JP5839997B2

JP5839997B2 - 水晶振動子の製造方法

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Publication number: JP5839997B2
Application number: JP2012002367A
Authority: JP
Inventors: 田中　良和; 良和田中; 皿田　孝史; 孝史皿田; 高橋　寛; 寛高橋
Original assignee: エスアイアイ・クリスタルテクノロジー株式会社
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2032-01-10
Also published as: JP2013143640A

Description

本発明は、水晶振動子及び水晶振動子の製造方法に関する。

ＡＴカット水晶振動子等の水晶振動子には、水晶板の表面に金や銀などの導電性材料を薄膜状に蒸着した電極が形成される。そして、この電極の質量を変化させることで、ＡＴカット水晶振動子の周波数調整が行われている。これは、ＡＴカット水晶振動子の厚みすべり振動の共振周波数が、水晶板の厚みと電極の質量によって決定されるからである。具体的な周波数の調整方法としては、イオンミリング等の加工方法によって金属電極の厚みを減少させ、厚みすべり振動共振周波数を所定の周波数範囲に追い込む周波数調整方法、または真空蒸着等の加工方法によって金属電極の厚みを増加させ、厚みすべり振動共振周波数を所定の周波数範囲に追い込む周波数調整方法等がある。

また、例えば特許文献１には、水晶板の両面に銀電極を形成する水晶振動子の製造方法において、真空チャンバ内で水晶板に銀を蒸着させて銀電極を形成し、銀電極の上に酸化ケイ素などの絶縁膜を堆積し、一方の面の絶縁膜を堆積する過程において、水晶振動子の周波数を連続的に測定し、計測周波数が設定周波数と一致した時点で堆積を停止することにより周波数調整を行う方法が開示されている（図８等参照）。

特開平１１−６８５０１号公報

しかしながら、上述した水晶振動子では片側の保護膜（絶縁膜）を一方向から堆積することで周波数調整を行うため、水晶チップの厚み方向の質量の対称性が崩れ、水晶振動子の直列等価抵抗値を示すＣＩ（クリスタルインピーダンス）値の増加を招くことなどによって、当該水晶振動子の品質劣化が起こり得るという課題があった。

そこで本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、ＣＩ値の増加を極力抑え、且つ周波数調整量を大きく出来る水晶振動子の製造方法を提供することである。

本発明は、上記目的を達成するために、以下の手段を提案する。
請求項１に記載の発明は、水晶振動子の製造方法であって、水晶板と前記水晶板の上下面それぞれに備わる電極と前記電極上に設けられる絶縁膜とを含んで構成される水晶振動子片をケース内に収容した水晶振動子の製造方法であって、前記水晶板の上下面それぞれに電極を形成する工程と、それぞれの前記電極の表面の少なくとも一部を覆うように絶縁膜を設けて水晶振動子片を形成する工程と、前記水晶振動子片をケースに搭載する工程と、前記水晶振動子片の上下両方向からそれぞれの前記絶縁膜にエッチング処理を施して前記絶縁膜を一部除去し、当該水晶振動子片の周波数調整を行う周波数調整工程と、前記水晶振動子片が搭載された前記ケースに蓋を固着して水晶振動子を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
このように水晶振動子片の上下両方向からそれぞれの絶縁膜をエッチングすることで、水晶振動子の上下方向の質量の対称性を確保できるので、周波数調整に伴うＣＩの増加を抑えることができ、水晶振動子の品質劣化が防止されることが期待できる。また、電極は少なくとも一部が絶縁膜に覆われていて直接外部に露出されないため、電極の経時変化の少ない水晶振動子が実現可能である。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水晶振動子の製造方法であって、前記水晶振動子片を形成する工程において、前記絶縁膜を前記電極の表面の中心において最も膜厚が大きく当該中心より離間するにつれて膜厚が小さくなるように設けることを特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の水晶振動子の製造方法であって、前記水晶振動子片を形成する工程において、前記絶縁膜はドーム形状からなることを特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の水晶振動子の製造方法であって、前記周波数調整工程において、前記絶縁膜がドーム形状を保つようにエッチング処理を施すことを特徴とする。
このように水晶振動子片の形状をドーム形状とすることで、主振動の振動エネルギーが中央部分に集中し、輪郭系振動が減衰して主振動との結合を少なくすることができるので、高いＱ値と良好な温度特性が得られる。また、振動子の小型化に向いている。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の水晶振動子の製造方法であって、前記水晶振動子片を形成する工程において、前記絶縁膜を前記電極の表面の中心部において膜厚が小さく当該表面の縁部において膜厚が大きくなるように前記中心部に凹部を設けることを特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の水晶振動子の製造方法であって、前記水晶振動子片を形成する工程において、平板状の絶縁膜にエッチング処理を施すことによって前記中心部に凹部を形成することを特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の水晶振動子の製造方法であって、前記周波数調整工程において、前記絶縁膜が前記凹部の深さを保つようにエッチング処理を施すことを特徴とする。
このように水晶振動子片の厚みを中心部（励振部）は薄く、縁部は厚く形成することで、主振動の振動エネルギーを中心部に閉じこめることができ、振動子の小型化に向いている。

また、請求項８に記載の発明は、水晶振動子であって、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の水晶振動子の製造方法によって製造されたことを特徴とする。

本発明によれば、水晶振動子片実装後の周波数調整時において、水晶チップの厚み方向の質量の対称性が保たれ、ＣＩ値の増加による水晶振動子の品質劣化等の不具合を解消することができる。したがって、周波数調整量を大きくでき、水晶ウエハ状態での周波数のばらつき許容量を大きくすることができる。また、本発明によれば、電極は少なくとも一部が絶縁膜に覆われていて直接外部に露出されないため、絶縁膜形成後に、電極傷などの欠陥を生じることがない。

したがって、本発明は、ＣＩ値の増加を極力抑え、且つ周波数調整量を大きく出来る水晶振動子の製造方法を提供できる。

本発明に係る水晶振動子の断面図である。図１に示す水晶振動子を構成する水晶振動子片の斜視図である。図２に示した水晶振動子片の側面図である。図１に示した水晶振動子の製造プロセスを示す図である。本発明の第２実施形態に係る水晶振動子片の斜視図である。図５に示した水晶振動子片の側面図である。第２実施形態に係る水晶振動子の製造プロセスを示す図である。本発明の第３実施形態に係る水晶振動子片の斜視図である。図８に示した水晶振動子片の側面図である。第３実施形態に係る水晶振動子の製造プロセスを示す図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態に係る水晶振動子１について図１から図４を参照して説明する。
まず、水晶振動子１は、図１に示すように、ＡＴカット水晶振動子片等の水晶振動子片２と、内部に水晶振動子片２を実装するための容器１０５と、水晶振動子片２と容器１０５とを上下に接続する導電性接着剤１０４と、容器１０５の上面を封止する蓋１０６と、を備えて構成される。

導電性接着剤１０４は、後述する水晶振動子片２の実装電極１０２と、容器１０５の底面とを電気的に接続する導電性材料からなる接着剤である。当該導電性材料としては、例えば、ハンダやＡｇ等の金属ペーストを用いる。

容器１０５は、底面と水晶振動子片２の周囲を囲む壁面とで構成された部材であり、内部に水晶振動子片２が実装される。当該容器１０５は、例えば、セラミックやガラスなどからなる。そして、容器１０５は、予め内側から外側の端子（図示省略）へと引き回し配線が施されており、導電性接着剤１０４を介して水晶振動子片２と通電される。

蓋１０６は、下面の一部が容器１０５の壁面上端に接合され、容器１０５内に実装された水晶振動子片２を気密に封止する部材である。当該蓋１０６は、例えばセラミックやガラス、金属などからなる。

次いで、水晶振動子１を構成する水晶振動子片２の構造について、図２及び図３を用いて説明する。なお、以下の説明では、図２に示す水晶振動子片２の長手方向をＸ軸方向、幅方向をＹ軸方向、高さ方向をＺ軸方向、と便宜上定める。
図２は水晶振動子片２を示す斜視図であり、図３は図２に示す水晶振動子片２のＸＺ側面図である。

水晶振動子片２は、水晶板１００の板厚方向の両面（ＸＹ平面）に設けた金属電極１０１（電極）及び実装電極１０２と、当該金属電極１０１及び実装電極１０２を覆うように設けられた電極保護膜１０３（絶縁膜）と、から構成される。当該水晶振動子片２は、水晶板１００をＺ軸から所定角度（例えば、３５°１５′）傾斜した角度で切り出した、いわゆるＡＴカット振動子片である。

水晶板１００は、人口水晶の結晶を結晶軸（Ｚ軸）に対して３５°１５′傾斜した角度で切断して、板状に成形したものである。なお、水晶板１００のカット角度はＡＴカット角である３５°１５′に限定されるものではなく、他の異なるカット角度であってもよい。

金属電極１０１は、水晶板１００の上下両面に設けられた、ＡｕやＡｇなどの導電性材料を薄膜状に蒸着した電極である。ここで、導電性材料としては、ＡｕやＡｇ以外に、例えばＡｌ、Ｃｒなどを用いることができる。

実装電極１０２は、金属電極１０１と同様に、水晶板１００上に設けられたＡｕやＡｇなどの導電性材料を薄膜状に蒸着した電極であり、容器１０５との接着用に設けられる。実装電極１０２は、導電性接着剤１０４を介して容器１０５の内側配線と電気的に接続される。

電極保護膜１０３は、水晶板１００の表面のうち、金属電極１０１の設けられた部分を覆うように形成された保護膜である。具体的には、電極保護膜１０３は、図２に示すように、上下２つの金属電極１０１をそれぞれ覆うように設けられる。当該電極保護膜１０３はＳｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂などの酸化膜やＳｉ₃Ｎ₄、ＴｉＮなどの窒化膜である。なお、電極保護膜１０３は、金属電極１０１全体を完全に覆っても良いし、少なくとも一部のみを覆うように形成しても良い。

（水晶振動子の製造プロセス）
次に水晶振動子１の製造プロセスについて図４（Ａ）から（Ｆ）を参照して説明する。
まず、例えば人口水晶の結晶を結晶軸に対して所定角度に切断して板状に成形する。その後、その成形した板状の部材に対して、所望の共振周波数に応じた厚みになるように研磨またはエッチングをすることで、水晶板１００を成形する（図４（Ａ））。

その後、水晶板１００の上下両面に金属電極１０１および実装電極１０２を形成する（図４（Ｂ））。ここで、金属電極１０１および実装電極１０２は、スパッタ法または蒸着法などとリソグラフィー技術などを利用することで、水晶板１００に対して所定の位置に同時に形成される。また、金属電極１０１および実装電極１０２には、例えばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｒなどを用いる。

次いで、水晶板１００の上下両面に形成された金属電極１０１を挟むように、電極保護膜１０３を形成する（図４（Ｃ））。ただし、電極保護膜１０３は、リソグラフィー技術などを用いて実装電極１０２上に形成しないようにする。ここで、電極保護膜１０３は、プラズマＣＶＤやスパッタ法または電子ビーム蒸着法とリソグラフィー技術などを利用することによって形成される。電極保護膜１０３には、例えばＳｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂などの酸化膜やＳｉ₃Ｎ₄、ＴｉＮなどの窒化膜である。

その後、導電性接着剤１０４などを用いて水晶振動子片２を容器１０５に実装する（図４（Ｄ））。導電性接着剤１０４はハンダやＡｇ等の金属ペーストなどを用いれば良い。また、容器１０５は、セラミックやガラスなどであっても良い。この時、導電性接着剤１０４は、実装電極１０２のみに接触し、金属電極１０１には接触しないようにする。実装電極１０２と容器１０５の配線は導電性接着剤１０４を焼成して電気的に接続される。

次いで、水晶振動子１の共振周波数の調整を、電極保護膜１０３を両面からエッチングすることで行う（図４（Ｅ））。なお、エッチング手法はドライエッチング、ウェットエッチングの何れか一方に限定されない。ただし、図４（Ｅ）に示しているように、エッチング材料Ａが金属電極１０１の容器１０５側へ回り込むような条件（例えば、大気圧下という条件）でエッチングを行う。エッチング材料ＡはＸＦ₂、ＨＦなどを用いることができる。

ここで、水晶振動子１は、外部から容器１０５の端子に適切な周波数の高周波電界を印加することで機械的に共振する。そして、数ＭＨｚから数十ＭＨｚを共振周波数とする水晶振動子１では、厚みすべり振動モードが一般に使われる。当該厚みすべり振動モードでは、水晶振動子１の共振周波数は水晶板１００の厚みによってほぼ決定される。そのため、本工程では、水晶振動子１の共振周波数をネットワークアナライザ等の周波数測定機器によってあらかじめモニターしておき、予め定めた設定周波数と一致するまで両面の電極保護膜１０３の厚みを均等に除去していくことで共振周波数を低下させ、設定周波数と一致した時点でエッチングを終了させる。

最後に、容器１０５と蓋１０６の接触部分を、シーム溶接やレーザ、電子ビームなどを用いて一部溶融させ固着させる（図４（Ｆ））。また、陽極接合や接着剤等を用いて固着させてもよい。この時容器１０５の内部は大気であっても真空であっても良い。

以上のような本発明に係る水晶振動子１によれば、水晶振動子片２の上下両面に設けられた電極保護膜１０３を、上下両方向からの均等なエッチングによって周波数の調整を行っているため、上下の電極保護膜１０３の質量が非対称になりにくい。そのため、片側の保護膜１０３のみの質量を減少させる従来の周波数調整方法に比べ、上下方向の質量の対称性が確保され、周波数調整に伴うＣＩの増加などが齎す水晶振動子１の品質劣化を好適に抑えることが期待できる。また、金属電極１０１上に保護膜１０３を形成しているため、容器１０５内で金属電極１０１は露出しない。そのため、接着剤などの付着による金属電極１０１の劣化を抑えることができ、電極材料の選択に幅が持てる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る水晶振動子の第２実施形態について図５および図６を参照して説明する。なお、第１実施形態に係る水晶振動子１及びその製造方法と同一構成／同一工程については、その説明を省略する。

図５に示すように、第２実施形態に係る水晶振動子１において、水晶振動子片２の上下両面に設けられた一対の電極保護膜１０３ａは、水晶板１００の平面位置における端部へ近づくにつれ膜厚が薄くなり、反対に中心部で膜厚が厚くなるように、各々ドーム形状に形成される。そのため、図６に示すように、電極保護膜１０３ａは、それぞれ、ＸＺ側面から見ると半円状になっている。ただし、電極保護膜１０３ａはドーム形状に限定されるものではなく、水晶板１００の平面位置における端部側が水晶板１００の中心部側に比べて薄くなるものであれば、他の形状であっても勿論良い。

（水晶振動子の製造プロセス）
次に第２実施形態に係る水晶振動子１の製造プロセスについて、第１実施形態と重複するプロセスを除いて説明する。具体的には、図７（Ａ）〜（Ｆ）に示す各プロセスのうち、図７（Ｃ）（Ｅ）に示すプロセス以外は、第１実施形態と同じである。

まず、図７（Ｃ）に示すように、電極保護膜１０３ａを水晶振動子片２の上下両面に形成する時、電極保護膜１０３ａの堆積レートが水晶板１００の平面位置における端部よりも中央部で高くなる条件で成膜を行う。これは従来のリソグラフィー技術を用いて成膜可能である。このように、水晶板１００の中央部分の堆積レートが高い場合、中央部分の電極保護膜１０３ａは端部に比べ盛り上がったように（ドーム形状に）形成される。または、例えば、従来のリソグラフィー技術を用いて、水晶板１００に対して電極保護膜１０３ａを均一な厚さに成膜した後、端部のみエッチングを行うような条件でエッチングを行うようにしてもよい。このようにすることで、端部のみがエッチングにより除去されるので、電極保護膜１０３ａはドーム形状に形成される。

次いで、図７（Ｅ）に示すように、水晶振動子片２の上下両面に形成されたドーム形状の電極保護膜１０３ａをエッチングして、水晶振動子１の共振周波数の調整を行う。この時、ドーム形状の電極保護膜１０３ａは、中央部分の膜厚が端部の膜厚に比べ厚い状態を保ったままエッチングされる。

このように厚み滑り振動子（電極保護膜１０３ａで保護された水晶振動子片２）の形状をドーム形状とすることで、主振動の振動エネルギーが中央部分に集中し、輪郭系振動が減衰して主振動との結合を少なくすることができるので、高いＱ値と良好な温度特性が得られる。また、水晶振動子１の小型化に向いている。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図８〜図１０を参照して説明する。なお、第１、第２実施形態に係る水晶振動子１及びその製造方法と同一構成／同一工程については、その説明を省略する。図８、９に示すように、第３実施形態に係る水晶振動子１において、水晶振動子片２の上下両面に設けられた一対の電極保護膜１０３ｂは、水晶板１００の平面位置における端部（縁部）側が厚くなり、水晶板１００の中心側が薄くなるように形成される。具体的には、電極保護膜１０３ｂは、中心近傍に凹部が形成されてなる。

（水晶振動子の製造プロセス）
次に第３実施形態に係る水晶振動子１の製造プロセスについて、第１実施形態や第２実施形態と重複するプロセスを除いて説明する。具体的には、図１０（Ａ）〜（Ｇ）に示す各プロセスのうち、図１０（Ｃ）（Ｄ）に示すプロセス以外は、第１実施形態や第２実施形態と同じである。

まず、図１０（Ｃ）に示すように、金属電極１０１を挟み込みように、断面が矩形型の電極保護膜１０３を形成する。その後、リソグラフィー技術を用いて、端部のみにエッチングマスクを形成する。エッチングマスクは、レジストや金属などの材料からなる。その後、電極保護膜１０３を両側からエッチングする。なお、エッチング手法はドライエッチング、ウェットエッチングの何れか一方に限定されない。エッチング材料にはＸＦ₂、ＨＦなどを用いる。その後、図１０（Ｄ）に示すように、エッチングマスクを除去し、中央部に凹部を持つ電極保護膜１０３ｂが形成される。

次いで、図１０（Ｆ）に示すように、水晶振動子片２の上下両面に形成された凹部を有する電極保護膜１０３ｂをエッチングして、水晶振動子１の共振周波数の調整を行う。この時、電極保護膜１０３ｂは、中央部分の膜厚が端部の膜厚に比べ薄い状態を保ったまま（凹部の深さを保つように）エッチングされる。

このように厚み滑り振動子（電極保護膜１０３ｂで保護された水晶振動子片２）の厚みを、励振部側では薄く、端部側では厚く形成することで、主振動の振動エネルギーを中央部分に閉じこむことができ、水晶振動子１の小型化が図れる。

１水晶振動子
２水晶振動子片
１００水晶板
１０１金属電極
１０２実装電極
１０３電極保護膜
１０３ａ電極保護膜
１０３ｂ電極保護膜
１０４導電性接着剤
１０５容器
１０６蓋
Ａエッチング材料

Claims

水晶板と前記水晶板の上下面それぞれに備わる電極と前記電極上に設けられる絶縁膜とを含んで構成される水晶振動子片をケース内に収容した水晶振動子の製造方法であって、
前記水晶板の上下面それぞれに電極を形成する工程と、
それぞれの前記電極の表面の少なくとも一部を覆うように絶縁膜を設けて水晶振動子片を形成する工程と、
前記水晶振動子片をケースに搭載する工程と、
前記水晶振動子片の上下両方向からそれぞれの前記絶縁膜にエッチング処理を施して前記絶縁膜を一部除去し、当該水晶振動子片の周波数調整を行う周波数調整工程と、
前記水晶振動子片が搭載された前記ケースに蓋を固着して水晶振動子を形成する工程と、
を含み、
前記水晶振動子片を形成する工程において、前記絶縁膜を前記電極の表面の中心において最も膜厚が大きく当該中心より離間するにつれて膜厚が小さくなるように、前記絶縁膜をドーム形状に形成し、
前記周波数調整工程において、前記絶縁膜がドーム形状を保つようにエッチング処理を施すことを特徴とする水晶振動子の製造方法。
水晶板と前記水晶板の上下面それぞれに備わる電極と前記電極上に設けられる絶縁膜とを含んで構成される水晶振動子片をケース内に収容した水晶振動子の製造方法であって、
前記水晶板の上下面それぞれに電極を形成する工程と、
それぞれの前記電極の表面の少なくとも一部を覆うように絶縁膜を設けて水晶振動子片を形成する工程と、
前記水晶振動子片をケースに搭載する工程と、
前記水晶振動子片の上下両方向からそれぞれの前記絶縁膜にエッチング処理を施して前記絶縁膜を一部除去し、当該水晶振動子片の周波数調整を行う周波数調整工程と、
前記水晶振動子片が搭載された前記ケースに蓋を固着して水晶振動子を形成する工程と、
を含み、
前記水晶振動子片を形成する工程において、前記絶縁膜を前記電極の表面の中心部において膜厚が小さく当該表面の縁部において膜厚が大きくなるように、平板状の前記絶縁膜にエッチング処理を施すことによって前記中心部に凹部を形成し、
前記周波数調整工程において、前記絶縁膜が前記凹部の深さを保つようにエッチング処理を施すことを特徴とする水晶振動子の製造方法。