JP2005130218A - 水晶片形成方法および水晶片 - Google Patents

Abstract

【課題】
バラつきなく安定した寸法形状であって、且つ、基板外縁部の割れ発生を低減しうる水晶基板（水晶片）を容易に得ることができる水晶片形成方法を提供する。
【解決手段】
ＡＴカットにて切り出した平板状の水晶ウェハ１０からエッチングにより複数の水晶片１を得る水晶片形成方法において、前記複数の水晶片１のそれぞれを取り出すためのマスク膜を前記水晶ウェハ１０における主平面形成しておく。そしてエッチング時間は、エッチング開始時から貫通するまでに要する時間“Ｔ”の１．５倍以上の時間をかけて行うようにする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水晶ウェハ（水晶母材）から多数の水晶振動片をエッチングにより形成する方法に関し、特に、結晶の異方性に基づくエッチングレート差に着目した分割方法に関するものである。

圧電振動子、例えばＡＴカット水晶振動子は小型であること、高精度、高安定な周波数が容易に得られるため、通信機から電子機器まで広く使用されている。短冊状に切り出されたＡＴカット水晶振動子は長手方向をＸ軸に、幅方向をＺ’軸に、厚さ方向をＹ’軸に設定し相対軸表現するのが一般的である。周知のように、水晶基板の各部の寸法が適切でないと、Ｘ−Ｙ’面に生ずる屈曲振動が厚み滑り振動と結合して、該振動の周波数及びクリスタルインピーダンス（ＣＩ）に変動を生じることになる。
近年、水晶振動子の更なる小型化を図るため、辺比（厚さに対する輪郭寸法の比）のより小さな矩形の水晶基板が採用されるようになった。そのため、主要振動である厚み振動と、輪郭系振動、例えば面滑り振動や屈曲振動等との結合がわずかな加工誤差によっても生じるという問題をかかえている。

従来、輪郭系振動との結合を避ける手段として、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す断面図ように、水晶基板の主面を加工した水晶振動子が考案され、使用されてきた。即ち、図５（ａ）は主面の端を斜めに切り落としたような形状で、一般に面取り振動子（片面ベベリング振動子）と称している。また、図５（ｂ）は主面をレンズ状に加工する、所謂コンベックス振動子（プラノコンベックス振動子）、図５（ｃ）は主面の一部を凸状に加工した振動子（メサ状振動子）である。いずれの場合も厚み滑り振動の振動エネルギーを基板中央部に集中させると共に、輪郭系振動との結合を弱めるように作用している。

上述のコンベックス振動子を得るための製造方法として特開２００３−０３７４６３号公報により提案される方法がある。これによれば、圧電材料薄板（水晶ウェハ）を圧電素子片の外形線に沿ってブラスト加工し、そのブラスト加工は、圧電材料薄板の上面から途中まで、下面側に或る厚みの部分を残すように行い、残した前記部分を、例えばレーザ割断のような適当な手法により切断することにより、非常に短時間でコンベックス形状の断面を、励振電極を形成する中央領域を面荒れさせることなく加工できる。また、圧電材料薄板の片面にのみをブラスト加工したプラノコンベックス形状の断面と、その表裏両面をブラスト加工したバイコンベックス形状の断面とを、必要に応じて選択できる。

上述の例にあっては、ブラスト加工及びレーザ割断によりコンベックス形状の圧電素子片（水晶振動片）を得ているが、エッチングにより水晶ウェハから水晶振動片を分割することも行われている。
図６は、ＡＴカットにて切り出した水晶ウェハの例を示す斜視図である。この図に示す矩形平板状の水晶ウェハ１０は、表裏の両主面にフォトリソグラフィ技術を用いてマスクパターン形成した保護膜１１が設けられている。ここで、水晶ウェハ１０の結晶方位３軸をＹ’軸、−Ｘ軸、ＺＺ’軸として絶対軸により詳細に表す。
例えば、ウエットエッチングにより個片に分割する場合、次の図７に示すようにエッチング溶液（例えば、フッ酸や硫酸等）１２を入れたエッチング槽１３に、前記水晶ウェハ１０を図示しない支持部材により支持して浸し、露出している水晶部分を融解することで複数の水晶振動片に分割する。この場合、一般的にエッチング溶液における濃度と温度、そしてエッチング溶液に漬ける時間の兼ね合いを考慮して分割制御がなされることになる。

上述のエッチングにより分割して得られる水晶振動片を次の図８に示す。
図８は、従来の両面エッチング分割により切り出される水晶片の外観例を示す平面図であり、該平面図中の直線Ｘ_１−Ｘ_２におけるＸ方向断面図と、直線Ｚ_１−Ｚ_２におけるＺ方向断面図とを併せて示す。
この例に示すように従来のエッチングによる分割方法にて切り出した水晶振動片１０１は、Ｚ方向断面の両端では、ほぼ直角な切断面となっているが、Ｘ方向断面の両端では傾斜した切断面となっている。即ち、両面ベベリング加工したものに相似した水晶振動片１０１が得られる。

このように軸方向によって断面形状がことなるのは、結晶の異方性に起因するエッチングレート（エッチングの進行速度）の差異によるものである。つまり、材質が結晶体からなる物の多くは、結晶異方性（結晶の向きによって物性が変化する）を持っており、例えば、結晶体における光の進行方向によって屈折率が異なったり、結晶面では傷つける方向によって硬さが違ったりする。圧電材料として用いられる水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、或いはセラミックスなどの多くは、単結晶または多結晶からなる結晶体であり、上述のような結晶の異方性に起因するエッチングレートの差異を持つので、方向によってエッチングによる切断面の形状が異なる性質を有することが知られている。

図９は、上述の図８に示した従来の両面エッチング分割により切り出した水晶振動片を用いて片端保持した水晶振動子の構成例を示す図であって、（ａ）に平面図を、（ｂ）に側面図を示す。
ＡＴカット水晶ウェハからエッチングにより短冊状個片に切り出された水晶振動片１０１の両主面に対向する励振電極１０２ａ、１０２ｂを付着すると共に、該電極１０２ａ、１０２ｂからそれぞれ水晶振動片１０１の端部に向けてリード電極１０３ａ、１０３ｂを延在して、水晶振動素子Ｓを形成する。
次に、水晶振動素子Ｓをセラミックパッケージ２０に収容し、水晶振動素子Ｓのリード電極１０３ａ、１０３ｂをパッケージ内部の段差部に設けた端子電極３０に、導電性接着剤４０を用いて導通固定する。さらに、真空装置（図示しない）に入れて、蒸着等の手段を用いて所望の周波数に微調整した後、金属蓋（図示しない）を抵抗溶接して水晶振動子を構成する。

このように、従来のＡＴカット水晶振動子にあっては、水晶基板（水晶振動片）の外縁部を中央部より薄くする形状とすることで、厚み滑り振動の振動エネルギーを基板中央部に集中させると共に、輪郭系振動との結合を弱めるように構成したものが多く用いられていた。
特開２００３−０３７４６３号公報

しかしながら、近年、圧電振動子の高周波化・小型化が進み、薄く微細となった水晶基板の外縁部を更に所望の寸法形状にて薄くしたものをバラつきなく安定して得るのは難しくなってきており、更に、水晶基板の外縁端部が極めて薄く割れ易いために一様の形状でなくなり不要な振動モードが発生してしまう。つまり、厚み滑り振動の振動エネルギーを基板中央部に閉じ込めようとして基板の外縁部を中央部より薄くするようにした従来の水晶基板では、最終工程を経て完成される圧電振動子の歩留まりの低下を招くという問題点があった。
そこで本発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、バラつきなく安定した寸法形状であって、且つ、基板外縁部の割れ発生を低減しうる水晶基板を容易に得ることができる水晶片形成方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る水晶片形成方法の請求項１の発明は、所定のカットアングルにて切り出した平板状水晶母材から水晶片をエッチングにより形成する水晶片形成方法であって、前記水晶片の外周に相当する部分に開口を有する保護膜を前記平板状水晶母材の表面に形成する工程と、前記保護膜の開口部分より露出する前記平板状水晶母材にエッチングを施す工程とを少なくとも含み、当該エッチング時間はエッチング開始時から貫通するまでに要する時間の１．５倍以上であること特徴とする。
これによれば、水晶片周縁においてエッチングレートの高い部分は、ほぼ直角断面となった水晶片が得られるので、バラつきなく安定した寸法形状であって、且つ、基板外縁部の割れ発生を低減しうる水晶片を得ることができる。

また、本発明に係る水晶片形成方法の請求項２の発明は、ＡＴカットにて切り出した平板状水晶母材からＸ軸方向を長辺としＺ’軸方向を短辺とする略短冊状の水晶片をエッチングにより形成する水晶片形成方法であって、前記水晶片の外周に相当する部分に開口を有する保護膜を前記平板状水晶母材の表面に形成する工程と、前記保護膜の開口部分より露出する前記平板状水晶母材にエッチングを施す工程とを少なくとも含み、当該エッチング時間はエッチング開始時から−Ｘ方向の短辺が貫通するまでに要する時間の１．５倍以上であること特徴とする。

また、本発明に係る水晶片形成方法の請求項３の発明は、前記請求項２に記載の水晶片形成方法において、前記保護膜の開口は前記水晶片の＋Ｘ方向の短辺の一部を除く水晶片外周に形成したものであり、エッチング後に前記＋Ｘ方向の短辺の一部と平板状水晶母材とを繋ぐ連結支持部を切断する工程を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る水晶片形成方法の請求項４の発明は、前記請求項１乃至３の何れかにに記載の水晶片形成方法において、前記エッチングは前記水晶母材の両主面側から同時進行させる両面エッチングであることを特徴とする。

また、本発明に係る水晶片の請求項５の発明は、前記請求項１乃至４の何れかに記載の水晶片形成方法により切り出されたＡＴカットの略短冊状の水晶片であって、Ｚ’軸方向の両端面とＸ軸方向の−Ｘ側端面は断面がほぼ直角であり、Ｘ軸方向の＋Ｘ側端面は断面が傾斜して突出している形状であることを特徴とする。

本発明の水晶片形成方法によれば、結晶の異方性を考慮してエッチングを行うようにしたため、バラつきなく安定した寸法形状であって、且つ、基板外縁部の割れ発生を低減しうる水晶片（水晶基板）を容易に得ることができる。そのため、最終工程を経て完成される圧電振動子の歩留まりが向上するという利点がある。

図１は、本発明に係る水晶片形成方法におけるマスキングの例を示す拡大図であり、同図（ａ）はＸ方向（Ｘ_１−Ｘ_２間）の断面図（ＸＹ面）を、（ｂ）は平面図（ＸＺ面）を示す。
この図は、ＡＴカットにて切り出した水晶ウェハ１０の両主面に保護膜１１によりマスクパターンを形成した場面を示している。このマスクパターン形成においては、切り出そうとする水晶片が矩形であり、その長手方向をＸ軸に、短手方向をＺ軸に合わせている。
そして、エッチング時に各水晶片が散けないよう連結しておくための連結支持部３を形成すべく矩形保護膜部（水晶片となる部分）の縁部の一部から細い保護膜を延設したマスクパターンとなっており、矩形保護膜部の周囲にはＣの字状の非マスク部２（開口部分）が存在している。
ここで特徴的な点は、連結支持部３を設ける位置である。つまり、水晶片として切り出そうとする矩形保護膜部において、水晶ウェハ１０の結晶方位の＋Ｘ側に連結支持部３を設けるのである。
なお、マスクパターン形成までの手順は、上述の図６に示した従来例と同様であって、具体的には、水晶ウェハ１０にレジスト（感光性樹脂）を塗布し、ベーク炉に入れて所定温度にて定着させ、レジストに光（紫外線）を照射して所定パターンを露光転写し、これを現像し、洗浄することでマスクパターンを形成する。

次に、エッチング工程に移る。上述の図７に示したようにウェットエッチングを行う場合を例にして説明する。
図２は、本発明に係る水晶片形成方法の両面エッチング時におけるエッチング進行過程を時間遷移ごとに示した水晶ウェハ断面図であり、同図（ａ）はエッチング開始時を、（ｂ）は貫通直後（開始からＴ時間後）を、（ｃ）はオーバーエッチング後（開始から“Ｔ×１．５”時間後）を、（ｄ）は更にオーバーエッチング後（開始から“Ｔ×２．０”時間後）をそれぞれ示している。
なお、ここでは、エッチング開始時からＣの字状の非マスク部２のうち−Ｘ方向の短辺が貫通するまでに要する時間を“Ｔ”としている。時間“Ｔ”は、エッチング液の濃度や温度といったエッチング環境により、その時間的な長さが左右される。

同図（ｂ）では、水晶ウェハ１０の非マスク部３において、両主面の側から浸食が進み貫通した様子を示しているが、Ｘ軸方向における−Ｘ側と＋Ｘ側とでは、浸食の進み度合いが異なり、＋Ｘ側に位置する切断面のほうが−Ｘ側に位置する切断面よりも浸食の進行が遅い（エッチングレートが低い）。そのため、切断面の傾斜角は、＋Ｘ側に位置する切断面のほうが−Ｘ側に位置する切断面よりも緩やかになっている。

次に、時間“Ｔ”を越えてオーバーエッチングし、“Ｔ×１．５”時間経過した様子が同図（ｃ）に示されており、更に浸食が進み、−Ｘ側と＋Ｘ側共に切断面の傾斜角は、時間“Ｔ”の時よりも急峻になっている。当然のことながら、切断面の傾斜角は、＋Ｘ側に位置する切断面のほうが−Ｘ側に位置する切断面よりも緩やかになっているという関係は変わらない。

次に、時間“Ｔ×１．５”を越えて更にオーバーエッチングし、“Ｔ×２．０”時間経過した様子が同図（ｄ）に示されており、更に浸食が進み、−Ｘ側と＋Ｘ側共に切断面の傾斜角は、時間“Ｔ×１．５”の時よりも急峻になっている。エッチング開始時から“Ｔ×２．０”時間が経過すると、−Ｘ側の切断面の傾斜角は、直角となっているのに対し、＋Ｘ側の切断面のほうは、わずかに突出傾斜が残っている。
つまり、本発明の水晶片形成方法にあっては、エッチングにより浸食される水晶ウェハが貫通するまでの時間“Ｔ”を越えてオーバーエッチングを行い、少なくとも時間“Ｔ”の１．５倍の時間を費やしてエッチングを行うことにより、−Ｘ側の切断面の傾斜角をほぼ直角にした水晶片を得るのである。

こうして、時間“Ｔ”を越えてオーバーエッチングを行い、時間“Ｔ×１．５”以上を費やして得られる水晶片１を次の図３に示して説明する。
図３は、本発明に係る水晶片形成方法を用いた両面エッチングにより切り出される水晶片の外観例を示す平面図であり、該平面図中の直線Ｘ_１−Ｘ_２におけるＸ方向断面図と、直線Ｚ_１−Ｚ_２におけるＺ方向断面図とを併せて示す。
この例に示す水晶振動片１は、Ｚ方向断面の−Ｘ側端の切断面は、ほぼ直角な切断面となっており、一方、＋Ｘ側端の切断面は、突出傾斜している。他方、Ｚ方向断面の両端は直角な切断面となっている。つまり、−Ｘ側端の切断面は、直角な状態にあって尖っていない（薄肉部分が無い）ので、輪郭縁部の破損（カケやヒビ）の発生が低減し、寸法形状のバラツキが少なくなる。

図４は、上述の図３に示した本発明に係る水晶片形成方法により切り出した水晶片を用いて片端保持した水晶振動子の構成例を示す図であり、（ａ）に平面図を、（ｂ）に側面図を示す。なお、上述の図８に示した従来例と同様の機能部分については同一の符号を付してその説明を省略する。
即ち、水晶振動片１は、直角な切断面である−Ｘ側を自由端とし、突出傾斜の残る＋Ｘ側端を固定端として片端保持するよう水晶振動子を構成する。このように、水晶片１を保持する方向を、＋Ｘ側に統一することが好ましい。
このようにすれば、外部からの振動や衝撃に対して影響の大きい自由端側が−Ｘ側の直角断面であるために事前の設計通りの寸法形状となるため不要振動が主要振動と結合しにくくなる。この場合、他方の固定端側は接着剤４０により振動や衝撃を拘束するため、輪郭を形成する切断面の形状が直角断面でなくても、このような振動や衝撃に対する影響は小さくて済む。

以上、本発明の実施の形態例として、ウエットエッチングの場合を例に示したが、これに限らず、ドライエッチングにあっても本発明を適用できることは言うまでもない。また、両面エッチングに限らず、片面エッチングとしても良い。

本発明に係る水晶片形成方法におけるマスキングの例を示す拡大図である。（ａ）はＸ方向（Ｘ_１−Ｘ_２間）の断面図（ＸＹ面）、（ｂ）は平面図（ＸＺ面）。 本発明に係る水晶片形成方法の両面エッチング時におけるエッチング進行過程を時間遷移ごとに示した水晶ウェハ断面図である。（ａ）はエッチング開始時を、（ｂ）は貫通直後（開始からＴ時間後）を、（ｃ）はオーバーエッチング後（開始から“Ｔ×１．５”時間後）を、（ｄ）は更にオーバーエッチング後（開始から“Ｔ×２．０”時間後）を示す。 本発明に係る水晶片形成方法を用いた両面エッチングにより切り出される水晶片の外観例を示す平面図である。 図３に示した本発明に係る水晶片形成方法により切り出した水晶片を用いて片端保持した水晶振動子の構成例を示す図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。 各種の水晶振動片を示す断面図であり、（ａ）はベベリング（面取り加工）、（ｂ）はコンベックス、（ｃ）はメサ状のものを示す。 ＡＴカットにて切り出した水晶ウェハ（マスク済み）の例を示す斜視図である。 エッチングの様子を説明するための図である。 従来の両面エッチング分割により切り出される水晶片の外観例を示す平面図である。 図８に示した従来の両面エッチング分割により切り出した水晶振動片を用いて片端保持した水晶振動子の構成例を示す図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図。

符号の説明

１・・・水晶片
２・・・非マスク部
３・・・連結支持部
１０・・・水晶ウェハ（水晶母材）
１１・・・保護膜
１２・・・エッチング溶液
１３・・・エッチング槽
２０・・・セラミックパッケージ
３０・・・端子電極
４０・・・導電性接着剤
１０１・・・水晶振動片（水晶片）
１０２ａ，ｂ・・・励振電極
１０３ａ，ｂ・・・リード電極

Claims (5)

1. 所定のカットアングルにて切り出した平板状水晶母材から水晶片をエッチングにより形成する水晶片形成方法であって、
   前記水晶片の外周に相当する部分に開口を有する保護膜を前記平板状水晶母材の表面に形成する工程と、
   前記保護膜の開口部分より露出する前記平板状水晶母材にエッチングを施す工程とを少なくとも含み、
   当該エッチング時間はエッチング開始時から貫通するまでに要する時間の１．５倍以上であること特徴とする水晶片形成方法。
2. ＡＴカットにて切り出した平板状水晶母材からＸ軸方向を長辺としＺ’軸方向を短辺とする略短冊状の水晶片をエッチングにより形成する水晶片形成方法であって、
   前記水晶片の外周に相当する部分に開口を有する保護膜を前記平板状水晶母材の表面に形成する工程と、
   前記保護膜の開口部分より露出する前記平板状水晶母材にエッチングを施す工程とを少なくとも含み、
   当該エッチング時間はエッチング開始時から−Ｘ方向の短辺が貫通するまでに要する時間の１．５倍以上であること特徴とする水晶片形成方法。
3. 前記保護膜の開口は前記水晶片の＋Ｘ方向の短辺の一部を除く水晶片外周に形成したものであり、
   エッチング後に前記＋Ｘ方向の短辺の一部と平板状水晶母材とを繋ぐ連結支持部を切断する工程を含むことを特徴とする請求項２に記載の水晶片形成方法。
4. 前記エッチングは、前記水晶母材の両主面側から同時進行させる両面エッチングであることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の水晶片形成方法。
5. 前記請求項１乃至４の何れかに記載の水晶片形成方法により切り出されたＡＴカットの略短冊状の水晶片であって、Ｚ’軸方向の両端面とＸ軸方向の−Ｘ側端面は断面がほぼ直角であり、Ｘ軸方向の＋Ｘ側端面は断面が傾斜して突出している形状であることを特徴とする水晶片。
   

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