WO2017212677A1 - 共振装置製造方法 - Google Patents

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俊吾 盛永
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株式会社村田製作所
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    • H03H2009/155—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material using MEMS techniques

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a resonance device.
  • a resonance apparatus using a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology is used as a timing device, for example.
  • This resonance device is mounted on a printed circuit board incorporated in an electronic device such as a smartphone.
  • the resonance device includes a lower substrate, an upper substrate that forms a cavity between the lower substrate, and a resonator that is disposed in the cavity between the lower substrate and the upper substrate.
  • Patent Document 1 discloses a laser irradiation method capable of transmitting a laser through a silicon material and irradiating a target object while minimizing damage to the silicon material and surrounding components, and A frequency adjustment method for a piezoelectric vibrator using the same is disclosed.
  • piezoelectric vibration is obtained by irradiating and transmitting a pulse laser with a pulse width of 50 to 1000 fs to a silicon material region of an electronic component package and irradiating the transmitted laser to a piezoelectric vibrator. Adjust the resonance frequency of the child.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to adjust the resonance frequency without impairing the piezoelectricity of the resonator.
  • the method for manufacturing a resonance device includes a step of preparing a lower lid, a substrate is disposed so that a lower surface of the substrate faces the lower lid, and a first electrode layer is formed on the upper surface of the substrate, A step of sequentially forming a piezoelectric film and a second electrode layer; a step of forming a vibrating arm that bends and vibrates from the first electrode layer, the second electrode layer, and the piezoelectric film; and a resonator having the vibrating arm. Placing the upper lid so as to face the lower lid across the resonator, and before or after the step of arranging the upper lid, a voltage is applied between the first electrode layer and the second electrode layer. The method further includes the step of adjusting the frequency of the resonator by applying and exciting the vibrating arm and causing a portion of the vibrating arm to collide with at least one of the lower lid and the upper lid.
  • the resonance frequency can be adjusted without impairing the piezoelectricity of the resonator.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing a structure of a resonance device according to an embodiment of the present invention. It is a top view of the resonator which concerns on 1st Embodiment of this invention which removed the upper side board
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the appearance of the resonance device 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the structure of the resonance device 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the resonance device 1 includes a resonator 10 and lids (an upper lid 30 and a lower lid 20) provided so as to face each other with the resonator 10 interposed therebetween. That is, the resonance device 1 is configured by stacking the lower lid 20, the resonator 10, and the upper lid 30 in this order.
  • the resonator 10, the lower lid 20, and the upper lid 30 are joined, whereby the resonator 10 is sealed and a vibration space of the resonator 10 is formed.
  • the resonator 10, the lower lid 20, and the upper lid 30 are each formed using a Si substrate.
  • the resonator 10, the lower lid 20, and the upper lid 30 are joined to each other by bonding the Si substrates together.
  • the resonator 10 and the lower lid 20 may be formed using an SOI substrate.
  • the resonator 10 is a MEMS resonator manufactured using MEMS technology.
  • the resonator 10 is described as an example formed using a silicon substrate.
  • each configuration of the resonance device 1 will be described in detail.
  • the upper lid 30 has a rectangular flat plate-like bottom plate 32 provided along the XY plane, and side walls 33 extending from the peripheral edge of the bottom plate 32 in the Z-axis direction (that is, the stacking direction of the upper lid 30 and the resonator 10).
  • the upper lid 30 is provided with a recess 31 formed by the surface of the bottom plate 32 and the inner surface of the side wall 33 on the surface facing the resonator 10.
  • the recess 31 forms part of a vibration space that is a space in which the resonator 10 vibrates.
  • the lower lid 20 includes a rectangular flat plate-shaped bottom plate 22 provided along the XY plane, and a side wall 23 extending in the Z-axis direction (that is, the stacking direction of the lower lid 20 and the resonator 10) from the peripheral edge of the bottom plate 22.
  • the lower lid 20 is provided with a recess 21 formed by the surface of the bottom plate 22 and the inner surface of the side wall 23 on the surface facing the resonator 10.
  • the recess 21 forms part of the vibration space of the resonator 10.
  • the vibration space is hermetically sealed by the upper lid 30 and the lower lid 20 described above, and a vacuum state is maintained.
  • the vibration space may be filled with a gas such as an inert gas.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing the structure of the resonator 10 according to the present embodiment. Each configuration of the resonator 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
  • the resonator 10 includes a vibrating unit 120, a holding unit 140, and a holding arm 110.
  • the vibration unit 120 has a rectangular outline extending along the XY plane in the orthogonal coordinate system of FIG.
  • the vibrating unit 120 is provided inside the holding unit 140, and a space is formed between the vibrating unit 120 and the holding unit 140 at a predetermined interval.
  • the vibrating unit 120 includes a base 130 and four vibrating arms 135A to 135D (collectively referred to as “vibrating arms 135”).
  • the number of vibrating arms is not limited to four, and is set to an arbitrary number of one or more, for example.
  • each vibrating arm 135 and the base 130 are integrally formed.
  • the base portion 130 has long sides 131a and 131b in the X-axis direction and short sides 131c and 131d in the Y-axis direction in plan view.
  • the long side 131a is one side of the front end surface 131A (hereinafter also referred to as “front end 131A”) of the base 130
  • the long side 131b is the rear end surface 131B (hereinafter referred to as “rear end 131B”) of the base 130. It is also called one side.
  • the front end 131A and the rear end 131B are provided to face each other.
  • the base portion 130 is connected to a vibrating arm 135 described later at the front end 131A, and connected to a holding arm 110 described later at the rear end 131B.
  • the base portion 130 has a substantially rectangular shape in plan view in the example of FIG. 3, but is not limited to this, and the base portion 130 is on a virtual plane P defined along the vertical bisector of the long side 131a.
  • the base 130 may be, for example, a trapezoid whose long side 131b is shorter than 131a, or a semicircular shape whose diameter is the long side 131a.
  • the long sides 131a and 131b and the short sides 131c and 131d are not limited to straight lines but may be curved lines.
  • the base length (the length of the short sides 131c and 131d in FIG. 3) which is the longest distance between the front end 131A and the rear end 131B in the direction from the front end 131A to the rear end 131B is about 40 ⁇ m.
  • the base width (the length of the long sides 131a and 131b in FIG. 3), which is the width direction orthogonal to the base length direction and is the longest distance between the side ends of the base 131, is about 300 ⁇ m.
  • the vibrating arms 135 extend in the Y-axis direction and have the same size.
  • Each of the resonating arms 135 is provided between the base portion 130 and the holding portion 140 in parallel with the Y-axis direction, and one end is connected to the front end 131A of the base portion 130 to be a fixed end, and the other end is an open end. It has become.
  • the vibrating arms 135 are provided in parallel at predetermined intervals in the X-axis direction.
  • the vibrating arm 135 has a width in the X-axis direction of about 50 ⁇ m and a length in the Y-axis direction of about 450 ⁇ m.
  • two vibrating arms 135A and 135D are arranged on the outside in the X-axis direction, and two vibrating arms 135B and 135C are arranged on the inside.
  • the interval W1 between the vibrating arms 135B and 135C in the X-axis direction is the outer vibrating arm 135A (135D) and the inner vibrating arm 135B (135C) adjacent to the outer vibrating arm 135A (135D) in the X-axis direction.
  • the interval W1 is, for example, about 25 ⁇ m
  • the interval W2 is, for example, about 10 ⁇ m.
  • the interval W1 may be set smaller than the interval W2 or may be equally spaced so that the resonant device 1 can be miniaturized.
  • a protective film 235 (an example of a first adjustment film) is formed on the surface of the vibration unit 120 (the surface facing the upper lid 30) so as to cover the entire surface. Furthermore, adjustment films 236A to 236D (an example of a second adjustment film, which are examples of the second adjustment film) are respectively formed on the surfaces of the protective film 235 at the distal ends of the vibrating arms 135A to 135D. Also referred to as an adjustment film 236 ".
  • the resonance frequency of the vibration unit 120 can be adjusted by the protective film 235 and the adjustment film 236.
  • the adjustment film 236 is formed such that the surface of the vibration film 120 is exposed in a relatively large region of the vibration portion 120 due to vibration. Specifically, the adjustment film 236 is formed at the tip of the vibrating arm 135 (an example of the second region). On the other hand, the surface of the protective film 235 is exposed in other regions (an example of the first region) in the vibrating arm 135.
  • FIG. 4 is a photograph showing a state of the back side (opposite the lower lid 20) of the tip of the vibrating arm 135 according to the present embodiment.
  • particles 9 having a diameter of about 1 ⁇ m are attached to the back surface of the vibrating arm 135.
  • the particles 9 are obtained by scraping a part of the vibrating arm 135, the upper lid 30, and the lower lid 20 by a frequency adjusting process described later.
  • the corner of the adjustment film 236 has an R shape with a corner cut by the frequency adjustment process.
  • the holding part 140 is formed in a rectangular frame shape along the XY plane.
  • the holding unit 140 is provided so as to surround the outside of the vibrating unit 120 along the XY plane in plan view.
  • maintenance part 140 should just be provided in at least one part of the circumference
  • the holding unit 140 may be provided around the vibrating unit 120 to such an extent that the holding unit 140 holds the vibrating unit 120 and can be joined to the upper lid 30 and the lower lid 20.
  • the holding portion 140 is formed of prismatic frame bodies 140a to 140d that are integrally formed.
  • the frame body 140 a faces the open end of the resonating arm 135 and is provided with a longitudinal direction parallel to the X axis.
  • the frame 140b faces the rear end 131B of the base 130, and the longitudinal direction is provided in parallel with the X axis.
  • the frame body 140c faces the side end (short side 131c) of the base portion 130 and the vibrating arm 135A, the longitudinal direction is provided in parallel to the Y axis, and is connected to one end of each of the frame bodies 140a and 140b at both ends thereof. .
  • the frame body 140d faces the side end (short side 131d) of the base portion 130 and the vibrating arm 135D, and the longitudinal direction is provided parallel to the Y axis, and is connected to the other ends of the frame bodies 140a and 140b at both ends thereof.
  • the holding unit 140 is described as being covered with the protective film 235, but the present invention is not limited to this, and the protective film 235 may not be formed on the surface of the holding unit 140.
  • the holding arm 110 is provided inside the holding part 140 and connects the long side 131b of the base part 130 and the frame body 140b.
  • the holding arm 110 is formed of a plurality of (for example, two) arms having a bent portion, and includes a rear end 131B of the base portion 130 and frame bodies 140c and 140d of the holding portion 140. May be configured to connect.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
  • the holding portion 140 of the resonator 10 is joined on the side wall 23 of the lower lid 20, and the holding portion 140 of the resonator 10 and the side wall 33 of the upper lid 30. And are joined.
  • the resonator 10 is held between the lower lid 20 and the upper lid 30, and the lower lid 20, the upper lid 30, and the holding portion 140 of the resonator 10 form a vibration space in which the vibrating arm 135 vibrates.
  • the bottom plate 22 and the side wall 23 of the lower lid 20 are integrally formed of a Si (silicon) wafer S1.
  • the lower lid 20 is joined to the holding portion 140 of the resonator 10 by the upper surface of the side wall 23.
  • the Si wafer S1 is made of undegenerate silicon, and its resistivity is, for example, 1 k ⁇ ⁇ cm or more.
  • the lower lid 20 has a bottom plate 22 provided at a position where displacement due to vibration of the vibrating arm 135 is maximized.
  • the thickness of the lower lid 20 defined in the Z-axis direction is 150 ⁇ m, for example, and the depth of the recess 21 is 50 ⁇ m, for example.
  • the upper lid 30 is formed of a Si (silicon) wafer S2 having a predetermined thickness. As shown in FIG. 5, the upper lid 30 is joined to the holding portion 140 of the resonator 10 at the peripheral portion (side wall 33). It is preferable that the front surface and the back surface of the upper lid 30 facing the resonator 10 are covered with the silicon oxide layer S2 ′. Further, a getter layer (not shown) made of Ti (titanium) may be formed inside the recess 31 on the surface of the upper lid 30 facing the resonator 10. The getter layer is a layer for absorbing the gas in the vibration space formed by the upper lid 30 and the lower lid 20 by the getter action of titanium and bringing the vibration space into a vacuum state.
  • the top cover 30 is provided at a position where the bottom plate 32 has a maximum displacement due to vibration of the vibrating arm 135.
  • the thickness of the upper lid 30 defined in the Z-axis direction is 150 ⁇ m, for example, and the depth of the recess 31 is 50 ⁇ m, for example.
  • a joining portion H is formed in order to join the upper lid 30 and the holding portion 140.
  • the junction H is formed of a metal film such as an Al (aluminum) film or a Ge (germanium) film.
  • the joint H may be formed of an Au (gold) film and an Sn (tin) film.
  • the holding part 140, the base part 130, the vibrating arm 135, and the holding arm 110 are integrally formed by the same process.
  • a metal layer E1 an example of a first electrode layer
  • a Si (silicon) substrate F2 an example of a substrate.
  • a piezoelectric thin film F3 (which is an example of a piezoelectric film) is laminated on the metal layer E1 so as to cover the metal layer E1, and further, on the piezoelectric thin film F3, the metal layer E2 ( This is an example of the second electrode layer.).
  • a protective film 235 is laminated on the metal layer E2 so as to cover the metal layer E2.
  • an adjustment film 236 is further stacked on the protective film 235.
  • the Si substrate F2 is formed of, for example, a degenerate n-type Si semiconductor having a thickness of about 6 ⁇ m, and can include P (phosphorus), As (arsenic), Sb (antimony), and the like as n-type dopants.
  • the resistance value of degenerate Si used for the Si substrate F2 is, for example, less than 16 m ⁇ ⁇ cm, and more preferably 1.2 m ⁇ ⁇ cm or less.
  • a silicon oxide (for example, SiO 2 ) layer F21 (which is an example of a temperature characteristic correction layer) is formed on the lower surface of the Si substrate F2. This makes it possible to improve temperature characteristics.
  • At least one of the Si substrate F ⁇ b> 2 and the silicon oxide layer F ⁇ b> 21 is formed from a material having a lower hardness than the bottom plate 22 of the lower lid 20.
  • the hardness of the Si substrate F2, the silicon oxide layer F21, and the bottom plate 22 of the lower lid 20 is defined by the Vickers hardness, and the Vickers hardness of the Si substrate F2 and the silicon oxide layer F21 is preferably 10 GPa or less.
  • the Vickers hardness of the bottom plate 22 of the lower lid 20 is preferably 10 GPa or more.
  • the temperature characteristic correction layer refers to the temperature coefficient of the frequency at the vibration part when the temperature correction layer is formed on the Si substrate F2 (that is, the temperature characteristic correction layer is not formed on the Si substrate F2).
  • a rate of change per temperature is a layer having a function of reducing at least near room temperature.
  • the vibration unit 120 includes the temperature characteristic correction layer, for example, the resonance frequency of the laminated structure including the Si substrate F2, the metal layers E1, E2, the piezoelectric thin film F3, and the silicon oxide layer (temperature correction layer) F21 depends on the temperature. Changes can be reduced.
  • the silicon oxide layer F21 is desirably formed with a uniform thickness.
  • uniform thickness means that the dispersion
  • the silicon oxide layer F21 may be formed on the upper surface of the Si substrate F2, or may be formed on both the upper surface and the lower surface of the Si substrate F2. In the holding unit 140, the silicon oxide layer F21 may not be formed on the lower surface of the Si substrate F2.
  • the metal layers E2 and E1 are formed using, for example, Mo (molybdenum) or aluminum (Al) having a thickness of about 0.1 to 0.2 ⁇ m.
  • the metal layers E2 and E1 are formed in a desired shape by etching or the like.
  • the metal layer E1 is formed so as to function as a lower electrode (an example of a first electrode layer) on the vibration unit 120.
  • the metal layer E ⁇ b> 1 is formed on the holding arm 110 and the holding unit 140 so as to function as a wiring for connecting the lower electrode to an AC power source provided outside the resonator 10.
  • the metal layer E2 is formed on the vibrating part 120 so as to function as an upper electrode (an example of the second electrode layer).
  • the metal layer E2 is formed on the holding arm 110 and the holding unit 140 so as to function as a wiring for connecting the upper electrode to a circuit provided outside the resonator 10.
  • an electrode is formed on the outer surface of the upper lid 30 and the electrode connects the circuit and the lower wiring or the upper wiring, or a via is provided in the upper lid 30.
  • a structure may be used in which the via is filled with a conductive material and a wiring is provided, and the wiring connects the AC power supply and the lower wiring or the upper wiring.
  • the piezoelectric thin film F3 is a piezoelectric thin film that converts an applied voltage into vibration, and can be mainly composed of a nitride or oxide such as AlN (aluminum nitride). Specifically, the piezoelectric thin film F3 can be formed of ScAlN (scandium aluminum nitride). ScAlN is obtained by replacing a part of aluminum in aluminum nitride with scandium.
  • the piezoelectric thin film F3 has a thickness of 1 ⁇ m, for example, but it is also possible to use about 0.2 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the piezoelectric thin film F3 expands and contracts in the in-plane direction of the XY plane, that is, the Y-axis direction, according to the electric field applied to the piezoelectric thin film F3 by the metal layers E2 and E1. Due to the expansion and contraction of the piezoelectric thin film F3, the vibrating arm 135 displaces its free ends toward the inner surfaces of the lower lid 20 and the upper lid 30 and vibrates in an out-of-plane bending vibration mode.
  • the phase of the electric field applied to the outer vibrating arms 135A and 135D and the phase of the electric field applied to the inner vibrating arms 135B and 135C are set to be opposite to each other.
  • the outer vibrating arms 135A and 135D and the inner vibrating arms 135B and 135C are displaced in directions opposite to each other.
  • the inner vibrating arms 135 ⁇ / b> B and 135 ⁇ / b> C displace the free ends toward the inner surface of the lower lid 20.
  • the protective film 235 is formed of a material whose mass reduction rate by etching is slower than that of the adjustment film 236.
  • the protective film 235 is formed of a nitride film such as AlN or SiN, or an oxide film such as Ta 2 O 5 (tantalum pentoxide) or SiO 2 .
  • the mass reduction rate is represented by the product of the etching rate (thickness removed per unit time) and the density.
  • the adjustment film 236 is formed of a material whose mass reduction rate by etching is faster than that of the protective film 235.
  • the adjustment film 236 is formed of a material that is at least equal to or less than the hardness of the bottom plate 32 of the upper lid 30.
  • the Vickers hardness of the adjustment film 236 is preferably 2 GPa or less.
  • the Vickers hardness of the bottom plate 32 is preferably 10 GPa or more.
  • the adjustment film 236 has a hardness equal to or lower than that of the getter layer, for example, 0.9 GPa or lower.
  • the adjustment film 236 is formed of a metal such as molybdenum (Mo), tungsten (W), gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni), or the like.
  • the protective film 235 and the adjustment film 236 may have any etching rate relationship as long as the mass reduction rate relationship is as described above.
  • the adjustment film 236 is formed on substantially the entire surface of the vibration unit 120, the adjustment film 236 is formed only in a predetermined region by processing such as etching.
  • Etching of the protective film 235 and the adjustment film 236 is performed, for example, by simultaneously irradiating the protective film 235 and the adjustment film 236 with an ion beam (for example, an argon (Ar) ion beam).
  • the ion beam can be irradiated over a wider range than the resonator 10.
  • an example is shown in which etching is performed using an ion beam, but the etching method is not limited to that using an ion beam.
  • twisting moments in opposite directions are generated between the central axes r 1 and r 2
  • bending vibration is generated at the base 130.
  • 6A to 6H are diagrams illustrating an example of a process flow of the resonance device 1 according to the present embodiment. 6A to 6H, for the sake of convenience, one of the plurality of resonance devices 1 formed on the wafer will be described and described. However, the resonance device 1 is the same as in a normal MEMS process. After a plurality of wafers are formed on one wafer, the wafer is obtained by dividing the wafer.
  • a silicon oxide layer F21 is formed on the prepared Si substrate F2 by thermal oxidation.
  • the lower lid 20 having the recess 21 is prepared, and the lower lid 20 and the Si substrate F2 on which the silicon oxide layer F21 is formed are arranged so that the lower surface of the Si substrate F2 faces the lower lid 20. Bonding at the side wall 23.
  • a lower electrode or the like is further formed on the surface of the Si substrate F2 by film formation, patterning, etching, or the like of the metal layer E1 used as a material for the lower electrode or wiring.
  • the piezoelectric thin film F3 is laminated on the surface of the metal layer E1, and the upper electrode and the like are formed on the piezoelectric thin film F3 by film formation, patterning, etching, and the like of the upper electrode and wiring material.
  • a protective film 235 is laminated on the surface of the metal layer E2.
  • a metal layer such as molybdenum is laminated on the surface of the protective film 235, and this metal layer is processed by etching or the like, so that the free end of the vibrating arm 135 (see FIG. 6F)
  • An adjustment film 236 is formed in the vicinity of the portion.
  • vias E1V and E2V for connecting the lower electrode and the upper electrode to the external power source are formed in the resonator 10 respectively.
  • the vias E1V and E2V are formed, the vias E1V and E2V are filled with a metal such as aluminum, and the lower electrode and the lead lines C1 and C2 for leading the upper electrode to the holding unit 140 are formed. Further, the joint portion H is formed in the holding portion 140.
  • the protective film 235, the metal layer E2, the piezoelectric thin film F3, the metal layer E1, the Si substrate F2, and the silicon oxide layer F21 are sequentially removed by processing such as etching, thereby vibrating.
  • the part 120 and the holding arm 110 are formed, and the resonator 10 is formed.
  • a trimming process for adjusting the film thickness of the adjustment film 236 is performed. By the trimming process, it is possible to suppress variation in frequency among the plurality of resonance devices 1 manufactured on the same wafer.
  • the resonance frequency of each resonator 10 is measured, and the frequency distribution is calculated.
  • the film thickness of the adjustment film 236 is adjusted based on the calculated frequency distribution.
  • the film thickness of the adjustment film 236 can be adjusted, for example, by irradiating the entire surface of the resonance device 1 with an argon (Ar) ion beam and etching the adjustment film 236. Furthermore, when the film thickness of the adjustment film 236 is adjusted, it is desirable to clean the resonator 10 and remove the scattered film.
  • a step of packaging the resonator 10 is performed. Specifically, in this step, the upper lid 30 and the lower lid 20 are opposed to each other with the resonator 10 interposed therebetween.
  • the aligned upper lid 30 is joined to the lower lid 20 via the joint portion H so that the concave portion 31 in the upper lid 30 and the concave portion 21 in the lower lid 20 coincide.
  • electrodes C1 ′ and C2 ′ connected to the lead lines C1 and C2 are formed on the upper lid 30.
  • the electrodes C1 ′ and C2 ′ are made of a metal layer such as aluminum or germanium.
  • the metal layers E1 and E2 are connected to a circuit provided outside through the electrodes C1 ′ and C2 ′.
  • a frequency adjustment step for further fine adjustment of the resonance frequency is performed.
  • the resonance frequency is measured in a state where a predetermined driving voltage is applied to the resonator 10, and when the resonance frequency is less than a desired value, the resonator 10 is driven by a predetermined driving voltage. A large voltage is applied, and the vibrating arm 135 is overexcited.
  • the power applied to the resonator 10 is, for example, 0.2 ⁇ W or more.
  • overexcitation means to vibrate with an amplitude of 10 times or more the normal amplitude of the resonator 10, and specifically, the amplitude at the time of overexcitation is 50 ⁇ m or more.
  • the desired value of the resonance frequency is, for example, about 32.767 to 32.769 kHz.
  • the adjustment film 236 in the vibrating arm 135 collides with at least one of the bottom plate 32 (or getter layer) of the upper lid 30 and the bottom plate 22 of the lower lid 20. Since the bottom plate 32 (or getter layer) of the upper lid 30 is formed of a material having a hardness equal to or higher than that of the adjustment film 236, the adjustment film 236 is scraped when the adjustment film 236 collides with the bottom plate 32 (or getter layer), The weight of the vibrating arm 135 is reduced.
  • At least one of the Si substrate F ⁇ b> 2 and the silicon oxide layer F ⁇ b> 21 formed on the surface (back surface) on the lower lid 20 side of the vibrating arm 135 has a hardness equal to or less than that of the bottom plate 22. Therefore, the mass of the vibrating arm 135 is reduced by scraping the Si substrate F2 or the silicon oxide layer F21 also on the back surface of the vibrating arm 135. As a result, the resonance frequency of the resonator 10 increases.
  • a predetermined driving voltage is applied to the resonator 10 again to measure the resonance frequency.
  • the resonance frequency is measured by applying a drive voltage having a predetermined value to the resonator 10 and applying a voltage higher than the drive voltage to the resonator 10 to cause the resonator 10 to be overexcited.
  • the value of the resonance frequency can be adjusted to an appropriate value.
  • a part of the vibrating arm 135 can be scraped by overexciting the vibrating arm 135 and causing the vibrating arm 135 to collide with the lower lid 20 and the upper lid 30.
  • the resonance frequency can be adjusted even after packaging.
  • there is no processing process which requires a thermal load or a stress load after the frequency adjustment process it is possible to prevent frequency fluctuations from occurring.
  • adjustment can be performed while measuring the resonance frequency, a desired frequency can be easily obtained.
  • the vibration arm 135 has been described with the configuration including the protective film 235 and the adjustment film 236, but is not limited thereto.
  • the vibrating arm 135 may be configured not to include the adjustment film 236 or both the protective film 235 and the adjustment film 236.
  • the layer (metal layer E2 or protective film 235) exposed on the surface of the vibrating arm 135 is formed of a material having a small hardness equal to or lower than the hardness of the bottom plate 32. Specifically, aluminum or the like can be used as the material of the metal layer E2 in this case. In this case, a resin can be used as a material for the protective film 235.
  • the layers (metal layer E2, protective film 235, etc.) exposed on the surface of the vibrating arm 135 can be scraped off.
  • the configuration in which the bottom plate 22 of the lower lid 20 is a flat plate has been described, but is not limited thereto.
  • the bottom plate 22 of the lower lid 20 may have a protrusion provided at a position where the displacement due to vibration of the vibrating arm 135 is maximized.
  • the frequency adjustment step has been described with respect to the configuration performed after the step of packaging the resonator 10 illustrated in FIG. 6G, but is not limited thereto.
  • the frequency adjustment process may be performed before the packaging process.
  • the frequency adjustment step is preferably performed after the trimming step and before the step of packaging the resonator 10.
  • the vibrating arm 135 may be configured to collide with only one of the lower lid 20 and the upper lid 30 during overexcitation.
  • at least a film formed on the collision side surface in the case of the front side, the adjustment film 236, the protective film 235, the metal layer E2, and in the case of the back side, both the Si substrate F2 and the silicon oxide layer F21
  • the hardness is preferably equal to or less than the collision location (getter layer 32, bottom plate 31, bottom plate 22) of the vibrating arm 135 in the lid on the collision side.
  • the film formed on either the front surface or the back surface of the vibrating arm 135 is on the collision side.
  • the configuration may be such that the hardness is greater than that of the lid, and only one of the surfaces is scraped off in the frequency adjustment step.
  • the step of preparing the lower lid 20 and the Si substrate F2 are arranged so that the lower surface of the Si substrate F2 faces the lower lid 20.
  • a step of forming a metal layer E1, a piezoelectric thin film F3, and a metal E2 in this order on the upper surface, and a vibrating arm 135 that bends and vibrates is formed from the metal layer E1, the metal layer E2, and the piezoelectric thin film F3.
  • a voltage between E1 and the metal layer E2 to excite the vibrating arm 135 and causing a part of the vibrating arm 135 to collide with at least one of the lower lid 20 and the upper lid 30 the frequency of the resonator 10 is increased.
  • Adjust Extent further comprising a.
  • a part of the vibrating arm 135 can be scraped off by causing the vibrating arm 135 to be overexcited and collide with the lower lid 20 and the upper lid 30.
  • the resonance frequency can be adjusted even after packaging. Thereby, since there is no processing process which requires a thermal load or a stress load after the frequency adjustment process, it is possible to prevent frequency fluctuations from occurring. Further, since adjustment can be performed while measuring the resonance frequency, a desired frequency can be easily obtained.
  • the adjusting step is preferably performed after the step of arranging the upper lid 30 and includes causing a part of the vibrating arm 135 to collide with at least one of the lower lid 20 and the upper lid 30.
  • the resonance frequency can be adjusted using the front surface or the back surface of the vibrating arm 135.
  • the region corresponding to the position where the displacement due to the vibration of the vibrating arm 135 is maximized on the surface of the upper lid 30 or the lower lid 20 facing the resonator 10 is made of a material having a hardness higher than that of the vibrating arm 135.
  • the step of forming the resonator 10 includes a step of sequentially forming a protective film 235 and an adjustment film 236 having a larger mass reduction rate by etching than the protective film 235 on the surface of the metal layer E2, and a vibrating arm 135.
  • the adjustment film 236 is removed to expose the protective film 235.
  • the adjusting step includes the step of causing the adjusting film 236 remaining in the second region to strike the upper cover 30 and scraping the vibrating arm 135. Thereby, it is possible to suppress variation in frequency among the plurality of resonance devices 1 manufactured on the same wafer.
  • the resonance frequency of the resonator 10 is measured, and when the resonance frequency reaches a predetermined value, a voltage of a predetermined value or more is applied between the metal layer E1 and the metal layer E2. It is also preferable to include the process of stopping. This facilitates obtaining a desired frequency.
  • each embodiment described above is for facilitating the understanding of the present invention, and is not intended to limit the present invention.
  • the present invention can be changed / improved without departing from the spirit thereof, and the present invention includes equivalents thereof.
  • those obtained by appropriately modifying the design of each embodiment by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they include the features of the present invention.
  • each element included in each embodiment and its arrangement, material, condition, shape, size, and the like are not limited to those illustrated, and can be changed as appropriate.
  • Each embodiment is an exemplification, and it is needless to say that a partial replacement or combination of configurations shown in different embodiments is possible, and these are also included in the scope of the present invention as long as they include the features of the present invention. .

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Abstract

共振子の圧電性を損なわずに共振周波数の調整を行う。　下蓋を用意する工程と、基板を、当該基板の下面が前記下蓋と対向するように配置し、基板の上面に、第１電極層、圧電膜、第２電極層を順に形成する工程と第１電極層、第２電極層、及び圧電膜から、屈曲振動する振動腕を形成し、当該振動腕を有する共振子を形成する工程と、共振子を挟んで、下蓋と対向するように、上蓋を配置する工程と、を含み、上蓋を配置する工程の前又は後において、第１電極層と第２電極層の間に電圧を印加して、振動腕を励振させ、当該振動腕の一部を下蓋及び前記上蓋の少なくとも一方に衝突させることによって、共振子の周波数を調整する工程をさらに含む。

Description

共振装置製造方法
　本発明は、共振装置の製造方法に関する。
　従来、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いた共振装置が例えばタイミングデバイスとして用いられている。この共振装置は、スマートフォンなどの電子機器内に組み込まれるプリント基板上に実装される。共振装置は、下側基板と、下側基板との間でキャビティを形成する上側基板と、下側基板及び上側基板の間でキャビティ内に配置された共振子と、を備えている。
　例えば特許文献１には、シリコン材料やその周辺の構成要素に対するダメージを最小限に抑えつつ、シリコン材料にレーザーを透過させてその先の対象物に照射することが可能なレーザーの照射方法、及びそれを用いた圧電振動子の周波数調整方法について開示されている。特許文献１に記載の方法では、パルス幅が５０～１０００ｆｓのパルスレーザーを電子部品のパッケージのシリコン材料領域に照射して透過させることと、透過したレーザーを圧電振動子に照射することにより圧電振動子の共振周波数を調整する。
国際公開第２０１１／０４３３５７号公報
　特許文献１に記載されているような従来の周波数調整方法では、レーザーを照射した際に共振子が高熱にさらされ圧電性が損なわれてしまう。
　本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、共振子の圧電性を損なわずに共振周波数の調整を行うことを目的とする。
　本発明の一側面に係る共振装置製造方法は、下蓋を用意する工程と、基板を、当該基板の下面が前記下蓋と対向するように配置し、基板の上面に、第１電極層、圧電膜、第２電極層を順に形成する工程と、第１電極層、第２電極層、及び圧電膜から、屈曲振動する振動腕を形成し、当該振動腕を有する共振子を形成する工程と、共振子を挟んで、下蓋と対向するように、上蓋を配置する工程と、を含み、上蓋を配置する工程の前又は後において、第１電極層と第２電極層の間に電圧を印加して、振動腕を励振させ、当該振動腕の一部を下蓋及び前記上蓋の少なくとも一方に衝突させることによって、共振子の周波数を調整する工程をさらに含む。
　本発明によれば、共振子の圧電性を損なわずに共振周波数の調整を行うができる。
本発明の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。 本発明の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。 上側基板を取り外した本発明の第１実施形態に係る共振子の平面図である。 本発明の実施形態に係る振動腕の先端の様子を示す写真である。 図１のＡＡ´線に沿った断面図である。 本発明の実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る共振装置のプロセスフローの一例を示す図である。
［実施形態］
　以下、添付の図面を参照して本発明の一つの実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る共振装置１の外観を概略的に示す斜視図である。また、図２は、本発明の第１実施形態に係る共振装置１の構造を概略的に示す分解斜視図である。
　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蓋体（上蓋３０及び下蓋２０）と、を備えている。すなわち、共振装置１は、下蓋２０と、共振子１０と、上蓋３０とがこの順で積層されて構成されている。
　また、共振子１０と下蓋２０及び上蓋３０とが接合され、これにより、共振子１０が封止され、共振子１０の振動空間が形成される。共振子１０、下蓋２０及び上蓋３０は、それぞれＳｉ基板を用いて形成されている。そして、共振子１０、下蓋２０及び上蓋３０は、Ｓｉ基板同士が互いに接合されて、互いに接合される。共振子１０及び下蓋２０は、ＳＯＩ基板を用いて形成されてもよい。
　共振子１０は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるＭＥＭＳ共振子である。なお、本実施形態においては、共振子１０はシリコン基板を用いて形成されるものを例として説明する。以下、共振装置１の各構成について詳細に説明する。
（１．上蓋３０）
　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（すなわち、上蓋３０と共振子１０との積層方向）に延びる側壁３３とを有する。上蓋３０には、共振子１０と対向する面において、底板３２の表面と側壁３３の内面とによって形成される凹部３１が設けられる。凹部３１は、共振子１０が振動する空間である振動空間の一部を形成する。
（２．下蓋２０）
　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（すなわち、下蓋２０と共振子１０との積層方向）に延びる側壁２３とを有する。下蓋２０には、共振子１０と対向する面において、底板２２の表面と側壁２３の内面とによって形成される凹部２１が設けられる。凹部２１は、共振子１０の振動空間の一部を形成する。上述した上蓋３０と下蓋２０とによって、この振動空間は気密に封止され、真空状態が維持される。この振動空間には、例えば不活性ガス等の気体が充填されてもよい。
（３．共振子１０）
　図３は、本実施形態に係る、共振子１０の構造を概略的に示す平面図である。図３を用いて本実施形態に係る共振子１０の、各構成について説明する。共振子１０は、振動部１２０と、保持部１４０と、保持腕１１０とを備えている。
（ａ）振動部１２０
　振動部１２０は、図３の直交座標系におけるＸＹ平面に沿って広がる矩形の輪郭を有している。振動部１２０は、保持部１４０の内側に設けられており、振動部１２０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。図３の例では、振動部１２０は、基部１３０と４本の振動腕１３５Ａ～１３５Ｄ（まとめて「振動腕１３５」とも呼ぶ。）とを有している。なお、振動腕の数は、４本に限定されず、例えば１本以上の任意の数に設定される。本実施形態において、各振動腕１３５と、基部１３０とは、一体に形成されている。
　基部１３０は、平面視において、Ｘ軸方向に長辺１３１ａ、１３１ｂ、Ｙ軸方向に短辺１３１ｃ、１３１ｄを有している。長辺１３１ａは、基部１３０の前端の面１３１Ａ（以下、「前端１３１Ａ」とも呼ぶ。）の一つの辺であり、長辺１３１ｂは基部１３０の後端の面１３１Ｂ（以下、「後端１３１Ｂ」とも呼ぶ。）の一つの辺である。基部１３０において、前端１３１Ａと後端１３１Ｂとは、互いに対向するように設けられている。
　基部１３０は、前端１３１Ａにおいて、後述する振動腕１３５に接続され、後端１３１Ｂにおいて、後述する保持腕１１０に接続されている。なお、基部１３０は、図３の例では平面視において、略長方形の形状を有しているがこれに限定されず、長辺１３１ａ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ればよい。基部１３０は、例えば、長辺１３１ｂが１３１ａより短い台形や、長辺１３１ａを直径とする半円の形状であってもよい。また、長辺１３１ａ、１３１ｂ、短辺１３１ｃ、１３１ｄは直線に限定されず、曲線であってもよい。
　基部１３０において、前端１３１Ａから後端１３１Ｂに向かう方向における、前端１３１Ａと後端１３１Ｂとの最長距離である基部長（図３においては短辺１３１ｃ、１３１ｄの長さ）は４０μｍ程度である。また、基部長方向に直交する幅方向であって、基部１３１の側端同士の最長距離である基部幅（図３においては長辺１３１ａ、１３１ｂの長さ）は３００μｍ程度である。
　振動腕１３５は、Ｙ軸方向に延び、それぞれ同一のサイズを有している。振動腕１３５は、それぞれが基部１３０と保持部１４０との間にＹ軸方向に平行に設けられ、一端は、基部１３０の前端１３１Ａと接続されて固定端となっており、他端は開放端となっている。また、振動腕１３５は、それぞれ、Ｘ軸方向に所定の間隔で、並列して設けられている。なお、振動腕１３５は、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。
　本実施形態の振動部１２０では、Ｘ軸方向において、外側に２本の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄが配置されており、内側に２本の振動腕１３５Ｂ、１３５Ｃが配置されている。Ｘ軸方向における、振動腕１３５Ｂと１３５Ｃとの間隔Ｗ１は、Ｘ軸方向における、外側の振動腕１３５Ａ（１３５Ｄ）と当該外側の振動腕１３５Ａ（１３５Ｄ）に隣接する内側の振動腕１３５Ｂ（１３５Ｃ）との間の間隔Ｗ２よりも大きく設定される。間隔Ｗ１は例えば２５μ程度、間隔Ｗ２は例えば１０μｍ程度である。間隔Ｗ２は間隔Ｗ１より小さく設定することにより、振動特性が改善される。また、共振装置１を小型化できるように、間隔Ｗ１を間隔Ｗ２よりも小さく設定してもよいし、等間隔にしても良い。
　振動部１２０の表面（上蓋３０に対向する面）は、全面を覆うように保護膜２３５（第１調整膜の一例である。）が形成されている。さらに、振動腕１３５Ａ～１３５Ｄの開放端側の先端における保護膜２３５の表面には、それぞれ、調整膜２３６Ａ～２３６Ｄ（第２調整膜の一例である。以下、調整膜２３６Ａ～２３６Ｄをまとめて「調整膜２３６」とも呼ぶ。）が形成されている。保護膜２３５及び調整膜２３６によって、振動部１２０の共振周波数を調整することができる。
　調整膜２３６は、振動部１２０における、振動による変位の比較的大きい領域において、その表面が露出するように形成されている。具体的には、調整膜２３６は、振動腕１３５の先端（第２領域の一例である。）に形成される。他方、保護膜２３５は、振動腕１３５におけるその他の領域（第１領域の一例である。）において、その表面が露出している。
　図４は、本実施形態に係る振動腕１３５の先端の裏側（下蓋２０と対向する）の様子を示す写真である。図３に示すように、振動腕１３５の裏面には、直径が１μｍ程度の粒子９が付着している。粒子９は、後述する周波数調整工程によって、振動腕１３５や上蓋３０、下蓋２０の一部が削り取られたものである。また、調整膜２３６の角部は、周波数調整工程によって角が削られＲ形状となっている。
（ｂ）保持部１４０
　図３に戻り、共振子１０の構成の続きを説明する。
　保持部１４０は、ＸＹ平面に沿って矩形の枠状に形成される。保持部１４０は、平面視において、ＸＹ平面に沿って振動部１２０の外側を囲むように設けられる。なお、保持部１４０は、振動部１２０の周囲の少なくとも一部に設けられていればよく、枠状の形状に限定されない。例えば、保持部１４０は、振動部１２０を保持し、また、上蓋３０及び下蓋２０と接合できる程度に、振動部１２０の周囲に設けられていればよい。
　本実施形態においては、保持部１４０は一体形成される角柱形状の枠体１４０ａ～１４０ｄからなる。枠体１４０ａは、図３に示すように、振動腕１３５の開放端に対向して、長手方向がＸ軸に平行に設けられる。枠体１４０ｂは、基部１３０の後端１３１Ｂに対向して、長手方向がＸ軸に平行に設けられる。枠体１４０ｃは、基部１３０の側端（短辺１３１ｃ）及び振動腕１３５Ａに対向して、長手方向がＹ軸に平行に設けられ、その両端で枠体１４０ａ、１４０ｂの一端にそれぞれ接続される。枠体１４０ｄは、基部１３０の側端（短辺１３１ｄ）及び振動腕１３５Ｄに対向して、長手方向がＹ軸に平行に設けられ、その両端で枠体１４０ａ、１４０ｂの他端にそれぞれ接続される。
　本実施形態においては、保持部１４０は、保護膜２３５で覆われているとして説明するが、これに限定されず、保護膜２３５は、保持部１４０の表面には形成されていなくてもよい。
（ｃ）保持腕１１０
　保持腕１１０は、保持部１４０の内側に設けられ、基部１３０の長辺１３１ｂと枠体１４０ｂとを接続する。なお、この構成に限定されず、例えば、保持腕１１０は、屈曲部を有する複数（例えば２本）の腕から形成され、基部１３０の後端１３１Ｂと、保持部１４０の枠体１４０ｃ、１４０ｄとを接続する構成でもよい。
（４．積層構造）
　図５を用いて共振装置１の積層構造について説明する。図５は、図１のＡＡ´断面図である。図５に示すように、本実施形態に係る共振装置１では、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、振動腕１３５が振動する振動空間が形成される。
　下蓋２０の底板２２及び側壁２３は、Ｓｉ（シリコン）ウエハＳ１により、一体的に形成されている。また、下蓋２０は、側壁２３の上面によって、共振子１０の保持部１４０と接合されている。ＳｉウエハＳ１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１ｋΩ・ｃｍ以上である。
　下蓋２０は、その底板２２が、振動腕１３５の振動による変位が最大となる位置に設けられる。本実施形態では、Ｚ軸方向に規定される下蓋２０の厚さは例えば１５０μｍ、凹部２１の深さは例えば５０μｍである。
　上蓋３０は、所定の厚みのＳｉ（シリコン）ウエハＳ２により形成されている。図５に示すように、上蓋３０はその周辺部（側壁３３）で共振子１０の保持部１４０と接合されている。上蓋３０における、共振子１０に対向する表面、及び裏面は、酸化ケイ素層Ｓ２´に覆われていることが好ましい。また、凹部３１の内部であって、上蓋３０における共振子１０に対向する表面には、Ｔｉ（チタン）から成るゲッター層（不図示）が形成される構成でもよい。ゲッター層は、チタンのゲッター作用により、上蓋３０と下蓋２０とによって形成される振動空間内のガスを吸収し、当該振動空間を真空状態にするための層である。
　上蓋３０は、その底板３２が、振動腕１３５の振動による変位が最大となる位置に設けられる。本実施形態では、Ｚ軸方向に規定される上蓋３０の厚さは例えば１５０μｍ、凹部３１の深さは例えば５０μｍである。
　上蓋３０の側壁３３と保持部１４０との間には、上蓋３０と保持部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、例えばＡｌ（アルミニウム）膜やＧｅ（ゲルマニウム）膜などの金属膜によって形成されている。なお、接合部Ｈは、Ａｕ（金）膜及びＳｎ（錫）膜によって形成されてもよい。
　共振子１０では、保持部１４０、基部１３０、振動腕１３５、保持腕１１０は、同一プロセスで一体的に形成される。共振子１０では、まず、Ｓｉ（シリコン）基板Ｆ２（基板の一例である。）の上に、金属層Ｅ１（第１電極層の一例である。）が積層されている。そして、金属層Ｅ１の上には、金属層Ｅ１を覆うように、圧電薄膜Ｆ３（圧電膜の一例である。）が積層されており、さらに、圧電薄膜Ｆ３の上には、金属層Ｅ２（第２電極層の一例である。）が積層されている。金属層Ｅ２の上には、金属層Ｅ２を覆うように、保護膜２３５が積層されている。振動部１２０上においては、さらに、保護膜２３５上に、調整膜２３６が積層されている。
　Ｓｉ基板Ｆ２は、例えば、厚さ６μｍ程度の縮退したｎ型Ｓｉ半導体から形成されており、ｎ型ドーパントとしてＰ（リン）やＡｓ（ヒ素）、Ｓｂ（アンチモン）などを含むことができる。Ｓｉ基板Ｆ２に用いられる縮退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の下面には酸化ケイ素（例えばＳｉＯ2）層Ｆ２１（温度特性補正層の一例である。）が形成されている。これにより、温度特性を向上させることが可能になる。また、Ｓｉ基板Ｆ２、又は酸化ケイ素層Ｆ２１の少なくともいずれか一方は、下蓋２０の底板２２より硬度の低い材料から形成されている。本明細書において、Ｓｉ基板Ｆ２、酸化ケイ素層Ｆ２１、下蓋２０の底板２２の硬度は、ビッカース硬度により規定され、Ｓｉ基板Ｆ２、酸化ケイ素層Ｆ２１のビッカース硬度は、１０ＧＰａ以下であることが好ましい。他方で、下蓋２０の底板２２のビッカース硬度は、１０ＧＰａ以上であることが好ましい。
　本実施形態において、温度特性補正層とは、当該温度特性補正層をＳｉ基板Ｆ２に形成しない場合と比べて、Ｓｉ基板Ｆ２に温度補正層を形成した時の振動部における周波数の温度係数（すなわち、温度当たりの変化率）を、少なくとも常温近傍において低減する機能を持つ層をいう。振動部１２０が温度特性補正層を有することにより、例えば、Ｓｉ基板Ｆ２と金属層Ｅ１、Ｅ２と圧電薄膜Ｆ３及び酸化ケイ素層（温度補正層）Ｆ２１による積層構造体の共振周波数の、温度に伴う変化を低減することができる。
　共振子１０においては、酸化ケイ素層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、酸化ケイ素層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。
　なお、酸化ケイ素層Ｆ２１は、Ｓｉ基板Ｆ２の上面に形成されてもよいし、Ｓｉ基板Ｆ２の上面と下面の双方に形成されてもよい。また、保持部１４０においては、Ｓｉ基板Ｆ２の下面に酸化ケイ素層Ｆ２１が形成されなくてもよい。
　金属層Ｅ２、Ｅ１は、例えば厚さ０．１～０．２μｍ程度のＭｏ（モリブデン）やアルミニウム（Ａｌ）等を用いて形成される。金属層Ｅ２、Ｅ１は、エッチング等により、所望の形状に形成される。金属層Ｅ１は、例えば振動部１２０上においては、下部電極（第１電極層の一例である。）として機能するように形成される。また、金属層Ｅ１は、保持腕１１０や保持部１４０上においては、共振子１０の外部に設けられた交流電源に下部電極を接続するための配線として機能するように形成される。
　他方で、金属層Ｅ２は、振動部１２０上においては、上部電極（第２電極層の一例である。）として機能するように形成される。また、金属層Ｅ２は、保持腕１１０や保持部１４０上においては、共振子１０の外部に設けられた回路に上部電極を接続するための配線として機能するように形成される。
　なお、交流電源から下部配線または上部配線への接続にあたっては、上蓋３０の外面に電極を形成して、当該電極が回路と下部配線または上部配線とを接続する構成や、上蓋３０内にビアを形成し、当該ビアの内部に導電性材料を充填して配線を設け、当該配線が交流電源と下部配線または上部配線とを接続する構成が用いられてもよい。
　圧電薄膜Ｆ３は、印加された電圧を振動に変換する圧電体の薄膜であり、例えば、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）等の窒化物や酸化物を主成分とすることができる。具体的には、圧電薄膜Ｆ３は、ＳｃＡｌＮ（窒化スカンジウムアルミニウム）により形成することができる。ＳｃＡｌＮは、窒化アルミニウムにおけるアルミニウムの一部をスカンジウムに置換したものである。また、圧電薄膜Ｆ３は、例えば、１μｍの厚さを有するが、０．２μｍから２μｍ程度を用いることも可能である。
　圧電薄膜Ｆ３は、金属層Ｅ２、Ｅ１によって圧電薄膜Ｆ３に印加される電界に応じて、ＸＹ平面の面内方向すなわちＹ軸方向に伸縮する。この圧電薄膜Ｆ３の伸縮によって、振動腕１３５は、下蓋２０及び上蓋３０の内面に向かってその自由端を変位させ、面外の屈曲振動モードで振動する。
　本実施形態では、外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄに印加される電界の位相と、内側の振動腕１３５Ｂ、１３５Ｃに印加される電界の位相とが互いに逆位相になるように設定される。これにより、外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄと内側の振動腕１３５Ｂ、１３５Ｃとが互いに逆方向に変位する。例えば、外側の振動腕１３５Ａ、１３５Ｄが上蓋３０の内面に向かって自由端を変位すると、内側の振動腕１３５Ｂ、１３５Ｃは下蓋２０の内面に向かって自由端を変位する。
　保護膜２３５は、エッチングによる質量低減の速度が調整膜２３６より遅い材料により形成される。例えば、保護膜２３５は、ＡｌＮやＳｉＮ等の窒化膜やＴａ2Ｏ5（５酸化タンタル）やＳｉＯ2等の酸化膜により形成される。なお、質量低減速度は、エッチング速度（単位時間あたりに除去される厚み）と密度との積により表される。
　調整膜２３６は、エッチングによる質量低減の速度が保護膜２３５より速い材料により形成される。また、調整膜２３６は、少なくとも上蓋３０の底板３２の硬度以下の材料から形成されている。調整膜２３６のビッカース硬度は、２ＧＰａ以下であることが好ましい。他方で、底板３２のビッカース硬度は、１０ＧＰａ以上であることが好ましい。なお、上蓋３０がゲッター層を備える場合には、調整膜２３６は、ゲッター層以下の硬度であ
り、例えば０．９ＧＰａ以下である。
　例えば、調整膜２３６は、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）や金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属により形成される。
　なお、保護膜２３５と調整膜２３６とは、質量低減速度の関係が上述のとおりであれば、エッチング速度の大小関係は任意である。
　調整膜２３６は、振動部１２０の略全面に形成された後、エッチング等の加工により所定の領域のみに形成される。
　保護膜２３５及び調整膜２３６に対するエッチングは、例えば、保護膜２３５及び調整膜２３６に同時にイオンビーム（例えば、アルゴン（Ａｒ）イオンビーム）を照射することによって行われる。イオンビームは共振子１０よりも広い範囲に照射することが可能である。なお、本実施形態では、イオンビームによりエッチングを行う例を示すが、エッチング方法は、イオンビームによるものに限られない。
　以上のような共振装置１では、逆位相の振動時、すなわち、図５に示す振動腕１３５Ａと振動腕１３５Ｂとの間でＹ軸に平行に延びる中心軸ｒ１回りに振動腕１３５Ａと振動腕１３５Ｂとが上下逆方向に振動する。また、振動腕１３５Ｃと振動腕１３５Ｄとの間でＹ軸に平行に延びる中心軸ｒ２回りに振動腕１３５Ｃと振動腕１３５Ｄ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で屈曲振動が発生する。
（５．プロセスフロー）
　図６Ａ～図６Ｈを用いて本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。
　本実施形態に係る共振子１０の製造方法においては、後述する周波数調整工程において、振動腕１３５を過励振させて、上蓋３０または下蓋２０に衝突させることにより、振動腕１３５の一部（例えば圧電薄膜Ｆ３、調整膜２３６、又はＳｉ基板Ｆ２等）が削られ、振動腕１３５の重量が変化する。これによって、共振子１０の共振周波数を上昇させることで、共振周波数を所望の値に調整して、共振装置１を製造する。
　図６Ａ～図６Ｈは、本実施形態に係る共振装置１のプロセスフローの一例を示す図である。なお、図６Ａ～図６Ｈでは、便宜上、ウエハに形成される複数の共振装置１のうち、１つの共振装置１を示して説明するが、共振装置１は、通常のＭＥＭＳプロセスと同様に、１つのウエハに複数形成された後に、当該ウエハが分割されることによって得られる。
　図６Ａに示す最初の工程では、用意したＳｉ基板Ｆ２に、熱酸化によって、酸化ケイ素層Ｆ２１を形成する。次に、凹部２１を有する下蓋２０を用意し、当該下蓋２０と、酸化ケイ素層Ｆ２１が形成されたＳｉ基板Ｆ２とを、Ｓｉ基板Ｆ２の下面が下蓋２０と対向するように配置し、側壁２３で接合する。なお、図６Ａにおいては図示を省略するが、接合後に化学的機械研磨や、エッチバック等の処理によって、Ｓｉ基板Ｆ２の表面を平坦化することが望ましい。
　次に図６Ｂに示す工程において、さらにＳｉ基板Ｆ２の表面には、下部電極や配線の材料となる金属層Ｅ１の成膜、パターニング及びエッチング等によって下部電極等が形成される。次に、金属層Ｅ１の表面に、圧電薄膜Ｆ３が積層され、さらに圧電薄膜Ｆ３上に上部電極や配線の材料となる金属層Ｅ２の成膜、パターニング及びエッチング等によって上部電極等が形成される。
　次に図６Ｃに示す工程において、金属層Ｅ２の表面に、保護膜２３５が積層される。
　次に図６Ｄに示す工程において、保護膜２３５の表面に、モリブデン等の金属層が積層され、この金属層がエッチング等によって加工されることにより、振動腕１３５（図６Ｆ参照）の自由端となる部分の近傍に調整膜２３６が形成される。
　次に、図６Ｅに示す工程において、共振子１０に、下部電極及び上部電極をそれぞれ外部電源と接続させるためのビアＥ１Ｖ、Ｅ２Ｖが形成される。ビアＥ１Ｖ、Ｅ２Ｖが形成されると、ビアＥ１Ｖ、Ｅ２Ｖにアルミニウム等の金属が充填され、下部電極、及び上部電極を保持部１４０に引き出す引出線Ｃ１、Ｃ２が形成される。さらに、保持部１４０に接合部Ｈが形成される。
　次に、図６Ｆに示す工程において、エッチング等の加工によって、保護膜２３５、金属層Ｅ２、圧電薄膜Ｆ３、金属層Ｅ１、Ｓｉ基板Ｆ２、及び酸化ケイ素層Ｆ２１が順に除去されることによって、振動部１２０、保持腕１１０、が形成され、共振子１０が形成される。
　図６Ｆに示す工程において共振子１０が形成された後、調整膜２３６の膜厚を調整するトリミング工程が行われる。トリミング工程によって、同一ウエハにおいて製造される複数の共振装置１の間で、周波数のばらつきを抑えることができる。
　トリミング工程では、まず各共振子１０の共振周波数を測定し、周波数分布を算出する。次に、算出した周波数分布に基づき、調整膜２３６の膜厚を調整する。調整膜２３６の膜厚の調整は、例えばアルゴン（Ａｒ）イオンビームを共振装置１の全面に対して照射して、調整膜２３６をエッチングすることによって行うことができる。さらに、調整膜２３６の膜厚が調整されると、共振子１０の洗浄を行い、飛び散った膜を除去することが望ましい。
　次に、図６Ｇに示す工程において、共振子１０をパッケージする工程が行われる。具体的には、この工程では、共振子１０を挟んで上蓋３０と下蓋２０とを対向させる。上蓋３０における凹部３１と、下蓋２０における凹部２１とが一致するように、位置合わせされた上蓋３０が、接合部Ｈを介して下蓋２０に接合される。また、上蓋３０には引出線Ｃ１、Ｃ２と接続する電極Ｃ１´、Ｃ２´が形成されている。電極Ｃ１´、Ｃ２´は例えばアルミニウムやゲルマニウム等の金属層から成る。電極Ｃ１´、Ｃ２´を介して、金属層Ｅ１、Ｅ２は外部に設けられた回路へ接続される。下蓋２０と上蓋３０とが接合されると、ダイシングによって、複数の共振装置１が形成される。
　次に、図６Ｈに示す工程において、共振周波数をさらに微調整する周波数調整工程が行われる。周波数調整工程においては、まず共振子１０に所定値の駆動電圧を印加した状態で共振周波数を測定し、共振周波数が所望の値に満たない場合には、共振子１０に所定値の駆動電圧よりも大きい電圧を印加させ、振動腕１３５を過励振させる。周波数調整工程において、共振子１０に与える電力は、例えば０．２μＷ以上である。なお、過励振とは、共振子１０の通常の振幅の１０倍以上の振幅で振動させることをいい、具体的には過励振時の振幅は５０μm以上である。また、共振周波数の所望の値は、例えば３２．７６７～３２．７６９ｋＨｚ程度である。
　振動腕１３５を過励振させることで、振動腕１３５における調整膜２３６が上蓋３０の底板３２（またはゲッター層）、及び下蓋２０の底板２２の少なくとも一方に衝突させる。上蓋３０の底板３２（またはゲッター層）は調整膜２３６以上の硬度を有する材料で形成されているため、調整膜２３６が底板３２（またはゲッター層）に衝突することで調整膜２３６が削られ、振動腕１３５の重量が減少する。同様に、振動腕１３５の下蓋２０側の面（裏面）に形成されるＳｉ基板Ｆ２及び酸化ケイ素層Ｆ２１の少なくともいずれか一方は、底板２２と同程度以下の硬度を有している。従って、振動腕１３５の裏面においても、Ｓｉ基板Ｆ２又は酸化ケイ素層Ｆ２１が削り取られることによって、振動腕１３５の質量が減少する。これによって、共振子１０の共振周波数が上昇する。
　共振子１０を過励振させて上蓋３０及び下蓋２０の少なくとも一方に衝突させた後に、再度、所定の値の駆動電圧を共振子１０に印加して、共振周波数の測定を行う。所定の値の駆動電圧を共振子１０に印加して行う共振周波数の測定と、当該駆動電圧よりも大きい電圧を共振子１０に印加して共振子１０を過励振させることとを、共振周波数が所望の値に到達するまで繰り返し行うことで、共振周波数の値を適切な値に調整をすることができる。
　このように本実施形態に係る共振装置製造方法では、振動腕１３５を過励振させて下蓋２０、及び上蓋３０に衝突させることで、振動腕１３５の一部を削り取ることができる。これによって、パッケージした後であっても共振周波数を調整することができる。これにより、周波数調整工程以降に熱負荷や応力負荷がかかる加工工程がないため、周波数変動が起こることを防ぐことができる。また、共振周波数を測定しながら調整を行えるため、所望の周波数を得やすくなる。
［その他の実施形態］
　以上、本発明の実施形態について述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
　例えば、既述の実施形態において、振動腕１３５は保護膜２３５及び調整膜２３６を備える構成について説明したが、これに限定されない。例えば、振動腕１３５は、調整膜２３６、又は保護膜２３５と調整膜２３６との両方を備えない構成でもよい。この場合、振動腕１３５の表面に露出する層（金属層Ｅ２、又は保護膜２３５）は、底板３２の硬度以下の硬度の小さい材料で形成される。具体的には、この場合の金属層Ｅ２の材料として、アルミニウム等を用いることができる。また、この場合の保護膜２３５の材料として、樹脂を用いることができる。これによって、上述の周波数調整工程において、振動腕１３５の表面に露出する層（金属層Ｅ２、保護膜２３５等）が削り取ることができる。
　さらに、既述の実施形態において、下蓋２０の底板２２は、平板である構成について説明したがこれに限定されない。例えば、下蓋２０の底板２２において、振動腕１３５の振動による変位が最大となる位置に、突起を備える構成でもよい。
　また、既述の実施形態において、周波数調整工程は、図６Ｇに示した共振子１０をパッケージする工程の後に行う構成について説明したが、これに限定されない。例えば、周波数調整工程は、パッケージする工程の前に実施されてもよい。この場合、周波数調整工程は、トリミング工程あと、かつ、共振子１０をパッケージする工程の前に行われることが好ましい。
　さらに既述の実施形態において、振動腕１３５の表面及び裏面の両方が、周波数調整工程で削り取られる構成について説明したが、これに限定されない。例えば、振動腕１３５は、過励振時において、下蓋２０又は上蓋３０のいずれか一方としか衝突しない構成でもよい。この場合、少なくとも衝突する側の面に形成された膜（表面側の場合は、調整膜２３６、保護膜２３５、金属層Ｅ２、裏面側の場合は、Ｓｉ基板Ｆ２、酸化ケイ素層Ｆ２１の両方）は、衝突する側の蓋における振動腕１３５の衝突箇所（ゲッター層３２、底板３１、底板２２）以下の硬度であることが好ましい。また、振動腕１３５が過励振時において、下蓋２０及び上蓋３０の両方と衝突する場合であっても、振動腕１３５の表面又は裏面のいずれか一方に形成された膜が、衝突する側の蓋よりも硬度が大きい構成であり、いずれか一方の面しか周波数調整工程において削り取られない構成でもよい。
　以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。本発明の一実施形態に係る共振装置製造方法は、下蓋２０を用意する工程と、Ｓｉ基板Ｆ２を、当該Ｓｉ基板Ｆ２の下面が下蓋２０と対向するように配置し、Ｓｉ基板Ｆ２の上面に、金属層Ｅ１、圧電薄膜Ｆ３、金属Ｅ２を順に形成する工程と、金属層Ｅ１、金属層Ｅ２、及び圧電薄膜Ｆ３から、屈曲振動する振動腕１３５を形成し、当該振動腕１３５を有する共振子１０を形成する工程と、共振子１０を挟んで、下蓋２０と対向するように、上蓋３０を配置する工程と、を含み、上蓋３０を配置する工程の前又は後において、金属層Ｅ１と金属層Ｅ２の間に電圧を印加して、振動腕１３５を励振させ、当該振動腕１３５の一部を少なくとも下蓋２０及び上蓋３０の少なくとも一方に衝突させることによって、共振子１０の周波数を調整する工程をさらに含む。本実施形態に係る共振装置製造方法では、振動腕１３５を過励振させて下蓋２０、及び上蓋３０に衝突させることで、振動腕１３５の一部を削り取ることができる。これによって、パッケージした後であっても共振周波数を調整することができる。これにより、周波数調整工程以降に熱負荷や応力負荷がかかる加工工程がないため、周波数変動が起こることを防ぐことができる。また、共振周波数を測定しながら調整を行えるため、所望の周波数を得やすくなる。
　また、調整する工程は、上蓋３０を配置する工程の後に行い、振動腕１３５の一部を下蓋２０及び上蓋３０の少なくとも一方に衝突させることを含むことも好ましい。この場合、振動腕１３５の表面又は裏面を用いて、共振周波数の調整を行うことができる。
　また上蓋３０又は下蓋２０の共振子１０に対向する面のうち、振動腕１３５の振動による変位が最大となる位置に対応する領域は、振動腕１３５の硬度以上の材料からなることが好ましい。
　また、共振子１０を形成する工程は、金属層Ｅ２の表面に、さらに、保護膜２３５、及び当該保護膜２３５よりエッチングによる質量低減速度の大きい調整膜２３６を順に形成する工程と、振動腕１３５における第１領域において、調整膜２３６を除去して保護膜２３５を露出させ、振動腕１３５における第１領域以外の領域であって、当該第１領域よりも振動による変位が大きい第２領域において、調整膜２３６を残存させる工程と、を含み、調整する工程は、振動腕１３５において、第２領域に残された調整膜２３６を、上蓋３０に衝突させて削る工程を含むことも好ましい。これによって、同一ウエハにおいて製造される複数の共振装置１の間で、周波数のばらつきを抑えることができる。
　また、調整する工程は、共振子１０の共振周波数を測定し、共振周波数が所定の値に到達した場合に、金属層Ｅ１と金属層Ｅ２の間に所定の値以上の電圧を印加することを停止する工程を含むことも好ましい。これによって、所望の周波数を得やすくなる。
　以上説明した各実施形態は、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およびその配置、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。また、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これら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
　３０　　　　　　　　　　　上蓋
　２０　　　　　　　　　　　下蓋
　１４０　　　　　　　　　　保持部
　１４０ａ～ｄ　　　　　　　枠体
　１１０　　　　　　　　　　保持腕
　１２０　　　　　　　　　　振動部
　１３０　　　　　　　　　　基部
　１３５Ａ～Ｄ　　　　　　　振動腕
　Ｆ２　　　　　　　　　　　Ｓｉ基板
　Ｆ２１　　　　　　　　　　酸化ケイ素層（温度特性補正層）
　２３５　　　　　　　　　　保護膜
　２３６　　　　　　　　　　調整膜

Claims (5)

  1. 　下蓋を用意する工程と、
    　基板を、当該基板の下面が前記下蓋と対向するように配置し、前記基板の上面に、第１電極層、圧電膜、第２電極層を順に形成する工程と、
    　前記第１電極層、前記第２電極層、及び前記圧電膜から、屈曲振動する振動腕を形成し、当該振動腕を有する共振子を形成する工程と、
    　前記共振子を挟んで、前記下蓋と対向するように、上蓋を配置する工程と、
    を含み、
    　前記上蓋を配置する工程の前又は後において、前記第１電極層と前記第２電極層の間に電圧を印加して、前記振動腕を励振させ、当該振動腕の一部を前記下蓋及び前記上蓋の少なくとも一方に衝突させることによって、前記共振子の周波数を調整する工程をさらに含む、
    共振装置製造方法。
  2. 　前記調整する工程は、前記上蓋を配置する工程の後に行い、前記振動腕の一部を前記下蓋及び前記上蓋の少なくとも一方に衝突させることを含む、
    請求項１に記載の共振装置製造方法。
  3. 　前記上蓋又は前記下蓋の前記共振子に対向する面のうち、前記振動腕の振動による変位が最大となる位置に対応する領域は、前記振動腕の硬度以上の材料からなる、
    請求項２に記載の共振装置製造方法。
  4. 　前記共振子を形成する工程は、
    　前記第２電極層の表面に、さらに、第１調整膜、及び当該第１調整膜よりエッチングによる質量低減速度の大きい第２調整膜を順に形成する工程と、
    　前記振動腕における第１領域において、前記第２調整膜を除去して第１調整膜を露出させ、前記振動腕における第１領域以外の領域であって、当該第１領域よりも振動による変位が大きい第２領域において、前記第２調整膜を残存させる工程と、
    を含み、
    　前記調整する工程は、
    　前記振動腕において、前記第２領域に残された前記第２調整膜を、前記上蓋に衝突させて削る工程を含む、
    請求項２又は３に記載の共振装置製造方法。
  5. 　前記調整する工程は、
    　前記共振子の周波数を測定し、当該周波数が所定の値に到達した場合に、前記第１電極層と前記第２電極層の間に所定の値以上の電圧を印加することを停止する工程を含む、
    請求項１乃至４の何れか一項に記載の共振装置製造方法。
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