JP5720152B2 - 振動子の作製方法、振動子および発振器 - Google Patents
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Description
図7に示す振動子100は、ATカット水晶振動板(以降、振動板という)102の両側に、Au等の薄膜で励振用電極104が形成され、この振動板102の励振用電極104がセラミックパッケージ106の接続パッド108と接続されるように、振動板102は導電性接着剤等によりセラミックパッケージ106内の所定の位置に固定される。振動板102はセラミックパッケージ106内にリッド110により密閉される。こうして、図8に示されるように、セラミックパッケージ106内に振動板102が設けられた振動子100が作られる。
振動子100のセラミックパッケージ106の外側底面には、接続パッド108から延びた接続端子112(図7参照)が設けられているので、この接続端子112が、発振回路等が設けられたプリント配線板(図示されない)上の接続パッドと接続されるように、プリント配線板上に実装される。これにより、振動子100を備えた発振器が形成される。
f0 = 1.67×n/t [MHz]
nはオーバートーン次数(1以上の奇数)であり、tは振動板102の板の厚さ[mm]である。
例えば、n=1の基本周波数50MHzであるとき、振動板102の厚さは33μmとなる。振動板102を数10μm程度に薄くする作業は、機械研摩により行われる。
近年の発振周波数の高周波数化、例えば、発振周波数を300MHzとするには、振動板102の厚さを10μm程度に研摩することになる。しかし、このような厚さになるように安定的に研摩することは、機械研摩で達成することは難しく、化学的エッチングが用いられる。
当該方法は、
基板と振動板を接合し、
前記基板に接合された前記振動板の表面を研摩し、
研摩された前記振動板の表面に電極を形成し、
前記振動板が接合した面と反対側の基板面のうち、形成された前記電極に対応する前記基板の対応領域を選択的にエッチングする処理を含む。
一方の面内に凹部が設けられた基板と、
前記基板の前記凹部の設けられた面と反対側の基板面上に、前記凹部に対応する領域に接合された振動板と、
前記振動板上に設けられた電極と、を備え、
前記基板の前記凹部の底の領域は、導体化されることにより、前記電極に対向する対向電極として機能する。
貫通孔が設けられた基板と、
前記基板の前記貫通孔の設けられた一方の基板面上に、前記貫通孔を塞ぐように前記基板と接合された振動板と、
前記振動板上に設けられた電極と、
前記貫通孔を通して露出した前記振動板上に設けられた、前記電極に対向する対向電極と、を備える。
前記振動子の前記振動板が接合された前記基板は半導体基板であり、
前記半導体基板に形成され、振動子を発振させる発振回路と、
前記振動子と、
前記振動子および前記発振回路を少なくとも覆う筐体と、を有する。
図1は、第1実施形態の振動子の主要部分の構成を示す図である。
振動子10は、ATカット水晶振動板(以降、振動板という)12と、電極14と、Si基板16と、を有する。
振動板12は、Si基板16上に設けられ、電極14は、振動板12上に設けられている。
さらに、Si基板16の凹部18の底の基板薄肉部の領域20は導体化され、電極14に対向する対向電極となっている。
電極14は、Au,Ag,Al等の薄膜であり、スパッタリング法や蒸着法により形成される。電極14の厚さは数nm〜10nmである。このように電極14がきわめて薄いのは、振動板12の振動面に設けられる電極14の質量を、電極として機能する範囲内で抑えることで、振動板12の発振周波数の低下を抑制するためである。電極14は、図示されない接続線を通してSi基板16に設けられた端子に接続されている。
Si基板16の領域20が振動子12の電極として機能するが、電極として機能する領域20は、凹部18によりSi基板16の厚さが薄い基板薄肉部に位置するので、振動板12の発振周波数の低下を抑制することができる。
このような凹部18は、ドライエッチングにより形成される。例えば、CF4を数Pa程度の圧力雰囲気のチャンバ中に導入し、チャンバ内に設けた一対の平板電極間に所定の高周波電力をあたえることにより、プラズマを形成する。形成されたプラズマを用いてドライエッチングが行なわれる。
本実施形態の振動子10ではSi基板16が用いられるが、Si基板16に限定されず、Si基板以外の半導体基板が用いられてもよい。しかし、振動板12と陽極接合できる点で、Si基板16を用いることが好ましい。
また、Si基板16と振動板12との接合は陽極接合により行うことができるので、Si基板16と振動板12との間に接着剤等による余分な層が形成されない。このため、振動板12に余分な質量が付加されることが無いので、600MHz程度の発振周波数を有する振動子を安定的に作製することができる。しかも、振動板12は、Si基板16と陽極接合によりしっかりと接合された状態で研摩作業が行われるので、研摩作業を安定的に行うことができる。
図2(a)〜(e)は、振動子10の作製方法を説明する図である。
まず、図2(a)に示されるように、領域20が電極として機能するように、領域20が予め導体化されたSi基板16が用意される。このSi基板16は振動板12と接合される。具体的には、Si基板16と振動板12とを重ね合わせ、振動板12を陰極、Si基板16を陽極として、300〜400℃の温度雰囲気下、例えば、500V〜1000V程度の電圧をかける。これにより、振動板12中の陽イオンが陰極側に強制的に移動し、Si基板16と振動板12とが静電引力により密着し、さらに、Si基板16と振動板12の接触部分が化学反応により接合される。
研摩作業では、過度な研摩にならないように、例えば、レーザ光を振動板12に照射し、研摩される振動板12の厚さをレーザ干渉計を用いて計測しながら、振動板12の厚さが所定の厚さになるように研摩される。
エッチングは、例えば、CF4ガスを数Pa程度の圧力雰囲気のチャンバ中に導入し、一対の平板電極間に所定の高周波電力をあたえることにより、プラズマを形成する。形成されたプラズマを用いて、ドライエッチングが行なわれる。ドライエッチングは、マスクを用いて選択的に行われる。あるいは、ドライエッチングに替えてウェットエッチングを用いることもできる。しかし、後述するように、モニタリングしながらエッチングを効率よく行う点でドライエッチングを行うことが好ましい。
上述したように、Si基板16に振動板12及び電極14が設けられ、電極14と導体化された領域20に電圧を加えても、図3(a)に示されるように、発振しない。これは、Si基板16の厚さが厚く剛性が高いため、Si基板16が振動板12の振動を阻止するためである。このとき、電極14と領域20に電圧を加えることにより得られるインピーダンスの周波数特性を調べるために、周波数分析装置22を用いてモニタリングされる。
さらに、Si基板16のエッチングが進行し、凹部18が深くなり、図3(c)に示すような所望の周波数特性を有するとき、エッチングは終了される。
この状態で更にエッチングを進めると、Si基板16中の領域20がエッチングされる。このとき、Si基板16は電極として機能しなくなる。このため、振動子10は発振せず、周波数特性は消滅する。
電極14のエッチングは、ドライエッチング、ウェットエッチングが用いられるが、正確な微調整を行うためには、ドライエッチングを用いることが好ましい。ドライエッチングを行う場合、図3(a)〜(d)に示されるように、振動子10の周波数特性をモニタリングしながら行うとよい。
また、必要に応じて、振動板12をエッチングしてもよい。振動板12をエッチングすることにより、発振周波数の微調整を行うこともできる。
厚さが薄くなった領域20は、導体化されて電極として機能するので、発振周波数の高周波数化を実現できる。
このように振動子10は1つのSi基板16上に発振回路26、制御回路および出力バッファ等とともに1チップ化されて形成される。このような振動子10は、図5に示すように、1チップ化された状態で、発振回路26、制御回路および出力バッファ等を含む回路28とともに筐体30内に一体的に収められ、パッケージ化された発振器として提供され得る。すなわち、図5に示すように、発振回路はコンパクトにパッケージ化され得る。振動子10とともに筐体30内に収められてパッケージ化される回路は、発振回路、制御回路および出力バッファ回路の他に、例えば、VCO(Voltage Controlled Oscillator),位相比較器、分周器等を含むPLL(Phase Locked Loop)回路等であってもよい。パッケージ化された回路は、プリント配線板と端子32を介して接続されて実装される。
図6は第2実施形態の振動子50の主要部分の構成を示す図である。
振動子50は、ATカット水晶振動板である振動板52と、電極54と、Si基板56と、対向電極57と、を有する。
振動板52は、Si基板16と接合され、電極54、対向電極57は、振動板52上に設けられている。
電極54および対向電極57は、図示されない接続線を通して端子と繋がっている。この端子は、発振回路や制御回路等と接続されている。
振動子50は、図1に示す振動子10と異なり、Si基板56は、振動板52の接合位置において貫通孔58を有し、貫通孔58を通して振動板52が露出している。貫通孔58内の位置において、対向電極57が振動板52上に形成されている。
次に、Si基板56に接合された振動板52が、図2(b)に示す処理と同様の方法により研摩される。研摩は、例えば機械研摩が用いられる。
次に、研摩された振動板52に、図2(c)に示す処理と同様の方法により電極54が形成される。
この後、Si基板56は、図2(d)に示す処理と同様の方法により、マスクを用いた選択的なエッチングにより貫通孔58が形成され、振動板52を、貫通孔58を介して露出させる。エッチングでは、振動板52がSiO2からなる水晶板であるので、Si基板56をドライエッチングする場合、振動板52までエッチングされない。
この後、貫通孔58を通して露出した振動板52に電極57が、真空蒸着法あるいはスパッタリング法を用いて形成される。以上により、振動子50を作製することができる。
このような振動子50についても、振動子10と同様に、Si基板56に振動板52を予め接合するので、振動板52の厚さを薄くするための研摩作業を安定して行うことができ、しかも容易に行うことができる。また、振動板52が接合されていない側のSi基板56の面の所定の領域をエッチングするので、振動子を安定的かつ効率的に作製することができる。また、振動子10は、他の回路とともにSi基板56に形成されるので、パッケージ化された発振器を提供することができる。
振動子を作製する方法であって、
基板と振動板を接合し、
前記基板に接合された前記振動板の表面を研摩し、
研摩された前記振動板の表面に電極を形成し、
前記振動板が接合した面と反対側の基板面のうち、形成された前記電極に対応する前記基板の対応領域を選択的にエッチングする処理を含むことを特徴とする振動子の作製方法。
前記基板の対応領域は導体化され、前記対応領域は前記電極の対向電極として機能する、付記1に記載の振動子の作製方法。
前記基板はシリコン基板であり、前記振動板は水晶振動板であり、
前記基板と前記振動板との接合は、陽極接合である、付記1または2に記載の振動子の作製方法。
前記エッチングは、前記振動板が露出するまで行い、露出した前記振動板に前記電極に対向する対向電極を設ける、付記1に記載の振動子の作製方法。
前記エッチングが行われるとき、前記振動子のインピーダンスの周波数特性をモニタリングすることによりエッチングの制御が行われる、付記1〜4のいずれか1項に記載の振動子の作製方法。
振動子であって、
一方の面内に凹部が設けられた基板と、
前記基板の前記凹部の設けられた面と反対側の基板面上に、前記凹部に対応する領域に接合された振動板と、
前記振動板上に設けられた電極と、を備え、
前記基板の前記凹部の底の領域は、導体化されることにより、前記電極に対向する対向電極として機能することを特徴とする振動子。
振動子であって、
貫通孔が設けられた基板と、
前記基板の前記貫通孔の設けられた一方の基板面上に、前記貫通孔を塞ぐように前記基板と接合された振動板と、
前記振動板上に設けられた電極と、
前記貫通孔を通して露出した前記振動板上に設けられた、前記電極に対向する対向電極と、を備えることを特徴とする振動子。
前記基板はシリコン基板であり、前記振動板は水晶振動板であり、
前記基板と前記振動板は、陽極接合により接合されている、請求項6または7に記載の振動子。
一方の面内に凹部が設けられた半導体基板と、前記半導体基板の前記凹部の設けられた面と反対側の基板面上に、前記凹部に対応する領域に接合された振動板と、前記振動板上に設けられた電極と、を備え、前記半導体基板の前記凹部の底の領域は、導体化されることにより、前記電極に対向する対向電極として機能する振動子と、
前記半導体基板に形成され、振動子を発振させる発振回路と、
前記振動子および前記発振回路を少なくとも覆う筐体と、を有することを特徴とする発振器。
貫通孔が設けられた半導体基板と、前記半導体基板の前記貫通孔の設けられた一方の基板面上に、前記貫通孔を塞ぐように前記半導体基板と接合された振動板と、前記振動板上に設けられた電極と、前記貫通孔を通して露出した前記振動板上に設けられた、前記電極に対向する対向電極と、を備える振動子と、
前記半導体基板に形成され、振動子を発振させる発振回路と、
前記振動子および前記発振回路を少なくとも覆う筐体と、を有することを特徴とする発振器。
前記半導体基板はシリコン基板であり、前記振動板は水晶振動板であり、前記半導体基板と前記振動板は、陽極接合により接合されている、付記9または10に記載の発振器。
12,52,102 振動板
14,54,120 電極
16 Si基板
18 凹部
20 領域。
22 周波数分析装置
24a,24b,32 端子
26 発振回路
28 回路
30 筐体
57 対向電極
58 貫通孔
104 励振用電極
106 セラミックパッケージ
108 接続パッド
110 リッド
112 接続端子
114 中央部
116 超薄肉部
118 環状部
122 小電極
Claims (4)
- 振動子を作製する方法であって、
基板と振動板を接合し、
前記基板に接合された前記振動板の表面を研摩し、
研摩された前記振動板の表面に電極を形成し、
前記振動板が接合した面と反対側の基板面のうち、形成された前記電極に対応する前記基板の対応領域を選択的にエッチングする処理を含み、
前記エッチングする処理において、前記振動子のインピーダンスの周波数特性をモニタリングすることによりエッチングの制御を行うことを特徴とする振動子の作製方法。 - 前記基板の対応領域は導体化され、前記対応領域は前記電極の対向電極として機能する、請求項1に記載の振動子の作製方法。
- 前記基板はシリコン基板であり、前記振動板は水晶振動板であり、
前記基板と前記振動板との接合は、陽極接合である、請求項1または2に記載の振動子の作製方法。 - 前記エッチングは、前記振動板が露出するまで行い、露出した前記振動板に前記電極に対向する対向電極を設ける、請求項1に記載の振動子の作製方法。
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