DE3910460C2 - Verfahren zur Herstellung eines Dickenscherungs-Kristallresonators - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Dickenscherungs-KristallresonatorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Dickenscherungs-Kristallresonators mit an vorderen und
hinteren Oberflächen einer Kristallplatte gegenüberliegend
angeordneten Elektroden.
Aus der DE-PS 22 56 624 ist ein Verfahren zur Herstellung
eines Quarzkristallschwingers bekannt, bei dem vordere und
hintere Oberflächen der Kristallplatte geätzt und
Elektroden an geätzten Teilbereichen dieser Oberflächen
angebracht werden.
Aus der DE-OS 25 50 434 ist ein Verfahren zur Herstellung
von Scherungs-Quarzkristallschwingern bekannt, die in
größerer Anzahl aus einer einzigen Kristallplatte in der
Weise gewonnen werden, daß die Kristallplatte vollständig
geläppt und anschließend in Form eines stegartigen Musters
in einem Fotoätzverfahren geätzt wird, so daß mehrere
nebeneinander angeordnete Resonatoren geformt und
anschließend voneinander getrennt werden können.
Die Verwendung von Plasmaätzverfahren bei der Bearbeitung
kristalliner Produkte ist aus dem Abstract der JP-OS
54-100 596 bekannt.
Ferner ist aus der US-PS 40 53 351 bekannt, bei der
chemischen Bearbeitung von Silika und Glas durch Ätzen
Paraffinmaterial zur Maskierung zu verwenden.
Im folgenden werden herkömmliche
Dickenscherungs-Kristallresonatoren näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen elektrischen Ersatzschaltkreis eines
Dickenscherungs-Kristallresonators, der eine
Kristallplatte und ein unmittelbar auf deren
entgegengesetzten Oberflächen angebrachtes Elektrodenpaar
umfaßt. Der Q-Faktor (Gütefaktor), der den Wirkungsgrad
bzw. die Güte der Schwingung eines solchen
Kristallresonators darstellt, wird durch folgende
Gleichung (1) ausgedrückt:
wobei f eine Schwingungsfrequenz darstellt, C1 eine
Kapazität des Kristallresonators und R1 ein Widerstand
des Kristallresonators.
Um einen
großen Q-Faktor des bei einer bestimmten Frequenz
schwingenden Kristallresonators zu erreichen, ist es
notwendig, die Kapazität C1 und/oder den Widerstand R1
des Kristallresonators klein zu machen.
Die Schwingungsfrequenz f des Kristallresonators, z.B.
eines Dickenscherungsresonators aus AT geschnittenem
Quarz, wird durch f ≃ 1660 × n/t ausgedrückt, wobei die
Einheit der Frequenz f kHz ist, n die Ordnung der
Schwingung darstellt, die für die Grundschwingung gleich 1
ist, und 3, 5 . . . für die 3., 5. . . . Oberschwingung ist,
und t eine Dicke der Kristallplatte darstellt, deren
Einheit in mm ausgedrückt ist. Da die Ordnung der
Schwingung vorbestimmt ist, hängt die
Schwingungsfrequenz f des
Dickenscherungs-Kristallresonators von der Dicke t der
Kristallplatte ab. Daher sollte zur Verminderung der
Kapazität C1 des bei einer gegebenen Frequenz
schwingenden Kristallresonators und daher zum Erhalt eines
Kristallresonators mit großen Q-Faktor die Größe der auf
entgegengesetzten Oberflächen der Kristallplatte
angebrachten Elektroden klein sein. Es gibt
jedoch eine Begrenzung in der Verminderung der Größe der
Elektroden beim Dickenscherungs-Kristallresonator wegen
des folgenden Grunds.
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung
einen bekannten Dickenscherungs-Kristallresonator,
bei dem die Elektroden auf entgegengesetzten Oberflächen
der Kristallplatte angebracht sind. Bei diesem
Kristallresonator sind die Elektroden 2, 3 an der vorderen
und hinteren Oberfläche der Kristallplatte 1 so
vorgesehen, daß sie entgegengesetzt zueinander sind. Die
Kristallplatte 1 wird durch Drähte 4 und 5
aus elektrisch leitfähigem Material gehalten, und diese
Drähte sind mit den besagten Elektroden 2, 3 jeweils
verbunden. Diese Drähte 4, 5 sind jeweils
mit Anschlußklemmen 6, 7 verbunden, die durch
Isolatoren 8, 9 an einer Metallbasis 10a befestigt sind. Die
Basis 10a wird von einer Metallabdeckung 10b abgedeckt,
und der durch die Basis 10a und die Abdeckung 10b
gebildete Raum ist mit einem Inertgas gefüllt. Im
allgemeinen werden die Elektroden 2, 3, die auf den
entgegengesetzten Oberflächen der Kristallplatte 1
angebracht sind, durch Aufdampfen im Vakuum hergestellt.
Bei
dem Dickenscherungs-Kristallresonator schwingt oder
verformt sich die Kristallplatte 1 in einer zu den Flächen
der Elektroden parallelen Richtung. Wenn der
Kristallresonator in einem solchen Dickenscherungsmodus
schwingt, neigt ein Teil der zwischen den
entgegengesetzten Elektroden angeordneten Kristallplatte
durch die Anlegung der elektrischen Spannung zwischen den
Elektroden dazu, voneinander abzuweichen, jedoch der
verbleibende Teil der Platte in dem Randbereich, auf dem
keine Elektroden angebracht sind, leistet der Abweichung
des zwischen den Elektroden angeordneten Kristallteils
Widerstand. Wenn daher die Größe der Elektroden zur
Verminderung der Kapazität für den Erhalt eines großen
Q-Faktors klein ist, wird bei einem Kristallresonator mit
gegebener Dimension der Kristallplatte der Widerstand R1
natürlich groß sein, und es wird unmöglich sein, einen
großen Q-Faktor zu erhalten. Daher wird es in Betracht
gezogen, die Elektroden und auch den Randteil der
Kristallplatte 1, auf dem die Elektroden nicht ausgebildet
sind, so schmal als möglich zu machen. Um jedoch die auf
einer Oberfläche der Kristallplatte gebildete Elektrode 2
und den damit verbundenen Draht 5 von der
auf der anderen Seite der Kristallplatte geformten
Elektrode 3 und dem damit verbundenen
Draht 5 elektrisch zu isolieren, muß der Randbereich eine
bestimmte Breite besitzen. Im allgemeinen wird eine Breite
von 1-2 mm für den Randbereich des Kristallresonators
benötigt. Aus dem Obigen wird offensichtlich, daß es eine Grenze
gibt, die Kapazität C1 des Kristallresonators
durch Verringerung der Größe der Elektroden klein zu
machen.
Andererseits hat der Widerstand R1 des
Kristallresonators einen charakteristischen Unterschied
von dem des Widerstands einer allgemeinen elektrischen
Schaltung. Sie stellt einen Widerstand gegen die
mechanische Schwingung der Kristallplatte dar. Die Gründe
für einen solchen Widerstand sind noch nicht vollständig
erkannt, es werden jedoch die folgenden vier Faktoren in
Betracht gezogen. Der erste Faktor besteht darin, daß der
in dem Randbereich des Kristallresonators, auf dem die
Elektroden nicht angebracht sind, sich befindende Kristall
die Schwingung des in dem zentralen Teil, an dem die
Elektroden angebracht sind, sich befindenden Kristalls
einschränkt. Der zweite Faktor besteht darin, daß die
Anschlußdrähte die Schwingung beschränken. Der
dritte Faktor besteht darin, daß die Phase der Schwingung
des zwischen den Elektroden sich befindenden Kristalls von
der Phase der Schwingung abweicht, die von den seitlichen
Rändern der Kristallplatte reflektiert wird. Der vierte
Faktor besteht darin, daß verschiedene Arten von während
des Herstellungsprozesses in der Kristallplatte erzeugten
Defekten als Widerstand wirken.
Aufgrund der oben erwähnten
Situation sind bisher verschiedene Lösungen vorgeschlagen
worden, um den Widerstand des
Dickenscherungs-Kristallresonators klein zu machen.
Fig. 4 zeigt einen herkömmlichen Kristallresonator, bei
dem die Kristallplatte 1 plankonvex geformt ist.
Beispielsweise ist eine Oberfläche der Kristallplatte als eine
konvexe Fläche und die andere Oberfläche als eine plane
Fläche ausgebildet. Die beiden Oberflächen sind poliert,
um wie eine Spiegeloberfläche zu werden. Ein solcher
Planokonvextyp-Kristallresonator ist in der US-PS
4,188,557 offenbart. Bei einem
solchen Kristallresonator ist es möglich, die schwingende
Energie im Zentrum des Kristallresonators zu
konzentrieren, und die Verschiebung der Randbereiche wird
beinahe Null, so daß der durch den ersten, oben erwähnten
Faktor verursachte Widerstand reduziert werden kann. Und
da es zudem möglich ist, die Ankopplung von Kontursignalen
höherer Ordnung zu vermindern, die durch die Dicke und die
Kontur der Kristallplatte bestimmt ist, kann der durch den
zweiten Faktor verursachte Widerstand verringert werden.
Da im weiteren die beiden Oberflächen der Kristallplatte
so geformt sind, daß sie wie eine Spiegeloberfläche sind,
kann der durch den vierten Faktor hervorgerufene
Widerstand ebenfalls reduziert werden. Daher wird der
Q-Faktor dieses Planokonvextyp-Kristallresonators hoch, es
besteht jedoch der schwerwiegende Nachteil, daß der
Herstellungsprozeß dafür komplex ist und daher die Kosten
für die Herstellung hoch werden, weil mindestens eine der
beiden Oberflächen der Kristallplatte in der konvexen Form
ausgebildet ist. Daher ist die Anwendung des
Planokonvextyp-Kristallresonators praktisch
beschränkt.
Fig. 5 zeigt eine andere Ausführung eines herkömmlichen
Kristallresonators, bei dem der Widerstand R1 klein ist.
Bei dieser Ausführung ist der äußere Rand des
Kristallresonators 1 durch Läppung zur Formung eines
konischen Randes abgeschrägt. Auch in einem solchen
Kristallresonator mit abgeschrägtem Rand ist die
Verschiebung der Schwingung in dem zentralen Bereich der
Kristallplatte konzentriert und der Verlust aufgrund der
Anschlußdrähte am Rand der Kristallplatte kann
verringert werden. Es besteht jedoch eine Begrenzung, um
den Widerstand R1 durch das Durchführen der
abschrägenden Behandlung des äußeren Randes der
Kristallplatte klein zu machen, und im Falle eines bei
einer höheren Frequenz schwingenden Kristallresonators
wird der abschrägende Prozeß extrem schwierig und weiter
tritt der Effekt der Abschrägung nicht so deutlich auf.
Wie oben festgestellt wurde, ist die Schwingungsfrequenz f
des Kristallresonators hauptsächlich durch die Dicke der
Kristallplatte 1 bestimmt. Z.B. ist bei einer
Grundfrequenz von 1 MHz die Dicke der Kristallplatte
1,66 mm. Und bei einer Frequenz von 10 MHz wird die Dicke
0,166 mm. Daraus wird offensichtlich, daß bei zunehmender
Schwingungsfrequenz die Dicke der
Kristallplatte dünner wird. Daher kann im allgemeinen die
abschrägende Behandlung nicht an Kristallresonatoren mit
einer Frequenz von ungefähr 10 MHz oder mehr durchgeführt
werden.
Um den Widerstand R1 klein zu machen, ist ein weiteres
Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem die läppende
Behandlung zur Formung der beiden Oberflächen der
Kristallplatte als Spiegeloberflächen durchgeführt wird.
Im allgemeinen wird die Kristallplatte mittels Schleifkorn
geläppt, nachdem die Platte in der gegebenen Orientierung
des Kristalls geschnitten wurde. Zu Beginn der Läppung
wird grobe Körnung verwendet und zum Ende wird feine
Körnung verwendet. Die Korngröße der Körnung zur Verwendung
am Abschluß ist etwa #2500 bis #4000, deren Durchmesser
etwa einige Mikrometer beträgt. Die Korngröße zur
Anwendung beim Abschluß wird durch das
notwendige Betriebsverhalten des Resonators bei der
praktischen Anwendung und den Kosten dafür bestimmt. Wenn
die Kristallplatte durch Verwendung sehr feiner
abschleifender Körnung ohne Berücksichtigung
wirtschaftlicher Effektivität geläppt ist, um eine
spiegelartig endbehandelte Oberfläche zu erhalten, wird
der vierte Faktor verringert sein und der Widerstand R1
wird bis zu einem gewissen Grade klein werden. Jedoch
werden die Kosten dafür extrem hoch und unrealistisch
sein. Weiter werden bei der mechanischen Läppung unter
Verwendung von Körnern beeinflußte Grundschichten in den
Oberflächen der Kristallplatte erzeugt, so daß es eine
Grenze dafür gibt, den Widerstand R1 klein zu machen.
Darüber hinaus wurde auch vorgeschlagen, eine ätzende
Behandlung auf der Kristallplatte in solcher Art
durchzuführen, daß die gesamte Kristallplatte in eine
ätzende Flüssigkeit, z.B. eine Lösung aus Ammoniumfluorid,
eingetaucht wird, um nicht nur den Widerstand R1 zu
verringern, sondern auch um die Alterungsveränderung der
Schwingungsfrequenz zu reduzieren, indem die in der
Oberfläche der Kristallplatte erzeugte beeinflußte
Grundschicht oder Schmutz oder Flecken von der Oberfläche
der Kristallplatte entfernt werden. Der Widerstand R1
kann durch ein solches Ätzverfahren klein gemacht werden.
Wenn jedoch die Oberfläche der Kristallplatte überätzt
wird, wird die Oberfläche rauh und der Widerstand R1
wird vergrößert. Weiter wird nicht nur der Randbereich,
sondern auch der zentrale Bereich, auf dem die Elektroden
angebracht werden sollen, geätzt, so daß die Haftkräfte
der Elektroden an den Oberflächen der Kristallplatte
schwach werden. Darüber hinaus kann eine angestrebte Dicke
der Kristallplatte nicht erhalten werden, und ihre
Schwingungsfrequenz kann verschoben sein.
Bei der Herstellung der in Massenproduktion angefertigten
Dickenscherungs-Kristallresonatoren auf eine solche
Art ist die Kristallplatte in eine gegebene Form geschnitten,
wobei die Kristallplatte durch Verwendung abschleifender
Körner poliert und die Ränder der Kristallplatte
abgeschrägt werden. Die gesamte polierte Oberfläche der
Kristallplatte wird geätzt, so daß der Widerstand R1 der
Kristallplatte in einem erlaubbaren Bereich vermindert ist
und der Q-Faktor groß wird.
Jedoch sind die Forderungen der Benutzer an das
Betriebsverhalten und die Kosten der Kristallresonatoren weiter gestiegen.
Daher ist es nun schwierig, die
Benutzerforderungen zu erfüllen. Der
Benutzer fordert, den Widerstand des Kristallresonators
noch geringer zu machen. Darüber hinaus wird aufgrund des
Temperaturverhaltens des Widerstandes R1 eine nicht
gleichmäßige Veränderung, die sog. Absenkung (dip), erzeugt.
Diese Absenkung (dip) steht in Beziehung zu
einer Absenkung des Temperaturverhaltens der Frequenz des
Kristallresonators, und daher ist sie schwierig, einen Ausgleich
zu schaffen. Deshalb ist durch den Benutzer auch
gefordert, daß ein Kristallresonator, dessen
Temperaturverhalten des Widerstandes R₁ oder der Frequenz
keine Absenkung (dip) hat, entwickelt wird und daß die
Herstellungskosten niedrig werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von
Dickenscherungs-Kristallresonatoren anzugeben, welche hohe
Güte und Zuverlässigkeit aufweisen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 6 gelöst.
Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter
Dickenscherungs-Kristallresonator kann einen hinreichend
kleinen Widerstand aufweisen, weil die Masse des
Teilbereichs, an dem keine Elektroden angeordnet sind,
klein gehalten werden kann. Weiterhin kann erreicht
werden, daß die Temperaturcharakteristiken des
Widerstandes und der Frequenz des Kristallresonators
stabil sind, so daß unerwünschte Absenkungen (dips)
vermieden werden können.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den den
Patentansprüchen 1 und 6 jeweils nachgeordneten
Unteransprüchen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand
der Zeichnungen näher beschrieben, soweit diese
Zeichnungen nicht herkömmliche
Dickenscherungs-Kristallresonatoren betreffen.
In den Zeichnungen zeigen, jeweils in schematischer
Darstellung,
Fig. 1 ein Ersatzschaltbild eines
Dickenscherungs-Kristallresonators,
Fig. 2 einen herkömmlichen
Dickenscherungs-Kristallresonator,
Fig. 3 den Schwingungsmodus des
Dickenscherungs-Kristallresonators,
Fig. 4 einen herkömmlichen
Dickenscherungs-Kristallresonator vom
Plankonvex-Typ,
Fig. 5 einen herkömmlichen
Dickenscherungs-Kristallresonator mit konisch
abgeschrägtem Rand im Querschnitt,
Fig. 6A eine Ausführungsform eines nach einem Beispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellten
Dickenscherungs-Kristallresonators im Grundriß,
Fig. 6B den Gegenstand von Fig. 6A im Querschnitt,
Fig. 7 ein Kurvendiagramm zur Darstellung der
Temperaturcharakteristik des Widerstandes und des
Verhältnisses der Abweichung der
Schwingungsfrequenz beim
Dickenscherungs-Kristallresonator gemäß Fig. 6A
und 6B,
Fig. 8 ein entsprechendes Kurvendiagramm für einen
herkömmlichen Dickenscherungs-Kristallresonator,
Fig. 9 Ausführungsformen von weiteren nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Dickenscherungs-Kristallresonatoren im Schnitt,
Fig. 10A, 10B und 10C aufeinanderfolgende Schritte bei der
Herstellung eines
Dickenscherungs-Kristallresonators nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren,
Fig. 11A, 11B und 11C Aufnahmen der in einem optischen
Mikroskop betrachteten Kristallplatte eines nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Dickenscherungs-Kristallresonators,
Fig. 12A, 12B und 12C Aufnahmen der in einem optischen
Mikroskop betrachteten Kristallplatte eines
herkömmlich hergestellten
Dickenscherungs-Kristallresonators,
Fig. 13A, 13B und 13C Aufnahmen der in einem
Elektronenmikroskop betrachteten Kristallplatte
eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Dickenscherungs-Kristallresonators
und
Fig. 14 mehrschichtig angeordnete Kristallplatten bei der
Herstellung von
Dickenscherungs-Kristallresonatoren nach einem
weiteren Beispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
Fig. 6A und 6B zeigen in schematischer Darstellung einen
nach der Erfindung hergestellten
Dickenscherungs-Kristallresonator im Grundriß bzw. im
Schnitt. Darin sind
nur eine Kristallplatte 11 und zwei Elektroden 12 und 13
veranschaulicht, die auf entgegengesetzten Oberflächen
darauf angeordnet sind. Die Kristallplatte 11 hat eine
quadratische Form mit 5,4 mm×5,4 mm bei einer Dicke von
0,166 mm. Der Durchmesser von jeder der Elektroden 12 und
13 beträgt 3,7 mm. Der Randbereich der Kristallplatte 11
ist so abgeschrägt, daß ein äußerer Bereich, der sich
0,7 mm vom Rand der Kristallplatte 11 einwärts erstreckt,
abgeflacht ist. Die ätzende Behandlung wird auf einem Teil
der Oberflächen der Kristallplatte 11 durchgeführt, wo die
Elektroden nicht angeordnet werden sollen, indem eine
Flüssigkeit aus Ammoniumfluorid in dem Umfang verwendet
wird, daß die freien Kristallflächen des Quarz,
insbesondere die natürliche Oberfläche des Kristalls,
freigelegt werden. In Fig. 6B ist die Dicke der
Kristallplatte 11 in vergrößertem Maßstab gezeigt.
Ein solcher
Kristallresonator erzeugt die Grundschwingung bei einer
Schwingungsfrequenz von 10 MHz.
Die in Fig. 7 gezeigten Kurven A und B zeigen die
Temperaturcharakteristik des Verhältnisses der Änderung
der Schwingungsfrequenz (Δf/f) und des Widerstandes R1 des
Kristallresonators nach der obigen Ausführung.
Die Kurve A zeigt, daß der
Widerstand klein ist und in einem Bereich von ungefähr
7,4-8,8 Ω liegt, daß kein Abfall in der
Temperaturcharakteristik des Widerstandes erkennbar ist
und daß die Änderung des Widerstandes aufgrund der
Temperatur gering ist. Weiter zeigt die Kurve B, daß das
Verhältnis der Variation der Schwingungsfrequenz mit der
Temperatur ungefähr +7 ppm bis -10 ppm ist, was ebenso
klein ist.
Die Kurven A und B aus Fig. 8 stellen die
Temperaturcharakteristik eines herkömmlichen
Kristallresonators dar, bei dem die äußeren Teile der
Oberflächen der Kristallplatte nicht geätzt sind. Die
Kurve A aus Fig. 8 zeigt, daß beim herkömmlichen
Kristallresonator der Widerstand ca. 25-30 Ω beträgt,
was etwa dreimal größer ist als bei dem Kristallresonator
der vorliegenden Erfindung, und daß der Widerstand in
Abhängigkeit von der Temperatur sich plötzlich ändert,
insbesondere, daß eine Absenkung erkennbar wird. Und die
Kurve B in Fig. 8 zeigt, daß das Verhältnis der Änderung
der Schwingungsfrequenz ungefähr +15 ppm bis -15 ppm
beträgt, was größer ist als bei der vorliegenden
Erfindung, und daß die Kurve B nicht glatt ist.
In der ersten Ausführung des
Dickenscherungs-Kristallresonators entsprechend der
vorliegenden Erfindung wird die ätzende Behandlung nur auf
den abgeflachten äußeren Teil der Kristallplatte 11
angewendet, kann jedoch auf den, zwischen dem
abgeschrägten Bereich und dem mit den Elektroden 12 und
13, wie in Fig. 9A gezeigt, bedeckten Bereich liegenden,
flachen Bereich ausgedehnt werden. Und es kann auch
möglich sein, die ätzende Behandlung auf dem flachen
Bereich, wie in Fig. 9B gezeigt, teilweise durchzuführen.
Weiter besteht die Möglichkeit, daß die Ätzung bis zu
einem Teil des flachen Bereichs wirksam ist, der von den
Elektroden 12, 13 bedeckt ist, wie in Fig. 9C gezeigt
wird. Es besteht auch die Möglichkeit, die ätzende
Behandlung auf Bereichen durchzuführen, die in Erweiterung
der oben erwähnten Bereiche mit den Zuleitungsbereichen
der Elektroden in Berührung sind, die zur Ankopplung der
Anschlußdrähte an die Elektroden angeordnet sind.
Der Grad der Entfernung der beeinflußten Schicht oder die
wirksam werdende Verzerrung der Kristallplatte wird durch das Maß
bestimmt, in dem der Widerstand R1 klein gemacht werden
muß. Mit dem größten Vorzug sind die Oberflächen des
Kristallresonators so zu ätzen, daß die
freien Oberflächen des Quarzkristalls oder die
natürlichen Oberflächen des Quarzkristalls freigelegt
werden. Es besteht jedoch kein Einfluß, wenn die
beeinflußte Schicht teilweise zurückbleibt, wie es der
Fall sein kann. Die Oberfläche der
Kristallplatte erscheint für das Auge im wesentlichen durchsichtig.
Es wird gefunden, daß eine große Menge von
glatten und flachen konkaven Oberflächen vorhanden ist,
wenn die Kristallplatte mit Hilfe eines Mikroskops
untersucht wird. Im Gegensatz dazu ist die nichtgeätzte
Oberfläche milchigweiß, insbesondere semitransparent, und
eine große Menge von sehr feinen Unebenheiten wird durch
das Mikroskop beobachtet. Bei dem
Dickenscherungs-Kristallresonator nach der vorliegenden
Erfindung besteht der wichtige Punkt darin, daß die
Oberflächen des äußeren Bereichs der Kristallplatte die
natürliche oder freie kristalline Oberfläche haben. Es ist
nicht notwendig, daß die beeinflußte Schicht auf allen
Oberflächen, wo die Ätzung durchgeführt werden sollte, im
gleichen Grade entfernt wird. Wenn z.B., wie in der ersten
Ausführung in Fig. 6A und 6B gezeigt wird, die Ätzung auf
dem zwischen dem abgeschrägten Bereich und den Elektroden
12, 13 liegenden flachen Bereich durchgeführt wird, kann
der Grad des Entfernens der beeinflußten Schicht auf dem
flachen Bereich kleiner als auf dem abgeschrägten Bereich
gemacht werden.
Das Verfahren zur Herstellung des oben erläuterten
Dickenscherungs-Kristallresonators nach der vorliegenden
Erfindung wird im folgenden erklärt.
Zuerst wird die Dickenscherungs-Kristallschwingplatte
hergestellt. Der Durchmesser der Platte beträgt z. B. 8,3 mm, die
Dicke 0,26 mm und die Frequenz der Fundamentalschwingung
6,4 MHz. Nachfolgend werden die beiden Oberflächen der
Kristallplatte 21 mit der Körnung #4000
geläppt, und der äußere Randbereich der Kristallplatte
wird bis zu einer Stelle von 1,4 mm innerhalb des äußeren
Randes abgeschrägt. Die so verarbeitete Platte ist in Fig. 10A
gezeigt. Als nächstes werden Paraffinschichten 22,
23 auf den zentralen Bereich von beiden Oberflächen der
Kristallplatte 21, wie in Fig. 10B gezeigt, aufgebracht.
Die Paraffinschichten haben eine Kreisform mit einem
Durchmesser von 5 mm. Und die Kristallplatte 12, auf der
die Paraffinschichten 22, 23 aufgebracht wurden, wird in
eine Flüssigkeit aus Ammoniumfluorid bei Zimmertemperatur
für 15 Std. eingetaucht, und ein Bereich der nicht mit den
Paraffinschichten bedeckten Oberflächen wird chemisch
geätzt. Danach werden die Paraffinschichten 22 und 23
durch Anwendung von Alkohol entfernt, und die
Metallelektroden 24 und 25 werden im Vakuum auf die
vordere und rückseitige Oberfläche der Kristallplatte, wie
in Fig. 10C gezeigt, aufgedampft.
Auf diese Art wurden beispielsweise achtunddreißig
Dickenscherungs-Kristallresonatoren hergestellt, und deren
Widerstände wurden bei einer Temperatur von 25°C
gemessen. Als minimaler Widerstand wurden 9,3 Ω und als
maximaler Widerstand wurden 17 Ω gemessen, und der
mittlere Widerstand betrug 11,2 Ω. Im Vergleich dazu wurde
der Widerstand von vierzig herkömmlichen
Kristallresonatoren, bei denen die ätzende Behandlung
nicht durchgeführt worden war, bei der Temperatur von 25°C
gemessen. Als minimaler Widerstand wurden 20,1 Ω und als
maximaler Widerstand wurden 44,6 Ω gemessen, und der
Mittelwert betrug 26,6 Ω. Als Ergebnis kann festgehalten
werden, daß bei dem nach der vorliegenden Erfindung hergestellten
Dickenscherungs-Kristallresonator der Widerstand um das 2- bis
2,6fache kleiner als bei dem herkömmlichen
Kristallresonator gemacht werden kann, so daß der Q-Faktor
entsprechend groß gemacht werden kann.
Fig. 11A, 11B und 11C zeigen Fotografien des
Kristallresonators entsprechend der Erfindung, die mit einem
optischen Mikroskop aufgenommen wurden, und Fig. 12A, 12B
und 12C sind Fotografien, die einen bekannten
Kristallresonator zeigen und ebenfalls mit dem optischen
Mikroskop aufgenommen worden sind. Beim Vergleich dieser
Fotografien miteinander kann man erkennen, daß bei
der Kristallplatte nach der Erfindung der Randbereich
transparent ist, während bei der bekannten Kristallplatte
der Randbereich halbdurchsichtig oder undurchsichtig ist.
Fig. 13A-13D sind Fotografien der Kristallplatte
nach der Erfindung, die mit einem
Rasterelektronenmikroskop aufgenommen worden sind. Die in
Fig. 13A gezeigte Fotografie besitzt eine Vergrößerung
von 100 und entspricht der Grenze zwischen dem
nichtgeätzten zentralen Bereich und dem geätzten
Randbereich. Der linke Bereich entspricht dem geläppten,
jedoch nicht geätzten zentralen Bereich und die rechte
Hälfte bezeichnet den geläppten und dann geätzten
Randbereich. Die Fig. 13B bis 13D sind mit einer
Vergrößerung von 10 000 aufgenommene Fotografien. Die Aufnahme
von Fig. 13B zeigt den nichtgeätzten zentralen Bereich,
die Aufnahme von Fig. 13C zeigt den geätzten Randbereich, und
die Aufnahme von Fig. 13D stellt den Grenzbereich dar. In dem
geläppten, zentralen Bereich ist eine Zahl von
Einsenkungen aufgrund des mechanischen Polierens
ausgebildet, die jedoch im geätzten Randbereich nicht
vorhanden sind.
Eine weitere Ausführung des Verfahrens zur Herstellung
großer Mengen von Dickenscherungs-Kristallresonatoren
entsprechend der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf
Fig. 14 erläutert.
Zuerst wird ein mehrschichtiger Körper durch Zusammenfügen
von mehreren 10 bis mehreren 100 Kristallplatten 21
gebildet, wobei die Oberflächen von jeder Platte poliert
und die Randbereiche abgeschrägt worden sind. Nachfolgend
wird der mehrschichtige Körper in eine Flüssigkeit aus
erhitztem und geschmolzenem Abdeckmaterial (Resist), z.B.
Paraffinflüssigkeit, eingetaucht. Während dieser
Behandlung wird die Abdeckflüssigkeit ausreichend in die
zwischen benachbarten Platten gebildeten Räume eingeführt.
Als nächstes werden nach dem Herausziehen des
mehrschichtigen Körpers aus der Abdeckflüssigkeit und
seiner Abkühlung die Ränder der Kristallplatten, die den
mehrschichtigen Körper aufbauen, mit einem Tuch
abgewischt, in das eine Komponente zur Lösung des
Paraffins eingebracht ist, um einen stabförmigen
mehrschichtigen Körper 31 zu erhalten, bei dem die
Abdeckflüssigkeit von den Randbereichen jeder
Kristallplatte entfernt ist und deren zentrale Bereiche
miteinander durch die Abdeck(Resist)schichten 32 verbunden
sind. Im weiteren wird der mehrschichtige Körper 31 in eine
Ammoniumfluoridflüssigkeit bei Zimmertemperatur
eingetaucht, um die freiliegenden Oberflächen an den
Randbereichen der Kristallplatten 21 in einem solchen
Ausmaße zu ätzen, daß in den Randbereichen die natürlichen
oder freien Kristalloberflächen freigelegt werden. Nach
der Beendigung der Ätzung wird der mehrschichtige Körper
31 aus der ätzenden Flüssigkeit gezogen und nach dem
Waschen und Trocknen werden die Abdeckschichten 32
entfernt, so daß eine große Menge von Kristallplatten
erhalten wird, deren äußere Oberflächen geätzt sind. Da
nach diesem Verfahren eine große Menge von Kristallplatten
zur gleichen Zeit geätzt werden kann, wird somit die
Herstellung einfach und die Kosten werden niedrig.
Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird die
auf der äußeren Oberfläche der Kristallplatte ausgebildete
beeinflußte Schicht mit Hilfe der
Ammoniumfluoridflüssigkeit entfernt, die im allgemeinen
zum Ätzen von Quarz verwendet wird. Dafür können jedoch
auch andere ätzende Flüssigkeiten verwendet werden. Und es
kann auch ein Wachs, ein Fichtenharz und eine Mischung
daraus als Abdeckschicht anstelle von Paraffin verwendet
werden. Weiter kann ein physikalisches, thermisches und
mechanisches Verfahren zur Entfernung der beeinflußten
Schicht von der Oberfläche des Kristallresonators anstelle
der oben dargestellten chemischen Ätzung verwendet werden.
Z.B. kann das Plasmaätzverfahren mit Hilfe von CF4-Gas,
das häufig zur Entfernung von SiO2-Schichten bei dem
Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen auf
Halbleitern verwendet wird, insbesondere das reaktive
Gas-Ionen-Ätzverfahren, als physikalische Ätzung verwendet
werden.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung stellten mehrere
Kristallresonatoren her, von denen jeder eine quadratische
Kristallplatte mit den Abmessungen von 5,4 mm×5,4 mm,
eine Dicke von 0,20 mm, eine Frequenz der Grundwelle von
8,33 MHz und eine Frequenz der dritten Oberschwingung von
25 MHz hatte; jedoch waren die Kristallplatten mit
unterschiedlichen Ätzzeiten geätzt worden, um
herauszufinden, wie der Widerstand des Kristallresonators
nach der vorliegenden Erfindung sich mit der Ätzzeit
verändert. Bei diesem Experiment ist jede der
Kristallplatten nicht mechanisch abgeschrägt worden. Die
unten erwähnte Tabelle 1 zeigt die Veränderung des
Widerstandes des Kristallresonators in Abhängigkeit von
der Ätzzeit. Mit zunehmender Ätzzeit wird der Widerstand
der Grundwelle von 96,4 Ω auf 12,5 Ω verringert. Man kann
sagen, der Widerstand wird um das 7fache oder mehr durch
die Ätzung verringert, der Widerstand für die dritte
Oberschwingung wird ebenso verringert, jedoch ist die
Änderung im Vergleich zu der für die Grundschwingung
nicht so groß. Da der Widerstand mit zunehmender Ätzzeit
kleiner wird, kann, wie aus dem Obigen ersichtlich, der
Kristallresonator mit einem gewünschten Widerstand durch
die geeignete Auswahl der Ätzzeit erhalten werden.
Wie oben dargelegt, ist der Widerstand des nach der vorliegenden
Erindung hergestellten Dickenscherungs-Kristallresonators
klein, und somit kann ein großer Q-Faktor
erhalten werden, sogar wenn die Elektroden in einer
Größe bis zu der praktisch verwendbaren Größe
hergestellt sind. Da zudem
die Temperaturcharakeristik sich als im wesentlichen problemlos
herausgestellt hat, arbeitet
der Kristallresonator in einer stabilen Weise. Und da
entsprechend dem Herstellungsverfahren nach der vorliegenden
Erfindung zur Herstellung des Kristallresonators mit
einem guten Betriebsverhalten keine teure
Herstellungsausrüstung notwendig ist, werden die Kosten
zur Herstellung niedrig. Zudem wird nach diesem
Verfahren die Ätzung nicht auf der schwingenden
Oberfläche der Kristallplatte durchgeführt, wo die
Elektroden angebracht sind, so daß die Genauigkeit der vorangehenden
Herstellungsschritte nicht verfälscht wird und
die gewünschte Schwingungsfrequenz leicht erhalten
werden kann.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung eines
Dickenscherungs-Kristallresonators mit an vorderen und
hinteren Oberflächen einer Kristallplatte
gegenüberliegend angeordneten Elektroden, umfassend
folgende Schritte:
- (a) Herausschneiden der Kristallplatte mit einander gegenüberliegenden vorderen und hinteren Oberflächen aus einem Kristallkörper,
- (b) Läppen der gesamten vorderen und hinteren Oberflächen der Kristallplatte und randseitiges Abschrägen dieser Oberflächen,
- (c) Ätzen von ersten Teilbereichen der vorderen und hinteren Oberflächen der Kristallplatte und
- (d) Anbringen von Elektroden an zweiten, nicht geätzten Teilbereichen der vorderen und hinteren Oberflächen der Kristallplatte.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zum Anbringen
der Elektroden vorgesehenen Teilbereiche der
Oberflächen der Kristallplatte durch Aufbringen von
Abdeckschichten vor dem Ätzvorgang abgedeckt und die
Abdeckschichten nach dem Ätzvorgang entfernt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Kristallplatte
zum Aufbringen der Abdeckschichten in flüssiges
Resistmaterial eingetaucht wird, das nach dem
Tauchvorgang von den zur Ätzung vorgesehenen
Teilbereichen der Oberflächen der Kristallplatte
entfernt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem
der Ätzvorgang durch zeitweises Einbringen der
Kristallplatte in eine Ätzflüssigkeit erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem
der Ätzvorgang durch Plasmaätzen unter Verwendung
eines reaktiven Ionengases erfolgt.
6. Verfahren zur Herstellung von
Dickenscherungs-Kristallresonatoren mit an vorderen
und hinteren Oberflächen von Kristallplatten jeweils
gegenüberliegend angeordneten Elektroden, umfassend
folgende Schritte:
- (a) Läppen der gesamten vorderen und hinteren Oberflächen von mehreren, jeweils in gewünschte Form geschnittenen Kristallplatten und randseitiges Abschrägen dieser Oberflächen,
- (b) Vorübergehendes Eintauchen der aneinandergeschichteten Kristallplatten in eine eine Abdeckschicht bildende Flüssigkeit,
- (c) Entfernen der an Randbereichen jeder Kristallplatte nach dem Tauchvorgang haftenden Abdeckflüssigkeit,
- (d) Trocknen der zwischen Mittelbereichen der aneinandergeschichteten Kristallplatten verbliebenen Abdeckflüssigkeit zur Schaffung von haftenden Abdeck- und Verbindungsschichten zwischen Mittelbereichen von jeweils benachbarten Kristallplatten,
- (d) Ätzen des durch aneinanderhaftende Kristallplatten gebildeten mehrschichtigen Körpers in den von den Abdeck- und Verbindungsschichten nicht bedeckten Randbereichen der Kristallplatten,
- (e) Zerlegen des mehrschichtigen Körpers durch Trennen der aneinanderhaftenden Kristallplatten,
- (f) Entfernen der Abdeck- und Verbindungsschichten von den Mittelbereichen der Kristallplatten und
- (g) Anbringen von Elektroden an den Mittelbereichen der vorderen und hinteren Oberflächen jeder Kristallplatte.
7. Verfahren nach Anspruch 6, worin als Abdeck- und
Verbindungsschicht Paraffinmaterial verwendet wird.
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