(57)【要約】【課題】小型もしくは超小型の圧電振動片を形成する場合であっても精密に電極膜を形成することができる圧電振動片およびこれを使用した圧電デバイスの製造方法を提供すること。【解決手段】エッチング異方性をもつ圧電基板４５をウエットエッチングして圧電振動片の素子片を形成する外形形成工程と、該外形形成後に、必要な駆動用の電極を形成する電極形成工程とを含む圧電振動片の製造方法であって、前記電極形成工程においては、前記エッチング後に、エッチング異方性により異形となる箇所５４−１，５４−２，５４−３を除いて、残り領域に前記駆動用の電極となる電極膜を成膜し、フォトリソグラフィの手法により前記駆動用の電極を形成する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エッチング異方性をもつ圧電基板をウエットエッチングして圧電振動片の素子片を形成する外形形成工程と、該外形形成後に、必要な駆動用の電極を形成する電極形成工程とを含む圧電振動片の製造方法であって、
前記電極形成工程においては、前記エッチング後に、エッチング異方性により異形となる箇所を除いて、残り領域に前記駆動用の電極となる電極膜を成膜し、
フォトリソグラフィの手法により前記駆動用の電極を形成する
ことを特徴とする圧電振動片の製造方法。
【請求項２】
前記圧電基板として、水晶ウエハが使用され、該水晶ウエハは水晶の結晶軸に関して、Ｘ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸及びＺ軸が光学軸とした直交座標系において、Ｚ軸から所定角度傾けた面で切り出したものであり、
前記外形形成工程において、前記水晶ウエハをウエットエッチングして、後の工程で折り取り部となる細いフレーム部が、前記素子片に対して一体に接続された素子片集合体の状態で、一枚の前記水晶ウエハから多数の前記素子片を同時に形成し、
前記電極形成工程の実行後に前記折り取り部において、前記水晶ウエハから前記素子片を折り取るようにした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】
パッケージまたはケース内に圧電振動片を収容した圧電デバイスの製造方法であって、
前記圧電振動片が、
エッチング異方性をもつ圧電基板をウエットエッチングして圧電振動片の素子片を形成する外形形成工程と、該外形形成後に、必要な駆動用の電極を形成する電極形成工程とを含む工程を経て形成され、
前記電極形成工程においては、前記エッチング後に、エッチング異方性により異形となる箇所を除いて、残り領域に前記駆動用の電極となる電極膜を成膜し、
フォトリソグラフィの手法により前記駆動用の電極を形成し、
前記電極形成工程の実行後に、前記水晶ウエハから前記圧電振動片を切り離し、
該圧電振動片を、パッケージに形成した接続用の電極部もしくは前記ケースに装着されるプラグの電極に対して接合する接合工程を含む
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、圧電基板をエッチングして形成される圧電振動片と、これを利用して形成される圧電デバイスの製造方法の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧電デバイスに用いる圧電振動片は、例えば水晶振動片を形成するために、例えば矩形にカットした圧電材料でなる素子片（ブランク）に、駆動用の電極を成膜することにより形成されている。
図８は、従来の電極形成工程の一部を示している（特許文献１、図９参照）。
図において、素子片１はその厚み方向の断面図として示されている。この素子片１の主面、すなわち、表裏面にマスク２を配置して、該主面の遮蔽すべき箇所を覆う。しかる後、ターゲット３，３を用いて、スパッタリングによりマスク２から露出した主面４，４に導電性の金属膜を成膜するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２１７６７５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような手法によれば、以下のような問題がある。
特許文献１の構造では、折り取った素子片１では、図８に示すような状態で支持部６，７が残される。
図９は、上記素子片１の概略平面図であり、素子片１は水晶などの圧電材料をウエットエッチングして形成した矩形の板である。
ここで、水晶には、ウエットエッチングを行うと、エッチング異方性が見られ、結晶軸方位によりエッチングの進行速度に違いが生じる。
【０００５】
図１０は、上記エッチング異方性により素子片１の端面が異形になった状態を示すもので、図１０（ａ）は図９のＡ−Ａ概略端面図、図１０（ｂ）は図９のＢ−Ｂ端面図である。
このように、素子片１の大きさに比して、エッチング異方性による異形部の大きさが比較的大きく表れるのは、従来、素子片１が、その厚みは変化しないとしても、素子片外形サイズが小さくなったきていることにもよる。
このため、従来と同様の手法で、マスキングして、フォトリソグラフィにより電極膜を形成すると、図１０に示したような異形形状の影響で、影になって露光できない箇所が生じ、精密な電極形成ができないという問題があった。
【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、小型もしくは超小型の圧電振動片を形成する場合であっても精密に電極膜を形成することができる圧電振動片およびこれを使用した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、第１の発明にあっては、エッチング異方性をもつ圧電基板をウエットエッチングして圧電振動片の素子片を形成する外形形成工程と、該外形形成後に、必要な駆動用の電極を形成する電極形成工程とを含む圧電振動片の製造方法であって、前記電極形成工程においては、前記エッチング後に、エッチング異方性により異形となる箇所を除いて、残り領域に前記駆動用の電極となる電極膜を成膜し、フォトリソグラフィの手法により前記駆動用の電極を形成す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、外形形成工程では、ウエットエッチングにより素子片の外形を形成するようにしているので、外形形成が容易であり、特に、ドライエッチングではなくウエットエッチングで外形形成を行うので、効率がよい。
さらに、電極形成工程では、エッチング異方性の影響で異形となる箇所には、マスクを配して電極膜を形成しないようにしている。このため、全体に電極膜を形成してから、マスクを配して不要な領域の電極膜を露出してエッチングする手法と比べると、精密に電極膜を形成することができる。
すなわち、全体に電極膜を形成した後、フォトレジストを配して、露光現像し、露出した電極膜を除くことで、必要な電極分離を行おうとすると、上記したエッチング異方性により異形となった箇所で、十分露光することができない場合がある。このため、このような領域に電極が残ると、十分に電極分離が行われず、短絡するおそれがある。
そこで、特にこのような領域に、当初より電極膜を形成しないことで、精密に電極分離することができるものである。
【０００９】
第２の発明は第１の発明の発明の構成において、前記圧電基板として、水晶ウエハが使用され、該水晶ウエハは水晶の結晶軸に関して、Ｘ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸及びＺ軸が光学軸とした直交座標系において、Ｚ軸から所定角度傾けた面で切り出したものであり、前記外形形成工程において、前記水晶ウエハをエッチングして、後の工程で折り取り部となる細いフレーム部が、前記素子片に対して一体に接続された素子片集合体の状態で、一枚の前記水晶ウエハから多数の前記素子片を同時に形成し、前記電極形成工程の実行後に前記折り取り部において、前記水晶ウエハから前記素子片を折り取るようにしたことを特徴とする。
【００１０】
第２の発明の構成によれば、ウエットエッチングによるエッチング異方性がある水晶を用いた圧電振動片において、特にエッチング異方性の影響を排除して精密な電極形成ができるだけでなく、一枚の水晶ウエハから多数の素子片を同時に形成できるものである。
【００１１】
また、上記目的は、第３の発明にあっては、パッケージまたはケース内に圧電振動片を収容した圧電デバイスの製造方法であって、前記圧電振動片が、エッチング異方性をもつ圧電基板をエッチングして圧電振動片の素子片を形成する外形形成工程と、該外形形成後に、必要な駆動用の電極を形成する電極形成工程とを含む工程を経て形成され、前記電極形成工程においては、前記エッチング後に、エッチング異方性により異形となる箇所を除いて、残り領域に前記駆動用の電極となる電極膜を成膜し、フォトリソグラフィの手法により前記駆動用の電極を形成し、前記電極形成工程の実行後に、前記水晶ウエハから前記圧電振動片を切り離し、該圧電振動片を、パッケージに形成した接続用の電極部もしくは前記ケースに装着されるプラグの電極に対して接合する接合工程を含む圧電デバイスの製造方法により、達成される。
第３の発明の構成によれば、第１の発明と同じ原理で小型の圧電振動片を精密に形成することにより、これを用いた圧電デバイスが精度よく製造されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１および図２は、本発明の圧電デバイスの実施形態を示しており、図１は圧電デバイスの概略平面図、図２は図１の圧電デバイスに収容された圧電振動片の概略断面図である。
図１において、圧電デバイス３０は、圧電振動子を構成した例を示しており、圧電デバイス３０のパッケージ３１内に圧電振動片４０を収容している。
パッケージ３１は、後述するように、図２の形状に成形したグリーンシートを積層し、焼結して形成することができる。この場合、パッケージ３１の底部を構成する基板には、電極部３３が形成されている。
また、パッケージ３１は内部空間Ｓを有する箱状の収容体とされている。この内部空間Ｓを利用して、圧電振動片４０を収容するようにしている。このパッケージ３１には、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３５が低融点ガラスやニッケルなどを介して接合されている。これにより、パッケージ３１は気密に封止されている。
【００１３】
図１に示すように、パッケージ３１の内面の長さ方向の端部には、その幅方向の両端付近に、電極部３３，３３が形成されている。
該電極部３３は、パッケージ３１の底面に露出した実装端子３２，３２と図示しない導電パターンにより接続されている。
【００１４】
圧電振動片４０には、圧電材料により形成されたウエハを、厚みの薄い矩形の基板となるように加工した、所謂、ＡＴカット振動片が使用されている。すなわち、後述するように、圧電チップである素子片が後述のように先ず形成され、この素子片に駆動用の励振電極４１を形成したものが、ＡＴカット振動片である圧電振動片４０である。
圧電振動片４０は、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で、エッチング異方性が見られれば、これらを利用して形成することができる。圧電振動片４０は、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。
【００１５】
すなわち、素子片５１としての圧電チップの表面には、駆動用の電極として、励振電極４１が形成されている。励振電極４１は、圧電チップの積極的に振動させようとする領域に形成され、圧電材料に駆動電圧を印加することで、材料内に効率よく電界を生じさせ、励振するためのものである。励振電極４１は、素子片５１の裏面にも同様の形態で形成されている。
また、図２に示すように、励振電極４１は、それぞれ圧電振動片４０の長さ方向の端部において、その幅方向の両端にそれぞれ形成された接続電極である引出し電極４２に対して、各別に接続されている。各引出し電極４２は圧電チップの側面を回り込んで、裏面にも形成されている。
【００１６】
このような圧電振動片４０は、図１に示されているように、パッケージ３１側の電極部３３の上に片持ち式に接合されている。
これにより、パッケージ３１の外部から実装端子３２，３２を介して供給された駆動電圧は、パッケージ３１側の電極部３３から導電性接着剤４３および圧電振動片４０の引出し電極４２を介して、励振電極４１に印加される。したがって、圧電振動片４０の主面は圧電作用により厚みすべり振動することで、駆動されるようになっている。
【００１７】
なお、パッケージ３１を箱状ではなく、単なる絶縁基板として、その上に電極を形成し、浅い箱状とした蓋体（図示せず）により、圧電振動片４０を気密に封止する形式のパッケージを用いてもよい。あるいは、圧電振動片４０に外部の駆動電圧源と接続したプラグを接続し、一端を閉止した金属製の筒状のケースに圧電振動片４０を差し入れて、このプラグによりケースを気密に封止するようにしてもよい（図示せず）。
【００１８】
（圧電振動片および圧電デバイスの製造方法）
次に、上記した圧電デバイス３０の製造方法の実施形態を説明する。
先ず、圧電デバイス用のパッケージと、圧電振動片４０を別々に形成する。
図１および図２において説明したパッケージ３１は、セラミックが適しており、特に、好ましい材料としては圧電振動片４０や、後述する蓋体の熱膨張係数と一致もしくは、きわめて近い熱膨張係数を備えたものが選択され、この実施形態では、例えば、セラミックのグリーンシートが利用される。
【００１９】
このグリーンシートは、例えば、所定の溶液中にセラミックパウダを分散させ、バインダを添加して生成される混練物をシート状の長いテープ形状に成形し、これを所定の長さにカットして得られるものである。
すなわち、パッケージ３１は、図２の形状に成形したグリーンシートを積層し、焼結して形成する。
【００２０】
ここで、パッケージ３１の底部を構成する基板には、電極部３３が形成される。
図２に示すように、上記基板に重ねられるグリーンシートは、内側の材料が除去された枠状のものであり、これを上記基板に重ねることで、パッケージ３１は内部空間Ｓを有する箱状の収容体とされる。
パッケージ３１を形成するセラミック材料の上には、例えば、銀・パラジウムなどの導電ペーストもしくはタングステンメタライズなどの導電ペーストなどを用いて、必要とされる導電パターンを形成後に、焼結をした後で、ニッケルおよび金もしくは銀などを順次メッキして、上述した電極部３３が形成されている。
【００２１】
該電極部３３は、パッケージ３１の底面に露出した実装端子３２，３２と図示しない導電パターンにより接続されている。この電極部３３と実装端子３２とを接続するための導電パターンは、パッケージ３１の形成時に利用されるキャスタレーション（図示せず）の表面に形成して、パッケージ３１の外面を引き回してもよいし、あるいはパッケージ３１の底部を構成する絶縁基板を貫通する導電スルーホールなどにより接続してもよい。
この内部空間Ｓ内に、後述するように圧電振動片４０を収容するものである。
このパッケージ３１には、後述する封止工程において、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３５が低融点ガラスやニッケルなどを介して接合されている。これにより、パッケージ３１は気密に封止される。
【００２２】
次に圧電振動片の形成方法について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
（外形形成工程）
図４（ａ）は、圧電振動片４０をつくるための素子片を切り出すための圧電基板としての水晶ウエハ４５を示す概略平面図である。
この場合、水晶ウエハは水晶の結晶軸に関して、Ｘ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸及びＺ軸が光学軸となるように、水晶の単結晶から切り出されることになる。また、水晶の単結晶から切り出す際、上述のＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系において、Ｚ軸から所定角度、例えば、３５．１５度傾けた面で切り出したＡＴカット水晶板を得る。
【００２３】
次に、上記圧電素子片であるＡＴカット水晶板の主面を研磨して平坦度を持たせて、所謂水晶ウエハを形成し、これをウエットエッチングして、後述する素子片集合体を得る。
すなわち、水晶ウエハを、ウエットエッチングすることにより、水晶ウエハ４５の縦横の方向に、多数の素子片を同時に形成する。この場合、素子片の個々の外形周囲を分離し、細い支持部で、エッチング残りの枠状の水晶材料と接続した形態のものを得る。
図４（ｂ）ないし（ｄ）および図５（ｅ）は、図４（ａ）の水晶ウエハ４５のひとつの素子片が形成される領域についてＤ−Ｄ断面を加工順に示している。
【００２４】
図４（ｂ）に示すように、水晶ウエハ４５を純水で洗浄し（ＳＴ１１）、続いて、水晶ウエハ４５の表面に、下地層６１が設けられる。これは耐食膜となる金属が水晶など圧電材料への付着性が弱いことを補うためにもうけられ、該下地層６１としては、たとえば、スパッタリングや蒸着などによりＣｒ（クロム）が成膜されている。その上には、耐食層６２として金（Ａｕ）をスパッタリングまたは蒸着などにより成膜する。なお、水晶ウエハ４５の表裏に同じ膜を形成するので、断面において上側の符号だけ示す。
【００２５】
次に図４（ｃ）に示すように、耐食膜６２の表面全体にレジスト６３を塗布し、露光・現像することで、マスクを形成する（ＳＴ１３）。
続いて、図４（ｄ）に示すように、マスク開口から露出した耐食層６２である金を、例えば、よう化カリウム溶液を用いて、ウエットエッチングし、次いで、硝酸２セリウムアンモニウム溶液により、下地層であるクロム６１をエッチングする（ＳＴ１４）。
次に、マスク開口から露出した水晶を、例えばフッ化アンミニウム溶液などを用いてウエットエッチングする（ＳＴ１５）。これにより、図５（ａ）に示すように、素子片１が形成される。
続いて、レジスト６３を剥離し、上記各エッチングに用いた溶液を使って、耐食層６２および下地層６１を全て除去する（ＳＴ１６）。
【００２６】
（電極形成工程）
図５（ｂ）は上記工程を経て、水晶ウエハ４５に、多数の素子片５１が形成された状態である素子片集合体５０を示す概略平面図である。
素子片集合体５０の水晶ウエハ４５には、縦横にならんで多数の素子片５１が形成されている。各素子片５１は、その外形が分離され水晶ウエハ４５により枠状に包囲されている。この枠状の部分に対して、細いフレーム部５２，５２でのみ一体に接続されている。
このフレーム部５２，５２が折り取り部であり、後の工程で該折り取り部を折ることで、個々の圧電振動片が分離されるものである。
折り取り部は、素子片５１ひとつ当たり、２つのフレーム部５２，５２で構成されているが、ひとつでもよく、あるいは３つ以上でもよい。
【００２７】
図５（ｃ）は、素子片集合体５０に形成されたひとつの素子片５１の部分を拡大して示す概略平面図である。
次に、電極成膜用のマスク５３を配置する（ＳＴ１７）。マスク５３は素子片集合体５０全体を覆うように形成される。このマスク５３によって、素子片５１のエッチング異方性により異形となる箇所であって、電極形成の必要がない領域５４−１，５４−１と５４−２、５４−３を塞ぐようになっている。
このうち、図５（ｃ）においては、水晶の結晶軸に関して、Ｘ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸及びＺ軸が光学軸であるＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる直交座標系が示されており、水晶のエッチング異方性によって、例えば、上記領域５４−１は、図１０（ａ）で示すような異形の端面となり、領域５４−２は図１０（ａ）で示すような異形の端面となる箇所に対応している。
【００２８】
図６（ａ）では、マスク５３から露出した領域に電極膜５５が成膜される（ＳＴ１８）。
この電極膜５５は、例えば、下地層と電極層からなり、下地層としてはクロムやニッケルが適しており、電極層としては金が適している。すなわち、下地層と電極層をＳＴ１４で形成した下地層と耐食層と同じにすれば、例えば同一のスパッタリング装置およびターゲットを用いて形成できる利点がある。
【００２９】
図６（ｂ）は、マスク５３を取り外す（ＳＴ１９）。ここからは、理解の便宜のため素子片５１だけを図示して説明するが、折り取り部であるフレーム部５２，５２は未だ水晶ウエハとつながっている。
次に、図６（ｃ）に示すように、全体にレジスト５６を塗布する（ＳＴ２０）。図６（ｃ）および図７では左側の図が平面図であり、右側の図がそのＥ−Ｅ線断面図である。
【００３０】
図７（ａ）において、図示しないマスクを用いて露光・現像してレジスト５６をパターニングし、不要な電極膜５５を露出させる（ＳＴ２１）。
次いで、図７（ｂ）に示すように、露出した電極膜５５をエッチングにより除去し（ＳＴ２２）、レジスト５６を除去する（ＳＴ２３）と、図７（ｃ）に示すように、素子片５１には、励振電極４１および引出し電極４２，４２が形成される。
以上により、図１および図２で説明した圧電振動片４０が完成する。
【００３１】
かくして、上記製造方法では、エッチング異方性の影響で異形となる箇所には、マスク５３を配して電極膜５５を形成しないようにしている。このため、全体に電極膜を形成してから、マスクを配して不要な領域の電極膜を露出してエッチングする従来の手法と比べると、エッチング異方性の影響で異形となる箇所における電極分離が確実となり、より精密に電極膜を形成することができる。
【００３２】
（接合工程）
次に、圧電振動片とは別に形成された図１および図２のパッケージ３１側の電極部３３の上に導電性接着剤４３を塗布する。
そして、該導電性接着剤４３の上に、素子片集合体５０から折り取られた圧電振動片４０の図２で説明した各引出し電極４２が形成されている基端部もしくは一端部を載置する。
そして、これら導電性接着剤４３を加熱して硬化させることにより圧電振動片４０をパッケージ３１の内側底面に片持ち式に接合する。
ここで、導電性接着剤４３としては、所定の合成樹脂でなるバインダー成分に、銀粒子などの導電粒子を添加したものを使用することができる。また、圧電振動片４０は必ずしも片持ち式でなく、先端側の一部をパッケージ３１の内側底面に形成した凸部（枕部）に載置した構成としてもよい。
【００３３】
そして、圧電振動片４０に対して、パッケージ３１の実装端子３２などから駆動電圧を印加し、圧電振動片４０を駆動してその周波数を計測して、計測結果に基づいて、励振電極４１の一部を削減することで、重量を減じて周波数調整する。
この周波数調整工程では、さらに、周囲の温度環境を変化させて駆動電圧を印加し、温度変化に応じた周波数を計測して圧電振動片４０の温度−周波数特性を合わせて計測し、その結果に応じて調整を行う。
【００３４】
次に、パッケージ３１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３５を低融点ガラスやニッケルなどを介して真空雰囲気下で接合する。これにより、パッケージ３１は気密に封止される。
最後に必要な検査を経て、圧電デバイス３０が完成する。
【００３５】
本発明は上述の実施形態に限定されない。上記実施形態では、エッチング異方性により異形になることから、マスクにより被覆する領域として、図５（ｃ）の５４−１，５４−２，５４−３の各領域を示しているが、必ずしもこれら領域を全てをマスクで覆う必要はなく、また、エッチング条件などにより、これら以外にエッチング異方性が出る場合には、そのような領域をマスクで覆って電極膜を成膜してもよいことは勿論である。
さらに、上記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に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る圧電デバイスの概略平面図。
【図２】図１のＣ−Ｃ概略断面図。
【図３】図１の圧電デバイスに収容される圧電振動片の製造方法の一例を示すフローチャート。
【図４】図１の圧電振動片の製造工程の一例を順次に示す工程図。
【図５】図１の圧電振動片の製造工程の一例を順次に示す工程図。
【図６】図１の圧電振動片の製造工程の一例を順次に示す工程図。
【図７】図１の圧電振動片の製造工程の一例を順次に示す工程図。
【図８】従来の圧電振動片の製造工程の一部を示す図。
【図９】圧電振動片に駆動電極を形成する前の素子片の概略平面図。
【図１０】図９の部分断面図。
【符号の説明】
【００３７】
３０・・・圧電デバイス、３１・・・パッケージ、４０・・・圧電振動片、４１・・・励振電極、５０・・・素子片集合体、５１・・・素子片、５３・・・マスク
【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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