JPS60170314A - レ−ザ加工を用いて小型圧電装置を製造する方法及びこの方法によつて作られた装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、レーザ加工を用いて小型の圧電装置を製造す
る方法及びこのような方法によって得られた装置に係る
。

圧電装置には色々な形態がある。最も簡単な形態の１つ
は、両面が金属化された薄いプレートもしくはウェハで
構成される。その他の形態又は形状の色々複雑なものも
考えられ、例えば、一連のプレートがブリッジや同調フ
ォーク等で接続されたものがある。これら装置に利用さ
れる重要な特性は、それらの共振である。然し乍ら、接
続された共振器が、バンドパス型のフィルタ作用を招く
こともある。

接続された多数の圧電共振器からフィルタが形成される
場合及びこれらの共振器が同じ圧電基体において加工さ
れる場合には、所謂、モノリシックフィルタが得られる
。同様に、多数のモノリシックセルがカスケード状に組
み合わされることによってポリリシックフィルタが得ら
れる。

圧電装置という用語は、モノリシック型又はポリリシッ
ク型の圧電共振器、圧電フィルタ、並びに、所与の伝達
機能を有する素子の他の組合せを網羅する上記の全分類
の手段を意味することを理解されたい。

このような装置は、次のように非常に１】広く利用され
る。

一特定の可動の、一定受信媒体の周波数フィルタ作用 一無線受信アンテナのフィルタ作用（信号対雑音比の増
加に対して） 一固定又は可動の計装 一周波数スイープの大きい発振器の構造（ＶＣＸＯ＞ 一電子ウオッチ及びクロック このような装置を製造するプロセスは、装置が小型もの
である時は、使用される圧電材料が水晶であるか、或い
は、新たな材料の１つがニオブ酸リチウム及びタンタル
酸リチウムで構成されるかに基づいて、２つの異なった
技術を使用する。

水晶の場合には、用いる手法が写真平版である。感光樹
脂が水晶基体上に付着され、切断すべきパターンに対応
する線を形成するように光が当てられ、その後、例えば
、沸騰するフッ化水素酸溶液を用いて水晶の化学的なエ
ツチングが行なわれる。

ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムの場合には、
酸によるこれら材料の化学的なエツチング速度が非常に
遅いので、上記の手法は不適当である。従って、沸騰す
るフッ化水素酸による水晶のエツチング速度が約７４μ
ｍ／時であるのに対して、フッ化水素酸及び硝酸溶液に
よるタンタル酸リチウムのエツチング速度は１．６μｍ
／時であるに過ぎない。

従って、タンタル酸リチウムの場合には、写真平版技術
は不適当であると考えられる。というのは、加工すべき
ウェハの厚み（２００μｍ）を考えれば、著しいアンダ
ーエツチング現象が生じ、パターンの縁の鮮鋭さが損わ
れるからである。更に、感光樹脂が破壊される。

このため、別の手法、即ち、ソーイングを使用すること
が好ましくなる。この目的で、多数のブレード又はワイ
ヤを有するダイアモンドソーが使用される。

タンタル酸リチウムの圧電装置に関しては、ｒＳｙｍｐ
ｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｃｏｎｔｒｏ
月という雑誌に掲載された次のような多数の論文を参照
されたい。

一１９７３年、オノエシナダ（キンセキシャ）による［
タンタル酸リチウムの低周波数共振器Ｊと題する論文の
第４２頁、 一１９８３年、オカザキ、ワタナベ（ＮＤＫ）による［
小型ＬｉＴａＯ３Ｘカットストリップ共振器」と題する
論文の第７３３７頁、−１９８３年、フジワラ（富士通
）による［小型小型ＬｉＴａ０．ストリップ共振器」と
題する論文。

ニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウムから形成され
る共振器及びフィルタの特性は、水晶の場合と対照的で
ある。然し乍ら、共振器としては、周波数スイープが大
きく、フィルタとしては、相対的なパスバンドが広い。

それらの使用レンジは、数十ＫＨｚから約３０　Ｍ　Ｈ
ｚまでであり、これは、選択される結晶部分によって多
数のレンジに分けることができる。

然し乍ら、ニオブ酸リチウム及びタンタル酸リチウムに
よって効果かもたらされるにも拘らず、ソーイング手法
の使用によって複雑な形状を得るのにはあまり適してい
ないことを忘わてはならないゆ従って、長方形のパーや
同調フォークのような非常に簡単な形状で行なうことが
必要であり、このため、過電圧のような幾つかのパラメ
ータを容易に最適化することができない。又、ソーイン
グの問題により、以下に述べる意味でモノリシックフィ
ルタの製造が妨げられる。従って、ソーを用いる場合に
は、ミリメータ程度及びミリメータ以下の大きさの密接
した領域から材料を除去することができない。多数の共
振器がカスケード状になったフィルタを得るためには、
別々の圧電基体に共振器を別々に形成し、次いで、これ
ら別々の装置を電気接続によって組み立てることが必要
である。従って、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチ
ウムの多芸振器モノリシックフィルタは存在しない。

更に、ソーイングについては、結晶がもろいために、加
工すべき部分の寸法が比較的大きくなり、従って、長手
モードを用いた結晶区分の場合高い作動周波数（Ｉ　Ｍ
　Ｈｚ以上）を得ることが困難となる。

このようにして得られた装置の調整又は設定も困難であ
る。製造方法に写真平版技術が含まれようとソーイング
技術が含まれようと、再現性がまちまちであることが多
く、予想通りの特性を有する装置はめったにない。そこ
で、調整（例えば、共振周波数の）を行なうことが必要
となる。これには、多数の色々な方法を用いることによ
ってパターンの幾つかの部分、特に、端部を埋めること
が含まれる。明らかなように、この作業は容易でなく、
製造時間を著しく長くする。

更に、公知のソーイング手法は、製造工程に真の生産性
を発揮させる場合に不可欠となる製造設備のプログラミ
ングに適していない。

発明の概要 本発明の目的は、これらの欠点を全て解消することであ
る。そこで、本発明は、タンタル酸リチウム又はニオブ
酸リチウムを用いて圧電装置を製造する方法であって、
ランダムで非常に複雑な形状をした共振器、モノリシッ
クフィルタ（特に、４　Ｍ　Ｈｚにおいて数Ｋ　Ｈｚと
いう低い周波数レンジにあってこれまで水晶でも実現さ
れていなかった）及び本来ポリリシックのフィルタを形
成できるようにする新規な方法を提案する。更に、本発
明による方法は、非常に簡単で且つ調整又は設定操作を
非常に効率よく行なえ、然も、切断及び調整プロセスは
、情報手段によってプログラミング及び検査もしくは制
御を行なうのに適している。

本発明によれば、これら全ての目的は、圧電材料をレー
ザビームで切断することによって達成される。

本発明の新規性を充分理解するためには、圧電装置を形
成するためにタンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウム
をレーザビームで切断することが多数の理由でこれまで
適していなかったことを理解しなければならない。

第１の理由は、これらの材料が透明であるために、近赤
外線もしくは可視レーザ光線の吸収が非常に僅かであり
、結晶を溶解するに充分な熱効果が得られないことであ
る。このため、レーザ加工プロセスは、特に吸収性のあ
る材料（耐火材料、織物等）に対して使用されるが１例
えば、ガラスの切断にはあまり適していない。第２の理
由は、性能の高い圧電装置を得るためには、形成しよう
とする製品が、特にその結晶構造について非常に高い品
質を有していなければならないことである。

然し乍ら、特に溶融に長時間を要する場合、長時間の熱
効果によって材料の結晶格子が逆転することが考えられ
る。

これまで、ニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムの
ような材料のレーザ切断は、有用な性能という点と、形
成された製品の品質という点の両方から大きな難題に直
面すると考えらＪ’している。

意外にも、これら２つの障害を克服できることが分かっ
た。先ず第１に、光線の吸収に関しては、短くて強い光
パルスを使用することによって解消できる。これらパル
スの各々は、その光線によって保持された電界により、
材料を局部的に破壊し、これによって吸収効率が急激に
増加することが示された。これにより、光パルスの端を
吸収できる。又、第２の障害については、分析後に得ら
れた装置の優れた音響及び圧電品質をベースとして評価
した場合には、解消される。

それ故、更に詳細に述べると、本発明は、適切な形状に
するように圧電材料を切断する圧電装置製造方法に係る
。この方法は、タンタル酸リチウム及びニオブ酸リチウ
ムを含む群から圧電材料を選び、この材料を？（ルス状
のレーザビームで切断することを特徴とする。

効果的な構成によれば、切断さるべき材料と、レーザビ
ームは、一連の変位及び停止で構成される運動によって
互いに変位され、停止の間に材料の切断が行なわれる。

材料の溶融ゾーンは重畳せず、「郵便切手」型の点線の
切り目が作られる。

又、本発明は、成るパターンの圧電材料を有していてそ
の２つの面が導電性の被膜で覆われているような圧電装
置にも係る。これらの装置は。

タンタル酸リチウム及びニオブ酸リチウムを含む群から
取り出された圧電材料において前記のプロセスを用いて
パターンが切断されることを特徴とする 特に、本発明は、同じ圧電基体から切り取られた１つの
部分で少なくとも２つの接続された共振器が形成された
装置（前記したモノリシックフィルタ）に関する。又、
本発明は、形状が複雑であり及び／又は過電圧を最適化
するよう構成されたクリップ又はタグを有している共振
器にも関する。これらの装置は、公知方法を用いた場合
には、タンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムから製
造することはできない。

ここに示す実施例によれば、波長が１．０６μｍで、ピ
ーク電力が５００ワツトで、持続時間が２００ｎ　ｓで
、繰返し数が８００　Ｈｚであるようなパルスによって
ニオブ酸リチウムが切断される。切断される材料は、１
組のテーブルに固定され、ステップモータによりレーザ
ビームに対するその変位が確保される。材料にクラック
及び熱的衝撃が生じないようにすると共に、切断速度を
速めるために、テーブルの変位速度が前記したように停
止によって変更される。例えば、テーブルは、０　、３
　ｍ　ｍ　／　ｓの速度で２０ｐｍ進み、５０ｍ５停止
し、次いで、再び、２０μｍ進むというようにされる。

更に、熱的衝撃により生じるクラックを防ぐという同じ
目的で、ウェハの縁でスタートを行なうように確保され
、更に、空気が両面に接触するようにつ、エバが取り付
けられる。

可視レンジで作動するレーザ（例えば、ルビーレーザ）
を使用することもできるが、近赤外線（１，０６μｍ）
レンジで作動するレーザが非常に適している（ネオジム
をドープしたガラスレーザ及び特にＹＡＧレーザ）。

バー及び同調フォーク型の共振器、２つ或いは４つの共
振器がバー又は同調フォークから形成されたモノリシッ
クフィルタ、及びモノリシックセルと２つの共振器との
組合せ（ポリリシックフィルタ）に対して多数の試験を
行なった。これらの試験により、次のことが明らかにな
った。

１）パターンの切断が非常に正確である。

２）レーザビームがスポットに収束され、その直径が１
５μｍを越えない（切断さるべき結晶の厚みが約２００
μｍであるためにこの寸法以下にすることは困難である
）ので材料の損失が非常に僅かである。

３）形成された装置の音響的な品質は、ソーイングによ
って形成された装置で得られる品質より劣らない。

４）圧電の品質についても、ソーイングの場合より劣る
ことはなく、切断点付近での材料劣化の割合は、ソーイ
ングの場合と同じであり、これは、数ケ月に限定された
エージングと、ソーイングにより形成されるバーに非常
に近い電気化学的な結合係数値とによって確かめられる
。

５）寸法の再現性が優れており、従って、調整及び設定
段階を減少しつつ装置の最終的な特性に非常に近いもの
にすることができる。

６）色々な作動パラメータを最適なものにしたり寄生モ
ードを減少したりしようとする場合には、切断に使用す
る同じレーザで寸法及び形状を調整することができる。

説明上、本発明によって得られるフィルタの特性は、次
の通りである。

−補償素子を接続せずに得られる最大の相対的バンド巾
は、変動もしくはリップルが０゜２ｄＢの場合に約２％
である。

−４つの共振器に対する挿入損失は、０．０５ｄＢ未満
である。

一減衰バンドにおける干渉作用の除去は、モノリシック
セルの場合６０ｄＢ以上、そして２つ以上のセルを組み
合わせた場合９０ｄＢ以上。

一共振器及びフィルタにおいて得られる過電圧は、 ４５５ＫＨｚで約６０，０００ １　Ｍ　Ｈｚで約８０，０００ ２　Ｍ　Ｈｚで約９５，０００ である。

一次いで、結合ブリッジ２１．２２．２３（第１図ｂ）
を除き、マスクを介して２つの面が金属化される。

一次いで、各面においてエンドバーＡ及びＢ（１６Ａ、
１８Ａ、１６Ｂ、１８Ｂ）の中心にソケットが取り付け
られる。

一中間の共振器が電気的に短絡される。

−パターンをな（すように部分１４がレーザで切断され
る。

一パターンがそのボックスに取り付けられる。

−同じレーザを使用し、バーの端及びカプラー２１．２
２．２３の巾を加工することによって調整もしくは設定
が行なわれる。

−次いで、ボックスが真空下でシールされる。

−フィルタの最終的な特性を装置が得るようにされる。

第２図は、本発明による方法を実施することのできる装
置の概略図である。図示された装置は、レーザ３０と、
転向ミラー３２と、収束光学系３４と、加工さるべきプ
レート４０を支持する加工テーブル３６とを備え、この
テーブルは、２つのステップモータ４２．４４によって
２つの並進方向Ｘ及びＹに制御される。作用平面は、光
源４６によって光が当てられる。レーザ光線は透過する
が光源４６の光は反射するミラー４８により、加工され
ているプレートの像が、テレビ受像機５２に接続された
ビデオカメラ５０に反射される。

バー型フィルタの全寸法は１次の通りである。

４５５ＫＨｚにおいて６．３２Ｘ１．７ｍｍ１　Ｍ　Ｈ
ｚにおいて３．１６Ｘ１．１ｍｍ２　Ｍ　Ｈｚにおいて
１．５・Ｘｏ、６ｍｍ第１図は、４つの共振器をベース
とするモノリシックフィルタの一例を示す図である。フ
ィルタは、４５５ＫＨｚで作動し、タンタル酸リチウム
で形成される。このようなフィルタを形成するために次
の操作が行なわれる。

−大きさが１６Ｘ１２ｍｍで、厚みが１５０μｍで、両
面が研磨によって滑らかにされたタンタル酸リチウムの
ウェハ１０で出発する。

一前記したように、例えば、ＹＡＧレーザを用いて、線
１２に沿ってパターンを切断する。

一次の操作中にパターンが外れないようにするため、切
断しない部分１４を残しておく（第１ａ図）。

一ウェハ及びそのパターンを清掃し、切断操作によって
生じた全ての残留物及びほこりを除去する。

レーザ３０は、電源６６から給電されるハロゲンランプ
６４によって光学的にポンピングされる増巾バー６２と
、空胴を形成する２つのミラー６８．７０とを備え、こ
の空胴内には、音響−光学又は電子光学装置７４（例え
ば、ポッケルスセル）が配置され、これは、シャッタと
して働き。

レーザをＱスイッチモードで作動することができる。こ
のシャッタは、電圧発生器７６によって制御される。

マイクロプロセッサ、キーボード及び表示スクリーンよ
り成る情報手段８０は、レーザの励起パルスを決定する
回路６６と、光パルスの放射を開始させる回路７６と、
収束光学系３４と、ミラー４２．４４とを制御する。オ
ペレータは、受像機５２において加工を行なう。手段８
０は、得られるべきパターンに基づいてプログラムされ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ及びｂは、本発明により得られるモノリシック
フィルタの実施例を示す図であり、第２図は、本発明を
実施する装置を示す図である。 １０・・・ウェハ　１４・・・切断しない部分３０・・
・レーザ　３４・・・収束光学系４２．４４・・・モー
タ ６０・・・増巾バー ６４・・・ハロゲンランプ　６６・・・電源６８．７０
・・・ミラー ７４・・・音響−光学装置（電子光学装置）８０・・・
情報手段

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ＯＪ圧電材料を切断して適当な形状にするよ、うにして
   圧電装置を製造する方法において、タンタル酸リチウム
   及びニオブ酸リチウムを含む群から圧電材料を選択し、
   パルス形態のレーザビームによって上記材料を切断する
   ことを特徴とする方法。 （２）切断さるべき材料及びレーザビームは、一連の変
   位及び停止で構成される運動によって互いに変位され、
   停止中に材料の切断を行なう特許請求の範囲第（１）項
   に記載の方＠６ （３）レーザは、近赤外線領域で作動する特許請求の範
   囲第（１）項に記載の方法。 （４）切断後、形成された装置の特性を、切断に用いた
   レーザで材料を除去することによって調整する特許請求
   の範囲第（１）項に記載の方法。 （５）圧電材料のパターンを有し、２つの面が導電性被
   膜によって覆われた圧電装置において、特許請求の範囲
   第（１）項に記載の方法によってタンタル酸リチウム及
   びニオブ酸リチウムを含む群より選んだ圧電材料からパ
   ターンを切断することを特徴とする圧電装置。 （６）同じ圧電基体から切断された１つの部分で形成さ
   れた少なくとも２つの板台された共振器又は形状が複雑
   な１つの共振器を備えた特許請求の範囲第（５）項に記
   載の装置。