方向の長さは１５μｍ程度である。突起部５０が形成されることによって、下蓋２０の捩れが抑制される。
図３に示すように、基部１３０は、上蓋３０側からの平面視において、前端部１３１Ａと、後端部１３１Ｂと、左端部１３１Ｃと、右端部１３１Ｄと、を有している。前端部１３１Ａ、後端部１３１Ｂ、左端部１３１Ｃ、及び右端部１３１Ｄは、それぞれ、基部１３０の外縁部の一部である。具体的には、前端部１３１Ａが、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄ側においてＸ軸方向に延びる端部である。後端部１３１Ｂが、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄとは反対側においてＸ軸方向に延びる端部である。左端部１３１Ｃが、振動腕１２１Ｄから視て振動腕１２１Ａ側においてＹ軸方向に延びる端部である。右端部１３１Ｄが、振動腕１２１Ａから視て振動腕１２１Ｄ側においてＹ軸方向に延びる端部である。
左端部１３１Ｃの両端が、それぞれ、前端部１３１Ａの一端と後端部１３１Ｂの一端とに繋がっている。右端部１３１Ｄの両端が、それぞれ、前端部１３１Ａの他端と後端部１３１Ｂの他端とに繋がっている。前端部１３１Ａと後端部１３１Ｂは、Ｙ軸方向において互いに対向している。左端部１３１Ｃ及び右端部１３１Ｄは、Ｘ軸方向において互いに対向している。前端部１３１Ａには、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄが接続されている。
上蓋３０側から平面視したとき、基部１３０の形状は、前端部１３１Ａ及び後端部１３１Ｂを長辺とし、左端部１３１Ｃ及び右端部１３１Ｄを短辺とする、略長方形状である。基部１３０は、前端部１３１Ａ及び後端部１３１Ｂそれぞれの垂直二等分線に沿って規定される仮想平面Ｐに対して略面対称に形成されている。なお、基部１３０は、図３に示すとおり長方形状に限らず、仮想平面Ｐに対して略面対称を構成するその他の形状であってもよい。例えば、基部１３０の形状は、前端部１３１Ａ及び後端部１３１Ｂの一方が他方よりも長い台形状であってもよい。また、前端部１３１Ａ、後端部１３１Ｂ、左端部１３１Ｃ、及び右端部１３１Ｄの少なくとも１つが屈曲又は湾曲してもよい。
なお、仮想平面Ｐは、振動部１１０全体の対称面に相当する。したがって、仮想平面Ｐは、振動腕１２１Ａ～１２１ＤのＸ軸方向における中心を通る平面でもあり、内側振動腕１２１Ｂ，１２１Ｃの間に位置する。具体的には、隣接する外側振動腕１２１Ａ及び内側振動腕１２１Ｂのそれぞれが、仮想平面Ｐを挟んで、隣接する外側振動腕１２１Ｄ及び内側振動腕１２１Ｃのそれぞれと対称に形成されている。
基部１３０において、前端部１３１Ａと後端部１３１Ｂとの間のＹ軸方向における最長距離である基部長は一例として４０μｍ程度である。また、左端部１３１Ｃと右端部１３１Ｄとの間のＸ軸方向における最長距離である基部幅は一例として３００μｍ程度である。なお、図３に示した構成例では、基部長は左端部１３１Ｃ又は右端部１３１Ｄの長さに相当し、基部幅は前端部１３１Ａ又は後端部１３１Ｂの長さに相当する。
保持部１４０は、下蓋２０と上蓋３０によって形成される振動空間に振動部１１０を保持するための部分であり、例えば振動部１１０を囲んでいる。図３に示すように、保持部１４０は、上蓋３０側からの平面視において、前枠１４１Ａと、後枠１４１Ｂと、左枠１４１Ｃと、右枠１４１Ｄと、を有している。前枠１４１Ａ、後枠１４１Ｂ、左枠１４１Ｃ及び右枠１４１Ｄは、それぞれ、振動部１１０を囲む略矩形状の枠体の一部である。具体的には、前枠１４１Ａは、基部１３０から視て励振部１２０側においてＸ軸方向に延びる部分である。後枠１４１Ｂは、励振部１２０から視て基部１３０側においてＸ軸方向に延びる部分である。左枠１４１Ｃは、振動腕１２１Ｄから視て振動腕１２１Ａ側においてＹ軸方向に延びる部分である。右枠１４１Ｄは、振動腕１２１Ａから視て振動腕１２１Ｄ側においてＹ軸方向に延びる部分である。保持部１４０は、仮想平面Ｐに対して面対称に形成されている。
左枠１４１Ｃの両端は、それぞれ、前枠１４１Ａの一端及び後枠１４１Ｂの一端に接続されている。右枠１４１Ｄの両端は、それぞれ、前枠１４１Ａの他端及び後枠１４１Ｂの他端に接続されている。前枠１４１Ａと後枠１４１Ｂは、振動部１１０を挟んでＹ軸方向において互いに対向している。左枠１４１Ｃと右枠１４１Ｄは、振動部１１０を挟んでＸ軸方向において互いに対向している。なお、保持部１４０は、振動部１１０の周囲の少なくとも一部に設けられていればよく、周方向に連続した枠状の形状に限定されるものではない。
保持腕１５０は、保持部１４０の内側に設けられ、基部１３０と保持部１４０とを接続している。図３に示すように、保持腕１５０は、上蓋３０側からの平面視において、左保持腕１５１Ａと、右保持腕１５１Ｂと、を有している。左保持腕１５１Ａは、基部１３０の後端部１３１Ｂと保持部１４０の左枠１４１Ｃとを接続している。右保持腕１５１Ｂは、基部１３０の後端部１３１Ｂと保持部１４０の右枠１４１Ｄとを接続している。左保持腕１５１Ａは保持後腕１５２Ａと保持側腕１５３Ａとを有し、右保持腕１５１Ｂは保持後腕１５２Ｂと保持側腕１５３Ｂとを有する。保持腕１５０は、仮想平面Ｐに対して、面対称に形成されている。
保持後腕１５２Ａ，１５２Ｂは、基部１３０の後端部１３１Ｂと保持部１４０との間において、基部１３０の後端部１３１Ｂから延びている。具体的には、保持後腕１５２Ａは、基部１３０の後端部１３１Ｂから後枠１４１Ｂに向かって延出し、屈曲して左枠１４１Ｃに向かって延びている。保持後腕１５２Ｂは、基部１３０の後端部１３１Ｂから後枠１４１Ｂに向かって延出し、屈曲して右枠１４１Ｄに向かって延びている。
保持側腕１５３Ａは、外側振動腕１２１Ａと保持部１４０との間において、外側振動腕１２１Ａと並行して延びている。保持側腕１５３Ｂは、外側振動腕１２１Ｄと保持部１４０との間において、外側振動腕１２１Ｄと並行して延びている。具体的には、保持側腕１５３Ａは、保持後腕１５２Ａの左枠１４１Ｃ側の端部から前枠１４１Ａに向かって延び、屈曲して左枠１４１Ｃに接続されている。保持側腕１５３Ｂは、保持後腕１５２Ｂの右枠１４１Ｄ側の端部から前枠１４１Ａに向かって延び、屈曲して右枠１４１Ｄに接続されている。
なお、保持腕１５０は上記の構成に限定されるものではない。例えば、保持腕１５０は、基部１３０の左端部１３１Ｃ及び右端部１３１Ｄに接続されてもよい。また、保持腕１５０は、保持部１４０の前枠１４１Ａに接続されてもよい。
次に、図４及び図５を参照しつつ、第１実施形態に係る共振装置１の積層構造について説明する。図４は、図１に示した共振装置の積層構造を概念的に示すＸ軸に沿った断面図である。図５は、図１に示した共振装置の積層構造を概念的に示すＹ軸に沿った断面図である。なお、図４は、共振装置１の積層構造を説明するために腕部１２３Ａ～１２３Ｄ、引出線Ｃ２及びＣ３、貫通電極Ｖ２及びＶ３などの断面を模式的に図示しているに過ぎず、これらは必ずしも同一平面の断面上に位置するものではない。例えば、貫通電極Ｖ２及びＶ３が、Ｚ軸及びＸ軸によって規定されるＺＸ平面と平行であり且つ腕部１２３Ａ～１２３Ｄを切断する断面から、Ｙ軸方向に離れた位置で形成されていてもよい。同様に、図５は、共振装置１の積層構造を説明するために、質量付加部１２２Ａ、腕部１２３Ａ、引出線Ｃ１，Ｃ２、貫通電極Ｖ１，Ｖ２などの断面を模式的に図示しているに過ぎず、これらは必ずしも同一平面の断面上に位置するものではない。
共振装置１は、下蓋２０の側壁２３上に共振子１０の保持部１４０が接合され、さらに共振子１０の保持部１４０と上蓋３０の側壁３３とが接合される。このように下蓋２０と上蓋３０との間に共振子１０が保持され、下蓋２０と上蓋３０と共振子１０の保持部１４０とによって、振動部１１０が振動する振動空間が形成されている。共振子１０、下蓋２０及び上蓋３０は、それぞれ一例としてシリコン（Ｓｉ）基板（以下、「Ｓｉ基板」という。）を用いて形成されている。なお、共振子１０、下蓋２０及び上蓋３０は、それぞれ、シリコン層及びシリコン酸化膜が積層されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて形成されてもよい。また、共振子１０、下蓋２０及び上蓋３０は、それぞれ、微細加工技術による加工が可能な基板であればＳｉ基板以外の基板、例えば、化合物半導体基板、ガラス基板、セラミック基板、樹脂基板などを用いて形成されてもよい。
次に、共振子１０の構成について説明する。
共振子１０の振動部１１０、保持部１４０及び保持腕１５０は、同一プロセスによって一体的に形成される。共振子１０は、基板の一例であるＳｉ基板Ｆ２の上に、金属膜Ｅ１が積層されている。そして、金属膜Ｅ１の上には、金属膜Ｅ１を覆うように圧電膜Ｆ３が積層されており、さらに、圧電膜Ｆ３の上には金属膜Ｅ２が積層されている。金属膜Ｅ２の上には、金属膜Ｅ２を覆うように保護膜Ｆ５が積層されている。質量付加部１２２Ａ～１２２Ｄにおいては、さらに、保護膜Ｆ５の上にそれぞれ、前述の質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄが積層されている。振動部１１０、保持部１４０及び保持腕１５０のそれぞれの外形は、上記のＳｉ基板Ｆ２、金属膜Ｅ１、圧電膜Ｆ３、金属膜Ｅ２、保護膜Ｆ５、などからなる積層体を、例えばアルゴン（Ａｒ）イオンビームを照射するドライエッチングによって除去加工し、パターニングすることによって形成される。
Ｓｉ基板Ｆ２は、例えば、厚み６μｍ程度の縮退したｎ型シリコン（Ｓｉ）半導体から形成されており、ｎ型ドーパントとしてリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）、などを含むことができる。Ｓｉ基板Ｆ２に用いられる縮退シリコン（Ｓｉ）の抵抗値は、例えば１６ｍΩ・ｃｍ未満であり、より好ましくは１．２ｍΩ・ｃｍ以下である。さらに、Ｓｉ基板Ｆ２の下面には、例えばＳｉＯ２などのシリコン酸化物からなる温度特性補正層Ｆ２１が形成されている。
温度特性補正層Ｆ２１は、共振子１０の共振周波数の温度係数、すなわち単位温度当たりの共振周波数の変化率、を少なくとも常温近傍において低減する機能を有する層である。振動部１１０が温度特性補正層Ｆ２１を有することにより、共振子１０の温度特性が向上する。なお、温度特性補正層は、Ｓｉ基板Ｆ２の上面に形成されてもよいし、Ｓｉ基板Ｆ２の上面及び下面の両方に形成されてもよい。
質量付加部１２２Ａ～１２２Ｄの温度特性補正層Ｆ２１は、均一の厚みで形成されることが望ましい。なお、均一の厚みとは、温度特性補正層Ｆ２１の厚みのばらつきが厚みの平均値から±２０％以内であることをいう。
金属膜Ｅ１，Ｅ２は、それぞれ、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄを励振する励振電極と、励振電極を外部電源へと電気的に接続させる引出電極と、を有している。金属膜Ｅ１，Ｅ２の励振電極として機能する部分は、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄの腕部１２３Ａ～１２３Ｄにおいて、圧電膜Ｆ３を挟んで互いに対向している。金属膜Ｅ１，Ｅ２の引出電極として機能する部分は、例えば、保持腕１５０を経由し、基部１３０から保持部１４０に導出されている。金属膜Ｅ１は、共振子１０全体に亘って電気的に連続している。金属膜Ｅ２は、外側振動腕１２１Ａ，１２１Ｄに形成された部分と、内側振動腕１２１Ｂ，１２１Ｃに形成された部分と、で電気的に離れている。金属膜Ｅ１は下部電極に相当し、金属膜Ｅ２は上部電極に相当する。
金属膜Ｅ１，Ｅ２それぞれの厚みは、例えば０．１μｍ以上０．２μｍ以下程度である。金属膜Ｅ１，Ｅ２は、成膜後に、エッチングなどの除去加工によって励振電極、引出電極、などにパターニングされる。金属膜Ｅ１，Ｅ２は、例えば、結晶構造が体心立方構造である金属材料によって形成される。具体的には、金属膜Ｅ１，Ｅ２は、Ｍｏ（モリブデン）、タングステン（Ｗ）、などを用いて形成される。なお、Ｓｉ基板Ｆ２が高い導電性を有する縮退半導体基板である場合、金属膜Ｅ１が省略されＳｉ基板Ｆ２が下部電極を兼ねてもよい。
圧電膜Ｆ３は、電気的エネルギーと機械的エネルギーとを相互に変換する圧電体の一種によって形成された薄膜である。圧電膜Ｆ３は、金属膜Ｅ１，Ｅ２によって圧電膜Ｆ３に形成される電界に応じて、ＸＹ平面の面内方向のうちＹ軸方向に伸縮する。この圧電膜Ｆ３の伸縮によって、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄは、それぞれ、下蓋２０の底板２２及び上蓋３０の底板３２に向かってその開放端を変位させる。したがって、共振子１０は、面外の屈曲振動モードで振動する。
圧電膜Ｆ３は、ウルツ鉱型六方晶構造の結晶構造を持つ材質によって形成されており、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化スカンジウムアルミニウム（ＳｃＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）などの窒化物又は酸化物を主成分とすることができる。なお、窒化スカンジウムアルミニウムは、窒化アルミニウムにおけるアルミニウムの一部がスカンジウムに置換されたものであり、スカンジウムの代わりに、マグネシウム（Ｍｇ）及びニオブ（Ｎｂ）、又は、マグネシウム（Ｍｇ）及びジルコニウム（Ｚｒ）、などの２元素で置換されていてもよい。圧電膜Ｆ３の厚みは例えば１μｍ程度であるが、０．２μｍ～２μｍ程度であってもよい。
保護膜Ｆ５は、金属膜Ｅ２を酸化から保護する。なお、保護膜Ｆ５は上蓋３０側に設けられていれば、上蓋３０の底板３２に対して露出していなくてもよい。例えば、共振子１０に形成された配線の容量を低減する寄生容量低減膜などの保護膜Ｆ５を覆う膜が形成されてもよい。保護膜Ｆ５は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やシリコン窒化物（ＳｉＮＸ）などの窒化膜、又は酸化アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や５酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）やシリコン酸化物（ＳｉＯＸ）などの酸化膜によって形成される。
質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄは、質量付加部１２２Ａ～１２２Ｄのそれぞれの上蓋３０側の表面を構成し、振動腕１２１Ａ～１２１Ｄのそれぞれの周波数調整膜に相当する。質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄのそれぞれの一部を除去するトリミング処理によって、共振子１０の周波数が調整される。周波数調整の効率の点から、質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄは、エッチングによる質量低減速度が保護膜Ｆ５よりも早い材料によって形成されることが望ましい。質量低減速度は、エッチング速度と密度との積により表される。エッチング速度とは、単位時間あたりに除去される厚みである。保護膜Ｆ５と質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄとは、質量低減速度の関係が前述の通りであれば、エッチング速度の大小関係は任意である。また、質量付加部１２２Ａ～１２２Ｄの重さを効率的に増大させる観点から、質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄは、比重の大きい材料によって形成されるのが好ましい。これらの理由により、質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄは、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）などの金属材料によって形成されている。なお、トリミング処理においては、保護膜Ｆ５の一部も除去されてもよい。このような場合、保護膜Ｆ５も周波数調整膜に相当する。
質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄのそれぞれの上面の一部が、周波数を調整する工程においてトリミング処理によって除去されている。質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄのトリミング処理は、例えばアルゴン（Ａｒ）イオンビームを照射するドライエッチングである。イオンビームは広範囲に照射できるため加工効率に優れるが、電荷を有するため質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄを帯電させる恐れがある。質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄの帯電によるクーロン相互作用によって振動腕１２１Ａ～１２１Ｄの振動軌道が変化し共振子１０の振動特性が劣化するのを防止するため、質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄは、接地されるのが望ましい。
図５に示す構成例において、質量付加膜１２５Ａは、圧電膜Ｆ３及び保護膜Ｆ５を貫通する貫通電極によって、金属膜Ｅ１に電気的に接続されている。図示を省略した質量付加膜１２５Ｂ～１２５Ｄについても同様に、貫通電極によって金属膜Ｅ１に電気的に接続されている。なお、質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄのそれぞれの接地方法は、上記に限定されず、例えば質量付加部１２２Ａ～１２２Ｄの側面に設けられた側面電極によって金属膜Ｅ１に電気的に接続されてもよい。また、質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄの帯電の影響が低減できるのであれば、質量付加膜１２５Ａ～１２５Ｄの電気的な接続先は金属膜Ｅ１に限定されるものではなく、例えば金属膜Ｅ２であってもよい。
保持部１４０の保護膜Ｆ５の上には、引出線Ｃ１，Ｃ２，及びＣ３が形成されている。引出線Ｃ１は、圧電膜Ｆ３及び保護膜Ｆ５に形成された貫通孔を通して、金属膜Ｅ１と電気的に接続されている。引出線Ｃ２は、保護膜Ｆ５に形成された貫通孔を通して、金属膜Ｅ２のうち外側振動腕１２１Ａ，１２１Ｄに形成された部分と電気的に接続されている。引出線Ｃ３は、保護膜Ｆ５に形成された貫通孔を通して、金属膜Ｅ２のうち内側振動腕１２１Ｂ，１２１Ｃに形成された部分と電気的に接続されている。引出線Ｃ１～Ｃ３は、アルミニウム（Ａｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、金（Ａｕ）、錫（Ｓｎ）、などの金属材料によって形成されている。
次に、下蓋２０の構成について説明する。
下蓋２０の底板２２及び側壁２３は、Ｓｉ基板Ｐ１０により、一体的に形成されている。Ｓｉ基板Ｐ１０は、縮退されていないシリコンから形成されており、その抵抗率は例えば１０Ω・ｃｍ以上である。下蓋２０の凹部２１の内壁２５では、Ｓｉ基板Ｐ１０が露出している。突起部５０の上面には、温度特性補正層Ｆ２１が形成されている。但し、突起部５０の帯電を抑制する観点から、突起部５０の上面には、温度特性補正層Ｆ２１よりも電気抵抗率の低いＳｉ基板Ｐ１０が露出してもよく、導電層が形成されてもよい。下蓋２０は、一対の基板の片方に相当する。
Ｚ軸方向に規定される下蓋２０の厚みは１５０μｍ程度、同様に規定される凹部２１の深さＤ１は１００μｍ程度である。振動腕１２１Ａ～１２１Ｄのそれぞれの振幅は深さＤ１に制限されるため、下蓋２０側での最大振幅は１００μｍ程度である。
なお、下蓋２０は、ＳＯＩ基板の一部と見なすこともできる。共振子１０及び下蓋２０が一体のＳＯＩ基板によって形成されたＭＥＭＳ基板であると見なした場合、下蓋２０のＳｉ基板Ｐ１０がＳＯＩ基板の支持基板に相当し、共振子１０の温度特性補正層Ｆ２１がＳＯＩ基板のＢＯＸ層に相当し、共振子１０のＳｉ基板Ｆ２がＳＯＩ基板の活性層に相当する。このとき、共振装置１の外側において、連続するＭＥＭＳ基板の一部を使用して各種半導体素子や回路などが形成されてもよい。
次に、上蓋３０の構成について説明する。
上蓋３０の底板３２及び側壁３３は、Ｓｉ基板Ｑ１０により、一体的に形成されている。上蓋３０の表面、裏面、及び貫通孔の内側面は、シリコン酸化膜Ｑ１１に覆われていることが好ましい。シリコン酸化膜Ｑ１１は、例えばＳｉ基板Ｑ１０の酸化や、化学気相蒸着（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって、Ｓｉ基板Ｑ１０の表面に形成される。上蓋３０の凹部３１の内壁３５では、Ｓｉ基板Ｑ１０が露出している。上蓋３０は一対の基板の片方に相当し、基板Ｑ１０はシリコン層に相当する。
Ｚ軸方向に規定される上蓋３０の厚みは１５０μｍ程度、同様に規定される凹部３１の深さＤ２は１００μｍ程度である。振動腕１２１Ａ～１２１Ｄのそれぞれの振幅は深さＤ２に制限されるため、上蓋３０側での最大振幅が１００μｍ程度となる。
上蓋３０の凹部３１には、拡散防止層７１及び吸着層７２が設けられている。
拡散防止層７１は、底板３２の内壁３５に設けられ、Ｓｉ基板Ｑ１０と吸着層７２の間に位置している。拡散防止層７１は、Ｓｉ基板Ｑ１０よりも水素が拡散し難く、吸着層７２よりも水素が拡散し難い。拡散防止層７１は、基板Ｑ１０に含有される水素が吸着層７２へ拡散するのを抑制し、吸着層７２の水素の貯蔵量を低減する。拡散防止層７１は、例えばチタンシリコン（Ｔｉ－Ｓｉ）合金を含む。チタンシリコン合金を主成分とする拡散防止層７１は、シリコン酸化物やチタン酸化物を含んでもよい。図４及び図５に示した例では、拡散防止層７１は、内壁３５の一部に設けられているが、内壁３５の全部に設けられてもよい。拡散防止層７１は、例えば金属層であるが、半導体層や絶縁体層でもよい。拡散防止層７１は、積層構造であってもよい。
吸着層７２は、底板３２に設けられ、振動空間に位置している。吸着層７２は、水素を吸着し、吸着した水素を内部に拡散させて貯蔵する。したがって、水素の貯蔵量に余裕がある吸着層７２は、振動空間の水素分圧を低下させ、振動空間の真空度を向上させる。吸着層７２は、例えばチタン（Ｔｉ）を含む。図４及び図５に示した例では、底板３２の内壁３５を平面視したとき、吸着層７２の端部は、拡散防止層７１の端部と略重なっている。吸着層７２の端部は拡散防止層７１と重なっていれば上記に限定されるものではなく、拡散防止層７１の端部の内側に位置してもよい。なお、吸着層７２を構成する材料は、水素を吸蔵可能であればチタンに限定されるものではなく、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、これらのうち少なくとも１つを含む合金、アルカリ金属の酸化物、又はアルカリ土類金属の酸化物を含んでもよい。吸着層７２は、水素以外の酸素や水蒸気などを吸着する材料を含んでもよい。なお、吸着層７２における水素の吸着と脱離は平衡反応であり、振動空間の水素分圧と吸着層７２の水素貯蔵量は比例する。
上蓋３０の上面（共振子１０と対向する面とは反対側の面）には端子Ｔ１，Ｔ２，及びＴ３が形成されている。端子Ｔ１は金属膜Ｅ１を接地させる実装端子である。端子Ｔ２は外側振動腕１２１Ａ，１２１Ｄの金属膜Ｅ２を外部電源に電気的に接続させる実装端子である。端子Ｔ３は、内側振動腕１２１Ｂ，１２１Ｃの金属膜Ｅ２を外部電源に電気的に接続させる実装端子である。端子Ｔ１～Ｔ３は、例えば、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、ニッケル（Ｎｉ）などのメタライズ層（下地層）に、ニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）などのメッキを施して形成されている。なお、上蓋３０の上面には、寄生容量や機械的強度バランスを調整する目的で、共振子１０とは電気的に絶縁されたダミー端子が形成されてもよい。
上蓋３０の側壁３３の内部には貫通電極Ｖ１，Ｖ２，及びＶ３が形成されている。貫通電極Ｖ１は端子Ｔ１と引出線Ｃ１とを電気的に接続し、貫通電極Ｖ２は端子Ｔ２と引出線Ｃ２とを電気的に接続し、貫通電極Ｖ３は端子Ｔ３と引出線Ｃ３とを電気的に接続している。貫通電極Ｖ１～Ｖ３は、上蓋３０の側壁３３をＺ軸方向に貫通する貫通孔に導電性材料を充填して形成されている。充填される導電性材料は、例えば、多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ－Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）などである。
上蓋３０の側壁３３と保持部１４０との間には、上蓋３０の側壁３３と共振子１０の保持部１４０とを接合するために、接合部Ｈが形成されている。接合部Ｈは、共振子１０の振動空間を真空状態で気密封止するように、ＸＹ平面において振動部１１０を囲む閉環状に形成されている。接合部Ｈは、例えばアルミニウム（Ａｌ）膜、ゲルマニウム（Ｇｅ）膜、及びアルミニウム（Ａｌ）膜がこの順に積層されて共晶接合された金属膜によって形成されている。なお、接合部Ｈは、金（Ａｕ）、錫（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）、及びこれらのうち少なくとも１種類を含む合金などから適宜選択された膜を有してもよい。接合部Ｈでは、アルミニウム、銅、シリコン、ゲルマニウム、チタンのうち少なくとも１つを含む共晶金属を含んでもよい。また、密着性を向上させるために、接合部Ｈは、窒化チタン（ＴｉＮ）や窒化タンタル（ＴａＮ）などの金属化合物からなる絶縁体膜を有してもよい。
次に、図４及び図５を参照しつつ、共振装置１の動作について説明する。
本実施形態では、端子Ｔ１が接地され、端子Ｔ２と端子Ｔ３には互いに逆位相の交番電圧が印加される。したがって、外側振動腕１２１Ａ，１２１Ｄの圧電膜Ｆ３に形成される電界の位相と、内側振動腕１２１Ｂ，１２１Ｃの圧電膜Ｆ３に形成される電界の位相と、は互いに逆位相になる。これにより、外側振動腕１２１Ａ，１２１Ｄと、内側振動腕１２１Ｂ，１２１Ｃとが互いに逆相に振動する。例えば、外側振動腕１２１Ａ，１２１Ｄのそれぞれの質量付加部１２２Ａ，１２２Ｄが上蓋３０の内壁３５に向かって変位するとき、内側振動腕１２１Ｂ，１２１Ｃのそれぞれの質量付加部１２２Ｂ，１２２Ｃが下蓋２０の内壁２５に向かって変位する。以上のように、隣り合う振動腕１２１Ａと振動腕１２１Ｂとの間でＹ軸方向に延びる中心軸ｒ１回りに振動腕１２１Ａと振動腕１２１Ｂとが上下逆方向に振動する。また、隣り合う振動腕１２１Ｃと振動腕１２１Ｄとの間でＹ軸方向に延びる中心軸ｒ２回りに振動腕１２１Ｃと振動腕１２１Ｄとが上下逆方向に振動する。これによって、中心軸ｒ１とｒ２とで互いに逆方向の捩れモーメントが生じ、基部１３０での屈曲振動が発生する。振動腕１２１Ａ～１２１Ｄの最大振幅は１００μｍ程度、通常駆動時の振幅は１０μｍ程度である。
次に、図６～図８を参照しつつ、第１実施形態に係る共振装置１の製造方法について説明する。図６は、第１実施形態に係る共振装置の製造方法を概略的に示すフローチャートである。図７は、拡散防止層を設ける工程を概略的に示す断面図である。図８は、吸着層を設ける工程を概略的に示す断面図である。
まず、一対のシリコン基板を準備する（Ｓ１０）。一対のシリコン基板は、Ｓｉ基板Ｐ１０，Ｑ１０に相当する。
次に、シリコン基板を酸化させる（Ｓ２０）。これにより、Ｓｉ基板Ｑ１０の表面にシリコン酸化膜Ｑ１１を形成し、Ｓｉ基板Ｐ１０の表面に温度特性補正層Ｆ２１を形成する。なお、本工程ではシリコン酸化膜Ｑ１１のみを形成し、別工程で温度特性補正層Ｆ２１を形成してもよい。
次に、一対の凹部を設ける（Ｓ３０）。Ｓｉ基板Ｐ１０の上面の一部をエッチング工法によって除去加工し、内壁２５に囲まれた凹部２１を形成する。また、Ｓｉ基板Ｑ１０の上面の一部をエッチング工法によって除去加工し、内壁３５に囲まれた凹部３１を形成する。なお、凹部２１，３１の形成方法は、エッチング工法に限定されない。また、凹部２１は、下蓋２０に共振子１０を接合してから形成してもよい。
次に、下蓋に共振子を接合する（Ｓ４０）。下蓋２０と共振子１０と融点以下まで加熱し、下蓋２０の側壁２３と共振子１０の保持部１４０とを加圧して接合する。下蓋２０との共振子１０との接合方法は上記の熱圧着に限定されず、例えば接着剤、ろう材、半田などを用いた接着であってもよい。
次に、拡散防止層を設ける（Ｓ５０）。図７に示すように、上蓋３０の内壁３５に粒子７１ｐを堆積させて、Ｓｉ基板Ｑ１０に拡散防止層７１を成膜する。粒子７１ｐは、例えば、チタンシリコン合金の蒸気、又はチタン蒸気とシリコン蒸気の混合物である。拡散防止層７１は、メタルマスクＭＫを用いてパターン成膜される。
次に、吸着層を設ける（Ｓ６０）。図８に示すように、拡散防止層７１に粒子７２ｐを堆積させて、吸着層７２を成膜する。粒子７２ｐは、例えば、チタン蒸気である。吸着層７２は、例えば、拡散防止層７１のパターン成膜に用いたものと同じメタルマスクＭＫを用いてパターン成膜される。なお、パターニングされた拡散防止層７１及び吸着層７２を形成する場合、パターニング方法はパターン成膜に限定されず、フォトレジストを用いたエッチング工法やリフトオフ工法であってもよい。
次に、吸着層を活性化させる（Ｓ７０）。吸着層７２を加熱することで、吸着層７２の表面に吸着された水素を脱離させて、吸着層７２の水素吸着効果を回復させる。吸着層７２の活性化は、加熱処理によって設けられる。このような加熱処理は、例えば、加熱温度３５０℃以上５００℃以下、加熱時間５分以上３０分以下で行われる。これは、３５０℃よりも低温及び５分よりも短時間での加熱では充分に吸着層７２が活性化できないためである。また、５００℃よりも高温及び３０分よりも長時間での加熱では、活性化のためのエネルギー効率が悪化し、製造リードタイムが伸びるためである。
次に、接合部を設ける（Ｓ８０）。下蓋２０及び上蓋３０のそれぞれのメタライズ層を減圧環境下で金属接合する。このとき形成される接合部Ｈは、真空状態の振動空間を気密封止する。接合部Ｈは、加熱処理によって設けられる。このような加熱処理は、例えば、加熱温度４００℃以上５００℃以下、加熱時間１分以上３０分以下で行われる。これは、４００℃よりも低温及び１分よりも短時間での加熱では充分な接合強度及び封止性が得られないためである。また、５００℃よりも高温及び３０分よりも長時間での加熱では、接合のためのエネルギー効率が悪化し、製造リードタイムが伸びるためである。
以上のように、本実施形態では、上蓋３０のＳｉ基板Ｑ１０と吸着層７２との間に、Ｓｉ基板Ｑ１０よりも水素が拡散し難い拡散防止層７１が設けられている。
これによれば、Ｓｉ基板Ｑ１０から吸着層７２への水素の拡散が抑制できるため、吸着層７２の水素貯蔵量が低減できる。吸着層７２の水素貯蔵量を低減することで、吸着層７２からの水素の脱離を抑制できる。したがって、初期の吸着層７２の水素貯蔵量を低減することで、経時的な吸着層７２の水素吸着能力の低下を抑制し、高い真空度を容易に維持できる。また、振動空間の水素分圧を低減し、初期真空度を上げることができる。このようなパッケージ構造を共振装置１に適用すれば、周波数の経時変化及び初期の周波数偏差を小さくできる。
拡散防止層７１は、吸着層７２よりも水素が拡散し難い。
これによれば、Ｓｉ基板Ｑ１０から吸着層７２への水素の拡散がさらに抑制できるため、経時的な真空度の悪化が抑制でき、振動空間の初期真空度が向上する。
拡散防止層７１は、チタンシリコン合金を含み、チタン酸化物を含んでもよい。
チタンシリコン合金はシリコンに比べて水素が拡散するのに必要なエネルギーが高く、水素の拡散を充分に抑制できる。
吸着層７２は、チタンを含む。上蓋３０は、シリコン層を含む。
これによれば、上蓋３０のシリコン層と吸着層７２のチタンとの合金を加熱処理によって形成できる。
一例として、拡散防止層７１は、上蓋３０の内壁３５に設けられている。接合部Ｈは、アルミニウム、銅、シリコン、ゲルマニウム、チタン、金及びスズのうち少なくとも１つを含む。
共振子１０の周波数帯は、１ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下である。
これによれば、振動空間の真空度の影響が大きい周波数帯の振動素子であっても、初期の周波数偏差及び周波数の経時変化を小さくできる。
なお、第１実施形態においては、拡散防止層７１及び吸着層７２を上蓋３０の内壁３５の一部に設けたが、拡散防止層７１及び吸着層７２は、内壁３５の全面に設けられてもよい。また、拡散防止層７１及び吸着層７２は、下蓋２０の内壁２５の一部又は全部に設けられてもよく、下蓋２０及び上蓋３０の両方に設けられてもよい。
以下に、本発明の他の実施形態に係る共振子の構成について説明する。なお、下記の実施形態では、上記の第１実施形態と共通の事柄については記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については逐次言及しない。
＜第２実施形態＞
次に、図９～１０を参照しつつ、第２実施形態に係る共振装置２及びその製造方法について説明する。図９は、第２実施形態に係る共振装置の製造方法において吸着層を設ける工程を概略的に示す断面図である。図１０は、第２実施形態に係る共振装置の製造方法において拡散防止層を設ける工程を概略的に示す断面図である。
第２実施形態においては、吸着層７２を設けてから、拡散防止層７１を設ける。具体的には、図９に示すように、上蓋３０の内壁３５に粒子７２ｐを堆積させて、Ｓｉ基板Ｑ１０に吸着層７２をパターン成膜する。次に、図１０に示すように、加熱処理によって、Ｓｉ基板Ｑ１０と吸着層７２との間に拡散防止層７１を設ける。加熱処理は、吸着層７２が酸化しないように、例えば、真空中や、窒素などの不活性ガスの雰囲気中で、外部のヒータによって熱量Ｑを上蓋３０及び吸着層７２に与えることで実施される。このとき、Ｓｉ基板Ｑ１０と吸着層７２の境界部で、Ｓｉ基板Ｑ１０に含まれるシリコンと、吸着層７２に含まれるチタンとを原料としてチタンシリコン合金からなる拡散防止層７１が形成される。このため、拡散防止層７１の一部が、上蓋３０のＳｉ基板Ｑ１０に入り込むように設けられている。
これによれば、上蓋３０と拡散防止層７１との密着性、及び、拡散防止層７１と吸着層７２との密着性が向上する。
熱量Ｑを与えるための加熱処理は、例えば、吸着層７２を活性化する工程において行うことができる。このときの加熱温度は４５０℃以上７００℃以下であり、加熱時間は１時間以上である。このように吸着層７２を活性化する工程が拡散防止層７１を設ける工程も兼ねる場合、単に吸着層を活性化する工程に比べて加熱時間が長く加熱温度が高いが、これによれば、吸着層７２を活性化するとともに、拡散防止層７１を設けることができる。したがって、製造工程が簡略化でき、製造コストを低減できる。
熱量Ｑを与えるための加熱処理は、例えば、接合部Ｈを設ける工程において行うことができる。このときの加熱温度は４５０℃以上７００℃以下であり、加熱時間は１時間以上である。このように接合部Ｈを設ける工程が拡散防止層７１を設ける工程も兼ねる場合、単に接合部を設ける工程に比べて加熱時間が長いが、これによれば、吸着層７２を活性化するとともに、接合部Ｈを設けることができる。したがって、製造工程が簡略化でき、製造コストを低減できる。
なお、熱量Ｑを与えるための加熱処理は、吸着層７２を活性化する工程及び接合部Ｈを設ける工程とは別に実施されてもよい。
これによれば、加熱処理による共振子１０の圧電特性の変化を抑制できる。すなわち、パッケージ構造に収容される素子の特性変化が抑制できる。
＜第３実施形態＞
次に、図１１を参照しつつ、第３実施形態に係る共振装置３及びその製造方法について説明する。図１１は、第３実施形態に係る上蓋の構造を概略的に示す断面図である。
第３実施形態は、シリコン酸化物層に相当するシリコン酸化膜Ｑ１２を備える点で第１実施形態と相違している。シリコン酸化膜Ｑ１２は、Ｓｉ基板Ｑ１０の吸着層７２側に設けられており、シリコン酸化膜Ｑ１２の表面が内壁３５に相当する。
第３実施形態においては、シリコン酸化膜Ｑ１２は、Ｓｉ基板Ｑ１０と拡散防止層７１との間の領域及びその外側の領域に設けられている。言い換えると、拡散防止層７１は、シリコン酸化膜Ｑ１２の一部に設けられている。
＜第４実施形態＞
次に、図１２及び図１３を参照しつつ、第４実施形態に係る共振装置４及びその製造方法について説明する。図１２は、第４実施形態に係る共振装置の製造方法において吸着層を設ける工程を概略的に示す断面図である。図１３は、第４実施形態に係る共振装置の製造方法において拡散防止層を設ける工程を概略的に示す断面図である。
第４実施形態では、拡散防止層７１及び吸着層７２を設ける前に、Ｓｉ基板Ｑ１０のシリコン酸化膜Ｑ１１とは反対側にシリコン酸化膜Ｑ１２を設ける。シリコン酸化膜Ｑ１２は、例えば、Ｓｉ基板Ｑ１０の酸素プラズマ処理によって形成される。シリコン酸化膜Ｑ１２の厚さは、薄いことが望ましく、例えば５ｎｍ以下である。次に、図１２に示すように、シリコン酸化膜Ｑ１２が構成する内壁３５に粒子７２ｐを堆積させて、Ｓｉ基板Ｑ１０に吸着層７２をパターン成膜する。次に、図１３に示すように、加熱処理によって、Ｓｉ基板Ｑ１０と吸着層７２との間に拡散防止層７１を設ける。このとき、シリコン酸化膜Ｑ１２のシリコン酸化物と、吸着層７２のチタンとを原料として、チタンシリコン合金及びチタン酸化物からなる拡散防止層７１が形成される。吸着層７２に接する領域のシリコン酸化膜Ｑ１２は、チタンシリコン合金及びチタン酸化物の形成に消費されるため、拡散防止層７１と吸着層７２との界面と平行な方向において、拡散防止層７１はシリコン酸化膜Ｑ１２に隣接する。
熱量Ｑを与えるための加熱処理は、第２実施形態と同様、吸着層７２を活性化する工程、又は、接合部Ｈを設ける工程で行うことができる。しかし、第４実施形態においては、シリコン酸化膜Ｑ１２が存在することで、チタンシリコン合金の形成に必要な加熱温度が下がる。第４実施形態において、拡散防止層７１を設けるための加熱温度は４００℃以上７００℃以下であり、加熱時間は１時間以上である。したがって、第２実施形態に比べて、製造に要するエネルギーを低減できる。
以下に、本発明の実施形態の一部又は全部を付記し、その効果について説明する。なお、本発明は以下の付記に限定されるものではない。
本発明の一態様によれば、パッケージ構造は、互いに対向して配置される一対の基板と、一対の基板で囲まれた内部空間に素子を封止する、一対の基板の接合部と、一対の基板のうち少なくとも一方の基板に設けられかつ内部空間に位置する、少なくとも水素を吸着する吸着層と、少なくとも一方の基板と吸着層との間に設けられ、少なくとも一方の基板よりも水素が拡散し難い拡散防止層とを備える。
これによれば、少なくとも一方の基板から吸着層への水素の拡散が抑制できるため、吸着層の水素貯蔵量が低減できる。吸着層の水素貯蔵量を低減することで、吸着層からの水素の脱離を抑制できる。したがって、初期の吸着層の水素貯蔵量を低減することで、経時的な吸着層の水素吸着能力の低下を抑制し、容易に高い真空度を維持できる。また、内部空間の水素分圧を低減し、初期真空度を上げることができる。このようなパッケージ構造を共振装置に適用すれば、周波数の経時変化及び初期の周波数偏差を小さくできる。
一態様として、拡散防止層は、吸着層よりも水素が拡散し難い。
これによれば、少なくとも一方の基板から吸着層への水素の拡散がさらに抑制できるため、経時的な真空度の悪化が抑制でき、内部空間の初期真空度が向上する。
一態様として、拡散防止層は、チタンシリコン合金を含む。
チタンシリコン合金はシリコンに比べて水素が拡散するのに必要なエネルギーが高く、水素の拡散を充分に抑制できる。
一態様として、拡散防止層は、チタン酸化物を含む。
一態様として、吸着層は、チタンを含む。
一態様として、少なくとも一方の基板は、シリコン層を含む。
これによれば、少なくとも一方の基板のシリコン層と吸着層のチタンとの合金を加熱処理によって形成できる。
一態様として、少なくとも一方の基板は、シリコン層の吸着層の側に設けられたシリコン酸化物層をさらに含む。
一態様として、シリコン酸化物層の厚みは、５ｎｍ以下である。
一態様として、拡散防止層は、少なくとも一方の基板の表面に設けられる。
一態様として、拡散防止層の少なくとも一部が、少なくとも一方の基板に入り込むように設けられる。
これによれば、少なくとも一方の基板と拡散防止層との密着性、及び、拡散防止層と吸着層との密着性が向上する。
一態様として、接合部は、アルミニウム、銅、シリコン、ゲルマニウム、チタン、金及びスズのうち少なくとも１つを含む。
一態様として、素子は、周波数帯が１ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下である振動素子である。 これによれば、内部空間の真空度の影響が大きい周波数帯の振動素子であっても、周波数の経時変化及び初期の周波数偏差を小さくできる。
本発明の他の一態様として、パッケージ構造の製造方法は、一対の基板を準備する工程と、一対の基板のうち少なくとも一方の基板に、少なくとも水素を吸着する吸着層を設ける工程と、一対の基板を、少なくとも一方の基板に設けられた吸着層が他方の基板に対向するように配置し、一対の基板で囲まれた内部空間に素子を封止する接合部を設ける工程とを備え、少なくとも一方の基板の上に、少なくとも一方の基板よりも水素が拡散し難い拡散防止層を設ける工程をさらに備える。
これによれば、高い真空度を容易に維持できるパッケージ構造を提供できる。
一態様として、吸着層を設ける工程において、吸着層は少なくとも一方の基板の上に設けられ、拡散防止層を設ける工程は、吸着層を設ける工程の後に、加熱処理によって、少なくとも一方の基板に含まれる材料及び吸着層に含まれる材料に由来する拡散防止層を、少なくとも一方の基板と吸着層との間に形成する。
一態様として、加熱処理は、少なくとも１時間は行われる
一態様として、吸着層を活性化させる工程をさらに備え、加熱処理は、吸着層を活性化させる工程において行われる。
これによれば、吸着層を活性化するとともに、拡散防止層を設けることができる。したがって、製造工程が簡略化でき、製造コストを低減できる。
一態様として、加熱処理は、接合部を設ける工程において行われる。
これによれば、吸着層を活性化するとともに、接合部を設けることができる。したがって、製造工程が簡略化でき、製造コストを低減できる。
一態様として、少なくとも一方の基板は、シリコン層を含み、吸着層を設ける工程は、シリコン層の上にチタンを設けることを含み、加熱処理は、４５０℃以上７００℃以下で行われる。
一態様として、少なくとも一方の基板は、シリコン層と、シリコン層の上に設けられたシリコン酸化物層とを含み、吸着層を設ける工程は、シリコン酸化物層の上にチタンを設けることを含み、加熱処理は、４００℃以上７００℃以下で行われる。
シリコン酸化物層が存在することで、チタンシリコン合金の形成に必要な加熱温度が下がる。このため、製造に要するエネルギーを低減できる。
以上説明したように、本発明の一態様によれば、高い真空度を容易に維持することができるパッケージ構造及びその製造方法が提供できる。
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。例えば、本発明の振動素子および振動子は、タイミングデバイスまたは荷重センサに用いることができる。また、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
１…共振装置、
１０…共振子、
２０…下蓋、
３０…上蓋、
Ｑ１０，Ｐ１０…シリコン（Ｓｉ）基板、
２１，３１…凹部、
２２，３２…底板、
２３，３３…側壁、
２５，３５…内壁、
７１…拡散防止層、
７２…吸着層

Claims (19)

  1. 互いに対向して配置される一対の基板と、
    前記一対の基板で囲まれた内部空間に素子を封止する、前記一対の基板の接合部と、
    前記一対の基板のうち少なくとも一方の基板に設けられかつ前記内部空間に位置する、少なくとも水素を吸着する吸着層と、
    前記少なくとも一方の基板と前記吸着層との間に設けられ、前記少なくとも一方の基板よりも水素が拡散し難い拡散防止層と
    を備える、パッケージ構造。
  2. 前記拡散防止層は、前記吸着層よりも水素が拡散し難い、
    請求項１に記載のパッケージ構造。
  3. 前記拡散防止層は、チタンシリコン合金を含む、
    請求項１又は２に記載のパッケージ構造。
  4. 前記拡散防止層は、チタン酸化物を含む、
    請求項１から３のいずれか１項に記載のパッケージ構造。
  5. 前記吸着層は、チタンを含む、
    請求項１から４のいずれか１項に記載のパッケージ構造。
  6. 前記少なくとも一方の基板は、シリコン層を含む、
    請求項１から５のいずれか１項に記載のパッケージ構造。
  7. 前記少なくとも一方の基板は、前記シリコン層の前記吸着層の側に設けられたシリコン酸化物層をさらに含む、
    請求項６に記載のパッケージ構造。
  8. 前記シリコン酸化物層の厚みは、５ｎｍ以下である、
    請求項７に記載のパッケージ構造。
  9. 前記拡散防止層は、前記少なくとも一方の基板の表面に設けられた、
    請求項１から８のいずれか１項に記載のパッケージ構造。
  10. 前記拡散防止層の少なくとも一部が、前記少なくとも一方の基板に入り込むように設けられた、
    請求項１から８のいずれか１項に記載のパッケージ構造。
  11. 前記接合部は、アルミニウム、銅、シリコン、ゲルマニウム、チタン、金及びスズのうち少なくとも１つを含む、
    請求項１から１０のいずれか１項に記載のパッケージ構造。
  12. 前記素子は、周波数帯が１ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下である振動素子である、
    請求項１から１１のいずれか１項に記載のパッケージ構造。
  13. 一対の基板を準備する工程と、
    前記一対の基板のうち少なくとも一方の基板に、少なくとも水素を吸着する吸着層を設ける工程と、
    前記一対の基板を、前記少なくとも一方の基板に設けられた前記吸着層が他方の基板に対向するように配置し、前記一対の基板で囲まれた内部空間に素子を封止する接合部を設ける工程と
    を備え、
    前記少なくとも一方の基板の上に、前記少なくとも一方の基板よりも水素が拡散し難い拡散防止層を設ける工程をさらに備える、パッケージ構造の製造方法。
  14. 前記吸着層を設ける工程において、前記吸着層は前記少なくとも一方の基板の上に設けられ、
    前記拡散防止層を設ける工程は、前記吸着層を設ける工程の後に、加熱処理によって、前記少なくとも一方の基板に含まれる材料及び前記吸着層に含まれる材料に由来する前記拡散防止層を、前記少なくとも一方の基板と前記吸着層との間に形成する、
    請求項１３に記載のパッケージ構造の製造方法。
  15. 前記加熱処理は、少なくとも１時間は行われる、
    請求項１４に記載のパッケージ構造の製造方法。
  16. 前記吸着層を活性化させる工程をさらに備え、
    前記加熱処理は、前記吸着層を活性化させる工程において行われる、
    請求項１４又は１５に記載のパッケージ構造の製造方法。
  17. 前記加熱処理は、前記接合部を設ける工程において行われる、
    請求項１４又は１５に記載のパッケージ構造の製造方法。
  18. 前記少なくとも一方の基板は、シリコン層を含み、
    前記吸着層を設ける工程は、前記シリコン層の上にチタンを設けることを含み、
    前記加熱処理は、４５０℃以上７００℃以下で行われる、
    請求項１６又は１７に記載のパッケージ構造の製造方法。
  19. 前記少なくとも一方の基板は、シリコン層と、前記シリコン層の上に設けられたシリコン酸化物層とを含み、
    前記吸着層を設ける工程は、前記シリコン酸化物層の上にチタンを設けることを含み、
    前記加熱処理は、４００℃以上７００℃以下で行われる、
    請求項１６又は１７に記載のパッケージ構造の製造方法。
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