KR100798550B1

KR100798550B1 - 압전 기판과 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100798550B1
Application number: KR1020060043362A
Authority: KR
Inventors: 겐지 사토
Original assignee: 엡슨 토요콤 가부시키 가이샤
Priority date: 2005-05-16
Filing date: 2006-05-15
Publication date: 2008-01-28
Also published as: EP1744452B1; US20060255696A1; JP2006352828A; KR20060118346A; JP4997780B2; DE602006009027D1; EP1744452A1; TW200703900A

Abstract

Q값이 높고, 스퓨리어스가 적은 두께 전단 진동자와, 그 양산 수단을 얻는 것으로서, 원형 또는 직사각형의 평판 형상의 압전 기판의 중앙에 기판의 상하에 대향하는 소정 크기의 돌기부(메사부)를 일체적으로 형성하는 동시에, 상기 돌기부의 상면과, 기판의 주연부(베벨부)의 면이 동일 구면 형상이 되도록 압전 기판을 구성한다. 그 제조 방법은, 평판 형상의 압전 기판 상에 포토리소그래피 기술과 에칭 방법을 이용해 메사형 압전 기판을 형성하고, 상기 압전 기판을 연마제와 함께 원통 용기에 넣어, 소정의 회전 속도로 회전시켜 메사 베벨형 압전 기판을 제조한다.

Description

압전 기판과 그 제조 방법{PIEZOELECTRIC SUBSTRATE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

도 1은 본 발명에 관한 수정 기판(메사 베벨형 수정 기판)의 구조를 도시한, (a)는 평면도, (b)는 단면도이다.

도 2(a), (b), (c)는 본 발명에 관한 수정 기판(메사 베벨형 수정 기판)을 제조하는 과정을 도시하는 단면도이다.

도 3은 종래의 베벨 가공 수정 기판을 도시하는 도면으로, (a)는 단면도, (b)는 평면도이다.

도 4는 플라노 콘벡스 수정 기판의 구조를 도시하는 단면도이다.

도 5는 더블 콘벡스 수정 기판의 구조를 도시하는 단면도이다.

도 6(a), (b)는 메사형 수정 기판의 구조를 도시하는 단면도이다.

<부호의 설명>

1 : 수정 기판 2 : 평판부

3 : 돌기부(메사부) 4 : 주연부(베벨부)

5 : 에칭되는 부분

본 발명은, 압전 기판과 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 소형 압전 진동자의 Q값을 높이는 동시에 양산에 적합한 압전 기판과 그 제조 방법에 관한 것이다.

압전 진동자는 소형인 것, 시간 흐름에 따른 변화가 작은 것, 고 정밀도, 안정적인 주파수가 용이하게 얻어지는 것 등 때문에, 통신 기기부터 전자 기기까지 폭넓게 이용되고 있다. 특히 두께 전단 모드를 주진동으로 하는 수정 진동자는 몇 MHz부터 몇백 MHz대에서 많이 이용된다. 두께 전단 모드를 주진동으로 하는 수정 진동자의 수정 기판으로는, AT 컷, BT 컷, FC 컷, IT 컷, SC 컷, NY 컷 등이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1을 참조). 그 중에서도 주파수-온도 특성이 3차 곡선을 표시하는 AT 컷 수정 진동자는 휴대 전화 등에 다량으로 이용된다.

AT 컷 수정 진동자의 진동 모드는, 주지와 같이 두께 전단 진동으로, 진동자의 주파수는 두께에 역비례한다. 즉, 수정 진동자의 주파수가 높아짐에 따라서 수정 기판의 두께는 얇아지고, 수정 진동자의 여러 가지 특성은 전극의 크기와, 전극에 의한 주파수 저하량에 크게 의존하게 된다. 이에 대해 수정 진동자의 주파수가 낮아지면, 수정 기판의 두께에 대한 윤곽 치수(변의 비(side-ratio;邊比)라고 한다)가 중요한 요소로 되어, 변의 비를 어떻게 적절히 설정하여, 고차원의 윤곽 진동을 피할지가 설계의 요점이 된다.

도 3은 원판 형상의 수정 기판의 구조를 도시한 도면으로서, (a)는 단면도, (b)는 평면도이다. 수정 진동자의 주파수가 낮은 경우에는, 수정 기판(11)의 두께 (t)에 대한 직경(D)의 비, 변의 비(D/t)의 값이 작아지고, 주진동인 두께 전단 모드의 진동 에너지 분포가 충분히 중앙부에 집중하지 않고, 단부에까지 도달하게 된다. 단부에 도달한 진동 에너지는 윤곽 진동, 예를 들면 고차원의 굴곡 진동, 고차면 전단 진동 등을 여기하고, 그 결과, 주진동의 Q값은 열화되어, 스퓨리어스(spurious)가 많은 수정 진동자로 된다. 여기서, 도 3(a)에 도시하는 바와같이, 수정 기판의 양 단부를 연마하고, 베벨(bevel)(12)을 부가함으로써 주진동의 진동 에너지를 중앙부에 집중시킬 수 있다. 수정 진동자의 설계는, 수정 기판(11)의 변의 비(D/t), 베벨(12)의 폭(W), 단 두께(d)를 어떻게 설계하여, Q값이 높고, 스퓨리어스가 적은 진동자를 실현할지이다.

도 4는 플라노 콘백스(Plano-convex)형 수정 기판의 단면도를 도시하는 도면으로, 주진동의 진동 에너지를 기판 중앙부에 집중시키도록, 한쪽 주면을 렌즈 형상(구면 형상)으로 연마한 수정 기판으로, 주로 안정적 수정 진동자에 이용된다. 다른쪽 주면을 평면으로 함으로써, 기판의 절단 각도를 유지할 수 있으므로, 플라노 콘백스형 수정 기판을 이용해 구성한 수정 진동자는 Q값이 큰 동시에 양호한 주파수 온도 특성을 가진다는 특징이 있다.

또한, 도 5는 더블 콘백스(Double-convex)형 수정 기판의 단면도를 도시하는 도면으로, 높은 Q값을 갖는 수정 진동자가 얻어지는데, 구면 가공의 정밀도에 따라 주파수 온도 특성에 약간의 편차가 생기는 경우가 있다.

최근, 수정 진동자의 소형화와 낮은 가격이 더욱 요구되게 되어, 이를 만족하는 방법으로서 수정 기판의 주면을 메사 형상으로 가공한 메사형 수정 기판이 있 다. 도 6(a), (b)는 메사형 수정 기판의 단면도를 도시한 도면으로, 평판의 수정 기판(20)에 포토리소그래피 기술과 에칭 방법을 이용함으로써, 동 도면(a)의 사선부를 에칭하여, 동 도면(b)와 같은 메사형 수정 기판을 형성한다. 이러한 수정 기판은, 포토리소그래피 기술과 에칭 방법을 이용할 수 있으므로, 소형 수정 기판을 다량으로 또한 낮은 비용으로 제조할 수 있다. 이 소형 수정 기판의 특징은 주진동의 진동 에너지를 메사부에 집중시킬 수 있으므로, Q값이 높은 수정 진동자를 구성할 수 있다.

<특허문헌 1> 일본국 특개평 10-284978호 공보

<비특허문헌 1> 사다오 타키 저, 「인공 수정과 그 전기적 응용」, 일간 공업 출판, 49년 5월 발행

<비특허문헌 2> V.E, Bottom저,「Introduction to Quartz Crystal Unit Design」, Van Nostrand 출판, 1982년 1월 발행

그러나, 도 6(b)에 도시하는 것 같은 메사형 수정 기판의 윤곽 치수(D), 진동부의 치수(d), 진동부의 두께(t), 단 두께(t3), 에칭부의 두께(t4)를 적절히 설정해도, 형성된 수정 기판의 치수의 편차에 의해, 수정 진동자의 Q값이 편차, 또한 스퓨리어스가 발생한다는 문제가 있다.

본 발명의 제1의 발명은, 평판 형상의 압전 기판의 중앙에 상하에 대향하는 소정 크기의 돌기부를 일체적으로 형성하는 동시에, 상기 돌기부의 상면과, 평판의 주연부의 면이 동일 구면 형상이 되도록 압전 기판을 구성하는 것을 특징으로 한다.

제2의 발명은, 상기 압전 기판의 형상이 원형인 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재의 압전 기판이다.

제3의 발명은, 상기 압전 기판의 형상이 직사각형인 것을 특징으로 하는 청구항 1에 기재의 압전 기판이다.

제4의 발명은, 포토리소그래피 기술 및 에칭 방법을 이용해, 소정 두께의 압전 기판의 중앙부를 남기고, 주변부를 소정의 두께만큼 에칭하여, 평판부의 중앙에 기판 상하에 대향하는 돌기부가 일체적으로 형성된 메사형 압전 기판을 형성하고, 상기 메사형 압전 기판을 원통 용기에 연마제와 함께 넣고, 용기를 소정의 회전 속도로 회전시킴으로써, 평판의 주연부와 상기 돌기부의 상면이 동일 구면 형상으로 연마되는 것을 특징으로 하는 압전 기판의 제조 방법이다.

(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)

도 1은 본 발명에 관한 수정 기판의 실시 형태를 도시한 도면으로서, 동 도면(a)는 평면도, 동 도면(b)는 단면도이다. 평판 형상의 AT 컷 수정 기판(1)의 중앙부에 상하 대향하는 소정 크기의 돌기부(메사부)(3)를 일체적으로 형성하는 동시에, 상기 돌기부(3)의 상면과, 돌기부(3)에 연속하는 평판의 주연부(베벨부)(4)의 면이 동일 구면 형상이 되도록 구성한다.

본 발명에 관한 수정 기판(이하, 메사 베벨형 수정 기판이라고 칭한다)의 제조 방법에 대해서, 도 2에 도시하는 단면도를 이용해 설명한다. 처음에, 도 2(a) 에 도시하는 바와같이, 포토리소그래피 기술, 에칭 방법을 이용해, 소정 두께의 AT 컷 평판(1)의 중앙부(3)를 남기고, 주변부(5)를 소정 두께만큼 에칭하고, 동 도면(b)에 도시하는 바와같이 평판부(2)의 중앙에 기판 상하에 대향하는 돌기부(3)가 일체적으로 형성된 수정 기판(메사형 수정 기판)을 형성한다. 다음에, 상기 메사형 수정 기판을 원통형의 용기에 연마제와 함께 넣어, 용기를 소정의 회전 속도로 회전시킴으로써, 용기의 내측 측벽에 닿는 평판의 주연부(4)가 연마되어 쐐기 형상이 된다. 주연부(4)의 연마가 진행되면 수정 기판(1)의 중앙에 형성한 돌기부(3)의 상면이 원통 용기의 측벽에 접촉하여, 마찰에 의해 연마된다. 즉, 돌기부(3)의 상면과 평판의 주연부(4)의 면은 원통 용기의 내측 형상이 전사되어, 구면 형상으로 된다.

상기의 메사 베벨형 수정 기판을 이용해 구성한 수정 진동자의 Q값은 메사형 수정 기판, 혹은 베벨형 수정 기판을 이용해 구성한 수정 진동자의 Q값보다도 높고, 또한 메사형, 베벨형 수정 기판을 이용한 수정 진동자보다도 스퓨리어스가 적다는 특징이 있다. 그 이유는, 메사 베벨형 수정 기판은 메사부의 상면이 구면 형상으로 가공되어 있는데다, 기판의 주연부에 구면 형상의 베벨 가공이 실시되므로, 주진동의 진동 에너지가 보다 중앙부에 집중하여, 단부에서 고차원의 윤곽 진동을 여기하는 진동 에너지를 작게 할 수 있기 때문으로 추측된다.

수정 기판의 주연부가 연마되는 양은 수정 기판의 자체 무게와 원통 용기의 회전 스피드에 의해 거의 결정된다. 이 때문에, 수정 진동자의 소형화에 의해 수정 기판이 작고, 자체 무게가 가벼워지면, 베벨 가공 시간의 증가를 초래한다. 또 한, 장시간의 베벨 가공을 행하면, 수정 기판이 원통 용기내를 자유롭게 움직이므로, 특히 수정 기판의 각이 필요 이상으로 연마되는 것, 원통 용기의 곡률과 다른 형상이 되는 것 등이 자주 발생한다. 본 발명의 메사 베벨형 수정 기판은, 구면 형상으로 가공된 돌기부(메사부)에 의해 주진동의 진동 에너지가 메사부에 충분히 가두어지므로, 주연부의 베벨 가공량을 줄일 수 있다. 예를 들면 도 5에 도시하는 것의 경우, 도 1(c)에 사선으로 표시하는 바와같이 베벨 가공에 있어서의 연마량이 많은데 대해, 미리 메사형으로 가공한 수정 기판에 대해서는, 도 1(d)에 사선으로 표시하는 바와같이 연마량이 대폭 적다. 베벨 가공 시간의 감소에 의해 수정 기판의 형상은, 보다 설계 형상에 근접한 것을 얻을 수 있어, 수정 진동자의 여러 가지 특성도 양호한 것이 얻어진다. 또한, 베벨 가공 시간이 적어도 되므로 베벨의 편차도 적고, 수정 진동자의 여러 가지 특성의 편차도 적은 것을 얻을 수 있다.

이상에서는 원형의 평판을 이용해, 메사형 수정 기판을 형성한 후, 원통 용기 내에서 베벨 가공을 행하고, 메사 베벨형 수정 기판을 형성하는 공정을 설명했는데, 직사각형의 평판을 이용하는 것도 동일하게 메사 베벨형 수정 기판을 구성할 수 있는 것은 설명할 필요도 없다. 또한, 소형의 메사 베벨형 수정 기판을 다량으로 제조하기 위해서는, 포토리소그래피 기술과 에칭 방법을 이용해, 소정 두께의 큰 AT 컷 기판 상에 매트릭스 형상으로 다수의 메사 구조를 형성하고, 컷터로 절단하여 개별 조각으로 한 후, 원통 용기를 이용해 메사부와 평판 주연부에 구면 가공을 실시하는 프로세스가 양산에 적합하다.

본 발명은 상술의 실시 형태에 한정되지 않고, 그 기술적 범위내에서 상기의 실시 형태에 다양한 변경·변형을 추가해 실시할 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 AT 컷 수정 기판뿐만 아니라, 주진동이 두께 전단 모드로 되는 수정 기판(예를 들면 BT 컷, FC 컷, IT 컷, SC 컷, NY 컷 등의 수정 기판)에도 적용할 수 있다. 또한, 주진동이 두께 전단 모드이면, 수정 기판 이외의 압전 기판(예를 들면 니오브산 리튬 기판, 탄탈산 리튬 기판, 사붕산 리튬 기판, 란가사이트(langasite) 기판, 압전 세라믹스 기판 등의 압전 기판)에도 적용 가능하다.

본 발명의 압전 기판은, 중앙의 메사형 구조와 기판의 주연부를 구면 형상으로 가공하였으므로, 주진동의 진동 에너지를 중앙부에 가두고, 고차원의 윤곽 진동과의 결합을 피할 수 있어, 본 압전 기판을 이용해 구성한 압전 진동자의 Q값은 크고, 또한 스퓨리어스가 적은 압전 진동자를 실현할 수 있다는 이점이 있다.

Claims

평판 형상의 압전 기판의 중앙에 상하에 대향하는 돌기부를 일체적으로 형성하는 동시에, 상기 돌기부의 상면과, 평판의 주연부의 면이 동일 구면 형상이 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 압전 기판.
청구항 1에 있어서, 상기 압전 기판의 형상이 원형인 것을 특징으로 하는 압전 기판.
청구항 1에 있어서, 상기 압전 기판의 형상이 직사각형인 것을 특징으로 하는 압전 기판.
포토리소그래피 기술 및 에칭 방법을 이용해, 압전 기판의 중앙부를 남기고, 주변부를 에칭하여, 평판부의 중앙에 기판 상하에 대향하는 돌기부가 일체적으로 형성된 메사(mesa)형 압전 기판을 형성하고,

상기 메사형 압전 기판을 원통 용기에 연마제와 함께 넣고, 용기를 회전시킴으로써, 평판의 주연부와 상기 돌기부의 상면이 동일 구면 형상으로 연마되는 것을 특징으로 하는 압전 기판의 제조 방법.