JP5606348B2 - 水晶振動子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電子回路のクロック源として利用される水晶振動子の製造方法に関する。

従来より、携帯電話等の情報通信機器やコンピュータ等のＯＡ機器、電子時計等の民生機器を含む様々な電子機器には、電子回路のクロック源として水晶振動子が広く採用されている。

特に、携帯電話等による情報通信の分野では、情報伝送の大容量化及び高速化に伴う通信周波数の高周波数化、システムの高速化に対応するため、従来の数十ＭＨｚ程度よりも高い周波数で動作する振動子が要求されている。水晶振動子の高周波数化を図るためには、水晶振動子チップの厚さをより薄くする必要があり、所望の周波数を発振するためには所定の体積を有する必要がある。

従来は、水晶板を所定の厚みまで研磨した後、或いは研磨に続いてウエットエッチングを施した後、ワイヤーソーやスライサー、切削装置の切削ブレードを用いて所定寸法の水晶振動子チップに切り出していた。

ワイヤーソーやスライサー、切削ブレードによる切り出しでは、寸法ばらつきを１μｍオーダーで制御することが難しいため、水晶板をワイヤーソーやスライサー、切削ブレードで所定寸法に切り出した後、更に切り出し面を研磨して所定寸法に仕上げていた。

特開２００２−１７１００８号公報 特開２００７−３３５４３３号公報

しかし、水晶板をワイヤーソー、スライサー、又は切削ブレードを用いて所定寸法の水晶振動子チップに切り出す方法では、加工に時間がかかる上、更に切り出し面を研磨する必要があり、非常に生産性が悪いという問題がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高精度なチップへと切り出しが可能な水晶振動子の製造方法を提供することである。

本発明によると、水晶振動子の製造方法であって、所定厚みの水晶板を準備する水晶板準備ステップと、準備した該水晶板の厚みと所望の周波数を発振するための水晶振動子チップの体積とに基づいて、切り出すべき水晶振動子チップの寸法を算出する寸法算出ステップと、該寸法算出ステップで算出した寸法に基づいて、該水晶板に対して透過性を有する波長のレーザビームを該レーザビームの集光点を該水晶板の内部に位置付けて照射して該水晶板内部に改質層を形成する改質層形成ステップと、該改質層形成ステップを実施した後、該水晶板に外力を付与して個々の水晶振動子チップへと分割する分割ステップと、を具備したことを特徴とする水晶振動子の製造方法が提供される。

本発明の製造方法によると、所望の周波数を発振するために必要な体積と準備した水晶板の厚みから切り出し寸法を算出し、算出した寸法に基づいて水晶板に対して透過性を有するレーザビームを照射して水晶板内部に改質層を形成した後、水晶板に外力を付与して水晶板を改質層に沿って個々の水晶振動子チップに分割するため、高精度な切り出しが可能であり、更に切り出し後の研磨が不要となる。

更に、本発明の製造方法では、レーザビームを用いて個々の水晶振動子チップに切り出すため、ワイヤーソーやスライサー、切削ブレードに比較して加工時間を大幅に短縮化することができる。

本発明の製造方法を実施するのに適したレーザ加工装置の斜視図である。 レーザビーム発生ユニットのブロック図である。 準備した水晶板の斜視図である。 改質層形成ステップを示す斜視図である。 改質層形成ステップを示す一部断面側面図である。 分割ステップを示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。図１を参照すると、本発明の水晶振動子の製造方法を実施するのに適したレーザ加工装置２の斜視図が示されている。レーザ加工装置２は、静止基台４上にＸ軸方向に移動可能に搭載された第１スライドブロック６を含んでいる。

第１スライドブロック６は、ボールねじ８及びパルスモータ１０から構成される加工送り手段１２により一対のガイドレール１４に沿って加工送り方向、即ちＸ軸方向に移動される。

第１スライドブロック６上には第２スライドブロック１６がＹ軸方向に移動可能に搭載されている。すなわち、第２スライドブロック１６はボールねじ１８及びパルスモータ２０から構成される割り出し送り手段２２により一対のガイドレール２４に沿って割り出し方向、すなわちＹ軸方向に移動される。

第２スライドブロック１６上には円筒支持部材２６を介してチャックテーブル２８が搭載されており、チャックテーブル２８は加工送り手段１２及び割り出し送り手段２２によりＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能である。チャックテーブル２８には、チャックテーブル２８に吸引保持された半導体ウエーハをクランプするクランプ３０が設けられている。

静止基台４にはコラム３２が立設されており、このコラム３２にレーザビーム照射ユニット３４が取り付けられている。レーザビーム照射ユニット３４は、ケーシング３３中に収容された図２に示すレーザビーム発生ユニット３５と、ケーシング３３の先端に取り付けられた集光器３７とを含んでいる。

レーザビーム発生ユニット３５は、図２に示すように、ＹＡＧレーザ又はＹＶＯ４レーザを発振するレーザ発振器６２と、繰り返し周波数設定手段６４と、パルス幅調整手段６６と、パワー調整手段６８とを含んでいる。特に図示しないが、レーザ発振器６２はブリュースター窓を有しており、レーザ発振器６２から出射するレーザビームは直線偏光のレーザビームである。

再び図１を参照すると、ケーシング３３の先端部には、集光器３７とＸ軸方向に整列してレーザ加工すべき加工領域を検出する撮像手段３９が配設されている。撮像手段３９は、可視光によって被加工物の加工領域を撮像する通常のＣＣＤ等の撮像素子を含んでおり、撮像した画像信号はコントローラ（制御手段）４０に送信される。

コントローラ４０はコンピュータによって構成されており、制御プログラムに従って演算処理する中央処理装置（ＣＰＵ）４２と、制御プログラム等を格納するリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）４４と、演算結果等を格納する読み書き可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）４６と、カウンタ４８と、入力インターフェイス５０と、出力インターフェイス５２とを備えている。

５６は案内レール１４に沿って配設されたリニアスケール５４と、第１スライドブロック６に配設された図示しない読み取りヘッドとから構成される加工送り量検出手段であり、加工送り量検出手段５６の検出信号はコントローラ４０の入力エンターフェイス５０に入力される。

６０はガイドレール２４に沿って配設されたリニアスケール５８と第２スライドブロック１６に配設された図示しない読み取りヘッドとから構成される割り出し送り量検出手段であり、割り出し送り量検出手段６０の検出信号はコントローラ４０の入力インターフェイス５０に入力される。

撮像手段３９で撮像した画像信号もコントローラ４０の入力インターフェイス５０に入力される。一方、コントローラ４０の出力インターフェイス５２からはパルスモータ１０、パルスモータ２０、レーザビーム照射ユニット３４等に制御信号が出力される。

このようなレーザ加工装置２を使用した本発明実施形態の水晶振動子の製造方法について以下に説明する。本発明実施形態の水晶振動子の製造方法では、まず図３に示すような、所定厚みにｔ１を有する水晶板１１を準備する水晶板準備ステップを実施する。具体的には、人工水晶から所定寸法及び所定形状のウエーハを切り出し、これをラッピング加工して所望の厚さｔ１にした後、ウエーハを切断して水晶板１１を製造する。

次いで、準備した水晶板１１の厚みと所望の周波数を発振するための水晶振動子チップの体積に基づいて、水晶板１１から切り出すべき水晶板振動子チップの寸法を算出する（寸法算出ステップ）。

次いで、寸法算出ステップで算出した寸法に基づいて、水晶板１１に対して透過性を有する波長のレーザビームをその集光点を水晶板１１の内部に位置付けて照射して、水晶板１１内部に改質層を形成する改質層形成ステップを実施する。

この改質層形成ステップを実施するには、図４に示すように、水晶板１１を粘着テープＴに貼着し、粘着テープＴの外周部を環状フレームＦに貼着して、粘着テープＴを介して環状フレームＦで水晶板１１を支持する。これにより、水晶板１１のハンドリングが容易になる。

図４に示したレーザ加工装置のレーザビーム照射ユニット３４は円筒形状のケーシング３３Ａを有しているが、ケーシング３３Ａの形状を除いては図１に示したレーザビーム照射ユニット３４と同様である。このケーシング３３Ａ内には図２に示したのと同様なレーザビーム発生ユニット３５が収容されている。

レーザ加工装置２を用いて水晶板１１内に改質層を形成するには、図４に示すように、レーザ加工装置２のチャックテーブル２８上に粘着テープＴを下側にして水晶板１１を載置する。

そして、図示しない吸引手段によってチャックテーブル２８上に粘着テープＴを介して水晶板１１を吸引保持する。更に、図１に示したクランプ３０で環状フレームＦをクランプする。図４では、クランプ３０は省略されている。

水晶板１１を吸引保持したチャックテーブル２８は、加工送り手段１２及び割り出し送り手段２２を駆動することにより、水晶板１１の一方のエッジ１１ａが撮像手段３９の直下に位置づけられ、撮像手段３９で水晶板１１のエッジ１１ａ近辺を撮像する。撮像手段３９の撮像画像から水晶板１１のエッジ１１ａを検出して、チャックテーブル２８をθ回転することにより、水晶板１１のエッジ１１ａをＸ軸と平行に位置づける。

そして、寸法算出ステップで算出した寸法に基づいて、割り出し送り手段２２を駆動して集光器３７を水晶板１１のエッジ１１ａから所定距離、例えば、算出した寸法の内縦寸法だけ割り出し送りしてから加工送り手段１２により集光器３７を水晶板１１のエッジ１１ｂに位置付け、集光器３７から水晶板１１に対して透過性を有するパルスレーザビームをその集光点を水晶板１１の内部に位置づけて照射しつつ、チャックテーブル２８を図４において矢印Ｘ方向に所定の送り速度で移動する。集光器３７のレーザビーム照射位置が水晶板１１の他方のエッジ１１ｃに達したなら、パルスレーザビームの照射を停止するとともにチャックテーブル２８の移動を停止する。

図５に示すように、パルスレーザビームの集光点Ｐを水晶板１１の内部に合わせることにより、水晶板１１の内部に改質層７０が形成される。この改質層７０は、溶融再硬化層として形成される。改質層７０は、密度、屈折率、機械的強度やその他の物理的特性が周囲とは異なった状態になった領域をいう。この改質層形成ステップに使用するレーザ光源としては、例えば波長１０６４ｎｍのパルスレーザを発振するＹＡＧレーザ又はＹＶＯ４レーザが好ましい。

この改質層形成ステップは、寸法算出ステップで算出した所定の縦寸法だけチャックテーブル２８を割り出し送りしながら、エッジ１１ａに対向するエッジ１１ｄ近辺まで実施した後、チャックテーブル２８を時計回りに９０度回転してから、エッジ１１ｃを基準に寸法算出ステップで算出した横寸法だけチャックテーブル２８を割り出し送りしながら次々と実施する。

本発明の水晶振動子の製造方法では、改質層形成ステップ実施後に、改質層７０が形成された水晶板１１に外力を付与して、水晶板１１を個々の水晶振動子チップに分割する分割ステップを実施する。

この分割ステップでは、例えば図６に示すように、円筒７２の載置面上に環状フレームＦを載置して、クランプ７４で環状フレームＦをクランプする。そして、バー形状の分割治具７６を円筒７２内に配設する。

分割治具７６は上段保持面７８ａと下段保持面７８ｂとを有しており、下段保持面７８ｂに開口する真空吸引路８０が形成されている。分割治具７６の詳細構造は、特許第４３６１５１６号公報に開示されているので参照されたい。

分割治具７６による分割ステップを実施するには、分割治具７６の真空吸引路８０を矢印８２で示すように真空吸引しながら、分割治具７６の上段保持面７８ａ及び下段保持面７８ｂを下側から粘着テープＴに接触させて、分割治具７８を矢印Ａ方向に移動する。即ち、分割治具７６を分割しようとする改質層７９の方向と直交する方向に移動する。

これにより、改質層７０が分割治具７６の上段保持面７８ａの内側エッジの真上に移動すると、改質層７０の部分に曲げ応力が集中して発生し、この曲げ応力により水晶板１１が改質層７０に沿って割断される。

第１の方向に伸長する全ての改質層７０に沿っての分割が終了すると、分割治具７６を９０度回転して、或いは円筒７２を９０度回転して、第１の方向に伸長する改質層７０に直交する第２の方向に伸長する改質層７０を同様に割断する。これにより、水晶板１１を複数の水晶振動子チップ１３に分割することができる。図６で１５は分割溝である。

このように分割ステップを実施して水晶板１１を複数の水晶振動子チップ１３に分割した後、水晶振動子チップ１３をウエットエッチングして周波数を粗調整する。次いで、水晶振動子チップに電極膜を形成してから、チップをパッケージに実装する。このパッケージの状態で水晶振動子チップ１３を周波数調整した後に、パッケージを樹脂封止して水晶振動子パッケージが完成する。

上述した実施形態の水晶振動子の製造方法によると、まず所望の周波数を発振するために必要な体積と準備した水晶板１１の厚みから切り出し寸法を算出する。算出した寸法に基づいて水晶板１１に対して透過性を有するレーザビームを照射して水晶板１１内部に改質層を形成した後、水晶板１１に外力を付与して個々の水晶振動子チップ１３に分割するため、高精度な切り出しが可能であり、従来必要であった研磨が不要となる。

更に、レーザ加工装置により水晶板１１内部に改質層７０を形成して所望の寸法に切り出すため、従来技術で使用したワイヤーソー、スライサー、或いは切削ブレードによる切り出しに比較して加工時間を大幅に短縮化することができる。

２ レーザ加工装置
１１ 水晶板
１３ 水晶振動子チップ
２８ チャックテーブル
３４ レーザビーム照射ユニット
３５ レーザビーム発生ユニット
３７ 集光器
３９ 撮像手段
７０ 改質層
７６ 分割治具

Claims (1)

1. 水晶振動子の製造方法であって、
   所定厚みの水晶板を準備する水晶板準備ステップと、
   準備した該水晶板の厚みと所望の周波数を発振するための水晶振動子チップの体積とに基づいて、切り出すべき水晶振動子チップの寸法を算出する寸法算出ステップと、
   該寸法算出ステップで算出した寸法に基づいて、該水晶板に対して透過性を有する波長のレーザビームを該レーザビームの集光点を該水晶板の内部に位置付けて照射して該水晶板内部に改質層を形成する改質層形成ステップと、
   該改質層形成ステップを実施した後、該水晶板に外力を付与して個々の水晶振動子チップへと分割する分割ステップと、
   を具備したことを特徴とする水晶振動子の製造方法。

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