JP2001044526A - Piezoelectric element and processing method therefor - Google Patents

Piezoelectric element and processing method therefor

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JP2001044526A
JP2001044526A JP11247836A JP24783699A JP2001044526A JP 2001044526 A JP2001044526 A JP 2001044526A JP 11247836 A JP11247836 A JP 11247836A JP 24783699 A JP24783699 A JP 24783699A JP 2001044526 A JP2001044526 A JP 2001044526A
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processing
shape
polishing machine
rie
quartz
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JP11247836A
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Yoshiaki Nagaura
善昭 長浦
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To process more thinly than the thickness of manufacturing limit by a method, wherein after a polished quartz plate is wet-etched from one face to remove a prescribed thickness, it is dry-etched and again polished by a both-face processing machine. SOLUTION: A polished quartz plate is chemically wet-etched from one face, or etched with reactive ions, to remove about a few tens of μm. After that, it is chemically dry-etched and is again polished by a both-face polishing machine or a one-side polishing machine, or by other polishing means. Thus, a quartz oscillator can be made thin, a quartz resonator, or the like with high accuracy, and to manufacture readily as a policy the quartz oscillator and the quartz resonator which can oscillate at a few tends of GHz or highes by fundamental waves.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、チタン酸バリウム
や、水晶や、加速度センサー又は、角速度センサーに用
いる、ニオブ酸リチウム又は、ニオブ酸カリウム又は、
その他の単結晶又は、圧電セラミックス又は、その他の
セラミックスなどの圧電素子又は、シリコン、ガリウム
ヒ素、又はその他の電子材料、光学レンズ又は、その他
の物質を、加工するための、加工工具及び、その加工方
法に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to barium titanate, quartz, lithium niobate or potassium niobate used for an acceleration sensor or an angular velocity sensor.
Processing tools for processing other single crystals or piezoelectric elements such as piezoelectric ceramics or other ceramics, or silicon, gallium arsenide, or other electronic materials, optical lenses or other substances, and the processing thereof About the method.

【0002】[0002]

【従来の技術】圧電素子の一種である、水晶振動子は、
通信機器や計測機器の、基準周波数の発振源をはじめ、
汎用コンピュータ、OA情報機器、家電製品用のマイコ
ンの、クロック発生など、その用途は、多岐にわたって
いるが、情報の処理・伝達能力の高性能化のため、振動
子の厚さを薄くし、その固有振動周波数を、上昇させる
ことが求められている。また高品質の、振動子を得る目
的で、レンズ形状に、仕上げることが提案され、比較的
低い、周波数領域では実績を上げている。水晶振動子
は、通信器やコンピュータなどの、デジタル機器には欠
かすことのできない、電子デバイスである。情報の処理
・伝達能力の高性能化のため、振動子の厚さを薄くし、
その固有振動周波数を、上昇させることが求められてい
る。しかも移動体通信機器においては、小型化、省電力
化のため、基本周波数での、高周波数化が求められてい
る。水晶振動子の製作法としては、一般的に、機械的ポ
リッシング加工と、化学的な、Wetエッチング加工が
利用されている。前者は、加工表面性状に優れるが、3
0μm以下の厚さにすることが出来ない。後者は、原理
的には加工変質層のない、薄片化に適する方法である
が、Etch channelsの発生などで、この方
法も、薄片化に限界がある。一方、反応性イオンエッチ
ングである、Reactive Ion Etchin
g(RIE)、又はプラズマエッチング(略して、化学
的な、Dry Etchingとする)は、イオンダメ
ージが、導入されるものの、表面粗さの悪化のない、薄
片化が可能である。高周波水晶振動子の製作法として、
これらの加工方法の、長所を有効に活用することによ
り、量産可能な加工方法を開発することが出来た。
2. Description of the Related Art A quartz oscillator, which is a kind of piezoelectric element,
Oscillator of reference frequency of communication equipment and measurement equipment,
Microcomputers for general-purpose computers, office automation equipment, and home electric appliances have a wide variety of uses, such as clock generation, but the thickness of the vibrator has been reduced by improving the performance of information processing and transmission. It is required to increase the natural vibration frequency. In order to obtain a high-quality vibrator, it has been proposed to finish it into a lens shape, and it has achieved results in the relatively low frequency range. A crystal unit is an electronic device that is indispensable to digital devices such as a communication device and a computer. To improve the performance of information processing and transmission, the thickness of the vibrator was reduced,
It is required to raise the natural vibration frequency. In addition, mobile communication devices are required to have higher fundamental frequencies in order to reduce the size and power consumption. As a method of manufacturing a quartz oscillator, generally, mechanical polishing and chemical wet etching are used. The former is excellent in processing surface properties, but 3
The thickness cannot be reduced to 0 μm or less. The latter is a method suitable for exfoliation without a process-affected layer in principle. However, this method also has a limit in exfoliation due to the occurrence of Etch channels. On the other hand, Reactive Ion Etchin which is reactive ion etching
In g (RIE) or plasma etching (abbreviated as chemical, dry etching), ion damage is introduced, but thinning without deterioration of surface roughness is possible. As a method of manufacturing a high-frequency crystal unit,
By effectively utilizing the advantages of these processing methods, a processing method that can be mass-produced could be developed.

【0003】しかしながら、振動子の厚さを、薄くする
場合の問題として、両面ラップ盤による製造法では、現
在30.0μm(=55.6MHz)に製造の限界があ
る。また、振動子を、レンズ形状に仕上げる場合では、
薄片上に、曲面を創成することは、非常に困難であり、
今まで、安いコストで、多量生産することが出来る、加
工手段が存在しなかった。
[0003] However, as a problem when the thickness of the vibrator is reduced, the production method using a double-sided lapping machine currently has a production limit of 30.0 μm (= 55.6 MHz). Also, when the vibrator is finished in a lens shape,
Creating a curved surface on a slice is very difficult,
Until now, there was no processing means capable of mass production at low cost.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明が解決
しようとする課題は、従来困難とされた、製造限界の厚
みよりも、薄い、電子材料、圧電素子、及びその加工方
法を提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an electronic material, a piezoelectric element, and a method for processing the same, which are thinner than the conventional manufacturing difficulties. It is.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、開発した、高周波水晶振動子製作方法は、下記のよ
うな手段である。機械的な研磨加工方法は、加工表面性
に優れるが、加工補助具となる、carrierの強度
不足から、30μm以下の、厚さの振動子を加工するこ
とが出来ない。化学的な、wetエッチング加工は、加
工変質層が発生せず、基本的に薄片化に適する加工方法
であるが、深くエッチング加工を行なうと、表面粗さの
悪化や、Etch channlesが発生する。RI
Eは、表面粗さの、悪化や、Etch Channel
sの発生もなく、薄片化が可能であるが、イオン衝撃に
よるIon sputtering damageが、
水晶振動子の電気的特性に、有害であることが知られて
いる。このように、各加工方法には、長所・短所があ
り、これらの、加工方法の長所を活用するには、最終表
面をMechanical polishingか、C
hemical Etchingで形成すればよいこと
になる。そこでChemicale Etchingで
製作された、30μm以上の厚さの、Single I
nverted mesa type blankを、
加工素材とすれば、Mechanical polis
hing の加工方法の、限界を超えることが出来る。
さらに薄くするためには、これの平面側をRIEで除去
する。これをMechanical polishin
gすることにより、品質の優れた薄片化が可能となる。
このとき、薄い振動部分の破損が起きることなく、凸レ
ンズ形状(Plano−Convex Type)が形
成される。また多量生産については、70μm以上のQ
uartz waferの利用を行なうと効果的であ
る。
Means for Solving the Problems A method for manufacturing a high-frequency crystal resonator developed to solve the above problems is as follows. The mechanical polishing method is excellent in processing surface properties, but cannot process a vibrator having a thickness of 30 μm or less due to insufficient strength of a carrier, which is a processing aid. Chemical wet etching is a processing method which is basically suitable for thinning without generating a work-affected layer. However, deep etching causes deterioration in surface roughness and Etch channels. RI
E indicates that the surface roughness is deteriorated and that the Etch Channel
s can be generated without s generation, but Ion sputtering damage due to ion bombardment is
It is known that the electric characteristics of the crystal unit are harmful. As described above, each processing method has advantages and disadvantages, and in order to utilize these advantages of the processing method, the final surface must be mechanically polished or C
It may be formed by chemical etching. Therefore, a Single I having a thickness of 30 μm or more, manufactured by Chemical Etching, was used.
The inverted mesa type blank,
As the processed material, Mechanical polis
The limitations of the wing processing method can be exceeded.
To further reduce the thickness, the flat side is removed by RIE. This is a mechanical polish
By using g, thinning with excellent quality can be achieved.
At this time, a convex lens shape (Plano-Convex Type) is formed without the thin vibrating portion being damaged. For mass production, Q of 70 μm or more
It is effective to use uartz wafer.

【0006】[0006]

【発明の実施の形態】Chemical Etchin
g,Reactive Ion Etching,プラ
ズマEtching、Mechanical Poli
shing の長所を有効に活用した、高周波用水晶振
動子の製作方法を考案した。その結果、Single
Inverted Mesa Type の、Quar
tz Blank を加工素材とすることにより、広く
普及している、両面ラップ盤で、Plano−Conv
ex Type の、高周波水晶振動子の製作が出来
た。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Chemical Etchin
g, Reactive Ion Etching, Plasma Etching, Mechanical Poli
We have devised a method of manufacturing a high-frequency crystal unit that effectively utilizes the advantages of the SHING. As a result, Single
Quarter of Inverted Mesa Type
By using tz Blank as a processing material, Plano-Conv is a widely used double-sided lapping machine.
A high-frequency crystal resonator of ex Type was manufactured.

【0007】図1(a)に示しているのはRIE、イオ
ンミーリング、又はプラズマエッチング(略して、Dr
y Etchingとする)で作られた、水晶振動子の
リアクタンス周波数特性の、例を示している。固有振動
周波数を示している、ピークに近接するところに、有害
なピークが生じている。これはRIEの、イオンダメー
ジによるものと考えられる。このRIE処理面を手研磨
したところ、図1(b)に示しているように変化し、有
害なピークは、解消されて特性の改善が図られた。この
ことから、RIEのイオンダメージ層は0.3μm以下
と、極く薄く、Mechanical Polishi
ng で除去可能であることがわかった。
FIG. 1A shows RIE, ion milling, or plasma etching (abbreviated as Dr).
2 shows an example of the reactance frequency characteristic of the crystal unit made by y Etching. Harmful peaks occur near the peak, which indicates the natural vibration frequency. This is considered to be due to ion damage of RIE. When the RIE-processed surface was manually polished, the surface changed as shown in FIG. 1B, and the harmful peak was eliminated to improve the characteristics. For this reason, the ion damage layer of RIE is extremely thin, 0.3 μm or less, and is characterized by a mechanical polish.
ng was found to be removable.

【0008】図2に示しているのは、Chemical
Etching によるSingle Invert
ed Mesa Type の、Quartz Bla
nkの作製、多量生産を考え、Quartz Wafe
r にマスキングを行ない、Chemical Etc
hing で作製したものを使用した。その形状を、図
2(a)に示す。73.4μmの Quartz Wa
ferに、Chemical Etching で振動
部分の厚さを32.68μmとした物であり、このEt
ching の深さは、表面の粗さを良好に保った、限
界の深さである。この素材の Reactance−f
requency Characteristic
を、図2(b)に示す。図1(a)のRIEと似た、特
性となっている。
FIG. 2 shows Chemical
Single Invert by Etching
Quartz Bla from ed Mesa Type
Considering the production of nk and mass production, Quartz Wafe
r is masked, Chemical Etc
The one produced by hin was used. The shape is shown in FIG. 73.4 μm Quartz Wa
The fer had a thickness of 32.68 μm by virtue of Chemical Etching.
The depth of the ching is a critical depth that maintains good surface roughness. Reactance-f of this material
frequency Characteristic
Is shown in FIG. 2 (b). The characteristics are similar to those of the RIE shown in FIG.

【0009】図3に示しているのは、RIEによる薄片
化、さらに、高い周波数のために、薄片化にRIEを利
用した。しかし、次の工程の、両面ラップ盤によるMe
chanical Polishingで、イオンダメ
ージ層を険去するために、RIE処理面は、Singl
e Inverted Mesa Typeの、Qua
rtz Blank の平面側とした。このRIE処理
条件は、通常の条件で処理した。RFpower を下
げる、Pressuer を上昇させることで、イオン
ダメージを少なくすることが可能である。しかし、Et
ching Rate を下げてしまうことに繋がり、
first RIEでは高能率、third RIEで
はダメージの少ない条件と、3つの条件で処理した。な
お、除去量の調節はfirst RIEの処理時間で行
なった。この一連の、処理により、得られた加工素材の
Reactance−frequency Chara
cteristicを、図3に示す。こうした結果、C
hemical Etching のみによるもの、1
種類と、これをRIE加工の加工手段にて加工したもの
3種類、合計4種類の加工素材を作製した。
FIG. 3 shows the use of RIE for thinning, and for high frequency, RIE. However, in the next step, Me using a double-sided lapping machine
In the case of mechanical polishing, the RIE treated surface is Singl to remove the ion damage layer.
e Inverted Mesa Type, Qua
The plane side of rtz Blank. The RIE processing was performed under normal conditions. It is possible to reduce ion damage by lowering RFpower and increasing Pressure. However, Et
leading to lowering the Ching Rate,
In the first RIE, the processing was performed under the condition of high efficiency, and in the third RIE, the processing was performed under the condition of less damage and three conditions. The removal amount was adjusted in the first RIE processing time. Through this series of processing, the reaction-frequency chara of the processed material obtained is obtained.
Ceristic is shown in FIG. As a result, C
Only by chemical etching, 1
A total of four types of processed materials were produced, including three types and three types obtained by processing the same by the RIE processing means.

【0010】図4に示しているのは、Polishin
g Conditionsと、Mechanical
Polishingの結果で、前述の加工方法で得られ
た、加工素材とする、Single Inverted
Mesa Typeの、Quartz Blank
を、Dual−face Lapping Machi
neで研磨加工を行なう。このときの研磨加工の条件
は、一般的な、加工条件にて研磨加工を行なった。ただ
し、薄い振動部分の破損、形状への影響を調べるため、
Upper Lapping Plate を、鉄とア
ルミのものの、2種類を使用した。鉄のUpper L
apping Plate を用いた場合の、水晶に加
わる荷重は、アルミに対し1.8倍となる。
[0010] FIG.
g Conditions and Mechanical
Single Inverted as a processing material obtained by the above-mentioned processing method as a result of Polishing
Quartz Blank of Mesa Type
To Dual-face Lapping Machi
Polishing is performed with ne. At this time, the polishing was performed under general processing conditions. However, in order to investigate the damage to the thin vibrating part and its effect on the shape,
Two types of Upper Lapping Plates, iron and aluminum, were used. Iron Upper L
When an applying plate is used, the load applied to the crystal is 1.8 times that of aluminum.

【0011】両面研磨加工機械を使用して、Mecha
nical Polishing研磨加工を、実施した
結果、第1点の、薄い振動部分の破損については、全く
発生せず、加工可能であった。第2点の、形状形成につ
いても大きな成果を得た。その結果を図4に示す。この
図4は、Single Inverted MesaT
ypeの、Quartz Blank の、平面側の振
動部分を、干渉顕微鏡で形状を測定したものである。こ
れから、振動部分は、凸レンズ形状に飛び出した、形状
が形成されていることがわかる。非常にきれいな球形状
をしており、この反対側は、基本的には、平面が維持さ
れている。このことから、平面を形成するための、Du
al−face Lapping Machine で
あっても、Single Inverted Mesa
Typeの、Quartz Blankを加工素材と
すれば、Plano−Convex Typeの、Qu
artz Oseillatorが作製できると言え
る。この形状形成の原理は、次の通りである。振動部分
だけが、薄い構造となっている、Single Inv
erted Mesa Typeは、研磨圧力を受ける
ことにより、空洞部分の方向に、たわみを生じ、あまり
研磨されずに、加工が進行していく。加工が終了し、研
磨圧力を除去すると、今度は、反対方向に復元し、飛び
出した、凸レンズ形状となるものである。
[0011] Using a double-side polishing machine,
As a result of the execution of the polishing process, the first point, that is, the breakage of the thin vibrating portion, did not occur at all, and the polishing was possible. The second point, the formation of a shape, was also very successful. FIG. 4 shows the results. FIG. 4 shows a Single Inverted MesaT.
The shape of a vibrating portion on the plane side of Quartz Blank of ype is measured by an interference microscope. From this, it can be seen that the vibrating portion is formed in a convex lens shape. It has a very beautiful spherical shape, and the other side is basically kept flat. From this, Du for forming a plane is used.
Even if it is al-face Lapping Machine, Single Inverted Mesa
If Quartz Blank of Type is used as the processing material, Plano-Convex Type of Qu
It can be said that artz Oseillator can be manufactured. The principle of this shape formation is as follows. Single Inv has a thin structure only in the vibrating part
The erted Mesa Type receives a polishing pressure, so that it is bent in the direction of the hollow portion, and the processing proceeds without being polished much. When the processing is completed and the polishing pressure is removed, the shape is restored to the opposite direction, and the shape becomes a protruding convex lens.

【0012】図5に示しているものは、4種類の加工素
材と、2種類の加工圧力で、研磨を実施したものの、R
eactance−frequency Charac
teristic を、図5に示している。研磨前に対
し、電気的特性は、飛躍的に向上した上で、高周波化が
図られている。研磨前に、みられたSpuriousR
esonanceは、研磨加工により解消され、Sha
rp Resonance Curveを描いている。
しかし、厚さが薄くなる、あるいは研磨圧力を大きくす
ると、Resonance Curveの鋭さは、維持
されるものの、Sprious Resonance
を、生じるようになる。適正な研磨圧力ならびに口径/
厚さの比がある。
FIG. 5 shows that the polishing was performed with four types of processing materials and two types of processing pressures.
eactance-frequency Charac
The tactic is shown in FIG. Compared to before polishing, electrical characteristics have been dramatically improved, and higher frequencies have been achieved. Before polishing, SpuriousR
Esonance is eliminated by the polishing process, and Sha
rp Resonance Curve.
However, when the thickness is reduced or the polishing pressure is increased, the sharpness of the resonance curve is maintained, but the spurious resonance is maintained.
Will occur. Appropriate polishing pressure and caliber /
There is a thickness ratio.

【0013】図6、図7及び図8に示しているのは、振
動部分の厚さが、Form及びSurface Rou
ghnessに、与える影響、振動部分の厚さによる、
振動部の、中心部分の1.44×1.31mmの範囲
で、peak to valley(P−V)の変化を
調べた結果を、図6に示す。又、形成された、凸レンズ
形状の、曲率半径の逆数の変化を、図7に示す。アルミ
の定盤を用いた場合、両図とも同じ変化であるが、鉄製
定盤の場合には、変化が異なっていることから、アルミ
の場合、きれいな球形状に対し、鉄の場合は、歪んだ球
形状と思われる。一方、Single Inverte
d Mesa Typeの、Concave側は、厚さ
の変化により、凹面の度合いが増していった。これは、
平面側に、凸レンズ形状が、形成される時の、加工歪み
の、度合いを示すものと考えられる。最適研磨条件の選
定、熱処理などにより、改善が可能であると考えられ、
電気的特性の改善にも、繋がるものと期待している。C
oncave側の中心部分の、表面の粗さの変化を、図
8に示す。Polishing padの接しない部分
に対しても、遊離砥粒は作用し、表面粗さに変化を与え
ている。Chemical Etching のもの
は、Ra2.6nmであったものが、研磨により、Ch
emical Etching 特有の、縞状の、凹凸
が顕在化し、Ra7nmまで、悪化してくる。表面粗さ
が、悪化しない、RIEでConcave(Singl
e Inverted MesaType、又はDou
ble Inverted Mesa Type)を形
成後、0.3μmから0.4μm程度を、Chemic
al Etchingで、イオンダメージ層を除去する
ことにより、この改善が可能である。尚、図8に示して
いる結果から、RIE加工の加工手段により作製した、
Double Inverted Mesa Type
でも、Single Inverted Mesa T
ype と同じく、両面研磨加工機械を使用して、特性
の改善が、出来ることが証明された。これらの結果か
ら、口径に対する厚さの比(d/t)を10から350
とする、最適の比率は30から80程度にすることによ
り、電気的特性に優れた、334MHz以上の、高周波
水晶振動子の作製が可能になることが判明した。
FIG. 6, FIG. 7 and FIG. 8 show that the thickness of the vibrating part is equal to Form and Surface Rou.
The effect on ghness, the thickness of the vibrating part,
FIG. 6 shows a result of examining a change in peak to valley (PV) in a range of 1.44 × 1.31 mm at the center of the vibrating portion. FIG. 7 shows the change in the reciprocal of the radius of curvature of the formed convex lens shape. In the case of using an aluminum surface plate, the changes are the same in both figures.However, in the case of an iron surface plate, the change is different. It seems to be oval. On the other hand, Single Inverte
On the Concave side of the d Mesa Type, the degree of the concave surface increased due to the change in thickness. this is,
This is considered to indicate the degree of processing distortion when the convex lens shape is formed on the plane side. It is thought that improvement can be achieved by selecting optimal polishing conditions, heat treatment, etc.
We expect that it will lead to improvement of electrical characteristics. C
FIG. 8 shows a change in surface roughness of the central portion on the oncave side. The free abrasive grains also act on the portion of the polishing pad that is not in contact with the polishing pad, thereby changing the surface roughness. In the case of Chemical Etching, Ra was 2.6 nm.
Stripe-like irregularities unique to electronic etching become apparent and deteriorate to Ra 7 nm. Surface roughness is not deteriorated, Concave by RIE (Singl
e Inverted MesaType or Dou
ble Inverted Mesa Type), and then, from about 0.3 μm to about 0.4 μm,
This improvement can be attained by removing the ion damage layer by al Etching. Note that, based on the results shown in FIG.
Double Inverted Mesa Type
But Single Inverted Mesa T
As with ype, it has been proved that the properties can be improved using a double-side polishing machine. From these results, the ratio of the thickness to the diameter (d / t) was 10 to 350.
It has been found that by setting the optimum ratio to about 30 to 80, it is possible to manufacture a high-frequency crystal resonator of 334 MHz or more which has excellent electrical characteristics.

【0014】[0014]

【発明の効果】1.Single Inverted
Mesa Typeの、QuartzBlank を加
工素材とすることで、広く普及している、両面研磨加工
機械(両面ラップ盤)、又は片面研磨加工機械、又はフ
ロートポリシング機械、又はその他の研磨加工手段を使
用することにより、電気的な特性に、優れた、高周波水
晶振動子の製作が可能となった。 2.この開発した、加工方法では、Single In
verted MesaTypeからPlano−co
nvexTypeの、形状を形成させることが出来た。
又、Double Inverted Mesa Ty
peの、電気的な特性も、Single Invert
ed Mesa Typeと同じく、電気的な特性の改
善が出来た。 3.口径比を80程度にすることで、334MHz以上
の水晶振動子の製作が、出来ることが判明した。
Advantages of the Invention Single Inverted
By using Quartz Blank of Mesa Type as a processing material, using a widely used double-side polishing machine (double-sided lapping machine), single-side polishing machine, or float polishing machine, or other polishing means. As a result, it has become possible to produce a high-frequency crystal resonator having excellent electrical characteristics. 2. In this developed processing method, Single In
verted MesaType to Plano-co
The shape of nvexType could be formed.
Also, Double Inverted Mesa Ty
The electrical characteristics of pe are also Single Invert
As in the case of ed Mesa Type, the electrical characteristics were improved. 3. It has been found that by setting the aperture ratio to about 80, a crystal resonator of 334 MHz or more can be manufactured.

【0015】現在の時点まで、RIE加工、又はプラズ
マEtchingなどの、化学的な、DryEtchi
ng加工の加工手段は、すばらしい、加工技術であるけ
れども、RIE加工の加工手段が、電子材料、及び圧電
材料業界、特に圧電業界である、水晶業界において使用
されていなかった原因は、例えば、水晶板に、RIE加
工を行なうと、イオン粒子を光の速さに近い速さまで
に、速くは加速出来ないが、通常、RIE加工にて使用
するイオン粒子は、電極間に600V位の電圧で、電流
としては240Wから300W位の電流をかけて、イオ
ン粒子を秒速数10kmから数100kmの速さに、フ
ッ素系、又は塩素系のイオン粒子を加速して、水晶板の
表面上に激突させる加工手段であるが為に、イオン粒子
が激突する、水晶板の、極く薄い、表面上においては、
イオン粒子が激突した瞬間においては、イオン粒子の運
動エネルギーにより発生する、数1、000℃(例え
ば、1、500℃から3、000℃位の高温になる、ち
なみに、水晶及び石英が溶解する、溶解温度は1、14
0℃である)に達する、熱の影響で水晶板の表面上にお
いては、水晶板の表面上は溶解して、極く一部分ではあ
るが、水晶板の表面上では、極く薄い、数μm(例え
ば、0.2μmから1.0μm程度)の非晶質(結晶で
はなくなり、非晶質の石英、又はフッ素イオンが、水晶
の酸素と化学反応を起こすことにより出来る、シリコン
の膜、又はその他の酸化膜となる)の部分の、ダメージ
層が出来ることで、水晶本来の電気的な特性が、極端
に、低下して、周波数の、発振の波型の形状が悪くなる
現象がおこる。さらに、RIE加工を使用して、水晶板
を加工したときに発生する、加工変質層(非晶質の部
分)は、水晶板を加工した厚さには、少しは比例するけ
れども、ほとんど比例しないで、例えば、水晶板を60
μm削り取ったときも、10μmのときも、数μmのと
きも、加工変質層の厚さは0.2μmから数μm前後
で、全くといってもよいくらい、同じ厚さの加工変質層
が発生する。ただし、当初、機械研磨加工を行なったと
きに出来た、微小なキズ、及び不純物が拡大して出来た
凸凹は、削り取る厚さに比例して大きくなる、その割合
は、RIE加工を使用して、10μm削り取ったとき
に、約0.1μmから1.0μm位の凸凹が出来るけれ
ども、面積に対して5%位の面積の割合なので、無視す
ることが出来る面積でもある、又、RIE加工の加工手
段を使用して、水晶板を加工したときに発生する凸凹
(加工変質層)の太さは、イオン粒子を加速して、水晶
板に激突させる速さが、秒速数kmの場合と、秒速数1
0kmの場合と、秒速100kmの場合では、それぞれ
に凸凹の発生する太さは異なるので、面精度を高めたい
場合(加工変質層を小さくしたい場合)には、イオン粒
子の加速を、低速にしたイオン粒子を、水晶板に激突さ
せると良い。だけども、イオン粒子を激突させることに
は変わりはないので、大なり小なり、凸凹(加工変質
層)は発生する。上記のことを解決する手段として、R
IE加工、又は化学的なWet Etchingの加工
手段により発生した、水晶板の表面上に出来た、非晶質
(加工変質層)の部分を、機械的な研磨加工手段、を使
用して除去することにより、本来、水晶が持っている電
気的な特性を発揮することが出来る、ということが判明
したことは、今後の水晶振動子、及び水晶共振子など
の、薄片化などの高精度の加工を行なう加工技術の進展
となるばかりでなく、電子材料、及び圧電素材を加工す
る業界に与える影響は、はかりしれない、加工技術の発
展となり、ひいては、今後の通信、電子業界に対して、
基本波で、数10GHZ以上の発振が出来る、水晶振動
子及び水晶共振子を、容易に製作することが出来ること
が判明したことは、今後、起こる革命的な、産業革命
の、もととなる影響を与えることになる加工技術であ
る。
Up to the present time, chemical, dry etching, such as RIE processing or plasma etching,
Although the processing means of the ng processing is a wonderful processing technique, the reason that the processing means of the RIE processing was not used in the electronic material and the piezoelectric material industry, particularly the crystal industry, which is the piezoelectric industry, is, for example, a crystal processing means. When RIE processing is performed on a plate, the ion particles cannot be accelerated to a speed close to the speed of light, but the ion particles used in RIE processing usually have a voltage of about 600 V between the electrodes. A process in which a current of about 240 W to 300 W is applied as current, and ion particles are accelerated at a speed of several tens of km to several hundred km per second to accelerate fluorine- or chlorine-based ion particles and collide with the surface of the quartz plate. Because it is a means, on the very thin, surface of the quartz plate where the ion particles collide,
At the moment when the ion particles collide, they are generated by the kinetic energy of the ion particles and reach several thousand degrees Celsius (for example, a high temperature of about 1,500 degrees Celsius to 3,000 degrees Celsius. Incidentally, quartz and quartz dissolve. Melting temperature is 1,14
0 ° C.), on the surface of the quartz plate under the influence of heat, which melts on the surface of the quartz plate, and is very thin on the surface of the quartz plate. A film of silicon (eg, about 0.2 μm to 1.0 μm) formed of amorphous (not crystalline, amorphous quartz or fluorine ions are generated by causing a chemical reaction with oxygen of quartz) The formation of a damaged layer in the area of (a) causes a phenomenon in which the electrical characteristics inherent in the crystal are extremely reduced, and the frequency and the shape of the oscillation waveform are deteriorated. Furthermore, the processing-affected layer (amorphous portion) generated when the quartz plate is processed using the RIE process is slightly proportional to the processed thickness of the quartz plate, but hardly proportional thereto. Then, for example, 60
The thickness of the affected layer is between 0.2 μm and several μm, even when it is shaved, 10 μm, or several μm. I do. However, initially, the fine scratches created when mechanical polishing was performed, and the irregularities formed by enlarging impurities, became larger in proportion to the thickness to be scraped, the ratio of which was determined by using RIE processing. When shaving off 10 μm, irregularities of about 0.1 μm to 1.0 μm are formed, but the area is about 5% of the area, so it can be ignored. Also, RIE processing The thickness of the irregularities (deformed layer) generated when processing the quartz plate using the means is as follows: the speed at which the ion particles are accelerated and collided with the quartz plate is several kilometers per second; Number 1
In the case of 0 km and the case of 100 km / s, the thickness at which the irregularities are generated is different from each other. Therefore, when it is desired to increase the surface accuracy (to reduce the work-affected layer), the acceleration of the ion particles is reduced. It is good to make ion particles collide with a quartz plate. However, the collision of the ion particles is still the same, so that the size of the ion particles becomes larger or smaller, and irregularities (work-affected layers) occur. As means for solving the above, R
Amorphous (processed layer) formed on the surface of the quartz plate, which is generated by the IE processing or the chemical wet etching processing means, is removed using a mechanical polishing processing means. It was found that the electrical characteristics inherent to quartz can be exhibited by this, which means that high-precision processing such as thinning of future quartz oscillators and quartz resonators will be performed. In addition to the development of processing technology to perform, the impact on the industry of processing electronic materials and piezoelectric materials is incalculable, the development of processing technology, and eventually, in the future communication and electronics industry,
The fact that it has been found that it is possible to easily manufacture a crystal resonator and a crystal resonator capable of oscillating at several tens of GHZ or more with a fundamental wave is a source of a revolutionary and industrial revolution that will occur in the future. It is a processing technology that will have an effect.

【0016】Dry Etching加工である、RI
E加工、イオンミーリング及びプラズマエッチング加工
手段などの、Dry Etchingの加工手段、又は
化学的な、Wet Etching加工の加工手段、又
はその他の化学的な、Etchingの加工手段にて、
水晶板の表面上に発生した、加工変質層(非晶質、又は
酸化膜、又は化合物層)を除去する手段としては、機械
的な研磨加工手段として使用する機械は、如何なる機械
を使用してもよいし、又、水晶板の厚さとして、0.1
μmから0.5μm程度を除去すれば良いので、小さく
裁断、例えば、厚さが10μmの場合には、直径が1.
2mm、又は2mmの丸形状、又は角形状に裁断する
か、又は1インチ、又は2インチの基盤のままの状態に
て、超音波振動、又はバレル研磨などを使用するか、又
は人間の手作業でも、十分に、加工変質層を除去するこ
とは出来る作業でもある。又、遊離砥粒を使用した、そ
の他の加工手段を使用しても、簡単に、加工変質層を除
去することが出来る作業でもあるが、水晶本来の電気的
な特性を、十分に発揮することが出来るのは、機械的な
研磨加工手段を使用して加工変質層を除去するほうが、
一段と電気的な特性が良い。
The dry etching process, RI
E processing, ion milling and plasma etching processing means, such as Dry Etching processing means, or chemical, Wet Etching processing means, or other chemical, Etching processing means,
As a means for removing a processing-degraded layer (amorphous or oxide film or compound layer) generated on the surface of the quartz plate, any machine used as a mechanical polishing processing means may be used. Or the thickness of the quartz plate is 0.1
Since it is only necessary to remove about 0.5 μm from μm, it is cut into small pieces. For example, when the thickness is 10 μm, the diameter is 1.
Cutting into 2 mm or 2 mm round or square shapes, or using ultrasonic vibration or barrel polishing while maintaining a 1-inch or 2-inch base, or human manual work However, it is an operation that can sufficiently remove the affected layer. In addition, even if other processing means using loose abrasives are used, it is an operation that can easily remove the damaged layer, but it will fully exhibit the original electrical characteristics of quartz. It is better to remove the affected layer using mechanical polishing processing means.
Better electrical characteristics.

【0017】上記の加工手段はSingle Inve
rted Mesa Type (片面が凹レンズ形
状)でも、又はDouble Inverted Me
saType (両面が凹レンズ形状)でも、又は、平
板形状でも、又その他、如何なる形状の水晶板にでも応
用することが出来る。又は、加工変質層とは、非晶質
で、フッ素の化合物層である、又は、その他の酸化物で
出来ている膜なので、加工変質層とは、すなわち、電気
的には絶縁層である。この絶縁層が水晶板の両側面の、
表面上に出来ているが為に、電極を形成することによ
り、水晶板の両側面に、コンデンサーが出来ている状態
となっているのと同じことなので、水晶板の表面上に加
工変質層が存在すると、水晶板の電気的な特性が、極端
に低下して、発振の波型が悪くなり、Q値が低下する原
因となる。この加工変質層(例えば、0.06μm前
後)を除去することにより、水晶、又は水晶板本来の、
電気的な特性が、極端に向上して、リアクタンス周波数
特性の、発振の波型が良くなり、Q値が高くなる現象が
判明した。
The above processing means is Single Inve.
rted Mesa Type (one side is concave lens shape) or Double Inverted Me
The present invention can be applied to saType (both surfaces having concave lens shapes), a flat plate shape, and any other shape of quartz plate. Alternatively, the work-affected layer is an amorphous, fluorine compound layer or a film made of another oxide. Therefore, the work-affected layer is an electrically insulating layer. This insulating layer is on both sides of the quartz plate,
Because it is made on the surface, by forming electrodes, it is the same as the state where capacitors are made on both sides of the quartz plate, so a damaged layer is formed on the surface of the quartz plate If it is present, the electrical characteristics of the quartz plate are extremely reduced, the waveform of the oscillation is deteriorated, and the Q value is reduced. By removing the work-affected layer (for example, about 0.06 μm), the crystal or the original quartz plate can be removed.
It has been found that the electrical characteristics are extremely improved, the oscillation waveform of the reactance frequency characteristics is improved, and the Q value is increased.

【0018】上述したように、本発明によれば、従来困
難とされた厚みよりも、薄い、圧電素子及び、その加工
方法を提供することができ、これにより副振動の少な
い、振動子を提供することができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric element which is thinner than the conventionally difficult thickness, and a method of processing the same, thereby providing a vibrator having less auxiliary vibration. can do.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 表材はATカットで、厚みが厚い水晶振動子
のリアクタンス周波数特性図である。
FIG. 1 is a diagram showing the reactance frequency characteristics of a quartz resonator having a thick AT-cut surface material.

【図2】 表材はATカットで、厚みが厚い水晶振動子
のリアクタンス周波数特性図と、それを発振させた、S
ingle Inverted MesaTypeの、
水晶振動子の、上面図と、縦断面図である。
FIG. 2 is a diagram showing a reactance frequency characteristic diagram of a quartz crystal unit having a thick AT-cut surface material and a thick crystal unit,
ingle Inverted MesaType,
3A and 3B are a top view and a vertical cross-sectional view of a crystal resonator.

【図3】 表材はATカットで、厚みが薄い水晶振動子
のリアクタンス周波数特性図である。
FIG. 3 is a diagram showing a reactance frequency characteristic of a thin quartz resonator having an AT cut and a thin material.

【図4】 水晶振動子を、干渉顕微鏡で形状を測定し
た、形状測定図である。
FIG. 4 is a shape measurement diagram obtained by measuring the shape of the crystal unit using an interference microscope.

【図5】 表材はATカットで、厚みが薄い水晶振動子
のリアクタンス周波数特性図である。
FIG. 5 is a diagram showing a reactance frequency characteristic of a quartz crystal unit having a thin AT-cut surface material.

【図6】Peak to Valley(P−V)の変
化を示した、グラフである。
FIG. 6 is a graph showing a change in Peak to Valley (PV).

【図7】Single Inverted Mesa
Typeに形成された、凸レンズ形状の、曲率半径の、
逆数の変化を示した、グラフである。
FIG. 7: Single Inverted Mesa
Type of convex lens, radius of curvature,
It is a graph which showed the change of the reciprocal.

【図8】Single Inverted Mesa
Typeの、Concave側の中心部分の、表面粗さ
の変化を示した、グラフである。
FIG. 8: Single Inverted Mesa
4 is a graph showing a change in surface roughness of a central portion of Type on the Concave side.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水晶板を、両面研磨加工機械、又は片面
研磨加工機械、又はその他の研磨加工機械を使用して、
研磨加工した水晶板(例えば、水晶板の厚さを80μm
として、水晶板の直径を2インチとする)を、片面、又
は両面から、RIE(Reactive Ion Et
ching)加工、又は化学的なWetエッチング加工
を行って、数10μm前後(例えば、60μmとする)
を、除去した後、化学的な、DRY Etching
加工(以下、RIE、又はプラズマエッチングとする)
又は化学的な、Wetエッチング加工によって発生した
数μmの凸凹(例えば、RIE加工にて、60μm除去
すると、約0.2μmから3μmの、ダメージ層、又は
加工変質層、又は凸凹が発生する)を、再度、両面研磨
加工機械、又は片面研磨加工機械、又はその他の研磨加
工手段によって研磨加工をする、水晶板などの圧電素
材、又はシリコンなどの電子材料を加工することを特徴
とする、圧電素子の加工方法。
1. A quartz plate is polished using a double-side polishing machine, a single-side polishing machine, or another polishing machine.
Polished quartz plate (for example, the thickness of the quartz plate is 80 μm
RIE (Reactive Ion Et) from one side or both sides
Ching) processing or chemical wet etching processing is performed, and several tens μm is set (for example, 60 μm).
, After removal, chemical, DRY Etching
Processing (hereinafter referred to as RIE or plasma etching)
Alternatively, the irregularities of several μm generated by the chemical wet etching process (for example, when 60 μm is removed by the RIE process, a damaged layer, a damaged layer, or a deformed layer or irregularities of about 0.2 μm to 3 μm is generated). A piezoelectric element characterized by processing a piezoelectric material such as a quartz plate or an electronic material such as silicon, which is polished again by a double-side polishing machine, or a single-side polishing machine, or other polishing means. Processing method.
【請求項2】 圧電素子被研磨物にマスクをかけてマ
スキングし、中心部分だけを、例えば、CF、C
又はCHFなどを使用して、化学的な、DryEt
chingなどの、RIE加工、イオンミーリング、又
はプラズマエッチング、又はその他の化学的なWetエ
ッチング加工の加工手段を使用して、平板形状、Bi−
Convex型形状又は凹レンズ形状(逆MESA形
状)に、加工した後、その後の加工手段として、両面研
磨加工機械、又は片面研磨加工機械又はフロートポリシ
ング機械又はその他の研磨加工手段を使用して、エッチ
ング加工を行った、加工面の表面、又は裏面の加工面
を、機械的に研磨加工を行うことを特徴とする圧電素子
の加工方法。
2. A mask is applied to the object to be polished with a mask using a mask, and only the central portion is made of, for example, CF 4 , C 2 F
Chemical, DryEt using, for example, 6 or CHF 3
Using a processing means of RIE processing, ion milling, or plasma etching, or other chemical wet etching processing, such as ching, a flat plate, Bi-
After processing into a Convex type shape or a concave lens shape (inverted MESA shape), etching is performed by using a double-side polishing machine, a single-side polishing machine, a float polishing machine or other polishing processing means as a subsequent processing means. And mechanically polishing the processed surface or the processed surface on the back surface of the piezoelectric element.
【請求項3】 一面又は両面を、凹レンズ形状、Con
cavo−Convex型形状、又はBi−Conve
x型形状に加工した水晶板を、両面研磨加工機械を使用
して、上と下から、同時に研磨加工し、極く薄い、圧電
素子を加工する、圧電素子の研磨加工方法。
3. One or both sides are concave lens shape, Con
Cavo-Convex type shape or Bi-Conve
A method of polishing a piezoelectric element, wherein a quartz plate processed into an x-shape is simultaneously polished from above and below using a double-side polishing machine to process an extremely thin piezoelectric element.
【請求項4】 水晶板を、平板形状、又は凹レンズ型形
状、又はその他の形状に、RIE加工、又はその他の化
学的なWetエッチング加工手段にて加工した後、平板
形状、又は凹レンズ型形状を形成している面の、裏面か
ら、RIE加工、プラズマエッチング、又はその他の化
学的なエッチング手段にて、数10μm、削り落とし、
平板形状、又は凹レンズ型形状の裏面を、数10μm、
RIE加工、又はその他のエッチング手段にて、削り落
とした加工面に出来た、1μmから数μmの凸凹を、機
械加工を使用して、0.2μmから数μm程、研磨加工
して、平板形状、又は凹レンズ型形状を形成している裏
面を、鏡面に研磨加工するために、平板形状、又は凹レ
ンズ型形状の表面、及び裏面を、片面研磨加工機械、フ
ロートポリシング機械、又は両面研磨加工機械、又はそ
の他の研磨加工手段を使用して、0.2μmから数μ
m、研磨加工して、鏡面仕上げの加工を行う、圧電素子
の加工方法。
4. After processing the quartz plate into a flat plate shape, a concave lens shape, or another shape by RIE processing or other chemical wet etching processing means, a flat plate shape or a concave lens shape is formed. Several tens of μm are shaved off by RIE, plasma etching, or other chemical etching means from the back surface of the surface being formed,
The back surface of the flat plate shape or concave lens type shape is several tens μm,
By RIE processing or other etching means, the unevenness of 1 μm to several μm formed on the machined surface that has been shaved off is polished by machining to about 0.2 μm to several μm to obtain a flat plate shape. Or, the back surface forming the concave lens type shape, in order to polish to the mirror surface, the flat surface, or the surface of the concave lens type shape, and the back surface, single-side polishing machine, float polishing machine, or double-side polishing machine, Or other polishing means, from 0.2μm to several μm
m, a method for processing a piezoelectric element, which performs polishing and mirror finishing.
【請求項5】 水晶などの圧電材料を、RIE加工にて
加工する場合、CF、CHF又はCなどのフ
ッ素系ガスとアルゴンガスの混合ガスを使用すると、水
晶などの表面精度の加工精度がよいことを特徴とする圧
電素子の加工方法。
5. When a piezoelectric material such as quartz is processed by RIE, if a mixed gas of a fluorine-based gas such as CF 4 , CHF 3 or C 2 F 6 and an argon gas is used, the surface accuracy of the quartz or the like can be improved. A method for processing a piezoelectric element, characterized in that the processing accuracy of the piezoelectric element is good.
【請求項6】 一面又は両面を、凹レンズ形状に加工し
た水晶板を、両面研磨加工機械を使用して、上と下か
ら、同時に研磨加工し、極く薄い、圧電素子を加工す
る、圧電素子の研磨加工方法。
6. Polishing a quartz plate having a concave lens shape on one or both sides by using a double-side polishing machine from the top and bottom simultaneously to process a very thin piezoelectric element. Processing method.
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