(57)【要約】【課題】  生産効率を低下させることなく、高品質な膜構造を有する小型の圧電振動片とその製造方法を提供する。【解決手段】  圧電体ウエハにフォトリソグラフィー技術を用いて圧電振動片を形成する圧電振動片の製造方法であって、圧電振動片の外形を形成する外形形成工程と、外形形成された前記圧電振動片の表面にＣｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉのうちいずれか1つの金属により第１の金属膜を成膜する第１金属膜成膜工程と、前記第１の金属膜に電極パタ−ンを形成する電極パタ−ン形成工程と、を行った後の次工程で、前記圧電振動片の周波数調整部に重り用の第２の金属膜を成膜する第２金属膜成膜工程か、または、保護膜を成膜する保護膜成膜工程のどちらかを行う圧電振動片の製造方法とした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体ウエハにフォトリソグラフィー技術を用いて圧電振動片を形成する圧電振動片の製造方法であって、
前記圧電振動片の外形を形成する外形形成工程と、
外形形成された前記圧電振動片の表面にＣｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）のうちいずれか1つの金属により第１の金属膜を成膜する第１金属膜成膜工程と、
前記第１の金属膜に電極パタ−ンを形成する電極パタ−ン形成工程と、
を行った後の次工程で、前記圧電振動片の周波数調整部に重り用の第２の金属膜を成膜する第２金属膜成膜工程か、または、保護膜を成膜する保護膜成膜工程のどちらかを行うことを特徴とする圧電振動片の製造方法。
【請求項２】
前記第２金属膜成膜工程または前記保護膜成膜工程の後に、更に、前記圧電振動片の基部に形成された外部電極接続部の第１の金属膜上に、第３の金属膜を成膜する第３金属膜成膜工程を行う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】
前記第３金属膜成膜工程で、更に、前記振動片の前記周波数調整部にも同時に第３の金属膜を成膜することを特徴とする請求項２記載の圧電振動片の製造方法。
【請求項４】
前記第３の金属膜が、ＮｉＣｒ（ニクロム）とＡｕ（金）からなる積層膜であることを特徴とする圧電振動片の製造方法。
【請求項５】
外部電極接続部を有する基部と、周波数調整部を有し前記基部の一端から突出する一対の音叉腕部とを有する圧電振動片であって、
前記基部及び前記音叉腕部の表面に成膜されたＣｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）のうちいずれか1つの金属からなる第１の金属膜と、
前記周波数調整部の前記第１の金属膜上に成膜された重り用の第２の金属膜と、
前記外部電極接続部の前記第１の金属膜上に成膜されるとともに、前記周波数調整部の前記第１の金属膜上に、前記第２の金属膜とは異なる位置に成膜された第３の金属膜と、
を有することを特徴とする圧電振動片。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の圧電振動片の製造方法により製造された圧電振動片を用いることを特徴とする圧電振動子。
【請求項７】
請求項５に記載の圧電振動片を用いることを特徴とする圧電振動子。
【請求項８】
請求項６又は請求項７に記載の圧電振動子を発振子として集積回路に接続して用いることを特徴とする発振器。
【請求項９】
請求項６又は請求項７に記載の圧電振動子を計時部に接続して用いることを特徴とする電子機器。
【請求項１０】
請求項６又は請求項７に記載の圧電振動子をフィルタ部に電気的に接続して用いることを特徴とする電波時計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電振動片の製造方法に関し、たとえば、電極膜を単層とした圧電振動片とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動子の中でも特に温度特性が良い水晶振動子は、情報通信装置、家電、携帯機器などに、時計機能や周波数制御機能として広く用いられている。
【０００３】
水晶振動子の種類は各種あるが、この中に水晶片を音叉型に加工した音叉型の水晶振動子がある。
【０００４】
音叉型の水晶振動子（以下、単に水晶振動子と記す）は、一対の振動腕を備えた水晶振動片を真空ケ−スに密閉して構成されており、圧電効果にてこの振動部分を対称に振動させることにより発振する。
【０００５】
音叉型水晶振動子の場合、水晶振動片の製造方法は、圧電体ウエハである水晶ウエハにフォトリソグラフィー技術を用いて音叉型の圧電振動片を形成後、電極膜となる金属膜を成膜し、再びフォトリソグラフィー技術を用いて電極膜のパターンを形成する。これを、図１４（ａ）を参照して説明する。
【０００６】
図１４（ａ）は、圧電振動片の構成を示す図である。圧電振動片１は、基部３と基部３から突出して構成される音叉形状をした一対の振動腕部４からなる。電極膜のパターンは次の３つに分けられる。即ち、基部３に形成されて外部との電気信号をやり取りする外部電極接続部６のパターンと、振動片の基部３の上部から振動腕の中段に形成されて振動腕を励振させるための励振電極７のパターンと、振動腕の中段から振動腕の先端に形成されて周波数調整機能の役割を持つ周波数調整部５のパターンとがある。更に詳細には、励振電極７は、振動腕の平面に形成される平面電極７ｂと振動腕の側面に形成される側面電極７ｃを有する。そして、周波数調整部５は、微調部５ｂと粗調部５ｃとに分割される。
【０００７】
近年の水晶振動子の小型化により、励振電極７のパターンも微細になり、配線の間隔が１０μｍ以下の領域も出てきた。これに伴い、水晶振動子の製造工程中で、微小な導電性の粒子が付着すると、配線のパターンがショートして、水晶振動子が発振停止に至ることがある。このような重大な事態を避けるために、励振電極膜の表面に絶縁性の保護膜を形成することが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
特許文献１によれば、励振電極を構成する平面電極と側面電極の内、少なくとも平面電極上にＳｉＯ２のような保護膜を形成することが有効であることが示されている。
【０００９】
しかしながら、従来、電極膜は下地がＣｒ層でその上にＡｕ層が形成される積層膜が慣用されている。従って、例えばＳｉＯ２膜を平面電極上に形成するためには、ＳｉＯ２膜と平面電極膜との密着力を向上させるために表層のＡｕ層を取り去り、ＳｉＯ２との密着力に優れた下地のＣｒ層を露出させなければならない。このためには、フォトリソグラフィー技術を用いて、一度形成した励振電極領域のＡｕ層のみをエッチングする必要がある。
【００１０】
水晶振動子を小型化するには、振動片の各寸法を縮小しなければならないが、振動片を形成するウエハの厚み自体を薄くしなければならない。従来使用される３インチΦの水晶ウエハは厚みが略１００μｍから１３０μｍであり、工程中で、ウエハの割れや欠けが発生しやすい。今後、５０μｍ程度まで厚みを薄くすることが予想されている。特に薄いウエハでは、フォトリソグラフィーの工程は後述する様にウエハに割れや欠けを発生させ易く、工程の歩留まりを下げる懸念がある。
【００１１】
従って、更に小型化した水晶振動子を歩留まり良く製造するために、適切な電極膜を選択して上述のＡｕ膜を取り去る工程を不要にする製造方法を検討する必要がある。
【００１２】
ここで、以下に、従来の圧電振動子の製造工程について水晶振動子を例にとって説明する。圧電振動子の製造工程は、圧電振動片の製造工程と、圧電振動子の組立工程とに分けられる。まず圧電振動片の製造工程から説明する。
〔圧電振動片製造工程〕
図１２を参照して説明する。水晶のランバード原石を、所定の切断角度になるように、Ｘ線回折法を援用してワークテーブルに設定する。次に、例えばワイヤソー等の切断装置により、水晶原石をスライスして、略２００μｍの厚みのウエハに切断する。切断には、通常遊離砥粒が慣用され、また、切断用のワイヤーは線径が例えば１６０μｍ程度の高炭素鋼線が用いられる（ステップ１００）。
【００１３】
次に、ウエハは一定の厚みになるまで研磨を行う。研磨は通常、粒径の粗い遊離砥粒で粗ラッピングを行い、次に粒径の細かい遊離砥粒による仕上げのラッピングを行う。この後、表面をエッチングして、加工変質層を除去した後に、ポリッシュ加工を行い、所定の厚さと所定の平面度を持つ鏡面に仕上げる（ステップ１１０）。ウエハの厚さは、振動片の小型化とともに薄くなり、略５０μｍから１３０μｍに仕上げられる。
【００１４】
次は、外形形成工程（ステップ１２０）である。ウエハを純水または超純水で洗浄し、乾燥した後、スパッタリング等の成膜手段で、マスク用の金属薄膜を所定の膜厚に堆積させる。該薄膜は、ウエハの両面に堆積させる。続いて、フォトリソグラフィー技術で、音叉型振動子の外形を形成する。具体的には、レジストを両面に塗布した後に、外形用マスクで両面を露光し、現像を行い、レジストによる外形のマスクパターンを得る。この後、エッチング液で不要な金属パターンを除去して金属膜のマスクパターンを得る。レジストを除去後、フッ酸系の水溶液で水晶をエッチングして、ウエハ上に複数の外形を形成する。外形形成後に、エッチング用のマスクとして用いた金属膜をすべて剥離する。図１２（ｂ）は、このようにして形成された水晶振動子の外形を示す。図１２（ｃ）から図１２（ｊ）までの図は、図１２（ｂ）のＡＡ断面に形成される膜構成を示すものである。図１２（ｃ）は、金属膜が剥離された状態を示している。
【００１５】
次に、外形が形成された水晶片に電極パターンを作成するための電極膜の成膜を行う（ステップ１３０）。この電極膜成膜は外形形成された水晶片２の表面全域にＣｒ（クロム）薄膜からなるＣｒ層１０とそのＣｒ薄膜１０の表面にＡｕ（金）薄膜からなるＡｕ層１１をスパッタリング等の成膜手段にて水晶片２の両面に堆積させる。図１２（ｄ）は、電極膜成膜後の水晶片の断面の膜構成を示しているが、膜の厚みを誇張して描いている。
【００１６】
次は、電極膜のパターン形成工程（ステップ１４０）である。電極膜が成膜された水晶片に静電塗布技術や回転スプレー等でポジレジストを片面ずつ両面に塗布する。続いて、電極パターン用のマスクを露光装置にセットして露光を実施した後、レジストを現像して電極パターン用のレジストマスクを形成する。次に、ＣｒとＡｕのエッチング液に浸漬して、不要な電極膜を除去する。Ａｕ層１１の除去には、ヨウ素とヨウ化カリウム水溶液が、また、Ｃｒ層１０の除去には、過塩素酸と硝酸セリウムアンモン水溶液が、それぞれエッチング液として慣用される。次に、不必要になったレジストを剥離液に浸漬して剥離する。
【００１７】
電極パターンは、図１２（ｅ）に示す様に、水晶片の基部に形成されて外部との電気信号をやり取りする外部電極接続部（符号６で示す。以下マウントパッドと称する）と、振動片の基部の上部から振動腕の中段に形成されて振動腕を励振させるための励振電極（符号７）と、振動腕の中段から振動腕の先端に形成されて周波数調整用の重り膜の下地となる粗調部と組立工程で使用する微調部とから成る周波数調整部の電極（符号５ａ）とがある。図１２（ｅ）では、前記３者の膜の間に空白を設けて区別した。
【００１８】
次工程は、電極膜パターンの加工工程（ステップ１５０）である。後工程で励振電極膜７ａにＳｉＯ２等からなる保護膜１４を成膜するため、励振電極膜７ａ上の側面を除く領域に形成されたＡｕ層１１を除去し、下地金属のＣｒ層１０を露出させる。模式図を図１２（ｆ）に示す。本工程は、後に詳細を記述して、問題点を明らかにする。
【００１９】
次は、重り膜成膜工程である（ステップ１６０）。振動片１の先端部分に配置された粗調部５ｃの片側の表面に重り膜１５ａを形成する。重り膜１５ａは、例えばＡｇ層１６とＡｕ層１７を順に成膜して積層膜にする。Ａｇ層の表面に形成されるＡｕ層は、Ａｇ層が製造工程中で酸化することを抑制する機能を持つ。模式図を図１２（ｇ）に示す。Ａｇ層１６の厚みは数μｍであり、Ａｕ層１７は略０．１μｍである。
【００２０】
次は、保護膜成膜工程である（ステップ１７０）。先述した電極膜パターン加工工程で下地のＣｒ層１０を露出させた領域にＳｉＯ２等から成る絶縁性の保護膜１４を成膜する。この保護膜１４が、同じ振動腕部における互いに極性の異なる平面電極７ｂ、側面電極７ｃ間のショートを防止する機能を有する。この保護膜の成膜方法は、前記Ｃｒの露出領域に対向した位置に貫通穴を配置した金属製マスクを２枚準備し、ウエハを該金属マスクで挟み込んだ状態にして、スパッタ装置等でウエハの両面に保護膜を同時に成膜して行う。模式図を図１２（ｈ）に示す。励振電極膜７ａの表面にＳｉＯ２膜１４を形成している。
【００２１】
次は、マウント部追加成膜工程である（ステップ１８０）。基部の下端部には、外部電極との接続を取るためのマウントパッドが形成されており、Ｃｒ層１０とＡｕ層１１の積層膜により構成されている。マウントパッドの濡れ性を向上させるために、マウウントパッド面に更にＣｒ層１３ａとＡｕ層１３ｂの積層膜を成膜する。図１２（ｉ）に示す。尚、本工程は、マウントパッドの濡れ性を向上させるための工程であり、鉛成分を多く含む耐熱ハンダメッキのような溶融温度が３００℃近傍のハンダメッキを溶融させて接続させる用途には有用である。Ｓｎ成分を多く含むノーマルハンダメッキを用いる場合はメッキの溶融温度も低く、本工程は省略することができる。
【００２２】
最後の製造工程は、圧電振動片の周波数調整である（ステップ１９０）。圧電振動片の製造工程では、個々の振動片は連結部によりウエハに接続されている。この段階における周波数調整は、粗調と称し、広いレンジの中にまず共振周波数を追い込むことを目的とする。周波数調整は、ステップ１６０で成膜した重り膜にレーザーを照射して、重り膜の一部を瞬間的に蒸発させて行う。蒸発して重り膜が軽くなった分に相当する周波数が変化（周波数が上昇する）する。図１２（ｊ）に模式図示す。図に示す様に、レーザー照射を受けたＣｒ層とＡｕ層および重り膜のＡｇ層とＡｕ層が蒸発する。粗調で加工された領域を符号２０で示した。調整終了後、ウエハを超音波洗浄し工程中で表面に付着した微粒子等を除去し乾燥させる。
【００２３】
上述の各工程を終了して圧電振動片が完成する。ここで、重り膜成膜工程（ステップ１６０）と保護膜成膜工程（ステップ１７０）は、両者の成膜の条件を勘案して、その順序を入れ替えることも可能である。
〔圧電振動子組立工程〕
続いて、圧電振動子の組立工程例として、前述した工程により製造された圧電振動片を気密端子に接続し、有底円筒型ケースを前記気密端子に圧入した所謂シリンダー型パッケージの圧電振動子を例にとって簡潔に説明する。図１３に示した組立工程のフローチャートを用いる。また、図１４（ｂ）を参照して説明する。
【００２４】
ウエハ上に形成された複数の圧電振動片を、簡易な治具やレーザーを用いて連結部から切断して個々の圧電振動片にした後、所定の治具に整列させる（ステップ２００）。
【００２５】
次に、図１４（ｂ）に示す様に、気密端子２５のインナーリード２７ａと前記圧電振動片の位置合わせを行い、インナーリード２７ａ表面に形成されたＳｎＣｕ（錫銅合金）やＳｎＰｂ（錫鉛合金）のメッキ膜を熱風、光、放電熱等のエネルギーにより溶融させ、圧電振動片１の基部に配置されたマウントパッド６に接続（マウント）する（ステップ２１０）。これにより、圧電振動片１は、インナーリード２７ａと機械的かつ電気的に接続される。本工程では、メッキの濡れ性及び接続強度の管理が重要である。
【００２６】
次に、圧電振動片１を接続した気密端子を真空中で所定の温度をかけてアニールを行い、接合で発生した歪を緩和させる（ステップ２２０）。
【００２７】
次に、周波数調整を行う（ステップ２３０）。本周波数調整は、圧電振動子を最終的に封止する環境と同一のもので行う最後の微小量の調整であり、デバイスの公称周波数の所定の範囲内に調整する。以下、本調整を微調と称する。音叉型水晶振動子では、真空雰囲気下で、発振周波数を計測しながらレーザーを用いて調整する。微調でレーザーを照射する領域は、前記重り膜が成膜された近傍の基部側に近い領域で、ここでは、微調部と称し符号５ｂで示す。微調部に照射されたレーザービームのスポットに対応した位置のＣｒ層とＡｕ層が蒸発して、この蒸発した質量に相当する分の周波数変化が起きて周波数が調整される。レーザーのスポット径は通常数十μｍであり、またレーザービームの軌跡を制御しながら複数の点に照射し周波数を調整する。１ケのスポットで変化する分（周波数感度）が大きければ微調速度は速くサイクルタイムの短縮になる。同じスポット径の場合、周波数感度は微調部の電極膜の材質と膜厚に依存している。
【００２８】
次に、図１４（ｂ）に示す様に、各気密端子２５に対向する位置にケース２８を配置し、真空中でケース２８を振動片１を覆うように圧入して気密封止する（ステップ２４０）。気密端子のステム２６の外環には、図示しないメッキ層が形成されており、しまりばめに設計されたケース２８の内面と前記メッキ層が密着し気密封止を実現している。尚、ステム２６の外環に形成される前記メッキ層は、気密端子のインナーリード２７ａの表面イ形成されるメッキ層と同一の材料であり、１０から１５μｍの厚みを有する。前記メッキの形成は、気密端子製造工程において、バレルメッキ法が慣用されている。
【００２９】
さて、上述した気密封止の後に、周波数の安定化のために、真空中または大気中で所定の温度でスクリーニングを行う（ステップ２５０）。その後、共振周波数及び共振抵抗値等の電気特性を検査する（ステップ２６０）。
【００３０】
上述の工程を実施して圧電振動子が完成する。
【特許文献１】特開２００２−２６１５７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
前記〔圧電振動片製造工程〕における電極パターンの加工工程（ステップ１５０）は、励振電極７を形成する電極膜の表層のＡｕ層１１を取り去り、下地のＣｒ層１０を露出させるものであった。本工程は、具体的には、フォトリソグラフィー技術を用いて行われる。
【００３２】
しかしながら、振動子の小型化に伴い、水晶ウエハの厚みは１００μｍ以下が要請されるようになってきた。今後、更に薄くなる可能性がある。従来使用される３インチφの水晶ウエハは厚みが略１００μｍから１３０μｍであり、工程中で、ウエハの割れや欠けが発生しやすい。フォトリソグラフィーの工程では、レジスト塗布時にスピンコーターでウエハを高速に回転させる。また、洗浄後にスピン乾燥機で同様に高速回転させる。両者の作業は、ウエハの割れや欠けを発生させ易い。そしてまた、現像液、エッチング液、剥離液、洗浄液等の各種の薬液や純水の中でウエハを遥動する作業を行う。ウエハには液中で繰り返し外力がかかり、ウエハの外周面には欠けやキズを発生させ易く、それが起点になってウエハ全体の割れに発展する。
【００３３】
現状の工程は、電極パターンの加工工程前に、既に２度のフォトリソグラフィーを使用する工程、即ち、外形形成工程（ステップ１２０）と、電極パターン形成工程（ステップ１４０）を行っている。振動子が更に小型化すると、繰り返しフォトリソグラフィー工程を実施することで圧電振動片製造工程の歩留まりを大きく下げる懸念がある。
【００３４】
本発明の課題は、小型の圧電振動子を歩留まり良く製造するために、圧電振動片の電極膜の材料を検討し、上述のＡｕ膜を取り去る工程を不要とする製造方法を提供することである。
【００３５】
また、そのようなＡｕ膜を取り去る工程を必要としない電極構造を有する圧電振動片であって、かつ、製造工程の総合的な生産効率を低下させることのない膜構造及び電極構造を備える圧電振動片の製造方法を提供することである。
【００３６】
そしてまた、マウントパッドのＣｒ層の上にＡｕ層が残されると、クロム層とＡｕ層の合金化作用で膜の直流抵抗値が上昇するために、その後に実施される重り膜成膜（ステップ１６０）や保護膜成膜（ステップ１７０）での工程で、成膜温度を抑制する必要があった。膜の緻密性や膜の密着強度を向上させるために、上記の制約のない膜構造及び電極構造を備える圧電振動片とその製造方法を提供することも課題である。
【課題を解決するための手段】
【００３７】
本発明は、上記の電極パターン加工工程（ステップ１５０）を削除するため、電極膜の膜構成を、従来行われていた下地のＣｒを成膜しその上にＡｕの膜を成膜する積層膜の方式から、１種類の金属のみの単層膜により構成するものとした。そして、周波数調整部の重り膜は、従来のようにＡｕ膜の上に成膜するのではなく、本発明の単層膜の上に形成するものとした。即ち、
１）圧電体ウエハにフォトリソグラフィー技術を用いて圧電振動片を形成する圧電振動片の製造方法であって、前記圧電振動片の外形を形成する外形形成工程と、外形形成された前記圧電振動片の表面にＣｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉのうちいずれか1つ金属により第１の金属膜を成膜する第１金属膜成膜工程と、前記第１の金属膜に電極パタ−ンを形成する電極パタ−ン形成工程と、を行った後の次工程で、前記圧電振動片の周波数調整部に重り用の第２の金属膜を成膜する第２金属膜成膜工程か、または、保護膜を成膜する保護膜成膜工程のどちらかを行う圧電振動片の製造方法とした。第１金属膜を成膜後に、すくなくとも励振電極部には、保護膜を成膜する前に別の金属膜を成膜しないようにする。
【００３８】
また、上述の製造方法では、基部に形成された外部電極接続部（マウントパッド）も第１金属膜で構成される。気密端子のインナーリード表面に形成されたハンダメッキとの濡れ性を向上させるために、該外部電極接続部には、更に別の膜を成膜する製造方法を提案する。即ち、
２）前記重り膜成膜工程または前記保護膜成膜工程の後に、更に、前記圧電振動片の基部に形成された外部電極接続部の第１の金属膜上に、第３の金属膜を成膜する第３金属膜成膜工程を行う圧電振動片の製造方法とした。
【００３９】
また、周波数調整部の重り膜（第２金属膜）とは別に、圧電振動子組立工程で実施される周波数調整（微調）の感度を向上させるために、周波数調整部に、更に、前記第３の金属膜を配置する製造方法を提案する。即ち、
３）前記第３金属膜成膜工程で、更に、前記振動片の前記周波数調整部にも同時に第３の金属膜を成膜する圧電振動片の製造方法とした。
【００４０】
更にまた、上述の第３の金属膜の材質について提案する。即ち、
４）前記第３の金属膜が、ニクロムと金からなる積層膜である圧電振動片の製造方法とした。
【００４１】
更にまた、生産効率が高く、金属膜の緻密性や密着強度等の品質に優れる圧電振動片を提案する。即ち、
５）外部電極接続部を有する基部と、周波数調整部を有し前記基部の一端から突出する一対の音叉腕部とを有する圧電振動片であって、前記基部及び前記音叉腕部の表面に成膜されたＣｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）のうちいずれか1つの金属からなる第１の金属膜と、前記周波数調整部の前記第１の金属膜上に成膜された重り用の第２の金属膜と、前記外部電極接続部の前記第１の金属膜上に成膜されるとともに、前記周波数調整部の前記第１の金属膜上に、前記第２の金属膜とは異なる位置に成膜された第３の金属膜と、を有する圧電振動片とした。
更に、
６）上述の圧電振動片の製造方法により製造された圧電振動片を用いる圧電振動子とした。
７）上述の構成を有する圧電振動片を用いる圧電振動子とした。
８）上述の圧電振動子を発振子として集積回路に接続して用いる発振器とした。
９）上述の圧電振動子を計時部に接続して用いる電子機器とした。
１０）上述の圧電振動子をフィルタ部に電気的に接続して用いる電波時計とした。
【発明の効果】
【００４２】
本発明により、従来実施されていたフォトリソグラフィーによる電極パターンの加工工程が不要になった。これにより、振動子の小型化により懸念された歩留低下を抑制することが出来る。
【００４３】
また、微調の感度を向上させるために、周波数調整部に第３の金属を成膜することで、微調工程のリードタイムの短縮を図ることが可能である。
【００４４】
更にまた、微調部に形成する上記第３の金属膜は、基部の外部電極接続部（マウントパッド）と同時に成膜することができる。これにより、圧電振動片の製造工程のリードタイムを延長することなく歩留を向上させることが可能となる。
【００４５】
そしてまた、本圧電振動片は、振動腕に移行する基部の側面部にＡｕ膜が存在しないので、気密端子のインナーリードのメッキ成分の拡散が抑制されるために、メッキ材料の鉛フリー化に有用である。
【００４６】
また、高額な設備である露光装置を別の量産枠にすることが可能となる。更にまた、電極膜にＡｕを用いないので、材料費の削減効果も大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４７】
【実施例１】
【００４８】
本発明の第１の実施例について図１及び図２に基づいて説明する。
【００４９】
図１は、本発明による圧電振動片の製造工程のフローチャートと圧電振動片の膜構成を模式的に示した図である。図１（ａ）のフローチャートにおいて、測角／原石切断工程（ステップ１０）、研磨、洗浄工程（ステップ２０）と外形形成工程（ステップ３０）は、背景技術で説明した従来の工程におけるステップ１００、ステップ１１０及びステップ１２０とそれぞれ同一であるので説明を省略する。
１）  第１金属膜成膜工程（ステップ４０）
第１金属膜成膜工程では、音叉型の外形形状が形成された圧電体ウエハの表面（両面）に、Ｃｒ、Ｎｉ，Ａｌ、Ｔｉのいずれか１つの金属膜を成膜する工程である。上述の金属はそれぞれ水晶との密着性に優れ、かつＳｉＯ２膜との密着性も優れている。
２）  電極パターン形成工程（ステップ５０）
電極パターン形成工程は、成膜された前記金属の単層膜に電極膜としてのパターンを形成する工程である。ここでは、電極膜としてＣｒを例にとって説明する。Ｃｒ膜が成膜された圧電体ウエハにフォトリソグラフィー技術を用いて、外部電極接続部と励振電極と周波数調整部の各パターンを形成する。
【００５０】
具体的には、ウエハに静電塗布技術や回転スプレー等を用いてレジスト膜を形成し、加熱処理後、露光機を用いて電極のパターンを露光する。続いて現像を行い、レジスト膜にマスクとなるパターンを形成する。その後、圧電体ウエハをＣｒのエッチング液に浸漬し、マスクのパターンに従ったＣｒ膜による電極膜ができる。次に、マスクであるレジストを剥離し、その後洗浄と乾燥を行う。
【００５１】
図１（ｅ）に示すように、本工程により単層膜による電極膜のパターンが形成され、この電極膜の表面に、保護膜を成膜できるようになっている。本第１実施例では、第１の金属膜であるＣｒによる単層の電極パターンを形成した直後の次工程で、重りとなる第２の金属膜を成膜する。すなわち、Ａｕ膜の除去を行う工程はない。
【００５２】
そして、この段階で、上述のように電極膜は単層膜であるので、Ｃｒ層とＡｕ層の合金化作用を懸念する必要がなく、後工程で行われる第２金属膜の成膜や保護膜の成膜においても、従来よりも、成膜温度を高く設定することが可能である。これにより、成膜前の待機状態においてウエハの表面に吸着した水分の脱離が十分に行われ、膜の下地に対する密着強度が改善され、かつ成膜する膜の質の向上を図ることが容易になる。
３）  第２金属膜成膜工程（ステップ６０）
第２金属膜成膜工程は、圧電振動片の周波数調整部に重りとなる第２の金属膜を成膜する工程である。従来は、下地がＣｒ層で表層がＡｕ層である電極膜の表面に重りとなる金属膜を成膜していた。本実施例では、電極膜はＣｒによる単層１０であり、このＣｒ層１０の上に、重りとなる金属膜を成膜する。
【００５３】
重りとなる第２の金属膜は、Ｃｒ、ＡｇとＡｕの組合せによる積層膜が各種あるが、ここでは、電極膜となるＣｒ層１０の上に、更に、Ｃｒ層１８を新たに薄く成膜し、その上にＡｇ層１６を数μｍの厚さで成膜し、さらにその表面を薄いＣｒ層１８ａで覆った構造の重り膜を示す。すなわち、この実施例では、Ｃｒ層１８、Ａｇ層１６、Ｃｒ層１８ａの３層が第２の金属膜となる。
【００５４】
最初に薄く成膜したＣｒ層１８は、下地となるＣｒの電極膜との密着性を向上させるためのものである。Ａｇ層１６の表層に成膜したＣｒ層１８ａは、Ａｇ層１６の表面の安定化のためのもので、工程流動中にＡｇ層１６の表層が酸化等により変化することを抑制するものである。このような３層構造の成膜手法は、蒸着法が好適であり、容易に実施できる。
４）  保護膜成膜工程（ステップ７０）
保護膜成膜工程は従来の方法におけるステップ１７０と同一であるので、説明は省略するが、第１金属膜を成膜後に、少なくとも励振電極７には、保護膜を成膜する前に別の金属膜を成膜しないことが望ましい。
５）  第３金属膜成膜工程（ステップ８０）
第３金属膜成膜工程は、圧電振動片１の基部３に形成されたＣｒの単層膜からなるマウントパッド６に、新たに第３の金属膜を追加して成膜する工程である。ここでは、前記第３の金属膜をマウント部追加金属膜と称し、符号６ａで表す。これにより、マウントパッド６と気密端子２５のインナーリード２７ａとのハンダメッキによる接続の際に、マウントパッド６のハンダ濡れ性を向上させてインナーリード２７ａとの接合強度を向上させることができる。あるいは、圧電振動片１を導電性接着剤３２でセラミックスパッケージのベースに固着させる場合は、ベースの内面に形成された接合部と圧電振動片１との接着強度を高め、かつ両者の接続する界面の直流抵抗値を低く抑える役割を持つ。
【００５５】
上述の用途では、第３の金属膜の材質として、Ｃｒ層とＡｕ層との積層膜や、ＮｉＣｒ（ニッケルクロム合金）層とＡｕ層と積層膜が好適である。図３（ｈ）には、ＮｉＣｒ層１２ａとＡｕ層１２ｂとの積層膜の場合を示す。ＮｉＣｒ層１２ａ中のＮｉは、ハンダとの合金層を形成し、気密端子との接続強度を向上させる。また、ＮｉＣｒ層１２ａの表層に形成するＡｕ層１２ｂは、ハンダとの合金層を形成するほか、ＮｉＣｒ層１２ａの表面の酸化を防いで、ハンダの濡れ性を保持する役割を持たせている。
【００５６】
本工程で導入したＮｉＣｒ層とＡｕ層の積層膜による第３金属膜は、その濡れ性においてＣｒ層とＡｕ層との積層膜に勝っている。また接続強度も高くそのバラツキが少ない。従って、圧電振動子組立工程のマウント工程（図１３のステップ２１０）においては、マウント工程の高速化など、生産の効率化に好適である。
６）  周波数調整工程（ステップ９０）
周波数調整（粗調）工程は、周波数調整部の重り膜にレーザーを瞬間的に照射して、重り膜を部分的に蒸発させて重りの重量を変化させる。レーザーのビームが照射された時に、重り膜の温度が急上昇して、振動腕の稜線部分の膜（図示せず）が部分的に剥がれる現象が発生する場合がある。これは、下地のＣｒ層１０と新たに成膜した重り膜との密着性が劣る場合に発生する現象であり、振動子の周波数の変動の要因になる。従って、重り膜は下地との密着性が重要であり、前記の第２金属膜成膜工程（ステップ６０）で記述したＣｒとＡｇとＣｒの３層構造における第１層のクロム層１８は、上述の密着性向上のために形成された膜である。
【００５７】
更に、本粗調工程では、従来の製造方法と比較して、粗調工程における周波数偏差の範囲をより絞りこみ、後の圧電振動子組立工程における微調（ステップ２３０）におけるタクトタイムを軽減した。
【００５８】
周波数調整後に、水晶ウエハを超音波洗浄して工程中で表面に付着した微粒子等を除去し乾燥させ圧電振動片が完成する。
【００５９】
尚、第２金属膜成膜工程（ステップ６０）と保護膜成膜工程（ステップ７０）は、両者の成膜条件を勘案して、その順序を入れ替えることが望ましい場合がある。ここで、その成膜条件と工程順序の関係について簡潔に説明する。
【００６０】
重り用の第２金属膜において、その表面にＣｒやＡｕ等の化学的に安定な材料を使用する予定の場合には、第２金属膜成膜工程と保護膜成膜工程の順序は、どちらの工程を先に実施しても問題ない。一方、第２金属膜の表面にＡｇのように非常に酸化されやすく、かつ膜の最表面の層の状態が変化して脆弱化する材料を使用する予定の場合には、まず保護膜成膜工程を実施し、その後に第２金属膜成膜工程を行うことが望ましい。
【００６１】
保護膜成膜工程は、前述のように、スパッタ法などの成膜手段で、励振電極７の表面に電気絶縁性を有するＳｉＯ２膜を成膜する方法である。より具体的には、石英（ＳｉＯ２）などをターゲット材料としてＡｒ（アルゴン）ガスによるプラズマを励起して、成膜を行う。この時に、形成された酸化シリコンの膜の化学量論比が、ＳｉＯ２に近くなるように添加ガスとして数パーセントの酸素を用いる。従って、成膜チャンバー内では、Ａｒのプラズマと同時に酸素プラズマが発生する。圧電振動片に前記Ａｇなどの非常に酸化しやすい材料があれば、酸素プラズマにより酸化され、黒色に変化する。その表面が酸化したＡｇ膜は、大きな衝撃力等により、最表面の酸化銀成分が微量であるが脱落し易くなり、周波数の変動に結びつく危険性を内在している。
【００６２】
従って、このような懸念を避けるために、重り用の第２金属膜としてＡｇが最表面に現れることになる場合には、先に保護膜成膜工程を行うことが望ましい。そして、重り用の第２金属膜として、このような懸念のないＣｒやＡｕ等が最表面に現れることになる場合には、第２金属膜成膜工程と保護膜成膜工程の順序はどちらを先に行っても良い。
【００６３】
上述した工程フローチャートに従って製造した圧電振動片の１例を図２に示す。図２（ａ）は、圧電振動片の外観である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢＢにおける断面を示す。図２（ｃ）は、図２（ａ）のＣＣにおける断面である。尚、図２に示した圧電振動片１においては、図１４（ａ）に示した圧電振動片１の各部の符号とその名称は共通であるため、省略してある。
【００６４】
図２（ｂ）に示す様に、圧電振動片１は、水晶片２の表面（両面）に第１の金属膜であるＣｒ層１０により電極パターンが形成されている。基部３には、マウントパッド６が形成され外部電極と接続の役割を果たす。マウントパッド６は、下地となるＣｒ層１０の上に、ハンダと合金層を形成するＮｉＣｒ層１２と、その表層にＡｕ層１３が成膜されている（第３の金属膜）。
【００６５】
ここで、図２（ａ）の符号３ａに示されるマウントパッド６の側面部分は、前記第３金属膜成膜工程により、第３の金属膜６ａが成膜されているが、マウントパッド６を境界として、振動腕に移行する基部の側面部分３ｂはＣｒの単層膜になっている。このように、振動腕に移行する基部の側面部がＣｒの単層膜構造であることが、後に接続される気密端子のインナーリードのメッキ成分の拡散現象を抑制する効果を奏している。このことについては、実施例３で詳述する。
【００６６】
励振電極７のパターンは、Ｃｒ層１０をフォトリソグラフィー技術を用いてパターニングしたものである。励振電極７の平面電極７ｂの表面には、ＳｉＯ２からなる保護膜１４が励振電極７の先端まで成膜されて、導電性粒子による電極パターンのショートを防止している。一方、側面電極７ｃは、図２（ｃ）に示す様にＣｒ層１０のみから成る。Ｃｒ層１０の上に保護膜１４が平面電極７ｂより薄く成膜されている。従来の振動片では、側面電極７ｃは、Ｃｒ層１０とその上に成膜されたＡｕ層１１の積層膜であった。本発明により、Ｃｒ層１０のみになり、ＳｉＯ２層との密着性が一段と改善され、導電性粒子により引き起こされるショートを長期に渡って防止できる。
【００６７】
周波数調整部５の粗調部５ｃには、マウントパッド６が形成された面と反対側に重り膜１５ａが形成されている。重り膜１５ａは、Ｃｒ層１０の上に、密着力を向上させるために新たにＣｒ層１８が堆積され、その上に連続してＡｇ層１６及びＣｒ層１８ａが成膜されている。尚、図２では、レーザーを用いて粗調で加工された領域２０は図示していない。
【００６８】
さて、上述した本実施例では、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉなどの単層膜を形成して圧電振
動片を製造することを特徴としている。一方、背景技術の項で述べたように、従来の圧電振動片では、下地となるＣｒ層の上にＡｕ層を成膜して積層膜とした後に、主面の励振電極上のＡｕ膜は取り除いたが、図１２の（ｆ）に示すように、周波数調整部電極５ａとマウントパッド６のＡｕは残されている。これは次の理由による。周波数調整部５の微調部のＡｕ膜は、圧電振動子組立工程の周波数調整工程（微調）において、詳しくは後述するように調整感度を向上させる。従って、微調工程のサイクルタイム短縮に有利である。また、マウントパッド６のＡｕは、気密端子２５のインナーリード２７ａとの接続に有利である。すなわち、マウントパッド６の表面がＡｕであるため、成膜工程の温度を抑制して実施するという制約のもとで、インナーリード２７ａのハンダメッキとの濡れ性が維持可能である。このように、フォトリソグラフィーにより残されたＡｕ膜は、周波数調整感度の向上とインナーリード２７ａとの接続における濡れ性の維持という重要な役割を担っていた。
【００６９】
従って、従来は、保護膜１４を形成する際に、Ｃｒ、Ｎｉ等の単層膜の上に直接形成せずに、Ａｕ膜をＣｒ膜の上に積層させた後に、フォトリソグラフィー技術を用いて、励振電極領域のＡｕ層のみを取り除いたのである。
【実施例２】
【００７０】
本発明の第２の実施例に係る圧電振動片について説明する。第２の実施例は、圧電振動片の微調部の表面に、周波数調整感度を上げるために、更に、金属膜を配置したものである。本明細書では、以後、微調部追加金属膜と称し、符号９で表す。
【００７１】
圧電振動子の周波数の調整は、通常２段階で行われる。圧電振動片製造工程においては、大気中で重り膜にレーザーを照射して周波数をレンジの大きい所定の範囲に調整する（粗調）。続いて、圧電振動子組立工程で、振動片を気密端子に接続した後に、公称周波数を中心としたレンジの小さい所定の範囲にレーザーを用いて最終調整する（微調）。レーザーによる周波数の調整原理は、周知の様に、レーザービームが照射されたスポット（通常は数十μｍである）の金属膜が瞬間的に蒸発し、蒸発して軽くなった分に相当する周波数が変化（この場合は周波数が上昇）することである。従って、周波数の変化量（感度）は、金属膜の密度に依存する。
【００７２】
従来の圧電振動子では、背景技術の項で説明した様に、電極膜としてＣｒ層とＡｕ層からなる積層膜が慣用されているが、本発明は、実施例１で示したように、電極膜として、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉのいずれか１つの金属を選択している。微調部の電極も前記のＣｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉのいずかの金属膜である。これらの金属とＡｕの密度を括弧内に示すと、Ｃｒ（７．１９）、Ｎｉ（８．９１）、Ａｌ（２．７０）、Ｔｉ（４．５０）、Ａｕ（１９．３２）となる。このように、本発明においては、電極膜の密度が小さくなるために微調の感度が劣化し、レーザーの１ショットでの周波数変化量が少なくなる。このため微調のタクトタイムが長くなる懸念がある。圧電振動子の組立工程において、微調は、個々の振動子ごとに実施される作業にために、微調工程時間の短縮は生産効率の向上の観点からは重要な問題であり、工程時間の短縮化は、日常的な課題の１つである。
【００７３】
本実施例は、第１の金属膜にＣｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉを選択した場合に新たに発生する前記課題を解決するためになされたものであり、１例を図３に示す。図３は、図２（ｂ）と同様に、図２（ａ）ののＢＢにおける圧電振動片の長手方向の断面を模式的に示す図である。本実施例では、図３（ａ）に符号９で示す様に、微調部５ｂに新たな金属膜を追加成膜した。この、金属膜の追加成膜の目的は、レーザーの１ショットで蒸発する金属膜の量を増加させて、周波数変化量を大きくするためのものである。新たに成膜した金属膜として、Ｃｒ層とＡｕ層の積層膜やＮｉＣｒ層１２ａとＡｕ層１２ｂの積層膜等を選択することができる。図３（ｂ）は、圧電振動片の製造工程が終了した時点での振動片の膜構成を示す。粗調によって、粗調部に形成された重り膜の一部がレーザーで加工されて蒸発する。符号２０は、粗調で加工された領域を示す。水晶片２の先端は、金属膜が蒸発し、水晶面が露出している。符号１９で示す矢印は、レーザービームの方向であるが、蒸発した重り金属が飛散して他の領域に付着しないようにする道具立てを要する。
【００７４】
図３（ｃ）には、組立工程で接合する気密端子２５のステム２６とインナーリード２７ａを想像線で示した（ただし、圧電振動片の大きさが誇張されている）。微調では、微調部に複数回のレーザービームを照射するが、１ショットで、金属膜には符号２１で示される微小孔が形成される。微調は、所定の周波数範囲に入るまで、ビームのスポット位置を変えながらレーザーを照射して実施する。
【００７５】
ここで、実施例１で示した第３の金属膜（マウント部追加金属膜）と微調部追加金属膜の関係について述べる。第３の金属膜は、例えばＮｉＣｒ層とＡｕ層の積層膜を選択することができる。同様に、微調部追加金属膜として例えばＮｉＣｒ層とＡｕ層の積層膜を選択することが可能である。即ち、同一材料を同一の構成（膜層と厚さ）で成膜するように設計可能である。微調部追加金属膜の成膜は、第３金属膜の成膜と同時に行うことが生産上有利である。図３（ａ）は、これを意図して、マウント部追加金属膜６ａと微調部追加金属膜９とが同一の面になるように設定したものである。これにより、金属製のマスクを用いて圧電振動片１のマウントパッド６と微調部５ｂの領域のみに同時に第３の金属膜を成膜して、マウント部追加金属膜６ａと微調部追加金属膜９を同時に形成することができる。
【実施例３】
【００７６】
前述した実施例１または実施例２で示された圧電振動片を用いた圧電振動子の１例として、音叉型の水晶振動片を有底円筒状のケースで密閉したシリンダー型パッケージの圧電振動子の構成について、図面を参照して説明する。
【００７７】
図４は、本実施形態に係る圧電振動子の１例を示す概略構成図である。図４において、この圧電振動子は、音叉型の圧電振動片１を有している。この圧電振動片１の表面には、励振電極７が形成されている。この励振電極は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉのいずれか１つの金属により構成されている。さらに圧電振動片１の２本の振動腕の粗調部には図示しない重り膜が形成されている。また、微調部には、ＮｉＣｒ層とＡｕ層からなる図示しない積層膜が微調の感度を上げるために成膜されている。
【００７８】
基部に形成されたマウントパッド６の表面には、図示しないＮｉＣｒ層とＡｕ層からなる積層膜が形成されている。これにより、マウントパッド６は、気密端子の２本のインナーリード２７ａの表面に形成された図示しないハンダメッキと強固な接合層を形成して固定されている。圧電振動片１を覆うように想像線（一点鎖線）で示すケース２８が圧入されて被せられており、このケース２８は気密端子のステム２６の外周と嵌合されている。該圧入は、真空雰囲気下で行われているため、ケース２８内の圧電振動片１を囲む空間は、真空状態に保たれて密閉されている。
【００７９】
そして、圧電振動片１の表面に形成された励振電極７は、マウントパッド６を通して２本のインナーリード２７ａに接続されている。該インナーリード２７ａは、更に、密閉容器の外へ延長されてアウターリード２７ｂとなり外部電極端子としての役割を果たしている。
【００８０】
ここで、上述の方法で製作されたシリンダー型パッケージの圧電振動子を、回路基板へ実装する場合の熱的な特性について具体的に述べる。圧電振動子は、音叉型水晶振動子として、励振電極はＣｒの単層膜とする。通常、前記圧電振動子を回路基板表面に実装する場合は、回路基板の該当パターン部分に、予め形成されたハンダ等の接合材料を溶融させて接続する熱的な処理が実施される（リフロー処理と呼ばれる）。本発明の圧電振動片を用いた圧電振動子では、この熱処理の前後における周波数の変動が、気密端子のインナーリードに形成されたメッキの材質に係らず十分少ないことを図５と表１を参照して説明する。
【００８１】
図５は、本圧電振動子の前記熱処理前後の周波数の変化を示した図である。ここで、気密端子のメッキは、（ａ）は錫鉛合金（ＳｎＰｂ）を用いたもの、（ｂ）は金錫共晶合金（ＡｕＳｎ）を用いたもの、（ｃ）は錫銅合金表面に更に銀メッキしたもの（ＳｎＣｕＡｇ）である。そして、下段の（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）は、いずれも錫銅合金（ＳｎＣｕ）メッキで、銅の含有量（重量割合）をそれぞれ５％、７％、９％としたものである。
【００８２】
周波数の変化は、周波数の変化量（熱処理後の周波数から熱処理前の周波数を差し引いた値）を、熱処理前の周波数で割った変化割合の数値をｐｐｍで表示したものである。尚、熱処理の温度は、回路基板の中央で最高温度が２６０℃であり、２５０℃以上の温度が約１０秒程度持続したものである。従来は、回路基板に予めコートされるハンダ材料には錫鉛の共晶合金（錫：鉛の重量割合＝６：４）を用いることが一般的であったため、熱処理の最高温度は約２３０℃程度であった。最近は、鉛が環境に有害であるとして、鉛を使用しない錫銀銅合金ハンダ（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）等が用いられる。従って、ハンダの溶融温度も３０℃程度上昇している。これに伴って、気密端子になされるメッキも、鉛を使用しない上述の各種メッキが検討されている。
【００８３】
サンプル実験では、シリンダーの外径が約２ｍｍの圧電振動子を各１０個準備して、熱処理を２回ずつ連続して行い、周波数の変化を計測した。各メッキのサンプルともに合計８回の熱処理を実施した。周波数の変化量は、例えば、図５（ｅ）に示される銅の含有量が重量比で７％の錫銅合金（ＳｎＣｕ）メッキの場合は、熱処理２回後の変化量は最大５ｐｐｍ程度であり、熱処理回数の増加に伴って、変化量は増加するが増加量は緩やかになる傾向にある。そして８回後の最大変化量は約１０ｐｐｍであった。この変化割合は、（ａ）から（ｆ）のどのメッキの場合においても略同様の傾向を示している。
【００８４】
また、熱処理２回後の周波数変化量の平均値とその統計値としての標準偏差を表１に示す。
【００８５】
【表１】
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表１に示すように、２回後の周波数変化量の平均値は約２〜３ｐｐｍであり、そして周波数変化量の標準偏差は約０．８ｐｐｍから１ｐｐｍ程度になっている。例えば、銅の含有割合が７％の錫銅合金（ＳｎＣｕ）メッキでは、周波数変化量の平均値が３．３０ｐｐｍであり、１０個のサンプルの周波数変化量のバラツキの標準偏差は０．８７３ｐｐｍであった。また、１０個のサンプルはいずれも正の変化量であるので、熱処理前に比較して、それぞれの共振周波数がわずかに上昇したことを示している。
【００８６】
ここで、周波数変化量の規格値を±１０ｐｐｍに設定して工程能力指数（Ｃｐｋ）の値を示す。工程能力指数は、工程の規格値、平均値、標準偏差から計算される値であり、その数値が大きい場合は、工程はバラツキが少なく安定と見なされる。目安となる数値は１．６７である。算出された値は、表１に示す様に、いずれのメッキにおいても、約２．５から３．８前後の値となった。これから、熱処理前後の周波数の変化量は、本発明の振動子では気密端子のインナーリード２７ａに施されたメッキの種類に依存せず十分少なく、また、前記メッキにおいては、どのメッキを用いても熱処理の工程は安定であると考えられる。従って、鉛を含まないメッキの選択に有利である。
【００８７】
次に、従来の電極構造を持つ圧電振動片を収納したサンプルと本発明による圧電振動片を収納したサンプルの周波数変化量の比較を図６を用いて説明する。図６（ａ）は、従来の電極構造を持つ音叉型水晶振動片を収納した振動子を前述した温度条件により２回熱処理した時の周波数変化量である。一方、図６（ｂ）は、本発明によるＣｒ単層膜の構造を有する音叉型水晶振動片を収納した圧電振動子を同一の条件で熱処理した場合の周波数変化量である。ここでのサンプル実験では、気密端子２５のインナーリッド２７ａのメッキはＳｎＣｕメッキ（Ｃｕの含有量は５％）である。また、圧電振動子は、ケース２８の外形寸法が前述した２ｍｍよりも更に小型化した１．２ｍｍのものを用いているので、圧電振動子の熱容量は格段に小さくなっている。従って、熱的な影響をより受けやすい。サンプル数は同じくそれぞれ１０個である。
【００８８】
図６（ａ）に示されるように、従来の電極構造を持つ振動片の場合は、周波数の変化量は大きく、１７０ｐｐｍから３４０ｐｐｍに至っている。その一方で、図６（ｂ）では、周波数変化量は図６（ａ）に比較して激減している（前記２つのグラフでは、縦軸のスケールが１０倍違っている）。図６（ｂ）ではリフロー２回後の周波数変化量の幅は、０．６ｐｐｍから３．４ｐｐｍであり、その平均は約は、約２ｐｐｍであった。これは、図５（ｃ）で示した２ｍｍのケースを有する振動子の場合と略同じ変化量の範囲に留まっている。このように、その外形寸法をより小型化した振動子においても、本発明の電極構造を持つ圧電振動片は極めて有効である。
【００８９】
上述のような好ましい結果の要因について以下に図７を参照して考察を述べる。
【００９０】
図７（ａ）は、圧電振動片と気密端子のインナーリードとの接続を示した図である。気密端子２５のインナーリード２７ａは、マウントパッド６の上面に配置されて、中実丸棒であるインナーリード２７ａの全周に渡って形成されている前記ＳｎＣｕなどのメッキが、外部からエネルギーを印加することで溶融し、マウントパッド６上の金属膜に濡れて接続（接合）が行われる。この状態を図７（ｂ）に示した。図７（ｂ）は、接続部である図７（ａ）におけるＤＤでの断面を示す図である。図７（ｂ）に示すように、溶融したメッキ２７ｃは、マウントパッド６の上面から更に基部の側面３ａ側まで濡らして、インナーリード２７ａとマウントパッド６を強固に接続する。本発明による圧電振動片では、基部の側面において、マウントパッド６の側面部３ａを除いた側面３ｂの電極膜は、Ｃｒの単層膜である。前記熱処理（リフロー処理）では、気密端子のインナーリード２７ａになされたメッキの表層と前記接続時に濡れたメッキ２７ｃの一部が、再びごくわずか溶融して振動片の電極膜上に拡散するが、主面は拡散係数の小さいＣｒの単層膜であるため拡散できない。本圧電振動片においては、側面も拡散係数の小さいＣｒの単層膜であるため、溶融したメッキの拡散が側面においても主面と同様に抑制される。即ち、マウントパッド６の基部の側面３ａから、更に３ｂ側に拡散することはない。この結果、圧電振動片上の各部分の重量のバランスが、熱処理前後で維持されて、周波数の変化が少ないものと推察される。
【００９１】
従来の電極構造の圧電振動片と気密端子のインナーリード２７ａとの接続を図７（ｃ）に示す。従来の振動片の電極構造では、主面はＣｒの単層膜であるが、基部側面と振動腕の側面ではＣｒ膜上のＡｕ薄膜は残されたままであった。即ち、図７（ｃ）において、マウントパッド６の基部の振動腕に移行する側面部３ｂ及び振動腕の側面にもＡｕ薄膜が存在している。従って、前記熱処理により、インナーリード２７ａのメッキ成分とマウントパッド６の基部の側面３ａに接続時に濡れたメッキ成分とが拡散源となり、図７（ｃ）の矢印で示すように、側面３ａ側からさらに基部の振動腕に移行する側面部３ｂ側（図７（ｃ）の３ｂで斜線も合わせて記入されている領域）へ前記Ａｕ層中を前記メッキ成分が拡散する。この現象により、３ｂで示される側面領域にメッキ成分が拡散で流入したことにより、圧電振動片の重量のバランスが変化し、これを起因として周波数の変化が発生したと思われる。熱処理により周波数が大きく変化したサンプルを分解し、該基部側面を光学顕微鏡及びＳＥＭにより観察すると、インナーリード２７ａのメッキ部から、溶融して拡散したと思われる材質が連続して基部の振動腕に移行する側面部３ｂにまで延びている様子が見られる。また、連続して延びた側面の該当部のエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ分析）ではメッキ成分が検出される。周波数変化の少ない本発明の圧電振動片では、上記の観察で、マウウントパッド領域からさらに基部の側面部３ｂにまで拡散したと思われる部分は全く認められない。
【００９２】
次に、上述したシリンダー型パッケージとは別の容器に圧電振動片を収納した場合の圧電振動子について述べる。図８は、本実施形態に係る圧電振動子を別の密閉容器を用いて構成した概略構成図である。図８（ａ）は、構成を示す概略平面図であり、図８（ｂ）は、（ａ）のＡＡ断面を示す図である。圧電振動子は、水晶を材料とした音叉型の圧電振動片１を有している。この圧電振動片１の表面には、励振電極７が形成されている。この励振電極は、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｔｉのいずれか１つの金属により構成されている。さらに圧電振動片１の２本の振動腕の粗調部には図示しない重り膜が形成されている。また、微調部には、ＮｉＣｒ層とＡｕ層からなる図示しない積層膜かまたはＣｒ層とＡｕ層からなる図示しない積層膜が微調の感度を上げるために成膜されている。
【００９３】
圧電振動片１の基部に形成されたマウントパッド６の表面には、ＮｉＣｒ層とＡｕ層からなる図示しない積層膜かまたはＣｒ層とＡｕ層からなる図示しない積層膜が形成されており、箱型のセラミックパッケージのベース３０の接合部３１に、導電性接着剤３２で固着されて固定されている。ベース３０は、金属製のリッド３３により真空中で、電子ビーム溶接や真空シーム溶接などの手段を用いて真空気密封止されている。圧電振動片１の表面に形成された励振電極７は、接合部３１を通して内部接続（図示せず）によりベースの外側の外部電極３４と接続されている。
【実施例４】
【００９４】
図９は、本発明に係る音叉型水晶発振器の構成を示す概略模式図であり、上述した音叉型水晶振動子を利用した表面実装型圧電発振器の平面図を示している。
【００９５】
図９において、音叉型水晶振動子５１は、基板５２の所定の位置に設定され、符号５３で示される発振器用の集積回路が該水晶振動子に隣接されて設置されている。またコンデンサなどの電子部品５４も実装される。これらの各部品は、図示しない配線パターンで電気的に接続されている。音叉型水晶振動子５１の圧電振動片の機械的振動は、水晶の持つ圧電特性により電気信号に変換されて集積回路５３に入力される。集積回路５３内では、信号処理が行われ、周波数信号が出力され発振器として機能する。これらの各構成部品は図示しない樹脂でモールドされている。集積回路５３を適切に選択することにより、時計用単機能発振器の他、当該機器や外部機器の動作日や時刻を制御したり、使用者に時刻やカレンダー情報を提供したりする機能を有する。
【００９６】
本発明の製造方法で製造した圧電振動子を用いたことで、発振器を構成する部品の中で最大の容積を持つ振動子を歩留良く安定して小型化することが可能である。従って、その発振器の外形寸法をより小型化することが可能になった。また、圧電振動片上のＳｉＯ２等の保護膜の密着性も向上しており、振動子は更に長期に渡って安定した特性を持続することが可能となった。これにより、発振器は、小型化しても長期に渡って安定した発振を維持することができる。
【実施例５】
【００９７】
次に、本発明の製造方法により製造された圧電振動子を用いた電子機器の例について説明する。ここでは、電子機器の例として、携帯電話に代表される携帯情報機器での好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００９８】
まず前提として、本実施の形態にかかる携帯情報機器は、従来技術における腕時計を発展・改良したものである。外観は腕時計に類似し、文字盤に相当する部分に液晶ディスプレイを配し、この画面上に現在時刻等を表示させることができる。通信機として使用する時は、手首から外し、バンド部内側に内蔵されたスピーカおよびマイクロフォンによって、従来技術の携帯電話と同様の通信をおこなうことができる。しかし、従来の携帯電話と比較して、格段に小型化・軽量化されている。
【００９９】
次に、本発明の実施の形態にかかる携帯情報機器の機能的構成について図面を参照して説明する。図１０は、本実施の形態にかかる携帯情報機器の構成を機能的に示すブロック図である。
【０１００】
図１０において、１０１は後述する各機能部に対して電力を供給する電源部であり、具体的にはリチウムイオン二次電池によって実現される。電源部１０１には後述する制御部１０２、計時部１０３、通信部１０４、電圧検出部１０５および表示部１０８が並列に接続され、各々の機能部に対して電源部１０１から電力が供給される。
【０１０１】
制御部１０２は、後述する各機能部を制御して、音声データの送信や受信、現在時刻の計測や表示等、システム全体の動作制御をおこなう。制御部１０２は、具体的にはＲＯＭにあらかじめ書き込まれたプログラムと、当該プログラムを読み出して実行するＣＰＵ、および当該ＣＰＵのワークエリアとして使用されるＲＡＭ等によって実現される。
【０１０２】
計時部１０３は、発振回路、レジスタ回路、カウンタ回路、インターフェイス回路等を内蔵する集積回路及び図４または図８に示したような音叉型水晶振動子より構成される。音叉型水晶振動子の機械的な振動は、水晶の持つ圧電特性により電気信号に変換され、トランジスタとコンデンサで形成される発振回路に入力される。発振回路の出力は２値化され、レジスタ回路とカウンタ回路により計数される。インターフェイス回路を介して制御部と信号の送受信が行われ、表示部１０７に、現在時刻や現在日付あるいはカレンダー情報が表示される。
【０１０３】
通信部１０４は、従来技術の携帯電話と同様の機能を有し、無線部１０４ａ、音声処理部１０４ｂ、増幅部１０４ｃ、音声入出力部１０４ｄ、着信音発生部１０４ｅ、切替部１０４ｆ、呼制御メモリ部１０４ｇおよび電話番号入力部１０４ｈから構成される。
【０１０４】
無線部１０４ａは、アンテナを介して基地局と音声データ等の各種データを送受信する。音声処理部１０４ｂは無線部１０４ａまたは後述する増幅部１０４ｃから入力した音声信号を符号化／復号化する。増幅部１０４ｃは音声処理部１０４ｂまたは後述する音声入出力部１０４ｄから入力した信号を所定のレベルまで増幅する。音声入出力部１０４ｄは具体的にはスピーカおよびマイクロフォンであり、着信音や受話音声を拡声したり、話者音声を集音したりする。
【０１０５】
また、着信音発生部１０４ｅは、基地局からの呼び出しに応じて着信音を生成する。切替部１０４ｆは着信時に限って、音声処理部１０４ｂに接続されている増幅部１０４ｃを着信音発生部１０４ｅにつなぎかえることで、生成された着信音が増幅部１０４ｃを介して音声入出力部１０４ｄに出力されるようにする。
【０１０６】
なお呼制御メモリ１０４ｇは、通信の発着呼制御にかかわるプログラムを格納する。また、電話番号入力部１０４ｈは、具体的には０から９の番号キーおよびその他の若干のキーからなり、通話先の電話番号等を入力する。
【０１０７】
電圧検出部１０５は、電源部１０１により制御部１０２をはじめとする各機能部に対して加えられている電圧が、所定の値を下回った場合に当該電圧降下を検出して制御部１０２に通知する。この所定の電圧値は、通信部１０４を安定して動作させるために必要な最低限の電圧としてあらかじめ設定されている値であり、例えば３Ｖ程度の電圧である。電圧検出部１０５から電圧降下の通知を受けた制御部１０２は、無線部１０４ａ、音声処理部１０４ｂ、切替部１０４ｆ、着信音発生部１０４ｅの動作を禁止する。特に、消費電力の大きな無線部１０４ａの動作停止は必須である。と同時に表示部１０７には、通信部１０４が電池残量の不足により使用不能になった旨が表示される。
【０１０８】
電圧検出部１０５と制御部１０２の働きにより通信部１０４の動作を禁止し、更にその旨を表示部１０７へ表示する事が可能である。
【０１０９】
本実施の形態として、通信部の機能に係る部分の電源を選択的に遮断可能な電源遮断部１０６を設ける事で、より完全な形で通信部の機能を停止させる事が出来る。
【０１１０】
なお、通信部１０４が使用不能になった旨の表示は、文字メッセージによりおこなってもよいが、より直感的に、表示部１０７上の電話アイコンに×（バツ）印を付ける等の方法によってもよい。
【０１１１】
本発明の製造方法にて製造した小型の圧電振動子を携帯情報機器に使用することにより、携帯電子機器の一層の小型化が可能になった。振動子は、更に長期に渡って安定した振動を持続可能となり、携帯電子機器を長期に渡って安定に維持することができる。
【実施例６】
【０１１２】
次に、本発明の第６の実施例として、上述の実施例で述べた水晶振動子１をフィルタ部に電気的に接続した電波時計２００について、図１１を参照して説明する。
【０１１３】
図１１は、電波時計２００の機能的構成を示すブロック図である。
【０１１４】
電波時計２００は、時刻情報を含む標準の電波を受信して、正確な時刻に自動修正して表示する機能を備えた時計である。日本国内には、福島県（４０ＫＨｚ）と佐賀県（６０ＫＨｚ）に標準の電波を送信する送信所（送信局）があり、それぞれ標準電波を送信している。４０ＫＨｚもしくは６０ＫＨｚのような長波は、地表を伝播する性質と、電離層と地表を反射しながら伝播する性質を併せ持つため、伝播範囲が広く、上記の２つの送信所で日本国内を全て網羅している。
【０１１５】
図１１を参照して、電波時計２００の機能的構成について説明する。
【０１１６】
アンテナ２０１は、前記４０ＫＨｚもしくは６０ＫＨｚの長波の標準電波を受信する。長波の標準電波は、タイムコードと呼ばれる時刻情報を、前記４０ＫＨｚもしくは６０ＫＨｚの搬送波にAM変調をかけたものである。
【０１１７】
受信された長波の標準電波は、アンプ２０２によって増幅され、水晶振動子１を有するフィルタ（フィルタ部）２０３によって濾波、同調される。本実施形態における水晶振動子１は、上記搬送周波数と同一の４０ＫＨｚ及び６０ＫＨｚの共振周波数を有する水晶振動子部２０４、２０５を備えている。
【０１１８】
さらに、濾波された所定周波数の信号は、検波、整流回路２０６により検波復調される。続いて、波形成形回路２０７を介してタイムコードが取り出され、ＣＰＵ２０８でカウントされる。ＣＰＵ２０８では、現在の年、積算日、曜日、時刻等の情報を読み取る。読み取られた情報は、ＲＴＣ２０９に反映され、正確な時刻情報が表示される。
【０１１９】
搬送波は、４０ＫＨｚもしくは６０ＫＨｚであるから、水晶振動子部２０４、２０５は、前述した音叉型の構造を持つ振動子が好適である。６０ＫＨｚを例にとれば、音叉型振動片の寸法例として全長が約２．８ｍｍ、基部の幅寸法が約０．５ｍｍの寸法で構成することが可能である。
【０１２０】
上述の説明は、日本国内の例で示したが、長波の標準電波の周波数は、海外では異なっている。例えば、ドイツでは７７．５ＫＨｚの標準電波が用いられている。従って、海外でも対応可能な電波時計を携帯機器に組み込む場合は、更に、日本の場合とは異なる周波数の水晶振動子を必要とする。
【０１２１】
本発明の製造方法にて製造した小型の圧電振動子を携帯情報機器に使用することにより、このように複数の水晶振動子を実装する場合においても、一層の小型化が可能になった。そして、振動子は、更に長期に渡って安定した振動を持続可能なので、電波時計を長期間安定に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明の第１の実施例に係る圧電振動片の製造工程のフローチャートと各工程での膜構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る圧電振動片の外形と膜構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明の第２の実施例係る圧電振動片の膜構成を模式的に示す図である。
【図４】本発明の第３の実施例に係る圧電振動子の模式図である。
【図５】本発明の第３の実施例に係る圧電振動子の熱処理特性を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施例に係る圧電振動子の他の熱処理特性を示す図である。
【図７】熱処理特性の要因の説明図である。
【図８】本発明の第３の実施例に係る別の圧電振動子の模式図である。
【図９】本発明の第４の実施例に係る音叉型水晶発振器の構成を示す概略模式図である。
【図１０】本発明の第５の実施例に係る携帯情報端末機器のブロックダイアグラムを示す概略図である。
【図１１】本発明の第６の実施例に係る電波時計のブロック図である。
【図１２】従来の圧電振動片の製造工程のフローチャートと各工程での膜構成を模式的に示す図である。
【図１３】従来の圧電振動子の組立工程のフローチャートを示す図である。
【図１４】従来の圧電振動片と圧電振動子の構成の概略を示す図である。
【符号の説明】
【０１２３】
１  圧電振動片
２  水晶片
３  基部
３ａ  マウントパッドが形成される基部の側面
３ｂ  振動腕に移行する部分の基部の側面（非マウントパッド領域）
４  振動腕部
５  周波数調整部
５ａ  周波数調整部電極
５ｂ  微調部
５ｃ  粗調部
６  マウントパッド（外部電極接続部）
６ａ  マウント部追加金属膜
７  励振電極
７ａ  励振電極膜
７ｂ  平面電極
７ｃ  側面電極
９  微調部追加金属膜
１０  Ｃｒ層（第１の金属膜）
１１  Ａｕ層
１２  第３の金属膜
１２ａ  ＮｉＣｒ層（第３の金属膜）
１２ｂ  Ａｕ層（第３の金属膜）
１３ａ  Ｃｒ層
１３ｂ  Ａｕ層
１４  ＳｉＯ２層（保護膜）
１５  重り部
１５ａ  重り膜（第２の金属膜）
１６  Ａｇ層（第２の金属膜）
１７  Ａｕ層
１８  Ｃｒ層（第２の金属膜）
１８ａ  Ｃｒ層（第２の金属膜）
１９  レーザービーム
２０  粗調で加工された領域
２１  微調で加工された領域
２５  気密端子
２６  ステム
２７  リード
２７ａ  インナーリード
２７ｂ  アウターリード
２８  ケース
３０  ベース
３１  接合部
３２  導電性接着剤
３３  リッド
３４  外部電極
５１  音叉型水晶振動子
５２  基板
５３  集積回路
５４  電子部品
１０１  電源部
１０２  制御部
１０３  計時部
１０４  通信部
１０４ａ  無線部
１０４ｂ  音声処理部
１０４ｃ  増幅部
１０４ｄ  音声入出力部
１０４ｅ  着信音発生部
１０４ｆ  切替部
１０４ｇ  呼制御メモリ部
１０４ｈ  電話番号入力部
１０５  電圧検出部
１０６  電源遮断部
１０７  表示部
２００  電波時計
２０１  アンテナ
２０２  アンプ回路
２０３  フィルタ部
２０４、２０５  水晶振動子
２０６  検波、整流回路
２０７  波形整形回路
２０８  ＣＰＵ
２０９  ＲＴＣ
【図１】
2006262456.tif 000004
【図２】
2006262456.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
2006262456.tif 000008
【図６】
2006262456.tif 000009
【図７】
2006262456.tif 000010
【図８】
2006262456.tif 000011
【図９】
2006262456.tif 000012
【図１０】
2006262456.tif 000013
【図１１】
2006262456.tif 000014
【図１２】
2006262456.tif 000015
【図１３】
2006262456.tif 000016
【図１４】
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