DE3910460C2 - Verfahren zur Herstellung eines Dickenscherungs-Kristallresonators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Dickenscherungs-Kristallresonators mit an vorderen und hinteren Oberflächen einer Kristallplatte gegenüberliegend angeordneten Elektroden.

Aus der DE-PS 22 56 624 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzkristallschwingers bekannt, bei dem vordere und hintere Oberflächen der Kristallplatte geätzt und Elektroden an geätzten Teilbereichen dieser Oberflächen angebracht werden.

Aus der DE-OS 25 50 434 ist ein Verfahren zur Herstellung von Scherungs-Quarzkristallschwingern bekannt, die in größerer Anzahl aus einer einzigen Kristallplatte in der Weise gewonnen werden, daß die Kristallplatte vollständig geläppt und anschließend in Form eines stegartigen Musters in einem Fotoätzverfahren geätzt wird, so daß mehrere nebeneinander angeordnete Resonatoren geformt und anschließend voneinander getrennt werden können.

Die Verwendung von Plasmaätzverfahren bei der Bearbeitung kristalliner Produkte ist aus dem Abstract der JP-OS 54-100 596 bekannt.

Ferner ist aus der US-PS 40 53 351 bekannt, bei der chemischen Bearbeitung von Silika und Glas durch Ätzen Paraffinmaterial zur Maskierung zu verwenden.

Im folgenden werden herkömmliche Dickenscherungs-Kristallresonatoren näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen elektrischen Ersatzschaltkreis eines Dickenscherungs-Kristallresonators, der eine Kristallplatte und ein unmittelbar auf deren entgegengesetzten Oberflächen angebrachtes Elektrodenpaar umfaßt. Der Q-Faktor (Gütefaktor), der den Wirkungsgrad bzw. die Güte der Schwingung eines solchen Kristallresonators darstellt, wird durch folgende Gleichung (1) ausgedrückt:

wobei f eine Schwingungsfrequenz darstellt, C₁ eine Kapazität des Kristallresonators und R₁ ein Widerstand des Kristallresonators. Um einen großen Q-Faktor des bei einer bestimmten Frequenz schwingenden Kristallresonators zu erreichen, ist es notwendig, die Kapazität C₁ und/oder den Widerstand R₁ des Kristallresonators klein zu machen.

Die Schwingungsfrequenz f des Kristallresonators, z.B. eines Dickenscherungsresonators aus AT geschnittenem Quarz, wird durch f ≃ 1660 × n/t ausgedrückt, wobei die Einheit der Frequenz f kHz ist, n die Ordnung der Schwingung darstellt, die für die Grundschwingung gleich 1 ist, und 3, 5 . . . für die 3., 5. . . . Oberschwingung ist, und t eine Dicke der Kristallplatte darstellt, deren Einheit in mm ausgedrückt ist. Da die Ordnung der Schwingung vorbestimmt ist, hängt die Schwingungsfrequenz f des Dickenscherungs-Kristallresonators von der Dicke t der Kristallplatte ab. Daher sollte zur Verminderung der Kapazität C₁ des bei einer gegebenen Frequenz schwingenden Kristallresonators und daher zum Erhalt eines Kristallresonators mit großen Q-Faktor die Größe der auf entgegengesetzten Oberflächen der Kristallplatte angebrachten Elektroden klein sein. Es gibt jedoch eine Begrenzung in der Verminderung der Größe der Elektroden beim Dickenscherungs-Kristallresonator wegen des folgenden Grunds.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen bekannten Dickenscherungs-Kristallresonator, bei dem die Elektroden auf entgegengesetzten Oberflächen der Kristallplatte angebracht sind. Bei diesem Kristallresonator sind die Elektroden 2, 3 an der vorderen und hinteren Oberfläche der Kristallplatte 1 so vorgesehen, daß sie entgegengesetzt zueinander sind. Die Kristallplatte 1 wird durch Drähte 4 und 5 aus elektrisch leitfähigem Material gehalten, und diese Drähte sind mit den besagten Elektroden 2, 3 jeweils verbunden. Diese Drähte 4, 5 sind jeweils mit Anschlußklemmen 6, 7 verbunden, die durch Isolatoren 8, 9 an einer Metallbasis 10a befestigt sind. Die Basis 10a wird von einer Metallabdeckung 10b abgedeckt, und der durch die Basis 10a und die Abdeckung 10b gebildete Raum ist mit einem Inertgas gefüllt. Im allgemeinen werden die Elektroden 2, 3, die auf den entgegengesetzten Oberflächen der Kristallplatte 1 angebracht sind, durch Aufdampfen im Vakuum hergestellt.

Bei dem Dickenscherungs-Kristallresonator schwingt oder verformt sich die Kristallplatte 1 in einer zu den Flächen der Elektroden parallelen Richtung. Wenn der Kristallresonator in einem solchen Dickenscherungsmodus schwingt, neigt ein Teil der zwischen den entgegengesetzten Elektroden angeordneten Kristallplatte durch die Anlegung der elektrischen Spannung zwischen den Elektroden dazu, voneinander abzuweichen, jedoch der verbleibende Teil der Platte in dem Randbereich, auf dem keine Elektroden angebracht sind, leistet der Abweichung des zwischen den Elektroden angeordneten Kristallteils Widerstand. Wenn daher die Größe der Elektroden zur Verminderung der Kapazität für den Erhalt eines großen Q-Faktors klein ist, wird bei einem Kristallresonator mit gegebener Dimension der Kristallplatte der Widerstand R₁ natürlich groß sein, und es wird unmöglich sein, einen großen Q-Faktor zu erhalten. Daher wird es in Betracht gezogen, die Elektroden und auch den Randteil der Kristallplatte 1, auf dem die Elektroden nicht ausgebildet sind, so schmal als möglich zu machen. Um jedoch die auf einer Oberfläche der Kristallplatte gebildete Elektrode 2 und den damit verbundenen Draht 5 von der auf der anderen Seite der Kristallplatte geformten Elektrode 3 und dem damit verbundenen Draht 5 elektrisch zu isolieren, muß der Randbereich eine bestimmte Breite besitzen. Im allgemeinen wird eine Breite von 1-2 mm für den Randbereich des Kristallresonators benötigt. Aus dem Obigen wird offensichtlich, daß es eine Grenze gibt, die Kapazität C₁ des Kristallresonators durch Verringerung der Größe der Elektroden klein zu machen.

Andererseits hat der Widerstand R₁ des Kristallresonators einen charakteristischen Unterschied von dem des Widerstands einer allgemeinen elektrischen Schaltung. Sie stellt einen Widerstand gegen die mechanische Schwingung der Kristallplatte dar. Die Gründe für einen solchen Widerstand sind noch nicht vollständig erkannt, es werden jedoch die folgenden vier Faktoren in Betracht gezogen. Der erste Faktor besteht darin, daß der in dem Randbereich des Kristallresonators, auf dem die Elektroden nicht angebracht sind, sich befindende Kristall die Schwingung des in dem zentralen Teil, an dem die Elektroden angebracht sind, sich befindenden Kristalls einschränkt. Der zweite Faktor besteht darin, daß die Anschlußdrähte die Schwingung beschränken. Der dritte Faktor besteht darin, daß die Phase der Schwingung des zwischen den Elektroden sich befindenden Kristalls von der Phase der Schwingung abweicht, die von den seitlichen Rändern der Kristallplatte reflektiert wird. Der vierte Faktor besteht darin, daß verschiedene Arten von während des Herstellungsprozesses in der Kristallplatte erzeugten Defekten als Widerstand wirken.

Aufgrund der oben erwähnten Situation sind bisher verschiedene Lösungen vorgeschlagen worden, um den Widerstand des Dickenscherungs-Kristallresonators klein zu machen.

Fig. 4 zeigt einen herkömmlichen Kristallresonator, bei dem die Kristallplatte 1 plankonvex geformt ist. Beispielsweise ist eine Oberfläche der Kristallplatte als eine konvexe Fläche und die andere Oberfläche als eine plane Fläche ausgebildet. Die beiden Oberflächen sind poliert, um wie eine Spiegeloberfläche zu werden. Ein solcher Planokonvextyp-Kristallresonator ist in der US-PS 4,188,557 offenbart. Bei einem solchen Kristallresonator ist es möglich, die schwingende Energie im Zentrum des Kristallresonators zu konzentrieren, und die Verschiebung der Randbereiche wird beinahe Null, so daß der durch den ersten, oben erwähnten Faktor verursachte Widerstand reduziert werden kann. Und da es zudem möglich ist, die Ankopplung von Kontursignalen höherer Ordnung zu vermindern, die durch die Dicke und die Kontur der Kristallplatte bestimmt ist, kann der durch den zweiten Faktor verursachte Widerstand verringert werden. Da im weiteren die beiden Oberflächen der Kristallplatte so geformt sind, daß sie wie eine Spiegeloberfläche sind, kann der durch den vierten Faktor hervorgerufene Widerstand ebenfalls reduziert werden. Daher wird der Q-Faktor dieses Planokonvextyp-Kristallresonators hoch, es besteht jedoch der schwerwiegende Nachteil, daß der Herstellungsprozeß dafür komplex ist und daher die Kosten für die Herstellung hoch werden, weil mindestens eine der beiden Oberflächen der Kristallplatte in der konvexen Form ausgebildet ist. Daher ist die Anwendung des Planokonvextyp-Kristallresonators praktisch beschränkt.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführung eines herkömmlichen Kristallresonators, bei dem der Widerstand R₁ klein ist. Bei dieser Ausführung ist der äußere Rand des Kristallresonators 1 durch Läppung zur Formung eines konischen Randes abgeschrägt. Auch in einem solchen Kristallresonator mit abgeschrägtem Rand ist die Verschiebung der Schwingung in dem zentralen Bereich der Kristallplatte konzentriert und der Verlust aufgrund der Anschlußdrähte am Rand der Kristallplatte kann verringert werden. Es besteht jedoch eine Begrenzung, um den Widerstand R₁ durch das Durchführen der abschrägenden Behandlung des äußeren Randes der Kristallplatte klein zu machen, und im Falle eines bei einer höheren Frequenz schwingenden Kristallresonators wird der abschrägende Prozeß extrem schwierig und weiter tritt der Effekt der Abschrägung nicht so deutlich auf. Wie oben festgestellt wurde, ist die Schwingungsfrequenz f des Kristallresonators hauptsächlich durch die Dicke der Kristallplatte 1 bestimmt. Z.B. ist bei einer Grundfrequenz von 1 MHz die Dicke der Kristallplatte 1,66 mm. Und bei einer Frequenz von 10 MHz wird die Dicke 0,166 mm. Daraus wird offensichtlich, daß bei zunehmender Schwingungsfrequenz die Dicke der Kristallplatte dünner wird. Daher kann im allgemeinen die abschrägende Behandlung nicht an Kristallresonatoren mit einer Frequenz von ungefähr 10 MHz oder mehr durchgeführt werden.

Um den Widerstand R₁ klein zu machen, ist ein weiteres Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem die läppende Behandlung zur Formung der beiden Oberflächen der Kristallplatte als Spiegeloberflächen durchgeführt wird. Im allgemeinen wird die Kristallplatte mittels Schleifkorn geläppt, nachdem die Platte in der gegebenen Orientierung des Kristalls geschnitten wurde. Zu Beginn der Läppung wird grobe Körnung verwendet und zum Ende wird feine Körnung verwendet. Die Korngröße der Körnung zur Verwendung am Abschluß ist etwa #2500 bis #4000, deren Durchmesser etwa einige Mikrometer beträgt. Die Korngröße zur Anwendung beim Abschluß wird durch das notwendige Betriebsverhalten des Resonators bei der praktischen Anwendung und den Kosten dafür bestimmt. Wenn die Kristallplatte durch Verwendung sehr feiner abschleifender Körnung ohne Berücksichtigung wirtschaftlicher Effektivität geläppt ist, um eine spiegelartig endbehandelte Oberfläche zu erhalten, wird der vierte Faktor verringert sein und der Widerstand R₁ wird bis zu einem gewissen Grade klein werden. Jedoch werden die Kosten dafür extrem hoch und unrealistisch sein. Weiter werden bei der mechanischen Läppung unter Verwendung von Körnern beeinflußte Grundschichten in den Oberflächen der Kristallplatte erzeugt, so daß es eine Grenze dafür gibt, den Widerstand R₁ klein zu machen.

Darüber hinaus wurde auch vorgeschlagen, eine ätzende Behandlung auf der Kristallplatte in solcher Art durchzuführen, daß die gesamte Kristallplatte in eine ätzende Flüssigkeit, z.B. eine Lösung aus Ammoniumfluorid, eingetaucht wird, um nicht nur den Widerstand R₁ zu verringern, sondern auch um die Alterungsveränderung der Schwingungsfrequenz zu reduzieren, indem die in der Oberfläche der Kristallplatte erzeugte beeinflußte Grundschicht oder Schmutz oder Flecken von der Oberfläche der Kristallplatte entfernt werden. Der Widerstand R₁ kann durch ein solches Ätzverfahren klein gemacht werden. Wenn jedoch die Oberfläche der Kristallplatte überätzt wird, wird die Oberfläche rauh und der Widerstand R₁ wird vergrößert. Weiter wird nicht nur der Randbereich, sondern auch der zentrale Bereich, auf dem die Elektroden angebracht werden sollen, geätzt, so daß die Haftkräfte der Elektroden an den Oberflächen der Kristallplatte schwach werden. Darüber hinaus kann eine angestrebte Dicke der Kristallplatte nicht erhalten werden, und ihre Schwingungsfrequenz kann verschoben sein.

Bei der Herstellung der in Massenproduktion angefertigten Dickenscherungs-Kristallresonatoren auf eine solche Art ist die Kristallplatte in eine gegebene Form geschnitten, wobei die Kristallplatte durch Verwendung abschleifender Körner poliert und die Ränder der Kristallplatte abgeschrägt werden. Die gesamte polierte Oberfläche der Kristallplatte wird geätzt, so daß der Widerstand R₁ der Kristallplatte in einem erlaubbaren Bereich vermindert ist und der Q-Faktor groß wird.

Jedoch sind die Forderungen der Benutzer an das Betriebsverhalten und die Kosten der Kristallresonatoren weiter gestiegen. Daher ist es nun schwierig, die Benutzerforderungen zu erfüllen. Der Benutzer fordert, den Widerstand des Kristallresonators noch geringer zu machen. Darüber hinaus wird aufgrund des Temperaturverhaltens des Widerstandes R₁ eine nicht gleichmäßige Veränderung, die sog. Absenkung (dip), erzeugt. Diese Absenkung (dip) steht in Beziehung zu einer Absenkung des Temperaturverhaltens der Frequenz des Kristallresonators, und daher ist sie schwierig, einen Ausgleich zu schaffen. Deshalb ist durch den Benutzer auch gefordert, daß ein Kristallresonator, dessen Temperaturverhalten des Widerstandes R₁ oder der Frequenz keine Absenkung (dip) hat, entwickelt wird und daß die Herstellungskosten niedrig werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Dickenscherungs-Kristallresonatoren anzugeben, welche hohe Güte und Zuverlässigkeit aufweisen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 6 gelöst.

Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter Dickenscherungs-Kristallresonator kann einen hinreichend kleinen Widerstand aufweisen, weil die Masse des Teilbereichs, an dem keine Elektroden angeordnet sind, klein gehalten werden kann. Weiterhin kann erreicht werden, daß die Temperaturcharakteristiken des Widerstandes und der Frequenz des Kristallresonators stabil sind, so daß unerwünschte Absenkungen (dips) vermieden werden können.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den den Patentansprüchen 1 und 6 jeweils nachgeordneten Unteransprüchen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der Zeichnungen näher beschrieben, soweit diese Zeichnungen nicht herkömmliche Dickenscherungs-Kristallresonatoren betreffen.

In den Zeichnungen zeigen, jeweils in schematischer Darstellung,

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild eines Dickenscherungs-Kristallresonators,

Fig. 2 einen herkömmlichen Dickenscherungs-Kristallresonator,

Fig. 3 den Schwingungsmodus des Dickenscherungs-Kristallresonators,

Fig. 4 einen herkömmlichen Dickenscherungs-Kristallresonator vom Plankonvex-Typ,

Fig. 5 einen herkömmlichen Dickenscherungs-Kristallresonator mit konisch abgeschrägtem Rand im Querschnitt,

Fig. 6A eine Ausführungsform eines nach einem Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten Dickenscherungs-Kristallresonators im Grundriß,

Fig. 6B den Gegenstand von Fig. 6A im Querschnitt,

Fig. 7 ein Kurvendiagramm zur Darstellung der Temperaturcharakteristik des Widerstandes und des Verhältnisses der Abweichung der Schwingungsfrequenz beim Dickenscherungs-Kristallresonator gemäß Fig. 6A und 6B,

Fig. 8 ein entsprechendes Kurvendiagramm für einen herkömmlichen Dickenscherungs-Kristallresonator,

Fig. 9 Ausführungsformen von weiteren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Dickenscherungs-Kristallresonatoren im Schnitt,

Fig. 10A, 10B und 10C aufeinanderfolgende Schritte bei der Herstellung eines Dickenscherungs-Kristallresonators nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,

Fig. 11A, 11B und 11C Aufnahmen der in einem optischen Mikroskop betrachteten Kristallplatte eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Dickenscherungs-Kristallresonators,

Fig. 12A, 12B und 12C Aufnahmen der in einem optischen Mikroskop betrachteten Kristallplatte eines herkömmlich hergestellten Dickenscherungs-Kristallresonators,

Fig. 13A, 13B und 13C Aufnahmen der in einem Elektronenmikroskop betrachteten Kristallplatte eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Dickenscherungs-Kristallresonators und

Fig. 14 mehrschichtig angeordnete Kristallplatten bei der Herstellung von Dickenscherungs-Kristallresonatoren nach einem weiteren Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 6A und 6B zeigen in schematischer Darstellung einen nach der Erfindung hergestellten Dickenscherungs-Kristallresonator im Grundriß bzw. im Schnitt. Darin sind nur eine Kristallplatte 11 und zwei Elektroden 12 und 13 veranschaulicht, die auf entgegengesetzten Oberflächen darauf angeordnet sind. Die Kristallplatte 11 hat eine quadratische Form mit 5,4 mm×5,4 mm bei einer Dicke von 0,166 mm. Der Durchmesser von jeder der Elektroden 12 und 13 beträgt 3,7 mm. Der Randbereich der Kristallplatte 11 ist so abgeschrägt, daß ein äußerer Bereich, der sich 0,7 mm vom Rand der Kristallplatte 11 einwärts erstreckt, abgeflacht ist. Die ätzende Behandlung wird auf einem Teil der Oberflächen der Kristallplatte 11 durchgeführt, wo die Elektroden nicht angeordnet werden sollen, indem eine Flüssigkeit aus Ammoniumfluorid in dem Umfang verwendet wird, daß die freien Kristallflächen des Quarz, insbesondere die natürliche Oberfläche des Kristalls, freigelegt werden. In Fig. 6B ist die Dicke der Kristallplatte 11 in vergrößertem Maßstab gezeigt. Ein solcher Kristallresonator erzeugt die Grundschwingung bei einer Schwingungsfrequenz von 10 MHz.

Die in Fig. 7 gezeigten Kurven A und B zeigen die Temperaturcharakteristik des Verhältnisses der Änderung der Schwingungsfrequenz (Δf/f) und des Widerstandes R₁ des Kristallresonators nach der obigen Ausführung. Die Kurve A zeigt, daß der Widerstand klein ist und in einem Bereich von ungefähr 7,4-8,8 Ω liegt, daß kein Abfall in der Temperaturcharakteristik des Widerstandes erkennbar ist und daß die Änderung des Widerstandes aufgrund der Temperatur gering ist. Weiter zeigt die Kurve B, daß das Verhältnis der Variation der Schwingungsfrequenz mit der Temperatur ungefähr +7 ppm bis -10 ppm ist, was ebenso klein ist.

Die Kurven A und B aus Fig. 8 stellen die Temperaturcharakteristik eines herkömmlichen Kristallresonators dar, bei dem die äußeren Teile der Oberflächen der Kristallplatte nicht geätzt sind. Die Kurve A aus Fig. 8 zeigt, daß beim herkömmlichen Kristallresonator der Widerstand ca. 25-30 Ω beträgt, was etwa dreimal größer ist als bei dem Kristallresonator der vorliegenden Erfindung, und daß der Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur sich plötzlich ändert, insbesondere, daß eine Absenkung erkennbar wird. Und die Kurve B in Fig. 8 zeigt, daß das Verhältnis der Änderung der Schwingungsfrequenz ungefähr +15 ppm bis -15 ppm beträgt, was größer ist als bei der vorliegenden Erfindung, und daß die Kurve B nicht glatt ist.

In der ersten Ausführung des Dickenscherungs-Kristallresonators entsprechend der vorliegenden Erfindung wird die ätzende Behandlung nur auf den abgeflachten äußeren Teil der Kristallplatte 11 angewendet, kann jedoch auf den, zwischen dem abgeschrägten Bereich und dem mit den Elektroden 12 und 13, wie in Fig. 9A gezeigt, bedeckten Bereich liegenden, flachen Bereich ausgedehnt werden. Und es kann auch möglich sein, die ätzende Behandlung auf dem flachen Bereich, wie in Fig. 9B gezeigt, teilweise durchzuführen. Weiter besteht die Möglichkeit, daß die Ätzung bis zu einem Teil des flachen Bereichs wirksam ist, der von den Elektroden 12, 13 bedeckt ist, wie in Fig. 9C gezeigt wird. Es besteht auch die Möglichkeit, die ätzende Behandlung auf Bereichen durchzuführen, die in Erweiterung der oben erwähnten Bereiche mit den Zuleitungsbereichen der Elektroden in Berührung sind, die zur Ankopplung der Anschlußdrähte an die Elektroden angeordnet sind.

Der Grad der Entfernung der beeinflußten Schicht oder die wirksam werdende Verzerrung der Kristallplatte wird durch das Maß bestimmt, in dem der Widerstand R₁ klein gemacht werden muß. Mit dem größten Vorzug sind die Oberflächen des Kristallresonators so zu ätzen, daß die freien Oberflächen des Quarzkristalls oder die natürlichen Oberflächen des Quarzkristalls freigelegt werden. Es besteht jedoch kein Einfluß, wenn die beeinflußte Schicht teilweise zurückbleibt, wie es der Fall sein kann. Die Oberfläche der Kristallplatte erscheint für das Auge im wesentlichen durchsichtig. Es wird gefunden, daß eine große Menge von glatten und flachen konkaven Oberflächen vorhanden ist, wenn die Kristallplatte mit Hilfe eines Mikroskops untersucht wird. Im Gegensatz dazu ist die nichtgeätzte Oberfläche milchigweiß, insbesondere semitransparent, und eine große Menge von sehr feinen Unebenheiten wird durch das Mikroskop beobachtet. Bei dem Dickenscherungs-Kristallresonator nach der vorliegenden Erfindung besteht der wichtige Punkt darin, daß die Oberflächen des äußeren Bereichs der Kristallplatte die natürliche oder freie kristalline Oberfläche haben. Es ist nicht notwendig, daß die beeinflußte Schicht auf allen Oberflächen, wo die Ätzung durchgeführt werden sollte, im gleichen Grade entfernt wird. Wenn z.B., wie in der ersten Ausführung in Fig. 6A und 6B gezeigt wird, die Ätzung auf dem zwischen dem abgeschrägten Bereich und den Elektroden 12, 13 liegenden flachen Bereich durchgeführt wird, kann der Grad des Entfernens der beeinflußten Schicht auf dem flachen Bereich kleiner als auf dem abgeschrägten Bereich gemacht werden.

Das Verfahren zur Herstellung des oben erläuterten Dickenscherungs-Kristallresonators nach der vorliegenden Erfindung wird im folgenden erklärt.

Zuerst wird die Dickenscherungs-Kristallschwingplatte hergestellt. Der Durchmesser der Platte beträgt z. B. 8,3 mm, die Dicke 0,26 mm und die Frequenz der Fundamentalschwingung 6,4 MHz. Nachfolgend werden die beiden Oberflächen der Kristallplatte 21 mit der Körnung #4000 geläppt, und der äußere Randbereich der Kristallplatte wird bis zu einer Stelle von 1,4 mm innerhalb des äußeren Randes abgeschrägt. Die so verarbeitete Platte ist in Fig. 10A gezeigt. Als nächstes werden Paraffinschichten 22, 23 auf den zentralen Bereich von beiden Oberflächen der Kristallplatte 21, wie in Fig. 10B gezeigt, aufgebracht. Die Paraffinschichten haben eine Kreisform mit einem Durchmesser von 5 mm. Und die Kristallplatte 12, auf der die Paraffinschichten 22, 23 aufgebracht wurden, wird in eine Flüssigkeit aus Ammoniumfluorid bei Zimmertemperatur für 15 Std. eingetaucht, und ein Bereich der nicht mit den Paraffinschichten bedeckten Oberflächen wird chemisch geätzt. Danach werden die Paraffinschichten 22 und 23 durch Anwendung von Alkohol entfernt, und die Metallelektroden 24 und 25 werden im Vakuum auf die vordere und rückseitige Oberfläche der Kristallplatte, wie in Fig. 10C gezeigt, aufgedampft.

Auf diese Art wurden beispielsweise achtunddreißig Dickenscherungs-Kristallresonatoren hergestellt, und deren Widerstände wurden bei einer Temperatur von 25°C gemessen. Als minimaler Widerstand wurden 9,3 Ω und als maximaler Widerstand wurden 17 Ω gemessen, und der mittlere Widerstand betrug 11,2 Ω. Im Vergleich dazu wurde der Widerstand von vierzig herkömmlichen Kristallresonatoren, bei denen die ätzende Behandlung nicht durchgeführt worden war, bei der Temperatur von 25°C gemessen. Als minimaler Widerstand wurden 20,1 Ω und als maximaler Widerstand wurden 44,6 Ω gemessen, und der Mittelwert betrug 26,6 Ω. Als Ergebnis kann festgehalten werden, daß bei dem nach der vorliegenden Erfindung hergestellten Dickenscherungs-Kristallresonator der Widerstand um das 2- bis 2,6fache kleiner als bei dem herkömmlichen Kristallresonator gemacht werden kann, so daß der Q-Faktor entsprechend groß gemacht werden kann.

Fig. 11A, 11B und 11C zeigen Fotografien des Kristallresonators entsprechend der Erfindung, die mit einem optischen Mikroskop aufgenommen wurden, und Fig. 12A, 12B und 12C sind Fotografien, die einen bekannten Kristallresonator zeigen und ebenfalls mit dem optischen Mikroskop aufgenommen worden sind. Beim Vergleich dieser Fotografien miteinander kann man erkennen, daß bei der Kristallplatte nach der Erfindung der Randbereich transparent ist, während bei der bekannten Kristallplatte der Randbereich halbdurchsichtig oder undurchsichtig ist.

Fig. 13A-13D sind Fotografien der Kristallplatte nach der Erfindung, die mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen worden sind. Die in Fig. 13A gezeigte Fotografie besitzt eine Vergrößerung von 100 und entspricht der Grenze zwischen dem nichtgeätzten zentralen Bereich und dem geätzten Randbereich. Der linke Bereich entspricht dem geläppten, jedoch nicht geätzten zentralen Bereich und die rechte Hälfte bezeichnet den geläppten und dann geätzten Randbereich. Die Fig. 13B bis 13D sind mit einer Vergrößerung von 10 000 aufgenommene Fotografien. Die Aufnahme von Fig. 13B zeigt den nichtgeätzten zentralen Bereich, die Aufnahme von Fig. 13C zeigt den geätzten Randbereich, und die Aufnahme von Fig. 13D stellt den Grenzbereich dar. In dem geläppten, zentralen Bereich ist eine Zahl von Einsenkungen aufgrund des mechanischen Polierens ausgebildet, die jedoch im geätzten Randbereich nicht vorhanden sind.

Eine weitere Ausführung des Verfahrens zur Herstellung großer Mengen von Dickenscherungs-Kristallresonatoren entsprechend der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 14 erläutert.

Zuerst wird ein mehrschichtiger Körper durch Zusammenfügen von mehreren 10 bis mehreren 100 Kristallplatten 21 gebildet, wobei die Oberflächen von jeder Platte poliert und die Randbereiche abgeschrägt worden sind. Nachfolgend wird der mehrschichtige Körper in eine Flüssigkeit aus erhitztem und geschmolzenem Abdeckmaterial (Resist), z.B. Paraffinflüssigkeit, eingetaucht. Während dieser Behandlung wird die Abdeckflüssigkeit ausreichend in die zwischen benachbarten Platten gebildeten Räume eingeführt. Als nächstes werden nach dem Herausziehen des mehrschichtigen Körpers aus der Abdeckflüssigkeit und seiner Abkühlung die Ränder der Kristallplatten, die den mehrschichtigen Körper aufbauen, mit einem Tuch abgewischt, in das eine Komponente zur Lösung des Paraffins eingebracht ist, um einen stabförmigen mehrschichtigen Körper 31 zu erhalten, bei dem die Abdeckflüssigkeit von den Randbereichen jeder Kristallplatte entfernt ist und deren zentrale Bereiche miteinander durch die Abdeck(Resist)schichten 32 verbunden sind. Im weiteren wird der mehrschichtige Körper 31 in eine Ammoniumfluoridflüssigkeit bei Zimmertemperatur eingetaucht, um die freiliegenden Oberflächen an den Randbereichen der Kristallplatten 21 in einem solchen Ausmaße zu ätzen, daß in den Randbereichen die natürlichen oder freien Kristalloberflächen freigelegt werden. Nach der Beendigung der Ätzung wird der mehrschichtige Körper 31 aus der ätzenden Flüssigkeit gezogen und nach dem Waschen und Trocknen werden die Abdeckschichten 32 entfernt, so daß eine große Menge von Kristallplatten erhalten wird, deren äußere Oberflächen geätzt sind. Da nach diesem Verfahren eine große Menge von Kristallplatten zur gleichen Zeit geätzt werden kann, wird somit die Herstellung einfach und die Kosten werden niedrig.

Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird die auf der äußeren Oberfläche der Kristallplatte ausgebildete beeinflußte Schicht mit Hilfe der Ammoniumfluoridflüssigkeit entfernt, die im allgemeinen zum Ätzen von Quarz verwendet wird. Dafür können jedoch auch andere ätzende Flüssigkeiten verwendet werden. Und es kann auch ein Wachs, ein Fichtenharz und eine Mischung daraus als Abdeckschicht anstelle von Paraffin verwendet werden. Weiter kann ein physikalisches, thermisches und mechanisches Verfahren zur Entfernung der beeinflußten Schicht von der Oberfläche des Kristallresonators anstelle der oben dargestellten chemischen Ätzung verwendet werden. Z.B. kann das Plasmaätzverfahren mit Hilfe von CF₄-Gas, das häufig zur Entfernung von SiO₂-Schichten bei dem Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen auf Halbleitern verwendet wird, insbesondere das reaktive Gas-Ionen-Ätzverfahren, als physikalische Ätzung verwendet werden.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung stellten mehrere Kristallresonatoren her, von denen jeder eine quadratische Kristallplatte mit den Abmessungen von 5,4 mm×5,4 mm, eine Dicke von 0,20 mm, eine Frequenz der Grundwelle von 8,33 MHz und eine Frequenz der dritten Oberschwingung von 25 MHz hatte; jedoch waren die Kristallplatten mit unterschiedlichen Ätzzeiten geätzt worden, um herauszufinden, wie der Widerstand des Kristallresonators nach der vorliegenden Erfindung sich mit der Ätzzeit verändert. Bei diesem Experiment ist jede der Kristallplatten nicht mechanisch abgeschrägt worden. Die unten erwähnte Tabelle 1 zeigt die Veränderung des Widerstandes des Kristallresonators in Abhängigkeit von der Ätzzeit. Mit zunehmender Ätzzeit wird der Widerstand der Grundwelle von 96,4 Ω auf 12,5 Ω verringert. Man kann sagen, der Widerstand wird um das 7fache oder mehr durch die Ätzung verringert, der Widerstand für die dritte Oberschwingung wird ebenso verringert, jedoch ist die Änderung im Vergleich zu der für die Grundschwingung nicht so groß. Da der Widerstand mit zunehmender Ätzzeit kleiner wird, kann, wie aus dem Obigen ersichtlich, der Kristallresonator mit einem gewünschten Widerstand durch die geeignete Auswahl der Ätzzeit erhalten werden.

Tabelle 1

Wie oben dargelegt, ist der Widerstand des nach der vorliegenden Erindung hergestellten Dickenscherungs-Kristallresonators klein, und somit kann ein großer Q-Faktor erhalten werden, sogar wenn die Elektroden in einer Größe bis zu der praktisch verwendbaren Größe hergestellt sind. Da zudem die Temperaturcharakeristik sich als im wesentlichen problemlos herausgestellt hat, arbeitet der Kristallresonator in einer stabilen Weise. Und da entsprechend dem Herstellungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung zur Herstellung des Kristallresonators mit einem guten Betriebsverhalten keine teure Herstellungsausrüstung notwendig ist, werden die Kosten zur Herstellung niedrig. Zudem wird nach diesem Verfahren die Ätzung nicht auf der schwingenden Oberfläche der Kristallplatte durchgeführt, wo die Elektroden angebracht sind, so daß die Genauigkeit der vorangehenden Herstellungsschritte nicht verfälscht wird und die gewünschte Schwingungsfrequenz leicht erhalten werden kann.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Dickenscherungs-Kristallresonators mit an vorderen und hinteren Oberflächen einer Kristallplatte gegenüberliegend angeordneten Elektroden, umfassend folgende Schritte:

• (a) Herausschneiden der Kristallplatte mit einander gegenüberliegenden vorderen und hinteren Oberflächen aus einem Kristallkörper,
• (b) Läppen der gesamten vorderen und hinteren Oberflächen der Kristallplatte und randseitiges Abschrägen dieser Oberflächen,
• (c) Ätzen von ersten Teilbereichen der vorderen und hinteren Oberflächen der Kristallplatte und
• (d) Anbringen von Elektroden an zweiten, nicht geätzten Teilbereichen der vorderen und hinteren Oberflächen der Kristallplatte.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zum Anbringen der Elektroden vorgesehenen Teilbereiche der Oberflächen der Kristallplatte durch Aufbringen von Abdeckschichten vor dem Ätzvorgang abgedeckt und die Abdeckschichten nach dem Ätzvorgang entfernt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Kristallplatte zum Aufbringen der Abdeckschichten in flüssiges Resistmaterial eingetaucht wird, das nach dem Tauchvorgang von den zur Ätzung vorgesehenen Teilbereichen der Oberflächen der Kristallplatte entfernt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Ätzvorgang durch zeitweises Einbringen der Kristallplatte in eine Ätzflüssigkeit erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Ätzvorgang durch Plasmaätzen unter Verwendung eines reaktiven Ionengases erfolgt.

6. Verfahren zur Herstellung von Dickenscherungs-Kristallresonatoren mit an vorderen und hinteren Oberflächen von Kristallplatten jeweils gegenüberliegend angeordneten Elektroden, umfassend folgende Schritte:

• (a) Läppen der gesamten vorderen und hinteren Oberflächen von mehreren, jeweils in gewünschte Form geschnittenen Kristallplatten und randseitiges Abschrägen dieser Oberflächen,
• (b) Vorübergehendes Eintauchen der aneinandergeschichteten Kristallplatten in eine eine Abdeckschicht bildende Flüssigkeit,
• (c) Entfernen der an Randbereichen jeder Kristallplatte nach dem Tauchvorgang haftenden Abdeckflüssigkeit,
• (d) Trocknen der zwischen Mittelbereichen der aneinandergeschichteten Kristallplatten verbliebenen Abdeckflüssigkeit zur Schaffung von haftenden Abdeck- und Verbindungsschichten zwischen Mittelbereichen von jeweils benachbarten Kristallplatten,
• (d) Ätzen des durch aneinanderhaftende Kristallplatten gebildeten mehrschichtigen Körpers in den von den Abdeck- und Verbindungsschichten nicht bedeckten Randbereichen der Kristallplatten,
• (e) Zerlegen des mehrschichtigen Körpers durch Trennen der aneinanderhaftenden Kristallplatten,
• (f) Entfernen der Abdeck- und Verbindungsschichten von den Mittelbereichen der Kristallplatten und
• (g) Anbringen von Elektroden an den Mittelbereichen der vorderen und hinteren Oberflächen jeder Kristallplatte.

7. Verfahren nach Anspruch 6, worin als Abdeck- und Verbindungsschicht Paraffinmaterial verwendet wird.