JP2023072793A - 振動素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】不要振動の発生や振動素子の破損を抑制する振動素子の製造方法を提供する。【解決手段】振動基板２と、振動基板の表面に形成された電極と、を有する振動素子の製造方法は、水晶基板を第１面２Ａ側からドライエッチングし、第１溝２２１、２３１と第１振動腕２２及び第２振動腕２３の外形とを形成する第１ドライエッチング工程と、水晶基板を第２面２Ｂ側からドライエッチングし、第２溝２２２、２３２と振動腕の外形とを形成する第２ドライエッチング工程と、第１振動腕２２及び第２振動腕２３の側面１０１、１０３と第１溝と第２溝とをウェットエッチングして、底面１１１と溝内側面１１２、１１３とを接続する傾斜面１１４、１１５を形成するウェットエッチング工程と、を含む。第１溝２２１、２３１及び第２溝２２２、２３２は深さをＤとし、深さＤから傾斜面１１４のＺ方向の長さを減じた値をＤ１とした場合、Ｄ１／Ｄ≧０．８０を満たす。【選択図】図１３

Description

本発明は、振動素子の製造方法に関する。
特許文献１には、溝が形成された一対の振動腕を有する振動素子をドライエッチングにより形成する振動素子の製造方法が記載されている。この製造方法では、圧電材料からなる基板をドライエッチングする際に、一対の振動腕の間の幅に対して溝の幅を狭くすることにより、マイクロローディング効果を用いて一対の振動腕の間のエッチング深さに対して溝のエッチング深さを浅くし、振動素子の溝と外形形状とを一括して形成している。
特開２００７－０１３３８２号公報
しかしながら、特許文献１における振動素子の製造方法では、基板の表裏両面からドライエッチングを行うため、基板の表面に形成されるレジスト膜と、基板の裏面に形成されるレジスト膜と、の位置ずれにより、振動腕の側面に段差が形成される恐れがある。振動腕の側面に段差が形成されると、不要振動の発生や、衝撃時に段差を起点とした割れや欠けなどの破損が生じるという課題がある。
振動素子の製造方法は、第１方向に沿って延出し、前記第１方向と交差する第２方向に沿って並ぶ第１振動腕および第２振動腕を備え、前記第１振動腕および前記第２振動腕は、それぞれ、前記第１方向および前記第２方向に交差する第３方向に並んで配置され、表裏関係にある第１面および第２面と、前記第１面に開口する有底の第１溝と、前記第２面に開口する有底の第２溝と、前記第１面と前記第２面とを接続する側面と、を有する振動素子の製造方法であって、前記第１面および前記第２面を有する水晶基板を準備する準備工程と、前記水晶基板を前記第１面側からドライエッチングし、前記第１溝と前記第１振動腕および前記第２振動腕の外形とを形成する第１ドライエッチング工程と、前記水晶基板を前記第２面側からドライエッチングし、前記第２溝と前記第１振動腕および前記第２振動腕の前記外形とを形成する第２ドライエッチング工程と、然る後、前記第１振動腕および前記第２振動腕の前記側面と、前記第１溝と、前記第２溝とをウェットエッチングして、前記第１溝および前記第２溝に、底面と溝内側面とを接続する傾斜面を形成するウェットエッチング工程と、を含み、前記第１溝および前記第２溝は、深さをＤとし、前記深さから前記傾斜面の前記第３方向の長さを減じた値をＤ１とした場合、Ｄ１／Ｄ≧０．８０を満たす。
実施形態１に係る振動素子を示す平面図。 図１中のＡ１－Ａ１線断面図。 実施形態１に係る振動素子の製造工程を示す図。 振動素子の製造方法を説明するための断面図。 振動素子の製造方法を説明するための断面図。 振動素子の製造方法を説明するための断面図。 振動素子の製造方法を説明するための断面図。 振動素子の製造方法を説明するための断面図。 振動素子の製造方法を説明するための断面図。 振動素子の製造方法を説明するための断面図。 図１０中のＥ１部の位置に相当する断面図。 図１０中のＥ２部の位置に相当する断面図。 振動素子の製造方法を説明するための断面図。 ドライ比率とＱ値比率との関係を示すグラフ。 アスペクト比を変化させた場合のドライ比率とＱ値比率との関係を示すグラフ。 エッチング時間を異ならせた場合のＷ／ＡとＷａ／Ａａとの関係を示すグラフ。 反応ガスを異ならせた場合のＷ／ＡとＷａ／Ａａとの関係を示すグラフ。 Ｗａ／ＡａとＣＩ比との関係を示すグラフ。 実施形態２に係る振動素子の製造工程を示す図。 振動素子の製造方法を説明するための断面図。 振動素子の製造方法を説明するための断面図。 振動素子の変形例を示す平面図。 図２２中のＡ２－Ａ２線断面図。 振動素子の変形例を示す平面図。 図２４中のＡ３－Ａ３線断面図。 振動素子の変形例を示す平面図。 図２６中のＡ４－Ａ４線断面図。 図２６中のＡ５－Ａ５線断面図。 振動素子の変形例を示す平面図。 図２９中のＡ６－Ａ６線断面図。 図２９中のＡ７－Ａ７線断面図。
１．実施形態１
実施形態１に係る振動素子の製造方法について説明する。
まず、振動素子１の構成について、図１および図２を参照して説明し、次に、振動素子１の製造方法について、図３～図１８を参照して説明する。
なお、説明の便宜上、一部を除く各図には互いに交差する３軸であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を示す。本実施形態において、これらの３軸は互いに直交する。また、Ｘ軸に沿う方向をＸ方向とも言い、Ｙ軸に沿う方向をＹ方向とも言い、Ｚ軸に沿う方向をＺ方向とも言う。Ｙ方向は第１方向に相当し、Ｘ方向は第２方向に相当し、Ｚ方向は第３方向に相当する。また、各軸の矢印側をプラス側とも言い、反対側をマイナス側とも言う。また、Ｚ方向のプラス側を「上」とも言い、マイナス側を「下」とも言う。また、Ｚ方向からの平面視を、単に「平面視」とも言う。また、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸は、後述するように、水晶の結晶軸に相当する。
図１および図２に示すように、振動素子１は、音叉型の振動素子であり、振動基板２と、振動基板２の表面に形成された電極３と、を有する。
振動基板２は、Ｚカットの水晶基板（Ｚカット水晶板）を所望形状にパターニングすることにより形成され、水晶の結晶軸であるＸ軸およびＹ軸で規定されるＸ－Ｙ平面に広がりを有し、Ｚ方向に厚みを有する。Ｘ軸は、電気軸とも呼ばれ、Ｙ軸は、機械軸とも呼ばれ、Ｚ軸は、光軸とも呼ばれる。
振動基板２は、板状をなし、互いに表裏関係にありＺ方向に並んで配置された第１面２Ａおよび第２面２Ｂを有する。また、振動基板２は、基部２１と、基部２１からＹ方向に沿って延出し、Ｘ方向に沿って並ぶ第１振動腕２２および第２振動腕２３と、を有する。
第１振動腕２２は、第１面２Ａに開口する有底の第１溝２２１と、第２面２Ｂに開口する有底の第２溝２２２と、第１面２Ａと第２面２Ｂとを接続する側面１０１と、を有する。同様に、第２振動腕２３は、第１面２Ａに開口する有底の第１溝２３１と、第２面２Ｂに開口する有底の第２溝２３２と、第１面２Ａと第２面２Ｂとを接続する側面１０３と、を有する。これら第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２は、それぞれ、Ｙ方向に沿って延在し、これらの内面には、底面１１１と、溝内側面１１２，１１３と、傾斜面１１４，１１５とが形成されている。溝内側面１１２，１１３は、互いに対向しており、Ｘ方向マイナス側の溝内側面１１２は、傾斜面１１４によって底面１１１と接続され、Ｘ方向プラス側の溝内側面１１３は、傾斜面１１５によって底面１１１と接続されている。このように、第１振動腕２２および第２振動腕２３は、それぞれ、略Ｈ状の横断面形状を有する。これにより、熱弾性損失が低減され、優れた振動特性を有する振動素子１となる。なお、底面１１１は、第１面２Ａまたは第２面２ＢからＺ方向に最も深い位置にある部位であり、必ずしもＸ－Ｙ平面と平行な平面でなくてもよい。例えば、第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２は、傾斜面１１４と傾斜面１１５とが交わる形状であってもよく、この場合、傾斜面１１４と傾斜面１１５とを繋ぐ稜線が底面１１１に相当する。
電極３は、信号電極３１と、接地電極３２と、を有する。信号電極３１は、第１振動腕２２の第１面２Ａおよび第２面２Ｂと第２振動腕２３の側面１０３とに配置されている。一方、接地電極３２は、第１振動腕２２の側面１０１と第２振動腕２３の第１面２Ａおよび第２面２Ｂとに配置されている。接地電極３２を接地した状態で信号電極３１に駆動信号を印加すると、図１中の矢印で示すように、第１振動腕２２および第２振動腕２３が接近、離間を繰り返すようにしてＸ方向に屈曲振動する。
以上、振動素子１について簡単に説明した。
次に、振動素子１の製造方法について説明する。図３に示すように、振動素子１の製造方法は、振動基板２の母材である水晶基板２０を準備する準備工程Ｓ１と、水晶基板２０の第１面２Ａに第１保護膜５を形成する第１保護膜形成工程Ｓ２と、第１保護膜５を介して水晶基板２０を第１面２Ａ側からドライエッチングする第１ドライエッチング工程Ｓ３と、水晶基板２０の第２面２Ｂに第２保護膜６を形成する第２保護膜形成工程Ｓ４と、第２保護膜６を介して水晶基板２０を第２面２Ｂ側からドライエッチングする第２ドライエッチング工程Ｓ５と、水晶基板２０をウェットエッチングするウェットエッチング工程Ｓ６と、以上の工程により得られた振動基板２の表面に電極３を形成する電極形成工程Ｓ７と、を含む。
以下、これら各工程について順に説明する。
≪準備工程Ｓ１≫
図４に示すように、振動基板２の母材である水晶基板２０を準備する。水晶基板２０は、ＣＭＰ（化学的機械研磨）等により所望の厚さに整えられており、十分に平滑な第１面２Ａおよび第２面２Ｂを有する。水晶基板２０からは、複数の振動素子１が一括形成される。
≪第１保護膜形成工程Ｓ２≫
図５に示すように、水晶基板２０の第１面２Ａに金属膜Ｍ１を成膜し、第２面２Ｂに金属膜Ｍ２を成膜する。次に、金属膜Ｍ１上に第１レジスト膜Ｒ１を成膜し、成膜した第１レジスト膜Ｒ１をパターニングする。次に、第１レジスト膜Ｒ１の開口部に第１保護膜５を成膜し、その後、第１レジスト膜Ｒ１を除去する。これにより、図６のようになる。第１保護膜５としては、エッチング耐性を有していれば、特に限定されないが、ニッケルマスク等の各種メタルマスクを用いることができる。
第１保護膜５は、水晶基板２０の除去すべき部分に開口５１，５２，５３を有する。これらのうち、開口５１は、第１溝２２１，２３１が形成される第１溝形成領域Ｑ１と重なる。開口５２は、第１振動腕２２が形成される第１振動腕形成領域Ｑ２および第２振動腕２３が形成される第２振動腕形成領域Ｑ３の間に位置する腕間領域Ｑ４と重なる。開口５３は、隣り合う振動基板２同士の間に位置する素子間領域Ｑ５と重なる。つまり、第１保護膜５は、第１溝形成領域Ｑ１と、腕間領域Ｑ４と、素子間領域Ｑ５と、を除いて形成されている。
≪第１ドライエッチング工程Ｓ３≫
図７に示すように、第１保護膜５を介して水晶基板２０を第１面２Ａ側からドライエッチングし、第１面２Ａに第１溝２２１，２３１と、振動基板２の外形、すなわち第１振動腕２２および第２振動腕２３の外形と、を同時に形成する。なお、「同時に形成」とは、１工程において両者を一括して形成することを言う。より詳細には、本工程は、反応性イオンエッチングであり、ＲＩＥ（リアクティブイオンエッチング）装置を用いて行われる。また、ＲＩＥ装置に導入される反応ガスとしては、特に限定されないが、例えば、ＳＦ6、ＣＦ4、Ｃ2Ｆ4、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ6、Ｃ4Ｆ8等を用いることができる。
本工程は、第１溝２２１，２３１が所望の深さとなった時点で終了する。ここで、ドライエッチングにおいては、第１保護膜５のパターン密度が高いほどエッチングレートが低下する「マイクロローディング効果」が知られている。本実施形態においては、第１溝２２１，２３１のＸ方向における幅Ｗと腕間領域Ｑ４のＸ方向における幅Ａとを比較するとＷ＜Ａである。また、幅Ｗと素子間領域Ｑ５のＸ方向における幅Ｂとを比較するとＷ＜Ｂである。したがって、マイクロローディング効果によって、第１溝形成領域Ｑ１のエッチングレートが腕間領域Ｑ４および素子間領域Ｑ５のエッチングレートよりも低くなる。そのため、本工程終了時点では、第１溝２２１，２３１の深さＷａは、振動基板２の外形の深さＡａ，Ｂａよりも浅い。つまり、Ｗａ＜Ａａ（Ｗａ／Ａａ＜１）、Ｗａ＜Ｂａ（Ｗａ／Ｂａ＜１）である。また、深さＡａ，Ｂａは、それぞれ、水晶基板２０の厚さの半分以上である。すなわち、水晶基板２０の厚さをＴａとすれば、Ａａ≧０．５Ｔａ、Ｂａ≧０．５Ｔａである。
本工程終了後、第１保護膜５および金属膜Ｍ１を除去し、水晶基板２０の裏面の加工に移る。
≪第２保護膜形成工程Ｓ４≫
図８に示すように、金属膜Ｍ２上に第２保護膜６を成膜する。第２保護膜６の成膜方法は、前述した第１保護膜５の成膜方法と同様である。第２保護膜６は、水晶基板２０の除去すべき部分に開口６１，６２，６３を有する。これらのうち、開口６１は、第２溝２２２，２３２が形成される第２溝形成領域Ｑ６と重なる。開口６２は、腕間領域Ｑ４と重なる。開口６３は、素子間領域Ｑ５と重なる。
≪第２ドライエッチング工程Ｓ５≫
図９に示すように、第２保護膜６を介して水晶基板２０を第２面２Ｂ側からドライエッチングし、第２面２Ｂに第２溝２２２，２３２と、振動基板２の外形、すなわち第１振動腕２２および第２振動腕２３の外形と、を同時に形成する。本工程は、第１ドライエッチング工程Ｓ３と同様に行われる。
本工程は、第２溝２２２，２３２が所望の深さとなった時点で終了する。本実施形態においては、第２溝２２２，２３２のＸ方向における幅Ｗと腕間領域Ｑ４のＸ方向における幅Ａとを比較するとＷ＜Ａである。また、幅Ｗと素子間領域Ｑ５のＸ方向における幅Ｂとを比較するとＷ＜Ｂである。したがって、マイクロローディング効果によって、第２溝形成領域Ｑ６のエッチングレートが腕間領域Ｑ４および素子間領域Ｑ５のエッチングレートよりも低くなる。そのため、本工程終了時点では、第２溝２２２，２３２の深さＷａは、振動基板２の外形の深さＡａ，Ｂａよりも浅い。つまり、Ｗａ＜Ａａ（Ｗａ／Ａａ＜１）、Ｗａ＜Ｂａ（Ｗａ／Ｂａ＜１）である。また、深さＡａ，Ｂａは、それぞれ、水晶基板２０の厚さの半分以上である。すなわち、Ａａ≧０．５Ｔａ、Ｂａ≧０．５Ｔａである。そのため、腕間領域Ｑ４および素子間領域Ｑ５がそれぞれ貫通する。腕間領域Ｑ４および素子間領域Ｑ５がそれぞれ貫通することにより、第１振動腕２２と、第２振動腕２３と、が形成される。
図１０に示すように、本工程終了後、第２保護膜６および金属膜Ｍ２を除去する。
前述したように、第１ドライエッチング工程Ｓ３では、水晶基板２０を第１面２Ａ側からドライエッチングし、第２ドライエッチング工程Ｓ５では、水晶基板２０を第２面２Ｂ側からドライエッチングすることにより、振動基板２の外形を形成している。このため、例えば、Ｚ方向からの平面視で、第１保護膜５と、第２保護膜６と、のそれぞれの位置が製造ばらつきなどによりずれている場合は、第１ドライエッチング工程Ｓ３におけるドライエッチングと、第２ドライエッチング工程Ｓ５におけるドライエッチングと、の両方のドライエッチングが重なる領域１０５において、第１振動腕２２の側面１０１と、第２振動腕２３の側面１０３と、に段差が形成される場合がある。
図１１および図１２に示すように、例えば、第１保護膜５に対して第２保護膜６の位置がＸ方向マイナス側にずれている場合は、第１ドライエッチング工程Ｓ３において形成される振動基板２の外形に対して第２ドライエッチング工程Ｓ５において形成される振動基板２の外形がＸ方向マイナス側にずれることにより、第１振動腕２２の側面１０１に段差部１０７が形成される。また、例えば、第１保護膜５に対し第２保護膜６の位置がＸ方向プラス側にずれている場合も、段差部１０７が形成される。また、第１振動腕２２を例示して説明したが、第１保護膜５に対して第２保護膜６の位置がずれている場合は、第２振動腕２３の側面１０３においても同様に段差部１０７が形成される。
≪ウェットエッチング工程Ｓ６≫
ウェットエッチング工程Ｓ６は、水晶基板２０をエッチング液に浸漬することにより、水晶基板２０をウェットエッチングする工程である。エッチング液としては、フッ酸、フッ化アンモニウムを用いることができる。
前述したように、水晶基板２０には、第１ドライエッチング工程Ｓ３および第２ドライエッチング工程Ｓ５により、第１振動腕２２および第２振動腕２３が形成されている。つまり、本工程は、第１振動腕２２および第２振動腕２３をウェットエッチングする工程であり、具体的には、第１振動腕２２および第２振動腕２３の側面１０１，１０３と、第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２とをウェットエッチングする。本工程において、第１振動腕２２および第２振動腕２３の側面１０１，１０３をウェットエッチングすることにより、側面１０１，１０３に形成される段差部１０７を小さくすることができる。段差部１０７を小さくすることにより、振動素子１を振動させた際の不要振動の発生や、振動素子１に衝撃が加えられた際の振動素子１の破損を抑制することができる。
また、本工程において、第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２をウェットエッチングすることにより、図１３に示すように、第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２の内面に、傾斜面１１４，１１５と底面１１１とが形成される。
第１ドライエッチング工程Ｓ３および第２ドライエッチング工程Ｓ５で形成される溝の深さをＤ１とし、ウェットエッチング工程Ｓ６で形成される溝の深さをＤ２とするとき、ウェットエッチング工程Ｓ６の後における最終的な溝の深さＤ、すなわち第１面２Ａまたは第２面２Ｂから底面１１１までのＺ方向における距離は、Ｄ１＋Ｄ２である。なお、深さＤ１は、上述した深さＷａと等しい。また、深さＤ１は、溝内側面１１２と傾斜面１１４との境界、および溝内側面１１３と傾斜面１１５との境界のうち、底面１１１から遠いほうの境界と第１面２Ａまたは第２面２ＢとのＺ方向における距離とみなすことが可能である。また、深さＤ２は、上述した底面１１１から遠いほうの境界から底面１１１までのＺ方向における距離とみなすことができる。本実施形態では、溝内側面１１２と傾斜面１１４との境界と、第１面２Ａまたは第２面２ＢとのＺ方向における距離が深さＤ１であり、その境界から底面１１１までのＺ方向における距離が深さＤ２となる。つまり、深さＤ２は、傾斜面１１４のＺ方向の長さであり、深さＤ１は、深さＤから深さＤ２を減じた値である。
図１４は、ドライ比率Ｄ１／ＤとＱ値比率との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。ここで、ドライ比率Ｄ１／Ｄとは、最終的な溝の深さＤに対するドライエッチングによって形成される溝の深さＤ１の比率である。また、Ｑ値比率とは、ドライ比率Ｄ１／Ｄが０のときの振動素子１のＱ値、すなわちウェットエッチングのみで第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２を形成したときのＱ値を１００％として規格化したＱ値の比率である。図１４に示すように、ドライ比率Ｄ１／Ｄの変化に応じて振動素子１のＱ値も変化する。具体的には、ドライ比率Ｄ１／Ｄが大きくなるほどＱ値も上昇し、ドライ比率Ｄ１／ＤがＤ１／Ｄ≧０．８０の範囲では、Ｑ値がほぼ一定となる。このときのＱ値は、ドライ比率Ｄ１／Ｄが１．００のときのＱ値、すなわちドライエッチングのみで段差部１０７のない理想的な形状の第１振動腕２２および第２振動腕２３を形成した場合のＱ値と同等である。このように、ドライ比率Ｄ１／ＤがＤ１／Ｄ≧０．８０を満たすように第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２を形成することで、ウェットエッチングのみで形成する場合に比してＱ値を大きく向上することができる。
また、図１５は、溝の幅Ｗに対する溝の深さＤの比率であるアスペクト比Ｄ／Ｗを変化させた場合の、ドライ比率Ｄ１／ＤとＱ値比率との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。図１５に示すように、アスペクト比Ｄ／Ｗが変化しても、ドライ比率Ｄ１／ＤをＤ１／Ｄ≧０．８０とすることで、Ｑ値を大きく向上することが可能である。さらに、ドライ比率Ｄ１／ＤがＤ１／Ｄ≧０．８５を満たすように第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２を形成するようにすれば、より良好なＱ値を得ることができる。
ウェットエッチング工程Ｓ６において、側面１０１，１０３のエッチング量は、０．０１μｍ以上であることが好ましい。これにより、段差部１０７が小さくなり、振動素子１を振動させた際の不要振動の発生や、振動素子１に衝撃が加えられた際の振動素子１の破損を抑制することができる。なお、側面１０１，１０３のエッチング量とは、ウェットエッチング工程Ｓ６の前後における側面１０１，１０３に直交する方向であるＸ方向における側面１０１，１０３の変位量である。
また、本工程において、側面１０１，１０３のエッチング量は、１μｍ以下であることが好ましい。側面１０１，１０３のエッチング量が１μｍを越えると、段差部１０７以外の振動基板２の各部、例えば、第１面２Ａ、第２面２Ｂ、第１溝２２１，２３１、第２溝２２２，２３２などがウェットエッチングされることにより、振動素子１の外形寸法が所望の外形寸法とは異なる寸法となる。そのため、振動素子１が所望の周波数から大きくずれた周波数で振動する恐れがある。側面１０１，１０３のエッチング量を１μｍ以下とすることにより、所望の周波数からのずれを抑制することができる。
また、本工程において、側面１０１，１０３のエッチング量は、０．５μｍ以下であることが好ましい。側面１０１，１０３におけるエッチング量が０．５μｍを越えると、例えば、第１面２Ａや第２面２Ｂと側面１０１，１０３とが接続する振動腕２２，２３の角部などがウェットエッチングされることにより、振動素子１の形状が所望の形状とは異なる複雑な形状となる。そのため、振動素子１を振動させた際に不要振動が発生し、Ｑ値などの振動特性が低下する虞がある。側面１０１，１０３のエッチング量を０．５μｍ以下とすることにより、不要振動の発生を抑制することができる。
以上の工程Ｓ１～Ｓ６により、水晶基板２０から複数の振動基板２が一括形成される。
≪電極形成工程Ｓ７≫
振動基板２の表面に金属膜を成膜し、この金属膜をパターニングすることにより、電極３を形成する。
以上により、振動素子１が得られる。
以上のように、ドライエッチングによれば水晶の結晶面の影響を受けずに加工することができるため、優れた寸法精度を実現することができる。また、第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２と振動基板２の外形形状とを一括して形成することにより、振動素子１の製造工程の削減、振動素子１の低コスト化を図ることができる。また、外形形状に対する第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２の位置ずれが阻止され、振動基板２の形成精度が高まる。
また、水晶基板２０を第１面２Ａ側と、第２面２Ｂ側と、の両面からそれぞれドライエッチングしたときに第１振動腕２２および第２振動腕２３の側面１０１，１０３に形成される段差部１０７を、ウェットエッチングにより小さくすることができる。このため、振動素子１を振動させた際の不要振動の発生や、振動素子１に衝撃が加えられた際の振動素子１の破損を抑制することができる。
以上、振動素子１の製造方法について説明した。
次に、マイクロローディング効果をより確実に発現させるための条件について、図１６および図１７を参照して説明する。
図１６に、エッチング時間を異ならせた場合のＷ／ＡとＷａ／Ａａとの関係を示す。同図から分かるように、各時間ともＷ／Ａ≦４０％以下の領域においてマイクロローディング効果が顕著に発現していることが分かる。
また、マイクロローディング効果は、ドライエッチングで用いられる反応ガス種によっても変化する。図１７に、互いに異なる３種の一般的な反応ガスを用いた場合のＷ／ＡとＷａ／Ａａとの関係を示す。
例えば、反応ガスとして、Ｃ2Ｆ4、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ6、Ｃ4Ｆ8のように炭素を多く含むフッ素系のガスを用いると厚い側壁保護膜が得られ、ガス種Ｇ３のように傾斜が小さくなる。そのため、幅Ｗに対して幅Ａを小さくした形状でＷａ／Ａａを大きくし易くなり、振動素子１を小型化することができる。例えば、周波数とＣＩ値を設計する際、一定以上の幅Ｗと深さＡａに近い値の深さＷａが必要になる場合がある。その際、振動素子１を小型化するには幅Ａを小さくする必要があり、このような場合に、Ｃ2Ｆ4、Ｃ2Ｆ6、Ｃ3Ｆ6、Ｃ4Ｆ8の少なくとも一種が特に有効となる。
一方、ＳＦ6、ＣＦ4等の炭素が少ないあるいは炭素を含まないフッ素系のガスを単独または炭素を多く含むフッ素系のガスと組み合わせた場合、側壁保護膜が薄くなり、ガス種Ｇ１のように傾斜が大きくなる。そのため、深さＡａに対して深さＷａを大きく保ちつつ、幅Ｗに対して幅Ａを大きくすることができる。例えば、深さＷａを深くしながら、第１振動腕２２および第２振動腕２３の幅を細くかつ幅Ａを大きくしたい場合に、ＳＦ6、ＣＦ4の少なくとも一種が特に有効となる。
なお、Ｗ／Ａ＝ｘ、Ｗａ／Ａａ＝ｙとしたとき、ガス種Ｇ１は、下記の式（１）で表され、ガス種Ｇ２は、下記の式（２）で表され、ガス種Ｇ３は、下記の式（３）で表される。
Figure 2023072793000002
Figure 2023072793000003
Figure 2023072793000004
図１７に示すように、ｙが式（１）と式（３）との間の領域Ｐにあれば、つまり、ｙが下記式（４）、（５）を満たせば、一般的な反応ガスを用いてマイクロローディング効果をより確実に発現させることができる。そのため、振動素子１の製造が容易となり、その製造コストを削減することができる。
Figure 2023072793000005
Figure 2023072793000006
なお、ｙが式（４）を満たさない場合、幅Ｗの変化に対する深さＷａの変化が大きくなり、深さＷａがばらつくおそれがある。ｙが式（４）を満たすことにより、それを抑制することができる。また、ｙが式（５）を満たさない場合、ｘが大きい領域でｙを大きくし難くなり、深さＷａが浅くなる。または、深さＷａを深くするためには、Ｗ＝Ａに近づける必要が生じ、形状的な制約が生じ易くなる。ｙが式（５）を満たすことにより、それを抑制することができる。
ここで、例えば、幅Ｗおよび深さＷａを一定としたとき、ガス種Ｇ２を選択すると、ガス種Ｇ１に比べて幅Ａを小さくすることができ、振動素子１の小型化を図ることができる。ガス種Ｇ３を選択した場合、ガス種Ｇ２に比べて幅Ａをさらに小さくでき、振動素子１のさらなる小型化を図ることができる。このように、小型化の観点からすれば、領域Ｐの中でも、さらに、ｙが式（２）と式（３）との間の領域ＰＰにあることが好ましい。つまり、ｙが下記式（６）と上記式（５）とを満たすことが好ましい。
Figure 2023072793000007
次に、第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２を形成した際の振動素子１のＣＩ値の改善効果について、図１８を参照して説明する。
図１８に、Ｗａ／ＡａとＣＩ比との関係を示す。ここで、ＣＩ比とは、第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２を形成しない場合のＣＩ値を１．０として規格化したＣＩ値の比率である。図１８に示すように、Ｗａ／Ａａ≧０．２とすることが好ましい。なお、本実施形態では、マイクロローディング効果を利用するため、Ｗａ／Ａａ＜１である。これにより、第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２を形成しない場合と比べてＣＩ値を３割以下に低減することができる。そのため、優れた振動特性を有する振動素子１を製造することができる。さらに、Ｗａ／Ａａ≧０．４とすることが好ましく、これにより、第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２を形成しない場合と比べてＣＩ値を１割以下に低減することができる。
以上、振動素子１の製造方法においてマイクロローディング効果をより確実に発現させるための条件について説明した。
振動素子１の製造方法は、前述したように、第１方向であるＹ方向に沿って延出し、Ｙ方向と交差する第２方向であるＸ方向に沿って並ぶ第１振動腕２２および第２振動腕２３を備え、第１振動腕２２および第２振動腕２３は、それぞれ、Ｙ方向およびＸ方向に交差する第３方向であるＺ方向に並んで配置され、表裏関係にある第１面２Ａおよび第２面２Ｂと、第１面２Ａに開口する有底の第１溝２２１，２３１と、第２面２Ｂに開口する有底の第２溝２２２，２３２と、第１面２Ａと第２面２Ｂとを接続する側面１０１，１０３と、を有する振動素子の製造方法であって、第１面２Ａおよび第２面２Ｂを有する水晶基板２０を準備する準備工程Ｓ１と、水晶基板２０を第１面２Ａ側からドライエッチングし、第１溝２２１，２３１と第１振動腕２２および第２振動腕２３の外形とを形成する第１ドライエッチング工程Ｓ３と、水晶基板２０を第２面２Ｂ側からドライエッチングし、第２溝２２２，２３２と第１振動腕２２および第２振動腕２３の外形とを形成する第２ドライエッチング工程Ｓ５と、然る後、第１振動腕２２および第２振動腕２３の側面１０１，１０３と、第１溝２２１，２３１と、第２溝２２２，２３２とをウェットエッチングして、第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２の底面１１１と溝内側面１１２，１１３とを接続する傾斜面１１４，１１５を形成するウェットエッチング工程Ｓ６と、を含み、第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２は、深さをＤとし、深さから傾斜面１１４のＺ方向の長さを減じた値をＤ１とした場合、Ｄ１／Ｄ≧０．８０を満たす。
この製造方法によれば、第１振動腕２２および第２振動腕２３の側面１０１，１０３に形成される段差部１０７を小さくすることができる。これにより、振動素子１を振動させた際の不要振動の発生や、振動素子１に衝撃が加えられた際の振動素子１の破損を抑制することができる。さらに、前述したように、ドライ比率Ｄ１／ＤがＤ１／Ｄ≧０．８０を満たすため、Ｑ値を向上することができる。
また、前述したように、振動素子１の製造方法では、第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２は、ドライ比率Ｄ１／ＤがＤ１／Ｄ≧０．８５を満たすようにすることが好ましい。これにより、Ｑ値をより向上することができる。
また、前述したように、振動素子１の製造方法では、ウェットエッチング工程Ｓ６における側面１０１，１０３のエッチング量は、０．０１μｍ以上であることが好ましい。これにより、段差部１０７が小さくなり、振動素子１を振動させた際の不要振動の発生や、振動素子１に衝撃が加えられた際の振動素子１の破損を抑制することができる。
また、前述したように、振動素子１の製造方法では、ウェットエッチング工程Ｓ６における側面１０１，１０３のエッチング量は、１μｍ以下であることが好ましい。これにより、振動素子１を振動させた際における所望の周波数からのずれを抑制することができる。
また、前述したように、振動素子１の製造方法では、ウェットエッチング工程Ｓ６における側面１０１，１０３のエッチング量は、０．５μｍ以下であることが好ましい。これにより、振動素子１を振動させた際における不要振動の発生を抑制することができる。
また、前述したように、振動素子１の製造方法では、第１ドライエッチング工程Ｓ３で形成される第１溝２２１，２３１の深さおよび第２ドライエッチング工程Ｓ５で形成される第２溝２２２，２３２の深さをそれぞれＷａとし、第１ドライエッチング工程Ｓ３で形成される第１振動腕２２および第２振動腕２３の外形の深さと、第２ドライエッチング工程Ｓ５で形成される第１振動腕２２および第２振動腕２３の外形の深さと、をそれぞれＡａとしたとき、第１ドライエッチング工程Ｓ３および第２ドライエッチング工程Ｓ５の少なくとも一方において、Ｗａ／Ａａ＜１を満たすことが好ましい。これにより、第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２と振動基板２の外形形状とを一括して形成することができる。そのため、振動素子１の製造工程の削減、振動素子１の低コスト化を図ることができる。また、外形形状に対する第１溝２２１，２３１および第２溝２２２，２３２の位置ずれが阻止され、振動基板２の形成精度が高まる。
２．実施形態２
実施形態２に係る振動素子１の製造方法について、図１９～図２１を参照して説明する。なお、実施形態１と同一の構成については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
実施形態２は、第２ドライエッチング工程Ｓ５と、ウェットエッチング工程Ｓ６と、の間に第３保護膜形成工程Ｓ１０を有し、第３保護膜形成工程Ｓ１０において水晶基板２０の第１面２Ａおよび第２面２Ｂに第３保護膜１０９が形成されることや、ウェットエッチング工程Ｓ６において水晶基板２０の第１面２Ａおよび第２面２Ｂが第３保護膜１０９によりマスクされていること以外は、実施形態１と同様である。
図１９に示すように、実施形態２に係る振動素子１の製造方法は、振動基板２の母材である水晶基板２０を準備する準備工程Ｓ１と、水晶基板２０の第１面２Ａに第１保護膜５を形成する第１保護膜形成工程Ｓ２と、第１保護膜５を介して水晶基板２０を第１面２Ａ側からドライエッチングする第１ドライエッチング工程Ｓ３と、水晶基板２０の第２面２Ｂに第２保護膜６を形成する第２保護膜形成工程Ｓ４と、第２保護膜６を介して水晶基板２０を第２面２Ｂ側からドライエッチングする第２ドライエッチング工程Ｓ５と、水晶基板２０の第１面２Ａおよび第２面２Ｂに第３保護膜１０９を形成する第３保護膜形成工程Ｓ１０と、水晶基板２０をウェットエッチングするウェットエッチング工程Ｓ６と、以上の工程により得られた振動基板２の表面に電極３を形成する電極形成工程Ｓ７と、を含む。
準備工程Ｓ１から第２ドライエッチング工程Ｓ５までは、実施形態１と同一であるので、説明を省略し、第３保護膜形成工程Ｓ１０から説明する。なお、実施形態１と同様に、第２ドライエッチング工程Ｓ５の終了後、第２保護膜６および金属膜Ｍ２は水晶基板２０から除去されている。
≪第３保護膜形成工程Ｓ１０≫
図２０に示すように、水晶基板２０の第１面２Ａおよび第２面２Ｂに第３保護膜１０９を形成する。第３保護膜１０９は、例えば、水晶基板２０側からクロムおよび金を順に成膜した金属膜である。第３保護膜１０９は、水晶基板２０の表面に、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて金属膜を成膜し、この金属膜をフォトリソグラフィー技法およびエッチング技法を用いてパターニングすることにより、形成することができる。
≪ウェットエッチング工程Ｓ６≫
本工程では、水晶基板２０をエッチング液に浸漬することにより、水晶基板２０をウェットエッチングする。
実施形態２では、本工程に先立ち、第３保護膜形成工程Ｓ１０において水晶基板２０の第１面２Ａおよび第２面２Ｂに第３保護膜１０９が形成されている。そのため、本工程において、水晶基板２０の第１面２Ａおよび第２面２Ｂは、第３保護膜１０９によりマスクされている。言い換えると、第１振動腕２２および第２振動腕２３の第１面２Ａおよび第２面２Ｂは、第３保護膜１０９によりマスクされている。つまり、本工程において、第１振動腕２２および第２振動腕２３の第１面２Ａおよび第２面２Ｂはウェットエッチングされない。これにより、振動素子１の寸法や形状が所望の寸法や形状と異なる寸法や形状となることを抑制することができる。そのため、振動素子１における所望の周波数からのずれや不要振動の発生を抑制することができる。
第１振動腕２２および第２振動腕２３の側面１０１，１０３には、第３保護膜１０９は形成されていないので、実施形態１と同様に、側面１０１，１０３に形成される段差部１０７を小さくすることができる。
図２１に示すように、本工程終了後、第３保護膜１０９を除去する。以上により、水晶基板２０から複数の振動基板２が一括形成される。
≪電極形成工程Ｓ７≫
本工程は、実施形態１と同様に行われる。振動基板２の表面に金属膜を成膜し、この金属膜をパターニングすることにより、電極３を形成する。
以上により、振動素子１が得られる。
本実施形態によれば、実施形態１での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
ウェットエッチング工程Ｓ６において、水晶基板２０の第１面２Ａおよび第２面２Ｂが第３保護膜１０９によりマスクされていることにより、振動素子１の寸法や形状が所望の寸法や形状と異なる寸法や形状となることを抑制することができる。これにより、振動素子１における所望の周波数からのずれや不要振動の発生を抑制することができる。
以上、本発明の振動素子の製造方法について実施形態１および実施形態２に基づいて説明した。
ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、各実施形態を適宜組み合わせてもよい。
例えば、上述した実施形態では、第１ドライエッチング工程Ｓ３および第２ドライエッチング工程Ｓ５のそれぞれでＷａ／Ａａ＜１を満たしているが、これに限定されず、これらのうちの少なくとも一方でＷａ／Ａａ＜１を満たしていればよい。
また、本発明の振動素子の製造方法で製造される振動素子は、特に限定されず、例えば、図２２および図２３に示すような振動素子１Ａであってもよい。振動素子１Ａでは、第１振動腕２２の第１面２Ａに一対の第１溝２２１がＸ方向に並んで形成され、第２面２Ｂに一対の第２溝２２２がＸ方向に並んで形成され、同様に、第２振動腕２３の第１面２Ａに一対の第１溝２３１がＸ方向に並んで形成され、第２面２Ｂに一対の第２溝２３２がＸ方向に並んで形成されている。なお、このような構成では、複数の溝が並ぶため、各溝の幅Ｗが細くなり易い。そこで、第１ドライエッチング工程Ｓ３および第２ドライエッチング工程Ｓ５において反応ガスとしてＳＦ6、ＣＦ4の少なくとも一種を用いることが好ましい。これにより、各溝を深く形成できＣＩ値を下げることができる。
また、振動素子は、図２４および図２５に示すような双音叉型振動素子７であってもよい。なお、図２４および図２５では、電極の図示を省略している。双音叉型振動素子７は、一対の基部７１１，７１２と、基部７１１，７１２を連結する第１振動腕７２および第２振動腕７３と、を有する。また、第１振動腕７２および第２振動腕７３は、それぞれ第１面７Ａに開口する有底の第１溝７２１，７３１と、第２面７Ｂに開口する有底の第２溝７２２，７３２と、を有する。
また、例えば、振動素子は、図２６～図２８に示すようなジャイロ振動素子８であってもよい。なお、図２６～図２８では、電極の図示を省略している。ジャイロ振動素子８は、基部８１と、基部８１からＹ方向両側に延出する一対の検出振動腕８２，８３と、基部８１からＸ方向両側に延出する一対の連結腕８４，８５と、連結腕８４の先端部からＹ方向両側に延出する駆動振動腕８６，８７と、連結腕８５の先端部からＹ方向両側に延出する駆動振動腕８８，８９と、を有する。このようなジャイロ振動素子８においては、駆動振動腕８６，８７，８８，８９を図２６中の矢印ＳＤ方向に屈曲振動させている状態でＺ軸まわりの角速度ωｚが作用すると、コリオリの力によって検出振動腕８２，８３に矢印ＳＳ方向への屈曲振動が新たに励振され、当該屈曲振動により検出振動腕８２，８３から出力される電荷に基づいて角速度ωｚを検出する。
また、検出振動腕８２，８３は、第１面８Ａに開口する有底の第１溝８２１，８３１と、第２面８Ｂに開口する有底の第２溝８２２，８３２と、を有する。また、駆動振動腕８６，８７，８８，８９は、第１面８Ａに開口する有底の第１溝８６１，８７１，８８１，８９１と、第２面８Ｂに開口する有底の第２溝８６２，８７２，８８２，８９２と、を有する。このようなジャイロ振動素子８においては、例えば、検出振動腕８２と駆動振動腕８６、検出振動腕８２と駆動振動腕８８、検出振動腕８３と駆動振動腕８７、検出振動腕８３と駆動振動腕８９等、Ｘ方向に隣り合う一対の振動腕を第１振動腕および第２振動腕とすることができる。
なお、ジャイロ振動素子８の場合、その構造的に腕間領域Ｑ４を大きくする必要がある。このような場合、上記式（２）と式（３）との間の領域では深さＷａが浅くなり感度低下を招くおそれがある。そこで、上記式（１）と式（２）との間の領域を用いることが好ましい。
また、例えば、振動素子は、図２９～図３１に示すようなジャイロ振動素子９であってもよい。ジャイロ振動素子９は、基部９１と、基部９１からＹ方向プラス側に延出し、Ｘ方向に並ぶ一対の駆動振動腕９２，９３と、基部９１からＹ方向マイナス側に延出し、Ｘ方向に並ぶ一対の検出振動腕９４，９５と、を有する。このようなジャイロ振動素子９においては、駆動振動腕９２，９３を図２９中の矢印ＳＤ方向に屈曲振動させている状態でＹ軸まわりの角速度ωｙが作用すると、コリオリの力によって、検出振動腕９４，９５に矢印ＳＳ方向への屈曲振動が新たに励振され、当該屈曲振動により検出振動腕９４，９５から出力される電荷に基づいて角速度ωｙを検出する。
また、駆動振動腕９２，９３は、第１面９Ａに開口する有底の第１溝９２１，９３１と、第２面９Ｂに開口する有底の第２溝９２２，９３２と、を有する。また、検出振動腕９４，９５は、第１面９Ａに開口する有底の第１溝９４１，９５１と、第２面９Ｂに開口する有底の第２溝９４２，９５２と、を有する。このようなジャイロ振動素子９においては、駆動振動腕９２，９３または検出振動腕９４，９５が第１振動腕および第２振動腕となる。
１…振動素子、２…振動基板、２Ａ…第１面、２Ｂ…第２面、１０１，１０３…側面、２０…水晶基板、２１…基部、２２…第１振動腕、２３…第２振動腕、２２１，２３１…第１溝、２２２，２３２…第２溝、３…電極、３１…信号電極、３２…接地電極、５…第１保護膜、５１，５２，５３…開口、６…第２保護膜、６１，６２，６３…開口、１０７…段差部、１０９…第３保護膜、１１１…底面、１１２，１１３…溝内側面、１１４，１１５…傾斜面、Ａ…幅、Ａａ…深さ、Ｂ…幅、Ｂａ…深さ、Ｄ，Ｄ１，Ｄ２…深さ、Ｍ１…金属膜、Ｍ２…金属膜、Ｑ１…第１溝形成領域、Ｑ２…第１振動腕形成領域、Ｑ３…第２振動腕形成領域、Ｑ４…腕間領域、Ｑ５…素子間領域、Ｑ６…第２溝形成領域、Ｒ１…第１レジスト膜、Ｓ１…準備工程、Ｓ２…第１保護膜形成工程、Ｓ３…第１ドライエッチング工程、Ｓ４…第２保護膜形成工程、Ｓ５…第２ドライエッチング工程、Ｓ６…ウェットエッチング工程、Ｓ７…電極形成工程、Ｓ１０…第３保護膜形成工程、Ｔａ…厚さ、Ｗ…幅、Ｗａ…深さ。

Claims (7)

  1. 第１方向に沿って延出し、前記第１方向と交差する第２方向に沿って並ぶ第１振動腕および第２振動腕を備え、
    前記第１振動腕および前記第２振動腕は、それぞれ、前記第１方向および前記第２方向に交差する第３方向に並んで配置され、表裏関係にある第１面および第２面と、前記第１面に開口する有底の第１溝と、前記第２面に開口する有底の第２溝と、前記第１面と前記第２面とを接続する側面と、を有する振動素子の製造方法であって、
    前記第１面および前記第２面を有する水晶基板を準備する準備工程と、
    前記水晶基板を前記第１面側からドライエッチングし、前記第１溝と前記第１振動腕および前記第２振動腕の外形とを形成する第１ドライエッチング工程と、
    前記水晶基板を前記第２面側からドライエッチングし、前記第２溝と前記第１振動腕および前記第２振動腕の前記外形とを形成する第２ドライエッチング工程と、
    然る後、前記第１振動腕および前記第２振動腕の前記側面と、前記第１溝と、前記第２溝とをウェットエッチングして、前記第１溝および前記第２溝に、底面と溝内側面とを接続する傾斜面を形成するウェットエッチング工程と、を含み、
    前記第１溝および前記第２溝は、深さをＤとし、前記深さから前記傾斜面の前記第３方向の長さを減じた値をＤ１とした場合、Ｄ１／Ｄ≧０．８０を満たす、
    振動素子の製造方法。
  2. 前記第１溝および前記第２溝は、Ｄ１／Ｄ≧０．８５を満たす、
    請求項１に記載の振動素子の製造方法。
  3. 前記ウェットエッチング工程における前記側面のエッチング量は、０．０１μｍ以上である、
    請求項１または請求項２に記載の振動素子の製造方法。
  4. 前記ウェットエッチング工程における前記側面のエッチング量は、１μｍ以下である、
    請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の振動素子の製造方法。
  5. 前記ウェットエッチング工程における前記側面のエッチング量は、０．５μｍ以下である、
    請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の振動素子の製造方法。
  6. 前記ウェットエッチング工程において、前記第１面および前記第２面はマスクされている、
    請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の振動素子の製造方法。
  7. 前記第１ドライエッチング工程で形成される前記第１溝の深さおよび前記第２ドライエッチング工程で形成される前記第２溝の深さをそれぞれＷａとし、
    前記第１ドライエッチング工程で形成される前記外形の深さおよび前記第２ドライエッチング工程で形成される前記外形の深さをそれぞれＡａとしたとき、
    前記第１ドライエッチング工程および前記第２ドライエッチング工程の少なくとも一方において、Ｗａ／Ａａ＜１を満たす、
    請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の振動素子の製造方法。
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