JP3917061B2

JP3917061B2 - 圧電素子の周波数調整装置

Info

Publication number: JP3917061B2
Application number: JP2002330790A
Authority: JP
Inventors: 忠久塩野
Original assignee: 株式会社昭和真空
Priority date: 2002-11-14
Filing date: 2002-11-14
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2019-05-14
Also published as: JP2003204236A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、圧電素子、特に水晶振動子の周波数を調整する方法と装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水晶振動子の共振周波数は素板となる水晶片の厚みと、その表面に形成された金属膜電極の膜厚によって決定される為所望の周波数の水晶振動子を得るためには、まず水晶片を規定の厚みで切り出した後、表面を研磨し、その表面に真空蒸着、又はスパッタ蒸着等によってベースとなる金属膜電極を形成し、この水晶片をしかるべき容器に搭載した後、１個づつ水晶振動子の周波数を測定しながら、真空蒸着によって、ベース電極膜上に上層金属膜を形成していくと、水晶振動子の周波数は徐々に低くなるので、この周波数が所定値になった時に上層金属膜の形成を停止し、所望の周波数を得ている。
【０００３】
水晶振動子の周波数調整装置の一例では、真空室はあらかじめ１０^−３Ｐａ以下の圧力に排気されている。仕切弁を閉じ仕込室を大気圧とし、水晶振動子を仕込室にセットした後、仕込室を１０^−３Ｐａ以下に排気し、仕切弁を開き、水晶振動子を蒸発源の前まで搬送する。ネットワークアナライザーにより周波数を測定しながら、蒸発源フィラメントに流れる電流を蒸発源制御回路で制御しながらシャッターを開くと、蒸発材が蒸発して水晶振動子電極上に堆積するので水晶振動子の周波数は徐々に低くなるので、この周波数が所定値になった所でシャッターを閉じ周波数調整を終了する。
【０００４】
この時短時間で高精度に周波数調整を行う為、シャッター開直後では蒸着速度を早くして周波数調整速度を１０００ppm/sec 程度まで早くし、周波数が所望値に近くなるに従い蒸着速度を落として周波数調整速度を下げ、シャッター閉直前では数１０ppm/sec にまで周波数調整速度を下げ、かつ高精度に周波数調整を行う為、このシャッター閉直前の周波数調整速度が毎回等しくなるように蒸発源フィラメントの電力を制御している。
【０００５】
このような蒸発源の制御を行うことにより周波数調整量が１０００ppm 程度の水晶振動子を蒸着時間２．５秒で所望値周波数の±２ppm 以内の高精度に周波数調整することが可能である。
【０００６】
しかしながら、真空蒸着によって水晶振動子の周波数調整を行うと、ベース電極上に新たな蒸着膜が形成される事によりＣＩ（クリスタルインピーダンス）値の増大や、新たにスプリアスが発生したり、既存のスプリアスレベルの増大による品質の劣化を招く。
【０００７】
又、周波数調整の蒸着膜は、製造コスト及び周波数調整精度に重点が置かれてその蒸着速度が選択され、また加熱ガス放出等の操作も行われないため、その膜質がベース電極膜に比べて、密着性、充填密度、不純物濃度、粒子径等の点で劣っており、更にベース電極膜と周波数調整膜との間に境界層が存在する事により、水晶振動子のエージング特性に悪影響を与える。
【０００８】
これらを解決する方法としてプラズマエッチング、イオンビームエッチングによって電極膜をエッチングする事によって周波数を調整する方法が古くから研究、開発されていた。特に近年伸長の著しい携帯電話等移動体通信の分野で、高精度、高安定な水晶振動子の要求が増大すると共にプラズマエッチングやイオンビームエッチングによる水晶振動子の周波数調整に大きな注目が集まる様になった。
【０００９】
イオンビームエッチングによる水晶振動子の周波数調整装置では、真空容器内を１０^−３Ｐｓ以下に排気した後、イオンガン内部にＡｒガスを導入し、熱陰極を通電加熱し、熱陰極と陽極の間の直流放電によってＡｒプラズマを生成し、高圧電源によってグリッドに高電圧を印可する事によって、Ａｒの正イオンを引き出しイオンビームを形成して、水晶振動子電極膜に照射しスパッタエッチングする事によって水晶振動子の周波数を変化させる。
【００１０】
この時、水晶振動子の周波数を測定しながらエッチングを行うと、エッチングにより水晶振動子の周波数は徐々に高くなって行くので、この周波数が所定の周波数になったところでエッチングを停止し、所望の周波数を得ている。このようなイオンビームエッチングでは、ベース電極膜上に新たな膜を形成する事が無い為、ＣＩ値の増大、新たなスプリアスの発生、既存のスプリアスレベルの増大、エージング特性の悪化等を生じない為、高品位な水晶振動子が得られる。これはプラズマやイオンを利用したプラズマエッチングでも同様である。
【００１１】
このようにプラズマエッチング、イオンビームエッチングによる水晶振動子の周波数調整では、ＣＩ値、スプリアス、エージング特性において高品位な水晶振動子を得ることが出来るのであるが、次の理由により真空蒸着に比べて周波数の調整精度が著しく劣るという致命的な欠点がある為、古くから多くの研究にもかかわらず実用化に至らなかった。
【００１２】
図１にイオンビームエッチング時の水晶振動子の周波数変化を示す。水晶振動子の周波数はエッチング中徐々に高くなっていき、この例では２秒間で８０ppm 高くなっているが、エッチングを終了すると周波数は下がってしまい、この戻り量シフト量が１０ppm と大きく且つ製造工程中にバラつくので、所望の調整精度が得られなかった。因みに真空蒸着では、１０００ppm 程度を、２．５秒で周波数調整して±１〜２ppm 以内とする事が可能である。
【００１３】
【発明の概要】
本発明は、上述の問題点を解決する為に成されたもので、イオンビームエッチングによって水晶振動子の周波数を正確に調整する事が出来る水晶振動子の周波数調整装置を提供する事を目的としている。
【００１４】
本発明の水晶振動子の周波数調整方法を実施する装置は、真空容器内に、陽極と熱陰極を有するイオンガンを有し、この陽極と熱陰極の間の放電電流をモニタする機構と、この放電電流を一定に保つ様に、熱陰極の電力を制御する機構を持つ装置構成とした。
【００１５】
その作用としては、イオンビームのスパッタエッチングによって水晶振動子の周波数を調整する時に、指定値周波数でエッチングを停止した後の周波数には、図１のような戻り量シフトが存在する。この戻り量シフトは、イオンビームのエネルギーとエッチング速度の間に図２のような関係が有り、イオンビームのエネルギーが大きいほど、又、エッチング速度が大きいほど、戻りシフト量は大きくなる。しかし、エッチング速度とイオンエネルギーが同じであれば周波数の戻りシフト量は、常に一定である。
【００１６】
スパッタ率Ｓ、イオンビーム電流密度Ｉｂｄ（mA/cm^２）で水晶振動子電極をスパッタエッチングする時のエッチング速度Ｒ（ppm／sec）は、水晶振動子電極金属の分子量：Ｍ、水晶振動子周波数：Ｆ（Hz）、素電荷：ｅ、アボガドロ数：Ｎ_Ａ、水晶の周波数定数：Ｎｑ、及び水晶密度：Ｄｑを用いて、
【数１】

となり、ＡＴカット水晶振動子でその電極材料がＡｇの時、
【数２】

で表され、スパッタ率Ｓは、図３のＷｈｎｅｒの実測値で示されるように、イオンエネルギーで決まる為、水晶振動子の周波数が決まり、イオンビームのエネルギーが決まると、エッチング速度Ｒは、イオンビーム電流密度Ｉｂｄに正比例する。
【００１７】
図４は、水晶振動子の電極の大きさに比べて小さいイオンビームの遮蔽マスクを用いた場合で、水晶振動子電極中心と、マスク中心が一致していない為に、同じイオンビーム電流密度のイオンビームを照射しても同じエッチング速度が得られていないワークが有るが、この時のエッチング後の戻りシフト量は、図５の様に一定値となっている。
【００１８】
以上の事により、イオンビームでエッチング後の水晶振動子の周波数の戻り量シフトは、水晶振動子のエッチング速度よりも、むしろ水晶振動子電極に入射するイオンビームのイオンビーム電流密度そのものと強い相関が有る事が見出された。
【００１９】
従って、水晶振動子を高精度に周波数調整するためにエッチング後の戻りシフト量が一定になるようにするには、水晶振動子電極に入射するイオンビームのビーム電圧とイオンビーム電流密度が常に一定になるようにすれば良いと考えられる。
【００２０】
定電圧電源を用いて、イオンビーム電圧、放電電圧、熱陰極電圧を一定に保った時のイオンビーム電流密度を示したのが、図６であり、イオンビーム電流密度は、時間と共に変化しているが、その変化は、放電電流の変化と酷似している。放電電流が変化するのは、陰極の消耗、温度変化、陰極表面の活性化度によって熱電子放出量が変化するためで、熱陰極にかかる電力を一定に保つだけでは、放電電流を一定に保つ事は出来ないが、熱陰極の電力を変化させて熱電子放出量を変化させ、放電電流を一定に保つようにすることが可能である。
【００２１】
そこで本発明の一実施例では、放電電流をモニタし、この放電電流が一定に保たれる様に熱陰極からの熱電子放出量を熱陰極にかかる電力を変化させることによって制御し、イオンビームのイオンビーム電流密度が常に一定に保たれる様にする事により、イオンビームエッチング後の水晶振動子周波数の戻り量シフトを常に一定に保つ事により、高精度に水晶振動子の周波数調整を行う事が可能であるようにした。一方、放電電源に定電圧電源を用いる場合は、放電電圧を一定に保つよう熱陰極の電力を制御し、放電電力を一定に維持した構成を採る事ができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図７は、本発明による水晶振動子の３室のインライン構造となっている周波数調整装置を示す概略図である。仕込室１、エッチング室２、取出室３の３室インライン構成となっており、仕込室１の搬送レール９には、複数の水晶振動子２２を登載したキャリア２７がセットされ、仕込室１を１０^−３Ｐａ以下に排気後、仕切弁１２を開き、キャリア２７に登載された水晶振動子２２をイオンガン１５の前まで搬送する。エッチング室２には、水晶振動子のエッチング時間を短くする為に、複数台（本実施例では３台）のイオンガン１５が設けられ、上流（左側）より、Ｈ（高レート用）、Ｍ（中レート用）、Ｌ（低レート用）となっており、それぞれにシャッター７、水晶振動子２２とのコンタクト機構８、及びネットワークアナライザー１１が設けられ、これらは制御部２００によってコントロールされ、水晶振動子２２は最適周波数に調整される。エッチング室２で周波数調整された水晶振動子２２は、仕切弁１３を開き搬送レール９によってキャリア２７毎、取出室３へ送られ、仕切弁１３を閉じて取出室３を大気圧とした後取出される。
【００２３】
図７中に用いられているイオンガン１５の概略図が図８である。イオンガン内部に円筒状の陽極１８と、熱陰極１７と、イオン引き出し用の加速グリッド２１と、遮蔽グリッド２０とが設けられている。不活性ガス導入パイプ１６がイオンガン本体１５に接続されている。トランスの中点と、イオンガン本体１５と、遮蔽グリッド２０は、同電位になっている。この電位と陽極１８との間に低電圧直流放電電源Ｅ１と放電電流モニタ機構２５が接続されている。この放電電流モニタ機構２５の放電電流モニタ出力は、熱陰極１７の電力制御用の交流電力調整器２６を制御する放電電流制御回路２４に印可されている。また、遮蔽グリッド２０と、加速グリッド２１との間に定電圧直流高電圧電源Ｅ２が接続されている。即ち、放電電流モニタ出力に応答する放電電流制御回路２４が、放電電流が一定になるよう熱陰極への電力の供給を制御している。
【００２４】
図９が放電電流制御回路２４の詳細で、放電電源Ｅ１と直列に接続された抵抗Ｒの両端の電圧によるモニタ電圧を入力し、この電圧と基準電圧との差分がゼロになるようにオペアンプによって帰還制御するものである。図８において、不活性ガス導入パイプ１６よりＡｒガスを導入し、放電電流制御回路２４を所望の放電電流に対応する所定の基準値に設定すると、交流電力調整器２６から熱陰極１７にかかる電力が増大し、熱陰極１７と陽極１８の間で直流放電が生じ、モニタしている放電電流が所定値となるまで熱陰極１７にかかる電力を増大させる。放電電流が所定値と等しくなった後は、放電電流が下がると電力を増大させ、放電電流が上がると電力を減少させる動作を繰り返しながら放電電流は一定に保たれる。
【００２５】
図１０は、この放電電流制御回路によって制御された放電電流、及びこの時のイオンビーム電流密度の時間変化で、図６と比較して格段にイオンビーム電流密度の変化が少なくなっている。
【００２６】
図１１は、この周波数調整装置によって周波数調整を行った時の周波数調整精度を示したもので、バラツキが３σで１．３８ppm の高精度に調整できている。即ち、周波数戻りシフト量Δｆが一定であるので、予めΔｆを得ておいて、該Δｆを所望の共振周波数ｆｒに加えた（ｆｒ＋Δｆ）にエッチングモニタ周波数を設定する事ができる。
【００２７】
本実施例では、放電電源に定電圧電源を用い、放電電流を一定に保つように熱陰極の電力を制御したが、放電電源に定電流電源を用い、放電電圧を一定に保つように熱陰極の電力を制御しても良い。また、Ａ／Ｄコンバーターによって放電電圧、放電電流をモニタし、コンピュータによって熱陰極にかかる電力を制御しても良い。又、水晶振動子以外の圧電素子の周波数調整にも有効である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明による水晶振動子の周波数調整装置では、常に一定の放電電流に保つ事が出来る為、常に一定のイオンビームエネルギーで、一定のイオンビーム電流密度のイオンビームを水晶振動子に照射する事が出来るから、水晶振動子の周波数をイオンビームエッチングによって調整した後の周波数の戻り量シフトを常に一定に出来、正確に所望の周波数に調整する事が出来る。この様にこの発明の効果は顕著である。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオンビームエッチング時の水晶振動子の周波数変化及びエッチング後の戻りシフトを示す図である。
【図２】各イオンビームエネルギーでのエッチング速度に対する水晶振動子周波数調整後の周波数の戻り量シフトを示すグラフの図である。
【図３】Ａｒのイオンエネルギーに対するスパッタ率のグラフの図である。
【図４】イオンビーム遮蔽マスクが小さい時のエッチング速度を示すグラフの図である。
【図５】図４に示した条件でのエッチング後の周波数の戻り量シフトを示すグラフの図である。
【図６】熱陰極電圧を一定に保った時の放電電流とイオンビーム電流密度の時間変化を示すグラフの図である。
【図７】本発明によるイオンガンを用いた水晶振動子周波数調整装置の概略図である。
【図８】本発明によるイオンガンの概略図である。
【図９】本発明による放電電流制御回路図である。
【図１０】放電電流制御回路を用いた時の放電電流とイオンビーム電流密度の時間変化を示すグラフの図である。
【図１１】本発明による周波数調整結果を示すグラフの図である。
【符号の説明】
１仕込室
２エッチング室
３取出室
７シャッター
８コンタクト機構
９搬送レール
１１ネットワークアナライザー
１２仕切弁１
１３仕切弁２
１５イオンガン
１６ガス導入パイプ
１７熱陰極
１８陽極
１９磁石
２０遮蔽グリッド
２１加速グリッド
２２水晶振動子
２４放電電流制御回路
２５放電電流モニタ機構
２６交流電圧調整器
２７キャリア
２００制御部

Claims

真空室（２）、該真空室内に配置された圧電素子上の電極をイオンガンにてエッチングする装置、及び該イオンガンを駆動する回路とからなる圧電素子の周波数調整装置において、
該イオンエッチングする装置は、イオンガン、圧電素子を保持する機構（８，９）、シャッター（７）、及びエッチング中の該圧電素子の共振周波数をモニターし、該モニターされた共振周波数が所定の周波数に達したときに該シャッターによりイオンビームによるエッチングを停止する手段（１１）とからなり、
該イオンガンは、熱陰極（１７）、陽極（１８）及びグリッド（２０，２１）を含む熱陰極タイプイオンガンであり、
該駆動する回路は、該イオンガンの熱陰極に電力を供給する電力源（２６）、該イオンガンの陽極に電圧又は電流を印加する定電圧又は定電流源（２５）、該陽極電流又は陽極電圧を検知して該イオンガンの放電電流又は放電電圧をエッチング中連続的にモニターする回路（２５）、及び該モニターされた放電電流又は放電電圧に基づいて該熱陰極電力源（２６）を制御して該熱陰極からの熱電子放出量を可変することにより該放電電流又は放電電圧を時間経過に対し、戻りシフト量についての各圧電素子間のバラツキが３σで１．３８ｐｐｍ以下となるよう一定にする制御回路（２４）とからなる圧電素子の周波数調整装置。