共振装置的制作方法

本发明涉及多个振动臂以面外弯曲振动模式进行振动的共振装置。

背景技术：

以往，使用了MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)技术的共振装置例如作为定时器件被使用。该共振装置被安装在设置于智能手机等电子设备内的印刷电路基板上。共振装置具备下侧基板、与下侧基板之间形成腔室的上侧基板、以及在下侧基板以及上侧基板之间被配置于腔室内的共振子。

共振子具备向形成在下侧基板以及上侧基板之间的腔室内延伸的基部、和在腔室内从与基部的一端连接的固定端朝向自由端并列地延伸的多个振动臂。各振动臂根据被施加的电场的方向，在垂直方向朝向下侧基板或者上侧基板振动。例如在具备三个振动臂的共振子中，对中央的一个振动臂、和其两外侧的两根振动臂施加相反方向的电场，中央的振动臂与外侧两根振动臂相互以相反相位振动。

专利文献1：日本特开2003－204240号公报

随着近年来的电子设备的小型化而要求共振装置的小型化，因此，例如期望降低在上述的垂直方向规定的共振装置的厚度来实现薄型化。鉴于此，为了充分地确保振动臂的振动空间并降低共振装置的厚度，可考虑降低下侧基板、上侧基板的厚度。然而，基板的厚度的降低会导致基板的刚性的降低，可想象到基板会产生翘曲等变形、由于电子设备的落下时的冲击而基板破损的情况。

技术实现要素：

本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于，在共振装置中实现薄型化并且抑制变形、破损。

本发明的一个方面所涉及的共振装置具备：下侧基板；上侧基板，与下侧基板之间形成振动空间；突起部，形成在下侧基板或者上侧基板的内面，并向振动空间突出；以及共振子，被配置在振动空间内，且具有基部、和从基部并列地沿下侧基板或者上侧基板的内面延伸并朝向内面在垂直方向进行振动的多个振动臂。

根据本发明，在共振装置中，能够实现薄型化并且抑制变形、破损。

附图说明

图1是简要地表示本发明的第一实施方式所涉及的共振装置的外观的立体图。

图2是简要地表示本发明的第一实施方式所涉及的共振装置的结构的分解立体图。

图3是取下了上侧基板的本发明的第一实施方式所涉及的共振装置的俯视图。

图4是沿图3的4－4线的剖视图。

图5是用于说明本发明的第一实施方式所涉及的共振装置的制造方法的剖视图。

图6是用于说明本发明的第一实施方式所涉及的共振装置的制造方法的剖视图。

图7是表示内侧的振动臂彼此之间的间隔相对于外侧的振动臂以及内侧的振动臂之间的间隔的比率与k²Q的关系的图。

图8是简要地表示本发明的第二实施方式所涉及的共振装置的结构的俯视图。

图9是简要地表示本发明的第三实施方式所涉及的共振装置的结构的剖视图。

图10是简要地表示本发明的第四实施方式所涉及的共振装置的结构的剖视图。

图11是简要地表示本发明的第五实施方式所涉及的共振装置的结构的剖视图。

图12是简要地表示本发明的第六实施方式所涉及的共振装置的结构的剖视图。

图13是简要地表示本发明的第七实施方式所涉及的共振装置的结构的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的第一实施方式进行说明。图1是简要地表示本发明的第一实施方式所涉及的共振装置10的外观的立体图。该共振装置10具备下侧基板11、与下侧基板11之间形成振动空间的上侧基板12、以及夹在下侧基板11以及上侧基板12之间而被保持的共振子13。共振子13是使用MEMS技术制造的MEMS振子。

图2是简要地表示本发明的第一实施方式所涉及的共振装置10的结构的分解立体图。如图2所示，共振子13具备沿图2的正交坐标系上的XY平面扩展为矩形的框状的支承框14、在支承框14内从支承框14的一端沿XY平面扩展为平板状的基部15、以及从与基部15的一端连接的固定端朝向自由端沿XY平面延伸的多个振动臂16a～16d。在本实施方式中，四根振动臂16a～16d与Y轴平行地延伸。此外，振动臂的数目并不限定于四个，例如可设定为四个以上的任意的数目。

图3是取下了上侧基板12的共振装置10的俯视图。若一并参照图2以及图3，则各振动臂16a～16d形成为棱柱形状，且分别具有相同的尺寸。根据图3可知，在沿X轴方向配置于外侧两根振动臂16a、16d之间的内侧两根振动臂16b、16c之间沿X轴方向规定的间隔W1被设定得比在外侧的振动臂16a(16d)和与该外侧的振动臂16a(16d)邻接的内侧的振动臂16b(16c)之间沿X轴方向规定的间隔W2大。

下侧基板11具备沿XY平面扩展的平板状的底板17、和从底板17的周缘部向Z轴方向立起的侧壁18。通过下侧基板11的内面即底板17的表面和侧壁18的内面形成凹部19。凹部19形成振动臂16a～16d的振动空间的一部分。在凹部19内，在底板17的表面形成有向振动空间内突出的突起部20。根据图3可知，突起部20在与内侧的振动臂16b、16c之间的间隙相对的位置形成于底板17。在本实施方式中，突起部20形成为与各振动臂16a～16d平行地延伸的棱柱形状。

图4是沿图3的4－4线的剖视图。若一并参照图4，则在本实施方式所涉及的共振装置10中，共振子13的支承框14在下侧基板11的侧壁18上被架住，上侧基板12覆盖在共振子13上。这样一来共振子13被保持在下侧基板11与上侧基板12之间，通过下侧基板11、上侧基板12以及共振子13的支承框14形成振动臂16a～16d的振动空间。该振动空间保持气密，维持真空状态。上侧基板12例如形成为平板状。

下侧基板11的底板17、侧壁18以及突起部20由Si(硅)一体地形成。在侧壁18的上表面以及突起部20的上表面形成有氧化硅(例如SiO₂(二氧化硅))膜21，该氧化硅膜21为了下侧基板11与共振子13的支承框14之间的接合而被使用。在Z轴方向规定的下侧基板11的厚度例如被设定为150μm，凹部19的深度例如被设定为50μm。另外，对于突起部20，在Y轴方向规定的长度例如被设定为400μm左右，在X轴方向规定的宽度例如被设定为20μm左右，在Z轴方向规定的高度例如被设定为50μm左右。

在共振子13中，支承框14、基部15、振动臂16a～16d由Si(硅)层22、和层叠在Si层22上的AlN(氮化铝)层23形成。Si层22由作为简并半导体的n型Si半导体形成，作为n型掺杂剂，能够包含P(磷)、As(砷)、Sb(锑)等。对于振动臂16a～16d，在Y轴方向规定的长度例如被设定为500μm左右，在X轴方向规定的宽度例如被设定为50μm左右，在Z轴方向规定的厚度例如被设定为6μm左右。内侧的振动臂16b、16c的间隔W1例如被设定为30μm左右。

各振动臂16a～16d具备在上述的AlN层23的上表面以及下表面以夹持AlN层23的方式形成的第一以及第二Mo(钼)层24、25。第一以及第二Mo层24、25形成第一以及第二电极。第一以及第二Mo层24、25例如与设在共振子13的外部的交流电源(未图示)连接。在连接时，使用例如形成在上侧基板12的外面的电极(未图示)、形成在上侧基板12内的硅通孔(TSV)(未图示)。

AlN层23是将被施加的电压转换为振动的压电膜。也可以代替AlN层23，而使用例如以Sc置换了Al的一部分的AlN层亦即氮化钪铝层。AlN层23根据通过第一以及第二Mo层24、25施加给AlN层23的电场，向XY平面的面内方向即Y轴方向伸缩。通过该AlN层23的伸缩，振动臂16a～16d向相对于XY平面垂直的方向(Z轴方向)弯曲位移。即，振动臂16a～16d使其自由端朝向下侧基板11以及上侧基板12的内面位移，以面外弯曲振动模式进行振动。

在本实施方式中，根据图4可知，通过设定为施加给外侧的振动臂16a、16d的电场的相位与施加给内侧的振动臂16b、16c的电场的相位相互为相反相位，外侧的振动臂16a、16d与内侧的振动臂16b、16c向相互相反的方向位移。例如若外侧的振动臂16a、16d使自由端朝向上侧基板12的内面位移，则内侧的振动臂16b、16c使自由端朝向下侧基板11的内面位移。

上侧基板12由沿XY平面扩展的规定的厚度的平板状的Si(硅)形成。根据图4可知，上侧基板12通过其周缘部被架在共振子13的支承框14上。这样一来上侧基板12与下侧基板11之间夹入共振子13的支承框14来支承共振子13。在上侧基板12的周缘部与支承框14之间夹有用于上侧基板12与支承框14的接合的Au(金)膜26以及Sn(锡)膜27。

根据以上那样的共振装置10，在下侧基板11的内面形成有向振动空间突出的突起部20。由于通过该突起部20能够提高下侧基板11的刚性，所以即使在实现共振装置10的薄型化时降低了下侧基板11的厚度，也能够与以往相同或者在以往以上地确保下侧基板11的刚性。因此，能够抑制下侧基板11的翘曲的产生，并且可防止因被组装共振装置10的电子设备的落下所引起的下侧基板11的破损。

并且，由于突起部20形成在与内侧的振动臂16b、16c之间的间隙对置的下侧基板11的内面，所以不会妨碍振动臂16a～16d的振动。结果，能够如以往那样确保振动臂16a～16b的振动的振幅。另外，由于通过在下侧基板11形成凹部19使得振动臂16a～16d的振动空间在垂直方向增大，所以即便使振动臂16a～16d的振动的振幅增大也能够防止振动臂16a～16d与下侧基板11以及上侧基板12之间的接触。因此，能够实现振动臂16a～16d的稳定的振动。

接下来，以下对共振装置10的制造方法进行说明。图5是用于说明本发明的第一实施方式所涉及的共振装置10的制造方法的剖视图。如图5(a)所示，首先，准备平板状的Si基板31。接下来，如图5(b)所示，例如通过蚀刻在Si基板31的平坦的上面形成规定的深度的凹部19。与凹部19的形成同时地形成突起部20，由此形成下侧基板11。从底板17的上表面开始的突起部20的高度与从底板17的上表面开始的侧壁18的高度一致。

然后，如图5(c)所示，在侧壁18的上表面以及突起部20的上表面图案化形成接合用的氧化硅膜21。接下来，如图5(d)所示，在氧化硅膜21上例如通过共晶来接合平板状的简并Si基板32。接着，如图5(e)所示，例如通过溅射在简并Si基板32上依次使第一Mo膜33、AlN膜34以及第二Mo膜35成膜。此时，第一Mo膜33以及第二Mo膜35不需要形成在简并Si基板32的上表面的整体，例如仅形成在包含第一以及第二电极的形成位置的区域。

然后，如图6(a)所示，例如通过干式蚀刻或者湿式蚀刻将简并Si基板32、第一Mo膜33、AlN膜34以及第二Mo膜35形成为上述的支承框14、基部15以及振动臂16a～16d的形状。这样一来，形成被支承框14支承在下侧基板11的侧壁18上的共振子13。然后，如图6(b)所示，使接合用的Au膜26在与上侧基板12的接合位置亦即支承框14的上表面成膜。

另一方面，准备上侧基板12。如图6(c)所示，例如通过溅射在上侧基板12的与支承框14的接合位置使Sn膜27预先成膜。通过将该Sn膜27与支承框14上的Au膜26接合，使得上侧基板12与支承框14接合。这样一来，通过下侧基板11、共振子13以及上侧基板12形成振动臂16a～16d的振动空间。此时，振动空间为真空状态而保持气密。这样一来，制造了共振装置10。

本发明人们验证了相互邻接的振动臂16a～16d的间隔W1、W2与表示振动的性能的k²Q的关系。在振动臂16a～16d中，将Si层22的厚度设定为10μm，将第一以及第二Mo层24、25的厚度设定为0.1μm，将AlN层23的厚度设定为0.8μm。此外，在Si层22上形成了具有1.5μm的厚度的氧化硅层。在图3中的正交坐标轴上，在Y轴方向规定的振动臂16a～16d的长度被设定为650μm，在X轴方向规定的各振动臂16a～16d的宽度W被设定为30μm。

测量了在上述条件下，使间隔W1相对于宽度w的比率(W1/W)变动时的、间隔W1相对于间隔W2的比率(W1/W2)与k²Q的关系。结果，如图7所示，确认了不管W1/W的值如何，若W1/W2的值被设定在0.5以上，则k²Q比较高。特别是，确认了若W1/W2的值被设定在1.0以上，则k²Q稳定地提高。即，确认了若间隔W2被设定为间隔W1以上的大小，则振动的性能进一步提高。

根据该验证结果，在上述的第一实施方式所涉及的共振装置10中，由于将间隔W1设定得比间隔W2大，所以振动的性能相对提高。该情况下，由于将间隔W2设定得比以往大，会使得在X轴方向规定的共振装置10的宽度增大。该情况下，认为下侧基板11、上侧基板12的宽度增大，会导致下侧基板11、上侧基板12的刚性的降低。本发明对解决由于这样的下侧基板11、上侧基板12的刚性的降低而产生的课题特别有用。

图8是简要地表示本发明的第二实施方式所涉及的共振装置10的结构的俯视图。其中，在第二实施方式以后省略对与第一实施方式共同的事情的记述，仅对不同的点进行说明。特别是，相同的构成所带来的相同的作用效果不在每个实施方式依次提及。如图8所示，突起部20在与内侧的振动臂16b、16c之间的空隙对置的下侧基板11的内面向Y轴方向延伸形成这一点与第一实施方式相同。在该第二实施方式中，突起部20的一端与下侧基板11的一端的侧壁18连接。根据这样的构成，通过突起部20与侧壁18的连接，能够进一步提高下侧基板11的刚性。

图9是简要地表示本发明的第三实施方式所涉及的共振装置10的结构的剖视图。如图9所示，可以除了下侧基板11的突起部20之外，还在上侧基板12的内面形成突起部40。突起部40与突起部20相同，形成为向Y轴方向延伸的棱柱形状。在本实施方式中，突起部40在与突起部20对置的位置形成在上侧基板12，突起部40与突起部20连接。因此，突起部40进入内侧的振动臂16b、16c之间的间隙内。

根据图9可知，期望突起部20与突起部40通过接合用的Au膜26以及Sn膜27接合。根据该第二实施方式的结构，由于在下侧基板11以及上侧基板12双方形成突起部，所以能够使基板的刚性进一步增大。此外，突起部20与突起部40并不需要形成在Z轴方向上相互完全对置的位置，也可以在偏移的位置相互对置且其一部分彼此接合。另外，突起部20和突起部40也可以并不一定形成在对置的位置。

在图9所示的第三实施方式中，上侧基板12的突起部40与平板上的Si一体地形成。也可以代替该结构，而在图10所示的第四实施方式中，突起部40在上侧基板12的内面例如通过氧化硅形成。换言之，突起部40既可以由与上侧基板12的材料相同的材料形成，或者，也可以由不同的材料形成。另外，在本发明的共振装置10中，也可以省略下侧基板11的突起部20的形成，而仅在上侧基板12形成突起部40。此时，突起部40例如也可以与下侧基板11的内面接合。

图11是简要地表示本发明的第五实施方式所涉及的共振装置10的结构的剖视图。在该共振装置10中，在除了与第三实施方式同样地形成突起部20以及突起部40之外，还在上侧基板12的内面形成凹部41这一点与第三实施方式的结构不同。具体而言，上侧基板12具备沿XY平面扩展的平板状的底板42、和从底板42的周缘部立起的侧壁43。底板42的表面与上侧基板12的内面对应。

在这样的共振装置10中，例如通过除了在下侧基板11形成凹部20之外在上侧基板12也形成凹部41，能够在垂直方向进一步增大振动臂16a～16d的振动空间。结果，即便使振动臂16a～16d的振动的振幅增大也能够防止振动臂16a～16d与下侧基板11以及上侧基板12之间的接触。因此，能够实现振动臂16a～16d的稳定的振动。

图12是简要地表示本发明的第六实施方式所涉及的共振装置10的结构的剖视图。在该共振装置10中，突起部20与上侧基板12的内面连接。该突起部20通过在下侧基板11的突起部20的形成位置上利用蚀刻将简并Si基板32、第一Mo膜33、AlN膜34以及第二Mo膜35残留而形成。突起部20通过Au膜26以及Sn膜27与上侧基板12连接。根据这样的构成，由于下侧基板11以及上侧基板12通过突起部20连接，所以能够使基板的刚性进一步增大。

图13是简要地表示本发明的第七实施方式所涉及的共振装置10的结构的剖视图。在该共振装置10中，振动臂16a～16d的各间隔被形成得全部相等(例如30μm左右)，并在振动臂16a～16d的各间隔形成与第六实施方式的突起部20相同的突起部20A～20C。突起部20A形成在底板17上的与外侧的振动臂16a和内侧的振动臂16b之间的间隔相对的位置上，并与上侧基板12的内面连接。突起部20B形成在底板17上的与内侧的振动臂16b、16c之间的间隔相对的位置上，并与上侧基板12的内面连接。另外，突起部20C形成在底板17上的与外侧的振动臂16d和内侧的振动臂16c之间的间隔相对的位置上，并与上侧基板12的内面连接。根据这样的构成，由于下侧基板11以及上侧基板12通过突起部20A～20C连接，所以能够使基板的刚性进一步增大。

此外，以上说明的各实施方式是为了使本发明的理解变得容易的实施方式，并不是用于对本发明进行限定解释的实施方式。本发明在不脱离其主旨的范围内，能够进行变更/改进，并且在本发明中也包含其等效物。即，本领域技术人员对各实施方式施加了适当的设计变更后的实施方式只要具备本发明的特征便包含于本发明的范围。例如，各实施方式具备的各要素以及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限定于例示而能够适当地变更。另外，各实施方式具备的各要素只要在技术上可行则能够进行组合，组合了这些要素的实施方式只要包含本发明的特征则包含于本发明的范围。

符号说明

10…共振装置，11…下侧基板，12…上侧基板，13…共振子，15…基部，16a～16d…振动臂，19…凹部，20…突起部(下侧突起部)，40…突起部(上侧突起部)，41…凹部，42…底板，43…侧壁。