(57)【要約】【課題】圧電デバイスの経年的な共振周波数の変化を低減する圧電デバイスの製造方法を提供する。【解決手段】圧電材料からなる圧電基板５表面に励振電極１６を設けた圧電振動素子１５を形成する圧電振動素子形成工程と、圧電振動素子１５を非結合電子対の有する気体が満たされた雰囲気内に放置する放置工程と、圧電振動素子１５を導電性接合剤１７にて容器１０内に搭載する素子搭載工程と、容器１０を蓋体２０により気密に封止する封止工程と、を備える。【選択図】図２
2008035180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料からなる圧電基板表面に金属膜を設けた圧電振動素子を形成する圧電振動素子形成工程と、
前記圧電振動素子を非結合電子対の有する気体が満たされた雰囲気内に放置する放置工程と、
前記圧電振動素子を導電性接合部材にて容器内に搭載する素子搭載工程と、
前記容器を封止部材により気密に封止する封止工程と、
を備えたことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電デバイスの製造方法において、
前記圧電振動素子形成工程が、圧電基板に多数の前記圧電振動素子を形成する工程であることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の圧電デバイスの製造方法において、
前記圧電基板には前記圧電振動素子と、フレーム部と、該フレーム部と該圧電振動素子とを連結する連結部を備え、該連結部を折ることにより前記圧電振動素子が個片化することを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容器内に圧電振動素子が気密封止された圧電デバイスにおいて、共振周波数の経年的な変化を低減する圧電デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動子、圧電発振器に代表される圧電デバイスは、圧電振動素子が容器内に気密封止された構造を持ち、共振周波数の安定化が図られている。そして、この圧電デバイスは共振周波数が安定していることから、携帯電話などの通信機器やコンピュータなどの電子機器に利用されている。
これらの圧電デバイスは、圧電振動素子が容器内に気密封止され共振周波数の安定化が図られているものの、時間の経過と共に共振周波数が低下する現象がある。
図３は容器内に気密封止した水晶振動素子について、エージングを加速させる試験（加速エージング試験）を行った結果を示すグラフであり、縦軸に共振周波数の変化量をとり、横軸に時間をとって示している。
この図３から、共振周波数の低下は急激に起こるのではなく、時間の経過とともに少しずつ進行していくのが理解される。しかし、この現象の原因については多くの推論がなされているものの、明確な要因が掴めておらず根本的な解決がなされていない。
【０００３】
例えば、特許文献１には圧電振動子の経年的な共振周波数の低下現象の解決を目的とした技術が開示されている。
この特許文献１には、圧電振動素子の経年的な周波数の低下現象の発生原因が、電極を構成する金属膜の表層で生ずる酸化現象にあると捉え、金属膜の表層に蒸着やスパッタの手法で絶縁性膜（ＳｉＯ2膜）を付着してその全面を覆う、或いは金属膜の表層を予め酸化処理、窒化処理もしくは炭化処理して保護膜を形成する方法が開示されている。なお、表層を金（Ａｕ）膜で構成した場合の酸化現象などは、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）などの下地膜が金膜の表層まで析出した下地金属部分にのみ発生し、金部分は安定的なので酸化などはしない。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１５４１８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、この従来技術にあっては、次のような問題が発生する。即ち、圧電振動素子の金属膜の表面に蒸着等によってＳｉＯ2膜を形成して覆う際に、厳密な厚み管理制御が必要となる。ＳｉＯ2膜は金との密着性に乏しいため剥がれやすく、また、ＳｉＯ2膜が金膜表面から剥離しないように膜厚を厚くすると膜応力により振動子に残留応力が生ずる。つまり温度変化により歪みが生じて温度特性の劣化に繋がる。さらに、酸化膜、窒化膜、あるいは炭化膜等の保護膜を金膜表面に形成する場合、下地膜が析出した部分にのみ膜が形成されることは上述の通りであるが、下地膜が析出した領域の面積は個体によりバラツキがあるので、保護膜による質量付加にバラツキが生じ周波数調整が必要となる。
また、下地膜が金膜上に析出していない状態の電極を使用した場合においても、経年的な周波数の低下現象がみられ、金膜表面に部分的、不規則的に析出したニッケル部分の酸化は、周波数低下の一つの要因ではあるが、根本的な原因ではないことが判明している。従って、上記公報によって提案されている解決策は充分とは言えない。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、圧電デバイスの経年的な共振周波数の変化を低減する圧電デバイスの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の圧電デバイスの製造方法は、圧電材料からなる圧電基板表面に金属膜を設けた圧電振動素子を形成する圧電振動素子形成工程と、前記圧電振動素子を非結合電子対の有する気体が満たされた雰囲気内に放置する放置工程と、前記圧電振動素子を導電性接合部材にて容器内に搭載する素子搭載工程と、前記容器を封止部材により気密に封止する封止工程と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
この圧電デバイスの製造方法によれば、放置工程において圧電振動素子の金属膜に非結合電子対を有する気体の分子が化学吸着されて単分子膜が形成される。このことから、金属膜表面全体に形成された単分子膜の上にさらに分子の吸着が行われることがなく、この圧電振動素子を容器に気密封止することで、圧電デバイスの経年的な共振周波数の変化を低減する圧電デバイスの製造方法を提供することができる。
【０００９】
また、本発明の圧電デバイスの製造方法は、前記圧電振動素子形成工程が、圧電基板に多数の前記圧電振動素子を形成する工程であることが望ましい。
【００１０】
この圧電デバイスの製造方法によれば、一枚の圧電基板に多数の圧電素子が形成されており、圧電基板の形態で非結合電子対の有する気体が満たされた雰囲気内に放置する放置工程に流動することができ、圧電デバイスの生産効率を向上させることが可能である。
【００１１】
また、本発明の圧電デバイスの製造方法は、前記圧電基板には前記圧電振動素子と、フレーム部と、該フレーム部と該圧電振動素子とを連結する連結部を備え、該連結部を折ることにより前記圧電振動素子が個片化することが望ましい。
【００１２】
この圧電デバイスの製造方法によれば、連結部を折ることで各圧電振動素子を個片化することができ、ダイシングソーなどの大掛かりな設備を必要としない。また、切断のための切削水などを必要としないため、金属膜に化学吸着された非結合電子対を有する気体の分子が金属膜から遊離することがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施形態の説明に先立ち、本発明が成立するに至った経緯を説明する。
従来より、容器内に気密封止された圧電振動子の周波数が経年的に低下し続けるという現象が知られていたが、その原因究明がされていない。このような不具合を解決する手法として、これまでは周波数が低下する速度を遅らせることに注目し研究されてきた。
このような現状に対して、その研究過程で行ったエージングを加速する試験（加速エージング試験）において、周波数がある値まで低下した後に、それ以降の周波数変動が起こらない安定領域が存在することを見出した。このことを精査した結果、経年的な周波数低下現象の一つの原因が、圧電振動素子を容器内に接着するためのシリコーン樹脂導電性接着剤を構成するシリコーン樹脂より蒸散されるシリコーン分子（環状ジメチルポリシロキサン分子：ジメチルポリシロキサンを４〜７重合したもの）が、圧電振動素子の金属膜（励振電極）上に化学吸着することによる質量増加であることを見出した。
【００１４】
つまり、金をはじめとした金属材料の表面の原子はダングリングボンドを備えており、非結合電子対を備えた物質と化学的に吸着しやすい状態にあるため、シリコーン分子が金属材料の表面に吸着される。そして、シリコーン分子は非結合電子対を有するため、励振電極表面に単分子膜を形成する。励振電極表面のダングリングボンドの数は有限であり、更に化学吸着によって励振電極表面全体に形成された単分子膜の上に更にシリコーン分子が重ねて化学吸着することはできず、それ以上周波数が低下することはない。一方、水晶基板を構成する水晶材料はダングリングボンドを有さないため、シリコーン分子は水晶基板表面に化学吸着することはない。
このことから、容器の気密封止前に、予め水晶振動素子などの圧電振動素子の励振電極表面にシリコーン分子を吸着させれば、それ以上、ガスの吸着が行われず経年的に共振周波数が低下することを低減させることが可能であると考え、以下に、その具体的な圧電デバイスの製造方法を提案する。
（実施形態）
【００１５】
図１は、本実施形態に係る圧電デバイスとしての圧電振動子を示す構成図であり、図１（ａ）は概略平面図、図１（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う模式断面図である。
圧電振動子１は、容器１０と、容器１０に収容される圧電振動素子１５と、容器１０内を気密に封止する蓋体２０とを備えている。
容器１０は、セラミックなどの絶縁基板１１にコバール材などで形成された金属リング１２が、ろう材などで固着されている。また、絶縁基板１１には圧電振動素子１５との接続をなす接続パッド１３が設けられ、絶縁基板１１内の配線により外部接続端子１４と接続されるように構成されている。
【００１６】
圧電振動素子１５は水晶板、タンタル酸リチウム板などの圧電基板からなり、その表面にＣｒを下地膜としたＡｕの金属膜である励振電極１６が形成されている。そして、圧電振動素子１５はシリコーン樹脂などの導電性接着剤１７を介して、絶縁基板１１の接続パッド１３に固定されている。このようにして、圧電振動素子１５の励振電極１６と接続パッド１３とが電気的に接続される。また、励振電極１６の表面にはシリコーン分子（環状ジメチルポリシロキサン分子：ジメチルポリシロキサンを４〜７重合したもの）２５が化学吸着されて単分子層が形成されている。この、励振電極１６上のシリコーン分子２５の付着状態は、図１（ｂ）の模式断面図において点で図示しているが、実際には励振電極１６表面を覆うように数多くのシリコーン分子２５が付着している。
【００１７】
容器１０の金属リング１２の上方にはコバール材などで形成された蓋体２０が配置され、容器１０と蓋体２０により画定される空間部２８がＮ2などの不活性ガスに満たされて、シーム溶接などで気密に封止されている。詳しくは、金属リング１２の表面にＮｉ、Ａｕのメッキが施され、蓋体２０の表面にはＮｉメッキが施されており、加熱によりＡｕ−Ｎｉ共晶合金が形成されることで両者が接合されている。
【００１８】
次に、上記の構成における圧電振動子１の製造方法について説明する。
図２は圧電振動子１の製造方法を説明する模式工程図である。
まず、図２（ａ）に示すように圧電振動素子形成工程として、水晶板、タンタル酸リチウム板などからなる圧電基板５に、フォトリソグラフィ技術を用いて多数の圧電振動素子１５を形成する。圧電振動素子１５には、Ｃｒを下地膜とし、その上にＡｕを形成した金属膜としての励振電極１６が形成されている。また、圧電振動素子１５は連結部１８によりフレーム部１９に接続され圧電基板５内に整列している。なお、これら圧電振動素子１５の共振周波数は所定の周波数となるように形成されている。
【００１９】
次に、図２（ｂ）に示すように放置工程として、密閉されたチャンバーなどに圧電振動素子１５が形成された圧電基板５を置き、そのチャンバー内にシリコーン分子の有する気体を導入して放置する。このとき、圧電振動素子１５の励振電極１６の表面にシリコーン分子が化学吸着して単分子膜を形成する。
その後、圧電基板５から連結部１８を折るなどして、圧電振動素子１５をフレーム部１９から分離して個片化する。そして、図２（ｃ）に示すように素子搭載工程として、シリコーンなどを含む導電性接着剤１７が塗布された容器１０の接続パッド上に圧電振動素子１５を搭載する。続いて、圧電振動素子１５を搭載した容器１０を加熱して導電性接着剤１７を乾燥させ、圧電振動素子１５を容器１０内に固定する。
【００２０】
その後、図２（ｄ）に示すように封止工程として、蓋体２０を容器１０の金属リング１２の上方に配置し、Ｎ2などの不活性ガス雰囲気で溶接ローラ２４を蓋体２０に圧接して電流を流してシーム溶接を行い、容器１０と蓋体２０により画定される空間部２８を気密に封止する。このようにして、図１に示す圧電振動子１が完成する。
なお、放置工程において、励振電極１６の一部にシリコーン分子を付着させたくない場合には、その部分をメタルマスクなどで覆っても良い。例えば、励振電極１６の導電性接着剤１７と接触する部分をメタルマスクなどで覆うことで、その部分にシリコーン分子を付着させないことができる。
【００２１】
以上のように本実施形態の圧電振動子１の製造方法によれば、放置工程において圧電振動素子１５の励振電極１６にシリコーン分子２５が化学吸着されて単分子膜が形成される。このことから、励振電極１６の表面全体に形成された単分子膜のシリコーン分子は吸着の手をもたないことから、さらに分子の吸着が行われることがなく、この圧電振動素子１５を容器１０に気密封止することで、経年的な共振周波数の変化を低減する圧電振動子１の製造方法を提供することができる。
また、この圧電振動子１の製造方法によれば、一枚の圧電基板５に多数の圧電素子１５が形成されており、圧電基板５の形態でシリコーン分子を有する気体が満たされた雰囲気内に放置する放置工程に流動することができ、圧電振動子１の生産効率を向上させることが可能である。
さらに、この圧電振動子１の製造方法によれば、連結部１８を折ることで圧電振動素子１５を個片化することができ、ダイシングソーなどの大掛かりな設備を必要としない。また、切断のための切削水などを必要としないため、励振電極１６に化学吸着されたシリコーンを有する気体の分子が金属膜から遊離することがない。
【００２２】
また、封止工程ではシーム溶接の他、レーザ溶接、Ａｕ−Ｓｎなどのろう材を溶融させる方法など、様々な封止方法を採用することができる。
また、本実施形態の封止工程では容器と蓋体にて画定される空間をＮ2などの不活性ガス雰囲気にて封止したが、減圧雰囲気にて封止を行っても良い。
【００２３】
以上、本実施形態において圧電デバイスとして圧電振動子を例示して説明したが、圧電振動子とこの圧電振動子の発振機能を有するＩＣ部品を備えた圧電発振器として構成しても良い。
さらに、本発明における圧電デバイスの製造方法は、圧電振動素子として弾性表面波素子を用いたＳＡＷ共振子、ＳＡＷフィルタ、ＳＡＷ発振器などの製造においても利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧電振動子を示す構成図であり、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断線に沿う模式断面図。
【図２】本発明の実施形態に係る製造工程を説明する模式工程図。
【図３】従来の容器内に封止した水晶振動素子の共振周波数が低下する現象を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２５】
１…圧電デバイスとしての圧電振動子、５…圧電基板、１０…容器、１１…絶縁基板、１２…金属リング、１３…接続パッド、１４…外部接続端子、１５…圧電振動素子、１６…金属膜としての励振電極、１７…導電性接合部材としての導電性接着剤、１８…連結部、１９…フレーム部、２０…蓋体、２４…溶接ローラ、２５…シリコーン分子。
【図１】
2008035180.tif 000003
【図２】
2008035180.tif 000004
【図３】
2008035180.tif 000005