JP6018837B2 - 水晶振動素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば基準信号源やクロック信号源に用いられる水晶振動素子及びその製造方法に関する。以下、水晶振動素子の一例として、音叉型屈曲水晶振動素子（以下「振動素子」と略称する。）について説明する。

特許文献１の第６図には、振動腕部の表面及び裏面のそれぞれに溝部が形成された振動素子が開示されている。この振動素子の製造方法は、特許文献１の第３頁右下欄第１０行〜第４頁左上欄第３行に、次のように開示されている。まず、水晶ウェハーの表裏に、外形形成用のマスクを作成する。続いて、このマスクを用いてフッ酸により一回目のエッチングをし、外形を途中まで形成する。続いて、このマスクの一部を開口して、溝部形成用兼外形形成用のマスクを作成する。最後に、このマスクを用いてフッ酸により二回目のエッチングをし、外形を完全に形成するとともに一定の深さの溝部を形成する。

特許文献１に記載の従来技術では、外形形成と溝形成とに前述のように二回のウェットエッチング工程が必要であった。その理由は、一回のウェットエッチングで外形と溝部の両方を形成しようとすると、溝部が表裏で貫通してしまうからである。そのため、従来技術では、二回のウェットエッチング工程が必要となるために製造工程が複雑化する他に、次のような問題もあった。

一回目の外形作成用マスクと二回目の溝部形成用兼外形形成用マスクとを作成するために、二回の露光工程が必要となる。このとき、露光時のアライメント精度によって一回目のマスクと二回目のマスクとに位置ずれが生ずると、外形と溝部とにも位置ずれが生ずることになる。その結果、二本の振動腕部の振動バランスが崩れることにより、振動腕部を支持する基部に振動が大きく伝播し、周波数バラツキの増大やクリスタルインピーダンスの劣化を招く問題があった。これらの諸問題は、近年の微細化及び小型化の進展に伴い、ますます顕著になる傾向にある。

これに対し、一回のウェットエッチングで外形と溝部の両方を形成し得る構造を有する振動素子が、本発明者によって提案されている（特許文献２）。以下、この振動素子を本発明の関連技術１として説明する。

図７は、関連技術１の振動素子の表主面を示す平面図である。図８は、図７におけるVIII−VIII線縦断面図である。以下、これらの図面に基づき説明する。なお、平面図中のＸ軸、Ｙ’軸及びＺ’軸は、水晶ウェハーの結晶軸である。これらの結晶軸に依存して生ずる残渣は、煩雑化を避けるために平面図では図示を略している。

振動素子８０は、基部８１と、基部８１から延びる二本の振動腕部８２，８３と、振動腕部８２，８３に設けられた溝部８４，８５とを備えている。溝部８４は、振動腕部８２の表主面８１Ａに設けられた表側溝部８４１，８４２と、振動腕部８２の裏主面８１Ｂに設けられた裏側溝部８４３，８４４とからなる。溝部８５は、振動腕部８３の表主面８１Ａに設けられた表側溝部８５１，８５２と、振動腕部８３の裏主面８１Ｂに設けられた裏側溝部（図示せず）とからなる。表側溝部８４１，８４２の底面８４５，８４６と、裏側溝部８４３，８４４の底面８４７，８４８とは、互いに対向する。溝部８５も溝部８４と同様の構成である。

表側溝部８４１，８４２の側壁には、それぞれ多数の突起８６１，８６２が形成されている。同様に、裏側溝部８４３，８４４の側壁には、それぞれ多数の突起８６３，８６４が形成され、表側溝部８５１，８５２の側壁にも多数の突起８７１，８７２が形成されている。以下、主に表側溝部８４１について説明するが、他の表側溝部及び裏側溝部も同様である。

振動素子８０では、表側溝部８４１内の多数の突起８６１がエッチング抑制パターンとして作用することにより、振動腕部８２の外形と溝部８４とが一回のウェットエッチングで同時に形成される。

また、一回のウェットエッチングで外形と溝部の両方を形成し得る構造を有する他の振動素子が、特許文献３に提案されている。以下、この振動素子を本発明の関連技術２として説明する。

関連技術２は、振動腕部に設けられる溝幅をｗ、エッチングの際に水晶の異方性によって振動腕部に形成される残渣の突出量をｈとしたとき、ｗ＜ｈとなる時間でエッチングする、というものである。これは、溝幅を極めて狭くしてエッチング時間を調整すると、ｗ＜ｈとなることにより、溝の底面が抜けないことを利用している。

特開昭５６−６６５１７号公報（第６図等） 特開２０１１−２１７０４１号公報（図４等） 特許第４２４１０２２号公報（請求項１等）

しかしながら、関連技術１には次のような問題があった。

(1).突起８６１は、極めて微小な構造である。つまり、突起８６１の幅は数μｍと微小であるため、露光時の寸法バラツキが生じる。また、突起８６１の幅は小型化に伴い更に狭くなるため、近年の傾向として突起８６１がますます形成しにくくなっている。(2).両面露光装置を用いた場合に表裏の合致精度が悪い。例えば、突起８６１，８６３がＹ’軸方向に表裏で２μｍずれると、これらの重なる部分がほとんど無くなる。(3).上記(1)(2)により、水晶ウェハー間及び水晶ウェハー内での加工精度バラツキが大きくなり、結果として振動素子８０の水晶ウェハー間及び水晶ウェハー内の周波数バラツキが大きくなる。周波数バラツキが大きくなると、その後の周波数粗調整工程で調整困難な振動素子８０も出現するので、製造歩留まりが大きく低下する。

関連技術２でも、その極めて微細な溝幅を形成する必要があるため、関連技術１と同様の問題があった。

そこで、本発明の主な目的は、一回のウェットエッチングで外形と溝部の両方を形成するための構造を、容易に製造し得る振動素子を提供することにある。

本発明に係る振動素子は、
基部と、この基部から同一方向に延びる二本の振動腕部と、これらの振動腕部に設けられた溝部と、を備えた振動素子において、
前記溝部には、前記振動腕部の長手方向に延びつつ前記振動腕部の短手方向に変化する波状の隔壁が設けられ、
前記波状とは、前記隔壁の外側に凸となる半円の繰り返しからなる形状である、
ことを特徴とする。

本発明に係る振動素子の製造方法は、
本発明に係る振動素子を製造する方法であって、
水晶基板上に耐食膜を成膜しパターン化する工程と、
前記耐食膜で覆われていない前記水晶基板の露出部分をウェットエッチングで除去することにより前記基部、前記振動腕部及び前記溝部を同時に形成する工程と、
を含むことを特徴とする。

本発明によれば、振動腕部の長手方向に延びつつ振動腕部の短手方向に変化する波状の隔壁を溝部に設けることにより、溝部におけるウェットエッチングを抑制できるので、外形に比べて溝部のエッチング速度を低下できる。したがって、外形のエッチングが終了する時間で溝部をエッチングしても、溝部が貫通しないので、一回のウェットエッチングで外形と溝部の両方を形成できる。しかも、波状構造の隔壁を採用したことにより、関連技術のような微小又は微細な構造にする必要がなくなるので、製造を容易化できる。

実施形態１の振動素子の表主面を示す平面図である。 図１の振動素子の断面を示し、図２［ａ］は図１におけるIIａ−IIａ線縦断面図、図２［ｂ］は図１におけるIIｂ−IIｂ線縦断面図である。 実施形態１の振動素子の製造方法を示す断面図であり、図３［ａ］は耐食膜パターン形成後の振動腕部、図３［ｂ］はウェットエッチング後の振動腕部、図３［ｃ］は電極及び配線形成後の振動腕部である。 実施形態２の振動素子の表主面を示す平面図である。 図４の振動素子の断面を示し、図５［ａ］は図４におけるＶａ−Ｖａ線縦断面図、図５［ｂ］は図４におけるＶｂ−Ｖｂ線縦断面図である。 実施形態２の振動素子における、電極及び配線形成後の振動腕部を示す断面図である。 関連技術１の振動素子の表主面を示す平面図である。 図７におけるVIII−VIII線縦断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。なお、図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。

図１は、実施形態１の振動素子の表主面を示す平面図である。図２は、図１の振動素子の断面を示し、図２［ａ］は図１におけるIIａ−IIａ線縦断面図、図２［ｂ］は図１におけるIIｂ−IIｂ線縦断面図である。以下、これらの図面に基づき説明する。

本実施形態１の振動素子１０は、基部１１と、基部１１から同一方向に延びる二本の振動腕部１２，１３と、振動腕部１２，１３の長手方向に設けられた溝部１４，１５と、を備えている。溝部１４は、振動腕部１２の表主面１１Ａに開口する表側溝部１４Ａと、振動腕部１２の裏主面１１Ｂに開口する裏側溝部１４Ｂと、を有する。同様に、溝部１５は、振動腕部１３の表主面１１Ａに開口する表側溝部１５Ａと、振動腕部１３の裏主面１１Ｂに開口する裏側溝部（図示せず）と、を有する。

表側溝部１４Ａには、振動腕部１２の長手方向（Ｙ’軸方向）に延びつつ振動腕部１２の短手方向（Ｘ軸方向）に変化する波状の表側隔壁１６Ａが設けられている。同様に、裏側溝部１４Ｂには、振動腕部１２の長手方向（Ｙ’軸方向）に延びつつ振動腕部１２の短手方向（Ｘ軸方向）に変化する波状の裏側隔壁１６Ｂが設けられている。本実施形態１における「波状」とは、表側隔壁１６Ａ及び裏側隔壁１６Ｂが振動腕部１２，１３の側面に向かって外側に凸となる曲線の繰り返しからなる形状である。溝部１５についても、溝部１４と同様である。

更に詳しく言えば、振動素子１０は、平板形状の基部１１と、基部１１の側面から同一の方向に延びる二本の平板形状の振動腕部１２，１３と、基部１１側から振動腕部１２，１３の先端側に沿って振動腕部１２，１３の長さ方向（Ｙ’軸方向）に設けられ、振動腕部１２，１３の厚み方向（Ｚ’軸方向）に窪んだ溝部１４，１５と、を備えている。なお、図２に示すように、振動腕部１２には、＋Ｘ軸方向に突き出した残渣１１Ｃが生じている。振動腕部１３にも同様に残渣（図示せず）が生じている。

表側溝部１４Ａ及び裏側溝部１４Ｂには、それぞれ表側隔壁１６Ａ及び裏側隔壁１６Ｂが設けられている。表側隔壁１６Ａは、基部１１側から振動腕部１２の先端側に沿って表側溝部１４Ａを二分するとともに、ウェットエッチングを抑制する構造からなる。裏側隔壁１６Ｂは、基部１１側から振動腕部１２の先端側に沿って裏側溝部１４Ｂを二分するとともに、ウェットエッチングを抑制する構造からなる。表側溝部１４Ａは二分された表側溝部１４１，１４２からなる。裏側溝部１４Ｂは二分された裏側溝部１４３，１４４からなる。表側溝部１４１の底面１４５と裏側溝部１４３の底面１４７とが、主に互いに対向している。表側溝部１４２の底面１４６と裏側溝部１４４の底面１４８とが、主に互いに対向している。表側溝部１５Ａは二分された表側溝部１５１，１５２からなる。同様に、表側溝部１５Ａ及び裏側溝部（図示せず）には、それぞれ表側隔壁１７Ａ及び裏側隔壁（図示せず）が設けられている。

以下、振動腕部１２，１３はともにほぼ同じ構造であるので、振動腕部１２について説明する。

表側隔壁１６Ａは、ウェットエッチングを抑制する構造として、振動腕部１２の長さ方向（Ｙ’軸方向）に表側溝部１４Ａを二分するとともに、外側に凸となる半円の繰り返しからなる。同様に、裏側隔壁１６Ｂは、ウェットエッチングを抑制する構造として、振動腕部１２の長さ方向（Ｙ’軸方向）に裏側溝部１４Ｂを二分するとともに、外側に凸となる半円の繰り返しからなる。

ここで、振動腕部１２の厚さをｔとし、振動腕部１２の外形加工が終了するまで溝部１４をエッチング液に浸漬した場合に、表側溝部１４Ａ及び裏側溝部１４Ｂの深さをそれぞれｄ１，ｄ２とする（図２［ａ］参照）。このとき、ｔ＞ｄ１＋ｄ２の関係が成り立つので、表側溝部１４Ａと裏側溝部１４Ｂとは貫通しない。その理由は、表側溝部１４Ａ及び裏側溝部１４Ｂ内のエッチング液の流れを表側隔壁１６Ａ及び裏側隔壁１６Ｂが妨げることにより、エッチング液により除去された成分の拡散が悪くなるので、エッチング速度が抑えられるため、と考えられる。

図２［ａ］において、Ｑ１及びＱ２は、表側溝部１４１，１４２の最も狭くなる幅の寸法を示している。Ｑ１及びＱ２は、水晶基板の厚みやエッチング時間により最適値を得るが、例えば１〜３μｍである。

図３は実施形態１の振動素子の製造方法を示す断面図であり、図３［ａ］は耐食膜パターン形成後の振動腕部、図３［ｂ］はウェットエッチング後の振動腕部、図３［ｃ］は電極及び配線形成後の振動腕部である。以下、図１乃至図３に基づき、実施形態１の振動素子の製造方法について説明する。

振動素子１０の製造方法は、次の<1><2>の工程を含む。<1>.水晶基板３１上に、耐食膜３２を成膜しパターン化する工程（図３［ａ］）。例えば、水晶ウェハーなどの水晶基板３１の両面に、例えばスパッタによりクロム及び金の二層からなる耐食膜３２を成膜する。続いて、フォトリソグラフィ及びエッチングによって耐食膜３２の不要な部分を除去することによって、表主面１１Ａ及び裏主面１１Ｂのパターンからなるマスクを作成する。<2>.耐食膜３２で覆われていない水晶基板３１の露出部分３１１をウェットエッチングで除去することにより、基部１１、振動腕部１２及び溝部１４を同時に形成する工程（図３［ｂ］）。例えば、一回のウェットエッチングによって、振動腕部１２の外形と表側溝部１４Ａ及び裏側溝部１４Ｂとの両方を形成する。その後、図３［ｃ］に示すように、電極１８１，１８２及び配線１９１，１９２を、振動腕部１２に形成する。

次に、本実施形態１の振動素子１０の効果を説明する。

（１）表側隔壁１６Ａ及び裏側隔壁１６Ｂをそれぞれ表側溝部１４Ａ及び裏側溝部１４Ｂに設けることにより、溝部１４におけるウェットエッチングを抑制できるので、振動腕部１２の外形に比べて溝部１４のエッチング速度を低下できる。したがって、振動腕部１２の外形のエッチングが終了する時間で溝部１４をエッチングしても、底面を介して対向する表側溝部１４Ａ及び裏側溝部１４Ｂが貫通しないので、一回のウェットエッチングで振動腕部１２の外形と溝部１４との両方を形成できる。

（２）エッチング抑制パターンである表側隔壁１６Ａ及び裏側隔壁１６Ｂは、図７に示す関連技術１における突起８６１，８６２に比べて、例えば一桁以上大きい構造であるので、露光時の位置ズレの影響を軽減できる。例えばＹ’軸方向に表裏で２μｍずれた場合、前述したように関連技術１では表裏の突起８６１，８６３の重なる部分がほとんど無くなるのに対して、本実施形態１では表側隔壁１６Ａと裏側隔壁１６Ｂとの円周が多少ずれるだけであり大きな影響はない。また、表側隔壁１６Ａ及び裏側隔壁１６Ｂの波状のパターンは、数μｍの線幅ではないので、フォトレジストのパターン化で形状が崩れにくい。したがって、波状構造の表側隔壁１６Ａ及び裏側隔壁１６Ｂを採用したことにより、関連技術のような微小又は微細な構造にする必要がなくなるので、製造を容易化できる。

（３）耐食膜３２が形成されていない水晶基板３１の露出部分３１１は、狭い部分のみではエッチングがされにくく、広い部分のみではエッチングが進みやすく、直線的なパターンであるとある部分で大きなサイドエッチングが生じ他の部分で全くサイドエッチングが生じないことになる。これに対し、本実施形態１では、耐食膜３２が形成されていない露出部分３１１は、耐食膜３２が曲線で描かれることにより、広い部分と狭い部分とが交互に繰り返されるので、一定のエッチング深さを得やすい。しかも、その露出部分３１１のパターンが曲線になっていることにより、サイドエッチングが徐々に少なくなったり多くなったりするので、所望の形状を得やすい。その結果、溝部１４の深さ及び形状を一定にできるので、振動素子１０の周波数やクリスタルインピーダンスのバラツキが少なくなる。

最後に、本実施形態１の振動素子１０について補足説明をする。

溝部１４は、本実施形態１では振動腕部１２の長手方向に一組設けているが、振動腕部１２の長手方向に複数組設けてもよい。溝部１４は、表側溝部１４Ａのみを有するものとしてもよい。この場合は、例えば表側からの一回のウェットエッチングで、振動腕部１２の外形と表側溝部１４Ａとの両方を形成してもよい。表側隔壁１６Ａ又は裏側隔壁１６Ｂは、本実施形態１では外側に凸となる半円の繰り返しからなるが、半円の直径を連続的又は不連続的に変化させてもよいし、円に限らず、楕円、正弦波、二次曲線などの曲線にしてもよい。表側隔壁１６Ａ又は裏側隔壁１６Ｂを構成する半円は、図において左右対称に配置されているが、左右非対称に配置してもよい。

図４は、実施形態２の振動素子の表主面を示す平面図である。図５は、図４の振動素子の断面を示し、図５［ａ］は図４におけるＶａ−Ｖａ線縦断面図、図５［ｂ］は図４におけるＶｂ−Ｖｂ線縦断面図である。図６は、実施形態２の振動素子における、電極及び配線形成後の振動腕部を示す断面図である。以下、これらの図面に基づき説明する。

本実施形態２の振動素子２０は、基部２１と、基部２１から同一方向に延びる二本の振動腕部２２，２３と、振動腕部２２，２３の長手方向に設けられた溝部２４，２５と、を備えている。溝部２４は、振動腕部２２の表主面２１Ａに開口する表側溝部２４Ａと、振動腕部２２の裏主面２１Ｂに開口する裏側溝部２４Ｂと、を有する。同様に、溝部２５は、振動腕部２３の表主面２１Ａに開口する表側溝部２５Ａと、振動腕部２３の裏主面２１Ｂに開口する裏側溝部（図示せず）と、を有する。

表側溝部２４Ａには、振動腕部２２の長手方向（Ｙ’軸方向）に延びつつ振動腕部２２の短手方向（Ｘ軸方向）に変化する波状の表側隔壁２６Ａが設けられている。同様に、裏側溝部２４Ｂには、振動腕部２２の長手方向（Ｙ’軸方向）に延びつつ振動腕部２２の短手方向（Ｘ軸方向）に変化する波状の裏側隔壁２６Ｂが設けられている。本実施形態２における「波状」とは、表側隔壁２６Ａ及び裏側隔壁２６Ｂが内側に凹となる曲線の繰り返しからなる形状である。より具体的には、表側隔壁２６Ａ及び裏側隔壁２６Ｂは、振動腕部１２，１３の側面に向かって内側に凹となる半円の繰り返しからなる。溝部２５についても、溝部２４と同様である。

更に詳しく言えば、表側溝部２４Ａは二分された表側溝部２４１，２４２からなる。裏側溝部２４Ｂは二分された裏側溝部２４３，２４４からなる。表側溝部２４１の底面２４５と裏側溝部２４３の底面２４７とが、主に互いに対向している。表側溝部２４２の底面２４６と裏側溝部２４４の底面２４８とが、主に互いに対向している。表側溝部２５Ａは二分された表側溝部２５１，２５２からなる。同様に、表側溝部２５Ａ及び裏側溝部（図示せず）には、それぞれ表側隔壁２７Ａ及び裏側隔壁（図示せず）が設けられている。

図５に示すように、振動腕部２２には、＋Ｘ軸方向に突き出した残渣２１Ｃが生じている。また、図６に示すように、振動腕部２２には、電極２８１，２８２及び配線２９１，２９２が形成される。振動腕部２３も振動腕部２２と同様である。

すなわち、本実施形態２の振動素子２０は、表側隔壁２６Ａ等の形状を除き、実施形態１と同様である。したがって、本実施形態２の振動素子２０の他の構成、製造方法、効果及び補足説明は、実施形態１のそれらと同様である。

以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。

１０ 振動素子
１１ 基部
１１Ａ 表主面
１１Ｂ 裏主面
１１Ｃ 残渣
１２ 振動腕部
１４ 溝部
１４Ａ 表側溝部
１４１，１４２ 表側溝部
１４５，１４６ 底面
１６Ａ 表側隔壁
１４Ｂ 裏側溝部
１４３，１４４ 裏側溝部
１４７，１４８ 底面
１６Ｂ 裏側隔壁
１３ 振動腕部
１５ 溝部
１５Ａ 表側溝部
１５１，１５２ 表側溝部
１７Ａ 表側隔壁
１８１，１８２ 電極
１９１，１９２ 配線
３１ 水晶基板
３１１ 露出部分
３２ 耐食膜

２０ 振動素子
２１ 基部
２１Ａ 表主面
２１Ｂ 裏主面
２１Ｃ 残渣
２２ 振動腕部
２４ 溝部
２４Ａ 表側溝部
２４１，２４２ 表側溝部
２４５，２４６ 底面
２６Ａ 表側隔壁
２４Ｂ 裏側溝部
２４３，２４４ 裏側溝部
２４７，２４８ 底面
２６Ｂ 裏側隔壁
２３ 振動腕部
２５ 溝部
２５Ａ 表側溝部
２５１，２５２ 表側溝部
２７Ａ 表側隔壁
２８１，２８２ 電極
２９１，２９２ 配線

８０ 振動素子
８１ 基部
８１Ａ 表主面
８１Ｂ 裏主面
８２ 振動腕部
８４ 溝部
８４１，８４２ 表側溝部
８４５，８４６ 底面
８６１，８６２ 突起
８４３，８４４ 裏側溝部
８４７，８４８ 底面
８６３，８６４ 突起
８３ 振動腕部
８５ 溝部
８５１，８５２ 表側溝部
８７１，８７２ 突起

Claims (4)

1. 基部と、この基部から同一方向に延びる二本の振動腕部と、これらの振動腕部に設けられた溝部と、を備えた水晶振動素子において、
   前記溝部には、前記振動腕部の長手方向に延びつつ前記振動腕部の短手方向に変化する波状の隔壁が設けられ、
   前記波状とは、前記隔壁の外側に凸となる半円の繰り返しからなる形状である、
   ことを特徴とする水晶振動素子。
2. 基部と、この基部から同一方向に延びる二本の振動腕部と、これらの振動腕部に設けられた溝部と、を備えた水晶振動素子において、
   前記溝部には、前記振動腕部の長手方向に延びつつ前記振動腕部の短手方向に変化する波状の隔壁が設けられ、
   前記波状とは、前記隔壁の内側に凹となる半円の繰り返しからなる形状である、
   ことを特徴とする水晶振動素子。
3. 前記溝部は、前記振動腕部の表主面に開口する表側溝部と、前記振動腕部の裏主面に開口する裏側溝部とを有し、
   前記隔壁は、前記表側溝部に設けられた表側隔壁と、前記裏側溝部に設けられた裏側隔壁とを有する、
   請求項１又は２記載の水晶振動素子。
4. 請求項１乃至３のいずれか一つに記載の水晶振動素子を製造する方法であって、
   水晶基板上に耐食膜を成膜しパターン化する工程と、
   前記耐食膜で覆われていない前記水晶基板の露出部分をウェットエッチングで除去することにより前記基部、前記振動腕部及び前記溝部を同時に形成する工程と、
   を含むことを特徴とする水晶振動素子の製造方法。

Images