JP7606165B2 - 圧電振動素子、圧電振動子、及び圧電発振器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電振動素子、圧電振動子、及び圧電発振器に関する。

振動素子又はそれを含む振動子は、移動通信端末、通信基地局、家電などの各種電子機器において、タイミングデバイス、センサ、発振器等の様々な用途に用いられている。電子機器の高機能化に伴い、小型の振動素子が求められている。

例えば特許文献１には、支持基板と絶縁層と圧電薄板振動部とを備え、圧電薄板振動部は、圧電薄板と圧電薄板の上面に形成された第１電極と圧電薄板の下面に形成された第２電極とを含む、圧電バルク波装置が開示されている。この圧電バルク波装置は、第２電極に接続される配線電極に電気的に接続するように、圧電薄板にビアホール電極が設けられている。

国際公開第２０１３／０３１７４７号

特許文献１に開示された圧電バルク波装置では、エッチングにより圧電薄板にビアホール形成用電極孔を形成し、次にビアホール電極を形成している。

しかしながら、圧電薄板をエッチングする際に、圧電薄板上に形成された配線電極は、エッチングに用いる薬剤によってダメージを受け易くなっていた。その結果、ビアホール電極及び配線接続を介して振動部に形成された電極へ導通させる性能（以下、「導通性」という）は低下するおそれがあった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、エッチングによる配線電極へのダメージを抑制することのできる圧電振動素子、圧電振動子、及び圧電発振器を提供することを目的の１つとする。

本発明の一側面に係る圧電振動素子は、第１主面及び第２主面を有する圧電片と、第１主面から第２主面まで貫通して設けられるビア電極と、第２主面においてビア電極を覆う導電性のエッチストップ膜と、第２主面においてエッチストップ膜の外縁の少なくとも一部を覆う配線電極と、を備える。

本発明の他の側面に係る圧電振動子は、前述した圧電振動素子と、前述した圧電振動素子を振動可能に支持する支持基板と、を備える。

本発明の他の側面に係る圧電発振器は、前述した圧電振動子と、蓋体と、を備える。

本発明によれば、エッチングによる配線電極へのダメージを抑制することができる。

図１は、一実施形態における水晶発振器の構成を概略的に示す断面図である。 図２は、一実施形態における水晶振動素子の構成を概略的に示す平面図である。 図３は、一実施形態における水晶振動子の構成を概略的に示す断面図である。 図４は、一実施形態における水晶振動子の構成を概略的に示す断面図である。 図５は、図４に示したビア電極及びその周辺の構成の一例を概略的に示す要部拡大断面図である。 図６は、図４に示したビア電極及びその周辺の構成の他の例を概略的に示す要部拡大断面図である。 図７は、一実施形態の変形例における水晶振動素子の構成を概略的に示す平面図である。

以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の構成要素は同一又は類似の符号で表している。図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本発明の技術的範囲を当該実施形態に限定して解するべきではない。

各図面には、各図面の相互の関係を明確にし、各部材の位置関係を理解する助けとするために、便宜的にＸ軸、Ｙ’軸及びＺ’軸からなる直交座標系を付すことがある。Ｘ軸、Ｙ’軸及びＺ’軸は各図面において互いに対応している。Ｘ軸、Ｙ’軸及びＺ’軸は、それぞれ、後述する水晶片１１の結晶軸（Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ａｘｅｓ）に対応している。Ｘ軸は水晶の電気軸（極性軸）、Ｙ軸は水晶の機械軸、Ｚ軸は水晶の光学軸に、それぞれ相当する。Ｙ’軸及びＺ’軸は、それぞれ、Ｙ軸及びＺ軸をＸ軸の周りにＹ軸からＺ軸の方向に３５度１５分±１分３０秒回転させた軸である。

以下の説明において、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ’軸に平行な方向を「Ｙ’軸方向」、Ｚ’軸に平行な方向を「Ｚ’軸方向」という。また、Ｘ軸、Ｙ’軸及びＺ’軸の矢印の先端方向を「正」又は「＋（プラス）」、矢印とは反対の方向を「負」又は「－（マイナス）」という。なお、便宜的に、＋Ｙ’軸方向を上方向、－Ｙ’軸方向を下方向として説明するが、水晶振動素子１０、水晶振動子１、及び水晶発振器１００の上下の向きは限定されるものではない。また、Ｘ軸及びＺ’軸によって特定される面をＺ’Ｘ面とし、他の軸によって特定される面についても同様とする。

まず、図１を参照しつつ、一実施形態に従う水晶発振器の概略構成について説明する。図１は、一実施形態における水晶発振器１００の構成を概略的に示す断面図である。

以下の説明において、圧電発振器として、水晶振動子（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｕｎｉｔ）を備えた水晶発振器（ＸＯ：Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を例に挙げて説明する。また、圧電振動子として、水晶振動素子（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）を備えた水晶振動子を例に挙げて説明する。さらに、圧電振動素子として、水晶片（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｂｌａｎｋ）を備えた水晶振動素子を例に挙げて説明する。水晶片は、印加電圧に応じて振動する圧電体（圧電片）の一種である。なお、圧電発振器は、水晶振動子に限定されるものではなく、セラミック等の他の圧電体を利用するものであってもよい。同様に、圧電振動子は、水晶振動子に限定されるものではなく、セラミック等の他の圧電体を利用するものであってもよい。また同様に、圧電振動素子は、水晶振動素子に限定されるものではなく、セラミック等の他の圧電体を利用するものであってもよい。

図１に示すように、水晶発振器１００は、水晶振動子１と、実装基板１３０と、蓋部材１４０と、電子部品１５６と、を備える。なお、本実施形態の実装基板１３０及び蓋部材１４０は、「蓋体」の一例に相当する。

水晶振動子１及び電子部品１５６は、実装基板１３０と蓋部材１４０との間に形成される空間に収容される。実装基板１３０及び蓋部材１４０によって形成される空間は、例えば気密に封止される。なお、この空間は、真空状態で気密に封止されてもよく、不活性ガス等の気体が充填された状態で気密に封止されてもよい。

実装基板１３０は、平板状の回路基板である。実装基板１３０は、例えば、ガラスエポキシ板と、ガラスエポキシ板にパターニングされた配線層とを含んで構成される。

水晶振動子１は、実装基板１３０の一方の面（図１における上面）の上に設けられる。より詳細には、水晶振動子１は、ボンディングワイヤ１６６によって実装基板１３０の配線層に電気的に接続されている。また、半田１５３によって、水晶振動子１と実装基板１３０の配線層とが接合されている。これにより、水晶振動子１は、実装基板１３０と蓋部材１４０との間に形成される空間に封止される。

蓋部材１４０は、一方の側（図１における下側）が開口した、有底の開口部を含む。言い換えると、蓋部材１４０は、平板状の天壁部と、天壁部の外縁から実装基板１３０に向かって延在する側壁部と、側壁部の先端から外側に延在するフランジ部とを含む。フランジ部は、実装基板１３０の一方の面（図１における上面）に接合される。これにより、蓋部材１４０の内部に、実装基板１３０に接合された水晶振動子１が収容される。蓋部材１４０は、金属材料によって構成されており、例えば金属板の絞り加工によって形成される。

電子部品１５６は、実装基板１３０の一方の面（図１における上面）の上に設けられる。より詳細には、半田１５３によって実装基板１３０の配線層と電子部品１５６とが接合されている。これにより、電子部品１５６は、実装基板１３０に実装される。

電子部品１５６は、実装基板１３０の配線層を通して、水晶振動子１に電気的に接続される。電子部品１５６は、例えばコンデンサやＩＣチップ等を含んで構成される。電子部品１５６は、例えば、水晶振動子１を発振させる発振回路の一部、水晶振動子１の温度特性を補償する温度補償回路の一部等である。電子部品１５６が温度補償回路を含む場合、水晶発振器１００は、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）と呼ばれることがある。

次に、図２から図４を参照しつつ、一実施形態に従う水晶振動子の概略構成について説明する。図２は、一実施形態における水晶振動素子１０の構成を概略的に示す平面図である。図３は、一実施形態における水晶振動子１の構成を概略的に示す断面図である。図４は、一実施形態における水晶振動子１の構成を概略的に示す断面図である。なお、図３は、図２に示したＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿ったＸＹ’面に平行な断面を示している。図４は、図２に示したＩＶ－ＩＶ線に沿ったＸＹ’面に平行な断面を示している。

水晶振動子１は、水晶振動素子１０と、上蓋２０と、接合部３０と、支持基板４０と、接合層５０と、を備える。

水晶振動素子１０は、圧電効果により水晶を振動させ、電気エネルギーと機械エネルギーとを変換する素子である。水晶振動素子１０は、ＡＴカット型の水晶片１１を含む。ＡＴカット型の水晶片１１は、人工水晶（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ）の結晶軸であるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうち、Ｙ軸及びＺ軸をＸ軸の周りにＹ軸からＺ軸の方向に３５度１５分±１分３０秒回転させた軸をそれぞれＹ’軸及びＺ’軸とした場合、Ｘ軸及びＺ’軸によって特定されるＸＺ’面を主面として切り出されたものである。

なお、ＡＴカット型の水晶片１１におけるＹ´軸及びＺ´軸の回転角度は、３５度１５分から－５度以上＋１５度以下の範囲で傾いてもよい。また、水晶片１１のカット角度は、ＡＴカット以外の異なるカット、例えばＢＴカット、ＧＴカット、ＳＣカット等を適用してもよい。

ＡＴカット水晶片を用いた水晶振動素子は、広い温度範囲で高い周波数安定性を有する。また、ＡＴカット水晶振動素子は、経時変化特性にも優れている上、低コストで製造することが可能である。さらに、ＡＴカット水晶振動素子は、厚みすべり振動モード（Ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ Ｓｈｅａｒ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ）を主振動として用いる。

水晶振動素子１０は、一組の励振電極を含む。この一組の励振電極の間に交番電界が印加される。これにより、厚みすべり振動モードによって水晶片１１の振動部１１Ａが所定の発振周波数で振動し、該振動に伴う共振特性が得られる。

水晶片１１は、ＸＺ’面であって互いに対向する第１主面１２ａ及び第２主面１２ｂを有する。水晶片１１は、平坦な板形状を有する。そのため、水晶片１１の第１主面１２ａ及び第２主面１２ｂは、それぞれ、平坦面である。なお、水晶片１１は、平坦な板状に限定されるものではなく、例えば、中央部が凸状や凹状であってもよい。

ＡＴカット型の水晶片１１は、Ｘ軸方向に平行な長辺が延在する長辺方向と、Ｚ’軸方向に平行な短辺が延在する短辺方向と、Ｙ’軸方向に平行な厚さが延在する厚さ方向とを有する。水晶片１１は、水晶片１１の第１主面１２ａを平面視したときに、矩形状を有する。水晶片１１のＸ軸方向に平行な方向の長さは、例えば１８０μｍ程度であり、水晶片１１のＺ’軸方向に平行な方向の長さは、例えば１８０μｍ程度である。また、水晶片１１の厚さは、例えば０．５μｍ以上３μｍ以下の範囲内、例えば１μｍ程度である。水晶片１１は、例えば、より大きな厚さを有する状態で、後述する接合層５０を介して支持基板４０に加熱圧着した後、研磨することで所定の厚さに薄くしてもよい。

なお、水晶片１１の平面形状は矩形状に限定されるものではない。水晶片１１の平面形状は、多角形状、円形状、楕円形状、又はこれらの組合せであってもよい。

水晶片１１は、振動部１１Ａと、溝部１１Ｂと、保持部１１Ｃと、を含む。

水晶片１１の振動部１１Ａは、前述したように、厚みすべり振動モードを主振動として所定の発振周波数で振動する。振動部１１Ａは、Ｘ軸方向に平行な方向の長さが例えば８０μｍ程度であり、Ｚ’軸方向に平行な方向の長さが例えば８０μｍ程度である。

水晶振動素子１０は、一組の励振電極を構成する第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂを含む。第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂは、水晶片１１の振動部１１Ａに設けられる。より詳細には、第１励振電極１４ａは、第１主面１２ａに設けられ、第２励振電極１４ｂは、第２主面１２ｂに設けられる。第１励振電極１４ａと第２励振電極１４ｂとは、水晶片１１を間に挟んで互いに対向して設けられている。第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂは、第１主面１２ａを平面視したときに、それぞれ矩形状を有しており、ＸＺ’面において略全体が重なり合うように配置されている。第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂは、それぞれ、Ｘ軸方向に平行な方向の長さが例えば５０μｍ程度であり、Ｚ’軸方向に平行な方向の長さが例えば５０μｍ程度である。

なお、第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂは、それぞれ、矩形状に限定されず、多角形、円形、楕円形、又はこれらの組合せであってもよい。

水晶片１１の溝部１１Ｂは、第１主面１２ａを平面視したときに、振動部１１Ａの周りを囲むように形成された溝である。当該溝は、Ｚ’軸方向に平行な水晶片１１の厚さ方向に貫通している。溝部１１Ｂは、振動部１１Ａと保持部１１Ｃとの間が、例えば１０μｍ程度離間するように、形成される。

水晶片１１の保持部１１Ｃは、水晶片１１における振動部１１Ａ及び溝部１１Ｂ以外の部分である。保持部１１Ｃは、振動部１１ＡにおけるＸ軸負方向側の辺に接続し、振動部１１Ａを保持している。

水晶振動素子１０は、引出電極１５ａ，１５ｂ、接続電極１６ａ，１６ｂ、及びビア電極１７をさらに含む。引出電極１５ａ，１５ｂ、接続電極１６ａ，１６ｂ、及びビア電極１７は、水晶片１１の保持部１１Ｃに設けられる。

引出電極１５ａは、水晶片１１の第１主面１２ａに設けられ、第１励振電極１４ａと接続電極１６ａとを電気的に接続している。一方、引出電極１５ｂは、水晶片１１の第２主面１２ｂに設けられ、第２励振電極１４ｂと接続電極１６ｂとを電気的に接続する。引出電極１５ｂと接続電極１６ｂとは、水晶片１１の厚さ方向に貫通するビア電極１７によって電気的に接続されている。ビア電極１７及びその周辺の構成については、後述する。なお、本実施形態の引出電極１５ｂは、「配線電極」の一例に相当する。

接続電極１６ａは、引出電極１５ａを介して第１励振電極１４ａと電気的に接続されている。また、接続電極１６ｂは、引出電極１５ｂ及びビア電極１７を介して第２励振電極１４ｂと電気的に接続されている。接続電極１６ａ及び接続電極１６ｂは、それぞれ、上蓋２０に設けれた外部電極（図示省略）に電気的に接続するための端子である。接続電極１６ａ及び接続電極１６ｂは、それぞれ、水晶片１１の第１主面１２ａに設けられている。接続電極１６ａ及び接続電極１６ｂは、それぞれ、Ｘ軸方向に平行な方向の長さが例えば１５μｍ程度であり、Ｚ’軸方向に平行な方向の長さが例えば２０μｍ程度である。

このように、第１励振電極１４ａが第１主面１２ａに設けられ、第２励振電極１４ｂが第２主面１２ｂに設けられ、引出電極１５ｂが第２励振電極１４ｂに電気的に接続される。これにより、例えば、引出電極１５ａ，１５ｂ、接続電極１６ａ，１６ｂ、及びビア電極１７を介して第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂに交番電界を印加することで、水晶片１１において第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂの設けられた部分によって、所定の振動モードで振動する振動部１１Ａを実現することができる。

第１励振電極１４ａ、第２励振電極１４ｂ、引出電極１５ａ，１５ｂ、及び接続電極１６ａ，１６ｂの材料は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）であることが好ましい。この場合、アルミニウムの厚さは、例えば０．０５μｍ程度である。このように、引出電極１５ｂの材料が、導通性が高く、密度の小さいアルミニウムであることにより、振動部１１Ａの不要振動が発生し難くなり、高周波振動の圧電振動素子を容易に実現することができる。

第１励振電極１４ａ、第２励振電極１４ｂ、引出電極１５ａ，１５ｂ、及び接続電極１６ａ，１６ｂは、アルミニウム（Ａｌ）で構成される場合に限定されない。各電極の材料は、例えばモリブデン（Ｍｏ）又は金（Ａｕ）であってもよい。この場合、それぞれの厚さは、例えば０．０３μｍ以上０．２μｍ以下の範囲内である。また、各電極は、例えば水晶片１１側に設けられたチタン（Ｔｉ）層と、表面側に設けられた金（Ａｕ）層とから構成される積層体であってもよい。この場合、チタン層の厚さは例えば０．００５μｍ程度、金層の厚さは例えば０．０５μｍ程度である。

第１励振電極１４ａ、第２励振電極１４ｂ、引出電極１５ａ，１５ｂ、及び接続電極１６ａ，１６ｂのうち、少なくとも第２励振電極１４ｂと引出電極１５ｂとは、一体に形成されることが好ましい。これにより、同じ厚さ（薄さ）の第２励振電極１４ｂ及び引出電極１５ｂを容易に形成することができる。従って、振動部１１Ａを高周波で振動させたときに不要振動の発生を抑制することができる。

また、第１励振電極１４ａの材料は、第２励振電極１４ｂの材料と同じであることが好ましい。これにより、所定の周波数で高精度に振動する振動部１１Ａを容易に実現することができる。

上蓋２０は、平坦な板状の部材、例えば水晶板、セラミック板やガラス板などでもよい。平面視における上蓋２０の寸法は、水晶振動素子１０（水晶片１１）の寸法と同一又は略同一である。上蓋２０のＸ軸方向に平行な方向の長さは、例えば１８０μｍ程度であり、上蓋２０のＺ’軸方向に平行な方向の長さは、例えば１８０μｍ程度である。また、上蓋２０の厚さは、例えば１００μｍ以上から２００μｍ以下の範囲内である。

上蓋２０は、導電性を有していてもよい。この場合、上蓋２０は、鉄（Ｆｅ）及びニッケル（Ｎｉ）を含む合金である４２アロイ、又は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）を含む合金であるコバール等から構成される。

接合部３０は、上蓋２０と水晶振動素子１０とを接合する。接合された上蓋２０と水晶振動素子１０とによって形成された空間は、振動部１１Ａの振動空間の一部を形成する。接合部３０は、上蓋２０及び水晶振動素子１０のそれぞれの全周に亘って設けられている。具体的には、接合部３０は、上蓋２０の下面と、水晶片１１の第１主面１２ａとに設けられている。接合部３０は、第１主面１２ａを平面視したときに、枠形状を有している。当該枠の幅、つまり、外周と内周との差は、例えば約２０μｍである。

また、接合部３０は、電気的な絶縁性（非導電性）を有している。接合部３０は、例えば、無機ガラスによって構成され、加熱処理により固化して接着作用を示すガラス接着剤である。無機ガラスは、例えば、鉛ホウ酸系、錫リン酸系等の低融点ガラスである。

接合部３０の材料が低融点ガラス接着剤である場合、３００℃以上４１０℃以下の温度で溶融する鉛フリーのバナジウム（Ｖ）系ガラスを含んでいてもよい。バナジウム系ガラスは、バインダーと溶剤とがペースト状に加えられ、溶融され、固化されることで接着作用を示す。バナジウム系ガラスは、銀（Ａｇ）等の他の金属を含んでいてもよい。

また、接合部３０の材料は、例えば樹脂接着剤であってもよい。樹脂接着剤は、熱硬化性樹脂や光硬化性樹脂を含んでもよく、例えば、エポキシ樹脂を主成分とするエポキシ系接着剤を用いることができる。エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂などの二官能エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂やクレゾールノボラック型エポキシ樹脂などのノボラック型エポキシ樹脂などを使用することができる。また、多官能エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、複素環含有エポキシ樹脂または脂環式エポキシ樹脂など、一般に知られているものも適用することができる。

支持基板４０は、水晶振動素子１０を振動可能に支持するように構成されている。支持基板４０は、例えば平坦な板状の基板である。平面視における支持基板４０の寸法は、水晶振動素子１０（水晶片１１）の寸法と同一又は略同一である。支持基板４０のＸ軸方向に平行な方向の長さは、例えば１８０μｍ程度であり、支持基板４０のＺ’軸方向に平行な方向の長さは、例えば１８０μｍ程度である。また、支持基板４０の厚さは、例えば５０μｍ以上から５００μｍ以下の範囲内である。支持基板４０は、例えば水晶基板であるが、これに限定されず、シリコン基板であってもよい。

接合層５０は、水晶振動素子１０と支持基板４０とを接合する。より詳細には、接合層５０は、支持基板４０の上面に設けられ、支持基板４０の上面と水晶片１１の第２主面１２ｂとを接合する。

このように、接合層５０が水晶振動素子１０と支持基板４０とを接合することにより、例えば上蓋２０と支持基板４０との間に、水晶振動素子１０を封止することが可能となる。

また、接合層５０は、水晶振動素子１０の振動部１１Ａに対応する部分に、凹形状のキャビティ５１が形成されている。水晶振動素子１０と接合層５０のキャビティ５１とによって形成された空間は、振動部１１Ａの振動空間の一部を形成する。キャビティ５１の厚さは、例えば０．２μｍ程度である。

接合層５０の材料は、例えばシリコン酸化膜（二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２））である。接合層５０の厚さは、０．５μｍ以上あることが望ましく、例えば１μｍ程度である。このように、接合層５０の材料が二酸化ケイ素であり、接合層５０が支持基板４０の上面と水晶片１１の第２主面１２ｂとを接合することにより、ビア電極１７の周辺において、水晶片１１と接合層５０との間に、後述する保護電極１９が存在することになるので、水晶片１１と二酸化ケイ素である接合層５０との間の熱膨張差による応力を緩和することができる。従って、振動部１１Ａの振動周波数を安定させることができる。

なお、接合層５０の材料は、シリコン酸化膜に限定されるものではなく、シリコン窒化膜（窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４））や、各種の接着剤であってもよい。また、接合層５０が省略されて、支持基板４０が水晶振動素子１０に直接接合されてもよい。

次に、図５及び図６を参照しつつ、一実施形態に従う水晶振動素子のビア電極及びその周辺の構成について説明する。図５は、図４に示したビア電極１７及びその周辺の構成の一例を概略的に示す要部拡大断面図である。図６は、図４に示したビア電極１７及びその周辺の構成の他の例を概略的に示す要部拡大断面図である。

図５に示すように、ビア電極１７は、水晶片１１の第１主面１２ａから第２主面１２ｂまで貫通して設けられている。ビア電極１７の材料は、例えばアルミニウム（Ａｌ）であり、ビア電極１７の厚さは、例えば１．０μｍである。なお、ビア電極１７の材料は、例えば銅（Ｃｕ）であってもよい。この場合、ビア電極１７の厚さは、例えば０．５μｍ以上３．０μｍ以下の範囲内である。

ビア電極１７は、第１主面１２ａにおいて、図示を省略する接続電極１６ｂと電気的に接続している。一方、ビア電極１７は、第２主面１２ｂにおいて、エッチストップ膜１８と電気的に接続している。

エッチストップ膜１８は、水晶片１１の第２主面１２ｂにおいて、ビア電極１７の全体を覆っている。エッチストップ膜１８は、導電性を有しており、ビア電極１７と電気的に接続する。

前述した引出電極１５ｂは、第２主面１２ｂにおいてエッチストップ膜１８の全体を覆っている。これにより、ビア電極１７、エッチストップ膜１８、及び引出電極１５ｂを介して、接続電極１６ｂと第２励振電極１４ｂとが電気的に接続される。

また、エッチストップ膜１８は、ビア電極１７を形成する際に用いる薬剤、例えばフッ酸等に対して耐性を有する材料で構成される。具体的には、ビア電極１７を形成する場合、まず、水晶片１１の保持部１１Ｃにおけるビア電極１７を形成する位置に対応させて、水晶片１１の第２主面１２ｂにエッチストップ膜１８を形成する。エッチストップ膜１８は、例えば蒸着及びリフトオフ法、あるいは、スパッタリング及びエッチング等によって、形成される。次に、ウェットエッチング又はドライエッチングによって、水晶片１１を貫通する直径１０μｍ程度の孔を形成する。そして、当該孔に導電性材料を充填することで、ビア電極１７が形成される。

これらの性質を有するものとして、例えばニッケル（Ｎｉ）がエッチストップ膜１８に用いられる。エッチストップ膜１８の厚さは、例えば０．０５μｍである。また、エッチストップ膜１８の材料は、例えば銅（Ｃｕ）又は白金（Ｐｔ）であってもよい。この場合、エッチストップ膜１８の厚さは、例えば０．０３μｍ以上０．２μｍ以下の範囲内である。

ここで、所定の厚さを有するエッチストップ膜１８は、その外縁に段差を形成する。これに対し、引出電極１５ｂは、例えば蒸着及びリフトオフ法、あるいは、スパッタリング及びエッチング等によって、第２励振電極１４ｂとともにパターニング（形成）される。第１励振電極１４ａ及び第２励振電極１４ｂは、振動部１１Ａの不要振動を抑制するために薄く形成されており、引出電極１５ｂの厚さは、０．０３μｍから０．２μｍ程度となっている。そのため、エッチストップ膜１８を覆う引出電極１５ｂは、エッチストップ膜１８の外縁の段差において、断線し易くなっていた。

本実施形態の水晶振動素子１０は、第２主面１２ｂにおいて、エッチストップ膜１８を覆っている部分の引出電極１５ｂの全体を覆う保護電極１９をさらに備える。保護電極１９の材料は、例えばアルミニウム（Ａｌ）である。保護電極１９の厚さは、引出電極１５ｂの厚さよりも厚い方が好ましく、例えば０．５μｍである。なお、保護電極１９の材料は、例えば銅（Ｃｕ）であってもよい。この場合、保護電極１９の厚さは、例えば０．３μｍ以上１．０μｍ以下の範囲内である。

保護電極１９は、例えば蒸着及びリフトオフ法、あるいは、スパッタリング及びエッチング等によって、形成される。保護電極１９は、振動空間を形成する接合層５０のキャビティ５１の方まで延在して引出電極１５ｂを覆うことが好ましい。

保護電極１９の材料は、引出電極１５ｂの材料と同じであることが好ましい。これにより、引出電極１５ｂと保護電極１９との間に熱膨張差による応力は発生せず、引出電極１５ｂ及び保護電極１９を容易に形成することができる。

なお、図５では、引出電極１５ｂが、第２主面１２ｂにおいてエッチストップ膜１８の全体を覆う例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、図６に示すように、引出電極１５ｂは、第２主面１２ｂにおいて、エッチストップ膜１８の外縁の少なくとも一部を覆っていればよい。同様に、保護電極１９は、第２主面１２ｂにおいてエッチストップ膜１８を覆っている部分の引出電極１５ｂの全体を覆う場合に限定されない。保護電極１９は、第２主面１２ｂにおいて、引出電極１５ｂのうちのエッチストップ膜１８の外縁を覆っている部分を、少なくとも覆っていればよい。

このように、エッチストップ膜１８が、水晶片１１の第２主面１２ｂにおいて、ビア電極１７を覆い、引出電極１５ｂは、第２主面１２ｂにおいて、エッチストップ膜１８の外縁の少なくとも一部を覆うことにより、導電性のエッチストップ膜１８がビア電極１７と引出電極１５ｂとを電気的に接続する。また、例えばビア電極１７を形成するために第１主面１２ａから第２主面１２ｂまで貫通する孔を形成する際に、第２主面１２ｂにおいて水晶片１１と引出電極１５ｂとの間にエッチストップ膜１８が存在するので、エッチングの薬剤等に対して引出電極１５ｂが露出しない。従って、導電性を保ちつつ、エッチングによる引出電極１５ｂのダメージを抑制することができる。

また、保護電極１９は、第２主面１２ｂにおいて、引出電極１５ｂのうちのエッチストップ膜１８の外縁を覆っている部分を少なくとも覆う。ここで、前述したように、エッチストップ膜１８の外縁に形成された段差によって、引出電極１５ｂは断線し易くなっている。そのため、エッチストップ膜１８の外縁付近で導通不良が発生し得る。よって、保護電極１９は、エッチストップ膜１８の外縁を覆っている部分の引出電極１５ｂを覆うことで、当該部分の引出電極１５ｂの強度が高められ、引出電極１５ｂの断線を抑制することができる。

また、保護電極１９の厚さは、引出電極１５ｂの厚さの２倍以上であることが好ましい。これにより、エッチストップ膜１８の外縁を覆っている部分の引出電極１５ｂの強度を、容易に高めることができる。

次に、前述した実施形態の変形例について説明する。なお、図１から図６に示した構成と同一又は類似の構成について同一又は類似の符号を付し、その説明を適宜省略する。また、同様の構成による同様の作用効果については、逐次言及しない。

（変形例）
図７は、一実施形態の変形例における水晶振動素子１０Ａの構成を概略的に示す平面図である。

図７に示すように、水晶振動素子１０Ａの水晶片１１’は、振動部１１Ａ、溝部１１Ｂ、及び保持部１１Ｃに加え、連結部１１Ｄ、１１Ｅをさらに含む。

連結部１１Ｄ、１１Ｅは、それぞれ、振動部１１Ａと保持部１１Ｃとを連結する。より具体的には、連結部１１Ｄは、水晶片１１’の第１主面１２ａを平面視したときに、振動部１１Ａと、振動部１１Ａに対して一方側（図７において下側）の保持部１１Ｃとを連結する。連結部１１Ｅは、第１主面１２ａを平面視したときに、振動部１１Ａと、振動部１１Ａに対して他方側（図７において上側）の保持部１１Ｃとを連結する。連結部１１Ｄ、１１Ｅは、それぞれ、Ｘ軸方向に平行な方向の長さが、例えば１０μｍ程度であり、Ｚ’軸方向に平行な方向の長さが、例えば１６μｍ程度である。

引出電極１５ａは、第１主面１２ａにおいて、振動部１１Ａに対して一方側（図７において下側）の連結部１１Ｄ及び保持部１１Ｃに設けられる。一方、引出電極１５ｂは、第２主面１２ｂにおいて、振動部１１Ａに対して他方側（図７において上側）の連結部１１Ｅ及び保持部１１Ｃに設けられる。

接続電極１６ａは、第１主面１２ａにおいて、振動部１１Ａに対して一方側（図７において下側）の保持部１１Ｃに設けられる。一方、接続電極１６ｂは、第１主面１２ａにおいて、振動部１１Ａに対して他方側（図７において上側）の保持部１１Ｃに設けられる。

ビア電極１７は、振動部１１Ａに対して他方側（図７において上側）の保持部１１Ｃにおいて、水晶片１１’を厚さ方向に貫通する。

ビア電極１７、エッチストップ膜１８、引出電極１５ｂ、及び保護電極１９の構成は、図５及び図６に示した例と同様である。

以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。一実施形態に従う水晶振動素子において、エッチストップ膜は、水晶片の第２主面においてビア電極を覆い、引出電極は、第２主面においてエッチストップ膜の外縁の少なくとも一部を覆う。これにより、導電性のエッチストップ膜がビア電極と引出電極とを電気的に接続する。また、例えばビア電極を形成するために第１主面から第２主面まで貫通する孔を形成する際に、第２主面において水晶片と引出電極との間にエッチストップ膜が存在するので、エッチングの薬剤等に対して引出電極が露出しない。従って、導電性を保ちつつ、エッチングによる引出電極のダメージを抑制することができる。

また、前述した水晶振動素子において、保護電極は、第２主面において引出電極のうちのエッチストップ膜の外縁を覆っている部分を少なくとも覆う。ここで、前述したように、エッチストップ膜の外縁に形成された段差によって、引出電極は断線し易くなっている。そのため、エッチストップ膜の外縁付近で導通不良が発生し得る。よって、保護電極は、エッチストップ膜の外縁を覆っている部分の引出電極を覆うことで、当該部分の引出電極の強度が高められ、引出電極の断線を抑制することができる。

また、前述した水晶振動素子において、保護電極の材料は、引出電極の材料と同じである。これにより、引出電極と保護電極との間に熱膨張差による応力は発生せず、引出電極及び保護電極を容易に形成することができる。

また、前述した水晶振動素子において、保護電極の厚さは、引出電極の厚さの２倍以上である。これにより、エッチストップ膜の外縁を覆っている部分の引出電極の強度を、容易に高めることができる。

また、前述した水晶振動素子において、引出電極の材料は、導通性が高く、密度の小さいアルミニウムである。これにより、振動部の不要振動が発生し難くなり、高周波振動の圧電振動素子を容易に実現することができる。

また、前述した水晶振動素子において、第１励振電極が第１主面に設けられ、第２励振電極が第２主面に設けられ、引出電極が第２励振電極に電気的に接続される。これにより、例えば、引出電極、接続電極、及びビア電極を介して第１励振電極及び第２励振電極に交番電界を印加することで、水晶片において第１励振電極及び第２励振電極の設けられた部分によって、所定の振動モードで振動する振動部を実現することができる。

また、前述した水晶振動素子において、第２励振電極と引出電極とは、一体に形成される。これにより、同じ厚さ（薄さ）の第２励振電極及び引出電極を容易に形成することができる。従って、振動部を高周波で振動させたときに不要振動の発生を抑制することができる。

また、前述した水晶振動素子において、第１励振電極の材料は、第２励振電極の材料と同じである。これにより、所定の周波数で高精度に振動する振動部を容易に実現することができる。

また、一実施形態に従う水晶振動子において、前述した水晶振動素子と水晶振動素子を振動可能に支持する支持基板とを備える。これにより、導電性を保ちつつ、エッチングによる引出電極のダメージを抑制する水晶振動子を容易に実現することができる。

また、前述した水晶振動子において、接合層は、水晶振動素子と支持基板とを接合する。これにより、例えば上蓋と支持基板との間に、水晶振動素子を封止することが可能となる。

また、前述した水晶振動子において、接合層の材料は二酸化ケイ素であり、接合層は支持基板の上面と水晶片の第２主面とを接合する。これにより、ビア電極の周辺において、水晶片と接合層との間に保護電極が存在することになるので、水晶片と二酸化ケイ素である接合層との間の熱膨張差による応力を緩和することができる。従って、振動部の振動周波数を安定させることができる。

また、一実施形態に従う水晶発振器において、前述した水晶振動子と実装基板及び蓋部材とを備える。これにより、導電性を保ちつつ、エッチングによる引出電極のダメージを抑制する水晶発振器を容易に実現することができる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。すなわち、実施形態及び／又は変形例に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、実施形態及び／又は変形例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、実施形態及び変形例は例示であり、異なる実施形態及び／又は変形例で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１…水晶振動子、１０，１０Ａ…水晶振動素子、１１，１１’…水晶片、１１Ａ…振動部、１１Ｂ…溝部、１１Ｃ…保持部、１１Ｄ，１１Ｅ…連結部、１２ａ…第１主面、１２ｂ…第２主面、１４ａ…第１励振電極、１４ｂ…第２励振電極、１５ａ，１５ｂ…引出電極、１６ａ，１６ｂ…接続電極、１７…ビア電極、１８…エッチストップ膜、１９…保護電極、２０…上蓋、３０…接合部、４０…支持基板、５０…接合層、５１…キャビティ、１００…水晶発振器、１３０…実装基板、１４０…蓋部材、１５３…半田、１５６…電子部品、１６６…ボンディングワイヤ。

Claims (11)

1. 第１主面及び第２主面を有する圧電片と、
   前記第１主面から前記第２主面まで貫通して設けられるビア電極と、
   前記第２主面において前記ビア電極を覆う導電性のエッチストップ膜と、
   前記第２主面において前記エッチストップ膜の外縁の少なくとも一部を覆う配線電極と、
   前記第２主面において前記配線電極のうちの前記エッチストップ膜の外縁を覆っている部分を少なくとも覆う保護電極と、
   を備える、
   圧電振動素子。
2. 前記保護電極の材料は、前記配線電極の材料と同じである、
   請求項１に記載の圧電振動素子。
3. 前記保護電極の厚さは、前記配線電極の厚さの２倍以上である、
   請求項１又は２に記載の圧電振動素子。
4. 前記配線電極の材料は、アルミニウムである、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の圧電振動素子。
5. 前記第１主面に設けられる第１励振電極と、
   前記第２主面に設けられる第２励振電極と、をさらに備え、
   前記配線電極は、前記第２励振電極に電気的に接続される、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の圧電振動素子。
6. 前記配線電極と前記第２励振電極とは、一体に形成される、
   請求項５に記載の圧電振動素子。
7. 前記第１励振電極の材料は、前記第２励振電極の材料と同じである、
   請求項５又は６に記載の圧電振動素子。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の圧電振動素子と、
   前記圧電振動素子を振動可能に支持する支持基板と、を備える、
   圧電振動子。
9. 前記圧電振動素子と前記支持基板とを接合する接合層をさらに備える、
   請求項８に記載の圧電振動子。
10. 前記接合層の材料は、二酸化ケイ素であり、
    前記接合層は、前記第２主面と前記支持基板とを接合する、
    請求項９に記載の圧電振動子。
11. 請求項８から１０のいずれか一項に記載の圧電振動子と、
    蓋体と、を備える、
    圧電発振器。

Images