JP4196641B2 - 超薄板圧電デバイスとその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超薄板圧電デバイスとその製造方法に関し、特に基本波振動で１００ＭＨｚ以上の高い共振周波数を有する超薄板の圧電振動子において、ＣＩ値劣化や、不要なスプリアス発生を防止して、良好な共振特性を得るための超薄板圧電デバイスとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種通信機器や電子機器における情報量の増大と処理速度の高速化に伴って、それらの機器に用いる基準周波数信号源として機能する圧電振動子に対して、高周波化と周波数の高安定化の要求がなされているが、従来より、圧電振動子や圧電フィルタとして多用されてきた一般的なＡＴカット水晶振動子は、高い周波数安定度を有しているものの、ＡＴカット水晶圧電基板の厚みすべり振動を利用しているため、その共振周波数は水晶基板の板厚に反比例し、周波数が高いほど水晶基板の厚みは薄くなり、水晶基板の製造技術、或いは機械的強度の観点から共振周波数は、５０ＭＨｚ程度が限界であった。
【０００３】
そこで、高い周波数の水晶振動子を得る方法として、ＡＴカット水晶振動子の高調波成分を検出して基本波共振周波数の奇数倍の周波数を得るオーバートーン発振手段も広く用いられているが、オーバートーン成分を抽出するため、発振回路にコイルを含むＬＣ同調回路を備えることが必要であり、発振回路を半導体集積回路化する際、周知の通りコイルは集積化の上で不都合であると共に、オーバートーン発振回路は、ＡＴカット水晶振動子の容量比が大きくなるため発振周波数の可変範囲が狭まること、且つインピーダンスレベルが高いため発振し難いという特性を有している。
【０００４】
一方、圧電基板にインターデジタル・トランスジューサ電極を形成し、該形成した電極指ピッチによって共振周波数が決定される弾性表面波共振子は、近年、フォトリソグラフィ技術の進歩によって高精細な電極を形成することが可能となったことから、共振周波数は、１〜２ＧＨｚ程度まで可能となった。しかし、弾性表面波共振子に用いる圧電基板は、周波数温度特性がＡＴカット水晶振動子に比べて著しく劣るため、高い周波数安定度を必要とする基準周波数信号源には適用できなかった。
【０００５】
そこで、従来、ＡＴカット水晶振動子を高周波化する手段として、例えば特開平１０−２２７７１号公報に開示されたように水晶基板の片面の中央部に、エッチング、或いは機械加工により凹部を形成し、該凹部の薄肉部を振動させて高周波の共振周波数を得る方法が用いられている。
図４は、従来の水晶振動子を高周波化した際の電極構造を示す例であって、図４（ａ）は、水晶振動素子の平坦側主面の上面図を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）において示したＡ−Ａ’面における断面図を示す。図４に示すように水晶振動素子は、所定の厚みに加工されたＡＴカット水晶基板１の片面の中央部に、エッチング、或いは機械加工により所定の大きさの凹部２を形成し、該凹部２の底面に位置する薄肉部を振動部３とする。
【０００６】
ここで仮に、１００ＭＨｚの水晶振動子を実現しようとすると、振動部３の水晶基板の厚みは、以下の通りである。
前述したように、水晶振動子は、ＡＴカット水晶圧電基板の厚みすべり振動を利用しているため、その共振周波数は水晶基板の板厚に反比例し、その関係式は、周知のとおり、次式で表現される。
Ｋ＝Ｆ・ｔ
Ｋ＝１６７０（ＭＨｚ・μｍ）、Ｆ＝周波数（ＭＨｚ）
ｔ＝水晶基板の板厚（μｍ）
そこで、水晶基板の板厚ｔを求めると、
ｔ＝１６７０／１００＝１６．７
従って、１００ＭＨｚの水晶振動子を実現するためには、振動部３の板厚は約１７μｍとなる。
【０００７】
水晶基板１は、該水晶基板１の片面に凹部２を形成した結果、凹部２の底面に設けた超薄板の振動部３の周縁部に、肉厚の環状囲繞部４が前記振動部３と一体的に形成され、超薄板状の振動部３を機械的に支持した構造である。
【０００８】
次に、片面の中央部に凹部２を形成した水晶基板１には、平坦側主面に振動部３の位置するほぼ中央部に励振用の主電極５と、該主電極５から延出したリード電極６と、リード電極と接続したワイヤボンディング用のパッド電極７が形成されており、一方、凹部側主面には、全面電極８が形成されている。
【０００９】
次に、上述した従来の水晶振動子の製造工程の概略を以下に説明する。
図５は、従来の水晶振動素子の製造工程を説明する断面図である。図５を説明すると、ＡＴカット水晶基板に（Ｓ１）、フォトリソグラフィ技術を使用することにより、前記水晶基板の両主面に保護膜を形成した後（Ｓ２）、水晶基板に凹部を形成する部位のみを露出させる（Ｓ３）。次に、水晶基板が露出した部位にエッチングを施し、凹部底面の振動用基板の厚みが所望の厚さとなるよう凹部を形成する（Ｓ４）。水晶基板の片面に凹部を形成した結果、凹部底面に設けた超薄板の振動部の周縁部に、肉厚の環状囲繞部が前記振動部と一体的に形成され、超薄板状の振動部３を機械的に支持した構造を得る。
【００１０】
次に、水晶基板に成膜されている保護膜を剥離した後（Ｓ５）、水晶基板の平坦側主面に、フォトリソグラフィ技術、或いは真空蒸着等を用いて振動部のほぼ中央に励振用の主電極５、該主電極から延出したリード電極と、リード電極と接続したワイヤボンディング用のパッド電極を形成し、一方、凹部側主面には、同じ手法により全面電極８を形成する（Ｓ６）。
このように従来の水晶振動子は、水晶基板の片面の一部にエッチングにより凹部を形成し、該凹部の薄肉部を振動させることにより高周波化した超薄板圧電振動子を得ていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来のＡＴカット水晶振動子に、質量負荷効果により圧電基板に設けた電極部分にのみ振動エネルギーを閉じ込めたエネルギー閉じ込め型圧電振動子を適用する場合、水晶振動子の高周波化に伴い凹部に設けた振動部の超薄の板厚に準じて、電極膜厚も薄くする必要がある。
【００１２】
しかしながら、エネルギー閉じ込め効果を考慮すると、その電極膜厚は、振動部の板厚の約０．１％とされ、１００ＭＨｚ以上の周波数においては、設計上の電極膜厚を約３０ｎｍ以下と超薄膜化するため、電極膜を真空蒸着する際に膜厚の制御が非常に困難であると共に、水晶振動素子のボンディングパッドとパッケージに設けた接続端子とをワイヤボンディング接続する際、少なくとも５０ｎｍ以上の電極膜厚が必要であり、ワイヤボンディング工程で支障をきたすという問題が生じていた。更に、電極膜厚が３０ｎｍ以下と非常に薄膜であるため、電極膜の抵抗値が著しく増大し、水晶振動子のＣＩ値（水晶振動子の等価抵抗）が極端に劣化してしまう等の問題も生じていた。
【００１３】
本発明は上述したような問題を解決するためになされたものであって、量産時においても容易に、しかも特性のばらつきが発生することなく、電極膜厚制御が容易であると共に、ボンディングによる外部接続端子との導通が可能で、且つＣＩ値の劣化や不要なスプリアス発生を防止出来る超薄板圧電デバイスとその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係わる超薄板圧電デバイスとその製造方法は、以下の構成をとる。
本発明は、圧電基板の少なくとも一方の主面に凹陥を形成して薄肉の振動部と前記振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に構成した超薄板圧電デバイスであって、前記圧電基板の前記一方の主面又は他方の主面のいずれかにおいて、前記振動部に第１の励振電極が配置され、前記第１の電極が配置された主面と対向する主面において、前記振動部に前記第１の励振電極よりも広面積の第２の励振電極が配置され、前記第２の励振電極は、少なくとも前記第１の励振電極と対向する領域全てにおいて、薄肉部を有していることを特徴とする。
【００１５】
本発明は、前記第２の励振電極は、前記薄肉部を除き環状に形成された第１電極膜と、前記薄肉部及び前記第１電極膜上に形成された第２電極膜とを備えていることを特徴とする。
【００１６】
本発明は、前記凹陥が前記圧電基板の前記一方の主面にのみ形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明は、前記第２の励振電極が前記圧電基板の前記凹陥側に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明は、前記第２の励振電極が前記圧電基板の前記凹陥側全面を覆うように形成されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明は、前記圧電基板がＡＴカット水晶基板であることを特徴とする。
【００２０】
本発明は、圧電基板の少なくとも一方の主面に凹陥を形成し、薄肉の振動部と前記振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に構成する工程と、前記圧電基板の前記一方の主面又は他方の主面のいずれかにおいて、前記振動部に第１の励振電極を形成する工程と、前記第１の電極が形成された主面と対向する主面において、前記振動部の少なくとも前記第１の励振電極と対向する領域を除く領域に環状の第１電極膜を形成する工程と、
前記第１の励振電極と対向する領域及び前記第１電極膜上に第２電極膜を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００２１】
本発明は、圧電基板の一方の主面に凹陥を形成し、薄肉の振動部と前記振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に構成する工程と、前記圧電基板の前記一方の主面と対向する他方の主面において、前記振動部に第１の励振電極を形成する工程と、前記圧電基板の前記一方の主面において、前記振動部の少なくとも前記第１の励振電極と対向する領域を除く領域に環状の第１電極膜を形成する工程と、前記第1の励振電極と対向する領域及び前記第1電極膜上に第２電極膜を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００２２】
本発明は、圧電基板の一方の主面に凹陥を形成し、薄肉の振動部と前記振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に構成する工程と、前記圧電基板の前記一方の主面と対向する他方の主面において、前記振動部に第１の励振電極を形成する工程と、前記圧電基板の前記一方の主面において、少なくとも前記第１の励振電極と対向する領域を除く全面に第１電極膜を形成する工程と、前記圧電基板の前記一方の主面の全面に第２電極膜を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
本発明は、少なくとも一方の主面に凹陥を有する圧電基板の第１の主面に、所望の５０ｎｍ以上の膜厚の励振用の主電極を形成すると共に、圧電基板の第２の主面には、前記圧電基板の第１の主面側に形成した励振用の主電極と対向する位置にほぼ同形状の薄肉部を備えた、前記励振用主電極よりも広面積の電極を形成した構造としたことが特徴である。そのため、主電極の膜厚を所望の５０ｎｍ以上としたことで、ＣＩ値の劣化や、不要なスプリアス発生を防止し、且つエネルギー閉じ込めを十分達成した良好な特性を得ることが可能となった。
【００２４】
そこで、以降、一方の主面に凹陥を有するＡＴカット水晶基板を用いた超薄板の水晶振動子を実施例として説明する。
図１は、本発明に係わる水晶振動子の電極構造を示す一実施例であり、図１（ａ）は、水晶振動素子の平坦側主面の上面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）において示したＡ−Ａ’面における断面図を示す。図１に示すように水晶振動素子は、ＡＴカット水晶基板１の片面に、エッチング、或いは機械加工により所定の大きさの凹部２を形成し、該凹部２の底面に位置する薄肉部を振動部３とする。この振動部３の厚さは、前述したように、例えば、１００ＭＨｚ程度の基本波共振周波数を得ようとすると、約１７μｍ程度である。
【００２５】
水晶基板１は、該水晶基板１の片面に凹部２を形成した結果、凹部２の底面に設けた超薄板の振動部３の周縁部に、肉厚の環状囲繞部４が前記振動部３と一体的に形成され、超薄板状の振動部３を機械的に支持する。
【００２６】
次に、水晶基板１の平坦側主面には、振動部３の位置するほぼ中央部に励振用の主電極５と、該主電極５から延出したリード電極６と、リード電極と接続したワイヤボンディング用のパッド電極７を、所望の電極膜厚である５０ｎｍの膜厚により形成する。一方、水晶基板１の凹部側主面には、前記励振用の主電極５と所定の膜厚差を有する電極１０を凹部内側壁を含む全面に形成し、前記電極１０には、前記励振用の主電極５と同位置、同寸法の貫通孔１１を形成している。更に、凹部側主面には、前記主電極５と対向する領域、即ち水晶基板が露出している領域と、前記電極１０の上面に跨って全面電極１２を形成している。
【００２７】
次に、上述した本発明における構造の水晶振動子において、水晶基板１の平坦側主面に膜厚５０ｎｍの電極膜を形成した際に、水晶基板１の凹部側主面に形成する電極１０の膜厚を計算により求めると次の通りである。
エネルギー閉じ込め型の本水晶振動子において、振動エネルギーの閉じ込めに必要な電極膜厚と水晶基板の板圧比Δは、下式のように示される。
Δ＝{（te1−te2）×（ρe／ρx）}／{tx＋te2×（ρe／ρx）}・・・（１）
ここで、te1：励振用主電極膜厚、te2：凹部面形成用電極膜厚、
ρe：電極材料の密度、ρx：水晶の密度、tx：水晶基板の厚さ
そこで、例えば、ＡＴカット水晶振動子であって、共振周波数１００ＭＨｚの場合、振動エネルギー閉じ込めに必要な電極膜厚と水晶基板の板厚比Δが０．１％、励振用の主電極の膜厚が５０ｎｍ、電極材料は金として、金の密度を１９．３ｋｇ／ｍ３、水晶の密度を２．６５ｋｇ／ｍ３とすると、（１）式を用いて、凹部面形成用電極膜厚であるte2を求めると、電極膜厚は、約４６ｎｍ程度となる。
従って、水晶基板１の平坦側主面に形成した５０ｎｍの主電極に対して、凹部側主面には、約４ｎｍの板厚差を備えた電極１０を４６ｎｍの電極膜厚で形成すれば良い。
【００２８】
次に、本発明に係わる水晶振動子の製造方法について説明する。
図２は、本発明に係わる水晶振動子の製造工程を説明する断面図であって、水晶基板に凹部を形成する際の製造工程を示す。図２を説明すると、ＡＴカット水晶基板１に（Ｓ１）、真空蒸着等によりＡｕ膜１３を両面に成膜する（Ｓ２）。そこで、フォトリソグラフィ技術を利用し、前記両側Ａｕ膜の表面にレジスト膜１４を形成した後（Ｓ３）、水晶基板に凹部を形成する主面側のレジスト膜を所定のサイズでパターニングしてレジスト膜を感光した後に現像を行い、前記Ａｕ膜を露出させる（Ｓ４）。そこで、露出したＡｕ膜のエッチングを行い、水晶基板を露出させた後（Ｓ５）、更に、水晶基板のエッチングを所定の深さまで行い、水晶基板に凹部２を形成させ（Ｓ６）、残留するレジスト膜とＡｕ膜とを剥離し所望の凹陥型の水晶基板が完成する（Ｓ７）。
尚、上述したように、水晶基板に凹部を形成する方法としてエッチングによる方法を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、機械加工の技術を使用して凹部を形成してもよい。
【００２９】
図３は、本発明に係わる水晶振動子の製造工程を説明する断面図であって、凹部を形成した水晶基板に、電極を形成する際の製造工程を示す。図３を説明すると、先ず、凹部を形成した水晶基板の平坦側主面の全面に、Ａｕ膜１５を真空蒸着等の手段により５０ｎｍの膜厚で成膜する。一方、水晶基板の凹部側主面の全面には、同じくＡｕ膜１６を真空蒸着等の手段により４６ｎｍの膜厚で成膜する（Ｓ８）。そこで、フォトリソグラフィ技術を利用し、前記両側Ａｕ膜の表面にレジスト膜１７を形成した後（Ｓ９）、水晶基板の両主面に所定の形状に加工されたマスク１８を設置し、レジスト膜を感光した後に現像を行う（Ｓ１０）。次に、現像の結果露出した前記Ａｕ膜をエッチングした後（Ｓ１１）、残留するレジスト膜を剥離すると、水晶基板の平坦面側主面には、主電極５、リード電極６及びボンディング用のパッド電極７が、水晶基板の凹部側主面には、貫通孔１１を備えた電極１０が形成される（Ｓ１２）。最後に、水晶基板の凹部側主面に、全面電極１２を、真空蒸着等の手段により形成して水晶振動素子は完成する。
尚、上述したように、水晶基板に所定の電極膜を形成する際に、フォトリソグラフィ技術を用いた方法で説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、真空蒸着法により形成しても良い。
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、従来の製造工程を大幅に変更することなく所望の水晶振動素子の製造を可能とし、励振用の主電極等を形成する際に、同時に水晶基板の凹部側主面に前記主電極と同位置、同サイズの第二の凹部を備えた第一の全面電極を形成することで、電極膜の膜厚を所望の厚みまで厚くすることが出来る。従って、主電極、リード電極、及びボンディング用のパッド電極等の電極膜の厚みを５０ｎｍとすることにより、電極膜を真空蒸着する際に膜厚の制御が容易になると共に、水晶振動素子のボンディング接続が可能となる上、水晶振動子を高周波数化した際の電極膜の薄膜化によるＣＩ値の劣化や不要なスプリアス発生を防止することが出来、更にバッチ処理での水晶振動子の製造が可能となることから、高周波帯の基本波振動で動作する超薄板の水晶振動子を低価格で提供出来る。
【００３１】
又、以上、ＡＴカット水晶基板を用いた超薄板の水晶振動子を実施例として本発明を説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、エッチング可能な圧電基板、例えば、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、或いは四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）の如き圧電材料を用いてよい事は言うまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
上述したように請求項１乃至６記載の発明は、高周波に対応した圧電振動子において、主電極、リード電極、及びボンディング用のパッド電極の電極膜の厚みを５０ｎｍ以上に成膜可能とするとすることにより、電極膜を真空蒸着する際に膜厚の制御が容易になると共に、圧電振動素子のボンディング接続が可能となる上、従来の圧電振動子を高周波化した際に電極膜の薄膜化により生ずるＣＩ値の劣化や不要なスプリアス発生を防止することが出来、圧電振動子を使用する上で、著しい効果を発揮する。
【００３３】
又、請求項７乃至９記載の発明は、従来の製造工程を大幅に変更することなく、更には、バッチ処理での圧電振動子の製造が可能となることから、圧電振動子を大量に製造する上で、著しい効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる水晶振動子の電極構造を示す一実施例であり、（ａ）は、水晶振動素子の平坦側主面の上面図を示し、（ｂ）は、（ａ）において示したＡ−Ａ’面における断面図を示す。
【図２】本発明に係わる水晶振動子の製造工程を説明する断面図であって、水晶基板に凹部を形成する際の製造工程を示す。
【図３】本発明に係わる水晶振動子の製造工程を説明する断面図であって、凹部を形成した水晶基板に、電極を形成する際の製造工程を示す。
【図４】従来の水晶振動子を高周波化した際の電極構造を示す例であって、（ａ）は、水晶振動素子の平坦側主面の上面図を示し、（ｂ）は、（ａ）において示したＡ−Ａ’面における断面図を示す。
【図５】従来の水晶振動素子の製造工程を説明する断面図である。
【符号の説明】
１・・水晶基板、 ２・・凹部、
３・・振動部、 ４・・環状囲繞部、
５・・主電極、 ６・・リード電極、
７・・パッド電極、 ８・・全面電極、
９・・レジスト膜、 １０・・電極、
１１・・貫通孔、 １２・・全面電極、
１３・・Ａｕ膜、 １４・・レジスト膜、
１５・・Ａｕ膜、 １６・・Ａｕ膜、
１７・・レジスト膜、 １８・・マスク
【発明の属する技術分野】
本発明は超薄板圧電デバイスとその製造方法に関し、特に基本波振動で１００ＭＨｚ以上の高い共振周波数を有する超薄板の圧電振動子において、ＣＩ値劣化や、不要なスプリアス発生を防止して、良好な共振特性を得るための超薄板圧電デバイスとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種通信機器や電子機器における情報量の増大と処理速度の高速化に伴って、それらの機器に用いる基準周波数信号源として機能する圧電振動子に対して、高周波化と周波数の高安定化の要求がなされているが、従来より、圧電振動子や圧電フィルタとして多用されてきた一般的なＡＴカット水晶振動子は、高い周波数安定度を有しているものの、ＡＴカット水晶圧電基板の厚みすべり振動を利用しているため、その共振周波数は水晶基板の板厚に反比例し、周波数が高いほど水晶基板の厚みは薄くなり、水晶基板の製造技術、或いは機械的強度の観点から共振周波数は、５０ＭＨｚ程度が限界であった。
【０００３】
そこで、高い周波数の水晶振動子を得る方法として、ＡＴカット水晶振動子の高調波成分を検出して基本波共振周波数の奇数倍の周波数を得るオーバートーン発振手段も広く用いられているが、オーバートーン成分を抽出するため、発振回路にコイルを含むＬＣ同調回路を備えることが必要であり、発振回路を半導体集積回路化する際、周知の通りコイルは集積化の上で不都合であると共に、オーバートーン発振回路は、ＡＴカット水晶振動子の容量比が大きくなるため発振周波数の可変範囲が狭まること、且つインピーダンスレベルが高いため発振し難いという特性を有している。
【０００４】
一方、圧電基板にインターデジタル・トランスジューサ電極を形成し、該形成した電極指ピッチによって共振周波数が決定される弾性表面波共振子は、近年、フォトリソグラフィ技術の進歩によって高精細な電極を形成することが可能となったことから、共振周波数は、１〜２ＧＨｚ程度まで可能となった。しかし、弾性表面波共振子に用いる圧電基板は、周波数温度特性がＡＴカット水晶振動子に比べて著しく劣るため、高い周波数安定度を必要とする基準周波数信号源には適用できなかった。
【０００５】
そこで、従来、ＡＴカット水晶振動子を高周波化する手段として、例えば特開平１０−２２７７１号公報に開示されたように水晶基板の片面の中央部に、エッチング、或いは機械加工により凹部を形成し、該凹部の薄肉部を振動させて高周波の共振周波数を得る方法が用いられている。
図４は、従来の水晶振動子を高周波化した際の電極構造を示す例であって、図４（ａ）は、水晶振動素子の平坦側主面の上面図を示し、図４（ｂ）は、図４（ａ）において示したＡ−Ａ’面における断面図を示す。図４に示すように水晶振動素子は、所定の厚みに加工されたＡＴカット水晶基板１の片面の中央部に、エッチング、或いは機械加工により所定の大きさの凹部２を形成し、該凹部２の底面に位置する薄肉部を振動部３とする。
【０００６】
ここで仮に、１００ＭＨｚの水晶振動子を実現しようとすると、振動部３の水晶基板の厚みは、以下の通りである。
前述したように、水晶振動子は、ＡＴカット水晶圧電基板の厚みすべり振動を利用しているため、その共振周波数は水晶基板の板厚に反比例し、その関係式は、周知のとおり、次式で表現される。
Ｋ＝Ｆ・ｔ
Ｋ＝１６７０（ＭＨｚ・μｍ）、Ｆ＝周波数（ＭＨｚ）
ｔ＝水晶基板の板厚（μｍ）
そこで、水晶基板の板厚ｔを求めると、
ｔ＝１６７０／１００＝１６．７
従って、１００ＭＨｚの水晶振動子を実現するためには、振動部３の板厚は約１７μｍとなる。
【０００７】
水晶基板１は、該水晶基板１の片面に凹部２を形成した結果、凹部２の底面に設けた超薄板の振動部３の周縁部に、肉厚の環状囲繞部４が前記振動部３と一体的に形成され、超薄板状の振動部３を機械的に支持した構造である。
【０００８】
次に、片面の中央部に凹部２を形成した水晶基板１には、平坦側主面に振動部３の位置するほぼ中央部に励振用の主電極５と、該主電極５から延出したリード電極６と、リード電極と接続したワイヤボンディング用のパッド電極７が形成されており、一方、凹部側主面には、全面電極８が形成されている。
【０００９】
次に、上述した従来の水晶振動子の製造工程の概略を以下に説明する。
図５は、従来の水晶振動素子の製造工程を説明する断面図である。図５を説明すると、ＡＴカット水晶基板に（Ｓ１）、フォトリソグラフィ技術を使用することにより、前記水晶基板の両主面に保護膜を形成した後（Ｓ２）、水晶基板に凹部を形成する部位のみを露出させる（Ｓ３）。次に、水晶基板が露出した部位にエッチングを施し、凹部底面の振動用基板の厚みが所望の厚さとなるよう凹部を形成する（Ｓ４）。水晶基板の片面に凹部を形成した結果、凹部底面に設けた超薄板の振動部の周縁部に、肉厚の環状囲繞部が前記振動部と一体的に形成され、超薄板状の振動部３を機械的に支持した構造を得る。
【００１０】
次に、水晶基板に成膜されている保護膜を剥離した後（Ｓ５）、水晶基板の平坦側主面に、フォトリソグラフィ技術、或いは真空蒸着等を用いて振動部のほぼ中央に励振用の主電極５、該主電極から延出したリード電極と、リード電極と接続したワイヤボンディング用のパッド電極を形成し、一方、凹部側主面には、同じ手法により全面電極８を形成する（Ｓ６）。
このように従来の水晶振動子は、水晶基板の片面の一部にエッチングにより凹部を形成し、該凹部の薄肉部を振動させることにより高周波化した超薄板圧電振動子を得ていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来のＡＴカット水晶振動子に、質量負荷効果により圧電基板に設けた電極部分にのみ振動エネルギーを閉じ込めたエネルギー閉じ込め型圧電振動子を適用する場合、水晶振動子の高周波化に伴い凹部に設けた振動部の超薄の板厚に準じて、電極膜厚も薄くする必要がある。
【００１２】
しかしながら、エネルギー閉じ込め効果を考慮すると、その電極膜厚は、振動部の板厚の約０．１％とされ、１００ＭＨｚ以上の周波数においては、設計上の電極膜厚を約３０ｎｍ以下と超薄膜化するため、電極膜を真空蒸着する際に膜厚の制御が非常に困難であると共に、水晶振動素子のボンディングパッドとパッケージに設けた接続端子とをワイヤボンディング接続する際、少なくとも５０ｎｍ以上の電極膜厚が必要であり、ワイヤボンディング工程で支障をきたすという問題が生じていた。更に、電極膜厚が３０ｎｍ以下と非常に薄膜であるため、電極膜の抵抗値が著しく増大し、水晶振動子のＣＩ値（水晶振動子の等価抵抗）が極端に劣化してしまう等の問題も生じていた。
【００１３】
本発明は上述したような問題を解決するためになされたものであって、量産時においても容易に、しかも特性のばらつきが発生することなく、電極膜厚制御が容易であると共に、ボンディングによる外部接続端子との導通が可能で、且つＣＩ値の劣化や不要なスプリアス発生を防止出来る超薄板圧電デバイスとその製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係わる超薄板圧電デバイスとその製造方法は、以下の構成をとる。
本発明は、圧電基板の少なくとも一方の主面に凹陥を形成して薄肉の振動部と前記振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に構成した超薄板圧電デバイスであって、前記圧電基板の前記一方の主面又は他方の主面のいずれかにおいて、前記振動部に第１の励振電極が配置され、前記第１の電極が配置された主面と対向する主面において、前記振動部に前記第１の励振電極よりも広面積の第２の励振電極が配置され、前記第２の励振電極は、少なくとも前記第１の励振電極と対向する領域全てにおいて、薄肉部を有していることを特徴とする。
【００１５】
本発明は、前記第２の励振電極は、前記薄肉部を除き環状に形成された第１電極膜と、前記薄肉部及び前記第１電極膜上に形成された第２電極膜とを備えていることを特徴とする。
【００１６】
本発明は、前記凹陥が前記圧電基板の前記一方の主面にのみ形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明は、前記第２の励振電極が前記圧電基板の前記凹陥側に配置されていることを特徴とする。
【００１８】
本発明は、前記第２の励振電極が前記圧電基板の前記凹陥側全面を覆うように形成されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明は、前記圧電基板がＡＴカット水晶基板であることを特徴とする。
【００２０】
本発明は、圧電基板の少なくとも一方の主面に凹陥を形成し、薄肉の振動部と前記振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に構成する工程と、前記圧電基板の前記一方の主面又は他方の主面のいずれかにおいて、前記振動部に第１の励振電極を形成する工程と、前記第１の電極が形成された主面と対向する主面において、前記振動部の少なくとも前記第１の励振電極と対向する領域を除く領域に環状の第１電極膜を形成する工程と、
前記第１の励振電極と対向する領域及び前記第１電極膜上に第２電極膜を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００２１】
本発明は、圧電基板の一方の主面に凹陥を形成し、薄肉の振動部と前記振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に構成する工程と、前記圧電基板の前記一方の主面と対向する他方の主面において、前記振動部に第１の励振電極を形成する工程と、前記圧電基板の前記一方の主面において、前記振動部の少なくとも前記第１の励振電極と対向する領域を除く領域に環状の第１電極膜を形成する工程と、前記第1の励振電極と対向する領域及び前記第1電極膜上に第２電極膜を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００２２】
本発明は、圧電基板の一方の主面に凹陥を形成し、薄肉の振動部と前記振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に構成する工程と、前記圧電基板の前記一方の主面と対向する他方の主面において、前記振動部に第１の励振電極を形成する工程と、前記圧電基板の前記一方の主面において、少なくとも前記第１の励振電極と対向する領域を除く全面に第１電極膜を形成する工程と、前記圧電基板の前記一方の主面の全面に第２電極膜を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
本発明は、少なくとも一方の主面に凹陥を有する圧電基板の第１の主面に、所望の５０ｎｍ以上の膜厚の励振用の主電極を形成すると共に、圧電基板の第２の主面には、前記圧電基板の第１の主面側に形成した励振用の主電極と対向する位置にほぼ同形状の薄肉部を備えた、前記励振用主電極よりも広面積の電極を形成した構造としたことが特徴である。そのため、主電極の膜厚を所望の５０ｎｍ以上としたことで、ＣＩ値の劣化や、不要なスプリアス発生を防止し、且つエネルギー閉じ込めを十分達成した良好な特性を得ることが可能となった。
【００２４】
そこで、以降、一方の主面に凹陥を有するＡＴカット水晶基板を用いた超薄板の水晶振動子を実施例として説明する。
図１は、本発明に係わる水晶振動子の電極構造を示す一実施例であり、図１（ａ）は、水晶振動素子の平坦側主面の上面図を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）において示したＡ−Ａ’面における断面図を示す。図１に示すように水晶振動素子は、ＡＴカット水晶基板１の片面に、エッチング、或いは機械加工により所定の大きさの凹部２を形成し、該凹部２の底面に位置する薄肉部を振動部３とする。この振動部３の厚さは、前述したように、例えば、１００ＭＨｚ程度の基本波共振周波数を得ようとすると、約１７μｍ程度である。
【００２５】
水晶基板１は、該水晶基板１の片面に凹部２を形成した結果、凹部２の底面に設けた超薄板の振動部３の周縁部に、肉厚の環状囲繞部４が前記振動部３と一体的に形成され、超薄板状の振動部３を機械的に支持する。
【００２６】
次に、水晶基板１の平坦側主面には、振動部３の位置するほぼ中央部に励振用の主電極５と、該主電極５から延出したリード電極６と、リード電極と接続したワイヤボンディング用のパッド電極７を、所望の電極膜厚である５０ｎｍの膜厚により形成する。一方、水晶基板１の凹部側主面には、前記励振用の主電極５と所定の膜厚差を有する電極１０を凹部内側壁を含む全面に形成し、前記電極１０には、前記励振用の主電極５と同位置、同寸法の貫通孔１１を形成している。更に、凹部側主面には、前記主電極５と対向する領域、即ち水晶基板が露出している領域と、前記電極１０の上面に跨って全面電極１２を形成している。
【００２７】
次に、上述した本発明における構造の水晶振動子において、水晶基板１の平坦側主面に膜厚５０ｎｍの電極膜を形成した際に、水晶基板１の凹部側主面に形成する電極１０の膜厚を計算により求めると次の通りである。
エネルギー閉じ込め型の本水晶振動子において、振動エネルギーの閉じ込めに必要な電極膜厚と水晶基板の板圧比Δは、下式のように示される。
Δ＝{（te1−te2）×（ρe／ρx）}／{tx＋te2×（ρe／ρx）}・・・（１）
ここで、te1：励振用主電極膜厚、te2：凹部面形成用電極膜厚、
ρe：電極材料の密度、ρx：水晶の密度、tx：水晶基板の厚さ
そこで、例えば、ＡＴカット水晶振動子であって、共振周波数１００ＭＨｚの場合、振動エネルギー閉じ込めに必要な電極膜厚と水晶基板の板厚比Δが０．１％、励振用の主電極の膜厚が５０ｎｍ、電極材料は金として、金の密度を１９．３ｋｇ／ｍ３、水晶の密度を２．６５ｋｇ／ｍ３とすると、（１）式を用いて、凹部面形成用電極膜厚であるte2を求めると、電極膜厚は、約４６ｎｍ程度となる。
従って、水晶基板１の平坦側主面に形成した５０ｎｍの主電極に対して、凹部側主面には、約４ｎｍの板厚差を備えた電極１０を４６ｎｍの電極膜厚で形成すれば良い。
【００２８】
次に、本発明に係わる水晶振動子の製造方法について説明する。
図２は、本発明に係わる水晶振動子の製造工程を説明する断面図であって、水晶基板に凹部を形成する際の製造工程を示す。図２を説明すると、ＡＴカット水晶基板１に（Ｓ１）、真空蒸着等によりＡｕ膜１３を両面に成膜する（Ｓ２）。そこで、フォトリソグラフィ技術を利用し、前記両側Ａｕ膜の表面にレジスト膜１４を形成した後（Ｓ３）、水晶基板に凹部を形成する主面側のレジスト膜を所定のサイズでパターニングしてレジスト膜を感光した後に現像を行い、前記Ａｕ膜を露出させる（Ｓ４）。そこで、露出したＡｕ膜のエッチングを行い、水晶基板を露出させた後（Ｓ５）、更に、水晶基板のエッチングを所定の深さまで行い、水晶基板に凹部２を形成させ（Ｓ６）、残留するレジスト膜とＡｕ膜とを剥離し所望の凹陥型の水晶基板が完成する（Ｓ７）。
尚、上述したように、水晶基板に凹部を形成する方法としてエッチングによる方法を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、機械加工の技術を使用して凹部を形成してもよい。
【００２９】
図３は、本発明に係わる水晶振動子の製造工程を説明する断面図であって、凹部を形成した水晶基板に、電極を形成する際の製造工程を示す。図３を説明すると、先ず、凹部を形成した水晶基板の平坦側主面の全面に、Ａｕ膜１５を真空蒸着等の手段により５０ｎｍの膜厚で成膜する。一方、水晶基板の凹部側主面の全面には、同じくＡｕ膜１６を真空蒸着等の手段により４６ｎｍの膜厚で成膜する（Ｓ８）。そこで、フォトリソグラフィ技術を利用し、前記両側Ａｕ膜の表面にレジスト膜１７を形成した後（Ｓ９）、水晶基板の両主面に所定の形状に加工されたマスク１８を設置し、レジスト膜を感光した後に現像を行う（Ｓ１０）。次に、現像の結果露出した前記Ａｕ膜をエッチングした後（Ｓ１１）、残留するレジスト膜を剥離すると、水晶基板の平坦面側主面には、主電極５、リード電極６及びボンディング用のパッド電極７が、水晶基板の凹部側主面には、貫通孔１１を備えた電極１０が形成される（Ｓ１２）。最後に、水晶基板の凹部側主面に、全面電極１２を、真空蒸着等の手段により形成して水晶振動素子は完成する。
尚、上述したように、水晶基板に所定の電極膜を形成する際に、フォトリソグラフィ技術を用いた方法で説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、真空蒸着法により形成しても良い。
【００３０】
以上説明したように、本発明によれば、従来の製造工程を大幅に変更することなく所望の水晶振動素子の製造を可能とし、励振用の主電極等を形成する際に、同時に水晶基板の凹部側主面に前記主電極と同位置、同サイズの第二の凹部を備えた第一の全面電極を形成することで、電極膜の膜厚を所望の厚みまで厚くすることが出来る。従って、主電極、リード電極、及びボンディング用のパッド電極等の電極膜の厚みを５０ｎｍとすることにより、電極膜を真空蒸着する際に膜厚の制御が容易になると共に、水晶振動素子のボンディング接続が可能となる上、水晶振動子を高周波数化した際の電極膜の薄膜化によるＣＩ値の劣化や不要なスプリアス発生を防止することが出来、更にバッチ処理での水晶振動子の製造が可能となることから、高周波帯の基本波振動で動作する超薄板の水晶振動子を低価格で提供出来る。
【００３１】
又、以上、ＡＴカット水晶基板を用いた超薄板の水晶振動子を実施例として本発明を説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、エッチング可能な圧電基板、例えば、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、或いは四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）の如き圧電材料を用いてよい事は言うまでもない。
【００３２】
【発明の効果】
上述したように請求項１乃至６記載の発明は、高周波に対応した圧電振動子において、主電極、リード電極、及びボンディング用のパッド電極の電極膜の厚みを５０ｎｍ以上に成膜可能とするとすることにより、電極膜を真空蒸着する際に膜厚の制御が容易になると共に、圧電振動素子のボンディング接続が可能となる上、従来の圧電振動子を高周波化した際に電極膜の薄膜化により生ずるＣＩ値の劣化や不要なスプリアス発生を防止することが出来、圧電振動子を使用する上で、著しい効果を発揮する。
【００３３】
又、請求項７乃至９記載の発明は、従来の製造工程を大幅に変更することなく、更には、バッチ処理での圧電振動子の製造が可能となることから、圧電振動子を大量に製造する上で、著しい効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる水晶振動子の電極構造を示す一実施例であり、（ａ）は、水晶振動素子の平坦側主面の上面図を示し、（ｂ）は、（ａ）において示したＡ−Ａ’面における断面図を示す。
【図２】本発明に係わる水晶振動子の製造工程を説明する断面図であって、水晶基板に凹部を形成する際の製造工程を示す。
【図３】本発明に係わる水晶振動子の製造工程を説明する断面図であって、凹部を形成した水晶基板に、電極を形成する際の製造工程を示す。
【図４】従来の水晶振動子を高周波化した際の電極構造を示す例であって、（ａ）は、水晶振動素子の平坦側主面の上面図を示し、（ｂ）は、（ａ）において示したＡ−Ａ’面における断面図を示す。
【図５】従来の水晶振動素子の製造工程を説明する断面図である。
【符号の説明】
１・・水晶基板、 ２・・凹部、
３・・振動部、 ４・・環状囲繞部、
５・・主電極、 ６・・リード電極、
７・・パッド電極、 ８・・全面電極、
９・・レジスト膜、 １０・・電極、
１１・・貫通孔、 １２・・全面電極、
１３・・Ａｕ膜、 １４・・レジスト膜、
１５・・Ａｕ膜、 １６・・Ａｕ膜、
１７・・レジスト膜、 １８・・マスク
Claims (9)
- 圧電基板の少なくとも一方の主面に凹陥を形成して薄肉の振動部と前記振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に構成した超薄板圧電デバイスであって、
前記圧電基板の前記一方の主面又は他方の主面のいずれかにおいて、前記振動部に第１の励振電極が配置され、
前記第１の電極が配置された主面と対向する主面において、前記振動部に前記第１の励振電極よりも広面積の第２の励振電極が配置され、
前記第２の励振電極は、少なくとも前記第１の励振電極と対向する領域全てにおいて、薄肉部を有していることを特徴とする超薄板圧電デバイス。 - 前記第２の励振電極は、前記薄肉部を除き環状に形成された第１電極膜と、前記薄肉部及び前記第１電極膜上に形成された第２電極膜とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の超薄板圧電デバイス。
- 前記凹陥が前記圧電基板の前記一方の主面にのみ形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超薄板圧電デバイス。
- 前記第２の励振電極が前記圧電基板の前記凹陥側に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の超薄板圧電デバイス。
- 前記第２の励振電極が前記圧電基板の前記凹陥側全面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の超薄板圧電デバイス。
- 前記圧電基板がＡＴカット水晶基板であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の超薄板圧電デバイス。
- 圧電基板の少なくとも一方の主面に凹陥を形成し、薄肉の振動部と前記振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に構成する工程と、
前記圧電基板の前記一方の主面又は他方の主面のいずれかにおいて、前記振動部に第１の励振電極を形成する工程と、
前記第１の電極が形成された主面と対向する主面において、前記振動部の少なくとも前記第１の励振電極と対向する領域を除く領域に環状の第１電極膜を形成する工程と、
前記第１の励振電極と対向する領域及び前記第１電極膜上に第２電極膜を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする超薄板圧電デバイスの製造方法。 - 圧電基板の一方の主面に凹陥を形成し、薄肉の振動部と前記振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に構成する工程と、
前記圧電基板の前記一方の主面と対向する他方の主面において、前記振動部に第１の励振電極を形成する工程と、
前記圧電基板の前記一方の主面において、前記振動部の少なくとも前記第１の励振電極と対向する領域を除く領域に環状の第１電極膜を形成する工程と、
前記第1の励振電極と対向する領域及び前記第1電極膜上に第２電極膜を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする超薄板圧電デバイスの製造方法。 - 圧電基板の一方の主面に凹陥を形成し、薄肉の振動部と前記振動部の周囲を支持する厚肉の環状囲繞部とを一体的に構成する工程と、
前記圧電基板の前記一方の主面と対向する他方の主面において、前記振動部に第１の励振電極を形成する工程と、
前記圧電基板の前記一方の主面において、少なくとも前記第１の励振電極と対向する領域を除く全面に第１電極膜を形成する工程と、
前記圧電基板の前記一方の主面の全面に第２電極膜を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする超薄板圧電デバイスの製造方法。
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