JP6434130B2 - 水晶振動子および水晶振動デバイス - Google Patents

Description

本発明は、水晶振動子および水晶振動デバイスに関する。

ＡＴカットなどの厚みすべりの水晶振動子は、周波数制御素子として知られ、各種電子機器の発振器に周波数および時間の基準源として用いられる。

このような水晶振動子は、例えば特開２００８−１０９５３８号公報に示すように、ＡＴカットした矩形状の水晶片の中央に厚み方向に対向する１対の励振電極が形成され、この１対の励振電極のそれぞれから水晶片の端部まで引き出された引出電極が形成されてなる。

本発明の一形態に係る水晶振動子は、厚みすべり振動をする板状の水晶片と、前記水晶片の両面に形成される一対の励振電極と、前記励振電極からそれぞれ引き出された一対の引出電極と、を備える。そして、前記水晶片は、前記励振電極に被覆された複数個の丘陵部を備える第１領域を有する。

本発明の一形態に係る水晶振動デバイスは、上述の水晶振動子と、前記水晶振動子を固定するパッケージと、を備えるものである。

上記の水晶振動子および水晶振動デバイスによれば、高い信頼性を備えるものとなる。

本発明の一実施形態に係る水晶振動デバイス１００の模式的断面図である。 本発明の一実施形態に係る水晶振動子１０の模式的な上面図である。 水晶片の要部断面図である。 水晶片の変形例を示す要部断面図である。 実施例に係る水晶片のＡＦＭ観察結果である。 比較例に係る水晶片のＡＦＭ観察結果である。 、実施例に係る水晶片の丘陵部の高さプロファイルを示す図である。

以下、本発明に係る水晶振動子および水晶振動デバイスの実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、図面は模式的に示されたものであり、各図における各種構造のサイズおよび位置関係等は適宜変更し得る。

＜＜水晶振動デバイス＞＞
水晶振動子１０の説明に先立ち、水晶振動子１０が収容された水晶振動デバイス１００の全体像について、図１を参照して説明する。図１は、水晶振動デバイス１００の模式的な断面図である。水晶振動デバイス１００は、水晶振動子１０とそれを収容するパッケージ３０とを備える。

パッケージ３０は、第１基板３１と、第１基板３１の上面に配置された枠部３２と、枠部３２の開口を塞ぐ第２基板３３とを備える。パッケージ３０は水晶振動子１０を封止するものである。第１基板３１と枠部３２とは、例えば、セラミックス，ガラスまたは有機材料等の絶縁性を有する材料を所望の形状に加工することで得ることができる。第１基板３１と枠部３２とは、別々の部材を用いてそれらを接合して形成してもよいし、同一材料を用いて一体的に形成してもよい。また、セラミック多層基板を用いて、枠部３２によりキャビティを形成するセラミックパッケージとしてもよい。

第２基板３３は、第１基板３１と同様の材料を用いてもよいし、蓋部として平板状の金属を用いてもよい。第１基板３１と同様の材料を用いる場合には、熱履歴が生じた場合であってもパッケージ３０に生じる応力を抑制することができるので信頼性の高い水晶振動デバイス１００を提供することができる。

金属を用いる場合には、容易に気密封止をすることができるので生産性が高く、かつ、信頼性の高い水晶振動デバイス１００を提供することができる。このような金属材料としては、Ｆｅ−Ｎｉ合金やＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金等の一般的なリッド材料を用いることができ、枠部３２にＡｕＧｅ，ＡｕＳｎ等の一般的な金属接合剤を介して接合することができる。

パッケージ３０の収容空間３５（キャビティ）内には、第１基板３１上に配置された台座部３６を備える。台座部３６は、水晶振動子１０をパッケージ３０の内壁から間隔を空けて保持するために設けるものである。台座部３６により、水晶振動子１０を振動可能な状態で保持できる。このような台座部３６は、絶縁性を有する材料であれば特に限定されないが、例えば、第１基板３１，枠部３２と同様の材料を用いてもよい。

このような台座部３６の上に導電性の接着剤３７を介して水晶振動子１０が保持される。水晶振動子１０は、図２に示すように、板状の水晶片１１と、その両主面（１１ａ，１１ｂ）に形成された一対の励振電極１２（１２ａ，１２ｂ）と、励振電極１２に電気的に接続される一対の引出電極１３（１３ａ，１３ｂ）と、を備える。

なお、接着剤３７の量や濡れ性を調整することにより、台座部３６を省くこともできる。すなわち。第１基板３１上に直接接着剤３７を設けてもよい。

水晶片１１は、特定のカット角で切り出されたものである。例えば、水晶の結晶軸のＹ軸に対してＹＺ面がＸ軸を中心としてＺ軸からＹ軸方向に３５度１５分傾斜した切断角度でカットするＡＴカットを用いてもよい。励振電極１２ａは、水晶片１１の一方の主面１１ａの中央付近を中心として形成されたものである。励振電極１２ｂは、水晶片１１の他方の主面１１ｂの中央付近を中心として励振電極１２ａと対向配置するように形成されたものである。そして、引出電極１３ａは、励振電極１２ａを外部回路に接続するために引き出すものである。具体的には、引出電極１３ａは、励振電極１２ａに電気的に接続するとともに、水晶振動子１１の主面１１ａの端部まで引き出し、側面を介して他方の主面１１ｂまで延在している。ここで、励振電極１２ｂとは接続されないように、延在位置を決定する。同様に、引出電極１３ｂは、励振電極１２ｂに電気的に接続するとともに、水晶振動子１１の主面１１ｂの端部まで引き出し、側面を介して主面１１ａまで延在している。

このような水晶振動子１０において、水晶片１１の両主面１１ａ，１１ｂとが逆方向に動く「厚みすべり」により１ＭＨｚ〜数百ＭＨｚの振動を発生させる。このような振動の周波数は、水晶片１１の平面形状および厚みと、励振電極１２の平面形状と厚みとにより制御することができる。たとえば、水晶片１１は、平面形状を矩形状とし、短辺側を０．１ｍｍ〜２．０ｍｍ、長辺側を０．３ｍｍ〜３．０ｍｍとし、厚みが１μｍ〜７０μｍとし、励振電極１２の厚みを０．１μｍ〜１μｍとすればよい。

ここで、引出電極１３ａを接着剤３７を介して、外部電極３８ａに接続する。同様に、引出電極１３ｂは、接着剤３７を介して、外部電極３８ｂに接続される。より具体的には、接着剤３７は１つの水晶振動子１０に対して２つ設けられ、主面１１ｂに引き出された引出電極１３ａと、主面１１ｂに位置する引出電極１３ｂとにそれぞれ接続される。

外部電極３８は、台座部３６から収容空間３５の外側まで引き出されたものであり、この例では第１基板３１の枠部３２が接続される側と反対側の面である下面まで延在している。これにより、水晶振動デバイス１００を第１基板３１の下面で不図示の回路基板等に実装することで、外部回路との接続が可能となる。

このような、外部電極３８は、例えば、第１基板３１，枠部３２，台座部３６を多層セラミックパッケージで形成したり、多層有機基板で形成したりする場合には、各層を貫通するビアを形成し貫通導体を設けることで実現させてもよい。

なお、この例では、収容空間３５内に発振回路等の電子部品が配置されていないが、収容空間３５内に他の電子部品が配置されていてもよい。

＜＜水晶振動子１０＞＞
本実施形態の水晶振動子１０は、図２を用いて既に説明した通りであるが、水晶片１１についてさらに詳述する。図３は、図２のＡ−Ａ線における要部断面図である。図３において、励振電極１２ａ，１２ｂの表示を省略している。

図３に示す通り、水晶片１１のうち、励振電極１２に覆われる領域には、複数の丘陵部１５を備える。このような複数の丘陵部１５を設けることにより、励振電極１２との接触面積が増加するとともに、アンカー効果が生じるため、励振電極１２と水晶片１１との接合強度を高めることができる。これにより、信頼性の高い水晶振動子１０を提供することができる。

このような丘陵部１５は、水晶振動子１０の振動周波数に影響を与えにくい程度に小さくしし、これを多数配置することで、振動周波数に影響の少ない状態で励振電極１２との密着性を向上させることができる。具体的には、丘陵部１５の高さは水晶片１１の厚みの０．１％以下とすればよい。丘陵部１５は点在しているので、丘陵部１５をこのような大きさとした場合には、丘陵部１５に起因する体積増加率はさらに小さくなり、実質的に水晶振動子１０の周波数に影響を与えにくくなる。

一方で、丘陵部１５の高さは、水晶片１１の厚みのばらつきとは明らかに異なるものであるため、水晶片１１の自乗平均値Ｒｑよりも高いものとする。例えば、現状では、水晶片１１の研磨加工、ポリシング加工、表面状態の調整により、Ｒｑを５ｎｍ程度まで改善することができることが知られている（「鏡面加工技術の進歩」；小林昭氏監修参照）。このような表面状態の場合には、５ｎｍよりも大きい高さを有する丘陵部１５を設ければよい。

水晶片１１の厚みのばらつきσよりも丘陵部１５の高さを高くしてもよい。水晶片１１は、水晶振動子１０の振動周波数を所望の値にするためにも均一な厚みとすることが望まれる。水晶片１０として、表面粗さのみでなく、厚みの均一性を求める場合には、従来の研磨、エッチング等による処理時の厚みのばらつきに起因する起伏や、凹凸が少なくなる。このように、水晶片１１の厚みが均一となり、σが小さくなるときほど、丘陵部１５を設けると信頼性を高めることができる。たとえば、水晶片１１の狙い厚みの振動周波数に対して、周波数のばらつきが±２５００ｐｐｍとなる厚みのばらつきを実現するときに、丘陵部１５による信頼性向上効果を奏する。

そして、丘陵部１５の底面の径は、高さよりも大きくしてもよい。底面の径を高さの寸法に比べて大きくしていくことで、丘陵部１５の表面積を増加させるとともに、励振電極１２との被覆性・密着性も向上するものとなる。また、丘陵部１５が、スパーク源となる虞も低減できる。

具体的には、丘陵部１５が突起部とならないように半球状よりもなだらかなものとしてもよい。そのためには、丘陵部１５の底面に対する高さの寸法比を１／２以下としてもよい。また丘陵部１５の表面積増加の効果をだすためにも、底面に対する高さの寸法比を１／２０以上とするよい。また、丘陵部１５の表面は曲面としてもよい。さらには、厚み方向において断面視したときに、主面１１ａ，１１ｂのうち、丘陵部１５を除く面と、丘陵部１５とでなす角度（接触角）を鋭角としてもよい。

水晶片１１は、このような丘陵部１５が複数あるが、これら複数の丘陵部１５の間隔は特に限定されないが、例えば、１００ｎｍ〜２００ｎｍ程度の間隔で設ければよい。このような間隔で丘陵部１５を設けることで、水晶片１１に形成する励振電極１２の密着性を高めることができる。すなわち、励振電極１２を、蒸着法やスパッタリング法等の薄膜形成技術により成膜するときに成膜に寄与する金属粒子径は５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。この個々の金属粒子を丘陵部１５間にトラップし、金属粒子間の隙間を丘陵部１５により埋めることができる。これにより、丘陵部１５により励振電極１２の密着性を高めることができる。

このような、丘陵部１５の具体的な例として、例えば、水晶片１１の厚みばらつきσを５ｎｍの精度で加工を行なったときに、高さ５０ｎｍ以下、底面の径１００ｎｍ以下、１００個／μｍ^２以下の密度で形成すればよい。

丘陵部１５は、水晶片１１の厚みを一定にするように加工するときに、同時に形成すればよい。すなわち、プラズマ局所加工（ＰＡＣＥ（Ｐｌａｓｍａ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｔｃｈｉｎｇ），プラズマジェット，プラズマＣＶＭ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）方法や局所ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）方法等により、局所的に厚みを変化させることで、所望の形状の丘陵部１５を得ることができる。

なお、図３に示す例では、主面１１ａのみに丘陵部１５を設けている。ここで、主面１１ａは、水晶振動子１０をパッケージ３０に収容するときに蓋部となる第２基板３３側に位置する面である。水晶振動デバイス１００を製造するときに、水晶振動子１０を台座部３６に固定した後に、励振電極１２間に電圧を印加して周波数特性をモニタリングしながら、露出している励振電極１２（この例では励振電極１２ａ）をエッチングしてその厚みや形状を変えることで、周波数特性の調整を行なうことがある。本例のように、水晶振動子１０のうちパッケージ３０に直接固定される側の面と反対側の面（１１ａ）に丘陵部１５を有する場合には、励振電極１２ａ加工のプロセスにより局所的な応力が発生する場合であっても、励振電極１２ａと水晶片１１との密着性を確保することができる。

＜＜変形例＞＞
図４に示すように、丘陵部１５は水晶片１１の両主面（１１ａ，１１ｂ）に形成されていてもよい。この場合には、両主面（１１ａ，１１ｂ）において、励振電極１２と水晶片１１との密着性を高めることができるので、より信頼性の高い水晶振動子１０を提供することができる。図４においても、励振電極１２の図示は省略している。

また、図３，図４ともに水晶片１１のうち励振電極１２に被覆される領域のみについて言及したが、両主面（１１ａ，１１ｂ）のうち励振電極１２から露出する面にも配置してもよい。この場合であても、丘陵部１５は微細であり、かつ点在するものであるので、水晶振動子１０の振動周波数には影響がない。

なお、仮に振動の閉じ込めのために水晶片１１の側面に傾斜面を設ける場合には、水晶片１１の中央部への振動閉じ込めをより効果的に実現するために、傾斜面には丘陵部１５を設けなくてもよい。

また、両主面（１１ａ，１１ｂ）で丘陵部１５が平面透視したときに重ならないようにしてもよい。

以上、本発明の実施形態を例示したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の目的を逸脱しない限り任意のものとすることができることはいうまでもない。

図３に示す水晶片１１を形成した。具体的には、ＡＴカットの水晶に対して、狙い厚みを３０μｍとして厚みを均一化するとともに、丘陵部１５を形成した。厚みの均一化にはプラズマＣＶＭ法を用いて、局所的にプラズマを生成することで局所的にエッチングを行なった。ここで、所望の加工量に応じてプラズマ滞留時間を異ならせることで、面内全面において所望の厚みに加工した。

加工前水晶厚み：３０μｍ〜３２μｍ
加工前水晶厚みバラつき：２０ｎｍ〜１２０ｎｍ
加工後水晶片１１厚み：３０μｍ±０．０１μｍ
加工後水晶片１１厚みバラつき（σ）：５ｎｍ以下

このように加工した水晶片１１と、通常のウェットエッチングにより加工した比較例の水晶との表面状態を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により測定した。実施例の観察結果を図５に、比較例の観察結果を図６に示す。この結果からも分るように実施例の水晶片１１には、高さ２０ｎｍ以下、幅（底面の径）６０ｎｍ以下の複数の丘陵部１５を形成できていることを確認した。比較例の水晶の表面にはこのような丘陵部は確認できなかった。

なお、ＡＦＭの測定結果は、平面方向のオーダー（μｍ）と高さ方向のオーダー（ｎｍ）が異なる。このため、丘陵部１５が幅の狭い突起状となっているように見えるが、実際には幅広の丘陵形状となっている。なお、図７に、１つの丘陵部１５の高さプロファイルを示す。このように、周囲から明らかに張り出している状態を確認できた。

次に、ＡＦＭ像をもとに、実施例および比較例の自乗平均値Ｒｑ，中心線平均粗さＲａ，最大高さＲｍａxを算出した結果、以下の通りだった。なお実施例については、丘陵部１５を除いた部分のＲｑ，Ｒａ，Ｒｍａｘも算出した。

実施例（全体）
Ｒｑ：０．５１ｎｍ
Ｒａ：０．２２ｎｍ
Ｒｍａｘ：１１．３ｎｍ
実施例（丘陵部１５以外）
Ｒｑ：０．１５ｎｍ
Ｒａ：０．１２ｎｍ
Ｒｍａｘ：１．１５ｎｍ
比較例（全体）
Ｒｑ：０．１３ｎｍ
Ｒａ：０．１０ｎｍ
Ｒｍａｘ：１．１７ｎｍ

上述の通り、表面粗さを表す項目には特に変化はなく、均一かつ平坦な面にところどころ丘陵部１５が形成されている構成が確認できた。なお、実施例において、丘陵部１５の個数密度は４視野で測定した結果、５０〜１５０個／μｍ^２であった。

この結果から、以下の過程に基づき、丘陵部１５の影響を検討した。

平均丘陵部１５形状：高さ１０ｎｍ，底面径３０ｎｍ
丘陵部１５の密度：１００個／μｍ^２
丘陵部１５間の間隔：平均１５０ｎｍ

上述の仮定より、複数の丘陵部１５を合わせた体積は、約２．４×１０^５ｎｍ^３となる。これは、１μｍ^２あたり約０．２４ｎｍの厚みが増加することと等価である。ここで、５２ＭＨｚで振動する水晶振動子１０を目指したときに、狙い厚み２８．６５６μｍに対して厚みが０．２４ｎｍ増加したときには、それによる周波数変化は約５００Ｈｚとなる。すなわち、目標周波数に対して０．００１％の変動となり、水晶振動子１０全体への影響は無視することができた。

そして、このような丘陵部１５を設けることにより、表面積を１．６倍程度まで向上させることができた。その結果、実施例の水晶片１１を用いることで、励振電極１２との密着強度を高めることができる。実際に、実施例および比較例の水晶片１１に励振電極１２を同条件で形成し密着強度を測定したところ、実施例の方が高い値を示した。

以上より、実施例の水晶振動子１０は、信頼性が高いことを確認した。

なお、上述では、水晶振動子を例に説明したが、振動を伴う板状のチップとその上に形成する層状の構成（励振電極等）との組み合わせであればこの例に限定されず、チップの主面に上述の丘陵部を設けることで同様の効果を奏することができる。例えば、水晶基板に代えて、リチウムタンタル酸結晶（ＬＴ基板）、ニオブ酸リチウム結晶（ＬＮ基板）の圧電基板を用いてもよい。この圧電基板の主面に櫛歯状の励振電極（ＩＤＴ電極）を形成する。ＩＤＴ電極はＡｌやＡｌ合金を用いて形成すればよい。圧電基板のうち、少なくともＩＤＴ電極に覆われる部分に丘陵部を形成することで、ＩＤＴ電極と圧電基板との密着性を向上することができる。

なお、水晶振動子の場合と同様に、圧電基板の主面のうち、ＩＤＴ電極に覆われていない部分においても丘陵部を設けてもよい。ＩＤＴ電極と圧電基板の主面を覆う保護層を形成する場合に、この保護層と圧電基板との密着性を向上させることができるからである。保護層としては、酸化ケイ素や酸化窒素からなる薄膜で形成すればよい。なお丘陵部の形状は水晶振動子の場合と同様である。

このような圧電基板を少なくとも１つのＩＤＴ電極を含む領域毎に個片化することで、チップ状の弾性波素子を構成することができる。

以上より、本明細書より下記概念を抽出することができる。
（概念１）
圧電基板と、
前記圧電基板の主面に配置された励振電極と、を備え、
前記圧電基板は、前記励振電極に被覆された複数個の丘陵部を備える、弾性波素子。
（概念２）
圧電基板と、
前記圧電基板の主面に配置された励振電極と、
前記励振電極と前記圧電基板の主面のうち前記励振電極に覆われていない第１領域とを覆う絶縁性の保護膜と、を備え、前記圧電基板は、前記第１領域に複数個の丘陵部を備える、弾性波素子。
（概念３）
概念１、２において、圧電基板は、リチウムタンタル酸結晶からなり、励振電極は、１対の櫛歯状電極からなる、弾性波素子。

１０：水晶振動子、１１：水晶片、１１ａ：主面、１１ｂ：主面、１２ａ：励振電極、１２ｂ：励振電極、１３ａ：引出電極、１３ｂ：引出電極、１５：丘陵部、３０：パッケージ、３１：第１基板、３２：枠部、３３：第２基板、３５：収容空間、３６：台座部、３７：接着剤、１００：水晶振動デバイス

Claims (6)

1. 厚みすべり振動をする板状の水晶片と、
   前記水晶片の両面に配置された一対の励振電極と、
   前記励振電極からそれぞれ引き出された一対の引出電極と、を備え、
   前記水晶片は、前記励振電極に被覆された複数個の丘陵部を備え、
   前記丘陵部の高さは、前記水晶片の厚みの標準偏差よりも大きく、平均厚みの０．１％以下である、水晶振動子。
2. 厚みすべり振動をする板状の水晶片と、
   前記水晶片の両面に配置された一対の励振電極と、
   前記励振電極からそれぞれ引き出された一対の引出電極と、を備え、
   前記水晶片は、前記励振電極に被覆された複数個の丘陵部を備え、
   前記丘陵部は、その底面に対する前記高さの寸法比が１／２０〜１／２であり、その存在密度が５０〜１５０個／μｍ ^２ である、水晶振動子。
3. 前記丘陵部は、その底面に対する前記高さの寸法比が１／２０〜１／２であり、その存在密度が５０〜１５０個／μｍ^２である、請求項１に記載の水晶振動子。
4. 前記丘陵部は、前記水晶片の片面のみに設けられている、請求項１乃至３のいずれかに記載の水晶振動子。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の水晶振動子と、
   前記水晶振動子を固定するパッケージと、
   を備えた水晶振動デバイス。
6. 前記パッケージは、前記水晶振動子が収容されるキャビティを有する支持部と、前記キャビティを塞ぐ蓋部と、を含み、
   前記水晶振動子は、前記蓋部側に位置する面のみに前記丘陵部が設けられている、請求項５に記載の水晶振動デバイス。