JP2015201748A - 水晶振動素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 溝部内の励振電極の面積を大きくしてクリスタルインピーダンスを低減し得る、水晶振動素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 溝部となる領域５４において感光性レジスト膜４３からなる突起５７を、水晶ウェハ４１のエッチングレートの小さくなる部分ほどエッチングを促す形状等としたことにより、溝部となる領域５４内の水晶ウェハ４１のエッチングレートの差を縮小できるので、溝部の深さを均一化できる。したがって、溝部がエッチングレートの差によって部分的に貫通することを回避しつつ、溝部を深く形成できるので、溝部内の励振電極の面積を大きくしてクリスタルインピーダンスを低減できる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、例えば基準信号源やクロック信号源に用いられる音叉型屈曲水晶振動素子などの水晶振動素子及びその製造方法に関する。

水晶振動素子の水晶片は、基部と、この基部から同一方向に延設された二本の振動腕部と、これらの振動腕部の表裏面に形成された溝部と、からなる。この水晶片は、水晶ウェハにウェットエッチングを施すことにより得られる。その一般的なウェットエッチング工程では、基部及び振動腕部の外形を形成する工程と、溝部を形成する工程とに分かれる。一回のウェットエッチングで外形と溝部の両方を形成しようとすると、溝部が表裏で貫通してしまうからである。

これに対し、関連技術１として、一回のウェットエッチングで外形と溝部の両方を形成する製造方法が知られている（例えば特許文献１参照）。この関連技術１では、ウェットエッチングのマスクにおいて溝部となる領域にエッチング抑制パターンを形成しているので、外形となる領域の水晶ウェハが貫通しても、溝部となる領域の水晶ウェハは貫通しない。

図９は、関連技術１の製造方法における耐食膜のパターンの一部を拡大して示す平面図である。図１０及び図１１は、関連技術１の製造方法で得られた溝部を示す断面図である。以下、これらの図面に基づき説明する。

図９に示すように、水晶ウェハ３４１の表裏には、耐食膜３４２からなるマスクが形成されている。耐食膜３４２のパターンは、振動腕部となる領域３５２、溝部となる領域３５４、表の溝部内の山となる領域３５５、裏の溝部内の山となる領域３５６などに分けられる。表の溝部内の山となる領域３５５には耐食膜３４２からなる突起３５７（実線）が形成され、裏の溝部内の山となる領域３５６には耐食膜３４２からなる突起３５７（破線）が形成されている。

このような耐食膜３４２からなるマスクを用いることにより、ウェットエッチング工程では、耐食膜３４２で覆われていない領域の水晶ウェハ３４１を除去するととともに、耐食膜３４２からなる突起３５７に覆われた領域３５５，３５６の水晶ウェハ３４１をサイドエッチングによって除去する。このとき、耐食膜３４２からなる突起３５７がエッチング抑制パターンとして作用するので、図１０に示すように、振動腕部３１２ａの外形と表の溝部４４１ａと裏の溝部４４３ａとが、一回のウェットエッチングで同時に形成される。つまり、ウェットエッチングのマスクにおいて溝部となる領域３５４にエッチング抑制パターンとして突起３５７を形成しているので、外形となる領域の水晶ウェハ３４１が貫通しても、溝部となる領域３５４の水晶ウェハ３４１は貫通せずに底板５２３が形成される。

また、図１０に示すように、表の溝部４４１ａは、一の開口３２１からなり、開口３２１内に振動腕部３１２ａの延設方向に沿って山５２１と谷５２２とが交互に連続する底面３２２を有する。裏の溝部４４３ａも、表から見て表の溝部４４１ａとほぼ同じ位置に同じ形状で形成される。そのため、表の溝部４４１ａに形成された山５２１は裏の溝部４４３ａに形成された山５２１に対向し、表の溝部４４１ａに形成された谷５２２は裏の溝部４４３ａに形成された谷５２２に対向する。

特開２０１１−２１７０３９号公報

図１０に示す関連技術１において、水晶振動素子のクリスタルインピーダンスを低減するには、溝部４４１ａ，４４３ａの内側面３２３に形成される励振電極の面積を大きくする必要がある。しかしながら、関連技術１には次のような問題があった。

図１１では、図１０における底面３２２の山５２１及び谷５２２を滑らかな曲線に近似して示している。図１１から明らかなように、表の溝部４４１ａでは振動腕部３１２ａの先端側３１６へ行くほど底面３２２が浅くなり、逆に裏の溝部４４３ａでは振動腕部３１２ａの基部側３１７へ行くほど底面３２２が浅くなる。これは、水晶ウェハ３４１のエッチング異方性によるものである。そのため、溝部４４１ａの内側面３２３の面積は先端側３１６ほど小さくなり、逆に溝部４４３ａの内側面３２３の面積は基部側３１７ほど小さくなる。したがって、その分、内側面３２３に形成される励振電極の面積も小さくなっていた。

なお、底面３２２が浅くなる部分を、エッチング時間を長くして深くする、ことが考えられる。しかし、その場合は、溝部４４１ａ，４４３ａの先端側３１６と基部側３１７との中央付近において、エッチングが進むことにより、底面３２２の貫通を招くことになる。

また、図１０に示す関連技術１において、溝部４４１ａ，４４３ａの内側面３２３の面積を大きくするには、底面３２２を更に深くする必要がある。一方、エッチング抑制パターンを用いたことにより、表裏の溝部４４１ａ，４４３ａの底面３２２には山５２１と谷５２２が生じている。そのため、底面３２２の深さは、表裏の溝部４４１ａ，４４３ａが谷５２２の部分で貫通しない程度に制限される。その結果、表裏の溝部４４１ａ，４４３ａを隔てる底板５２３の厚みが山５２１の部分で厚くなってしまい、その分、内側面３２３の面積を大きくできない。

そこで、本発明の目的は、溝部内の励振電極の面積を大きくしてクリスタルインピーダンスを低減し得る、水晶振動素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明に係る水晶振動素子は、
基部と、この基部から延設された振動腕部と、この振動腕部の表裏面である第一及び第二の主面にそれぞれ設けられた第一及び第二の溝部と、を備えた水晶振動素子であって、
前記第一及び第二の溝部の最も浅い部分の深さと最も深い部分の深さとの差が、水晶ウェハのエッチング異方性によって生じる差よりも小さい、
ことを特徴とする。

本発明に係る水晶振動素子の製造方法は、
基部と、この基部から延設された振動腕部と、この振動腕部の表裏面である第一及び第二の主面にそれぞれ設けられた第一及び第二の溝部と、を備えた水晶振動素子を製造する方法であって、
水晶ウェハの表裏に耐食膜を形成する耐食膜形成工程と、
前記耐食膜上に感光性レジスト膜を形成する感光性レジスト膜形成工程と、
前記基部及び前記振動腕部となる領域の前記感光性レジスト膜を残し、前記第一及び第二の溝部となる領域の前記感光性レジスト膜を除去する露光現像工程と、
前記感光性レジスト膜で覆われていない前記耐食膜を除去することにより前記耐食膜からなるマスクを作成するパターニング工程と、
前記耐食膜からなるマスクを用いて前記水晶ウェハをウェットエッチングするウェットエッチング工程とを含み、
前記露光現像工程では、前記第一及び第二の溝部となる領域に、当該領域の周縁から当該領域の内側へ突出した前記感光性レジスト膜からなる突起を、前記振動腕部の延設方向に間隔を開けて複数配置し、
前記突起は、前記水晶ウェハのエッチング異方性によってエッチングレートの小さくなる部分ほどエッチングを促す形状又は前記間隔とした、
ことを特徴とする。

本発明に係る水晶振動素子によれば、第一及び第二の溝部の最も浅い部分の深さと最も深い部分の深さとの差が、水晶ウェハのエッチング異方性によって生じる差よりも小さいことにより、第一及び第二の溝部を深く形成しても貫通しにくくなるので、溝部内の励振電極の面積を大きくしてクリスタルインピーダンスを低減できる。

本発明に係る水晶振動素子の製造方法よれば、第一及び第二の溝部となる領域において感光性レジスト膜からなる突起を、水晶ウェハのエッチング異方性によってエッチングレートの小さくなる部分ほど、エッチングを促す形状等としたことにより、第一及び第二の溝部となる領域内の水晶ウェハのエッチングレートの差を縮小できるので、第一及び第二の溝部の深さを均一化できる。したがって、本発明によれば、第一及び第二の溝部がエッチングレートの差によって部分的に貫通することを回避しつつ、第一及び第二の溝部を深く形成できるので、第一及び第二の溝部内の励振電極の面積を大きくしてクリスタルインピーダンスを低減できる。

実施形態１の製造方法で得られた水晶片を示す斜視図である。 図１の水晶片に励振電極を形成した状態を示す、図１におけるII−II線断面図である。 図１の水晶片の一部を拡大して示す平面図である。 図３におけるIV−IV線断面図である。 実施形態１の製造方法を示す断面図であり、図５［１］［２］［３］の順に工程が進行する。 実施形態１の製造方法を示す断面図であり、図６［４］［５］の順に工程が進行する。 実施形態１の製造方法における感光性レジスト膜及び耐食膜のパターンの一部を拡大して示す平面図（その１）である。 実施形態１の製造方法における感光性レジスト膜及び耐食膜のパターンの一部を拡大して示す平面図（その２）である。 関連技術１の製造方法における耐食膜のパターンの一部を拡大して示す平面図である。 関連技術１の製造方法で得られた溝部を示す断面図（その１）である。 関連技術１の製造方法で得られた溝部を示す断面図（その２）である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いる。図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。

図１は、実施形態１の製造方法で得られた水晶片を示す斜視図である。図２は、図１の水晶片に励振電極を形成した状態を示す、図１におけるII−II線断面図である。図３は、図１の水晶片の一部を拡大して示す平面図である。図４は、図３におけるIV−IV線断面図である。以下、図１乃至図４に基づき説明する。

本実施形態１の水晶振動素子は、基部１１と、基部１１から延設された振動腕部１２ａ，１２ｂと、振動腕部１２ａ，１２ｂの第一の主面１３１にそれぞれ設けられた第一の溝部１４１ａ，１４２ａ，１４１ｂ，１４２ｂと、振動腕部１２ａ，１２ｂの第二の主面１３２にそれぞれ設けられた第二の溝部１４３ａ，１４４ａ，１４３ｂ，１４４ｂと、を備えている。主面１３１，１３２は、振動腕部１２ａ，１２ｂの表裏面である。そして、溝部１４１ａ，…の最も浅い部分の深さと最も深い部分の深さとの差（図１１底面２２参照）が、水晶ウェハのエッチング異方性によって生じる差（図１１底面３２２参照）よりも小さい。例えば、溝部１４１ａ，…の最も浅い部分の深さと最も深い部分の深さとの差は、溝部１４１ａ，…の最も振動腕部１２ａ，１２ｂの先端側１６における深さと最も基部側１７における深さとの差である。

本実施形態１の水晶振動素子によれば、溝部１４１ａ，…の最も浅い部分の深さと最も深い部分の深さとの差（図１１底面２２参照）が、水晶ウェハのエッチング異方性によって生じる差（図１１底面３２２参照）よりも小さいことにより、溝部１４１ａ，…を深く形成しても貫通しにくくなるので、溝部１４１ａ，…内の励振電極３１ａ，３１ｂの面積を大きくしてクリスタルインピーダンスを低減できる。

次に、本実施形態１の水晶振動素子を製造する方法を、実施形態１の製造方法として詳しく説明する。以下の説明の中で、本実施形態１の水晶振動素子の詳細も明らかになる。

図１及び図２に示すように、本実施形態１の製造方法で得られる水晶振動素子は、水晶片１０と励振電極３１ａ，３１ｂとを少なくとも備えている。水晶片１０は、基部１１と、基部１１から同一方向に延設された二本の振動腕部１２ａ，１２ｂと、振動腕部１２ａ，１２ｂの第一の主面１３１にそれぞれ設けられた第一の溝部１４１ａ，１４２ａ，１４１ｂ，１４２ｂと、振動腕部１２ａ，１２ｂの第二の主面１３２にそれぞれ設けられた第二の溝部１４３ａ，１４４ａ，１４３ｂ，１４４ｂと、からなる。主面１３１，１３２は、振動腕部１２ａ，１２ｂの表裏面である。

図３及び図４に示すように、溝部１４１ａは、一の開口２１からなり、開口２１内に振動腕部１２ａの延設方向に沿って山２２１と谷２２２とが交互に連続する底面２２を有する。表の溝部１４１ａに形成された山２２１は裏の溝部１４３ａに形成された谷２２２に対向し、表の溝部１４１ａに形成された谷２２２は裏の溝部１４３ａに形成された山２２１に対向する。他の溝部１４２ａ，…についても同様である。図３において、谷２２２は、露出しているが、わかりやすくするために破線で示している。

なお、図面では、わかりやすくするために、主面１３１，１３２と底面２２とを平行にしたり、エッチング残渣を省略したりしている。しかし、実際の形状は、水晶のウェットエッチングが異方性を有することにより、図示した形状とは若干異なる。

次に、本実施形態１の製造方法で得られる水晶振動素子の動作について説明する。

図１に示すように、水晶の結晶は三方晶系であり、水晶の頂点を通る結晶軸をＺ軸（光軸）、Ｚ軸に垂直な平面内の稜線を結ぶ三つの結晶軸をＸ軸（電気軸）、Ｘ軸及びＺ軸に直交する座標軸をＹ軸（機械軸）とする。ここで、これらのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる右手直交座標系をＸ軸を中心として±５度の範囲で回転させたときの回転後のＹ軸及びＺ軸を、それぞれＹ’軸及びＺ’軸とする。この場合、本実施形態１では、二本の振動腕部１２ａ，１２ｂの延設方向がＹ’軸の方向であり、主面１３１から主面１３２に向かう方向がＺ軸’の方向であり、振動腕部１２ｂから振動腕部１２ａへ向かう方向がＸ軸の方向である。なお、Ｘ軸、Ｙ’軸及びＺ’軸は、図９乃至図１１においても図１と同様である。

図２に示すように、振動腕部１２ａにおいて、励振電極３１ａは外側面１５に設けられ、励振電極３１ｂは内側面２３に設けられている。一方、振動腕部１２ｂにおいて、励振電極３１ｂは外側面１５に設けられ、励振電極３１ａは内側面２３に設けられている。したがって、振動腕部１２ａの外側面１５に設けられた励振電極３１ａと溝部１４１ａ，１４２ａ，１４３ａ，１４４ａの内側面２３に設けられた励振電極３１ｂとが異極同士となり、振動腕部１２ｂの外側面１５に設けられた励振電極３１ｂと溝部１４１ｂ，１４２ｂ，１４３ｂ，１４４ｂの内側面２３に設けられた励振電極３１ａとが異極同士となる。このとき、振動腕部１２ａにおいては、外側面１５の励振電極３１ａと内側面２３の励振電極３１ｂとがほぼ平行平板電極となり、振動腕部１２ｂにおいては、外側面１５の励振電極３１ｂと内側面２３の励振電極３１ａとがほぼ平行平板電極となり、それらの電極間で大きな電界強度が得られる。

励振電極３１ａ，３１ｂに交番電圧を印加した場合、印加後のある電気的状態を瞬間的に捉えると、振動腕部１２ａにおいて、内側面２３に設けられた励振電極３１ｂはプラス電位となり、外側面１５に設けられた励振電極３１ａはマイナス電位となり、プラスからマイナスに電界が生じる。このとき、振動腕部１２ｂにおいて、内側面２３に設けられた励振電極３１ａはマイナス電位となり、外側面１５に設けられた励振電極３１ｂはプラス電位となり、振動腕部１２ａに生じた極性とは反対の極性となり、プラスからマイナスに電界が生じる。この交番電圧で生じた電界によって、振動腕部１２ａ，１２ｂに伸縮現象が生じ、所定の共振周波数の屈曲振動モードが得られる。

ここで、内側面２３に形成される励振電極３１ａ，３１ｂの面積が大きいほどクリスタルインピーダンスが下がるので、内側面２３の面積をできるだけ大きくすることが求められる。

次に、本実施形態１の製造方法について説明する。図５及び図６は、実施形態１の製造方法を示す断面図である。図７及び図８は、実施形態１の製造方法における感光性レジスト膜及び耐食膜のパターンの一部を拡大して示す平面図である。以下、図５乃至図８を中心に、図１乃至図４も用いつつ、本実施形態１の製造方法ついて説明する。

本実施形態１の製造方法では、まず図５［１］に示すように、水晶ウェハ４１の表裏に耐食膜４２を形成する（耐食膜形成工程）。例えば、スパッタによりクロム又はクロム及び金の二層からなる耐食膜４２を成膜する。

続いて、図５［２］に示すように、耐食膜４２上に感光性レジスト膜４３を形成する（感光性レジスト膜形成工程）。感光性レジスト膜４３は、例えばポジ型を使用する。

続いて、図５［３］に示すように、基部及び振動腕部となる領域５２の感光性レジスト膜４３を残し、かつ、溝部となる領域５４の感光性レジスト膜４３を除去する（露光現像工程）。ここで、水晶ウェハ４１上に残された感光性レジスト膜４３は、図７に示す平面形状となる。

続いて、図６［４］に示すように、感光性レジスト膜４３で覆われていない耐食膜４２を除去することにより、耐食膜４２からなるマスクを作成する（パターニング工程）。耐食膜４２の除去には、耐食膜４２のみをエッチングし、水晶ウェハ４１をエッチングしない強酸を用いる。この耐食膜４２からなるマスクも、図７に示す平面形状となる。

続いて、図６［５］に示すように、耐食膜４２からなるマスクを用いて水晶ウェハ４１をウェットエッチングする（ウェットエッチング工程）。このエッチング液には、フッ酸を用いる。図６［５］では、感光性レジスト膜４３が除去されているが、感光性レジスト膜４３を残しておき次の工程でリフトオフ法を用いて電極等を形成してもよい。

その後、図２に示すように、振動腕部１２ａ，１２ｂ等に励振電極３１ａ，３１ｂ等の金属膜を形成する。これらの金属膜は、例えば成膜、フォトリソグラフィ、エッチングにより形成され、例えばチタンの上にパラジウム又は金が設けられた積層構造となっている。

ここで、露光現像工程（図５［３］及び図７）では、溝部となる領域５４に、領域５４の周縁から領域５４の内側へ突出した感光性レジスト膜４３からなる突起５７を、領域５４の長手方向（すなわち振動腕部の延設方向）に間隔を開けて複数配置する。突起５７は、水晶ウェハ４１のエッチング異方性によってエッチングレートの小さくなる部分ほどエッチングを促す（すなわちエッチングレートの大きくなる部分ほどエッチングを抑える）形状又は間隔としている。図７において、表の溝部内の山となる領域５５には突起５７（実線）が形成され、裏の溝部内の山となる領域５６には突起５７（破線）が形成されている。

本実施形態１では、突起５７の形状等を次のようにしている。突起５７は、領域５４の周縁から領域５４の内側へ斜めに突出する平行四辺形状であり、エッチングレートの小さくなる部分ほど突出方向の長さ６９を短くする（すなわちエッチングレートの大きくなる部分ほど長さ６９を長くする）。一方、表の溝部となる領域５４では先端側１６へ行くほどエッチングレートが小さくなり、逆に裏の溝部となる領域５４では基部側１７へ行くほどエッチングレートが小さくなる。これは、水晶ウェハ４１のエッチング異方性によるものである。そこで、表の溝部となる領域５４では先端側１６へ行くほど突起５７（実線）の長さ６９を短くし、逆に裏の溝部となる領域５４では基部側１７へ行くほど突起５７（破線）の長さ６９を短くする。このとき、突起５７の長さ６９は、全ての突起５７に対して一定値ずつ短くする。また、突起５７の長さ６９に垂直な方向の幅６７、及び、突起５７の間隔７０は、全ての突起５７で等しくする。

なお、突起５７の長さ６９を徐々に短くする場合、全ての突起５７に対して徐々に短くしてもよいし、一部の突起５７についてのみ徐々に短くしてもよい。そのとき、短くする割合は、一定でもよいし、変化してもよい。また、エッチングレートの小さくなる部分ほどエッチングを促す突起５７の形状等としては、例えば次の(1)(2)(3)のいずれか一つ又は二つ以上の組み合わせを選択してもよい。

(1)表の溝部となる領域５４では先端側１６へ行くにつれて突起５７（実線）の長さ６９をＬ１１＞Ｌ１２＞Ｌ１３（図８）と短くし、逆に裏の溝部となる領域５４では基部側１７へ行くにつれて突起５７（破線）の長さ６９をＬ２３＞Ｌ２２＞Ｌ２１（図８）と短くする。
(2)表の溝部となる領域５４では先端側１６へ行くにつれて突起５７（実線）の幅６７をＷ１１＞Ｗ１２＞Ｗ１３（図８）と狭くし、逆に裏の溝部となる領域５４では基部側１７へ行くにつれて突起５７（破線）の幅６７をＷ２３＞Ｗ２２＞Ｗ２１（図８）と狭くする。
(3)表の溝部となる領域５４では先端側１６へ行くにつれて突起５７（実線）の間隔７０をＰ１１＜Ｐ１２＜Ｐ１３（図８）と広くし、逆に裏の溝部となる領域５４では基部側１７へ行くにつれて突起５７（破線）の間隔７０をＰ２３＜Ｐ２２＜Ｐ２１（図８）と狭くする。

本実施形態１では、図８において、Ｌ１１＞Ｌ１２＞Ｌ１３、Ｌ２３＞Ｌ２２＞Ｌ２１、Ｗ１１＝Ｗ１２＝Ｗ１３＝Ｗ２１＝Ｗ２２＝Ｗ２３、Ｐ１１＝Ｐ１２＝Ｐ１３＝Ｐ２１＝Ｐ２２＝Ｐ２３としている。

なお、突起５７の形状等は、上記(1)(2)(3)に限らず、エッチングレートの小さくなる部分ほどエッチングを促す形状等であればどのようなものでもよい。

前述のとおり、露光現像工程（図５［３］）において水晶ウェハ４１上に残される感光性レジスト膜４３は、図７に示す平面形状となる。つまり、図７に示すように、露光現像工程では、表の溝部に形成される山となる領域５５、及び、裏の溝部に形成される山となる領域５６に、それぞれ感光性レジスト膜４３からなる突起５７を残す。

この場合、水晶のエッチングレートは、表の溝部となる領域５４において、突起５７（実線）で覆われた領域５５が最も小さくなり、領域５５から離れるに従い大きくなり、隣接する二つの領域５５の概ね中間で最も大きくなる。裏の溝部となる領域５４において突起５７（破線）で覆われた領域５６についても同様である。そのため、領域５５，５６に対応して、図４に示すように、底面２２の山２２１が形成され、隣接する二つの山２２１の概ね中間に谷２２２が形成される。そこで、一方の溝部の最も深い場所である谷２２２が他方の溝部の最も浅い場所である山２２１と向かい合う形状になるように、表の溝部に形成される山となる領域５５と裏の溝部に形成される山となる領域５６とを一定距離（ずれ６４）ずらして、それぞれ感光性レジスト膜４３からなる突起５７を残す。この一定距離は、隣接する二つの山２２１の間隔（ピッチ）７０の概ね半分であるが、水晶のウェットエッチングに異方性があるため、間隔７０の半分丁度になるとは限らない。

また、前述のとおり、パターニング工程（図６［４］）で作成される耐食膜４２からなるマスクも、図７に示す平面形状となる。そして、図７に示すように、このような平面形状の耐食膜４２からなるマスクを用いることにより、ウェットエッチング工程では、耐食膜４２で覆われていない領域の水晶ウェハ４１を除去するととともに、耐食膜４２からなる突起５７に覆われた領域５５，５６の水晶ウェハ４１をサイドエッチングによって除去する。このとき、耐食膜４２からなる突起５７がエッチング抑制パターンとして作用するので、図１に示す基部１１及び振動腕部１２ａ，１２ｂの外形と溝部１４１ａ，…とが一回のウェットエッチングで同時に形成される。

なお、図７に示す突起５７の傾き６６及び幅６７は、エッチング抑制パターンとして作用する値、かつ、領域５５，５６の水晶が当該サイドエッチングによって消滅する値に設定しておく。また、突起５７の傾き６６を６０°とすると、突起５７で覆われる水晶の突出方向がＹ’軸方向、当該水晶の両側面の法線方向が±Ｘ軸方向となる。そして、水晶のエッチングレートは、Ｘ軸方向がＹ’軸方向よりも大きい。したがって、突起５７の傾き６６を６０°とすることにより、突起５７で覆われる水晶はサイドエッチングされやすくなる。ただし、Ｘ軸及びＹ’軸は三本ずつあるので、ここでいうＸ軸及びＹ’軸は、図１に示すＸ軸及びＹ’軸とは異なる。

次に、本実施形態１の寸法例について説明する。

図１において、振動腕部１２ａ，１２ｂの長さ６１は１２００μｍ、振動腕部１２ａ，１２ｂの幅６２は５８μｍである。図４において、振動腕部１２ａ（すなわち水晶ウェハ４１）の厚みｔは１００μｍである。図３及び図７において、山２２１及び突起５７の間隔７０は５０μｍ、表裏の山２２１のずれ６４及び表裏の突起５７のずれ６４は２２．５μｍである。図７において、溝部となる領域５４の幅６５は１３μｍ、突起５７のＹ’軸方向からの傾き６６は６０°、突起５７の幅６７は４．５μｍである。なお、これらの寸法は、あくまで一例であり、設計上適切な値を選べばよい。

次に、本実施形態１の製造方法の作用及び効果について説明する。

（１）溝部となる領域５４において感光性レジスト膜４３からなる突起５７を、水晶ウェハ４１のエッチング異方性によってエッチングレートの小さくなる部分ほど、エッチングを促す形状等としたことにより、溝部となる領域５４内の水晶ウェハ４１のエッチングレートの差を縮小できるので、溝部１４１ａ，…の深さを均一化できる。したがって、溝部１４１ａ，…がエッチングレートの差によって部分的に貫通することを回避しつつ、溝部１４１ａ，…を深く形成できるので、溝部１４１ａ，…内の励振電極３１ａ，３１ｂの面積を大きくしてクリスタルインピーダンスを低減できる。

（２）ウェットエッチング工程では、耐食膜４２で覆われていない領域の水晶ウェハ４１を除去するととともに、耐食膜４２からなる突起５７に覆われた領域の水晶ウェハ４１をサイドエッチングによって除去することにより、溝部１４１ａ，…内の内側面２３の面積をより大きくできるので、溝部１４１ａ，…内の励振電極３１ａ，３１ｂの面積を大きくしてクリスタルインピーダンスをより低減できる。

（３）水晶ウェハ４１のエッチング異方性によってエッチングレートの小さくなる部分ほど、突起５７の長さ６９を短くする、突起５７の幅６７を狭くする、及び、突起５７の間隔７０を広くする、のいずれか一つ又は二つ以上の組み合わせとすることにより、溝部となる領域５４内の水晶ウェハ４１のエッチングレートの差を確実に縮小できる。また、突起５７の長さ６９を短くする場合及び突起５７の幅６７を狭くする場合は、次の（４）で述べる効果を奏する。更に、突起５７の長さ６９を短くする場合は、突起５７の幅６７を狭くする場合に比べて、最大値から最小値まで変化する範囲を広く採ることができるとともに、突起５７の幅６７を一定にすることによって突起５７の下の水晶ウェハ４１をサイドエッチングによって容易に除去できる。

（４）溝部となる領域５４の水晶ウェハ４１を耐食膜４２からなる複数の突起５７（すなわちエッチング抑制パターン）で覆うことにより、基部１１及び振動腕部１２ａ，１２ｂの外形と溝部１４１ａ，…とを一回のウェットエッチングで同時に形成できる。この場合、溝部となる領域５４内における水晶のエッチングレートは、突起５７で覆われた領域５５，５６が最も小さくなり、この領域から離れるに従い大きくなり、隣接する二つの突起５７の概ね中間の領域が最も大きくなる。その結果、図４に示すように、溝部１４１ａの底面２２は、山２２１と谷２２２が交互に連続する形状となる。ただし、谷２２２は、水晶のウェットエッチングの異方性により、隣接する二つの山２２１の中間から少しずれた位置になる。

本実施形態１によれば、表の溝部１４１ａ，…の最も深い場所である谷２２２と裏の溝部１４３ａ，…の最も浅い場所である山２２１とを向かい合うように形成することにより、エッチング抑制パターンを用いて基部１１及び振動腕部１２ａ，１２ｂの外形と溝部１４１ａ，…とを一回のウェットエッチングで同時に形成する場合でも、溝部１４１ａ，…同士の貫通を回避しつつ谷２２２を極限まで深く形成できる。その結果、溝部１４１ａ，…の内側面２３の面積が更に増加することにより、内側面２３に形成される励振電極３１ａ，３１ｂの面積も増加するので、クリスタルインピーダンスを更に低減できる。

また、図４において、溝部１４１ａ，１４３ａに形成された谷２２２の深さ６８は、振動腕部１２ａの厚みｔの５０％以上かつ６０％以下とすることが望ましい。この場合、５０％未満では、前述の効果がやや不十分になる。６０％を越えると、水晶の結晶方位依存性によるエッチングレートの差によって形成される傾斜角７１，７２がほぼ一定であるため、エッチング抑制パターンや厚みｔについて最良の選択をしても、幾何学的な条件により、溝部１４１ａ，１４３ａ同士が貫通する割合が増える。なお、図１０に示す関連技術１では、谷５２２の深さを振動腕部３１２ａの厚みの５０％以上にすることはできない。なぜなら、表裏の溝部４４１ａ，４４３ａが谷５２２の部分で貫通してしまうからである。

更に、図３及び図４において、前述のようにＸ軸、Ｙ’軸及びＺ’軸を設定した場合、山２２１のＹ’軸方向の間隔７０をＰとしたとき、溝部１４１ａに形成された山２２１に対する、溝部１４３ａに形成された山２２１のＹ’軸方向のずれ６４は、０．４Ｐ以上かつ０．５Ｐ未満が好ましく、０．４５Ｐがより好ましい。実験によれば、ずれ６４をこの範囲内とすることにより、内側面２３の面積を最も広くできる。その理由は、このずれ６４の範囲における本実施形態１の振動腕部１２ａ，１２ｂの結晶方位では、水晶の結晶方位によるウェットエッチングレートの異方性に基いて、底板２２３の厚みｄがほぼ一定となることにより、厚みｄを最小化できるので、底板２２３の専有面積を小さくできるからである。

底板２２３の専有面積とは、内側面２３と同一面で底板２２３を切断した場合の底板２２３の断面積をいうものとする。つまり、（底板の専有面積）＋（内側面の面積）＝一定、であるから、底板の専有面積が大きくなれば、その分、内側面の面積が小さくなる。

つまり、図４において、ウェットエッチングレートの異方性に起因して、山２２１から−Ｙ’軸方向の底面２２の傾斜角７１の方が、山２２１からＹ’軸方向の底面２２の傾斜角７２よりも少し小さくなる。そのため、谷２２２の形成される位置は、隣接する二つの山２２１の中間ではなく、その中間から−Ｙ’方向へ少しずれる。そこで、ウェットエッチングレートの異方性を考慮して、溝部１４１ａの谷２２２に溝部１４３ａの山２２１が対向するように、溝部１４１ａに形成された山２２１に対する、溝部１４３ａに形成された山２２１のＹ’軸方向のずれ６４を、設定すると良い。最後に、本実施形態１の製造方法によって形成された底面２２の一例を、図１１に仮想線（二点鎖線）で示す。

本発明は、外形と溝部とを一回のウェットエッチングで同時に形成する場合に限らず、外形と溝部とを別々のウェットエッチングで形成する場合でも、エッチング抑制パターンを用いて溝部を形成するならば適用可能である。例えば、感光性レジスト膜形成工程、露光現像工程、パターニング工程及びウェットエッチング工程を、それぞれ外形形成用と溝部形成用の二つ用意し、外形と溝部を別々に形成する方法が挙げられる。

以上、上記実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。

＜実施形態１＞
１０ 水晶片
１１ 基部
１２ａ，１２ｂ 振動腕部
１３１ 主面（第一の主面）
１３２ 主面（第二の主面）
１５ 外側面
１６ 先端側
１７ 基部側
１４１ａ，１４２ａ，１４１ｂ，１４２ｂ 溝部（第一の溝部）
１４３ａ，１４４ａ，１４３ｂ，１４４ｂ 溝部（第二の溝部）
２１ 開口
２２ 底面
２２１ 山
２２２ 谷
２２３ 底板
２３ 内側面
３１ａ，３１ｂ 励振電極
４１ 水晶ウェハ
４２ 耐食膜
４３ 感光性レジスト膜
５２ 振動腕部となる領域
５４ 溝部となる領域
５５ 第一の溝部の山となる領域
５６ 第二の溝部の山となる領域
５７ 突起
６１，６９ 長さ
６２，６５，６７ 幅
６４ ずれ
６６ 傾き
６８ 深さ
７０ 間隔
７１，７２ 傾斜角
ｄ，ｔ 厚み
＜関連技術１＞
３１２ａ 振動腕部
３１６ 先端側
３１７ 基部側
３２１ 開口
３２２ 底面
５２１ 山
５２２ 谷
５２３ 底板
３２３ 内側面
３４１ 水晶ウェハ
３４２ 耐食膜
３５２ 振動腕部となる領域
３５４ 溝部となる領域
３５５ 表の溝部の山となる領域
３５６ 裏の溝部の山となる領域
３５７ 突起
４４１ａ，４４３ａ 溝部

Claims (7)

1. 基部と、この基部から延設された振動腕部と、この振動腕部の表裏面である第一及び第二の主面にそれぞれ設けられた第一及び第二の溝部と、を備えた水晶振動素子であって、
   前記第一及び第二の溝部の最も浅い部分の深さと最も深い部分の深さとの差が、水晶ウェハのエッチング異方性によって生じる差よりも小さい、
   ことを特徴とする水晶振動素子。
2. 前記第一及び第二の溝部の最も浅い部分の深さと最も深い部分の深さとの差は、前記第一及び第二の溝部の最も前記振動腕部の先端側における深さと最も前記基部側における深さとの差である、
   請求項１記載の水晶振動素子。
3. 基部と、この基部から延設された振動腕部と、この振動腕部の表裏面である第一及び第二の主面にそれぞれ設けられた第一及び第二の溝部と、を備えた水晶振動素子を製造する方法であって、
   水晶ウェハの表裏に耐食膜を形成する耐食膜形成工程と、
   前記耐食膜上に感光性レジスト膜を形成する感光性レジスト膜形成工程と、
   前記基部及び前記振動腕部となる領域の前記感光性レジスト膜を残し、前記第一及び第二の溝部となる領域の前記感光性レジスト膜を除去する露光現像工程と、
   前記感光性レジスト膜で覆われていない前記耐食膜を除去することにより前記耐食膜からなるマスクを作成するパターニング工程と、
   前記耐食膜からなるマスクを用いて前記水晶ウェハをウェットエッチングするウェットエッチング工程とを含み、
   前記露光現像工程では、前記第一及び第二の溝部となる領域に、当該領域の周縁から当該領域の内側へ突出した前記感光性レジスト膜からなる突起を、前記振動腕部の延設方向に間隔を開けて複数配置し、
   前記突起は、前記水晶ウェハのエッチング異方性によってエッチングレートの小さくなる部分ほどエッチングを促す形状又は前記間隔とした、
   ことを特徴とする水晶振動素子の製造方法。
4. 前記ウェットエッチング工程では、前記耐食膜で覆われていない領域の前記水晶ウェハを除去するととともに、前記耐食膜からなる前記突起に覆われた領域の前記水晶ウェハをサイドエッチングによって除去する、
   請求項３記載の水晶振動素子の製造方法。
5. 前記突起は、前記水晶ウェハのエッチング異方性によってエッチングレートの小さくなる部分ほど、前記突起の突出方向の長さを短くする、当該長さに垂直な方向の幅を狭くする、及び、前記間隔を広くする、のいずれか一つ又は二つ以上の組み合わせとした、
   請求項３又は４記載の水晶振動素子の製造方法。
6. 前記第一及び第二の溝部は、それぞれ一の開口からなり、当該開口内に前記振動腕部の延設方向に沿って山と谷とが交互に連続する底面を有し、
   前記第一の溝部に形成された前記山は前記第二の溝部に形成された前記谷に対向し、
   前記第一の溝部に形成された前記谷は前記第二の溝部に形成された前記山に対向し、
   前記露光現像工程では、前記第一及び第二の溝部に形成される前記山となる領域に前記突起を残し、
   前記突起の突出方向の長さは、前記エッチングレートの小さくなる部分ほど短くした、
   請求項３又は４記載の水晶振動素子の製造方法。
7. 水晶の頂点を通る結晶軸をＺ軸、このＺ軸に垂直な平面内の稜線を結ぶ三つの結晶軸をＸ軸、前記Ｘ軸及び前記Ｚ軸に直交する座標軸をＹ軸とし、これらのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる右手直交座標系を前記Ｘ軸を中心として±５度の範囲で回転させたときの回転後の前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸を、それぞれＹ’軸及びＺ’軸とした場合、
   前記振動腕部の延設方向をＹ’軸方向とし、前記第二の主面から前記第一の主面に向かう方向をＺ軸’方向とすると、
   前記第一の溝部となる領域では前記基部側へ行くほど前記突起の前記長さを短くし、前記第二の溝部となる領域では前記振動腕部の先端側へ行くほど前記突起の前記長さを短くする、
   請求項６記載の水晶振動素子の製造方法。

Images