JP2002374146A

JP2002374146A - 圧電振動片及び圧電デバイス

Info

Publication number: JP2002374146A
Application number: JP2001179209A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Nakamura; 英明中村
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2002-12-26
Anticipated expiration: 2021-06-13
Also published as: JP3767425B2

Abstract

(57)【要約】【解決手段】水晶振動片１０は、ＡＴカット水晶素子
片１１の表裏両主面に形成した凹陥部１２ａ、１２ｂに
より薄肉の励振部１３とその周囲に厚肉の補強枠部１４
とを備える。励振部の両面に形成した励振電極２１ａ、
２１ｂは、補強枠部との段差を越えて配線されたリード
２３ａ、２３ｂを介して、強枠部の長手方向端部に形成
した対応する引出電極２２ａ、２２ｂと接続されてい
る。励振部と補強枠部との段差には、そのエッジに沿っ
て複数の楔形突条２５からなる凹凸を設けたリード引出
部２４が形成され、これを通るようにリード２３ａが成
膜されている。【効果】リード引出部を通るリードの線幅が実質的に
広がるので、その膜厚を厚くしなくても電気抵抗を低く
でき、段差における十分な導通性を確保しかつ電極膜の
切断等を回避でき、ＣＩ値のばらつきをなくして安定し
た振動特性が得られ、高い信頼性及び歩留まりの向上を
実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、情報通信機器やコ
ンピュータ等のＯＡ機器、電子時計等の民生機器を含む
様々な電子機器において使用される圧電振動子等の圧電
デバイスに関し、特に厚みすべりモードを主振動としか
つ圧電体チップの主面に凹設した薄肉振動部に励振電極
を形成した所謂逆メサ型の圧電振動片及びこれをパッケ
ージに搭載した圧電デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、様々な電子機器に電子回路の
クロック源等として圧電振動子等の圧電デバイスが広く
使用されている。最近は、電子機器の小型化・薄型化に
伴い、圧電デバイスの小型化・薄型化が要求され、装置
の回路基板への実装に適した表面実装型のものが多く採
用されている。特に携帯電話等の情報通信分野では、情
報伝送の大容量化及び高速化に伴う通信周波数の高周波
化・システムの高速化に対応して、従来よりも高い９０
〜２００ＭＨｚ程度の周波数で動作する圧電振動子が要
求されている。

【０００３】厚みすべりモードを主振動とする圧電振動
子において高周波化を図るためには、圧電振動片の励振
部の厚さを薄くする必要がある。そこで、例えば特開平
１１−３５５０９４号公報、特開平１１−２０５０６２
号公報、再公表ＷＯ９８／０３８７３６号特許公報等に
記載されるように、圧電振動片を薄い励振部とその周囲
の厚い補強枠との一体構造にして機械的強度を向上さ
せ、取扱い及び実装を容易にして振動片の欠けや割れ等
を無くし、高周波化を実現できる逆メサ型の圧電振動子
が提案されている。

【０００４】図８（Ａ）及び（Ｂ）は、従来の一般的な
逆メサ型水晶振動片の一例を示している。この水晶振動
片１は、矩形薄板状のＡＴカット水晶素子片２の表裏両
主面にそれぞれ矩形凹部を形成することにより、薄肉の
励振部３とその外周に厚肉の補強枠部４とが設けられて
いる。励振部３の表裏両面には１対の励振電極５ａ、５
ｂが形成され、それぞれリード６ａ、６ｂを介して補強
枠部４の長手方向の端部に設けられた引出電極７ａ、７
ｂと電気的に接続されている。これら励振電極、リード
及び引出電極は、一般に電極材料のスパッタリング又は
蒸着により水晶素子片２の表面に電極膜を形成し、これ
をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングするこ
とにより形成される。励振部３は、外部から引出電極７
ａ、７ｂに入力する電気信号により励振電極５ａ、５ｂ
間に電界を印加すると、その形状・寸法により決定され
る所定の周波数で振動する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このようなＡＴカット
水晶振動子において、引出電極に入力する電気信号をリ
ード部分を介して良好に励振電極に伝達するためには、
その沿面抵抗をできる限り低くすることが重要である。
そのため、リード部分の膜厚は厚い方が有利である。他
方、水晶振動子は、振動エネルギが水晶表面の励振電極
の周辺にトラップされると、主振動と同時に高次の厚み
すべり副振動が励振されるという弊害が生じる。特に高
周波水晶振動子は、励振部の寸法比即ち水晶の厚みに対
する縦横寸法の比が大きいので、高次厚みすべり副振動
の周波数は主振動の周波数に近くなり、主振動に影響を
与える虞がある。その中でも逆メサ型水晶振動片は、通
常の平板状水晶振動片と比較して、励振電極の膜厚に対
する縦横寸法の比が水晶の厚みに対して大きいので、エ
ネルギトラップの程度も通常より高く、それだけ主振動
に影響を与える影響も大きくなる。かかる観点からこの
ような逆メサ型の圧電振動子において、励振電極の膜厚
を厚くすることはあまり好ましくない。

【０００６】上述したように、励振電極、引出電極及び
リードの電極膜は通常同時に、従って同じ膜厚に形成さ
れる。ところが、励振電極から引出電極へ延びるリード
は、凹陥形状の励振部と厚肉補強枠部との段差で水晶板
の鋭利なエッジ部分を通るため、その膜厚が薄いと電極
膜の一部又は全部が切断されて導通不良を起こす虞があ
る。また、導通不良を起こさないまでも、段差特にその
エッジ部分は、スパッタリングや蒸着による電極材料が
付着し難く、他の部分よりも膜厚が薄くなりかつばらつ
きを生じ易いので、電気抵抗が高くなりかつばらつきを
生じて励振電極間に所望の電圧が印加されず、ＣＩ（ク
リスタルインピーダンス）値が高くなりかつばらつきを
生じて振動特性が不安定になる虞がある。これらの問題
は、電極膜全体の膜厚が薄くなればなるほど、水晶振動
子が小型化されてリードの配線自由度が小さくなりかつ
その線幅が狭くなればなるほど、深刻になる。

【０００７】そこで本発明は、上述した従来の問題点に
鑑みてなされたものであり、その目的は、特に逆メサ型
の圧電振動片において、励振部と補強枠部との段差を通
るリードを、その膜厚を不必要に厚くすることなく低抵
抗にし、安定した振動特性を得ると共に、エッジ部分で
の切断等による導通不良の発生を防止し、高い信頼性及
び歩留まりの向上を実現することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記目
的を達成するために、薄肉の励振部及びその周囲に設け
られた厚肉の補強枠部を有する圧電素子片と、励振部の
表裏両主面に設けられる１対の励振電極と、補強枠部に
設けられかつそれぞれリードを介して対応する励振電極
に接続された１対の引出電極とを有し、補強枠部が、リ
ードを通過させるために励振部との段差にそのエッジに
沿って凹凸を設けたリード引出部を有することを特徴と
する圧電振動片が提供される。

【０００９】このように段差のエッジに沿って凹凸を設
けたリード引出部をリードが通ることにより、その線幅
が実質的に広がるので、膜厚を不必要に厚くしなくて
も、段差における十分な導通性を確保しかつ電極膜の切
断等を回避しながら、その電気抵抗を低くすることがで
きる。従って、ＣＩ値を低下させかつそのばらつきをな
くし、振動特性の安定した圧電振動片を得ることができ
る。

【００１０】特に、リード引出部を設けた補強枠部の段
差が励振部に向けて傾斜していると、それだけエッジの
角度が緩やかになり、それだけスパッタリングや蒸着に
よる電極材料が付着し易くなるので、膜厚が薄くなり過
ぎて高抵抗になったり断線する虞が少なく、好都合であ
る。

【００１１】或る実施例では、リード引出部の凹凸が段
差に１つ又は複数の突条を設けることにより簡単に形成
でき、別の実施例では、リード引出部の凹凸が段差に１
つ又は複数の凹溝を設けることにより簡単に形成するこ
とができる。

【００１２】また、或る実施例では、前記圧電素子片が
ＡＴカット水晶薄板からなる。この素子片は、水晶をそ
のＸ軸回りにＺ軸から所定の約３５度のカットアングル
で切り出した薄板又はウエハを、通常一方の対向する２
辺がＸ軸の方向に延長しかつ他方の対向する２辺が水晶
のＺ軸に関して前記所定の角度をなす向きに延長する矩
形に切断したもので、その主面は水晶のＹ軸に直交する
平面に関して前記所定の角度で傾斜している。主面にフ
ォトリソグラフィ技術を用いて異方性ウェットエッチン
グにより矩形の凹陥部を形成すると、該凹陥部と補強枠
部との段差は、Ｘ軸方向の対向する２辺のうち、１辺が
略垂直にエッチングされるのに対し、他の１辺は凹陥部
に向けて比較的緩やかな傾斜面を形成する。これらと直
交する残りの２辺は比較的急な傾斜面を形成する。これ
は、水晶のエッチング速度がその結晶方位別に異なり、
Ｚ軸方向に大きく、Ｘ軸方向に小さく、Ｙ軸方向には更
に小さいという、当業者に良く知られた水晶のエッチン
グ速度の結晶軸依存性に因るものである。

【００１３】従って、リード引出部が、水晶のＸ軸に沿
って延長しかつ励振部に関してＺ軸正側の補強枠部の段
差に設けられていると、この段差は比較的緩やかな傾斜
面を有するので、エッジ部分においても電極材料の付着
が良好で、膜厚のばらつきや断線の虞が少なく、好都合
である。

【００１４】また、本発明の別の側面によれば、上述し
た本発明の圧電振動片と該圧電振動片を搭載するパッケ
ージとを有する圧電デバイスが提供される。この圧電デ
バイスには、圧電振動子、圧電発振器等の様々なデバイ
スが含まれる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の好適な実施例に
ついて添付図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、
本発明による圧電振動片として、逆メサ型水晶振動片の
構成を概略的に示している。本実施例の水晶振動片１０
は、従来から水晶振動子（圧電振動子）に多く使用され
ているＡＴカット水晶素子片（圧電素子片）１１からな
る。この水晶素子片１１は、水晶をそのＸ軸回りにＺ軸
から所定の約３５度のカットアングルで切り出した矩形
のＡＴカット水晶薄板で、その一方の対向する２辺がＸ
軸の方向に延長しかつ他方の対向する２辺が水晶のＺ軸
に関して前記所定の角度をなすＺ´軸の向きに延長して
いる。ＡＴカット水晶素子片１１の表裏両主面は、水晶
のＹ軸に関して前記所定の角度をなすＹ´軸に直交する
平面、別言すればＹ軸に直交する平面に関して前記所定
の角度で傾斜している。

【００１６】ＡＴカット水晶素子片１１は、その各辺と
平行な４辺を有する矩形の凹陥部１２ａ、１２ｂがそれ
ぞれ表裏両主面に形成され、それにより薄肉の励振部１
３とその周囲に厚肉の補強枠部１４とが設けられてい
る。本実施例において、これら凹陥部１２ａ、１２ｂ
は、フォトリソグラフィ技術を用いて水晶素子片１１の
前記表裏主面を異方性ウェットエッチングすることによ
り形成される。

【００１７】具体的には、先ず所定厚さの水晶ウエハ１
５を準備してその両面を鏡面研磨で仕上げた後、耐フッ
酸性の耐蝕膜１６を全面に形成する。耐蝕膜１６は、一
般に蒸着又はスパッタリングにより厚さ約１０〜１００
ｎｍのＣｒ層に厚さ５０〜３００ｎｍのＡｕ層を積層し
た薄膜により形成される。次に、水晶ウエハ１５の両面
全面に亘ってレジスト膜１７を塗布する（図２
（Ａ））。水晶ウエハ１５の上に凹陥部１２ａ、１２ｂ
の形状をパターニングしたフォトマスク１８を配置し、
紫外線１９を照射して耐蝕膜１６をパターニングする
（図２（Ｂ））。

【００１８】露光したレジスト膜１７の部分を除去し、
かつそれにより露出した耐蝕膜１６の部分を適当なＡｕ
用及びＣｒ用のエッチング液で除去して、水晶ウエハ１
５の表面を露出させる（図２（Ｃ））。次に、フッ酸を
主成分とする水晶用エッチング液に水晶ウエハ１５を浸
漬し、その露出面を所定の厚さまでハーフエッチングす
る（図２（Ｄ））。更に、残存するレジスト膜１７を適
当な剥離液又は酸素プラズマで完全に除去し、かつ耐蝕
膜１６を剥離液で溶解除去する（図２（Ｅ））。この水
晶ウエハ１５をダイシング等の機械的加工やウェットエ
ッチングにより個々の素子片に分割すると、凹陥部１２
ａ、１２ｂを有する多数の水晶素子片１１が得られる。

【００１９】上述したように、水晶はエッチング速度が
その結晶方位別に異なり、Ｚ軸方向（水晶素子片１１の
幅方向Ｚ´に関して約３５度の傾きをなす）に大きく、
Ｘ軸方向（水晶素子片の長手方向）に小さく、Ｙ軸方向
（水晶素子片の面方向Ｙ´に関して約３５度の傾きをな
す）には更に小さいという、エッチング速度の結晶軸依
存性を有する。このため、励振部１３と補強枠部１４と
の段差は、Ｘ軸方向の対向する２辺のうち、Ｚ´軸の正
方向側の辺２０ａが励振部に向けて比較的緩やかな傾斜
面を有するように加工されるのに対し、Ｚ´軸の負方向
側の辺２０ｂは略垂直にエッチングされる。これらと直
交する残りの２辺２０ｃ、２０ｄは、辺２０ｃが辺２０
ａよりも急な傾斜面を、辺２０ｄが更に急な傾斜面を有
するように加工される。

【００２０】励振部１３の略中央には、同じ矩形パター
ンの１対の励振電極２１ａ、２１ｂが形成され、補強枠
部１４の一方の長手方向端部には、前記励振電極を外部
に接続するための左右１対の引出電極２２ａ、２２ｂが
設けられ、それぞれリード２３ａ、２３ｂを介して対応
する前記励振電極と引出電極とが電気的に接続されてい
る。補強枠部１４には、そのＸ軸方向に沿ってＺ´軸正
方向側の辺２０ａにリード引出部２４が設けられ、これ
を通過して前記各リードが励振部１３から補強枠部１４
の段差の上に引き出されている。これら励振電極、リー
ド、引出電極を構成する電極膜は、図２の工程に従って
加工された水晶素子片１１に、従来公知のマスク蒸着等
の手段を用いて形成することができる。

【００２１】図３は、図１に示す水晶振動片１１のリー
ド引出部２４を部分的に拡大して示しており、同図に良
く示すように、リード引出部２４は、上述したように比
較的緩やかに傾斜する段差のエッジに沿って励振部１３
側に突出する複数の楔形突条２５が形成され、かつその
上にリード２３ａが成膜されている。この突条２５は、
その楔形形状を予め転写したフォトマスクを図２（Ｂ）
の工程で使用することにより、容易に形成することがで
きる。突条２５の傾斜面２５ａ、２５ｂは、水晶素子片
１１のＸ軸、Ｙ´軸及びＺ´軸方向のエッチング速度が
異なることから、Ｘ軸の正方向側により緩やかで、互い
に非対称な形状となっている。

【００２２】リード２３ａは、励振部１３から補強枠部
１４にかけて同じ線幅で成膜されるが、リード引出部２
４における線幅はその凹凸によって実質的に広くなって
いる。しかも、この段差は緩やかな傾斜面からなるの
で、電極材料をマスク蒸着等によって良好に付着させる
ことができ、膜厚を不必要に厚くしなくても、膜厚のば
らつきや断線を回避しつつ、その電気抵抗を低くするこ
とができる。当然ながら、水晶素子片１１の裏側の主面
についても、励振部１３と補強枠部１４との段差に同様
の楔形突条を有するリード引出部が設けられ、これを通
るようにリード２３ｂが配線されている。従って、この
水晶振動片１０を公知のパッケージに搭載すると、ＣＩ
値を低下させかつそのばらつきをなくし、振動特性の安
定した逆メサ型水晶振動子を得ることができる。

【００２３】実際に図１及び図３に示す構成のＡＴカッ
ト水晶振動片を製作し、そのＣＩ値を測定した。次の表
１は、該水晶振動片の寸法及びリード引出部２４に設け
た突条の数を示している。

【００２４】

【表１】

【００２５】比較のために、励振部と補強枠部との段差
に凹凸を有しない従来のＡＴカット水晶振動片について
も、そのＣＩ値を測定したところ、次の表２に示す結果
が得られた。この測定結果から、本実施例の構成を採用
することによって、ＣＩ値が大幅に向上したことが分か
る。

【００２６】

【表２】

【００２７】図４は、リード引出部２４の変形例を示し
ており、前記段差のエッジに沿って補強枠部１４側に凹
んだ複数の楔形凹溝２６が形成され、かつその上にリー
ド２３ａが成膜されている。この場合にも、凹溝２６の
傾斜面２６ａ、２６ｂは、水晶素子片１１のＸ軸、Ｙ´
軸及びＺ´軸方向のエッチング速度が異なるため、その
向き及び形状が互いに非対称である。リード２３ａは、
励振部１３から補強枠部１４にかけて同じ線幅で成膜さ
れ、リード引出部２４における線幅が実質的に広くかつ
段差が緩やかに傾斜しているので、段差における十分な
導通性を確保しかつ膜厚のばらつきや断線を回避しなが
ら、その電気抵抗を低くすることができる。

【００２８】図５乃至図７は、それぞれ補強枠部１４の
他の３辺２０ｂ〜２０ｄに同様のリード引出部２４を設
けた場合を示している。図５（Ａ）は、補強枠部１４の
Ｚ´軸方向に延びる辺２０ｃに図３と同様の複数の楔形
突条２７を形成した場合、図５（Ｂ）は、図４と同様の
複数の楔形凹溝２８を形成した場合である。突条２７及
び凹溝２８は、図３及び図４の場合よりも傾斜が急であ
り、かつＺ´軸の正方向側がより緩やかで、より非対称
な形状となっている。

【００２９】図６（Ａ）は、補強枠部１４のＺ´軸方向
に延びる図５と反対側の辺２０ｄに図３と同様の複数の
楔形突条２９を形成した場合、図６（Ｂ）は、図４と同
様の複数の楔形凹溝３０を形成した場合である。突条２
９及び凹溝３０は、図５（Ａ）（Ｂ）の場合よりも傾斜
が更に急であり、同様にＺ´軸の正方向側がより緩やか
で、互いに非対称な形状となっている。

【００３０】図７（Ａ）は、補強枠部１４のＸ軸方向に
延びる図３と反対側の辺２０ｂに図３と同様の複数の楔
形突条３１を形成した場合、図７（Ｂ）は、図４と同様
の複数の楔形凹溝３２を形成した場合である。この辺２
０ｂの段差は略垂直に形成されるので、突条３１及び凹
溝３２は、Ｘ軸の正方向側に幾分傾斜している。

【００３１】図５乃至図７の場合にも、励振部１３と補
強枠部１４との段差のエッジに沿って凹凸を設けたリー
ド引出部２４をリード２３ａ（２３ｂ）が通るように配
線されることにより、その線幅が実質的に広くなり、し
かも励振部に向けて傾斜しているので、膜厚を不必要に
厚くしなくても、段差における十分な導通性を確保しか
つ切断等を回避しながら、その電気抵抗を低くすること
ができる。

【００３２】以上、本発明の好適実施例について詳細に
説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技
術的範囲内において上記各実施例に様々な変更・変形を
加えて実施することができる。例えば、水晶素子片の凹
陥部は、異方性ウェットエッチング以外にドライエッチ
ングや機械的加工方法により形成することができる。ま
た、リード引出部の傾斜面は、凹陥部の加工後に、従来
公知の化学的又は物理的手法により形成することができ
る。更に、ＡＴカット以外の水晶、又は水晶以外の圧電
材料からなる圧電振動片についても同様に適用すること
ができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、上述したように構成すること
により、以下に記載するような格別の効果を奏する。本
発明の逆メサ型圧電振動片は、励振部と補強枠部との段
差、より好適には傾斜面を有する段差のエッジに沿って
凹凸を設けたリード引出部をリードが通るように配線す
ることにより、該段差におけるリードの線幅が実質的に
広がるので、膜厚を厚くしなくても、電気抵抗を低く抑
制しつつ、段差における十分な導通性を確保しかつ電極
膜の切断等を回避できるので、ＣＩ値を低下させかつそ
のばらつきをなくして、安定した振動特性を得ることが
でき、高い信頼性及び歩留まりの向上を実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）図は本発明を適用した水晶振動片の実施
例を示す平面図、（Ｂ）図はそのＢ−Ｂ線における縦断
面図、（Ｃ）図はＣ−Ｃ線における横断面図である。

【図２】図１の水晶素子片を形成する過程を（Ａ）〜
（Ｆ）図の行程順に示す断面図である。

【図３】図１に示す水晶振動片のリード引出部を示す部
分拡大平面図である。

【図４】リード引出部の変形例を示す図３と同様の部分
拡大平面図である。

【図５】（Ａ）図は補強枠部の辺２０ｃの段差に図３と
同様の突条からなるリード引出部を設けた部分拡大平面
図、（Ｂ）図は図４と同様の凹溝からなるリード引出部
を設けた部分拡大平面図である。

【図６】（Ａ）図は補強枠部の辺２０ｄの段差に図３と
同様の突条からなるリード引出部を設けた部分拡大平面
図、（Ｂ）図は図４と同様の凹溝からなるリード引出部
を設けた部分拡大平面図である。

【図７】（Ａ）図は補強枠部の辺２０ｂの段差に図３と
同様の突条からなるリード引出部を設けた部分拡大平面
図、（Ｂ）図は図４と同様の凹溝からなるリード引出部
を設けた部分拡大平面図である。

【図８】従来の逆メサ型水晶振動片を示す概略斜視図で
ある。

【符号の説明】

１、１０水晶振動片２、１１水晶素子片３、１３励振部４、１４補強枠部５ａ、５ｂ、２１ａ、２１ｂ励振電極６ａ、６ｂ、２３ａ、２３ｂリード７ａ、７ｂ、２２ａ、２２ｂ引出電極１２ａ、１２ｂ凹陥部１５水晶ウエハ１６耐蝕膜１７レジスト膜１８フォトマスク１９紫外線２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ辺２４リード引出部２５、２７、２９、３１突条２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ傾斜面２６、２８、３０、３２凹溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄肉の励振部及びその周囲に設けられ
た厚肉の補強枠部を有する圧電素子片と、前記励振部の
表裏両主面に設けられる１対の励振電極と、前記補強枠
部に設けられかつそれぞれリードを介して対応する前記
励振電極に接続された１対の引出電極とを有し、前記補強枠部が、前記リードを通過させるために前記励
振部との段差にそのエッジに沿って凹凸を設けたリード
引出部を有することを特徴とする圧電振動片。
【請求項２】前記圧電素子片がＡＴカット水晶薄板
からなることを特徴とする請求項１記載の圧電振動片。
【請求項３】前記リード引出部を設けた前記補強枠
部の段差が前記励振部に向けて傾斜していることを特徴
とする請求項１又は２に記載の圧電振動片。
【請求項４】前記リード引出部が、水晶のＸ軸に沿
って延長しかつ前記励振部に関してＺ軸正側の前記補強
枠部の段差に設けられていることを特徴とする請求項２
に記載の圧電振動片。
【請求項５】前記リード引出部の凹凸が前記段差に
設けた１つ又は複数の突条により形成されていることを
特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電振動
片。
【請求項６】前記リード引出部の凹凸が前記段差に
設けた１つ又は複数の凹溝により形成されていることを
特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の圧電振動
片。
【請求項７】請求項１乃至６のいずれかに記載の圧
電振動片と、前記圧電振動片を搭載したパッケージとを
有することを特徴とする圧電デバイス。