JP3767425B2 - 圧電振動片及び圧電デバイス - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報通信機器やコンピュータ等のＯＡ機器、電子時計等の民生機器を含む様々な電子機器において使用される圧電振動子等の圧電デバイスに関し、特に厚みすべりモードを主振動としかつ圧電体チップの主面に凹設した薄肉振動部に励振電極を形成した所謂逆メサ型の圧電振動片及びこれをパッケージに搭載した圧電デバイスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、様々な電子機器に電子回路のクロック源等として圧電振動子等の圧電デバイスが広く使用されている。最近は、電子機器の小型化・薄型化に伴い、圧電デバイスの小型化・薄型化が要求され、装置の回路基板への実装に適した表面実装型のものが多く採用されている。特に携帯電話等の情報通信分野では、情報伝送の大容量化及び高速化に伴う通信周波数の高周波化・システムの高速化に対応して、従来よりも高い９０〜２００ＭＨｚ程度の周波数で動作する圧電振動子が要求されている。
【０００３】
厚みすべりモードを主振動とする圧電振動子において高周波化を図るためには、圧電振動片の励振部の厚さを薄くする必要がある。そこで、例えば特開平１１−３５５０９４号公報、特開平１１−２０５０６２号公報、再公表ＷＯ９８／０３８７３６号特許公報等に記載されるように、圧電振動片を薄い励振部とその周囲の厚い補強枠との一体構造にして機械的強度を向上させ、取扱い及び実装を容易にして振動片の欠けや割れ等を無くし、高周波化を実現できる逆メサ型の圧電振動子が提案されている。
【０００４】
図８（Ａ）及び（Ｂ）は、従来の一般的な逆メサ型水晶振動片の一例を示している。この水晶振動片１は、矩形薄板状のＡＴカット水晶素子片２の表裏両主面にそれぞれ矩形凹部を形成することにより、薄肉の励振部３とその外周に厚肉の補強枠部４とが設けられている。励振部３の表裏両面には１対の励振電極５ａ、５ｂが形成され、それぞれリード６ａ、６ｂを介して補強枠部４の長手方向の端部に設けられた引出電極７ａ、７ｂと電気的に接続されている。これら励振電極、リード及び引出電極は、一般に電極材料のスパッタリング又は蒸着により水晶素子片２の表面に電極膜を形成し、これをフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより形成される。励振部３は、外部から引出電極７ａ、７ｂに入力する電気信号により励振電極５ａ、５ｂ間に電界を印加すると、その形状・寸法により決定される所定の周波数で振動する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＡＴカット水晶振動子において、引出電極に入力する電気信号をリード部分を介して良好に励振電極に伝達するためには、その沿面抵抗をできる限り低くすることが重要である。そのため、リード部分の膜厚は厚い方が有利である。他方、水晶振動子は、振動エネルギが水晶表面の励振電極の周辺にトラップされると、主振動と同時に高次の厚みすべり副振動が励振されるという弊害が生じる。特に高周波水晶振動子は、励振部の寸法比即ち水晶の厚みに対する縦横寸法の比が大きいので、高次厚みすべり副振動の周波数は主振動の周波数に近くなり、主振動に影響を与える虞がある。その中でも逆メサ型水晶振動片は、通常の平板状水晶振動片と比較して、励振電極の膜厚に対する縦横寸法の比が水晶の厚みに対して大きいので、エネルギトラップの程度も通常より高く、それだけ主振動に影響を与える影響も大きくなる。かかる観点からこのような逆メサ型の圧電振動子において、励振電極の膜厚を厚くすることはあまり好ましくない。
【０００６】
上述したように、励振電極、引出電極及びリードの電極膜は通常同時に、従って同じ膜厚に形成される。ところが、励振電極から引出電極へ延びるリードは、凹陥形状の励振部と厚肉補強枠部との段差で水晶板の鋭利なエッジ部分を通るため、その膜厚が薄いと電極膜の一部又は全部が切断されて導通不良を起こす虞がある。また、導通不良を起こさないまでも、段差特にそのエッジ部分は、スパッタリングや蒸着による電極材料が付着し難く、他の部分よりも膜厚が薄くなりかつばらつきを生じ易いので、電気抵抗が高くなりかつばらつきを生じて励振電極間に所望の電圧が印加されず、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値が高くなりかつばらつきを生じて振動特性が不安定になる虞がある。これらの問題は、電極膜全体の膜厚が薄くなればなるほど、水晶振動子が小型化されてリードの配線自由度が小さくなりかつその線幅が狭くなればなるほど、深刻になる。
【０００７】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、特に逆メサ型の圧電振動片において、励振部と補強枠部との段差を通るリードを、その膜厚を不必要に厚くすることなく低抵抗にし、安定した振動特性を得ると共に、エッジ部分での切断等による導通不良の発生を防止し、高い信頼性及び歩留まりの向上を実現することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記目的を達成するために、薄肉の励振部及びその周囲に設けられた厚肉の補強枠部を有する圧電素子片と、励振部の表裏両主面に設けられる１対の励振電極と、補強枠部に設けられかつそれぞれリードを介して対応する励振電極に接続された１対の引出電極とを有し、補強枠部が、リードを通過させるために励振部との段差にそのエッジに沿って凹凸を設けたリード引出部を有することを特徴とする圧電振動片が提供される。
【０００９】
このように段差のエッジに沿って凹凸を設けたリード引出部をリードが通ることにより、その線幅が実質的に広がるので、膜厚を不必要に厚くしなくても、段差における十分な導通性を確保しかつ電極膜の切断等を回避しながら、その電気抵抗を低くすることができる。従って、ＣＩ値を低下させかつそのばらつきをなくし、振動特性の安定した圧電振動片を得ることができる。
【００１０】
特に、リード引出部を設けた補強枠部の段差が励振部に向けて傾斜していると、それだけエッジの角度が緩やかになり、それだけスパッタリングや蒸着による電極材料が付着し易くなるので、膜厚が薄くなり過ぎて高抵抗になったり断線する虞が少なく、好都合である。
【００１１】
或る実施例では、リード引出部の凹凸が段差に１つ又は複数の突条を設けることにより簡単に形成でき、別の実施例では、リード引出部の凹凸が段差に１つ又は複数の凹溝を設けることにより簡単に形成することができる。
【００１２】
また、或る実施例では、前記圧電素子片がＡＴカット水晶薄板からなる。この素子片は、水晶をそのＸ軸回りにＺ軸から所定の約３５度のカットアングルで切り出した薄板又はウエハを、通常一方の対向する２辺がＸ軸の方向に延長しかつ他方の対向する２辺が水晶のＺ軸に関して前記所定の角度をなす向きに延長する矩形に切断したもので、その主面は水晶のＹ軸に直交する平面に関して前記所定の角度で傾斜している。主面にフォトリソグラフィ技術を用いて異方性ウェットエッチングにより矩形の凹陥部を形成すると、該凹陥部と補強枠部との段差は、Ｘ軸方向の対向する２辺のうち、１辺が略垂直にエッチングされるのに対し、他の１辺は凹陥部に向けて比較的緩やかな傾斜面を形成する。これらと直交する残りの２辺は比較的急な傾斜面を形成する。これは、水晶のエッチング速度がその結晶方位別に異なり、Ｚ軸方向に大きく、Ｘ軸方向に小さく、Ｙ軸方向には更に小さいという、当業者に良く知られた水晶のエッチング速度の結晶軸依存性に因るものである。
【００１３】
従って、リード引出部が、水晶のＸ軸に沿って延長しかつ励振部に関してＺ軸正側の補強枠部の段差に設けられていると、この段差は比較的緩やかな傾斜面を有するので、エッジ部分においても電極材料の付着が良好で、膜厚のばらつきや断線の虞が少なく、好都合である。
【００１４】
また、本発明の別の側面によれば、上述した本発明の圧電振動片と該圧電振動片を搭載するパッケージとを有する圧電デバイスが提供される。この圧電デバイスには、圧電振動子、圧電発振器等の様々なデバイスが含まれる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１は、本発明による圧電振動片として、逆メサ型水晶振動片の構成を概略的に示している。本実施例の水晶振動片１０は、従来から水晶振動子（圧電振動子）に多く使用されているＡＴカット水晶素子片（圧電素子片）１１からなる。この水晶素子片１１は、水晶をそのＸ軸回りにＺ軸から所定の約３５度のカットアングルで切り出した矩形のＡＴカット水晶薄板で、その一方の対向する２辺がＸ軸の方向に延長しかつ他方の対向する２辺が水晶のＺ軸に関して前記所定の角度をなすＺ´軸の向きに延長している。ＡＴカット水晶素子片１１の表裏両主面は、水晶のＹ軸に関して前記所定の角度をなすＹ´軸に直交する平面、別言すればＹ軸に直交する平面に関して前記所定の角度で傾斜している。
【００１６】
ＡＴカット水晶素子片１１は、その各辺と平行な４辺を有する矩形の凹陥部１２ａ、１２ｂがそれぞれ表裏両主面に形成され、それにより薄肉の励振部１３とその周囲に厚肉の補強枠部１４とが設けられている。本実施例において、これら凹陥部１２ａ、１２ｂは、フォトリソグラフィ技術を用いて水晶素子片１１の前記表裏主面を異方性ウェットエッチングすることにより形成される。
【００１７】
具体的には、先ず所定厚さの水晶ウエハ１５を準備してその両面を鏡面研磨で仕上げた後、耐フッ酸性の耐蝕膜１６を全面に形成する。耐蝕膜１６は、一般に蒸着又はスパッタリングにより厚さ約１０〜１００ｎｍのＣｒ層に厚さ５０〜３００ｎｍのＡｕ層を積層した薄膜により形成される。次に、水晶ウエハ１５の両面全面に亘ってレジスト膜１７を塗布する（図２（Ａ））。水晶ウエハ１５の上に凹陥部１２ａ、１２ｂの形状をパターニングしたフォトマスク１８を配置し、紫外線１９を照射して耐蝕膜１６をパターニングする（図２（Ｂ））。
【００１８】
露光したレジスト膜１７の部分を除去し、かつそれにより露出した耐蝕膜１６の部分を適当なＡｕ用及びＣｒ用のエッチング液で除去して、水晶ウエハ１５の表面を露出させる（図２（Ｃ））。次に、フッ酸を主成分とする水晶用エッチング液に水晶ウエハ１５を浸漬し、その露出面を所定の厚さまでハーフエッチングする（図２（Ｄ））。更に、残存するレジスト膜１７を適当な剥離液又は酸素プラズマで完全に除去し、かつ耐蝕膜１６を剥離液で溶解除去する（図２（Ｅ））。この水晶ウエハ１５をダイシング等の機械的加工やウェットエッチングにより個々の素子片に分割すると、凹陥部１２ａ、１２ｂを有する多数の水晶素子片１１が得られる。
【００１９】
上述したように、水晶はエッチング速度がその結晶方位別に異なり、Ｚ軸方向（水晶素子片１１の幅方向Ｚ´に関して約３５度の傾きをなす）に大きく、Ｘ軸方向（水晶素子片の長手方向）に小さく、Ｙ軸方向（水晶素子片の面方向Ｙ´に関して約３５度の傾きをなす）には更に小さいという、エッチング速度の結晶軸依存性を有する。このため、励振部１３と補強枠部１４との段差は、Ｘ軸方向の対向する２辺のうち、Ｚ´軸の正方向側の辺２０ａが励振部に向けて比較的緩やかな傾斜面を有するように加工されるのに対し、Ｚ´軸の負方向側の辺２０ｂは略垂直にエッチングされる。これらと直交する残りの２辺２０ｃ、２０ｄは、辺２０ｃが辺２０ａよりも急な傾斜面を、辺２０ｄが更に急な傾斜面を有するように加工される。
【００２０】
励振部１３の略中央には、同じ矩形パターンの１対の励振電極２１ａ、２１ｂが形成され、補強枠部１４の一方の長手方向端部には、前記励振電極を外部に接続するための左右１対の引出電極２２ａ、２２ｂが設けられ、それぞれリード２３ａ、２３ｂを介して対応する前記励振電極と引出電極とが電気的に接続されている。補強枠部１４には、そのＸ軸方向に沿ってＺ´軸正方向側の辺２０ａにリード引出部２４が設けられ、これを通過して前記各リードが励振部１３から補強枠部１４の段差の上に引き出されている。これら励振電極、リード、引出電極を構成する電極膜は、図２の工程に従って加工された水晶素子片１１に、従来公知のマスク蒸着等の手段を用いて形成することができる。
【００２１】
図３は、図１に示す水晶振動片１１のリード引出部２４を部分的に拡大して示しており、同図に良く示すように、リード引出部２４は、上述したように比較的緩やかに傾斜する段差のエッジに沿って励振部１３側に突出する複数の楔形突条２５が形成され、かつその上にリード２３ａが成膜されている。この突条２５は、その楔形形状を予め転写したフォトマスクを図２（Ｂ）の工程で使用することにより、容易に形成することができる。突条２５の傾斜面２５ａ、２５ｂは、水晶素子片１１のＸ軸、Ｙ´軸及びＺ´軸方向のエッチング速度が異なることから、Ｘ軸の正方向側により緩やかで、互いに非対称な形状となっている。
【００２２】
リード２３ａは、励振部１３から補強枠部１４にかけて同じ線幅で成膜されるが、リード引出部２４における線幅はその凹凸によって実質的に広くなっている。しかも、この段差は緩やかな傾斜面からなるので、電極材料をマスク蒸着等によって良好に付着させることができ、膜厚を不必要に厚くしなくても、膜厚のばらつきや断線を回避しつつ、その電気抵抗を低くすることができる。当然ながら、水晶素子片１１の裏側の主面についても、励振部１３と補強枠部１４との段差に同様の楔形突条を有するリード引出部が設けられ、これを通るようにリード２３ｂが配線されている。従って、この水晶振動片１０を公知のパッケージに搭載すると、ＣＩ値を低下させかつそのばらつきをなくし、振動特性の安定した逆メサ型水晶振動子を得ることができる。
【００２３】
実際に図１及び図３に示す構成のＡＴカット水晶振動片を製作し、そのＣＩ値を測定した。次の表１は、該水晶振動片の寸法及びリード引出部２４に設けた突条の数を示している。
【００２４】
【表１】

【００２５】
比較のために、励振部と補強枠部との段差に凹凸を有しない従来のＡＴカット水晶振動片についても、そのＣＩ値を測定したところ、次の表２に示す結果が得られた。この測定結果から、本実施例の構成を採用することによって、ＣＩ値が大幅に向上したことが分かる。
【００２６】
【表２】

【００２７】
図４は、リード引出部２４の変形例を示しており、前記段差のエッジに沿って補強枠部１４側に凹んだ複数の楔形凹溝２６が形成され、かつその上にリード２３ａが成膜されている。この場合にも、凹溝２６の傾斜面２６ａ、２６ｂは、水晶素子片１１のＸ軸、Ｙ´軸及びＺ´軸方向のエッチング速度が異なるため、その向き及び形状が互いに非対称である。リード２３ａは、励振部１３から補強枠部１４にかけて同じ線幅で成膜され、リード引出部２４における線幅が実質的に広くかつ段差が緩やかに傾斜しているので、段差における十分な導通性を確保しかつ膜厚のばらつきや断線を回避しながら、その電気抵抗を低くすることができる。
【００２８】
図５乃至図７は、それぞれ補強枠部１４の他の３辺２０ｂ〜２０ｄに同様のリード引出部２４を設けた場合を示している。図５（Ａ）は、補強枠部１４のＺ´軸方向に延びる辺２０ｃに図３と同様の複数の楔形突条２７を形成した場合、図５（Ｂ）は、図４と同様の複数の楔形凹溝２８を形成した場合である。突条２７及び凹溝２８は、図３及び図４の場合よりも傾斜が急であり、かつＺ´軸の正方向側がより緩やかで、より非対称な形状となっている。
【００２９】
図６（Ａ）は、補強枠部１４のＺ´軸方向に延びる図５と反対側の辺２０ｄに図３と同様の複数の楔形突条２９を形成した場合、図６（Ｂ）は、図４と同様の複数の楔形凹溝３０を形成した場合である。突条２９及び凹溝３０は、図５（Ａ）（Ｂ）の場合よりも傾斜が更に急であり、同様にＺ´軸の正方向側がより緩やかで、互いに非対称な形状となっている。
【００３０】
図７（Ａ）は、補強枠部１４のＸ軸方向に延びる図３と反対側の辺２０ｂに図３と同様の複数の楔形突条３１を形成した場合、図７（Ｂ）は、図４と同様の複数の楔形凹溝３２を形成した場合である。この辺２０ｂの段差は略垂直に形成されるので、突条３１及び凹溝３２は、Ｘ軸の正方向側に幾分傾斜している。
【００３１】
図５乃至図７の場合にも、励振部１３と補強枠部１４との段差のエッジに沿って凹凸を設けたリード引出部２４をリード２３ａ（２３ｂ）が通るように配線されることにより、その線幅が実質的に広くなり、しかも励振部に向けて傾斜しているので、膜厚を不必要に厚くしなくても、段差における十分な導通性を確保しかつ切断等を回避しながら、その電気抵抗を低くすることができる。
【００３２】
以上、本発明の好適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、本発明はその技術的範囲内において上記各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。例えば、水晶素子片の凹陥部は、異方性ウェットエッチング以外にドライエッチングや機械的加工方法により形成することができる。また、リード引出部の傾斜面は、凹陥部の加工後に、従来公知の化学的又は物理的手法により形成することができる。更に、ＡＴカット以外の水晶、又は水晶以外の圧電材料からなる圧電振動片についても同様に適用することができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、上述したように構成することにより、以下に記載するような格別の効果を奏する。
本発明の逆メサ型圧電振動片は、励振部と補強枠部との段差、より好適には傾斜面を有する段差のエッジに沿って凹凸を設けたリード引出部をリードが通るように配線することにより、該段差におけるリードの線幅が実質的に広がるので、膜厚を厚くしなくても、電気抵抗を低く抑制しつつ、段差における十分な導通性を確保しかつ電極膜の切断等を回避できるので、ＣＩ値を低下させかつそのばらつきをなくして、安定した振動特性を得ることができ、高い信頼性及び歩留まりの向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）図は本発明を適用した水晶振動片の実施例を示す平面図、（Ｂ）図はそのＢ−Ｂ線における縦断面図、（Ｃ）図はＣ−Ｃ線における横断面図である。
【図２】図１の水晶素子片を形成する過程を（Ａ）〜（Ｆ）図の行程順に示す断面図である。
【図３】図１に示す水晶振動片のリード引出部を示す部分拡大平面図である。
【図４】リード引出部の変形例を示す図３と同様の部分拡大平面図である。
【図５】（Ａ）図は補強枠部の辺２０ｃの段差に図３と同様の突条からなるリード引出部を設けた部分拡大平面図、（Ｂ）図は図４と同様の凹溝からなるリード引出部を設けた部分拡大平面図である。
【図６】（Ａ）図は補強枠部の辺２０ｄの段差に図３と同様の突条からなるリード引出部を設けた部分拡大平面図、（Ｂ）図は図４と同様の凹溝からなるリード引出部を設けた部分拡大平面図である。
【図７】（Ａ）図は補強枠部の辺２０ｂの段差に図３と同様の突条からなるリード引出部を設けた部分拡大平面図、（Ｂ）図は図４と同様の凹溝からなるリード引出部を設けた部分拡大平面図である。
【図８】従来の逆メサ型水晶振動片を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
１、１０ 水晶振動片
２、１１ 水晶素子片
３、１３ 励振部
４、１４ 補強枠部
５ａ、５ｂ、２１ａ、２１ｂ 励振電極
６ａ、６ｂ、２３ａ、２３ｂ リード
７ａ、７ｂ、２２ａ、２２ｂ引出電極
１２ａ、１２ｂ 凹陥部
１５ 水晶ウエハ
１６ 耐蝕膜
１７ レジスト膜
１８ フォトマスク
１９ 紫外線
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ 辺
２４ リード引出部
２５、２７、２９、３１ 突条
２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ 傾斜面
２６、２８、３０、３２ 凹溝

Claims (7)

1. 薄肉の励振部及びその周囲に設けられた厚肉の補強枠部を有する圧電素子片と、前記励振部の表裏両主面に設けられる１対の励振電極と、前記補強枠部に設けられかつそれぞれリードを介して対応する前記励振電極に接続された１対の引出電極とを有し、
   前記補強枠部が、前記リードを通過させるために前記励振部との段差にそのエッジに沿って凹凸を設けたリード引出部を有することを特徴とする圧電振動片。
2. 前記圧電素子片がＡＴカット水晶薄板からなることを特徴とする請求項１記載の圧電振動片。
3. 前記リード引出部を設けた前記補強枠部の段差が前記励振部に向けて傾斜していることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電振動片。
4. 前記リード引出部が、水晶のＸ軸に沿って延長しかつ前記励振部に関してＺ軸正側の前記補強枠部の段差に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の圧電振動片。
5. 前記リード引出部の凹凸が前記段差に設けた１つ又は複数の突条により形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電振動片。
6. 前記リード引出部の凹凸が前記段差に設けた１つ又は複数の凹溝により形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電振動片。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の圧電振動片と、前記圧電振動片を搭載したパッケージとを有することを特徴とする圧電デバイス。

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