JP2010283805A - 音叉型圧電振動片を製造する製造方法。音叉型圧電振動片及び圧電振動デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電ウエハに形成されるほとんどの音叉型圧電振動片を完成品として製造する方法を提供する。
【解決手段】 音叉型圧電振動片を製造する製造方法は、基部とその基部の一端から伸びる一対の振動腕とを有する音叉型圧電振動片を圧電ウエハから製造する。この製造方法は、圧電ウエハに耐食膜を形成する耐食膜形成工程と、耐食膜に感光材を形成する感光材形成工程と、耐食膜に音叉型圧電振動片の外形形成用に感光材を露光する第1露光工程と、耐食膜に一対の振動腕の間で且つ基部の一端から基部の他端側に伸びる分極溝用に感光材を露光する第2露光工程と、感光材及び耐食膜が除去された圧電ウエハをエッチングするエッチング工程と、分極溝で分けられた耐食膜に通電させて音叉型圧電振動片を励振させる第1励振工程と、第1励振工程によって得られた励振状態に基づいて振動腕の一部を除去して振動腕を軽量化する軽量化工程と、を備える。
【選択図】 図4
【解決手段】 音叉型圧電振動片を製造する製造方法は、基部とその基部の一端から伸びる一対の振動腕とを有する音叉型圧電振動片を圧電ウエハから製造する。この製造方法は、圧電ウエハに耐食膜を形成する耐食膜形成工程と、耐食膜に感光材を形成する感光材形成工程と、耐食膜に音叉型圧電振動片の外形形成用に感光材を露光する第1露光工程と、耐食膜に一対の振動腕の間で且つ基部の一端から基部の他端側に伸びる分極溝用に感光材を露光する第2露光工程と、感光材及び耐食膜が除去された圧電ウエハをエッチングするエッチング工程と、分極溝で分けられた耐食膜に通電させて音叉型圧電振動片を励振させる第1励振工程と、第1励振工程によって得られた励振状態に基づいて振動腕の一部を除去して振動腕を軽量化する軽量化工程と、を備える。
【選択図】 図4
Description
本発明は、音叉型圧電振動片を形成する際の圧電ウエハ上での周波数調整方法に関する。
移動体通信機器やOA機器等の小型軽量化及び高周波数化に伴って、それらに用いられる圧電デバイスも、より一層の小型化への対応が求められ、また回路基板に表面実装(SMD:Surface Mount Device)の可能な圧電デバイスが要求されている。これらに用いられる音叉型圧電振動片は、フォトリソグラフィ技術(露光及び現像)を用いて1枚の圧電ウエハをウェットエッチングして外形を形成し電極をパターニングすることにより、何百から何千個の音叉型圧電振動片を作成している。
ウェットエッチングにおいて、圧電ウエハはエッチング液に数時間浸される。適正なエッチング液の温度などが管理されていれば、1枚の圧電ウエハから形成される音叉型圧電振動片は目標の励振周波数に近い外形に仕上がる。例えば、特許文献1はウエハ保持治具に振動発生源を接続してウエハ自体を揺らしながらウェットエッチングを行って圧電ウエハへのエッチング液の循環を向上させている。しかしながら、エッチング液の温度管理又は循環をしていても、外的要因などで、1枚の圧電ウエハの何百から何千個の音叉型圧電振動片が全体として高め又は低めの励振周波数で形成されていることもある。
特許文献2は、音叉型圧電振動片の振動腕に励振電極及び調整電極を形成するとともに検査電極を形成して、ウエハの状態で音叉型圧電振動片の周波数を測定している。そしてレーザービームを走査することにより、振動腕の表裏主面と内外側面などの一部または全部に形成された調整電極の一部を除去するなどして、粗調整及び微調整をすることで目標の周波数に近づける技術を開示している。
しかし、1枚の圧電ウエハの一部分において目標とする励振周波数よりもかなり高い周波数の音叉型圧電振動片が形成されたり、かなり低い周波数の音叉型圧電振動片が形成されたりする。このように1枚の圧電ウエハ内で目標の周波数からかなり外れた周波数の音叉型圧電振動片は、特許文献2で開示されるように調整電極を除去しても、目標の周波数に調整することができない。そのため、圧電ウエハの一部の数十から数百の音叉型圧電振動片は不良品として処理する他なかった。
また、特許文献2で開示されるように、音叉型圧電振動片の励振周波数の測定は、音叉型圧電振動片の外形が形成され、その圧電素材に励振電極を形成しなければならなかった。
また、特許文献2で開示されるように、音叉型圧電振動片の励振周波数の測定は、音叉型圧電振動片の外形が形成され、その圧電素材に励振電極を形成しなければならなかった。
本発明は、励振電極を形成する前の段階で、圧電ウエハに接続された状態で音叉型圧電振動片の周波数を測定することで、圧電ウエハに形成されるほとんどの音叉型圧電振動片を完成品として製造する方法を提供する。
第1の観点の音叉型圧電振動片を製造する製造方法は、基部とその基部の一端から伸びる一対の振動腕とを有する音叉型圧電振動片を圧電ウエハから製造する。この製造方法は、圧電ウエハに耐食膜を形成する耐食膜形成工程と、耐食膜に感光材を形成する感光材形成工程と、耐食膜に音叉型圧電振動片の外形形成用に感光材を露光する第1露光工程と、耐食膜に一対の振動腕の間で且つ基部の一端から基部の他端側に伸びる分極溝用に感光材を露光する第2露光工程と、感光材及び耐食膜が除去された圧電ウエハをエッチングするエッチング工程と、エッチング工程により外形が形成された音叉型圧電振動片から感光材を除去する感光材除去工程と、分極溝で分けられた耐食膜に通電させて音叉型圧電振動片を励振させる第1励振工程と、第1励振工程によって得られた励振状態に基づいて振動腕の一部を除去して振動腕を軽量化する軽量化工程と、耐食膜を除去後に、音叉型圧電振動片に電極を形成する電極形成工程と、を備える。
耐食膜に通電させて音叉型圧電振動片を励振させて振動腕を軽量化させることで、周波数調整を行うことが出来る。すなわち、音叉型圧電振動片に電極パターンを形成する前に周波数調整を行うことができる。このため圧電ウエハに形成された複数の音叉型圧電振動片に対して周波数調整をすることで、不良品を少なくすることができる。
耐食膜に通電させて音叉型圧電振動片を励振させて振動腕を軽量化させることで、周波数調整を行うことが出来る。すなわち、音叉型圧電振動片に電極パターンを形成する前に周波数調整を行うことができる。このため圧電ウエハに形成された複数の音叉型圧電振動片に対して周波数調整をすることで、不良品を少なくすることができる。
第2の観点の音叉型圧電振動片を製造する製造方法は、さらに電極形成工程の後に、電極に通電することにより音叉型圧電振動片を励振させる第2励振工程と、第2励振工程によって得られた励振状態に基づいて音叉型圧電振動片の周波数を調整する周波数調整工程と、を備える。
第3の観点の音叉型圧電振動片を製造する製造方法は、第1励振工程における音叉型圧電振動片の励振状態と第2励振工程における音叉型圧電振動片の励振状態での周波数の相関が予め測定されており、軽量化工程は、周波数の相関に基づいて振動腕の一部を除去する量と除去する位置とを決定する。
第4の観点の音叉型圧電振動片を製造する製造方法は、第1露光工程と第2露光工程とを同時に露光する。
第5の観点の音叉型圧電振動片を製造する製造方法は、振動腕にこの振動腕が伸びる方向の溝部を露光する第3露光工程を備え、第2露光工程と第3露光工程とを同時に行う。
第6の観点の音叉型圧電振動片を製造する製造方法において、第2露光工程は、圧電ウエハの少なくとも片面を露光する。
第5の観点の音叉型圧電振動片を製造する製造方法は、振動腕にこの振動腕が伸びる方向の溝部を露光する第3露光工程を備え、第2露光工程と第3露光工程とを同時に行う。
第6の観点の音叉型圧電振動片を製造する製造方法において、第2露光工程は、圧電ウエハの少なくとも片面を露光する。
第7の観点の音叉型圧電振動片を製造する製造方法において、分極溝はその幅が0.1μmから2.0μmである。
このように幅の狭い溝はエッチング液が循環しないため、圧電ウエハがエッチングが進行しない。
このように幅の狭い溝はエッチング液が循環しないため、圧電ウエハがエッチングが進行しない。
第8の観点の音叉型圧電振動片は、上記製造方法で製造され、振動腕の圧電材の一部が除去された除去部を有し、基部、振動腕及び除去部に電極が形成されている。
耐食膜を分極させた状態で圧電材を除去して周波数調整を行うため、その除去部の電極パターンが形成されることになる。
耐食膜を分極させた状態で圧電材を除去して周波数調整を行うため、その除去部の電極パターンが形成されることになる。
第9の観点の音叉型圧電振動片は、一対の振動腕の間で且つ基部の一端から基部の他端側に伸びる分極溝が形成されている。
第10の観点の圧電振動デバイスは、第8又は第9の観点の音叉型圧電振動片と、音叉型圧電振動片を収納するパッケージと、を備える。
第11の観点の圧電振動デバイスは、一対の振動腕の外側に形成された一対の支持腕を有する第8又は第9の観点の音叉型圧電振動片と、音叉型圧電振動片と接合するベースと、ベース側と反対側で音叉型圧電振動片と接合するリッドと、を備える。
第11の観点の圧電振動デバイスは、一対の振動腕の外側に形成された一対の支持腕を有する第8又は第9の観点の音叉型圧電振動片と、音叉型圧電振動片と接合するベースと、ベース側と反対側で音叉型圧電振動片と接合するリッドと、を備える。
本発明による周波数調整方法は、圧電ウエハに形成される全ての音叉型圧電振動片の周波数を個々に制御することが可能である。つまり本発明の音叉型圧電振動片を製造する製造方法は、圧電ウエハのどの領域の音叉型圧電振動片であっても目標の周波数の製品を提供でき、歩留まりを向上させることができる。
以下に、本発明のSMDタイプの第1圧電振動デバイス50について説明する。図1(a)は本発明の第1音叉型圧電振動片20を装備する第1圧電振動デバイス50の全体斜視図である。図1(b)は図1(a)の内部構成を示した概略側面図である。図1(c)は図1(a)の蓋体59を外した概略上面図である。
<第1実施形態;第1圧電振動デバイス50の構成>
表面実装型の第1圧電振動デバイス50は、絶縁性のセラミックパッケージ51と第1圧電振動デバイス50のパッケージを覆う蓋体59とからなる。蓋体59は、コバール(鉄FeとニッケルNiとコバルトCoとの合金)製である。
表面実装型の第1圧電振動デバイス50は、絶縁性のセラミックパッケージ51と第1圧電振動デバイス50のパッケージを覆う蓋体59とからなる。蓋体59は、コバール(鉄FeとニッケルNiとコバルトCoとの合金)製である。
セラミックパッケージ51は、アルミナを主原料とするセラミック粉末およびバインダ等を含むスラリーを用いたグリーンシートよりプレス抜きされた底面用セラミック層51a、壁用セラミック層51bおよび台座底面用セラミック層51cからなる。これら複数のセラミック層51a〜51cより構成されたパッケージは、キャビティ58を形成し、このキャビティ58内に、第1音叉型圧電振動片20を実装する。セラミックパッケージ51はこれらの複数の基板を積層し、焼結して形成されている。
第1音叉型圧電振動片20の基部29の配線は、導電性接着剤31と導通接続する接着領域を有している。第1音叉型圧電振動片20は、底面用セラミック層51aと水平になるように導電性接着剤31で接着されて、所定の振動を発生する。台座用セラミック層51cの上面の一部には、第1音叉型圧電振動片20の接着領域と導通を取る配線層42が形成されている。セラミックパッケージ51の下面に形成された少なくとも2つの外部端子電極43は、不図示のプリント基板に表面実装する際の外部端子である。また、内部配線44は配線層42、外部端子電極43を接続する電気的導通部である。壁用セラミック層51bの上端にはメタライズ層があり、蓋体59の接合のために、メタライズ層上に形成された封止材57が形成されている。壁用セラミック層51bと蓋体59は、封止材57を介して溶着されている。
<第1音叉型圧電振動片20の構成>
図2(a)は、第1音叉型圧電振動片20の全体構成を示した上面図である。図2(b)は、図2(a)の第1音叉型圧電振動片20の振動腕21のA−A断面図である。
第1音叉型圧電振動片20は、たとえば32.768kHzで信号を発信する振動片で、極めて小型の振動片となっており、全体の長さが1.7mm程度、幅0.5mm程度である。
図2(a)は、第1音叉型圧電振動片20の全体構成を示した上面図である。図2(b)は、図2(a)の第1音叉型圧電振動片20の振動腕21のA−A断面図である。
第1音叉型圧電振動片20は、たとえば32.768kHzで信号を発信する振動片で、極めて小型の振動片となっており、全体の長さが1.7mm程度、幅0.5mm程度である。
第1音叉型圧電振動片20の母材は、Z板に加工された圧電ウエハ10で形成されている。小型で必要な性能を得るために、図2(a)に示すように、第1音叉型圧電振動片20は、基部29と、この基部29の一端部から長さ方向(Y方向)に向けて二股に別れて平行に延びる一対の振動腕21を備えている。一対の振動腕21の振動腕根元部25は、U字形状のテーパー部を設けることによって、周囲温度の変化に起因する共振周波数の変動やバラツキを抑えている。
第1音叉型圧電振動片20の振動腕21の表裏両面には溝部27が形成されている。一本の振動腕21の表面には1つの溝部27が形成されており、振動腕21の裏面側にも同様に1つの溝部27が形成されている。つまり、一対の振動腕21には4箇所の溝部27が形成される。溝部27の深さは、圧電ウエハ10の厚さ、つまり第1音叉型圧電振動片20の厚さの約35〜45%であり、表裏両面に溝部27があるため、図2(b)に示すように、溝部27の断面は、略H型に形成されている。溝部27は、CI値の上昇を抑えるために設けられている。本実施形態では、たとえば圧電ウエハ10の厚さが100μmから120μm程度であり、溝部27の深さが表裏合わせてで80μmから100μm程度となる。
第1音叉型圧電振動片20の基部29は、その全体が略板状に形成されている。第1音叉型圧電振動片20に対する基部29の長さは36%程度となっている。第1音叉型圧電振動片20の基部29の一端には連結部28が2箇所設けられている。連結部28は、圧電ウエハ10から、図2(a)に示す音叉形状をフォトリソグラフィおよびウェットエッチングで形成する際に、圧電ウエハ10と第1音叉型圧電振動片20とを連結する部分である。
第1音叉型圧電振動片20の振動腕21および基部29には、電極パターン23及び周波数調整部24が形成されている。電極パターン23及び周波数調整部24は、100オングストローム〜1500オングストロームのクロム(Cr)層の上に200オングストローム〜4000オングストロームの金(Au)層が形成された構成になっている。すなわち、第1層と第2層とを合わせると、300オングストローム〜5500オングストロームの電極パターンの厚さになる。また、クロム(Cr)層の代わりに、タングステン(W)層、ニッケル(Ni)層、ニッケルタングステン層またはチタン(Ti)層を使用してもよく、また金(Au)層の代わりに、銀(Ag)層を使用してもよい。また、一層からなる場合もあり、このときは、たとえばアルミ(Al)層、銅(Cu)層またはケイ素(Si)層が用いられる。
第1音叉型圧電振動片20の基部29の上面には、図2(a)に示すように、基部電極23aが形成され、振動腕部21の溝部27には、溝電極23dがそれぞれ形成される。また、図2(b)に示すように、振動腕部21の両側面には、側面電極23cが形成されている。第1音叉型圧電振動片20の下面は図示されていないが、上面と対称関係になるように各電極が形成されている。
<圧電ウエハの構成>
図3は、第1音叉型圧電振動片20の外形をウェットエッチングした際の圧電ウエハ10を示す上面図である。円形の圧電ウエハ10は、たとえば厚さ120μmの圧電材料からなり、円形の圧電ウエハ10の直径は3インチまたは4インチである。さらに、円形の圧電ウエハ10の軸方向が特定できるように、圧電ウエハ10の周縁部の一部には、圧電の結晶方向を特定するオリエンテーションフラット10cが形成されている。
図3は、第1音叉型圧電振動片20の外形をウェットエッチングした際の圧電ウエハ10を示す上面図である。円形の圧電ウエハ10は、たとえば厚さ120μmの圧電材料からなり、円形の圧電ウエハ10の直径は3インチまたは4インチである。さらに、円形の圧電ウエハ10の軸方向が特定できるように、圧電ウエハ10の周縁部の一部には、圧電の結晶方向を特定するオリエンテーションフラット10cが形成されている。
円形の圧電ウエハ10は、工程管理およびウエハ強度との関係で、複数の開口部ユニット18が設けられ、開口部ユニット18に開口部22と複数の第1音叉型圧電振動片20とが形成されている。各開口部ユニット18において、圧電ウエハ10と第1音叉型圧電振動片20とを接続するため連結部28が形成されている。
図4(a)は、圧電ウエハ10に設けられた開口部ユニット18の拡大平面図である。図4(b)は(a)の第1音叉型圧電振動片20の斜視図である。図4(c)は(a)のB−B断面図である。図4に示される圧電ウエハ10は、後述する図5のステップS16までの工程を終えた状態を示している。
図4(a)で示されるように、開口部ユニット18には基部29に分極溝26を備えた複数の第1音叉型圧電振動片20が形成されている。第1音叉型圧電振動片20は表裏に金属膜32を備えている。この金属膜32は第1音叉型圧電振動片20の外形を形成するためにウェットエッチングの耐食膜として使用された膜である。分極溝26によって第1音叉型圧電振動片20の金属膜32が左右に分極されている。
図4(b)、(c)で示されるように、基部29に分極溝26によって金属膜32のない領域が形成される。分極溝26の幅は、0.1μmから2μmであり第1音叉型圧電振動片20の外形形成時のウェットエッチングにより形成される。後述する図5のステップS13において第1フォトマスク80−1(図10を参照)を使って露光され、ウェットエッチングされた状態である。第1フォトマスク80−1で露光される分極溝26用のフォトレジストが細いため、現像して現れる金属膜32も細い。この金属膜32をエッチングで除去して現れる圧電ウエハ10も細いため、分極溝26が形成されるエッチング液が循環し難く、第1音叉型圧電振動片20の外形のようにウェットエッチングされない。このため圧電ウエハ10の一部を厚さ方向に数μ程度エッチングするのみであり、エッチング液が行き渡らないと圧電ウエハ10はエッチングされない。
不図示の周波数測定器のプローブが、分極溝26によって分けられた左右の金属膜32に電圧を印加すると、圧電体である振動腕21が振動する。分極されていない裏面側の金属膜32はアースに接続すればよい。
また、図4(c)の分極溝26は片面のみに形成されているが、両面に分極溝26を形成してもよい。両面に分極溝26が形成されていれば、表面又は裏面側の一方の左右の金属膜32に外部から電圧が印加されると、振動腕21が振動する。また振動腕21が振動するように、耐食膜である金属膜32を分極できれば足りるので、必ずしも圧電ウエハがエッチングされている必要はない。すなわち、金属膜32がエッチングされて図4(a)又は(c)において、左右の金属膜32が分極されていればよい。本明細書において分極溝26は、金属膜32のみに溝が形成され圧電ウエハ10がエッチングされていない状態と、金属膜32及び圧電ウエハ10がエッチングされた状態とを含む概念の溝である。
振動腕21が振動することで、不図示の周波数測定器は第1音叉型圧電振動片20の励振周波数を測定できる。分極溝26で分けられた左右の金属膜32に印加することで励振する周波数は、図2で示されたような電極パターン23が形成された第1音叉型圧電振動片20の振動とは異なる振動の仕方(励振モード)及び周波数を示す。しかしながら、この左右の金属膜32に印加した場合の周波数と図2の電極パターン23に印加した場合の周波数とには相関関係がある。
たとえば片面に分極溝26を備えた左右の金属膜32に印加すると第1音叉型圧電振動片20は“B”kHzで励振し、図2に示された電極パターン23に印加した場合には第1音叉型圧電振動片20は32.766kHzで励振する。また、左右の金属膜32に印加すると第1音叉型圧電振動片20が“D”kHzで励振し、図2で示された電極パターン23に印加すると第1音叉型圧電振動片20は32.770kHzで励振する。このような相関関係を実験などで求めておけば、図4に示されたウェットエッチングした際の状態の圧電ウエハ10で周波数調整を行うことができる(図12を参照)。
不図示の周波数測定器は1枚の圧電ウエハ10のすべての第1音叉型圧電振動片20の左右の金属膜32に印加し、それぞれの第1音叉型圧電振動片20の周波数を測定する。このように1枚の圧電ウエハ10のすべての第1音叉型圧電振動片20を測定すれば、目標とする励振周波数よりもかなり低い周波数の音叉型圧電振動片のみにさらにエッチング又はレーザー加工することができる。このように1枚の圧電ウエハ内のほとんどの第1音叉型圧電振動片20を製品化に結びつけることができるため、不良の歩留まりが著しく向上する。
<音叉型圧電振動デバイスの製造工程>
≪第1実施例≫
以下は圧電ウエハ10より第1音叉型圧電振動片20を製造する方法を示す。
図5ないし図7は第1実施例の第1音叉型圧電振動片20の外形、及び分極溝26並びに溝部27を形成するための製造工程、及び図2で示した第1音叉型圧電振動片20を使って図1に示した第1圧電振動デバイス50を製造する工程を示したフローチャートである。
なお、図5の右図(a)〜(f)及び図6の右図(j)〜(n)は図2(a)のA−A断面部分に相当する箇所の圧電ウエハ10を示している。図5の右図(g)は図4(a)の上面図を示し、図5の右図(h)〜(i)は図5(g)のC−C断面部分に相当する箇所の圧電ウエハ10を示している。
≪第1実施例≫
以下は圧電ウエハ10より第1音叉型圧電振動片20を製造する方法を示す。
図5ないし図7は第1実施例の第1音叉型圧電振動片20の外形、及び分極溝26並びに溝部27を形成するための製造工程、及び図2で示した第1音叉型圧電振動片20を使って図1に示した第1圧電振動デバイス50を製造する工程を示したフローチャートである。
なお、図5の右図(a)〜(f)及び図6の右図(j)〜(n)は図2(a)のA−A断面部分に相当する箇所の圧電ウエハ10を示している。図5の右図(g)は図4(a)の上面図を示し、図5の右図(h)〜(i)は図5(g)のC−C断面部分に相当する箇所の圧電ウエハ10を示している。
図5のステップS11において、図5(a)に示されるように、スパッタ法又は真空蒸着法で研磨洗浄された圧電ウエハ10に金属膜32が形成される。この金属膜32は例えばクロム(Cr)の下地膜に金(Au)を積層したものが用いられる。
ステップS12において、金属膜32の上にフォトレジストが例えばスプレー法で均一に塗布され、フォトレジスト膜36が形成される(図5(b))。
ステップS13において、第1フォトマスク80−1(図10を参照)を用いて第1音叉型圧電振動片20の外形パターン及び分極溝26が露光及び現像される(図5(c))。
ステップS13において、第1フォトマスク80−1(図10を参照)を用いて第1音叉型圧電振動片20の外形パターン及び分極溝26が露光及び現像される(図5(c))。
ステップS14において、現像後のフォトレジスト膜36が除去され、フォトレジスト膜36で覆われていない金属膜32の部分がエッチングされる(図5(d))。
ステップS15において、図5(e)で示すように第1エッチング工程で圧電ウエハ10をエッチング液であるフッ酸を用いウェットエッチングすることで第1音叉型圧電振動片20の外形及び分極溝26が形成される。分極溝26の幅は、0.1μmから2μmと狭いためエッチング液が停滞してエッチングスピードが遅く、圧電ウエハ面がわずかに凹む程度に形成される。圧電ウエハがエッチングされなくてもよい。
ステップS16において、残存するフォトレジスト層36が除去される(図5(f))。
ステップS16において、残存するフォトレジスト層36が除去される(図5(f))。
ステップS17は、第1励振工程である周波数の測定を行う。圧電ウエハ10に第1音叉型圧電振動片20の外形が形成された状態で、分極溝26で分極された金属膜32の基部29又は連結部28に不図示の周波数測定器のプローブが当接する。分極された金属膜32のそれぞれに電圧が印加されると、振動腕21は励振する。周波数測定器は振動腕21の周波数を測定する(図5(g))。
このステップS17の第1励振工程において、分極された金属膜32に印加した振動腕21の周波数と図2に示された電極パターン23に印加した振動腕21の周波数とには相関性がある。このため、圧電ウエハ上のすべての第1音叉型圧電振動片20の周波数が測定され、補正が必要な第1音叉型圧電振動片20が特定される。また、その第1音叉型圧電振動片20に求められる振動周波数と測定された振動周波数との差に応じて補正すべき周波数調整部24(図2参照)の範囲と深さとが予め測定されており、振動腕21の一部を除去する量と除去する位置とが決定される。
このステップS17の第1励振工程において、分極された金属膜32に印加した振動腕21の周波数と図2に示された電極パターン23に印加した振動腕21の周波数とには相関性がある。このため、圧電ウエハ上のすべての第1音叉型圧電振動片20の周波数が測定され、補正が必要な第1音叉型圧電振動片20が特定される。また、その第1音叉型圧電振動片20に求められる振動周波数と測定された振動周波数との差に応じて補正すべき周波数調整部24(図2参照)の範囲と深さとが予め測定されており、振動腕21の一部を除去する量と除去する位置とが決定される。
ステップS18は周波数調整工程である。この周波数調整工程は、ステップS17で決定された位置に基づいて、補正すべき第1音叉型圧電振動片20の周波数調整部24の範囲内にレーザー光を照射し金属膜32を除去する。図5(h)では片面に除去部分が示されているが、表裏両面にレーザー光を照射し金属膜32を除去してもよい。
ステップS19は、第1エッチング工程による振動腕21の軽量化工程である。軽量化工程は、振動腕21に露出した圧電ウエハ面に、レーザー光を照射して圧電材料を除去(エッチング)して除去部34が形成される。除去部34の除去量は、ステップS17で計測された周波数結果に基づいて決められる。必要に応じてウェットエッチングを行うこともできる(図5(i))。
図6は、振動腕21に溝部27を形成する工程のフローチャートである。
ステップS20において、第1音叉型圧電振動片20が純水で洗浄され、第1音叉型圧電振動片20の全面に溝部27を形成するため圧電ウエハ10にスプレーを使って全面にフォトレジストを塗布する。第1音叉型圧電振動片20の外形が形成されているため、スプレーを使って側面にもフォトレジストを塗布する(図6(j))。
ステップS20において、第1音叉型圧電振動片20が純水で洗浄され、第1音叉型圧電振動片20の全面に溝部27を形成するため圧電ウエハ10にスプレーを使って全面にフォトレジストを塗布する。第1音叉型圧電振動片20の外形が形成されているため、スプレーを使って側面にもフォトレジストを塗布する(図6(j))。
ステップS21は、第2露光工程である。第2露光工程で溝部27に対応した第2フォトマスク80−2(図10参照)が用意され、溝部パターンをフォトレジストが塗布された圧電ウエハ10が露光される。溝部27は振動腕21の両面に形成する必要があるため、ステップS21では、露光光を用いて第1音叉型圧電振動片20の両面が露光される(図6(k))。
ステップS22において、フォトレジストが現像された後、現像後のフォトレジスト37が除去される。さらに、フォトレジストから露出した金層がエッチングされる。次いで、金層が除去されて露出したクロム層がエッチングされる。水溶液の濃度、温度および水溶液に浸している時間を調整して余分な箇所が侵食されないようにする。これで金属膜32が除去される(図6(l))。
ステップS23は、第2エッチング工程である。第2エッチング工程で溝部27のエッチングが行われる。すなわち、溝部27と対応したフォトレジスト及び金属膜から露出した圧電ウエハ10が溝部27の形状になるようにウェットエッチングが行われる。溝部24が貫通孔にならないように途中でエッチングを終了するハーフエッチングを行う(図6(m))。
ステップS24において、不要となったフォトレジストと金属膜とが除去される。これにより溝部27が第2エッチング工程で形成される(図6(n))。
ステップS24において、不要となったフォトレジストと金属膜とが除去される。これにより溝部27が第2エッチング工程で形成される(図6(n))。
図7は、電極パターンおよびパッケージングの工程のフローチャートである。
ステップS51において、第1音叉型圧電振動片20が形成された圧電ウエハ10は、純水で洗浄され、第1音叉型圧電振動片20の全面に駆動電極として電極パターン23(図2を参照)を形成するための金属膜が真空蒸着又はスパッタリング等の手法により形成される。
ステップS51において、第1音叉型圧電振動片20が形成された圧電ウエハ10は、純水で洗浄され、第1音叉型圧電振動片20の全面に駆動電極として電極パターン23(図2を参照)を形成するための金属膜が真空蒸着又はスパッタリング等の手法により形成される。
ステップS52において、金属膜が形成された圧電ウエハ10は、スプレーにより全面にフォトレジストが塗布される。
ステップS53において、電極パターン23(図2参照)に対応した不図示のフォトマスクが用意され、そのフォトマスクが圧電ウエハ10に露光される。電極パターン23は第1音叉型圧電振動片20の両面に形成する必要があるため、第1音叉型圧電振動片20の両面に露光される。
ステップS53において、電極パターン23(図2参照)に対応した不図示のフォトマスクが用意され、そのフォトマスクが圧電ウエハ10に露光される。電極パターン23は第1音叉型圧電振動片20の両面に形成する必要があるため、第1音叉型圧電振動片20の両面に露光される。
ステップS54において、フォトレジストを現像後、感光したフォトレジストが除去される。残るフォトレジストは電極パターンと対応したフォトレジストになる。
次いで、電極パターン23となる金属膜のエッチングが行われる。すなわち、フォトレジストから露出した金層が、たとえばヨウ素とヨウ化カリウムとの水溶液でエッチングされ、次にクロム層がたとえば硝酸第2セリウムアンモニウムと酢酸との水溶液でエッチングされる。
次いで、電極パターン23となる金属膜のエッチングが行われる。すなわち、フォトレジストから露出した金層が、たとえばヨウ素とヨウ化カリウムとの水溶液でエッチングされ、次にクロム層がたとえば硝酸第2セリウムアンモニウムと酢酸との水溶液でエッチングされる。
続いて、ステップS55において、フォトレジストが除去される。これらの工程を経て、基部電極23a、電極パターン23及び周波数調整部24の金属膜などが第1音叉型圧電振動片20の正確な位置に正確な電極幅で形成される。
ステップS56は第2励振工程である周波数の測定を行う。第2励振工程では、不図示の周波数測定器のプローブが圧電ウエハ10に形成された個々の第1音叉型圧電振動片20の基部電極23aに電圧を印加する。周波数測定器が第1音叉型圧電振動片20の周波数を測定した後、周波数が公称目標周波数f0になるまで周波数調整部24の金属膜にレーザービームが照射される。そして周波数調整部24の金属膜の一部が除去されて周波数調整が行われる。図5のステップS18で個々の音叉型圧電振動片の周波数が調整されているので、それら小型の音叉型圧電振動片の周波数を公称目標周波数f0に容易に近づけることができる。必要に応じてステップS56における周波数調整を省略できる。
ステップS57において、第1音叉型圧電振動片20の連結部28が折られて、圧電ウエハ10から個々の第1音叉型圧電振動片20が切り取られる。
ステップS58において、電極パターン23が形成された第1音叉型圧電振動片20が図1で示されたセラミックパッケージ51の台座51cに実装される。具体的には、第1音叉型圧電振動片20の基部29の接着領域23aを、塗布された導電性接着剤31の上に載置して、第1音叉型圧電振動片20を接着させる。
ステップS58において、電極パターン23が形成された第1音叉型圧電振動片20が図1で示されたセラミックパッケージ51の台座51cに実装される。具体的には、第1音叉型圧電振動片20の基部29の接着領域23aを、塗布された導電性接着剤31の上に載置して、第1音叉型圧電振動片20を接着させる。
ステップS59は第3励振工程である周波数の測定を行う。第3励振工程では不図示の周波数測定器がセラミックパッケージ51の外部端子電極43(図1を参照)から印加する。測定された周波数に基づいて、振動腕21の周波数調整部24にレーザービームを照射して周波数調整を行う。周波数調整により周波数調整部24の金属膜が除去され周波数の微調整を行われる。
続いてステップS60において、真空チャンバー内などに第1音叉型圧電振動片20を実装したセラミックパッケージ51を移し、接着剤57の上に蓋体59が載置され、蓋体59とセラミックパッケージ51とを接合する。真空チャンバー内などで導電性接着剤31を本硬化させて第1圧電振動デバイス50を形成する。最後に第1圧電振動デバイス50の駆動特性などの検査を行い、第1圧電振動デバイス50を完成させる。
≪第2実施例≫
図8ないし図9は第2実施例の第1音叉型圧電振動片20の外形、及び分極溝26並びに溝部27を形成するための製造工程を示したフローチャートである。第1実施例と第2実施例との違いは、第2実施例は第1音叉型圧電振動片20の外形を形成した後、分極溝26並びに溝部27を形成し周波数測定を行う点である。なお、電極の形成及びパッケージングの工程は、第1実施例と同じのため説明を省略する。なお、図8の右図(a)〜(h)及び9図の右図(i)〜(j)は図2(a)のA−A断面部分についての圧電ウエハ10を示し、図9の右図(k)は図4(a)の第1音叉型圧電振動片20の上面図を示し、図9の右図(l)〜(n)は図9(k)のC−C断面部分を示している。
図8ないし図9は第2実施例の第1音叉型圧電振動片20の外形、及び分極溝26並びに溝部27を形成するための製造工程を示したフローチャートである。第1実施例と第2実施例との違いは、第2実施例は第1音叉型圧電振動片20の外形を形成した後、分極溝26並びに溝部27を形成し周波数測定を行う点である。なお、電極の形成及びパッケージングの工程は、第1実施例と同じのため説明を省略する。なお、図8の右図(a)〜(h)及び9図の右図(i)〜(j)は図2(a)のA−A断面部分についての圧電ウエハ10を示し、図9の右図(k)は図4(a)の第1音叉型圧電振動片20の上面図を示し、図9の右図(l)〜(n)は図9(k)のC−C断面部分を示している。
図8のステップS31において、研磨洗浄された圧電ウエハ10は、スパッタ法で図8(a)に示されるように金属膜32が形成される。この金属膜32は例えばクロム(Cr)の下地膜に金(Au)を積層したものが用いられる。
ステップS32において、金属膜32が形成された圧電ウエハ10は、金属膜32の上にフォトレジストがスプレー法などで均一に塗布されフォトレジスト膜36が形成される(図8(b))。
ステップS33において、フォトレジスト膜36が形成された圧電ウエハ10は、第3フォトマスク90−1(図11を参照)を用いて第1音叉型圧電振動片20の外形パターンが露光及び現像されて、第1音叉型圧電振動片20の外形をしたフォトレジスト膜36が形成される(図8(c))。
ステップS32において、金属膜32が形成された圧電ウエハ10は、金属膜32の上にフォトレジストがスプレー法などで均一に塗布されフォトレジスト膜36が形成される(図8(b))。
ステップS33において、フォトレジスト膜36が形成された圧電ウエハ10は、第3フォトマスク90−1(図11を参照)を用いて第1音叉型圧電振動片20の外形パターンが露光及び現像されて、第1音叉型圧電振動片20の外形をしたフォトレジスト膜36が形成される(図8(c))。
ステップS34において、現像後の圧電ウエハ10は、現像フォトレジスト膜が除去され、フォトレジスト膜36で覆われていない金属膜32の部分が除去される。金属膜32を除去後の圧電ウエハ10は、残存するフォトレジスト膜が除去される(図8(d))。
ステップS35において、圧電ウエハ10は純水で洗浄され、圧電ウエハ10の全面に溝部27及び溝部27を形成するため圧電ウエハ10にスプレーを使って全面にフォトレジストが塗布される。第2露光工程で溝部27及び分極溝26に対応した第4フォトマスク90−2(図11を参照)を用いて、溝部パターンをフォトレジストが塗布された圧電ウエハ10に露光及び現像される。溝部27は振動腕21の両面に形成する必要があるため、第2露光工程では、365nmのi線の露光光を用いて第1第1音叉型圧電振動片20の両面が露光される(図8(e))。
ステップS36において、第1音叉型圧電振動片20の外形パターン及び溝部27と分極溝パターンとの現像されたフォトレジスト37が形成され、第1音叉型圧電振動片20の外形パターン及び溝部27と分極溝パターンとの現像後のフォトレジスト37(図8(e)を参照)が除去される(図8(f))。
ステップS37は第1エッチング工程である。第1エッチング工程で圧電ウエハ10をエッチング液であるフッ酸を用いウェットエッチングすることで第1音叉型圧電振動片20の外形が形成される。(図8(g))。
ステップS38において、溝部27及び分極溝26の金属膜が除去される(図8(h))。
ステップS37は第1エッチング工程である。第1エッチング工程で圧電ウエハ10をエッチング液であるフッ酸を用いウェットエッチングすることで第1音叉型圧電振動片20の外形が形成される。(図8(g))。
ステップS38において、溝部27及び分極溝26の金属膜が除去される(図8(h))。
図9は、振動腕21に溝部27及び分極溝26を形成する工程のフローチャートである。
ステップS39は第2エッチング工程である。第2エッチング工程で溝部27及び分極溝26のエッチングが行われる。すなわち、溝部27及び分極溝26に対応したフォトレジストから露出した圧電材料を、溝部27及び分極溝26の形状になるようにウェットエッチングが行われる。溝部27が貫通孔にならないように途中でエッチングを終了するハーフエッチングが行われる。溝部27は、第2エッチング工程で形成される。分極溝26の幅は、0.1μmから2μmと細いためエッチング液が停滞してエッチングスピードが遅く、圧電面がわずかに凹む程度に形成される(図9(i))。
ステップS40において、圧電ウエハ10の残存レジストが除去される(図9(j))。
ステップS39は第2エッチング工程である。第2エッチング工程で溝部27及び分極溝26のエッチングが行われる。すなわち、溝部27及び分極溝26に対応したフォトレジストから露出した圧電材料を、溝部27及び分極溝26の形状になるようにウェットエッチングが行われる。溝部27が貫通孔にならないように途中でエッチングを終了するハーフエッチングが行われる。溝部27は、第2エッチング工程で形成される。分極溝26の幅は、0.1μmから2μmと細いためエッチング液が停滞してエッチングスピードが遅く、圧電面がわずかに凹む程度に形成される(図9(i))。
ステップS40において、圧電ウエハ10の残存レジストが除去される(図9(j))。
ステップS41は第1励振工程である。第1励振工程で圧電ウエハは、第1音叉型圧電振動片20の外形及び溝部27並びに分極溝26が形成された状態で、不図示の周波数測定器のプローブが当接される。分極された金属膜32は、それぞれに電圧が印加されると、振動腕21が励振する。周波数測定器は振動腕21の周波数を測定する(図9(k))。
第1励振工程において、圧電ウエハ上のすべての第1音叉型圧電振動片20の周波数が測定され、補正が必要な第1音叉型圧電振動片20が特定される。また、その第1音叉型圧電振動片20に求められる振動周波数と測定された振動周波数との差に応じて補正すべき周波数調整部24(図2参照)の範囲と深さとが予め測定されており、振動腕21の一部を除去する量と除去する位置とが決定される。
第1励振工程において、圧電ウエハ上のすべての第1音叉型圧電振動片20の周波数が測定され、補正が必要な第1音叉型圧電振動片20が特定される。また、その第1音叉型圧電振動片20に求められる振動周波数と測定された振動周波数との差に応じて補正すべき周波数調整部24(図2参照)の範囲と深さとが予め測定されており、振動腕21の一部を除去する量と除去する位置とが決定される。
ステップS42は周波数調整工程である。この周波数調整工程は、ステップS41で決定された位置に基づいて、補正すべき第1音叉型圧電振動片20の周波数調整部24の範囲内にレーザー光を照射し金属膜32を除去する。図9(l)では片面に除去部分が示されているが、表裏両面にレーザー光を照射し金属膜32を除去してもよい。
ステップS43は軽量化工程である。軽量化工程は、振動腕21に露出した圧電ウエハ面に、レーザー光を照射して圧電材料を除去して除去部34が形成される。除去部34の除去量は、ステップS41で計測された周波数結果に基づいて決められる(図9(m))。
ステップS44において、不要となった金属膜32が除去される(図9(n))。
以上の工程で形成された第1音叉型圧電振動片20は、電極の形成及びパッケージングの工程ステップS51に移行する。
ステップS43は軽量化工程である。軽量化工程は、振動腕21に露出した圧電ウエハ面に、レーザー光を照射して圧電材料を除去して除去部34が形成される。除去部34の除去量は、ステップS41で計測された周波数結果に基づいて決められる(図9(m))。
ステップS44において、不要となった金属膜32が除去される(図9(n))。
以上の工程で形成された第1音叉型圧電振動片20は、電極の形成及びパッケージングの工程ステップS51に移行する。
<露光マスクの構成>
図10(a)は、第1音叉型圧電振動片20の外形及び分極溝26形成用の第1フォトマスク80−1を示す上面図である。図10(b)は、第1音叉型圧電振動片20の溝部形成用の第2フォトマスク80−2を示す上面図である。図11(a)は、第1音叉型圧電振動片20の外形形成用の第3フォトマスク90−1を示す上面図である。図11(b)は、第1音叉型圧電振動片20の溝部及び分極溝26形成用の第4フォトマスク90−2を示す上面図である。
図10(a)は、第1音叉型圧電振動片20の外形及び分極溝26形成用の第1フォトマスク80−1を示す上面図である。図10(b)は、第1音叉型圧電振動片20の溝部形成用の第2フォトマスク80−2を示す上面図である。図11(a)は、第1音叉型圧電振動片20の外形形成用の第3フォトマスク90−1を示す上面図である。図11(b)は、第1音叉型圧電振動片20の溝部及び分極溝26形成用の第4フォトマスク90−2を示す上面図である。
フォトレジスト層がネガフォトレジストの場合には、マスク枠80と音叉型振動片パターン85とが、石英ガラスのままの透明領域であり。斜線部82は石英ガラス上にクロムで描かれている遮光領域である。フォトレジスト層がポジフォトレジストの場合には、逆に、斜線部82が石英ガラスのままの透明領域になっている。本実施形態では以下、ポジフォトレジストを前提として説明する。以下、第1、第2フォトマスク及び第3、第4フォトマスクの同じ部材には同じ符号を付し、第1、第2フォトマスク及び第3、第4フォトマスクの異なる点を説明する。
図10(a)は、第1音叉型圧電振動片20の外形及び分極溝26形成用の第1フォトマスク80−1を示す上面図である。マスク枠80は、開口部ユニット18を示している。第1フォトマスク80−1には、図4(a)で示された第1音叉型圧電振動片20と連結部28とに対応する遮光部が描かれている。第1フォトマスク80−1には複数の第1音叉型圧電振動片20が描かれており、斜線部82及び分極溝26が分極溝パターン86で描かれている。また圧電ウエハとフォトマスクとの正確な位置合わせができるように不図示のアライメントマークが描かれている。図10(b)は、溝部27形成用の第2フォトマスク80−2を示す上面図である。第2フォトマスク80−2には、溝部27を斜線部87で描かれており、第1音叉型圧電振動片20の外形部分を仮想線(1点鎖線)で示している。
図11(a)は、第1音叉型圧電振動片20の外形形成用の第3フォトマスク90−1を示す上面図である。第3フォトマスク90−1には、第1音叉型圧電振動片20と連結部28とに対応する遮光部が描かれている。また圧電ウエハとフォトマスクとの正確な位置合わせができるようにアライメントマークが描かれている。第3フォトマスク90−1には、分極溝パターン86は描かれていない。図11(b)は、第1音叉型圧電振動片20の振動腕21の溝部パターン87と分極溝26に対応する分極溝パターン86とが描かれている。理解を助けるため音叉型圧電振動片外形パターン85を仮想線で示している。
図12は、分極溝26で金属膜が分極された第1音叉型圧電振動片20を励起させた場合の周波数と、電極パターン23を形成した第1音叉型圧電振動片20を励起させた場合の周波数との関係を示した図である。横軸は、分極された金属膜32を備えた第1音叉型圧電振動片20の周波数を表わし、縦軸は、電極パターン23を形成した第1音叉型圧電振動片20の周波数を表示している。たとえば、分極溝26を備えた金属膜32に電圧を印加し“B”kHzの周波数を示した第1音叉型圧電振動片20は、電極パターン23を形成後には、32.766kHzの周波数を示した。また、左右の金属膜32に印加し“D”kHzの周波数を示した第1音叉型圧電振動片20は、電極パターン23を形成後には32.770kHzの周波数を示した。分極された金属膜32を備えた第1音叉型圧電振動片20の周波数と、電極パターン23を形成した第1音叉型圧電振動片20の周波数とには相関性があることを示している。
<第2実施形態;第2圧電振動デバイス100の構成>
図13(a)は、圧電フレーム60を装備する第2圧電振動デバイス100の構成を示す斜視図である。図13(b)は、分極溝26で金属膜32が分極された第2音叉型圧電振動片30を備えた圧電フレーム60の上面図である。図13(a)に示されるように第2圧電振動デバイス100は、リッド5から成る圧電ウエハ10と、第2音叉型圧電振動片30を備えた圧電フレーム60から成る圧電ウエハ10と、ベース40から成る圧電ウエハ10との3層で形成されている。図13(a)は、表面実装(SMD)タイプの第2圧電振動デバイス100をリッド5のリッド部側からみた図である。ベース40は、底面に外部電極46を備えている。圧電フレーム60の第2音叉型圧電振動片30は、圧電外枠部66と支持腕62とを接続する部分に周波数調整するための接続部63を形成している。
図13(a)は、圧電フレーム60を装備する第2圧電振動デバイス100の構成を示す斜視図である。図13(b)は、分極溝26で金属膜32が分極された第2音叉型圧電振動片30を備えた圧電フレーム60の上面図である。図13(a)に示されるように第2圧電振動デバイス100は、リッド5から成る圧電ウエハ10と、第2音叉型圧電振動片30を備えた圧電フレーム60から成る圧電ウエハ10と、ベース40から成る圧電ウエハ10との3層で形成されている。図13(a)は、表面実装(SMD)タイプの第2圧電振動デバイス100をリッド5のリッド部側からみた図である。ベース40は、底面に外部電極46を備えている。圧電フレーム60の第2音叉型圧電振動片30は、圧電外枠部66と支持腕62とを接続する部分に周波数調整するための接続部63を形成している。
ここで、リッド5及びベース40は水晶材料から形成され、この理由は以下のとおりである。工業材料の硬さを表わす指標の一つにヌープ硬度がある。ヌープ硬度は数値が高ければ硬く、低ければ柔らかい。リッド及びベースに使用される代表的なガラスであるホウケイ酸ガラスは、ヌープ硬度が590kg/mm2である。また、水晶のヌープ硬度は710〜790kg/mm2である。そのため第2圧電振動デバイス100では、リッド5及びベース40にガラスの代わりに水晶を使用する方が圧電振動デバイスの硬度を高くすることができる。また、圧電振動デバイスを所定の硬度にする場合には、リッド及びベースに使われるガラスの厚みを厚くする必要があるが、水晶であれば厚みが薄くてもよい。つまり、同じ硬度の水晶デバイスであればリッド及びベースに水晶を使用すると、小型化・低背化が可能となる。
また、圧電振動デバイスの作製時、または圧電振動デバイスのプリント基板への取り付け時には圧電振動デバイスに熱が加えられる。その時に、リッド5及びベース40に水晶材料とは異なる種類の材料を使用する場合、圧電振動デバイス内には熱膨張係数の差による応力が加わる。熱膨張係数の差が大きいと、この応力も大きくなり、特に圧電外枠部66を備える圧電フレーム60では強度の弱い圧電外枠部66の角等が破損することがある。そのため、リッド5及びベース40と圧電フレーム60との熱膨張係数の差を小さくすることが望まれる。リッド5及びベース40に水晶を使用することは、ガラスを使用した場合に比べて圧電フレーム60との熱膨張係数の差を小さくし、圧電振動デバイス内の応力を小さくすることができるため好ましい。さらに、上記の通り、ガラスを使用した場合に比べて圧電振動デバイスの小型化・低背化が可能となるため好ましい。
図13(a)に示されるように第2圧電振動デバイス100は、リッド5にリッド用凹部17を圧電フレーム60側の片面に有している。ベース40にベース用凹部47を圧電フレーム60側の片面に有している。ベース40は、スルーホールTHと接続電極45と外部電極46とを備えている。接続電極45は、スルーホールTHのスルーホール配線(不図示)を通じてベース40の底面に設けた外部電極46に接続する。
圧電フレーム60は、圧電外枠部66の両面に接続端子64及び引出電極61を備えている。圧電フレーム60の圧電外枠部66の裏面に形成された接続端子64は、それぞれベース40の表面の接続電極45に接続する。つまり、接続端子64は外部電極46と電気的に接続している。第2音叉型圧電振動片30は、振動腕21の表裏両面に溝部27が形成され励振電極65及び錘部68を備えている。溝部27の断面は略H型に形成され、第2音叉型圧電振動片30のCI値を低下させる効果がある。
第2圧電振動デバイス100は、第2音叉型圧電振動片30を備えた圧電フレーム60を中心として、圧電フレーム60の上にリッド5が接合され、圧電フレーム60の下にベース40が接合される。ベース40は圧電フレーム60に、リッド5は圧電フレーム60にシロキサン結合(Si−O−Si)技術により接合してパッケージ70が形成される。シロキサン結合後、スルーホールTHに封止材として金と他の金属との共晶合金を充填し、不図示の真空リフロー炉に保持し溶融して封止を行い第2圧電振動デバイス100が形成される。
<圧電フレーム60の構成>
図13(b)は、分極溝26で金属膜32が分極された第2音叉型圧電振動片30を備えた圧電フレーム60の上面図である。この金属膜32は第2音叉型圧電振動片30の外形を形成するためにウェットエッチングの耐食膜として使用された膜である。分極溝26によって第2音叉型圧電振動片30の金属膜32が左右に分極されている。
圧電フレーム60は、基部29及び振動腕21からなる第2音叉型圧電振動片30と、圧電外枠部66と、支持腕62と、接続部63と開口部22とから構成され、同じ厚さの圧電基板で一体に形成され分極溝26で分極された金属膜32で覆われている。開口部22は、斜線で示されている。圧電フレーム60は、分極溝26を備えることで第1実施形態と同様に、励振電極65を形成する前の段階で、第2音叉型圧電振動片30の周波数を測定することができる。
図13(b)は、分極溝26で金属膜32が分極された第2音叉型圧電振動片30を備えた圧電フレーム60の上面図である。この金属膜32は第2音叉型圧電振動片30の外形を形成するためにウェットエッチングの耐食膜として使用された膜である。分極溝26によって第2音叉型圧電振動片30の金属膜32が左右に分極されている。
圧電フレーム60は、基部29及び振動腕21からなる第2音叉型圧電振動片30と、圧電外枠部66と、支持腕62と、接続部63と開口部22とから構成され、同じ厚さの圧電基板で一体に形成され分極溝26で分極された金属膜32で覆われている。開口部22は、斜線で示されている。圧電フレーム60は、分極溝26を備えることで第1実施形態と同様に、励振電極65を形成する前の段階で、第2音叉型圧電振動片30の周波数を測定することができる。
一対の振動腕21は基部29の一端からY方向に延びており、振動腕21の表裏両面には溝部27が形成されている。例えば、一本の振動腕21の表面には1箇所の溝部27が形成されており、振動腕21の裏面側にも同様に1箇所の溝部27が形成されている。つまり、一対の振動腕21には4箇所の溝部27が形成されている。
振動腕21の先端付近は一定幅で幅広となりハンマー型の形状となっている。ハンマー型の形状部分は金属膜を備えた錘部68を形成している。錘部68は振動腕21に電圧をかけた際に振動しやすくさせ、また安定した振動をするために形成されている。
圧電フレーム60は、圧電外枠部66と基部29と支持腕25と接続部26との表面に、金属膜32が形成され、裏面にも同様に金属膜32が形成されている。金属膜32は、例えばクロム(Cr)の下地膜に金(Au)を積層したものが用いられる。圧電ウエハ10に第2音叉型圧電振動片30の外形が形成された状態で、分極溝26で分極された金属膜32の基部29に不図示の周波数測定器のプローブを当接する。分極された金属膜32のそれぞれに電圧が印加されると、振動腕21は励振する。周波数測定器は振動腕21の周波数を測定することができる。分極された金属膜32に印加した振動腕21の周波数と図13(a)に示された接続端子64に印加した振動腕21の周波数とには相関性がある。このため、圧電ウエハ上のすべての第2音叉型圧電振動片30の周波数が測定され、補正が必要な第2音叉型圧電振動片30が特定される。
<第2圧電振動デバイス100の製造工程>
図14は、リッド5が形成された圧電ウエハ10と、第2音叉型圧電振動片30及び圧電フレーム60が形成された圧電ウエハ10と、ベース40が形成された圧電ウエハ10とを重ね合わせる前の斜視図である。説明の都合上仮想線で、リッド用の圧電ウエハ10には第1リッド5を示し、ベース用の圧電ウエハ10には、ベース40を示している。圧電フレーム60には開口部22を斜線で示している。なお、説明の都合上各圧電ウエハ10には52個のリッド5、圧電フレーム60及びベース40が描かれているが、実際には3枚の圧電ウエハ10が接合され数百数千もの第2圧電振動デバイス100が形成される。
図14は、リッド5が形成された圧電ウエハ10と、第2音叉型圧電振動片30及び圧電フレーム60が形成された圧電ウエハ10と、ベース40が形成された圧電ウエハ10とを重ね合わせる前の斜視図である。説明の都合上仮想線で、リッド用の圧電ウエハ10には第1リッド5を示し、ベース用の圧電ウエハ10には、ベース40を示している。圧電フレーム60には開口部22を斜線で示している。なお、説明の都合上各圧電ウエハ10には52個のリッド5、圧電フレーム60及びベース40が描かれているが、実際には3枚の圧電ウエハ10が接合され数百数千もの第2圧電振動デバイス100が形成される。
重ね合わせる際には、すでにリッド5のリッド用凹部17はエッチングで形成されている。また、ベース40のリッド用凹部47がエッチングで形成されており、さらに接続電極45も形成されている。また、図13で説明したように、圧電フレーム60及び第2音叉型圧電振動片30には引出電極61及び接続端子64並びに励振電極65が形成されている。リッド5及び圧電フレーム60並びにベース40は、接合面を鏡面状態にしてプラズマ処理又はイオンビームを照射することにより、リッド5及び圧電フレーム60並びにベース40の接合面を活性化させる。
接合面が活性化された夫々の圧電ウエハ10の大きさは、例えば直径4インチでありオリエンテーションフラット10cが形成されているため、3枚の圧電ウエハ10を正確に位置合わせして重ね合わせる。重ね合わされた3枚の圧電ウエハ10はシロキサン結合で強固に結合しパッケージ70(図13を参照)を形成する。圧電ウエハ10同士のシロキサン結合の際に、接続端子64と接続電極45ともしっかりと結合する。パッケージ70は、スルーホールTHに封止材として金と他の金属との共晶合金を充填し、不図示の真空リフロー炉に保持し溶融して封止を行い第2圧電振動デバイス100が形成される。
リッド用の圧電ウエハ10及びベース用の圧電ウエハ10並びに圧電フレーム60が形成された圧電ウエハ10の3枚が接合され、スルーホールTHが封止された圧電ウエハ10は、ダイジングソー又はレーザソーで切断して第2圧電振動デバイス100が完成する。
以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において上記各実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。例えば、圧電材料として水晶の他にニオブ酸リチウム等の様々な圧電単結晶材料を用いることができる。
5 … リッド
10 … 圧電ウエハ、10c … オリエンテーションフラット
17 … リッド用凹部
18 … 開口部ユニット
20 … 第1音叉型圧電振動片
21 … 振動腕
22 … 開口部
23 … 電極パターン(23a … 基部電極、23c … 側面電極、23d … 溝電極)
24 … 周波数調整部
25 … 振動腕根本部
26 … 分極溝
27 … 溝部
28 … 連結部
29 … 基部
30 … 第2音叉型圧電振動片
31 … 導電性接着剤
32 … 金属膜
34 … 除去部
36 … フォトレジスト、37 … 現像後のフォトレジスト
40 … ベース
42 … 配線層(43 … 外部端子電極、44 … 内部配線)
45 … 接続電極
46 … 外部電極
47 … ベース用凹部
50 … 第1圧電振動デバイス
51 … セラミックパッケージ(51a … 底面用セラミック層、51b … 壁用セラミック層、51c … 台座用セラミック層)
57 … 封止材
58 … キャビティ
59 … 蓋体
60 … 圧電フレーム
61 … 引出電極
62 … 支持腕
63 … 接続部
64 … 接続端子
65 … 励振電極
66 … 圧電外枠部
68 … 錘部
70 … パッケージ
80 … マスク枠
80−1 … 第1フォトマスク、80−2 … 第2フォトマスク
82 … 斜線部(透過領域)
85 … 音叉型振動片外形パターン
86 … 分極溝パターン
87 … 溝部パターン
90−1 … 第3フォトマスク、90−2 … 第4フォトマスク
100 … 第2圧電振動デバイス
10 … 圧電ウエハ、10c … オリエンテーションフラット
17 … リッド用凹部
18 … 開口部ユニット
20 … 第1音叉型圧電振動片
21 … 振動腕
22 … 開口部
23 … 電極パターン(23a … 基部電極、23c … 側面電極、23d … 溝電極)
24 … 周波数調整部
25 … 振動腕根本部
26 … 分極溝
27 … 溝部
28 … 連結部
29 … 基部
30 … 第2音叉型圧電振動片
31 … 導電性接着剤
32 … 金属膜
34 … 除去部
36 … フォトレジスト、37 … 現像後のフォトレジスト
40 … ベース
42 … 配線層(43 … 外部端子電極、44 … 内部配線)
45 … 接続電極
46 … 外部電極
47 … ベース用凹部
50 … 第1圧電振動デバイス
51 … セラミックパッケージ(51a … 底面用セラミック層、51b … 壁用セラミック層、51c … 台座用セラミック層)
57 … 封止材
58 … キャビティ
59 … 蓋体
60 … 圧電フレーム
61 … 引出電極
62 … 支持腕
63 … 接続部
64 … 接続端子
65 … 励振電極
66 … 圧電外枠部
68 … 錘部
70 … パッケージ
80 … マスク枠
80−1 … 第1フォトマスク、80−2 … 第2フォトマスク
82 … 斜線部(透過領域)
85 … 音叉型振動片外形パターン
86 … 分極溝パターン
87 … 溝部パターン
90−1 … 第3フォトマスク、90−2 … 第4フォトマスク
100 … 第2圧電振動デバイス
Claims (11)
- 基部とその基部の一端から伸びる一対の振動腕とを有する音叉型圧電振動片を圧電ウエハから製造する製造方法において、
前記圧電ウエハに耐食膜を形成する耐食膜形成工程と、
前記耐食膜に感光材を形成する感光材形成工程と、
前記耐食膜に前記音叉型圧電振動片の外形形成用に、前記感光材を露光する第1露光工程と、
前記耐食膜に前記一対の振動腕の間で且つ前記基部の一端から前記基部の他端側に伸びる分極溝用に、前記感光材を露光する第2露光工程と、
前記感光材及び前記耐食膜が除去された前記圧電ウエハをエッチングするエッチング工程と、
前記エッチング工程により外形が形成された音叉型圧電振動片から前記感光材を除去する感光材除去工程と、
前記分極溝で分けられた前記耐食膜に通電させて前記音叉型圧電振動片を励振させる第1励振工程と、
前記第1励振工程によって得られた励振状態に基づいて前記振動腕の一部を除去して前記振動腕を軽量化する軽量化工程と、
前記耐食膜を除去後に、前記音叉型圧電振動片に電極を形成する電極形成工程と、
を備えることを特徴とする音叉型圧電振動片を製造する製造方法。 - さらに前記電極形成工程の後に、前記電極に通電することにより前記音叉型圧電振動片を励振させる第2励振工程と、
前記第2励振工程によって得られた励振状態に基づいて前記音叉型圧電振動片の周波数を調整する周波数調整工程と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の音叉型圧電振動片を製造する製造方法。 - 前記第1励振工程における前記音叉型圧電振動片の励振状態と前記第2励振工程における前記音叉型圧電振動片の励振状態での周波数の相関が予め測定されており、
前記軽量化工程は、前記周波数の相関に基づいて前記振動腕の一部を除去する量と除去する位置とを決定することを特徴とする請求項2に記載の音叉型圧電振動片を製造する製造方法。 - 前記第1露光工程と前記第2露光工程とは同時に露光が行われることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の音叉型圧電振動片を製造する製造方法。
- 前記振動腕にこの振動腕が伸びる方向の溝部を露光する第3露光工程を備え、
前記第2露光工程と前記第3露光工程とは同時に行われることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の音叉型圧電振動片を製造する製造方法。 - 前記第2露光工程は、前記圧電ウエハの少なくとも片面を露光することを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の音叉型圧電振動片を製造する製造方法。
- 前記分極溝は、その幅が0.1μmから2.0μmであることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の音叉型圧電振動片を製造する製造方法。
- 請求項1から請求項7のいずれか一項の製造方法で製造された音叉型圧電振動片において、
前記振動腕の圧電材の一部が除去された除去部を有し、
前記基部、前記振動腕及び前記除去部に前記電極が形成されていることを特徴とする音叉型圧電振動片。 - 前記一対の振動腕の間で且つ前記基部の一端から前記基部の他端側に伸びる分極溝が形成されていることを特徴とする請求項8に記載の音叉型圧電振動片。
- 請求項8又は請求項9に記載の音叉型圧電振動片と、
前記音叉型圧電振動片を収納するパッケージと、
を備える圧電振動デバイス。 - 前記一対の振動腕の外側に形成された一対の支持腕を有する請求項8又は請求項9に記載の音叉型圧電振動片と、
前記音叉型圧電振動片と接合するベースと、
前記ベース側と反対側で前記音叉型圧電振動片と接合するリッドと、
を備える圧電振動デバイス。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2010069439A JP2010283805A (ja) | 2009-05-01 | 2010-03-25 | 音叉型圧電振動片を製造する製造方法。音叉型圧電振動片及び圧電振動デバイス |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009112107 | 2009-05-01 | ||
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Publication Number | Publication Date |
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JP2010069439A Pending JP2010283805A (ja) | 2009-05-01 | 2010-03-25 | 音叉型圧電振動片を製造する製造方法。音叉型圧電振動片及び圧電振動デバイス |
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JP (1) | JP2010283805A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN102904540A (zh) * | 2012-09-25 | 2013-01-30 | 铜陵晶越电子有限公司 | 选择性腐蚀石英晶片的装置 |
JP2013078081A (ja) * | 2011-09-30 | 2013-04-25 | Seiko Instruments Inc | 圧電振動片の製造方法、圧電振動片、圧電振動子、発振器、電子機器及び電波時計 |
JP2013219542A (ja) * | 2012-04-09 | 2013-10-24 | River Eletec Kk | 圧電振動子 |
CN113385811A (zh) * | 2021-06-04 | 2021-09-14 | 北京遥测技术研究所 | 一种表面镀金属的透明硬质晶圆激光加工保护膜 |
-
2010
- 2010-03-25 JP JP2010069439A patent/JP2010283805A/ja active Pending
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TWI577059B (zh) * | 2011-09-30 | 2017-04-01 | 精工電子水晶科技股份有限公司 | Manufacturing method of piezoelectric vibrating plate |
JP2013219542A (ja) * | 2012-04-09 | 2013-10-24 | River Eletec Kk | 圧電振動子 |
CN102904540A (zh) * | 2012-09-25 | 2013-01-30 | 铜陵晶越电子有限公司 | 选择性腐蚀石英晶片的装置 |
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