(57)【要約】【課題】熱による線膨張係数の違いに起因した応力変化が生じることを防止し、ＣＩ値を低く抑えることができる圧電振動片および圧電デバイスの製造方法を提供すること。【解決手段】圧電基板から圧電素子片を形成する素子片の形成工程と、前記圧電素子片に必要とされる駆動用の電極を形成する電極形成工程とを有する圧電振動片の製造方法であって、前記電極形成工程が、前記圧電素子片の電極を形成すべき箇所に下地層を成膜する下地形成工程ＳＴ１１と、前記下地層の表面に電極金属層を成膜する電極金属層の形成工程ＳＴ１２と、加熱により、前記下地層の金属を前記電極金属層に拡散させ、さらに該下地層を前記電極金属層の表面にほぼ完全に析出させる加熱析出工程ＳＴ１３−１、ＳＴ１３−２、ＳＴ１３−３と、該析出した金属層をほぼ完全に除去する析出金属除去工程ＳＴ１４とを備える。【選択図】図３
2008236458.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板から圧電素子片を形成する素子片の形成工程と、前記圧電素子片に必要とされる駆動用の電極を形成する電極形成工程とを有する圧電振動片の製造方法であって、
前記電極形成工程が、
前記圧電素子片の電極の下地となる下地層を成膜する下地形成工程と、
前記下地層の表面に電極金属層を成膜する電極金属層の形成工程と、
加熱により、前記下地層の金属を前記電極金属層に拡散させ、さらに該下地層を前記電極金属層の表面に析出させる加熱析出工程と、
該析出した金属層をほぼ完全に除去する析出金属除去工程と
を備えることを特徴とする圧電振動片の製造方法。
【請求項２】
前記加熱析出工程では、前記下地層をほぼ完全に析出させる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】
前記圧電素子片が水晶素子片であり、前記下地層がＣｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａＨｆ、Ｍｏ、Ｚｒから選択されるひとつの金属であり、前記電極金属層がＡｕ、Ａｇ、Ｐｔから選択されるひとつの金属であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の圧電振動片の製造方法。
【請求項４】
前記析出金属除去工程がエッチングにより行われることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の圧電振動片の製造方法。
【請求項５】
前記析出金属除去工程が、実質的に、当該析出金属が最表面において少なくとも平面的に連続しない状態までエッチングを行うことを特徴とする請求項４に記載の圧電振動片の製造方法。
【請求項６】
収容容器内に圧電振動片を収容して圧電デバイスを形成する圧電デバイスの製造方法において、
前記圧電振動片を請求項１ないし５のいずれかの方法により製造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、圧電基板から形成される圧電振動片の製造方法ならびに、これをパッケージやケースに収容した圧電デバイスの製造方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、あるいはＩＣカード等の小型の情報機器や、携帯電話、自動車電話、またはページングシステム等の移動体通信機器において、圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。
従来の圧電デバイスは、収容容器としての例えばパッケージ内に、例えば、圧電材料で形成した圧電振動片を収容している。
圧電振動片は、例えば水晶ウエハを矩形にエッチングして駆動用の電極を設けることにより形成されている。
【０００３】
このような圧電振動片の電極は、電極を形成する金属を圧電材料と接合するための下地層と、その表面に形成され、電気抵抗が少ない金属により導通をはかるための電極金属層とを有している。
そして、このような成膜後に加熱する技術が知られている。
例えば、圧電振動片をシリコーン樹脂を含有した導電性接着剤で接合し、加熱して硬化させると、電極部の電極金属層であるＡｕの表面にシリコーン膜が形成されて導通を阻害するが、これを防止するため、電極形成後に加熱し、Ａｕ表面に下地金属膜を拡散・析出させて、シリコーン膜の形成を防止している（特許文献１）。
これ以外にも、加熱により下地層を電極金属層であるＡｕ表面に析出させる技術は他にもある（特許文献２、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１５１３４５
【特許文献２】特開２００３−２２４４４２
【特許文献３】特開２００１−３４５６５５
【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、これらの技術によってもＣＩ値の改善はされていない。
そのことは、以下の理由によると考えられる。
これらの電極膜は、その膜構成が複数の金属によるものとされている。つまり、下地層の表面に電極金属層が形成されていたり、電極金属層の表面に下地層が析出されたりしても、結局複数の金属組成となっている。
このため、金属毎の熱による線膨張係数の違いにより、応力変化が生じ、そのため振動特性が変化して、ＣＩ値が高くなってしまう。
しかも、電極金属層よりも硬い下地金属が下地層として、あるいは、電極金属層の表面に析出した金属層として存在すると、励振の障害になるような応力が発生し、振動にともなう質量効果などに大きな影響を与えるので、このような原因によっても、ＣＩ値や温度特性が劣化するという問題がある。
【０００６】
本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、熱による線膨張係数の違いに起因した応力変化が生じ、あるいは電極金属とは異なるより硬い下地金属が存在することにより励振の障害となる応力が作用することを防止し、ＣＩ値を低く抑えて、良好な振動特性を得ることができる圧電振動片および圧電デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的は、圧電基板から圧電素子片を形成する素子片の形成工程と、前記圧電素子片に必要とされる駆動用の電極を形成する電極形成工程とを有する圧電振動片の製造方法であって、前記電極形成工程が、前記圧電素子片の電極の下地となる下地層を成膜する下地形成工程と、前記下地層の表面に電極金属層を成膜する電極金属層の形成工程と、加熱により、前記下地層の金属を前記電極金属層に拡散させ、さらに該下地層を前記電極金属層の表面に析出させる加熱析出工程と、該析出した金属層をほぼ完全に除去する析出金属除去工程とを備える圧電振動片の製造方法により、達成される。
【０００８】
第１の発明の構成によれば、この圧電振動片の製造方法においては、圧電素子片に電極膜を形成する工程に特徴を有している。
つまり、この製造方法では、先ず、下地層を成膜し、その表面に電極金属層を成膜し、加熱により加熱析出工程を実行するものである。すなわち、加熱により、下地層の成分が上層である電極金属層内に拡散し、さらに、該電極金属層の表面に析出させるのである。これにより、下地層と電極金属層が入れ替り、最表面には下地層が露出する状態となるから、この析出した金属層をほぼ完全に除去する。
その結果、圧電振動片を構成する圧電材料の表面には、基本的には電極金属層だけになるので、形成される電極膜は、その組成がほとんど単一の金属によるものとされることになる。このため、当該電極膜は、複数の金属による組成の場合のように、熱による線膨張係数の違いは無いので、金属組成の違いによる応力変化が生じることがなく、そのため振動特性が変化してしまうことが有効に防止される。
かくして、このように形成された圧電振動片では、ＣＩ値をきわめて低く抑えることができ、特に、ＣＩ値のばらつきが少なく、歩留まりが向上する。
なお、圧電材料である水晶の基板上に、下地層を用いないで、金などの電極金属を直接形成する方法もあるが、それには水晶の表面を特殊処理して、基板上の酸素成分などを完全に除去する必要があり、きわめて面倒な処理で、量産性に乏しい。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明の構成において、前記加熱析出工程では、前記下地層をほぼ完全に析出させることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、さらに加熱を続けることによって、前記下地層をほぼ完全に該電極金属層の表面に析出させる。これによって、下地層と電極金属層がほぼ完全に入れ替り、最表面には下地層がほぼ完全に露出する状態となる。このため、析出した金属層をほぼ完全に除去すれば、形成される電極膜には、ほとんど電極金属しか残らないことになる。これにより、第１の発明で説明した作用効果がより完全に実現できるものである。
【００１０】
第３の発明は、第１または２の発明の構成において、前記圧電素子片が水晶素子片であり、前記下地層がＣｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａＨｆ、Ｍｏ、Ｚｒから選択されるひとつの金属であり、前記電極金属層がＡｕ、Ａｇ、Ｐｔから選択されるひとつの金属であることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、圧電振動片として水晶片を選択し、これに対応して、下地層を、高融点金属、すなわち、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａＨｆ、Ｍｏ、Ｚｒから選択されるひとつの金属とする。これらの高融点金属は、電極金属として選択されるＡｕ、Ａｇ、Ｐｔと密着性がよく、かつ拡散して合金を形成できる。なお、前記電極金属層をＡｕ、Ａｇ、Ｐｔから選択されるひとつの金属とするのは、導通抵抗がきわめて低いからである。
【００１１】
第４の発明は、第１ないし３のいずれかの発明の構成において、前記析出金属除去工程がエッチングにより行われることを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、圧電振動片を、圧電ウエハ（水晶ウエハ）等の比較的大きな圧電基板から同時に多数個製造する場合には、トリミングなどの手法と比べると、エッチングによることが、効率の点で好ましい。特に、ウエットエッチングにより前記析出金属除去工程を実行することにより、広い面積にわたって迅速に除去することができて好ましい。
【００１２】
第５の発明は、第４の発明の構成において、前記析出金属除去工程が、実質的に、当該析出金属が最表面において少なくとも平面的に連続しない状態までエッチングを行うことを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、電極金属層の表面を覆う前記析出金属を除去する上では、これを全て完全に除去することが好ましいが、エッチングの進行によっては、一部残ってしまっても、電極金属層を覆う当該析出金属が水平方向に連続すること（横に連続すること）が無いように分断させる程度にまでエッチングすることにより、当該析出金属の膜剛性や、電気的性質を考慮しなくてもよくなる。
ここで、「最表面において少なくとも平面的に連続しない状態までエッチングを行う」とは、例えば、電極金属層の最表面において、例えば、島状に析出金属が残る程度を意味する。これにより、析出金属の平面方向の応力が分断されるので、形成される電極膜は全体として剛性が低下する結果、励振時に圧電基板の変位に与える影響が著しく低減される。
【００１３】
第６の発明は、第１ないし第５のいずれかの製造方法により得られる圧電振動片を収容容器内に収容して圧電デバイスを形成することを特徴とする。
第６の発明の構成によれば、このような圧電振動片を利用することにより、全体としてもＣＩ値をきわめて低く抑えた圧電デバイスを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１および図２は本発明の圧電振動片の実施形態を示しており、図１はその概略斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
すなわち、圧電振動片１０は、全体が水晶ウエハなどから形成した圧電（水晶）基板４３で形成されている。すなわち、圧電基板４３をエッチングして、図示の形状とされており、固定用の基部１１と、この基部１１を基端として、図において斜め上方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕１２，１３を備え、全体が音叉のような形状とされた、所謂屈曲振動をする音叉型圧電振動片である。
本実施形態の製造方法は、このような屈曲振動をする圧電振動片に適用される場合に最も効果を発揮する。
【００１５】
図１および図２に示されているように、圧電振動片１０の各振動腕１２，１３には、それぞれ長さ方向に延びる長い有底の長溝１４，１５が形成されている。この各長溝１４，１５は、図２に示されているように、各振動腕１２，１３の表裏両面に形成されている。
さらに、図２において、圧電振動片１０の基部１１の端部（図１では下端部）の幅方向両端付近には、引き出し電極１８，１９が形成されている。各引き出し電極１８，１９は、圧電振動片１０の基部１１の図示しない裏面にも同様に形成されている。
【００１６】
これらの各引き出し電極１８，１９は、図示しないパッケージ側の電極部と導電性接着剤等により接続される部分である。そして、各引き出し電極１８，１９は、図１および図２に示されているように、各振動腕１２，１３の長溝１４，１５内に設けた励振電極１６，１７とそれぞれ一体に接続されている。
また、各励振電極１６，１７は、図２に示されているように各振動腕１２，１３の両側面にも形成されており、例えば、振動腕１３に関しては、長溝１５内の励振電極１７と、その側面部の励振電極１６とは互いに異極となるようにされている。また、振動腕１２についても構造は同じである。
【００１７】
この圧電振動片１０を形成するための圧電材料として、例えば、この実施形態では水晶が使用されており、水晶以外にもタンタル酸リチウム，ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができる。また、圧電素子片の形状もフラットタイプに限らず、コンベックスタイプや、逆メサ型の振動片を用いることができる。
あるいは、これら以外にも、例えば、基部と該基部から平行に延びる一対の振動腕を備えた所謂音叉型振動片、あるいはジャイロセンサのセンサ片等を用いることもでき、特に輪郭振動子片に効果がある。さらにまた、弾性表面波振動子素子片などにも適用できる。
【００１８】
また、この圧電振動片１０は、セラミック容器であるパッケージ（収容容器）に、収容することができる。すなわち、パッケージの内部に設けた電極パッドに、圧電振動片１０の引き出し電極１８，１９を導電性接着剤などにより、電気的・機械的に接続し、該パッケージを蓋体により気密に封止することにより、圧電振動子や圧電発振器などの圧電デバイスを形成することができる。
ここで、上記したパッケージの電極パッドに対して、導電性接着剤などにより、圧電振動片１０を電気的・機械的に接続する場合に、本実施形態による該圧電振動片１０の電極金属の表面に析出した析出金属が、ほぼ除去された状態になっていると、当該電極金属の下地層として、酸化し易い下地金属を選択した場合などは、上記導電性接着剤との導電性が高まり、電気特性のよい圧電デバイスを得ることができる。
そしてまた、析出した金属膜が平面的に連続しない状態、すなわち、例えば、島状に点在する程度までほぼ完全に除去することによって、導電性接着剤や振動片固定用の接着剤との接合面積が増えて、接合強度が増強されるという効果が生ずる。
【００１９】
（圧電デバイスの製造方法）
（圧電振動片の製造方法）
次に、上記した圧電デバイスおよび、これに使用する圧電振動片の製造方法の実施形態を説明する。
先ず、圧電振動片の製造方法を説明する。
圧電材料として、上述したように、例えば水晶ウエハが使用される。
図１の音叉型の圧電振動片１０を製造する場合には、人工水晶から切り出した水晶ウエハを、フッ酸溶液などによりエッチングして、図１の外形を形成し圧電素子片を得る。
圧電振動片として、図１の形態ではなく、例えば、ＡＴカット振動片を形成する場合には、水晶の結晶軸に対して所定角度で切り出したＡＴカット水晶板を得る。このＡＴカット水晶片が圧電素子片であり、その表面に、駆動に必要な励振電極や引出し電極などの電極膜を形成して振動片とする点は、音叉型圧電素子片の場合と同じである。
【００２０】
（電極形成工程）
次に、圧電素子片に駆動用の電極を形成するための電極形成工程について詳しく説明する。
すなわち、図３は、本実施形態の電極形成工程（電極形成方法）に係るフローチャートであり、図３および関連する図４、図５等を参照しながら、電極形成方法について説明する。
【００２１】
（下地形成工程）
本実施形態では、圧電素子片は上述したように、水晶片であり、その表面に蒸着やスパッタリング等の手法により、図４（ａ）に示すように、（水晶）基板４３の表面に下地層となる金属層４４を成膜する。
すなわち、水晶表面に後述する導通抵抗がきわめて低い金属、すなわち電極金属層である例えばＡｕ等を成膜しようとしても、接合しにくいので、後述する接合層ができるまで、水晶表面と金とを仮に接合させる仮の接合層として下地層４４を形成する。
具体的には、圧電素子片を所定の治具に収容し、スパッタリングや蒸着が可能な真空チャンバー等に移載し、スパッタ工程などを実施する。
この実施形態では、下地層としては高融点金属、すなわち、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａＨｆ、Ｍｏ、Ｚｒから選択されるひとつの金属を成膜する。これらの高融点金属は、電極金属として選択されるＡｕ、Ａｇ、Ｐｔと密着性がよく、かつ拡散して合金を形成できるからである。
本実施形態では、下地層４４としてはクロム（Ｃｒ）が選択され、１０ないし５００オングストロームの膜厚で形成する。
【００２２】
（電極金属層の形成工程）
次に、図４（ａ）に示されているように、駆動電圧を伝達するため、導通性に優れた金属で電極膜を成膜すること、すなわち、電極金属層４５を下地層４４の表面に形成する。
なお、この電極金属層４５が図１、図２の励振電極１６，１７（引出し電極１８，１９を含む）となる。
この実施形態では、電極膜は、導通抵抗がきわめて低いＡｕ、Ａｇ、Ｐｔから選択されるひとつの金属とし、特に、例えば、金（Ａｕ）が選択され、この実施形態では、１００ないし１０００オングストロームの膜厚となるように蒸着または、スパッタリングにより成膜される。
金を選択するのは、下地層４４を形成する上記高融点金属がＡｕ、Ａｇ、Ｐｔと密着性がよく、しかもこれら高融点金属は、後述するように、熱により拡散して合金を形成できるからである。
【００２３】
（加熱析出工程）
図４（ｂ）、図４（ｃ）、図５（ａ）は、本実施形態の製造方法における加熱析出工程であり、上記チャンバー内などで大気圧で実施することができる。
この加熱析出工程は、図３（ａ）のＳＴ１３のように、例えば、ひとつの加熱装置において、連続加熱する工程とすることができる。
あるいは、図３（ｂ）に示すように、３つの加熱段階に対応して、異なる過熱装置、あるいは異なるチャンバー内の加熱手段などにより、それぞれ好適条件とした段階を設けて順次加熱する工程としてもよい。
しかしながら、いずれの方法によっても、図３（ａ）の加熱処理（ＳＴ１３）は、詳しくは、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図５（ａ）に示した段階を経るものであり、理解の便宜のため、図３（ｂ）に基づいて説明する。
【００２４】
この場合の加熱温度および時間は、下地層４４および電極金属層４５の各金属の種類と膜厚により異なるが、２００度ないし５００度（摂氏）の温度範囲で、１ないし４８時間程度である。各膜厚および温度条件に対応して、加熱時間は比例関係の相関をもって決定される。
この加熱の過程で、加熱処理１（ＳＴ１３−１）においては、図４（ｂ）に示すように、下地層４４と電極金属層４５の境界付近で下地層４４であるクロムが電極金属層４５である金に対して拡散をはじめる。
【００２５】
加熱を続けると、加熱処理２（ＳＴ１３−２）においては、図４（ｃ）に示すように、下地層４４のクロムが、その表面側である電極金属層４５の表面を超えて、最表面に析出しはじめる。
さらに加熱を続ける加熱処理３（ＳＴ１３−３）においては、図５（ａ）に示すように、下地層４４のクロムは、電極金属層４５の表面、すなわち、最表面側にほぼ全て析出することになる。
ここで、「クロムが電極金属層４５の表面にほぼ全て析出する」とは、ほぼ全てのクロム成分が、最表面に析出した結果、基板４３と電極金属層４５の境界においては、水晶の酸素成分と共有結合したクロム原子の層がきわめて薄く形成され、この層が基板４３に対して電極金属層４５を接合する接合層４６となる状態を指す。
すなわち、基板４３に対して、電極金属層４５はほぼ直接に接合している状態となる。
【００２６】
（析出金属除去工程）
続いて、最表面に析出した下地層由来のクロム層４４を図５（ｂ）に示すようにエッチングする析出金属除去工程（表面層エッチング）（ＳＴ１４）を実施する。
この場合、ドライエッチングを行ってもよいが、例えば、硝酸２セリウムアンモニウム水溶液等により、ウエットエッチングをすることにより、より迅速にエッチングすることができる。
そして、この工程で重要な点は、最表面に析出した金属層であるクロム層４４をほぼ完全に除去することである。
ここで、理想的には、電極金属層４５の最表面に視認される黒色のクロムを全て除去するのであるが、これに限らず、ほぼ完全に除去すれば足りるのである。
ここで、「最表面に析出したクロムをほぼ完全に除去する」とは、例えば、最表面に島状に離れて析出金属が残る程度を意味する。このような状態まで除去すれば、析出金属の平面方向の応力が分断されるので、形成される電極膜は全体として剛性が低下する結果、励振時に圧電基板の変位に与える影響が著しく低減される。
また、このエッチングにより圧電振動片の周波数を質量削減方式により調整する効果もある。
【００２７】
その結果、圧電振動片１０を構成する圧電材料の表面には、基本的には電極金属層４５だけになるので、形成される励振電極１６，１７（電極膜）（引出し電極１８，１９を含む）は、その組成が単一の金属によるものとされることになる。このため、当該電極膜は、複数の金属による組成の場合のように、熱による線膨張係数の違いは無いので、応力変化が生じることがなく、そのため振動特性が変化してしまうことが有効に防止される。
すなわち、電極金属層よりも硬い下地金属が下地層として存在すると、励振の障害になるような応力が発生し、振動にともなう質量効果などに大きな影響を与えるので、このような原因によっても、ＣＩ値や温度特性が劣化するという弊害があるが、このような弊害が有効に防止される。
【００２８】
次に、図２で示した励振電極１６，１７や引出し電極１８，１９を作るように、フォトリソグラフィの手法などにより、電極形状が形成される。
次に、上記工程と別に形成された図示しないパッケージ側の電極パッドに、導電性接着剤を塗布して、その上に圧電振動片１０の図１で説明した各引出し電極１８，１９の箇所が載置される。
ついで、これら導電性接着剤を加熱して硬化させることにより圧電振動片１０をパッケージの内側底面に片持ち式に接合する。
次に、パッケージを真空チャンバー内に移し、セラミックやガラスあるいはコバールなどの金属で形成された蓋体を低融点ガラスやニッケルなどのロウ材を介して真空雰囲気下で接合する。
最後に必要な検査を経て、圧電デバイスが完成する。
【００２９】
図６は、従来の圧電振動片のＣＩ値分布Ａと本実施形態による圧電振動片４０のＣＩ値分布を示すグラフである。ＣＩ値の中心値も低下しているし、ＣＩ値のばらつきも大幅に集束していることがわかる。
このように、本実施形態の製造方法により形成された圧電振動片では、ＣＩ値をきわめて低く抑えることができ、特に、ＣＩ値のばらつきが少なく、歩留まりが向上する。また、このような圧電振動片を利用して圧電デバイスを形成することにより、圧電デバイスの性能も安定する。
【００３０】
本発明は上述の実施形態に限定されない。各実施形態の各構成はこれらを適宜組み合わせたり、省略し、図示しない他の構成と組み合わせることができる。
また、この発明は、パッケージやケースを利用し、内部に圧電振動片を収容するものであれば、圧電振動子、圧電発振器等の名称にかかわらず、全ての圧電デバイスの電極構造に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係る圧電振動片の概略断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ概略断面図。
【図３】図２の圧電振動片の製造方法の実施形態に係るフローチャート。
【図４】図３の加熱処理１ないし２における圧電振動片の表面付近の部分拡大図。
【図５】図３の加熱処理３および表面層エッチングにおける圧電振動片の表面付近の部分拡大図。
【図６】従来の圧電振動片と本実施形態による圧電振動片のＣＩ値を比較して示すグラフ。
【符号の説明】
【００３２】
１０・・・圧電振動片、１６，１７・・・励振電極、４３・・・（圧電）基板、４４・・・下地層、４５・・・電極金属層
【図１】
2008236458.tif 000003
【図２】
2008236458.tif 000004
【図３】
2008236458.tif 000005
【図４】
2008236458.tif 000006
【図５】
2008236458.tif 000007
【図６】
2008236458.tif 000008