(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の外形及び寸法を有する圧電素子片を準備し、
前記圧電素子片の中央部分をその少なくとも一方の面から薄肉加工して振動部を形成し、
前記振動部の第１の主面に第１の励振電極を形成し、
前記第１の励振電極を用いて前記圧電素子片の共振周波数を測定し、
前記測定の結果に応じて前記振動部の第２の主面をエッチングすることにより、前記圧電素子片の共振周波数を調整し、
前記振動部の前記第２の主面に第２の励振電極を形成する過程を有することを特徴とする圧電振動片の製造方法。
【請求項２】
所望の周波数に基づいて決定される励振電極の膜厚基準値に関して、前記第１の励振電極がそれより薄く形成され、かつ前記第２の励振電極がそれより厚く形成されており、
更に、前記第２の励振電極をエッチングすることにより、前記圧電振動片の共振周波数を調整する過程を含むことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動片の製造方法。
【請求項３】
前記圧電素子片がＡＴカット水晶素子片であることを特徴とする請求項２に記載の圧電振動片の製造方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法により前記圧電振動片を製造し、
前記製造過程において、所望の周波数に基づいて決定される励振電極の膜厚基準値に関して、前記第１の励振電極がそれより薄く形成され、かつ前記第２の励振電極をそれより厚く形成され、
前記圧電振動片をパッケージのベースに実装しかつ前記ベースに蓋を接合して前記パッケージ内に封止し、
その後に前記圧電振動片の前記第２の励振電極をエッチングすることにより、その共振周波数を調整することを特徴とする圧電振動子の製造方法。
【請求項５】
前記圧電振動片がＡＴカット水晶振動片であることを特徴とする請求項４に記載の圧電振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、情報通信機器やコンピュータ等のＯＡ機器、電子時計等の民生機器を含む様々な電子機器について使用される圧電振動子の製造方法に関し、特に厚みすべりモードを主振動とする水晶等の圧電振動片及び圧電振動子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、情報通信機器やコンピュータ等のＯＡ機器、民生機器等の様々な電子機器には、例えば電子回路のクロック源としての圧電振動子、圧電振動子とＩＣチップとを同一パッケージ内に封止した発振器やリアルタイムクロックモジュール等の圧電デバイスが広く使用されている。そして、最近のこれら電子機器の小型化、薄型化に伴い、圧電デバイスはより一層の小型化・薄型化が要求され、また装置の回路基板への実装に適した表面実装型のものが多く採用されている。
【０００３】
更に携帯電話等による情報通信分野では、情報伝送の大容量化及び高速化に伴う通信周波数の高周波化、システムの高速化に対応して、従来よりも高い９０〜２００ＭＨｚ程度の周波数で動作する圧電振動子が要求されている。ＡＴカットの水晶振動片等を用いた厚みすべりモードを主振動とする圧電振動子は、周波数がそれとは反比例の関係にある圧電振動片の板厚により決定されるから、圧電振動子の高周波化には、水晶その他の圧電材料からなる振動片の振動部の厚さを薄くする必要がある。そこで、例えば特開平１１−３５５０９４号公報、特開平１１−２０５０６２号公報、再公表ＷＯ９８／０３８７３６号特許公報に記載されるように、薄い振動部とその外周に厚い補強枠を一体に構成して機械的強度を向上させ、取扱い及び実装を容易にして振動片の欠けや割れ等を無くしつつ、高周波化を実現できる所謂逆メサ型の圧電振動子が提案されている。
【０００４】
図６は、従来方法により逆メサ型ＡＴカット水晶振動片を製造する工程の一例を示している。先ず、所定寸法の水晶ウエハ１を用意し、適当な水晶用エッチング液でエッチングし、所望の振動片の外形形状を有する多数の水晶素子片２を加工する（図６（Ａ））。次に、各水晶素子片２の中央部分を表裏両面から水晶用エッチング液で所定の深さまでハーフエッチングして薄肉化し、振動部３の凹陥形状及びその外周の補強枠４を形成する（図６（Ｂ））。振動部３の凹陥形状は、ウェットエッチング以外にドライエッチング等の物理的加工やサンドブラスト等の機械的な研磨加工で形成することができる。次に、各水晶素子片２の周波数を測定する（図６（Ｃ））。
【０００５】
図７は、水晶ウエハ１の各水晶素子片について周波数を測定する要領を示している。同図に示すように、各振動部３に対応する位置に対向電極５を有する電極板６の上に水晶ウエハ１を載せ、各振動部３の上方にその主面３ａとの間に数十μｍ程度の僅かなギャップをもって測定端子７を配置し、周波数計８等からなる測定装置で周波数を測定する。この測定結果に基づいて、振動部３の表裏両主面３ａ、３ｂを更にウェットエッチングして周波数の粗調整を行い、振動部３の厚さを要求される所定の周波数範囲に合わせ込む（図６（Ｄ））。この後、ウエハの状態でスパッタリングにより各水晶素子片２の表裏両面にそれぞれ電極膜を成膜し、かつフォトリソグラフィ技術を用いて励振電極９及びそれからの引出電極を形成することにより、水晶振動片１０が得られる（図６（Ｅ））。また、水晶素子片２を水晶ウエハ１から分離した後で励振電極９及び引出電極を形成することにより、水晶振動片１０を得ることもできる。
【０００６】
図８は、このようにして得られた水晶振動片１０を水晶ウエハ１から分離し、それぞれパッケージ１１に封止して完成した水晶振動子を示している。同図のパッケージ１１は、絶縁材料薄板を積層した矩形箱状のベース１２と、その上端に例えばシーム溶接でシールリング１３を介して接合した金属製の蓋１４とから構成され、水晶振動片１０は、前記引出電極を設けた基端部１０ａにおいてベース１２底面の接続端子１５上に導電性接着剤１６で片持ちに実装される。また、ベース１２の底面にパッケージ内に通じる封止用孔１７が貫設されている場合には、水晶振動片１０をベース１２に実装しかつ該ベースに蓋１４を接合した後で封止用孔１７をシール材１８で閉塞する前に、封止用孔１７を介して振動部３の励振電極をイオンビームエッチングすることにより、周波数の微調整を行うことができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の方法では、非接触で圧電素子片の共振周波数を測定するため、測定端子７と振動部３の隣接する主面３ａとのギャップからエネルギの漏れが生じるので、特に高周波数の場合に測定が不安定になり易く、正確な測定が難しいという問題がある。例えば図９は、このような逆メサ構造のＡＴカット水晶素子片について上述したように周波数を測定した結果の一例を示している。この図から、主振動（基本波）以外に大きな高調波成分が近接して検出され、その影響が大きいことが分かる。
【０００８】
更に、測定端子７は通常、励振電極９に対応する先端形状を有するが、これが振動部主面３ａのどの位置に配置されるかによって、周波数の測定が不安定になり、主振動（基本波）の特定が、それに近接して検出される高調波の影響で困難になる虞がある。特に圧電素子片が小型化されるに連れて、測定端子７を振動部３の所望の位置に正確に配置することは難しくなる。
【０００９】
また、励振電極９は、理想的には振動部３の表裏主面３ａ、３ｂで互いに膜厚を均等に形成すると、周波数のばらつきや振動特性の低下が無いので好ましい。しかしながら、上述した従来の方法では、前記両主面に同じ膜厚の励振電極９を形成した後で一方の前記励振電極をエッチングすることにより周波数を調整するので、最終的に表裏主面３ａ、３ｂで励振電極９の膜厚が均等でなくなり、周波数のばらつきを生じ易いという問題がある。
【００１０】
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、特に厚み滑り振動モードの圧電振動片及び圧電振動子の製造において、圧電振動子の小型化及び高周波化に対応して、圧電素子片の周波数を正確にかつ高精度に測定し得る方法を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の目的は、圧電振動片の振動部の表裏主面に形成される励振電極の膜厚を均等にし、周波数のばらつきを解消し得る圧電振動片及び圧電振動子の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記目的を達成するために、所定の外形及び寸法を有する圧電素子片を準備し、該圧電素子片の中央部分をその少なくとも一方の面から薄肉加工して振動部を形成し、該振動部の第１の主面に第１の励振電極を形成し、該第１の励振電極を用いて圧電素子片の共振周波数を測定し、その測定結果に応じて振動部の第２の主面をエッチングすることにより圧電素子片の共振周波数を調整し、その後振動部の第２の主面に第２の励振電極を形成する過程を有することを特徴とする圧電振動片の製造方法が提供される。
【００１３】
このように構成することによって、逆メサ構造の圧電素子片においても、その周波数を測定する際に、測定端子を第１の励振電極に直接接触させ又はそれからの引出電極を介して電気的に直接接続することができるから、圧電素子片を小型化しても、従来技術におけるようなエネルギの漏れや測定端子の位置ずれによる不安定な測定を解消することができる。従って、圧電振動子の高周波化及び小型化に対応しながら、より正確で高精度な周波数測定が可能になる。しかも、圧電素子片の周波数を粗調整するためには、振動部の一方の主面即ち未だ振動電極を形成していない第２の主面のみをエッチングすればよいので、その処理は従来よりも簡単でかつ短い時間で済み、制御し易い。従って、高精度に周波数を合わせ込むことができ、より高性能かつ高品質な圧電振動子の製造が可能になる。
【００１４】
或る実施例では、第２の励振電極をエッチングして圧電素子片の共振周波数を調整する過程を更に含むことにより、圧電素子片の周波数を高精度に微調整することができる。
【００１５】
この場合に、更に、所望の周波数に基づいて決定される励振電極の膜厚基準値に関して、第１の励振電極をそれより薄く形成しかつ第２の励振電極をそれより厚く形成すると、第２の励振電極をエッチングすることによって両方の励振電極の膜厚をより均等にできるので、より高精度な周波数の調整と同時に、周波数のばらつきを解消することができる。
【００１６】
或る実施例では、圧電素子片がＡＴカット水晶素子片である。圧電素子片には、従来公知の様々な圧電材料を使用できるが、特にＡＴカットの水晶材料はエッチングレートが略一定でエッチングが制御し易く、振動部の主面を均一にかつ所望の厚さに加工できるので、好ましい。
【００１７】
本発明の別の側面によれば、上述した本発明の方法により製造された圧電振動片をパッケージ内に気密に封止することにより、高精度に周波数を調整でき、小型化・高周波化に適した圧電振動子を製造する方法が提供される。
【００１８】
或る実施例では、パッケージのベースに圧電振動片を実装し、該ベースに蓋を接合して圧電振動片を封止することにより、表面実装型の圧電振動子を構成することができる。
【００１９】
この場合、圧電振動片をベースに実装した後に、圧電振動片の第２の励振電極をエッチングすることにより、その共振周波数を調整する過程を更に有すると、圧電振動子の周波数を高精度に微調整することができる。
【００２０】
更に、所望の周波数に基づいて決定される励振電極の膜厚基準値に関して、第１の励振電極をそれより薄く形成しかつ第２の励振電極をそれより厚く形成することにより、第２の励振電極のエッチングで両励振電極の膜厚をより均等にできるので、圧電振動子の周波数をより高精度に調整できることに加えて、周波数のばらつきが解消される。
【００２１】
別の実施例では、ベースがパッケージの内部に通じる封止用孔を有し、圧電振動片をベースに実装しかつ蓋をベースに接合した後で封止用孔を閉塞する前に、該封止用孔を介して第２の励振電極をドライエッチングすることにより、その共振周波数を調整する過程を更に有すると、蓋をベースに接合する際の影響を排除して周波数を高精度に調整でき、かつパッケージを真空に又は所定のガス雰囲気に封止することができる。
【００２２】
或る実施例では、圧電振動片がＡＴカット水晶振動片であり、特にＡＴカットの水晶材料はエッチングレートが略一定でエッチングが制御し易く、振動部の主面を均一にかつ所望の厚さに加工できるので、好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明による圧電振動片及び圧電振動子の製造方法について、その好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。尚、本実施例では、圧電素子片及び圧電振動片に圧電材料として従来多用されている水晶を使用し、また各図において、同じ構成要素には同じ参照番号を付すことにする。
【００２４】
図１は、本発明の方法を適用して図８に示す逆メサ型ＡＴカット水晶振動子を製造する工程の好適な実施例を示している。先ず、従来の工程と同様に所定寸法の水晶ウエハ２１を用意し、例えばフッ化水素酸とフッ化アンモニウムとの混合液からなる水晶用エッチング液でエッチングし、所望の振動片の外形形状を有する多数の水晶素子片２２を加工する（図１（Ａ））。次に、各水晶素子片２２の中央部分を表裏両面から上述した水晶用エッチング液で所定の深さまでハーフエッチングして薄肉化し、振動部２３の凹陥形状及びその外周の補強枠２４を形成する（図１（Ｂ））。
【００２５】
前記エッチング液には、振動片の外形形状の加工には高いエッチングレートのものを、振動部の凹陥形状の加工には、振動部２３の厚さをより精密に制御するために低いエッチングレートのものをそれぞれ用いるのが好ましい。また、振動部２３の凹陥形状は、本実施例のウェットエッチングによる化学的加工以外に、ドライエッチング等の物理的加工やサンドブラスト等の機械的な研磨加工で、所望の厚さに薄く形成することができる。
【００２６】
次に、各水晶素子片２２の一方の表面に電極材料をスパッタリングするなどして電極膜を成膜しかつフォトリソグラフィ技術を用いて、振動部２３の一方の主面２３ａに第１の励振電極２５ａを及びそれから前記外周補強枠へ引出電極を形成する（図１（Ｃ））。この後、水晶素子片２２の周波数を測定する（図１（Ｄ））。
【００２７】
図２は、図１（Ｄ）において水晶振動片の周波数を測定する要領を概略的に示している。同図に示すように、各振動部２３の第１の励振電極２５ａに対応する位置に対向電極２６を有する電極板２７の上に水晶ウエハ２１を載せ、かつ各水晶素子片２２について測定端子２８を直接第１の励振電極２５ａに又はそれからの引出電極に電気的に接続し、従来と同様に周波数計２９等からなる測定装置で測定する。図３は、このようにして周波数を測定した結果の一例を示している。本発明によれば、測定端子２８を第１の励振電極２５ａに電気的に直接接続して測定するので、図３に示すように高調波成分の影響が無くなり、それにより主振動（基本波）を容易に検出でき、その周波数を正確に測定することができる。
【００２８】
次に、この測定結果に基づいて、振動部２３の反対側の主面２３ｂを更にウェットエッチングすることにより周波数の粗調整を行い、振動部２３の厚さを要求される所定の周波数範囲に合わせ込む（図１（Ｅ））。この後、同様にウエハの状態で各水晶素子片２２の反対面に電極材料をスパッタリングするなどして電極膜を成膜しかつフォトリソグラフィ技術を用いて、振動部２３の他方の主面２３ｂに、第１の励振電極２５ａと対をなす第２の励振電極２５ｂを及びそれから前記外周補強枠へ引出電極を形成することにより、周波数を高精度に調整した所望の水晶振動片３０が得られる（図１（Ｆ））。また、従来技術に関連して上述したように、各水晶素子片２２を水晶ウエハ２１から分離した後で、励振電極２５ａ又は２５ｂ及びそれらの引出電極を形成することもできる。
【００２９】
また、本発明によれば、所望の周波数に関して振動部２３の厚さから励振電極の膜厚を計算して基準値ｔoとし、先に振動部２３の一方の主面２３ａに形成する第１の励振電極２５ａの膜厚ｔaを膜厚の基準値ｔoよりも薄く、好適にはその約１／２（＝ｔo／２）にする。そして、他方の主面２３ｂに形成する第２の励振電極２５ｂの膜厚ｔbは、前記膜厚の基準値ｔoよりも厚くする。好適には、図４（Ａ）に示すように、後の周波数調整によって水晶素子片の周波数のばらつき及び励振電極の膜厚のばらつきを吸収できる厚みをαとして、ｔb＝（ｔo／２）＋αにする。厚く形成した第２の励振電極２５ｂは、後述する水晶振動子の周波数を微調整する過程において、図４（Ｂ）に示すように、ｔb′＝ｔo／２の厚さまでドライエッチングされる。尚、前記膜厚基準値の計算に使用する振動部２３の厚さは、水晶ウエハ２１の厚さ及びそのエッチング量から正確にかつ容易に知ることができる。
【００３０】
このようにして得られた水晶振動片３０は水晶ウエハ２１から分離され、図８に関連して上述したように、絶縁材料薄板を積層しかつ底面に封止用孔１７を貫設した矩形箱状のベース１２と金属製の蓋１４とからなるパッケージ１１内にそれぞれ封止される。水晶振動片３０は、第２の励振電極２５ｂを下側にして、前記引出電極を設けた基端部３０ａにおいてベース１２底面の接続端子１５上に導電性接着剤１６で片持ちに実装される。ベース１２の上端に例えばシーム溶接でシールリング１３を介して蓋１４を接合した後、図５（Ａ）に示すように封止用孔１７を介して第２の励振電極２５ｂをドライエッチング、例えばイオンビームエッチングする。従って、封止用孔１７は、第２の励振電極２５ｂの位置に対応してベース１２底面の略中央に配置するのが好ましい。
【００３１】
このイオンビームエッチングは、接続端子１５からパッケージ１１外面に引き出された外部端子３１を介して周波数を測定しながら行うことにより、最終的に水晶振動子の周波数を高精度に微調整することができる。図４（Ａ）（Ｂ）に関連して説明したように、第２の励振電極２５ｂを第１の励振電極２５ｂよりも厚く形成した場合、これをイオンビームエッチングで削除することによって、両励振電極２５ａ、２５ｂの膜厚の不均等さを減らすことができる。振動部２３の厚さ及び第１の励振電極２５ａの膜厚は第２の励振電極２５ｂの成膜前に分かっているので、両励振電極の膜厚が均等になるように設計することができる。特に、上述したように第１の励振電極２５ａの膜厚ｔaを前記膜厚基準値の１／２（＝ｔo／２）に、第２の励振電極２５ｂの膜厚ｔbを、前記膜厚基準値の１／２に周波数調整で吸収し得る厚さ（α）を足した値（＝ｔo／２＋α）にすることが好ましい。これにより、周波数のより高精度な微調整と同時に、周波数のばらつきを解消することができる。
【００３２】
最後に、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気中で封止用孔１７をシール材１８で気密に閉塞すると、本発明の高周波化に対応した逆メサ構造の水晶振動子が完成する。シール材１８には、例えばＡｕ−Ｓｎはんだ系又は９：１はんだ等の高融点Ｐｂ−Ｓｎはんだ系材料等を使用し、これらの材料で形成された金属ボール１８´を図５（Ｂ）に示すように段差１７´に載置しかつバッチ式の真空封止装置やレーザ装置又は電子ビーム装置等で溶着させることにより、封止用孔１７を閉塞する。
【００３３】
本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その技術的範囲内において上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施し得ることは当業者に明らかである。例えば、水晶以外にタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の様々な圧電材料からなる圧電素子片についても、同様に適用することができる。また、上記実施例では、ウエハの状態で多数の水晶素子片を同時に加工した後に個々の水晶振動片に分割する方法を採用したが、ウエハから複数の水晶素子片をダイシング等で切り出した後に、各水晶素子片を個別に加工処理して水晶振動片を製造することもできる。更に、本発明により製造される圧電振動片は、圧電振動子以外に圧電発振器その他の様々な圧電デバイスに使用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、上述したように構成することにより、以下に記載するような格別の効果を奏する。本発明によれば、逆メサ型構造の圧電振動片及び圧電振動子の製造過程において、圧電素子片の周波数を測定する際に、その測定端子を励振電極に直接接触させ又は電気的に接続することができ、従来のようなエネルギの漏れや測定端子の位置ずれを生じる虞がないので、圧電振動子の小型化及び高周波化を実現すると同時に、周波数の正確かつ高精度な測定が可能になり、更に圧電素子片の周波数調整は、振動部の一方の主面のみをエッチングすることで制御し易く、高精度な周波数の合わせ込みが可能になり、従来よりも簡単かつ短時間で行われるので、生産性及び歩留まりを向上させることができる。また、振動部の厚さ及びその表裏主面に形成される各励振電極の膜厚をそれぞれ別個に制御して製造できるので、高精度な周波数の調整と共に、両励振電極の膜厚を均等にして周波数のばらつきを解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による水晶振動片の製造過程を工程順に示す（Ａ）図〜（Ｆ）図からなる水晶ウエハの断面図。
【図２】図１（Ｄ）において水晶振動片の周波数を測定する要領を示す斜視図。
【図３】図２の周波数の測定結果を示す線図。
【図４】図１（Ｆ）の水晶振動片を示す部分拡大断面図。
【図５】水晶振動片をパッケージに封止する過程を示す（Ａ）図及び（Ｂ）図からなる水晶振動子の縦断面図。
【図６】従来の水晶振動片の製造過程を工程順に示す（Ａ）図〜（Ｅ）図からなる水晶ウエハの断面図。
【図７】図６（Ｃ）において水晶素子片の周波数を測定する要領を示す斜視図。
【図８】水晶振動子を示す縦断面図。
【図９】図７の周波数の測定結果を示す線図。
【符号の説明】
１、２１  水晶ウエハ
２、２２  水晶素子片
３、２３  振動部
３ａ、３ｂ、２３ａ、２３ｂ  主面
４、２４  補強枠
５、２６  対向電極
６、２７  電極板
７、２８  測定端子
８、２９  周波数計
９  励振電極
１０、３０  水晶振動片
１０ａ、３０ａ  基端部
１１  パッケージ
１２  ベース
１３  シールリング
１４  蓋
１５  接続端子
１６  導電性接着剤
１７  封止用孔
１７´  段差
１８  シール材
１８´  金属ボール
２５ａ  第１の励振電極
２５ｂ  第２の励振電極
３１  外部端子
【図１】
0003543786.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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