JP5325151B2 - 水晶デバイス、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、特にリッドおよびベースに水晶材を使用した表面実装型の水晶デバイスに関する。
ＡＴカットなどの厚みすべりの水晶振動片は、一般に、製品として求められる公称周波数よりも高い振動周波数になるように水晶振動片へ励振電極が形成された後、振動周波数を測定しながら励振電極に調整金属膜を付加して周波数を下げて調整される。一つ一つの水晶振動片が周波数調整された後、水晶振動片を収納するパッケージに固定される。一方、調整した水晶振動片をパッケージに固定すると、パッケージとの間に形成される静電容量等によって振動周波数が大きくずれるという問題があった。
このため特許文献１に開示された水晶デバイスは、水晶振動片をパッケージに固定した後、リッドに形成された開口を介して電極が付加されて振動周波数が下げられている。そして、リッドに形成された開口をシールド板で覆って封止している。
しかしながら、特許文献１に開示された水晶デバイスは、一個ずつリッドに形成された開口をシールド板で覆わなくてはならない。このため製造コストが上昇してしまう問題があった。
本発明は、製造コストを低減させ且つ正確な振動周波数を有する水晶デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
第１の観点の水晶デバイスの製造方法は、水晶振動片を有する水晶デバイスであり、水晶振動片の表裏面に形成される電極と、水晶振動片を囲むようにして形成された枠体とを含む水晶フレームを複数有する水晶ウエハを用意する工程と、枠体の一方の面に接合するベースを複数有するベースウエハを用意する工程と、枠体の他方の面に接合し、接合した際に電極に重なる位置に形成された開口部を含む第１リッドを複数有する第１リッドウエハを用意する工程と、第１リッドウエハと同じ大きさのウエハであり、第１リッドウエハに接合し開口部を封止する第２リッドウエハを用意する工程と、水晶ウエハ、ベースウエハおよび第１リッドウエハを接合する第１接合工程と、第１接合工程後に水晶振動片の振動周波数を測定し、この測定結果に基づいて第１リッドの開口部を介して電極の厚みを調整する調整工程と、調整工程後に、第２リッドウエハを第１リッドウエハに接合する第２接合工程と、水晶ウエハ、ベースウエハ、第１リッドウエハおよび第２リッドウエハが接合した状態で、個々の水晶デバイスに分割する工程と、を備えている。
第２の観点の水晶デバイスの周波数の調整工程は、第１の観点に記載の水晶デバイスの製造方法において、電極にスパッタにより調整金属膜を付加して厚くして振動周波数を下げ、又は逆スパッタにより電極を削って振動周波数を上げることができる。
第３の観点の水晶デバイスの製造方法は、第２の観点に記載の水晶デバイスの製造方法において、電極の厚みをスパッタにより厚くした際の第２接合工程が、第２リッドウエハ側の第１リッドウエハに付加した調整金属膜を使って第２リッドウエハを第１リッドウエハに接合することができる。
第４の観点の水晶デバイスの製造方法は、第２の観点に記載の水晶デバイスの製造方法において、第１リッドウエハおよび第２リッドウエハが水晶材からなり、逆スパッタが行われた際に、第２接合工程は、第２リッドウエハと第１リッドウエハとをシロキサン結合により接合する方法である。
第５の観点の水晶デバイスの製造方法は、第１の観点ないし第４の観点のいずれか一項に記載の水晶デバイスの製造方法において、水晶フレームの枠体の外側に相当する位置に複数の水晶貫通穴が形成されており、ベースの枠体の外側に相当する位置に複数のベース貫通穴が形成されており、第１接合工程と調整工程との間に、水晶貫通穴、ベースウエハおよび貫通穴に導電金属膜を付けて外部電極を形成する外部電極形成工程を備える
第６の観点の水晶デバイスの製造方法は、第１の観点ないし第５の観点のいずれか一項に記載の水晶デバイスの製造方法において、水晶振動片の電極が表裏面に形成され厚みすべり振動モードの厚みすべり水晶振動片を含み、第１リッドの開口部が水晶振動片の電極の形状と同じ形状を有する。
第７の観点の水晶デバイスの製造方法は、第１の観点ないし第５の観点のいずれか一項に記載の水晶デバイスの製造方法において、水晶振動片の先端に電極が形成された一対の振動腕を有する音叉型水晶振動片を含み、第１リッドの開口部が先端に形成された電極の面積と同じ面積を有する。
第８の観点の水晶デバイスは、表裏面に電極が形成された水晶振動片および該水晶振動片を囲む枠体を含む水晶フレームと、一方の面に枠体の一面を固定するベース容器と、一方の面に枠体の他面を固定し、水晶振動片を覆う覆い部と前記電極に重なる位置に形成された開口部とを有する第１リッドと、開口部を介しての電極上と覆い部上とに調整金属膜を積層させた後、覆い部と開口部とを合わせた大きさで、覆い部上の調整金属膜と接合するともに開口部を封止する第２リッドと、を備える。
第９の観点の水晶デバイスは、第８の観点に記載の水晶デバイスにおいて、第２リッドが第１リッドと接合する面に開口部を囲むように形成された第１接合金属膜を有し、覆い部上に形成された調整金属膜と第１接合金属膜とが接合する。
第１０の観点の水晶デバイスは、第８の観点に記載の水晶デバイスにおいて、第２リッドが金属イオンを含むガラス板からなり、覆い部上に形成された調整金属膜と第２リッドのガラス板とが接合する。
第１１の観点の水晶デバイスは、表裏面に電極が形成された水晶振動片および該水晶振動片を囲む枠体を含む水晶フレームと、一方の面に枠体の一面を固定するベース容器と、一方の面に枠体の他面を固定し、水晶振動片を覆う覆い部と電極に重なる位置に形成された開口部とを有する第１リッドと、開口部を介して電極を薄くなるように電極の表面を削った後、覆い部と開口部とを合わせた大きさで、覆い部と接合するともに開口部を封止する第２リッドと、を備える。
第１２の観点の水晶デバイスは、第１１の観点に記載の水晶デバイスにおいて、第１リッドと第２リッドとがともに水晶板からなり、覆い部と第２リッドとがシロキサン結合する。
第１３の観点の水晶デバイスは、第１１の観点に記載の水晶デバイスにおいて、第２リッドが第１リッドと接合する面に開口部を囲むように形成された第１接合金属膜を有し、覆い部の第２リッド側には、水晶振動片に予め形成されていた電極よりも厚く形成された第２接合金属膜を有し、第２接合金属膜と第１接合金属膜とが接合する。
第１４の観点の水晶デバイスは、第８の観点ないし第１３の観点のいずれか一項に記載の水晶デバイスにおいて、水晶振動片の電極が表裏面に形成され厚みすべり振動モードの厚みすべり水晶振動片を含み、開口部が水晶振動片の電極の面積とほぼ同じ面積を有する。
第１５の観点の水晶デバイスは、第８の観点ないし第１３の観点のいずれか一項に記載の水晶デバイスにおいて、水晶振動片の先端に電極が形成された一対の振動腕を有する音叉型水晶振動片を含み、開口部が水晶振動片の先端に形成された電極の面積とほぼ同じ面積を有する。
本発明は、正確な周波数で発振する水晶デバイスの製造をウエハ単位で行うことにより、製造コストを低減させ且つ均一な性能を有する水晶デバイスを提供することができる。
（第１実施形態）
＜水晶振動子９０ａの全体構成＞
第１実施形態では、厚みすべり振動する水晶片の一例として表面実装（ＳＭＤ）型のＡＴカット水晶フレーム１０を有する水晶振動子９０ａについて説明する。図１に示される水晶振動子９０ａは、ウエハに形成される数百から数千の水晶振動子９０ａの１個を示した分解斜視図である。また図２は図１のＡ−Ａ断面図を示している。なお、図２に示された１個の水晶振動子９０ａは周波数調整工程が終了した後の断面図である。
＜水晶振動子９０ａの全体構成＞
第１実施形態では、厚みすべり振動する水晶片の一例として表面実装（ＳＭＤ）型のＡＴカット水晶フレーム１０を有する水晶振動子９０ａについて説明する。図１に示される水晶振動子９０ａは、ウエハに形成される数百から数千の水晶振動子９０ａの１個を示した分解斜視図である。また図２は図１のＡ−Ａ断面図を示している。なお、図２に示された１個の水晶振動子９０ａは周波数調整工程が終了した後の断面図である。
以下は図１及び図２を用いて水晶振動子９０ａの全体構成を説明する。第１実施形態の水晶振動子９０ａは、ベース２０、ＡＴカット水晶フレーム１０、第１リッド３０ａ及び第２リッド４０ａで構成されている。
ベース２０は水晶材料などの圧電材料を用いて形成する。ベース２０は上面（ＡＴカット水晶フレーム１０側）には、次に説明するＡＴカット水晶振動部１１の外形より大きな凹部２１が形成され、下面（実装面側）に外部電極２４が形成されている。ベース２０の角部にはベース貫通穴ＢＨ（図４（ｂ）を参照）を形成した際の貫通部２２が形成されている。貫通部２２の側面は、ベース２０の外部電極２４を形成する際に接続電極２５を形成させ、外部電極２４とＡＴカット水晶フレーム１０の励振電極１５とが電気的に接続するように形成されている。
ＡＴカット水晶フレーム１０はＡＴカットされた水晶材料で形成されている。ＡＴカット水晶フレーム１０はＡＴカット水晶振動部１１と、ＡＴカット水晶振動部１１を囲む枠部１２とで構成されている。ＡＴカット水晶振動部１１と枠部１２との間には、上下を貫通するＵ字型の間隙部１３が形成され、間隙部１３が形成されていない部分がＡＴカット水晶振動部１１と枠部１２との接続部１４となっている。ＡＴカット水晶振動部１１の上面（第１リッド３０ａ側）と下面（ベース２０側）とには励振電極１５が形成され、枠部１２の両面には励振電極１５と導電された引出電極１６が形成されている。第１実施形態に係るＡＴカット水晶フレーム１０はＡＴカット水晶振動部１１の外周に間隙部１３を形成しているが、間隙部１３は形成しなくてもよい。また、ＡＴカット水晶振動部１１はメサ型または逆メサ型であってもよい。
ＡＴカット水晶フレーム１０の角部には、水晶貫通穴ＣＨ（図５（ｂ）を参照）を形成した際の貫通部１７が形成され、貫通部１７の側面には接続電極２５が形成されている。また、ＡＴカット水晶フレーム１０の貫通部１７及びベース２０の貫通部２２における導電電極２５を経由して外部電極２４とＡＴカット水晶フレーム１０の引出電極１６とが電気的に接続されている。
したがって、外部電極２４に交番電圧（正負を交番する電位）を印加した時に、ＡＴカット水晶振動部１１は、励振電極１５に交番電圧が印加すされることによって所定の周波数で厚みすべり振動する。また、ＡＴカット水晶フレーム１０はＡＴカット水晶振動部１１の厚さにより基本周波数が決定されるが、励振電極１５の厚みによって周波数が変わる。このため、ＡＴカット水晶フレーム１０は励振電極１５の厚みを変化させることで周波数の微調整を行うことができ、所望の周波数が得られる。例えば、水晶振動子９０ａの周波数は励振電極１５の厚みを薄くさせると高くなり、励振電極１５の厚みを厚くさせると低くなる。
第１実施形態の水晶振動子９０ａはＡＴカット水晶フレーム１０の励振電極１５を厚めに形成し、所望の周波数より低めで発振するように設計され、周波数調整工程で逆スパッタの手法をとることにより、励振電極１５を薄くさせて所望の周波数に合致させる。
第１リッド３０ａは水晶材料で矩形形状に形成されている。また、第１リッド３０ａにはＡＴカット水晶振動部１１の励振電極１５の大きさに相当する形状の開口部３１が形成され、ＡＴカット水晶フレーム１０側にはＡＴカット水晶振動部１１より大きな外形の凹部３２がさらに形成されている。第１リッド３０ａにおける開口部３１以外の領域は第２リッド４０ａとの接合領域３３となる。
第１実施形態の第２リッド４０ａは水晶材料で矩形形状に形成されている。第１リッド３０ａと接合領域３３で接合されて開口部３１を封止する。
＜水晶振動子９０ａの製造工程＞
図３は、水晶振動子９０ａの製造に係わるフローチャートである。
ステップＳ１１は、ベースウエハ２００を形成する工程である。ベースウエハ２００は水晶材料で均一平板に形成される。
ステップＳ１１１では公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術などとにより複数のベース貫通穴ＢＨが形成される。
ステップＳ１１２では、同様にしてベースウエハ２００に凹部２１が形成される。なお、ＡＴカット水晶振動部１１が枠部１２より薄い逆メサ型であれば、このステップＳ１１２は必ずしも必要でない。
図３は、水晶振動子９０ａの製造に係わるフローチャートである。
ステップＳ１１は、ベースウエハ２００を形成する工程である。ベースウエハ２００は水晶材料で均一平板に形成される。
ステップＳ１１１では公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術などとにより複数のベース貫通穴ＢＨが形成される。
ステップＳ１１２では、同様にしてベースウエハ２００に凹部２１が形成される。なお、ＡＴカット水晶振動部１１が枠部１２より薄い逆メサ型であれば、このステップＳ１１２は必ずしも必要でない。
図４（ａ）および図４（ｂ）は、ステップＳ１１により形成されたベースウエハ２００の上面図であり、図４（ｂ）はベースウエハ２００に形成した複数個のベース２０を拡大した図である。
図４（ａ）に示されるベースウエハ２００は、例えば、円形の水晶材料で均一平板に形成され、ベースウエハ２００の周縁部の一部には、水晶の結晶方向を特定するオリエンテーションフラットＯＦが形成されている。ベースウエハ２００には、数百から数千のベース２０が形成される。ベースウエハ２００は後述する分割工程においてカットラインＣＬで分割されて１個のベース２０の外形形状が形成される。
図４（ｂ）に示されるように、ベースウエハ２００には円形のベース貫通穴ＢＨが複数形成されている。ベース貫通穴ＢＨはベース２０の矩形の角部に形成され、角部がベース貫通穴ＢＨの中心として形成されるため、１個のベース貫通穴ＢＨに対して４個のベース２０の貫通部２２を形成することができる。ベース貫通穴ＢＨは公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて形成する。なお、ベース貫通穴ＢＨの位置、形状及び数量はこの限りでない。
再び図３に戻ってフローチャートを説明する。ステップＳ１２は、ＡＴカット水晶ウエハ１００の形成工程である。ＡＴカット水晶ウエハ１００に形成するＡＴカット水晶フレーム１０の発振周波数を所望の周波数より低めに設計しておく。
ステップＳ１２１では、ＡＴカット水晶ウエハ１００に複数のＵ字型の間隙部１３が形成される。
ステップＳ１２２では、複数のＡＴカット水晶フレーム１０の角部に水晶貫通穴ＣＨが形成される。ここでも、間隙部１３及び水晶貫通穴ＣＨは公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術などとにより形成される。
ステップＳ１２３では、ＡＴカット水晶ウエハ１００に、スパッタ法などの手法でＡＴカット水晶フレーム１０に励振電極１５及び引出電極１６が同時に形成される。この場合のＡＴカット水晶フレーム１０の励振電極１５は、周波数調整段階で逆スパッタにより励振電極１５の厚みを薄くする処理を想定しているため、想定する周波数調整を行うことができる十分な厚みをもつ励振電極１５を形成しておく。このため第１リッドウエハ３００側の励振電極１５が厚く形成される。
ステップＳ１２１では、ＡＴカット水晶ウエハ１００に複数のＵ字型の間隙部１３が形成される。
ステップＳ１２２では、複数のＡＴカット水晶フレーム１０の角部に水晶貫通穴ＣＨが形成される。ここでも、間隙部１３及び水晶貫通穴ＣＨは公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術などとにより形成される。
ステップＳ１２３では、ＡＴカット水晶ウエハ１００に、スパッタ法などの手法でＡＴカット水晶フレーム１０に励振電極１５及び引出電極１６が同時に形成される。この場合のＡＴカット水晶フレーム１０の励振電極１５は、周波数調整段階で逆スパッタにより励振電極１５の厚みを薄くする処理を想定しているため、想定する周波数調整を行うことができる十分な厚みをもつ励振電極１５を形成しておく。このため第１リッドウエハ３００側の励振電極１５が厚く形成される。
図５（ａ）および図５（ｂ）は、ステップＳ１２により形成されたＡＴカット水晶ウエハ１００の上面図であり、図５（ｂ）はＡＴカット水晶ウエハ１００に形成した複数のＡＴカット水晶フレーム１０を拡大した図である。
図５（ａ）に示されるように、ＡＴカット水晶ウエハ１００は水晶材料で均一平板に形成される。水晶の結晶方向を特定するオリエンテーションフラットＯＦが形成されている。また、ＡＴカット水晶ウエハ１００には、数百から数千のＡＴカット水晶フレーム１０が形成される。また、個々のＡＴカット水晶フレーム１０の外形形状は後述する分割工程の際のカットラインＣＬで示された形状で形成される。
図５（ｂ）に示されるように、ＡＴカット水晶ウエハ１００には数百から数千のＵ字型の間隙部１３が形成され、同時に水晶貫通穴ＣＨが形成される。水晶貫通穴ＣＨの位置はベースウエハ２００のベース貫通穴ＢＨと対応する位置で形成される。
ＡＴカット水晶ウエハ１００において、励振電極１５及び引出電極１６は、下地層としてＣｒ（クロム）層を成膜し、次にＡｕ（金）層をＣｒ層の上層に成膜する。これはＡｕが水晶ウエハに対して密着性が低いため、下地層として水晶ウエハと密着性が良いＣｒ層を成膜し、次にＣｒ層と密着性がよいＡｕ層を積層することで導電性の良い励振電極１５及び引出電極１６を形成することができる。特にＡｕ層の厚みを厚くすることで発振周波数を所望の周波数より低くすることが好ましい。
再び図３に戻ってフローチャートを説明する。ステップＳ１３は、第１リッドウエハ３００の形成工程である。
ステップＳ１３１では、第１リッド３０ａが複数形成された第１リッドウエハ３００に公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術などとにより複数の開口部３１が形成される。ここで、開口部３１はＡＴカット水晶フレーム１０の励振電極１５に相当する大きさに形成されている。
ステップＳ１３２では、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより第１リッドウエハ３００に凹部３２が形成される。なお、ＡＴカット水晶振動部１１が枠部１２より薄い逆メサ型であれば、このステップＳ１３２は必ずしも必要でない。
ステップＳ１３１では、第１リッド３０ａが複数形成された第１リッドウエハ３００に公知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術などとにより複数の開口部３１が形成される。ここで、開口部３１はＡＴカット水晶フレーム１０の励振電極１５に相当する大きさに形成されている。
ステップＳ１３２では、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術とにより第１リッドウエハ３００に凹部３２が形成される。なお、ＡＴカット水晶振動部１１が枠部１２より薄い逆メサ型であれば、このステップＳ１３２は必ずしも必要でない。
図６は、ステップＳ１３により形成された第１リッドウエハ３００の上面図である。第１リッドウエハ３００は水晶材料で均一平板に形成されている。また、個々の第１リッド３０ａの外形形状は後述する分割工程の際のカットラインＣＬで示された形状で形成される。また、水晶の結晶方向を特定するオリエンテーションフラットＯＦが形成されている。
再び図３に戻ってフローチャートを説明する。ステップＳ１４においては、第２リッドウエハ４００ａが水晶材料で均一平板に所望の厚さに形成される。
ステップＳ１１〜Ｓ１４は、並行して作業が行われてもよい。
ステップＳ１１〜Ｓ１４は、並行して作業が行われてもよい。
図７は、ステップＳ１４により形成された第２リッドウエハ４００ａの上面図である。第２リッドウエハ４００ａは、個々の第２リッド４０ａの外形形状を後述する分割工程の際のカットラインＣＬで示された形状で形成する。水晶の結晶方向を特定するオリエンテーションフラットＯＦが形成されている。
再び図３に戻ってフローチャートを説明する。
ステップＳ１５では、第１接合工程が行われる。すなわち、ステップＳ１１、ステップＳ１２及びステップＳ１３で形成されたベースウエハ２００、ＡＴカット水晶ウエハ１００及び第１リッドウエハ３００の順に重ね合わせて接合される。重ね合わせはオリエンテーションフラットＯＦを基準として行われ、精密な位置合せが行われる。また、第１接合工程の正確な位置あわせにより、ベースウエハ２００のベース貫通穴ＢＨと、ＡＴカット水晶ウエハ１００の水晶貫通穴ＣＨとは、連続する貫通穴を形成することができる。ここで、いずれのウエハも水晶材料で形成しているためシロキサン結合で接合される。
ステップＳ１５では、第１接合工程が行われる。すなわち、ステップＳ１１、ステップＳ１２及びステップＳ１３で形成されたベースウエハ２００、ＡＴカット水晶ウエハ１００及び第１リッドウエハ３００の順に重ね合わせて接合される。重ね合わせはオリエンテーションフラットＯＦを基準として行われ、精密な位置合せが行われる。また、第１接合工程の正確な位置あわせにより、ベースウエハ２００のベース貫通穴ＢＨと、ＡＴカット水晶ウエハ１００の水晶貫通穴ＣＨとは、連続する貫通穴を形成することができる。ここで、いずれのウエハも水晶材料で形成しているためシロキサン結合で接合される。
なお、シロキサン結合は水晶材料同士の接合面を清浄な状態にしてその面同士を貼り合わせ、その後例えば２００°Ｃ前後の加熱と加圧とを行うことによって接合する接合方法である。
ステップＳ１６では、マスクを使ったスパッタ法などの手法により貫通穴の導電電極２５及び外部電極２４が同時に形成される。ステップＳ１５で接合されたベースウエハ２００の下面に外部電極２４が形成され、ＡＴカット水晶ウエハ１００とベースウエハ２００とに形成した連続する水晶貫通穴ＣＨとベース貫通穴ＢＨとに導電電極２５が形成される。また、連続する水晶貫通穴ＣＨの壁面とベース貫通穴ＢＨの壁面とに導電電極２５を形成することで、ベースウエハ２００に形成された外部電極２４とＡＴカット水晶ウエハ１００の励振電極１５とで接触不良や断線等の電極不良をなくすことができる。
ステップＳ１７においては、周波数調整工程が実行される。周波数調整工程ではウエハ内の全てのＡＴカット水晶フレーム１０に対して、開口部３１を介して逆スパッタにて周波数調整が行われる。
周波数調整工程では、第１接合工程と全ての電極の形成とが終了された状態で、個々のＡＴカット水晶フレーム１０に対して電圧を印加して周波数を調整する。例えば、周波数調整工程では真空雰囲気の中でベースウエハ２００の外部電極２４に交番電圧を印加する。そして、個々のＡＴカット水晶フレーム１０を振動させ、その周波数を測定し、その測定結果から逆スパッタにより励振電極１５の厚みを薄くさせる。
第１実施形態では個々のＡＴカット水晶フレーム１０が低めの周波数に振動するように設計してあるため、ＡＴカット水晶フレーム１０の上面の励振電極１５に逆スパッタを行うことで周波数を上昇させ、所望の周波数に調整する。周波数調整工程ではウエハ内の全てのＡＴカット水晶フレーム１０に対して周波数調整が行われる。なお、第１リッドウエハ３００は逆スパッタを行う際のマスクとして使用するとともに、開口部３１以外の接合領域３３が清浄化され第２リッドウエハ４００ａとのシロキサン結合に適した状態にさせることができる。
ステップＳ１８においては、第２接合工程を行い水晶振動子９０ａの封止が行われる。封止は、周波数調整済みのＡＴカット水晶フレーム１０の品質を保持するため、真空雰囲気でステップＳ１４により形成された第２リッドウエハ４００ａを接合する。第１実施形態では第２リッドウエハ４００ａを水晶材料で形成しているため第１リッドウエハ３００と第２リッドウエハ４００ａとの接合面を清浄にしてシロキサン結合にて接合される。ここでも、オリエンテーションフラットＯＦを基準位置として第２リッドウエハ４００ａを正確な位置で重ね合わされ、シロキサン結合する。
ステップＳ１９においては、水晶振動子９０ａを単位として分割工程が行われる。分割工程では、レーザーを用いたダイシング装置、または切断用ブレードを用いたダイシング装置などを用いて水晶振動子９０ａを単位として個片化する。これにより、数百から数千の正確な周波数に調整された水晶振動子９０ａが製造される。
ベースウエハ２００、ＡＴカット水晶ウエハ１００及び第１リッドウエハ３００が接合された後、ステップＳ１７で周波数調整されている。このため、ステップＳ１８およびステップＳ１９を経ても、水晶振動子９０ａの周波数の変動はほとんどない。
（第２実施形態）
第２実施形態で製造される水晶振動子９０ｂにおいて、第２リッドウエハ４００ｂは均一平板で構成され、第１実施形態で説明された第２リッドウエハ４００ａと同じ形状であり材質が異なっている。第２リッドウエハ４００ｂは、パイレックス（登録商標）ガラス、ホウ珪酸ガラス及びソーダガラスなどを材料としており、これらはナトリウムイオンなどの金属イオンを含有するガラス部材である。以下は、第１実施形態と異なる点について説明し、同様の構成について同じ符号を用いる。
第２実施形態で製造される水晶振動子９０ｂにおいて、第２リッドウエハ４００ｂは均一平板で構成され、第１実施形態で説明された第２リッドウエハ４００ａと同じ形状であり材質が異なっている。第２リッドウエハ４００ｂは、パイレックス（登録商標）ガラス、ホウ珪酸ガラス及びソーダガラスなどを材料としており、これらはナトリウムイオンなどの金属イオンを含有するガラス部材である。以下は、第１実施形態と異なる点について説明し、同様の構成について同じ符号を用いる。
図８は水晶振動子９０ｂの製造に係わるフローチャートである。水晶振動子９０ｂの製造方法は、第１実施形態で示されたステップＳ１２３、ステップＳ１４、ステップＳ１７及びステップＳ１８で材料および方法が異なる。このため、第２実施形態のステップＴ１１からステップＴ１９内、対応されるステップＴ１２３、ステップＴ１４、ステップＴ１７及びステップＴ１８についてのみ説明する。
ステップＴ１２３において、第２実施形態では水晶振動子９０ｂを作成するために、ＡＴカット水晶ウエハ１００に形成するＡＴカット水晶フレーム１０の発振周波数を所望の周波数より高めに設計しておく。すなわち周波数調整段階でスパッタにより励振電極１５の厚みを厚くする処理を想定しているため、薄い励振電極１５を形成しておく。Ｃｒ層とＡｕ層とが積層される際には、Ａｕ層の厚みを薄くすることで発振周波数を所望の周波数より高めにする。
ステップＴ１４において、第２実施形態では金属イオンを含有するガラス部材の第２リッドウエハ４００ｂを使用して所望の厚さに形成する。
ステップＴ１７では、周波数調整工程が実行される。周波数調整工程ではウエハ内の全てのＡＴカット水晶フレーム１０に対して開口部３１を介してスパッタにて周波数調整が行われる。周波数調整工程において、第１リッド３０ａがマスクの役割をする。このため、周波数調整工程でＡＴカット水晶フレーム１０の励振電極１５に調整金属膜３５を形成し、同時に第１リッドウエハ３００の開口部３１以外の接合領域３３にも調整金属膜３５が形成される
図９は１個の水晶振動子９０ｂにおける周波数調整工程の終了後の断面図である。個々のＡＴカット水晶フレーム１０が所望の周波数より高めの周波数に振動するように設計してあるため、水晶振動子９０ｂの周波数調整工程においてスパッタを行う。これにより、図９に示されたＡＴカット水晶フレーム１０の上面の励振電極１５に調整金属膜３５を形成することで周波数を下降させ、所望の周波数に調整する。周波数調整工程ではウエハ内の全てのＡＴカット水晶フレーム１０に対して周波数調整が行われる。
調整金属膜３５はＣｒ層にＡｕ層を重ねた金属膜、Ａｕ層のみ又はアルミニュウム層で形成される。なお、周波数調整工程では周波数調整が不必要の場合、又は周波数調整量が僅かで少量の金属膜しか必要としない場合は、第１リッドウエハ３００に十分な金属膜を形成することができない。後述の第２接合工程のために、あらかじめ第１リッドウエハ３００の上面に金属膜を形成しておいても良い。また、周波数調整工程においてスパッタによりＡｕ層のみを形成するために、あらかじめ第１リッドウエハ３００の上面には下地のＣｒ層を形成しておいてもよい。
ステップＴ１８では、第２接合工程を行い水晶振動子９０ｂの封止が行われる。封止は周波数調整済みのＡＴカット水晶フレーム１０の品質を保持するため、真空雰囲気において第２リッドウエハ４００ｂを接合する。また、ステップＴ１７の周波数調整工程が終了した後の水晶振動子９０ｂは、第１リッド３０ａの上面の接合領域３３及び上面側の励振電極１５に調整金属膜３５が形成されている。この状態で第２接合工程が行われ、第１リッド３０ａの接合領域３３の調整金属膜３５と金属イオンが含有されたガラス部材で形成された第２リッド４０ｂの下面とを陽極接合により接合する。
陽極接合は、金属と金属イオンを含有するガラス部材とを接合する技術である。例えば、真空中あるいは不活性ガス中で加熱しながら加圧し、金属を陽極とし、金属イオンを含有するガラス部材の接合面に対向する面に陰極を配置し、これらの間に電界を印加する。これにより、ガラスに含まれているナトリウムなどの金属イオンが陰極側に移動する。この結果、接合界面においてガラス部材に接触している金属が酸化され、両者が接合した状態が得られる。
（第３実施形態）
第３実施形態で製造される水晶振動子９０ｃにおいて、第２リッドウエハ４００ｃは第１実施形態で説明された第２リッドウエハ４００ａと同じ形状である。第２リッドウエハ４００ｃは均一平板で構成され、材質は限定することなく金属膜の形成が可能な材質であればよいため、水晶材料、ガラス部材、セラミックなどを用いることができる。
第３実施形態で製造される水晶振動子９０ｃにおいて、第２リッドウエハ４００ｃは第１実施形態で説明された第２リッドウエハ４００ａと同じ形状である。第２リッドウエハ４００ｃは均一平板で構成され、材質は限定することなく金属膜の形成が可能な材質であればよいため、水晶材料、ガラス部材、セラミックなどを用いることができる。
水晶振動子９０ｃの製造方法においても、図９で示された第２実施形態のフローチャートとほぼ同様であり、ステップＴ１４及びステップＴ１８の材料および接合方法が異なるだけであるため、図９を用いて異なるステップについてのみ説明する。
ステップＴ１４においては、例えば、水晶材料で形成した第２リッドウエハ４００ｃが所望の厚さに形成される。また、図１０に示されたように第２リッドウエハ４００ｃの下面には第１リッドウエハ３００と接合するための第１接合金属膜４５が形成される。図１０は１個の水晶振動子９０ｃにおける周波数調整工程の終了後の断面図である。
第２リッドウエハ４００ｃに形成する第１接合金属膜４５はスパッタ法などにより、第２リッドウエハ４００ｃの下面側の全面、または第１リッドウエハ３００の接合領域３３に対応する領域のみに、下地のクロム層にＡｕ層またはＣｕ層を重ねて形成される。
また、第２実施形態と同様に周波数調整工程では周波数調整が不必要の場合、又は周波数調整量が僅かで少量の金属膜しか必要としない場合は、第１リッドウエハ３００に十分な金属膜を形成することができない。後述の第２接合工程のために、あらかじめ第１リッドウエハ３００の上面に金属膜を形成しておいても良い。また、周波数調整工程においてスパッタによりＡｕ層またはＣｕ層のみを形成するために、あらかじめ第１リッドウエハ３００の上面には下地のＣｒ層を形成しておいてもよい。
ステップＴ１８では、第２接合工程を行い水晶振動子９０ｃの封止が行われる。封止は周波数調整済みのＡＴカット水晶フレーム１０の品質を保持するため、真空雰囲気において第２リッドウエハ４００ｃを接合する。第３実施形態では第２リッドウエハ４００ｃの第１接合金属膜４５と、第１リッドウエハ３００の接合領域３３の調整金属膜３５とを公知の加熱加圧装置で接合される。
なお、加熱加圧装置はウエハに形成した金属を溶かしてウエハ同士を貼り合わせる装置である。加熱加圧装置は、位置合せの終了したウエハ同士を加熱し加圧し接合する。例えば、加熱加圧装置は、ヒーターによりウエハを所定温度まで加熱し、且つ加圧アクチュエータにより所定の圧力を所定の時間加えることで、ウエハに形成したＣｕ層またはＡｕ層などの金属同士を接合することができる。
なお、第２実施形態及び第３実施形態では、ステップＴ１２３においてＡＴカット水晶フレーム１０の周波数を所望の周波数より高めに設計して、ステップＴ１７でスパッタを行うことで周波数を下げている。
しかし、第１実施形態と同様にＡＴカット水晶フレーム１０の周波数を所望の周波数より低めに設計して、逆スパッタにより周波数を上げることも可能である。この場合は、ステップＴ１２３において、ＡＴカット水晶ウエハ１００に形成するＡＴカット水晶フレーム１０の発振周波数を所望の周波数より低めに設計しておく。この場合のＡＴカット水晶フレーム１０の周波数調整は、周波数調整段階でＡＴカット水晶フレーム１０の上面に形成する励振電極１５の厚みを逆スパッタにより薄くする処理を想定しているため、想定する周波数調整が行うことができる十分な厚みをもつ励振電極１５を形成しておく。このため第１リッドウエハ３００側の励振電極１５が厚くなるよう設計される。
また、図１０に示されたようにステップＴ１３の第１リッドウエハ３００の形成時に、第１リッドウエハ３００の上面に第２接合金属膜６５を形成しておく。第２接合金属膜５５もステップＴ１２３と同様に、周波数調整工程で逆スパッタにより薄くなるため、想定される周波数調整が行うことができる十分な厚みをもつ第２接合金属膜５５を形成しておく。
また、ステップＴ１７の周波数調整工程においては、第1実施形態と同様に逆スパッタにて周波数を調整する。このため、ＡＴカット水晶フレーム１０の励振電極１５及び第１リッドウエハ３００の第２接合金属膜５５が十分な厚さで形成しておくことで、ステップＴ１８の逆スパッタによる周波数調整工程及びステップＳ１８での第２接合工程を行うことができる。第２接合工程は第２リッドウエハ４００の接合面の材質により陽極接合、または加熱加圧装置を用いての接合を行うことができる。
（第４実施形態）
第４実施形態で製造される水晶振動子９０ｄは、第１実施形態ないし第３実施形態で示されたＡＴカット水晶フレーム１０でなく音叉型水晶振動フレーム５０を使用している。図１１に示される水晶振動子９０ｄは、ウエハに形成される何百から何千の水晶振動子９０ｄの1個を示した分解斜視図である。また図１２は図１１のＢ−Ｂ断面図を示している。第４実施形態の水晶振動子９０ｄは、ベース２０、音叉型水晶振動フレーム５０、第１リッド３０ｂ、第２リッド４０ａで構成されている。
第４実施形態で製造される水晶振動子９０ｄは、第１実施形態ないし第３実施形態で示されたＡＴカット水晶フレーム１０でなく音叉型水晶振動フレーム５０を使用している。図１１に示される水晶振動子９０ｄは、ウエハに形成される何百から何千の水晶振動子９０ｄの1個を示した分解斜視図である。また図１２は図１１のＢ−Ｂ断面図を示している。第４実施形態の水晶振動子９０ｄは、ベース２０、音叉型水晶振動フレーム５０、第１リッド３０ｂ、第２リッド４０ａで構成されている。
音叉型水晶振動フレーム５０は圧電材料で形成されている。音叉型水晶振動フレーム５０は音叉型水晶振動部５１と、音叉型水晶振動部５１を囲む枠部５２とで構成されている。
音叉型水晶振動部５１は、一対の振動腕５３と、振動腕５３の表裏両面には溝部５４とが形成されている。音叉型水晶振動部５１は支持腕５５により枠部５２と接続されている。
振動腕５３の先端付近では幅広に形成されており、ハンマー型の形状をしている。また、振動腕５３のハンマー型の部分には錘電極５６が形成して錘の役目と周波数調整の役目とをさせている。錘の役目としては振動腕５３に電圧をかけた際に振動しやすくさせ、また安定した振動をすることができる。なお、錘電極５６には交番電圧が印加されても印加されなくてもよい金属膜である。
外形と溝部５４とを形成した音叉型水晶振動フレーム５０は次に錘電極５６、励振電極５７及び引出電極５８を同時に形成する。励振電極５７は音叉型水晶振動部５１の振動腕５３及び溝部５４に形成され、引出電極５８は枠部５２の両面に形成されている。
また、第１リッド３０ｂは音叉型水晶振動フレーム５０の２箇所の錘電極５６に対応する位置に開口部３４が２箇所に形成してある。
第４実施形態の周波数調整工程は、第1実施形態ないし第３実施形態で示された同様な方法で行うことができる。すなわち、第１リッド３０ｂに形成した２箇所の開口部３４を介してスパッタにより錘電極５６を厚くさせて水晶振動子９０ｄの発振周波数を下げる方法が行われる。また、第１リッド３０ｂに形成した２箇所の開口部３４を介して逆スパッタにより錘電極５６を薄くさせることで水晶振動子９０ｄの発振周波数を上げる方法も行われる。さらに、逆スパッタする場合には十分な厚みの錘電極５６の形成が必要となる。
以上に示した実施形態において、ベースウエハ２００または第１リッドウエハ３００を水晶材料以外の材料で形成しても良い。その場合の第１接合工程の接合方法が異なり、別の接合方法で接合される。また、第４実施形態は円形の水晶単結晶ウエハを用いているが、矩形の水晶単結晶ウエハを用いてもよい。
以上、本発明の最適な実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。本明細書では水晶振動子を説明してきたが、発振回路が形成されたＩＣを搭載する水晶発振器についても本発明を適用できる。
例えば、本発明ではＡＴカットの水晶振動片を一例として説明したが、これに限らずＢＴカットの水晶振動片、ＳＣカットの水晶振動片などでも本発明と同じ効果が得られる。また、励振電極の形状は本発明の実施例に示された角丸長方形に限らず、様々に変形することができて六角形などの多角形で隅部を丸くした矩形でもよい。また、励振電極及び引出電極を構成する材料も本発明の実施形態に示された金属に限らず、アルミニウム（Ａｌ）などの金属でもよいし、金（Ａｕ）の含量が１〜４０ｗｔ．％の金（Ａｕ）銀（Ａｇ）合金でもよい。
１０ … ＡＴカット水晶フレーム
１１ … ＡＴカット水晶振動部
１２、５２ … 枠部
１３ … 間隙部
１４、５５ … 接続部
１５、５７ … 励振電極
１６、５８ … 引出電極
１７、２２ … 貫通部
２０ … ベース
２１、３２ … 凹部
２４ … 外部電極
３０ａ、３０ｂ … 第１リッド
３１ … 開口部
３３ … 接合領域
３５ … 調整金属膜
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ … 第２リッド
４５ … 第１接合金属膜
５０ … 音叉型水晶振動フレーム
５１ … 音叉型水晶振動部
５３ … 振動腕
５４ … 溝部
５６ … 錘電極
６５ … 第２接合金属膜
９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄ … 水晶振動子
１００ … ＡＴカット水晶ウエハ
２００ … ベースウエハ
３００ … 第１リッドウエハ
４００ａ、４００ｂ、４００ｃ … 第２リッドウエハ
Ａ、Ｂ … 分割線
ＢＨ … ベース貫通穴
ＣＨ … 水晶貫通穴
ＣＬ … カットライン
ＯＦ … オリエンテーションフラット
１１ … ＡＴカット水晶振動部
１２、５２ … 枠部
１３ … 間隙部
１４、５５ … 接続部
１５、５７ … 励振電極
１６、５８ … 引出電極
１７、２２ … 貫通部
２０ … ベース
２１、３２ … 凹部
２４ … 外部電極
３０ａ、３０ｂ … 第１リッド
３１ … 開口部
３３ … 接合領域
３５ … 調整金属膜
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ … 第２リッド
４５ … 第１接合金属膜
５０ … 音叉型水晶振動フレーム
５１ … 音叉型水晶振動部
５３ … 振動腕
５４ … 溝部
５６ … 錘電極
６５ … 第２接合金属膜
９０ａ、９０ｂ、９０ｃ、９０ｄ … 水晶振動子
１００ … ＡＴカット水晶ウエハ
２００ … ベースウエハ
３００ … 第１リッドウエハ
４００ａ、４００ｂ、４００ｃ … 第２リッドウエハ
Ａ、Ｂ … 分割線
ＢＨ … ベース貫通穴
ＣＨ … 水晶貫通穴
ＣＬ … カットライン
ＯＦ … オリエンテーションフラット
Claims (9)
- 水晶振動片を有する水晶デバイスの製造方法において、
前記水晶振動片の表裏面に形成される電極と、前記水晶振動片を囲むようにして形成された枠体とを含む水晶フレームを複数有する水晶ウエハを用意する工程と、
前記枠体の一方の面に接合するベースを複数有するベースウエハを用意する工程と、
前記枠体の他方の面に接合し、接合した際に前記電極に重なる位置に形成された開口部を含む第１リッドを複数有する第１リッドウエハを用意する工程と、
前記第１リッドウエハと同じ大きさのウエハであり、前記第１リッドウエハに接合し前記開口部を封止する第２リッドウエハを用意する工程と、
前記水晶ウエハ、前記ベースウエハおよび前記第１リッドウエハを接合する第１接合工程と、
前記第１接合工程後に前記水晶振動片の振動周波数を測定し、この測定結果に基づいて前記開口部を介して前記電極の厚みを調整する調整工程と、
前記調整工程後に、前記第２リッドウエハを前記第１リッドウエハに接合する第２接合工程と、
前記水晶ウエハ、前記ベースウエハ、前記第１リッドウエハおよび前記第２リッドウエハが接合した状態で、個々の前記水晶デバイスに分割する工程と、を備え、
前記調整工程は、前記電極にスパッタにより調整金属膜を付加して前記振動周波数を下げ、
前記第２接合工程は、前記第２リッドウエハ側の前記第１リッドウエハに付加した調整金属膜を使って前記第２リッドウエハを前記第１リッドウエハに接合する水晶デバイスの製造方法。 - 前記水晶ウエハには前記枠体の外側に相当する位置に複数の水晶貫通穴が形成されており、
前記ベースウエハには前記水晶貫通穴と一致する位置に複数のベース貫通穴が形成されており、
前記第１接合工程と前記調整工程との間に、前記水晶貫通穴、前記ベースウエハおよび前記ベース貫通穴に導通金属膜を付けて外部電極を形成する外部電極形成工程を備える請求項１に記載の水晶デバイスの製造方法。 - 前記水晶振動片は、前記電極が表裏面に形成され厚みすべり振動モードの厚みすべり水晶振動片を含み、
前記開口部は前記電極の形状と同じ形状を有する請求項１又は請求項２に記載の水晶デバイスの製造方法。 - 前記水晶振動片は、先端に前記電極が形成された一対の振動腕を有する音叉型水晶振動片を含み、
前記開口部は前記先端に形成された電極の面積と同じ面積を有する請求項１又は請求項２に記載の水晶デバイスの製造方法。 - 表裏面に電極が形成された水晶振動片および該水晶振動片を囲む枠体を含む水晶フレームと、
一方の面に前記枠体の一面を固定するベース容器と、
水晶材料により形成され、一方の面に前記枠体の他面を固定し、前記水晶振動片を覆う覆い部、及び前記水晶振動片の他面に形成される前記電極の全体に全体が重なるように形成された開口部を有する第１リッドと、
前記覆い部と前記開口部とを合わせた大きさで、前記覆い部上の全面の調整金属膜と接合するとともに前記開口部を封止する第２リッドと、を備え、
前記覆い部上の調整金属膜と前記電極とが導通していない水晶デバイス。
- 前記第２リッドは、前記第１リッドと接合する面に前記開口部を囲むように形成された第１接合金属膜を有し、
前記覆い部上に形成された調整金属膜と前記第１接合金属膜とが接合する請求項５に記載の水晶デバイス。 - 前記第２リッドは金属イオンを含むガラス板からなり、
前記覆い部上に形成された調整金属膜と前記ガラス板とが接合する請求項５に記載の水晶デバイス。 - 前記水晶振動片は、前記電極が表裏面に形成され厚みすべり振動モードの厚みすべり水晶振動片を含み、
前記開口部は前記電極の面積とほぼ同じ面積を有する請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の水晶デバイス。 - 前記水晶振動片は、先端に前記電極が形成された一対の振動腕を有する音叉型水晶振動片を含み、
前記開口部は前記先端に形成された電極の面積とほぼ同じ面積を有する請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の水晶デバイス。
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