JP3589211B2 - 圧電振動デバイス - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶振動子等に代表される圧電振動デバイスに係る。特に、本発明は、圧電振動デバイスの周波数特性を良好に得るための対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信機器の高周波数化やマイクロコンピュータの動作周波数の高周波数化に伴って、水晶振動子や水晶フィルタ等の圧電振動デバイスも高周波数化が要求されつつある。一般に、高周波数化に対応した水晶ウェハ（水晶板）として、ＡＴカット水晶板の厚みすべり振動がよく用いられており、周知のとおりその周波数は水晶ウェハの厚さで決定され、周波数と厚さとは反比例する。例えば、基本振動周波数として６００ＭＨｚを得ようとした場合、３μｍ以下の極薄型の水晶ウェハが必要になる。このような極薄板の加工は、研磨作業が難しく製造歩留まりを向上させることが困難であった。
【０００３】
この課題を解決するために、図２０に示すように、水晶ウェハａの中央部分に凹部ｂを設け、この凹部ｂの底部に薄肉加工した振動領域（主振動部）ｃを設定し、その周囲の厚肉の補強部ｄによって振動領域ｃを補強した所謂逆メサ型と呼ばれる構成が提案されている。この種の水晶振動板は、薄肉化された振動領域ｃとその周囲に形成された補強部ｄとを有する水晶ウェハａに、図示しない励振電極及び引出電極を形成した構成となっている。このような構成を採用することにより、振動領域ｃを従来のものよりもかなり薄くすることができ、また、歩留まりの向上も図ることができる。この種の水晶ウェハは、例えば特開２０００−３４１０６４号公報に開示されている。
【０００４】
また、平板状の水晶ウェハをエッチング等の加工技術によって極薄に成形し、これによって圧電振動デバイスの高周波数化を図ることも行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような水晶ウェハは、アルミナ等のセラミックスからなるパッケージに収納され、接着剤によってパッケージ内に固定される。つまり、上記引出電極がパッケージ内の端子上に導電性接着剤によって接着され、これにより水晶ウェハがパッケージに対して電気的且つ機械的に接続されて、例えば表面実装型の水晶振動子が作製されることになる。
【０００６】
この場合、上述した逆メサ型水晶ウェハや極薄型平板状水晶ウェハを接着剤によってパッケージ内に固定することになるため、この接着剤の硬化収縮に伴って発生する応力の影響が水晶ウェハの振動領域に及ぶことになる。その結果、水晶ウェハの共振周波数が変動してしまい、所定の周波数特性を得ることができなくなってしまう可能性が高かった。また、パッケージ外部から作用する外力も水晶ウェハの振動領域に直接的に作用してしまう可能性が高く、この場合にも所定の周波数特性を得ることができない。
【０００７】
また、この接着剤の硬化収縮の影響を受けることのないように水晶ウェハをパッケージ内に固定しようとすると、上記硬化収縮の影響が水晶ウェハに及ばない位置に高い精度で接着剤を塗布せねばならず、高性能の製造装置が必要になってそのコストの高騰を招いたり、製造加工の煩雑化に伴う加工効率の悪化を招くことになってしまう。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧電振動デバイスを接着剤によってパッケージ内に固定する際の接着剤の硬化収縮の影響等が振動領域に及ぶことを回避し、圧電振動デバイスの周波数特性を良好に得ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
−発明の概要−
上記の目的を達成するために、本発明は、圧電振動デバイスの振動領域を形成する中央部の外周側に枠形状の外枠部を形成しておき、この外枠部と振動領域との間での応力伝達が抑えられる構成を採用することにより、振動領域への応力の影響を小さくするようにしている。また、振動領域を形成している中央部自身にも高い機械的強度が得られる構成を採用している。
【００１０】
−解決手段−
具体的には、励振電極が形成された薄肉の主振動部及びこの主振動部の外周囲においてこの主振動部よりも厚肉に形成された外縁部を備えた逆メサ構造の中央部と、この中央部の外縁部と所定間隔を存してこの中央部を囲むように形成された枠形状の外枠部と、これら中央部及び外枠部を部分的に連結する連結部とを圧電材料により一体形成して圧電振動デバイスを構成している。そして、この圧電振動デバイスにおける中央部の外縁部の厚さ寸法を外枠部の厚さ寸法よりも小さく設定すると共に、この中央部の外縁部の上下各面を外枠部の上下各面よりも厚さ方向の中央側に位置させる。また、上記連結部の厚さ寸法を外枠部の厚さ寸法よりも小さく設定すると共に、この連結部の上下各面を外枠部の上下各面よりも厚さ方向の中央側に位置させる。更に、上記連結部の厚さ寸法を中央部の外縁部の厚さ寸法よりも小さく設定すると共に、この連結部の上下各面を中央部の外縁部の上下各面よりも厚さ方向の中央側に位置させる構成としている。
【００１１】
上記中央部は逆メサ構造で構成されており、それ自身で高い機械的強度を備えているため、主振動部に対する外力等の影響を抑制できる。また、中央部の外周側には、外枠部が連結部を介して連結されている。このため、圧電振動デバイスの接着剤による接着箇所を外枠部とすることが可能となって、仮に接着剤の硬化収縮によって応力が発生したとしても、この応力の影響は外枠部に及ぶに止まり、中央部の主振動部にまで影響が及んでしまうことは殆どない。また、外枠部に外力が作用した場合であっても、この外力が中央部の主振動部にまで伝達されてしまうことも殆どない。このため、圧電振動デバイスの共振周波数が応力等の影響で変動してしまうといった状況は回避でき、所望の周波数特性を確保できる。また、圧電振動デバイスをパッケージ内に載置する際に外枠部のみがパッケージ内面に当接することになるので、中央部を浮かせた状態で搭載でき、主振動部の振動を良好に行わせることができる。更に、連結部の厚さ寸法を外枠部の厚さ寸法よりも小さく設定したことにより、外枠部から連結部を経て中央部へ伝播するバルク波の伝達経路を狭くすることになるため、このバルク波の伝播が抑制でき、これによって主振動部の振動に悪影響を及ぼす要因を除去できる。
【００１２】
圧電振動デバイスの細部の具体構成として、主振動部と外縁部との間に階段状の段部が形成されているため、外縁部に応力が作用した場合であっても、それを段部によって容易に緩和することができ局所的な応力集中を回避できる。更に、この構成において段部の段差を小さく設定すれば、この段部の表面に沿って引出電極を形成する場合に、引出電極の断線（電極膜の切れ）を回避しながらも電極膜の薄膜化を図ることができる。
【００１４】
また、中央部における応力感度「０」の位置で、連結部が中央部と外枠部とを連結する構成とした場合には、外枠部に外力が作用し、それが中央部まで伝わったとしても主振動部の振動特性には殆ど影響を与えないようにすることができる。
【００１５】
外枠部から中央部への振動波伝達を阻止する構成として以下のものが掲げられる。つまり、外枠部の表面と連結部の表面との間及び、中央部の表面と連結部の表面との間のうち少なくとも一方に、不連続部を介在させる。この構成によれば、外枠部の表面から連結部の表面へ伝播したり、連結部の表面から中央部の表面へ伝播する表面波を阻止することが可能になる。つまり、この表面波が外枠部や連結部を経て主振動部に伝播してこの主振動部の振動に悪影響を及ぼすといった状況が回避できる。
【００１６】
また、中央部を逆メサ構造とし、主振動部を外縁部の厚さ方向の略中央部に形成した場合には、圧電振動デバイスが表裏対称形状として成形されることになるため、パッケージ内に載置する際に圧電振動デバイスの表裏を認識しながら作業を行う必要が無くなり、パッケージへの組み付け作業性が向上する。
【００１７】
中央部の主振動部と外縁部との間に、主振動部と外縁部との接続部分に対してその片面側に開放する溝が中央部を囲む全周囲に亘って形成されることにより、主振動部から外縁部に向かって延び且つ主振動部の厚さ寸法に略一致する厚さ寸法を有して主振動部と補強部とを連結する緩衝部を形成している。この構成によれば、主振動部が外縁部の拘束力を受けることなしに振動することが可能となる。このため、圧電振動デバイスの小型化を図る場合に、主振動部と外縁部との間隔が十分に確保できない状況であっても、主振動部が外縁部の拘束力を受けてしまって共振特性が劣化してしまうといったことはなくなる。
【００１８】
また、中央部の主振動部と外縁部との間を部分的に切り離した場合にも、主振動部が外縁部の拘束力を受けることなしに振動することが可能となって共振特性は劣化しない。
また、主振動部の成形はウェットエッチング法により行われている。また、圧電振動デバイスは、パッケージ内に収納されるようになっており、上記外枠部がパッケージに接着剤によって支持される部分である。更に、連結部は、この連結部同士の間の部分に貫通孔をエッチング加工によって形成することにより成形されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、ＡＴカット水晶振動子を構成する水晶ウェハに本発明を適用した場合について説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
先ず、第１実施形態について説明する。
【００２１】
−水晶ウェハ１の構成−
図１は、本形態に係る水晶ウェハ１の平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。これら図に示すように、本形態に係る水晶ウェハ１は、主振動部２１を備えた逆メサ構造の中央部２と、これを取り囲む外枠部３とが複数のブリッジ（連結部）４，４…によって連結されて構成されている。
【００２２】
中央部２は、その中央部分に電極２２を形成するための凹部２３が表裏両面に形成されている。この凹部２３の中央部は極薄肉の主振動部（圧電振動領域）２１として形成されており、その表裏面には励振電極２２が形成され、この励振電極２２が図示しない引出電極により外部と接続されている。また、中央部２の外縁部は、主振動部２１に比較して数倍の厚さ寸法を有する補強部２４として形成されている。更に、主振動部２１と補強部２４との間の表裏両面には階段状の段部２５が形成されている。この段部２５は主振動部２１の機械的強度を十分に確保できるようにしたり外力の影響を緩和して局所的な応力集中を回避したりするためのものである。
【００２３】
各部分の厚さの一例として、６００ＭＨｚの基本振動周波数を得る場合、主振動部２１の厚さは３μｍ、補強部２４の厚さは約１０μｍ、主振動部２１の面積は約０．５ｍｍ２、励振電極２２の面積は約０．２ｍｍ２といった微細な構成となっている。このような凹部２３の主振動部２１の成形は後述するウェットエッチング法により行われる。また、電極２２の形成は真空蒸着法等により行われ、各電極材料としてはアルミニウムや銀等が用いられる。
【００２４】
一方、外枠部３は、この中央部２の外周囲を取り囲むように形成されていると共に、４本のブリッジ４，４，…を介して中央部２に連結されている。この構成により、中央部２の中央部に位置する主振動部２１は、中央部２の外縁部分である補強部２４に支持されているばかりでなくブリッジ４，４，…を介して外枠部３によっても支持されていることになり、高い機械的強度が確保されている。また、外枠部３は、水晶振動子のパッケージに接着剤によって支持される部分であるが、この部分と中央部２とはブリッジ４，４，…のみによって連結されているため、接着剤の凝固収縮などの影響によって外枠部３に反りなどの変形が生じたとしても、その変形の影響が中央部２には及び難い構成となっている。更に、ブリッジ４，４，…による中央部２と外枠部３との連結位置は、中央部２のＺ軸（図１において左右方向に延びる軸）に対して３０°の角度を存した応力感度が「０」の位置に設定されている。このため、外枠部３に外力が作用し、それが中央部２まで伝わったとしても振動特性には殆ど影響を与えないようになっている。
【００２５】
なお、図示していないが、このような圧電振動デバイスをアルミナ等のセラミックスからなるパッケージに収納し、各引出電極を外部に導出するための電気的接続を行い、蓋板にてパッケージ上面と気密接合することによって表面実装型の水晶振動子を得ることができる。
【００２６】
−水晶ウェハ１の加工方法−
次に、本形態に係る水晶ウェハ１の加工方法について説明する。図３〜図８は、この水晶ウェハ１の加工工程を示している。本水晶ウェハ１の加工工程としては、レジスト膜形成工程（図３）、予備エッチング工程（図４）、Ａｕ除去工程（図５）、リフトオフ工程（図６）、メインエッチング工程（図７）、電極形成工程（図８）から成る。各工程について以下に説明する。
【００２７】
＜レジスト膜形成工程＞
この工程では、先ず、水晶ウェハ１の上下面の全面に対してＣｒ及びＡｕの２層構造で成るレジスト膜Ｒを蒸着する（図３（ａ））。その後、上記ブリッジ４，４を形成するためにその間の貫通孔４１を形成する箇所のみを除いた全面に対してポジティブタイプのレジスト膜ＰＲ（以下、ポジレジスト膜と呼ぶ）を形成する（図３（ｂ））。この状態で、Ａｕエッチング液及びＣｒエッチング液によってそれぞれエッチングを行い、上記ポジレジスト膜ＰＲの存在しない部分のＡｕ層及びＣｒ層を除去する（図３（ｃ））。その後、ポジレジスト膜Ｐｒを除去して（図３（ｄ））、本レジスト膜形成工程を終了する。
【００２８】
＜予備エッチング工程＞
この工程では、上記レジスト膜形成工程においてＡｕ及びＣｒが除去された部分（ブリッジ４，４同士の間の貫通孔４１を形成する箇所）及び水晶ウェハ１の中央部分（主振動部２１となる部分）を除いた上下面の全体にポジレジスト膜ＰＲを形成する（図４（ａ））。その後、この水晶ウェハ１を水晶エッチング液に浸漬してエッチングを行う。これにより図４（ｂ）に示すように、ブリッジ４，４同士の間の貫通孔４１を形成する箇所のみが所定量だけエッチングされる。次に、Ａｕエッチング液及びＣｒエッチング液によってそれぞれエッチングを行い、上記ポジレジスト膜ＰＲの存在しない部分のＡｕ及びＣｒを除去する（図４（ｃ））。その後、ポジレジスト膜ＰＲを除去して（図４（ｄ））、本予備エッチング工程を終了する。
【００２９】
＜Ａｕ除去工程＞
この工程では、外枠部３を形成する部分の上下面の全体に対してネガティブタイプのレジスト膜ＮＲ（以下、ネガレジスト膜と呼ぶ）を形成する（図５（ａ））。その後、Ａｕエッチング液によってエッチングを行い、上記ネガレジスト膜ＮＲの存在しない部分のＡｕを除去する（図５（ｂ））。その後、ネガレジスト膜ＮＲを除去して（図５（ｃ））、本Ａｕ除去工程を終了する。
【００３０】
＜リフトオフ工程＞
この工程は、中央部２の中央に階段状の凹部を成形するべく階段状のＣｒ層を形成するための工程である。つまり、上記Ａｕ除去工程の終了時点で水晶ウェハ１上に残っているＣｒ層の一部分に対してＣｒを蒸着させることにより階段状のＣｒ層を形成するものである。このため、先ず、このＣｒを追加蒸着させる必要がある領域を除く全領域に対してネガレジスト膜ＮＲを形成する（図６（ａ））。この状態で、水晶ウェハ１の上下面に対してＣｒを蒸着させ、ネガレジスト膜ＮＲが存在しない部分のＣｒ層のみを厚肉の層にする（図６（ｂ））。その後、ネガレジスト膜ＮＲをリフトオフ法により除去して（図６（ｃ））、本リフトオフ工程Ａｕを終了する。これにより後述するメインエッチング工程を行うためのマスク層が形成されたことになる。
【００３１】
＜メインエッチング工程＞
この工程では、フッ酸＋フッ化アンモニウム溶液等のエッチング液によるウェットエッチングを行う。水晶ウェハ１の上下面のうちＣｒ層のない部分ではエッチングが早期に開始され、Ｃｒ層の薄い部ではエッチングが僅かに遅延して開始される。また、Ｃｒ層の厚い部分では殆どエッチングが行われない。このため、主振動部２１が所定の厚さ寸法になるまでエッチングされた状態では、図７（ｂ）に示すように、中央部２と外枠部３との間にはブリッジ４，４，…のみが残り、また、中央部２には階段状の段部２５が形成されることになる。
【００３２】
＜電極形成工程＞
本工程では、従来と同様の動作により電極形成が行われる。つまり、図８（ａ）に示すように、水晶ウェハ１の上下面の全面に対して電極材料（ＡｌまたはＡｇ）が蒸着された後、主振動部２１の電極形成部分及び引出電極部分（図示省略）をネガレジスト膜ＮＲによって覆う（図８（ｂ））。その後、図８（ｃ）に示すように、電極材料をエッチングなどによって除去し、更に、図８（ｄ）に示すように、ネガレジスト膜ＮＲを除去することにより、主振動部２１のみに電極材料が残り、これによって所定形状の励振電極２２が形成される。
【００３３】
以上の工程により図１及び図２に示すように、中央部２とそれを囲むように配設され且つブリッジ４，４，…によって中央部２に連結された外枠部３を有する水晶ウェハ１が形成される。
【００３４】
このように、本水晶ウェハ１のエッチング方法では、水晶ウェハ１の表面各部に形成されたマスク層のエッチングレート（Ｃｒ層の厚さ）を異ならせることによって、１回のエッチング工程によって段部２５を有する水晶ウェハ１を成形することができ、これによって、水晶ウェハ１の面荒れの防止、エッチング不良の回避、薄肉部分やその周辺部における破損の防止を図ることができ、安定した高品質の水晶ウェハ１を提供することが可能になる。また、互いに異なる材料で成るマスク層を使用することによって各マスク層のエッチングレートを異ならせるようにしてもよい。
【００３５】
尚、このようにして所定形状に成形された水晶ウェハ１の基本周波数の合わせ込みについては、上記エッチング動作の終了後にドライエッチング加工等によって行われる。また、上記エッチング動作のみで基本周波数の合わせ込みが可能である場合には、このエッチング動作の終了と同時に水晶ウェハ１が完成することになる。
【００３６】
そして、本形態の水晶ウェハ１は、上述した如く中央部２が逆メサ構造で構成されている。このため、この中央部２自身が高い機械的強度を備えているため、主振動部２１に対する外力等の影響を抑制できる。また、この中央部２の外周側には、外枠部３がブリッジ４，４，…を介して連結されている。このため、水晶振動子のパッケージに対する水晶ウェハ１の接着箇所を外枠部３とすることが可能となって、仮に接着剤の硬化収縮によって応力が発生したとしても、この応力の影響は外枠部３に及ぶに止まり、中央部２の主振動部２１にまで影響が及んでしまうことは殆どない。また、外枠部３に外力が作用した場合であっても、この外力が中央部２の主振動部２１にまで伝達されてしまうことも殆どない。このため、水晶ウェハ１の共振周波数が応力等の影響で変動してしまうといった状況は回避でき、所望の周波数特性を確保することができる。また、主振動部２１の外側に、補強部２４及び外枠部３から成る二重の枠材が存在する構成となっており、極めて高い機械的強度を得ることができる。
【００３７】
更に、主振動部２１と補強部２４との間には階段状の段部２５が形成されているため、補強部２４に応力が作用した場合であっても、それを容易に緩和することができ局部的な応力集中を回避できる。加えて、例えば図９に示すように段部２５の段数を多くし且つそれぞれの段差を小さく設定すれば、この段部２５の表面に沿って引出電極を形成する場合に、引出電極の断線（電極膜の切れ）を回避しながらも電極膜の薄膜化を図ることができる。
【００３８】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本形態は、中央部２の形状の変形例であって、その他の構成は上述した第１実施形態のものと同様である。従って、ここでは第１実施形態との相違点についてのみ説明する。
【００３９】
図１０は本形態に係る水晶ウェハ１の断面図（図２に相当する図）である。この図に示すように、本形態の水晶ウェハ１は、中央部２の厚さ寸法が外枠部３の厚さ寸法よりも小さく設定されている。また、この中央部２の上下各面は外枠部３の上下各面よりも厚さ方向の中央側に位置している。つまり、中央部２の上下各面の位置は外枠部３の上下各面の位置よりも後退した位置に設定されている。
【００４０】
この構成によれば、水晶ウェハ１をパッケージ内に載置する際に外枠部３のみがパッケージ内面に当接し、中央部２を浮かせた状態で搭載することができる。このため、パッケージによって主振動部２１の振動が阻害されてしまうといった状況は生じず、主振動部２１の振動を良好に行わせることができる。
【００４１】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。上述した各実施形態は、中央部２を逆メサ構造としていた。本形態は、この中央部２をメサ構造としたものである。つまり、図１１（ａ）に示すように、中央の厚さ寸法を外縁部の厚さ寸法よりも大きく設定した形状として中央部２を構成したものである。また、本形態では、中央部２の外周部分に階段状の段部２５が形成されており、中央部２に応力が作用した場合であっても、それを段部２５によって容易に緩和することができ局所的な応力集中を回避できるようになっている。更に、この構成においても、段部２５の段差を小さく設定すれば、この段部２５の表面に沿って引出電極を形成する場合に、引出電極の断線（電極膜の切れ）を回避しながらも電極膜の薄膜化を図ることができる。また、この図１１（ａ）に示すものにあっては、上記第２実施形態のものと同様に、水晶ウェハ１の中央部２の厚さ寸法が外枠部３の厚さ寸法よりも小さく設定されていると共に、この中央部２の上下各面は外枠部３の上下各面よりも厚さ方向の中央側に位置している。つまり、中央部２の上下各面の位置は外枠部３の上下各面の位置よりも後退した位置に設定されて、水晶ウェハ１をパッケージ内に載置する際に外枠部３のみがパッケージ内面に当接するようになっている。
【００４２】
また、本形態の変形例としての図１１（ｂ）に示す水晶ウェハ１では、中央部２をメサ構造とし、且つ中央部２の外周部分に階段状の段部２５が形成されたものにおいて、水晶ウェハ１の中央部２の厚さ寸法が外枠部３の厚さ寸法よりも大きく設定されている。そして、この中央部２の上下各面が外枠部３の上下各面よりも厚さ方向の外側に位置したものとなっている。この構成によれば、例えば複数の水晶ウェハ１，１同士を重ね合わせてパッケージに搭載する場合に、互いに隣り合う外枠部３，３同士を接着することになるが、この接着領域の高さを適切に調整することによって複数の水晶ウェハ１，１の全体の高さ寸法を必要最小限に抑える（中央部２，２同士が接触することなしにできるだけ高さ寸法を小さくする）ことができ、パッケージの小型化を図ることができる。
【００４３】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。本形態は、外枠部３から中央部２への振動波伝達を阻止するための構成を採用したものであり、その他の構成は上述した第１実施形態のものと同様である。従って、ここでは第１実施形態との相違点についてのみ説明する。
【００４４】
図１２は本形態に係る水晶ウェハ１の断面図（ブリッジ４の配設位置での断面図）である。この図に示すように、本形態の水晶ウェハ１は、外枠部３の表面とブリッジ４の表面との間及び、中央部２の表面とブリッジ４の表面との間のそれぞれに不連続部となる凹部６，６が形成されている。この構成によれば、この凹部６，６によって表面波の伝播が阻止可能となり、この表面波が、外枠部３の表面からブリッジ４の表面へ伝播したり、ブリッジ４の表面から中央部２の表面へ伝播することを回避できる。つまり、この表面波が外枠部３やブリッジ４を経て主振動部２１に伝播してこの主振動部２１の振動に悪影響を及ぼすといった状況が回避できる。
【００４５】
尚、上述した各実施形態においても、外枠部３の表面とブリッジ４の表面との間及び、中央部２の表面とブリッジ４の表面との間は不連続な面（段部によって不連続とされている）となっているので、この構成においてもある程度の表面波振動の伝播は阻止可能である。
【００４６】
図１２に示す構成では、外枠部３の表面とブリッジ４の表面との高さ位置及び、中央部２の表面とブリッジ４の表面との高さ位置を互いに異ならせたものにおいて上記凹部６，６を形成していた。これに限らず、外枠部３の表面とブリッジ４の表面との高さ位置及び、中央部２の表面とブリッジ４の表面との高さ位置を同一高さ位置、つまり連続面として形成したものにおいて、上記凹部６，６を形成した場合であっても表面波の伝播を阻止することは可能である。
【００４７】
更に、図１２に示すものでは、ブリッジ４の厚さ寸法は外枠部３及び中央部２の補強部２４の各厚さ寸法に比べて極端に小さく設定されている。この構成によれば、ブリッジ４の断面積が小さく設定されることにより、外枠部３からブリッジ４を経て中央部２へ伝播するバルク波の伝達経路が狭くできるため、このバルク波の伝播が抑制でき、これによっても主振動部２１の振動に悪影響を及ぼす要因を除去できる。また、ブリッジ４の高さ位置が主振動部２１の高さ位置とは異なっていることによってもブリッジ４から主振動部２１へのバルク波の伝播を抑制することができる。更には、ブリッジ４の幅寸法を極端に小さく設定することによってもバルク波の伝達経路が狭くでき、主振動部２１の振動に悪影響を及ぼす要因を除去できる。
【００４８】
（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。図１３は本形態に係る水晶ウェハ１の断面図である。この図に示すように、本形態の水晶ウェハ１は、中央部２を逆メサ構造とし、主振動部２１を補強部２４の厚さ方向の略中央部に位置させている。この構成によれば、水晶ウェハ１を表裏対称形状として成形することになるため、パッケージ内に載置する際に水晶ウェハ１の表裏を認識しながら作業を行う必要が無くなり、パッケージへの組み付け作業性の向上を図ることができる。
【００４９】
（第６実施形態）
次に、第６実施形態について説明する。上述したようなエッチング加工によって逆メサ型の水晶ウェハ１を成形するに際し、そのエッチング量が比較的大きい場合には、図１４（ａ）に示すようにエッチングにより成形される凹部２３の縦壁２３ａが中央部２の中心に向かう傾斜面として成形されてしまうことになる。このため、図１４（ｂ）に示すように水晶ウェハ１の小型化を図る場合には、主振動部２１が振動するのに十分な面積は確保できず、主振動部２１が補強部２４の拘束力を受けてしまって共振特性が劣化してしまうことになる。本形態は、この課題を解決するためのものである。
【００５０】
図１５は本形態に係る水晶ウェハ１の中央部２のみを下面側から見た斜視図であり、図１６は主振動部２１と補強部２４との接続部分を示す断面図である。これらの図面に示すように、本形態の水晶ウェハ１は、中央部２の主振動部２１と補強部２４との間に、主振動部２１の厚さ寸法に略一致する厚さ寸法を有して主振動部２１と補強部２４とを連結する緩衝部５が備えられている。
【００５１】
具体的には、主振動部２１と補強部２４との接続部分に対し、その下面側に開放する溝５１を中央部２を囲む全周囲に亘って形成し、これによって主振動部２１から補強部２４に向かって斜め上方に延びる緩衝部５が形成されている。この構成によれば、主振動部２１が補強部２４の拘束力を受けることなしに振動することが可能となるため、共振特性の劣化がなくなる。
【００５２】
また、本形態の変形例として、図１７に示すように水晶ウェハ１の長手方向のみに溝５１を形成してもよい。
【００５３】
更には、図１８（水晶ウェハ１を下面側から見た斜視図）及び図１９（主振動部２１と補強部２４との接続部分の断面図）に示すように、上記溝５１に代えて貫通孔５２を形成してもよい。つまり、主振動部２１と補強部２４とを部分的に切り離すことによって、主振動部２１が補強部２４の拘束力を受けることなしに振動できるようにしている。
【００５４】
また、上記各構成を組み合わせることも可能である。つまり、主振動部２１と補強部２４との接続部分の一部を緩衝部５として構成し、他の部分を切り離すようにした構成である。
【００５５】
−その他の実施形態−
以上説明した各実施形態は何れもウエットエッチングによって水晶ウェハ１を所定形状に成形する場合について説明した。本発明はこれに限らず、ドライエッチングによって水晶ウェハ１を所定形状に成形する場合についても適用可能である。
【００５６】
更に、上述した各実施形態では圧電振動デバイスとして水晶ウェハを採用した場合について説明した。本発明はこれに限らずその他の圧電材料で成る圧電振動デバイスに対しても適用可能である。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、圧電振動デバイスの振動領域を形成する中央部の外周側に枠形状の外枠部を形成しておき、この外枠部と振動領域との間での応力伝達が抑えられる構成を採用している。また、振動領域を形成している中央部を逆メサ構造で構成することにより、この中央部自身にも高い機械的強度が得られるようにしている。このため、圧電振動デバイスの接着剤による接着箇所を外枠部とすることが可能となって、仮に接着剤の硬化収縮によって応力が発生したとしても、この応力の影響は外枠部に及ぶに止まり、中央部の主振動部にまで影響が及んでしまうことは殆どない。その結果、接着剤の塗布位置に高い精度は要求されず、高性能の製造装置が不要となると共に、接着剤塗布作業の高速化が可能となって加工効率の向上を図ることができる。
【００５８】
また、外枠部に外力が作用した場合であっても、この外力が中央部の主振動部にまで伝達されてしまうことも殆どない。このため、圧電振動デバイスの共振周波数が応力等の影響で変動してしまうといった状況は回避でき、所望の周波数特性を確保できて、圧電振動デバイスの信頼性の向上を図ることができる。
【００５９】
また、主振動部と外縁部との間に階段状の段部を形成しているため、外縁部に応力が作用した場合であっても、それを段部によって容易に緩和することができる。その結果、局所的な応力集中を回避でき、圧電振動デバイスの破損等を回避できて、その長寿命化を図ることができる。
【００６０】
更に、中央部における応力感度「０」の位置で、連結部が中央部と外枠部とを連結する構成とした場合には、外枠部に外力が作用し、それが中央部まで伝わったとしても主振動部の振動特性には殆ど影響を与えないようにすることができる。
【００６１】
加えて、外枠部の表面と連結部の表面との間及び中央部の表面と連結部の表面との間のうち少なくとも一方に不連続部を介在させたり、連結部の厚さ寸法を外枠部の厚さ寸法よりも小さく設定したことにより、主振動部へ向かう表面波やバルク波の伝播を効果的に阻止することができ、主振動部の振動特性を良好に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る水晶ウェハの平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】レジスト膜形成工程を示す工程図である。
【図４】予備エッチング工程を示す工程図である。
【図５】Ａｕ除去工程を示す工程図である。
【図６】リフトオフ工程を示す工程図である。
【図７】メインエッチング工程を示す工程図である。
【図８】電極形成工程を示す工程図である。
【図９】第１実施形態の変形例における水晶ウェハの断面図である。
【図１０】第２実施形態における水晶ウェハの断面図である。
【図１１】第３実施形態における水晶ウェハの断面図である。
【図１２】第４実施形態における水晶ウェハの断面図である。
【図１３】第５実施形態における水晶ウェハの断面図である。
【図１４】第６実施形態が解決しようとする課題を説明するための水晶ウェハの断面図である。
【図１５】第６実施形態に係る水晶ウェハを下面側から見た斜視図である。
【図１６】第６実施形態に係る水晶ウェハの主振動部と補強部との接続部分を示す断面図である。
【図１７】第６実施形態の変形例に係る水晶ウェハを下面側から見た斜視図である。
【図１８】第６実施形態の他の変形例に係る水晶ウェハを下面側から見た斜視図である。
【図１９】第６実施形態の他の変形例に係る図１６相当図である。
【図２０】従来例に係る水晶ウェハの斜視図である。
【符号の説明】
１ 水晶ウェハ
２ 中央部
２１ 主振動部
２４ 補強部（外縁部）
２５ 段部
３ 外枠部
４ ブリッジ（連結部）
５ 緩衝部
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶振動子等に代表される圧電振動デバイスに係る。特に、本発明は、圧電振動デバイスの周波数特性を良好に得るための対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信機器の高周波数化やマイクロコンピュータの動作周波数の高周波数化に伴って、水晶振動子や水晶フィルタ等の圧電振動デバイスも高周波数化が要求されつつある。一般に、高周波数化に対応した水晶ウェハ（水晶板）として、ＡＴカット水晶板の厚みすべり振動がよく用いられており、周知のとおりその周波数は水晶ウェハの厚さで決定され、周波数と厚さとは反比例する。例えば、基本振動周波数として６００ＭＨｚを得ようとした場合、３μｍ以下の極薄型の水晶ウェハが必要になる。このような極薄板の加工は、研磨作業が難しく製造歩留まりを向上させることが困難であった。
【０００３】
この課題を解決するために、図２０に示すように、水晶ウェハａの中央部分に凹部ｂを設け、この凹部ｂの底部に薄肉加工した振動領域（主振動部）ｃを設定し、その周囲の厚肉の補強部ｄによって振動領域ｃを補強した所謂逆メサ型と呼ばれる構成が提案されている。この種の水晶振動板は、薄肉化された振動領域ｃとその周囲に形成された補強部ｄとを有する水晶ウェハａに、図示しない励振電極及び引出電極を形成した構成となっている。このような構成を採用することにより、振動領域ｃを従来のものよりもかなり薄くすることができ、また、歩留まりの向上も図ることができる。この種の水晶ウェハは、例えば特開２０００−３４１０６４号公報に開示されている。
【０００４】
また、平板状の水晶ウェハをエッチング等の加工技術によって極薄に成形し、これによって圧電振動デバイスの高周波数化を図ることも行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような水晶ウェハは、アルミナ等のセラミックスからなるパッケージに収納され、接着剤によってパッケージ内に固定される。つまり、上記引出電極がパッケージ内の端子上に導電性接着剤によって接着され、これにより水晶ウェハがパッケージに対して電気的且つ機械的に接続されて、例えば表面実装型の水晶振動子が作製されることになる。
【０００６】
この場合、上述した逆メサ型水晶ウェハや極薄型平板状水晶ウェハを接着剤によってパッケージ内に固定することになるため、この接着剤の硬化収縮に伴って発生する応力の影響が水晶ウェハの振動領域に及ぶことになる。その結果、水晶ウェハの共振周波数が変動してしまい、所定の周波数特性を得ることができなくなってしまう可能性が高かった。また、パッケージ外部から作用する外力も水晶ウェハの振動領域に直接的に作用してしまう可能性が高く、この場合にも所定の周波数特性を得ることができない。
【０００７】
また、この接着剤の硬化収縮の影響を受けることのないように水晶ウェハをパッケージ内に固定しようとすると、上記硬化収縮の影響が水晶ウェハに及ばない位置に高い精度で接着剤を塗布せねばならず、高性能の製造装置が必要になってそのコストの高騰を招いたり、製造加工の煩雑化に伴う加工効率の悪化を招くことになってしまう。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧電振動デバイスを接着剤によってパッケージ内に固定する際の接着剤の硬化収縮の影響等が振動領域に及ぶことを回避し、圧電振動デバイスの周波数特性を良好に得ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
−発明の概要−
上記の目的を達成するために、本発明は、圧電振動デバイスの振動領域を形成する中央部の外周側に枠形状の外枠部を形成しておき、この外枠部と振動領域との間での応力伝達が抑えられる構成を採用することにより、振動領域への応力の影響を小さくするようにしている。また、振動領域を形成している中央部自身にも高い機械的強度が得られる構成を採用している。
【００１０】
−解決手段−
具体的には、励振電極が形成された薄肉の主振動部及びこの主振動部の外周囲においてこの主振動部よりも厚肉に形成された外縁部を備えた逆メサ構造の中央部と、この中央部の外縁部と所定間隔を存してこの中央部を囲むように形成された枠形状の外枠部と、これら中央部及び外枠部を部分的に連結する連結部とを圧電材料により一体形成して圧電振動デバイスを構成している。そして、この圧電振動デバイスにおける中央部の外縁部の厚さ寸法を外枠部の厚さ寸法よりも小さく設定すると共に、この中央部の外縁部の上下各面を外枠部の上下各面よりも厚さ方向の中央側に位置させる。また、上記連結部の厚さ寸法を外枠部の厚さ寸法よりも小さく設定すると共に、この連結部の上下各面を外枠部の上下各面よりも厚さ方向の中央側に位置させる。更に、上記連結部の厚さ寸法を中央部の外縁部の厚さ寸法よりも小さく設定すると共に、この連結部の上下各面を中央部の外縁部の上下各面よりも厚さ方向の中央側に位置させる構成としている。
【００１１】
上記中央部は逆メサ構造で構成されており、それ自身で高い機械的強度を備えているため、主振動部に対する外力等の影響を抑制できる。また、中央部の外周側には、外枠部が連結部を介して連結されている。このため、圧電振動デバイスの接着剤による接着箇所を外枠部とすることが可能となって、仮に接着剤の硬化収縮によって応力が発生したとしても、この応力の影響は外枠部に及ぶに止まり、中央部の主振動部にまで影響が及んでしまうことは殆どない。また、外枠部に外力が作用した場合であっても、この外力が中央部の主振動部にまで伝達されてしまうことも殆どない。このため、圧電振動デバイスの共振周波数が応力等の影響で変動してしまうといった状況は回避でき、所望の周波数特性を確保できる。また、圧電振動デバイスをパッケージ内に載置する際に外枠部のみがパッケージ内面に当接することになるので、中央部を浮かせた状態で搭載でき、主振動部の振動を良好に行わせることができる。更に、連結部の厚さ寸法を外枠部の厚さ寸法よりも小さく設定したことにより、外枠部から連結部を経て中央部へ伝播するバルク波の伝達経路を狭くすることになるため、このバルク波の伝播が抑制でき、これによって主振動部の振動に悪影響を及ぼす要因を除去できる。
【００１２】
圧電振動デバイスの細部の具体構成として、主振動部と外縁部との間に階段状の段部が形成されているため、外縁部に応力が作用した場合であっても、それを段部によって容易に緩和することができ局所的な応力集中を回避できる。更に、この構成において段部の段差を小さく設定すれば、この段部の表面に沿って引出電極を形成する場合に、引出電極の断線（電極膜の切れ）を回避しながらも電極膜の薄膜化を図ることができる。
【００１４】
また、中央部における応力感度「０」の位置で、連結部が中央部と外枠部とを連結する構成とした場合には、外枠部に外力が作用し、それが中央部まで伝わったとしても主振動部の振動特性には殆ど影響を与えないようにすることができる。
【００１５】
外枠部から中央部への振動波伝達を阻止する構成として以下のものが掲げられる。つまり、外枠部の表面と連結部の表面との間及び、中央部の表面と連結部の表面との間のうち少なくとも一方に、不連続部を介在させる。この構成によれば、外枠部の表面から連結部の表面へ伝播したり、連結部の表面から中央部の表面へ伝播する表面波を阻止することが可能になる。つまり、この表面波が外枠部や連結部を経て主振動部に伝播してこの主振動部の振動に悪影響を及ぼすといった状況が回避できる。
【００１６】
また、中央部を逆メサ構造とし、主振動部を外縁部の厚さ方向の略中央部に形成した場合には、圧電振動デバイスが表裏対称形状として成形されることになるため、パッケージ内に載置する際に圧電振動デバイスの表裏を認識しながら作業を行う必要が無くなり、パッケージへの組み付け作業性が向上する。
【００１７】
中央部の主振動部と外縁部との間に、主振動部と外縁部との接続部分に対してその片面側に開放する溝が中央部を囲む全周囲に亘って形成されることにより、主振動部から外縁部に向かって延び且つ主振動部の厚さ寸法に略一致する厚さ寸法を有して主振動部と補強部とを連結する緩衝部を形成している。この構成によれば、主振動部が外縁部の拘束力を受けることなしに振動することが可能となる。このため、圧電振動デバイスの小型化を図る場合に、主振動部と外縁部との間隔が十分に確保できない状況であっても、主振動部が外縁部の拘束力を受けてしまって共振特性が劣化してしまうといったことはなくなる。
【００１８】
また、中央部の主振動部と外縁部との間を部分的に切り離した場合にも、主振動部が外縁部の拘束力を受けることなしに振動することが可能となって共振特性は劣化しない。
また、主振動部の成形はウェットエッチング法により行われている。また、圧電振動デバイスは、パッケージ内に収納されるようになっており、上記外枠部がパッケージに接着剤によって支持される部分である。更に、連結部は、この連結部同士の間の部分に貫通孔をエッチング加工によって形成することにより成形されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、ＡＴカット水晶振動子を構成する水晶ウェハに本発明を適用した場合について説明する。
【００２０】
（第１実施形態）
先ず、第１実施形態について説明する。
【００２１】
−水晶ウェハ１の構成−
図１は、本形態に係る水晶ウェハ１の平面図、図２は図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。これら図に示すように、本形態に係る水晶ウェハ１は、主振動部２１を備えた逆メサ構造の中央部２と、これを取り囲む外枠部３とが複数のブリッジ（連結部）４，４…によって連結されて構成されている。
【００２２】
中央部２は、その中央部分に電極２２を形成するための凹部２３が表裏両面に形成されている。この凹部２３の中央部は極薄肉の主振動部（圧電振動領域）２１として形成されており、その表裏面には励振電極２２が形成され、この励振電極２２が図示しない引出電極により外部と接続されている。また、中央部２の外縁部は、主振動部２１に比較して数倍の厚さ寸法を有する補強部２４として形成されている。更に、主振動部２１と補強部２４との間の表裏両面には階段状の段部２５が形成されている。この段部２５は主振動部２１の機械的強度を十分に確保できるようにしたり外力の影響を緩和して局所的な応力集中を回避したりするためのものである。
【００２３】
各部分の厚さの一例として、６００ＭＨｚの基本振動周波数を得る場合、主振動部２１の厚さは３μｍ、補強部２４の厚さは約１０μｍ、主振動部２１の面積は約０．５ｍｍ２、励振電極２２の面積は約０．２ｍｍ２といった微細な構成となっている。このような凹部２３の主振動部２１の成形は後述するウェットエッチング法により行われる。また、電極２２の形成は真空蒸着法等により行われ、各電極材料としてはアルミニウムや銀等が用いられる。
【００２４】
一方、外枠部３は、この中央部２の外周囲を取り囲むように形成されていると共に、４本のブリッジ４，４，…を介して中央部２に連結されている。この構成により、中央部２の中央部に位置する主振動部２１は、中央部２の外縁部分である補強部２４に支持されているばかりでなくブリッジ４，４，…を介して外枠部３によっても支持されていることになり、高い機械的強度が確保されている。また、外枠部３は、水晶振動子のパッケージに接着剤によって支持される部分であるが、この部分と中央部２とはブリッジ４，４，…のみによって連結されているため、接着剤の凝固収縮などの影響によって外枠部３に反りなどの変形が生じたとしても、その変形の影響が中央部２には及び難い構成となっている。更に、ブリッジ４，４，…による中央部２と外枠部３との連結位置は、中央部２のＺ軸（図１において左右方向に延びる軸）に対して３０°の角度を存した応力感度が「０」の位置に設定されている。このため、外枠部３に外力が作用し、それが中央部２まで伝わったとしても振動特性には殆ど影響を与えないようになっている。
【００２５】
なお、図示していないが、このような圧電振動デバイスをアルミナ等のセラミックスからなるパッケージに収納し、各引出電極を外部に導出するための電気的接続を行い、蓋板にてパッケージ上面と気密接合することによって表面実装型の水晶振動子を得ることができる。
【００２６】
−水晶ウェハ１の加工方法−
次に、本形態に係る水晶ウェハ１の加工方法について説明する。図３〜図８は、この水晶ウェハ１の加工工程を示している。本水晶ウェハ１の加工工程としては、レジスト膜形成工程（図３）、予備エッチング工程（図４）、Ａｕ除去工程（図５）、リフトオフ工程（図６）、メインエッチング工程（図７）、電極形成工程（図８）から成る。各工程について以下に説明する。
【００２７】
＜レジスト膜形成工程＞
この工程では、先ず、水晶ウェハ１の上下面の全面に対してＣｒ及びＡｕの２層構造で成るレジスト膜Ｒを蒸着する（図３（ａ））。その後、上記ブリッジ４，４を形成するためにその間の貫通孔４１を形成する箇所のみを除いた全面に対してポジティブタイプのレジスト膜ＰＲ（以下、ポジレジスト膜と呼ぶ）を形成する（図３（ｂ））。この状態で、Ａｕエッチング液及びＣｒエッチング液によってそれぞれエッチングを行い、上記ポジレジスト膜ＰＲの存在しない部分のＡｕ層及びＣｒ層を除去する（図３（ｃ））。その後、ポジレジスト膜Ｐｒを除去して（図３（ｄ））、本レジスト膜形成工程を終了する。
【００２８】
＜予備エッチング工程＞
この工程では、上記レジスト膜形成工程においてＡｕ及びＣｒが除去された部分（ブリッジ４，４同士の間の貫通孔４１を形成する箇所）及び水晶ウェハ１の中央部分（主振動部２１となる部分）を除いた上下面の全体にポジレジスト膜ＰＲを形成する（図４（ａ））。その後、この水晶ウェハ１を水晶エッチング液に浸漬してエッチングを行う。これにより図４（ｂ）に示すように、ブリッジ４，４同士の間の貫通孔４１を形成する箇所のみが所定量だけエッチングされる。次に、Ａｕエッチング液及びＣｒエッチング液によってそれぞれエッチングを行い、上記ポジレジスト膜ＰＲの存在しない部分のＡｕ及びＣｒを除去する（図４（ｃ））。その後、ポジレジスト膜ＰＲを除去して（図４（ｄ））、本予備エッチング工程を終了する。
【００２９】
＜Ａｕ除去工程＞
この工程では、外枠部３を形成する部分の上下面の全体に対してネガティブタイプのレジスト膜ＮＲ（以下、ネガレジスト膜と呼ぶ）を形成する（図５（ａ））。その後、Ａｕエッチング液によってエッチングを行い、上記ネガレジスト膜ＮＲの存在しない部分のＡｕを除去する（図５（ｂ））。その後、ネガレジスト膜ＮＲを除去して（図５（ｃ））、本Ａｕ除去工程を終了する。
【００３０】
＜リフトオフ工程＞
この工程は、中央部２の中央に階段状の凹部を成形するべく階段状のＣｒ層を形成するための工程である。つまり、上記Ａｕ除去工程の終了時点で水晶ウェハ１上に残っているＣｒ層の一部分に対してＣｒを蒸着させることにより階段状のＣｒ層を形成するものである。このため、先ず、このＣｒを追加蒸着させる必要がある領域を除く全領域に対してネガレジスト膜ＮＲを形成する（図６（ａ））。この状態で、水晶ウェハ１の上下面に対してＣｒを蒸着させ、ネガレジスト膜ＮＲが存在しない部分のＣｒ層のみを厚肉の層にする（図６（ｂ））。その後、ネガレジスト膜ＮＲをリフトオフ法により除去して（図６（ｃ））、本リフトオフ工程Ａｕを終了する。これにより後述するメインエッチング工程を行うためのマスク層が形成されたことになる。
【００３１】
＜メインエッチング工程＞
この工程では、フッ酸＋フッ化アンモニウム溶液等のエッチング液によるウェットエッチングを行う。水晶ウェハ１の上下面のうちＣｒ層のない部分ではエッチングが早期に開始され、Ｃｒ層の薄い部ではエッチングが僅かに遅延して開始される。また、Ｃｒ層の厚い部分では殆どエッチングが行われない。このため、主振動部２１が所定の厚さ寸法になるまでエッチングされた状態では、図７（ｂ）に示すように、中央部２と外枠部３との間にはブリッジ４，４，…のみが残り、また、中央部２には階段状の段部２５が形成されることになる。
【００３２】
＜電極形成工程＞
本工程では、従来と同様の動作により電極形成が行われる。つまり、図８（ａ）に示すように、水晶ウェハ１の上下面の全面に対して電極材料（ＡｌまたはＡｇ）が蒸着された後、主振動部２１の電極形成部分及び引出電極部分（図示省略）をネガレジスト膜ＮＲによって覆う（図８（ｂ））。その後、図８（ｃ）に示すように、電極材料をエッチングなどによって除去し、更に、図８（ｄ）に示すように、ネガレジスト膜ＮＲを除去することにより、主振動部２１のみに電極材料が残り、これによって所定形状の励振電極２２が形成される。
【００３３】
以上の工程により図１及び図２に示すように、中央部２とそれを囲むように配設され且つブリッジ４，４，…によって中央部２に連結された外枠部３を有する水晶ウェハ１が形成される。
【００３４】
このように、本水晶ウェハ１のエッチング方法では、水晶ウェハ１の表面各部に形成されたマスク層のエッチングレート（Ｃｒ層の厚さ）を異ならせることによって、１回のエッチング工程によって段部２５を有する水晶ウェハ１を成形することができ、これによって、水晶ウェハ１の面荒れの防止、エッチング不良の回避、薄肉部分やその周辺部における破損の防止を図ることができ、安定した高品質の水晶ウェハ１を提供することが可能になる。また、互いに異なる材料で成るマスク層を使用することによって各マスク層のエッチングレートを異ならせるようにしてもよい。
【００３５】
尚、このようにして所定形状に成形された水晶ウェハ１の基本周波数の合わせ込みについては、上記エッチング動作の終了後にドライエッチング加工等によって行われる。また、上記エッチング動作のみで基本周波数の合わせ込みが可能である場合には、このエッチング動作の終了と同時に水晶ウェハ１が完成することになる。
【００３６】
そして、本形態の水晶ウェハ１は、上述した如く中央部２が逆メサ構造で構成されている。このため、この中央部２自身が高い機械的強度を備えているため、主振動部２１に対する外力等の影響を抑制できる。また、この中央部２の外周側には、外枠部３がブリッジ４，４，…を介して連結されている。このため、水晶振動子のパッケージに対する水晶ウェハ１の接着箇所を外枠部３とすることが可能となって、仮に接着剤の硬化収縮によって応力が発生したとしても、この応力の影響は外枠部３に及ぶに止まり、中央部２の主振動部２１にまで影響が及んでしまうことは殆どない。また、外枠部３に外力が作用した場合であっても、この外力が中央部２の主振動部２１にまで伝達されてしまうことも殆どない。このため、水晶ウェハ１の共振周波数が応力等の影響で変動してしまうといった状況は回避でき、所望の周波数特性を確保することができる。また、主振動部２１の外側に、補強部２４及び外枠部３から成る二重の枠材が存在する構成となっており、極めて高い機械的強度を得ることができる。
【００３７】
更に、主振動部２１と補強部２４との間には階段状の段部２５が形成されているため、補強部２４に応力が作用した場合であっても、それを容易に緩和することができ局部的な応力集中を回避できる。加えて、例えば図９に示すように段部２５の段数を多くし且つそれぞれの段差を小さく設定すれば、この段部２５の表面に沿って引出電極を形成する場合に、引出電極の断線（電極膜の切れ）を回避しながらも電極膜の薄膜化を図ることができる。
【００３８】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。本形態は、中央部２の形状の変形例であって、その他の構成は上述した第１実施形態のものと同様である。従って、ここでは第１実施形態との相違点についてのみ説明する。
【００３９】
図１０は本形態に係る水晶ウェハ１の断面図（図２に相当する図）である。この図に示すように、本形態の水晶ウェハ１は、中央部２の厚さ寸法が外枠部３の厚さ寸法よりも小さく設定されている。また、この中央部２の上下各面は外枠部３の上下各面よりも厚さ方向の中央側に位置している。つまり、中央部２の上下各面の位置は外枠部３の上下各面の位置よりも後退した位置に設定されている。
【００４０】
この構成によれば、水晶ウェハ１をパッケージ内に載置する際に外枠部３のみがパッケージ内面に当接し、中央部２を浮かせた状態で搭載することができる。このため、パッケージによって主振動部２１の振動が阻害されてしまうといった状況は生じず、主振動部２１の振動を良好に行わせることができる。
【００４１】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について説明する。上述した各実施形態は、中央部２を逆メサ構造としていた。本形態は、この中央部２をメサ構造としたものである。つまり、図１１（ａ）に示すように、中央の厚さ寸法を外縁部の厚さ寸法よりも大きく設定した形状として中央部２を構成したものである。また、本形態では、中央部２の外周部分に階段状の段部２５が形成されており、中央部２に応力が作用した場合であっても、それを段部２５によって容易に緩和することができ局所的な応力集中を回避できるようになっている。更に、この構成においても、段部２５の段差を小さく設定すれば、この段部２５の表面に沿って引出電極を形成する場合に、引出電極の断線（電極膜の切れ）を回避しながらも電極膜の薄膜化を図ることができる。また、この図１１（ａ）に示すものにあっては、上記第２実施形態のものと同様に、水晶ウェハ１の中央部２の厚さ寸法が外枠部３の厚さ寸法よりも小さく設定されていると共に、この中央部２の上下各面は外枠部３の上下各面よりも厚さ方向の中央側に位置している。つまり、中央部２の上下各面の位置は外枠部３の上下各面の位置よりも後退した位置に設定されて、水晶ウェハ１をパッケージ内に載置する際に外枠部３のみがパッケージ内面に当接するようになっている。
【００４２】
また、本形態の変形例としての図１１（ｂ）に示す水晶ウェハ１では、中央部２をメサ構造とし、且つ中央部２の外周部分に階段状の段部２５が形成されたものにおいて、水晶ウェハ１の中央部２の厚さ寸法が外枠部３の厚さ寸法よりも大きく設定されている。そして、この中央部２の上下各面が外枠部３の上下各面よりも厚さ方向の外側に位置したものとなっている。この構成によれば、例えば複数の水晶ウェハ１，１同士を重ね合わせてパッケージに搭載する場合に、互いに隣り合う外枠部３，３同士を接着することになるが、この接着領域の高さを適切に調整することによって複数の水晶ウェハ１，１の全体の高さ寸法を必要最小限に抑える（中央部２，２同士が接触することなしにできるだけ高さ寸法を小さくする）ことができ、パッケージの小型化を図ることができる。
【００４３】
（第４実施形態）
次に、第４実施形態について説明する。本形態は、外枠部３から中央部２への振動波伝達を阻止するための構成を採用したものであり、その他の構成は上述した第１実施形態のものと同様である。従って、ここでは第１実施形態との相違点についてのみ説明する。
【００４４】
図１２は本形態に係る水晶ウェハ１の断面図（ブリッジ４の配設位置での断面図）である。この図に示すように、本形態の水晶ウェハ１は、外枠部３の表面とブリッジ４の表面との間及び、中央部２の表面とブリッジ４の表面との間のそれぞれに不連続部となる凹部６，６が形成されている。この構成によれば、この凹部６，６によって表面波の伝播が阻止可能となり、この表面波が、外枠部３の表面からブリッジ４の表面へ伝播したり、ブリッジ４の表面から中央部２の表面へ伝播することを回避できる。つまり、この表面波が外枠部３やブリッジ４を経て主振動部２１に伝播してこの主振動部２１の振動に悪影響を及ぼすといった状況が回避できる。
【００４５】
尚、上述した各実施形態においても、外枠部３の表面とブリッジ４の表面との間及び、中央部２の表面とブリッジ４の表面との間は不連続な面（段部によって不連続とされている）となっているので、この構成においてもある程度の表面波振動の伝播は阻止可能である。
【００４６】
図１２に示す構成では、外枠部３の表面とブリッジ４の表面との高さ位置及び、中央部２の表面とブリッジ４の表面との高さ位置を互いに異ならせたものにおいて上記凹部６，６を形成していた。これに限らず、外枠部３の表面とブリッジ４の表面との高さ位置及び、中央部２の表面とブリッジ４の表面との高さ位置を同一高さ位置、つまり連続面として形成したものにおいて、上記凹部６，６を形成した場合であっても表面波の伝播を阻止することは可能である。
【００４７】
更に、図１２に示すものでは、ブリッジ４の厚さ寸法は外枠部３及び中央部２の補強部２４の各厚さ寸法に比べて極端に小さく設定されている。この構成によれば、ブリッジ４の断面積が小さく設定されることにより、外枠部３からブリッジ４を経て中央部２へ伝播するバルク波の伝達経路が狭くできるため、このバルク波の伝播が抑制でき、これによっても主振動部２１の振動に悪影響を及ぼす要因を除去できる。また、ブリッジ４の高さ位置が主振動部２１の高さ位置とは異なっていることによってもブリッジ４から主振動部２１へのバルク波の伝播を抑制することができる。更には、ブリッジ４の幅寸法を極端に小さく設定することによってもバルク波の伝達経路が狭くでき、主振動部２１の振動に悪影響を及ぼす要因を除去できる。
【００４８】
（第５実施形態）
次に、第５実施形態について説明する。図１３は本形態に係る水晶ウェハ１の断面図である。この図に示すように、本形態の水晶ウェハ１は、中央部２を逆メサ構造とし、主振動部２１を補強部２４の厚さ方向の略中央部に位置させている。この構成によれば、水晶ウェハ１を表裏対称形状として成形することになるため、パッケージ内に載置する際に水晶ウェハ１の表裏を認識しながら作業を行う必要が無くなり、パッケージへの組み付け作業性の向上を図ることができる。
【００４９】
（第６実施形態）
次に、第６実施形態について説明する。上述したようなエッチング加工によって逆メサ型の水晶ウェハ１を成形するに際し、そのエッチング量が比較的大きい場合には、図１４（ａ）に示すようにエッチングにより成形される凹部２３の縦壁２３ａが中央部２の中心に向かう傾斜面として成形されてしまうことになる。このため、図１４（ｂ）に示すように水晶ウェハ１の小型化を図る場合には、主振動部２１が振動するのに十分な面積は確保できず、主振動部２１が補強部２４の拘束力を受けてしまって共振特性が劣化してしまうことになる。本形態は、この課題を解決するためのものである。
【００５０】
図１５は本形態に係る水晶ウェハ１の中央部２のみを下面側から見た斜視図であり、図１６は主振動部２１と補強部２４との接続部分を示す断面図である。これらの図面に示すように、本形態の水晶ウェハ１は、中央部２の主振動部２１と補強部２４との間に、主振動部２１の厚さ寸法に略一致する厚さ寸法を有して主振動部２１と補強部２４とを連結する緩衝部５が備えられている。
【００５１】
具体的には、主振動部２１と補強部２４との接続部分に対し、その下面側に開放する溝５１を中央部２を囲む全周囲に亘って形成し、これによって主振動部２１から補強部２４に向かって斜め上方に延びる緩衝部５が形成されている。この構成によれば、主振動部２１が補強部２４の拘束力を受けることなしに振動することが可能となるため、共振特性の劣化がなくなる。
【００５２】
また、本形態の変形例として、図１７に示すように水晶ウェハ１の長手方向のみに溝５１を形成してもよい。
【００５３】
更には、図１８（水晶ウェハ１を下面側から見た斜視図）及び図１９（主振動部２１と補強部２４との接続部分の断面図）に示すように、上記溝５１に代えて貫通孔５２を形成してもよい。つまり、主振動部２１と補強部２４とを部分的に切り離すことによって、主振動部２１が補強部２４の拘束力を受けることなしに振動できるようにしている。
【００５４】
また、上記各構成を組み合わせることも可能である。つまり、主振動部２１と補強部２４との接続部分の一部を緩衝部５として構成し、他の部分を切り離すようにした構成である。
【００５５】
−その他の実施形態−
以上説明した各実施形態は何れもウエットエッチングによって水晶ウェハ１を所定形状に成形する場合について説明した。本発明はこれに限らず、ドライエッチングによって水晶ウェハ１を所定形状に成形する場合についても適用可能である。
【００５６】
更に、上述した各実施形態では圧電振動デバイスとして水晶ウェハを採用した場合について説明した。本発明はこれに限らずその他の圧電材料で成る圧電振動デバイスに対しても適用可能である。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、圧電振動デバイスの振動領域を形成する中央部の外周側に枠形状の外枠部を形成しておき、この外枠部と振動領域との間での応力伝達が抑えられる構成を採用している。また、振動領域を形成している中央部を逆メサ構造で構成することにより、この中央部自身にも高い機械的強度が得られるようにしている。このため、圧電振動デバイスの接着剤による接着箇所を外枠部とすることが可能となって、仮に接着剤の硬化収縮によって応力が発生したとしても、この応力の影響は外枠部に及ぶに止まり、中央部の主振動部にまで影響が及んでしまうことは殆どない。その結果、接着剤の塗布位置に高い精度は要求されず、高性能の製造装置が不要となると共に、接着剤塗布作業の高速化が可能となって加工効率の向上を図ることができる。
【００５８】
また、外枠部に外力が作用した場合であっても、この外力が中央部の主振動部にまで伝達されてしまうことも殆どない。このため、圧電振動デバイスの共振周波数が応力等の影響で変動してしまうといった状況は回避でき、所望の周波数特性を確保できて、圧電振動デバイスの信頼性の向上を図ることができる。
【００５９】
また、主振動部と外縁部との間に階段状の段部を形成しているため、外縁部に応力が作用した場合であっても、それを段部によって容易に緩和することができる。その結果、局所的な応力集中を回避でき、圧電振動デバイスの破損等を回避できて、その長寿命化を図ることができる。
【００６０】
更に、中央部における応力感度「０」の位置で、連結部が中央部と外枠部とを連結する構成とした場合には、外枠部に外力が作用し、それが中央部まで伝わったとしても主振動部の振動特性には殆ど影響を与えないようにすることができる。
【００６１】
加えて、外枠部の表面と連結部の表面との間及び中央部の表面と連結部の表面との間のうち少なくとも一方に不連続部を介在させたり、連結部の厚さ寸法を外枠部の厚さ寸法よりも小さく設定したことにより、主振動部へ向かう表面波やバルク波の伝播を効果的に阻止することができ、主振動部の振動特性を良好に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る水晶ウェハの平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図３】レジスト膜形成工程を示す工程図である。
【図４】予備エッチング工程を示す工程図である。
【図５】Ａｕ除去工程を示す工程図である。
【図６】リフトオフ工程を示す工程図である。
【図７】メインエッチング工程を示す工程図である。
【図８】電極形成工程を示す工程図である。
【図９】第１実施形態の変形例における水晶ウェハの断面図である。
【図１０】第２実施形態における水晶ウェハの断面図である。
【図１１】第３実施形態における水晶ウェハの断面図である。
【図１２】第４実施形態における水晶ウェハの断面図である。
【図１３】第５実施形態における水晶ウェハの断面図である。
【図１４】第６実施形態が解決しようとする課題を説明するための水晶ウェハの断面図である。
【図１５】第６実施形態に係る水晶ウェハを下面側から見た斜視図である。
【図１６】第６実施形態に係る水晶ウェハの主振動部と補強部との接続部分を示す断面図である。
【図１７】第６実施形態の変形例に係る水晶ウェハを下面側から見た斜視図である。
【図１８】第６実施形態の他の変形例に係る水晶ウェハを下面側から見た斜視図である。
【図１９】第６実施形態の他の変形例に係る図１６相当図である。
【図２０】従来例に係る水晶ウェハの斜視図である。
【符号の説明】
１ 水晶ウェハ
２ 中央部
２１ 主振動部
２４ 補強部（外縁部）
２５ 段部
３ 外枠部
４ ブリッジ（連結部）
５ 緩衝部
Claims (10)
- 励振電極が形成された薄肉の主振動部及びこの主振動部の外周囲においてこの主振動部よりも厚肉に形成された外縁部を備えた逆メサ構造の中央部と、この中央部の外縁部と所定間隔を存してこの中央部を囲むように形成された枠形状の外枠部と、これら中央部及び外枠部を部分的に連結する連結部とが圧電材料により一体形成されて成っており、
上記中央部の外縁部の厚さ寸法は外枠部の厚さ寸法よりも小さく設定されていると共に、この中央部の外縁部の上下各面は外枠部の上下各面よりも厚さ方向の中央側に位置しており、
また、上記連結部の厚さ寸法は外枠部の厚さ寸法よりも小さく設定されていると共に、この連結部の上下各面は外枠部の上下各面よりも厚さ方向の中央側に位置しており、
更に、上記連結部の厚さ寸法は中央部の外縁部の厚さ寸法よりも小さく設定されていると共に、この連結部の上下各面は中央部の外縁部の上下各面よりも厚さ方向の中央側に位置していることを特徴とする圧電振動デバイス。 - 請求項１記載の圧電振動デバイスにおいて、
主振動部と外縁部との間には階段状の段部が形成されていることを特徴とする圧電振動デバイス。 - 請求項１または２記載の圧電振動デバイスにおいて、
連結部は、中央部における応力感度「０」の位置で、この中央部と外枠部とを連結していることを特徴とする圧電振動デバイス。 - 請求項１〜３のうち何れか一つに記載の圧電振動デバイスにおいて、
外枠部の表面と連結部の表面との間及び、中央部の表面と連結部の表面との間のうち少なくとも一方には、不連続部が介在されていることを特徴とする圧電振動デバイス。 - 請求項１〜３のうち何れか一つに記載の圧電振動デバイスにおいて、
主振動部は外縁部の厚さ方向の略中央部に形成されていることを特徴とする圧電振動デバイス。 - 請求項１〜５のうち何れか一つに記載の圧電振動デバイスにおいて、
中央部の主振動部と外縁部との間には、主振動部と外縁部との接続部分に対してその下面側に開放する溝が中央部を囲む全周囲に亘って形成されることにより、主振動部から外縁部に向かって延び且つ主振動部の厚さ寸法に略一致する厚さ寸法を有して主振動部と外縁部とを連結する緩衝部が形成されており、この緩衝部の存在によって主振動部が外縁部の拘束力を受けることなしに振動可能な構成とされていることを特徴とする圧電振動デバイス。 - 請求項１〜６のうち何れか一つに記載の圧電振動デバイスにおいて、
中央部の主振動部と外縁部との間は、部分的に切り離されていることを特徴とする圧電振動デバイス。 - 請求項１〜７のうち何れか一つに記載の圧電振動デバイスにおいて、
主振動部の成形はウェットエッチング法により行われていることを特徴とする圧電振動デバイス。 - 請求項１〜８のうち何れか一つに記載の圧電振動デバイスにおいて、
パッケージ内に収納されるようになっており、外枠部がパッケージに接着剤によって支持される部分であることを特徴とする圧電振動デバイス。 - 請求項１〜９のうち何れか一つに記載の圧電振動デバイスにおいて、
連結部は、この連結部同士の間の部分に貫通孔をエッチング加工によって形成することにより成形されていることを特徴とする圧電振動デバイス。
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