谐振装置及其制造方法与流程

1.本发明涉及谐振装置及其制造方法。


背景技术：

2.谐振装置在移动通信终端、通信基站、家电等各种电子设备中，用于计时设备、传感器、振荡器等用途。这样的谐振装置例如具备下盖、与下盖之间形成内部空间的上盖、以及具有可振动地保持在该内部空间的振动臂的谐振子。这样的谐振装置例如是mems(micro electro mechanical systems：微机电系统)的一种。
3.在专利文献1中，公开了通过使激励的振动臂的前端部碰撞下盖和上盖，来调整谐振子的频率。
4.专利文献1:国际公开第2017/212677号
5.然而，根据专利文献1的频率调整方法，例如当在振动臂的前端部的上盖侧形成有金属膜时，存在即使振动臂的前端部碰撞上盖，该金属膜也不会被刮掉而发生延展性变形的情况，因此存在振动臂的重量几乎不发生变化的情况。另外，由于振动臂的前端部与上盖的碰撞而振动臂的振幅受到限制，因此存在即使振动臂的前端部碰撞下盖，振动臂的重量变化也较小的情况。因此，根据以往的方法，存在不能说调整频率的工序的效率优异的情况。


技术实现要素：

6.本发明是鉴于这样的情况而完成的，本发明的目的在于提供一种生产性提高的谐振装置及其制造方法。
7.本发明的一个方式的谐振装置具备下盖、与下盖接合的上盖、以及具有能够在被设置在下盖与上盖之间的内部空间弯曲振动的振动臂的谐振子，振动臂在与上盖对置的一侧具有设置有金属膜的前端部，振动臂的前端部与上盖之间的间隙大于振动臂的前端部与下盖之间的间隙。
8.本发明的另一个方式的谐振装置的制造方法具备：准备谐振装置的工序，其中，上述谐振装置具备下盖、与下盖接合的上盖、以及具有能够在被设置在下盖与上盖之间的内部空间弯曲振动的振动臂的谐振子，振动臂的前端部与上盖之间的间隙大于振动臂的前端部与下盖之间的间隙；以及通过激励谐振子使振动臂的前端部至少与下盖接触来调整谐振子的频率的工序。
9.根据本发明，能够提供生产性提高的谐振装置及其制造方法。
附图说明
10.图1是示意性地表示第一实施方式的谐振装置的外观的立体图。
11.图2是示意性地表示第一实施方式的谐振装置的结构的分解立体图。
12.图3是示意性地表示第一实施方式的谐振子的结构的俯视图。
13.图4是概念性地表示图1所示的谐振装置的层叠结构的沿着x轴的剖视图。
14.图5是概念性地表示图1所示的谐振装置的层叠结构的沿着y轴的剖视图。
15.图6是示意性地表示第一实施方式的谐振装置的制造方法的流程图。
16.图7是拍摄有振动臂的前端部的下盖侧的表面的照片。
17.图8是拍摄有振动臂的前端部的上盖侧的表面的照片。
18.图9是表示频率变动比率的图表。
19.图10是示意性地表示第二实施方式的谐振装置的结构的剖视图。
20.图11是示意性地表示第三实施方式的谐振装置的结构的剖视图。
具体实施方式
21.以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。各实施方式的附图是例示，各部的尺寸、形状是示意性的，不应理解为将本技术发明的技术范围限定于该实施方式。
22.＜第一实施方式＞
23.首先，参照图1和图2，对本发明的第一实施方式的谐振装置1的结构进行说明。图1是示意性地表示第一实施方式的谐振装置的外观的立体图。图2是示意性地表示第一实施方式的谐振装置的结构的分解立体图。
24.以下，对谐振装置1的各结构进行说明。在各个附图中，为了明确各个附图相互的关系，并帮助理解各部件的位置关系，有为了方便而标注由x轴、y轴以及z轴构成的正交坐标系的情况。将与x轴、y轴以及z轴平行的方向分别称为x轴方向、y轴方向以及z轴方向。将由x轴和y轴规定的面称为xy面，对于yz面和zx面也相同。此外，在本实施方式中，为了方便，有将z轴方向的箭头的方向(+z轴方向)称为上、将与z轴方向的箭头相反的方向(－z轴方向)称为下、将y轴方向的箭头的方向(+y轴方向)称为前、将与y轴方向的箭头相反的方向(－y轴方向)称为后、将x轴方向的箭头的方向(+x轴方向)称为右、将与x轴方向的箭头相反的方向(－x轴方向)称为左的情况。但是，这并不限定谐振装置1的方向。
25.该谐振装置1具备谐振子10、以及被设置为隔着谐振子10相互对置的下盖20和上盖30。下盖20、谐振子10以及上盖30按照该顺序层叠在z轴方向上。谐振子10与下盖20接合，谐振子10与上盖30接合。在经由谐振子10相互接合的下盖20与上盖30之间，形成有内部空间。下盖20和上盖30构成收容谐振子10的封装结构。
26.谐振子10是使用mems技术制造的mems振动元件。谐振子10具备振动部110、保持部140以及保持臂150。振动部110可振动地保持在封装结构的内部空间。沿着xy面延伸的振动部110的振动模式例如是在与xy面交叉的方向上振动的面外弯曲振动模式。保持部140例如设置成矩形的框状以包围振动部110。保持部140与下盖20以及上盖30一起形成封装结构的内部空间。保持臂150连接振动部110和保持部140。
27.谐振子10的频带例如为1khz以上且1mhz以下。这样的频带的谐振子10因振动部110的重量变化而引起的频率的变动较大。因此，在接合谐振子10、下盖20以及上盖30而密封内部空间的工序中或者之后，谐振装置1的频率有变动的情况。即使是像这样频率容易变动的谐振装置1，通过如本实施方式这样在密封后调整频率，也能够减小频率偏差。
28.下盖20具有沿着xy平面设置的矩形平板状的底板22和从底板22的周边部向上盖30延伸的侧壁23。侧壁23接合于谐振子10的保持部140。在下盖20，在与谐振子10的振动部
110对置的面，形成有由底板22和侧壁23围起的空腔21。空腔21是向上开口的长方体状的开口部。
29.下盖20具有从底板22向谐振子10突出的突起部50。如图3所示，当从上盖30侧俯视时，突起部50位于后述的内侧振动臂121b的臂部123b与内侧振动臂121c的臂部123c之间。突起部50沿着臂部123b以及臂部123c延伸。突起部50的y轴方向的长度为240μm左右，x轴方向的长度为15μm左右。这样的突起部50提高下盖20的机械强度抑制扭转。
30.上盖30具有沿着xy平面设置的矩形平板状的底板32和从底板32的周边部向下盖20延伸的侧壁33。侧壁33与谐振子10的保持部140接合。在上盖30，在与谐振子10的振动部110对置的面，形成有由底板32和侧壁33围起的空腔31。空腔31是向下开口的长方体状的开口部。空腔21和空腔31隔着谐振子10对置，并形成封装结构的内部空间。
31.接下来，参照图3，对谐振子10的结构(振动部110、保持部140以及保持臂150)更详细地进行说明。图3是示意性地表示第一实施方式的谐振子的结构的俯视图。
32.当从上盖30侧俯视时，振动部110设置在保持部140的内侧。在振动部110与保持部140之间，以规定间隔形成有空间。振动部110具有由四根振动臂121a、121b、121c以及121d构成的激励部120和与激励部120连接的基部130。此外，振动臂的数量并不限定于四根，可以设定为一根以上的任意的数量。在本实施方式中，激励部120和基部130一体地形成。
33.振动臂121a、121b、121c以及121d分别沿着y轴方向延伸，并按该顺序在x轴方向上以规定间隔排列。振动臂121a～121d中的每个振动臂具有与基部130连接的固定端和距基部130最远的开放端。振动臂121a～121d中的每个振动臂具有设置于开放端侧的前端部122a～122d、相当于固定端的根部、以及连接根部和前端部122a～122d的臂部123a～123d。换言之，前端部122a～122d设置于振动部110中的位移相对较大的位置。振动臂121a～121d分别例如x轴方向的宽度为50μm左右、y轴方向的长度为450μm左右。
34.四根振动臂中的振动臂121a以及121d是配置在x轴方向的外侧的外侧振动臂，另一方面，振动臂121b以及121c是配置在x轴方向的内侧的内侧振动臂。在内侧振动臂121b的臂部123b与内侧振动臂121c的臂部123c之间，形成有宽度w1的间隙。在外侧振动臂121a的臂部123a与内侧振动臂121b的臂部123b之间，形成有宽度w2的间隙。同样地，在臂部123c与臂部123d之间，形成有宽度w2的间隙。通过使宽度w1比宽度w2大，来改善振动特性、耐久性。例如，宽度w1为25μm左右，宽度w2为10μm左右。其中，宽度w1与宽度w2的大小关系并不限定于上述内容。例如，也可以与图3所示的例子不同，宽度w1为与宽度w2大致相同的大小，宽度w1也可以小于宽度w2。
35.前端部122a～122d分别在上盖30侧的表面具备金属膜125a～125d。换言之，当从上盖30侧俯视时，金属膜125a～125d各自所处的部分是前端部122a～122d。前端部122a～122d中的每个前端部的每单位长度的重量(以下，仅称为“重量”。)因具有金属膜125a～125d，而比臂部123a～123d中的每个臂部的重量重。由此，能够使振动部110小型化，并且改善振动特性。另外，金属膜125a～125d分别不仅具有加重振动臂121a～121d的开放端侧的功能，还作为通过削去其一部分来调整振动臂121a～121d的谐振频率的所谓的频率调整膜来使用。
36.在本实施方式中，前端部122a～122d中的每个前端部的沿着x轴方向的宽度大于臂部123a～123d中的每个臂部的沿着x轴方向的宽度。由此，能够进一步增大前端部122a～
122d中的每个前端部的重量。其中，只要前端部122a～122d中的每个前端部的重量大于臂部123a～123d中的每个臂部的重量，则前端部122a～122d中的每个前端部的沿着x轴方向的宽度并不限定于上述。前端部122a～122d中的每个前端部的沿着x轴方向的宽度与臂部123a～123d中的每个臂部的沿着x轴方向的宽度相同，或也可以为其以下的大小。
37.当从上盖30侧俯视时，前端部122a～122d中的每个前端部的形状是在四角带圆角的曲面形状(例如，所谓的r形状)的大致长方形。臂部123a～123d中的每个臂部的形状是在连接于基部130的根部附近、以及与前端部122a～122d中的每个前端部连接的连接部附近具有r形状的大致长方形。其中，前端部122a～122d以及臂部123a～123d各自的形状并不限定于上述形状。例如，前端部122a～122d中的每个前端部的形状也可以是梯形、l字形状。另外，臂部123a～123d中的每个臂部的形状可以是梯形，也可以形成狭缝等。
38.如图3所示，当从上盖30侧俯视时，基部130具有前端部131a、后端部131b、左端部131c以及右端部131d。前端部131a、后端部131b、左端部131c以及右端部131d分别是基部130的外边缘部的一部分。具体而言，前端部131a是在振动臂121a～121d侧在x轴方向上延伸的端部。后端部131b是在与振动臂121a～121d相反侧在x轴方向上延伸的端部。左端部131c是从振动臂121d观察在振动臂121a侧在y轴方向延伸的端部。右端部131d是从振动臂121a观察在振动臂121d侧在y轴方向上延伸的端部。前端部131a和后端部131b在y轴方向上相互对置。左端部131c和右端部131d在x轴方向上相互对置。在前端部131a连接有振动臂121a～121d。
39.当从上盖30侧俯视时，基部130的形状是将前端部131a和后端部131b作为长边、将左端部131c和右端部131d作为短边的大致长方形。基部130相对于沿着前端部131a和后端部131b各自的垂直二等分线规定的假想平面p形成为大致面对称。此外，基部130并不限于图3所示的长方形，也可以是相对于假想平面p构成大致面对称的其他形状。例如，基部130的形状也可以是前端部131a和后端部131b的一方比另一方长的梯形。另外，前端部131a、后端部131b、左端部131c以及右端部131d中的至少一个也可以曲折或者弯曲。
40.此外，假想平面p相当于振动部110整体的对称面。因此，假想平面p也是穿过振动臂121a～121d的x轴方向上的中心的平面，位于内侧振动臂121b与内侧振动臂121c之间。具体而言，相对于假想平面p，外侧振动臂121a与外侧振动臂121d是对称的结构，内侧振动臂121b与内侧振动臂121c是对称的结构。
41.在基部130，作为一个例子，作为前端部131a与后端部131b之间的y轴方向上的最长距离的基部长度为40μm左右。另外，作为一个例子，作为左端部131c与右端部131d之间的x轴方向上的最长距离的基部宽度为300μm左右。此外，在图3所示的构成例中，基部长度相当于左端部131c或者右端部131d的长度，基部宽度相当于前端部131a或者后端部131b的长度。
42.保持部140是用于在由下盖20和上盖30形成的内部空间保持振动部110的部分，例如包围振动部110。如图3所示，当从上盖30侧俯视时，保持部140具有前框141a、后框141b、左框141c以及右框141d。前框141a、后框141b、左框141c以及右框141d分别是包围振动部110的大致矩形状的框体的一部分。具体而言，前框141a是从基部130观察在激励部120侧在x轴方向上延伸的部分。后框141b是从激励部120观察在基部130侧在x轴方向上延伸的部分。左框141c是从振动臂121d观察在振动臂121a侧在y轴方向上延伸的部分。右框141d是从
振动臂121a观察在振动臂121d侧在y轴方向上延伸的部分。保持部140相对于假想平面p形成为面对称。
43.左框141c的两端分别与前框141a的一端以及后框141b的一端连接。右框141d的两端分别与前框141a的另一端以及后框141b的另一端连接。前框141a和后框141b隔着振动部110在y轴方向上相互对置。左框141c和右框141d隔着振动部110在x轴方向上相互对置。此外，保持部140设置于振动部110的周围的至少一部分即可，并不限定于在周向上连续的框状的形状。
44.保持臂150设置于保持部140的内侧，连接基部130和保持部140。如图3所示，当从上盖30侧俯视时，保持臂150具有左保持臂151a和右保持臂151b。左保持臂151a连接基部130的后端部131b和保持部140的左框141c。右保持臂151b连接基部130的后端部131b和保持部140的右框141d。左保持臂151a具有保持后臂152a和保持侧臂153a，右保持臂151b具有保持后臂152b和保持侧臂153b。保持臂150相对于假想平面p形成为面对称。
45.保持后臂152a以及152b在基部130的后端部131b与保持部140之间，从基部130的后端部131b延伸。具体而言，保持后臂152a从基部130的后端部131b向后框141b延伸突出，并弯曲向左框141c延伸。保持后臂152b从基部130的后端部131b向后框141b延伸突出，并弯曲向右框141d延伸。
46.保持侧臂153a在外侧振动臂121a与保持部140之间，沿着外侧振动臂121a延伸。保持侧臂153b在外侧振动臂121d与保持部140之间沿着外侧振动臂121d延伸。具体而言，保持侧臂153a从保持后臂152a的左框141c侧的端部向前框141a延伸，并弯曲与左框141c连接。保持侧臂153b从保持后臂152b的右框141d侧的端部向前框141a延伸，并弯曲与右框141d连接。
47.此外，保持臂150并不限定于上述结构。例如，保持臂150也可以与基部130的左端部131c以及右端部131d连接。另外，保持臂150也可以与保持部140的前框141a或者后框141b连接。另外，保持臂150的个数也可以是一个，也可以是三个以上。
48.接下来，参照图4和图5，对第一实施方式的谐振装置1的层叠结构进行说明。图4是概念性地表示图1所示的谐振装置的层叠结构的沿着x轴的剖视图。图5是概念性地表示图1所示的谐振装置的层叠结构的沿着y轴的剖视图。此外，图4和图5未必图示出同一平面上的剖面。例如，在图4中为了说明层叠结构而图示出臂部123a～123d、引出布线c2和c3、以及贯通电极v2和v3，但贯通电极v2和v3可以形成于在y轴方向上远离与zx面平行并且切断臂部123a～123d的剖面的位置。
49.谐振子10被保持在下盖20与上盖30之间。具体而言，谐振子10的保持部140分别与下盖20的侧壁23以及上盖30的侧壁33接合。像这样，通过下盖20、上盖30以及谐振子10的保持部140，形成振动部110能够振动的内部空间。作为一个例子，谐振子10、下盖20以及上盖30分别使用硅(si)基板来形成。此外，谐振子10、下盖20以及上盖30也可以分别使用层叠硅层以及氧化硅膜而成的soi(silicon on insulator)基板来形成。另外，谐振子10、下盖20以及上盖30分别只要是能够通过微小加工技术加工的基板则也可以使用硅基板以外的基板，例如，化合物半导体基板、玻璃基板、陶瓷基板、树脂基板等来形成。
50.接下来，对谐振子10的结构进行更详细的说明。
51.振动部110、保持部140以及保持臂150通过同一工序一体地形成。在谐振子10中，
在作为基板的一个例子的硅基板f2上，层叠有金属膜e1。然后，在金属膜e1上，层叠有压电膜f3以覆盖金属膜e1，并且，在压电膜f3上层叠有金属膜e2。在金属膜e2上，层叠有保护膜f5以覆盖金属膜e2。在前端部122a～122d，进一步在保护膜f5上分别层叠有上述的金属膜125a～125d。振动部110、保持部140以及保持臂150的各自的外形通过对由上述的硅基板f2、金属膜e1、压电膜f3、金属膜e2、保护膜f5等构成的层叠体利用例如照射氩(ar)离子束的干式蚀刻进行去除加工，并进行图案化而形成。
52.硅基板f2例如由厚度6μm左右的简并n型硅(si)半导体形成，作为n型掺杂剂能够包含磷(p)、砷(as)、锑(sb)等。硅基板f2所使用的简并硅(si)的电阻值例如小于16mω
·
cm，更优选为1.2mω
·
cm以下。进一步，在硅基板f2的最下表面，形成有例如sio 2
等的氧化硅膜f21。换言之，在谐振子10，氧化硅膜f21相对于下盖20的底板22露出。
53.氧化硅膜f21作为至少在常温附近减少谐振子10的谐振频率的温度系数，即每单位温度的谐振频率的变化率的温度特性修正层发挥作用。通过振动部110具有氧化硅膜f21，谐振子10的温度特性提高。此外，温度特性修正层也可以形成在硅基板f2的上表面，也可以形成在硅基板f2的上表面以及下表面双方。
54.氧化硅膜f21由硬度低于下盖20的底板22的材料形成。此外，本说明书中的“硬度”由维氏硬度来规定。氧化硅膜f21的维氏硬度优选为10gpa以下，下盖20的底板22的维氏硬度优选为10gpa以上。这是为了前端部122a～122d的氧化硅膜f21在调整频率的工序中容易与下盖20的底板22碰撞而被削去。此外，由于在调整频率的工序中硅基板f2的一部分也存在被削去的可能性，所以优选硅基板f2的维氏硬度与氧化硅膜f21同样为10gpa以下。
55.优选振动部110的氧化硅膜f21形成为均匀的厚度。此外，所谓的均匀的厚度是指氧化硅膜f21的厚度的偏差为厚度的平均值
±
20％以内。
56.其中，如图5所示，在振动臂121a～121d的前端部122a～122d的下盖20侧的边缘部，氧化硅膜f21的厚度随着朝开放端而减小。换言之，前端部122a～122d的下盖20侧的边缘部形成为倾斜或者圆弧状。这是因为前端部122a～122d的下盖20侧的边缘部在调整频率的工序中，与下盖20的底板22接触而被削去。此外，也可以在前端部122a～122d的下盖20侧的边缘部，氧化硅膜f21全部被削去，硅基板f2在下盖20侧露出。
57.金属膜e1和金属膜e2分别具有激励振动臂121a～121d的激励电极和使激励电极与外部电源电连接的引出电极。在金属膜e1和金属膜e2中分别作为激励电极发挥作用的部分在振动臂121a～121d的臂部123a～123d中，隔着压电膜f3相互对置。金属膜e1和金属膜e2的作为引出电极发挥作用的部分例如经由保持臂150从基部130导出到保持部140。金属膜e1遍及谐振子10整体电连续。金属膜e2的形成在外侧振动臂121a和121d的部分以及形成在内侧振动臂121b和121c的部分电分离。金属膜e1相当于下部电极，金属膜e2相当于上部电极。
58.金属膜e1和金属膜e2各自的厚度例如为0.1μm以上且0.2μm以下左右。金属膜e1和金属膜e2在成膜后，通过蚀刻等去除加工图案化为激励电极以及引出电极等。金属膜e1和金属膜e2例如由晶体结构为体心立方结构的金属材料形成。具体而言，金属膜e1和金属膜e2由mo(钼)、钨(w)等形成。此外，当硅基板f2是具有较高的导电性的简并半导体基板时，也可以省略金属膜e1，硅基板f2兼作下部电极。
59.压电膜f3是由一种将电能和机械能相互转换的压电体形成的薄膜。压电膜f3根据
因金属膜e1和金属膜e2而在压电膜f3形成的电场，在xy平面的面内方向中的y轴方向上伸缩。根据该压电膜f3的伸缩，振动臂121a～121d分别使其开放端向下盖20的底板22以及上盖30的底板32位移。因此，谐振子10以面外的弯曲振动模式振动。
60.压电膜f3由具有纤锌矿型六方晶结构的晶体结构的材质形成，例如，能够以氮化铝(aln)、氮化铝钪(scaln)、氧化锌(zno)、氮化镓(gan)、氮化铟(inn)等氮化物或者氧化物为主要成分。此外，氮化铝钪是将氮化铝中的铝的一部分置换为钪而成的材料，代替钪，也可以用镁(mg)和铌(nb)、或者镁(mg)和锆(zr)等两种元素来置换。压电膜f3的厚度例如为1μm左右，但也可以是0.2μm～2μm左右。
61.保护膜f5例如保护金属膜e2不被氧化。保护膜f5设置在金属膜e2的上盖30侧，在振动部110的除了前端部122a～122d以外的部分，相对于上盖30的底板32露出。换言之，在振动臂121a～121d的臂部123a～123d以及基部130，保护膜f5位于最上表面。此外，若保护膜f5设置在金属膜e2的上盖30侧，则也可以不相对于上盖30的底板32露出。例如，减少形成于谐振子10的布线的电容的寄生电容减少膜也可以覆盖保护膜f5。保护膜f5例如由包含铝(al)、硅(si)或者钽(ta)的氧化物、氮化物或者酸氮化物等形成。
62.金属膜125a～125d在前端部122a～122d，设置于保护膜f5的上盖30侧，相对于上盖30的底板32露出。换言之，在前端部122a～122d，金属膜125a～125d位于最上表面。为了通过去除金属膜125a～125d的各自的一部分的修剪处理来调整谐振子10的频率，优选金属膜125a～125d由蚀刻引起的质量减少速度比保护膜f5快的材料形成。质量减少速度通过蚀刻速度与密度的积来表示。所谓的蚀刻速度是每单位时间去除的厚度。保护膜f5和金属膜125a～125d只要质量减少速度的关系如上所述，则蚀刻速度的大小关系是任意的。另外，从高效地增大前端部122a～122d的重量的观点考虑，优选金属膜125a～125d由比重较大的材料形成。由于这些理由，金属膜125a～125d例如由钼(mo)、钨(w)、金(au)、铂(pt)、镍(ni)或者钛(ti)等金属材料形成。此外，在修剪处理中，也可以去除保护膜f5的一部分。在这样的情况下，保护膜f5也相当于频率调整膜。
63.金属膜125a～125d各自的上表面的一部分在密封前通过调整频率的工序中的修剪处理去除。金属膜125a～125d的修剪处理例如是照射氩(ar)离子束的干式蚀刻。由于离子束能够照射较宽的范围，所以加工效率优异，但由于具有电荷，所以具有使金属膜125a～125d带电的担忧。为了防止振动臂121a～121d的振动轨道因金属膜125a～125d的带电所引起的库仑相互作用而变化且谐振子10的振动特性劣化，所以优选金属膜125a～125d接地。
64.在图5所示的构成例中，金属膜125a通过贯通压电膜f3和保护膜f5的贯通电极与金属膜e1电连接。对于省略了图示的金属膜125b～125d也同样，通过贯通电极与金属膜e1电连接。此外，金属膜125a～125d各自的接地方法并不限定于上述方法，例如也可以通过设置于前端部122a～122d的侧面的侧面电极与金属膜e1电连接。另外，只要能够减少金属膜125a～125d的带电的影响，金属膜125a～125d的电连接目的地并不限定于金属膜e1，例如也可以是金属膜e2。
65.在保持部140的保护膜f5上，形成有引出布线c1、c2以及c3。引出布线c1通过形成于压电膜f3以及保护膜f5的贯通孔与金属膜e1电连接。引出布线c2通过形成于保护膜f5的贯通孔与金属膜e2中的形成于外侧振动臂121a以及121d的部分电连接。引出布线c3通过形成于保护膜f5的贯通孔与金属膜e2中的形成于内侧振动臂121b以及121c的部分电连接。引
出布线c1～c3由铝(al)、锗(ge)、金(au)、锡(sn)等金属材料形成。
66.接下来，对下盖20的结构进行详细说明。
67.下盖20的底板22和侧壁23由硅基板p10一体地形成。硅基板p10由未被简并的硅形成，其电阻率例如为10ω
·
cm以上。硅基板p10在与谐振子10对置的一侧相反侧具有下表面20b。硅基板p10的下表面20b位于从底板22遍及到侧壁23，相当于下盖20的下表面。另外，硅基板p10在与谐振子10对置的一侧具有上表面22a和上表面23a。硅基板p10的上表面22a位于底板22，相当于下盖20的底板22中的上表面。硅基板p10的上表面23a位于侧壁23，相当于下盖20的侧壁23中的上表面。
68.在上表面23a接合有谐振子10的氧化硅膜f21。在突起部50的上表面也接合有氧化硅膜f21。其中，从抑制突起部50的带电的观点考虑，在突起部50的上表面，可以露出电阻率低于氧化硅膜f21的硅基板p10，也可以形成导电层。
69.下盖20的厚度相当于z轴方向上的下表面20b与上表面23a之间的距离，例如为150μm左右。空腔21的深度d1相当于z轴方向上的上表面22a与上表面23a之间的距离，例如为50μm左右。振动臂121a～121d的前端部122a～122d与下盖20之间的间隙g1相当于z轴方向上的振动臂121a～121d的开放端的下盖20侧的边缘部与上表面22a之间的距离。
70.如图5所示，当在未施加电压的状态下谐振子10与xy面大致平行地延伸时，下盖20侧的间隙g1是与下盖20的空腔21的深度d1大致相同的大小(g1＝d1)。振动臂121a～121d各自的最大振幅因振动臂121a～121d与下盖20的接触而受到限制。因此，振动臂121a～121d的最大振幅是与下盖20侧的间隙g1相同的大小亦即50μm左右。
71.在未施加电压的状态下，谐振子10可以向上或向下翘曲。所谓的“向上翘曲的谐振子10”是构成为与上盖30的距离随着从基部130向前端部121a～121d而变小的谐振子10。所谓的“向下翘曲的谐振子10”是构成为与下盖20的距离随着从基部130向前端部121a～121d而变小的谐振子10。当谐振子10向上翘曲时，下盖20侧的间隙g1大于下盖20的空腔21的深度d1(g1＞d1)。当谐振子10向下翘曲时，下盖20侧的间隙g1小于下盖20的空腔21的深度d1(g1＜d1)。
72.此外，下盖20也能够视为soi基板的一部分。当谐振子10和下盖20被视为由一体的soi基板形成的mems基板时，下盖20的硅基板p10相当于soi基板的支承基板，谐振子10的氧化硅膜f21相当于soi基板的box层，谐振子10的硅基板f2相当于soi基板的活性层。此时，也可以在谐振装置1的外侧，使用连续的mems基板的一部分来形成各种半导体元件、电路等。
73.接下来，对上盖30的结构进行详细说明。
74.上盖30的底板32和侧壁33由硅基板q10一体地形成。硅基板q10具备氧化硅膜q11。氧化硅膜q11设置在硅基板q10的表面中的除了空腔31的内壁以外的部分。氧化硅膜q11例如通过硅基板q10的热氧化、化学气相生长(cvd：chemical vapor deposition)来形成。硅基板q10在与谐振子10对置的一侧相反侧具有上表面30a。硅基板q10的上表面30a位于从底板32遍及到侧壁33，并由氧化硅膜q11设置。另外，硅基板q10在与谐振子10对置的一侧具有下表面32a和33a。硅基板q10的下表面32a位于底板32，由硅基板q10设置。硅基板q10的下表面33a位于侧壁33，由氧化硅膜q11设置。
75.在上盖30的底板32，具备金属膜70。金属膜70设置在硅基板q10的下表面32a中的至少与振动臂121a～121d的前端部122a～122d对置的区域。金属膜70可以是吸收由空腔21
和31构成的内部空间的气体而提高真空度的吸气剂，例如吸收氢气。金属膜70例如包含钛(ti)、锆(zr)、钒(v)、铌(nb)、钽(ta)或者包含这些材料中的至少一种的合金。金属膜70也可以包含碱金属的氧化物或者碱土金属的氧化物。在硅基板q10与金属膜70之间，例如也可以设置防止从硅基板q10向金属膜70的氢的扩散的层、提高硅基板q10与金属膜70的紧贴性的层等未图示的层。金属膜70在与谐振子10对置的一侧具有下表面70b。金属膜70的下表面70b相当于上盖30的底板32的下表面。
76.上盖30的厚度例如为150μm左右。空腔31的深度d2相当于z轴方向上的下表面32b与下表面33b之间的距离，例如为60μm左右。振动臂121a～121d的前端部122a～122d与上盖30之间的间隙g2相当于z轴方向上的振动臂121a～121d的开放端的上盖30侧的边缘部与金属膜70的下表面70b之间的距离。换言之，上盖30侧的间隙g2相当于振动臂121a～121d的金属膜125a～125d与上盖30的金属膜70之间的距离。上盖30侧的间隙g2大于下盖20侧的间隙g1。换言之，振动臂121a～121d的正上方的空间比其正下方的空间宽。
77.如图5所示，当在未施加电压的状态下谐振子10与xy面大致平行地延伸时，能够表示为(下盖20侧的间隙g1)＝(下盖20的空腔21的深度d1)且(上盖30侧的间隙g2)＝{(上盖30的空腔31的深度d2)+(接合部h的厚度)}－{(金属膜125a～125d的厚度)+(金属膜70的厚度)}。因此，能够将下盖20的空腔21的深度d1、上盖30的空腔31的深度d2、接合部h的厚度、金属膜125a～125d的厚度以及金属膜70的厚度作为变量，来决定上盖30侧的间隙g2与下盖20侧的间隙g1的大小关系。例如，在本实施方式中，通过使上盖30的空腔31的深度d2比下盖20的空腔21的深度d1大(d2＞d1)，上盖30侧的间隙g2变得比下盖20侧的间隙g1大(g2＞g1)。此外，只要上盖30侧的间隙g2大于下盖20侧的间隙g1，上盖30的空腔31的深度d2也可以小于下盖20的空腔21的深度d1。例如，也可以通过增大接合部h的厚度，来使上盖30侧的间隙g2比下盖20侧的间隙g1大。另外，也可以通过减小金属膜125a～125d的厚度或者金属膜70的厚度，来使上盖30侧的间隙g2比下盖20侧的间隙g1大。
78.在上盖30，具备端子t1、t2以及t3。端子t1～t3设置于硅基板q10的上表面30a。端子t1～t3因为设置在氧化硅膜q11上，所以相互绝缘。端子t1是使金属膜e1接地的安装端子。端子t2是使外侧振动臂121a以及121d的金属膜e2与外部电源电连接的安装端子。端子t3是使内侧振动臂121b和121c的金属膜e2与外部电源电连接的安装端子。端子t1～t3例如通过对铬(cr)、钨(w)、镍(ni)等金属化层(基底层)施加镍(ni)、金(au)、银(ag)、cu(铜)等的镀层而形成。此外，以调整寄生电容、机械强度平衡的目的，在硅基板q10的上表面30a也可以具备与谐振子10电绝缘的虚拟端子。
79.在上盖30，具备贯通电极v1、v2以及v3。贯通电极v1～v3设置于在侧壁33的下表面33a和上表面30a开口的贯通孔的内部。贯通电极v1～v3因为设置在氧化硅膜q11上，因此相互绝缘。贯通电极v1将端子t1和引出布线c1电连接，贯通电极v2将端子t2和引出布线c2电连接，贯通电极v3将端子t3和引出布线c3电连接。贯通电极v1～v3通过向贯通孔例如填充多晶硅(poly－si)、铜(cu)或者金(au)等而形成。
80.在上盖30的侧壁33与谐振子10的保持部140之间，形成有接合部h。接合部h设置成在周向上连续的框状，以在俯视时包围振动部110，以真空状态气密密封由空腔21和空腔31构成的内部空间。接合部h例如由依次层叠铝(al)膜、锗(ge)膜以及铝(al)膜并共晶键合而成的金属膜形成。此外，接合部h也可以包含金(au)、锡(sn)、铜(cu)、钛(ti)、铝(al)、锗
(ge)、钛(ti)、硅(si)以及包含这些材料中的至少一种材料的合金。另外，为了提高谐振子10与上盖30的紧贴性，接合部h也可以包含由氮化钛(tin)、氮化钽(tan)等金属化合物构成的绝缘体。
81.接下来，参照图4和图5，对谐振装置1的动作进行说明。
82.在本实施方式中，端子t1接地，对端子t2和端子t3施加相互相反相位的交流电压。因此，形成于外侧振动臂121a和121d的压电膜f3的电场的相位与形成于内侧振动臂121b和121c的压电膜f3的电场的相位成为相互相反相位。由此，外侧振动臂121a和121d与内侧振动臂121b和121c相互以相反相位振动。例如，当外侧振动臂121a和121d的各自的前端部122a和122d向上盖30的底板32位移时，内侧振动臂121b和121c的各自的前端部122b和122c向下盖20的底板22位移。如上所述，振动臂121a和振动臂121b围绕在相邻的振动臂121a和振动臂121b之间在y轴方向上延伸的中心轴r1向上下相反方向振动。另外，振动臂121c和振动臂121d围绕在相邻的振动臂121c与振动臂121d之间在y轴方向上延伸的中心轴r2向上下相反方向振动。因此，在中心轴r1和r2产生相互相反方向的扭转力矩，并在基部130产生弯曲振动。振动臂121a～121d的最大振幅例如为50μm左右，通常驱动时的振幅例如为10μm左右。
83.接下来，参照图6～图8，对第一实施方式的谐振装置1的制造方法进行说明。图6是示意性地表示第一实施方式的谐振装置的制造方法的流程图。图7是拍摄有振动臂的前端部的下盖侧的表面的照片。图8是拍摄有振动臂的前端部的上盖侧的表面的照片。图9是表示频率变动比率的图表。图9的图表的横轴表示上盖30侧的间隙g2相对于下盖20侧的间隙g1的比率(g2/g1)。图9的纵轴表示以后述的密封后的频率调整工序s80中的g2/g1＝1时的每单位时间的频率变动量为基准的频率变动量的比率。
84.首先，准备一对硅基板(s10)。一对硅基板相当于硅基板p10和q10。
85.接下来，使一对硅基板氧化(s20)。由此，在硅基板q10的表面形成氧化硅膜q11，并在硅基板p10的表面形成氧化硅膜f21。此外，也可以在本工序中仅形成氧化硅膜q11，在其他工序中形成氧化硅膜f21。
86.接下来，设置一对空腔(s30)。通过蚀刻方法分别对硅基板p10和q10进行去除加工，形成空腔21和空腔31。其中，空腔21和空腔31的形成方法并不限定于蚀刻方法。另外，空腔21也可以在将谐振子10接合于下盖20后形成。
87.接下来，将谐振子接合于下盖(s40)。对下盖20和谐振子10加热以不超过熔点，并对侧壁23和保持部140进行加压并接合。下盖20和谐振子10的接合方法并不限定于上述的热压，例如也可以是使用粘合剂、钎料、焊料等的粘合。
88.接下来，在上盖的空腔设置金属膜(s50)。例如，使钛蒸气沉积在硅基板q10的下表面32b来形成金属膜70。使用金属掩模对金属膜70进行图案成膜。此外，金属膜70的图案化方法并不限定于使用金属掩模的图案成膜，也可以是使用光致抗蚀剂的蚀刻方法、剥离方法。
89.接下来，修剪前端部的金属膜(s60)。对振动臂121a～121d的前端部122a～122d照射氩(ar)离子束，并通过干式蚀刻对金属膜125a～125d的一部分进行去除加工。由此，前端部122a～122d的重量发生变化，频率被调整。即，本工序s60相当于密封前的频率调整工序(第一频率调整工序)。由于离子束能够照射较宽的范围，所以密封前的频率调整工序s60的
加工效率优异。此外，在本发明的实施方式中，由于能够在密封后调整频率，所以也可以省略密封前的频率调整工序s60。
90.接下来，设置接合部(s70)。在减压环境下对谐振子10和上盖30的各自的金属化层进行金属接合。此时形成的接合部h气密密封真空状态的内部空间。即，本工序s70相当于密封工序。接合部h通过加热处理来设置。这样的加热处理例如在加热温度400℃以上且500℃以下、加热时间为1分钟以上且30分钟以下来进行。这是因为若是低于400℃的温度下以及比1分钟短的时间的加热则得不到充分的接合强度以及密封性。而且，是因为若是高于500℃的温度以及比30分钟长的时间的加热，则用于接合的能量效率以及制造准备时间恶化。
91.此外，也可以在接合谐振子10和上盖30之前，实施将金属膜70作为吸气剂并激活的工序。在将金属膜70作为吸气剂并激活的工序中，例如，通过加热处理使附着于金属膜70的表面的氢脱离，并使氢吸附效果恢复。这样的加热处理例如在加热温度为350℃以上且500℃以下、加热时间5分钟以上且30分钟以下来进行。这是因为若是低于350℃的温度以及比5分钟短的时间下的加热，则无法充分地激活金属膜70。而且，是因为若是高于500℃的温度以及比30分钟长的时间下的加热，则用于激活的能量效率以及制造准备时间恶化。
92.接下来，使前端部与下盖接触(s80)。对谐振子10施加比通常驱动的驱动电压大的电压使其激励，使前端部122a～122d的边缘部碰撞下盖20的底板22。由此，如图7所示，前端部122a～122d的边缘部被削去，而成为倾斜或者圆弧状。此时，从前端部122a～122d削去的是在下盖20侧露出的氧化硅膜f21，但也可以进一步削去硅基板f2。前端部122a～122d的重量发生变化，频率被调整。即，本工序s80相当于密封后的频率调整工序(第二频率调整工序)。由前端部122a～122d的碰撞引起的重量变化能够根据施加电压的强度等微调，所以密封后的频率调整工序s80的加工精度优异。另外，密封后的频率调整工序s80能够调整在密封工序s70中变动的频率。通过在密封的前后分两次用不同的方法调整频率，能够进行高效率且高精度的频率调整。使前端部122a～122d的边缘部与下盖20的底板22碰撞的频率调整工序也可以在密封工序s70之前实施。
93.此外，通过与下盖20的接触从前端部122a～122d削去的氧化硅膜f21或者硅基板f2成为粒子而吸附于谐振子10、下盖20或者上盖30。该粒子由于尺寸较小范德华力充分地作用，所以也不会从振动的振动臂121a～121d解吸。因此，几乎不产生由该粒子的吸附/解吸引起的频率变动。另外，当在前端部122a～122d在下盖20侧露出的是硅基板f2时，也可以仅削去硅基板f2。
94.在密封后的频率调整工序s80中，前端部122a～122d几乎不与上盖30接触。即使前端部122a～122d与上盖30接触，如图8所示金属膜125a～125d也延展性变形，所以前端部122a～122d的重量几乎不发生变化。因此，当前端部122a～122d与下盖20以及上盖30均衡地碰撞时、前端部122a～122d与下盖20相比更强烈地碰撞上盖30时，频率变动比率降低。示出该情况的图为图9的图表。如图9所示，当下盖20侧的间隙g1与上盖30侧的间隙g2具有1＜g2/g1的关系时，即前端部122a～122d与上盖30相比更强烈地碰撞下盖20时，能够缩短密封后的频率调整工序s80的所需时间，并改善制造准备时间。
95.如图9所示，优选下盖20侧的间隙g1和上盖30侧的间隙g2具有频率变动比率大致为1.5倍以上的1.1≤g2/g1的关系。另外，进一步优选具有频率变动比率大致为2倍以上的1.15≤g2/g1的关系，进一步优选具有频率变动比率大致为3倍以上的1.2≤g2/g1的关系。
其中，为了增大g2/g1，需要减小上盖30的底板32的厚度。因此，为了抑制上盖30的机械强度的降低，优选下盖20侧的间隙g1与上盖30侧的间隙g2具有g2/g1≤1.5的关系。另外，进一步优选具有g2/g1≤1.4的关系，进一步优选具有g2/g1≤1.3的关系。
96.此外，在本实施方式中，由于在上盖30也设置有金属膜70，所以即使前端部122a～122d与上盖30接触，由于是金属与金属的碰撞所以冲击被吸收，难以产生金属膜125a～125d的延展性破坏。具有因延展性破坏而产生的金属片的尺寸大于因氧化硅膜f21或者硅基板f2的碰撞而产生的粒子的尺寸的趋势。因此，若产生延展性破坏，则频率的调整精度降低。另外，由于范德华力对尺寸较大的金属片作用不充分，金属片从振动的振动臂121a～121d的解吸，而频率变动。通过在上盖30的前端部122a～122d碰撞的部分设置金属膜而几乎不产生金属片，能够抑制频率的调整精度的降低、频率的变动。
97.综上所述，在第一实施方式中，上盖30的空腔31的深度d2大于下盖20的空腔21的深度d1。由此，上盖30侧的间隙g2大于下盖20侧的间隙g1。
98.由此，通过使振动臂121a～121d的前端部122a～122d与下盖20碰撞而不与上盖30碰撞，能够使振动臂121a～121d的重量高效地变化。因此，能够缩短频率调整工序的所需时间。
99.振动臂121a～121d的前端部122a～122d的下盖20侧的边缘部形成为倾斜或者圆弧状。
100.这是为了通过与下盖20的碰撞来削去前端部122a～122d的下盖20侧的边缘部。在前端部122a～122d的下盖20侧的边缘部，不形成凹凸等粗糙的削除的痕迹，而形成有比较平滑的削除的痕迹。这意味着通过一次碰撞被削去的前端部122a～122d的量较少。因此，前端部122a～122d的重量变化量可以微调，频率的调整精度较高。
101.下盖20侧的间隙g1和上盖30侧的间隙g2具有如下的关系：1＜g2/g1≤1.5。
102.由此，能够缩短频率调整工序的所需时间，并且抑制上盖30的机械强度的降低。
103.上盖30在与振动臂121a～121d的前端部122a～122d碰撞的部分具有金属膜70。
104.由此，能够缓和对前端部122a～122d的金属膜125a～125d施加的冲击，抑制金属膜125a～125d的延展性破坏。由于金属膜125a～125d不会产生尺寸比较大的金属片，所以频率的调整精度提高。另外，能够抑制由金属片的吸附/解吸引起的频率变动。
105.以下，对本发明的其他实施方式的谐振装置1的结构进行说明。此外，在下述的实施方式中，对于与上述的第一实施方式共用的事项省略描述，仅对不同点进行说明。特别是，对于由同样的结构起到的同样的作用效果不依次提及。
106.＜第二实施方式＞
107.接下来，参照图10，对第二实施方式的谐振装置2的结构进行说明。图10是示意性地表示第二实施方式的谐振装置的结构的剖视图。
108.在第二实施方式的谐振装置2中，谐振子10在未施加电压的状态下向下翘曲。换言之，振动臂121a～121d构成为与下盖20的距离随着朝向前端部122a～122d而变小。
109.由此，上盖30的空腔31的深度d2即使是下盖20的空腔21的深度d1的同等以下的大小，也能够使上盖30侧的间隙g2比下盖20侧的间隙g1大。
110.＜第三实施方式＞
111.接下来，参照图11，对第三实施方式的谐振装置3的结构进行说明。图11是示意性
地表示第三实施方式的谐振装置的结构的剖视图。
112.在第三实施方式的谐振装置3中，上盖30的空腔31形成为与振动臂121a～121d的前端部122a～122d对置的部分比与振动臂121a～121d的根部对置的部分深。例如，在上盖30的底板32，形成有与振动臂121a～121d的前端部122a～122d对置的凹部。底板32的凹部也与振动臂121a～121d的臂部123a～123d的一部分对置。振动臂121a～121d的前端部122a～122d与上盖30之间的间隙g2大于基部130与上盖30之间的间隙g3。基部130与上盖30之间的间隙g3例如大于振动臂121a～121d的前端部122a～122d与下盖20之间的间隙g1，但也可以是与间隙g1同等以下的大小。
113.由此，能够抑制上盖30的机械强度的降低，并且增大振动臂121a～121d的前端部122a～122d与上盖30之间的间隙g2。
114.以下，附记本发明的实施方式的一部分或者全部，并对其效果进行说明。此外，本发明并不限定于以下的附记。
115.根据本发明的一个方式，提供一种谐振装置，具备下盖、与下盖接合的上盖、以及具有能够在被设置在下盖与上盖之间的内部空间弯曲振动的振动臂的谐振子，振动臂具有在与上盖对置的一侧设置有金属膜的前端部，振动臂的前端部与上盖之间的间隙大于振动臂的前端部与下盖之间的间隙。
116.由此，通过使振动臂的前端部与下盖碰撞而不与上盖碰撞，能够使振动臂的重量高效地变化。因此，能够缩短频率调整工序的所需时间。
117.作为一个方式，振动臂的前端部的下盖侧的边缘部形成为倾斜或者圆弧状。
118.由此，前端部的重量变化量能够微调，频率的调整精度较高。
119.作为一个方式，振动臂构成为与下盖的距离随着朝向前端部而变小。
120.由此，即使上盖的空腔的深度为下盖的空腔的深度的同等以下的大小，也能够使振动臂的前端部与上盖之间的间隙比振动臂的前端部与下盖之间的间隙大。
121.作为一个方式，上盖和下盖分别具有构成内部空间的空腔，上盖的空腔的深度大于下盖的空腔的深度。
122.作为一个方式，振动臂的前端部与下盖之间的间隙g1和振动臂的前端部与上盖之间的间隙g2具有如下的关系：1＜g2/g1≤1.5。
123.由此，能够缩短频率调整工序的所需时间，并且抑制上盖的机械强度的降低。
124.作为一个方式，上盖具有构成内部空间的空腔，上盖的空腔形成为与振动臂的前端部对置的部分比与振动臂的根部对置的部分深。
125.由此，能够抑制上盖的机械强度的降低，并且增大振动臂的前端部与上盖之间的间隙。
126.作为一个方式，上盖至少具有与振动臂的前端部对置的金属膜。
127.由此，能够缓和对前端部的金属膜施加的冲击，抑制金属膜的延展性破坏。由于金属膜不会产生尺寸相对较大的金属片，所以频率的调整精度提高。另外，能够抑制由金属片的吸附/解吸引起的频率变动。
128.根据本发明的另一个方式，提供一种谐振装置的制造方法，具备：准备谐振装置的工序，其中，上述谐振装置具备下盖、与下盖接合的上盖、以及具有能够在被设置在下盖与上盖之间的内部空间弯曲振动的振动臂的谐振子，振动臂的前端部与上盖之间的间隙大于
振动臂的前端部与下盖之间的间隙；以及通过激励谐振子使振动臂的前端部至少与下盖接触来调整谐振子的频率的工序。
129.由此，通过使振动臂的前端部碰撞下盖而不碰撞上盖，能够使振动臂的重量高效地变化。因此，能够缩短频率调整工序的所需时间。
130.本发明的实施方式只要是计时设备、发音器、振荡器、载荷传感器等通过压电效应进行机电能量转换的设备，并不特别限定，能够适当地应用。
131.如以上说明的那样，根据本发明的一个方式，能够提供生产性提高的谐振装置及其制造方法。
132.此外，以上说明的实施方式是为了容易理解本发明的内容，并不是限定解释本发明的内容。本发明能够不脱离其主旨地变更/改进，并且其等价物也包含于本发明。即，本领域技术人员对各实施方式适当地施加设计变更的结构只要具备本发明的特征，也包含于本发明的范围内。例如，各实施方式所具备的各要素及其配置、材料、条件、形状、尺寸等并不限定于例示的结构能够适当地变更。另外，各实施方式所具备的各要素只要在技术上可行就能够组合，组合这些结构只要包含本发明的特征也包含在本发明的范围内。
133.附图标记说明
134.1、2、3
…
谐振装置，10
…
谐振子，20
…
下盖，30
…
上盖，70
…
金属膜，110
…
振动部，140
…
保持部，150
…
保持臂，121a～121d
…
振动臂，122a～122d
…
前端部，123a～123d
…
臂部，125a～125d
…
金属膜，g1、g2
…
间隙，d1、d2
…
空腔深度。