JP2011082736A - 圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パッケージベースとリッドとの線膨張率の違いに起因した熱応力の発生を回避し、周波数−温度特性などの諸特性の劣化を回避する圧電デバイスの製造方法の提供。
【解決手段】水晶振動子１の製造方法は、シリコンを含んでなるパッケージベース２０と、シリコンを含んでなりパッケージベース２０を覆うリッド３０とを備えたパッケージ４０の内部空間４１に、水晶振動片１０を収容し気密に封止する封止工程Ｓ１と、パッケージ４０内の水晶振動片１０の位置を検出する位置検出工程Ｓ３と、位置検出工程Ｓ３で取得した水晶振動片１０の位置情報に基づいて、周波数調整装置７０と水晶振動片１０とを位置合わせする位置合わせ工程Ｓ４と、周波数調整装置７０を用いてパッケージ４０を透過する波長のＹＡＧレーザー７２照射により、水晶振動片１０の周波数を調整する周波数調整工程Ｓ５と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶振動子などに代表される圧電デバイスの製造方法に関する。

従来、圧電材料である水晶基板から音叉型に形成され、駆動用の金属電極（以下、励振電極という）が設けられた水晶振動片（以下、圧電振動片ともいう）が、セラミックで形成されたベース（以下、パッケージベースという）に導電性の接着剤などで接合され、透明なガラス材のリッドにより真空雰囲気中に封止された状態の水晶振動子において、封止後、リッドを透過するレーザーなどにより水晶振動片の励振電極をトリミングし、水晶振動片の周波数を調整する水晶振動子の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３１２９４８号公報（３頁、図２３）

上記水晶振動子の製造方法においては、セラミックで形成されたパッケージベースに、透明なガラス材のリッドを接合してパッケージを封止する必要があることから、両者の線膨張率の違いに起因した周囲の温度変化に伴う熱応力が発生する。
これにより、水晶振動子は、上記熱応力が水晶振動片に伝達され、水晶振動片の振動を阻害することから、周波数−温度特性などの諸特性が劣化する虞がある。
また、水晶振動子は、透明なガラス材のリッドを透過して侵入する外光などによって、水晶振動片を始めとする内部の構成要素が悪影響を受け（例えば、紫外線による劣化）、上記周波数−温度特性などの諸特性が劣化する虞がある。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかる圧電デバイスの製造方法は、シリコンを含んでなるパッケージベースと、シリコンを含んでなり前記パッケージベースを覆うリッドとを備えたパッケージの内部空間に、圧電振動片を収容し気密に封止する封止工程と、前記パッケージ内の前記圧電振動片の位置を検出する位置検出工程と、前記位置検出工程で取得した前記圧電振動片の位置情報に基づいて、周波数調整装置と前記圧電振動片とを位置合わせする位置合わせ工程と、前記周波数調整装置を用いて前記パッケージを透過する波長のレーザー照射により、前記圧電振動片の周波数を調整する周波数調整工程と、を有することを特徴とする。

これによれば、圧電デバイスの製造方法は、シリコンを含んでなるパッケージベースと、シリコンを含んでなるリッドとを備えたパッケージの内部空間に、圧電振動片を収容し気密に封止する封止工程、周波数調整装置を用いてパッケージを透過する波長のレーザー照射により、圧電振動片の周波数を調整する周波数調整工程などを有する。
これにより、圧電デバイスの製造方法は、パッケージを透過する波長のレーザー照射によって、圧電振動片の周波数を調整する方法を採用することで、シリコンを含んでなるパッケージベースにシリコンを含んでなるリッドを接合してパッケージを封止できる。

このことから、圧電デバイスの製造方法は、パッケージベースとリッドとを同じ材料で形成することが可能となり、従来のような、周囲の温度変化に伴って両者の線膨張率の違いに起因した熱応力の発生を回避することができる。
この結果、圧電デバイスの製造方法は、従来のような、両者の線膨張率の違いに起因した熱応力が圧電振動片に伝達され、周波数−温度特性などの諸特性が劣化する虞を回避することができる。

また、圧電デバイスの製造方法は、シリコンを含んでなるパッケージベースにシリコンを含んでなるリッドを接合してパッケージを封止することから、パッケージの内部へ外光の侵入する余地が殆どない。
このことから、圧電デバイスの製造方法は、従来のような、透明なガラス材のリッドを透過して侵入する外光によって、水晶振動片を始めとする内部の構成要素が悪影響を受け（例えば、紫外線による劣化）、上記周波数−温度特性などの諸特性が劣化する虞を回避することができる。

［適用例２］上記適用例にかかる圧電デバイスの製造方法において、前記レーザーが近赤外レーザーであることが好ましい。

これによれば、圧電デバイスの製造方法は、レーザーが近赤外レーザーであることから、シリコンを含んでなるパッケージベースまたはシリコンを含んでなるリッドを透過して、効率的に圧電振動片の周波数を調整することができる。

［適用例３］上記適用例にかかる圧電デバイスの製造方法において、前記位置検出工程では、前記パッケージを透過する赤外光の照射により前記圧電振動片の位置を検出することが好ましい。

これによれば、圧電デバイスの製造方法は、位置検出工程でパッケージを透過する赤外光の照射により圧電振動片の位置を検出する。
このことから、圧電デバイスの製造方法は、例えば、パッケージの上方から赤外光を照射し、パッケージの下方で受光素子により赤外光を受光する構成とすることで、赤外光の透過領域（パッケージ部分）及び不透過領域（圧電振動片の励振電極部分）の識別によって、圧電振動片の位置を容易に検出することができる。

本実施形態の水晶振動子の概略構成を示す模式図。 水晶振動子の製造方法の工程を示すフローチャート。 主要工程を説明する模式図。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。

（実施形態）
ここでは、圧電デバイスの一例として水晶振動子を例に挙げて説明する。
図１は、本実施形態の水晶振動子の概略構成を示す模式図である。図１（ａ）はリッド側から俯瞰した平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ線での断面図である。なお、平面図では、理解を容易にするためにリッドを省略してある。

図１に示すように、水晶振動子１は、圧電振動片としての水晶振動片１０と、シリコン（例えば、単結晶シリコン）を含んでなるパッケージベース２０と、シリコン（例えば、単結晶シリコン）を含んでなりパッケージベース２０を覆うリッド３０とを備えている。 水晶振動子１は、パッケージベース２０とリッド３０とを備えたパッケージ４０の内部空間４１に、水晶振動片１０が収容され、内部空間４１が真空状態で気密に封止されている。

水晶振動片１０は、平面形状が略矩形の基部１１と、基部１１の一端部から互いに略平行に延在した角柱状の一対の振動腕部１２とを備えた音叉型水晶振動片である。
水晶振動片１０には、励振電極１３（一部を図示）が振動腕部１２の形状に沿って形成されている。なお、励振電極１３は、Ｃｒ（クロム）などの下地層にＡｕ（金）、Ａｇ（銀）などの金属が積層された金属被膜からなる。
パッケージベース２０は、平面形状が略矩形で、エッチングなどにより一面に開口部２１を有する箱状に形成されている。
なお、パッケージベース２０は、上記のようなシリコンの厚板をエッチングして凹部を形成する一体構造ではなく、薄い平板状の層に枠状の層を積層して接合した構成としてもよい。

パッケージベース２０の内底面２２には、内部電極２３，２４が形成され、Ａｇなどの金属フィラーを含有したペースト状のエポキシ系、シリコン系、ポリイミド系などの導電性接着剤５０を介して、水晶振動片１０が搭載されている。なお、水晶振動片１０の搭載には、導電性接着剤５０に代えて、はんだ、バンプなどの接合材を用いてもよい。
水晶振動片１０は、励振電極１３から引き出されて基部１１に形成された図示しない引き出し電極部分が、内部電極２３，２４と重なるように搭載されている。
これにより、水晶振動子１は、水晶振動片１０の励振電極１３と、内部電極２３，２４とが導通される。

内部電極２３，２４は、パッケージベース２０を貫通して内底面２２と外底面２５と繋ぐように形成された図示しない貫通電極などの内部配線を介して、パッケージベース２０の外底面２５に形成された一対の実装端子２６と電気的に接続されている。
これにより、一対の実装端子２６は、内部電極２３，２４を介して水晶振動片１０と電気的に接続される。
なお、内部電極２３，２４及び実装端子２６は、例えば、Ｗ（タングステン）などのメタライズ層にＮｉ（ニッケル）、Ａｕなどの金属を積層した金属被膜からなる。
また、内部電極２３，２４、実装端子２６、貫通電極などの内部配線は、パッケージベース２０と絶縁されている。これは、シリコンを含んでなるパッケージベース２０へ、駆動信号などがリークする虞を回避するためである。

パッケージ４０は、パッケージベース２０の開口部２１が、略矩形の平面形状をした平板状のリッド３０により覆われることで、内部空間４１が形成される。
パッケージベース２０とリッド３０とは、内部空間４１が気密になるように低融点ガラスなどを用いて接合されている。

水晶振動子１は、真空雰囲気中でパッケージベース２０とリッド３０とが接合され、気密に封止されることにより、パッケージ４０の内部空間４１が真空状態に保持され、外部の機器に実装される実装端子２６を介して印加される駆動信号によって、水晶振動片１０が励振されて所定の周波数で共振する。

ここで、水晶振動子１の製造方法について主要な部分を中心に説明する。
図２は、水晶振動子の製造方法の工程を示すフローチャートであり、図３は、主要工程を説明する模式図である。

図２に示すように、水晶振動子１の製造方法は、封止工程Ｓ１と、周波数測定工程Ｓ２と、位置検出工程Ｓ３と、位置合わせ工程Ｓ４と、周波数調整工程Ｓ５と、周波数検査工程Ｓ６とを有している。
以下、順を追って各工程について説明する。

［封止工程Ｓ１］
まず、シリコンを含んでなるパッケージベース２０と、シリコンを含んでなりパッケージベース２０を覆うリッド３０とを備えたパッケージ４０の内部空間４１に、水晶振動片１０を収容し気密に封止する（図１参照）。

詳述すると、真空チャンバー内などの真空雰囲気中で、パッケージベース２０の内底面２２に形成された内部電極２３，２４に、水晶振動片１０の基部１１に形成された引き出し電極部分を位置合わせし、導電性接着剤５０を介して水晶振動片１０を搭載（接合）する。
ついで、パッケージベース２０の開口部２１を覆うようにして、パッケージベース２０にリッド３０を接合し、パッケージ４０の内部空間４１を気密に封止する。

ここで、パッケージベース２０とリッド３０との接合には、上述した低融点ガラスによる接合方法以外に、（１）互いの接合面をプラズマ照射などにより親水化処理して表面を活性化させ、接合面同士を貼り合わせることで水素結合させるなどの直接接合方法、（２）アルコキシド、オルガノシロキシ基などを含む接合部材を用い、紫外線やプラズマ照射により接合する接合方法、（３）Ａｕ、Ａｕ／Ｓｎ（錫）合金などの金属被膜を接合部材に用いた共晶接合方法などを用いてもよい。

なお、封止工程Ｓ１においては、パッケージベース２０及びリッド３０が、複数個取りされたウエハー状に形成され、ウエハー状のパッケージベース２０にウエハー状のリッド３０を接合し、複数の水晶振動子１を一括して気密に封止する形態であってもよい。

［周波数測定工程Ｓ２］
ついで、水晶振動子１の実装端子２６を介して水晶振動片１０に所定の駆動信号を印加し、周波数カウンターなどの周波数測定装置を用いて、水晶振動片１０の周波数を測定し、所望の周波数とのずれ量を把握する。

［位置検出工程Ｓ３］
ついで、パッケージ４０内の水晶振動片１０の位置を検出する。
具体的には、図３（ａ）に示すように、パッケージ４０の上方から赤外光照射装置６０により、パッケージ４０を透過する赤外光６１の平行光を照射し、パッケージ４０の下方でＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）などの受光素子６２により赤外光６１を受光する。
このとき、赤外光６１は、パッケージ４０を透過するが、水晶振動片１０に形成された金属被膜である励振電極１３を透過しない。
このことから、受光素子６２による赤外光６１の透過領域（受光領域＝パッケージ４０部分）及び不透過領域（不受光領域＝水晶振動片１０の励振電極１３部分）の識別により水晶振動片１０（励振電極１３）の位置を検出することができる。
なお、便宜上図示しないが、水晶振動子１は、赤外光６１の透過が可能な作業テーブルなどに載置されている。

［位置合わせ工程Ｓ４］
ついで、図３（ｂ）に示すように、位置検出工程Ｓ３で取得した水晶振動片１０の位置情報に基づいて、周波数調整装置７０と水晶振動片１０（励振電極１３）とを位置合わせする。位置合わせは、周波数調整装置７０または水晶振動子１のいずれかを移動して行う。
例えば、作業テーブルにＸＹテーブルを用いて、水晶振動片１０の位置情報に基づいてＸＹテーブルを操作し、周波数調整装置７０のレーザー照射部７１と、水晶振動片１０の励振電極１３のトリミング部分（振動腕部１２の先端に近い部分）との位置合わせを行う。

［周波数調整工程Ｓ５］
ついで、図３（ｂ）に示すように、周波数調整装置７０を用いてパッケージ４０を透過する波長の近赤外レーザーである、例えば、ＹＡＧレーザー７２（波長：約１０６４ｎｍ）照射により、水晶振動片１０の励振電極１３のトリミング部分を加熱溶融させ、蒸発させる。
これにより、水晶振動片１０の励振電極１３の質量を減らし、水晶振動片１０の周波数を調整する。
なお、上記質量の削減量は、先の周波数測定工程Ｓ２で測定された調整前の周波数と所望の周波数とのずれ量により決定される。この際、削減量は、以下の理由により少なめに設定される。

つまり、上記ＹＡＧレーザー７２による周波数調整が、励振電極１３の質量を減らし、水晶振動片１０の周波数を高くする方向の調整方法であることから、励振電極１３のトリミング部分は、予め他の部分より厚めにＡｕ、Ａｇなどの金属が積層されており、調整前の周波数が所望の周波数より低くなるように設定されている。

［周波数検査工程Ｓ６］
ついで、水晶振動子１の実装端子２６を介して水晶振動片１０に所定の駆動信号を印加し、周波数カウンターなどの周波数測定装置を用いて、水晶振動片１０の周波数を測定する。
測定された周波数が、所望の周波数の範囲内であれば合格（ＯＫ）として作業を終了する。
測定された周波数が、所望の周波数の範囲外であれば不合格（ＮＧ）として再度周波数調整工程Ｓ５に移行し、水晶振動片１０の周波数を再度調整する。以降、合格（ＯＫ）となるまで上記作業を繰り返す。

なお、上記工程について、図３では水晶振動子１が個片状態で示されているが、封止工程Ｓ１で述べたように、水晶振動子１が複数個取りされたウエハー状態で、各工程が行われてもよい。
この場合には、最終工程（ここでは、周波数検査工程Ｓ６）終了後、分割装置などを用いて水晶振動子１を個片に分割する。

上述したように、水晶振動子１の製造方法は、シリコンを含んでなるパッケージベース２０と、シリコンを含んでなるリッド３０とを備えたパッケージ４０の内部空間４１に、水晶振動片１０を収容し気密に封止する封止工程Ｓ１、周波数調整装置７０を用いてパッケージ４０を透過する波長のＹＡＧレーザー７２照射により、水晶振動片１０の周波数を調整する周波数調整工程Ｓ５などを有する。
これにより、水晶振動子１の製造方法は、パッケージ４０を透過する波長のＹＡＧレーザー７２照射によって、水晶振動片１０の周波数を調整する方法を採ることから、シリコンを含んでなるパッケージベース２０にシリコンを含んでなるリッド３０を接合してパッケージ４０を封止できる。

したがって、水晶振動子１の製造方法は、パッケージベース２０とリッド３０とを同じ材料で形成することが可能となり、従来のような、パッケージベース２０とリッド３０との線膨張率の違いに起因した周囲の温度変化に伴う熱応力の発生を回避することができる。
この結果、水晶振動子１の製造方法は、従来のような、両者の線膨張率の違いに起因した熱応力が水晶振動片１０に伝達され、周波数−温度特性などの諸特性が劣化する虞を回避することができる。

また、水晶振動子１の製造方法は、シリコンを含んでなるパッケージベース２０にシリコンを含んでなるリッド３０を接合してパッケージ４０を封止することから、パッケージ４０の内部へ外光の侵入する余地が殆どない。
このことから、水晶振動子１の製造方法は、従来のような、透明なガラス材のリッドを透過して侵入する外光によって、水晶振動片１０を始めとする内部の構成要素が悪影響を受け、周波数−温度特性などの諸特性が劣化する虞を回避することができる。

また、水晶振動子１の製造方法は、周波数調整用のレーザーが近赤外レーザーとしてのＹＡＧレーザー７２である。
このことから、水晶振動子１の製造方法は、ＹＡＧレーザー７２がシリコンを含んでなるリッド３０を効率的に透過して、水晶振動片１０の励振電極１３のトリミング部分を加熱溶融させ、蒸発させることにより、効率的に水晶振動片１０の周波数を調整することができる。
なお、水晶振動子１の製造方法は、ＹＡＧレーザー７２をリッド３０側から水晶振動片１０に照射する構成としたが、これに限定するものではなく、パッケージベース２０側から水晶振動片１０に照射する構成としてもよい。

また、水晶振動子１の製造方法は、位置検出工程Ｓ３でパッケージ４０の上方から赤外光６１を照射し、パッケージ４０の下方で受光素子６２により赤外光６１を受光する構成とすることで、赤外光６１の透過領域（受光領域）及び不透過領域（不受光領域）の識別により水晶振動片１０（励振電極１３）の位置を容易に検出することができる。
なお、水晶振動子１の製造方法は、上記赤外光６１をパッケージ４０の下方から照射し、パッケージ４０の上方で受光素子６２により赤外光６１を受光する構成としても同様の効果を得ることができる。
また、位置検出工程Ｓ３では、受光素子６２を赤外光照射装置６０側に設けて、赤外光６１の反射光を受光し、水晶振動片１０（励振電極１３）部分と、パッケージ４０部分との反射率の違いによって位置を検出してもよい。
また、位置検出工程Ｓ３では、赤外線顕微鏡を用いて水晶振動片１０の位置を検出してもよい。

なお、上記実施形態では、水晶振動子１の構成を、一面が開口した箱状のパッケージベース２０に水晶振動片１０を搭載し、平板状のリッド３０で覆う構成としたが、これに限定するものではなく、平板状のパッケージベース２０に水晶振動片１０を搭載し、一面が開口した箱状のリッド３０で覆う構成としてもよい。
また、上記実施形態では、水晶振動片１０を音叉型水晶振動片としたが、これに限定するものではなく、ＡＴカット型水晶振動片としてもよい。
また、上記実施形態では、圧電振動片を水晶振動片１０としたが、これに限定するものではなく、例えば、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの圧電材料を用いた圧電振動片としてもよい。

なお、上記実施形態では、圧電デバイスとして水晶振動子１を例に挙げたが、これに限定するものではなく、例えば、水晶振動子１に発振回路素子を内蔵した水晶発振器、周波数フィルター、リアルタイムクロックモジュールなどでもよい。

１…圧電デバイスとしての水晶振動子、１０…圧電振動片としての水晶振動片、１１…基部、１２…振動腕部、１３…励振電極、２０…パッケージベース、２１…開口部、２２…内底面、２３，２４…内部電極、２５…外底面、２６…実装端子、３０…リッド、４０…パッケージ、４１…内部空間、５０…導電性接着剤、６０…赤外光照射装置、６１…赤外光、６２…受光素子、７０…周波数調整装置、７１…レーザー照射部、７２…ＹＡＧレーザー、Ｓ１…封止工程、Ｓ２…周波数測定工程、Ｓ３…位置検出工程、Ｓ４…位置合わせ工程、Ｓ５…周波数調整工程、Ｓ６…周波数検査工程。

Claims (3)

1. シリコンを含んでなるパッケージベースと、シリコンを含んでなり前記パッケージベースを覆うリッドとを備えたパッケージの内部空間に、圧電振動片を収容し気密に封止する封止工程と、
   前記パッケージ内の前記圧電振動片の位置を検出する位置検出工程と、
   前記位置検出工程で取得した前記圧電振動片の位置情報に基づいて、周波数調整装置と前記圧電振動片とを位置合わせする位置合わせ工程と、
   前記周波数調整装置を用いて前記パッケージを透過する波長のレーザー照射により、前記圧電振動片の周波数を調整する周波数調整工程と、を有することを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
2. 請求項１に記載の圧電デバイスの製造方法において、前記レーザーが近赤外レーザーであることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
3. 請求項１または２に記載の圧電デバイスの製造方法において、前記位置検出工程では、前記パッケージを透過する赤外光の照射により前記圧電振動片の位置を検出することを特徴とする圧電デバイスの製造方法。

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