JP2007281598A - 圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電振動片を形状よく分離することができ、マウント精度を向上させてその分製品品質を良くすることができるとともに、製造コストを削減することができる圧電デバイスの製造方法を提供すること。
【解決手段】圧電デバイスの製造方法である。この圧電デバイスの製造方法は、例えば、枠部２と素子片４０−１とを接続する接続部４にフェムト秒レーザを照射して、接続部４に脆弱層を作る工程と、枠部２と素子片４０−１とを接続部４で分割する工程と、を有している。
【選択図】図４

Description

本発明は、圧電デバイスの製造方法に関する。

圧電デバイスなどで用いられる素子片は、水晶などのウエハをエッチングなどして素子片とウエハの枠部とが接続部で接続された形状とし、この接続部を分割することによりウエハの枠部から取り外される。ここで、分割後の接続部にはチッピングが生じ、接続部における分割面の形状は素子片ごとにばらつく。そこで、従来、接続部における分割面の形状が素子片ごとにばらつくことを防止するために、接続部を分割する前に、接続部の形状をエッチングにより分割しやすい形状に加工する方法が提案された（特許文献１参照）。
特開２００５−１３００７０号公報

しかしながら、接続部をエッチングにより加工すると、このエッチングの条件が接続部ごと（素子片ごと）にばらつき、各接続部のエッチング加工面における結晶異方性にもばらつきが生じる。このため、上記従来の方法では、この結晶異方性のばらつきに起因して、各素子片の接続部における分割面の形状もばらついてしまい、異形な部分が形成されることに起因して、圧電振動片を接合（マウント）する際に、当たりを生じるなどの障害となり、位置決めミスなどを生じてしまうという問題があった。
また、特許文献１における従来の方法では、接続部をエッチングにより複雑な形状に加工する必要があるため、エッチングで加工するウエハ上の面積が増え、１つのウエハから得られる素子片の数が少なくなり、コスト高になるという問題があった。
そこで、本発明は、圧電振動片を形状よく分離することができ、マウント精度を向上させてその分製品品質を良くすることができるとともに、製造コストを削減することができる圧電デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的は、第１の発明によれば、圧電基板のウエハをエッチングして、該ウエハの枠部に対して接続した細いフレーム状の接続部を残すことにより、素子片の外形を形成する外形形成工程と、各素子片に駆動用の電極を形成する電極形成工程と、前記接続部にレーザ光を照射して、脆弱層を形成する加工工程と、前記脆弱層の箇所で前記接続部を切断してウエハから駆動電極が形成された前記素子片である圧電振動片を分離して、パッケージもしくはケース内に実装するマウント工程と、該パッケージもしくはケースを気密に封止する封止工程とを含んでいる圧電デバイスの製造方法により、達成される。

第１の発明の構成によれば、前記加工工程において、ウエハの枠部と素子片とを接続する接続部に破壊強度の低い脆弱層が形成される。このため、前記構成によれば、接続部をエッチングにより分割しやすい形状に加工しなくても、脆弱層で接続部を容易に分割できるようになり、接続部における分割面の形状が素子片ごとにばらつくことを防止できる。したがって、前記構成によれば、接続部を加工するためのエッチングが不要となるため、エッチングによって素子片ごとに接続部の結晶異方性にばらつきが生じて、この結晶異方性により接続部における分割面の形状が素子片ごとに不規則になることが防止される。
これにより、前記マウント工程において、精度良く実装することができ、製品品質が向上する。
また、前記構成によれば、接続部をエッチングにより複雑な形状に加工する必要がなくなるため、エッチングで加工するウエハ上の面積が減り、１つのウエハから得られる素子片の数を増やすことができる。

第２の発明は、第１の発明の構成において、前記加工工程が前記ウエハの前記枠部と前記素子片とを接続する前記接続部にフェムト秒レーザを照射して、外接続部に脆弱層を作ることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、加工工程において、フェムト秒レーザを用いることによって、前記接続部の結晶構造を変化させることができる。つまり、脆弱な状態に破壊もしくは改質される。しかも、当該変化させる領域の周囲の領域への熱的影響を極力低減できる。

第３の発明は、第２の発明の構成において、前記接続部の厚みが５６μｍである場合に、前記フェムト秒レーザのレーザパワーを４００〜１０００ｍＷとすることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、接続部を分割した際に生じるチッピング幅を小さくすることができる。

第４の発明は、第２の発明の構成において、前記接続部の厚みが３３μｍである場合に、前記フェムト秒レーザのレーザパワーを１８０〜４００ｍＷとすることを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、接続部を分割した際に生じるチッピング幅を小さくすることができる。

第５の発明は、第２の発明の構成において、前記接続部の厚みが２４μｍである場合に、前記フェムト秒レーザのレーザパワーを１５０〜２５０ｍＷとすることを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、接続部を分割した際に生じるチッピング幅を小さくすることができる。

第６の発明は、第２の発明の構成において、前記接続部の厚みが１７μｍである場合に、前記フェムト秒レーザのレーザパワーを６０〜１５０ｍＷとすることを特徴とする。
第６の発明の構成によれば、接続部を分割した際に生じるチッピング幅を小さくすることができる。

図１および図２は、本発明の圧電デバイスの実施形態を示しており、図１は圧電デバイスの概略平面図、図２は図１の圧電デバイスに収容された圧電振動片の概略断面図である。
図１において、圧電デバイス３０は、圧電振動子を構成した例を示しており、圧電デバイス３０のパッケージ３１内に圧電振動片４０を収容している。
パッケージ３１は、セラミックが適しており、特に、好ましい材料としては圧電振動片４０や、後述する蓋体の熱膨張係数と一致もしくは、きわめて近い熱膨張係数を備えたものが選択され、この実施形態では、例えば、セラミックのグリーンシートが利用されている。グリーンシートは、例えば、所定の溶液中にセラミックパウダを分散させ、バインダを添加して生成される混練物をシート状の長いテープ形状に成形し、これを所定の長さにカットして得られるものである。

すなわち、パッケージ３１は、図２の形状に成形したグリーンシートを積層し、焼結して形成することができる。この場合、パッケージ３１の底部を構成する基板には、電極部３３が形成されている。
上記基板に重ねられるグリーンシートは、内側の材料が除去された枠状のものであり、これを上記基板に重ねることで、パッケージ３１は内部空間Ｓを有する箱状の収容体とされている。この内部空間Ｓを利用して、圧電振動片４０を収容するようにしている。このパッケージ３１には、セラミックやガラスあるいはコバールなどの金属で形成された蓋体３５が低融点ガラスやニッケルなどを介して接合されている。これにより、パッケージ３１は気密に封止されている。

パッケージ３１を形成するセラミック材料の上には、例えば、銀・パラジウムなどの導電ペーストもしくはタングステンメタライズなどの導電ペーストなどを用いて、必要とされる導電パターンを形成後に、焼結をした後で、ニッケルおよび金もしくは銀などを順次メッキして、上述した電極部３３が形成されている。
該電極部３３は、パッケージ３１の底面に露出した実装端子３２，３２と図示しない導電パターンにより接続されている。この電極部３３と実装端子３２とを接続するための導電パターンは、パッケージ３１の形成時に利用されるキャスタレーション（図示せず）の表面に形成して、パッケージ３１の外面を引き回してもよいし、あるいはパッケージ３１の底部を構成する絶縁基板を貫通する導電スルーホールなどにより接続してもよい。

圧電振動片４０を作るために、図２に示すように、例えば圧電材料により形成されたウエハを厚みの薄い矩形の基板となるように加工した、所謂、ＡＴカット振動片が使用される。すなわち、圧電チップである素子片が後述のように先ず形成され、この素子片に駆動用の励振電極４５を形成したものが、ＡＴカット振動片である圧電振動片４０である。
圧電振動片４０を形成するには、圧電材料として、例えば、この実施形態では水晶が使用されており、水晶以外にもタンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。また、圧電チップの形状もフラットタイプに限らず、コンベックスタイプや、逆メサ型の振動片を用いることができる。

すなわち、素子片５１としての圧電チップの表面には、駆動用の電極として、励振電極４５が形成されている。励振電極４５は、圧電チップの積極的に振動させようとする領域に形成され、圧電材料に駆動電圧を印加することで、材料内に効率よく電界を生じさせ、励振するためのものである。励振電極４５は、素子片５１の裏面にも同様の形態で形成されている。
また、図２に示すように、励振電極４５は、それぞれ圧電振動片４０の長さ方向の端部において、その幅方向の両端にそれぞれ形成された接続電極である引出し電極４２に対して、各別に接続されている。各引出し電極４２は圧電チップの側面を回り込んで、裏面にも形成されている。

このような圧電振動片４０は、図１に示されているように、パッケージ３１側の電極部３３の上に片持ち式に接合されている。
これにより、パッケージ３１の外部から実装端子３２，３２を介して供給された駆動電圧は、パッケージ３１側の電極部３３から導電性接着剤４３および圧電振動片４０の引出し電極４２を介して、励振電極４５に印加される。したがって、圧電振動片４０の主面は圧電作用により厚みすべり振動することで、駆動されるようになっている。

なお、パッケージ３１を箱状ではなく、単なる絶縁基板として、その上に電極を形成し、浅い箱状とした蓋体（図示せず）により、圧電振動片４０を気密に封止する形式のパッケージを用いてもよい。あるいは、圧電振動片４０に外部の駆動電圧源と接続したプラグを接続し、一端を閉止した金属製の筒状のケースに圧電振動片４０を差し入れて、このプラグによりケースを気密に封止するようにしてもよい（図示せず）。

（圧電デバイスの製造方法）
次に、本発明の実施形態に係る圧電デバイスの製造方法を説明する。
先ず、図１および図２で説明した圧電振動片４０を形成するための圧電材料の素子片を得るために、図３に示すように、圧電材料、例えば水晶の水晶ウエハが使用される。
この場合、水晶ウエハは水晶の結晶軸に関して、Ｘ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸及びＺ軸が光学軸となるように、水晶の単結晶から切り出されることになる。また、水晶の単結晶から切り出す際、上述のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系において、Ｚ軸から所定角度、例えば、３５．１５度傾けた面で切り出したＡＴカット水晶板を得る。

（外形形成工程）
次に、上記圧電素子片であるＡＴカット水晶板の主面を研磨して平坦度を持たせて、所謂水晶ウエハを形成し、これをウエットエッチングして、図３で示すような素子片集合体を得る。
すなわち、水晶ウエハを、例えばフッ酸などでウエットエッチングすることにより、多数の素子片の個々の外形周囲を分離し、細いフレーム状の支持部で、エッチング残りの枠状の水晶材料と接続した形態のものを得る。
図３は、このような素子片集合体１０の一部を拡大して示すものである。

図４は、図３の素子片集合体１０のさらに一部を拡大して示した概略平面図であり、素子片４０−１と枠部２とが接続部４で接続された形状の概略を示す図である。
図４に示す形状は、ウエハをエッチングやフォトリソグラフィーなどして形成される。４に示す素子片４０−１は、接続部４で分割して枠部２から取り外してブランクとし、たとえば、必要な電極を形成して所謂ＡＴカット振動片などとして利用する。なお、図４では、素子片４０−１が矩形形状に形成されているが、素子片４０−１の形状は特に限定されるものではない。また、図４では、１つの素子片４０−１が２つの接続部４で接続されているが、枠部２と素子片４０−１とを接続する接続部４の数は特に限定されない。また、接続部４の形状も何ら限定されない。

（電極形成工程）
以上のような形態を有する素子片集合体１０を形成したら、例えば、その表裏の全面に蒸着などにより電極金属を成膜する。電極金属は、例えば、クロム（Ｃｒ）を下地として金（Ａｕ）を成膜することにより、形成され、図２で示した励振電極４５や引出し電極４２を作るように、フォトリソグラフィの手法などにより、電極が形成される。

（加工工程）
枠部２から素子片を分離する、すなわち、折り取るもしくは切り取るにあたっては、接続部４を分離もしくは分割する前に、図４中の点線３で示した箇所にフェムト秒レーザを照射する。このフェムト秒レーザの照射により、接続部４の一部が変質して、破壊強度の低い脆弱層５となる。これにより、接続部４は、これをエッチングにより分割しやすい形状に加工しなくても、脆弱層５で接続部４を容易に分割できるようになる。したがって、上記で説明した構成によれば、接続部４を加工するためのエッチングが不要となるため、エッチングによって素子片４０−１ごとに接続部４の結晶異方性にばらつきが生じて、この結晶異方性により接続部４における分割面の形状が素子片ごとに不規則になることが防止される。また、上記の構成によれば、接続部４をエッチングにより複雑な形状に加工する必要がなくなるため、エッチングで加工するウエハ上の面積が減り、１つのウエハから得られる素子片４０−１の数を増やすことができる。

次ぎに、フェムト秒レーザを照射して、接続部４に脆弱層５を形成する工程の一例を説明する。
図５は、本実施形態に使用されるレーザ光を利用したレーザ加工装置５０を示している。
本実施形態の加工方法に使用されるレーザ光は、接続部４の結晶構造を変化、すなわち、破壊もしくは改質させ得る熱エネルギーを備えていること、当該変化させる領域の周囲の領域への熱的影響を極力低減できること、接続部４の内部の当該変化させる領域へ効率よく集束させることができること等がもとめられる。このため、例えば、炭酸ガスレーザを利用したり、出力の高いＹＡＧレーザの光ビームをビーム分割して用いたりしてもよく、あるいはＹＡＧレーザの高調波等を工夫して使用してもよい。

また、このような目的にパルスレーザを適合させるためには、使用されるレーザ光は、短波長もしくは超短波長のパルスを有し、ピークエネルギーが高いと好ましい。このような目的に適合する限り、あるいはこのような目的に適合するように加工等される限り、使用するレーザの種類は限定されない。このような目的に特に適しているのは、フェムト（１／１０００兆）秒（ｆｓ）パルスレーザである。
加工装置５０は、このようなフェムト秒パルスレーザ光を生成するもので、二種類のレーザ光生成手段Ｙ，ＴＳと、これらの生成するレーザ光の同期増幅手段５４と、接続部４の内部にレーザ光を集束させるための集束手段５５とを備えている。

加工装置５０のレーザ光生成手段ＴＳはチタン・サファイヤレーザもしくはチタン・サファイヤレーザと他のレーザ生成手段とを組み合わせたものである。チタン・サファイヤレーザは、きわめて広い発光スペクトルで発光することから、フェムト秒パルスレーザを生成する際に広く使用されている。レーザ光生成手段Ｙは例えばＹＡＧレーザである。
同期増幅手段５４は、レーザパルスの伸長手段５１と、レーザパルスの増幅手段５２と、レーザパルスの圧縮手段５３とを備えている。集束手段５５は光集束手段であり、対物レンズや光集束機能を持つホログラム素子等が利用され、矢印方向に可動されることでレーザ光を所定範囲に集束させることができるようになっている。

加工装置５０のレーザ光生成手段ＴＳからのレーザパルスＳＬはレーザパルスの伸長手段５１に入射される。レーザパルスの伸長手段５１は、所定の光学素子、例えば、グレーティング（回折格子）を対構成にして形成されており、レーザパルスＳＬを周波数チャープすることで伸長して、パルス幅を広げる。パルス幅が広くなったレーザパルスＳＬ−１は、レーザパルスの増幅手段５２に入射する。レーザパルスの増幅手段５２には、レーザ光生成手段ＹからのレーザパルスＹＬが入射されるようになっており、これを利用してモードロック（同期）を行い、ピークパワーを１５ＧＷ程度まで増幅し、増幅したレーザパルスＡＬをレーザパルスの圧縮手段５３に入射させる。レーザパルスの圧縮手段５３は、例えば、グレーティングを対構成にして形成されており、高いピークパワーを維持した状
態で、レーザパルスＡＬのパルス幅を圧縮して、例えば、１３０ｆｓ程度の超短波長のレーザパルスＣＬとして、集束手段である対物レンズ５５に入射させる。
対物レンズ５５により集束作用を受けたレーザ光ＬＢ−Ｆは、その焦点がウエハの枠部と素子片とを接続する接続部４の最表面に合わせられ、接続部４の内部に結像される。

フェムト秒レーザのレーザパワーは、接続部４の厚みが５６μｍである場合には４００〜１０００ｍＷとすることが好まく、接続部４の厚みが３３μｍである場合には１８０〜４００ｍＷとすることが好ましく、接続部４の厚みが２４μｍである場合にはフェムト秒レーザのレーザパワーを１５０〜２５０ｍＷとすることが好ましく、接続部４の厚みが１７μｍである場合には６０〜１５０ｍＷとすることが好ましい。接続部４を分割した際に生じるチッピング幅を小さくすることができるからである。

表１に、接続部４の厚みと、レーザパワーと、加工深さと、加工幅と、接続部４に生じたチッピング幅との関係を示す。

表１に示すように、５６μｍの厚みを有する接続部４に、８５０mＷのレーザパワーでフェムト秒レーザを照射した場合には、加工深さが２２．０μｍ、加工幅が４０．０μｍ、チッピング幅が４０．６μｍとなった。
また、３３μｍの厚みを有する接続部４に、３２０mＷのレーザパワーでフェムト秒レーザを照射した場合には、加工深さが１５．０μｍ、加工幅が１９．５μｍ、チッピング幅が１５．２μｍとなった。
また、２４μｍの厚みを有する接続部４に、１５０mＷのレーザパワーでフェムト秒レーザを照射した場合には、加工深さが９．０μｍ、加工幅が６．８μｍ、チッピング幅が２２．０μｍとなった。
また、１７μｍの厚みを有する接続部４に、５７mＷのレーザパワーでフェムト秒レーザを照射した場合には、加工深さが５．０μｍ、加工幅が５．５μｍ、チッピング幅が６．０μｍとなった。

このような加工を行った後、例えば、図３の素子片４０−１（電極が形成されているので、実際には「圧電振動片４０」）の先端付近にピンを当て、押し下げること等により、
図５で説明した脆弱層５に応力が集中され、圧電振動片４０は、容易に折り取られる（分離工程）。その折り取り箇所も、圧電振動片を構成する一部材料が欠けたりすることなく、脆弱層で適切に破断されるので、品質のよい圧電振動片が形成できる。
なお、押しピンで折り取るだけでなく、ブレードによる切断などの手段を用いてもよい。

（マウント工程）
続いて、上記工程と別に形成された図１および図２のパッケージ３１側の電極部３３の上に導電性接着剤４３を塗布し、その上に、素子片集合体５０から折り取られた圧電振動片４０の図２で説明した各引出し電極４２が形成されている基端部もしくは一端部を載置する。
そして、これら導電性接着剤４３を加熱して硬化させることにより圧電振動片４０をパッケージ３１の内側底面に片持ち式に接合する。
ここで、導電性接着剤４３としては、所定の合成樹脂でなるバインダー成分に、銀粒子などの導電粒子を添加したものを使用することができる。また、圧電振動片４０は必ずしも片持ち式でなく、先端側の一部をパッケージ３１の内側底面に形成した凸部（枕部）に載置した構成としてもよい。

そして、圧電振動片４０に対して、パッケージ３１の実装端子３２などから駆動電圧を印加し、圧電振動片４０を駆動してその周波数を計測して、計測結果に基づいて、励振電極４１の一部を削減することで、重量を減じて周波数調整する。
この周波数調整工程では、さらに、周囲の温度環境を変化させて駆動電圧を印加し、温度変化に応じた周波数を計測して圧電振動片４０の温度−周波数特性を合わせて計測し、その結果に応じて調整を行う。

（封止工程）
次に、パッケージ３１を真空チャンバー内に移し、セラミックやガラスあるいはコバールなどの金属で形成された蓋体３５を低融点ガラスやニッケルなどを介して真空雰囲気下で接合する。これにより、パッケージ３１は気密に封止される。
最後に必要な検査を経て、圧電デバイス３０が完成する。

本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせたりすることができる。また、この発明は、ＡＴカット振動片だけでなく、所謂音叉型の圧電振動片等にも適用できることは勿論である。

本発明の実施形態に係る圧電デバイスの概略平面図。 図１の圧電デバイスに収容される圧電振動片の概略断面図。 図１の圧電振動片を形成するための素子片集合体の一例を示す部分拡大平面図。 素子片とウエハの枠部とが接続部で接続された形状の概略を示す図。 本実施形態に使用されるレーザ光を利用したレーザ加工装置を示す図。

符号の説明

１０・・・ウエハの枠部、２０・・・素子片、３０・・・接続部、４０・・・フェムト秒レーザが照射される箇所、５０・・・加工装置、５４・・・同期増幅手段

Claims (6)

1. 圧電基板のウエハをエッチングして、該ウエハの枠部に対して接続した細いフレーム状の接続部を残すことにより、素子片の外形を形成する外形形成工程と、
   各素子片に駆動用の電極を形成する電極形成工程と、
   前記接続部にレーザ光を照射して、脆弱層を形成する加工工程と、
   前記脆弱層の箇所で前記接続部を切断してウエハから駆動電極が形成された前記素子片である圧電振動片を分離して、パッケージもしくはケース内に実装するマウント工程と、
   該パッケージもしくはケースを気密に封止する封止工程と
   を含んでいることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
2. 前記加工工程が前記ウエハの前記枠部と前記素子片とを接続する前記接続部にフェムト秒レーザを照射して、外接続部に脆弱層を作ることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイスの製造方法。
3. 前記接続部の厚みが５６μｍである場合に、前記フェムト秒レーザのレーザパワーを４００〜１０００ｍＷとする、ことを特徴とする請求項２に記載の圧電デバイスの製造方法。
4. 前記接続部の厚みが３３μｍである場合に、前記フェムト秒レーザのレーザパワーを１８０〜４００ｍＷとする、ことを特徴とする請求項２に記載の圧電デバイスの製造方法。
5. 前記接続部の厚みが２４μｍである場合に、前記フェムト秒レーザのレーザパワーを１５０〜２５０ｍＷとする、ことを特徴とする請求項２に記載の圧電デバイスの製造方法。
6. 前記接続部の厚みが１７μｍである場合に、前記フェムト秒レーザのレーザパワーを６０〜１５０ｍＷとする、ことを特徴とする請求項２に記載の圧電デバイスの製造方法。

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