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JP5622173B2 - 振動片、振動子、発振器、および電子機器 - Google Patents

振動片、振動子、発振器、および電子機器 Download PDF

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Description

本発明は振動片、振動子、発振器、および電子機器に係り、特に屈曲振動を励振する振動片、およびこの振動片を搭載した振動子、発振器、電子機器に関する。
屈曲振動を励起する振動片では、振動腕の圧縮応力が作用する圧縮部と引張応力が作用する伸張部との間で温度差が生じ、この温度差を緩和しようとして作用する熱伝導によっても振動エネルギーの損失が発生する。この熱伝導によって発生するＱ値の低下は熱弾性損失効果（以下、熱弾性損失）と呼ばれている。そこで、熱弾性損失を考慮した設計が必要となってくる。例えば特許文献１に開示されている技術によれば、水晶振動子の腕部分に溝を設けることで、共振の安定度を示すＱ値を向上させることができることが解る。
しかし、電子デバイスの小型化や薄型化に伴い、振動片の小型化や薄型化が進むと、振動部に精度良く溝を形成することは非常に困難となる。
このような問題点を回避する手段として、振動部を薄型化し、この振動部に圧電体層を形成することが考案されている（特許文献２−４）。このような構成の振動片では、圧電体層の表裏に、電位の異なる電界を印加することで、圧電体層の形成面と交差する方向（法線方向）の振動を励起させることができる。
また、特許文献５には、動的外力が与えられない初期静止状態で、振動腕を電極側で凹をなす湾曲面形状にすることで、圧電体層の配向性を改善し、高い圧電効率が得られることが開示されている。
実開平２−３２２２９号公報 特開２００９−５０２２号公報 特開２００９−５０２３号公報 特開２００９−５０２４号公報 特開２００５−３３１４８５号公報
小型化や薄型化が促進されてきている昨今では、振動片を実装するパッケージにおけるキャビティも狭小化されてきている。このため、法線方向に屈曲する振動部を有する特許文献２−５に開示されているような振動片では、発振時や落下などの衝撃を受けた際に、振動部の先端がパッケージの蓋体に接触してしまう可能性がある。特に特許文献５に開示されているような構成の振動片では、接触の可能性が高くなり、振動子としての低背化を妨げることとなってしまう。
そこで本発明では、発振時や落下時などの衝撃を受けた場合であっても、蓋体等の内壁に振動部が接触する虞が無く、高精度で高い信頼性を得ることのできる振動片、およびその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明では、この振動片を実装した振動子、発振器、およびこれらの振動子や発振器を備えた電子機器を提供することも目的とする。
本発明は上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
第１の形態の振動片は、基部と、前記基部から延設され、第１面と該第１面に対向する第２面とを有し、前記第１面および前記第２面の法線方向に屈曲振動をする振動腕と、前記振動腕の前記第１面および前記第２面の少なくとも一方に設けられ、第１金属層、第２金属層、および前記第１金属層と前記第２金属層との間に配置された圧電体層を少なくとも有する積層構造体と、を備え、前記基部は、前記第２面側にあり、かつ前記第２面よりも前記振動腕の厚み方向に突出していて、前記基部の前記第１面側にある主面に対向する突出面を備えている突出部を有し、前記振動腕は、前記突出部の突出する方向に反っており、かつ前記振動腕の先端が、前記突出面と前記主面との間の範囲内に位置していることを特徴とする振動片。
このような構成とすることにより、振動部である振動腕が突出部側に予め反った状態でパッケージに実装されるので、突出部の厚みにより振動腕とパッケージの内面との間の空隙部分を制御することができる。よって、振動片を実装するパッケージ等が薄型であったとしても、振動片が屈曲振動する際に振動腕がパッケージの内底や蓋体に接触する虞が無い。よって、本発明の振動片を用いて振動デバイスを構成した場合には、高精度で高い信頼性を得ることが可能となる。
第２の形態の振動片は、第１の形態に記載の振動片であって、前記振動腕の長さをＬ、前記振動腕の厚さをｔ、前記振動腕のヤング率をＥｓ、前記振動腕のポアソン比をνｓ、前記圧電体層の厚さをｄ、前記圧電体層の残留応力をσとしたときに、前記振動腕の反り量δは、

Figure 0005622173

により得られることを特徴とする振動片。
このような構成とすることにより、振動片の反り量を最適に設定することができ、振動片が屈曲振動する際に振動腕がパッケージの蓋体に接触するのを確実に防止することができる。
第３の形態の振動片は、第１または第２の形態に記載の振動片であって、前記振動腕は、前記突出面と前記主面との間の範囲内で前記屈曲振動を成すことを特徴とする振動片。
このような構成とすることにより、励振時においても振動腕の先端がパッケージの内壁面や蓋体に接触する虞が無い。
第４の形態の振動片は、第１乃至第３のいずれか１形態に記載の振動片であって、前記圧電体層は、前記第１面および前記第２面の両方に設けられたことを特徴とする振動片。
このような構成とすることにより、例えば、第１面に圧縮応力が残留するように圧電体層を形成し、第２面に引張応力が残留するように圧電体層を形成すれば、振動腕をより大きく反らすことができる。
第５の形態の振動片の製造方法は、基部と、前記基部に形成される突出部と、前記基部から延設されていて、第１面と該第１面に対向する第２面を有する振動腕と、前記振動腕に設けられ、第１金属層、第２金属層、および前記第１金属層と前記第２金属層との間に配置された圧電体層を少なくとも有する積層構造体と、を備える振動片の製造方法であって、前記突出部は、前記第２面の側にあり、かつ、前記第２面よりも前記振動腕の厚み方向に突出していて、前記基部の前記第１面側にある主面に対する突出面を備えて形成され、前記振動腕は、前記突出部の突出する方向に反っており、かつ前記振動腕の先端が、前記突出面と前記主面との間の範囲内に位置していて、前記積層構造体は、前記第１面側に形成され、前記第１金属層、前記第２金属層、および前記圧電体層の少なくとも１つは、圧縮応力が残留するように成膜されることを特徴とする振動片の製造方法。
このような方法により振動片を製造することによれば、振動腕には、突出部側に反りが生ずることとなる。また、突出部の厚みにより振動腕とパッケージの内面との間の空隙部分を制御することができるため、振動片を実装するパッケージ等が薄型であったとしても、振動部である振動腕がパッケージの内底部や蓋体に接触する虞が無い。よって、本発明の振動片を用いて振動デバイスを構成した場合には、高精度で高い信頼性を得ることが可能となる。
第６の形態の振動片の製造方法は、基部と、前記基部に形成される突出部と、前記基部から延設されていて、第１面と該第１面に対向する第２面を有する振動腕と、前記振動腕に設けられ、第１金属層、第２金属層、および前記第１金属層と前記第２金属層との間に配置された圧電体層を少なくとも有する積層構造体と、を備える振動片の製造方法であって、前記突出部は、前記第２面の側にあり、かつ、前記第２面よりも前記振動腕の厚み方向に突出していて、前記基部の前記第１面側にある主面に対する突出面を備えて形成され、前記振動腕は、前記突出部の突出する方向に反っており、かつ前記振動腕の先端が、前記突出面と前記主面との間の範囲内に位置していて、前記積層構造体は、前記第２面側に形成され、前記第１金属層、前記第２金属層、および前記圧電体層の少なくとも１つは引張応力が残留するように成膜されることを特徴とする振動片の製造方法。
このような方法により振動片を製造することによっても、振動腕には、突出部側に反りが生ずることとなる。また、突出部の厚みにより振動腕とパッケージの内面との間の空隙部分を制御することができるため、振動片を実装するパッケージ等が薄型であったとしても、振動部である振動腕がパッケージの内底部や蓋体に接触する虞が無い。よって、本発明の振動片を用いて振動デバイスを構成した場合には、高精度で高い信頼性を得ることが可能となる。
第７の形態の振動子は、第１乃至第４のいずれか１形態に記載の振動片と、前記振動片を内部に実装したパッケージを有したことを特徴とする振動子。
このような構成とすることにより、小型化した場合であっても、高精度で、信頼性の高い振動子とすることができる。
第８の形態の発振器は、第１乃至第４のいずれか１形態に記載の振動片と、前記振動片を駆動する電子部品と、を有することを特徴とする発振器。
このような構成とすることにより、小型化した場合であっても、高精度で信頼性の高い発振器とすることができる。
第９の形態の電子機器は、第１乃至第４のいずれか１形態に記載の振動片を搭載したことを特徴とする電子機器。
このような構成とすることにより、電子機器の小型化にも対応することができる。
［適用例１］実装面を有した基部と、前記基部から延設され、第１面と該第１面に対向し前記実装面側に位置する第２面とを有し、前記第１面および前記第２面の法線方向に屈曲振動を成す振動腕と、前記振動腕の前記第１面および前記第２面の少なくとも一方に設けられ、第１金属層、第２金属層、および前記第１金属層と前記第２金属層との間に配置された圧電体層を少なくとも有する積層構造体と、を備え、前記振動腕は、前記実装面側に反っていることを特徴とする。
このような構成とすることにより、振動片を実装するパッケージ等が薄型であったとしても、振動部である振動腕が実装面側に予め反った状態でパッケージに実装されるので、振動片が屈曲振動する際に振動腕がパッケージの蓋体に接触する虞が無い。よって、本発明の振動片を用いて振動デバイスを構成した場合には、高精度で高い信頼性を得ることが可能となる。
［適用例２］適用例１に記載の振動片であって、前記振動腕の長さをＬ、前記振動腕の厚さをｔ、前記振動腕のヤング率をＥｓ、前記振動腕のポアソン比をνｓ、前記圧電体層の厚さをｄ、前記圧電体層の残留応力をσとしたときに、前記振動腕の反り量δは、
Figure 0005622173

により得られることを特徴とする。
このような構成とすることにより、振動片の反り量を最適に設定することができ、振動片が屈曲振動する際に振動腕がパッケージの蓋体に接触するのを確実に防止することができる。
［適用例３］適用例１または適用例２に記載の振動片であって、前記基部の厚みは、前記振動腕の厚みよりも厚いことを特徴とする。
このような構成とした場合には、振動片をパッケージに実装した際に、基部の厚みにより振動腕の下面（第２面）とパッケージの内底面との間の空隙部分の高さを制御することができるので、振動片が屈曲振動する際に振動腕がパッケージの内底面に接触する虞が無い。よって、本発明の振動片を用いて振動デバイスを構成した場合には、より高い信頼性を得ることが可能となる。
［適用例４］適用例３に記載の振動片であって、前記基部は、前記実装面に対向する主面を有し、前記振動腕は、前記実装面と前記主面との間の範囲内で前記屈曲振動を成すことを特徴とする。
このような構成とすることにより、励振時においても振動腕の先端がパッケージの内壁面や蓋体に接触する虞が無い。
［適用例５］適用例１乃至適用例４のいずれか１例に記載の振動片であって、前記圧電体層は、前記第１面および前記第２面の両方に設けられたことを特徴とする。
このような構成とすることにより、例えば、第１面に圧縮応力が残留するように圧電体層を形成し、第２面に引張応力が残留するように圧電体層を形成すれば、振動腕をより大きく反らすことができる。
［適用例６］実装面を有した基部と、前記基部から延設された振動腕と、前記振動腕に設けられ、第１金属層、第２金属層、および前記第１金属層と前記第２金属層との間に配置された圧電体層を少なくとも有する積層構造体と、を備える振動片の製造方法であって、前記振動腕は、第１面と該第１面に対向し前記実装面側に位置する第２面とを有し、前記積層構造体は、前記第１面側に形成され、前記第１金属層、前記第２金属層、および前記圧電体層の少なくとも１つは、圧縮応力が残留するように成膜されることを特徴とする。
このような方法により振動片を製造することによれば、振動腕には、実装面側反りが生ずることとなる。このため、振動片を実装するパッケージ等が薄型であったとしても、振動部である振動腕がパッケージの内底部や蓋体に接触する虞が無い。よって、本発明の振動片を用いて振動デバイスを構成した場合には、高精度で高い信頼性を得ることが可能となる。
［適用例７］実装面を有した基部と、前記基部から延設された振動腕と、前記振動腕に設けられ、第１金属層、第２金属層、および前記第１金属層と前記第２金属層との間に配置された圧電体層を少なくとも有する積層構造体と、を備える振動片の製造方法であって、前記振動腕は、第１面と該第１面に対向し前記実装面側に位置する第２面とを有し、前記積層構造体は、前記第２面側に形成され、前記第１金属層、前記第２金属層、および前記圧電体層の少なくとも１つは引張応力が残留するように成膜されることを特徴とする。
このような方法により振動片を製造することによっても、振動腕には、その先端を基部における実装面側へ向けるように反りを生じさせることができる。このため、振動片を実装するパッケージ等が薄型であったとしても、振動部である振動腕がパッケージの内底部や蓋体に接触する虞が無い。よって、本発明の振動片を用いて振動デバイスを構成した場合には、高精度で高い信頼性を得ることが可能となる。
［適用例８］適用例１乃至適用例５のいずれかに記載の振動片と、前記振動片を内部に実装したパッケージを有したことを特徴とする振動子。
このような構成とすることにより、小型化した場合であっても、高精度で、信頼性の高い振動子とすることができる。
［適用例９］適用例１乃至適用例５のいずれかに記載の振動片と、前記振動片を駆動する電子部品と、を有することを特徴とする。
このような構成とすることにより、小型化した場合であっても、高精度で信頼性の高い発振器とすることができる。
［適用例１０］適用例１乃至適用例５のいずれかに記載の振動片を搭載したことを特徴とする電子機器。
このような構成とすることにより、電子機器の小型化にも対応することができる。
実施形態に係る振動片の構成を示す３面図である。 実施形態に係る振動片の構成を示す分解斜視図である。 実施形態に係る振動片の製造工程を説明するための図である。 製膜時におけるスパッタリングガス圧と成膜後における膜内の残留応力との関係を示す図である。 実施形態に係る振動片の側面図であって、積層構造体を基板の第２面側に形成した場合の例を示す図である。 実施形態に係る振動片の側面図であって、基板の第１面側に積層構造体、第２面側に応力調整膜を形成した場合の例を示す図である。 実施形態に係る振動片を実装した振動子の構成を示す図（Ａ）と、平板状に形成した振動片を実装した振動子の構成を示す図（Ｂ）である。 実施形態に係る振動片と、この振動片を発振させる回路を備えた電子部品を実装した発振器の構成を示す図である。 実施形態に係る振動子、または発振器のうちの少なくとも一方を搭載する電子機器の一例としての携帯電話を示す図である。 実施形態に係る振動子、または発振器のうちの少なくとも一方を搭載する電子機器の一例としてのパーソナルコンピュータを示す図である。
以下、本発明の振動片、振動子、発振器、および電子機器に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
まず、図１、図２を参照して、第１の実施形態に係る振動片について説明する。なお、図１において、図１（Ａ）は振動片の平面図であり、図１（Ｂ）は同図（Ａ）におけるＡ−Ａ矢視を示す図であり、図１（Ｃ）は振動片の裏面図である。また、図２は、振動片の分解斜視図である。本実施形態に係る振動片１０は、基板１２と、圧電体層２８、および第１電極（第１金属層）２０ならびに第２電極（第２金属層）３８とを有する。
基板１２は、例えば水晶により構成され、基部１４と、この基部１４を基端として延設された複数（図１、２に示す形態においては３つ）の振動腕１６（１６ａ〜１６ｃ）とから成る。実施形態に係る例の場合、基部１４は、振動腕１６に比べて肉厚に形成され、実装時の機械的強度を保つことが可能な形態とされ、且つ、振動片１０をパッケージに実装した際に、基部１４の厚みにより振動腕１６の下面とパッケージの内底面との間の空隙部の高さを制御することができる。一方振動腕１６は、基部１４に比べて肉薄に形成され、振動時における熱弾性損失の抑制が図られており、第１面１７ａと第１面１７ａに対向する第２面１７ｂとを有する。また、基部１４は、振動片１０を固定するための実装面１４ａと、実装面１４ａに対向する主面１５を構成する。なお、基板１２を水晶により構成する場合、基板１２を形成する際の素板１２ａ（図４参照）のカット角はＺカットとすることが望ましいが、ＸカットやＡＴカットによるものであっても良い。実施形態に係る基板１２は、直接的に電圧が印加される対象とはならないため、基本的にはカット角が振動特性に影響を及ぼすことは無い。しかし、Ｚカットで切り出された素板１２ａを用いた場合には、加工が容易になるといった特性を得ることができる。
第１電極２０、圧電体層２８、および第２電極３８を基本として構成される積層構造体は、振動腕１６の第１面１７ａに形成される。なお、ここで、第１電極２０とは圧電体層２８を形成する前に形成される電極であり、第２電極３８とは圧電体層２８を形成した後に形成される電極とする。よって、第１電極２０と第２電極３８といった表現と、各電極における電位とは関係が無い。また、各電極の電位については、図２の分解斜視図に示す第１電極２０、第２電極３８におけるハッチングの向きに依存するものとする（詳細は後述する）。第１電極２０、第２電極３８の形成材料としては、基板１２である水晶との密着性が良く、圧電体層３８の配向性を促しやすいものとすると良い。電極部材として汎用性のある材料としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｎｂ、Ｗ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｚｒなどを挙げることができる。本実施形態では、第１電極２０、第２電極３８共に、下層にＴｉ、上層にＡｕとした２層構造の金属層により形成することとする。また、圧電体層２８としては、ＺｎＯやＡｌＮ、ＰＺＴ、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３などを挙げることができ、本実施形態では主にＡｌＮを採用することとする。Ｔｉは基板１２である水晶に対する密着性が良好であり、Ａｕは膜表面に（１１１）面を構成することができる。ＡｌＮは、Ａｕの（１１１）面に形成することで、（１１１）面に沿った柱状結晶を形成し、配向性の高い圧電膜（圧電体層）とすることができる。
図２に示すように、第１電極２０は例えば、第１層励振電極２２ａ，２２ｂ，２２ｃと、第１層引出電極２４，２６とより構成される。ここで、第１層励振電極２２ａと第１層励振電極２２ｃとは同電位であり、第１層引出電極２４により接続されている。一方、第１層励振電極２２ｂは、詳細を後述する第２電極３８との接続のための引出電極２６と接続されている。
圧電体層２８は、上述した第１電極２０上に形成される。具体的には、振動腕１６ａ，１６ｂ，１６ｃに形成される励振電極被覆部３０ａ，３０ｂ，３０ｃと、基部１４に形成される引出電極被覆部３２とより成る。引出電極被覆部３２には、上述した第１電極２０と、詳細を後述する第２電極３８とを電気的に接続するための開口部３４，３６が設けられている。なお、圧電体層２８は、その表裏面に対して電位の異なる電圧を印加されることで、圧電体層２８が厚み方向に圧縮または伸長して面外方向（圧電体層２８形成面と交差する方向）へと屈曲する特性を持つ。
ここで、本実施形態に係る圧電体層２８は、圧縮応力が残留するように第１面１７ａに形成される。このような特性を持つことで、圧電体層２８には、振動片１０が初期停止状態にある際、圧縮応力を開放する状態へ移行しようとする力が働く。このため、振動腕１６と圧電体層２８との接触部分には、引張応力が付与されることとなり、振動腕１６は、基部１４における実装面１４ａ側へ反りを生じさせることとなる。このような構成とすることで、振動片１０をパッケージ等へ実装した際、振動腕１６が屈曲振動した場合において振動腕１６の先端がパッケージにおける蓋体に接触するといった事態を避けることができる。よって、振動デバイスの薄型化に寄与することができる。
第２電極３８は例えば、第２層励振電極４０ａ，４０ｂ，４０ｃと、第２層引出電極４６，４８、および入出力電極４２，４４とより構成される。ここで、第２層励振電極４０ｂと、入出力電極４２とは同電位であり、第２層引出電極４６により接続されている。また、第２層引出電極４６は、上述した圧電体層２８に形成した開口部３４を介して、第１層引出電極２４と電気的に接続されることとなる。よって、第１層励振電極２２ａ，２２ｃと第２層励振電極４０ｂとは、同電位の電圧が印加されることとなる。一方、第２層励振電極４０ａ，４０ｃと入出力電極４４とは同電位であるが、第２層引出電極４８は、第２層引出電極４６を介して寸断されており、直接的には接続されていない。しかし、第２層引出電極４８は、上述した圧電体層２８に形成した開口部３６を介して第１層引出電極２６と電気的に接続されており、第１層引出電極２６と第２層引出電極４８を介して第２層励振電極４０ａ，４０ｃ、および第１層励振電極２２ｂと、入出力電極４４とが電気的に接続されることとなる。なお、図１、図２においては、電位の異なることとなる第１層引出電極２４，２６の一部と第２層引出電極４６，４８の一部とが重複する形態として示されているが、実際には電位の異なる引出電極は、圧電体層２８の表裏面において重複しないように設計する。振動腕１６以外の箇所での励振を抑制するためである。
このような構成の振動片１０によれば、薄型のパッケージに実装して、振動腕１６が屈曲振動しても、振動腕１６がパッケージの内底や蓋体に接触する虞が無くなる。よって、小型で高性能、かつ信頼性の高い振動デバイスの製造に寄与することが可能となる。また、上記構成の振動片１０では、振動腕１６が、基部１４の主面１５から水平に延びた仮想水平面３００と実装面１４ａから水平に延びた仮想水平面３１０との間で屈曲振動が成されるように振動腕１６の反り量を設計すると良い。このような構成とすることで、励振時において振動腕１６の先端がパッケージの内底面や蓋体に接触する虞が確実に無くなる。
次に、図３を参照して、本実施形態に係る振動片１０の製造工程について説明する。まず、振動片１０の基礎となる素板１２ａを用意する。本実施形態では、素板１２ａとして水晶を採用する。素板１２ａを水晶とした場合における厚みは、５０〜１００μｍ程度とすることが望ましい（図３（Ａ）参照）。
次に、素板１２ａの一部を肉薄化する。肉薄化は、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）等を用いたエッチングにより行なうようにすれば良い。この時、素板１２ａを水晶とした場合には、肉薄部１２ｂの厚みは、２〜１０μｍ程度とすれば良い（図３（Ｂ）参照）。
肉薄化をした後、基板１２の外形形成を行う。基板１２の外形形成は、第１面側からエッチングを行なうようにすることが望ましい。なお、エッチングには、ＢＨＦを用いれば良い（図３（Ｃ）参照）。
基板１２の外形形成を終了した後、第１面に第１電極２０を形成する。第１電極２０の形成はまず、第１面の全面に金属層を形成する。金属層の形成は、マグネトロンスパッタリング等の手法を用いれば良い。金属層を形成した後、レジストを全面に塗布する。その後、フォトリソグラフィー法により、レジスト膜によりマスクを形成し、金属層をエッチングして第１電極２０の形状に沿った金属パターンを得る（図３（Ｄ）参照）。
第１電極２０を形成した後、所望箇所に対する圧電体層２８の形成を行う。まず、第１電極２０を含む基板の第１面の全面に、圧電体層を形成する。圧電体層の形成は、反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング法を用いて行なうようにする。圧電体層をＡｌＮとする場合、圧電体層の膜厚は、２０００Å〜１００００Å程度の範囲とすると良い。圧電体層のスパッタリング時には、特にスパッタリングガスのガス圧の調整により、形成される圧電体層に残留する応力の調整を行なうようにする。スパッタリングガスとしては、例えばＡｒとＮ２の混合ガスを用いることができる。ＡｒとＮ２との混合比としては、例えばＡｒ：Ｎ２＝１：１前後で良い。本実施形態の場合上述したように、圧電体層に圧縮応力を残留させるため、ＡｒとＮ２の混合ガス圧の設定を、基準圧力よりも低く設定する。ここで、基準圧力とは、形成後の圧電体層に圧縮や引張といった残留応力を生じさせない圧力であり、スパッタリング装置の使用や、基板ＲＦ電力やターゲット電力等の設定によっても異なり、予め実験等を行なうことで認知する必要がある。本実施形態では、例えば基準圧力が０．５Ｐａであった場合、設定するガス圧は、基準圧力よりも低い圧力、例えば０．１Ｐａ前後とする。なお、成膜時におけるスパッタリングガスの混合ガス圧（成膜圧力）と、生成される膜に生ずる残留応力の関係を図４に示す。
次に、フォトリソグラフィー法によるレジストのパターニングとウエットエッチングにより、圧電体層を所望のパターンに形成する。圧電体層をＡｌＮとする場合には、ウエットエッチングのエッチング液には、強アルカリ水溶液を用いるようにする。強アルカリ水溶液の例としては、水酸化テトラメチルアンモニウムを挙げることができる。酸系のエッチング液としては、リン酸を加熱したものなどを利用することができる。
ここで、振動腕１６先端の反り量δは、数式１により概算することができる。
Figure 0005622173
数式１において、Ｌは振動腕１６の長さ、ｔは振動腕１６の厚さ、Ｅｓは振動腕１６のヤング率、νｓは振動腕１６のポアソン比、ｄは圧電体層２８の厚さ、σは圧電体層２８の残留応力である。振動腕１６の長さＬや厚さｔ、ヤング率Ｅｓ、ポアソン比νｓ、および圧電体層２８の厚さｄは、材質や形状により予め定められることとなる。このため、反り量δの調整は、圧電体層２８における残留応力σを調整することで成される。
例えば、水晶により構成される基板１２における振動腕１６の長さＬを５００μｍ、厚さｔを１０μｍ、ＡｌＮにより構成される圧電体層２８の膜厚を４０００Åとした場合、反り量δとして２５μｍを得るためには、圧電体層２８に生じさせる残留応力として、約０．８ＧＰａの圧縮応力が必要となる（図３（Ｅ）参照）。上記振動腕１６の反り量を２５μｍとし、水晶の素板１２ａの厚みを５０μｍとすれば、振動腕１６の先端位置を厚みのほぼ中央にすることができる。このような構成によれば、振動片１０の励振電力レベルとして０．１μＷ〜１．０ｍＷまで印加しても、実装パッケージ７２の蓋体７６等の内壁に接触することがない（図７〜８参照）。更に、外部からの衝撃（１，０００Ｇ〜１０，０００Ｇ）を受けても特性に影響を受けることがない。
圧電体層２８の形状形成が終了した後、第２電極３８の形成を行う。第２電極３８の形成は、第１電極２０の形成と同様に、第１面の全面に金属層を形成し、フォトリソグラフィー法によるレジストのパターニング、およびウエットエッチングによる形状形成を行えば良い（図３（Ｆ）参照）。
上記実施形態では、基板１２を水晶により構成する旨記載した。しかしながら本実施形態に係る振動片１０は、圧電体層２８により面外方向の振動を励起することとしている。このため、基板１２の材料としては水晶以外の部材であっても良い。具体的には、水晶以外の圧電体であっても良いし、半導体等であっても良い。なお、基板材料をシリコンとした場合、振動腕１６の長さＬを５００μｍ、厚さｔを１０μｍ、ＡｌＮで構成される圧電体層２８の膜厚を４０００Åとすると、反り量δとして２５μｍを得るためには、圧電体層２８に生じさせる残留応力として、約１．５ＧＰａの圧縮応力が必要となる。
また、上記実施形態においては、圧電体層２８の上面に直接第２電極３８を形成していた。しかしながら、本実施形態に係る振動片１０は、圧電体層２８と第２電極３８との間に絶縁体層（絶縁膜）を形成するようにしても良い（不図示）。このような構成とすることにより、圧電体層２８に貫通孔が形成されていた場合であっても、第１電極２０と第２電極３８との間における短絡を防止することが可能となる。なお、絶縁体層の膜厚としては、短絡防止の観点からは５０ｎｍ以上とすることが望ましい。一方、圧電体層２８の特性低下を抑制する観点からは、５００ｎｍ以下とすることが望ましい。ここで、絶縁体層は、ＳｉＯ２やＳｉＮＸにより構成すれば良い。
また、上記実施形態に係る振動片１０における振動腕１６の第２面に対し、無機体層（無機膜）を形成するようにしても良い（不図示）。ＳｉＯ２やＳｉＮＸにより構成される絶縁体層を設けることにより、周波数温度特性を補正することができる。特に熱酸化による二酸化シリコンは負の温度特性を持つことが知られており、周波数温度特性を調整するには好適である。
また、上記実施形態においては、圧電体層２８に残留応力を生じさせることで、積層構造体に圧縮応力を生じさせる旨記載した。しかしながら本実施形態に係る振動片１０では、第１電極２０や第２電極３８、あるいは積層構造体を構成する全ての層に残留応力を生じさせる構成としても良い。このような構成とした場合であっても、振動腕１６の先端を基部１４における実装面１４ａ側へ向けるように、振動腕１６に反りを生じさせることができ、同様な効果を得ることができるからである。なお、第１電極２０や第２電極３８に残留応力を生じさせる場合も、上記実施形態と同様に、スパッタリングガスの混合ガス圧（成膜圧力）を制御することで、残留応力の調整が可能となる。
また、上記実施形態においては、積層構造体は、基板１２における第１面に形成する旨記載した。第１面に対する積層構造体の形成は、振動腕１６と基部１４との間の段差が無い分容易に行うことができるが、本実施形態に係る振動片は図５に示すように、第２面側に積層構造体を形成するようにしても良い。このような構成とする場合、積層構造体には引張の残留応力を生じさせるようにする。具体的には、圧電体層２８ａや第１電極２０ａ、および第２電極３８ａ等の層を形成する際のスパッタリング工程において、スパッタリングガスのガス圧を基準圧力よりも高めるようにすれば良い。例えば圧電体層２８ａに引張応力を生じさせるようにするには、スパッタリングガスの混合ガス圧（成膜圧力）を２．０ＧＰａ前後に設定すれば良い。このような構成の振動片１０ａであっても、上記実施形態に係る振動片１０と同様な効果を奏することができるからである。
さらに、本実施形態に係る振動片は、図６に示すように、基板１２における第１面側に積層構造体を形成し、第２面側に応力調整膜４９を形成するようにしても良い。ここで、応力調整膜４９とは、第１電極２０や第２電極３８と同じ構成を持つ金属膜であっても良いし、圧電体層２８と同様な構成を持つ膜であっても良い。このような構成とする場合、第１面に形成する積層構造体は残留応力として圧縮応力を持つように構成し、応力調整膜４９は残留応力として引張応力を持つように構成すると良い。このような構成の振動片１０ｂであっても、上記実施形態に係る振動片１０，１０ａと同様な効果を奏することができるからである。
なお、上記実施形態では振動腕について、複数設ける旨記載した。しかしながら本発明では振動腕の数は特に限定する必要性は無く、１つであっても良い。
次に、本発明の振動子に係る実施の形態について、図７（Ａ）を参照して説明する。本実施形態に係る振動子５０は、振動片１０と、この振動片１０を内部に実装するパッケージ５２とより構成される。
振動片１０は、上記実施形態に係る振動片１０を採用する。パッケージ５２は、パッケージベース５４と蓋体５６とを基本として構成される。パッケージベース５４は、箱型形状を成し、内部に振動片実装端子６０を備えるようにする。一方、パッケージベース５４の外部底面には、振動片実装端子６０と電気的に接続された外部実装端子６２を備えるようにする。
このような構成のパッケージベース５４は、絶縁部材により構成すれば良く、例えば、平板、および枠状のセラミックグリーンシートを積層し、これを焼成することで、形成することができる。なお、振動片実装端子６０、および外部実装端子６２は、セラミックグリーンシート上へのスクリーン印刷により形成することができる。
蓋体５６は、金属またはガラス等により構成される平板であれば良い。蓋体５６の構成材料としては、パッケージベース５４の構成材料と、線膨張率が近似するものが望ましい。温度変化によるクラックや剥離の発生を抑制するためである。パッケージベース５４をセラミックにより構成した場合には、コバール（合金）や、ソーダガラスなどとすると良い。
パッケージベース５４と蓋体５６との接合には、ロウ材５８を用いた溶接を行なう。蓋体５６を金属とした場合には、ロウ材５８を低融点金属、蓋体５６をガラスとした場合には、ロウ材５８を低融点ガラスとすれば良い。
このような構成部材から成る本実施形態に係る振動子５０の製造は、まず、パッケージベース５４の内部に振動片１０を搭載する。振動片１０の搭載は、接着剤６４によれば良い。振動片１０をパッケージベース５４に搭載した後、金線６６などを用いてワイヤボンディングを行い、振動片実装端子６０と振動片１０における入出力端子４２，４４（図１参照）とを電気的に接続する。このようにして振動片１０の実装を終了した後、パッケージベース５４に蓋体５６を接合し、開口部を封止する。
また、以上では基部を振動腕より肉厚にした振動片の形状についてのみ説明したが、それ以外の振動片の形状についても適用可能である。例えば、図７（Ｂ）に示すように、基部が肉厚になっていない平板状の振動片１０ｃを用いても良い。図７（Ｂ）の例では、パッケージ５２の内底面に段差部５５を設け、段差部５５上に形成した振動片実装端子６０と、振動片１０ｃにおける入出力端子４２，４４（図１に示す平面形態を援用）とをワイヤボンディングで導通をとり、段差部５５により振動片１０ｃとパッケージベース５４との間に空隙を形成している。
また、パッケージベース５４と振動片１０ｃとの導通は、ワイヤボンディング以外にＡｕバンプや導電性接着剤を用いても良い。
このような構成の振動子５０によれば、パッケージ５２を薄型とした場合であっても、振動片１０における振動腕１６（図１参照）が屈曲振動する際にパッケージ５２の蓋体５６に接触する虞が無くなる。よって、小型で高性能、かつ信頼性の高い振動子５０の製造に寄与することが可能となる。なお、本実施形態に係る振動子５０では、パッケージベース５４を箱型、蓋体５６を平板状としていたが、パッケージベースを平板状とし、蓋体をキャップ形状としても良い。
次に、本発明の発振器に係る実施の形態について、図８を参照して説明する。本実施形態に係る発振器７０は、振動片１０と、この振動片１０を発振させるための電子部品８２、および振動片１０と電子部品８２を内部に実装するパッケージ７２とを基本として構成される。
振動片１０は、上記実施形態に係る振動片１０を採用する。パッケージ７２は、パッケージベース７４と蓋体７６とを基本として構成される。本実施形態に係るパッケージベース７４は、実装用のセンター基板７４ａを基点として、その上下にキャビティを備え、上部キャビティを振動片実装領域７５ａ、下部キャビティを電子部品実装領域７５ｂとしている。
センター基板７４における振動片実装領域７５ａ側には、振動片実装端子６０が設けられ、電子部品実装領域７５ｂ側には、電子部品実装端子８０が設けられている。また、パッケージベース７４の底面に当たる部位には、電子部品実装端子８０と電気的に接続された外部実装端子８６が設けられている。なお、構成部材、および製造方法については、上述した振動子５０におけるパッケージベース５４と同様である。また、蓋体７６についても、本実施形態では、金属またはガラスにより構成される平板であれば良く、ロウ材７８を用いてパッケージベース７４における振動片実装領域７５ａを封止する構成とする。
電子部品８２としては、例えば発振回路を備えたＩＣなどであれば良く、電子部品実装端子８０に対しては、バンプ８４を用いたフリップチップボンディングなどで実装すると良い。
このような構成の発振器７０も、振動子５０と同様に、薄型のパッケージ７２に実装しても、振動腕１６（図１参照）が屈曲振動する際にパッケージ７２の蓋体７６に接触する虞が無くなる。よって、小型で高性能、かつ信頼性の高い発振器７０の製造に寄与することが可能となる。
また、図８では一つのパッケージに振動片と電子部品を搭載した構造となっているが、振動片と電子部品を個別にパッケージングしても良いし、パッケージに実装せずにプリント基板に振動片と電子部品を直接実装しても良い。
本発明に係る電子機器の一例として、図９に示す携帯電話１００や、図１０に示すパーソナルコンピュータ２００等を挙げることができる。いずれも上記実施形態に示した振動片１０、振動子５０、または発振器７０を、クロック源や信号の変調や復調に用いる局部発振器として搭載していることを特徴とする。このような特徴を有することにより、電子機器の小型化、薄型化に対応することができる。また、小型化を行なった場合であっても、電子機器の機能に合わせた通信等の高精度化を図ることができる。
１０………振動片、１２………基板、１４………基部、１４ａ………実装面、１５………主面、１６（１６ａ〜１６ｃ）………振動腕、１７ａ………第１面、１７ｂ………第２面、２０………第１電極、２２（２２ａ〜２２ｃ）………第１層励振電極、２４………第１層引出電極、２６………第１層引出電極、２８………圧電体層、３０（３０ａ〜３０ｃ）………励振電極被覆部、３２………引出電極被覆部、３４………開口部、３６………開口部、３８………第２電極、４０（４０ａ〜４０ｂ）………第２層励振電極、４２………入出力電極、４４………入出力電極、４６………第２層引出電極、４８………第２層引出電極、５０………振動子、７０………発振器。

Claims (9)

  1. 基部と、
    前記基部から延設され、第１面と該第１面に対向する第２面とを有し、前記第１面および前記第２面の法線方向に屈曲振動をする振動腕と、
    前記振動腕の前記第１面および前記第２面の少なくとも一方に設けられ、第１金属層、第２金属層、および前記第１金属層と前記第２金属層との間に配置された圧電体層を少なくとも有する積層構造体と、を備え、
    前記基部は、前記第２面側にあり、かつ前記第２面よりも前記振動腕の厚み方向に突出していて、前記基部の前記第１面側にある主面に対向する突出面を備えている突出部を有し、
    前記振動腕は、前記突出部の突出する方向に反っており、かつ前記振動腕の先端が、前記突出面と前記主面との間の範囲内に位置していることを特徴とする振動片。
  2. 請求項１に記載の振動片であって、
    前記振動腕の長さをＬ、前記振動腕の厚さをｔ、前記振動腕のヤング率をＥｓ、前記振動腕のポアソン比をνｓ、前記圧電体層の厚さをｄ、前記圧電体層の残留応力をσとしたときに、前記振動腕の反り量δは、

    Figure 0005622173

    により得られることを特徴とする振動片。
  3. 請求項１または請求項２に記載の振動片であって、
    前記振動腕は、前記突出面と前記主面との間の範囲内で前記屈曲振動を成すことを特徴とする振動片。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の振動片であって、
    前記圧電体層は、前記第１面および前記第２面の両方に設けられたことを特徴とする振動片。
  5. 基部と、前記基部に形成される突出部と、前記基部から延設されていて、第１面と該第１面に対向する第２面を有する振動腕と、前記振動腕に設けられ、第１金属層、第２金属層、および前記第１金属層と前記第２金属層との間に配置された圧電体層を少なくとも有する積層構造体と、を備える振動片の製造方法であって、
    前記突出部は、前記第２面の側にあり、かつ、前記第２面よりも前記振動腕の厚み方向に突出していて、前記基部の前記第１面側にある主面に対する突出面を備えて形成され、
    前記振動腕は、前記突出部の突出する方向に反っており、かつ前記振動腕の先端が、前記突出面と前記主面との間の範囲内に位置していて、
    前記積層構造体は、前記第１面側に形成され、
    前記第１金属層、前記第２金属層、および前記圧電体層の少なくとも１つは、圧縮応力が残留するように成膜されることを特徴とする振動片の製造方法。
  6. 基部と、前記基部に形成される突出部と、前記基部から延設されていて、第１面と該第１面に対向する第２面を有する振動腕と、前記振動腕に設けられ、第１金属層、第２金属層、および前記第１金属層と前記第２金属層との間に配置された圧電体層を少なくとも有する積層構造体と、を備える振動片の製造方法であって、
    前記突出部は、前記第２面の側にあり、かつ、前記第２面よりも前記振動腕の厚み方向に突出していて、前記基部の前記第１面側にある主面に対する突出面を備えて形成され、
    前記振動腕は、前記突出部の突出する方向に反っており、かつ前記振動腕の先端が、前記突出面と前記主面との間の範囲内に位置していて、
    前記積層構造体は、前記第２面側に形成され、
    前記第１金属層、前記第２金属層、および前記圧電体層の少なくとも１つは引張応力が残留するように成膜されることを特徴とする振動片の製造方法。
  7. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の振動片と、
    前記振動片を内部に実装したパッケージを有したことを特徴とする振動子。
  8. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の振動片と、
    前記振動片を駆動する電子部品と、
    を有することを特徴とする発振器。
  9. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の振動片を搭載したことを特徴とする電子機器。
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