JP2006322740A - 圧電振動ジャイロ用音叉形振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】 バリ、ひび、チッピングが抑制された、信頼性の高い、小型の圧電振動ジャイロ用音叉型振動子を提供すること。
【解決手段】 圧電振動ジャイロ用音叉形振動子１の主面の表面または裏面にあるアーム３，４の先端部およびベース端部（ダイシングブレードで切断する部分）に溝加工を施す際に溝加工の切削幅をダイシングブレードの切削幅の１０５％以上で１１０％以下にし、溝加工の切削深さを圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の厚みの１％以上で５％以下にする条件で予めブラスト加工し、その後ダイシングして、圧電振動ジャイロ用音叉形振動子１のアーム３，４の先端部およびベース端部の形状が形成された圧電振動ジャイロ用音叉形振動子１。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電振動ジャイロに関し、特に自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御、カメラ一体型ＶＴＲの手振れ防止装置等に用いられるジャイロスコープに好適な圧電振動ジャイロ用音叉形振動子に関する。

振動ジャイロは、速度を持つ物体に角速度が与えられると、その物体自身に速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。

電気的な信号を印加することで機械的な振動（駆動モード）を励起させることができ、且つ、駆動振動と直交する方向の機械的な振動（検出モード）の大きさを電気的に検出可能とした系において、予め、駆動モードを励振した状態で、駆動モードの振動面と検出モードの振動面との交線と平行な軸を中心とした角速度を与えると、前述のコリオリ力の作用により、検出モードが発生し、出力電圧として検出される。検出された出力電圧は駆動モードの大きさ及び角速度に比例するため、駆動モードの大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから角速度の大きさを求めることができる。振動ジャイロの中でも、電気的信号と機械的振動の変換を圧電効果で行うものを圧電振動ジャイロと呼ぶ。

振動ジャイロの２種類の振動モードを図８に示す。一般的に、図８（ａ）のモードを音叉振動、図８（ｂ）のモードを面外振動とよんでいる。どちらのモードを検出モード、駆動モードに選択しても圧電振動ジャイロとして動作する。

振動子本体が圧電体からなる構造のものは生産性及び精度に優れるので、圧電振動ジャイロに用いる振動子として現在よく利用されている。また、更なる生産性向上や高精度化を目的として、様々な振動子の構造がこれまで提案されてきた。特に、小形化・低コスト化を目的とする振動子の構造はより簡素であった方が生産性上好ましい。このような観点から提案された構造は少なくない。

従来の圧電振動ジャイロに使用する音叉形振動子の１例を図７に示す。音叉形振動子１は、左右対称に平行に配置された２本のアーム３，４と基部２が圧電材料により一体的に形成される。電極構成を更に付け加えて説明する。検出電極５、駆動電極６、基準電極７をアーム３の主面に各々外側から順に形成し、検出電極８、駆動電極９、基準電極１０をアーム４の主面に各々外側から順に形成する。また、電極５を基部２まで引き回し、その先端にはランド１１ａを形成する。電極６，７，８，９，１０を基部２まで引き回し、ランド１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａを同様にその先端に形成する。なお、基準電極７，１０は同一のランド１３ａに接続し共通電極とする。

さまざまな構造の圧電振動ジャイロがこれまで研究開発されてきた。デバイスの小型化、低価格化が進み、精密な加工と生産性がよい圧電振動子の加工技術が近年求められている。電気−機械結合係数が大きい圧電単結晶であるニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ₃、タンタル酸リチウムＬｉＴａＯ₃を使用した圧電振動子の検討が数多くなされている。しかし、これらの圧電単結晶は、脆弱材料であるために加工が困難であるという問題点があった。

ダイシングブレードを使用した切断方法が、従来のダイシング加工として知られている。ダイシングブレードは、微細なダイアモンド砥粒２０−４０μｍのレジノイド砥粒またはメタルボンド砥粒が使用される。切断物をテープまたは切断物より大面積の水平な板に接着剤で貼り付けてからステージに固定し、スピンドルに取り付けられたダイシングブレードを高速回転させ、切断部分の温度上昇を防ぐ冷却水をかけながら切断加工を行う。

圧電振動子を個片に切断する工程を図５に示す。ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ₃ウエハ４１をダイシングテープ４２に固定し、ダイシング加工を行う。（（ａ）工程）ダイシングテープ４２は、薄いのでダイシングブレード４３を十分深く切り込むことが出来ない。（（ｂ）工程）切断部分の断面がダイシングブレード４３の形状に依存し、バリ４４，４５やチッピングが発生しやすい。（（ｃ）工程）また、ダイシングテープ４２も一緒に切断してしまうのでダイシングブレード４３が粘着剤により目詰まりし、ダイシングブレード４３の寿命が短くなるという問題点があった。

切断物を冷凍チャック１０６へ氷で固定し、切断する方法が特許文献１に開示されている。特許文献１の切断方法を示す概略図の断面図を図１０に示す。この切断方法は氷の層１０２を介して固定しているので、半導体ウエハ１０１の着脱が容易で歩留まりよく、コストの安い素子を作製できるという利点がある。

電極材料で切断部分に切断パターンを形成し、それを介して切断する方法が特許文献２に開示されている。図９（ａ）は表面弾性波（ＳＡＷ）基板の正面外観図を示し、図９（ｂ）は、その断面図を示す。この切断方法では、ダイシングブレードの幅よりやや広めに形成した切断パターン９２の中心線上にダイシングブレードを位置させ、その中心線に沿って切断パターン９２及びＳＡＷ基板９０をともに切断して、電極パターン９１を有する個片を得る。切断部位に生じる応力が切断パターン９２で緩和されることで、切断部分の破損、ひび割れを防止できる。また、切断時に生じる切屑も切断パターンにより遮られ、基板表面への飛散を防止できる。

特開平１０−４１９９号公報 特開平５−１５２８７９号公報

ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ₃、タンタル酸リチウムＬｉＴａＯ₃は、脆弱な材料であるために切断加工が困難であるという問題があった。ダイシングブレードの種類、切断条件を改善してもダイシングテープへの接着面に突発的に大きなチッピングが発生していた。圧電振動子をダイシングブレードで切断する場合には、圧電振動子のベース部分と足部分の先端にひび、チッピングが発生した。特に近年の微細化により圧電振動子の小型化が進み、バリ、ひび、チッピングの影響がより深刻になり、電極パターンの断線、バリ、ひび、チッピングの影響で落下試験、衝撃試験、振動試験などの信頼性試験の規格を満足しないという問題が頻発するようになった。

上述した特許文献１では、図１０に示したように冷凍チャック１０６で半導体ウエハ１０１を固定し、切断時に切断刃（ダイシングブレード）１０３を冷却する冷却水を使用する。この場合は、冷却水で固定している氷の層１０２が溶け出さないように十分に低温の冷却水を使用する必要があった。切断刃１０３と冷却水の温度差が大きくなると切断刃（ダイシングブレード）１０３のブレが大きくなりチッピングがより大きくなるという問題点があった。切断刃１０３と冷却水の温度差を一定にする機構が重要で、冷却水にエチレングリコールを用いるなどの工夫がなされているが、圧電振動子の切断では切断精度および信頼性の点で問題があった。

上述した特許文献２では、図９に示したように切断パターン９２上から切り出す。圧電振動子の微細化に伴い切り出すサイズが小さくなり、微細な切断パターン９２を形成するのが技術的に困難になり、切断パターン９２がすべて切削されずに一部残り、圧電振動子の性能が低下するという問題があった。

本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたもので、その技術課題は、バリ、ひび、チッピングが抑制された、信頼性の高い、小型の圧電振動ジャイロ用音叉形振動子を提供することである。

上記目的を達成するための第１の発明は、第１および第２の２本のアームと前記アームを接続したベースが一体的に形成され、前記第１および第２のアームに駆動または検出用の電極が前記第１および前記第２のアームに形成された圧電振動ジャイロ用音叉形振動子において、前記アームの先端部および前記ベース端部は、前記音叉形振動子作製用ウェハの主面の一方に、予めブラスト加工で溝加工を施した後、ダイシング加工で切断して形成された圧電振動ジャイロ用音叉形振動子である。

上記目的を達成するための第２の発明は、前記溝加工の切削幅は、ダイシングブレードの切削幅の１０５％以上、１１０％以下にし、前記溝加工の切削深さは、前記音叉形振動子の厚みの１％以上、５％以下にした圧電振動ジャイロ用音叉形振動子である。

本発明によれば、圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の主面の表面または裏面にあるアームの先端部およびベース端部（ダイシングブレードで切断する部分）に溝加工を施す際に溝加工の切削幅をダイシングブレードの切削幅の１０５％以上で１１０％以下にし、溝加工の切削深さを圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の厚みの１％以上で５％以下にする条件で予めブラスト加工し、その後ダイシングすることで、ダイシングテープを一緒に切断する可能性をなくすることができるので、ダイシングブレードが粘着剤により目詰まりし、ダイシングテープの接着面付近に突発的に大きなチッピングが発生するのを抑制できる。

その結果、バリ、ひび、チッピングが抑制された、信頼性の高い、小型の圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の提供を可能とする。

本発明を実施するための最良の形態に係る圧電振動ジャイロ用音叉形振動子を、以下に図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の斜視図である。図２は、本発明の圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の側面図である。図３は、本発明の圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の製造工程を説明する斜視図である。図４は、本発明の圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の製造工程を説明する断面図である。図６は、本発明の圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の切断する工程を説明する断面図である。図７は、従来の圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の１例を示す斜視図である。

本発明を実施するための最良の形態に係る圧電振動ジャイロ用音叉形振動子は、以下の製造工程で作製される。最初に、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ₃の３インチウエハ（以下、ＬＮウエハ）に電極パターンを形成する。スパッタリング、蒸着などの方法でＬＮウエハ全面にクロムＣｒを下地として金Ａｕ電極を形成し、フォトリソグラフィーの手法でマスキングし、金ＡｕとクロムＣｒのウエットエッチングを行い所定のパターンを得る。なお、電極の構成により電極パターンをＬＮウエハの両面に形成してもかまわない。チタンＴｉ、プラチナＰｔ、ニッケルＮｉ、アルミニウムＡｌ等やその他の導電材料を電極に使用できる。

次工程では、サンドブラスト加工で圧電振動子のアーム部の穴加工と切断部分の溝加工をおこなう。ドライフィルムレジストをＬＮウエハに貼り、フォトリソグラフィーの手法でブラスト加工マスクを形成する。サンドブラスト加工は、微細砥粒を吹き付けて被加工物を連続的に微少破壊する物理加工であって、化学的に物質を溶かすドライエッチング加工である。サンドブラスト加工時にも大きなチッピングがＬＮウエハの裏面に生じやすい。そのような理由から圧電振動子のサンドブラスト加工は、ＬＮウエハの両面から行う。サンドブラスト用のパターンは、ここでは表面と裏面とで２種類用意する。ここでは、ダイシングを行うときに見える面を表面、ダイシングテープ４２に接着する面を裏面と呼ぶ。

図３に示したＡ−Ａ’断面を例に図４でサンドブラスト加工工程を説明する。まず、両面にブラスト加工マスク４７ａ，４７ｂを形成する。（（ａ）工程）圧電振動子の表面加工を行う。（（ｂ）工程）なお、切断部分の溝加工４６のパターンは、裏面のブラスト加工マスク４７ｂに含まれる。圧電振動子の裏面の加工を行う。（（ｃ）工程）ブラスト加工マスク４７ａ，４７ｂを剥離する。（（ｄ）工程）（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）工程終了後に図３に示した穴加工４８と溝加工４６が行われたウエハができる。

穴加工４８の部分は両面からブラスト加工を行い、圧電振動子の約半分の深さに達する溝を形成する。溝加工４６の部分は片面からのみブラスト加工をおこなう。マスクパターンを表面と裏面で異なるものにするだけで、新たな工程を増やすことなく、溝加工４６できる。切断部分に切断幅より細いランドパターンを予め電極形成の際に形成し、このランドパターン上をブラスト加工の際に溝加工する。その結果、溝の深さを調整することで、電極のない部分より切削量を削減できる。なお、穴加工とは別の溝加工用のマスクを作製して、両面から貫通しない程度にブラスト加工を行っても差し支えない。

図６により圧電振動子を個片へ切断する工程を説明する。ＬＮウエハの溝加工４６が行われた面をダイシングテープ４２に接着固定する。（（ａ）工程）ダイシングマシンで切断加工を行う。ダイシングテープ４２は、薄いのでダイシングブレード４３を十分深く切り込むことが出来ない。（（ｂ）工程）図５の従来例における切断部分の断面は、ダイシングブレード４３の形状に依存し、バリやチッピングが発生するのに対し、本発明の切断後の断面は、バリやチッピングが発生しやすい箇所にあらかじめ溝を形成しているので、バリやチッピングの発生を抑制できる。（（ｃ）工程）また、ダイシングテープ４２を切断しないので、ダイシングテープ４２も一緒に切断し、ダイシングブレード４３が粘着剤により目詰まりし、ダイシングテープの接着面付近に突発的に大きなチッピングが発生するという問題を解消できる。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）工程を経て個片に切り出した本発明の圧電振動ジャイロ用音叉形振動子が図１、図２に示されている。上述した溝加工により、アーム部３、４とベース部２に角度がついた圧電振動ジャイロ用音叉形振動子が得られる。

本発明の最良の形態に係る圧電振動ジャイロ用音叉形振動子は、予めブラスト加工でこの音叉形振動子の主面の表面または裏面にあるアームの先端部およびベース端部（ダイシングブレードで切断する部分）に溝加工を施す際に溝加工の切削幅をダイシングブレードの切削幅の１０５％以上で１１０％以下にし、溝加工の切削深さをこの音叉形振動子の厚みの１％以上で５％以下にし、その後ダイシングした圧電振動ジャイロ用音叉形振動子である。

なお、溝加工の切削幅が、ダイシングブレードの切削幅の１０５％より狭い場合は、バリやチッピングが発生しやすい箇所に十分な溝を形成できないので、ダイシングテープの接着面付近に突発的に大きなチッピングが発生した（但し、従来例より、チッピングのサイズは小さくなった）。また、ダイシングブレードの切削幅の１００％より狭い場合は、溝加工の効果がなくなるのでチッピングの程度は従来例と同等であった。また、ダイシングブレードの切削幅の１１０％より広い場合には、電極をつける面積が減少し、必要な圧電特性を確保できなくなった。

なお、溝加工の切削深さが、圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の厚みの１％より浅い場合は、十分な溝が形成できないためにダイシングテープも一緒に切断してしまい、ダイシングテープの接着面付近に突発的に大きなチッピングが発生した。（但し、従来例より、チッピングのサイズは小さくなった。）また、圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の厚みの５％より広い場合は、溝加工の影響が大きくなり、切削量が増え、ウェハの取り扱いが難しくなった。

以上に示したように、本発明の圧電振動ジャイロ用音叉形振動子は、予めブラスト加工で圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の主面の表面または裏面にある、アームの先端部およびベース端部（ダイシングブレードで切断する部分）に溝加工を施す際に溝加工の切削幅をダイシングブレードの切削幅の１０５％以上で１１０％以下にし、溝加工の切削深さを圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の厚みの１％以上で５％以下の条件で予めブラスト加工し、その後ダイシングすることで、バリ、ひび、チッピングが抑制された、信頼性の高い、小型の圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の提供を可能とする。

本発明の圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の斜視図。 本発明の圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の側面図。 本発明の圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の製造工程を説明する断面図。 本発明の圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の製造工程を説明する斜視図。図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図４（ｄ）は、各工程の断面図。 従来の圧電振動子を切断する工程を説明する断面図。図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）は、各工程の断面図。 本発明の圧電振動ジャイロ用音叉形振動子の切断する工程を説明する断面図。図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）は、各工程の断面図。 従来の圧電振動ジャイロに使用する音叉形振動子の１例を示す斜視図。 振動ジャイロの２種類の振動モードを説明する斜視図。図８（ａ）は音叉振動を表す音叉形振動子の斜視図。図８（ｂ）は面外振動を表す音叉形振動子の斜視図。 特許文献２に開示された切断加工を説明する断面図。図９（ａ）は表面弾性波（ＳＡＷ）基板の正面概観図。図９（ｂ）は表面弾性波（ＳＡＷ）基板の断面図。 特許文献１の切断加工を説明する正面外観の断面図。

符号の説明

１ 圧電振動ジャイロ用音叉形振動子
２ 基部
３，４ アーム
５，８ 検出電極
６，９ 駆動電極
７，１０ 基準電極
１１ａ，１２ａ，１３ａ，１４ａ，１５ａ ランド
４１ ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ₃ウエハ
４２ ダイシングテープ
４３ ダイシングブレード
４４，４５ バリ
４６ 溝加工
４７ａ 表面のブラスト加工マスク
４７ｂ 裏面のブラスト加工マスク
４８ 穴加工
９０ ＳＡＷ基板
９１ 電極パターン
９２ 切断パターン
１０１ 半導体ウエハー
１０２ 氷の層
１０３ 切断刃
１０４ 金属板
１０５ 熱伝変換素子
１０６ 冷凍チャック
１０８ 冷却プレート
１１０ 装置のステージ

Claims (2)

1. 第１および第２の２本のアームと前記アームを接続したベースが一体的に形成され、前記第１および第２のアームに駆動または検出用の電極が前記第１および前記第２のアームに形成された圧電振動ジャイロ用音叉形振動子において、前記アームの先端部および前記ベース端部は、前記音叉形振動子作製用ウェハの主面の一方に、予めブラスト加工で溝加工を施した後、ダイシング加工で切断して形成されたことを特徴とする圧電振動ジャイロ用音叉形振動子。
2. 前記溝加工の切削幅は、ダイシングブレードの切削幅の１０５％以上で１１０％以下にし、前記溝加工の切削深さは、前記音叉形振動子の厚みの１％以上で５％以下にしたことを特徴とする圧電振動ジャイロ用音叉形振動子。

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