JP2015186089A - 圧電振動片の製造方法、圧電振動片及び圧電振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程を簡素化し、スプリアスの発生を抑制した圧電振動片を安価に製造できる圧電振動片の製造方法を提供する。
【解決手段】円板状のウェハＷの両面に圧電振動片のメサ部となる部分Ｓを区画する溝部Ｍを形成する工程と、互いに逆向きに回転する定盤の間でウェハＷを挟み込み、ウェハＷを回転させながら、研磨液を供給してウェハＷの表面を研磨する工程と、ウェハＷを所定の厚みとなるまで研磨した後に、ウェハＷを溝部Ｍが形成された位置で圧電振動片となる部分Ｃ毎に分割する工程と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電振動片の製造方法、圧電振動片及び圧電振動子に関する。

近年、携帯電話や携帯情報端末などの電子機器には、時刻源や制御信号等のタイミング源、リファレンス信号源等として、水晶等を利用した圧電振動子が用いられている。この種の圧電振動子には、例えば、音叉型の圧電振動片を有するものや、厚み滑り振動する圧電振動片を有するもの等が知られている。

また、圧電振動片の中でもメサ型の水晶振動片は、メサ部と呼ばれる周辺部よりも中央部が一段高くなった単純な段差構造を有している。このメサ型の水晶振動片を製造する際は、先ず、水晶等の原石を準備し、この原石からスライス加工によりウェハを切り出す。次に、ウェハを所定の厚みとなるまで研磨する。次に、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング加工によりウェハに水晶振動片のメサ部となる部分を区画する複数の溝部を形成する。次に、ウェハを複数の溝部が形成された位置で水晶振動片となる部分（チップ）毎に分割する。

ウェハには、このような水晶振動片となる部分を複数並べて形成していることから、１枚のウェハから一度に複数の水晶振動片を作製することができる。また、上述したエッチング加工によってウェハに対する一括加工が可能である。これにより、均一形状の水晶振動片を大量に生産できる利点がある。

ところで、上述したメサ型の水晶振動片では、メサ部と周辺部との境界が段差によって明確に区切られている。このため、境界の位置によっては、主振動が中央部に集中せずに端部に及ぶことになる。この場合、輪郭振動や屈曲振動が励起されてしまい、スプリアス（不要波）の発生が増大するといった不具合が生じることになる。

ＡＴカット型の水晶振動片では、主振動の振動エネルギーを中央部に閉じ込めるため、この水晶振動片の端部にベベル加工を施し、テーパー構造を付与することが行われている。メサ型は、エネルギー閉じ込めのための構造だが、メサ部と周辺部との境界でのスプリアス発生を抑制し、更なる振動エネルギーの閉じ込めを図るためには、メサ部対してベベル加工を施す必要がある（例えば、特許文献１，２を参照。）。しかしながら、ベベル加工は、手間がかかるだけでなく、コスト上昇の要因ともなっている。

特開２００２−２２４９４３号公報 特開２００６−３５２８２８号公報

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、製造工程を簡素化し、スプリアスの発生を抑制した圧電振動片を安価に製造できる圧電振動片の製造方法、並びに、安定した振動特性を確保できる圧電振動片及び圧電振動子を提供することを目的とする。

本発明に係る圧電振動片の製造方法は、円板状のウェハの両面に圧電振動片のメサ部となる部分を区画する複数の溝部を形成する工程と、互いに逆向きに回転する定盤の間で前記ウェハを挟み込み、ウェハを回転させながら、研磨液を供給してウェハの表面を研磨する工程と、ウェハを所定の厚みとなるまで研磨した後に、ウェハを複数の溝部が形成された位置で圧電振動片となる部分毎に分割する工程と、を含むことを特徴とする。

以上のような圧電振動片の製造方法では、円板状のウェハの両面に圧電振動片のメサ部となる部分を区画する複数の溝部を形成した後に、互いに逆向きに回転する定盤の間でウェハを挟み込み、ウェハを回転させながら、研磨液を供給してウェハの表面を研磨することで、複数の溝部によって区画されたメサ部に曲面が付与される。その後、ウェハを複数の溝部が形成された位置で圧電振動片となる部分毎に分割することで、手間のかかるベベル加工を行わずに、ウェハを分割する前に各圧電振動片のメサ部に対して曲面を付与することができる。これにより、製造工程を簡素化し、スプリアスの発生を抑制した圧電振動片を安価に製造できる。

また、本発明に係る圧電振動片の製造方法は、ウェハを研磨した後に、ウェハをポリッシングする工程を含んでいてもよい。この場合、圧電振動片となる部分を更に鏡面化することできる。

また、本発明に係る圧電振動片は、前記何れかの製造方法により製造されるものであって、複数の溝部によって区画されたメサ部に曲面が付与されていることを特徴とする。
以上のような圧電振動片では、スプリアスの発生を抑制しながら、安定した振動特性を確保できる。

また、本発明に係る圧電振動子は、前記何れかの圧電振動片を備えることを特徴とする。
以上のような圧電振動子では、圧電振動片のスプリアスの発生を抑制できるため、安定した振動特性を確保することが可能である。

以上のように、本発明によれば、製造工程を簡素化し、スプリアスの発生を抑制した圧電振動片を安価に製造できる圧電振動片の製造方法、並びに、安定した振動特性を確保できる圧電振動片及び圧電振動子を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る圧電振動片の製造工程を説明するための模式図である。 溝部が形成されたウェハを示す平面図である。 図２に示すウェハの要部を拡大した平面図である。 ウェハ研磨装置の概略構成を示す断面図である。 ウェハ研磨装置の概略構成を示す平面図である。 分割されるウェハの要部を拡大した平面図である。 本発明の一実施形態に係る圧電振動片及び圧電振動子の構成を示す分解斜視図である。 図７中に示す線分Ａ−Ａによる断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の全ての図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

（圧電振動片の製造方法）
先ず、本発明の一実施形態に係る圧電振動片の製造方法について、図１を参照しながら説明する。なお、図１は、圧電振動片の製造工程を説明するための断面図である。

圧電振動片を製造する際は、先ず、図１中に示す（ａ）の工程では、例えば水晶やタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の各種の圧電体からなる原石（図示せず。）を準備し、この原石からスライス加工によって円板状のウェハＷを切り出す。

例えば、圧電振動片である水晶振動片を作製する場合は、オートクレーブ等で作製した水晶の原石（人工水晶）をランバード加工により成形後、ダミーガラスを原石に貼り付ける。その後、例えばワイヤーソーなどを用いたスライス加工によって、原石からＡＴカット面でカットされたウェハ（水晶基板）Ｗを切り出す。ダミーガラスは、原石を貼り付ける金属製の貼付板がワイヤーソーにより切断されるのを防止するためのものであり、切断後に破棄される。

次に、図１中に示す（ｂ）の工程では、フォトリソグラフィ技術を用いたエッチング加工によりウェハＷの両面に圧電振動片のメサ部となる部分Ｓを区画する複数の溝部Ｍを形成する。具体的には、ウェハＷの面上に、フォトレジストを塗布した後に、露光・現像を行うことによって、所定の形状にパターニングされたマスクパターンを形成する。その後、ウェハＷのマスクパターンから露出した部分をウェットエッチングにより除去することによって、マスクパターンに対応した形状にパターニングする。

これにより、図２及び図３に示すように、格子状に並ぶ複数の溝部Ｍの間に、矩形状の圧電振動片のメサ部となる部分Ｓがマトリクス状に並ぶウェハＷが得られる。なお、図２は、複数の溝部Ｍが形成されたウェハＷを示す平面図である。また、図３は、図２に示すウェハＷの要部を拡大した平面図である。

溝部Ｍの幅については、後述する圧電振動片の周辺部となる部分の幅ａ₁にダイシングブレードの幅ａ₂及び削り代ａ₃を加えた寸法となる。溝部Ｍの深さについては、溝部Ｍが浅いほど研磨加工に有利となる。一方、溝部Ｍが深すぎると、ウェハＷの割れに直結するため、例えば２６ＭＨｚの水晶振動片の場合、ウェハＷの厚みの３０％程度が妥当である。なお、図３には、縦方向に延びる溝部Ｍについてのみ寸法を図示しているが、横方向に延びる溝部Ｍについても同様の寸法とすればよい。

次に、図１中に示す（ｃ）の工程では、ウェハＷの両面に対して厚み調整及び平坦化のための研磨（ラッピング）加工を行う。具体的には、上下一対の定盤を備えるウェハ研磨装置を用いて、互いに逆向きに回転する定盤の間でウェハＷを挟み込み、ウェハＷを回転させると共に、研磨液を供給しながら、ウェハＷの両面を研磨する。

ここで、ウェハ研磨装置の一具体例を図４及び図５に示す。なお、図４は、ウェハ研磨装置の概略構成を示す断面図である。図５は、ウェハ研磨装置の概略構成を示す平面図である。

図４及び図５に示すウェハ研磨装置は、上下一対の下定盤１０１及び上定盤１０２と、下定盤１０１の上定盤１０２と対向する面に配置された複数（本実施形態では５つ。）のキャリア１０３とを備えている。

下定盤１０１及び上定盤１０２は、それぞれの中心部に設けられた回転軸１０１ａ，１０２ａを駆動モータ（図示せず。）により回転駆動することで、互いの中心軸を一致させた状態で互いに逆向きに回転可能となっている。また、上定盤１０２は、下定盤１０１に対して上下方向に移動（昇降）可能となっている。

複数のキャリア１０３は、の内側において回転軸１０１ａの周囲に並んで配置されている。また、各キャリア１０３の外周部には、全周に亘ってギア部１０５が設けられている。また、各キャリア１０３のギア部１０５と噛合された状態で、回転軸１０１ａと共に回転するサンギア１０６が設けられている。また、各キャリア１０３のギア部１０５と噛合されるインターナルギア１０７が設けられている。

これにより、複数のキャリア１０３は、回転軸１０１ａと共にサンギア１０６が回転すると、サンギア１０６及びインターナルギア１０７とギア部１０５との噛合によって、回転軸１０１ａと同一方向に回転（公転）する。同時に、各キャリア１０３は、それぞれの面内で回転軸１０１ａとは逆方向に回転（自転）する。

各キャリア１０３には、ウェハＷを収納する複数（本実施形態では４つ。）のウェハ収納部１０８が設けられている。複数のウェハ収納部１０８は、ウェハＷに対応した円形状の孔部であり、キャリア１０３の周方向に等間隔に並んで設けられている。

ウェハ研磨装置は、下定盤１０１と上定盤１０２との間に研磨液Ｌを供給する研磨液供給機構１１０を備えている。研磨液供給機構１１０は、上定盤１０２に接続された複数のホース１１１を介してキャリア１０３の面上に研磨液Ｌを供給する。なお、研磨液Ｌについては、特に限定されるものではなく、従来より公知のものの中からウェハＷの材質に合わせて最適なものを選択して使用すればよい。

以上のような構成を有するウェハ研磨装置では、互いに逆向きに回転する下定盤１０１と上定盤１０２との間で複数のキャリア１０３を挟み込みながら、各キャリア１０３のウェハ収納部１０９に保持されたウェハＷを回転させる。また、この状態で、研磨液供給機構１１０によってウェハＷの面上に研磨液Ｌを供給しながら、ウェハＷの両面を研磨する。これにより、一度に複数のウェハＷの両面に対して研磨加工を行うことが可能である。

ところで、ウェハＷの表面には、格子状に並ぶ複数の溝部Ｍの間に、圧電振動片のメサ部となる部分Ｓがマトリクス状に並んで形成されている。このようなウェハＷを上記ウェハ研磨装置を用いて研磨した場合、各圧電振動片のメサ部となる部分Ｓの表面と共に、上下定盤１０１，１０２の内外周の周速差（単位時間当たりの移動量の違い、すなわち研磨の仕事量の違い）等によって、各圧電振動片のメサ部となる部分Ｓが研磨される。これにより、ウェハＷの両面には、図１中に示す（ｃ）の工程のように、各圧電振動片のメサ部となる部分Ｓに曲面Ｋが付与される。

ウェハＷを所定の厚みとなるまで研磨した後は、必要に応じてウェハＷの両面に対して鏡面研磨（ポリッシング）加工を行ってもよい。この場合、ウェハＷの表面を鏡面化することができる。その後、ウェハＷの各圧電振動片となる部分に電極等を形成する（図示せず。）。

次に、図１中に示す（ｄ）の工程では、ダイシングブレードを用いて、ウェハＷを溝部Ｍが形成された位置で圧電振動片となる部分（チップ）Ｃ毎に分割する。具体的には、図６に示すように、各溝部Ｍの中央部を溝部Ｍの幅よりも狭い幅でダイシングブレード（図示せず。）を用いて切断する。これにより、メサ部となる部分Ｓの周囲に溝部Ｍを残した状態で複数のチップＣに分割される。なお、図６は、分割されるウェハＷの要部を拡大した平面図であり、図６中のハッチング部分はウェハＷの切断部分を示している。

また、複数のチップＣに分割する際は、上述したダイシングによりウェハＷを切断する方法の他にも、エッチング等によりウェハＷを複数のチップＣに分割することもできる。ウェハＷには、圧電振動片となる部分Ｃを並べて形成していることから、１枚のウエハＷから一度に複数の圧電振動片を作製することができる。

以上のような工程を経ることによって、圧電振動片を作製することができる。圧電振動片は、セラミックやガラス等からなるパッケージ（図示せず。）内の所定の位置に実装された後、封止される。これにより、圧電振動素子を得ることができる。なお、圧電振動片の製造時には、上述した各工程の間にウェハＷを洗浄する工程を設けてもよい。

以上のように、本実施形態による圧電振動片の製造方法では、手間のかかるベベル加工を行わずに、ウェハＷを分割する前に各圧電振動片のメサ部となる部分Ｓに対して曲面Ｋを付与することが可能である。また、ベベル加工では、製法上圧電振動子の割れや欠け等が発生しやすいのに対して、研磨加工により曲面Ｋを付与する本実施形態の製造方法では、そのような圧電振動子の割れや欠け等の発生を抑制できる。さらに、ベベル加工よりも圧電振動片の表面を滑らかに仕上げることができるため、スプリアスの発生を抑制することが可能である。

以上のようにして、本実施形態の製造方法では、圧電振動片の製造工程を簡素化し、スプリアスの発生を抑制した圧電振動片を安価に製造することが可能である。

（圧電振動片及び圧電振動子）
次に、本発明の一実施形態として、例えば図７及び図８に示す圧電振動片１及び圧電振動子５０について説明する。なお、図７は、圧電振動片１及び圧電振動子５０の構成を示す分解斜視図である。図８は、図７中に示す線分Ａ−Ａによる断面図である。

また、以下の説明では、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。具体的には、圧電振動片１の長さ方向（長手方向）をＸ軸方向とし、圧電振動片１の幅方向（短手方向）をＹ軸方向とし、圧電振動片１の高さ方向（上下方向）をＺ軸方向とする。また、ＸＹＺ直交座標系における矢印の方向を＋方向とし、それとは反対の方向を−方向とする。

圧電振動子５０は、図７及び図８に示すように、圧電振動片１と、パッケージ２とを備え、パッケージ２の内側に圧電振動片１が実装された密封構造を有している。

圧電振動片１は、厚み滑り振動を主振動とするＡＴカット型の水晶振動片として、ＡＴカットされた矩形平板状の水晶からなる。また、この圧電振動片１は、メサ型の水晶振動片として、矩形平板状のメサ部３と、このメサ部３の周囲を囲む矩形枠状の周辺部４と、メサ部３と周辺部４との間でメサ部３が周辺部４よりも一段高くなった段差部５とを有している。

本実施形態の圧電振動片１では、上記実施形態の製造方法により作製されることによって、メサ部３に曲面Ｋが付与されている。これにより、主振動の振動エネルギーを中央部に閉じ込めることができ、スプリアスの発生を抑制しながら、安定した振動特性を確保できる。

圧電振動片１の両面には、一対の励起電極６，７と、一対のマウント電極８，９とを有している。一対の励起電極６，７は、それぞれメサ部３の両面に形成されている。一対のマウント電極８，９は、周辺部４の長手方向（Ｘ軸方向）の両端部に位置して、周辺部４の両面及び側面に亘って形成されている。また、圧電振動片１の一方の面には、一方の励起電極６と一方のマウント電極８との間で引き回された一方の引回し電極１０が形成され、圧電振動片１の他方の面には、他方の励起電極７と他方のマウント電極９との間で引き回された他方の引回し電極１１が形成されている。

パッケージ２は、圧電振動片１を収容する凹部１２ａが形成されたベース基板１２と、凹部１２ａを閉塞するリッド基板１３とを有している。ベース基板１２及びリッド基板１３は、セラミックやガラス等からなる。パッケージ２は、ベース基板１２の凹部１２ａをリッド基板１３で封止することによって、密閉された内部空間２ａを形成している。

ベース基板２は、凹部１２ａの底面に一対の内部電極１４，１５を有している。一対の内部電極１４，１５は、凹部１２ａの長手方向（Ｘ方向）に並んで配置される。ベース基板２は、凹部１２ａの底面と対向する面（下面）に一対の外部電極１６，１７を有している。一対の外部電極１６，１７は、一対の内部電極１４，１５に対向して配置されている。さらに、一対の内部電極１４，１５と一対の外部電極１６，１７とは、ベース基板２を貫通する一対の貫通電極１８，１９を介して接続されている。

圧電振動片１は、内部電極１４，１５の面上に形成されたバンプ２０を介して一対のマウント電極８，９が接続された状態で、パッケージ２内に実装されている。

以上のような構成を有する圧電振動子５０では、上述した研磨加工によりメサ部に曲面Ｋが付与された本実施形態の圧電振動片１を備えることによって、スプリアスの発生を抑制しながら、安定した振動特性を確保することが可能である。

従来のベベル加工により曲面が付与された圧電振動片では、チップ化された後にベベル加工を施すため、メサ部だけでなく、周辺部にも曲面が付与されることになる。これに対して、本実施形態の圧電振動片１では、上述したチップ化される前に研磨加工によりメサ部３に曲面Ｋが付与されている。この場合、本実施形態の圧電振動片１の方が振動の鋭さを示すＱ値の低下を低く抑えることが可能である。

また、ベベル加工よりも研磨加工の方が圧電振動片１の表面を滑らかに仕上げることができる。更にポリッシング加工を行った場合には、圧電振動片１の表面を鏡面化することができる。この場合、本実施形態の圧電振動片１の方がスプリアスの発生を低く抑えることが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、本発明は、圧電振動片の中でもメサ型の水晶振動片に対して好適であるものの、その以外の圧電振動片に対しても本発明を適用することが可能である。また、圧電振動素子のパッケージについては、上記実施形態のものに限らず、様々な材料及び構造のパッケージを適用することが可能である。

１…圧電振動片 ２…パッケージ ２ａ…内部空間 ３…メサ部 ４…周辺部 ５…段差部 ６，７…励起電極 ８，９…マウント電極 １０，１１…引回し電極 １２ａ…凹部 １２…ベース基板 １３…リッド基板 １４，１５…内部電極 １６，１７…外部電極 １８，１９…貫通電極 ２０…バンプ ５０…圧電振動子
１０１…下定盤 １０１ａ…回転軸 １０２…上定盤 １０２ａ…回転軸 １０３…キャリア １０４…キャリア収納部 １０５…ギア部 １０６…サンギア １０７…インターナルギア １０８…ウェハ収納部 １０９…ダミー収納部 １１０…研磨液供給機構 １１１…ホース
Ｗ…ウェハ Ｍ…溝部 Ｓ…メサ部となる部分 Ｋ…曲面 Ｃ…圧電振動子となる部分（チップ） Ｌ…研磨液

Claims (4)

1. 円板状のウェハの両面に圧電振動片のメサ部となる部分を区画する複数の溝部を形成する工程と、
   互いに逆向きに回転する定盤の間で前記ウェハを挟み込み、前記ウェハを回転させながら、研磨液を供給して前記ウェハの表面を研磨する工程と、
   前記ウェハを所定の厚みとなるまで研磨した後に、前記ウェハを前記複数の溝部が形成された位置で前記圧電振動片となる部分毎に分割する工程と、を含むことを特徴とする圧電振動片の製造方法。
2. 前記ウェハを研磨した後に、前記ウェハをポリッシングする工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動片の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の製造方法により製造される圧電振動片であって、
   前記複数の溝部によって区画されたメサ部に曲面が付与されていることを特徴とする圧電振動片。
4. 請求項３に記載の圧電振動片を備える圧電振動子。

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