KR100880984B1 - Ａｔ 컷 수정 진동편 및 그 제조 방법 - Google Patents

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엡슨 토요콤 가부시키 가이샤
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Abstract

본 발명은 폭 전단 모드의 영향을 억제하면서, 에너지 가둠 효과를 개선한 AT 컷 수정 진동편을 제조하는 것으로서, AT 컷 수정 진동편(30)은, 수정 결정의 X축 방향으로 장변을 갖는 직사각형을 이루고 또한 그 장변 방향의 측면(32)이 수정의 자연면의 m면인 제1 결정면(33)과 m면 이외의 자연면인 제3 결정면(34)의 2면으로 형성된 AT 컷 수정판으로 이루어지는 수정 소자편(31)과, 그 표리 주면에 설치된 한쌍의 여진 전극(35a, 35b)을 구비한다. 수정 소자편의 외형 가공은, 그 외형에 대응하는 마스크(22a, 22b)를 AT 컷 수정판(21)의 표리 각 면에 서로 수정 결정의 Z'축 방향으로 위치를 시프트하여 형성하고, 표리 양면에서 웨트 에칭함으로써 행한다. 수정 소자편은, 여진부인 두꺼운 중앙부(63)와 얇은 주변부(64)로 이루어지는 메사 형상으로 할 수 있다.

Description

ＡＴ 컷 수정 진동편 및 그 제조 방법{AT CUT QUARTZ CRYSTAL RESONATOR ELEMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은, 두께 전단 진동 모드를 주 진동으로 하는 AT 컷 수정 진동편 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 진동자, 발진기, 필터 또는 센서 등의 압전 디바이스에는, 높은 주파수를 얻을 수 있고 또한 안정된 주파수 특성을 갖는 수정이, 압전 재료로서 널리 채용되고 있다. 특히 두께 전단 진동 모드를 주 진동으로 하는 수정 진동자에는, AT 컷 수정판이, 상온 부근에서의 온도 변화에 대한 주파수 변화가 적기 때문에, 가장 널리 사용되고 있다. AT 컷 수정판은, 수정 결정의 X축과 Z축을 포함하는 평면을 X축의 둘레로 Z축으로부터 반시계 방향으로 약 35도 15분의 각도로 회전시킨 면이 주면이 되도록 잘려진다.
두께 전단 진동 모드의 압전 진동편은 그 두께를 중앙부에서 단부를 향해 서서히 얇게 형성하면, 단부에서의 진동 변위의 감쇠량이 커지므로, 진동편의 중앙부에 진동 에너지를 가두는 효과가 높아지고, CI값, Q값 등의 주파수 특성이 향상되는 것이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1을 참조). 그 결과, 압전 진동편을 저 주파화를 위해 두껍게 해도, 적은 에너지로 효율적으로 발진시킬 수 있고, 반대로 비교적 높은 주파수에서도, 진동편 치수를 통상의 것보다 작게 하여 소형화할 수 있는 이점이 있다. 이 진동 에너지 가둠 효과를 발휘할 수 있는 진동편의 형상으로서, 그 주면을 볼록형 곡면으로 한 콘벡스(convex) 형상, 평탄한 두꺼운 중앙부와 단부 가장자리의 사이를 사면(斜面)으로 한 베벨(bevel) 형상, 평탄한 두꺼운 중앙부의 주변 부분을 얇게한 메사형 등이 있다.
콘벡스 형상의 압전 진동편을 가공하기 위해서, 배럴 연마 장치 등의 기계적인 연마 가공으로 직사각형의 압전 소자편을 연마하는 방법이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 2, 3을 참조). 또한, 압전 소자편의 주면을 단계적으로 웨트 에칭하고, 콘벡스 형상에 근사하는 계단 형상으로 가공하거나, 또한 이 계단 형상을 샌드 블러스트나 연마기 등의 기계 가공으로 콘벡스 형상으로 만드는 가공 방법(예를 들면, 특허문헌 4을 참조)이 제안되어 있다.
베벨 형상은, 마찬가지로 수정편을 배럴 장치로 기계적으로 연마 가공하거나, 에칭액을 이용한 웨트 에칭에 의해 화학적으로 가공하는 방법이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 5를 참조). 또한, 베벨 형상의 진동편의 단부를 프레임형상의 지지부와 일체화하여, 기계적 강도가 뛰어나고, 설치를 용이하게 한 압전 진동자가 있다(예를 들면, 특허문헌 1을 참조).
메사형의 압전 진동편은, 일반적으로 수정 등의 압전 기판을 그 주면 중앙에 패터닝한 전극막을 마스크로서 웨트 에칭함으로써, 진동부인 두꺼운 중앙부와 얇은 주변부를 형성한다(예를 들면, 특허문헌 6을 참조). 또한, 메사형 수정 진동 자는, 기판의 길이 방향으로 생기는 굴곡 진동이 스퓨리어스(spurious) 증대의 하나의 원인인 것이 확인되었다. 이 불필요파인 굴곡 진동을 억제하기 위해서, 두꺼운 중앙부에 대한 얇은 주변부의 두께의 차를 10%∼30%로 설정하는 구성이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 7을 참조). 또한, 여진 전극을 두꺼운 중앙부의 단차보다 외측까지 확대함으로써, 용량비의 저하 방지, 여진 전극의 양호한 위치 정밀도, 및 단차에 있어서의 리드의 단선 방지를 도모한 압전 진동자가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 8을 참조).
또한, 두께 전단 진동 모드의 압전 진동편에 있어서, 고주파화를 도모하기 위해서는, 여진부의 두께를 얇게 할 필요가 있으므로, 얇은 여진부와 그 주위에 두꺼운 보강 프레임을 일체화하여 기계적 강도를 향상시킨 역메사형의 구조가 잘 알려져 있다. 또한, 얇은 여진부와 보강 프레임의 사이에 슬릿 또는 홈을 형성하여, 보강 프레임으로부터 여진부에 외력이 전달되기 어렵게 하여, 신뢰성을 높인 수정 진동자가 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 9, 10을 참조).
한편, 두께 전단 모드의 공진 주파수 및 그 주파수 온도 특성이 주파수적으로 근접한 고차의 폭 전단 모드에 큰 영향을 받는 것은 종래부터 잘 알려져 있다. 그리고, 압전 기판의 주면의 법선 방향과 길이 방향의 측면이 이루는 각도를 거의 3도 경사시켜, 두께 전단 진동과 고차의 폭 전단 모드의 결합을 약하게 하여, 주파수 온도 특성을 개선한 수정 진동자가 제안되어 있다(특허문헌 11을 참조).
특허문헌 11에 의하면, 도 7에 도시하는 바와 같이, 포토리소그래피 및 에칭 가공을 이용해, AT 컷 수정 웨이퍼로부터 수정의 X축 방향을 장변, Z'축 방향을 단 변으로 하는 스트립(strip)형상의 수정 기판을 그 주면의 법선 방향과 길이 방향의 측면이 이루는 각도가 약 3°, 보다 구체적으로는 가공 오차 등을 고려하여 3°±30’의 각도가 되도록 가공한다. 우선, 원하는 두께를 갖는 AT 컷 수정 기판(1)의 양 주면에 예를 들면 Cr/Au로 이루어지는 마스크(2a, 2b)를 형성한다(도 7(a)). 다음에, 기판(1)을 그 양면에서 웨트 에칭하면, 도 7(b)에 도시하는 바와 같이, 수정 특유의 자연면인 m면(3), r면(4) 및 이들과 다른 결정면(5)이 나타난다. 에칭을 진행시켜, 마스크되지 않은 수정 부분이 관통하면, 수정의 에칭 이방성으로 m면(3) 및 결정면(5)이 커지고, 기판(1)의 측면에 돌기(6)가 형성된다(도 7(c)). 또한 에칭을 더욱 진행시켜, 돌기(6)가 완전히 소멸할 때까지 오버 에칭하면, 기판(1)의 주면의 법선 방향에 관해서 약 3°의 경사 각도를 이루는 상기 결정면으로 이루어지는 길이 방향의 측면(7)이 형성된다(도 7(d)).
이와 같이 가공된 스트립형상의 수정 기판을 이용한 AT 컷 수정 진동편을 도 8(a), (b)에 도시한다. 이 AT 컷 수정 진동편(10)은, 도 7(d)의 기판(1)으로부터 마스크(2a, 2b)를 제거한 수정 소자편(11)의 양 주면에 한쌍의 여진 전극(12a, 12b)이 형성되어 있다. 수정 소자편(11)은, 수정 결정의 X축 방향을 장변, Z'축 방향을 단변으로 하고, 길이 방향의 측면(13)은 주면의 법선 방향에 대해 약 3°의 각도를 갖고 경사져 있다. 이에 따라, 폭 전단 진동 모드와 두께 전단 진동 모드의 결합이, 측면의 경사 각도가 O°인 경우에 비해서 작아져, 주파수 온도 특성을 대폭 개선할 수 있다.
<특허문헌 1> 일본 특허공개 평11-355094호 공보
<특허문헌 2> 일본 특허공개 2003-205449호 공보
<특허문헌 3> 일본 특허공개 평8-216014호 공보
<특허문헌 4> 일본 특허공개 2003-168941호 공보
<특허문헌 5> 일본 특허공개 2001-285000호 공보
<특허문헌 6> 일본 특허공개 2006-140803호 공보
<특허문헌 7> 일본 특허공개 2006-340023호 공보
<특허문헌 8> 일본 특허공개 2005-94410호 공보
<특허문헌 9> 일본 특허공개 소61-189715호 공보
<특허문헌 10> 일본 특허공개 평10-32456호 공보
<특허문헌 11> 일본 특허공개 2001-7677호 공보
그러나, 상기 특허문헌 8의 AT 컷 수정 진동자는, Z'축 방향 즉 진동편의 폭 방향으로 충분한 에너지 가둠 효과를 얻을 수 없다는 문제가 있다. 도 8(c)는, 도 8(b)에 도시하는 AT 컷 수정 진동편(10)의 폭 방향에 있어서의 진동 변위를 도시한다. 동 도면에 도시하는 바와 같이, 진동 변위는 폭 방향의 양단에 있어서 충분히 감쇠하지 않는 것을 알 수 있다. 이 때문에, CI값, Q값 등의 주파수 특성을 향상시키는 것이 곤란하게 된다. 그 영향은, 특히 수정 진동편의 소형화를 진행시킨 경우에, 외형의 가공 정밀도에 편차가 생기기 쉬워지므로 커진다. 또한, 수정 기판을 오버 에칭하기 위해서, 통상보다도 긴 에칭 시간을 필요로 하여, 수정 기판 자체를 손상시킬 우려가 있다.
상술한 바와 같이, 콘벡스 형상의 압전 진동편은 높은 에너지 가둠 효과를 얻을 수 있지만, 원하는 외형 가공이 곤란하다는 문제가 있다. 예를 들면, 배럴 연마에 의한 기계 가공은, 가공 정밀도의 제어가 곤란하고 형상 및 치수의 편차가 크고, 또한 가공 시간이 길기 때문에 생산성의 저하 및 비용의 증가를 초래하고, 연마 가공으로 거칠어진 수정의 표면층을 여진 전극의 형성 전에 웨트 에칭으로 제거할 필요가 있다. 또한, 배럴 연마에서는, 기판의 장변측이 가공되기 쉽고, 기판의 폭 방향을 콘벡스 형상으로 가공하는 것은 곤란하다. 또한, 배럴 연마는, 압전 진동편이 소형화될수록 경량이 되므로, 가공이 보다 곤란하게 된다.
또한, 웨트 에칭에 의한 화학적 가공 방법은, 상향 볼록의 콘벡스 형상을 가공할 수 없는 문제가 있다. 특히 콘벡스 형상에 근사한 계단 형상의 가공은, 공정이 복잡하고 공정수가 많으며 또한 공정 관리가 곤란해, 도리어 생산성의 저하 및 비용의 증가를 초래할 우려가 있다.
한편, 메사 형상은, 포토리소그래피 기술을 이용한 웨트 에칭에 의해 간단히 가공되고, 형상의 편차가 작으므로 양산에 적합하여, 상술한 콘벡스 형상이나 베벨 형상보다 유리하다. 그러나, 두꺼운 중앙부와 얇은 주변부의 단차가 존재하기 때문에, 두께 전단 모드의 주 진동에 중첩되는 폭 전단 모드 등의 불필요파가 발생한다는 문제가 있다.
그래서 본 발명은, 상술한 종래의 문제점에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은, 수정 결정의 X축 방향을 장변으로 하는 AT 컷 수정 진동편에 있어서, 폭 전 단 모드의 영향을 억제하여 주파수 온도 특성을 개선하면서, 특히 Z'축 방향에 있어서 에너지 가둠 효과를 향상시키는 것에 있다.
또한 본 발명은, 이러한 AT 컷 수정 진동편이 두꺼운 중앙부와 얇은 주변부를 갖는 메사 형상인 경우에, 주 진동에 중첩될 우려가 있는 불필요파의 영향을 효율적으로 배제하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의하면, 상기 목적을 달성하기 위해서, 수정 결정의 X축 방향을 장변으로 하는 직사각형의 AT 컷 수정판으로 이루어지는 여진부를 갖는 수정 소자편과, 여진부의 표리 주면에 설치된 여진 전극을 구비하고, 여진부의 장변 방향의 양측면이 각각 수정 결정의 m면과 m면 이외의 결정면의 2면으로 형성된 AT 컷 수정 진동편이 제공된다.
이와 같이 여진부의 표리 주면 즉, AT 컷면에 대해 다른 각도로 경사진 2개의 경사면으로 이루어지는 장변 방향의 측면을 갖는 AT 컷 수정 진동편은, 폭 방향의 양단에 있어서의 진동 에너지의 가둠 효과가 대폭 개선되는 것을 알 수 있다. 따라서, 진동편의 주면을 콘벡스 형상으로 가공하지 않고, CI값, Q값 등의 주파수 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 진동편의 장변 방향의 측면은, 그 일부가 주면의 법선 방향에 관해서 약 3°의 각도를 이루는 수정의 결정면으로 구성되므로, 폭 전단 모드의 영향도 억제할 수 있고, 이에 기인하는 주파수 온도 특성의 열화를 개선할 수 있다.
이 m면 이외의 수정 결정면은, 상기 특허문헌 8에 기재되는 바와 같이, 가공 오차 등을 고려하였을 때, 여진부의 주면의 법선 방향에 대해 3°±30’의 각도를 갖고 경사지도록 설정하는 것이, 실제 제조상 바람직하다.
어느 실시예에서는, 수정 소자편이 여진 전극을 형성하는 두꺼운 중앙부와 얇은 주변부로 이루어지는 메사 형상을 갖고, 이들 두꺼운 중앙부와 얇은 주변부의 단차의 상기 장변 방향의 각 측면이, 수정 결정의 m면 또는 m면 이외의 결정면으로 형성된다. 이에 따라, 메사 형상의 진동 에너지 가둠 효과에 추가해, 주 진동에 중첩하는 폭 전단 모드 등의 불필요파를 억제할 수 있어, 스퓨리어스를 저하시킬 수 있다.
또한, 어떤 실시예에서는, 수정 소자편의 두께 중앙부에 대한 얇은 주변부의 두께의 차를 두꺼운 중앙부의 두께의 10% 또는 그 이하로 작게 함으로써, 진동 에너지 가둠 효과가 어느 정도 저하하는 반면, 불필요파의 영향을 억제할 수 있는 점에서는 변함없고, 또한 얇은 주변부를 보다 두껍게 하여, 그 기계적 강도를 높일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, AT 컷 수정판을 웨트 에칭함으로써, 수정 결정의 X축 방향을 장변으로 하는 직사각형을 이루고 또한 그 장변 방향의 양 측면이 각각 수정 결정의 m면과 m면 이외의 결정면의 2면으로 이루어지는 여진부를 갖는 수정 소자편의 외형을 가공하는 공정과, 여진부의 표리 주면에 여진 전극을 형성하는 공정으로 이루어지는 AT 컷 수정 진동편의 제조 방법이 제공된다.
이와 같이 본 발명의 AT 컷 수정 진동편은, 수정의 에칭 속도가 그 결정 방위별로 다르다고 하는 에칭 이방성을 이용함으로써, 수정 결정의 m면과 여진부의 주면의 법선 방향에 관해서 약 3°의 각도를 이루는 수정의 m면 이외의 결정면이 나타나도록 장변 방향의 측면을 가공할 수 있다. 종래와 같은 기계 가공과 달리, 웨트 에칭은 가공의 제어가 용이하고 형상 및 치수의 편차가 적어, 생산성의 향상및 비용의 저감을 도모할 수 있다.
어떤 실시예에서는, 수정 소자편의 외형 가공 공정이, AT 컷 수정판의 표리 각 면에 여진부의 외형에 대응하는 마스크를 형성하고, 상기 마스크를 이용해 AT 컷 수정판을 표리 양면에서 웨트 에칭하는 공정으로 이루어지고, 수정판의 표면측의 마스크와 이면측의 마스크를 서로 수정 결정의 Z'축 방향으로 시프트하여 배치함으로써, 장변 방향의 측면을 가공할 수 있다. 종래 기술과 같은 오버 에칭할 필요가 없으므로, 수정판을 손상시킬 우려가 없다.
여기서, 마스크를 Z'축 방향으로 시프트하여 배치한다는 것은, 수정 기판의 양 주면에 각각 마스크를, 그 웨트 에칭에 의해 m면이 나타나는 측의 단부에서 다른쪽 마스크와 겹치지만, 상기 m면 이외의 결정면이 나타나는 측의 단부에서 다른쪽의 마스크와 겹치지 않도록, 시프트하여 배치하는 것을 말하는 것으로 한다.
이 경우, 마스크의 시프트량 Δz(㎛)은, AT 컷 수정판의 두께를 T(㎛)로 하여, Δz=0.75×T±20%의 범위 내로 설정하면, 마스크를 과도하게 시프트하거나 그 반대일 우려가 없고, 장변 방향의 측면을 보다 짧은 에칭 시간으로 효율적으로 또한 확실하게 가공할 수 있다.
다른 실시예에서는, 외형 가공한 수정 소자편의 표리 각 면을 웨트 에칭함으로써, 여진 전극을 설치하는 두꺼운 중앙부와 얇은 주변부를, 이들 두꺼운 중앙부 와 얇은 주변부의 단차의 상기 장변 방향의 각 측면이 수정 결정의 m면 또는 m면 이외의 결정면으로 이루어지도록 형성하는 공정을 더 가진다. 이에 따라, 진동 에너지 가둠 효과를 발휘하는 메사 형상을 형성할 뿐만 아니라, 주 진동에 중첩하는 폭 전단 모드 등의 불필요파를 억제하고, 스퓨리어스를 저하시킬 수 있는 AT 컷 수정 진동편을 얻을 수 있다.
또한, 두꺼운 중앙부와 얇은 주변부를 형성할 때에, 두꺼운 중앙부에 대한 얇은 주변부의 두께의 차이를 두꺼운 중앙부의 두께의 10% 또는 그 이하로 하도록, 수정 소자편의 표리 각 면을 웨트 에칭하면, 진동 에너지 가둠 효과 및 불필요파의 억제 효과를 유지하면서 얇은 주변부를 보다 두껍게 하여 그 기계적 강도를 높이는 동시에, 에칭량을 적게 하여 수정판에의 악영향을 방지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 수정 결정의 X축 방향을 장변으로 하는 AT 컷 수정 진동편에 있어서, 폭 전단 모드의 영향을 억제하여 주파수 온도 특성을 개선하면서, 특히 Z'축 방향에 있어서 에너지 가둠 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 이러한 AT 컷 수정 진동편이 두꺼운 중앙부와 얇은 주변부를 갖는 메사 형상인 경우에, 주 진동에 중첩될 우려가 있는 불필요파의 영향을 효율적으로 배제할 수 있다.
이하에, 본 발명의 적합한 실시예에 대해서 첨부 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.
도 1(a)∼(c)는, 본 발명의 방법에 의해 AT 컷 수정 소자편의 외형을 가공하는 과정을 공정순서로 도시한다. 본 실시예에서는 도시하는 바와 같이 우수정을 사용하므로, 그 X축 방향을 장변, Z’방향을 단변, Y’방향을 두께로 하도록, 수정 소자편을 외형 가공한다. 우선, AT 컷 수정판을 랩핑 가공 등을 하여, 원하는 평면 및 두께를 갖는 AT 컷 수정 기판(21)을 준비한다. 수정 기판(21)의 상하 양 주면에, 예를 들면 소정 막 두께의 Cr막 및 Au막을 증착하고 또한 포토 에칭하여, 마스크(22a, 22b)를 형성한다(도 1(a)). 이때, 기판 표면측의 마스크(22a)를 이면측의 마스크(22b)에 대해, 수정 결정의 Z'축 방향으로 어느 양 Δz(㎛)만큼 시프트하여 배치한다.
다음에, 수정 기판(21)을 그 양면에서 플루오르화암모늄 용액 등의 적당한 에칭액으로 웨트 에칭한다. 수정의 에칭 이방성에 의해, 수정 기판(21)의 노출면에는 AT 컷 면에서 각각 다른 각도로 경사진 수정의 제1∼제3 결정면(23∼25)이 나타난다(도 1(b)). 도 1(b)에 있어서, 수정 기판(21)의 상면측에는, Z'축 방향의 －측에 수정 특유의 자연면의 m면인 제1 결정면(23)과 r면인 제2 결정면(24)이 서로 경계를 접하도록 형성되고, Z'축 방향의 ＋측에 m면 이외의 수정의 자연면인 제3 결정면(25)이 형성된다. 수정 기판(21)의 하면측에는 이와는 점 대칭으로, Z'축 방향의 ＋측에 수정 결정의 m면인 제1 결정면(23)과 r면인 제2 결정면(24)이 상호 경계를 접하도록 형성되고, Z'축 방향의 －측에 이들 이외의 수정의 자연면인 제3 결정면(25)이 형성된다. 동 도면에 화살표로 표시하는 바와 같이, 수정 기판(21)의 노출면에 에칭을 진행시키면, 마스크되지 않은 수정 부분이 완전히 관통하여, 길이 방향의 측면(26)이 형성된다(도 1(c)).
이와 같이 각 마스크(22a, 22b)를, 각각 제1 결정면(23) 즉, m면이 나타나는 측의 단부에서 다른쪽의 마스크와 겹쳐지지만, 제3 결정면(25)이 나타나는 측의 단부에서 다른쪽의 마스크와 겹치지 않도록 배치함으로써, 상기 각 결정면의 에칭 속도의 차이로부터, 종래 기술과 같은 돌기가 나타나지 않고, 제1 결정면(23)과 제3 결정면(25)의 2면으로 이루어지는 측면(26)을 형성할 수 있다. 본 명세서에서는 이와 같이 마스크를 수정 기판의 양 주면에 배치하는 것을, 마스크를 Z'축 방향으로 시프트하여 배치하는 것으로 한다. 그 결과, 본 발명에 의하면, 오버 에칭할 필요가 없으므로 수정 기판을 손상시킬 우려가 없다.
마스크의 시프트량 Δz(㎛)는 수정 기판(21)의 두께를 T(㎛)로 했을 때, Δz=0.75×T±20%의 범위 내에서 설정한다. 이 계산식은, 수정의 상기 각 결정면의 에칭 속도로부터 경험적으로 도출한 것이다. 측면(26)을 구성하는 제1 결정면(23)과 제3 결정면(25)의 비율은 마스크의 시프트량 Δz에 어느 정도의 폭이 있으므로, 그 값을 적당히 선택함으로써 바꿀 수 있다.
도 2(a), (b)는, 본 발명에 의한 AT 컷 수정 진동편의 적합한 실시예를 도시한다. 이 AT 컷 수정 진동편(30)은, 도 1의 공정에 따라 외형 가공되고, 수정 결정의 X축 방향을 장변, Z'축 방향을 단변으로 하는 직사각형의 수정 소자편(31)을 가진다. 상기 수정 소자편의 길이 방향의 측면(32)은 도 1에 있어서의 제1 및 제 3의 결정면(23, 25)과 각각 동일한 수정의 제1 결정면(33) 및 제3 결정면(34)의 2면으로 형성되어 있다. 수정 진동편(30)의 길이 방향의 양측 가장자리는 결정 면(33, 34)의 경사 각도가 다르고, 이들이 교차하는 위치 및 이들이 수정 소자편(31)의 표리 주면과 교차하는 위치가 다르기 때문에, 이에 의해 생기는 광의 굴절에 의해서, 도 2(a)와 같이 평면에서 보았을 때, 용이하게 눈으로 확인할 수 있다. 따라서, 수정 진동편(30)이 소형화되어도, 개개의 시인성이 좋고, 조립 및 취급 작업성이 향상된다. 수정 소자편(31)의 표리 주면에는, 한쌍의 여진 전극(35a, 35b)이 형성되어 있다.
도 2(c)는, AT 컷 수정 진동편(30)의 폭 방향 즉, Z'축 방향에 있어서의 진동 변위를 도시한다. 동 도면에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 수정 진동편은, 폭방향의 양단에서 진동 변위가 크게 감쇠하는 것을 알 수 있다. 따라서, 충분히 큰 에너지 가둠 효과가 발휘되어, CI값, Q값 등의 주파수 특성을 대폭 향상시킬 수 있다.
또한, AT 컷 수정 진동편(30)은, 길이 방향의 측면(32)이, 주면의 법선 방향에 대해 약 3°, 보다 구체적으로는 상기 특허문헌 8에 기재되는 바와 같이 가공 오차 등을 고려하여 3°±30’의 각도를 갖고 경사지는 제3 결정면(34)을 가지므로, 폭 전단 진동 모드와 두께 전단 진동 모드의 결합이, 측면의 경사 각도가 O°인 경우에 비해서 작아진다. 따라서, 에너지 가둠 효과에 더해, 주파수 온도 특성의 개선을 도모할 수 있다.
도 3(a), (b)는 본 발명에 의한 AT 컷 수정 진동편의 별도 실시예를 도시한다. 본 실시예의 AT 컷 수정 진동편(41)은 역메사형의 수정 소자편(42)을 가진다. 즉, 수정 소자편(42)은, 중앙에 비교적 얇은 직사각형 여진부(43)와, 그 주위에 배 치된 두꺼운 직사각형 보강 프레임부(44)를 가진다. 여진부(43)는, 그보다도 얇은 연결부(45)로 전체 둘레에 걸쳐 보강 프레임부(44)와 일체로 결합되어 있다.
수정 소자편(42)은, 도 1과 동일한 가공 공정에 따라서, 여진부(43)의 장변이 수정의 X축 방향이 되도록 형성된다. 따라서, 여진부(43)의 길이 방향의 측면은, 도 1에 있어서의 제1 및 제3 결정면(23, 25)과 각각 동일한 수정의 제1 결정면(46) 및 제3 결정면(47)의 2면으로 형성된다. 여진부(43)의 표리 주면에는, 한쌍의 여진 전극(48a, 48b)이 형성된다. 이에 따라, 도 2의 AT 컷 수정 진동편과 마찬가지로, 에너지 가둠 효과를 개선하여 주파수 특성의 향상을 도모하고, 폭 전단 진동 모드의 영향을 억제하여 주파수 특성을 개선할 수 있다.
도 4(a), (b)는, 도 3의 AT 컷 수정 진동편의 변형예를 도시한다. 본 실시예의 AT 컷 수정 진동편(51)은, 도 3과 마찬가지로 역메사형의 수정 소자편(52)을 갖지만, 중앙의 비교적 얇은 직사각형 여진부(53)와, 그 주위에 배치된 얇은 직사각형 보강 프레임부(54)와의 사이에 관통 홈(55)이 형성되고, 또한 이들이 연결부(56)로 일체로 결합되어 있다.
수정 소자편(52)은, 도 1과 동일한 가공 공정에 따라서, 여진부(53)의 장변이 수정의 X축 방향이 되도록 형성한다. 따라서, 여진부(53)의 길이 방향의 측면은, 도 1에 있어서의 제1 및 제3 결정면(23, 25)과 각각 동일한 수정의 제1 결정면(57) 및 제3 결정면(58)의 2면으로 형성된다. 여진부(53)의 표리 주면에는, 한쌍의 여진 전극(59a, 59b)이 형성된다. 이에 따라, 도 2의 AT 컷 수정 진동편과 마찬가지로, 에너지 가둠 효과를 개선하여 주파수 특성의 향상을 도모하고, 폭 전 단 진동 모드의 영향을 억제하여 주파수 특성을 개선할 수 있다.
도 5(a), (b)는, 본 발명에 의한 AT 컷 수정 진동편의 또 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예의 AT 컷 수정 진동편(61)은 메사형의 수정 소자편(62)을 가진다. 즉, 수정 소자편(62)은, 여진부로서의 두꺼운 중앙부(63)와 그 주위에 얇은 주변부(64)를 가진다. 이 메사 형상에 의해서, 본 실시예는, 에너지 가둠 효과를 더욱 개선하여 주파수 특성을 향상시키고, 폭 전단 진동 모드의 영향을 한층 더 억제하여 주파수 특성을 개선할 수 있다. 두꺼운 중앙부(63)의 표리 주면에는, 한쌍의 여진 전극(65a, 65b)이 형성되어 있다. 상기 각 여진 전극은 각각 두꺼운 중앙부(63)로부터 인출된 리드(66a, 66b)를 통해, 수정 소자편(62)의 길이 방향의 한쪽 단부에 설치된 접속 전극(도시하지 않음)과 전기적으로 접속되어 있다.
수정 소자편(62)은, 상기 각 실시예와 마찬가지로, 도 1의 가공 공정에 따라서, 수정 결정의 X축 방향을 장변, Z'축 방향을 단변으로 하는 직사각형으로 외형 가공한다. 수정 소자편(62)의 길이 방향의 측면은, 도 1에 있어서의 제1 및 제3 결정면(23, 25)과 각각 동일한 수정의 제1 결정면(67) 및 제3 결정면(68)의 2면으로 형성된다.
다음에, 수정 소자편(62)에 두꺼운 중앙부(63)와 얇은 주변부(64)를 웨트 에칭에 의해 형성한다. 도 6(a)에 도시하는 바와 같이, 외형 가공한 수정 소자편(62)의 표리 각 면에, 예를 들면 소정 막 두께의 Cr막 및 Au막을 증착하고 또한 포토 에칭하여, 마스크(69a, 69b)를 형성한다. 수정 소자편(62)의 표리 각 면을 플루오르화 암모늄 용액 등의 적당한 에칭액으로 웨트 에칭한다. 수정 소자편(62) 은, 그 노출면이 얇아지는 동시에, 상기 마스크로 피복한 부분과의 경계에 각각 단차가 형성된다(도 6(b)).
수정 소자편(62)의 길이 방향으로 연장하는 단차(70a, 70b, 71a, 71b)의 측면에는, 수정의 에칭 이방성에 의해서, 도 1(b)에 관련되어 상술한 바와 마찬가지로, AT 컷 면에서 각각 다른 각도로 경사진 수정의 제1∼제3 결정면이 나타난다. 수정 소자편(62)의 상면측에서, Z'축 방향의 －측의 단차(70a)에는, 수정 결정의 m면인 제1 결정면과 r면인 제2 결정면이 서로 경계를 접하도록 형성되고, Z'축 방향의 ＋측의 단차(70b)에는, m면 이외의 수정의 자연면인 제3 결정면이 형성된다. 수정 소자편(62)의 하면측에는, 이와는 점 대칭으로, Z'축 방향의 ＋측의 단차(71a)에 수정 결정의 m면인 제1 결정면과 r면인 제2 결정면이 서로 경계를 접하도록 형성되고, Z'축 방향의 －측의 단차(71b)에 이들 이외의 수정의 자연면인 제3 결정면이 형성된다. 이와 같이 단차(70a, 70b, 71a, 71b)의 측면에는 결정된 수정 결정면이 나타나므로, 두꺼운 중앙부(63)의 형상은 제조 편차를 해소 또는 적게 하는 것이 가능하다.
두꺼운 중앙부(63)와 얇은 주변부(64)의 상기 단차는, 진동 에너지의 가둠 효과가 저감한다고 해도, 두께 전단 모드의 주 진동에 중첩하는 폭 전단 모드 등의 불필요파를 억제할 수 있으면 되고, 미소한 크기로 충분하다. 본 실시예에서는, 도 6(b)에 도시하는 바와 같이 두꺼운 중앙부(63) 및 얇은 주변부(64)의 두께를 t0, t1로 한 경우에, 그 차 t0－t1이 상기 두꺼운 중앙부의 두께 t0의 10% 또는 그 이하가 되도록 설정한다. 이에 따라, 얇은 주변부(64)를 보다 두껍게 형성할 수 있으므로, 그 기계적 강도가 증가한다. 수정 진동편(61)은, 통상예로 길이 방향의 한쪽 단부 즉, 얇은 주변부(64)에서 캔틸레버로 마운트되므로, 보다 견고하게 또한 확실하게 고정할 수 있다. 또한, 메사 형상을 형성하기 위한 에칭량을 적게 할 수 있으므로, 웨트 에칭이 수정 재료에 미칠 수 있는 악영향, 예를 들면 에칭 피트의 발생 등을 적게 할 수 있다.
본 실시예에 있어서도, 마스크(69a, 69b)의 상하 위치를 일치시켜 얇은 주변부(64)를 웨트 에칭하면, 수정 소자편(62)의 표면과 이면에 있어서, 수정 결정의 Z'축 방향으로 두꺼운 중앙부(63)의 단부 가장자리 위치가 약간 밀려날 우려가 있다. 그러나, 본 실시예와 같이 에칭량이 적은 경우, 두꺼운 중앙부(63) 단부 가장자리의 상하 위치의 시프트는 무시할 수 있을 정도로 작다. 에칭량이 큰 경우에는, 이에 대응하여 마스크(69a, 69b)의 상하 위치를 Z'축 방향으로 시프트하게 할 수 있다.
이와 같이 메사 형상을 형성한 수정 소자편(62)은, 그 표리 양면에서 마스크(69a, 69b)를 박리한 후, 예를 들면 소정 막 두께의 Cr막 및 Au막을 증착 등에 의해 성막하고, 다시 전극막을 형성한다. 이 전극막을 포토리소그래피 기술을 이용해 패터닝함으로써, 여진 전극(65a, 65b), 리드(66a, 66b) 및 상기 접속 전극을 형성한다. 본 실시예에서는, 리드(66a, 66b)를 두꺼운 중앙부(63)의 X축 방향의 단부 가장자리로부터 인출하도록 형성한다. X축 방향의 단차(70a, 70b, 71a, 71b)는, 상술한 바와 같이 수정 결정의 m면과 r면, 또는 m면 이외의 결정면이 나타나므로, X축 방향의 어느 쪽의 단부 가장자리도, 그 각부는 둔각이 된다. 따라서, 리 드(66a, 66b)는 상기 단차의 각부에서 단선되거나 충분한 막 두께로 성막할 수 없게 될 우려가 해소되어, 전기적 특성의 확보 및 신뢰성의 향상을 도모할 수 있다.
이상, 본 발명이 적합한 실시예에 대해서 상세히 설명했지만, 본 발명은, 상기 실시예에 다양한 변형·변경을 추가해 실시할 수 있다. 예를 들면, 상기 실시예에서는, 수정 기판의 양면을 동시에 웨트 에칭했지만, 한쪽면씩 에칭하는 것도 가능하다. 또한, 본 발명은, 우수정뿐만 아니라, 좌수정에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다. 이 경우에도, 수정 기판의 표리 주면에 배치하는 마스크를 Z'축 방향으로 시프트하게 함으로써, 마찬가지로 수정의 X축 방향으로 상기 제1 및 제3 결정면의 2면으로 이루어지는 길이 방향의 측면을 형성할 수 있다. 또한, 수정 소자편의 표리 각 면에 형성하는 마스크 및 전극막에는, 상술한 Cr막 및 Au막 이외의 공지의 다양한 금속 및 전극 재료를 이용할 수 있다.
도 1의 (a)∼(c)는 본 발명의 방법에 의해 AT 컷 수정 소자편의 외형을 가공하는 공정을 그 순서대로 도시하는 도면이다.
도 2의 (a)는 본 발명에 의한 AT 컷 수정 진동편의 실시예를 도시하는 평면도, (b)는 그 Ⅱ-Ⅱ선에 있어서의 단면도, (c)는 그 Z'축 방향(폭 방향)에 있어서의 진동 변위 분포를 도시하는 선도이다.
도 3(a)는 본 발명의 AT 컷 수정 진동편의 별도의 실시예를 도시하는 평면도, (b)는 그 Ⅲ-Ⅲ선에 있어서의 단면도이다.
도 4(a)는 도 3의 AT 컷 수정 진동편의 변형예를 도시하는 평면도, (b)는 그 Ⅳ-Ⅳ선에 있어서의 단면도이다.
도 5(a)는 본 발명에 의한 AT 컷 수정 진동편의 다른 별도의 실시예를 도시하는 평면도, (b)는 그 Ⅴ-Ⅴ선에 있어서의 단면도이다.
도 6(a), (b)는 도 5의 AT 컷 수정 소자편의 두꺼운 중앙부를 가공하는 공정을 순서대로 도시하는 도면이다.
도 7(a)∼(d)는, 종래 방법에 의해 AT 컷 수정 소자편의 외형을 가공하는 공정을 그 순서대로 도시하는 도면이다.
도 8(a)는 종래 기술에 의한 AT 컷 수정 진동편을 도시하는 평면도, (b)는 그 Ⅷ-Ⅷ선에 있어서의 단면도, (c)는 그 Z'축 방향(폭방향)에 있어서의 진동 변위 분포를 도시하는 선도이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
1, 21 : AT 컷 수정 기판
2a, 2b, 22a, 22b, 69a, 69b : 마스크
3, 23, 33, 46, 57, 67 : 제1 결정면
4, 24 : 제2 결정면
5, 25, 34, 47, 58, 68 : 제3 결정면
6 : 돌기 7, 13, 26, 32 : 측면
10, 30, 41, 51, 61 : AT 컷 수정 진동편
11, 31, 42, 52, 62 : 수정 소자편
12a, 12b, 35a, 35b, 48a, 48b, 59a, 59b, 65a, 65b : 여진 전극
43, 53 : 여진부 44, 54 : 보강 프레임부
45, 56 : 연결부 55 : 관통 홈
63 : 두꺼운 중앙부 64 : 얇은 주변부
66a, 66b : 리드 70a, 70b, 71a, 71b : 단차

Claims (9)

  1. 수정 결정의 X축 방향을 장변으로 하는 직사각형의 AT 컷 수정판으로 이루어지는 여진부를 갖는 수정 소자편과, 상기 여진부의 표리 주면에 설치된 여진 전극을 구비하고, 상기 여진부의 장변 방향의 양 측면이 각각 수정 결정의 m면과 m면 이외의 결정면의 2면으로 형성되어 있고, 상기 m면 이외의 결정면이 상기 여진부의 주면의 법선 방향에 대해 3°±30’의 각도를 갖고 경사져 있는 것을 특징으로 하는 AT 컷 수정 진동편.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 수정 소자편이, 상기 여진 전극을 형성하는 두꺼운 중앙부와 얇은 주변부를 갖고, 상기 두꺼운 중앙부와 상기 얇은 주변부의 단차의 상기 장변 방향의 각 측면이, 수정 결정의 m면 또는 m면 이외의 결정면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 AT 컷 수정 진동편.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 두꺼운 중앙부에 대한 상기 얇은 주변부의 두께의 차이가 상기 두꺼운 중앙부의 두께의 10% 이하인 것을 특징으로 하는 AT 컷 수정 진동편.
  5. AT 컷 수정판을 웨트 에칭함으로써, 수정 결정의 X축 방향을 장변으로 하는 직사각형을 이루고 또한 그 장변 방향의 양 측면이 각각 수정 결정의 m면과 m면 이외의 결정면의 2면으로 이루어지는 여진부를 갖는 수정 소자편의 외형을 가공하는 공정과, 상기 여진부의 표리 주면에 여진 전극을 형성하는 공정으로 이루어지고,
    상기 수정 소자편의 외형 가공 공정이, 상기 AT 컷 수정판의 표리 각 면에 상기 여진부의 외형에 대응하는 마스크를 형성하고, 상기 마스크를 이용해 상기 AT 컷 수정판을 표리 양면에서 웨트 에칭하는 공정으로 이루어지고, 상기 AT 컷 수정판의 표면측의 상기 마스크와 이면측의 상기 마스크를 서로 수정 결정의 Z'축 방향으로 시프트하여 배치하는 것을 특징으로 하는 AT 컷 수정 진동편의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 AT 컷 수정판의 두께를 T(㎛)로 하였을 때, 상기 마스크의 시프트량 Δz(㎛)를 Δz= 0.75×T±20%의 범위 내에서 설정하는 것을 특징으로 하는 AT 컷 수정 진동편의 제조 방법.
  8. 청구항 5 또는 7에 있어서, 외형 가공한 상기 수정 소자편의 표리 각 면을 웨트 에칭함으로써, 상기 여진 전극을 설치하는 두꺼운 중앙부와 얇은 주변부를, 상기 두꺼운 중앙부와 상기 얇은 주변부의 단차의 상기 장변 방향의 각 측면이 수정 결정의 m면 또는 m면 이외의 결정면으로 이루어지도록 형성하는 공정을 더 갖는 것을 특징으로 하는 AT 컷 수정 진동편의 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 두꺼운 중앙부에 대한 상기 얇은 주변부의 두께의 차를 상기 두꺼운 중앙부의 두께의 10% 이하로 하도록, 상기 수정 소자편의 표리 각 면을 웨트 에칭하는 것을 특징으로 하는 AT 컷 수정 진동편의 제조 방법.
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