JP7433592B2

JP7433592B2 - 水晶デバイスの製造法

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Publication number: JP7433592B2
Application number: JP2022555910A
Authority: JP
Inventors: 公彦竹内; 裕矢部
Original assignee: GENERGY CO., LTD.; Showa Shinku Co Ltd
Current assignee: GENERGY CO., LTD.; Showa Shinku Co Ltd
Priority date: 2021-09-19
Filing date: 2022-09-14
Publication date: 2024-02-20
Anticipated expiration: 2042-09-14
Also published as: JPWO2023042834A1; WO2023042834A1; CN117941252A; TW202315179A

Description

本発明は、水晶デバイスの製造法に関する。

水晶デバイスは、デジタルカメラ、スマートフォン、時計、パーソナルコンピュータ、テレビ、メディアプレーヤ等の多岐にわたる電子機器等に用いられている。水晶デバイスは、デジタル制御には欠かせない基準信号（クロック）を作り出す部品で、人間にたとえると「心臓」のやくわりをする重要な部品である。（特許文献１）。

特開２０１３－０８９９９４号公報

周波数経時変化（エージング特性）が重要な特性になってきた中で、水晶振動片の電極は、銀電極から金電極が主流になってきている。しかしながら金は、材料代が高価であり、水晶デバイスのコストアップの要因となっていた。

一つの改善策として、電極材料を金銀合金（たとえば、２２金または２０金等）にする技術も実用化されている。しかしながら、主力のスパッタリング装置で使用するターゲット材の装置等に付着した金等を回収し、精製する工程が、単一金属の場合に比べ、複雑であり、コストダウン効果が少ない。

また、金銀合金ターゲットを用いて成膜した場合は、銀が金の中にまんべんなく分布するため、電極最表面にも銀成分が分布する。このため、水晶デバイスのパッケージ内に残留するアウトガスと反応して、金電極品と比較すると、エージング特性が悪化する原因となっている。

そこで本発明の目的は、エージング特性を低下させずに、原材料費としての貴金属ターゲットのコストダウンを可能にする水晶デバイスを提供することである。

上記目的を達成するため、本発明の水晶デバイスの製造法は、カルーセル式スパッタリング装置を用いて、水晶振動片の表面から順に、下地層と金と第２の金属とを有する層と、金と、第２の金属を有し、第２の金属を５０体積％以上有する層と、金と、第２の金属を有し、第２の金属を５０体積％未満有する層と、金を９５体積％以上有する金属で成膜する層と、を有するように成膜する。

ここで、第２の金属は、銀層である、こととしても良い。

本発明ではエージング特性を低下させずに、原材料費としての貴金属のコストダウンを可能にする水晶デバイスを提供することができる。

水晶振動片と、電極の配置を示し、（Ａ）は水晶振動片の平面図であり、（Ｂ）は水晶振動片の正面図であり、（Ｃ）は水晶振動片の底面図である。本実施の形態の水晶デバイスの製造法に用いる、カルーセル式３源スパッタリング装置の平面図（上から見た図）であり、成膜室を示す図である。本実施の形態で成膜した、水晶デバイスの電極の縦断面模式図であり、一つの丸が金等の分子の大きさのものである、図１では、水晶振動片の両面に電極が配置されるが、それを片面だけに省略した図である。変形例の実施の形態で成膜した、水晶デバイスの電極の縦断面模式図であり、一つの丸が金等の分子の大きさのものである、図１では、水晶振動片の両面に電極が配置されるが、それを片面だけに省略した図である。

（本実施の形態の水晶デバイスの製造法）
以下、本の形態の水晶デバイスの製造法について、図１と図２に基づいて説明する。本実施の形態で用いる水晶デバイス１は、図１に示すような水晶振動片１２と、電極３Ａ，３Ｂの配置となっている。図１の（Ａ）は水晶振動片１２の平面図であり、図１の（Ｂ）は水晶振動片１２の正面図であり、図１の（Ｃ）は水晶振動片１２の底面図である。

図１（Ａ）の、電極３Ａは、水晶振動片１２の平面を電極３Ａが大きく占めるように配置されている。電極３Ｂは、水晶振動片１２の平面の右下端を小さく占めるように配置されている。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）から続くように電極３Ａ，３Ｂが配置されている。図１（Ｃ）は、図１（Ｂ）から続くように水晶振動片１２の底面を電極３Ｂが大きく占めるように配置されている。

本実施の形態の水晶デバイス１の製造法は、図２に示すカルーセル式３源スパッタリング装置１０を用いる。カルーセル式３源スパッタリング装置１０とは、水晶振動片（ワーク）１２が数十～数百個セットされた基板１３を公転回転させ、ワーク１２に対向する３ヶ所の位置にスパッタリングターゲット１４，１６，１８を配置し、スパッタリングを行うことで、連続的に異種金属を成膜できる装置である。

このカルーセル式３源スパッタリング装置１０の公転回転速度は、５～９９ｒｐｍであり、矢印Ｍの方向に回転し、空移動時間が少なく、また、個々のスパッタリングターゲット１４，１６，１８（クロムターゲット１４、銀ターゲット１６、金ターゲット１８）の成膜パワーまたは、電源のＯＮ／ＯＦＦを制御することで、任意の膜組成を形成できる。

たとえば、下地層であるクロムターゲット１４を最初に成膜するときは、銀ターゲット１６、金ターゲット１８の電源をＯＦＦにする。また、銀またはクロムの薄い成膜をするときは、成膜パワーを小さくする、および／または成膜時間を短くする。金の厚い成膜をするときは、成膜パワーを大きくする、および／または成膜時間を長くする。

そして、カルーセル式３源スパッタリング装置１０を用いて、水晶振動片１２の表面に下地層であるクロム層を成膜し、下地層の表面に金を成膜し、その後銀と金を交互に積層成膜し、下地層から一番遠い表面層に金を成膜する。

このように、各成膜を積層したものを図３に示す。まず、カルーセル式３源スパッタリング装置１０を用いて、水晶振動片（ワーク１２）の表面から順に、下地層の構成要素であるクロム２０と、金２２と、銀２４を有する層３０を成膜する。次いで、金２２と、銀２４を有し、銀２４を５０体積％以上にした層３２を成膜する。次いで、金２２と、銀２４を有し、銀２４を５０体積％未満にした層３４を成膜する。次いで、金２２を９５体積％以上有する層３６を成膜する。これで、水晶デバイス１が製造される。

（本実施の形態によって得られる主な効果）
本実施の形態によれば、エージング特性を低下させずに、貴金属ターゲットのコストダウンを可能にする水晶デバイス１を提供することができる。水晶デバイス１の電極は、金電極が、酸化しやすい材料（銀、鉄、クロム等）の含有が少ないこと等が、エージング特性を低下させないと言われている。その点、本実施の形態によれば、銀と金を交互に積層成膜していることから、金電極、が酸化しやすい材料の含有が少なく、エージング特性を低下させない。

また、水晶デバイス１の電極を形成するのに、金／銀合金ターゲットが実用化されている。しかし、この合金ターゲットは、金重量が減る分のコストダウンは可能になるが、均一な合金組成に形成すること、故品または防着板等の貴金属を回収するのに金２２と銀２４の精製が必要であり、工数がかかり、コストダウン率は以外に劣る。この点でも本実施の形態の水晶デバイス１の電極を形成方法は、優位性がある。

また、層３０、層３２，層３４，層３６をこの順に水晶振動片１２の表面から積層することで、特に銀２４の濃度を少しずつ変えることができ（層３２，層３４，層３６）、各層の温度による体積変化を緩やかにし、膜応力等を抑制できる。

また、本来、カルーセル式３源スパッタリング装置１０の成膜速度は、いわゆるインターバック式のスパッタリングの成膜速度とほとんど変わらない。しかし、カルーセル式の多源スパッタリング装置１０を用いると、いわゆるインターバック式のスパッタリングに比べ、たとえば数倍～数十倍の速度で成膜できる。いわゆるインターバック式のスパッタリングは、カルーセル式の多源スパッタリング装置１０に比べ、空移動時間が増えてスパッタリング工程の生産性（装置能力）を悪化させる。

言い換えると、いわゆるインターバック式のスパッタリング装置で本発明の積層成膜をする場合、水晶振動片１２が数十～数百個セットされた基板１３を１～２枚搬送治具に載せてターゲット間を往復移動させるが成膜は往路のみであり復路は、空移動になるため多源になればなるほど、また、積層が多くなるほどから空移動時間が増えてスパッタリング工程の生産性（装置能力）を悪化させる。

しかし、カルーセル式スパッタリング装置１０を用いると、基板１３をたとえば８～１２枚一定方向に回転させることで成膜できるため、ターゲットの種類がたとえば２源から３源、あるいは４源と増えても回転時間は変わらないためスパッタリング工程の生産性(装置能力)を悪化させることはない。

なお、銀２４、金２２等の積層成膜の際に、膜厚方向の断面に銀２４等が若干露出する。しかし、この程度の露出は、水晶デバイス１のエージング特性を殆ど低下させない。

（他の形態）
上述した本実施の形態に係る水晶デバイス１の製造法は、本発明の好適な形態の一例ではあるが、これに限定されるものではなく本発明の要旨を変更しない範囲において種々の変形実施が可能である。

たとえば、本実施の形態では、銀２４と金２２を積層成膜する等しているが、この銀２４（第２の金属）に代えてチタン層、タングステン層、ニッケル等の１または２または３種を用いてもよい。

また、そのためには、本実施の形態では、カルーセル式３源スパッタリング装置１０を用いているが、カルーセル式４源スパッタリング装置等を用いて、他元素・多元素のスパッタリングターゲットを用いることとしても良い。

本実施の形態では、カルーセル式スパッタリング装置１０を用いて、水晶振動片の表面から順に、下地層と金と第２の金属とを有する層と、金と、第２の金属を有し、第２の金属を５０体積％以上有する層と、金と、第２の金属を有し、第２の金属を５０体積％未満有する層と、金を９５体積％以上有する金属で成膜する層と、を有するように成膜する。

（水晶デバイス１の変形例）
そして、水晶デバイス１の変形例の水晶デバイス４０の各成膜を積層したものを図４に示す。まず、カルーセル式３源スパッタリング装置１０を用いて、板状の水晶４２の表面から順に、下地層の構成要素であるクロム６０と、金６２と、銀６６を有する層６４を成膜する。次いで、金６２と、銀６６を有し、銀６６を５０体積％未満にした層６８を成膜する。次いで、金６２と、銀６６を有し、銀２４を疎にした層７０を成膜する。次いで、金６２と、銀６６を有し、銀６６を５０体積％未満にした層７２を成膜する。次いで、金６２と、銀６６を有し、銀６６を５０体積％未満にした層７４を成膜する。次いで、金６２と、銀６６を有し、銀６６を５０体積％未満にした層７６を成膜する。次いで、金６２と、銀６６を有し、銀６６を５０体積％未満にした層７８を成膜する。次いで、金６２と、銀６６を有し、銀６６を５０体積％未満にした層８０を成膜する。次いで、金６２と、９５体積％以上を有する層８２を成膜する。これで、水晶デバイス４０が製造される。

（変形例の実施の形態によって得られる主な効果）
変形例の形態によれば、エージング特性を低下させずに、原材料費としての貴金属のコストダウンを可能にする水晶デバイス４０を、水晶デバイス１と同様に提供することができる。水晶デバイス４０の電極は、金電極が酸化しやすい材料（銀、鉄、クロム等）の含有が少ないこと等が、エージング特性を低下させないと言われているのは、水晶デバイス１と同様である。その点、変形例の実施の形態によれば、銀と金を交互に積層成膜していることから、水晶デバイス１と同様に、金電極が酸化しやすい材料の含有が少なく、エージング特性を低下させない。

１，４０水晶デバイス
１０カルーセル式スパッタリング装置
１２水晶振動片（ワーク）
２２，６２金
２４，６６第２の金属（銀）
３０，６４下地層
３２，３４，３６，６８，７０，７２，７４，７６，７８，８０，８２層

Claims

カルーセル式スパッタリング装置を用いて、
水晶振動片の表面から順に、下地層と金と第２の金属とを有する層と、
前記金と、前記第２の金属を有し、前記第２の金属を５０体積％以上有する層と、
前記金と、前記第２の金属を有し、前記第２の金属を５０体積％未満有する層と、
前記金を９５体積％以上有する金属で成膜する層と、を有するように成膜する、
水晶デバイスの製造法。
請求項１記載の水晶デバイスの製造法であって、
前記第２の金属は、銀層である、
水晶デバイスの製造法。