JP2013197693A - 水晶振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】水晶のエッチング異方性の影響でエッチング時間の推移とともに変化してしまう錘部の形状を安定化させ、これにより慣性モーメントによる負荷質量効果を安定して得ることを可能とし、振動特性のばらつきを低減させた、信頼性が高い捩り振動型の水晶振動子を提供する。
【解決手段】基部２００と基部から突出した複数の振動脚１００ａ、１００ｂ、１００ｃを有する捩り振動モードを利用した水晶振動子１０であって、振動脚は振動部１０２と振動部よりも先端側に位置し振動部よりも幅広な錘部１０１とからなり、錘部の先端側に振動子平面に対して所定の角度αを有する斜面が形成され、且つ振動部と錘部の繋ぎ目である稜線４００も所定の角度βを有し、斜面と同じ角度で傾いている。
【選択図】図１

Description

本発明は、移動体通信機、スマートメーター等電子機器や時計の基準信号源として用いられる水晶振動子に関する。
詳しくは、捩り振動モードを利用した水晶振動子の振動子形状に関するものである。

時計や移動体通信機の基準信号源として２本の振動する脚を持った、いわゆる音叉型の水晶振動子が広く用いられている。このような２脚音叉水晶振動子は２本の脚が脚の並ぶ方向すなわち面内で、互いに反対方向に屈曲振動するような振動モード（面内振動ｆｐ）で使用される。

図５は、一般的な屈曲振動型の水晶振動子を示した図である。図５に示すように、一般に広く用いられている屈曲振動型の水晶振動子１２は、基部２２０と、基部から突出する２本の振動脚１２０と、振動脚上に形成される励振電極（図５では構成をわかりやすくするため励振電極形状は表示されていない。）とで構成されており、さらに振動脚１２０は、振動部１２２と錘部１２１で構成されている。このような構成からなる水晶振動子１２の励振電極に電圧を印加することにより、振動脚１２０は、２本の脚が脚の並ぶ方向すなわち面内で、互いに反対方向に屈曲振動するような振動モード（面内振動ｆｐ）で振動する。

通常、このような屈曲振動モードを利用した水晶振動子１２においては、水晶振動子１２の平面が水晶の結晶軸のＺ軸と垂直な角度をなすように形成すると、振動特性がもっとも良好になることが広く知られており、それを達成するために以下に示すような製造方法が用いられる。

図６は、一般的な屈曲振動型の水晶振動子の製造方法を示した図である。平面が水晶の結晶方向のＺ軸と垂直な角度をなすように水晶振動子１２を製造するには、まず始めに平面が水晶の結晶方向のＺ軸と垂直な角度をなすように、水晶原石から水晶ウェハ５２０を切り出す（図６（a））。ちなみにこの時の切り出し角度を一般にカット角と称する。

次に、フッ酸等の水晶をエッチングするために用いる薬剤に対して耐食性のある保護膜６２０を水晶ウェハ５２０上に成膜し、フォトリソグラフィー法によって所望の音叉形状にパターニングする（図６（ｂ））。

その後、フッ酸等で水晶ウェハ５２０をエッチングすると、保護膜６２０がマスクとして機能し、水晶ウェハ５２０に水晶振動子１２ａが形成される（図６（ｃ））。その後、保護膜６２０を剥離し、水晶振動子１２ａ上に電極を形成した後、水晶振動子１２ａを水晶ウェハ５２０から折り取って、図５に示すような単体の水晶振動子１２が完成する。

一方、捩り振動モードで振動する音叉型の水晶振動子は、屈曲モードで振動する水晶振動子とは最適なカット角が異なることが一般に知られており、例えば特許文献１には、Ｘ軸を回転軸として０°〜３０°で回転し、さらにＺ軸を回転軸として０°〜−１０°回転させたカット角の水晶ウェハを用いて製造すると振動特性が良好になることが記載されている。

さらに、振動脚が三本ある三脚音叉形状の捩り振動モードで振動する水晶振動子においては、Ｘ軸を回転軸として２５°〜４５°で回転したカット角で形成した例が特許文献２に記載されている。

また特許文献３では、捩り振動モードで振動する音叉型の水晶振動子においても、屈曲振動モードで振動する水晶振動子と同様に、振動脚先端部に錘部を形成し、慣性モーメントによる負荷質量効果によって、水晶振動子を小型化しても良好な振動特性が得られることが記載されている。

特開平５−９０８７７ 特開２００２−１１８４４１ 特開平５−１２９８７５

捩り振動モード型の水晶振動子の場合、Ｘ軸を回転軸として所定の角度だけ回転させたカット角の水晶ウェハを用いて製造すると、振動特性が良好になることが知られている。

また、捩り振動モード型の水晶振動子を小型化するにあたっては、振動脚先端に錘部を形成して、慣性モーメントによる負荷質量効果を与えるのが望ましいことも知られている。

しかしながら、Ｘ軸を回転軸として所定の角度だけ回転させたカット角の水晶ウェハを用いて、振動脚先端に錘部を有する捩り振動モード型の水晶振動子を製造すると、水晶の結晶構造によって生じるエッチング異方性により、錘部の形状が特異な形状に形成されてしまう。また、その特異な形状はエッチング時間とともに変化するので、錘部の質量がばらついてしまい、慣性モーメントによる負荷質量効果を安定して得ることは難しかった。その結果、振動特性にばらつきが生じ、信頼性の低い水晶振動子になってしまうことが多かった。

上記課題を解決するために、本発明の捩り振動モードを利用した水晶振動子は、下記の形状を有することが特徴である。

詳しくは、本発明の水晶振動子は、基部と基部から突出した複数の振動脚を有する捩り振動モードを利用した水晶振動子であって、振動脚は振動部と振動部よりも先端側に位置し振動部よりも幅広な錘部とからなり、錘部の先端側に振動子平面に対して所定の角度を有する斜面が形成され、且つ振動部と錘部の繋ぎ目である稜線も斜面と同じ角度で傾いていることを特徴としている。

さらに、錘部の先端側に形成される斜面が水晶振動子の平面に対して４５°〜７０°の角度をなしていることを特徴としている。

本発明の水晶振動子の錘部形状は、製造時の形状ばらつきが少ないため、慣性モーメントによる負荷質量効果を安定して得ることができ、その結果、振動特性が良好で、信頼性が高く、且つ小型の捩り振動型の水晶振動子を提供することができる。

本発明の三脚音叉形状の捩り振動型の水晶振動子の外観図である。 本発明の捩り振動型の水晶振動子の製造方法を示した図である。 本発明の捩り振動型の水晶振動子の水晶エッチング工程における振動脚近傍の形状の変化を示した図である。 本発明の二脚音叉形状の捩り振動型の水晶振動子の外観図である。 従来の一般的な屈曲振動型の水晶振動子の外観図である。 従来の一般的な屈曲振動型の水晶振動子の製造方法を示した図である。

以下に本発明を実施する形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の三脚音叉形状の捩り振動型の水晶振動子の外観図である。図１に示すように、本発明の捩り振動モードを利用した捩り振動型の水晶振動子１０は、基部２００と、基部２００から突出する３本の振動脚１００と、振動脚１００上に形成される励振電極（図１では本発明の構成をわかりやすくするために励振電極形状は表示されていない。）とで構成されており、さらに振動脚１００は振動部１０２と錘部１０１で構成されている。なお基部２００の平面は水晶のＸ軸を回転軸としてカット角θだけ回転させたＸ−Ｙ´面と平行であり、基部２００から突出する３本の振動脚１００も水晶のＸ−Ｙ´面に平行に並んでいる。本発明では、このＸ−Ｙ´面を水晶振動子１０の平面と定義する。

さらに本発明の水晶振動子１０では、錘部１０１の先端側に形成される錘先端部３００に振動子１０の平面であるＸ−Ｙ´面に対して傾斜角αの角度をなす斜面が形成されている。本実施形態では、錘先端部３００の傾斜角αは約６０°であった。

さらには、振動脚１００の振動部１０２と錘部１０１の繋ぎ目である稜線４００も振動子１０の平面であるＸ−Ｙ´面に対して傾斜角βの角度で傾斜して形成されており、その傾斜角βは錘先端部３００の斜面の傾斜角αとほぼ同じ角度で形成されている。すなわち、本実施形態の水晶振動子１０では稜線４００の傾斜角βも６０°である。

このような構成からなる水晶振動子１０の励振電極に電圧を印加することにより、捩り振動モードで振動する。詳しくは、外側の２本の振動脚１００ａ、１００ｃが脚の長手方向を軸として同じ方向に捩れ、中央の１本の振動脚１００ｂが外側の振動脚１００ａ、１００ｂとは逆の方向に捩れるようにして振動（捩り振動ｆｔ）する。

本発明の捩り振動型の水晶振動子１０は、振動脚１００の先端に錘部１０１を有しているので、慣性モーメントの負荷質量効果により、小型でありながら２００〜６００ｋＨｚの低周波数を実現可能である。

図１に示す本実施形態の捩り振動型の水晶振動子１０は、以下に示す製造方法を用いて製造した。

図２は、本発明の捩り振動型の水晶振動子の製造方法を示した図である。まず始めに、Ｘ軸を回転軸としてカット角θだけ傾けたＸ−Ｙ´平面がウェハー平面になるように水晶原石から水晶ウェハ５００を切り出す（図２（a））。本実施形態ではカット角θを３０°に設定して切り出した板厚が１００μｍの水晶ウェハ５００を用いた。

次に、フッ酸等の水晶をエッチングするために用いる薬剤に対して耐食性のある保護膜６００を水晶ウェハ５００上に成膜した後、その保護膜６００をフォトリソグラフィー法によって三脚音叉形状にパターニングする（図２（ｂ））。本実施形態では、まず下層が０．０３μｍ厚のクロム（Ｃｒ）膜、上層が０．１μｍ厚の金（Ａｕ）膜からなる積層構造の保護膜６００を水晶ウェハ５００上にスパッタリング法で成膜し、その上に感光性材料からなるレジストを塗布して、そのレジストをフォトリソグラフィー法によって三脚音叉形状にパターニングした。その後、パターン化されたレジストをマスクとして利用し、保護膜６００である金（Ａｕ）膜とクロム（Ｃｒ）膜をエッチングすることで、三脚音叉形状でパターニングされた保護膜６００を完成させた。

その後、水晶ウェハ５００をエッチングすると、保護膜６００がマスクとなり、水晶ウェハ５００に水晶振動子１０ａが形成される（図２（ｃ））。本実施形態では、７０℃のバッファードフッ酸（ＢＨＦ）によって水晶ウェハ５００をエッチングして三脚音叉形状の水晶振動子１０ａを形成した。この時に保護膜６００は上層が金（Ａｕ）で構成されており、金（Ａｕ）はバッファードフッ酸に対して耐食性があるので、十分に保護膜として機能させることができた。なお保護膜６００の下層にあるクロム（Ｃｒ）は水晶ウェハ５００と上層の金（Ａｕ）との密着を高めるためのものであり、そのため本工程で保護膜６００が剥離することはなかった。

その後、図２には示されていないが、保護膜６００を剥離してから水晶振動子１０a上に電極を形成する。さらにその後、水晶振動子１０ａを水晶ウェハ５００から折り取って、図１に示す水晶振動子１０が完成する。

なお図２では本発明の内容を明確にするために、一枚の水晶ウェハ５００に一つの水晶振動子１０ａしか表示されていないが、通常は生産性を高めるために一枚の水晶ウェハ５００に複数の水晶振動子１０ａを形成するのが一般的である。そうすることによって、図２に示す製造工程を一回物流させるだけで、同時に多数の水晶振動子１０を製造することが可能である。

以上に示すような製造方法において、本発明の水晶振動子１０の形状を得るには、特に図２（ｃ）に示す水晶エッチング工程でのエッチング処理時間が重要なポイントとなる。

図３は、本発明の捩り振動型の水晶振動子の水晶エッチング工程における振動脚近傍の形状の変化を示した図であり、図１の振動脚１００近傍をＡ方向から見た形状を示している。

水晶エッチング工程が進むと水晶ウェハ５００が貫通し、ある時点で三脚音叉形状ができあがり、振動脚１００は図３（ａ）に示す形状の振動部１０２と錘部１０１ａになる。この時点での振動部１０２と錘部１０１ａの繋ぎ目である稜線４００は振動子の平面に対して傾斜角βの角度で傾斜している。一方、錘部１０１ａの先端側の錘先端部３００ａは、図３（ａ）に示すように、表の平面（図３では上側の平面）が先端側に突き出た突起部３５２と裏の平面（図３では下側の平面）が先端側に突き出た突起部３５１を有する形状で形成される。エッチング処理時間が短い段階の図３（ａ）の時点では、突起部３５１と突起部３５２はほぼ同じ大きさである。

さらに水晶エッチング工程を進めると、図３（ｂ）に示すように、錘先端部３００ｂは、突起部３５２がより多くエッチングされ、突起部３５１よりも小さくなっていく。なお振動部１０２と錘部１０１ｂの境界の稜線４００は図３（ａ）とほとんど形状は変わらず傾斜角βのまま推移する。

さらに水晶エッチング工程を進めると、図３（ｃ）に示すように、錘先端部３００ｃは、突起部３５２が完全に消失し、突起部３５１だけが残り、その結果、傾斜角αの角度で傾斜した斜面になる。一方、振動部１０２と錘部１０１ｃの境界の稜線４００は図３（ａ）からほとんど形状は変わらず、図３（ｃ）においても傾斜角βのまま推移する。

その後は、水晶エッチング工程を進めても、形状の変化はほとんど無く、図３（ｃ）の形状のまま安定して推移していく。

以上のような形状の変化は、水晶の結晶軸に起因するエッチング異方性によるものである。そのため、図３（ｃ）で形成される錘先端部３００ｃの傾斜角αも、稜線部４００の傾斜角βも、水晶の結晶軸によって決定され、いずれも水晶のＺ軸方向と平行に形成される。本実施形態では、水晶振動子１０の平面に垂直なＺ´軸が、水晶の結晶軸であるＺ軸に対してカット角θ＝３０°で形成されているので、図３（ｃ）に示すように、結晶角α、結晶角βはどちらも（９０°−θ）＝６０°で形成されることとなる。

本発明は、図３（ｃ）の形状になるまで水晶エッチング工程を進行させることを特徴としている。図３（ａ）、図３（ｂ）の段階では、時間経過によって形状変化があるので、安定した形状を得るのが難しいが、図３（ｃ）以降であれば、錘部１０１ｃ形状変化が無くなるので安定した形状が得やすい。その結果、錘部１０１ｃによる負荷質量効果を安定して得られるようになり、信頼性の高い水晶振動子１０を提供できるようになる。本実施形態では、約４時間のエッチング処理時間を費やして図３（ｃ）の状態に至った。

なお本実施形態では、Ｘ軸を回転軸として３０°で回転させたカット角θの水晶ウェハ５００から水晶振動子１０を製造した例を示したが、我々の実験によれば、水晶ウェハ５００のカット角θが２０°より小さくなると温度特性が悪くなり、４５°より大きくなると水晶のエッチング性が悪くなることが確認されている。よって、本発明を実施するのに適した水晶ウェハ５００のカット角θは２０°〜４５°の範囲であり、この範囲であれば、捩り振動モードでの温度特性が良好で、且つ水晶のエッチング性も安定する。本発明では、錘先端部３００の傾斜角αも稜線部４００の傾斜角βも、（９０°−θ）の関係式で形成されるので、本発明の傾斜角αと傾斜角βの最適な角度は４５°〜７０°ということになる。

図４は、本発明の二脚音叉形状の捩り振動型の水晶振動子の外観図である。図４に示すように、二脚音叉形状の捩り振動型の水晶振動子１１は、基部２１０と、基部から突出する２本の振動脚１１０と、振動脚上に形成される励振電極（図４では本発明の構成をわかりやすくするため励振電極形状は表示されていない。）とで構成されており、さらに振動脚１１０は振動部１１２と錘部１１１で構成されている。なお基部２１０の平面は水晶のＸ軸を回転軸としてカット角θだけ回転させたＸ−Ｙ´面と平行であり、基部２１０から突出する２本の振動脚１１０も水晶のＸ−Ｙ´面に平行に並んでいる。本発明では、このＸ−Ｙ´面を水晶振動子の平面と定義する。

このような構成からなる二脚音叉形状の水晶振動子１１の励振電極に電圧を印加することにより、捩り振動モードで振動する。図１に示す三脚音叉形状の水晶振動子１０とは異なり、同じ方向に捩れるモードはなく、２本の振動脚１１０ａ、１１０ｂが互いに逆の方向に捩れるようにして振動（捩り振動ｆｔ）する。

我々が行った実験によれば、本実施形態の二脚音叉形状の水晶振動子１１でも、温度特性を良好にし、且つ水晶のエッチング性も安定化させるためには、水晶ウェハのカット角θを２０°〜４５°の範囲になるように設定するのが望ましいことがわかった。よって本実施形態の二脚音叉形状の水晶振動子１１においても、錘先端部３１０の斜面がなす傾斜角α、および振動部１１２と錘部１１１の繋ぎ目である稜線４１０の傾斜角βは、４５°〜７０°（＝９０°−θ）で形成されるのが最適な傾斜角の範囲となる。

以上のように、本発明は水晶ウェハのカット角θに起因して形成される形状（傾斜角α、傾斜角β）を規定するものであり、二脚音叉形状であっても、三脚音叉形状であっても適用される。さらには振動脚が四脚以上であっても本発明は同様の効果が得られる。

１０、１０ａ、１１、１２、１２ａ 水晶振動子
１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ 振動脚
１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ 錘部
１０２ 振動部
１１０、１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ 振動脚
１１１ 錘部
１１２ 振動部
１２０ 振動脚
１２１ 錘部
１２２ 振動部
２００、２１０、２２０ 基部
３００、３００ａ、３００ｂ、３００ｃ、３１０ 錘先端部
３５１、３５２ 突起部
４００、４１０ 稜線部
５００、５２０ 水晶ウェハ
６００、６２０ 保護膜

Claims (2)

1. 基部と該基部から突出した複数の振動脚を有する捩り振動モードを利用した水晶振動子であって、前記振動脚は振動部と該振動部よりも先端側に位置し該振動部よりも幅広な錘部とからなり、前記錘部の先端側に水晶振動子の平面に対して所定の角度を有する斜面が形成され、且つ前記振動部と前記錘部の繋ぎ目である稜線も前記斜面と同じ角度で傾いていることを特徴とする水晶振動子。
2. 前記錘部の先端側に形成される前記斜面が、水晶振動子の平面に対して４５°〜７０°の角度をなしていることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。

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