(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の圧電材料の両面に電極膜を形成した圧電振動片の一方の面が加熱下で駆動用の電極端子と接合され、他方の面がプラズマエッチングにて周波数調整される圧電振動子であって、
圧電振動片の前記一方の面に、１００Å以上の厚みを有する第１の下地層が設けられており、
前記他方の面に、２０Å乃至４０Åの厚みを有する第２の下地層が形成されており、
前記電極膜は金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）で形成され、前記第１及び第２の下地層がニッケル（Ｎｉ）で形成される
ことを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
板状の圧電材料の両面に下地層を形成した後、それぞれ電極膜を金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）で形成して圧電振動片とし、この圧電振動片の一方の面を加熱下で駆動用の電極端子と接合し、他方の面がプラズマエッチングにて周波数調整される圧電振動子の周波数調整方法であって、
この圧電振動片に前記下地層を設けるに際して、
圧電振動片の前記一方の面に、１００Å以上の厚みを有する第１の下地層をニッケル（Ｎｉ）で形成し、
前記他方の面に、２０Å乃至４０Åの厚みを有する第２の下地層をニッケル（Ｎｉ）で形成し、
前記第２の下地層側の電極膜にプラズマを照射してエッチングをする
ことを特徴とする圧電振動子の周波数調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、圧電振動片をパッケージに内蔵した圧電振動子と圧電振動片の周波数調整方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、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、あるいはページングシステム等の移動体通信機器において、これら装置の小型薄型化がめざましく、それらに用いられる圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスもその高性能化が要求されている。
このような圧電振動子等では、パッケージ内に圧電材料でなる圧電振動片が収容されており、この圧電振動片としては、極めて薄い板状でなる圧電材料である水晶振動片が広く使用されている。
【０００３】
すなわち、このような水晶振動片は、板状の両面に金属膜でなる電極膜が所定のパターンで形成されており、この電極膜に所定の駆動電圧を印加することにより、その厚みに依存した固有の振動周波数で振動するようになっている。そして、この振動を電気的に取り出して、組み込まれる機器の所定のクロック信号等に利用している。
【０００４】
このような圧電振動子は、例えば図８に示す工程により製造される。
【０００５】
すなわち、先ず、圧電材料である水晶を人工的に結晶成長させて、ウエハ状に切りわけるとともに、そのウエハ面を加工する（ＳＴ１）。
【０００６】
上記ウエハを水晶振動片に加工するために、所定の大きさ及び形状の水晶チップに加工する（ＳＴ２）。次いで、小さな薄い板状とした水晶片の（表裏）両面にクロム（Ｃｒ）による金属下地層を形成し、この下地層の上に金や銀による金属膜を形成して電極膜を設ける（ＳＴ３）。
【０００７】
そして、上記水晶片に電極膜を設けた圧電振動片の表裏面の一方の面に外部から駆動電圧を供給するためのプラグのリードを加熱下にて接合する（ＳＴ４）。
【０００８】
さらに、圧電振動片の上記電極膜にプラズマを照射して、電極の重さを減少  させ、質量削減方式による周波数調整を行う（ＳＴ５）。そして、周波数調整後においては、プラグの接続された圧電振動片を所定のパッケージ内に封入して圧電振動子が完成する（ＳＴ６）。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図９は、このような水晶振動片１を示している。この水晶振動片１は、薄い長方形の板状に形成されており、図９では断面が概略的に示されている。
【００１０】
水晶振動片１の表裏両面には、下地層２，２が形成されており、さらに各下地層２，２の上には、金または銀でなる電極膜３，３が形成されている。
【００１１】
このような水晶振動片１の電極膜３，３の少なくとも一方に、上記ＳＴ４で説明した図示しないリードを接続し、パッケージに収容することによって、水晶振動子を構成するようにしている。
【００１２】
ここで、上述の水晶振動子では、電極膜３、３に所定の駆動電圧が印加された場合、水晶振動片１の振動周波数は、その重さ（質量）により僅かに異なる。
【００１３】
このため、図８のＳＴ５で説明したように、水晶板の両面に電極膜３，３を金属蒸着工程等にて、予め所望の周波数より低めの共振周波数となるように形成した後で、図示しない駆動電極を接続し、駆動電圧を印加して振動周波数を見ながら、プラズマを照射し、電極膜３，３の表面を逆スパッタリングによりエッチングすることによって、質量削減方式の周波数調整を行っている。
【００１４】
しかしながら、図９にて説明した構成によると、上述の周波数調整の際に逆スパッタリング工程に要するエネルギーが増大し、加工効率が悪いという問題があった。
【００１５】
すなわち、圧電振動片１は、図８の工程に従って製造されており、特に、ＳＴ４にて説明したプラグの接合の際に、加熱する必要があり、また、接合後の圧電振動片の歪みをとる工程（図示せず）においても加熱される。このことにより、下地層２のクロムが加熱下で電極膜３内に拡散し、最表面に酸化クロムを形成することにより、金や銀と比較して、エッチングしにくい状態となる。
【００１６】
さらに、周波数調整工程において、クロムが拡散した状態においてプラズマを照射してエッチングする時間が長時間にわたると、圧電振動片１が長時間加熱されることになる。ところが、圧電振動片１の振動数は温度特性を有しており、高温の状態で周波数調整しながら、振動周波数のあわせこみを行っても、常温に戻ると周波数がずれてしまい、結局、正確な周波数にあわせこむことが困難となるという問題があった。
この発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、駆動電極との接合強度を確保しながら、周波数調整に長時間を要することなく、正確に周波数の調整が可能な圧電振動子とその周波数調整方法を提供することを目的とする。
【００１７】
本発明によれば、上記目的は、板状の圧電材料の両面に電極膜を形成した圧電振動片の一方の面が加熱下で駆動用の電極端子と接合され、他方の面がプラズマエッチングにて周波数調整される圧電振動子であって、圧電振動片の前記一方の面に、１００Å以上の厚みを有する第１の下地層が設けられており、前記他方の面に、２０Å乃至４０Åの厚みを有する第２の下地層が形成されており、前記電極膜は金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）で形成され、前記第１及び第２の下地層がニッケル（Ｎｉ）で形成されることを特徴とする圧電振動子により達成される。
【００１８】
上記の構成について、圧電振動片の前記一面の第１の下地層は、電極との接合強度を得ることを主目的として、その厚みを選定した。また、他面の第２の下地層は、その金属成分が電極端子との接合の際等の加熱下において、電極膜の金属内に必要以上に拡散しない程度を考慮して、少なくとも第１の下地層よりも薄く設定した。尚、電極端子とは、後述するインナーリードや、セラミックパッケージ内に配線された電極パターンの圧電振動片と接合される部分をいう。
【００１９】
これにより、第１の下地層と第２の下地層に異なる機能上の目的を付与することができ、特に第２の下地層においては、その金属成分が電極膜内に拡散することを極力防止することで、周波数調整の際におけるエッチングに要する時間を短縮し、同時に周波数調整工程における圧電振動片の温度上昇を防止して、その温度特性に基づく周波数のずれを防止し、短時間に正確な周波数調整を行うことができる。
【００２５】
上記目的を達成するには、第１の下地層のニッケルの厚みが１００Å以上でないと、十分な電極接合強度を得ることが難しい。また、第２の下地層のニッケルの厚みが４０より大きいと、エッチングレートが低くなって、周波数調整に時間を要し、好ましくない温度上昇を招く。また、第２の下地層のニッケルの厚みが２０Å未満であると、電極膜を形成するための下地層としての機能を十分発揮できない。
【００２７】
また、本発明によれば、上記の目的は、板状の圧電材料の両面に下地層を形成した後、それぞれ電極膜を金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）で形成して圧電振動片とし、この圧電振動片の一方の面を加熱下で駆動用の電極端子と接合し、他方の面がプラズマエッチングにて周波数調整される圧電振動子の周波数調整方法であって、この圧電振動片に前記下地層を設けるに際して、圧電振動片の前記一方の面に、１００Å以上の厚みを有する第１の下地層をニッケル（Ｎｉ）で形成し、前記他方の面に、２０Å乃至４０Åの厚みを有する第２の下地層をニッケル（Ｎｉ）で形成し、前記第２の下地層側の電極膜にプラズマを照射してエッチングをすることを特徴とする圧電振動子の周波数調整方法により達成される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面を参照して説明する。
【００２９】
図１は、本発明の方法に使用される薄膜形成装置の概略構成例を示す平面図である。すなわち、本発明による圧電振動片の下地層や電極膜は、例えばこのような薄膜形成装置２０を用いて形成される。
【００３０】
図において、薄膜形成装置２０は、スパッタリング装置であり、真空チャンバー２１内にて、互いに距離を置いて、平板状の第１のターゲット２２と第２のターゲット２３が対向するように配置されている。
【００３１】
これらのターゲット２２，２３は、圧電振動子の下地層の金属材料に対応しており、後述するように、例えば、クロム（Ｃｒ）やニッケル（Ｎｉ），チタン（Ｔｉ）等の金属が、その時形成される下地層の種類に応じて選択される。
【００３２】
各ターゲット２２及び２３の背面側には、マグネット２４及び２５が固定されており、各ターゲット２２及び２３は、例えば図示するようにＮ極とＳ極が交互に位置するように多極着磁されている。各ターゲット２２，２３は、マイナス電圧が印加されることにより、マグネトロンカソードが形成されており、各マグネット２４，２５の磁束は、第１及び第２のターゲット２２，２３を通過して所定の磁界を形成している。
【００３３】
真空チャンバー２１は密閉空間を形成しており、この真空チャンバー２１には、排気口２１ｂが設けられていて、この排気口２１ｂから真空ポンプ等の手段によって、チャンバー２１内の空気が排気される。一方、真空チャンバー２１には、ガス導入口２１ａが設けられており、このガス導入口２１ａから不活性ガスとして、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスがチャンバー２１内に導入されるようになっている。
【００３４】
そして、第１及び第２のターゲット２２，２３の間には、図８、９で説明したような圧電振動片として、例えば、水晶振動片１０をセットした後述するマスク部材２６が搬送方向Ａに沿って移動されるようになっており、この搬送の間にスパッタリングによる成膜がされるようになっている。
【００３５】
図２は、上記マスク部材２６の構成を示している。
【００３６】
図において、マスク部材２６は、下から、比較的厚い形状のベースプレート３１と、その上に重ねられるロアーマスク３２と、その上に重ねられるアッパーマスク３３と、その上に重ねられる補強マスク３４の４層構造となっている。ベースプレート３１と補強マスク３４には、図３のＦ方向に長い開口３１ａ，３４ａが形成されている。ロアーマスク３２とアッパーマスク３３とはその間に被成膜部材としての水晶振動片１０を挟み込んで保持するようになっている。ロアーマスク３２の開口３２ａは水晶振動片１０の裏面側及び側面部の電極形状に対応しており、アッパーマスク３３の開口３３ａは、水晶振動片１０の表面側及び側面部の電極形状に対応している。
【００３７】
ここで、図２のアッパーマスク３３の開口３３ａ，ロアーマスク３２の開口３２ａはそれぞれ水晶振動片１０のひとつだけに対応した開口を図示している。しかしながら、実際には、図３に示すように、ひとつのマスク部材２６には、縦横に多数の水晶振動片１０が収容保持されるようになっており、保持する数だけこれら開口が形成されている。同様にして、補強マスク３４の開口３４ａとベースプレート３１の開口３１ａは、一番右の一列分に対応した大きな開口がひとつだけ表されている。しかしながら、実際には、図３に示すように、これらの開口は、矢印Ｅ方向に沿って複数形成されている。
【００３８】
図４は、このような薄膜形成装置２０と同じ構造の薄膜形成装置４０をマスク部材２６が通過可能な開口部を有する防着板４４により仕切った構造が示されている。
【００３９】
図において、薄膜形成装置４０の構造は、図１の薄膜形成装置２０と同じであるから重複する説明は省略する。この場合、薄膜形成装置２０は、水晶振動片１０に下地層を形成するもので、薄膜形成装置４０は、下地層形成後の水晶振動片１０にさらに電極膜を形成するためのものである。
【００４０】
このため、薄膜形成装置４０のターゲット４２，４３は、後述するように電極膜を形成するための金属材料として、例えば金（Ａｕ）や銀（Ａｇ）が選択される。
【００４１】
そして、水晶振動片１０に、薄膜形成装置２０にて下地層を形成した後で、防着板４４を経由して、この下地層を形成した水晶振動片１０を薄膜形成装置４０内に移動させ、電極膜を形成するようになっている。
ここで、図１の薄膜形成装置２０により、圧電振動片１０に対しては、以下のようにしてスパッタリングにより金属下地膜が形成される。
【００４２】
図１において、薄膜形成装置２０の真空チャンバー２１の排気口２１ｂから真空ポンプ等の手段によって、チャンバー２１内の空気が排気される。一方、真空チャンバー２１のガス導入口２１ａから不活性ガスとして、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスがチャンバー２１内に導入される。
【００４３】
この状態において、真空チャンバー２１内に充填されたアルゴン（Ａｒ）ガスが、各マグネット２４及び２５の磁界と、陰極である第１及び第２のターゲット２２，２３と、陽極となるマスク部材２６の作用によってプラズマ化し、プラスイオンとなる。このプラスイオンとなったアルゴンイオンが陰極であるターゲット２２，２３に衝突すると、これにより、ターゲット２２，２３から材料粒子である下地金属の金属粒子が反跳されて飛び出す。
【００４４】
この金属粒子はマスク部材２６に保持された水晶振動片１０の露出された面に付着して、下地層が形成されることになる。
【００４５】
次に、図４において、防着板４４を経由して、薄膜形成装置４０内に下地層を形成した水晶振動片１０を搬入し、上述と同様にして、各ターゲット４２，４３の金属粒子が下地層の上に付着して電極膜が形成される。
【００４６】
図５は、本発明の圧電振動子の第１の実施形態を示しており、特徴を図示するためにその構成上パッケージとなる金属キャップだけが取り除かれた状態の断面図である。
【００４７】
図において、圧電振動子５０は、水晶等の圧電材料によって、薄い長方形の板状に形成された圧電素子１１を有しており、図５に示すように、その両面に上述した薄膜形成装置２０で形成される下地層を有している。この下地層は、圧電素子１１の一面（図において上面）に設けられる第１の下地層１２と、圧電素子１１の他面（図において下面）に設けられる第２の下地層１３とからなる。そして、この場合、下地層は、クロム（Ｃｒ）から形成されており、第１の下地層１２は、第２の下地層１３よりも厚く形成されている。
【００４８】
この第１及び第２の下地層１２，１３の上には、金（Ａｕ）または銀（Ａｇ）等でなる電極膜１４，１５が、上述した薄膜形成装置４０により形成されている。
【００４９】
さらに、電極膜１４の端部とインナーリード１６とが導電性の接着剤やハンダ１７により電気的に固定されている。つまり、図示しないパッケージである金属管が被嵌されることにより真空封止される金属外環１９には、その内部に充填された絶縁ガラスを貫通してアウターリード１８が支持されており、インナーリード１６は、圧電振動片１０の電極膜１４に加熱下で接合され、上記ハンダ１７で固定されている。ここで、インナーリード１６は、第１の下地層１２が、他面の第２の下地層１３よりも厚く形成されていることから、電極膜１４が剥離することなく、電極膜１４と強固に接合されている。尚、上記インナーリード１６とアウターリード１８とは連続したひとつのリードである。
【００５０】
そして、上記パッケージによる封止に先立って、本実施形態では、インナーリード１６を接合した後、圧電振動片１０は、第２の下地層１３に対応した電極膜１５を周波数調整面として、プラズマエッチングすることにより周波数調整される。
【００５１】
具体的には、この周波数調整は、例えば図示しないプラズマガンを装備した加工装置により行われ、周波数調整面である電極膜１５にプラズマを照射して、電極膜を削り取り、質量削減方式にて周波数を高めるように行われる。この周波数調整は、例えば、少なくとも２つの工程を有していて、先ず、比較的高いエッチングレートにて行われる粗調と、粗調の後で、低いエッチングレートにて、所望の振動周波数に精密に合わせ込みを行う微調とが行われている。この工程は、図８で説明したＳＴ５と同じである。
【００５２】
ここで、上記周波数調整工程において、図示しない加工装置内で、圧電振動子５０をパッケージにて封止する前に、図５の状態で、矢印Ｐの方向から、電極膜１５にプラズマを照射すると、適切なエッチングレートで、迅速に質量削減を行うことができる。
【００５３】
つまり、従来は、図５の第２の下地層１３は、第１の下地層と同等の厚みであったために、上記したインナーリード１６の接合の際の加熱により、第２の下地層１３を構成するクロムが拡散して電極膜１５内に入り込み、最表面において、酸化クロムを形成することで、きわめてエッチングされにくい特性を付与することがあった。これに対して、図５の圧電振動子５０では、第２の下地層１３のクロムの厚みが薄いことから、このクロムの電極膜１５への拡散量は僅かで、このためプラズマエッチングによるエッチングスピードが早くなって、周波数調整工程の時間が短縮される。さらに、このため、周波数調整工程における圧電振動片の温度上昇を防止することができるので、圧電振動片１０の温度特性に基づく周波数のずれを防止し、短時間に正確な周波数調整を行うことが可能となり、周波数性能の点で精度の高い圧電振動子５０を得ることができる。また、これにより、周波数性能の点で高精度の圧電振動子５０を効率よく生産することができる。
【００５４】
図６は、圧電振動片１０の第２の下地層１３を第１の下地層１２よりも薄くした条件にて、そのクロムの厚みを変化させたサンプル１乃至６にて、落下試験と、周波数加工後の周波数変化及び１２５度Ｃ（摂氏）にて１０００時間放置した後に振動周波数の変化Δｆと、クリスタルインピーダンスの変化ΔＣＩを計測して表にまとめたもので、本発明の実施例である。
【００５５】
これに対して、図７は、圧電振動片１０の第１の下地層１２と第２の下地層１３の厚みを同じに設定して、これらを構成するクロムの厚みを変化させた比較例をサンプル１乃至５で示したものである。
【００５６】
ここで、これらの図において、各項目に関する品質判断基準は、汎用品であるＣｒ使用製品と、これより高価で、より精度が求められるＮｉまたはＴｉを使用した製品とで異なっており、周波数変化量（１５００ｐｐｍに対する比）の判断基準はＣｒの場合１０％以下、Ｎｉの場合５％以下、Ｔｉの場合５％以下としている。Δｆの判断基準は、Ｃｒ使用製品と、ＮｉまたはＴｉを使用製品ともに同じで１ｐｐｍ以下、ΔＣｉの判断基準もＣｒ使用製品と、ＮｉまたはＴｉを使用製品ともに同じで１Ω以下である。
【００５７】
図６と図７を対比すると、図６では、接合側である第１の下地層１２のクロムは、１００Åあれば、落下試験の結果が示すとおり１００サンプル中ひとつの破損もないことがわかる。一方、第１の下地層１２よりも薄く形成した周波数調整面側である第２の下地層１３の厚みは、８０Åから２０Åまで段階的に薄くしても、周波数加工後の周波数変化が１５０ｐｐｍ以内であり、１２５度Ｃにて１０００時間放置した後に振動周波数の変化Δｆと、クリスタルインピーダンスΔＣＩにおいても、よい結果を得ることできた。
【００５８】
そして、図６において、第１の下地層１２と第２の下地層１３を、クロムではなく、ニッケル（Ｎｉ）またはチタン（Ｔｉ）によって形成した場合にも、良い結果が得られている。
【００５９】
すなわち、サンプル７ないし９において、ニッケル（Ｎｉ）を使用した場合、第１の下地層１２の厚みが１００Åで、第２の下地層１３の厚みを４０Åとした場合に、電極膜を金で構成しても銀で構成しても良い結果が得られている。そして、第２の下地層１３の厚みをさらに薄い２０Åとしても、サンプル９に示すように、上記基準を満たす結果が得られている。
【００６０】
また、サンプル１０ないし１３において、チタン（Ｔｉ）を使用した場合、第１の下地層１２の厚みが１００Åで、第２の下地層１３の厚みを６０Åとした場合に、電極膜を金で構成しても銀で構成しても良い結果が得られている。そして、第２の下地層１３の厚みをさらに段階的に薄くして、４０Åと２０Åで試しても、サンプル１２，１３に示されているように、上記基準を満たす結果が得られている。
【００６１】
これに対して、図７のサンプル１乃至５は、第１の下地層１２と第２の下地層１３にクロムを用いた場合で、第１の下地層１２と第２の下地層１３の厚みを同じに設定した場合、その厚さを２００Åから６０Åまで変化させてみたが、いずれもよい結果が得られなかった。つまり、厚さ２００Åから１００Åでは、周波数調整後の周波数変化が１５０ｐｐｍを越えてしまう。このことは、電極膜を金で構成しても銀で構成しても同じである。下地層の厚みが１００Å未満では、電極との接合強度が不足してしまう。
【００６２】
また、図７のサンプル６に見られるように、第１の下地層１２と第２の下地層１３とを異なる厚みとしても、第２の下地層１３の厚みを１０Å以下とした場合、長時間が経過すると、周波数にずれが生じ、また、クリスタルインピーダンスが増大してしまう。
【００６３】
図７のサンプル７と８は、下地層にニッケル（Ｎｉ）を使用し、第１の下地層１２の厚みを１００Åとし、第２の下地層１３の厚みをそれぞれ６０Åと１０Åに設定している。サンプル７の場合は、周波数調整加工後の周波数変化が許容される基準より大きい。また、サンプル８の場合は、長時間が経過すると、周波数にずれが生じ、また、１２５度Ｃにて１０００時間放置した後に振動周波数の変化Δｆと、クリスタルインピーダンスが増大してしまう。
【００６４】
図７のサンプル９と１０は、下地層にチタン（Ｔｉ）を使用し、第１の下地層１２の厚みを１００Åとし、第２の下地層１３の厚みをそれぞれ８０Åと１０Åに設定している。サンプル９の場合は、周波数調整加工後の周波数変化が許容される基準より大きい。また、サンプル１０の場合は、長時間が経過すると、周波数にずれが生じ、クリスタルインピーダンスが増大してしまう。
【００６５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、駆動電極との接合強度を確保しながら、周波数調整に長時間を要することなく、正確に周波数の調整が可能な圧電振動子とその周波数調整方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電振動子の製造に使用される薄膜形成装置の概略構成を示す平面図。
【図２】図１の薄膜形成装置に使用するマスク部材の一例を示す概略分解斜視図。
【図３】図１の薄膜形成装置に使用するマスク部材の一例を示す概略平面図。
【図４】図１の薄膜形成装置を利用して下地層と電極膜を形成するための構成を示す概略図である。
【図５】本発明の圧電振動子の第１の実施形態を示す概略断面図。
【図６】本発明の実施例を示す表。
【図７】本発明の比較例を示す表。
【図８】圧電振動子の製造工程を説明する概略工程図。
【図９】圧電振動子に使用される圧電振動片の構成を示す概略断面図。
【符号の説明】
１０    圧電振動片（水晶振動片）
１１    圧電素子（水晶）
１２    第１の下地層
１３    第２の下地層
１４    電極膜
１５    電極膜
１６    インナーリード
２０    薄膜形成装置
２１    真空チャンバー
２２    第１のターゲット
２３    第２のターゲット
２４    マグネット
２５    マグネット
２６    マスク部材
【図１】
0003911943.tif 000002
【図２】
0003911943.tif 000003
【図３】
0003911943.tif 000004
【図４】
0003911943.tif 000005
【図５】
0003911943.tif 000006
【図６】
0003911943.tif 000007
【図７】
0003911943.tif 000008
【図８】
0003911943.tif 000009
【図９】
0003911943.tif 000010