JP5128670B2 - 圧電振動子、発振器、電子機器及び電波時計、並びに圧電振動子の製造方法 - Google Patents
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Description
等価抵抗値を抑えるための一般的な方法の一つとして、キャビティ内を真空に近づける方法が知られている。そして、キャビティ内を真空に近づける方法としては、キャビティ内に金属膜であるゲッター材を収容し、外部よりレーザ等を照射してゲッター材を加熱し、活性化させる方法(ゲッタリング)が知られている(例えば、特許文献1参照)。
この方法によれば、活性化状態になったゲッター材が、主に酸素からなるキャビティ内のガスを化学反応により吸収するので、キャビティ内を真空に近づけることができる。なお、このゲッター材は、圧電振動片の表面若しくはキャビティを形成する基板の内壁に配置されている。
即ち、まずゲッター材が圧電振動片の表面に配置されている場合には、ゲッター材をレーザで加熱するときに圧電振動片も併せて加熱してしまうため、圧電振動片が加熱による負荷を受けてしまう。
また、ゲッター材が基板の内壁に配置されている場合には、ゲッター材をレーザで加熱したときに蒸発して飛散するゲッター材の一部が、圧電振動片の外表面に付着する可能性が高かった。つまり、圧電振動片の外表面にゲッター材があたかも蒸着してしまう可能性があった。特にレーザを照射する位置に近いほど蒸発したゲッター材が付着し易かった。そして、ゲッター材が付着してしまうと、圧電振動片の外表面に形成されている一対の励振電極間が導通してショートしてしまう恐れがあった。
(1)本発明に係る圧電振動子の製造方法は、互いに接合されたベース基板とリッド基板との間に形成されたキャビティ内に、平行に延在した一対の振動腕部と、この一対の振動腕部を振動させる一対の励振電極と、この一対の励振電極に電気的に接続されたマウント電極と、を有する圧電振動片が収容された圧電振動子を製造する方法であって、前記圧電振動片を作製した後、前記励振電極を覆うように絶縁膜を成膜する絶縁膜成膜工程と加熱されることで前記キャビティ内の真空度を向上させる金属材料からなるゲッター材を、前記キャビティ内に配置されるように前記ベース基板又は前記リッド基板のいずれか一方の基板に形成するゲッター材形成工程と前記マウント電極を介して前記圧電振動片を前記ベース基板上にマウントした後、前記圧電振動片及び前記ゲッター材を前記キャビティ内に収容するように前記ベース基板と前記リッド基板とを互いに接合する接合工程とを備える。
また、絶縁膜成膜工程と同時又は前後のタイミングで、ベース基板又はリッド基板のいずれか一方の基板にゲッター材を形成するゲッター材形成工程を行う。この際、後に形成されるキャビティ内に配置されるようにゲッター材を形成する。
しかも、励振電極は絶縁膜によって保護されているので、ゲッタリングの際、仮にゲッター材が蒸発により励振電極方向に飛散したとしても、絶縁膜に付着させることができる。つまり、従来のように励振電極にゲッター材が付着してしまうことを抑制することができる。そのため、一対の励振電極間がショートしてしまうことを抑制しながらゲッタリングを行うことができる。
この場合、これら圧電振動片の上面側及び下面側が絶縁膜によって覆われているので、ゲッタリングの際、蒸発によって飛散したゲッター材を確実に絶縁膜に付着させることができる。これにより、励振電極にゲッター材が付着してしまうことを一層抑制することが可能となり、一対の励振電極間がショートしてしまうことをより確実に抑制しながらゲッタリングを行うことができる。
また、絶縁膜が圧電振動片の上下両面側に成膜されているので、絶縁膜により生じる膜応力の上下面間での差を小さく抑えることができる。このため、特にこの絶縁膜が振動腕部に成膜されている場合には、圧電振動片の振動時の周波数を安定したものとすることができる。
また、マウント電極では、硬度が高いクロムを下地層として用いているので、マウント電極を強固なものとすることができる。しかも、仕上層として金を用いているので、マウント電極の導電性及びマウントする際のマウント性を安定に確保することができる。これらから、圧電振動子の高品質化を図ることができる。
また、励振電極では仕上層が除去されていて、下地層上にクロムと密着性が高い二酸化珪素で絶縁膜が成膜されているため、励振電極と絶縁膜とを強固に密着させることができる。そのため、絶縁膜が剥離することを抑制することができる。
(12)また、本発明に係る電子機器は、上記(6)〜(10)の何れか1項に記載の圧電振動子が、計時部に電気的に接続されている。
(13)また、本発明に係る電波時計は、上記(6)〜(10)の何れか1項に記載の圧電振動子が、フィルタ部に電気的に接続されている。
また、本発明に係る圧電振動子の製造方法によれば、前述した圧電振動子を確実に製造することができる。
また、本発明に係る発振器、電子機器及び電波時計によれば、上述した圧電振動子を備えているので、同様に高品質化を図ることができる。
1 圧電振動子
2 ベース基板
3 リッド基板
4 圧電振動片
10、11 振動腕部
13、14 励振電極
15 一対の励振電極
16、17 マウント電極
19a 下地層
19b 仕上層
20 絶縁膜
40 ベース基板用ウエハ(ベース基板)
50 リッド基板用ウエハ(リッド基板)
100 発振器
101 発振器の集積回路
110 携帯情報機器(電子機器)
113 電子機器の計時部
130 電波時計
131 電波時計のフィルタ部
本実施形態の圧電振動子1は、図1から図4に示すように、ベース基板2とリッド基板3とで2層に積層された箱状に形成されており、内部のキャビティC内に圧電振動片4が収容された表面実装型の圧電振動子である。
なお、図4においては、図面を見易くするために後述する一対の励振電極15、マウント電極16、17、重り金属膜21及び絶縁膜20の図示を省略している。
この圧電振動片4は、平行に延在した一対の振動腕部10、11と、この一対の振動腕部10、11の基端側を一体的に固定する基部12と、一対の振動腕部10、11を振動させる第1の励振電極13と第2の励振電極14とからなる一対の励振電極15と、第1の励振電極13及び第2の励振電極14に電気的に接続されたマウント電極16、17とを有している。なお、図5及び図6に示す圧電振動片4は、一対の励振電極15の説明のため、後述する絶縁膜20を除去した状態で図示している。
また、本実施形態の圧電振動片4は、一対の振動腕部10、11のそれぞれの上下両面上に、この振動腕部10、11の長手方向に沿ってそれぞれ形成された溝部18を備えている。この溝部18は、振動腕部10、11の基端側から略中間付近まで形成されている。
また、一対の励振電極15及びマウント電極16、17は、図5、図6、図9及び図10に示すように、クロムの下地層19aで一体的に形成されている。更に、マウント電極16、17は、この下地層19a上に、金の仕上層19bが積層されている。
ベース基板2には、このベース基板2を上下方向に貫通する一対の貫通電極32、33が、それぞれの一端がキャビティC内に収まるように形成されている。
この貫通電極32、33は、ベース基板2との間に隙間なく形成されて、キャビティC内の気密を維持していると共に、後述する外部電極38、39と引き回し電極36、37とを導通させる。
また、各々のゲッター材34は、絶縁膜20に対して隣り合う位置で、振動腕部10、11に対して平行に延在するように形成されている。つまり、各々のゲッター材34は、圧電振動片4の長手方向において、絶縁膜20と同じ大きさに形成されていると共に、絶縁膜20と同じ位置に配置されている。
具体的には、まず水晶のランバート原石を所定の角度でスライスして一定の厚みのウエハとする。次に、このウエハをラッピングして粗加工した後、加工変質層をエッチングで取り除き、その後ポリッシュ等の鏡面研磨加工を行って、所定の厚みのウエハSとする(S10)。
この電極形成工程について詳しく説明すると、まず、図15に示すように、後に一対の励振電極15及びマウント電極16、17が形成される位置を含む圧電振動片4の外表面上に、下地層19aと仕上層19bとをそれぞれ一体的に成膜して積層する(S41)。この際、下地層19a及び仕上層19bを、例えば蒸着やスパッタリング等により成膜する。
次に、残ったフォトレジスト膜Rをマスクとして、下地層19a及び仕上層19bをエッチング加工する(S43)。これにより、図17に示すように、下地層19a及び仕上層19bが積層された一対の励振電極15及びマウント電極16、17が一体的に形成される。
以上で電極形成工程が終了する。
この絶縁膜成膜工程について詳しく説明すると、まず、一対の励振電極15における仕上層19bを除去する。具体的には、フォトレジスト膜(図示せず)を、スプレーコート等により成膜した後、フォトリソ技術でマウント電極16、17が被膜されるようにパターニングする(S51)。この際、一対の振動腕部10、11の側面に成膜されたフォトレジスト膜を除去するために各側面を露光する必要がある場合、例えば、各圧電振動片4に対して斜め上方(若しくは斜め下方)から露光する斜め露光を行って側面を露光してもよい。
次に、図19に示すように、二酸化珪素を用いて絶縁膜20を下地層19a上に、例えば熱CVD法等により成膜する(S53)。この際、絶縁膜20を、圧電振動片4の長手方向での一対の励振電極15の基端から先端に至るまでに位置する圧電振動片4の外表面において、圧電振動片4の上面側、下面側及び両側面側に亘って成膜する。
以上で絶縁膜成膜工程が終了する。これにより、一対の励振電極15を絶縁膜20によって保護することができ、一対の励振電極15の露出を防いで外部からの直接的な接触を抑えることができる。
次に、粗調工程として、各圧電振動片4に対して、共振周波数を粗く調整する(S70)。この際、重り金属膜21の粗調膜にレーザ光を照射して、一対の振動腕部10、11の先端にかかる重量を軽減させることで、周波数を粗く調整する。なお、共振周波数をより高精度に調整する微調に関しては、マウント後に行う。これについては、後に説明する。
以上で、圧電振動片作製工程が終了する。
この時点で第2のウエハ作製工程が終了する。
なお、ゲッタリングの適正回数の判断方法としては、例えば、圧電振動子1の種類ごとに直列振動抵抗値の閾値を予め設定しておき、この閾値を下回った際に適正と判断する方法としてもよい。また、ゲッタリング直前の直列振動抵抗値を記憶してからゲッタリングを行い、ゲッタリング直後の直列振動抵抗値との変化の割合を算出し、この変化の割合を予め設定した値と比較することで判断してもよい。
なお、切断工程(S150)を行って個々の圧電振動子1に小片化した後に、微調工程(S140)を行う工程順序でも構わない。但し、上述したように、微調工程(S140)を先に行うことで、ウエハ体60の状態で微調を行うことができるので、複数の圧電振動子1をより効率良く微調することができる。よって、スループットの向上化を図ることができるので好ましい。
しかも、一対の励振電極15は絶縁膜20によって保護されているので、ゲッタリング工程の際、仮にゲッター材34が蒸発により一対の励振電極15方向に飛散したとしても、絶縁膜20に付着させることができる。つまり、従来のように一対の励振電極15にゲッター材34が付着してしまうことを抑制することができる。そのため、一対の励振電極15間がショートしてしまうことを抑制しながらゲッタリングを行うことができる。
ここで、圧電振動片4の上面側及び下面側は絶縁膜20によって覆われているので、ゲッタリング工程の際、蒸発によって飛散したゲッター材34を確実に絶縁膜20に付着させることができる。これにより、一対の励振電極15にゲッター材34が付着してしまうことを一層抑制することが可能となり、一対の励振電極15間がショートしてしまうことをより確実に抑制しながらゲッタリングを行うことができる。
また、絶縁膜20を上下両面に成膜することで、第1の励振電極13と第2の励振電極14とを切り離す間隔の狭い隙間G1に、ゲッター材34が付着することを抑制できる。その結果、一対の励振電極15間でショートするのをより抑制することができる。
しかも、絶縁膜20が、圧電振動片4の上下両面側に成膜されていると共に、両側面側に亘って成膜されている。つまり、圧電振動片4の全周に亘って成膜されている。これにより、蒸発したゲッター材34が一対の励振電極15に付着するのを一層抑制することができる。
また、マウント電極16、17では、硬度が高いクロムを下地層19aとして用いているので、マウント電極16、17を強固なものとすることができる。しかも仕上層19bとして金を用いているので、マウント電極16、17の導電性及びマウントする際のマウント性を安定に確保することができる。これらから、圧電振動子1の高品質化を図ることができる。
本実施形態の発振器100は、図23に示すように、圧電振動子1を、集積回路101に電気的に接続された発振子として構成したものである。この発振器100は、コンデンサ等の電子部品102が実装された基板103を備えている。基板103には、発振器用の上記集積回路101が実装されており、この集積回路101の近傍に、圧電振動子1が実装されている。これら電子部品102、集積回路101及び圧電振動子1は、図示しない配線パターンによってそれぞれ電気的に接続されている。なお、各構成部品は、図示しない樹脂によりモールドされている。
また、集積回路101の構成を、例えば、RTC(リアルタイムクロック)モジュール等を要求に応じて選択的に設定することで、時計用単機能発振器等の他、当該機器や外部機器の動作日や時刻を制御したり、時刻やカレンダー等を提供したりする機能を付加することができる。
無線部117は、音声データ等の各種データを、アンテナ125を介して基地局と送受信のやりとりを行う。音声処理部118は、無線部117又は増幅部120から入力された音声信号を符号化及び複号化する。増幅部120は、音声処理部118又は音声入出力部121から入力された信号を、所定のレベルまで増幅する。音声入出力部121は、スピーカやマイクロフォン等からなり、着信音や受話音声を拡声したり、音声を集音したりする。
なお、呼制御メモリ部124は、通信の発着呼制御に係るプログラムを格納する。また、電話番号入力部122は、例えば、0から9の番号キー及びその他のキーを備えており、これら番号キー等を押下することにより、通話先の電話番号等が入力される。
なお、通信部114の機能に係る部分の電源を、選択的に遮断することができる電源遮断部126を備えることで、通信部114の機能をより確実に停止することができる。
本実施形態の電波時計130は、図25に示すように、フィルタ部131に電気的に接続された圧電振動子1を備えたものであり、時計情報を含む標準の電波を受信して、正確な時刻に自動修正して表示する機能を備えた時計である。
日本国内には、福島県(40kHz)と佐賀県(60kHz)とに、標準の電波を送信する送信所(送信局)があり、それぞれ標準電波を送信している。40kHz若しくは60kHzのような長波は、地表を伝播する性質と、電離層と地表とを反射しながら伝播する性質とを併せもつため、伝播範囲が広く、上述した2つの送信所で日本国内を全て網羅している。
アンテナ132は、40kHz若しくは60kHzの長波の標準電波を受信する。長波の標準電波は、タイムコードと呼ばれる時刻情報を、40kHz若しくは60kHzの搬送波にAM変調をかけたものである。受信された長波の標準電波は、アンプ133によって増幅され、複数の圧電振動子1を有するフィルタ部131によって濾波、同調される。
本実施形態における圧電振動子1は、上記搬送周波数と同一の40kHz及び60kHzの共振周波数を有する水晶振動子部138、139をそれぞれ備えている。
搬送波は、40kHz若しくは60kHzであるから、水晶振動子部138、139は、上述した音叉型の構造を持つ振動子が好適である。
例えば、上記実施形態では、圧電振動子1をベース基板2とリッド基板3とが直接接合された2層構造タイプの表面実装型の圧電振動子としたが、これに限られない。圧電振動片の周囲を囲む枠状部を有する圧電振動子板を利用し、この圧電振動子板をベース基板2の上面にマウントした後、ベース基板2とリッド基板3とを圧電振動子板を介して接合して、圧電振動片をキャビティC内に封止することで3層構造タイプの圧電振動子としても構わない。
また、上記実施形態では、絶縁膜20を、圧電振動片4の上面側及び下面側にそれぞれ成膜するものとしたが、どちらか一方側にのみ成膜してもよいし、いずれにも成膜しなくても構わない。なお、どちらか一方側にのみ成膜する場合には、ゲッター材34が配置されている基板に対向する面側に成膜することが好ましい。
また、上記実施形態では、絶縁膜20を、圧電振動片4の両側面側に亘って成膜するものとしたが、どちらか一方側にのみ成膜してもよいし、いずれにも成膜しなくても構わない。なお、どちらか一方側にのみ成膜する場合には、ゲッター材34に近い側面側に成膜することが好ましい。
また、上記実施形態では、マウント電極16、17及び一対の励振電極15を一体に形成したが、別々に形成しても構わない。
また、マウント電極16、17は、圧電振動片4における上下両面のいずれかのうち、ベース基板2とマウントされる一方の面においてマウント電極16、17が露出していれば、他方の面は絶縁膜20によって被膜されていても構わない。
また、上記実施形態では、圧電振動片4をバンプ接合したが、バンプ接合に限定されるものではない。例えば、導電性接着剤により圧電振動片4を接合しても構わない。但し、バンプ接合することで、圧電振動片4をベース基板2の上面から浮かすことができ、振動に必要な最低限の振動ギャップを自然と確保することができる。よって、バンプ接合することが好ましい。
Claims (11)
- 互いに接合されたベース基板とリッド基板との間に形成されたキャビティ内に、平行に延在した一対の振動腕部と、この一対の振動腕部を振動させる一対の励振電極と、この一対の励振電極に電気的に接続されたマウント電極と、を有する圧電振動片が収容された圧電振動子を製造する方法であって、
前記圧電振動片を作製した後、前記励振電極を覆うように絶縁膜を成膜する絶縁膜成膜工程と
加熱されることで前記キャビティ内の真空度を向上させる金属材料からなるゲッター材を、前記キャビティ内に配置されるように前記ベース基板又は前記リッド基板のいずれか一方の基板に形成するゲッター材形成工程と
前記マウント電極を介して前記圧電振動片を前記ベース基板上にマウントした後、前記圧電振動片及び前記ゲッター材を前記キャビティ内に収容するように前記ベース基板と前記リッド基板とを互いに接合する接合工程と
を備え、
前記ゲッター材形成工程の際、前記ゲッター材を、前記圧電振動片がマウントされた際にこの圧電振動片を挟んで両側に対向配置されるように2つ形成すると共に、各々の前記ゲッター材を、前記絶縁膜に対して隣り合う位置で前記振動腕部に対して平行に延在するように形成することを特徴とする圧電振動子の製造方法。 - 請求項1に記載の圧電振動子の製造方法であって、
前記絶縁膜成膜工程の際、前記絶縁膜を、前記リッド基板及び前記ベース基板にそれぞれ対向する前記圧電振動片の上面側及び下面側にそれぞれ成膜する。 - 請求項2に記載の圧電振動子の製造方法であって、
前記絶縁膜成膜工程の際、前記絶縁膜を、前記圧電振動片の側面側に亘って成膜する。 - 請求項1に記載の圧電振動子の製造方法であって、
前記圧電振動片を作製する際、前記マウント電極及び前記励振電極を、クロムの下地層と、金の仕上層とで一体的に形成し
前記絶縁膜成膜工程の際、前記励振電極における前記仕上層を除去した後、二酸化珪素を用いて前記絶縁膜を前記下地層上に成膜する。 - 互いに接合され、間にキャビティが形成されたベース基板及びリッド基板と
平行に延在した一対の振動腕部と、この一対の振動腕部を振動させる一対の励振電極と、この一対の励振電極に電気的に接続されたマウント電極と、を有し、このマウント電極を介して前記キャビティ内で前記ベース基板上にマウントされた圧電振動片と
前記励振電極を覆うように前記圧電振動片上に成膜された絶縁膜と
前記キャビティ内に配置されるように前記ベース基板又は前記リッド基板に形成され、加熱されることで前記キャビティ内の真空度を向上させる金属材料からなるゲッター材と
を備え、
前記ゲッター材は、マウントされた前記圧電振動片を挟んで両側に対向配置されるように2つ形成され
各々の前記ゲッター材は、前記絶縁膜に対して隣り合う位置で前記振動腕部に対して平行に延在するように形成されていることを特徴とする圧電振動子。 - 請求項5に記載の圧電振動子であって、
前記絶縁膜は、前記リッド基板及び前記ベース基板にそれぞれ対向する前記圧電振動片の上面側及び下面側にそれぞれ成膜されている。 - 請求項6に記載の圧電振動子であって、
前記絶縁膜は、前記圧電振動片の側面側に亘って成膜されている。 - 請求項5に記載の圧電振動子であって、
前記励振電極は、クロムからなり
前記絶縁膜は、二酸化珪素からなる。 - 請求項5から8の何れか1項に記載の圧電振動子が、発振子として集積回路に電気的に接続されていることを特徴とする発振器。
- 請求項5から8の何れか1項に記載の圧電振動子が、計時部に電気的に接続されていることを特徴とする電子機器。
- 請求項5から8の何れか1項に記載の圧電振動子が、フィルタ部に電気的に接続されていることを特徴とする電波時計。
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