JP2009290791A

JP2009290791A - 水晶片の形成方法

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Publication number: JP2009290791A
Application number: JP2008143735A
Authority: JP
Inventors: Koichi Iwata; 浩一岩田; Arata Doi; 新土井; Masahiko Goto; 正彦後藤; Markus Lasch; マルクス・ラッシュ; Bernd Keiper; ベルント・カイパー; Petsch Tino; ティノ・ペッシュ
Original assignee: BEAMS Inc; 3D Micromac AG; Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: BEAMS Inc; 3D Micromac AG; Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-10
Anticipated expiration: 2028-05-30
Also published as: JP5207239B2

Abstract

【課題】より容易に所望の形状の水晶片が形成できるようにする。
【解決手段】水晶基板１０１の一方の面に、切断線１１１に沿ってレーザビームを照射（走査）する。このピコ秒レーザの走査は、例えば、水晶基板１０１が載置（固定）されるステージを、このステージの平面内で移動させることで行えばよい。切断線１１１は、形成しようとする水晶片、例えば、音叉型の水晶振動子の形状としておく。ここで、パルス幅およびパルス間隔を１５ピコ（１０^-12）秒としたパルス状の波長１０６４ｎｍのレーザビーム（ピコ秒レーザ）を加工速度０．５ｍｍ／秒で照射する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、電子機器に搭載される水晶振動子および水晶発振器などに用いられる水晶片を形成する水晶片の形成方法に関するものである。

従来より、電子機器には水晶振動子が用いられている。例えば、所定の容器内に電極が形成された水晶片を気密封止して保護し、水晶片に形成されている電極には、配線を介して容器の外側に一部が露出する端子を接続し、この端子により外部との接続が行えるようにしている。このような水晶の素子（水晶素子）に用いられる水晶片には、種々の形状がある。例えば、平面視矩形状および円形状などの板状の水晶片や、音叉型の水晶片などが知られている。

このような水晶片は、例えば一辺１００ｍｍ程度の水晶基板を加工することで形成している。この加工においては、水晶基板に、複数のチップ領域に所望の形状（例えば音叉の形状）を形成し、この後、各チップ領域を切り出す（裁断する）ことで、複数の水晶片を同時に形成している。上述した形状の形成では、よく知られたフォトリソグラフィー技術により形成したマスクパターンを用いたウエットエッチングにより形状を形成することで作製されている（特許文献１参照）。

しかしながら、水晶は結晶軸毎にエッチングレートが異なるエッチング異方性を持つ材料として広く知られていおり、これが水晶振動子の作製において問題となる。上述したエッチング加工において、エッチングの進行は、マスクパターンの形状に従って、水晶基板の厚み方向に進行する。このとき、水晶の異方性により、エッチングは基板平面に対して垂直には進行せず、断面視斜め方向に進行する。このため、厚み方向へエッチングが完了しても、平面視でマスクパターンよりはみ出た部分（エッチング残り）が形成される。また、エッチングの進行方向が、水晶基板平面の方向（結晶方向）により異なるため、上述したエッチング残りの状態が、水晶片の縁部の位置によって異なる。

厚み方向へのエッチングが完了した後もさらにエッチング（オーバーエッチング）を行うことで、エッチング残りを小さくすることができる。しかしながら、オーバーエッチングを行うことにより、マスクパターンの下側にもエッチングが進行するアンダーカット現象が生じる。平面視でマスクパターンよりはみ出た部分のエッチング残りは、オーバーエッチングの時間とともに縮小するが、これにともない、アンダーカットが拡大していく。

エッチング残りは、形成する水晶振動子の寸法に影響するため、極力小さくすることが望ましい。例えば、音叉型水晶振動子の周波数を決定する主要因として、音叉を構成している脚部の幅がある。エッチング残りは水晶のエッチング時間を長くすることによって小さくすることはできるが、上述したように、エッチング残りの状態が場所によって異なり、加えて、エッチング時間とともにアンダーカットが生じるため、寸法の制御は容易ではない。特に、より小型の音叉型水晶振動子にとっては、寸法の誤差が周波数に与える影響が大きくなり、無視できない問題となってくる。

上述したウエットエッチングによる異方性エッチングを防止するために、プラズマやガスでエッチングするドライエッチング技術で水晶を加工して水晶振動子を作製する技術がある。ただし、ドライエッチングでは、有機材料からなるレジストパターンをマスクとした場合、レジストと水晶とのエッチング選択比が大きくとれず、加工可能な寸法に制限がある。このため、ドライエッチングで水晶を加工して水晶振動子を作製する場合、まず、水晶ウエハに金属膜を形成し、この金属膜をフォトリソグラフィー技術で形成したレジストマスクでエッチング加工してメタルマスクを形成し、このメタルマスクを用いて水晶を加工している。

しかしながら、ドライエッチングでは、所定の減圧環境が得られる処理容器（真空容器）が必要となり、エッチングを行うためには、まず、処理容器内を減圧排気することになり、処理により多くの時間を要するという問題がある。

また、ドライエッチングによる加工においは、前述したウエットエッチングにおけるエッチング異方性の問題は発生しないが、マスクパターンを用いることは同様であり、オーバーエッチングによりマスクパターンと異なる寸法に形成される点は同様である。このため、エッチング処理の時間管理が重要となる。

特開２００７−１５０９２３号公報

上述したように、ウエットエッチングでは、水晶の異方性によるエッチング残渣のために、寸法の制御が容易ではない。また、ドライエッチングで水晶を加工することで、ウエットエッチングにおける異方性やエッチング残りなどの問題は解消できるが、より多くの時間を要することになり、また、寸法制御があまり容易でない点も問題となる。また、いずれにしても、リソグラフィー技術に基づいており、製品として残らないマスクパターンの形成を含めた多数の複雑な工程が必要となり、加工のための時間効率が低く無駄が多いという共通した問題がある

これに対し、マスクパターンの形成やこの除去などの工程が必要がなく、より短時間で成形する技術として、打ち抜き加工や切削加工がある。しかしながら、水晶片の形成では、打ち抜き加工を適用させることができず、また、切削加工では、微細な形状の水晶片の作製は容易ではない。このように、水晶基板（ウエハ）を加工することによる水晶片の形成は、容易ではないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より容易に所望の形状の水晶片が形成できるようにすることを目的とする。

本発明に係る水晶片の形成方法は、パルス幅を１０^-10〜１０^-15秒の範囲とし、また、２６６ｎｍ，３５５ｎｍ，５３２ｎｍ，および１０６４ｎｍの中より選択された発振波長でパルスエネルギーを１μＪ〜３００μＪとした範囲のレーザビームを、所望とする水晶片の形状に沿って、所定の加工速度で水晶基板に照射して水晶基板を切断するようにした方法である。

上記水晶片の形成方法において、レーザビームは、水晶基板の平面の法線方向より照射する。

本発明によれば、パルス幅を１０^-10〜１０^-15秒の範囲とし、また、２６６ｎｍ，３５５ｎｍ，５３２ｎｍ，および１０６４ｎｍの中より選択された発振波長でパルスエネルギーを１μＪ〜３００μＪとした範囲のレーザビームを、所望とする水晶片の形状に沿って、所定の走査速度で水晶基板に照射するようにしたので、より容易に所望の形状の水晶片が形成できるようなるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１Ａ〜図１Ｆは、本発明の実施の形態における水晶片の形成方法を説明するための工程図および説明図である。まず、図１Ａに示すように、例えば、板厚０．０３〜０．１０ｍｍの水晶基板１０１を用意し、水晶基板１０１の一方の面（主面に）に、仮想的な切断線１１１に沿ってレーザビームを照射（走査）する。切断線１１１は、形成しようとする水晶片、例えば、音叉型の水晶振動子の形状としておく。

例えば、図１Ｂの斜視図に例示するレーザ加工装置を用い、ステージ２０１の上に固定されている水晶基板１０１に対し、レーザ発振部２０２で発振されて光路２０３で伝送されて集光光学系２０４で集光されたレーザビーム２０５を、水晶基板１０１平面の法線方向より照射する。レーザ発振部２０２は、例えばＹＡＧレーザより構成されている。

このレーザビーム２０５の走査は、例えば、水晶基板１０１が載置（固定）されるステージ２０１を、ステージ駆動系２０８によりステージ２０１の平面内で移動させることで行えばよい。この場合、ステージ２０１の移動の軌跡が仮想的な切断線１１１となる。

ここで、レーザビームは、パルス幅およびパルス間隔を１５ピコ（１０^-12）秒としたパルス状の波長１０６４ｎｍのレーザビーム（ピコ秒レーザ）とし、このピコ秒レーザを加工速度０．５ｍｍ／秒で相対的に移動させながら水晶基板１０１に照射する。ここで、上述した実施の形態では、ステージ２０１の移動により、相対的に移動させたが、これに限るものではない。例えば、集光光学系２０４を移動させることで、相対的な移動を実現してもよい。また、可動するミラーを用いてレーザビーム２０５を走査することで、相対的な移動を実現してもよい。

また、パルス間隔は、１０^-10〜１０^-15秒の範囲であればよい。この範囲のパルス間隔として、パルスエネルギーが１μＪ〜３００μＪの範囲となっていればよい。このパルスエネルギーは、レーザの平均周波数を繰り返し周波数で除した値である。なお、用いるレーザの波長（源振）を１０６４ｎｍより大きくすると、形成される水晶片の切断面（辺）に、チッピングなどのカケが発生することが確認されている。従って、レーザの波長は、１０６４ｎｍ以下とした方がよい。

上述した条件により、切断線１１１に沿ってレーザを照射することで、図１Ｃに示すように、水晶基板１０１に幅０．０１５ｍｍ程度の切断カーフ１１２が形成され、枠部１０２，素子部１０３，および素子外水晶片１０４が形成される。次いで、水晶基板１０１より素子外水晶片１０４を分離すると、図１Ｄに示すように、水晶基板１０１の枠部１０２に複数の素子部１０３を備える状態となる。

次に、図１Ｅに示すように、各素子部１０３と枠部１０２とを切り離すための仮想的な切断線１１３に沿ってレーザビームを照射（走査）し、図１Ｆに示すように、切断溝１１４を形成する。例えば、溝がより深く形成されるにつれて、徐々にパルス数を大きくしてレーザビームを照射することで、微視的に見ると階段状の断面視斜め形状とされた切断溝１１４が形成できる。

以上のようにして切断溝１１４を形成した後、切断溝１１４に沿って各素子部１０３を折取ることで、図２Ａ，図２Ｂに示すように、音叉型の水晶片１３１が得られる。水晶片１３１は、基部１３２と２つの脚部１３３とを備えている。また、本実施の形態において、レーザ加工により形成される切断面１３４は、水晶片１３１の平面に対して９０°より大きい角度に形成される。

上述した本実施の形態では、レーザビームの照射により水晶基板を切断して水晶片を形成するようにしたので、マスクパターンなどを形成する必要がなく、また、エッチング残渣やエッチングによる寸法誤差などが発生しない。このように、本実施の形態によれば、エッチングによる水晶片の形成に比較して、より容易に所望の形状の水晶片が形成できるようになる。

上述したように１０^-10〜１０^-15秒の範囲のパルス幅で、レーザビームを水晶基板に照射すると、水晶の内部に透過したレーザ光の集光点では、集光された多数の光子が水晶の電子と相互作用して吸収されるようになることが知られている。この現象は、多光子吸収といわれている。ここで、パルス幅をピコ秒より長くした場合、多光子吸収の現象により吸収される光エネルギーの一部が熱に変換されるようになり、レーザビームが照射された箇所の水晶を溶解させるようになるものと考えられる。この中で、パルス幅を１０^-10〜１０^-15秒の範囲とし、また、パルスエネルギーを１μＪ〜３００μＪとした範囲で、例えば、加工速度０．５ｍｍ／秒としてレーザビームと水晶基板とを相対的に移動させることで、切断面が波打つなどのことがなく、水晶基板を切断することが可能になるものと考えられる。

なお、本実施の形態における水晶片の形成方法によれば、上述した音叉型の水晶片に限らず、例えば、図３Ａに示すような、４角の内２つの角に切欠部３３２を備える略矩形の水晶片３３１を形成することも可能である。例えば、切欠部３３２を備えることで、裏面側への電極の引き回しを容易にする。この場合、図３Ｂに示すように、レーザ照射の走査により、水晶基板３０１に切断カーフ３１２を形成し、また、角度を付けたレーザ照射の走査により切断溝３１４を形成し、切断溝３１４に沿って各素子部３０３を折取ることで、水晶片３３１が形成できる。レーザ照射による切断カーフ３１２および切断溝３１４の形成は、前述した切断カーフ１１２および切断溝１１４の形成と同様である。

また、本実施の形態の形成方法によれば、図４に示すような矩形の水晶片４０１、図５に示すような４角が面取りされた矩形の水晶片５０１を形成することも容易である。当然ながら、平面視円形の水晶片も同様に形成可能である。また、図６Ａおよび図６Ｂに示すように、ベベル部６０２を備える水晶片６０１の形成も可能である。前述した切断溝の形成と同様に、例えば、溝がより深く形成されるにつれて、徐々にパルス数を大きくしてレーザビームを照射することで、微視的に見ると階段状の断面視斜め形状とされたベベル部６０２の形成が可能である。

本発明の実施の形態における水晶片の形成方法を説明するための工程図である。本発明の実施の形態における水晶片の形成方法を説明するための説明図である。本発明の実施の形態における水晶片の形成方法を説明するための工程図である。本発明の実施の形態における水晶片の形成方法を説明するための工程図である。本発明の実施の形態における水晶片の形成方法を説明するための工程図である。本発明の実施の形態における水晶片の形成方法を説明するための工程図である。本発明の実施の形態における水晶片の形成方法により作製された音叉型の水晶片の構成を示す平面図である。本発明の実施の形態における水晶片の形成方法により作製された音叉型の水晶片の構成を示す断面図である。本発明の実施の形態における水晶片の形成方法により作製された他の水晶片の構成を示す平面図である。本発明の実施の形態における他の水晶片の形成方法を説明する説明図である。本発明の実施の形態における水晶片の形成方法により作製された水晶片の構成を示す平面図である。本発明の実施の形態における水晶片の形成方法により作製された水晶片の構成を示す平面図である。本発明の実施の形態における水晶片の形成方法により作製された水晶片の構成を示す平面図である。本発明の実施の形態における水晶片の形成方法により作製された水晶片の構成を示す断面図である。

符号の説明

１０１…水晶基板、１０２…枠部、１０３…素子部、１０４…素子外水晶片、１１１…切断線、１１２…切断カーフ、１１３…切断線、１１４…切断溝。

Claims

パルス幅を１０^-10〜１０^-15秒の範囲とし、また、２６６ｎｍ，３５５ｎｍ，５３２ｎｍ，および１０６４ｎｍの中より選択された発振波長でパルスエネルギーを１μＪ〜３００μＪとした範囲のレーザビームを、所望とする水晶片の形状に沿って、所定の加工速度で水晶基板に照射して前記水晶基板を切断する
ことを特徴とする水晶片の形成方法。
請求項１記載の水晶片の形成方法において、
前記レーザビームは、前記水晶基板の平面の法線方向より照射する
ことを特徴とする水晶片の形成方法。