音叉振動子および電子機器
【課題】極めて小型で、例えば数十ｋＨｚ帯の共振周波数を得ることができ、かつ電気機械結合係数の大きな音叉振動子を提供すること。
【解決手段】音叉振動子１００は、基板と、該基板の上方に形成された酸化物層と、該酸化物層の上方に形成された半導体層と、を有する基体と、前記半導体層と前記酸化物層を加工して形成された、半導体層からなる音叉型の振動部１０と、前記振動部１０の屈曲振動を生成するための駆動部２０ａ〜２０ｄと、を含む。振動部１０は、支持部１２と、該支持部１２を基端として片持ち梁状に形成された二本のビーム部１４ａ、１４ｂと、を有し、駆動部２０ａ〜２０ｄは、二本のビーム部１４ａ、１４ｂの上方にそれぞれ一対ずつ形成され、ひとつの駆動部は、第１電極層と、該第１電極層の上方に形成された圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第２電極層とを有し、前記ビーム部１４ａ、１４ｂの厚さをＴ０とし、前記圧電体層の厚さをＴ１とするとき、Ｔ０／Ｔ１≦１である。
【解決手段】音叉振動子１００は、基板と、該基板の上方に形成された酸化物層と、該酸化物層の上方に形成された半導体層と、を有する基体と、前記半導体層と前記酸化物層を加工して形成された、半導体層からなる音叉型の振動部１０と、前記振動部１０の屈曲振動を生成するための駆動部２０ａ〜２０ｄと、を含む。振動部１０は、支持部１２と、該支持部１２を基端として片持ち梁状に形成された二本のビーム部１４ａ、１４ｂと、を有し、駆動部２０ａ〜２０ｄは、二本のビーム部１４ａ、１４ｂの上方にそれぞれ一対ずつ形成され、ひとつの駆動部は、第１電極層と、該第１電極層の上方に形成された圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第２電極層とを有し、前記ビーム部１４ａ、１４ｂの厚さをＴ０とし、前記圧電体層の厚さをＴ１とするとき、Ｔ０／Ｔ１≦１である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＯＩ基板などの基体に形成された音叉型の振動部を圧電体層の振動で駆動する音叉振動子、およびこれを含む電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、時計やマイコンなどの情報機器では小型化や省電力化が進展しつつあり、このために、クロックモジュールの小型化や省電力化が要求されるようになってきている。この中で、クロックモジュールの発振器部分に用いられる振動子としては、従来の設計資産や省電力性を生かすために３２ｋＨｚ音叉振動子が今なお用いられている。この音叉振動子は、音叉形状に加工された水晶などの圧電体を電極で挟んで駆動できる構造にしたものであり、温度特性が良好である、省電力性に優れる、などの利点を備えている。ただし、このような３２ｋＨｚ音叉振動子の場合には、音叉の腕長さが数ｍｍになり、パッケージングを含めた全体の長さは１０ｍｍ近くになってしまう。
【０００３】
最近になって、水晶ではなく、シリコン基板上に形成された圧電薄膜を用いた振動子が開発されるようになってきた。かかる振動子は、シリコン基板上において、圧電体薄膜を上下の電極で挟んだ積層構造を有し、面内の伸縮運動によって屈曲振動を駆動するものである。このような振動子の構造としては、ビーム状構造のもの（特許文献１の図１）と、ビーム二本から音叉振動子を形成したもの（特許文献２の図１）と、が知られている。このうち、振動子の振動部分が基板と直接接しておらず、振動エネルギーが基板に漏洩しない、という点で優れているのは、音叉振動子構造のものである。
【０００４】
ところで、このようなシリコン基板上に形成された圧電薄膜を用いた振動子においても、シリコン基板の厚さをせいぜい１００μｍ程度にしかできないため、屈曲振動の音速を数１００ｍ／ｓ程度までしか下げることができず、数１０ｋＨｚ帯での共振周波数を得るためには、ビームの腕長を数ｍｍ以上にする必要があり、クロックモジュールの小型化が困難である、という問題があった。
【特許文献１】特開２００５−２９１８５８号公報
【特許文献２】特開２００５−２４９３９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するものであり、その課題は、極めて小型で、例えば数十ｋＨｚ帯の共振周波数を得ることができ、かつ電気機械結合係数の大きな音叉振動子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかる音叉振動子は、
基板と、該基板の上方に形成された酸化物層と、該酸化物層の上方に形成された半導体層と、を有する基体と、
前記半導体層と前記酸化物層を加工して形成された、半導体層からなる音叉型の振動部と、
前記振動部の屈曲振動を生成するための駆動部と、
を含み、
前記振動部は、支持部と、該支持部を基端として片持ち梁状に形成された二本のビーム部と、を有し、
前記駆動部は、前記二本のビーム部の上方にそれぞれ一対ずつ形成され、ひとつの駆動部は、第１電極層と、該第１電極層の上方に形成された圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第２電極層とを有し、
前記ビーム部の厚さをＴ０とし、前記圧電体層の厚さをＴ１とするとき、Ｔ０／Ｔ１≦１である。
【０００７】
本発明の音叉振動子によれば、ビーム部と圧電体層の厚さが上記関係を有することにより、圧電体層にかかる駆動力の負荷が小さく、電気機械結合係数を大きくすることができる。
【０００８】
本発明の音叉振動子において、０．３≦Ｔ０／Ｔ１≦１．０であることができる。
【０００９】
本発明の音叉振動子において、前記駆動部の幅をＷ１とし、前記ビーム部の幅をＷ０とするとき、０．２≦Ｗ１／Ｗ０≦０．４であることができる。
【００１０】
本発明の音叉振動子において、前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛あるいはチタン酸ジルコン酸鉛固溶体からなることができる。
【００１１】
本発明の音叉振動子において、前記圧電体層は、窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウム固溶体からなることができる。
【００１２】
本発明の音叉振動子において、前記基体は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板であることができる。
【００１３】
本発明の音叉振動子において、前記振動部と前記駆動部の前記第１電極層との間に下地層を有することができる。
【００１４】
本発明にかかる電子機器は、本発明の音叉振動子を含む。
【００１５】
本発明において、特定のＡ部材（以下、「Ａ部材」という。）の上方に設けられた特定のＢ部材（以下、「Ｂ部材」という。）というとき、Ａ部材の上に直接Ｂ部材が設けられた場合と、Ａ部材の上に他の部材を介してＢ部材が設けられた場合とを含む意味である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
１．音叉振動子
図１は、本実施形態の音叉振動子１００の構造を模式的に示す平面図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ線に沿った構造を模式的に示す断面図である。
【００１８】
図１に示すように、音叉振動子１００は、基体としてのＳＯＩ基板１と、該ＳＯＩ基板１に形成された音叉型の振動部１０と、該振動部１０の屈曲振動を生成するための駆動部２０（２０ａ〜２０ｄ）と、を含む。基体は、基板と、該基板の上方に形成された酸化物層と、該酸化物層の上方に形成された半導体層と、を有することができる。
【００１９】
図２に示すように、ＳＯＩ基板１は、シリコン基板２上に、酸化物層（酸化シリコン層）３および半導体層（シリコン層）４が順次積層されている。半導体層４の厚さは、音叉振動子１００の小型化のためには、２０μｍ以下であることが望ましい。ＳＯＩ基板１は半導体基板として用いることもでき、ＳＯＩ基板１内に各種の半導体回路を作り込むことができるため、音叉振動子１００と半導体集積回路とを一体化することができる。この中でも、シリコン基板を用いることが一般的な半導体製造技術を利用できる点で有利である。
【００２０】
振動部１０は、図１に示すように、平面形状が音叉型を有し、図２に示すように、ＳＯＩ基板１の酸化物層３を除去して形成された第１開口部３ａ上に形成されている。また、振動部１０の周りには、該振動部１０の振動を許容する第２開口部４ａが形成されている。第１開口部３ａと第２開口部４ａは、連続している。そして、振動部１０は、半導体層４の一部によって形成され、支持部１２と、該支持部１２を基端として片持ち梁状に形成された二本のビーム部１４ａ，１４ｂと、を有する。二本の第１ビーム部１４ａおよび第２ビーム部１４ｂは、その長手方向にそれぞれ平行に所定間隔をおいて配置されている。
【００２１】
支持部１２は、半導体層４に連続する第１支持部１２ａと、該第１支持部１２ａより幅の大きい第２支持部１２ｂとを有する。第２支持部１２ｂは、第１ビーム部１４ａおよび第２ビーム部１４ｂを支持する機能と、これらのビーム部１４ａ，１４ｂの振動を第１支持部１２ａに伝搬させない機能とを有する。第２支持部１２ｂは、かかる機能を有するために、例えば図１に示すように、その側部に凹凸形状を有することができる。
【００２２】
駆動部２０は、第１ビーム部１４ａおよび第２ビーム部１４ｂの上にそれぞれ１対づつ形成されている。すなわち、第１ビーム部１４ａ上には、第１駆動部２０ａと第２駆動部２０ｂとが、第１ビーム部１４ａの長手方向に沿って平行に形成されている。同様に、第２ビーム部１４ｂ上には、第３駆動部２０ｃと第４駆動部２０ｄとが、第２ビーム部１４ｂの長手方向に沿って平行に形成されている。そして、第１ビーム部１４ａの外側に配置された第１駆動部２０ａと、第２ビーム部１４ｂの外側に配置されている第３駆動部２０ｃとが、図示しない配線によって電気的に接続されている。また、第１ビーム部１４ａの内側に配置された第２駆動部２０ｂと、第２ビーム部１４ｂの内側に配置されている第４駆動部２０ｄとが、図示しない配線によって電気的に接続されている。したがって、これらの配線に交流電界を印加すると、第１ビーム１４ａおよび第２ビーム部１４ｂは、それぞれ鏡映対称に屈曲振動し、音叉振動を実現することができる。
【００２３】
駆動部２０（２０ａないし２０ｄ）は、図２に示すように、下地層５上に形成された第１電極層２２と、該第1電極層２２の上方に形成された圧電体層２４と、該圧電体層２４の上方に形成された第２電極層２６とを有する。
【００２４】
下地層５は、酸化シリコン層（ＳｉＯ２）、窒化シリコン層（Ｓｉ３Ｎ４）等の絶縁膜であり、２層以上の複合層で構成されていてもよい。第１電極層２２は、任意の電極材料を用いることができ、例えば白金などを例示することができる。第１電極層２２の厚さは充分に低い電気抵抗値が得られるのであればよく、１０ｎｍ以上５μｍ以下とすることができる。
【００２５】
圧電体層２４は、任意の圧電材料を用いることができ、例えばチタン酸ジルコン酸鉛あるいは窒化アルミニウムを例示することができる。
【００２６】
第２電極層２６は、任意の電極材料を用いることができ、白金などを例示できる。第２電極層２６の厚さは充分に低い電気抵抗値が得られるのであればよく、１０ｎｍ以上５μｍ以下とすることができる。
【００２７】
圧電体層２４の厚さは、以下に述べるように、ビーム部１４ａ、１４ｂの厚さと特定の関係を有する。すなわち、ビーム部１４ａ、１４ｂの厚さをＴ０とし、圧電体層２４の厚さをＴ１とするとき、Ｔ０／Ｔ１≦１であることができる。本実施形態では、さらに、後述するモード解析の結果からも明らかなように、０．３≦Ｔ０／Ｔ１≦１．０であることが好ましい。従って、例えば、ビーム部１４ａ、１４ｂの厚さを０．３μｍないし４．０μｍとした場合、圧電体層２４の厚さは１．０μｍ以上４．０μｍ以下とすることができる。ビーム部１４ａ、１４ｂと圧電体層２４の厚さが上記関係を有することにより、圧電体層にかかる駆動力の負荷が小さく、電気機械結合係数を大きくすることができる。その結果、音叉振動子１００の小型化や高効率化を図ることができる。
【００２８】
以下に、ビーム部１４ａ、１４ｂの厚さＴ０と、圧電体層２４の厚さＴ１との関係について行った解析とその結果を図３に示す。図３は、横軸にビーム部の厚さと圧電体層の厚さとの比（Ｔ０／Ｔ１）を示し、縦軸に電気機械結合係数（ｋ２）を示す。
【００２９】
具体的には、音叉振動子１００について、有限要素法を用いてモード解析を行い、１次の屈曲振動モードでの共振周波数と反共振周波数とを計算し、その差から電気機械結合係数を算出した。
【００３０】
モード解析では、ビーム部を構成するシリコンの材料定数を、密度２．３３ｇ／ｃｍ３、弾性定数を、Ｙ１１＝１６７ＧＰａ、Ｙ４４＝８０ＧＰａとする。また、圧電体層を構成するＰＺＴの材料定数を、密度７．５０ｇ／ｃｍ３、誘電率をε１１＝８０４．６、ε３３＝６５９．７、圧電定数を、ｅ３１＝−４．１Ｃ／ｍ２，ｅ３３＝１４．１Ｃ／ｍ２，ｅ１５＝１０．５Ｃ／ｍ２とし、弾性定数をＹ１１＝１３２ＧＰａ、Ｙ３３＝１１５ＧＰａ、Ｙ４４＝３０ＧＰａとする。ビーム部の長さを５００μｍ、幅Ｗ０を６μｍ、ビーム部の間隔を６μｍ、圧電体層の厚さＴ１を１μｍとする。
【００３１】
そして、圧電体層の厚さＴ１を一定としたままで、ビーム部の厚さＴ０を変化させた場合の電気機械結合係数を求めたところ、図３に示す結果が得られた。図３に示すように、Ｔ０／Ｔ１≦１、好ましくは０．３≦Ｔ０／Ｔ１≦１．０の領域で、ビーム部の厚さＴ０の減少に伴って電気機械結合係数が著しく増大する。
【００３２】
さらに、本実施形態の音叉振動子１００において、図１に示すように、駆動部２０（２０ａ〜２０ｄ）の幅をＷ１とし、ビーム部１４ａ、１４ｂの幅をＷ０とするとき、０．２≦Ｗ１／Ｗ０≦０．４であることが好ましい。駆動部２０の幅Ｗ１とビーム部１４ａ、１４ｂの幅Ｗ０が上記関係を有することにより、駆動部分の面積が増えると電気機械結合係数が大きくなる効果と、幅の中心部分に駆動部分があると、却って振動を妨げる効果が釣り合うことから、電気機械結合係数を大きくすることができる。その結果、音叉振動子１００の小型化や高効率化を図ることができる。
【００３３】
以下に、駆動部２０の幅Ｗ１と、ビーム部１４ａ、１４ｂの幅Ｗ０との関係について行った解析とその結果を図４に示す。図４は、横軸に駆動部の幅とビーム部の幅との比（Ｗ１／Ｗ０）を示し、縦軸に電気機械結合係数（ｋ２）を示す。なお、解析法は、上述したモード解析と同様である。このモード解析では、ビーム部の幅Ｗ０を一定としたままで、駆動部の幅Ｗ１を変化させた場合の電気機械結合係数の変化を求めたところ、図４に示す結果が得られた。図４に示すように、電気機械結合係数は、ビーム部の幅Ｗ１の増大に伴ってほぼ直線的に増大し、比（Ｗ１／Ｗ０）が０．３３付近で極大になり、これを越えると減少に転ずる。以上のことから、０．２≦Ｗ１／Ｗ０≦０．４の関係を満たすことが電気機械結合係数の観点から望ましい。
【００３４】
本実施形態では、駆動部２０において、第１電極層２２と第２電極層２６の間には圧電体層２６のみが存在するが、両電極層２２，２６間に上記の圧電体層２４以外の層を有していてもよい。この場合、共振条件に応じて圧電体層２４の膜厚を適宜に変更すればよい。
【００３５】
次に、本実施形態の音叉振動子１００の構成例について述べる。
【００３６】
音叉振動子１００は、下地層（ＳｉＯ２層）の厚さが１μｍ、第１電極層２２の厚さが０．１μｍ、圧電体層２４の厚さＴ１が１μｍ、第２電極層２６の厚さが０．１μｍで、駆動部２０の全体の厚さが１．２μｍ、駆動部２０の幅Ｗ１が２μｍ、ビーム部１４ａ、１４ｂの厚さＴ０が１μｍ、長さが２５０μｍ、幅Ｗ０が６μｍである。この構成例では、Ｔ０／Ｔ１＝１．０、Ｗ１／Ｗ０＝０．３３である。なお、駆動部２０の幅Ｗ１は、具体的には、圧電体層２４の幅である。また、第２支持部１２ｂの長さが１２５μｍ、幅（最大幅）が１８μｍである。振動部１０は、長辺９５０μｍ、短辺３５０μｍの第２開口部４ａの中に収まっている。このような構造の音叉振動子１００について、有限要素法によって運動方程式を解いてシミュレーションすると、屈曲振動の共振周波数は３２ｋＨｚとなる。
【００３７】
本実施形態の音叉振動子１００によれば、振動部１０がＳＯＩ基板１の半導体層４によって構成されるため、振動部１０の厚さを小さくし、さらにビーム部１４ａ、１４ｂの長さを短くすることができる。例えば、本実施形態において、振動部１０の厚さを４μｍ以下、振動部１０の長さを５００μｍ以下とすることができる。そして、本実施形態の音叉振動子１００は、３２ｋＨｚ帯の周波数を用いる場合には、１ｍｍ以下の長さのパッケージとすることができる。
【００３８】
また、本実施形態の音叉振動子１００によれば、ビーム部の厚さと圧電体層の厚さとの比（Ｔ０／Ｔ１）が特定の範囲にあり、さらに、駆動部の幅とビーム部の幅との比（Ｗ１／Ｗ０）が特定の範囲にあることにより、高い電気機械結合係数を得ることができる。
【００３９】
さらに、本実施形態によれば、ＳＯＩ基板１に音叉振動子１００を形成することができるので、ＳＯＩ基板１に発振回路と音叉振動子とを一体化して形成することができる。その結果、ＳＯＩ基板１を用いたデバイスの低動作電圧の特徴を生かして、超低消費電力のワンチップ音叉振動子モジュールを実現することができる。
【００４０】
２．音叉振動子の製造方法
次に、図５から図７を参照して、本実施形態にかかる音叉振動子１００の製造方法の一例について述べる。
【００４１】
（１）図５に示すように、ＳＯＩ基板１上に、下地層５、第１電極層２２、圧電体層２４および第２電極層２６を順次形成する。ＳＯＩ基板１は、シリコン基板２上に、酸化物層（酸化シリコン層）３および半導体層４が順次形成されたものである。
【００４２】
下地層５は熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法などで形成することができる。下地層５は、パターニングされて所望の形状を有するように形成される。このパターニングは、通常のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。
【００４３】
第１電極層２２は、下地層５上に、蒸着法、スパッタリング法などを用いて形成することができる。第１電極層２２は、パターニングされて所望の形状を有するように形成される。このパターニングは、通常のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。
【００４４】
圧電体層２４は、ゾルゲル法などの溶液法、蒸着法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法などの種々の方法で形成することができる。例えば、レーザーアブレーション法を用いてチタン酸ジルコン酸鉛層を形成する場合には、レーザー光をチタン酸ジルコン酸鉛用ターゲット、例えば、Ｐｂ１．０５Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８ＮｂＯ３のターゲットに照射する。そして、このターゲットから鉛原子、ジルコニウム原子、チタン原子、および酸素原子をアブレーションによって放出させ、レーザーエネルギーによってプルームを発生させ、このプルームをＳＯＩ基板１に向けて照射する。このようにすると、第１電極層２２，３２上にチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層２４が形成される。圧電体層２４は、パターニングされて所望の形状を有するように形成される。このパターニングは、通常のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。
【００４５】
第２電極層２６は、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等によって形成することができる。第２電極層２６は、パターニングされて所望の形状を有するように形成される。このパターニングは、通常のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。
【００４６】
下地層５，第１電極層２２、圧電体層２４および第２電極層２６のパターニングは、各層毎に行うこともできるし、複数層を一括して行うこともできる。
【００４７】
（２）図６に示すように、ＳＯＩ基板１の半導体層４を所望の形状にパターニングする。具体的には、半導体層４は、図１に示すように、第２開口部４ａ内に、所望の平面形状の振動部１０が形成される。半導体層４のパターニングは、公知のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。エッチングは、ドライエッチングまたはウェットエッチングを用いることができる。このパターニング工程においては、ＳＯＩ基板１の酸化物層３をエッチングストッパ層として用いることができる。
【００４８】
（３）図７に示すように、ＳＯＩ基板１の酸化物層３をエッチングして振動部１０の下に、第１開口部３ａを形成する。エッチングとしては、酸化シリコンのエッチャントとして、例えばフッ化水素を用いたウェットエッチングを用いることができる。この第１開口部３ａは、シリコン基板２および半導体層４をエッチングストッパ層として用いることができる。上述した第２開口部４ａと第１開口部３ａとを設けることで、音叉型の振動子１０の機械的拘束力が低減され、振動部１０が自由に振動できるようになる。
【００４９】
以上の工程を経て、図１および図２に示す音叉振動子１００を形成することができる。本実施形態の製造方法によれば、公知のＭＥＭＳ技術を用いて容易に音叉振動子を製造することができる。
【００５０】
３．音叉振動子を適用した電子機器の例
３．１．発振器
上述した音叉振動子１００を有する発振器を説明する。
【００５１】
図８は、上述した音叉振動子１００を有する発振器５００の基本的構成を示す回路図である。発振器５００は、この回路（発振回路）を含むことができる。発振回路は、電気信号を増幅する増幅器４０１と、増幅器４０１の入出力間に接続された帰還回路４１０と、を有する。増幅器４０１は、例えばＣＭＯＳインバータからなる。帰還回路４１０は、例えば、音叉振動子１００と、抵抗４０３と、２つのコンデンサ４０４，４０５と、を備える。増幅器４０１には、直流電源から電圧Ｅが印加されている。電源電圧Ｅを増大させていき発振開始電圧になると、電流Ｉが急激に増加して発振が開始される。さらに電源電圧Ｅを増大させると、発振状態を保ちながら電流Ｉがほぼ比例して増加する。
【００５２】
図９は、本実施形態に係る発振器５００を概略的に示す平面図であり、図１０は、発振器５００を概略的に示す断面図である。なお、図１０は、図９のＸ−Ｘ線断面図である。また、図９および図１０では、便宜上、音叉振動子１００を簡略化して示している。
【００５３】
発振器５００は、封止材５０２により封止されている。ＩＣ（集積回路）５０３は、金線などのボンディングワイヤ５０４により外部端子５７０に接続されている。外部端子５７０は、リードフレーム５０５および接合材５０６を介して、実装端子５４１と電気的に接続されている。実装端子５４１は、配線（図示せず）などにより、音叉振動子１００の各電極と電気的に接続されている。音叉振動子１００は、蓋部材５３９やシール部材５４０などにより封止されている。
【００５４】
図１１は、本実施形態に係る発振器５００の製造工程例を概略的に示す図である。
【００５５】
まず、ＩＣウェハに対してテープ貼りおよびダイシングを行う。次に、ＩＣ５０３のチップをリードフレーム５０５に搭載する。次に、ボンディングワイヤ５０４を用いてＩＣ５０３に対してワイヤボンディングを行う。
【００５６】
次に、音叉振動子１００の実装端子５４１を、半田などの接合材５０６を用いてリードフレーム５０５に接合して、音叉振動子１００をマウントする。次に、封止材（モールド材）５０２を用いて、音叉振動子１００、ＩＣ５０３などを樹脂封止する。その後、特性検査、マーキングを行い、テーピング、梱包し、出荷される。
【００５７】
また、図示はしないが、例えば、音叉振動子１００が形成される基体１（図２参照）に対して半導体プロセスを用いて音叉振動子１００に平面的に隣接するＩＣを形成し、本実施形態に係る発振器を形成することもできる。これにより、パッケージを省略することができ、ワンチップ型の発振器を形成することができる。
【００５８】
３．２．リアルタイムクロック
次に、上述した音叉振動子１００を有するリアルタイムクロックを説明する。
【００５９】
図１２は、上述した発振器（ＯＳＣ）５００を有するリアルタイムクロック６００を概略的に示す回路ブロック図である。リアルタイムクロック６００の集積回路部は、単一の基板６０１に集積され、マイクロプロセッサ（図示せず）と接続されている。
【００６０】
計時用接続端子６０２，６０３に接続されている発振器５００からは高周波（例えば３２ｋＨｚ）のクロックパルスが出力される。クロックパルスは分周回路６０５で分周され、１Ｈｚの計時パルスが計時カウンタ６０６に入力される。計時カウンタ６０６は、例えば、秒計時ビットｓと、分計時ビットｍと、時計時ビットｈと、曜日計時ビットｄと、日計時ビットＤと、月計時ビットＭと、年計時ビットＹとから構成されている。所定数の計時パルスが計時カウンタ６０６に入力されると、それぞれの計時ビットは繰り上がることができる。計時カウンタ６０６には、計時ビットの書き換えおよび読み出しを行う制御部６２０が接続されている。制御部６２０は、例えば、コマンドデコーダ６１２と、シフトレジスタ６０９，６１０と、を有することができる。
【００６１】
計時カウンタ６０６の計時ビットを書き換える場合には、まず、マイクロプロセッサからセレクト入力端子６０７にセレクト信号を供給する。次に、マイクロプロセッサからデータ入力端子６０８に、書き換えるべき情報を表すデータビットと、計時ビットのアドレスを表すアドレスビットと、計時カウンタ６０６への書き込み動作を表す操作ビットとから構成される外部情報を供給する。その結果、外部情報は、直列に接続されたシフトレジスタ６０９，６１０に記憶される。そして、コマンドデコーダ６１２は、シフトレジスタ６１０に記憶された操作ビットとアドレスビットに基づき、ライトイネーブル信号を計時カウンタ６０６に送出するとともに、計時ビットを指定するアドレス信号を出力する。その結果、シフトレジスタ６０９に記憶されたデータビットが計時カウンタ６０６の計時ビットに書き込まれ、リアルタイムデータの書き換えが行われる。
【００６２】
また、計時カウンタ６０６からリアルタイムデータを読み出す場合には、マイクロプロセッサから、読み出し動作を表す操作ビットを有する外部情報を送出させる。そして、コマンドデコーダ６１２は、計時カウンタ６０６へのライトイネーブル信号をインアクティブ状態にする。その結果、インバータ６１３がアクティブ状態のライトイネーブル信号をシフトレジスタ６０９に供給し、シフトレジスタ６０９が読み込み可能状態になり、計時カウンタ６０６の内容はシフトレジスタ６０９に読み出される。シフトレジスタ６０９に読み出されたリアルタイムデータは、クロック入力端子６１４に印加されるクロック信号に同期して、データ出力端子６１５に転送され、例えばマイクロプロセッサのレジスタなどに送出される。
【００６３】
なお、例えば計算結果などのデータは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）６１６に記憶させることができる。
【００６４】
図１３は、本実施形態に係るリアルタイムクロック６００を概略的に示す上面透視図であり、図１４は、リアルタイムクロック６００を概略的に示す側面透視図である。なお、図１４は、図１３の矢印XIVの方向に見た図である。
【００６５】
発振回路などを有するＩＣチップ６５１は、リードフレーム６５２のアイランド部６５３に導電性接着剤などで接着固定されている。ＩＣチップ６５１の上面に設けられた各電極パッド６５４は、ボンディングワイヤ６５５により、パッケージの外周部に配置された入出力用リード端子６５６と電気的に接続されている。平面視において、ＩＣチップ６５１の隣には、音叉振動子１００を内部に収めている振動子用筐体６５７が配置されている。振動子用筐体６５７内には、例えば図１および図２に示す音叉振動子１００が気密状態で封止されている。音叉振動子１００の各電極に電気的に接続されたリード６５８は、振動子用筐体６５７内から外に突出している。リード６５８は、リードフレーム６５２の接続パッド６５９に導電性接着剤などで接着固定されている。ＩＣチップ６５１、リードフレーム６５２および振動子用筐体６５７は、樹脂６６０により一体成形されてパッケージ化されている。
【００６６】
また、図示はしないが、例えば、音叉振動子１００が形成される基体１（図２参照）に対して半導体プロセスを用いて音叉振動子１００に平面的に隣接するＩＣを形成し、本実施形態に係るリアルタイムクロックを形成することもできる。これにより、パッケージを省略することができ、ワンチップ型のリアルタイムクロックを形成することができる。
【００６７】
３．３．電波時計受信モジュール
次に、上述した音叉振動子１００を有する電波時計受信モジュールを説明する。
【００６８】
図１５は、本実施形態に係る電波時計受信モジュール８００を概略的に示す回路ブロック図である。
【００６９】
電波時計受信モジュール８００は、受信部８０１と、周波数フィルタ８０５と、周辺回路８１０と、上述したリアルタイムクロック（ＲＴＣ）６００と、を含む。周波数フィルタ８０５は、例えば図１および図２に示す音叉振動子１００（１００Ａ，１００Ｂ）を有する。周辺回路８１０は、例えば、検波・整流回路８０６と、波形整形回路８０７と、中央演算処理装置（ＣＰＵ）８０８と、を有することができる。
【００７０】
電波時計は、時刻情報を含む標準電波を受信して、正確な時刻に自動修正して表示する機能を備えた時計である。日本国内には、福島県（４０ｋＨｚ）と佐賀県（６０ｋＨｚ）に標準電波を送信する送信所がある。
【００７１】
受信部（例えばアンテナ）８０１は、４０ｋＨｚまたは６０ｋＨｚの長波の標準電波を受信する。標準電波は、４０ｋＨｚまたは６０ｋＨｚの搬送波に振幅変調（ＡＭ）をかけて時刻情報（タイムコード）を乗せたものである。
【００７２】
受信された電気信号は、アンプ８０２によって増幅され、搬送周波数と同一の共振周波数を有する音叉振動子１００Ａ，１００Ｂを有する周波数フィルタ８０５によって、濾波、同調される。濾波された電気信号からは、周辺回路８１０により、タイムコードを読み出すことができる。具体的には、まず、濾波された所定周波数の信号は、検波・整流回路８０６により検波復調される。そして、波形整形回路８０７を介してタイムコードが取り出され、ＣＰＵ８０８でカウントされる。ＣＰＵ８０８では、例えば、現在の年、積算日、曜日、時刻などの情報が読み取られる。読み取られた情報は、ＲＴＣ６００に反映されて、正確な時刻情報が表示される。
【００７３】
搬送波は４０ｋＨｚまたは６０ｋＨｚであるから、周波数フィルタ８０５の音叉振動子１００Ａ，１００Ｂには、本発明に係る音叉振動子が好適である。
【００７４】
また、図示はしないが、例えば、音叉振動子１００が形成される基体１（図２参照）に対して半導体プロセスを用いて音叉振動子１００に平面的に隣接するＩＣを形成し、本実施形態に係る電波時計受信モジュールを形成することもできる。これにより、パッケージを省略することができ、ワンチップ型の電波時計受信モジュールを形成することができる。
【００７５】
本発明は、上述した実施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、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施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、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成また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。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】実施形態の音叉振動子の構造を模式的に示す平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図。
【図３】音叉振動子の電気機械結合係数を計算した結果を示すグラフ。
【図４】音叉振動子の電気機械結合係数を計算した結果を示すグラフ。
【図５】実施形態の音叉振動子の製造方法を模式的に示す断面図。
【図６】実施形態の音叉振動子の製造方法を模式的に示す断面図。
【図７】実施形態の音叉振動子の製造方法を模式的に示す断面図。
【図８】本実施形態の音叉振動子を適用した発振器の基本的構成を示す回路図。
【図９】本実施形態の音叉振動子を適用した発振器を概略的に示す平面図。
【図１０】本実施形態の音叉振動子を適用した発振器を概略的に示す断面図。
【図１１】本実施形態の音叉振動子を適用した発振器の製造工程例を概略的に示す図。
【図１２】本実施形態の音叉振動子を適用したリアルタイムクロックを概略的に示す回路ブロック図。
【図１３】本実施形態の音叉振動子を適用したリアルタイムクロックを概略的に示す上面透視図。
【図１４】本実施形態の音叉振動子を適用したリアルタイムクロックを概略的に示す側面透視図。
【図１５】本実施形態の音叉振動子を適用した電波時計受信モジュールを概略的に示す回路ブロック図。
【符号の説明】
【００７７】
１…ＳＯＩ基板、２…シリコン基板、３…酸化物層、３ａ，４ａ…開口部、４…半導体層（シリコン層）、５…下地層、１０…振動部、１２…支持部、１４ａ…第１ビーム部、１４ｂ…第２ビーム部、２０…駆動部、２２…第１電極層、２４…圧電体層、２６…第２電極層、１００…音叉振動子、４０１ 増幅器、４０３ 抵抗、４０４，４０５ コンデンサ、４１０ 帰還回路、５００ 発振器、５０２ 封止材、５０３ ＩＣ、５０４ ボンディングワイヤ、５０５ リードフレーム、５０６ 接合材、５３９ 蓋部材、５４０ シール部材、５４１ 実装端子、５７０ 外部端子、６００ リアルタイムクロック、６０１ 基板、６０２，６０３ 計時用接続端子、６０５ 分周回路、６０６ 計時カウンタ、６０７ セレクト入力端子、６０８ データ入力端子、６０９，６１０ シフトレジスタ、６１２ コマンドデコーダ、６１３ インバータ、６１４ クロック入力端子、６１５ データ出力端子、６２０ 制御部、６５１ ＩＣチップ、６５２ リードフレーム、６５３ アイランド部、６５４ 電極パッド、６５５ ボンディングワイヤ、６５６ 入出力用リード端子、６５７ 振動子用筐体、６５８ リード、６５９ 接続パッド、６６０ 樹脂、８００ 電波時計受信モジュール、８０１ 受信部、８０２ アンプ、８０５ 周波数フィルタ、８０６ 検波・整流回路、８０７ 波形整形回路、８０８ ＣＰＵ，８１０ 周辺回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＯＩ基板などの基体に形成された音叉型の振動部を圧電体層の振動で駆動する音叉振動子、およびこれを含む電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、時計やマイコンなどの情報機器では小型化や省電力化が進展しつつあり、このために、クロックモジュールの小型化や省電力化が要求されるようになってきている。この中で、クロックモジュールの発振器部分に用いられる振動子としては、従来の設計資産や省電力性を生かすために３２ｋＨｚ音叉振動子が今なお用いられている。この音叉振動子は、音叉形状に加工された水晶などの圧電体を電極で挟んで駆動できる構造にしたものであり、温度特性が良好である、省電力性に優れる、などの利点を備えている。ただし、このような３２ｋＨｚ音叉振動子の場合には、音叉の腕長さが数ｍｍになり、パッケージングを含めた全体の長さは１０ｍｍ近くになってしまう。
【０００３】
最近になって、水晶ではなく、シリコン基板上に形成された圧電薄膜を用いた振動子が開発されるようになってきた。かかる振動子は、シリコン基板上において、圧電体薄膜を上下の電極で挟んだ積層構造を有し、面内の伸縮運動によって屈曲振動を駆動するものである。このような振動子の構造としては、ビーム状構造のもの（特許文献１の図１）と、ビーム二本から音叉振動子を形成したもの（特許文献２の図１）と、が知られている。このうち、振動子の振動部分が基板と直接接しておらず、振動エネルギーが基板に漏洩しない、という点で優れているのは、音叉振動子構造のものである。
【０００４】
ところで、このようなシリコン基板上に形成された圧電薄膜を用いた振動子においても、シリコン基板の厚さをせいぜい１００μｍ程度にしかできないため、屈曲振動の音速を数１００ｍ／ｓ程度までしか下げることができず、数１０ｋＨｚ帯での共振周波数を得るためには、ビームの腕長を数ｍｍ以上にする必要があり、クロックモジュールの小型化が困難である、という問題があった。
【特許文献１】特開２００５−２９１８５８号公報
【特許文献２】特開２００５−２４９３９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するものであり、その課題は、極めて小型で、例えば数十ｋＨｚ帯の共振周波数を得ることができ、かつ電気機械結合係数の大きな音叉振動子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかる音叉振動子は、
基板と、該基板の上方に形成された酸化物層と、該酸化物層の上方に形成された半導体層と、を有する基体と、
前記半導体層と前記酸化物層を加工して形成された、半導体層からなる音叉型の振動部と、
前記振動部の屈曲振動を生成するための駆動部と、
を含み、
前記振動部は、支持部と、該支持部を基端として片持ち梁状に形成された二本のビーム部と、を有し、
前記駆動部は、前記二本のビーム部の上方にそれぞれ一対ずつ形成され、ひとつの駆動部は、第１電極層と、該第１電極層の上方に形成された圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第２電極層とを有し、
前記ビーム部の厚さをＴ０とし、前記圧電体層の厚さをＴ１とするとき、Ｔ０／Ｔ１≦１である。
【０００７】
本発明の音叉振動子によれば、ビーム部と圧電体層の厚さが上記関係を有することにより、圧電体層にかかる駆動力の負荷が小さく、電気機械結合係数を大きくすることができる。
【０００８】
本発明の音叉振動子において、０．３≦Ｔ０／Ｔ１≦１．０であることができる。
【０００９】
本発明の音叉振動子において、前記駆動部の幅をＷ１とし、前記ビーム部の幅をＷ０とするとき、０．２≦Ｗ１／Ｗ０≦０．４であることができる。
【００１０】
本発明の音叉振動子において、前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛あるいはチタン酸ジルコン酸鉛固溶体からなることができる。
【００１１】
本発明の音叉振動子において、前記圧電体層は、窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウム固溶体からなることができる。
【００１２】
本発明の音叉振動子において、前記基体は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板であることができる。
【００１３】
本発明の音叉振動子において、前記振動部と前記駆動部の前記第１電極層との間に下地層を有することができる。
【００１４】
本発明にかかる電子機器は、本発明の音叉振動子を含む。
【００１５】
本発明において、特定のＡ部材（以下、「Ａ部材」という。）の上方に設けられた特定のＢ部材（以下、「Ｂ部材」という。）というとき、Ａ部材の上に直接Ｂ部材が設けられた場合と、Ａ部材の上に他の部材を介してＢ部材が設けられた場合とを含む意味である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１７】
１．音叉振動子
図１は、本実施形態の音叉振動子１００の構造を模式的に示す平面図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ線に沿った構造を模式的に示す断面図である。
【００１８】
図１に示すように、音叉振動子１００は、基体としてのＳＯＩ基板１と、該ＳＯＩ基板１に形成された音叉型の振動部１０と、該振動部１０の屈曲振動を生成するための駆動部２０（２０ａ〜２０ｄ）と、を含む。基体は、基板と、該基板の上方に形成された酸化物層と、該酸化物層の上方に形成された半導体層と、を有することができる。
【００１９】
図２に示すように、ＳＯＩ基板１は、シリコン基板２上に、酸化物層（酸化シリコン層）３および半導体層（シリコン層）４が順次積層されている。半導体層４の厚さは、音叉振動子１００の小型化のためには、２０μｍ以下であることが望ましい。ＳＯＩ基板１は半導体基板として用いることもでき、ＳＯＩ基板１内に各種の半導体回路を作り込むことができるため、音叉振動子１００と半導体集積回路とを一体化することができる。この中でも、シリコン基板を用いることが一般的な半導体製造技術を利用できる点で有利である。
【００２０】
振動部１０は、図１に示すように、平面形状が音叉型を有し、図２に示すように、ＳＯＩ基板１の酸化物層３を除去して形成された第１開口部３ａ上に形成されている。また、振動部１０の周りには、該振動部１０の振動を許容する第２開口部４ａが形成されている。第１開口部３ａと第２開口部４ａは、連続している。そして、振動部１０は、半導体層４の一部によって形成され、支持部１２と、該支持部１２を基端として片持ち梁状に形成された二本のビーム部１４ａ，１４ｂと、を有する。二本の第１ビーム部１４ａおよび第２ビーム部１４ｂは、その長手方向にそれぞれ平行に所定間隔をおいて配置されている。
【００２１】
支持部１２は、半導体層４に連続する第１支持部１２ａと、該第１支持部１２ａより幅の大きい第２支持部１２ｂとを有する。第２支持部１２ｂは、第１ビーム部１４ａおよび第２ビーム部１４ｂを支持する機能と、これらのビーム部１４ａ，１４ｂの振動を第１支持部１２ａに伝搬させない機能とを有する。第２支持部１２ｂは、かかる機能を有するために、例えば図１に示すように、その側部に凹凸形状を有することができる。
【００２２】
駆動部２０は、第１ビーム部１４ａおよび第２ビーム部１４ｂの上にそれぞれ１対づつ形成されている。すなわち、第１ビーム部１４ａ上には、第１駆動部２０ａと第２駆動部２０ｂとが、第１ビーム部１４ａの長手方向に沿って平行に形成されている。同様に、第２ビーム部１４ｂ上には、第３駆動部２０ｃと第４駆動部２０ｄとが、第２ビーム部１４ｂの長手方向に沿って平行に形成されている。そして、第１ビーム部１４ａの外側に配置された第１駆動部２０ａと、第２ビーム部１４ｂの外側に配置されている第３駆動部２０ｃとが、図示しない配線によって電気的に接続されている。また、第１ビーム部１４ａの内側に配置された第２駆動部２０ｂと、第２ビーム部１４ｂの内側に配置されている第４駆動部２０ｄとが、図示しない配線によって電気的に接続されている。したがって、これらの配線に交流電界を印加すると、第１ビーム１４ａおよび第２ビーム部１４ｂは、それぞれ鏡映対称に屈曲振動し、音叉振動を実現することができる。
【００２３】
駆動部２０（２０ａないし２０ｄ）は、図２に示すように、下地層５上に形成された第１電極層２２と、該第1電極層２２の上方に形成された圧電体層２４と、該圧電体層２４の上方に形成された第２電極層２６とを有する。
【００２４】
下地層５は、酸化シリコン層（ＳｉＯ２）、窒化シリコン層（Ｓｉ３Ｎ４）等の絶縁膜であり、２層以上の複合層で構成されていてもよい。第１電極層２２は、任意の電極材料を用いることができ、例えば白金などを例示することができる。第１電極層２２の厚さは充分に低い電気抵抗値が得られるのであればよく、１０ｎｍ以上５μｍ以下とすることができる。
【００２５】
圧電体層２４は、任意の圧電材料を用いることができ、例えばチタン酸ジルコン酸鉛あるいは窒化アルミニウムを例示することができる。
【００２６】
第２電極層２６は、任意の電極材料を用いることができ、白金などを例示できる。第２電極層２６の厚さは充分に低い電気抵抗値が得られるのであればよく、１０ｎｍ以上５μｍ以下とすることができる。
【００２７】
圧電体層２４の厚さは、以下に述べるように、ビーム部１４ａ、１４ｂの厚さと特定の関係を有する。すなわち、ビーム部１４ａ、１４ｂの厚さをＴ０とし、圧電体層２４の厚さをＴ１とするとき、Ｔ０／Ｔ１≦１であることができる。本実施形態では、さらに、後述するモード解析の結果からも明らかなように、０．３≦Ｔ０／Ｔ１≦１．０であることが好ましい。従って、例えば、ビーム部１４ａ、１４ｂの厚さを０．３μｍないし４．０μｍとした場合、圧電体層２４の厚さは１．０μｍ以上４．０μｍ以下とすることができる。ビーム部１４ａ、１４ｂと圧電体層２４の厚さが上記関係を有することにより、圧電体層にかかる駆動力の負荷が小さく、電気機械結合係数を大きくすることができる。その結果、音叉振動子１００の小型化や高効率化を図ることができる。
【００２８】
以下に、ビーム部１４ａ、１４ｂの厚さＴ０と、圧電体層２４の厚さＴ１との関係について行った解析とその結果を図３に示す。図３は、横軸にビーム部の厚さと圧電体層の厚さとの比（Ｔ０／Ｔ１）を示し、縦軸に電気機械結合係数（ｋ２）を示す。
【００２９】
具体的には、音叉振動子１００について、有限要素法を用いてモード解析を行い、１次の屈曲振動モードでの共振周波数と反共振周波数とを計算し、その差から電気機械結合係数を算出した。
【００３０】
モード解析では、ビーム部を構成するシリコンの材料定数を、密度２．３３ｇ／ｃｍ３、弾性定数を、Ｙ１１＝１６７ＧＰａ、Ｙ４４＝８０ＧＰａとする。また、圧電体層を構成するＰＺＴの材料定数を、密度７．５０ｇ／ｃｍ３、誘電率をε１１＝８０４．６、ε３３＝６５９．７、圧電定数を、ｅ３１＝−４．１Ｃ／ｍ２，ｅ３３＝１４．１Ｃ／ｍ２，ｅ１５＝１０．５Ｃ／ｍ２とし、弾性定数をＹ１１＝１３２ＧＰａ、Ｙ３３＝１１５ＧＰａ、Ｙ４４＝３０ＧＰａとする。ビーム部の長さを５００μｍ、幅Ｗ０を６μｍ、ビーム部の間隔を６μｍ、圧電体層の厚さＴ１を１μｍとする。
【００３１】
そして、圧電体層の厚さＴ１を一定としたままで、ビーム部の厚さＴ０を変化させた場合の電気機械結合係数を求めたところ、図３に示す結果が得られた。図３に示すように、Ｔ０／Ｔ１≦１、好ましくは０．３≦Ｔ０／Ｔ１≦１．０の領域で、ビーム部の厚さＴ０の減少に伴って電気機械結合係数が著しく増大する。
【００３２】
さらに、本実施形態の音叉振動子１００において、図１に示すように、駆動部２０（２０ａ〜２０ｄ）の幅をＷ１とし、ビーム部１４ａ、１４ｂの幅をＷ０とするとき、０．２≦Ｗ１／Ｗ０≦０．４であることが好ましい。駆動部２０の幅Ｗ１とビーム部１４ａ、１４ｂの幅Ｗ０が上記関係を有することにより、駆動部分の面積が増えると電気機械結合係数が大きくなる効果と、幅の中心部分に駆動部分があると、却って振動を妨げる効果が釣り合うことから、電気機械結合係数を大きくすることができる。その結果、音叉振動子１００の小型化や高効率化を図ることができる。
【００３３】
以下に、駆動部２０の幅Ｗ１と、ビーム部１４ａ、１４ｂの幅Ｗ０との関係について行った解析とその結果を図４に示す。図４は、横軸に駆動部の幅とビーム部の幅との比（Ｗ１／Ｗ０）を示し、縦軸に電気機械結合係数（ｋ２）を示す。なお、解析法は、上述したモード解析と同様である。このモード解析では、ビーム部の幅Ｗ０を一定としたままで、駆動部の幅Ｗ１を変化させた場合の電気機械結合係数の変化を求めたところ、図４に示す結果が得られた。図４に示すように、電気機械結合係数は、ビーム部の幅Ｗ１の増大に伴ってほぼ直線的に増大し、比（Ｗ１／Ｗ０）が０．３３付近で極大になり、これを越えると減少に転ずる。以上のことから、０．２≦Ｗ１／Ｗ０≦０．４の関係を満たすことが電気機械結合係数の観点から望ましい。
【００３４】
本実施形態では、駆動部２０において、第１電極層２２と第２電極層２６の間には圧電体層２６のみが存在するが、両電極層２２，２６間に上記の圧電体層２４以外の層を有していてもよい。この場合、共振条件に応じて圧電体層２４の膜厚を適宜に変更すればよい。
【００３５】
次に、本実施形態の音叉振動子１００の構成例について述べる。
【００３６】
音叉振動子１００は、下地層（ＳｉＯ２層）の厚さが１μｍ、第１電極層２２の厚さが０．１μｍ、圧電体層２４の厚さＴ１が１μｍ、第２電極層２６の厚さが０．１μｍで、駆動部２０の全体の厚さが１．２μｍ、駆動部２０の幅Ｗ１が２μｍ、ビーム部１４ａ、１４ｂの厚さＴ０が１μｍ、長さが２５０μｍ、幅Ｗ０が６μｍである。この構成例では、Ｔ０／Ｔ１＝１．０、Ｗ１／Ｗ０＝０．３３である。なお、駆動部２０の幅Ｗ１は、具体的には、圧電体層２４の幅である。また、第２支持部１２ｂの長さが１２５μｍ、幅（最大幅）が１８μｍである。振動部１０は、長辺９５０μｍ、短辺３５０μｍの第２開口部４ａの中に収まっている。このような構造の音叉振動子１００について、有限要素法によって運動方程式を解いてシミュレーションすると、屈曲振動の共振周波数は３２ｋＨｚとなる。
【００３７】
本実施形態の音叉振動子１００によれば、振動部１０がＳＯＩ基板１の半導体層４によって構成されるため、振動部１０の厚さを小さくし、さらにビーム部１４ａ、１４ｂの長さを短くすることができる。例えば、本実施形態において、振動部１０の厚さを４μｍ以下、振動部１０の長さを５００μｍ以下とすることができる。そして、本実施形態の音叉振動子１００は、３２ｋＨｚ帯の周波数を用いる場合には、１ｍｍ以下の長さのパッケージとすることができる。
【００３８】
また、本実施形態の音叉振動子１００によれば、ビーム部の厚さと圧電体層の厚さとの比（Ｔ０／Ｔ１）が特定の範囲にあり、さらに、駆動部の幅とビーム部の幅との比（Ｗ１／Ｗ０）が特定の範囲にあることにより、高い電気機械結合係数を得ることができる。
【００３９】
さらに、本実施形態によれば、ＳＯＩ基板１に音叉振動子１００を形成することができるので、ＳＯＩ基板１に発振回路と音叉振動子とを一体化して形成することができる。その結果、ＳＯＩ基板１を用いたデバイスの低動作電圧の特徴を生かして、超低消費電力のワンチップ音叉振動子モジュールを実現することができる。
【００４０】
２．音叉振動子の製造方法
次に、図５から図７を参照して、本実施形態にかかる音叉振動子１００の製造方法の一例について述べる。
【００４１】
（１）図５に示すように、ＳＯＩ基板１上に、下地層５、第１電極層２２、圧電体層２４および第２電極層２６を順次形成する。ＳＯＩ基板１は、シリコン基板２上に、酸化物層（酸化シリコン層）３および半導体層４が順次形成されたものである。
【００４２】
下地層５は熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッタリング法などで形成することができる。下地層５は、パターニングされて所望の形状を有するように形成される。このパターニングは、通常のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。
【００４３】
第１電極層２２は、下地層５上に、蒸着法、スパッタリング法などを用いて形成することができる。第１電極層２２は、パターニングされて所望の形状を有するように形成される。このパターニングは、通常のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。
【００４４】
圧電体層２４は、ゾルゲル法などの溶液法、蒸着法、スパッタリング法、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ法などの種々の方法で形成することができる。例えば、レーザーアブレーション法を用いてチタン酸ジルコン酸鉛層を形成する場合には、レーザー光をチタン酸ジルコン酸鉛用ターゲット、例えば、Ｐｂ１．０５Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８ＮｂＯ３のターゲットに照射する。そして、このターゲットから鉛原子、ジルコニウム原子、チタン原子、および酸素原子をアブレーションによって放出させ、レーザーエネルギーによってプルームを発生させ、このプルームをＳＯＩ基板１に向けて照射する。このようにすると、第１電極層２２，３２上にチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層２４が形成される。圧電体層２４は、パターニングされて所望の形状を有するように形成される。このパターニングは、通常のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。
【００４５】
第２電極層２６は、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法等によって形成することができる。第２電極層２６は、パターニングされて所望の形状を有するように形成される。このパターニングは、通常のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。
【００４６】
下地層５，第１電極層２２、圧電体層２４および第２電極層２６のパターニングは、各層毎に行うこともできるし、複数層を一括して行うこともできる。
【００４７】
（２）図６に示すように、ＳＯＩ基板１の半導体層４を所望の形状にパターニングする。具体的には、半導体層４は、図１に示すように、第２開口部４ａ内に、所望の平面形状の振動部１０が形成される。半導体層４のパターニングは、公知のフォトリソグラフィーおよびエッチング技術によって行うことができる。エッチングは、ドライエッチングまたはウェットエッチングを用いることができる。このパターニング工程においては、ＳＯＩ基板１の酸化物層３をエッチングストッパ層として用いることができる。
【００４８】
（３）図７に示すように、ＳＯＩ基板１の酸化物層３をエッチングして振動部１０の下に、第１開口部３ａを形成する。エッチングとしては、酸化シリコンのエッチャントとして、例えばフッ化水素を用いたウェットエッチングを用いることができる。この第１開口部３ａは、シリコン基板２および半導体層４をエッチングストッパ層として用いることができる。上述した第２開口部４ａと第１開口部３ａとを設けることで、音叉型の振動子１０の機械的拘束力が低減され、振動部１０が自由に振動できるようになる。
【００４９】
以上の工程を経て、図１および図２に示す音叉振動子１００を形成することができる。本実施形態の製造方法によれば、公知のＭＥＭＳ技術を用いて容易に音叉振動子を製造することができる。
【００５０】
３．音叉振動子を適用した電子機器の例
３．１．発振器
上述した音叉振動子１００を有する発振器を説明する。
【００５１】
図８は、上述した音叉振動子１００を有する発振器５００の基本的構成を示す回路図である。発振器５００は、この回路（発振回路）を含むことができる。発振回路は、電気信号を増幅する増幅器４０１と、増幅器４０１の入出力間に接続された帰還回路４１０と、を有する。増幅器４０１は、例えばＣＭＯＳインバータからなる。帰還回路４１０は、例えば、音叉振動子１００と、抵抗４０３と、２つのコンデンサ４０４，４０５と、を備える。増幅器４０１には、直流電源から電圧Ｅが印加されている。電源電圧Ｅを増大させていき発振開始電圧になると、電流Ｉが急激に増加して発振が開始される。さらに電源電圧Ｅを増大させると、発振状態を保ちながら電流Ｉがほぼ比例して増加する。
【００５２】
図９は、本実施形態に係る発振器５００を概略的に示す平面図であり、図１０は、発振器５００を概略的に示す断面図である。なお、図１０は、図９のＸ−Ｘ線断面図である。また、図９および図１０では、便宜上、音叉振動子１００を簡略化して示している。
【００５３】
発振器５００は、封止材５０２により封止されている。ＩＣ（集積回路）５０３は、金線などのボンディングワイヤ５０４により外部端子５７０に接続されている。外部端子５７０は、リードフレーム５０５および接合材５０６を介して、実装端子５４１と電気的に接続されている。実装端子５４１は、配線（図示せず）などにより、音叉振動子１００の各電極と電気的に接続されている。音叉振動子１００は、蓋部材５３９やシール部材５４０などにより封止されている。
【００５４】
図１１は、本実施形態に係る発振器５００の製造工程例を概略的に示す図である。
【００５５】
まず、ＩＣウェハに対してテープ貼りおよびダイシングを行う。次に、ＩＣ５０３のチップをリードフレーム５０５に搭載する。次に、ボンディングワイヤ５０４を用いてＩＣ５０３に対してワイヤボンディングを行う。
【００５６】
次に、音叉振動子１００の実装端子５４１を、半田などの接合材５０６を用いてリードフレーム５０５に接合して、音叉振動子１００をマウントする。次に、封止材（モールド材）５０２を用いて、音叉振動子１００、ＩＣ５０３などを樹脂封止する。その後、特性検査、マーキングを行い、テーピング、梱包し、出荷される。
【００５７】
また、図示はしないが、例えば、音叉振動子１００が形成される基体１（図２参照）に対して半導体プロセスを用いて音叉振動子１００に平面的に隣接するＩＣを形成し、本実施形態に係る発振器を形成することもできる。これにより、パッケージを省略することができ、ワンチップ型の発振器を形成することができる。
【００５８】
３．２．リアルタイムクロック
次に、上述した音叉振動子１００を有するリアルタイムクロックを説明する。
【００５９】
図１２は、上述した発振器（ＯＳＣ）５００を有するリアルタイムクロック６００を概略的に示す回路ブロック図である。リアルタイムクロック６００の集積回路部は、単一の基板６０１に集積され、マイクロプロセッサ（図示せず）と接続されている。
【００６０】
計時用接続端子６０２，６０３に接続されている発振器５００からは高周波（例えば３２ｋＨｚ）のクロックパルスが出力される。クロックパルスは分周回路６０５で分周され、１Ｈｚの計時パルスが計時カウンタ６０６に入力される。計時カウンタ６０６は、例えば、秒計時ビットｓと、分計時ビットｍと、時計時ビットｈと、曜日計時ビットｄと、日計時ビットＤと、月計時ビットＭと、年計時ビットＹとから構成されている。所定数の計時パルスが計時カウンタ６０６に入力されると、それぞれの計時ビットは繰り上がることができる。計時カウンタ６０６には、計時ビットの書き換えおよび読み出しを行う制御部６２０が接続されている。制御部６２０は、例えば、コマンドデコーダ６１２と、シフトレジスタ６０９，６１０と、を有することができる。
【００６１】
計時カウンタ６０６の計時ビットを書き換える場合には、まず、マイクロプロセッサからセレクト入力端子６０７にセレクト信号を供給する。次に、マイクロプロセッサからデータ入力端子６０８に、書き換えるべき情報を表すデータビットと、計時ビットのアドレスを表すアドレスビットと、計時カウンタ６０６への書き込み動作を表す操作ビットとから構成される外部情報を供給する。その結果、外部情報は、直列に接続されたシフトレジスタ６０９，６１０に記憶される。そして、コマンドデコーダ６１２は、シフトレジスタ６１０に記憶された操作ビットとアドレスビットに基づき、ライトイネーブル信号を計時カウンタ６０６に送出するとともに、計時ビットを指定するアドレス信号を出力する。その結果、シフトレジスタ６０９に記憶されたデータビットが計時カウンタ６０６の計時ビットに書き込まれ、リアルタイムデータの書き換えが行われる。
【００６２】
また、計時カウンタ６０６からリアルタイムデータを読み出す場合には、マイクロプロセッサから、読み出し動作を表す操作ビットを有する外部情報を送出させる。そして、コマンドデコーダ６１２は、計時カウンタ６０６へのライトイネーブル信号をインアクティブ状態にする。その結果、インバータ６１３がアクティブ状態のライトイネーブル信号をシフトレジスタ６０９に供給し、シフトレジスタ６０９が読み込み可能状態になり、計時カウンタ６０６の内容はシフトレジスタ６０９に読み出される。シフトレジスタ６０９に読み出されたリアルタイムデータは、クロック入力端子６１４に印加されるクロック信号に同期して、データ出力端子６１５に転送され、例えばマイクロプロセッサのレジスタなどに送出される。
【００６３】
なお、例えば計算結果などのデータは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）６１６に記憶させることができる。
【００６４】
図１３は、本実施形態に係るリアルタイムクロック６００を概略的に示す上面透視図であり、図１４は、リアルタイムクロック６００を概略的に示す側面透視図である。なお、図１４は、図１３の矢印XIVの方向に見た図である。
【００６５】
発振回路などを有するＩＣチップ６５１は、リードフレーム６５２のアイランド部６５３に導電性接着剤などで接着固定されている。ＩＣチップ６５１の上面に設けられた各電極パッド６５４は、ボンディングワイヤ６５５により、パッケージの外周部に配置された入出力用リード端子６５６と電気的に接続されている。平面視において、ＩＣチップ６５１の隣には、音叉振動子１００を内部に収めている振動子用筐体６５７が配置されている。振動子用筐体６５７内には、例えば図１および図２に示す音叉振動子１００が気密状態で封止されている。音叉振動子１００の各電極に電気的に接続されたリード６５８は、振動子用筐体６５７内から外に突出している。リード６５８は、リードフレーム６５２の接続パッド６５９に導電性接着剤などで接着固定されている。ＩＣチップ６５１、リードフレーム６５２および振動子用筐体６５７は、樹脂６６０により一体成形されてパッケージ化されている。
【００６６】
また、図示はしないが、例えば、音叉振動子１００が形成される基体１（図２参照）に対して半導体プロセスを用いて音叉振動子１００に平面的に隣接するＩＣを形成し、本実施形態に係るリアルタイムクロックを形成することもできる。これにより、パッケージを省略することができ、ワンチップ型のリアルタイムクロックを形成することができる。
【００６７】
３．３．電波時計受信モジュール
次に、上述した音叉振動子１００を有する電波時計受信モジュールを説明する。
【００６８】
図１５は、本実施形態に係る電波時計受信モジュール８００を概略的に示す回路ブロック図である。
【００６９】
電波時計受信モジュール８００は、受信部８０１と、周波数フィルタ８０５と、周辺回路８１０と、上述したリアルタイムクロック（ＲＴＣ）６００と、を含む。周波数フィルタ８０５は、例えば図１および図２に示す音叉振動子１００（１００Ａ，１００Ｂ）を有する。周辺回路８１０は、例えば、検波・整流回路８０６と、波形整形回路８０７と、中央演算処理装置（ＣＰＵ）８０８と、を有することができる。
【００７０】
電波時計は、時刻情報を含む標準電波を受信して、正確な時刻に自動修正して表示する機能を備えた時計である。日本国内には、福島県（４０ｋＨｚ）と佐賀県（６０ｋＨｚ）に標準電波を送信する送信所がある。
【００７１】
受信部（例えばアンテナ）８０１は、４０ｋＨｚまたは６０ｋＨｚの長波の標準電波を受信する。標準電波は、４０ｋＨｚまたは６０ｋＨｚの搬送波に振幅変調（ＡＭ）をかけて時刻情報（タイムコード）を乗せたものである。
【００７２】
受信された電気信号は、アンプ８０２によって増幅され、搬送周波数と同一の共振周波数を有する音叉振動子１００Ａ，１００Ｂを有する周波数フィルタ８０５によって、濾波、同調される。濾波された電気信号からは、周辺回路８１０により、タイムコードを読み出すことができる。具体的には、まず、濾波された所定周波数の信号は、検波・整流回路８０６により検波復調される。そして、波形整形回路８０７を介してタイムコードが取り出され、ＣＰＵ８０８でカウントされる。ＣＰＵ８０８では、例えば、現在の年、積算日、曜日、時刻などの情報が読み取られる。読み取られた情報は、ＲＴＣ６００に反映されて、正確な時刻情報が表示される。
【００７３】
搬送波は４０ｋＨｚまたは６０ｋＨｚであるから、周波数フィルタ８０５の音叉振動子１００Ａ，１００Ｂには、本発明に係る音叉振動子が好適である。
【００７４】
また、図示はしないが、例えば、音叉振動子１００が形成される基体１（図２参照）に対して半導体プロセスを用いて音叉振動子１００に平面的に隣接するＩＣを形成し、本実施形態に係る電波時計受信モジュールを形成することもできる。これにより、パッケージを省略することができ、ワンチップ型の電波時計受信モジュールを形成することができる。
【００７５】
本発明は、上述した実施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、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施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、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成また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。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】実施形態の音叉振動子の構造を模式的に示す平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿って切断した断面図。
【図３】音叉振動子の電気機械結合係数を計算した結果を示すグラフ。
【図４】音叉振動子の電気機械結合係数を計算した結果を示すグラフ。
【図５】実施形態の音叉振動子の製造方法を模式的に示す断面図。
【図６】実施形態の音叉振動子の製造方法を模式的に示す断面図。
【図７】実施形態の音叉振動子の製造方法を模式的に示す断面図。
【図８】本実施形態の音叉振動子を適用した発振器の基本的構成を示す回路図。
【図９】本実施形態の音叉振動子を適用した発振器を概略的に示す平面図。
【図１０】本実施形態の音叉振動子を適用した発振器を概略的に示す断面図。
【図１１】本実施形態の音叉振動子を適用した発振器の製造工程例を概略的に示す図。
【図１２】本実施形態の音叉振動子を適用したリアルタイムクロックを概略的に示す回路ブロック図。
【図１３】本実施形態の音叉振動子を適用したリアルタイムクロックを概略的に示す上面透視図。
【図１４】本実施形態の音叉振動子を適用したリアルタイムクロックを概略的に示す側面透視図。
【図１５】本実施形態の音叉振動子を適用した電波時計受信モジュールを概略的に示す回路ブロック図。
【符号の説明】
【００７７】
１…ＳＯＩ基板、２…シリコン基板、３…酸化物層、３ａ，４ａ…開口部、４…半導体層（シリコン層）、５…下地層、１０…振動部、１２…支持部、１４ａ…第１ビーム部、１４ｂ…第２ビーム部、２０…駆動部、２２…第１電極層、２４…圧電体層、２６…第２電極層、１００…音叉振動子、４０１ 増幅器、４０３ 抵抗、４０４，４０５ コンデンサ、４１０ 帰還回路、５００ 発振器、５０２ 封止材、５０３ ＩＣ、５０４ ボンディングワイヤ、５０５ リードフレーム、５０６ 接合材、５３９ 蓋部材、５４０ シール部材、５４１ 実装端子、５７０ 外部端子、６００ リアルタイムクロック、６０１ 基板、６０２，６０３ 計時用接続端子、６０５ 分周回路、６０６ 計時カウンタ、６０７ セレクト入力端子、６０８ データ入力端子、６０９，６１０ シフトレジスタ、６１２ コマンドデコーダ、６１３ インバータ、６１４ クロック入力端子、６１５ データ出力端子、６２０ 制御部、６５１ ＩＣチップ、６５２ リードフレーム、６５３ アイランド部、６５４ 電極パッド、６５５ ボンディングワイヤ、６５６ 入出力用リード端子、６５７ 振動子用筐体、６５８ リード、６５９ 接続パッド、６６０ 樹脂、８００ 電波時計受信モジュール、８０１ 受信部、８０２ アンプ、８０５ 周波数フィルタ、８０６ 検波・整流回路、８０７ 波形整形回路、８０８ ＣＰＵ，８１０ 周辺回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、該基板の上方に形成された酸化物層と、該酸化物層の上方に形成された半導体層と、を有する基体と、
前記半導体層と前記酸化物層を加工して形成された、半導体層からなる音叉型の振動部と、
前記振動部の屈曲振動を生成するための駆動部と、
を含み、
前記振動部は、支持部と、該支持部を基端として片持ち梁状に形成された二本のビーム部と、を有し、
前記駆動部は、前記二本のビーム部の上方にそれぞれ一対ずつ形成され、ひとつの駆動部は、第１電極層と、該第１電極層の上方に形成された圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第２電極層とを有し、
前記ビーム部の厚さをＴ０とし、前記圧電体層の厚さをＴ１とするとき、Ｔ０／Ｔ１≦１である、音叉振動子。
【請求項２】
請求項１において、
０．３≦Ｔ０／Ｔ１≦１．０である、音叉振動子。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記駆動部の幅をＷ１とし、前記ビーム部の幅をＷ０とするとき、０．２≦Ｗ１／Ｗ０≦０．４である、音叉振動子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛あるいはチタン酸ジルコン酸鉛固溶体からなる、音叉振動子。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記圧電体層は、窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウム固溶体からなる、音叉振動子。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、
前記基体は、ＳＯＩ基板である、音叉振動子。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、
前記振動部と前記駆動部の前記第１電極層との間に下地層を有する、音叉振動子。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の音叉振動子を含む、電子機器。
【請求項１】
基板と、該基板の上方に形成された酸化物層と、該酸化物層の上方に形成された半導体層と、を有する基体と、
前記半導体層と前記酸化物層を加工して形成された、半導体層からなる音叉型の振動部と、
前記振動部の屈曲振動を生成するための駆動部と、
を含み、
前記振動部は、支持部と、該支持部を基端として片持ち梁状に形成された二本のビーム部と、を有し、
前記駆動部は、前記二本のビーム部の上方にそれぞれ一対ずつ形成され、ひとつの駆動部は、第１電極層と、該第１電極層の上方に形成された圧電体層と、該圧電体層の上方に形成された第２電極層とを有し、
前記ビーム部の厚さをＴ０とし、前記圧電体層の厚さをＴ１とするとき、Ｔ０／Ｔ１≦１である、音叉振動子。
【請求項２】
請求項１において、
０．３≦Ｔ０／Ｔ１≦１．０である、音叉振動子。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記駆動部の幅をＷ１とし、前記ビーム部の幅をＷ０とするとき、０．２≦Ｗ１／Ｗ０≦０．４である、音叉振動子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛あるいはチタン酸ジルコン酸鉛固溶体からなる、音叉振動子。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記圧電体層は、窒化アルミニウムあるいは窒化アルミニウム固溶体からなる、音叉振動子。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、
前記基体は、ＳＯＩ基板である、音叉振動子。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかにおいて、
前記振動部と前記駆動部の前記第１電極層との間に下地層を有する、音叉振動子。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の音叉振動子を含む、電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００８−２８３５２９（Ｐ２００８−２８３５２９Ａ）
【公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１２６７１６（Ｐ２００７−１２６７１６）
【出願日】平成１９年５月１１日（２００７．５．１１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月２０日（２００８．１１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月１１日（２００７．５．１１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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