JP2015076651A - 水晶振動素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 一回のウェットエッチングで外形と溝部の両方を形成するとともに、振動素子の小型化にも容易に対応し得る。【解決手段】 露光現像工程では、溝部となる部分１３０，１４０にエッチング抑制パターン４０としての感光性レジスト膜３３を残す。エッチング抑制パターン４０は、第一溝面となる部分１３１，１４１からそれぞれ第二溝面となる部分１３２，１４２へ向けて突き出る第一突起４１と、第一突起４１の先端から振動腕部の長手方向（?Ｙ’軸方向）に沿って突き出る第二突起４２とを有する。【選択図】 図６

Description

本発明は、例えば基準信号源やクロック信号源又は速度センサなどに用いられる水晶振動素子の製造方法に関する。以下、水晶振動素子の一例として、音叉型屈曲水晶振動素子（以下「振動素子」と略称する。）について説明する。

特許文献１の第６図には、振動腕部の表面及び裏面のそれぞれに溝部が形成された振動素子が開示されている。この振動素子の製造方法（以下「従来技術１」という。）は、特許文献１の第３頁右下欄第１０行〜第４頁左上欄第３行に、次のように開示されている。まず、水晶ウェハの表裏に、外形形成用のマスクを作成する。続いて、このマスクを用いてフッ酸により一回目のエッチングをし、外形を途中まで形成する。続いて、このマスクの一部を開口して、溝部形成用兼外形形成用のマスクを作成する。最後に、このマスクを用いてフッ酸により二回目のエッチングをし、外形を完全に形成するとともに一定の深さの溝部を形成する。

従来技術１では、外形形成と溝形成とに前述のように二回のウェットエッチング工程が必要であった。その理由は、一回のウェットエッチングで外形と溝部の両方を形成しようとすると、溝部が表裏で貫通してしまうからである。そのため、従来技術１では、二回のウェットエッチング工程が必要となるために製造工程が複雑化する他に、次のような問題もあった。

一回目の外形作成用マスクと二回目の溝部形成用兼外形形成用マスクとを作成するために、二回の露光工程が必要となる。このとき、露光時のアライメント精度によって一回目のマスクと二回目のマスクとに位置ずれが生ずると、外形と溝部とにも位置ずれが生ずることになる。その結果、二本の振動腕部の振動バランスが崩れることにより、振動腕部を支持する基部に振動が大きく伝播し、周波数バラツキの増大やクリスタルインピーダンスの劣化を招く問題があった。

これに対し、一回のウェットエッチングで外形と溝部の両方を形成し得る振動素子の製造方法が、特許文献２に開示されている（以下「従来技術２」という。）。従来技術２では、水晶ウェハをウェットエッチングする際に用いる耐食膜からなるマスクにおいて、溝部となる部分にエッチング抑制パターンを形成する。この溝部となる部分に形成されたエッチング抑制パターンは、一方の溝面となる部分から他方の溝面となる部分へ向けて突き出る突起である。従来技術２によれば、溝部内の多数の突起がエッチング抑制パターンとして作用することにより、振動素子の外形と溝部とが一回のウェットエッチングで同時に形成されるので、従来技術１の諸問題を解決できる。

特開昭５６−６６５１７号公報（第６図等） 特開２０１１−２１７０３９号公報（図４等）

しかしながら、近年の振動素子の小型化に伴い、従来技術２には次のような問題が生じつつある。

図８は、従来技術２の製造方法におけるエッチング抑制パターンを示す平面図である。以下、この図面に基づき説明する。

従来技術２における露光現像工程で耐食膜３２上に残される感光性レジスト膜３３は、図８に示す平面形状となる。溝部となる部分１３０，１４０に形成されたエッチング抑制パターンは、第一溝面となる部分１３１，１４１からそれぞれ第二溝面となる部分１３２，１４２へ向けて突き出る突起９０である。

振動素子の小型化に伴い、溝部となる部分１３０，１４０の幅８１が狭くなる。しかし、突起９０の長さ９１を短くすると、エッチング抑制パターンとしての作用が不十分となって、溝部となる部分１３０，１４０が表裏で貫通することになる。なぜなら、突起９０をエッチング抑制パターンとして十分に作用させるためには、ある程度の長さ９１が必要となるからである。

この問題に対して、突起９０の先端と第二溝面となる部分１３２，１４２との距離９３をできるだけ接近させることにより、必要な長さ９１を得ることが考えられる。しかし、これを実現するには、高精度の露光機が必要となるため、現実的ではない。

また、突起９０をエッチング抑制パターンとして十分に作用させるためには、突起９０の幅９２を大きくすることも有効である。しかし、その場合は、突起９０の痕跡である大きなエッチング残渣が発生することにより、溝部での平行電界が得にくくなるので、振動素子の特性劣化に繋がる。

そこで、本発明の目的は、一回のウェットエッチングで外形と溝部の両方を形成するとともに、振動素子の小型化にも容易に対応し得る、振動素子の製造方法を提供することにある。

本発明に係る振動素子の製造方法は、
基部と、この基部から同一方向に延設された二本の振動腕部と、これらの振動腕部に当該振動腕部の長手方向に沿って設けられ、互いに対向する第一溝面及び第二溝面を有する溝部と、を備えた水晶振動素子を製造する方法であって、
水晶ウェハの表裏に耐食膜を形成する耐食膜形成工程と、
前記耐食膜上に感光性レジスト膜を形成する感光性レジスト膜形成工程と、
前記基部及び前記二本の振動腕部となる部分の前記感光性レジスト膜を残し、前記溝部となる部分にエッチング抑制パターンとしての前記感光性レジスト膜を残し、かつ、不要な前記感光性レジスト膜を除去する露光現像工程と、
前記感光性レジスト膜で覆われていない前記耐食膜を除去することにより前記耐食膜からなるマスクを作成するパターニング工程と、
前記耐食膜からなるマスクを用いて前記水晶ウェハをウェットエッチングするウェットエッチング工程と、
を含み、
前記エッチング抑制パターンは、前記第一溝面となる部分から前記第二溝面となる部分へ向けて突き出る第一突起と、この第一突起の先端から前記振動腕部の長手方向に沿って突き出る第二突起とを有する、
ことを特徴とする。

本発明によれば、溝部となる部分内の第一突起及び第二突起がエッチング抑制パターンとして作用することにより、振動素子の外形と溝部とを一回のウェットエッチングで同時に形成できるとともに、第一突起の先端から振動腕部の長手方向に沿って突き出る第二突起を設けたことにより、エッチング抑制パターンを実質的に長くできるので、第一突起の先端を第二溝面となる部分に接近させる必要もなく、かつ、第一突起の幅を広げる必要もないことから、振動素子の小型化にも容易に対応できる。

実施形態１の製造方法によって得られた振動素子を示す平面図である。 図１におけるII−II線断面図である。 実施形態１の製造方法を示す工程図である。 実施形態１の製造方法を示す断面図であり、図４［１］［２］［３］の順に工程が進行する。 実施形態１の製造方法を示す断面図であり、図５［４］［５］の順に工程が進行する。 実施形態１の製造方法におけるエッチング抑制パターンを示す平面図である。 実施形態２の製造方法におけるエッチング抑制パターンを示す平面図である。 従来技術２の製造方法におけるエッチング抑制パターンを示す平面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態（以下「実施形態」という。）について説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成要素については同一の符号を用いる。図面に描かれた形状は、当業者が理解しやすいように描かれているため、実際の寸法及び比率とは必ずしも一致していない。

図１は、実施形態１の製造方法によって得られた振動素子を示す平面図である。図２は、図１におけるII−II線断面図である。以下、図１及び図２に基づき説明する。

図１に示すように、振動素子１０は、基部１１と、基部１１から同一方向に延設された二本の振動腕部１２ａ，１２ｂと、振動腕部１２ａに振動腕部１２ａの長手方向（±Ｙ’軸方向）に沿って設けられた溝部１３ａ，１４ａと、振動腕部１２ｂに振動腕部１２ｂの長手方向（±Ｙ’軸方向）に沿って設けられた溝部１３ｂ，１４ｂと、を備えている。

図２に示すように、溝部１３ａは互いに対向する第一溝面１３１ａ及び第二溝面１３２ａを有し、溝部１４ａは互いに対向する第一溝面１４１ａ及び第二溝面１４２ａを有し、溝部１３ｂは互いに対向する第一溝面１３１ｂ及び第二溝面１３２ｂを有し、溝部１４ｂは互いに対向する第一溝面１４１ｂ及び第二溝面１４２ｂを有する。溝部１３ａ，１４ａは振動腕部１２ａの両面に設けられ、溝部１３ｂ，１４ｂは振動腕部１２ｂの両面に設けられている。

水晶の結晶は三方晶系である。水晶の頂点を通る結晶軸をＺ軸、Ｚ軸に垂直な平面内の稜線を結ぶ三つの結晶軸をＸ軸、Ｘ軸及びＺ軸に直交する座標軸をＹ軸とする。ここで、これらのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる座標系をＸ軸を中心として±５度の範囲で回転させたときの回転後のＹ軸及びＺ軸を、それぞれＹ’軸及びＺ’軸とする。この場合、本実施形態１では、二本の振動腕部１２ａ，１２ｂの延設方向がＹ’軸の方向であり、二本の振動腕部１２ａ，１２ｂの並ぶ方向がＸ軸の方向である。

振動素子１０には励振電極２１ａ，２１ｂ等の金属膜が設けられている。励振電極２１ａは、振動腕部１２ａの外側面１２１ａ及び内側面１２２ａ並びに振動腕部１２ｂの溝部１３ｂ，１４ｂに設けられている。励振電極２１ｂは、振動腕部１２ｂの内側面１２１ｂ及び外側面１２２ｂ並びに振動腕部１２ａの溝部１３ａ，１４ａに設けられている。なお、基部１１には電極パッド２２ａ，２２ｂ及び配線パターン２３ａ，２３ｂ、振動腕部１２ａ，１２ｂの先端部には周波数調整用金属膜２４ａ，２４ｂが、それぞれ設けられている。

図２に基づき詳しく説明すると、振動腕部１２ａには、水晶を挟んで対向する平面同士が同極となるように、両側面に励振電極２１ａが設けられ、表裏面の溝部１３ａ，１４ａに励振電極２１ｂが設けられる。同様に、振動腕部１２ｂには、水晶を挟んで対向する平面同士に同極となるように、両側面に励振電極２１ｂが設けられ、表裏面の溝部１３ｂ，１４ｂに励振電極２１ａが設けられる。したがって、振動腕部１２ａにおいては両側面に設けられた励振電極２１ａと溝部１３ａ，１４ａ内に設けられた励振電極２１ｂが異極同士となり、振動腕部１２ｂにおいては両側面に設けられた励振電極２１ｂと溝部１３ｂ，１４ｂ内に設けられた励振電極２１ａが異極同士となる。このとき、振動腕部１２ａにおいては、外側面１２１ａの励振電極２１ａと第一溝面１３１ａの励振電極２１ｂとが対向し、内側面１２２ａの励振電極２１ａと第二溝面１４２ａの励振電極２１ｂとが対向し、それらの電極間で大きな電界強度が得られる。振動腕部１２ｂにおいても同様である。

振動素子１０は、図示しないが、基部１１の電極パッド２２ａ，２２ｂを介して、導電性接着剤によって素子搭載部材側の電極パッドに固定されると同時に電気的に接続される。

振動素子１０を動作させるには、励振電極２１ａ，２１ｂに交流電圧を印加する。印加後のある電気的状態を瞬間的に捉えると、振動腕部１２ａにおいて、溝部１３ａ，１４ａに設けられた励振電極２１ｂはプラス電位となり、外側面１２１ａ及び内側面１２２ａに設けられた励振電極２１ａはマイナス電位となり、プラスからマイナスに電界が生じる。このとき、振動腕部１２ｂにおいて、溝部１３ｂ，１４ｂに設けられた励振電極２１ａはマイナス電位となり、内側面１２１ｂ及び外側面１２２ｂに設けられた励振電極２１ｂはプラス電位となり、振動腕部１２ａに生じた極性とは反対の極性となり、プラスからマイナスに電界が生じる。この交流電圧で生じた電界によって、振動腕部１２ａ，１２ｂに伸縮現象が生じ、所定の共振周波数の屈曲振動モードが得られる。

なお、図１及び図２ではわかりやすく説明するためにエッチング残渣を省略して示しているが、実際はエッチング残渣が発生する。

図３は、実施形態１の製造方法を示す工程図である。図４及び図５は、実施形態１の製造方法を示す断面図である。図６は、実施形態１の製造方法におけるエッチング抑制パターンを示す平面図である。以下、図１乃至図６に基づき、実施形態１の製造方法について説明する。

本実施形態１の製造方法は、図１及び図２に示す振動素子１０を製造する方法であって、次の工程を含む。なお、図４乃至図６では、図１及び図２に示す振動腕部１２ａに相当する部分のみを示す。

・水晶ウェハ３１の表裏に耐食膜３２を形成する耐食膜形成工程（図３ステップＳ１、図４［１］）。
・耐食膜３２上に感光性レジスト膜３３を形成する感光性レジスト膜形成工程（図３ステップＳ２、図４［２］）。
・基部１１及び振動腕部１２ａ，１２ｂとなる部分の感光性レジスト膜３３を残し、溝部１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂとなる部分にエッチング抑制パターン４０（図６）としての感光性レジスト膜３３を残し、かつ、不要な感光性レジスト膜３３を除去する露光現像工程（図３ステップＳ３、図４［３］）。
・感光性レジスト膜３３で覆われていない耐食膜３２を除去することにより耐食膜３２からなるマスクを作成するパターニング工程（図３ステップＳ４、図５［４］）。
・耐食膜３２からなるマスクを用いて水晶ウェハ３１をウェットエッチングするウェットエッチング工程（図３ステップＳ５、図５［５］）。

図６に示すように、エッチング抑制パターン４０は、第一溝面となる部分１３１，１４１からそれぞれ第二溝面となる部分１３２，１４２へ向けて突き出る第一突起４１と、第一突起４１の先端から振動腕部の長手方向（±Ｙ’軸方向）に沿って突き出る第二突起４２とを有する。

次に、上記各工程について詳しく説明する。

＜耐食膜形成工程：図４［１］＞
耐食膜形成工程では、水晶ウェハ３１の表裏に耐食膜３２を形成する。例えば、スパッタによりクロム又はクロム及び金の二層からなる耐食膜３２を成膜する。

＜感光性レジスト膜形成工程：図４［２］＞
感光性レジスト膜形成工程では、耐食膜３２上に感光性レジスト膜３３を形成する。感光性レジスト膜３３は、例えばポジ型を使用する。

＜露光現像工程：図４［３］＞
露光現像工程では、耐食膜３２上に感光性レジスト膜３３を露光・現像する。つまり、露光機を用いて感光性レジスト膜３３に所定のパターンを転写し、現像処理によって光の当たった部分の感光性レジスト膜３３を除去する。

露光現像工程において耐食膜３２上に残される感光性レジスト膜３３は、図６に示す平面形状となる。図６では、振動腕部１２ａの溝部となる部分１３０，１４０のみを示している。エッチング抑制パターン４０は、溝部となる部分１３０，１４０にそれぞれ、Ｙ’軸方向に一定間隔で複数設けられる。第一突起４１は、Ｙ’軸から時計回りに６０°の方向に突き出ているが、これに限らず、例えばＹ’軸から時計回りに１２０°の方向に突き出てもよく、又はＹ’軸から時計回りに９０°の方向に突き出てもよい。第二突起４２は、Ｙ’軸方向に突き出ているが、−Ｙ’軸方向に突き出るようにしてもよい。

＜パターニング工程：図５［４］＞
パターニング工程では、感光性レジスト膜３３で覆われていない耐食膜３２を除去することにより、耐食膜３２からなるマスクを作成する。耐食膜３２の除去には、耐食膜３２のみをエッチングし、水晶ウェハ３１をエッチングしない強酸を用いる。この耐食膜３２からなるマスクも、図６に示す平面形状となる。

＜ウェットエッチング工程：図５［５］＞
ウェットエッチング工程では、耐食膜３２からなるマスクを用いて水晶ウェハ３１をウェットエッチングする。このウェットエッチングには、フッ酸を用いる。図５［５］では、感光性レジスト膜３３が除去されているが、感光性レジスト膜３３を残しておき又は新たな感光性レジスト膜を形成し直して、次の工程でリフトオフを用いて電極等を形成してもよい。

その後、図１及び図２に示すように、基部１１及び振動腕部１２ａ，１２ｂに励振電極２１ａ，２１ｂ等となる金属膜を形成する。これらの金属膜は、例えばチタン層の上にパラジウム層又は金層が設けられた積層構造であり、スパッタリングや蒸着によって成膜される。励振電極２１ａ，２１ｂ等は、前述のリフトオフを用いて、又はフォトリソグラフィ及びエッチングを用いて、金属膜をパターニングすることにより形成される。

前述のとおり、パターニング工程（図５［４］）で作成される耐食膜３２からなるマスクも、図６に示す平面形状となる。このような平面形状の耐食膜３２からなるマスクを用いることにより、ウェットエッチング工程（図５［５］）では第一突起４１及び第二突起４２がエッチング抑制パターン４０として作用するので、振動素子１０の外形と溝部１３ａ，１４ａとが一回のウェットエッチングで同時に形成される。以上、溝部１３ａ，１４ａについて説明したが、他の溝部１３ｂ，１４ｂについても同様である。

次に、振動素子１０の作用及び効果について説明する。

（１）溝部となる部分１３０，１４０内の複数の第一突起４１及び第二突起４２がエッチング抑制パターン４０として作用することにより、振動素子１０の外形と溝部１３ａ，１４ａ，１３ｂ，１４ｂとを一回のウェットエッチングで同時に形成できる。

（２）第一突起４１の先端から振動腕部１２ａ，１２ｂの長手方向（±Ｙ’軸）に沿って突き出る第二突起４２を設けたことにより、エッチング抑制パターン４０を実質的に長くできるので、第一突起４１の先端を第二溝面となる部分１３２，１４２に接近させる必要もなく、かつ、第一突起４１の幅を広げる必要もないことから、振動素子１０の小型化に容易に対応できる。つまり、第一突起４１の先端を第二溝面となる部分１３２，１４２に接近させる必要がないので、高精度の露光機が不要である。第一突起４１の幅を広げる必要がないので、第一突起４１の痕跡であるエッチング残渣が発生しにくい。そのため、外側面１２１ａ，１２２ｂ及び内側面１２１ｂ，１２２ａと第一溝面１３１ａ，１３１ｂ及び第二溝面１４２ａ，１４２ｂとの平行電界が得やすくなることにより、振動素子１０の特性劣化を抑えることができるので、高精度の露光機が不要になることも相まって、振動素子１０の小型化に容易に対応できる。

（３）第一突起４１がＺ’軸を中心としてＹ’軸から時計回りに６０±５度又は１２０±５度（好ましくは６０度又は１２０度）の方向に突き出る場合は、第一突起４１がＸ面からなるので、更にエッチング残渣が生じにくい。なぜなら、Ｘ面はＹ面に比べてエッチングレートが大きいからである。したがって、この場合の第一突起４１下の水晶は、ウェットエッチング工程（図５［５］）において大部分がアンダーエッチングによって消滅する。

図７は、実施形態２の製造方法におけるエッチング抑制パターンを示す平面図である。以下、この図面に基づき説明する。

本実施形態２の製造方法では、エッチング抑制パターン５０の形状が実施形態１のそれと異なる。本実施形態２における露光現像工程で耐食膜３２上に残される感光性レジスト膜３３は、図７に示す平面形状となる。溝部となる部分１３０，１４０に形成されたエッチング抑制パターン５０は、第一溝面となる部分１３１，１４１からそれぞれ第二溝面となる部分１３２，１４２へ向けて突き出る第一突起４１と、第一突起４１の先端から振動腕部の長手方向（±Ｙ’軸方向）に沿って突き出る第二突起５２とを有する。そして、第二突起５２は、振動腕部の延設方向（Ｙ’軸方向）に突き出る突起５２１と、振動腕部の延設方向の反対方向（−Ｙ’軸方向）に突き出る突起５２２とを有する。本実施形態２の振動素子のその他の構成、作用及び効果は、実施形態１のそれらと同様である。

以上、上記各実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細については、当業者が理解し得るさまざまな変更を加えることができる。また、本発明には、上記各実施形態の構成の一部又は全部を相互に適宜組み合わせたものも含まれる。

１０ 振動素子
１１ 基部
１２ａ 振動腕部
１２１ａ 外側面
１２２ａ 内側面
１３ａ 溝部
１３１ａ 第一溝面
１３２ａ 第二溝面
１４ａ 溝部
１４１ａ 第一溝面
１４２ａ 第二溝面
１２ｂ 振動腕部
１２１ｂ 内側面
１２２ｂ 外側面
１３ｂ 溝部
１３１ｂ 第一溝面
１３２ｂ 第二溝面
１４ｂ 溝部
１４１ｂ 第一溝面
１４２ｂ 第二溝面
２１ａ，２１ｂ 励振電極
２２ａ，２２ｂ 電極パッド
２３ａ，２３ｂ 配線パターン
２４ａ，２４ｂ 周波数調整用金属膜

３１ 水晶ウェハ
３２ 耐食膜
３３ 感光性レジスト膜

１３０ 溝部となる部分
１３１ 第一溝面となる部分
１３２ 第二溝面となる部分
１４０ 溝部となる部分
１４１ 第一溝面となる部分
１４２ 第二溝面となる部分
４０ エッチング抑制パターン
４１ 第一突起
４２ 第二突起
５０ エッチング抑制パターン
５２ 第二突起
５２１，５２２ 突起

８１ 溝部となる部分の幅
９０ 突起（エッチング抑制パターン）
９１ 突起の長さ
９２ 突起の幅
９３ 距離

Claims (3)

1. 基部と、この基部から同一方向に延設された二本の振動腕部と、これらの振動腕部に当該振動腕部の長手方向に沿って設けられ、互いに対向する第一溝面及び第二溝面を有する溝部と、を備えた水晶振動素子を製造する方法であって、
   水晶ウェハの表裏に耐食膜を形成する耐食膜形成工程と、
   前記耐食膜上に感光性レジスト膜を形成する感光性レジスト膜形成工程と、
   前記基部及び前記二本の振動腕部となる部分の前記感光性レジスト膜を残し、前記溝部となる部分にエッチング抑制パターンとしての前記感光性レジスト膜を残し、かつ、不要な前記感光性レジスト膜を除去する露光現像工程と、
   前記感光性レジスト膜で覆われていない前記耐食膜を除去することにより前記耐食膜からなるマスクを作成するパターニング工程と、
   前記耐食膜からなるマスクを用いて前記水晶ウェハをウェットエッチングするウェットエッチング工程と、
   を含み、
   前記エッチング抑制パターンは、前記第一溝面となる部分から前記第二溝面となる部分へ向けて突き出る第一突起と、この第一突起の先端から前記振動腕部の長手方向に沿って突き出る第二突起とを有する、
   ことを特徴とする水晶振動素子の製造方法。
2. 水晶の頂点を通る結晶軸をＺ軸、このＺ軸に垂直な平面内の稜線を結ぶ三つの結晶軸をＸ軸、前記Ｘ軸及び前記Ｚ軸に直交する座標軸をＹ軸とし、これらのＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸からなる座標系を前記Ｘ軸を中心として±５度の範囲で回転させたときの回転後の前記Ｙ軸及び前記Ｚ軸を、それぞれＹ’軸及びＺ’軸とした場合、
   前記二本の振動腕部の延設方向が前記Ｙ’軸の方向であり、前記二本の振動腕部の並ぶ方向が前記Ｘ軸の方向であり、
   前記溝部の中心から見て前記Ｘ軸側が前記第一溝面であり、前記溝部の中心から見て前記Ｘ軸の反対側である−Ｘ軸側が前記第二溝面であり、
   前記第一突起は、前記Ｚ’軸を中心として前記Ｙ’軸から時計回りに６０±５度又は１２０±５度の方向に突き出る、
   請求項１記載の水晶振動素子の製造方法。
3. 前記第二突起は、前記振動腕部の延設方向に突き出る突起と、前記振動腕部の延設方向の反対方向に突き出る突起とを有する、
   請求項１又は２記載の水晶振動素子の製造方法。

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