JP3663845B2 - Crystal surface processing method and crystal piece manufacturing method - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水晶の表面加工に関し、例えば音叉型水晶振動子、縦振動水晶振動子や水晶センサ、水晶フィルタなどの水晶デバイスの製造において、特にフォトリソグラフィ技術を用いて水晶ウエハをエッチング加工により所望の形状に成形して、水晶片を製造するのに適した水晶の表面加工技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、水晶(人工水晶)は、携帯電話、ページャなどの通信機器、コンピュータ、ワープロなどの情報機器や各種電子制御装置、電子時計やビデオカメラなどの民生機器を含む様々な電子機器の分野において、振動子、発振器、フィルタ、センサなどの各種デバイスに使用されている。その中で、音叉型水晶振動子は、これら電子機器のクロック源として広く採用されている。一般に音叉型水晶振動子の製造は、先ず水晶原石をブロック状に切断し、かつこれを所定厚さのウエハ状に切り出した後、その表面を最終的に鏡面仕上げし、かつ所望の厚さに加工するウエハ加工の工程と、フォトリソグラフィ技術を用いてエッチングすることによりウエハを音叉形状に形成し、かつその上に電極及び配線パターンを成膜するエッチング加工の工程と、このようにして得られた水晶振動片を例えばハーメチック端子からなるプラグにマウントし、かつ周波数調整した後に真空ケース内に封止する工程とから構成される。
【0003】
前記ウエハ加工の工程では、図9のフロー図に示すように、ブロックから切り出した水晶ウエハの両面を、その際に生じた切断加工層を除去しかつ所定の板厚にするために、砥粒の粒径を順次細かくしながらラッピング加工する。これにより、前記ウエハの表面は、すりガラス状の比較的粗い所謂ラップ加工面になる。次に、このウエハをフッ化アンモニウム(NH4F)水溶液でエッチング加工することにより、そのラップ加工面の加工変質層を除去しかつ洗浄すると同時に、所望の厚さに調整する。これにより、前記ウエハ表面には、非常に細かい凹凸は存在するが光の乱反射が比較的少ない所謂梨地状の面(以下、梨地面という)が得られる。
【0004】
この場合のエッチング量は、前記加工変質層を除去するために、例えばGC#2000程度の砥粒で加工する場合、ウエハの片面につきそれぞれ約10μmまたはそれ以上が必要とされる。しかしながら、このようにNH4F水溶液によるエッチング量を多くすると、前記ウエハの表面には、図10に示すような水晶の結晶面の向きに対応した三角錘状のヒロックと呼ばれる突起3が多数発生し、エッチング時間に応じて大きく成長すると共にその数も増す。このため、ウエハ表面を均質な梨地面に維持することができず、後の工程で耐食膜をウエハ表面に形成して音叉形状にエッチング加工するのに十分な品質の表面粗さが得られなくなる。
【0005】
そこで従来は、次にシリカ、酸化セリウムなどのより微細な砥粒やエッチング液を混合した研磨剤を用いてポリッシング加工を行い、ヒロックを除去してウエハ表面を高品質の鏡面状に加工する。更にウエハを洗浄した後、弗酸とフッ化アンモニウムとの混合水溶液(以下、緩衝弗酸という)で軽くエッチングして(片面につきエッチング量約0.5〜1μm)、ポリッシング加工による加工歪みを除去し、かつ前記ウエハを最終的に所望の高品質な鏡面、平坦度及び厚さに仕上げる。その後、このウエハをリンスして仕上げし、汚れ、傷、クラックなどを検査する。これにより、後の音叉形状へのエッチング加工工程で、ウエハ表面とその上に成膜される耐食膜との間に十分な密着性が得られる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の水晶の表面加工技術を用いた音叉型水晶振動片の製造方法は、ウエハ加工工程において、ウエハのポリッシング加工に要する時間が非常に長く、またNH4F水溶液によるエッチングでウエハの厚さが既に薄くなっているので、ポリッシングの際にウエハに割れや欠けなどの損傷を生じ易く、加工作業がデリケートかつ面倒で多大の労力が要求されると共に、歩留まりが低下し、製造コストが増大するという問題があった。
【0007】
そこで、本発明は、上述した従来の問題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、水晶材料の表面を平滑に加工する場合に、該水晶材料の用途や使用条件などの要求に応じて、ポリッシング加工を行うことなく、しかもそれに見合うような、実質的にヒロックや微小突起が無い良好な表面粗さ及び平坦度を、簡単に得ることができる水晶の表面加工方法を提供することにある。
【0008】
更に、本発明の目的は、エッチング加工により水晶ウエハを所望の形状に成形する水晶片の製造方法において、ウエハ加工工程における従来のポリッシング加工を省略することができ、それによりウエハ加工に要する時間を短縮し、作業を簡単にしかつ労力を軽減し、歩留まりの向上及び製造コストの低減を図ることができ、しかも従来のポリッシング加工に見合うような、実質的にヒロックや微小突起が無い良好な表面粗さ、平坦度及び厚さに水晶片を加工することができる、簡単で安価な方法を提供することにある。特に、本発明は、音叉型水晶振動片の製造に好適な方法の提供を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明の水晶の表面加工方法は、上述した目的を達成するためのものであり、水晶材料の表面をラッピングする過程と、ラッピングした前記水晶材料の表面を弗酸でエッチングする過程とを含むことを特徴とする。
【0010】
弗酸は、NH4F水溶液と同様にエッチング剤として常温常圧下で水晶を溶解し得ることは周知である。NH4F水溶液及びNH4F系のエッチング液がエッチング面にヒロックを発生させ、かつこれがエッチング時間に応じて大きく成長するのに対し、弗酸は、エッチング面がエッチング量の多少によらず略一定の状態に維持されるという特徴がある。このため、本発明によれば、前記ラッピングによる水晶材料のラップ加工面を、弗酸エッチングにより凹凸が非常に細かく光の乱反射が比較的少ない梨地面にすることができ、しかもそのエッチング量によらず、常にヒロックのない略一定品質の良好な梨地面の状態を維持できる。従って、水晶材料のエッチング加工のみで、ラッピングによる加工変質層を除去し、該水晶材料の用途、使用条件などの要求に応じた高品質の平滑性を有する面状態が得られる。
【0011】
この弗酸による水晶材料表面のエッチング過程において、界面活性剤を添加した弗酸をエッチング液として使用すると、その表面張力が下がって、より均一なエッチング処理が行われ、全体としてより均質な面状態が得られるので好都合である。
【0012】
更に、本発明の水晶の表面加工方法は、弗酸による前記エッチング後に、水晶材料を緩衝弗酸により仕上げエッチングする過程を更に含むことを特徴とする。一般に弗酸によるエッチングでは、水晶材料のエッチング面に乳頭状の微小突起が発生し易く、梨地面の平滑性を損なう虞がある。そこで、緩衝弗酸によりヒロックが発生しない程度に軽い仕上げエッチングを行うことによって、前記微小突起を取り除き、かつ梨地面より更に平滑で高品質な所謂艶消し面を得ることができる。
【0013】
また、本発明によれば、所定寸法の水晶ウエハをラッピングする過程と、このラッピングした水晶ウエハを弗酸により所望の厚さにエッチングする過程と、この弗酸によりエッチングした水晶ウエハをエッチングにより所望の形状に成形する過程とを含むことを特徴とする水晶片の製造方法が提供される。
【0014】
ラッピングした水晶ウエハは、弗酸のエッチング加工のみにより、ラップ加工面からラッピングによる加工変質層を除去し、所望の厚さに調整すると共に、後の所望形状へのエッチング成形工程で要求される平滑性を満足する高品質の梨地面が得られる。この場合にも、弗酸による水晶ウエハのエッチング過程において、界面活性剤を添加した弗酸をエッチング液として使用すると、より均一なエッチング処理によってより均質な面状態が得られるので好都合である。
【0015】
また、ウエハ表面に、上述したような弗酸エッチングによる乳頭状の微小突起が発生すると、この水晶ウエハを後の成形工程でエッチングする際に、前記微小突起の部分が耐食膜やレジスト保護膜で十分に覆われず、そのためにエッチピットが発生する虞がある。本発明によれば、水晶ウエハを弗酸中で揺動させながらエッチングを行うと、前記微小突起の発生を抑制できるので好都合である。
【0016】
更に、本発明の水晶片の製造方法は、弗酸によりエッチングした前記水晶ウエハを、前記所望の形状に成形する前に、緩衝弗酸によりエッチングする過程を更に含むことを特徴とする。ヒロックが発生しない程度の緩衝弗酸による軽い仕上げエッチングを行うことによって、水晶ウエハの表面に生じた微小突起を取り除きかつ該ウエハ表面をより平坦に加工して、前記梨地面より更に平滑な艶消し面を得ることができる。
【0017】
好ましくは、弗酸によりエッチングした前記水晶ウエハを、前記緩衝弗酸による仕上げエッチングの前に洗浄する。これにより、弗酸によるエッチング後に水晶ウエハ表面に析出したり付着した異物や汚れを予め除去できるので、より一層高度な仕上げエッチングを効果的に行うことができる。特に、純水を用いた超音波洗浄を行うことにより、緩衝弗酸によるエッチングでも容易に除去できない微小な析出物や異物、汚れを水晶ウエハ表面から除去することができる。
【0018】
本発明によれば、このようにして所望の形状に成形した前記水晶ウエハの表面に、フォトリソグラフィ技術を用いて電極及び配線パターンを成膜することによって、水晶振動子、水晶センサ、水晶フィルタなどの水晶デバイスを構成する水晶素子片を得ることができる。特に、水晶ウエハを音叉形状に成形することによって、音叉型水晶振動子のための水晶振動片が得られる。
【0019】
水晶ウエハを音叉形状その他所望の形状にエッチング加工する場合、本発明によれば、上述した工程により得られた平滑な水晶ウエハ表面に成膜されるCr膜とその上に積層されるAu膜との2層構造の耐食膜を形成すると好都合である。更に、本発明によれば、前記耐食膜の上にフォトレジスト膜を厚く形成すると、ヒロックや微小突起の部分もフォトレジスト膜で十分に覆われて保護されることになり、前記エッチピットの発生を防止できるので好都合である。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明について添付図面を参照しつつ好適な実施例を用いて詳細に説明する。
図1は、本発明による音叉型水晶振動片の製造工程の好適な実施例を示している。先ず、図9に関連して上述した従来の工程と同様に、人工水晶の原石を所定寸法・形状のブロックに切断し、面取り、研磨などにより外形を整えた後、例えばマルチブレードソーを用いて所定の板厚のウエハに切り出す。このときの水晶ウエハの板厚は、後のラッピング加工のための研磨代及びエッチング加工におけるエッチング量を考慮して決定する。次に、両面研磨機を用いて前記水晶ウエハの表面をラッピングし、粗い砥粒から徐々に細かい砥粒(例えば、GC#2000程度)に移行しながら、ウエハ切断時の加工層を取り除き、かつ所定のウエハ厚さ及び表面状態に加工する。このときに得られるすりガラス状の比較的粗い表面状態は、上述したようにラップ加工面と呼ばれる。
【0021】
本実施例によれば、前記ラッピング加工を終えた水晶ウエハは、洗浄した後に弗酸を用いて粗エッチングする。このとき、弗酸に僅かな量の界面活性剤を添加してエッチング液の表面張力を下げかつその温度を約45℃前後に調整すると、前記ウエハのラップ加工面を均一にエッチングすることができる。この粗エッチングにより、前記水晶ウエハの表面から加工変質層を除去しかつ更に該ウエハを所望の厚さに調整する。エッチング量は、前記ラッピング加工の際に生じた加工変質層が除去できるように設定され、通常例えばGC#2000の砥粒で加工した場合、片面につき約10μmまたはそれ以上が必要である。
【0022】
次に、本実施例では、前記ウエハ表面を洗浄した後、従来と同様に緩衝弗酸によりエッチングを行い、仕上げ加工する。特に水晶振動片の製造では、その性質上純水を用いた超音波洗浄が好ましい。別の実施例では、純水に代えてエタノール、イソプロピルアルコールなどを用いることができる。緩衝弗酸は、NH4F系のエッチング液であるので、エッチング量は、ヒロックが発生しないように片面につき数μm、例えば5μm程度が好都合である。
【0023】
弗酸が、上述したNH4F水溶液と同様に常温常圧下で水晶を溶解し得るエッチング剤であることは、当業者に周知である。前記粗エッチングにより得られるウエハの表面状態は、非常に細かい凹凸が存在する上述した梨地面であるが、従来のNH4F水溶液によるエッチングの梨地面よりも、幾分光の乱反射が少なく平滑で良好な面である。これは、NH4F水溶液によるエッチングの場合には、上述したようにエッチング時間に応じてヒロックが大きくなり、エッチング面の状態が粗くなるからである。これに対し、弗酸の場合には、エッチング面の状態がエッチング量の多少によらず略一定である。このため、前記粗エッチング加工において、そのエッチング量がウエハ毎に異なっても、常に略一定品質の面状態が得られ、しかもその得られた梨地面の状態を維持できる利点がある。
【0024】
しかしながら、弗酸によるエッチングの場合、水晶ウエハのエッチング面1に図2A、Bに示すような乳頭状の微小突起2が発生することがある。この微小突起2は、前記エッチング面に三角錘状に表れる水晶の結晶構造の頂点から突出するように形成される。このため、後の工程において音叉形状にエッチング加工するために耐食膜をウエハ表面に形成すると、この耐食膜が前記微小突起の部分では薄くなりまたは成膜しないために、この部分がエッチング液に浸食されて、ウエハ表面にエッチピットが発生する虞がある。本願発明者は、前記粗エッチングを弗酸中で水晶ウエハを揺動させながら行うと、前記微小突起の発生を抑制できることを確認した。
【0025】
更に、本発明によれば、弗酸による粗エッチング後に緩衝弗酸による仕上げエッチングを行うことによって、水晶ウエハの表面に生じた微小突起を取り除き、かつ該ウエハ表面をより平滑に加工することができる。これにより得られるウエハの表面状態は、従来のポリッシング加工による鏡面状程ではないが、前記梨地面から更に凹凸が減って光の乱反射がより少ない、後の音叉形状へのエッチング加工で要求される平滑度を十分に満足する所謂艶消し面である。
【0026】
特に本実施例では、緩衝弗酸による仕上げエッチングの前に水晶ウエハ表面を洗浄することにより、仕上げエッチングの際のウエハ表面に存在する微小な異物や汚れに起因する微小突起の発生が防止されることを、本願発明者は確認した。これは、弗酸による粗エッチング後にウエハ表面に析出したり付着した異物や汚れで、緩衝弗酸によっても容易に除去し得ない微小なものまでが除去されたからと考えられ、より確実により高品質で十分な平滑度の艶消し面が得られる。
【0027】
図3は、実際に図2の水晶ウエハに対して緩衝弗酸によりエッチング量1.0μmの仕上げエッチングを行った後の表面状態を示している。この時点では、前記微小突起が実質的に除去されてはいるが、平滑性は前記粗エッチング後の梨地面と略同程度で、それほど高くなっていない。図4は、更に緩衝弗酸で仕上げエッチングを続け、エッチング量が3.5μmになったときの表面状態を示している。前記微小突起は完全に解消し、かつ表面全体がより平滑になっている。小さなヒロックが若干発生しているとはいえ、実用上問題無い程度のものであり、後の音叉形状へのエッチング加工でエッチピットの発生原因になるような大きさのヒロックは、全く認められない。
【0028】
本願発明者は、緩衝弗酸で水晶ウエハをエッチングした場合に、そのエッチング量に対するウエハ表面の粗さを測定する実験を行った。図5は、エッチング量に対する表面粗さ即ち凹凸の最大値(Rmax )の変化を示し、図6は、同じくエッチング量に対する凹凸の平均値(Ra )の変化を示している。また、本願発明者は、緩衝弗酸でエッチングした水晶ウエハを後の工程で音叉形状にエッチング加工した場合に、そのエッチング量に対するエッチピットの発生を測定する実験を行った。図7は、エッチング量に対する単位面積(1mm2 )当たりのエッチピット数の変化を示している。これらの実験結果から、エッチング量が約1.5〜4μmの範囲で、凹凸が最も小さくなり、エッチピット数が最も少なくかつそのばらつきが最も小さくなり、好ましいことが分かった。
【0029】
このようにして前記粗エッチング加工及び仕上げエッチングを終えた水晶ウエハは、リンスによりエッチング液を洗い流した後、図8に示すような工程に従って音叉形状にエッチング加工する。先ず、ウエハ表裏両面にCr膜とAu膜とをスパッタリングにより積層して耐食膜を形成する。前記Cr膜及びAu膜は、真空蒸着により形成することもできる。次に、前記耐食膜の上にレジスト膜を塗布し、これをプリベークした後、フォトマスクを用いて表裏両面を同時に露光し、現像し、所定の温度でポストベークして、所定の音叉形状にパターニングする。このレジスト膜を保護膜として前記耐食膜をエッチングし、前記音叉形状にパターニングする。本発明によれば、前記レジスト膜を耐食膜上に通常より厚く、例えば約1〜2μmの膜厚に形成すると好都合である。これにより、次の工程で水晶ウエハを音叉形状にエッチングする際に、前記ヒロックや微小突起の部分における前記Cr膜及びAu膜が厚いレジスト膜で保護されるので、エッチピットの発生が防止される。
【0030】
次に、弗酸をエッチング液として前記水晶ウエハをエッチングし、音叉形状に形成する。更に、ウエハ上に残存する前記レジスト膜、Cr膜及びAu膜を剥離し、洗浄すると、所望の音叉形状を有する水晶ウエハが得られる。最後に、前記音叉形状の各素子片にCr層とAu層とをスパッタリングにより成膜して電極膜を形成し、従来と同様にフォトリソグラフィ技術を用いて所定の電極及び配線パターンを形成する。このようにして得られた各水晶振動片は、ハーメチック端子からなるプラグにマウントされ、周波数調整を行った後に、円筒形の金属ケース内に真空封止されて、音叉型水晶振動子が完成する。
【0031】
以上、本発明についてその好適な実施例を用いて詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。また、当然ながら、本発明は、音叉型水晶振動子だけでなく、縦振動水晶振動子や水晶発振器、水晶センサ、水晶フィルタなどの各種水晶デバイスの製造において、フォトリソグラフィ技術を用いて水晶ウエハをエッチング加工により所望の形状に成形して、水晶片を製造する場合に、同様に適用することができる。更に本発明は、水晶を材料として、その用途に応じて、上述したヒロックや微小突起のない高品質の表面加工が必要とされる様々な分野に応用することができる。弗酸によるエッチング後で緩衝弗酸による仕上げエッチング前に行う洗浄は、水晶の加工条件、用途などにより、上述した純水の超音波洗浄以外に、純水を水晶表面に、必要に応じて衝撃的に、吹き付ける方法など、様々な洗浄方法を用いることができる。
【0032】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明の水晶の表面加工方法によれば、ラッピング加工した水晶材料に、弗酸によるエッチング加工を行うことによって、更にポリッシング加工を施すことなく、ラッピングによる加工変質層を除去すると共に、ヒロックのない平滑な梨地面が得られる。更に、必要に応じて、弗酸によるエッチング後に、緩衝弗酸による仕上げエッチングを行うことによって、ヒロック及び弗酸エッチングにより発生する乳頭状の微小突起を解消し、より平滑な艶消し面が得られる。このように水晶材料の用途、使用条件などの要求に応じて、これを満足する面状態を比較的簡単に得ることができるので、表面加工に要する時間の大幅な短縮、労力の軽減、及びコストの低減を達成することができる。
【0033】
また、本発明の水晶片の製造方法によれば、水晶ウエハのラッピング加工後に、従来のNH4F水溶液に代えて、弗酸により所望の厚さにエッチングすることによって、従来のポリッシング加工を省略することができ、水晶ウエハのエッチング加工のみで、ラッピングによる加工変質層を除去し、所望の厚さに調整すると同時に、後で所望の音叉形状などへのエッチング加工に要求される平滑度を満足する表面が得られるので、ウエハ加工に要する時間を大幅に短縮し、その作業を簡単にしかつ労力を軽減し、歩留まりの向上及び製造コストの低減を図ることができる。
【0034】
更に本発明によれば、弗酸でエッチング加工した水晶ウエハを緩衝弗酸でヒロックが発生しない程度にエッチングして仕上げ処理を行うことにより、又は洗浄した後に前記仕上げ処理を行うことにより、弗酸エッチングにより得られた梨地面をより平坦に加工することができ、後の所望形状へのエッチング工程でウエハ表面にエッチピットが発生するのを防止できるので、歩留まりをより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法により水晶ウエハを加工する工程を示すフロー図である。
【図2】A図は弗酸による粗エッチング後の水晶ウエハの表面状態を3500倍に拡大した写真、B図はその表面状態を側方から模した図である。
【図3】図2の水晶ウエハに対して緩衝弗酸によりエッチングを1.0μm行った後の表面状態を3500倍に拡大した写真である。
【図4】図2の水晶ウエハに対して緩衝弗酸によりエッチングを3.5μm行った後の表面状態を3500倍に拡大した写真である。
【図5】ウエハの緩衝弗酸によるエッチング量に対する表面粗さの最大値(Rmax )の変化を示す線図である。
【図6】ウエハの緩衝弗酸によるエッチング量に対する表面粗さの平均値(Ra )の変化を示す線図である。
【図7】ウエハの緩衝弗酸によるエッチング量に対する単位面積当たりのエッチピット数の変化を示す線図である。
【図8】図1の工程に継続して、本発明の方法により水晶ウエハに音叉形状を形成する工程を示すフロー図である。
【図9】従来の水晶ウエハを加工する工程を示すフロー図である。
【図10】A図はNH4F水溶液による粗エッチング後の水晶ウエハの表面状態を3500倍に拡大した写真、B図はその表面状態を側方から模した図である。
【符号の説明】
1 エッチング面
2 微小突起
3 突起(ヒロック)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to surface processing of quartz, and for example, in the manufacture of crystal devices such as tuning fork crystal resonators, longitudinal vibration crystal resonators, crystal sensors, crystal filters, and the like. The present invention relates to a crystal surface processing technique suitable for manufacturing a crystal piece.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, crystals (artificial crystals) are used in the field of various electronic devices including communication devices such as mobile phones and pagers, information devices such as computers and word processors, various electronic control devices, and consumer devices such as electronic watches and video cameras. Used in various devices such as vibrators, oscillators, filters, and sensors. Among them, tuning fork crystal resonators are widely adopted as clock sources for these electronic devices. In general, the tuning fork crystal unit is manufactured by first cutting a rough crystal into a block shape, cutting it into a wafer having a predetermined thickness, and finally mirror-finishing the surface to a desired thickness. The wafer processing step to be processed, the etching step of forming a wafer into a tuning fork shape by etching using photolithography technology, and forming an electrode and a wiring pattern thereon are obtained in this way. The crystal vibrating piece is mounted on a plug made of, for example, a hermetic terminal, and the frequency is adjusted and then sealed in a vacuum case.
[0003]
In the wafer processing step, as shown in the flowchart of FIG. 9, in order to remove the cut processing layer generated at that time and to obtain a predetermined plate thickness on both surfaces of the crystal wafer cut out from the block, Lapping is performed while gradually reducing the particle size of the particles. As a result, the surface of the wafer becomes a so-called lapped surface having a relatively frosted glass shape. Next, the wafer is etched with an aqueous solution of ammonium fluoride (NH 4 F) to remove and clean the work-affected layer on the lapping surface, and at the same time, the wafer is adjusted to a desired thickness. As a result, a so-called satin-like surface (hereinafter referred to as a satin-like surface) is obtained in which the surface of the wafer has very fine irregularities but has relatively little diffused reflection of light.
[0004]
In this case, in order to remove the work-affected layer, for example, when processing with abrasive grains of about GC # 2000, about 10 μm or more is required for each side of the wafer. However, when the etching amount by the NH4F aqueous solution is increased in this way, a large number of projections 3 called hillocks having a triangular pyramid shape corresponding to the crystal plane direction of the crystal as shown in FIG. The number grows with increasing etching time. For this reason, the wafer surface cannot be maintained on a uniform textured surface, and a surface roughness with a quality sufficient to form a corrosion-resistant film on the wafer surface in a later process and etch it into a tuning fork shape cannot be obtained. .
[0005]
Therefore, conventionally, polishing is then performed using an abrasive mixed with finer abrasive grains such as silica and cerium oxide and an etching solution to remove hillocks, and the wafer surface is processed into a high-quality mirror surface. After cleaning the wafer, it is lightly etched with a mixed aqueous solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride (hereinafter referred to as buffered hydrofluoric acid) (the etching amount is about 0.5 to 1 μm per side) to remove processing distortion caused by polishing. Finally, the wafer is finished to the desired high quality mirror surface, flatness and thickness. Thereafter, the wafer is rinsed and finished and inspected for dirt, scratches, cracks, and the like. Thereby, sufficient adhesion is obtained between the wafer surface and the corrosion-resistant film formed thereon in the subsequent etching process step into the tuning fork shape.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional method for manufacturing a tuning-fork type crystal vibrating piece using the surface processing technology for quartz crystal requires a very long time for polishing the wafer in the wafer processing step, and the thickness of the wafer is reduced by etching with an NH4F aqueous solution. Is already thinned, it is easy to cause damages such as cracks and chips on the wafer during polishing, and the processing work is delicate and cumbersome, requiring a lot of labor, reducing the yield and increasing the manufacturing cost. There was a problem to do.
[0007]
Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and the object of the present invention is to use the crystal material in terms of its application and use conditions when the surface of the crystal material is processed smoothly. A quartz surface processing method that can easily obtain good surface roughness and flatness that is substantially free of hillocks and micro-protrusions, without any polishing process, is provided on demand. There is to do.
[0008]
Furthermore, an object of the present invention is to eliminate the conventional polishing process in the wafer processing step in the manufacturing method of the crystal piece for forming the crystal wafer into a desired shape by etching, thereby reducing the time required for the wafer processing. Good surface roughness, which can shorten, simplify work, reduce labor, improve yield and reduce manufacturing cost, and is substantially free of hillocks and micro-projections that are compatible with conventional polishing processes. Another object of the present invention is to provide a simple and inexpensive method capable of processing a crystal piece in flatness and thickness. In particular, an object of the present invention is to provide a method suitable for manufacturing a tuning fork type quartz crystal vibrating piece.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The quartz surface processing method of the present invention is for achieving the above-described object, and includes a process of lapping the surface of the quartz material and a process of etching the lapped surface of the quartz material with hydrofluoric acid. It is characterized by.
[0010]
It is well known that hydrofluoric acid can dissolve quartz crystal under normal temperature and pressure as an etchant, similar to NH4F aqueous solution. The NH4F aqueous solution and NH4F-based etching solution generate hillocks on the etched surface, which grows greatly depending on the etching time, whereas hydrofluoric acid has a substantially constant state regardless of the amount of etching. It is maintained. For this reason, according to the present invention, the lapping surface of the quartz material by lapping can be made into a satin surface with very fine irregularities and relatively little light irregular reflection by hydrofluoric acid etching, and depending on the etching amount. Therefore, it is possible to always maintain a good pear-ground state with almost constant quality without hillocks. Therefore, the processed layer due to lapping is removed only by etching of the quartz material, and a surface state having high quality smoothness in accordance with requirements such as the use and use conditions of the quartz material can be obtained.
[0011]
In this etching process of quartz material surface with hydrofluoric acid, if hydrofluoric acid with surfactant added is used as the etchant, the surface tension is lowered and more uniform etching treatment is performed, resulting in a more uniform surface state as a whole. Is advantageous.
[0012]
Furthermore, the quartz surface processing method of the present invention further includes a step of finishing etching the quartz crystal material with buffered hydrofluoric acid after the etching with hydrofluoric acid. In general, etching with hydrofluoric acid tends to cause nipple-like microprotrusions on the etched surface of the quartz material, which may impair the smoothness of the textured surface. Therefore, by performing finish etching that is light enough to prevent hillocks from being generated by buffered hydrofluoric acid, it is possible to remove the fine protrusions and obtain a so-called matte surface that is smoother and higher quality than the satin surface.
[0013]
Further, according to the present invention, a process of lapping a quartz wafer having a predetermined dimension, a process of etching the lapped crystal wafer to a desired thickness with hydrofluoric acid, and etching the crystal wafer etched with hydrofluoric acid are desired. And a step of forming the crystal piece into a shape.
[0014]
For the lapped quartz wafer, only the etching process of hydrofluoric acid is used to remove the work-affected layer due to lapping from the lapping surface, adjust to the desired thickness, and smoothness required in the subsequent etching molding process to the desired shape High quality pear ground satisfying the characteristics can be obtained. Also in this case, it is advantageous to use a hydrofluoric acid to which a surfactant is added as an etchant in the etching process of the quartz wafer with hydrofluoric acid, because a more uniform surface state can be obtained by a more uniform etching process.
[0015]
Further, when a nipple-like microprojection is generated on the wafer surface by the hydrofluoric acid etching as described above, when the quartz wafer is etched in a later molding process, the microprojection portion is a corrosion-resistant film or a resist protective film. There is a risk that etch pits may occur due to insufficient coverage. According to the present invention, it is advantageous to perform the etching while the quartz crystal wafer is swung in hydrofluoric acid because the generation of the fine protrusions can be suppressed.
[0016]
Furthermore, the method for producing a crystal piece according to the present invention further includes a step of etching the crystal wafer etched with hydrofluoric acid with buffered hydrofluoric acid before forming the crystal wafer into the desired shape. By performing a light finish etching with buffered hydrofluoric acid that does not cause hillocks, the fine protrusions generated on the surface of the quartz wafer are removed and the wafer surface is processed to be flatter, so that the matte surface is smoother than the matte surface. You can get a plane.
[0017]
Preferably, the quartz wafer etched with hydrofluoric acid is cleaned before the final etching with buffered hydrofluoric acid. As a result, foreign matters and dirt deposited or adhered to the surface of the quartz wafer after etching with hydrofluoric acid can be removed in advance, so that even more advanced finish etching can be performed effectively. In particular, by performing ultrasonic cleaning using pure water, it is possible to remove fine precipitates, foreign matter, and dirt that cannot be easily removed by etching with buffered hydrofluoric acid from the surface of the quartz wafer.
[0018]
According to the present invention, a crystal resonator, a crystal sensor, a crystal filter, and the like are formed by forming electrodes and a wiring pattern on the surface of the crystal wafer formed into a desired shape in this way using a photolithography technique. Crystal element pieces constituting the crystal device can be obtained. In particular, a crystal vibrating piece for a tuning fork type crystal resonator can be obtained by forming a crystal wafer into a tuning fork shape.
[0019]
When etching a quartz wafer into a tuning fork shape or other desired shape, according to the present invention, a Cr film formed on the smooth quartz wafer surface obtained by the above-described process, and an Au film laminated thereon It is convenient to form a corrosion-resistant film having a two-layer structure. Further, according to the present invention, when a thick photoresist film is formed on the corrosion-resistant film, hillocks and microprojections are sufficiently covered and protected by the photoresist film, and the generation of the etch pits occurs. This is convenient.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail using preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows a preferred embodiment of a manufacturing process of a tuning-fork type crystal vibrating piece according to the present invention. First, in the same manner as the conventional process described above with reference to FIG. 9, the artificial quartz ore is cut into blocks of a predetermined size and shape, and the outer shape is adjusted by chamfering, polishing, etc., and then using, for example, a multi-blade saw. Cut into a wafer with a predetermined plate thickness. The thickness of the quartz wafer at this time is determined in consideration of the polishing allowance for the subsequent lapping process and the etching amount in the etching process. Next, the surface of the quartz wafer is lapped using a double-side polisher, and the processing layer at the time of wafer cutting is removed while gradually shifting from coarse abrasive grains to fine abrasive grains (for example, about GC # 2000), and Processing to a predetermined wafer thickness and surface condition. The ground glass-like relatively rough surface state obtained at this time is called a lapping surface as described above.
[0021]
According to the present embodiment, the quartz wafer that has been subjected to the lapping is cleaned and then roughly etched using hydrofluoric acid. At this time, if a small amount of surfactant is added to hydrofluoric acid to lower the surface tension of the etching solution and the temperature is adjusted to about 45 ° C., the lapping surface of the wafer can be etched uniformly. . By this rough etching, the work-affected layer is removed from the surface of the quartz wafer, and the wafer is further adjusted to a desired thickness. The etching amount is set so that the work-affected layer generated during the lapping process can be removed. When processed with, for example, GC # 2000 abrasive grains, about 10 μm or more per side is required.
[0022]
Next, in this embodiment, after the wafer surface is cleaned, etching is performed with buffered hydrofluoric acid in the same manner as in the prior art, and finishing is performed. In particular, in the manufacture of a quartz crystal vibrating piece, ultrasonic cleaning using pure water is preferable because of its properties. In another embodiment, ethanol, isopropyl alcohol, or the like can be used instead of pure water. Since buffered hydrofluoric acid is an NH 4 F-based etching solution, the etching amount is advantageously several μm per side, for example, about 5 μm so as not to cause hillocks.
[0023]
It is well known to those skilled in the art that hydrofluoric acid is an etching agent that can dissolve crystal under normal temperature and pressure, similar to the NH4F aqueous solution described above. The surface state of the wafer obtained by the rough etching is the above-mentioned textured surface with very fine irregularities, but it is smooth and good with less specular reflection than the conventional textured surface of etching with NH4F aqueous solution. Surface. This is because in the case of etching with an NH4F aqueous solution, as described above, hillocks increase with the etching time, and the etched surface becomes rough. On the other hand, in the case of hydrofluoric acid, the state of the etched surface is substantially constant regardless of the amount of etching. For this reason, in the rough etching process, even if the etching amount varies from wafer to wafer, there is an advantage that a surface state with a substantially constant quality can be obtained at all times and that the obtained pear ground state can be maintained.
[0024]
However, in the case of etching with hydrofluoric acid, a papillary microprotrusion 2 as shown in FIGS. 2A and 2B may occur on the etching surface 1 of the quartz wafer. The minute protrusions 2 are formed so as to protrude from the apex of the crystal structure of the quartz crystal that appears in a triangular pyramid shape on the etched surface. For this reason, when a corrosion-resistant film is formed on the wafer surface for etching into a tuning fork shape in a later process, the corrosion-resistant film becomes thin or does not form at the portion of the minute protrusion, and this portion is eroded by the etching solution. As a result, etch pits may occur on the wafer surface. The inventor of the present application has confirmed that the generation of the fine protrusions can be suppressed by performing the rough etching while oscillating the crystal wafer in hydrofluoric acid.
[0025]
Further, according to the present invention, fine etching generated on the surface of the quartz wafer can be removed and the wafer surface can be processed more smoothly by performing finish etching with buffered hydrofluoric acid after rough etching with hydrofluoric acid. . The surface state of the wafer thus obtained is not as high as the mirror-like surface by the conventional polishing process, but is required for the subsequent etching process to a tuning fork shape in which unevenness is further reduced from the matte surface and less diffused light is reflected. It is a so-called matte surface that sufficiently satisfies the smoothness.
[0026]
In particular, in this embodiment, the quartz wafer surface is cleaned before the finish etching with buffered hydrofluoric acid, thereby preventing the occurrence of minute projections due to minute foreign matters and dirt existing on the wafer surface during the finish etching. This inventor confirmed this. This is thought to be because foreign matter and dirt deposited or adhered to the wafer surface after the rough etching with hydrofluoric acid were removed, even minute ones that could not be easily removed with buffered hydrofluoric acid, and more reliably with higher quality. A matte surface with sufficient smoothness can be obtained.
[0027]
FIG. 3 shows the surface state after the final etching with an etching amount of 1.0 μm is actually performed on the quartz wafer of FIG. 2 with buffered hydrofluoric acid. At this point, the microprotrusions are substantially removed, but the smoothness is substantially the same as the textured surface after the rough etching and is not so high. FIG. 4 shows the surface state when the final etching is continued with buffered hydrofluoric acid and the etching amount is 3.5 μm. The microprotrusions are completely eliminated and the entire surface is smoother. Although small hillocks are generated, there is no practical problem, and no hillocks that are large enough to cause etch pits in the subsequent etching process to the tuning fork shape are recognized. .
[0028]
When the quartz wafer is etched with buffered hydrofluoric acid, the inventors of the present application conducted an experiment to measure the roughness of the wafer surface with respect to the etching amount. FIG. 5 shows the change of the surface roughness, that is, the maximum value (Rmax) of the unevenness with respect to the etching amount, and FIG. 6 shows the change of the average value (Ra) of the unevenness with respect to the etching amount. In addition, when the quartz wafer etched with buffered hydrofluoric acid is etched into a tuning fork shape in a later process, the inventor of the present application conducted an experiment to measure the generation of etch pits with respect to the etching amount. FIG. 7 shows the change in the number of etch pits per unit area (1 mm 2 ) with respect to the etching amount. From these experimental results, it was found that it is preferable that the unevenness is the smallest, the number of etch pits is the smallest, and the variation is the smallest when the etching amount is in the range of about 1.5 to 4 μm.
[0029]
The quartz wafer that has been subjected to the rough etching and finish etching in this manner is rinsed off with an etchant and then etched into a tuning fork according to the process shown in FIG. First, a Cr film and an Au film are laminated on the front and back surfaces of the wafer by sputtering to form a corrosion resistant film. The Cr film and the Au film can also be formed by vacuum deposition. Next, after applying a resist film on the corrosion-resistant film and pre-baking it, both the front and back surfaces are simultaneously exposed using a photomask, developed, and post-baked at a predetermined temperature to obtain a predetermined tuning fork shape. Pattern. Using the resist film as a protective film, the corrosion-resistant film is etched and patterned into the tuning fork shape. According to the present invention, it is advantageous to form the resist film on the corrosion-resistant film to be thicker than usual, for example, to a thickness of about 1 to 2 μm. As a result, when the quartz wafer is etched into a tuning fork shape in the next step, the Cr film and the Au film at the hillocks and minute projections are protected by a thick resist film, thereby preventing the occurrence of etch pits. .
[0030]
Next, the quartz wafer is etched using hydrofluoric acid as an etchant to form a tuning fork shape. Further, when the resist film, Cr film and Au film remaining on the wafer are peeled off and washed, a quartz wafer having a desired tuning fork shape is obtained. Finally, a Cr layer and an Au layer are formed on each tuning-fork-shaped element piece by sputtering to form an electrode film, and predetermined electrodes and wiring patterns are formed using a photolithography technique as in the conventional case. Each crystal vibrating piece obtained in this way is mounted on a plug made of a hermetic terminal, and after adjusting the frequency, it is vacuum-sealed in a cylindrical metal case to complete a tuning fork type crystal resonator. .
[0031]
Although the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments thereof, as will be apparent to those skilled in the art, the present invention is implemented with various modifications and changes within the technical scope thereof. be able to. Naturally, the present invention is not limited to a tuning fork type crystal resonator, but also in the manufacture of various crystal devices such as a longitudinal vibration crystal resonator, a crystal oscillator, a crystal sensor, and a crystal filter. The same can be applied to the case where a crystal piece is manufactured by forming into a desired shape by etching. Furthermore, the present invention can be applied to various fields that require high-quality surface processing without the above-mentioned hillocks and microprojections, using quartz as a material, depending on the application. The cleaning performed after etching with hydrofluoric acid and before the final etching with buffered hydrofluoric acid, in addition to the above-described ultrasonic cleaning of pure water, depending on the processing conditions and applications of the crystal, impact pure water on the crystal surface as necessary. In particular, various cleaning methods such as a spraying method can be used.
[0032]
【The invention's effect】
Since this invention is comprised as mentioned above, there exists an effect as described below.
According to the quartz surface processing method of the present invention, the lapping-processed quartz material is etched with hydrofluoric acid, thereby removing the work-affected layer by lapping without further polishing, and without hillocks. A smooth pear ground is obtained. Furthermore, if necessary, finish etching with buffered hydrofluoric acid after etching with hydrofluoric acid eliminates nipple-like microprojections generated by hillock and hydrofluoric acid etching, and a smoother matte surface can be obtained. . In this way, according to the requirements of the quartz material application, usage conditions, etc., it is possible to obtain a surface state that satisfies this relatively easily, greatly reducing the time required for surface processing, reducing labor, and cost. Reduction can be achieved.
[0033]
In addition, according to the method for manufacturing a quartz piece of the present invention, after lapping the quartz wafer, the conventional polishing process can be omitted by etching to a desired thickness with hydrofluoric acid instead of the conventional NH4F aqueous solution. A surface that satisfies the smoothness required for etching processing to the desired tuning fork shape, etc. at the same time as removing the damaged layer by lapping and adjusting to the desired thickness by etching the quartz wafer. Therefore, the time required for wafer processing can be greatly shortened, the work can be simplified and labor can be reduced, and the yield can be improved and the manufacturing cost can be reduced.
[0034]
Further, according to the present invention, the quartz wafer etched with hydrofluoric acid is etched to the extent that hillocks are not generated with buffered hydrofluoric acid, and the finishing process is performed after cleaning, or by performing the finishing process after washing. The pear ground obtained by etching can be processed more flatly, and it is possible to prevent the occurrence of etch pits on the wafer surface in the subsequent etching process to a desired shape, so that the yield can be further improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a process of processing a quartz wafer by the method of the present invention.
FIG. 2A is a photograph in which the surface state of a quartz wafer after rough etching with hydrofluoric acid is magnified 3500 times, and FIG. 3B is a diagram simulating the surface state from the side.
FIG. 3 is a photograph of the surface state after etching 1.0 μm with buffered hydrofluoric acid on the quartz wafer of FIG. 2 enlarged 3500 times.
4 is a photograph of the surface state of the quartz wafer of FIG. 2 magnified 3500 times after etching with buffered hydrofluoric acid for 3.5 μm.
FIG. 5 is a diagram showing a change in the maximum value (Rmax) of the surface roughness with respect to the etching amount of the wafer by buffered hydrofluoric acid.
FIG. 6 is a diagram showing the change in the average value (Ra) of the surface roughness with respect to the etching amount of the wafer by buffered hydrofluoric acid.
FIG. 7 is a diagram showing the change in the number of etch pits per unit area with respect to the etching amount of the wafer by buffered hydrofluoric acid.
FIG. 8 is a flowchart showing a process of forming a tuning fork shape on a quartz wafer by the method of the present invention, following the process of FIG. 1;
FIG. 9 is a flowchart showing a process of processing a conventional quartz wafer.
FIG. 10A is a photograph of the surface state of a crystal wafer after rough etching with an NH 4 F aqueous solution enlarged 3500 times, and FIG. 10B is a diagram simulating the surface state from the side.
[Explanation of symbols]
1 Etching surface 2 Microprojection 3 Protrusion (hillock)

Claims (11)

水晶材料の表面をラッピングする過程と、ラッピングした前記水晶材料の表面を弗酸でエッチングする過程と、弗酸によりエッチングした前記水晶材料の表面を緩衝弗酸により1.5〜4μmのエッチング量でエッチングする過程とを含むことを特徴とする水晶の表面加工方法。The process of lapping the surface of the quartz material, the process of etching the lapped surface of the quartz material with hydrofluoric acid, and the surface of the quartz material etched with hydrofluoric acid at an etching amount of 1.5 to 4 μm with buffered hydrofluoric acid A method of surface processing of quartz, comprising a step of etching . 弗酸による前記エッチング過程において、界面活性剤を添加した弗酸をエッチング液に使用することを特徴とする請求項記載の水晶の表面加工方法。In the etching process by hydrofluoric acid, the surface processing method of the crystal of claim 1, wherein the use of hydrofluoric acid containing a surfactant to the etchant. 所定寸法の水晶ウエハをラッピングする過程と、ラッピングした前記水晶ウエハを弗酸により所望の厚さにエッチングする過程と、弗酸によりエッチングした前記水晶ウエハを緩衝弗酸により1.5〜4μmのエッチング量でエッチングする過程と、緩衝弗酸によりエッチングした前記水晶ウエハをエッチングにより所望の形状に成形する過程とを含むことを特徴とする水晶片の製造方法。A process of lapping a quartz wafer of a predetermined size, a process of etching the lapped crystal wafer to a desired thickness with hydrofluoric acid, and etching the crystal wafer etched with hydrofluoric acid to 1.5 to 4 μm with buffered hydrofluoric acid A method for producing a crystal piece, comprising: a step of etching by a quantity; and a step of forming the crystal wafer etched by buffered hydrofluoric acid into a desired shape by etching. 弗酸によりエッチングした前記水晶ウエハを、前記緩衝弗酸によりエッチングする前に、洗浄する過程を更に含むことを特徴とする請求項記載の水晶片の製造方法。4. The method for manufacturing a crystal piece according to claim 3 , further comprising a step of cleaning the crystal wafer etched with hydrofluoric acid before etching with the buffered hydrofluoric acid. 前記洗浄が純水を用いた超音波洗浄であることを特徴とする請求項記載の水晶片の製造方法。The method for producing a crystal piece according to claim 4, wherein the cleaning is ultrasonic cleaning using pure water. 弗酸による前記エッチング過程において、弗酸中で前記水晶ウエハを揺動させながらエッチングを行うことを特徴とする請求項3乃至5のいずれか記載の水晶片の製造方法。6. The method for manufacturing a crystal piece according to claim 3 , wherein in the etching process using hydrofluoric acid, etching is performed while rocking the crystal wafer in hydrofluoric acid. 弗酸による前記エッチング過程において、界面活性剤を添加した弗酸をエッチング液に使用することを特徴とする請求項3乃至6のいずれか記載の水晶片の製造方法。7. The method for manufacturing a crystal piece according to claim 3 , wherein hydrofluoric acid added with a surfactant is used as an etching solution in the etching process using hydrofluoric acid. フォトリソグラフィ技術を用いて、前記所望の形状に成形した前記水晶ウエハの表面に電極及び配線パターンを成膜することを特徴とする請求項3乃至7のいずれか記載の水晶片の製造方法。8. The method for producing a crystal piece according to claim 3 , wherein an electrode and a wiring pattern are formed on the surface of the crystal wafer formed into the desired shape by using a photolithography technique. 前記所望の形状が、音叉型水晶振動片の音叉形状であることを特徴とする請求項3乃至8のいずれか記載の水晶片の製造方法。9. The method for manufacturing a crystal piece according to claim 3 , wherein the desired shape is a tuning fork shape of a tuning fork type crystal vibrating piece. 前記水晶ウエハを前記所望の形状に成形する前記過程において、前記水晶ウエハ表面に成膜されるCr膜とその上に積層されるAu膜とからなる耐食膜を形成する過程を含むことを特徴とする請求項3乃至9のいずれか記載の水晶片の製造方法。The step of forming the crystal wafer into the desired shape includes a step of forming a corrosion-resistant film composed of a Cr film formed on the surface of the crystal wafer and an Au film laminated thereon. The manufacturing method of the crystal piece in any one of Claim 3 thru | or 9 . 前記水晶ウエハを前記所望の形状に成形する前記過程において、前記耐食膜の上に厚いフォトレジスト膜を形成することを特徴とする請求項10記載の水晶片の製造方法。11. The method for manufacturing a crystal piece according to claim 10 , wherein a thick photoresist film is formed on the corrosion-resistant film in the step of forming the crystal wafer into the desired shape.
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