(57)【要約】【課題】共振周波数を数十ｐｐｍ以下に抑え、安定性に優れ、周波数を正確に合わせた振動子の構造、及び再現性良く、高い歩留まりで作成する課題を解決する。【解決手段】基板に振動子を設けると共に振動子の両面に電極を設けた薄膜振動装置において電極と振動子との間に所定距離の空隙を有し、基板に凹部を設けて基板を肉薄にし、電極の厚み方向に複数の穴若しくはスリットを有し、振動子は基板に支えられ支持される少なくとも１個以上の支持部を有したことを特徴とする薄膜振動装置、及びその製作方法。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に振動子を設けると共に、振動子の両面に電極を設けた薄膜振動装置において、電極と振動子との間に所定距離の空隙を有したことを特徴とする薄膜振動装置。
【請求項２】
振動子は、基板に凹部を設けて基板を肉薄にして形成したことを特徴とする請求項１記載の薄膜振動装置。
【請求項３】
電極は、電極の厚み方向に複数の穴若しくはスリットを有したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の薄膜振動装置。
【請求項４】
振動子は、基板に支えられ、支持される少なくとも１個以上の支持部を有したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の薄膜振動装置。
【請求項５】
支持部は、振動子の中心より放射状に６０度もしくは９０度の角度で１個以上設けられたことを特徴とする請求項４記載の薄膜振動装置。
【請求項６】
凹部は、振動子の両面に設られる電極を搭載する段部を有したことを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の薄膜振動装置。
【請求項７】
基板は、水晶、ニオブ酸リチューム、タンタル酸リチューム、酸化亜鉛の圧電結晶やシリコンまたはサファイアなどの結晶であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の薄膜振動装置。
電極４と振動子３との距離は、０．０１〜１００μｍ
【請求項８】
振動子と電極との間の距離を０．０１〜１００μｍにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の薄膜振動装置。
【請求項９】
振動子の厚みは０．１〜１００μｍの範囲にあり、且つ電極の厚みが１０ｎｍ〜１０μｍの範囲にあることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の薄膜振動装置。
【請求項１０】
前記電極をクロムと金、またはニッケルと銀、またはニッケル・クロム合金と金、またはニッケル・クロム合金と銀の２層金属膜、あるいは単層金属膜で構成することを特徴とする請求項１ないし請求項９いずれかに記載の薄膜振動装置。
【請求項１１】
基板にエッチング手段により凹部を形成し、基板に薄肉を形成して振動子を作成する基板エッチング工程と、振動子部分に設けられる犠牲層を作成する犠牲層作成工程と、犠牲層と基板との両面に導体薄膜を形成する導体薄膜作成工程と、この導体薄膜をエッチングし電極部を作成する電極エッチング工程と、犠牲層を除去する工程、とからなる薄膜振動装置の作製方法。
【請求項１２】
犠牲層はレジストまたは誘電体または酸化シリコン多結晶、または、電極部と異なる金属で有ることを特徴とする請求項１１記載の薄膜振動装置の作製方法。
【請求項１３】
基板エッチング工程前に、前記基板に保護膜を形成する保護膜形成工程を有することを特徴とする請求項１１または請求項１２いずれかに記載の薄膜振動装置の作製方法。
【請求項１４】
電極部の厚み方向に複数の穴若しくはスリットを設けたことを特徴とする請求項１１ないし請求項１３いずれかに記載の薄膜振動装置の作製方法。
【請求項１５】
基板としてＡＴカットまたはＢＴカットまたはＳＣカットを使用したことを特徴とする請求項１１ないし請求項１４いずれかに記載の薄膜振動装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高精度で安定な発振が可能な薄膜振動装置及びその作製方法に関し、更に詳しくは、振動子に対して電極の影響を受けない、高精度の薄膜振動装置及びその作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は水晶基板に電極、振動子、リードが構成された従来の薄膜振動装置の構成図で、図１０は従来の薄膜振動装置の電極とリードを抽出して示した平面図である。
【０００３】
図中、９０は水晶基板で、エッチング等で凹部９１が形成される。９２は基板９０の凹部９１に形成される直径ｒの円形の振動子で、振動周波数により異なるが数十μｍ〜サブμｍの厚さを持って形成され、両面には電極９３が設けられている。９４は長さＬ、幅ｄからなるリードで、振動子９２上に形成された電極９３に接続されている。
【０００４】
振動子９２の励振は、振動子９２の表面に蒸着やスパッタリングにより形成された電極９３を導体として、リード９４を介して外部から電界を印加されることによって行われる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２５７５６０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような薄膜振動装置には、配線抵抗がその縦横比Ｌ／ｄに比例するから、例えばＬ／ｄが１０の場合、抵抗は膜厚さ１ｎｍの金の電極の場合２０オームにもなってしまい、水晶振動子の共振抵抗が３０オーム程度であることを考慮すると、水晶振動子のＱが低下する。これを改善するためには、電極はもっと厚く、例えば数十ｎｍ厚さ以上にする必要がある。
【０００７】
しかし、電極を例えば数十ｎｍ厚さにすると、電極を振動子に付けたことによる付加質量効果のため周波数は変化する。この結果、数十ｎｍ以上の電極付着により、数％にも達する周波数変動を生じてしまう。これでは、共振周波数を、数十ｐｐｍ以下に抑えることは至難の業であると同時に、長期安定性に大きな問題を残すことにもなる。つまり、安定性に優れ、周波数を正確に合わせた振動子を再現性良く、高い歩留まりで作成できないという問題点があった。
【０００８】
周波数変化率△ｆ／ｆは−ｎ・（２ｆ／Ａ）を（μ・ρ）の平方根で除し△ｍを乗じた値となる。ここで、△ｆは水晶振動子の発振周波数の変化、△ｍは水晶電極表面上の質量変化、ｆは水晶振動子の基本周波数、Ａは水晶の電極面積、μは水晶の弾性率、ρは水晶の密度である。この式は、電極等による付加質量効果による周波数変動率を定量的に表した計算式で、前述の電極形成時の付加質量効果による周波数変化率はこの式に基づいている。
【０００９】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたもので、共振周波数を、数十ｐｐｍ以下に抑える場合、例えば、６２２ＭＨｚのＶＣＸＯ用振動子の場合においては、振動部分の厚さを略２．２μｍ程度の厚さにすると共に、この振動子と離れて電極を設けるようにしたもので、高精度で安定な発振が可能な薄膜振動装置及びその作製方法を実現することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の目的を達成するためになされたもので、基板に振動子を設けると共に振動子の両面に電極を設けた薄膜振動装置において電極と振動子との間に所定距離の空隙を有したこと、振動子は基板に凹部を設けて基板を肉薄にして形成したこと、電極は電極の厚み方向に複数の穴若しくはスリットを有したこと、振動子は基板に支えられ支持される少なくとも１個以上の支持部を有したこと、支持部は振動子の中心より放射状に６０度もしくは９０度の角度で１個以上設けられたこと、凹部は振動子の両面に設けられる電極を搭載する段部を有したこと、基板は水晶、ニオブ酸リチューム、タンタル酸リチューム、酸化亜鉛の圧電結晶やシリコンまたはサファイアなどの結晶であること、振動子と電極との間の距離を０．０１〜１００μｍにしたこと、振動子の厚みは０．１〜１００μｍの範囲にあり且つ電極の厚みが１０ｎｍ〜１０μｍの範囲にあること、電極をクロムと金、またはニッケルと銀、またはニッケル・クロム合金と金、またはニッケル・クロム合金と銀の２層金属膜、あるいは単層金属膜で構成することを特徴とする薄膜振動装置を提供することにある。
【００１１】
また、基板にエッチング手段により凹部を形成して基板に薄肉を形成して振動子を作成する基板エッチング工程と、振動子部分に設けられる犠牲層を作成する犠牲層作成工程と、犠牲層と基板との両面に導体薄膜を形成する導体薄膜作成工程と、この導体薄膜をエッチングし電極部を作成する電極エッチング工程と、犠牲層を除去する工程と、犠牲層はレジストまたは誘電体または酸化シリコン多結晶、または、電極部と異なる金属で有ること、基板エッチング工程前に基板に保護膜を形成する保護膜形成工程を有すること、電極部の厚み方向に複数の穴若しくはスリット設をけたこと、基板としてＡＴカットまたはＢＴカットまたはＳＣカットを使用したことを特徴とする薄膜振動装置の作製方法を特徴とする薄膜振動装置を提供することにある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。図１は本発明の一実施例を示す平面図、図２はＡ−Ａ断面図である。図中、１は水晶、ニオブ酸リチューム、タンタル酸リチュームなどの基板で、エッチング等により凹部２が形成され、基板１が肉薄にされ、数十〜サブμｍの厚みの振動子３が作製される。
【００１３】
電極４は振動子３の両面に設けられた、厚み数μｍ〜数ｎｍの電極で、振動子３と所定距離の空隙５をもって形成される。電極４と振動子３との距離は、０．０１〜１００μｍになっていており、基板上に形成されていて、振動部分では中空に配置される構成に成っている。このため、互いに接触しないような構造になっていて、電極４の重みが振動子３に掛からないようになっている。なお、電極は、矩形であっても、楕円であっても良い。６は凹部２に形成された電極４を搭載する段部、７は電極に接続されるリードである。
【００１４】
電極４、リード７は、２層金属膜でクロムと金、またはニッケルと銀、またはニッケル・クロム合金と金、またはニッケル・クロム合金と銀等が用いられ、積層順位は特に問わない。
【００１５】
尚、説明では、一方の面にのみ凹部２が形成され振動子３が形成されるが、両面に凹部２を設け、振動子３を形成するようにしても良い。このような場合には、凹部２内に振動子３を封じ込めたように形成でき、電極４を基板１から突出しないで作ることができる。
【００１６】
図３は、本発明の振動子の拡大図である。この場合、振動子３は振動のエネルギーが振動子内部に蓄積されるよう細い溝３１で切り離されている。このようにすることで、振動エネルギーが外部に伝播しないばかりでなく、外部からの歪みや応力が振動子３に印加されることは無い。図中、３２は基板１に振動子３を保持する支持部、空間中の電極は省略してあるがこれまで述べた振動子同様振動子部に接触しないで空間中に配置されている。
【００１７】
図３において、振動子３を支持する支持部３２は４本の梁で構成されているが特別この構成である必要が無く、一本以上の梁であれば所望の機能を満足する。
【００１８】
また、振動子３がＡＴ板の場合、振動子を支持する支持部３２の設置角度は水晶のＸ軸（電機軸）から６０度、９０度の場合特別の効果を得ることができる。６０度の場合、支持部３２の支持方向から振動子３に力が掛かった場合、その力に対する周波数変動が最小の位置であるため、振動子３を保持する最適の位置となる。一方、９０度の位置においては、支持部３２をエッチング加工して製作する場合その断面形状が最適な形状となる。機械的な特性を優先した場合、この角度で支持部３２を設置することは望ましい。これらの場合であっても、支持部３２は図に示すように４本である必要はなく一本以上あればよい。
【００１９】
図４（Ａ）はウエハの切り出し角とα水晶の結晶軸に対する関係を説明する図、図４（Ｂ）と図４（Ｃ）は支持部のエッチング断面図で、図４（Ｂ）は応力感度がゼロになる位置の保持部の断面形状図、図４（Ｃ）は断面形状が垂直になる位置での断面形状図である。図４（Ｂ）に示す６０度の場合ではやや複雑な形状を示すが、長時間のエッチングを実施すれば３２ａ部分は消滅する。また、図４（Ｃ）の９０度の位置でのエッチング断面形状は図に示したような形状になり、単純な形状で機械的な応力集中などがおきにくい状態であることが理解できる。この形状では、さらにエッチングを進めていくと完全な長方形になり、より機械的な強度は向上する。
【００２０】
図５は電極とリード部の拡大図である。電極４に設けられた穴４１は、振動子３と電極４との間に設けられた犠牲層（図６、図７、図８の製作方法の説明図に示す）を解かす溶液の浸透を促進するものである。穴４１はスリット状の形状であっても問題ではない。また、穴４１は、同一の大きさである必要はなく、例えば多くの小さい穴と小数の大きい穴の組み合わせても良い。この穴４１は、上面から水晶をエッチングしたりあるいは微量の物質を水晶表面に付着させて振動子の周波数調整する場合には好ましい効果がある。なお、リード７の下部にも空隙を作る必要があるときは、ここにも穴４１設けることにより犠牲層除去の促進効果がある。
【００２１】
図６、図７、図８は本発明の薄膜振動装置の作製方法の説明図である。作製方法を図６、図７、図８を用いて工程の順に従って説明する。この場合は、基板として水晶を用いた場合の作製方法を例に挙げて述べる。
【００２２】
図６（Ａ）の工程に示すごとく、エッチングマスクと兼用の保護膜８０、この場合はクロム膜と金膜との２層スッパタ膜を基板１の両面にスッパッタリングする。次に図６（Ｂ）の工程に示すごとくレジスト８１を塗布した後、レジスト８１をパターニングして凹部になる部分のレジスト８１を図６（Ｃ）に示すように、除去する。レジスト８１を除去した後、クロム金属膜は第二硫酸セリウムアンモニウム主体とするのエッチング液でエッチングし、金金属膜はヨウ化カリを主体とするエッチング溶液でエッチングする。
【００２３】
金属薄膜をエッチングした後、図６（Ｄ）のようにレジスト８１を剥離し、図６（Ｅ）のように再度レジスト８１を両面に塗布して、下部をダイヤフラムの周辺の形状にパターン付けを行う。図６（Ｆ）は、塗布したレジストをパターニングした後の様子を示した図である。
【００２４】
図７（Ａ）は、水晶基板８１をエッチングする工程で、重フッ化アンモニウムやフッ酸等の水溶液や、これらのを主体とした混合液からなるエッチング液を用いる。ここでのエッチング量は、ダイアフラム下部に設置する電極４と水晶振動子３間の空隙を構成する深さとなる。
【００２５】
このように、水晶基板１を数μｍエッチングした後、続けて、クロム、金薄膜をエッチングする。エッチングは、クロム金属膜に対しては第二硫酸セリウムアンモニウム主体とし、金金属膜はヨウ化カリを主体とするエッチング溶液で、図７（Ｂ）はエッチングした結果を示している。
【００２６】
次の図７（Ｃ）の工程では、水晶ダイアフラムの厚さを所望の厚さまでエッチングする。例えば、６２２ＭＨｚの振動子３を製作する場合には、ダイアフラムの厚さは、約２２μｍ程度である。凹部と反対側の面のクロム、金薄膜は、振動子部分がエッチングされ除去される。
【００２７】
図７（Ｄ）は、振動子部分のクロム、金薄膜がエッチングされ、両面についたレジスト８１を除去された後の形である。
【００２８】
外部への引き出し線などを作る必要があれば、このダイアフラムまで完成したデバイスの両面にレジストを塗布しダイアフラム以外の電極部分をパターニングする。この工程の後、両面にレジスト８１を塗布し、犠牲層８２となる部分、つまりフローティング電極の部分のレジスト８１を残すようにパターニングを行う。図８（Ａ）にこの工程の結果を示す。
【００２９】
図８（Ｂ）の工程は、犠牲層８２を設けた後に、金属膜を付ける工程で、デバイスの両面にクロム、金あるいは単層の金属薄膜を両面にスパッタあるいは蒸着などの方法で付ける。図８（Ｃ）の工程は、図８（Ｂ）の後、さらに両面にレジストを塗布して電極や配線のパターニングを行った後の工程を示している。その後、犠牲層８２となるレジスト部分を除去すれば振動子は完成する。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の薄膜振動装置および薄膜振動装置の作製方法によれば次の効果が得られる。すなわち、振動子部分と電極部分とを空隙を介して配置しているため、電極を設置したことによる付加質量効果による周波数低下は発生しない。また、電極も厚くでき、周波数安定性の改善、周波数を目標の周波数に調整することが容易になる。また、振動子を基板と溝で切り離して設けたことにより、振動のエネルギーが振動子に蓄積され、この振動のエネルギーは外部に伝播されない。また、外部からの歪みや応力が振動子に印加されることもない。
【００３１】
この振動子の作製方法にあっては、振動子と電極との間に設けられる空隙をレジストの犠牲層によって作製するため、作製が簡単で、また、電極上に設けた穴からも、犠牲層を除去できるようにしているため、犠牲層を作製するスループットを大幅に改善することができる。さらに、電極に設置されている穴が、蒸着用物質が透過できる場合には、この穴を通して水晶表面に微少な物質を付着させ周波数調整を行うことも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜振動装置の一実施例を示す平面図
【図２】本発明の図１のＡ−Ａ断面図
【図３】本発明の振動子の平面図
【図４】（Ａ）はウエハの切り出し角とα水晶の結晶軸に対する関係説明図、（Ｂ）及び（Ｃ）は本発明の支持部のエッチング断面図
【図５】本発明の電極とリード部の平面図
【図６】本発明の薄膜振動装置の作製方法を説明する第一の図
【図７】本発明の薄膜振動装置の作製方法を説明する第二の図
【図８】本発明の薄膜振動装置の作製方法を説明する第三の図
【図９】従来の薄膜振動装置の構成例を示した断面図
【図１０】従来の薄膜振動装置の電極とリード部の平面図
【符号の説明】
１  基板
２  凹部
３  振動子
４  電極
５  空隙
６  段部
７  リード
３１  溝
３２  支持部
４１  穴
８０  保護膜
８１  レジスト
８２  犠牲層
【図１】
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【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】
2005057329.tif 000010
【図９】
2005057329.tif 000011
【図１０】
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