JP2005265438A - 振動子の製造方法および振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトリソグラフィー法とエッチング法とを組み合わせて振動子の外形を成形し、振動型ジャイロスコープ用の振動子を製造するのに際して、製造した振動子ごとの検出離調のバラツキを防止できるようにする。
【解決手段】Ｘ軸とＹ軸とを含む所定面に沿って少なくとも一部が形成されている振動子９を製造する。基板１上に金属膜とフォトレジスト膜とを形成し、フォトレジスト膜にフォトリソグラフィー法によって開口部を形成し、次いで金属膜をエッチングすることによって金属マスクを形成し、基板１をエッチングすることによって振動子９を成形する。この際Ｘ軸方向のサイドエッチング量のＹ軸方向のサイドエッチング量に対する比率（ｄＸ／ｄＹ）が３．０以上である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、振動子の製造方法および振動子に関するものである。

振動型ジャイロスコープ用の水晶振動子をフォトリソグラフィー法およびウエットエッチング法によって形成することが知られている。例えば、特許文献１には、振動片の両方の主面に溝を形成し、振動片の断面をＨ型とするための製法が記載されている。具体的には、水晶ウエハの表面と裏面とに金属マスクを形成し、この金属マスク上にフォトレジスト膜を形成し、フォトレジスト膜をパターニングする。そしてフォトレジスト膜のパターンに合わせて金属マスクをパターニングする。このパターンは、振動子の外形輪郭に合わせて設計されている。次いで、金属マスクパターン上にフォトレジスト膜を成膜し、次いでフォトレジスト膜をパターニングする。このフォトレジスト膜のパターンは、振動片の溝のパターンに合わせて設計されている。次いで金属マスクのパターンに合わせて水晶ウエハをエッチングし、振動片の外形輪郭を成形する。次いで、金属マスクを溝パターンに合わせてパターニングし、次いでエッチングによって振動片に溝を形成する。
特開２００２−７６８０６号公報

このように、フォトリソグラフィー法とウエットエッチング法とを組み合わせて水晶振動子の外形を成形する方法は、微小な振動子を作製する方法として優れている。しかし、振動子が微小になってくると、この振動子を用いて作製した振動型ジャイロスコープにおいて、製造した振動子ごとに、検出離調にバラツキが発生することがあった。

本発明の課題は、フォトリソグラフィー法とエッチング法とを組み合わせて振動子の外形を成形し、振動型ジャイロスコープ用の振動子を製造するのに際して、製造した振動子ごとの検出離調のバラツキを防止できるようにすることである。

本発明は、Ｘ軸とＹ軸とを含む所定面に沿って少なくとも一部が形成されている振動子を製造する方法であって、基板上に金属膜からなるマスクを形成し、次いで基板をエッチングすることによって振動子を成形し、この際Ｘ軸方向のサイドエッチング量のＹ軸方向のサイドエッチング量に対する比率（ｄＸ／ｄＹ）が３．０以上であることを特徴とする。

本発明者は、前述した検出感度のバラツキの原因を調査したところ、フォトリソグラフィー技術によってメタルマスクを形成し、次いでエッチングによって振動子を成形する際に、Ｘ軸方向とＹ軸方向との間でのサイドエッチング量と検出離調のバラツキとが相関することを発見した。

この点を更に追求した結果、Ｘ軸方向のサイドエッチング量のＹ軸方向のサイドエッチング量に対する比率（ｄＸ／ｄＹ）を大きくすることによって、具体的には３．０以上とすることによって、製造した振動子ごとの検出離調のバラツキが少なくなり、検出感度のバラツキが低減されることを見いだし、本発明に到達した。

本発明の振動子は、少なくとも一部が、Ｘ軸とＹ軸とを含む所定面に沿って形成されているものである。振動子の全体が所定面に沿って形成されていてもよい。所定面に沿って形成されているとは、所定面と略平行に形成されていることを意味する。

図１〜図３は、本発明の第一の実施形態に係るプロセスを説明するためのものである。まず、図１（ａ）に示すように基板１を準備する。基板１はウエハー状であってよい。基板１の材質は限定されないが、圧電単結晶が好ましく、水晶、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶等からなる圧電単結晶が特に好ましい。基板はＺ板、Ｘ板（Ｙ板）のいずれであってもよく、またＺ板やＸ板（Ｙ板）のオフセット基板であってよい。特に好適な実施形態においては、圧電単結晶が３回対称のａ軸を有しており、Ｘ軸がａ軸と一致し、Ｙ軸がａ軸に対して直交している。

基板１の表面をエッチングすることによって、表面の加工変質層を除去できる。次いで、基板１を洗浄することによって、パーティクルを減らすことができる。この際の洗浄液としては、アルカリ系洗剤、超純水、イソプロピルアルコール（ＥＬグレード）などがある。

次いで基板１の主面１ａ、１ｂ上に、それぞれ金属膜２Ａ、２Ｂを形成する。この金属膜２Ａ、２Ｂは、振動子材料用のメタルマスクとして機能する限り限定されない。例えば、下地をＣｒとし、その上にＡｕを積層した多層膜、下地をＴｉとしその上にＡｕを積層した多層膜、タングステン膜を例示できる。

次いで、各金属膜２Ａ、２Ｂ上に、それぞれ、フォトレジスト膜３Ａ、３Ｂを形成し、被覆する。次いで、図１（ｂ）に示すように、フォトレジスト膜３Ａ、３Ｂをパターニングし、パターニングされたフォトレジスト膜４Ａ、４Ｂを得る。フォトレジスト膜３Ａ、３Ｂのパターニングは、通常の露光方法によって実施できる。露光時にはコンタクトアライナーを使用することができる。

次いで、図１（ｃ）に示すように、金属膜３Ａ、３Ｂをエッチングし、フォトレジスト膜４Ａ、４Ｂのパターンを金属膜に転写し、パターニングされた金属マスク６Ａ、６Ｂを形成する。次いで、フォトレジスト膜４Ａ、４Ｂを除去し、図２（ａ）に示す所定パターンの金属マスク６Ａ、６Ｂを露出させる。ここで、金属マスク６Ａ、６Ｂには開口部７Ａ、７Ｂが形成されており、これが振動子の外形に対応している。

金属マスクのエッチング方法それ自体は公知である。例えば、金用エッチャントとしては、よう素とよう化カリウムの水溶液が好ましく、クロム用エッチャントとしては、硝酸第二セリウムアンモニウムと過塩素酸の水溶液が好ましい。また、金とクロムを同時にエッチングする場合には硝酸第二セリウムアンモニウムと過塩素酸と塩酸の水溶液が好ましい。

次いで、基板１をエッチングし、図２（ｂ）に示すような外形輪郭を有する振動子９を得る。このとき金属膜６Ａ、６Ｂがエッチング用マスクとして機能する。エッチングの具体的方法は限定されず、ドライエッチング、ウエットエッチングでよいが、ウエットエッチングが好ましい。

基板１のエッチング方法それ自体は公知である。例えばエッチャントとしては、フッ化水素溶液、フッ化水素アンモニウム溶液、バッファードフッ酸溶液（フッ化水素アンモニウムとフッ化アンモニウムの混合液）、水酸化ナトリウム溶液などがある。

本発明においては、Ｘ軸方向のサイドエッチング量のＹ軸方向のサイドエッチング量に対する比率（ｄＸ／ｄＹ）が３．０以上である。まず各軸方向のサイドエッチング量について述べる。図２（ａ）に示す段階においては、メタルマスク６Ａ、６Ｂの開口部７Ａ、７Ｂの寸法は、例えばＷＸ（ＷＹ）である（ＷＸはＸ軸方向の寸法、ＷＹはＹ軸方向の寸法）。

この後、振動子の外形９を形成するのに際して、いわゆるサイドエッチングが生ずる。これは、メタルマスク６Ａ、６Ｂの開口部７Ａ、７Ｂ側のエッジにおいて、振動子を構成する材料が、開口部７Ａ、７Ｂを超えてエッチングを受けるために、振動子の開口部１０の寸法が、メタルマスクの開口部７Ａ、７Ｂの寸法よりも若干大きくなる現象である。

この結果、図２（ｂ）に示すように、振動子外形９の開口部１０の寸法ＥＸ（ＥＹ）は、メタルマスク６Ａ、６Ｂの開口部７Ａ、７Ｂの寸法ＷＸ（ＷＹ）よりも大きくなる（ＥＸはＸ軸方向の寸法、ＥＹはＹ軸方向の寸法）。

ここで、図２（ｂ）において、開口部１０に面する振動子９の各エッジにおけるサイドエッチング量（Ｘ軸方向）ｄＸは、（ＥＸ−ＷＸ）／２で定義される。また、開口部１０に面する振動子９の各エッジにおけるサイドエッチング量（Ｙ軸方向）ｄＸは、（ＥＹ−ＷＹ）／２で定義される。

本発明においては、Ｘ軸方向のサイドエッチング量のＹ軸方向のサイドエッチング量に対する比率（ｄＸ／ｄＹ）を３．０以上とする。これによって、フォトリソグラフィー法とエッチング法とを組み合わせて振動子の外形を成形し、振動型ジャイロスコープ用の振動子を製造するのに際して、検出離調のバラツキを防止できる。この相関関係が成立する理由は明らかになっていないが、サイドエッチング時の異方性が高いほど、得られる振動子の外形が安定するものと推測される。

本発明の観点からは、Ｘ軸方向のサイドエッチング量のＹ軸方向のサイドエッチング量に対する比率（ｄＸ／ｄＹ）は３．３以上とすることが更に好ましい。また、この上限は特にないが、現実的には、4.2以下となることが多い。

ｄＸ／ｄＹを変更し、制御する方法は特に限定されない。例えば、金属膜２Ａの厚さを変更することによって、ｄＸ、ｄＹを変化させることができる。また、金属膜２Ａを二層構造とした場合には、下地層の厚さおよび／または上層の厚さを変化させることによって、ｄＸ／ｄＹを変化させることができる。

次に、本発明を適用可能な振動子の一例について述べる。
図３を参照しつつ、本実施形態の振動子１１の形状および動作について説明する。振動子１１の基部１２は、振動子の重心ＧＯ（振動子が振動していないときの重心）を中心として四回対称の略正方形をなしている。各支持部１３は、基部１２の周縁部から径方向に細長く突出しており、各支持部１３の長手方向に直交する方向に向かって、それぞれ一対の細長い駆動振動片１４が延びている。本例では、各駆動振動片１４の先端に幅広の重量部ないしハンマーヘッド１５が設けられており、各重量部１５内に貫通孔が設けられている。

基部１２の周縁部から細長い検出振動片１６が径方向に突出して延びており、各検出振動片１６の先端にはそれぞれ幅広の重量部ないしハンマーヘッド１７が設けられており、各重量部１７内に貫通孔が設けられている。

次に振動子１１の動作について述べる。図示しない駆動電極を使用し、駆動振動片１４を矢印ＡのようにＸ−Ｙ面内で共振させる。屈曲振動片１４の駆動振動の全体の重心が、振動子の重心ＧＯ上か、またはその近傍に位置するようにする。この状態で、振動子１１を所定面（Ｘ−Ｙ面）内で回転軸Ｚを中心としてωのように回転させると、回転中にコリオリ力が振動子１１に作用する結果、各支持部１３は、矢印Ｂのように、その基部１２への付け根を中心として屈曲振動する。この際、支持部１３の各屈曲振動の位相は、重心ＧＯを中心として周方向に見たときに反対向きになる。これに対応して、各検出振動片１６は、矢印Ｃに示すように、その基部１２への付け根を中心として屈曲振動する。各検出振動片１６が屈曲振動すると、図示しない検出電極に信号電圧が発生するので、この信号電圧から回転角速度を算出する。

ここで、Ｙ軸方向に延びる振動片１４、１６をエッチングにより形成する際には、図４（ａ）に示すように、Ｘ軸方向へのサイドエッチングにより、フォトリソグラフィー用マスクの開口部の寸法ＷＸに比べて、得られた振動子における開口部の寸法ＥＸが大きく、それだけ各振動片１４、１６の端面２０が引っ込んでおり、振動片１４、１６が細くなっている。この寸法差がサイドエッチング量ｄＸである。

Ｘ軸方向に延びる振動片１３をエッチングにより形成する際には、図４（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向へのサイドエッチングにより、フォトリソグラフィー用マスクの開口部の寸法ＷＹに比べて、得られた振動子における開口部の寸法ＥＹが大きく、それだけ各振動片１３の端面２０が引っ込んでおり、振動片１３が細くなっている。この寸法差がサイドエッチング量ｄＹである。

また、検出離調とは、振動子に励起される駆動振動モードの振動の共振周波数と、検出振動モードの振動の共振周波数との差である。

振動子を用いて測定されるべき物理量は、特に限定はされない。振動子に駆動振動を励振し、駆動振動中の振動子に対する物理量の影響によって振動子の振動状態に変化が生じたときに、この振動状態の変化から検出回路を通して検出可能な物理量を対象とする。こうした物理量としては、振動子に印加される加速度、角速度、角加速度が特に好ましい。また、測定装置としては慣性センサーが好ましい。

図１、図２を参照しつつ説明した製造方法に従い、図３、図４に示す振動子１１を作製し、その離調ばらつきを測定した。

具体的には、２インチ角、厚さ0.1mmの水晶基板を希フッ酸にてエッチング洗浄した後、スピンドライヤーにて乾燥し、清浄な水晶基板１を製作した。次に、スパッタ装置を用いて水晶基板１の両方の主面１ａおよび１ｂに、下地層であるCrを5ｎｍ、その上にAuを150ｎｍの厚さで成膜し、金属膜２Ａ、２Ｂを成膜した。また、異なる成膜条件として、Cr厚さを5nmとし、Ａｕ厚さを50ｎｍとした。

次にAu膜の成膜面上に、スピンコーターによりフォトレジストを塗布してレジスト膜３Ａ、３Ｂを形成した（図１（ａ））。両方の主面１ａ、１ｂの高精度アライメントが可能な露光装置と水晶外形エッチング加工パターンをウェハ面内に100個描画したフォトマスクを用い、フォトリソグラフィーによって水晶基板１の両方の主面１ａ、１ｂ側に水晶振動子の外形エッチング加工用のレジストパターン４Ａ、４Ｂを形成した（図１（ｂ））。

このレジストパターン４Ａ、４Ｂをマスクとして、硝酸セリウムアンモニウムと塩酸と過塩素酸の混合液にて、水晶基板１上に成膜したAuとCrからなる金属膜２Ａ、２Ｂをエッチング除去し、水晶振動子の外形加工用エッチングマスクパターン６Ａ、６Ｂを形成した（図２（ａ））。また、ウェハ面内の100個の振動子について、エッチングマスクパターン６Ａ、６ＢのＸ方向とＹ方向を寸法測定した。

次いで、基板１を、70℃に加熱した40%フッ化水素アンモニウム溶液に14時間浸漬し、水晶をエッチング加工し、振動子外形９を得た（図２（ｂ））。ここで、予め測定しておいたエッチングマスクパターンと同一位置において、水晶振動子のＸ方向とＹ方向の寸法を測定し、エッチングパターン寸法から水晶寸法を差し引いた値をそれぞれＸ方向のサイドエッチング量ｄＸ、Ｙ方向のサイドエッチング量ｄＹとした。

Ｘ方向のサイドエッチング量ｄＸとＹ方向のサイドエッチング量ｄＹの比（ｄＸ／ｄＹ）を算出した。この結果、エッチングマスクの膜厚としてCrが50ｎｍ、Ａｕが150ｎｍの膜条件では1.8であったのに対し、Crが50ｎｍ、Ａｕが50ｎｍの膜条件では4.2となり、膜条件により大きく異なった。

次にエッチング加工にて水晶基板上に形成した振動子の表裏面及び側面にCrを下地層としAuを表面層とした電極膜を成膜した後、その表面にフォトリソグラフィーによって電極配線パターンを形成して振動子ジャイロ用水晶振動子を得た。

このように製作した水晶振動子の周波数特性を測定した結果、Ｘ／Ｙサイドエッチング比が1.8であったウェハの100個の振動子における離調の標準偏差は520Hzであった。同様に、Ｘ／Ｙサイドエッチング比が4.2であったウェハの100個の振動子について周波数特性を測定すると離調の標準偏差は64Hzであった。駆動モードの共振周波数、検出モードの共振周波数は、インピーダンスアナライザで測定した。

更に、ｄＸ／ｄＹの水準を、図５および表１に示すように種々変更し、離調ばらつきと相関があるか実験したところ、図５および表１に示すような関係が得られた。この結果、ｄＸ／ｄＹを３．０以上にすれば離調ばらつきを抑制できることが分かった。

（ａ）は、基板１上に金属膜２Ａ、２Ｂおよびフォトレジスト膜３Ａ、３Ｂを形成した状態を示す断面図であり、（ｂ）は、フォトレジスト膜３Ａ、３Ｂのエッチングによってフォトレジストパターン４Ａ、４Ｂを形成した状態を示す断面図であり、（ｃ）は、更に金属膜２Ａ、２Ｂをエッチングした状態を示す断面図である。 （ａ）は、金属膜によって形成したメタルマスク６Ａ、６Ｂを示す断面図であり、（ｂ）は、エッチングにより形成された振動子外形９を示す断面図である。 本発明の一実施形態において使用可能な振動子１１の外形を概略的に示す平面図である。 （ａ）は、Ｘ軸方向におけるサイドエッチング量ｄＸを説明するための模式図であり、（ｂ）は、Ｙ軸方向におけるサイドエッチング量ｄＹを説明するための模式図である。 Ｘ／Ｙサイドエッチング比と離調ばらつきとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 基板 ２Ａ、２Ｂ 金属膜 ３Ａ、３Ｂ フォトレジスト膜 ４Ａ、４Ｂ パターニングされたフォトレジスト膜 ５Ａ、５Ｂ フォトレジスト膜の開口部 ６Ａ、６Ｂ メタルマスク ７Ａ、７Ｂ メタルマスク６によって形成された開口部 ９ 振動子の外形 １０ 振動子の開口部 ＥＸ 振動子９の開口部１０の寸法（Ｘ軸方向） ＥＹ 振動子９の開口部１０の寸法（Ｙ軸方向） ＷＸ メタルマスク６Ａ、６Ｂの開口部７Ａ、７Ｂの寸法（Ｘ軸方向） ＷＹ メタルマスク６Ａ、６Ｂの開口部７Ａ、７Ｂの寸法（Ｙ軸方向） ｄＸ Ｘ軸方向のサイドエッチング量 ｄＹ Ｙ軸方向のサイドエッチング量

Claims (4)

1. Ｘ軸とＹ軸とを含む所定面に沿って少なくとも一部が形成されている振動子を製造する方法であって、
   基板上に金属膜からなるマスクを形成し、次いで前記基板をエッチングすることによって前記振動子を成形し、この際前記Ｘ軸方向のサイドエッチング量の前記Ｙ軸方向のサイドエッチング量に対する比率（ｄＸ／ｄＹ）が３．０以上であることを特徴とする、振動子の製造方法。
2. 前記基板が圧電性単結晶からなることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 請求項１または２記載の方法によって製造されたことを特徴とする、振動子。
4. 振動型ジャイロスコープ用の振動子であることを特徴とする、請求項３記載の振動子。

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