(57)【要約】【課題】製造コストを低く抑え、且つよりコンパクトにすることができる圧電振動子を提供すること。【解決手段】本発明の圧電振動子は、シリコン基板と、このシリコン基板の表面に沿って形成されると共に、外部端子に電気的に接続され、Ｐ型またはＮ型の不純物を拡散した拡散層よりなる導電路と、前記シリコン基板の一面側を密封して気密な空間を形成する蓋体と、前記気密な空間においてシリコン基板上に載置され、表面に電極が形成された圧電振動片と、前記圧電振動片の電極と前記シリコン基板表面の導電路とを電気的に接続するための導電性材料と、で構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板と、
このシリコン基板の表面に沿って形成されると共に、外部端子に電気的に接続され、Ｐ型またはＮ型の不純物を拡散した拡散層よりなる導電路と、
前記シリコン基板の一面側を密封して気密な空間を形成する蓋体と、
前記気密な空間においてシリコン基板上に載置され、表面に電極が形成された圧電振動片と、
前記圧電振動片の電極と前記シリコン基板表面の導電路とを電気的に接続するための導電性材料と、を備えたことを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
前記蓋体及びシリコン基板の少なくとも一方に圧電振動片の収納領域を形成する凹部を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項３】
前記圧電振動片のクリスタルインピーダンスは５ｋΩ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電振動子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか一つ記載の圧電振動子を製造する方法であって、
シリコン基板の表面にＰ型またはＮ型の不純物を拡散させ、拡散層よりなり、その端部が外部端子をなす導電路をシリコン基板表面に沿って形成する工程と、
次いでシリコン基板の表面に、前記圧電振動片を、その電極と前記導電路とが導電性材料を介して電気的に接続されるようにして載置する工程と、
その後、前記シリコン基板の一面側を蓋体により気密に封止する工程と、を備えたことを特徴とする圧電振動子の製造方法。
【請求項５】
シリコン基板表面に導電路を形成する前に、シリコン基板の表面を、マスクを用いて、エッチングすることで、圧電振動片を収納する凹部を形成する工程と、を備えたことを特徴とする請求項４記載の圧電振動子の製造方法。
【請求項６】
シリコン基板表面に導電路を形成した後、
シリコン基板の表面に絶縁膜を形成し、フォトリソグラフィーによりこの膜に、導電性材料を配置する領域に開口部を有するパターンを形成し、この開口部に導電性材料を載せ、その上から前記圧電振動片を載せて固着することで、前記圧電振動片の電極と前記シリコン基板表面の導電路とを前記導電性材料を介して電気的に接続する工程と、を備えたことを特徴とする請求項４または５に記載の圧電振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子、圧電振動子の製造方法に係り、特に圧電振動子をコンパクトにする技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
音叉型の水晶振動片は、小型、安価で低消費電力であることから、従来から腕時計の歩度を刻む信号源として採用され、更にその用途が広がろうとしている。この水晶振動片としては、電力損失を抑えるために、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値をより小さくすることが要求され、このため水晶振動片に溝部を形成して振動効率を高めたものが用いられている。
【０００３】
この水晶振動片は図１３に示すように基部１に一対の振動腕部１０ａ及び１０ｂが設けられ、各振動腕部１０ａ，１０ｂにおける両主面には溝部１１，１２が夫々設けられている。これらの溝部１１，１２及び各振動腕部１０ａ，１０ｂには、屈曲振動に基づいた音叉振動を励起するための図示しない励振電極が形成されている。
【０００４】
そして上述した水晶振動片は、例えば図１４に示すＳＭＤ（Surface Mounted Device）構造のセラミックスからなるパッケージ１３に格納される。このパッケージ１３は、上面が開口しているセラミック製のケース体１３ａと、金属製の蓋体１３ｂとから構成される。前記ケース体１３ａと蓋体１３ｂとは、例えば溶接材からなるシール材１３ｃを介してシーム溶接され、その内部は真空状態となっている。また上述した音叉型の水晶振動片１４は、振動腕部１０ａ，１０ｂがパッケージ１３内部の空間に伸び出した横向きの姿勢で基部１の電極が導電性接着剤１３ｄによって台座１５の表面に形成された導電路１６，１７（１７は紙面奥側の導電路である）部分に固定される。このようにして構成された水晶振動子の発振動作は、ケース体１３ａの外部底面の長手方向に対向するように設けられた電極１８，１９、導電路１６,１７及び導電性接着剤１３ｄを通って基部１の電極に電圧が印加されることで起こる。
【０００５】
上述した水晶振動子において、ケース体１３ａは矩形状のセラミック製の底板と、当該底板の周方向に沿って設けられたセラミック製の枠板と、前記底板の中央部に設けられ、台座１５部分となるセラミック製の台板とで構成されている。水晶振動子等に用いられるセラミックスは純度が高く、そのため非常に単価が高い。従ってセラミック製の板を数層重ねたケース体１３ａを、水晶振動子の構成部品として用いた場合には、水晶振動子の製造コストが高くなってしまうという問題がある。
【０００６】
また電子機器の小型化、薄型化が進むと、ケース体１３ａを小型化・薄型化する必要が生じるが、ケース体１３ａの強度を維持するためには現状よりもケース体１３ａの側壁の厚さ及び底面の厚さを薄くできないという問題もある。さらにパッケージ体１３ａ内に形成された導電路１６，１７は、パッケージ体１３ａの表面に電極膜を積層することで形成されるため、ケース体７ａを小型化・薄型化した場合には、電極膜の膜厚によりケース体１３ａ内の収納領域が狭くなり、水晶振動子のコンパクト化を阻む原因となっている。
【０００７】
一方、特許文献１には、矩形状ＡＴ型の水晶発振片を収納する凹部を有し、前記凹部により残る周状壁の内壁に、前記水晶発振片の端部に嵌合する切欠きを有する基板をシリコン単結晶で構成し、この基板表面に形成された固定電極と基板裏面に形成された外部電極との接続に、シリコン中に不純物を拡散させ、導通性の拡散層を基板のスルーホールを設けたように設け、この拡散層を介して行うことが記載されている。しかしながら、矩形状ＡＴ型の水晶発振片はＣＩ（クリスタルインピーダンス）値が１０〜２００Ωと低いので、抵抗の大きい拡散層を基板表面に形成して導電路として引き回すことができず、基板の厚さ方向に拡散層を形成して基板表面の固定電極と基板裏面の外部電極とを接続することしかできない。そのため基板表面に固定電極を設けることが必須となり、つまり固定電極の厚さ分だけ基板内の収納領域が狭くなることから、この水晶振動子においてコンパクト化を図ることは難しい。なお、特許文献１には水晶発振片として矩形状ＡＴ以外に種々のものが列挙され、その一つとして音叉型の記載があるが、スルーホールに相当する部位に拡散層を形成すること以外は、その他の部位に拡散層を形成することについては何ら示唆も記載もされていない。
【０００８】
【特許文献１】特開平４−２９８１０９（段落００１５〜段落００１６、段落００４４、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、製造コストを低く抑え、且つよりコンパクトにすることができる圧電振動子及び圧電振動子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の圧電振動子は、シリコン基板と、このシリコン基板の表面に沿って形成されると共に、外部端子に電気的に接続され、Ｐ型またはＮ型の不純物を拡散した拡散層よりなる導電路と、前記シリコン基板の一面側を密封して気密な空間を形成する蓋体と、前記気密な空間においてシリコン基板上に載置され、表面に電極が形成された圧電振動片と、前記圧電振動片の電極と前記シリコン基板表面の導電路とを電気的に接続するための導電性材料と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
上述した圧電振動子において、前記蓋体及びシリコン基板の少なくとも一方に圧電振動片の収納領域を形成する凹部を有した構成であってもよい。また前記圧電振動片のクリスタルインピーダンスは例えば５ｋΩ以上であることが好ましい。
【００１２】
また本発明は、上述した圧電振動子を製造する方法であって、  
シリコン基板の表面にＰ型またはＮ型の不純物を拡散させ、拡散層よりなり、その端部が外部端子をなす導電路をシリコン基板表面に沿って形成する工程と、
次いでシリコン基板の表面に、前記圧電振動片を、その電極と前記導電路とが導電性材料を介して電気的に接続されるようにして載置する工程と、
その後、前記シリコン基板の一面側を蓋体により気密に封止する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
上述した圧電振動子の製造方法において、シリコン基板表面に導電路を形成する前に、シリコン基板の表面を、マスクを用いて、エッチングすることで、圧電振動片を収納する凹部を形成する工程と、を備えてもよい。またシリコン基板表面に導電路を形成した後、シリコン基板の表面に絶縁膜を形成し、フォトリソグラフィーによりこの膜に、導電性材料を配置する領域に開口部を有するパターンを形成し、この開口部に導電性材料を載せ、その上から前記圧電振動片を載せて固着することで、前記圧電振動片の電極と前記シリコン基板表面の導電路とを前記導電性材料を介して電気的に接続する工程と、を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、圧電振動片を載置する基板としてシリコンを用いているため、基板としてセラミックスを用いる場合に比べて、製造コストを抑えることができる。またシリコン基板はエッチングにより容易に加工することができるため、従来のようにセラミックスを数層重ねるといったことをせずに、一枚のシリコン基板で済む。また圧電振動片の電極との接合部分と外部端子とを接続する金属配線の代わりにシリコン基板の表面に沿って形成されるＰ型またはＮ型の不純物を拡散した拡散層を用いることができるので、製造工程が簡素化できる。そしてシリコン基板は強度が大きく薄型にできることと相俟って水晶振動子をよりコンパクトにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１の実施の形態）
本発明の実施の形態に係る圧電振動子である水晶振動子の構造について図１を参照しながら説明する。図１中の３０は矩形状のシリコン基板であり、当該シリコン基板３０の表面には導電路となるＰ型またはＮ型の不純物を拡散した拡散層２２が形成されている。この例ではシリコン基板３０の中央部から縁部に亘って拡散層２２が形成されている。拡散層２２が形成されたシリコン基板３０の表面には絶縁膜２３が形成されている。拡散層２２の上に形成された絶縁膜２３には開口部２５が形成されており、この開口部２５内に導電性材料２４が配置されている。そして前記導電性材料２４を介して従来技術の項のところで図１３を用いて説明した水晶振動片１４が横向きの姿勢でシリコン基板３０に固定されている。また前記シリコン基板３０の上方側には水晶振動片１４を収納する凹部２１を有する矩形状の蓋体２６がシリコン基板３０の表面に横向きの姿勢で固定された水晶振動片１４を凹部２１内に収納した状態で気密に接続されている。この蓋体２６は、例えば石英ガラス、パイレックス（コーニング・グラス・ワークス社の登録商標）ガラス、シリコン等からなる。
【００１６】
また前記蓋体２６はＡｕＳｉ、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ等の半田によってシリコン基板３０の上面に接合される。また前記シリコン基板３０の側面には外部端子２７，２８が夫々設けられており、これら外部端子２７，２８には、シリコン基板３０の表面に形成された拡散層２２が夫々接続されている。また前記シリコン基板３０の裏面と蓋体２６の表面は例えばシリコーン接着剤２９によりモールドされている。このようにして構成された水晶振動子の発振動作は、シリコン基板３０の側面に設けられた外部端子２７，２８、拡散層２２及び導電性材料２４を通って基部１の電極に電圧が印加されることで起こる。
【００１７】
上述した水晶振動子において、シリコン基板３０に載置される水晶振動片１４は音叉型である。音叉型水晶振動片１４はＣＩ（クリスタルインピーダンス）値が５ｋΩ以上であるので、抵抗の大きい拡散層２２をシリコン基板３０の表面に形成して導電路として引き回すことができる。
【００１８】
次に、図１に示す水晶振動子の製造方法について図２〜図６を参照しながら説明する。なお、図２〜図３は一枚のシリコン基板のある一部分に作成される一個の水晶振動子について説明したものである。先ず、切り出された一枚のシリコン基板３０を研磨加工して洗浄した後に（図２（ａ））、シリコン基板３０の表面にＰ型またはＮ型の不純物を拡散させ、当該シリコン基板３０の表面にＰ型またはＮ型の不純物を拡散した拡散層２２よりなる所定のパターンの導電路を形成する（図２（ｂ））。具体的には、シリコン基板３０がＰ型の場合には、１０１６〜１０１７個／ｃｍ程のヒ素（Ａｓ）、リン（Ｐ）等のＮ型不純物をシリコン基板３０に打ち込み、しかる後、熱処理により注入元素のアニールを行うことでシート抵抗が１０〜２０Ω／ｃｍ２のＮ型拡散層２２が形成される。また、シリコン基板３０がＮ型の場合には、ボロン（Ｂ）等のＰ型不純物をシリコン基板３０に打ち込み、しかる後、熱処理により注入元素のアニールを行うことでシート抵抗が１０〜２０Ω／ｃｍ２のＰ型拡散層２２が形成される。また、上述したＰ型及びＮ型の拡散層２２はシリサイド構造であることが好ましい。さらにＰ型及びＮ型の拡散層２２としては、タングステン（Ｗ）やチタン（Ｔｉ）等をシリコン基板３０に打ち込むことによって形成されたＷシリサイドやチＴｉシリサイド等であってもよい。
【００１９】
その後、シリコン基板３０の両面に例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により絶縁膜２３を形成し（図２（ｃ））、フォトリソグラフィーによりこの膜２３に導電性材料２４を配置する領域に開口部２５を有するパターンを形成する（図２（ｄ））。続いて、この開口部２５内に導電性材料２４例えばＡｕＧｅ等の共晶金属粒を配置し（図３（ｅ））、その上から前記水晶振動片１４を横向きの姿勢で載せ、一定の温度（共晶温度以上）で熱処理することで、水晶振動片１４の基部１がシリコン基板３０に固着されると共に、前記水晶振動片１４の基部１に形成された電極と前記シリコン基板３０に形成された拡散層２２とが導電性材料２４を介して電気的に接続される（図３（ｆ））。以上の工程により、図４に示すように一枚のシリコン基板３０の表面に複数の水晶振動片１４が搭載される。
【００２０】
次にシリコン基板３０の表面にＡｕＳｉ、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ等の半田３４を蒸着させる（図３（ｇ））。しかる後、真空雰囲気中でシリコン基板３０の表面に図５に示すように前記シリコン基板３０と同じ形状で表面に凹部２１が複数形成された例えば石英ガラス、パイレックスガラス、シリコン等からなるリッド材３５を貼り合わせ、シリコン基板３０の表面に横向きの姿勢で固定された水晶振動片１４をリッド材３５の凹部２１内に各々収納する。そして半田３４部分をレーザーにより加熱して半田３４を溶融させることで、シリコン基板３０の表面にリッド材３５を固着させる（図３（ｈ））。その後、図６に示すようにリッド材３５の表面をダイシングテープ３６で覆い、このダイシングテープ３６の上から図示しないダイシングソーでダイシングライン３７に沿って切ることで、シリコン基板３０から水晶振動子が１個ずつ切り分けられて行く（図３（ｉ））。そして切り出された水晶振動子の両側面に外部端子２７，２８を設けると共に、水晶振動子の両面に例えばシリコーン接着剤２９を塗布することで、図１に示す水晶振動子が完成する。
【００２１】
上述の実施の形態によれば、水晶振動片１４を載置する基板としてシリコンを用いているため、基板としてセラミックスを用いる場合に比べて、製造コストを抑えることができる。またシリコン基板３０はエッチングにより容易に加工することができるため、従来のようにセラミックスを数層重ねるといったことをせずに、一枚のシリコン基板３０で済む。また水晶振動片１４の電極との接合部分と外部端子２７，２８とを接続する金属配線の代わりにシリコン基板３０の表面に沿って形成されるＰ型またはＮ型の不純物を拡散した拡散層２２を用いることができるので、製造工程が簡素化できる。そしてシリコン基板３０は強度が大きく薄型にできることと相俟って水晶振動子をよりコンパクトにすることができる。
【００２２】
また上述の実施の形態によれば、蓋体２６は水晶振動片１４を収納するための凹部２１を有しているので、水晶振動子の製造工程において、シリコン基板３０に水晶振動片１４を収納するための凹部を形成するよりも、製造工程を短縮することができる。
（第２の実施の形態）
本発明の他の実施の形態について説明する。この形態における水晶振動子は図７に示すように蓋体２６ではなくシリコン基板３０に水晶振動片１４を収納する凹部３２を形成した他は図１に示す水晶振動子と同じ構成にある。なお、図７において同じ構成部分には同じ符号を付してある。
【００２３】
図７に示す水晶振動子の製造方法について図８〜図１２を参照しながら説明する。なお、図８〜図１０は一枚のシリコン基板のある一部分に作成される一個の水晶振動子について説明したものである。先ず、切り出された一枚のシリコン基板３０を研磨加工して洗浄した後に（図８（ａ））、例えばＣＶＤ法によりシリコン基板３０の表面に所定のパターンのシリコン酸化膜４を形成する（図８（ｂ））。
【００２４】
続いてこの膜４をマスクにしてシリコン酸化膜４が形成されていない部分のシリコン基板３０を所定の厚さまでエッチングすることで、シリコン基板３０表面に水晶振動片１４を収納する凹部３２を形成する（図８（ｃ））。
【００２５】
しかる後、例えばＣＶＤ法によりシリコン酸化膜４が形成されていない部分のシリコン基板３０の表面、つまり凹部３２の表面に所定のパターンのシリコン酸化膜４を形成する（図８（ｄ））。続いて、この膜４をマスクにしてシリコン酸化膜４が形成されていない部分のシリコン基板３０を所定の厚さまでエッチングすることで、シリコン基板３０の凹部３２内に台座２０を形成する（図９（ｅ））。
【００２６】
次にシリコン基板３０の表面に形成されたシリコン酸化膜４を除去した後（図９（ｆ））、シリコン基板３０の表面にＰ型またはＮ型の不純物を拡散させ、当該シリコン基板３０の表面にＰ型またはＮ型の不純物を拡散した拡散層２２よりなる所定のパターンの導電路を形成する（図９（ｇ））。その後、シリコン基板３０の両面に例えばＣＶＤ法により絶縁膜２３を形成し（図９（ｈ））、フォトリソグラフィーによりこの膜２３に導電性材料２４を配置する領域に開口部２５を有するパターンを形成する（図９（ｉ））。続いて、この開口部２５内に導電性材料２４例えばＡｕＧｅ等の共晶金属粒を配置し（図９（ｊ））、その上から前記水晶振動片１４を振動腕部２ａ，２ｂが凹部３２内の空間に伸び出した横向きの姿勢で台座２０に載せ、一定の温度（共晶温度以上）で熱処理することで、水晶振動片１４の基部１が台座２０に固着されると共に、前記水晶振動子１４の基部１に形成された電極と前記台座２０に形成された拡散層２２とが導電性材料２４を介して電気的に接合される（図１０（ｋ））。以上の工程により、図１１に示すように一枚のシリコン基板３０の表面に複数形成された凹部３２内に水晶振動片１４が各々搭載される。
【００２７】
次にシリコン基板３０の表面にＡｕＳｉ、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ等の半田３４を蒸着させる（図１０（ｌ））。しかる後、真空雰囲気中でシリコン基板３０の表面に図１２に示すように前記シリコン基板３０と同じ形状をしたリッド材３５を貼り合わせ、そして半田３４部分をレーザーにより加熱して半田３４を溶融させることで、シリコン基板３０の表面にリッド材３５を固着させる（図１０（ｍ））。その後、図６に示すようにリッド材３５の表面をダイシングテープ３６で覆い、このダイシングテープ３６の上から図示しないダイシングソーでダイシングライン３７に沿って切ることで、シリコン基板３０から水晶振動子が１個ずつ切り分けられて行く（図１０（ｎ））。そして切り出された水晶振動子の両側面に外部端子２７，２８を設けると共に、水晶振動子の両面に例えばシリコーン接着剤２９を塗布することで、図７に示す水晶振動子が完成する。
【００２８】
この実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００２９】
なお、上述した実施の形態においてシリコン基板３０の表面に絶縁膜２３を形成しないで、シリコン基板３０に拡散層２２を形成した後、シリコン基板３０の表面に導電性材料２４を塗布し、その上から水晶振動片１４を載せて固着させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施の形態に係る水晶振動子を示す概略縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る水晶振動子の製造方法を示す概略断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る水晶振動子の製造方法を示す概略断面図である。
【図４】シリコン基板の表面に複数の水晶振動片が搭載された様子を示す平面図である。
【図５】リッド材の平面図である
【図６】シリコン基板を１個１個の水晶振動子に切り分けて行く様子を示す平面図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る他の水晶振動子を示す概略縦断面図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る他の水晶振動子の製造方法を示す概略断面図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る他の水晶振動子の製造方法を示す概略断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る他の水晶振動子の製造方法を示す概略断面図である。
【図１１】シリコン基板の表面に複数形成された凹部内に水晶振動片が各々搭載された様子を示す平面図である。
【図１２】リッド材の平面図である。
【図１３】音叉型水晶振動子の一例を示す概略平面図である。
【図１４】上記音叉型水晶振動片を格納した水晶振動子の一例を示す概略縦断面図及び裏面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１４  水晶振動片
２    シリコン基板
２０  台座
２１  凹部
２２  拡散層
２３  シリコン酸化膜
２４  導電性材料
２６  蓋体
２７，２８  端子
２９  シリコーン接着剤
３０  シリコン基板
３２  凹部
３５  リッド材
３６  ダイシングシート
３７  ダイシングライン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2008131197.tif 000011
【図１０】
2008131197.tif 000012
【図１１】
2008131197.tif 000013
【図１２】
2008131197.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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