JP4864581B2 - 圧電振動子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば水晶等からなる圧電振動子を製造する技術に関する。

音叉型の水晶振動子は、小型、安価で低消費電力であることから、従来から腕時計の歩度を刻む信号源として採用され、更にその用途が広がろうとしている。また、最近では、ＣＩ値（クリスタルインピーダンス）をより小さくする要求が強く、水晶振動片に溝部を形成したものが用いられている。

音叉型の水晶振動子１００は、図１０に示すように、基部１と基部１に設けられた一対の振動腕部２ａ及び２ｂとからなっている。振動腕部２ａ、２ｂにおける両主面には、溝部３１、３２が各々設けられており、これらの溝部３１、３２及び振動腕部２ａ、２ｂには、屈曲振動に基づいた音叉振動を励起するための図示しない励振電極が形成されている。この励振電極に電流を流すことによって、水晶振動子１００に振動が生じる。

この水晶振動子１００は、以下の工程によって製造される（特許文献１参照）。尚、図１１〜１２は、水晶振動子１００の図１０におけるＡ−Ａ’線に沿った断面を示す図である。先ず、切り出された水晶ウェハ１０の研磨加工及び洗浄を行った後に、スパッタ法により金属膜１１を形成する（図１１（ａ））。この金属膜１１は、例えばクロム（Ｃｒ）の下地膜上に金（Ａｕ）が成膜されている膜である。

続いて金属膜１１の表面にレジスト膜１２を塗布した後（図１１（ｂ））、露光、現像処理を行い、レジスト膜１２に水晶片１７の形状、即ち音叉形状のパターンを形成する（図１１（ｃ））。そしてエッチングによって金属膜１１にレジスト膜１２のパターンに対応したパターンを形成した後、レジスト膜１２を剥離する（図１１（ｄ））。

次に、水晶ウェハ１０の全面にレジスト膜１３を形成して（図１１（ｅ））、金属膜１１のパターンの開口部及び図１０に示す溝部３１、３２に対応する部分のレジスト膜１３を剥離する（図１２（ｆ））。そして、水晶ウェハ１０をフッ酸に浸漬して、金属膜１１をマスクとして水晶片１７の外形を形成する（図１２（ｇ））。この時、水晶片１７が金属膜１１の外形よりも僅かに小さくなるようにエッチングされて、金属膜１１の端部が露出する。続いて図１０の溝部３１に対応する部分の金属膜１１をエッチングする（図１２（ｈ））。このエッチングによって、前述の水晶ウェハ１０のエッチングにより露出した金属膜１１は、端部が水晶片１７側からエッチングされて、寸法が小さくなる。そして、水晶片１７をフッ酸に浸漬して、金属膜１１をマスクとして水晶片１７の両主面に溝部３１を形成する（図１２（ｉ））。前述の金属膜１１のエッチングによって、金属膜１１の外形の寸法が小さくなっているため、水晶片１７の外形は、上述の図１２（ｇ）における水晶ウェハ１０のエッチングと同様に、金属膜１１の外形よりも僅かに小さくなるようにエッチングされる。その後、金属膜１１とレジスト膜１３とを除去する（図１２（ｊ））。

しかる後、以下のように水晶片１７に金属パターンを形成する。まず、水晶片１７の表面に金属膜１４とレジスト膜１５とをこの順番で積層して（図１３（ｋ））、レジスト膜１５に金属配線パターンを形成する（図１３（ｌ））。次に、レジスト膜１５をマスクとしてエッチングによって金属膜１４に金属配線パターンを形成して（図１３（ｍ））、レジスト膜１５を除去する（図１３（ｎ））。その後、水晶振動子１００の切り出し、洗浄や検査等を経て、水晶振動子１００が製造されるが、この製法には次のような問題がある。

上述の図１２（ｈ）における金属膜１１のエッチングにおいて、金属膜１１は、図１４（ａ）に示すように、パターンの端部が側面及び水晶片１７からエッチングされて、水晶片１７の外形よりも小さくなる。この水晶片１７に対して、図１２（ｉ）におけるエッチングを行った場合、水晶片１７の角部がエッチングされて、図１４（ｂ）に示す様に、水晶片１７の角部が面取りされた状態となってしまう。このような角部が形成された場合、振動腕部２ａ、２ｂの間における振動の向きのバランスが取りにくくなるため、電界効率が低下して、ＣＩ値が増大してしまう。

また、図１３（ｋ）において金属膜１４の表面にレジスト膜１５を成膜する際、水晶片１７の稜線１６（角部）には、表面張力によってレジスト膜１５が乗りにくいため、その後の金属膜１４のエッチングにより、電極パターンの導通不良や断線などを生じるおそれがある。そのため、図１４（ｂ）のように、稜線１６が増えて２箇所となった場合、導通不良や断線などが生じやすくなる。

特許文献２、３には、圧電素子片の欠陥の減少や正確なエッチングまたは工程の数の減少を目的とした水晶振動子の製造方法について記載されているが、既述の課題については何ら考慮されていない。

特開２００２−７６８０６（（００９４）〜（０１１３）、図１２〜図１１） 特開２００４−１０４３６５（（００３１）〜（００３７）、図７、図１０） 特開２００５−６５２３４（（００１７）、（００１９））

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、圧電振動片の外形について良好な形状を得ることができ、その結果、圧電振動子に形成された電極の導通不良を低減し、またＣＩ値の増大を抑えることができる圧電振動子の製造方法を提供することにある。

本発明の圧電振動子の製造方法は、
基部から伸び出している複数の振動腕部の各々に溝部が形成されている圧電振動子の製造方法において、
圧電基板である基板の表面に金属膜を形成する工程と、
この金属膜の表面に、振動腕部の溝部に相当する部分が開口したレジスト膜を形成して、金属膜に対してエッチングによりパターンを形成する工程と、
次いで前記基板をエッチング液に接触させて、前記金属膜をマスクとして、前記複数の振動腕部に相当する部分に各々溝部を形成する工程と、
前記金属膜とレジスト膜とを全て剥離する工程と、
前記基板の表面に金属膜を形成する工程と、
この金属膜の表面に、圧電振動片の形状部分が残るようにパターニングされたレジスト膜を形成して、金属膜に対してエッチングによりパターンを形成する工程と、
前記基板をエッチング液に接触させて、前記金属膜をマスクとして圧電振動片の外形を形成する工程と、
前記レジスト膜を剥離する工程と、
周波数調整用の金属膜の形成領域となる前記振動腕部の先端部分にレジストが残るように基板の表面にレジスト膜を形成して、当該先端部分以外における前記金属膜をエッチングにより除去する工程と、
次いで前記振動腕部の先端部に残っているレジスト膜を剥離する工程と、
その後圧電振動片の全面に金属膜を形成した後、レジストマスクを用いて金属膜からなる電極パターンを形成する工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明の圧電振動子の製造方法は、
基部から伸び出している複数の振動腕部の各々に溝部が形成されている圧電振動子の製造方法において、
圧電基板である基板の表面に金属膜を形成する工程と、
この金属膜の表面に、振動腕部の溝部に相当する部分が開口したレジスト膜を形成して、金属膜に対してエッチングによりパターンを形成する工程と、
次いで前記基板をエッチング液に接触させて、前記金属膜をマスクとして、前記複数の振動腕部に相当する部分に各々溝部を形成する工程と、
前記レジスト膜を剥離する工程と、
周波数調整用の金属膜の形成領域となる前記振動腕部の先端部分にレジストが残るように基板の表面にレジスト膜を形成して、当該先端部分以外における前記金属膜をエッチングにより除去する工程と、
次いで前記振動腕部の先端部に残っているレジスト膜を剥離する工程と、
前記基板の表面に金属膜を形成する工程と、
この金属膜の表面に、圧電振動片の形状部分が残るようにパターニングされたレジスト膜を形成して、金属膜に対してエッチングによりパターンを形成する工程と、
前記基板をエッチング液に接触させて、前記金属膜をマスクとして圧電振動片の外形を形成する工程と、
その後圧電振動片の全面に金属膜を形成した後、レジストマスクを用いて金属膜からなる電極パターンを形成する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、例えば音叉型の圧電振動片をエッチングによって形成するにあたり、圧電基板に圧電振動片の外形を形成する前に、圧電振動片の腕部に相当する部分に溝部を形成しているため、圧電振動片の外形の角部のエッチングが抑えられて、導通不良やＣＩ値の増加を抑えることができる。

次に、図１を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、この実施の形態に係る水晶振動子５は、図１０に示した既述の水晶振動子１００と同一の構造であるため、重複する部分についての説明を省略する。
図１に示すように、この水晶振動子５には、一対をなす一方の励振電極４１と他方の励振電極５１とが形成されている。振動腕部２ａの２つの溝部３１、３２の内面全体及びこれら溝部３１、３２の間のいわば橋部と、振動腕部２ｂの両側面２１、２１及び主面２２、２２（表側及び裏側）における溝部３１よりも上方部位と、には、一方の励振電極４１が形成されている。また、振動腕部２ｂの２つの溝部３１、３２の内面全体及びこれら溝部３１、３２の間と、振動腕部２ａの両側面２１、２１及び主面２２、２２（表側及び裏側）における溝部３１よりも上方部位と、には、他方の励振電極５１が形成されている。

基部１の表面には、これらの一方の励振電極４１同士が電気的に接続されるように引き出し電極４２からなる電極パターンが形成されていると共に、他方の励振電極５１同士が電気的に接続されるように引き出し電極５２からなる電極パターンが形成されている。
また、振動腕部２ａ、２ｂの先端部にはそれぞれ金属膜からなる調整用錘５０、４０が形成されており、その重量（膜厚）を調整することによって、水晶振動子５の発振周波数を調整することができる。この調整用錘５０、４０は、励振電極５１、４１の一部をなすものであるが、他の部位の電極とは例えば膜厚や材料が異なっている。尚、図１中の斜線の領域は、電極パターンを見やすくするために用いた区分けであり、断面を表しているものではない。

次に、図１に示した水晶振動子５の製造方法について図２〜５を参照して説明する。尚、図２〜図５は、図１において、Ｘ−Ｚ平面に平行な溝部３１を通る平面Ａにおける水晶振動子５の切断面を表している。
まず、切り出された基板である水晶ウェハ６０の研磨加工及び洗浄を行った後、スパッタ法によって金属膜６１を形成する（図２（ａ））。この金属膜６１は、例えばクロム（Ｃｒ）の下地膜に金（Ａｕ）が成膜されている膜である。

続いて金属膜６１の上にレジスト膜６２を例えばスプレー法で形成した後（図２（ｂ））、露光、現像処理を行って、このレジスト膜６２を溝部３１の形状となるようにパターニングする（図２（ｃ））。そして、水晶ウェハ６０をメタルエッチング液であるヨウ化カリウム（ＫＩ）溶液に浸漬して、溝部３１に対応した開口部を金属膜６１に形成する（図２（ｄ））。
次いでこの水晶ウェハ６０をエッチング液であるフッ酸に浸漬して、水晶ウェハ６０に溝部３１を形成する（図３（ｅ））。溝部３１の寸法は、金属膜６１のパターンに倣って形成されるが、エッチング液が開口内部で広がるため、同図に示すように、金属膜６１の開口寸法よりも僅かに大きい寸法となる。

その後、レジスト膜６２及び金属膜６１を除去する（図３（ｆ））。そして、水晶ウェハ６０の表面に例えばスパッタ法によって金属膜６３を成膜して、その表面に例えばスプレー法によってレジスト膜６４を成膜する（図３（ｇ））。次に露光、現像処理を行って、このレジスト膜６４を水晶片６５の形状、即ち音叉形状となるようにパターニングした後（図３（ｈ））、水晶ウェハ６０をヨウ化カリウム溶液に浸漬して、レジスト膜６４のパターンに対応したパターンを金属膜６３に形成する（図３（ｉ））。

次いで、この水晶ウェハ６０をフッ酸に浸漬して、水晶片６５の外形を形成する（図４（ｊ））。この時、上述の図３（ｅ）において形成した溝部３１内には、金属膜６３が成膜されており、このエッチングによって溝部３１内の水晶片６５が侵食されず、溝部３１の深さの変化や溝部３１の角部（凸部）のエッチングなどが起こらない。尚、水晶片６５の外形の寸法は、金属膜６３のパターンに倣って形成されるが、エッチング液が開口内部で広がるため、同図に示すように、金属膜６３の開口部の寸法よりも僅かに小さい寸法となる。

次に、レジスト膜６４と金属膜６３とを剥離した後（図４（ｋ））、電極パターンが形成される。先ず、水晶片６５の表面に例えばスパッタ法を用いて電極となる金属膜７１とレジスト膜７２とをこの順番で積層する（図４（ｌ））。この金属膜７１は、例えばクロム（Ｃｒ）の下地膜の表面に金（Ａｕ）が成膜されている膜である。レジスト膜７２は、既述の方法と同様に例えばスプレー法によって形成される。その後、振動腕部２ａ、２ｂの主面２２、２２の電極パターンに対応するように、レジスト膜７２をパターニングする（図５（ｍ））。そして、レジスト膜７２をマスクとして用いて、エッチングにより金属膜７１に電極パターンを形成した後（図５（ｎ））、レジスト膜７２を剥離する（図５（ｏ））。そして、図６に示すように、複数の水晶振動子５が形成された基板から、水晶振動子５が切り出されることとなる。尚、図６における複数の水晶振動子５を囲むように形成された線は、基板とエッチングにより穿たれた凹部との境界を示している。

上述の本発明の実施の形態によれば、水晶ウェハ６０を水晶片６５の形状にエッチングする前に、溝部３１を形成しているため、水晶片６５の角部のエッチングを抑えることができるので、振動腕部２ａ、２ｂの間における振動の向きのばらつきが抑えられて、ＣＩ値の増加を抑えることができると共に、水晶片６５の稜線の数の増加が抑えられて、水晶片６５の角部における金属膜７１がエッチングされることによる通電不良や断線などの増加を抑えることができる。

また、水晶ウェハ６０を水晶片６５の形状にエッチングするときに、溝部３１の表面に金属膜６３を成膜しているため、水晶振動子５の外形を一義的に決めることができる。つまり、従来の工程（初めに水晶片６５の外形を形成した後、溝部３１を形成する）においては、溝部３１の形成と同時に水晶片６５の外形のエッチングも起こるため、エッチング時間によって溝部３１の深さと水晶片６５の幅とが同時に減少してしまい、水晶振動子５の形状を制御することが非常に困難である。しかし、水晶片６５の幅及び溝部３１の深さを、それぞれの干渉を抑えて形成することによって、水晶振動子５の形状の制御が容易となる。また、水晶片６５の幅及び溝部３１の深さを、それぞれの干渉を抑えて形成するにあたり、例えば別途水晶ウェハ６０を保護するためのマスクを形成するなどの工程を増やす必要がないため、生産性を犠牲にせずに水晶振動子５の形状を容易に制御することができる。

次に、図１の振動腕部２ａ、２ｂの先端部の調整用錘５０、４０を形成する場合について、図７及び図８を参照して説明する。尚、図７及び図８は、図１において、Ｘ−Ｚ平面に平行な溝部３１を通る平面Ａと、平面Ａに平行な調整用錘５０、４０を通る平面Ｂと、における水晶振動子５の切断面を表している。

先ず、図４（ｊ）において水晶片６５の外形を形成した後（図７（ｊ））、レジスト膜６４を剥離して、水晶片６５の表面にレジスト膜６６を例えばスプレー法によって形成する（図７（ｊ’））。そして、露光、現像処理によって振動腕部２ａ、２ｂの先端部である調整用錘５０、４０の形成領域以外のレジスト膜６６を除去する（図７（ｊ’’））。次に、水晶片６５をヨウ化カリウム（ＫＩ）溶液に浸漬して、振動腕部２ａ、２ｂの先端部以外の金属膜６１を除去した後、レジスト膜６６を剥離する（図７（ｋ））。以上の工程により、電極パターンが形成されていない状態の水晶片６５が製造される。

その後、既述の図４（ｌ）〜図５（ｏ）と同様に、水晶片６５の表面に電極パターンが形成される（図８（ｌ）〜（ｏ））。先ず、水晶片６５の表面に電極となる金属膜７１とレジスト膜７２とをこの順番で積層する（図８（ｌ））。その後、振動腕部２ａ、２ｂの主面２２、２２の電極パターンに対応するように、レジスト膜７２をパターニングする（図８（ｍ））。そして、レジスト膜７２をマスクとして用いて、エッチングにより金属膜７１に電極パターンを形成した後（図８（ｎ））、レジスト膜７２を剥離する（図８（ｏ））。そして、調整用錘５０、４０の膜厚を調整することによって、水晶振動子５の振動周波数を調整した後、図６の基板から、水晶振動子５が切り出される。

尚、この例では、調整用錘５０、４０を形成するために、金属膜６３を活用したが、金属膜６１を活用するようにしても良い。つまり、図３（ｅ）において、レジスト膜６２を剥離した後、調整用錘５０、４０の形成領域を覆うようにレジストマスクを形成して、調整用錘５０、４０の形成領域以外の金属膜６１を除去して、図３（ｇ）以降の工程を行うことによって、金属膜６１を調整用錘５０、４０として用いるようにしても良い。

以上のように、水晶振動子５の先端部において、水晶片６５をエッチングするためのマスクである金属膜６３または金属膜６１を残して、電極パターンである金属膜７１を形成しているため、振動腕部２ａ、２ｂの先端部の金属の膜厚が厚くなるので、水晶振動子５の製造後、この金属膜（調整用錘５０、４０）の膜厚を調整できる範囲が広がり、水晶振動子５の振動周波数の調整範囲を広くすることができ、歩留まりの低下を抑えることができる。また、金属膜６１、６３として例えば金を用いた場合には、調整用錘５０、４０の材料費を節約することができる。

上述の水晶振動子５は、例えば図９に示すように、ＳＭＤ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）構造のセラミックスからなるパッケージ８内に格納されて、電子部品を構成する。このパッケージ８は、上面が開口している例えばセラミックス製のケース体８ａと、例えば金属製の蓋体８ｂとから構成される。前記ケース体８ａと蓋体８ｂとは、例えば溶接剤からなるシール材８ｃを介してシーム溶接され、その内部は真空状態となっている。水晶振動子５は、導電性接着剤８ｄによってパッケージ８内の台座８１に基部１が固定されて、振動腕部２ａ、２ｂがパッケージ８内部の空間に伸び出した横向きの姿勢となる。また、基部１の引き出し電極４２、５２は、前述の導電性接着剤８ｄによって、台座８１の表面に形成された導電路８２、８３（８３は紙面奥側の導電路である）にそれぞれ接続されている。導電路８２、８３は、ケース体８ａの外部底面の長手方向の両端に形成された電極８４、８５にそれぞれ接続されており、電極８４、８５、導電路８２、８３及び導電性接着剤８ｄを介して引き出し電極４２、５２に電流が流れることで、水晶振動子５が振動するように構成されている。尚、図図９（ａ）はパッケージ８の断面図を表しており、同図（ｂ）はパッケージ８の下方（ケース体８ａ側）から見た平面図を表している。この電子部品は、発振回路の回路部品が搭載されている図示しない配線基板に設置されることによって、水晶発振器が構成される。

本発明の実施の形態に係る音叉型水晶振動子の一例を示す斜視図である。 上述の音叉型水晶振動子の製造方法の一例を示す断面図である。 上述の音叉型水晶振動子の製造方法の一例を示す断面図である。 上述の音叉型水晶振動子の製造方法の一例を示す断面図である。 上述の音叉型水晶振動子の製造方法の一例を示す断面図である。 上述の音叉型水晶振動子の一例を示す平面図である。 上述の音叉型水晶振動子の製造方法の一例を示す断面図である。 上述の音叉型水晶振動子の製造方法の一例を示す断面図である。 上述の音叉型水晶振動子を格納したパッケージの一例を示す説明図である。 音叉型水晶振動子の一例を示す概略平面図である。 従来の音叉型水晶振動子の製造方法を示す断面図である。 従来の音叉型水晶振動子の製造方法を示す断面図である。 従来の音叉型水晶振動子の製造方法を示す断面図である。 従来の音叉型水晶振動子の振動腕部の断面図である。

符号の説明

５ 水晶振動子
４１ 一方の励振電極
５１ 他方の励振電極
６０ 水晶ウェハ
６１ 金属膜
６２ レジスト膜
６３ 金属膜
６４ レジスト膜
６５ 水晶片
６６ レジスト膜
７１ 金属膜
７２ レジスト膜

Claims (2)

1. 基部から伸び出している複数の振動腕部の各々に溝部が形成されている圧電振動子の製造方法において、
   圧電基板である基板の表面に金属膜を形成する工程と、
   この金属膜の表面に、振動腕部の溝部に相当する部分が開口したレジスト膜を形成して、金属膜に対してエッチングによりパターンを形成する工程と、
   次いで前記基板をエッチング液に接触させて、前記金属膜をマスクとして、前記複数の振動腕部に相当する部分に各々溝部を形成する工程と、
   前記金属膜とレジスト膜とを全て剥離する工程と、
   前記基板の表面に金属膜を形成する工程と、
   この金属膜の表面に、圧電振動片の形状部分が残るようにパターニングされたレジスト膜を形成して、金属膜に対してエッチングによりパターンを形成する工程と、
   前記基板をエッチング液に接触させて、前記金属膜をマスクとして圧電振動片の外形を形成する工程と、
   前記レジスト膜を剥離する工程と、
   周波数調整用の金属膜の形成領域となる前記振動腕部の先端部分にレジストが残るように基板の表面にレジスト膜を形成して、当該先端部分以外における前記金属膜をエッチングにより除去する工程と、
   次いで前記振動腕部の先端部に残っているレジスト膜を剥離する工程と、
   その後圧電振動片の全面に金属膜を形成した後、レジストマスクを用いて金属膜からなる電極パターンを形成する工程と、を含むことを特徴とする圧電振動子の製造方法。
2. 基部から伸び出している複数の振動腕部の各々に溝部が形成されている圧電振動子の製造方法において、
   圧電基板である基板の表面に金属膜を形成する工程と、
   この金属膜の表面に、振動腕部の溝部に相当する部分が開口したレジスト膜を形成して、金属膜に対してエッチングによりパターンを形成する工程と、
   次いで前記基板をエッチング液に接触させて、前記金属膜をマスクとして、前記複数の振動腕部に相当する部分に各々溝部を形成する工程と、
   前記レジスト膜を剥離する工程と、
   周波数調整用の金属膜の形成領域となる前記振動腕部の先端部分にレジストが残るように基板の表面にレジスト膜を形成して、当該先端部分以外における前記金属膜をエッチングにより除去する工程と、
   次いで前記振動腕部の先端部に残っているレジスト膜を剥離する工程と、
   前記基板の表面に金属膜を形成する工程と、
   この金属膜の表面に、圧電振動片の形状部分が残るようにパターニングされたレジスト膜を形成して、金属膜に対してエッチングによりパターンを形成する工程と、
   前記基板をエッチング液に接触させて、前記金属膜をマスクとして圧電振動片の外形を形成する工程と、
   その後圧電振動片の全面に金属膜を形成した後、レジストマスクを用いて金属膜からなる電極パターンを形成する工程と、を含むことを特徴とする圧電振動子の製造方法。

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