(57)【要約】【課題】圧電振動片及び外枠を一体にした圧電基板の両面に上下圧電基板を接合した圧電振動子において、高い気密性及び接合強度を確保しかつ高い周波数精度を実現する。【解決手段】水晶振動子１は、ＡＴカット水晶振動片５と外枠６とを一体に結合した中間水晶板２と上側及び下側水晶基板３，４とを備える。中間水晶板の外枠下面には導電膜１０，１３が形成され、下側水晶基板の上面には金属薄膜１６，１８が形成され、互いにプラズマ処理により清浄化・活性化した後、拡散接合により気密に接合される。中間水晶板と下側水晶基板との接合後、中間水晶板と上側水晶基板との接合前に、水晶振動片を周波数調整することができる。中間水晶板外枠の上面及び上側水晶基板の下面は水晶素面からなり、プラズマ処理を用いた表面活性化接合により気密に接合される。【選択図】図１
2007306434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電振動片と、その上面が鏡面研磨加工した圧電材料の素面からなりかつ下面が鏡面研磨加工した前記圧電材料の表面に形成した導電膜を有する外枠とを一体に結合した中間圧電基板と、
前記中間圧電基板と同一の圧電材料からなり、かつ前記外枠上面との接合面が鏡面研磨加工した前記圧電材料の素面からなる上側圧電基板と、
前記中間圧電基板と同一の圧電材料からなり、かつ前記外枠下面との接合面が鏡面研磨加工した前記圧電材料の表面に形成した金属薄膜を有する下側圧電基板とを備え、
前記外枠上面及び前記上側圧電基板の接合面が、それぞれ表面活性化した後に、互いに前記圧電材料同士の表面活性化接合により気密に接合され、
前記外枠下面及び前記下側圧電基板の接合面が、それぞれ表面活性化した後に、互いに前記導電膜と前記金属薄膜との拡散接合により気密に接合され、
それにより前記中間圧電基板と前記上側及び下側圧電基板との間に画定されかつ封止されるキャビティ内に前記圧電振動片が浮いた状態で保持されていることを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
前記圧電振動片が厚みすべり振動モードを主振動とすることを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項３】
前記上側、中間及び下側圧電基板がそれらの結晶面方位を合わせて接合されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電振動子。
【請求項４】
前記圧電材料が水晶であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の圧電振動子。
【請求項５】
圧電振動片と、その上面が鏡面研磨加工した圧電材料の素面からなりかつ下面が鏡面研磨加工した前記圧電材料の表面に形成した導電膜を有する外枠とを一体に結合した中間圧電基板を形成する工程と、
前記中間圧電基板と同一の圧電材料からなり、かつ前記外枠上面との接合面が鏡面研磨加工した前記圧電材料の素面からなる上側圧電基板を形成する工程と、
前記中間圧電基板と同一の圧電材料からなり、かつ前記外枠下面との接合面が鏡面研磨加工した前記圧電材料の表面に形成した金属薄膜を有する下側圧電基板を形成する工程と、
前記中間圧電基板の前記外枠上面及び下面、並びに前記上側及び下側圧電基板の各接合面を表面活性化する工程と、
前記下側圧電基板の上に前記中間圧電基板を重ね合わせ、前記外枠下面及び前記下側圧電基板の接合面を、互いに前記導電膜と前記金属薄膜との拡散接合により気密に接合する工程と、
前記下側圧電基板と接合された前記中間圧電基板の上面に前記上側圧電基板を重ね合わせ、前記外枠上面及び前記上側圧電基板の接合面を、互いに前記圧電材料同士の表面活性化接合により気密に接合する工程とを有し、
前記中間圧電基板と前記上側及び下側圧電基板との間に画定されるキャビティ内に前記圧電振動片を浮いた状態で保持しかつ封止することを特徴とする圧電振動子の製造方法。
【請求項６】
前記下側圧電基板と前記中間圧電基板とを接合した後、前記上側圧電基板を接合する前に、前記圧電振動片を周波数調整する工程を更に有することを特徴とする請求項５に記載の圧電振動子の製造方法。
【請求項７】
複数の前記中間圧電基板を有する中間圧電ウエハを形成する工程と、複数の前記上側基板を前記中間圧電ウエハの中間圧電基板に対応させて配設した上側圧電ウエハを形成する工程と、複数の前記下側基板を前記中間圧電ウエハの中間圧電基板に対応させて配設した下側圧電ウエハを形成する工程と、前記中間圧電ウエハの上面及び下面並びに前記上側及び下側圧電ウエハの各接合面を表面活性化する工程と、前記下側圧電ウエハの上に前記中間圧電ウエハを重ね合わせて一体に接合する工程と、前記下側圧電ウエハと接合した前記中間圧電ウエハの上に前記上側圧電ウエハを重ね合わせて一体に接合する工程と、接合した前記圧電ウエハの積層体を切断して圧電振動子を個片化する工程とを有することを特徴とする請求項５又は６に記載の圧電振動子の製造方法。
【請求項８】
前記圧電振動片が厚みすべり振動モードを主振動とすることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の圧電振動子。
【請求項９】
前記上側、中間及び下側圧電基板をそれらの結晶面方位を合わせて接合することを特徴とする請求項請求項５乃至８のいずれかに記載の圧電振動子。
【請求項１０】
前記圧電材料が水晶であることを特徴とする請求項５乃至９のいずれかに記載の圧電振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚みすべり振動モード又は音叉型の圧電振動片をパッケージに気密に収容した圧電振動子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来水晶振動子などの圧電デバイスは、電子機器の小型化、薄型化に伴ってより一層の小型化・薄型化が要求され、回路基板等への実装に適した表面実装型のものが多用されている。一般に表面実装型の圧電デバイスは、セラミックなどの絶縁材料で形成したパッケージに圧電振動片を封止する構造が広く採用されている。従来のパッケージ構造は、低融点ガラスやシーム溶接などでベースとリッドとを接合するため、低融点ガラスから発生するガスやシーム溶接の高熱の影響で、水晶振動片の周波数特性を低下させたり劣化させる虞がある。また、低融点ガラスは鉛を含む場合が多く、環境に影響を及ぼす虞があることから好ましくない。
【０００３】
そこで、かかる問題を解消するために、水晶振動子と一体に形成した外枠の上下面に金属層を設け、該金属層とガラスからなる蓋及びケースとを陽極接合した水晶振動子が提案されている（例えば、特許文献１，２を参照）。上記特許文献１に記載の水晶振動子は、水晶振動片の励振電極からその基端部又は外枠に引き出した電極とケース下面の外部電極とを、該ケースに形成したスルーホールを介して接続している。上記特許文献２記載の水晶振動子は、圧電振動片を一体に形成した圧電振動板の枠の上下面に接合膜を設け、かつ枠下面の接合膜が接合膜を有しない部分で分割されると共に、分割された接合膜がコンタクトホール即ちスルーホールを介して枠上面の接合膜と電気的に接続され、更にベースに形成したスルーホールを介してベース下面の外部電極と接続している。
【０００４】
また、鏡面研磨した圧電板及び基板の相互接合面を、酸素含有雰囲気内での紫外線照射又は酸素プラズマへの曝露により汚れ等を原子レベルで除去して清浄化し、水分の吸着により形成される−ＯＨ基の水素結合により接合する圧電デバイスの製造方法が知られている（例えば、特許文献３を参照）。この親水化処理による接合方法では、水の沸点である１００℃以上で接合体を熱処理することによって、強い接合力が得られるとしている。
【０００５】
更に、水晶振動子において水晶材料とガラス材料のように熱膨張率が異なる材料同士を接合する場合には、接合後に反りを生じる虞がある。かかる反りを防止するために、第１の基板をそれと熱膨張率が異なりかつ互いに同程度の熱膨張率を有する第２，第３の基板でサンドイッチ構造に挟装して、反りを相殺する方法が知られている（例えば、特許文献４を参照）。
【０００６】
また、電極膜を形成した円形の水晶板である圧電基板と、その両面に同一の材質である水晶の保護基板とを、金と銀とを有する接合部で接合した水晶振動子などの圧電振動体が提案されている（例えば、特許文献５を参照）。両基板は、圧電基板のＡｕ膜を形成した接合表面及び保護基板のＡｇ膜を形成した接合表面をプラズマ処理した後、重ね合わせて均等に加圧し、真空炉により３１０℃の温度で１時間加熱することにより、拡散接合で気密に封止される。
【０００７】
更に、ＩＤＴ及び電極パッドを形成した圧電基板の主面上にＩＤＴを取り囲む金属膜を形成し、該金属膜と位置合わせした金属膜をベース基板の主面上に形成し、これら金属膜を直接接合することにより両基板を貼り合わせた弾性表面波デバイスが知られている（例えば、特許文献６を参照）。この特許文献６によれば、両基板の金属膜は、接合前に常温でイオンビームやプラズマ等を照射することにより表面活性化の処理が施され、また１００℃以下程度に加熱処理した条件下で両基板を加圧することにより、接合強度を向上させることができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−６８７８０号公報
【特許文献２】特開２００２−７６８２６号公報
【特許文献３】特開平７−１５４１７７号公報
【特許文献４】特開平７−８６１０６号公報
【特許文献５】国際公開番号ＷＯ００／７６０６６号パンフレット
【特許文献６】特開２００４−３０４６２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した従来の陽極接合による水晶振動子のパッケージ構造では、電圧の印加及び加熱が、水晶基板及びそれに接合する基板に悪い影響を与える虞がある。そのため、特に高精度の性能が要求される場合には、必ずしも好ましくない。また、低融点ガラスや金属接合などと同様に、アウタガスが発生して、水晶振動片の特性に影響したり劣化させたりする虞がある。
【００１０】
更に、熱膨張率が異なる基板を互いに接合して多層のサンドイッチ構造にする場合、それら基板を同時に積層する必要がある。そのため、多層構造の各基板の位置合わせは作業が非常に煩雑で多大な手間を要し、実作業効果を低下させる虞がある。また、基板間の熱膨張率の差をサンドイッチ構造で吸収解消しようとしても、接合時に発生する熱や熱処理工程の影響で、熱膨張率に起因したクラックが中間層の基板に発生したり、構造全体に反りを生じる虞がある。その結果、基板の接合条件例えば接合温度が制約され、十分な接合強度、気密性を確保することが困難になる虞がある。
【００１１】
また、特に厚みすべり振動モードまたは音叉型の圧電振動子は、低いＣＩ値を確保維持して高品質及び高安定性を得るために、パッケージ内を高度の真空状態または不活性ガスの雰囲気に封止する必要がある。そのためには、各基板を高い気密性をもって接合してパッケージを封止しなければならない。更に、各基板の接合時に過度に加熱すると、圧電振動片の振動特性に影響を及ぼし、所望の性能を得られなくなる虞がある。
【００１２】
しかしながら、上述したように接合面の金属膜同士を直接接合する従来の方法では、室温から１８０℃以下または１００℃以下の低温での常温接合のため、音叉型または厚みすべり振動モードの圧電振動子に必要かつ十分な気密性が得られる程度の接合強度を確保するのに、比較的長時間を要するという問題を生じる。そのため、生産性が低く、工業的な実用化に適していない。逆に、上記従来技術のように３００℃の加熱下で基板を接合した場合には、パッケージ内を十分な真空状態にするのに長時間を要し、同様に工業的に適していないという問題がある。
【００１３】
また、上述したように圧電基板とその上下両面に保護基板とをそれぞれ金属同士の拡散接合又は常温接合で接合する従来の圧電振動体は、次の理由により３枚同時に接合する必要がある。即ち、これらを１枚ずつ接合した場合には、中間の圧電基板と一方の保護基板とを接合する際にそれらを加圧するため、他方の保護基板と接合するために圧電基板の表面に形成されている金属膜は、加圧手段によって拡散接合には不十分な表面粗さになり、また汚れてしまうことになる。そのため、後の工程で他方の保護基板を貼り合わせると、厚みすべり振動モードの水晶振動子や音叉型水晶振動子に必要かつ十分な気密性及び接合強度を確保することが困難になる、という問題を生じる。
【００１４】
しかしながら、圧電基板とその上下両面に保護基板とを同時に接合することは、高い位置合わせ精度を得ることが比較的困難である。しかも、３枚の基板を同時に接合することは、圧電振動片をパッケージ化した状態で周波数調整することができない。そのため、高い周波数精度をもった高性能かつ高品質の圧電振動子を得ることができない。
【００１５】
そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、水晶などの圧電振動片及び外枠を一体に形成した圧電基板と、その上下両面に接合した上下基板とからなり、小型化及び薄型化を可能にした圧電振動子において、単に従来のアウタガスの発生や水分による腐食、気密性、又は熱膨張率の差異による反りの問題などを解消するだけでなく、圧電基板と上下圧電基板との位置合わせを容易にかつ簡単にすることができ、しかも圧電振動子に必要かつ十分な気密性及び接合強度を確保することができる圧電振動子及びその製造方法を提供することにある。
【００１６】
更に本発明の目的は、高い周波数精度をもった高性能かつ高品質の圧電振動子及びそ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】
【００１７】
本発明によれば、上記目的を達成するために、例えば厚みすべり振動モードを主振動とする圧電振動片及び、その上面が鏡面研磨加工した圧電材料の素面からなりかつ下面が鏡面研磨加工した圧電材料の表面に形成した導電膜を有する外枠を一体に結合した中間圧電基板と、該中間圧電基板と同一の圧電材料からなりかつ外枠上面との接合面が鏡面研磨加工した圧電材料の素面からなる上側圧電基板と、中間圧電基板と同一の圧電材料からなりかつ外枠下面との接合面が鏡面研磨加工した圧電材料の表面に形成した金属薄膜を有する下側圧電基板とを備え、外枠上面及び上側圧電基板の接合面が、例えばプラズマ処理やイオンビーム処理によりそれぞれ表面活性化した後に互いに圧電材料同士の表面活性化接合により気密に接合され、外枠下面及び下側圧電基板の接合面が、例えばプラズマ処理やイオンビーム処理によりそれぞれ表面活性化した後に互いに導電膜と金属薄膜との拡散接合により気密に接合され、それにより中間圧電基板と上側及び下側圧電基板との間に画定されかつ封止されるキャビティ内に圧電振動片が浮いた状態で保持された圧電振動子が提供される。
【００１８】
このように、例えば水晶である同一の圧電材料からなる上側、中間及び下側基板を表面活性化接合又は拡散接合により一体に接合することによって、従来の圧電振動子に比してより一層小型化及び薄型化でき、熱膨張率の差異による残存応力の問題を無くし、圧電振動片の特性を劣化させるアウタガスの発生や水分による腐食の問題を解消することに加え、接合強度を向上させることができる。
【００１９】
特に、中間圧電基板と上側圧電基板、及び中間圧電基板と下側圧電基板は、それぞれ異なる条件で接合されるので、３枚の基板を同時に接合することは実際上困難であり、２段階に分けて１枚ずつ接合することになる。そして、中間圧電基板と上側圧電基板との表面活性化接合を後の工程で行えば、導電膜及び金属薄膜の表面が拡散接合に適した状態で中間圧電基板と下側圧電基板とを接合できるので、より強い接合強度及び高い気密性を得ることができる。
【００２０】
或る実施例では、上側、中間及び下側圧電基板がそれらの結晶面方位を合わせて接合されることにより、温度変化に対する各基板の傾向を同一にして、圧電振動子の温度特性をより向上させることができる。
【００２１】
本発明の別の側面によれば、例えば厚みすべり振動モードを主振動とする圧電振動片及び、その上面が鏡面研磨加工した圧電材料の素面からなりかつ下面が鏡面研磨加工した圧電材料の表面に形成した導電膜を有する外枠を一体に結合した中間圧電基板を形成する工程と、該中間圧電基板と同一の圧電材料からなりかつ外枠上面との接合面が鏡面研磨加工した圧電材料の素面からなる上側圧電基板を形成する工程と、中間圧電基板と同一の圧電材料からなりかつ外枠下面との接合面が鏡面研磨加工した圧電材料の表面に形成した金属薄膜を有する下側圧電基板を形成する工程と、中間圧電基板の外枠上面及び下面、並びに上側及び下側圧電基板の各接合面を例えばプラズマ処理やイオンビーム処理により表面活性化する工程と、下側圧電基板の上に中間圧電基板を重ね合わせ、外枠下面及び下側圧電基板の接合面を互いに導電膜と金属薄膜との拡散接合により気密に接合する工程と、下側圧電基板と接合された中間圧電基板の上面に上側圧電基板を重ね合わせ、外枠上面及び上側圧電基板の接合面を互いに圧電材料同士の表面活性化接合により気密に接合する工程とを有し、中間圧電基板と上側及び下側圧電基板との間に画定されるキャビティ内に圧電振動片を浮いた状態で保持しかつ封止する圧電振動子の製造方法が提供される。
【００２２】
このように、例えば水晶である同一の圧電材料からなる上側、中間及び下側基板を表面活性化接合又は拡散接合することによって、従来よりも小型化及び薄型化でき、熱膨張率の差異による残存応力の問題及びアウタガスの発生や水分による腐食の問題を解消するだけでなく、上側、中間及び下側基板を２段階に分けて、しかも中間圧電基板と上側圧電基板との表面活性化接合を後の工程で行うことによって、導電膜及び金属薄膜の表面が拡散接合に適した状態で中間圧電基板と下側圧電基板とを接合できるので、より強い接合強度及び高い気密性を得ることができる。
【００２３】
或る実施例では、下側圧電基板と中間圧電基板とを接合した後、上側圧電基板を接合する前に、圧電振動片を周波数調整する工程を更に有することにより、高品質かつ高性能の圧電振動片を効率良く製造することができる。
【００２４】
別の実施例では、上側、中間及び下側圧電基板をそれらの結晶面方位を合わせて接合することにより、温度変化に対する各基板の傾向を同一にして、圧電振動子の温度特性をより向上させることができる。
【００２５】
別の実施例では、複数の中間圧電基板を有する中間圧電ウエハを形成する工程と、複数の上側基板を中間圧電ウエハの中間圧電基板に対応させて配設した上側圧電ウエハを形成する工程と、複数の下側基板を中間圧電ウエハの中間圧電基板に対応させて配設した下側圧電ウエハを形成する工程と、中間圧電ウエハの上面及び下面並びに上側及び下側圧電ウエハの各接合面を例えばプラズマ処理やイオンビーム処理により表面活性化する工程と、下側圧電ウエハの上に中間圧電ウエハを重ね合わせて一体に接合する工程と、下側圧電ウエハと接合した中間圧電ウエハの上に上側圧電ウエハを重ね合わせて一体に接合する工程と、接合した圧電ウエハの積層体を切断して圧電振動子を個片化する工程とを有する圧電振動子の製造方法が提供される。これにより、多数の圧電振動子を同時に製造することができ、生産性の向上及びコストの低下を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明による厚み滑り振動モードの水晶振動子の第１実施例を示している。水晶振動子１は、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、中間水晶板２の上面及び下面にそれぞれ上側水晶及び下側水晶基板３，４を一体に積層した構造を有する。中間水晶板２と上側及び下側水晶基板３，４とは、それぞれＡＴカットの水晶板で形成され、かつ互いに気密に直接接合されている。これらのＡＴカット水晶板は、その結晶面方位を合わせて接合することにより、水晶振動子１の温度変化に対する周波数変動即ち温度特性をより好適に向上させることができる。
【００２８】
中間水晶板２は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、矩形の水晶振動片５とその一方の端部即ち基端部５ａで一体に結合された外枠６とを有する。水晶振動片５の上面及び下面には、それぞれ励振電極７，８が形成されている。上面の励振電極７は、基端部５ａから配線膜９により外枠６上面に引き出されている。下面の励振電極８は、同様に基端部５ａから引き出されて、外枠６下面の全周に亘って形成された下側導電膜１０と電気的に接続されている。水晶振動片の基端部５ａを結合した外枠６の長手方向端部には、配線膜９の先端部分にスルーホール１１が設けられている。この外枠６の長手方向端部の下面には、水晶素面の領域１２により下側導電膜１０から分離された引出導電膜１３が形成され、スルーホール１１内部の導電膜を介して配線膜９と電気的に接続されている。
【００２９】
上側水晶基板３には、図３に示すように、中間水晶板２との対向面即ち下面に凹部１４が形成されている。上側水晶基板３下面の凹部１４を囲繞する周辺部分は水晶素面からなり、中間水晶板２との接合面３ａを構成する。下側水晶基板４には、図４に示すように、同様に中間水晶板２との対向面即ち上面に凹部１５が形成されている。下側水晶基板４の凹部１５を囲繞する周辺部分は、中間水晶板２との接合面４ａを構成し、外枠６下面の下側導電膜１０に対応する金属薄膜１６と、該金属薄膜から水晶素面の領域１７により分離された金属薄膜１８とが形成されている。水晶振動片５は、前記中間水晶板と上側及び下側水晶基板との接合時に凹部１４，１５により画定されるキャビティ１９内に、基端部５ａで片持ちに浮いた状態で保持収容されている。
【００３０】
中間水晶板２と上側水晶基板３とは、水晶素面同士の表面活性化接合により接合されている。外枠６上面と上側水晶基板接合面３ａとは、それぞれ後述するように公知のプラズマ処理やイオンビーム処理などで表面活性化した後、互いに位置合わせして重ね合わせ、所定の圧力を加えることにより、気密にかつ良好で安定した状態で接合される。このとき、配線膜９が水晶素面の接合面３ａと接しないように、本実施例では、凹部１４が前記配線膜の領域を含むように設けられている。
【００３１】
これに対し、中間水晶板２と下側基板４とは、金属薄膜同士の拡散接合により接合されている。外枠６下面と下側基板接合面４ａとは、同様にそれぞれプラズマ処理やイオンビーム処理などで表面活性化した後、互いに位置合わせして重ね合わせ、所定の圧力を加えることにより、気密にかつ良好で安定した状態で接合される。
【００３２】
金属薄膜１６，１８は、例えばＣｒ膜、Ｎｉ／Ｃｒ膜、Ｔｉ膜、又はＮｉ−Ｃｒ膜を下地膜として、最上層をＡｕ膜で形成するのが好ましい。これに対応して、中間水晶板２の外枠６下面に形成される下側導電膜１０及び引出導電膜１３も、同様にＣｒ膜、Ｎｉ／Ｃｒ膜、Ｔｉ膜、Ｎｉ−Ｃｒ膜などを下地膜として、最上層をＡｕ膜で形成するのが好ましい。特に、これらＡｕ膜の膜厚を５０００Å以上にした場合、Ａｕ膜同士の拡散接合により、比較的短時間で高い気密性をもって接合することができる。これらの金属薄膜は、スパッタリング、蒸着、めっき、ダイレクトめっきなどの公知の方法又はこれらの組合せにより容易に成膜される。
【００３３】
下側基板４の下面には、図１（Ｃ）に示すように、各角部にそれぞれ外部電極２０，２１が設けられている。更に下側基板４には、各角部に１／４円形の欠け２２，２３が形成されている。この欠けは、例えばダイシングで大型の水晶板から個々の水晶板を分割する際に縦横切断線の交点に形成するキャスタレーション（円形貫通孔）が切断後に残ったものである。欠け２２，２３の内面にはそれぞれ導電膜が形成されており、それに隣接する外部電極２０，２１と前記各欠けから覗く中間水晶板２の下側導電膜１０及び引出導電膜１３とを電気的に接続している。
【００３４】
次に、本発明の方法により図１の水晶振動子を製造する工程を説明する。図５に示すように、図１の複数の水晶振動片５及び外枠６を縦及び横方向に連続して配置した大型の中間水晶ウエハ３０を準備する。中間水晶ウエハ３０は、その両面をそれぞれ表面粗さが好ましくは数nm〜数１０nm程度となるように鏡面研磨加工する。水晶振動片５及び外枠６の外形は、フォトリソグラフィ技術を利用して水晶ウエハをエッチングすることにより形成する。各水晶振動片５及び外枠６の表面には、導電材料を蒸着、スパッタリングなどで成膜しかつパターニングすることにより、前記励振電極、配線膜及び導電膜を形成する。
【００３５】
これと並行して、複数の上側基板３を縦及び横方向に連続して配置した大型の上側水晶ウエハ３１を準備する。上側水晶ウエハ３１は、少なくとも中間水晶ウエハ３０と接合する下面を、その表面粗さが好ましくは数nm〜数１０nm程度となるように鏡面研磨加工する。上側水晶ウエハ３１には、複数の凹部１４が中間水晶ウエハ３０との対向面に、該中間水晶ウエハの各水晶振動片５及び外枠６に対応させて形成される。これらの凹部は、例えば水晶ウエハ表面をエッチングまたはサンドブラスト加工することにより、容易に形成することができる。
【００３６】
同様にして、複数の下側基板４を縦及び横方向に連続して配置した大型の上側水晶ウエハ３２を準備する。下側水晶ウエハ３２は、少なくとも中間水晶ウエハ３０と接合する上面を、同様にその表面粗さが好ましくは数nm〜数１０nm程度となるように鏡面研磨加工する。下側水晶ウエハ３２には、複数の凹部１５が中間水晶ウエハ３０との対向面に、エッチングまたはサンドブラスト加工などにより中間水晶ウエハの各水晶振動片５及び外枠６に対応させて形成される。また、下側水晶ウエハ３２には、縦及び横方向に直交する下側基板４の外郭線の交点にそれぞれ円形貫通孔３３が形成される。更に、下側水晶ウエハ３２の上面には、導電材料を成膜しかつパターニングすることにより、下側基板４上面の前記金属薄膜を形成する。下側水晶ウエハ３２の下面には、導電材料を成膜しかつパターニングすることにより、下側基板４下面の外部電極２０，２１を形成する。
【００３７】
次に、上側、中間及び下側水晶ウエハ３０〜３２の前記各接合面をプラズマ処理して表面活性化する。プラズマ処理は、例えばウエハなどの大面積を処理するのに適した公知のＳＷＰ型ＲＩＥ方式のプラズマ処理装置を用いて行う。このプラズマ処理装置により、例えば１３．５６ＭＨｚ〜２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用いてプラズマを生成し、処理チャンバ内に導入した反応ガスを励起して、該反応ガスのイオン、励起種などの活性種を生成する。本実施例では、反応ガスとしてＡｒ単体、ＣＦ４、Ｎ２単体、Ｏ２単体、Ｏ２とＮ２との混合ガスなどを使用する。また、前記プラズマ処理は、上述したスＳＷＰ型ＲＩＥ方式以外に、大気圧プラズマ法などにより行うこともできる。
【００３８】
このプラズマ処理により、前記各ウエハの表面は、前記反応ガス活性種に曝露されて一様に活性化される。即ち、水晶ウエハ３０〜３２の各接合面は、その表面から有機物、汚染物やゴミなどがプラズマ中に含まれるイオンによりエッチングされて除去され、更にプラズマ中のラジカルによって直接接合しやすい表面状態に改質される。上述したＳＷＰ型ＲＩＥ方式のプラズマ処理装置は、このような２段階のプラズマ処理を１台の装置の同一チャンバ内で連続して行うことができる。
【００３９】
別の実施例では、プラズマ処理に代えて、イオンビームを照射することにより前記各接合面を表面活性化することができる。このイオンビーム処理は、Ａｒなどの不活性ガスを用いた公知の方法で行われ、例えば１．３３×１０−６Ｐａ程度の真空雰囲気内でＡｒ＋イオンビームを前記接合面に照射する。
【００４０】
表面活性化処理後、図６（Ａ）に示すように、中間水晶ウエハ３０と下側水晶ウエハ３２とを貼り合わせて仮接合する。この仮接合は、これらのウエハを単に貼り合わせるだけでも良く、又は後の工程で上側水晶ウエハ３１を接合するときよりも弱い力で加圧する。次に、図６（Ｂ）に示すように、中間水晶ウエハ３０の上面に上側水晶ウエハ３１を位置合わせして重ね合わせて仮接合する。この仮接合した水晶ウエハ積層体３４は、その上下面に最大２０ｋｇ程度の押圧力を一様に加えて、接合面間を強固にかつ気密に接合する。本実施例では、この本接合を常温で行うが、別の実施例では、約２００℃程度の比較的低温に加熱した状態で行うことにより、更に良好に接合することができる。また、前記水晶ウエハの仮接合、本接合は、大気圧雰囲気内でも真空内でも同様に行うことができる。
【００４１】
本実施例では、２枚の水晶ウエハを接合した図６（Ａ）の状態で、各水晶振動片の周波数を調整することができる。その場合、中間水晶ウエハ３０は、予め各水晶振動子の下側導電膜１０及び引出導電膜１３を形成する導電材料を、水晶振動子の外郭線３５に沿ってダイシングする線幅分だけ除くようにパターニングする。下側水晶ウエハ３２は、各水晶振動子の金属薄膜１６，１８を形成する導電材料を、同様に水晶振動子の外郭線３５に沿ってダイシングする線幅分だけ除くようにパターニングする。ウエハの状態で各水晶振動子１の励振電極が隣接する水晶振動子の励振電極から電気的に分離独立しているので、その状態のままで水晶振動子毎にその特性試験及び周波数の測定・調整を行うことができる。周波数調整は、レーザ光などの照射により行うことができ、又は上述したプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理により、中間水晶ウエハ３０上面の接合面のプラズマ処理と同時に行うことができる。
【００４２】
最後に、水晶ウエハ積層体３４を、図６（Ｃ）に示すように縦横に直交する水晶振動子の外郭線３５に沿って、ダイシングなどにより切断分割して個片化する。これにより、図１に示す水晶振動子１が完成する。別の実施例では、下側基板４底面の前記外部電極を、ダイシング前にウエハ積層体の状態でスパッタなどにより形成でき、それにより工程を簡単化することができる。
【００４３】
図７は、本発明による水晶振動子の第２実施例を示している。図１の第１実施例と同様に、本実施例の水晶振動子４１は、中間水晶板４２を挟んで上側及び下側水晶基板４３，４４が一体に積層されている。中間水晶板４２は、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ＡＴカット水晶振動片４５と外枠４６とが一体に形成され、かつ該水晶振動片の両面にそれぞれ励振電極４７，４８が成膜されているが、次の点において第１実施例と異なる。
【００４４】
本実施例では、外枠４６の板厚をその厚み方向上下双方に等しく水晶振動片４５よりも厚く形成し、水晶振動片４５と外枠４６とが上下両面においてそれぞれ段差４９，５０を介して結合されている。特に本実施例の場合、外枠４６の上面は、段差４９が水晶振動片基端部４５ａとの境界よりも内側に設けられており、励振電極４７から引き出された配線膜５１が、段差４９より内側の水晶振動片４５と同一平面をなす領域に形成されている。外枠４６の下面は、水晶振動片基端部４５ａとの境界に段差５０が設けられ、外枠の全周に亘って形成された下側導電膜５２が、段差５０を介して引き出された励振電極４８と電気的に接続されている。
【００４５】
図１の第１実施例と同様に、水晶振動片基端部４５ａに結合した外枠４６の長手方向端部には、配線膜５１の先端部分にスルーホール５３が形成されている。この外枠４６の長手方向端部下面には、水晶素面の領域５４により下側導電膜５２から分離された引出導電膜５５が形成され、スルーホール５３内部の導電膜を介して配線膜５１と電気的に接続されている。
【００４６】
更に本実施例は、上側及び下側水晶基板４３，４４がそれぞれ中間水晶板４２との対向面を平坦にした平板である点において、上記第１実施例と異なる。上側水晶基板４３の下面はその全面が水晶素面からなる。これに対し、下側水晶基板４４の上面には、図９に示すように、中間水晶板４２の外枠４６下面の下側導電膜５２及び引出導電膜５５に対応して、金属薄膜５６と水晶素面の領域５７により電気的に分離された金属薄膜５８とが形成されている。
【００４７】
中間水晶板４２と上側水晶基板４３とは、それぞれ接合面を例えば公知のプラズマ処理又はイオンビーム処理で表面活性化した後、互いに位置合わせして重ね合わせ、所定の圧力を加えることによって、水晶素面同士の表面活性化接合により気密にかつ良好に接合されている。中間水晶板４２と下側水晶基板４４とは、同様にそれぞれ接合面をプラズマ処理又はイオンビーム処理で表面活性化した後、互いに位置合わせして重ね合わせ、所定の圧力を加えることによって、金属薄膜同士の拡散接合により気密にかつ良好に接合されている。水晶振動片４５は、中間水晶板４２の外枠４６を水晶振動片４５よりも厚くしたことにより水晶振動子４１内部に画定されるキャビティ５９内に、同様に基端部４５ａにおいて片持ちに浮いた状態で保持される。
【００４８】
第２実施例の水晶振動子４１も、同様に図６に示す工程に従って本発明の方法により製造することができる。このとき、多数の上側及び下側水晶基板４３，４４を構成する上側及び下側水晶ウエハは、それぞれ両面共平坦なウエハで形成できるので、有利である。
【００４９】
図１０は、本発明による水晶振動子の第３実施例を示している。図１の第１実施例と同様に、本実施例の水晶振動子６１は、中間水晶板６２を挟んで上側及び下側基板６３，６４が一体に積層されている。中間水晶板６２は、図１１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ＡＴカット水晶振動片６５と外枠６６とが一体に形成され、かつ該水晶振動片の両面にそれぞれ励振電極６７，６８が成膜されているが、次の点において第１実施例とは異なる。
【００５０】
本実施例では、外枠６６の下面を水晶振動片６５の下面と同一平面に配置して、その板厚を厚み方向上方にのみ厚く形成し、水晶振動片基端部６５ａに結合された外枠６６の長手方向端部の上面側に水晶振動片６５との段差６９が形成されている。上記第２実施例と同様に、段差６９が水晶振動片基端部６５ａとの境界よりも内側に設けられており、励振電極６７から引き出された配線膜７０が、段差６９より内側の水晶振動片６５と同一平面をなす領域に形成されている。外枠６６の下面は、その全周に亘って形成された下側導電膜７１が、基端部６５ａから引き出された励振電極６８と電気的に接続されている。
【００５１】
図１の第１実施例と同様に、水晶振動片基端部６５ａに結合した外枠６６の長手方向端部には、配線膜７０の先端部分にスルーホール７２が形成されている。この外枠６６の長手方向端部下面には、水晶素面の領域７３により下側導電膜７１から分離された引出導電膜７４が形成され、スルーホール７２内部の導電膜を介して配線膜７０と電気的に接続されている。
【００５２】
更に本実施例は、上側水晶基板６３が中間水晶板６２との対向面を平坦にした平板である点において、上記第１実施例と異なる。下側水晶基板６４は、第１実施例の下側水晶基板４と同一の構成を有する。即ち、下側水晶基板６４には、図１２に示すように、中間水晶板６２との対向面即ち上面に凹部７５が形成されている。下側水晶基板４の凹部７５を囲繞する周辺部分は、中間水晶板２との接合面を構成し、外枠６６下面の下側導電膜７１に対応する金属薄膜７６と、該金属薄膜から水晶素面の領域７７により分離された金属薄膜７８とが形成されている。
【００５３】
中間水晶板６２と上側水晶基板６３とは、それぞれ接合面を例えば公知のプラズマ処理又はイオンビーム処理で表面活性化した後、互いに位置合わせして重ね合わせ、所定の圧力を加えることによって、水晶素面同士の表面活性化接合により気密にかつ良好に接合されている。中間水晶板６２と下側水晶基板６４とは、同様にそれぞれ接合面をプラズマ処理又はイオンビーム処理で表面活性化した後、互いに位置合わせして重ね合わせ、所定の圧力を加えることによって、金属薄膜同士の拡散接合により気密にかつ良好に接合されている。水晶振動片６５は、中間水晶板６２の外枠６６を水晶振動片６５よりも厚くしたことにより水晶振動子６１内部に画定されるキャビティ７９内に、同様に基端部６５ａにおいて片持ちに浮いた状態で保持される。
【００５４】
以上、本発明の好適実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において上記各実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。例えば、前記中間水晶板、上側水晶及び下側水晶基板は、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの他の様々な公知の圧電材料で形成することができる。その場合にも、各圧電板を同一の圧電材料で形成しかつその結晶面方位を合わせて接合することによって、圧電振動子の温度特性をより好適に向上させることができる。また、本発明は、音叉型圧電振動子についても、同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】（Ａ）図は本発明による水晶振動子の第１実施例の側面図、（Ｂ）図はその縦断面図、（Ｃ）図はその底面図。
【図２】（Ａ）図は図１に示す中間水晶板の上面図、（Ｂ）図はその下面図。
【図３】図１に示す上側水晶基板の下面図。
【図４】図１に示す下側水晶基板の上面図。
【図５】本発明の方法による水晶振動子の製造工程において、一体に貼り合わせる３枚の水晶ウエハを示す概略斜視図。
【図６】（Ａ）図は中間及び下側水晶ウエハを接合する要領を示す説明図、（Ｂ）図は更に上側水晶ウエハを接合する要領を示す説明図、（Ｃ）図は３枚の水晶ウエハの接合体を示す概略斜視図。
【図７】本発明による水晶振動子の第２実施例の縦断面図。
【図８】（Ａ）図は図７に示す中間水晶板の上面図、（Ｂ）図はその下面図。
【図９】図７に示す下側水晶基板の上面図。
【図１０】本発明による水晶振動子の第３実施例の縦断面図。
【図１１】（Ａ）図は図１０に示す中間水晶板の上面図、（Ｂ）図はその下面図。
【図１２】図１０に示す下側水晶基板の上面図。
【符号の説明】
【００５６】
１，４１，６１…水晶振動子、２，４２，６２…中間水晶板、３，４３，６３…上側水晶基板、３ａ，４ａ…接合面、４，４４，６４…下側水晶基板、５，４５，６５…水晶振動片、５ａ，４５ａ，６５ａ…基端部、６，４６，６６…外枠、７，８，４７，４８，６７，６８…励振電極、９，５１，７０…配線膜、１０，５２，７１…下側導電膜、１１，５３，７２…スルーホール、１２，１７，５４，５７，７３，７７…領域、１３，５５，７４…引出導電膜、１４，１５，７５…凹部、１６，１８，５６，５８，７６，７８…金属薄膜、１９，５９，７９…キャビティ、２０，２１…外部電極、２２，２３…欠け、３０…中間水晶ウエハ、３１…上側水晶ウエハ、３２…下側水晶ウエハ、３３…貫通孔、３４…ウエハ積層体、３５…外郭線、４９，５０，６９…段差。
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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