DE69413751T2

DE69413751T2 - Piezoelektrischer Resonator und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE69413751T2
Application number: DE69413751T
Authority: DE
Inventors: Kazuo Nara-Shi Nara 631 Eda; Akihiro Osaka 579 Kanaboshi; Yutaka Ibaragi-Shi Osaka 567 Taguchi; Yoshihiro Osaka-Shi Osaka 534 Tomita
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1993-06-10
Filing date: 1994-06-09
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2014-06-10
Also published as: DE69413751D1; EP0631384B1; EP0631384A1; US5666706A; JPH06350371A

Description

Piezoelektrischer Resonator und Verfahren zur Herstellung

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Resonanzvorrichtung, die für Hochfrequenz-Resonatoren und Filter verwendet wird. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung der piezoelektrischen Resonanzvorrichtung.
Mit der jüngsten Entwicklung miniaturisierter Hochfrequenz- Kommunikationsvorrichtungen, wie beispielsweise tragbarer Telefone, gibt es einen Bedarf an für diese Kommunikationsvorrichtungen zu verwendenden piezoelektrischen Vorrichtungen (Resonatoren und Filter), die kleiner sind und eine höhere Frequenz haben.
Herkömmliche piezoelektrische Resonanzvorrichtungen sind durch Verbesserung der Art und Weise, wie die Gehäuse und piezoelektrische Plättchen gehalten werden, miniaturisiert worden. Die piezoelektrischen Plättchen der herkömmlichen piezoelektrischen Resonanzvorrichtungen sind dünner gemacht worden, um die Frequenzen der Vorrichtungen zu erhöhen. Eine herkömmliche piezoelektrische Resonanzvorrichtung, ein Quarz- Resonator, wird mit Bezug auf Fig. 6 erklärt.
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Quarz-Resonators. In Fig. 6 ist 51 ein Quarzplättchen, das auf eine Dicke abgeschliffen ist, bei welcher das Plättchen bei einer bevorzugten Frequenz in Resonanz schwingen kann. Anregungselektroden 52 sind an beiden Oberflächen des Quarzplättchens befestigt. Leitfähiger Klebstoff 53 ist verwendet, um zwei Seiten eines Quarzplättchens 51 an einem Gehäuse 54 zu befestigen, wobei zwischen den Anregungselektroden 52 und einer Zuleitungselektrode 55 eine Verbindung aufrechterhalten wird.
Eine piezoelektrische Resonanzvorrichtung kann nicht funktionieren oder hat schlechte Eigenschaften, solange nicht der Resonanzteil sehr frei von dem Substrat und dergleichen ist. Daher wird in diesem herkömmlichen Quarz-Resonator das Quarzplättchen 51 gehalten, indem nur zwei Seiten des Plättchens an dem Gehäuse 54 befestigt sind.
Da es äußerst schwierig ist, ein äußerst dünnes piezoelektrisches Plättchen mit Photolithographie, Schichtbildungsverfahren, Einbauverfahren und dergleichen zu behandeln, ist eine akzeptable minimale Dicke des Plättchens ungefähr 50 um. Die Dicke des piezoelektrischen Plättchens sollte mindestens ungefähr 50 um betragen, so daß das Plättchen während einer Schleifbehandlung nicht gebogen oder gebrochen werden kann.
Quarzplättchen, die allgemein für Hochfrequenz-Resonatoren verwendet werden, sind AT-geschnittene Quarzplättchen, da die Plättchen kleine Frequenzschwankungen haben, die von einer Temperaturänderung hervorgerufen werden. Die Resonanzfrequenz ist umgekehrt proportional zur Dicke des Quarzplättchens, und die Resonanz-Grundfrequenz eines ungefähr 50 um dicken Quarzplättchens ist 35 MHz. Mit anderen Worten, es ist schwierig, ein Quarzplättchen mit einer Resonanzfrequenz höher als 35 MHz herzustellen. Das Dünnen eines Quarzplättchens wird ebenfalls schwieriger, wenn die Fläche des Plättchens groß wird.
Aus der EP-A1-0 503 892 ist eine piezoelektrische Resonanzvorrichtung mit einem Substrat und einem piezoelektrischen Plättchen bekannt, wobei das Substrat und das piezoelektrische Plättchen auf einer Fläche, wo sie miteinander in Kontakt sind, über eine chemische Bindung direkt gebunden sind, und das piezoelektrische Plättchen weist einen Resonanzteil auf, der eine obere Elektrode, die mindestens auf der oberen Oberfläche des Resonanzteils gebildet ist, und eine untere Elektrode hat. Die EP-A1-0 503 892 offenbart eine direkte Bindung zwischen Quarz und Silizium. Ein Quarzplättchen ist direkt an ein Siliziumsubstrat gebunden und der von dem Silizium gehaltene Quarz wird durch Polieren oder Ätzen gedünnt. Danach wird das Rückseiten-Silizium mit Löchern geätzt und auf diese Weise wird der Rand eines dünnen Quarzplättchens vom Silizium gehalten. In dieser Technik wird das Silizium geätzt, so daß es Membranform hat, daher ist das Substratmaterial begrenzt. Nur Materialien, die von der Rückseite aus geätzt werden können, können verwendet werden. Ein anderes Problem der Technik ist, daß der vollständig gehaltene Quarz instabil ist, da die Randspannung und Wärmespannung aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten direkt auf den Resonanzteil ausgeübt werden. Um den Spannungseinfluß auf den Resonanzteil zu verhindern, wird in einem typisch rechteckigen Quarzvibrator durch Einbau an einer einzigen langen Seite ein freitragender Zustand aufrecht erhalten.
Da sich ein leitfähiger Klebstoff während eines Beschichtungsschritts ausbreitet, ist erforderlich, daß die Vorrichtung groß genug ist, um eine ausreichende Fläche für den Klebstoff zu haben. Die Verwendung eines Harzes, um ein Quarzplättchen an einem Gehäuse zu befestigen, bringt es nicht fertig, eine piezoelektrische Resonanzvorrichtung mit langfristiger Stabilität bereitzustellen.
Eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer sehr stabilen miniaturisierten piezoelektrischen Hochfrequenz- Resonanzvorrichtung. Eine andere Aufgabe ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung der piezoelektrischen Resonanzvorrichtung mit hoher Ausbeute.
Die Aufgaben sind durch die Merkmale der Ansprüche gelöst, welche die Erfindung definieren.
Die piezoelektrische Resonanzvorrichtung weist ein Substrat und ein piezoelektrisches Plättchen auf. Das piezoelektrische Plättchen umfaßt einen Resonanzteil. Eine obere Elektrode ist mindestens auf der oberen Oberfläche des Resonanzteils gebildet. Das Substrat und das piezoelektrische Plättchen sind auf einer Fläche, wo sie miteinander in Kontakt sind, durch eine chemische Bindung direkt gebunden. Eine Vertiefung ist entweder in dem Substrat oder dem piezoelektrischen Plättchen oder in beiden gebildet.
Es wird bevorzugt, daß das piezoelektrische Plättchen eine Öffnung hat, die teilweise den Resonanzteil umgibt.
Es wird auch bevorzugt, daß der Resonanzteil eine einseitig gehaltene Balkenstruktur hat.
Es wird bevorzugt, daß das Substrat mit der Vertiefung abgeschliffen wird, um in dem Substrat ein Loch zu bilden.
Es wird bevorzugt, daß das piezoelektrische Plättchen aus mindestens einem Material hergestellt wird, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Quarz, Lithiumniobat und Lithium tantalat besteht.
Es wird bevorzugt, daß das Substrat aus mindestens einem Material hergestellt wird, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Quarz, Silizium, Glas, Lithiumtantalat und Lithiumniobat besteht.
Es wird bevorzugt, daß die piezoelektrische Resonanzvorrichtung ferner eine untere Elektrode auf der in dem Substrat gebildeten Vertiefung aufweist, daß eine Zuleitungselektrode auf dem piezoelektrischen Plättchen als Zuleitungsteil für die untere Elektrode gebildet wird und daß ein Zwischenraum zwischen dem piezoelektrischen Plättchen und der unteren Elektrode gebildet wird.
Es wird bevorzugt, daß die Vertiefung in der Unterseite des piezoelektrischen Plättchens gebildet wird, daß eine untere Elektrode auf der oberen Oberfläche des Substrats gebildet wird, das unter der Vertiefung ist, daß eine Zuleitungselektrode teilweise auf der unteren Elektrode und dem piezoelektrischen Plättchen als Zuleitungsteil für die untere Elektrode gebildet wird und daß ein Zwischenraum zwischen dem piezoelektrischen Plättchen und der unteren Elektrode gebildet wird.
Das Verfahren zur Herstellung der piezoelektrischen Resonanzvorrichtung der Erfindung weist die folgenden Schritte auf:
Bildung einer Vertiefung, die größer als der Resonanzteil eines piezoelektrischen Plättchens ist, in einem Substrat, in dem piezoelektrischen Plättchen oder in beiden;
Füllen der Vertiefung mit einer zwischenliegenden Trägerschicht und Einebnen der Oberfläche der Schicht;
Reinigen der Oberflächen des Substrats und des piezoelektrischen Plättchens, um die Oberflächen durch eine chemische Bindung direkt aneinander zu binden;
Bilden einer oberen Elektrode mindestens auf der oberen Oberfläche des Resonanzteils;
Bilden einer unteren Elektrode; und
Auflösen und Entfernen der zwischenliegenden Trägerschicht.
In diesem Verfahren wird bevorzugt, daß das piezoelektrische Plättchen abgeschliffen wird, nachdem es direkt an das Substrat gebunden worden ist.
In diesem Verfahren wird bevorzugt, daß das piezoelektrische Plättchen mit einer Öffnung gebildet wird, die teilweise den Resonanzteil umgibt.
In diesem Verfahren wird bevorzugt, daß die in dem Substrat gebildete Vertiefung abgeschliffen wird, um ein Loch in dem Substrat zu bilden.
In diesem Verfahren wird bevorzugt, daß die untere Elektrode durch die folgenden Sehritte auf der Vertiefung des Substrats gebildet wird: Bilden einer Elektrodenschicht auf der Vertiefung des Substrats, Bilden einer zwischenliegenden Trägerschicht auf der Elektrodenschicht und Entfernen der zwischenliegenden Trägerschicht; und daß eine Zuleitungselektrode auf dem piezoelektrischen Plättchen als Zuleitungsteil für die untere Elektrode gebildet wird.
In diesem Verfahren wird bevorzugt, daß die untere Elektrode mindestens auf der unteren Oberfläche des Resonanzteils gebildet wird.
In diesem Verfahren wird bevorzugt, daß die untere Elektrode auf der oberen Oberfläche des Substrats gebildet wird und daß eine Zuleitungselektrode teilweise auf der unteren Elektrode und dem piezoelektrischen Plättchen als Zuleitungsteil für die untere Elektrode gebildet wird.
In diesem Verfahren wird bevorzugt, daß für die zwischenliegende Trägerschicht Glas oder ein organisches Material verwendet wird, das bei einer Temperatur weich wird, die unterhalb der Temperatur liegt, die die Eigenschaften des piezoelektrischen Plättchens verschlechtert.
In diesem Verfahren wird bevorzugt, daß für das piezoelektrische Plättchen mindestens ein Material verwendet wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Quarz, Lithiumniobat und Litiumtantalat besteht.
In diesem Verfahren wird bevorzugt, daß für das Substrat mindestens ein Material verwendet wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Quarz, Silizium, Glas, Lithiumtantalat 1 und Lithiumniobat besteht.
Fig. 1(a) ist eine Querschnittsansicht eines Substrats und eines piezoelektrischen Plättchens, auf molekularem Niveau, nach Bearbeiten der Oberflächen des Substrats und des piezoelektrischen Plättchens mit einer hydrophilen Behandlung.
Fig. 1(b) ist eine Querschnittsansicht des Substrats und des piezoelektrischen Plättchens, auf molekularem Niveau, während eines direkten Bindungsverfahrens.
Fig. 1(c) ist eine Querschnittsansicht des Substrats und des piezoelektrischen Plättchens, auf molekularem Niveau, nach dem direkten Bindungsverfahren.
Fig. 2(a), Fig. 2(b), Fig. 2(c), Fig. 2(d), Fig. 2(e) und Fig. 2(f) bilden ein Flußdiagramm, das das Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Resonanzvorrichtung eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Resonators zeigt;
Fig. 3(a), Fig. 3(b), Fig. 3(c), Fig. 3(d), Fig. 3(e) und Fig. 3(f) bilden ein Flußdiagramm, das das Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Resonanzvorrichtung eines anderen Beispiels eines erfindungsgemäßen Resonators zeigt.
Fig. 4(a), Fig. 4(b), Fig. 4(c) und Fig. 4(d) bilden ein Flußdiagramm, das das Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Resonanzvorrichtung eines Beispiels der Erfindung zeigt.
Fig. 5(a), Fig. 5(b), Fig. 5(c) und Fig. 5(d) bilden ein Flußdiagramm, das das Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Resonanzvorrichtung eines anderen Beispiels der Erfindung zeigt.
Fig. 6 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Quarz-Resonators.
Fig. 7 ist eine Querschnittsansicht eines Substrats und von -OH-Gruppen auf molekularem Niveau.
Die Bindungsstärke zwischen dem Substrat und dem piezoelektrischen Plättchen der piezoelektrischen Resonanzvorrichtung der Erfindung ist signifikant hoch, da die beiden durch eine chemische Bindung, beispielsweise eine kovalente Bindung oder eine Ionenbindung, direkt aneinander gebunden sind. Ein Klebstoff, der für herkömmliche piezoelektrische Resonanzvorrichtungen verwendet wird, befestigt ein Substrat durch eine intermolekulare Kraft an dem piezoelektrischen Plättchen, so daß sein Haftvermögen schwach ist.
Die zwischen Lithiumtantalat und Lithiumniobat gebildete Bindung ist eine Ionenbindung aus einem Metallion und einem Sauerstoffion. Zudem sind Ionen der Elemente (Li&spplus;, Ta&sup5;&spplus;, O²&supmin;), die LiTaO&sub3; bilden, elektrisch anziehend und durch eine Ionenbindung gebunden. Beispiele für eine kovalente Bindung andererseits sind -Si-O- und -O-H-. Aufgrund eines Unterschieds in den Elektronegativitäten der kovalent gebundenen Atome bewegen sich jedoch gemeinsame Elektronen zu dem Atom mit der größeren Elektronegativität. Folglich hat das Atom mit der größeren Elektronegativität eine negative elektrische Ladung, während das Atom mit einer kleineren Elektronegativität eine' positive elektrische Ladung hat. Wenn der Unterschied in den Elektronegativitäten der kovalent gebundenen Atome zunimmt, werden die Atome wahrscheinlicher durch Ionenbindung gebunden. Fig. 7 erklärt eine kovalente Bindung und eine Ionenbindung. Wenn Δ (elektrische Ladung, die durch einen Unterschied in den Elektronegativitäten induziert ist) in einem in Fig. 7 gezeigten Substrat klein ist, werden -OH-Gruppen und das Substrat kovalent aneinander gebunden. Wenn jedoch Δ groß ist, ist die Bindung zwischen -OH-Gruppen und dem Substrat wahrscheinlich die Ionenbindung von positiven und negativen Ionen. Die folgende Tabelle zeigt Elektronegativitäten ausgewählter Elemente. (Die Daten sind der Seite 892 von Iwanami Rikagaku Jiten, 3. Auflage, herausgegeben vor Iwanami Shoten, 20. Mai 1971 entnommen.) Tabelle 1
Gemäß dem Verfahren zur Herstellung der piezoelektrischen Resonanzvorrichtung der Erfindung sind das piezoelektrische Plättchen und das Substrat auf einer Fläche, wo die Vertiefung nicht gebildet ist, direkt aneinander gebunden, und das Plättchen ist auf der Vertiefungsschicht über die zwischenliegende Trägerschicht an das Substrat gebunden. Somit wird die gesamte Oberfläche des piezoelektrischen Plättchens von dem Substrat gehalten. Mit anderen Worten, selbst wenn das piezoelektrische Plättchen dünn ist, ist das auf dem Substrat gehaltene Plättchen fest genug, um Behandlungen wie Photolithographie, Schichtherstellung, Einbau und dergleichen auszuhalten.
Das von dem Substrat gehaltene und durch eine chemische Bindung an dieses gebundene piezoelektrische Plättchen kann durch Abschleifen nicht gebogen oder gebrochen werden. Daher wird das Dünnen des piezoelektrischen Plättchens, um höhere Frequenzen zu erhalten, leicht ausgeführt. Durch Abschleifen des piezoelektrischen Plättchens, nachdem es direkt an ein sehr ebenes Substrat gebunden worden ist, kann das Plättchen dünn gemacht werden, während die Ebenheit aufrechterhalten wird
Direkte Bindung bezieht sich auf die Bindung zweier gereinigter Substrate durch eine chemische Bindung, wie beispielsweise kovalente Bindung oder Ionenbindung. Durch Behandlung eines direkt gebundenen piezoelektrischen Plättchens und Substrats mit Wärme wird die Bindungsstärke zwischen dem Plättchen und dem Substrat erhöht. Durch Einrichten der Behandlungsbedingungen ist es möglich, das piezoelektrische Plättchen auf atomarem Niveau an das Substrat zu binden, so daß die Bindungsstärke hoch genug wird, um eine auf das piezoelektrischen Plättchen gerichtete Schleifbehandlung auszuhalten.
Anders als herkömmliche Verfahren kann das Herstellungsverfahren der Erfindung durch Verwendung einer zwischenliegenden Trägerschicht einen Resonanzteil bilden, der zu einem Substrat beabstandet ist. Die direkte Bindung zwischen dem piezoelektrischen Plättchen und dem Substrat wird für eine lange Zeit nach Auflösen und Entfernen der zwischenliegenden Trägerschicht aufrechterhalten, wobei nur eine kleine Fläche zum Binden erforderlich ist.
Daher läßt sich in dem Herstellungsverfahren der Erfindung ein dünnes piezoelektrisches Plättchen leicht behandeln. Nur eine kleine Fläche ist für die direkte Bindung zwischen dem piezoelektrischen Plättchen und dem Substrat erforderlich.
Die Resonanzeigenschaften des piezoelektrischen Plättchens werden durch Bildung einer Öffnung, die teilweise den Resonanzteil umgibt, davor geschützt und daran gehindert, sich zu verschlechtern.
Das Substrat mit einer Vertiefung wird geschliffen, um ein Loch in dem Substrat zu bilden, so daß die untere Resonanzelektrode leicht herausgeholt wird. Herausholen der unteren Resonanzelektrode wird durch das Verfahren der Erfindung leicht, das die Schritte aufweist: Bilden einer Elektrodenschicht auf der Vertiefung eines Substrats und dann Bilden einer zwischenliegenden Trägerschicht auf der Elektrodenschicht. Als Ergebnis dieser Schritte ist ein Zwischenraum zwischen dem piezoelektrischen Plättchen und der Resonanzelektrode entstanden.
Glas oder ein organisches Material, das bei einer Temperatur schmilzt, die unterhalb der Temperatur liegt, die die Eigenschaften des piezoelektrischen Plättchens verschlechtert, wird als zwischenliegende Trägerschicht verwendet, so daß eine piezoelektrische Resonanzvorrichtung ohne Verschlechterung der Eigenschaften des Materials hergestellt wird. Beispiele für das organische Material umfassen Wachse, Poly(vinylacetat), Polystyrol, Poly(vinylalkohol), Poly(vinylbutyral), Polysulfon, Polyimid, Nylon, Polykarbonat, Polyacetal, Polyethylen, Polypropylen und dergleichen.
Das piezoelektrische Plättchen kann aus bekannten Materialien passend gewählt werden. Das piezoelektrische Plättchen wird vorzugsweise aus mindestens einem Material hergestellt, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Quarz, Lithiumniobat und Lithiumtantalat besteht, so daß sich leicht eine direkte Bindung zwischen dem piezoelektrischen Plättchen und dem Substrat bildet, und eine piezoelektrische Resonanzvorrichtung mit ausgezeichneten Eigenschaften erhalten wird.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die folgenden Beispiele speziell erklärt. Die Beispiele sind veranschaulichend und sollten nicht als Einschränkung der Erfindung in irgendeiner Weise aufgefaßt werden.

Beispiel 1

Ein Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Resonanzvorrichtung gemäß der Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 2(a), 2(b), 2(c), 2(d), 2(e) und 2(f) erklärt.
Ein AT-geschnittener Quarz wurde für ein piezoelektrisches Plättchen 11 verwendet. Untere Elektroden 12 wurden auf einer Oberfläche des piezoelektrischen Plättchens 11 gebildet; Öffnungen 15 wurden gebildet, die teilweise die Halteteile 14 des piezoelektrischen Plättchens 11 umgeben, um Resonanzteile 13 zu erzeugen, die eine einseitig gehaltene Balkenstruktur haben. Ein Sandstrahlverfahren wurde angewendet, um diese Öffnungen zu bilden, wobei ein Muster aus Photolack auf der Oberfläche des piezoelektrischen Plättchens als Maske gebildet war. (Siehe Fig. 2(a).)
Ein At-geschnittener Quarz wurde auch für ein Substrat 16 verwendet. Größere Vertiefungen 17 als die unteren Elektroden 12 wurden durch ein Sandstrahlverfahren in dem Substrat 16 gebildet. Während das Substrat 16 auf 150ºC erhitzt wurde, wurde "Electron Wax" (gelbes Wachs Nr. 6A, hergestellt von Nikka Seiko Co., Ltd.), das einen Erweichungspunkt von ungefähr 60ºC hat, auf die gesamte Oberfläche des Substrats als eine zwischenliegende Trägerschicht 18 aufgetragen. Die Hauptkomponenten von "Electron Wax" sind Naturharz und Naturwachs. (Siehe Fig. 2(b).)
Die obere Oberfläche der zwischenliegenden Trägerschicht wurde abgeschliffen, so daß das Substrat 16 und die gefüllten Vertiefungen eine ebene Oberfläche bildeten. (Siehe Fig. 2(c).)
Das piezoelektrische Plättchen 11 und das Substrat 16 wurden mit einer Lösung gewaschen, die ein Gemisch aus Ammonium, Wasserstoffperoxid und Wasser in einem Volumenverhältnis von 1:1:6 war (hydrophile Behandlung). -OH-Gruppen wurden zu den behandelten Oberflächen des piezoelektrischen Plättchens 11 und des Substrats 16 hinzugefügt, so daß die Oberflächen hydrophil wurden.
Die mit der unteren Elektrode 12 gebildete Oberfläche des piezoelektrischen Plättchens 11 und die obere Oberfläche des Substrats 16 mit den freiliegenden Oberflächen der zwischenliegenden Trägerschichten 18 wurden aneinander gebunden. Das piezoelektrische Plättchen 11 und das Substrat 16 wurden an den Abschnitten, wo die Plättchen und das Substrat direkt in Kontakt miteinander waren, durch Wasserstoffbindung der -OH- Gruppen gebunden. Durch Hinzufügen von Druck zu dem gebundenen piezoelektrischen Plättchen 11 und dem Substrat 16 bei 150ºC wurde das Wachs der zwischenliegenden Trägerschichten 18 weich und stieg in einer Dicke der unteren Elektrode 12 bis zu den Öffnungen des piezoelektrischen Plättchens empor. Die unteren Elektroden 12 wurden innerhalb der Vertiefungen 17 des Substrats angeordnet.
Die direkte Bindung des piezoelektrischen Plättchens 11 und des Substrats 16 wurde durch eine Wärmebehandlung bei 300ºC (Fig. 2(d)) auf atomarem Niveau verstärkt. Da das für das Plättchen und das Substrat verwendete Quarz bei 573ºC einen α- β-Übergangspunkt hat, werden das Plättchen und das Substrat bevorzugt mit Wärme bei einer Temperatur unterhalb des Übergangspunkts behandelt. Auf diese Weise werden die Eigenschaften des Materials des Plättchens und des Substrats geschützt.
Die obere Oberfläche des piezoelektrischen Plättchens 11 wurde geschliffen und das Plättchen wurde 10 um dick. Obere Elektroden 19 wurden auf dem piezoelektrischen Plättchen 11 gebildet (Siehe Fig. 2(e).)
Jedes Element (mit anderen Worten, jede piezoelektrische Resonanzvorrichtung) wurde von einer Schneidevorrichtung abgetrennt. Zuletzt wurde das Wachs der zwischenliegenden Trägerschichten 18 aufgelöst und mittels Trichlorethylen entfernt. (Siehe Fig. 2(f).) Trichlorethylen kann wegen der Öffnungen 15 leicht durch die Schichten hindurch eindringen.
Fig. 1(a), 1(b) und 1(c) zeigen die Schritte für das direkte Binden der Grenzflächen des piezoelektrischen Plättchens 11 und des Substrats 16. Die Grenzflächen des Substrats 16 und des piezoelektrischen Plättchens 11 werden vor der Wärmebehandlung durch Wasserstoffbindungen von hydrophilen Gruppen und Wassermolekülen an den Grenzflächen aneinander gebunden (Fig. 1(a)). Die Wassermoleküle an den Grenzflächen werden durch Wärmebehandlung entfernt, wobei sich auf diese Weise starke kovalente Bindungen zwischen den kristallbildenden Atomen bilden (Fig. 1(c)). Fig. 1(b) zeigt den Bindungszustand zwischen dem piezoelektrischen Plättchen 11 und dem Substrat 16 nach einer Wärmebehandlung bei 150ºC; der Abstand zwischen dem piezoelektrischen Plättchen 11 und dem Substrat 16 in Fig. 1 (a) (L&sub1;=70 nm) wird nach der Behandlung 35nm (L&sub2;). Nach Erhitzen der Grenzflächen auf 300ºC sind die Wassermoleküle vollständig von den Grenzflächen (Fig. 1(c)) entfernt, und der Abstand zwischen dem piezoelektrischen Plättchen 11 und dem Substrat 16 (L&sub3;) wird dann 16 nm.
Mit anderen Worten, die Grenzflächen des Substrats 16 und des piezoelektrischen Plättchens 11 werden in den folgenden Schritten direkt aneinander gebunden:
Binden der Grenzflächen durch Wasserstoffbindungen von hydrophilen Gruppen und Wassermolekülen an den Grenzflächen; und
Entfernen der Wassermoleküle an den Grenzflächen durch Wärmebehandlung, wobei sich auf diese Weise starke kovalente Bindungen zwischen den kristallbildenden Atomen bilden.
Da die Grenzflächen auf atomarem Niveau direkt aneinander gebunden sind, ist die Bindungsstärke signifikant hoch. Die Größe einer piezoelektrischen Resonanzvorrichtung kann auch sehr klein sein, da eine zusätzliche Fläche nicht erforderlich ist, um das piezoelektrische Plättchen an das Substrat zu kleben. Da außerdem ein organischer Klebstoff in diesem Verfahren nicht verwendet wird, wird kein Gas aus dem Klebstoff erzeugt. Somit wird die piezoelektrische Resonanzvorrichtung beständig gegen Wärme und Erschütterungen.
Wenn ein Substrat und ein piezoelektrisches Plättchen durch eine chemische Bindung direkt aneinander gebunden sind, läßt sich eine Schleifbehandlung an dem piezoelektrischen Plättchen und dem Substrat leicht ausführen. Abhängig von den für das Substrat und das piezoelektrische Plättchen verwendeten Materialien bildet sich manchmal an den Grenzflächen des Plättchens und des Substrats durch direkte Bindung eine Oxidschicht (oder Pufferschicht).
Wenn ein Klebstoff verwendet wird, um ein piezoelektrisches Plättchen an einem Substrat zu befestigen, können manche Behandlungen, wie beispielsweise Photolithographie, der Klebstoffschicht schaden. Jedoch haben diese Behandlungen keine negative Auswirkung auf die direkte Bindung eines piezoelektrischen Plättchens und eines Substrats. Die direkte Bindung ist auch stärker als das Haftvermögen eines Klebstoffs. Eine übermäßig große Fläche ist für die direkte Bindung nicht erforderlich, wohingegen eine übermäßig große Fläche für einen Klebstoff erforderlich ist. Daher läßt sich das Element leicht miniaturisieren, wenn ein piezoelektrisches Plättchen direkt an ein Substrat gebunden ist. Anders als bei Klebstoff werden durch direkte Bindungsverfahren kein Gas und keine Feuchtigkeit erzeugt; die Verfahren sind besonders geeignet, um Vorrichtungen zu befestigen und Gehäuse zu binden, die gegen Feuchtigkeit und Gas empfindlich sind.
In dem Herstellungsverfahren dieses Beispiels lassen sich die Behandlungen zum Dünnen eines piezoelektrischen Plättchens, zum Bilden von Elektroden auf dem gedünnten piezoelektrischen Plättchen und zum Trennen des Resonanzteils des piezoelektrischen Plättchens von dem Substrat leicht durchführen.

Beispiel 2

Dieses erfindungsgemäße Beispiel wird mit Bezug auf Fig. 3(a), 3(b), 3(c), 3(d), 3(e) und 3(f) erklärt.
Lithiumtantalat wurde für ein Substrat 26 verwendet und eine Vertiefung 27 wurde in dem Substrat 26 gebildet. Eine Glasschicht mit einem Erweichungspunkt von ungefähr 300ºC wurde als zwischenliegende Trägerschicht 28 in die Vertiefung 27 gefüllt und wurde abgeschliffen. Auf diese Weise bildeten das Substrat 26 und die gefüllte Vertiefung eine ebene Oberfläche. (Siehe Fig. 3(a) und (b)).
Ein piezoelektrisches Lithiumtantalat-Plättchen 21 wurde wie in Beispiel 1 beschrieben direkt an das Substrat 26 gebunden. Da der Curie-Punkt von Lithiumtantalat 603ºC beträgt, wurde das piezoelektrische Plättchen mit Wärme bei 400ºC behandelt. (Siehe Fig. 3(c).)
Das an das Substrat 26 gebundene piezoelektrische Plättchen 21 wurde auf 10 um abgeschliffen. Die untere Oberfläche des Substrats 26 wurde ebenfalls geschliffen, um die zwischenliegende Trägerschicht 28 freizulegen. Eine obere Elektrode 29 wurde auf dem piezoelektrischen Plättchen 21 gebildet. (Siehe Fig. 3(d).)
Eine Öffnung 25 wurde in dem piezoelektrischen Plättchen 21 gebildet, so daß der Resonanzteil des piezoelektrischen Plättchens 21 eine einseitig gehaltene Balkenstruktur hatte. Die aus Glas hergestellte zwischenliegende Trägerschicht 28 wurde geätzt und mit dünner Flußsäure aufgelöst. Eine untere Elektrode 22 wurde dann an den Rückseiten des piezoelektrischen Plättchens 21 und des Substrats 26 gebildet. (Siehe Fig. 3(e) und 3(f).)
Das piezoelektrische Lithiumtantalat-Plättchen 21 wurde direkt an die aus Glas gefertigte zwischenliegende Trägerschicht 28 gebunden, wie in Fig. 1(a), 1(b) und 1(c) gezeigt ist, und eine starke direkte Bindung wurde in diesem Beispiel erreicht. Da die Oberflächen des Substrats und des Plättchens für direkte Bindung nicht rauh waren, würde die Bindung mit ihren eigenen anziehenden Kräften vervollständigt. Somit war es nicht notwendig, in den direkten Bindungsverfahren an diese Oberflächen Druck anzulegen.

Beispiel 3

Dieses Beispiel wird mit Bezug auf Fig. 4(a), 4(b), 4(c) und 4(d) erklärt.
Eine Vertiefung 37 wurde in einem Substrat 36 gebildet; eine untere Elektrode 32 wurde auf der Vertiefung 37 gebildet; eine zwischenliegende Trägerschicht 38 wurde dann auf der unteren Elektrode 32 gebildet und wurde abgeschliffen. Daher war, wie in Fig. 4(a) gezeigt, die Vertiefung 37 mit der zwischenliegenden Trägerschicht 38 gefüllt und die untere Elektrode 32 war unter der Stützschicht begraben.
Wie in Fig. 1(a) 1(b) und 1(c) gezeigt, wurde ein piezoelektrisches Plättchen 31 direkt an das Substrat 36 gebunden und wurde abgeschliffen (Fig. 4(b)).
Eine Öffnung 35 wurde in dem piezoelektrischen Plättchen 31 gebildet, so daß der Resonanzteil des Plättchens eine einseitig gehaltene Balkenstruktur hatte. Die zwischenliegende Trägerschicht 38 wurde geätzt, um einen Teil der unteren Elektrode 32 freizulegen, der genau unter der Öffnung 35 lag. Eine obere Elektrode 39 wurde auf dem piezoelektrischen Plättchen 31 gebildet. Eine Zuleitungselektrode 39a als Zuleitungsteil für die untere Elektrode 32 wurde auch auf dem piezoelektrischen Plättchen 31 gebildet. (Siehe Fig. 4(c).)
Die zwischenliegende Trägerschicht 38 wurde aufgelöst und entfernt, wobei sich ein Zwischenraum zwischen dem piezoelektrischen Plättchen 31 und der unteren Elektrode 32 bildete (Fig. 4(d)). Als Ergebnis war in diesem Beispiel ein kapazitiv koppelnder Resonator hergestellt.

Beispiel 4

Dieses Beispiel wird mit Bezug auf Fig. 5(a), 5(b), 5(c) und 5(d) erklärt.
Lithiumniobat wurde für ein piezoelektrisches Plättchen 41 verwendet. Eine Vertiefung 47 wurde in dem Plättchen gebildet; das in Beispiel 1 beschriebene "Electron Wax" wurde als zwischenliegende Trägerschicht 48 auf die Vertiefung 47 aufgetragen und abgeschliffen. Somit war die Vertiefung mit der zwischenliegenden Trägerschicht 48 gefüllt (Fig. 5(a)).
Ein 0,2 um dickes Aluminium als untere Elektrode 42 wurde auf der oberen Oberfläche eines Substrats 46 abgeschieden. Wie in Fig. 1(a), 1(b) und 1(c) gezeigt, wurden das Substrat 46 und das piezoelektrische Plättchen 41 direkt aneinander gebunden. Die obere Oberfläche des piezoelektrischen Plättchens 41 auf dem Substrat 46 wurde abgeschliffen. (Siehe Fig. 5(b).)
Eine Öffnung 45 wurde in dem piezoelektrischen Plättchen 41 gebildet, so daß der Resonanzteil des Plättchens eine einseitig gehaltene Balkenstruktur hatte. Die zwischenliegende Trägerschicht 48 wurde geätzt, um einen Teil der unteren Elektrode 42 freizulegen, der genau unterhalb der Öffnung 45 lag. Eine obere Elektrode 49 wurde auf dem piezoelektrischen Plättchen 41 gebildet; eine Zuleitungselektrode 49a wurde ebenfalls teilweise auf der unteren Elektrode 42 und dem piezoelektrischen Plättchen 41 gebildet. (Siehe Fig. 5(c).)
Die zwischenliegende Trägerschicht 48 wurde aufgelöst und entfernt, wobei sich so ein Zwischenraum zwischen dem piezoelektrischen Plättchen 41 und der unteren Elektrode 42 bildete. Als Ergebnis war ein kapazitiv koppelnder Resonator hergestellt. (Siehe Fig. 5(d)).
Die Wirkung eines Resonators mit Vertiefungen sowohl im Substrat 46 als auch in dem piezoelektrischen Plättchen 41 würde die gleiche sein wie die des Resonators dieses Beispiels, bei welchen eine Vertiefung 47 nur in dem piezoelektrischen Plättchen 47 gebildet ist.
Obwohl die Reihenfolge der oben beschriebenen Fertigungsschritte variabel ist, wird der gleiche Effekt in der Erfindung erzielt, sofern während der komplexen Behandlungen ein piezoelektrisches Plättchen über eine zwischenliegende Trägerschicht an ein Substrat gebunden ist.
Ein piezoelektrisches Plättchen ist besonders gut direkt an ein Substrat gebunden, wenn das piezoelektrische Plättchen aus Quarz, Lithiumtantalat, Lithiumniobat oder Lithiumtetraborat (Li&sub2;B&sub4;O&sub7;) hergestellt ist und das Substrat aus Quarz, Silizium, Glas, Lithiumtantalat, Lithiumniobat oder GaAs hergestellt ist. Jede Kombination dieser Materialien ist für die direkte Bindung besonders wirkungsvoll. Es ist auch möglich, eine stärkere direkte Bindung zwischen einem piezoelektrischen Plättchen und einem Substrat zu erzeugen, indem eine Oxidschicht oder eine Pufferschicht aus Siliziumnitrid an den Grenzflächen des Plättchens und des Substrats gebildet wird. Ferner wandern durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes an die Grenzflächen während der direkten Bindungsverfahren. Ionen nahe an die Grenzfläche, so daß sich eine starke direkte Bindung zwischen dem piezoelektrischen Plättchen und dem Substrat bei einer niedrigen Temperatur bildet.
Es wird jedoch bevorzugt, die gleichen Materialien für das Substrat und das piezoelektrische Plättchen zu verwenden, da sich die Eigenschaften einer piezoelektrischen Resonanzvorrichtung aufgrund von Spannungen, die durch Temperaturänderungen an den Grenzflächen des Plättchens und des Substrats hervorgerufen werden, verschlechtern können.
Die Erfindung kann in anderen speziellen Formen ausgeführt werden, ohne von deren wesentlichen Merkmalen abzuweichen. Die in dieser Anmeldung offenbarten Ausführungsformen sollen in jeglicher Hinsicht als Veranschaulichung und nicht als Einschränkung betrachtet werden, wobei der Bereich der Erfindung vielmehr durch die angefügten Ansprüche als durch die vorstehende Beschreibung angegeben ist, und alle Änderungen, die in den Bereich der Ansprüche fallen, sollen darin enthalten sein.

Claims

1. Piezoelektrische Resonanzvorrichtung, die ein Substrat (36; 46) und ein piezoelektrisches Plättchen (31; 41) aufweist, wobei das Substrat (36; 46) und das piezoelektrische Plättchen (31; 41) durch eine chemische Bindung in einem Bereich, in dem sie direkt miteinander in Kontakt sind, direkt gebunden sind, wobei das piezoelektrische Plättchen einen Resonanzteil (13) aufweist, der eine obere Elektrode (39; 49), die mindestens auf der oberen Oberfläche des Resonanzteils gebildet ist, und eine untere Elektrode (32; 42) hat, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der unteren Elektrode (32; 42) und dem Resonanzteil ein Zwischenraum gebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das piezoelektrische Plättchen eine Öffnung hat, die teilweise den Resonanzteil (13) umgibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Resonanzteil (13) eine einseitig gehaltene Balkenstruktur hat.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das piezoelektrische Plättchen (31; 41) aus mindestens einem Material hergestellt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Quarz, Lithiumniobat und Lithiumtantalat besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Substrat (36; 46) aus mindestens einem Material hergestellt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Quarz, Silizium, Glas, Lithiumniobat und Lithiumtantalat besteht.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die untere Elektrode (32) auf der Oberfläche einer in dem Substrat (36) gebildeten Vertiefung (37) angeordnet ist und wobei die obere Elektrode (39) als Zuleitungsteil für die untere Elektrode (32) auf dem piezoelektrischen Plättchen (31) gebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine Vertiefung (47) in der Unterseite des piezoelektrischen Plättchens (41) gebildet ist, wobei eine untere Elektrode (42) auf der oberen Oberfläche des Substrats (46) unter der Vertiefung gebildet ist und wobei die obere Elektrode (49) als Zuleitungsteil für die untere Elektrode teilweise auf der unteren Elektrode und dem piezoelektrischen Plättchen gebildet ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Resonanzvorrichtung mit den folgenden Schritten:

Bilden einer Vertiefung (17; 27; 37; 47) in einem Substrat (16; 26; 36; 46) und/oder einem piezoelektrischen Plättchen (11; 21; 31; 41);

Füllen der Vertiefung mit einer zwischenliegenden Trägerschicht (18; 28; 38; 48);

Reinigen der Oberflächen des Substrats und des piezoelektrischen Plättchens, um die Oberflächen durch eine chemische Bindung direkt aneinander zu binden;

Binden des Resonanzteils (13) des piezoelektrischen Plättchens an das Substrat über die zwischenliegende Trägerschicht;

Bilden einer oberen Elektrode (19; 29; 39; 49) mindestens auf der oberen Oberfläche eines Resonanzteils des piezoelektrischen Plättchens;

Bilden einer unteren Elektrode (12; 22; 32; 42); und

Auflösen und Entfernen der zwischenliegender Trägerschicht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das piezoelektrische Plättchen abgeschliffen wird, nachdem das piezoelektrische Plättchen direkt an das Substrat gebunden worden ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das piezoelektrische Plättchen (11; 21; 31; 41) mit einer Öffnung gebildet wird, die den Resonanzteil teilweise umgibt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die in dem Substrat (26) gebildete Vertiefung (27) abgeschliffen wird, um ein Loch in dem Substrat zu bilden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die untere Elektrode (32) durch die folgenden Schritte auf der Vertiefung (37) des Substrats (36) gebildet wird: Bilden einer Elektrodenschicht (32) auf der Vertiefung des Substrats, Bilden der zwischenliegenden Trägerschicht (38) auf der Elektroden schicht, und Abschleifen der zwischenliegenden Trägerschicht, und wobei die obere Elektrode (39) als Zuleitungsteil für die untere Elektrode auf dem piezoelektrischen Plättchen (31) gebildet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die untere Elektrode (12; 22) mindestens auf der unteren Oberfläche des Resonanzteils gebildet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die untere, Elektrode (42) auf der oberen Oberfläche des Substrats (46) gebildet wird, und wobei die obere Elektrode (49) als Zuleitungsteil für die untere Elektrode teilweise auf der unteren Elektrode und dem piezoelektrischen Plättchen (41) gebildet wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die zwischenliegende Trägerschicht (18; 28; 38; 48) aus mindestens einem Material hergestellt wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Glas und organischen Materialien besteht, die bei einer Temperatur weich werden, die unterhalb einer Temperatur liegt, die die Eigenschaften des piezoelektrischen Plättchens verschlechtert.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei das piezoelektrische Plättchen (11; 21; 31; 41) aus mindestens einem Material hergestellt wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Quarz, Lithiumniobat und Lithiumtantalat besteht.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei das Substrat (16; 26; 36; 46) aus mindestens einem Material hergestellt wird, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Quarz, Silizium, Glas, Lithiumniobat und Lithiumtantalat besteht.