JP6061651B2 - 水晶振動素子 - Google Patents

Description

本発明は、水晶デバイスに用いられる水晶振動素子に関する。

従来より、水晶デバイスには水晶片に金属膜を設けて構成された水晶振動素子が用いられている。
この水晶片は、ＡＴカットの水晶ウェハをエッチングすることで形成することができる。
ＡＴカットの水晶ウェハは、人工水晶を切断して設けられる板材であって、水晶の結晶軸であるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のうち、Ｙ軸側を向く面をＸ軸まわりにθ°回転させて新たに設定されるＸ軸、Ｙ´軸、Ｚ´軸、のうちＹ軸を向いていた面がＹ´軸を向いた状態で切断されて得られる。
切断された水晶ウェハは、表面が研磨されて所定の厚さＴで仕上げられている。
このような水晶ウェハは、両主面にマスクが設けられ、水晶片とする位置と外周枠の部分と水晶片同士又は外周枠を繋ぐ接続部以外が開口した状態となっている。
なお、水晶ウェハの一方の主面側の開口の位置と他方の主面側の開口の位置とは、Ｚ´方向に距離Ｌ＝Ｔ／ｔａｎθｍだけずらして配置されている（例えば、特許文献１参照）。
この状態で、水晶ウェハをウェットエッチングすると、角度θｍ°で水晶ウェハの厚み方向に貫通した貫通部が形成される。この状態で、水晶ウェハから複数の水晶片となるように個片化する。
これにより、水晶ウェハから複数の水晶片を製造することができる（例えば、特許文献１参照）。
このような水晶振動素子は、水晶片の側面が２つの結晶面が形成される場合や、１種類の結晶面が形成される場合がある。中でも、水晶片の側面に１種類の結晶面が形成される場合では、水晶片の平面部分に対して直角又はほぼ直角となる場合がある。

特開２００８−０６７３４５号公報

しかしながら、従来の水晶振動素子は、水晶片の主面に設けられる凸部により励振電極により励振される振動の振動エネルギーを水晶片内で閉じ込めることができるが、水晶片の幅寸法と板厚寸法とから設計して水晶振動素子を製造する場合、所定の振動モードの結合を回避しつつＣＩ値（クリスタルインピーダンス値）を低くすることが限界となっていた。また、水晶片の側面が水晶片の平面部と垂直またはほぼ垂直となる形状となっている場合は、前記エネルギー閉じ込めの効果が小さく、他の振動モードと結合しやすくなり、ＣＩ値を低くするのが困難となっていた。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、低いＣＩ値となる水晶振動素子を提供することを課題とする。

前記解題を解決するため、本発明は、平面視して略矩形形状となっている平板状の水晶片と、水晶板の主面中心に設けられる励振電極と、
を備える水晶振動素子であって、水晶片を平面視して、水晶片の一方の長辺の縁部に沿って斜面が形成されており、水晶片の他方の長辺および水晶片の一対の短辺の縁部に沿って凹部が形成されており、水晶片の平面中心に凸部が形成されており水晶片の凸部の深さと凸部での水晶片の厚みとの比率ａが、０．００８＜ａ＜０．０５８であることを特徴とする。

このような水晶振動素子によれば、水晶片の平面部分の縁部分に段差部を設けたので、励振電極から伝わる振動エネルギーが、凸部で閉じ込められつつ、さらに主面の縁部分に設けられた凹部と斜面とで閉じ込められ、水晶片の側面でさらに閉じ込められる構造となるので、従来よりもＣＩ値を低くすることができる。

本発明の実施形態に係る水晶振動素子の一例を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 ＣＩ値と凸部深さ比率の関係を示すグラフである。 実施例１と比較例１におけるＣＩ値と凸部深さ比率の関係を示すグラフである。 実施例１における周波数とＷ寸法の関係を示すグラフである。 実施例１におけるＣＩ値とＷ寸法の関係を示すグラフである。 比較例２〜比較例４におけるＣＩ値と凸部深さ比率の関係を示すグラフである。 比較例３における周波数とＷ寸法の関係を示すグラフである。 比較例３におけるＣＩ値とＷ寸法の関係を示すグラフである。

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。なお、各構成要素について、状態をわかりやすくするために、誇張して図示している。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る水晶振動素子１０は、水晶片１とこの水晶片１に設けられる励振電極２とから主に構成される。
水晶片１は、例えば、ＡＴカットの水晶ウェハから形成され、また、四角形の平板状に形成されており、一方の主面と他方の主面とに凸部１Ａが設けられ、両主面Ｆ１の縁部分に凹部１Ｂと斜面１Ｃとが設けられている。なお、主面とは、凸部１Ａを除いた平面積が他の面Ｆ１より大きい面とこの面と平行な面とする。水晶片１の長辺側の側面には、結晶面であるｍ面Ｆ３とＲ面と直交する面Ｆ２を有している。

一方の主面Ｆ１に設けられる凸部１Ａと他方の主面Ｆ１に設けられる凸部１Ａとは、楕円形状となっている。
一方の主面Ｆ１に設けられる凸部１Ａは、他方の主面Ｆ１の凸部１Ａより大きな楕円形状となっている。
これら凸部１Ａの平面中心は、水晶片１を平面視で見たときの投影面積の平面中心に一致させて設けられており、楕円形状の長径を水晶片１の長辺と平行にさせ、楕円形状の短径を水晶片１の短辺と平行にさせて設けられている。

ここで、一方の主面に設けられる凸部１Ａの平面から他方の主面の凸部１Ａの平面までの厚さをＴ０、凸部１Ａから離れた水晶片の一方の主面Ｆ１から他方の主面Ｆ１までの厚さ（以下、「水晶片の厚み」という）をＴ１としたとき、２つの凸部１Ａの深さｄをｄ＝Ｔ０−Ｔ１とする。
このとき、２つの凸部１Ａの深さと水晶片１の厚みとの比率ａは、ａ＝ｄ／Ｔ０＝（Ｔ０−Ｔ１）／Ｔ０であらわされ、これら２つの凸部１Ａの深さと凸部１Ａでの水晶片１の厚みとの比率ａが、０．００８＜ａ＜０．０５８となるように凸部１Ａが設けられている。

ここで、２つの凸部１Ａの深さと凸部１Ａでの水晶片１の厚みとの比率ａが０．００８以下となる場合は、振動エネルギーを十分に閉じ込めることができなくなりＣＩ値が高くなる恐れがある。
また、２つの凸部１Ａの深さと凸部１Ａでの水晶片の厚みとの比率ａが０．０５８以上となる場合は、他の振動モードと結合しやすくなり、ＣＩ値が低くならない場合がある。

また、水晶片の両主面Ｆ１の縁部分には、凹部１Ｂと斜面１Ｃとが設けられている。
ここで、凹部１Ｂは、水晶片１の主面Ｆ１において平行する２つの短辺に沿って形成されつつ、平行する２つの長辺のうち、ｍ面Ｆ３に接する長辺に沿って設けられる。
この凹部１Ｂは、水晶片１の一方の主面Ｆ１を基準としたとき、この基準とした主面よりも水晶片の厚み方向側に平面部分を形成して構成される。
また、斜面１Ｃは、前記主面Ｆ１において平行する２つの長辺のうちＲ面と直交する面Ｆ２と接する長辺に沿って設けられている。
また、凹部１Ｂと斜面１Ｃとは、前記凸部１Ａ及び後述する励振電極２から離れており、水晶片１の主面の面積よりも小さく形成されている。
なお、凹部１Ｂと斜面１Ｃとは、水晶片の一方の主面Ｆ１側のみに設けても良い。

励振電極２は、図１及び図２に示すように、前記凸部１Ａを覆いつつ、水晶片１の一方の主面Ｆ１と他方の主面Ｆ１とに対向させて設けられる。この励振電極２は、平面中心が凸部１Ａの平面中心と一致するように設けられている。つまり、励振電極２は、水晶片１を平面視で見たときの投影面積の平面中心に一致させて設けられている。
それぞれの励振電極２は、水晶片１の一方の短辺側に設けられた２つ一対の引き回しパターンとそれぞれ接続している。
また、励振電極２は、楕円の短径側の曲線部分を切断した形状となっている。つまり、励振電極２は、楕円形状を基にして、長径側の曲線を残しつつ、短径側の曲線を除いて輪郭が長径と平行となる直線状に形成され、長径に対して線対称となる形状となっている。

このように、本発明の実施形態に係る水晶振動素子１０を構成したので、水晶片１の平面部分の縁部分に凹部１Ｂと斜面１Ｃとを設けたので、励振電極２から伝わる振動エネルギーが、凸部１Ａで閉じ込められつつ、さらにこの凹部１Ｂと斜面１Ｃとで閉じ込められ、水晶片１の側面でさらに閉じ込められる構造となるので、従来よりもＣＩ値を低くすることができる。

このような本発明の水晶振動素子は、例えば、従来周知のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術とを用いて製造することができる。
図示しないが、例えば、まず、水晶ウェハに耐食膜を設け、その後、フォトレジストを設ける。ここでは、水晶ウェハをＡＴカットの水晶ウェハとして説明する。

次にフォトレジストが設けられた水晶ウェハに水晶片の形状となるようにパターンが形成されたマスクを重ね、露光を行ってフォトレジストを感光させる。マスクを外して感光したフォトレジストを現像して耐食膜を露出させる。この状態で耐食膜に対するウェットエッチングを行い、その後、水晶に対してウェットエッチングを行い水晶片の外形形状を形成する。ある程度、水晶のエッチングが進行したところで凸部となる部分のフォトレジストを残して再度、ウェットエッチングを行い、凸部を形成しながら水晶片の外形形状を形成する。水晶片の外形形状が形成された後に、水晶ウェハの主面にフォトレジストを設け、ウェットエッチングを行う。これにより、水晶片の外形形状の輪郭部分からフォトレジストの表面に沿ってサイドエッチングが生じて凹部１Ｂと斜面１Ｃとが形成される。

その後、フォトレジストを剥がして再度フォトレジストを設け、励振電極のパターンが設けられたマスクを重ねて露光してフォトレジストを感光させる。感光したフォトレジストを現像し、耐食膜を露出させた後に、励振電極となる金属膜を設ける。その後、フォトレジストを剥がすことで、水晶ウェハに複数の水晶振動素子が形成される。この水晶ウェハから各水晶振動素子に個片化することで、単体の水晶振動素子が設けられる。

次に、本発明の実施形態に係る水晶振動素子の実施例について説明する。
図３に示すように、ＣＩ値が１００Ωより低くなる凸部１Ａの範囲は、２つの凸部１Ａの深さと凸部１Ａでの水晶片の厚みとの比率ａが、０．００８＜ａ＜０．０５８となるときであることが確認できる。
図３中の２次曲線は、ｙ＝８．９９３３ｘ２−５９．２４７ｘ＋１４１ （１）となっている。
ここで、ｙはＣＩ値を示し、ｘは２つの凸部１Ａの深さと凸部１Ａでの水晶片の厚みとの比率ａを示す。
この（１）式よりＣＩ値が求められる。

ここで、この計算式が正しいかを確認する。実施例１は、水晶片に凹部１Ｂと斜面１Ｃとを設けた状態で前記水晶振動素子１０の構成と同一となっており凸部深さ比率ａが０．０５０となっている。また、比較例１は、凸部がなく凹部１Ｂと斜面１Ｃとを有する水晶振動素子の構成となっている。

図４に示すように、ＣＩ値と凸部深さ比率ａとの関係を確認すると、凸部が形成されていない場合（比較例１）は、ＣＩ値が１００Ωを超えた値となったが、実施例１の場合、ＣＩ値が１００Ωを下回る値となった。
また、図５に示すように、周波数（ＭＨｚ）と水晶片のＷ寸法（図１参照）との関係を確認すると、実施例１は、水晶片のＷ寸法が５８８μｍ〜６０３μｍの範囲で、ほぼ横並びの周波数分布となり、安定した周波数が得られることが確認できた。
また、図６に示すように、ＣＩ値と水晶片のＷ寸法（図１参照）との関係を確認すると、実施例１は、大多数のサンプルにおいて、Ｗ寸法が５８０μｍ〜６２０μｍの範囲でＣＩ値が１００Ωより低くなることが確認された。

次に、比較例２は、凹部と斜面とが主面になく凸部がない水晶振動素子の構成となっている。比較例３は、凹部と斜面とが主面になく凸部深さ比率ａが０．０５０となる水晶振動素子の構成となっている。比較例４は、凹部と斜面とが主面になく凸部深さ比率ａが０．０７５となる水晶振動素子の構成となっている。

これら比較例２〜比較例４に対して、ＣＩ値と凸部深さ比率ａとの関係を確認すると、図７に示すように、比較例２と比較例４は、ＣＩ値が１００Ωを超えた値となった。また、比較例３は、ＣＩ値が１００Ωを下回る値となった。

ここで、比較例３について、図８に示すように、周波数（ＭＨｚ）と水晶片のＷ寸法（図１参照）との関係を確認すると、水晶片のＷ寸法が５９７μｍ〜６０７μｍの範囲で、ほぼ横並びの周波数分布となり、安定した周波数が得られることが確認できた。しかし、実施例１と比較すると、周波数が安定している水晶片のＷ寸法の範囲が実施例１より狭くなっているのが確認できる。
また、図９に示すように、ＣＩ値と水晶片のＷ寸法（図１参照）との関係を確認すると、実施例１は、大多数のサンプルにおいて、Ｗ寸法が５９９μｍ〜６０７μｍの範囲でＣＩ値が１００Ωより低くなることが確認された。しかし、実施例１と比較すると、ＣＩが１００Ωより低くなる水晶片のＷ寸法の範囲が実施例１より狭くなっているのが確認できる。

つまり、実施例１の構成では、水晶片のＷ寸歩のとりうる範囲が５８８μｍ〜６０３μｍの範囲となり比較例３よりも広くなっていることから、使用可能な水晶片の大きさを種々選択できるため、設計の自由度を向上させることができる。
また、このように本発明の実施形態に係る水晶振動素子を構成したことにより、周波数が安定した水晶片のＷ寸法の範囲を広げつつ低いＣＩ値となる水晶片のＷ寸法の範囲を広げることができる。
したがって、実施例１の水晶振動素子は、従来よりもＣＩ値を低くすることができることが確認できた。

１０ 水晶振動素子
１ 水晶片
１Ａ 凸部
１Ｂ 凹部（段差部）
２ 励振電極
Ｆ１ 主面

Claims (1)

1. 平面視して略矩形形状となっている平板状の水晶片と、
   前記水晶板の主面中心に設けられる励振電極と、
   を備える水晶振動素子であって、
   前記水晶片を平面視して、
   前記水晶片の一方の長辺の縁部に沿って斜面が形成されており、
   前記水晶片の他方の長辺および前記水晶片の一対の短辺の縁部に沿って凹部が形成されており、
   前記水晶片の平面中心に凸部が形成されており、
   前記水晶片の前記凸部の深さと前記凸部での前記水晶片の厚みとの比率ａが、０．００８＜ａ＜０．０５８である
   ことを特徴とする水晶振動素子。

Images