JP2007259051A - 水晶振動子片の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶振動子片をウェットエッチングによって作製する際、残渣を極限まで減らそうとすると、サイドエッチングが大きく、所望の形状を得ることができなかった。
【解決手段】
水晶基板の所望の部分にエッチング用の第１のマスクを設け、前記水晶基板をエッチング加工し水晶振動子片が一体に形成されている中間加工基板を形成する第１のエッチング加工工程と、前記中間加工基板の前記第１のマスクを除去する工程と、前記第１のマスクを除去された中間加工基板の所望の部分にエッチング用の第２のマスクを設ける工程と、前記中間加工基板のエッチング加工面にエッチング異方性により形成された突出部をエッチング加工して除去する第２のエッチング加工工程と、前記第２のマスクを除去する工程と、を有することを特徴とする水晶振動子片の製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、水晶発振器やジャイロセンサーなどに利用されるウェットエッチングによる水晶振動子片の製造方法に関する。

水晶発振器やジャイロセンサーに利用される水晶振動子は、水晶基板から所望の形状の水晶振動子片を切り出す工程、水晶振動子片を発振させるための電極を形成する工程、および電極が形成された水晶振動子片を容器に実装する工程などによって製造される。水晶振動子片の外形が振動を決定するため、水晶基板から水晶振動子片を切り出す工程は、水晶振動子の性能を決定する重要な工程である。

従来、水晶基板から水晶振動子片を切り出す工程には、切削加工法またはエッチング法が用いられてきた。特に、エッチング法は、水晶基板を化学的に溶解させて加工することから微細で高精度な加工が可能であり、小型の水晶振動子片を製造する場合に多く用いられている。シリコン等に比べてエッチングレートの遅い水晶の場合、短時間で済み、一度に大量に生産でき、装置も簡便なウェットエッチングが工業的には望ましい。

図５は水晶振動子片を正面から見た概略図である。水晶振動子片６は、水晶振動子基部２２と水晶振動子脚部２３から構成されている。図６および図７は従来の水晶振動子片の製造工程図であり、図５におけるＡ−Ａ断面に対応した断面図である。ウェットエッチングによる水晶振動子片の加工方法の一例（例えば、特許文献１を参照）を、図６および図７を用いて説明する。まず図６(ａ)に示すように、水晶基板１の表裏両面に金属耐食膜２、３をスパッタ又は蒸着により形成する。上部層の金属耐食膜２には金（Ａｕ）膜、下地層の金属耐食膜３にはＣｒ膜などが用いられる。次に図６(ｂ)に示すように金属耐食膜２、３の上部にレジスト４を塗布し、図６(ｃ)に示すように振動子形状のフォトマスク５を用いて表裏両面から露光する。次に図６（ｄ）に示すようにレジスト４を現像し、レジストパターン４ａを形成する。次に、図７（ｅ）に示すように得られたレジストパターン４ａをマスクとして金属耐食膜２、３をエッチングすると、金属耐食膜２ａ、３ａからなる金属耐食膜パターン７ができる。この金属耐食膜パターン７をマスクとして、水晶基板をフッ酸系のエッチング液に浸すと金属耐食膜に覆われていない部分の水晶がエッチングされ、図７（ｆ）に示すような水晶振動子片形状が得られる。金属耐食膜７を剥離すると図７（ｇ）、及び図５に示すような水晶振動子片６が得られる。図７（ｇ）は、図５のＡ−Ａ断を示し、水晶振動子片６の脚部２３の断面を示す。

図８はエッチング加工面２１に残る突出部である残渣１３を表した図である。図８(ａ)、および図５に示すように、この水晶振動子片６には水晶の異方性によりある一定の方向に突出する突出部、即ちその断面が三角形の形状をなす残渣１３が残ってしまう。この残渣１３は振動子の特性を悪化させ、特にジャイロセンサーなどに応用する場合、その影響は大きくなる。残渣１３は長時間エッチングをすることにより徐々に減少し、やがて図８（ｂ）に示すようにエッチング加工面がほぼ垂直になった水晶振動子片１８が得られる（例えば、特許文献２を参照）。

特開昭５２−７６８９４号公報（第４頁、図１） 特開２００５−２１０１８５号公報（第１頁、図６）

従来例に示したように、水晶振動子片をウェットエッチングによって作製すると、水晶の異方性によって特定の部位に残渣が残ってしまう。この残渣は、振動特性を悪化させるため、取り除くことが好ましい。

しかしながら、従来の方法において、残渣をなくすために長時間エッチングを行うと、残渣が減少するとともに水晶加工面に垂直な方向へのサイドエッチングも大幅に進行する。

残渣の減少レートはサイドエッチングのレートよりも速いため、やがて残渣はほぼ消失するが、サイドエッチングが起こる分だけ残渣の付け根もマスク内部に後退するため、サイドエッチングがないと仮定した場合に比べて残渣が消失するまでのエッチング時間は余計にかかってしまい効率がよくない。

また、残渣がほとんどなくなるまで長時間エッチングを行うと、サイドエッチング量も多くなるため、フォトマスクの寸法を所望の水晶振動子片形状よりも大幅に広げておかなければならない。特に、板厚が厚くなると残渣を消失させるまでにかかる時間も多くなり、サイドエッチング量も大きく、マスク寸法も多く必要である。板厚に対して水晶振動子片脚部間の溝の寸法の割合が小さい水晶振動子片を製造したい場合などは、マスク上では脚部間のパターン同士が接近してしまう。よって、板厚に対してパターンが微細になると製造することができなくなる。

また、水晶の水平方向へのサイドエッチングは異方性の影響により方向によって速度が異なる。そのため、長時間エッチングを行うと、振動脚先端が斜めに削れてしまうなどの問題が起きてしまう。

このように、従来の方法で長時間エッチングを行って残渣を消失させる方法は、サイドエッチングのために効率が悪く、設計の自由度を妨げ、所望の振動子形状を得ることができないという問題をかかえている。

〔発明の目的〕
本発明は、上記従来技術において長時間ウェットエッチングをして残渣を消失させる際に問題となっていたサイドエッチングを防ぎ、効率よく、また設計の自由度も保ちながら、残渣がほとんどない所望の形状をもった水晶振動子片の製造方法を提供するものである。

上記の課題を解決し目的を達成するために本発明は、水晶基板をエッチング液でエッチング加工し水晶振動子片の形状を形成する水晶振動子片の製造方法において、水晶基板の所望の部分にエッチング用の第１のマスクを設け、水晶基板をエッチング加工し水晶振動子片が一体に形成されている中間加工基板を形成する第１のエッチング加工工程と、中間加工基板の第１のマスクを除去する工程と、第１のマスクを除去された中間加工基板の所望の部分にエッチング用の第２のマスクを設ける工程と、中間加工基板のエッチング加工面にエッチング異方性により形成された突出部をエッチング加工して除去する第２のエッチング加工工程と、第２のマスクを除去する工程とを有することを特徴とする。

また、本発明の水晶振動子片の製造方法において、第２のマスクが突出部の一部に形成されていることを特徴とする。

また、エッチング加工面から突出部の先端までの高さをｂ、エッチング加工面から突出部の第２のマスクが形成されている部分の高さをａ、エッチング加工面のサイドエッチン
グレートをＡ、前記突出部の減少レートをＢとし、次式
ｂ／Ｂ≦ａ／Ａ
の関係を満たすように各値が設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、第１のエッチング加工工程で形成した残渣の残った水晶振動子片に、再び金属耐食膜を形成して、フォトリソグラフィーにより残渣の部分のみ金属耐食膜を取り除き、これを第２のマスクとして第２のエッチング加工を行うことにより、第１のエッチング加工工程で生じた以上にはサイドエッチングを起こさせずに、残渣の部分のみをエッチングすることができる。

また、本発明によれば、残渣を消失させるために長時間にわたって行う第２のエッチング加工の際にサイドエッチングが防止でき、残渣の付け根がそれ以上マスク内部に後退することがないので、従来の方法よりも短いエッチング時間で残渣を消失させることができ、効率がよい。板厚が厚い場合や、エッチングレートの遅い条件でエッチングを行う場合、特に有効である。

また、本発明によれば、残渣を消失させるために行う第２のエッチング加工工程においてサイドエッチングを防止することができるので、水晶振動子片の形状はマスクのパターンから大きく外れることはない。板厚に対して溝幅が狭い場合、従来の方法では作製することができなかったが、本発明によればマスク寸法と出来上がり寸法を近くすることができるので作製可能範囲が広がる。微細パターンが工業的に有利なウェットエッチングで形成できる。

また、サイドエッチングのレートは水晶の面方向によって異なっているため、長時間エッチングを行うと振動脚先端が斜めに削れてしまうという問題があったが、本発明においては残渣以外の部分は金属耐食膜に覆われているため、そのようなことは起こらない。板厚が厚い場合、エッチング時間が長く必要であり、形状の崩れも顕著であるため、特に効果的である。その他、残渣以外の部分のサイドエッチングは起こらないため、所望の形状を得ることができる。

また、本発明は、通常のウェットエッチングによる水晶振動子片製造工程で使用する設備のみで実行することができ、新たに大掛かりな設備を用いなくても目的を達成できる。

本実施形態における水晶振動子片の製造方法は、水晶基板に水晶振動子片形状を得るためのエッチング用の第１のマスクを用いて、水晶基板をエッチング加工し水晶振動子片が一体に形成されている中間加工基板を形成する第１のエッチング加工工程と、この中間加工基板の第１のマスクを除去し、新たにエッチング用の第２のマスクを設け、中間加工基板のエッチング加工面にエッチング異方性により形成された突出部をエッチング加工して除去する第２のエッチング加工工程とを有することを特徴としている。図１は第１のエッチング加工工程によって得られた中間加工基板を示し、図１（ａ）は部分平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面を示す拡大断面図である。図２、３は本実施形態の水晶振動子片の製造工程を示す概略図で、図１（ａ）のＡ−Ａ断面に対応する図である。以下、図１から図３を基に本発明の水晶振動子片の製造方法の最良な実施形態について詳細に説明する。なお、本実施例において、従来技術と同様の構成要素については同一番号を付与し、詳細な説明は省略する。

本実施例の水晶振動子片の製造方法における第１のエッチング加工工程は、従来技術と
類似しているため、図６、７を参照して簡単に説明する。厚さ２００μｍのＺ板からｘ軸回りにθ°ずれた面で切り出した水晶基板１の表裏両面に金属耐食膜２、３をスパッタリングにより形成する。上部層の金属耐食膜２は、金（Ａｕ）膜、下地層の金属耐食膜３にクロム（Ｃｒ）膜を用いる。金属耐食膜の表裏上面にレジスト４を形成する。ここで用いたレジストは、ポジ型レジストである。次に、水晶振動子片のパターンが形成されたフォトマスク５を用いて表面の露光を行う。レジスト現像液にてレジストを現像する。得られたレジストパターン４ａをマスクにして金属耐食膜２である金（Ａｕ）膜、金属耐食膜３であるクロム（Ｃｒ）膜をエッチングする。金属耐食膜２である金（Ａｕ）膜のエッチング液にはヨウ素ヨウ化カリウム水溶液、金属耐食膜３であるクロム（Ｃｒ）膜のエッチング液には硝酸第二セリウムアンモニウム水溶液を用いる。レジストパターン４ａを剥離すると、水晶基板１の表面に金属耐食膜パターン２ａ、３ａからなる水晶振動子片の形状に対応した金属耐食膜パターン７が形成される。

次に表面に金属耐食膜パターン７が形成された水晶基板１の両面にレジストを塗布し、水晶振動子片のパターンが形成されたフォトマスク５を用いて裏面の露光を行う。レジスト現像液にてレジストパターン４ａを現像する。得られたレジストパターン４ａをマスクにして金属耐食膜２である金（Ａｕ）膜、金属耐食膜３であるクロム（Ｃｒ）膜をエッチングする。金属耐食膜２である金（Ａｕ）膜のエッチング液にはヨウ素ヨウ化カリウム水溶液、金属耐食膜３であるクロム（Ｃｒ）膜のエッチング液には硝酸第二セリウムアンモニウム水溶液を用いる。レジストパターン４ａを剥離すると、水晶基板１の表裏両面に第１のマスクとしての水晶振動子片形状の金属耐食膜パターン７が形成された水晶基板が得られる。なお、このパターニングは、従来例のように両面同時に露光、現像、金属耐食膜のエッチングを行ってもよい。

上記表裏両面に第１のマスクとしての金属耐食膜パターン７が形成された水晶基板１をフッ酸を含むエッチング液に浸漬させ、第１のエッチング加工工程を行うと、図１に示した水晶振動子片６が結合部２５を介して水晶基板１と一体に形成されている中間加工基板１００が得られる。この段階では、水晶の異方性による残渣１３が水晶振動子片６の脚部２３の＋Ｘ側と、振動子片脚部間の叉部２６とに残っている。この残渣１３は従来例と同様である。なお、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面を示し、以下の製造工程は、このＡ−Ａ断面に基づいて説明する。

図２（ａ）は前述の第１のエッチング加工工程によって得られた中間加工基板１００における水晶振動子片６を示し、前述の図１（ｂ）と同様である。次に、図２（ａ）に示す水晶振動子６の状態から図２（ｂ）に示すように、表裏両面に形成されている金属耐食膜パターン７を除去する。この段階では、前述のように水晶の異方性による残渣１３が残っている。次に、図２（ｃ)に示すように、上記で得られた水晶振動子片６の全面に金属耐食膜である８、９をスパッタ法により形成する。金属耐食膜形成法は、蒸着法やめっき法などでもよい。上部層の金属耐食膜８は金（Ａｕ）膜、下地層の金属耐食膜９はクロム（Ｃｒ）膜を用いる。金属耐食膜８の上部にポジ型のレジスト１０を形成する。レジスト１０の形成には、スプレー法、電着法、ディップ法などを用いる。

次に、図２（ｄ）に示すように、水晶振動子片６の基本形状は露光されず、残渣１３の部分のみ露光されるような形状のパターンが形成されたフォトマスク１１を用い、上記水晶振動子片６の表面を露光する。同様に図２（ｅ）に示すように裏面も水晶振動子片６の基本形状は露光されず、残渣１３の部分のみ露光されるような形状のパターンが形成されたフォトマスク１２を用いて露光する。なお、露光過程は両面露光機を用いて同時に露光してもよい。次に、図３（ｆ）に示すようにレジスト１０を現像しレジストパターン１０ａを形成する。次に図３（ｇ）に示すようにレジストパターン１０ａをマスクとして金属耐食膜８、９をエッチングする。金属耐食膜８は金（Ａｕ）膜のエッチング液にはヨウ素
ヨウ化カリウム水溶液、金属耐食膜９はクロム（Ｃｒ）膜に対しては硝酸第二セリウムアンモニウム水溶液を用いる。この工程においては図２（ｇ）に示すように水晶振動子片６の残渣１３の部分のみ水晶が露出し、その他の部分は金属耐食膜パターン８ａ、９ａで覆われている。

次に図３（ｈ）に示すように前述の金属耐食膜パターン８ａ、９ａを第２のマスクとしてフッ酸系のエッチング液により、第２のエッチング加工を行い水晶振動子片１４を得る。このとき、残渣１３の部分は露出しているためエッチングされるが、その他の部分は金属耐食膜パターン８ａ、９ａに覆われているためエッチングされない。なお、図３（ｈ）は第２のエッチング加工工程の途中の状態を示したもので、続いて、サイドエッチングを防止しながら残渣１３の部分のみエッチングすることができるため、従来の方法で残渣を消失させた場合に得られる図８(ｂ)の水晶振動子片１８に比べて、図３(ｉ)に示すように第１のマスクである金属耐食膜パターン７の寸法に近い水晶振動子片１５が得られる。さらに金属耐食膜パターン８ａ、９ａを除去し、その後、結合部２５（図１参照）の部分で切断し、基板１と水晶振動子片１５を分断し、図３(ｊ)に示す水晶振動子片１５を得られる。

本実施例における水晶振動子片の製造方法によれば、エッチング加工面２１に垂直な方向へのサイドエッチングが防げるので、設計値に近い寸法の第１のマスクとしての金属耐食膜パターン７を用いて水晶基板を加工でき設計が容易になるだけでなく、残渣１３が消失するまでの時間が短縮される。

また、第２のエッチング加工工程においては、水晶振動子片の金属耐食膜パターン８ａ、９ａで覆われている部分のサイドエッチングを防止することができるため、従来問題となっていた脚部２３の先端部が斜めに削れるということは起こらない。

図４は、本発明の第２のエッチング加工工程における水晶振動子片６の脚部を示す拡大断面図である。図４に示したように、第２のエッチング加工工程において、第２のマスクである金属耐食膜１６が突出部である残渣１３の一部に形成されていることが好ましい。さらに、前述のエッチング加工面２１から残渣１３としての突出部の先端までの高さをｂ、エッチング加工面２１から残渣１３の第２のマスクである金属耐食膜１６が形成されている部分の高さをａ、エッチング加工面２１のサイドエッチングレートをＡ、残渣１３の減少レートをＢとし、次式ｂ／Ｂ≦ａ／Ａの関係を満たすように高さａの値を設定しておくと、第１のエッチング加工工程で生じたサイドエッチング以上にサイドエッチングが進まないので好ましい。

以上のように、本発明の水晶振動子片の製造方法によれば、第１のエッチング加工工程で得られた中間加工基板における水晶振動子片に再び金属耐食膜を形成し、残渣の部分のみ金属耐食膜をフォトリソグラフィーによりエッチングして水晶を露出させ、第２のエッチング加工工程を行うことで、サイドエッチングを防止しながら残渣のみをエッチングして消失させることができる。サイドエッチングが防止できることにより、短時間で残渣を消失させることができ、出来上がり寸法に対してマスク寸法を大きくする必要がなく、設計の自由度が向上し、水晶基板の板厚に対して溝幅の小さい溝も形成可能となる。また、水晶振動子片の脚部先端部が斜めに削れる問題も起こらない。さらに、通常の水晶振動子製造工程で使用する機器のみで実行可能である。

本発明の実施の形態にかかる中間加工基板を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる製造工程を示す断面図である。 本発明の実施の形態にかかる製造工程を示す断面図である。 本発明の第２のエッチング加工工程における水晶振動子片脚部断面図である。 従来の水晶振動子片の正面図である。 従来の水晶振動子片の製造工程図である。 従来の水晶振動子片の製造工程図である。 従来の残渣を表した図である。

符号の説明

１ 水晶基板
２、８ 金属耐食膜（Ａｕ膜）
２ａ、８ａ 金属耐食膜パターン
３、９ 金属耐食膜（Ｃｒ膜）
３ａ、９ａ 金属耐食膜パターン
４、１０ レジスト
４ａ１０ａ レジストパターン
５、１１、１２ フォトマスク
６、１４、１５、１８ 水晶振動子片
７ 金属耐食膜パターン
１３ 残渣
１６ 金属耐食膜
２１ エッチング加工面
２２ 水晶振動子片の基部
２３ 水晶振動子片の脚部
２５ 結合部
２６ 振動子片脚部間の叉部
１００ 中間加工基板
ａ 残渣にかかる金属耐食膜の高さ
ｂ 残渣の高さ

Claims (3)

1. 水晶基板をエッチング液でエッチング加工し水晶振動子片の形状を形成する水晶振動子片の製造方法において、
   水晶基板の所望の部分にエッチング用の第１のマスクを設け、前記水晶基板をエッチング加工し水晶振動子片が一体に形成されている中間加工基板を形成する第１のエッチング加工工程と、
   前記中間加工基板の前記第１のマスクを除去する工程と、
   前記第１のマスクを除去された中間加工基板の所望の部分にエッチング用の第２のマスクを設ける工程と、
   前記中間加工基板のエッチング加工面にエッチング異方性により形成された突出部をエッチング加工して除去する第２のエッチング加工工程と、
   前記第２のマスクを除去する工程と
   を有することを特徴とする水晶振動子片の製造方法。
2. 前記第２のマスクが前記突出部の一部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子片の製造方法。
3. 前記エッチング加工面から突出部の先端までの高さをｂ、前記エッチング加工面から前記突出部の第２のマスクが形成されている部分の高さをａ、前記エッチング加工面のサイドエッチングレートをＡ、前記突出部の減少レートをＢとし、次式
   ｂ／Ｂ≦ａ／Ａ
   の関係を満たすように各値が設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水晶振動子片の製造方法。

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