JP5123674B2 - 水晶振動片の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、水晶振動片の製造方法に関するもので、特に断面をベベルまたはコンベックス形状に加工する水晶素板の加工方法に関するものである。

水晶振動子は、電子機器の基準発振源や、マイクロコンピュータのクロック源などとして用いられ、特に携帯通信機器の小型化に伴い水晶振動子も表面実装型で小型化が進んでいる。このような水晶振動子としてたとえばＡＴカット水晶振動子は、温度特性がよく高周波振動子として広範に利用されている。

このＡＴカット水晶振動子の水晶振動片は、表面実装型の小型のものである場合、図８に（ａ）平面図、（ｂ）ベベル断面図、（ｃ）コンベックス断面図として示すように矩形形状をしている。周波数が３０ＭＨｚ程度以下では、水晶振動片は振動特性を良くするために４角をＲ面処理され、更に端面のベベル加工ないしはコンベックス加工が施されている。このＡＴカット水晶振動片は、たとえば２８Ｈｚでは約６０μｍといった厚みとなり、ベベル加工では約３０μｍ程度の高さを数十μｍから数百μｍかけてなだらかなテーパを形成することによりベベル化される。

このようなベベル加工ないしはコンベックス加工は、従来バレル研磨により行われているが、水晶振動片の小型化にともないバレル研磨が困難となってきており、ドライエッチングやブラスト加工の検討が行われている。ドライエッチングやブラスト加工では、レジスト膜をベベル形状やコンベックス形状にならった３次元形状とする必要があり、そのための種々の方法が考案されている。

たとえば、露光においてフォトマスク材料の厚みや濃度等を変化させることにより光強度を変化させ、レジストの感光厚みを変えてレジスト厚みを変化させる（特許文献１）。あるいは、露光において光学系により光強度を変化させることにより、レジストの感光厚みを変えてレジスト厚みを変化させる（特許文献２、特許文献５）。あるいは、樹脂や低融点物質を溶融あるいは粘調状態とし、形成される接触角の形状を利用する（特許文献３、特許文献４、特許文献５）。あるいは、あらかじめ所定の３次元形状に成形されたカバーを貼り付ける（特許文献５）。あるいは、レジストを型で成形する（特許文献３）。
特開２００３−２３４６３２号公報 特開２００４−１２０５０８号公報 特開２００４−３４９３６５号公報 特開２００５−２１７３７０号公報 特開２００５−２４４６７７号公報

露光する光強度をフォトマスクや露光光学系で必要とするレジスト膜の厚みに合わせて変化させることは、フォトマスクの作成や露光光学系の設置に大きな負担がかかる。また、樹脂や低融点物質を溶融あるいは粘調状態とし、形成される接触角の形状を利用することは、得られるベベルやコンベックス形状の制御に大きな制限があり、形状の自由度が小さい。所定の３次元形状に成形されたカバーを貼り付ける、あるいは型で成形する方法は、カバーや型の作成自体が容易ではないというような欠点がある。また、レジストに樹脂を利用することは、ブラスト加工やウェットエッチングには適用困難である、ドライエッチングでも水晶とのエッチングの選択比がうまくとれないといった欠点がある。

そこで本発明は、簡易な方法で水晶素板上に３次元形状すなわち厚みの変化の制御されたレジスト膜を形成し、小型なＡＴカット水晶振動子などのベベルやコンベックス加工を可能と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、本発明の水晶振動片の製造方法では、水晶素板にスクリーン印刷法によりレジスト膜を３次元形状（厚み変化）に塗布（印刷）する工程と、エッチングまたはブラストによる加工により前記水晶素板の断面をベベルまたはコンベックス形状に加工する工程と、を有する。

前記スクリーン印刷法で用いるマスクの開口部断面がテーパを有する。

前記レジスト膜を少なくとも１往復して塗布する。

前記スクリーン印刷法で用いるマスクの開口部面積あるいは前記レジスト膜の厚みのうち少なくとも一方を変えて前記レジスト膜を再塗布する。

前記レジスト膜が非金属無機物を含有する。

前記エッチングがドライエッチングである。

前記エッチングがウェットエッチングである。

また本発明の水晶振動子は、その振動片が前記製造方法によって製造される。

請求項１の発明による水晶振動片の製造方法では、レジストの粘度やチキソ性などレジストとなる樹脂あるいはペーストの性質、印刷圧力、印刷速度などの印刷条件および使用するマスクにより、レジストの端部のテーパ形状を容易に種々に変化させることができる。

請求項２の発明により、マスクの開口部断面にテーパを付けてスキージ移動面側のマスクの開口よりも被印刷物側のマスクの開口を広げることにより、スクリーン印刷で生じるレジスト端部の厚みのテーパ形状をより確実になだらかに変化させることができる。

請求項３の発明により、スクリーン印刷で生じるマスク開口部の壁面部へのレジスト充填の方向性を解消することができ、レジスト端部の厚みのテーパ形状の塗布（印刷）方向による違いを解消できる。

請求項４の発明により、レジストの厚みをより広範囲により変化させることができる。

請求項５の発明により、ドライエッチング、ウェットエッチング、ブラスト加工のすべてに適用できるようになり、レジストと水晶のエッチング選択比のマッチングも良好となる。

請求項６、７の発明により、種々な加工方法で水晶素板を加工でき目的に合った最適な加工を選択できる。

請求項８の発明により、小型で高性能なＡＴカット水晶振動子が簡易に実現できる。

以下に本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の水晶素板のエッチングあるいはブラスト加工のための、スクリーン印刷法によるレジスト膜の塗布工程を示す断面図である。図１の（ａ）スクリーン印刷によるレジスト塗布工程に示すように、水晶素板１にマスク３を合わせ、スキージ４でレジスト２を塗布する。

これにより、図１の（ｂ）印刷後のレジストの状態で示すように、端部から中央へなだらかに傾斜したテーパを有するレジスト２を塗布することが可能となる。このレジスト端部から中央へかけてのテーパは、スクリーン印刷法では、レジストの粘度やチキソ性などレジストとなる樹脂あるいはペーストの性質、印刷圧力、印刷速度などの印刷条件、更に使用するマスクによって変化させることができる。

レジスト材料としては、溶剤溶解型樹脂、熱硬化型樹脂、紫外硬化型樹脂など樹脂系のものが利用できる。これらは、溶剤、重合度、添加剤等により、粘度、チキソ性等を調整することができ、したがって３次元形状すなわち主に端部から中央への傾斜を制御できる。

ただし、樹脂系のレジストは、ドライエッチングには適用できるが、ブラスト加工やエッチング液を使用するウェットエッチングには適用が困難である。また、ドライエッチングでも無機物質である水晶と樹脂とのエッチング速度を適合させることは容易ではない。そのため、非金属無機物質をビヒクルと呼ばれる粘度やチキソ性調整成分、溶剤成分等を添加し印刷性を調整した粘調性のペーストを利用する。

このペーストを使用して印刷（塗布）し、これを熱処理により反応硬化あるいは硬く固まらせたあるいは有機成分を除去して非金属無機物質よりなるレジストを形成する。このペーストは、低融点ガラスを主成分あるいは低融点ガラスをバインダとして使用すると、低融点で固化が可能となる。

あるいは、カルシウム化合物の水和硬化、ゾル・ゲル反応、水ガラス（ケイ酸アルカリ）、リン酸化合物なども利用できる。また、超微粒子の低融点焼結も利用できる。いずれにしろ、水晶の転移点温度以下での熱処理とする必要がある。

このような硬くて脆い非金属無機物質をレジストとして利用することで、ドライエッチングやブラスト加工が可能となる。

ドライエッチングとしては、反応性ドライエッチングのほかに反応を伴わないイオンエッチングも利用できる。イオンエッチングは、適用できる非金属無機物質のレジスト材料が広く選べるという長所がある。また、ドライエッチングは、飛散物質の再付着により水晶が汚染される場合があるのでウェットエッチング等により洗浄を十分に行う必要がある。

この非金属無機物質よりなるレジストは、あくまでもエッチングの際の水晶のエッチング量調整の犠牲層とするものであって、最終的にはすべて除去されるものであるから構造材のような耐久性は必要とせず、化学的に不安定な各種低融点ガラスや十分にガラス化しない成分であってもあるいは焼結が不十分なセラミックであっても利用できるという長所を有する。

非金属無機物質成分としてＳｉＯ２ないしシリカを主成分に利用すると、ウェットエッチングも可能となる。

マスクには、メタルマスクのようなステンシルタイプ（開口マスク）とメッシュに感光樹脂を塗布したメッシュタイプがある。

図２は本発明のマスクの開口部断面図である。マスク３の水晶素板側開口部が広くなるようにテーパ５が設けられている。マスク３の開口部断面にテーパをつけるには、たとえばメタルマスクでは段階エッチングを行う、エッチングとレーザー加工を組み合わせるなどの方法がある。これにより更にレジストの端部から中央へかけての傾斜を種々に制御することが可能となる。

本発明の塗布工程は、１回の塗布においてスキージを往復させて２回の印刷を行うことで、スクリーン印刷における塗布の方向性を解消する。すなわち、図３の本発明のレジスト塗布方法を示す断面図に示すように、まず（ａ）往きの塗布工程を行う。これによりマスク開口部の塗布方向後ろ側にレジスト未充填部７が発生する。

従って、続けて（ｂ）戻りの塗布工程を行う。これにより、最初の往きの塗布工程で生じたレジスト未充填部７にもレジストが十分充填される。この操作により、スクリーン印刷法におけるレジスト塗布の方向性、すなわちレジスト端のテーパ形状の不十分な制御という問題が解決される。この際、ペーストのローリングだけでなく、ペーストを加圧してマスクに充填することも効果がある。

本発明では、更にレジスト端部のテーパをよりなだらかに広範囲にするために、マスクの開口部面積あるいはレジスト印刷厚みを変えて複数回のレジスト塗布を行う。すなわち、図４に断面図で示すように、第１層のレジスト２ａの上に第２層のレジスト２ｂを形成する。この際、第１回のレジスト塗布と第２回のレジスト塗布でマスクの開口部面積を変えることで、レジスト端部のテーパをなだらかで広範囲にできる。

マスク開口部だけでなくレジスト厚みを変えることも、レジスト端部のテーパを変えることに大きな効果がある。再塗布ではレジストの粘度やチキソ性を変えることもよい効果がある。メッシュタイプのスクリーンマスクでは、メッシュの占有部を考慮した開口率を変えることも効果がある。

このようにして複数回のレジスト塗布を行うことで、よりレジスト端からの厚みの変化すなわち３次元形状を種々に変化させることが可能となる。

スクリーン印刷法では平坦部が波をうったりすることが起こり、特にメッシュタイプのマスクでは顕著に起こる。従って、印刷後にベベル部以外を平坦化することは好ましい。平坦化は、空気などの気体の噴き付けや研磨などが利用できる。この場合、暖風を利用すると粘度やチキソ性を変化させてテーパ形状をなだらかにするのに効果がある。

また図５に断面図で示すように、ベベル部以外に予め水晶の上に金属膜などのエッチング阻止層６を設けることにより不必要なエッチングを防止できる。

以上のようにして、図６（ａ）に示すようにレジスト形成された水晶素板は、ドライエッチング、ウェットエッチング、ブラスト加工のいずれかによりベベルあるいはコンベックス形状を施されて、図６（ｂ）に示すように個々の水晶振動片に加工・分離される。

このようにして加工された水晶振動片８は、予め所定の電極を形成し、あるいは、加工後に所定の電極を形成し、図７に断面図として示すように接合材９によりパッケージ１０に実装されて水晶振動子となる。

このようにベベル加工あるいはコンベックス加工されたＡＴカット水晶振動子は、小型の矩形タイプのものでも寄生振動の影響を受けないすぐれた振動特性を有する。

本発明のレジスト塗布工程を示す断面図である。 本発明のマスクを示す断面図である。 本発明のレジスト塗布方法を示す断面図である。 本発明のレジスト塗布状態を示す断面図である。 本発明のレジスト塗布状態を示す断面図である。 本発明の水晶素板加工工程を示す断面図である。 水晶振動子を示す図である。 ＡＴカット水晶振動片を示す図である。

符号の説明

１ 水晶素板
２ レジスト
３ マスク
４ スキージ
５ テーパ
６ エッチング阻止層
７ レジスト未充填部
８ 水晶振動片
９ 接合材
１０ パッケージ

Claims (7)

1. 水晶素板にスクリーン印刷法によりレジスト膜を３次元形状に塗布する工程と、
   エッチングまたはブラスト加工により前記水晶素板の断面をベベルまたはコンベックス形状に加工する工程と、
   を有することを特徴とする水晶振動片の製造方法。
2. 前記スクリーン印刷法で用いるマスクの開口部断面がテーパを有することを特徴とする請求項１に記載の水晶振動片の製造方法。
3. 前記スクリーン印刷法による塗布工程が前記レジスト膜を少なくとも１往復して塗布することを特徴とする請求項１または２に記載の水晶振動片の製造方法。
4. 前記スクリーン印刷法で用いるマスクの開口部面積あるいは前記レジスト膜の厚みのうち少なくとも一方を変えて前記レジスト膜を再塗布する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の水晶振動片の製造方法。
5. 前記レジスト膜が非金属無機物を含有することを特徴とする請求項１から４いずれか１項に記載の水晶振動片の製造方法。
6. 前記エッチングがドライエッチングであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の水晶振動片の製造方法。
7. 前記エッチングがウェットエッチングであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の水晶振動片の製造方法。

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