JP2008160253A - 振動子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、振動特性に優れた高い信頼性と高い精度を兼ね備えた小型で高周波数対応の振動子を提供することを目的としている。さらに高い信頼性と高い精度を兼ね備えた小型で高周波数対応の振動子の製造方法を提供することを目的としている。
【解決手段】ＡＴカットの水晶からなる板状の薄板部材と、薄板部材の片面の一部に接合されるシリコンからなる補強部材とを有しており、薄板部材の補強部材が接合されていない部分が振動する。また、その製造方法は、水晶ウェハーとシリコンウェハーを接合する接合工程と、シリコンウェハーと接合された水晶ウェハーを所望の厚みに加工する薄板化工程と、水晶ウェハーと接合されたシリコンウェハーをエッチング法によって加工するエッチング工程と、水晶ウェハーに電極を形成する電極形成工程と、接合された水晶ウェハーとシリコンウェハーを振動子の大きさに加工する小片化工程とからなる。
【選択図】図１

Description

カーエレクトロニクス製品や携帯型電子機器などに用いられる小型の振動子とその製造方法に関し、特に生産性に優れ、高い信頼性と高い精度を有する小型の振動子とその製造方法に関する。

近年、各種通信機器の高周波数化や、ＰＣに代表される電子機器の動作周波数の高周波数化にともなって、それらの機器に組み込まれる振動子にも高周波数化の要求が高まっている。

こうした状況の中で、高周波数化に対応した振動子としては、水晶を用いた水晶振動子が安価で小型化が可能であるという理由から広く普及している。

一般に水晶振動子は水晶の結晶軸からの切り出し角度によって、使用する振動の周波数温度特性が大きく影響することが知られている。そこで古くから、常温付近で安定した振動を得られる切り出し角の研究が行われており、多くの切り出し面（カット面）が考案されている。中でも、ＡＴカットと呼ばれるカット面は、常温付近で安定した高周波数の厚み滑り振動を発生させることができるため、高周波数対応の水晶振動子に最も多く利用されている。なおＡＴカットは、水晶のＸ軸に平行でＺ軸から３５度１５分の角度で切り出したカット面のことを言う。

以下に従来最も多く使われているＡＴカットによる厚み滑り振動を利用した水晶振動子を示す。

図４は従来の水晶振動子の構造を示した断面図である。図４（ａ）は水晶片１０５の片面にキャビティ（凹部）を形成して板厚の薄い部分（薄肉部）を設けた構造の水晶振動子５０である（例えば、特許文献１参照。）。図４（ｂ）は水晶片１０６の両面にキャビティ（凹部）を形成して板厚の薄い部分（薄肉部）を設けた構造の水晶振動子６０である（例えば、特許文献２参照。）。なお、このようなキャビティを形成した水晶振動子５０、６０のことを、通常、逆メサ型水晶振動子と称している。

図４（ａ）の水晶振動子５０、図４（ｂ）の水晶振動子６０、いずれとも、水晶片１０５、１０６はＡＴカットの水晶ウェハーから加工されたものであり、薄肉部の両面に電極２０５、２０６を形成して電界を印可することにより、水晶片１０５、１０６の薄肉部に厚み滑り振動を発生させている。厚み滑り振動は薄肉部の厚みが薄ければ薄いほど高周波数にすることが可能であり、従来の水晶振動子５０、６０では１０〜２０μｍ程度の厚みで薄肉部が形成されることが多かった。

図５は従来の水晶振動子の製造方法を示した図である。図４（ａ）に示す片面にキャビティが形成された水晶振動子５０も、図４（ｂ）に示す両面にキャビティが形成された水晶振動子６０も、基本的な製造方法はほぼ同じである。よって、ここでは、図４（ａ）に示す片面にキャビティが形成された水晶振動子５０を例に挙げ、その製造方法を説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、水晶ブロックからＡＴカット面で水晶ウェハー１２５（一般にＡＴ板と称する。）を切り出し、表面を研磨加工して、水晶ウェハー１２５が所望の厚み（例えば、５０〜６０μｍ程度）になるように形成する。本工程を研磨工程と称
する。

次に、水晶ウェハー１２５を、部分的にエッチングして、１０〜２０μｍ程度の厚みで薄肉部が残るように、キャビティを形成する（図５（ｂ））。なお、エッチングの方式としては、ドライエッチング法、ウェットエッチング法等が利用されていた。本工程をエッチング工程と称する。

次に、図５（ｃ）に示すように、水晶ウェハー１１５の薄肉部を両面から挟むようにして電極２０５を形成する。なお電極２０５は外部に電気信号を取り出すため、振動特性に直接関係しない厚肉部にも一部形成されている。本工程を電極形成工程と称する。

最後に、図５（ｄ）に示すように、水晶ウェハー１１５をダイシング加工により小片化し、水晶片１０５の表面に電極２０５が形成された水晶振動子５０が完成する。本工程を小片化工程と称する。

特開２００６−５６７６号公報（第４頁、図１） 特開２００５−３５４５８８号公報（第１０頁、図２０）

従来の水晶振動子５０、６０において、水晶片１０５、１０６に形成されるキャビティは、ドライエッチング法、ウェットエッチング法等によって加工されていた。これらエッチング加工法は、微細な形状を形成するには優れた加工法であるが、加工面の面粗度や平坦度に関して言えば、それほど優れた加工法とは言い難い。

図６は従来の水晶振動子の製造方法におけるエッチング工程での不良例を示した図である。ドライエッチング法によってキャビティを加工すると、図６（ａ）に示すように、その加工面は粗く加工されてしまい、水晶片１０５の振動部である薄肉部は非常に面粗度が悪くなってしまう。このように面粗度が悪い状態の水晶片１０６を使って水晶振動子５０を完成させると、必要とされる振動以外にも多くの余計な振動が発生してしまい、振動特性に優れた高い信頼性を有する水晶振動子５０を得ることは難しかった。

一方、ウェットエッチング法によってキャビティを加工すると、図６（ｂ）に示すように、その加工面の平坦度は悪くなってしまい、水晶片１０６の振動部である薄肉部の厚みは均一でなくなってしまう。薄肉部の厚みは厚み滑り振動の周波数に直接影響するので、このように薄肉部の厚みが均一でない水晶片１０６を使って水晶振動子６０を完成させると、必要とする周波数と異なった周波数の振動が発生してしまう。その結果、高い精度を有する水晶振動子６０を得ることは難しかった。

本発明は、面粗度が良好で、且つ平坦度に優れ厚みが均一な振動部（薄肉部）を達成することで、振動特性に優れた高い信頼性と高い精度を兼ね備えた小型で高周波数対応の振動子を提供することを目的としている。さらに高い信頼性と高い精度を兼ね備えた小型で高周波数対応の振動子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、本発明の振動子は、厚み滑り振動を利用した振動子において、水晶からなる板状の薄板部材とこの薄板部材を補強するための補強部材とを有し、この薄板部材は、少なくとも一方の面の一部に補強部材を接合し、補強部材が接合されてい
ない非接合部で薄板部材が振動することを特徴としている。

さらに、薄板部材はＡＴカットの水晶であるのが望ましい。

さらには、補強部材はシリコンからなるのが望ましい。

また、本発明の振動子の製造方法は、厚み滑り振動を利用した振動子の製造方法において、水晶ウェハーとシリコンウェハーを接合する接合工程と、シリコンウェハーに接合された水晶ウェハーを所定の厚みに加工する薄板化工程と、水晶ウェハーに接合されたシリコンウェハーをエッチング法によって加工するエッチング工程と、水晶ウェハーに電極を形成する電極形成工程と、接合された水晶ウェハーとシリコンウェハーとを振動子の大きさに加工する小片化工程とを有することを特徴としている。

さらに、水晶ウェハーはＡＴカットされた水晶ウェハーであるのが望ましい。

（作用）
本発明の振動子では、非常に薄く、板厚が均一で、面精度が良好な水晶からなる薄板部材を形成し、その薄板部材を厚み滑り振動させることによって、高い信頼性と高い精度での振動を可能にした。

但し、高周波数の振動数を達成させるためには、薄板部材を非常に薄く形成する必要があり、高周波数対応にすればするほど薄板部材の強度は低下してしまう。そこで、本発明では薄板部材の片面の一部に強度を保つための補強部材を接合し、薄板部材と補強部材が積層構造をなす振動子にした。これにより、強度的な信頼性も確保することができた。

なお、薄板部材にはＡＴカットの水晶を用いるのが望ましい。ＡＴカットと呼ばれるカット面は、常温付近で安定した高周波数の厚み滑り振動を発生させることができるため、振動特性の面で高い信頼性を得ることができる。

一方、補強部材にはシリコン（Ｓｉ）を用いるのが望ましい。ＳｉはＬＳＩ分野で大量に使われているため、安価で入手できる。さらに、近年ではＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術の急速な進歩により、微細で精度の高い加工が可能になった。よって本発明の補強部材にＳｉを用いれば、補強部材を微細な形状で形成することができるので振動子の小型化が容易になる。

本発明の振動子において、最も重要な点は、非常に薄く、板厚が均一で、面粗度が良好な薄板部材を形成する点にある。

本発明の振動子の製造方法では、薄板部材となる水晶ウェハーを補強部材となるＳｉウェハーと接合してから水晶ウェハーを研磨して薄く加工している。水晶ウェハーだけの状態で数十ミクロンの薄さに研磨加工すると、強度が低下し、加工中に割れ等の不良を発生してしまうが、Ｓｉウェハーと接合してからであれば、高い強度を保ったまま研磨加工が可能であるので、割れ等の不良を防ぐことができる。

また、研磨加工は加工面全体を均等に加工することができるので、もともと平坦で板厚が均一な水晶ウェハーは、薄く加工された後でも均一な板厚を保つことができる。

また本発明の振動子の製造方法では、薄板部材となる水晶ウェハーを薄くした後、補強部材となるＳｉウェハーをエッチングして、部分的に薄い水晶ウェハーを露出させる。Ｓｉウェハーのエッチングは、ドライエッチング法であっても、ウェットエッチング法であ
ってもかまわない。ドライエッチング法もウェットエッチング法も、Ｓｉのエッチング条件と水晶のエッチング条件は異なっているので、本発明の製造方法のようにＳｉウェハーをエッチングし続け、水晶ウェハーが加工部に露出したとしても、水晶ウェハーがエッチングされてしまうことはない。そのため、水晶ウェハーは元の鏡面に近い状態（面精度が良好な状態）で、加工部に露出することになる。なお、水晶ウェハーのＳｉウェハーが接合されていない側の面は研磨加工によって加工された面であり、当然のごとく、こちらの面も面粗度は良好である。

その後、水晶ウェハー、Ｓｉウェハーの大きさの状態で電極を形成するが、この電極形成工程はＬＳＩ分野で通常的に行われている工程なので、精度は良く、且つ信頼性も高い。

そして最後にダイシング法等によって、所望の振動子の大きさに小片化する。この製造方法では、振動子の大きさが小さくなればなるほど、一枚の水晶ウェハーから取り出せる個数は多くなるので、大量生産に適している。

なお、後に薄板部材となる水晶ウェハーにはＡＴカットの水晶ウェハーを用いるのが望ましい。ＡＴカットと呼ばれるカット面は、常温付近で安定した高周波数の厚み滑り振動を発生させることができるため、振動特性の面で高い信頼性を得ることができる。

本発明によれば、振動特性に優れた高い信頼性と高い精度を兼ね備えた小型で高周波数対応の振動子を提供することができる。また生産性に優れた高い信頼性と高い精度を兼ね備えた小型で高周波数対応の振動子の製造方法を提供することができる。

（第１の実施形態）
図１は本発明の振動子を示した図である。なお図１（ａ）は本発明の振動子を斜め上方から見た図であり、図１（ｂ）はＡ−Ａ断面を示した図である。図１に示すように、本発明の振動子１０は水晶からなる板状の薄板部材１００と、薄板部材１００の片面の外周部に接合される補強部材３００と、薄板部材１００の両面に形成され、さらに補強部材３００に向かって配線される電極２００とで構成されている。

本発明の振動子１０における振動部分は薄板部材１００である。本発明では薄板部材１００にＡＴカットの水晶を用いるのが望ましい。ＡＴカットと呼ばれるカット面は、常温付近で安定した高周波数の厚み滑り振動を発生させることが可能であり、振動特性の面で高い信頼性を得ることができる。本実施形態では、ＡＴカットの水晶からなる薄板部材１００を１０μｍ厚という非常に薄い厚みで形成することによって、１５５ＭＨｚという高周波数の振動を安定して得ることができた。

なお、このように高周波数の振動を達成させるためには、薄板部材１００を非常に薄く形成する必要があり、高周波数対応にすればするほど強度は低下してしまう。そこで、本発明の振動子１０では、薄板部材１００の片面の外周部に補強部材３００を接合し、薄板部材１００と補強部材３００とを積層構造にすることによって、強度を確保している。これにより強度的にも信頼性を得ることができた。そして、補強部材３００が接合されない非接合部１００ａで薄板部材１００が振動し、高周波数を高精度に出力している。

このように補強部材３００は強度を確保すること目的とするものなので、補強部材３００に使用する材料は、ある程度の強度を有する材料であれば、特に限定されるものではない。本実施形態では、ＬＳＩ分野で大量に使われているため安価であるという利点と、近
年のＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術の急速な進歩により、微細で精度の高い加工が可能になったという利点を考慮し、補強部材３００にシリコン（Ｓｉ）を利用した。

図２は本発明の振動子の製造方法を示した図である。以下に、本実施形態の振動子１０の製造方法について説明する。

まず始めに、図２（ａ）に示すように、厚みが一定で、且つ面精度も優れた水晶ウェハー１２０とＳｉウェハー３２０を用意し、それぞれを接合する。本実施形態では、研磨加工及びポリッシング加工を施した１００μｍの厚みのＡＴカットされた水晶ウェハー１２０と、同様に研磨加工及びポリッシング加工を施した１００μｍの厚みのＳｉウェハー３２０をそれぞれ用意し、それらを表面活性化接合法によって接合させた。本発明では本工程を接合工程と称している。

次に、図２（ａ）で接合された水晶ウェハー１２０とＳｉウェハー３２０に対して、水晶ウェハー１２０側の面を研磨加工し、図２（ｂ）に示すように、水晶ウェハー１１０が所定の厚さになるまで薄くする。本発明では本工程を薄板化工程と称する。なお本実施形態では、本工程で水晶ウェハー１１０を１０μｍの厚みにした。また本実施形態では、研磨加工だけでなくポリッシング加工も行うことによって、水晶ウェハー１１０の加工表面を滑らかにすることができた。

本発明の振動子１０の製造方法では、のちに薄板部材１００となる水晶ウェハー１２０を、のちに補強部材３００となるＳｉウェハー３２０を接合してから、水晶ウェハー１２０を研磨して薄い水晶ウェハー１１０に加工している。

Ｓｉウェハー３２０が接合されていない水晶ウェハー１２０だけの状態で、本実施形態のように１０μｍの薄さまで研磨加工すると、水晶ウェハー１２０の強度が低下し、加工中に割れてしまう危険性が高いが、Ｓｉウェハー３２０と接合されている状態であれば、高い強度を保ったまま研磨加工が可能であるので、割れの発生を防ぐことができる。

また、研磨加工は加工面全体を均等に加工することができ、水晶ウェハー１２０のどの位置においても加工量が一定であるので、本実施形態のようにもともと平坦で板厚が均一な水晶ウェハー１２０であれば、薄く加工された水晶ウェハー１１０の状態になっても、均一な板厚を保つことができる。

次に、Ｓｉウェハー３２０をドライエッチング法によって加工し、最終的に図２（ｃ）に示すような、水晶ウェハー１１０の所定の領域が表面に現れるまで貫通させたＳｉウェハー３１０を形成する。本発明では本工程をエッチング工程と称する。

なお、通常ドライエッチング法において、Ｓｉをエッチングすることのできる条件と、水晶をエッチングすることのできる条件はまったく異なっている。すなわち本発明の製造方法のように、Ｓｉウェハー３１０をエッチングし続け、水晶ウェハー１１０が加工部に露出したとしても、水晶ウェハー１１０はほとんどエッチングされることはない。

よって、水晶ウェハー１１０は、Ｓｉウェハー３２０と接合される前に施された研磨加工とポリッシング加工で得られた鏡面に近い状態（面精度が良好な状態）が、加工部分に露出することになる。

その後、図２（ｄ）に示すように、水晶ウェハー１１０、Ｓｉウェハー３１０の上部に所望の形状で電極２００を形成する。本発明では本工程を電極形成工程と称する。この電
極形成工程はＬＳＩ分野で通常的に行われているフォトリソグラフィー法とエッチング法による工程を流用すれば、高い精度で、且つ信頼性も高い電極形成が可能である。

本実施形態では、下層が０．０３μｍ厚のクロム（Ｃｒ）膜で、上層が０．１μｍ厚の金（Ａｕ）膜からなる、積層構造の電極２００を形成した。

そして最後に、図２（ｅ）に示すように、ダイシング法等の切断加工法によって、所望の振動子１０の大きさに小片化し、水晶からなる板状の薄板部材１００と、薄板部材１００の片面の外周部に形成される補強部材３００と、薄板部材１００の両面に形成され、さらに補強部材３００に向かって配線される電極２００とで構成される振動子１０が完成する。なお本発明では本工程を小片化工程と称している。

このような本発明の製造方法において、振動子１０の大きさが小さくなればなるほど、一枚の水晶ウェハー１２０から多くの振動子１０を製造することができる。すなわち振動子１０が小型化されればされるほど、大量生産に適している。

また、上述のように、本発明の振動子１０は、ＬＳＩ製造技術やＭＥＭＳ技術を利用して製造されるので、微細で精度の高い加工が可能であり、振動子１０の小型化に適している。

なお、本実施形態の振動子１０では、薄板部材１００の片方の面に補強部材３００が構成されている例を示したが、振動子１０の強度をより高めるために、薄板部材１００の両方の面に補強部材３００を構成してもよい。このような構成は、図２（ｃ）に示すエッチング工程の後に、水晶ウェハー１１０（後に薄板部材１００となる）のＳｉウェハー３１０（後に補強部材３００となる）が接合されていない側の面に、さらに別のＳｉウェハー３１０（後に補強部材３００となる）を接合する工程を追加することによって製造することが可能である。

（第２の実施形態）
図３は本発明の別の振動子の製造方法におけるエッチング工程から小片化工程までを示した図である。本発明の別の振動子１１の製造方法において、接合工程と薄板化工程は、図２に示す振動子１０の製造方法と同じである。

本実施形態でも、接合工程は、図２（ａ）に示すように、厚みが１００μｍで一定で、且つ面精度が優れたＡＴカットされた水晶ウェハー１２０と、表面が＜１００＞面であるＳｉウェハー３２０を用意し、それぞれを接合する。

さらに薄板化工程では、図２（ｂ）に示すように、研磨加工とポリッシング加工によって水晶ウェハー１１０が１０μｍの厚さになるまで薄くした。

本実施形態の別の振動子１１の製造方法の最も大きな特徴は、次工程のエッチング工程でウェットエッチング法を用いている点である。表面が＜１００＞面であるＳｉウェハー３２０（図２（ａ））をウェットエッチング法によって加工すると、Ｓｉ特有のエッチング異方性により、図３（ｃ）に示すような、表面３１１ａに対して約５０度の角度をなす側壁面３１１ｂを有するＳｉウェハー３１１が形成される。なお、ウェットエッチング法での加工は水晶ウェハー１１０の所定の領域が表面に現れるまで行われる。

本実施形態では、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いて、Ｓｉウェハー３１１のウェットエッチングを行った。ＫＯＨ水溶液によるウェットエッチングにおいて、Ｓｉがエッチングされる加工速度と、水晶がエッチングされる加工速度は大きく異なっており、その結果、Ｓｉウェハー３１１をエッチングし続け、水晶ウェハー１１０が加工部に露出したとしても、水晶ウェハー１１０はほとんどエッチングされることはなかった。

よって、水晶ウェハー１１０は、Ｓｉウェハー３２０と接合される前に施された研磨加工とポリッシング加工で得られた鏡面に近い状態（面精度が良好な状態）が、加工部分に露出した。

その後、図３（ｄ）に示すように、水晶ウェハー１１０、Ｓｉウェハー３１１の上部に所望の形状で電極２０１を形成する（電極形成工程）。本実施形態でも、ＬＳＩ分野で通常的に行われている電極形成工程を用いて電極２０１を形成したが、本実施形態の場合、壁面３１１ｂが表面３１１ａに対して垂直な角度ではないので、稜線部３１１ｃ（表面３１１ａと側壁面３１１ｂの境界部分）での断線の心配はほとんど無く、電極２０１の信頼性がより向上する。

なお本実施形態では、下層が０．０３μｍ厚のクロム（Ｃｒ）膜で、上層が０．１μｍ厚の金（Ａｕ）膜からなる、積層構造の電極２０１を形成した。

そして最後に、図３（ｅ）に示すように、ダイシング法等の切断加工法によって、所望の振動子１１の大きさに小片化し、水晶からなる板状の薄板部材１００と、薄板部材１００の片面の外周部に形成される補強部材３０１と、薄板部材１００の両面に形成され、さらに補強部材３０１に向かって配線される電極２０１とで構成される振動子１１が完成する。

本発明の第１の実施形態における振動子を示した図である。 本発明の第１の実施形態における振動子の製造方法を示した図である。 本発明の第２の実施形態の振動子の製造方法におけるエッチング工程から小片化工程までを示した図である。 従来の水晶振動子の構造を示した断面図である。 従来の水晶振動子の製造方法を示した図である。 従来の水晶振動子の製造方法におけるエッチング工程での不良例を示した図である。

符号の説明

１０、１１ 振動子
５０、６０ 水晶振動子
１００ 薄板部材
１００ａ 非接合部
１０５、１０６ 水晶片
１１０、１１５、１１６、１１７、１２０、１２５ 水晶ウェハー
２００、２０１、２０５、２０６ 電極
３００、３０１ 補強部材
３１０、３１１、３２０ Ｓｉウェハー
３１１ａ 表面
３１１ｂ 側壁面
３１１ｃ 稜線部

Claims (5)

1. 厚み滑り振動を用いた振動子において、
   水晶からなる板状の薄板部材と、
   この薄板部材を補強するための補強部材と、を有し、
   前記薄板部材は、少なくとも一方の面の一部に前記補強部材を接合し、前記補強部材が接合されていない非接合部で前記薄板部材が振動することを特徴とする振動子。
2. 前記薄板部材はＡＴカットの水晶であることを特徴とする請求項１に記載の振動子。
3. 前記補強部材はシリコンからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動子。
4. 厚み滑り振動を利用した振動子の製造方法において、
   水晶ウェハーとシリコンウェハーを接合する接合工程と、
   前記シリコンウェハーに接合された前記水晶ウェハーを所定の厚みに加工する薄板化工程と、
   前記水晶ウェハーに接合された前記シリコンウェハーをエッチング法によって加工するエッチング工程と、
   前記水晶ウェハーに電極を形成する電極形成工程と、
   接合された前記水晶ウェハーと前記シリコンウェハーとを振動子の大きさに加工する小片化工程とを有することを特徴とする振動子の製造方法。
5. 前記水晶ウェハーはＡＴカットされた水晶ウェハーであることを特徴とする請求項４に記載の振動子の製造方法。
   

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