JP5885523B2 - 圧電振動片の製造方法 - Google Patents
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Description
その為に、振動腕部に溝を形成することで、励振電極の電界効率を高め、品質を保ちながら小型化する手法が知られている(特許文献1)。
係る状態で加工された圧電振動片は、形成された溝パターンが振動腕の中心からずれてしまい、又、そのずれ量がウェハ面内でばらついて、周波数シフトやCI(Crystal Impedance)値の上昇等により、歩留まりを大きく低下させてしまう虞があった。
平行に配置された一対の振動腕部および前記一対の振動腕部の基端側を固定する基部の外形を有するとともに、前記一対の振動腕部の両主面上に形成された溝部を有する圧電振動片の製造方法であって、
圧電ウェハの両主面上に、第1エッチング保護膜、第2エッチング保護膜および第1フォトレジスト膜を順に形成する工程と、
前記外形のパターンおよび前記溝部のパターンが描画されたフォトマスクを介して前記第1フォトレジスト膜を露光し、前記第1フォトレジスト膜に前記外形パターンおよび前記溝部パターンを形成する工程と、
前記第1フォトレジスト膜をマスクとして前記第2エッチング保護膜をエッチング加工し、前記第2エッチング保護膜に前記外形パターンおよび前記溝部パターンを形成する工程と、
前記第2エッチング保護膜に形成された前記溝部パターンを覆うように、第2フォトレジスト膜を形成する工程と、
前記第2エッチング保護膜および前記第2フォトレジスト膜をマスクとして前記第1エッチング保護膜をエッチング加工し、前記第1エッチング保護膜に前記外形パターンを形成する工程と、
前記第1エッチング保護膜をマスクとして前記圧電ウェハをエッチング加工し、前記圧電ウェハに前記外形を形成する工程と、
前記第2エッチング保護膜をマスクとして前記第1エッチング保護膜をエッチング加工し、前記第1エッチング保護膜に前記溝部パターンを形成する工程と、
前記第1エッチング保護膜をマスクとして前記圧電ウェハをハーフエッチング加工し、前記圧電ウェハに前記溝部を形成する工程と、を有する、
ことを特徴とする。
なお、第1フォトレジスト膜をマスクとして第2エッチング保護膜をエッチングし第2エッチング保護膜に外形パターンおよび溝部パターンを形成する工程と、第2エッチング保護膜に形成された溝部パターンを覆うように第2フォトレジスト膜を形成する工程と、第2エッチング保護膜および第2フォトレジスト膜をマスクとして第1エッチング保護膜をエッチングし第1エッチング保護膜に外形パターンを形成する工程と、第1エッチング保護膜をマスクとして圧電ウェハをエッチングし圧電ウェハに外形を形成する工程と、を備えているので、第1フォトレジスト膜の外形パターンに基づいて圧電ウェハに外形を形成することができる。
また、第1フォトレジスト膜をマスクとして第2エッチング保護膜をエッチングし第2エッチング保護膜に外形パターンおよび溝部パターンを形成する工程と、第2エッチング保護膜をマスクとして第1エッチング保護膜をエッチングし第1エッチング保護膜に溝部パターンを形成する工程と、第1エッチング保護膜をマスクとして圧電ウェハをハーフエッチングし圧電ウェハに溝部を形成する工程と、を備えているので、第1フォトレジスト膜の溝部パターンに基づいて圧電ウェハに溝部を形成することができる。
前記第2フォトレジスト膜を形成する工程では、前記第2エッチング保護膜の前記外形パターンより内側に前記第2フォトレジスト膜を形成する、
ことを特徴とする。
前記フォトマスクには、複数の前記圧電振動片の前記外形パターンおよび前記溝部パターンが描画されている、
ことを特徴とする。
請求項1から3のいずれか1項に記載の圧電振動片の製造方法によって製造された、
ことを特徴とする。
上記本発明の圧電振動片を有する、
ことを特徴とする。
上記本発明の圧電振動子が、発振子として集積回路に電気的に接続されている、
ことを特徴とする。
上記本発明の圧電振動子が、計時部に電気的に接続されている、
ことを特徴とする。
上記本発明の圧電振動子が、フィルタ部に電気的に接続されている、
ことを特徴とする。
また、本発明の圧電振動片によれば、上記製造方法により製造されているので、小型化を図るとともに、溝の位置ずれによる振動子特性の悪化や歩留まりの低下を防止することができる。
また、本発明の圧電振動子によれば、上記発明の圧電振動片を備えているので、小型化を図るとともに、溝の位置ずれによる振動子特性の悪化や歩留まりの低下を防止することができる。
また、本発明に係る圧電振動片を備えた、発振器、電子機器及び電波時計によれば、高品質化及び小型化を図ることができる。
また、以下の図面を使用した説明において、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、理解の容易のために説明に必要な部材以外の図示は適宜省略されている。
以下、本発明に係る一実施形態を、図1ないし図16を参照しながら説明する。なお、本実施形態では、圧電振動子1として、シリンダパッケージタイプの圧電振動子を例に挙げて説明する。
本実施形態の圧電振動子1は、図1ないし図4に示すように、圧電振動片2と、該圧電振動片2を内部に収納するケース3と、圧電振動片2をケース3内に密閉させる気密端子であるプラグ4と、を備えている。
この圧電振動片2は、図2及び図3に示すように、平行に配置された一対の振動腕部8、9と、該一対の振動腕部8、9の基端側を一体的に固定する基部10と、を有する圧電板11と、一対の振動腕部8、9の外表面上に形成されて一対の振動腕部8、9を振動させる第1の励振電極12と第2の励振電極13とからなる励振電極14と、第1の励振電極12及び第2の励振電極13に電気的に接続されたマウント電極15、16とを有している。
また、本実施形態の圧電振動片2は、一対の振動腕部8、9の両主面上に、振動腕部8、9の基端部から先端部に向かって一定長さL形成された溝部17を備えている。この溝部17は、振動腕部8、9の基端部から略中間付近まで形成されている。これにより、一対の振動腕部8,9は、それぞれ図4に示すように断面H型となっている。なお、一対の振動腕部8、9の腕幅は共通であり、それぞれWとする。また、基部10において一対の振動腕部8、9の基端部と連結されている部分を股部10aとする。
即ち、励振電極14、マウント電極15、16及び引き出し電極19、20は、所定の電圧が印加されたときに一対の振動腕部8、9を振動させる電極膜18として機能している。
また、電極膜18は、少なくとも振動腕部8、9の基端部から先端部に至る領域で、仕上金属層の一部或いは全部が除去されている。
ステム30は、金属材料で環状に形成されている。充填材32の材料としては、例えば、ホウ珪酸ガラスを用いることができる。また、リード端子31の表面及びステム30の外周には、それぞれ同材料のメッキ(不図示)が施されている。
リード端子31の直径は例えば約0.12mmであり、リード端子31の母材の材質としては、コバール(FeNiCo合金)が慣用されている。また、リード端子31の外表面及びステム30の外周に被膜させるメッキの材質としては、下地膜としてはCuが用いられ、仕上膜としては、耐熱ハンダメッキ(錫と鉛の合金で、その重量比が1:9)や、銀(Ag)や錫銅合金(SnCu)や金錫合金(AuSn)等が用いられる。
また、ステム30の外周に被膜された金属膜(メッキ層)を介在させながらケース3の内周に真空中で冷間圧接させることにより、ケース3の内部を真空状態で気密封止できるようになっている。
次に、上述した圧電振動子1を構成する圧電振動片2を一度に複数製造する製造方法について説明する。図5は、圧電振動片の製造方法を示すフローチャートであり、図6ないし図16は圧電振動片の製造方法を示す工程図である。
始めに、ポリッシングが終了したウェハSを準備した後、図6に示すように、ウェハSの両主面にエッチング保護膜40と第1フォトレジスト膜40cをそれぞれ成膜する。このエッチング保護膜40は、例えばクロム(Cr)を数μm成膜した第1エッチング保護膜40aと、金(Au)を同様に数μm成膜した第2エッチング保護膜40bとの積層膜であり、それぞれスパッタリング法や蒸着法等により成膜される。
次いで、エッチング保護膜40上に第1フォトレジスト膜(レジスト膜)40cを形成する(S21)。具体的には、エッチング保護膜40上に、スピンコート法等によりレジスト材料を塗布する(レジスト塗布工程)。なお、本実施形態で用いるレジスト材料としては、環化ゴム(例えば、環化イソプレン)を主体にしたゴム系ネガレジストが好適に用いられている。ゴム系ネガレジストは、環化ゴムを有機溶剤に溶解し、さらにビスアジド感光剤を加えて、ろ過し、不純物を除去することで精製されたものである。
この外形パターンおよび溝部パターンが同時に形成された第1フォトレジスト膜40cをマスクとしてエッチング加工を行い、マスクされていないエッチング保護膜40の第2エッチング保護膜40bのみを選択的に除去して、第2エッチング保護膜40bに圧電振動片2の外形パターンおよび溝部パターンを形成する(S23、図8参照)。
尚、エッチング加工には、エッチング保護膜40と第1フォトレジスト膜40cが形成されたウェハSを薬液に浸漬して行うウェットエッチング方式を用いることができる。具体的には、例えば、金(Au)が成膜された第2エッチング保護膜40bは薬液としてヨウ素を用いてエッチングすることができる。
この工程では、図14に示すように、第2エッチング保護膜40bをマスクとして第1エッチング保護膜40aをエッチング加工し(S31)、第1エッチング保護膜40aに溝部パターンを形成する。
最後に、第2エッチング保護膜40b及び第1エッチング保護膜40aをマスクとして、ウェハSをハーフエッチング加工して溝部を形成した後(S32、図15参照)、マスクとしていた第2エッチング保護膜40b、第1エッチング保護膜40aを、順にエッチング加工により除去する(S33)。これにより、図16に示すように、溝部17が形成された一対の振動腕部8、9を形成することができ、溝部形成工程が終了する。
なお、圧電振動片2は、後に行う切断工程を行うまで、図示しない連結部を介してウェハSに連結された状態となっている。
続いて、振動腕部8、9の基端部から先端部に至る領域(単層領域)に存在する電極膜18の仕上金属層の除去を行う。具体的には、仕上金属層を除去するために、フォトリソ技術を用いて、仕上金属層を残しておきたい部分及び圧電板11が露出している部分をパターニングした後、フォトレジスト膜をマスクとしてエッチングし、仕上金属層を除去することができる。
以上の工程を実施することで、電極形成工程が終了する。
次に、本実施形態の圧電振動片の製造方法の効果について説明するが、その前に比較例の圧電振動片の製造方法の問題点について、図面を用いて説明する。尚、比較例の圧電振動片の製造方法において、本実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
比較例の圧電振動片の製造方法においては、研磨後のウェハSをフォトリソ技術によりエッチングして、複数の圧電振動片2の外形形状をパターニングする外形形成工程と、一対の振動腕部の両主面上に、振動腕部の基端部から先端部に向かって一定長さ溝部を形成する溝部形成工程と、をそれぞれ別のフォトマスクを用いて行う点で、本実施形態における製造方法と異なっている。この工程について、以下、図17ないし図25を参照しながら具体的に説明する。
この外形パターンが形成されたフォトレジスト膜40cをマスクとしてエッチング加工を行い、マスクされていないエッチング保護膜40の第2エッチング保護膜40bを選択的に除去して、第2エッチング保護膜40bに外形パターンを形成する(S53、図19参照)。
続いて、外形パターンが形成されたフォトレジスト膜40c及び第2エッチング保護膜40bをマスクとしてエッチング加工を行い、第1エッチング保護膜40aに外形パターンを形成する(S54)。そして、エッチング加工後にフォトレジスト膜40cを剥離する(S55)。これにより、図20に示すように、エッチング保護膜40に外形パターンが形成される。
最後に、マスクとしていた溝部パターンが形成されたフォトレジスト膜40cを剥離し(S64)、第2エッチング保護膜40b、第1エッチング保護膜40aを、順にエッチング加工により除去する(S65、S66)。これにより、図25に示すように、溝部17が形成された一対の振動腕部8、9を形成することができ、溝部形成工程が終了する。
しかるに、外形パターンと溝部パターンの位置合わせ精度は露光機性能に依存し、また、量産のバラツキを完全に防止することは難しく、加工ごとに位置合わせ精度にバラツキが発生しやすく、図26に示すように、外形パターンのうち振動腕部パターンの中心(図26中の1点鎖線)に対して溝部パターンの中心(図26中の破線)がずれるという問題が発生する。
更に、一枚のウェハS内においても、露光による熱で外形形成用のフォトマスクと溝部形成用のフォトマスクの熱膨張量に差が発生した場合は、図27に示すように、複数形成される圧電振動片の外形パターンピッチ(図27中の1点鎖線)と、溝部パターンピッチ(図27中の破線)が合致しなくなるという問題も発生する。
係る溝部パターンがずれる要因は、図22(b)に一例として示すように、外形パターンが形成された後に、溝部パターンが描画されたマスクを用いて露光し、溝部パターンを形成する工程(S57)で発生する。
係る状態で加工された圧電振動片からなる圧電振動子は、形成された溝部パターンが振動腕の中心からずれてしまい、又、そのずれ量がウェハ面内でばらついて、周波数シフトやCI値の上昇等により、歩留まりを大きく低下させてしまう虞があった。
本実施形態に係る圧電振動片の製造方法は、エッチング保護膜40及びフォトレジスト膜40cが積層して成膜されたウェハSの両主面を、外形パターンおよび溝部パターンが描画されたフォトマスクを用いて一括で露光し、現像することで、第1フォトレジスト膜40cに外形パターンおよび溝部パターンを形成する(S22)。
従って、外形パターンと溝部パターンとを形成するためのそれぞれのフォトマスクの位置合わせ工程が不要となり、加工ごとに位置合わせ精度にバラツキが発生することを防止することができる。
又、一枚のウェハS内においても、外形形成用のフォトマスクと溝形成用のフォトマスクとが同一のフォトマスクとして構成されているために、それぞれのフォトマスクの熱膨張量に差が発生し、複数形成される圧電振動片の外形パターンピッチと、溝部パターンピッチが合致しなくなるという問題が発生することを防止することができる。
すなわち、本実施形態に係る圧電振動片の製造方法によれば、形成された溝部パターンが振動腕部の中心と精度よく一致し、又、ウェハ面内の、例えば、中心領域と周辺領域において、ばらつくことなく、振動子特性の悪化や歩留まりの低下を防止することができる。
従って、第2エッチング保護膜40bを、圧電振動片2の外形形状及び溝部形状と同様の形状を有する外形パターン及び溝部パターンとして形成することができる(S24)。即ち、圧電振動片2の基端部から先端部に向かって一定長さL形成された溝部17を備えた一対の振動腕部8、9及び基部10の外形形状をパターニングすることができるため、形成された溝部パターンが振動腕部の中心と精度よく一致し、又、ウェハ面内の、例えば、中心領域と周辺領域において、ばらつくことなく、振動子特性の悪化や歩留まりの低下を防止することができる。
しかるに、一般的にフォトマスクの熱膨張量差は3μmないし5μmであるところ、形成される溝部パターン幅は約50μm、第2エッチング保護膜40bの振動腕部パターン幅は約100μm(図11(b)参照)であることから、第2フォトレジスト膜40dの幅を75μm程度に形成した上で、第2フォトレジスト膜40dのずれ量管理を5μmないし10μmの精度で行えば、第2フォトレジスト膜40dによって常に溝部パターンを覆うことができる。
従って、ウェハSの両主面に形成される溝部パターンを覆う第2フォトレジスト膜40dがずれて形成されても、以降の溝部形成工程において、形成された溝部の中心が振動腕部の中心と精度よく一致し、又、ウェハ面内の、例えば、中心領域と周辺領域において、ばらつくことなく、振動子特性の悪化や歩留まりの低下を防止することができる。
又、第2エッチング保護膜40bの外形パターンより内側に第2フォトレジスト膜40dを形成するので、後続する第2エッチング保護膜40bおよび第2フォトレジスト膜40dをマスクとして第1エッチング保護膜40aをエッチングし第1エッチング保護膜40aに外形パターンを形成する工程において、第1フォトレジスト膜40cの外形パターンに基づいて形成された第2エッチング保護膜40bの外形パターンに沿って第1エッチング保護膜40aに外形パターンを形成することができる。したがって、圧電振動片の外形を精度良く形成することができる。
本実施形態に係る圧電振動片の製造方法は、振動腕部に溝を有する圧電振動片全般に適用することができる。
係る先端ハンマータイプの圧電振動片200においても、本実施形態に係る圧電振動片の製造方法によれば、溝の位置ずれによる振動子特性の悪化や歩留まりの低下を防止することができる。
係るサイドアームタイプの圧電振動片300及び内側支持タイプの圧電振動片400においても、本実施形態に係る圧電振動片の製造方法によれば、溝の位置ずれによる振動子特性の悪化や歩留まりの低下を防止することができる。
次に、本発明に係る発振器の一実施形態について、図29を参照しながら説明する。
本実施形態の発振器100は、図29に示すように、圧電振動子1を、集積回路101に電気的に接続された発振子として構成したものである。この発振器100は、コンデンサ等の電子部品102が実装された基板103を備えている。基板103には、発振器用の上記集積回路101が実装されており、この集積回路101の近傍に、圧電振動子1が実装されている。これら電子部品102、集積回路101及び圧電振動子1は、図示しない配線パターンによってそれぞれ電気的に接続されている。なお、各構成部品は、図示しない樹脂によりモールドされている。
また、集積回路101の構成を、例えば、RTC(リアルタイムクロック)モジュール等を要求に応じて選択的に設定することで、時計用単機能発振器等の他、当該機器や外部機器の動作日や時刻を制御したり、時刻やカレンダー等を提供したりする機能を付加することができる。
次に、本発明に係る電子機器の一実施形態について、図30を参照しながら説明する。なお電子機器として、上述した圧電振動子1を有する携帯情報機器110を例にして説明する。始めに本実施形態の携帯情報機器110は、例えば、携帯電話に代表されるものであり、従来技術における腕時計を発展、改良したものである。外観は腕時計に類似し、文字盤に相当する部分に液晶ディスプレイを配し、この画面上に現在の時刻等を表示させることができるものである。また、通信機として利用する場合には、手首から外し、バンドの内側部分に内蔵されたスピーカ及びマイクロフォンによって、従来技術の携帯電話と同様の通信を行うことが可能である。しかしながら、従来の携帯電話と比較して、格段に小型化及び軽量化されている。
無線部117は、音声データ等の各種データを、アンテナ125を介して基地局と送受信のやりとりを行う。音声処理部118は、無線部117又は増幅部120から入力された音声信号を符号化及び複号化する。増幅部120は、音声処理部118又は音声入出力部121から入力された信号を、所定のレベルまで増幅する。音声入出力部121は、スピーカやマイクロフォン等からなり、着信音や受話音声を拡声したり、音声を集音したりする。
なお、呼制御メモリ部124は、通信の発着呼制御に係るプログラムを格納する。また、電話番号入力部122は、例えば、0から9の番号キー及びその他のキーを備えており、これら番号キー等を押下することにより、通話先の電話番号等が入力される。
なお、通信部114の機能に係る部分の電源を、選択的に遮断することができる電源遮断部126を備えることで、通信部114の機能をより確実に停止することができる。
次に、本発明に係る電波時計の一実施形態について、図31を参照しながら説明する。
本実施形態の電波時計130は、図31に示すように、フィルタ部131に電気的に接続された圧電振動子1を備えたものであり、時計情報を含む標準の電波を受信して、正確な時刻に自動修正して表示する機能を備えた時計である。
日本国内には、福島県(40kHz)と佐賀県(60kHz)とに、標準の電波を送信する送信所(送信局)があり、それぞれ標準電波を送信している。40kHz若しくは60kHzのような長波は、地表を伝播する性質と、電離層と地表とを反射しながら伝播する性質とを併せもつため、伝播範囲が広く、上述した2つの送信所で日本国内を全て網羅している。
アンテナ132は、40kHz若しくは60kHzの長波の標準電波を受信する。長波の標準電波は、タイムコードと呼ばれる時刻情報を、40kHz若しくは60kHzの搬送波にAM変調をかけたものである。受信された長波の標準電波は、アンプ133によって増幅され、複数の圧電振動子1を有するフィルタ部131によって濾波、同調される。
本実施形態における圧電振動子1は、上記搬送周波数と同一の40kHz及び60kHzの共振周波数を有する水晶振動子部138、139をそれぞれ備えている。
続いて、波形整形回路135を介してタイムコードが取り出され、CPU136でカウントされる。CPU136では、現在の年、積算日、曜日、時刻等の情報を読み取る。読み取られた情報は、RTC137に反映され、正確な時刻情報が表示される。
搬送波は、40kHz若しくは60kHzであるから、水晶振動子部138、139は、上述した音叉型の構造を持つ振動子が好適である。
例えば、上記実施形態では、圧電振動子の一例として、シリンダパッケージタイプの圧電振動子1を例に挙げて説明したが、この圧電振動子1に限定されるものではない。例えば、セラミックパッケージタイプの圧電振動子や、シリンダパッケージタイプの圧電振動子1を、さらにモールド樹脂部で固めて表面実装型振動子としても構わない。また、複数の基板を積層して形成されたパッケージのキャビティ内に圧電振動片を封入した表面実装型の圧電振動子としてもよい。
2 圧電振動片
8 振動腕部
9 振動腕部
10 基部
11 圧電板
17 溝部
18 電極膜
18a 下地金属層
40a 第1エッチング保護膜
40b 第2エッチング保護膜
40c 第1フォトレジスト膜
40d 第2フォトレジスト膜
100 発振器
101 発振器の集積回路
110 携帯情報機器(電子機器)
113 電子機器の計時部
130 電波時計
131 電波時計のフィルタ部
200 先端ハンマータイプの圧電振動片
300 サイドアームタイプの圧電振動片
400 内側支持タイプの圧電振動片
S ウェハ
L 一定長さ
Claims (2)
- 平行に配置された一対の振動腕部および前記一対の振動腕部の基端側を固定する基部の外形を有するとともに、前記一対の振動腕部の両主面上に形成された溝部を有する圧電振動片の製造方法であって、
圧電ウェハの両主面上に、クロムで形成される第1エッチング保護膜、金で形成される第2エッチング保護膜および第1フォトレジスト膜を順に形成する工程と、
前記外形のパターンおよび前記溝部のパターンが描画されたフォトマスクを介して前記第1フォトレジスト膜を露光し、前記第1フォトレジスト膜に前記外形パターンおよび前記溝部パターンを形成する工程と、
前記第1フォトレジスト膜をマスクとして前記第2エッチング保護膜をエッチング加工し、前記第2エッチング保護膜に前記外形パターンおよび前記溝部パターンを形成する工程と、
前記第2エッチング保護膜に形成された前記溝部パターンを覆うように、第2フォトレジスト膜を形成する工程と、
前記第2エッチング保護膜および前記第2フォトレジスト膜をマスクとして前記第1エッチング保護膜をエッチング加工し、前記第1エッチング保護膜に前記外形パターンを形成する工程と、
前記第2エッチング保護膜、前記第2フォトレジスト膜および前記第1エッチング保護膜をマスクとして前記圧電ウェハをエッチング加工し、前記圧電ウェハに前記外形を形成する工程と、
前記第2エッチング保護膜をマスクとして前記第1エッチング保護膜をエッチング加工し、前記第1エッチング保護膜に前記溝部パターンを形成する工程と、
前記第1エッチング保護膜をマスクとして前記圧電ウェハをハーフエッチング加工し、前記圧電ウェハに前記溝部を形成する工程と、を有し、
前記第2フォトレジスト膜を形成する工程では、前記第2エッチング保護膜の前記外形パターンより内側であり、かつ前記第2エッチング保護膜の前記溝パターンより外側に前記第2フォトレジスト膜を形成する、
ことを特徴とする圧電振動片の製造方法。 - 前記フォトマスクには、複数の前記圧電振動片の前記外形パターンおよび前記溝部パターンが描画されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の圧電振動片の製造方法。
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