JP2019193066A - 水晶振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＩ改善が図れる新規なメサ構造を持つ水晶振動子を提供する。【解決手段】水晶振動子は、ＡＴカット水晶片１０を具える。この水晶片は、その短辺の中央付近で長辺方向に沿って切った断面を見たとき、一方の短辺側から、第１端部１０ａ、第１凹部１０ｂ、厚肉部１０ｅ、第２凹部１０ｃ及び第２端部１０ｄをこの順に具える。第１凹部は、厚肉部から第１端部側に所定角度θａで下っていてその後登って第１端部と接続している。第２凹部は、厚肉部から第２端部側に所定角度θｂで下っていてその後登って第２端部と接続している。第１端部の先端から、厚肉部の第２凹部側の肩までの寸法をＬと定義したとき、Ｌは、Ｌ＝λ×（ｎ／２±１／８）を満たす。ｎは自然数、λは水晶片における水晶のＸ軸に沿って伝搬する屈曲振動の波長である。【選択図】図１

Description

本発明は、ＡＴカット水晶片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には、上述の技術により製造されたＡＴカット水晶片を用いた水晶振動子が開示されている。具体的には、特許文献１の段落００５３及び図６には、水晶のＸ軸と交差する側面（Ｘ面）のうち、＋Ｘ側の側面が６つの面で構成され、−Ｘ側の側面が２つの面で構成され、かつ、当該水晶振動子の一部分が厚肉部（メサ状）とされた水晶振動子が開示されている。この水晶振動子によれば、ＣＩ（クリスタルインピーダンス）値が低い、周波数温度特性が改善された水晶振動子が実現できるという（特許文献１の段落０００８）。

特開２０１４−２７５０５号公報

特許文献１の水晶振動子は、厚肉部と、この厚肉部に接続している傾斜部と、この傾斜部に接続している薄肉部と、を具えたメサ構造のものである。傾斜部は、＋Ｘ側の傾斜部（特許文献１の図６（ｂ）の結晶面１３３）と、−Ｘ側の傾斜部（同図の傾斜面２３）と２つある。
そして、＋Ｘ側の傾斜部の傾斜面と、肉厚部の主面の法線との成す角度は、約２７°と記載されている（特許文献１の段落５７第４〜５行）。従って、＋Ｘ側の傾斜部は薄肉部に向かって約６３°の角度で傾斜している。また、−Ｘ側の傾斜部の結晶面と、肉厚部の主面の法線との成す角度は、約５５°と記載されている（特許文献１の段落５５第２〜３行）。従って、−Ｘ側の傾斜部は薄肉部に向かって約３５°の角度で傾斜している。この従来技術に対し、厚肉部と薄肉部との接続部分の他の好ましい構造が望まれる。
この出願はこのような点に鑑みなされたものであり、従って、この出願の目的はＣＩ改善が図れる新規なメサ構造を持つ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、この出願の水晶振動子の発明によれば、平面形状が長方形状で一部分が厚肉部となっているＡＴカット水晶片を具える水晶振動子において、
前記水晶片は、その短辺の中央付近で長辺方向に沿って切った断面を見たとき、一方の短辺側から、第１端部、第１凹部、厚肉部、第２凹部及び第２端部をこの順に具え、
前記第１凹部は、前記厚肉部から第１端部側に所定角度θａで下っていてその後登って前記第１端部と接続している凹部であり、
前記第２凹部は、前記厚肉部から第２端部側に所定角度θｂで下っていてその後登って前記第２端部と接続している凹部であり、
前記第１端部の先端から、前記厚肉部の前記第２凹部側の肩までの寸法をＬと定義したとき、前記Ｌは下記（１）式を満たすことを特徴とする。ただし、（１）式において、ｎは自然数、λは当該水晶振動子における水晶のＸ軸に沿って伝搬する屈曲振動の波長である。
Ｌ＝λ×（ｎ／２±１／８） ・・・（１）

なお、この出願でいう水晶振動子とは、一般的な水晶振動子、発振回路と共にパッケージに実装されて水晶発振器を構成する水晶振動子、及び、サーミスタやＰＮダイオード等の各種の温度センサ付きの水晶振動子等も含む。
また、この出願でいう平面形状が長方形状とは、長方形の角部がＲ状になっている等のこの発明の目的を損ねない範囲での略長方形状も含む。

この発明の水晶振動子によれば、厚肉部から水晶片の長辺方向に沿う両側各々に、凹部を持ち、かつ、第１端部の先端から厚肉部の第２凹部側の肩までの寸法Ｌを、（１）式で与えられる通りの、屈曲振動の波長λのｎ／２倍付近の所定寸法としてある、独特のメサ構造が得られる。このようなメサ構造は、単なるメサ構造に比べ、厚肉部への振動の閉じ込めが良好に行われると考えられる。このため、水晶振動子の特性改善が図れると考えられる。

（Ａ）〜（Ｃ）は、実施形態の水晶振動子に具わるＡＴカット水晶片１０の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）は、水晶片１０の特にＺ′軸に交差する側面の説明図である。 水晶片１０をセラミックパッケージに実装した状態を示す平面図である。 実施形態の水晶片１０での試作結果及びシミュレーション結果の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、水晶片１０の製法例の説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、水晶片１０の製法例の図５に続く説明図である。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、水晶片１０の製法例の図６に続く説明図である。

以下、図面を参照してこの発明の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． 水晶振動子の説明
１−１．水晶片の構造
先ず、図１、図２を参照して、実施形態の水晶振動子に具わるＡＴカット水晶片１０について説明する。なお、図１（Ａ）は水晶片１０の平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）中のＰ−Ｐ線に沿った水晶片１０の断面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）中のＱ−Ｑ線に沿った水晶片１０の断面図である。なお、図１（Ｂ）では、この発明の特徴である第１端部１０ａ、第１凹部１０ｂ、第２凹部１０ｃ及び第２端部１０ｄを理解し易くするため、これらの部分を拡大して示すと共に、紙面の都合から厚肉部１０ｅについては水晶片１０の長辺方向に沿う領域を一部省略して示してある。また、図２（Ａ）は、図１（Ｃ）の拡大図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）中のＮ部分を拡大して示した図である。

また、図１（Ａ）中に示した座標軸Ｘ，Ｙ′、Ｚ′は、それぞれＡＴカット水晶片１０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。

この実施形態の水晶片１０は、平面形状が長方形状で、一部分が厚肉部１０ｅとされ、所定の方向角の水晶片から形成され、その長辺が水晶のＸ軸に平行であり、その短辺が水晶のＺ′軸に平行なＡＴカットの水晶片である。
然も、この水晶片１０は、その短辺の中央付近で長辺方向に沿って切った断面（すなわちＰ−Ｐに沿って切った断面）を見たとき、一方の短辺側（図１の例の場合、＋Ｘ側の短辺）から、第１端部１０ａ、第１凹部１０ｂ、前記厚肉部１０ｅ、第２凹部１０ｃ及び第２端部１０ｄをこの順に具える。
然も、特に図１（Ｂ）に示したように、第１凹部１０ｂは、厚肉部１０ｅから第１端部１０ａ側に所定角度θａで下っていてその後登って、更にこの例の場合は少し下りまた登って第１端部１０ａと接続している凹部である。
また、第２凹部１０ｃは、厚肉部１０ｅから第２端部１０ｄ側に所定角度θｂで下っていてその後θｂより緩い角度で下った後に登って第２端部１０ｄと接続している凹部である。

ここで、角度θａは、厚肉部１０ｅの主面と、第１凹部１０ｂの厚肉部側の斜面との成す角度であり、具体的には４〜８°、典型的には約６°である。また、角度θｂは、厚肉部１０ｅの主面と、第２凹部１０ｃの厚肉部側の斜面との成す角度であり、具体的には１４〜１８°、典型的には約１６°である。これら角度θａ、θｂは、多少のバラツキを示すが、この出願に係る発明者のこれまでの実験によれば、上記の通り、角度θａは６±２°、角度θｂは１６±２°を示すことが分かっている。

さらに、水晶片１０は、図１に示したように、第１端部１０ａの先端から、厚肉部１０ｅの第２凹部１０ｃ側の肩までの寸法をＬと定義したとき、Ｌが下記（１）式を満たす寸法としてある。ただし、（１）式において、ｎは自然数、λは当該水晶振動子における水晶のＸ軸に沿って伝搬する屈曲振動の波長である。このλは、当該水晶振動子の主振動である厚みすべり振動の共振周波数をＦ０と定義したとき、このＦ０により変化する。λとＦ０との関係は、この出願に係る発明者の検討によれば、例えば、下記の（２）式で示される。もちろん、この（２）式は一例である。
Ｌ＝λ×（ｎ／２±１／８） ・・・（１）
λ＝１９４３／Ｆ０−１２．８ ・・・（２）

また、図１（Ｂ）に示したように、第１端部１０ａは、４つの面で構成され、＋Ｘ方向に向かって凸状の形状を持つ構造となっている。また、第２の端部１０ｄは、４つの面で構成され、−Ｘ方向に向かって凸状の形状を持つ構造となっている。なお、第２端部１０ｄは５つ以上の面、例えば５つ又は６つの面で構成される場合があっても良い。水晶片の外形形成のウエットエッチングの時間を長くした場合は、面の数が増える場合がある。

ここで、水晶片１０の長辺寸法及び短辺寸法、並びに、第１端部１０ａ、第１凹部１０ｂ、第２凹部１０ｃ、第２端部１０ｄ及び厚肉部１０ｅ各々の、水晶片１０の長辺方向に沿う寸法は、水晶振動子に要求される仕様に応じ任意の寸法とすることが出来る。
この実施形態の水晶片１０の場合、第１端部１０ａ、第１凹部１０ｂ、第２凹部１０ｃ及び第２端部１０ｄ各々の、水晶片１０の長辺方向に沿う寸法は、上記の記述順で言って、約５０μｍ、約１８０μｍ、約８０μｍ、約４０μｍとしてある。従って、第１凹部１０ｂの寸法は、第２凹部１０ｃの寸法の２倍以上長い。

また、この水晶片１０の場合、そのＺ′軸と交差する側面（Ｚ′面）各々は、特に図２（Ｂ）に示したように、第１の面１０ｆ，第２の面１０ｇおよび第３の面１０ｈの、３つの面で構成された側面としてある。しかも、第１の面１０ｆは、この水晶片１０の主面１０ｉと交わっている面であり、然も、主面１０ｉ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１０では、第１の面１０ｆ、第２の面１０ｇおよび第３の面１０ｈがこの順で交わっている。しかも、第２の面１０ｇは、主面１０ｉ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１０ｈは、主面１０ｉ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、この出願人に係る実験から、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。なお、θ１〜θ３に関しては、この出願人に係る、特開２０１６−１９７７７８号公報に記載されているので、ここではその説明は省略する。
Ｚ′軸と交差する側面（Ｚ′面）を上記のように所定の３つの面で構成すると短辺方向での不要振動の抑制が図れ、好ましい。

また、この水晶片１０は、厚肉部１０ｅの表裏面上に、又は、そこを含む更に広い所定領域に、励振用電極１１を具え、更に、この励振用電極１１から水晶片の１つの短辺側に引き出された引出電極１３を具える。励振用電極１１及び引出電極１３各々は、典型的には、クロム及び金の積層膜により構成できる。
このように形成した水晶片１０を、図３に示したように、例えば周知のセラミックパッケージ１５内に、引出電極１３の位置で、例えばシリコーン系の導電性接着剤１７により実装し、さらに、このセラミックパッケージを所定の蓋部材（図示せず）によって真空封止又は不活性ガス雰囲気等の封止状態で封止することで、実施形態の水晶振動子を構成できる。なお、水晶片１０の固定位置を詳述すると、水晶片１０は、その第１端部１０ａ付近で、セラミックパッケージ１５の接着パッド１５ａに、導電性接着剤１７により固定してある。

１−２．試作結果及びシミュレーション結果
発振周波数を所定の周波数とした水晶片１０であって、寸法Ｌを種々に変えた複数種類の試作の水晶片を、各々複数個作製した。そして、それらを用い、図３を用いて説明した実装構造及び封止構造による複数種類の実施例の水晶振動子を作製した。
また、有限要素法によるシミュレーショモデルとして、上述した水晶片１０であって寸法Ｌを種々に変えたシミュレーションモデルを用意し、寸法Ｌと第１端部１０ａでの変位量との関係を調査した。

図４は、横軸に（１）式中のｎ／２をとり、左縦軸にシミュレーションでの第１端部１０ａの先端点での変位量をとり、右縦軸に試作した複数種類の水晶振動子ごとのＣＩ値をとり、ｎ／２に対する変位量及びＣＩ値の関係を示した図である。すなわち、波長λを所定値として考えた場合に（１）式で与えられる寸法Ｌに対する変位量及びＣＩ値の関係を示した図である。

ただし、変位量とは、水晶片１０の第１端部１０ａの先端点での変位量であり、実際は水晶片１０のＹ′軸のプラス側に変位する場合と、水晶片１０のＹ′軸のマイナス側に変位する場合があるが、方向は無視して絶対値で示した変位量である。従って、変位量の絶対値が小さい程、好ましい水晶片である。
また、ＣＩ値については、各水準の水晶振動子ごとのＣＩ値の平均値、最大値及び最小値を示してある。ただし、ＣＩ値はこの水晶振動子に要求されるＣＩの規格値によって正規化した値としてある。従って、規格化したＣＩ値が小さく、かつ、平均値に対する最大値と最小値の広がりが小さい程、好ましい水晶片である。

なお、図４には、ｎが２４付近、従ってＬが１２付近での検討結果を示している。しかし、ｎが図４に示した範囲外の場合であっても上記（１）式を満たす範囲が周期的に現れ、それぞれの領域で、この発明の効果が得られる。
なお、上記の試作及びシミュレーションは、水晶片１０のＸ方向の寸法が約８５０μｍ、共振周波数が４０ＭＨｚとした条件で行った。もちろん、これらの寸法や周波数は一例であり、これらに本発明が限定されるものではない。

図４から、ｎ／２が１２付近において、変位量は、絶対値で言って２％程度と極小な値になることが分かる。また、ＣＩ値についても、Ｌが１２付近において、規格化した値での平均値が０．８程度となり、最大値も１程度であり、ＣＩ値の規格を満たすことが分かる。然も、ｎ／２を中心にしその前後のある範囲で変位量及びＣＩ値は小さい値を示し、この前後の範囲は１／８程度と見積もれる。それいがいの範囲では、変位量及びＣＩともに大きくなることが分かる。これらから、寸法Ｌは、Ｌ＝λ×（ｎ／２±１／８）を満たすように選択するのが良いことが分かる。なお、水晶片１０の好ましい実際の寸法Ｌは、ｎ／２±１／８に波長λを乗じることで算出できる。例えば、上記の例であれば、波長λは約６２μｍであるから、Ｌの中心値は、Ｌ＝１２＊６２で与えられ、約７４０μｍである。

２． 製造方法の説明
次に、水晶振動子の製造方法の実施形態について、図５〜図７を参照して説明する。
実施形態の水晶片１０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、以下の製法例の説明で用いる図の一部では、水晶ウエハ１０ｗの平面図と、その一部分Ｍを拡大した平面図を示してある。さらに、製法例の説明で用いる図の一部の図では水晶片１０の断面図も併用している。いずれの断面図も、対応する平面図中の、Ｒ−Ｒ線、又は、Ｓ−Ｓ線、又は、Ｔ−Ｔ線に沿った断面を示してある。

先ず、水晶ウエハ１０ｗを用意する(図５（Ａ）)。ＡＴカット水晶片１０の発振周波数は、周知の通り、水晶片１０の主面（Ｘ−Ｚ′面）部分の厚みでほぼ決まるが、用意する水晶ウエハ１０ｗは、最終的な水晶片１０の厚さより厚いウエハとする。

次に、この水晶ウエハ１０ｗの表裏両面に、水晶片の外形を形成するための耐ウエットエッチング性マスク４０を周知の成膜技術及び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ウエットエッチング性マスク４０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、及び、水晶片とフレーム部分とを連結する連結部で構成したものとしてある。ただし、この発明では、前述した第１凹部及び第２凹部それぞれと対応する領域内の一部に、水晶ウエハを貫通しないが、水晶ウエハを所望量エッチングできる程度にウエットエッチング液が侵入できる開口４０ａを持つ耐ウエットエッチング性マスクを形成する。具体的には、例えば、クロム膜と金膜との積層膜で構成した耐ウエットエッチング性マスク４０であって、上記所定部分はこの金属膜が除去されて開口４０ａとされているマスク４０を形成する。なお、開口４０ａのうち水晶片１０の先端側（−Ｘ側）の開口の位置は、上記の寸法Ｌが得られる位置とする。

この開口４０ａの、水晶片１０の長辺方向に沿う寸法は、上述の通り、水晶ウエハを貫通しないが、水晶ウエハを所望量エッチングできる程度にウエットエッチング液が侵入できる寸法であり、典型的には、数μｍ、例えば２μｍである。ただし、この値は水晶ウエハ１０ｗの厚さや、第１凹部や第２凹部の深さ及び広さ等に応じて変更できる。また、この開口４０ａの、水晶片１０の短辺方向に沿う寸法は、水晶片の幅寸法と同じ程度の寸法とするのが良い。ただし、この寸法も水晶ウエハ１０ｗの厚さや、第１凹部や第２凹部の広さに応じて幅広にも幅狭にも変更できる。また、図５の例では、開口４０ａの数は水晶片の両端領域に各々１個ずつとしているが、これに限られず、複数個設けても良く、一方の領域には１個、他方の領域には複数個設けても良い。また、図５の例では、開口の平面形状を極めて細長い長方形状としているが、この形の変更もできる。

次に、耐ウエットエッチング性マスク４０を形成した水晶ウエハを、ウエットエッチング液に所定時間浸漬する。エッチング液としては、フッ酸系エッチャントを用いる。所定時間とは、水晶片１０の外形輪郭が得られるよう水晶ウエハ１０ｗを貫通できる時間＋αの時間である。
このエッチングにおいては、水晶ウエハの、水晶片１０の形成予定領域の周囲の開口はエッチング液が良く侵入拡散するため、エッチングが進み水晶ウエハ自体を十分に貫通する。一方、開口４０ａの部分は開口寸法が狭いため、ウエットエッチング液は開口４０ａ下の水晶ウエハ部分に少しずつ侵入するため、水晶ウエハを貫通するには至らず、開口４０ａの領域とその周囲のマスク下の水晶ウエハ部分がエッチングされる。
図６は上記の外形エッチングを終えた試料の様子を示したものであって、耐ウエットエッチング性マスク４０のうちのフレーム部分以外は除去した状態を示した図である。第１端部、第１凹部、厚肉部、第２凹部、第２端部各々の完成前の中間体の状態を持った水晶ウエハが得られている。

次に、この中間体状態の水晶ウエハ１０ｗ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１０の肉厚部１０ｅ形成予定領域の厚みがこの水晶片１０に要求される発振周波数の仕様を満たすことができる時間であって、かつ、水晶片１０のＺ′軸と交差する側面に第１〜第３の面１０ｆ〜１０ｈが形成できる時間である。このエッチングが済むと、図７に示したように、第１端部１０ａ、第１凹部１０ｂ、厚肉部１０ｅ、第２凹部１０ｄ及び第２端部１０ｄを具えた水晶片１０の主要部が完成する。

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の残存部分も除去して、水晶面全てを露出する（図示せず）。その後、この水晶ウエハ全面に、周知の成膜方法により、水晶振動子の励振用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、加工して、図１に示した水晶片１０を多数有する水晶ウエハが完成する。

次に、水晶ウエハ１０ｗの各水晶片の連結部に適当な外力を加えて、水晶片１０を水晶ウエハ１０ｗから分離し、個片化する。このように形成した水晶片を上述したように容器に実装し、封止することで、図３に示したような実施形態の水晶振動子を得ることができる。
上述した製造方法では、耐ウエットエッチング性マスク４０に所定の開口４０ａを設けて外形エッチングを行うため、外形エッチングの際にメサ構造も並行して形成できる。従って、メサ構造形成用の専用マスクを用いずにかつ新規なメサ構造を形成できる。

１０:実施形態の水晶片、 １０ａ：第１の端部、
１０ｂ：第１の凹部、 １０ｃ：第２の凹部、
１０ｄ：第２の端部、 １０ｅ：厚肉部、
１０ｆ：第１の面、 １０ｇ：第２の面、
１０ｈ：第３の面、 １０ｉ：主面
１０ｗ：水晶ウエハ、 １１：励振用電極、
１３：引出電極、 １５：セラミックパッケージ、
１５ａ：接続パッド、 １７：導電性接着剤
４０：耐ウエットエッチング性マスク、 ４０ａ：開口

Claims (3)

1. 平面形状が長方形状で一部分が厚肉部とされているＡＴカット水晶片を具える水晶振動子において、
   前記水晶片は、その短辺の中央付近で長辺方向に沿って切った断面を見たとき、一方の短辺側から、第１端部、第１凹部、厚肉部、第２凹部及び第２端部をこの順に具え、
   前記第１凹部は、前記厚肉部から第１端部側に所定角度θａで下っていてその後登って前記第１端部と接続している凹部であり、
   前記第２凹部は、前記厚肉部から第２端部側に所定角度θｂで下っていてその後登って前記第２端部と接続している凹部であり、
   前記第１端部の先端から、前記厚肉部の前記第２凹部側の肩までの寸法をＬと定義したとき、前記Ｌは下記（１）式を満たすことを特徴とする水晶振動子。ただし、（１）式において、ｎは自然数、λは当該水晶振動子における水晶のＸ軸に沿って伝搬する屈曲振動の波長である。
   Ｌ＝λ×（ｎ／２±１／８） ・・・（１）
2. 前記水晶片は、長辺が水晶のＸ軸に平行であり、短辺が水晶のＺ′軸に平行であり、前記第１端部は＋Ｘ側に位置することを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。
3. 前記水晶片は、長辺が水晶のＸ軸に平行であり、短辺が水晶のＺ′軸に平行であり、前記第１端部は＋Ｘ側に位置し、前記角度θａは６±２°であり、前記角度θｂは１６±２°であることを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子。

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