(57)【要約】振動脚の断面形状が対称型ではないながらも、Ｘ軸に平行な主軸を持ち、漏れ振動の発生が抑制された水晶振動子片及びそのような水晶振動子片の製造方法を提供するものである。表面と、表面より幅の広い裏面と、第１の側面と、第２の側面とを備える振動脚と、振動脚に形成されたバランス調整溝と、を有し、表面から裏面に行くに従って振動脚の幅が広くなるように第１の側面及び第２の側面が形成され、振動脚の長手方向に直交する断面に力学的に直交する図心を通る２つの主軸の少なくとも一方が表面又は裏面と略平行となるように、第１の側面及び第２の側面の傾斜に応じてバランス調整溝が形成されることを特徴とする水晶振動子片、及びそのような水晶振動子片の製造方法。
2009035155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶ウェハからエッチングにより加工された水晶振動子片であって、
表面と、前記表面より幅の広い裏面と、第１の側面と、第２の側面とを備える振動脚と、
前記振動脚に形成されたバランス調整溝と、を有し、
前記表面から前記裏面に向かうに従って前記振動脚の幅が広くなるように前記第１の側面及び前記第２の側面が形成され、
前記振動脚の長手方向に直交する断面に力学的に直交する図心を通る２つの主軸の少なくとも一方が前記表面又は前記裏面と略平行となるように、前記第１の側面及び前記第２の側面の傾斜に応じて前記バランス調整溝が形成される、
ことを特徴とする水晶振動子片。
【請求項２】
前記バランス調整溝が、前記表面又は前記裏面に形成される、請求項１に記載の水晶振動子片。
【請求項３】
前記バランス調整溝が形成される面を溝面とし、前記溝面と前記第１の側面との成す角をα、前記溝面と前記第２の側面との成す角をβ、前記バランス調整溝と前記第１の側面との距離をＡ、前記バランス調整溝と前記第２の側面との距離をＢとして、
α＜βのとき  Ａ＜Ｂ
α＞βのとき  Ａ＞Ｂ、
の関係を満たす、請求項２に記載の水晶振動子片。
【請求項４】
前記バランス調整溝が、前記溝面内に形成される、請求項３に記載の水晶振動子片。
【請求項５】
前記バランス調整溝が、前記溝面と、前記第１の側面又は前記第２の側面とに跨って形成される、請求項３に記載の水晶振動片。
【請求項６】
前記バランス調整溝が、前記第１の側面または前記第２の側面に形成される、請求項１または２に記載の水晶振動片。
【請求項７】
前記バランス調整溝が、複数個形成される、請求項１〜６の何れか一項に記載の水晶振動子片。
【請求項８】
前記表面と前記裏面の少なくとも一方に、電界形成用の溝が形成される、請求項１〜７の何れか一項に記載の水晶振動子片。
【請求項９】
前記電界形成用の溝が、前記バランス調整溝を兼ねている、請求項８に記載の水晶振動子片。
【請求項１０】
水晶振動子片の製造方法であって、
水晶ウェハをエッチングし、表面と、前記表面より幅の広い裏面と、第１の側面と、第２の側面とを備える振動脚を、前記表面から前記裏面に向かうに従って幅が広くなるように形成する外形形成工程と、
前記振動脚をエッチングし、前記振動脚の長手方向に直交する断面に力学的に直交する図心を通る２つの主軸の少なくとも一方が前記表面又は前記裏面と略平行となるように、前記第１の側面及び前記第２の側面の傾斜に応じてバランス調整溝を形成する溝形成工程と、
を有することを特徴とする水晶振動子片の製造方法。
【請求項１１】
前記外形形成工程において、前記水晶ウェハの表面に外形表面用エッチングマスクを形成し、前記水晶ウェハの裏面に前記外形表面用エッチングマスクより幅の広い外形裏面用エッチングマスクを形成し、
前記外形裏面用エッチングマスクにおいて、前記外形表面用エッチングマスクの前記第１の側面側の端部に対応する位置から突出した第１突出部の長さをｃ、前記外形表面用エッチングマスクの前記第２の側面側の端部に対応する位置から突出した第２突出部の長さをｄ、前記水晶ウェハの厚みをｔ、前記第１の側面側のエッチング角をα、前記第２の側面側のエッチング角をβとするとき、
ｃ＞ｔ×ｔａｎ（α−９０°）
ｄ＞ｔ×ｔａｎ（β−９０°）
の関係を満たす、請求項１０に記載の水晶振動子片の製造方法。
【請求項１２】
前記外形表面用エッチングマスクと前記外形裏面用エッチングマスクの位置合わせ精度を±ｐとするとき、
ｃ＝ｔ×ｔａｎ（α−９０°）＋ｋ１、
ｄ＝ｔ×ｔａｎ（β−９０°）＋ｋ２として、
ｋ１＞ｐ且つｋ２＞ｐ
の関係を満たす、請求項１１に記載の水晶振動子片の製造方法。
【請求項１３】
前記溝形成工程において、前記表面と前記裏面の少なくとも一方に、前記バランス調整溝を形成するための溝形成用開口部を有する溝用エッチングマスクを形成し、
前記溝形成用開口部と前記第１の側面との距離をａ、前記溝形成用開口部と前記第２の側面との距離をｂとして、
α＜βのとき  ａ＜ｂ
α＞βのとき  ａ＞ｂ
の関係を満たす、請求項１１又は１２に記載の水晶振動子片の製造方法。
【請求項１４】
前記バランス調整溝が形成される面を溝面とし、前記バランス調整溝が前記溝面内に形成される、請求項１３に記載の水晶振動子片の製造方法。
【請求項１５】
前記バランス調整溝が形成される面を溝面とし、前記バランス調整溝が、前記溝面と、前記第１の側面又は前記第２の側面とに跨って形成される、請求項１３に記載の水晶振動子片の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動子片およびその製造方法に関し、特に面外振動である漏れ振動発生を抑制する構造をもった水晶振動子片およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動ジャイロなどに利用される音叉型の水晶振動子は、水晶ウェハから所望の形状の水晶振動子片を切り出す工程、水晶振動子片を発振させるための電極を形成する工程、電極が形成された水晶振動子片を容器に実装する工程などによって製造される。特に、水晶振動子片の形状が振動を決定しデバイスの性能に大きく影響するため、水晶ウェハから水晶振動子片を切り出す工程は重要な工程である。
図１５は、水晶振動子の結晶軸を示す図である。
水晶ウェハ１００は、図１５に示すように、水晶のＺ軸に垂直な面でカットされたＺ板や、Ｚ板からＸ軸回りに０〜１５°回転させた水晶ウェハ１００などから加工される。Ｘ軸周りに回転させた後の結晶軸はＸ、Ｙ’、Ｚ’となる。即ち水晶ウェハ１００の主面はＸ−Ｙ’面ということになる。
図１６は、水晶ウェハ１００から切り出された水晶振動子１１０の概略図である。
図１６（ａ）は水晶振動子片１１０を表す正面概略図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）におけるＡＡ´断面図の一例を示す図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）におけるＡＡ´断面図の他の例を示す図である。
水晶振動子片１１０は、支持部１１１、基部１１２、および振動脚１１３から構成されている。振動する部分は振動脚１１３である。振動脚１１３は、Ｘ軸を幅方向に、Ｙ’軸を長手方向に、Ｚ’軸を厚み方向に持つ。
水晶ウェハ１００からこの水晶振動子片１１０を切り出す工程には、小型の水晶振動子片を精度よく安価に大量生産できる、フォトリソグラフィとウェットエッチングを利用した方法が用いられている。
図１７は、水晶振動子片の製造方法を示す図である。なお、図１７では、水晶振動子片の振動脚断面を示している。
最初に、図１７（ａ）に示す所望の板厚に調整された水晶ウェハ１００の両面に、図１７（ｂ）に示すように、水晶用のエッチング液に耐性のある金属耐食膜２００ａ及び２００ｂと、金属耐食膜２００ａ及び２００ｂの上にそれぞれ配置されたフォトレジスト２０１ａ及び２０１ｂを形成する。
次に、図１７（ｃ）に示すように、お互いに向かい合わせたときに正確に重なる振動子パターンがそれぞれ描画された２枚のフォトマスク２０５及び２０６を用いて、フォトレジスト２０１ａ及び２０１ｂを露光する。
次に、フォトレジスト２０１ａ及び２０１ｂの現像をする。次に、図１７（ｄ）に示すように、現像によって形成されたレジストパターンをマスクとして金属耐食膜２００ａ及び２００ｂをパターニングし、水晶エッチング用のエッチングマスク２０７ａ及び２０７ｂを形成する。
次に、フォトレジストを剥離する。その後、表裏両面にエッチングマスク２０７ａ及び２０７ｂの形成された水晶ウェハ１０１をフッ酸系のエッチング液に浸漬して、図１７（ｅ）に示すように、エッチングマスク２０７ａ及び２０７ｂに覆われていない部分の水晶を表裏両側から溶解する。その後、エッチングマスク２０７ａ及び２０７ｂを除去して図１６に示すような水晶振動子片１１０を得る。
また、エッチングマスクを片面のみにパターニングし、もう一方の面は全面を金属耐食膜で覆っておき、片面からエッチングする水晶振動子片の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
さらに、図１８に示すようにエッチングマスクの裏面パターン２０７ｄを表面パターン２０７ｃよりも幅広くし、表面パターン２０７ｃを基準パターンとしてエッチングする水晶振動子片の製造方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
図１９は、振動ジャイロ用の水晶振動子片の振動方向を説明するための図である。
図１９（ａ）は図１６（ａ）に示す水晶振動子片の斜視図であり、図１９（ｂ）は図１９（ａ）におけるＡＡ´断面における振動方向の一例を示す図であり、図１９（ｃ）は図１９（ａ）におけるＡ−Ａ’断面における振動方向の他の例を示す図である。
図１９（ａ）に示すように、音叉型水晶振動子を振動ジャイロ用として用いる場合、Ｘ軸方向の屈曲振動を駆動振動、Ｚ’軸方向の屈曲振動を角速度がかかった場合の検出振動として用いている。そのため、角速度がかかっていない状態では、図１９（ｂ）に示すように、Ｚ’軸方向の振動は発生しないはずである。
しかしながら、従来の製造方法で製作した音叉型水晶振動子においては、実際には角速度がかかっていない場合にも図１９（ｃ）に示すように、Ｚ’軸方向の振動成分が観測される場合があった。この斜め振動から出るＺ’軸方向の振動成分は漏れ振動と呼ばれ、検出振動と区別することができないため、ジャイロのＳ／Ｎを悪化させたり、温度特性を悪化させたりするという問題があった。
また、通常用途の音叉型水晶振動子の場合も、音叉型水晶振動子の振動はＸ軸方向の屈曲振動を利用しており、Ｚ‘方向成分を含んだ斜め振動はクリスタルインピーダンスの上昇をもたらし、特性の悪化を招くという問題があった。
この斜め振動は、水晶振動子片をエッチングで製造する際に形成される水晶の残渣が影響を与えていると考えられる。水晶にはエッチング異方性があり、結晶の方向によってエッチング速度が異なる。そのために、エッチング後の水晶振動子片における振動脚１１３の側面は主面に対して垂直とはならず、一定の角度の残渣が残る。
例えば、図１６（ｂ）及び（ｃ）に示したように、水晶振動子片１１０の断面形状は正確な長方形とならずＹ’−Ｚ’面の＋Ｘ側および−Ｘ側の側面に三角形またはその他の形状の残渣を伴う。図１６（ｂ）は短時間のエッチングの場合の断面図であり、図１６（ｃ）は長時間エッチングをした場合の断面図である。
前述のような残渣があると、図１９（ｂ）に示すように、本来Ｘ軸方向のみに振動させているはずの駆動振動が、残渣のでき方によってはバランスが崩れ、図１９（ｃ）に示すように、Ｚ’軸方向の成分を伴って斜め方向に振動する。このため漏れ振動を発生する。この斜め振動からくる漏れ振動は、従来技術の製造方法によって製造した場合には、比較的多く発生する。このため、斜め振動を抑制し漏れ振動を小さくする必要があった。
また、水晶振動子片の断面の主軸の方向と斜め振動の関係について解析した文献もある（非特許文献１参照）。
また、音叉型水晶振動片の振動腕に溝を形成し、それぞれの溝（電界形成用の溝）に電極を設けて所定の電界を発生させ、振動腕に屈曲運動を繰り返し発生させるようにした圧電デバイスが知られている（特許文献３参照）。
【特許文献１】特開昭５２−０３５５９２号公報（第３頁、図３）
【特許文献２】特開２００６−２１７４９７号公報（第５頁、図１）
【特許文献３】特開２００４−００７４２８号公報（第２図）
【非特許文献１】藤吉基弘ら  電気情報通信学会論文誌Ｃ  Ｖｏｌ．Ｊ８７−Ｃ  Ｎｏ．９  ｐｐ７１２
【発明の開示】
【０００３】
ここで、振動脚断面における、残渣と斜め振動との関係について考察する。ここでいう振動脚断面とは、振動子の長手方向に垂直な断面（図１６（ａ）におけるＡ−Ａ’断面）のことであり、水晶のＸ−Ｚ’面にあたる。
一般にも、梁などの曲げについて考える場合、断面の主軸がよく考慮される。断面の主軸は、直行する２本の軸からなり、梁に主軸と同方向に曲げ力をかけると、梁は応力と同方向に曲がる。一方、主軸と異なる方向に曲げ力をかけた場合には、梁は応力がかけられた方向とは異なった方向に曲がる。
水晶振動子の場合、圧電効果によって曲げ力がかかるのは、Ｘ軸方向である。よって、主軸の一方がＸ軸と同じであれば、振動はＸ軸方向に起こり、漏れ振動は発生しない。一方、主軸がＸ軸から外れてＺ’方向に傾くと、曲げ力のかかる方向と主軸の方向が一致しないため、振動はＺ’軸成分を含んだ斜め振動となり、漏れ振動が発生する。
主軸の方向は、その梁（振動脚）の断面形状によって決まる。単純な例では、対称軸を持つ断面に関しては、その対称軸およびそれと垂直な軸がその断面の主軸である。例えば、長方形の断面ならば、各辺の２等分線がそれぞれ主軸である。
漏れ振動のない水晶振動子を得ようとする場合、主軸の一方がＸ軸に平行である必要がある。主軸は直交する２本の軸なので、Ｘ軸かＺ’軸に平行な対称軸が断面にあれば、Ｘ軸に平行な主軸が存在することになる。つまり、断面形状が上下対称が、左右対称であればよい。
ここで、従来例のように水晶振動子片を製造した場合に、そうした対称軸を持った振動子片が得られるのかどうかを考察する。前述のように、水晶振動子片をウェットエッチングで製造すると、振動脚側面には必ず残渣が残る。そのため、この残渣のでき方によって断面の主軸が決定されてしまう。水晶振動子片の断面の主軸を考えるには、まず残渣がどのようにできるかを考える必要がある。
残渣の形状は、エッチングの時間や条件によって異なるため、一概に言うことはできないが、概ね同じような傾向をたどるので、ここでは発明者の行った実験条件から観察できた結果に基づき残渣のでき方を説明する。
図２０は、図１７（ｅ）の状態の拡大断面図であり、水晶振動子片の振動脚における残渣の形成状態を示す図である。
図２０では、一本の振動脚のみを記し、水晶の結晶軸の−Ｘ側の側面を第１の側面、＋Ｘ側の側面を第２の側面とする。
図２０（ａ）は比較的短時間のエッチングを行った場合を示している。この場合、第２の側面において、振動子主面（表面１１３ａ及び裏面１１３ｂ）から浅い部分ではＺ’軸に対して約２°、振動子主面から深い部分では約２２°の角度を成して残渣が形成される。深さはエッチングの時間によって異なるが、表面１１３ａ側、裏面１１３ｂ側とも同じ傾向をたどる。
図２０（ｂ）は、比較的長時間のエッチングを行った場合を示している。この場合、上述した振動子主面から深い部分における約２２°の角度をなした残渣はなくなり、振動子主面から浅い部分における約２°の角度を成した残渣のみが残る。
いずれの場合にも、第１の側面に形成される残渣はごく小さい。しかしながら、図２０（ａ）及び（ｂ）に示すように、詳細に観察すると、Ｚ’軸に対して約１°の角度を成した残渣が形成されている。この第１の側面の残渣形状は、エッチングを行った時間によっては、あまり変化しない。なお、エッチングは、エッチングマスク２０７ａ及び２０７ｂの端部からスタートし、貫通するまでは表面側、裏面側で互いに影響を及ぼさず、独立して進行する。
前述した図１７に示す従来の表裏両面からエッチングをする方法で水晶振動子片を製造した場合について、以下のような点を指摘することができる。
図２１（ａ）に示すように、水晶ウェハに形成された表面のエッチングマスク２０７ａと、裏面のエッチングマスク２０７ｂとの位置が正確に合っている場合には、エッチング後の水晶振動子片の振動脚１１３の断面は、Ｘ軸に平行な対称軸をもった上下対称形となる。即ち、水晶振動子片の振動脚１１３の断面は、Ｘ軸に平行な主軸２５０を持つ。この場合、曲げ力のかかる方向と主軸の方向が共にＸ軸であって、一致しているため、漏れ振動は起こらない。
図２１（ｂ）に示すように、表面のエッチングマスク２０７ａと、裏面のエッチングマスク２０７ｂとの位置がＸ軸方向でずれて形成されてしまった場合には、水晶振動子片の振動脚１１３の断面は、上下非対称となる。即ち、水晶振動子片の振動脚１１３の断面は、Ｘ軸に平行な対称軸もＺ’軸に平行な対称軸も何れも持たない。この場合、主軸２５０ａはＸ軸に平行にはなっていない。したがって、曲げ力のかかる方向と主軸の方向が異なるので斜め振動となり、漏れ振動が発生する。
図２１（ｂ）に示すように、エッチングマスク２０７ａ及び２０７ｂに位置ずれｅが起こると、図２２（ａ）に示すように振動脚１１３の断面に表面１１３ａと裏面１１３ｂとに表裏ずれｅが発生する。このときの主軸のずれ角を、図２２（ｂ）に示す。図２２（ｂ）において、２本ある主軸のうちＸ軸に近い主軸ＸａのＸ軸からのずれ角γ（°）（γ＜９０）とし、従来の製法で作製した場合におけるエッチングマスク２０７ａ及び２０７ｂの位置ずれｅと、主軸ＸａのＸ軸からのずれ角γ（°）との関係を図２３に示す。
図２３では、表面のエッチングマスク２０７ｅと裏面のエッチングマスク２０７ｂとの位置ずれｅを横軸に、主軸ＸａのＸ軸からのずれ角γ（°）を縦軸とした。エッチングマスク２０７ａ及び２０７ｂの位置ずれｅは表面のエッチングマスクが裏面のエッチングマスクよりも−Ｘ側にあるときを正とし、γは反時計回りのずれを正とした。図２３のグラフから分かるように、表裏ずれｅとずれ角γの間には相関がある。
この対策として、エッチング工程において、十分な特性を得られる程度に漏れ振動を小さくしようとするならば、表面のエッチングマスクと、裏面のエッチングマスクとの位置合わせをサブミクロンレベルで行い、図２１（ａ）に示すような上下対称の水晶振動子片を製造する必要がある。しかし、高精度の両面アライメント露光装置を用いても表裏の位置合わせ精度には限界があり、歩留まりが悪いという問題があった。
また、片面からエッチングを行った場合や、図１８に示した表面パターンを基準にしてエッチングした場合には、表面のエッチングマスクと、裏面のエッチングマスクとの位置ずれという概念はない。しかしながら、このような方法により製造された水晶振動子片では、一方の側面にできる残渣と他方の側面にできる残渣の角度が異なるために、左右対称にはならず、Ｘ軸に平行な主軸は持たない。よって、水晶振動子片における振動は、斜め振動となり、漏れ振動を発生する。このような製造方法は、常に一定の振動子片が製造できるため、共振周波数を安定させる目的としては有効であるが、漏れ振動の少ない振動子片を得るという目的には適さない。
このように、従来の方法では、振動脚断面形状が上下対称や左右対称の水晶振動子片を安定的に得ることが難しいという問題があった。
なお、音叉型水晶振動片の振動腕に電界形成用の溝を設けることは知られているが、残渣とのバランスをとるためのバランス調整用溝を形成することは知られていなかった。
本発明の目的は、上述した従来技術における問題を解決することを可能とした水晶振動子片及びそのような水晶振動子片の製造方法を提供することである。
また、本発明の目的は、振動脚の断面形状が対称型ではないながらも、Ｘ軸に平行な主軸を持ち、漏れ振動の発生が抑制された水晶振動子片及びそのような水晶振動子片の製造方法を提供するものである。
さらに、本発明の目的は、水晶ウェハの表裏両面からエッチングマスクを用いてエッチングする工程において、エッチングマスクおよびエッチング法を工夫することにより、振動脚の断面形状が対称型ではないながらも、Ｘ軸に平行な主軸を持ち、漏れ振動の発生が抑制された水晶振動子片を安定して製造することが可能な水晶振動子片の製造方法を提供するものである。
本発明に係る水晶振動子片は、水晶ウェハからエッチングにより加工されたものであって、表面と、前記表面より幅の広い裏面と、第１の側面と、第２の側面とを備える振動脚と、振動脚に形成されたバランス調整溝を有し、表面から裏面に向かうに従って振動脚の幅が広くなるように第１の側面及び前記第２の側面が形成され、振動脚の長手方向に直交する断面に力学的に直交する図心を通る２つの主軸の少なくとも一方が表面又は裏面と略平行となるように、第１の側面及び第２の側面の傾斜に応じて前記バランス調整溝が形成されることを特徴とする。
さらに本発明に係る水晶振動片は、前記バランス調整溝が、前記表面又は前記裏面に形成され、
前記バランス調整溝が形成される面を溝面とし、前記溝面と前記第１の側面との成す角をα、前記溝面と前記第２の側面との成す角をβ、前記バランス調整溝と前記第１の側面との距離をＡ、前記バランス調整溝と前記第２の側面との距離をＢとして、
α＜βのとき  Ａ＜Ｂ
α＞βのとき  Ａ＞Ｂ、
の関係を満たすことが好ましい。
上記の構成によれば、外形形状は常に一定にでき、そのままでは傾いている主軸をバランス調整溝で水晶のＸ軸と平行に調整することが可能となる。位置ずれが起こる可能性があるのはバランス調整溝の位置のみであり、さらに溝の位置ずれが主軸の傾きに与える影響の程度が従来例の表裏ずれによる影響の程度に比較して非常に小さいため、漏れ振動は無視できるほどに小さくできる。
さらに、本発明に係る水晶振動子片では、前記バランス調整溝が、前記溝面内に形成されることが好ましい。
上記の構成によれば、バランス調整用溝の形成位置が設計値に対してずれて形成されても、バランス調整溝体積が同じであるため主軸の向きに対する影響は小さく、ほぼ無視できる程度であり、漏れ振動の抑制された水晶振動子片が得られる。
さらに、本発明に係る水晶振動子片では、前記バランス調整溝が、前記溝面と、前記第１の側面又は前記第２の側面とに跨って形成されることが好ましい。
上記の構成によれば、振動子が小型化してバランス調整溝が振動脚内に収まらない場合にも、バランス調整溝を形成することができる。バランス調整溝が振動脚内に収まる場合に比べて溝形成位置ずれが主軸の傾きに与える影響は大きいが、それでもなお従来の方法で表裏ずれが与える影響に比べると位置ずれの影響を小さく抑えることができる。
さらに、本発明に係る水晶振動子片では、前記バランス調整溝が、複数個形成されることが好ましい。
さらに、本発明に係る水晶振動子片では、前記表面と前記裏面の少なくとも一方に、電界形成用の溝が形成されることが好ましい。
さらに、本発明に係る水晶振動子片では、前記電界形成用の溝が、前記バランス調整溝を兼ねていることが好ましい。
本発明に係る水晶振動子片の製造方法は、水晶ウェハをエッチングし、表面と、表面より幅の広い裏面と、第１の側面と、第２の側面とを備える振動脚を、表面から裏面に向かうに従って幅が広くなるように形成する外形形成工程と、振動脚をエッチングし、振動脚の長手方向に直交する断面に力学的に直交する図心を通る２つの主軸の少なくとも一方が表面又は裏面と略平行となるように、第１の側面及び第２の側面の傾斜に応じてバランス調整溝を形成する溝形成工程を有することを特徴とする。
さらに本発明に係る水晶振動子片の製造方法は、前記外形形成工程において、前記水晶ウェハの表面に外形表面用エッチングマスクを形成し、前記水晶ウェハの裏面に前記外形表面用エッチングマスクより幅の広い外形裏面用エッチングマスクを形成し、
前記外形裏面用エッチングマスクにおいて、前記外形表面用エッチングマスクの前記第１の側面側の端部に対応する位置から突出した第１突出部の長さをｃ、前記外形表面用エッチングマスクの前記第２の側面側の端部に対応する位置から突出した第２突出部の長さをｄ、前記水晶ウェハの厚みをｔ、前記第１の側面側のエッチング角をα、前記第２の側面側のエッチング角をβとするとき、
ｃ＞ｔ×ｔａｎ（α−９０°）
ｄ＞ｔ×ｔａｎ（β−９０°）
の関係を満たすことが好ましい。
上記の構成によれば、第１の側面の残渣が溝面に対して角度αで形成されるとき、裏面エッチングマスクを表面エッチングマスクに比べてｔ×ｔａｎ（α−９０°）よりも長くしておくので、エッチングによって得られる斜面は表面からエッチングされた斜面だけになり、常に一定の形状の残渣が形成される。同様に、第２の側面側も表面からエッチングされた斜面だけになるため、常に一定の形状の残渣を形成することが可能となる。そのため、振動子外形は外形エッチングマスクの表裏アライメントずれの影響を受けず、常に一定のものが形成される。そして、エッチング角αとβは異なる大きさであるために、そのままでは断面主軸は水晶のＸ軸と平行にはならないが、バランス調整溝を設けることで、主軸の一方がＸ軸と平行になるようにできる。したがって、アライメントずれが起こるのはバランス調整溝の位置のみであるが、仮にそのアライメントずれが起きた場合にも、従来の方法で起こる表裏アライメントずれによる主軸の傾きよりもはるかに小さい程度の主軸の傾きしか起こらず、安定して漏れ振動のない振動子を得ることができる。
さらに、本発明に係る水晶振動子の製造方法では、前記外形表面用エッチングマスクと前記外形裏面用エッチングマスクの位置合わせ精度を±ｐとするとき、
ｃ＝ｔ×ｔａｎ（α−９０°）＋ｋ１、
ｄ＝ｔ×ｔａｎ（β−９０°）＋ｋ２として、
ｋ１＞ｐ且つｋ２＞ｐ
の関係を満たすことが好ましい。
上記の構成によれば、マスクオフセット量ｋ１、ｋ２をマスクの位置合わせ精度ｐより大きい値に設定しておくので、装置のアライメント誤差により表面のエッチングマスクと裏面のエッチングマスクに位置ずれが起きた場合にも、第１の側面には表面からエッチングされた一つの斜面が形成され、常に一定の残渣が形成される。また同様に、第２の側面にも表面からエッチングされた一つまたは二つの斜面が形成され常に一定の残渣が形成される。そのため外形形状は常に一定になり表裏ずれの影響を受けることが無い。
さらに、本発明に係る水晶振動子の製造方法では、前記溝形成工程において、前記表面と前記裏面の少なくとも一方に、前記バランス調整溝を形成するための溝形成用開口部を有する溝用エッチングマスクを形成し、
前記溝形成用開口部と前記第１の側面との距離をａ、前記溝形成用開口部と前記第２の側面との距離をｂとして、
α＜βのとき  ａ＜ｂ
α＞βのとき  ａ＞ｂ
の関係を満たすことが好ましい。
さらに、本発明に係る水晶振動子の製造方法では、前記バランス調整溝が形成される面を溝面とし、前記バランス調整溝が前記溝面内に形成されることが好ましい。
上記の構成によれば、バランス調整溝を振動脚の内部に形成するため、設計値に対してバランス調整溝の位置がずれても溝体積が変化しないため、位置ずれの影響が少なく漏れ振動は小さく抑えられる。
さらに、本発明に係る水晶振動子の製造方法では、前記バランス調整溝が形成される面を溝面とし、前記バランス調整溝が、前記溝面と、前記第１の側面又は前記第２の側面とに跨って形成されることが好ましい。
上記の構成によれば、振動子が小型化してバランス調整溝が振動脚内に収まらない場合にも、バランス調整溝を形成することができる。バランス調整溝が振動脚内に収まる場合に比べて溝形成位置ずれが主軸の傾きに与える影響は大きいが、それでもなお従来の方法の表裏ずれ誤差に比べると位置ずれの影響を小さく抑えることができる。
本発明に係る水晶振動子の製造方法によれば、エッチングマスク位置ずれの影響を全く受けない外形形状を有し、位置ずれの影響が非常に少ないバランス調整溝によってバランスを調整するため、漏れ振動が無視できる程度に抑制された水晶振動子片を得ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１（ａ）は本発明に係る水晶振動子の斜視図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡＡ´断面の拡大図である。
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、本発明に係る水晶振動子片の製造工程を示す断面工程図（１）である。
図３（ａ）〜図３（ｅ）は、本発明に係る水晶振動子片の製造工程を示す断面工程図（２）である。
図４は、図３（ｂ）の状態における一方の振動脚の拡大図である。
図５は、バランス調整溝の最適位置等について説明するための振動脚モデルを示した図である。
図６は、本発明に係る他の水晶振動子片を示す図である。
図７は、図６に示す振動脚の製造方法を説明するための図である。
図８は、本発明に係る更に他の水晶振動子片を示す図である。
図９は、図８に示す振動脚の製造方法を説明するための図である。
図１０は、本発明に係る更に他の水晶振動子片を示す図である。
図１１（ａ）は本発明に係る更に他の水晶振動子の斜視図を示し、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡＡ´断面の拡大図である。
図１２（ａ）は本発明に係る更に他の水晶振動子の斜視図を示し、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡＡ´断面の拡大図である。
図１３（ａ）は本発明に係る更に他の水晶振動子の斜視図を示し、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡＡ´断面の拡大図である。
図１４は、本発明に係る更に他の水晶振動子片を示す図である。
図１５は、水晶ウェハを表した図である。
図１６（ａ）は水晶振動子片の正面図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）のＡＡ´断面図の一例を示す図であり、図１６（ｃ）は図１６（ａ）のＡＡ´断面図の他の例を示す図である。
図１７（ａ）〜図１７（ｅ）は、従来技術における水晶振動子片の製造工程を示す断面工程図である。
図１８は、従来技術における水晶振動子片振動脚の断面図である。
図１９（ａ）は水晶振動子の斜視図であり、図１９（ｂ）は図１９（ａ）のＡＡ´断面図の一例における振動方向を示した図であり、図１９（ｃ）はＡＡ´断面図の他の例における振動方向を示した図である。
図２０（ａ）は水晶エッチング残渣の一例を示す断面図であり、図２０（ｂ）は水晶エッチング残渣の他の例を示す断面図である。
図２１（ａ）はエッチングマスクのずれがない場合の振動脚の断面図であり、図２１（ｂ）はエッチングマスクのずれがある場合の振動脚の断面図である。
図２２（ａ）は振動脚の断面における表面と裏面と位置ずれを表した図であり、図２２（ｂ）は図２２（ａ）における振動脚の断面の主軸のずれ角を示す図である。
図２３は、水晶振動子片の製造工程における表面のエッチングマスクと裏面のエッチングマスクとの位置ずれと、主軸のずれ角との関係を表した図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下、本発明に係る水晶振動子片及びその製造方法について図面を用いて説明を行う。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。なお、本発明に係る水晶振動子片は、振動脚の断面形状に特徴があるので、以下主に水晶振動子片の振動脚の断面形状について説明する。
図１は、本発明に係る水晶振動子片を示す図である。
図１（ａ）は水晶振動子の斜視図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡＡ´断面の拡大図である。
図１（ａ）に示すように、本発明に係る水晶振動子片３１０は、支持部３１１、基部３１２、第１の振動脚３１３、及び第２の振動脚３１４から構成されている。第１の振動脚３１３には第１のバランス調整溝３４０が形成され、第２の振動脚には第２のバランス調整溝３５０が形成されている。
図１（ｂ）に示すように、水晶振動子片３１０の第１の振動脚３１３は、互いに幅の大きさが異なる表面３２１、裏面３２３と、一つの斜面で形成された第１の側面３２０、及び一つの斜面で形成された第２の側面３２２とを備えている。また、表面３２１の幅は裏面３２３の幅に比較して小さく設定されている。
第１の側面の表面端部３２１ａと第１の側面の裏面端部３２３ａとの幅方向（Ｘ軸方向）の差をＣ、第２の側面側の表面端部３２１ｂと第２の側面側の裏面端部３２３ｂとの幅方向の差をＤ、第１の側面側のエッチング角度をα、第２の側面側のエッチング角度をβ、及び第１の振動脚３１３の厚さをｔとすると、以下の２つの式の関係が成り立つ。
Ｃ＝ｔ×ｔａｎ（α−９０°）
Ｄ＝ｔ×ｔａｎ（β−９０°）
また、α＜βである場合、バランス調整溝３４０は、表面３２１上で第１の側面３２０寄りの位置に設けられている。即ち、バランス調整溝３４０の第１の側面側端部Ｑと第１の側面側端部３２１ａとの距離をＡ、バランス調整溝３４０の第２の側面側端部Ｐと第２の側面側端部３２１ｂとの距離をＢとすると、Ａ＜Ｂである。このように第１の振動脚３１３を構成することによって、振動脚３１３の長手方向に直交する断面に力学的に直交する図心を通る２つの主軸３６０の一方が、表面３２１と略平行に形成されている。ここで、略平行とは、特性に影響を与えない程度の漏れ振動のみを発生させる程度の平行度合いを言う。
図１に示すように製造された水晶振動子片３１０では、バランス調整溝３４０及び３５０の位置が設計値から１〜２μｍずれた場合でも、漏れ振動をほとんど発しなかった。この点は、従来の方法で同程度の表裏ずれが起こった場合には漏れ振動が大きく発生するのとは対照的である。
次に、図２及び図３を用いて、本発明に係る水晶振動子片の製造方法の一例について説明する。
図２（ａ）は、板厚をｔに調整した水晶ウェハ３００の両面に、金属耐食膜２００ａ及び２００ｂをスパッタ、蒸着又はめっきなどで形成する。金属耐食膜２００ａ及び２００ｂには下地層にＣｒ，上層にＡｕなどを用いることができる。さらに、この金属耐食膜２００ａ及び２００ｂの表面に、それぞれフォトレジスト２０１ａ及び２０１ｂを形成する。
次に、図２（ｂ）に示すように、外形表面用フォトマスク２０２及び外形裏面用フォトマスク２０４の２枚のフォトマスクを用い、両面アライメント装置によって外形表面用フォトマスク２０２及び外形裏面用フォトマスク２０４の表裏位置を位置合わせし、フォトレジスト２０１ａ及び２０１ｂを露光する。
次に、図２（ｃ）に示すように、フォトレジスト２０１ａ及び２０１ｂを現像し、得られたパターンをマスクとして金属耐食膜２００ａ及び２００ｂを振動子形状にパターニングし、金属耐食膜のエッチングマスク２０７ａ及び２０７ｂを形成する。
その後、フォトレジスト２０１ａ及び２０１ｂを剥離して、外形エッチングマスクが形成された水晶ウェハの表裏両面にフォトレジスト２０９を形成する。
次に、図２（ｄ）に示すように、溝表面用フォトマスク２１３と溝裏面用フォトマスク２１４の２枚のフォトマスクを用いてフォトレジスト２０９を露光する。
次に、図３（ａ）に示すように、露光後のフォトレジスト２０９を現像して、外形エッチングマスク２０７ａ及び２０７ｂの上に、溝用レジストパターン２０３ａ及び２０３ｂを形成する。
次に、図３（ｂ）に示すように、金属耐食膜のエッチングマスク２０７ａ及び２０７ｂ及び溝用レジストパターン２０３ａ及び２０３ｂを形成した水晶ウェハ３００を、フッ酸を含むエッチング液に浸漬し、金属耐食膜のエッチングマスク２０７ａ及び２０７ｂに覆われていない部分の水晶を溶解する。このときのエッチングは、少なくとも図１に示す第１の側面３２０及び第２の側面３２２の途中に稜線が見られなくなるまで行われる。これによって、第１の側面３２０及び第２の側面３２２は、それぞれ一つの斜面で形成されることになる。
次に、図３（ｃ）に示すように、溝用レジストパターン２０３ａ及び２０３ｂマスクとして、エッチングマスク２０７ａ及び２０７ｂをエッチングし、振動脚の外形形状をした水晶のうえに、溝表面用エッチングマスク２０８ａ及び溝裏面用エッチングマスク２０８ｂを形成する。
次に、図３（ｄ）に示すように、溝表面用エッチングマスク２０８ａ及び溝裏面用エッチングマスク２０８ｂをマスクとして水晶ウェハをフッ酸を含むエッチング液に浸漬し、溝部のエッチングを行い、バランス調整溝３４０及び３５０を形成する。バランス調整溝３４０及び３５０のエッチング量を、振動脚の主軸が水晶のＸ軸と平行になり、漏れ振動を発生しない量となるようにする。
次に、図３（ｅ）に示すように、エッチングマスク２０８ａ及び２０８ｂを剥離して、水晶振動子片３１０の振動脚３１３及び３１４を形成する。
図４は、図３（ｂ）の状態における一方の振動脚の拡大図である。
図４に示すように、水晶片の図中の上面（表面）を溝面３２４（図１（ｂ）参照）としており、溝用レジストパターン２０３ａには溝形成用開口部２１５が設けている。
第１の側面側のエッチング角度をα、第２の側面側のエッチング角度をβとすると、α＜βである場合は、溝形成用開口部２１５は第１の側面寄りに設けられている。また、溝形成用開口部２１５の第１の側面側端部と外形用エッチングマスクの第１の側面側端部との距離ａ、溝形成用開口部２１５の第２の側面側端部と外形用エッチングマスクの第２の側面側端部との距離ｂとすると、ａ＜ｂの関係を満たしている。なお、α＞βの場合には、ａ＞ｂと設定される。上記構成によって、溝エッチングをしてバランス調整溝３４０を形成したときに、振動脚のバランスをとり漏れ振動がゼロになる量に設定されている。溝用レジストパターン２０３ａの設定の詳細については後述する。
外形裏面用フォトマスク２０４の振動脚パターンは、外形表面用フォトマスク２０２の振動脚パターンに比べて、幅が大きく設定されている。したがって、図４に示すように、裏面のエッチングマスク２０７ｂの幅は、表面のエッチングマスク２０７ａの幅に対して大きく形成される。エッチングマスク２０７ｂにおいて、水晶の結晶軸３６０の−Ｘ側である第１の側面側の端部には第１突出部（第１突出量ｃ）、＋Ｘ側である第２の側面側端部には第２突出部（第２突出量ｄ）が形成されている。
図４に示すように、水晶ウェハ３００がエッチングされる面３０３（エッチング後は第１の側面となる）と表面とのエッチング角度をα、水晶ウェハ３００の板厚をｔとすると、第１突出部の第１突出量ｃをｔ×ｔａｎ（α−９０°）よりも大きく設定する。即ち、ｃ＞ｔ×ｔａｎ（α−９０°）と設定する。
また、水晶ウェハ３００がエッチングされる面３０４（エッチング後は第２の側面となる）と表面とのエッチング角度をβとすると、第２突出部の第２突出量ｄをｔ×ｔａｎ（β−９０°）よりも大きく設定する。即ち、ｄ＞ｔ×ｔａｎ（β−９０°）と設定する。
また、図２及び３に示す製造過程で、裏面のエッチングマスク２０７ｂの第１の側面側のマスクオフセット量をｋ１とし、第１突出部の第１突出量ｃをｃ＝ｔ×ｔａｎ（α−９０°）＋ｋ１とする。ここで、使用する両面アライナーの精度が±ｐであるとき、マスクオフセット量ｋ１の値は、ｐより大きい値、即ち、ｋ１＞ｐと設定する。
両面アライナーの精度が±１μｍであるときは、マスクオフセット量ｋ１の値は、例えば、２μｍと設定する。ここで、角度（α−９０°）の値をおおよそ１°とすると、第１突出部ｃ［μｍ］の値は、ｃ［μｍ］＝ｔ［μｍ］×０．０１７＋２μｍと設定される。このように設定することによって、両面アライナーの精度内で、表面のエッチングマスク２０７ａと裏面のエッチングマスク２０７ｂとの位置ずれが起きた場合にも、第１の側面はこの位置ずれの影響を受けることがない。即ち、第１の側面には表面からエッチングされた一つの斜面が形成され、第１の側面には常に一定の残渣が形成されることとなる。
また、図２及び３に示す製造過程で、裏面のエッチングマスク２０７ｂの第２の側面側のマスクオフセット量をｋ２とし、第２突出部の第２突出量ｄをｄ＝ｔ×ｔａｎ（β−９０°）＋ｋ２とする。ここで、使用する両面アライナーの精度が±ｐであるとき、マスクオフセット量ｋ２の値は、ｐより大きい値、即ち、ｋ２＞ｐと設定する。
両面アライナーの精度が±１μｍであるときは、マスクオフセット量ｋ１の値は、例えば、２μｍと設定する。ここで、角度（β−９０°）の値をおおよそ２°とすると、第２突出部ｄ［μｍ］の値は、ｄ［μｍ］＝ｔ［μｍ］×０．０３５＋２μｍと設定される。このように設定することによって、両面アライナーの精度内で、表面のエッチングマスク２０７ａと裏面のエッチングマスク２０７ｂとの位置ずれが起きた場合にも、第２の側面はこの位置ずれの影響を受けることがない。したがって、第２の側面には表面からエッチングされた一つの斜面が形成され、第２の側面には常に一定の残渣が形成されることとなる。
図２及び３に示す製造過程を経て製造された水晶振動子片３１０の振動脚３１３では、表面のエッチングマスク２０７ａと裏面のエッチングマスク２０７ｂとの位置ずれが両面アライナーの精度（２μｍ未満）以下で生じた場合にも、その位置ずれの影響を受けることがない。
また、第１の側面３２０のエッチング角αは約９１°、第２の側面３２２のエッチング角βは約９２°である。したがって、図１に示す第１の側面３２０側の表面３２１の端部３２１ａと第１の側面３２０側の裏面端部３２３ａとの幅方向の差Ｃは常にｔ×０．０１７になる。また、第２の側面３２２側の表面端部３２１ｂと第２の側面３２２側の裏面端部３２３ｂとの幅方向の差Ｄは常にｔ×０．０３５となる。
このように、第１の側面３２０側と第２の側面３２２側で、それぞれ常に同じ残渣が生じることとなる。さらに、第１の側面３２０側と第２の側面３２２側で生じる残渣とバランス調整溝３４０とのバランスが調整されている。したがって、本発明に係る水晶振動子片３１０の振動脚３１３の断面の主軸の一方は表面と略平行となり、漏れ振動が抑制されている。
従来の方法の場合、エッチングマスクの位置ずれが起きると、第１の側面及び第２の側面がともに影響を受け、様々な残渣が形成されてしまい、強い漏れ振動が発生することとなった。それに対して、本発明に係る水晶振動子片３１０では、エッチングマスクの位置ずれが起きても、第１の側面及び第２の側面には常に一定の残渣が形成され、それらとバランスが取れるように調節されたバランス調整溝を形成される。エッチングマスクの位置ずれによってバランス調整溝の位置もずれるが、バランス調整溝の位置ずれの影響は非常に小さいので、漏れ振動のほとんどない水晶振動子片が得ることが可能となった。
なお、図２及び３に示す製造過程においては、第１の側面のエッチング角αは約９１°、第２の側面のエッチング角βは約９２°とした。しかしながら、エッチング角α、βは水晶ウェハのカット角やエッチング条件などにより異なるため、それらの条件にあわせて第１突出量ｃ、第２突出量ｄが決定される。
溝形成用開口部の二つの端部は、図４に示すように外形用エッチングマスクの端部にサイドエッチングのエッチングしろを見込んだ幅よりも共に内側に形成しておくことが好ましい。このようにすると、エッチング後にバランス調整溝が溝面内に形成され、バランス調整溝の位置ずれが起きた場合にもバランス調整溝の体積は変化せず、主軸の傾きに大きな影響を与えることが少ない。ここでいうサイドエッチングとは、エッチングマスク主面に対して水平方向に進むエッチングのことである。
図５は、バランス調整溝の最適位置等について説明するための振動脚モデルを示した図である。
振動脚断面の主軸の方向は、振動脚の断面形状によって定まる。具体的には、振動脚の断面の図心を原点として横軸がＸ軸に平行な直角座標系に関する振動脚の断面の断面相乗モーメントがほぼ０であれば、振動脚断面は、Ｘ軸に略平行な主軸を有することとなる。そこで、図５に示す振動脚の断面に基づいて、振動脚断面はＸ軸に略平行な主軸を有するようにバランス調整溝を設計する方法について以下に説明する。
まず、振動脚モデルの断面を、線対称な台形部分Ｓ１（上辺：Ｗ１、底辺（Ｗ２＋Ｗ１＋Ｗ２）、高さ：ｔ）、三角形部分Ｓ２（底辺：Ｗ３、高さ：ｔ）、バランス調整溝部分Ｓ３に分ける。
バランス調整溝の断面は、水晶の特性等によって正確な長方形にはならないが、計算の簡略化のため、本例では長方形形状としている。また、台形部分Ｓ１に含まれる左側の三角形部分Ｓ４が、図１における第１の側面３２０側に形成される第１の残渣部分に相当する。さらに、台形部分Ｓ１に含まれる右側の三角形部分Ｓ５と三角形部分Ｓ２との合計が、図１における第２の側面３２２側に形成される第２の残渣部分に相当する。
振動脚モデルの断面全体の図心をＯ０；断面相乗モーメントをＭ０、台形部分Ｓ１の図心をＯ１；Ｏ１に関する断面相乗モーメントをＭ１、三角形部分Ｓ２の図心をＯ２；Ｏ１に関する断面相乗モーメントをＭ２、バランス調整溝部分の図心をＯ３；Ｏ１に関する断面相乗モーメントをＭ３とする。また、計算のための座標軸（横軸ｘ、縦軸ｙ）を、Ｓ１の図心Ｏ１を原点として、座標軸の横軸が水晶片のＸ軸に平行となる直角座標系として設定する。この座標系を本座標系と言う。
台形部分Ｓ１の面積Ａ１は、ｔ（Ｗ１＋Ｗ２）であり、台形部分のＳ１の図心Ｏ１から底辺までの距離ｙ１は、ｔ／３（（２Ｗ２＋３Ｗ１）／（２Ｗ２＋２Ｗ１）となる。台形部分Ｓ１は線対称な図形であるので、図心Ｏ１に関する断面相乗モーメントＭ１は０である。
三角形部分Ｓ２の面積Ａ２はＷ３ｔ／２であり、図心Ｏ２と振動脚モデルの底辺の端部からの距離ｘ２は、（２Ｗ３＋Ｗ２）／３であり、図心Ｏ２の底辺からの距離ｙ２はｔ／３である。したがって、図心Ｏ２の本座標系におけるｘ座標はＷ１／２＋（２Ｗ２＋Ｗ３）／３であり、ｙ座標はｔ／３（１−（２Ｗ２＋３Ｗ１）／（２Ｗ２＋２Ｗ１））となる。三角形部分Ｓ２の図心Ｏ２に関する断面相乗モーメントＭ２´は、−Ｗ３ｔ／７２（２Ｗ２＋Ｗ３）となる。Ｍ２´を用い、公知の平行軸の定理を利用してＯ１に関する断面相乗モーメントＭ２を求めると、以下の式（１）となる。
2009035155.tif 000003
バランス調整溝部分Ｓ３の面積をＡ３、本座標系におけるｘ座標のｘ３、ｙ座標をｙ３とする。バランス調整溝部分の図心Ｏ３に関する断面相乗モーメントをＭ´３とする。Ｍ´３を用い、公知の平行軸の定理を利用してＯ１に関する断面相乗モーメントＭ３を求めると、Ｍ´３−Ａ３ｘ３ｙ３となる。
振動脚モデルの断面全体の面積Ａ０は、Ａ１＋Ａ２−Ａ３であるから、ｔ（Ｗ１＋Ｗ２）＋Ｗ３ｔ／２−Ａ３となる。また、振動脚モデルの断面全体の図心Ｏ０の本座標系におけるｘ座標であるｘ０は以下の式（２）に相当し、ｙ座標であるｙ０は以下の式（３）に相当する。
2009035155.tif 000004
Ｏ１に関する振動脚モデルの断面全体の断面相乗モーメントＭ０は、Ｍ１＋Ｍ２−Ｍ３で表されるので、以下の式（３）となる。
2009035155.tif 000005
Ｍ０を用いて、公知の平行軸の定理を利用して図心Ｏ０に関する振動脚モデルの断面全体の断面相乗モーメントＭ´０を求めると、以下の式（４）となる。
2009035155.tif 000006
ここで、Ｍ´０＝０となるように、バランス調整溝に関するパラメータであるＡ３、ｘ３及びｙ３を定めればよい。Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、及びｔは既知であるので、式（４）を用いて、バランス調整溝の大きさ及び最適位置を求めることができる。なお、図５では、バランス調整溝が振動脚の上面に１つ存在する場合について説明を行ったが、後述するように、バランス調整溝が振動脚の他の位置にある場合、１つではなく複数存在する場合についても、同様の計算方法によって、最適な位置や大きさを求めることができる。
本発明に係る水晶振動子片の製造方法を用いれば、エッチングマスクの位置ずれが起きても、第１の側面及び第２の側面に常に一定の残渣が形成される。そこで、上述した設計方法によってバランス調整溝を設ければ、残渣とバランス調整溝とが相殺されて、漏れ振動のほとんどない水晶振動子片が得ることが可能となる。なお、エッチングマスクの位置ずれによってバランス調整溝の位置も設計位置からずれる可能性があるが、バランス調整溝の位置ずれの影響は非常に小さい。
例えば、Ｗ１＝１５０μｍ、Ｗ２＝３．５μｍ、Ｗ３＝３．５μｍ、ｔ＝２００μｍ、Ａ３＝７５０μｍ２、ｘ３＝−１４．６μｍ、ｙ３＝７５．７μｍとすると、式４よりＭ´０＝１２９μｍ４≒０となり、設計上漏れ振動のほとんどない生じない状況となる。なお、上記の数値は一例である。
漏れ振動がゼロになるバランス調整溝位置や深さ等は各種条件によって多少異なる。そのため、バランス調整溝の位置や深さを変化させて前実験を行い、漏れ振動がゼロとなる最適値を設定することで、本発明の効果をより確実に発揮させることができる。
図６は、本発明に係る他の水晶振動子片を示す図である。
例えば、振動子脚が小型化していく場合、溝面３２１中にバランス調整溝３４０を収めるのが困難な場合が考えられる。そこで、図６では、振動脚３１３において、バランス調整溝３４０を第１の側面３２０と交わるように構成した。したがって、バランス調整溝３４０の第１端部Ｑは第１の側面３２０上にあり、第２端部Ｑは表面３２１上にある。図６に示す水晶振動子片の場合、バランス調整溝３４０が表面３２１の内部に収まる場合に比べて、バランス調整溝３４０の位置ずれが主軸の傾きに影響を与え易い。しかしながら、図６に示す水晶振動子片の場合、従来の水晶振動子片の表裏ずれに比べて、位置ずれによる影響は少なく、漏れ振動の抑制された振動子となる。
図７は、図６に示す振動脚の製造方法を説明するための図である。図７は、図３（ｂ）の状態における一方の振動脚の拡大図である。即ち、図１に対応する図４との関係と同様に、図６に対応するものである。
図７に示す溝用レジストパターン２０３ａは、溝形成用開口部の端部のうち一方は、外形用エッチングマスクの端部にサイドエッチングのエッチングしろを見込んだ位置よりも外側に形成され、他方は外形用エッチングマスクの端部にサイドエッチングのエッチングしろを見込んだ位置よりも内側に形成されている。この溝用レジストパターン２０３ａによって、図６に示す振動脚の断面のように、バランス調整溝３４０が、溝面３２４と第１の側面３２０とに跨って形成されることとなる。また、図６及び図７の例では、バランス調整溝３４０が溝面３２４と第１の側面とに跨って形成されているが、溝面３２４と第２の側面３２２とに跨って形成されるように構成しても良い。
図８は、本発明に係る更に他の水晶振動子片を示す図である。
図１及び図６の例では、バランス調整溝を表面３２１側に設けたが、図８に示すように、振動脚３１３において、裏面３２３側にバランス調整溝３４０を設けるようにしても良い。溝面３２４と第１の側面３２０との成す角をα、溝面３２４と第２の側面３２２との成す角をβ、裏面端部３２３ａとバランス調整溝端部Ｑとの距離をＡ、裏面端部３２３ｂとバランス調整溝端部Ｐとの距離をＢとした。α＞βである場合、バランス調整溝３４０は、裏面３２３上で第２の側面３２２寄りの位置に設けられている。すなわち、Ａ＞Ｂである。バランス調整溝３４０を裏面３２３側に設けることによって、振動脚３１３の長手方向に直交する断面に力学的に直交する図心を通る２つの主軸３６０の一方が、表面３２１と略平行に形成されているだけでなく、振動脚の重心が、表面３２１と裏面３２３の中心付近に来るため、振動がより安定するという更なる効果を有する。
図９は、図８に示す振動脚の製造方法を説明するための図である。
図９は、図３（ｂ）の状態における一方の振動脚の拡大図である。即ち、図１に対応する図４との関係と同様に、図８に対応するものである。図８に示すように、溝用レジストパターン２０３ｂを配置することによって、バランス調整溝３４０が裏面３２３側に構成される。溝用レジストパターン２０３ｂの距離ｅは図８の距離Ａに、溝用レジストパターン２０３ｂの距離ｆは図８の距離Ｂに対応している。なお、図９における他の構成は、全て図４と同様である。
なお、図８及び図９に示すように、溝面３２４が、振動脚断面の裏面３２３側にあったとしても、溝面３２４と第１の側面及び第２の側面との成す角α、βと、バランス調整溝３４０と第１の側面及び第２の側面との距離Ａ、Ｂの関係は、溝面３２４が振動脚断面の表面３２１にある場合と同様であることが好ましい。即ち、
α＜βのとき  Ａ＜Ｂ
α＞βのとき  Ａ＞Ｂ
の関係を満たすことが好ましい。
また、図６と同様にバランス調整溝３４０は溝面３２４と第１の側面３２０または第２の側面３２２とに跨って形成してもよい。
図１０は、本発明に係る更に他の水晶振動子片を示す図である。
図１及び図６の例では、バランス調整溝を表面３２１側に設けたが、図１０に示すように、振動脚３１３において、第１の側面３２０側にバランス調整溝３４０を設けるようにしても良い。また、同様に、第２の側面３２２側にバランス調整溝３４０を設けるようにしても良い。
図１１（ａ）は本発明に係る更に他の水晶振動子の斜視図を示し、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡＡ´断面の拡大図である。
図１１は、振動脚３１３、３１４のそれぞれの表面及び裏面に１本のバランス調整溝が設けられた例である。即ち、振動脚３１３の表面３２１にバランス調整溝３４１、裏面３２３にバランス調整溝３４２を設け、振動脚３１４の表面にバランス調整溝３５１、裏面にバランス調整溝３５２（不図示）を設けた。
図１２（ａ）は本発明に係る更に他の水晶振動子の斜視図を示し、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＡＡ´断面の拡大図である。
図１２は、振動脚３１３、３１４のそれぞれの表面および裏面に電界形成用の溝が形成されている場合に、さらに、バランス調整溝を設けた例である。即ち、電界形成用の溝３８０及び３８１が形成された振動脚３１３の表面３２１にバランス調整溝３４１を設け、電界形成用の溝３８２及び３８３が形成された振動脚３１３の裏面３２３にバランス調整溝３４２を設けた。また、電界形成用の溝３９０及び３９１が形成された振動脚３１４の表面にバランス調整溝３５１を設け、同様に電界形成用の溝が形成された振動脚３１４の裏面にバランス調整溝を設けた。
バンラス調整溝は１つである必要はなく、図１１及び図１２に示すように、水晶振動子片の特性及び条件に応じて、振動脚にバンランス調整溝を複数設けることが可能である。
図１３（ａ）は本発明に係る更に他の水晶振動子の斜視図を示し、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＡＡ´断面の拡大図である。
図１３は、振動脚３１３、３１４のそれぞれの表面および裏面に電界形成用の溝が形成されている場合に、この電界形成用の溝の断面積を調整することで、バランス調整溝の機能を兼ねた例である。即ち、振動脚３１３の表面３２１の電界形成用の溝３８０’と裏面３２３の電界形成用の溝３８３’の断面積を大きく形成することによりバランス調整溝としての機能を持たせている。また同様に、振動脚３１４の表面の電界形成用の溝３９０’と裏面の電界形成用の溝の断面積を大きく形成することによりバランス調整溝としての機能を持たせている。
図１４は、本発明に係る更に他の水晶振動子片を示す図である。
上記の例では、第２の側面３２２が一つの斜面で形成されている場合を示した。しかしながら、板厚ｔが厚い場合には、エッチングに時間がかかってしまう。そこで、図１４に示したように、第２の側面３２２を２つの斜面（３２２ａ及び３２２ｂ）で形成するようにしても良い。なお、第２の側面３２２を２つの斜面で形成した場合には、第２の側面側の表面端部３２１ｂと裏面端部３２３ｂとの差を、その分を加味してＤ´とし、第２の側面側に形成される残渣の量を多く見積もる必要がある。なお、第２の側面３２２を２つの斜面で形成した場合であっても、エッチング時間を一定とするならば第２の側面側に形成された第２の残渣の量は常に一定とすることができるので、上述したように、バランス調整溝によって、漏れ振動を防止することが可能である。
上述したように、バランス調整溝は、振動脚３１３の表面３２１側に形成しても良いし（図１及び図６参照）、裏面３２３に形成しても良いし（図８参照）、第１の側面３２０又は第２の側面３２２に形成しても良い（図１０参照）。
また、バランス調整溝は、振動脚３１３の表面３２１及び裏面３２３の両方に形成しても良いし（図１１〜図１３参照）、形成する個数及びその大きさも任意に選択することが可能である。なお、バランス調整溝を振動脚３１３の表面３２１及び裏面３２３の両方に形成した場合には、バランス調整溝のバランス調整効果を表面の溝、裏面の溝が分担して担うので、各々の溝の体積を小さくすることができ、寸法上有利である。なお、バランス調整溝は、振動脚の長手方向すべてに形成しても良いし、一部分に形成してもよい。
また、振動腕の外形およびバランス調整溝を形成するエッチングは、実施例に示したように外形用エッチングマスクと溝用エッチングマスクとに分かれたエッチングマスクを用いても良く、外形用エッチングマスクと溝用エッチングマスクを兼ねたエッチングマスクを用いても良い。
以上の説明において、２脚音叉型の水晶振動子片を例に説明したが、２脚音叉型以外の水晶振動子片、例えば、１脚、３脚、４脚または５脚音叉型等でも、本発明を適用することができる。
また、本発明に係る水晶振動子片は、周波数基準用の水晶振動子として利用することも可能である。この場合、漏れ振動が抑制されるため、クリスタルインピーダンスが低く抑えられるという更なる作用効果を有する。
【図１（ａ）】
2009035155.tif 000007
【図１（ｂ）】
2009035155.tif 000008
【図２（ａ）】
2009035155.tif 000009
【図２（ｂ）】
2009035155.tif 000010
【図２（ｃ）】
2009035155.tif 000011
【図２（ｄ）】
2009035155.tif 000012
【図３（ａ）】
2009035155.tif 000013
【図３（ｂ）】
2009035155.tif 000014
【図３（ｃ）】
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【図３（ｄ）】
2009035155.tif 000016
【図３（ｅ）】
2009035155.tif 000017
【図４】
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【図５】
2009035155.tif 000019
【図６】
2009035155.tif 000020
【図７】
2009035155.tif 000021
【図８】
2009035155.tif 000022
【図９】
2009035155.tif 000023
【図１０】
2009035155.tif 000024
【図１１（ａ）】
2009035155.tif 000025
【図１１（ｂ）】
2009035155.tif 000026
【図１２（ａ）】
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【図１２（ｂ）】
2009035155.tif 000028
【図１３（ａ）】
2009035155.tif 000029
【図１３（ｂ）】
2009035155.tif 000030
【図１４】
2009035155.tif 000031
【図１５】
2009035155.tif 000032
【図１６（ａ）】
2009035155.tif 000033
【図１６（ｂ）】
2009035155.tif 000034
【図１６（ｃ）】
2009035155.tif 000035
【図１７（ａ）】
2009035155.tif 000036
【図１７（ｂ）】
2009035155.tif 000037
【図１７（ｃ）】
2009035155.tif 000038
【図１７（ｄ）】
2009035155.tif 000039
【図１７（ｅ）】
2009035155.tif 000040
【図１８】
2009035155.tif 000041
【図１９（ａ）】
2009035155.tif 000042
【図１９（ｂ）】
2009035155.tif 000043
【図１９（ｃ）】
2009035155.tif 000044
【図２０（ａ）】
2009035155.tif 000045
【図２０（ｂ）】
2009035155.tif 000046
【図２１（ａ）】
2009035155.tif 000047
【図２１（ｂ）】
2009035155.tif 000048
【図２２（ａ）】
2009035155.tif 000049
【図２２（ｂ）】
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【図２３】
2009035155.tif 000051
【手続補正書】
【提出日】平成22年2月12日(2010.2.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面、裏面、第１の側面及び第２の側面を有する振動脚を備える水晶振動子片の製造方法であって、
前記第１の側面及び前記第２の側面の両方に一定の残渣を残して、前記振動脚をエッチングにより形成する工程と、
前記第１の側面及び前記第２の側面の一定の残渣の形状に対応するように、前記振動脚にバランス調整溝をエッチングにより形成する工程と、
を有することを特徴とする水晶振動子片の製造方法。
【請求項２】
前記振動脚の長手方向に直交する断面で力学的に直交して図心を通る２つの主軸の少なくとも一方が前記表面又は前記裏面と略平行となるように、前記バランス調整溝を形成する、請求項１に記載の水晶振動片の製造方法。
【請求項３】
前記第１の側面および前記第２の側面の一定の残渣を一方向からエッチングして形成する、請求項１又は２に記載の水晶振動子片の製造方法。
【請求項４】
前記表面と、前記表面より幅の広い裏面を有する振動脚を、前記表面から前記裏面に向かうに従って幅が広くなるように形成する、請求項１から３の何れか一項に記載の水晶振動子片の製造方法。
【請求項５】
水晶ウェハの表面に外形表面用エッチングマスクを形成し、前記水晶ウェハの裏面に前記外形表面用エッチングマスクより幅の広い外形裏面用エッチングマスクを形成し、
前記外形裏面用エッチングマスクにおいて、前記外形表面用エッチングマスクの前記第１の側面側の端部に対応する位置から突出した第１突出部の長さをｃ、前記外形表面用エッチングマスクの前記第２の側面側の端部に対応する位置から突出した第２突出部の長さをｄ、前記水晶ウェハの厚みをｔ、前記第１の側面側のエッチング角をα、前記第２の側面側のエッチング角をβとするとき、
ｃ＞ｔ×ｔａｎ（α−９０°）
ｄ＞ｔ×ｔａｎ（β−９０°）
の関係を満たす、請求項４に記載の水晶振動子片の製造方法。
【請求項６】
前記外形表面用エッチングマスクと前記外形裏面用エッチングマスクの位置合わせ精度を±ｐとするとき、
ｃ＝ｔ×ｔａｎ（α−９０°）＋ｋ１、
ｄ＝ｔ×ｔａｎ（β−９０°）＋ｋ２として、
ｋ１＞ｐ且つｋ２＞ｐ
の関係を満たす、請求項５に記載の水晶振動子片の製造方法。
【請求項７】
前記表面と前記裏面の少なくとも一方に、前記バランス調整溝を形成するための溝形成用開口部を有する溝用エッチングマスクを形成し、
前記溝形成用開口部と前記第１の側面との距離をａ、前記溝形成用開口部と前記第２の側面との距離をｂとして、
α＜βのとき  ａ＜ｂ
α＞βのとき  ａ＞ｂ
の関係を満たす、請求項５又は６に記載の水晶振動子片の製造方法。
【請求項８】
前記バランス調整溝が形成される面を溝面とし、前記バランス調整溝が前記溝面内に形成される、請求項７に記載の水晶振動子片の製造方法。
【請求項９】
前記バランス調整溝が形成される面を溝面とし、前記バランス調整溝が、前記溝面と、前記第１の側面又は前記第２の側面とに跨って形成される、請求項７に記載の水晶振動子片の製造方法。
【国際調査報告】
2009035155.tif 000052
2009035155.tif 000053
2009035155.tif 000054
2009035155.tif 000055