JP5166168B2

JP5166168B2 - 水晶片の外形調整方法

Info

Publication number: JP5166168B2
Application number: JP2008212601A
Authority: JP
Inventors: 浩一岩田; 新土井; 正彦後藤
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2028-08-21
Also published as: JP2010050687A

Description

本発明は、電子機器に搭載される水晶振動子や水晶発振器に用いられる水晶片の外形調整方法に関する。

従来から、電子機器には、例えば、水晶振動子が用いられている。その従来の水晶振動子の一例としては、基体に設けられた凹部内に水晶振動素子を搭載して蓋体で気密封止した構造のものが知られている。ここで、水晶振動素子は、水晶片の両主面に励振電極が形成されている。また基体は、凹部内に水晶振動素子を搭載するための搭載パッドが設けられている。また、蓋体は、平板状に形成されており、基体に設けられた凹部を封止している。この基体に設けられた凹部の封止には、例えば、Ａｕ−Ｓｎを用いた封止、シーム溶接による封止などが用いられる。

この水晶振動子に構成される水晶片は、種々の形状が提案されている。
例えば、平板型の水晶片としては、平面視四角形状のものと、平面視円形状のものが知られており、平板型以外の水晶片としては、例えば、音叉形状のものやＨ型形状のものが知られている。

平面視四角形状の水晶片、平面視円形状の水晶片、音叉形状の水晶片、Ｈ型形状の水晶片は、水晶ウェハから形成される（例えば、特許文献１〜特許文献３参照）。
例えば、特許文献１で提案されている水晶片の場合、水晶片は、以下の手順で設けられる。１枚の水晶ウェハ内に複数の水晶片となる領域を確保する。その後、例えば、水晶片の輪郭の一部となる部分をウェットエッチング等で除去して複数の水晶片が連なる状態にする。なお、エッチングで水晶片の輪郭の一部を除去する場合は、予め、水晶の異方性により生成されるエッチング残りを考慮して、このエッチング残りが生じても水晶ウェハを貫通するようにウェットエッチングで除去する領域をエッチング残りの大きさよりも大きくしておく。次に、電極等を設けた後に水晶片が連なる部分をダイシング等により切断することで平面視四角形状の水晶片を形成することができる。

なお、このような水晶片の輪郭の一部を水晶ウェハに設ける場合、フォトリソグラフィ技術が用いられる。例えば、水晶ウェハに金属膜を設けた後にレジストを設け、所定のパターンが形成されたマスクを重ねて、マスクが重なっていないレジストを感光させる。ここで、例えば、感光しなかったレジストを除去し、ウェットエッチングで水晶ウェハの露出する部分を除去することにより水晶片の輪郭の一部を水晶ウェハに設けることができる。

ここで、水晶ウェハをウェットエッチングすると、水晶ウェハの除去される部分は、水晶ウェハの主面と垂直となる厚さ方向とは一致しない斜め方向に除去されることとなる。したがって、水晶ウェハに設けられたレジストの縁に沿って斜め方向にエッチングが進行し、レジストのパターンからはみ出た部分が現れる。この斜め方向とした傾斜角度は、水晶片の縁部の位置により異なるため、外形形状がアンバランスな形状、つまり非対称な形状の水晶片となる。例えば、水晶片の断面形状が向かい合う１組の２辺が平行で他の２辺が平行とならない四角形となる。

また、水晶片の形状を形成しつつ、水晶片に電極を形成する場合もある（例えば、特許文献２参照）。
この場合は、予め、水晶ウェハに電極となる金属膜を設けておき、フォトリソグラフィ技術により、電極の形状を水晶ウェハに設ける。その後、水晶片の形状をフォトリソグラフィ技術により形成して、個々の水晶片に電極が設けられた状態とする。

また、音叉形状の水晶片は、音叉形状を形成する基部と２本一対の腕部とで構成され、基部の一部が水晶ウェハの枠となる部分と一体となった状態から切断されることで形成される。
このような音叉形状の水晶片は、水晶ウェハに複数の音叉形状をフォトリソグラフィ技術によって形成し、水晶片を形成した後に電極を設けた状態となっている。
水晶ウェハに設けられた複数の音叉形状の水晶片は、隣り合う水晶片の間が、エッチング残りで塞がらないように、エッチング残りの大きさよりも大きな間隔をあけて設けられている（特許文献３参照）。

また、Ｈ型形状の水晶片は、基部と、この基部から延出する２本一対の励振腕部と、この励振腕部と反対方向に基部から延出する２本一対の検出腕部と、励振腕部と検出腕部との間に設けられる支持腕部とで主に構成されている（特許文献４参照）。
このようなＨ型形状の水晶片は、音叉形状の水晶片と同様に、水晶ウェハに複数のＨ型形状をフォトリソグラフィ技術によって形成し、水晶片を形成した後に電極を設けた状態となっている。
水晶ウェハに設けられた複数のＨ型形状の水晶片は、隣り合う水晶片の間が、エッチング残りで塞がらないように、エッチング残りの大きさよりも大きな間隔をあけて設けられている。

ここで、パルスレーザを用いた水晶片の加工が提案されている（例えば、特許文献５参照）。この加工は、水晶片の縁にフェムト秒レーザを照射して、その水晶片の縁を変質させるというものである。

特開２００７−１５０９２３号公報（図５）特開２００６−２１０７８３号公報（図１）特開２００７−１５０９２３号公報（図１）特開２００８−１０７２７１号公報（図１）特許３９９７５２６号公報

しかしながら、ウェットエッチングで水晶片の形状を形成すると、前記のとおり、水晶の異方性により、水晶ウェハの主面に対して斜めの方向に水晶ウェハの所定の部分を除去することとなる。これが、平面視四角形状、平面視円形状、音叉形状などの水晶片の外形形状とずれた位置に現れてエッチング残りとなり、非対称な形状の水晶片となる。したがって、水晶片の形状が非対称となっていることから、Ｑ値が低くなり厚みすべり振動や屈曲振動などの振動が安定しない場合がある。

また、フォトリソグラフィ技術を用いて水晶片の形状を形成する場合、水晶ウェハにレジストを塗布し、所定のパターンが設けられたマスクを重ねて露光し、余分なレジストを除去した後に、ウェットエッチングで水晶ウェハの露出した部分を除去する作業が行われる。しかしながら、水晶ウェハに複数の水晶片を形成する場合、エッチング残りを考慮して、そのエッチング残りの大きさよりも広く水晶片を並べる必要があるため、１枚の水晶ウェハからとれる水晶片の数が少なくなっていた。
また、特許文献４のように、単にフェムト秒レーザを水晶片に照射しても切断まで至っていない。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、安定した振動となり対称性を備えた水晶片及び生産性を向上させる水晶ウェハを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は水晶片の外形調整方法であって、エッチング技術に
より形成される水晶片の設計上の外形形状の外側に生じたエッチング残りを、前記外形形状に沿って、パルス幅が１０ ^−１０〜１０ ^−１２秒の範囲であり、波長が２６６ｎｍ〜１０６４ｎｍであり、パルスエネルギーが１μＪ〜３００μＪであるピコ秒レーザを照射することにより除去することを特徴とする。

また、本発明は、前記水晶片の外形形状が、四角形状、音叉形状、Ｈ形形状のいずれかから選択される形状でも良い。

このような請求項１に記載の水晶片によれば、エッチング技術により水晶ウェハに形成される水晶片に生じたエッチング残りをパルスレーザであるピコ秒レーザによって除去することにより、水晶片を、対称性を有する形状に調整することができる。
これにより、水晶振動子や水晶発振器に用いられる水晶片に対して、主振動にエネルギーを集中してＱ値を高くし、高安定にすることができる。

また、前記ピコ秒レーザでエッチング残りの所定の部分を除去することができるため、水晶片の振動する部分に影響を与えるエッチング残りの除去が可能となり、安定した振動を起こさせることができる。
これにより、水晶振動子や水晶発振器に用いられる水晶片に対して、Ｑ値を高くし、高安定にすることができる。
また、前記ピコ秒レーザが、パルス幅が１０^−１０〜１０^−１５秒の範囲であり、波長が２６６ｎｍ〜１０６４ｎｍであり、パルスエネルギーが１μＪ〜３００μＪであることにより、水晶振動子や水晶発振器に用いられる水晶片の外形形状の調整を容易に行うことができる。
また、前記水晶片の外形形状が、四角形状、音叉形状、Ｈ形形状のいずれかから選択される形状に対しても適用することができ、適宜、形状が用いられる水晶振動子や水晶発振器において、安定した振動をすることとなり、信頼性の高い水晶振動子や水晶発振器とすることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

図１（ａ）は本発明の実施形態に係る水晶片の外形調整方法の一例を示す概念図であり、（ｂ）は外形調整が完了した水晶片の一例を示す概念図である。図２（ａ）は、ウェハに水晶片を形成した状態の一例を示す概念図であり、（ｂ）は外形調整が完了した状態の一例を示す概念図である。図３（ａ）は、ウェハに水晶片を形成した状態の一例を示す概念図であり、（ｂ）は外形調整が完了した状態の一例を示す概念図である。図４（ａ）は、ウェハに水晶片を形成した状態の一例を示す概念図であり、（ｂ）は外形調整が完了した状態の一例を示す概念図である。

本発明の実施形態に係る水晶片の外形調整方法に用いられる水晶片の外形形状は、例えば、図２（ａ）に示すように、平面視において四角形状となっている。
図２（ａ）に示すように、この水晶片１０は、オリフラが設けられた円板又は四角板からなる水晶ウェハＷからフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて形成される。
例えば、水晶の結構軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を所定の角度で回転してＡＴカットの水晶片を形成した場合、新にできた軸を（Ｘ１軸、Ｙ１軸、Ｚ１軸）として、Ｘ１軸方向が水晶片の長手方向、水晶片のＺ１軸が短手方向、水晶片のＹ１軸が厚み方向となる。この短手方向となる水晶片１０の一片が水晶ウェハＷと一体で接続した状態となっている。

このとき、例えば、エッチング技術でウェットエッチングを用いた場合、水晶片１０にはエッチング残り２０が発生している。
言い換えると、水晶片１０の外形形状１０Ａをフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて形成すると、エッチング残り２０により、長手方向の２辺の中間を通る仮想線を中心軸ＣＬとした場合、この中心軸ＣＬに対して非対称な外形形状が形成される。

つまり、長手方向の平行する２辺には、厚み方向となるＹ１軸に対して、角度が異なる傾斜が形成され、短手方向の水晶ウェハＷと接続していない１辺にも傾斜が形成される。
このとき、Ｘ１Ｚ１平面と垂直な方向の厚み方向Ｙ１軸と平行となる設計上の外形形状１０Ａと比較すると、形成される水晶片の側面は、Ｘ１Ｚ１平面と垂直にならずに傾斜していることになる（図１（ａ）参照）。

このＸ１Ｚ１平面と垂直となる設計上の水晶片の側面から実際の傾斜している側面までの部分をエッチング残り２０としている。
このエッチング残り２０を本発明の実施形態に係る水晶片の外形調整方法により除去して、中心軸ＣＬに対して対称となる水晶片１０を得る。

まず、水晶ウェハＷに所定のパターンの金属膜（図示せず）を設けた後にレジスト（図示せず）を塗布し、前記金属膜のパターンと対応する所定の形状のマスク（図示せず）をレジスト上に重ねて露光する。例えば、露光により感光したレジストが現像液により剥がれる場合、露光後、マスクを外してレジストがついた水晶ウェハを現像液に浸す。これにより、露光したレジストが剥がれて水晶ウェハの表面が露出する。
この状態で、エッチャント（図示せず）に水晶ウェハを浸すことで、露出する水晶ウェハの表面が除去されていき、やがて貫通する。
この貫通した状態で、純水で洗浄するリンスを行い、エッチングの進行を止める。
さらに、残りのレジストを剥がして、水晶片１０の外形形成は完了する。

この後、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、水晶片１０の設計上の外形形状１０Ａに沿ってレーザを照射する。このレーザの照射により、エッチング残り２０は除去されて、中心軸ＣＬに対して対称となる外形形状となる。つまり、図１（ｂ）及び図２（ｂ）に示すように、水晶片１０の外形調整が完了する。

ここで、このレーザは、以下のとおりである。
このレーザは、パルスレーザであるピコ秒レーザが用いられる。
このピコ秒レーザは、レーザ発振装置（図示せず）より発振される。レーザ発振装置は、ステージに固定される水晶ウェハに対し、レーザ発振部で発振されて光路で伝送されて集光光学系で集光されたレーザを水晶ウェハの平面の法線方向より照射する。レーザ発振部は、例えば、ＹＡＧレーザより構成されている。
ピコ秒レーザは、例えば、源振の波長が２６６ｎｍ〜１０６４ｎｍ、パルス幅が１０^−１０〜１０^−１５秒の範囲、走査速度が０．５ｍｍ／ｓ、パルスエネルギーが１μＪ〜３００μＪの条件で用いられる。

パルス幅を１０^−１０〜１０^−１５秒の範囲として、パルスエネルギーが１μＪ〜３００μＪの範囲となっていれば良い。このパルスエネルギーは、レーザの平均周波数を繰り返し周波数で除した値である。なお、波長が１０６４ｎｍより大きくなると、水晶片１０の各辺部にチッピングなどの欠けが生じてしまい、中心線ＣＬに対して非対称な外形形状となってしまう。したがって、波長は、１０６４ｎｍ以下としたほうが良い。

ここで、このピコ秒レーザは、以下のように行うことで、設計上の水晶片１０の外形形状１０Ａに沿ってレーザを照射することができる。
例えば、水晶片１０の位置、つまり、外形形状１０Ａとなる各角を座標化してレーザ照射装置に記憶させておく。
この座標にレーザの焦点が位置するように、例えば、光路に設けられる複数のミラーを介してレーザを照射する。そして、次の座標にレーザの焦点を移動するようにミラーの角度を変えてレーザを照射すれば、設計上の水晶片１０の外形形状１０Ａとなるように水晶片１０の形状の調整を行うことができる。つまり、エッチング残り２０を除去して設計どおりの水晶片１０を得ることができる。
これにより、中心線ＣＬに対して対称となる外形形状１０Ａを形成することができる。

なお、レーザを照射する部位は、水晶片に生じているエッチング残り２０の所定の部分であっても良い。例えば、水晶片１０を保持する部分や、エネルギー閉じ込めにより振動の影響を受けない部分については、エッチング残り２０を除去しなくても良い。
振動に影響する水晶片１０の外形形状に生じているエッチング残り２０を除去することで、振動する部分は対称的な外形形状となることでＱ値が高くなり、安定した振動を起こさせることができる。

なお水晶片は、例えば、図３に示すような音叉形状の水晶片１１や図４に示すようなＨ型形状の水晶片１２においても同様に用いることができる。

図３に示すように、水晶片１１が音叉形状の場合、以下の構成となる。
例えば、音叉形状の水晶片１１は、基部Ｂと基部Ｂから平行に延出する２つ一対の腕部Ｓとから構成されている。
この水晶片１１において、振動部分は腕部Ｓとなり、基部Ｂで保持することとなる。
音叉形状の水晶片１１は、基部Ｂを跨いで２つの腕部Ｓの間にエッチング残り２０が生じる。
また、音叉形状の水晶片１１は、前記の通り、腕部Ｓの側面が傾斜する場合や、側面に突起が生じる場合がある。
また、エッチング残り２０は、振動する腕部Ｓに生じているために、振動位置が設計と異なる要因となったり、振動する周波数に違いが出る要因となっている。

このような音叉形状の水晶片１１においても、本発明の実施形態に係る水晶片の外形調整方法を用いることができる。

例えば、音叉の外形形状１１Ａを形成する各角を座標化してレーザ照射装置（図示せず）に記憶させておく。
以後は、前記の通り、図３（ａ）に示すように、レーザの焦点を設計上の水晶片の外形形状１１Ａに沿って移動させながらレーザを照射する。これにより、エッチング残り２０は除去され、図３（ｂ）に示すように、設計上の水晶片の外形形状１１Ａで水晶片１１を形成することができる。
これにより、中心軸ＣＬに対して対称な外形形状１１Ａとなる。これにより、正確な位置で振動を行いつつ、振動する２つの腕部Ｓの外形形状１１Ａが一致し、安定した周波数とすることができる。

図４に示すように、Ｈ型形状の水晶片１２についても同様である。Ｈ型形状の水晶片１２は、以下の構成となっている。
例えば、基部Ｂと、基部から一方の方向へ平行に延出する２つ一対の励振腕部Ｓ１と、基部Ｂから平行に延出し、励振腕部Ｓ１とは反対方向へ基部Ｂから延出する２つ一対の検出腕部Ｓ２とから主に構成され、この基部Ｂに支持腕部Ｃを形成して保持できるようにしている。

このように構成されるＨ型形状の水晶片１２は、エッチング残り２０が音叉形状の水晶片１１と同様に、基部Ｂを跨いで２つの励振腕部Ｓ１に生じる。また、基部Ｂを跨いで検出腕部Ｓ２と支持腕部Ｃにエッチング残り２０が生じる。
このようなエッチング残り２０は、音叉形状の水晶片１１と同様に、振動位置が設計の位置と比べて異ならせてしまい、周波数が安定しなくなる要因となる。
この状態で、本発明の実施形態に係る水晶片の外形調整方法を用いると、同じ形状の２つの励振腕部Ｓ１と、同じ形状の検出腕部Ｓ２を形成することができ、中心軸ＣＬに対して対称となる外形形状１２Ａに調整することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。例えば、水晶片の外形形状は、基部から３つの腕部が平行に延出した形状でも良いし、基部から６つの腕部が基部から延出し、２つの腕部が基部を挟んで直線上に位置する形状で構成されていても良い。
また、水晶片が平面視四角形状の場合、水晶片の主面の内側に凹部や凸部が形成されていても良い。
また、水晶片が音叉形状やＨ形形状の場合、各腕部の振動周波数のズレ量に応じて、振動バランスの良い周波数に調整するように、腕部の先端側に生じているエッチング残りの一部を除去しても良い。
また、水晶片は、水晶ウェハに一体で形成されている場合でも、個片に形成されている場合でも適用可能である。

（ａ）は本発明の実施形態に係る水晶片の外形調整方法の一例を示す概念図であり、（ｂ）は外形調整が完了した水晶片の一例を示す概念図である。（ａ）は、ウェハに水晶片を形成した状態の一例を示す概念図であり、（ｂ）は外形調整が完了した状態の一例を示す概念図である。（ａ）は、ウェハに水晶片を形成した状態の一例を示す概念図であり、（ｂ）は外形調整が完了した状態の一例を示す概念図である。（ａ）は、ウェハに水晶片を形成した状態の一例を示す概念図であり、（ｂ）は外形調整が完了した状態の一例を示す概念図である。

符号の説明

１０、１１、１２水晶片
１０Ａ、１１Ａ、１２Ａ外形形状
２０エッチング残り
Ｗ水晶ウェハ
ＣＬ中心軸

Claims

エッチング技術により形成される水晶片の設計上の外形形状の外側に生じたエッチング残りを、前記外形形状に沿って、パルス幅が１０ ^−１０〜１０ ^−１２秒の範囲であり、波長が２６６ｎｍ〜１０６４ｎｍであり、パルスエネルギーが１μＪ〜３００μＪであるピコ秒レーザを照射することにより除去することを特徴とする水晶片の外形調整方法。
前記水晶片の外形形状が、四角形状、音叉形状、Ｈ形形状のいずれかから選択される形状であることを特徴とする請求項１に記載の水晶片の外形調整方法。