JP4498004B2 - 水晶振動子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、水晶発振器やジャイロセンサ等に利用され、発信周波数のばらつきが少ない水晶振動子を製造するための製造方法に関する。

水晶発振器やジャイロセンサに利用される水晶振動子は、水晶基板から所望の形状の水晶片を切り出す工程、水晶片を発振させるための電極を形成する工程、及び電極が形成された水晶片を容器に実装する工程等によって製造される。水晶振動子の発振周波数は水晶片の外形形状に大きく依存するため、水晶基板から水晶片を切り出す工程は、水晶振動子の性能を決定する重要な工程である。

従来、水晶基板から水晶片を切り出す工程には、切削加工法又はエッチング法が用いられてきた。特に、水晶基板を化学的に溶解させて加工するエッチング法は、微細で高精度な加工が可能であることから、小型の水晶振動子を製造する場合に用いられることが多い。

従来の、エッチング法による水晶片の加工方法の一例（例えば、特許文献１、特許文献２参照）を図６に示す。最初に、図６（ａ）に示すように、水晶基板１０の両面に遮光性を有するマスク層２１及び２２をそれぞれ成膜し、マスク層２１の上には感光性材料であるレジスト層３１を形成し、マスク層２２の上には感光性材料であるレジスト層３２を形成する。

次に、図６（ｂ）に示すように、水晶基板１０に平行に、露光マスク１１及び１２を配置して両方向から露光を行い、レジスト層３１及び３２の所定部分のみを感光させる。

次に、専用の現像液を用いてレジスト層３１及び３２を現像し、図６（ｃ）に示すようなパターン化されたレジスト層３３及び３４を形成する。さらに、レジスト層３３及び３４をマスクとして利用し、エッチング液によって、マスク層２１及び２２でレジスト層３３及び３４が形成されていない部分を除去する。それによって、図６（ｄ）に示すように、パターン化されたマスク層２３及び２４を形成する。

次に、図６（ｅ）に示すように、レジスト層３３とマスク層２３、及びレジスト層３４とマスク層２４を、それぞれマスクとして利用しながら、水晶基板１０をエッチングし、水晶片１５を切り出す。最後に、図６（ｆ）に示すように、レジスト層３３及び３４、マスク層２３及び２４を除去して、水晶片１５を得る。

従来の、エッチング法による水晶片の加工方法の他の例（例えば、特許文献３参照）を図７に示す。最初に、図７（ａ）に示すように、水晶基板１０の両面に透明膜４１及び４２をそれぞれ成膜し、透明膜４１の上には感光性材料であるレジスト層３１を形成し、透明膜４２の上には感光性材料であるレジスト層３２を形成する。

次に、図７（ｂ）に示すように、水晶基板１０に平行に、露光マスク１３を配置して一方向から露光を行い、レジスト層３１及び３２の所定部分のみを感光させる。

次に、専用の現像液を用いてレジスト層３１及び３２を現像し、図７（ｃ）に示すようなパターン化されたレジスト層３３及び３４を形成する。さらに、レジスト層３３及び３４をマスクとして利用し、エッチング液によって、透明膜４１及び４２でレジスト層３３及び３４が形成されていない部分を除去する。それによって、図７（ｄ）に示すように、パターン化された透明膜４３及び４４を形成する。

次に、図７（ｅ）に示すように、レジスト層３３と透明膜４３、及びレジスト層３４と透明膜４４を、それぞれマスクとして利用しながら、水晶基板１０をエッチングし、水晶片１６を切り出す。最後に、図７（ｆ）に示すように、レジスト層３３及び３４、透明膜４３及び４４を除去して、水晶片１６を得る。

特開昭５６−１０６４１２（第４頁、図１） 特開平１１−１９９４００（第１頁、図６） 特開平１０−２７０９６７（第１頁、図３）

図６に示す従来のエッチング法による水晶片の加工方法においては、水晶片１５の形状を（図中において）上下対象にするためには、図６（ｂ）の工程において、露光マスク１１及び１２の描画パターンの位置合わせを正確に行う必要があった。そこで、水晶基板１０の（図中）の上側の面と下側の面とを同時に観察できる光学系を設置し、１０〜１００倍程度のスコープを用いて、露光マスク１１及び１２の位置合わせを行っていた。

一般に、露光マスク１１及び１２の配置を正確に観察するためには、低倍率（１０倍程度）より高倍率（１００倍程度）のスコープを用いた方が良い。しかしながら、高倍率のスコープを用いると、水晶基板１０を挟んで両側に配置される露光マスク１１及び１２の両方に同時にピントを合わせることが難しい。したがって、従来ではどんなに正確に露光マスク１１及び１２の位置合わせを行おうとしても、必ず数μｍ程度のズレ（ｓ）が発生する。

図６（ｂ）におけるズレ（ｓ）は、最終的には、図６（ｆ）に示すように、いびつな断面形状を有する水晶片１５を形成させてしまう。このようないびつな断面形状を有する水晶片１５は、設計通りに振動せず、その結果、水晶片１５を用いた水晶振動子は、設計通りの発振周波数及び精度を有することができない。

また、図６（ｂ）におけるズレ（ｓ）は、常に一定量だけ発生するわけではなく、少なくとも数μｍのばらつきをもって発生する。したがって、加工される水晶片１５の形状も一定ではなく、数μｍの範囲でばらつく。水晶振動子の発振周波数は、水晶片の外形形状に依存するため、ばらついて加工された水晶片１５を利用して製造された水晶振動子の発振周波数もばらついてしまう。したがって、個体間の発振周波数がばらつき、製品の信頼性が得られなくなってしまう。

図７に示す従来のエッチング法による水晶片の加工方法においては、２つの露光マスクの位置合わせを行う必要はない。しかしながら、水晶基板１０の透過率が１００％（９３〜９５％）ではないことから、一方向からの露光による光は、水晶基板１０を通過する際に減衰及び拡散してしまい、レジスト３１を照射する光量が低下する。したがって、図７（ｃ）の工程で除去されるレジスト３１の部分が小さくなり、パターン３３の幅がパターン３４の幅よりｒ（１〜２μｍ）だけ広くなってしまう。

図７（ｃ）における差ｒは、最終的には、図７（ｆ）に示すように、いびつな断面形状を有する水晶片１６を形成させてしまう。このようないびつな断面形状を有する水晶片１６は、設計通りに振動せず、その結果、水晶片１６を用いた水晶振動子は、設計通りの発振周波数及び精度を有することができない。

また、図７（ｃ）における差ｒは、常に一定量だけ発生するわけではなく、ばらつきをもって発生する。したがって、加工される水晶片１６の形状も一定ではなく、所定の範囲でばらつく。水晶振動子の発振周波数は、水晶片の外形形状に依存するため、ばらついて加工された水晶片１６を利用して製造された水晶振動子の発振周波数もばらついてしまう。したがって、個体間の発振周波数がばらつき、製品の信頼性が得られなくなってしまう。

本発明の目的は、上記不具合を解決することが可能な水晶振動子の製造方法を提供することを目的とするものである。
また、本発明の目的は、設計通りの発振周波数を有し、個体間の発振周波数のばらつきが少なく、信頼性の高い水晶振動子を得ることが可能な水晶振動子の製造方法を提供することを目的とするものである。
さらに、本発明の目的は、対象な断面形状を有する水晶片を容易に製造することが可能な水晶振動子の製造方法を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る水晶振動子の製造方法は、水晶基板の一方の面上に第１レジスト層を形成し、第１露光量により第１レジスト層を露光してパターン化された第１マスク層を形成し、水晶基板の他方の面上に第２レジスト層を形成し、第１マスク層を利用して第２露光量により水晶基板を介して第２レジスト層を露光してパターン化された第２マスク層を形成し、パターン化された第１マスク層及びパターン化された第２マスク層を利用し、水晶基板をエッチングして水晶片を形成する、工程を有することを特徴とする。

さらに、本発明に係る水晶振動子の製造方法においては、第１露光量及び第２露光量は、パターン化された第１マスク層のパターン及びパターン化された第２マスク層のパターンが、ほぼ同じ形状となるように選択されることが好ましい。

さらに、本発明に係る水晶振動子の製造方法においては、第１マスク層は、水晶基板をエッチングするためのエッチング液に対する耐食性を有することが好ましい。

さらに、本発明に係る水晶振動子の製造方法においては、パターン化された第２マスク層を形成する工程は、第２レジスト層の露光により感光された部分を除去することによって、パターン化された第２マスク層を形成する工程を含むことが好ましく、第２レジスト層は、水晶基板をエッチングするためのエッチング液に対する耐食性を有し、且つ露光により感光した部分が溶解除去される感光性材料であることが好ましい。

さらに、本発明に係る水晶振動子の製造方法においては、第２レジスト層と水晶基板との間に水晶基板をエッチングするためのエッチング液に対する耐食性を有し且つ透明性を有する透明性マスク層を形成する工程をさらに有することが好ましく、パターン化された第２マスク層を形成する工程は、第２レジスト層の露光により感光した部分を除去することによってパターン化された第２レジスト層を形成し、パターン化された第２レジスト層をマスクとして利用して透明性マスク層をパターン化してパターン化された第２マスク層を形成する工程を含むことが好ましい。

さらに、本発明に係る水晶振動子の製造方法においては、パターン化された第２マスク層を形成する工程は、第２レジスト層の露光により感光した部分以外を除去することによってパターン化された第２レジスト層を形成し、パターン化された第２レジスト層の上から第２マスク層を形成し、パターン化された第２レジスト層を除去することによってパターン化された第２マスク層を形成する、工程を含むことが好ましい。

さらに、本発明に係る水晶振動子の製造方法においては、第２レジスト層と水晶基板との間に薄膜マスク層を形成する工程をさらに有することが好ましく、さらに、パターン化された第２マスク層を形成する工程は、第２レジスト層の露光された部分を除去することによって、パターン化された第２レジスト層を形成し、パターン化された第２レジスト層をマスクとして利用して薄膜マスク層をパターン化してパターン化された第２マスク層を形成する工程を含むことが好ましい。

さらに、本発明に係る水晶振動子の製造方法においては、薄膜マスク層は、Ａｕ膜及びＣｒ膜から構成される積層膜であり、０．４％〜１．７％の透過率を有し、Ａｕ膜は０．０６〜０．１０μｍの膜厚を有し、Ｃｒ膜は０．０１〜０．０５μｍの膜厚を有することが好ましい。

さらに、本発明に係る水晶振動子の製造方法においては、水晶片に電極を取り付け、電極が取り付けられた水晶片を容器に実装する工程をさらに有することが好ましい。

本発明に係わる水晶振動子の製造方法では、水晶基板の一方の面上に形成されたパターン化されたマスク層が、水晶基板の他方の面上に形成されるレジスト層のための露光マスクの役目を果たしている。したがって、複数の露光マスクの位置合わせを行う必要がなく、ミクロン以下の精度で水晶基板の両面に形成されるマスク層の位置合わせを行うことが可能となった。また、露光マスクの位置合わせ作業が不要となったことで、工程が簡略化され、作業効率が上がり、生産性を向上させることができた。

また、本発明に係わる水晶振動子の製造方法では、水晶基板の一方の面上に形成されたパターン化されたマスク層を形成するための第１露光量と、水晶基板の他方の面上に形成されたパターン化されたマスク層を形成するための第２露光量とを個別に制御している。したがって、水晶基板の両面に形成されるマスクのパターンをほぼ同じ形状とすることができた。

さらに、本発明に係わる水晶振動子の製造方法では、水晶片の外形寸法を、設計値と比較して１μｍ以下の誤差で形成することができた。また、その断面形状も、いびつな形状とはならなかった。

さらに、本発明に係わる水晶振動子の製造方法では、水晶片を用いた水晶振動子の発振周波数を、設計値と比較して数十Ｈｚ以下の誤差まで抑えることができ、精度と信頼性の高い水晶振動子を製造することが可能となった。

以下図面を参照しながら、本発明に係る水晶振動子の製造方法について説明する。

図１及び図２を用いて、本発明の第１の実施形態に係わる水晶振動子の製造方法について説明する。

図１（ａ）に示すように、２００μｍの膜厚を有する水晶基板１００の一方の面の全面にマスク層２００をスパッタリング法又は蒸着法によって成膜する。マスク層２００は、上層がＡｕ層、下層（水晶基板１００側）がＣｒ層から構成される積層膜（Ａｕ／Ｃｒ膜）である。Ａｕ層は０．１５μｍ、Ｃｒ層は０．０５μｍの膜厚を有している。マスク層２００の上全面に、レジスト層３００を形成する。レジスト層３００は、クラリアント社製ポジ型レジスト（商品名：ＡＺ−Ｐ１３５０）をスピンコート法（２０００ｒｐｍ、３０秒）により約１μｍの厚みで塗布し、その後空気循環式オーブンでプリベーク（露光前熱硬化処理）（９０℃、２０分間）して形成した。

次に、図１（ｂ）に示すように、水晶基板１００に平行にマスク１０００を配置して、第１露光を行い、レジスト層３００の所定部分のみを感光させる。第１露光の露光量は、５０ｍＪ／ｃｍ²とした。

次に、レジスト層３００を現像し、図１（ｃ）に示すようなパターン化されたレジスト層３１０を形成する。現像液は、ＡＺ−Ｐ１３５０の専用現像液を使用した。レジスト層３００は、ポジ型レジストを利用しているため、光に感光した部分が除去される。

次に、パターン化されたレジスト層３１０をマスクとして利用して、マスク層２００のエッチングを行い、図１（ｄ）に示すようなパターン化されたマスク層２１０を形成する。ここで、Ａｕ膜に対しては王水で、Ｃｒ膜に対しては硝酸系エッチング液で、エッチングを行った。
次に、図１（ｅ）に示すようにレジスト３１０を除去する。ここでは、ＡＺ−Ｐ１３５０の専用剥離液によってレジスト３１０を除去した。

次に、図２（ｆ）に示すように、水晶基板１００のマスク層２１０が形成されていない他方の面上に、レジスト層４００を形成する。レジスト層４００は、クラリアント社製ポジ型レジスト（商品名：ＡＺ−Ｐ１３５０）をスピンコート法により約１μｍの厚みで塗布し、その後空気循環式オーブンでプリベーク（９０℃、２０分間）して形成した。

次に、図２（ｇ）に示すように、水晶基板１００のマスク層２１０が形成されている側から水晶基板１００を介して第２露光を行い、レジスト層４００の所定の部分を感光させた。マスク層２１０が形成されている部分では、マスク層２１０で遮光されてレジスト層４００に光が届かないが、水晶基板１００が露出している部分では、レジスト層４００まで光が届く。このようにして、マスク層２１０のパターンに応じて、レジスト層４００を感光させることができる。第２露光の露光量は、６０ｍＪ／ｃｍ²とした。

その後、図２（ｈ）に示すように、レジスト層４００を現像して部分的に除去することによって、パターン化されたレジスト層４１０を形成する。前述したように、レジスト層４００は、ポジ型レジストを利用しているため、光に感光した部分が除去される。したって、マスク層２１０と同様にパターン化されたレジスト層４１０が形成される。なお、レジスト層４００の現像には、ＡＺ−Ｐ１３５０の専用現像液を用いた。

その後、図２（ｉ）に示すように、それぞれパターン化されたマスク層２１０及びレジスト層４１０をマスクとして利用して、水晶基板１００をエッチングし、水晶片１５０を切出した。エッチングは、水晶基板１００を５０％フッ酸水溶液からなる５０℃のエッチング液に３時間浸漬させることにより行った。この工程において、Ａｕ／Ｃｒ膜からなるマスク層２１０及びポジ型レジストＡＺ−Ｐ１３５０からなるレジスト層４１０も、エッチング液に冒されることはなかった。

通常、水晶のエッチングは、エッチング方向によってエッチング速度が異なる。この現象を、一般に、異方性エッチングと称する。このため、図２（ｉ）に示すように、エッチングされる水晶片の一方の側面に傾斜状の形状が必ず形成される。但し、この傾斜状の形状は、水晶の結晶構造によって定まるものであるので、安定して一定量だけ形成される。したがって、このエッチング工程によって、水晶片１５０の外形形状がばらつくことはない。

最後に、図２（ｊ）に示すように、マスク層２１０及びマスク層４１０を除去して、水晶片１５０が完成する。本工程では、Ａｕ／Ｃｒ膜からなるマスク層２１０は王水及び硝酸系エッチング液によって溶解除去し、ＡＺ−Ｐ１３５０からなるレジスト層４１０はアセトンによって溶解除去した。

その後、水晶片を発振させるための電極を形成する工程、電極が形成された水晶片をプラスチック容器中等に実装する実装工程を経て、水晶振動子が完成する。電極形成工程及び実装工程は、公知の様々な方法を採用することができる。

なお、図２（ｇ）に示す工程が、本実施形態に係わる製造方法における最も特徴的な工程である。即ち、水晶基板１００上に形成されたパターン化されたマスク層２１０が、水晶基板１００の他方の面のための露光マスクの役目を果たしている。その結果、複数の露光マスクの位置合わせを行う必要がない。

また、本実施形態では、マスク層２１０を形成するための第１露光と、レジスト層３１０を形成するための第２露光を個別の条件で行うことにより、マスク層２１０のパターンとレジスト層４１０のパターンを同一形状にするように制御している。図２（ｇ）においてレジスト層４００を感光する場合（第２露光）には、光は水晶基板１００の透過率に従って減衰及び拡散する。したがって、図１（ｂ）においてレジスト層３００を感光する場合（第１露光）の露光量と図２（ｇ）においてレジスト層４００を感光する場合（第２露光）の露光量とを同一とすると、図２（ｈ）において形成されるレジスト層４１０のパターンの形状が、マスク層２１０のパターンの形状より広くなってしまう。これは、レジスト層４００がポジ型のレジストであり、光の感光した部分が図２（ｈ）の工程で除去されるからである。そこで、本実施形態における製造方法では、図２（ｇ）に示す第２露光において、第１露光より露光量を増加させるようにして、レジスト層４１０のパターンの形状と、マスク層２１０のパターンの形状が同一になるように制御している。これによって、最終的に製造される水晶片１６０の断面形状を設計通りに形成することが可能となる。なお、本実施形態のおける第１及び第２露光における露光量の値は、一例であって、当業者であれば、水晶基板１００の厚さ、透過率等に応じた最適な値を選択することができる。

これに対して、図７に示す従来例では、水晶基板１０の両側のパターンを１回の露光によって同時に形成するので、水晶基板１０自体による露光量の減少によって、前述したように、露光側の面と逆側の面に形成されるパターンの大きさに差が生じてしまう。

本実施形態における水晶振動子の製造方法による水晶片の外形寸法は、設計値と比較して１μｍ以下の誤差で形成することができた、また、その断面形状も、いびつな形状とはならなかった。さらに、図１及び図２に記載される方法に従って加工された水晶片を用いた水晶振動子の発振周波数は、設計値と比較して数十Ｈｚ以下の誤差まで抑えることができた。これは、従来の水晶振動子の発振周波数が、設計値と比較して２００Ｈｚ程度ばらついていたことと比べて、著しい差異である。

また、図１及び図２に記載される方法では、水晶基板１００の片面上に形成されたパターン化されたマスク層２１０が、他方の面のための露光マスクの役目をしている。したがって、露光マスクの位置合わせ作業を行う必要がなく、工程を簡略化することができる。また、露光マスクの位置合わせ誤差によって、いびつな形状を有する水晶片が製造されることを防止できる。
このように、本発明によれば、高精度と信頼性の高い水晶振動子を製造することが可能となった。

次に、図３を用いて、本発明の第２の実施形態に係わる水晶振動子の製造方法について説明する。本実施形態では、透明性マスク層を利用して水晶片を加工する。

まず、図３（ａ）に示すように、水晶基板１００の一方の面に必要とするパターン化されたマスク層２１０を形成する。マスク層２１０は、Ａｕ層とＣｒ層の積層膜（Ａｕ／Ｃｒ膜）であって、上層のＡｕ膜が０．１μｍ、下層のＣｒ層が０．０５μｍの膜厚を有する。上記以外のマスク層２１０の形成方法は、第１露光（図１（ｂ）参照）の露光量を含めて、図１（ａ）〜（ｅ）に示す方法と同様であるので、詳細は省略する。

さらに、水晶基板１００のマスク層２１０が形成されていない他方の面には、その全面に透明性マスク層５００を成膜し、その上にレジスト層６００を形成する。本実施形態における透明性マスク層５００は、スパッタリング法によって、０．１μｍの厚みに成膜された酸化アルミ膜である。なお、透明性マスク層５００としては、透明性を有し且つ水晶基板のエッチング工程に用いられるエッチング液に対して耐食性を有していれば、他の材料を選択することもできる。また、本実施形態におけるレジスト層６００は、東京応化社製ポジ型レジスト（商品名：ＯＦＰＲ８００）をスピンコート法（２０００ｒｐｍ、３０秒）により約１μｍの厚みで塗布し、その後空気循環式オーブンでプリベーク（９０℃、２０分間）して形成した。

次に、図３（ｂ）に示すように、水晶基板１００のマスク層２１０が形成されている側から第２露光を行い、水晶基板１００及び透明性マスク層５００を介してレジスト層６００の所定の部分を感光させた。マスク層２１０が形成されている部分では、マスク層２１０で遮光されてレジスト層６００に光が届かないが、水晶基板１００が露出している部分では、レジスト層６００まで光が届く。このようにして、マスク層２１０のパターンに応じて、レジスト層６００を感光させることができる。第２露光の露光量は、６５ｍＪ／ｃｍ²とした。

その後、レジスト層６００を現像により部分的に除去することによって、パターン化されたレジスト層６１０を形成する。前述したように、レジスト層６００は、ポジ型レジストを利用しているため、光に感光した部分が除去される。したって、マスク層２１０と同様にパターン化されたレジスト層６１０が形成される。なお、レジスト層６００の現像には、ＯＦＰＲ８００の専用現像液を用いた。次に、レジスト層６１０をマスクとして利用して、透明性マスク層５００のエッチングを行い、図３（ｃ）に示すように、パターン化された透明性マスク層５１０を形成した。透明性マスク層５００のエッチングには、燐酸水溶液を用いた。

その後、図３（ｄ）に示すように、レジスト層６１０を除去した。レジスト層６１０の除去には、ＯＦＰＲ８００の専用剥離液を用いた。なお、図３（ｄ）に示す工程を行わずに、後述する図３（ｅ）に示す工程を行っても良い。

その後、図３（ｅ）に示すように、それぞれパターン化されたマスク層２１０及び透明性マスク層５１０をマスクとして利用して、水晶基板１００をエッチングし、水晶片１６０を切出した。エッチングは、水晶基板１００を５０％フッ酸水溶液からなる７０℃のエッチング液に２時間浸漬させることにより行った。この工程において、Ａｕ／Ｃｒ膜からなるマスク層２１０及び酸化アルミ膜からなる透明性マスク層５１０も、エッチング液に冒されることはなかった。

通常、水晶のエッチングは、エッチング方向によってエッチング速度が異なる。この現象を、一般に、異方性エッチングと称する。このため、図３（ｅ）に示すように、エッチングされる水晶片の一方の側面に傾斜状の形状が必ず形成される。但し、この傾斜状の形状は、水晶の結晶構造によって定まるものであるので、安定して一定量だけ形成される。したがって、このエッチング工程によって、水晶片１６０の外形形状がばらつくことはない。

最後に、図３（ｆ）に示すように、マスク層２１０及び透明性マスク層５１０レジスを除去して、水晶片１６０が完成する。本工程では、Ａｕ／Ｃｒ膜からなるマスク層２１０は王水及び硝酸系エッチング液によって溶解除去し、酸化アルミ膜からなる透明性マスク層は燐酸水溶液によって溶解除去した。

その後、水晶片を発振させるための電極を形成する工程、電極が形成された水晶片をプラスチック容器中等に実装する実装工程を経て、水晶振動子が完成する。電極形成工程及び実装工程は、公知の様々な方法を採用することができる。
なお、図３（ｂ）に示す工程が、本実施形態に係わる製造方法における最も特徴的な工程である。即ち、水晶基板１００上に形成されたパターン化されたマスク層２１０が、水晶基板１００の他方の面のための露光マスクの役目を果たしている。その結果、複数の露光マスクの位置合わせを行う必要がない。

また、本実施形態では、マスク層２１０を形成するための第１露光と、透明性マスク層５１０を形成するためのレジスト層６１０を形成するための第２露光を個別の条件で行うことにより、マスク層２１０のパターンと透明性マスク層５１０のパターンを同一形状にするように制御している。図３（ｂ）においてレジスト層６００を感光する場合（第２露光）には、光は水晶基板１００及び透明性マスク層５００の透過率に従って減衰及び拡散する。したがって、図１（ｂ）においてレジスト層３００を感光する場合（第１露光）の露光量と図３（ｂ）においてレジスト層６００を感光する場合（第２露光）の露光量とを同一とすると、図３（ｃ）において形成されるレジスト層６１０のパターンの形状が、マスク層２１０のパターンの形状より広くなってしまう。これは、レジスト層６００がポジ型のレジストであり、光の感光した部分が図３（ｃ）の工程で除去されるからである。そこで、本実施形態における製造方法では、図３（ｂ）に示す第２露光において、第１露光より露光量を増加させるようにして、透明性マスク層５１０のパターンの形状と、マスク層２１０のパターンの形状が同一になるように制御している。これによって、最終的に製造される水晶片１６０の断面形状を設計通りに形成することが可能となる。なお、本実施形態のおける第１及び第２露光における露光量の値は、一例であって、当業者であれば、水晶基板１００及び透明性マスク層５００の厚さ、透過率等に応じた最適な値を選択することができる。

本実施形態に従って加工された水晶片の外形寸法は、設計値と比較して１μｍ以下の誤差で形成することができた、また、その断面形状も、いびつな形状とはならなかった。さらに、本実施形態に従って加工された水晶片を用いた水晶振動子の発振周波数は、設計値と比較して数十Ｈｚ以下の誤差まで抑えることができた。これは、従来の水晶振動子の発振周波数が、設計値と比較して２００Ｈｚ程度ばらついていたことと比べて、著しい差異である。

また、本実施形態では、水晶基板１００の片面上に形成されたパターン化されたマスク層２１０が、他方の面のための露光マスクの役目をしている。したがって、露光マスクの位置合わせ作業を行う必要がなく、工程を簡略化することができる。また、露光マスクの位置合わせ誤差によって、いびつな形状を有する水晶片が製造されることを防止できる。

さらに、本実施形態では、透明性マスク層を用いたので、第１の実施形態に比べて、より高温で活性化したエッチング液を利用することができ、水晶基板のエッチング工程の処理時間を短縮することができた。
このように、本発明によれば、高精度と信頼性の高い水晶振動子を製造することが可能となった。

次に、図４を用いて、本発明の第３の実施形態に係わる水晶振動子の製造方法について説明する。本実施形態では、リフトオフ法を利用して水晶片を加工する。

まず、図４（ａ）に示すように、水晶基板１００の一方の面に必要とするパターン化されたマスク層２１０を形成する。マスク層２１０は、Ａｕ層とＣｒ層の積層膜（Ａｕ／Ｃｒ膜）であって、上層のＡｕ膜が０．１μｍ、下層のＣｒ層が０．０５μｍの膜厚を有する。上記以外のマスク層２１０の形成方法は、第１露光（図１（ｂ）参照）の露光量を含めて、図１（ａ）〜（ｅ）に示す方法と同様であるので、詳細は省略する。

さらに、水晶基板１００のマスク層２１０が形成されていない他方の面には、その全面にレジスト層７００を形成する。本実施形態におけるレジスト層７００は、ＪＳＲ社製ネガ型レジスト（商品名：ＴＨＢ−１３０Ｎ）をスピンコート法（２０００ｒｐｍ、３０秒）により約１０μｍの厚みで塗布し、その後ホットプレート上でプリベーク（９０℃、５分間）して形成した。

次に、図４（ｂ）に示すように、水晶基板１００のマスク層２１０が形成されている側から第２露光を行い、レジスト層７００の所定の部分を感光させた。マスク層２１０が形成されている部分では、マスク層２１０で遮光されてレジスト層７００に光が届かないが、水晶基板１００が露出している部分では、レジスト層７００まで光が届く。このようにして、マスク層２１０のパターンに応じて、レジスト層７００を感光させることができる。第２露光の露光量は、２５０ｍＪ／ｃｍ²とした。

その後、図４（ｃ）に示すように、レジスト層７００を現像により部分的に除去することによって、パターン化されたレジスト層７１０を形成する。前述したように、レジスト層７００は、ネガ型レジストを利用しているため、光に感光した部分が不溶化し、光に感光した部分以外が除去される。したって、水晶基板１００を挟んで、マスク層２１０が形成されていない部分に、パターン化されたレジスト層７１０が形成される。なお、レジスト層７００の現像には、ＴＨＢ−１３０Ｎの専用現像液を用いた。

次に、図４（ｄ）に示すように、水晶基板１００のレジスト層７１０が形成されている面上に、スパッタリング法によってマスク層８００を成膜する。マスク層８００は、マスク層２００と同様に、上層がＡｕ層、下層（水晶基板１００側）がＣｒ層から構成される積層膜（Ａｕ／Ｃｒ膜）である。Ａｕ層は０．０８μｍ、Ｃｒ層は０．０３μｍの膜厚を有している。

その後、図４（ｅ）に示すように、マスク層８００の下に配置されているレジスト層７１０を溶解除去することによって、レジスト層７１０の上のマスク層８００を部分的に除去する。このようなパターン化法をリフトオフ法と呼ぶ。この結果、水晶基板１００を挟んで、マスク層２１０が形成されている部分に、パターン化されたマスク層８１０が形成される。本実施形態では、ＴＨＢ−１３０Ｎ専用の剥離液によって、レジスト層７１０を除去し、リフトオフを行った。

その後、図４（ｆ）に示すように、それぞれパターン化されたマスク層２１０及びマスク層８１０をマスクとして利用して、水晶基板１００をエッチングし、水晶片１７０を切出した。エッチングは、水晶基板１００を５０％フッ酸水溶液からなる７０℃のエッチング液に２時間浸漬させることにより行った。この工程において、Ａｕ／Ｃｒ膜からなるマスク層２１０及び８１０は、エッチング液に冒されることはなかった。

通常、水晶のエッチングは、エッチング方向によってエッチング速度が異なる。この現象を、一般に、異方性エッチングと称する。このため、図４（ｆ）に示すように、エッチングされる水晶片の一方の側面に傾斜状の形状が必ず形成される。但し、この傾斜状の形状は、水晶の結晶構造によって定まるものであるので、安定して一定量だけ形成される。したがって、このエッチング工程によって、水晶片１７０の外形形状がばらつくことはない。

最後に、図４（ｇ）に示すように、マスク層２１０及び８１０レジスを除去して、水晶片１７０が完成する。本工程では、マスク層２１０及び８１０がＡｕ／Ｃｒ膜で形成されているので、両面同時に王水及び硝酸系エッチング液によって溶解除去した。

その後、水晶片を発振させるための電極を形成する工程、電極が形成された水晶片をプラスチック容器中等に実装する実装工程を経て、水晶振動子が完成する。電極形成工程及び実装工程は、公知の様々な方法を採用することができる。

なお、図４（ｂ）に示す工程が、本実施形態に係わる製造方法における最も特徴的な工程である。即ち、水晶基板１００上に形成されたパターン化されたマスク層２１０が、水晶基板１００の他方の面のための露光マスクの役目を果たしている。その結果、複数の露光マスクの位置合わせを行う必要がない。

また、本実施形態では、マスク層２１０を形成するための第１露光と、マスク層８１０を形成するためのレジスト層７１０を形成するための第２露光を個別の条件で行うことにより、マスク層２１０のパターンとマスク層８１０のパターンを同一形状に形成するように制御している。図４（ｂ）においてレジスト層７００を感光する場合（第２露光）には、光は水晶基板１００の透過率に従って減衰及び拡散する。したがって、図１（ｂ）においてレジスト層３００を感光する場合（第１露光）の露光量と図４（ｂ）においてレジスト層７００を感光する場合（第２露光）の露光量とを同一とすると、図４（ｃ）において形成されるレジスト層７１０のパターンの形状が、それぞれ所定の間隔をもって形成されるマスク層２１０のそれぞれの間隔より狭くなってしまう。これは、レジスト層７００がネガ型のレジストであり、光の感光した部分以外の部分が図４（ｃ）の工程で除去されるからである。そこで、本実施形態における製造方法では、図４（ｂ）に示す第２露光において、第１露光より露光量を増加させるようにして、マスク層８１０のパターンの形状と、マスク層２１０のパターンの形状が同一になるように制御している。これによって、最終的に製造される水晶片１７０の断面形状を設計通りに形成することが可能となる。なお、本実施形態のおける第１及び第２露光における露光量の値は、一例であって、当業者であれば、水晶基板１００の厚さ、透過率等に応じた最適な値を選択することができる。

本実施形態に従って加工された水晶片の外形寸法は、設計値と比較して１μｍ以下の誤差で形成することができた、また、その断面形状も、いびつな形状とはならなかった。さらに、本実施形態に従って加工された水晶片を用いた水晶振動子の発振周波数は、設計値と比較して数十Ｈｚ以下の誤差まで抑えることができた。これは、従来の水晶振動子の発振周波数が、設計値と比較して２００Ｈｚ程度ばらついていたことと比べて、著しい差異である。

また、本実施形態では、水晶基板１００の片面上に形成されたパターン化されたマスク層２１０が、他方の面のための露光マスクの役目をしている。したがって、露光マスクの位置合わせ作業を行う必要がなく、工程を簡略化することができる。また、露光マスクの位置合わせ誤差によって、いびつな形状を有する水晶片が製造されることを防止できる。

さらに、本実施形態では、リフトオフ法を用いて、水晶基板１００の両面に同じ材質のマスク層２１０及び８１０を形成したので、第１の実施形態に比べて、より高温で活性化したエッチング液を利用することができ、水晶基板のエッチング工程の処理時間を短縮することができた。
このように、本発明によれば、高精度と信頼性の高い水晶振動子を製造することが可能となった。

次に、図５を用いて、本発明の第４の実施形態に係わる水晶振動子の製造方法について説明する。

まず、図５（ａ）に示すように、水晶基板１００の一方の面に必要とするパターン化されたマスク層２１０を形成する。マスク層２１０は、Ａｕ層とＣｒ層の積層膜（Ａｕ／Ｃｒ膜）であって、上層のＡｕ膜が０．１μｍ、下層のＣｒ層が０．０５μｍの膜厚を有する。上記以外のマスク層２１０の形成方法は、第１露光（図１（ｂ）参照）の露光量を含めて、図１（ａ）〜（ｅ）に示す方法と同様であるので、詳細は省略する。

さらに、水晶基板１００のマスク層２１０が形成されていない他方の面には、その全面に、スパッタリング法又は蒸着法によって薄膜マスク層９００を成膜する。薄膜マスク層９００は、マスク層２００と同様に、上層がＡｕ層、下層（水晶基板１００側）がＣｒ層から構成される積層膜（Ａｕ／Ｃｒ膜）である。Ａｕ層は０．０７μｍ、Ｃｒ層は０．０３μｍの膜厚を有している。また、薄膜マスク層９００の上面に、レジスト層４２０を形成する。レジスト層４２０は、クラリアント社製ポジ型レジスト（商品名：ＡＺ−Ｐ１３５０）をスピンコート法（６０００ｒｐｍ、３０秒）により０．４μｍの厚みで塗布し、その後空気循環式オーブンでプリベーク（９０℃、２０分間）して形成した。

次に、図５（ｂ）に示すように、水晶基板１００のマスク層２１０が形成されている側から第２露光を行い、水晶基板１００及び薄膜マスク層９００を介してレジスト層４２０の所定の部分を感光させた。Ａｕ／Ｃｒ膜は通常不透明であるが、薄膜マスク層９００は非常に薄いため、多少の光を透過させることができる。それに対してマスク層２１０は十分な厚さがあるため、光をほぼ完全に遮断することができる。したがって、マスク層２１０が形成されている部分では、マスク層２１０で遮光されてレジスト層４２０に光が届かないが、水晶基板１００が露出している部分では、レジスト層４２０まで光が届く。このようにして、マスク層２１０のパターンに応じて、レジスト層４２０を感光させることができる。第２露光の露光量は、８００ｍＪ／ｃｍ²とした。

その後、図５（ｃ）に示すように、レジスト層４２０を現像により部分的に除去することによって、パターン化されたレジスト層４３０を形成する。前述したように、レジスト層４２０は、ポジ型レジストを利用しているため、光に感光した部分が除去される。したって、水晶基板１００を挟んで、マスク層２１０が形成されていない部分に、パターン化されたレジスト層４３０が形成される。なお、レジスト層４２０の現像には、ＡＺ−Ｐ１３５０の専用現像液を用いた。

次に、図５（ｄ）に示すように、レジスト層４３０をマスクとして利用して、薄膜マスク層９００のエッチングを行い、パターン化された薄膜マスク層９１０を形成した。薄膜マスク層９１０のエッチングには、Ａｕ膜に対しては王水を、Ｃｒ膜に対しては硝酸系のエッチング液を用いた。
次に、図５（ｅ）に示すように、レジスト層４３０を溶解除去した。溶解除去は、ＡＺ−Ｐ１３５０の専用剥離液を用いた。

その後、図５（ｆ）に示すように、それぞれパターン化されたマスク層２１０及び薄膜マスク層９１０をマスクとして利用して、水晶基板１００をエッチングし、水晶片１８０を切り出した。エッチングは、水晶基板１００を５０％フッ酸水溶液からなる７０℃のエッチング液に２時間浸漬させることにより行った。この工程において、Ａｕ／Ｃｒ膜からなるマスク層２１０及び８３０は、エッチング液に冒されることはなかった。

通常、水晶のエッチングは、エッチング方向によってエッチング速度が異なる。この現象を、一般に、異方性エッチングと称する。このため、図５（ｆ）に示すように、エッチングされる水晶の一方の側面に傾斜状の形状が必ず形成される。但し、この傾斜状の形状は、水晶片の結晶構造によって定まるものであるので、安定して一定量だけ形成される。したがって、このエッチング工程によって、水晶片１８０の外形形状がばらつくことはない。

最後に、図５（ｇ）に示すように、マスク層２１０及び９１０を除去して、水晶片１８０が完成する。本工程では、マスク層２１０及び９１０が共にＡｕ／Ｃｒ膜で形成されているので、両面同時に王水及び硝酸系エッチング液によって溶解除去した。

その後、水晶片を発振させるための電極を形成する工程、電極が形成された水晶片をプラスチック容器中等に実装する実装工程を経て、水晶振動子が完成する。電極形成工程及び実装工程は、公知の様々な方法を採用することができる。

なお、図５（ｂ）に示す工程が、本実施形態に係わる製造方法における最も特徴的な工程である。即ち、水晶基板１００上に形成されたパターン化されたマスク層２１０が、水晶基板１００の他方の面のための露光マスクの役目を果たしている。その結果、複数の露光マスクの位置合わせを行う必要がない。

また、本実施形態では、マスク層２１０を形成するための第１露光と、薄膜マスク層９１０を形成するためのレジスト層４３０を形成するための第２露光を個別の条件で行うことにより、マスク層２１０のパターンと薄膜マスク層９１０のパターンとを同一形状に形成するように制御している。図５（ｂ）においてレジスト層４２０を感光する場合（第２露光）には、光は水晶基板１００及び薄膜マスク層９００の透過率に従って減衰及び拡散する。したがって、図１（ｂ）においてレジスト層３００を感光する場合（第１露光）の露光量と図５（ｂ）においてレジスト層４２０を感光する場合（第２露光）の露光量とを同一とすると、図５（ｃ）において形成されるレジスト層４３０のパターンの形状が、マスク層２１０のパターンの形状より広くなってしまう。これは、レジスト層４２０がポジ型のレジストであり、光の感光した部分が図５（ｃ）の工程で除去されるからである。そこで、本実施形態における製造方法では、図５（ｂ）に示す第２露光において、第１露光より露光量を増加させるようにして、薄膜マスク層９１０のパターンの形状と、マスク層２１０のパターンの形状が同一になるように制御している。これによって、最終的に製造される水晶片１８０の断面形状を設計通りに形成することが可能となる。なお、本実施形態のおける第１及び第２露光における露光量の値は、一例であって、当業者であれば、水晶基板１００及び薄膜マスク層９００の厚さ、透過率等に応じた最適な値を選択することができる。

本実施形態では、薄膜マスク層９００として、Ａｕ膜が０．０７μｍ及びＣｒ膜が０．０３μｍのＡｕ／Ｃｒ膜を用いた。しかしながら、レジスト層４２０がパターンニング可能なくらいの透過率を有していて、エッチング工程時の耐食性が良好であれば、他のＡｕ／Ｃｒ膜を用いることができる。そこで、露光波長（λ＝４０５ｎｍ）に対して、Ａｕ膜厚とＣｒ膜厚を変化させて、実際に水晶片の加工を行い、以下の表に示すような評価結果を得た。

表１において、評価「５」は良好な水晶片が製造可能であることを表し、評価「４」は水晶基板のエッチング工程（図５（ｆ）参照）において、エッチングの時間及び温度等の条件を適正化すれば良好な水晶片が製造可能であることを表し、評価「３」は露光量を非常に強くすれば水晶片が製造可能であるが不良品が発生する可能性があることを示し、評価「２」は水晶基板のエッチング時にエッチング液によって膜が冒されて良好な水晶片が製造できないことを示し、評価「１」は薄膜マスク層９１０のパターンニングができず良好な水晶片が製造できないことを示している。評価「３」以上であれば、実際に利用可能な範囲であると考えられる。

したがって、Ａｕ膜が０．０６〜０．１μｍの範囲内である場合、Ｃｒ膜が０．０１〜０．０４μｍの範囲内である場合に、Ａｕ／Ｃｒ膜を本実施形態の薄膜マスク層９００として用いることが可能である。また、Ａｕ／Ｃｒ膜の透過率は、０．４〜１．７％の範囲である場合に本実施形態の薄膜マスク層９００として用いることが可能である。

本実施形態に従って加工された水晶片の外形寸法は、設計値と比較して１μｍ以下の誤差で形成することができた、また、その断面形状も、いびつな形状とはならなかった。さらに、本実施形態に従って加工された水晶片を用いた水晶振動子の発振周波数は、設計値と比較して数十Ｈｚ以下の誤差まで抑えることができた。これは、従来の水晶振動子の発振周波数が、設計値と比較して２００Ｈｚ程度ばらついていたことと比べて、著しい差異である。

また、本実施形態では、水晶基板１００の片面上に形成されたパターン化されたマスク層２１０が、他方の面のための露光マスクの役目をしている。したがって、露光マスクの位置合わせ作業を行う必要がなく、工程を簡略化することができる。また、露光マスクの位置合わせ誤差によって、いびつな形状を有する水晶片が製造さされることを防止できる。

さらに、本実施形態では、薄膜マスク層９００を用いて、水晶基板１００の両面に同じ材質のマスク層２１０及び９１０を形成したので、第１の実施形態に比べて、より高温で活性化したエッチング液を利用することができ、水晶基板のエッチング工程の処理時間を短縮することができた。
このように、本発明によれば、高精度と信頼性の高い水晶振動子を製造することが可能となった。

（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施形態に係る水晶振動子の製造方法を説明するための図である。 （ｆ）〜（ｊ）は、本発明の第１の実施形態に係る水晶振動子の製造方法を説明するための図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の第２の実施形態に係る水晶振動子の製造方法を説明するための図である。 （ａ）〜（ｇ）は、本発明の第３の実施形態に係る水晶振動子の製造方法を説明するための図である。 （ａ）〜（ｇ）は、本発明の第４の実施形態に係る水晶振動子の製造方法を説明するための図である。 （ａ）〜（ｆ）は、従来の水晶振動子の製造方法の一例を説明するための図である。 （ａ）〜（ｆ）は、従来の水晶振動子の製造方法の他の例を説明するための図である。

符号の説明

１００…水晶基板
１５０、１６０、１７０，１８０…水晶片
２００、２１０…マスク層
３００、３１０…レジスト層
４００、４１０、４２０、４３０…マスク層
５００、５１０…透明性マスク層
６００、６１０…レジスト層
７００、７１０…レジスト層
８００、８１０…マスク層
９００、９１０…薄膜マスク層

Claims (14)

1. 水晶振動子の製造方法において、
   水晶基板の一方の面上に第１レジスト層を形成し、
   第１露光量により前記第１レジスト層を露光して、パターン化された第１マスク層を形成し、
   前記第１マスク層形成後、前記水晶基板の他方の面上に第２レジスト層を形成し、
   前記第１マスク層を利用して、前記第１露光量より大きい第２露光量により前記水晶基板を介して前記第２レジスト層を露光して、パターン化された第２マスク層を形成し、
   前記パターン化された第１マスク層及び前記パターン化された第２マスク層を利用し、前記水晶基板をエッチングして水晶片を切り出す、
   工程を有することを特徴とする水晶振動子の製造方法。
2. 前記第１露光量及び第２露光量は、前記パターン化された第１マスク層のパターン及び前記パターン化された第２マスク層のパターンが、ほぼ同じ形状となるように選択される、請求項１に記載の水晶振動子の製造方法。
3. 前記第１マスク層は、前記水晶基板をエッチングするためのエッチング液に対する耐食性を有する、請求項１に記載の水晶振動子の製造方法。
4. 前記パターン化された第２マスク層を形成する工程は、
   前記第２レジスト層の露光により感光された部分を除去することによって、前記パターン化された第２マスク層を形成する工程を含む、請求項１に記載の水晶振動子の製造方法。
5. 前記第２レジスト層は、前記水晶基板をエッチングするためのエッチング液に対する耐食性を有し、且つ露光により感光した部分が溶解除去される感光性材料である、請求項４に記載の水晶振動子の製造方法。
6. 前記第２レジスト層と前記水晶基板との間に、前記水晶基板をエッチングするためのエッチング液に対する耐食性を有し且つ、前記第２レジスト層の露光を前記第１マスク層側から可能とする透明性を有する透明性マスク層を形成する工程をさらに有する、請求項１に記載の水晶振動子の製造方法。
7. 前記パターン化された第２マスク層を形成する工程は、
   前記第２レジスト層の露光により感光した部分を除去することによって、パターン化された第２レジスト層を形成し、
   前記パターン化された第２レジスト層をマスクとして利用して、前記透明性マスク層をパターン化して、前記パターン化された第２マスク層を形成する、
   工程を含む、請求項６に記載の水晶振動子の製造方法。
8. 前記パターン化された第２マスク層を形成する工程は、
   前記第２レジスト層の露光により感光した部分以外を除去することによって、パターン化された第２レジスト層を形成し、
   前記パターン化された第２レジスト層の上から第２マスク層を形成し、
   前記パターン化された第２レジスト層を除去することによって、前記パターン化された第２マスク層を形成する、
   工程を含む、請求項１に記載の水晶振動子の製造方法。
9. 前記第２レジスト層と前記水晶基板との間に、前記第２レジスト層より薄い薄膜マスク層を形成する、工程をさらに有する、請求項１に記載の水晶振動子の製造方法。
10. 前記パターン化された第２マスク層を形成する工程は、
    前記第２レジスト層の露光された部分を除去することによって、パターン化された第２レジスト層を形成し、
    前記パターン化された第２レジスト層をマスクとして利用して、前記薄膜マスク層をパターン化して、前記パターン化された第２マスク層を形成する、
    工程を含む、請求項９に記載の水晶振動子の製造方法。
11. 前記薄膜マスク層は、Ａｕ膜及びＣｒ膜から構成される積層膜である、請求項１０に記載の水晶振動子の製造方法。
12. 前記Ａｕ膜は、０．０６〜０．１０μｍの膜厚を有する、請求項１１に記載の水晶振動子の製造方法。
13. 前記Ｃｒ膜は、０．０１〜０．０４μｍの膜厚を有する、請求項１１に記載の水晶振動子の製造方法。
14. 前記水晶片に電極を取り付け、
    前記電極が取り付けられた前記水晶片を容器に実装する、
    工程をさらに有する、請求項１〜１３に記載の水晶振動子の製造方法。

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