(57)【要約】【課題】台形状の突起部を有するメサ型基板を多量に生産する手段を得る。【解決手段】圧電基板の両主面と所定の間隔を隔して開口部を有するマスクを配置し、大気圧下で圧電膜をエピタキシャル成長させた圧電基板であって、前記マスクの開口部とその近傍に形成される前記圧電膜が前記圧電基板両主面のほぼ中央部に台形状に形成される。【選択図】図１
2007189492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板の両主面と所定の間隔を隔して複数の開口部を有するマスクを配置し、該開口
部内に露出した圧電基板面に大気圧下で圧電膜をエピタキシャル成長させた圧電基板の製
造方法であって、
前記マスクの開口部内とその近傍に形成される前記水晶膜が前記圧電基板両面に複数の
台形状突起部を形成し、該台形状突起部の周囲に沿って前記圧電基板を切断して、台形状
突起部有する圧電基板個片を得ることを特徴とする圧電基板の製造方法。
【請求項２】
圧電基板の両主面のほぼ中央部に対向して台形状突起部を備え、該台形状突起部をエピ
タキシャル成長法により形成したことを特徴とする圧電基板。
【請求項３】
請求項２に記載の圧電基板の両面に電極を形成した圧電振動素子と、表面実装用のパッ
ケージと、該パッケージの開口を封止する蓋と、を備え、前記圧電振動素子を前記パッケ
ージ内に収容し、前記蓋により前記パッケージを気密封止して構成したことを特徴とする
圧電振動子。
【請求項４】
請求項３に記載の圧電振動子と、発振回路と、を備えたことを特徴とする圧電発振器。
【請求項５】
前記圧電基板がＡＴカット水晶基板であることを特徴とする請求項１記載の圧電基板の
製造方法。
【請求項６】
前記圧電基板がＡＴカット水晶基板であることを特徴とする請求項２記載の圧電基板。
【請求項７】
前記圧電基板がＡＴカット水晶基板であることを特徴とする請求項３記載の圧電振動子
。
【請求項８】
請求項７に記載の圧電振動子と、発振回路と、を備えたことを特徴とする圧電発振器。
【請求項９】
前記圧電基板がＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）基板であることを特徴とする請求
項１記載の圧電基板の製造方法。
【請求項１０】
前記圧電基板がＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）基板であることを特徴とする請求
項２記載の圧電基板。
【請求項１１】
前記圧電基板がＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）基板であることを特徴とする請求
項３記載の圧電振動子。
【請求項１２】
請求項１１に記載の圧電振動子と、発振回路と、を備えたことを特徴とする圧電発振器
。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エピタキシャル成長法を用いて圧電膜を圧電基板面に形成した台形状メサ型
の圧電基板とその製造方法、及びその圧電基板を用いた圧電振動子と圧電発振器に関する
ものである。
【背景技術】
【０００２】
水晶振動子は、小型、経年変化が小さい、高精度、高安定な周波数が容易に得られる等
の利点を有するため、産業用機器、民生用機器の基準周波数源として広く用いられている
。近年、機器が小型化、軽量化されると共に水晶振動子の小型化への要求が強くなり、ま
た電子部品の組み立て自動化に適した表面実装型水晶振動子の需要が大きい。
水晶は物理的、化学的に安定な物質であるが、天然水晶は品質的、量的に問題があるた
め、現在では品質の安定性、供給量の安定確保という点で優れた人工水晶を用いて水晶振
動子を製造している。中でも周波数−温度特性が３次曲線を呈するＡＴカット水晶振動子
は、携帯電話等の通信機器に多量に用いられている。周知のように、ＡＴカット水晶振動
子は、水晶の結晶軸Ｙに垂直な水晶板（Ｙ板）を結晶軸Ｘの周りに約３５度１５分回転し
て得られる水晶板（ＡＴカット水晶板）の両主面に、真空蒸着、あるいはスパッタ装置等
を用いて金属膜を付着し、パッケージに気密封止して構成される。ＡＴカット水晶振動子
の振動モードは厚みすべり振動であり、その共振周波数ｆは厚さｔの逆数に比例し、比例
常数ｋは水晶の密度ρと切断角度に依存する弾性定数ｃ’とから決まり、約１．６５ＭＨ
ｚ・ｍｍである。
【０００３】
図６は従来のＡＴカット水晶振動素子の構成を示す図であって、同図（ａ）は平面図、
同図（ｂ）はＰ−Ｐにおける断面図、同図（ｃ）はＱ−Ｑにおける断面図、同図（ｄ）、
（ｅ）はそれぞれＸ軸方向（長手方向）、Ｚ’軸方向（短手方向）から見た厚みすべり振
動の変位分布を示す図である。図６の左側に座標軸を示すように、矩形状ＡＴカット水晶
板１１は長手方向（長さＬ）をＸ軸方向、短手方向（幅Ｗ）をＺ’軸方向とするのが一般
的である。このＡＴカット水晶板１１の表裏面に、真空蒸着、あるいはスパッタ装置の中
でマスクを介して電極１２ａ、１２ｂを形成して水晶振動素子を構成し、この水晶振動素
子を図示しないパッケージの内底部に収容し、パッケージ側の端子電極（図示しない）と
、各電極１２ａ、１２ｂからＡＴカット水晶板１１の端縁に伸びるリード電極とを導電性
接着剤１３ａ、１３ｂを用いて導通固定して水晶振動子を構成する。
【０００４】
上記のように構成された水晶振動素子の電気的等価回路は、一般的にインダクタンスＬ
１、容量Ｃ１、抵抗Ｒ１の直列回路に、静電容量Ｃ０を並列接続した回路で表される。こ
こで、インダクタンスＬ１、容量Ｃ１、静電容量Ｃ０は水晶板の厚さと電極の面積に依存
し、抵抗Ｒ１は振動エネルギーの損失を表している。
【０００５】
図６（ｄ）、（ｅ）に厚みすべりモードの振動変位分布を示すように、水晶板１１の辺
比（水晶板の長さＬあるいは幅Ｗと厚さｔとの比、Ｌ／ｔあるいはＷ／ｔ）が小さくなる
と、電極１２ａ、１２ｂとＡＴカット水晶板１１の端部との間隔が狭まり、エネルギー閉
じ込め理論を用いて設計しても、振動エネルギーは電極下に閉じ込めきれずに支持部に漏
洩して、直列共振抵抗Ｒ１が大きくなる。また、辺比を最適値に選んでもＡＴカット水晶
板１１の端部で主振動の振動エネルギーの一部が輪郭モードに変換して、水晶振動素子の
直列共振抵抗Ｒ１を劣化させると共に、共振周波数近傍に不要モードが励起される。
【０００６】
直列共振抵抗を改善する手段として、ＡＴカット水晶板１１の端部にベベル加工を施す
方法や、図７の断面図に示すように水晶板１４の主面中央部をメサ型構造とした水晶板を
用い、厚みすべり振動の振動エネルギーを水晶板の中央部に閉じ込めることにより、支持
部の影響や、端部での他のモードへの変換を極力低減し、水晶振動子の抵抗Ｒ１を改良し
、不要モードを抑圧した水晶子が用いられている。
【０００７】
近年、携帯電話機等の小型化、高機能化に伴い、水晶振動子の小型化、薄型化が強く求
められている。例えば、水晶振動子の外形寸法が３．２ｍｍ×２．５ｍｍ×１．０ｍｍか
ら更に小型化した２．５ｍｍ×２．０ｍｍ×０．７ｍｍが求められている。このような要
求に対し、水熱合成法で育成した人工水晶を所定の方位に切断し、所定の厚さに研磨して
水晶板を得る従来の方法と異なり、サファイヤ、シリコン、ＧａＡｓ等の基板上に水晶膜
をエピタキシャル成長させる気相成長法が、特許文献１に開示されている。図８は特許文
献１に開示されたエピタキシャル成長を行うための装置の概略図であり、この装置を用い
て成長させた水晶膜について、Ｘ線回折、走査型電子顕微鏡及び赤外線分光装置を用いて
評価したところ、結晶性の優れた水晶薄膜であると開示されている。
【０００８】
特許文献２には、シリコン（Ｓｉ）基板上に図８に示した装置を用いて水晶膜をエピタ
キシャル成長させた後、水晶膜を残して基板を凹陥状にエッチング加工すると共に、前記
水晶膜をくり抜き加工して振動部を形成し、該振動部の両面に電極を付着して水晶振動子
を構成する方法が開示されている。また、特許文献３には、図９に示すように水晶膜のエ
ピタキシャル成長を行うための装置内の基板台２０上に基板２１を配置し、該基板２１上
にマスク２２を載置する。そして、このマスク２２を介して水晶膜をエピタキシャル成長
させて、マスクの開口部の大きさに相当する形状の水晶薄膜を得る方法が開示されている
。
【０００９】
また、特許文献４にはプラノコンベックス形水晶エピタキシャル薄膜の製造方法が開示
されている。図１０（ａ）に示すように、サファイヤ、シリコン、あるいはガリウム砒素
等の材料に所望の曲率をもった多数の窪みを有する基台３１を形成する。この基台３１を
図８に示す装置内に配置し、珪素源としてアルコシドを気化して流入させ、窪みにバッフ
ァー層を形成し、その上に水晶エピタキシャル薄膜を形成する。そして、図１０（ｂ）に
示すように基台３１から水晶エピタキシャル薄膜３２を剥離し、図１０（ａ）と同一形状
のダミー基台へ嵌め込むように載置して研磨定盤などを水晶エピタキシャル薄膜に押しつ
けながら研磨することで、プラノコンベックス形の水晶薄膜が得られると開示されている
。
また特許文献５には、図１１に示すように、サファイヤ基台４０にＳｉＯ2膜を処理し
た基台４０上にマスク４１を載置する。そして、マスク４１の上部に設けたノズル４２か
ら気相状態の圧電材料を吐出して水晶膜を形成する方法が開示されている。このときマス
ク４１の内径よりノズル４２の内径を小さくすることにより、形成された薄膜結晶４３が
ベベリング加工を施した形状（半楕円体）と同様になると開示されている。
【特許文献１】特開２００２−８０２９６公報
【特許文献２】特許第３７０３７７３号
【特許文献３】特開２００５−２１３０８０公報
【特許文献４】特開２００５−２３９４９５公報
【特許文献５】特開２００５−２９５２２９公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献２の水晶薄膜振動子は、平板の振動部を有する水晶振動子であ
り、特許文献３の水晶薄膜も平板の水晶基板で、所望とする水晶基板の中央部が厚く周縁
部がなだらかに薄くなる水晶基板は得られない。
また特許文献４に開示されているプラノコンベックス形の水晶薄膜の製造方法では、多
数の窪みを有する基台をサファイヤ、シリコン、あるいはガリウム砒素等の材料で構成し
、予め基台の窪みにバッファー層を形成してから、水晶エピタキシャル薄膜を形成し、こ
れを剥離し、その後研磨して仕上げる必要があり、工数が大幅にかかり、コスト増になる
という問題があった。
また特許文献５の構成では、ベベリング加工を施した形状（半楕円体）の水晶薄膜が得
られるものの、水晶薄膜の取り扱いが難しいという問題があった。
本発明の目的は、水晶基板の両面の中央部に台形状の突起部を有するメサ型の水晶基板
を低コストで製造する製造方法、及びその水晶基板を用いた水晶振動子と水晶発振器を提
供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明にかかる圧電基板は、圧電基板の小型化を図るため、圧電基板の両主面と所定の
間隔を隔して複数の開口部を有するマスクを配置し、該開口部内に露出した圧電基板面に
大気圧下で圧電膜をエピタキシャル成長させた圧電基板の製造方法であって、前記マスク
の開口部内とその近傍に形成される前記水晶膜が前記圧電基板両面に複数の台形状突起部
を形成し、該台形状突起部の周囲に沿って前記圧電基板を切断して、台形状突起部有する
圧電基板個片を得る製造方法である。
圧電基板に大型の圧電基板と、マトリクス状の開口部を有するマスクと用いることによ
り、台形状突起部有する圧電基板を精度よく、大量に製造することが可能になり、製造コ
ストも大幅に低減できるという利点がある。また、圧電膜の台形状突起部はマスクの開口
部形状、水晶基板とマスクとの間隔、圧電エピタキシャル薄膜を形成する時間とに依存す
るので、極めて精度よく構成することができるという利点がある。
【００１２】
本発明にかかる圧電基板は、圧電基板の両主面のほぼ中央部に対向して台形状突起部を
備え、該台形状突起部をエピタキシャル成長法で形成した圧電基板である。
この圧電膜の台形状突起部を有した圧電基板は振動エネルギーを中央部に閉じ込める効
果があり、圧電基板を小型化するのに有利である。
【００１３】
本発明にかかる圧電振動子は、上記のように形成した圧電基板の両面に電極を形成した
圧電振動素子と、表面実装用のパッケージと、該パッケージの開口を封止する蓋と、を備
え、前記圧電振動素子を前記パッケージ内に収容し、前記蓋により前記パッケージを気密
封止した圧電振動子である。
このように構成した圧電振動子は、小型化が可能であると共に直列共振抵抗が小さく、
且つ共振周波数近傍の不要モードが抑圧された圧電振動子を低コストで実現できる。
【００１４】
上記のように構成した圧電振動子と、発振回路と、を備えた圧電発振器を構成する。こ
のように構成した圧電発振器は、小型、高周波、周波数可変範囲の広い圧電発振器が得ら
れ、且つ周波数ジャンプ現象の少ない圧電発振器となるという効果がある。
【００１５】
前記圧電基板がＡＴカット水晶基板であることと、その製造法、及び前記圧電基板をＡ
Ｔカット水晶基板として水晶振動子を構成する。このように構成した水晶振動子は、温度
特性、周波数エージングの良好な特性となる。
【００１６】
前記水晶振動子と、発振回路と、を備えた水晶発振器を構成する。このように構成した
水晶発振器は、温度特性、周波数エージングの良好な水晶発振器となる。
【００１７】
前記圧電基板がＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）基板であることと、その製造法、
及び前記圧電基板をＰＺＴとして圧電振動子を構成する。このように構成したＰＺＴ振動
子は、電気機械結合係数が大きいため、共振子−反共振子周波数の間隔が広いＰＺＴ振動
子を得ることができる。
【００１８】
前記ＰＺＴ振動子と、発振回路と、を備えた圧電発振器を構成する。このように構成し
たＰＺＴ発振器は、ＰＺＴ振動子の共振子−反共振子周波数の間隔が広いため、周波数可
変範囲の広いＰＺＴ発振器を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係る水晶基板とその製造方法の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する
。図１は、図８に示したエピタキシャル成長を行うための装置内に配置した水晶基板とマ
スクを拡大して示した概略図である。
この図１に示すように、本実施形態では、ＡＴカット水晶基板（以下、水晶基板と称す
）１の両主面と間隔５を隔してマスク２ａ、２ｂを配置し、このマスク２ａ、２ｂを装着
した水晶基板１を、エピタキシャル成長を行うための装置の中に載置すると共に、マスク
２ａ、２ｂの上下にノズル３を配設する。そして、このノズル３から水晶薄膜の原料ガス
を吐出させる。水晶基板１は高温（５５０度以上）に保持され、原料ガス（（テトラエト
キシシラン＋Ｎ2）、（Ｏ2＋Ｎ2）、（ＨＣｌ＋Ｎ2）、Ｎ2）も高温にし、それぞれ所定
の流量で供給する。
【００２０】
図２は水晶基板１の両面と所定の間隔を隔してマスク２ａ、２ｂを装着した斜視図であ
って、水晶基板１は所定の厚さに研磨し、ポリッシュあるいはエッチング等を施した大型
基板を用い、マスク２ａ、２ｂはマトリクス状に複数の開口部４を有するものを用いる。
水晶基板１とマスク２ａ、２ｂとの間に隙間５を設けるには、水晶基板１に面する側のマ
スク２ａ、２ｂの面に複数個の所定の厚さの突起物を形成すればよい。なお、マスク２ａ
、２ｂの材質は高温に耐えるものを用いる。ノズル３より吐出した原料ガスは開口部４内
に露出する水晶基板１上にエピタキシャル成長し、水晶膜６を形成する。さらに、水晶基
板１とマスク２ａ、２ｂとの隙間５より入り込む原料ガスにより、開口部４の縁よりマス
ク２ａ、２ｂの遮蔽部底面にかけて、傾斜を有する水晶膜６を形成することになる。図３
（ａ）は水晶基板１とその上にマトリクス状に析出し、台形状に結晶した水晶膜６である
。水晶基板１を台形状突起部の周囲に沿って、つまり破線７に沿って切断することにより
、図３（ｂ）の断面図に示す台形状突起部を有するメサ型水晶基板の個片が得られる。
【００２１】
水晶基板１の厚さ、その上に形成する水晶膜６の大きさと厚さは、要求仕様に基づいて
設計により決めればよい。
図４は本発明の水晶振動子の断面図である。
この図４に示す水晶振動子は、上記のように形成した台形状突起部を有するメサ型の水
晶基板に電極を付着して水晶振動素子Ｘ１を形成し、この水晶振動素子Ｘ１をセラミック
パッケージ８の内底部に収容して、セラミックパッケージ８の内部電極８ａに導電性接着
剤９を用いて導通固定する。さらに、セラミックパッケージ８の上部周縁部に形成したメ
タライズ部８ｂと金属蓋１０とを抵抗溶接機、Ａｕ−Ｓｎ封止機、半田封止機、ガラス封
止機、等の封止機により気密封止して小型水晶振動子Ｙ１を構成したものである。このよ
う構成すると、小型であると共に、直列共振抵抗Ｒ１が小さく、且つ不要モードが抑圧さ
れた水晶振動子が得られる。
【００２２】
図５は本発明の水晶振動子Ｙ１を用いたコルピッツ型水晶発振器の回路構成を示す図で
ある。周知のように、コルピッツ型発振回路はトランジスタＴｒのコレクタ−ベース間に
誘導性素子を、ベース−エミッタ間及びコレクターエミッタ間にそれぞれ容量性素子を接
続して構成する発振回路である。トランジスタＴｒのコレクタ−ベース間の誘導性素子と
して、ベース−接地間に水晶振動子Ｙ１を用いる。エミッタ−接地間に抵抗Ｒ１を接続し
、ベース−接地間に容量Ｃ１とＣ２との直列接続回路を接続すると共に、容量Ｃ１、Ｃ２
の接続中点とエミッタとを接続して、コルピッツ型発振回路を構成する。電源Ｖｃ−接地
間はバイパスコンデンサによって高周波的には短絡されているため、等価回路的にコレク
タ−ベース間に誘導性素子として利用する水晶振動子Ｙ１が挿入されたことになる。また
、容量Ｃ１とＣ２との中点がエミッタに接続されているため、トランジスタＴｒのベース
−エミッタ間には容量Ｃ１が、コレクタ−エミッタ間には容量Ｃ２が挿入されることにな
り、いずれも容量性として作用することになる。抵抗Ｒ２、Ｒ３はブリーダ抵抗でベース
バイアス電圧を設定する。
【００２３】
本願発明はＡＴカット水晶基板を例に説明したが、本願発明はこれに限らず、例えば、
ＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂＯ3、ＬＢＯ（Ｌｉ2Ｂ4Ｏ7）、ランガサイト（Ｌａ3Ｇａ5ＳｉＯ1
4）、ＰＺＴ（チタン酸ジルコニウム酸鉛）基板等の圧電基板に広く適用できることは言
うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】装置内に配置した水晶基板とマスクの拡大概略図。
【図２】水晶基板とマスクの斜視図。
【図３】（ａ）は水晶基板上に形成された水晶膜の一例を示した図、（ｂ）は個片の台形状メサ型水晶基板の一例を示した図。
【図４】本発明の水晶基板を用いて形成した水晶振動子の断面図。
【図５】本発明の水晶振動子を用いて構成した水晶発振器の一例を示した図。
【図６】（ａ）〜（ｅ）は従来の水晶振動子の概略図。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は従来のメサ型水晶基板の断面図。
【図８】エピタキシャル成長を行うための装置の一例を示した図。
【図９】水晶薄膜の製造方法の一例を示した図。
【図１０】（ａ）（ｂ）はプラノコンベックス状の水晶薄膜の製造方法を示した図。
【図１１】半楕円状の水晶薄膜の形成方法を示した図。
【符号の説明】
【００２５】
１  ＡＴカット水晶基板、２ａ、２ｂ  マスク、３  ノズル、４  開口部、５  隙間、
６  水晶膜、７  切断線、８  セラミックパッケージ、８ａ  端子電極、８ｂ  メタライ
ズ部、９  導電性接着剤、１０  金属蓋、Ｘ１  水晶振動素子、Ｙ１  水晶振動子、Ｒ１
、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４  抵抗、Ｃ0、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４、ＣＬ  容量、Ｔｒ  トランジスタ
、Ｖｃ  電源、ＶO  出力  
【図１】
2007189492.tif 000003
【図２】
2007189492.tif 000004
【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】
2007189492.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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