JP6371733B2 - Ａｔカット水晶片及び水晶振動子 - Google Patents

Description

本発明は、ＡＴカット水晶片及びこれを用いた水晶振動子に関する。

ＡＴカット水晶振動子の小型化が進むに従い、機械式加工による製造方法では、水晶振動子用の水晶片の製造が困難になっている。そのため、フォトリソグラフィ技術及びウエットエッチング技術を用いて製造されるＡＴカット水晶片が開発されている。

例えば特許文献１、２各々には、上述の技術により製造されたＡＴカット水晶片及び水晶振動子が開示されている。具体的には、特許文献１には、水晶のＸ軸と交差する側面（Ｘ面）が少なくとも４つの面で構成されたＡＴカット水晶片と、それを用いた水晶振動子が開示されている。また、特許文献２には、水晶のＺ′軸と交差する側面（Ｚ′面）が少なくとも４つの面で構成されたＡＴカット水晶片と、それを用いた水晶振動子が開示されている。

いずれの場合も、水晶基板に外形形成用の耐エッチング性マスクが形成され、この水晶基板のマスクで覆われていない部分がウエットエッチングにより溶解されて、水晶片の大まかな外形が形成される。次に、この水晶基板からマスクが除去された後、その水晶基板に対し、該当する側面（上記のＸ面やＺ′面）に少なくとも４つの面が形成されるように、ウエットエッチングが行われる。このように形成された水晶片によれば、振動漏れが少なく、特性が優れたＡＴカット水晶振動子が実現されるという。

特開２０１４−２７５０５号公報 特開２０１４−２７５０６号公報

しかしながら、この出願に係る発明者は、鋭意研究の結果、ＡＴカット水晶振動子の特性改善を図る余地がまだあることを見出した。
この出願はこのような点に鑑みなされたものであり、この出願の目的は従来に比べ特性改善が可能な新規なＡＴカット水晶片及び水晶振動子を提供することにある。

この目的の達成を図るため、この発明のＡＴカット水晶片は、水晶の結晶軸のＺ′軸と交差する２つの側面（すなわちＺ′面）の少なくとも一方を、第１〜第３の３つの面で構成したことを特徴とする。
この発明の実施に当たり、前述の第１の面は、当該ＡＴカット水晶片の主面を、水晶のＸ軸を回転軸として４±３．５°回転させた面に相当する面とするのが好適である。なお、ここで、前述の主面とは、当該ＡＴカット水晶片の、水晶の結晶軸で表わされるＸ−Ｚ′面のことである（以下、同様）。

さらにこの発明の実施に当たり、前述の第１の面、前述の第２の面および前述の第３の面はこの順で交わっていて、然も、前述の第１の面は、前述の主面を水晶のＸ軸を回転軸として４±３．５°回転させた面に相当する面であり、前述の前記第２の面は、前述の主面を水晶のＸ軸を回転軸として−５７±５°回転させた面に相当する面であり、前述の第３の面は、前述の主面を水晶のＸ軸を回転軸として−４２±５°回転させた面に相当する面であるのが好適である。ここで、−５７や−４２のマイナスとは、前述の主面を、Ｘ軸を回転軸として時計周りに回転させる意味である（以下、同様）。

より好ましくは、前述の第１の面、前述の第２の面および前述の第３の面はこの順で交わっていて、然も、 前述の第１の面は、前述の主面を水晶のＸ軸を回転軸として４±３°回転させた面に相当する面であり、前述の前記第２の面は、前述の主面を水晶のＸ軸を回転軸として−５７±３°回転させた面に相当する面であり、前述の第３の面は、前述の主面を水晶のＸ軸を回転軸として−４２±３°回転させた面に相当する面であるのが好適である。

さらにこの発明の実施に当たり、当該ＡＴカット水晶片の、水晶の結晶軸のＺ′軸と交差する２つの側面双方を、前述の第１〜第３の３つの面で構成するのが好適である。より好ましくは、これら２つの側面を、当該ＡＴカット水晶片の中心点を中心に点対称の関係にするのが好適である（図１（Ｂ））。

また、この発明の水晶振動子は、上述したこの発明に係るＡＴカット水晶片と、この水晶片を励振するための励振電極とを具えることを特徴とする。より具体的には、この水晶片の表裏の主面（上記Ｘ−Ｚ′面）各々に励振電極を具え、この励振電極から引き出された引出し電極を具えた水晶振動子である。もちろん、これら電極を具えた水晶振動子を収納する容器をさらに具えた形態の水晶振動子も、本発明でいう水晶振動子に含まれる。

なお、この発明でいうＡＴカット水晶片には、上述したこの発明に係る水晶片と、この水晶片と一体に形成されていてこの水晶片を貫通部を隔てて全部又は一部で囲う枠部と、同じく一体に形成されていてこれら水晶片と枠部とを連結する１又は２以上の連結部と、を具えた水晶片（以下、枠付き水晶片ともいう）も含まれる(図１１)。また、この発明でいう水晶振動子には、上述の枠付き水晶片と、励振電極と、引出電極とを具えた水晶振動子や、さらにこの水晶振動子を収納する容器を具えた水晶振動子も含まれる。

この発明のＡＴカット水晶片によれば、そのＺ′側面が所定の３つの面で構成されるため、この水晶片のＺ′方向の端部に断面視で独特の嘴状の構造部を持つ水晶片を実現できる。そのため、ＡＴカット本来の振動以外の不要な振動を上述の独特の構造部で減衰できるので、ＡＴカット水晶振動子本来の振動を優位に生じさせることができる。従って、従来に比べて特性の改善されたＡＴカット水晶振動子を実現できる。

（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、実施形態のＡＴカット水晶片１１の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、実施形態の水晶片１１及びそれを用いた水晶振動子の一製法例を説明する図である。 （Ａ），（Ｂ）は、図２に続く製法例の説明図である。 （Ａ），（Ｂ）は、図３に続く製法例の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図４に続く製法例の説明図である。 は、図５に続く製法例の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図６に続く製法例の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ、（Ｄ）、（Ｅ）は、水晶片１１を実装して製造した水晶振動子の一例の説明図である。 は、本発明に係る実験結果の説明図である。 は、本発明に係る実験結果の図１０に続く説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、本発明の水晶振動子の他の実施形態の説明図である。

以下、図面を参照してこの発明のＡＴカット水晶片及びこれを用いた水晶振動子の実施形態について説明する。なお、説明に用いる各図はこの発明を理解できる程度に概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において、同様な構成成分については同一の番号を付して示し、その説明を省略する場合もある。また、以下の説明中で述べる形状、寸法、材質等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。

１．ＡＴカット水晶片の構造
図１（Ａ）〜（Ｃ）は、実施の形態のＡＴカット水晶片１１の説明図である。特に、図１（Ａ）は水晶片１１の平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中のＭ−Ｍ線に沿った水晶片１１の断面図、図１（Ｃ）は図１（Ｂ）中のＮ部分を拡大して示した断面図である。

ここで、図１（Ａ）、（Ｃ）中に示した座標軸Ｘ，Ｙ′、Ｚ′は、それぞれＡＴカット水晶片での水晶の結晶軸を示す。なお、ＡＴカット水晶片自体の詳細は、例えば、文献：「水晶デバイスの解説と応用」。日本水晶デバイス工業会２００２年３月第４版第７頁等に記載されているので、ここではその説明を省略する。

この発明に係るＡＴカット水晶片１１の特徴は、水晶のＺ′軸に交差する側面（Ｚ′面）の形状にある。すなわち、特に図１（Ｂ）及び（Ｃ）に示したように、このＡＴカット水晶片１１は、水晶のＺ′軸に交差する２つの側面（Ｚ′面）各々を、第１の面１１ａ，第２の面１１ｂおよび第３の面１１ｃの、３つの面で構成してある。しかも、第１の面１１ａは、この水晶片１１の主面１１ｄと交わっている面であり、然も、主面１１ｄを水晶のＸ軸を回転軸としてθ１回転させた面に相当する面である。

さらに、この水晶片１１では、第１の面１１ａ、第２の面１１ｂおよび第３の面１１ｃがこの順で交わっている。しかも、第２の面１１ｂは、主面１１ｄを水晶のＸ軸を回転軸としてθ２回転させた面に相当する面であり、第３の面１１ｃは、主面１１ｄを水晶のＸ軸を回転軸としてθ３回転させた面に相当する面である。これらの角度θ１、θ２、θ３は、詳細は後述の「３．実験結果の説明」の項で説明するが、下記が好ましいことが分かっている。θ１＝４°±３．５°、θ２＝−５７°±５°、θ３＝−４２°±５°、より好ましくは、θ１＝４°±３°、θ２＝−５７°±３°、θ３＝−４２°±３°である。

また、この実施の形態の水晶片１１では、水晶のＺ′軸に交差する２つの側面（Ｚ′面）各々が、水晶片１１の中心点Ｏ（図１（Ｂ）参照）を中心に、点対称の関係になっている。なお、ここでいう点対称とは、若干の形状差があったとしても実質的に同一とみなせる点対称の状態も含む。
また、この実施の形態の水晶片１１の平面形状は、水晶のＸ軸に沿う方向を長辺とし、水晶のＺ′軸に沿う方向を短辺とする矩形の形状としてある。

２．ＡＴカット水晶片１１の製法例
次に、図２〜図８を参照して、実施形態のＡＴカット水晶片１１の製法例について説明する。この水晶片１１は、フォトリソグラフィ技術およびウエットエッチング技術により水晶ウエハから多数製造できる。そのため、図２〜図８では、水晶ウエハ１１ｗの平面図と、その一部分Ｐを拡大した平面図を示してある。さらに、図２〜図８中の一部の図面では、水晶ウエハ１１ｗの一部分ＰのＱ−Ｑ線に沿う断面図や、Ｒ部分(図５（Ｂ）参照)の拡大図も併用している。

この製法例では、先ず、水晶ウエハ１１ｗを用意する(図２)。ＡＴカット水晶片１１の発振周波数は、周知の通り、水晶片１１の主面（Ｘ−Ｚ′面）の厚みでほぼ決まるが、水晶ウエハ１１ｗは、最終的な水晶片１１の厚さｔ(図５（Ｂ）)より厚い、厚みＴのウエハとする(図２（Ｂ）)。

次に、この水晶ウエハ１１ｗの表裏両面に、水晶片の外形を形成するための耐エッチング性マスク１３を周知のフォトリソグラフィ技術により形成する。この実施形態の場合の耐エッチング性マスク１３は、水晶片の外形に対応する部分、各水晶片を保持するフレーム部分、および、水晶片とフレーム部分とを連結する部分（図２（Ａ）中に１１ｘで示した部分）で構成したものとしてある。また、耐エッチング性マスク１３は、水晶ウエハの表裏で対向するように形成してある。

耐エッチング性マスク１３の形成が済んだ水晶ウエハ１１ｗを、フッ酸を主とするエッチング液中に所定の時間浸漬する。この処理により、水晶ウエハ１１ｗの耐エッチング性マスク１３で覆われていない部分が溶解されて、水晶片１１の大まかな外形が得られる（図３）。

次に、水晶ウエハ１１ｗから耐エッチングマスク１３を除去する。この際、この製法例では、耐エッチング性マスク１３の水晶片１１に相当する部分のみを除去し、フレーム部や連結部に相当する部分は残している（図４）。フレーム部や連結部の強度を維持するためである。もちろん、設計によっては、フレーム部および連結部各々の全部又は一部上の耐エッチングマスクを除去しても良い。

次に、この水晶ウエハ１１ｗを、フッ酸を主とするエッチング液中に、再度、所定の時間浸漬する。ここで、所定の時間とは、水晶片１１の形成予定領域の厚みｔ（図５（Ｂ））がこの水晶片１１に要求される発振周波数の仕様を満たすことができ、かつ、この水晶片１１のＺ′側面が本発明でいう第１〜第３の面１１ａ〜１１ｃで構成できる時間である。これら時間は事前の実験によって決めることができる。発明者の実験によれば、水晶片１１のＺ′面は、エッチングが進むにしたがい、図９に示すように、突起が残る状態、第１〜第４の４つの面で構成される状態(第４面発生状態)、そして、本発明でいう第１〜第３の３つの面で構成される状態（本発明状態）に、この順に変化することが分かった。しかも、この発明でいう第１〜第３の３つの面で構成される側面を得るためには、所定エッチング液およびエッチング温度等の場合では、水晶ウエハ１１ｗの初期厚みＴに対し、５５％〜２５％の範囲の厚みまでエッチングする必要があることが分かった。従って、発振周波数の仕様および第１〜第３の３つの面が得られるように、初期厚みＴや上記のエッチング時間等を決める。

次に、上記のエッチングが終了した水晶ウエハから、耐エッチングマスクを除去して、水晶面を露出する（図６）。その後、この水晶ウエハ全面に、周知の成膜方法により、水晶振動子の励振電極および引出電極形成用の金属膜(図示せず)を形成する。次に、この金属膜を、周知のフォトリソグラフィ技術およびメタルエッチング技術により、電極形状にパターニングして、励振電極１５ａおよび引出電極１５ｂを形成する（図７）。これにより、水晶片１１、励振電極１５ａおよび引出電極１５ｂを具える水晶振動子１７を得ることができる（図７）。

なお、一般には、水晶振動子１７を好適な容器に実装した構造物を水晶振動子と称することが多い。その典型的な例を、図８を用いて以下に説明する。なお、図８は、水晶振動子１７を容器２１に実装する手順を平面図およびそのＳ−Ｓ線に沿う断面図によって示したものである。

図７に示した状態では、水晶振動子１７は、水晶ウエハ１１ｗに連結部１１ｘを介して結合している状態である。そこで、先ず、連結部１１ｘに適当な外力を加えて、水晶振動子１７を水晶ウエハ１１ｗから分離し、個片化する（図８（Ａ））。一方、容器として、例えば、周知のセラミックパッケージ２１を用意する。この場合のセラミックパッケージ２１は、水晶振動子１７を収納する凹部２１ａ（図８（Ｂ），（Ｃ））と、その凹部２１ａの底面に設けた水晶振動子固定用のバンプ２１ｂと、パッケージ２１の裏面に設けた実装端子２１ｃとを具えている。バンプ２１ｂと実装端子２１ｃとはビヤ配線（図示せず）により電気的に接続してある。

このパッケージ２１の凹部２１ａ内に、水晶振動子１７を実装する。詳細には、バンプ２１ｂ上に導電性接着材２３(図８（Ｅ）)を塗布し、この接着材２３により、バンプ２１ｂに水晶振動子１７を引出電極１５ｂの箇所で固定する。その後、水晶片１１の発振周波数調整を周知の方法により所定値に調整し、次に、パッケージ２１の凹部２１ａ内を適度な真空又は不活性ガス雰囲気等にした後、蓋２５により凹部２１ａを周知の方法により封止する。このようにしてパッケージ２１に水晶振動子が収納された構造の水晶振動子が得られる。

３．実験結果の説明
次に、図９、図１０を参照して実験結果を説明する。図９は、水晶片のＺ′面の形状の違いにより、その水晶片を用いて構成した水晶振動子１７のインピダンスがどう相違するかを説明する図である。横軸に実験に用いた水晶片の試料番号と、各試料のＺ′面の形状の特徴を示し、縦軸にインピダンスをとって示してある。なお、実験試料の発振周波数は３８ＭＨｚ付近である。周波数、インピダンスの詳細は表１に示してある。

図９から分かるように、水晶片のＺ′面に突起が残る試料でのインピダンスは約１５０〜４００Ω程度である。また、水晶片のＺ′面が第１〜第４の４つの面で構成された試料のインピダンスは約２００〜６００Ω程度である。これらに対し、水晶片のＺ′面が第１〜第３の３つの面で構成され、かつ、各面のＡＴカット主面に対する角度θ１〜θ３（図１参照）が所定角度である本発明領域の試料のインピダンスは、約８０Ω程度であり、前２者に比べて半分以下の値に低減することが理解できる。

また、図１０は、この発明に係る第１〜第３の面１１ａ、１１ｂ、１１ｃの説明図である。具体的には、この出願に係る発明者等の実験結果であって、水晶の種々の結晶面のフッ酸系エッチャントに対するエッチング速度の違いを示した図である。より詳細には、横軸にＡＴカットの主面を基準にしこの面を水晶のＸ軸を回転軸として回転させた角度を取り、縦軸に上記のようにＡＴカット板を回転させて得られる各水晶面のエッチング速度をとって示したものである。なお、各面のエッチング速度は、ＡＴカット面のエッチング速度を基準にした相対値で示してある。

この図１０から理解できるように、水晶では、ＡＴカットの主面をθ１回転させた面に相当する面、ＡＴカットの主面をθ２回転させた面に相当する面、ＡＴカットの主面をθ３回転させた面に相当する面各々でのエッチング速度が、極大となることが分かる。そして、θ１は４°付近、θ２は−５７°付近、θ３は−４２°付近であり、然も、発明者の実験によれば、図９を用いて説明したインピダンスが良好になる領域は、θ１＝４°±３．５°、θ２＝−５７°±５°、θ３＝−４２°±５°、より好ましくは、θ１＝４°±３°、θ２＝−５７°±３°、θ３＝−４２°±３°であることが分かった。これらθ１〜θ３で規定される各々の面は、この発明に係る第１〜第３の面に相当する。

４．他の実施形態
上述においては、この発明のＡＴカット水晶片およびこれを用いた水晶振動子の実施形態を説明したが、この発明は上述の実施形態に限られない。例えば、上述の例では、Ｚ′方向の両端の側面がこの発明にかかる第１〜第３の面の３つの面で構成された例を説明したが、場合によっては、片側側面のみが第１〜第３の面の３つの面で構成される場合があっても良い。ただし、両側面が第１〜第３の面の３つの面で構成された方が、水晶振動子の特性は優れる。また、上述の例では３８ＭＨｚ付近の周波数の水晶振動子の例で説明したが、他の周波数の水晶振動子にも本発明は適用できる。

また、上述の製法例では、耐エッチング性マスク１３(図２参照)の、水晶片の外形に対応する部分は、水晶ウエハの表裏で対向するように形成していた。しかし、耐エッチング性マスクの、水晶片の外形に対応する部分は、水晶ウエハの表裏でＺ′方向沿ってΔＺだけズラシしても良い。ズラシ方向は、水晶片の＋Ｙ′面側に設ける耐エッチング性マスクを−Ｙ′面側に設ける同マスクに対して＋Ｚ′方向に、ΔＺずれるように、表裏のマスクを相対的にずらす。このようにマスクズラシをした場合、そうしない場合に比べ、短いエッチング時間で、水晶片のＺ′面を第１〜第３の３つの面で構成される形状にすることができる。また、第１の面１１ａのＺ′方向の長さＤ（図５（Ｃ）参照）を、このズラシ量により制御できる利点もある。

また、この発明でいうＡＴカット水晶片及び水晶振動子は、図１１に示した構造のものであっても良い。先ず、図１１（Ａ）に示したように、この発明に係る水晶片１１と、この水晶片と一体に形成されていてこの水晶片１１を貫通部１１ｙを隔てて全部で囲う枠部１１ｙと、同じく一体に形成されていてこれら水晶片と枠部とを連結する１つの連結部１１ｘと、を具えた水晶片及び水晶振動子である。また、図１１（Ｂ）に示したように、この発明に係る水晶片１１と、この水晶片と一体に形成されていてこの水晶片１１を貫通部１１ｙを隔てて一部で囲う枠部１１ｙと、同じく一体に形成されていてこれら水晶片と枠部とを連結する１つの連結部１１ｘと、を具えた水晶片及び水晶振動である。なお、連結部が２つ以上あっても良い。ただし、連結部が１つの方が、水晶片１１から枠部への振動漏れや、枠部から水晶片への応力の影響を軽減し易い。また、連結部１１ｘを設ける位置は図１１の例に限られず、設計に応じて変更できる。

また、上述の例では水晶のＸ軸に沿う辺を長辺とし、Ｚ′に沿う辺を短辺とする水晶片の例を示したが、水晶のＸ軸に沿う辺を短辺とし、Ｚ′に沿う辺を長辺とする水晶片にも本発明は適用できる。また、上述の例では平面形状が矩形の水晶片の例を説明したが、角部がＲ加工やＣ加工されたような水晶片に対しても本発明は適用できる。

１１:実施形態の水晶片
１１ａ；第１の面
１１ｂ：第２の面
１１ｃ：第３の面
１１ｄ:ＡＴカット水晶片の主面（Ｘ−Ｚ′面）
１１ｗ：水晶ウエハ
１１ｘ：連結部
１１ｙ：貫通部
１１ｚ：枠部
θ１〜θ３：ＡＴカットの主面を水晶のＸ軸を回転軸として回転させる角度
１３：耐エッチング性マスク
１５：電極
１５ａ：励振電極
１５ｂ：引出電極
１７：水晶振動子
２１：容器（例えばセラミックパッケージ）
２１ａ：凹部
２１ｂ：バンプ
２１ｃ：実装端子
２３：導電性接着材
２５：蓋

Claims (7)

1. 水晶の結晶軸で表わされるＸ−Ｚ′面を主面とし、水晶の結晶軸のＺ′軸と交差する側面の少なくとも一方を、第１〜第３の３つの面で構成してあり、
   前記第１の面、前記第２の面および前記第３の面はこの順で交わっており、かつ、
   前記第１の面は、前記主面を水晶のＸ軸を回転軸として４±３．５°回転させた面に相当する面であり、
   前記第２の面は、前記主面を水晶のＸ軸を回転軸として−５７±５°回転させた面に相当する面であり、
   前記第３の面は、前記主面を水晶のＸ軸を回転軸として−４２±５°回転させた面に相当する面であることを特徴とするＡＴカット水晶片。
2. 水晶の結晶軸で表わされるＸ−Ｚ′面を主面とし、水晶の結晶軸のＺ′軸と交差する側面の少なくとも一方を、第１〜第３の３つの面で構成してあり、
   前記第１の面、前記第２の面および前記第３の面はこの順で交わっており、かつ、
   前記第１の面は、前記主面を水晶のＸ軸を回転軸として４±３°回転させた面に相当する面であり、
   前記第２の面は、前記主面を水晶のＸ軸を回転軸として−５７±３°回転させた面に相当する面であり、
   前記第３の面は、前記主面を水晶のＸ軸を回転軸として−４２±３°回転させた面に相当する面であることを特徴とするＡＴカット水晶片。
3. 前記ＡＴカット水晶片は、平面形状が矩形状であり、前記ＡＴカット水晶片の一辺が前記Ｚ′軸に沿っていることを特徴とする請求項１又は２に記載のＡＴカット水晶片。
4. 前記側面の双方が、前記第１〜第３の３つの面で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＡＴカット水晶片。
5. 前記双方の側面は互いが当該ＡＴカット水晶片の中心点を中心に点対称の関係にあることを特徴とする請求項４に記載のＡＴカット水晶片。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の水晶片と、該水晶片の表裏に設けた励振電極と、該励振電極から引き出された引出電極とを具えたことを特徴とする水晶振動子。
7. 請求項６に記載の水晶振動子とこれを収納する容器とを具えたことを特徴とする水晶振動子。