[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Vibrator, welcher in einem tragbaren Telefon oder in einem tragbaren Informationsterminal untergebracht ist und das Verfahren zu dessen Herstellung. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die besondere Elektrodenstruktur dieses piezoelektrischen Vibrators.
[0002] Aus dem Stand der Technik ist eine Struktur des piezoelektrischen Vibrators bekannt, in welcher z.B.
die obere und die untere Fläche des Vibrators aus einer oberen Abdeckung und einer unteren Abdeckung mit Vertiefungen gebildet sind, wobei der piezoelektrische Vibrator aus einem piezoelektrischen Vibrationsteil und einem rahmenförmigen Teil besteht, und wobei der rahmenförmige Teil mit einem Endstück des piezoelektrischen Vibrationsteils verbunden ist, so dass die Schwingung des piezoelektrischen Vibrationsteils nicht beeinträchtigt wird.
[0003] Wenn eine Vielzahl von den oben beschriebenen jeweiligen piezoelektrischen Vibratoren auf einem grossflächigen Wafer (Scheibe aus Silizium oder anderem ähnlichen Material) in einer grossen Anzahl mit einer Elektrodenstruktur gebildet werden, so ist es notwendig, jede Elektrodenstruktur unabhängig anzuordnen.
Die Elektrodenstruktur kann beispielsweise eine Elektrodenerregungsschicht umfassen, so dass die elektrischen Eigenschaften eines jeden Vibrationsteils durch das individuelle Erregen erfasst werden können.
[0004] Bei einer solchen Struktur werden die einzelnen Elemente wie beim Anoden-Bonding unter einer hohen Temperatur und bei einer angelegten Spannung miteinander verbunden, indem zwischen den einzelnen Elementen eine Verbindungsschicht dazwischen gelegt wird. Insbesondere wird jeweils zuerst einer Vielzahl von Elektrodenstrukturen an der Waferoberfläche, welche der oberen Seite gegenüber liegt, elektrische Energie zugefügt, so dass diese elektrische Energie der Verbindungsschicht zwischen der Vibrationsplatte und der unteren Abdeckung zugefügt wird, und dass die Vibrationsplatten mit der unteren Abdeckung verbunden werden.
Anschliessend werden an dem mit der unteren Abdeckung verbundenen Wafer Verlängerungselektroden zu Aussenelektroden gebildet, elektrische Energie den jeweiligen Verlängerungselektroden und den Verbindungsschichten auf der oberen Seite zugeführt, so dass die oberen Abdeckungen und die Vibrationsplatten miteinander verbunden werden.
[0005] Jedoch, falls das Wafermaterial, aus welchem die oberen Abdeckungen und die unteren Abdeckungen gebildet werden, unterschiedliche thermische Ausdehnung hat als das Wafermaterial, aus welchem die Vibrationsplatten gebildet werden, so entsteht im oben beschriebenen Verfahren zum Zeitpunkt des Verbindens des Wafers mit den Vibrationsplatten mit der unteren Abdeckung eine Verformung, was eine grossflächige Verbindung verschiedener Wafer verunmöglicht.
[0006] In Anbetracht einer solchen Situation ist eine Aufgabe der Erfindung,
einen piezoelektrischen Vibrator mit besonderer Elektrodenstruktur zu erzeugen, welche Elektrodenstruktur das Auftreten von Verformungen während dem Verbinden verhindert und welche Elektrodenstruktur es erlaubt, grosse Flächen mit hoher Produktivität zu verbinden.
[0007] Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung, welche die oben beschriebene Aufgabe löst, wird ein piezoelektrischer Vibrator so hergestellt, indem eine Vielzahl von Vibrationsplatten auf einem ersten Wafer geformt wird, wobei jede Vibrationsplatte aus einem piezoelektrischen Vibrationsteil und einem rahmenförmigen Teil gebildet wird, und wobei der rahmenförmige Teil mit einem Endstück des piezoelektrischen Vibrationsteils vollständig verbunden wird, und wobei der piezoelektrische Vibrationsteil vom rahmenförmigen Teil umgeben wird;
indem eine Vielzahl von Elektrodenstrukturen geformt wird, wobei jede Elektrodenstruktur aus Erregungselektroden auf den entsprechenden Vibrationsteilen sowie Verbindungsschichten auf dem rahmenförmigen Teil jedes piezoelektrischen Vibrators gebildet wird, wobei die Verbindungsschichten mit den Erregungselektroden elektrisch verbunden sind; indem die Vielzahl der Elektrodenstrukturen des ersten Wafers mittels Kurzschliesselektroden miteinander verbunden wird, wobei einerseits die Verbindungsschichten auf den beiden Seiten des rahmenförmigen Teils jedes piezoelektrischen Vibrators, und andererseits die entsprechenden Verbindungsschichten aller verschiedenen piezoelektrischen Vibratoren auf dem ersten Wafer miteinander verbunden werden;
indem eine Vielzahl von oberen Abdeckungen auf einem zweiten Wafer und eine Vielzahl von unteren Abdeckungen auf einem dritten Wafer zum luftdichten Versiegeln des piezoelektrischen Vibrationsteils geformt wird, ohne dass die Schwingung des piezoelektrischen Vibrationsteils beeinträchtigt wird; indem der erste Wafer zwischen dem zweiten Wafer und dem dritten Wafer zusammen gepresst wird, wobei gleichzeitig die drei Wafer durch Anoden-Bonding verbunden werden;
und indem die verbundenen Wafer geschnitten werden.
[0008] Ein piezoelektrischer Vibrator hergestellt gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren umfasst eine piezoelektrische Vibrationsplatte mit einem piezoelektrischen Vibrationsteil und einem rahmenförmigen Teil, wobei der rahmenförmige Teil mit einem Ende des piezoelektrischen Vibrationsteils vollständig verbunden ist, und wobei der rahmenförmige Teil den piezoelektrischen Vibrationsteil umgibt; ein paar Erregungselektroden, angebracht zweiseitig an der Oberfläche des piezoelektrischen Vibrationsteils, zum in Schwingung Versetzen des piezoelektrischen Vibrationsteils;
Verbindungsschichten, welche auf der oberen und der unteren Oberfläche des rahmenförmigen Teils gebildet und mit den Erregungselektroden verbunden sind; und ein paar Abdeckungen zur luftdichten Versieglung des piezoelektrischen Vibrationsteils mittels der Verbindungsschichten, ohne dass die Schwingung des piezoelektrischen Vibrationsteils beeinträchtigt wird;
wobei die Elektrodenstruktur des piezoelektrischen Vibrators, umfassend die unabhängig voneinander angeordneten Erregungselektroden und die Verbindungsschichten zusätzlich Kurzschliesselektroden umfasst, welche Kurzschliesselektroden mit der Abdeckung verbindbar sind, und mittels welcher Kurzschliesselektroden die Abdeckungen miteinander kurzschliessbar sind.
[0009] Der Vorteil der Erfindung ist es, dass elektrische Energie den Verbindungsschichten auf beiden Seiten des mittleren Wafers simultan zugefügt werden kann, so dass drei Wafer simultan verbunden werden können.
Dadurch kann das Auftreten der Verformung nach dem Verbinden verhindert und damit eine grossflächige Verbindung gemacht werden.
[0010] Einzelheiten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen.
<tb>Fig. 1<sep>ist eine perspektivische Sicht eines zerlegten piezoelektrischen Vibrators gemäss einer Ausführungsvariante der Erfindung;
<tb>Fig. 2<sep>ist eine Draufsicht einer Vibrationsplatte gemäss einer Ausführungsvariante der Erfindung;
<tb>Fig. 3<sep>ist eine Schnittansicht eines piezoelektrischen Vibrators gemäss einer Ausführungsvariante der Erfindung;
<tb>Fig. 4<sep>ist eine Schnittansicht eines piezoelektrischen Vibrators, der auf einem Wafer gebildet ist, gemäss einer Ausführungsvariante der Erfindung;
<tb>Fig. 5<sep>ist eine Grundrissdarstellung eines Quarzwafers gemäss einer Ausführungsvariante der Erfindung;
<tb>Fig. 6<sep>ist eine Grundrissdarstellung eines Quarzwafers gemäss einer Ausführungsvariante der Erfindung nach der Bildung einer Kurzschliessschicht; und
<tb>Fig. 7<sep>zeigt die Zusammensetzung und die Anordnung der Elemente beim Verbinden des Wafers gemäss der Erfindung.
[0011] Anhand der Zeichnungen wird der prinzipielle Aufbau der Erfindung detailliert aufgezeigt. Ein piezoelektrischer Vibrator des Ausführungsbeispiels ist z.B. ein Quarzvibrator, umfassend einen stimmgabelförmigen Vibrationsteil 110 - beispielsweise aus Quarz (SiO2) - und, wie illustriert, bestehend aus einer Vibrationsplatte 20, welche den Vibrationsteil 110 beinhaltet, einer oberen Abdeckung 10 und einer unteren Abdeckung 30. Die obere Abdeckung 10 und die untere Abdeckung 30 werden als Abdeckungen verwendet, welche mit beiden Oberflächen der Vibrationsplatte 20 verbunden sind, um den Vibrationsteil 110 in einem die Schwingung ermöglichenden Zustand luftdicht zu versiegeln.
Wie in Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt wird, umfasst die Vibrationsplatte 20 des Ausführungsbeispiels einen stimmgabelförmigen Vibrationsteil 110 und einen rahmenförmigen Teil 100, welcher vollständig mit einem Ende des Vibrationsteils 110 verbunden ist, und welcher den Vibrationsteil 110 umgibt.
[0012] Die obere Abdeckung 10 und die untere Abdeckung 30, welche die Abdeckungen ausmachen, sind beispielsweise aus Natrium-Kalk-Glas und werden mit einem vertieften Hohlraumteil 90 gebildet, so dass die Schwingungen des Quarzvibrationsteiles 110 nicht beeinträchtigt werden.
[0013] Des Weiteren, wie in Fig.
3 gezeigt, wird die mit der oberen Abdeckung 10 und der unteren Abdeckung 30 zu verbindende Vibrationsplatte 20 mit Erregungselektroden 80 und 81 ausgestattet, mittels welchen der Vibrationsteil 110 in Schwingung versetzt werden kann, sowie mit Verbindungsschichten 40 und 41, welche aus einem Material gebildet sind, welches das gleiche ist wie das Material der Erregungselektroden 80 und 81 und welche den tatsächlichen Verbindungsteil für das Verbinden der Vibrationsplatte 20 mit der oberen Abdeckung 10 und der unteren Abdeckung 30 im Bereich der Übereinstimmung mit dem rahmenförmigen Teil 100 ausmachen.
[0014] Darüber hinaus werden die obere Abdeckung 10 und die untere Abdeckung 30 mittels der Verbindungsschichten 40 und 41 mit der oberen und der unteren Oberfläche der Vibrationsplatte 20 durch so genanntes Anoden-Bonding verbunden,
wobei eine detaillierte Beschreibung davon später gegeben wird.
[0015] Im Herstellungsverfahren des Vibrators gemäss dem Ausführungsbeispiel werden eine Vielzahl von Vibrationsplatten 20, oberen Abdeckungen 10, beziehungsweise unteren Abdeckungen 30 jeweils auf einem Wafer durch Ätzen mit Photolithographie erzeugt. Wie in Fig. 4 gezeigt wird, wird die Vibrationsplatte 20 mit einer Vielzahl von Vibrationsteilen 110 auf einem einzelnen Blatt eines ersten Quarzwafers 130 gebildet. Das heisst, dass eine Vielzahl von Vibrationsplatten 20 vollständig auf dem Quarzwafer 130 erzeugt wird.
Weiter werden gleichzeitigzwischen den entsprechenden Vibrationsteilen 110durchgehende Löcher 121 in der Längsrichtung des Vibrationsteiles 110 erzeugt, so dass die inneren Flächen der durchgehenden Löcher 121 nach dem Schneiden des Quarzwafers 130 einen Teil der Seitenflächen der Vibrationsplatten 20 ausmachen.
[0016] Die oberen Abdeckungen 10 und die unteren Abdeckungen 30 werden auf Glaswafern 140 und 150 gebildet, welche z.B. aus Natrium-Kalk-Glas gebildet sind. Eine Vielzahl von vertieften Hohlräumen 90 wird auf diesen Wafern in Beziehung mit den entsprechenden Vibrationsteilen 110 des Quarzwafers 130 durch Ätzen mit Photolithographie gebildet. Das heisst, dass die Vielzahl der oberen Abdeckungen 10 auf einem zweiten Wafer 140 und eine Vielzahl von unteren Abdeckungen 30 auf einem dritten Wafer 150 vollständig erzeugt wird.
Weiter werden gleichzeitig auf Teilen des Glaswafers 150 in Verbindung mit den durchgehenden Löchern 121 des Quarzwafers 130 durchgehende Löcher 120 gebildet, die grösser als die durchgehenden Löcher 121 des Quarzwafers 130 sind, so dass die inneren Flächen der durchgehenden Löcher 120 nach dem Schneiden der Glaswafer 140 und 150 die Teile der Seitenflächen der oberen Abdeckungen 10 beziehungsweise der unteren Abdeckungen 30 ausmachen.
[0017] Wie in Fig.
5 gezeigt ist, werden durch eine Spritzschicht über die gesamte Oberfläche des Quarzwafers 130 Erregungselektroden 80 und 81 an den oberen und an den unteren Oberflächen sowie an den Seitenflächen der Vibrationsteile 110 der Vielzahl der Vibrationsplatten 20 auf dem Quarzwafer 130, Verbindungsschichten 40 und 41 an der oberen und an der unteren Seite des rahmenförmigen Teils 100, sowie Erweiterungselektroden 50 an den Enden der Vibrationsteile 110 gebildet. Als Material für die Spritzschicht kann Aluminium (Al), Chrom (Cr) oder eine Legierung davon benutzt werden; in diesem Ausführungsbeispiel wird Aluminium benutzt.
Bei der Bearbeitung der Aluminium-Spritzschicht werden Elektrodenstrukturen durch Photolithographie erzeugt, welche die Erregungselektroden 80 und 81, die Erweiterungselektroden 50 und die Verbindungsschichten 40 und 41 auf der oberen und auf der unteren Oberfläche der entsprechenden Vibrationsplatte 20 umfassen.
[0018] Die Erregungselektrodenschicht, aus welcher eine Elektrode 80 besteht, wird verlängert und mit der Verbindungsschicht 40 verbunden, während die Erregungselektrodenschicht aus welcher die andere Elektrode 81 besteht, verlängert und mit der Verbindungsschicht 41 verbunden wird.
[0019] Des Weiteren wird die Verbindungsschicht 41 zu der gegenüberliegenden Oberfläche der Vibrationsplatte 20 über die Seitenfläche des Endteils des rahmenförmigen Teils 100 in der kurzen Seitenrichtung auf der Seite des Endteils des Vibrationsteiles 110 verlängert,
also über die innere Wandfläche des durchgehenden Loches 121 des Quarzwafers 130. Weiterwerden mindestens Teile der Verbindungsschicht 40 und der Verbindungsschicht 41, die auf den beiden Seiten der Vibrationsplatte 20 erzeugt werden, um die Vertiefungsteilhohlräume 90 des Deckels 10 beziehungsweise des Bodenteils 30 gebildet, so dass innere Bereiche der Hohlräume 90 luftdicht versiegelt werden können.
[0020] In diesem Stadium sind die Elektrodenstrukturen 160 der entsprechenden Vibrationsplatten 20 unabhängig voneinander, wie in Fig. 5 gezeigt. Eigenschaften der Vibratoren können durch das Benutzen der Erweiterungselektroden 50 angepasst werden.
Diese Erweiterungselektroden 50 weisen eine Polarität entgegengesetzt der Polarität der Siegel auf, so dass die Frequenzen der Vibrationsteile 110 in diesem Stadium angepasst werden können.
[0021] Anders als im Stand der Technik werden gemäss der Erfindung, nachdem die entsprechenden oberen Abdeckungen 10 und unteren Abdeckungen 30 der Vibrationsplatten 20 im Wafer gebildet wurden, alle drei Schichten gleichzeitig durch das Anode-Bonding miteinander verbunden. Das Bonding wird in hohem Vakuum ausgeführt. Es ist jedoch schwierig, alle Vibrationsplatten 20, welche zwischen den jeweiligen oberen Abdeckungen 10 und den unteren Abdeckungen 30 liegen, gleichzeitig mit elektrischer Energie zu versorgen, da die Elektroden der entsprechenden Vibratoren voneinander unabhängig sind, wie bereits weiter oben beschrieben.
Infolge dessen, nachdem die Frequenzen der entsprechenden Vielzahl von Vibrationsteilen 110, die auf dem Quarzwafer gebildet sind, angepasst worden sind, werden gemäss der Erfindung Spritzschichten zum Kurzschliessen (bzw. Kurzschliesselektroden 70) der bestehenden Metallschichten erzeugt, so dass die Verbindungsschichten 40 und 41 der einzelnen Elektrodenstrukturen 160 miteinander verbunden werden, wodurch die Verbindungsschichten 40 und 41 aller Vibratoren mit elektrischer Energie gespiesen werden können.
Obwohl gemäss dem Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 6 gezeigt wird, die Kurzschliesselektroden 70 so gebildet werden, dass sie sich zu allen anderen Eckteilen der entsprechenden Elektrodenstrukturen verbinden, das heisst, zu den Eckteilen der Verbindungsschichten 40 und 41 auf den rahmenförmigen Teilen 100, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern die einzige Einschränkung ist es, dass die entsprechenden Elektrodenstrukturen miteinander verbunden sein werden.
[0022] Aluminium wird für die Kurzschliesselektroden 70 benutzt, so dass die Spritzschicht per se verbindbar ist, und dass die Schichtdicke nur ungefähr 1000A (Angstrom) dick wird.
Ein Bereich, in welchem die Elektrodenstrukturen 160 und die Kurzschliesselektroden 70 einander überlappen, wird so bestimmt, dass das Bonding der Verbindungsschichten 40 und 41 nicht behindert wird, wenn die Verbindungsschichten 40 und 41 für das Anoden-Bonding benutzt werden. Somit dürfen diese Schichten einander um ungefähr 10 bis 20 Mikrometer überlappen.
[0023] Wie es in Fig. 7 gezeigt ist, wird beim Bonding der drei Wafer der Quarzwafer 130, in welchem die Vibrationsplatten 20 gebildet sind, zwischen dem Glaswafer 140, in welchem die oberen Abdeckungen 10 gebildet sind, und dem Glaswafer 150, in welchem die unteren Abdeckungen 30 gebildet sind, im Vakuum zusammen gepresst.
Diese Anordnung wird mit einer direkten Stromquelle verbunden, so dass die Elektrodenstruktur 160, welche die Aluminium-Schichten der oberen und unteren Oberfläche des Quarzwafers 130, d.h. die Erregungselektroden 80 und 81, die miteinander durch die Kurzschliesselektroden 70 verbundenen Verbindungsschichten 40 und 41 umfassen, z.B. einen positiven Pol, während der Glaswafer 140 und der Glaswafer 150 einen negativen Pol bilden, damit die drei Waferscheiben durch Anoden-Bonding verbunden werden können.
Bei dieser Gelegenheit werden beim Bilden der Kurzschliesselektroden 70 auf den Vibrationsplatten 20 und beim Verbinden der Elektrodenstrukturen 160 mit diesen Kurzschliesselektroden 70 alle Elektrodenstrukturen 160 miteinander verbunden, so dass die Verbindungsschichten 40 und 41 mit der oberen und der unteren Fläche des Quarzwafers 130 verbunden, während alle oberen und unteren Flächen mit elektrischer Energie versorgt werden. Demzufolge können der Glaswafer 140, in welchem obere Abdeckungen 10 gebildet sind, und der Glaswafer 150, in welchem untere Abdeckungen 30 gebildet sind, gleichzeitig mit der oberen und unteren Oberflächen des Quarzwafers 130 durch Anoden-Bonding verbunden werden.
Obwohl Verformungen beim Bonding durch eine Differenz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizient des Quarzes und des Glases verursacht wird, wird das Problem des Verformens durch das gleichzeitige Bonding der Glaswafer 140 und 150 mit den beiden Oberflächen des Quarzwafers 130, gelöst, so dass eine grosse Fläche mit hoher Produktivität verbunden werden kann.
[0024] Nach dem Beenden der Bonding-Prozedur werden Erweiterungselektroden 60 und 61 von Seitenflächen der Endteile in Richtung der kurzen Seite der Bodenteile 30 gebildet, das heisst, von den inneren Wandflächen der durchgehenden Löcher 121 der Glaswafer 150 zu den Oberflächen der Bodenteile 30 über die inneren Wandflächen der durchgehenden Löcher 120, z.B. indem teilweise Metallschichten gespritzt werden, welche Chrom (Cr) und Gold (Au) umfassen.
Die Erweiterungselektrode 60 wird gebildet, um in Kontakt mit den Verbindungsschichten 40 gebracht zu werden, während die Erweiterungselektrode 61 gebildet wird, um in Kontakt mit der Verbindungsschicht 41 gebracht zu werden.
[0025] Des Weiteren, indem die Technologie einer Trennsäge verwendet wird, werden die verbundenen Wafer an vordefinierten Stellen mechanisch geschnitten, womit die Herstellung der einzelnen Quarzvibratoren beendet wird.
[0026] Wie weiter oben erklärt wurde, wird gemäss der Erfindung das Problem des Verformens gelöst, welches sich stellt, wenn die Materialien, welche für die Deckschichten benutzt werden, und welche unter hohen Temperaturen und dem Anlegen von Spannung, wie beim Anoden-Bonding untereinander verbunden werden, verschiedene Ausdehnungskoeffizienten besitzen, so dass grosse Flächen mit hoher Produktivität verbunden werden können.