JP2004254174A

JP2004254174A - 金属膜形成用マスク、水晶ウエハおよびそれらを用いて製造した水晶振動子

Info

Publication number: JP2004254174A
Application number: JP2003044184A
Authority: JP
Inventors: Izumi Yamamoto; 泉山本
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2003-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】水晶振動子の周波数調整用金属膜の形成において金属膜形成用マスクが加熱されるため熱膨張により変形し、水晶ウエハと金属膜形成用マスクとがずれたり、隙間ができるなどして、形成される周波数調整用金属膜の形状や膜厚のバラツキが大きかった。
【解決手段】金属膜形成用マスクの材料を水晶とした。水晶ウエハと材質が同一なので熱膨張によるずれが無くなり周波数調整用金属膜の形状、膜厚が均一となり、水晶振動子の共振周波数の分布が減少した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、時計や移動体通信機の基準信号源として用いられる水晶振動子に周波数調整用金属膜を形成するための金属膜形成用マスク、水晶振動子が形成される水晶ウエハおよび、それらを製造工程に用いた水晶振動子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
時計や移動体通信機の基準信号源として２本の振動する脚を持った、いわゆる音叉型水晶振動子が広く用いられている。このような水晶振動子は脚幅および長さによってその共振周波数が決まるため、均一な脚幅と脚長さを得るために平たい板状の水晶ウエハからフォトリソグラフィの技術によって形成、製造されている（例えば、特許文献１参照。）。図６は水晶振動子５の外観を示す図であり、水晶振動子５には、脚１３を振動させるための電極１５と脚１３の先端部に共振周波数を調整するための周波数調整用金属膜１７が付着されている。金属膜１７の材料にはＡｕ、Ａｇ、Ｐｄなどの金属が用いられる。また、これらの金属と水晶との密着性を向上させる目的でＮｉ、Ｃｒ、Ｔｉなどが中間層として用いられる。周波数調整用金属膜１７はステンレス板にエッチングによって周波数調整用金属膜１７を付着する部分のみに穴を開けた、いわゆるメタルマスクと呼ばれる金属膜形成用マスクを水晶ウエハ上に被せて、蒸着あるいはスパッタリングによって形成される。
【０００３】
周波数調整用金属膜１７が形成される目的は前記したように共振周波数を調整するためである。水晶振動子５の形状はフォトリソグラフィの技術で形成されるために精度は比較的良いが、それでも個体ごとによって少しづつ異なるため、そのままでは共振周波数を目標通りにすることは困難である。そこで、共振周波数を測定しながら周波数調整用金属膜１７を少しづつ除去することによって目標の共振周波数に合わせ込むことが行われている。周波数調整用金属膜１７の除去にはレーザやイオンビームが用いられる（例えば、特許文献２および特許文献３参照。）。周波数調整用金属膜１７を除去して行くと脚１３の重さが小さくなるので共振周波数は上昇する。すなわち、周波数調整用金属膜１７を除去することで共振周波数を調整するには、周波数調整用金属膜１７が全くない状態では全ての水晶振動子５の共振周波数は目標の共振周波数より高く、周波数調整用金属膜１７を形成した後では全ての水晶振動子５の共振周波数が目標の共振周波数より低い必要がある。従って周波数調整用金属膜１７の形状や厚みにバラツキがあると、その分だけ周波数調整用金属膜１７を多く付着して全ての水晶振動子５に対して調整代があるようにしなければならない。このため、周波数調整用金属膜１７の形状や厚みのバラツキが大きいと、共振周波数の調整に周波数調整用金属膜１７を多く除去することが必要になり、共振周波数の調整時間を多く要してしまう。従って周波数調整用金属膜１７の形状や厚みは均一であることが望ましい。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−３１５８８１号公報（第２−４頁、第１−２図、第８−９図）
【特許文献２】
特開昭５１−７５３９０号公報（第１−２頁、第２図）
【特許文献３】
特開平７−４６０７３号公報（第２頁）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の技術では、周波数調整用金属膜を形成する際に用いる金属膜形成用マスクにステンレスを用いているため、蒸着やスパッタリングによって周波数調整用金属膜が形成される際に熱が加わると水晶ウエハとの熱膨張率の差によって、水晶ウエハと金属膜形成用マスクの間にずれが生じてしまい、形成される周波数調整用金属膜の形状が水晶ウエハ内の場所によって異なってしまうという課題があった。また、加熱のための温度分布によって金属形成用マスクが変形し、水晶ウエハと金属形成用マスクとの間に隙間が生じ、その間に金属粒子が入り込むことによって出来あがる周波数調整用金属膜のパターンが金属膜形成用マスクのパターン通りにならないという課題があった。また、これらの課題のために、形成する周波数調整用金属膜の厚みを増やなければならず、結果として除去する周波数調整用金属膜が多くなるため、共振周波数の調整に長時間を要し水晶振動子の製造コストが高くなるという課題があった。
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明の目的は、目標どおりの均一な形状および膜厚を有する周波数調整用金属膜を水晶振動子上に形成するための金属膜形成用マスクおよび水晶ウエハを提供し、合わせて製造コストを抑えた水晶振動子を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の金属膜形成用マスクは、水晶振動子の材料である水晶ウエハ上に設ける周波数調整用金属膜の形成に用いられる金属膜形成用マスクであって、水晶板を材料としてなることを特徴とする。
【０００８】
本発明の金属膜形成用マスクは、前記水晶板の結晶方位が前期水晶ウエハの結晶方位と略同一であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の金属膜形成用マスクは、前記水晶板をエッチングすることによって所定の形状に形成してなることを特徴とする。
【００１０】
本発明の金属膜形成用マスクは、前記水晶ウエハとの位置合わせに用いられる位置決め穴を有し、該位置決め穴の形状が略三角形であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の金属膜形成用マスクは、前記位置決め穴を構成する三角形の各辺が水晶の結晶軸のＸ軸に対して、それぞれ略垂直であることを特徴とする。
【００１２】
本発明の水晶ウエハは、水晶振動子の材料である水晶ウエハであって、該水晶ウエハ上に設ける周波数調整用金属膜を形成するための金属膜形成用マスクとの位置合わせに用いられる位置決め穴を有し、該位置決め穴の形状が略三角形であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の水晶ウエハは、前記位置決め穴を構成する三角形の各辺が水晶の結晶軸のＸ軸に対して、それぞれ略垂直であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の水晶振動子は、前記の金属膜形成用マスクを用いて、前記の水晶ウエハ上に周波数調整用金属膜が形成されていることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
本発明では金属膜形成用マスクの材料として水晶が用いられる。図１は金属膜形成用マスク１の結晶方位を示した図である。また、図２は水晶振動子が形成される水晶ウエハ３の結晶方位を示した図である。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸はそれぞれ水晶の結晶軸を示している。金属膜形成用マスク１と水晶ウエハ３の結晶方位は略同一であり、Ｘ軸周りの角度θおよびφは略同一で０°〜５°である。この様に金属膜形成用マスク１の材料に水晶を用い、結晶方位を水晶ウエハ３と略同一にするのは次のような理由による。周波数調整用金属膜を形成するのは蒸着またはスパッタリングによるが、この際蒸着源からの放射熱、スパッタリングではスパッタ粒子の衝突による熱の発生によって、金属膜形成用マスク１および水晶ウエハ３は少なからず加熱され、温度が上昇する。このため、熱膨張が生じるが、金属膜形成マスク１と水晶ウエハ３が同一の材料で、しかも結晶方位が等しければ膨張の仕方が同一なので、金属膜形成用マスク１と水晶ウエハ３との間にずれが発生しない。また、水晶は、ステンレスなどの金属に比べて熱膨張率が非常に小さいので、膨張の大きさも小さく、加熱の不均一による変形によって金属膜形成用マスク１と水晶ウエハ３との間に隙間が生じることもなく、水晶ウエハ３に周波数調整用金属膜が金属膜形成用マスク１のパターン通りに形成できるからである。
【００１７】
図３は本発明の金属膜形成用マスク１と水晶ウエハ３を用いて周波数調整用金属膜を形成する方法を示した図である。水晶振動子５の形状および電極（図示せず）が形成された水晶ウエハ３に金属膜形成用マスク１が被せられた状態で、蒸着あるいはスパッタリングによって周波数調整用金属膜が形成される。水晶ウエハ３と金属膜形成用マスク１との位置合わせは治具７に設けられた位置決めピン９を水晶ウエハ３および金属膜形成用マスク１の位置決め穴１１に順次通すことで行われる。位置決めピン９は円筒形である。図４は金属形成用マスク１および水晶ウエハ３の位置決め穴１１の拡大図である。図４に示す様に本発明の金属膜形成用マスク１および水晶ウエハ３の位置決め穴１１は略三角形をしている。位置決めピン９は位置決め穴１１の三角形に内接するように設計されている。また、位置決め穴１１を構成する三角形の各辺は水晶の結晶軸のＸ軸に対して略垂直である。位置決め穴１１の各辺は穴の内側がＸ軸の負方向になっている。水晶はＺ軸周りに三回対称であるので、Ｘ軸は１２０°ごとに３本存在し、それぞれが同等である。従ってそれぞれのＸ軸に垂直な線で正三角形が構成できる。位置決め穴１１を略三角形にしたのは次のような理由による。位置決め穴１１は丸穴あるいは長穴によって行うのが普通であるが、本発明では金属膜形成用マスク１に水晶を用いるので、丸穴や長穴をきれいに形成することが出来ない。水晶は三方晶系に属する異方性の単結晶のため、エッチング速度が結晶方位によって著しく異なり、丸穴や長穴では各部にエッチング残滓が生じるからである。このため、丸穴や長穴を形成したのでは位置決めを精度良く行うことができないのである。本発明のように水晶のＸ軸に垂直な辺によって位置決め穴１１を構成すると、Ｚ軸方向のエッチング速度はＸ軸の負方向からのエッチング速度に対して１００倍程度の大きさがあるので、エッチングはほとんどＺ軸方向に進行するため、位置決め穴１１の断面はほぼ表面に垂直になり、エッチング残滓が生じることがない。よって、精度の良い位置決め穴１１を形成することが出来るのである。なお、エッチングにはフッ酸とフッ化アンモニウム溶液の混合液が使用される。
【００１８】
本発明の金属膜形成用マスクは材料が水晶のため、付着した金属膜に対するエッチング液には侵されることがないので、金属膜形成用マスクに付着した金属膜をエッチングによって除去することができる。従って、本発明の金属膜形成用マスクは繰り返し使用することが可能である。
【００１９】
図５は本発明の金属膜形成用マスク１および水晶ウエハ３を用いて周波数調整用金属膜を形成した水晶振動子の共振周波数の分布を、従来の技術によって周波数調整用金属膜を形成した水晶振動子の共振周波数の分布と比較して示した図である。本発明の水晶振動子では分布が狭くなり、目標の共振周波数ｆ０に近づいていることがわかる。
【００２０】
【発明の効果】
以上に記したように、本発明の金属膜形成用マスク、水晶ウエハを用いれば均一な形状と厚さを有した周波数調整用金属膜を得ることができるという効果がある。また、本発明の水晶振動子は周波数分布が小さく、目標の共振周波数に近い製造ができるため、周波数調整時間が短くて済むので製造コストを削減できるという効果がある。さらに、本発明の金属膜形成用マスクの材料は水晶なので、付着した金属膜をエッチングによって除去でき、繰り返し使用することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施の形態を示す図であり、本発明の金属膜形成用マスクの結晶方位を示す図である。
【図２】本発明による実施の形態を示す図であり、本発明の水晶ウエハの結晶方位を示す図である。
【図３】本発明による実施の形態を示す図であり、本発明の金属膜形成用マスクと水晶ウエハを用いて周波数調整用金属膜を形成する方法を示す図である。
【図４】本発明による金属膜形成用マスクおよび水晶ウエハの位置決め穴の拡大図である。
【図５】本発明による水晶振動子の共振周波数の分布と従来の方法により製造した水晶振動子の共振周波数の分布を比較した図である。
【図６】水晶振動子の外観を示す図である。
【符号の説明】
１金属膜形成用マスク
３水晶ウエハ
５水晶振動子
７治具
９位置決めピン
１１位置決め穴
１３脚
１５電極
１７周波数調整用金属膜

Claims

水晶振動子の材料である水晶ウエハ上に設ける周波数調整用金属膜の形成に用いられる金属膜形成用マスクであって、水晶板を材料としてなることを特徴とする金属膜形成用マスク。
請求項１記載の金属膜形成用マスクにおいて、前記水晶板の結晶方位が前期水晶ウエハの結晶方位と略同一であることを特徴とする金属膜形成用マスク。
請求項１または請求項２に記載の金属膜形成用マスクにおいて、前記水晶板をエッチングすることによって所定の形状に形成してなることを特徴とする金属膜形成用マスク。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の金属膜形成用マスクにおいて、前記水晶ウエハとの位置合わせに用いられる位置決め穴を有し、該位置決め穴の形状が略三角形であることを特徴とする金属膜形成用マスク。
請求項４記載の金属膜形成用マスクにおいて、前記位置決め穴を構成する三角形の各辺が水晶の結晶軸のＸ軸に対して、それぞれ略垂直であることを特徴とする金属膜形成用マスク。
水晶振動子の材料である水晶ウエハであって、該水晶ウエハ上に設ける周波数調整用金属膜を形成するための金属膜形成用マスクとの位置合わせに用いられる位置決め穴を有し、該位置決め穴の形状が略三角形であることを特徴とする水晶ウエハ。
請求項６記載の水晶ウエハにおいて、前記位置決め穴を構成する三角形の各辺が水晶の結晶軸のＸ軸に対して、それぞれ略垂直であることを特徴とする水晶ウエハ。
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の金属膜形成用マスクを用いて、請求項６または請求項７記載の水晶ウエハ上に周波数調整用金属膜が形成されていることを特徴とする、金属膜形成用マスクと水晶ウエハを用いて製造した水晶振動子。