JP7497604B2 - 振動デバイス、電子機器および移動体 - Google Patents
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Description
本発明は、振動デバイス、電子機器および移動体に関する。
特許文献１に記載された水晶発振器は、所定の周波数で発振する水晶振動片を内包する水晶振動子と、水晶振動子を載置し、水晶振動片を発振させる発振回路を含む集積回路と、集積回路上で水晶振動子を覆うように形成される絶縁性樹脂と、を有する。
しかしながら、特許文献１の水晶発振器では、集積回路を形成する半導体基板が平坦な板状であるため、機械的強度が低く、変形により回路の機能や特性が悪化するおそれがある。さらに、この水晶発振器は、熱や紫外線による硬化によって絶縁性樹脂が収縮するため、この収縮により生じる応力によって集積回路が変形し、これにより、回路の機能や特性が悪化するおそれがある。
本適用例にかかる振動デバイスは、第１面および前記第１面とは反対側に位置する第２面を有し、前記第１面に開口する有底の凹部を備える半導体基板と、
前記第２面に配置される回路と、
前記凹部の底面と前記第２面とを貫通し、前記回路と電気的に接続される貫通電極と、
収容空間を備える容器および前記収容空間に収容される振動片を有し、前記凹部内に配置され、前記貫通電極と電気的に接続される振動子と、を有する。
前記第２面に配置される回路と、
前記凹部の底面と前記第２面とを貫通し、前記回路と電気的に接続される貫通電極と、
収容空間を備える容器および前記収容空間に収容される振動片を有し、前記凹部内に配置され、前記貫通電極と電気的に接続される振動子と、を有する。
本適用例にかかる電子機器は、上述の振動デバイスと、
前記振動デバイスから出力される信号に基づいて動作する演算処理回路と、を備えている。
前記振動デバイスから出力される信号に基づいて動作する演算処理回路と、を備えている。
本適用例にかかる移動体は、上述の振動デバイスと、
前記振動デバイスから出力される信号に基づいて動作する演算処理回路と、を備えている。
前記振動デバイスから出力される信号に基づいて動作する演算処理回路と、を備えている。
以下、本適用例にかかる振動デバイス、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る振動デバイスを示す縦断面図である。図２は、半導体基板を上側から見た平面図である。図３および図４は、振動子の横断面図である。図５および図６は、図１に示す振動デバイスの変形例を示す縦断面図である。図７は、図１に示す振動デバイスの製造工程を示す図である。図８ないし図１６は、振動デバイスの製造方法を説明するための縦断面図である。なお、図１は、図４中のＡ－Ａ線断面図である。また、説明の便宜上、図７を除く各図には、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸として図示する。また、Ｚ軸の矢印先端側を「上」とも言い、基端側を「下」とも言う。また、半導体基板５の厚さ方向すなわちＺ軸に沿った平面視を単に「平面視」とも言う。
図１は、第１実施形態に係る振動デバイスを示す縦断面図である。図２は、半導体基板を上側から見た平面図である。図３および図４は、振動子の横断面図である。図５および図６は、図１に示す振動デバイスの変形例を示す縦断面図である。図７は、図１に示す振動デバイスの製造工程を示す図である。図８ないし図１６は、振動デバイスの製造方法を説明するための縦断面図である。なお、図１は、図４中のＡ－Ａ線断面図である。また、説明の便宜上、図７を除く各図には、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸として図示する。また、Ｚ軸の矢印先端側を「上」とも言い、基端側を「下」とも言う。また、半導体基板５の厚さ方向すなわちＺ軸に沿った平面視を単に「平面視」とも言う。
図１に示す振動デバイス１は、例えば、発振器として用いられる。ただし、振動デバイス１は、発振器以外の機器、例えば、加速度センサー、角速度センサー等の各種センサーとして用いられてもよい。本実施形態の振動デバイス１は、半導体回路基板４と、半導体回路基板４に配置された振動子３と、を有する。また、振動子３は、容器２と、容器２に収容された振動片９と、を有する。
［半導体回路基板４］
図１に示すように、半導体回路基板４は、半導体基板５と、半導体基板５に設けられた回路６と、を有する。また、半導体基板５は、シリコン基板である。特に、本実施形態では、半導体基板５は、Ｐ型導電性を有するＰ型シリコン基板であり、基板電位がグランドとなる。ただし、半導体基板５は、シリコン基板以外の半導体基板、例えば、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、ガリウム砒素リン、窒化ガリウム、炭化珪素等で構成された各種半導体基板であってもよい。また、半導体基板５は、Ｎ型導電性を有するＮ型シリコン基板であってもよい。
図１に示すように、半導体回路基板４は、半導体基板５と、半導体基板５に設けられた回路６と、を有する。また、半導体基板５は、シリコン基板である。特に、本実施形態では、半導体基板５は、Ｐ型導電性を有するＰ型シリコン基板であり、基板電位がグランドとなる。ただし、半導体基板５は、シリコン基板以外の半導体基板、例えば、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、ガリウム砒素リン、窒化ガリウム、炭化珪素等で構成された各種半導体基板であってもよい。また、半導体基板５は、Ｎ型導電性を有するＮ型シリコン基板であってもよい。
半導体基板５は、第１面としての上面５１と、上面５１とは反対側に位置する第２面としての下面５２と、を有する。また、半導体基板５は、上面５１に開口する有底の凹部５３を有する。また、半導体基板５の表面には絶縁膜５０が形成されている。絶縁膜５０は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）で構成され、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成される。また、半導体基板５の下面５２には振動子３と電気的に接続された回路６が設けられている。半導体基板５に回路６を設けることにより、半導体基板５のスペースを有効活用することができる。そのため、例えば、回路６を振動デバイス１と別体で形成した構成と比べて、装置全体の小型化を図ることができる。
なお、以下の説明において、上面５１に配置されとは、上面５１側に配置されていることを意味し、上面５１上に直接配置されている場合の他、上面５１から離間した位置に配置されている場合も含む概念である。このことは、下面５２についても同様である。
半導体基板５の下面５２には、絶縁層６１、配線層６２、絶縁層６３、パッシベーション膜６４および端子層６５が積層された積層体６０が設けられている。そして、配線層６２に含まれる配線を介して、下面５２に形成された図示しない複数の能動素子（半導体素子）が電気的に接続されて回路６が構成される。つまり、回路６は、半導体基板５と一体形成されている。なお、前記能動素子は、半導体基板５の下面５２側からリン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、砒素（Ａｓ）等の不純物をドープすることにより形成される。
また、端子層６５には、複数の端子６５１が形成され、複数の端子６５１には、例えば、電源に接続される端子、グランドに接続される端子、回路６から信号が出力される端子等が含まれている。
なお、絶縁層６１、６３は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）で構成され、配線層６２および端子層６５は、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、導電性のポリシリコン、タングステン（Ｗ）等の導電性材料で構成され、パッシベーション膜６４は、ポリアミド等の樹脂材料で構成されている。ただし、これら各部の構成材料は、特に限定されない。
なお、回路６としては、特に限定されず、例えば、振動片９を発振させてクロック信号等の基準信号の周波数を生成する発振回路、発振回路からの出力信号を処理する処理回路、例えば、ＰＬＬ（phase locked loop）回路等が挙げられる。また、回路６は、ＲＴＣ（real-time clock）回路であってもよい。
なお、図示の構成では、積層体６０に１つの配線層６２が含まれているが、これに限定されず、複数の配線層６２が絶縁層６３を介して積層されていてもよい。つまり、絶縁層６１とパッシベーション膜６４との間に、配線層６２と絶縁層６３とが交互に複数回積層されていてもよい。
また、図２に示すように、凹部５３の底面５３１には、一対の接続端子７４、７５および一対のダミー端子７６、７７が設けられている。また、図１に示すように、半導体基板５には、半導体基板５の厚さ方向すなわちＺ軸方向に延在し、凹部５３の底面５３１と下面５２とに貫通する一対の貫通孔５４、５５が形成されている。また、貫通孔５４、５５内には導電性材料が充填され、貫通電極５４０、５５０が形成されている。また、貫通電極５４０は、接続端子７４と回路６とを電気的に接続し、貫通電極５５０は、接続端子７５と回路６とを電気的に接続している。なお、以下では、説明の便宜上、接続端子およびダミー端子を単に「端子」とも言う。
［振動子３］
図１に示すように、振動子３は、容器２と、容器２に収容された振動片９と、を有する。また、容器２は、ベース２１と、ベース２１に接合されたリッド２２と、を有する。また、容器２は、その内部に気密封止された収容空間Ｓを有し、この収容空間Ｓに振動片９が収容されている。収容空間Ｓは、減圧状態、好ましくはより真空に近い状態である。これにより、振動片９の発振特性が向上する。ただし、収容空間Ｓの雰囲気は、特に限定されず、例えば、窒素またはＡｒ等の不活性ガスを封入した雰囲気であってもよく、減圧状態でなく大気圧状態または加圧状態となっていてもよい。
図１に示すように、振動子３は、容器２と、容器２に収容された振動片９と、を有する。また、容器２は、ベース２１と、ベース２１に接合されたリッド２２と、を有する。また、容器２は、その内部に気密封止された収容空間Ｓを有し、この収容空間Ｓに振動片９が収容されている。収容空間Ｓは、減圧状態、好ましくはより真空に近い状態である。これにより、振動片９の発振特性が向上する。ただし、収容空間Ｓの雰囲気は、特に限定されず、例えば、窒素またはＡｒ等の不活性ガスを封入した雰囲気であってもよく、減圧状態でなく大気圧状態または加圧状態となっていてもよい。
ベース２１およびリッド２２は、それぞれ、シリコン基板で構成されている。これにより、ベース２１とリッド２２との線膨張係数が等しくなり、熱膨張に起因する熱応力の発生が抑えられ、優れた振動特性を有する振動子３となる。また、振動子３を半導体プロセスによって形成することができるため、振動子３を精度よく製造することができると共に、その小型化を図ることができる。ただし、ベース２１およびリッド２２の構成材料としては、特に限定されず、シリコン以外の半導体材料、各種ガラス材料、各種セラミック材料等を用いることもできる。
また、図３に示すように、ベース２１の上面には一対の内部端子２３１、２３２が配置され、ベース２１の下面には、一対の外部端子２４１、２４２および一対のダミー端子２５１、２５２が配置されている。また、図１および図３に示すように、ベース２１にはその上面と下面とに貫通する一対の貫通電極２６１、２６２が形成されている。また、貫通電極２６１を介して内部端子２３１と外部端子２４１とが電気的に接続され、貫通電極２６２を介して内部端子２３２と外部端子２４２とが電気的に接続されている。
図４に示すように、振動片９は、振動基板９１と、振動基板９１の表面に配置された電極と、を有する。振動基板９１は、厚みすべり振動モードを有し、本実施形態ではＡＴカット水晶基板から形成されている。ＡＴカット水晶基板は、三次の周波数温度特性を有するため、優れた温度特性を有する振動片９となる。また、電極は、振動基板９１の上面に配置された励振電極９２１と、下面に励振電極９２１と対向して配置された励振電極９２２と、振動基板９１の下面に配置された一対の端子９２３、９２４と、端子９２３と励振電極９２１とを電気的に接続する配線９２５と、端子９２４と励振電極９２２とを電気的に接続する配線９２６と、を有する。
なお、振動片９の構成は、上述の構成に限定されない。例えば、振動片９は、励振電極９２１、９２２に挟まれた振動領域がその周囲から突出したメサ型となっていてもよいし、逆に、振動領域がその周囲から凹没した逆メサ型となっていてもよい。また、振動基板９１の周囲を研削するベベル加工や、上面および下面を凸曲面とするコンベックス加工が施されていてもよい。
また、振動片９としては、厚みすべり振動モードで振動するものに限定されず、例えば、複数の振動腕が面内方向に屈曲振動する振動片であってもよい。つまり、振動基板９１は、ＡＴカット水晶基板から形成されたものに限定されず、ＡＴカット水晶基板以外の水晶基板、例えば、Ｘカット水晶基板、Ｙカット水晶基板、Ｚカット水晶基板、ＢＴカット水晶基板、ＳＣカット水晶基板、ＳＴカット水晶基板等から形成されていてもよい。また、本実施形態では、振動基板９１が水晶で構成されているが、これに限定されず、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、四ホウ酸リチウム、ランガサイト、ニオブ酸カリウム、リン酸ガリウム等の圧電単結晶体により構成されていてもよいし、これら以外の圧電単結晶体で構成されていてもよい。さらにまた、振動片９は、圧電駆動型の振動片に限らず、例えば、シリコンＭＥＭＳ等、静電気力を用いた静電駆動型の振動片であってもよい。
このような振動片９は、導電性の接合部材Ｂ１、Ｂ２によってベース２１の上面に固定される。接合部材Ｂ１は、端子９２３と内部端子２３１との間に設けられ、これらを機械的に固定すると共に電気的に接続している。一方、接合部材Ｂ２は、端子９２４と内部端子２３２との間に設けられ、これらを機械的に固定すると共に電気的に接続している。
接合部材Ｂ１、Ｂ２としては、導電性と接合性とを兼ね備えていれば、特に限定されず、例えば、金バンプ、銀バンプ、銅バンプ、はんだバンプ等の各種金属バンプ、ポリイミド系、エポキシ系、シリコーン系、アクリル系の各種接着剤に銀フィラー等の導電性フィラーを分散させた導電性接着剤等を用いることができる。接合部材Ｂ１、Ｂ２として前者の金属バンプを用いると、接合部材Ｂ１、Ｂ２からのガスの発生を抑制でき、収容空間Ｓの環境変化、特に圧力の上昇を効果的に抑制することができる。一方、接合部材Ｂ１、Ｂ２として後者の導電性接着剤を用いると、接合部材Ｂ１、Ｂ２が金属バンプに比べて柔らかくなり、容器２から振動片９に応力が伝わり難くなる。
以上、振動子３の構成について説明した。図１に示すように、振動子３は、凹部５３内に配置される。そして、振動子３は、４つの導電性の接合部材Ｂ３によって凹部５３の底面５３１に固定される。これらのうち、１つの接合部材Ｂ３は、接続端子７４と外部端子２４１との間に設けられ、これらを機械的に固定すると共に電気的に接続している。また、１つの接合部材Ｂ３は、接続端子７５と外部端子２４２との間に設けられ、これらを機械的に固定すると共に電気的に接続している。また、図示しないが、１つの接合部材Ｂ３は、ダミー端子７６とダミー端子２５１との間に設けられ、これらを機械的に固定すると共に電気的に接続している。また、図示しないが、１つの接合部材Ｂ３は、ダミー端子７７とダミー端子２５２との間に設けられ、これらを機械的に固定すると共に電気的に接続している。
また、本実施形態では、ダミー端子７６、７７、接合部材Ｂ３およびダミー端子２５１、２５２を介して半導体基板５と容器２とが電気的に接続されている。そのため、半導体基板５と容器２とが同電位となっている。これにより、半導体基板５に対する振動子３の位置ずれに起因した、振動子３の電気的特性の変動を抑制することができる。具体的には、例えば振動デバイスの製造上の問題によって有底の凹部５３の側壁の絶縁膜５０のカバレッジが悪くなり、また、半導体基板５に対して振動子３の位置がずれ、容器２が半導体基板５に接触し、当該接触部分を介してこれらが電気的に接続した状態となるおそれがある。そこで、容器２が半導体基板５に接触しない正常な状態においても、容器２と半導体基板５とを電気的に接続して同電位としておくことにより、どちらの状態においても容器２の電位が等しくなる。そのため、振動子３の位置ずれに起因した電気的特性の変動を抑制することができる。
接合部材Ｂ３の構成材料としては、導電性と接合性とを兼ね備えていれば、特に限定されず、例えば、各種金属材料、各種樹脂材料に導電性フィラーを分散させた導電性接着剤等を用いることができる。これらの中でも、接合部材Ｂ３の構成材料としては、半田であることが好ましい。これにより、半田リフローによる振動子３と半導体回路基板４との接合を行うことができ、振動デバイス１の製造プロセスがより簡単となる。
また、半田は、半田リフロー時に溶融した半田の表面張力によって半導体回路基板４に対する振動子３の位置決めが自然となされるセルフアライメント機能を発揮することもできる。すなわち、接合部材Ｂ３として半田を用いることにより、接合部材Ｂ３を半導体回路基板４に対する振動子３の位置決めを行う位置決め部材として用いることができる。そのため、半導体回路基板４に対する振動子３の位置決めを行う必要がなくなり、この点においても、振動デバイス１の製造プロセスがより簡単となる。このように、振動子３と半導体基板５とを機械的および電気的に接続する接合部材Ｂ３が位置決め部材としての機能を発揮することにより、例えば、位置決め部材を別途設ける構成と比べて、振動デバイス１の小型化、低コスト化を図ることができる。
なお、図２に示すように、振動子３は、平面視で矩形であり、特に、Ｘ軸方向を長手方向とする長方形である。また、この振動子３が配置される凹部５３も、平面視で矩形であり、特に、Ｘ軸方向を長手方向とする長方形である。ここで、振動子３に外接する仮想円を仮想円Ｃ１とし、凹部５３に内接する仮想円を仮想円Ｃ２としたとき、仮想円Ｃ１の径Ｒ１は、仮想円Ｃ２の径Ｒ２よりも大きい。つまり、Ｒ１＞Ｒ２である。これにより、凹部５３内での振動子３の回転変位を効果的に抑制することができる。つまり、振動子３が凹部５３内で回転しようとしても、凹部５３の内側面に衝突して、それ以上の回転が規制される。そのため、振動デバイス１の製造工程中、まだ、振動子３が半導体基板５に固定されていない状態での、振動子３の不都合な変位を効果的に抑制することができる。
以上のように、半導体基板５の上面５１に凹部５３を設けて、この凹部５３内に振動子３を収容することにより、上述した特許文献１のような、半導体基板５が平坦な板状である構成と比べて、半導体基板５を厚くすることができる。そのため、半導体基板５の機械的強度を高めることができる。したがって、半導体基板５の変形や、当該変形による回路６の特性悪化を効果的に抑制することができる。また、振動子３を凹部５３の周囲にある枠状の壁部５９が取り囲んでいるため、振動子３が外部の構造体と接触し難く、接触による振動子３の破損や、振動子３の半導体基板５からの離脱を効果的に抑制することができる。
また、図１に示すように、凹部５３の開口は、例えば、リッドのような別部材によって塞がれておらず、開放している。このように、凹部５３を別部材によって塞がないことにより、当該別部材を設けた場合と比べて、振動デバイス１の低背化を図ることができる。
また、図１に示すように、容器２の上面２ａは、半導体基板５の上面５１と面一である。すなわち、上面２ａと上面５１とは、同一の面Ｆ上に位置している。これにより、振動子３を壁部５９で効果的に保護することができる。また、上面２ａよりも上側に半導体基板５が突出しないため、振動デバイス１の低背化を図ることができる。ただし、これに限定されず、例えば、図５に示すように、容器２の上面２ａは、半導体基板５の上面５１よりも下側に位置してもよい。すなわち、上面２ａよりも上側に壁部５９が突出していてもよい。これにより、振動子３を囲む壁部５９がより高くなり、その分、振動子３をより効果的に保護することができる。
また、図６に示すように、容器２の上面２ａは、半導体基板５の上面５１よりも上側に位置していてもよい。すなわち、上面２ａよりも下側に壁部５９が退避してもよい。これにより、壁部５９の高さを上述の構成よりも低くすることができる。そのため、凹部５３の底面５３１に端子７４～７７を成膜するプロセスを精度よく行うことができ、端子７４～７７の形成不良を抑制することができる。具体的には、端子７４～７７は、底面５３１に金属膜を成膜した後、この金属膜をフォトリソグラフィー技法およびエッチング技法によってパターニングすることで形成される。壁部５９が高い程、フォトリソグラフィー技法中の露光工程において、底面５３１への露光光の照射が阻害されて露光の精度が低下する。そこで、壁部５９を低くすることにより、露光精度の低下を抑制することができ、端子７４～７７の形成不良を抑制することができる。
以上、振動デバイス１について説明した。このような振動デバイス１は、前述したように、第１面である上面５１および上面５１とは反対側に位置する第２面である下面５２を有し、上面５１に開口する有底の凹部５３を備える半導体基板５と、下面５２に配置される回路６と、凹部５３の底面５３１と下面５２とを貫通し、回路６と電気的に接続される貫通電極５４０、５５０と、収容空間Ｓを備える容器２および収容空間Ｓに収容される振動片９を有し、凹部５３内に配置され、貫通電極５４０、５５０と電気的に接続される振動子３と、を有する。
このように、半導体基板５の上面５１に凹部５３を設けて、この凹部５３内に振動子３を収容することにより、上述した特許文献１のような、半導体基板５が平坦な板状である構成と比べて、半導体基板５を厚くすることができる。特に、凹部５３の形成に伴い、底部５８と、底部５８の外周部から立設した壁部５９とを有する、いわゆる箱型の形状とすることができる。そのため、半導体基板５の機械的強度、特に、曲げ強度を高めることができる。これにより、半導体基板５の変形による回路６の機能や特性悪化を効果的に抑制することができる。また、振動子３を凹部５３の周囲にある枠状の壁部５９が取り囲んでいるため、振動子３が外部の構造体と接触し難く、接触による振動子３の破損や、振動子３の半導体基板５からの離脱を効果的に抑制することができる。
また、前述したように、収容空間Ｓは、減圧状態である。これにより、振動片９の発振特性が向上する。
また、前述したように、凹部５３は、解放している。これにより、振動デバイス１の低背化を図ることができる。
また、前述したように、容器２の底面５３１とは反対側の面すなわち上面２ａは、上面５１と面一である。すなわち、上面２ａと上面５１とは、同一面上に位置している。これにより、振動子３を壁部５９で効果的に保護しつつ、上面２ａよりも上側に半導体基板５が突出しないため、振動デバイス１の低背化を図ることができる。
また、前述したように、容器２の底面５３１とは反対側の面すなわち上面２ａは、上面５１よりも下面５２側に位置してもよい。すなわち、壁部５９が上面２ａよりも上側に突出していてもよい。これにより、振動子３を囲む壁部５９がより高くなり、その分、振動子３をより効果的に保護することができる。
また、前述したように、容器２の底面５３１とは反対側の面すなわち上面２ａは、上面５１よりも下面５２とは反対側に位置してもよい。すなわち、上面２ａよりも下側に壁部５９が退避してもよい。これにより、壁部５９の高さを上述の構成よりも低くすることができる。そのため、凹部５３の底面５３１に端子７４～７７を成膜するプロセスを精度よく行うことができ、端子７４～７７の形成不良を抑制することができる。
また、前述したように、振動デバイス１は、半導体基板５に対して振動子３の位置決めを行う位置決め部材としての接合部材Ｂ３を有する。これにより、振動デバイス１の製造プロセスがより簡単となる。
また、前述したように、接合部材Ｂ３によって、半導体基板５と振動子３とが固定される。このように、振動子３と半導体基板５とを機械的に接続する接合部材Ｂ３が位置決め部材としての機能を発揮することにより、例えば、位置決め部材を別途設ける構成と比べて、振動デバイス１の小型化、低コスト化を図ることができる。
また、前述したように、接合部材Ｂ３を介して、振動子３と貫通電極５４０、５５０とが電気的に接続される。このように、振動子３と貫通電極５４０、５５０とを電気的に接続する接合部材Ｂ３が位置決め部材としての機能を発揮することにより、例えば、位置決め部材を別途設ける構成と比べて、振動デバイス１の小型化、低コスト化を図ることができる。
また、前述したように、容器２は、半導体基板５と電気的に接続される。これにより、半導体基板５に対する振動子３の位置に起因した、振動子３の電気的特性の変動を抑制することができる。
以上、振動デバイス１の構成について簡単に説明した。次に、振動デバイス１の製造方法について、図７ないし図１６を参照しつつ具体的に説明する。振動デバイス１の製造方法は、図７に示すように、複数の半導体回路基板４が一体形成されたシリコンウエハＳＷを形成する半導体回路基板形成工程Ｓ１と、シリコンウエハＳＷ上の各半導体回路基板４に接合部材Ｂ３を配置する接合部材配置工程Ｓ２と、シリコンウエハＳＷ上の各半導体回路基板４に振動子３を配置する振動子配置工程Ｓ３と、接合部材Ｂ３のリフローによって半導体回路基板４と振動子３とを固定するリフロー工程Ｓ４と、個片化工程Ｓ５と、を含む。
＜半導体回路基板形成工程Ｓ１＞
まず、図８に示すように、複数の半導体基板５が行列状に一体形成されたシリコンウエハＳＷを準備する。なお、シリコンウエハＳＷのサイズとしては、特に限定されず、例えば、８インチ、１２インチ程度のものを好適に用いることができる。
まず、図８に示すように、複数の半導体基板５が行列状に一体形成されたシリコンウエハＳＷを準備する。なお、シリコンウエハＳＷのサイズとしては、特に限定されず、例えば、８インチ、１２インチ程度のものを好適に用いることができる。
次に、必要に応じて、シリコンウエハＳＷを薄板化し、所定の厚さＴとする。厚さＴとしては、特に限定されないが、例えば、４５０μｍ以上５５０μｍ以下とすることが好ましい。特に、本実施形態ではＴ＝５００μｍである。このような厚さＴとすれば、十分に薄く、小型の振動デバイス１を製造し得る半導体基板５となる。また、特に、１２インチ以下のシリコンウエハＳＷにおいては、十分な機械的強度を発揮することができる。そのため、シリコンウエハＳＷにガラス基板等の支持基板（ＷＳＳ：Wafer Support System）を貼り付けて補強しなくても、その後の半導体プロセスをスムーズに実施することができる。このように、厚さＴを上述の範囲とすることにより、ＷＳＳを用いなくてよく、ＷＳＳの着脱工程も不要なことから、振動デバイス１の製造プロセスの簡易化、低コスト化を図ることができる。
なお、薄板化の方法は、特に限定されず、例えば、切削、研削、研磨、エッチング等を用いることができる。また、研削、研磨の方法としては、例えば、バックグラインド、ＣＭＰ（化学機械研磨）、ドライポリッシュ等を組み合わせて用いることができる。
次に、図９に示すように、半導体基板５の上面５１に開口する凹部５３を形成する。凹部５３の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、ドライエッチング、特に、ボッシュ・プロセスにより形成することができる。なお、凹部５３の深さＤとしては、特に限定されないが、凹部５３と重なる部分である底部５８の厚さＴｄが１００μｍ未満とならないようにすることが好ましい。すなわち、厚さＴｄは、Ｔ－Ｔｄ≧１００μｍの関係を満たすような値とすることが好ましい。本実施形態ではＤ＝４００μｍであり、Ｔｄ＝１００μｍである。これにより、シリコンウエハＳＷの機械的強度を十分に確保することができ、上述したように、支持基板なしでの半導体プロセスを実施することができる。
次に、図１０に示すように、半導体基板５の表面に、ＣＶＤ法によって酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる絶縁膜５０を形成する。ただし、絶縁膜５０の構成材料としては、特に限定されず、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）で構成されていてもよい。
次に、図１１に示すように、半導体基板５の下面５２に回路６を形成する。回路６は、例えば、半導体基板５の下面５２側から半導体基板５に不純物をドープして図示しない能動素子を形成し、さらに、下面５２に、絶縁層６１、配線層６２、絶縁層６３、パッシベーション膜６４および端子層６５を順に積層して積層体６０を形成することにより形成することができる。なお、説明の便宜上、同図からは、回路６を簡易的に図示する。
次に、図１２に示すように、半導体基板５に、凹部５３の底面５３１と下面５２とに貫通する貫通孔５４、５５を形成する。貫通孔５４、５５の形成方法としては、特に限定されないが、例えば、ドライエッチング、特に、ボッシュ・プロセスにより形成することができる。これにより、高アスペクト比の貫通孔５４、５５を形成することができ、振動デバイス１の小型化を図ることができる。
次に、図１２に示すように、貫通孔５４、５５内に絶縁膜５０を形成した後、貫通孔５４、５５内に導電性材料を充填し、貫通電極５４０、５５０を形成する。導電性材料としては、特に限定されないが、例えば、導電性のポリシリコンを用いることができる。導電性のポリシリコンとは、例えば、リン（Ｐ）、ボロン（Ｂ）、砒素（Ａｓ）等の不純物をドープして導電性を付与したポリシリコンのことを言う。このように、導電性材料をポリシリコンとすることにより、後のリフロー工程Ｓ４において加わる熱に対して十分な耐性を有する貫通電極５４０、５５０となる。そのため、貫通電極５４０、５５０を原因とする電気不良が生じ難くなる。また、半導体基板５との線膨張係数差を小さくすることもできる。そのため、熱応力が生じ難く、優れた発振特性を有する振動デバイス１となる。ただし、導電性材料としては、特に限定されず、例えば、タングステン（Ｗ）等の耐熱性に優れる金属材料を用いることもできる。
次に、図１２に示すように、凹部５３の底面５３１に接続端子７４、７５および一対のダミー端子７６、７７を形成する。これら端子７４～７７は、底面５３１に金属膜を成膜し、この金属膜をフォトリソグラフィー技法およびエッチング技法を用いてパターニングすることにより形成することができる。以上により、複数の半導体回路基板４が一体形成されたシリコンウエハＳＷが得られる。
［接合部材配置工程Ｓ２］
次に、図１３に示すように、接続端子７４、７５および一対のダミー端子７６、７７上に接合部材Ｂ３を配置する。接合部材Ｂ３は、半田、特に半田ペーストであり、例えば、めっき、スクリーン印刷等によって配置することができる。なお、図１３以降では、説明の便宜上、ダミー端子７６、７７の図示を省略している。
次に、図１３に示すように、接続端子７４、７５および一対のダミー端子７６、７７上に接合部材Ｂ３を配置する。接合部材Ｂ３は、半田、特に半田ペーストであり、例えば、めっき、スクリーン印刷等によって配置することができる。なお、図１３以降では、説明の便宜上、ダミー端子７６、７７の図示を省略している。
［振動子配置工程Ｓ３］
次に、図１４に示すように、予め準備しておいた振動子３を所定の向きで凹部５３内に挿入する。なお、後述するリフロー工程Ｓ４時に生じる接合部材Ｂ３のセルフアライメント機能によって、振動子３が半導体基板５に対して自然と適正な位置に移動して位置決めされる。そのため、本工程では、詳細な位置決めは必要なく、決められた向きさえ守れば振動子３を凹部５３に適当に挿入するだけでよい。したがって、本工程をより容易に、短時間で行うことができる。
次に、図１４に示すように、予め準備しておいた振動子３を所定の向きで凹部５３内に挿入する。なお、後述するリフロー工程Ｓ４時に生じる接合部材Ｂ３のセルフアライメント機能によって、振動子３が半導体基板５に対して自然と適正な位置に移動して位置決めされる。そのため、本工程では、詳細な位置決めは必要なく、決められた向きさえ守れば振動子３を凹部５３に適当に挿入するだけでよい。したがって、本工程をより容易に、短時間で行うことができる。
なお、本工程で用いる振動子３は、事前の検査、選別によって所定の特性を満足している良品（ＫＧＤ：known good die）に限ることが好ましい。これにより、振動デバイス１の歩留まりが向上し、半導体回路基板４の無駄を削減することができる。そのため、振動デバイス１の製造コストの削減を図ることができる。
［リフロー工程Ｓ４］
次に、図１５に示すように、シリコンウエハＳＷをリフロー炉に通して接合部材Ｂ３を溶融させる。溶融した接合部材Ｂ３には表面張力が働き、この表面張力によって振動子３が半導体基板５に対して移動し、半導体基板５に対する振動子３の位置が自然と適正なものとなる。このように、接合部材Ｂ３がセルフアライメント機能を発揮することにより、振動子３の位置決めを容易かつ精度よく行うことができる。以上の工程によって、複数の振動デバイス１が一体形成されたシリコンウエハＳＷが得られる。
次に、図１５に示すように、シリコンウエハＳＷをリフロー炉に通して接合部材Ｂ３を溶融させる。溶融した接合部材Ｂ３には表面張力が働き、この表面張力によって振動子３が半導体基板５に対して移動し、半導体基板５に対する振動子３の位置が自然と適正なものとなる。このように、接合部材Ｂ３がセルフアライメント機能を発揮することにより、振動子３の位置決めを容易かつ精度よく行うことができる。以上の工程によって、複数の振動デバイス１が一体形成されたシリコンウエハＳＷが得られる。
なお、前述したように、本実施形態では、仮想円Ｃ１の径Ｒ１＞仮想円Ｃ２の径Ｒ２となっているため、凹部５３内での振動子３の回転変位が効果的に抑制されている。そのため、振動子配置工程Ｓ３からリフロー工程Ｓ４までの間およびリフロー工程Ｓ４中、すなわち、振動子３が半導体基板５に固定されていない状態での、振動子３の不都合な変位を効果的に抑制することができる。そのため、本工程をより精度よく行うことができ、振動デバイス１の歩留まりの低下を抑制することができる。
［個片化工程Ｓ５］
図１６に示すように、ダイシングソー等によりシリコンウエハＳＷを切断し、各振動デバイス１を切り出して個片化する。以上により、振動デバイス１が得られる。
図１６に示すように、ダイシングソー等によりシリコンウエハＳＷを切断し、各振動デバイス１を切り出して個片化する。以上により、振動デバイス１が得られる。
以上、振動デバイス１の製造方法について説明した。なお、振動デバイス１の製造方法は、上記の方法に限定されない。例えば、前述した接合部材配置工程Ｓ２では、接合部材Ｂ３を接続端子７４、７５および一対のダミー端子７６、７７上に配置しているが、これに限定されず、振動子３の外部端子２４１、２４２およびダミー端子２５１、２５２上に配置してもよいし、両方に配置してもよい。また、前述した半導体回路基板形成工程Ｓ１では、回路６を形成した後に貫通電極５４０、５５０を形成しているが、これに限定されず、回路６を形成する前に貫通電極５４０、５５０を形成してもよい。
＜第２実施形態＞
図１７は、第２実施形態のスマートフォンを示す斜視図である。
図１７は、第２実施形態のスマートフォンを示す斜視図である。
図１７に示すスマートフォン１２００は、本発明の電子機器を適用したものである。スマートフォン１２００には、発振器として用いられる振動デバイス１と、振動デバイス１から出力される信号に基づいて動作する演算処理回路１２１０と、を有する。演算処理回路１２１０は、例えば、画面１２０８から入力された入力信号に基づいて、表示画面を変化させたり、特定のアプリケーションを立ち上げたり、警告音や効果音を鳴らしたり、振動モーターを駆動して本体を振動させたりすることができる。
このような電子機器としてのスマートフォン１２００は、振動デバイス１と、振動デバイス１から出力される信号に基づいて動作する演算処理回路１２１０と、を備える。そのため、前述した振動デバイス１の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
なお、振動デバイス１を備える電子機器は、前述したスマートフォン１２００の他にも、例えば、パーソナルコンピューター、デジタルスチールカメラ、タブレット端末、時計、スマートウォッチ、インクジェットプリンター、テレビ、スマートグラス、ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）等のウェアラブル端末、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、ドライブレコーダー、ページャー、電子手帳、電子辞書、電子翻訳機、電卓、電子ゲーム機器、玩具、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、医療機器、魚群探知機、各種測定機器、移動体端末基地局用機器、車両、鉄道車輌、航空機、ヘリコプター、船舶等の各種計器類、フライトシミュレーター、ネットワークサーバー等に適用することができる。
＜第３実施形態＞
図１８は、第３実施形態の自動車を示す斜視図である。
図１８は、第３実施形態の自動車を示す斜視図である。
図１８に示す移動体としての自動車１５００は、エンジンシステム、ブレーキシステムおよびキーレスエントリーシステム等のシステム１５０２を含んでいる。また、自動車１５００には、発振器として用いられる振動デバイス１と、振動デバイス１から出力される信号に基づいて動作し、システム１５０２を制御する演算処理回路１５１０と、を有する。
このように、移動体としての自動車１５００は、振動デバイス１と、振動デバイス１から出力される信号に基づいて動作する演算処理回路１５１０と、を備える。そのため、前述した振動デバイス１の効果を享受でき、高い信頼性を発揮することができる。
なお、振動デバイス１を備える移動体は、自動車１５００の他、例えば、ロボット、ドローン、二輪車、航空機、船舶、電車、ロケット、宇宙船等であってもよい。
以上、本発明の振動デバイス、電子機器および移動体について、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よい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
また、前述した実施形態では、振動デバイス１を発振器に適用しているが、これに限定されない。例えば、振動片９を角速度や加速度を検出可能な物理量センサー素子とすることにより、振動デバイス１を角速度センサーや加速度センサー等の各種物理量センサーに適用することができる。
また、前述した実施形態では、半導体基板５の凹部５３が開放しているが、これに限定されず、例えば、図１９に示すように、半導体基板５の上面に接合されたリッド８によって塞がれていてもよい。また、この場合、凹部５３内の空間ＳＳは、気密であり、減圧状態、特により真空に近い状態であることが好ましい。これにより、空間ＳＳが断熱層として機能して、使用環境に起因した振動子３の温度変化を抑制することができる。また、収容空間Ｓと空間ＳＳとの圧力を同程度とすることができるため、仮に、容器２の気密性が失われても、収容空間Ｓ内の圧力をそのまま維持することができる。そのため、振動子３の特性変化を効果的に抑制することができる。
また、前述した実施形態では、半導体基板５の凹部５３が開放しているが、これに限定されず、例えば、図２０に示すように、凹部５３にモールド材Ｍが充填されていてもよい。これにより、振動子３を埃や水分から保護することができる。モールド材Ｍとしては、特に限定されず、絶縁性の各種樹脂材料を用いることができる。なお、このようにモールド材Ｍを充填する場合でも、凹部５３内への充填に留まるため、上述の特許文献１の構成と比較してモールド材Ｍの体積が十分に小さい。また、半導体基板５自体の機械的強度も高い。そのため、半導体基板５の変形が効果的に抑えられる。
１…振動デバイス、２…容器、２ａ…上面、３…振動子、４…半導体回路基板、５…半導体基板、６…回路、８…リッド、９…振動片、２１…ベース、２２…リッド、５０…絶縁膜、５１…上面、５２…下面、５３…凹部、５４、５５…貫通孔、５８…底部、５９…壁部、６０…積層体、６１…絶縁層、６２…配線層、６３…絶縁層、６４…パッシベーション膜、６５…端子層、７４、７５…接続端子、７６、７７…ダミー端子、９１…振動基板、２３１、２３２…内部端子、２４１、２４２…外部端子、２５１、２５２…ダミー端子、２６１、２６２…貫通電極、５３１…底面、５４０、５５０…貫通電極、６５１…端子、９２１、９２２…励振電極、９２３、９２４…端子、９２５、９２６…配線、１２００…スマートフォン、１２０８…画面、１２１０…演算処理回路、１５００…自動車、１５０２…システム、１５１０…演算処理回路、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３…接合部材、Ｃ１、Ｃ２…仮想円、Ｄ…深さ、Ｍ…モールド材、Ｒ１、Ｒ２…径、Ｓ…収容空間、Ｓ１…半導体回路基板形成工程、Ｓ２…接合部材配置工程、Ｓ３…振動子配置工程、Ｓ４…リフロー工程、Ｓ５…個片化工程、ＳＳ…空間、ＳＷ…シリコンウエハ、Ｔ、Ｔｄ…厚さ
Claims (12)
- 第１面および前記第１面とは反対側に位置する第２面を有し、前記第１面に開口する有底の凹部を備える半導体基板と、
前記第２面に配置される回路と、
前記凹部の底面と前記第２面とを貫通し、前記回路と電気的に接続される貫通電極と、
収容空間を備える容器および前記収容空間に収容される振動片を有し、前記凹部内に配置され、前記貫通電極と電気的に接続される振動子と、を有することを特徴とする振動デバイス。 - 前記収容空間は、減圧状態である請求項１に記載の振動デバイス。
- 前記凹部は、開放されている請求項１または２に記載の振動デバイス。
- 前記容器の前記底面とは反対側の面は、前記第１面と面一である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動デバイス。
- 前記容器の前記底面とは反対側の面は、前記第１面よりも前記第２面側に位置する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動デバイス。
- 前記容器の前記底面とは反対側の面は、前記第１面よりも前記第２面とは反対側に位置する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動デバイス。
- 前記半導体基板に対して前記振動子の位置決めを行う位置決め部材を有する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の振動デバイス。
- 前記位置決め部材によって、前記半導体基板と前記振動子とが固定される請求項７に記載の振動デバイス。
- 前記位置決め部材を介して前記振動子と前記貫通電極とが電気的に接続される請求項７または８に記載の振動デバイス。
- 前記容器は、前記半導体基板と電気的に接続される請求項１ないし９のいずれか１項に記載の振動デバイス。
- 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の振動デバイスと、
前記振動デバイスから出力される信号に基づいて動作する演算処理回路と、を備えていることを特徴とする電子機器。 - 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の振動デバイスと、
前記振動デバイスから出力される信号に基づいて動作する演算処理回路と、を備えていることを特徴とする移動体。
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