JP4680449B2 - 圧電デバイスとその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願は、テレビなど民生品や、コンピュータなどのクロックや、光通信やギガビットインサーネットなど高速、大容量通信などの周波数発生源や、物質を感知したり、圧力や加速度などを感知するセンサーなど圧電性を利用する圧電デバイスに関するものである。特に１００ＭＨｚ以上の基本波で発振する板厚の薄い水晶振動子や圧力や加速度などの検知に利用される圧電デバイスにおいて、加工の再現性よく、加工精度のばらつきが主振動へ影響しないようにした圧電デバイスとその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水晶振動子は、通信機器にとり基準周波数を供給する重要な部品である。近年高速、大容量通信用機器の登場により各機器の高周波化が進み、同時に共振周波数を直接高くし、ジッタなどノイズを軽減する水晶振動子をより多く供給することが問われている（ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＤＥＳＩＧＮ Ｍａｒｃｈ６ ２０００ ｐ１１２）。一般的にＰＬＬ回路による逓倍で高周波化を実現するより、水晶振動子の基本波周波数も高くするのがノイズを抑制しやすい。ＡＴカットなどの水晶振動子の共振周波数を高くし、ＶＨＦ帯で取り扱うには、圧電体が主振動を励振する励振部分の板厚を薄くするほど共振周波数が高くなるため薄板化が課題となる。
【０００３】
高周波化を進めるにあたり、特に電気的特性の安定性が問われる周波数発生源として利用する場合、基本波振動の共振周波数が１００ＭＨｚ以上にもなる水晶板の板厚は約１７μｍ以下の薄板となり、加速度や衝撃など外的衝撃の影響で共振周波数が変動する。また、薄いと製造時のハンドリングが悪いなど、薄板の弊害を生じる。一般的な水晶振動子は平板形でありフラットな水晶片を使用する。フラットとは、一方の主面と他方の主面がほぼ並行で、全面にわたり一定の板厚である板状の形状の水晶片をいう。薄板の弊害の対策として薄板部の外周に薄板部より板厚の厚い枠部を配する断面で見て凹形状の水晶片を利用する、凹形水晶振動子が考案された。初期の丸形をはじめ、四角形のものなど１９７０年代から内外で発表されている（米国特許公報 第３,６９４,６７７号）。また、凹形水晶振動子の振動モードなども中澤らにより研究されてきた（信学技報 ＵＳ７６−１６,７ 昭和５１年）さらに、Ｑ値を向上するために方形状凹形水晶振動子の表面にコンベックス形状を形成し、周波数温度特性について研究している（電気学会論文誌 昭和５７−２ ｐ５９）。ただし、外的衝撃の影響を受けるこの薄板の弊害を利用すると、低周波で板厚の厚い圧電振動子より敏感に電極表面の重量変化を感じることからガス検知用など微量変化を検出する高性能センサーとして使用する用途もある。
【０００４】
凹形水晶振動子は平坦な主面を凹形状に加工する。凹形状への加工は、フッ化水素酸やフッ化アンモニウムを含むエッチング用液を利用して水晶を溶解して加工するウエットエッチングや、ＣＦ４やＣＨＦ３やＣ２Ｈ６など反応性のガスを利用して水晶を加工するドライエッチングなどの化学的加工方法や、レーザーや超音波やサンドブラストなどを利用して衝撃などで加工する物理的加工方法などがある。ドライエッチングは薄板部の主面の表面粗さを荒らさず加工できるが５００ｎｍ/分程度とエッチングレートが遅く加工に時間がかかる。物理的加工方法は個々に加工したり物理的衝撃による亀裂や、加工層が電気的特性の劣化を招く。ウエットエッチングとは、液体を使用して、水晶を溶解し加工する方法である。大量の水晶片やウエハーを同時に加工でき生産性に優れ、エッチング速度もＡＴカットの切断面に垂直方向に２μｍ／分程度と速い。通常、エッチング用液をテフロン（登録商標）容器に入れ５０度から８０度程度の定温にし、これに水晶を浸ける。水晶を揺動してもよい。板厚を薄くする加工の例としては、保護膜を主面に形成し、その後板厚を薄くする薄板部の保護膜を取り除き、エッチング用液に浸けて保護膜を取り除いた部分が加工され板厚を薄くする。現在は主面に垂直な方向より見て、薄板部の形状が４角形や円形の凹形水晶振動子が主に利用されている。しかし、図７や図８のように四角形で薄板部を形成すると、水晶の異方性によるエッチング速度の違いにより、１辺をｘ方向に平行とするならば、＋Ｘと−Ｘでエッチング速度が異なり、ｚ’方向は、傾いたｚ軸のエッチング速度の違いで凹形状の内側側面である凹み側面で形状が異なり、対称な凹形状を四角形や丸形を作るのが困難で加工精度が悪く、設計と異なる形状になるという問題がある。
【０００５】
また、小型化するにあたり、この凹形状の加工精度の悪さから凹み側面に電極の一部が配されるほど凹み側面の面積が広がり主振動に影響を及ぼす。また、３５μｍ以下の薄板部を形成するにあたり、薄板部が、特に電極を配した辺りが、重力によりわずかにしなり、主振動の影響を及ぼす。凹形状が対称に形成されていないと凹み側面における板厚が厚くなる傾きが異なるためしなりが不安定で予期しない形で薄板部が捻れたりして主振動の周波数に予期しない変動を与える。同様に、薄板部のしなりによる主振動の周波数変化を検知するセンサーなどでは、対称に凹形にされないことで一様にしならず、検知の安定性に欠ける。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、特にウエットエッチングを利用した製造方法で、水晶片に薄板部を形成すると、水晶の異方性によるエッチング速度の違いから寸法精度や、加工精度が悪く、歩留まりの低下や特性の不安定などを生じやすい。
【０００７】
本発明は前記問題点を顧みてなされたもので、寸法精度に優れ特性の安定した水晶を利用する圧電デバイスを提供することを目的とする。また、本出願は、安定した主振動を得て生産効率性を確保しつつ前記のような圧電デバイスの製造方法を提供することを他の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
主面の一部の板厚を薄く加工した薄板部とその一部を除く板厚の厚い枠部からなる水晶片と、薄板部の両面にそれぞれ設けられた電極を有する圧電デバイスにおいて、薄板部が主面に垂直な方向より見てほぼ正三角形で、一辺が水晶片のｘ軸に平行となるように加工する。
【０００９】
このような構成により、四角形や丸形よりも断面で見た凹形状が対称で予期した形状に再現よく加工する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（実施例１） 図１は本発明の構成を示す図である。大容量高速度通信用機器において、より高周波数を発振する水晶振動子を必要とするが、周波数発生源に利用されるＡＴカットの水晶振動子などは共振周波数を高くするためには板厚を薄くする必要がある。特に３５μｍ以下に薄くした薄板部はわれ易く、外部の衝撃に弱くなる。このために薄板部の周辺に板厚の厚い枠部を形成するが、薄板部の形状が４角形や円形などの形状では結晶軸の異方性に対応したエッチング速度の違いにより形がいびつになり加工整精度が悪い。本発明では、前記問題点を顧みてなされたもので、主面から見た形状をほぼ正三角形で加工することにより、水晶のエッチングによる異方性の特徴を利用して、予期した形状に再現性よく、特性の安定した水晶を利用した圧電デバイスとその製造方法を提供する。
【００１１】
図１は、主にＶＨＦ帯で利用される水晶振動素子の構成図である。図２は図１の破線２０３における断面図である。図１は、本発明の一例である主振動に厚み滑り振動を利用する共振周波数１００ＭＨｚのＡＴカットの水晶振動子を示す。図３や図４のように保持器３０１に封入して水晶振動子、つまり本明細書でいう圧電デバイスとして使用する。通常は水晶片を電極と共に保持し、保持器に封入した物を水晶振動子という（水晶デバイスの解説と応用 日本水晶デバイス工業会技術委員会編１９９６年１０月）。水晶片とは、結晶軸に対してある決められた幾何学的形状・寸法および角度に切断した結晶片をいう。本明細書ではｘ方向とｚ’方向の水晶片１の端を輪郭といい、これら寸法を輪郭寸法という。さらに水晶片に電極を配して電荷をかけ振動を得るなど圧電性を利用する素子を水晶振動素子とよび、水晶振動素子を保持器に封入、つまり密封して圧電デバイスとして使用する。ＡＴカットやＳＣカットは電極を少なくとも表裏主面、それぞれに配する。フィルターなどでは一方の主面に２つ以上の電極を配することもある。また、本明細書でいう圧電デバイスとは、水晶振動子、水晶発振器、水晶を利用するセンサー部品または光学用素子など水晶の圧電性を利用する部品をあわせていう。本例の水晶振動素子は、主面５の一部の板厚を薄くした薄板部２と、前記一部を除く板厚の厚い枠部３とからなる水晶片１と電極４、６から構成される。以降、このへこみを持つ水晶片１の形状を凹形状という。電極４、６は薄板部２の両面にそれぞれ配され、水晶片１の主振動の電荷を拾う。水晶片１は、ＡＴカットであり、主振動は厚み滑り振動の基本波である。薄板部２は、ウエットエッチングにより加工して、その形状はほぼ正三角形である。本例でいう板厚とは、薄板部２の主面５と主面７の距離を言う。主面７がコンベックスの場合は中心厚みをいう。
【００１２】
図３は圧電デバイスの水晶振動子の断面図である。図４は、図３の構成図である。図５は水晶振動子の製造プロセスの概要である。図６は、水晶片１の外形の例である。図７は従来の凹形の水晶振動素子の概要図である。図８は図７の断面図である。以下に図１、図２を中心に図３、図４、図５、図６、図７、図８で説明する。
【００１３】
図１の符号１は水晶片を示す。主面５のほぼ中心付近の一部が凹形状に加工されており、図２で示すように薄い板厚に加工した薄板である。２は、この薄板を示し、本明細書では薄板部２という。図ではわかりやすくするために板厚方向に拡大してある。水晶片１の輪郭寸法５０５は、ｘ方向３．５ｍｍ、ｚ’方向４．５ｍｍである。薄板部２の主面は表面が荒れぬよう加工する。主面とは、水晶片１で最も面積の広い面を言い、本例ではＡＴカットの切断面と平行な面に相当する。薄板部２は、一辺をｘ軸と平行にしてあり、ほぼ正三角形である。凹形状の内側側面である凹み側面１０１がウエットエッチングによる薄板への加工の過程で形成される。水晶の異方性とアンダーカットにより主面５に対して垂直に加工されず斜めになる。しかし、図７のように四角に薄板部２を加工するより、ほぼ一様に凹み側面１０１、１０２、１０３は形成される。
【００１４】
３は水晶片１の枠部である。枠部３は水晶片１の主面の薄板部２の周辺に形成し、外的衝撃や製造時のハンドリング性を向上している。本例では薄板部２の板厚５０４は１７μｍ、枠部３の板厚は５０μｍで作製した。ＡＴカットでは周波数定数＝薄板部の厚さ×主振動周波数であり、１００ＭＨｚで１７μm程度となる。この板厚５０４は電極４、６の材料種類や厚みによっても左右され、本例と比較して比重の重い材料は板厚５０４を薄くし、さらに電極４、５を厚く形成しても板厚５０４を薄くする。図６に水晶片１に薄板部２を加工する位置を例として示す。（ｈ）は薄板部２を本例のように水晶片１のほぼ中央付近に形成してある。（ｉ）は薄板部２を（ｈ）より小さくし片方向に寄せて形成してある。（ｊ）は水晶片１の輪郭の一部分と薄板部２の輪郭が同一であり薄板部２から見て一方向の枠部３が存在しない。（ｋ）は水晶片１がｙ’軸周りに、回転してある。（ｋ）、（ｉ）、（ｊ）は、薄板部２の位置や大きさを変え、支持の影響を軽減するよう距離を離したり、副振動の影響を最小にしたりするのに使用すればよい。（ｍ）は薄板部２とほぼ相似の関係で枠部３が形成してあり、小型化しやすい。（ｎ）は水晶片１が円形である。（ｏ）は円形の水晶片１の一方向がカットされておりそのカットされた辺が薄板部２の輪郭と同一である。（ｎ）、（ｏ）は従来から実績のある輪郭の形状を利用するとともに輪郭振動などの副振動の影響を軽減するのに利用される。このように各種水晶片１に薄板部２を形成することがあるが、特に厚み滑り振動である主振動への水晶片１の輪郭や薄板部２の輪郭による屈曲振動や輪郭振動の高次の影響を避けるように選択される。これは使用する主振動の共振周波数や輪郭の寸法により決めればよい。
【００１５】
４は、電極であり、水晶振動子１の凹形状の底である薄板部２の主面５に配する。一方、電極６は平坦側の主面７に電極４に対向して配する。薄板部２の両主面に電極４と電極６を対向して配すことで主振動を得る。主振動とは本例では厚み滑り振動であり、特に厚み滑り振動の基本波振動である。オーバートーンを利用してもよく、従来の平板形の水晶振動子よりさらに高い周波数を実現可能となる。本例では電極６が電極４より面積が小さいが、面積の小さい電極に電気的特性が影響されるため、精度良く形成可能な平坦側の主面７に配する電極６の面積を小さくした。本例では電極４は直径５００μｍの円形で、電極６はｘ方向寸法が２００μｍでｚ’方向が３００μｍとした。しかし、面粗さを良く加工するため主面７をドライエッチングで板厚調整した後に電極６を形成する場合などは、電極４を電極６より小さくする場合もある。これは、凹形状の底に電極４を面積を小さくして形成し、時間のかかりがちな板厚調整前に正確な電気的特性を測定し不良分けするためである。
【００１６】
電極４と電極６は主にＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒや、これらの合金や、これらを積層したものである。Ａｕは耐腐食性にすぐれ長期間安定した特性を持続する。ＡｌはＡｕより軽量で薄板部２へ重力による余分な変形を与えないだけでなく、レーザー研削などにおける周波数調整の速度を遅くして調整を容易にする。同時に電極加工による周波数調整量も減少するため、板厚５０４の合わせこみ精度が要求され製造は難しくなる。本例ではＣｒを２０Å、Ａｕを６００Åの２層構造にしＣｒをＡｕと水晶の緩衝材的役割で利用する。ＮｉやＮｉ−Ｃｒ合金も、同様な理由で使用してもよい。また電極４と引き出し電極２０１、さらに電極６と引き出し電極２０２は、通常同時に形成した。主面５に構築するもの、主面７に構築するもので分けて形成してもよいが、工程数は２つに分かれ増える。引き出し電極２０１、２０２は、電極４、６から電荷を取り出すとともに振動部分で支持することを避けるために設け、水晶振動子ではよく使われる構成である。電極４と引き出し電極２０１は連続した膜であり、導通がとれている。引き出し電極２０２は主面５に回しこんで形成してある。これにより主面５一方向で保持器３０１とバンプや導電性接着剤などにより導通をとる。一方、電極６と引き出し電極２０２も連続した膜であり、導通がとれている。
【００１７】
引き回し電極２０２は一部を主面７から主面５に回し込み、主面５において支持材３０８により保持器３０１と導通をとっているが、主面７から、ワイヤボンディングなどにより導通をとっても良い。例えば、非導電性の支持材で保持器３０１に固定し、引き出し電極２０１を主面７へ回しこんでワイヤボンデリィングで金線などで導通をとってもよい。イオンガンなどで電極６を削って周波数調整する場合は、初めに電極６を電極４より膜厚を厚く形成して形成し、周波数調整後に電極６と電極４がほぼ同じ厚みになるようにしてもよい。引き出し電極２０２の回し込みは確実にＺ’軸に垂直な側面及び側面と主面との角にも金属の薄膜を形成し導通が取れるように、図７で見れるように幅を広くしてある。
【００１８】
図３は図１の水晶振動素子を周波数調整後にリッド３０２を封止材３０３で密封したものである。図４はそれをリッド３０２で封止する前に保持器３０１の開口方向から見た図である。３０１は保持器であり、水晶振動素子を外気から遮断しつつ水晶振動素子で発生する周波数信号を取り出す薄型の容器である。一般にセラミックや、金属などの材料からなる。金属は外壁を薄くしやすくセラミックより小型な保持器を作りやすい。本例では、セラミックの表面実装型の保持器３０１であり、平板とロ形に窓の開いた板を重ねて形成し、平板に水晶振動素子を固定する２層積層型である。平板と２枚のロ型板を積層構造にして凹構造を形成し、凹構造内に水晶振動素子を収める３層積層型や平板だけの１層型もあり、１層型では支持材３０８で水晶片１の振動部分が保持器３０１に接しないよう浮かせる必要がある。３層積層型の保持器は、水晶振動素子の下に空間ができるために固定が容易であり、そこに発振回路を含むＩＣを設置して水晶振動素子と接続し水晶発振器や、さらに電圧による周波数可変機能を付加して電圧制御型水晶発振器（以下ＶＣＸＯ）などにしてもよい。特にＶＣＸＯは凹型の水晶振動素子などで実現するＶＨＦ帯の基本波である主振動の周波数可変幅を広く取れるなどの特徴を生かした表面実装型デバイスである。この場合、保持器の外に配置する端子は、電源電圧入力端子や、出力端子や、アース端子及び周波数制御入力端子などを備えてＩＣチップと接続する必要がある。
【００１９】
保持器３０１は電極６と導通のとれている端子３０４と、電極４と導通のとれている端子３０５を有する。保持器３０１を貫通して導通をとるため導通構造３０６、３０９を有する。導通とは、電気的に接続していることを言う。導通構造３０６は保持器３０１を積層して組み立てる前に導通材を両面回しこんで形成しておき積層した後も電極６と接続するパット３０７から端子３０４まで導通が取れればよい。穴をあけ導電性の金属などで蓋をした構造でも密封して導通が取れる構造であれば良く、密封性とコストを考えて選択すればよい。支持材３０８、３１１は、導電性接着剤やバンプなどであり、水晶振動素子の保持器３０１への固定と同時に導通をとっている。ただの非導電性接着剤などを利用する場合や、特に引き出し電極２０２を回し込みしない場合は、引き出し電極２０２とパット３０７をワイヤーボンディングしＡｕ線などで接続する。このように、支持する箇所と導通とる箇所が異なってもかまわない。水晶振動素子を収めた後に図３のようにリッド３０２で開口部に蓋をして外気から遮断し封止する。封止方法は、実績有る抵抗溶接シール方式、真空にする場合はコールドウエルド方式、シリンダータイプの水晶振動子に利用されるはんだ厚入シール方式、低融点ガラス封止方式、接着剤シール方式などがあるが、密封性やコストにより選択すればよい。本例では抵抗溶接シール方式を採用した。リッド３０２は金属、セラミックなどでできており、封止材３０３はハンダや、ガラス、接着剤、金や、スズの合金などである。封止材３０３を利用せずに、リッドと保持器を溶接しても良い。リッド３０２は平板型や、ドーム型などがあるがコストや製造方法により選択すればよい。蓋をすることを封止するというが、封止方法により封止剤３０３も決められる。保持器３０１内部には窒素を充填した。
【００２０】
図５は、図３で示した圧電デバイスの製造方法例を示している。（ａ）は、ウエハー形成工程である。ウエハー５０１は、水晶結晶をＡＴカットで切断し１インチ角程度のウエハー５０１にしたものであり、厚みはおよそ５０μｍである。まず、ウエハー形成工程で水晶結晶をワイヤソー、バンドソーなど物理的加工方法で切断した。さらに、板厚を５０μｍの厚みに両面研磨するなどラッピングによりおこなった。本例では最終的に光学研磨までおこない、主面５、７を鏡面にし、面粗さが５ｎｍ以内にまで平坦にした。主面５、７の表面粗さによりウエットエッチング工程後の薄板部２の面粗さは大きく左右される。（ｂ）は、保護膜形成工程である。保護膜形成工程は、保護膜全面形成、フォトリソ、保護膜剥離からなり、主面５の一部を除き保護膜８を形成する。一部は凹形状に加工する箇所で３角形である。保護膜全面形成は、主面５の全面にクロム２００Å、金２０００Åの２層膜でスパッタ装置により形成した。フォトリソは、（ａ）の保護膜８全面にポジレジストを塗布し、マスクを挟んで主面５を露光しマスクで隠されていない一部のポジレジストを露光した。さらに現像するとマスクで隠されていない一部が溶解しポジレジストは加工される。本例では、マスクは保護膜剥離部分５０２以外を隠すよう作られており、マスク上の保護膜剥離部分５０２に相当する箇所が前述の一部に相当し、主面５から見てほぼ正三角形の形をしている。ポジレジストは保護膜剥離部分５０２を除き保護膜８上を覆う。保護膜剥離は、保護膜８を構成するＡｕを溶解する液、Ｃｒを溶解する液につけるとポジレジレジストに保護されていない一部が溶解され保護膜剥離部分５０２が形成される。
【００２１】
（ｃ）は、ウエットエッチング工程と板厚微調整工程である。ウエットエッチング工程で凹形状に加工し目標の板厚にほぼ近づける。その後、板厚微調整工程で目的の共振周波数で発振する板厚５０４に精度よく加工する。ウエットエッチング工程では、保護膜剥離部分５０２から溶解部分５０３が加工される。エッチング用液は、フッ化水素酸やフッ化アンモニウムを含む水溶液を利用して溶解する。面粗さを保つための表面活性剤や、エッチング速度を一定に保つ添加剤を入れてもよいが、水晶を溶解する液であればよい。本例では、７０度に加熱したエッチング用液にウエハー５０１ごと浸けた。この時、保護膜８で覆われた一部を除いた主面５は加工されず、凹形状を形成する。主面５の他、主面７の全面を加工し、一様にエッチングし、両方の主面から板厚を５０μｍから１９μｍまで薄くした。
【００２２】
この時、保護膜８を主面７の全面にも形成し主面５からのみ加工して、凹形状の形成と板厚５０４を同時に得てもよい。片面からのウエットエッチングは少なくとも平坦な主面７の面粗さは光学研磨の状態で保てる。板厚微調整は、エッチング速度の遅いドライエッチングを利用し２μｍほどを精密な寸法制御で板厚４を実現する。本例ではＣＨＦ３を利用し、主面７の全面を加工した。同様に物理的加工法を利用したり、加工法を複合して利用してもよい。ただし、本明細書で述べるように、板厚５０４は、主に大量に処理でき、高速で加工できるウエットエッチングにより薄く加工する。本例では、（ｆ）での周波数調整幅が、数百〜数千Å程度と有限である電極の厚み分しか調整できないため、後の水晶振動子の最終共振周波数に（ｆ）において調整可能な範囲まで（ｃ）における板厚５０４を精密に周波数で測定しつつ調整した。具体的には、薄板部２の共振周波数をネットワークアナライザで測定してから、板厚の加工量を決定し主面７側をドライエッチング手法により板厚１９μｍ周波数で測定して約９０ＭＨｚから１０５．０ＭＨｚ±５００ｐｐｍに調整した。
【００２３】
（ｄ）は、水晶片輪郭形成工程であり、水晶片１の輪郭を輪郭寸法５０５でえる。輪郭寸法５０５は、ｘ方向３．５ｍｍ、ｚ’方向４．５ｍｍで、ダイシングソーで加工した。輪郭はウエットエッチングと同時にエッチング用液を利用して加工しても、凹形状を形成する前、または後に別な加工方法で加工してもよい。ウエットエッチングでは、凹形状を形成し薄板部２の主面の面粗さを荒らさず加工する条件と、輪郭を精度よく加工する条件が異なる。本例では薄板部２を形成後に別に輪郭を形成することで、面を荒らさず加工した。別にしさらに輪郭は別の方法で加工した。（ｅ）は、電極形成工程であり、電極５と電極６を形成した。これらを保持器２の端子３０４、３０５と導通とるための引き出し電極２０１、２０２も同時に形成した。電極は一般的に蒸着、スパッタなどにより真空中で形成し、水晶ウエハー４０１を回転しながら形成すると、電極４、６が同時に形成可能である。電極４、および電極６の形状は所望の形状に穴の開いたマスクをそれぞれ金属源と主面５、７の間にはさむことで得られる。（ｆ）は、（ｅ）までで作成した水晶振動素子を保持器３０１へ固定する。凹形状を有する主面５を保持器３０１側へ向け、保持器３０１の水晶振動素子を固定するパット３０７、３０８に支持材３０７、３１１を使用して固定、同時に導通をとる。電極４、６および引き出し電極２０１、２０２は、フォトリソ技術を利用して寸法精度よく形成してもよい。
【００２４】
さらに（ｆ）は、周波数調整をおこなう。端子３０４、３０５をネットワークアナライザーなど周波数測定装置に接続して周波数を測定しつつアルゴンイオンを照射して電極６の全面と引き出し電極２０２を部分的に削り、共振周波数を所望の値に調整する。本例では１００ＭＨｚの±２ｐｐｍに調整した。周波数調整における電極の加工は、電極４を削るエッチング方式と、電極６に重量をつける加重方式がある。加重方式では、スパッタや蒸着や塗布などにより電極表面に積層し、電極６を積層することで主振動周波数は低くなる。一般的にはＡｕやＡｌなど同材料を積層するが加重するなら他の材料でもかまわない。エッチング方式はイオンガンやレーザーやスパッタや研磨などでおこなわれ、電極６を削ることで主振動周波数は高くなる。本例ではイオンガンによりＡｒイオンで表面を削ってゆく。この時、電極６とともに引き出し電極２０２も部分的に加工され膜厚が薄くなる。５０７はイオンビームであり、矢印はイオンガンから水晶片１へ向かうＡｒのプラスイオンなどのイオンビームを示す。
【００２５】
イオンビームを構成するイオンなどは加工用マスク５０６により通過する面積を制限され、電極６周辺を集中的にドライエッチングし、極力水晶片１に影響しないようすることができる。ただし、電極６を均一にムラなく加工するために電極６の面積より大きく加工用マスク５０６に窓を開ける。この場合、引き出し電極２０２も部分的に加工することになる。電極６を部分的に厚くして残すより、引き出し電極２０２を部分的に加工したほうが、主振動に及ぼす影響が、少ない。（ｇ）は、封止であり、図３にあたる。本例ではリッド３０２を保持器３０１に載せ窒素中で、抵抗溶接し封止材３０３を溶接することで密閉する。保持器３０１内部は窒素の他、不活性ガスや、封止方法によっては真空で充填してもよい。図７は四角形で薄板部２を形成した従来の凹形水晶振動子である。破線５０９における断面が図８である。凹形状をウエットエッチングにより形成すると凹み側面５０７と凹み側面５０８の形状が異方性により異なる。
【００２６】
（実施例２）主面の一部の板厚を薄く加工した薄板部が、主面に垂直な方向にかかる加速により変形することで共振周波数が変化し、加速度を検知する加速度センサーを示す。図１と図２を中心に図９、図１０により実施例２について説明する。薄板部２が再現性よく歪むことが、安定に加速度を検出するにおいて重要となる。特にウエットエッチングによる薄板部２の形成はエッチング速度が速く量産性に優れるが、図７や図８で示すような薄板部２が四角形の従来形では、水晶の異方性により凹み側面５０７、５０８が同様な形状で加工されず、断面で見ていびつな凹形状が形成される。加速度が主面５に垂直な方向にかかり、枠部３の周囲はしならず、薄板部２の中心に行くほど顕著にしなるように変形する。この時、いびつな凹形状では電極４と電極６の間の振動領域が安定して予期したように変形されず、特に加速度に比例して変形がなされない。このため、安定した特性をもつ加速度センサーの実現が困難であり生産性も悪い。本例の圧電デバイスは、図１や図２は、主面５の一部の板厚５０４を主にウエットエッチングにより薄く加工した薄板の両面にそれぞれ電極４、６を配した薄板部２と、前記一部を除く板厚の厚い枠部３とからなる水晶片１を有する水晶振動素子と水晶振動素子を支持する保持器３０１と蓋であるリッド３０２から主に構成した。薄板部２は主面５に垂直な方向から見てほぼ正三角形とすることで凹形状がウエットエッチングのプロセスでも対称性よく形成する。
【００２７】
水晶片１は、外力により薄板部６が変形することで水晶振動子の共振周波数が変化し外力が加わったことを感知する。製造の手順としては、ＡＴカットで１インチ角の寸法でウエハーを切り出す。このウエハーの主面５に、保護膜８を形成し、フォトリソにより保護膜８の一部を取り除き、同時に水晶片１の輪郭と縁と接続部分を残して取り除く。１インチのウエハーから約３０個ほど水晶振動素子をとる。このウエハーをウエットエッチング、さらにドライエッチングを使用して主面の一部の板厚を薄くして凹形状を形成し、薄板部２を形成する。主にウエットエッチングにより凹形状を形成した。この時、薄板部２は、水晶の異方性による凹形状のいびつを軽減するために、一辺をｘ軸に平行にしてほぼ正三角形になるよう加工した。主面５に垂直でなく、凹み側面１０１，１０２、１０３ができるが、ほぼ同様な主面５への傾きなどで形成する。これはフォトリソにおいて保護膜を剥離する一部の形状を正三角形にすればよい。ウエットエッチングのエッチング用液にはフッ化水素酸やフッ化アンモニウムを含んだ水溶液を使用し、ウエハーをこのエッチング用液中へ浸けて加工した。凹形状と同時に水晶片１の輪郭も形成される。
【００２８】
薄板部２の周囲は板厚の厚い枠部３となり、加速がかかっても割れ難く、また他の材料で薄板部２を直接支持するより温度特性がよくなる。また支持位置から距離をとり支持の影響を軽減し有利にする。ウエットエッチングにより、ウエハーの縁に接続しているが水晶片１の輪郭をほぼ形成し、ドライエッチングにより精密に板厚５０４を調整し凹形状を形成した後、電極４、６を形成する。電極６を形成する場合、電極形成用マスクを水晶主面に近接させられるために、凹形状の底にある主面５より精度良く形成可能なため、平坦側に凹側より小さい面積の電極６を形成することで特性の安定した水晶振動素子を作成する。特に、効率良く水晶片１に発生する電荷を拾うため複雑な形状にしたり副振動を回避したり、もしくは部分的に慣性力に影響されやすい重しを形成したりするため、電極形成時における加工精度も重要でありフォトリソを利用してもよい。
【００２９】
電極形成後、ＩＣチップ６０１を実装済みの保持器３０１に水晶振動素子を支持し、周波数を調整し、リッドで蓋をして封止する。まず、水晶振動素子の支持につて説明する。ウエハーの縁より接続部から水晶片１を切断し保持器３０１へ固定する。図９は、水晶片１を割らないよう保持器３０１の端を切断して見た図である。３０１は保持器であり、水晶振動素子を外気から遮断しつつ感知した周波数変動情報を取り出す薄型の表面実装型の保持器３０１である。水晶振動素子は電極４を保持器３０１に向けて支持材設置する。保持器３０１は外部電源用の端子６０４とセンサー信号を出力するための端子６０５を備え、別にアース用の端子や外部制御用の端子などを備えていてもよい。材質は、セラミックのＳＭＤ保持器であり１番下の凹構造内にＩＣチップ６０１と、上の段の凹構造内に水晶振動素子を収める３層積層型である。保持器３０１には端子６０４、６０５や水晶振動素子の引き出し電極２０１、２０２とＩＣチップ６０１の各種回路端子とをそれぞれ導通とるために金属膜が形成し配線してあり、それぞれバンプやワイヤボンディリングのワイヤ６０３などにより導通がとられている。金属膜周波数精度の向上と、加工精度の向上のため、マスクから距離を生じる電極４を加工するのではなく、電極４を保持器３０１に向けて水晶振動素子を実装し、真空中でＡｒイオンをあてるなどイオンガンを使用して電極６を削り周波数調整を行う。
【００３０】
図１０はＩＣチップ６０１の図である。水晶振動素子の発振回路と外力により変化した共振周波数と通常の共振周波数との差を計算する回路を含み、シリコン基板表面の回路配置領域７０１にそれら回路を配している。また回路配置領域７０１には電極６と導通をとる水晶接続部７０２と、電極４と導通をとる水晶接続部７０３と、周波数調整時に水晶振動素子の共振周波数情報を取り出す外部制御部７０５と、外部から回路を駆動するための電源を供給する、電源入力部７０５や、センサー信号を出力する出力部７０６や、外部のアースと接続するアース接続部７０７などがあり、本例ではそれぞれが保持器２上に配されている保持器３０１の金属膜に金属ワイヤ６０３で導通とり、回路配置領域７０１を保持器３０１側に向けバンプなどで導通をとり、保持器３０１への固定をかねてもよい。
【００３１】
保持器３０１の金属膜は部分的に積層され、はさまれる形で形成されていてもよくまた、独立して複数個存在してもよい。本例では、電極６と水晶接続部７０２を接続するために、保持器３０１の金属膜と金属ワイヤ６０３と引き出し電極２０２が存在する。水晶接続部７０３と電極４を接続するためにも同様な構造が別に存在する。電圧電源入力部７０５と端子６０４を接続するために保持器３０１の金属膜と導通構造が存在し、出力端子７０６と端子６０５を接続するために同様の別の構造が存在する。また、外部制御部７０４もしくはアース接続部７０７と、端子６０４、６０５とは別の保持器３０１の端子とを接続する金属膜が存在してもよい。それぞれの保持器３０１内に配してある金属膜は、水晶振動素子とＩＣチップ６０１の接続前は導通していないでそれぞれ電気的に独立している。保持器３０１はＩＣチップ６０１と水晶振動素子を収め、固定した後に周波数調整する。
【００３２】
周波数調整は、イオンビームであるイオンなどを加工用マスクにより通過する面積を制限し、電極６を集中的に削る。ただし、電極６をムラなく均一に削るために、電極６の面積より広めのイオンビーム通過穴を加工用マスクに開ける。端子６０４に電源を、端子６０５にスペクトルアナライザのプローブを押し付けて測定しながら加工する。最後に窒素中で封止する。
【００３３】
（実施例３）水晶発振器を示す。図１と図２を中心に、図９、図１０により実施例３の説明をする。図１は、本例の水晶振動素子の構成図である。主面５の一部の板厚５０４を主にウエットエッチングにより薄く加工した薄板の両面にそれぞれ電極４、６を配した薄板部２と、前記一部を除く板厚の厚い枠部３とからなる水晶片１を有する。さらに、薄板部２が主面５に垂直な方向より見てほぼ正三角形である。薄板部２をほぼ正三角形にすることで、断面で見てほぼ対称な凹形状でエッチングされ、予期した凹形状を再現性よく大量に加工することを実現する。図２は図１の破線２０３の位置で切断した断面図である。薄板部２と枠部３により形成される凹形状は、主面５と凹み側面１０２、主面５と凹み側面１０３がほぼ対称である。
【００３４】
図９は、図１で説明した水晶片１を有する圧電デバイスの構成図である。圧電デバイスは水晶発振器であり、３Ｖの入力電圧で１５０ＭＨｚの周波数で信号を出力する。圧電デバイスは、ＶＣＸＯや、温度補償型水晶発振器や、加速度や微重量変化を感知するセンサーなどでもよい。図１０は保持器３０１に同封される発振回路からなるＩＣチップ６０１の入出力端子の例を示した図である。
【００３５】
圧電デバイスの作成は次のように行った。まず、水晶片１を作成する。水晶の結晶をバンドソーでＡＴカットに切断し、ｘ方向３ｍｍ、ｚ’方向３ｍｍで輪郭寸法にワイヤソーを用いて水晶の小片に加工し、さらに研削や両面研磨により板厚９０μｍ程度に加工した。最終的に主面５、７を鏡面に仕上げた。この水晶の小片の主面５の全面に保護膜８を形成し、フォトリソ技術で三角形に保護膜８の一部を取り除く。本例ではｘ軸に平行に一辺をとりほぼ正三角形にした。この小片をフッ化水素酸と界面活性剤と水とからなるエッチング用液に浸ける。主面５のうち前記一部と主面７の全面が溶解し加工され凹形状が形成され、板厚５０４が１０μｍの薄板部２と板厚５０μｍの枠部３の水晶片１となる。水晶片１の両面に電極４、６と引き出し電極２０１、２０２をＮｉ−ＣｒとＡｌを２層構造で形成し水晶振動素子にした。さらに、水晶振動素子を実装する前に水晶振動素子と保持器３０１の間にＩＣチップ６０１を保持器６０１に実装した。水晶振動素子は電極４を保持器３０１に向けて実装した後、保持器３０１の端子６０４、６０５を利用して測定したもしくは測定している主振動の共振周波数を所望の周波数１５０ＭＨｚに±２ｐｐｍに近づけるべく電極６を加工して周波数調整する。
【００３６】
水晶振動素子とは、結晶軸に対してある決められた幾何学的形状・寸法および角度に切断した水晶片に電極を配して電荷をかけ振動を得る素子である。水晶振動素子を保持器に封入して圧電デバイスとして使用する。主に水晶振動子や水晶発振器や水晶を利用したセンサーや光学素子などである。水晶においては主にＡＴカット、Ｚカット、またはＳＣカットなどの水晶片である。凹形状とは主面の一部の板厚を薄くした形状である。凹形状の薄い板の部分を薄板部といい、その周囲を枠部という。主面に垂直な方向より見た薄板部の形状は三角形であるが、水晶片の輪郭は、４角形、３角形、円形など各種ある。薄板部の三角形の形状は例えば一辺をｘ軸に平行にし、ほぼ正三角形にするなどがあげられる。薄板部の両側の主面に配する電極はＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒ、またはＮｉやそれらの合金で形成され、層状になっていてもよく、保持器に支持後、電極を加工して周波数を精密に調整する。凹形状の加工は、主に大量に同時に水晶を加工でき生産性に優れたウエットエッチングにより加工する。ウエットエッチングに利用するエッチング用液は水晶が溶ければよいが、主にフッ加水素酸、フッ化アンモニウムからなる水溶液で必要に応じて界面活性剤や添加剤を含有させる。凹形状は水晶片の輪郭を形成した後に加工しても、同時に加工しても前に加工してもよい。前に加工とはウエハーなどの状態で凹形状を加工し、後に個々の水晶片に分離する。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、薄板部を主面より見てほぼ正三角形になるように加工することで、ウエットエッチングのプロセスで再現性よく凹形状を加工する。ウエットエッチングを利用することで大量に水晶を処理でき生産性が上がるほか、薄板部を三角形に加工することで加工寸法の再現性がよくなり、歩留まりが向上し特性が安定する。特に凹み側面は一様に形成されるため、加速度などのセンサーでは、薄板部の変形が安定して生じるためセンサー特性が再現性よい値を得る。また、小型化の際に予期した寸法に凹み側面が形成されるため電極が凹み側面に乗り上げて特性を不安定にすることを防止する。また、枠部と薄板部と凹み側面の寸法が予期した形状で、再現性よく得られるため、副振動や温度特性の安定も安定し、さらにこれらを避けるよう寸法を設計した場合に、製造上のバラツキなどを抑え、歩留まりを良くする。また、薄板部を三角形にして、薄板部の面積を広くすることで、目的の電気的特性やセンサーの感度を得る場合に、四角形よりも重力などで変形しにくい。また、薄板部は四角形などに比べて三角形であると、ウエットエッチング時や洗浄時に、一つの頂点を下または上にすることで、液流れや液切れや泡取りが改善され薄板部の主面をより平坦に加工しやすい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電デバイスに利用する水晶振動素子の構成図である。
【図２】図１の断面図である。
【図３】本発明の圧電デバイスの構成図である。
【図４】図３の正面図である。
【図５】本発明の圧電デバイスの製造方法の概要である。
【図６】本発明の圧電デバイスに利用する水晶片の輪郭形状の例である。
【図７】従来の圧電振動素子の例である。
【図８】図７の断面図である。
【図９】本発明の圧電デバイスの構成図である。
【図１０】本発明の圧電デバイスに実装するＩＣチップの構成図である。
【符号の説明】
１ 水晶片
２ 薄板部
３ 枠部
４ 電極
５ 主面
６ 電極
７ 主面
１０１ 凹み側面
１０２ 凹み側面
１０３ 凹み側面
２０１ 引き出し電極
２０２ 引き出し電極
３０１ 保持器
３０２ リッド
３０３ 封止材
３０４ 端子
３０５ 端子
３０６ 導通構造
３０７ パット
３０８ 支持材
３０９ 導通構造
３１０ パット
３１１ 支持材
５０１ ウエハー
５０２ 保護膜剥離部分
５０３ 溶解部分
５０４ 板厚
５０５ 輪郭寸法
５０６ 加工用マスク
５０７ アルゴンイオン
６０１ ＩＣチップ

Claims (5)

1. 主面の一部の板厚を薄く加工した薄板部と前記一部を除く板厚の厚い枠部からなる水晶片と、前記薄板部の両面にそれぞれ設けられた電極を有する圧電デバイスにおいて、前記薄板部が前記主面に垂直な方向より見てほぼ正三角形で、一辺が水晶片のｘ軸に平行であることを特徴とする圧電デバイス。
2. 前記水晶片は、ＡＴカットの水晶片であり、主振動に厚みすべり振動を利用することを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
3. 前記枠部は、主面に垂直な方向より見てほぼ四角形または前記薄板部とほぼ相似であることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
4. 主面の一部の板厚を薄く加工した薄板部と前記一部を除く板厚の厚い枠部からなる水晶片と、前記薄板部の両面にそれぞれ設けられた電極を有する圧電デバイスの製造方法において、
   水晶片の輪郭を形成する水晶片輪郭形成工程と、少なくとも前記一部を除き保護膜を形成する保護膜形成工程と、水晶を溶解するエッチング用液に浸けて前記一部を溶解して板厚を薄くし、前記主面に垂直な方向より見てほぼ正三角形で、一辺が水晶片のｘ軸に平行な前記薄板部に加工するエッチング工程とからなることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
5. 前記エッチング工程は、一方の主面と他方の主面を同時に溶解し前記薄板部の板厚を薄く加工することを特徴とする請求項４に記載の圧電デバイスの製造方法。

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