JP2006203372A - 圧電振動子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板の厚みばらつきをなくすと共に、基板の薄型化が可能な圧電振動子を提供する。
【解決手段】 振動用の圧電体基板２と、圧電体基板２を支持する支持用基板３とを有し、圧電体基板２と支持用基板３とを直接接合している。このため基板の接合に接着剤などを使用する必要がなくなり、基板の厚みを精度よく所望の厚みにすることができる。また基板の平面度、平行度を向上させ、電気的特性を改善させることができる。さらに、支持用基板３を備えたことで、圧電体基板２の加工や取り扱いが容易になり、圧電体基板２の厚みを精度よく薄くすることができる。従って、振動周波数の高周波化が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波振動子やフィルタ素子に用いられる圧電振動子及びその製造方法に関する。特に、圧電体基板を支持基板により補強し、薄膜化した圧電振動子及びその製造方法に関する。

近年、移動体通信機器等に用いられる振動子やフィルタ素子などの圧電デバイスは、機器の小型化・デジタル化に伴い高周波数・広帯域化の傾向にある。特に、フィルタの広帯域化の要求に対しては、タンタル酸リチウム基板（以下、ＬＴと表記する）やニオブ酸リチウム基板（以下、ＬＮと表記する）などの高結合圧電振動子を利用することが有効である。

従来のＬＴやＬＮなどの圧電振動子では、研磨やエッチングなどの技術を向上させ圧電体を薄板化し、高周波化、広帯域化に対応してきた。しかしながら、ＬＴやＬＮなどの高結合圧電材料は非常に脆い性質を有することから、高周波の圧電振動子またはフィルタの場合は、研磨加工中および研磨装置から取り出す時や運搬時に割れ・欠けなどの物理的損傷が生じ取り扱いが困難になる。これらの問題から、量産可能な厚みの限界は圧電体基板径が2″φで１００μｍ程度であった。

このような不都合を解消した方法として、従来から、圧電体基板に支持用の基板を接着剤で接合し、圧電体基板の接合面とは反対側の面（平面部）を加工して所望する薄板状の圧電体基板を得る方法が提案されている。例えば、特許文献１にこの技術が開示されている。

特開２０００−１５１３２１号公報

しかしながら、圧電体基板に支持用の基板を接着剤で接合する方法では、精度の高い圧電体基板の厚み調整を行うことができないという課題があった。支持用基板は、振動用圧電体基板にＵＶ硬化樹脂などの接着剤を介して接着される。接着剤は液体状であるために、接着剤塗布後に行う支持用基板と振動用圧電体基板との圧着具合により、接着層の厚みは容易に変動し、この圧着具合は工程上、精度よく管理することは困難であった。そのため、圧着具合の変動により、接着層の厚みばらつき（２〜３μｍ程度）が生じていた。

また、振動用圧電体基板の研磨は、支持用基板の付着面基準にして研磨量を調整している。そのため、接着層の厚みにばらつきがあると、研磨後の振動用圧電体基板に厚みばらつきが生じるのは避けられなかった。さらには、接着層の厚みばらつきは、同じ製造工程で同一基板から作成された複数の圧電振動子で生じるだけではなく、１つの圧電振動子の圧電体基板内であっても接着剤塗布領域毎に厚みばらつきが生じる。

接着層の厚みばらつきをなくすためには、接着面を互いに平行に配置し、接着する面上に均等な力をかけ、接着面に対して垂直方向に力をかける必要がある。しかしながら、これらの接着条件の精度を高く維持することは容易ではなく、接着条件にばらつきが生じるのは避けられなく、結果、接着層に厚みばらつきが生じていた。

これにより、支持用基板と振動用圧電体基板が非平行な状態で接着されてしまい、この状態で研磨を行っても振動用圧電体基板内での厚みばらつきが生じるのは避けられなかった。

さらに、レーザーや砥石などの機械的な方法により支持用基板に開口部を形成することから、振動用圧電体基板に傷などを生じさせないために、接着層の厚みの中心位置程度までしか開口部を形成することができず、振動用の圧電体基板の表面に薄い接着層が残ってしまい、ＵＶ樹脂溶解液などでこの接着層を除去する必要があった。これにより製造方法が複雑化しコストアップになっていた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、基板の厚みばらつきをなくすと共に、基板の薄型化が可能な圧電振動子及びその製造方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために本発明の圧電振動子は、振動用の圧電体基板と、該圧電体基板を支持する支持用基板とを有し、前記圧電体基板と前記支持用基板とを直接接合した構成を備えている。このように本発明は、圧電体基板と支持用基板とを直接接合しているので、接着剤などを使用する必要がなく、基板の厚みを精度よく所望の厚みにすることができる。また基板の平面度、平行度を向上させ、電気的特性を改善させることができる。さらに、支持用基板を備えたことで、圧電体基板の加工や取り扱いが容易になり、圧電体基板の厚みを精度よく薄くすることができる。従って、振動周波数の高周波化が可能となる。

上記構成の圧電振動子において、前記支持用基板は、前記圧電体基板の振動領域を除く領域に設けているとよい。圧電体基板の振動領域を除く領域に支持用基板を設けたことで、薄い圧電体基板を単体で取り扱うことがなくなり、圧電体基板の加工や取り扱いが容易になる。従って、基板の欠け、割れなどの損傷を防ぎ、良品率を向上させることができる。

上記構成の圧電振動子において、前記圧電体基板の振動領域の両面に、励起電極を設けているとよい。振動領域の両面に励起電極を設け、圧電体基板を振動させることができる。

上記構成の圧電振動子において、前記支持用基板の前記圧電体基板との接合面とは反対側の面と、前記圧電体基板の振動領域を取り囲む前記支持用基板の側面と、前記支持用基板に取り囲まれた前記圧電体基板の前記接合面側の振動領域とに連続する電極を設けているとよい。電極の形成が容易ではない箇所であっても、連続的に形成することで電極の形成が簡単になる。

上記構成の圧電振動子において、前記圧電振動子は、パッケージ内に搭載されているとよい。圧電振動子を外気から保護することができる。

上記構成の圧電振動子において、前記圧電体基板が、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムであり、前記支持用基板が、シリコンであるとよい。

本発明の圧電振動子の製造方法は、圧電体基板と、該圧電体基板を支持する支持用基板とを直接接合する工程と、前記支持用基板に接合された前記圧電体基板を薄膜化する工程と、前記支持用基板の一部を取り除き、振動領域を形成する工程と、前記圧電体基板の前記支持用基板との接合面とは反対側の、前記振動領域に上部電極を形成する工程と、前記圧電体基板の前記支持用基板との接合面側の前記振動領域全面と、前記支持用基板の前記圧電体基板との接合面とは反対側の面と、前記支持用基板の前記振動領域を取り囲む側面全面とに下部電極を形成する工程と、を有している。このように本発明は、圧電体基板を支持する支持用基板を備えたことで、圧電体基板の加工や取り扱いが容易になり、圧電体基板の厚みを精度よく薄くすることができる。従って、振動周波数の高周波化が可能となる。また、加工や取り扱いが容易なので圧電体基板や支持用基板を切り出す原板を大口径化することができ、製造コストを削減させることができる。さらに圧電体基板と支持用基板とを直接接合しているので、接着剤などを使用する必要がなく、基板の厚みを精度よく所望の厚みにすることができる。従って、基板の平面度、平行度を向上させ、電気的特性を改善させることができる。

本発明によれば、基板の厚みばらつきをなくすと共に、基板の薄型化が可能となる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を説明する。

図１（ａ）に、本実施例の圧電振動子１の外観斜視図、図１（ｂ）に、図１（ａ）のＡ−Ｂ断面図を示す。本実施例の圧電振動子１は、短形状で薄板状をしたＬＴからなる圧電体基板２と圧電体基板支持用のシリコン基板３とを備えている。圧電体基板２とシリコン基板３とは直接接合して一体化されており、シリコン基板３の中央部付近には厚み方向に沿った開口部４が形成されている。開口部４により圧電体基板２の振動領域２ａは露出している。

圧電体基板２の表裏面には、励起電極５ａ，５ｂが形成されている。励起電極５ａ，５ｂは、圧電体基板２の中央部（振動領域２ａ）において、圧電体基板２を挟んで対向に配置されている。圧電振動子１の上面（図中、圧電体基板２のある面）１ａの一端には、外部接続電極６ａが形成されている。励起電極５ａと外部接続電極６ａとは、上面１ａに設けられた引出電極７ａにより電気的に接続されている。

一方、圧電振動子１の下面（図中、シリコン基板３がある面）１ｂの全面には、外部接続電極６ｂが形成されている。励起電極５ｂと外部接続電極６ｂとは、開口部４の側面全面、圧電体基板２の裏面のうち励起電極５ｂを除く全面に設けられた引出電極７ｂにより電気的に接続されている。なお、本実施例の圧電振動子１は、共振周波数５４ＭＨｚの圧電振動子であり、サイズは、圧電体基板２が１．０ｍｍ角で厚み４０μｍであり、シリコン基板が１．０ｍｍ角で厚み３５０μｍ、励起電極５ａが０．３ｍｍ角、開口部４は、上面０．４ｍｍ角、下面０．７５ｍｍ角の四角柱となっている。また、励起電極５ａの形状、開口部４の上下面の形状は、円形でも構わない。

このように構成された圧電振動子１は、全周がシリコン基板３によって支持されているため、圧電体基板２の厚みを、１００μｍ以下といった従来では製造中や取り扱い中に物理的損傷が生じて製作することが困難な厚さまで薄板化しても、割れ・欠けなどの物理的損傷を生じることがほとんど起きない。

以下、本発明例の圧電振動子１の製造方法を図２、図３に示すフローチャート、及び図４〜図１０を参照しながら説明する。なお、図４〜図１０には各製造段階での圧電振動子１の断面構造が示されている。また、ここに示す製造方法は、ＬＴからなる所望する圧電体基板２の厚さより十分厚さが厚く、かつ、圧電体基板２が多数とれるウエハ状の圧電体原板８ａと、平面サイズが圧電体原板８ａと同サイズのシリコン原板９ａを用いて、これにより多数の振動子を同時に形成することを前提とした製造方法である。本実施例では、外形４″φ、厚み３００μｍの圧電体原板８ａ、外形４″φ、厚み３５０μｍのシリコン原板９ａを用いた。

まず、図２に示すステップＳ１で、圧電体基板２とシリコン基板３とを直接接合する。この手順について、図３に示すフローチャートを参照しながら説明する。シリコン原板９ａを洗浄した後、図４に示すようにシリコン原板９ａの上下面に熱酸化膜１０ａ、１０ｂを形成する（ステップＳ１１）。本実施例では、シリコン原板９ａの洗浄方法としてＲＣＡ洗浄を用いた。ＲＣＡ洗浄とは、アンモニア、過酸化水素水と塩酸、過酸化水素水、フッ酸などの薬液で洗浄する方法である。勿論、オゾン純水洗浄や電解イオン水洗浄（機能水洗浄）、その他の洗浄方法でも構わない。また、熱酸化膜の厚みは、１．３μｍである。

次に図５に示すように、圧電体原板８ａと直接接合するシリコン原板９ａの面の熱酸化膜１０ａを除去する（ステップＳ１２）。本実施例では、ＢＨＦ溶液（ＮＨ_４Ｆ、ＨＦ、Ｈ_２Ｏの混合溶液）を用いてエッチングし、熱酸化膜１０ａを除去した。勿論、その他の除去方法でも構わない。

次に，シリコン原板９ａと直接接合する圧電体原板８ａの面を鏡面研磨し（ステップＳ１３）、図６に示すように圧電体原板８ａの鏡面研磨した面と、シリコン原板９の熱酸化膜１０ａを除去した面とを重ね合わせて直接接合する（ステップＳ１４）。本実施例では、圧電体原板８ａの鏡面研磨に片面ポリッシュを用いた。勿論、その他の方法で鏡面研磨しても構わない。また、直接接合は、加熱装置を備える一組の電極板に重ね合わせた圧電体原板８ａとシリコン原板９ａを狭持させ、加熱装置を加熱昇温させ、圧電体原板８ａとシリコン原板９ａの温度が３００〜４００℃の所定の温度に達したとき、電極板に５００〜１０００Ｖの任意の電圧を印加させ、圧電体原板８ａとシリコン原板９ａとの間に大きな静電引力が発生して界面で化学結合させた。

このように圧電体原板８ａとシリコン原板９ａを直接接合することにより、強固な接合を得ることができる。また、接着剤で両基板を接合したときのような接着層の厚さばらつきが生じないので、圧電体原板８ａを高精度に薄板化することができる。従って、圧電体基板２の振動周波数を高周波化することができる。

次に、図２に示すフローチャートに戻って、図７に示すように、圧電体原板８ａを水平研磨し、所望する厚みを有する圧電体原板８ｂを形成する（ステップＳ２）。本実施例では、片面研磨機で圧電体原板８ａを水平研磨し４０μｍにした。この場合、圧電体原板８ａは、シリコン原板９ａと一体となっているので、圧電体原板８ｂを１００μｍ以下といった従来では製造中や取り扱い中に物理的損傷が生じて製作することが困難な厚さまで薄板化しても、割れ・欠けなどの物理的損傷を生じることがほとんど起きない。また、上記したように、圧電体原板８ａとシリコン原板９ａとの間には接着層が介在されていないので、厚さばらつきのない圧電体原板８ｂを容易に得ることができる。

次に、図８に示すように、シリコン基板９ａに水酸化カリウム水溶液などの有機溶剤を用いてウエットエッチング法によりくり抜きエッチングを行ない、複数個の開口部４を形成させ（ステップＳ３）、シリコン原板９ｂを形成させた後、熱酸化膜１０ｂを除去する。勿論、開口部４の形成は、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのドライエッチング法を用いても構わない。ＬＴ，ＬＮは、フッ酸と硝酸の混酸以外には不溶であるため、圧電体基板８ｂの形状を変化させることなくシリコン原板９ｂを容易に得ることができる。

次に図９に示すように、励起電極５ａ，５ｂと外部接続電極６ａ，６ｂと引出電極７ａ，７ｂを形成する（外部接続電極６ａ、引出電極７ａは図１（ａ）参照）（ステップＳ４）。本実施例では、フォトリソグラフィ技術を用いて、励起電極５ａ、外部接続電極６ａ、引出電極７ａ（これらを上部電極と呼ぶ）を形成している。また、励起電極５ｂ、外部接続電極６ｂ、引出電極７ｂからなる下部電極１１は、スパッタ法で形成している（下部電極１１は、蒸着法を用いて形成しても良い）。励起電極５ｂ、外部接続電極６ｂ、引出電極７ｂを下部電極１１のように一体化することにより、励起電極５ｂ、外部接続電極６ｂ、引出電極７ｂを一度に形成することができ、かつ、フォトリソグラフィ技術などでパターン形成が困難な凹部に電極を容易に得ることができる。この工程を終了することにより圧電振動子１の集合体１２が完成する。

最後に図１０に示すように、各圧電振動子１の周囲に沿って集合体１２を切断（ステップＳ５）することで、図１に示す圧電振動子１が完成する。

以上のような製造方法では、圧電体原板８ａとシリコン原板９ａとを直接接合することにより、接着剤塗布工程や開口部４を形成後の接着層除去工程を削減することができ、結果として製造方法を簡易化することができる、という特徴がある。

次に、圧電振動子１をパッケージに搭載した構成について説明する。図１１は、圧電振動子１をパッケージ１３に搭載した形態の断面図である。圧電振動子１は、導電性樹脂１５を用いてパッケージ１３に搭載され、蓋１４により気密封止されている。導電性ワイヤ１６は、ワイヤボンディングにより外部接続電極６ａと外部接続電極１７ａに接続されている。勿論、外部接続電極６ａと外部接続電極１７ａの接続は、導電性樹脂やその他の方法で接続しても構わない。これにより、励起電極５ａは、引出電極７ａ、外部接続電極６ａ、導電性ワイヤ１６、パッケージ１３内部に形成されている外部接続電極１７ａを介して外部と導通している（外部接続電極６ａ、引出電極７ａは図１（ａ）参照）。励起電極５ｂは、引出電極７ｂ、外部接続電極６ｂ、パッケージ内部に形成されている外部接続電極１７ｂを介して外部と導通している。

従来は、振動空間αをパッケージ側に設ける必要があったが、本実施例の圧電振動子１では、開口部４が振動空間αになりパッケージ側に振動空間αを設ける必要がなくなる。

また、図１２は、圧電振動子１を別のパッケージ１４に搭載した形態の断面図である。図１１で示した構成との相違点は、パッケージ２０の内部にコンデンサ２１ａ，２１ｂを内蔵している点である。図１１に示す圧電振動子１は、外部接続電極が２端子であるのに対して、図１２に示す圧電振動子１は３端子となる。外部接続電極２２ａ，２２ｂは、入出力となり、外部接続電極２２ｃはグランド（ＧＮＤ）となる。

図１２に示すパッケージ２０を使用することにより、移動体通信機器等の基板に搭載する際にコンデンサを搭載する必要がなくなるので、部品点数削減になる。

以上説明したように、本実施例の圧電振動子は、接着剤などの手段を使わずに容易かつ正確に圧電体基板を支持できるため、高精度に基板の厚みを薄くでき、高周波化が可能である。また、圧電体の厚みが１００μｍ以下であっても、薄い圧電体基板を単体で取り扱うことがなくなるので、基板の割れ・欠けなどの損傷を防ぐことができ良品率の向上につながる。また、加工や取り扱いが容易なので圧電体基板や支持用基板を切り出す原板を大口径化することができ、製造コストを削減させることができる。

上述した実施例は本発明の好適な実施例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

（ａ）は、圧電振動子の構成を示す斜視図であり、（ｂ）はその断面図である。 圧電振動子の製造手順を示すフローチャートである。 圧電体基板２とシリコン基板３との接続手順を示す図である。 製造段階での圧電振動子の構成を示す断面図である。 製造段階での圧電振動子の構成を示す断面図である。 製造段階での圧電振動子の構成を示す断面図である。 製造段階での圧電振動子の構成を示す断面図である。 製造段階での圧電振動子の構成を示す断面図である。 製造段階での圧電振動子の構成を示す断面図である。 製造段階での圧電振動子の構成を示す断面図である。 圧電振動子をパッケージに搭載した構成を示す図である。 圧電振動子をパッケージに搭載した構成を示す図である。

符号の説明

１ 圧電振動子
２ 圧電体基板
３ シリコン基板
４ 開口部
５ａ，５ｂ 励起電極
６ａ，６ｂ 外部接続電極
７ａ，７ｂ 引出電極
８ａ，８ｂ 圧電体原板
９ａ、９ｂ シリコン原板
１０ａ，１０ｂ 熱酸化膜
１１ 下部電極
１２ 集合体
１３ パッケージ
１４ 蓋
１５ 導電性樹脂
１６ 導電性ワイヤ
１７ａ、１７ｂ 外部接続電極
２０ パッケージ
２１ａ、２１ｂ コンデンサ
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ 外部接続電極

Claims (8)

1. 振動用の圧電体基板と、該圧電体基板を支持する支持用基板とを有し、前記圧電体基板と前記支持用基板とを直接接合したことを特徴とする圧電振動子。
2. 前記支持用基板を、前記圧電体基板の振動領域を除く領域に設けたことを特徴とする請求項１記載の圧電振動子。
3. 前記圧電体基板の振動領域の両面に、励起電極を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の圧電振動子。
4. 前記支持用基板の前記圧電体基板との接合面とは反対側の面と、前記圧電体基板の振動領域を取り囲む前記支持用基板の側面と、前記支持用基板に取り囲まれた前記圧電体基板の前記接合面側の振動領域とに連続する電極を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の圧電振動子。
5. 前記圧電振動子は、パッケージ内に搭載されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の圧電振動子。
6. 前記圧電体基板の材質が、タンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の圧電振動子。
7. 前記支持用基板の材質が、シリコンであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の圧電振動子。
8. 圧電体基板と、該圧電体基板を支持する支持用基板とを直接接合する工程と、
   前記支持用基板に接合された前記圧電体基板を薄膜化する工程と、
   前記支持用基板の一部を取り除き、振動領域を形成する工程と、
   前記圧電体基板の前記支持用基板との接合面とは反対側の、前記振動領域に上部電極を形成する工程と、
   前記圧電体基板の前記支持用基板との接合面側の前記振動領域全面と、前記支持用基板の前記圧電体基板との接合面とは反対側の面と、前記支持用基板の前記振動領域を取り囲む側面全面とに下部電極を形成する工程と、を有することを特徴とする圧電振動子の製造方法。
   

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