JP2007189491A - 圧電基板の製造方法、圧電基板、圧電振動子、及び圧電発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型のメサ型圧電基板を多量に生産する手段を得る。
【解決手段】水晶基板１の両主面にマスク２ａ、２ｂを装着し、エピタキシャル成長を行うための装置の中に載置すると共に、マスク２ａ、２ｂの上下にノズル３を配設する。そして、ノズル３から水晶薄膜の原料ガスを吐出させる。水晶基板１は高温に保持され、原料ガスも高温にし、それぞれ所定の流量で供給することにより、ノズル３より吐出した原料ガスは、開口部４内に露出する水晶基板１上にエピタキシャル成長し、水晶基板１の両主面のほぼ中央部に水晶膜が凸状に形成できる。また、水晶基板１上に凸状に形成される水晶膜（エピタキシャル成長膜）は、水晶基板１の厚さに対して十分薄いため、より周波数精度の良いメサ型基板が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、気相成長法を用いて圧電基板上に圧電膜を形成したメサ型の圧電基板と、そ
の製造方法、及びその圧電基板を用いた圧電振動子と圧電発振器に関するものである。

水晶振動子は、小型、経年変化が小さい、高精度、高安定な周波数が容易に得られる等
の利点を有するため、産業用機器、民生用機器の基準周波数源として広く用いられている
。近年、機器が小型化、軽量化されると共に水晶振動子の小型化への要求が強くなり、ま
た電子部品の組み立て自動化に適した表面実装型水晶振動子の需要が大きい。
水晶は物理的、化学的に安定な物質であるが、天然水晶は品質的、量的に問題があるた
め、現在では品質の安定性、供給量の安定確保という点で優れた人工水晶を用いて水晶振
動子を製造している。中でも周波数−温度特性が３次曲線を呈するＡＴカット水晶振動子
は、携帯電話等の通信機器に多量に用いられている。周知のように、ＡＴカット水晶振動
子は、水晶の結晶軸Ｙに垂直な水晶板（Ｙ板）を結晶軸Ｘの周りに約３５度１５分回転し
て得られる水晶板（ＡＴカット水晶板）の両主面に、真空蒸着、あるいはスパッタ装置等
を用いて金属膜を付着し、パッケージに気密封止して構成される。ＡＴカット水晶振動子
の振動モードは厚みすべり振動であり、その共振周波数ｆは厚さｔの逆数に比例し、比例
常数ｋは水晶の密度ρと切断角度に依存する弾性定数ｃ’とから決まり、約１．６５ＭＨ
ｚ・ｍｍである。

図６は従来のＡＴカット水晶振動子の構成を示す図であって、同図（ａ）は平面図、同
図（ｂ）はＰ−Ｐにおける断面図、同図（ｃ）はＱ−Ｑにおける断面図、同図（ｄ）、（
ｅ）はそれぞれＸ軸方向（長手方向）、Ｚ’軸方向（短手方向）から見た厚みすべり振動
の変位分布を示す図である。図６の左側に座標軸を示すように、矩形状ＡＴカット水晶板
１１は長手方向（長さＬ）をＸ軸方向、短手方向（幅Ｗ）をＺ’軸方向とするのが一般的
である。このＡＴカット水晶板１１の表裏面に真空蒸着、あるいはスパッタ装置の中でマ
スクを介して電極１２ａ、１２ｂを形成して水晶振動素子を構成し、この水晶振動素子を
図示しないパッケージの内底部に収容し、パッケージ側の端子電極（図示しない）と、各
電極１２ａ、１２ｂからＡＴカット水晶板１１の端縁に伸びるリード電極とを導電性接着
剤１３ａ、１３ｂを用いて導通固定して水晶振動子を構成する。

上記のように構成された水晶振動素子の電気的等価回路は、一般的にインダクタンスＬ
１、容量Ｃ１、抵抗Ｒ１の直列回路に、静電容量Ｃ０を並列接続した回路で表される。こ
こで、インダクタンスＬ１、容量Ｃ１、静電容量Ｃ０は水晶板の厚さと電極の面積に依存
し、抵抗Ｒ１は振動エネルギーの損失を表している。

図６（ｄ）、（ｅ）に厚みすべりモードの振動変位分布を示すように、ＡＴカット水晶
板１１の辺比（水晶板の長さＬあるいは幅Ｗと厚さｔとの比、Ｌ／ｔあるいはＷ／ｔ）が
小さくなると、電極１２ａ、１２ｂとＡＴカット水晶板１１の端部との間隔が狭まり、エ
ネルギー閉じ込め理論を用いて設計しても振動エネルギーは電極下に閉じ込めきれずに支
持部に漏洩して、直列共振抵抗Ｒ１が大きくなる。また、辺比を最適値に選んでもＡＴカ
ット水晶板１１の端部で主振動の振動エネルギーの一部が輪郭モードに変換して、水晶振
動素子の直列共振抵抗Ｒ１を劣化させると共に、共振周波数近傍に不要モードが励起され
る。

直列共振抵抗を改善する手段として、ＡＴカット水晶板１１の端部にベベル加工を施す
ベベル型基板や、図７に示すようにＡＴカット水晶基板の中央部を凸状にした所謂メサ型
基板がある。
図７（ａ）は従来のメサ型水晶基板の平面図、同図（ｂ）は（ａ）に示すＰ−Ｐにおけ
る断面図である。この図７（ａ）（ｂ）に示すメサ型基板はＡＴカット水晶板１４の両面
中央部に凸状部１５が形成された水晶板である。このメサ型基板を用いて厚みすべり振動
の振動エネルギーを水晶板の中央部に閉じ込めることにより、支持部の影響や、端部での
他のモードへの変換を極力低減し、水晶振動素子の抵抗Ｒ１を改良し、不要モードを抑圧
した水晶振動素子が得られるとされている。しかし、凸状部１５の側壁面１６を水晶板１
４の平板部と直角に形成することは困難である。例えば、フォトリソ技術とエッチング手
法を用いて凸状部を形成すると、特許文献１に開示されているように、側壁面１６の方向
と、＋Ｘ軸の方向とのなす角αにより、図７（ｃ）、（ｄ）に示すような側壁面１６とな
り、ＡＴカット水晶基板上に垂直の側壁面を有する小型で高周波のメサ型基板を形成する
ことは至難であった。

近年、携帯電話機等の小型化、高機能化に伴い、水晶振動子の小型化、薄型化が強く求
められている。例えば、水晶振動子の外形寸法が３．２ｍｍ×２．５ｍｍ×１．０ｍｍか
ら、更に小型化した２．５ｍｍ×２．０ｍｍ×０．７ｍｍが求められている。このような
要求に対し、水熱合成法で育成した人工水晶を所定の方位に切断し、所定の厚さに研磨し
て水晶板を得る従来の方法と異なり、サファイヤ、シリコン、ＧａＡｓ等の基板上に水晶
膜をエピタキシャル成長させる気相成長法が特許文献２に開示されている。図８は特許文
献２に開示されたエピタキシャル成長を行うための装置の概略図であり、この装置を用い
て成長させた水晶膜について、Ｘ線回折、走査型電子顕微鏡及び赤外線分光装置を用いて
評価したところ結晶性の優れた水晶薄膜であると開示されている。

特許文献３には、シリコン（Ｓｉ）基板上に図８に示した装置を用いて水晶膜をエピタ
キシャル成長させた後、水晶膜を残して基板を凹陥状にエッチング加工すると共に、前記
水晶膜をくり抜き加工して振動部を形成し、該振動部の両面に電極を付着して水晶振動子
を構成する方法が開示されている。また、特許文献４には、図９に示すように水晶膜のエ
ピタキシャル成長を行うための装置内の基板台２０上に基板２１を配置し、この基板２１
上にマスク２２を載置する。そしてマスク２２を介して水晶膜をエピタキシャル成長させ
て、マスク２２の開口部の大きさに相当する形状の水晶薄膜を得る方法が開示されている
。また、特許文献５には、図１０に示すように、サファイヤ基台３０上にＳｉＯ₂膜を処
理したマスク３１を載置する。そして、マスク３１の上部に設けたノズル３２から気相状
態の圧電材料を吐出して水晶膜を形成する方法が開示されている。このときマスク３１の
内径よりノズル３２の内径を小さくすることにより、形成された薄膜結晶がベベリング加
工を施した形状（半楕円体）と同様になると開示されている。
特開２００３−６０４８０公報 特開２００２−８０２９６公報 特許第３７０３７７３号 特開２００５−２１３０８０公報 特開２００５−２９５２２９公報

しかしながら、特許文献３の構成では、基板をエッチング手法により凹陥状に加工する
と共に、水晶膜をエッチング手法でくり抜いて形成した振動部両面に電極膜を付着して水
晶振動子を構成するので、工程の工数が増大し、高コストになるという問題があった。ま
た、特許文献４の構成では、水晶薄膜の切断は必要ないものの、水晶薄膜の取り扱いが難
しいという問題があった。また、特許文献５の構成では、ベベリング加工を施した形状（
半楕円体）の水晶薄膜が得られるものの、水晶薄膜の取り扱いが難しいという問題があっ
た。
本発明は上記したような点を鑑みてなされたものであり、高精度のメサ型の圧電基板と
、その圧電基板を低コストで製造する製造方法、及びその圧電基板を用いた圧電振動子と
圧電発振器を提供することを目的とする。

本発明に係る圧電基板の製造方法は、圧電基板の両主面に複数の開口部を有するマスク
を密着させ、前記開口部内に露出した前記圧電基板面に、大気圧下で圧電膜をエピタキシ
ャル成長させる圧電基板の製造方法であって、前記マスクの複数の開口部内に形成される
前記圧電膜が前記圧電基板の両主面に複数の凸状突起部を形成し、該凸状突起部の周囲に
沿って圧電基板を切断してメサ型圧電基板個片を得る製造方法である。この製造方法を用
いて水晶基板を製造することにより、多数のメサ型圧電基板が精度よく、低コストで製造
することができる。

本発明に係るメサ型圧電基板は、圧電基板の両主面のほぼ中央部に凸状突起部を備え、
該凸状突起部がエピタキシャル成長法により形成した圧電膜である。このように圧電基板
を構成することにより、メサ型部の外形とその厚さとを微細に制御できるので、ほぼ設計
通りの圧電基板を得ることができる。

上記のようにして得た圧電基板の両面に電極を付着した圧電振動素子と、表面実装用の
パッケージと、該パッケージの開口を封止する蓋と、を備え、前記圧電振動素子を前記パ
ッケージ内に収容し、前記蓋により前記パッケージを気密封止して圧電振動を構成する。
このように構成した圧電振動子は、直列共振抵抗Ｒ１が小さく、且つ共振周波数近傍に不
要モードの少ない圧電振動子が得られるという利点がある。

上記のように構成した本発明の圧電振動子と、発振回路とで圧電発振器を構成すること
により、小型、且つ高周波で周波数ジャンプ現象の少ない圧電発振器を得ることができる
。

前記圧電基板をＡＴカット水晶基板であることと、その製造法、及び前記圧電基板をＡ
Ｔカット水晶基板として水晶振動子を構成する。このように構成した水晶振動子は、温度
特性、周波数エージングの良好な特性となる。

前記水晶振動子と、発振回路と、を備えた水晶発振器を構成する。このように構成した
水晶発振器は、温度特性、周波数エージングの良好な水晶発振器となる。

前記圧電基板がＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）基板であることと、その製造法で
ある。また、前記圧電基板をＰＺＴとして圧電振動子を構成する。このように構成したＰ
ＺＴ振動子は、電気機械結合係数が大きいため、共振子−反共振子周波数の間隔が広いＰ
ＺＴ振動子を得ることができる。

ＰＺＴ振動子と、発振回路と、を備えた圧電発振器を構成する。このように構成したＰ
ＺＴ発振器は、ＰＺＴ振動子の共振子−反共振子周波数の間隔が広いため、周波数可変範
囲の広いＰＺＴ発振器を得ることができる。

本発明に係る水晶基板とその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は図８に示したエピタキシャル成長を行うための装置内に配置した水晶基板とマス
クを拡大して示した概略図である。
この図１に示すように、本実施形態ではＡＴカット水晶基板（以下、水晶基板と称す）
１の両主面にマスク２ａ、２ｂを装着し、このマスク２ａ、２ｂを装着した水晶基板１を
、エピタキシャル成長を行うための装置の中に載置すると共に、マスク２ａ、２ｂの上下
にノズル３を配設する。そして、このノズル３から水晶薄膜の原料ガスを吐出させる。水
晶基板１は高温（５５０度以上）に保持され、原料ガス（（テトラエトキシシラン＋Ｎ₂
）、（Ｏ₂＋Ｎ₂）、（ＨＣｌ＋Ｎ₂）、Ｎ₂）も高温にし、それぞれ所定の流量で供給する
。

図２は水晶基板１にマスク２ａ、２ｂを装着した斜視図である。
この図２に示すように、水晶基板１は所定の厚さに研磨し、ポリッシュあるいはエッチ
ング等を施した大型基板を用い、マスク２ａ、２ｂはマトリクス状に複数の開口部４を有
するものを用いる。なお、マスク２ａ、２ｂの材質は高温に耐えるものを用いる。ノズル
３より吐出した原料ガスは開口部４内に露出する水晶基板１上にエピタキシャル成長し、
水晶膜を形成する。図３（ａ）は水晶基板１とその上にマトリクス状に析出し、凸状に結
晶した水晶膜（凸状突起部）５である。水晶基板１を破線６に沿って切断することにより
、図３（ｂ）に断面図を示すメサ型水晶基板の個片が得られる。
このような本実施形態の水晶基板の製造方法によれば、水晶基板１を通常のラッピング
、ポリッシング、あるいはエッチングで仕上げるため、水晶基板１の周波数精度を高める
ことができる。また水晶基板１上に凸状に形成されるエピタキシャル成長膜（水晶膜）５
は水晶基板１の厚さに対して十分に薄いため、より周波数精度の良いメサ型基板が得られ
る。また、水晶膜５はマスク２ａ、２ｂの開口部に沿って形成されるため、その寸法精度
も良く、且つ水晶膜５の側壁面はエピタキシャル成長であるため、水晶基板１の平面部と
直角な側壁面を形成することができる。

水晶基板１の厚さ、その上に形成する水晶膜５の大きさと厚さは、要求仕様に基づいて
設計により決めればよい。
図４は本実施形態のメサ型の水晶基板１を用いて構成した水晶振動子の断面図である。
この図４に示す水晶振動子は、上記の方法によって得られたメサ型水晶基板に電極を付
着して水晶振動素子Ｘ１を形成し、この水晶振動素子Ｘ１をセラミックパッケージ７の内
底部に収容して、セラミックパッケージ７の内部電極７ａに導電性接着剤８を用いて導通
固定する。さらに、セラミックパッケージ７の上部周縁部に形成したメタライズ部７ｂと
金属蓋９とを抵抗溶接機、Ａｕ−Ｓｎ封止機、半田封止機、ガラス封止機、等の封止機に
て気密封止して小型水晶振動子Ｙ１を構成したものである。このよう構成すると、小型で
あると共に、直列共振抵抗Ｒ１が小さく、且つ不要モードが抑圧された水晶振動子が得ら
れる。

図５は本発明の水晶振動子Ｙ１を用いたコルピッツ型水晶発振器の回路構成を示す図で
ある。周知のように、コルピッツ型発振回路はトランジスタＴｒのコレクタ−ベース間に
誘導性素子を、ベース−エミッタ間及びコレクターエミッタ間にそれぞれ容量性素子を接
続して構成する発振回路である。トランジスタＴｒのコレクタ−ベース間の誘導性素子と
して、ベース−接地間に水晶振動子Ｙ１を用いる。エミッタ−接地間に抵抗Ｒ１を接続し
、ベース−接地間に容量Ｃ１とＣ２との直列接続回路を接続すると共に、容量Ｃ１、Ｃ２
の接続中点とエミッタとを接続して、コルピッツ型発振回路を構成する。電源Ｖｃ−接地
間はバイパスコンデンサによって高周波的には短絡されているため、等価回路的にコレク
タ−ベース間に誘導性素子として利用する水晶振動子Ｙ１が挿入されたことになる。また
、容量Ｃ１とＣ２との中点がエミッタに接続されているため、トランジスタＴｒのベース
−エミッタ間には容量Ｃ１が、コレクタ−エミッタ間には容量Ｃ２が挿入されることにな
り、いずれも容量性として作用することになる。抵抗Ｒ２、Ｒ３はブリーダ抵抗でベース
バイアス電圧を設定する。

本願発明はＡＴカット水晶基板を例に説明したが、本願発明はこれに限らず、例えば、
ＬｉＴａＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃、ＬＢＯ（Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇）、ランガサイト（Ｌａ₃Ｇａ₅ＳｉＯ_1
4）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）基板等の圧電基板に広く適用できることは言
うまでもない。

装置内に配置した水晶基板とマスクの拡大概略図。 水晶基板とマスクの斜視図。 （ａ）は水晶基板上に形成された水晶膜の一例を示した図、（ｂ）は個片の台形状メサ型水晶基板の一例を示した図。 本発明の水晶基板を用いて形成した水晶振動子の断面図。 本発明の水晶振動子を用いて構成した水晶発振器の一例を示した図。 （ａ）〜（ｅ）は従来の水晶振動子の概略図。 （ａ）〜（ｄ）は従来のメサ型水晶基板の断面図。 エピタキシャル成長を行うための装置の一例を示した図。 水晶薄膜の製造方法を示した図。 半楕円状の水晶薄膜の形成方法を示した図。

符号の説明

１ ＡＴカット水晶基板、２ａ、２ｂ マスク、３ ノズル、４ 開口部、５ 水晶膜（
凸状部）、６ 切断線、７ セラミックパッケージ、７ａ 端子電極、７ｂ メタライズ
部、８ 導電性接着剤、９ 金属蓋、Ｘ１ 水晶振動素子、Ｙ１ 水晶振動子、Ｒ１、Ｒ
２、Ｒ３、Ｒ４ 抵抗、Ｃ₀、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４、ＣＬ 容量、Ｔｒ トランジスタ、Ｖ
ｃ 電源、Ｖ_O 出力

Claims (12)

1. 圧電基板の両主面に複数の開口部を有するマスクを密着させ、前記開口部内に露出した
   前記圧電基板面に、大気圧下で圧電膜をエピタキシャル成長させる圧電基板の製造方法で
   あって、
   前記マスクの複数の開口部内に形成される前記圧電膜が前記圧電基板の両主面に複数の
   凸状突起部を形成し、該凸状突起部の周囲に沿って圧電基板を切断してメサ型圧電基板個
   片を得ることを特徴とする圧電基板の製造方法。
2. 圧電基板の両主面のほぼ中央部に凸状突起部を備え、該凸状突起部がエピタキシャル成
   長法により形成した圧電膜であることを特徴とする圧電基板。
3. 請求項２に記載の圧電基板の両面に電極を付着した圧電振動素子と、表面実装用のパッ
   ケージと、該パッケージの開口を封止する蓋と、を備え、前記圧電振動素子を前記パッケ
   ージ内に収容し、前記蓋により前記パッケージを気密封止して構成したことを特徴とする
   圧電振動子。
4. 請求項３に記載の圧電振動子と、発振回路と、を備えたことを特徴とする圧電発振器。
5. 前記圧電基板がＡＴカット水晶基板であることを特徴とする請求項１記載の圧電基板の
   製造方法。
6. 前記圧電基板がＡＴカット水晶基板であることを特徴とする請求項２記載の圧電基板。
7. 前記圧電基板がＡＴカット水晶基板であることを特徴とする請求項３記載の圧電振動子
   。
8. 請求項７に記載の圧電振動子と、発振回路と、を備えたことを特徴とする圧電発振器。
9. 前記圧電基板がＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）基板であることを特徴とする請求
   項１記載の圧電基板の製造方法。
10. 前記圧電基板がＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）基板であることを特徴とする請求
    項２記載の圧電基板。
11. 前記圧電基板がＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）基板であることを特徴とする請求
    項３記載の圧電振動子。
12. 請求項１１に記載の圧電振動子と、発振回路と、を備えたことを特徴とする圧電発振器
    。

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