JP2019193243A - 水晶振動子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＩ改善が図れる新規な構造を持つ水晶振動子を提供する。【解決手段】水晶振動子は、ＡＴカット水晶片１０を具える。この水晶片は、平面形状が長方形状で一部分が厚肉部とされている。この水晶片は、その短辺の中央付近で長辺方向に沿って切った断面を見たとき、一方の短辺側から、第１端部１０ａ、凹部１０ｂ、厚肉部１０ｃ及び第２端部１０ｄをこの順に具える。凹部は、厚肉部から第１端部側に所定角度θａで下っていてその後登って第１端部と接続している凹部である。厚肉部の第１端部側の肩から第１端部の先端までの寸法Ｌは、Ｌ＝λ（ｎ／４±０．２５ ）となっている。ｎは奇数、λは当該水晶振動子のＸ軸方向に伝搬する屈曲振動の波長である。【選択図】図１

Description

本発明は、ＡＴカット水晶片を用いた水晶振動子およびその製造方法に関する。

ＡＴカット水晶振動子の小型化が進むに従い、機械式加工による製造方法では、水晶振動子用の水晶片の製造が困難になっている。そのため、フォトリソグラフィ技術及びウエットエッチング技術を用いて製造されるＡＴカット水晶片が開発されている。

例えば特許文献１には、上述の技術により製造されたＡＴカット水晶片を用いた水晶振動子が開示されている。具体的には、特許文献１の段落００５３及び図６には、水晶のＸ軸と交差する側面（Ｘ面）のうち、＋Ｘ側の側面が６つの面で構成され、−Ｘ側の側面が２つの面で構成され、かつ、当該水晶振動子の一部分が厚肉部（メサ状）とされた水晶振動子が開示されている。この水晶振動子によれば、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値が低い、周波数温度特性が改善された水晶振動子が実現できるという（特許文献１の段落０００８）。

特開２０１４−２７５０５号公報

特許文献１の水晶振動子は、厚肉部と、この厚肉部両側に接続している傾斜部と、これら傾斜部に接続している薄肉部と、を具えたメサ構造のものである。傾斜部は、＋Ｘ側の傾斜部（特許文献１の図６（ｂ）の結晶面１３３）と、−Ｘ側の傾斜部（同図の傾斜面２３）と２つある。
そして、＋Ｘ側の傾斜部の傾斜面と、肉厚部の主面の法線との成す角度は、約２７°と記載されている（特許文献１の段落５７第４〜５行）。従って、＋Ｘ側の傾斜部は薄肉部に向かって約６３°の角度で傾斜している。また、−Ｘ側の傾斜部の結晶面と、肉厚部の主面の法線との成す角度は、約５５°と記載されている（特許文献１の段落５５第２〜３行）。従って、−Ｘ側の傾斜部は薄肉部に向かって約３５°の角度で傾斜している。また、特許文献１の場合、その図８に記載されているように、厚肉部を形成する専用の耐エッチング性マスクを用いている。
この従来技術に対し、厚肉部と薄肉部との接続部分の他の好ましい構造が望まれる。また、厚肉部を形成する専用の耐エッチング性マスクを省略できる製法が望まれる。
この出願はこのような点に鑑みなされたものであり、従って、この出願の目的はＣＩ改善が図れる新規なメサ構造を持つ水晶振動子とその製造に好適な方法を提供することにある。

この目的の達成を図るため、この出願の水晶振動子の発明によれば、平面形状が長方形状で一部分が厚肉部となっているＡＴカット水晶片を具える水晶振動子において、
前記水晶片は、その短辺の中央付近で長辺方向に沿って切った断面を見たとき、一方の短辺側から、第１端部、凹部、厚肉部及び第２端部をこの順に具え、
前記凹部は、前記厚肉部から第１端部側に所定角度θａで下っていてその後登って前記第１端部と接続している凹部であることを特徴とする。

また、この出願の水晶振動子の製造方法の発明によれば、平面形状が長方形状で一部分が厚肉部となっているＡＴカット水晶片を具える水晶振動子であって、
前記水晶片は、その短辺の中央付近で長辺方向に沿って切った断面を見たとき、一方の短辺側から、第１端部、凹部、厚肉部及び第２端部をこの順に具え、
前記凹部は、前記厚肉部から第１端部側に所定角度θａで下っていてその後登って前記第１端部と接続している凹部である水晶振動子を製造するに当たり、
前記水晶片を多数製造するための水晶ウエハを用意する工程と、
前記水晶ウエハの表裏に、前記水晶片の外形を形成するための耐ウエットエッチング性マスクであって、前記凹部と対応する領域内の一部には、前記水晶ウエハを貫通しないが、前記水晶ウエハを所望量エッチングできる程度にウエットエッチング液が侵入できる開口を持つ耐ウエットエッチング性マスクを形成する工程と、
前記耐ウエットエッチング性マスクを形成した水晶ウエハを、ウエットエッチング液に所定時間浸漬する工程と、
を含むことを特徴とする。
なお、この出願でいう水晶振動子とは、一般的な水晶振動子、発振回路と共にパッケージに実装されて水晶発振器を構成する水晶振動子、及び、サーミスタやＰＮダイオード等の各種の温度センサ付きの水晶振動子等も含む。
また、この出願でいう平面形状が長方形状とは、長方形の角部がＲ状になっている等のこの発明の目的を損ねない範囲での略長方形状も含む。

この発明の水晶振動子によれば、厚肉部と第１端部との間に所定の凹部を持つ水晶振動子が得られる。凹部であるので、厚肉部から第１端部に向かって水晶片の厚みが一度薄くなりその後厚くなる新規なメサ構造が得られる。このようなメサ構造は、単なるメサ構造に比べ、厚肉部への振動の閉じ込めが良好に行われると考えられる。このため、水晶振動子の特性改善が図れると考えられる。
また、この発明の水晶振動子の製造方法によれば、水晶片の外形加工用のマスクに所定の開口を設けることで、水晶片の外形加工の際に凹部の加工を同時に行える。従って、厚肉部形成用の専用のマスクを用いることなく、目的の厚肉部を持つ水晶振動子を形成することができる。

（Ａ）〜（Ｃ）は、実施形態の水晶振動子に具わるＡＴカット水晶片１０の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、水晶片１０の特にＺ′軸に交差する側面の説明図である。 水晶片１０をセラミックパッケージに実装した状態を示す平面図である。 比較例の水晶片２０の説明図である。 この発明に係る寸法Ｌの好ましい範囲を、（１）式中のｎ／４によって示した図である。 実施例及び比較例の各水晶片を容器に接着する前後の、ＣＩ変動の違いを説明する図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、水晶片１０の製法例の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、水晶片１０の製法例の図７に続く説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、水晶片１０の製法例の図８に続く説明図である。 他の実施形態の説明図であって、水晶片支持を水晶結晶軸の−Ｘ側で保持する場合の説明図である。 励振用電極の好ましい配置位置を説明する図である。 励振用電極の好ましい配置位置のシミュレーション結果を説明する図である。 励振電極の配置位置を変えた場合の試作品の特性を説明する図である。 励振電極の好ましい配置を適用できる水晶片の大きさを説明する図である。

以下、図面を参照してこの発明の水晶振動子及び水晶振動子の製造方法の実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこれらの発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の説明中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。

１． 水晶振動子の説明
１−１．構造
先ず、図１、図２を参照して、実施形態の水晶振動子に具わるＡＴカット水晶片１０について説明する。なお、図１（Ａ）は水晶片１０の平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中のＰ−Ｐ線に沿った水晶片１０の断面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）中のＱ−Ｑ線に沿った水晶片１０の断面図である。なお、図１（Ｂ）では、この発明の特徴である第１端部１０ａ、凹部１０ｂ及び第２端部１０ｄを理解し易くするため、これらの部分を拡大して示すと共に、紙面の都合から厚肉部１０ｃについては水晶片１０の長辺方向に沿う領域を一部省略して示してある。また、図２（Ａ）は、図１（Ｃ）の拡大図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）中のＮ部分を拡大して示した図である。

また、図１（Ａ）中に示した座標軸Ｘ，Ｙ′、Ｚ′は、それぞれＡＴカット水晶片１０での水晶の結晶軸を示す。なお、ＡＴカット水晶片自体の詳細は、例えば、文献：「水晶デバイスの解説と応用」。日本水晶デバイス工業会２００２年３月第４版第７頁等に記載されているので、ここではその説明を省略する。

この実施形態の水晶片１０は、平面形状が長方形状で、一部分が厚肉部１０ｃとされ、所定の方向角の水晶片から形成され、その長辺が水晶のＸ軸に平行であり、その短辺が水晶のＺ′軸に平行なＡＴカットの水晶片である。
然も、この水晶片１０は、その短辺の中央付近で長辺方向に沿って切った断面（すなわちＰ−Ｐ線に沿って切った断面）を見たとき、一方の短辺側（図１の例の場合、＋Ｘ側短辺）から、第１端部１０ａ、凹部１０ｂ、厚肉部１０ｃ及び第２端部１０ｄをこの順に具える。
然も、特に図１（Ｂ）に示したように、凹部１０ｂは、厚肉部１０ｃから第１端部１０ａ側に所定角度θａで下っていてその後登って、第１端部１０ａと接続している凹部である。なお、凹部１０ｂは、その領域内に多少の凸領域があっても良い。
ここで、角度θａは、厚肉部１０ｃの主面と、凹部１０ｂの厚肉部側の斜面との成す角度であり、具体的には４〜８°、典型的には約６°である。この角度θａは、多少のバラツキを示すが、この出願に係る発明者のこれまでの実験によれば、上記の通り、角度θａは６±２°を示すことが分かっている。
また、図１（Ｂ）に示したように、第１端部１０ａは、４つの面で構成され、＋Ｘ方向に向かって凸状の形状を持つ構造となっており、また、第２端部１０ｄは、４つの面で構成され、−Ｘ方向に向かって凸状の形状を持つ構造となっている。なお、第２端部１０ｄは５つ以上の面、例えば５つ又は６つの面で構成される場合があっても良い。

また、この水晶片１０では、厚肉部１０ｃの第１端部１０ａ側の肩から第１端部１０ａの先端までの寸法をＬ（図１（Ａ），（Ｂ）参照）と定義したとき、Ｌは下記（１）式を満たす寸法としてある。
ただし、（１）式において、ｎは奇数、λは当該水晶振動子における水晶のＸ軸に沿って伝搬する屈曲振動すなわち不要振動の波長である。なお、ｎは理屈では１，３、のような小さな値をとり得るが、実際の水晶片の長辺寸法を考慮すると、ｎは比較的大きな整数であり、これに限られないが、２桁以上の奇数である。また、屈曲振動の波長は、水晶片１０の本来の振動周波数すなわち厚みすべり振動の周波数に応じて生じる固有の値であり、例えば厚みすべり振動の周波数をＦ０と定義した場合、例えば下記の（２）式等で与えられる値である。なお、（１）式が妥当な理由は、後の試作結果及びシミュレーション結果の説明欄にて詳述する。
Ｌ＝λ（ｎ／４±０．２５） ・・・（１）
λ＝１９４３／Ｆ０−１２．８ ・・・（２）
凹部１０ｂを有し、かつ、上記寸法Ｌを（１）式で与えられる寸法とすることにより、後述するように、クリスタルインピダンス（ＣＩ）が小さくなる範囲が周期的に得られる。然も、後述するように、水晶片１０の第１端部１０ａを当該水晶振動子用の容器に例えば導電性接着剤によって固定する前後のクリスタルインピダンス（ＣＩ）の変動を、抑制することができる。

また、この水晶片１０の場合、そのＺ′軸と交差する側面（Ｚ′面）各々は、特に図２（Ｂ）に示したように、第１の面１０ｆ，第２の面１０ｇおよび第３の面１０ｈの、３つの面で構成された側面としてある。しかも、第１の面１０ｆは、この水晶片１０の主面１０ｉと交わっている面であり、然も、主面１０ｉを水晶のＸ軸を回転軸としてθ１回転させた面に相当する面である。

さらに、この水晶片１０では、第１の面１０ｆ、第２の面１０ｇおよび第３の面１０ｈがこの順で交わっている。しかも、第２の面１０ｇは、主面１０ｉを水晶のＸ軸を回転軸としてθ２回転させた面に相当する面であり、第３の面１０ｈは、主面１０ｉを水晶のＸ軸を回転軸としてθ３回転させた面に相当する面である。これらの角度θ１、θ２、θ３は、この出願人に係る実験から、下記が好ましいことが分かっている。θ１＝４°±３．５°、θ２＝−５７°±５°、θ３＝−４２°±５°、より好ましくは、θ１＝４°±３°、θ２＝−５７°±３°、θ３＝−４２°±３°である。なお、θ１〜θ３に関しては、この出願人に係る、特開２０１６−１９７７７８号公報に記載されているので、ここではその説明は省略する。
Ｚ′軸と交差する側面（Ｚ′面）を上記のように所定の３つの面で構成すると、水晶片１０の短辺方向での不要振動の抑制が図れ、好ましい。

また、この水晶片１０は、厚肉部１１ｃの表裏面上に、又は、そこを含む更に広い所定領域に、励振用電極１１を具え、更に、この励振用電極１１から水晶片の１つの短辺側、具体的には第１端部１０ａ側に引き出された引出電極１３を具える（図１等参照）。励振用電極１１及び引出電極１３各々は、典型的には、クロム及び金の積層膜により構成できる。
このように形成した水晶片１０を、図３に示したように、例えば周知のセラミックパッケージ１５内に、引出電極１３の位置で、例えばシリコーン系の導電性接着剤１７により接着固定し、さらに、このセラミックパッケージを所定の蓋部材（図示せず）によって真空封止又は不活性ガス雰囲気等の封止状態で封止することで、実施形態の水晶振動子を構成できる。なお、水晶片１０の固定位置を詳述すると、図３に示したように、水晶片１０は、その第１端部１０ａ側の水晶片の短辺の両端付近各々で、セラミックパッケージ１５の接着パッド１５ａに、導電性接着剤１７により固定してある。

１−２．シミュレーション結果および試作結果
発振周波数を所定の周波数とした試作水晶片１０であって、寸法Ｌを種々に変えた複数種類の試作水晶片を、各々複数個作製した。そして、それらを用い、上述した実装構造及び封止構造による複数種類の実施例の水晶振動子を作製した。
また、有限要素法によるシミュレーショモデルとして、上述した水晶片１０であって寸法Ｌを種々に変えたシミュレーションモデルを用意し、寸法Ｌと第１端部１０ａでの変位量との関係を調査した。
また、比較例の水晶片２０として、図４に図１（Ｂ）と同様の断面図で示すような、実施例では設けていた凹部１０ｂは設けない構造の、水晶片２０を、複数個作製した。そして、それらを用い上述した実装例の構造及び封止構造による比較例の水晶振動子を作製した。

上記のシミュレーション結果及び試作結果について、以下に説明する。
図５は、横軸に（１）式中のｎ／４をとり、左縦軸に第１端部１０ａの先端点での変位量をとり、右縦軸に試作した複数種水晶振動子ごとのＣＩ値の平均値をとり、ｎ／４に対する変位量及びＣＩ値の関係を示した図である。従って、波長λを所定値として考えた（１）式で与えられる寸法Ｌに対する変位量及びＣＩ値の関係を示した図である。
ただし、変位量とは、水晶片１０の第１端部１０ａの先端点での変位量であり、以下のような定義で与えられる変位量である。すなわち、プラスの変位量とは、第１端部１０ａの先端点が、水晶片１０のＹ′軸のプラス側に変位したことを意味し、マイナスの変位量とは、第１端部１０ａの先端点が、水晶片１０のＹ′軸のマイナス側に変位したことを意味する。従って、変位量の絶対値が小さい程、好ましい水晶片である。
また、右縦軸のＣＩ値は、各水準の水晶振動子ごとのＣＩ値の平均値を、この水晶振動子に要求される規格値によって正規化した値である。従って、正規化したＣＩ値が１より小さい程、好ましい水晶片である。
なお、図５では、ｎが９〜１９の範囲、従ってＬが２．２５〜４．７５の範囲での検討結果を示している。しかし、ｎが図５に示した範囲外の場合であっても上記（１）式を満たす範囲が周期的に現れ、それぞれの領域で、この発明の効果が得られる。
なお、上記の試作及びシミュレーションは、水晶片１０のＸ方向の寸法が約７４０μｍ、共振周波数が４０ＭＨｚとした条件で行った。もちろん、これらの寸法や周波数は一例であり、これらに本発明が限定されるものではない。

図５から、ｎ／４が約２．８５〜３．５の範囲において、変位量は、絶対値で言って０．０２以下の極小な範囲になることが分かる。また、ＣＩ値についても、Ｌが約２．８５〜３．５の範囲において、１以下の値、すなわち規格値を満たすことが分かる。ここで、ｎが１３の場合、ｎ／４は３．２５である。従って、ｎ／４が２．８５〜３．５の範囲とは、ｎが１３であるときのｎ／４＝３．２５を基準にして考えた場合、マイナス０．４〜プラス０．２５の範囲である。この範囲であれば、変位量及びＣＩ値ともに、所望の値を示すことが分かる。より好ましくは、ｎ／４＝３．２５±０．２５の範囲、さらに好ましくはｎ／４＝３．２５±０．１５の方が変位量及びＣＩ値とも小さくなるので、ｎ／４＝３．２５±０．１５の範囲が良いことが分かる。なお、水晶片１０の好ましい実際の寸法Ｌは、（１）式の通りであり、ｎ／４±０．２５に波長λを乗じることで算出できる。例えば、上記の例であれば、波長λは約６２μｍであるから、Ｌの中心値は、Ｌ＝３．２５＊６２で与えられ、約２００μｍである。なお、第１端部１０ａの水晶のＸ軸に沿う寸法は、これに限られないが、例えば５０μｍ程度とするのが良い。

また、試作した実施例及び比較例の各水晶片について、容器に接着する前のＣＩ値と容器に接着した後のＣＩ値とを、１対１で追跡確認をして、接着前後でのＣＩ値の変化を調査した。図６（Ａ）、（Ｂ）はその結果を示したもので、横軸に接着前、接着後をとり、縦軸に接着前後のＣＩ値の比をとって示したものである。図６（Ａ）は実施例の水晶片１０での結果を示し、図６（Ｂ）は比較例の水晶片２０での結果を示す。いずれの場合もサンプル数は７個である。なお、接着前の水晶片のＣＩ値とは、後述する製法説明で示すウエハ中のフレームに連結されている状態の水晶片での測定値である。
図６（Ａ）、（Ｂ）から、実施例の水晶片ではＣＩ変動比は最大でも１．５であるのに対し、比較例の水晶片ではＣＩ変動比は最大で２を超え、しかも、１．５を越える個数が４個もある。従って、実施例の水晶片１０は、振動部へのエネルギー閉じ込めが比較例より優れていることが分かる。

２． 製造方法の説明
次に、水晶振動子の製造方法の実施形態について、図７〜図９を参照して説明する。
実施形態の水晶片１０は、フォトリソグラフィ技術およびウエットエッチング技術により水晶ウエハから多数製造できる。そのため、以下の製法例の説明で用いる図の一部では、水晶ウエハ１０ｗの平面図と、その一部分Ｍを拡大した平面図を示してある。さらに、製法例の説明で用いる図の一部の図では水晶片１０の断面図も併用している。いずれの断面図も、対応する平面図中の、Ｒ−Ｒ線、又は、Ｓ−Ｓ線に沿った断面を示してある。

先ず、水晶ウエハ１０ｗを用意する(図７（Ａ）)。ＡＴカット水晶片１０の発振周波数は、周知の通り、水晶片１０の主面（Ｘ−Ｚ′面）部分の厚みでほぼ決まるが、用意する水晶ウエハ１０ｗは、最終的な水晶片１０の厚さより厚いウエハとする。

次に、この水晶ウエハ１０ｗの表裏両面に、水晶片の外形を形成するための耐ウエットエッチング性マスク４０を周知の成膜技術及びフォトリソグラフィ技術により形成する。この実施形態の場合の耐ウエットエッチング性マスク４０は、水晶片の外形に対応する部分、各水晶片を保持するフレーム部分、及び、水晶片とフレーム部分とを連結する連結部で構成したものとしてある。ただし、この発明では、前述した凹部１０ｂ（図１参照）と対応する領域内の一部に、水晶ウエハを貫通しないが、水晶ウエハを所望量エッチングできる程度にウエットエッチング液が侵入できる開口４０ａを持つ耐ウエットエッチング性マスクを形成する。具体的には、例えば、クロム膜と金膜との積層膜で構成した耐ウエットエッチング性マスク４０であって、上記所定部分はこの金属膜が除去されて開口４０ａとされているマスク４０を形成する。

この開口４０ａの、水晶片１０の長辺方向に沿う寸法は、上述の通り、水晶ウエハを貫通しないが、水晶ウエハを所望量エッチングできる程度にウエットエッチング液が侵入できる寸法であり、典型的には、数μｍ、例えば２μｍである。ただし、この値は水晶ウエハ１０ｗの厚さや、凹部１０ｂの深さ及び広さ等に応じて変更できる。また、この開口４０ａの、水晶片１０の短辺方向に沿う寸法は、水晶片の幅寸法と同じ程度の寸法とするのが良い。ただし、この寸法も水晶ウエハ１０ｗの厚さや、凹部１０ｂの広さに応じて幅広にも幅狭にも変更できる。また、図７の例では、開口４０ａの数は１個としているが、これに限られず、凹部１０ｂに対応する領域中に互いを近接させる等して複数個設けても良い。また、図７の例では、開口の平面形状を極めて細長い長方形状としているが、この形の変更もできる。

次に、耐ウエットエッチング性マスク４０を形成した水晶ウエハを、ウエットエッチング液に所定時間浸漬する。エッチング液としては、フッ酸系エッチャントを用いる。所定時間とは、水晶片１０の外形輪郭が得られるよう水晶ウエハ１０ｗを貫通できる時間＋αの時間である。
このエッチングにおいては、水晶ウエハの、水晶片１０の形成予定領域の周囲の開口はエッチング液が良く侵入拡散するため、エッチングが進み水晶ウエハ自体を十分に貫通する。一方、開口４０ａの部分は開口寸法が狭いため、ウエットエッチング液は開口４０ａ下の水晶ウエハ部分に少しずつ侵入するため、水晶ウエハを貫通するには至らず、開口４０ａの領域とその周囲のマスク下の水晶ウエハ部分がエッチングされる。
図８は上記の外形エッチングを終えた試料の様子を示したものであって、耐ウエットエッチング性マスク４０のうちのフレーム部分以外は除去した状態を示した図である。第１端部、凹部、厚肉部、第２端部各々の完成前の中間体の状態を持った水晶ウエハが得られている。

次に、この中間体状態の水晶ウエハ１０ｗを、フッ酸を主とするエッチング液中に、再度、所定の時間浸漬する。ここで、所定の時間とは、水晶片１０の肉厚部１０ｅ形成予定領域の厚みがこの水晶片１０に要求される発振周波数の仕様を満たすことができる時間であって、かつ、水晶片１０のＺ′軸と交差する側面に第１〜第３の面１０ｆ〜１０ｈが形成できる時間である。このエッチングが済むと、図９に示したように、第１端部１０ａ、凹部１０ｂ、厚肉部１１ｃ及び第２端部１０ｄを具えた水晶片１０の主要部が完成する。

次に、上記のエッチングが終了した水晶ウエハから、耐ウエットエッチング性マスクの残存部分も除去して、水晶面全てを露出する（図示せず）。その後、この水晶ウエハ全面に、周知の成膜方法により、水晶振動子の励振用電極および引出電極形成用の金属膜(図示せず)を形成する。次に、この金属膜を、周知のフォトリソグラフィ技術およびメタルエッチング技術により、加工して、図１に示した水晶片１０を多数有する水晶ウエハが完成する。

次に、水晶ウエハ１０ｗの各水晶片の連結部に適当な外力を加えて、水晶片１０を水晶ウエハ１０ｗから分離し、個片化する。このように形成した水晶片を上述したように容器に実装し、封止することで、図３に示したような実施形態の水晶振動子を得ることができる。
上述した製造方法では、耐ウエットエッチング性マスク４０に所定の開口４０ａを設けて外形エッチングを行うため、外形エッチングの際に凹部１０ｂの前駆体も並行して形成できる。従って、凹部及び厚肉部形成を簡易に行うことができる。

３． 支持部を水晶の結晶軸の−Ｘ側にする例（変形例）
上述した実施形態では、水晶片１０を支持する支持部を水晶の結晶軸の＋Ｘ側としていたが、水晶片を水晶の結晶軸の−Ｘ軸側で支持しても良い。以下、この変形例について説明する。
図１０はこの変形例の説明図であり、図１（Ｂ）と同様な断面図で示した図である。この変形例の水晶片５０の、図１の水晶片１０との相違点は、第１端部１０ａ、凹部１０ｂ、厚肉部１０ｃ、第２端部１０ｄを、水晶の結晶軸の−Ｘ側から定義している点である。ただし、水晶の結晶軸のウエットエッチング液に対する異方性から、この変形例の水晶片５０での所定角度θａは、図１に示した水晶片１０の場合と異なる値になる。具体的には、変形例の水晶片５０での所定角度θａは、１４〜１８°、典型的には約１６°である。この角度θａは、多少のバラツキを示すが、この出願に係る発明者のこれまでの実験によれば、上記の通り、角度θａは１６±２°を示すことが分かっている。
この変形例の場合も、支持部と厚肉部との間に凹部を有し、然も、寸法Ｌを（１）式で与えられる所定寸法としてあるので、図１に示した水晶片１０と同様な効果が期待できる。

４． 励振用電極に関する実施形態
上記の説明では励振用電極の位置について言及しなかった。しかし、この出願に係る発明者の検討によれば、第１端部１０ａ、凹部１０ｂ、厚肉部１０ｃ及び第２端部１０ｄを有する水晶片１０に励振用電極１１を設ける位置を所定範囲にすると、水晶振動子の特性が良化することが判明した。以下、この点について図１１〜図１４を参照して説明する。

図１１は、水晶片１０に対する励振用電極の好ましい配置位置を説明する平面図である。この水晶振動子は、水晶片１０の表裏面であって厚肉部１０ｃ上に、励振用電極１１をそれぞれ具える。然も、水晶片１０の長辺に沿う方向、すなわち水晶のＸ軸に沿う方向の水晶片１０の中心点をＣｘと表し、また、水晶のＸ軸に沿う方向の励振用電極１１の中心点をＣｅと表したとき、励振用電極の中心点Ｃｅが水晶片の中心点Ｃｘに対し第２端部１０ｄ側に、すなわち水晶片１０の導電性接着剤で固定される側とは反対側に、偏心量ΔＸで偏心するように、励振用電極１１を水晶片１０上に設けてある。

次に、偏心量ΔＸの適正範囲と効果について説明する。先ず、発明者は、検討の１つとして、図１１に示した第１端部１０ａ、凹部１０ｂ、厚肉部１０ｃ及び第２端部１０ｄを有する水晶片１０であって、長辺寸法Ｌｘが７７８μｍ、短辺寸法が５７０μｍ、第１端部１０ａの長さが７１μｍ、第２端部１０ｄの寸法が６０μｍ、図１１にＬで示す寸法が上記（１）式を満たす寸法、そして、厚肉部１０ｃの第１端部１０ａ側の肩から凹部１０ｂの一番深い箇所までの寸法が７４μｍである水晶片１０のモデルを用い、励振用電極の偏心量ΔＸを種々に変えた場合のクリスタルインピダンス（ＣＩ）の変化具合を、有限要素法によりシミュレーションした。

図１２（Ａ）、（Ｂ）はこのシミュレーション結果を示したもので、横軸に偏心量ΔＸをとり、縦軸にクリスタルインピダンス（ＣＩ。相対値）をとって、偏心量ΔＸとＣＩとの関係を示したものである。（Ａ）図は偏心量ΔＸを広い範囲としたもの、（Ｂ）図は（Ａ）図中のＷ部分を拡大して示したものである。なお、図１２（Ａ）、（Ｂ）では、グラフの上部に新たな横軸として後述するＬ１／ｔ′、Ｌ２／ｔ′も示してある。

図１２から、偏心量ΔＸを所定範囲にすることでＣＩ値が小さくなることが理解できる。然も、ＣＩ値が小さくなる範囲が周期的に現れることが理解できる。さらに詳細には、この水晶片で製造される水晶振動子の規格（図１２中に示した破線）を満たすことができる偏心量ΔＸは、５２±４μｍの範囲であることが理解できる（特に図１２（Ｂ）参照）。また、実際に水晶振動子を試作した際のＣＩの実測値を図１３に示した。図１３からも、偏心量ΔＸが５２μｍ付近でＣＩは極小範囲になり、偏心量ΔＸが５６μｍを越えるとＣＩの規格を満たさなくなることが理解できる。この試作結果からも、偏心量ΔＸは５２±４μｍの範囲が良いことが理解できる。なお、試作の場合、偏心量ΔＸが５２μｍより小さい水準は、都合により、実施しなかったが、偏心量ΔＸが５２μｍより４μｍ程度小さい場合もシミュレーション同様にＣＩは小さくなると推定できる。

ここで、ＡＴカット水晶振動子の場合、水晶振動子の種々の設計思想は、単一の周波数の水晶片に限られるものではなく、例えば水晶片の長辺寸法Ｌｘ、短辺寸法Ｌｚを、水晶片の圧肉部の厚みｔａで、正規化した値が同様な値である水晶片に広く適用できるので、上記偏心量ΔＸを適用できる水晶片は、発振周波数が３７．４ＭＨｚの水晶片に限られないと推定できる。

また、励振用電極の偏心量は、水晶片の長辺寸法Ｌｘが決まっていれば電極の長辺方向の端部の位置によっても表すことも出来る。図１、図１０に表すように、励振用電極の第１端部側の端から水晶片第１端部の先端までの距離をＬ１、励振用電極の第２端部側の端から水晶片第２端部の先端までの距離をＬ２としたとき、Ｌｘが７７８μｍであればＬ１＝２２１±４μｍ、Ｌ２＝１１６±４μｍとなる。これを前記肉厚部の厚みと前記表裏面の励振用電極の実効的な厚みの和ｔ′=１６７０／Ｆで正規化すると、Ｌ１／ｔ′＝４．９４９±０．０．０９０、Ｌ２／ｔ′＝２．５９８±０．０９０となる。

また、図１２において偏心量ΔＸを広い範囲で見ると、凡そλ／２の周期でＣＩが良好になることが予測される。このとき、整数ｎ１、ｎ２を用いるとＬ１／ｔ′＝４．９４９±０．１０１＋０．７４５×ｎ１、Ｌ２／ｔ′＝２．５９８±０．１０１＋０．７４５×ｎ２において電極端部の位置を表すことができる。
ただし、ｎ１及びｎ２は整数で、ｎ１≧−６、ｎ２≧−３を満たす値である。ｎ１、ｎ２がこの条件を満たさない場合は、励振用電極が水晶片の領域外に広がってしまう。つまり、励振用電極は水晶片より大きくなってしまう。しかも、ｎ１とｎ２との関係は、ｎ２−ｎ１≦３を満たす関係である。このような関係とする理由は、励振用電極が水晶片の第２端部側に偏心しているという本発明の要件を満たすためには、ｎ１とｎ２とはｎ２−ｎ１≦３の関係を満たす必要がある。なお、好ましくは、ｎ１＝ｎ２＝０である。

一方、ＡＴカット水晶振動子の場合、水晶片の長辺寸法および短辺寸法がある範囲であれば、例えばＣＩ値は規格を満たすことができるが、その範囲を越えるとＣＩが悪化する傾向がある。この点について発明者は有限要素法により検討した。図１４はその結果を示したものである。

図１４は、水晶片１０の長辺寸法Ｌｘを７６５〜７８５μｍの範囲で複数水準設定し、かつ、短辺寸法Ｌｚを５６０〜６００μｍの範囲で複数水準設定した各種水晶片のＣＩの違いを示したものである。
図１４から、ＣＩの規格を満たすＬｘ／ｔａ、Ｌｚ／ｔａについて検討すると、周波数が３７．４ＭＨｚの例では、水晶片の肉厚部の厚みｔａは３９．７４８μｍであり、然も、図１４においてＣＩの規格値を満たしているとみられるＬｘは７７５〜７８５μｍ、Ｌｚは５６０〜５７６μｍであるから
１９．５０≦Ｌｘ／ｔａ≦＝１９．７５、かつ、１４．０８≦Ｌｚ／ｔａ≦＝１４．４９であるとＣＩ規格を満たすことが理解できる。
また、ＣＩが規格を満たし然も規格より小さい値となるためには、図１４から、Ｌｘは７８０〜７８５μｍ、Ｌｚは５６８〜５７６μｍであるから
１９．６２≦Ｌｘ／ｔａ≦＝１９．７５、かつ、１４．２９≦Ｌｚ／ｔａ≦＝１４．４９であるのが良いことが分かる。

従って、励振用電極の偏心量ΔＸを適用して好適な水晶片の長辺、短辺、厚さ（励振用電極の厚さ踏む）の関係は、１９．５０≦Ｌｘ／ｔａ≦＝１９．７５、かつ、１４．０８≦Ｌｚ／ｔａ≦＝１４．４９が良く、より好ましくは、１９．６２≦Ｌｘ／ｔａ≦＝１９．７５、かつ、１４．２９≦Ｌｚ／ｔａ≦＝１４．４９が良い。
なお、上記の説明では、励振用電極は水晶片の厚肉部上に設ける例で説明したが、励振用電極は水晶片の厚肉部を含むこれより広い範囲に設けた場合も、励振用電極の偏心量ΔＸの思想を適用できる。

１０:実施形態の水晶片、 １０ａ：第１端部、
１０ｂ：凹部、 １０ｃ：厚肉部、
１０ｄ：第２端部、
１０ｆ：第１の面、 １０ｇ：第２の面、
１０ｈ：第３の面、 １０ｉ：主面
１０ｗ：水晶ウエハ、 １１：励振用電極、
１３：引出電極、 １５：セラミックパッケージ、
１５ａ：接続パッド、 １７：導電性接着剤
４０：耐ウエットエッチング性マスク、 ４０ａ：開口
５０：変形例の水晶片
Ｃｘ：水晶片の長辺方向に沿う中心点、 Ｃｅ：励振用電極の長辺方向に沿う中心点
ΔＸ：偏心量、 Ｌｘ：水晶片の長辺寸法
Ｌｚ：水晶片の短辺寸法
ｔａ：水晶片の肉厚部の厚み

また、励振用電極の偏心量は、水晶片の長辺寸法Ｌｘが決まっていれば電極の長辺方向の端部の位置によっても表すことも出来る。図１、図１０に表すように、励振用電極の第１端部側の端から水晶片第１端部の先端までの距離をＬ１、励振用電極の第２端部側の端から水晶片第２端部の先端までの距離をＬ２としたとき、Ｌｘが７７８μｍであればＬ１＝２２１±４μｍ、Ｌ２＝１１６±４μｍとなる。これを前記肉厚部の厚みと前記表裏面の励振用電極の実効的な厚みの和ｔ′=１６７０／Ｆで正規化すると、Ｌ１／ｔ′＝４．９４９±０．０９０、Ｌ２／ｔ′＝２．５９８±０．０９０となる。

図１４は、水晶片１０の長辺寸法Ｌｘを７６５〜７８５μｍの範囲で複数水準設定し、かつ、短辺寸法Ｌｚを５６０〜６００μｍの範囲で複数水準設定した各種水晶片のＣＩの違いを示したものである。
図１４から、ＣＩの規格を満たすＬｘ／ｔａ、Ｌｚ／ｔａについて検討すると、周波数が３７．４ＭＨｚの例では、水晶片の肉厚部の厚みｔａは３９．７４８μｍであり、然も、図１４においてＣＩの規格値を満たしているとみられるＬｘは７７５〜７８５μｍ、Ｌｚは５６０〜５７６μｍであるから
１９．５０≦Ｌｘ／ｔａ≦１９．７５、かつ、１４．０８≦Ｌｚ／ｔａ≦１４．４９であるとＣＩ規格を満たすことが理解できる。
また、ＣＩが規格を満たし然も規格より小さい値となるためには、図１４から、Ｌｘは７８０〜７８５μｍ、Ｌｚは５６８〜５７６μｍであるから
１９．６２≦Ｌｘ／ｔａ≦１９．７５、かつ、１４．２９≦Ｌｚ／ｔａ≦１４．４９であるのが良いことが分かる。

従って、励振用電極の偏心量ΔＸを適用して好適な水晶片の長辺、短辺、厚さ（励振用電極の厚さ踏む）の関係は、１９．５０≦Ｌｘ／ｔａ≦１９．７５、かつ、１４．０８≦Ｌｚ／ｔａ≦１４．４９が良く、より好ましくは、１９．６２≦Ｌｘ／ｔａ≦１９．７５、かつ、１４．２９≦Ｌｚ／ｔａ≦１４．４９が良い。
なお、上記の説明では、励振用電極は水晶片の厚肉部上に設ける例で説明したが、励振用電極は水晶片の厚肉部を含むこれより広い範囲に設けた場合も、励振用電極の偏心量ΔＸの思想を適用できる。

Claims (16)

1. 平面形状が長方形状で一部分が厚肉部とされているＡＴカット水晶片を具える水晶振動子において、
   前記水晶片は、その短辺の中央付近で長辺方向に沿って切った断面を見たとき、一方の短辺側から、第１端部、凹部、厚肉部及び第２端部をこの順に具え、
   前記凹部は、前記厚肉部から第１端部側に所定角度θａで下っていてその後登って前記第１端部と接続している凹部であることを特徴とする水晶振動子。
2. 前記水晶片は、長辺が水晶のＸ軸に平行であり、短辺が水晶のＺ′軸に平行であり、前記第１端部は＋Ｘ側に位置することを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
3. 前記水晶片は、長辺が水晶のＸ軸に平行であり、短辺が水晶のＺ′軸に平行であり、前記第１端部は＋Ｘ側に位置し、前記角度θａは６±２°であることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
4. 前記水晶片は、長辺が水晶のＸ軸に平行であり、短辺が水晶のＺ′軸に平行であり、前記第１端部は−Ｘ側に位置することを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
5. 前記水晶片は、長辺が水晶のＸ軸に平行であり、短辺が水晶のＺ′軸に平行であり、前記第１端部は−Ｘ側に位置し、前記角度θａは１６±２°であることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
6. 前記厚肉部の前記第１端部側の肩から前記第１端部の先端までの寸法をＬと定義したとき、Ｌは下記（１）式を満たすことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の水晶振動子。ただし、（１）式において、ｎは奇数、λは当該水晶振動子における水晶のＸ軸に沿って伝搬する屈曲振動の波長である。
   Ｌ＝λ（ｎ／４±０．２５ ） ・・・（１）
7. 前記厚肉部の前記第１端部側の肩から前記第１端部の先端までの寸法をＬと定義したとき、Ｌは下記（１）式を満たすことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の水晶振動子。ただし、（１）式において、ｎは奇数、λは当該水晶振動子における水晶のＸ軸に沿って伝搬する屈曲振動の波長である。
   Ｌ＝λ（ｎ／４±０．１５） ・・・（１）
8. 前記水晶片は前記第１端部側で当該水晶振動子の容器に固定部材によって固定されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の水晶振動子。
9. 前記水晶片は前記第１端部側で当該水晶振動子の容器に固定部材によって固定されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の水晶振動子。
10. 前記水晶片の表裏面であって前記厚肉部上又は前記厚肉部を含むそれより広い領域上に励振用電極をそれぞれ具え、
    前記水晶片の前記長辺に沿う方向の中心点をＣｘ、前記励振用電極の前記長辺に沿う方向の中心点をＣｅと表したとき、
    前記中心点Ｃｅが前記中心点Ｃｘに対し前記第２端部側に偏心量ΔＸで偏心するように、前記励振用電極を前記水晶片上に設けてあることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の水晶振動子。
11. 前記偏心量ΔＸが５２±４μｍである請求項１０に記載の水晶振動子。
12. 前記励振用電極の前記第１端部側の端から前記第１端部の先端までの距離をＬ１、前記励振用電極の前記第２端部側の端から前記第２端部の先端までの距離をＬ２、前記肉厚部の厚みと前記表裏面の励振用電極の厚みの実効的な和をｔ′=１６７０／Ｆと表したとき、
    Ｌ１／ｔ′＝４．９４９±０．０９０＋０．７４５×ｎ１、
    Ｌ２／ｔ′＝２．５９８±０．０９０＋０．７４５×ｎ２、
    である請求項１０又は１１に記載の水晶振動子。
    但し、ｎ１及びｎ２は整数で、ｎ１≧−６、ｎ２≧−３、ｎ２−ｎ１≦３を満たす値である。また、当該水晶振動子の発振周波数である。
13. 前記肉厚部の厚みをｔａ、前記水晶片の前記長辺寸法をＬｘ及び短辺寸法をＬｚと表したとき、
    １９．５０≦Ｌｘ／ｔａ≦＝１９．７５、かつ、
    １４．０８≦Ｌｚ／ｔａ≦＝１４．４９
    である請求項１０又は１１に記載の水晶振動子。
14. 前記肉厚部の厚みをｔａ、前記水晶片の前記長辺寸法をＬｘ及び短辺寸法をＬｚと表したとき、
    １９．６２≦Ｌｘ／ｔａ≦＝１９．７５、かつ、
    １４．２９≦Ｌｚ／ｔａ≦＝１４．４９
    である請求項１０又は１１に記載の水晶振動子。
15. 平面形状が長方形状で一部分が厚肉部とされているＡＴカット水晶片を具える水晶振動子であって、前記水晶片を、その短辺の中央付近で長辺方向に沿って切った断面を見たとき、一方の短辺側から、第１端部、凹部、厚肉部及び第２端部をこの順に具え、前記凹部は、前記厚肉部から前記第１端部側に所定角度θａで下っていてその後登って前記第１端部と接続している凹部である水晶振動子を製造するに当たり、
    前記水晶片を多数製造するための水晶ウエハを用意する工程と、
    前記水晶ウエハの表裏に、前記水晶片の外形を形成するための耐ウエットエッチング性マスクであって、前記凹部と対応する領域内の一部には、前記水晶ウエハを貫通しないが、前記水晶ウエハを所望量エッチングできる程度にウエットエッチング液が侵入できる開口を持つ耐ウエットエッチング性マスクを形成する工程と、
    前記耐ウエットエッチング性マスクを形成した水晶ウエハを、ウエットエッチング液に所定時間浸漬する工程と、
    を含むことを特徴とする水晶振動子の製造方法。
16. 前記ウエットエッチング液に所定時間浸漬する工程の後に、前記耐ウエットエッチング性マスクを除去する工程と、
    前記耐ウエットエッチング性マスクを除去した後の水晶ウエハを、ウエットエッチング液に所定時間浸漬する工程と、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の水晶振動子の製造方法。
    

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