TWI404330B - 音叉型水晶振動子及其頻率調整方法 - Google Patents

Description

音叉型水晶振動子及其頻率調整方法

本發明係關於一種音叉型水晶振動子(以下，稱為“音叉型振動子”)及其振動頻率之調整方法，尤其關於一種提高調整精度之音叉型振動子的頻率調整方法。

(發明背景)

音叉型振動子作為鐘錶功能零件而內置於手錶等以及行動電話或數位相機等之電子機器中，尤其使用為鐘錶用之基準源。近年來，伴隨此等電子機器之普及以及小型化，亦藉由使用光微影法之蝕刻而形成音叉型振動子。

(習知技術)

圖4為除去習知例之音叉型振動子的保護層後觀察到的平面圖。進而，圖5A及圖5B為詳細表示該音叉型振動子之圖，尤其圖5A為一併顯示有電極配線之音叉型振動子的立體圖，圖5B為同時顯示沿著圖5A中A-A線之剖面及振盪電路的剖面圖。

如圖4所示，習知例之音叉型振動子具備自音叉基部1延伸出一對音叉臂2a、2b之音叉狀水晶片3。於一對音叉臂2a、2b上，於除其頭部前端面(頂面)以外的四個面上具有驅動電極4。並且，如圖5B所示，各驅動電極4、4經由配線相連接。即，以如下方式接線，使得各音叉臂2a、2b上之兩主面間及 兩側面間為相同電位，使兩主面與兩側面之間為相反電位，於一對音叉臂2a、2b之間，使兩主面間彼此及兩側面彼此為相反電位。

如圖5A所示，此等驅動電極4為相同電位且彼此共同連接，一對電極朝音叉基部1之主面下方延伸。通常，如圖4所示，頻率調整用金屬膜5a、5b形成於音叉臂2a、2b之前端側主面。並且，此等金屬膜5a、5b藉由例如使用光微影法之蝕刻，加工驅動電極4等的外形而成，多數音叉狀水晶片3如下述圖2所示，一體地連結於水晶晶圓9。

自圖2所示之水晶晶圓9分割為各個音叉狀水晶片3之後，如圖4所示，音叉基部1之主面下方固著於例如剖面為凹狀之表面安裝容器6的一端側上具有水晶端子之內壁段部7，從而該基部1之主面下方電性且機械性連接於該內壁段部7。並且，藉由未圖示之保護層而密封表面安裝容器6之開口端面，將音叉狀水晶片3密閉地封入至該表面安裝容器6中。通常，此封入係真空密封，以抑制由小型化而引起晶體阻抗(CI，Crystal Impedance)之上升。

如此，於音叉狀水晶片3一體地連接於水晶晶圓9之狀態下，藉由釔鋁石榴石(YAG，Yttrium Aluminum Garnet)等雷射而使前端主面之金屬膜5a、5b的一部分熔融、飛散，從而除去該前端主面之金屬膜5a、5b的一部分。並且，將音叉型振動子(音叉狀水晶片3)之振動頻率自低頻率朝高頻率調整。於 此情形下，由於能夠在水晶晶圓之狀態下總括地調整音叉型振動子之頻率，故而可提高生產性。

或者，將音叉狀水晶片3收容於表面安裝容器6內之後，同樣地，藉由除去金屬膜5a、5b之一部分而調整音叉型振動子之頻率。於此情形下，可將常溫下的振動頻率，包括音叉基部1固著於段部7時造成的振動頻率變化部分，調整至規格內。進而，於水晶晶圓9之狀態下對各音叉水晶片3之振動頻率進行粗調整，於使該等音叉水晶片3成為單片且收容至表面安裝容器6內之後，亦可進行振動頻率之微調整。

又，亦有如下者，即，藉由適合於切割水晶之波長的雷射光，逐漸切割音叉型水晶片之振動臂部的外側角部，以調整其特性。

(參照日本專利特開2004-201105號、特開2004-289237號、特開2007-57411號及特開2000-278066號公報)

(習知技術之問題點)

然而，於上述構成之習知音叉型振動子中，必需將頻率調整用金屬膜5a、5b形成於音叉臂2a、2b之前端，故製造步驟變得繁雜。而且，在調整頻率時，由於藉由雷射之熱量而除去金屬膜5a、5b，故音叉臂2a、2b本身(音叉型振動子本身)之溫度亦會上升。再者，音叉型振動子具有呈2次函數之頻率溫度特性，且於常溫附近為最大值。

因此，即使於常溫時調整音叉型振動子之頻率，由於音叉臂 2a、2b本身之溫度上升，故實際上在高於常溫時之溫度下調整頻率。因此，存在有頻率調整不充分、調整精度容易降低之問題點。

圖6為說明該問題點之圖，顯示出音叉型振動子之頻率溫度特性的典型例。該圖6為音叉型振動子之溫度特性圖，其橫軸表示溫度，而縱軸表示各溫度下相對於室溫之頻率變化量(單位：ppm)。

音叉型振動子通常設計成以25℃之溫度附近為頂點溫度(溫度係數變得平坦)。又，要求頻率調整精度達未滿±20 ppm。然而，如上所述，在藉由雷射之熱量而除去金屬膜之時，當照射雷射時，水晶達到相當高之溫度(至少為100℃以上)。因此，頻率變化成為圖6中100℃以上區域之值，故該值較室溫時之值低數百ppm。因此，雷射調整結束後水晶逐步冷卻，則頻率朝較高方向偏移。其結果，無法維持頻率調整時之頻率，從而無法確保規定之頻率調整精度。

又，其他問題點在於，頻率調整幅度受限於金屬膜5a、5b之膜厚度。亦即，YAG雷射僅能夠除去此等金屬膜，故在已將金屬膜完全除去後，則無法進一步調整水晶振動子之頻率。因此，頻率調整幅度本身存在限制。因此，以光微影法形成音叉外形後之頻率分布必須控制得較窄，從而在製造上之限制亦較大。

(發明目的)

本發明之目的在於提供一種提高頻率調整精度之音叉型水晶振動子及其頻率調整方法。

本發明係一種音叉型水晶振動子之頻率調整方法，該音叉型水晶振動子具有自音叉基部延伸出一對音叉臂之音叉狀水晶片，該頻率調整方法構成為具備第1頻率調整步驟，藉由自環繞上述一對音叉臂之外周面朝頭部前端面，或者自頭部前端面朝外周面照射之飛秒雷射(Femtosecond LASER,Femtosecond=10^-15 秒)，形成自上述外周面橫跨頭部前端面之傾斜面，以調整振動頻率。

根據此種構成，由於使用飛秒雷射[超短脈衝雷射：1飛秒(10^-15 秒)]，故可直接切割一對音叉臂之前端面。因此，原理上只要能夠切割水晶本身，便可調整頻率，故與除去金屬膜之情形相比，可取得較寬之頻率調整幅度。又，亦可不藉由金屬膜調整頻率，故可省略習知所必需之金屬膜[典型而言為金(Au)膜]，因此，亦可削減金屬膜形成步驟及金之材料費。又，若使用飛秒雷射(超短脈衝雷射)，則幾乎不會對水晶片造成熱損傷，故當進行頻率調整時亦不會引起溫度上升。即，由於飛秒雷射中，熱傳導朝雷射照射位置的周邊部引起之前，至雷射照射結束，其雷射脈衝寬度窄，故可防止音叉狀水晶片在頻率調整時的溫度上昇。因此，可進一步提高音叉型振動子之頻率調 整精度。

又，由於自一對音叉臂之外周側面朝頭部前端面，或自頭部前端面朝外周側面照射飛秒雷射，故於照射時，飛秒雷射傾斜地穿透音叉臂。因此，飛秒雷射之能量不會進入水晶片之內部，故可防止或減輕水晶片產生之龜裂。

相對於此，當飛秒雷射垂直地入射至音叉臂之主面時，飛秒雷射之能量容易進入水晶片之內部，故會使水晶表面產生龜裂，或使水晶內部受損。

於本發明中，將上述外周面設為上述音叉臂之主面。藉此，對處於水晶晶圓9狀態下之音叉狀水晶片3，或者在將音叉狀水晶片3之單片收容於剖面為凹狀之表面安裝容器6內後，可容易地進行頻率調整。

又，於本發明中，藉由蝕刻而加工上述音叉狀水晶片之外形，於該音叉狀水晶片一體地連結於水晶晶圓之狀態下調整振動頻率。藉此，在水晶晶圓之狀態下總括地進行頻率調整，調整變得有效率。

進而，於本發明中，上述音叉狀水晶片於上述音叉臂之前端側主面具有調整用金屬膜，於利用上述飛秒雷射之上述第1頻率調整步驟之後，具備藉由雷射除去上述調整用金屬膜之一部分的第2頻率調整步驟。

藉此，藉由第1頻率調整而對音叉型振動子之頻率進行粗調整，且藉由第2頻率調整而對音叉型振動子之頻率進行微調 整，從而可高精度地調整水晶振動子之頻率。

進而，於本發明中，上述第1頻率調整步驟在音叉狀水晶片一體地連結於水晶晶圓之狀態下實施，而上述第2頻率調整步驟則在各個音叉狀水晶片已收容於剖面為凹狀之表面安裝容器之狀態下實施。藉此，可在水晶晶圓之狀態下總括地實施第1頻率步驟中之粗調整，故頻率調整變得有效率。

進而於本發明中，將上述第2頻率調整步驟中使用之雷射，設為功率小於上述第1頻率調整步驟之雷射功率的飛秒雷射。藉此，第1頻率調整步驟中之雷射裝置可兼用於第2頻率調整步驟，並且可進行熱影響較少之微調整。

本發明中，上述第1頻率調整步驟，係一邊實施上述音叉狀水晶片的頻率測定(即，使頻率測定用探針接觸音叉狀水晶片，並測定頻率)，並連續照射飛秒雷射來實施。如此進行之理由係為了積極利用飛秒雷射的特徵，亦即，積極利用在飛秒雷射中，熱傳導引起前至雷射照射結束的程度，所謂雷射脈衝寬度窄之特徵。藉由連續照射飛秒雷射並一邊進行頻率測定，以時時刻刻進行頻率測定，故相較於使用習知YAG雷射的情況下，可提高頻率調整精密度。

又，本發明中，相對於用以形成上述傾斜面之上述飛秒雷射的音叉主面，而將入射角度設定為30~70°。在飛秒雷射垂直入射的情況下，雷射光會充滿水晶內部。如此一來，容易產生雷射損傷。在傾斜照射的情況下，雷射光易在側面脫離，而使 雷射光不易充滿水晶內部，故可防止水晶內部的損傷。

再者，於上述第2頻率調整步驟中，已敍述了用於除去金屬膜之構成，但亦可利用功率小於第1頻率調整步驟時之功率的飛秒雷射光來切割水晶本身而進行調整。

此處，本發明中使用之飛秒雷射的脈波寬度在500 fs(飛秒)以下為較佳，200 fs以下為更佳，100 fs以下尤佳。脈波寬度越短，則使用該飛秒雷射之效果越明顯。又，飛秒雷射之功率為數μJ/脈衝至數十μJ/脈衝之功率，可獲得本發明之效果。進而，由於飛秒雷射為脈衝雷射，故脈衝之反覆頻率亦為重要之參數。將反覆頻率設為數百Hz，設為500 Hz以上較佳，設為1000 Hz以上更佳。由於飛秒雷射的反覆進行其頻率愈高，每單位時間的照射脈衝數愈多，故可達到頻率調整時間的縮短化。

又，於本發明中，自環繞音叉臂之外周面朝頭部前端面或者自頭部前端面朝外周面，傾斜地照射飛秒雷射，從而形成自音叉外周面橫跨頭部前端面之傾斜面。該傾斜照射之角度(相對於音叉主面之入射角度)並不限定於此等角度，可為30至70°，為40至70°更佳，為45至60°尤佳。

圖1至圖3為表示作為本發明一實施形態之音叉型振動子的頻率調整步驟之圖，圖1A為音叉狀水晶片之前視圖，圖1B為部分放大剖面圖，圖2為已一體化有音叉狀水晶片之水晶晶圓 的前視圖(已省略一部分水晶片)，圖3為除去音叉型振動子之保護層後觀察到的平面圖。

如圖1A所示，本發明之音叉型振動子具備自音叉基部1延伸出一對音叉臂2a、2b之音叉狀水晶片3。一對音叉臂2a、2b於除頭部前端面以外的四個面上具有驅動電極4，以如下方式接線，使得各音叉臂2a、2b上之兩主面間及兩側面間為相同電位，使兩主面與兩側面之間為相反電位，於一對音叉臂2a、2b之間，使兩主面間彼此及兩側面彼此為相反電位。

此等驅動電極4為相同電位且彼此共同連接，一對電極朝音叉基部1之主面下方延伸。而且，頻率調整用之金屬膜5a、5b形成於音叉臂2a、2b之前端側主面。此處之金屬膜5a、5b的高度形成為低於習知例之金屬膜的高度，於前端側主面之上方設置生坯露出部8a、8b。此等藉由使用例如光微影法之蝕刻而加工驅動電極4等之外形，多數音叉狀水晶片3一體地集合並連結於水晶晶圓9(參照圖2)。再者，亦可使金屬膜5a、5b延伸至音叉臂2a、2b之前端為止。

而且，本發明之音叉型振動子之頻率調整方法由第1頻率調整步驟與第2頻率調整步驟所構成。首先，於第1頻率調整步驟中，於水晶晶圓3之狀態下，自作為各音叉狀水晶片3之音叉臂2a、2b的生坯露出部8a、8b之前端側兩主面至頭部前端面(頂面)為止，或者自頭部前端面至前端側兩主面為止，對其照射飛秒雷射(超短脈衝雷射)Pf。藉此，在較金屬膜5a、5b 更處於上方的音叉臂2a、2b之前端側兩主面形成橫跨頭部前端面之傾斜面，以對振動頻率進行粗調整。

於此次實驗中，使用厚度為120 μm之水晶晶圓。又，飛秒雷射之照射條件，脈波寬度約為70 fs，功率為30 μJ/脈衝，脈衝之反覆頻率為1000 Hz。當然此僅為一實施例。又，實驗裝置使用以下圖7A至圖7C所說明之構成者。此處，圖7A為表示實驗裝置100之概要的方塊圖，圖7B為表示對晶圓測定頻率之情況的概略圖，圖7C為表示探測音叉型振動子之情況的圖。

如圖7A與圖7B所示，實驗裝置100具備：飛秒雷射光源101，檢流計鏡103，X、Y、Z平台105，具有探針107a之振盪電路107，頻率測定器109及控制裝置111。

光源101發出所需之飛秒雷射。檢流計鏡103使飛秒雷射光以既定方式於音叉型振動子之臂部頭部上掃描，以切割水晶。進而，於該檢流計鏡103之前端設置f θ透鏡103a，以調整飛秒雷射光束之焦點。X、Y、Z平台105可承載水晶晶圓9，且可於X、Y、Z之3個方向上任意地移動水晶晶圓9。振盪電路107依序探測水晶晶圓9上之各音叉狀水晶片3，使各音叉片振盪，並且將音叉片之頻率信號傳達至頻率測定器109。該振盪電路107構成為可相對於晶圓而於Z方向上下移動。頻率測定器109自振盪電路107之信號讀取音叉片之頻率。控制裝置111控制上述各要素103至109。實施頻率調整時，最好是利 用振盪電路一邊使水晶振盪，且一邊實施頻率測定，並連續照射飛秒雷射光，一邊確認頻率進入預定範圍內，同時進行音叉頻率調整。

當然，該實驗裝置100之構成僅為一實施例。此次之實驗裝置使用檢流計鏡來掃描雷射光束，但亦可使光束僅經由物鏡而不掃描，使X、Y、Z平台微動，並利用雷射光束加工水晶晶圓。

又，於此次實驗中，由實驗者翻轉水晶晶圓，藉此自水晶晶圓9之表背照射雷射。

再者，於此次實驗中，於音叉狀水晶片3上設置有生坯露出部8a、8b。該生坯露出部8a、8b並非必需，但實驗表明：設置生坯露出部8a、8b，並於此處照射飛秒雷射者，容易進行雷射加工(容易切割水晶)，因此，以設置該生坯露出部8a、8b並於此處照射飛秒雷射為較佳。

其次，於第2頻率調整步驟中，如上所述，將各音叉狀水晶片3自水晶晶圓9分離，並將音叉狀水晶片3收容於表面安裝容器6內。音叉狀水晶片3之音叉基部1固著於表面安裝容器6之內壁段部7。並且，於該實施形態中，與第1頻率步驟同樣地，藉由飛秒雷射除去各個音叉狀水晶片3之音叉前端主面的金屬膜5a、5b，以微調整音叉型振動子之振動頻率。

根據此種頻率調整方法，藉由飛秒雷射Pf而於第1頻率調整步驟中對頻率進行粗調整，因此，在調整頻率時溫度不會上升，從而可在常溫下將頻率調整至規格內。於該情形時，粗調 整之頻率調整量變大，約為數千至數萬ppm，但由於利用飛秒雷射來進行調整，故在實質上不受溫度影響之狀態下進行調整，因此，可減小相對於規格之偏差(偏離規格之機率)。

而且，本發明之音叉型振動子的振動頻率之調整，在音叉狀水晶片3已連結於水晶晶圓9之狀態下調整，故容易確保各音叉狀水晶片3之位置精度及被加工部之水平度等，因此可使作業性良好。進而，於本發明中，由於自音叉臂2a、2b之兩主面側切割，故可維持音叉狀水晶片3之對稱性並可使音叉振動維持良好。而且，相較於自音叉狀水晶片3之單面切割，可增加水晶之切割量。其結果，可取得較寬之頻率調整幅度，且可增大單位加工時間之頻率變化量。即，可縮短加工時間。

進而，尤其因為使飛秒雷射(超短脈衝雷射)Pf傾斜地入射至音叉臂之主面而切割音叉臂，故飛秒雷射Pf會穿透音叉臂，不會因雷射能量而造成損傷。

又，於第1頻率步驟(粗調整)之後，將成為單片之音叉狀水晶片3收容於表面安裝容器6內，並藉由第2頻率步驟來進行微調整，故可減少微調整時之頻率調整量。該情形時之調整量為例如數十至數百ppm。即使假設在調整量較多時，由於使用飛秒雷射，故由雷射Pf產生之熱量亦會變小，從而可將振動頻率調整至常溫時之規格內。

於上述本發明之實施形態中，在第1頻率調整步驟中，自音叉臂2a、2b之兩主面側照射飛秒雷射，但亦可僅自音叉臂2a、 2b之一主面側照射飛秒雷射。於該情形時，可簡單化飛秒雷射裝置之配置構成等。又，於第2頻率調整步驟中，藉由飛秒雷射來除去金屬膜5a、5b，但亦可不切割金屬膜5a、5b而切割水晶本身。藉此，可省略形成音叉頭部之金屬膜5a、5b的步驟。

進而，於本發明中，於利用飛秒雷射所進行之第1頻率步驟中，自音叉臂2a、2b之兩主面側切割，但亦可自音叉臂之側面側切割。只要形成自環繞音叉臂2a、2b之外周面至頭部前端面為止之傾斜面，便可到達相同之效果。再者，第2頻率調整步驟亦可與習知同樣地利用YAG雷射等進行，進而亦可利用離子研磨法進行。

(產業上之可利用性)

本發明之音叉型水晶振動子之頻率調整方法亦可廣泛適用於其他型式之水晶振動子之頻率調整。

1‧‧‧音叉基部

2a、2b‧‧‧音叉臂

3‧‧‧音叉狀水晶片

4‧‧‧驅動電極

5a、5b‧‧‧金屬膜

6‧‧‧表面安裝容器

7‧‧‧內壁段部

8a、8b‧‧‧生坯露出部

9‧‧‧水晶晶圓

100‧‧‧實驗裝置

101‧‧‧光源

103‧‧‧檢流計鏡

103a‧‧‧f θ透鏡

105‧‧‧X、Y、Z平台

107‧‧‧振盪電路

107a‧‧‧探針

109‧‧‧頻率測定器

111‧‧‧控制裝置

Pf‧‧‧飛秒雷射

圖1為表示本發明之音叉型振動子之頻率調整步驟之一實施形態之圖，圖1A為音叉狀水晶片之前視圖，圖1B為該音叉狀水晶片之部分放大剖面圖。

圖2為表示本發明之音叉型振動子之頻率調整方法之一實施形態之圖，且為已一體化地集合有音叉狀水晶片之水晶晶圓之前視圖。

圖3為表示本發明之音叉型振動子之頻率調整方法之一實 施形態之圖，且為除去音叉型振動子之保護層後觀察到之平面圖。

圖4為除去習知例之音叉型振動子之保護層後觀察到之平面圖。

圖5為詳細地表示音叉型振動子者，圖5A為一併表示有電極配線之立體圖，圖5B為沿著圖5A之A-A線之剖面圖。

圖6為表示音叉型振動子之頻率溫度特性之典型例之圖。

圖7A為表示本發明中所使用之實驗裝置100之概要之方塊圖，圖7B為表示對晶圓測定頻率之情況之概略圖，圖7C為表示對音叉型振動子進行探測之情況之概略圖。

1‧‧‧音叉基部

2a、2b‧‧‧音叉臂

3‧‧‧音叉狀水晶片

4‧‧‧驅動電極

5a、5b‧‧‧金屬膜

8a、8b‧‧‧生坯露出部

Pf‧‧‧飛秒雷射

Claims (13)

1. 一種音叉型水晶振動子之頻率調整方法，其係對具有自音叉基部延伸出一對音叉臂之音叉狀水晶片之音叉型水晶振動子之頻率調整方法，其特徵在於，其具備有：第1頻率調整步驟，其係藉由自環繞上述一對音叉臂之外周面朝頭部前端面、或者自頭部前端面朝外周面進行照射之飛秒雷射，形成自上述外周面橫跨上述頭部前端面之傾斜面，並調整振動頻率。
2. 如申請專利範圍第1項之音叉型水晶振動子之頻率調整方法，其中，上述外周面為上述音叉臂之主面。
3. 如申請專利範圍第1項之音叉型水晶振動子之頻率調整方法，其中，上述音叉狀水晶片係藉由蝕刻而進行外形加工，且於一體地連結於水晶晶圓之狀態下，調整振動頻率。
4. 如申請專利範圍第1項之音叉型水晶振動子之頻率調整方法，其中具備有：第2頻率調整步驟，其係上述音叉狀水晶片於上述音叉臂之前端側主面具有調整用金屬膜，於利用上述飛秒雷射之上述第1頻率調整步驟後，藉由雷射而削除上述調整用金屬膜之一部分。
5. 如申請專利範圍第4項之音叉型水晶振動子之頻率調整方法，其中，上述第1頻率調整步驟係於一體地連結於水晶晶圓之狀態下實施，而上述第2頻率調整步驟係於將各個音叉狀水晶片收容於剖面為凹狀的表面安裝容器內之狀態下實施。
6. 如申請專利範圍第4項之音叉型水晶振動子之頻率調整 方法，其中，使上述第2頻率調整步驟中所使用之雷射，為功率低於上述第1頻率調整步驟之雷射功率的飛秒雷射。
7. 如申請專利範圍第1項之音叉型水晶振動子之頻率調整方法，其中，上述第2頻率調整步驟係藉由離子研磨除去預先形成於音叉頭部之金屬膜而進行。
8. 如申請專利範圍第1或3項之音叉型水晶振動子之頻率調整方法，其中上述第1頻率調整步驟，係一邊實施上述音叉狀水晶片的頻率測定，並連續照射上述飛秒雷射來實施。
9. 如申請專利範圍第8項之音叉型水晶振動子之頻率調整方法，其中相對於用以形成上述傾斜面之上述飛秒雷射的上述音叉臂主面，而將入射角設定為30~70°。
10. 一種音叉型水晶振動子，其係具有自音叉基部研伸出一對音叉臂之音叉狀水晶片者，並具備有傾斜面，該傾斜面係藉由自環繞上述一對音叉臂之外周面朝頭部前端面、或者自頭部前端面朝外周面進行照射之飛秒雷射而形成，且係自上述外周面橫跨頭部前端面。
11. 如申請專利範圍第10項之音叉型水晶振動子，其中，於上述音叉臂之主面具備上述外周面。
12. 如申請專利範圍第10或11項之音叉型水晶振動子，其中，於上述音叉臂單側之主面具備上述外周面。
13. 如申請專利範圍第10或11項之音叉型水晶振動子，其中，於上述音叉臂兩側之主面具備上述外周面。