JP4559594B2

JP4559594B2 - 水晶振動子の製造方法

Info

Publication number: JP4559594B2
Application number: JP2000210283A
Authority: JP
Inventors: 文雄木村; 敬彦中村; 政良白石; 潔荒武
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2000-07-11
Filing date: 2000-07-11
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2020-07-11
Also published as: JP2002026674A

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
本発明は移動体通信、携帯機器、時計、無線通信機器等の情報機器の信号源となる水晶振動子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に従来の代表的な水晶振動子ユニットの構造図を示す。従来の水晶振動子の構造はその振動モード及び周波数に無関係に図１に示した様なセラミックパッケージを利用した表面実装型である。図１においてアルミナを主成分としたセラミックベース１０１の中に水晶振動子１０２が収容されている。このセラミックベース１０１に蓋１０３がセラミックベース１０３の接合面１０４と接合される事によって気密封止が完成される。また振動子片１０２は支持部１０５の部分でセラミックベース１０１に固定されている。この固定方法は半田付けまたは導電性接着剤が使用されている。
【０００３】
図１で示した表面実装型の水晶振動子はユニット厚みが２ｍｍ以下にできる事から情報携帯機器、無線通信機器の分野では将来にわたって重要な位置を占める電子部品である。ところが通常、セラミックは多孔質であるために、封止後においてもセラミックベース１０１の部分でリークを生じてしまうという問題があった。さらに振動子片を一個ずつセラミックベース１０１に固定する方式のために非常に生産性が悪くなってしまうという問題もあった。
【０００４】
この問題を解決するために、図２〜図３にて示すようなガラスやシリコンなどの材料を用いた表面実装型の振動子が近年特に注目されている。図２は直接接合型水晶振動子の構造を示す図であって、水晶ウェハー２０１にはフォトエッチング加工等によって複数個の振動子片２０２が一体成形されている。この水晶振動子片２０２には励振電極２０３がついている。この励振用電極２０３及び振動子片２０２の形状は振動モード及び周波数によってさまざまな形状をしているが、本図では簡単のために矩形状構造の例を採用している。この水晶ウェハー２０１は上下方向からガラス、シリコンなどの第一の異種材料ウェハー２０６と第二の異種材料ウェハー２０９と直接接合される。このとき水晶ウェハー２０１の下側接合面２０４と異種材料ウェハー２０６の接合面２０７、水晶ウェハー２０１の上側接合面２０５と異種材料ウェハー２０９の接合面２１０で直接接合される。
【０００５】
また、異種材料ウェハー２０６には水晶振動子２０２の圧電振動を保証するための空間であるキャビティー２０８が設けられている。同様に異種材料ウェハー２０９にもキャビティー２１１が設けられている。次に図３は直接接合された三層構造体の断面構造を示す図であって、水晶ウェハー２０１と一体形成された水晶振動子片２０２の圧電振動は、異種材料ウェハー２０６のキャビティー２０７と異種材料ウェハー２０９のキャビティー２１１で保証されている。またこの圧電振動は励振電極２０３によって誘発される。さらに直接接合の界面部３０１には通常、外部導通の目的や接合条件の緩和さらには強度向上のために金属薄膜が存在する場合もある。
【０００６】
このような直接接合型水晶振動子の製造工程の一例を説明する概念図を図４に示す。まず通常のフォトエッチング工程によって水晶ウェハー２０１が形成される。ここで、簡単のために励振電極、リード電極及び接合に必要な金属薄膜等は図中から割愛されている。次にこの水晶ウェハー２０１は接合チャンバー４０１に投入される。この接合チャンバー４０１内部で水晶ウェハー２０１は異種材料ウェハー２０６、及び、２０７と同時直接接合され、三層構造体４０２が形成される。この時、接合チャンバーの温度は接合の種類にもよるが、５０℃から５００℃の間に設定される。すなわちこの温度が接合温度である。さらに陽極接合などの場合は接合温度が設定されるだけでなく、この三種類のウェハーの厚み方向に電界が印加される場合もある。次にこの三層構造体４０２は周波数調整チャンバー４０３に投入され、異種材料ウェハー２０９の外側からレーザー光線４０４を振動子片の周波数調整用の電極部分に照射する。このレーザー光線４０４の照射によって振動子片の周波数調整用の電極は蒸発し、振動子片の持つ質量付加効果によってその共振周波数または発振周波数は変化する。この現象を利用して三層構造体４０２に存在するすべての振動子片の周波数調整が行われる。そのために、第二の異種材料ウェハー２０９はレーザー光線を通過させるために透明な材質に限定されている。この周波数調整の終了後、この三層構造体はダイシング加工等によって個別の振動子ユニット４０５に切り分けられる。以上が直接接合型振動子の製造工程の概略である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、図４で説明した直接接合型水晶振動子の製造工程においては、周波数調整が三層構造体を形成した後、周波数調整するので、振動子の特性上の問題点が発生してしまうのである。まず第一の問題点とは、外部より周波数調整するので、その調整方法がレーザー光線による方法のみに限定されてしまい、ＡＴカットの様な電極面状態に非常に敏感な水晶振動子は製造不可能となり、音叉型水晶振動子等の比較的低周波数帯域の振動子に限定されてしまう点である。第二の問題点は蒸発金属が密閉空間に拡散するので真空度が著しく劣化しインピーダンス特性が劣化してしまう点である。さらに、第三の問題点はこの蒸発金属が振動子片に再付着して周波数エージング特性が劣化してしまう点である。
【０００８】
以上の様な問題点を解決するために三層構造体を形成する前にいったん二層構造体の状態で周波数調整行ない、周波数調整後に三層構造体を形成する製造工程が提案されている。しかしこの製造工程においては、周波数調整前の二層接合工程終了後、水晶ウェハーと異種材料ウェハーの熱特性の違いから２５℃程度の室温状態においては接合基板が大きくそってしまい、次工程である周波数調整チャンバーに装着する事ができず、周波数調整が不可能となってしまい、現実的には採用されていないのが現状である。この様な状況のため、前述の図４で説明した製造工程を採用せざるをえず、品質上及び製品企画上、非常に大きな問題となっていた。すなわち、本発明が解決しようとする課題とは、この二層接合終了後に周波数調整工程を導入するための製造工程を提供し、その結果、先に示した三つの問題点を解決する事にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この様な問題点を解決する手段として、同一チャンバー内で、振動子片が複数形成されている水晶ウェハーと第一の異種材料ウェハーを接合して二層構造体を形成する工程、この二層接合時と同一温で周波数調整を行う工程、及び、第二の異種材料ウェハーを接合し、三層構造体を形成する製造プロセスを採用した。さらに、二層構造体形成後にいったんチャンバー温度を室温に降下させた後、再度チャンバー温度を二層構造体形成時の温度に再設定する間、少なくとも一個の振動子片の発振または共振周波数変化を計測することで周波数調整時の目標周波数を設定する工程を付加する事によって、周波数調整の精度劣化を防止する事とした。これら工程によって、従来問題であった周波数調整時の接合基板のそりが解消されるばかりでなく、チャンバー内部構造を工夫することでＡＴカット水晶に必要な真空蒸着による周波数調整が可能となる。さらに、周波数周波数調整の精度劣化を防ぐ事も可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による水晶振動子の製造方法を説明する。図５は本発明に係るチャンバー内温度のプロファイルを示すグラフであって、縦軸がチャンバー内温度、横軸が時間である。まず水晶ウェハーと第一の異種材料ウェハーとの接合は時刻０〜τ１間にて行われ、接合温度はＴ１である。すなわち、図５中の区間５０１に対応している。この区間５０１で二層構造体が形成される。次に、時刻τ１〜τ２間に対応する区間５０２（冷却期間）でチャンバー内温度は室温Ｔｏまで冷却される。チャンバー温度が室温Ｔ０に到達した時、区間５０１で形成された二層接合体は温度差Ｔ１―Ｔｏの効果で大きなそりが生じている。しかし、保持治工具を工夫する事でウェハー内の少なくとも一個の振動子片の発振周波数または共振周波数（以下単に周波数と略す）を測定する事は問題なく可能である。
【００１１】
ここで、時刻τ２にて周波数が測定される振動子をモニター振動子と名付ける事にする。時刻τ２における振動子の周波数をＦｏとする。次に再度チャンバー内の温度を再度Ｔ１に上昇させる。この温度上昇は時刻τ２〜τ３間で行われる。この温度の再上昇区間が図中の区間５０３である。温度Ｔ１に再設定されたチャンバー内で周波数調整されるのが区間５０４であって、対応する時刻がτ３〜τ４間である。この区間５０４にて周波数調整をおこなった後、チャンバー内温度をＴ２に設定し、第二の異種材料ウェハーを接合させ、三層構造体を形成する。この第二の異種材料を接合する時刻がτ５〜τ６間であり、図中の区間５０５である。また、周波数調整時温度Ｔ１から三層接合体を形成する温度Ｔ２までの温度変化は時刻τ４〜τ５間であり、区間５０７に対応している。この図５において区間５０１と区間５０２での温度変化量ΔＴは、
ΔＴ＝Ｔ１―Ｔｏ
である。この温度変化量ΔＴに連動してモニター振動子の周波数は変化する。振動子片の温度に対する周波数変化が正の線形式の場合に、この周波数変化量ΔＦは、
ΔＦ＝Ｆ１―Ｆｏ（１）式
となる。ここで、Ｆ１は温度Ｔ１での周波数であり、Ｆｏは室温Ｔｏでの周波数である。一般に水晶振動子の温度変化は水晶の形状寸法と弾性定数等の物理定数で決定されるので、通常、ウェハー内に同時に複数一体形成された振動子片においてはさほど大きなバラツキを持たない事が知られている。それゆえ、少なくとも一個のモニター水晶の周波数変化量ΔＦが測定できれば、ウェハー内に存在する全ての振動子の周波数変化量を代表させる事が可能である。
周波数調整とは、先にのべた付加質量効果によってウェハー内の周波数をすべて同一の周波数にする事である。この周波数が目標周波数であって、本発明においてはＦｔとする。レーザー光線等で電極を蒸発させる周波数調整の場合、水晶ウェハー内に総計ｍ個の振動子片があるもとし、仮にｎ番目の振動子片の室温Ｔｏでの周波数をＦonとすればこのｎ番目の振動子片の周波数調整量は室温Ｔｏの状態で
Ｆｔ―Ｆｏｎ
となる。しかし、本発明において周波数調整は室温Ｔｏよりも高い温度Ｔ１にて実行されるので、温度変化による周波数変化量ΔＦを考慮する必要がある。すなわち、区間５０４にて実行されるｎ番目の振動子片の周波数調整量Δｎは
Δｎ＝Ｆ１ｎ―ΔＦ―Ｆｔ（２）式
となる。ここで、Ｆ１ｎは温度Ｔ１において測定されたｎ番目の振動子片の周波数である。
【００１２】
また、真空蒸着法等によって電極質量を付加させる周波数調整法においても式中の式中の符号が変わるもののほぼ同じ式か成立する。また、本発明に係る水晶振動子の温度に対する周波数変化の仕方、いわゆる温度特性カーブの次数によって、区間５０１、５０２で測定する温度点を室温ＴｏとＴ１の他にこの間の温度点を設定する事も必要となる。しかし、Ｔ１及びＴｏ以外に温度測定点を設定する事及び周波数調整量Δｎを決定する演算式が相違する事は単なる設計事項に過ぎない事は言うまでも無いことである。
【００１３】
【実施例】
図６に本発明に係る製造方法の実施例を示す。図６の実施例において個別の振動子ユニットに切り離すための工程は割愛してある。また周波数調整はレーザー光線による方法の例である。図において、接合機能と周波数調整機能を兼ね備えたチャンバー６０１において、複数の振動子片が形成された水晶ウェハー２０１は第一の異種材料ウェハー２０６と温度Ｔ１のチャンバー設定温度にて接合され二層接合体６０２が形成される。この二層接合体６０２が形成された後、少なくとも一個のモニター振動子片６０３の周波数Ｆ１が測定される。
【００１４】
この工程が二層接合工程６０４である。次に、チャンバー６０１の設定温度を室温Ｔｏに冷却し再度モニター振動子６０３の周波数Ｆｏが測定される。この工程が室温周波数測定工程６０５である。室温周波数測定工程６０５終了後、再度チャンバー内温度はＴ１に設定され、ウェハー内の振動子片全数の周波数が測定され、式（１）〜（２）によって個別の周波数調整量が決定され、この周波数調整量にしたがってレーザー光線６０６で個別に周波数調整される。この工程が周波数調整工程６０７である。周波数調整工程６０７が終了後、チャンバー内温度をＴ２に設定して第二の異種接合ウェハー６０８と周波数調整が終了した二層接合体６０２を接合する事で三層接合体６０９が完成する。三層接合体６０９が完成する。これが三層接合工程６１０である。その後チャンバー内温度はＴ２から室温Ｔｏに冷却後、チャンバー６０１からとりだされ、図４と同様に個別ユニットに分離される。通常室温Ｔｏは２５℃近辺に設定される。また第一の異種材料ウェハー接合温度と周波数調整温度Ｔ１及び第２の異種材料接合温度Ｔ２はウェハーサイズ、接合方法の種類によって異なるが、おおむね５０℃〜５００℃に設定される。
【００１５】
この図６の実施例及び先に示した式（１）、（２）はレーザー光線を用いると共に、振動子の温度変化が線形とみなせる場合を想定した工程である。それに対して温度変化がＰ次曲線であり、その影響が非常に大きいと想定できる場合は、図６における二層接合工程６０４〜室温周波数測定工程６０５〜周波数調整工程６０７の工程間で、温度Ｔ１及び室温Ｔｏ以外の他の温度点をＰ−１の個の設定温度を設ける必要があるとともに、個別の周波数調整量を決定する式も複雑になる。しかしこれは単なる工程設計及び数学上の変更である事は言うまでもない。
【００１６】
さらに、図６にて説明した実施例においては同一チャンバー内の製造工程であるが、二層接合時の温度と周波数調整時の加工温度が等しくＴ１であり、さらに二層接合終了時から周波数調整開始の間に少なくとも室温ＴｏとＴ１におけるモニター振動子の周波数を測定し、その周波数変化量から周波数調整の目標周波数を決定する工程が存在すれば、本特許は同一チャンバー内での加工方法に限定されるものでない事は明白である。
【００１７】
【発明の効果】
本発明による製造工程を採用することによって、先に上げた水晶振動子の品質上の問題点を解決できるばかりでなく、真空蒸着にて周波数調整を行う振動子にも適応できる事になり、非常に大きな効果を生み出す。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の水晶振動子ユニットの斜視図
【図２】直接接合型水晶振動子の構造を説明する斜視図
【図３】直接接合型水晶振動子の概略構造を表す断面図
【図４】従来の直接接合型水晶振動子の製造工程図
【図５】本発明に係る直接接合型水晶振動子の製造工程におけるチャンバー内温度のプロファイル図
【図６】本発明に係る直接接合型水晶振動子製造工程の実施例
【符号の説明】
２０１水晶ウェハー
２０６異種材料ウェハー
６０１チャンバー
６０２二層接合体
６０３モニター振動子片
６０４二層接合工程
６０５室温周波数測定工程
６０６レーザー光線
６０７周波数調整工程
６０８異種材料ウェハー
６０９三層接合体
６１０三層接合工程

Claims

励振用電極が形成された振動子片が形成された水晶ウェハーと、振動子励振用のキャビティーを持ったガラスまたはシリコンからなる第一のウェハーを接合温度Ｔ１（５０℃以上５００℃以下）の条件の下で直接接合することにより二層構造体を形成する工程と、
前記二層構造体を接合温度Ｔ１の環境で、前記振動子片を付加質量効果によって周波数をＦ１に調整する工程と、
前記二層構造体を室温Ｔ０に冷却する工程と、
前記室温Ｔ０における前記振動子片の周波数Ｆ０を測定する工程と、
前記二層構造体を前記接合温度Ｔ１に再加熱し、前記室温Ｔ０における前記周波数Ｆ０と前記接合温度Ｔ１における前記周波数Ｆ１との差に基づいて、周波数を調整する工程と、
前記二層構造体の水晶ウェハー面にキャビティー空間をもったガラスまたはシリコンからなる第二のウェハーを接合温度Ｔ２（５０℃以上５００℃以下）の条件下で直接接合することにより三層構造体を形成する工程と、を備える水晶振動子の製造方法。
励振用電極が形成された振動子片が複数個一体形成されている水晶ウェハーを中間層とし、この水晶ウェハーと振動子励振用のキャビティーを持ったガラスまたはシリコンからなる第一のウェハーを接合温度Ｔ１（５０℃以上５００℃以下）の条件の下で直接接合することにより二層構造体が形成する工程と、
前記二層構造体を前記接合温度Ｔ１の環境で、水晶ウェハー内の振動子片の全数を付加質量効果によって周波数をＦ１に調整する工程と、
前記二層構造体を室温Ｔ０に冷却する工程と、
前記室温Ｔ０における前記振動子片の周波数Ｆ０を測定する工程と、
前記二層構造体を前記接合温度Ｔ１に再加熱し、前記室温Ｔ０における前記周波数Ｆ０と前記接合温度Ｔ１における前記周波数Ｆ１との差に基づいて、周波数を調整する工程と、
前記二層構造体の水晶ウェハー面にさらにキャビティー空間をもったガラスまたはシリコンからなる第二のウェハーを前記第一のウェハーと同様に接合温度Ｔ２（５０℃以上５００℃以下）の条件下で直接接合することにより三層構造体を形成する工程と、
前記三層構造体をカットすることによって、振動子ユニットを同時に複数個完成させる工程と、を具備することを特徴とする水晶振動子の製造方法。
前記周波数調整の工程が、前記二層構造体が形成される工程の終了後、接合温度Ｔ１を保った状態の同一チャンバー内で行われることを特徴とした請求項１または２に記載の水晶振動子の製造方法。