WO2023171025A1 - 共振装置及び共振装置の製造方法 - Google Patents

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WO2023171025A1
WO2023171025A1 PCT/JP2022/040171 JP2022040171W WO2023171025A1 WO 2023171025 A1 WO2023171025 A1 WO 2023171025A1 JP 2022040171 W JP2022040171 W JP 2022040171W WO 2023171025 A1 WO2023171025 A1 WO 2023171025A1
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WO
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substrate
resonator
silicon
film
vibrating
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PCT/JP2022/040171
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English (en)
French (fr)
Inventor
政和 福光
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/24—Constructional features of resonators of material which is not piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive

Definitions

  • the present invention relates to a resonant device and a method of manufacturing the resonant device.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • Patent Document 1 describes a silicon handle wafer, a bottom silicon oxide provided on the silicon handle wafer, a silicon device layer provided on the bottom silicon oxide, and a silicon device layer provided on the silicon device layer.
  • a second barrier that blocks hydrogen and helium as a path, the first barrier passing through the bottom silicon oxide, the second barrier passing through the middle silicon oxide, and the first and second barriers passing through the bottom silicon oxide. discloses a MEMS formed around a MEMS cavity formed in a silicon device layer.
  • the present invention has been made in view of these circumstances, and an object of the present invention is to provide a resonant device and a method for manufacturing the resonant device that can suppress the intrusion of helium gas.
  • a resonator device includes a first substrate including a first silicon substrate and a resonator, a second substrate disposed on a side of the first substrate where the resonator is provided, and a vibration space of the resonator.
  • the resonator has a silicon film provided on a side facing the first silicon substrate, the silicon film is , is directly bonded to the first silicon substrate in the entire circumferential area surrounding the vibration space in a plan view of the first substrate.
  • a method for manufacturing a resonator device includes forming a first substrate by bonding a first silicon substrate and a resonator; bonding the substrate and the second substrate, the resonator has a silicon film provided on a surface opposite to the first silicon substrate, and the silicon film has The first substrate is provided in the entire circumferential area surrounding the vibration space, and forming the first substrate includes directly bonding the silicon film and the first silicon substrate.
  • the present invention it is possible to provide a resonance device and a method for manufacturing the resonance device that can suppress helium gas intrusion.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the configuration of a resonance device according to a first embodiment.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing the configuration of a resonance device according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing the structure of the resonance device according to the first embodiment.
  • 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a resonance device according to a first embodiment.
  • 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a resonant device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a resonance device according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a resonance device according to a third embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a resonance device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a resonance device according to a fifth embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a resonance device according to a sixth embodiment.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a resonance device according to a seventh embodiment.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing the configuration of a resonance device according to this embodiment.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view schematically showing the structure of the resonator according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing the structure of the resonance device according to the first embodiment.
  • an orthogonal coordinate system consisting of an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis is attached to each drawing in order to clarify the relationship between each drawing and to help understand the positional relationship of each member.
  • Directions parallel to the X-axis, Y-axis, and Z-axis are called the X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction, respectively.
  • the positive direction of the Z-axis (the direction of the arrow on the Z-axis) is referred to as "up”
  • the negative direction of the Z-axis (the direction opposite to the direction of the arrow on the Z-axis) is referred to as "down”.
  • the plane defined by the X-axis and the Y-axis is defined as the XY plane, and the same applies to the YZ plane and the ZX plane.
  • the resonator 1 includes a lower lid 20, a resonator 10 (hereinafter, the lower lid 20 and the resonator 10 are also referred to as "MEMS substrate 50"), an upper lid 30, and a joint 60. .
  • the MEMS substrate 50, the joint portion 60, and the top cover 30 are laminated in this order.
  • the resonator 10 and the lower lid 20 are directly joined, and the resonator 10 and the upper lid 30 are joined by a joint 60.
  • the MEMS substrate 50 corresponds to an example of the "first substrate” of the present invention
  • the top lid 30 corresponds to an example of the "second substrate” of the present invention.
  • the side of the resonance device 1 on which the upper lid 30 is provided is referred to as the top (or front), and the side on which the lower lid 20 is provided is referred to as the bottom (or back).
  • the resonator 10 is a piezoelectric vibrating element manufactured using MEMS technology.
  • the resonator 10 vibrates in an out-of-plane bending vibration mode.
  • the frequency band of the resonator 10 is, for example, 1 kHz or more and 1 MHz or less.
  • the resonator 10 includes a holding arm 110, a vibrating section 120, and a holding section 140.
  • the resonator 10 is formed substantially symmetrically with respect to a virtual plane P parallel to the YZ plane.
  • each of the holding arm 110, the vibrating section 120, and the holding section 140 is formed substantially symmetrically with respect to the virtual plane P.
  • the holding arm 110 connects the vibrating part 120 and the holding part 140 and holds the vibrating part 120 so that it can vibrate.
  • the holding arm 110 is provided between the vibrating section 120 and the holding section 140 when the XY plane is viewed in plan (hereinafter simply referred to as "planar view").
  • the holding arm 110 consists of one arm extending in the Y-axis direction, one end of the holding arm 110 is connected to a rear end 131B of a base 130 described later, and the other end of the holding arm 110 is connected to a holding part 140 described later. It is connected to the rear frame 141B of.
  • the dimension of the holding arm 110 along the X-axis direction is smaller than the dimension of the base 130 along the X-axis direction.
  • the shape of the holding arm 110 is not limited to the above.
  • the holding arm 110 may be bent or may consist of two or more arms.
  • One end of the holding arm 110 may be connected to the left end 131C or right end 131D of the base 130, which will be described later, and the other end of the holding arm 110 may be connected to the front frame 141A, left frame 141C, or right frame 141D of the holding part 140, which will be described later. may be done.
  • the vibrating part 120 is held so as to be able to vibrate in a vibration space provided between the lower cover 20 and the upper cover 30.
  • the vibrating section 120 When viewed in plan, the vibrating section 120 is provided inside the holding section 140. A space is formed between the vibrating section 120 and the holding section 140 at a predetermined interval.
  • the vibrating section 120 extends along the XY plane when not vibrating (when no voltage is applied), and bendingly vibrates in the Z-axis direction when vibrating (when a voltage is applied). That is, the main vibration of the vibrating section 120 is the out-of-plane bending vibration mode.
  • the vibrating section 120 has a base 130 and four vibrating arms 135A, 135B, 135C, and 135D (hereinafter also collectively referred to as "vibrating arms 135"). Note that the number of vibrating arms is not limited to four, and may be set to any number greater than or equal to one. In this embodiment, the vibrating portion 120 and the base portion 130 are integrally formed.
  • the base 130 has a front end 131A, a rear end 131B, a left end 131C, and a right end 131D.
  • the front end 131A, the rear end 131B, the left end 131C, and the right end 131D are each part of the outer edge of the base 130.
  • the front end portion 131A is an end portion extending in the X-axis direction on the side of the vibrating arms 135A to 135D.
  • the rear end portion 131B is an end portion extending in the X-axis direction on the opposite side from the vibrating arms 135A to 135D.
  • the left end portion 131C is an end portion extending in the Y-axis direction on the vibrating arm 135A side when viewed from the vibrating arm 135D.
  • the right end portion 131D is an end portion extending in the Y-axis direction on the vibrating arm 135D side when viewed from the vibrating arm 135A.
  • Vibrating arms 135A to 135D are connected to the front end 131A.
  • the shape of the base 130 when viewed from above is approximately rectangular, with the front end 131A and the rear end 131B being the long sides, and the left end 131C and the right end 131D being the short sides.
  • a virtual plane P is defined along the perpendicular bisector of each of the front end portion 131A and the rear end portion 131B.
  • the base 130 is not limited to the above structure as long as it has a substantially symmetrical structure with respect to the virtual plane P.
  • the base 130 may have a trapezoidal shape in which one of the front end 131A and the rear end 131B is longer than the other. . Further, at least one of the front end 131A, the rear end 131B, the left end 131C, and the right end 131D may be bent.
  • the base portion which is the maximum distance in the Y-axis direction between the front end portion 131A and the rear end portion 131B, is, for example, about 35 ⁇ m.
  • the base width which is the maximum distance in the X-axis direction between the left end portion 131C and the right end portion 131D, is, for example, about 265 ⁇ m.
  • the base length corresponds to the length of the left end 131C or the right end 131D
  • the base width corresponds to the width of the front end 131A or the rear end 131B.
  • the vibrating arms 135A to 135D each extend in the Y-axis direction, and are lined up in this order at predetermined intervals in the X-axis direction.
  • the vibrating arms 135A to 135D have fixed ends connected to the front end 131A of the base 130 and open ends farthest from the base 130.
  • Each of the vibrating arms 135A to 135D has a weight part G provided on the open end side of the vibrating part 120 where the displacement is relatively large, and an arm part H that connects the base part 130 and the weight part G.
  • a virtual plane P is located between the vibrating arm 135B and the vibrating arm 135C.
  • vibrating arms 135A and 135D are outer vibrating arms placed on the outside in the X-axis direction
  • vibrating arms 135B and 135C are inner vibrating arms placed on the inside in the X-axis direction. It is.
  • the inner vibrating arm 135B and the inner vibrating arm 1135C have a mutually symmetrical structure
  • the outer vibrating arm 135A and the outer vibrating arm 135D have a mutually symmetrical structure.
  • each of the vibrating arms 135A to 135D are substantially the same.
  • the length of each of the vibrating arms 135A to 135D in the Y-axis direction is, for example, about 450 ⁇ m.
  • the length of the arm H in the Y-axis direction is about 300 ⁇ m
  • the width of the arm H in the X-axis direction is about 50 ⁇ m.
  • the length of the weight portion G in the Y-axis direction is about 150 ⁇ m
  • the width of the weight portion G in the X-axis direction is about 70 ⁇ m.
  • the holding part 140 is a part for holding the vibrating part 120 in the vibration space formed by the lower cover 20 and the upper cover 30.
  • the holding section 140 surrounds the vibrating section 120 in a frame shape in a plan view.
  • the holding portion 140 includes a front frame 141A, a rear frame 141B, a left frame 141C, and a right frame 141D.
  • the front frame 141A, the rear frame 141B, the left frame 141C, and the right frame 141D are each part of a substantially rectangular frame surrounding the vibrating section 120.
  • the front frame 141A is a portion extending in the X-axis direction on the vibrating arm 135 side when viewed from the base 130.
  • the rear frame 141B is a portion extending in the X-axis direction on the base 130 side when viewed from the vibrating arm 135.
  • the left frame 141C is a portion extending in the Y-axis direction on the vibrating arm 135A side when viewed from the vibrating arm 135D.
  • the right frame 141D is a portion extending in the Y-axis direction on the vibrating arm 135D side when viewed from the vibrating arm 135A.
  • Each of the front frame 141A and the rear frame 141B is bisected by a virtual plane P.
  • Both ends of the left frame 141C are connected to one end of the front frame 141A and one end of the rear frame 141B, respectively. Both ends of the right frame 141D are connected to the other end of the front frame 141A and the other end of the rear frame 141B, respectively.
  • the front frame 141A and the rear frame 141B face each other in the Y-axis direction with the vibrating section 120 in between.
  • the left frame 141C and the right frame 141D face each other in the X-axis direction with the vibrating section 120 in between.
  • the lower lid 20 is part of a package structure surrounding the vibrating part 120 of the resonator 10.
  • the lower cover 20 is directly bonded to the lower surface of the resonator 10.
  • the lower lid 20 includes a rectangular flat bottom plate 22 having a main surface extending along the XY plane, and a side wall 23 extending from the peripheral edge of the bottom plate 22 toward the upper lid 30.
  • the side wall 23 is joined to the holding portion 140 of the resonator 10.
  • a cavity 21 surrounded by a bottom plate 22 and a side wall 23 is formed in the lower lid 20 on the side facing the vibrating part 120 of the resonator 10 .
  • the cavity 21 is a rectangular parallelepiped opening that opens upward.
  • the top cover 30 is part of a package structure surrounding the vibrating part 120 of the resonator 10.
  • the upper cover 30 is joined to the upper surface of the resonator 10 via a joint 60.
  • the upper lid 30 has a rectangular flat bottom plate 32 having a main surface extending along the XY plane, and a side wall 33 extending from the peripheral edge of the bottom plate 32 toward the lower lid 20.
  • the side wall 33 is joined to the holding part 140 of the resonator 10.
  • a cavity 31 surrounded by a bottom plate 32 and a side wall 33 is formed in the upper lid 30 on the side facing the vibrating section 120 of the resonator 10 .
  • the cavity 31 is a rectangular parallelepiped-shaped opening that opens downward.
  • the cavity 21 and the cavity 31 face each other with the vibrating part 120 of the resonator 10 in between, and form a vibration space of the package structure.
  • the joining part 60 joins the MEMS substrate 50 and the upper lid 30 and hermetically seals the vibration space formed between the lower lid 20 and the upper lid 30.
  • the joint portion 60 is provided between the holding portion 140 of the resonator 10 and the side wall 33 of the upper lid 30. When viewed in plan, the joint portion 60 is provided in the shape of a frame surrounding the vibrating portion 120 of the resonator 10.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the resonance device according to the first embodiment.
  • This figure is a cross-sectional view schematically showing the structure of the resonant device 1 taken along the line IV--IV shown in FIGS. 1 to 3.
  • the resonator 10 is held between the lower lid 20 and the upper lid 30.
  • the resonator 10, the lower cover 20, and the upper cover 30 are each formed using a silicon (Si) substrate.
  • the holding arm 110, vibrating section 120, and holding section 140 of the resonator 10 are integrally formed by the same process.
  • the resonator 10 includes a silicon oxide film F21, a silicon substrate F2, an insulating film F31, a metal film E2, a piezoelectric film F3, a metal film E1, a protective film 235, a frequency adjustment film 236, and a parasitic capacitance reduction film. It has a membrane 240.
  • the resonator 10 is formed by patterning by removing a laminate including a silicon substrate F2, a metal film E2, a piezoelectric film F3, a metal film E1, a protective film 235, and the like. The removal process is, for example, dry etching using an argon (Ar) ion beam.
  • the silicon oxide film F21 is provided on the side of the resonator 10 facing the lower cover 20.
  • the silicon oxide film F21 is provided on the base 130 and the arm H of the vibrating section 120, and is also provided on the holding arm 110.
  • the silicon oxide film F21 is spaced apart from the weight part G in the vibrating part 120 and also from the holding part 140. When viewed from above, the silicon oxide film F21 is provided outside the weight portion G in a region surrounded by the holding portion 140.
  • the silicon oxide film F21 is provided on the lower surface of the silicon substrate F2 in a region facing the cavity 21 of the lower lid 20 in the Z direction, avoiding the weight portion G, which is an example of the tip region.
  • the silicon oxide film F21 is formed of silicon oxide containing, for example, SiO2.
  • the silicon oxide film F21 functions as a temperature characteristic correction layer that reduces the temperature coefficient of the resonant frequency of the resonator 10, that is, the rate of change of the resonant frequency per unit temperature at least near room
  • the silicon oxide film F21 is provided at least on the arm H of the vibrating section 120, it may be provided avoiding the holding arm 110 and the base 130. However, it is desirable that the silicon oxide film F21 be provided on the base 130 in addition to the arm H of the vibrating section 120, and more preferably on the holding arm 110 as well.
  • the silicon substrate F2 is provided on the side of the lower lid 20 of the resonator 10 that faces the silicon substrate L1.
  • the silicon substrate F2 is provided over the entire surface of the resonator 10 when viewed from above. That is, the silicon substrate F2 is provided on the holding arm 110, the base 130 and vibrating arm 135 of the vibrating section 120, and the holding section 140.
  • the silicon substrate F2 is formed of a degenerate n-type silicon (Si) semiconductor containing, for example, phosphorus (P), arsenic (As), or antimony (Sb) as an n-type dopant.
  • the resistance value of the degenerate silicon (Si) used for the silicon substrate F2 is, for example, less than 16 m ⁇ cm, and more preferably 1.2 m ⁇ cm or less.
  • the thickness of the silicon substrate F2 is, for example, about 6 ⁇ m.
  • the silicon substrate F2 is, for example, single crystal silicon, but may also be polycrystalline silicon or amorphous silicon.
  • the silicon substrate F2 corresponds to an example of a "silicon film" according to the present invention.
  • the insulating film F31 is laminated on the silicon substrate F2, the metal film E2 is laminated on the insulating film F31, the piezoelectric film F3 is laminated on the metal film E2, and the metal film E1 is laminated on the piezoelectric film F3. has been done.
  • the insulating film F31 insulates the silicon substrate F2 and the metal film E2.
  • the insulating film F31 is formed of the same material as the piezoelectric film F3, for example.
  • the metal films E2 and E1 each have a portion that functions as an excitation electrode that excites the vibrating arms 135A to 135D, and a portion that functions as an extraction electrode that electrically connects the excitation electrode to an external power source. Portions of each of the metal films E2 and E1 that function as excitation electrodes are opposed to each other in the arm portions H of the vibrating arms 135A to 135D with the piezoelectric film F3 in between. Portions of the metal films E2 and E1 that function as extraction electrodes are led out from the base 130 to the holding portion 140 via the holding arm 110, for example.
  • the metal film E2 is electrically continuous throughout the resonator 10.
  • the metal film E1 is electrically separated between the portions formed on the outer vibrating arms 135A and 135D and the portions formed on the inner vibrating arms 135B and 135C.
  • the metal film E2 corresponds to a lower electrode
  • the metal film E1 corresponds to an upper electrode.
  • the thickness of each of the metal films E2 and E1 is, for example, about 0.1 ⁇ m or more and 0.2 ⁇ m or less.
  • After the metal films E2 and E1 are formed they are patterned into excitation electrodes, extraction electrodes, etc. by removal processing such as etching.
  • the metal films E2 and E1 are formed of, for example, a metal material whose crystal structure is a body-centered cubic structure. Specifically, the metal films E2 and E1 are formed of Mo (molybdenum), tungsten (W), or the like.
  • the piezoelectric film F3 is a thin film formed of a piezoelectric material that mutually converts electrical energy and mechanical energy.
  • the piezoelectric film F3 expands and contracts in the Y-axis direction of the in-plane direction of the XY plane according to the electric field applied by the metal films E2 and E1. This expansion and contraction of the piezoelectric film F3 causes the vibrating arm 135 to bend and displace its open end toward the bottom plate 22 of the lower cover 20 or the bottom plate 32 of the upper cover 30.
  • Alternating voltages having mutually opposite phases are applied to the upper electrodes of the outer vibrating arms 135A, 135D and the upper electrodes of the inner vibrating arms 135B, 135C.
  • the outer vibrating arms 135A, 135D and the inner vibrating arms 135B, 135C vibrate in opposite phases.
  • the open ends of the outer vibrating arms 135A, 135D are displaced toward the lower lid 20
  • the open ends of the inner vibrating arms 135B, 135C are displaced toward the upper lid 30. Due to such anti-phase vibrations, a torsional moment is generated in the vibrating portion 120 about the rotation axis extending in the Y-axis direction.
  • the base 130 is bent by this torsional moment, and the left end 131C and right end 131D are displaced toward the lower lid 20 or the upper lid 30.
  • the piezoelectric film F3 is formed of a material having a wurtzite hexagonal crystal structure, such as aluminum nitride (AlN), scandium aluminum nitride (ScAlN), zinc oxide (ZnO), gallium nitride (GaN),
  • the main component may be a nitride or oxide such as indium nitride (InN).
  • Scandium aluminum nitride is aluminum nitride in which part of the aluminum is replaced with scandium, and instead of scandium, magnesium (Mg) and niobium (Nb), or magnesium (Mg) and zirconium (Zr) are used. It may be substituted with two elements such as.
  • the thickness of the piezoelectric film F3 is, for example, about 1 ⁇ m, but may be about 0.2 ⁇ m or more and 2 ⁇ m or less.
  • the protective film 235 is laminated on the metal film E1.
  • the protective film 235 protects the metal film E1 from oxidation, for example.
  • the material of the protective film 235 is, for example, an oxide, nitride, or oxynitride containing aluminum (Al), tantalum (Ta), zinc (Zn), gallium (Ga), indium (In), or silicon (Si). be.
  • the frequency adjustment film 236 is laminated on the protective film F5 at the weight portion G.
  • the frequency adjustment film 236 adjusts the frequency of the resonator 10 by being etched. It is desirable that the frequency adjustment film 236 be formed of a material whose mass reduction rate due to etching is faster than that of the protective film F5.
  • the mass reduction rate is expressed by the product of etching rate and density. Etching rate is the thickness removed per unit time.
  • the etching rate relationship between the protective film 235 and the frequency adjustment film 236 is arbitrary as long as the relationship in mass reduction rate is as described above.
  • the frequency adjustment film 236 also functions as a mass adding film that increases the weight per unit length of the weight portion G.
  • the frequency adjustment film 236 be formed of a material with a high specific gravity.
  • the material of the frequency adjustment film 236 is preferably a metal material such as molybdenum (Mo), tungsten (W), gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni), or titanium (Ti). It is.
  • the parasitic capacitance reduction film 240 is laminated on the protective film F5 in the holding section 140.
  • the parasitic capacitance reduction film 240 reduces the parasitic capacitance formed between internal wirings of the resonator 10. Further, the parasitic capacitance reduction film 240 has a function as an insulating layer when wirings of different potentials cross, and a function as a standoff for expanding the vibration space.
  • the parasitic capacitance reduction film 240 is formed of, for example, tetraethyl orthosilicate (TEOS).
  • TEOS tetraethyl orthosilicate
  • the thickness of the parasitic capacitance reduction film 240 is, for example, about 1 ⁇ m.
  • Contact electrodes 76A and 76B are provided on the parasitic capacitance reduction film 240 of the holding portion 140.
  • the contact electrode 76A is electrically connected to the metal film E1 through the through electrode V1 that penetrates the protective film 235 and the parasitic capacitance reduction film 240.
  • the contact electrode 76B is electrically connected to the metal film E2 through a through electrode V2 that penetrates the piezoelectric film F3, the protective film 235, and the parasitic capacitance reduction film 240.
  • the contact electrodes 76A and 76B are formed of a metal material such as aluminum (Al), germanium (Ge), gold (Au), or tin (Sn), for example.
  • the bottom plate 22 and side wall 23 of the lower lid 20 are integrally formed from the silicon substrate L1.
  • the silicon substrate L1 is formed of a non-degenerate silicon semiconductor, and has a resistivity of, for example, 10 ⁇ cm or more.
  • the maximum thickness of the silicon substrate L1 is larger than the thickness of the silicon substrate F2, and is, for example, about 150 ⁇ m.
  • the depth of the cavity 21 is, for example, about 50 ⁇ m.
  • the silicon substrate L1 corresponds to an example of a "first silicon substrate" according to the present invention.
  • the silicon substrate L1 forms the surface of the lower lid 20. Therefore, at the joint between the side wall 23 of the lower lid 20 and the holding portion 140 of the resonator 10, the silicon substrate L1 of the lower lid 20 and the silicon substrate F2 of the resonator 10 are in contact. That is, the silicon substrate L1 and the silicon substrate F2 are directly bonded in the entire circumferential region surrounding the vibration space of the resonator 10 in plan view.
  • the bottom plate 32 and side wall 33 of the upper lid 30 are integrally formed from a silicon substrate L3.
  • a silicon oxide film L31 is provided on the surface of the silicon substrate L3. Specifically, a region between the silicon substrate L3 and through electrodes V31 and V32, which will be described later, a region between the silicon substrate L3 and connection wirings 70A and 70B, which will be described later, and a region between the silicon substrate L3 and terminals T41 and T41, which will be described later. It is provided in the area between T42.
  • the silicon oxide film L31 prevents short circuits between electrodes and the like via the silicon substrate L3.
  • the silicon oxide film L31 is formed, for example, by thermal oxidation of the silicon substrate L3 or chemical vapor deposition (CVD).
  • the thickness of the upper lid 30 is about 150 ⁇ m, and the depth of the cavity 31 is about 50 ⁇ m.
  • the silicon substrate L3 corresponds to an example of a "second silicon substrate" according to the present invention.
  • a metal film 34 is provided on the lower surface of the bottom plate 32 of the upper lid 30.
  • the metal film 34 is a getter that improves the degree of vacuum by absorbing gas in the vibration space formed by the cavities 21 and 31, and stores, for example, hydrogen gas.
  • the metal film 34 contains, for example, titanium (Ti), zirconium (Zr), vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), or an alloy containing at least one of these.
  • the metal film 34 may contain an oxide of an alkali metal or an oxide of an alkaline earth metal.
  • the upper lid 30 is provided with through electrodes V31 and V32.
  • the through electrodes V31 and V32 are provided inside a through hole that penetrates the side wall 33 in the Z-axis direction. Through electrodes V31 and V32 are surrounded by silicon oxide film L31 and insulated from each other.
  • the through electrodes V31 and V32 are formed, for example, by filling the through holes with polycrystalline silicon (Poly-Si), copper (Cu), gold (Au), or the like.
  • Connection wirings 70A and 70B are provided on the lower surface of the upper lid 30, and terminals T41 and T42 are provided on the upper surface of the upper lid 30.
  • the connection wiring 70A is connected to the lower end of the through electrode V31, and the terminal T41 is connected to the upper end of the through electrode V31.
  • the connection wiring 70B is connected to the lower end of the through electrode V32, and the terminal T42 is connected to the upper end of the through electrode V32.
  • the connection wiring 70A is a connection terminal that electrically connects the through electrode V31 and the contact electrode 76A
  • the terminal T41 is a mounting terminal that electrically connects the metal film E1 of the outer vibrating arms 135A and 135D to an external power source.
  • connection wiring 70B is a connection terminal that electrically connects the through electrode V32 and the contact electrode 76B, and the terminal T42 is a mounting terminal that grounds the metal film E2.
  • the connection wiring 70B is a connection terminal that electrically connects the through electrode V32 and the contact electrode 76B, and the terminal T42 is a mounting terminal that electrically connects the metal film E2 of the outer vibrating arms 135A and 135D to an external power source.
  • the upper lid 30 is further provided with through electrodes, connection wiring, and terminals that are electrically connected to the metal films E1 of the inner vibrating arms 135B and 135C.
  • connection wirings including connection wirings 70A and 70B are electrically insulated from each other by a silicon oxide film L31.
  • a plurality of terminals including terminals T41 and T42 are also electrically insulated from each other by silicon oxide film L31.
  • the plurality of connection wirings and the plurality of terminals are, for example, made of nickel (Ni), gold (Au), silver (Ag) on a metallized layer (base layer) of chromium (Cr), tungsten (W), nickel (Ni), etc. It is formed by plating with copper (Cu) or the like.
  • the plurality of terminals may include a dummy terminal electrically insulated from the resonator 10 for the purpose of adjusting the balance of parasitic capacitance and mechanical strength.
  • the joining part 60 joins the side wall 33 of the upper lid 30 and the holding part 140 of the resonator 10.
  • the bonding portion 60 includes, for example, a silicon oxide film 61, a first metal film 62, and a second metal film 63.
  • the MEMS substrate 50 and the upper lid 30 are bonded by eutectic bonding of the first metal film 62 and the second metal film 63.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a method for manufacturing the resonant device 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the silicon substrates are directly bonded to each other (S10).
  • two plate-shaped silicon substrates L1 and F2 are prepared.
  • one side of each of the silicon substrates L1 and F2 is mirror polished.
  • a cavity 21 is formed on the mirror-polished side of the silicon substrate L1.
  • the mirror surfaces of the silicon substrates L1 and F2 are cleaned and hydrophilized.
  • the mirror surfaces subjected to the hydrophilic treatment are placed on top of each other, and the silicon substrate L1 and the silicon substrate F2 are heated. Note that mirror polishing of the silicon substrate L1 may be performed after the cavity 21 is formed.
  • the mirror polishing step in step S10 may include, for example, two or more polishing steps.
  • the surface roughness Ra of each of the mirror surfaces of the silicon substrates L1 and F2 is preferably 1 nm or less, more preferably 0.5 nm or less, and even more preferably 0.3 nm or less.
  • the resonator 10 is formed (S20).
  • An insulating film F31, a metal film E2, a piezoelectric film F3, a metal film E1, a protective film 235, etc. are sequentially formed on the silicon substrate L1 directly bonded to the silicon substrate L1, and etched to form the vibrating part of the resonator 10. 120, patterning the holding part 140 and the holding arm 110; As a result, the resonator 10 bonded to the lower lid 20 is formed, and the MEMS substrate 50 is prepared.
  • frequency adjustment is performed before sealing (S30). While monitoring the frequency of the resonator 10, the mass adding film is trimmed to adjust the frequency of the resonator 10.
  • the MEMS substrate 50 and the upper lid 30 are bonded (S40).
  • the MEMS substrate 50 and the upper lid 30 are joined by the arm H in a vacuum environment.
  • frequency adjustment after sealing is performed (S50).
  • An electric field stronger than the electric field applied when normally used as the resonator 1 is applied between the metal film E1 and the metal film E2 of the resonator 10 to increase the amplitude of the resonator 10 (hereinafter referred to as "overexcitation").
  • the tip of the vibrating arm 135 of the overexcited resonator 10 collides with the inner wall of the lower lid 20, and the tip of the vibrating arm 135 is scraped. Thereby, the frequency of the resonator 10 is adjusted by changing the mass of the vibrating arm 135.
  • the silicon substrate L1 and the silicon substrate F2 are directly bonded in the entire circumferential region surrounding the vibration space of the resonator 10 in plan view.
  • the silicon substrate L1 and the silicon substrate F2 are directly bonded without going through the interlayer silicon oxide film, which is a path for helium to enter, helium gas enters from between the silicon substrate L1 and the silicon substrate F2. can be suppressed. Therefore, a decrease in the degree of vacuum in the vibration space is suppressed, and reliability is improved. Furthermore, since the resonance device 1 has the same airtightness against helium gas and nitrogen gas, the airtightness test can be performed using inexpensive nitrogen gas instead of using helium gas.
  • the silicon oxide film F21 is provided avoiding the holding part 140, the frequency-temperature characteristics of the resonator 10 are compensated for without forming an intrusion path for helium gas between the silicon substrate L1 and the silicon substrate F2. can do.
  • the silicon oxide film F21 is provided avoiding the weight part G of the vibrating arm 135, when adjusting the frequency by causing the vibrating arm 135 to collide with the lower lid 20 by over-excitation and scraping it, the silicon oxide film F21 is attached to the silicon substrate L1. It collides with the silicon substrate F2. Silicon is more easily abraded by low-velocity collisions than silicon oxide. For this reason, when the cavity 21 is made shallow, compared to a configuration in which a silicon oxide film is provided at the tip region of the vibrating part, the dust generated by being scraped from the lower cover 20 is removed before the vibrating arm 135 is scraped and frequency adjustment is completed. can be reduced. Therefore, the height of the resonator 1 can be reduced.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a resonance device according to the second embodiment.
  • the formation region of the silicon oxide film F21 is different from the first embodiment.
  • the silicon oxide film F21 is provided on the lower surfaces of the holding arm 110, the base 130, and the arm H of the resonator 10
  • the resonant A silicon oxide film F21 is provided on the lower surface of the weight portion G of the child 10.
  • the resonator 10 has the silicon oxide film F21 provided on the entire surface of the vibrating section 120 on the side facing the silicon substrate L1.
  • the silicon oxide film F21 on the lower surfaces of the holding arm 110, the base 130, the weight part G, and the arm part H of the resonator 10, which have a large influence on the frequency-temperature characteristics of the resonator, the silicon oxide film Good frequency-temperature characteristics can be obtained by optimizing the thickness of F21.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a resonance device according to the third embodiment.
  • the third embodiment differs from the first embodiment in that the silicon oxide film F21 is not provided. That is, in this embodiment, the resonator 10 has a silicon substrate F2 provided on the surface facing the lower lid 20. Specifically, a silicon substrate F2 is provided as the outermost layer on the lower surface of the holding arm 110 and the vibrating section 120 of the resonator 10. According to this, it is not necessary to form the silicon oxide film F21, so that the manufacturing process can be simplified.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a resonance device according to the fourth embodiment.
  • the upper lid 30 includes a silicon nitride film F4 provided on at least one of the surface of the silicon substrate L3 facing the resonator 10 and the surface opposite to the surface. Since the silicon nitride film F4 is provided instead of the silicon oxide film L31 in this way, it is possible to suppress helium gas from entering the vibration space from the outside via the silicon oxide film L31 provided on the upper or lower surface of the upper lid 30. be able to. Therefore, helium leak can be suppressed even more effectively.
  • the silicon nitride film F4 is formed on the wafer surface, formation defects can be easily screened out by visual inspection, and a resonator with helium leak resistance can be provided without the need for conventional high-cost screening inspections. I can do it.
  • the silicon nitride film F4 is formed on both the upper and lower surfaces of the upper lid 30, but the silicon nitride film F4 is not limited to this, and may be formed on at least one of the upper and lower surfaces.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a resonance device according to the fifth embodiment.
  • the aspect of the joint portion 60 is different from the first embodiment.
  • the bonding portion 60 includes a silicon oxide film 61a provided on the side of the MEMS substrate 50, a second metal film 62a covering the sidewall of the silicon oxide film 61a, and a second metal film 62a. and a second metal film 63 laminated thereon. Since the side wall of the silicon oxide film 61a is covered with the second metal film 62a in this manner, it is possible to more effectively suppress helium gas from entering the vibration space from the outside.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a resonance device according to the sixth embodiment.
  • the aspect of the joint portion 60 is different from the first embodiment and the fifth embodiment.
  • the bonding portion 60 includes a silicon nitride film 61b provided on the side of the MEMS substrate 50, a first metal film 62 laminated on the silicon nitride film 61b, and a first metal film 61b provided on the side of the MEMS substrate 50. 62 and a second metal film 63 laminated thereon.
  • the first metal film 62 and the second metal film 63 are provided between the resonator 10 and the upper lid 30.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a resonance device according to the seventh embodiment.
  • the seventh embodiment differs from the first embodiment in that a silicon oxide film F22 is provided on the silicon substrate L1. Specifically, in this embodiment, a silicon oxide film F22 is provided on the bottom surface of the bottom plate 22 of the silicon substrate L1. According to this, cutting waste generated from the lower lid 20 side during overexcitation machining in the frequency adjustment process can be suppressed.
  • a first substrate including a first silicon substrate and a resonator, a second substrate disposed on a side of the first substrate on which the resonator is provided, and a vibration space of the resonator are sealed.
  • the resonator has a silicon film provided on a surface facing the first silicon substrate, the silicon film comprising: A resonant device is provided that is directly bonded to a first silicon substrate in an entire circumferential region surrounding a vibration space in a plan view of the first substrate.
  • a cavity that constitutes a vibration space is formed in the first silicon substrate, and the resonator is provided around a vibrating part located inside the vibration space and the vibrating part in a plan view of the first substrate.
  • the holding part may include a holding part and a holding arm connecting the holding part and the vibrating part.
  • the silicon film may be provided on the entire surface of the vibrating section on the side facing the first silicon substrate.
  • the resonator may include a silicon oxide film provided on the surface of the vibrating section facing the first silicon substrate.
  • the vibrating unit includes a base connected to the holding arm and a plurality of vibrating arms connected to the base, and the silicon oxide film is connected to the base of the plurality of vibrating arms in a plan view of the first substrate. may be provided avoiding the opposite tip region.
  • the second substrate includes a second silicon substrate and a silicon nitride film provided on at least one of a surface of the second silicon substrate facing the resonator and a surface opposite to the surface. May include.
  • the bonding portion may include a silicon oxide film provided on the first substrate side and a metal film covering a sidewall of the silicon oxide film.
  • the bonding portion may include a silicon nitride film provided on the first substrate side and a metal film provided between the silicon nitride film and the second substrate.
  • a silicon oxide film may be provided on the bottom surface of the cavity of the first silicon substrate.
  • the first silicon substrate and the resonator are bonded to form the first substrate, and the first substrate and the second substrate are bonded to each other so as to seal the vibration space of the resonator.
  • the resonator includes a silicon film provided on a surface facing the first silicon substrate, and the silicon film covers the entire periphery surrounding the vibration space in a plan view of the first substrate.
  • a method of manufacturing a resonant device is provided, wherein forming a first substrate includes directly bonding a silicon film and a first silicon substrate.
  • the method may further include, after the first substrate and the second substrate are bonded, applying a voltage to the resonator to cause the resonator and the first substrate to collide with each other to adjust the frequency.
  • the resonator may be a piezoelectric vibrating element using, for example, a spreading vibration mode, a thickness longitudinal vibration mode, a Lamb wave vibration mode, an in-plane bending vibration mode, or a surface wave vibration mode.
  • the resonator may be an electrostatic MEMS element, an electromagnetically driven MEMS element, or a piezoresistive MEMS element.
  • Embodiments of the present invention are applicable to devices that utilize the frequency characteristics of a vibrator, such as a timing device, an RF filter, a duplexer, an ultrasonic transducer, a sound generator, an oscillator, a gyro sensor, an acceleration sensor, and a load sensor. If so, it can be applied as appropriate without particular limitation.
  • a vibrator such as a timing device, an RF filter, a duplexer, an ultrasonic transducer, a sound generator, an oscillator, a gyro sensor, an acceleration sensor, and a load sensor. If so, it can be applied as appropriate without particular limitation.
  • Resonator device 10 for Resonator 20
  • Lower cover 30 for Upper cover 50
  • MEMS board 110 for Holding arm 120
  • Vibrating part 130 for Base 140
  • Holding part G for Weight part H
  • Arm part F2 L1
  • Silicon substrate F21 for silicon oxide film

Landscapes

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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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  • Acoustics & Sound (AREA)
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  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

共振装置（１）は、第１シリコン基板（２０）及び共振子（１０）を含む第１基板（５０）と、第１基板（５０）における共振子（１０）が設けられた側に配置された第２基板（３０）と、共振子（１０）の振動空間を封止するように第１基板（５０）と第２基板（３０）とを接合する接合部（６０）とを備え、共振子（１０）は、第１シリコン基板（２０）に対向する側の面に設けられたシリコン膜（Ｆ２）を有し、シリコン膜（Ｆ２）は、第１基板の平面視における振動空間を囲む全周領域において第１シリコン基板（２０）と直接接合される。

Description

共振装置及び共振装置の製造方法
　本発明は、共振装置及び共振装置の製造方法に関する。
　従来、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて製造された共振装置が普及している。このデバイスは、例えば共振子を有する第１基板に、第２基板を接合して形成される。
米国特許第１０８００６５０号明細書
　例えば、特許文献１には、シリコンハンドルウェハと、シリコンハンドルウェハの上に設けられたボトムシリコン酸化物と、ボトムシリコン酸化物の上に設けられたシリコンデバイス層と、シリコンデバイス層の上に設けられたミドルシリコン酸化物と、ミドルシリコン酸化物の上に設けられたリッド層シリコンと、ボトムシリコン酸化物を侵入経路とする水素及びヘリウムを遮断する第１のバリアと、ミドルシリコン酸化物を侵入経路とする水素及びヘリウムを遮断する第２のバリアとを備え、第１のバリアはボトムシリコン酸化物を貫通し、第２のバリアはミドルシリコン酸化物を貫通し、第１及び第２のバリアは、シリコンデバイス層に形成されたＭＥＭＳキャビティを囲むように形成された、ＭＥＭＳが開示されている。
　しかしながら、特許文献１のようにシリコン酸化物を貫通するバリアによってヘリウムの侵入経路を遮断する場合、バリアの形成不良によってヘリウムの侵入を充分に遮断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、ヘリウムガス侵入の抑制を図ることができる共振装置及び共振装置の製造方法を提供することである。
　本発明の一態様に係る共振装置は、第１シリコン基板及び共振子を含む第１基板と、第１基板における共振子が設けられた側に配置された第２基板と、共振子の振動空間を封止するように第１基板と第２基板とを接合する接合部とを備え、共振子は、第１シリコン基板に対向する側の面に設けられたシリコン膜を有し、シリコン膜は、第１基板の平面視における振動空間を囲む全周領域において第１シリコン基板と直接接合される。
　本発明の他の一態様に係る共振装置製造方法は、第１シリコン基板と共振子とを接合して第１基板を形成することと、共振子の振動空間を封止するように前記第１基板と前記第２基板とを接合することとを含み、共振子は、第１シリコン基板に対向する側の面に設けられたシリコン膜を有し、シリコン膜は、第１基板の平面視における振動空間を囲む全周領域に設けられ、第１基板を形成することは、シリコン膜と第１シリコン基板とを直接接合することを含む。
　本発明によれば、ヘリウムガス侵入の抑制を図ることができる共振装置及び共振装置の製造方法を提供することができる。
第１実施形態に係る共振装置の構成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成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装置の構造を概略的に示す平面図である。 第１実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る共振装置の製造方法を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す断面図である。 第３実施形態に係る共振装置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構造を概略的に示す断面図である。 第５実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す断面図である。 第６実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す断面図である。 第７実施形態に係る共振装置の構造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。本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。
　＜第１実施形態＞
　図１、図２及び図３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、本実施形態に係る共振装置の構成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子の構造を概略的に示す分解斜視図である。図３は、第１実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す平面図である。
　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。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。また、便宜的に、Ｚ軸正方向（Ｚ軸の矢印の向き）を「上」、Ｚ軸負方向（Ｚ軸の矢印の向きとは反対方向）を「下」とする。Ｘ軸及びＹ軸によって規定される平面をＸＹ面とし、ＹＺ面及びＺＸ面についても同様とする。
　共振装置１は、下蓋２０と、共振子１０（以下、下蓋２０と共振子１０とを合わせて「ＭＥＭＳ基板５０」ともいう。）と、上蓋３０と、接合部６０とを備えている。ＭＥＭＳ基板５０と、接合部６０と、上蓋３０とが、この順で積層されて構成されている。共振子１０と下蓋２０とは直接接合され、共振子１０と上蓋３０とは接合部６０によって接合されている。ＭＥＭＳ基板５０は本発明の「第１基板」の一例に相当し、上蓋３０は本発明の「第２基板」の一例に相当する。
　以下において、共振装置１の各構成について説明する。なお、以下の説明では、共振装置１のうち上蓋３０が設けられている側を上（又は表）、下蓋２０が設けられている側を下（又は裏）、として説明する。
　共振子１０は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造される圧電振動素子である。共振子１０は、面外屈曲振動モードで振動する。共振子１０の周波数帯は、例えば、１ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下である。
　共振子１０は、保持腕１１０と、振動部１２０と、保持部１４０とを備えている。共振子１０は、例えば、ＹＺ面と平行な仮想平面Ｐに対して略面対称に形成されている。具体的には、保持腕１１０、振動部１２０及び保持部１４０のそれぞれは、仮想平面Ｐに対して略面対称に形成されている。
　保持腕１１０は、振動部１２０と保持部１４０とを接続し、振動部１２０を振動可能に保持する。保持腕１１０は、ＸＹ平面を平面視（以下、単に「平面視」とする。）したとき、振動部１２０と保持部１４０との間に設けられている。保持腕１１０はＹ軸方向に延在する１本の腕部からなり、保持腕１１０の一端は後述する基部１３０の後端部１３１Ｂに接続し、保持腕１１０の他端は後述する保持部１４０の後枠１４１Ｂに接続している。平面視したとき、保持腕１１０のＸ軸方向に沿った寸法は、基部１３０のＸ軸方向に沿った寸法よりも小さい。
　なお、保持腕１１０の形状は上記に限定されるものではない。例えば、保持腕１１０は、屈曲してもよく、２本以上の腕部からなってもよい。保持腕１１０の一端は後述する基部１３０の左端部１３１Ｃ又は右端部１３１Ｄに接続されてもよく、保持腕１１０他端は後述する保持部１４０の前枠１４１Ａ、左枠１４１Ｃ又は右枠１４１Ｄに接続されてもよい。
　振動部１２０は、下蓋２０と上蓋３０との間に設けられた振動空間において振動可能に保持されている。平面視したとき、振動部１２０は保持部１４０の内側に設けられている。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。振動部１２０は非振動時（電圧が印加されていない状態）にＸＹ面に沿って延在し、振動時（電圧が印加された状態）にはＺ軸方向に屈曲振動する。すなわち、振動部１２０の主要振動は、面外屈曲振動モードである。
　振動部１２０は、基部１３０と、４本の振動腕１３５Ａ、１３５Ｂ，１３５Ｃ，１３５Ｄ（以下、まとめて「振動腕１３５」ともいう）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、振動部１２０と基部１３０とは、一体に形成されている。
　基部１３０は、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。前端部１３１Ａは、振動腕１３５Ａ～１３５Ｄ側においてＸ軸方向に延びる端部である。後端部１３１Ｂは、振動腕１３５Ａ～１３５Ｄ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は、振動腕１３５Ｄから視て振動腕１３５Ａ側においてＹ軸方向に延びる端部である。右端部１３１Ｄは、振動腕１３５Ａから視て振動腕１３５Ｄ側においてＹ軸方向に延びる端部である。前端部１３１Ａには振動腕１３５Ａ～１３５Ｄが接続されている。
　基部１３０の平面視したときの形状は、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。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仮想平面Ｐが規定されている。基部１３０は仮想平面Ｐに対して略面対称な構造であれば上記に限定されるものではなく、例えば、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つが屈曲してもよい。
　前端部１３１Ａと後端部１３１Ｂとの間のＹ軸方向における最大距離である基部長は一例として３５μｍ程度である。また、左端部１３１Ｃと右端部１３１Ｄとの間のＸ軸方向における最大距離である基部幅は一例として２６５μｍ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の幅に相当する。
　振動腕１３５Ａ～１３５Ｄは、それぞれＹ軸方向に延びており、この順でＸ軸方向に所定の間隔で並んでいる。振動腕１３５Ａ～１３５Ｄは、基部１３０の前端部１３１Ａに接続された固定端と、基部１３０から最も離れた開放端とを有している。振動腕１３５Ａ～１３５Ｄのそれぞれは、振動部１２０において変位が相対的に大きい開放端の側に設けられた錘部Ｇと、基部１３０と錘部Ｇとを繋ぐ腕部Ｈとを有している。振動腕１３５Ｂと振動腕１３５Ｃとの間に仮想平面Ｐが位置している。
　４本の振動腕１３５Ａ～１３５Ｄのうち、振動腕１３５Ａ及び１３５ＤはＸ軸方向における外側に配置された外側振動腕であり、振動腕１３５Ｂ及び１３５ＣはＸ軸方向における内側に配置された内側振動腕である。仮想平面Ｐに対して、内側振動腕１３５Ｂと内側振動腕１１３５Ｃとは互いに対称な構造であり、外側振動腕１３５Ａと外側振動腕１３５Ｄとは互いに対称な構造である。
　振動腕１３５Ａ～１３５Ｄのそれぞれの形状及びサイズは、略同一である。振動腕１３５Ａ～１３５ＤのそれぞれのＹ軸方向における長さは、例えば４５０μｍ程度である。例えば、腕部ＨのＹ軸方向における長さは３００μｍ程度であり、腕部ＨのＸ軸方向における幅は５０μｍ程度である。例えば、錘部ＧのＹ軸方向における長さは１５０μｍ程度であり、錘部ＧのＸ軸方向における幅は７０μｍ程度である。錘部Ｇが形成されることで、振動腕１３５の単位長さ当たりの重さは、固定端側よりも開放端側の方で重くなっている。したがって、振動腕１３５のそれぞれが開放端側に錘部Ｇを有することで、振動腕１３５における上下方向の振動の振幅を大きくすることができる。
　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１２０を保持するための部分である。保持部１４０は、例えば、平面視において振動部１２０を枠状に囲んでいる。図３に示す例において、保持部１４０は、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１２０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から視て振動腕１３５側においてＸ軸方向に延びる部分である。後枠１４１Ｂは、振動腕１３５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１３５Ｄから視て振動腕１３５Ａ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１３５Ａから視て振動腕１３５Ｄ側においてＹ軸方向に延びる部分である。前枠１４１Ａ及び後枠１４１Ｂのそれぞれは、仮想平面Ｐによって二等分される。
　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とは、振動部１２０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１２０を挟んでＸ軸方向において互いに対向している。
　下蓋２０は、共振子１０の振動部１２０を囲むパッケージ構造の一部である。下蓋２０は共振子１０の下面に直接接合される。下蓋２０は、ＸＹ面に沿って延在する主面を有する矩形平板状の底板２２と、底板２２の周縁部から上蓋３０に向かって延びる側壁２３とを有する。側壁２３は、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１２０と対向する側において、底板２２と側壁２３とによって囲まれたキャビティ２１が形成されている。キャビティ２１は、上向きに開口する直方体状の開口部である。
　上蓋３０は、共振子１０の振動部１２０を囲むパッケージ構造の一部である。上蓋３０は共振子１０の上面に接合部６０を介して接合される。上蓋３０は、ＸＹ平面に沿って延在する主面を有する矩形平板状の底板３２と、底板３２の周縁部から下蓋２０に向かって延びる側壁３３とを有している。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１２０と対向する側において、底板３２と側壁３３とによって囲まれたキャビティ３１が形成されている。キャビティ３１は、下向きに開口する直方体状の開口部である。キャビティ２１とキャビティ３１とは、共振子１０の振動部１２０を挟んで対向し、パッケージ構造の振動空間を形成している。
　接合部６０は、ＭＥＭＳ基板５０と上蓋３０とを接合し、下蓋２０と上蓋３０の間に形成される振動空間を気密に封止する。接合部６０は、共振子１０の保持部１４０と上蓋３０の側壁３３との間に設けられている。平面視したとき、接合部６０は、共振子１０の振動部１２０を囲む枠状に設けられている。
　次に、図４を参照しつつ、本発明の一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、第１実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す断面図である。同図は、図１から図３に示した共振装置１のＩＶ－ＩＶ線に沿った断面の構成を概略的に示す断面図である。
　共振子１０は、下蓋２０と上蓋３０との間に保持されている。共振子１０、下蓋２０及び上蓋３０は、それぞれ、シリコン（Ｓｉ）基板を用いて形成されている。
　共振子１０の保持腕１１０、振動部１２０及び保持部１４０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、シリコン酸化膜Ｆ２１と、シリコン基板Ｆ２と、絶縁膜Ｆ３１と、金属膜Ｅ２と、圧電膜Ｆ３と、金属膜Ｅ１と、保護膜２３５と、周波数調整膜２３６と、寄生容量低減膜２４０とを有している。共振子１０は、シリコン基板Ｆ２、金属膜Ｅ２、圧電膜Ｆ３、金属膜Ｅ１、保護膜２３５などからなる積層体の除去加工によるパターニングによって形成される。当該除去加工は、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。
　シリコン酸化膜Ｆ２１は、共振子１０の下蓋２０に対向する側に設けられている。シリコン酸化膜Ｆ２１は、振動部１２０における基部１３０及び腕部Ｈに設けられ、保持腕１１０にも設けられている。シリコン酸化膜Ｆ２１は、振動部１２０における錘部Ｇから離間し、保持部１４０からも離間している。平面視したとき、シリコン酸化膜Ｆ２１は、保持部１４０に囲まれた領域であって、錘部Ｇの外側に設けられている。シリコン酸化膜Ｆ２１は、シリコン基板Ｆ２の下面のうち、Ｚ方向において下蓋２０のキャビティ２１に対向する領域において、先端領域の一例に当たる錘部Ｇを避けて設けられている。シリコン酸化膜Ｆ２１は、例えばＳｉＯ２などを含む酸化シリコンによって形成されている。シリコン酸化膜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温度特性補正層として機能する。
　なお、シリコン酸化膜Ｆ２１は、少なくとも振動部１２０の腕部Ｈに設けられれば、保持腕１１０や基部１３０を避けて設けられてもよい。但し、シリコン酸化膜Ｆ２１は、振動部１２０の腕部Ｈに加えて基部１３０にも設けられることが望ましく、保持腕１１０にも設けられることがさらに望ましい。
　シリコン基板Ｆ２は、共振子１０における、下蓋２０のシリコン基板Ｌ１に対向する側に設けられている。シリコン基板Ｆ２は、平面視したときに共振子１０の全面にわたって設けられている。すなわち、シリコン基板Ｆ２は、保持腕１１０、振動部１２０の基部１３０及び振動腕１３５、並びに保持部１４０に設けられている。シリコン基板Ｆ２は、例えば、ｎ型ドーパントとしてリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）又はアンチモン（Ｓｂ）等を含む、縮退したｎ型シリコン（Ｓｉ）半導体によって形成されている。シリコン基板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、より望ましくは１．２ｍΩ・ｃｍ以下である。シリコン基板Ｆ２の厚みは、例えば６μｍ程度である。シリコン基板Ｆ２は、例えば単結晶シリコンであるが、多結晶シリコンやアモルファスシリコンであってもよい。シリコン基板Ｆ２は、本発明に係る「シリコン膜」の一例に相当する。
　絶縁膜Ｆ３１はシリコン基板Ｆ２の上に積層され、金属膜Ｅ２は絶縁膜Ｆ３１の上に積層され、圧電膜Ｆ３は金属膜Ｅ２の上に積層され、金属膜Ｅ１は圧電膜Ｆ３の上に積層されている。
　絶縁膜Ｆ３１は、シリコン基板Ｆ２と金属膜Ｅ２とを絶縁する。絶縁膜Ｆ３１は、例えば圧電膜Ｆ３と同じ材料によって形成される。
　金属膜Ｅ２及びＥ１は、それぞれ、振動腕１３５Ａ～１３５Ｄを励振する励振電極として機能する部分と、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して機能する部分とを有している。金属膜Ｅ２及びＥ１のそれぞれにおいて励振電極として機能する部分は、振動腕１３５Ａ～１３５Ｄの腕部Ｈにおいて、圧電膜Ｆ３を挟んで互いに対向している。金属膜Ｅ２及びＥ１の引出電極として機能する部分は、例えば、保持腕１１０を経由し、基部１３０から保持部１４０に導出されている。金属膜Ｅ２は、共振子１０全体に亘って電気的に連続している。金属膜Ｅ１は、外側振動腕１３５Ａ及び１３５Ｄに形成された部分と、内側振動腕１３５Ｂ及び１３５Ｃに形成された部分とで電気的に離れている。金属膜Ｅ２は下部電極に相当し、金属膜Ｅ１は上部電極に相当する。金属膜Ｅ２及びＥ１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Ｅ２及びＥ１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及び引出電極等にパターニングされる。金属膜Ｅ２及びＥ１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Ｅ２及びＥ１は、Ｍｏ（モリブデン）、タングステン（Ｗ）等によって形成される。
　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によって形成された薄膜である。圧電膜Ｆ３は、金属膜Ｅ２及びＥ１によって印加される電場に応じて、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１３５は屈曲し、下蓋２０の底板２２又は上蓋３０の底板３２に向かってその開放端を変位させる。外側振動腕１３５Ａ，１３５Ｄの上部電極と、内側振動腕１３５Ｂ，１３５Ｃの上部電極とには、互いに逆位相の交番電圧が印加される。これにより、外側振動腕１３５Ａ，１３５Ｄと内側振動腕１３５Ｂ，１３５Ｃとは、逆位相に振動する。例えば、外側振動腕１３５Ａ，１３５Ｄの開放端が下蓋２０に向かって変位するとき、内側振動腕１３５Ｂ，１３５Ｃの開放端は上蓋３０に向かって変位する。このような逆位相の振動により、振動部１２０には、Ｙ軸方向に延在する回転軸を中心とした捩れモーメントが発生する。基部１３０は、この捩れモーメントにより屈曲し、左端部１３１Ｃ及び右端部１３１Ｄが下蓋２０又は上蓋３０に向かって変位する。
　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）等の２元素で置換されてもよい。圧電膜Ｆ３の厚みは、例えば１μｍ程度であるが、０．２μｍ以上２μｍ以下程度であってもよい。
　保護膜２３５は、金属膜Ｅ１の上に積層されている。保護膜２３５は、例えば金属膜Ｅ１を酸化から保護する。保護膜２３５の材質は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）又はシリコン（Ｓｉ）を含む酸化物、窒化物又は酸窒化物である。
　周波数調整膜２３６は、錘部Ｇにおいて、保護膜Ｆ５の上に積層されている。周波数調整膜２３６は、エッチングされることで共振子１０の周波数調整を調整する。周波数調整膜２３６は、エッチングによる質量低減速度が保護膜Ｆ５よりも速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２３５と周波数調整膜２３６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、周波数調整膜２３６は、錘部Ｇの単位長さ当たりの重さを増大させる質量付加膜としても機能する。質量付加膜としての観点から、周波数調整膜２３６は、比重の大きい材料によって形成されるのが望ましい。上記２つの観点から、周波数調整膜２３６の材質は、望ましくは、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）又はチタン（Ｔｉ）などの金属材料である。
　寄生容量低減膜２４０は、保持部１４０において、保護膜Ｆ５の上に積層されている。寄生容量低減膜２４０は、共振子１０の内部配線間に形成される寄生容量を低減する。また、寄生容量低減膜２４０は、異なる電位の配線がクロスする際の絶縁層としての機能と、振動空間を広げるためのスタンドオフとしての機能とを有する。寄生容量低減膜２４０は、例えばオルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）によって形成される。寄生容量低減膜２４０の厚さは、例えば１μｍ程度である。
　保持部１４０の寄生容量低減膜２４０の上には、コンタクト電極７６Ａ，７６Ｂが設けられている。コンタクト電極７６Ａは、保護膜２３５及び寄生容量低減膜２４０を貫通する貫通電極Ｖ１を通して、金属膜Ｅ１と電気的に接続されている。コンタクト電極７６Ｂは、圧電膜Ｆ３、保護膜２３５及び寄生容量低減膜２４０を貫通する貫通電極Ｖ２を通して、金属膜Ｅ２と電気的に接続されている。コンタクト電極７６Ａ，７６Ｂは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、金（Ａｕ）又は錫（Ｓｎ）等の金属材料によって形成される。
　下蓋２０の底板２２及び側壁２３は、シリコン基板Ｌ１により一体的に形成されている。シリコン基板Ｌ１は、縮退していないシリコン半導体によって形成されており、その抵抗率は例えば１０Ω・ｃｍ以上である。シリコン基板Ｌ１の最大厚みは、シリコン基板Ｆ２の厚みよりも大きく、例えば１５０μｍ程度である。キャビティ２１の深さは例えば５０μｍ程度である。シリコン基板Ｌ１は、本発明に係る「第１シリコン基板」の一例に相当する。
　シリコン基板Ｌ１は、下蓋２０の表面を形成している。したがって、下蓋２０の側壁２３と共振子１０の保持部１４０との接合部において、下蓋２０のシリコン基板Ｌ１と共振子１０のシリコン基板Ｆ２とが接触している。すなわち、シリコン基板Ｌ１とシリコン基板Ｆ２とは、平面視における共振子１０の振動空間を囲む全周領域において直接接合されている。
　上蓋３０の底板３２及び側壁３３は、シリコン基板Ｌ３により、一体的に形成されている。シリコン基板Ｌ３の表面には、シリコン酸化膜Ｌ３１が設けられている。具体的には、シリコン基板Ｌ３と後述する貫通電極Ｖ３１，Ｖ３２との間の領域、シリコン基板Ｌ３と後述する接続配線７０Ａ，７０Ｂとの間の領域、及び、シリコン基板Ｌ３と後述する端子Ｔ４１，Ｔ４２との間の領域に設けられている。シリコン酸化膜Ｌ３１は、シリコン基板Ｌ３を介した電極等の短絡を阻害する。なお、シリコン基板Ｌ３の表面のうちキャビティ３１の内壁には短絡の原因となる電極等が設けられていないため、キャビティ３１の内壁においてシリコン基板Ｌ３が露出してもよい。シリコン酸化膜Ｌ３１は、例えばシリコン基板Ｌ３の熱酸化や、化学気相成長（ＣＶＤ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって形成される。例えば、上蓋３０の厚みは１５０μｍ程度であり、キャビティ３１の深さは５０μｍ程度である。シリコン基板Ｌ３は、本発明に係る「第２シリコン基板」の一例に相当する。
　上蓋３０の底板３２の下面には、金属膜３４が備えられている。金属膜３４は、キャビティ２１及び３１によって構成される振動空間のガスを吸蔵して真空度を向上させるゲッターであり、例えば水素ガスを吸蔵する。金属膜３４は、例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）又はこれらのうち少なくとも１つを含む合金を含んでいる。金属膜３４は、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。
　上蓋３０には、貫通電極Ｖ３１、Ｖ３２が設けられている。貫通電極Ｖ３１，Ｖ３２は、側壁３３をＺ軸方向に貫通する貫通孔の内部に設けられている。貫通電極Ｖ３１，Ｖ３２は、シリコン酸化膜Ｌ３１に囲まれ、互いに絶縁されている。貫通電極Ｖ３１，Ｖ３２は、例えば、貫通孔に多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ－Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）又は金（Ａｕ）などを充填して形成されている。
　上蓋３０の下面には接続配線７０Ａ，７０Ｂが設けられ、上蓋３０の上面には端子Ｔ４１，Ｔ４２が設けられている。接続配線７０Ａは貫通電極Ｖ３１の下端部に接続し、端子Ｔ４１は貫通電極Ｖ３１の上端部に接続している。接続配線７０Ｂは貫通電極Ｖ３２の下端部に接続し、端子Ｔ４２は貫通電極Ｖ３２の上端部に接続している。接続配線７０Ａは貫通電極Ｖ３１とコンタクト電極７６Ａとを電気的に接続する接続端子であり、端子Ｔ４１は外側振動腕１３５Ａ及び１３５Ｄの金属膜Ｅ１を外部電源に電気的に接続させる実装端子である。接続配線７０Ｂは貫通電極Ｖ３２とコンタクト電極７６Ｂとを電気的に接続する接続端子であり、端子Ｔ４２は金属膜Ｅ２を接地させる実装端子である。接続配線７０Ｂは貫通電極Ｖ３２とコンタクト電極７６Ｂとを電気的に接続する接続端子であり、端子Ｔ４２は外側振動腕１３５Ａ及び１３５Ｄ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。なお、図示を省略しているが、上蓋３０には内側振動腕１３５Ｂ及び１３５Ｃの金属膜Ｅ１に電気的に接続される貫通電極、接続配線及び端子がさらに設けられている。
　接続配線７０Ａ，７０Ｂを含む複数の接続配線は、シリコン酸化膜Ｌ３１によって互いに電気的に絶縁されている。端子Ｔ４１，Ｔ４２を含む複数の端子も、シリコン酸化膜Ｌ３１によって互いに電気的に絶縁されている。複数の接続配線及び複数の端子は、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、複数の端子には、寄生容量や機械的強度の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含まれてもよい。
　接合部６０は、上蓋３０の側壁３３と共振子１０の保持部１４０とを接合する。接合部６０は、例えば、シリコン酸化膜６１、第１金属膜６２及び第２金属膜６３を有している。第１金属膜６２及び第２金属膜６３が共晶接合することによって、ＭＥＭＳ基板５０と上蓋３０とが接合されている。
　次に、図５を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る共振装置１の製造方法について説明する。図５は、本発明の一実施形態に係る共振装置１の製造方法を示すフローチャートである。
　最初に、シリコン基板同士を直接接合する（Ｓ１０）。まず、２つの板状のシリコン基板Ｌ１，Ｆ２を準備する。次に、シリコン基板Ｌ１，Ｆ２のそれぞれの片面を鏡面研磨する。次に、シリコン基板Ｌ１の鏡面研磨した側にキャビティ２１を形成する。次に、純水などを用いて、シリコン基板Ｌ１，Ｆ２の鏡面の洗浄と親水化処理を行う。次に、親水化処理した鏡面同士を重ね合わせて、シリコン基板Ｌ１とシリコン基板Ｆ２とを加熱する。なお、シリコン基板Ｌ１の鏡面研磨は、キャビティ２１を形成した後に実施してもよい。　　　
　ここで、シリコン同士の直接接合は、シリコン酸化膜を介した接合よりも、接合面に高い平坦性が求められる。このため、ステップＳ１０における鏡面研磨工程では、例えば、２回以上の研磨工程を含んでもよい。シリコン基板Ｌ１，Ｆ２のそれぞれの鏡面の表面粗さＲａは、１ｎｍ以下であることが望ましく、０．５ｎｍ以下であることがさらに望ましく、０．３ｎｍ以下であることがさらに望ましい。
　次に、共振子１０を形成する（Ｓ２０）。シリコン基板Ｌ１に直接接合されたシリコン基板Ｌ１の上に、絶縁膜Ｆ３１、金属膜Ｅ２、圧電膜Ｆ３、金属膜Ｅ１、保護膜２３５、等を順に成膜し、エッチングによって共振子１０の振動部１２０、保持部１４０及び保持腕１１０をパターニングする。これにより、下蓋２０に接合された共振子１０が形成され、ＭＥＭＳ基板５０が用意される。
　次に、封止前の周波数調整を行う（Ｓ３０）。共振子１０の周波数をモニタしながら質量付加膜をトリミングし、共振子１０の周波数を調整する。
　次に、ＭＥＭＳ基板５０と上蓋３０とを接合する（Ｓ４０）。ＭＥＭＳ基板５０と上蓋３０とを、真空環境下で腕部Ｈによって接合する。
　次に、封止後の周波数調整を行う（Ｓ５０）。共振子１０の金属膜Ｅ１と金属膜Ｅ２との間に、共振装置１として通常使用する際に印加する電界よりも強い電界を印加し、共振子１０の振幅を大きくする（以下、「過励振」ともいう）。過励振された共振子１０の振動腕１３５の先端は下蓋２０の内壁に衝突し、振動腕１３５の先端部が削られる。これにより、振動腕１３５の質量変化によって共振子１０の周波数を調整する。
　以上説明した通り、シリコン基板Ｌ１とシリコン基板Ｆ２とは、平面視における共振子１０の振動空間を囲む全周領域において直接接合されている。
　これによれば、ヘリウムの侵入経路となる層間シリコン酸化膜を介さずにシリコン基板Ｌ１とシリコン基板Ｆ２とが直接接合されるため、シリコン基板Ｌ１とシリコン基板Ｆ２との間からヘリウムガスが侵入することを抑制できる。したがって、振動空間の真空度の低下が抑制され、信頼性が向上する。また、共振装置１はヘリウムガスと窒素ガスに対する気密性が同様であるため、ヘリウムガスを用いた気密性試験の代わりに、安価な窒素ガスを用いて試験することができる。このため、ヘリウムガスに対する気密性と窒素ガスに対する気密性が異なる構成、例えばシリコン基板同士の間に設けられた層間シリコン酸化膜を貫通する遮断部材によってヘリウムガスの侵入を遮断する構成における遮断部材の成形不良品、に比べて安価に気密性の不良品を選別することができる。
　また、シリコン酸化膜Ｆ２１が保持部１４０を避けて設けられているため、シリコン基板Ｌ１とシリコン基板Ｆ２との間にヘリウムガスの侵入経路を形成することなく、共振子１０の周波数温度特性を補償することができる。
　また、シリコン酸化膜Ｆ２１が振動腕１３５の錘部Ｇを避けて設けられているため、振動腕１３５を過励振により下蓋２０に衝突させて削ることで周波数を調整する際、シリコン基板Ｌ１とシリコン基板Ｆ２とが衝突する。シリコンはシリコン酸化物に比べて低速での衝突で削られ易い。このため、キャビティ２１を浅くした場合、振動部の先端領域にシリコン酸化膜を設ける構成に比べて、振動腕１３５が削られて周波数調整が完了するまでに下蓋２０から削られて生じる塵を低減することができる。したがって、共振装置１を低背化することができる。
　＜第２実施形態＞
　次に図６を参照しつつ、第２実施形態に係る共振装置２の構造について説明する。図６は、第２実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す断面図である。
　第２実施形態においては、シリコン酸化膜Ｆ２１の形成領域が第１実施形態と異なっている。具体的には、第１実施形態では、共振子１０の保持腕１１０、基部１３０及び腕部Ｈの下面にシリコン酸化膜Ｆ２１が設けられているのに対して、本実施形態では、さらに、共振子１０の錘部Ｇの下面にシリコン酸化膜Ｆ２１が設けられている。このように、共振子１０は、振動部１２０におけるシリコン基板Ｌ１に対向する側の全面に設けられたシリコン酸化膜Ｆ２１を有する。これによれば、振動子の周波数温度特性への影響が大きい共振子１０の保持腕１１０、基部１３０、錘部Ｇ及び腕部Ｈの下面にシリコン酸化膜Ｆ２１を形成することで、シリコン酸化膜Ｆ２１の厚みを最適化し良好な周波数温度特性を得ることができる。
　＜第３実施形態＞
　次に図７を参照しつつ、第３実施形態に係る共振装置３の構造について説明する。図７は、第３実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す断面図である。
　第３実施形態においては、シリコン酸化膜Ｆ２１が設けられていない点で、第１実施形態と異なっている。すなわち、本実施形態では、共振子１０は、下蓋２０に対向する側の面に設けられたシリコン基板Ｆ２を有する。具体的には、共振子１０の保持腕１１０及び振動部１２０の下面には、シリコン基板Ｆ２が最表層として設けられている。これによれば、シリコン酸化膜Ｆ２１の形成が不要となるため、製造工程を簡略化することができる。
　＜第４実施形態＞
　次に図８を参照しつつ、第４実施形態に係る共振装置４の構造について説明する。図８は、第４実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す断面図である。
　第４実施形態においては、上蓋３０の上面及び下面にシリコン酸化膜Ｌ３１が形成された第１実施形態と異なり、シリコン酸化膜Ｌ３１の代わりにシリコン窒化膜Ｆ４が形成されている。すなわち、本実施形態では、上蓋３０は、シリコン基板Ｌ３における共振子１０に対向する側の面及び当該面と反対の面のうち少なくとも一方の面に設けられたシリコン窒化膜Ｆ４を有する。このようにシリコン酸化膜Ｌ３１の代わりにシリコン窒化膜Ｆ４を設けるため、上蓋３０の上面又は下面に設けられたシリコン酸化膜Ｌ３１を経由して外部からヘリウムガスが振動空間に侵入することを抑制することができる。したがって、さらに効果的にヘリウムリークを抑制することができる。また、シリコン窒化膜Ｆ４はウエハ表面に形成されるため、外観検査にて形成不良を容易に選別でき、従来の高コストの選別検査をせずとも、ヘリウムリーク耐性をもつ共振子を提供することができる。なお、本実施形態では、上蓋３０の上面及び下面の両面にシリコン窒化膜Ｆ４が形成されているが、これに限定されるものではなく、上面と下面の少なくとも一方に形成されていればよい。
　＜第５実施形態＞
　次に図９を参照しつつ、第５実施形態に係る共振装置５の構造について説明する。図９は、第５実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す断面図である。
　第５実施形態においては、接合部６０の態様が第１実施形態と異なっている。具体的には、本実施形態では、接合部６０は、ＭＥＭＳ基板５０の側に設けられたシリコン酸化膜６１ａと、シリコン酸化膜６１ａの側壁を覆う第２金属膜６２ａと、第２金属膜６２ａに積層された第２金属膜６３とを有する。このように第２金属膜６２ａによってシリコン酸化膜６１ａの側壁が覆われているので、ヘリウムガスが外部から振動空間に侵入することをより効果的に抑制することができる。
　＜第６実施形態＞
　次に図１０を参照しつつ、第６実施形態に係る共振装置６の構造について説明する。図１０は、第６実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す断面図である。
　第６実施形態においては、接合部６０の態様が第１実施形態及び第５実施形態と異なっている。具体的には、本実施形態では、接合部６０は、ＭＥＭＳ基板５０の側に設けられたシリコン窒化膜６１ｂと、シリコン窒化膜６１ｂ上に積層された第１金属膜６２と、第１金属膜６２上に積層された第２金属膜６３とを有する。第１金属膜６２及び第２金属膜６３は、共振子１０と上蓋３０との間に設けられている。このように、接合部６０において、シリコン酸化膜に代えてシリコン窒化膜６１ｂを採用することにより、ヘリウムガスが外部から振動空間に侵入することをより効果的に抑制することができる。
　＜第７実施形態＞
　次に図１１を参照しつつ、第７実施形態に係る共振装置７の構造について説明する。図１１は、第７実施形態に係る共振装置の構造を概略的に示す断面図である。
　第７実施形態においては、シリコン基板Ｌ１にシリコン酸化膜Ｆ２２が設けられている点が第１実施形態と異なっている。具体的には、本実施形態では、シリコン基板Ｌ１の底板２２の底面にシリコン酸化膜Ｆ２２が設けられている。これによれば、周波数調整工程における過励振加工で下蓋２０側から発生する切削くずを抑制することができる。
　以下に、本発明の実施形態の一部又は全部を付記する。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、第１シリコン基板及び共振子を含む第１基板と、第１基板における共振子が設けられた側に配置された第２基板と、共振子の振動空間を封止するように第１基板と前記第２基板とを接合する接合部とを備え、共振子は、第１シリコン基板に対向する側の面に設けられたシリコン膜を有し、シリコン膜は、第１基板の平面視における振動空間を囲む全周領域において第１シリコン基板と直接接合された、共振装置が提供される。
　一態様として、第1シリコン基板には、振動空間を構成するキャビティが形成され、共振子は、振動空間の内部に位置する振動部と、第１基板の平面視における振動部の周囲に設けられた保持部と、保持部と振動部とを接続する保持腕とを含んでもよい。
　一態様として、シリコン膜は、振動部における第１シリコン基板に対向する側の全面に設けられてもよい。
　一態様として、共振子は、振動部における第１シリコン基板に対向する側の面に設けられたシリコン酸化膜を有してもよい。
　一態様として、振動部は、保持腕に接続された基部と、基部に接続された複数の振動腕とを含み、シリコン酸化膜は、第１基板の平面視において、複数の振動腕における基部とは反対の先端領域を避けて設けられてもよい。
　一態様として、第２基板は、第２シリコン基板と、第２シリコン基板における共振子に対向する側の面及び当該面と反対の面のうち少なくとも一方の面に設けられたシリコン窒化膜とを含んでもよい。
　一態様として、接合部は、第１基板の側に設けられたシリコン酸化膜と、シリコン酸化膜の側壁を覆う金属膜とを含んでもよい。
　一態様として、接合部は、第１基板の側に設けられたシリコン窒化膜と、シリコン窒化膜と第２基板との間に設けられた金属膜とを含んでもよい。
　一態様として、第１シリコン基板のキャビティの底面にシリコン酸化膜が設けられてもよい。
　本発明の他の一態様によれば、第１シリコン基板と共振子とを接合して第１基板を形成することと、共振子の振動空間を封止するように第１基板と第２基板とを接合することとを含み、共振子は、第１シリコン基板に対向する側の面に設けられたシリコン膜を有し、シリコン膜は、第１基板の平面視における振動空間を囲む全周領域に設けられ、第１基板を形成することは、シリコン膜と第１シリコン基板とを直接接合することを含む、共振装置の製造方法が提供される。
　一態様として、第１基板と第２基板とを接合した後、共振子に電圧を印加することによって共振子と第１基板とを衝突させて周波数調整することをさらに含んでもよい。
　なお、本発明の一実施形態に係る共振子として、面外屈曲振動モードを用いた共振子を例に挙げて説明したが、本発明に係る共振子はこれに限定されるものではない。共振子は、例えば、広がり振動モード、厚み縦振動モード、ラム波振動モード、面内屈曲振動モード、表面波振動モードを用いる圧電振動素子であってもよい。さらに、共振子は、静電ＭＥＭＳ素子、電磁駆動ＭＥＭＳ素子、ピエゾ抵抗ＭＥＭＳ素子であってもよい。
　本発明に係る実施形態は、例えば、タイミングデバイス、ＲＦフィルタ、デュプレクサ、超音波トランスデューサー、発音器、発振器、ジャイロセンサ、加速度センサ、荷重センサ等、振動子の周波数特性を利用するデバイスに対してであれば、特に限定されることなく適宜適用可能である。
　以上説明したように、本発明の一態様によれば、ヘリウムガス侵入の抑制を図ることができる共振装置及び共振装置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。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　５０…ＭＥＭＳ基板　１１０…保持腕　１２０…振動部　１３０…基部　１４０…保持部　Ｇ…錘部　Ｈ…腕部　Ｆ２，Ｌ１…シリコン基板　Ｆ２１…シリコン酸化膜
 

Claims (11)

  1. 　第１シリコン基板及び共振子を含む第１基板と、
    　前記第１基板における前記共振子が設けられた側に配置された第２基板と、
    　前記共振子の振動空間を封止するように前記第１基板と前記第２基板とを接合する接合部と
    を備え、
    　前記共振子は、前記第１シリコン基板に対向する側の面に設けられたシリコン膜を有し、
    　前記シリコン膜は、前記第１基板の平面視における前記振動空間を囲む全周領域において前記第１シリコン基板と直接接合された、共振装置。
  2. 　前記第１シリコン基板には、前記振動空間を構成するキャビティが形成され、
    　前記共振子は、前記振動空間の内部に位置する振動部と、前記第１基板の平面視における前記振動部の周囲に設けられた保持部と、前記保持部と前記振動部とを接続する保持腕とを含む、請求項１に記載の共振装置。
  3. 　前記シリコン膜は、前記振動部における前記第１シリコン基板に対向する側の全面に設けられた、請求項２に記載の共振装置。
  4. 　前記共振子は、前記振動部における前記第１シリコン基板に対向する側の面に設けられたシリコン酸化膜を有する、請求項２に記載の共振装置。
  5. 　前記振動部は、前記保持腕に接続された基部と、前記基部に接続された複数の振動腕とを含み、
    　前記シリコン酸化膜は、前記第１基板の平面視において、前記複数の振動腕における前記基部とは反対の先端領域を避けて設けられた、請求項４に記載の共振装置。
  6. 　前記第２基板は、第２シリコン基板と、前記第２シリコン基板における前記共振子に対向する側の面及び当該面と反対の面のうち少なくとも一方の面に設けられたシリコン窒化膜とを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の共振装置。
  7. 　前記接合部は、前記第１基板の側に設けられたシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜の側壁を覆う金属膜とを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の共振装置。
  8. 　前記接合部は、前記第１基板の側に設けられたシリコン窒化膜と、前記シリコン窒化膜と前記第２基板との間に設けられた金属膜とを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の共振装置。
  9. 　前記第１シリコン基板の前記キャビティの底面にシリコン酸化膜が設けられた、請求項２に記載の共振装置。
  10. 　第１シリコン基板と共振子とを接合して第１基板を形成することと、
    　前記共振子の振動空間を封止するように前記第１基板と第２基板とを接合することと
    を含み、
    　前記共振子は、前記第１シリコン基板に対向する側の面に設けられたシリコン膜を有し、
    　前記シリコン膜は、前記第１基板の平面視における前記振動空間を囲む全周領域に設けられ、
    　前記第１基板を形成することは、前記シリコン膜と前記第１シリコン基板とを直接接合することを含む、共振装置の製造方法。
  11. 　前記第１基板と前記第２基板とを接合した後、前記共振子に電圧を印加することによって前記共振子と前記第１基板とを衝突させて周波数調整することをさらに含む、請求項１０に記載の共振装置の製造方法。
     
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008263166A (ja) * 2007-03-19 2008-10-30 Ricoh Co Ltd 機能素子のパッケージ及びその製造方法
JP2015145037A (ja) * 2014-02-03 2015-08-13 セイコーエプソン株式会社 Ｍｅｍｓ素子及びその製造方法
JP2018179695A (ja) * 2017-04-11 2018-11-15 日立オートモティブシステムズ株式会社 電子装置
JP2020036063A (ja) * 2018-08-27 2020-03-05 セイコーエプソン株式会社 振動デバイス、振動デバイスの製造方法、電子機器、および移動体
US20200079646A1 (en) * 2006-01-20 2020-03-12 Sitime Corporation Encapsulated microelectromechanical structure

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20200079646A1 (en) * 2006-01-20 2020-03-12 Sitime Corporation Encapsulated microelectromechanical structure
JP2008263166A (ja) * 2007-03-19 2008-10-30 Ricoh Co Ltd 機能素子のパッケージ及びその製造方法
JP2015145037A (ja) * 2014-02-03 2015-08-13 セイコーエプソン株式会社 Ｍｅｍｓ素子及びその製造方法
JP2018179695A (ja) * 2017-04-11 2018-11-15 日立オートモティブシステムズ株式会社 電子装置
JP2020036063A (ja) * 2018-08-27 2020-03-05 セイコーエプソン株式会社 振動デバイス、振動デバイスの製造方法、電子機器、および移動体

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