JP2003094318A

JP2003094318A - 水晶複合板の薄板化方法

Info

Publication number: JP2003094318A
Application number: JP2001288683A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Nishihara; 和成西原; Hirobumi Tajika; 博文多鹿; Satoshi Ouchi; 智大内; Takeshi Yamamoto; 毅山本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-09-21
Filing date: 2001-09-21
Publication date: 2003-04-03

Abstract

(57)【要約】【課題】２枚の水晶単板を貼り合わせた水晶複合板４
において、接合界面のずれによる感度低下のない、かつ
その加工後の主表面にピットが無く電極パターン形成時
に断線が発生しない薄板化加工方法を提供することを目
的とする。【解決手段】少なくとも２枚以上の所定の板厚の水晶
単板素材を互いに面対向させて平坦度を確保して直接接
合した水晶複合板４を、その両面を片面ずつ平面ホーニ
ング加工により仕上げ面粗さが平均表面粗さで３ｎｍ以
下になるように平面加工する水晶複合板４の薄板化方法
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は各種センサやアクチ
ュエータなどに用いられる水晶複合板の製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】角速度センサや加速度センサに使用され
る水晶複合板は、図５（ａ）および（ｂ）に示すよう
に、２枚の水晶単板３１および３２を面対向で重ね合わ
せ、この状態で加熱を行うことにより接合界面３３とな
る両者の当接部に介在していた水分が拡散し、この部分
においては酸素原子を仲介とする原子間結合が行われ、
両方の水晶単板３１および３３が直接接合される。この
ように直接接合した水晶複合板３４の表裏面を遊離砥粒
を用いる研磨加工や固定砥粒を用いる研削加工により薄
く加工することにより、例えば共振周波数の調整を行う
ようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来例において問
題となるのは、この水晶複合板の感度が低下してしまう
ということであった。すなわち、この水晶複合板は上述
したようにセンサやアクチュエータとして活用されるも
のであり、このように水晶単板３１および３２を直接接
合させて、その分極軸を反転させることにより２倍の感
度が得られるようにしているものである。この水晶複合
板は、平坦度などの厚み精度と、さらに分極軸が反転す
る接合界面３３が。接合された２枚の水晶単板３１およ
び３２の中央になるように加工することが重要である。

【０００４】そのため、薄板化加工方法として、従来の
研磨加工では平坦度を考慮すると両面から同時に加工す
る両面研磨法が有利であるが、図５（ａ）に示すように
直接接合した水晶複合板の反りや研磨時に上下面の加工
レートの差により接合界面３３が２枚の水晶単板３１お
よび３２の中央からずれることになる。それに対し、図
５（ｂ）に示すように固定砥粒を用いる研削加工では、
水晶複合板の一方の面を基準面として他方を加工し、次
に逆の加工を行うことにより比較的容易に接合界面３３
を２枚の水晶単板３１および３２の中央に維持しながら
加工することが可能である。しかし、研削加工時の加工
ダメージが大きく、加工後の水晶複合板の反りが大き
く、最悪の場合割れが発生することになる。

【０００５】さらに生産性を考慮すると水晶複合板はサ
イズが大きい方が良いが薄板化できる厚みに限界があ
る。安定した量産性を考慮した場合、３インチの水晶単
板では現在１５０μｍ程度が限界であり、４インチ、６
インチとサイズが大きくなるにつれて薄板化の限界厚み
は厚くなっていく。また、薄板化厚みを重視すると水晶
単板の大きさには制限が生じ、ウエハサイズは小さくな
らざるを得ず量産性が低下する。例えば厚みを５０μｍ
まで薄板化する場合、ウエハサイズは１０ｍｍ角程度が
限界である。

【０００６】そこで本発明は、３インチ以上のウエハサ
イズで直接接合した水晶複合板の接合界面３５を所定の
位置に維持しながら研磨加工や研削加工での限界厚みま
で薄板化し、かつ高い平坦度で平面ホーニング加工する
水晶複合板の薄板化方法を提供し、水晶複合板の感度を
高めることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の発明は、所定の板厚の水晶単板を互いに面対向させて
直接接合した水晶複合板を、その両面を片面ずつ平面ホ
ーニング加工により仕上げ面粗さが平均表面粗さで３ｎ
ｍ以下になるように平面加工する水晶複合板の薄板化方
法であり、平均仕上げ面粗さが３ｎｍ以下にすることに
よりその表面に断線の心配の無い薄い電極パターンを形
成することが容易になるという作用を有する。さらに、
その平均仕上げ面粗さが３ｎｍ以下とほぼ鏡面に近いた
め、加工後の水晶複合板の機械的強度が高く取り扱いが
容易であり、また１５０μｍ以下の薄板化も容易に可能
となる作用を有する。

【０００８】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の発明において、台金上に棒状砥粒層が等間隔に
放射状に配置され、かつ固着された平面ホーニング加工
用砥石により水晶複合板の回転中心が前記棒状砥粒層の
中点と一致するように平面ホーニング加工する水晶複合
板の薄板化方法であり、平面ホーニング加工用砥石の中
央部と外周部との水晶複合板に対する周速差を解消し、
その結果、加工後の平坦度を高く維持できる作用を有す
る。さらに平面ホーニング加工用砥石の棒状砥粒層の偏
磨耗を防止する作用も有する。

【０００９】また、請求項３に記載の発明は、請求項２
に記載の発明において、平面ホーニング加工時の水晶複
合板の回転方向および回転数が平面ホーニング加工用砥
石の回転方向および回転数と同じである水晶複合板の薄
板化方法であり、請求項２に記載の発明と同じ作用を有
すると同時に、水晶複合板の平面ホーニング砥石に対す
る内周側と外周側との相対速度を同一にすることができ
るため、内周側と外周側との除去量を同一にでき、厚み
精度の良好な水晶複合板を提供できる作用も有する。

【００１０】また、請求項４に記載の発明は、請求項１
に記載の発明において、直接接合した接合界面に対し平
行にかつ互いの厚みが同じになるように平面加工する水
晶複合板の薄板化方法であり、水晶複合板の接合界面を
２枚の水晶単板の所定の位置に維持しながら加工が可能
であるため、センサなどに応用する場合、最も感度が高
くなる接合界面が２枚の水晶単板の中央に位置するよう
に加工することが容易になるという作用を有する。

【００１１】また、請求項５に記載の発明は、請求項１
に記載の発明において、平面ホーニング加工前に水晶複
合板の両面を研磨加工または研削加工する水晶複合板の
薄板化方法であり、平面ホーニング前の厚み調整時間を
短縮できる作用を有する。

【００１２】また、請求項６に記載の発明は、請求項１
に記載の発明において、砥粒径の異なる２種類以上の平
面ホーニング加工用砥石により砥粒径の粗い順序で平面
ホーニング加工する水晶複合板の薄板化方法であり、よ
り細かな砥粒を用いた平面ホーニング加工用砥石を最後
に用いることにより仕上げ表面粗さが平均表面粗さで１
ｎｍ程度までさらに改善できる作用を有する。

【００１３】また、請求項７に記載の発明は、請求項１
に記載の発明において、平面ホーニング加工用砥石が毎
分２００回転以上であり、かつ水晶複合板への加工圧が
５０Ｎ以上で平面ホーニング加工する水晶複合板の薄板
化方法であり、所定の仕上げ表面粗さまで加工する時間
をより短縮できる作用を有する。

【００１４】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）以下、本発明の
一実施の形態における水晶複合板の薄板化方法について
図１から４を用いて説明する。

【００１５】図１（ａ）〜（ｇ）は本発明による水晶複
合板の薄板化方法の一例を示す説明図、図２は本発明に
よる加工時の水晶複合板と平面ホーニング加工用砥石と
の配置を示す構成図、図３は本発明による薄板化方法に
よる水晶複合板の仕上げ面粗さ（平均面粗さＲａ）の推
移を示す図、図４は本発明による薄板化方法に使用する
平面ホーニング加工機の一例を示す模式図である。

【００１６】１および２は直接接合前の水晶単板、３は
接合界面、４は直接接合後の水晶複合板、１２は水晶複
合板固定用の治具、Ｐは加工時の水晶複合板にかける加
工圧、ＯおよびＯ１はそれぞれ平面ホーニング加工用砥
石および被加工物である水晶複合板４の回転中心、Ｒ１
はＯから棒状砥粒層１７３までの距離、Ｒ２は棒状砥石
１７３の長さの１／２または水晶複合板４の回転半径、
Ｔ１およびＴ２は平面ホーニング加工後の水晶単板１お
よび２の厚み、１１は棒状砥粒層１７３間に充填されて
いる間隙材、１６１は装置コラム、１６２はベッド、１
６３はガイドレール、１６４はスライド、１６５は昇降
用モータ、１６６は主軸ヘッド、１６７は主軸、１６８
は主軸ヘッド回転用モータ、１６９は被加工物固定用の
チャック、１７０はテーブル、１７１は台金、１７２は
研削液の供給口、１７３は超砥粒層、１７４は被加工
物、１７５は研削液、をそれぞれ示している。

【００１７】まず初めに図１（ａ）に示すように、表面
を平滑にかつ洗浄した水晶単板１および２を準備する。
このとき、おのおのの水晶単板１および２の平行度およ
び平坦度は良好であることがセンサ等の感度ばらつきを
抑えるために望ましい。平行度、平坦度を重視する場合
は、遊離砥粒を用いる研磨加工では両面研磨方式が有効
である。固定砥粒を使用する研削加工では加工時のダメ
ージが大きいため最終仕上げが必要となる。

【００１８】次に図１（ｂ）および（ｃ）に示すように
水晶単板１および２を重ね合わせ加熱を行う。このと
き、水晶単板１および２の接合面は表面粗さがある所定
の値以下となるように加工する必要がある。水晶のカッ
ト角にも依存するが、仕上げ面粗さが平均面粗さで少な
くとも２ｎｍ以下であることが望ましい。また、２枚の
水晶単板１および２の接合面にダストが混入すると接合
不良の原因となるため、重ね合わせ作業を行う環境とし
てはクリーンルームを使用することが望ましい。重ね合
わせの時点では２枚の水晶単板１およぶ２はファンデル
ワールス力により弱い力で結合されている。重ね合わせ
後に加熱することにより酸素原子を仲介とした原子間結
合が行われ強固な結合となりほとんどバルクと同等の強
度となる。高い加熱温度でこの結合が強固となるが、セ
ンサおよびアクチュエータとして機能させるためには水
晶の相転移温度である５７０℃以下が実用的である。

【００１９】次に図１（ｄ）、（ｅ）に示すように水晶
複合板４の一方の水晶単板１の主面を被加工物用チャッ
ク１６９に固定し、その主面を基準として他方の主面を
平面ホーニング加工を行って厚みＴ１まで薄板化加工す
る。このとき、加工量が多い場合は研磨、研削加工など
により荒加工を行うことにより加工時間の短縮が可能で
ある。また、平面ホーニング加工用砥石は図２に示すよ
うに砥粒層１７３が棒状であり、平面ホーニング加工用
砥石の中心から砥粒層１７３が放射状に等間隔で配置さ
れたものを使用する。これは平面ホーニング加工時に水
晶複合板４と砥粒層１７３との界面で発生する切粉を排
除することにより水晶複合板４加工面への線傷を防止し
仕上げ面粗さを向上させるためである。

【００２０】また、放射状に配置した砥粒層１７３の間
隙には間隙材１１が充填されている砥石を使用してもよ
い。このとき、間隙材１１の主面と棒状砥粒層主面の高
さの差が所定の値となるように制御すべきであり、少な
くとも棒状砥粒層１７３の主面が間隙材１１の主面より
高く、かつその高さの差が５ｍｍ程度までとすべきであ
る。これは、棒状砥粒層１７３と間隙材１１の主面との
差が小さいと水晶複合板４への平面ホーニング時の接触
面積が増大し、ハイドロプレーニング現象による動圧効
果で棒状砥粒層１７３に水晶複合板４が接触しなくな
り、その結果、加工が進行しなくなる現象を防止するた
めである。

【００２１】また、棒状砥粒層１７３の主面と間隙材１
１との主面との差を５ｍｍ以下と制限したのは、平面ホ
ーニング加工時の加工面への研削液１７５の浸透を考慮
してのことである。

【００２２】さらに、加工後の水晶複合板４の平坦度を
高く維持するためには、平面ホーニング加工時に水晶複
合板４と平面ホーニング加工用砥石との配置に注意が必
要である。その配置について図２を用いて説明する。１
２は被加工物である水晶複合板４、OおよびO1はそれぞ
れ平面ホーニング加工用砥石および水晶複合板４の加工
時の回転中心を示している。通常、平面ホーニング加工
用砥石は研削液１７５の浸透を考慮してその中央に半径
R1の研削液だまりを設けている。平面ホーニング加工時
にはOを回転中心として平面ホーニング加工用砥石が所
定の回転数で回転し、この回転する平面ホーニング加工
用砥石に対しO1を回転中心とした水晶複合板４を所定の
回転数で回転させながら加工圧Pで押し付ける。加工量M
は加工圧をP、平面ホーニング加工用砥石と被加工物で
ある水晶複合板４との相対速度をV、加工時間をｔとす
ると、 M=a×P×V×ｔ aは定数であらわされる。そのため、平面ホーニング加工時に水
晶複合板４にかかる加工圧が面内で均一であると仮定す
ると加工量は加工面の相対速度に依存することとなる。
特に図２に示すように平面ホーニング加工用砥石と被加
工物との加工時の位置関係が固定した加工方法ではその
位置関係が加工後の精度に大きく影響を及ぼす。

【００２３】平面ホーニング加工時には平面ホーニング
加工用砥石および水晶複合板４はそれぞれ所定の回転数
で回転するため、平面ホーニング加工用砥石と被加工物
である水晶複合板４との相対速度差が最も大きくなるの
は平面ホーニング加工用砥石に対し最外周部分であるA
点と最内周部分であるB点である。このA点とB点におい
て平面ホーニング加工用砥石と水晶複合板４との相対速
度が同一となるように加工条件を設定する必要がある。

【００２４】棒状砥粒層１７３の長さを２R2とし、水晶
複合板４の回転中心O1が棒状砥粒層１７３の中点にある
と仮定し、平面ホーニング加工用砥石の回転数をWr、水
晶複合板４の回転数をXrとすると、外周部A点での相対
速度ベクトルVoutは Vout＝２π（R1+2R2）・Wr＋２πR2・Xr 内周部B点での相対速度ベクトルVinは Vin=２πR1・Wr＋２πR2・Xr ここで、平面ホーニング加工用砥石と水晶複合板４の回
転数WrおよびXrが同一であり、かつ回転方向が同一であ
ると仮定すると外周部の相対速度ベクトルVoutと内周部
の相対速度ベクトルVinはそれぞれ Vout＝Vin＝２π（R1＋R2）・Wr（またはXr）で同一となる。

【００２５】従って、本発明による平面ホーニング加工
では被加工物である水晶複合板４の回転中心O1を平面ホ
ーニング加工用砥石の棒状砥粒層１７３の中点に配置
し、かつ加工時の平面ホーニング加工用砥石および被加
工物である水晶複合板４の回転数と回転方向は同一にし
て加工することにより３インチウエハサイズにて加工後
の平坦度を１μm以下とすることを可能とした。

【００２６】次に上記条件にて平面ホーニング加工を実
際に行い、その加工特性を図３に示す。水晶複合板４の
サイズは３インチウエハを用い、前処理としてGC（Si
C）遊離砥粒による研磨加工とSD（人造ダイヤモンド）
固定砥粒による研削加工をしたものを用いた。５０N〜
１００Ｎの加工圧Pでわずか３分程度の平面ホーニング
加工により仕上げ面粗さ５ｎｍ以下となり、さらに加工
を継続することにより平均表面粗さが３ｎｍ以下となっ
たところで前処理が原因と思われるピット状の凹部が消
滅した。ピット状の凹部は、後の工程にて電極パターン
などを形成する際に断線の原因となるため、本発明によ
る薄板化加工方法では平面ホーニング加工により仕上げ
面粗さを平均面粗さで３ｎｍ以下まで加工することによ
り断線による不良を解消することが可能である。

【００２７】仕上げ面粗さをさらに向上する方法として
２つの方法がある。１つは上記工程に使用した平面ホー
ニング加工用砥石よりもさらに細かい粒度の砥粒を使用
した平面ホーニング加工用砥石で追加加工することであ
る。例えは＃１５００平面ホーニング加工用砥石の次に
＃３０００平面ホーニング加工用砥石で追加加工するこ
とにより仕上げ表面粗さは平均表面粗さで１ｎｍ以下に
加工することも可能である。仕上げ表面粗さの限界値は
表面粗さの測定範囲と使用する測定器で決定するが、現
状０．１ｎｍ程度が限界であると思われる。

【００２８】仕上げ面粗さを向上する２つめの方法とし
て、平面ホーニング加工時の平面ホーニング加工用砥石
および水晶複合板４の回転数を高速にすることである。
これは砥粒軌跡を長くすることにより加工量の平均化を
考慮したものである。具体的には加工圧が５０Ｎ以上で
回転数が２００ｒｐｍ以上に設定することにより加工時
間が数分で仕上げ面粗さを３ｎｍ以下にすることが可能
である。これは回転数を上げることにより仕上げ面粗さ
が３ｎｍ以下となる加工時間を短縮できるが、現状９０
０ｒｐｍ以上では加工時の機械振動が大きくなるため回
転数の上限は９００ｒｐｍ以下に設定すべきである。

【００２９】上記のように仕上げ面粗さを平均面粗さで
３ｎｍ以下とするために加工圧および回転数を上げるこ
とは効果があるが、製造工程の管理の観点から加工圧は
５０〜１００Ｎ程度、回転数は２００〜９００ｒｐｍ程
度が望ましい範囲である。

【００３０】次に図１（ｆ）、（ｇ）に示すように上記
工程で平面ホーニング加工した面を基準として他方の水
晶複合板４の主面を平面ホーニング加工を行い、厚みＴ
２まで薄板化加工を行う。このとき、Ｔ１とＴ２はそれ
ぞれに対向する主面を基準面として機械的に加工するた
め精度が高くかつ接合界面３に平行に加工することが可
能である。Ｔ１とＴ２との厚みの差を極力小さく抑える
ことによりセンサあるいはアクチュエータとして水晶複
合板４を使用する際の感度低下を抑えることが可能であ
る。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明は、２枚以上の所定
の板厚の水晶単板素材を互いに面対向させて平坦度を確
保して直接接合した水晶複合板を、その両面を片面ずつ
平面ホーニング加工により仕上げ面粗さが平均表面粗さ
で３ｎｍ以下になるように平面加工する水晶複合板の薄
板化方法であり、平面ホーニング加工を行う際に水晶複
合板の対向する主面を基準面として加工することにより
接合界面に平行にかつ直接接合した２枚の水晶単板の厚
みを同一にして加工することが可能であり、さらに平均
仕上げ面粗さを３ｎｍ以下とすることにより、感度低下
のない、また電極パターン形成時に断線の心配のない薄
板化した水晶複合板を提供できるという効果を奏するも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｇ）本発明の実施の形態１における
水晶複合板の薄板化方法の工程説明図

【図２】同薄板化方法における平面ホーニング加工用砥
石に対する水晶複合板の配置を示す模式図

【図３】同薄板化方法における水晶複合板の加工特性を
示す特性図

【図４】同薄板化方法における平面ホーニング加工機を
示す模式図

【図５】（ａ），（ｂ）従来の加工方法による水晶複合
板の一例を示す側面図

【符号の説明】

１、２水晶単板３直接接合界面４水晶複合板１１間隙材１２水晶複合板３１，３２水晶単板３３直接接合界面１６１装置コラム１６２ベッド１６３ガイドレール１６４スライド１６５昇降用モータ１６６主軸ヘッド１６７主軸１６８主軸ヘッド回転用モータ１６９被加工物固定用チャック１７０テーブル１７１台金１７２研削液供給口１７３超砥粒層１７４被加工物１７５研削液

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大内智大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者山本毅大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 3C049 AA04 AA18 BA02 CA01 CB01 CB03 3C058 AA04 AA18 BA02 CA01 CB01 CB03 3C063 AA02 AB05 BA08 BB02 BG07 EE15 EE26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の板厚の水晶単板を互いに面対向さ
せて直接接合した水晶複合板を、その両面を片面ずつ平
面ホーニング加工により仕上げ面粗さが平均表面粗さで
３ｎｍ以下になるように平面加工する水晶複合板の薄板
化方法。
【請求項２】台金上に棒状砥粒層が等間隔に放射状に
配置され、かつ固着された平面ホーニング加工用砥石に
より水晶複合板の回転中心が前記棒状砥粒層の中点と一
致するように平面ホーニング加工する請求項１記載の水
晶複合板の薄板化方法。
【請求項３】平面ホーニング加工時の水晶複合板の回
転方向および回転数が平面ホーニング加工用砥石の回転
方向および回転数と同じである請求項２に記載の水晶複
合板の薄板化方法。
【請求項４】直接接合した接合界面に対し平行にかつ
互いの厚みが同じになるようにその両面を平面ホーニン
グ加工する請求項１記載の水晶複合板の薄板化方法。
【請求項５】平面ホーニング加工前に水晶複合板の両
面を研磨加工または研削加工する請求項１記載の水晶複
合板の薄板化方法。
【請求項６】砥粒径の異なる２種類以上の平面ホーニ
ング加工用砥石により砥粒径の粗い順序で平面ホーニン
グ加工する請求項１に記載の水晶複合板の薄板化方法。
【請求項７】平面ホーニング加工用砥石が毎分２００
回転以上であり、かつ水晶複合板への加工圧が５０Ｎ以
上で平面ホーニング加工する請求項１記載の水晶複合板
の薄板化方法。