JP2020088434A - 圧電振動素子及び圧電振動子並びにこれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】共振周波数のバラツキを抑制し、品質の安定化を図ることができる、圧電振動素子及び圧電振動子並びにこれらの製造方法及び圧電振動子の製造方法を提供する。【解決手段】第１不純物及び第１不純物と異なる材料である第２不純物を含む結晶構造を有する圧電基板１１と、圧電基板の両主面のそれぞれに設けられている励振電極１４と、を有する圧電振動素子１０を準備する準備工程と、圧電振動素子１０をγ線で照射するγ線照射工程と、を含み、γ線照射工程は、圧電基板１１にγ線を照射することによって圧電基板１１の結晶と第１不純物との結合を切り離すことと、第１不純物との結合が切り離された結晶が第２不純物と結合することとを含む。【選択図】 図３

Description

本発明は、圧電振動素子及び圧電振動子並びにこれらの製造方法に関する。

クロック基準信号の信号源を生成するため電子部品として水晶振動子等の圧電振動子が広く知られている。このような圧電振動子では、共振周波数のバラツキを抑制し、品質の安定化を図ることが要求される。

そこで、特許文献１では、下地電極上に本電極が設けられた励振電極を水晶片の両主面に有し、水晶片の一主面の励振電極に対する質量負荷効果によって振動周波数を調整した水晶振動子において、一主面の励振電極は本電極をＡuとし、他主面の励振電極は本電極をＡgとした水晶振動子が開示されている。

特開２０１０−１７８１１６号公報

ところで、特許文献１の水晶振動子の共振周波数の調整方法は、質量負荷効果による方法であり、ガスイオンを照射光として使用するものである。このようなガスイオン等の照射光は、金属のような封止容器を透過することができないため、特許文献１のような質量負荷効果による共振周波数の調整は封止前のみに適用され、封止後においては水晶振動子に対して共振周波数の調整を行うことができないといった制約がある。
しかしながら、封止工程では、封止に使用された接合部材を溶かすための熱の影響で、水晶振動子の励振電極及び／又は水晶片の一部が蒸散し、質量が減少する場合がある。この結果、水晶振動子の共振周波数が封止前よりも高くなる場合があり、共振周波数が変動する可能性がある。また、すべての水晶振動子の封止状態は完全に同じではなく、このような封止後の水晶振動子の共振周波数の変動は個別に異なるため、共振周波数のバラツキが生じてしまう。

本発明はこのような事情に鑑みて発明されたものであり、本発明の目的は、共振周波数のバラツキを抑制し、品質の安定化を図ることができる、圧電振動素子及び圧電振動子並びにこれらの製造方法を提供することである。

本発明の一側面に係る圧電振動素子の製造方法は、第１不純物及び第１不純物と異なる物質である第２不純物を含む結晶構造を有する圧電基板と、圧電基板の両主面のそれぞれに設けられている励振電極と、を有する圧電振動素子を準備する準備工程と、圧電振動素子をγ線で照射するγ線照射工程と、を含み、γ線照射工程は、圧電基板にγ線を照射することによって圧電基板の結晶と第１不純物との結合を切り離すことと、第１不純物との結合が切り離された結晶が第２不純物と結合することとを含む。

本発明によれば、共振周波数のバラツキを抑制し、品質の安定化を図ることができる、圧電振動素子及び圧電振動子並びにこれらの製造方法を提供することができる。

本実施形態に係る水晶振動子の分解斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 本実施形態に係る水晶振動子の製造方法を説明するためのフローチャート図である。

以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の構成要素は同一又は類似の符号で表している。図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本願発明の技術的範囲を前記実施形態に限定して解するべきではない。

［実施形態］
＜水晶振動子１＞
まず、図１及び図２を参照しつつ、本実施形態に係る水晶振動子（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｕｎｉｔ）１を説明する。ここで、図１は、水晶振動子１の分解斜視図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。なお、図２において、水晶振動素子１０の各種電極の図示は省略されている。

本実施形態に係る水晶振動子１は、圧電振動子の一例である。この水晶振動子１は、水晶振動素子（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）１０と、蓋部材２０と、基板３０とを備える。ここで、水晶振動素子１０は圧電振動素子の一例である。蓋部材２０及び基板３０は封止容器を構成する。また、水晶振動子１は、導電性保持部材３６ａ，３６ｂと、封止枠３７と、接合部材４０とをさらに備える。

水晶振動素子１０は導電性保持部材３６ａ，３６ｂを介して基板３０に搭載されている。また、蓋部材２０は、封止枠３７及び接合部材４０を介して水晶振動素子１０を覆うように基板３０と接合されている。こうして、水晶振動素子１０が、蓋部材２０及び基板３０によって構成される封止容器の内部空間２６に収容して封止される。

水晶振動素子１０は、板状をなしている。また、水晶振動素子１０は、水晶片１１と、この水晶片１１に形成されている一対の励振電極１４ａ，１４ｂ、電極パッド１６ａ，１６ｂ及び引出電極１５ａ，１５ｂとを備える。

水晶片１１は、圧電基板の一例であり、例えば、ＡＴカットの水晶片であり、水晶の結晶軸であるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうち、Ｙ軸及びＺ軸をＸ軸の周りにＹ軸からＺ軸の方向に３５度１５分±１分３０秒回転させた軸をそれぞれＹ´軸及びＺ´軸とした場合、Ｘ軸及びＺ´軸によって特定される面と平行な面（以下、「ＸＺ´面」とする。他の軸によって特定される面についても同様である。）を主面として人工水晶（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ）から切り出されたものである。ＡＴカットの水晶片１１を採用する水晶振動素子１０は、厚みすべり振動モードを主要振動とする。また、本実施形態に係る水晶片１１では、厚み方向がＹ´軸方向と平行する。このＹ´軸方向に沿って水晶片１１を平面視すると、水晶片１１のＸＺ´面の形状は矩形状をなしており、長辺がＸ軸方向と平行し、短辺がＺ´軸方向に平行する。なお、本実施形態では、圧電基板の材料を水晶のような単結晶構成を有する圧電体として説明したが、圧電基板の材料はセラミックス等の多結晶構成を有する圧電体であってもよい。

なお、以下の説明では、ＡＴカットのＸＹ´Ｚ´軸方向を基準として水晶振動子１の各構成を説明する。また、特別な説明がない場合において、「平面視する」は、水晶振動子１（各構成）の厚み方向（Ｙ´軸方向）に沿ってこれらの構成を平面視することを意味する。二つ以上の軸方向に沿ってこれらの構成を平面視する場合は、方向を区別するために、「ＸＺ´面において」、「ＸＹ´面において」、「Ｙ´Ｚ´面において」と記載する。また、水晶振動素子１０、蓋部材２０及び基板３０が組み立てられて水晶振動子１を構成する状態を「組立状態」とすることがある。

また、水晶片１１は、板状部材である。この水晶片１１は、厚み方向の両側に、互いに対向するＸＺ´面である第１主面１２a及び第２主面１２ｂと、第１主面１２a又は第２主面１２ｂに対して垂直に形成されている側面１２ｃとを有する。

一対の励振電極１４ａ，１４ｂは、電圧が印加されることで水晶片１１を厚みすべり振動をさせるための電極であり、それぞれの励振電極１４ａ，１４ｂは互いに同じ構成をなしている。また、励振電極１４ａ，１４ｂは、水晶片１１を挟んで互いに対向するように第１主面１２a及び第２主面１２ｂに設けられている。言い換えれば、励振電極１４ａ，１４ｂは、平面視する場合において、実質的に全体が略重なり合うように配置されている。なお、一対の励振電極１４ａ，１４ｂを区別しない場合では、「励振電極１４」とする。

電極パッド１６ａ，１６ｂは、水晶振動素子１０を基板３０（接続電極３３ａ，３３ｂ）に電気的に接続するための端子である。また、電極パッド１６ａ及び電極パッド１６ｂは、水晶片１１の第２主面１２ｂのＸ軸負方向側の短辺に沿って配列されている。こうして、水晶振動素子１０では、水晶片１１の電極パッド１６ａ，１６ｂが設けられている短辺端が固定端となり、その他の端が自由端となっている。すなわち、水晶振動素子１０（水晶片１１）は、片持構成を有する。なお、以下の説明では、電極パッド１６ａ，１６ｂを区別しない場合では、「電極パッド１６」とする。

引出電極１５ａは、励振電極１４ａを電極パッド１６ａに電気的に接続するための電極であり、引出電極１５ｂは、励振電極１４ｂを電極パッド１６ｂに電気的に接続するための電極である。具体的には、引出電極１５ａは、第１主面１２ａにある励振電極１４ａと第２主面１２ｂにある電極パッド１６ａとを連結するように形成され、引出電極１５ｂは、第２主面１２ｂにある励振電極１４ｂ及び電極パッド１６ｂを連結するように形成されている。なお、引出電極１５ａ，１５ｂを区別しない場合では、「引出電極１５」とする。

ここで、励振電極１４、引出電極１５及び電極パッド１６の材料は特に限定されるものではないが、例えば、下地としてクロム（Ｃｒ）層を有し、クロム層の表面にさらに金（Ａｕ）層を有していてもよい。

蓋部材２０は、基板３０と接合する側に開口が形成されている箱状をなしており、平面視形状が水晶振動素子１０の平面視形状よりも大きく形成されている矩形状である。この蓋部材２０は、天面部２１と、この天面部２１の外縁から突起するように形成されている側壁部２２とを有する。また、蓋部材２０は、天面部２１、側壁部２２の内側の面によって構成される凹状の内面２４を有する。この内面２４におけるＸＹ´Ｚ´軸方向の各寸法は、水晶振動素子１０に比べて、大きく形成されている。

ここで、蓋部材２０の材質は特に限定されるものではないが、例えば金属等の導電材料で構成される。これによれば、蓋部材２０を接地電位に電気的に接続させることによりシールド機能を付加することができる。また、蓋部材２０は、γ線よりも波長が大きい任意の波長帯の照射光を遮断する材料によって構成されてもよい。さらに、蓋部材２０は、絶縁材料又は導電材料・絶縁材料の複合構造であってもよい。

基板３０は、平板な板状をなしており、平面視形状が蓋部材２０の平面視形状よりも大きく形成されている矩形状である。また、基板３０は、水晶振動素子１０を励振可能に支持するものであり、基体３１と、この基体３１に設けられている複数の電極とを有する。複数の電極は、接続電極３３ａ，３３ｂ、ビア電極３４ａ，３４ｂ及び外部電極３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄを含む。

基体３１は、絶縁性セラミック、例えばアルミナである複数のシートを積層して焼結した焼結体である。あるいは、基体３１は、ガラス材料、水晶材料又はガラスエポキシ樹脂等で形成してもよい。ガラス材料は、例えば、ケイ酸塩ガラス、又はケイ酸塩以外を主成分とする材料であって、昇温によりガラス転移現象を有する材料である。水晶材料は、例えばＡＴカット水晶である。ここで、基体３１は、耐熱性材料から構成されることが好ましい。さらに、基体３１は、単層であっても複数層であってもよく、複数層である場合、最表層に形成された絶縁層を含む。

また、基体３１は、互いに対向するＸＺ´面である第１主面３２ａと、第２主面３２ｂと、基体３１のＸ軸負方向側の短辺付近にかつこの基体３１をＹ´軸方向に貫通する２つのビアホール３２ｃとを有する。組立状態において、第１主面３２ａは、蓋部材２０の内面２４に向かって、この内面２４とともに水晶振動素子１０を収容する内部空間２６を構成する。第２主面３２ｂは、図示しない水晶振動子１が実装される実装基板に向かうように構成されている。

第１主面３２ａのＸ軸負方向側の短辺付近には、接続電極３３ａ，３３ｂが設けれている。第２主面３２ｂの４つの角部には、外部電極３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄが設けれている。２つのビアホール３２ｃには、ビア電極３４ａ，３４ｂが形成されている。また、外部電極３５ａは、ビア電極３４ａによって接続電極３３ａと電気的に接続され、外部電極３５ｂは、ビア電極３４ｂによって接続電極３３ｂと電気的に接続されている。このような電気的接続が図れるように、外部電極３５ａ，３５ｂは接続電極３３ａ，３３ｂに対してＹ´方向の対向位置に設けられている。

ここで、接続電極３３ａ，３３ｂ及び外部電極３５ａ乃至３５ｄは、いずれも金属膜であり、例えば下層から上層にかけてモリブデン（Ｍｏ）層、ニッケル（Ｎｉ）層及び金（Ａｕ）層が積層された構成されている。ビア電極３４ａ，３４ｂは、例えばビアホール３２ｃにモリブデン等の金属材料を充填して形成されている。

また、接続電極３３ａは、水晶振動素子１０の電極パッド１６ａと電気的に接続するための端子であり、接続電極３３ｂは、水晶振動素子１０の電極パッド１６ｂと電気的に接続するための端子である。また、外部電極３５ａ乃至３５ｄは、図示しない実装基板と電気的に接続するための端子である。本実施形態では、外部電極３５ａ，３５ｂは、水晶振動素子１０の入出力信号が供給される入出力電極であり、外部電極３５ｃ，３５ｄは、水晶振動素子１０の入出力信号が供給されない電極である。また、外部電極３５ｃ，３５ｄには、図示しない実装基板上の他の電子素子の入出力信号も供給されない。あるいは、外部電極３５ｃ，３５ｄの少なくとも何れか一方は、接地電位が供給される接地用電極であってもよい。接地用電極である外部電極に蓋部材２０を接続することによって、蓋部材２０のシールド効果向上を図ることができる。

導電性保持部材３６ａは、水晶振動素子１０の電極パッド１６ａを基板３０の接続電極３３ａに電極に電気的に接続する。同様に、導電性保持部材３６ｂは、水晶振動素子１０の電極パッド１６ｂを基板３０の接続電極３３ｂに電極に電気的に接続する。また、導電性保持部材３６ａ，３６ｂは、例えば導電性接着剤が熱硬化して形成されたものである。本実施形態では、導電性保持部材３６によって、水晶振動素子１０は、基板３０の第１主面３２ａに励振可能に支持されている。なお、導電性保持部材３６ａ，３６ｂを、区別しない場合では、「導電性保持部材３６」とする。

封止枠３７は、接合部材４０とともに蓋部材２０と基板３０とを接合する。また、封止枠３７は、第１主面３２ａに形成され、平面視する場合において、接続電極３３ａ，３３ｂを囲むように接続電極３３ａ，３３ｂの外側に形成されている矩形の枠状をなしている。この封止枠３７は、導電性を有する金属膜等の材料、例えばモリブデン（Ｍｏ）層又はモリブデン（Ｍｏ）層、ニッケル（Ｎｉ）層及び金（Ａｕ）層の積層によって構成されている。

接合部材４０は、封止枠３７とともに蓋部材２０と基板３０とを接合する。また、接合部材４０は、封止枠３７上に設けられている。この接合部材４０は、例えばろう部材であり、金（Ａｕ）‐錫（Ｓｎ）共晶合金等によって構成されている。こうして、蓋部材２０と基板３０とを金属接合とする。金属接合によれば、蓋部材２０と基板３０との封止性を向上させることができる。なお、接合部材４０は、導電材料に限らず、例えば低融点ガラス等のガラス接着材料又は樹脂接着剤等の絶縁性材料であってもよい。これによれば、金属に比べて酸化の影響が小さく、また加熱温度を抑えることができ、製造工程の簡易化を図ることができる。

本実施形態に係る水晶振動子１においては、基板３０の外部電極３５ａ，３５ｂを介して、水晶振動素子１０の一対の励振電極１４ａ，１４ｂの間に交番電界を印加することにより、厚みすべり振動モード等の所定の振動モードによって水晶片１１が振動し、該振動に伴う共振特性が得られる。

＜水晶振動子１の製造方法＞
次に、図３を参照しつつ、本発明の実施形態に係る水晶振動子１の製造方法について説明する。本実施形態では、一例として、水晶振動子１の製造方法を説明する。図３は、水晶振動子１の製造方法を説明するためのフローチャート図である。

本実施形態に係る水晶振動子１の製造方法は、準備工程、接合工程、トリミング調整工程、封止工程及びγ線照射工程の順で行われる。ここで、上記製造工程に係るトリミング調整工程は、励振電極１４のトリミング調整により水晶振動子１の共振周波数を粗調整する工程であり、γ線照射工程は、水晶振動素子１０のトリミング調整により水晶振動子１の共振周波数を微調整する微調整工程である。一方、準備工程、接合工程及び封止工程は、通常の方法を介して行われるものである。このため、以下の説明では、準備工程、接合工程及び封止工程に係る内容を簡略に説明し、トリミング調整工程及びγ線照射工程に係る内容を詳細に説明する。なお、以下の説明では、便宜上のために、水晶片１１を、水晶片１１の全体に亘って均一に第１不純物及びこの第１不純物と異なる物質である第２不純物が含まれているものとして説明する。

（準備工程）
まず、水晶振動素子１０を準備する（Ｓ１０）。
具体的には、水晶ウエハをエッチングして、水晶片１１を形成する。この形成された水晶片１１に一対の励振電極１４ａ，１４ｂ、電極パッド１６ａ，１６ｂ及び引出電極１５ａ，１５ｂを形成し、水晶振動素子１０を構成する。

この準備工程の段階において、水晶片１１は、その結晶が第１不純物と結合している第１状態を有する。また、水晶片１１の色は、その結晶が第１不純物との結合によって現れるものであり、すなわち、結晶と不純物との結合に対応するものである。一方、水晶片１１の共振周波数は、結晶と不純物との結合のみならず、水晶片１１や励振電極１４の質量等によって変化するものである。以下、説明上の便宜のために、水晶片１１の第１状態に係る共振周波数を「共振周波数Ａ」とし、水晶片１１の第１状態に係る水晶色を「第１色」とする。また、その他の状態に対して説明する場合も同様とする。

（接合工程）
次に、準備した水晶振動素子１０を基板３０に接合する（Ｓ１１）。
具体的には、基体３１の第１主面３２ａ上の接続電極３３ａ，３３ｂ上に導電性接着剤を塗布し、水晶振動素子１０を搭載した状態で導電性接着剤を熱硬化させる。こうして、導電性接着剤が熱硬化した導電性保持部材３６ａ，３６ｂによって、水晶振動素子１０の電極パッド１６ａ，１６ｂと、基板３０の接続電極３３ａ，３３ｂを電気的に接続する。導電性保持部材３６ａ，３６ｂによって水晶振動素子１０を励振可能に保持することができる。また、水晶振動素子１０は、励振電極１４ｂが基板３０側を向くように第１主面３２ａに搭載される。なお、この接合工程が行われる後に、水晶片１１は変質せず、すなわち、水晶片１１に係る第１状態及び第１色の変化がない。一方、水晶片１１の質量は接着のための熱によって軽くなる可能性があるため、この工程に係る水晶振動素子１０の共振周波数Ｂは共振周波数Ａよりも高くなっている。

（トリミング調整工程）
続いて、励振電極１４に対してトリミング調整を行う（Ｓ１２）。
ここで、トリミング調整は、例えば、減圧状態下でイオンビームを照射して、励振電極１４ａの一部を除去することにより励振電極１４ａの厚さを薄くして所定の周波数に調整する。さらに説明すると、トリミング調整は、未封止状態の水晶振動素子１０の励振電極１４ａに向かってイオンビームを照射することで、この励振電極１４ａの一部を蒸散させて、その質量を軽くする質量負荷効果による周波数の調整である。トリミング調整後、励振電極１４ａの質量が軽くなるため、水晶振動素子１０の共振周波数が高くなる。また、このトリミング調整において、励振電極１４ａの質量を大きく変更することができるため、水晶振動素子１０周波数の粗調整に該当する。このトリミング調整工程によって、封止前の水晶振動素子１０を所定の周波数に調整することができる。また、複数の水晶振動素子１０の共振周波数を揃えることができる。なお、このトリミング調整工程が行われる後に、水晶片１１は変質せず、すなわち、水晶片１１に係る第１状態及び第１色の変化がない。言い換えれば、トリミング調整工程に係るイオンビームの照射は、水晶の結晶と第１不純物との結合を切り離すことができない。一方、水晶片１１の質量はトリミングの熱によって軽くなっているため、この工程に係る水晶振動素子１０の共振周波数Ｃは共振周波数Ｂよりも高くなっている。

（封止工程）
続いて、基板３０に蓋部材２０を接合することにより、共振周波数が粗調整された水晶振動素子１０をこの基板３０及び蓋部材２０によって構成された内部空間２６に封止する（Ｓ１３）。
具体的には、基板３０の封止枠３７上に接合部材４０を設け、封止枠３７及び接合部材４０を蓋部材２０の側壁部２２の対向面２３と基板３０の第１主面３２ａとの間に介在させる。そして、接合部材４０を加熱することで、蓋部材２０を基板３０に接合する。こうして、蓋部材２０及び基板３０によって水晶振動素子１０が内部空間２６に収容された水晶振動子１を製造することができる。なお、この封止工程が行われる後に、水晶片１１は変質せず、すなわち、水晶片１１に係る第１状態及び第１色の変化がない。一方、水晶片１１の質量は封止ための熱によって軽くなっているため、この工程に係る水晶振動素子１０の共振周波数Ｄは共振周波数Ｃよりも高くなっている。

（γ線照射工程）
その後、封止された水晶振動子１をγ線で照射する（Ｓ１４）。
γ線照射工程は、封止工程の影響によって変動した水晶振動素子１０の共振周波数を調整するための工程である。封止工程において、接合部材４０を溶かすための熱の影響で、水晶振動素子１０の励振電極１４及び／又は水晶片１１の一部が蒸散し、質量が減少する。この結果、水晶振動素子１０の周波数が封止前よりも高くなっている。また、すべての水晶振動素子１０の封止状態は完全に同じではないため、水晶振動素子１０の共振周波数のバラツキが生じてしまう。これらの問題に対して、封止後の水晶振動素子１０の共振周波数の調整が必要となる。また、この場合において、上述したＳ１２に係るトリミング調整工程に比べて、水晶振動素子１０の質量の減少量が少ない。このため、水晶振動素子１０の共振周波数を微調整すれば、所定の共振周波数に調整することができる。

ここで、γ線照射工程の説明に入る前に、まず、この調整に関わる水晶振動素子１０の水晶片１１を構成する原料である水晶の一般的な性質について説明する。水晶は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）が結晶して構成された結晶構造を有する。理想的な水晶の結晶構造は、不純物を有しておらず、かつＳｉＯ₄四面体が強固なＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合によって、完全かつランダムに連結した三次元ネットワークである。しかしながら、このような理想的な水晶を得ることは不可能である。実際的には、水晶の結晶構造に多数の不純物が含まれており、たとえ高純度な水晶であっても、多少不純物が含まれている。また、水晶の結晶構造に係るＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合の不完全によって、この結合の切断箇所にＯＨ基等の不純物を抱え込んでいる。つまり、一般的な水晶の安定状態は、その水晶の結晶が一部の不純物と結合している状態である。

また、水晶の結晶構造はＳｉＯ₂という単純な構成であるが、強固なイオン結合の制約がないため、放射線の照射によって水晶における変質、変態等の変化が発生しやすい。このような変化に伴い、水晶の共振周波数が変化する。この特性を利用し、放射線の照射が水晶の共振周波数の調整に使われている。また、異なる放射線によって、異なる変化（変質、変態等）が起きる。例えば、安定な状態にある水晶をγ線に照射すると、水晶が変質する。ここで、本実施形態に係る変質は、水晶の結晶と不純物との結合の変化を意味する。この水晶の変質に伴い、水晶の共振周波数が変化する。また、水晶の種類に応じて、その共振周波数が高くる場合と、低くなる場合とがある。さらに、水晶に含まれる不純物の多くがＡｌ（アルミニウム）であるため、γ線との反応によって、水晶全体の色が濃く（黒く）なる。この変質及び共振周波数の変化の詳細について、以下の本実施形態に係るγ線照射工程で説明する。

続いて、水晶振動子１に係るγ線照射工程の説明に戻る。水晶振動子１、すなわち封止された水晶振動素子１０をγ線で照射する。ここで、γ線は、非透明な封止容器を構成する基板３０及び蓋部材２０を透過して、水晶振動素子１０に到達してこの水晶振動素子１０を照射する。また、γ線は励振電極１４に影響を与えることがないため、γ線の照射の可能な位置は、特に制限することがなく、励振電極１４を含む水晶片１１の第１主面１２ａ又は第２主面１２ｂの全体、側面１２ｃ等の任意位置に向かって照射することが可能である。

水晶振動子１をγ線で照射する前に、すなわち、準備工程から封止工程の終了まで、水晶振動素子１０は、水晶片１１の結晶が第１不純物と結合しているある安定状態を維持している。すなわち、準備工程から封止工程の終了まで、水晶片１１は変質せず、水晶片１１に係る第１状態及び第１色の変化がない。このため、この間において、水晶振動素子１０の共振周波数Ａ乃至Ｄは、水晶変質による影響を受けておらず、水晶振動素子１０の質量の変更による影響のみを受けている。

一方、水晶振動子１をγ線で照射すると、少なくとも一部の水晶の結晶と第１不純物との結合がγ線によって切り離されており、水晶構造が一旦不安定状態になる。そして、この第１不純物との結合が切り離された結晶は、第２不純物と再結合し、水晶構造が再び安定な状態になる。このγ線照射工程が行われる後に、水晶片１１は変質する。すなわち、水晶片１１は、第１状態から第２状態に変化し、第１色から第２色に変化する。なお、水晶に含まれる不純物であるＡｌとγ線との反応によって、第２色は第１色よりも濃くなっている。また、この水晶片の変質によって水晶振動素子１０の共振周波数Ｅに影響を当たる。さらに、本実施形態に係る水晶振動素子１０はＡＴカットの水晶片１１採用しているため、γ線の照射によって、水晶振動素子１０の共振周波数Ｅが少々高くなる。一方、γ線の照射は、水晶片１１の質量に影響を与えることがなく、共振周波数Ｅは水晶振動素子１０の質量の変更による影響を受けていない。

このように、γ線照射工程において、水晶振動素子１０の共振周波数Ｅが水晶振動素子１０の質量の変更による影響を受けておらず、水晶片の変質による影響のみを受ける。この結果、水晶振動素子１０の共振周波数Ｅが少々高くなるように、微調整がされる。

最後、必要な検査を経て、所定の共振周波数に調整できた水晶振動子１が完成する。

このように、本実施形態では、γ線照射を採用することで、封止工程前のトリミング調整工程に加えて、封止工程後に水晶振動素子１０の共振周波数の調整を行うことが可能となる。このため、封止熱及び導接ガスによる水晶振動素子共振周波数変化を補正することができる。従って、圧電振動素子の共振周波数のバラツキを抑制し、品質の安定化を図ることができる。
また、γ線は高エネルギ放射線であるため、金属等の非透明封止容器を透過することができ、封止容器の一部または全部を透明構造にする必要がなくなる。封止容器の設計の自由度や、生産性の向上を実現することができる。
また、γ線照射では、水晶片１１を変態させることがない。ここで、水晶の変態は、例えば、α水晶がβ水晶に変更、振動領域の変化等のことを意味する。これによって、水晶振動素子１０の振動の種類が変化されることがなく、共振周波数の調整前後にて同様な制御を行うことができる。また、水晶振動素子１０の圧電性を失うおそれも抑えることができる。
さらに、γ線照射では、励振電極１４に影響を与えることがない。具体的には、γ線照射は励振電極１４の質量を変わることがない。これによって、γ線照射位置を特別に限定する必要がない。このため、照射方法が簡易になるのみではなく、より高い設計の自由度を得ることができる。

以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。
本発明の一実施形態に係る圧電振動素子の製造方法では、第１不純物及び第１不純物と異なる物質である第２不純物を含む結晶構造を有する圧電基板と、圧電基板の両主面のそれぞれに設けられている励振電極と、を有する圧電振動素子を準備する準備工程と、圧電振動素子をγ線で照射するγ線照射工程と、を含み、γ線照射工程は、圧電基板にγ線を照射することによって圧電基板の結晶と第１不純物との結合を切り離すことと、第１不純物との結合が切り離された結晶が前記第２不純物と結合することとを含む。
上記方法によれば、圧電振動素子の共振周波数のバラツキを抑制し、品質の安定化を図ることができる。

また、上記方法において、γ線照射工程は、励振電極を含む圧電基板の主面全体にγ線を照射することを含む。
上記方法によれば、方法の実施自由度を高め、生産性を向上することができる。

また、上記方法において、励振電極の少なくとも一部をトリミングして圧電振動素子の共振周波数を調整するトリミング調整工程をさらに備える。
上記方法によれば、効率よく圧電振動素子の共振周波数の調整を行うことができる。

また、上記方法において、γ線照射工程は、前記トリミング調整工程後に行われる。
上記方法によれば、二段階調整を行うことで、圧電振動素子の共振周波数のバラツキを抑制することができる。

また、上記方法において、圧電基板の材料は、水晶である。
上記方法によれば、単結晶構成を有する圧電基板を採用することで、圧電振動素子における共振周波数の調整の安定性を向上することができる。

また、本発明の一実施形態に係る圧電振動子の製造方法では、上述した何れかの圧電振動素子の製造方法と、圧電振動素子を封止容器に収容して封止する封止工程と、を含み、トリミング調整工程は、封止工程前に行われ、γ線照射工程は、少なくもと一回が、封止工程後に行われる。
上記方法によれば、封止容器の設計自由度を高めるとともに、圧電振動素子の共振周波数のバラツキを抑制し、品質の安定化を図ることができる。

また、上記方法において、封止容器における前記γ線照射工程においてγ線が照射される領域は、γ線よりも波長が大きい任意の波長帯の照射光を遮断する材料からなる。
上記方法によれば、封止容器の材質の選択自由度を高めるとともに、圧電振動素子の共振周波数のバラツキを抑制することができる。

また、本発明の他の一実施形態に係る圧電振動子の製造方法では、第１不純物及び第１不純物と異なる物質である第２不純物を含む結晶構造を有する圧電基板と、圧電基板の両主面のそれぞれに設けられている励振電極と、を有する圧電振動素子を準備する準備工程と、圧電振動素子をγ線で照射するγ線照射工程と、圧電振動素子を封止容器に収容して封止する封止工程と、を含み、封止容器は、金属容器であり、γ線照射工程は、γ線が前記封止容器を透過して前記圧電基板を照射することによって前記圧電基板の結晶と前記第１不純物との結合を切り離すことを含む。
上記方法によれば、金属の封止容器を採用する場合であっても、封止後に圧電振動素子の共振周波数の調整が可能となり、圧電振動素子の振動周波数共振周波数のバラツキを抑制することができる。

また、本発明の一実施形態に係る圧電振動素子では、第１不純物及び第１不純物と異なる物質である第２不純物を含む結晶構造を有する圧電基板と、圧電基板の両主面のそれぞれに設けられている励振電極と、を備え、圧電基板の結晶と結合している第１不純物の少なくとも一部が、第２不純物に置換されている。
上記構成によれば、圧電振動素子の共振周波数のバラツキを抑制し、品質の安定化を図ることができる。

また、上記構成において、圧電基板は、水晶基板であり、第１不純物と第２不純物とは、互いに異なる種類の不純物である。
上記構成によれば、水晶の結晶と不純物の再結合することによって圧電振動素子の共振周波数を調整することができる。

また、上記構成において、圧電基板の両主面のいずれか一方の主面を含む部分の不純物濃度が、主面よりも圧電基板の内部の不純物濃度よりも高い。
上記構成によれば、照射する時間を縮短することで、生産性を向上することができる。

また、本発明の一実施形態に係る圧電振動子では、上述した何れかの水晶振動素子１０と、水晶振動素子１０を収容して封止する封止容器と、備える。
上記構成によれば、圧電振動子の共振周波数のバラツキを抑制し、品質の安定化を図ることができる。

また、上記構成において、封止容器は、γ線よりも波長が大きい任意の波長帯の照射光を遮断する材料からなる。
上記構成によれば、封止容器の材質の選択自由度を高めるとともに、圧電振動素子の共振周波数のバラツキを抑制することができる。
［変形例］

本発明は、上記実施形態に限定されることなく種々に変形して適用することが可能である。

上記実施形態では、封止前にトリミング調整工程が行われ、封止後にγ線照射工程が行われる製造方法として説明したが、上記製造方法に限定されるものではなく、例えば、封止前にトリミング調整工程が行われず、封止後にγ線照射工程のみが行われる製造方法であってもよい。あるいは、封止前にトリミング調整工程及びγ線照射工程が行われ、封止後にさらにγ線照射工程が行われる製造方法であってもよい。

上記実施形態では、トリミング調整工程及びγ線照射工程の行われる回数とも一回として説明したが、所定の共振周波数に応じて、多数回であってもよい。

上記実施形態では、水晶片１１を、水晶片１１の全体に亘って均一に第１不純物及び第２不純物が含まれているものとして説明したが、この水晶片１１の第１主面１２ａ及び第２主面１２ｂのいずれか一方の主面を含む部分の不純物濃度が、水晶片１１の内部の不純物濃度よりも高いものであってもよい。

上記実施形態では、トリミング調整工程は励振電極１４をトリミングして水晶振動素子１０の共振周波数を調整することとして説明したが、励振電極１４とは別の金属膜をトリミングして水晶振動素子１０の共振周波数を調整してもよい。

上記実施形態では、周波数調整のためのイオンビームは、励振電極１４ａに向かって照射するものとして説明したが、このイオンビームは水晶片１１の第１主面１２ａ側から水晶振動素子１０の全体にかけて照射してもよい。これによって、水晶振動素子１０の表面に付着した水晶、電極又は樹脂レジストからなる加工残留物及び大気中の粉塵等のパーティクルを除去することができる。あるいは、周波数調整のためのイオンビームは、水晶振動素子１０の全体である必要はなく、例えば、第１主面１２ａ側から励振電極１４ａの少なくとも一部の領域に照射してもよい。このように周波数調整に必要な励振電極１４ａの少なくとも一部の領域にイオンビームを照射することによって、効率良く周波数調整を行うことができる。

上記実施形態では、封止容器を非透明なものや、金属容器や、γ線よりも波長が大きい任意の波長帯の照射光を遮断する材料からなる容器等として説明したが、この封止容器が透明なものであってもよい。あるいは、複数の材料によって構成されているものであってもよい。

上記実施形態では、水晶片１１を平板状のものとして説明したが、水晶片１１はメサ構造を有するものであってもよい。このような構成においても、振動閉じ込め性の向上を図ることができる。

上記実施形態では、放射ビームの一例としてイオンビームを用いたイオンミリングの態様を説明したが、上記したイオンミリングに限らず電極材料を削るための他の放射ビームを用いてもよい。例えば、イオンミリングの代わりにプラズマＣＶＭ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）等を適用してもよい。

上記実施形態では、基板３０が平板であり、蓋部材２０が凹状として説明したが、本発明においては、基板３０及び蓋部材２０の形状は水晶振動素子を内部空間に収容することができれば特に限定されるものではなく、例えば、ベース部材が凹状であり、蓋部材が平板状であってもよい。

また、水晶片はＡＴカット以外の異なるカット（例えばＢＴカット等）を適用してもよい。さらには、水晶以外のその他の圧電体からなる圧電基板を用いた圧電振動素子に本発明の構成を適用してもよい。

なお、以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１…水晶振動子、１０…水晶振動素子、１１…水晶片、１２ａ…第１主面、１２ｂ…第２主面、１４、１４ａ、１４ｂ…励振電極、１６、１６ａ、１６ｂ…電極パッド、２０…蓋部材、３０…基板

Claims (13)

1. 第１不純物及び前記第１不純物と異なる物質である第２不純物を含む結晶構造を有する圧電基板と、前記圧電基板の両主面のそれぞれに設けられている励振電極と、を有する圧電振動素子を準備する準備工程と、
   前記圧電振動素子をγ線で照射するγ線照射工程と、
   を含み、
   前記γ線照射工程は、前記圧電基板にγ線を照射することによって前記圧電基板の結晶と前記第１不純物との結合を切り離すことと、前記第１不純物との結合が切り離された前記結晶が前記第２不純物と結合することとを含む、圧電振動素子の製造方法。
2. 前記γ線照射工程は、前記励振電極を含む前記圧電基板の主面全体にγ線を照射することを含む、請求項１に記載の圧電振動素子の製造方法。
3. 前記励振電極の少なくとも一部をトリミングして前記圧電振動素子の共振周波数を調整するトリミング調整工程をさらに含む、請求項２に記載の圧電振動素子の製造方法。
4. 前記γ線照射工程は、前記トリミング調整工程後に行われる、請求項３に記載の圧電振動素子の製造方法。
5. 前記圧電基板の材料は、水晶である、請求項１乃至４の何れか一項に記載の圧電振動素子の製造方法。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載の圧電振動素子の製造方法と、
   前記圧電振動素子を封止容器に収容して封止する封止工程と、
   を含み、
   前記トリミング調整工程は、前記封止工程前に行われ、
   前記γ線照射工程は、少なくとも一回が、前記封止工程後に行われる、圧電振動子の製造方法。
7. 前記封止容器における前記γ線照射工程においてγ線が照射される領域は、γ線よりも波長が大きい任意の波長帯の照射光を遮断する材料からなる、請求項６に記載の圧電振動子の製造方法。
8. 第１不純物及び前記第１不純物と異なる物質である第２不純物を含む結晶構造を有する圧電基板と、前記圧電基板の両主面のそれぞれに設けられている励振電極と、を有する圧電振動素子を準備する準備工程と、
   前記圧電振動素子をγ線で照射するγ線照射工程と、
   前記圧電振動素子を封止容器に収容して封止する封止工程と、
   を含み、
   前記封止容器は、金属容器であり、
   前記γ線照射工程は、γ線が前記封止容器を透過して前記圧電基板を照射することによって前記圧電基板の結晶と前記第１不純物との結合を切り離すことを含む、圧電振動子の製造方法。
9. 第１不純物及び前記第１不純物と異なる物質である第２不純物を含む結晶構造を有する圧電基板と、
   前記圧電基板の両主面のそれぞれに設けられている励振電極と、
   を備え、
   前記圧電基板の結晶と結合している前記第１不純物の少なくとも一部が、前記第２不純物に置換された、圧電振動素子。
10. 前記圧電基板の材料は、水晶である、請求項９に記載の圧電振動素子。
11. 前記圧電基板の前記両主面のいずれか一方の主面を含む部分の不純物濃度が、前記主面よりも前記圧電基板の内部の不純物濃度よりも高い、請求項９又は請求項１０に記載の圧電振動素子。
12. 請求項９乃至１１の何れか一項に記載の圧電振動素子と、
    前記圧電振動素子を収容して封止する封止容器と、備える、圧電振動子。
13. 前記封止容器は、γ線よりも波長が大きい任意の波長帯の照射光を遮断する材料からなる、請求項１２に記載の圧電振動子。