JP5089355B2 - 圧電振動子、圧電振動子の製造方法及び電子部品 - Google Patents

Description

本発明は、例えば水晶等からなる音叉型の圧電振動子、その製造方法及びこの圧電振動子を備えた電子部品に関する。

音叉型の水晶振動子は、小型、安価で低消費電力であることから、従来から腕時計の歩度を刻む信号源として採用され、更にその用途が広がろうとしている。この水晶振動子としては、電力損失を抑えるために、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値をより小さくすることが要求され、このため水晶振動子に溝部を形成して振動効率を高めたものが用いられている。

この水晶振動子は図９に示すように基部１に一対の振動腕部２ａ及び２ｂが設けられ、各振動腕部２ａ，２ｂにおける両主面には溝部３１，３２が夫々設けられている。これらの溝部３１，３２及び各振動腕部２ａ，２ｂには、屈曲振動に基づいた音叉振動を励起するための図示しない励振電極が形成されている。また振動腕部２ａ，２ｂにおける先端部には、その重量を調整することにより発振周波数を調整するための周波数調整用金属膜５０ａ，５０ｂが表裏両面に形成されている。

前記周波数調整用金属膜５０ａ，５０ｂは、図１０に示すように振動腕部２ａ，２ｂの表面にクロム（Ｃｒ）膜１０と金（Ａｕ）膜１１とクロム膜１３とがこの順に積層され、さらにこの上に調整用錘となるＡｕ膜１２が積層されることで構成される。なお、図１０は図９のＡ−Ａ線に沿った断面部分の概略断面図である。このようにして構成された周波数調整用金属膜５０ａ，５０ｂは、音叉型水晶振動子の発振周波数を例えば３２．７６８ｋＨｚに調整するため用いられる。発振周波数の調整について具体的に述べると、先ず、１枚の水晶ウエハに形成された複数個の水晶振動子の中から一つの水晶振動子に発振回路を接続し、調整前の周波数を測定する。次に周波数調整用金属膜５０ａ，５０ｂにレーザーを照射し、調整用錘のＡｕ膜を飛散させて粗調整を行い、周波数を３２ｋＨｚ近傍まで近づける。このときレーザーの照射パルス数をカウントしておく。続いて周波数調整用金属膜５０ａ，５０ｂにアルゴン（Ａｒ）を放電させてイオン化したアルゴン粒子をぶつけて、Ａｕ膜を飛散させて目標周波数まで微調整を行う。この微調整は水晶振動子の発振周波数をモニタリングしながらアルゴンイオンでＡｕ膜を飛散（スパッタ）させ、Ａｕ膜の膜厚を調整することで行われる。このときＡｒプラズマの照射量をカウントしておく。

次に前記水晶振動子から得られたレーザーの照射パルス数とＡｒプラズマの照射量とに基づいて１枚の水晶ウエハに形成されている複数個の水晶振動子に対して、レーザー及びＡｒプラズマにより周波数調整用金属膜５０ａ，５０ｂを削り、発振周波数の合わせ込みが行われる。

しかし上述した発振周波数の調整において、次のような問題がある。各水晶振動子の周波数の粗調整では、レーザーと水晶ウエハステージとの位置精度やレーザーによる周波数調整膜用金属膜５０ａ，５０ｂの溶け具合にばらつきがある。そのため粗調整時間に差が生じ、これに伴って微調整時間にも差が生じてくる。微調整時間が長くなると、Ａｒプラズマの照射時間も長くなるため、水晶振動子の発熱量が多くなる。音叉型水晶振動子の発振周波数は熱の影響を受け易いので、即ち温度に敏感なので、このように発熱量が変わると高い発振周波数の調整精度を作ることが困難となる。

一方、特許文献１には音叉腕の表面部及び裏面部に微調整用電極部を縞状に形成し、例えば音叉腕の表面部の微調整用電極部に、レーザーを照射して周波数を微調整することが記載されているが、この技術では、より高い精度で発振周波数を調整することはできない。

特開２００３−１３３８８５（段落００４０、図１）

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、圧電振動子の発振周波数の調整が正確で、発振周波数の調整精度が向上する圧電振動子、その製造方法及びこの圧電振動子を有する電子部品を提供することを目的とする。

本発明は、基部から複数の振動腕部が伸びだして形成され、各振動腕部には溝部が形成されている圧電振動子において、
前記振動腕部の先端部には周波数調整用の金属膜が形成され、
周波数調整用の金属膜は、
複数のブロックに区画され、ブロック単位で金属膜を除去することで周波数の粗調整を行うためのブロックパターンが形成された粗調整用金属膜と、
複数のブロックに区画されない連続した膜であって、金属膜の厚さを調整することにより周波数の微調整を行うための微調整用金属膜と、を備えたことを特徴とする

前記粗調整用金属膜における互いに隣接するブロック同士の間隔は、例えばレーザーにより一つのブロックを除去するときに当該ブロックに隣接するブロックが除去されない寸法に設定されている。

また本発明の圧電振動子の製造方法は、圧電基板からエッチングにより複数の圧電振動片に対応する外形部分を形成し、基部から伸び出している複数の振動腕部の各々に溝部を形成する工程と、
振動腕部の先端部に周波数調整用の金属膜を形成する工程と、
この金属膜の表面にレジストマスクを形成して、金属膜をエッチングし、複数のブロックに区画されたブロックパターンを形成する工程と、
複数のブロックを除去し、発振周波数の粗調整を行う工程と、
ブロックパターンが形成されていない部位の金属膜を削って、その厚さを調整することにより発振周波数の微調整を行う工程と、を備えたことを特徴とする。

また本発明の電子部品は、上述した方法によって製造された圧電振動子と、前記圧電振動子を収納するための容器と、前記容器の外面に形成され、前記圧電振動子の電極に電気的に接続された外部電極と、を備えたことを特徴とする。

本発明は、振動腕部の先端部側から長さ方向に沿って周波数調整用金属膜を形成し、この周波数調整用金属膜に周波数調整量に応じた複数のブロックに区画されたブロックパターンを形成した構成としている。圧電振動子の周波数調整は振動腕部に形成された周波数調整用金属膜を削っていくことで行われるが、本発明では周波数調整量に応じたブロックを一つ一つ除去することで行われる。そのため発振周波数の調整を正確に行うことができることから、発振周波数の調整精度が向上する。

本発明の実施の形態について説明する。この実施の形態に係る圧電振動子である水晶振動子の構造に関しては、振動腕部２ａ，２ｂの先端部側から長さ方向に沿って周波数調整用金属膜５０ａ，５０ｂが表裏両面に形成され、この周波数調整用金属膜５０ａ，５０ｂには周波数調整量に応じた複数のブロックに区画されたブロックパターンが形成されている他は従来技術の項のところで図９を用いて説明した水晶振動子と同一であるため、同一である部分の説明を省略すると共に、同じ構成にある部分には同じ符号を付してある。

図１は本発明の実施の形態に係る水晶振動子の概略正面図であり、図２は水晶振動子の振動腕部２ａ（２ｂ）の先端部分についての拡大図である。図１及び図２に示すように、振動腕部２ａ，２ｂの先端部の表裏両面に形成された周波数調整用金属膜５０ａ，５０ｂは振動腕部２ａ，２ｂの先端部寄りに形成される粗調整用金属膜５１ａ，５１ｂと振動腕部２ａ，２ｂの基端部寄りに形成される微調整用金属膜５２ａ，５２ｂとからなり、前記粗調整用金属膜５１ａ，５１ｂに複数のブロックに区画されたブロックパターンが形成されている。つまり前記粗調整用金属膜５１ａ，５１ｂは複数のサイズのブロックに分けられており、後述するようにブロック毎にブロックを消去した際の概ねの周波数変化量が定められている。なお、この例では図２に示すように矩形状の大きさの異なるブロックが振動腕部２ａ，２ｂの先端部から基端部に向かって周波数調整量の大きいブロックから順番に配列されている。これらブロックは例えば１０μｍ×１０μｍ〜４０μｍ×４０μｍの面積からなる。このブロックの形状は矩形に限られず、例えば円形、台形、三角形等であってもよい。またブロックの配列は、これに限られず、振動腕部２ａ，２ｂの幅方向に周波数調整量の大きいブロックから順番に配列してもよいし、例えば周波数調整量の大きいブロックと周波数調整量の小さいブロックとを一つのグループにし、このグループを振動腕部２ａ，２ｂの先端部側から長さ方向に沿って配列してもよい。また、周波数調整用金属膜５０ａ，５０ｂに照射するレーザーの径よりも小さいブロックを縦横に配列する場合には、レーザーによって一つのブロックを除去する際に、そのブロックに隣接するブロックが除去されないようにブロック間の幅を取っている。即ち、レーザーの径に合わせてブロックパターンの幅を取るようにしている。

図１に説明を戻すと、この水晶振動子には、一対をなす一方の電極と他方の電極とが存在する。先ず振動腕部２ａに着目すると、振動腕部２ａの２つの溝部３１，３２の内面全体とこれら溝部３１，３２の間とに一方の励振電極４１が形成されている。即ち、溝部３１，３２の間に相当するいわば橋部に形成された励振電極４１により、振動腕部２ａの各溝部３１，３２内の励振電極４１同士が互に接続されている。そしてこの振動腕部２ａの両側面には図示しない他方の励振電極５１が形成されている。

また振動腕部２ｂに着目すると、振動腕部２ｂの２つの溝部３１，３２の内面全体と、これら溝部３１，３２の各々の間と、に他方の励振電極５１が形成されている。そしてこの振動腕部２ｂの両側面には図示しない一方の励振電極４１が形成されている。また振動腕部２ａ，２ｂに設けられた電極の配置は、励振電極４１，５１が互に逆の関係であることを除くと互に同一である。そしてこれら一方の励振電極４１同士が電気的に接続されるように基部１の表面に引き出し電極４２が形成されると共に、他方の励振電極５１同士が接続されるように基部１の表面に引き出し電極５２が形成される。なお、図１及び図２において励振電極４１，５１、引き出し電極４２，５２及び周波数調整用金属膜５０ａ，５０ｂは図面を見え易くするために斜線と黒の点在領域とを使い分けて表している。従って、図１及び図２の斜線は水晶片の断面を示すものではない。

次に、図１及び図２に示す水晶振動子の製造方法について図３を参照しながら説明する。なお、水晶のＸ軸に沿って切り出された水晶ウエハから当該水晶ウエハを、溝部を備えた音叉形状に成形する工程は、フォトリソグラフィとエッチングとを組み合わせた周知の手法で行われるため、説明を省略し、振動腕部２ａ，２ｂの先端部に周波数調整用金属膜を形成する工程から説明するものとする。また図３は図２に示す振動腕部２ａ，２ｂの側断面部分についての製造工程を示す図である。先ず、振動腕部２ａ，２ｂの先端部の表裏両面に水晶ウエハとの密着性がよい下地膜である金属膜例えばＣｒ膜６を例えば５０Å〜５００Åの厚みでスパッタ法によって形成する（図３（ａ））。続いて、この金属膜６の上に前記金属膜６との密着性がよい金属膜例えばＡｕ膜６１を例えば１０００Å〜１００００Åの厚みでスパッタ法によって形成する（図３（ｂ））。より詳しくはリソグラフィにより振動腕部２ａ，２ｂの先端部に金属膜６,６１を形成する。次に水晶ウエハの全面、即ち両主面及び側面に水晶ウエハとの密着性がよい下地膜である金属膜例えばＣｒ膜６２を例えば５０Å〜５００Åの厚みでスパッタ法によって形成する（図３（ｃ））。次いで水晶ウエハの全面、即ち両主面及び側面に前記金属膜６２との密着性がよい金属膜例えばＡｕ膜６３を例えば５００Å〜２０００Åの厚みでスパッタ法によって形成する（図３（ｄ））。しかる後、水晶ウエハの全面にフォトレジストを例えばスプレー法で塗布し、レジスト膜６４を形成する（図３（ｅ））。そしてフォトリソグラフィにより電極パターンとなるレジスト膜６４以外のレジスト膜６４を除去する（側面側ではこの様子は表現されていない）と共に、ブロックパターンとなるレジスト膜６４以外のレジスト膜６４を除去する（図３（ｆ））。しかる後、レジスト膜６４が除去された箇所のＡｕ膜６３及びＣｒ膜６２をエッチングして電極パターンとブロックパターンとを形成する（図４（ｇ））。次に、振動腕部２ａ，２ｂの先端部に形成されているＡｕ膜６３及びＣｒ膜６２が除去された箇所のＡｕ膜６１及びＣｒ膜６をエッチングしてブロックパターンを形成する（図４（ｈ））。その後、水晶ウエハに残っているレジスト膜６４を全て除去する（図４（ｉ））。

図４（ｉ）に示すように、Ｃｒ膜６２とＡｕ膜６３とがこの順に積層されている領域８０が電極用の金属膜（励振電極４１，５１及び引き出し電極４２，５２）であり、Ｃｒ膜６とＡｕ膜６１とＣｒ膜６２とＡｕ膜６３とがこの順に積層されている領域８１が周波数調整用の金属膜５０ａ，５０ｂである。また周波数調整用の金属膜５０ａ，５０ｂにおいて、金属膜６，６１，６２，６３に対してブロックパターンが形成されている領域が粗調整用金属膜５１ａ，５１ｂであり、金属膜６，６１，６２，６３に対してブロックパターンが形成されていない領域が微調整用金属膜５２ａ，５２ｂである。このようにして構成された粗調整用金属膜５１ａ，５１ｂと微調整用金属膜５２ａ，５２ｂとは、音叉型水晶振動子の発振周波数を例えば３２．７６８ｋＨｚに調整するために用いられる。

次に、振動腕部２ａ，２ｂにおける先端部において、当該先端部に形成されている周波数調整用金属膜５０ａ，５０ｂの表面をレーザー等で削ることで発振周波数の調整が行われる。この周波数の調整について具体的に述べると、先ず、１枚の水晶ウエハに形成された複数個の水晶振動子の中から一つの水晶振動子に発振回路を接続し、調整前の周波数を測定する。次にターゲット周波数に合わせるために必要な分のブロックにレーザーを照射する。つまり振動腕部２ａ，２ｂの一方に面に形成された一つのブロックにレーザーを照射すると、一方の面に形成されたブロックが除去され、その後このレーザーは水晶ウエハを透過して振動腕部２ａ，２ｂの他方の面に形成された同じ大きさのブロックにレーザーが照射される。この例では、粗調整用金属膜５１ａ，５１ｂに形成されたブロックパターンをレーザーで照射し、除去することにより５００ｐｐｍ〜１０ｐｐｍのオーダーで周波数の調整が可能となる。こうして振動腕部２ａ，２ｂの表裏両面に形成されている同じブロックを除去させて粗調整を行い、周波数を３２ｋＨｚ近傍まで近づける（図５参照）。このとき消去したブロックをカウントしておく。しかる後、水晶ウエハから水晶振動子を一つ切り出し、この水晶振動子の振動腕部２ａ，２ｂの一方の面に形成されている微調整用金属膜５２ａ，５２ｂにアルゴン（Ａｒ）を放電させてイオン化したアルゴン粒子をぶつけて、Ａｕ膜６３を徐々に飛散させて目標周波数まで微調整を行う。この微調整は、図６に示すように、水晶振動子を複数保持可能な例えばＳＵＳ等の金属からなるトレイ９０と、前記トレイ９０を規定方向にスライド可能な駆動手段９１と、前記トレイ９０に保持された水晶振動子の振動腕部２ａ,２ｂに荷電粒子のビーム（アルゴンイオンビーム）を照射するイオンガン９２とを主な構成とする装置を使用する。

前記トレイ９０には、後述する図８に示すように水晶振動子を格納したケース体７ａを嵌合可能な凹部９３が設けられており、当該凹部９３の底部には図７に示すように水晶振動子の微調整用金属膜５２ａ，５２ｂが形成されている位置に開口部９４が設けられている。前記ケース体７ａは、上記のように構成されたトレイ９０の凹部９３へケース体７ａの開口部が凹部９３底面側を向くように嵌合される。これにより前記凹部９３底部の開口部９４から水晶振動子の微調整用金属膜５２ａ，５２ｂが外部から見通すことができるようになる。そして前記トレイ９０の下方側に設けられたイオンガン９２からのアルゴンイオンビームがトレイ９０の開口部９４を介して水晶振動子の微調整用金属膜５２ａ，５２ｂに照射される。つまり、前記トレイ９０はマスクとしての機能を有する。

このような構成の装置において、微調整を行う場合には、先ず水晶ウエハから粗調整を行った水晶振動子を一つ切り出し、この水晶振動子をケース体７ａの底部に導電性接着剤７ｄによって接着する。次にこのケース体７ａをトレイ９０の凹部９３に配置する。続いて前記イオンガン９２からアルゴンイオンビームが照射される。アルゴンイオンビームの照射範囲は前記トレイ９０によって制限されているため水晶振動子の微調整用金属膜５２ａ，５２ｂのみが除去されることになる。またケース体７ａの外部底面に設けられた電極７２,７３には電極パット９５が接続されておりこの電極パット９５を介して周波数測定器９６によって水晶振動子の発振周波数をモニタリングしながらアルゴンイオンでＡｕ膜６３を飛散（スパッタ）させＡｕ膜６３の膜厚を調整する。このときＡｒプラズマの照射量をカウントしておく。

次に前記水晶振動子から得られた消去したブロック数とＡｒプラズマの照射量とに基づいて１枚の水晶ウエハに形成されている複数個の水晶振動子に対して、発振周波数の合わせ込みが行われる。つまり各水晶振動子の粗調整用金属膜５１ａ，５１ｂでは同じブロックが消去されると共に、各水晶振動子の微調整用金属膜５２ａ，５２ｂではＡｒプラズマが同じ量だけ照射される。具体的に説明すると、先ず、１枚の水晶ウエハに形成されている複数個の水晶振動子に対して、夫々粗調整を行う。次に１枚の水晶ウエハから水晶振動子を全て切り出し、これら水晶振動子をケース体７ａに夫々格納する。次いでこれらケース体７ａをトレイ９０の凹部９３に夫々配置し、前記駆動手段９１によってトレイ９０を図６中において右側から左側へと順番に移動させて、トレイ９０の各開口部９４をイオンガン９２の照射位置に順番に合わせることで、各水晶振動子に対して微調整が行われる。

上述した実施の形態によれば、水晶振動子の発振周波数の調整は、概ねの周波数変化量が分かっているブロックを一つ一つ除去することで行われるため発振周波数の調整を正確に行うことができ、発振周波数の調整精度が向上する。またターゲット周波数に合わせるために必要な分のブロックをレーザー照射で消去することによって、様々なばらつきの影響を受けない粗調整が可能になる。また消去されているブロックを確認すれば、容易に周波数の粗調整量を計算することができる。さらに周波数の粗調整後の周波数が安定するため、各水晶振動子において微調整での周波数調整量の差が縮まり、熱の影響が均一化され、最終的な周波数のばらつきが軽減する。

また周波数の調整は、次のような方法で行ってもよい。先ず、１枚の水晶ウエハに形成された複数個の水晶振動子の中から一つ水晶振動子を切り出し、この水晶振動子を発振回路に組み込み、粗調整用金属膜５１ａ，５１ｂと微調整用金属膜５２ａ，５２ｂとを配置した状態で、周波数を測定する。そして、この測定された周波数と目標周波数である３２．７６８ｋＨｚとの差を算出する。次に、この測定された周波数と目標周波数との差に基づき、粗調整用金属膜５１ａ，５１ｂにおいて、このターゲット周波数に合わせるために必要な分のブロックにレーザーを照射する。そして振動腕部２ａ，２ｂの表裏両面に形成されている同じブロックを除去させて粗調整を行い、周波数を３２ｋＨｚ近傍まで近づける。しかる後、既述のようにして振動腕部２ａ，２ｂの一方の面に形成されている微調整用金属膜５２ａ，５２ｂにアルゴン（Ａｒ）を放電させてイオン化したアルゴン粒子をぶつけて、Ａｕ膜６３を飛散させて目標周波数まで微調整を行う。このような周波数調整は、切り出された水晶振動子に対して順番に行われる。
なお、上述の実施の形態では、振動腕部２ａ，２ｂの表裏両面に周波数調整用金属膜５０ａ，５０ｂを形成しているが、振動腕部２ａ，２ｂの表面のみ周波数調整用金属膜５０ａ，５０ｂを形成するようにしてもよい。また微調整工程はレーザーで行ってもよい。

また、上述したように発振周波数の調整を終えた水晶振動子は、例えば図８に示すように、ＳＭＤ（Surface Mounted Device）構造のセラミックスからなるパッケージ７に格納される。このパッケージ７は、上面が開口している例えばセラミック製のケース体７ａと、例えば金属製の蓋体７ｂとから構成される。前記ケース体７ａと蓋体７ｂとは、例えば溶接材からなるシール材７ｃを介してシーム溶接され、その内部は真空状態となっている。上述した音叉型の水晶振動子７０は、このパッケージ７内の台座７１部分に基部１の引き出し電極４２，５２が導電性接着剤７ｄによって固定され、振動腕部２，２ｂがパッケージ７内部の空間に伸び出した横向きの姿勢で台座７１に固定される。また前記台座７１の表面には、導電路７２，７３（７３は紙面奥側の導電路である）が配線されており、基部１の引き出し電極４２，５２が導電性接着剤７ｄを介して前記導電路７２，７３に接続される。また前記導電路７２，７３は、ケース体７ａの外部底面の長手方向に対向するように設けられた電極７４，７５に夫々接続されており、この結果、電極７４，７５、導電路７２，７３及び導電性接着剤７ｄを通って基部１の引き出し電極４２，５２に電圧が印加されることで、前記水晶振動子７０が振動するようになっている。こうして電子部品が構成され、この電子部品は、発振回路の回路部品が搭載されている図示しない配線基板に搭載される。

本発明の実施の形態に係る音叉型水晶振動子の一例を示す概略平面図である。 前記音叉型水晶振動子の振動腕部の先端部分を示す拡大図である。 前記振動腕部の先端部分の製造方法を示す概略断面図である。 前記振動腕部の先端部分の製造方法を示す概略断面図である。 ターゲット周波数に合わせるために必要な分のブロックにレーザーを照射し、当該ブロックを除去する様子を示す説明図である。 微調整を行う装置の概略図である。 アルゴンイオンビームの照射範囲を制限するトレイを示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る音叉型水晶振動子を格納した電子部品の一例を示す概略縦断面図及び裏面図である。 音叉型水晶振動子の一例を示す概略平面図である。 図９のＡ−Ａ線に沿った断面部分を示す概略断面図である。

符号の説明

１ 基部
２ａ，２ｂ 振動腕部
７ パッケージ
３１，３２ 溝部
４１，５１ 励振電極
４２，５２ 引き出し電極
５０ａ，５０ｂ 周波数調整用金属膜
５１ａ，５１ｂ 粗調整用金属膜
５２ａ，５２ｂ 微調整用金属膜

Claims (4)

1. 基部から複数の振動腕部が伸びだして形成され、各振動腕部には溝部が形成されている圧電振動子において、
   前記振動腕部の先端部には周波数調整用の金属膜が形成され、
   周波数調整用の金属膜は、
   複数のブロックに区画され、ブロック単位で金属膜を除去することで周波数の粗調整を行うためのブロックパターンが形成された粗調整用金属膜と、
   複数のブロックに区画されない連続した膜であって、金属膜の厚さを調整することにより周波数の微調整を行うための微調整用金属膜と、を備えたことを特徴とする圧電振動子。
2. 前記粗調整用金属膜における互いに隣接するブロック同士の間隔は、レーザーにより一つのブロックを除去するときに当該ブロックに隣接するブロックが除去されない寸法に設定されていることを特徴とする請求項１記載の圧電振動子。
3. 圧電基板からエッチングにより複数の圧電振動片に対応する外形部分を形成し、基部から伸び出している複数の振動腕部の各々に溝部を形成する工程と、
   振動腕部の先端部に周波数調整用の金属膜を形成する工程と、
   この金属膜の表面にレジストマスクを形成して、金属膜をエッチングし、複数のブロックに区画されたブロックパターンを形成する工程と、
   複数のブロックを除去し、発振周波数の粗調整を行う工程と、
   ブロックパターンが形成されていない部位の金属膜を削って、その厚さを調整することにより発振周波数の微調整を行う工程と、を備えたことを特徴とする圧電振動子の製造方法。
4. 請求項１または２に記載された圧電振動子と、前記圧電振動子を収納するための容器と、前記容器の外面に形成され、前記圧電振動子の電極に電気的に接続された外部電極と、を備えたことを特徴とする電子部品。

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