CN101136619A - 音叉晶振板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种音叉晶振板，包括音叉晶振片、第一和第二沟槽、第一和第二沟槽电极、第一侧表面电极以及第二侧表面电极。所述第一沟槽电极与第二侧表面电极相连，以形成一个终端。所述第二沟槽电极与第一侧表面电极相连，以形成另一个终端。还公开了一种音叉晶振板的制造方法。

Description

音叉晶振板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种音叉晶振板及其制造方法。

背景技术

包含音叉晶振板的晶体振荡器，作为电子部件之一，在电子装置(例如计算机、手机或小型信息装置)中被安装并且用作参考信号源或时钟信号源。减小尺寸、缩小外形和降低成本的强烈需求已经普遍地影响着晶体振荡器。

下面将参照图9和10描述传统的音叉晶振板的配置。

在传统的音叉晶振板101中，多种类型的电极，例如振荡电极、频率调节电极、和外连接电极以电连接方式与封装容器相连，所述多种类型的电极形成在具有音叉状外形的晶振片101a的表面上。音叉晶振板101由光刻、化学刻蚀或类似方法制造。

所述音叉晶振片101a包括基座(base)102以及从基座102的一侧沿相同的方向延伸的第一和第二振荡臂103a和103b。

所述第一振荡臂103a具有分别位于其前后主表面上的沟槽104a和104c。所述第二振荡臂103b具有分别位于其前后主表面上的沟槽104b和104d。所述同一振荡臂103a的沟槽104a和104c，或者同一振荡臂103b的沟槽104b和104d通常形成在相反的位置处。所述音叉晶振片101a具有100μm的厚度，并且沟槽104a到104d中的每个沟槽具有大约30μm的深度。

所述形成在第一振荡臂103a的前主表面中的沟槽104a在其内表面上具有第一前主表面电极106a，并且所述形成在该振荡臂103a的后主表面中的沟槽104c在其内表面上具有第一后主表面电极107a。第一振荡臂103a在其两个侧表面上具有第一侧表面电极108a和108b。

所述形成在第二振荡臂103b的前主表面中的沟槽104b在其内表面上具有第二前主表面电极106b，并且所述形成在该振荡臂103b的后主表面中的沟槽104d在其内表面上具有第二后主表面电极107b。第二振荡臂103b在其两个侧表面上具有第二侧表面电极109a和109b。

第一振荡臂103a的前主表面电极106a和后主表面电极107b，以及第二振荡臂103b的侧表面电极109a和109b以电连接的方式互相连接，而且通过连接电极112a通至外连接电极111a、以提供一个终端。

第二振荡臂103b的前主表面电极106b和后主表面电极107b，以及第一振荡臂103a的侧表面电极108a和108b以电连接的方式通过连接电极112b互相连接，并通至外连接电极111b，以提供另一个终端。因此，所述音叉晶振板101具有两终端配置。

在两个终端之间施加交流电压。在如图10所示的瞬态中，第一振荡臂103a的侧表面电极108a和108b设置为正电势，而其前主表面电极106a和后主表面电极107a设置为负电势。从正电势到负电势产生电场。在第二振荡臂103b中，极性相反。这些电场在由晶体材料制成的振荡臂103a和103b中产生伸展和收缩，以使得振荡臂103a和103b产生弯曲。

下面将参照图11A到图11F对制造音叉晶振板的传统方法进行描述。图11A到11F示出借助音叉晶振片101a和沟槽104a到104d的外形构建以及电极106a、106b、107a、107b、108a、108b、109a和109b的图案构建，形成如图9和图10所示的传统音叉晶振板101的一系列步骤。

首先，由铬膜151和金膜152组成的两层膜作为耐蚀膜形成在具有100μm厚度的晶体衬底150的每个前主表面和后主表面上。在将光敏抗蚀剂膜施加到每个耐蚀膜上之后，晶体衬底150受到曝光和显影，所述曝光和显影对于形成多个音叉晶振片101a的外形来说是必需的，以得到由光敏抗蚀剂膜形成的每个外形图案153(图11A)。正膜(positive film)用作光敏抗蚀剂膜。

对其上不存在外形图案153的曝光后的金膜152和铬膜151顺序地进行化学刻蚀。因此，在音叉晶振片101a的边界处的区域中曝光晶体衬底150。

所述形成外形图案153的光敏抗蚀剂膜因为未被曝光所以不被去除。然后，同沟槽形图案对外形图案153进行曝光和显影，以得到具有与沟槽部相对应的开口的外形图案153a。对金膜152的曝光过的部分进行化学刻蚀，以得到具有与沟槽部相对应的开口的金膜152a。这样曝光与沟槽部相对应的铬膜151a的表面(见图11B)。化学刻蚀发生在不对光敏抗蚀剂膜进行曝光的气体中。

晶体衬底150被浸入氢氟酸和氟化铵的液体混合物中，以刻蚀晶体衬底150曝光后的部分，于是得到多个音叉晶振片101a的外形。以这样的步骤，在晶体衬底150中，外框以支撑梁支撑多个音叉晶振片101a。在该步骤中，在每个音叉晶振片101a形成所需形状之前停止刻蚀。

此后，用光敏抗蚀剂膜153a和金膜152a作为掩模刻蚀铬膜151a。因此，得到具有与沟槽部相对应的开口的铬膜151b，而且对与该开口相对应的晶体衬底150的表面部分进行曝光(图11C)。

当通过将所述晶体衬底150再次浸入氢氟酸和氟化铵的液体混合物中来刻蚀晶体衬底150时，在每个音叉晶振片101a中形成沟槽104a到104d，且每个音叉晶振片101a的外形被完全刻蚀成所需形状。沟槽104a到104d中的每个沟槽具有大约30μm到40μm的深度。

顺序地去除光敏抗蚀剂膜153a、金膜152a和铬膜151b。除去外框和支撑梁外，仅仅保留音叉晶振片101a。在每个音叉晶振片101a(图11D)的两个振荡臂103a和103b中形成沟槽104a到104d。

用作电极的金属膜154形成在包括沟槽104a到104d内部的、每个音叉晶振片101a的整个表面上。通常，铬和金的两层膜、铝膜或类似材料用作金属膜154，并由溅射或真空沉积形成。在这种情况下，假定采用铬和金的两层膜。两层的总厚度为大约100mm。

光敏抗蚀剂膜155通过涂敷形成在音叉晶振片101a的金属膜154的整个表面上(图11E)。电沉积抗蚀剂用于光敏抗蚀剂膜155的三维涂敷。

为了得到如图9和图10所示的多种类型的电极的形状，实施形成光敏抗蚀剂膜155的图案所需的曝光和显影。在曝光过程中，如果曝光设备的掩模与晶体衬底150相接触，则音叉晶振片101a由于所产生的碰撞(resultant impact)而可能不被期望地从晶体衬底150上落下。因此，采用非接触式双边投影曝光设备作为曝光设备。

金属膜154采用剩余的光敏抗蚀剂膜作为掩模被刻蚀，并在其后去掉该光敏抗蚀剂膜。于是，得到包括前主表面电极106a和106b、后主表面电极107a和107b以及侧表面电极108a、108b、109a和109b的多种类型的电极，完成了音叉晶振板101的外形，其中，多种类型的电极形成在音叉晶振片101a的表面上(图11F)。

此后，增加或减少在振荡臂103a和103b的末梢端处形成的金属膜110a和110b，以调整振荡频率。为形成金属膜110a和110b，使用了金和银。采用激光方法或离子刻蚀方法修整金属膜110a和110b。在将音叉晶振板101封装在容器中之后，或在将音叉晶振板101封装在容器中并用盖子密封音叉晶振板的封装空间之后，实施频率调整。

对比文件1(美国专利号3，969，641)、对比文件2(日本专利公开出版物号52-61985)、对比文件3(日本专利公开出版物号56-65517)、对比文件4(WO00/44092)、对比文件5(日本专利号3,729,249)、对比文件6(日本专利公开出版物号2004-159072)及其他公开了上述传统的音叉晶振板101及其制造方法。

传统的音叉晶振板101及其制造方法具有下列问题：

(1)在传统的音叉晶振板101中，沟槽104a和104c在振荡臂103a的前表面和后表面上互相相对形成，并且沟槽104b和104d在振荡臂103b的前表面和后表面上互相相对形成。于是，在传统的制造方法中，由于从前侧和后侧刻蚀，因此前沟槽104a和104b以及后沟槽104c和104d的深度会出现变化，并且依赖于曝光设备的晶体衬底150的前主表面和后主表面的对准精度，音叉晶振片101a的外形和沟槽104a到104d的形状会出现变化，沟槽104a到104d的形成位置也会出现变化。这些变化随着相应的音叉晶振板101之间的频率变化而出现。更具体地，由一个晶体衬底150形成的多个音叉晶振板101中，频率可能在从该晶体衬底150的中心部分获得的一个音叉晶振板101和在该晶体衬底150的外围部分附近获得的一个音叉晶振板101之间存在很大的差别。频率的变化也可能在晶体衬底份额之间增长。更具体地，与没有沟槽104a到104d的音叉晶振板相比，频率变化为三倍。当在音叉晶振板101之间的频率变化以这样的方式增加时，采用在音叉晶振板101中的金属膜110a和110b的频率调整量不被希望地变得非常大。

(2)如果沟槽104a到104d的形状出现错误，例如，如果在振荡臂103a的前沟槽104a和104b的形成位置和振荡臂103b的后沟槽104c和104d的形成位置之间发生偏移，则在两个振荡臂103a和103b之间振荡频率不同，从而导致失衡。在这种情况下，泄漏振荡将被引发到基座102。结果，晶体阻抗(下文表示为CI)值变得大且不稳定。

造成这两个问题的因素之一如下所述。在用于制造传统音叉晶振板101的普通双边投影曝光设备中，前表面和后表面的对准精度为大约几μm，分辨率为5-μm级。通过传统制造方法，音叉晶振片101a和沟槽104a到104d的外形必须由两个独立的曝光操作形成。如果曝光设备对于每次曝光的精度误差是最差的，其导致多个μm×2的精度变化。这些变化不仅以垂直和水平偏移方式出现，而且还沿转动方向偏移。追加曝光以形成电极，曝光必须进行三次，从而导致位置精度的更大的变化。

双边投影曝光设备是相当昂贵的。以传统制造方法，成品率低以致增加制造成本。

以传统制造方法，必须如上所述，进行三次曝光，产生了大量的步骤。

传统制造方法的另一个问题将参照图12A到12C进行描述。在如图11C所述的刻蚀铬膜151a的步骤中，存在于铬膜151a上的金膜152a引起电池腐蚀(cell corrosion)。相比其中没有金膜152a存在的情况，铬膜151在更短的时间内被刻蚀(更具体地，在几十秒内)，并且铬膜151的刻蚀量也难于控制。因此，实际上，侧面刻蚀如图12A所示增加，且铬膜图案151c变得比所需的图案形状更薄。这个问题导致晶体衬底150之间的巨大差异。当采用薄图案151c刻蚀晶体衬底150时，如图12B所示，在每个振荡臂103a和103b的两侧上形成台阶156。当铬膜151被刻蚀总共两次时，即图11B的步骤和图11C的步骤，铬膜图案151c和振荡臂103a和103b的形状变化很大。包括这些影响的最终产品的截面如图12C所示，而可能与图11F所示不同。在图12B和12C中，附图标号101a’、104a’和104c’、106c’、107a’以及108a’和108b’分别表示改进的音叉晶振片、改进的沟槽、改进的前主表面电极、改进的后主表面电极以及改进的侧表面电极。

发明内容

本发明已经被用来解决这些问题，并将降低安装有非常小的音叉晶振板的晶体振荡器的CI值作为目的。

本发明的另一个目的是减小在一个晶体衬底上或者在不同的晶体衬底之间的音叉晶振板的共振频率的变化。

本发明的另外一个目的在于减少制造音叉晶振板的步骤数。

本发明的另一个目的是实现以不昂贵的设备制造音叉晶振板。

为了实现本发明的上述目的，提供了包括音叉晶振片的音叉晶振板。所述音叉晶振片包括从顶部看基本上成矩形的基座，以及从所述基座一侧沿相同方向延伸并且从顶部看基本上成矩形的至少两个振荡臂，所述至少两个振荡臂包括第一和第二振荡臂以及形成在第一振荡臂的一个主表面和第二振荡臂的一个主表面上的第一和第二沟槽，其中所述第一振荡臂的所述一个主表面与第二振荡臂的所述一个主表面在同一侧面上。所述第一沟槽和第二沟槽从具有第一和第二振荡臂的基座的边界线朝着第一振荡臂和第二振荡臂的末梢端延伸，所述第一沟槽和第二沟槽具有落入第一振荡臂和第二振荡臂的长度的50％(包括)至70％(不包括)范围内的长度，并具有落入所述音叉晶振片的厚度的50％至90％(均包括)范围内的深度，第一和第二沟槽电极分别形成在第一和第二沟槽的内表面上，第一侧表面电极分别形成在第一振荡臂的两个侧表面上，而第二侧表面电极分别形成在第二振荡臂的两个侧表面上，其中，第一沟槽电极与第二侧表面电极相连以构成一个终端，而第二沟槽电极与第一侧表面电极相连以构成另一个终端。

为了实现本发明的上述目的，提供了一种制造音叉晶振板的方法，其特征在于，包括如下步骤：分别在晶体衬底的前主表面和后主表面上形成耐蚀膜；在相反位置上的晶体衬底的两个主表面上的相应耐蚀膜上形成第一抗蚀剂膜，每个第一抗蚀剂膜具有与多个音叉晶振片相对应的形状，每个音叉晶振片具有通过将第一矩形部分与第二和第三矩形部分结合在一起得到的形状，所述第二和第三矩形部分沿同一方向从第一矩形部分的一侧延伸，仅仅第一抗蚀剂膜形成在包括抗蚀剂开口的晶体衬底的一个主表面上，所述抗蚀剂开口从第一矩形部分与第二矩形部分和第三矩形部分的边界线朝着第二矩形部分的末梢端和第三矩形部分的末梢端延伸，且所述抗蚀剂开口包括落入第二矩形部分和第三矩形部分中每个的长度的50％(包括)至70％(不包括)范围内的长度；通过刻蚀去除第一抗蚀剂膜不存在、而耐蚀膜表面被曝光的部分；去除第一抗蚀剂膜，在保留在晶体衬底的一个主表面上的耐蚀膜上、并且在保留在晶体衬底的另一个主表面上的耐蚀膜中与至少保留在晶体衬底的一个主表面上的耐蚀膜相对的区域上形成第二抗蚀剂膜；刻蚀晶体衬底的曝光过的部分，在所述的晶体衬底的曝光过的部分上形成第二抗蚀剂膜，并且所述的晶体衬底的曝光过的部分没有被耐蚀膜覆盖，从前侧到后侧形成多个音叉晶振片，每个音叉晶振片包括仅在一个主表面上的沟槽，所述沟槽包括落入音叉晶振片的厚度的50％至90％(都包括)的范围内的深度；通过刻蚀去除其上未形成第二抗蚀剂膜而耐蚀膜表面被曝光的部分；在音叉晶振片的表面上形成金属膜；将形成在第二抗蚀剂膜上的金属膜的一部分与第二抗蚀剂膜一起去除，以形成由金属膜的保留部分形成的电极；并且从在其上形成电极的音叉晶振片去除耐蚀膜。

附图说明

图1A是示出根据本发明的第一实施例的音叉晶振板的前表面的平面图；

图1B是示出如图1A所示的音叉晶振板的后表面的平面图；

图2是沿图1A中的虚拟分割线(virtual cutting line)II-II’取得的、根据本发明的第一个实施例的音叉晶振板的剖面图；

图3是示出根据本发明的第一实施例的音叉晶振板中沟槽长度与振荡臂长度的比值同CI值之间的关系的特征图表；

图4A是示出根据本发明的第二实施例的音叉晶振板的前表面的平面图；

图4B是示出如图4A所示的音叉晶振板的后表面的平面图；

图5是沿图4A中的虚拟分割线V-V’取得的、根据本发明的第二个实施例的音叉晶振板的剖面图；

图6A是示出根据本发明的第三实施例的音叉晶振板的前表面的平面图；

图6B是示出如图6A所示的音叉晶振板的后表面的平面图；

图6C是沿图6A中的虚拟分割线VIC-VIC’取得的、如图6A所示的音叉晶振板的剖面图；

图7A至7C是示出如图6A至6C所示的音叉晶振板的变更实施方式的视图，其中，图7A是示出音叉晶振板的前表面的平面图，图7B是示出音叉晶振板的后表面的平面图，以及图7C是沿图7A中的虚拟分割线VIIC-VIIC’取得的、音叉晶振板的剖视图。。

图8A至8J是示出如图1A、图1B和图2所示的制造音叉晶振板的主要步骤，并且示出第一和第二振荡臂部分的截面；

图9是示出传统音叉晶振板的平面图；

图10是传统音叉晶振板的沿图9中虚拟分割线X-X’得到的剖面图；

图11A至11F是示出如图9和10所示的制造音叉晶振板的主要步骤的剖面图，并示出第一和第二振荡臂部分的截面；以及

图12A至12C是用于解释制造音叉晶振板的传统方法中所存在的问题的剖面图。

具体实施方式

将参照附图详细描述本发明的实施例。将对具有32.768kHz的共振频率的音叉晶振板进行描述。在附图中，相同的附图标号代表相同的部件。为了简洁，部分结构没有示出。所示结构的一些尺寸被夸大了。

(第一个实施例)

如图1A和图1B所示，根据本发明的第一个实施例的音叉晶振板1具有多个电极6a、6b、7a、7b、8a、8b、9a和9b，这些电极形成在由扁平的晶体板制成的音叉晶振片1a上。

沿着以X轴为中心旋转包括晶体X轴(电轴)和Y轴(机械轴)的平面大约-10°到+10°而得到的平面，切割晶体、从而得到形成音叉晶振片1a的晶体板。所述平面旋转通过的角将称作切割角θ。当以切割角θ切割晶体时，尽管音叉晶振片1a的宽度方向上的结晶轴与晶体的X轴相同，但是在音叉晶振片1a的长度方向上的结晶轴Y’是通过以Y轴作为中心、围绕Y轴旋转晶体的Y轴大约θ°而得到的，并且，在音叉晶振片1a的厚度方向上的结晶轴Z’是通过以X轴作为中心、围绕X轴旋转晶体的Z轴(光轴)大约θ°而得到的。

音叉晶振片1a包括具有从顶部看接近矩形形状的基座2，以及从基座2的一侧沿相同方向(Y’方向)延伸并具有从顶部看接近矩形形状的第一和第二振荡臂3a和3b。

下面将描述音叉晶振片1a的尺寸的例子。除去下文将描述的沟槽部分4a和4b的一部分外，音叉晶振片1a的厚度h0为100μm。基座2的Y’方向上的长度为560μm。每个振荡臂3a和3b的Y’方向上的长度L0，即，从每个振荡臂3a和3b与基座2的连接边界线到相应的一个振荡臂3a和3b的末梢端(自由端)的长度，为1，100μm。相应地，音叉晶振片1a的整个长度是1，660μm。每个振荡臂3a和3b的宽度是123μm，且第一和第二振荡臂3a和3b之间的间隙宽度为82μm。

第一和第二振荡臂3a和3b在它们的前主表面上分别具有第一和第二沟槽4a和4b。相应的沟槽4a和4b从振荡臂3a和3b与基座2的连接边界线朝着振荡臂3a和3b的末梢端延伸。在这个例子中，每个沟槽4a和4b具有93μm的宽度，以及在Y’方向上的700μm的长度L1(在这种情况下，每个沟槽4a和4b的长度约为相应的振荡臂3a和3b之一的长度的63.3％)。根据本实施例，每个沟槽4a和4b的开口端与振荡臂3a和3b中相应的一个振荡臂的纵向上的侧表面端之间的围堰(bank)5具有15μm的宽度。优选地，围堰5的宽度落入2μm到20μm的范围内。

如图2所示，由于从前主表面进行化学刻蚀，沟槽4a和4b的截面形状(在与沟槽4a和4b的纵向相垂直的方向上的截面形状)为倒梯形(每个上宽度大于下宽度)，并且在深度方向具有锥角。每个沟槽4a和4b到相应的底表面的深度h1为80μm。由于包括振荡臂3a和3b的音叉晶振片1a的厚度h0为100μm，因此h1为h0的80％。

根据本实施例，沟槽4a和4b分别形成在振荡臂3a和3b的前主表面上。可选地，沟槽4a和4b也可以分别形成在振荡臂3a和3b的后主表面上。即，只要沟槽4a和4b形成在振荡臂3a和3b上，且每个沟槽4a和4b位于同一侧的一个主表面上(即仅在一个表面上)，就足够了。

振荡臂3a和3b的沟槽4a和4b在它们的内表面上分别具有第一和第二沟槽电极6a和6b。振荡臂3a和3b在它们后主表面上与沟槽电极6a和6b相对的那些位置处具有第一和第二扁平电极7a和7b。振荡臂3a在它的两个侧表面上具有第一侧表面电极8a和8b。振荡臂3b在它的两个侧表面上具有第二侧表面电极9a和9b。这两个振荡臂3a和3b在它们的叉附近具有第一和第二带13a和13b，所述第一和第二带13a和13b分别以电连接方式经由振荡臂3a的侧表面与振荡臂3a的电极6a和7a相连，并经由振荡臂3b的侧表面与振荡臂3b的沟槽电极6b和7b相连。振荡臂3a和3b在它们的末梢端的后主表面上(距离末梢端面的长度比在30％的范围内)分别具有用于振荡频率调整的第一和第二频率调整电极10a和10b(末梢端电极)。为了形成频率调整电极10a和10b，能采用金、银和钯任意一种材料。

第一振荡臂3a的沟槽电极6a和扁平电极7a、侧表面电极9a和9b以及第二振荡臂3b的频率调整电极10b通过形成在音叉晶振片1a的前主表面上的第一连接电极12a以电连接方式与第一外连接电极终端11a相连，以提供一个终端。第二振荡臂3b的沟槽电极6b和扁平电极7b、侧表面电极8a和8b以及第一振荡臂3a的频率调整电极10b通过形成在音叉晶振片1a的后主表面上的第二连接电极12b以电连接方式与第二外连接电极终端11b相连，以提供另一个终端。因此，音叉晶振板1具有两终端配置。

当将交流电压施加在音叉晶振板1的两个外连接电极终端11a和11b之间时，即刻产生图2中箭头所示的电场。例如，从第一振荡臂3a的侧表面电极8a和8b正交地产生的电场分别由侧表面电极8a和8b的侧面上的沟槽电极6a的锥表面正交地牵引。由于第二振荡臂3b具有相反的极性，因此，从侧表面电极9a和9b的侧面上的第二振荡臂3b的沟槽电极6b的锥表面正交地产生的电场分别由侧表面电极9a和9b正交地牵引。以这样的方式，在振荡臂3a和3b之间，在沟槽电极和侧表面电极之间的电场方向不同。类似地，在振荡臂3a和3b之间，扁平电极和侧表面电极之间的电场方向不同。电场使得振荡臂3a和3b伸展和收缩。因为在振荡臂3a和3b之间电场方向不同，因此，振荡臂3a和3b将沿相反的方向弯曲。应用交流电压使振荡臂3a和3b进行弯曲。

下面将描述对根据本实施例的音叉晶振板1进行的实验。首先，除了具有上述尺寸的音叉晶振板1的样本(第1号)以外，还准备了两种类型的样本(第2号和第3号)，其中每个具有长度L0不同的振荡臂3a和3b。对于每个样本准备一件其沟槽4a和4b具有上述长度L1，再准备两件、其中各件的沟槽4a和4b具有不同的长度L1，这样对于每个样本总共有3件。测量各个样本的CI值。图3示出由此获得的特征，即作为沟槽4a和4b的长度L1与振荡臂3a和3b的长度L0的比值(％)同CI值[kΩ]之间的关系的特征。从图3中可见，在其中振荡臂3a和3b具有不同长度L0的任意样本中，当沟槽4a和4b的长度L1与振荡臂3a和3b的长度L0之间的比例为50％或更小时，沟槽4a和4b不在是有效的，且CI值增加。

考虑振荡臂3a和3b的末梢端(距离末梢端面的长度范围在30％内)处的频率调整电极10a和10b的形成，沟槽4a和4b的长度L1与振荡臂3a和3b的长度L0之比优选地落入50％(包括)到90％(不包括)的范围内。

沟槽4a和4b的深度h1与音叉晶振片1a的厚度h0之比也优选地落入50％到90％(都包括)的范围内。

当沟槽4a和4b的长度与振荡臂3a和3b的长度之比(从图3的图表中获得)，以及沟槽4a和4b的深度与振荡臂3a和3b的厚度之比都超过50％时，音叉晶振板1的CI值迅速下降。因此，当晶体振荡器通过将音叉晶振板1封装入3.2mm(长)×1.5mm(宽)×0.7mm(厚)的盒状容器中、并将该容器密封在真空中来形成时，该晶体振荡器的CI值可达到45kΩ或更小。该CI值等于或大于传统产品的CI值，在传统产品中，振荡臂103在它的前主表面和后主表面上具有沟槽104和104c，且振荡臂103b在它的前主表面和后主表面上具有沟槽104b和104d。

当每个沟槽4a和4b的长度比和深度比为50％或更少时，晶体振荡器的CI值为50kΩ或更高。然而，当长度比和深度比超过50％(该值为振荡臂3a和3b的长度和厚度的每个值的中值)时，晶体振荡器的CI值显著地减少。如果长度比例近似60％，而深度比例为80％时，CI值约为35kΩ。于是，采用本实施例的音叉晶振板1制造的晶体振荡器对于降低小型便携式装置，例如便携式电话或无线闹钟，的电流消耗有很大的贡献。

当减小音叉晶振板的外形尺寸时，CI值趋于上升。考虑安装有音叉晶振板的晶体振荡器连接到其上的振荡电路的振荡启动裕量(start-upmargin)，理想的CI值为近似45kΩ或更低。如果CI值为50kΩ，振荡电路的启动性能差、以致极有可能造成振荡失效(oscillation failure)。因此，本实施例提供了很大的效果。

(第二个实施例)

如图4A、4B和图5所示，通过从第一个实施例的两个振荡臂3a和3b的后主表面上去除扁平电极7a和7b，获得根据本发明的第二个实施例的音叉晶振板21。由于电极7a和7b不存在，因此，在第二个实施例中没有形成在第一个实施例中连接扁平电极7a和7b与沟槽电极6a和6b的带13a和13b。频率调整电极10a和10b、外连接电极终端11a和11b以及连接电极12b形成在音叉晶振片1a的后主表面上。

除去这些，第二个实施例的配置与第一个实施例的配置相同。

该配置也能提供与第一个实施例的配置相同的操作和效果。

通常，为了形成频率调整电极10a和10b，当多个音叉晶振板21与晶体衬底相连时，在通过频率调整振荡音叉晶振板21的同时检测频率。可选地，形成在振荡臂23a和23b的末梢端处的金属膜利用预先得到的测量数据、由激光方法或离子刻蚀方法去除，直到获得目标频率。在此时，组成金属膜的金、银或钯可能散射、使电极电路，或者增加薄层电阻。然而，根据本实施例，频率调整电极10a和10b形成在后主表面上，而没有扁平电极7a和7b，以极大地减少上述问题的出现。

(第三个实施例)

如图6A至6C所示，根据本发明第三个实施例的音叉晶振板31在两个振荡臂的沟槽结构上不同于第一个实施例的音叉晶振板1。

音叉晶振板31的音叉晶振片31a的振荡臂33a在其前主表面上具有两个沟槽4a1和4a2，所述沟槽4a1和4a2沿着振荡臂33a的长度方向互相平行地延伸。沟槽4a1和4a2的截面(在垂直于沟槽4a1和4a2的长度方向的方向上)具有大致V形。以与第一个实施例相同的方式，沟槽4a1和4a2的长度L1与振荡臂33a的长度L0之比落入50％(包括)至70％(不包括)的范围内。沟槽4a1和4a2的深度h1与振荡臂33a的厚度h0之比落入50％至90％(都包括)的范围内。

振荡臂33b在它的前主表面上也具有与沟槽4a1和4a2相似的两个沟槽4b1和462。

图7A至7C示出作为音叉晶振板31的变更实施方式的音叉晶振板41。以与第二个实施例相同的方式，音叉晶振板41具有沟槽4a1、4a2、4b1和462，但在它的振荡臂43a和43b的主后表面上没有扁平电极7a和7b。

上述音叉晶振板31和41能提供与第一个实施例的音叉晶振板几乎相同的性能。

在本实施例中，每个振荡臂33a和33b具有两个沟槽。可替代地，每个振荡臂也可以有三个或更多个沟槽。

(第四个实施例)

制造根据本发明的第一个实施例的音叉晶振板1的方法将参照图8A到8J进行描述。

首先，准备以切割角θ＝-10°到+10°切割Z’板获得的晶体衬底61。如图8A所示，在晶体衬底61的两个表面(前主表面和后主表面)上通过溅射形成耐蚀膜62。铬、氧化铝以及由铬膜和金膜组成的两层膜中的任一种都能用作耐蚀膜62的材料。在这种情况下，假定仅仅铬用作耐蚀膜62的材料。

正(光解的)的第一光敏抗蚀剂形成在晶体衬底61的两个主表面上的耐蚀膜62上。在烘干后，第一光敏抗蚀剂经过曝光、显影和烘干(在下文表示为“形成图案”)、以在前后相对的位置处形成第一抗蚀剂膜63，所述第一抗蚀剂膜63具有多个音叉晶振片1a的形状。即，抗蚀剂膜63形成了通过将与音叉晶振片1a的基座2相对应的第一矩形部分同分别与振荡臂3a和3b相对应并从第一矩形部分的一侧沿同一方向延伸的第二和第三矩形部分相结合所得到的形状。应当注意，晶体衬底61的前抗蚀剂膜63在将形成沟槽4a和4b的位置上具有开口63’。换句话说，开口63’从带有第二和第三矩形部分的第一矩形部分的边界线朝着第二和第三矩形部分的末梢端延伸。开口63’的长度落入第二和第三矩形形状的长度的50％(包括)至70％(不包括)的范围内。

通过刻蚀除去包括开口63’的、不存在抗蚀剂膜63并且耐蚀膜62的表面被曝光的部分上的铬。这样去除了与多个音叉晶振片1a的边界相对应的部分和同时与沟槽4a和4b相对应的部分，以曝光晶体衬底61的表面。因此，如图8C所示，具有音叉晶振片1a的形状的耐蚀膜62a保留在晶体衬底61的两侧上。应当注意，晶体衬底61的前耐蚀膜62a在将要形成沟槽4a和4b的位置处具有开口62’。因此，在这一步骤中，音叉形状和沟槽的构成图案同时被制造出来。

然后，如图8D所示，去除在耐蚀膜62a上的抗蚀剂膜63。

正的第二光敏抗蚀剂形成在晶体衬底61的两个主表面上的耐蚀膜62a上，并且形成与如图1所示的各个类型的电极6a、6b、7a、7b、11a、11b、12a、12b、13a和13b的形状相反的图案形状，以形成如图8E所示的第二抗蚀剂膜64。即，抗蚀剂膜64形成在与上述各个类型的电极相对应的位置处具有开口的形状。在这个步骤中，形成于耐蚀膜62a上的光敏抗蚀剂相当厚，有2μm至3μm。

将氢氟酸和氟化铵的液体混合物作为刻蚀剂。表面上具有耐蚀膜62a和抗蚀剂膜64的晶体衬底61浸入刻蚀剂，以刻蚀晶体衬底61的、未被抗蚀剂膜64覆盖的那些曝光部分。这时，多个音叉晶振片1a的边界部分从晶体衬底61的两侧(前侧和后侧)刻蚀，但与沟槽4a和4b相对应的部分仅从前侧刻蚀。通过在边界部分已经刻蚀穿透、而与沟槽4a和4b相对应的部分还没刻蚀穿透时停止刻蚀，形成多个音叉晶振片1a，其中每个音叉晶振片1a仅在前主平面具有沟槽4a和4b，如图8F所示。在此时，沟槽4a和4b的深度设置成落入音叉晶振片1a的厚度的50％至90％(都包括)的范围内。以这个步骤，在晶体衬底61中，外框以支撑梁支撑多个音叉晶振片101a。

如图8G所示，通过刻蚀去除不存在抗蚀剂膜64、且耐蚀膜62a的表面被曝光的部分处的铬，以曝光晶体衬底61的表面。

如图8H所示，音叉晶振片1a的表面为金属膜65所覆盖。具有其中堆叠有金属膜(例如钛+钯，钛+镍化金+钯，镍+金或其它)的配置的结构能用作金属膜65。应当注意，任何其它材料，只要不溶解于用于由铬制成的耐蚀膜62b的刻蚀剂、且它满足所需的电特性，就能用于形成金属膜65。

覆盖有金属膜65的音叉晶振片1a浸入溶解抗蚀剂膜64的液体中，并将形成在抗蚀剂膜64上的金属膜65与形成在音叉晶振片1a的两个主表面上的抗蚀剂膜64一起去除。如图8I所示，各个类型的电极6a、6b、7a、7b、8a、8b、11a、11b、12a、12b、13a和13b由保留下来的金属膜中形成。在抗蚀剂膜64之下的耐蚀膜62b保留在音叉晶振片1a上。

如图8J所示，具有各个类型的电极的音叉晶振片1a浸入到用于由铬制成的耐蚀膜62b的刻蚀剂中，以通过刻蚀去除剩余在音叉晶振片1a上的耐蚀膜62b。由于上述各个类型的电极不溶解于用于由铬制成的耐蚀膜62b的刻蚀剂，因此它们没有被刻蚀，而是保留下来。例如，硝酸铈铵和高氯酸的液体混合物能用作用于由铬制成的耐蚀膜62b的刻蚀剂。由此多个音叉晶振板1制造完成。

在本实施例中所述的一系列的电极图案形成工艺采用升起(lift-off)技术。

如果如在第二实施例的音叉晶振板21中，没有扁平电极7a和7b将形成在振荡臂23a和23b的后主表面上，那么，在如图8E所示的步骤中，开口必须形成在与形成在晶体衬底61的后侧的抗蚀剂膜64上的扁平电极7a和7b相对应的位置处。

在根据本实施例的音叉晶振板1的制造方法中，刻蚀以形成音叉晶振片1a(音叉外形)以及刻蚀用于形成沟槽4a和4b的形状的耐蚀膜62的操作同时进行。在用于第一光敏抗蚀剂的曝光的光掩模中，音叉外形和沟槽形状形成在一个掩模衬底上。因此，不像在传统的情况下，在音叉外形和沟槽形状之间不会出现对准误差，并且第一和第二振荡臂3a和3b之间的振荡平衡(对称)良好。因此，音叉晶振板1的CI值稳定地处于低数值。

根据本实施例，在通过刻蚀形成音叉外形以后，形成电极。光敏抗蚀剂不需要覆盖整个表面。在将晶体衬底61形成音叉外形之前，晶体衬底61的两侧能进行一系列的光刻处理。因此，曝光设备能够采用便宜的接触式方法或接近式方法。虽然曝光操作的次数通常为三次，但是能够减少为两次。

在如图8C所述的刻蚀耐蚀膜62的步骤中，由于耐蚀膜62仅由铬制成，因此电池腐蚀小且刻蚀率低。在这个步骤中，由于多个音叉晶振片1a的边界部分和沟槽部分被同时去除，因此刻蚀花费大约60秒。因为刻蚀率低，刻蚀可持续足够长的时间。由于刻蚀持续了足够长的时间，所以应当被刻蚀的部分不会保持为未刻蚀，并且耐蚀膜62的侧面刻蚀不会出现。因此，不会形成在传统技术中会形成在振荡臂103a和103b上的台阶156和类似结构，并且振荡臂103a和103b的形状变化减少。

当采用传统制造方法时，在从晶体衬底150获得的多个32.768kHz的音叉晶振板101之间的共振频率的变化是500Hz并且是在整个晶体衬底150中。与此相反，对于本实施例的制造方法，共振频率的变化减小到150Hz或更小，提供了很大的效用。因此，用于形成振荡臂3a和3b的末梢端处的频率调整电极10a和10b所需的金量减小到传统用量的1/3或更少。

上述利用新制造方法的音叉晶振板1、21、31、41的单侧沟槽结构的组合能使分别安装有音叉晶振板1、21、31和41的晶体振荡器具有高性能、低投资和高成品率的特点。当采用音叉晶振板1、21、31和41时，分别用于在其中安装音叉晶振板1、21、31和41的容器能具有盒子形状或圆柱体形状。其中这种音叉晶振板由树脂注塑形成的晶体振荡器易于制造，并易于应用到陀螺仪传感器或结合振荡电路以构成晶体振荡装置。相应地，音叉晶振板1、21、31和41的性能对减小外形尺寸、实现高性能以及降低应用产品的成本具有很大贡献，因此提供了很大的效用。

尽管上述实施例示出了具有共振频率32.768kHz的音叉晶振板1、21、31和41，但是本发明能用于具有从32kHz到200kHz的共振频率的音叉晶振板。

虽然上述实施例示例地示出了具有两个振荡臂的音叉形状，但是本发明也能应用于具有三个振荡臂的三臂音叉晶振板。通过改变形成在音叉晶振片1a和31a表面的电极图案而形成的陀螺仪传感器也包括在本发明的范围内。

如上所述，根据上述实施例，甚至能减小在安装有非常小的音叉晶振板1、21、31或41的晶体振荡器中的CI值。

能够减小在一个晶体衬底61或在不同的晶体衬底61之间的音叉晶振板1、21、31和41的共振频率的变化。

能够减小制造音叉晶振板1、21、31和41的步骤数量。

音叉晶振板1、21、31和41能以便宜的设备制造。

Claims (8)

1.一种音叉晶振板(1、21、31、41)，其特征在于，包括：

音叉晶振片(1a、31a)，其包括从顶部看基本上成矩形的基座(2)，以及从所述基座一侧沿相同方向延伸并具有从顶部看基本上成矩形的至少两个振荡臂(3a、3b、23a、23b、33a、33b、43a、43b)，所述至少两个振荡臂包括第一和第二振荡臂；

第一和第二沟槽(4a、4b)，其形成在所述第一振荡臂的一个主表面和所述第二振荡臂的一个主表面上，其中两个主表面在相同侧，所述第一沟槽和第二沟槽从具有所述第一和第二振荡臂的所述基座的边界线朝着所述第一振荡臂和所述第二振荡臂的末梢端延伸，所述第一沟槽和第二沟槽具有落入所述第一振荡臂和所述第二振荡臂的长度的50％(包括)至70％(不包括)范围内的长度，并且所述第一沟槽和所述第二沟槽具有落入所述音叉晶振片的厚度的50％至90％范围内的深度；

第一和第二沟槽电极(6a、6b)，其分别形成在所述第一和第二沟槽的内表面上；

第一侧表面电极(8a、8b)，其分别形成在所述第一振荡臂的两个侧表面上；以及

第二侧表面电极(9a、9b)，其分别形成在所述第二振荡臂的两个侧表面上，

其中，所述第一沟槽电极与所述第二侧表面电极相连以构成一个终端，且

所述第二沟槽电极与所述第一侧表面电极相连以构成另一个终端。

2.根据权利要求1所述的板，还包括：

第一扁平电极(7a)，其形成在与所述第一沟槽电极相对的所述第一振荡臂的另一个主表面上，并与所述第二侧表面电极及所述第一沟槽电极一起连接；以及

第二扁平电极(7b)，其形成在与所述第二沟槽电极相对的所述第二振荡臂的另一个主表面上，并与所述第一侧表面电极及所述第二沟槽电极一起连接。

3.根据权利要求1所述的板，还包括：

第一末梢端电极(10a)，其形成在所述第一振荡臂的另一个主表面的末梢端的表面上，并与所述第二沟槽电极及所述第一侧表面电极一起连接；以及

第二末梢端电极(10b)，其形成在所述第二振荡臂的另一个主表面的末梢端的表面上，并与所述第一沟槽电极及所述第二侧表面电极一起连接，

其中，所述第一末梢端电极和所述第二末梢端电极调整所述音叉晶振板的共振频率。

4.根据权利要求1所述的板，其中，所述第一沟槽和所述第二沟槽中的每个包括至少两个互相平行形成的沟槽(4a1、4a2；4b1、4b2)。

5.根据权利要求1所述的板，其中，所述第一沟槽和所述第二沟槽中的每个在垂直于其纵向的方向上具有大致的梯形截面或大致的V形截面。

6.根据权利要求1所述的板，其中，所述第一振荡臂和所述第二振荡臂在向所述两个终端施加交流电压时弯曲。

7.根据权利要求6所述的板，其中，所述音叉晶振板具有32kHz到200kHz的共振频率。

8.一种制造音叉晶振板的方法，其特征在于，包括如下步骤：

分别在晶体衬底(61)的前主表面和后主表面上形成耐蚀膜(62)；

在相反位置处的晶体衬底的两个主表面上的相应耐蚀膜上形成第一抗蚀剂膜(63)，每个第一抗蚀剂膜(63)具有与多个音叉晶振片对应的形状，每个音叉晶振片具有通过将第一矩形部分与第二和第三矩形部分结合在一起得到的形状，所述第二和第三矩形部分沿同一方向从第一矩形部分的一侧延伸，只是形成在晶体衬底的一个主表面上的第一抗蚀剂膜包括抗蚀剂开口(63’)，所述抗蚀剂开口从第一矩形部分与第二矩形部分和第三矩形部分的边界线朝着第二矩形部分的末梢端和第三矩形部分的末梢端延伸，且所述抗蚀剂开口包括落入第二矩形部分和第三矩形部分中的每个的长度的50％(包括)至70％(不包括)范围内；

通过刻蚀，去除第一抗蚀剂膜不存在、而耐蚀膜表面被曝光的部分；

去除第一抗蚀剂膜；

在保留在晶体衬底的一个主表面上的耐蚀膜上、并且在保留在晶体衬底的另一个主表面上的耐蚀膜中与至少保留在晶体衬底的一个主表面上的耐蚀膜相对的区域上形成第二抗蚀剂膜；

刻蚀晶体衬底的曝光过的部分，在所述的晶体衬底的曝光过的部分上形成第二抗蚀剂膜，并且所述的晶体衬底的曝光过的部分没有被耐蚀膜覆盖，以从前侧到后侧形成多个音叉晶振片(1a)，每个音叉晶振片包括仅在一个主表面上的沟槽(4a、4b)，所述沟槽具有落入音叉晶振片的厚度的50％至90％(都包括)范围内的深度；

通过刻蚀去除其上未形成第二抗蚀剂膜、而耐蚀膜表面被曝光的部分；

在音叉晶振片的表面上形成金属膜(65)；

将形成在第二抗蚀剂膜上的金属膜的一部分与第二抗蚀剂膜一起去除，以形成由金属膜的保留部分形成的电极(6a、6b、8a、8b、9a、9b、11a、11b、12a、12b)；以及

从在其上形成电极的音叉晶振片去除耐蚀膜。

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