JPH11284484A - Ｕｈｆ帯基本波水晶振動子及びフィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＵＨＦ基本波振動子、或はフィルタにおい
て、成膜上の制約及び信頼性確保の為、従来薄膜化に限
界があるとされていた電極膜厚を超薄肉振動部の肉厚に
対応して十分に薄くして、水晶素板と電極との界面に生
じる熱歪みを低減し、良好な周波数温度特性を実現し
て、高性能、高信頼性の水晶振動子、及びフィルタを得
る。 【解決手段】 ＡＴカット水晶素板１の一面又は両面の
一部に凹陥部１３を形成することによって該凹陥部の底
部に超薄肉振動部１３ａを設け、該水晶素板の一方の面
に全面電極１２を、又他方の面に部分電極１１（分割電
極３３、３４）を形成することにより３００ＭＨｚ以上
の基本波振動を得る水晶振動子において、少なくとも前
記全面電極の膜材料として金を用いると共に、前記超薄
肉振動部の厚みＴと、超薄肉振動部における全面電極圧
ｔとの関係が、少なくとも−３５℃〜＋８０℃における
振動周波数偏差が±４０ｐｐｍ以下となる様に設定され
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、基本波振動でＵＨ
Ｆ帯（３００ＭＨｚ以上）の共振周波数を得るＵＨＦ帯
基本波水晶振動子及びフィルタにおける周波数温度特性
の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】伝送通信機器やＯＡ機器の処理速度の高
速化、或は通信データや処理量の大容量化が進むのに伴
って、それらに用いる基準周波数信号源としての水晶振
動子においては、高周波化の要求が強くなっている。以
下、ＡＴカット水晶素板を用いた水晶振動子のＵＨＦ帯
での高周波化の現状を説明する。まず、ＨＦ、ＶＨＦ帯
に使用されるＡＴカット水晶振動子は、水晶原石の結晶
面（Ｒ面）から、約３°００’程度ｚ軸方向に傾けた角
度で切り出した均一厚の平板状水晶素板上に電極を形成
したものである。この水晶素板単体での温度周波数特性
は、図７(a) に示すように−３５〜８０℃の温度範囲に
て±４０ｐｐｍ程度の振動周波数偏差を呈する。このよ
うな周波数偏差を有した水晶素板に電極を形成すること
によって得た水晶振動子にあっては、図７(b) に示すよ
うに、−３５〜８０℃の温度範囲の周波数偏差が、±１
０ｐｐｍと、小さくなることが知られている。この時、
水晶素板の膜厚Ｔと電極の膜厚ｔを水晶密度換算した膜
厚ｔ_x の比、ｔ_x ／Ｔは、電極の質量負荷効果によるエ
ネルギー閉じ込めを考慮すると、１〜１．５％程度とな
るように設定されている。また、この電極膜厚は、その
絶対値がオーミックロスをもたらさない程度には十分に
厚く設定されている。ところが、ＵＨＦ帯（３００ＭＨ
ｚ）以上の基本波振動を求められる水晶振動子にあって
は、水晶素板の振動部の肉厚が極めて薄くなるため、振
動部に形成した電極の膜厚如何が、電極の熱歪みに起因
した悪影響をもたらす原因となる。これを更に詳述する
と、ＵＨＦ帯以上の基本波振動を実現する水晶振動子
は、本出願人により初めて開発されたものであり、図８
は本出願人が提案した高周波化を目的とした超薄肉部を
有するＡＴカット水晶素板の斜視図である。水晶素板１
は、ＡＴカット水晶素板の厚みすべり振動を利用した振
動子であって、その共振周波数が板厚と反比例すること
から、機械的強度を保ちつつ、高周波化を図る為に、水
晶素板の一方の主面をエッチングによって凹陥せしめ、
該凹陥部の超薄肉部分を振動部１３ａとするとともに、
振動部１３ａの周囲を支持する厚肉の環状囲繞部１４を
一体的に形成する。更に、水晶素板１の他方の主面上に
は部分電極１１と、これより延出するリード電極１５及
びパッド電極１６をマスク蒸着、又はフォトリソグラフ
ィ等により形成すると共に、上記一方の主面上には全面
蒸着により全面電極１２を形成したものである。以上の
ように構成することで、水晶振動子の基本波振動の高周
波化を図れるが、高周波化に従い、振動部１３ａの素板
厚が薄くなる為、質量負荷効果によるエネルギー閉じ込
め現象のみを考慮すると、電極膜厚もこれに伴い薄くす
る必要がある。振動部の肉厚に対して電極膜厚が厚過ぎ
る場合には、周囲温度の変化によって水晶素板と電極と
の界面に熱歪みが発生し、これが水晶素板に強制的な応
力として加わり、応力感度をもつＡＴカット水晶は、そ
の特質である３次曲線の周波数温度特性を著しく劣化さ
せるという問題があったからである。

【０００３】ところで、本出願人が提案した図８の水晶
素板にあっては、１５０ＭＨｚを越える基本波振動周波
数、例えば３００ＭＨｚ以上のＵＨＦ帯の高周波を得る
ために必要な超薄肉の振動部１３ａを十分な機械的な支
持強度を確保しつつ形成することが可能であるが、従来
の平板状の水晶素板を用いて作成された水晶振動子にあ
っては機械的強度上の理由から水晶素板の薄肉化に限界
があった為、数１０ＭＨｚが上限とされており、１５０
ＭＨｚを越える周波数を得ることは不可能であった。ま
た、上述の如く、従来の水晶振動子の振動部に形成する
電極膜の膜厚については、基本波振動が１５０ＭＨｚ程
度に止まる限りにおいては、振動部の素板厚みに対する
電極膜厚を多少厚く構成したとしてもその影響が少ない
ので、振動部の薄肉化についてはさほど大きな問題は起
きなかった。しかし、本出願人の提案に係る超薄肉振動
部を備えた水晶振動子にあっては、３００ＭＨｚ以上の
ＵＨＦ帯の基本波振動を確保する上で、該超薄肉振動部
上に形成する電極の膜厚は無視できないものとなる。仮
に、電極の質量負荷効果によるエネルギー閉じ込め効果
のみを考慮すれば、膜厚比１〜１．５％程度の電極膜厚
とすれば十分な筈であるが、超薄肉振動部の肉厚に対す
る膜厚比が１〜１．５％である場合の電極膜厚は数ｎｍ
となり、現状における成膜技術上の制約や、エージング
等の信頼性の問題から、このような薄膜を安定して形成
することは困難である。そのため、やむを得ず１５０Ｍ
Ｈｚ程度の基本波振動を目的とした水晶振動子と同等の
膜厚（絶対値）の電極を超薄肉振動部に形成することが
行われていた。この場合の電極の膜厚は、例えば、超薄
肉振動部の厚みＴと、全面電極を水晶密度換算した膜厚
ｔ_x との比 ｔ_x ／Ｔ が、３８％となる程度の膜厚で
あるため、電極の熱歪みに起因した悪影響が発生する虞
れがある。本出願人が実際に、図８に示した構造の水晶
素板を用いて３００ＭＨｚ以上のＵＨＦ帯の基本波振動
を確保すべく電極膜厚比について実験、研究したとこ
ろ、図７(c) に示すようにやはり上記した膜厚比（３８
％）の厚肉の電極膜によっては十分な温度周波数特性を
確保することが難しいことが判明した。また、研究レベ
ルでＵＨＦ帯まで高周波化を図った例として、例えば、
Ｆ．Ｍ．Ｓｔｅｒｎ ａｎｄ Ｊ．Ｄｏｗｓｅｔｔ：Ｐ
ｒｏｃ．４３ｒｄ ＦＣＳ，ｐ６３４−６３９，１９８
９．や、Ｊ．Ｒ．Ｈｕｎｔ ａｎｄ Ｒ．Ｃ．Ｓｍｙｔ
ｈｅ：Ｐｒｏｃ．３９ｔｈ ＦＣＳ，ｐ２９２−３０
０，１９８５．があるが、いずれも周波数温度特性に関
する研究や解決手段は開示されておらず、常温における
等価回路定数や共振特性を提示するに止まっている。以
上のように、従来ＵＨＦ帯の基本波水晶振動子を実用化
した例はなく、これを実現する為には、ＡＴカット水晶
の特質である３次曲線の周波数温度特性の確保が必要不
可欠である。なお、この問題は振動子のみならず、フィ
ルタにおいても同様であった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に鑑
みてなされたものであり、ＵＨＦ基本波振動子、或はフ
ィルタにおいて、成膜上の制約及び信頼性確保の為、従
来薄膜化に限界があるとされていた電極膜厚を超薄肉振
動部の肉厚に対応して十分に薄くして、水晶素板と電極
との界面に生じる熱歪みを低減し、良好な周波数温度特
性を実現して、高性能、高信頼性の水晶振動子、及びフ
ィルタを得ることを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、ＡＴカット水晶素板の一面又は
両面の一部に凹陥部を形成することによって該凹陥部の
底部に超薄肉振動部を設け、該水晶素板の一方の面に全
面電極を、又他方の面に部分電極を形成することにより
３００ＭＨｚ以上の基本波振動を得る水晶振動子におい
て、少なくとも前記全面電極の膜材料として金を用いる
と共に、前記超薄肉振動部の厚みＴと、超薄肉振動部に
おける全面電極圧ｔとの関係が、少なくとも−３５℃〜
＋８０℃における振動周波数偏差が±４０ｐｐｍ以下と
なる様に設定されていることを特徴とする。請求項２の
発明は、カットアングルが３°００’であるＡＴカット
水晶素板の一面又は両面の一部に凹陥部を形成すること
によって該凹陥部の底部に超薄肉振動部を設け、該水晶
素板の一方の面に全面電極を、又他方の面に部分電極を
形成することにより３００ＭＨｚ以上の基本波振動を得
る水晶振動子において、少なくとも前記全面電極の膜材
料として金を用いると共に、前記超薄肉振動部の厚みＴ
と、全面電極を水晶密度換算した膜厚ｔ_x との比 ｔ_x
／Ｔ が、５％〜１３％となるように設定されているこ
とを特徴とする。これにより、周波数偏差を±４０ｐｐ
ｍの範囲に抑えることが可能となった。請求項３の発明
は、前記ＡＴカット水晶素板の面と、少なくとも該面上
に形成された全面電極との間に、両者の密着度を高める
為のクロム膜等の中間層電極を配置したことを特徴とす
る。請求項４の発明は、前記部分電極の膜厚を前記全面
電極の膜厚よりも大きく設定したことを特徴とする。請
求項５の発明は、前記部分電極からは水晶素板端縁に向
けてリード電極が延出されており、少なくとも該リード
電極の膜厚を前記全面電極の膜厚よりも大きく設定した
ことを特徴とする。請求項６の発明は、ＡＴカット水晶
素板の一面又は両面の一部に凹陥部を形成することによ
って該凹陥部の底部に超薄肉振動部を設け、該水晶素板
の一方の面に全面電極を、又他方の面に分割電極を形成
することにより３００ＭＨｚ以上の通過帯域又は阻止帯
域を有するモノリシッククリスタルフィルタにおいて、
少なくとも前記全面電極の膜材料として金を用いると共
に、前記超薄肉振動部の厚みＴと、超薄肉振動部におけ
る全面電極圧ｔとの関係が、少なくとも−３５℃〜＋８
０℃における振動周波数偏差が±４０ｐｐｍ以下となる
様に設定されていることを特徴とする。請求項７の発明
は、ＡＴカット水晶素板の一面又は両面の一部に凹陥部
を形成することによって該凹陥部の底部に超薄肉振動部
を設け、該水晶素板の一方の面に全面電極を、又他方の
面に分割電極を形成することにより３００ＭＨｚ以上の
通過帯域又は阻止帯域を有するモノリシッククリスタル
フィルタにおいて、少なくとも前記全面電極の膜材料と
して金を用いると共に、前記超薄肉振動部の厚みＴと、
全面電極を水晶密度換算した膜厚ｔ_x との比 ｔ_x ／Ｔ
が、５％〜１３％となるように設定されていることを
特徴とする。請求項８の発明は、前記ＡＴカット水晶素
板の面と、少なくとも該面上に形成された全面電極との
間に、両者の密着度を高める為のクロム膜等の中間層電
極を配置したことを特徴とする。請求項９の発明は、前
記分割電極膜の膜厚を前記全面電極の膜厚よりも大きく
設定したことを特徴とする。請求項１０の発明は、前記
部分電極からは水晶素板端縁に向けてリード電極が延出
されており、少なくとも該リード電極の膜厚を前記全面
電極の膜厚よりも大きく設定したことを特徴とする。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、図示した実施の形態に基づ
いて本発明を詳細に説明する。図１(a) は本発明の水晶
振動子の一形態例を示す断面図、(b) は斜視図である。
即ち、符号１は例えばカットアングルが３°００’のＡ
Ｔカット水晶素板であって、前記従来例の図中に示した
振動子と同様に水晶素板１の一方の面の一部をエッチン
グ等の手法によって掘り下げて凹陥部１３を形成するこ
とによって、凹陥部１３の底部に超薄肉振動部１３ａを
形成したものである。この超薄肉振動部１３ａを振動部
として利用する為に、凹陥部１３を有する面には全面に
わたって全面電極１２を被覆形成すると共に、他方の平
坦な面上には部分電極１１と、部分電極１１より素板端
縁に向けて延出したリード電極１５及び外部接続用のパ
ッド電極１６を形成する。これらの電極１１、１２、リ
ード電極１５、及びパッド電極１６は、マスク蒸着や、
フォトリソグラフィ技術等により形成したものである。
図１に示した形態例の水晶振動子の特徴は、部分電極１
１と、全面電極１２の膜材料を、夫々金（Ａｕ）とし、
更に前記超薄肉振動部１３ａの水晶振動子厚みＴと、少
なくとも全面電極１２の膜厚ｔとの関係を、以下に詳述
する様に設定することにより、共振周波数の温度特性を
大幅に改善した点にある。即ち、周波数温度特性を改善
する為には、水晶素板１と、電極との間に生じる熱歪み
を低減する必要があるが、部分電極１１の水晶素板１面
に対する占有面積は小さく、熱歪み発生には大きな影響
を及ぼさない。これに対して、全面電極１２の占有面積
は水晶素板１の他方の主面全域に渡る為、熱歪みの発生
には全面電極１２の膜材料及び膜厚１２ｔが支配的な影
響を及ぼすこととなる。ここで、膜厚１２ｔに対する指
標として、膜厚比＝（水晶密度換算した膜厚１２ｔ）／
（振動部１３ａの素板厚１３ｔ）％を定義し、基準化す
る。なお、水晶素板１の共振周波数により素板厚１３ｔ
及び膜厚１２ｔの絶対値は異なってくるが、この膜厚比
が同一であれば全てほぼ等価なものとみなして差し支え
ない。

【０００７】次に、図２は本発明の実施の形態例の周波
数温度特性の改善効果と、実測特性を示すグラフであ
る。ここで、横軸は周囲温度、縦軸は周波数変化量 ｄ
ｆ／ｆ［ｐｐｍ］（２５℃における値からの偏差）を示
す。なお、素板理論特性としてはカットアングルが３°
００’のＡＴカット水晶の特性を示しており、全ての実
測特性はこのカットアングルの水晶素板を用いて製作し
た水晶振動子である。通常、ＨＦ帯やＶＨＦ帯の水晶振
動子を３°００’の水晶素板を用いて製作すれば、振動
周波数が低いので振動子の厚みが大きくなり、電極膜厚
の影響が小さいため、通常温度範囲−３５〜＋８５℃に
おいて、周波数変化量が約±１０ｐｐｍの特性を得るこ
とができる。これに対し、本発明が目的とするＵＨＦ帯
においては電極膜厚が特性に与える影響を無視できなく
なり、膜厚が一定の許容値を越えると大幅に温度特性が
劣化することが判明している。なお、金からなる電極の
場合は、水晶素板と金電極との密着性を高める目的で、
中間層電極としてクロム膜やニッケル膜（図中では図示
しない）を形成するのが一般的であるが、これらの中間
層電極膜は極めて薄い層であるため、ここでは金からな
る全面電極１２の膜厚比を算出する際に、金電極の一部
とみなすことにする。クロム等の膜厚が無視できない程
度に厚い場合には適宜これを加味して膜厚比を算出すれ
ば良い。

【０００８】要するに、本発明においては、ＡＴカット
水晶素板１の一面又は両面の一部に凹陥部１３を形成す
ることによって該凹陥部の底部に超薄肉振動部１３ａを
設け、水晶素板１の一方の面に全面電極１２を、又他方
の面に部分電極１１を形成することにより３００ＭＨｚ
以上の基本波振動を得る水晶振動子において、少なくと
も全面電極１２の膜材料として金（Ａｕ）を用いると共
に、超薄肉振動部１３ａの厚みＴと、超薄肉振動部にお
ける全面電極圧ｔとの関係が、少なくとも−３５℃〜＋
８０℃における振動周波数偏差が±４０ｐｐｍ以下とな
る様に設定することにより、実用に耐え得る温度周波数
特性を確保することを可能としている。

【０００９】図２に示した特性は、図１に示した超薄板
型構造の水晶振動子において、電極材料及びその膜厚を
種々変えた時の共振周波数の温度特性を示したものであ
る。以下に用いる膜厚比とは、超薄肉部１３ａの厚みＴ
と、超薄肉部１３ａの表面に形成された全面電極の膜厚
ｔを水晶密度に換算した膜厚ｔ_x との比を％表示したも
のである。即ち、水晶の密度は約２，６５０ｋｇ／ｍ³
であるのに対し、アルミニウム（Ａｌ）は２，６９０ｋ
ｇ／ｍ³ 、金（Ａｕ）は１８，８００ｋｇ／ｍ³ と、夫
々密度が異なるので、一般に水晶密度換算厚みとして水
晶の密度で正規化した値が用いられる。例えば、金の水
晶密度換算厚みは、ｔ_x ＝（１８．８／２．６５）×ｔ
となる。従って、金（Ａｕ）を用いた場合の膜厚比
は、 膜厚比＝｛（１８．８／２．６５）×ｔ｝／Ｔ を％表示したものとする。図２に示したデータのうち、
まず全面電極１２の膜材料をアルミニウム、膜厚比を５
％とした場合には、−３５℃〜８５℃において、周波数
変化量が約±５０ｐｐｍと大きく劣化している。これは
膜厚比が５％と小さいにも拘らず、水晶の線膨張係数が
１０ｐｐｍ／℃程度であるのに対し、アルミニウムの線
膨張係数は２３ｐｐｍ／℃であるため、この線膨張係数
差により大きな熱歪みが発生していることが原因である
と考えられる。一方、膜材料として金（Ａｕ）を用いた
場合、その線膨張係数は１４ｐｐｍ／℃であることか
ら、アルミニウムを用いた場合と比べると、水晶との線
膨張係数差が少なくなるので、熱歪み低減効果はあるも
のの、共振周波数が高くなると上述した如く膜厚比を小
さくできず、温度特性が劣化する。例えば、図２に示す
様に、膜材料として金を用いたとしても、膜厚比が３８
％と大きい場合には、周波数変化量が±８０〜９０ｐｐ
ｍと大きく、素板理論特性に対し１次係数ばかりでな
く、３次係数までもが変化し、著しく特性が劣化してい
ることが理解できよう。

【００１０】これに対し、金電極の膜厚比を１３％に小
さくしたところ、−３５℃〜８５℃において±３０ｐｐ
ｍ程度となり、更に金の膜厚比を９％にすると、同温度
範囲において±１０ｐｐｍに抑圧することができた。さ
らには、温度特性そのもののみならず、温度変化に対す
る１次係数及び３次係数についても変化が少なくなるこ
とが確認された。なお、金の膜厚比９％（正確には９．
３％）とは、この形態例においては共振周波数を５２５
ＭＨｚ（そのときの超薄肉部の厚みは２．７μｍ）、金
とクロムの下地膜とから成る全面電極の膜厚ｔを３５ｎ
ｍとしたときのものであり、この時の全面電極の膜厚を
水晶密度換算すると、０．２４８（μｍ）となる。な
お、部分電極については、全面電極と同一厚みとした。
要するに、本発明の水晶振動子は、少なくとも全面電極
１２の膜材料として金を用いると共に、超薄肉振動部１
３ａの厚みＴと、全面電極１２を水晶密度換算した膜厚
ｔ_x との比 ｔ_x ／Ｔ が、５％〜１３％となるように
設定することによって、実用に耐え得る温度周波数特性
を確保している。なお、この膜厚比は、薄過ぎることに
よる電気抵抗の増大を考慮すると、実用的には、７〜１
３％程度が好ましいと考えられる。また、ＡＴカット水
晶素板のカットアングル（Ｒ面に対する角度）として
は、３°００’±０２’の範囲が好ましい。例えば、図
３の温度周波数特性を示すグラフに示すように、カット
アングルを３°００’＋０７’として右上りの傾斜（曲
線Ａ）が大きくなるように構成した水晶素板に対して、
膜厚比３８％の厚肉の電極膜を形成した場合には、曲線
Ｂのようにフラットな温度周波数特性を確保することも
できる。このようなカットアングルを有した水晶素板に
厚肉の電極膜を形成した水晶振動子も本発明の範囲に含
まれるものではあるが、この場合には相殺すべき周波数
偏差が１００ｐｐｍにもなるので、カットアングルの切
り出し誤差や電極膜厚の製造誤差が周波数偏差の劣化を
もたらす。例えば、製造誤差が±１０％の場合には、±
１０ｐｐｍの周波数偏差が発生する。このため、実用に
適したカットアングルとしては、３°００’±０２’の
範囲が好ましいということができる。

【００１１】次に、図４のフローチャートに基づいて図
１に示した水晶振動子をバッチ処理にて製造する工程を
説明する。ＵＨＦ帯においては、基板厚変化量に対する
周波数変化量が大きいので、４段階の化学エッチング加
工により水晶素板の板厚調整を行うことにより、所望の
共振周波数を得ることを可能とした。即ち、第１次主・
微調エッチングではＶＨＦ帯までの調整を、第２次主・
微調エッチングではＵＨＦ帯の調整を行った。特に、第
２次微調エッチングでは高精度の調整を行う為に、エッ
チングレートの低いドライエッチングを適用した。即
ち、ステップ１〜４において水晶ウェハ（母材）上にエ
ッチングを施して凹陥部１３及び超薄肉振動部１３ａを
形成し、ステップ５において凹陥部１３を有しない素板
面上に部分電極、リード電極、パッド電極を形成する。
続いて、ステップ６において水晶ウェハを個々の水晶素
板に分割してからパッケージ実装し（ステップ６、
７）、続いてステップ８にて第２次微調エッチングを施
して高精度の微調整を行い、ステップ９にて全面電極形
成を行う。更に、ステップ１０にてパッド電極とパッケ
ージ上の電極との間をワイヤボンディングにて接続し、
最後に周波数を調整してからパッケージを封止する（ス
テップ１１、１２）。

【００１２】以上、本発明の構成を水晶振動子に適用し
たときの形態例について説明したが、同様の構成をＭＣ
Ｆ（モノリシック・クリスタル・フィルタ）に適用する
ことも可能である。即ち、水晶（圧電）フィルタとして
も、図１及び図２に示した如き超薄肉振動部を備えたタ
イプが知られており、図５はその一例を示すものであ
る。即ち、このフィルタは、図５(a) に示す様に水晶素
板３０の片面に凹陥部３１を形成することにより、凹陥
部３１の底部に超薄肉振動部３１ａを形成したものであ
り、凹陥部３１を形成した素板面に全面電極３２を形成
したものである。また、凹陥部３１を形成した主面とは
反対側の主面には、超薄肉部３１ａに対応する位置に２
つの分割電極３３、３４を所定の間隔を隔てて配置し、
各分割電極３３、３４は、リード電極３５、３６を介し
て外部接続用の出力パッド３７、３８に結線されてい
る。このように水晶等の圧電素板の一部をエッチング等
の手法により所要量除去することにより超薄肉振動部３
１ａを形成し、該超薄肉振動部を挟むように該振動部の
両面に電極を対向配置せしめることにより、図５(c) に
示すような通過帯域を持った圧電フィルタを構成するこ
とができ、しかも超薄肉振動部を包囲する厚肉の外枠部
による補強作用によって然るべき強度を保ったまま極め
て薄い振動部を確保し、その結果、帯域周波数が極めて
高い圧電フィルタを実現することができる。このような
構成を備えた圧電フィルタにおいても、前記図２に基づ
いて説明したものと同様の現象が発生する。即ち、膜厚
が一定の許容値を越えると大幅に温度特性が劣化する。

【００１３】このような不具合を解消する為に、本形態
例の圧電（水晶）フィルタでは、ＡＴカット水晶素板３
０の一面又は両面の一部に凹陥部３１を形成することに
よって該凹陥部の底部に超薄肉振動部３１ａを設け、該
水晶素板３０の一方の面に全面電極３２を、又他方の面
に分割電極膜３３、３４を形成することにより３００Ｍ
Ｈｚ以上の通過帯域又は阻止帯域を有するモノリシック
クリスタルフィルタにおいて、少なくとも全面電極３２
の膜材料として金（Ａｕ）を用いると共に、超薄肉振動
部の厚みＴと、超薄肉振動部における全面電極圧ｔとの
関係が、少なくとも−３５℃〜＋８０℃における振動周
波数偏差が±４０ｐｐｍ以下となる様に設定した。水晶
素板と金との線膨張係数差により大きな熱歪みが発生し
ていることに起因した温度周波数特性の悪化を防止する
為に、金の全面電極の膜厚を上記の範囲内に設定するこ
とが有効である。次に、振動周波数偏差を±４０ｐｐｍ
以下に抑えることができる金電極の膜厚は、超薄肉振動
部３１ａの厚みＴと、全面電極３２を水晶密度換算した
膜厚ｔ_xとの比 ｔ_x ／Ｔ が、５％〜１３％となるよ
うに設定することによって、確保することができる。ま
た、ＡＴカット水晶素板の面と、この面上に形成された
全面電極との間に、両者の密着度を高める為のクロム
膜、ニッケル膜等の中間層電極を配置した場合には、中
間層電極の膜厚が無視できる程度に薄い場合には、金の
膜厚に含めて水晶密度換算を行うことも、上記形態例と
同様である。なお、図４にて説明した水晶振動子の製造
工程は、水晶フィルタの製造工程にも適用することがで
きる。この場合には、ステップ５における部分電極の形
成工程を、分割電極の形成工程に置換すればよい。

【００１４】以上、本発明に関して基本的な形態例の構
成、効果を説明したが、次に、各形態例についての変形
例を説明する。本発明は上述した如く、少なくとも凹陥
部を有した水晶素板の片面に形成した全面電極厚を所定
値よりも小さくすることによって周波数温度特性の改善
を図るものであるが、一般的には全面電極の反対側に形
成した部分電極や分割電極、及び夫々に付加されるリー
ド電極等を全面電極と同時に形成する方が製造効率が高
まるので好ましい。しかし、全面電極以外の電極部分
を、全面電極と同様に薄くすると、少なくとも必然的に
薄くなるリード電極部分におけるオーミックロスが大き
くなる。このため、このようなリード電極構造を振動子
に適用した場合には、ＣＩ（クリスタル・インピーダン
ス＝水晶振動子の等価抵抗）が大きくなり、これを用い
て発振器を構成するには励振レベル大きくする必要があ
る為、消費電流が増大すると共に、雑音が発生し易くな
るという不具合を生じ、フィルタに適用した場合には挿
入損失が大きくなるという不具合を伴うことがある。そ
こで、その解決策として、少なくとも分割電極や部分電
極に付加されているリード電極（図１においては符号１
５、図５(a) においては符号３５、３６）の膜厚を全面
電極の膜厚よりも厚くする。或は、リード電極を含めた
部分電極１１、分割電極３３、３４、さらには出力用パ
ッド３７、３８をも含めた片面上の電極の膜厚を共に厚
くする。このように構成すれば、直接的に挿入損失増加
やＣＩ増大の原因となるオーミックロスを小さくするこ
とができる。

【００１５】なお、部分電極や分割電極は、反対面の全
面電極と比べると、その占める面積割合が非常に小さい
ので、上記温度周波数特性を劣化させる要因とはならな
い。仮に、部分電極や分割電極の厚膜化が温度周波数特
性に影響を与える場合には、必然的に幅が細くなるリー
ド電極部分のみをリード電極部分の膜厚のみを厚くする
ことにより、オーミックロスを小さくする効果を発揮で
きる。このように部分電極や分割電極、特にリード電極
を厚くする効果は、オーミックロスの経年変化改善の点
からも好ましい。即ち、図６はこの効果を説明する為の
図であり、図６(a) の振動子の斜視図に示すようにリー
ド電極部分１５について考えれば、その長さをｌ，幅を
ｗとしたときの単位面積当たりの抵抗値をΩ／ｓｑとし
て表示する。水晶素板１と金電極１１、１５、１６の間
には、同図(b) に示すように両者の接着強度を高める為
に、０．５×１０^-2μｍ程度のクロム（Ｃｒ）或はニッ
ケルを中間電極層２０として介挿するのが一般的であ
る。ところが、電気抵抗値が高いクロムやニッケルは長
期間のうちに金に溶け込み、拡散して、金電極膜全体の
電気抵抗を高める現象をもたらす。この現象がリード電
極部分１５に発生すると、該部のオーミックロスが増大
し、挿入損失の増大やＣＩ値の増加を招く。そこで、本
発明に従ってリード電極部分１５の金電極膜厚を大きく
すれば、クロムやニッケル等の拡散による電気抵抗値の
増加を押えることが可能となる。

【００１６】図６(c) は主電極膜の経年変化の度合いを
測る実験結果を示すものであって、縦軸は単位面積当た
りの抵抗値を示し、横軸は真空中において２７０℃に加
熱する時間を示している。このような手法はクロムやニ
ッケルが金電極膜内に拡散する度合いを短時間に知るた
めに一般的に実施される測定方法である。このグラフに
は金電極膜厚ｔ_Auを６×１０^-2μｍとしたものと、３×
１０^-2にした場合を示しており、膜厚の大きい６×１０
^-2μｍの方が抵抗値増加が著しく小さいことが明らかで
ある。即ち、金膜厚が大きい方が中間電極層としてのク
ロムやニッケル拡散による抵抗増大が小さく、フィルタ
の挿入損失や振動子のＣＩ増大を防止する上で効果があ
る。なお、超薄肉型振動子やフィルタにおいては、圧電
素板の片面に凹陥部を形成するのが一般的であるが、本
発明の適用対象となる圧電素板は、素板両面に夫々凹陥
部を対向配置し、両凹陥部の共通する底部を超薄肉振動
部とする構成であってもよい。この場合、一方の凹陥部
側を全面電極とし、他方の凹陥部底部に相当する超薄肉
振動部に部分電極や分割電極等を形成する構成となる。
以上のように構成すれば、熱歪みの発生を最小限に止め
ることができ、ＵＨＦ帯の基本波振動子においてもＨＦ
帯やＶＨＦ帯の水晶振動子と同様、信頼性を確保したま
まＡＴカット水晶の特質である３次曲線の極めて良好な
周波数温度特性を得ることが可能となる。なお、上記形
態例では、本発明をカットアングルを３°００’とした
ＡＴカット水晶素板に適用した場合について説明した
が、本発明は目的に応じて３°００’以外のカットアン
グルを有したＡＴ水晶素板に対して適用してもよく、こ
の場合には水晶素板本来の特質を保ったまま温度周波数
特性を改善することができる。

【００１７】

【発明の効果】以上のように本発明は、ＵＨＦ基本波振
動子、或はフィルタにおいて、成膜上の制約及び信頼性
確保の為、従来薄膜化に限界があるとされていた電極膜
厚を振動部の肉厚に対応して十分に薄くして、水晶素板
と電極との界面に生じる熱歪みを低減し、良好な周波数
温度特性を実現して、高性能、高信頼性の水晶振動子、
及びフィルタを得ることができる。即ち、まず請求項１
又は６の発明では、全面電極の膜材料として金を用いる
と共に、超薄肉振動部の厚みＴと、超薄肉振動部におけ
る全面電極圧ｔとの関係が、少なくとも−３５℃〜＋８
０℃における振動周波数偏差が±４０ｐｐｍ以下となる
様に設定したので、３００ＭＨｚ以上のＵＨＦ帯の基本
波周波数を出力可能な水晶振動子、フィルタにおいて、
振動部の肉厚に対する電極の膜厚を十分に薄くすること
により、温度周波数特性の劣化を防止できる。即ち、振
動部の肉厚に対して電極膜厚が厚過ぎる場合には、周囲
温度の変化によって水晶素板と電極との界面に熱歪みが
発生し、これが水晶素板に強制的な応力として加わり、
応力感度をもつＡＴカット水晶は、その特質である３次
曲線の周波数温度特性を著しく劣化させるという問題が
あったが、本発明では、成膜技術上の制約の範囲内で、
しかもエージング等の信頼性を低下させない範囲内で、
全面電極の膜厚を十分に小さくしたので、上記問題を解
消することができた。次に、請求項２及び７の発明で
は、超薄肉振動部の肉厚に対する金電極の膜厚として、
超薄肉振動部の厚みＴと、全面電極を水晶密度換算した
膜厚ｔ_x との比ｔ_x ／Ｔ が、５％〜１３％となるよう
に設定しているので、ＵＨＦ帯用の水晶振動子、及びフ
ィルタでありながら、その温度周波数特性を十分に確保
することができる。

【００１８】次に、請求項３及び８の発明では、ＡＴカ
ット水晶素板の面と、少なくとも該面上に形成された全
面電極との間に、両者の密着度を高める為のクロム膜等
の中間層電極を配置したので、水晶と金との間の密着力
の低下を有効に防止できる。なお、中間層電極を構成す
る金属材料が金電極膜内に拡散することによる抵抗増大
と、それに起因した不具合についても解消することがで
きる。請求項４及び９の発明では、前記部分電極又は分
割電極の膜厚を全面電極の膜厚よりも大きく設定したの
で、各電極の抵抗の増大を防止することができる。つま
り、このように構成すれば、直接的に挿入損失増加やＣ
Ｉ増大の原因となるオーミックロスを小さくすることが
できる。請求項５及び１０の発明では、部分電極又は分
割電極からは夫々水晶素板端縁に向けてリード電極が延
出されており、少なくとも該リード電極の膜厚を前記全
面電極の膜厚よりも大きく設定したので、リード電極が
細幅であることに起因して発生するローミックロスの増
大等の不具合を解決できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a) は本発明の水晶振動子の一形態例を示す断
面図、(b) は斜視図。

【図２】本発明の実施の形態例の周波数温度特性の改善
効果と、実測特性を示すグラフ図。

【図３】カットアングルを異ならせた水晶素板の温度周
波数特性を示す図。

【図４】本発明の水晶振動子の製造工程を示すフローチ
ャート。

【図５】(a) (b) 及び(c) は本発明における水晶フィル
タの構成を示す斜視図、等価回路図、及び阻止域減衰特
性を示す図。

【図６】(a) (b) 及び(c) は本発明の他の形態例を説明
する為の水晶振動子の斜視図、電極膜における拡散状態
を示す断面図、及び電極膜の抵抗を示す図。

【図７】(a) (b) 及び(c) は従来の水晶振動子の特性を
示す図。

【図８】本出願人が提案した高周波化を目的とした超薄
肉部を有するＡＴカット水晶素板の斜視図。

【符号の説明】

１ ＡＴカット水晶素板、１１ 部分電極、１２ 全面
電極、１３ 凹陥部、１３ａ 超薄肉振動部，１５ リ
ード電極、３０ ＡＴカット水晶素板、３１ 凹陥部、
３１ａ 超薄肉振動部、３２ 全面電極、３３、３４
分割電極膜、３７、３８ 出力用パッド。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＡＴカット水晶素板の一面又は両面の一
   部に凹陥部を形成することによって該凹陥部の底部に超
   薄肉振動部を設け、該水晶素板の一方の面に全面電極
   を、又他方の面に部分電極を形成することにより３００
   ＭＨｚ以上の基本波振動を得る水晶振動子において、 少なくとも前記全面電極の膜材料として金を用いると共
   に、前記超薄肉振動部の厚みＴと、超薄肉振動部におけ
   る全面電極圧ｔとの関係が、少なくとも−３５℃〜＋８
   ０℃における振動周波数偏差が±４０ｐｐｍ以下となる
   様に設定されていることを特徴とするＵＨＦ帯基本波水
   晶振動子。
2. 【請求項２】 ＡＴカット水晶素板の一面又は両面の一
   部に凹陥部を形成することによって該凹陥部の底部に超
   薄肉振動部を設け、該水晶素板の一方の面に全面電極
   を、又他方の面に部分電極を形成することにより３００
   ＭＨｚ以上の基本波振動を得る水晶振動子において、 少なくとも前記全面電極の膜材料として金を用いると共
   に、前記超薄肉振動部の厚みＴと、全面電極を水晶密度
   換算した膜厚ｔ_x との比 ｔ_x ／Ｔ が、５％〜１３％
   となるように設定されていることを特徴とする請求項１
   記載のＵＨＦ帯基本波水晶振動子。
3. 【請求項３】 前記ＡＴカット水晶素板の面と、少なく
   とも該面上に形成された全面電極との間に、両者の密着
   度を高める為のクロム膜又はニッケル膜等の中間層電極
   を配置したことを特徴とする請求項１又は２記載のＵＨ
   Ｆ帯基本波水晶振動子。
4. 【請求項４】 前記部分電極の膜厚を前記全面電極の膜
   厚よりも大きく設定したことを特徴とする請求項１、２
   又は３記載のＵＨＦ帯基本波水晶振動子。
5. 【請求項５】 前記部分電極からは水晶素板端縁に向け
   てリード電極が延出されており、少なくとも該リード電
   極の膜厚を前記全面電極の膜厚よりも大きく設定したこ
   とを特徴とする請求項１、２又は３記載のＵＨＦ帯基本
   波水晶振動子。
6. 【請求項６】 ＡＴカット水晶素板の一面又は両面の一
   部に凹陥部を形成することによって該凹陥部の底部に超
   薄肉振動部を設け、該水晶素板の一方の面に全面電極
   を、又他方の面に分割電極を形成することにより３００
   ＭＨｚ以上の通過帯域又は阻止帯域を有するモノリシッ
   ククリスタルフィルタにおいて、 少なくとも前記全面電極の膜材料として金を用いると共
   に、前記超薄肉振動部の厚みＴと、超薄肉振動部におけ
   る全面電極圧ｔとの関係が、少なくとも−３５℃〜＋８
   ０℃における振動周波数偏差が±４０ｐｐｍ以下となる
   様に設定されていることを特徴とするＵＨＦ帯基本波水
   晶フィルタ。
7. 【請求項７】 ＡＴカット水晶素板の一面又は両面の一
   部に凹陥部を形成することによって該凹陥部の底部に超
   薄肉振動部を設け、該水晶素板の一方の面に全面電極
   を、又他方の面に分割電極を形成することにより３００
   ＭＨｚ以上の通過帯域又は阻止帯域を有するモノリシッ
   ククリスタルフィルタにおいて、 少なくとも前記全面電極の膜材料として金を用いると共
   に、前記超薄肉振動部の厚みＴと、全面電極を水晶密度
   換算した膜厚ｔ_x との比 ｔ_x ／Ｔ が、５％〜１３％
   となるように設定されていることを特徴とする請求項６
   記載のＵＨＦ帯基本波水晶フィルタ。
8. 【請求項８】 前記ＡＴカット水晶素板の面と、少なく
   とも該面上に形成された全面電極との間に、両者の密着
   度を高める為のクロム膜等の中間層電極を配置したこと
   を特徴とする請求項６又は７記載のＵＨＦ帯基本波水晶
   フィルタ。
9. 【請求項９】 前記分割電極の膜厚を前記全面電極の膜
   厚よりも大きく設定したことを特徴とする請求項６、７
   又は８記載のＵＨＦ帯基本波水晶フィルタ。
10. 【請求項１０】 前記部分電極からは水晶素板端縁に向
    けてリード電極が延出されており、少なくとも該リード
    電極の膜厚を前記全面電極の膜厚よりも大きく設定した
    ことを特徴とする請求項６、７又は８記載のＵＨＦ帯基
    本波水晶フィルタ。