JP2019062252A - 水晶素子、水晶デバイスおよび水晶素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電気的特性が低下することを抑制することができる水晶素子および水晶デバイスを提供する。【解決手段】本発明は、水晶片１２１と、水晶片１２１の表面に設けられ、密度が２０ｇ／ｃｍ３以上となっている金属が用いられ一層構造となっている金属パター１２２ンと、からなることを特徴とする。具体的には、金属パターン１２２にイリジウムを用いている水晶素子１２０である。水晶片１２１、２２１は、平面視して略矩形であってもよいし、平面視して音叉形状となっていてもよい。【選択図】図５

Description

本発明は、水晶素子、当該水晶素子を有している水晶振動子または水晶発振器の水晶デバイス、および、当該水晶素子の製造方法に関する。

水晶素子は、水晶片と、水晶片に設けられている金属パターンと、から構成されている。金属パターンは、水晶片の表面上に設けられている第一層と、第一層上に積層されている第二層と、から構成されており、第一層と第二層とは異なる金属が用いられている。第一層は、例えば、ニッケル、クロム、ニクロム、チタンのいずれか一つから構成されており、第二層は、例えば、金、金を主成分とする合金、銀または銀を主成分とする合金のいずれか一つから構成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−０６９７３４号公報

このような水晶素子は、二層構造となっているため、水晶素子または水晶素子を実装した水晶デバイスを加熱処理した際に、第一層と第二層とが熱により変質してしまい電気的特性が低下する虞がある。特に、水晶素子が小型化したような場合には、エネルギー閉じ込めの観点から第一層または第二層の膜厚を厚くする必要があるが、膜厚が厚いことにより加熱処理による熱の影響が顕著になる。

また、このような水晶素子の製造方法では、金属パターンの膜厚が厚いため、膜厚のばらつきにより製造される水晶素子の電気的特性のばらつきが大きく生産性が低下する虞がある。

本発明では、電気的特性が低下することを抑制することができる水晶素子および水晶デバイスを提供するとともに、生産性のよい水晶素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、水晶片と、水晶片の表面に設けられ、密度が２０ｇ／ｃｍ^３以上となっている金属が用いられ一層構造となっている金属パターンと、からなることを特徴とする。

上記の構成によれば、水晶素子および水晶デバイスを加熱処理した際に、熱による影響で金属パターンが変質し電気的特性が低下することを抑制することが可能となる。また、上記構成にすることで、水晶素子の金属パターンの膜厚を薄くすることができるので、膜厚ばらつきによる水晶素子の電気的特性のばらつきを抑制させることが可能となり生産性を向上させることができる。

第一実施形態に係る水晶デバイスの斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面における断面図である。 第一実施形態に係る水晶素子の平面図である。 図３のＢ−Ｂ断面における断面図である。 図４のＣ部における部分拡大図である。 第一実施形態に係る水晶素子の製造方法を示すフローチャート図である。 第二実施形態に係る水晶素子の平面図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明で用いられる図面は、模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。便宜上、層上の部分の表面（すなわち断面でない面）にハッチングを付すことがある。

図１乃至図６は、第一実施形態に係る図であり、図７は、第二実施形態に係る図である。図１および図２は、第一形態の水晶デバイスに係る図であり、図３乃至図６は、第一実施形態の水晶素子に係る図である。図７は、第二実施形態の水晶素子に係る図である。

＜第一実施形態＞
第一実施形態に係る水晶デバイスの斜視図を図１に示し、図１のＡ−Ａ断面における断面図を図２に示す。また、第一実施形態に係る水晶素子の平面図を図３に示し、図３のＢ−Ｂ断面における図面図を図４に示し、図４のＣ部における部分拡大図を図５に示す。また、第一実施形態に係る水晶素子のフローチャート図を図６に示す。

（水晶デバイスの概略）
水晶デバイスは、例えば、略直方体形状となっている電子部品である。水晶デバイスは、例えば、長辺または短辺の長さが、０．６ｍｍ〜５．０ｍｍであり、上下方向の厚さが、０．２ｍｍ〜１．５ｍｍとなっている。

水晶デバイスは、例えば、素子収容空間が形成されている基体１１０と、素子収容空間に収容される水晶素子１２０と、素子収容空間を塞ぐ蓋体１３０と、基体１１０に水晶素子１２０を実装するためのバンプ１４０（本実施形態では導電性接着材）と、からなる。

水晶素子１２０は、発振信号に生成される振動を生じる部分である。基体１１０および蓋体１３０は、水晶素子１２０を収容する空間、例えば、基体１１０の素子収容空間を有している。基体１１０の素子収容空間は、蓋体１３０により封止され、その内部は、真空とされ、または、適当なガス（例えば、窒素）が封入されている。

基体１１０は、例えば、基体１１０の主体となる基板部１１０ａと、水晶素子１２０を実装するための一対の搭載パッド１１１と、水晶デバイスを付図示の回路基板等に実装するための複数の外部端子１１２と、を有している。

また、基体１１０は、基板部１１０ａと、基板部１１０ａの上面の縁部に沿って設けられている枠状の枠部１１０ｂと、から構成され、素子収容空間が形成されている。素子収容空間の底面であって基板部１１０ａの上面には金属等からなる導電層により構成されている一対の搭載パッド１１１が設けられている。また、基体１１０の下面、具体的には、基板部１１０ａの下面には、金属等からなる導電層により構成されている外部端子１１２が設けられている。また、基体１１０には特に図示しない内部配線が複数設けられており、内部配線のうち所定の二つは、一対の搭載パッド１１１と所定の二つの外部端子１１２とを電気的に接続させている。

蓋体１３０は、例えば、金属等から構成され、基体１１０の上面、具体的には、枠部１１０ｂの上面に、シーム溶接等によって接合されている。

水晶素子１２０は、水晶片１２１と、水晶片１２１の表面に設けられ水晶片１２１に交番電圧を印加するための金属パターン１２２と、を有している。金属パターン１２２は、一対の励振電極部１２３、基体１１０の（基板部１１０ａの）搭載パッド１１１に電気的に接続される接続部１２４ａ、および、励振電極部１２３と接続部１２４ａとを電気的に接続する接続配線部１２４ｂからなる。

また、水晶素子１２０は、バンプ１４０（本実施形態では導電性接着剤）によって、基体１１０の基板部１１０ａ上に実装されている。このとき、水晶素子１２０の金属パターン１２２の接続部１２４ａと基体１１０の基板部１１０ａの搭載パッド１１１とは、電気的に接続されつつ固着されている。なお、本実施形態では、バンプ１４０が導電性接着剤からなる場合について説明しているが、水晶素子１２０の金属パターン１２２の接続部１２４ａと基体１１０の基板部１１０ａの搭載パッド１１１とを電気的に接続しつつ、水晶素子１２０を基板部１１０ａの上面側に実装することができれば、例えば、金バンプを用いて接合してもよい。

このようにして構成された水晶デバイスは、例えば、不図示の回路基板の実装面に基体１１０の下面を対向させて配置され、外部端子１１２が半田などにより回路基板のパッド（図示せず）に接合されることによって回路基板に実装される。回路基板には、例えば、発振回路が構成されている。発振回路は、外部端子１１２および搭載パッド１１１を介して、一対の励振電極部１２３に交番電圧を印加し発振信号を生成する。

（水晶素子の概略構成）
図３は、第一実施形態の水晶素子の上面側から下面を平面透視した平面図であり、図４は、図３のＢ−Ｂ断面における断面図である、

本実施形態では、水晶素子１２０を基体１１０に実装した場合、基体１１０の基板部１１０ａの上面と略平行となっている面を主面とする。また、水晶素子１２０から基板部１１０ａへ向かう向きを下方向とし、基板部１１０ａから水晶素子１２０へ向かう向きを上方向として説明する。

また、水晶素子１２０を基体１１０の基板部１１０ａに実装したとき、基板部１１０ａ側を向く水晶素子１２０の主面を水晶素子１２０の下面とし、水晶素子１２０の下面と反対側を向く水晶素子１２０の主面を水晶素子１２０の上面とする。また、本実施形態においては、水晶素子１２０の下面を水晶片１２１の下面と同一の意味で用いる場合がある。同様に、水晶素子１２０の上面を水晶片１２１の上面と同一の意味で用いる場合がある。同様に、水晶素子１２０の主面を水晶片１２１の主面と同一の意味で用いる場合がある。

水晶素子１２０は、水晶片１２１と、金属パターン１２２と、から構成されている。

水晶片１２１は、互いに直交しているＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸からなる結晶軸を有する水晶部材からなる。水晶片１２１は、平面視して、その主面が略矩形となっており、そのうち所定の二辺が水晶の結晶軸であるＸ軸と平行となっており、所定の他の二辺がＺ´軸と平行となっている。水晶片１１は、例えば、いわゆるＡＴカット板である。すなわち、水晶において、Ｘ軸（電気軸）、Ｙ軸（機械軸）およびＺ軸（光軸）からなる直交座標系ＸＹＺ系を、Ｘ軸回りに３０°以上５０°以下（一例として、３５°１５′）回転させて、直交座標系ＸＹ´Ｚ系を定義したとき、水晶片１２１の主演は、ＸＺ´平面となっている。

水晶片１２１は、例えば、ＸＺ´平面に平行な一対の主面を有する略薄型直方体であり、その主面は、Ｘ軸に平行な長辺およびＺ´軸に平行な短辺を有する矩形である。水晶片１２１の表面には、金属パターン１２２が設けられており、水晶片１２１の両主面の中央付近では、金属パターン１２２の一部、具体的には、励振電極部１２３が互いに対向する位置に設けられている。金属パターン１２２に交番電圧が印加されると、この金属パターン１２２に挟まれている水晶片１２１の一部、具体的には、励振電極部１２３に挟まれている水晶片１２１の一部では、主振動である厚みすべり振動と副次的な振動とが生じている。

水晶片１２１の上下方向の厚みは、厚みすべり振動について所望の固有振動数（本実施形態では、振動周波数と説明する場合もある。）に基いて設定される。例えば、厚みすべり振動の基本振動を用いる場合において、固有振動数をＦ（ＭＨｚ）とすると、この固有振動数Ｆに対応する水晶片１２１の上下方向の厚みｔ（μｍ）を求める基本式は、ｔ＝１６７０／Ｆである。なお、実施には、水晶片１２１における水晶片１２１の上下方向の厚みは、励振電極部１２３の重さ等も考慮し、基本式の値から微調整される。また、本実施形態では、水晶片１２１の上下方向の厚みｔ（μｍ）を求める基本式として、１６７０を例に挙げているが、１６７０は、ＸＹＺ座標系から回転させる角度によって多少前後する。

水晶片１２１の各種寸法の一例は、例えば、長辺の長さが６４０（μｍ）〜９１０（μｍ）、短辺の長さが３５０（μｍ）〜７５０（μｍ）、上下方向の厚みが２０（μｍ）〜７０（μｍ）となっている。

水晶片１２１は、例えば、フォトリソグラフィー技術およびエッチング技術によってその外形が形成されている。このとき、平面視してX軸に平行な二辺を有する略矩形となっている水晶片１２１にすることで、水晶片１２１の一方の長辺の縁部において水晶片１２１の長辺方向に亘って均一にｍ面を形成することができ、水晶片１２１の振動が所望の振動状態を容易に得ることが可能となる。また、水晶片１２１は、金属パターン１２２の一部、具体的には、接続部１２４ａが並んで設けられている水晶片１２１の一方の短辺を含む側面を平面視（側面視）したとき、その水晶片１２１の一方の短辺を含む側面には複数の凹部（図示せず）が形成されている。

このような水晶片１２１に設けられている金属パターン１２２は、水晶素子１２０の外部から交番電圧を印加するためのものである。金属パターン１２２は、励振電極部１２３、および、接続部１２４ａと配線部１２４ｂとからなる接続配線部１２４から構成されている。

励振電極部１２３は、水晶片１２１に交番電圧を印加するためのものである。励振電極部１２３は、一対となっており、水晶片１２１の両主面の中央付近に互いが対向するように設けられている。励振電極部１２３は、例えば、平面視して、略矩形となっている。なお、本実施形態では、略矩形の場合で説明しているが、形状は問わず、例えば、楕円形状となっていてもよい。

接続配線部１２４は、接続部１２４ａと配線部１２４ｂとからなり、水晶素子１２０の外部から励振電極部１２３に交番電圧を印加するためのものである。

接続部１２４ａは、水晶素子１２０を水晶デバイスとして用いる場合、基体１１０に実装するためのものであり、基体１１０の基板部１１０ａの上面に設けられている搭載パッド１１１とバンプ１４０（本実施形態では導電性接着剤）によって電気的に接続される。接続部１２４ａは、一対となっており、基板部１１０ａの搭載パッド１１１と対向する位置であって、例えば、水晶片１２１の一方の短辺の縁部に沿って二つ並んで設けられている。

また、接続部１２４ａが並んで設けられている水晶片１２１の一方の短辺は、水晶片１２１を平面視して、水晶片１２１の面中心（具体的には、水晶片１２１の対角線の交点）に対して−Ｘ軸方向側に位置している水晶片１２１の短辺である。従って、接続部１２４ａは、水晶片１２１の面中心に対して−Ｘ軸側の辺に沿って設けられているといえる。このようにすることで、接続部１２４ａを＋Ｘ軸方向側の辺に沿って設けられている場合と比較して、水晶素子１２０の周波数温度特性を向上させることができる。これは、水晶の結晶方位によりＸ軸がマイナス方向とプラス方向とで物性が異なっているためである。物性が異なっているとは、例えば、＋Ｘ軸方向と−Ｘ軸方向とで振動の仕方が異なっている状態のことをさす。

配線部１２４ｂは、接続部１２４ａと励振電極部１２３とを電気的に接続するためのものであり、一端が励振電極部１２３に接続されており、他端が接続部１２４ａに接続されている。

別の観点では、配線部１２４ｂは、励振電極部１２３から接続部１２４ａへ延設されているといえる。このとき、配線部１２４ｂは、例えば、水晶素子１２０を平面視して、励振電極部１２３から水晶片１２１の一方の長辺に向かって延設された後、水晶片１２１の長辺の縁部に沿って接続部１２４ａまで延設されている。配線部１２４ｂの一部が沿って設けられている水晶片１２１の一方の長辺には、水晶の結晶軸であるｍ面が形成されている。

このような励振電極部１２３および接続配線部１２４からなる金属パターン１２２は、密度が２０ｇ／ｃｍ^３以上となっている金属用いられた一層構造となっている。具体的には、金属パターン１２２は、イリジウムが用いられた一層構造となっている。

このように、一層構造にすることで、二層構造の場合と比較して水晶素子１２０または水晶素子１２０を用いた水晶デバイスが高温雰囲気中、例えば、１００℃〜４００℃に設けられたとき、熱により二種類の金属層間で金属が変質する現象をなくすことができる。この結果、金属パターン１２２の膜の状態が変化することで、水晶素子１２０の周波数が不安定になるといった電気的特性の低下を抑制することが可能となる。

特に、水晶片１２１の長辺が９００（μｍ）以下となっている水晶素子１２０においては、主振動である厚みすべり振動を励振電極部１２３に挟まれている部分に閉じ込めるため、励振電極部１２３（金属パターン１２２）の上下方向の厚みが３０００（Å）以上と厚くなっており、金属パターン１２２が二層構造となっている場合には、二層間で金属が変質し、金属パターン１２２が水晶片１２１から剥離してしまう虞があるため、一層構造とすることは、より有効であるといえる。

また、２０ｇ／ｃｍ^３以上といように比較的密度の重い金属を用いることで、従来用いていた金、金を主成分とする合金、銀または銀を主成分とする合金を用いた場合と比較して、金属パターン１２２の上下方向の厚みを薄くすることが可能となる。膜厚を薄くすることで、水晶片１２１の表面上に金属パターン１２２を形成したときに金属パターン１２２と水晶片１２１との間で生じる膜応力を低減させることが可能となる。

前述したように、水晶片１２１の長辺が９００（μｍ）以下となっている水晶素子１２０においては、その励振電極部１２３（金属パターン１２２）の上下方向の厚みが厚くなっている。このため、小型化された水晶素子１２０では、膜応力をより低下させることにより、膜応力が主振動である厚みすべり振動へ与える影響を抑制することができ、電気的特性が低下することを軽減できる。

また、このように密度が２０ｇ／ｃｍ^３以上の金属を用いて、配線部１２４の一部をｍ面が形成されている水晶片１２１の一方の短辺の縁部に沿って設けることにより、配線部１２４ｂが錘の機能を果たすこととなり、副次的な振動である輪郭振動および屈曲振動を抑制することが可能となる。従来の金属と同じ膜厚にした場合には、密度が重い金属を用いることで錘としての機能が有効となり、主振動である厚みすべり振動が副次的な振動である輪郭振動および屈曲振動と結合し電気的特性が低下することを抑制させることが可能となる。

また、従来と比較して金属パターン１２２の上下方向の厚みを薄くすることで、金属パターン１２２の生産ばらつきによる水晶素子１２０の電気的特性のばらつきを低減させることが可能となる。この結果、生産性を向上させることが可能となる。

イリジウムは、他の金属と比較して高い安定性を有していることから、金属パターン１２２にイリジウムを用いることで、水晶素子１２０が存在する酸素、硫黄等と反応し電気的特性が低下することを抑制させることが可能となる。

前述したように、第一実施形態に係る水晶素子１２０は、水晶片１２１と水晶片１２１の表面に設けられ、密度が２０ｇ／ｃｍ^３以上となっている金属が用いられ一層構造となっている金属パターン１２２とからなる。

このように密度を２０ｇ／ｃｍ^３以上とすることで、エネルギー閉じ込めを確保しつつ、金属パターン１２２（励振電極部１２３）の上下方向の厚みを薄くすることが可能となる。この結果、金属パターン１２２の膜厚が厚いことによる膜応力を低減させることができ、膜応力による歪が原因で生じる電気的特性の低下を抑制させることが可能となる。

また、このように金属パターン１２２を一層構造とすることで、従来の二層構造となっている金属パターン１２２を用いた場合と比較して、二種類の金属層間で生じる膜応力による水晶片１２１の歪を低減できるので、励振電極部１２３に挟まれている部分での振動が阻害され電気的特性が低下することを抑制することが可能となる。

また、金属パターン１２２を一層構造にすることにより、水晶素子１２０または水晶素子１２０が実装されている水晶デバイスが存在する雰囲気中の温度が高温になったとき、従来の二層構造の場合と比較して、異なる金属層間で変質することがないため、熱の影響により金属パターン１２２が変質することを抑制することができる。この結果、電気的特性が低下することを抑制させることが可能となる。ここで、金属層間での変質とは、二つの層の間での拡散、二つの層の合金化、または、金属層の酸化等のことをさしている。

また、第一実施形態に係る水晶素子１２０は、金属パターン１２２にイリジウムが用いられている。イリジウムは、他の金属と比較して高い安定性を有していることから、金属パターン１２２にイリジウムを用いることで、水晶素子１２０の金属パターン１２２が存在する酸素、硫黄等と反応し変質することを抑えることで、水晶素子１２０の電気的特性が低下することを抑制させることが可能となる。また、イリジウムは、金、金を主成分とする合金、銀または銀を主成分とする合金と比較して、水晶との密着性がよいため、金属パターン１２２が水晶片１２１から剥離し電気的特性が低下することを抑制することが可能となる。

また、第一実施形態に係る水晶素子１２０は、平面視して、水晶片１２１が、水晶の結晶軸であるX軸に平行な二辺を有する略矩形となっている。このような水晶片１２１を用いた水晶素子１２０は、水晶片１２１の両主面に互いに対向するように励振電極部１２３が設けられており、この励振電極部１２３に挟まれている水晶片１２１の一部が最も振動する構造となっている。

本実施形態のような構成にすることで、従来の二層構造となっている金属パターン１２２を用いた場合と比較して、二種類の金属層間で生じる膜応力による水晶片１２１の歪を低減できるので、励振電極部１２３に挟まれている部分での振動が阻害され電気的特性が低下することを抑制することが可能となる。また、密度を２０ｇ／ｃｍ^３以上とすることで、エネルギー閉じ込めを確保しつつ、金属パターン１２２（励振電極部１２３）の上下方向の厚みを薄くすることが可能となる。この結果、金属パターン１２２の膜厚が厚いことによる膜応力を低減させることができ、膜応力による歪が原因で生じる電気的特性の低下を抑制させることが可能となる。

具体的には、このような構造にすることで、次のような効果が得られる。金属パターン１２２に交番電圧を印加すると、励振電極部１２３が設けられている水晶片１２１の上面および水晶片１２１の下面において面内ずれが生じ、その結果、一対の励振電極部１２３で挟まれている部分が厚みすべり振動をしている。このため、励振電極部１２３と水晶片１２１との膜応力を抑制させることができ、励振電極部１２３が設けられている水晶片１２１の上面および水晶片１２１の下面における振動が阻害されることを軽減させることが可能なり、膜応力による歪が原因で生じる電気的特性の低下を抑制させることができる。

また、第一実施形態に係る水晶デバイスは、このような水晶素子１２０と、水晶素子１２０の金属パターン１２２の一部（具体的には、接続部１２４ａ）と電気的に接続される搭載パッド１１１が上面に設けられている基板部１１０ａを主体とする基体１１０と、基体１１０に接合される蓋体１３０と、を有している。このように、電気的特性の低下を抑制することができる水晶素子１２０を実装することで、本実施形態に係る水晶デバイスにおいても、電気的特性の低下を抑制することが可能となる。

（水晶素子の製造方法）
第一実施形態に係る水晶素子１２０の製造方法は、図６に示したように、水晶ウエハ用意工程と、塗布工程と、露光現像工程と、金属膜形成工程と、感光性レジスト剥離構成と、を備えている。

水晶ウエハ用意工程は、水晶片１２１となる部分が形成された水晶ウエハを用意する工程である。水晶ウエハ用意工程の際に用意する水晶ウエハは、例えば、複数の水晶片１２１となる部分が形成されており、平面視して、水晶片１２１の一方の短辺の両端部が水晶ウエハに連結された状態となっている。このとき、水晶片１２１となる部分は、平面視して略矩形となっており、そのうち二辺がＸ軸に平行な辺となっている。このＸ軸に平行な二辺のうち一方の辺の縁部には、結晶面であるｍ面が形成されている。このような水晶ウエハは、例えば、フォトリソ技術およびエッチング技術によって形成されている。

塗布工程は、水晶ウエハの全面に感光性レジストを塗布する工程である。塗布工程では、水晶ウエハ用意工程で用意された水晶ウエハ、つまり、複数の水晶片１２１となる部分が形成された水晶ウエハの全面に感光性レジストを塗布している。このとき、感光性レジストは、水晶ウエハの全面（両主面および側面）に塗布されており、水晶ウエハは露出していない状態となっている。

露光現像工程は、感光性レジストが塗布された水晶ウエハを用いて水晶素子１２０の金属パターン１２２となる部分が露出するように感光性レジストを露光・現像する工程である。露光・現像工程後の水晶ウエハでは、水晶ウエハ内の金属膜を形成したい部分、具体的には、金属パターン１２２が形成される部分の水晶ウエハが露出している状態となっている。

金属膜形成工程は、感光性レジストが露光・現像された水晶ウエハを用いて、金属パターン１２２を構成する金属を用いて金属膜を形成する工程である。金属膜形成工程では、例えば、スパッタリング技術により、露光現像工程後の水晶ウエハの表面、つまり、露光・現像された感光性レジストが設けられている水晶ウエハの全面に金属膜が形成される。従って、断面視したとき、水晶ウエハの主面上に金属膜だけが設けられている部分と、水晶ウエハの主面上に感光性レジスト、金属膜の順に設けられている部分とが存在していることとなる。

この金属膜形成工程で形成される金属膜は、密度が２０ｇ／ｃｍ^３以上の金属から構成されている。このように密度が比較的重い金属を用いることにより、従来のように金、金を主成分とする合金、銀、または、銀を主成分とする合金と比較して金属膜の上下厚みを薄くすることが可能となる。この結果、金属膜を形成する際の、金属膜厚のばらつきを低減させることができ、ひいては、水晶素子１２０の電気的特性のばらつきを低減させることが可能となり、生産性を向上させることができる。

また、この金属膜形成工程で形成される金属膜は、一層構造となっている。このように一層構造となっていることから、従来の二層構造の場合と比較して、水晶素子１２０または水晶素子１２０が実装されている水晶デバイスが存在する雰囲気中の温度が高温となったときに、二層の金属層間での金属の移動等といった金属膜の変質を低減させることが可能となり、金属膜の変質し電気的特性が低下し不良となる割合を低減させることができ、生産性を向上さえることが可能となる。

また、この金属膜形成工程で形成される金属膜は、例えば、イリジウムからなる。水晶と密着性がよく、安定性の高いイリジウムを用いて金属膜を形成することで、水晶素子１２０を製造する工程において、金属膜と水晶との密着性を確保しつつ金属膜が周囲の酸素または硫黄と反応し金属膜が変質することを抑制することが可能となる。この結果、製造過程において、金属パターン１２２となる部分（具体的には、金属膜）が変質し電気的特性が低下し不良となる割合を低減させることができ、生産性を向上させることが可能となる。

また、この金属膜形成工程で形成される金属膜は、例えば、その上下方向の厚みが露光現像工程後の水晶ウエハに形成されている感光性レジストの上下方向の厚みより薄くなっている。従って、金属膜工程後の水晶ウエハにおいては、感光性レジストが部分的に露出している部分がある。

感光性レジスト剥離工程は、金属膜が形成されている水晶ウエハを用いて、水晶ウエハの表面上に形成されている感光性レジストを剥離する工程である。感光性レジスト剥離工程では、感光性レジストが溶融され剥離される。このとき、水晶ウエハと金属膜との間に存在する感光性レジストは溶融され剥離され、この感光性レジスト膜上に設けられている金属膜が剥離される。この結果、水晶ウエハの表面に金属膜が設けられている部分だけ水晶ウエハに形成されていることとなる。

本実施形態に係る水晶素子１２０の製造方法は、前述した水晶素子１２０水晶片１２１となる部分が形成された水晶ウエハを用意する水晶ウエハ用意工程と、水晶ウエハの全面に感光性レジストを塗布する塗布工程と、感光性レジストが塗布された水晶ウエハを用いて、水晶素子１２０の金属パターン１２２となる部分が露出するように感光性レジストを露光・現像する露光現像工程と、感光性レジストが露光・現像された水晶ウエハを用いて金属パターン１２２を構成する金属を用いて金属膜を構成する金属膜形成工程と、金属膜が形成されている水晶ウエハを用いて、水晶ウエハの表面上に形成されている感光性レジストを剥離する感光性レジスト剥離工程と、を有している。このようにすることで生産性を向上させることができる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態に係る水晶素子２２０の平面図を、図７に示す。図７に示したように、第二実施形態に係る水晶素子２２０は、水晶片２２１が、基部２２１ａおよび一対の振動腕部２２１ｂから構成されているという点で第一実施形態と異なる。

水晶素子２２０は、第一実施形態に係る水晶素子１２０と同様、水晶片２２１と金属パターン２２２とから構成されている。

水晶片２２１は、基部２２１ａおよび一対の振動腕部２２１ｂからなる。基部２２１ａは、例えば、平面視して略矩形形状となっている。振動腕部２２１ｂは、一対となっており、例えば、平面視して、基部２２１ａの所定の一辺から同じ方向に並んで延設されている。

金属パターン２２２は、一対となっており、励振電極部２２３、および、接続部２２４ａと配線部２２４ｂとからなる接続配線部２２４から構成されている。

励振電極部２２３は、振動腕部２２１ｂの表面に設けられている。一方の励振電極部２２３は、一方の振動腕部２２１ｂの両主面および他方の振動腕部２２１ｂの側面に設けられており、他方の励振電極部２２３は、他方の振動腕部２２１ｂの側面および他方の振動腕部２２１ｂの両主面に設けられている。励振電極部２２３（金属パターン２２２）に交番電圧が印加されると、一方の励振電極部２２３と他方の励振電極部２２３との間で電界が生じ、その結果、振動腕部２２１ｂが屈曲振動を開始する。

接続部２２４ａは、水晶素子２２０を水晶デバイスとして用いる場合、基体に実装するためのものであり、基体の基板部の上面に設けられている搭載パッドとバンプ（本実施形態では導電性接着剤）によって電気的に接続される。接続部２２４ａは、一対となっており、基板部の搭載パッドと対向する位置であって、例えば、振動腕部２２１ｂが延設されている基部２２１ａの所定の一辺と反対側を向く辺に沿って二つ並んで設けられている。なお、本実施形態では、接続部２２４ａが基部２２１ａに設けられている場合について説明しているが、水晶片２２１が支持腕部を有している場合には支持腕部に接続部２２４ａを設けてもよい。

配線部２２４ｂは、励振電極部２２３と接続部２２４ａとを電気的に接続するためのものであり、水晶片２２１の表面に設けられている。

このように励振電極部２２３と接続配線部２２４とからなる金属パターン２２２は、密度が２０ｇ／ｃｍ^３以上となっている金属用いられた一層構造となっている。具体的には、金属パターン１２２は、イリジウムが用いられた一層構造となっている。

以上のように、第二実施形態に係る水晶素子２２０は、水晶片２２１が、基部２２１ａおよび基部２２１ａから同一方向に並んで延設されている一対の振動腕部２２１ｂとからなる。このような水晶片２２１を用いた水晶素子２２０は、振動腕部２２１ｂに一対の励振電極部２２３が設けられており、励振電極部２２３（金属パターン２２２）に交番電圧を印加したとき、振動腕部２２１ｂが主面と平行な向きで屈曲振動をする構造となっている。

本実施形態のように構成することで、従来の二層構造となっている金属パターンを用いた場合と比較して、二種類の金属間で生じる膜応力による水晶片２２１の歪を低減できるので、振動腕部２２１ｂの屈曲振動が阻害され電気的特性が低下することを抑制することが可能となる。また、密度を２０ｇ／ｃｍ^３以上とすることで、エネルギー閉じ込めを確保しつつ、金属パターン２２２（励振電極部２２３）の上下方向の厚みを薄くすることが可能となる。この結果、金属パターン２２２の膜厚が厚いことによる膜応力を低減させることができ、膜応力による歪が原因で生じる電気的特性の低下を抑制させることが可能となる。

具体的には、このような構造にすることで次のような効果が得られる。金属パターン２２２に交番電圧が印加されると、振動腕部２２１ｂの上下面と振動腕部２２１ｂの側面との間で電界が生じ、振動腕部２２１ｂの側面において、互いに逆相となるように振動腕部２２１ｂの側面が振動腕部２２１ｂの延設する方向に伸縮し、その結果、振動腕部２２１ｂが屈曲振動をする。このため、励振電極部２２３と振動腕部２２１ｂとの膜応力を抑制させることにより、振動腕部２２１の側面における伸縮が阻害されることを軽減させることや水晶片２２１への応力伝播による電気的特性の低下を軽減することが可能となり、膜応力による歪が原因で生じる電気的特性の低下を抑制させることができる。

本発明は、以下の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。

水晶素子を有する水晶デバイスは、水晶振動子に限定されない。例えば、水晶素子に加えて電圧を印加して発信信号を生成する集積回路素子を有する発振器であってもよい。また、例えば、水晶デバイスは、恒温槽付きのものであってもよい。水晶デバイスにおいて、水晶素子を実装する基体の構造は、適宜構成されてもよい。例えば、基体は、上面および下面に凹部を有する断面Ｈ型であってもよい。

第一実施形態に係る水晶素子は、水晶片が平面視して略矩形となっていれば、上下方向の厚みは問わない。例えば、水晶片の中央部の上下方向の厚みが厚いメサ構造であってもよい。また、例えば、水晶片の中央部の上下方向の厚みが薄い逆メサ構造であってもよい。また、例えば、接続部が設けられている部分の上下方向の厚みが厚くなっている片持ち梁構造となっていてもよい。

第二実施形態に係る水晶素子は、基部と基部から延設されている一対の振動腕部とから構成されていれば、その形状は問わない。例えば、基部に切り込みが形成されていてもよい。また、例えば、基部から一対の振動腕部とは別に支持腕部が延設されていてもよい。また、振動腕の表面に溝部が形成されていてもよい。

水晶素子の接続部と基体の搭載パッドとが導電性接着剤によって電気的に接続されている場合について説明しているが、水晶素子を基体の基板部上に実装しつつ接続部と搭載パッドとを電気的に接続することができれば、例えば、金属バンプを用いてもよい。また、例えば、搭載パッドと接続部とを金属とからなるワイヤ、具体的には、金ワイヤまたは銀ワイヤをも引いてもよい。

１１０・・・基体
１１０ａ・・・基板部
１１０ｂ・・・枠部
１１１・・・搭載パッド
１１２・・・外部端子
１２０、２２０・・・水晶素子
１２１、２２１・・・水晶片
２２１ａ・・・基部
２２１ｂ・・・振動腕部
１２２、２２２・・・金属パターン
１２３、２２３・・・励振電極部
１２４．２２４・・・接続配線部
１２４ａ、２２４ａ・・・接続部
１２４ｂ、２２４ｂ・・・配線部
１３０・・・蓋体
１４０・・・バンプ

Claims (6)

1. 水晶片と、
   前記水晶片の表面に設けられ、密度が２０ｇ／ｃｍ^３以上となっている金属が用いられ一層構造となっている金属パターンと、
   からなることを特徴とする水晶素子。
2. 請求項１に記載の水晶素子であって、
   前記金属パターンにイリジウムが用いられている
   ことを特徴とする水晶素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の水晶素子であって、
   平面視して、
   前記水晶片が、水晶の結晶軸であるX軸に平行な辺を二辺有する略矩形となっている
   ことを特徴とする水晶素子。
4. 請求項１または請求項２に記載の水晶素子であって、
   前記水晶片が、基部および前記基部から同一方向に並んで延設されている一対の振動腕部からなることを特徴とする水晶素子。
5. 請求項１乃至請求項４に記載の水晶素子と、
   前記水晶素子の前記金属パターンの一部と電気的に接続される搭載パッドが上面に設けられている基板部を主体とする基体と、
   前記基体に接合される蓋体と、
   を有していることを特徴とする水晶デバイス。
6. 請求項１乃至請求項４の水晶素子で用いられる前記水晶片となる部分が形成された水晶ウエハを用意する水晶ウエハ用意工程と、
   前記水晶ウエハの全面に感光性レジストを塗布する塗布工程と、
   前記感光性レジストが塗布された前記水晶ウエハを用いて、前記水晶素子の前記金属パターンとなる部分が露出するように前記感光性レジストを露光・現像する露光現像工程と、
   前記感光性レジストが露光・現像された前記水晶ウエハを用いて、前記金属パターンを構成する金属を用いて金属膜を形成する金属膜形成工程と、
   前記金属膜が形成されている前記水晶ウエハを用いて、前記水晶ウエハの表面上に形成されている前記感光性レジストを剥離する感光性レジスト剥離工程と、
   を有している水晶素子の製造方法。