JP4435758B2 - 水晶片の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は水晶片の製造方法に関し、特に水晶片の側面をその表面及び裏面に対して垂直に形成して、ＣＩ劣化及び温度特性不良が抑えられた水晶片を得る技術に関する。

水晶振動子は例えば、水晶片（水晶ブランク）と、その水晶片の表面及び裏面に各々設けられた対となる励振用の電極（励振電極）とを有する素子であり、前記励振電極に電圧を印加すると、水晶の圧電逆効果によって結晶振動が励起される特性を利用し、周波数や時間の基準源として発振器等の電子部品に広く用いられている。

従来の水晶振動子の製造工程としては、先ず例えば水晶により構成されるウエハから所定の形状例えば短冊形（長方形）の多数の水晶片が切り離され、切り離された各水晶片は所望の周波数特性を得るためにエッチングされてその厚さが調整される。前記エッチング後、水晶片は洗浄処理を受け、続いてその表面及び裏面に前記励振電極が形成され、また例えばその表面から側面を介して裏面に跨るように、各励振電極に電気的に接続される一対の引き出し電極が形成される。このように各電極が形成され、水晶振動子として構成された水晶片は、例えばパッケージによって封止されて、前記引き出し電極が当該パッケージに設けられた電極と電気的に接続され、製品として出荷される。

しかし近年、水晶片の小型化が進み、水晶片の大きさに合せて前記エッチング処理を行うためのパレット及び洗浄処理を行うための前記パレットを成型することが困難になり、その結果として既述のエッチング処理及び洗浄処理を水晶片の面内で均一に行うことが難しくなっている。

このような理由により、先ずウエハＷの水晶片の形成領域が所定の厚さとなるようにエッチングにより成形した後、水晶片とウエハとを接続する接続部が残るように水晶片の形成領域の周に沿ってエッチングを行い、ウエハの表裏を貫通する溝（貫通孔）を形成して水晶片の外形を形成する。続いて水晶片が前記接続部によりウエハに固定された状態で洗浄を行った後、前記溝（貫通孔）を利用して既述のような水晶片の表裏に跨る電極を形成し、然る後、ウエハから水晶片を切り離すことが検討されている。

上記のように水晶片の外形を形成する際のウエハＷについて図９を用いて説明する。このウエハＷはＡＴカットされた水晶により構成されており、その水晶層１１の表面及び裏面には当該水晶層１１をエッチングするためのマスクとなる金属膜１２が夫々成膜されている。各金属膜１２には例えば長方形の水晶片を切り出すために水晶片の形成領域に沿って、水晶層１１が露出するように四角枠状のマスクパターン１２ａが開口している。なお各金属膜１２の上部にはマスクパターン１２ａを形成するために成膜されたレジスト膜１３が設けられている。図中マスクパターン１２ａは１つしか示していないが、実際には鎖線で囲まれる領域であるデバイス形成エリア１４全体に例えば間隔をおいて多数形成されている。また図中Ｘ及びＺ’の各矢印は水晶の結晶軸を示しており、マスクパターン１２ａはこれらの結晶軸に沿って形成されている。

ところでウエハＷを構成する水晶としては水晶振動子が常温付近で使用されるにあたり、良好な周波数安定性が得られるなどの利点があることから主に既述のＡＴカットされた水晶が用いられる。しかしＡＴカットされた水晶は異方性を有しており、エッチングを行い水晶片の外形を形成する際にこの異方性により次のような問題が起こる。

図１０は、ＡＴカットされた水晶からなるウエハＷが例えばフッ酸を含む溶液に浸漬され、図１０中鎖線の矢印で示す縦断面がパターン１２ａに沿ってエッチングされる様子を示したものである。Ｚ’軸について図中表側から見たウエハＷの右側を＋Ｚ方向、左側を-Ｚ方向と夫々呼ぶことにすると、図１０(ａ)〜（ｃ）に示すようにウエハＷの表面側から裏面側に向かって進むエッチングにおいては-Ｚ方向のエッチング速度が、+Ｚ方向のエッチング速度に比べて速く、従って+Ｚ方向から-Ｚ方向に向けて斜めにエッチングされる。またウエハＷの裏面側から表面側に向かって進むエッチングにおいては+Ｚ方向のエッチング速度が、-Ｚ方向のエッチング速度に比べて速く、従って-Ｚ方向から+Ｚ方向に向けて斜めにエッチングされる。その結果としてエッチング終了後、図１０（ｄ）に示すように水晶片のＸ方向に伸びる側面には突起１５が残ってしまう。

図１１（ａ）〜（ｃ）にはエッチング時のマスクパターン１２ａにおける水晶層１１を拡大して示している。上記のようにエッチングが進むのは、これらの図に示すように水晶層１１の結晶の配列方向が斜めに向かっており、この結晶の配列方向に従ってエッチングが進行するためである。

周波数が高く小型の水晶片の側面は、その表面及び裏面に対して垂直に形成されることが好ましく、上述のようにその側面に突起１５が形成されると、その水晶片のＣＩ（クリスタルインピーダンス）劣化及び温度特性不良が生じるおそれがある。また、既述のようにエッチングを行い水晶片の外形を形成した後、例えばスパッタなどにより水晶片１３に金属膜を形成して既述の引き出し電極を形成する場合、突起１５により水晶片側面の表面積が予定した面積よりも大きくなるため、当該側面において形成される金属膜の厚さが予定した厚さよりも小さくなり、従って当該金属膜の電気抵抗が予定した値よりも高くなる。その結果として水晶振動子のＣＩ値（等価抵抗値）が高くなり（劣化し）、振動損失が大きくなるおそれがある。

なお特許文献１及び特許文献２には水晶の異方性の影響が抑えられ、水晶表面が滑らかになるようにエッチングを行う技術について記載されているが、上述のように水晶片の側面については着目されておらず、記載されている発明は上述の問題を解決できるものではない。

特開平８−２４２１３４（段落００１７、段落００２０） 特開２００５−６４５８２（段落００３３、段落００３４）

本発明の課題は、異方性を有する水晶により構成される基板をエッチングして水晶片の外形を形成するにあたり、水晶片の表面及び裏面に対してその側面を垂直に形成して、ＣＩ劣化及び温度特性不良を抑えることができる水晶片の製造方法を提供することである。

本発明の水晶片の製造方法は、水晶からなる基板の板面に設けられた、水晶片形成領域の外形に沿って基板が露出する外形用開口領域を備えたエッチングマスクを用いて、基板をエッチング液によりエッチングし、これにより水晶片の外形を形成し、一面からエッチングするときには水晶の異方性により水晶片における互いに対向する両側面となる前記水晶片形成領域の両側面のうちの一方の側面に向かう横方向のエッチング速度が他方の側面に向かう横方向のエッチング速度よりも大きく、他面からエッチングするときには前記他方の側面に向かう横方向のエッチング速度が一方の側面に向かう横方向のエッチング速度よりも大きい水晶片の製造方法において、
前記水晶片形成領域の前記一方の側面に対応する外形用開口領域については、前記他面側のみに形成するように、また前記水晶片形成領域の前記他方の側面に対応する外形用開口領域については前記一面側のみに形成するように基板の両面にエッチングマスクを形成する工程と、
基板をエッチング液に浸漬し、前記水晶片形成領域の前記一方の側面を前記他面側からのエッチングにより、また前記水晶片形成領域の前記他方の側面を前記一面側からエッチングすることで水晶片の外形を形成する工程と、
エッチングマスクを除去する工程と、
を含むことを特徴とする。

この水晶片の製造方法は、例えば前記エッチングマスク除去後に基板の一部を切削し、水晶片を基板から分離する工程をさらに含み、また例えば水晶片は長方形であり、前記一面側及び／又は他面側の外形用形成領域はコ字型に形成される。前記基板は例えばＡＴカットされた水晶により構成されている。

本発明の水晶片の製造方法によれば、水晶片の側面が、その表面及び裏面に対して高い垂直性を有するように形成され、当該側面に突起が形成されることが抑えられる。その結果として、この水晶片及び当該水晶片を用いて製造される水晶振動子のＣＩ劣化及び温度特性不良が抑えられる。

続いて本発明の一実施の形態を示す。この実施の形態においてはＡＴカットされた水晶により構成される基板であるウエハＷから、図１に示す水晶振動子２を製造する手順について説明する。図１（ａ）、（ｂ）は夫々水晶振動子２の表面、裏面を示しており、当該水晶振動子の表面、裏面は夫々同様のレイアウトとなるように構成されている。図中２１は長方形（短冊形）に形成された水晶片であり、図中２２，２３は水晶振動子２の表面の中央、裏面の中央に夫々設けられた一対の励振電極である。図中２４，２５は引き出し電極であり、水晶片２１の表面及び裏面において励振電極２２，２３と夫々一体的に形成されている。引き出し電極２４（２５）は励振電極２２（２３）から夫々当該水晶片２１の外方に展伸され、水晶片２１の側面を介して水晶片２２の裏面（表面）に跨るように形成されている。

図２はウエハＷの表面を示している。図中点線で囲まれる領域は水晶振動子２が形成される領域１０１〜１０４を示しており、各領域はウエハＷの結晶軸であるＸ軸及びＺ’軸に並行する線分により囲まれる四角形の領域として設定される。なお従来技術の説明と同様にこの図２以降の図中の説明で、Ｚ’軸についてウエハＷを表側から見た右側を+Ｚ方向、左側を-Ｚ方向と夫々呼ぶ。また実際は水晶振動子２が形成される領域は１０１〜１０４の４つだけではなく、図中鎖線で囲まれるデバイス形成領域２７全体に亘り各々間隔をおいて設定されており、後述する各処理はこのデバイス形成領域２７全体に対して行われる。

続いて前記ウエハＷから水晶振動子２が形成される工程について図３〜図５を用いて順次説明する。図３は、前記ウエハＷに各処理が行われることにより図２中矢印Ａ−Ａ’で示される、水晶振動子形成領域１０１，１０２の縦断面が変化する様子を示している。先ず図３（ａ）、（ｂ）に示すようにウエハＷの水晶層２０の表面、裏面にはスパッタによりＣｒ（クロム）及びＡｕ（金）からなる金属膜３１，３２が夫々成膜され、続いて図３（ｃ）に示すように金属膜３１，３２上には夫々レジスト膜３３，３４が成膜される。

ウエハＷは、領域１０１〜１０４の形状に応じたパターンマスクを用いて露光された後に現像され、各水晶振動子２の形成領域１０１〜１０４におけるレジスト膜３３が除去される。続いて除去されずに残ったレジスト膜３３をマスクとして各領域１０１〜１０４における金属膜３１がエッチングされて除去される（図３（ｄ））。然る後、水晶層２０から形成される水晶片２１が所望の周波数特性を備えるように、金属膜３１をマスクとして領域１０１〜１０４の水晶層２０がエッチングされ、当該水晶層２０の厚さが調整される（図３（ｅ））。前記エッチング後、例えばウエハＷの表面側のレジスト膜３３、裏面側の金属膜３２及び裏面側のレジスト膜３４が剥離され、図示しないプローブを用いて水晶層２０に対してその周波数特性の確認が行われる（図３（ｆ））。

以降の工程については水晶振動子形成領域１０１について図を参照しながら説明する。図４（ａ）に示すように前記確認を終えたウエハＷの表面、裏面には例えばスパッタにより、水晶片２１の外形を形成するために行うエッチングのマスクとなるＣｒ及びＡｕからなる金属膜４１、金属膜４２が夫々成膜され、続いて金属膜４１，４２上にレジスト膜４３，４４が夫々成膜される。しかる後、これらのレジスト膜４３，４４が露光、現像され、各レジスト膜４３，４４に所定のレジストパターンが形成され、このレジストパターンに沿って金属膜４１，４２がエッチングされて、金属膜４１，４２に水晶層２０が露出するように、外形用開口領域をなすマスクパターン４５、４６が夫々形成される（図４（ｂ））。

図６（ａ）、（ｂ）は、既述のようにマスクパターン４５，４６が形成されたウエハＷの表面、裏面を夫々示したものである。この図に示すようにウエハＷの表面のマスクパターン４５は、水晶振動子形成領域１０１〜１０４において、各領域の縁部に沿い、且つ形成しようとする水晶片２１の外周に沿ってコ字型に形成されており、そのコ字型の縦板部はウエハＷを表面側からエッチングする際に遅くエッチングが進行する+Ｚ方向側に形成されている。またウエハＷの裏面のマスクパターン４６は領域１０１〜１０４において、各領域の縁部に沿い、且つ形成しようとする水晶片２１の外周に沿ってコ字型に形成されており、そのコ字型の縦板部はウエハＷを裏面側からエッチングする際に遅くエッチングが進行する、-Ｚ方向側に形成されている。

図７は、マスクパターン４５、４６の夫々の位置関係を示している。この図から分かるように、この水晶振動子形成領域１０１の周縁の一部にはパターン４５，４６のいずれも掛けられていない。これは後述のようにパターン４５，４６に沿ってエッチングを行い水晶片２１の外形を形成した後、この領域１０１の周縁の一部がエッチングされずに水晶片２１とウエハＷとを接続する接続部として残り、この接続部により当該水晶片２１がウエハＷから切り離されず、その位置が固定されるようにするためである。

図４（ｂ）に戻って、既述のようにマスクパターン４５，４６が形成された後、例えばウエハＷは、エッチング液であるフッ酸を含む溶液に浸漬されてマスクパターン４５，４６に沿って水晶層２０がエッチングされ、溝部５１、５２が夫々形成される。図４（ｃ）、（ｄ）に示すように溝部５１のＸ軸方向に伸びる部分において-Ｚ方向は、+Ｚ方向よりも速くエッチングが進行する。

また溝部５２のＸ軸方向に伸びる部分において+Ｚ方向は-Ｚ方向よりも速くエッチングが進行する。このようにエッチングが進行することにより溝部５１，５２の領域１０１の内方に向かう側の側壁、つまり水晶片２１の側面となる領域は、高い垂直性を持つように形成される。

エッチングが進行する途中、溝部５１，５２は互いに接続され、一本の溝部５３となり、溝部５３を介して金属膜４１，４２が露出し、水晶片２１の外形が形成されると、エッチングが終了する（図４（ｅ））。

水晶片２１の外形が形成された後の各工程について図５を参照しながら説明する。図５では、図示の便宜上図４では省略した溝部５３の開口部を省略せずに示している。先ず図５（ａ）に示すように水晶層２０の表面及び裏面からレジスト膜４３，４４及び金属膜３１，４１，４６が除去され、しかる後、各水晶片２１に電極を形成するためにウエハＷの表面及び裏面は洗浄処理される。洗浄処理後、例えばスパッタにより水晶層２０の表面、裏面に、図１で示した励振電極２２，２３及び引き出し電極２４，２５を構成する金属膜６１，６２が夫々形成される（図５（ｂ））。この金属膜６１，６２は溝部５３を介して、水晶片２１の側面にも跨るように形成される。
続いて前記各金属膜６１，６２上に夫々レジスト膜６３，６４が形成され、このレジスト膜６３，６４は露光、現像されることにより水晶片２１の励振電極２２，２３及び引き出し電極２４，２５の形状に夫々対応するように成形される（図５（ｃ））。そしてこれらの成形されたレジスト膜６３，６４をマスクとして金属膜６１，６２をエッチングし、励振電極２２，２３及び引き出し電極２４，２５が形成され（図５（ｄ））、これらの各電極形成後にレジスト膜６３，６４が除去される。

レジスト膜６３，６４除去後、例えばレーザーダイシングによりウエハＷと水晶片２１とを接続する接続部を切削し、水晶片２１をウエハＷから切り離すことにより水晶振動子２が形成される。水晶振動子２は例えば図８（ａ）、（ｂ）のようにパッケージ７に封入されて出荷される。図中７１はパッケージ７内に設けられた一対の電極であり、導電性接着剤７２を介して引き出し電極２４，２５に電気的に接続される。図中７３はパッケージ７の下部に設けられた電極であり、パッケージ７内の配線を介して前記電極７１に電気的に接続されている。

本実施形態においては、異方性を有するＡＴカットされたウエハＷの表面及び裏面にエッチングマスクとなる金属膜４１，４２を形成し、ウエハＷ表面の金属膜４１に、水晶振動子形成領域の+Ｚ方向側を囲むようにコ字型のパターン４５を形成して水晶層２０を露出させ、またウエハＷ裏面の金属膜４２に、水晶振動子形成領域の-Ｚ方向側を囲むようにコ字型のパターン４６を形成して水晶層２０を露出させた後、各パターン４５，４６に沿ってエッチングを行っている。このようにエッチングを行うことにより、パターン４５のＸ軸に沿った部分においては水晶片２１に向かう-Ｚ方向側が+Ｚ方向側に比べて速くエッチングが進行し、またパターン４６のＸ軸に沿った部分においては水晶片２１に向かう+Ｚ方向側が、-Ｚ方向側に比べて速くエッチングが進行する。その結果として水晶片２１の側面は当該水晶片２１の表面及び裏面に対して高い垂直性を有するように形成され、また当該側面に突起の形成が抑えられる。従ってこの水晶片２１及び当該水晶片２１を含む水晶振動子２において、ＣＩ劣化及び温度特性不良が抑えられる。

また本実施形態においては水晶片２１に電極２２〜２５を形成した後に各水晶片２１をウエハＷから切り離しているため、各水晶片２１についてのハンドリング性が向上することで、この切り離しまでに行われる各水晶片２１の厚さを調整するためのエッチングや洗浄などの各処理が各水晶片２１の面内でばらつくことを抑えることができる。また前記切り離しまでに行われる各処理をウエハＷごとに一括して行うことができるため、スループットを高くすることができる。

なお本実施形態においてはＺ’軸に沿って形成される水晶片２１の側面に掛かるように引き出し電極２４，２５を形成しているが、既述のように+Ｘ軸に沿った側面に突起の形成が抑えられるため、当該側面に掛かるように引き出し電極を形成することができる。従って電極のレイアウトの自由度が大きくなる。

また例えばウエハＷの表面及び裏面にコ字型のパターン４５，４６を形成する代わりに、例えば表面に+Ｚ方向側に張り出した弧状のパターンを形成すると共に裏面に-Ｚ方向側に張り出した弧状のパターンを形成して、これらのパターンに沿ってエッチングを行い、その外形が円形となるように水晶片を形成してもよい。

本発明の実施形態の製造工程により製造される水晶振動子の構成図である。 前記製造工程に用いられるウエハの構成図である。 前記水晶振動子の製造工程の説明図である。 前記水晶振動子の製造工程の説明図である。 前記水晶振動子の製造工程の説明図である。 前記製造工程においてウエハの表面及び裏面に形成されるパターンの形状を示した説明図である。 前記パターンの位置関係を示した説明図である。 パッケージに封入された状態の前記水晶振動子を示した説明図である。 従来の水晶振動子の製造工程においてウエハに形成されるパターンを示した説明図である。 前記製造工程のパターンに沿ってエッチングが進行する様子を示した説明図である。 エッチング時のマスクパターンにおける水晶層の様子を示した説明図である。

符号の説明

Ｗ ウエハ
１０１ 水晶振動子形成領域
２ 水晶振動子
２０ 水晶層
２１ 水晶片
４１，４２ 金属膜
４３，４４ レジスト膜
４５，４６ パターン

Claims (4)

1. 水晶からなる基板の板面に設けられた、水晶片形成領域の外形に沿って基板が露出する外形用開口領域を備えたエッチングマスクを用いて、基板をエッチング液によりエッチングし、これにより水晶片の外形を形成し、一面からエッチングするときには水晶の異方性により水晶片における互いに対向する両側面となる前記水晶片形成領域の両側面のうちの一方の側面に向かう横方向のエッチング速度が他方の側面に向かう横方向のエッチング速度よりも大きく、他面からエッチングするときには前記他方の側面に向かう横方向のエッチング速度が一方の側面に向かう横方向のエッチング速度よりも大きい水晶片の製造方法において、
   前記水晶片形成領域の前記一方の側面に対応する外形用開口領域については、前記他面側のみに形成するように、また前記水晶片形成領域の前記他方の側面に対応する外形用開口領域については前記一面側のみに形成するように基板の両面にエッチングマスクを形成する工程と、
   基板をエッチング液に浸漬し、前記水晶片形成領域の前記一方の側面を前記他面側からのエッチングにより、また前記水晶片形成領域の前記他方の側面を前記一面側からエッチングすることで水晶片の外形を形成する工程と、
   エッチングマスクを除去する工程と、
   を含むことを特徴とする水晶片の製造方法。
2. 前記エッチングマスク除去後に基板の一部を切削し、水晶片を基板から分離する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の水晶片の製造方法。
3. 水晶片は長方形であり、前記一面側及び／又は他面側の外形用開口領域は、コ字型に形成されることを特徴とする請求項１または２記載の水晶片の製造方法。
4. 前記基板はＡＴカットされた水晶により構成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一に記載の水晶片の製造方法。

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