JP2009141825A - 大気圧プラズマを用いた水晶振動子の周波数調整方法及びそれに用いる装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高価な真空装置及び毒性のある反応ガスの使用をなくすことである。
【解決手段】 電極を形成した水晶片Ｗを大気圧プラズマ照射源３ａ，３ｂ，３ｃに近接して配置し、該大気圧プラズマ照射源３ａ，３ｂ，３ｃから大気圧プラズマ化した高密度イオンを直接前記水晶片Ｗに局部照射し、大気圧下でスパッタリングにより前記水晶片Ｗの前記電極面を所定量削減して、前記水晶片Ｗの共振周波数を所定の周波数に調整することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、大気圧プラズマを用いて大気圧下でスパッタリングにより水晶振動子の電極面の質量付加または質量削除を行うことにより水晶振動子の共振周波数を調整する方法及びそれに用いる周波数調整装置に関する。

従来、水晶振動子の製造工程では、人工水晶の結晶を結晶軸に対して所定角度に切断、研磨して丸板、矩形、短冊等の形状に加工した水晶片を得るようにしている。そして、この水晶片の主面に真空蒸着によって金、銀、アルミ等の金属薄膜からなる励振電極を形成する。

一方、現在最も多用されているＡＴカットの水晶片の場合、その共振周波数は水晶片の厚みに反比例し、共振周波数を高くするためには水晶片の厚みを薄くする。他方、水晶片の主面に励振電極のような質量を付加すると、その質量付加効果によって水晶片の共振周波数が低下する。

したがって、水晶片の厚みを、目的とする共振周波数よりも若干高めの周波数まで研磨加工し、この水晶片の主面に励振電極を形成して、やや周波数を低下させる。そして最終的な周波数の調整工程において励振電極の上に、さらに微量の上述したような金属を蒸着して、目的とする周波数まで共振周波数を低下させるようにしている。

一般に、蒸着による周波数の調整は、励振電極を形成する装置と同じ装置を用いて同じ手法で行うことができる。そして、調整中の周波数の変化率も蒸着源のヒータの電流を制御することによって任意に設定でき、周波数の変化率も比較的大きくでき作業効率も良好である。

しかしながら、蒸着による水晶片の周波数調整は、上記のような利点がある反面、金属薄膜を水晶片に蒸着させるため、水晶片の周波数を低下させる方向の調整しかできないことである。したがって、調整した共振周波数が目標周波数を超えて低くなってしまった場合は、その水晶振動子（水晶片）を廃棄せざるを得なかった。

そこで、蒸着により水晶片に金属薄膜を形成して共振周波数を低下させる蒸着機構と、水晶片に形成された金属薄膜を真空槽内でエッチングして削除し共振周波数を上昇させるエッチング機構と、の両機構を具備する水晶振動子の周波数調整装置が提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、上記した従来の水晶片の周波数調整装置では、真空槽内の雰囲気を例えば、１０^-4Ｔｏｒｒ（１．３３３ｋＰａ）の真空状態にして周波数調整を行うので、真空ポンプ、真空排気装置等の高価な付帯設備が不可欠であった。

そこで、このような問題点を解決するために、大気圧（常圧）下で、水晶片をＸＹステージの上に配置して位置決めし、処理ユニットの吹出しノズルから大気圧状態で吹き出した反応ガスによって水晶片をエッチングするようにしたものが提案されている（特許文献２参照）。

この従来例の化学ドライエッチングによる周波数調整装置では、大気圧またはその近傍の圧力のＨＦやＦ₃、ＣＯＦ₃などのフッ素系の反応ガスを細い吹出しノズルから水晶片に吹き付けて水晶片を局部的にエッチングするようにしている。しかし、例えば、上記したＨＦ（フッ化水素）からなる反応ガスは、極めて毒性が高く〔ヒトの経口最小致死量は、１．５ｇまたは２．０ｍｇ／ｋｇ（体重当り）、スプーン一杯の誤飲で死亡の事例もある〕、皮膚に接触すると容易に人の体内に浸透してしまう。そのため、危険性が高く作業環境、とくに安全性に十分配慮する必要性があった。
特開２０００−５９１６４号公報 特開平１１−３０８０６５号公報

本発明が解決しようとする課題は、高価な真空装置及び毒性のある反応ガスを用いずに水晶振動子の周波数調整を行うことである。

上記した課題を解決するために、本発明は、電極を形成した水晶片を大気圧プラズマ照射源に近接して配置し、該大気圧プラズマ照射源から大気圧プラズマ化した高密度イオンを直接前記水晶片に局部照射し、大気圧下でスパッタリングにより前記水晶片の前記電極面を所定量削減して、前記水晶片の共振周波数を所定の周波数に調整することを特徴とする。

高価な真空装置及び毒性のある反応ガスを用いずに、大気圧下でスパッタリングによりリアルタイムで水晶振動子の周波数調整が可能となる。

以下、本発明の水晶振動子の周波数調整方法及びそれに用いる周波数調整装置の実施例について詳細に説明する。

実施例１
図１は、本発明の水晶振動子の周波数調整装置の実施例１を示し、逆スパッタリングにより水晶振動子（水晶片）の電極面の質量を削減して周波数を調整（上昇）する実施例を示す。

本実施例１の周波数調整装置１は、図１に示すように、間欠式あるいは連続的にイン・ラインで矢印の方向に移動する移動ステージ２（例えば、ベルトコンベア）と、この移動ステージ２に一定間隔で配置された複数のサセプター（受台）２ａ，２ｂ，２ｃと、このサセプター２ａ，２ｂ，２ｃに収容された調整ワークＷ（周波数調整をする水晶片）と、シャッター８ａ，８ｂ，８ｃを介して、サセプター２ａ，２ｂ，２ｃに対向して配置された大気圧プラズマ照射源３ａ，３ｂ，３ｃと、これらの大気圧プラズマ照射源３ａ，３ｂ，３ｃに、それぞれ接続されたプラズマ発生電源部４と放電ガス制御部５、ならびに測定器６ａ，６ｂ，６ｃにπ回路７ａ，７ｂ，７ｃを介して電気的に接続されたプローブ９ａ，９ｂ，９ｃとからなる。また、測定器６ａ，６ｂ，６ｃで検出された水晶片の共振周波数は、測定制御部６ｄによりプラズマ発生電源部４のプラズマ発生量を制御して基準周波数に調整される。

ここで大気圧プラズマ照射源３ａ，３ｂ，３ｃでは、プラズマ発生電源部４及び放電ガス制御部５により、大気圧下で希ガス及び他種ガスを放電ガスとして用いて高密度のグロー放電を発生させ（例えば、高温・高密度大気圧プラズマ装置、東京工業大学：www.es.tlttech.ac.jp/okino/pdf/ICP0307.pdf参照）、大気圧プラズマ化した高密度のイオンを水晶片の電極（励振電極）面（Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ等を蒸着した金属電極部）にマスク等で囲ってサセプター２ａ，２ｂ，２ｃの開口部（図示なし）を介して局部照射し、その物理的スパッタリング作用（ここでは、“逆スパッタリング”という）により、水晶片の電極面を削って（質量削減）トリミング（周波数調整（周波数の上昇））を行う。なお、高密度イオン照射の際には、それぞれのシャッター８ａ，８ｂ，８ｃを適宜開閉して高密度イオンの照射を行うとともにイオンのきれを良くするようにしてある。

このトリミングの際には、プローブ９ａ，９ｂ，９ｃを介してリアルタイムで電極面の共振周波数を測定器６ａ，６ｂ，６ｃで測定し、目標周波数になるようトリミングする。なお、π回路７ａ，７ｂ，７ｃは、水晶振動子の測定用具である。

そして、本実施例１の周波数調整装置１により水晶振動子（水晶片）のトリミングを行う際には、移動ステージ１に配置した複数のサセプター２ａ，２ｂ，２ｃにそれぞれ調整ワークＷ（水晶片）を載置し、連続的あるいは間欠的に移動ステージ１を矢印の方向に移動させ、大気圧プラズマ照射源３ａ，３ｂ，３ｃからのイオンガスをワークＷに照射して、例えば、第１工程で荒削り、第２工程で中削り、そして第３（最終）工程で微細削り（最終）を行い、全体で例えば、５００オングストローム程度削って（質量削減）調整を行い、所望の目標周波数（例えば、３〜２００ＭＨｚ）に水晶片の共振周波数を合わせるようにする。

実施例２
図２は、本発明の水晶振動子の周波数調整装置の実施例２を示し、通常のスパッタリングにより水晶振動子（水晶片）の電極面にスパッタリング作用によりターゲットから飛び出した電極材料（Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ等）を付着させて（質量付加）水晶片の周波数を調整（低下）する実施例を示す。

本実施例２の周波数調整装置１０は、図２に示すように、ＸＹ方向に移動して位置決めできるＸＹテーブルとして機能するステージ１２と、このステージ１２上に載置されたターゲットＴとして機能するＡｕ，Ａｇ，Ａｌ等からなる電極材料と、ターゲットＴに対向して配置されたサセプター（受台）１９と、このサセプター１９内に収容された調整ワークＷ（水晶片）と、サセプター１９とターゲットＴとの間に配置されたシャッター１８と、鉛直方向にターゲットＴに対して軸対称に配設された一対の大気圧プラズマ照射源１３ａ，１３ｂと、それぞれの大気圧プラズマ照射源１３ａ，１３ｂに接続されたプラズマ発生電源部１４ａ，１４ｂと放電ガス制御部１５ａ，１５ｂならびに測定器１６にπ回路１７を介して電気的に接続されたプローブ２０と、からなる。また、測定器１６で検出された水晶片の共振周波数は、測定制御部１６ａによりプラズマ発生電源部１４ａ，１４ｂのプラズマ発生量を制御して基準周波数に調整される。

そして、本実施例２の周波数調整装置１０により、水晶振動子（水晶片）のトリミングを行う際には、ＸＹテーブルとして機能するステージ１２に対向して配置したサセプター１９内に調整ワークＷ（水晶片）を載置してから、ステージ１２をＸＹ方向に移動させて位置決めを行い、鉛直中心線に対して左右対称に配設した一対の大気圧プラズマで照射源１３ａ，１３ｂから均等に大気圧でイオンをターゲットＴに照射させ、このスパッタリング作用によりターゲットＴから飛び出した電極材料（Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ等）の固体原子を水晶片の電極面に付着させて質量付加を行い、水晶片の共振周波数を低下させて目標周波数に合せるよう周波数調整を行う。

とくに、前述した実施例１の周波数調整方法により水晶片の電極面を削り過ぎてしまい目標周波数に合致しない場合には、実施例２の周波数調整方法により質量付加を行い目標周波数に合致させ、水晶片を廃棄することなく使用することができるようになる。

本発明の水晶振動子の周波数調整方法及びそれに用いる装置は、水晶振動子を用いるＳＭＤ（表面実装型発振器）、リードタイプ振動子等広範に利用できる。

本発明の大気圧プラズマを用いた水晶振動子の周波数調整に用いる調整装置の構成図を示し、逆スパッタリングにより電極面の質量削除を行って水晶片の周波数を調整（上昇）させる実施例１を示す。 本発明の大気圧プラズマを用いた水晶振動子の周波数調整に用いる調整装置の構成図を示し、通常のスパッタリングにより電極面に質量付加を行って水晶片の周波数を調整（低下）させる実施例を示す。

符号の説明

１，１０ 周波数調整装置
２，１２ ステージ
３，１３ 大気圧プラズマ照射源
４，１４ プラズマ発生電源部
５，１５ 放電ガス制御部
６ａ，６ｂ，６ｃ，１６ 周波数測定器
６ｄ，１６ａ 測定制御部
７，１７ π回路
８，１８ シャッター
９，２０ プローブ

Claims (6)

1. 電極を形成した水晶片を大気圧プラズマ照射源に近接して配置し、該大気圧プラズマ照射源から大気圧プラズマ化した高密度イオンを直接前記水晶片に局部照射し、大気圧下でスパッタリングにより前記水晶片の前記電極面を所定量削減して、前記水晶片の共振周波数を所定の周波数に調整することを特徴とする水晶振動子の周波数調整方法。
2. 連続的あるいは間欠的に移動する移動ステージ上に所定の間隔をおいて配置した複数の受台に前記水晶片をそれぞれ収容し、複数の位置において段階的に前記大気圧プラズマ照射源から高密度イオンを前記水晶片に局部照射して、スパッタリングにより前記電極面を所定量ずつ順次削減して前記水晶片の共振周波数を所定の周波数に調整することを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子の周波数調整方法。
3. 電極を形成した水晶片を電極材料からなるターゲットに対向して配置し、該ターゲットを大気圧プラズマ照射源に近接して配置し、該大気圧プラズマ照射源から大気圧プラズマ化した高密度イオンを前記ターゲットに照射し、大気圧下でスパッタリングにより前記ターゲットから飛び出した電極材料を前記水晶片の電極面に付着させて質量付加を行い、前記水晶片の共振周波数を所定の周波数に調整することを特徴とする水晶振動子の周波数調整方法。
4. 前記ターゲットの鉛直中心線に対称の位置に一対の前記大気圧プラズマ照射源を配置して均等に高密度イオンを前記ターゲットに照射させるようにしたことを特徴とする請求項３に記載の水晶振動子の周波数調整方法。
5. 電極を形成した水晶片を収容する受台と、
   該受台を載置した移動ステージと、
   該移動ステージの真下に配置した大気圧プラズマ照射源と、
   該大気圧プラズマ照射源に接続したプラズマ発生電源部と放電ガス制御部と、
   前記水晶片の電極面と接触するプローブを介してリアルタイムで前記水晶片の発振周波数を検出する測定器と、
   該検出結果に基づいてプラズマ発生量を制御して基準周波数に共振周波数を調整する測定制御部と、
   からなることを特徴とする水晶振動子の周波数調整装置。
6. 電極を形成した水晶片を収容する受台と、
   該受台に対向して配置した電極材料からなるターゲットと、
   該ターゲットを載置してＸＹ方向に移動して前記水晶片に対する前記ターゲットの位置決めをするＸＹテーブルと、
   前記ターゲットの鉛直中心線に対称の位置に近接して配置された一対の大気圧プラズマ照射源と、
   該一対の大気圧プラズマ照射源にそれぞれ接続したプラズマ発生電源部と放電ガス制御部と、
   前記水晶片の電極と接触するプローブを介してリアルタイムで前記水晶片の共振周波数を検出する測定器と、
   該検出結果に基づいてプラズマ発生量を制御して基準周波数に共振周波数を調整する測定制御部と、
   からなることを特徴とする水晶振動子の周波数調整装置。

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