JP2011211452A - 音叉型水晶振動片の製造方法、水晶デバイス - Google Patents

音叉型水晶振動片の製造方法、水晶デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】 振動腕の表裏面から股部又は溝部の基部側の端面への角度が緩やかな音叉型水晶振動片の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 音叉型水晶振動片(10A)の製造方法は水晶材に成膜された耐食膜にレジストを塗布しレジストを露光して基部(11)と振動腕(12A)と溝部(13A)とに対応する領域を露光するフォトリソグラフィ工程と、基部と振動腕と溝部とに対応する領域の以外の耐食膜をエッチングし且つ水晶材をエッチングして音叉型水晶振動片の外形を形成する第1エッチング工程と、水晶材に残っている耐食膜およびレジストを除去する除去工程と、除去工程後に水晶材をエッチング剤に浸漬して、一対の振動腕と基部との間に形成される第1股部(14A)又は溝部の基部側の端面の少なくとも一方をエッチングする第2エッチング工程と、を備える。
【選択図】 図6

Description

本発明は、一対の振動腕を有する音叉型水晶振動片の製造方法およびその音叉型水晶振動片を備える水晶デバイスに関する。
音叉型水晶振動片は、小型化されるとCI値(クリスタルインピーダンス)又は等価直列抵抗が大きくなってしまう。そこで、特許文献1のように、音叉型水晶振動片の一対の振動腕の表裏面に溝部を形成する技術が提案されている。特許文献1の音叉型水晶振動片は、水晶振動片のCI値の上昇を低く抑えることができる。その一方で、振動腕の表裏面に底面および側面を含む溝部を形成し、その底面および側面に励振電極を形成すると、振動腕の表裏面から側面へ角度が90度折れ曲がる箇所で励振電極に断線等が生じてしまう問題が生じていた。
特許文献2は、この問題を解決するため、振動腕の表裏面から側面へ角度が小さく変わるように、溝部の基部側を基部に近づくにつれてその溝部の幅を狭くしている。このような溝部の形状にすることにより、振動腕の表裏面から側面への角度を緩やかにしている。
特開2002−204141号公報 特開2003−133895号公報
一般にCI値を低減するには、振動腕における溝部の深さを一定値以上に深くする必要がある。したがって、溝部を形成するためのエッチングを一定時間以上行う必要がある。しかし、溝部における開口部の形状を、基部側に近づくにつれて幅狭として、エッチングを行った場合、前記の一定時間が経過すると、溝部における振動腕の表裏面から側面へ角度は90度近くなる場合があるという問題があった。
本発明は、振動腕の表裏面から側面へ角度が緩やかな音叉型水晶振動片の製造方法を提供することを目的とする。
第1観点の音叉型水晶振動片の製造方法において、音叉型水晶振動片は水晶材からなり、表裏面を有する基部と、その基部からY軸方向に伸びる一対の振動腕と、一対の振動腕の表裏面にY軸方向に伸びる溝部とを有する。この音叉型水晶振動片の製造方法は、水晶材に成膜された耐食膜にレジストを塗布しレジストを露光して基部と振動腕と溝部とに対応する領域を露光するフォトリソグラフィ工程と、基部と振動腕と溝部とに対応する領域の以外の耐食膜をエッチングし且つ水晶材をエッチングして音叉型水晶振動片の外形を形成する第1エッチング工程と、水晶材に残っている耐食膜およびレジストを除去する除去工程と、除去工程後に水晶材をエッチング剤に浸漬して一対の振動腕と基部との間に形成される第1股部又は溝部の基部側の端面の少なくとも一方をエッチングする第2エッチング工程とを備える。
第2観点の音叉型水晶振動片の製造方法において、第1エッチング工程および第2エッチング工程が同じ温度および同じエッチング剤を使用し、第2エッチング工程のエッチング時間は、第1エッチング工程のエッチング時間よりも短い。
第3観点の音叉型水晶振動片の製造方法において、第2エッチング工程は除去工程で露出した音叉型水晶振動片の表裏面全体をエッチング剤に浸漬する。
第4観点の音叉型水晶振動片の製造方法において、第2エッチング工程は音叉型水晶振動片における第1股部又は端面の少なくとも一方以外をマスクで覆ってエッチング剤に浸漬する。
第5観点の圧電デバイスは、第1観点から第4観点のいずれか一項により製造された音叉型圧電振動片を収納するキャビティを有するパッケージを備える。
第6観点の圧電デバイスは、第1凹み部を有するリッド板と第2凹み部を有するベース板とを備え、第1観点から第4観点のいずれか一項により製造された音叉型圧電振動片をリッド板とベース板とで挟み込む。
本発明によれば、振動腕の表裏面から股部又は溝部の基部側の端面への角度が緩やかな音叉型水晶振動片の製造方法を提供できる。また、フォトリソグラフィ工程での光が角度の緩やかな股部又は端面に露光されるため、不要な金属膜が残って電気的な短絡が生じるという問題が発生しない。
第1音叉型水晶振動片10Aの斜視図である。 図1のA−A断面図である。 図1のB−B断面図である。 図1の点線Cに囲まれた部分を+Z側から見た拡大平面図である。 図1のD−D断面図である。 第1音叉型水晶振動片10Aの製造方法を示したフローチャートである。 第1音叉型水晶振動片半製品10A−sを示した平面図である。 (a)は、第1音叉型水晶振動片10Aの外形を形成する円形の水晶ウエハ20−1を示した平面図である。 (b)は、第1音叉型水晶振動片10Aの外形を形成する矩形の水晶ウエハ20−2を示した平面図である。 第2音叉型水晶振動片10Bの平面図である。 図9の破線Gに囲まれた部分の拡大図である。 第3音叉型水晶振動片10Cの平面図である。 第1変形例における第2音叉型水晶振動片半製品10B−sを示した平面図である。 第2変形例における第3音叉型水晶振動片半製品10C−sを示した平面図である。 第3変形例の第4音叉型水晶振動片10Dを示した平面図である。 第4変形例の第5音叉型水晶振動片10Eを示した平面図である。 (a)は、第1音叉型圧電振動片10Aを備えた圧電振動子100の側面図である。 (b)は、第4音叉型圧電振動片10Dを備えた圧電振動子200の側面図である。 (a)は、第5音叉型圧電振動片10Eを備えた圧電振動子300の分解斜視図である。 (b)は、第5音叉型圧電振動片10Eを備えた圧電振動子300のK−K断面図である。
以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。
以下の各実施形態において、水晶の結晶軸に合わせて振動腕が伸びる方向をY軸方向とし、振動腕の腕幅方向をX軸方向とし、そのX軸およびY軸方向と直交する方向をZ軸方向とする。
(第1実施形態)
<第1音叉型水晶振動片10Aの全体構成>
図1は、第1音叉型水晶振動片10Aの斜視図である。なお、図1において第1音叉型水晶振動片10Aの+Z側の面を「表面Me」とし、−Z側の面を「裏面Mi」とする。また、第1音叉型水晶振動片10Aは、表面Meから見た形状と裏面Miから見た形状とが同じであるため、表面Meから見た第1音叉型水晶振動片10Aの斜視図を一例として説明する。同様に、以降に言及される平面図においても、基本的に表面Meから見た平面図のみを一例として説明する。
図1に示された第1音叉型水晶振動片10Aは、例えば32.768kHzで振動し、極めて小型となっている。例えば、第1音叉型水晶振動片10AのY軸方向の全体長さが1.7mm程度、X軸方向の全体幅が0.5mm程度、Z軸方向の厚さが0.4mm程度である。また、第1音叉型水晶振動片10Aはほぼ矩形状の基部11と、基部11から+Y軸方向に伸びて形成されている一対の振動腕12Aとを有している。また、一対の振動腕12Aの+Y側の先端にはX軸方向の幅が振動腕12Aより大きく形成された拡幅部(不図示)がそれぞれ形成されてもよい。拡幅部は第1音叉型水晶振動片10Aの一対の振動腕12Aを振動しやすくすることができる。
一対の振動腕12Aの表面Me及び裏面Miには、その表面Me及び裏面Miから凹んだY軸方向に伸びる溝部13Aがそれぞれ形成されているので、振動腕12AのA−A断面はほぼ「H」型(図2を参照)となっている。溝部13Aについては、以降の図2〜図4で詳しく説明する。
基部11の−Y側の両隅には互いに極性の異なる(図1では斜線及び網状線で示す)矩形状の基部電極111がそれぞれ形成される。一対の溝部13Aには互いに極性が異なる溝部励振電極131がそれぞれ形成されている。また、−X側の振動腕12AのX軸方向の両外側には極性が同じ側面励振電極121がそれぞれ形成され、+X側の振動腕12AのX軸方向の両外側には−X側の振動腕12Aの側面励振電極121と極性の異なる側面励振電極121がそれぞれ形成されている。一対の振動腕12Aの+Y軸側の先端には振動腕12Aの両外側の側面励振電極121を接続させる金属膜151がそれぞれ形成されている。
また、基部電極111は接続電極141を介して側面励振電極121、溝部励振電極131にそれぞれ接続されている。このような構成によって、基部電極111は、側面励振電極121及び溝部励振電極131に導電している。また、基部電極111が導電性接着剤116(図16(a)を参照)を介して外部電極118(図16(a)を参照)に接続されれば、外部電極118と側面励振電極121及び溝部励振電極131とがそれぞれ導電し、第1音叉型水晶振動片10Aの振動腕12Aは励振する。
また各電極パターンは、50オングストローム〜700オングストロームのクロム(Cr)層の上に200オングストローム〜3000オングストロームの金(Au)層が形成された構成になっている。クロム(Cr)層の代わりに、タングステン(W)層、ニッケル(Ni)層又はチタン(Ti)層を使用してもよく、また金(Au)層の代わりに、銀(Ag)層を使用してもよい。
<溝部13Aの構成>
図1に示されたように、一対の溝部13Aは底面M1と、その底面M1に接続された第1長側面M21(図2を参照)、第2長側面M22、第1短側面M31及び第2短側面M32とをそれぞれ有している。なお、Y軸方向に伸びた第1長側面M21(図2を参照)は底面M1の+X側に設けられ、Y軸方向に伸びた第2長側面M22は底面M1の−X側に設けられている。また、第1短側面M31は底面M1の−Y側に設けられ、第2短側面M32は底面M1の+Y側に設けられる。
図2は、図1のA−A断面図である。図2に示されたように溝部13Aが第1音叉型水晶振動片10Aの表面Me及び裏面Miから凹んで形成されているので、振動腕12AのA−A断面はほぼ「H」型となっている。また図2において、溝部13AはウエットエッチングによりZ軸方向で第1音叉型水晶振動片10Aの表面Me及び裏面Miから中央に向かって幅狭くなるように形成され、振動腕12AのX軸方向での中心線Bxに対してほぼ線対称となっている。また、溝部13Aの深さW2は、第1音叉型水晶振動片10Aの厚さW1の約35〜45%である。
ここで、溝部励振電極131と側面励振電極121とに交番電圧を印加すれば、溝部励振電極131と側面励振電極121との間で電界Exが矢印方向に沿って発生する。この電界Exは振動腕12A内で電極に垂直に、すなわち直線的に働くので、電界Exが大きくなる。その結果、第1音叉型水晶振動片10Aを小型化した場合でも等価直列抵抗の小さい水晶振動片が得られる。
図3は、図1のB−B断面図である。振動腕12A内に形成される溝部13Aはウエットエッチングにより形成される。基部11側の第1短側面M31は表面Me又は裏面Miに対して所定の傾斜角度β1に傾いて形成された緩斜面となり、振動腕12Aの先端側の第2短側面M32は表面Me又は裏面Miに対して所定の傾斜角度β2に傾いて形成された緩斜面となる。ここで、傾斜角度β1は120°〜160°程度であることが好ましい。第1短側面M31は、ウエットエッチングで溝部13Aが形成された後再びウエットエッチングされることで緩斜面になる。
このような構成によれば、溝部13Aに溝部励振電極131を形成する際、エッジ部分E(後述する第1短辺S11、第2短辺S12及び第3短辺S13)において電極用金属膜の上にフォトレジストを均一の厚さで塗布することができる。またフォトリソグラフィで電極を形成する際に、紫外線が金属膜に照射されやすい。したがって、完成した電極パターンは断線などが発生することが少なくなる。
図4は、図1の点線Cに囲まれた部分を+Z側から見た拡大平面図である。図を見やすくするために、各電極は図4では描かれていない。図4に示されたように、第1長側面M21と表面MeとはY軸方向に伸びた第1長辺L11で交差し、第2長側面M22と表面MeとはY軸方向で伸びた第2長辺L12で交差する。また、第1短側面M31と表面Meとは、第1長辺L11に接続された第1短辺S11で交差し、第2長辺L12に接続された第2短辺S12で交差し、第1短辺S11と第2短辺S12とを連結するX軸方向に伸びた第3短辺S13で交差する。
ここで、第1長辺L11と第1短辺S11とからなす第1角度θ1は第2長辺L12と第2短辺S12とからなす第2角度θ2より小さい。
<第1股部14Aの構成>
以下、第1股部14Aについて、図4及び図5を参照しながら詳しく説明する。図4に示されたように、第1股部14Aは一対の振動腕12A及び基部11により構成されている。
図5は、図1のD−D断面図である。図5に示された第1股部14Aは、表面Me及び裏面MiからZ軸方向の中央に斜めに伸びた2つの股部面M41と、この2つの股部面M41が第1音叉型水晶振動片10Aの厚さ方向のほぼ中央位置で交差するように形成された第1境界辺Sbとを有している。ここで、股部面M41と表面Me及び裏面Miとからなす傾斜角度β3は120°〜160°程度であることが好ましい。股部面M41は、ウエットエッチングで第1股部14Aが形成された後、再びウエットエッチングされることで緩斜面になる。
このような構成によれば、第1股部14Aに接続電極141を形成する際、エッジ部分E(後述する第1股部辺S14、第2股部辺S15及び第3股部辺S16)において電極用金属膜の上にフォトレジストを均一の厚さで塗布することができ、フォトリソグラフィの紫外線も照射しやすい。したがって、完成した電極パターンは断線などが発生することが少なくなる。
図4に戻り第1股部14Aを引き続き説明する。股部面M41と表面Meとは第1股部辺S14、第2股部辺S15及び第3股部辺S16で交差する。ここで、第1股部辺S14とY軸とからなす第1鈍角θ3は第2股部辺S15とY軸とからなす第2鈍角θ4より小さい。
<第1音叉型水晶振動片10Aの製造方法>
第1音叉型水晶振動片10Aの製造方法について、図6〜図8を参照しながら説明する。図6は、第1音叉型水晶振動片10Aの製造方法を示したフローチャートである。図7は、第1音叉型水晶振動片半製品10A−sを示した平面図である。図8(a)は第1音叉型水晶振動片10Aの外形を形成する円形の水晶ウエハ20−1を示した平面図で、図8(b)は第1音叉型水晶振動片10Aの外形を形成する矩形の水晶ウエハ20−2を示した平面図である。
図6に示されたステップS111において、まずZカットされた水晶ウエハ20(図8を参照。ただし、図8は第1音叉型水晶振動片10Aが形成された後のウエハが描かれている。)が用意される。ここで水晶ウエハ20は鏡面状に研磨された円形又は矩形のウエハである。そして、スパッタリングもしくは蒸着などの手法により、水晶ウエハ20の全面に耐食膜としての金属膜が形成する。耐食膜としてクロム(Cr)層の上に金(Au)層を重ねた金属膜が使用される。
ステップS112において、耐食膜を形成した水晶ウエハ20に、全面にスピンコートなどの手法でフォトレジスト層が均一に塗布される。フォトレジスト層としては、たとえば、ノボラック樹脂によるポジフォトレジストが使用される。
ステップS113において、露光装置(図示しない)を用いて、フォトマスクに描かれた第1音叉型水晶振動片10Aの外形パターンをフォトレジスト層が塗布された水晶ウエハ20の両面に露光する。露光されたフォトレジストは、現像することで除去される。フォトレジスト層から露出した金層を、たとえばヨウ素とヨウ化カリウムの水溶液を用いて、金層をエッチングする。次いで、金層が除去されて露出したクロム層を、たとえば硝酸第二セリウムアンモニウムと酢酸との水溶液でエッチングする。これらのウエットエッチングは水溶液の濃度、温度および水溶液に浸している時間を調整して余分な箇所が侵食されないようにする。その後、露出された水晶ウエハ20を第1音叉型水晶振動片10Aの平面外形(溝部なし)が形成されるようにウエットエッチング剤に浸漬させてウエットエッチングする。ここで水晶ウエハ20に対するウエットエッチングにより、図7の実線で示されたように、股部と表面Meとの交差辺が一直線となっている第1股部半製品14A−sが形成される。
ステップS114において、ウエットエッチングされた水晶ウエハ20全面にフォトレジスト層がスプレーなどの手法で均一に塗布される。
ステップS115において、露光装置(図示しない)を用いて、フォトレジスト層が塗布された水晶ウエハ20の両面にフォトマスクに描かれた溝部半製品13A-s(図7の実線を参照)のパターンが露光される。フォトマスクに描かれた溝部半製品13A-sのパターンはZ方向から見て長方形である。その後、フォトレジスト層から露出した金層が、ウエットエッチングされる。次いで、金層が除去されて露出したクロム層がウエットエッチングされる。そして、露出された水晶ウエハ20がウエットエッチングされて図7の実線に示されたような溝部半製品13A-sが形成される。以上の工程によって、図7の実線に示されたように溝部半製品13A-s及び第1股部半製品14A−sを有している第1音叉型水晶振動片半製品10A−sが形成される。
次にステップS116において、第1音叉型水晶振動片半製品10A−sに残った耐食膜及びフォトレジストが除去される。これにより第1音叉型水晶振動片半製品10A−s全体に耐食膜が無い状態となる。
ステップS117において、第1音叉型水晶振動片半製品10A−s全体がマスクなしでウエットエッチング剤に浸漬させられてウエットエッチングされる。なお、ステップS117ではステップS113またはS115と同じ温度および同じバッファードフッ酸、又はフッ酸を用いてエッチングするが、そのエッチング時間がステップS113またはS115のエッチング時間より短い。これにより、第1音叉型水晶振動片半製品10A−s全体がエッチングされ、溝部13A及び第1股部14Aは図4で示された形状になる。
ここで、第1音叉型水晶振動片半製品10A−s全体をマスクなしでウエットエッチング剤に浸してウエットエッチングするが、図7の破線Fに示された部分のみに対してウエットエッチングされるようにゴム製のマスクを用いて図7の点線に示された溝部13A及び第1股部14A(図4を参照)を形成してもよい。
以上の工程を経て、図8(a)又は図8(b)に示されたような水晶ウエハ20−1、20−2が形成される。円形の水晶ウエハ20−1において、第1音叉型水晶振動片10Aを3個1ブロックとして、13ブロック配置した状況を示している。円形の水晶ウエハ20−1は、軸方向が特定できるように、水晶ウエハ20−1の周辺部の一部には、水晶の結晶方向を特定するオリエンテーションフラット21cが形成されている。なお、説明の都合上水晶ウエハ20−1には39個の第1音叉型水晶振動片10Aが描かれているが、実際には水晶ウエハ20−1に数百数千もの第1音叉型水晶振動片10Aが形成される。また矩形の水晶ウエハ20−2も同様である。
ステップS118において、溝部13A及び第1股部14Aが形成された水晶ウエハ20が純水で洗浄される。そして、基部電極111、側面励振電極121、溝部励振電極131、接続電極141及び金属膜151(図1を参照)を形成するため、蒸着またはスパッタリング等の手法により例えばAu/Crなどの電極用金属膜が水晶ウエハ20に形成される。そして、電極用金属膜の上に均一にフォトレジストが塗布される。
ここで、ステップS117のウエットエッチングにより溝部13A及び第1股部14Aに、緩斜面となる第1短側面M31(図3を参照)及び股部面M41(図5を参照)が形成されている。それらのエッジ部分E(図3及び図5を参照)にフォトレジストを均一の厚さで塗布することができる。
次に、各電極パターンと対応したフォトマスクが用意され、各電極パターンをフォトレジスト層が塗布された水晶ウエハ20に露光する。ここで、各電極パターンは第1音叉型水晶振動片10Aの両面に形成される。エッジ部分E(図3及び図5を参照)が鈍角であるため、フォトレジストに紫外線が適切に照射される。フォトレジスト層を現像後、感光したフォトレジスト層が除去される。残るフォトレジストは電極パターンと対応したフォトレジスト層になる。さらに電極となる金属膜のウエットエッチングが行われる。これにより、第1音叉型水晶振動片10Aの表裏面には基部電極111、側面励振電極121、溝部励振電極131、接続電極141及び金属膜151(図1を参照)が形成される。エッジ部分E(図3及び図5を参照)が鈍角であるため、断線などのない電極パターンが形成される。
ステップS119において、ダイシングソーで第1音叉型水晶振動片10Aを単位として水晶ウエハ20が切断され、図1に示された第1音叉型水晶振動片10Aが完成する。
(第2実施形態)
図9は、第2実施形態の第2音叉型水晶振動片10Bを示す。第2音叉型水晶振動片10Bは、溝部13B及び第1股部14Bを除いた他の部分は第1実施形態と同じである。以下、第2音叉型水晶振動片10Bの溝部13B及び第1股部14Bについて、図9及び図10を参照しながら説明する。
<溝部13Bの構成>
図9は、第2音叉型水晶振動片10Bの平面図である。図10は、図9の破線Gに囲まれた部分の拡大図である。また、図9及び図10では理解を助けるため電極が図示されていない。
まず、振動腕12Bの溝部13Bは、底面M1と、その底面M1に接続された第1長側面M21、第2長側面M22、第1短側面M61及び第2短側面M62とをそれぞれ有している。なお、第1長側面M21は底面M1の+X側に設けられY軸方向に沿って伸び、第2長側面M22は底面M1の−X側に設けられY軸方向に沿って伸びている。また、第1短側面M61は底面M1の−Y側に設けられ、第2短側面M62は底面M1の+Y側に設けられる。
また、第1長側面M21と表面MeとはY軸方向に伸びた第1長辺L11で交差し、第2長側面M22と表面MeとはY軸方向で伸びた第2長辺L12で交差する。また、第1短側面M61と表面Meとは、第1長辺L11に接続された第1短辺S21と、第2長辺L12に接続された第2短辺S22とで交差する。
また、図10に示されたように第1長辺L11と第1短辺S21とからなす第1角度θ5は第2長辺L12と第2短辺S22とからなす第2角度θ6より小さい。
<第1股部14Bの構成>
図9に示されたように、第1股部14Bは表面Me及び裏面MiからZ軸方向の中央に伸びた2つの股部面M71と、その2つの股部面M71が第2音叉型水晶振動片10Bの厚さ方向のほぼ中央で交差するように形成された第1境界辺Sbとを有している(図5を参照)。また、股部面M71と表面Meとは第1股部辺S24及び第2股部辺S25で交差する。
また、図10に示されたように第1股部辺S24とY軸とからなす第1鈍角θ7は第2股部辺S25とY軸とからなす第2鈍角θ8より小さい。
<第2音叉型水晶振動片10Bの製造方法>
第2音叉型水晶振動片10Bの製造方法において、図6のステップS117を除いた他のステップは第1音叉型水晶振動片10Aの製造方法と同じであるため、ステップS117のみについて説明する。
図6に示されたステップS117において、図9に示された溝部13B及び第1股部14Bが形成する。ここで、第2音叉型水晶振動片10B全体をマスクなしでウエットエッチング剤に浸漬させてウエットエッチングしてもよいしマスクを用いて一部のみがウエットエッチング剤に浸漬させて、溝部13B及び第1股部14Bを形成してもよい。
(第3実施形態)
図11は、第3実施形態の第3音叉型水晶振動片10Cを示す。第3音叉型水晶振動片10Cは、溝部13Cを除いた他の部分が第1実施形態と同じである。以下、第3音叉型水晶振動片10Cの溝部13Cのみについて、図11を参照しながら説明する。
<溝部13Cの構成>
図11に示されたように、一対の振動腕12Cに設けられた溝部13Cは−Y側の第1溝部ユニット13Ca及び+Y側の第2溝部ユニット13Cbにそれぞれ分けて形成される。この構成は、一対の振動腕12Cの強度を強化することができる。
詳しく説明すると、第3音叉型水晶振動片10Cの第1溝部ユニット13Caは底面M11と、その底面M11に接続された第1長側面M23、第2長側面M24、第1短側面M81及び第2短側面M82とをそれぞれ有している。
Y軸方向に伸びた第1長側面M23は底面M11の+X側に設けられ、Y軸方向に沿って伸びた第2長側面M24は底面M11の−X側に設けられている。また、第1短側面M81は底面M11の−Y側に設けられ、第2短側面M82は底面M11の+Y側に設けられている。
第1長側面M23と表面MeとはY軸方向に伸びた第1長辺L21で交差し、第2長側面M24と表面MeとはY軸方向で伸びた第2長辺L22で交差する。また、第1短側面M81と表面Meとは、第1長辺L21に接続された第1短辺S31と、第2長辺L22に接続された第2短辺S32と、第1短辺S31と第2短辺S32とを連結するX軸方向に伸びた第3短辺S33とで交差する。
ここで、第1長辺L21と第1短辺S31とからなす第1角度θ9は第2長辺L22と第2短辺S32とからなす第2角度θ10より小さい。
また、第2短側面M82と表面Meとは、第1長辺L21に接続された第4短辺S41と、第2長辺L22に接続された第5短辺S42と、第4短辺S41と第5短辺S42とを連結するX軸方向に伸びた第6短辺S43とで交差する。
ここで、第1長辺L21と第4短辺S41とからなす第3角度θ11は第2長辺L22と第5短辺S42とからなす第4角度θ12より小さい。
また図11に示されたように、第3音叉型水晶振動片10Cの第2溝部ユニット13Cbは底面M12と、その底面M12に接続された第1長側面M25、第2長側面M26、第1短側面M91及び第2短側面M92とをそれぞれ有している。
第1長側面M25と表面MeとはY軸方向に伸びた第1長辺L31で交差し、第2長側面M26と表面MeとはY軸方向で伸びた第2長辺L32で交差する。また、第1短側面M91と表面Meとは、第1長辺L31に接続された第1短辺S51と、第2長辺L32に接続された第2短辺S52と、第1短辺S51と第2短辺S52とを連結するX軸方向に伸びた第3短辺S53とで交差する。
ここで、第1長辺L31と第1短辺S51とからなす第1角度θ13は第2長辺L32と第2短辺S52とからなす第2角度θ14より小さい。このため、第1短辺S51と第2短辺S52とを連結しX軸方向に伸びた第3短辺S53の垂直二等分線Gxは、振動腕12CのX軸方向での中心線Bxより−X側にずれている。
上述のように、第3音叉型水晶振動片10Cにおいて、第1溝部ユニット13Caの第1短側面M81、第2短側面M82及び第2溝部ユニット13Cbの第1短側面M91は表面Meとの角度が120°〜160°である緩斜面を形成する。第1溝部ユニット13Ca及び第2溝部ユニット13Cbに溝部励振電極(図示しない)を形成する際、エッジ部分(図3を参照)に電極用金属膜の上にフォトレジストを均一の厚さで塗布することができ、またフォトレジストに紫外線を照射しやすい。このため、完成した電極パターンは断線などが生じることが極めて少ない。
また、第3実施形態では短側面と表裏面とが第1短辺、第2短辺及び第3短辺で交差する場合について説明したが、第2実施形態で説明されたように短側面と表裏面とが第1短辺及び第2短辺のみで交差してもよい。また、第3実施形態では股部面が第1実施形態で説明された第1股部14Aの形状となっているが、第2実施形態で説明された第1股部14Bの形状となってもよい。
<第3音叉型水晶振動片10Cの製造方法>
第3音叉型水晶振動片10Cの製造方法において、図6のステップS115〜S117を除いた他のステップは第1音叉型水晶振動片10Aの製造方法と同じである。
図6に示されたステップS115において、露光装置(図示しない)を用いて、フォトマスクに描かれた矩形の第1溝部ユニット13Ca及び第2溝部ユニット13Cbの半製品(図示しない)のパターンがフォトレジスト層が塗布された水晶ウエハ20の両面に露光される。次にフォトレジスト層から露出した金層がウエットエッチングされる。次いで、金層が除去されて露出したクロム層がウエットエッチングされる。そして、露出された水晶ウエハ20がウエットエッチングされ、矩形の第1溝部ユニット13Ca及び第2溝部ユニット13Cbの半製品(図示しない)が形成される。
ステップS116において、第3音叉型水晶振動片10Cの半製品(図示しない)に残った耐食膜及びフォトレジストが除去される。
ステップS117において、第3音叉型水晶振動片10Cの半製品(図示しない)全体がマスクなしでウエットエッチング剤に浸漬してウエットエッチングされる。これにより、図11に示された溝部13C及び第1股部14Aが形成される。なお、図11に示された第1溝部ユニット13Caの第1短側面M81、第2短側面M82及び第2溝部ユニット13Cbの第1短側面M91部分のみに対してウエットエッチングされるようにマスクを用いて図11に示された溝部13C及び第1股部14Aを形成してもよい。
(第1変形例)
ここまで説明された第1〜第3実施形態の水晶振動片は、図7の実線で示されたように、その溝部の形状が矩形となっている。しかし、図6のステップS111〜S115を経て形成される溝部の形状は矩形に限られない。以下、第2実施形態の第2音叉型水晶振動片10Bの変形例を一例として、第1変形例を説明する。図12は、第1変形例における第2音叉型水晶振動片半製品10B−sを示した平面図である。
図6で説明されたステップS113までの工程により形成された第1股部半製品14B−sと表面Meとの交差形状は、図12の実線に描かれたように円弧状(U字型)となっている。これは第2音叉型水晶振動片10Bの外形パターンを形成される際のフォトマスクが、円弧状に形成されているからである。なお、ステップS113までの工程では、図12に示された溝部半製品13B-sは形成されておらず、第2音叉型水晶振動片10Bは平面形状である。
また、ステップS115の工程により溝部半製品13B-sの短辺側は円弧状(U字型)に形成される。つまり、溝部半製品13B-sと表面Meとの交差形状は、図12の実線に描かれたように、Y軸方向の両側状が円弧でX軸方向の両側が直線である角丸長方形となっている。フォトマスクの溝パターン形状が円弧に形成されているためである。
その後、図12の実線に示された状態でステップS117を行い、図12の点線に示されたような溝部13B及び第1股部14Bを形成する。
また、第1変形例は第2実施形態の変形例となっているが、第1実施形態にも適用される。すなわち、図6で説明されたステップS113及びS115において図12に示された第1股部半製品14B−s及び溝部半製品13B−sを形成した状態で、ステップS117を行って第1実施形態で説明された溝部13A及び第1股部14A(図4を参照)を形成してもよい。同様に、第3実施形態にも適用される。
(第2変形例)
以下、第3実施形態の第3音叉型水晶振動片10C’の変形例を一例として、第2変形例について説明する。図13は、第2変形例における第3音叉型水晶振動片半製品10C’−sを示した平面図である。
図6で説明されたステップS113までの工程により形成された第1股部半製品14C’−sは図13の実線に描かれたように2つの直線より構成された「V」字型となっている。これは第3音叉型水晶振動片10C’の外形パターンを形成される際のフォトマスクが、「V」字に形成されているからである。なお、ステップS113までの工程では、図13に示された溝部半製品13C’-sは形成されておらず、第3音叉型水晶振動片10C’は平面形状である。
また、ステップS115の工程により溝部半製品13C’-sの短辺側は図13の実線に示されたように、「V」字型に形成される。フォトマスクの溝パターン形状が「V」字弧に形成されているためである。
その後、ステップS117を行い、図13の点線に示されたような溝部13C’及び第1股部14Aを形成する。また、第2変形例は第3実施形態の変形例となっているが、第1実施形態及び第2実施形態にも適用される。
(第3変形例)
以下、第3変形例の第4音叉型水晶振動片10Dについて説明する。図14は、第3変形例の第4音叉型水晶振動片10Dを示した平面図である。第1実施形態と同じ構成要件に対して同じ符号を付して説明する。
<第4音叉型水晶振動片10Dの全体構成>
図14に示されたように、第4音叉型水晶振動片10DはY軸方向に沿って伸びた軸Axにより線対称となる。第4音叉型水晶振動片10Dはほぼ矩形状の基部21と基部21から+Y軸方向に伸びて形成されている一対の振動腕12Aを有している。一対の振動腕12Aの表面には、一対の溝部13Aが形成されている。
また、第4音叉型水晶振動片10Dは一対の振動腕12Aの両外側に基部21から+Y軸方向に伸びて形成されている一対の支持腕22を有している。一対の支持腕22は、振動腕12Aの振動が第4音叉型水晶振動片10Dの外部へ漏れる振動漏れを小さくする効果を有する。また一対の支持腕22は、パッケージPK(図16(b)を参照)の外部の温度変化、または衝撃の影響を受けづらくさせる効果を有する。ここで、一対の振動腕12A同士の距離Wと、振動腕12Aと支持腕22とのX軸方向の距離Wとは同じになるように構成されている。
また、支持腕22はその+Y側の先端に、支持腕22の幅より幅広い幅広腕部222が形成されている。幅広腕部222は、パッケージPKの連結電極216(図16(b)を参照)と接続される箇所である。幅広腕部222が広い面積を有すると導電性接着剤215(図16(b))が塗布される接続領域の面積が大きくなる。これにより、接続領域がより大きくなって第4音叉型水晶振動片10Dがより確実にパッケージPK中に載置できる。
第4音叉型水晶振動片10Dは、X軸方向で一対の振動腕12Aの両外側に振動腕12Aと支持腕22と基部21とから構成された第2股部24を有している。また、一対の溝部13Aには互いに極性が異なる溝部励振電極131(図14では斜線と網状線とで示す)がそれぞれ形成される。一対の振動腕12AのX軸方向の両外側にはそれぞれに側面励振電極121が形成される。
一対の支持腕22にはY軸方向に沿って伸びた引出電極221が形成されている。引出電極221は+Y軸方向において幅広腕部222まで伸び、−Y軸方向において基部21まで伸びている。また、引出電極221は接続電極141を介して側面励振電極121及び溝部励振電極131に接続されている。
このような構成によって、引出電極221は、側面励振電極121及び溝部励振電極131に導電されている。引出電極221が導電性接着剤215(図16(b)を参照)を介して外部電極217(図16(b)を参照)に接続されれば外部電極と励振電極とがそれぞれ導電し、第4音叉型圧電振動片10Dの振動腕12Aは振動する。
<第2股部24の構成>
図14に示された第2股部24は、表面Me及び裏面MiからZ軸方向の中央に斜めに伸びた2つの股部面M101と、この2つの股部面M101が第4音叉型水晶振動片10Dの厚さ方向のほぼ中央位置で交差するように形成された第2境界辺Sbとを有している。ここで、股部面M101と表面Me及び裏面Miとから成す傾斜角度(図5を参照)は120°〜160°であることが好ましい。このような構成によれば、第2股部24に接続電極141を断線なく形成できる。
また、股部面M101と表面Meとは第4股部辺S17、第5股部辺S18及び第3股部辺S18で交差する。ここで、第4股部辺S17とY軸とからなす第3鈍角θ15は第5股部辺S18とY軸とからなす第4鈍角θ16より小さい。このため、第4股部辺S17と第5股部辺S18とを連結するX軸方向に伸びた第6股部辺S19の垂直二等分線Jxは、隣接した振動腕12A及び支持腕22間の中心線Kxより−X側にずれている。また、第3変形例の第2股部24は、第2実施形態で説明された第1股部14Bと同じ構成となってもよい。
<第4音叉型水晶振動片10Dの製造方法>
第3変形例の第4音叉型水晶振動片10Dは、第1実施形態で説明された図6のステップS113で基部21、振動腕12Aおよび支持腕22を形成することができる。また、第2股部24は第1実施形態の第1股部14Aと同じ工程で形成することができる。すなわち、第1実施形態で説明された図6のステップS113及びステップS117を介して図14に示された第2股部24を形成することができる。
(第4変形例)
以下、第4変形例の第5音叉型水晶振動片10Eについて、図15を参照しながら説明する。図15は、第4変形例の第5音叉型水晶振動片10Eを示した平面図である。第3変形例と同じ構成要件に対して同じ符号を付して説明する。
図15に示されたように、第5音叉型圧電振動片10Eはほぼ第3変形例と同じ構成である。第5音叉型圧電振動片10EはX軸方向で一対の振動腕12Aの両外側に励振基部21から+Y軸方向に伸びて形成されている一対の支持腕32を有している。また、第5音叉型圧電振動片10Eはその外側に矩形状の外枠部30をさらに有している。この外枠部30は一対の支持腕32を介して励振基部21と連結されている。
第5音叉型圧電振動片10Eにおいて、一対の支持腕32の表裏面には引出電極321が形成されている。引出電極321は、それぞれに外枠部30の一隅(+X側、+Y側)及び外枠部30の別の一隅(−X側、−Y側)まで伸びて形成される。また、引出電極321は接続電極141を介して側面励振電極121及び溝部励振電極131に接続されている。
このような構成によって、引出電極321が貫通電極314A、貫通電極314(図17を参照)を介して外部電極315(図17を参照)に接続されれば外部電極315と励振電極とがそれぞれ導電し第5音叉型圧電振動片10Eの振動腕12Aは振動する。
第4変形例の第5音叉型水晶振動片10Eの枠体30は、第1実施形態で説明された図6のステップS113で基部21、振動腕12Aなどと同時に形成することができる。
(第1圧電デバイス)
第1圧電デバイスとして第1実施形態で説明された第1音叉型水晶振動片10Aを用いた圧電振動子100について説明する。図16(a)は、第1音叉型水晶振動片10Aを備えた圧電振動子100の側面図である。
図16(a)に示されたように、圧電振動子100はベース112と、壁113と、蓋体114とにより構成されたキャビティCTを有するパッケージPKを備えている。パッケージPKは第1音叉型水晶振動片10AをキャビティCT内に収納している。ベース112及び壁113は、例えば圧電体、セラミック又はガラスなどで形成されている。また、蓋体114は、圧電体、Fe−Ni−Co合金(コバール)などの平板状の金属、又はガラスなどにより構成される。キャビティCT内は窒素ガスや真空などでシーム溶接などの手法により気密的に封止する。
また、ベース112の−Y側にはベース112及び壁113に接触するように台座115が設けられている。台座115もベース112及び壁113と同じに圧電体、セラミック又はガラスなどで形成される。また、第1音叉型水晶振動片10Aは基部11を台座115に載置し導電性接着剤116を介して台座115に固定される。
基部11に形成された基部電極111(図1を参照)は、導電性接着剤116及び連結電極117を介して外部電極118にそれぞれ接続されている。連結電極117はベース112と壁113との間を通過してベース112の底面に設けられた一対の外部電極118に接続される。このような構成にすれば、一対の外部電極118に交番電圧が印加された場合第1音叉型水晶振動片10Aの振動腕12が励振される。
また、第1音叉型水晶振動片10Aを用いた圧電振動子100について説明したが、第1音叉型水晶振動片10Aの替わりに第2〜第3実施形態又は第1、第2変形例で説明された音叉型水晶振動片を用いてもよい。
(第2圧電デバイス)
第2圧電デバイスとして第3変形例で説明された第4音叉型圧電振動片10Dを用いた圧電振動子200について説明する。図16(b)は、第4音叉型圧電振動片10Dを備えた圧電振動子200の側面図である。
図16(b)に示されたように、圧電振動子200はベース211と、壁212と、蓋体213とにより構成されたキャビティCTを有するパッケージPKを備えている。パッケージPKは第4音叉型圧電振動片10DをキャビティCT内に収納している。ベース211のY軸方向のほぼ中央部には台座214が設けられている。台座214もベース211及び壁212と同じに圧電体、セラミック又はガラスなどで形成される。また、第4音叉型圧電振動片10Dは支持腕22の幅広腕部222を台座214に載置し導電性接着剤215を介して台座214に固定される。支持腕22に形成された引出電極221(図14を参照)は、導電性接着剤215及び連結電極216を介して外部電極217に接続されている。
(第3デバイス)
第3圧電デバイスとして第4変形例で説明された第5音叉型圧電振動片10Eを用いた圧電振動子300について、図17を参照しながら説明する。図17(a)は、第5音叉型圧電振動片10Eを備えた圧電振動子300の分解斜視図であり、図17(b)は、第5音叉型圧電振動片10Eを備えた圧電振動子300のK−K断面図である。
図17(a)に示されたように、圧電振動子300は、最上部のリッド部301、最下部のベース部302及び中央部の第5音叉型圧電振動片10Eから構成される。リッド部301、ベース部302及び第5音叉型圧電振動片10Eは圧電材から形成される。リッド部301はウエットエッチングにより形成されたリッド用凹部311を第5音叉型圧電振動片10E側の片面に有している。ベース部302は、ウエットエッチングにより形成されたベース用凹部312を第5音叉型圧電振動片10E側の片面に有している。したがって、リッド用凹部311及びベース用凹部312によりキャビティCTが形成される。
また、ベース部302の+Z側のY軸方向の両側にはベース部接続電極313がそれぞれ設けられている。ベース部接続電極313の下には貫通電極314がそれぞれ設けられている。さらに、図17(b)に示されたように貫通電極314は外部電極315にそれぞれ接続され、貫通電極314は外部電極315に接続されている。
圧電振動子300は、図17(b)に示されたように第5音叉型圧電振動片10Eを中心として、その裏面にベース部302が接合され、その表面にリッド部301が接合されている。つまり、リッド部301は第5音叉型圧電振動片10Eに、ベース部302は第5音叉型圧電振動片10Eにシロキサン結合(Si−O−Si)技術により封止した構成になっている。
このような構成によれば、第5音叉型圧電振動片10Eにおいて引出電極321がベース部接続電極313及び貫通電極314を介して外部電極315に導電される。また、リッド部301、第5音叉型圧電振動片10E及びベース部302は、例えば陽極接合技術などによって接合されてもよい。
以上、本発明の最適な実施形態について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施形態に様々な変更・変形を加えて実施することができる。たとえば、本発明は、圧電振動子以外にも、発振回路を組み込んだICなどをベース部上に配置させた圧電発振器にも適用できる。
10A〜10E … 音叉型水晶振動片
10A−s、10B−s、10C’−s … 音叉型水晶振動片半製品
11、21 … 基部
12A、12B、12C … 振動腕
12A−s、12B−s、12C’−s … 振動腕半製品
13A、13B、13C … 溝部
13Ca、13Cb … 溝部ユニット
13A−s、13B−s、13C’−s … 溝部半製品
14A、14B、24 … 股部
14A−s、14B−s、14B’−s … 第1股部半製品
22、32 … 支持腕
100、200、300 … 圧電振動子
111 … 基部電極、 121 … 側面励振電極、 131 … 溝部励振電極、 141 … 接続電極、 151 … 金属膜
Ax、Bx … 対称線
M1、M11、M12 … 底面
M21、M22、M23、M24、M25、M26 … 長側面
M31、M32、M61、M62、M81、M82、M91、M92 … 短側面
M41、M71 … 股部面
Me … 表面、 Mi … 裏面
L11、L12、L21、L22、L31、L32 長辺
S11、S12、S13、S21、S22、S31、S32、S33、S41、S42、S43、S51、S52、S53 … 短辺
S14、S15、S16、S17、S18、S19、S24、S25 … 股部辺
θ1〜θ16、α、β1、β2、β3 … 角度

Claims (6)

  1. 水晶材からなり、表裏面を有する基部と、その基部からY軸方向に伸びる一対の振動腕と、前記一対の振動腕の表裏面に前記Y軸方向に伸びる溝部とを有する音叉型水晶振動片の製造方法において、
    前記水晶材に成膜された耐食膜にレジストを塗布し、前記レジストを露光して前記基部と前記振動腕と前記溝部とに対応する領域を露光するフォトリソグラフィ工程と、
    前記基部と前記振動腕と前記溝部とに対応する領域の以外の前記耐食膜をエッチングし且つ前記水晶材をエッチングして、前記音叉型水晶振動片の外形を形成する第1エッチング工程と、
    前記水晶材に残っている前記耐食膜および前記レジストを除去する除去工程と、
    前記除去工程後に、前記水晶材をエッチング剤に浸漬して、前記一対の振動腕と前記基部との間に形成される第1股部又は前記溝部の前記基部側の端面の少なくとも一方をエッチングする第2エッチング工程と、
    を備える音叉型水晶振動片の製造方法。
  2. 前記第1エッチング工程および前記第2エッチング工程が同じ温度および同じエッチング剤を使用し、前記第2エッチング工程のエッチング時間は、前記第1エッチング工程のエッチング時間よりも短い請求項1に記載の音叉型水晶振動片の製造方法。
  3. 前記第2エッチング工程は、前記除去工程で露出した前記音叉型水晶振動片の表裏面全体をエッチング剤に浸漬する請求項1または請求項2に記載の音叉型水晶振動片の製造方法。
  4. 前記第2エッチング工程は、前記音叉型水晶振動片における前記第1股部又は前記端面の少なくとも一方以外をマスクで覆ってエッチング剤に浸漬する請求項1または請求項2に記載の音叉型水晶振動片の製造方法。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか一項より製造された音叉型圧電振動片を収納するキャビティを有するパッケージを備える圧電デバイス。
  6. 第1凹み部を有するリッド板と第2凹み部を有するベース板とを備え、
    請求項1から請求項4のいずれか一項より製造された音叉型圧電振動片を前記リッド板と前記ベース板とで挟み込んだ圧電デバイス。
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