JP2008236458A - Piezoelectric vibration chip and manufacturing method of piezoelectric device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電基板から形成される圧電振動片の製造方法ならびに、これをパッケージやケースに収容した圧電デバイスの製造方法の改良に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric vibrating piece formed from a piezoelectric substrate and an improvement in a method for manufacturing a piezoelectric device in which the piezoelectric vibrating piece is accommodated in a package or a case.
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において、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。
従来の圧電デバイスは、収容容器としての例えばパッケージ内に、例えば、圧電材料で形成した圧電振動片を収容している。
圧電振動片は、例えば水晶ウエハを矩形にエッチングして駆動用の電極を設けることにより形成されている。
Piezoelectric devices such as piezoelectric vibrators and piezoelectric oscillators in small information devices such as HDDs (hard disk drives), mobile computers, and IC cards, and mobile communication devices such as mobile phones, car phones, and paging systems Is widely used.
A conventional piezoelectric device accommodates, for example, a piezoelectric vibrating piece formed of a piezoelectric material in a package as a container.
The piezoelectric vibrating piece is formed, for example, by etching a quartz wafer into a rectangular shape and providing a driving electrode.
このような圧電振動片の電極は、電極を形成する金属を圧電材料と接合するための下地層と、その表面に形成され、電気抵抗が少ない金属により導通をはかるための電極金属層とを有している。
そして、このような成膜後に加熱する技術が知られている。
例えば、圧電振動片をシリコーン樹脂を含有した導電性接着剤で接合し、加熱して硬化させると、電極部の電極金属層であるＡｕの表面にシリコーン膜が形成されて導通を阻害するが、これを防止するため、電極形成後に加熱し、Ａｕ表面に下地金属膜を拡散・析出させて、シリコーン膜の形成を防止している（特許文献１）。
これ以外にも、加熱により下地層を電極金属層であるＡｕ表面に析出させる技術は他にもある（特許文献２、特許文献３参照）。
The electrode of such a piezoelectric vibrating piece has an underlayer for bonding the metal forming the electrode to the piezoelectric material, and an electrode metal layer formed on the surface thereof for conducting electricity with a metal having low electrical resistance. is doing.
And the technique of heating after such film-forming is known.
For example, when a piezoelectric vibrating piece is bonded with a conductive adhesive containing a silicone resin and cured by heating, a silicone film is formed on the surface of Au, which is an electrode metal layer of the electrode portion, and conduction is inhibited. In order to prevent this, heating is performed after electrode formation, and a base metal film is diffused and deposited on the Au surface to prevent formation of a silicone film (Patent Document 1).
In addition to this, there are other techniques for depositing the base layer on the Au surface as the electrode metal layer by heating (see Patent Document 2 and Patent Document 3).
しかしながら、これらの技術によってもＣＩ値の改善はされていない。
そのことは、以下の理由によると考えられる。
これらの電極膜は、その膜構成が複数の金属によるものとされている。つまり、下地層の表面に電極金属層が形成されていたり、電極金属層の表面に下地層が析出されたりしても、結局複数の金属組成となっている。
このため、金属毎の熱による線膨張係数の違いにより、応力変化が生じ、そのため振動特性が変化して、ＣＩ値が高くなってしまう。
しかも、電極金属層よりも硬い下地金属が下地層として、あるいは、電極金属層の表面に析出した金属層として存在すると、励振の障害になるような応力が発生し、振動にともなう質量効果などに大きな影響を与えるので、このような原因によっても、ＣＩ値や温度特性が劣化するという問題がある。
However, the CI value is not improved by these techniques.
This is thought to be due to the following reasons.
These electrode films are composed of a plurality of metals. That is, even if the electrode metal layer is formed on the surface of the underlayer, or the underlayer is deposited on the surface of the electrode metal layer, a plurality of metal compositions are obtained.
For this reason, a stress change occurs due to the difference in the coefficient of linear expansion due to heat for each metal, so that the vibration characteristics change and the CI value increases.
Moreover, if a base metal that is harder than the electrode metal layer exists as the base layer or as a metal layer deposited on the surface of the electrode metal layer, a stress that hinders excitation is generated, resulting in a mass effect accompanying vibration. Since it has a great influence, there is a problem that the CI value and the temperature characteristic deteriorate due to such a cause.
本発明は、以上の課題を解決するためになされたもので、熱による線膨張係数の違いに起因した応力変化が生じ、あるいは電極金属とは異なるより硬い下地金属が存在することにより励振の障害となる応力が作用することを防止し、ＣＩ値を低く抑えて、良好な振動特性を得ることができる圧電振動片および圧電デバイスの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. A stress change caused by a difference in linear expansion coefficient due to heat occurs, or an obstacle in excitation due to the presence of a harder base metal different from the electrode metal. It is an object of the present invention to provide a piezoelectric vibrating piece and a method for manufacturing a piezoelectric device that can prevent the stress from acting and suppress the CI value to be low and obtain good vibration characteristics.
上述の目的は、圧電基板から圧電素子片を形成する素子片の形成工程と、前記圧電素子片に必要とされる駆動用の電極を形成する電極形成工程とを有する圧電振動片の製造方法であって、前記電極形成工程が、前記圧電素子片の電極の下地となる下地層を成膜する下地形成工程と、前記下地層の表面に電極金属層を成膜する電極金属層の形成工程と、加熱により、前記下地層の金属を前記電極金属層に拡散させ、さらに該下地層を前記電極金属層の表面に析出させる加熱析出工程と、該析出した金属層をほぼ完全に除去する析出金属除去工程とを備える圧電振動片の製造方法により、達成される。 The above-described object is a method of manufacturing a piezoelectric vibrating piece having a step of forming an element piece for forming a piezoelectric element piece from a piezoelectric substrate, and an electrode forming step of forming a driving electrode required for the piezoelectric element piece. The electrode forming step includes forming a base layer as a base of the electrode of the piezoelectric element piece, and forming an electrode metal layer on the surface of the base layer. A heating deposition step of diffusing the metal of the underlayer into the electrode metal layer by heating, and further depositing the underlayer on the surface of the electrode metal layer, and a deposited metal for almost completely removing the deposited metal layer This is achieved by a method for manufacturing a piezoelectric vibrating piece including a removing step.
第１の発明の構成によれば、この圧電振動片の製造方法においては、圧電素子片に電極膜を形成する工程に特徴を有している。
つまり、この製造方法では、先ず、下地層を成膜し、その表面に電極金属層を成膜し、加熱により加熱析出工程を実行するものである。すなわち、加熱により、下地層の成分が上層である電極金属層内に拡散し、さらに、該電極金属層の表面に析出させるのである。これにより、下地層と電極金属層が入れ替り、最表面には下地層が露出する状態となるから、この析出した金属層をほぼ完全に除去する。
その結果、圧電振動片を構成する圧電材料の表面には、基本的には電極金属層だけになるので、形成される電極膜は、その組成がほとんど単一の金属によるものとされることになる。このため、当該電極膜は、複数の金属による組成の場合のように、熱による線膨張係数の違いは無いので、金属組成の違いによる応力変化が生じることがなく、そのため振動特性が変化してしまうことが有効に防止される。
かくして、このように形成された圧電振動片では、ＣＩ値をきわめて低く抑えることができ、特に、ＣＩ値のばらつきが少なく、歩留まりが向上する。
なお、圧電材料である水晶の基板上に、下地層を用いないで、金などの電極金属を直接形成する方法もあるが、それには水晶の表面を特殊処理して、基板上の酸素成分などを完全に除去する必要があり、きわめて面倒な処理で、量産性に乏しい。
According to the configuration of the first aspect of the invention, this method of manufacturing a piezoelectric vibrating piece is characterized by the step of forming an electrode film on the piezoelectric element piece.
That is, in this manufacturing method, first, a base layer is formed, an electrode metal layer is formed on the surface, and a heat deposition step is performed by heating. That is, by heating, the components of the underlayer are diffused into the upper electrode metal layer and further deposited on the surface of the electrode metal layer. As a result, the base layer and the electrode metal layer are interchanged, and the base layer is exposed on the outermost surface, so that the deposited metal layer is almost completely removed.
As a result, the surface of the piezoelectric material constituting the piezoelectric vibrating reed basically has only an electrode metal layer, so that the formed electrode film is almost composed of a single metal. Become. For this reason, the electrode film has no difference in the coefficient of linear expansion due to heat unlike the case of the composition of a plurality of metals, so there is no change in stress due to the difference in the metal composition, and the vibration characteristics change accordingly. Is effectively prevented.
Thus, with the piezoelectric vibrating piece formed in this way, the CI value can be kept extremely low, and in particular, there is little variation in the CI value and the yield is improved.
In addition, there is a method of directly forming an electrode metal such as gold on a quartz crystal substrate, which is a piezoelectric material, without using an underlayer. For this purpose, the surface of the quartz crystal is specially treated to provide oxygen components on the substrate, etc. Needs to be completely removed, and it is a very troublesome process and lacks mass productivity.
第２の発明は、第１の発明の構成において、前記加熱析出工程では、前記下地層をほぼ完全に析出させることを特徴とする。
第２の発明の構成によれば、さらに加熱を続けることによって、前記下地層をほぼ完全に該電極金属層の表面に析出させる。これによって、下地層と電極金属層がほぼ完全に入れ替り、最表面には下地層がほぼ完全に露出する状態となる。このため、析出した金属層をほぼ完全に除去すれば、形成される電極膜には、ほとんど電極金属しか残らないことになる。これにより、第１の発明で説明した作用効果がより完全に実現できるものである。
A second invention is characterized in that, in the configuration of the first invention, the underlayer is deposited almost completely in the heating deposition step.
According to the configuration of the second invention, the base layer is almost completely deposited on the surface of the electrode metal layer by further heating. As a result, the base layer and the electrode metal layer are almost completely replaced, and the base layer is almost completely exposed at the outermost surface. For this reason, if the deposited metal layer is almost completely removed, only the electrode metal remains in the formed electrode film. Thereby, the operation and effect explained in the first invention can be realized more completely.
第３の発明は、第１または２の発明の構成において、前記圧電素子片が水晶素子片であり、前記下地層がＣｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａＨｆ、Ｍｏ、Ｚｒから選択されるひとつの金属であり、前記電極金属層がＡｕ、Ａｇ、Ｐｔから選択されるひとつの金属であることを特徴とする。
第３の発明の構成によれば、圧電振動片として水晶片を選択し、これに対応して、下地層を、高融点金属、すなわち、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａＨｆ、Ｍｏ、Ｚｒから選択されるひとつの金属とする。これらの高融点金属は、電極金属として選択されるＡｕ、Ａｇ、Ｐｔと密着性がよく、かつ拡散して合金を形成できる。なお、前記電極金属層をＡｕ、Ａｇ、Ｐｔから選択されるひとつの金属とするのは、導通抵抗がきわめて低いからである。
According to a third invention, in the configuration of the first or second invention, the piezoelectric element piece is a crystal element piece, and the base layer is selected from Cr, Ni, Ti, V, Nb, TaHf, Mo, and Zr. The electrode metal layer is one metal selected from Au, Ag, and Pt.
According to the configuration of the third invention, a crystal piece is selected as the piezoelectric vibrating piece, and correspondingly, the underlayer is made of a refractory metal, that is, Cr, Ni, Ti, V, Nb, TaHf, Mo, One metal selected from Zr. These refractory metals have good adhesion to Au, Ag, and Pt selected as electrode metals, and can diffuse to form an alloy. The reason why the electrode metal layer is one metal selected from Au, Ag, and Pt is that the conduction resistance is extremely low.
第４の発明は、第１ないし３のいずれかの発明の構成において、前記析出金属除去工程がエッチングにより行われることを特徴とする。
第４の発明の構成によれば、圧電振動片を、圧電ウエハ（水晶ウエハ）等の比較的大きな圧電基板から同時に多数個製造する場合には、トリミングなどの手法と比べると、エッチングによることが、効率の点で好ましい。特に、ウエットエッチングにより前記析出金属除去工程を実行することにより、広い面積にわたって迅速に除去することができて好ましい。
According to a fourth invention, in the configuration of any one of the first to third inventions, the deposited metal removing step is performed by etching.
According to the configuration of the fourth invention, when a large number of piezoelectric vibrating reeds are manufactured simultaneously from a relatively large piezoelectric substrate such as a piezoelectric wafer (quartz wafer), etching is more effective than a technique such as trimming. From the viewpoint of efficiency. In particular, it is preferable to perform the deposited metal removal step by wet etching because it can be quickly removed over a wide area.
第５の発明は、第４の発明の構成において、前記析出金属除去工程が、実質的に、当該析出金属が最表面において少なくとも平面的に連続しない状態までエッチングを行うことを特徴とする。
第５の発明の構成によれば、電極金属層の表面を覆う前記析出金属を除去する上では、これを全て完全に除去することが好ましいが、エッチングの進行によっては、一部残ってしまっても、電極金属層を覆う当該析出金属が水平方向に連続すること（横に連続すること）が無いように分断させる程度にまでエッチングすることにより、当該析出金属の膜剛性や、電気的性質を考慮しなくてもよくなる。
ここで、「最表面において少なくとも平面的に連続しない状態までエッチングを行う」とは、例えば、電極金属層の最表面において、例えば、島状に析出金属が残る程度を意味する。これにより、析出金属の平面方向の応力が分断されるので、形成される電極膜は全体として剛性が低下する結果、励振時に圧電基板の変位に与える影響が著しく低減される。
A fifth invention is characterized in that, in the configuration of the fourth invention, the deposited metal removal step performs etching until the deposited metal is not at least planarly continuous on the outermost surface.
According to the structure of 5th invention, when removing the said deposit metal which covers the surface of an electrode metal layer, it is preferable to remove all this completely, However, Depending on progress of etching, one part may remain. However, by etching to such an extent that the deposited metal covering the electrode metal layer is divided so that it does not continue in the horizontal direction (continuous sideways), the film rigidity and electrical properties of the deposited metal can be reduced. There is no need to consider it.
Here, “etching to a state where the outermost surface is not at least planarly continuous” means, for example, the degree to which deposited metal remains, for example, in an island shape on the outermost surface of the electrode metal layer. As a result, the stress in the plane direction of the deposited metal is divided, and as a result, the rigidity of the formed electrode film is reduced as a whole. As a result, the influence on the displacement of the piezoelectric substrate during excitation is significantly reduced.
第６の発明は、第１ないし第５のいずれかの製造方法により得られる圧電振動片を収容容器内に収容して圧電デバイスを形成することを特徴とする。
第６の発明の構成によれば、このような圧電振動片を利用することにより、全体としてもＣＩ値をきわめて低く抑えた圧電デバイスを得ることができる。
The sixth invention is characterized in that a piezoelectric device is formed by housing a piezoelectric vibrating piece obtained by any one of the first to fifth manufacturing methods in a housing container.
According to the configuration of the sixth aspect of the invention, by using such a piezoelectric vibrating piece, it is possible to obtain a piezoelectric device having an extremely low CI value as a whole.
図１および図２は本発明の圧電振動片の実施形態を示しており、図１はその概略斜視図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
すなわち、圧電振動片１０は、全体が水晶ウエハなどから形成した圧電（水晶）基板４３で形成されている。すなわち、圧電基板４３をエッチングして、図示の形状とされており、固定用の基部１１と、この基部１１を基端として、図において斜め上方に向けて、二股に別れて平行に延びる一対の振動腕１２，１３を備え、全体が音叉のような形状とされた、所謂屈曲振動をする音叉型圧電振動片である。
本実施形態の製造方法は、このような屈曲振動をする圧電振動片に適用される場合に最も効果を発揮する。
1 and 2 show an embodiment of a piezoelectric vibrating piece according to the present invention. FIG. 1 is a schematic perspective view thereof, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG.
That is, the piezoelectric vibrating piece 10 is formed of a piezoelectric (quartz)
The manufacturing method of the present embodiment is most effective when applied to a piezoelectric vibrating piece that performs such bending vibration.
図１および図２に示されているように、圧電振動片１０の各振動腕１２，１３には、それぞれ長さ方向に延びる長い有底の長溝１４，１５が形成されている。この各長溝１４，１５は、図２に示されているように、各振動腕１２，１３の表裏両面に形成されている。
さらに、図２において、圧電振動片１０の基部１１の端部（図１では下端部）の幅方向両端付近には、引き出し電極１８，１９が形成されている。各引き出し電極１８，１９は、圧電振動片１０の基部１１の図示しない裏面にも同様に形成されている。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, long bottomed
Further, in FIG. 2, lead
これらの各引き出し電極１８，１９は、図示しないパッケージ側の電極部と導電性接着剤等により接続される部分である。そして、各引き出し電極１８，１９は、図１および図２に示されているように、各振動腕１２，１３の長溝１４，１５内に設けた励振電極１６，１７とそれぞれ一体に接続されている。
また、各励振電極１６，１７は、図２に示されているように各振動腕１２，１３の両側面にも形成されており、例えば、振動腕１３に関しては、長溝１５内の励振電極１７と、その側面部の励振電極１６とは互いに異極となるようにされている。また、振動腕１２についても構造は同じである。
Each of these
Further, as shown in FIG. 2, the
この圧電振動片１０を形成するための圧電材料として、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を利用することができる。また、圧電素子片の形状も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。
あるいは、これら以外にも、例えば、基部と該基部から平行に延びる一対の振動腕を備えた所謂音叉型振動片、あるいはジャイロセンサのセンサ片等を用いることもでき、特に輪郭振動子片に効果がある。さらにまた、弾性表面波振動子素子片などにも適用できる。
As the piezoelectric material for forming the piezoelectric vibrating piece 10, for example, quartz is used in this embodiment, and other piezoelectric materials such as lithium tantalate and lithium niobate can be used. Further, the shape of the piezoelectric element piece is not limited to the flat type, and a convex type or an inverted mesa type vibrating piece can be used.
Alternatively, for example, a so-called tuning fork type vibration piece having a base and a pair of vibrating arms extending in parallel from the base, or a sensor piece of a gyro sensor, etc. can be used. There is. Furthermore, the present invention can also be applied to a surface acoustic wave vibrator element piece.
また、この圧電振動片１０は、セラミック容器であるパッケージ（収容容器）に、収容することができる。すなわち、パッケージの内部に設けた電極パッドに、圧電振動片１０の引き出し電極１８，１９を導電性接着剤などにより、電気的・機械的に接続し、該パッケージを蓋体により気密に封止することにより、圧電振動子や圧電発振器などの圧電デバイスを形成することができる。
ここで、上記したパッケージの電極パッドに対して、導電性接着剤などにより、圧電振動片１０を電気的・機械的に接続する場合に、本実施形態による該圧電振動片１０の電極金属の表面に析出した析出金属が、ほぼ除去された状態になっていると、当該電極金属の下地層として、酸化し易い下地金属を選択した場合などは、上記導電性接着剤との導電性が高まり、電気特性のよい圧電デバイスを得ることができる。
そしてまた、析出した金属膜が平面的に連続しない状態、すなわち、例えば、島状に点在する程度までほぼ完全に除去することによって、導電性接着剤や振動片固定用の接着剤との接合面積が増えて、接合強度が増強されるという効果が生ずる。
The piezoelectric vibrating piece 10 can be accommodated in a package (accommodating container) that is a ceramic container. That is, the
Here, when the piezoelectric vibrating reed 10 is electrically and mechanically connected to the electrode pad of the above-described package by a conductive adhesive or the like, the surface of the electrode metal of the piezoelectric vibrating reed 10 according to the present embodiment. When the deposited metal deposited on the electrode metal is in a state of being substantially removed, the conductivity with the conductive adhesive is increased, for example, when an underlying metal that is easily oxidized is selected as the underlying layer of the electrode metal. A piezoelectric device with good electrical characteristics can be obtained.
In addition, the deposited metal film is not continuous in a plane, that is, for example, almost completely removed to such an extent that it is scattered in an island shape, thereby joining the conductive adhesive and the adhesive for fixing the resonator element. There is an effect that the area is increased and the bonding strength is enhanced.
（圧電デバイスの製造方法）
（圧電振動片の製造方法）
次に、上記した圧電デバイスおよび、これに使用する圧電振動片の製造方法の実施形態を説明する。
先ず、圧電振動片の製造方法を説明する。
圧電材料として、上述したように、例えば水晶ウエハが使用される。
図１の音叉型の圧電振動片１０を製造する場合には、人工水晶から切り出した水晶ウエハを、フッ酸溶液などによりエッチングして、図１の外形を形成し圧電素子片を得る。
圧電振動片として、図１の形態ではなく、例えば、ＡＴカット振動片を形成する場合には、水晶の結晶軸に対して所定角度で切り出したＡＴカット水晶板を得る。このＡＴカット水晶片が圧電素子片であり、その表面に、駆動に必要な励振電極や引出し電極などの電極膜を形成して振動片とする点は、音叉型圧電素子片の場合と同じである。
(Piezoelectric device manufacturing method)
(Method for manufacturing piezoelectric vibrating piece)
Next, an embodiment of the above-described piezoelectric device and a method of manufacturing a piezoelectric vibrating piece used for the piezoelectric device will be described.
First, a method for manufacturing a piezoelectric vibrating piece will be described.
As described above, for example, a quartz wafer is used as the piezoelectric material.
When the tuning-fork type piezoelectric vibrating piece 10 of FIG. 1 is manufactured, a quartz wafer cut out from an artificial quartz is etched with a hydrofluoric acid solution or the like to form the outer shape of FIG. 1 to obtain a piezoelectric element piece.
For example, when an AT-cut vibrating piece is formed as the piezoelectric vibrating piece, an AT-cut quartz plate cut out at a predetermined angle with respect to the crystal axis of the crystal is obtained. This AT-cut crystal piece is a piezoelectric element piece, and the electrode film such as an excitation electrode and an extraction electrode necessary for driving is formed on the surface to make a vibration piece, which is the same as in the case of a tuning fork type piezoelectric element piece. is there.
（電極形成工程）
次に、圧電素子片に駆動用の電極を形成するための電極形成工程について詳しく説明する。
すなわち、図３は、本実施形態の電極形成工程（電極形成方法）に係るフローチャートであり、図３および関連する図４、図５等を参照しながら、電極形成方法について説明する。
(Electrode formation process)
Next, an electrode forming process for forming driving electrodes on the piezoelectric element pieces will be described in detail.
That is, FIG. 3 is a flowchart according to the electrode forming process (electrode forming method) of the present embodiment, and the electrode forming method will be described with reference to FIG. 3 and related FIGS.
（下地形成工程）
本実施形態では、圧電素子片は上述したように、水晶片であり、その表面に蒸着やスパッタリング等の手法により、図４（ａ）に示すように、（水晶）基板４３の表面に下地層となる金属層４４を成膜する。
すなわち、水晶表面に後述する導通抵抗がきわめて低い金属、すなわち電極金属層である例えばＡｕ等を成膜しようとしても、接合しにくいので、後述する接合層ができるまで、水晶表面と金とを仮に接合させる仮の接合層として下地層４４を形成する。
具体的には、圧電素子片を所定の治具に収容し、スパッタリングや蒸着が可能な真空チャンバー等に移載し、スパッタ工程などを実施する。
この実施形態では、下地層としては高融点金属、すなわち、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａＨｆ、Ｍｏ、Ｚｒから選択されるひとつの金属を成膜する。これらの高融点金属は、電極金属として選択されるＡｕ、Ａｇ、Ｐｔと密着性がよく、かつ拡散して合金を形成できるからである。
本実施形態では、下地層４４としてはクロム（Ｃｒ）が選択され、１０ないし５００オングストロームの膜厚で形成する。
(Base formation process)
In the present embodiment, the piezoelectric element piece is a quartz piece as described above, and the underlayer is formed on the surface of the (quartz)
That is, even if an attempt is made to form a metal having a very low conduction resistance described later on the quartz surface, that is, an electrode metal layer such as Au, it is difficult to bond, so the quartz surface and gold are temporarily bonded until a bonding layer described later is formed. An
Specifically, the piezoelectric element piece is accommodated in a predetermined jig, transferred to a vacuum chamber or the like capable of sputtering or vapor deposition, and a sputtering process or the like is performed.
In this embodiment, a high melting point metal, that is, one metal selected from Cr, Ni, Ti, V, Nb, TaHf, Mo, and Zr is formed as the underlayer. This is because these refractory metals have good adhesion to Au, Ag and Pt selected as electrode metals and can diffuse to form an alloy.
In this embodiment, chromium (Cr) is selected as the
（電極金属層の形成工程）
次に、図４（ａ）に示されているように、駆動電圧を伝達するため、導通性に優れた金属で電極膜を成膜すること、すなわち、電極金属層４５を下地層４４の表面に形成する。
なお、この電極金属層４５が図１、図２の励振電極１６，１７（引出し電極１８，１９を含む）となる。
この実施形態では、電極膜は、導通抵抗がきわめて低いＡｕ、Ａｇ、Ｐｔから選択されるひとつの金属とし、特に、例えば、金（Ａｕ）が選択され、この実施形態では、１００ないし１０００オングストロームの膜厚となるように蒸着または、スパッタリングにより成膜される。
金を選択するのは、下地層４４を形成する上記高融点金属がＡｕ、Ａｇ、Ｐｔと密着性がよく、しかもこれら高融点金属は、後述するように、熱により拡散して合金を形成できるからである。
(Electrode metal layer formation process)
Next, as shown in FIG. 4A, in order to transmit the drive voltage, an electrode film is formed with a metal having excellent conductivity, that is, the
The
In this embodiment, the electrode film is one metal selected from Au, Ag, and Pt having a very low conduction resistance, and in particular, for example, gold (Au) is selected. In this embodiment, the electrode film has a thickness of 100 to 1000 angstroms. It forms into a film by vapor deposition or sputtering so that it may become a film thickness.
Gold is selected because the refractory metal forming the
（加熱析出工程）
図４（ｂ）、図４（ｃ）、図５（ａ）は、本実施形態の製造方法における加熱析出工程であり、上記チャンバー内などで大気圧で実施することができる。
この加熱析出工程は、図３（ａ）のＳＴ１３のように、例えば、ひとつの加熱装置において、連続加熱する工程とすることができる。
あるいは、図３（ｂ）に示すように、３つの加熱段階に対応して、異なる過熱装置、あるいは異なるチャンバー内の加熱手段などにより、それぞれ好適条件とした段階を設けて順次加熱する工程としてもよい。
しかしながら、いずれの方法によっても、図３（ａ）の加熱処理（ＳＴ１３）は、詳しくは、図４（ｂ）、図４（ｃ）、図５（ａ）に示した段階を経るものであり、理解の便宜のため、図３（ｂ）に基づいて説明する。
(Heat deposition process)
FIG. 4B, FIG. 4C, and FIG. 5A show a heat deposition step in the manufacturing method of the present embodiment, and can be performed at atmospheric pressure in the chamber or the like.
This heating precipitation process can be a process of continuous heating in, for example, one heating apparatus, as in ST13 of FIG.
Alternatively, as shown in FIG. 3 (b), it is possible to sequentially heat by providing stages with suitable conditions by using different superheaters or heating means in different chambers corresponding to the three heating stages. Good.
However, in any method, the heat treatment (ST13) in FIG. 3 (a) goes through the steps shown in FIG. 4 (b), FIG. 4 (c), and FIG. 5 (a) in detail. For convenience of understanding, description will be made based on FIG.
この場合の加熱温度および時間は、下地層４４および電極金属層４５の各金属の種類と膜厚により異なるが、２００度ないし５００度（摂氏）の温度範囲で、１ないし４８時間程度である。各膜厚および温度条件に対応して、加熱時間は比例関係の相関をもって決定される。
この加熱の過程で、加熱処理１（ＳＴ１３−１）においては、図４（ｂ）に示すように、下地層４４と電極金属層４５の境界付近で下地層４４であるクロムが電極金属層４５である金に対して拡散をはじめる。
The heating temperature and time in this case are about 1 to 48 hours in the temperature range of 200 degrees to 500 degrees (Celsius), although they vary depending on the type and film thickness of each metal of the
In this heating process, in the heat treatment 1 (ST13-1), as shown in FIG. 4B, chromium as the
加熱を続けると、加熱処理２（ＳＴ１３−２）においては、図４（ｃ）に示すように、下地層４４のクロムが、その表面側である電極金属層４５の表面を超えて、最表面に析出しはじめる。
さらに加熱を続ける加熱処理３（ＳＴ１３−３）においては、図５（ａ）に示すように、下地層４４のクロムは、電極金属層４５の表面、すなわち、最表面側にほぼ全て析出することになる。
ここで、「クロムが電極金属層４５の表面にほぼ全て析出する」とは、ほぼ全てのクロム成分が、最表面に析出した結果、基板４３と電極金属層４５の境界においては、水晶の酸素成分と共有結合したクロム原子の層がきわめて薄く形成され、この層が基板４３に対して電極金属層４５を接合する接合層４６となる状態を指す。
すなわち、基板４３に対して、電極金属層４５はほぼ直接に接合している状態となる。
If the heating is continued, in the heat treatment 2 (ST13-2), as shown in FIG. 4C, the chromium of the
Further, in the heat treatment 3 (ST13-3) in which the heating is continued, as shown in FIG. 5A, almost all chromium of the
Here, “almost all chromium is deposited on the surface of the
That is, the
（析出金属除去工程）
続いて、最表面に析出した下地層由来のクロム層４４を図５（ｂ）に示すようにエッチングする析出金属除去工程（表面層エッチング）（ＳＴ１４）を実施する。
この場合、ドライエッチングを行ってもよいが、例えば、硝酸２セリウムアンモニウム水溶液等により、ウエットエッチングをすることにより、より迅速にエッチングすることができる。
そして、この工程で重要な点は、最表面に析出した金属層であるクロム層４４をほぼ完全に除去することである。
ここで、理想的には、電極金属層４５の最表面に視認される黒色のクロムを全て除去するのであるが、これに限らず、ほぼ完全に除去すれば足りるのである。
ここで、「最表面に析出したクロムをほぼ完全に除去する」とは、例えば、最表面に島状に離れて析出金属が残る程度を意味する。このような状態まで除去すれば、析出金属の平面方向の応力が分断されるので、形成される電極膜は全体として剛性が低下する結果、励振時に圧電基板の変位に与える影響が著しく低減される。
また、このエッチングにより圧電振動片の周波数を質量削減方式により調整する効果もある。
(Deposited metal removal process)
Subsequently, a deposited metal removing step (surface layer etching) (ST14) for etching the
In this case, dry etching may be performed, but the etching can be performed more rapidly by wet etching with, for example, an aqueous solution of 2 ceric ammonium nitrate.
The important point in this step is to remove the
Here, ideally, all of the black chrome visually recognized on the outermost surface of the
Here, “substantially completely remove chromium deposited on the outermost surface” means, for example, the degree to which deposited metal remains on the outermost surface in an island shape. If it is removed to such a state, the stress in the plane direction of the deposited metal is divided, and as a result, the rigidity of the formed electrode film is reduced as a whole, and the influence on the displacement of the piezoelectric substrate during excitation is significantly reduced. .
This etching also has an effect of adjusting the frequency of the piezoelectric vibrating piece by the mass reduction method.
その結果、圧電振動片１０を構成する圧電材料の表面には、基本的には電極金属層４５だけになるので、形成される励振電極１６，１７（電極膜）（引出し電極１８，１９を含む）は、その組成が単一の金属によるものとされることになる。このため、当該電極膜は、複数の金属による組成の場合のように、熱による線膨張係数の違いは無いので、応力変化が生じることがなく、そのため振動特性が変化してしまうことが有効に防止される。
すなわち、電極金属層よりも硬い下地金属が下地層として存在すると、励振の障害になるような応力が発生し、振動にともなう質量効果などに大きな影響を与えるので、このような原因によっても、ＣＩ値や温度特性が劣化するという弊害があるが、このような弊害が有効に防止される。
As a result, since only the
That is, if a base metal that is harder than the electrode metal layer exists as a base layer, a stress that hinders excitation is generated, which greatly affects the mass effect associated with vibration. There is an adverse effect that the value and the temperature characteristic deteriorate, but such an adverse effect is effectively prevented.
次に、図２で示した励振電極１６，１７や引出し電極１８，１９を作るように、フォトリソグラフィの手法などにより、電極形状が形成される。
次に、上記工程と別に形成された図示しないパッケージ側の電極パッドに、導電性接着剤を塗布して、その上に圧電振動片１０の図１で説明した各引出し電極１８，１９の箇所が載置される。
ついで、これら導電性接着剤を加熱して硬化させることにより圧電振動片１０をパッケージの内側底面に片持ち式に接合する。
次に、パッケージ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を低融点ガラスやニッケルなどのロウ材を介して真空雰囲気下で接合する。
最後に必要な検査を経て、圧電デバイスが完成する。
Next, electrode shapes are formed by a photolithography technique or the like so as to make the
Next, a conductive adhesive is applied to an electrode pad on the package side (not shown) formed separately from the above steps, and the portions of the
Next, these conductive adhesives are heated and cured to bond the piezoelectric vibrating piece 10 to the inner bottom surface of the package in a cantilever manner.
Next, the package is transferred into a vacuum chamber, and a lid formed of a metal such as ceramic, glass, or kovar is bonded in a vacuum atmosphere via a brazing material such as low melting glass or nickel.
Finally, a piezoelectric device is completed through necessary inspections.
図６は、従来の圧電振動片のＣＩ値分布Ａと本実施形態による圧電振動片４０のＣＩ値分布を示すグラフである。ＣＩ値の中心値も低下しているし、ＣＩ値のばらつきも大幅に集束していることがわかる。
このように、本実施形態の製造方法により形成された圧電振動片では、ＣＩ値をきわめて低く抑えることができ、特に、ＣＩ値のばらつきが少なく、歩留まりが向上する。また、このような圧電振動片を利用して圧電デバイスを形成することにより、圧電デバイスの性能も安定する。
FIG. 6 is a graph showing the CI value distribution A of the conventional piezoelectric vibrating piece and the CI value distribution of the piezoelectric vibrating piece 40 according to the present embodiment. It can be seen that the central value of the CI value has also decreased, and the variation in the CI value has been greatly concentrated.
As described above, in the piezoelectric vibrating piece formed by the manufacturing method of the present embodiment, the CI value can be suppressed to be extremely low, and particularly, the CI value is less varied and the yield is improved. Further, by forming a piezoelectric device using such a piezoelectric vibrating piece, the performance of the piezoelectric device is also stabilized.
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の電極構造に適用することができる。
The present invention is not limited to the above-described embodiment. Each configuration of each embodiment can be appropriately combined or omitted, and can be combined with other configurations not shown.
In addition, the present invention can be applied to electrode structures of all piezoelectric devices regardless of the names of piezoelectric vibrators, piezoelectric oscillators, etc., as long as they use a package or case and accommodate a piezoelectric vibrating piece inside. Can do.
１０・・・圧電振動片、１６，１７・・・励振電極、４３・・・（圧電）基板、４４・・・下地層、４５・・・電極金属層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Piezoelectric vibrating piece, 16, 17 ... Excitation electrode, 43 ... (Piezoelectric) substrate, 44 ... Underlayer, 45 ... Electrode metal layer
Claims (6)
前記電極形成工程が、
前記圧電素子片の電極の下地となる下地層を成膜する下地形成工程と、
前記下地層の表面に電極金属層を成膜する電極金属層の形成工程と、
加熱により、前記下地層の金属を前記電極金属層に拡散させ、さらに該下地層を前記電極金属層の表面に析出させる加熱析出工程と、
該析出した金属層をほぼ完全に除去する析出金属除去工程と
を備えることを特徴とする圧電振動片の製造方法。 A method of manufacturing a piezoelectric vibrating piece comprising: an element piece forming step for forming a piezoelectric element piece from a piezoelectric substrate; and an electrode forming step for forming a driving electrode required for the piezoelectric element piece,
The electrode forming step includes
A base formation step of forming a base layer to be a base of the electrode of the piezoelectric element piece;
An electrode metal layer forming step of forming an electrode metal layer on the surface of the underlayer; and
A heating precipitation step of diffusing the metal of the underlayer into the electrode metal layer by heating, and further depositing the underlayer on the surface of the electrode metal layer;
And a deposited metal removing step of removing the deposited metal layer almost completely.
前記圧電振動片を請求項１ないし５のいずれかの方法により製造することを特徴とする圧電デバイスの製造方法。 In a method for manufacturing a piezoelectric device in which a piezoelectric device is formed by accommodating a piezoelectric vibrating piece in a container,
A method for manufacturing a piezoelectric device, wherein the piezoelectric vibrating piece is manufactured by the method according to claim 1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2007074097A JP2008236458A (en) | 2007-03-22 | 2007-03-22 | Piezoelectric vibration chip and manufacturing method of piezoelectric device |
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| JP (1) | JP2008236458A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010183538A (en) * | 2009-02-09 | 2010-08-19 | Seiko Instruments Inc | Method of manufacturing piezoelectric vibrator and piezoelectric vibrator, oscillator, electronic equipment, and radio wave clock |
-
2007
- 2007-03-22 JP JP2007074097A patent/JP2008236458A/en not_active Withdrawn
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