JP2011229123A - 水晶デバイス及び水晶デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、熱膨張による影響を低減させた表面実装型の水晶デバイスを提供する。
【解決手段】 電圧の印加により振動する励振部（１３２）と励振部の周囲を囲む枠部（１３３）とを有し、Ｘ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸により規定されるＡＴカット水晶材により形成される水晶素子（１３０）と、枠部の一主面に接合されＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸により規定されるＺカット水晶材により形成されるベース（１１０）と、枠部の他主面に接合されＺカット水晶材で形成されるリッド（１２０）と、を備え、水晶素子のＺ’軸とベース及びリッドのＸ軸又はＹ軸との方向が一致している。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ＡＴカット水晶基板を使用した水晶デバイス及び水晶デバイスの製造方法に関する。

各種電子機器の発振器に周波数及び時間の基準源としてＡＴカットの水晶振動片が広く使われている。表面実装型のＡＴカットの水晶振動片は、セラミック又はガラスなどからなるパッケージ内に収納され、リッドによって真空又は不活性ガス中に封止される。ＡＴカットの水晶片の熱膨張係数は、セラミック又はガラスの熱膨張係数と異なるため、熱変動によって影響を受ける。特許文献１に開示された表面実装型の水晶デバイスは、水晶片に熱膨張係数が近いガラスのパッケージで形成されている。

特許文献２は、ＡＴカットの水晶片にかかる機械的強度を高めるため、ＡＴカットの水晶片にＺカットの水晶片を接合する技術を開示している。この特許文献２に開示された水晶デバイスは、ＡＴカットの水晶片とＺカットの水晶片とを接合したものがアルミナのベースに接合されている。

特開２００９−２３２４４９号公報 特開昭６１−４１２１５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された水晶デバイスは、水晶片に熱膨張係数が近いガラスを使用しているが、水晶片の熱膨張係数と一致しているわけでない。このため、プリント基板にハンダ付けする際などの大きな温度変化によってはパッケージ又はＡＴカット水晶片に無理な応力が加わったりする。そのため熱膨張係数の近いガラスのパッケージに代えてＡＴカットの水晶片のパッケージを使用することも考えられるが、ＡＴカットの水晶片は人工水晶からの切り出し角度の影響でコストが高く付く。

また、特許文献２に開示された水晶デバイスは、熱膨張について何ら言及しておらず、またプリント基板にハンダ付けする箇所はアルミナのベースが使われている。

本発明は、ＡＴカット板を励振部として使用し、コストを低減し且つ温度変化によって破損又は周波数変動が少ない表面実装型の水晶デバイスを提供することを目的とする。

第１観点の水晶デバイスは、電圧の印加により振動する励振部と励振部の周囲を囲む枠部とを有し、Ｘ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸により規定されるＡＴカット水晶材により形成される水晶素子と、枠部の一主面に接合されＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸により規定されるＺカット水晶材により形成されるベースと、枠部の他主面に接合されＺカット水晶材で形成されるリッドと、を備え、水晶素子のＺ’軸とベース及びリッドのＸ軸又はＹ軸との方向が一致している。

第２観点の水晶デバイスは、第１観点において、励振部が外周部の厚さが中央部の厚さよりも薄く形成されるメサ形状、又は中央部の厚さが外周部の厚さよりも薄く形成される逆メサ形状に形成される。

第３観点の水晶デバイスは、第１観点において、励振部の一主面に対向したリッドの天井面と、励振部の他主面に対向したベースの底面との少なくとも一方に励振部を振動させる励振電極が形成される。

第４観点の水晶デバイスは、第１観点から第３観点において、ベースと枠部とリッドとが、Ｚカット水晶材とＡＴカット水晶材とを直接接合するシロキサン結合、又はＺカット水晶材とＡＴカット水晶材とを接着剤を用いて接合する接着接合により接合される。

第５観点の水晶デバイスは、第１観点から第４観点において、水晶素子の主面は長辺と短辺とにより形成され、水晶素子の短辺とＺ’軸とが平行であり、長辺とＸ軸とが平行である。

第６観点の水晶デバイスは、第１観点から第５観点において、ベースとリッドとの厚さが同じである。

第７観点の水晶デバイスの製造方法は、電圧の印加により振動する励振部と励振部の周囲を囲む枠部とを有する水晶素子を複数有し、Ｘ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸により規定されるＡＴカット水晶材により形成されるＡＴカット水晶ウエハを用意する工程と、枠部の一主面に接合されるベースを複数有し、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸により規定されるＺカット水晶材により形成されるＺカットベースウエハを用意する工程と、枠部の他主面に接合されるリッドを複数有し、Ｚカット水晶材により形成されるＺカットリッドウエハを用意する工程と、ＡＴカット水晶ウエハのＺ’軸とＺカットベースウエハのＸ軸又はＹ軸との方向を一致させて、ＡＴカット水晶ウエハの一主面にＺカットベースウエハを接合する第１接合工程と、ＡＴカット水晶ウエハのＺ’軸とＺカットリッドウエハのＸ軸又はＹ軸との方向を一致させて、ＡＴカット水晶ウエハの他主面にＺカットリッドウエハを接合する第２接合工程と、第１接合工程及び第２接合工程の後に、ＡＴカット水晶ウエハ、ＺカットベースウエハおよびＺカットリッドウエハを切断して個々の水晶デバイスに分割する分割工程と、を備える。

第８観点の水晶デバイスの製造方法は、第７観点において、ＡＴカット水晶ウエハ、ＺカットベースウエハおよびＺカットリッドウエハにそれぞれ軸方向を特定する基準位置を示すマーク（オリエンテーションフラット、ノッチ）が形成されており、第１接合工程及び第２接合工程ではマークを基準としてＡＴカット水晶ウエハ、Ｚカットベースウエハ及びＺカットリッドウエハの軸方向を一致させる。

本発明は、コストを低減し且つ温度変化によって破損又は周波数変動が少ない表面実装型の水晶デバイス及び水晶デバイスの製造方法が得られる。

（ａ）は、水晶デバイス１００の斜視図である。 （ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は、リッド１２０の平面図である。 （ｂ）は、水晶素子１３０の平面図である。 （ｃ）は、ベース１１０の平面図である。 破損率が少ないリッド１２０と、水晶素子１３０と、ベース１１０との結晶軸の方向の組み合わせを示した図である。 破損率が少ないリッド１２０と、水晶素子１３０と、ベース１１０との結晶軸の方向の組み合わせを示した図である。 水晶材のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の熱膨張係数と温度との関係が示されたグラフである。 水晶デバイス１００作製のフローチャートである。 （ａ）は、水晶素子用水晶ウエハＷ１３０の概略平面図である。 （ｂ）は、図７（ａ）の点線の枠６０を拡大した図である。 ＺカットリッドウエハＷ１２０と、ＡＴカット水晶ウエハＷ１３０と、ＺカットベースウエハＷ１１０とを重ね合わせる前の図である。 （ａ）は、シロキサン結合を説明するための図である。 （ｂ）は、接着接合を説明するための図である。 （ａ）は、水晶デバイス２００の断面図である。 （ｂ）は、水晶デバイス３００の断面図である。 （ｃ）は、水晶デバイス４００の断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明の範囲は以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られるものではない。

（第１実施形態）
＜水晶デバイス１００の構成＞
本実施形態の水晶デバイスは、プリント基板の表面にはんだ付けによって実装される表面実装型の水晶デバイスである。以下に本実施形態の水晶デバイスの構成を、図１及び図２を参照しながら説明する。図１（ａ）は、水晶デバイス１００の斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。また、図２（ａ）は、リッド１２０の平面図であり、図２（ｂ）は、水晶素子１３０の平面図であり、図２（ｃ）は、ベース１１０の平面図である。

図１（ａ）に示されるように、水晶デバイス１００は、リッド１２０と、ベース１１０と、水晶素子１３０とにより構成されている。水晶素子１３０はＡＴカット水晶基板が基材として用いられる。ＡＴカットの水晶基板は、主面（ＹＺ面）が結晶軸（ＸＹＺ）のＹ軸に対して、Ｘ軸を中心としてＺ軸からＹ軸方向に３５度１５分傾斜されている。以下の説明では、ＡＴカットの水晶基板の軸方向を基準とし、傾斜された新たな軸をＹ’軸及びＺ’軸として用いる。すなわち、水晶デバイス１００においては水晶デバイス１００の長辺方向をＸ軸方向、水晶デバイス１００の高さ方向をＹ’軸方向、Ｘ及びＹ’軸方向に垂直な方向をＺ’軸方向として説明する。また、リッド１２０及びベース１１０はＺカット水晶基板が基材として用いられている。Ｚカット水晶基板は結晶軸がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸により定義される。以下の説明でリッド１２０及びベース１１０を個別に説明するときは、Ｚカットの水晶基板の軸方向を基準として説明する。

水晶デバイス１００は、上側（＋Ｙ’軸側）にリッド１２０が配置され、下側（−Ｙ’軸側）にベース１１０が配置され、リッド１２０とベース１１０とに挟まれた位置に水晶素子１３０が配置されている。また、ベース１１０の下面には外部電極１４０が形成されている。

図２（ａ）に示されるように、リッド１２０は、Ｙ軸方向と長辺とが平行であり、Ｘ軸方向と短辺とが平行である長方形の主面を有している。図１（ｂ）に示されるように、リッド１２０には、＋Ｚ軸側の主面である上面１２１と、−Ｚ軸側の主面である天井面１２２とが形成されている。−Ｚ軸側の面の外周部には水晶素子１３０と接合する面である接合面１２３が形成されている。天井面１２２は接合面１２３から凹んで形成されている。

図２（ｂ）に示されるように、水晶素子１３０は、励振電極１３１が形成されている励振部１３２と、励振部１３２の周囲を取り囲むように形成されている枠部１３３とを有している。また、励振部１３２と枠部１３３とは接続腕１３４によって接続されている。引出電極１３５は、励振部１３２の外周部から接続腕１３４および枠部１３３の一部を通り、枠部１３３の角まで形成されている。引出電極１３５は、枠部１３３の角の接続点１３６で、ベース１１０に形成されている接続電極１１４（図１（ｂ）及び図２（ｃ）参照）と接続される。水晶素子１３０に形成されている電極は、水晶上に形成されているクロム層Ｃｒと、クロム層Ｃｒ上に形成されている金層Ａｕとにより構成されている。

図２（ｃ）に示されるように、ベース１１０は、Ｙ軸方向と長辺とが平行であり、Ｘ軸方向と短辺とが平行である長方形の主面を有している。図１（ｂ）に示されるように、この主面は、−Ｚ軸側にあり水晶デバイス１００の一部として組み立てられたときに水晶デバイス１００の外部に面している下面１１１と、＋Ｚ軸側にあり水晶デバイス１００の内部に面している底面１１２との２つが形成されている。ベース１１０の＋Ｚ軸側の面の外周部には、水晶素子１３０の枠部１３３と接合するための接合面１１３が形成されている。底面１１２は接合面１１３から凹んで形成されている。ベース１１０の接合面１１３には接続電極１１４が形成され、下面１１１には外部電極１４０が形成されている。接続電極１１４はベース１１０内に形成された導通部（不図示）を通して外部電極１４０と電気的に接続されている。

水晶デバイス１００は、リッド１２０及びベース１１０にＺカット水晶基板が用いられ、水晶素子１３０にＡＴカット水晶基板が用いられている。Ｚカット水晶基板はＡＴカット水晶基板よりも安価であるため、水晶デバイス１００では、リッド１２０及びベース１１０にＡＴカット水晶基板が用いられる製品よりも製造コストを下げることができている。また、リッド１２０及びベース１１０に水晶材を用いることにより、水晶素子１３０とリッド１２０及びベース１１０との熱膨張係数が近くなる。水晶デバイス１００には、リッド１２０及びベース１１０と水晶素子１３０との接合時、及びハンダリフロー時等に４００℃近くまで加熱されることある。そのため、リッド１２０及びベース１１０と水晶素子１３０との間には熱膨張による応力がかかる。リッド１２０、ベース１１０及び水晶材１３０の熱膨張係数を近くすることにより水晶デバイス１００への熱履歴による影響を少なくすることができる。さらに、リッド１２０及びベース１１０に水晶材を用いることにより、水晶デバイス１００の組み立てに、後に説明するシロキサン接合を用いることができる。

＜結晶軸について＞
オートクレーブによって人工水晶の結晶はＺ軸方向に大きく成長する。Ｚカット水晶基板は、人工水晶からＺ軸に沿ってカットされて形成される。このためＺカット水晶基板は結晶軸がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸により定義される。また、ＡＴカット水晶基板は、人工水晶からＸ軸を回転軸としてＹ軸からＺ軸方向に３５度１５分回転した方向に沿ってカットされて形成される。Ｚカット水晶基板とＡＴカット水晶基板とはカット方向が異なることにより、同じ人工水晶であっても各軸方向への熱膨張係数が異なる。

水晶デバイス１００は、水晶素子１３０、リッド１２０及びベース１１０に水晶材を用いることにより、水晶材同士の接合時またはハンダリフロー時等の熱膨張の影響が少なくなっている。それでもなお、水晶デバイス１００のパッケージング時およびハンダリフロー時のように大きな温度変化が伴う場合には、水晶デバイス１００が破損することがある。例えば水晶素子１３０の枠部１３３の角部、接続腕１３４と励振部１３２及び枠部１３３との接続部等には応力がかかりやすく、それらの個所は破損しやすい。

しかし、リッド１２０及びベース１１０の結晶軸の方向と、水晶素子１３０の結晶軸の方向とを特定の方向に向けることにより、水晶デバイス１００の破損率を大きく下げることができる。図３及び図４を参照してリッド１２０及びベース１１０の結晶軸の方向と、水晶素子１３０の結晶軸の方向とについて説明する。

図３及び図４は、破損率が少ないリッド１２０と、水晶素子１３０と、ベース１１０との結晶軸の方向の組み合わせを示した図である。図３及び図４の左側には、上段からリッド１２０、水晶素子１３０、ベース１１０の斜視図を示している。

また、斜視図の右側に、リッド１２０と、水晶素子１３０と、ベース１１０との結晶軸の方向の組み合わせに関してＥＸ１からＥＸ８の８つの例が示されている。リッド１２０と同じ段に示した結晶方向はリッド１２０の結晶方向を示しており、水晶素子１３０と同じ段に示した結晶方向は水晶素子１３０の結晶方向を示しており、ベース１１０と同じ段に示した結晶方向はベース１１０の結晶方向を示している。また、ＥＸ１からＥＸ８の８つの例では、水晶素子１３０がＡＴカット水晶基板の結晶軸を用いて表わされ、リッド１２０及びベース１１０がＺカット水晶基板の結晶軸を用いて表わされている。

ＡＴカット水晶基板である水晶素子１３０は、その長辺とＸ軸とが平行であり、水晶素子１３０の短辺とＺ’軸とが平行である。さらに、Ｚカット水晶基板であるリッド１２０及びベース１１０の長辺とＹ軸とが平行であり、リッド１２０及びベース１１０の短辺とＸ軸とが平行である。

図３に示される第１例ＥＸ１は、水晶素子１３０の＋Ｘ軸方向、＋Ｙ’軸方向、＋Ｚ’軸方向と、リッド１２０及びベース１１０の＋Ｙ軸方向、＋Ｚ軸方向、＋Ｘ軸方向とがそれぞれ一致している組み合わせの例である。

第２例ＥＸ２は、水晶素子１３０の＋Ｘ軸方向、＋Ｙ’軸方向、＋Ｚ’軸方向と、リッド１２０及びベース１１０の＋Ｙ軸方向、−Ｚ軸方向、−Ｘ軸方向とがそれぞれ一致している組み合わせの例である。

第３例ＥＸ３は、水晶素子１３０の＋Ｘ軸方向、＋Ｙ’軸方向、＋Ｚ’軸方向と、リッド１２０の＋Ｙ軸方向、＋Ｚ軸方向、＋Ｘ軸方向とがそれぞれ一致しており、さらに、水晶素子１３０の＋Ｘ軸方向、＋Ｙ’軸方向、＋Ｚ’軸方向と、ベース１１０の＋Ｙ軸方向、−Ｚ軸方向、−Ｘ軸方向とがそれぞれ一致している組み合わせの例である。

第４例ＥＸ４は、水晶素子１３０の＋Ｘ軸方向、＋Ｙ’軸方向、＋Ｚ’軸方向と、リッド１２０の＋Ｙ軸方向、−Ｚ軸方向、−Ｘ軸方向とがそれぞれ一致しており、さらに、水晶素子１３０の＋Ｘ軸方向、＋Ｙ’軸方向、＋Ｚ’軸方向と、ベース１１０の＋Ｙ軸方向、＋Ｚ軸方向、＋Ｘ軸方向とがそれぞれ一致している組み合わせの例である。

図４に示される第５例ＥＸ５は、水晶素子１３０の＋Ｘ軸方向、＋Ｙ’軸方向、＋Ｚ’軸方向と、リッド１２０及びベース１１０の−Ｙ軸方向、＋Ｚ軸方向、−Ｘ軸方向とがそれぞれ一致している組み合わせの例である。

第６例ＥＸ６は、水晶素子１３０の＋Ｘ軸方向、＋Ｙ’軸方向、＋Ｚ’軸方向と、リッド１２０及びベース１１０の−Ｙ軸方向、−Ｚ軸方向、＋Ｘ軸方向とがそれぞれ一致している組み合わせの例である。

第７例ＥＸ７は、水晶素子１３０の＋Ｘ軸方向、＋Ｙ’軸方向、＋Ｚ’軸方向と、リッド１２０の−Ｙ軸方向、＋Ｚ軸方向、−Ｘ軸方向とがそれぞれ一致しており、さらに、水晶素子１３０の＋Ｘ軸方向、＋Ｙ’軸方向、＋Ｚ’軸方向と、ベース１１０の−Ｙ軸方向、−Ｚ軸方向、＋Ｘ軸方向とがそれぞれ一致している組み合わせの例である。

第８例ＥＸ８は、水晶素子１３０の＋Ｘ軸方向、＋Ｙ’軸方向、＋Ｚ’軸方向と、リッド１２０の−Ｙ軸方向、−Ｚ軸方向、＋Ｘ軸方向とがそれぞれ一致しており、さらに、水晶素子１３０の＋Ｘ軸方向、＋Ｙ’軸方向、＋Ｚ’軸方向と、ベース１１０の−Ｙ軸方向、＋Ｚ軸方向、−Ｘ軸方向とがそれぞれ一致している組み合わせの例である。

第１例ＥＸ１から第８例ＥＸ８は、いずれも水晶素子１３０のＸ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸がリッド１２０及びベース１１０のＹ軸、Ｚ軸、Ｘ軸とそれぞれ一致している。

上記のような水晶デバイスであれば、水晶デバイス１００の製造工程や、水晶デバイス１００を実装基板に搭載する工程等で熱処理がされても、水晶デバイス１００にクラックが発生したり周波数が変動したりする、といった問題が生じないことが発明者の調査によって明らかになった。これら図３及び図４に示された組み合わせが好ましいことの理由は、熱膨張係数の観点から推測することができる。

図５は、水晶材のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の熱膨張係数と温度との関係が示されたグラフである。グラフの縦軸には熱膨張係数（ｐｐｍ）が示され、グラフの横軸には温度（℃）が示されている。熱膨張係数は、温度の上昇によって物体の長さが膨張する割合を１℃あたりで示したものである。グラフの黒塗りの三角形で表わされた点は、水晶材のＸ軸及びＹ軸方向の熱膨張係数を示している。また、グラフの黒塗りの四角形で表わされた点は、水晶材のＺ軸方向の熱膨張係数を示している。Ｘ軸及びＹ軸方向の熱膨張係数は、−２５０℃で４．１ｐｐｍであり、温度が上昇するにしたがって熱膨張係数も上昇し、５７３℃で１５ｐｐｍとなる。Ｚ軸方向の熱膨張係数は、−２５０℃で８．６ｐｐｍであり、温度が上昇するにしたがって熱膨張係数も上昇し、５７３℃で２５．１５ｐｐｍとなる。また、グラフで白抜きの円で表わされた点は、Ｘ軸及びＹ軸方向の熱膨張係数とＺ軸方向の熱膨張係数との差の大きさを示している。Ｘ軸方向及びＹ軸方向とＺ軸方向との熱膨張係数の差は、−２５０℃で４．５ｐｐｍであり、温度が上昇するにしたがって熱膨張係数の差も上昇し、５７３℃で１０．１５ｐｐｍとなっている。

図５に示されたグラフからは、水晶材のＸ軸方向とＹ軸方向との熱膨張係数が等しく、Ｚ軸方向の熱膨張係数がＸ軸及びＹ軸方向の熱膨張係数より高いことが分かる。また、ＡＴカット水晶材のＹ’軸方向及びＺ’軸方向はＺ軸方向及びＹ軸方向の合成により定義できる。つまり、Ｙ’軸方向及びＺ’軸方向はＺ軸方向の成分を含んでいるため、Ｙ’軸方向とＺ’軸方向とはＸ軸及びＹ軸方向よりも熱膨張係数が高いと考えられる。そのため、ＡＴカット水晶基板とＺカット水晶基板とが接合されて形成される圧電デバイスの温度が上昇した場合等には、ＡＴカット水晶基板のＺ’軸方向とＺカット水晶基板のＸ軸及びＹ軸方向との熱膨張係数の差に起因した応力が圧電デバイスにかかると思われる。この熱膨張係数の差は温度が高くなるに従い増加するため、圧電デバイスは高温になるに従いクラック等の発生確率が高くなると考えられる。

図３及び図４に示された例では、このようなＡＴカット水晶基板とＺカット水晶基板との熱膨張係数の差に起因した応力が圧電デバイスにかかりにくい状態になっていると考えられる。このような応力が圧電デバイスにかかりにくくなる要因の一つとしては、熱膨張係数が高いＡＴカット水晶基板のＺ’軸方向が圧電デバイスの短辺に平行である方向であることが考えられる。これは、水晶材の長さが短ければそれだけ水晶材が膨張する長さが短くなるため、熱膨張係数の差に起因した応力が弱くなると考えられるためである。また、リッド及びベースを同じ材料で形成し、更に互いの軸の向きが揃えられていることが良いと考えられる。これは、水晶素子の＋Ｙ’軸側の面と−Ｙ’軸側の面とにかかる応力を等しくすることができるためである。例えば水晶素子の＋Ｙ’軸側の面と−Ｙ’軸側の面とに異なる応力がかかった場合、水晶素子には水晶素子が反る方向に応力がかかる。水晶素子の＋Ｙ’軸側の面と−Ｙ’軸側の面とにかかる応力が等しい場合は、互いの面にかかるＹ’軸方向の応力は相殺されるため水晶素子が反る方向への応力はかからない。また、＋Ｙ’軸側の面と−Ｙ’軸側の面とにかかる応力を等しくするためにリッドとベースとの厚さを等しく形成することが望ましいと考えられる。

図３及び図４では、水晶素子１３０のＸ軸方向、Ｙ’軸方向、Ｚ’軸方向と、リッド１２０及びベース１１０のＹ軸方向、Ｚ軸方向、Ｘ軸方向とがそれぞれ一致するように形成されている。一方、Ｘ軸方向とＹ軸方向との熱膨張率は等しいため、水晶素子１３０のＸ軸方向、Ｙ’軸方向、Ｚ’軸方向と、リッド１２０及びベース１１０のＸ軸方向、Ｚ軸方向、Ｙ軸方向とをそれぞれ一致させてもよいと考えられる。

＜水晶デバイス１００の作製方法＞
図６から図９を参照して、リッド１２０及びベース１１０にＺカット水晶基板が用いられ、水晶素子１３０にＡＴカット水晶基板が用いられた水晶デバイス１００の製造方法について説明する。

図６は、水晶デバイス１００作製のフローチャートである。
ステップＳ１０１では、ＡＴカット水晶ウエハＷ１３０を用意する工程が行われる。この工程では、ＡＴカット水晶基板が準備され、ＡＴカット水晶基板に複数の水晶素子１３０が形成されることによりＡＴカット水晶ウエハＷ１３０が用意される。

図７（ａ）は、ＡＴカット水晶ウエハＷ１３０の概略平面図である。ＡＴカット水晶ウエハＷ１３０はＡＴカット水晶基板を基材としており、水晶素子１３０はＡＴカット水晶素子としてＡＴカット水晶ウエハＷ１３０に形成される。ＡＴカット水晶ウエハＷ１３０の周縁部の一部には結晶方向を特定するためのオリエンテーションフラット８０が形成されている。ＡＴカット水晶ウエハＷ１３０には、オリエンテーションフラット８０の代わりにノッチが形成されていても良い。ＡＴカット水晶ウエハＷ１３０の直径は、例えば３インチまたは４インチである。ＡＴカット水晶ウエハＷ１３０には、複数の水晶素子１３０が形成される。図７（ａ）には、ＡＴカット水晶ウエハＷ１３０に３つの水晶素子１３０が形成された例が示されている。また、点線の枠６０内には１つの水晶素子１３０が形成されている。

図７（ｂ）は、図７（ａ）の点線の枠６０を拡大した図である。ＡＴカット水晶ウエハＷ１３０には、励振部１３２と枠部１３３とを分けている貫通孔である溝部１３７が形成されている。また、ＡＴカット水晶ウエハＷ１３０上には、励振電極１３１と引出電極１３５とが形成されている。図６のステップＳ１０１のＡＴカット水晶ウエハＷ１３０を用意する工程では、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すような、水晶素子１３０が形成されたＡＴカット水晶ウエハＷ１３０が用意される。

図６のステップＳ１０２では、ＺカットベースウエハＷ１１０を用意する工程が行われる。この工程では、ＺカットベースウエハＷ１１０が用意される。ＺカットベースウエハＷ１１０は、基材としてＺカット水晶基板が用いられており、周縁部の一部に結晶方向を特定するためのオリエンテーションフラット８０が形成されている。また、ＺカットベースウエハＷ１１０上には、複数の底面１１２（図１（ｂ）及び図２（ｃ）参照）の凹みが形成され、外部電極１４０、接続電極１１４等の電極が形成されることにより、複数のベース１１０が形成される。

ステップＳ１０３では、ＺカットリッドウエハＷ１２０を用意する工程が行われる。この工程では、ＺカットリッドウエハＷ１２０が用意される。ＺカットリッドウエハＷ１２０には基材としてＺカット水晶基板が用いられており、周縁部の一部に結晶方向を特定するためのオリエンテーションフラット８０が形成されている。また、ＺカットリッドウエハＷ１２０上には、複数の天井面１２２（図１（ｂ）及び図２（ａ）参照）の凹みが形成されることにより、複数のリッド１２０が形成される。
以上のステップＳ１０１からステップＳ１０３の工程は順不同で行われる。

ステップＳ１０４では、第１接合工程が行われる。第１接合工程はＺカットベースウエハＷ１１０とＡＴカット水晶ウエハＷ１３０とを接合する工程である。ＺカットベースウエハＷ１１０とＡＴカット水晶ウエハＷ１３０とは、オリエンテーションフラット８０を目印として、図３又は図４に示された結晶軸に互いに正確に重ねあわされる。そして、後に説明するシロキサン結合により互いに接合される。シロキサン結合の際には、水晶片１３０の引出電極１３５の接続点１３６（図２（ｂ）参照）とベース１１０の接続電極１１４（図２（ｃ）参照）との両電極同士もしっかりと接合される。

ステップＳ１０５では、第２接合工程が行われる。第２接合工程はＺカットリッドウエハＷ１２０とＡＴカット水晶ウエハＷ１３０とを接合する工程である。ＺカットリッドウエハＷ１２０とＡＴカット水晶ウエハＷ１３０とは、オリエンテーションフラット８０を目印として、図３又は図４に示された結晶軸に互いに正確に重ねあわされる。そして、後に説明するシロキサン結合により互いに接合される。

ステップＳ１０４の第１接合工程とステップＳ１０５の第２接合工程とは、順番を逆にして行われてもよいし第１接合工程と第２接合工程とが同時に行われてもよい。但し、最終的な接合工程は、所定の気圧より低い真空状態または不活性ガスで満たされた状態で行われる。励振部１３２の周囲が真空状態または不活性ガスで満たされた状態になることで、水晶デバイス１００の周波数の安定が図られる。

図８に、ＺカットリッドウエハＷ１２０と、ＡＴカット水晶ウエハＷ１３０と、ＺカットベースウエハＷ１１０とを重ね合わせる前の図を示す。説明の都合上、仮想線でＺカットリッドウエハＷ１２０にはリッド１２０が示され、ＡＴカット水晶ウエハＷ１３０には水晶素子１３０が示され、ＺカットベースウエハＷ１１０にはベース１１０が示されている。また説明の都合上、ＺカットリッドウエハＷ１２０には４２個のリッド１２０が描かれているが、実際の製造においては、１枚のウエハに数百から数千のリッド１２０が形成される。これは、ＡＴカット水晶ウエハＷ１３０およびＺカットベースウエハＷ１１０に関しても同様である。図８では、図３の第１例ＥＸ１の結晶軸の向きに合わせた接合例が示されている。

ＺカットリッドウエハＷ１２０とＡＴカット水晶ウエハＷ１３０とＺカットベースウエハＷ１１０との３枚の水晶ウエハの重ね合わせ時には、オリエンテーションフラット８０を正確に位置合わせして重ね合わせる。このことにより、ＡＴカットの水晶ウエハとＺカットの水晶ウエハとの接合時に、結晶軸が正確に重なるように調整される。

第１接合工程及び第２接合工程により、ＺカットリッドウエハＷ１２０とＡＴカット水晶ウエハＷ１３０とＺカットベースウエハＷ１１０とを互いに接合することで、水晶デバイス１００がウエハに固定された状態で形成される。このように、パッケージングと電極の接合とを同時に行うこと、また水晶デバイス１００をウエハ単位で製造することにより、製造工程が簡略化され、生産性を向上させることができる。

図６のステップＳ１０６は、分割工程である。水晶デバイス１００は、ステップＳ１０５においてウエハに固定された状態で形成されている。分割工程では、ウエハに固定された状態の水晶デバイス１００が、ダイシングソー又はレーザーソーにより切断され、個々の水晶デバイス１００に形成される。

ステップＳ１０４及びステップＳ１０５で行われるウエハ同士の接合は、シロキサン結合又は接着接合等の方法により行われる。以下に、ステップＳ１０４の第１接合工程及びステップＳ１０５の第２接合工程に示されるウエハ同士の接合方法について説明する。

＜シロキサン結合＞
図９（ａ）は、シロキサン結合を説明するための図である。水晶素子１３０にＡＴカット水晶基板が用いられており、リッド１２０およびベース１１０にはＺカット水晶基板が用いられている。そのため、各ウエハ同士の接合には、シロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合）を用いることができる。シロキサン結合は水晶同士を直接接合する接合方法であり、接着剤を使用しない。

シロキサン結合では、前処理として、ベース１１０の接合面１１３と、水晶素子１３０の枠部１３３の＋Ｙ’軸側及び−Ｙ’軸側の面と、リッド１２０の接合面１２３とを鏡面状態に保ったまま酸素含有雰囲気中で短波長の紫外線を照射して各面を活性化し、清浄な状態にしておく。その後、真空中又は不活性ガス雰囲気中で、各面が活性化した状態のウエハ同士を互いに位置合わせして重ね合わせ、１００℃から２００℃程度の比較的低温に加熱した状態で互いのウエハを押し合わせる。このような方法により各ウエハは互いにシロキサン結合で強固に結合される。前処理の方法は、紫外線照射による方法の他に、プラズマ処理による方法、イオンビームを接合面に照射する方法等が知られている。

＜接着接合＞
図９（ｂ）は、接着接合を説明するための図である。図９（ｂ）では、ポリイミド系の接着剤７０によりリッド１２０と水晶素子１３０とが接着され、ベース１１０と水晶素子１３０とが接着されている。リッド１２０及び水晶素子１３０と、ベース１１０及び水晶素子１３０とは、それぞれ水晶デバイス１００内が密封された状態に保たれるように接合される。また、接合と同時に引出電極１３５と接続電極１１４とが接続される。

（水晶デバイス１００の変形例）
水晶デバイス１００には、水晶素子１３０とは異なった形のＡＴカット水晶素子を用いても良い。以下に水晶素子１３０とは異なった形のＡＴカット水晶素子を用いた水晶デバイスの例を示す。

＜水晶デバイス２００の構成＞
図１０（ａ）は、水晶デバイス２００の断面図である。水晶デバイス２００は、Ｚカットリッド１２０と、Ｚカットベース１１０と、ＡＴカット水晶素子２３０とにより構成されている。水晶デバイス２００には、上部（＋Ｙ’軸側）にＺカットリッド１２０が配置され、下部（−Ｙ’軸側）にＺカットベース１１０が配置され、Ｚカットリッド１２０とＺカットベース１１０とに挟まれた位置に水晶素子２３０が配置されている。Ｚカットリッド１２０及びＺカットベース１１０は、水晶デバイス１００と同様の形状を有している。水晶素子２３０は、励振部２３２と枠部２３３とを有しており、互いに接続腕（不図示）によって接続されている。水晶素子２３０は、励振部２３２の周辺部２３８の厚さが中央部２３９の厚さよりも薄く形成されているメサ型の水晶素子である。中央部２３９の＋Ｙ’軸側と−Ｙ’軸側との面には励振電極２３１が形成されており、枠部２３３には励振電極２３１から引き出された引出電極２３５が形成されている。

＜水晶デバイス３００の構成＞
図１０（ｂ）は、水晶デバイス３００の断面図である。水晶デバイス３００は、Ｚカットリッド１２０と、Ｚカットベース１１０と、ＡＴカット水晶素子３３０とにより構成されている。水晶デバイス３００は、上部にＺカットリッド１２０が配置され、下部にＺカットベース１１０が配置され、Ｚカットリッド１２０とＺカットベース１１０とに挟まれた位置に水晶素子３３０が配置されている。Ｚカットリッド１２０及びＺカットベース１１０は、水晶デバイス１００と同様の形状を有している。水晶素子３３０は、励振部３３２と枠部３３３とを有しており、互いに接続腕（不図示）によって接続されている。励振部３３２は、中央部３３９の厚さが周辺部３３８の厚さよりも薄く形成されている逆メサ型の水晶素子である。中央部３３９の＋Ｙ’軸側と−Ｙ’軸側との面には励振電極３３１が形成されており、枠部３３３には励振電極３３１から引き出された引出電極３３５が形成されている。

＜水晶デバイス４００の構成＞
図１０（ｃ）は、水晶デバイス４００の断面図である。水晶デバイス４００は、Ｚカットリッド４２０と、Ｚカットベース４１０と、ＡＴカット水晶素子４３０とにより構成されている。水晶デバイス４００は、上部にＺカットリッド４２０が配置され、下部にＺカットベース４１０が配置され、Ｚカットリッド４２０とＺカットベース４１０とに挟まれた位置に水晶素子４３０が配置されている。水晶素子４３０は、励振部４３２と枠部４３３とを有しており、互いに接続腕（不図示）によって接続されている。水晶素子４３０の励振部４３２の＋Ｙ’軸側と−Ｙ’軸側との主面には励振電極が形成されていない。水晶デバイス４００の励振電極４３１は、Ｚカットリッド４２０の天井面４２２と、Ｚカットベース４１０の底面４１２とに励振電極４３１が形成され、両励振電極４３１が励振部４３２に作る電場によって励振部４３２を厚み滑りモードで振動をさせる。

Ｚカットリッド４２０に形成されている励振電極４３１は、Ｚカットリッド４２０の−Ｙ’軸側の外周部付近に形成される接続電極４１４と電気的に接続されている。Ｚカットリッド４２０の接続電極４１４は、水晶素子４３０の枠部４３３に形成される引出電極４３５を通してＺカットベース４１０に形成されている接続電極４１４と電気的に接続される。さらに、接続電極４１４は外部電極４４０と電気的に接続されているため、Ｚカットリッド４２０に形成されている励振電極４３１は、外部電極４４０と電気的に接続される。Ｚカットリッド４２０に形成される励振電極４３１を外部電極４４０と電気的に接続する他の方法としては、Ｚカットリッド４２０に形成される励振電極４３１と外部電極４４０とを直接接続する電極を水晶デバイス４３０の外壁に形成する方法等がある。

図１０（ｃ）では、励振電極４３１が天井面４２２と底面４１２とに形成されているが、励振電極４３１は、天井面４２２または底面４１２のいずれか一方に形成され、他方の励振電極４３１は励振電極４３１が形成されなかった天井面４２２または底面４１２に向かいあう励振部４３２の面上に形成されても良い。例えば、励振部４３２の＋Ｙ’軸側の面に一方の励振電極４３１を形成し、Ｚカットベース４１０の底面４１２に他方の励振電極４３１を形成する。このようにすれば、Ｚカットリッド４２０に電極を形成する必要が無くなり、Ｚカットリッド４２０の形成工程を簡略化することができる。

また、水晶デバイス４００の水晶素子４３０の励振部４３２の形状は、メサ形状または逆メサ形状に形成されても良い。以上の水晶デバイス２００、水晶デバイス３００および水晶デバイス４００は、図３又は図４に示された結晶方向でそれぞれ接合される。

以上、本実施形態の最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、本実施形態はその技術的範囲内において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。

７０ 接着剤
８０ オリエンテーションフラット
１００、２００、３００、４００ 水晶デバイス
１１０、４１０ ベース
１１１ 下面
１１２、４１２ 底面
１１３、１２３、４１３、４２３ 接合面
１１４、４１４ 接続電極
１２０、４２０ リッド
１２１ 上面
１２２、４２２ 天井面
１３０、２３０、３３０、４３０ 水晶素子
１３１、２３１、３３１、４３１ 励振電極
１３２、２３２、３３２、４３２ 励振部
１３３、２３３、３３３、４３３ 枠部
１３４ 接続腕
１３５、２３５、３３５ 引出電極
１３６ 接続点
１３７ 溝部
１４０ 外部電極
２３８、３３８ 周辺部
２３９、３３９ 中央部
Ｗ１１０ Ｚカットベースウエハ
Ｗ１２０ Ｚカットリッドウエハ
Ｗ１３０ ＡＴカット水晶ウエハ

Claims (8)

1. 電圧の印加により振動する励振部と前記励振部の周囲を囲む枠部とを有し、Ｘ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸により規定されるＡＴカット水晶材により形成される水晶素子と、
   前記枠部の一主面に接合されＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸により規定されるＺカット水晶材により形成されるベースと、
   前記枠部の他主面に接合され前記Ｚカット水晶材で形成されるリッドと、を備え、
   前記水晶素子の前記Ｚ’軸と前記ベース及び前記リッドの前記Ｘ軸又は前記Ｙ軸との方向が一致している水晶デバイス。
2. 前記励振部は、外周部の厚さが中央部の厚さよりも薄く形成されるメサ形状、又は中央部の厚さが外周部の厚さよりも薄く形成される逆メサ形状に形成される請求項１に記載の水晶デバイス。
3. 前記励振部の一主面に対向した前記リッドの天井面と、前記励振部の他主面に対向した前記ベースの底面との少なくとも一方に前記励振部を振動させる励振電極が形成される請求項１に記載の水晶デバイス。
4. 前記ベースと前記枠部と前記リッドとは、前記Ｚカット水晶材と前記ＡＴカット水晶材とを直接接合するシロキサン結合、又は前記Ｚカット水晶材と前記ＡＴカット水晶材とを接着剤を用いて接合する接着接合により接合される請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の水晶デバイス。
5. 前記水晶素子の主面は長辺と短辺とにより形成され、
   前記水晶素子の前記短辺と前記Ｚ’軸とが平行であり、前記長辺と前記Ｘ軸とが平行である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の水晶デバイス。
6. 前記ベースと前記リッドとの厚さが同じである請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の水晶デバイス。
7. 電圧の印加により振動する励振部と前記励振部の周囲を囲む枠部とを有する水晶素子を複数有し、Ｘ軸、Ｙ’軸、Ｚ’軸により規定されるＡＴカット水晶材により形成されるＡＴカット水晶ウエハを用意する工程と、
   前記枠部の一主面に接合されるベースを複数有し、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸により規定されるＺカット水晶材により形成されるＺカットベースウエハを用意する工程と、
   前記枠部の他主面に接合されるリッドを複数有し、前記Ｚカット水晶材により形成されるＺカットリッドウエハを用意する工程と、
   前記ＡＴカット水晶ウエハの前記Ｚ’軸と前記Ｚカットベースウエハの前記Ｘ軸又は前記Ｙ軸との方向を一致させて、前記ＡＴカット水晶ウエハの一主面に前記Ｚカットベースウエハを接合する第１接合工程と、
   前記ＡＴカット水晶ウエハの前記Ｚ’軸と前記Ｚカットリッドウエハの前記Ｘ軸又は前記Ｙ軸との方向を一致させて、前記ＡＴカット水晶ウエハの他主面に前記Ｚカットリッドウエハを接合する第２接合工程と、
   前記第１接合工程及び前記第２接合工程の後に、前記ＡＴカット水晶ウエハ、前記Ｚカットベースウエハおよび前記Ｚカットリッドウエハを切断して個々の水晶デバイスに分割する分割工程と、を備える水晶デバイスの製造方法。
8. 前記ＡＴカット水晶ウエハ、前記Ｚカットベースウエハおよび前記Ｚカットリッドウエハは、それぞれ軸方向を特定する基準位置を示すマーク（オリエンテーションフラット、ノッチ）が形成されており、前記第１接合工程及び前記第２接合工程では前記マークを基準として前記ＡＴカット水晶ウエハ、前記Ｚカットベースウエハ及び前記Ｚカットリッドウエハの前記軸方向を一致させる請求項７に記載の水晶デバイスの製造方法。