JP2006314007A - 圧電振動片の製造方法および圧電振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】
振動部と枠部との間に貫通溝を有する圧電振動片を製造する上で、振動部と枠部との間に形成する貫通溝の幅を狭くすることができる製造方法を提供する。
【解決手段】
振動部１４と、この振動部１４を囲む枠部１６とを備え、前記振動部１４と前記枠部１６との間に貫通溝２６を設ける圧電振動片１０の製造方法であって、前記振動部１４と前記貫通溝２６を構成する部位に対応した圧電基板１２の厚さをケミカルエッチングにより調整し、厚さを調整された圧電基板１２に対してケミカルエッチングを施して貫通溝２６を構成することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、圧電振動片の製造方法および圧電振動子に係り、特に振動部と枠部とから構成され、前記振動部と枠部との間に貫通溝が形成される圧電振動片の製造方法および本発明の製造方法により製造された圧電振動片を実装する圧電振動子に関する。

振動部の周囲に枠部を設け、前記振動部と前記枠部との間に貫通溝を形成する圧電振動片は通常、ケミカルエッチングにより製造される（図４参照）。ケミカルエッチングにより圧電振動片を製造する場合、まず圧電基板１の表面に水晶をケミカルエッチングする際の耐食膜２となる金属膜を成形し、その上にフォトレジストを塗布する。その後、振動部や枠部の形状が得られるように露光・現像し、レジストが除去された部分の金属膜をケミカルエッチングして所望する形状の耐食膜（第１の耐食膜）を得る（Ｓ１）。そして第１の耐食膜２が形成されていない水晶部分をケミカルエッチングして、振動部６と枠部５との間に溝３を形成し、最終的に貫通溝４とする（Ｓ２〜Ｓ５）。次に、第１の耐食膜を除去し（Ｓ６）、上述したフォトリソグラフィ工程と同様にして枠部５となる圧電基板１の表裏面に第２の耐食膜７を形成する（Ｓ７）。そして、振動部６となる圧電基板１の表裏面をケミカルエッチングして所定の厚さに形成する（Ｓ８）。この後、第２の耐食膜７を除去し（Ｓ９）、振動部６の表裏面に励振電極８を形成することにより圧電振動片９を構成することができる（Ｓ１０）。
エッチングにより圧電振動片を製造することについて開示されたものとして、例えば特許文献１を挙げることができる。
特開平７−２１２１７１号公報

圧電振動子には、水晶をはじめとして様々な圧電材料が利用されており、その基板として、例えばＡＴカット圧電基板等が利用されている。このＡＴカット圧電基板は、一辺がＸ軸（電気軸）に平行で、他辺がＸ軸の回りにＺ軸（光軸）から約３５度の傾きをつけて切断されたものである。ところで水晶をケミカルエッチングする場合、結晶方向によって異なるエッチングレートを有することとなる。すなわち水晶をケミカルエッチングする場合、異方性エッチングとなる特性がある。このため図５に示すように、水晶から切り出されたＡＴカット圧電基板１をケミカルエッチングすると、エッチングにより形成される溝２は一方に大きな傾斜を持つものとなる。

したがって、上記のような製造工程により枠付きの圧電振動片を製造する場合には、次のような課題が生じる。第１には、貫通溝の幅を広くしなければならないので、振動部の平面サイズを小さくしなければならなくなる。具体的には、貫通溝の幅を狭くすると、圧電基板の表面側および裏面側から形成される溝が水平方向にずれてしまい、溝が貫通しない場合が生じる。したがって圧電基板が厚いほど貫通溝の幅を広くし、溝が連通するようにしなければならない。ところが圧電振動片を実装するパッケージサイズに制約がある場合は、貫通溝の幅を広くすると、代償として振動部の平面サイズを小さくしなければならなくなる。ところが、振動部の平面サイズを小さくした場合、クリスタルインピーダンス（ＣＩ）値が大きくなるという問題が生じる。

第２には、蓋体を枠部に接合するために、枠部の幅を広くしなければならないので、振動部の平面サイズを小さくしなければならない。具体的には、貫通溝が圧電基板に斜めに形成されるので、枠部は、表面側の幅と裏面側の幅とが異なって形成される。ところがチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）の圧電振動子とするために、枠部に蓋体を接合しなければならないので、枠部の表面および裏面は、それぞれの面において蓋体の接合が可能な幅を有していなければならない。すなわち蓋体を接合するために枠部を広くしなければならない。したがって圧電振動片を実装するパッケージサイズに制約がある場合は、枠部の幅を広くする分だけ振動部の平面サイズを小さくしなければならない。ところが、振動部の平面サイズを小さくした場合、クリスタルインピーダンス（ＣＩ）値が大きくなるという問題が生じる。

第３には、圧電振動片をエッチング液に浸漬して形成するので、圧電振動片の周波数温度特性が悪くなってしまう。具体的には、振動部は、有限な大きさであることから、主振動以外にスプリアス振動が存在する。例えば、振動部がＡＴカットされた水晶板であれば、厚みすべり振動を主振動とする振動以外に、この主振動の周波数の近傍にスプリアス振動が存在する。このため振動部は、主振動とスプリアス振動とが結合しないように外形寸法の加工精度が決められる。しかし貫通溝を形成するために、圧電基板をエッチング液に長時間浸漬しているとサイドエッチングにより外形寸法に誤差が生じてしまう。サイドエッチングが生じやすい箇所としては、Ｘ軸に沿った方向、特に＋Ｘ方向に形成される角部にあたる箇所を挙げることができる。このようにサイドエッチングにより振動部の加工精度が悪くなった場合、圧電振動片の周波数温度特性が悪くなるという問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、振動部と枠部との間に形成する貫通溝の幅を狭くすると共に、ケミカルエッチングの際に生じるサイドエッチングの影響を少なくし、振動部の加工精度を向上させることができる圧電振動片の製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記方法を用いて製造した圧電振動片から圧電振動子を得ることを目的とする。

圧電基板をケミカルエッチングする際に生じる傾斜面の角度は、使用する圧電基板のカット角度によって略一定の数値となる。したがって、振動部と枠部との間の貫通溝の幅を狭くするためには、貫通溝を構成する部分の圧電基板の厚さを薄くすれば良いということになる。このことを踏まえ、上記目的を達成するための本発明に係る圧電振動片の製造方法は、振動部と、この振動部を囲む枠部とを備え、前記振動部と前記枠部との間に貫通溝を設ける圧電振動片の製造方法であって、前記振動部と前記貫通溝を構成する部位に対応した圧電基板の厚さをケミカルエッチングにより予め定めた厚さに調整し、厚さを調整された圧電基板に対して再度ケミカルエッチングを施して貫通溝を構成することを特徴とした。

このような方法によれば、貫通溝を形成する前に、圧電基板の厚さ調整を行うため、貫通溝を形成する部分の厚さを薄くすることができる。そして、厚さを薄くした圧電基板に対して貫通溝を形成するため、貫通溝を形成するために必要とする幅を狭くすることが可能となる。また、圧電基板の厚さを調整した後に貫通溝を形成するため、振動部となる部位の端部がエッチング液に晒されている時間が短くなる。このため、振動部の端部（側面）に生じるサイドエッチングが少なくなり、振動部の加工精度を向上させることが可能となる。

より具体的には、振動部と、この振動部を囲む枠部とを備え、前記振動部と前記枠部との間に貫通溝を設ける圧電振動片の製造方法であって、圧電基板に対して前記枠部の形状に応じた第１の耐食膜を形成し、前記振動部と前記貫通溝とを構成する部位をケミカルエッチングして発振周波数に応じた厚さにする工程と、圧電基板における前記貫通溝を構成する部位以外の部位に第２の耐食膜を形成し、ケミカルエッチングにより貫通溝を形成する工程と、を有することを特徴とすれば良い。

このような方法であっても、貫通溝を形成する部分の圧電基板の厚さを予め薄くすることができる。そして、厚さを薄くした圧電基板に対して貫通溝を形成するため、貫通溝を形成するために必要とする幅を狭くすることが可能となる。また、圧電基板の厚さを調整した後に貫通溝を形成するため、振動部となる部位の端部がエッチング液に晒されている時間が短くなる。このため、振動部の端部（側面）に生じるサイドエッチングが少なくなり、振動部の加工精度を向上させることが可能となる。

さらに、上記のような方法で圧電振動片を製造する場合、前記第２の耐食膜により圧電振動片の電極を形成すると良い。こうすることにより、第２の耐食膜を除去する工程、圧電基板に対して電極パターンを形成する工程を省くことができる。このため、生産性を向上させることが可能となる。

また、本発明の圧電振動子は、上記方法により製造された圧電振動片を蓋体で挟んだことを特徴とするものである。このような構成の圧電振動子は、蓋体を圧電振動片の枠部に直接接合し、これを圧電振動子とするため、チップサイズパッケージとすることができる。そして振動部の厚さを枠部の厚さよりも薄くするようにしているため、平面形状の蓋体を使用することができる。したがって、圧電振動子を、小型・薄型化することができるとともに、構成部品が削減されるため、製造コストの削減にもつながる。また圧電振動子は、圧電振動片に貫通溝が形成されていることから、圧電振動子にかかる応力が振動部に伝播されることがなく、一定の発振周波数を出力することができる。

以下に、本発明の圧電振動片の製造方法および圧電振動子に係る実施形態について説明する。図１は圧電振動片の説明図であり、図１（Ａ）は概略平面図、図１（Ｂ）は同図（Ａ）のＡ−Ａ線における概略断面図、図１（Ｃ）は同図（Ａ）のＢ−Ｂ線における概略断面図をそれぞれ示す。

圧電振動片１０は、励振部分となる振動部１４を有している。振動部１４には、対向する側面の中央部から支持部２４が突設されており、支持部２４の先端は、振動部１４を囲む枠部１６の内側面に接続されている。すなわち圧電振動片１０は、図１（Ａ）に示すＸＺ平面内に振動部１４および枠部１６が形成され、振動部１４と枠部１６との間に貫通溝２６が設けられた形状を成す。また、振動部１４は、予め定めた厚さ、具体的には、発振周波数に応じて定められた厚さに設定されており、その表面および裏面に励振電極１８が形成される。また、枠部１６を構成する圧電基板１２は、振動部１４を構成する圧電基板１２よりも厚く形成されている。さらに、枠部１６には、振動部１４に形成した励振電極１８と導通する引き出し電極２２及び接続電極２０が形成されている。

次に、圧電振動片１０の製造方法について説明する。図２は、圧電振動片１０の製造工程を示す図である。まず、圧電基板（圧電ウェハ）１２の表面において、枠部１６となる部位に第１の耐食膜３０を形成する。本工程における耐食膜としては、金属、酸化金属等の薄膜を採用すると良い。そして、耐食膜の膜付け（成膜）方法の一例として次のような工程による成膜方法を挙げることができる。まず、圧電基板１２の表面を鏡面研磨する。次に、圧電基板１２の表裏面（全面）に対して、真空蒸着、スパッタ等により耐食膜材料を成膜する。次に、耐食膜材料の上面にフォトレジストをコーティングする。なお、フォトレジストのコーティングは、スピンコート、ロールコート、ディップコート等によれば良い。次に、レジスト中の溶剤を除去するためにベーキングを行う。次に、形成する耐食膜の形状（パターン）に応じたフォトマスクを用いて露光を行う。その後、現像し、溶剤水分等を除去するためのベーキングを行い、エッチング液により耐食膜を所望の形状にエッチングする。エッチング終了後、フォトレジストを除去することにより、所望する形状の耐食膜を得ることができる（Ｓ１００）。

上述のようにして枠部１６となる部位に第１の耐食膜３０を形成した後、圧電基板１２の表裏面をケミカルエッチングし、圧電基板１２が所定の厚さになるまでエッチングする。圧電基板１２の厚さは、圧電振動片１０に要求される発振周波数に応じて設定されるものであり、その厚さが厚ければ発振周波数が低く、薄ければ発振周波数が高くなる。そして、圧電基板１２を所定の厚さにするには、圧電基板１２のエッチングレートを予め求めておき、このエッチングレートに基づいてエッチングを行うようにすれば良い（Ｓ１１０）。

枠部１６を残して圧電基板１２をエッチングした後、枠部１６に成膜した耐食膜３０を除去する（Ｓ１２０）。
その後、枠部１６及び振動部１４を構成する部位に第２の耐食膜４０を形成する（Ｓ１３０）。そして、圧電基板１２のうち、第２の耐食膜４０を成膜していない部位をケミカルエッチングして圧電基板１２内に振動部１４を形成する。このエッチングにより、圧電基板１２内に、振動部１４と枠部１６、及び振動部１４と枠部１６とを隔てる貫通溝２６を形成するのである。なお、エッチングレートを考慮して、枠部１６に片側傾斜面を有する突起部２５を残すようにすると良い。このような形状とすることにより、突起部２５の傾斜面を利用して電極パターンを形成することが可能となる。傾斜面に電極を形成することによれば、引き出し電極の断線を防止することができる（Ｓ１４０）。

圧電基板１２を所望の形状に形成した後、第２の耐食膜４０を除去し（Ｓ１５０）、圧電基板１２の表裏面に励振電極１８、引き出し電極２２、接続電極２０（図１参照）等の電極パターンを形成する（Ｓ１６０）。

上記のような工程により圧電振動片１０を製造することによれば、従来の製造方法によって製造する圧電振動片に比べ、振動部１４と枠部１６との間に形成した貫通溝２６の幅を狭くすることができる。これは、エッチングにより貫通溝を形成する圧電基板１２の厚さを相対的に薄くしたことに起因する。すなわち、厚さＨの圧電基板１２を貫通するための溝幅としては幅Ｌを必要としていた。これに対し、Ｓ１００に示したように、最初に貫通溝２６を含む振動部１４の厚さ調整を行うことで、貫通溝２６を形成する圧電基板１２の厚さを擬似的に、厚さｈの分だけ薄くすることができるのである。こうすることにより、貫通溝２６の幅として幅Ｌを必要としていたものを幅ｌに抑えることが可能となる。したがって、振動部１４の表面サイズ（幅）は、数式１にあたる分だけ、従来よりも大きく形成することが可能となる。したがって、圧電振動片１０のＣＩ値を小さくすることが可能となる。

また、上記のような方法により圧電振動片１０を形成することによれば、貫通溝２６を形成する際に、振動部１４がエッチング液に晒される時間が短くなる。このため、振動部１４に対するサイドエッチングが少なくなり、振動部１４の加工精度が向上する。したがって、圧電振動片１０の周波数温度特性を向上させることができる。

また、上述した圧電振動片の製造方法では、Ｓ１４０の工程を経た後に第２の耐食膜４０を除去し、その後に電極パターンを形成する旨記載した。しかしながら、第２の耐食膜４０を貫通溝２６となる部位以外の箇所に成膜し、この第２の耐食膜４０をそのまま電極パターンとする、若しくは第２の耐食膜４０を利用して電極パターンを形成するようにしても良い。このような手法を採ることにより、耐食膜の除去、電極パターンの形成といった工程を省くことができ、生産性を向上させることが可能となる。

また、上述した圧電振動片の製造方法は、圧電材料として水晶を採用し、ＡＴカットされた圧電基板を例に挙げて説明した。しかしながら、上述した圧電振動片の製造方法は、チタン酸ジルコン酸鉛等の他の圧電材料を用いた場合であっても適用することができる。また、ＢＴカット等の他のカット各の圧電基板に対しても有効であると考えられる。

また、本発明の製造方法により製造された圧電振動片の特定は、圧電振動片１０における枠部１６の厚さＨと、エッチングにおける傾斜面の傾斜角度θ、及び貫通溝２６の幅Ｌから行うことができる。すなわち、枠部１６の厚さＨと傾斜面の角度θとより貫通溝２６の幅Ｌを算出することができる。そして、算出された貫通溝２６の幅Ｌに対して実測した貫通溝の幅が、ｌにあたる分だけ狭くなっていた場合には、本発明の方法により製造された圧電振動片であるということになる。

次に、図３を参照して本発明の圧電振動子について説明する。本実施形態の圧電振動子は、上記Ｓ１００〜Ｓ１６０の工程により製造した圧電振動片１０を、平板状の蓋体５０，５２で挟み込んでＣＳＰ（Chip Size Package）の圧電振動子１００としたものである。このような構成の圧電振動子１００では、前記接続電極２０は適宜引き回されて蓋体５２に設けられた実装電極５４と電気的に接続される。

ところで、従来のＣＳＰ圧電振動子は蓋体に凹部を形成し、蓋体が振動部に接触することを回避していた。しかし、上記構成の圧電振動子１００は、圧電振動片１０の振動部１４を枠部１６よりも薄型としているため、平板状の蓋体５０，５２を枠部１６に直接接合した場合であっても振動部１４の励振を阻害することが無い。したがって、蓋体５０，５２に凹部を形成する必要がなくなる分だけ蓋体自体を薄型化することができ、圧電振動子１００自体も薄型化されることとなる。

また、圧電振動片１０の振動部１４と枠部１６との間に貫通溝２６（図１参照）を形成することにより、蓋体５０，５２と圧電振動片１０との熱膨張係数の違い等によって生じる応力が、振動部１４へ伝播することを避けることができる。したがって、振動部１４が温度変化によってパッケージに生じる応力の影響を受けにくくなり、温度特性を良好に保つことが可能となる。

圧電振動片の説明図である。 本発明の圧電振動片の製造方法に係る説明図である。 本発明の圧電振動子に係る概略断面図である。 従来の圧電振動片の製造方法に係る説明図である。 水晶基板をケミカルエッチングした場合の説明図である。

符号の説明

１０………圧電振動片、１２………圧電基板、１４………振動部、１６………枠部、１８………励振電極、２０………接続電極、２２………引き出し電極、２４………支持部、２６………貫通溝。

Claims (4)

1. 振動部と、この振動部を囲む枠部とを備え、前記振動部と前記枠部との間に貫通溝を設ける圧電振動片の製造方法であって、
   前記振動部と前記貫通溝を構成する部位に対応した圧電基板の厚さをケミカルエッチングにより予め定めた厚さに調整し、
   厚さを調整された圧電基板に対して再度ケミカルエッチングを施して貫通溝を構成することを特徴とする圧電振動片の製造方法。
2. 振動部と、この振動部を囲む枠部とを備え、前記振動部と前記枠部との間に貫通溝を設ける圧電振動片の製造方法であって、
   圧電基板に対して前記枠部の形状に応じた第１の耐食膜を形成し、前記振動部と前記貫通溝とを構成する部位をケミカルエッチングして発振周波数に応じた厚さにする工程と、
   圧電基板における前記貫通溝を構成する部位以外の部位に第２の耐食膜を形成し、ケミカルエッチングにより貫通溝を形成する工程と、
   を有することを特徴とする圧電振動片の製造方法。
3. 前記第２の耐食膜により圧電振動片の電極を形成することを特徴とする請求項２に記載の圧電振動片の製造方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の方法を用いて製造した圧電振動片を蓋体で挟んだことを特徴とする圧電振動子。

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