JP4591035B2 - 圧電振動片ならびに圧電デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、パッケージまたはケースに収容するための圧電振動片と、この圧電振動片をパッケージやケースに収容した圧電デバイスとをそれぞれ製造する方法に関する。

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、またはページングシステム等の移動体通信機器やジャイロセンサなどの計測機器において、パッケージなどの内部に圧電振動片を収容した圧電振動子や圧電発振器等の圧電デバイスが広く使用されている。
図８は、このような圧電デバイスに使用される圧電振動片の公知の構成例（特許文献１参照）を簡略化して示す概略平面図である。

図において、圧電振動片１は、例えば水晶の単結晶から形成されており、幅広の基部２と、この基部から同じ方向に平行に延びる２本の振動腕３，４とを備えている。図９は図８のＡ−Ａ線切断端面図であり、振動腕３，４には、それぞれ、表裏面に長さ方向に延びる長溝５，６が形成されている。この長溝５，６には、図示しない駆動電極としての励振電極が形成されている。
これにより、外部から励振電極に駆動電圧が印加されることで、振動腕３，４内に効率よく電界が発生し、各振動腕３，４は、図８に示すように、その先端部を互いに接近・離間されるように屈曲振動するようになっている。そして、このような振動に基づく振動周波数を取り出すことにより、制御用のクロック信号等の基準信号に利用されるようになっている。

この圧電振動片１の各振動腕３，４と、これら振動腕３，４の長溝５，６は、ウエハ状にした圧電材料でなる基板をエッチングすることにより形成されている。すなわち、一般的には、まず、ウエハ基板をエッチングして、図８のような音叉状の外形を形成し、その後図９で説明した長溝５，６をハーフエッチングすることにより形成される。
特開２００２―７６８０６

ところが、このような圧電振動片１においては、その外形エッチング工程でのウエットエッチングでは、図８、図９に示した電気軸Ｘ、機械軸Ｙ、光学軸Ｚに関して、エッチングの進行スピードに相違が見られ、このようなエッチング異方性により、長溝５，６内には、平らな底面を形成することができない。
この結果、例えば、振動腕３について見ると、長溝５を挟んだ両側壁部５ａ，５ｂの厚みが左右で相違し、この結果、振動腕３は図９に示す仮想の中心線ＣＥに関して、左右の側壁部の剛性が相違する。すなわち、左側の壁部５ａが剛性が高く、右側の壁部５ｂの剛性はこれより低くなる。

このため、図８のように各振動腕３，４が屈曲振動している状態では、それぞれ、水平方向に左右に屈曲する際の変形度が異なるため、左右の振動腕３，４の屈曲バランスが崩れてしまう。これにより、各振動腕３，４の変形によって基部２に伝えられる応力もＦ１，Ｆ２が均衡することがないので、打ち消すことができず、Ｚ方向変位や、Ｙ方向変位の原因となり、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値の増大を招くと考えられる。
ここで、圧電振動片をエッチングにより形成する際に、長時間かけてウエットエッチングすることで、図９において長溝５，６を挟んでいる両側の壁部５ａ，５ｂのうち、左側の壁部５ａの厚みを十分薄くして、左右の剛性をバランスさせることができる。
しかしながら、その場合には、従来よりも非常に長い時間をエッチング工程に費やさなければならず、生産性が低くなってしまう。
加えて、圧電振動片１が小型化されると、その分長溝５の幅Ｗ１が狭くなる。この幅Ｗ１が非常に狭くなった場合には、エッチャントが回り込みにくくなり、長時間かけてウエットエッチングした場合でも左右の壁部５ａ，５ｂの厚みを等しくできない。

また、圧電振動片を形成する場合のエッチング異方性がないドライエッチングにより圧電振動片１の外形および長溝を加工形成することが考えられる。
しかしながら、ドライエッチングは、ウエットエッチングに比べるとはるかに長い時間を必要とし、この場合にも生産性が著しく悪化するという問題がある。

この発明は、振動バランスを改善し、ＣＩ値を低く抑えることができるようにした圧電振動片と圧電デバイスとを、短時間で製造するための製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的は、第１の発明にあっては、基部と、この基部と一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる少なくとも一対の振動腕と、前記各振動腕の長さ方向に形成される長溝とを備える圧電振動片の外形と前記長溝とをエッチングにより形成する圧電振動片の製造方法であって、前記圧電基板を用意し、前記圧電振動片の外形を形成後、
前記長溝の位置に、前記長溝よりも浅い溝をウエットエッチングによって形成した後、
浅く形成した前記溝の底部をドライエッチングにより加工する圧電振動片の製造方法により、達成される。

第１の発明の構成によれば、圧電振動片の外形加工だけでなく、長溝の加工も途中まで従来と同じウエットエッチングで行い、ある程度長溝が形成された時点で、ドライエッチングに切り換えることになるので、従来の製造に要していた時間が、極端に延長されることなく、振動バランスを改善し、ＣＩ値を低く抑えることができるようにした圧電振動片を迅速に加工形成することができる。

第３の発明は、第１の発明の構成において、前記圧電基板を用意した後で、先ず前記圧電振動片の外形の加工と、前記長溝の加工の一部をウエットエッチングにより行い、次いで、前記長溝の残りの加工をドライエッチングにより行うことを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、圧電振動片の外形加工だけでなく、長溝の加工も途中まで従来と同じウエットエッチングで行い、ある程度長溝が形成された時点で、ドライエッチングに切り換えることになるので、従来の製造に要していた時間が、極端に延長されることなく、振動バランスを改善し、ＣＩ値を低く抑えることができるようにした圧電振動片を迅速に加工形成することができる。

また、上記目的は、第２の発明にあっては、パッケージまたはケース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、前記パッケージまたはケースに前記圧電振動片を固定もしくは接合する接合工程と、前記パッケージまたはケースを気密に封止する封止工程とを備えており、前記圧電振動片が、基部と、この基部と一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる少なくとも一対の振動腕と、前記各振動腕の長さ方向に形成される長溝とを備える音叉型の圧電振動片であって、前記圧電振動片が、第１の発明の製造方法によって形成される圧電デバイスの製造方法により、達成される。
第２の発明の構成によれば、第１の発明と同じ原理により、振動バランスを改善し、ＣＩ値を低く抑えることができるようにした圧電デバイスを可能な限り短時間で製造することができる。

図１及び図２は、本発明の圧電デバイスの実施の形態を示しており、図１はその概略平面図、図２は図１のＢ−Ｂ線概略断面図である。
図において、圧電デバイス３０は、水晶振動子を構成した例を示しており、この圧電デバイス３０は、収容容器としてのパッケージ３６内に圧電振動片３２を収容している。パッケージ３６は、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成されている。複数の各基板は、その内側に所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間Ｓ２を形成するようにされている。この内部空間Ｓ２が圧電振動片３２を収容するための収容空間である。

このパッケージ３６の内部に圧電振動片３２をマウントし、蓋体３９で気密に封止するようにされている。ここで、蓋体３９は、セラミック、金属、ガラスなどの材質を選択して形成されている。
蓋体３９が、例えば、金属の場合には、一般に他の材料よりも強度が高い利点がある。パッケージ３６との熱膨張率が近似したものが適しており、例えば、コバールなどを使用することができる。
また、蓋封止後の周波数調整を可能にするために、蓋体３９は、例えばガラスなどの光透過材料で形成される。例えば、硼珪酸ガラスなどの板体を使用することができる。

パッケージ３６の内部空間Ｓ２内の図において左端部付近において、内部空間Ｓ２に露出して内側底部を構成する積層基板には、例えば、タングステンメタライズ上にニッケルメッキ及び金メッキで形成した電極部３１，３１が設けられている。この電極部３１，３１は、外部と接続されて、駆動電圧を供給するものである。この各電極部３１，３１の上に導電性接着剤４３，４３が塗布され、この導電性接着剤４３，４３の上に圧電振動片３２の基部５１が載置されて、導電性接着剤４３，４３が硬化されるようになっている。尚、導電性接着剤４３，４３としては、接合力を発揮する接着剤成分としての合成樹脂剤に、銀製の細粒等の導電性の粒子を含有させたものが使用でき、シリコーン系、エポキシ系またはポリイミド系導電性接着剤等を利用することができる。

圧電振動片３２は、後述する製造工程により、圧電材料として、例えば水晶をエッチングして形成されており、本実施形態の場合、圧電振動片３２は、小型に形成して、必要な性能を得るために、特に図３の概略平面図および図４で示す図３のＣ−Ｃ線切断端面図で示す構造とされている。
すなわち、圧電振動片３２は、パッケージ３６側と固定される基部５１と、この基部５１を基端として、図において上方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕３４，３５を備えており、全体が音叉のような形状とされた、所謂、音叉型圧電振動片が利用されている。

圧電振動片３２の各振動腕３４，３５には、図３および図４を参照して理解されるように、それぞれ長さ方向に延びる長い有底の長溝５６，５７が形成されている。この各長溝５６，５７は、図３のＣ−Ｃ線切断端面図である図４に示されているように、各振動腕３４，３５の表裏両面に形成されている。
特に、この圧電振動片３２においては、後述する製造工程を実行することにより、各長溝５６，５７がほぼ理想的な形状となっている。
図４の振動腕３４について説明すると、図９と比較して理解されるように、長溝５６の底部５６ａは水平であり、長溝５６を挟む両方の壁部５６ｂと５６ｃは、その厚みＫＷ１，ＫＷ２がほぼ同じ厚みに形成されている。
このため、振動腕３４，３５の屈曲振動に際して、個々の振動腕の左右の剛性バランスが改善されており、ＣＩ値を低く抑えることができるものである。
さらに、図３において、圧電振動片３２の基部５１の端部（図３では下端部）の幅方向両端付近には、引き出し電極５２，５３が形成されている。各引き出し電極５２，５３は、圧電振動片３２の基部５１の図示しない裏面にも同様に形成されている。

これらの各引き出し電極５２，５３は、上述したように図１に示されているパッケージ側の電極部３１，３１と導電性接着剤４３，４３により接続される部分である。そして、各引き出し電極５２，５３は、図３および図４に示されているように、各振動腕３４，３５の長溝５６，５７内に設けた励振電極５４，５５とそれぞれ一体に接続されている。また、各励振電極５４，５５は、図４に示されているように各振動腕３４，３５の両側面にも形成されており、例えば、振動腕３４に関しては、長溝５６内の励振電極５４と、その側面部の励振電極５５とは互いに異極となるようにされている。また、振動腕３５に関しては、長溝５７内の励振電極５５と、その側面部の励振電極５４とは互いに異極となるようにされている。

圧電振動片３２の基部５１と振動腕３４，３５との間には、基部５１の幅方向に縮幅して設けた切欠き部もしくはくびれ部（図示せず）を設けてもよい。
これにより、基部５１側への圧電振動片３２の振動の漏れを防止して、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値を低減することができる。
しかも、圧電振動片３２は、全体として、きわめて小型に形成されていて、図３において、例えば、全長が、１３００μｍ程度、振動腕の長さが１０４０μｍ程度、腕幅が４０μｍないし５５μｍ程度とされたきわめて小型の圧電振動片である。

（圧電デバイスの製造方法）
次に、図５のフローチャートを参照しながら、上述の圧電デバイスの製造方法を説明する。
圧電デバイス３０の圧電振動片３２と、パッケージ３６と、蓋体３９は、それぞれ別々に製造される。
（蓋体およびパッケージの製造方法）
蓋体３９は、例えば、所定の大きさのガラス板を切断し、パッケージ３６を封止するのに適合する大きさの蓋体として用意される。
パッケージ３６は、上述したように、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成形して形成される複数の基板を積層した後、焼結して形成されている。成形の際には、複数の各基板は、その内側に所定の孔を形成することで、積層した場合に内側に所定の内部空間Ｓ２を形成する。

（圧電振動片の製造方法）
図６および図７は、本実施形態の圧電振動片３２の製造方法の一例を説明するための主要な工程を示す工程図である。
先ず、圧電基板７１を用意し、図６（ａ）に示すように、ひとつの圧電基板７１から所定数の圧電振動片について、同時にその外形をエッチングにより形成する（外形エッチング）。以下の工程は、圧電振動片の振動腕３４について、図６（ａ）に示すＣＵの位置でカットした断面図６（ｂ）以降に工程順で図示している。

ここで、基板７１は、圧電材料のうち、例えば、圧電振動片３２を複数もしくは多数分離することができる大きさの水晶ウエハが使用される。この基板７１は工程の進行により音叉型の圧電振動片３２とした際には、図３に示すＸ軸が電気軸、Ｙ軸が機械軸及びＺ軸が光軸となるように、圧電材料、例えば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軸を中心に時計回りに０度ないし２度の範囲で回転して切り出した水晶Ｚ板を所定の厚みに切断研磨して得られる。

外形エッチングでは、図示しない耐蝕膜などのマスクを用いて、圧電振動片の外形から外側の部分として露出した基板７１に関して、例えば、フッ酸溶液をエッチング液として、圧電振動片の外形のエッチングを行う。耐蝕膜としては、例えば、クロムを下地として、金を蒸着した金属膜などを用いることができる。このエッチング工程は、ウエットエッチングで、フッ酸溶液の濃度や種類、温度等により変化する。この実施形態では、エッチング液として、フッ酸、フッ化アンモニウムを用いて、所定時間でエッチング工程が完了する（ＳＴ１１）。

（溝形成のためのハーフエッチング工程）
次に、図示しない溝形成用レジストにより、図４で説明した長溝を挟む両側の壁部を残す様にして、溝を形成しない部分に耐蝕膜を残し、外形エッチングと同じエッチング条件で、図６（ｃ）に示すようにウエットエッチングにより長溝に対応した浅い底部５６−１を形成する（ＳＴ１２）。

（ドライエッチング工程）
続いて、図６（ｄ）に示すように、溝を形成しない部分（図４で説明した長溝を挟む両側の壁部）の上側に、メタルマスク７３を配置する（ＳＴ１３）。この状態で、例えば、図示しないチャンバー内に収容し、所定の真空度でエッチングガスを供給して、エッチングプラズマを生成しドライエッチングする（ＳＴ１４）。つまり、真空チャンバー（図示せず）には、例えば、フレオンガスボンベと酸素ガスボンベとが接続され、さらに、真空チャンバーには、排気管が設けられ、所定の真空度に真空引きされるようになっている。
真空チャンバー内が、所定の真空度に真空排気され、フレオンガスと、酸素ガスが送られ、その混合ガスが所定の気圧になるまで充填された状態にて、直流電圧が印加されると、プラズマが発生する。そして、イオン化された粒子を含む混合ガスは、メタルマスク７３から露出した長溝の浅い底部５６−１に当たる。この衝撃により、浅い底部の水晶が物理的に削り取られて飛散し、図７（ａ）に示すように、エッチングが進行する。

次に、図７（ｂ）に示すように、圧電基板７２である水晶ウエハを反転させて、メタルマスク７３を配置し（ＳＴ１５）、図７（ｃ）に示すように、上記と同様にドライエッチングする（ＳＴ１６）。
かくして、図７（ｄ）に示すように、振動腕３４に長溝５６，５６を完成させることができる。この場合、長溝５６の両側の壁部５６ｂ，５６ｃの厚みはほぼ同じで、長溝５６の底部５６ａはほぼ水平な理想に近い形態を実現することができる。
この状態に、図３および図４で説明した必要な駆動用の電極を形成することにより、圧電振動片３２を完成させることができる。

次いで、図３のように完成した圧電振動片３２は、図１及び図２に示すように、パッケージ３６の内部に、導電性接着剤４３を利用して接合される（マウント工程）（ＳＴ１７）。その後で、このパッケージ３６にロウ材（例えば、低融点ガラス）を用いて蓋体３９を接合する（ＳＴ１８）ことで、圧電デバイス３０を完成することができる（ＳＴ１９）。

上述の実施形態によれば、圧電振動片３２の外形については、従来どおりウエットエッチングにより比較的迅速に加工形成することができ、長溝５６，５７に関しては、ドライエッチングにより形成することにより、エッチング異方性を原因とする不良を防止することができる。
しかも、この実施形態では、ウエットエッチングによる外形加工を先行させるので、従来の工程をそのまま利用でき、従来工程にドライエッチングの設備を付加するだけで実施可能な利点がある。
また、圧電振動片３２の外形加工だけでなく、長溝５６，５７の加工も途中まで従来と同じウエットエッチングで行い、ある程度長溝が形成された時点で、ドライエッチングに切り換えることになるので、従来の製造に要していた時間を極端に長くすることなく、振動バランスを改善し、ＣＩ値を低く抑えることができるようにした圧電振動片３２を迅速に加工形成することができる。

本発明は上述の実施形態に限定されない。各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、パッケージ内に圧電振動片を収容するものであれば、水晶振動子、水晶発振器、ジャイロ、角度センサ等の名称にかかわらず、全ての圧電振動片とこれを利用した圧電デバイスに適用することができる。
また、上述の実施形態では、パッケージにセラミックを使用した箱状のものを利用しているが、このような形態に限らず、金属製のシリンダー状のケース等のパッケージと同等の収容容器に圧電振動片を収容するものであれば、いかなるパッケージやケースを伴うものについても本発明を適用することができる。

本発明の実施形態に係る圧電デバイスの概略平面図。 図１の圧電デバイスのＢ−Ｂ線における概略断面図。 図１の圧電デバイスに使用される圧電振動片の一例を示す概略平面図。 図３の圧電振動片のＣ−Ｃ線切断端面図。 図１の圧電デバイスの製造方法の実施形態を示すフローチャート。 図３の圧電振動片の製造方法の実施形態に対応して、順次工程を示す図。 図３の圧電振動片の製造方法の実施形態に対応して、順次工程を示す図。 従来の圧電振動片の概略平面図。 図８のＡ−Ａ線切断端面図。

符号の説明

３０・・・圧電デバイス、３６・・・パッケージ、３２・・・圧電振動片、３４，３５・・・振動腕、５１・・・基部、５４，５５・・・励振電極、５６，５７・・・長溝

Claims (2)

1. 基部と、この基部と一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる少なくとも一対の振動腕と、前記各振動腕の長さ方向に形成される長溝とを備える圧電振動片の外形と前記長溝とをエッチングにより形成する圧電振動片の製造方法であって、
   前記圧電基板を用意し、前記圧電振動片の外形を形成後、
   前記長溝の位置に、前記長溝よりも浅い溝をウエットエッチングによって形成した後、
   浅く形成した前記溝の底部をドライエッチングにより加工することを特徴とする圧電振動片の製造方法。
2. パッケージまたはケース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、
   前記パッケージまたはケースに前記圧電振動片を固定もしくは接合する接合工程と、 前記パッケージまたはケースを気密に封止する封止工程と、を備えており、
   前記圧電振動片が、
   基部と、この基部と一体に形成され、かつ前記基部から平行に延びる少なくとも一対の振動腕と、前記各振動腕の長さ方向に形成される長溝とを備える音叉型の圧電振動片であって、
   前記圧電振動片が、請求項１に記載の圧電振動片の製造方法で形成されることを特徴とする圧電デバイスの製造方法。

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