JP5196121B2 - デバイス - Google Patents

Description

本発明は、圧電デバイスに関する。

近年、電子機器の小型化に伴い、水晶振動子等の圧電デバイスは、より一層の小型化が要求されている。素子の小型化を実現するための技術として、たとえば水晶振動子を有する水晶基板を、上下方向から同様の形状の基板で挟んで３層の基板を互いに接合することにより封止する技術が提案されている（特許文献１参照）。

また、このような技術を適用することにより、複数の水晶振動子を有する水晶基板を用いた場合には、上下方向から基板を接合した後に基板を切断することにより、小型の複数の圧電デバイスを得ることができ、工程数の削減を図ることができる。
特開２００６−９４３７２号公報

しかしながら、圧電振動部の上面に設けられた励振電極の配線は枠部内に設けられたスルーホールを介して中間基板の下面に引き回しているため、スルーホールの領域を確保せざるをえず、圧電振動部のサイズが小型化されＣＩ（Crystal Impedance）値が高くなるという課題を有していた。

そこで本発明は、パッケージ内における圧電振動部のサイズを最大限にすると同時に、励振電極から外部端子までの配線のシート抵抗を低減する事でＣＩ値を損なうことのない圧電デバイスを提供することにある。

本発明に係るデバイスは、
下側基板および上側基板と、それらに挟まれている中間基板とを含むデバイスであって、
前記中間基板は、
振動部と、
前記振動部の周囲を囲む枠部と、
前記振動部と前記枠部とを接続する接続部と、
前記振動部の上面に設けられた第１の励振電極と、
前記振動部の下面に設けられた第２の励振電極と、
前記第１の励振電極と電気的に接続される第１の配線と、
前記第２の励振電極と電気的に接続される第２の配線と、
を有し、
前記第１の配線および第２の配線は、前記枠部の上面と下面とを接続している内側面から前記枠部の上面および下面に至るように形成されている。

本発明に係るデバイスにおいて、
前記上側基板は、前記枠部の上面に設けられている前記第１の配線および前記第２の配線と対向する位置を含む領域に設けられた凹部を有し、その下面における当該凹部以外の領域で前記枠部の上面と接合される。

本発明に係るデバイスにおいて、
前記下側基板は、前記枠部の下面に設けられている前記第１の配線および前記第２の配線と対向する位置を含む領域に設けられた凹部を有し、その上面における当該凹部以外の領域で前記枠部の下面と接合される。

本発明に係るデバイスにおいて、
前記下側基板の前記凹部は、前記下側基板の側面に連通する第１の連通部と、連通する第２の連通部とを有し、
前記第１の配線は、前記第１の連通部の内部において、前記中間基板の側面に連通し、
前記第２の配線は、前記第２の連通部の内部において、前記中間基板の側面に連通することができる。

本発明に係るデバイスにおいて、
前記内側面は、前記枠部の上面または下面とのなす内角が９０度より大きい傾斜面を有することができる。また、本発明に係るデバイスにおいて、前記中間基板は圧電材料からなることができる。

１．圧電デバイス
図１（Ａ）、図１（Ｂ）は、本実施の形態に係る圧電デバイスに用いられる中間基板を示す上面図および下面図である。図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、本実施の形態に係る圧電デバイスを示す断面図であり、図２（Ａ）は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）におけるII（Ａ）-II（Ａ）切断面に対応する図であり、図２（Ｂ）は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）におけるII（Ｂ）-II（Ｂ）切断面に対応する図であり、図２（Ｃ）は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）におけるII（Ｃ）-II（Ｃ）切断面に対応する図である。

本実施の形態に係る圧電デバイス１００は、下側基板３０および上側基板２０と、それらに挟まれている中間基板１０とを含む。下側基板３０および上側基板２０は、図２に示すように、中間基板１０を挟むことにより、中間基板１０に設けられている圧電振動部１１を封止する。

１．１．中間基板
図１（Ａ）は、中間基板１０を模式的に示す上面図であり、図１（Ｂ）は、中間基板１０を模式的に示す下面図である。

中間基板１０は、圧電振動部１１と、圧電振動部１１の周囲を取り囲む枠部１２と、圧電振動部１１と枠部１２とを接続する接続部１５ａ、１５ｂと、圧電振動部１１の上面に設けられた第１の励振電極１３と、圧電振動部１１の下面に設けられた第２の励振電極１４と、第１の励振電極１３と電気的に接続されている第１の配線２３と、第２の励振電極と電気的に接続されている第２の配線３３と、を有する。

中間基板１０は、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示すように、段差がなく、後述するスリット以外の領域において面一に形成されている。中間基板１０は、接続部１５ａ、１５ｂ以外の領域にスリット１６ａ、１６ｂを有する。中間基板１０において、スリット１６ａ、１６ｂの内側の領域が圧電振動部１１として機能し、スリット１６ａ、１６ｂの外側の領域が上側基板２０および下側基板３０と接合するための枠部１２として機能する。圧電振動部１１は、Ｚ’軸に平行な２つの端部のうち一方が接続部１５ａ，１５ｂにより支持されている。

中間基板１０は、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料からなり、たとえば、基板面がＸ軸に平行でＸ軸の回りに回転切断して作製されるＡＴカットの水晶基板である。

第１の励振電極１３は、圧電振動部１１の上面に設けられ、第２の励振電極１４は、圧電振動部１１の下面に設けられている。

第１の配線２３は、第１の励振電極１３から延出され、接続部１５ａ上から枠部１２の内側面に延びている。さらに第１の配線２３は、枠部１２の内側面から枠部１２の上面１７ａおよび下面１７ｂに至るように形成されている。そして第１の配線２３は、枠部１２の下面１７ｂを介して中間基板１０の第１の側面１０ａに連通するように形成されている。

第２の配線３３は、第２の励振電極１４から延出され、さらに接続部１５ｂの下面から枠部１２の内側面に延びている。さらに第２の配線３３は、枠部１２の内側面から枠部１２の上面１７ｃおよび下面１７ｄに至るように形成されている。そして第２の配線３３は、枠部１２の下面１７ｄを介して中間基板１０の第２の側面１０ｂに連通するように形成されている。第１の側面１０ａと対向する面であることが好ましい。

第１の励振電極１３、第２の励振電極１４、第１の配線２３、および第２の配線３３の材質としては、たとえば下地としてＣｒ膜を用い、その上にＡｕ膜を有する多層構造である。

１．２．上側基板および下側基板
上側基板２０および下側基板３０の材質は、絶縁性の材質であれば特に限定されないが、材質の熱膨張差を考慮すると中間基板と同一の材質であることが好ましく、たとえば水晶からなる。

上側基板２０は、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示すように、中間基板１０側に凹部２１を有する。そして、上側基板２０は、凹部２１以外の領域で中間基板１０の枠部１２の上面と接する。

凹部２１は、中間基板１０の上面に設けられている第１の配線２３および第２の配線３３と対向する位置を含む領域に設けられている。即ち、上側基板２０に凹部２１が設けられていることによって、第１の配線２３および第２の配線３３が凹部２１内に入り込み、第１の配線２３および第２の配線３３と接触しないで中間基板１０と上側基板２０とを接合することができる。

下側基板３０は、図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に示すように、中間基板１０側に凹部３１を有する。そして、下側基板３０は、凹部３１以外の領域で中間基板１０の枠部１２の下面と接する。凹部３１は、第１の側面１０ａと同じ側の側面に連通する第１の連通部５１と、第２の側面１０ｂと同じ側の側面に連通する第２の連通部５２とを有する。

さらに下側基板３０は、第１の側面１０ａと同じ側の側面に、第１の連通部５１と連通する第１の溝部２５を有し、第２の側面１０ｂと同じ側の側面に、第２の連通部５２と連通する第２の溝部２６を有する。第１の溝部２５および第２の溝部２６は、平面視においてたとえば半円または円弧形状であり、下側基板３０の上面から下面に貫通している。

下側基板３０は、その下面に設けられた第１の外部端子３２および第２の外部端子３４を有する。第１の外部端子３２は、第１の溝部２５を取り囲む領域に設けられている。第２の外部端子３４は、第２の溝部２６を取り囲む領域に設けられている。

１．３．全体の構造
圧電デバイス１００は、第１の配線２３と第１の外部端子３２とを電気的に接続する第３の配線３５と、第２の配線３３と第１の外部端子３４とを電気的に接続する第４の配線３６とをさらに含む。第３の配線３５および第４の配線３６の材質としては、たとえば半田等の導電性材料からなる。

第１の外部端子３２および第２の外部端子３４は、圧電デバイス１００を外部の機器とを電気的に接続するために用いられる。第１の外部端子３２および第２の外部端子３４は、互いに離れた位置に設けられ、具体的には下側基板３０の長手方向に対向する端部にそれぞれ設けられる。第１の外部端子３２および第２の外部端子３４の材質としては、たとえば下地としてＣｒ膜を用い、その上にＮｉおよびＡｕ膜を有する多層構造である。

本実施の形態に係る圧電デバイス１００において、第１の配線２３および第２の配線３３は、枠部１２の内側面から上面１７ａおよび下面１７ｂに至るように形成されている。これにより、第１の配線２３および第２の配線３３を幅広に形成することができ、シート抵抗の低減が可能になる。その結果、ＣＩ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ）値の上昇を防ぐことができる。

本実施の形態に係る圧電デバイス１００は、枠部１２の内側面と、上面１７ａおよび下面１７ｂとを介して、第１の配線２３を外側面に引き出している。これにより、たとえば中間基板の枠部内にスルーホールを設け、前記スルーホールを介して圧電振動部の上面に設けられた第１の励振電極から引き出された第１の配線を枠部の下側に引き出す場合と比べて、圧電振動部のサイズを大型化にすることができ、ＣＩ値を低く抑えることができる。

２．圧電デバイスの製造方法
次に本実施の形態に係る圧電デバイス１００の製造方法について説明する。図３〜図８は、本実施の形態に係る圧電デバイス１００の製造方法を示す図である。

（１）まず、上側水晶板１２０（上側基板）、中間水晶板１１０（中間基板）、および下側水晶板１３０（下側基板）を準備する（図５参照）。上側水晶板１２０、中間水晶板１１０、および下側水晶板１３０は、それぞれ複数の上側基板２０、中間基板１０、および下側基板３０が配列された基板である。

図３は、本実施の形態にかかる中間水晶板１１０の下面を示す図である。中間水晶板１１０は、複数の圧電振動部１１と、複数の接続部１５ａ、１５ｂと、複数の第１の励振電極１３と、複数の第２の励振電極１４と、複数の第１の配線２３と、複数の第２の配線３３と、を有し、圧電振動部１１の周囲には、枠部１２が形成されている。枠部１２は、一体化しており、その上に切断ラインＬ１、Ｌ２が設けられる。切断ラインＬ１および切断ラインＬ２は、直角に交叉するように設けられている。

第１の配線２３と、第２の配線３３とは、近隣の第１の配線２３または第２の配線と電気的に接続されないように設けられている。

ここで中間水晶板１１０の作製方法の一例について説明する。

まず、スリット１６ａ、１６ｂを形成して、圧電振動部１１および枠部１２を設ける。この工程は、たとえばフォトリソグラフィ技術を利用したウェットエッチングやサンドブラスト法により形成される。

次に、第１の励振電極１３、第２の励振電極１４、第１の配線２３、および第２の配線３３をたとえばフォトリソグラフィ技術を利用した方法、蒸着法やスパッタ法により形成する。

次に、複数の圧電振動部１１のそれぞれの周波数を調整する（図４参照）。図４は、周波数調整を説明するための図であり、図３の中間水晶板１１０のIV−IV断面を含む図である。図４において、中間水晶板１１０の下面が上側に描かれている。周波数の調整は、圧電振動部１１を振動させて周波数を検出しながら、第１の励振電極１３の厚みを変えることにより行う。具体的には、第１の配線２３と、第２の配線３３のそれぞれに、プローブ６２、６４を接触させて圧電振動部１１を振動させる。そして検出された周波数に基づいて、第１の励振電極１３を薄膜化する。第１の励振電極１３の薄膜化は、公知の方法を用いて行うが、たとえばアルゴンプラズマ６０を第１の励振電極１３の表面に照射することにより行われる。このとき、第１の励振電極１３をたとえば蒸着法等により厚膜化してもよい。

以上の工程により中間水晶板１１０を作製することができる。

下側水晶板１３０は、複数の凹部３１と、複数の貫通穴４２とを有する（図５参照）。下側水晶板１３０において貫通穴４２は、切断ラインＬ１上であって、第１の配線２３および第２の配線３３の連通部４０側における端部と重複する位置に設けられている。貫通穴４２の形状は、平面視においてたとえば円形であることができ、下方に向かって半径が大きくなっていることが好ましい。貫通穴４２は、後に切断ラインＬ１に沿って切断されることによって、上述した第１の溝部２５と第２の溝部２６に分離する。

（２）次に、上側水晶板１２０および下側水晶板１３０と、中間水晶板１１０とを接合する（図５および図６参照）。接合は、直接接合を適用することが好ましい。接合する２枚の水晶板のうち少なくとも一方の接合部にプラズマを照射し、当該接合部を活性化させる。その後、２枚の基板を常温で張り合わせて接合することにより、加熱による応力の発生を軽減して振動数を安定化させることができる。

（３）次に、第１の外部端子３２及び第２の外部端子３４を、下側水晶板１３０の下面及び貫通穴４２内部にパターニングする。（図示せず）パターニングはたとえばスパッタ、めっき等を用いることができる。

（４）次に、貫通穴４２に下方から導電性材料を埋め込むことによって、導電層７０を形成する。具体的には、まず、貫通穴４２の内部に、導電性材料としてたとえば半田、ＡｕＧｅ等の球体の金属ボール７０ａを配置する（図７参照）。金属ボール７０ａは、少なくとも第１の配線２３および第２の配線３３に接する事が望ましい。このように金属ボール７０ａを貫通穴４２にセットした後に、レーザー光７２を照射して、金属ボール７０ａを溶解して導電層７０を形成し、貫通穴４２を塞ぐ（図８参照）。金属ボール７０ａの溶解は、レーザー光の照射に限定されず、たとえば高温炉を用いてもよい。

以上の工程により、水晶板が３層積層され、複数の圧電振動部を有する水晶デバイス（圧電デバイス）を得ることができる。

（５）次に、切断ラインＬ１およびＬ２に沿って、圧電水晶デバイス３００を切断分離する。

以上の工程により、圧電デバイス１００を得ることができる（図２（Ａ）〜図２（Ｃ）参照）。

本実施の形態に係る圧電デバイス１００の製造方法では、圧電振動部１１の周波数調整工程において、枠部１２上においてプローブ６２、６４を第１の配線２３および第２の配線３３に接触させている（図４参照）。これにより、同一面でプローブコンタクトをとることができるため、プローブ６２、６４の構造を簡略化することができる。

また、本実施の形態に係る圧電デバイス１００の製造方法では、貫通穴４２に設けた導電層７０はウェハ上で隣り合う圧電デバイスと共通であり、導電層７０を切断分離工程で切断分離することから金属ボール７０ａの使用数を減らすことができ、コスト低減を実現できる。

３．変形例
次に本実施の形態に係る圧電デバイスの変形例について説明する。変形例に係る圧電デバイス３００は、中間基板２１０の枠部２１２の内側面が傾斜している点で、上述した圧電デバイス１００と異なる。

図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、変形例に係る圧電デバイスを示す断面図であり、上述した図２（Ａ）〜図２（Ｃ）に対応する。

変形例に係る中間基板２１０は、傾斜面を有し、かつ枠部２１２と圧電振動部１１との厚さが異なる。具体的には、図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に示すように、枠部２１２の外側の領域が上下方向に最も厚く、枠部２１２の内側面に向かって薄くなり、圧電振動部１１の領域が最も薄く形成されている。接続部１５ａ、１５ｂは、圧電振動部１１から枠部２１２にかけて上下面において傾斜して徐々に厚くなっている。圧電振動部１１は、枠部２１２の上下方向において中心に位置する。このような形状を有することにより、上側基板２０と下側基板３０との間に空洞ができて圧電振動部１１の振動が可能となる。

枠部２１２の内側面は、枠部２１２の上面と下面とを接続し、第１の傾斜面１８ａおよび第２の傾斜面１８ｂを有する。第１の傾斜面１８ａは、枠部２１２の上面とのなす内角θ_１が９０度より大きい。第２の傾斜面１８ｂは、枠部２１２の下面とのなす内角θ_２が９０度より大きい。

第１の配線２３は、接続部１５ａ上から枠部２１２の内側面に延びている。さらに第１の配線２３は、枠部２１２の内側面から第１の傾斜面１８ａおよび第２の傾斜面１８ｂを介して枠部２１２の上面１７ａおよび下面１７ｂに至るように形成されている。

第２の配線３３は、接続部１５ｂの下面から枠部２１２の内側面に延びている。さらに第２の配線３３は、枠部２１２の内側面から第１の傾斜面１８ａおよび第２の傾斜面１８ｂを介して枠部２１２の上面１７ｃおよび下面１７ｄに至るように形成されている。

このように、枠部２１２が第１の傾斜面１８ａおよび第２の傾斜面１８ｂを有することによって、第１の配線２３および第２の配線３３を幅広に形成することができ、シート抵抗の低減が可能になる。その結果、ＣＩ値の上昇を防ぐことができる。

第１の傾斜面１８ａおよび第２の傾斜面１８ｂの形成は、ウェットエッチングを用いて行うことができる。第１の傾斜面１８ａおよび第２の傾斜面１８ｂの形成と同時に、後に圧電振動部１１となる薄板部分と枠部１２となる厚板部分とが形成される。

変形例に係る圧電デバイス３００の他の構成および製造方法については、上述したものと同様であるので、説明を省略する。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば圧電振動部として音叉型振動子を用いてもよい。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

図１（Ａ）は、本実施の形態に係る圧電デバイスを構成する中間基板を示す上面図であり、図１（Ｂ）は、本実施の形態に係る圧電デバイスを構成する中間基板を示す下面図である。 図２（Ａ）、図２（Ｂ）、および図２（Ｃ）は、本実施の形態に係る圧電デバイスを示す断面図である。 図３は、本実施の形態に係る圧電デバイスの製造方法を説明するための図である。 図４は、本実施の形態に係る圧電デバイスの製造方法を説明するための図である。 図５は、本実施の形態に係る圧電デバイスの製造方法を説明するための図である。 図６は、本実施の形態に係る圧電デバイスの製造方法を説明するための図である。 図７は、本実施の形態に係る圧電デバイスの製造方法を説明するための図である。 図８は、本実施の形態に係る圧電デバイスの製造方法を説明するための図である。 図９（Ａ）、図９（Ｂ）、および図９（Ｃ）は、変形例に係る圧電デバイスを示す断面図である。

符号の説明

１０…圧電振動板、 １１…圧電振動部、 １２…枠部、 １３…第１の励振電極、 １４…第２の励振電極、 １５ａ，１５ｂ…接続部、 １６ａ，１６ｂ…スリット、１８ａ…第１の傾斜面、 １８ｂ…第２の傾斜面、 ２３…第１の配線、 ２５…第１の溝部、 ２６…第２の溝部、 ３２…第１の外部端子、 ３３…第１の配線、 ３４…第２の外部端子、 ３５…第３の配線、 ３６…第４の配線、 ４０…連通部、 ４２…貫通穴、 ６０…アルゴンプラズマ、 ６２，６４…プローブ、 ７０ａ…金属ボール、 ７０…導電層、 ７２…レーザー光、 １００…圧電デバイス、 １１０…中間水晶板、 １２０…上側水晶板、 １３０…下側水晶板、 ２１０…圧電振動板、 ２１２…枠部、 ３００…圧電デバイス、 Ｌ１，Ｌ２…切断ライン

Claims (6)

1. 下側基板および上側基板と、それらに挟まれている中間基板とを含むデバイスであって、
   前記中間基板は、
   振動部と、
   前記振動部の周囲を囲む枠部と、
   前記振動部と前記枠部とを接続する接続部と、
   前記振動部の上面に設けられた第１の励振電極と、
   前記振動部の下面に設けられた第２の励振電極と、
   前記第１の励振電極と電気的に接続される第１の配線と、
   前記第２の励振電極と電気的に接続される第２の配線と、
   を有し、
   前記第１の配線および第２の配線は、前記枠部の上面と下面とを接続している内側面から前記枠部の上面および下面に至るように形成されている、デバイス。
2. 請求項１において、
   前記上側基板は、前記枠部の上面に設けられている前記第１の配線および前記第２の配線と対向する位置を含む領域に設けられた凹部を有し、その下面における当該凹部以外の領域で前記枠部の上面と接合される、デバイス。
3. 請求項１または２において、
   前記下側基板は、前記枠部の下面に設けられている前記第１の配線および前記第２の配線と対向する位置を含む領域に設けられた凹部を有し、その上面における当該凹部以外の領域で前記枠部の下面と接合される、デバイス。
4. 請求項３において、
   前記下側基板の前記凹部は、前記下側基板の側面に連通する第１の連通部と、第２の連通部とを有し、
   前記第１の配線は、前記第１の連通部の内部において、前記中間基板の側面に連通し、
   前記第２の配線は、前記第２の連通部の内部において、前記中間基板の側面に連通する、デバイス。
5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
   前記内側面は、前記枠部の上面または下面とのなす内角が９０度より大きい傾斜面を有する、デバイス。
6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
   前記中間基板は圧電材料からなる、デバイス。