TWI639302B - At切割水晶片、水晶振子、及水晶振盪器 - Google Patents

At切割水晶片、水晶振子、及水晶振盪器 Download PDF

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Abstract

一種新穎的AT切割水晶片。在所述AT切割水晶片中，與水晶的晶軸的Z′軸相交的兩個側面，是由第1面～第3面三個面所構成。而且，第1面是相當於使所述AT切割水晶片的主面以水晶的X軸為旋轉軸而旋轉4°±3°的面的面，第2面是相當於使主面以水晶的X軸為旋轉軸而旋轉-57°±3°的面的面，第3面是相當於使主面以水晶的X軸為旋轉軸而旋轉-42°±3°的面的面。所述AT切割水晶片與現有技術相比，可抑制AT切割水晶振子本來的振動以外的多餘振動，從而，與現有技術相比可改善振子的阻抗。

Description

AT切割水晶片、水晶振子、及水晶振盪器
本發明是有關於一種AT切割水晶片、及使用所述AT切割水晶片的水晶振子(crystal resonator)。
隨著AT切割水晶振子的小型化發展，通過利用機械式加工的製造方法，難以製造水晶振子用的水晶片。因此，已開發出利用光刻（photolithography）技術及濕式蝕刻技術而製造的AT切割水晶片。
例如在專利文獻1、專利文獻2中，分別揭示有利用所述技術而製造的AT切割水晶片及水晶振子。具體而言，在專利文獻1中，揭示有與水晶的X軸相交的側面（X面）至少包含四個面的AT切割水晶片、以及利用所述AT切割水晶片的水晶振子。此外，在專利文獻2中，揭示有與水晶的Z′軸相交的側面（Z′面）至少包含四個面的AT切割水晶片、以及利用所述AT切割水晶片的水晶振子。
在所有情況下，均是在水晶基板上形成外形形成用的耐蝕刻性掩模，利用濕式蝕刻使所述水晶基板的未經掩模(mask)覆蓋的部分溶解，而形成水晶片的粗略外形。其次，從所述水晶基板去除掩模之後，對所述水晶基板進行濕式蝕刻，以在所述側面（所述X面或Z′面）上至少形成四個面。通過如上所述而形成的水晶片，可實現振動洩漏少、並且特性優異的AT切割水晶振子。[現有技術文獻][專利文獻]
[專利文獻1] 日本專利特開2014-27505號公報 [專利文獻2] 日本專利特開2014-27506號公報
[發明所要解決的問題] 但是，本申請的發明人經潛心研究的結果發現，尚有使AT切割水晶振子的特性改善的餘地。 本申請是鑒於如上所述的方面而完成，本申請的目的在於，提供一種與現有技術相比，可改善特性的新穎的AT切割水晶片及水晶振子。
[解決問題的技術手段] 為了達成所述目的，本發明的AT切割水晶片的特徵在於：與水晶的晶軸（crystallographic axis）的Z′軸相交的兩個側面（即Z′面）中的至少一個，是由第1面～第3面三個面所構成。 當實施本發明時，優選的是，將所述第1面設為相當於使所述AT切割水晶片的主面以水晶的X軸為旋轉軸而旋轉4°±3.5°的面的面。再者，在這裡，以上所謂的主面，是指：所述AT切割水晶片的以水晶的晶軸表示的X-Z′面（以下相同）。
此外，當實施本發明時，優選的是，所述第1面、所述第2面及所述第3面是依此順序相交，而且，所述第1面是相當於使所述主面以水晶的X軸為旋轉軸而旋轉4°±3.5°的面的面，以上所述的第2面是相當於使所述主面以水晶的X軸為旋轉軸而旋轉-57°±5°的面的面，所述第3面是相當於使所述主面以水晶的X軸為旋轉軸而旋轉-42°±5°的面的面。在這裡，-57°或-42°的負號，是指：使所述主面以X軸為旋轉軸沿順時針方向旋轉（以下相同）。
更優選的是，所述第1面、所述第2面及所述第3面是依此順序相交，而且，所述第1面是相當於使所述主面以水晶的X軸為旋轉軸而旋轉4°±3°的面的面，以上所述的第2面是相當於使所述主面以水晶的X軸為旋轉軸而旋轉-57°±3°的面的面，所述第3面是相當於使所述主面以水晶的X軸為旋轉軸而旋轉-42°±3°的面的面。
此外，當實施本發明時，優選的是，所述AT切割水晶片的與水晶的晶軸的Z′軸相交的兩個側面兩個，是由所述第1面～第3面三個面所構成。更優選的是，將所述兩個側面設為：以所述AT切割水晶片的中心點為中心成點對稱的關係（圖1B）。
並且，本發明的水晶振子的特徵在於包括：所述本發明的AT切割水晶片；以及激振電極，用於對所述水晶片進行激振。更具體而言，所述水晶振子是在所述水晶片的表面及背面的主面（所述X-Z′面）上分別包含激振電極，並且包含從所述激振電極引出的引出電極。當然，還包括：對包含這些電極的水晶振子進行收納的容器的形態的水晶振盪器，也屬於本發明中所謂的水晶振子。
再者，在本發明中所謂的AT切割水晶片中，也包括如下水晶片（以下也稱作帶框水晶片），其包括：所述本發明的水晶片；框部，與所述水晶片形成為一體而隔著貫通部包圍所述水晶片的全部或一部分；以及一個或兩個以上的連結部，同樣地與所述水晶片形成為一體而將所述水晶片與框部加以連結（圖11A及圖11B）。並且，在本發明中所謂的水晶振子中，也包括：具有所述帶框水晶片、激振電極及引出電極的水晶振子，及還包含對所述水晶振子進行收納的容器的水晶振盪器。
[發明的效果] 根據本發明的AT切割水晶片，其Z′側面包含規定的三個面，因此，可實現在所述水晶片的Z′方向上的端部當進行剖視時，具有獨特的嘴狀的構造部的水晶片。因此，可以利用所述獨特的構造部，使AT切割本來的振動以外的多餘振動衰減，所以，可以使AT切割水晶振子本來的振動優先產生。因此，可實現與現有技術相比，特性得到改善的AT切割水晶振子。
以下，參照附圖對本發明的AT切割水晶片、及使用所述AT切割水晶片的水晶振子的實施方式進行說明。再者，用於說明的各圖只是以能夠理解本發明的程度概略性地進行表示。並且，在用於說明的各圖中，對相同的構成成分標注相同的編號來表示，有時還省略對其說明。並且，以下說明中所述的形狀、尺寸、材質等只是本發明的範圍內的優選例。因此，本發明並不只限於以下的實施方式。
[1. AT切割水晶片的構造] 圖1A～圖1C是實施方式的AT切割水晶片11的說明圖。特別是，圖1A是水晶片11的平面圖，圖1B是沿圖1A中的ІB-ІB線的水晶片11的剖視圖，圖1C是放大地表示圖1B中的N部分的剖視圖。
在這裡，圖1A、圖1C中所示的座標軸X、Y′、Z′分別表示AT切割水晶片中的水晶的晶軸。再者，AT切割水晶片自身的詳細情況已記載於例如文獻《水晶裝置的解說及應用》，日本水晶裝置工業會2002年3月第4版第7頁等中，因此，在這裡省略其說明。
本發明的AT切割水晶片11的特徵在於：與水晶的Z′軸相交的側面（Z′面）的形狀。即，特別是如圖1B及圖1C所示，所述AT切割水晶片11是利用第1面11a、第2面11b及第3面11c三個面，來構成與水晶的Z′軸相交的兩個側面（Z′面）的每一個。而且，第1面11a是與所述水晶片11的主面11d相交的面，而且，第1面11a是相當於使主面11d以水晶的X軸為旋轉軸而旋轉θ1的面的面。
此外，在所述水晶片11中，第1面11a、第2面11b及第3面11c是依此順序相交。而且，第2面11b是相當於使主面11d以水晶的X軸為旋轉軸而旋轉θ2的面的面，第3面11c是相當於使主面11d以水晶的X軸為旋轉軸而旋轉θ3的面的面。所述角度θ1、角度θ2、角度θ3的詳細情況，將在下述“3.實驗結果的說明”的項目中說明，已獲知優選如下。θ1=4°±3.5°，θ2=-57°±5°，θ3=-42°±5°；更優選的是，θ1=4°±3°，θ2=-57°±3°，θ3=-42°±3°。
並且，在所述實施方式的水晶片11中，與水晶的Z′軸相交的兩個側面（Z′面）的各個，是處於以水晶片11的中心點O（參照圖1（B））為中心成點對稱的關係。再者，在這裡所謂的點對稱，也包括：即使存在若干的形狀差，實質上也可以視為相同的點對稱狀態。 並且，所述實施方式的水晶片11的平面形狀是設為：將沿水晶的X軸的方向設為長邊，將沿水晶的Z′軸的方向設為短邊的矩形的形狀。
[2. AT切割水晶片11的製法例] 其次，參照圖2A及圖2B～圖8A至圖8E，對實施方式的AT切割水晶片11的製法例進行說明。所述水晶片11可通過光刻技術及濕式蝕刻技術由水晶晶片製造多個。因此，在圖2A及圖2B～圖8A至圖8E中，表示有水晶晶片11w的平面圖，以及將其一部分P加以放大的平面圖。此外，在圖2A及圖2B～圖8A至圖8E中的一部分附圖中，還並用了水晶晶片11w的一部分P的沿IIB-IIB線、IIIB-IIIB線、IVB-IVB線、VB-VB線與VIIB-VIIB線的剖視圖及R部分（參照圖5B）的放大圖。
在所述製法例中，首先，準備水晶晶片11w（圖2A及圖2B）。AT切割水晶片11的振盪頻率如眾所周知，大致取決於水晶片11的主面（X-Z′面）的厚度，水晶晶片11w是設為比最終的水晶片11的厚度t（圖5B）更厚的厚度T的晶片（圖2B）。
其次，在所述水晶晶片11w的表面及背面兩面上，利用眾所周知的光刻技術，形成用於形成水晶片的外形的耐蝕刻性掩模13 (etching resist mask)。在所述實施方式的情況下的耐蝕刻性掩模13是設為包括：與水晶片的外形相對應的部分、保持各水晶片的框架（frame）部分、以及將水晶片與框架部分加以連結的部分（圖2A中以11x表示的部分）。並且，耐蝕刻性掩模13是在水晶晶片的表面及背面上，以相對向的方式而形成。
將耐蝕刻性掩模13形成完畢的水晶晶片11w，在以氫氟酸（hydrofluoric acid）為主的蝕刻液中浸漬規定的時間。通過所述處理，使水晶晶片11w的未經耐蝕刻性掩模13覆蓋的部分溶解，而獲得水晶片11的粗略外形（圖3A及圖3B）。
其次，從水晶晶片11w去除耐蝕刻掩模13。此時，在所述制法例中，只去除耐蝕刻性掩模13的相當於水晶片11的部分，而殘留相當於框架部及連結部的部分（圖4A及圖4B）。其目的是維持框架部及連結部的強度。當然，根據設計，也可以去除框架部及連結部各自的全部或一部分上的耐蝕刻掩模。
其次，將所述水晶晶片11w再次在以氫氟酸為主的蝕刻液中浸漬規定的時間。在這裡，所謂規定的時間，是指以下的時間：水晶片11的形成預定區域的厚度t（圖5B）可滿足所述水晶片11所要求的振盪頻率的規格，並且所述水晶片11的Z′側面可包含本發明中所謂的第1面11a～第3面11c。這些時間可以通過事前的實驗來確定。根據發明人的實驗獲知，水晶片11的Z′面隨著蝕刻推進，而如圖9所示，依此順序，即，突起殘留的狀態、包含第1面～第4面四個面的狀態（產生第4面的狀態）、接著包含本發明中所謂的第1面～第3面三個面的狀態（本發明的狀態）進行變化。而且獲知，為了獲得包含本發明中所謂的第1面～第3面三個面的側面，需要在規定蝕刻液及蝕刻溫度等的情況下，對水晶晶片11w的初始厚度T進行蝕刻直至55%～25%的範圍的厚度為止。因此，以可獲得振盪頻率的規格及第1面～第3面三個面的方式，來確定初始厚度T及所述蝕刻時間等。
其次，從所述蝕刻已結束的水晶晶片去除耐蝕刻掩模，露出水晶面（圖6）。其後，在所述水晶晶片整個面上，利用眾所周知的成膜方法，形成水晶振子的激振電極及引出電極形成用的金屬膜（未圖示）。其次，利用眾所周知的光刻技術及金屬蝕刻技術，將所述金屬膜圖案化成電極形狀，而形成包含激振電極15a及引出電極15b的電極圖案15（圖7A、圖7B及圖7C）。由此，可獲得包括水晶片11、激振電極15a及引出電極15b的水晶振子17（圖7A、圖7B及圖7C）。
再者，一般多數情況下，是將使水晶振子17安裝至適當的容器中的構造物稱作水晶振盪器。以下利用圖8A至圖8E對其典型例進行說明。再者，圖8A至圖8E是通過平面圖以及沿其VIIIC-VIIIC線、VIIIE-VIIIE線的剖視圖，來表示將水晶振子17安裝至容器21中的順序。
在圖7A、圖7B及圖7C所示的狀態下，水晶振子17是經由連結部11x與水晶晶片11w結合的狀態。因此，首先，對連結部11x施加適當的外力，將水晶振子17從水晶晶片11w分離，而加以單片化（圖8A）。另一方面，例如，準備眾所周知的陶瓷封裝體（ceramic package）21，作為容器。此時的陶瓷封裝體21包括收納水晶振子17的凹部21a（圖8B、圖8C）、設置於所述凹部21a的底面上的水晶振子固定用的凸塊（bump）21b、以及設置於封裝體21的背面上的安裝端子21c。凸塊21b與安裝端子21c通過通路配線(via wiring)（未圖示）而電性連接。
在所述封裝體21的凹部21a內，安裝水晶振子17。詳細而言，在凸塊21b上塗布導電性黏接材料23（圖8E），通過所述導電性黏接材料23，在凸塊21b上將水晶振子17固定在引出電極15b的部位。然後，利用眾所周知的方法將水晶片11的振盪頻率調整成規定值，其次，將封裝體21的凹部21a內設為適度的真空或惰性氣體環境等之後，利用蓋25通過眾所周知的方法對凹部21a進行密封。以如上所述的方式而獲得在封裝體21內收納有水晶振子的構造的水晶振子。
[3.實驗結果的說明] 其次，參照圖9、圖10說明實驗結果。圖9是通過水晶片的Z′面的形狀的不同，來說明使用所述水晶片而構成的水晶振子17的阻抗（impedance）如何不同的圖。橫軸表示用於實驗的水晶片的試料編號及各試料的Z′面的形狀的特徵，縱軸選取阻抗來表示。再者，實驗試料的振盪頻率為38 MHz左右。頻率、阻抗的詳細情況示於表1。[表1]
如由圖9所知，在水晶片的Z′面上殘留有突起的試料中的阻抗約為150 Ω～400 Ω左右。並且，水晶片的Z′面包含第1面～第4面四個面的試料的阻抗約為200 Ω～600 Ω左右。與這些相對，水晶片的Z′面包含第1面～第3面三個面，並且各面相對於AT切割主面的角度θ1～角度θ3（參照圖1A、圖1B及圖1C）為規定角度的本發明範圍的試料的阻抗約為80 Ω左右，從而，可知與前兩者相比降低至一半以下的值。
並且，圖10是本發明的第1面11a、第2面11b、第3面11c的說明圖。具體而言，是表示本申請的發明人等的實驗結果，即水晶的各種結晶面的對於氫氟酸系蝕刻劑（etchant）的蝕刻速度的不同的圖。更詳細而言，橫軸選取以AT切割的主面為基準使所述面以水晶的X軸為旋轉軸而旋轉的角度，縱軸選取如上所述使AT切割板旋轉而獲得的各水晶面的蝕刻速度來表示。再者，各面的蝕刻速度是利用以AT切割面的蝕刻速度為基準的相對值來表示。
如從所述圖10可知，可知在水晶中，在相當於使AT切割的主面旋轉θ1的面的面、相當於使AT切割的主面旋轉θ2的面的面、相當於使AT切割的主面旋轉θ3的面的各個面上，蝕刻速度極大。並且，θ1為4°左右，θ2為-57°左右，θ3為-42°左右，而且，根據發明人的實驗獲知，在利用圖9而說明的阻抗為良好的區域內，θ1=4°±3.5°，θ2=-57°±5°，θ3=-42°±5°，更優選的是θ1=4°±3°，θ2=-57°±3°，θ3=-42°±3°。以所述θ1～θ3規定的各個面相當於本發明的第1面～第3面。
[4.其它實施方式] 上述中，是對本發明的AT切割水晶片及使用所述AT切割水晶片的水晶振子的實施方式進行說明，但本發明並不限於所述實施方式。例如，在所述示例中，是說明Z′方向上的兩端的側面包含本發明的第1面～第3面三個面的示例，但是根據情況，也可以存在只有一側側面包含第1面～第3面三個面的情況。但是，兩側面包含第1面～第3面三個面的情況下，水晶振子的特性更優異。並且，在所述示例中是以38 MHz左右的頻率的水晶振子的示例來進行說明，但是也可以將本發明應用於其它頻率的水晶振子。
並且，在所述製法例中，耐蝕刻性掩模13（參照圖2A及圖2B）的與水晶片的外形相對應的部分，是在水晶晶片的表面及背面上以相對向的方式而形成。但是，耐蝕刻性掩模的與水晶片的外形相對應的部分，也可以在水晶晶片的表面及背面上沿Z′方向挪動ΔZ。挪動方向是：以使設置於水晶片的+Y′面側的耐蝕刻性掩模，相對於設置於-Y′面側的所述掩模沿+Z′方向偏移ΔZ的方式，使表面及背面的掩模相對地錯開。當如上所述進行了掩模挪動時，與不進行掩模挪動的情況相比，可在短的蝕刻時間內，將水晶片的Z′面形成為包含第1面～第3面三個面的形狀。並且，還存在如下優點：可以通過所述挪動量來控制第1面11a的Z′方向上的長度D（參照圖5C）。
並且，本發明中所謂的AT切割水晶片及水晶振子也可以是圖11A及圖11B所示的構造。首先，如圖11A所示，所述水晶片及水晶振子包括：本發明的水晶片11；框部11z，與所述水晶片形成為一體而隔著貫通部11y包圍所述水晶片11的全部；以及一個連結部11x，同樣地與所述水晶片形成為一體而將所述水晶片與框部加以連結。並且，如圖11B所示，所述水晶片及水晶振盪器包括：本發明的水晶片11；框部11z，與所述水晶片形成為一體而隔著貫通部11y包圍所述水晶片11的一部分；以及一個連結部11x，同樣地與所述水晶片形成為一體而將所述水晶片與框部加以連結。再者，連結部也可以為兩個以上。但是，連結部為一個的情況更容易減輕從水晶片11向框部的振動洩漏、以及框部對水晶片的應力的影響。並且，設置連結部11x的位置並不限於圖11A及圖11B的示例，可根據設計而變更。
並且，在所述示例中是揭示將水晶的沿X軸的邊設為長邊，將沿Z′軸的邊設為短邊的水晶片的示例，但是也可以將本發明應用於將水晶的沿X軸的邊設為短邊，將沿Z′軸的邊設為長邊的水晶片。並且，在所述示例中是說明平面形狀為矩形的水晶片的示例，但是也可以將本發明應用於角部經R加工或C加工的水晶片。
11‧‧‧實施方式的水晶片
11a‧‧‧第1面
11b‧‧‧第2面
11c‧‧‧第3面
11d‧‧‧AT切割水晶片的主面（X-Z′面）
11w‧‧‧水晶晶片
11x‧‧‧連結部
11y‧‧‧貫通部
11z‧‧‧框部
13‧‧‧耐蝕刻性掩模
15‧‧‧電極圖案
15a‧‧‧激振電極
15b‧‧‧引出電極
17‧‧‧水晶振子
21‧‧‧容器（例如陶瓷封裝體）
21a‧‧‧凹部
21b‧‧‧凸塊
21c‧‧‧安裝端子
23‧‧‧導電性黏接材料
25‧‧‧蓋
D‧‧‧長度
O‧‧‧中心點
P‧‧‧水晶晶片的一部分
t、T‧‧‧厚度
X、Y’、Z’‧‧‧軸
θ1～θ3‧‧‧使AT切割的主面以水晶的X軸為旋轉軸而旋轉的角度
圖1A、圖1B及圖1C是實施方式的AT切割水晶片11的說明圖。 圖2A及圖2B是說明實施方式的水晶片11及使用所述水晶片11的水晶振子的一個製法例的圖。 圖3A及圖3B是繼圖2A及圖2B之後的製法例的說明圖。 圖4A及圖4B是繼圖3A及圖3B之後的製法例的說明圖。 圖5A、圖5B及圖5C是繼圖4A及圖4B之後的製法例的說明圖。 圖6是繼圖5A、圖5B及圖5C之後的製法例的說明圖。 圖7A、圖7B及圖7C是繼圖6之後的製法例的說明圖。 圖8A、圖8B、圖8C、圖8D及圖8E是安裝水晶片11而製造的水晶振子的一例的說明圖。 圖9是本發明的實驗結果的說明圖。 圖10是本發明的實驗結果的繼圖9之後的說明圖。 圖11A及圖11B是本發明的水晶振子的另一實施方式的說明圖。

Claims (7)

  1. 一種AT切割水晶片，其特徵在於：主面是：使所述AT切割水晶片的以水晶的晶軸表示的X-Z'面，且與所述水晶的所述晶軸的Z'軸相交的側面中的至少一個，是由第1面、第2面與第3面三個面所構成，其中，所述第1面、所述第2面及所述第3面是依此順序相交，並且，所述第1面是相當於，使主面以所述水晶的X軸為旋轉軸而旋轉4°±3.5°的面的面，所述第2面是相當於，使所述主面以所述水晶的X軸為旋轉軸而旋轉-57°±5°的面的面，所述第3面是相當於，使所述主面以所述水晶的X軸為旋轉軸而旋轉-42°±5°的面的面。
  2. 一種AT切割水晶片，其特徵在於：主面是：使所述AT切割水晶片的以水晶的晶軸表示的X-Z'面，且與所述水晶的所述晶軸的Z'軸相交的側面中的至少一個，是由第1面、第2面與第3面三個面所構成，其中，所述第1面、所述第2面及所述第3面是依此順序相交，並且，所述第1面是相當於，使主面以所述水晶的X軸為旋轉軸而旋轉4°±3°的面的面，所述第2面是相當於，使所述主面以所述水晶的X軸為旋轉軸而旋轉-57°±3°的面的面，所述第3面是相當於，使所述主面以所述水晶的X軸為旋轉軸而旋轉-42°±3°的面的面。
  3. 如申請專利範圍第1項至第2項中任一項所述的AT切割水晶片，其中，所述AT切割水晶片的平面形狀為矩形狀，並且所述平面形狀的一邊沿著所述Z'軸。
  4. 如申請專利範圍第1項至第2項中任一項所述的AT切割水晶片，其中，所述側面的兩個分別包含：所述第1面、所述第2面與所述第3面三個面。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的AT切割水晶片，其中，所述兩個側面彼此處於：以所述AT切割水晶片的中心點為中心成點對稱的關係。
  6. 一種水晶振子，包括：申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述的AT切割水晶片；激振電極，設置於所述AT切割水晶片的表面及背面；以及引出電極，從所述激振電極引出。
  7. 一種水晶振盪器，包括：申請專利範圍第6項所述的水晶振子；以及容器，收納所述水晶振子。
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