JPWO2006104265A1 - 圧電振動子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

水晶振動子１，５１は、水晶振動片５，５５と外枠６，５６とを一体に形成した中間水晶板２，５２の上下面に上側及び下側基板３，４，５３，５４を積層して一体に気密に接合した構造を有する。上側及び下側基板は、それぞれ中間水晶板との対向面に凹部を有し、それにより水晶振動片を浮いた状態で気密に封止するためのキャビティ１６，６６を画定する。中間水晶板の上下接合面は鏡面研磨加工した後、導電膜９，１１が形成されている。上側及び下側基板の各接合面は鏡面研磨加工した水晶素面からなる。別の実施例では、鏡面研磨加工した上側及び下側基板の各接合面に金属薄膜６７〜６９が形成されている。上側・下側基板及び中間水晶板は、各接合面をプラズマ処理により表面活性化した後、３枚同時に又は１枚ずつ重ね合わせて常温で（任意により加熱しつつ）加圧することにより気密に接合し、キャビティを真空又は不活性ガスの雰囲気に封止する。

Description

本発明は、音叉型または厚みすべり振動モードの圧電振動片を気密に封止してパッケージ化した圧電振動子及びその製造方法に関する。

従来水晶振動子などの圧電デバイスは、電子機器の小型化、薄型化に伴ってより一層の小型化・薄型化が要求され、回路基板等への実装に適した表面実装型のものが多用されている。一般に表面実装型の圧電デバイスは、セラミックなどの絶縁材料で形成したパッケージに圧電振動片を封止する構造が広く採用されている。従来のパッケージ構造は、低融点ガラスやシーム溶接などでベースとリッドとを接合するため、低融点ガラスから発生するガスやシーム溶接の高熱の影響で、水晶振動片の周波数特性を低下させたり劣化させる虞がある。また、低融点ガラスは鉛を含む場合が多く、環境に影響を及ぼす虞があることから好ましくない。
そこで、かかる問題を解消するために、特開２０００−６８７８０号公報や特開２００２−７６８２６号公報において、水晶振動子と一体に形成した外枠の上下面に金属層を設け、該金属層とガラスからなる蓋及びケースとを陽極接合した水晶振動子が提案されている。上記特開２０００−６８７８０号公報に記載の水晶振動子は、水晶振動片の励振電極からその基端部又は外枠に引き出した電極とケース下面の外部電極とを、該ケースに形成したスルーホールを介して接続している。上記特開２００２−７６８２６号公報記載の水晶振動子は、圧電振動片を一体に形成した圧電振動板の枠の上下面に接合膜を設け、かつ枠下面の接合膜が接合膜を有しない部分で分割されると共に、分割された接合膜がコンタクトホール即ちスルーホールを介して枠上面の接合膜と電気的に接続され、更にベースに形成したスルーホールを介してベース下面の外部電極と接続している。
また、特開平７−１５４１７７号公報には、鏡面研磨した圧電板及び基板の相互接合面を、酸素含有雰囲気内での紫外線照射又は酸素プラズマへの曝露により汚れ等を原子レベルで除去して清浄化し、水分の吸着により形成される−ＯＨ基の水素結合により接合する圧電デバイスの製造方法が記載されている。この親水化処理による接合方法では、水の沸点である１００℃以上で接合体を熱処理することによって、強い接合力が得られるとしている。
更に、水晶振動子において水晶材料とガラス材料のように熱膨張率が異なる材料同士を接合する場合には、接合後に反りを生じる虞がある。かかる反りを防止するために、特開平７−８６１０６号公報には、第１の基板をそれと熱膨張率が異なりかつ互いに同程度の熱膨張率を有する第２，第３の基板でサンドイッチ構造に挟装して、反りを相殺する方法が記載されている。
他方、特開平１０−２９７９３１号公報によれば、圧電基板である第１の基板と圧電材料またはそれ以外の材料からなる第２の基板とを、有機シリコン化合物皮膜を介して面接し、これに紫外線を照射してシリコン酸化物層に変化させることにより、強固に接合して複合圧電基板を製造することができる。そして、同公報には、かかる方法を利用して、励振電極を有する振動部を設けた水晶発振子用の水晶基板と第２の基板である２枚のガラス基板とを接合した圧電振動子が記載されている。この圧電振動子は、水晶基板の両面縁部に紫外線を照射して表面活性化させた後、有機シリコン化合物皮膜を塗布し、次にガラス基板を面接して紫外線を照射し、該有機シリコン化合物皮膜をアモルファス状のシリコン酸化物層に変えて３層の基板を直接接合している。
また、国際公開番号ＷＯ００／７６０６６号パンフレットには、電極膜を形成した円形の水晶板である圧電基板と、その両面に同一の材質である水晶の保護基板とを、金と銀とを有する接合部で接合した水晶振動子などの圧電振動体が開示されている。両基板は、圧電基板のＡｕ膜を形成した接合表面及び保護基板のＡｇ膜を形成した接合表面をプラズマ処理した後、重ね合わせて均等に加圧し、真空炉により３１０℃の温度で１時間加熱することにより、拡散接合で気密に封止される。
特開２００４−３０４６２２号公報には、ＩＤＴ及び電極パッドを形成した圧電基板の主面上にＩＤＴを取り囲む金属膜を形成し、該金属膜と位置合わせした金属膜をベース基板の主面上に形成し、これら金属膜を直接接合することにより両基板を貼り合わせた弾性表面波デバイスが記載されている。同公報によれば、両基板の金属膜は、接合前に常温でイオンビームやプラズマ等を照射することにより表面活性化の処理が施され、また１００℃以下程度に加熱処理した条件下で両基板を加圧することにより、接合強度を向上させることができる。更に、特開２００４−３４３３５９号公報には、圧電基板と支持基板を洗浄して接合面の不純物を除去して乾燥処理した後、イオンビームやプラズマ等を少なくとも一方の接合面に照射して、残留した不純物を除去すると共に接合面の表層を活性化させ、活性化した接合面を向かい合わせて圧電基板と支持基板とを貼り合わせる弾性表面波素子の製造方法が記載されている。
また、特開２００５−３１１２９８号公報には、金属接合部を有する複数の被接合物を常温で接合する方法が開示されている。この接合方法によれば、原子ビーム、イオンビームまたはプラズマであるエネルギ波で処理した被接合物の金属接合部を、室温〜１８０℃以下の低温加熱下、好ましくは室温である常温で互いに衝合させて加圧する。このとき、金属接合部がビッカース硬度２００Ｈｖ以下であり、特に銅、金、Ａｌなどの金属である場合に、良好な接合強度を得られる。更に同公報には、この接合方法を利用して、厚さ１μｍ以上の金めっきを接合面に形成したデバイスと金薄膜を接合面に形成した蓋とを接合した半導体またはＭＥＭＳデバイスが記載されている。
しかしながら、上述した従来の陽極接合による水晶振動子のパッケージ構造では、電圧の印加及び加熱が、水晶基板及びそれに接合する基板に悪い影響を与える虞がある。そのため、特に高精度の性能が要求される場合には、必ずしも好ましくない。また、低融点ガラスや金属接合などと同様に、アウタガスが発生して、水晶振動片の特性に影響したり劣化させたりする虞がある。
更に、熱膨張率が異なる基板を互いに接合して多層のサンドイッチ構造にする場合、それら基板を同時に積層する必要がある。そのため、多層構造の各基板の位置合わせは作業が非常に煩雑で多大な手間を要し、実作業効果を低下させる虞がある。また、基板間の熱膨張率の差をサンドイッチ構造で吸収解消しようとしても、接合時に発生する熱や熱処理工程の影響で、熱膨張率に起因したクラックが中間層の基板に発生したり、構造全体に反りを生じる虞がある。その結果、基板の接合条件例えば接合温度が制約され、十分な接合強度、気密性を確保することが困難になる虞がある。
また、特に音叉型または厚みすべり振動モードの圧電振動子は、低いＣＩ値を確保維持して高品質及び高安定性を得るために、パッケージ内を高度の真空状態または不活性ガスの雰囲気に封止する必要がある。そのためには、各基板を高い気密性をもって接合してパッケージを封止しなければならない。更に、各基板の接合時に過度に加熱すると、圧電振動片の振動特性に影響を及ぼし、所望の性能を得られなくなる虞がある。
しかしながら、上述したように接合面の金属膜同士を直接接合する従来の方法では、室温から１８０℃以下または１００℃以下の低温での常温接合のため、音叉型または厚みすべり振動モードの圧電振動子に必要かつ十分な気密性が得られる程度の接合強度を確保するのに、比較的長時間を要するという問題を生じる。そのため、生産性が低く、工業的な実用化に適していない。逆に、上記従来技術のように３００℃の加熱下で基板を接合した場合には、パッケージ内を十分な真空状態にするのに長時間を要し、同様に工業的に適していないという問題がある。
また、上述したように紫外線の照射によるシリコン酸化物層を介して３層の基板を直接接合した従来の圧電振動子では、この接続部が導電性を有しないので、水晶基板の励振電極をパッケージの外側に引き出すために別個の配線構造を設ける必要がある。そのため、振動子全体の構造が複雑になり、却って気密性を損なう虞がある。
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、水晶などの圧電振動片及び外枠を一体に形成した圧電基板と、その上下両面に接合した上下基板とからなり、小型化及び薄型化を可能にした圧電振動子において、従来のアウタガスの発生や水分による腐食、気密性、又は熱膨張率の差異による反りの問題などを解消し、たとえ熱膨張率の差異がある場合でも、良好な状態で気密に接合できるようにすることにある。
また、本発明の目的は、かかる圧電振動子を、特に圧電基板と上下基板とのアライメントを容易にして簡単にかつ低コストで製造し得る方法を提供することにある。
更に本発明の目的は、圧電振動子に必要かつ十分な気密性を確保維持することができ、かつ工業的な大量製造に適した生産性の高い圧電振動子及びその製造方法を提供することにある。

本発明によれば、上記目的を達成するために、圧電振動片と外枠とを一体に形成しかつ該外枠の上面及び／又は下面に導電膜を形成した中間圧電基板と、該中間圧電基板の外枠の上面及び下面にそれぞれ接合される上側及び下側基板とを有し、接合した中間圧電基板と上側及び下側基板とにより画定されかつ気密に封止されるキャビティ内に圧電振動片が浮いた状態で保持され、上側及び下側基板と中間圧電基板との各接合面が、それぞれ鏡面研磨加工しかつプラズマ処理により表面活性化した後に、互いに直接合わせて気密に接合された圧電振動子が提供される。
このような基板の積層構成により、従来の圧電振動子に比してより一層大幅に小型化及び薄型化できることに加え、プラズマ処理による表面活性化によって、中間圧電基板に上側及び下側基板を常温で反りを生じない良好な状態で気密に接合することができる。また、従来の陽極接合や金属接合、低融点ガラスなどによる接合のように接着剤又はろう材などを用いないので、圧電振動片の特性を劣化させるアウタガスが発生せず、また水分による腐食や気密性の問題が無く、有利である。
或る実施例では、上側及び下側基板を圧電材料で形成し、別の実施例では、中間圧電基板を水晶で形成しかつこれと同種の水晶で上側及び下側基板を形成して、互いに直接接合することにより、熱膨張率の差異による残存応力の問題を無くして、接合強度を向上させることができる。更に別の実施例では、上側及び下側基板を異種材料のガラス材料又はシリコンで形成して、互いに直接接合することが可能であり、常温での接合により熱膨張率の差異による反りを解消して、良好な状態に接合することができる。
また、或る実施例では、中間圧電基板の外枠の上面及び下面に導電膜が形成され、かつ上側及び下側基板の接合面に金属薄膜が形成され、これら外枠の導電膜並びに上側及び下側基板の金属薄膜がそれぞれ最上層にＡｕ膜を有し、中間圧電基板外枠と上側及び下側基板とが前記導電膜と金属薄膜との拡散接合により気密に接合される。この拡散接合によって、より強い接合強度でより高い気密性を得ることができる。
本発明の別の側面によれば、圧電振動片と外枠とを一体に形成しかつ該外枠の上面及び／又は下面に導電膜を形成した中間圧電基板を形成する工程と、中間圧電基板の上面に接合する上側基板を形成する工程と、中間圧電基板の下面に接合する下側基板を形成する工程と、上側及び下側基板と中間圧電基板との各接合面を鏡面研磨加工する工程と、鏡面研磨加工した上側及び下側基板及び中間圧電基板の各接合面をプラズマ処理により表面活性化する工程と、中間圧電基板の上下面に上側及び下側基板を、それらにより画定されるキャビティ内に圧電振動片が浮いた状態で保持されるように重ね合わせ、それらを加圧して直接接合により気密に接合する工程とを有する圧電振動子の製造方法が提供される。
これにより、上側及び下側基板と中間圧電基板とを直接接合して、より一層の小型化・薄型化が可能で反りを生じない圧電振動子を比較的簡単にかつ低コストで製造することができる。また、従来の陽極接合と比較して、電圧を印加する必要が無いので、上側・下側基板及び中間圧電基板の組成や特性に影響を与える虞が無く、上側及び下側基板をシリコンで形成することもできる。また、電圧を印加しないので、圧電振動子を駆動するＩＣを搭載した場合にも適用することができる。
或る実施例では、重ね合わせた中間圧電基板の上下面に上側及び下側基板を常温でまたは加熱した状態で加圧して、接合することができる。常温での接合は、中間圧電基板と上側及び下側基板とが異種材料の場合にも、熱膨張率の差異による反りを生じる虞がなく、常に良好な状態に接合することができる。
或る実施例では、上側及び下側基板を圧電材料で形成する。別の実施例では、中間圧電基板を水晶で形成しかつこれと同種の水晶で上側及び下側基板を形成する。これにより、加熱して接合した場合でも、熱膨張率の差異による残存応力の問題を無くして、接合強度を向上させることができる。
別の実施例では、中間圧電基板がその外枠の上面及び下面に形成した導電膜を有し、上側及び下側基板がそれぞれ中間圧電基板との接合面に形成した金属薄膜を有し、これら外枠の導電膜並びに上側及び下側基板の金属薄膜がそれぞれ最上層に膜厚５０００Å以上のＡｕ膜を有し、中間圧電基板外枠と上側及び下側基板とを金属接合により直接接合する。これにより、各基板をより強い接合強度でより高い気密性をもって接合することができる。この場合、重ね合わせた中間水晶板の上下面に上側及び下側基板を加熱した状態で加圧することにより、より短時間で接合できかつ接合強度の向上を図ることができる。
また、中間圧電基板と上側及び下側基板とは、同種材料又は異種材料であるかに拘わらず、３枚同時であっても、１枚ずつであっても良好な状態に接合することができる。或る実施例では、中間圧電基板の上下面に上側及び下側基板を重ね合わせて仮接合し、それにより位置合わせした後に、一体化された積層体の上下面を加圧して気密に接合する。プラズマ処理により表面活性化した基板表面は、貼り合わせただけで容易に接着することができるので、容易にかつ正確に位置合わせすることができ、組立精度の向上を図ることができる。
別の実施例では、中間圧電基板の下面または上面に下側または上側基板の一方を重ね合わせて接合した後、それにより一体化された積層体の上面または下面に下側または上側基板の他方を重ね合わせ、加圧して気密に接合する。このように基板を１枚ずつ接合することにより、基板同士のアライメントが容易でその精度を向上させることができる。
この場合、中間圧電基板の下面または上面に下側または上側基板の一方を重ね合わせて接合した後、この積層体の上面または下面に下側または上側基板の他方を接合する前に、圧電振動片を周波数調整することができ、効率良く高品質かつ高性能の圧電振動片を製造することができる。特に、この圧電振動片の周波数調整は、下側または上側基板の他方を接合する前の積層体の上面または下面をプラズマ処理する際に、該プラズマ処理により積層体上面または下面の表面活性化と同時に行うことができ、工数を削減してより生産性を高めることができる。
別の実施例では、複数の中間圧電基板を有する中間圧電ウエハを形成する工程と、複数の上側基板を中間圧電ウエハの中間圧電基板に対応させて配設した上側ウエハを形成する工程と、複数の下側基板を中間圧電ウエハの中間圧電基板に対応させて配設した下側ウエハを形成する工程と、中間圧電ウエハと上側及び下側ウエハとの各接合面を鏡面研磨加工する工程と、鏡面研磨加工した中間圧電ウエハ並びに上側及び下側ウエハの各接合面をプラズマ処理により表面活性化する工程と、中間圧電ウエハの上下面に上側及び下側ウエハを重ね合わせかつ加圧して一体に接合する工程と、接合したウエハの積層体を切断して圧電振動子を個片化する工程とを有する圧電振動子の製造方法が提供される。これにより、多数の圧電振動子を同時に製造することができ、生産性の向上及びコストの低下を図ることができる。
更に別の実施例では、中間圧電ウエハを形成する工程において、中間圧電ウエハの上面及び／または下面の各中間圧電基板の外枠に対応する部分に形成される導電膜を、ウエハの積層体を圧電振動子に個片化するための切断線に沿ってかつその切断幅と同じ間隙をもって分離されるようにパターニングすることができる。これにより、ウエハ積層体の状態において、各圧電振動子の励振電極が電気的に分離独立しているので、個片化する前に個別に圧電振動子の周波数を測定又は調整し、若しくは所望の特性試験を行うことができる。

図１（Ａ）は本発明による水晶振動子の第１実施例の側面図、図１（Ｂ）はその縦断面図、図１（Ｃ）はその底面図である。
図２（Ａ）は図１に示す中間水晶板の上面図、図２（Ｂ）はその下面図である。
図３は図１に示す上側基板の下面図である。
図４は図１に示す下側基板の上面図である。
図５は第１実施例の変形例による水晶振動子の断面図である。
図６（Ａ）は図５に示す中間水晶板の上面図、（Ｂ）図はその下面図である。
図７（Ａ）は本発明による水晶振動子の第２実施例の側面図、図７（Ｂ）はその縦断面図、図７（Ｃ）はその底面図である。
図８（Ａ）は図７に示す中間水晶板の上面図、図８（Ｂ）はその下面図である。
図９は図７に示す上側基板の下面図である。
図１０は図７に示す下側基板の上面図である。
図１１は、本発明の方法による水晶振動子の製造工程において、貼り合わせる３枚の水晶ウエハを示す概略斜視図である。
図１２（Ａ）は３枚の水晶ウエハを接合する要領を示す説明図、図１２（Ｂ）は水晶ウエハの接合体を示す概略斜視図である。
図１３（Ａ）、（Ｂ）は３枚の水晶ウエハを接合する別の要領を示す説明図である。

以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
図１は、本発明による水晶振動子の第１実施例を示している。水晶振動子１は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、中間水晶板２の上面及び下面にそれぞれ上側及び下側基板３，４を一体に積層した構造を有する。本実施例の上側及び下側基板３，４は、中間水晶板２と同じ水晶で形成されている。中間水晶板２と上側及び下側基板３，４とは、後述するように互いに気密に直接接合されている。
中間水晶板２は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、音叉型水晶振動片５と外枠６とが一体に形成されている。水晶振動片５は、外枠６に結合された基端部７から延出する１対の振動腕を有し、その表面に形成された一方の励振電極８が基端部７から引き出されて、外枠６上面に形成された上側導電膜９と電気的に接続されている。前記振動腕の表面に形成された他方の励振電極１０は、同様に基端部７から引き出されて、外枠６下面に形成された下側導電膜１１と電気的に接続されている。水晶振動片基端部７を結合した外枠６の長手方向端部には、２個のスルーホール１２が設けられている。この外枠６の長手方向端部の下面には、下側導電膜１１から分離させた引出導電膜１３が形成され、スルーホール１２内部の導電膜を介して上側導電膜９と電気的に接続されている。本実施例において、前記励振電極及び導電膜はアルミニウムで形成されているが、従来から知られているクロム、チタンなどの様々な導電材料を使用することができる。
上側及び下側基板３，４には、図３及び図４に示すように、それぞれ中間水晶板２との対向面に凹部１４，１５が形成されている。これら凹部により画定されるキャビティ１６内に、水晶振動片５はその基端部７で片持ちに浮いた状態で保持収容されている。中間水晶板２の接合面即ち外枠６の上下面は、上述したように導電膜９，１１が形成されているのに対し、上側及び下側基板３，４の接合面即ち前記各凹部を取り囲む周辺部分は水晶素面である。
上側及び下側基板３，４の接合面及び外枠６の上下接合面は、それぞれ接合前にプラズマ処理を施すことによって表面活性化されている。接合面を表面活性化した中間水晶板２と上側及び下側基板３，４とは、互いに位置合わせして重ね合わせ、所定の圧力を加えて比較的短時間で気密に接合される。このとき、前記中間水晶板と上側及び下側基板とは、それらの面方位を同一に合わせることが好ましい。このようにして上側及び下側基板３，４の接合面と外枠６の上下面とは、前記キャビティを音叉型水晶振動子に必要かつ十分な高い真空度に封止するように、互いに良好な状態で例えばリーク量１×１０^−１４ｓｔｄ・ｃｃ／ｓｅｃ以上の高い気密性をもって接合される。
下側基板４の下面には、図１（Ｃ）に示すように、各角部にそれぞれ外部電極１８，１９が設けられている。更に下側基板４には、各角部に１／４円形の欠け２０，２１が形成されている。この欠けは、例えばダイシングで大型の水晶板から個々の水晶板を分割する際に縦横切断線の交点に形成するキャスタレーション（円形貫通孔）が切断後に残ったものである。欠け２０，２１の内面にはそれぞれ導電膜が形成されており、それに隣接する外部電極１８，１９と前記各欠けから覗く中間水晶板２の下側導電膜１１及び引出導電膜１３とを電気的に接続している。
また、下側基板４の略中央には、前記キャビティと外部とを連通する封止孔２２が貫設されている。封止孔２２はシール材料２３で気密に閉塞され、水晶振動片５を収容した前記キャビティ内部を気密に封止して、所望の真空状態または雰囲気に維持している。シール材料２３は、例えばＡｕ−Ｓｎ等の低融点金属材料を用いることができ、外部からレーザ光などで封止孔２２内に溶着させる。その場合、封止孔２２内面は予め金属膜で被覆しておくことが好ましい。また、本発明では、前記基板の接合過程において発生するアウタガスが比較的少ないので、必ずしも封止孔２２を設けなくてよく、従って省略することもできる。
図５は、上記第１実施例の変形例を示している。図１の場合と同様に、この変形例の水晶振動子３１は、中間水晶板３２を挟んで上側及び下側基板３３，３４が一体に積層されている。中間水晶板３２は、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、音叉型水晶振動片３５と外枠３６とが一体に形成されているが、次の点において図１の実施例とは異なる。先ず、外枠３６は、その下面を水晶振動片３５の下面と同一平面上に配置して、その板厚を厚み方向上方にのみ厚く形成している。水晶振動片基端部３７に結合された外枠３６の長手方向端部は、基端部３７に隣接する内側部分と外周縁部分との間に段差が形成されている。即ち、前記内側部分が隣接する水晶振動片３５と同じ高さを有するのに対し、前記外周縁部分は他の外枠部分と略同じ幅で同じ厚さを有する。
更に中間水晶板３２は、外枠３６の上面に導電膜が形成されていない。水晶振動片３５の振動腕表面に形成された一方の励振電極３８は、基端部３７からそれと同じ高さの外枠３６の前記長手方向端部の内側部分に形成された上側導電膜３９に連続している。他方の励振電極４０は、図２の中間水晶板２と同様に、前記基端部からそのまま外枠３６の前記長手方向端部下面の下側導電膜４１に連続している。外枠３６の前記長手方向端部には、図１の第１実施例と同様にスルーホール３２が形成され、該スルーホール内部の導電膜を介して、その下面に下側導電膜４１から分離して形成された引出導電膜４３と上面側の上側導電膜３９とを電気的に接続している。
従って、この変形例では、上側基板３３が中間水晶板３２との対向面を平坦にした平板であるのに対し、下側基板３４は、第１実施例の下側基板４と同様に中間水晶板３２との対向面に凹部４４が形成されている。中間水晶板３２と上側及び下側基板３３，３４とを積層すると、その内部にはキャビティ４５が画定され、該キャビティ内に水晶振動片３５が基端部３７において片持ちに浮いた状態で保持収容される。
上側及び下側基板３３，３４の接合面並びに中間水晶板３２の接合面即ち外枠３６の上下面は、図１の実施例と同様に、接合前にプラズマ処理で表面活性化される。そして、中間水晶板３２と上側及び下側基板３３，３４とは、互いに位置合わせして、好ましくは同一面方位となるように重ね合わせ、所定の圧力を加えて比較的短時間で直接接合される。このとき、上側基板３３と中間水晶板３２とは、同じ水晶同士で接合されるので、より安定した接合状態が得られる。
更に、別の実施例では、中間水晶板の外枠の板厚をその厚み方向上下双方に厚く形成することができる。この場合、上側及び下側基板両方とも、中間水晶板との対向面を平坦にした平板で構成する。その場合、上側及び下側基板は、中間水晶板との対向面から前記凹部を省略することができる。しかし、上側及び／又は下側基板に同様に前記凹部を形成すれば、水晶振動片を収容するためにより大きなキャビティを画定することができる。この場合にも、中間水晶板と上側及び下側基板とは、それらの接合面を接合前にプラズマ処理で表面活性化した後、互いに重ね合わせ加圧することにより気密に接合される。
また、上記実施例では、水晶振動子の上側及び下側基板を中間水晶板と同じ水晶で形成したので、熱膨張率が異なる異種材料同士を接合した場合のような接合応力が残存しないので、有利である。しかし、本発明は、本発明のプラズマ処理により水晶と直接接合可能な水晶以外の材料を、上側及び下側基板に用いることができる。このような異種材料としては、特にパイレックスガラス、ソーダガラスなどのガラス材料やシリコンが、水晶との接合性に加えて、比較的水晶に近い熱膨張率を有することから好ましい。このように異種材料の上側及び下側基板を用いる場合でも、本発明では常温で接合できるので、熱膨張率の差異による反りが生じる虞はない。また、熱膨張率に差異がある場合でも、３枚同時に接合することによって、接合時に加熱しても熱膨張率の差異による反りを防止することができる。
図７は、本発明による水晶振動子の第２実施例を示している。第１実施例と同様に、本実施例の水晶振動子５１は、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、中間水晶板５２の上面及び下面にそれぞれ上側及び下側基板５３，５４を一体に積層した構造を有する。本実施例は、上側及び下側基板５３，５４が中間水晶板５２と同じ水晶で形成されているが、後述するように、中間水晶板５２とは金属膜の拡散接合により互いに気密に直接接合されている。
中間水晶板５２は、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、図２の中間水晶板と同様に音叉型水晶振動片５５と外枠５６とが一体に形成されている。水晶振動片５５は、外枠５６に結合された基端部５７から延出する１対の振動腕を有し、その表面に形成された一方の励振電極５８が基端部５７から引き出されて、外枠５６上面に形成された上側導電膜５９と電気的に接続されている。前記振動腕の表面に形成された他方の励振電極６０は、同様に基端部５７から引き出されて、外枠５６下面に形成された下側導電膜６１と電気的に接続されている。水晶振動片基端部５７を結合した外枠５６の長手方向端部には、２個のスルーホール６２が設けられている。この外枠５６の長手方向端部の下面には、下側導電膜６１から分離させた引出導電膜６３が形成され、スルーホール６２内部の導電膜を介して上側導電膜５９と電気的に接続されている。
上側及び下側基板５３，５４は、図９及び図１０に示すように、それぞれ図３及び図４の上側及び下側基板と同様に、中間水晶板５２との対向面に凹部６４，６５が形成されている。これら凹部により画定されるキャビティ６６内に、水晶振動片５５はその基端部５７で片持ちに浮いた状態で保持収容されている。
図９に示すように、上側基板５３の下面即ち中間水晶板５２との対向面には、凹部６４を取り囲む周辺部分の接合面全面に金属薄膜６７が形成されている。同様に、下側基板５４の上面即ち中間水晶板５２との対向面には、凹部６５を取り囲む周辺部分の接合面に、中間水晶板下面の下側導電膜６１及び引出導電膜６３に対応する金属薄膜６８，６９が形成されている。
これらの金属薄膜６７〜６９は、例えばＣｒ膜、Ｎｉ／Ｃｒ膜、Ｔｉ膜、又はＮｉ−Ｃｒ膜を下地膜として、最上層をＡｕ膜で形成するのが好ましい。中間水晶板５２の外枠５６上下面に形成される導電膜５９，６１及び引出導電膜６３も、同様にＣｒ膜、Ｎｉ／Ｃｒ膜、Ｔｉ膜、Ｎｉ−Ｃｒ膜などを下地膜として、最上層をＡｕ膜で形成するのが好ましい。これらの金属膜は、スパッタリング、蒸着、めっき、ダイレクトめっきなどの公知の方法又はこれらの組合せにより容易に成膜することができる。
上側及び下側基板５３，５４の金属薄膜６７〜６９、並びに中間水晶板外枠５６の導電膜５９，６１，６３は、それぞれ接合前にプラズマ処理を施すことによって表面活性化されている。中間水晶板５２と上側及び下側基板５３，５４とは、互いに位置合わせして重ね合わせ、所定の圧力を加えて比較的短時間で、対応する金属薄膜６７〜６９と導電膜５９，６１，６３間の拡散接合による金属接合部７０，７１で気密に接合される。このとき、前記中間水晶板と上側及び下側基板とは、それらの面方位を同一に合わせることが好ましい。
特に、前記金属薄膜及び導電膜の最上層を形成するＡｕ膜の膜厚を５０００Å以上にした場合、上側及び下側基板５３，５４の接合面と中間水晶板５２の接合面即ち外枠５６上下面とは、前記キャビティを音叉型水晶振動子に必要かつ十分な高い真空度に封止するように、互いに良好な状態で例えばリーク量１×１０^−１４ｓｔｄ・ｃｃ／ｓｅｃ以上の高い気密性をもって接合される。また、金属薄膜６７〜６９及び導電膜５９，６１，６３を同じ膜厚にすると、接合後に十分な厚さの金属接合部７０，７１が得られるので、好都合である。
また、第１実施例と同様に、下側基板５４の下面には、図７（Ｃ）に示すように、各角部にそれぞれ外部電極７２，７３が設けられている。更に下側基板５４には、例えばダイシングで大型の水晶板から個々の水晶板を分割する際に縦横切断線の交点に形成するキャスタレーション（円形貫通孔）が切断後に残ることによって、各角部に１／４円形の欠け７４，７５が形成されている。欠け７４，７５の内面にはそれぞれ導電膜が形成されており、それに隣接する外部電極７２，７３と前記各欠けから覗く中間水晶板５２の下側導電膜６１及び引出導電膜６３とを電気的に接続している。
更に下側基板５４の略中央には、前記キャビティと外部とを連通する封止孔７６が貫設されている。封止孔７６はシール材料７７で気密に閉塞され、水晶振動片５５を収容した前記キャビティ内部を気密に封止して、所望の真空状態または雰囲気に維持している。シール材料７７は、例えばＡｕ−Ｓｎ等の低融点金属材料を用いることができ、外部からレーザ光などで封止孔７６内に溶着させる。その場合、封止孔７６内面は予め金属膜で被覆しておくことが好ましい。本実施例においても、前記基板の接合過程において発生するアウタガスが比較的少ないので、必ずしも封止孔７６を設けなくてよく、従って省略することもできる。
第２実施例の水晶振動子も、図５に関連して上述した第１実施例の変形例のように、中間水晶板５２の外枠５６の下面を水晶振動片５５の下面と同一平面上に配置して、その板厚を厚み方向上方にのみ厚く形成し、かつ水晶振動片基端部５７とこれに結合された外枠５６部分との間に段差を形成し、上側基板を平板とすることができる。また、中間水晶板５２の外枠５６の板厚をその厚み方向上下双方に厚く形成し、かつ上側及び下側基板５３，５４共に平板で構成することができる。
次に、本発明の方法により図１に示す第１実施例の水晶振動子を製造する工程を説明する。図１１に示すように、図１の複数の水晶振動片５及び外枠６を縦及び横方向に連続して配置した大型の中間水晶ウエハ８０を準備する。中間水晶ウエハ８０は、その上下面をそれぞれ表面粗さが好ましくは数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度となるように鏡面研磨加工する。水晶振動片５及び外枠６の外形は、フォトリソグラフィ技術を利用して水晶ウエハをエッチングすることにより形成する。各水晶振動片５及び外枠６の表面には、例えばアルミニウムなどの導電材料をスパッタリング、蒸着、めっき、ダイレクトめっきなどにより成膜し、前記励振電極及び導電膜を所望のパターンに形成する。
これと並行して、複数の上側基板３を縦及び横方向に連続して配置した大型の上側水晶ウエハ８１を準備する。上側水晶ウエハ８１は、少なくとも中間水晶ウエハ８０と接合する下面を、その表面粗さが好ましくは数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度となるように鏡面研磨加工する。上側水晶ウエハ８１には、複数の凹部１４が中間水晶ウエハ８０との対向面に、該中間水晶ウエハの各水晶振動片５及び外枠６に対応させて形成される。これらの凹部は、例えば水晶ウエハ表面をエッチングまたはサンドブラスト加工することにより、容易に形成することができる。
同様にして、複数の下側基板４を縦及び横方向に連続して配置した大型の上側水晶ウエハ８２を準備する。下側水晶ウエハ８２は、少なくとも中間水晶ウエハ８０と接合する上面を、同様にその表面粗さが好ましくは数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度となるように鏡面研磨加工する。下側水晶ウエハ８２には、複数の凹部１５が中間水晶ウエハ８０との対向面に、エッチングまたはサンドブラスト加工などにより中間水晶ウエハの各水晶振動片５及び外枠６に対応させて形成される。また下側水晶ウエハ８２には、各凹部１５の略中央に封止孔２２が貫設され、かつ縦及び横方向に直交する下側基板４の外郭線の交点にそれぞれ円形貫通孔８３が形成される。下側基板４の下面には、導電材料をスパッタリングなどで成膜することにより、複数の外部電極１８，１９を予め所定の位置に形成する。また、上述した低融点金属材料をシール材料２３に用いる場合、封止孔２２の内面に前記導電材料などの金属膜を予め形成する。
次に、上側、中間及び下側水晶ウエハ８０〜８２の前記各接合面をプラズマ処理により表面活性化する。プラズマ処理後、図１２（Ａ）に示すように、中間水晶ウエハ８０の上下面に上側及び下側水晶ウエハ８１，８２を互いに重ね合わせる。先ず各水晶ウエハ８０〜８２は、それらを位置合わせしかつそれらの平行度を調整して各接合面を貼り合わせることにより仮接合する。次に、この水晶ウエハ積層体８４を、好ましくは再びそれらの平行度を調整し、常温で上下から加圧することにより、本接合する。
前記プラズマ処理は、例えばウエハなどの大面積を処理するのに適した公知のＳＷＰ型ＲＩＥ方式のプラズマ処理装置を用いて行う。このプラズマ処理装置は高真空雰囲気の処理チャンバ内にステージが配置され、その上に処理しようとする前記上側、中間及び下側水晶ウエハが載置される。前記処理チャンバの上方には、外部のガス供給源から所望の反応ガスが導入される。更に処理チャンバの上部には、細い間隙又は切欠きからなるスロットアンテナを下面に有する導波管が設けられる。
従来から良く知られるように、マイクロ波発振器から放射されたマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）は、前記導波管内で定在波を形成する。そして、前記スロットアンテナから漏れ出たマイクロ波が、その下側に配置された石英板などの誘電体に伝搬し、その表面に沿って伝搬する表面波を発生させる。この表面波により、前記誘電体の全面に亘って均一かつ高密度なプラズマが生成され、それにより、処理チャンバ内に導入された反応ガスを励起して、該反応ガスの活性種を生成する。
使用時、前記処理チャンバには、前記ガス供給源から反応ガスが連続的に供給され、前記ステージには、高周波電源から所定の電圧（例えば、１３．５６ＭＨｚ）が印加される。前記処理チャンバ内に生成された前記反応ガスの活性種は、その上部から下向きに前記ステージに向けて流れ、前記ウエハを処理する。このプラズマ処理により、前記ウエハの表面は、前記反応ガス活性種に曝露されて一様に活性化される。即ち、水晶ウエハ８０〜８２の各接合面は、その表面から有機物、汚染物やゴミなどがプラズマ中に含まれるイオンによりエッチングされて除去され、更にプラズマ中のラジカルによって、該接合面を形成する物質の、結合手をもった原子が露出するように改質される。上述したＳＷＰ型ＲＩＥ方式のプラズマ処理装置は、このような２段階のプラズマ処理を１台の装置の同一チャンバ内で連続して行うことができる。
本実施例では、反応ガスとして例えばＣＦ_４ガスを使用し、フッ素のイオン、励起種などの活性種を生成する。プラズマ処理されたウエハ表面の活性状態は、少なくとも１時間程度維持されるので、その後の仮接合及び本接合の工程を十分に実行することができる。別の実施例では、反応ガスとしてＡｒ単体のガス、Ｎ_２単体のガス、ＣＦ_４とＯ_２との混合ガス、Ｏ_２とＮ_２との混合ガス、Ｏ_２単体のガスを用いて、同様に前記ウエハ表面を活性化することができる。
上側、中間及び下側水晶ウエハ８０〜８２は、結合手をもった原子がプラズマ処理した各接合面に露出しているので、上述した仮接合工程において、互いに位置合わせして貼り合わせるだけで、容易に接着することができる。仮接合した水晶ウエハ積層体８４は、その上下面に最大２ＭＰａ程度の押圧力を一様に加えて、一体に強固に接合面間を気密に接合する。本発明によれば、この本接合工程を常温で行うことができる。別の実施例では、本接合工程を約２００〜２５０℃程度の比較的低温に加熱した状態で行うことにより、水晶振動片の特性に影響を与えることなく、更に良好に接合することができる。前記積層体の加圧は、公知の油圧装置または空気圧装置を用いることができ、超音波振動を加えながら加圧することもできる。また、前記水晶ウエハの仮接合、本接合は、大気圧又は所望の不活性ガスの雰囲気内でも真空内でも同様に行うことができる。特に、水晶振動片５をキャビティ１６内に高真空に封止したい場合には、約２００〜２５０℃に加熱しつつ、約２０〜３０分の短時間で真空吸引することにより、１０^−５Ｔｏｒｒ程度の真空度に到達することができる。
最後に、このように接合した水晶ウエハ積層体８４を、図１２（Ｂ）に示すように、縦横に直交する水晶振動子の外郭線８５に沿ってダイシングなどにより切断分割して個片化する。下側基板４底面の外部電極１８，１９は、ダイシング前にウエハ積層体の状態でスパッタなどにより形成すると、工程を簡単化できるので好ましい。個片化した各水晶振動子は、上側及び下側基板３，４が透明なので、外部からレーザ光などを容易に照射でき、それにより周波数調整することができる。周波数調整した各水晶振動子は真空雰囲気に配置し、封止孔２２を気密に閉塞する。これにより、図１に示す水晶振動子１が完成する。
また、本実施例では、水晶振動子１を個片化する前に、水晶ウエハ積層体８４の状態で周波数を測定し又は調整し、若しくは所望の試験を実行することができる。その場合、中間水晶ウエハ８０は、隣接する水晶振動子の外枠６の上下面に設ける上側導電膜９、下側導電膜１１及び引出導電膜１３を、それぞれ各水晶振動子の外郭線８５に沿ってダイシングする線幅分だけ導電材料が除去されるようにパターニングする。これにより水晶ウエハ積層体８４は、従来技術に関連して上述した陽極接合による場合と異なり、各水晶振動子１の励振電極が隣接する水晶振動子の励振電極から電気的に分離独立しているので、その状態で水晶振動子毎にその特性試験及び周波数の測定・調整を行うことができる。
また、このようにパターニングされた上側導電膜９、下側導電膜１１及び引出導電膜１３は、ダイシングにより個片化した各水晶振動子１の側面に露出する。そのため、ダイシング時に前記各基板の接合面の隙間に水分が侵入して残存し、電極を腐食させる虞を未然に防止することができる。
別の実施例では、図１３に示すように３枚の水晶ウエハ８０〜８１を１枚ずつ接合することができる。先ず、図１３（Ａ）に示すように、中間水晶ウエハ８０と下側水晶ウエハ８２とを貼り合わせて仮接合する。この仮接合は、前記両ウエハを単に貼り合わせるだけでも良く、又は上側水晶ウエハ８１を接合する後の工程よりも少ない力で加圧して行うことができる。次に、図１３（Ｂ）に示すように、中間水晶ウエハ８０の上面に上側水晶ウエハ８１を位置合わせして重ね合わせ、加圧して接合する。この加圧力は、図１２の場合の本接合と同程度の大きさとする。
この実施例では、２枚の水晶ウエハを接合した図１３（Ａ）の状態で、レーザ光などを照射し、各水晶振動片の周波数を調整することができる。その場合、中間水晶ウエハ８０は、各水晶振動子１の励振電極を隣接する水晶振動子から電気的に分離独立させるように、各水晶振動子の上側導電膜９、下側導電膜１１及び引出導電膜１３を、それぞれ水晶振動子の外郭線８５に沿ってダイシングする線幅分だけ導電材料が除去されるようにパターニングする。
図５に示す変形例の水晶振動子３１の場合及び中間水晶板の外枠をその厚み方向上下共に水晶振動片より厚く形成した場合も、図１の実施例と同様に上述した図１２または図１３に示す工程に従って、本発明の方法により製造することができる。それらの場合、各接合面の表面活性化は、図１の実施例と同様に、例えば上述したＳＷＰ型ＲＩＥ方式のプラズマ処理装置を用いて、同様の処理条件下で実行される。特に上側及び／又は下側水晶ウエハは、両面共に平坦なウエハで形成でき、その接合面側に凹部を加工する工程を省略できるので、有利である。
更に、同じ図１１を用いて、本発明の方法により図７に示す第２実施例の水晶振動子を製造する工程を説明する。同様に、図７の複数の水晶振動片５５及び外枠５６を縦及び横方向に連続して配置した大型の中間水晶ウエハ８０を準備する。中間水晶ウエハ８０は、その上下面をそれぞれ表面粗さが好ましくは数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度となるように鏡面研磨加工する。水晶振動片５５及び外枠５６の外形は、フォトリソグラフィ技術を利用して水晶ウエハをエッチングすることにより形成する。前記各水晶振動片及び外枠の表面には、導電材料を公知のスパッタリング、蒸着、めっき、ダイレクトめっきなどにより成膜し、前記励振電極及び導電膜を所望のパターンに形成する。前記導電膜は、上述したように、例えばＣｒ膜、Ｎｉ／Ｃｒ膜、Ｔｉ膜、又はＮｉ−Ｃｒ膜を下地膜として最上層をＡｕ膜で形成する。
これと並行して、複数の上側基板５３を縦及び横方向に連続して配置した大型の上側水晶ウエハ８１を準備する。上側水晶ウエハ８１は、少なくとも中間水晶ウエハ８０と接合する下面を、その表面粗さが好ましくは数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度となるように鏡面研磨加工する。上側水晶ウエハ８１には、複数の凹部６４が中間水晶ウエハ８０との対向面に、該中間水晶ウエハの各水晶振動片５５及び外枠５６に対応させて、例えばエッチングまたはサンドブラスト加工により形成される。
更に、上側水晶ウエハ８１には、中間水晶ウエハ８０との接合面即ち凹部６４を取り囲む下面全面に金属薄膜を形成する。この金属薄膜は、例えばＣｒ膜、Ｎｉ／Ｃｒ膜、Ｔｉ膜、Ｎｉ−Ｃｒ膜などの下地膜と最上層のＡｕ膜とからなり、スパッタリング、蒸着、めっき、ダイレクトめっきなどの公知の方法又はこれらの組合せにより形成される。前記Ａｕ膜は、上述したように５０００Å以上の膜厚にするのが好ましい。
同様にして、複数の下側基板５４を縦及び横方向に連続して配置した大型の下側水晶ウエハ８２を準備する。下側水晶ウエハ８２は、少なくとも中間水晶ウエハ８０と接合する上面を、その表面粗さが好ましくは数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度となるように鏡面研磨加工する。下側水晶ウエハ８２には、複数の凹部６５が中間水晶ウエハ８０との対向面に、エッチングまたはサンドブラスト加工などにより中間水晶ウエハの各水晶振動片５５及び外枠５６に対応させて形成される。また下側水晶ウエハ８２には、各凹部６５の略中央に封止孔７５が貫設され、かつ縦及び横方向に直交する下側基板５４の外郭線の交点にそれぞれ円形貫通孔８３が形成される。
更に、下側水晶ウエハ８２には、中間水晶ウエハ８０との接合面即ち凹部６５を取り囲む上面全面に金属薄膜を形成する。この金属薄膜は、例えばＣｒ膜、Ｎｉ／Ｃｒ膜、Ｔｉ膜、Ｎｉ−Ｃｒ膜などの下地膜と最上層のＡｕ膜とからなり、スパッタリング、蒸着、めっき、ダイレクトめっきなどの公知の方法又はこれらの組合せにより形成される。前記Ａｕ膜は、上述したように５０００Å以上の膜厚にするのが好ましい。
また、下側基板４の下面には、導電材料をスパッタリングなどで成膜することにより、複数の外部電極７２，７３を予め所定の位置に形成する。また、上述した低融点金属材料をシール材料７７に用いる場合、封止孔７５の内面に前記導電材料などの金属膜を予め形成する。
次に、上側、中間及び下側水晶ウエハ８０〜８２の前記各接合面をプラズマ処理により表面活性化する。プラズマ処理後、図１２（Ａ）に示すように、中間水晶ウエハ８０の上下面に上側及び下側水晶ウエハ８１，８２を互いに重ね合わせる。先ず各水晶ウエハ８０〜８２は、それらを位置合わせしかつそれらの平行度を調整して各接合面を貼り合わせ、後の本接合よりも弱い加圧力で仮接合する。次に、この水晶ウエハ積層体８４を、好ましくは再びそれらの平行度を調整し、常温で上下から加圧することにより、本接合する。これら仮接合及び本接合は、前記金属薄膜の最上層を形成するＡｕ膜同士の拡散接合により行われる。
前記プラズマ処理には、同様に上述した公知のＳＷＰ型ＲＩＥ方式のプラズマ処理装置を使用する。このプラズマ処理装置により、例えば１３．５６ＭＨｚ〜２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いてプラズマを生成し、処理チャンバ内に導入した反応ガスを励起して、該反応ガスのイオン、励起種などの活性種を生成する。本実施例では、反応ガスとしてＡｒ単体、ＣＦ_４、Ｎ_２単体、Ｏ_２単体、Ｏ_２とＮ_２との混合ガスなどを使用する。他の処理条件は、例えば処理ステージに電圧を印加する高周波電源の出力を２．５ｋＷ、反応ガスの排気圧力を１０〜１Ｐａ、ステージの温度をほぼ室温即ち２５℃とし、かつ照射時間を３０〜６０秒に設定する。
このプラズマ処理により、前記ウエハの表面は、前記反応ガス活性種に曝露されて一様に活性化される。即ち、水晶ウエハ８０〜８２の各接合面を構成する金属薄膜及び導電膜は、その表面から有機物、汚染物やゴミなどがプラズマ中に含まれるイオンによりエッチングされて除去され、更にプラズマ中のラジカルによって直接接合しやすい表面状態に改質される。上述したＳＷＰ型ＲＩＥ方式のプラズマ処理装置は、このような２段階のプラズマ処理を１台の装置の同一チャンバ内で連続して行うことができる。
仮接合した水晶ウエハ積層体８４は、例えば１平方ｃｍ当たり約３９．２Ｎの押圧力を一様に加えて、一体に強固に接合面間を気密に接合する。このとき、水晶振動片の特性に影響を与える虞がない約２００〜２５０℃程度の比較的低温に加熱した状態で接合すると、より強い接合強度が得られる。本実施例では、前記各接合面最上層のＡｕ膜を５０００Å以上の膜厚に形成したことにより、約１０分程度の短い時間で良好に、例えば音叉型水晶振動子を真空封止する場合に必要なリーク量１×１０^−１４ｓｔｄ・ｃｃ／ｓｅｃ以上の高い気密性をもって接合することができる。前記積層体の加圧は、公知の油圧装置または空気圧装置を用いることができ、超音波振動を加えながら加圧することもできる。また、前記水晶ウエハの仮接合、本接合は、大気圧又は所望の不活性ガスの雰囲気内でも真空内でも同様に行うことができる。特に、水晶振動片５５をキャビティ６６内に高真空に封止したい場合には、約２００〜２５０℃に加熱しつつ、約２０〜３０分の短時間で真空吸引することにより、１０^−５Ｔｏｒｒ程度の真空度に到達することができる。
最後に、このように接合した水晶ウエハ積層体８４を、図１２（Ｂ）に示すように、縦横に直交する水晶振動子の外郭線８５に沿ってダイシングなどにより切断分割して個片化する。下側基板５４底面の外部電極７２，７３は、ダイシング前にウエハ積層体の状態でスパッタなどにより形成すると、工程を簡単化することができる。個片化した各水晶振動子は、上側及び下側基板５３，５４が透明なので、外部からレーザ光などを容易に照射でき、それにより周波数調整することができる。周波数調整した各水晶振動子は真空雰囲気に配置し、封止孔７４を気密に閉塞する。これにより、図７に示す水晶振動子５１が完成する。
本実施例においても、水晶振動子５１を個片化する前に、水晶ウエハ積層体８４の状態で周波数の測定、調整、又は所望の試験を実行することができる。その場合、中間水晶ウエハ８０は、隣接する水晶振動子の外枠６の上下面に設ける上側導電膜５９、下側導電膜６１及び引出導電膜６３を、それぞれ各水晶振動子の外郭線８５に沿ってダイシングする線幅分だけ導電材料が除去されるようにパターニングする。これにより水晶ウエハ積層体８４は、各水晶振動子５１の励振電極が隣接する水晶振動子の励振電極から電気的に分離独立するので、その状態で水晶振動子毎に特性試験及び周波数の測定・調整を行うことができる。また、このようにパターニングした上側導電膜５９、下側導電膜６１及び引出導電膜６３は、各水晶振動子５１に個片化したとき、その側面に露出するので、ダイシング時に前記各基板の接合面の隙間に水分が侵入して残存し、電極を腐食させる虞を未然に防止することができる。
別の実施例では、図１３に示すように３枚の水晶ウエハ８０〜８１を１枚ずつ接合することができる。先ず、図１３（Ａ）に示すように、中間水晶ウエハ８０と下側水晶ウエハ８２とを貼り合わせて仮接合する。このとき、中間水晶ウエハ８０の上には、保護基板を置きかつその金属面でない表面を該ウエハ上面の接合面に当接させて、その表面粗さが維持されるようにする。また、この仮接合は、前記両ウエハを単に貼り合わせるだけでも良く、又は上側水晶ウエハ８１を接合する後の工程よりも少ない力で加圧して行う。次に、図１３（Ｂ）に示すように、中間水晶ウエハ８０の上面に上側水晶ウエハ８１を位置合わせして重ね合わせ、図１２の場合の本接合と同程度に加圧して接合する。
この実施例では、２枚の水晶ウエハを接合した図１３（Ａ）の状態で、各水晶振動片の周波数を調整することができる。その場合、中間水晶ウエハ８０は、各水晶振動子１の励振電極を隣接する水晶振動子から電気的に分離独立させるように、各水晶振動子の上側導電膜９、下側導電膜１１及び引出導電膜１３を、それぞれ水晶振動子の外郭線８５に沿ってダイシングする線幅分だけ導電材料が除去されるようにパターニングする。
この周波数調整は、上述したプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理により、中間水晶ウエハ８０上面の接合面のプラズマ処理と同時に行うことができる。水晶振動片５５は、プラズマ照射による周波数変動量を事前の試験などで知ることができるので、その表面の電極膜をプラズマ照射量に対応した膜厚に予め形成すればよい。このときのプラズマ照射は、下側水晶ウエハ８２と仮接合する前に中間水晶ウエハ８０に行うプラズマ照射よりも高いエネルギで行う。また、この周波数調整は、レーザ光などの照射により行うこともできる。
また、本発明によれば、上記各実施例において、中間水晶板、上側及び下側基板の各接合面をＳｉＯ_２薄膜で被覆することができる。第１実施例では、ＳｉＯ_２薄膜を中間水晶板２の外枠６上下両面に形成し、更に任意により、上側及び下側基板３，４の各接合面にも形成する。これにより、中間水晶板２と上側及び下側基板３，４とは、前記導電膜と水晶素面との直接接合に変えて、ＳｉＯ_２薄膜と水晶素面との直接接合により、またはＳｉＯ_２薄膜同士の直接接合により気密に接合される。当然ながら、前記各接合面のプラズマ処理は、これらＳｉＯ_２薄膜を形成した後に、その表面に対して行う。
同様に、第２実施例では、ＳｉＯ_２薄膜を中間水晶板５２の外枠５６上下両面に形成し、更に任意により、上側及び下側基板５３，５４の各接合面にも形成する。これにより、中間水晶板５２と上側及び下側基板５３，５４とは、前記導電膜と前記金属薄膜との拡散接合に変えて、ＳｉＯ_２薄膜と前記金属薄膜との直接接合により、またはＳｉＯ_２薄膜同士の直接接合により気密に接合される。また、前記各接合面のプラズマ処理は、これらＳｉＯ_２薄膜を形成した後に、その表面に対して行う。
更に本発明によれば、上記各実施例における中間水晶板に代えて、水晶以外の圧電材料で音叉型圧電振動片と外枠とを一体に形成した中間圧電基板を用いることができる。その場合、上側及び下側基板は、同じ圧電材料で形成することができ、または比較的近い熱膨張率を有する別の圧電材料で形成することができる。
また、本発明は、音叉型水晶振動子に代えて厚みすべり振動モードの水晶振動子についても同様に適用することができる。そのとき、特に前記中間水晶板、上側及び下側基板をＡＴカット水晶板で形成した場合、それらの面方位を同一に合わせて接合することが、熱膨張率の観点から好ましい。また、キャビティ内を真空封止する必要がないので、下側基板に設けた封止孔は省略することができる。
以上、本発明の好適実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において上記各実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。例えば、表面活性化のためのプラズマ処理は、上述したスロットアンテナを用いたＳＷＰ型ＲＩＥ方式以外に、大気圧プラズマ法など他の公知の方法により行うことができる。

Claims (20)

1. 圧電振動片と外枠とを一体に形成しかつ前記外枠の上面及び／又は下面に導電膜を形成した中間圧電基板と、前記中間圧電基板の前記外枠の上面及び下面にそれぞれ接合される上側及び下側基板とを有し、
   前記中間圧電基板と前記上側及び下側基板とにより画定されかつ気密に封止されるキャビティ内に前記圧電振動片が浮いた状態で保持され、
   前記上側及び下側基板と前記中間圧電基板との各接合面が、それぞれ鏡面研磨加工しかつプラズマ処理により表面活性化した後に、互いに直接合わせて気密に接合されていることを特徴とする圧電振動子。
2. 前記上側及び下側基板が圧電材料からなることを特徴とする請求項１記載の圧電振動子。
3. 前記中間圧電基板が水晶からなることを特徴とする請求項１記載の圧電振動子。
4. 前記上側及び下側基板が水晶からなることを特徴とする請求項３記載の圧電振動子。
5. 前記上側及び下側基板がガラス材料又はシリコンからなることを特徴とする請求項３記載の圧電振動子。
6. 前記中間圧電基板の前記外枠の上面及び下面に導電膜が形成され、前記上側及び下側基板の接合面に金属薄膜が形成され、前記外枠の前記導電膜並びに前記上側及び下側基板の前記金属薄膜がその最上層にＡｕ膜を有し、前記中間圧電基板外枠と前記上側及び下側基板とが拡散接合により気密に接合されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか記載の圧電振動子。
7. 圧電振動片と外枠とを一体に形成しかつ前記外枠の上面及び／又は下面に導電膜を形成した中間圧電基板を形成する工程と、
   前記中間圧電基板の上面に接合する上側基板を形成する工程と、
   前記中間圧電基板の下面に接合する下側基板を形成する工程と、
   前記上側及び下側基板と前記中間圧電基板との各接合面を鏡面研磨加工する工程と、
   鏡面研磨加工した前記上側及び下側基板並びに前記中間圧電基板の各接合面をプラズマ処理により表面活性化する工程と、
   前記中間圧電基板の上下面に前記上側及び下側基板を、それらにより画定されるキャビティ内に前記圧電振動片が浮いた状態で保持されるように重ね合わせ、それらを加圧して直接接合により気密に接合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。
8. 前記中間圧電基板が前記外枠の上面及び下面に形成した導電膜を有し、前記上側及び下側基板がそれぞれ前記中間圧電基板との接合面に形成した金属薄膜を有し、前記外枠の前記導電膜並びに前記上側及び下側基板の前記金属薄膜がそれぞれ最上層に膜厚５０００Å以上のＡｕ膜を有し、前記中間圧電基板外枠と前記上側及び下側基板とを拡散接合により気密に接合することを特徴とする請求項７記載の圧電振動子の製造方法。
9. 前記上側及び下側基板が圧電材料からなることを特徴とする請求項７または８記載の圧電振動子の製造方法。
10. 前記中間圧電基板が水晶からなることを特徴とする請求項７または８記載の圧電振動子の製造方法。
11. 複数の前記中間圧電基板を有する中間圧電ウエハを形成する工程と、複数の前記上側基板を前記中間圧電ウエハの中間圧電基板に対応させて配設した上側ウエハを形成する工程と、複数の前記下側基板を前記中間圧電ウエハの中間圧電基板に対応させて配設した下側ウエハを形成する工程と、前記中間圧電ウエハと前記上側及び下側ウエハとの各接合面を鏡面研磨加工する工程と、鏡面研磨加工した前記中間圧電ウエハ並びに前記上側及び下側ウエハとの各接合面をプラズマ処理により表面活性化する工程と、前記中間圧電ウエハの上下面に前記上側及び下側ウエハを重ね合わせかつ加圧して一体に接合する工程と、接合した前記ウエハの積層体を切断して圧電振動子を個片化する工程とを有することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか記載の圧電振動子の製造方法。
12. 前記中間圧電ウエハを形成する工程において、前記中間圧電ウエハの上面及び／または下面の前記各中間圧電基板の前記外枠に対応する部分に形成される導電膜が、前記ウエハの積層体を圧電振動子に個片化するための切断線に沿ってかつその切断幅と同じ間隙をもって分離されるようにパターニングされることを特徴とする請求項１１記載の圧電振動子の製造方法。
13. 前記中間圧電基板の上下面に前記上側及び下側基板を重ね合わせて仮接合した後、それにより一体化された積層体の上下面を加圧して気密に接合することを特徴とする請求項７乃至１２のいずれか記載の圧電振動子の製造方法。
14. 前記中間圧電基板の下面または上面に前記下側または上側基板の一方を重ね合わせて接合した後、それにより一体化された積層体の上面または下面に前記下側または上側基板の他方を重ね合わせ、加圧して気密に接合することを特徴とする請求項７乃至１２のいずれか記載の圧電振動子の製造方法。
15. 前記中間圧電基板の下面または上面に前記下側または上側基板の一方を重ね合わせて接合した後、前記積層体の上面または下面に前記下側または上側基板の他方を接合する前に、前記圧電振動片を周波数調整する過程を有することを特徴とする請求項１４記載の圧電振動子の製造方法。
16. 前記圧電振動片の周波数調整が、前記下側または上側基板の他方を接合する前に前記積層体の上面または下面をプラズマ処理することにより、前記積層体上面または下面の表面活性化と同時に行うことを特徴とする請求項１５記載の圧電振動子の製造方法。
17. 前記中間圧電基板と前記上側及び下側基板とを常温で接合することを特徴とする請求項７記載の圧電振動子の製造方法。
18. 前記中間圧電基板と前記上側及び下側基板とを加熱した状態で接合することを特徴とする請求項７または８記載の圧電振動子の製造方法。
19. 前記加熱が２００〜２５０℃で行われることを特徴とする請求項１８記載の圧電振動子の製造方法。
20. 請求項７乃至１９のいずれか記載の方法により製造した圧電振動子。

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