JP2006166275A - 水晶デバイスの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】
本発明は、容易に製造可能な水晶振動子の製造方法の提供。
【解決手段】
水晶板に吸収され、かつ、前記水晶板を構成する物質のエネルギー準位を基底状態から第1の励起状態に励起させる第1の光と、前記水晶板を構成する物質のエネルギー準位を前記第1の励起状態から第2の励起状態に励起させる第2の光とを前記水晶板に略同時に照射することによりアブレーションを生じさせ、前記水晶板に所定パターンの溝を形成する工程を含む水晶振動子の製造方法により、上記課題を解決する。
【選択図】 図6

Description

本発明は、水晶デバイスの製造方法に関し、詳しくは、容易に製造し得る水晶デバイスの製造方法に関する。
従来より、水晶発振器は各種電子機器等においてクロック源として広く用いられている。水晶発振器の発振周波数は、発振器を構成する水晶振動子の共振周波数により決定される。このような水晶振動子としては、例えばATカット水晶板の端面を曲面状に加工して、中心部に向かうほど厚みを持たすようにした、コンベックス形状又はベベル形状といった水晶振動子が知られている。例えば特許文献1には、コンベックス形状の水晶振動子が開示されている。このようなコンベックス形状又はベベル形状の水晶振動子は、中心部に厚みを持たせることで、振動片の中心部に振動を集中させ、少ないエネルギーで効率的に発振し得るように構成されている。また、このような形状の水晶振動子は、一般に研磨により製造される。
特開平11−298278号公報
ところで、近年各種モバイル機器の小型化が進み、それを構成する水晶デバイスの小型化の要請も高まっている。
しかしながら、水晶デバイスを小型化した場合、従来の研磨方法では形状の制御が困難となり、また、加工に時間を要することになる。また、上記構造以外の水晶振動子においても加工性の向上が望まれていた。
そこで、本発明は、容易に製造可能な水晶デバイスの製造方法を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明は、水晶板に吸収され、かつ、前記水晶板を構成する物質のエネルギー準位を基底状態から第1の励起状態に励起させる第1の光と、前記水晶板を構成する物質のエネルギー準位を前記第1の励起状態から第2の励起状態に励起させる第2の光とを前記水晶板に略同時に照射することによりアブレーションを生じさせ、前記水晶板に所定パターンの溝を形成する工程を含む水晶デバイスの製造方法を提供するものである。
これによれば、所定の二種類の光(第1の光と第2の光)を重畳して照射することで、一種類の光を照射して加工する場合に比較し、難加工性の水晶板を加工領域以外の領域に与える損傷が少なく、しかも容易に水晶デバイスを加工することが可能となる。ここで、第1の光は水晶板を構成する物質の電子のエネルギー準位を所定のエネルギー準位に励起するために用いられる励起用の光であり、第2の光は第1の光により励起された水晶板をアブレーションが生じるエネルギー準位にまで引き上げ水晶板に対して加工を行うために用いられる加工用の光である。
ここで「略同時」には、第1の光と第2の光を同時に照射する場合の他、第1の光と第2の光を所定時間を空けて照射する場合も含まれる。また、「所定時間を空けて」とは、第1の光を水晶板に照射してから、第1の光が吸収されてエネルギー準位が第1の励起状態に上がるまでにわずかに時間がかかるので、この時間を含める趣旨である。なお、第1の光の照射後に第2の光を照射する場合のみではなく、第2の光の照射後に第1の光を照射する場合をも含める。
また、「基底状態」は、光を照射する前のエネルギーの低い定常状態をいう。また、「第2の励起状態」は、水晶板の加工が開始されるエネルギー準位をいい、具体的には真空準位を超えるエネルギー準位をいう。
また、水晶デバイスとは、水晶を主構成要素として含むデバイス一般をいい、その内容に限定はないが、例えば水晶発振器・水晶振動子・水晶センサなどが含まれる。
また、第1の光と第2の光は同時に照射されている期間があれば、照射順序は問わず、第1の光を照射している照射領域上に重畳して第2の光を照射してもよく、また、第2の光を照射している照射領域上に重畳して第1の光を照射してもよい。また、第1の光と第2の光を同時に照射してもよい。
このような第1の光及び第2の光としては、パルスレーザ等のレーザが好適に用いられる。
前記第1の光の照射領域が前記第2の光の照射領域よりも大きく、前記第1の光で照射している照射領域内を前記第2の光で重畳して照射することが好ましい。励起用の光である第1の光の照射領域(照射径)を加工用の光である第2の光の照射領域(照射径)よりも大きくすることにより、第1の光と第2の光の位置合わせが容易となる。また、第1の光で照射した広い照射領域内をそれよりも小さい照射領域を有する第2の光で照射するので、例えば第1の光を固定して第2の光を移動することが可能となり、広い面積を加工する場合であっても効率よく所望のパターンを形成することが可能となる。
好ましくは、前記第1の光と前記第2の光が重畳した領域内にアブレーションが生じる(加工される)。第1の光及び第2の光を各々単独で照射した場合にはアブレーションは生じないか、生じたとしても水晶板が加工(一部が除去)されるまでには至らないので、位置合わせ等の作業工程が容易となる。
前記第1の励起状態はエネルギー準位が欠陥準位又は伝導帯に励起した状態であってもよい。
前記第1の光が160nm以下の波長の光であることが好ましい。このような波長帯域であれば、水晶板に対して有効な吸収を有する。
第1の光及び第2の光の組み合わせとしては、より具体的には、第1の光が波長157nmのF2レーザであり、前記第2の光が波長193nmのArFエキシマレーザ又は波長248nmのKrFエキシマレーザであることが好ましい。第1の光と第2の光を各々このような波長の光とすることで、効率よく水晶デバイスを加工することが可能となる。
前記第1の光及び/又は前記第2の光が、結像光学系を介して前記水晶板の加工面上に結像されることが好ましい。これによれば、所望のパターンの溝を短時間で容易に形成し得る。なお、マスクを介して所望のパターンを形成する場合には、所望パターンを一括照射して形成してもよく、また、所望のパターンを部分範囲に分割して、部分範囲毎に照射することにより所望の溝のパターンを形成してもよい。
前記所定パターンは、例えば、一又は複数の帯状パターンであってもよい。また、前記所定パターンは、一又は複数の矩形状パターンであってもよい。溝のパターンをこのようなパターンとすることで、良好な振動特性の水晶デバイスを得ることが可能となる。
前記所定パターンの溝を前記水晶板の両面に形成する場合において、前記水晶板の両面に略同時に前記第1の光及び/又は前記第2の光を重畳して照射することが好ましい。両面に同時に所定パターンを形成することで、加工時間を短縮することが可能となる。
本発明の他の態様は、板状の基部と当該基部から延出する複数の腕部とを有する音叉型の振動片を含む水晶デバイスの製造方法であって、前記腕部に、水晶板に吸収され、かつ、前記水晶板を構成する物質のエネルギー準位を基底状態から第1の励起状態に励起させる第1の光と、前記水晶板を構成する物質のエネルギー準位を前記第1の励起状態から第2の励起状態に励起させる第2の光とを前記水晶板に略同時に照射することによりアブレーションを生じさせ、前記腕部に所定パターンの溝を形成する工程を含む水晶デバイスの製造方法である。
好ましくは、本発明の水晶デバイスの製造方法は、板状の基部と当該基部から延出する複数の腕部とを有する音叉型の振動片を含む水晶デバイスの製造方法であって、水晶板に少なくとも一つの振動片を、当該振動片の一部を前記水晶板に連結させた状態で形成する振動片形成工程と、前記振動片の腕部に、水晶板に吸収され、かつ、前記水晶板を構成する物質のエネルギー準位を基底状態から第1の励起状態に励起させる第1の光と、前記水晶板を構成する物質のエネルギー準位を前記第1の励起状態から第2の励起状態に励起させる第2の光とを前記水晶板に略同時に照射することによりアブレーションを生じさせ、前記腕部に所定パターンの溝を形成する工程と、前記溝が形成された振動片に水晶デバイスを駆動するための駆動電極を形成する電極形成工程とを含むものである。
以下、本発明の水晶振動子の製造方法について図面を参照しながら説明するが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の製造方法により製造される水晶振動子の一例を示す図である。図1に示すように、本発明の水晶振動子は、水晶板2(ATカット水晶板)の両面の略中央部に、電極4が形成されており、この電極4に電圧を印加することで水晶板2の厚みに応じた周波数で振動する。この電極4は、例えば金又は銀などの導電性材料で形成されている。また、この電極4には、外部との接続を図るためのリード電極が接続されている。水晶板2には、電極4の周囲に、電極4(又は水晶板2)の長手方向の端辺に略平行な溝6が、電極4を挟んで一列ずつ水晶板2の両端に形成されている。このように、電極4の周囲に溝6を形成することにより、主振動モード(例:厚み滑り振動モード)の振動エネルギーが電極の周辺領域へ広がり、振動エネルギーが損失するのを低減し得るとともに、スプリアス等の特異現象の要因となる副振動モードを抑制し得る。よって、電極4の直下に主振動モードの振動エネルギーを閉じ込めることが可能となり、良好な特性を有する水晶振動子を得ることが可能となる。
図2は、水晶振動子の溝パターンの一例を示す図である。
図2(a)は、図1の上面図に該当する。なお、図2(a)では電極4は省略している。このような溝6は、電極4を挟んで帯状に左右ほぼ対照に複数列形成されていてもよい。図2(b)に、溝6が水晶板2の両端に二列ずつ形成された例を示す。溝6は、また、矩形状に形成されていてもよい。図2(c)及び図2(d)に、各々矩形状の溝が一列及び複数列(ここでは二列)形成された例を示す。このように複数列の溝6を形成することで、主振動モードの振動エネルギーの閉じ込め効果を一層高めることが可能となる。
なお、溝6のパターンは、上記例に限定されず、断続的な凹部(孔)を複数配置したパターンであってもよい。
図3は、水晶板の両面に二列ずつ溝が形成された水晶振動子の部分断面図を示す。図3に示すように、複数列(ここでは二列)の溝6を形成する場合には、水晶板2の端辺(部)に向かうにつれて、溝6の深さが徐々に深くなるように形成されることが好ましい。このように、溝6の深さを変化させることで、所謂コンベックス構造又はベベル構造に近い特性を有する構造を形成することが可能となる。したがって、水晶振動子の中心部に振動を集中させることができ、少ないエネルギーで効率よく発振することが可能になる。
次に、このような溝6の形成方法について説明する。
図4は、本発明の水晶振動子の製造方法に用いられる装置の一例を示す図である。
本発明では、図4に示すように、各々所定の波長を有する第1の光102と第2の光104の二本の光を用いることにより溝の加工を行う。ここでは、第1の光102及び第2の光104は、各々ビームスプリッタ106,108等を介して、水晶板2の加工面に略面直に入射し得るよう構成されている。なお、第1の光102と第2の光104の照射方法は、これに限定されるものではない。
第1の光102は、水晶板2に吸収される光であって、水晶板2を構成する物質の電子のエネルギー準位を基底状態から第1の励起状態に励起させることが可能な光である。ここで、第1の励起状態は、基底状態より高く、かつ、水晶板の加工が開始されるエネルギー準位(第2の励起状態)に至る前のそれよりも低いエネルギー準位である。具体的には、荷電子帯から荷電子帯と真空準位との間に位置するエネルギー準位に遷移(励起)させることが可能な波長の光である。このような光としては、例えば160nm以下の波長の光が挙げられる。このような波長であれば、水晶板に対する光の吸収率が良好である。具体的には、波長157nmのF2レーザ、又は波長10〜13nmのEUV(Extreme Ultra Violet:極紫外線)等を用いることが可能である。
第2の光104は、水晶板2を構成する物質の電子のエネルギー準位を第1の励起状態から第2の励起状態に励起させることが可能な光である。具体的には、第1の光102により遷移(励起)された水晶板2に対して真空準位の吸収を生じさせる波長の光である。このような光としては、特に限定するものではないが、例えば波長193nmのArFエキシマレーザ又は波長248nmのKrFエキシマレーザが用いられる。
図5は、第1の光と第2の光を組み合わせた場合の水晶板のエネルギー準位を示す図である。図5に示すように、まず、水晶板2に対し、第1の光102としてF2レーザ(波長:157nm、エネルギー:hν=7.9eV)を照射すると水晶板を構成する結晶の電子が荷電子帯(Ev)から欠陥準位に励起される。この第1の光102に第2の光104としてKrFエキシマレーザ(波長:248nm、エネルギー:hν=5.0eV)を組み合わせ照射すると、欠陥準位から励起準位(真空準位を超えるエネルギー準位)までさらに励起されることになる。これにより、アブレーションが生じ、被加工対象物である水晶板2が加工されることになる。なお、ここでは、第1の光102として、電子のエネルギー準位を荷電子帯から欠陥準位に励起させるものを挙げた。しかし、第1の光102は、荷電子帯と真空準位との間のエネルギー準位に電子のエネルギー準位を励起し得るものであれば特に限定されず、例えば、伝導帯(Ec)に励起するものであってもよい。
第1の光102と第2の光104を用いた溝6の形成方法の原理について、さらに詳細に説明する。図6は、第1の光と第2の光を用いた溝6の形成方法の原理を説明するための図である。
図6(a)に示すように、被加工対象物である水晶板2に、例えば波長248nmのKrFエキシマレーザを第2の光104として照射しても、被加工対象物に対する吸収率が低く、加工対象物のエネルギー準位を充分上げるまでには至らない。
一方で、図6(b)に示すように、水晶板2に例えば波長157nmのF2レーザを第1の光102として照射した場合には水晶板2に対して吸収を有するので、フルエンス(エネルギー密度)が高い場合にはアブレーションが生じ、水晶板2が加工される。
しかしながら、加工効率を挙げるために照射面積を広くしたい場合もあり、このような場合には、同じ出力の装置を用いた場合フルエンスが低くなる。図6(c)に示すように、照射面積を広げることによりフルエンスが低くなった場合、すなわち例えば水晶板2を加工し得るフルエンスの1/100以下となった場合にはエネルギー量が足りず、アブレーションは生じない。よって、このようなフルエンスでは、照射光を外すと電子は再び元のエネルギー準位に戻り、水晶板2の外形には影響を及ぼさない。
これに対し、図6(d)に示すように、水晶板2に対して第1の光102(波長157nmのF2レーザ)及び第2の光104(波長248nmのKrFエキシマレーザ)を組み合わせて照射した場合、上述したエネルギー準位の励起が生じ、第1の光102と第2の光104が重畳した領域のみが加工されることになる。このように、単独で照射しただけではアブレーションが生じない特定の光を組み合わせることで、アブレーションを生じさせることが可能となる。
次に、図7を参照しながら、溝6の形成方法についてさらに詳しく説明する。図7は、溝6の形成方法の一例を説明するための図である。ここでは、結像光学系を用いた例を示す。
まず、図7(a)に示すように、第1の光102(波長157nmのF2レーザ)を、所定の溝パターンが形成されたマスク11及び集光レンズ10を介して水晶板2(ATカット水晶板)に照射する。この際、第1の光102は、溝パターンが形成された領域全体を含むようにレーザビーム幅を広げて照射する。
次に、図7(b)に示すように、第2の光104(波長248nmのKrFエキシマレーザ)を第1の光102が照射された領域と重ね合わさるように照射する。具体的には、第2の光104の照射領域を第1の光102の照射領域内に含まれる大きさとし、第1の光102を固定した状態で、第2の光104の照射領域を順次移動させることにより溝パターンを形成する。このように、第2の光104の大きさを調整することで、第1の光102と第2の光104の位置合わせを容易とすることができると共に、第2の光104を動かすのみで、所望の溝パターンを形成することが可能となるので、操作が容易となる。したがって、広い領域を加工する場合においても、容易に溝パターンの形成を行うことが可能となる。
このような工程により、マスクに形成された溝パターンの縮小像が水晶板2上に形成されることになる。
なお、ここで、溝6の深さは、第1の光102及び/又は第2の光104のフルエンス(エネルギー密度)、照射時間、発振時間等を適宜変更することにより調整することができる。
また、上記工程により所望の溝パターンが形成された水晶板2上に、従来公知の方法により図1に示すような電極4を形成することで、水晶振動子を得ることができる。
本実施形態によれば、第1の光102と第2の光104を重畳して照射することにより水晶振動子の製造を行っているので、一種類の光を照射して加工する場合に比較し、難加工性の水晶板を加工領域以外の領域に与える損傷を低減することができ、しかも容易に加工することが可能となる。また、結像光学系を用いることで、一括して所望のパターンの溝を水晶板2上に形成することができる。さらに、第2の光104の照射領域を第1の光102の照射領域より小さくているので、第1の光102と第2の光104との位置合わせが容易となる。また、第1の光102で照射した広い照射領域内をそれよりも小さい照射領域を有する第2の光104で照射するので、例えば第1の光を固定して第2の光を移動することが可能となり、広い面積を加工する場合であっても効率よく所望のパターンを形成することが可能となる。
なお、上記例では、第2の光104の照射領域を第1の光102の照射領域より小さくしたが、第2の光104の照射領域を第1の光102の照射領域より大きくしてもよく、また、同じ大きさにしてもよい。
また、第1の光102及び第2の光104として、各々1種類の波長のレーザを用いたが、各々複数種類の波長のレーザを組み合わせて用いてもよい。
(第2の実施形態)
本実施形態では、他の形状に係る水晶振動子の製造方法について説明する。具体的には、音叉型振動子の製造方法について説明する。
図8〜10は、音叉型振動子の製造方法について説明するための図である。
まず、図4に示したのと同様のレーザ加工装置を用いて第1の光102と第2の光104を照射することにより、図8(a)中の二点鎖線に沿って、水晶板12を後に振動子となる複数の振動片16が各々連結部14により基部に連結された複数の音叉型構造を有する形状に加工する(図8(b)参照)。この際、水晶板12を貫通するように、第1の光102及び第2の光104の照射強度及びショット数(単位時間当たりの照射回数)等の加工条件を適宜調節する。
図9(a)は、図8(b)におけるA−A’断面図であり、以下、この断面に沿う形で製造工程について説明する。図9(b)に示すように、図4に示すレーザ加工装置を用いて、第1の光102と第2の光104を照射することにより、振動片16の腕部18,20に溝26,28,30,32を形成する。この際、水晶板12を片面ずつ加工することにより溝を形成してもよく、また、両面同時に形成してもよい。
次に、図9(c)に示すように、Au,Agなどの導電性を有する金属からなる膜(導電膜)34を、スパッタリング等により成膜する。なお、この際、振動片16上に、Au及びAg並びに水晶との密着性の高い密着層(例:Cr膜)を介して、Au,Agなどの金属からなる導電膜34を成膜するのが好ましい。次に、図9(d)に示すように、導電膜34を、例えばF2エキシマレーザなどのレーザ光を用いて所望の形状にパターニングする。その後、各振動片16を水晶板12に連結している連結部14から切り離すことにより水晶振動子が得られる。
ここで、水晶振動子の構造をさらに詳しく説明する。図10(a)及び(b)に、水晶振動子の側面図を示す。同図(a)及び(b)に示すように、本実施形態に係る水晶振動子は、板状の基部40と、基部40から同一方向に略平行に延びる二本の腕部18及び20を有する。腕部18及び20には、面22及び面24に、長手方向に沿って延びる溝26,28,30,32が設けられている。また、振動片16上には、圧電振動子を駆動する電圧を与えるための第1の駆動電極36及び第2の駆動電極38が設けられている。第1の駆動電極36及び第2の駆動電極38は、水晶振動子の表裏で同様な形状に配線されている。より具体的には、腕部18の表裏で対向するように形成された一対の電極部36a,36bと、腕部20の表裏で対向するように形成された一対の電極部36c,36dとは、それぞれ互いに導通しており、さらに基部40の端部42に導通して、第1の駆動電極36を形成している。また、同様に、腕部20の表裏で対向するように形成された一対の電極部38a,38bと、腕部18の表裏で対向するように形成された一対の電極部38c,38dとは、それぞれ互いに導通しており、さらに基部40の端部44に導通して、第2の駆動電極38を形成している。
本実施形態によれば、このように複雑な立体形状を有する音叉型の振動子についても、第1の光102と第2の光104を重畳して照射することにより、一種類の光を照射して加工する場合に比較して、難加工性の水晶板を加工領域以外の領域に与える損傷を低減しつつ、容易に加工することが可能となる。
図1は、本発明の製造方法により製造される水晶振動子の一例を示す図である。 図2は、水晶振動子の溝パターンの一例を示す図である。 図3は、両面に二列ずつ溝が形成された水晶振動子の部分断面図を示す。 図4は、本発明の水晶振動子の製造方法に用いられる装置の一例を示す図である。 図5は、第1の光と第2の光を組み合わせた場合の水晶板のエネルギー準位を示す図である。 図6は、第1の光と第2の光を用いた溝6の形成方法の原理を説明するための図である。 図7は、溝6の形成方法の一例を説明するための図である。 図8は、音叉型振動子の製造方法について説明するための図である。 図9は、音叉型振動子の製造方法について説明するための図である。 図10は、音叉型振動子の製造方法について説明するための図である。
符号の説明
2・・・水晶板、4・・・電極、6・・・溝、10・・・集光レンズ、11・・・マスク、12・・・水晶板、14・・・連結部、16・・・振動片、18・・・腕部、20・・・腕部、22・・・面、24・・・面、26,28,30,32・・・溝、34・・・導電膜、36・・・第1の駆動電極、36a,36b・・・電極部、36c,36d・・・電極部、38・・・第2の駆動電極、38a,38b・・・電極部、38c,38d・・・電極部、40・・・基部、42・・・端部、44・・・端部、102・・・第1の光、104・・・第2の光、106,108・・・ビームスプリッタ

Claims (11)

  1. 水晶板に吸収され、かつ、前記水晶板を構成する物質のエネルギー準位を基底状態から第1の励起状態に励起させる第1の光と、前記水晶板を構成する物質のエネルギー準位を前記第1の励起状態から第2の励起状態に励起させる第2の光とを前記水晶板に略同時に照射することによりアブレーションを生じさせ、前記水晶板に所定パターンの溝を形成する工程を含むことを特徴とする水晶デバイスの製造方法。
  2. 前記第1の光の照射領域が前記第2の光の照射領域よりも大きく、前記第1の光で照射している照射領域内を前記第2の光で重畳して照射する、請求項1に記載の水晶デバイスの製造方法。
  3. 前記第1の光と前記第2の光が重畳した領域内にアブレーションが生じる、請求項1又は請求項2に記載の水晶デバイスの製造方法。
  4. 前記第1の励起状態がエネルギー準位が欠陥準位又は伝導帯に励起した状態である、請求項1〜3のいずれかに記載の水晶デバイスの製造方法。
  5. 前記第1の光が160nm以下の波長の光である、請求項1〜4のいずれかに記載の水晶デバイスの製造方法。
  6. 前記第1の光が波長157nmのF2レーザであり、前記第2の光が波長193nmのArFエキシマレーザ又は波長248nmのKrFエキシマレーザである、請求項1〜5のいずれかに記載の水晶デバイスの製造方法。
  7. 前記第1の光及び/又は前記第2の光が、結像光学系を介して前記水晶板の加工面上に結像される、請求項1〜6のいずれかに記載の水晶デバイスの製造方法。
  8. 前記溝のパターンが一又は複数の帯状パターンである、請求項1〜7のいずれかに記載の水晶デバイスの製造方法。
  9. 前記溝のパターンが一又は複数の矩形状パターンである、請求項1〜7のいずれかに記載の水晶デバイスの製造方法。
  10. 前記所定パターンの溝を前記水晶板の両面に形成する場合において、前記水晶板の両面に略同時に前記第1の光及び前記第2の光を重畳して照射する、請求項1〜8のいずれかに記載の水晶デバイスの製造方法。
  11. 前記第1の光及び/又は前記第2の光が、前記所定パターンを一括して又は部分範囲毎に分割して照射する、請求項1〜10のいずれかに記載の水晶デバイスの製造方法。


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