JP6206516B2

JP6206516B2 - 圧電ウエハ、振動片の製造方法および振動デバイスの製造方法

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Publication number: JP6206516B2
Application number: JP2016019946A
Authority: JP
Inventors: 資郎村上
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2016-02-04
Filing date: 2016-02-04
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: JP2016086443A

Description

本発明は、圧電ウエハ、振動片の製造方法および振動デバイスの製造方法に関するものである。

圧電振動片は、１枚の圧電ウエハから複数の圧電振動片を形成している。そして特許文献１に記載された発明では、ＡＴカット等の水晶基板から複数の水晶片を得ている。具体的には、この水晶片を得るために、まず水晶基板上に金属膜を形成した後、圧電振動片等の外形パターンに倣ったフォトレジストパターンを金属膜上に設けている。そしてフォトレジストパターンを保護膜として用いて金属膜をエッチングした後、フォトレジストパターンと金属膜パターンを保護膜として用いて水晶基板をエッチングし、水晶片やアーム部、フレーム部を形成する。なお水晶片の基端側は−Ｘ方向になっており、アーム部を介してフレーム部に固定されている。また水晶片の先端側は＋Ｘ方向になっている。この後、フォトレジストパターンや金属膜を剥離して、水晶片に電極を形成することにより、水晶片集合体を得ている。次に、水晶片をアーム部から折り取ることにより、水晶片を個片化している。
また特許文献２に記載された水晶振動片は片端保持されるようになっており、−Ｘ側が自由端となり、＋Ｘ側が固定端となるようにしている。

特開２００６−１８６８４７号公報（６頁、図１，２）特開２００５−１３０２１８号公報（段落００２３）

前述したように、特許文献１に記載された水晶片をフレームから折り取る前は、−Ｘ方向にある水晶片の基端側がフレーム部に固定され、＋Ｘ方向が先端側になっている。このような水晶片では、水晶片の外形を形成するときに先端側の角部がエッチングされてしまい、チップの内側への大きな入り込みが生じてしまう。すなわち水晶片の先端側は、チップの内側から外方に向けて徐々に肉薄になってしまう。

ところで水晶片をパッケージに搭載した水晶振動子等では、落下等により衝撃が加わった場合でも水晶片が撓むのを防止する必要がある。このためパッケージ内部の底面に「まくら」を設けて、水晶片の先端側を支えるようにし、水晶片が撓むのを防止している。ところが前述したような、入り込みが形成された水晶片が「まくら」に支えられている場合には、水晶片が肉薄になっているので衝撃等に対して弱くなっているから、落下等によって水晶片が破損してしまう可能性がある。よって水晶片を搭載したデバイスの信頼性（耐衝撃性）が悪化してしまう。

また水晶片の主面には励振電極が形成される。しかしながら、入り込みが大きくなってしまうと励振電極を形成する部分にまで達してしまい、励振電極に形状的な影響が発生してしまう。また水晶片がメサ型になっている場合は、この肉厚になっているメサ部の形状的影響が発生してしまう。したがって、これらの場合には、水晶片の振動領域が阻害されてしまい、水晶片の諸特性が悪化してしまう。

さらに特許文献１に記載された水晶片の基端はアーム部とつながっているが、当該支持部付近の形状がエッチングによって複雑化してしまう。このような水晶片をアーム部から折り取るときには、破断クズが大量に発生してしまい、また折り取り時に大きな残さ（バリ）が発生してしまう。そして大きな残さが発生した水晶片をパッケージに搭載した場合では、パッケージマウント時にパッケージの導電性を有する壁面と接触してしまい、水晶片が発振しない等の問題が生じてしまう。
なお特許文献２には、水晶片に電極パターンをどのように引き回すかについての記載がない。

本発明は、励振電極と導通する電極パターンの断線を防止した圧電ウエハ、振動片の製造方法および振動デバイスの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］水晶の結晶軸である、電気軸としての結晶Ｘ軸と、機械軸としての結晶Ｙ軸と、光学軸としての結晶Ｚ軸と、からなる直交座標系の前記結晶Ｘ軸を回転軸として、前記結晶Ｚ軸を前記結晶Ｙ軸の−Ｙ方向へ＋Ｚ側が回転するように傾けた軸を結晶ＺＺ’軸とし、前記結晶Ｙ軸を前記結晶Ｚ軸の＋Ｚ方向へ＋Ｙ側が回転するように傾けた軸を結晶ＹＹ’軸とし、前記結晶Ｘ軸および前記結晶ＺＺ’軸を含み、互いに表裏の関係にある２つの面を第１の主面及び第２の主面とし、前記結晶ＹＹ’軸に沿った方向を厚さとし、前記結晶Ｘ軸の＋側の端を基端、−側の端を先端とする水晶基板を含み、前記水晶基板は、肉厚部と、前記肉厚部の周囲に配置され、前記肉厚部よりも前記結晶ＹＹ’軸に沿った厚さが薄い肉薄部と、前記肉薄部の前記基端側にあり、前記第１の主面と前記第２の主面とに接続し、前記第１の主面及び前記第２の主面の少なくとも何れか一方の主面とのなす角が鈍角になっている入り込みと、を含み、前記肉厚部に設けられている励振電極と、前記肉薄部の前記基端側であって前記第１の主面に設けられている第１の電極パターン、前記肉薄部の前記基端側であって前記第２の主面に設けられている第２の電極パターン、及び前記入り込みの表面に設けられ前記第１の電極パターンと前記第２の電極パターンとを接続している第３の電極パターンを含んでいるマウント電極と、前記基端から前記結晶Ｘ軸の＋方向に延在している連結部と、前記基端と前記連結部との間に配置され、前記結晶ＺＺ’軸に交差する外縁を有し、当該外縁が前記基端の前記結晶ＺＺ’軸に沿った方向における両端よりも内側に位置している切り欠き部と、を含み、前記水晶基板の平面視で、前記外縁と前記角の稜線とが連続していることを特徴とする圧電ウエハ。

［適用例２］前記基端と前記連結部との間に配置され、前記切り欠き部と連続しており、前記基端および前記連結部よりも前記結晶ＹＹ’軸に沿った厚さが薄くなるように設けられた溝を含むことを特徴とする適用例１に記載の圧電ウエハ。

［適用例３］前記水晶基板が、ＡＴカット水晶基板であることを特徴とする適用例１または２に記載の圧電ウエハ。

［適用例４］適用例１ないし３のいずれかに記載の圧電ウエハを準備する工程と、前記圧電ウエハの前記基端から前記先端側の部分を、前記切り欠き部で折り取って個片化する工程と、を含むことを特徴とする振動片の製造方法。

［適用例５］適用例１ないし３のいずれかに記載の圧電ウエハを準備する工程と、前記圧電ウエハの前記基端から前記先端側の部分を、前記切り欠き部で折り取って個片化する工程と、パッケージを準備する工程と、前記個片化する工程で個片化した振動片を前記パッケージに搭載する工程と、を含むことを特徴とする振動デバイスの製造方法。
［適用例６］前記振動片を前記パッケージに搭載する工程では、前記第３の電極パターンと前記パッケージに設けられている電極パッドとの間に導電性接着剤が配置され、前記電極パッドと前記励振電極とが電気的に接続されることを特徴とする適用例５に記載の振動デバイスの製造方法。

圧電振動片の説明図である。メサ型圧電振動片を形成した圧電ウエハの一部を拡大した概略平面図である。メサ型圧電振動片と連結部とがつながっている部分の説明図である。メサ型圧電デバイスの説明図である。

以下に、本発明に係る圧電振動片、圧電デバイスおよび圧電振動片の製造方法の最良の実施形態について説明する。なお以下では、圧電振動片の一例としてメサ型圧電振動片を用いた形態について説明するが、本発明はこの形態に限定されることはない。すなわち本発明に係る圧電振動片は、メサ型以外の形状であってもよく、例えばフラット板型等であってもよい。

まずメサ型圧電振動片について説明する。図１は圧電振動片の説明図である。ここで図１（Ａ）はメサ型圧電振動片の平面図、図１（Ｂ）は同図（Ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。メサ型圧電振動片１０は、圧電素板１２を有している。この圧電素板１２は、肉厚部１４と、この肉厚部１４よりも薄く形成した肉薄部１６とを有している。肉薄部１６は、肉厚部１４に隣接し、且つ、肉厚部１４の高さ方向の中央部に設けてある。この圧電素板１２の具体的な一例としては、ＡＴカット水晶素板を挙げることができる。このＡＴカット水晶素板を用いたメサ型圧電振動片１０は、図１（Ａ）に示すように、長辺がＸ軸に沿い、短辺がＺＺ’軸に沿っている。そしてメサ型圧電振動片１０の基端１８側が＋Ｘ側になり、先端２０側が−Ｘ側になっている。

このため圧電素板１２は、これの外形パターンを形成するときにウエットエッチングをすると、長辺における基端１８側の側面１２ｃがエッチングされ、入り込み２２が形成される。この入り込み２２は、図１（Ｂ）に示すように、２つの長辺のうち−ＺＺ’側に形成されるものが上方の主面１２ａ側をエッチングしており、＋ＺＺ’側に形成されるものが下方の主面１２ｂ側をエッチングしている。これより上方の主面１２ａと−ＺＺ’側の入り込み２２とのなす角は鈍角となり、また下方の主面１２ｂと＋ＺＺ’側の入り込み２２とのなす角は鈍角となる。

このような圧電素板１２では、肉厚部１４の主面にそれぞれ励振電極３０が設けてある。また圧電素板１２の基端１８側の両角部には、それぞれ電極パターン３２（マウント電極３４）が設けてある。マウント電極３４は、引き出し電極３６（電極パターン３２）によって、励振電極３０と１対１に導通している。このマウント電極３４は、圧電素板１２（肉薄部１６）の上方の主面１２ａ、下方の主面１２ｂおよび側面１２ｃに設けてある。これにより上方の主面１２ａに設けたマウント電極３４と、下方の主面１２ｂに設けたマウント電極３４とが、側面１２ｃを介して導通することになる。またマウント電極３４は、入り込み２２の表面にも設けてある。これによりマウント電極３４は、圧電素板１２（肉薄部１６）の主面１２ａ、１２ｂと入り込み２２とのなす角が鈍角となっている箇所において断線し難くなる。
なお、主面１２ａ、１２ｃに設けたマウント電極３４が第１、第２の電極パターンを構成し、側面１２ｃに設けたマウント電極が第３の電極パターンを構成している。

そしてメサ型圧電振動片１０の製造方法の一例は、次のようになっている。図２はメサ型圧電振動片を形成した圧電ウエハの一部を拡大した概略平面図である。図３はメサ型圧電振動片と連結部とがつながっている部分の説明図である。ここで図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は同図（Ａ）の破線Ｂ−Ｂ’における断面図、図３（Ｃ）は同図（Ａ）の破線Ｃ−Ｃ’における断面図である。

まず圧電素板１２、すなわち肉厚部１４およびこれの周囲に設けた肉薄部１６は、フォトリソグラフィおよびエッチングを用いた加工により形成できる。具体的な圧電素板１２の形成工程は、次のようになっている。まず圧電ウエハ４０の表面に金属膜のマスクを形成した後、このマスクの開口部分に露出した圧電ウエハ４０をウエットエッチングして、圧電素板１２、１枚の圧電ウエハ４０から複数の圧電素板１２を得るために形成される支持部４２、この支持部４２と圧電素板１２をつなぐ連結部４４、および複数の支持部４２を連結する枠部４６等の外形を形成する。なお支持部４２と枠部４６が圧電ウエハ本体となる。また圧電ウエハがＡＴカット水晶ウエハであれば、支持部４２と枠部４６が水晶ウエハ本体となる。さらに圧電ウエハがＡＴカット水晶ウエハであれば、図２に示すように、圧電素板１２の基端１８側が水晶結晶軸の＋Ｘ方向になり、先端２０側が−Ｘ方向になり、圧電素板１２の幅方向が水晶結晶軸のＺＺ’軸に沿っている。

次に、肉厚部１４を形成するために、この肉厚部１４が形成される部分に対応した箇所を金属膜のマスクで覆い、このマスクの開口部分をウエットエッチングする。これにより圧電素板１２に肉薄部１６が形成され、マスクとなっている金属膜を除去すると、圧電ウエハ４０は図２に一例を示すような形状となり、１枚の圧電ウエハ４０から複数の圧電素板１２を得ることができる。なお図２では、肉厚部１４や切り欠き部４８、入り込み２２等の記載を省略している。

そして得られた圧電ウエハ４０では、メサ型圧電振動片１０を圧電ウエハ４０から折り取り易くするために、圧電素板１２と連結部４４との間に切り欠き部４８を設けている（図３を参照）。この切り欠き部４８は、図３（Ａ）に示すように、圧電素板１２の長辺と連結部４４のＸ軸に沿った辺とがつながる箇所に設けられており、且つ、圧電素板１２の上方の主面１２ａから下方の主面１２ｂにかけて切り欠いている。また圧電素板１２と連結部４４との間では、図３（Ｂ），（Ｃ）に示すように圧電素板１２の短辺方向に沿って溝５０が形成されており、圧電素板１２は下方の主面１２ｂ側において連結部４４と一体につながっている。なお溝５０は、ウエットエッチングによって形成された入り込みである。このためメサ型圧電振動片１０の基端１８とつながる箇所の連結部４４は、前記圧電ウエハ本体よりも細くなっている。
また図３（Ａ）に示すように、圧電素板１２の下方の主面１２ｂには、入り込み２２が形成されている。このような切り欠き部４８を設けることにより、メサ型圧電振動片１０を圧電ウエハ４０から折り取り易くしている。

そして圧電ウエハ４０に圧電素板１２を形成した後は、圧電素板１２の表面に励振電極３０やマウント電極３４、引き出し電極３６を形成する。これらの電極３０，３４，３６は、当該電極形状に倣ったパターンの電極用の金属膜を圧電素板１２の表面に形成して得ればよい。この場合、圧電素板１２の入り込み２２の表面にも電極用の金属膜が形成されるので、主面１２ａ，１２ｂと入り込み２２とのなす角が鈍角となっている箇所での電極パターン３２の断線を防止している。これにより圧電ウエハ４０につながっているメサ型圧電振動片１０が形成される。
この後、メサ型圧電振動片１０を連結部４４から折り取ると、図１に示すように個片化されたメサ型圧電振動片１０を得る。なおメサ型圧電振動片１０は、連結部４４に形成された入り込み（溝５０）の部分で折り取っている。

このようなメサ型圧電振動片１０によれば、主面１２ａ，１２ｂとのなす角が鈍角になっている入り込み２２にも電極パターン３２を設けているので、電極パターン３２の断線を防止できる。

またメサ型圧電振動片１０は、エッチングによる入り込み２２が生じた基端１８側にマウント電極３４を設けているので、圧電素板１２の先端２０側に入り込み２２が生じていない。このため先端２０側の形状がエッチングによって変形することを防止できるので、肉厚部１４の形状が変形することも防止できる。これによりメサ型圧電振動片１０の剛性を向上でき、また肉厚部１４や励振電極３０の形状が変わってしまうことを防止できる。そして圧電素板１２の平面サイズが小さくなったときでも振動領域を確保できる。

またメサ型圧電振動片１０と連結部４４がつながっている箇所の形状（折り取り時に破断させたい部分の形状）は、図３に示すように簡単な形状になっているので、メサ型圧電振動片１０を連結部４４から折り取り易くできる。すなわち圧電素板１２の基端１８側は、エッチングによって減肉されるので、折り取る箇所の断面積を小さくできる。これにより折り取るときに強い力をかけてしまい、意図していないところから破断するのを防止できる。また折り取るときの破断クズの発生を防止できるので、振動領域に破断クズが付いて、クリスタルインピーダンス値が高くなり、Ｑ値が劣化してしまうのを防止できる。さらに破断時に残さ（バリ）の発生を防止できるので、この残さがメサ型圧電振動片１０をパッケージに搭載したときに壁面へ接触するのを防止できる。

次に、前述したメサ型圧電振動片１０を搭載した圧電デバイス（メサ型圧電デバイス）について説明する。図４はメサ型圧電デバイスの説明図である。なお図４では、励振電極３０や電極パターン３２等の記載を省略している。メサ型圧電デバイス６０は、前記パッケージ６２を備えている。このパッケージ６２は、パッケージベース６４および蓋体７２を有している。パッケージベース６４は、上方に向けて開口した凹陥部６６を備えており、この凹陥部６６の底面に一対のパッケージ側マウント電極６８を備えている。またパッケージベース６４の裏面には外部端子７０が設けてあり、パッケージ側マウント電極６８と１対１に導通している。

なおパッケージベース６４は、平板状の絶縁シートの上面に枠型のシームリングを配設して、凹陥部６６を形成した形態であってもよい。この場合、絶縁シートの上面にパッケージ側マウント電極６８を設けるとともに、下面に外部端子７０を設けていればよい。これによりパッケージベース６４の側壁がシームリングで形成されることになるので、このシームリング上に蓋体７２を直接に接合でき、パッケージ６２を薄型化できる。

そしてパッケージ側マウント電極６８の上には導電性接着剤７４を塗布しており、この導電性接着剤７４の上にメサ型圧電振動片１０を配設している。このとき導電性接着剤７４はマウント電極３４に接合しており、図１に示す形態のメサ型圧電振動片１０では、入り込み２２にも導電性接着剤７４が接合している。これにより圧電素板１２（肉薄部１６）の上方の主面１２ａとのなす角が鈍角になっている入り込み２２（圧電素板１２の長辺のうち−ＺＺ’側に形成された入り込み２２）にも導電性接着剤７４が接触するので、パッケージ側マウント電極６８とメサ型圧電振動片１０の励振電極３０とが導電性接着剤７４を介して１対１に確実に導通する。
このようにメサ型圧電振動片１０を搭載したパッケージベース６４の上面に蓋体７２を接合して、凹陥部６６を気密封止している。

このようなメサ型圧電デバイス６０によれば、エッチングの残さが生じるのを抑圧したメサ型圧電振動片１０を搭載しているので、メサ型圧電振動片１０とパッケージ６２の側壁とが接触するのを防いでいる。ここでメサ型圧電振動片に残さが有ると、この残さによって導電性接着剤が凹陥部の壁面に接触してしまい、不良品となってしまう可能性がある。また残さが長いとメサ型圧電振動片を凹陥部内に入れることができなくなってしまう。これに対し、本実施形態に係るメサ型圧電振動片１０は残さがないので、メサ型圧電振動片１０を凹陥部６６に入れることができ、また導電性接着剤７４と凹陥部６６の壁面とが接触して導通してしまうことを防止できる。

またメサ型圧電振動片１０は先端２０側に入り込み２２が生じていないので、このメサ型圧電振動片１０をパッケージ６２に片持ち実装したときの自由端側に入り込み２２が生じていないことになる。このためメサ型圧電デバイス６０が落下等して衝撃が生じたとしても、メサ型圧電振動片１０が破損してしまうことを防止できる。よってメサ型圧電デバイス６０の信頼性（耐衝撃性）を向上できる。

なおメサ型圧電デバイス６０は、図４に示すようなメサ型圧電振動子の形態ばかりでなく、メサ型圧電振動片１０とともに発振回路をパッケージ６２内に収容したメサ型圧電発振器の形態にすることもできる。

１０………メサ型圧電振動片、１２………圧電素板、１２ａ………上方の主面、１２ｂ………下方の主面、１２ｃ………側面、１４………肉厚部、１６………肉薄部、１８………基端、２０………先端、２２………入り込み、３０………励振電極、３２………電極パターン、４０………圧電ウエハ、４２………支持部、４４………連結部、４８………切り欠き部、６０………メサ型圧電デバイス、６２………パッケージ、７４………導電性接着剤

Claims

水晶の結晶軸である、電気軸としての結晶Ｘ軸と、機械軸としての結晶Ｙ軸と、光学軸としての結晶Ｚ軸と、からなる直交座標系の前記結晶Ｘ軸を回転軸として、
前記結晶Ｚ軸を前記結晶Ｙ軸の−Ｙ方向へ＋Ｚ側が回転するように傾けた軸を結晶ＺＺ’軸とし、
前記結晶Ｙ軸を前記結晶Ｚ軸の＋Ｚ方向へ＋Ｙ側が回転するように傾けた軸を結晶ＹＹ’軸とし、
前記結晶Ｘ軸および前記結晶ＺＺ’軸を含み、互いに表裏の関係にある２つの面を第１の主面及び第２の主面とし、
前記結晶ＹＹ’軸に沿った方向を厚さとし、
前記結晶Ｘ軸の＋側の端を基端、−側の端を先端とする水晶基板を含み、
前記水晶基板は、
肉厚部と、
前記肉厚部の周囲に配置され、前記肉厚部よりも前記結晶ＹＹ’軸に沿った厚さが薄い肉薄部と、
前記肉薄部の前記基端側にあり、前記第１の主面と前記第２の主面とに接続し、前記第１の主面及び前記第２の主面の少なくとも何れか一方の主面とのなす角が鈍角になっている入り込みと、
を含み、
前記肉厚部に設けられている励振電極と、
前記肉薄部の前記基端側であって前記第１の主面に設けられている第１の電極パターン、前記肉薄部の前記基端側であって前記第２の主面に設けられている第２の電極パターン、及び前記入り込みの表面に設けられ前記第１の電極パターンと前記第２の電極パターンとを接続している第３の電極パターンを含んでいるマウント電極と、
前記基端から前記結晶Ｘ軸の＋方向に延在している連結部と、
前記基端と前記連結部との間に配置され、前記結晶ＺＺ’軸に交差する外縁を有し、当該外縁が前記基端の前記結晶ＺＺ’軸に沿った方向における両端よりも内側に位置している切り欠き部と、
を含み、
前記水晶基板の平面視で、前記外縁と前記角の稜線とが連続していることを特徴とする圧電ウエハ。
請求項１において、
前記基端と前記連結部との間に配置され、前記切り欠き部と連続しており、前記基端および前記連結部よりも前記結晶ＹＹ’軸に沿った厚さが薄くなるように設けられた溝を含むことを特徴とする圧電ウエハ。
請求項１または２において、
前記水晶基板が、ＡＴカット水晶基板であることを特徴とする圧電ウエハ。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電ウエハを準備する工程と、
前記圧電ウエハの前記基端から前記先端側の部分を、前記切り欠き部で折り取って個片化する工程と、
を含むことを特徴とする振動片の製造方法。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧電ウエハを準備する工程と、
前記圧電ウエハの前記基端から前記先端側の部分を、前記切り欠き部で折り取って個片化する工程と、
パッケージを準備する工程と、
前記個片化する工程で個片化した振動片を前記パッケージに搭載する工程と、
を含むことを特徴とする振動デバイスの製造方法。
請求項５において、
前記振動片を前記パッケージに搭載する工程では、
前記第３の電極パターンと前記パッケージに設けられている電極パッドとの間に導電性接着剤が配置され、前記電極パッドと前記励振電極とが電気的に接続されることを特徴とする振動デバイスの製造方法。