JP2011139508A

JP2011139508A - 水晶片集合体及び水晶振動子

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Publication number: JP2011139508A
Application number: JP2011039508A
Authority: JP
Inventors: Kenji Komine; 賢二小峰; Shiro Murakami; 資郎村上
Original assignee: Miyazaki Epson Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2011-07-14
Anticipated expiration: 2024-12-28
Also published as: JP5045829B2

Abstract

【課題】金属膜を保護膜として水晶基板をエッチングし複数の水晶片を形成する水晶基板において、板厚が薄い高周波のものでも製造が容易で、個片を簡単に分離可能な水晶片集合体を提供することを目的とする。
【解決手段】水晶のＸ軸（電気軸）に対して平行で且つＺ軸（光軸）に対して傾斜したカット面を有する水晶基板であって、前記水晶基板の表面の前記Ｘ軸と直交する方向に延設されたフレーム部と、前記フレーム部に沿って形成された複数の水晶片と、前記フレーム部から前記Ｘ軸と平行な方向に延設された第１アーム部と、前記第１アーム部の端部から前記Ｘ軸と平行な方向に延設され前記水晶片に接続された第２アーム部とを備え、前記第２アーム部は前記第１アーム部より細幅であることを特徴とする水晶片集合体。
【選択図】図１

Description

本発明は、水晶基板に形成する水晶片集合体の構造とその製造方法に関する。

近年の電子機器や通信機器の小型化の要求から、キーデバイスである水晶振動子は水晶片のサイズが１．２ｍｍ程度といった超小型のものが実用化されている。このような超小型の水晶振動子を製造する方法としては、例えば図８に示すように円形（或いは方形）の水晶基板に複数の水晶振動素子をフォトリソグラフィ技術等によって一括形成し、ダイシングソー等を用いて個片に切り分ける方法が一般的である。

一方、ダイシングソーを使わずにフォトリソグラフィ技術を用いて、水晶ウェハ（水晶片が複数配置されたもの）から水晶片を個別に分離する方法が特表平１１−５０９０５２号公報に開示されている。
図９は、特表平１１−５０９０５２号公報にて開示された従来の水晶ウェハの構造を示したものである。図９（ａ）は水晶ウェハの一部を図示したものであり、水晶のＸ軸（電気軸）と平行な方向に延設したフレーム１と、前記フレーム１に沿って配列した電極を有する複数の水晶片２と、前記フレーム１と前記水晶片２とを接続する溝部３を備えている。
図９（ｂ）は溝部３をＡ方向から見た断面を示したものである。同図中の波線矢印のＺは水晶のＺ軸（光軸）の方向を示す。

図９に示した水晶ウェハは、水晶基板の表面に所定の保護膜（エッチング耐性膜）のパターンを形成しておき、複数の水晶片２が互いに隣接する部分を化学的なエッチングによって貫通した構造を有している。また、フレーム１と複数の水晶片２との境界部分を化学的にエッチングし貫通手前の状態（溝部３）とし、水晶片２をフレーム１に保持した構造を有している。ここで、図９（ｂ）に示した溝部３の断面が斜めになっていることに注目されたい。これは、水晶が異方性のエッチング特性を備えることに起因し、結晶軸のＺ軸方向に沿ってエッチングが進行しやすいためである。従って、例えばＡＴカットのようにウェハの表面（Ｚ’方向）が水晶のＺ軸（光軸）に対して傾斜しているものは、図９（ｂ）の如く溝部３の断面が斜めになる。なお、溝部３に機械的に力を加えると容易に破断し水晶片２はフレーム１から切り離され、個片に分割することができる。

一方、図９（ａ）のＢ部分をＡ方向から見たときのエッチング断面の変化を図１０に示すようになっている。上述したように、水晶は異方性のエッチング特性を備えるが、実際には概ね図１０（ａ）から図１０（ｂ）のような状態へとエッチングが進行し、エッチング途中で図１０（ｃ）のように水晶の端部にバリが発生する。図１０（ｃ）の状態から更にエッチングが進むと図１０（ｄ）のようにバリが取れた状態となり、この状態でエッチングを完了する。
従って、エッチングにあってはＺ’方向（図１０の紙面左右方向）へのオーバーエッチングを考慮すると共に、水晶の端部にバリが残らないようにエッチング時間を十分取る必要がある。

特表平１１−５０９０５２号公報

ところが、従来の水晶ウェハの製造方法には、次のような問題点がある。
すなわち、水晶ウェハを製造するときには、先述したように水晶片２の端部にバリが残らないようにエッチング時間を十分取らなければならない。ところが、エッチング時間を長くすると溝部３が深くなり、最悪の場合は溝部３が反対側まで貫通し水晶片２がフレーム部１から脱落してしまう。また、溝部３の深さはエッチング耐性膜（保護膜）のスリット幅（図９の”Ｃ”部分）にも大きく影響されるので、溝部３の深さが適度なものをバラツキなく形成するには、エッチング耐性膜（保護膜）を高精度に形成し、且つエッチングの条件を微妙に管理しなければならない。

しかしながら、高周波用の水晶片は板厚が極めて薄いため、エッチング耐性膜（保護膜）の寸法精度の微妙なバラツキやエッチング条件の微妙な違いが溝部３の深さに影響し、溝部３の破断強度に著しく影響する。従って、従来の水晶ウェハの製造方法では溝部３の深さが適度なものをバラツキなく高精度に形成することは困難であり、水晶片の破断強度が一定した高周波用の水晶ウェハを安定的に製造することは極めて困難であった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、板厚が薄い高周波のものでも容易に製造することが可能な、水晶片集合体の製造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、請求項１記載の発明においては、水晶のＸ軸（電気軸）に対して平行で且つＺ軸（光軸）に対して傾斜したカット面を有する水晶基板であって、前記水晶基板の表面の前記Ｘ軸と直交する方向に延設されたフレーム部と、前記フレーム部に沿って形成された複数の水晶片と、前記フレーム部から前記Ｘ軸と平行な方向に延設された第１アーム部と、前記第１アーム部の端部から前記Ｘ軸と平行な方向に延設され前記水晶片に接続された第２アーム部とを備え、前記第２アーム部は前記第１アーム部より細幅としたものである。

また、請求項２記載の発明においては、請求項１において、前記水晶基板の厚みをｔとしたとき、前記第２アーム部の前記Ｘ軸と平行な方向の長さを０．０５ｔ〜１．０ｔとしたものである。
また、請求項３記載の発明においては、請求項１、または請求項２において、前記水晶基板の厚みをｔとしたとき、前記第２アーム部の前記Ｘ軸と直交する方向の長さを０．０８ｔ〜０．７ｔとしたものである。
また、請求項４記載の発明においては、請求項１、請求項２、または請求項３において、前記第２アーム部は他の部分に比べて厚みが薄肉となっているものである。

また、請求項５記載の発明においては、請求項１、請求項２、請求項３、または請求項４において、前記水晶基板をＡＴカットの水晶としたものである。
また、請求項６記載の発明においては、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、または請求項５において、前記水晶片のそれぞれには電極が形成されたものである。
また、請求項７記載の発明においては、請求項６において、前記第２アーム部を破断して前記水晶片を個片に分離し、これをパッケージに収容して封止したものである。

また、請求項８記載の発明においては、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、または請求項５のいずれかに記載した水晶片集合体の製造方法であって、平行平板の水晶基板の主面に金属膜を形成する工程と、前記金属膜の上にフォトレジストを塗布する工程と、前記フォトレジストの上にフォトマスクを被せ該フォトレジストを露光及び現像し所定のフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンを保護膜として前記金属膜をエッチングし金属膜パターンを形成する工程と、前記金属膜パターンと前記フォトレジストパターンとを保護膜として前記水晶基板をエッチングエッチングし前記フレーム部と前記水晶片と前記第１アーム部と前記第２アーム部とを一体的に形成する工程と、前記フォトレジストパターンと前記金属膜パターンとを剥離する工程とを備えたものである。

また、請求項９記載の発明においては、請求項６に記載した水晶片集合体の製造方法であって、平行平板の水晶基板の主面に金属膜を形成する工程と、前記金属膜の上にフォトレジストを塗布する工程と、前記フォトレジストの上にフォトマスクを被せ該フォトレジストを露光及び現像し所定のフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンを保護膜として前記金属膜をエッチングし金属膜パターンを形成する工程と、前記金属膜パターンと前記フォトレジストパターンとを保護膜として前記水晶基板をエッチングし前記フレーム部と前記水晶片と前記第１アーム部と前記第２アーム部とを一体的に形成する工程と、前記フォトレジストパターンと前記金属膜パターンとを剥離する工程と、前記水晶片に所定の電極パターンを蒸着にて付着する工程とを備えたものである。

また、請求項１０記載の発明においては、請求項６に記載した水晶片集合体の製造方法であって、平行平板の水晶基板の主面に金属膜を形成する工程と、前記金属膜の上にフォトレジストを塗布する工程と、前記フォトレジストの上にフォトマスクを被せ該フォトレジストを露光及び現像し所定のフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンを保護膜として前記金属膜をエッチングし金属膜パターンを形成する工程と、前記金属膜パターンと前記フォトレジストパターンとを保護膜として前記水晶基板をエッチングし前記フレーム部と前記水晶片と前記第１アーム部と前記第２アーム部とを一体的に形成する工程と、前記フォトレジストパターンを剥離し金属膜パターンを露出する工程と、前記露出された金属膜パターンの上にフォトレジストを塗布する工程と、該フォトレジストを露光及び現像し電極用のフォトレジストパターンを形成する工程と、前記電極用のフォトレジストパターンを保護膜として前記金属膜パターンをエッチングし前記水晶片に所定の電極パターンを形成する工程とを備えたものである。

また、請求項１１記載の発明においては、請求項８、請求項９、または請求項１０のいずれかの水晶片集合体の製造方法に記載されたフォトマスクであって、前記水晶片に対応した水晶片形成パターンと、前記第１アーム部に対応した第１アーム部形成パターンと、該第１アーム部形成パターンよりも細幅で前記第２アーム部に対応した第２アーム部形成パターンと、前記フレーム部に対応したフレーム部形成パターンとを備えており、前記水晶基板の厚みをｔとしたとき、前記第２アーム部形成パターンの互いに直交する２辺の長さの範囲をそれぞれ０．０５ｔ〜１．０ｔ、及び０．２ｔ〜１．０ｔとしたものである。

本発明は、水晶のＸ軸（電気軸）に対して平行で且つＺ軸（光軸）に対して傾斜したカット面を有する水晶基板の表面に、前記Ｘ軸と直交する方向に延設されたフレーム部と、前記フレーム部に沿って形成された複数の水晶片と、前記フレーム部から前記Ｘ軸と平行な方向に延設された第１アーム部と、前記第１アーム部の端部から前記Ｘ軸と平行な方向に延設され前記水晶片に接続された細幅の第２アーム部とを備え、前記フレーム部と水晶片と第１アーム部と第２アーム部を化学的なエッチングによって一体的に形成したものである。したがって、本発明は第２アーム部を高精度に製造可能であり、板厚が極めて薄い高周波の水晶にも対応可能な、水晶片の破断強度を一定とする水晶片集合体とその製造方法を提供する上で効果を奏する。

本発明に係る水晶片集合体の外観図。本発明に係る水晶片集合体の製造方法の工程図。本発明に係る水晶片集合体のエッチングの状態図（第１実施例）。本発明に係る水晶片集合体のエッチングの状態図（第１実施例）。本発明に係る水晶片集合体のエッチングの状態図（第２実施例）。本発明に係る水晶片集合体のエッチングの状態図（第３実施例）。本発明に係る水晶片集合体のエッチングの状態図（第４実施例）。従来の水晶ウェハの外観図（第１の従来例）。従来の水晶ウェハの外観図（第２の従来例）。従来の水晶ウェハのエッチングの状態図（第２の従来例）。

本発明を図面に示した実施の形態に基づいて説明する。
図１は本発明に係わる水晶片集合体の外観（一部）を示したものである。
本発明の水晶片集合体は、例えばＡＴカットのような水晶のＸ軸（電気軸）に対して平行で且つＺ軸（光軸）に対して傾斜したカット面を有する水晶基板の表面に、前記Ｘ軸と直交する方向（Ｚ’方向）に延設されたフレーム部４と、前記フレーム部４に沿ってＺ’方向に配列された複数の水晶片５（一つのみ表示）と、前記フレーム部４から前記Ｘ軸と平行な方向に延設された第１アーム部６と、前記第１アーム部６の端部から前記Ｘ軸と平行な方向に延設され前記水晶片５に接続された第２アーム部７とを備えている。なお、水晶片５には電極（図示せず）が形成されている。

本発明の最も特徴的なところは、フレーム部４をＺ’方向に延ばし、これに沿って複数の水晶片５を配列した点と、水晶片５を水晶基板に保持するために、フレーム部４と第１アーム部６と第２アーム部７とを前記水晶片５と共に一体的に形成している点にある。
第２アーム部７とフレーム部４との間に第２アーム部７よりも幅広で長い第１アーム部６を設ける理由は、図１のＣで示した領域の面積を適度に広くすることによって、この領域をエッチングにて貫通しやすいよう考慮している。

ここで、本発明の水晶片集合体の製造方法について説明する。
図２は、本発明に係る水晶片集合体の製造方法の工程を図示したものである。
まず、水晶基板の上にＣｒ（クロム）を下地としてＡｕ（金）の金属膜を蒸着する。（図２（ａ）（ｂ））
次に、金属膜の上にフォトレジストを塗布し（図２（ｃ））、その上にフォトマスク（図示せず）を被せ、フォトレジストを露光、現像し所定のフォトレジストパターンを形成する。（図２（ｄ））
次に、フォトレジストパターンを保護膜として前記金属膜をエッチングし、水晶片２と第１アーム部６と第２アーム部７とフレーム部４の外形パターン（金属膜パターン）を形成する。（図２（ｅ））次に、前記フォトレジストパターンと金属膜パターンを保護膜とし露出した水晶を化学的にエッチングし、水晶片２と第１アーム部６と第２アーム部７とフレーム部４とを一括形成する。（図２（ｆ））次に、フォトレジストパターンと金属膜パターンとを剥離し（図２（ｇ））、その上からメタルマスクを被せ水晶片５に電極を蒸着する。（図２（ｈ））この状態が図１に示した水晶片集合体である。
次に、第２アーム部７を機械的に破断し水晶片５を個片に分離する。（図２（ｉ））そして、これを所定のパッケージに収納して封止すれば水晶振動子が完成する。

ここで、第２アーム部７のエッチングの進行過程について説明する。図３は、エッチングが進行するに従いＡ−Ａ’の断面が変化する様子を示したものである。（Ａｕ膜上のフォトレジストパターンは図示を省略。）
図３において、水晶のＺ軸（光軸）の方向に沿ってエッチングが順次進行する。途中水晶の端部にバリが発生するが（図３（ｃ））、更にエッチングを進めるとバリ部分がなくなり、図３（ｅ）の状態でエッチングを完了する。
一方、図１のＢ−Ｂ’のエッチング断面を図４に示す。水晶が備える異方性エッチンググ特性のため、Ｚ軸の方向に比べるとＸ軸の方向へはほとんどエッチングされない。
従って、第２アーム部７上の金属膜パターン（Ａｕ膜、Ｃｒ膜）について、Ｚ’方向へのオーバーエッチング量を予め見込んでＺ’２の寸法精度を良く形成しておけば、エッチング時間等のエッチング条件が微妙に変わったとしても、第２アーム部７がエッチングによって脱落することがない。

なお、本発明者らは、本発明に係る水晶片集合体を２タイプ試作した。いずれの試作品も第２アーム部７がエッチング工程以降の作業中に水晶基板から脱落せずに安定して保持されていることを確認している。また、水晶片５は第２アーム部７から一定の力で容易に破断し、破断部分から水晶屑が発生し難いことを確認した。なお、フォトレジストパターン（金属膜パターン）を形成するためのフォトマスクのパターンの寸法を、Ｘ１≒１００μｍ、Ｚ’１≒１００μｍ、Ｘ２≒２０μｍ、Ｚ’２＝２０μｍ（或いは４０μｍ）としている。このときの水晶片５の厚みは６３μｍである。
試作結果等を検討すると、フォトマスクのパターンの寸法については、水晶片５の電極部分を除いた厚みｔを３０〜１００μｍ程度と仮定すると、０．０５ｔ≦Ｘ２≦１．０ｔ、０．２ｔ≦Ｚ’２≦１．０ｔの範囲が適切であることが判明した。また、第２アーム部のＺ’方向の寸法については、水晶片５を物理的に保持するためには少なくとも５μｍ以上の幅が必要であり、この方向へのオーバーエッチング量を考慮すると、Ｚ’方向の寸法（Ｚ’２）は０．０８ｔ（５μm）〜０．７ｔの範囲が適切であることが判明した。

以上説明した実施例においては、第２アーム部７上の金属膜パターン（Ａｕ膜、Ｃｒ膜）が図３のように水晶基板を挟んで両面に対称に配置されたものとしたが、本発明にあってはこれに限らず、例えば図５に示すように、両面の金属膜パターンが互いに水晶基板を挟んでＺ’方向にずれた配置としてもよい。この場合、第２アーム部７の断面が斜めになるが水晶片５がエッチング工程以降の作業中に脱落することなく、第２アーム部７の破断も所定の力を加えるだけで容易に行うことができる。
また、図６のように、両面の金属膜パターンの幅を異なるようにしてもよい。この場合は、第２アーム部７の上側が一部エッチングによって貫通し他の部分に比べ厚みが肉薄となるが、第２アーム部７が脱落することはない。或いは、図７のような金属膜パターンとしても良い。

また、水晶片集合体の製造方法において図２（ｇ）（ｈ）の工程を次のように変更しても良い。すなわち、水晶基板をエッチングした図２（ｆ）の状態から、フォトレジストパターンのみを剥離する。次に、その上から再びフォトレジストを塗布する。次に、電極用のフォトマスク（図２（ｄ）のフォトマスクとは異なる）を被せてこれを露光、現像し電極用のフォトレジストパターンを形成する。そして、電極用のフォトレジストパターンを保護膜として金属膜パターンをエッチングし水晶片５に電極を形成し、電極用のフォトレジストパターンを剥離する。
以上、説明したように本発明は、板厚が薄く高い周波数の水晶片集合体を安定的に製造するのに有効な製造方法を提供するものであり、その応用性は極めて高い。

１、４・・フレーム部、２、５・・水晶片、３・・溝部、６・・第１アーム部、７・・第２アーム部。

Claims

水晶のＸ軸（電気軸）に対して平行で且つＺ軸（光軸）に対して傾斜したカット面を有する水晶基板であって、前記水晶基板の表面の前記Ｘ軸と直交する方向に延設されたフレーム部と、前記フレーム部に沿って形成された複数の水晶片と、前記フレーム部から前記Ｘ軸と平行な方向に延設された第１アーム部と、前記第１アーム部の端部から前記Ｘ軸と平行な方向に延設され前記水晶片に接続された第２アーム部とを備え、前記第２アーム部は前記第１アーム部より細幅であることを特徴とする水晶片集合体。
前記水晶基板の厚みをｔとしたとき、前記第２アーム部の前記Ｘ軸と平行な方向の長さが０．０５ｔ〜１．０ｔであることを特徴とする請求項１記載の水晶片集合体。
前記水晶基板の厚みをｔとしたとき、前記第２アーム部の前記Ｘ軸と直交する方向の長さが０．０８ｔ〜０．７ｔであることを特徴とする請求項１、または請求項２のいずれかに記載の水晶片集合体。
前記第２アーム部は他の部分に比べて厚みが薄肉となっていることを特徴とする請求項１、請求項２、または請求項３のいずれかに記載の水晶片集合体。
前記水晶基板がＡＴカットの水晶であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、または請求項４のいずれかに記載の水晶片集合体。
前記水晶片のそれぞれには電極が形成されていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、または請求項５のいずれかに記載の水晶片集合体。
前記第２アーム部を破断して前記水晶片を個片に分離し、これをパッケージに収容して封止したことを特徴とする、請求項６に記載の水晶片集合体から製造された水晶振動子。
前記水晶片集合体を製造する方法であって、平行平板の水晶基板の主面に金属膜を形成する工程と、前記金属膜の上にフォトレジストを塗布する工程と、前記フォトレジストの上にフォトマスクを被せ該フォトレジストを露光及び現像し所定のフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンを保護膜として前記金属膜をエッチングし金属膜パターンを形成する工程と、前記金属膜パターンと前記フォトレジストパターンとを保護膜として前記水晶基板をエッチングし前記フレーム部と前記水晶片と前記第１アーム部と前記第２アーム部とを一体的に形成する工程と、前記フォトレジストパターンと前記金属膜パターンとを剥離する工程とを備えたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、または請求項５のいずれかに記載した水晶片集合体の製造方法。
前記水晶片集合体を製造する方法であって、平行平板の水晶基板の主面に金属膜を形成する工程と、前記金属膜の上にフォトレジストを塗布する工程と、前記フォトレジストの上にフォトマスクを被せ該フォトレジストを露光及び現像し所定のフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンを保護膜として前記金属膜をエッチングし金属膜パターンを形成する工程と、前記金属膜パターンと前記フォトレジストパターンとを保護膜として前記水晶基板をエッチングし前記フレーム部と前記水晶片と前記第１アーム部と前記第２アーム部とを一体的に形成する工程と、前記フォトレジストパターンと前記金属膜パターンとを剥離する工程と、前記水晶片に所定の電極パターンを蒸着にて付着する工程とを備えたことを特徴とする請求項６に記載した水晶片集合体の製造方法。
前記水晶片集合体を製造する方法であって、平行平板の水晶基板の主面に金属膜を形成する工程と、前記金属膜の上にフォトレジストを塗布する工程と、前記フォトレジストの上にフォトマスクを被せ該フォトレジストを露光及び現像し所定のフォトレジストパターンを形成する工程と、前記フォトレジストパターンを保護膜として前記金属膜をエッチングし金属膜パターンを形成する工程と、前記金属膜パターンと前記フォトレジストパターンとを保護膜として前記水晶基板をエッチングし前記フレーム部と前記水晶片と前記第１アーム部と前記第２アーム部とを一体的に形成する工程と、前記フォトレジストパターンを剥離し金属膜パターンを露出する工程と、前記露出された金属膜パターンの上にフォトレジストを塗布する工程と、該フォトレジストを露光及び現像し電極用のフォトレジストパターンを形成する工程と、前記電極用のフォトレジストパターンを保護膜として前記金属膜パターンをエッチングし前記水晶片に所定の電極パターンを形成する工程とを備えたことを特徴とする請求項６に記載した水晶片集合体の製造方法。
前記フォトマスクは前記水晶片に対応した水晶片形成パターンと、前記第１アーム部に対応した第１アーム部形成パターンと、該第１アーム部形成パターンよりも細幅で前記第２アーム部に対応した第２アーム部形成パターンと、前記フレーム部に対応したフレーム部形成パターンとを備えており、前記水晶基板の厚みをｔとしたとき、前記第２アーム部形成パターンの互いに直交する２辺の長さの範囲がそれぞれ０．０５ｔ〜１．０ｔ、及び０．２ｔ〜１．０ｔであることを特徴とする請求項８、請求項９、または請求項１０のいずれかの水晶片集合体の製造方法に記載したフォトマスク。