JP4638682B2

JP4638682B2 - 水晶振動子の製造方法

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Publication number: JP4638682B2
Application number: JP2004083752A
Authority: JP
Inventors: 泉山本
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: JP2005277483A

Description

本発明は、時計や移動体通信機の基準信号源として用いられる水晶振動子の製造方法に関する。

時計や移動体通信機の基準信号源として２本の振動する脚を持った、いわゆる音叉型の水晶振動子が広く用いられている。音叉型の水晶振動子は図７に示すように一つの基部５と、基部５から伸びる２本の振動脚７によって構成されている。振動脚７の脚幅９である音叉型の水晶振動子の短辺は、水晶の結晶軸の一つであるＸ軸（電気軸）に一致しており、脚長１１である長辺は、水晶の結晶軸のＹ軸（機械軸）からＸ軸の周りに０°〜５°回転した方向であるＹ’軸に向いている。厚み方向であるＺ’軸はＸ軸とＹ’軸のそれぞれに直交する方向である。このような水晶振動子は振動脚７の脚幅９および脚長１１によってその共振周波数が決まるため、均一な脚幅９と脚長１１を得るためにフォトリソグラフィーの技術によって製造されている（例えば、特許文献１参照。）。

図８は水晶振動子の製造工程の概要を示した流れ図である。水晶振動子は水晶原石より切り出され、研磨加工が施されて所定の厚みに調整された矩形の水晶ウエハを出発点として順次フォトリソグラフィの技術を用いて形成される。図８の工程（ａ）において、水晶ウエハにはまず、表裏の両面に金属膜としてＣｒを下地にＡｕ膜がスパッタリングによって形成される。工程（ｂ）において、Ａｕ膜の上にはフォトレジストが両面に塗布される。塗布には例えばスピンコータが用いられる。工程（ｃ）において、所定の温度でフォトレジストを乾燥させる工程（プリベーク）の後、工程（ｄ）において、水晶振動子の完成体パターンが露光される。工程（ｅ）において、フォトレジストに露光されたパターンは現像液中で現像される。工程（ｆ）において、現像されたフォトレジストのパターンをマスクとして金属膜（Ａｕ、Ｃｒ）のエッチングが施される。この時残った金属膜（Ａｕ、Ｃｒ）のパターンが水晶振動子の外形となる。工程（ｇ）において、フォトレジストは剥離される。工程（ｈ）において、新たなフォトレジストが両面全面に塗布され、工程（ｉ）において、フォトレジストがプリベークされた後、工程（ｊ）において、周波数調整に使われる金メッキ膜のパターンが露光、現像され、工程（ｋ）において金メッキが施される。

工程（ｌ）において、金メッキ膜を形成したフォトレジストは剥離され、工程（ｍ）において、新たにフォトレジストが両面に塗布される。工程（ｎ）においてプリベークの後、工程（ｏ）において、このフォトレジスト膜には電極となるパターンが露光される。工程（ｐ）で現像後、工程（ｑ）において、先に工程（ｆ）で形成された金属膜（Ｃｒを下地とするＡｕ膜）のパターンをマスクとして水晶がフッ酸とフッ化アンモニウム溶液の混合液によってエッチングされ、水晶振動子の外形が形成される。工程（ｒ）において、先に工程（ｏ）、工程（ｐ）で形成した電極パタ−ン用のフォトレジスト膜に覆われた部分を残し、金属膜（Ａｕ，Ｃｒ膜）がエッチングによって除去される。工程（ｓ）において、ウエハを回転しながらＴｉを下地としてＰｄが蒸着される。これによって表裏面、および側面の電極膜が形成される。工程（ｔ）において電極用のフォトレジスト膜が剥離され、いわゆるリフトオフによって電極となる部分のみにＴｉ、Ｐｄ膜が残る。工程（ｕ）において、不要なＡｕ、Ｃｒ膜がエッチングによって除去される。この際、Ｐｄ膜を残すために、エッチング液にはＡｕは溶解するが、Ｐｄは溶解しないヨウ素をヨウ化カリウム溶液中に溶かしたエッチング液を用いる。以上で電極が形成されかつ音叉型の外形を持った水晶振動子が完成する。

上述のように、水晶ウエハをエッチング加工する際のマスクとなるパターンは、水晶ウエハ上に形成された金属膜（Ａｕ、Ｃｒ膜）のパターンであり、その金属膜パターン形成は、水晶振動子の完成体パターンが露光、現像されたフォトレジストをマスクとしてＡｕ、Ｃｒのエッチング液によって行われる。水晶ウエハはエッチングによって厚さ方向だけでなく、横方向（側面）もエッチングされるので、金属膜パターンの幅は、エッチングによる減少分も考慮して少し大きくしてある。しかし、フォトレジスト現像時の温度、時間、液流れの状態およびＡｕ、Ｃｒエッチングの際のサイドエッチング等により、形成された金属膜のパターンの寸法は、露光マスクの寸法と必ずしも一致しない。また、形成された金属膜のパターンの寸法と露光マスクの寸法との差はいつも一定ではなく、露光、現像時の状態、やＡｕ、Ｃｒエッチング時の状態等により変動する。このため、形成された金属膜のパターン寸法、特に共振周波数への影響が大きい脚幅を測定し、この脚幅の測定値と設計値とを比較して、脚幅が設計値となるように測定値と設計値との差に基づいて水晶ウエハのエッチング時間を決定している。金属膜のパターン寸法の測定は通常（ｇ）フォトレジスト剥離の後に行われる。

ところで、水晶は三方晶系に属する異方性の単結晶であり、このため結晶方位によってエッチング速度が異なり、エッチング後の脚の断面形状は矩形とはならず、図１０に示すような＋Ｘ方向に凸部３を有する形状となる。上記の実験によって測定されるエッチング後の脚幅Ｗ’は図中に示すように表面近傍の脚幅である。測定は金属顕微鏡を用いて行うので、深さ方向にある凸部を測定することが困難なためである。
特開平５−３１５８８１号公報（第３−４頁、第１−２図）

しかしながら、上述した従来の技術では、脚幅を管理するだけなので、たとえ完成した脚幅が同じでもエッチング時間の違いにより前記凸部の大きさが異なるため、完成した水晶振動子の周波数のバラツキが大きく、歩留りが悪いという課題があった。

例えば図１１に示す様に、金属膜パターン１が形成された２本の脚Ａ、Ｂの脚幅がＷ１、Ｗ２でありＷ１＞Ｗ２であったとすると、従来の技術ではＷ１のエッチング時間ｔ１、Ｗ２のエッチング時間ｔ２はｔ１＞ｔ２となる。仮にエッチングが理想的に行われ、エッチング後の脚幅が両者とも図１１に示すように設計値通りＷとなったとしても、それぞれの凸部３の大きさδ１、δ２はエッチング時間が長いほど小さくなるのでδ１＜δ２となり、実効的な脚幅であるＷ＋δ１、Ｗ＋δ２の関係は、Ｗ＋δ１＜Ｗ＋δ２となって、エッチング時間が長い方の実効的な脚幅が小さくなる。よって今の場合、従来の技術を用いたのでは完成したそれぞれの周波数ｆ１、ｆ２はｆ１＜ｆ２となり、異なってしまう。よって完成した水晶振動子の周波数のバラツキが大きく、歩留まりが悪いという課題があった。なお、水晶は異方性により＋X側からの減少量の方が大きく、−X側からの減少量は非常に小さいので図では−X側からの減少量をないものとして表している。他の図も同様とする。

上記の課題を解決するために、本発明の目的は周波数のバラツキが小さく歩留りの良い水晶振動子の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の水晶振動子の製造方法は、所定の周波数で振動する振動脚を有する水晶振動子の製造方法において、水晶ウエハの両面に前記水晶振動子の外形に応じた形状の金属膜を形成する金属膜形成工程と、前記振動脚の脚幅に応じた箇所の前記金属膜の寸法を測定する測定工程と、予め試料用水晶振動子に基づいて求めた振動脚の脚幅と周波数との第一の相関関係と、エッチングによる脚幅の減少量と周波数との第二の相関関係と、エッチング時間と脚幅の減少量との第三の相関関係とを用いて、前記測定工程で測定した寸法と前記所定の周波数とからエッチング時間を求める算出工程と、前記金属膜をマスクとして、前記算出工程で求めたエッチング時間、前記水晶ウエハをエッチングするエッチング工程と、を有することを特徴とする。

本発明の水晶振動子の製造方法は、前記振動脚の短辺方向は前記水晶ウエハのＸ軸と一致することを特徴とする。

前記の製造方法によれば、振動脚幅のみならず振動脚断面の凸部の大きさをエッチング時間の決定に考慮することができるので、エッチングによって製造した直後の水晶振動子の周波数バラツキが小さくなるという効果がある。

また、前記の製造方法によれば、エッチング時間と振動脚幅および周波数の関係式が簡便に求められ、エッチング時間の計算式が導き出せるという効果がある。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。最初に、予め製造した複数の試料用水晶振動子に基づいて、水晶振動子の所定部位の寸法と周波数との関係を示す第一の相関関係と、前記所定部位のエッチングによる減少量と周波数との関係を示す第二の相関関係と、エッチング時間と前記所定部位のエッチングによる減少量との関係を示す第三の相関関係とをそれぞれ求める工程を説明する。
図２〜図４は試料用水晶振動子として、量産品におけるデータを用いてプロットしたものである。図２は、エッチング後の脚幅Ｗ’と周波数ｆとの関係をプロットしたグラフである。エッチング後の脚幅Ｗ’と周波数ｆにはほぼ直線で近似できる相関関係が見られる。図３は脚幅のエッチングによる減少量ｄと周波数ｆとの関係をプロットしたグラフである。エッチング前の金属膜パターン上の脚幅は一定でないにもかかわらず、脚幅のエッチングによる減少量ｄと周波数ｆにはほぼ直線で近似できる相関関係が見られる。これは、脚幅のエッチングによる減少量ｄが凸部の大きさを反映しており、ｄが大きくなると凸部が小さくなるため、周波数が減少することによると考えられる。図４はエッチング時間ｔと脚幅のエッチングによる減少量ｄとの関係をプロットしたグラフである。エッチング時間ｔと脚幅のエッチングによる減少量ｄにはほぼ直線で近似できる相関関係が見られる。

図２のグラフに示す実線は各測定点から最小二乗法により求めた回帰直線であり、数式（１）のように表現できる。ここでｇは脚幅が単位長さ変化した時の周波数変化の大きさを示す係数であり、ｈは調整項となる切片である。この数式（１）によって水晶振動子の所定部位の寸法である脚幅と周波数との第一の相関関係が表される。

ｆ＝ｇＷ’＋ｈ・・・・（１）

図３のグラフに示す実線は各測定点から最小二乗法により求めた回帰直線であり、数式（２）のように表現できる。ここでｉは脚幅のエッチングによる減少量が単位量変化した時の周波数変化の大きさを示す係数であり、ｊは調整項となる切片である。この数式（２）によって所定部位のエッチングによる減少量と周波数との関係を示す第二の相関関係が表される。

ｆ＝ｉｄ＋ｊ・・・・（２）

図４のグラフに示す実線は各測定点から最小二乗法により求めた回帰直線であり、数式（３）のように表現できる。ここでｋはエッチング時間が単位量変化した時の脚幅のエッチングによる減少量の変化の大きさを示す係数であり、ｍは調整項となる切片である。この数式（３）によってエッチング時間と所定部位のエッチングによる減少量との関係を示す第三の相関関係が表される。

ｄ＝ｋｔ＋ｍ・・・・（３）

また、脚幅のエッチングによる減少量ｄは金属膜パターン上の脚幅の測定値Ｗ０とエッチング後の脚幅W’とを用いて、数式（４）の様に定義できる。

ｄ＝Ｗ０−Ｗ’ ・・・・（４）

数式（１）と（２）をそれぞれｓ倍とｕ倍した上、足し合わせるいわゆる一次結合を行い、数式（４）から求められるＷ’＝Ｗ０−ｄの関係を用いてＷ’を消去し、さらにｄに数式（３）を代入して整理すると、数式（５）の様に周波数ｆと金属膜パターン上の脚幅Ｗ０からエッチング時間ｔを求める数式が得られる。ここで、ｐは周波数を一定とした時に金属膜パターン上の脚幅の測定値が単位長さ変化した時のエッチング時間の変化の大きさを示す係数であり、ｑは金属膜パターン上の脚幅の測定値が一定である時に周波数を単位量変える場合のエッチング時間の変化の大きさを示す係数であり、ｒは切片である。

ｔ＝ｐＷ０＋ｑｆ＋ｒ・・・・（５）

ｓおよびｕは数式（１）、（２）に対する重みづけの意味があり、任意の値をとることが出来るが、実験によればｓ，ｕをそれぞれ１とした時が最も好適であった。

脚長２２５０μｍ、脚幅２００μｍ、板厚１００μｍ、周波数３２．７６８ｋＨｚの水晶振動子を製造する例として、脚幅の単位としてμｍ、エッチング時間ｔの単位として分を用いると、数式（１）〜（５）の各係数は次のような値をとる。ｇ＝１１７．３（Ｈｚ／μｍ）、ｈ＝１０７１５．１（Ｈｚ）、ｉ＝−９１．４（Ｈｚ／μｍ）、ｊ＝３３８１６．６（Ｈｚ）、ｋ＝０．０４４（μｍ／分）、ｍ＝−３．４（μｍ）、ｐ＝１２．８（分／μｍ）、ｑ＝−０．２２（分／Ｈｚ）、ｒ＝４９２６（分）である。ここで挙げた各係数の値は一例であり、脚長や、脚幅、エッチング条件等によって異なることは言うまでもないことである。

次に、本発明における製造工程を説明する。図５は本発明による製造工程の流れ図である。水晶振動子は水晶原石より切り出され、研磨加工が施され所定の厚みに調整された矩形の水晶ウエハを出発点として順次フォトリソグラフィの技術を用いて形成される。なお、以下の説明で記載したカッコ付アルファベットは図５の工程（ａ）〜（ｕ）を表している。最初に所定形状の水晶ウエハを用意する。（ａ）水晶ウエハにはまず、表裏の両面に金属膜としてＣｒを下地にＡｕ膜がスパッタリングによって形成される。（ｂ）Ａｕ膜の上にはフォトレジストが両面に塗布される。塗布には例えばスピンコータが用いられる。（ｃ）所定の温度で乾燥させる工程（プリベーク）の後、（ｄ）水晶振動子の完成体パターンが露光される。（ｅ）フォトレジストに露光されたパターンは現像液中で現像される。（ｆ）現像されたフォトレジストのパターンをマスクとして金属膜（Ａｕ、Ｃｒ）のエッチングが施される。この時残った金属膜（Ａｕ、Ｃｒ）のパターンが水晶振動子の外形となる。（ｇ）その後、フォトレジストは剥離される。

工程（ｇ）の後、（Ａ１）金属膜パターン上の脚幅を測定する。同時に処理するウエハの枚数、即ち１ロットの枚数は３０枚程度であり、全枚数の測定を行うことが望ましいが、手間がかかるので、任意の３〜５枚を抜き出して測定を行えば良い。同一ロットでは温度等の処理条件が同一なので、３〜５枚程度の試料数でも良い代表値を得ることができるからである。各ウエハの測定は１枚について５点程度行う。これらの測定データの平均値を求め、エッチング時間ｔを計算するための金属膜パターン上の脚幅Ｗ０とする。（Ａ２）求めた金属膜パターン上の脚幅Ｗ０と所定の周波数ｆとを前述の数式（５）に代入してエッチング時間ｔを計算する。（ｈ）新たなフォトレジストが両面に塗布され、（ｉ）プリベークされた後、（ｊ）周波数調整に使われる金メッキ膜のパターンが露光、現像され、（ｋ）金メッキが施される。（ｌ）金メッキ膜を形成したフォトレジストは剥離され、（ｍ）新たにフォトレジストが両面に塗布される。（ｎ）プリベークの後、（ｏ）このフォトレジスト膜には電極となるパターンが露光される。

（ｐ）現像後、（ｑ）先に（ｆ）で形成された金属膜（Ｃｒを下地とするＡｕ膜）のパターンをマスクとして水晶がフッ酸とフッ化アンモニウム溶液の混合液によってエッチングされる。エッチングする時間は工程（Ａ２）で計算したエッチング時間ｔとする。この工程で水晶振動子の外形が形成される。（ｒ）先に（ｏ）、（ｐ）で形成した電極パタ−ン用のフォトレジスト膜に覆われた部分を残し金属膜（Ａｕ，Ｃｒ膜）がエッチングによって除去される。（ｓ）ウエハを回転しながらＴｉを下地としてＰｄが蒸着される。これによって表裏面、および側面の電極膜が形成される。（ｔ）電極用のフォトレジスト膜が剥離され、いわゆるリフトオフによって電極となる部分のみにＴｉ、Ｐｄ膜が残る。（ｕ）不要なＡｕ、Ｃｒ膜がエッチングによって除去される。この際、Ｐｄ膜を残すために、エッチング液にはＡｕは溶解するが、Ｐｄは溶解しないヨウ素をヨウ化カリウム溶液中に溶かしたエッチング液を用いる。以上で電極が形成されかつ音叉型の外形を持った水晶振動子が完成する。

次に、上記製造方法で製造される音叉型水晶振動子の振動脚の状態を図１に基づいて説明する。図１の（ａ）は金属膜１を有する水晶ウエハの振動脚を表す断面図であり、金属膜１の幅Ｗは周波数ｆ１を有する振動脚の設計値を表している。図１の（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ金属膜幅Ｗ２０、Ｗ１０を有する水晶ウエハの振動脚を表す断面図であり、金属膜幅Ｗ１０＜金属膜幅Ｗ２０となっている。図１の（ｄ）は、上述の製造方法で（ａ）の水晶ウエハをエッチングした後の振動脚を示す断面図、図１（ｅ）は、上述の製造方法で（ｂ）の水晶ウエハをエッチングした後の振動脚を示す断面図である。
例えば、図１（ｂ）、（ｃ）（（ａ）、（ｂ））ともに周波数ｆ１の振動脚に製造しようとすると、従来は両方の水晶ウエハとも振動脚の幅がＷになるまでエッチングしていたが、本実施形態の製造方法によれば、上記の式（６）のＷ０にＷ２０、Ｗ１０を代入し、ｆにｆ１を代入して算出したエッチング時間はそれぞれ時間が異なり、図１（ｄ）、図１（ｅ）に示す如く、最終的に残存する凸部３を考慮したエッチング時間となるため、幅Ｗ２０の金属膜１に対応する部分は、設計値の幅Ｗよりも長い幅Ｗ２０’となり、幅１０の金属膜１に対応する部分は、設計値の幅Ｗよりも短い幅Ｗ１０’となることを表している。そして最終的に製造された振動脚の幅は異なるものの、その周波数はどちらも所望の周波数ｆ１に近いものとすることができた。
この図１は本発明の概念を表すものであって、あくまでも一例を示したにすぎないが、このように所望の周波数と所定部位の金属膜の幅（振動脚に対応する金属膜１の幅）に基づき、適切なエッチング時間を導き出せるので、水晶振動子の製造歩留まりを向上させることができる。

上述の本実施形態では図５の工程（Ａ１）、（Ａ２）を工程（ｇ）の直後に入れた例を示したが、これまでの説明で明らかな様に、工程（Ａ１）、（Ａ２）は金属膜パターンが
形成される工程（ｆ）の後で、かつ水晶ウエハのエッチングを行う工程（ｑ）の前であれば、どこで行っても良い。

図６は本発明の製造方法によって製作した水晶振動子の周波数のロット平均値の頻度と従来の方法によって製作した水晶振動子のロット平均値の頻度とを比較したグラフである。本発明の製造方法による方が周波数のバラツキが小さくなっている。従来の製造方法では周波数分布の標準偏差が約１４０Ｈｚだったのに対し、本発明による製造方法では約１００Ｈｚになり３０％程度の顕著な改善が見られた。

（ａ）は金属膜１を有する水晶ウエハの振動脚を表す断面図、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ金属膜幅Ｗ２０、Ｗ１０を有する水晶ウエハの振動脚を表す断面図、（ｄ）は（ｂ）の水晶ウエハをエッチングした後の振動脚を示す断面図、（ｅ）は（ｃ）の水晶ウエハをエッチングした後の振動脚を示す断面図である。本発明に係わる説明図であり、水晶振動子の脚幅と周波数との関係を示す図である。本発明に係わる説明図であり、エッチングによる脚幅の減少量と周波数との関係を示す図である。本発明に係わる説明図であり、エッチング時間とエッチングによる脚幅の減少量との関係を示す図である。本発明における製造工程を示す流れ図である。水晶振動子の周波数のロット平均値の頻度を従来の技術と本発明による方法とで比較した図である。音叉型の水晶振動子の構造を説明する図である。従来の技術における水晶振動子の製造工程を示す流れ図である。エッチング時間と金属膜パターン上の脚幅とエッチング後の脚幅の差との関係を示す図である。水晶振動子の脚断面を示す図である。水晶振動子のエッチング前の金属膜パターン上の脚幅とエッチング後の脚幅および凸部との関係を示す断面図である。

符号の説明

１金属膜パターン
３凸部
５基部
７振動脚
９脚幅
１１脚長

Claims

所定の周波数で振動する振動脚を有する水晶振動子の製造方法において、
水晶ウエハの両面に前記水晶振動子の外形に応じた形状の金属膜を形成する金属膜形成工程と、
前記振動脚の脚幅に応じた箇所の前記金属膜の寸法を測定する測定工程と、
予め試料用水晶振動子に基づいて求めた振動脚の脚幅と周波数との第一の相関関係と、エッチングによる脚幅の減少量と周波数との第二の相関関係と、エッチング時間と脚幅の減少量との第三の相関関係とを用いて、前記測定工程で測定した寸法と前記所定の周波数とからエッチング時間を求める算出工程と、
前記金属膜をマスクとして、前記算出工程で求めたエッチング時間、前記水晶ウエハをエッチングするエッチング工程と、を有することを特徴とする水晶振動子の製造方法。
前記振動脚の短辺方向は前記水晶ウエハのＸ軸と一致することを特徴とする請求項１に記載の水晶振動子の製造方法。