JP2021118368A - 圧電振動片の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属膜の膜厚に応じたエッチング時間で金属膜をエッチングしても所定の形状にならない。【解決手段】互いに対向する表面を有する圧電基板を用意する工程と、圧電基板の表面に金属膜を成膜する工程と、金属膜の表面にレジスト膜を形成する工程と、レジスト膜を圧電振動片の外形形状にパターニングしてレジストパターンを形成する工程と、を有する圧電振動片の製造方法において、レジストパターンをマスクとして金属膜をエッチングする前に、金属膜の膜密度を測定する工程と、金属膜の膜密度の測定値から金属膜のエッチング時間を算出する工程と、レジストパターンをマスクとして金属膜の膜密度の測定値に基づき算出した金属膜のエッチング時間で金属膜をエッチングして圧電基板の表面を露出させる工程と、を有する圧電振動片の製造方法とする。【選択図】図13
Description
この発明は圧電振動片の製造方法に関する。
近年、電子機器のタイムスタンダード等として使用される圧電振動片は電子機器の小型化に伴い、圧電振動片のサイズが小型で、しかもCI値(クリスタルインピーダンスまたは等価直列抵抗)の小さいものが要求されるようになってきており、例えば、振動腕に溝部を備えない音叉型圧電振動片が知られている(図1(a)、(b))。または、特許文献1に記載されているような振動腕に溝部を備える音叉型圧電振動片が知られている。(図2(a)、(b))。
ここで、図2(a)は音叉型圧電振動片1´の上面図であって、図2(b)は図2(a)のA―A断面図である。音叉型圧電振動片1´は基部3´と、基部3´から延びる2本の振動脚2´を有し、それぞれの振動脚2´の表裏面には長溝よりなる溝部4が形成されており、図1(d)に示すように、音叉型圧電振動片の振動脚2´の断面形状は略H型となっている。このような断面が略H型の音叉型圧電振動片1´は、振動片の大きさを小型化しても、電気機械変換係数を高くすることができるため、CI値(クリスタルインピーダンスまたは等価直列抵抗)を低く抑えることができるという特性を有する。
この略H型の音叉型圧電振動片1´のように溝部4が形成された音叉型圧電振動片の製造方法として、例えば、特許文献2の製造方法が提案されている。特許文献2では逆メサ型ATカット水晶振動片を実施形態としているが、ここでは音叉型圧電振動片1´の振動脚2´に形成される、溝部4に適用した場合の製造方法を説明する。
図8〜図10は音叉型圧電振動片1´の振動脚2´に形成される溝部4の製造方法を示す図である。まず、圧電基板101を用意する(図8(a))。次に、圧電基板101の表裏両面に下地(Cr)膜102、表面(Au)膜103からなる金属膜を蒸着またはスパッタリングで形成する(図8(b))。次に、金属膜の表面にレジストを塗布し、レジスト膜104を形成する(図8(c))。次に、レジスト膜104を音叉型圧電振動片の外形形状にパターニングしてレジストパターン105を形成する(図8(d))。次に、レジストパターン105をマスクとして、表面(Au)膜103、下地(Cr)膜102の順番でエッチングにより除去する(図9(a))。続いて、残存するレジストパターン105を溝部形状にパターニングしてレジストパターン106を形成する(図9(b))。次に、水晶エッチング用のエッチング液で露出した圧電基板101をエッチングする。エッチングの結果、音叉型圧電振動片の外形形状が形成される(図9(c))。続いて、残存しているレジストパターン106をマスクとして、露出している表面(Au)膜103、下地(Cr)膜102の順番で除去する(図9(d))。次に、水晶エッチング用のエッチング液によって、溝部に露出した圧電基板101を所定の深さエッチングを行い、溝部107を形成する(図10(a))。残存するレジストパターン106及び金属膜を除去して略H型の音叉型圧電振動片の形状が完成する(図10(b))。
前述した音叉型圧電振動片の製造方法において、例えば、圧電基板の表裏両面に成膜された金属膜をエッチングするときは触針式膜厚計で金属膜の膜厚を測定し膜厚に応じたエッチング時間でエッチングを行っていた。しかしながら、膜厚に応じたエッチング時間でエッチングを行うと以下のような不具合が起きやすい。一つは、金属膜が部分的にエッチングされない場合である。例として、下地(Cr)膜102が部分的にエッチングされない場合を示す(図11(a))。下地(Cr)膜102が部分的にエッチングされない場合は次工程で圧電基板101をエッチングすると所定の形状にならない。この場合、音叉型圧電振動片の振動脚の寸法が狙いの寸法にならないので周波数が狙いの周波数にならない。もう一つは、金属膜がエッチングされすぎることで金属膜が所定量よりもサイドエッチングされる場合である。例として、表面(Au)膜103及び下地(Cr)膜102がサイドエッチングされた場合を示す(図11(b))。特に下地(Cr)膜102がサイドエッチングされると、次工程で前工程までに露出した圧電基板101をエッチングにより除去する工程において、音叉型圧電振動片の振動脚の寸法が狙いの寸法より小さくなり周波数が狙いの周波数にならない。また、サイドエッチング量がばらつくことで周波数ばらつきが生じてしまう。すなわち、金属膜の膜厚に応じたエッチング時間で金属膜をエッチングしても所定の形状にならない課題があった。
本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、金属膜のエッチングばらつきを小さくし所定の形状にすることができる圧電振動片の製造方法を提供することにある。
互いに対向する表面を有する圧電基板を用意する工程と、圧電基板の表面に金属膜を成膜する工程と、金属膜の表面にレジスト膜を形成する工程と、レジスト膜をパターニングしてレジストパターンを形成する工程と、を有する圧電振動片の製造方法において、レジストパターンをマスクとして金属膜をエッチングする前に、金属膜の膜密度を測定する工程と、金属膜の膜密度の測定値から金属膜のエッチング時間を算出する工程と、レジストパターンをマスクとして金属膜の膜密度の測定値に基づき算出した金属膜のエッチング時間で金属膜をエッチングして圧電基板の表面を露出させる工程と、を有する圧電振動片の製造方法とする。
金属膜の膜密度を測定する工程は、圧電基板の表面に金属膜を成膜する工程の後、または、レジストパターンを形成する工程の後のいずれかである圧電振動片の製造方法とする。
互いに対向する表面を有する圧電基板を用意する工程と、圧電基板の表面に金属膜を成膜する工程と、金属膜の膜密度を測定する工程と、金属膜の膜密度の測定値から金属膜のエッチング時間を算出する工程と、金属膜の表面にレジスト膜を形成する工程と、レジスト膜をパターニングして第1のレジストパターンを形成する工程と、第1のレジストパターンをマスクとして、金属膜の膜密度の測定値に基づき算出した金属膜のエッチング時間で金属膜をエッチングして圧電基板の表面を露出させる工程と、第1レジストパターン及び金属膜をマスクとして圧電基板をエッチングして圧電振動片の外形を形成する工程と、第2のレジストパターンを形成する工程と、第2のレジストパターンをマスクとして、第2のレジストパターンの開口部に露出した金属膜を前工程で算出した金属膜のエッチング時間でエッチングして圧電基板を露出させる工程と、第2のレジストパターン及び金属膜をマスクとして圧電基板を一定量除去して溝部を形成する工程と、第2のレジストパターン及び金属膜を除去する工程と、を有する圧電振動片の製造方法とする。
金属膜の膜密度を測定する工程は、圧電基板の表面に金属膜を成膜する工程の後、または、第1のレジストパターンを形成する工程の後のいずれかである圧電振動片の製造方法とする。
金属膜は、単層膜または、多層膜のいずれかである圧電振動片の製造方法とする。
金属膜の膜密度は、X線反射率法で測定する圧電振動片の製造方法とする。
本発明の圧電振動片の製造方法によれば、金属膜のエッチングばらつきを小さくし圧電振動片の形状を所定の形状にすることができる。
以下に本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。図3〜図7は、本発明の圧電振動片の製造方法を示す図である。本実施例の圧電振動片の製造方法は、図1に示す音叉型圧電振動片1を製造する実施例1と図2に示す略H型の音叉型圧電振動片1´を製造する実施例2とする。なお、金属膜は下地膜と表面膜とからなる多層膜とする。金属膜の膜密度を測定する工程は、説明を分かりやすくするために圧電基板の表面に金属膜を成膜する工程の後とする。金属膜の膜密度を測定する工程は、レジストパターン、第1のレジストパターンを形成する工程の後でもよいが説明を省略する。また、金属膜の膜密度から金属膜のエッチング時間を算出し、算出したエッチング時間で金属膜をエッチングする例については同じく説明を分かりやすくするために下地膜を例とする。
図1(a)は基部3と、基部3から延びる2本の振動脚2を有する音叉型圧電振動片1の上面図であって、図1(b)は図1(a)のA―A断面図である。図1(a)、(b)のような音叉型圧電振動片1の製造方法は以下の通りである。
まず、板状に加工された例えば水晶からなる圧電基板10を用意する(図3(a))。
次に、圧電基板10の互いに対向する表面に蒸着またはスパッタリングによって下地膜11と表面膜12とを成膜する。下地膜11としてCrを250Å程度成膜する。表面膜12としてAuを1200Å程度成膜する(図3(b))。Cr膜はAu膜と圧電基板10との密着性を向上させる中間層として作用する。またAu膜は後ほど圧電基板10をエッチングする際に用いるフッ酸とフッ化アンモニウム溶液の混合液に対する耐蝕膜として作用する。
次に、圧電基板10の表面に成膜した下地膜11と表面膜12それぞれの膜密度を、X線反射率法を用いて測定をする。膜密度は例えば(g/cm3)で表され値が大きいほど膜密度が大きい。膜密度の測定は下地膜11と表面膜12とが成膜された圧電基板10を複数枚測定して膜密度の平均値を求めることが望ましい。本実施例では下地膜11の膜密度の平均値が6.9g/cm3であった。図12は圧電基板に成膜された下地膜の膜密度を示す図である。図12(a)は図12(b)より下地膜の膜密度が小さい状態である。図12(b)は図12(a)より下地膜の膜密度が大きい状態である。下地膜の膜密度がばらついた状態でエッチングを行うと以下のような不具合が起きやすい。下地膜の膜密度が小さい状態のときは下地膜が所定量よりもサイドエッチングされる。また、下地膜の膜密度が大きい状態のときは下地膜が部分的にエッチングされない。
下地膜11のエッチング時間の算出方法は、事前に下地膜の膜密度を変えたサンプルを作製してX線反射率法で膜密度(g/cm3)を測定後、このサンプルをエッチングしてエッチング時間(秒)求める。図13は、下地(Cr)膜の膜厚が250Åのときの下地膜の膜密度(g/cm3)と下地膜のエッチング時間(秒)との関係を示すグラフである。下地膜のエッチング時間は下地膜の膜密度と比例関係にあり、膜密度が大きいものは下地膜11と下地膜11との隙間が小さいためエッチング液は下地膜11と下地膜11との隙間に入りにくいので下地膜のエッチング時間が長くなる。これに対して、膜密度が小さいものは下地膜と下地膜との隙間が大きいためエッチング液が下地膜11と下地膜11との隙間に入りやすくなり下地膜のエッチング時間が短くなる。得られたデータから近似式を求めると1次関数(Y=3.7X−4.7)で表すことができる。1次関数のXは下地膜の膜密度(g/cm3)であり、Yは下地膜のエッチング時間(秒)である。本実施例の下地膜の膜密度は6.9g/cm3であるため、下地膜のエッチング時間は約21秒と求めることができる。
次に、表面膜12の表面にレジストを塗布し、かつ乾燥させてレジスト膜13を形成する(図3(c))。レジストとしては例えばポジ型フォトレジストであるロームアンドハース電子材料(株)製のS1800Gを用いる。
次に、レジスト膜13を音叉型圧電振動片の外形形状にパターニングしてレジストパターン14を形成する(図3(d))。圧電基板の表面に下地膜11と表面膜12とを成膜する工程の後に下地膜11と表面膜12との膜密度を測定しない場合は、レジストパターン14を形成後、露出している下地膜11と表面膜12との膜密度を測定する。なお、圧電基板10に下地膜11を成膜後下地膜11の膜密度を測定し、下地膜11の表面に表面膜12成膜後表面膜12の膜密度を測定してもよい。下地膜11と表面膜12との膜密度を測定する工程は、圧電基板の表面に下地膜11と表面膜12とを成膜する工程の後とレジストパターンを形成後、露出している下地膜11と表面膜12との膜密度の両方を測定してもよい。
次に、レジストパターン14をマスクとして表面膜12をエッチングして下地膜11を露出させる(図4(a))。なお、表面膜12のエッチング時間の算出方法は、前述したように膜密度からエッチング時間を算出する。これにより、表面膜12が所定量よりもサイドエッチングされる不具合は起きない。また、表面膜12が部分的にエッチングされない不具合は起きない。表面膜12のエッチングには例えばヨウ素をヨウ化カリウム溶液に溶かしたエッチング液を用いる。
次に、レジストパターン14と表面膜12とをマスクとして算出した下地膜11のエッチング時間で下地膜11をエッチングして圧電基板10を露出させる(図4(b))。これにより、下地膜11が所定量よりもサイドエッチングされる不具合は起きない。また、下地膜11が部分的にエッチングされない不具合は起きない。エッチングには例えば硝酸セリウムアンモニウムを含有したエッチング液を用いる。
次に、レジストパターン14、表面膜12及び下地膜11をマスクとして、露出した圧電基板10をフッ酸とフッ化アンモニウムの混合液を用いてエッチングして音叉型圧電振動片1の外形を形成する。次に、残存するレジストパターン14、表面膜12及び下地膜11を除去して音叉型圧電片の形状が完成する(図4(c))。
前述した図2(a)、(b)のような音叉型圧電振動片1´の製造方法は以下の通りである。
まず、板状に加工された例えば水晶からなる圧電基板10´を用意する(図5(a))。
次に、圧電基板10´の互いに対向する表面に蒸着またはスパッタリングによって下地膜11´と表面膜12´とを成膜する。下地膜11´としてCrを250Å程度成膜する。表面膜12´としてAuを1200Å程度成膜する(図5(b))。Cr膜はAu膜と圧電基板10´との密着性を向上させる中間層として作用する。またAu膜は後ほど圧電基板10´をエッチングする際に用いるフッ酸とフッ化アンモニウム溶液の混合液に対する耐蝕膜として作用する。
次に、圧電基板10´の表面に成膜した下地膜11´と表面膜12´それぞれの膜密度を、X線反射率法を用いて測定する。X線反射率法については実施例1で説明しているので省略する。また、便宜上、実施例2では下地膜11´の膜密度の値を実施例1と同じ6.9g/cm3とする。
次に、表面膜12´の表面にレジストを塗布し、かつ乾燥させてレジスト膜13´を形成する(図5(c))。レジストとしては例えばポジ型フォトレジストであるロームアンドハース電子材料(株)製のS1800Gを用いる。
次に、レジスト膜13´を音叉型圧電振動片の外形形状にパターニングして第1のレジストパターン14´を形成する(図5(d))。圧電基板の表面に下地膜11´と表面膜12´とを成膜する工程の後に膜密度を測定しない場合は、第1のレジストパターン14´を形成後、露出している下地膜11´と表面膜12´との膜密度を測定する。なお、圧電基板10´に下地膜11´を成膜後下地膜11´の膜密度を測定し、下地膜11´の表面に表面膜12´成膜後表面膜12´の膜密度を測定してもよい。下地膜11´と表面膜12´との膜密度を測定する工程は、圧電基板の表面に下地膜11´と表面膜12´とを成膜する工程の後とレジストパターンを形成後、露出している下地膜11´と表面膜12´との膜密度の両方を測定してもよい。
次に、第1のレジストパターン14´をマスクとして表面膜12´をエッチングして下地膜11´を露出させる(図6(a))。なお、表面膜12´のエッチング時間の算出方法は、前述したように膜密度からエッチング時間を算出する。これにより、表面膜12´が所定量よりもサイドエッチングされる不具合は起きない。また、表面膜12´が部分的にエッチングされない不具合は起きない。表面膜12´のエッチングには例えばヨウ素をヨウ化カリウム溶液に溶かしたエッチング液を用いる。
次に、残存する第1のレジストパターン14´を溝部形状にパターニングして第2のレジストパターン15を形成する(図6(b))。
下地膜11´のエッチング時間の算出については実施例1で説明しているので省略する。実施例2の下地膜11´の膜密度は実施例1と同じ6.9g/cm3であるため、下地膜11´のエッチン時間は実施例1と同じ約21秒となる。次に、第2のレジストパターン15と表面膜12´とをマスクとして算出した下地膜11´のエッチング時間で下地膜11´をエッチングして圧電基板10´を露出させる(図6(c))。これにより、下地膜11´が所定量よりもサイドエッチングされる不具合は起きない。また、下地膜11´が部分的にエッチングされない不具合は起きない。エッチングには例えば硝酸セリウムアンモニウムを含有したエッチング液を用いる。
次に、第2レジストパターン15、表面膜12´及び下地膜11´をマスクとして、露出した圧電基板10´をフッ酸とフッ化アンモニウムの混合液を用いてエッチングしたあと音叉型圧電振動片1´の外形を形成する(図6(d))。
次に、第2のレジストパターン15をマスクとして露出している表面膜12´をエッチングする。表面膜12´のエッチングを行うときは、前述した表面膜12´の膜密度から算出したエッチング時間でエッチングする。続いて、第2レジストパターン及び表面膜をマスクとして、第2のレジストパターンの開口部に露出した下地膜11´をエッチングする(図6(e))。なお、下地膜11´のエッチングを行うときは、前述した下地膜11´の膜密度から算出したエッチング時間でエッチングする。表面膜12´のエッチングには例えばヨウ素をヨウ化カリウム溶液に溶かしたエッチング液を用いる。下地膜11´のエッチングには例えば硝酸セリウムアンモニウムを含油したエッチング液を用いる。
その後、フッ酸とフッ化アンモニウムの混合液を用いて、第2のレジストパターン15、表面膜12´及び下地膜11´をマスクとして露出した圧電基板10´のエッチングを行い、上下両面に所定深さの溝部16を形成する(図7(a))。最後に第2のレジストパターン15と表面膜12´及び下地膜11´を除去し断面が略H型の音叉型水晶振動子の形状が完成する(図7(b))。ここでは、第2のレジストパターン15の除去を溝部16のエッチング工程(図7(a))の後に行う例を示したが、溝部のエッチング工程前に第2のレジスト15を除去しても良い。
本発明の圧電振動片の製造方法によれば、金属膜の膜密度に基づき算出した金属膜のエッチング時間でエッチングすることで金属膜エッチング後のパターンが狙い通りになることで狙いの周波数にできる。また、周波数ばらつきも低減された圧電振動片を精度良く製造することが可能となる。
以上、本発明の実施例では音叉型圧電振動片1、略H型の音叉型圧電振動片1´で説明してきたが、圧電材料の材質も水晶に限定するものではなく、他の圧電材料を用いても本発明を適宜適用することができる。また、圧電振動子の形状についても、音叉型圧電振動片1、略H型の音叉型圧電振動片1´に限定するものではなく例えば厚み滑り振動片や逆メサ型ATカット水晶振動片に適用できることは明らかである。また、単層膜の金属膜にも適用できることも明らかである。
1、1´ 音叉型圧電振動片
2、2´ 振動脚
3、3´ 基部
4、16、107 溝部
10、10´101 圧電基板
11、11´102 下地膜(Cr膜)
12、12´103 表面膜(Au膜)
13、13´104 レジスト膜
14、105、106 レジストパターン
14´ 第1のレジストパターン
15 第2のレジストパターン
2、2´ 振動脚
3、3´ 基部
4、16、107 溝部
10、10´101 圧電基板
11、11´102 下地膜(Cr膜)
12、12´103 表面膜(Au膜)
13、13´104 レジスト膜
14、105、106 レジストパターン
14´ 第1のレジストパターン
15 第2のレジストパターン
Claims (6)
- 互いに対向する表面を有する圧電基板を用意する工程と、
前記圧電基板の前記表面に金属膜を成膜する工程と、
前記金属膜の表面にレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜をパターニングしてレジストパターンを形成する工程と、を有する圧電振動片の製造方法において、
前記レジストパターンをマスクとして前記金属膜をエッチングする前に、
前記金属膜の膜密度を測定する工程と、
前記金属膜の膜密度の測定値から前記金属膜のエッチング時間を算出する工程と、
前記レジストパターンをマスクとして前記金属膜の膜密度の測定値に基づき算出した金属膜のエッチング時間で前記金属膜をエッチングして前記圧電基板の表面を露出させる工程と、を備えることを特徴とする圧電振動片の製造方法。 - 前記金属膜の膜密度を測定する工程は、
前記圧電基板の前記表面に前記金属膜を成膜する工程の後、
または、前記レジストパターンを形成する工程の後のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の圧電振動片の製造方法。 - 互いに対向する表面を有する圧電基板を用意する工程と、
前記圧電基板の前記表面に金属膜を成膜する工程と、
前記金属膜の膜密度を測定する工程と、
前記金属膜の膜密度の測定値から前記金属膜のエッチング時間を算出する工程と、
前記金属膜の表面にレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜をパターニングして第1のレジストパターンを形成する工程と、
前記第1のレジストパターンをマスクとして、前記金属膜の膜密度の測定値に基づき算出した前記金属膜のエッチング時間で前記金属膜をエッチングして前記圧電基板の表面を露出させる工程と、
前記第1レジストパターン及び前記金属膜をマスクとして前記圧電基板をエッチングして圧電振動片の外形を形成する工程と、
第2のレジストパターンを形成する工程と、
前記第2のレジストパターンをマスクとして、前記第2のレジストパターンの開口部に露出した前記金属膜を前工程で算出した前記金属膜のエッチング時間でエッチングして前記圧電基板を露出させる工程と、
前記第2のレジストパターン及び前記金属膜をマスクとして前記圧電基板を一定量除去して溝部を形成する工程と、
前記第2のレジストパターン及び前記金属膜を除去する工程と、を有することを特徴とする圧電振動片の製造方法。 - 前記金属膜の膜密度を測定する工程は、
前記圧電基板の前記表面に前記金属膜を成膜する工程の後、
または、前記第1のレジストパターンを形成する工程の後のいずれかであることを特徴とする請求項3に記載の圧電振動片の製造方法。 - 前記金属膜は、単層膜または、多層膜のいずれかであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の圧電振動片の製造方法。
- 前記金属膜の膜密度は、X線反射率法で測定することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の圧電振動片の製造方法。
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