JP2016063409A - 音叉型圧電振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】励振効率を向上させ、電気的特性に優れると共に小型化に対応できる音叉型圧電振動子を提供する。
【解決手段】音叉型圧電振動子１は基部５と、基部から延出する複数の平行に並んだ振動腕２からなり、振動腕の主面とは振動腕の厚み方向に高さの異なる段部３を形成し、少なくとも段部に第１の電極、圧電薄膜及び第２の電極を積層して形成した圧電薄膜振動素子９を配置した。また、段部は振動腕の一方の主面のみから掘り込まれている。
【選択図】図１

Description

本発明は低周波の発振回路の発振素子として用いられる音叉型圧電振動子に関わり、特に小型化及び電気的特性の向上を両立させた圧電薄膜振動素子を用いた音叉型圧電振動子に関する。

音叉型圧電振動子は、例えばデジタル機器のクロックや時計の発振源として広く用いられている。搭載される機器の小型化に対応するため、音叉型圧電振動子に関しても常に小型化が要求されている。近年、水晶等の圧電材料を音叉形状とし、その振動腕に金属膜からなる励振電極を形成することで振動させる音叉型圧電振動子に加え、音叉形状の基板上に電極、圧電薄膜、電極を積層構造として配置した圧電薄膜振動素子を用いた音叉型圧電振動子が実現されてきている。

圧電薄膜振動素子を用いた音叉型圧電振動子においては、圧電材料からなる基板に対して電極膜を用いて励振する音叉型圧電振動子と同等の性能を保ちつつ、小型化を実現している。図６（ａ）は圧電薄膜振動素子９を用いた従来の音叉型圧電振動子１の平面図である。図６（ａ）に示すように音叉型圧電振動子１は３本の振動腕２の主面に第１の電極１０及び第２の電極１２に挟まれた圧電薄膜１１からなる圧電薄膜振動素子９を形成している。圧電薄膜振動素子９は振動腕２の一主面にのみ形成されており、第１の接続端子１３と第２の接続端子１４の間に交番電圧が印加されると、圧電薄膜振動素子９が振動腕２の長さ方向に伸縮することにより、振動腕２の厚み方向に振れるような屈曲振動をする。

図６（ｂ）は従来の音叉型圧電振動子１の図６（ａ）に示すＩ−Ｉ線における断面図である。圧電薄膜振動素子９として圧電薄膜１１の上下に形成された第１の電極１０及び第２の電極１２の接続関係に示されるように隣接する振動腕２の間では電極の極性が上下逆となっている。そのため、隣接する振動腕２では図６（ｂ）に描かれた矢印に示されるように一方が上に屈曲する際に他方が下に屈曲する。従って、基部５から並んだ３本の振動腕２は交互に振動することとなる。

特許文献１に示されるように圧電薄膜振動素子を利用した音叉型圧電振動子は面積効率が良く、３本の振動腕を有する構造にて外側と内側の振動腕が逆位相で振動する構成を採用したことによりＱ値を高めることが可能となり、小型化を実現している。

特開２００９−５０２２号公報

しかしながら、従来の圧電薄膜振動素子を用いた音叉型圧電振動子においては、断面が矩形状の振動腕の一主面にのみ圧電薄膜振動素子を形成しているため、励振効率をそれほど大きくできなく、更なる小型化をすすめる際にＣＩ（クリスタルインピーダンス）値が増大する恐れがあった。また、圧電薄膜振動素子を振動腕の両主面に形成することもなされているが、上下の電極膜及び圧電薄膜の形成に関する成膜、パターニングの工程が表裏の両面に必要となり、製造コストが増加する。

本発明では、圧電薄膜振動素子を形成した音叉型圧電振動子において、電気的特性の向上と小型化を図ることを目的とする。また、振動腕の両面に圧電薄膜振動素子を形成することに準ずる効果を持たせながらも製造工程の短縮化、製造コストの低減を実現している。

本発明に係る音叉型圧電振動子は、基部と、前記基部から延出する複数の平行に並んだ振動腕とからなる音叉型圧電振動子において、前記振動腕の主面とは前記振動腕の厚み方向に高さの異なる段部を形成し、少なくとも前記段部に第１の電極、圧電薄膜及び第２の電極を積層して形成した圧電薄膜振動素子を配置した。

音叉型圧電振動子には、前記段部が前記振動腕の一方の主面のみから掘り込まれている。

音叉型圧電振動子には、前記振動腕の主面中央に前記段部が形成され、前記段部に前記圧電薄膜振動素子を配置し、前記段部に隣接する前記振動腕主面の縁部にも前記圧電薄膜振動素子を配置した。

音叉型圧電振動子には、前記振動腕の主面と前記段部の間の段差深さが前記振動腕の厚みに対して６５％〜９５％である。

音叉型圧電振動子には、前記圧電薄膜がＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴ、ＬｉＮｂＯ３及びＫＮｂＯ３のいずれかを含む材料で形成されている。

音叉型圧電振動子には、前記段部と前記振動腕の主面間に跨る前記第１の電極、前記圧電薄膜及び前記第２の電極が前記段部における前記基部側端部に形成された緩斜面上に設けられている。

音叉型圧電振動子の製造方法では、圧電材料からなる基板の表面に耐蝕膜を形成する工程と、該耐蝕膜の表面にレジストマスクを塗布し、音叉型圧電振動子の形状部分が残るように該レジストマスクを露光、現像して、前記耐蝕膜をエッチングにより除去する工程と、溝に対応する領域を露光、現像した後、前記基板に対して基板エッチング液を用いて、音叉型圧電振動子の外形を形成する工程と、前記溝に対応する領域に露出した前記耐蝕膜をエッチングにより除去する工程と、前記基板に対して基板エッチング液を用いて、前記耐蝕膜をマスクとして複数の振動腕部に前記溝を形成する工程と、前記基板に残っている前記耐蝕膜及び前記レジストマスクを除去する工程と、前記振動腕の一方の主面にのみ形成された少なくとも前記溝内に前記溝の底面から第１の電極、圧電薄膜及び第２の電極の順で積層した圧電薄膜振動素子を形成する工程と、を備える。

音叉型圧電振動子の製造方法では、前記溝内の底面にあたる段部とともに、前記段部に隣接する前記振動腕主面の縁部に前記圧電薄膜振動素子を形成する工程を備える。

本発明の音叉型圧電振動子によれば、励振効率を向上させ、電気的特性に優れると共に小型化に対応できる。

本発明の音叉型圧電振動子の斜視図である。 音叉型圧電振動子の図１に示すＩ−Ｉ線における断面図である。 （ａ）は、溝深さ／振動腕の厚みに対するＣＩ値の変化をシミュレーションにより求めたグラフである。 （ｂ）は、溝深さ／振動腕の厚みに対する振動腕長の変化をシミュレーションにより求めたグラフである。 音叉型圧電振動子の図１に示すＩＩ−ＩＩ線における断面図である。 （ａ）は、中央を突出させた他の構成例の図１に示すＩ−Ｉ線における断面図である。 （ｂ）は、片側を突出させた他の構成例の図１に示すＩ−Ｉ線における断面図である。 （ａ）は、従来の音叉型圧電振動子の平面図である。 （ｂ）は、従来の音叉型圧電振動子の図６（ａ）に示すＩ−Ｉ線における断面図である。

以下、本発明の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無い。

図１は音叉型圧電振動子１の斜視図である。音叉型圧電振動子１は３本の振動腕２、振動腕２が一端から延出する基部５、振動腕２に形成された溝６内に配置される圧電薄膜振動素子９を含んで構成されている。溝６は振動腕２の主面から掘り込まれた底面にあたる段部３と、段部３と振動腕２の主面の間をつなぐ側面壁部４とからなる。振動腕２と基部５は一体として形成されており、例えば、水晶板を加工することで形成される。この水晶板はＸカットが望ましいが、ＡＴカットやＺカット等であってもよい。また、振動腕２と基部５はシリコンや金属で形成されてもよい。ここで、振動腕２の延びる方向をＹ軸方向、振動腕２の並ぶ方向をＺ軸方向、音叉型圧電振動子１の厚み方向をＸ軸方向とする。

振動腕２のＺ軸を法線とする主面上に形成された溝６は対向する他主面まで貫通しない非貫通溝である。溝６は３本の振動腕２のそれぞれに形成され、一つの振動腕２においてＺ軸方向の中央に形成され、振動腕２の延びるＹ軸方向に延出している。振動腕２の溝６が形成されていない箇所、即ち振動腕２の主面における溝６の両側は縁部７となる。振動腕２の長さは３８０μｍ、幅は５０μｍ、厚みは４μｍであり、溝６の長さは２７０μｍ、溝６の深さは２μｍ、溝幅は２５μｍである、したがって片側の縁部の幅は１２．５μｍとなる。

振動腕２が基部５と接続される個所とは逆の振動腕２の先端側には溝６の形成されていない周波数調整部８が設けられている。周波数調整部８の主面は金属膜で覆われ、金属膜の付着量を調整することで音叉型圧電振動子の振動周波数を、例えば３２．７６８ｋＨｚに合わせる。

図２は音叉型圧電振動子１の図１に示すＩ−Ｉ線における断面図である。図２に示されるように圧電薄膜振動素子９は溝６内の段部３もしくは縁部７の表面に形成された第１の電極１０と、第１の電極１０の上に形成された圧電薄膜１１と圧電薄膜１１の上に形成された第２の電極１２の積層構造からなる。第１の電極１０及び第２の電極１２は金、銀、アルミ等で形成された電極膜で、その厚みは例えば１００ｎｍとして形成される。圧電薄膜１１はＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴ、ＬｉＮｂＯ３、又はＫＮｂＯ３等からなる。圧電薄膜１１の厚みはおよそ１μｍとして形成される。

図２に描かれた配線から示されるように圧電薄膜振動素子９は第１の電極１０と第２の電極１２において電気的極性が異なるように電圧が印加される。隣接する振動腕２にて、例えば第１の接続端子１３に一方の振動腕２の第１の電極１０と他方の振動腕の第２の電極１２が電気的に接続され、第２の接続端子１４に一方の振動腕２の第２の電極１２と他方の振動腕２の第１の電極１０が電気的に接続され、隣接する振動腕２に印加される電圧の向き、すなわち圧電薄膜１１の伸び縮みの方向が逆となる。さらに１本の振動腕２の動きに着目すると、段部３に形成される圧電薄膜振動素子９と縁部７に形成される圧電薄膜振動素子９の伸び縮みのタイミングは逆となるように振動することとなる。段部３及び縁部７に圧電薄膜振動素子９を形成し、例えば段部３の圧電薄膜振動素子９が伸びる時に縁部７の圧電薄膜振動素子９が縮むように圧電薄膜振動素子９が伸縮することにより、効率的に屈曲振動を行うこととなる。

このように、振動腕の一方の主面にのみ圧電薄膜振動素子を形成した従来の音叉型圧電振動子に比べ、段部３及び縁部７に圧電薄膜振動素子９を形成した本発明の音叉型圧電振動子１においては振動腕２の励振効率が向上する。振動腕の主面全体に圧電薄膜振動素子が形成されているわけではないため、振動腕の両面に圧電薄膜振動素子を形成した場合の駆動効率には及ばない。しかしながら、溝６の深さが深い、すなわち段部３が振動腕２の他方の主面側に近い程、振動腕２の両主面に圧電薄膜振動素子９を形成する構成に近づくため、励振効率は上昇する。逆に溝６の深さが浅い場合には振動腕２の一主面に伸縮の方向が逆である圧電薄膜振動素子９が形成されている構成に近づくため、圧電薄膜振動素子９の伸縮の動きが一部相殺されることになり、励振効率が下がる。

図３（ａ）は本発明の音叉型圧電振動子１において溝の深さ／振動腕の厚みの割合を変えていったときにＣＩ値がどのように変化するかを有限要素シミュレーションにて求めたグラフである。また、図３（ａ）に示したグラフのデータを表１に示す。

従来の構造である振動腕の片側の主面にのみ圧電薄膜振動素子を形成した音叉型圧電振動子を比較例とする。比較例の音叉型圧電振動子においてはＣＩ値が２６ｋΩ、振動腕の長さが４００μｍである。図３（ａ）のグラフにて横軸に平行な直線は比較例のＣＩ値を示す。図３（ａ）において、溝の深さ／振動腕の厚みの割合が７５％でＣＩ値が２５ｋΩ、８８％で２１ｋΩであり、比較例の音叉型圧電振動子のＣＩ値が２６ｋΩであるのに対して、溝の深さ／振動腕の厚みが７５％以上であれば、優れた電気的特性を有することになる。

図３（ｂ）は溝の深さ／振動腕の厚みの比を変えていったときに周波数調整後の振動周波数が３２．７６８ｋＨｚとなる振動腕長がどのように変化するかを有限要素シミュレーションにて求めたグラフである。また図３（ｂ）に示したグラフのデータを表２に示す。

従来の構造である振動腕の一方の主面のみ圧電薄膜振動素子を形成した比較例の音叉型圧電振動子において振動腕長は４００μｍである。図３（ｂ）のグラフにて横軸に平行な直線は比較例の振動腕長を示す。図３（ｂ）において本発明の音叉型圧電振動子の溝の深さ／振動腕の厚みの割合が８８％において振動腕長は４００μｍとなる。従って溝の深さ／振動腕の厚みの割合が８８％以下とすることで音叉型圧電振動子の小型化が達成できる。

図３（ａ）及び図３（ｂ）に示された二つのグラフを合わせて考えると本発明の音叉型圧電振動子が比較例に比べ、振動腕の長さが等しいか短くなるとともにＣＩ値が向上する、すなわち、本発明の効果が一番顕著となるのは溝深さ／振動腕厚みが７５％〜８８％の領域であることがわかる。

図４は音叉型圧電振動子１の図１に示すＩＩ−ＩＩ線における断面図である。圧電材料からなる基板に金属膜を形成した音叉型圧電振動子では電極膜が積層構造ではあるが電位の等しい導電層であるため、電極の形成にはそれほど高い精度は要求されない。これに対し、圧電薄膜振動素子９は第１の電極１０、圧電薄膜１１、第２の電極１２が導電層、絶縁層、導電層の３層の積層構造からなり、例えば、第１の電極１０と第２の電極１２が接触した場合には不具合が生じる。第１の電極１０、圧電薄膜１１、第２の電極１２を平面の上に形成する場合にはそれほど問題にはならないが、溝６の段部３と振動腕２の主面の間の側面壁部４においては、このような電気的接触による不具合が生じる可能性が高まる。そこで図４に示されるように溝６の端部に形成される緩斜面上に第１の電極１０、圧電薄膜１１、第２の電極１２を配置する。このようにすることで第１の電極１０、第２の電極１２が接触する可能性を低減し、信頼性の高い音叉型圧電振動子が得られる。

音叉型圧電振動子１の段部３は振動腕２の中央以外に形成されてもよい。図５（ａ）は振動腕２の幅方向の両端部に段部３を設けることで、振動腕２の断面が凸形状となるものである。
図５（ｂ）は振動腕２の幅方向の片端部に段部３を設けることで、振動腕２の断面がＬ形状となるものである。

（音叉型圧電振動子の製造方法）
以降では、圧電薄膜振動素子を備える音叉型圧電振動子の製造方法について、説明する。水晶ブランクから一定の角度で切り出された水晶ウェハの全面に耐蝕膜をスパッタリングや蒸着などの手法により形成する。耐蝕膜は下地層として水晶との接着強度の大きいクロム(Cr)やチタン(Ti)を用い、下地層の上に金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）を積層した二層構造からなる。

次にクロム層及び金層からなる耐蝕膜が形成された水晶ウェハにフォトレジストマスクを全面にスピンコートなどの手法を用いて均一に塗布する。水晶ウェハのフォトレジストマスクを音叉型圧電振動子の外形形状をなすパターンとなるように露光、現像し、感光したフォトレジストマスクを除去する。さらにフォトレジストマスクから露出した金層をヨウ素とヨウ化カリウムの水溶液を用いてエッチングする。さらに金層が除去されて露出したクロム層を硝酸第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する。これらの工程を経ることで耐蝕膜を除去することができる。

溝に対応する領域を露光及び現像し、感光したフォトレジストマスクを除去する。この溝に対応する領域についてはフォトレジストマスクが除去され、耐蝕膜で覆われた状態で、水晶のエッチングを行うことになる。

フッ酸をエッチング液としてフォトレジストマスク及び耐蝕膜から露出した水晶を音叉型圧電振動子の外形になるようにウェットエッチングを行う。

つづいて、音叉型圧電振動子の外形が形成された水晶ウェハに溝を形成する。外形をエッチングする工程と同様に溝に対応する領域の耐蝕膜をエッチングにて除去する。

溝に対応する領域の耐蝕膜を除去した後に溝のエッチングを行う。溝と対応する領域において露出した水晶材料に対してウェットエッチングを行う。溝が貫通しないように途中でエッチングを終了する、いわゆるハーフエッチングを行う。音叉型圧電振動子の形状及び溝が完成した後に不要となったフォトレジストマスクと耐蝕膜を除去する。ここで水晶ウェハに連結部を介して接続された溝を有する音叉型圧電振動子が多数個形成されることになる。

次に圧電薄膜振動素子を形成するための第１の電極、圧電薄膜、第２の電極を形成するための成膜を行う。成膜は溝に近い方から、第１の電極、圧電薄膜、第２の電極の順番で形成される。

第１の電極及び第２の電極は例えば、金（Ａｕ）やプラチナ（Ｐｔ）、イリジウム(Ｉｒ)、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）等や、これらの金属を主体とした合金などにより構成する。第１の電極及び第２の電極の成膜は蒸着やスパッタリングなどの手法を用いて成膜する。圧電薄膜はＰＺＴや、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）などを含むものにより構成する。

さらに水晶ウェハの全面にフォトレジストマスクを塗布する。水晶ウェハのフォトレジストマスクを圧電薄膜振動素子の形状をなすパターンとなるように露光及び現像し、感光したフォトレジストマスクを除去する。さらに第２の電極、圧電薄膜、第１の電極をエッチングし、残ったフォトレジストマスクを除去すると圧電薄膜振動素子が形成された音叉型圧電振動子が得られる。最後に水晶ウェハに接続された音叉型圧電振動子を分断することにより、個々の音叉型圧電振動子が得られる。

圧電薄膜振動素子は溝内の底面にあたる段部だけでなく、段部に隣接する振動腕の縁部に形成されてもよい。段部と縁部の圧電薄膜振動素子の形成は同時に行うことができるため、従来の圧電薄膜振動素子を用いた音叉型圧電振動子にて両面に形成するのに比べ、工程を短縮するとともに、製造コストを下げることが可能となる。

なお、本発明の最適な実施形態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実施形態に様々な変更、変形を加えて実施することが出来る。

１ 音叉型圧電振動子
２ 振動腕
３ 段部
４ 側面壁部
５ 基部
６ 溝
７ 縁部
８ 周波数調整部
９ 圧電薄膜振動素子
１０ 第１の電極
１１ 圧電薄膜
１２ 第２の電極
１３ 第１の接続端子
１４ 第２の接続端子

Claims (8)

1. 基部と、前記基部から延出する複数の平行に並んだ振動腕とからなる音叉型圧電振動子において、前記振動腕の主面とは前記振動腕の厚み方向に高さの異なる段部を形成し、少なくとも前記段部に第１の電極、圧電薄膜及び第２の電極を積層して形成した圧電薄膜振動素子を配置したことを特徴とする音叉型圧電振動子。
2. 前記段部は前記振動腕の一方の主面のみから掘り込まれている請求項１に記載の音叉型圧電振動子。
3. 前記振動腕の主面中央に前記段部が形成され、前記段部に前記圧電薄膜振動素子を配置し、前記段部に隣接する前記振動腕主面の縁部にも前記圧電薄膜振動素子を配置した請求項１又は２に記載の音叉型圧電振動子。
4. 前記振動腕の主面と前記段部の間の段差深さが前記振動腕の厚みに対して６５％〜９５％である請求項１〜３に記載の音叉型圧電振動子。
5. 前記圧電薄膜がＺｎＯ、ＡｌＮ、ＰＺＴ、ＬｉＮｂＯ３及びＫＮｂＯ３のいずれかを含む材料で形成されている請求項１〜４の音叉型圧電振動子。
6. 前記段部と前記振動腕の主面間に跨る前記第１の電極、前記圧電薄膜及び前記第２の電極が前記段部における前記基部側端部に形成された緩斜面上に設けられた請求項１〜５の音叉型圧電振動子。
7. 圧電基板である基板の表面に耐蝕膜を形成する工程と、
   該耐蝕膜の表面にレジストマスクを塗布し、音叉型圧電振動子の形状部分が残るように該レジストマスクを露光、現像して、前記耐蝕膜をエッチングにより除去する工程と、
   溝に対応する領域を露光、現像した後、前記基板に対して基板エッチング液を用いて、音叉型圧電振動子の外形を形成する工程と、
   前記溝に対応する領域に露出した前記耐蝕膜をエッチングにより除去する工程と、
   前記基板に対して基板エッチング液を用いて、前記耐蝕膜をマスクとして複数の振動腕部に前記溝を形成する工程と、
   前記基板に残っている前記耐蝕膜及び前記レジストマスクを除去する除去工程と、
   前記振動腕の一方の主面にのみ形成された少なくとも前記溝内に前記溝の底面から第１の電極、圧電薄膜及び第２の電極の順で積層した圧電薄膜振動素子を形成する工程と、を備えた音叉型圧電振動子の製造方法。
8. 前記溝内の底面にあたる段部とともに、前記段部に隣接する前記振動腕主面の縁部に前記圧電薄膜振動素子を形成する工程を備えた請求項７の音叉型圧電振動子の製造方法。

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