JP2010074422A

JP2010074422A - 水晶振動子素子の製造方法、水晶振動子素子、水晶振動子及び水晶発振器

Info

Publication number: JP2010074422A
Application number: JP2008238525A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Takahashi; 岳寛高橋
Original assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2010-04-02
Also published as: US20100066213A1; US8288925B2

Abstract

【課題】、ＣＩ値の小さな水晶振動子素子の製造方法、この方法で製造された水晶振動子素子、水晶振動子及び水晶発振器を提供する。
【解決手段】板状の水晶片の表面に当該水晶片を励振させるための薄膜状の電極を備えた水晶振動子素子を製造する方法において、前記水晶片の表面に、クロムからなり、厚さ２０Å以上、４５Å以下の第１の金属層を形成し（Ｐ４）、次いで前記第１の金属層の上面に、金または銀からなり、厚さ５００Å以上、９５０Å以下の第２の金属層を形成して（Ｐ５）、これら第１の金属層及び第２の金属層からなる前記電極を設ける（Ｐ６）。しかる後、前記電極の形成された水晶基板を２００℃以上、４００℃以下の温度範囲で加熱して、前記第１の金属層を構成するクロムを前記第２の金属層内に拡散させる（Ｐ７）。
【選択図】図３

Description

本発明は、水晶片に当該水晶片を励振させるための薄膜状の電極を備えた水晶振動子素子の製造方法、水晶振動子素子、水晶振動子並びに水晶発振器に関する。

水晶振動子素子は、水晶片と、その水晶片の両面に各々設けられた薄膜状の電極とから構成される素子であり、電極に電圧を印加すると水晶の圧電逆効果によって振動が励起される特性を利用して、周波数や時間の基準源として水晶発振器等の電子部品に広く用いられている。

図１（ａ）、図１（ｂ）に表面側、裏面側の外観形状を例示したように、例えばＡＴカットの水晶片を用いた矩形状の水晶振動子素子１は、薄い矩形状にカットされた水晶片１１の表裏両面に、薄膜状の電極を設けた構成となっている。以下、図１に向かって上方側を先端側、下方側を基端側とすると、水晶片１１の表裏両面のそれぞれ先端寄りの中央領域には水晶片１１を介して互いに対向するように例えば矩形状の励振電極１２、１３が形成されている。一方、水晶片１１の基端部には互いに離間して例えば細長い矩形状の引き出し電極１４、１５が設けられており、各引き出し電極１４、１５は例えば水晶片１１の基端側の側面を跨ぐようにして水晶片１１の表裏両面に形成されている。本例では表面側の励振電極１２が引き出し電極１４と接続され、裏面側の励振電極１３が引き出し電極１５と接続されている。

図２は、表面実装型の容器であるパッケージ２１に前記の水晶振動子素子１を格納した水晶振動子２の縦断面図である。パッケージ２１は、例えば前記水晶振動子素子１よりもひとまわり大きな矩形の平面形状を備えた扁平な筐体として構成され、パッケージ２１内には例えば矩形の底面の一辺に沿って２つの電極２２が互いに離間して設けられている。これらの電極２２はパッケージ２１外面の底部に設けられた端子部である電極２４と電気的に接続されている。水晶振動子素子１は、例えばその裏面側基端部に形成された引き出し電極１４、１５のそれぞれが、例えば導電性接着剤２３を介して前記２つの電極２２に接着されることにより、パッケージ２１内に片持ち梁状に固定されると共に、これらの電極２２に対して電気的に接続される。この水晶振動子２を発振回路と組み合わせて電圧を供給することにより水晶振動子素子１を発振させ、端子部である電極２４から周波数信号を取り出すことができる。

ここで一般に、励振電極１２、１３や引き出し電極１４、１５を構成する薄膜状の電極には、電気抵抗が小さく、耐食性に優れ、電気エネルギーを振動エネルギーに変換する際の振動損失（ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値）が比較的小さな金や銀などの金属が利用されている。しかしこれらの金属は水晶片１１に対する密着性が弱いため、水晶振動子素子１との密着性のよいクロムを第１の金属層として水晶振動子素子１上に形成してから、当該第１の金属層の上面に金や銀からなる薄膜を第２の金属層として形成して２層構造とすることにより、電極１２〜１４の密着性を向上させていた（例えば特許文献１、２）。

また上述の２層構造の電極１２〜１４においては、金や銀と比べて導電性接着剤２３に対するクロムの密着性が高いことから、当該電極１２〜１４を形成した水晶振動子素子１を例えば３００℃程度まで加熱して、第１の金属層のクロムを第２の金属層の金や銀の内部に拡散させる熱処理が行われる。この処理により引き出し電極１４、１５の表面までクロムを拡散させることによって電極１２〜１４と導電性接着剤２３との密着性も向上させることができる。

しかしクロムは金、銀と比較して電気抵抗が大きいことから、これらの金属内にクロムが拡散することによって電極１２〜１５全体の電気抵抗が熱処理を行う前よりも上昇してしまうことを本発明者は把握している。電極１２〜１５の電気抵抗が大きくなると、水晶振動子素子１のＣＩ値が上昇して、消費電力が増大してしまう。

この点、金や銀からなる第２の金属層を第１の金属層に対して相対的に厚くして、第２の金属相内に拡散するクロムの濃度を低く抑えることにより、電極１２〜１５全体の電気抵抗の上昇を抑えることも可能であるが、金や銀の金属層を厚くすることは水晶振動子素子１の製造コストが上昇し得策ではない。

また近年、高周波の水晶振動子２に対する需要が高まってきており、高周波の水晶振動子素子１ほど水晶片１１を薄くする必要があることから、例えば５０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚといった高周波の水晶振動子２の場合には水晶片１１の厚みが例えば３３μｍ〜１６μｍ程度まで薄くなってきている。ところが、このような薄い水晶片１１上に設けた２層構造の電極に対して既述のように熱処理を行うと、熱処理の際に水晶片１１に働く応力等の理由により水晶振動子素子１の周波数特性が熱処理の前後で変化してしまい、所望の発振周波数が得られず、再度の周波数調整を要するといった問題もある。

なお特許文献１、２に記載の技術においては、第１の金属層をなすクロムの第２の金属層内への拡散に伴うＣＩ値の増大といった問題には着目されておらず、また各々の電極は全体として３層構造〜４層構造となっており電極全体の膜が厚く、水晶片１１の薄化に伴う熱処理前後での周波数特性の変化といった問題を解決することができない。
特開２００２−５０９３７号公報：請求項７、第００８７段落、図１１再表０１／０６７６００号公報：第１０頁第９行目〜第１３行目、第１１頁第８行目〜第１１行目、第１２頁第１７行目〜第２２行目、第１３頁第１６行目〜第２１行目

本発明はこのような事情に基づいて行われたものであり、その目的は、ＣＩ値の小さな水晶振動子素子の製造方法、この方法で製造された水晶振動子素子、水晶振動子及び水晶発振器を提供することにある。

本発明に係わる水晶振動子素子の製造方法は、板状の水晶片の表面に当該水晶片を励振させるための薄膜状の電極を備えた水晶振動子素子を製造する方法において、
前記水晶片の表面に、クロムからなり、厚さ２０Å以上、４５Å以下の第１の金属層を形成する工程と、
前記第１の金属層の上面に、金または銀からなり、厚さ５００Å以上、９５０Å以下の第２の金属層を形成して、これら第１の金属層及び第２の金属層からなる前記電極を設ける工程と、
前記電極の形成された水晶基板を２００℃以上、４００℃以下の温度範囲に加熱して、前記第１の金属層を構成するクロムを前記第２の金属層内に拡散させる工程と、を備えたことを特徴とする。ここで前記水晶片の厚さは、１μｍ以上、１００μｍ以下であることが好適である。

また、本発明に係わる水晶振動子素子は、上述の製造方法によって製造されたことを特徴とし、この水晶振動子素子からは、当該水晶振動子素子を密閉した容器と、この容器の外に設けられ、前記電極に電気的に接続された端子部と、を備えた水晶振動子や、前記の水晶振動子素子と、この水晶振動子素子を発振させるための発振回路と、を備えた水晶発振器が構成される。

本発明によれば、熱処理前における第１の金属層の膜厚を２０Å以上、４５Å以下としているので、熱処理によって第１の金属層から第２の金属層中に拡散するクロムの濃度上昇が抑制される。この結果、これらの金属層によって構成された電極の電気抵抗の増加を抑えて、従来に比べてＣＩ値の低い水晶振動子素子を形成することができる。さらに、金または銀からなる第２の金属層の厚さを５００Å以上、９５０Å以下とすることにより、第１の金属層の厚さを従来のままとして、第２の金属層を厚くして電極の電気抵抗を低く抑える手法と比べ、水晶振動子素子の製造コストを増加させずにＣＩ値を低くすることが可能となる。

以下、本実施の形態に係わる水晶振動子素子１の製造方法並びに当該水晶振動子素子１の構造を図３、図４を参照しながら説明する。本実施の形態に係わる水晶振動子素子１の製造方法は、熱処理による各電極１２〜１５の電気抵抗の上昇を抑えることを目的として、クロムからなる第１の金属層と金または銀からなる第２の金属層とについて、成膜時におけるこれらの薄膜の膜厚を所定の範囲内に調節したことを特徴としている。従って当該水晶振動子素子１の外観構成は図１（ａ）、図１（ｂ）を用いて既に説明したものと同様であり、重複説明は省略する。なお以下の製造工程は、第２の金属膜として金を用いる場合について説明するが、当該金属膜として銀を用いる場合についてもほぼ同様である。

図３に示すように、まず始めに、例えば円板形状に切り出された水晶ウエハをダイシングソウにより切断して例えば縦１．４ｍｍ、横０．９ｍｍの多数の水晶片１１を切り出す（工程Ｐ１）。次いで切り出された各水晶片１１を小型の容器に個別に格納して例えばフッ酸によるエッチングを行い、当該水晶片１１の厚さを１μｍ〜１００μｍの範囲の例えば１００μｍに調節する（工程Ｐ２）。ここで前記１μｍ〜１００μｍの範囲の水晶片の厚さは、水晶片１１に形成する電極１２〜１４の膜厚などによっても変化するが、およそ１６ＭＨｚ〜１６７０ＭＨｚの発振周波数に相当する。

このようにして厚さを調整された水晶片１１は、その表裏全面及び側面に例えばスパッタリングによりクロムを蒸着して、厚さ２０Å以上、４５Å以下の例えば３０Åの第１の金属層を形成する（工程Ｐ４）。次いで水晶片１１に蒸着させる金属を金に変更し、第１の金属層の上面に、厚さ５００Å以上、９５０Å以下の例えば８００Åの第２の金属層を形成する（工程Ｐ５）。

水晶片１１を２層の金属層で覆ったら、第２の金属層の上にさらにレジスト膜を塗布し、当該レジスト膜を露光して図１（ａ）、図１（ｂ）に示した各電極１２〜１５に相当する部分を残して残りのレジスト膜を除去する。そして当該水晶片１１を例えばヨウ化カリウム溶液中に浸漬して、レジスト膜が除去された領域の第２、第１の金属層を除去し、パターニングにより励振電極１２、１３、引き出し電極１４、１５を形成する（工程Ｐ６）。

以上の工程により例えば図４に模式的に示すように、例えば厚さＴ_１＝１μｍ〜１００μｍの範囲内の例えば１００μｍの水晶片１１の両面に、例えば厚さＴ_２＝２０Å〜４５Åの範囲内の例えば３０Åの第１の金属層１０１、厚さＴ_３＝５００Å〜９５０Åの範囲内の例えば８００Åの第２の金属層１０２がこの順に積層された水晶振動子素子１が得られる。

そして、例えば図１（ｂ）に示す引き出し電極１４、１５と導電性接着剤２３との密着性を高めるため、水晶振動子素子１全体を加熱炉内に載置して例えば真空雰囲気や窒素雰囲気中にて当該水晶振動子１を２００℃以上、４００℃以下の温度範囲の例えば３００℃の温度に加熱する熱処理を例えば３０分間行い、第１の金属層１０１のクロムを第２の金属層１０２の表面まで拡散させる（工程Ｐ７）。クロムを第２の金属層１０２内に拡散させることによって第１の金属層１０１の厚さはさらに薄くなるが、熱処理前の第１の金属層１０１の厚さが２０Å以上有れば十分な密着性を発揮することができることを本発明者は確認している。

ここで水晶振動子素子１を熱処理すると、水晶片１１自身の熱膨張や冷却時の収縮、また水晶片１１上に形成された各金属層１０１、１０２の熱膨張や収縮による熱履歴によって水晶振動子素子１に残留応力が発生する場合がある。このような応力は、従来のように例えば１００μｍ程度の厚さの水晶振動子素子１であれば水晶片１１の周波数特性に殆ど影響を及ぼさなかったが、本実施の形態に係わる水晶片１１のように３０μｍ以下程度まで薄い水晶振動子素子１を用いるとこうした残留応力の影響を無視できなくなってしまう。そこで本実施に係わる水晶振動子素子１の製造方法においては、各金属層１０１、１０２の膜厚を従来のもの（例えば第１の金属層が１００Å程度、第２の金属層が１０００Å〜３０００Å程度、合計１１００Å〜３１００Å程度）に比べて、第１、第２の金属層１０１、１０２の膜厚の合計で５２０Å〜９９５Åまで薄くすることにより、熱膨張や収縮の際に水晶片１１に加わる応力を低減している。その結果、熱処理の終了後に水晶片１１に残留する応力も小さくなり、熱処理の前後での水晶振動子素子１の周波数特性の変化を低く抑えることが可能となっている。

以上に説明した工程により製造された水晶振動子素子１は、図２に示したように導電性接着剤２３によってパッケージ２１内に格納され水晶振動子２として構成される。この水晶振動子２（水晶振動子素子１）は、例えばコルピッツ型発振回路などの周知の発振回路と組み合わされて、水晶発振器として利用される。

本発明に係わる水晶振動子素子１の製造方法によれば以下の効果がある。熱処理前における第１の金属層１０１の膜厚を２０Å〜４５Åとしているので、熱処理によって第１の金属層１０１から第２の金属層１０２中に拡散するクロムの濃度上昇が抑制される。この結果、これらの金属層によって構成された電極１２〜１５の電気抵抗の増加を抑えて、従来に比べてＣＩ値の低い水晶振動子素子１を形成することができる。さらに、金（または銀）からなる第２の金属層１０２の厚さを５００Å〜９５０Åとすることにより、第１の金属層１０１の厚さを従来のままの例えば１００Å程度とする一方、第２の金属層１０２を従来の例えば１０００Å程度よりも厚くして電極の電気抵抗を低く抑える手法と比べ、水晶振動子素子１の製造コストを増加させずにＣＩ値を低くすることが可能となる。

また、厚さが１μｍ〜３０μｍの範囲の薄い水晶片１１上に、既述のように従来に比べて薄い金属層１０１、１０２を形成することにより、熱処理の過程で水晶片１１に加わる応力が小さくなり、例えば熱履歴によって発生する残留応力を小さくして熱処理の前後での水晶振動子素子１の周波数特性の変化を抑制することができる。

ここで水晶振動子素子１の製造方法は、既述のように水晶振動子素子１を個片化してから第１の金属層１０１、第２の金属層１０２を形成する場合に限定されない。例えば図５に示すように水晶ウエハＷとの接続部１０を残して当該水晶ウエハＷに多数の水晶片１１を例えばエッチングにより形成し、各水晶片１１を水晶ウエハＷと接続したままの状態で水晶片１１の厚さの調節や洗浄、各金属膜１０１、１０２の形成及びこれら金属膜１０１、１０２のエッチングによる各電極１２〜１５の形成、熱処理を行い、水晶ウエハＷ内に多数の水晶振動子素子１を形成してから各水晶振動子素子１を切り離す手法を採用してもよい。水晶片１１の小型化に伴って個片化された水晶片１１の取り扱いが困難な場合に、水晶ウエハＷに接続された状態のまま多数の水晶片１１を一括して処理することにより各個片ごとに水晶片１１や金属層１０１、１０２の厚さなどに偏りのない、均一な水晶振動子素子１を製造することができる。なお、図５においては、水晶片１１が形成されている様子を３つだけ代表的に示したが、実際には例えば水晶ウエハＷの全面に多数の水晶片１１が形成されることになる。

ＡＴカットの水晶振動子素子の外観構成を示す平面図である。前記水晶振動子素子を備えた水晶振動子の縦断面図である。本実施の形態に係わる水晶振動子素子の製造工程を示した工程図である。前記水晶振動子素子の構造を模式的に示した縦断面図である。前記水晶振動子素子の他の製造方法に係わる説明図である。

符号の説明

Ｗ水晶ウエハ
１水晶振動子素子
２水晶振動子
１０接続部
１１水晶片
１２、１３励振電極
１４、１５引き出し電極
２１パッケージ
２２、２４電極
２３導電性接着剤
１０１第１の金属層
１０２第２の金属層

Claims

板状の水晶片の表面に当該水晶片を励振させるための薄膜状の電極を備えた水晶振動子素子を製造する方法において、
前記水晶片の表面に、クロムからなり、厚さ２０Å以上、４５Å以下の第１の金属層を形成する工程と、
前記第１の金属層の上面に、金または銀からなり、厚さ５００Å以上、９５０Å以下の第２の金属層を形成して、これら第１の金属層及び第２の金属層からなる前記電極を設ける工程と、
前記電極の形成された水晶基板を２００℃以上、４００℃以下の温度範囲に加熱して、前記第１の金属層を構成するクロムを前記第２の金属層内に拡散させる工程と、を含むことを特徴とする水晶振動子素子の製造方法。
前記水晶片の厚さは、１μｍ以上、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子素子の製造方法。
請求項１または２に記載の方法で製造されたことを特徴とする水晶振動子素子。
請求項３に記載の水晶振動子素子を密閉した容器と、この容器の外に設けられ、前記電極に電気的に接続された端子部と、を備えたことを特徴とする水晶振動子。
請求項３に記載の水晶振動子素子と、この水晶振動子素子を発振させるための発振回路と、を備えたことを特徴とする水晶発振器。