JP5864140B2 - 圧電振動子、およびその製造方法 - Google Patents

Description

所定の共振周波数を高精度に要求される発振器、フィルタ、センサの高性能化、小型化に適した圧電振動子、およびその製造方法に関する。

近年、ウェアラブル機器や移動体通信機器の高性能化、小型化が加速され、機器に使用されている発振器、フィルタ、センサも高精度化、小型化が必要不可欠である。特に圧電振動子を使用するフィルタ、発振器、センサでは圧電振動子の小型化、さらに高精度に共振周波数を制御する要求がなされている。

共振周波数を調整する方法として、圧電振動子の振動脚部先端の表面に金（Ａｕ）などの金属材料を周波数調整用膜として形成し、レーザー照射、機械加工、ドライエッチングなどにより周波数調整用膜を除去することによって、圧電振動子の質量を変化させ、所望の共振周波数に調整することが行われている。

図４はそのような従来の音叉型圧電振動子の例で、例えば下記の特許文献１に見られるものである。以下、図４を用いて従来の圧電振動子を説明する。圧電振動子１０１は、基部１０３と、この基部１０３から突出して形成されている２本の振動脚部１０４ａ、１０４ｂを有する圧電振動片１０２の表面に、励振電極１０５ａ、１０５ｂを形成してあり、これは電圧を印加して振動脚部１０４ａ、１０４ｂを振動させるためである。一方の振動脚部１０４ａの主面表裏と他方の振動脚部１０４ｂの側面両側に、励振電極１０５ａが配置され、他方の振動脚部１０４ａの側面両側と他方の振動脚部１０４ｂの主面表裏に、励振電極１０５ｂが配置されている。

圧電振動片１０２の主面上に周波数調整用膜を形成する。これには、粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂと微調整用膜１０７ａ、１０７ｂがあって、粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂにより所望の周波数に速やかに近づけ、次いで微調整用膜１０７ａ、１０７ｂにより、所望の共振周波数に合わせ込む。また、基部１０３に形成した電極パッド１０８ａ、１０８ｂにより、圧電振動子１０１を振動させるための発振回路などに接続される。

周波数調整工程は、周波数調整用膜の粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂと微調整用膜１０７ａ、１０７ｂを、レーザー、機械加工、ドライエッチングなどで部分的に除去することにより、圧電振動子１０１の質量を変化させ共振周波数を調整する。周波数調整前の圧電振動子１０１は、所望の周波数より低めの周波数に設計する。例えばＹＡＧレーザーを使用した場合は直径１０〜５０μｍ程度の膜が除去され、共振周波数が２〜５ｐｐｍ程度高くなる。

粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂと微調整用膜１０７ａ、１０７ｂは、共振周波数の調整度合いにより使い分ける。粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂは真空蒸着法や鍍金法等の成膜方法によって１．０μｍ程度に厚く形成され、微調整用膜１０７ａ、１０７ｂはスパッタリング法や真空蒸着法等の成膜方法によって０．２μｍ程度に薄く形成される。粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂも微調整用膜１０７ａ、１０７ｂも、比重の大きいクロム（Ｃｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などで形成される。

発振回路により圧電振動子１０１を振動させ、共振周波数を測定する。共振周波数を観測しながら、レーザーで周波数調整用膜の粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂや微調整用膜１０７ａ、１０７ｂを除去し、所望の共振周波数付近に調整する。粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂは厚く形成されているので、レーザーの照射による質量減少量は大きく、速やかに共振周波数を高くすることができる。その後、微調整用膜１０７ａ、１０７ｂを除去し高精度に調整を行う。微調整用膜１０７ａ、１０７ｂは薄く形成されているので、レーザーの照射による質量減少量は小さく、精度良く周波数を調整することができる。さらに精度良く周波数調整を行うために、微調整用膜１０７ａ、１０７ｂを多数配置している。

数十ｋＨｚ程度の低周波用に用いられている圧電振動子はＸ軸方向に振動脚部１０４ａ、１０４ｂが逆相で変位する屈曲振動モードである。一般に屈曲振動モードの共振周波数は次の近似式で表される。

Ｆｆ∝Ｗ／Ｌ^２

ここで、Ｆｆは屈曲振動モードの共振周波数、Ｗは振動脚部の幅、Ｌは振動脚部の長さである。

また、数百ｋＨｚ程度の共振周波数で温度特性が優れている振動脚部１０４ａ、１０４ｂがＹ軸周りに回転する捩り振動モードを利用した圧電振動子が開発されている。二次温度係数は−１．２×１０^−２程度で屈曲振動モードの１／３程度の温度特性を示し、共振周波数の高安定性が要求される時計などで利用されている。一般に、捩り振動モードの共振周波数は次の近似式で表せる。

Ｆｔ∝Ｔ／（ＷＬ）

ここで、Ｆｔは捩り振動モードの共振周波数、Ｔは振動脚部の厚さ、Ｗは振動脚部の幅、Ｌは振動脚部の長さである。

捩り振動モードの周波数調整も屈曲振動モードと同様に主面上の周波数調整用膜の粗調整用膜１０６ａ、１０６ｂと微調整用膜１０７ａ、１０７ｂをレーザー、機械加工、ドライエッチングなどで部分的に除去することにより、圧電振動子１０１の質量を変化させ共振周波数を調整する方法が用いられている。

周波数調整前の共振周波数が狙いから大きく外れている場合は、主面上に形成された周波数調整膜の除去する方法だけでは調整が困難であるので、水晶ウエハ状態で電極を剥離し、さらに水晶ウエハをエッチングし振動脚部の厚さＴを変化させることにより共振周波数を調整する方法が用いられている。

特開２００３−１３３８８５号公報

従来の圧電振動子の製造方法で周波数調整量を大きくするには圧電振動片に周波数調整用膜を広領域に形成するか厚く形成する必要がある。同一の圧電振動片上に励振電極を形成する必要があり、周波数調整用膜を形成すると、その分、励振電極の面積が減少する。励振電極の面積が減ると電界効率の低下によりクリスタルインピーダンスの増加が起こり、特性が劣化する。励振電極の面積を減らさないで周波数調整用膜を設けようとすれば、広領域が必要になり小型化に適さない。

従来の周波数調整工程は、圧電振動子の主面上のみに周波数調整膜を形成するため周波数調整膜が厚くなると振動バランスが悪くなりクリスタルインピーダンスが増加し特性が劣化する。周波数調整膜の厚くなればなるほど特性への影響は顕著である。また捩り振動モードの共振周波数の温度特性は、周波数調整膜の厚さによって特性が変化する。よって周波数を調整する際に温度特性まで考慮しなければならず調整が困難である。

従来の周波調整工程は、共振周波数が大きく外れてしまった場合は励振電極を剥離し、ウェットエッチングで圧電振動片の外形形状を再度調整し、再度励振電極を形成する必要がある。よって励振電極膜の剥離工程、形成工程などの労力と材料費などの多大な費用がかかる。

本発明の目的は、ウェアラブル機器や移動体通信機器などに用いられる発振器、フィルタ、センサの小型化、高性能化に適した圧電振動子を提供することと、このような圧電振動子を効率よく製造する方法を提供することである。

前記の課題を解決するために、本発明の圧電振動子の製造方法は圧電振動片の表面に励振電極を一部形成した状態で圧電振動片の表面露出部をウェットエッチングし、共振周波数を調整する工程を有する。

また基部と該基部から突出する１本以上の振動脚とを備える圧電振動片の表面に励振電極を備え所定の共振周波数で、かつ捩り振動モードで振動する圧電振動子の製造方法において、基部と該基部から突出する１本以上の振動脚とを備える圧電振動片を形成する工程と、圧電振動片の表面の少なくとも２面の一部に励振電極を形成する工程と、励振電極を形成した表面の表面露出部の一部をウエットエッチングする工程とを、有し表面露出部の一部を除去し、圧電振動子の共振周波数を調整する圧電振動子の製造方法。

本発明によれば、周波数調整膜を広領域かつ厚く形成することなく周波数調整することができる。周波数調整膜を広領域に形成する必要がないため圧電振動子を小型化にすることができる。周波数調整膜を厚く形成する必要がないため圧電振動子のクリスタルインピーダンス特性の劣化や共振周波数の温度特性の変化を防ぐことができる。また、周波数調整前の共振周波数が狙いから大きく外れている場合でも励振電極を剥離せずに周波数を調整することができる。そのため励振電極膜の剥離工程、形成工程などの労力と材料費などの多大な費用を削減することができる。

よってウェアラブル機器や移動体通信機器などに用いられる発振器、フィルタ、センサの小型化、高性能化に適した圧電振動子を提供することと、このような圧電振動子を効率よく製造する方法を提供できる。

本発明の圧電振動子の一例を示す斜視図 図１の圧電振動子の断面図 図１の圧電振動子の製造方法を示す図 従来の圧電振動子の一例を示す斜視図

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の圧電振動子の一例を示す斜視図である。圧電振動子１は、圧電振動片２を構成する直方体状の基部３を含む。２本の振動脚部４ａ、４ｂが基部３から互いに間隔を隔てて伸び、音叉型の形状をなしている。このように基部３と振動脚部４ａ、４ｂを備えた圧電振動片２は、圧電単結晶である水晶から製作される。振動脚部４ａ、４ｂの主面上及び側面上に、それぞれ励振電極５ａ、５ｂを配置する。励振電極５ａ、５ｂがつながる基部３上のバッド６ａ、６ｂは、導電接着剤や、Ａｕ（金）やＡｌ（アルミニウム）などのワイヤで、セラミックパッケージの電極に接続され、このセラミックパッケージの電極を介して発振回路など外部に接続される。励振電極５ａ、５ｂは電気的に分離されており、互いに異なる電圧を与えることによって、水晶片の内部に電界を生じる。

水晶はＳｉＯ２からなる三方晶系に属する圧電単結晶材料で、結晶異方性を有し弾性定数は方向によって異なる。よって結晶方位と電界の方向によって伸縮状態が変化し様々な振動モードを励振することができる。屈曲振動モードの場合は、上下面が水晶の結晶軸のＺ軸に対してほぼ垂直、すなわち上下面がＺ軸に対して８５度から９５度の角度をなす基板であり、一般的にＺ板と呼ばれる水晶基板を使用する。捩り振動モードの場合は、基部３の幅方向を水晶の結晶軸のＸ軸として、振動脚部４ａ、４ｂの長手方向を水晶の結晶軸のＹ軸として、水晶の厚み方向をＺ軸として一致させた状態から結晶軸のＸ軸を回転軸として２５度から４５度の角度をなす水晶基板を使用する。なお、ここでいう結晶学上の軸は、図１に示す圧電振動子の形状に関連して定めた座標系の軸とは別物である。

水晶基板の結晶軸の角度と内部に生じる電界の方向に応じて振動脚部４ａ、４ｂが伸縮する。屈曲振動モードの場合は、振動脚部４ａ、４ｂがＸ軸方向に開閉するよう変位する。捩り振動モードの場合は、振動脚部４ａ、４ｂがＹ軸を回転軸として変位する。

図２は、図１に示す圧電振動子１のＡ−Ａ断面図である。振動脚部４ａ、４ｂの主面及び側面上のそれぞれに励振電極５ａ、５ｂが形成されている。振動脚部４ａ、４ｂの主面及び側面上の励振電極５ａ、５ｂが形成されていない部分が、表面露出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、１２ｈであり、エッチングで除去することにより、圧電振動子１の共振周波数が調整される。

図３は、上記の圧電振動子１の製造方法を示す図で、図２と同様の断面である。以下、圧電振動子１の製造方法を説明する。

図３（ａ）は、電極膜８と感光性材料からなるレジスト層９を両面に積層した水晶基板７を示す断面図である。電極膜８は、水晶のエッチングに対して耐食性を有する。本実施形態では電極膜８として、水晶基板７上に０．０５μｍの厚みで密着層として成膜したクロム（Ｃｒ）膜と、そのＣｒ膜上に０．１５μｍの厚みで成膜した金（Ａｕ）膜からなる積層膜を使用した。電極膜８はスパッタリング法を用いて形成したが、それ以外にも真空蒸着法やＣＶＤ法、鍍金法などにより成膜することができる。

電極膜８は、チタン（Ｔｉ）膜、ニッケル（Ｎｉ）を密着層とし、その上に銀（Ａｇ）、プラチナ（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）などを成膜しても構成可能である。水晶基板７との密着性とエッチング液に対する耐食性を考慮した材料であれば、ＣｒとＡｕ以外の積層膜、合金膜、単層膜を使用してもかまわない。

図３(ｂ)は、レジスト層９にレジストパターンを形成する方法を示す。電極膜８とレジスト層９を積層した水晶基板７の上下両面に、レジスト層パターンを形成するためのマスク１１を用いて、レジスト層９を所定の波長の紫外線ＵＶで露光する。

図３（ｃ）は、電極膜８に圧電振動片２（図１参照）の輪郭を形成する方法を示す。まず、露光されたレジスト層９を現像し、マスク１１と同じ形状のレジスト層パターンを得る。レジスト層９が現像され露出した電極膜８をエッチングする。電極膜８のエッチング方法として、例えば、王水によってＡｕ膜をエッチングし、硝酸系のエッチング液によってＣｒ膜をエッチングすればよい。

図３（ｄ）は、電極膜８上に残ったレジスト層９を除去した状態である。レジスト層９はアセトンなどの有機溶媒によって容易に除去できる。

図３（ｅ）は、水晶基板７をエッチングして圧電振動片２（図１参照）の外形を形成した状態であり、振動脚部の断面を示す。この時、水晶基板７のエッチングされない部分はマスク１１とほぼ同じ形状になる。このエッチングされなかった部分が本発明の圧電振動片２の外形形状である。外形形状の形成により、基部３、振動脚部４ａ、４ｂも形成される。本実施形態では、フッ酸とフッ化アンモニウムの混合物からなるバッファードフッ酸をエッチング液として用い、ウェットエッチングを行った。５０から７０℃のエッチング液によって、４から８時間のエッチング処理を行い、圧電振動片２の外形形状を形成した。これらのパターニング方法は一般に半導体製造で使用されている方法で、高い精度でのパターニングが可能である。

図３（ｆ）は、振動脚部４ａ、４ｂに励振電極５ａ、５ｂを形成した状態を示す。形成方法は、図３（ａ）から図３（ｅ）に示すのと同様な手順で、励振電極５ａ、５ｂを所望の形状にパターニングする。なお、励振電極５ａ、５ｂの一部は、Ａｕ膜とＣｒ膜とで構成される電極膜８を再度パターニングして形成することも可能であるが、本実施形態では、水晶基板７のエッチングの耐蝕膜として用いた電極膜８をエッチング法によって除去した後、水晶基板７上に０．１５μｍ厚のＡｕ膜（上層）と０．０３μｍ厚のＣｒ膜（下層）をもう一度スパッタ法により成膜して、その膜にフォトリソグラフィー法を施して励振電極５ａ、５ｂを形成し、圧電振動片２を製作する。振動脚部４ａ、４ｂに励振電極５ａ、５ｂの形成されていない表面露出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが形成される。

圧電振動片２の材料は水晶に限定されるものでなく、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ランガサイト、ランガテイトなどの圧電単結晶や圧電セラミックス材料を用いることができる。またウェットエッチングだけではなくドライエッチングにより形成することができる。

図３（ｇ）は、振動脚部４ａ、４ｂの表面露出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、１２ｈをエッチングし一部除去した状態を示す。表面露出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、１２ｈをエッチングする前に圧電振動片２を水晶基板の状態で振動させ、共振周波数を測定する。エッチング時間と共振周波数の関係から目的の共振周波数になるように適切な時間で５０から７０℃のバッファードフッ酸をエッチング液として用い、エッチングを行う。エッチングを行うことにより表面露出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、１２ｈが一部除去され、振動脚部４ａ、４ｂの質量とモーメントが変化して目的の共振周波数に調整することができる。

捩り振動モードの場合は、振動脚部４ａ、４ｂの回転軸をＹ軸としたとき基部３から振動脚部４ａ、４ｂの先端へ向かう＋Ｙ方向ほど共振周波数の調整量は大きくなり、また振動脚部４ａ、４ｂの表面と回転軸が垂直になる表面中心から距離が大きくなるほど共振周波数の調整量が大きくなる。たとえば振動脚幅２００μｍでＸ軸方向に中心部領域、中間部領域、角部領域の３領域に分類し共振周波数の調整量の影響度を調査した結果、中間部領域は中心部領域に対して２倍程度の調整量、角部領域は中心部領域に対して５倍程度の調整量になる。よって共振周波数を大きく調整したい場合は角部に表面露出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、１２ｈを形成することが望ましい。

捩り振動モードの場合は、周波数調整膜の有無や調整位置などが共振周波数の温度特性に顕著に影響する。共振周波数の温度特性の影響度は、振動脚部４ａ、４ｂの表面と回転軸が垂直になる表面中心から距離が大きくなるほど小さくなる。よって共振周波数の温度特性の影響度を小さくするには角部に表面露出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、１２ｈを形成することが望ましい。

屈曲振動モードの場合は、左右の振動脚部４ａ、４ｂが互いにＸ軸方向に逆相で変位しているので左右の振動脚部４ａ、４ｂの質量バランスがくずれるとクリスタルインピーダンスが劣化する。捩り振動モードの場合は、Ｙ軸を回転軸としてよって変位しているので屈曲振動モードと同様に左右の振動脚部４ａ、４ｂの質量バランスがくずれるそれぞれの振動脚部４ａ、４ｂ内のバランスがくずれるとクリスタルインピーダンスが劣化する。よって表面露出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄと表面露出部１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、１２ｈはそれぞれの振動脚部４ａ、４ｂごとに対照形状であることが望ましい。

従来の圧電振動子の製造方法で周波数調整量を大きくするには圧電振動片に周波数調整用膜を広領域に形成するか厚く形成する必要があるが、本発明では振動脚部４ａ、４ｂの表面露出部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ、１２ｈをエッチングすることで共振周波数調整量を大きくすることができる点で異なる。

従来の周波調整工程は、共振周波数が大きく外れてしまった場合は励振電極を剥離し、エッチングなどで形状を再度調整したが、本発明では励振電極を剥離しないで共振周波数が調整できる点で異なる。

本発明の構成により、周波数調整膜を広領域かつ厚く形成することなく周波数調整することができる。周波数調整膜を広領域に形成する必要がないため圧電振動子の小型化に適している。周波数調整膜を厚く形成する必要がないため圧電振動子のクリスタルインピーダンス特性の劣化や共振周波数の温度特性の変化を防ぐことができる。また、周波数調整前の共振周波数が狙いから大きく外れている場合でも励振電極を剥離せずに周波数を調整することができる。そのため励振電極膜の剥離工程、形成工程などの労力と材料費などの多大な費用を削減することができる。よってウェアラブル機器や移動体通信機器などに用いられる発振器、フィルタ、センサの小型化、高性能化に適した圧電振動子を提供することと、このような圧電振動子を効率よく製造する方法を提供できる。

本発明は上記の構成に限定されず、請求の範囲を逸脱しない範囲で様々な変更を行うことができる。例えば、シリコンで構成された振動子においても有効である。また、振動脚部が２本以上の、例えば三叉型の圧電振動子にも本発明を適用できることはいうまでもないし、逆に音叉状でなく直線状の、いわゆるフリー・フリー・バーにも適用可能である。

１，１０１ 圧電振動子
２，１０２ 圧電振動片
３，１０３ 基部
４ａ，４ｂ，１０４ａ，１０４ｂ 振動脚部
５ａ，５ｂ，１０５ａ，１０５ｂ 励振電極
６ａ，６ｂ，１０８ａ，１０８ｂ 電極パッド
７ 水晶基板
８ 電極膜
９ レジスト層
１１ マスク
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ，１２ｇ，１２ｈ 表面露出部
１０６ａ，１０６ｂ 粗調整用金属膜
１０７ａ，１０７ｂ 微調整用金属膜

Claims (2)

1. 基部と該基部から突出する１本以上の振動脚とを備える圧電振動片の表面に励振電極を備え所定の共振周波数で、かつ捩り振動モードで振動する圧電振動子の製造方法において、基部と該基部から突出する１本以上の振動脚とを備える圧電振動片を形成する工程と、前記圧電振動片の表面の少なくとも２面の一部に励振電極を形成する工程と、前記励振電極を形成した表面の表面露出部の一部をエッチングする工程とを、有することを特徴とする圧電振動子の製造方法。
2. 請求項１記載の圧電振動子の製造方法において、前記表面露出部の一部をエッチングする工程は、ウェットエッチング法を用いて、前記表面露出部の一部を除去し、前記圧電振動子の前記共振周波数を調整することを特徴とする圧電振動子の製造方法。

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