(57)【要約】【課題】水晶振動子の製造において、要求される周波数に対応した表面状態を満足しつつ、良好な温度特性を維持確保する水晶素子片を提供する。【解決手段】表面粗さ及び表面の凹凸の間隔が、使用する振動子の水晶表面における振動の波長よりも小さくなるように、表面状態を平滑にした水晶板が提供される。この水晶板は、例えば水晶ウエハの表面を所定の厚さにラッピングし、バッファード弗酸を主成分とする、又は弗化水素酸に等モル以下の強酸を加えた第１エッチング組成物を用いる第１エッチング工程と、濃度１５重量％以上、６０重量％以下の弗化水素酸、又は弗化水素酸に弗化アンモニウムを等モルで加えた第２エッチング組成物を用いる第２エッチング工程とからなるウエットエッチングをウエハ、又はウエハから個片化した水晶素子片に行うことにより得られる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚みすべり振動子のための水晶板であって、その表面粗さ及び表面の凹凸の間隔が、前記振動子の振動の水晶表面における波長よりも小さいことを特徴とする厚みすべり振動子用水晶板。
【請求項２】
前記表面粗さ及び表面の凹凸の間隔が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の厚みすべり振動子用水晶板。
【請求項３】
前記水晶板が前記振動子の外形を有する水晶素子片であることを特徴とする請求項１または２に記載の厚みすべり振動子用水晶板。
【請求項４】
前記水晶素子片の振動部が凸形状の断面を有することを特徴とする請求項３に記載の厚みすべり振動子用水晶板。
【請求項５】
前記水晶素子片の振動部が凹形状の断面を有することを特徴とする請求項３に記載の厚みすべり振動子用水晶板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、厚みすべりモードを主振動とする水晶振動子に使用するのに適した水晶板に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に厚みすべりモードの水晶振動子の製造では、水晶ウエハから所定の形状及び寸法を有する水晶素子片を加工しかつその表面に電極膜を形成するが、その周波数及び安定性は、概して水晶素子片の厚さ及び表面状態を加工した段階で略決定される。最近は、水晶振動子の高周波化及び高安定性が要求されており、そのためには水晶素子片をより薄くかつより平滑に加工することが必要である。
【０００３】
比較的低い周波数の場合、水晶素子片は、研磨加工で水晶ウエハを所定の厚さ及び表面状態即ち平滑度に仕上げ、研磨加工による加工変質層や歪の除去などのためにウエットエッチングを行った後、個片化する。また、研磨加工後のウエットエッチングを高速で行うことにより、水晶表面を良好に平坦化する加工方法が知られている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。研磨加工は、例えば番手＃４０００までの砥粒を用いたラッピング加工により行われるが、これにより得られる表面粗さは概ね１００ｎｍ前後である。各水晶素子片は周波数を測定し、その結果に基づいて更にウエットエッチングして厚さを調整し、所望の周波数範囲に合わせ込む。
【０００４】
高い周波数の場合、研磨加工した水晶ウエハをポリシング加工により所定の厚さ及び表面状態に仕上げ、かつ水晶表面から研磨加工による加工変質層や凹凸を取り除く。これにより、概ね５ｎｍ程度までの表面粗さが可能であり、また等価抵抗値を低下させることができる（例えば、非特許文献１を参照。）。この場合、水晶表面にはポリシング加工による加工変質層が生じるので、これを除去するためにウエットエッチングを行い、その後個々の水晶素子片に分割する。各水晶素子片は同様に周波数を測定し、その結果に基づいて更にウエットエッチングして厚さを調整し、所望の周波数範囲に合わせ込む。
【０００５】
このような水晶のウエットエッチングは、主にバッファード弗酸（即ち、弗化水素酸と弗化アンモニウムとの混合水溶液）の１種である飽和酸性弗化アンモニウム水溶液又は弗化水素酸を用いて行う。これらウエットエッチングの加工量が多くなると、水晶表面にはその結晶方位に起因して異方性エッチングによる凹凸が徐々に形成され、却って水晶表面が粗くなる傾向がある（例えば、非特許文献２、３を参照。）。
【０００６】
そこで、本願出願人は、バッファード弗酸を主成分として含有する第１エッチング組成物と弗化水素酸を主成分として含有する第２エッチング組成物とからなるエッチング組成物を使用し、第１エッチング組成物による第１エッチング工程と第２エッチング組成物による第２エッチング工程とによって、水晶表面を２段階にウエットエッチングする水晶加工方法を提案している。この方法によれば、第１エッチング工程で水晶表面を広い範囲で必要なエッチング量だけエッチング加工し、その際に水晶の結晶方位に起因した異方性エッチングにより水晶表面に形成される突起を、第２エッチング工程で除去して平滑化できるので、高い周波数及び／又は安定性の水晶振動子に適した薄い厚さ、十分な表面粗さの水晶板が得られる。
【０００７】
また、水晶ウエハ表面を弗化水素酸でウエットエッチングし、次にバッファード弗酸でウエットエッチングすることにより、所望の表面粗さ・平坦度・厚さに加工する水晶の表面加工方法が、本願出願人により提案されている（例えば、特許文献３を参照。）。これは、弗化水素酸のウエットエッチングでラッピングによる加工変質層を除去した後、弗化水素酸のために水晶表面に発生する乳頭状の微少突起を、次の緩衝弗酸のウエットエッチングで除去することを目的とするもので、その加工量が３μｍ以上の場合、良好な共振波形が得られないので、特に厚み滑り振動用の水晶板には適していない。
【０００８】
【特許文献１】特開平７−１０９２００号公報
【特許文献２】国際公開番号ＷＯ００／７０１３０号公報
【特許文献３】特開平１０−１３００９６号公報
【非特許文献１】小林昭監修，「鏡面加工技術の進歩」，（株）総合技術センター，平成４年５月２５日，ｐ．２１６〜２１７
【非特許文献２】滝貞男監修，「人口水晶とその電気的性質」，日刊工業出版（株），昭和４９年５月３０日，ｐ．１０２
【非特許文献３】吉村順一、外１名，「ＨＦおよびＮＨ４ＨＦ２溶液による水晶のエッチングの速度」，山梨大学工学部研究報告，昭和５５年１２月，第３１号，ｐ．１５４〜１６２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、水晶ウエハの研磨加工は比較的困難で、特に大きいサイズのものは割れや欠けが発生し易いことから、その厚さをより薄くするためには、ウエハのサイズを小さくする必要があり、歩留まり及び生産性が低下し、コストが増加するという問題がある。また、研磨後のウエットエッチング加工量を多くすると、上述したように水晶表面に生じる凹凸により振動が阻害され、温度特性即ち温度変化に関する周波数変動特性が劣化し、水晶振動子の信頼性及び安定性を損なう虞がある。実際上、良好な振動特性及び温度特性を維持するのに望ましいウエットエッチングの加工量は、両面でせいぜい２〜３μｍ程度である。
【００１０】
また、水晶ウエハのポリシング加工は、表面粗さを小さくしてＱ値及び温度特性の向上を図ることができる反面、その加工量が少ないと、前の工程から水晶表面に残存する凹凸や加工変質層に起因して、後のウエットエッチング加工で水晶表面に凹凸などの欠陥が発生し、その結果水晶表面での振動が阻害され、温度特性が劣化し、水晶振動子の信頼性及び安定性を損なう虞がある。逆に、ポリシング加工量が多いと、加工中に水晶ウエハの周辺部分がより多く加工される所謂だれが生じ、表面の平行度を損なう虞がある。また、その後のウエットエッチングは、ポリシング加工で得られた表面状態を劣化させることなく維持しなければならないから、より高精度に管理しなければならず、更にポリシング加工のために工数が多くなり、コストが増大するなどの問題がある。他方、温度特性の維持という観点から見れば、ポリシング加工は必ずしも必要でなく、要求される水晶振動子の周波数に対応した表面状態即ち平滑度を実現できれば十分である。
【００１１】
そこで、本発明は、上述した従来技術の様々な問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、要求される水晶振動子の周波数に対応した表面状態を満足しつつ、良好な温度特性を確保することができる厚みすべり振動子用水晶板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、上記目的を達成するために、厚みすべり振動子のための水晶板であって、その表面粗さ及び表面の凹凸の間隔が前記振動子の振動の水晶表面における波長よりも小さい厚みすべり振動子用水晶板が提供される。
【００１３】
このように水晶板の表面状態を水晶表面における振動の波長よりも平滑にすることによって、これを用いて製造される厚みすべりモードの水晶振動子は、少なくとも要求される周波数に対応した表面状態が得られ、その振動が水晶表面の凹凸で阻害される虞が無く、従って良好な温度特性を確保でき、高品質で高い信頼性及び安定性が得られる。
【００１４】
通常、圧電振動子用の水晶素子片は、水晶板をラッピングなどの研磨加工により所定の厚さ及び表面状態に加工し、かつその表面の加工変質層や歪みをウエットエッチングにより除去するが、かかる従来方法により可能な表面粗さ及び表面の凹凸の間隔を考慮すると、前記表面粗さ及び表面の凹凸の間隔は、後述するように周波数４０ＭＨｚに対応する波長１００ｎｍ以下であることが、実用上好ましい。
【００１５】
前記水晶板は様々な形態をとることができ、最終製品である水晶振動子の外形を有する水晶素子片であると、これに必要な電極膜を形成して所望の水晶振動片を製造することができる。また、前記水晶素子片は、その振動部が凸形状の断面を有する所謂メサ型のものや、振動部が凹形状の断面を有する所謂逆メサ型にすることができる。
【００１６】
本発明の別の側面によれば、厚みすべり振動子のための水晶板を所定の厚さ及び表面状態に、例えばラッピング加工などで研磨する工程と、前記水晶板の表面を、その表面粗さ及び表面の凹凸の間隔が前記振動子の振動の水晶表面における波長より小さくなるように、ウエットエッチングする工程とを有する水晶板の表面加工方法が提供される。
【００１７】
これにより水晶振動子の製造において、要求される周波数に対応した表面状態を有しかつ良好な温度特性を維持し得る水晶板が、研磨工程後のポリシング加工を必要とすることなく製造できるので、工数の削減による生産性の向上及びコストの低減を図ることができる。更に、本発明のウエットエッチング工程により良好な表面状態が得られることによって、ポリシング加工を施した場合と同程度の等価抵抗値が得られるので、高品質で高い信頼性及び安定性を有する厚みすべり振動子を低コストで製造することが可能になる。
【００１８】
或る実施例では、前記ウエットエッチング工程が、バッファード弗酸を主成分として含有する、または弗化水素酸とそれに対して等モル以下の強酸とを含有する第１エッチング組成物を用いて、水晶板の表面をウエットエッチングする第１エッチング工程と、弗化水素酸の濃度が１５重量％以上、６０重量％以下である、または弗化水素酸と弗化アンモニウムとを等モルで含有する第２エッチング組成物を用いて、水晶板の表面をウエットエッチングする第２エッチング工程とを有する。
【００１９】
第１エッチング工程によって、水晶板の表面から研磨加工による加工変質層を完全に除去し、かつ次の第２エッチング工程によるエッチング量及び最終的な水晶素子片の厚さを考慮して、所定の厚さに加工する。前記第１エッチング組成物は、水晶板の表面粗さを小さくすることができ、水晶板表面には、水晶の結晶方位に起因する異方性エッチングによる微小な突起が多数形成される。第２エッチング組成物は、エッチングレートが特に水晶表面の凹んだ部分よりも突出した部分において高いので、第１エッチング工程による微小な突起を第２エッチング工程により除去して、水晶表面を平滑化することができる。従って、第１エッチング工程において、水晶板表面の凹凸の間隔が水晶振動子の振動の水晶表面における波長より小さくなるように調整し、かつ第２エッチング工程において、水晶板表面の前記突起を前記波長より小さくなるように調整することによって、所望の表面状態及び厚さを有する水晶板が得られる。
【００２０】
更に、或る実施例では、前記第１エッチング工程及び第２エッチング工程をこの順序で２回以上繰り返し行うことによって、所望の表面粗さ及び表面の凹凸の間隔を確保しながら、水晶板の表面をより多くエッチングしてより薄板化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明による水晶板を加工する工程を詳細に説明する。図１は、高周波数の厚み滑りモードの水晶振動子に使用するのに適した水晶素子片を加工する工程を示している。先ず、従来工程に従って、人工水晶の原石を所定寸法・形状のブロックに切断し、面取り、研磨などにより外形を整え、例えばマルチブレードソーを用いてＡＴカットの水晶ウエハを或る厚さに切り出す（ステップST１）。この水晶ウエハの厚さは、次のラッピング加工の研磨代及びウエットエッチング加工におけるエッチング量を考慮して決定する。
【００２２】
次に、両面研磨機を用いて前記水晶ウエハの表面をラッピングにより研磨し、ウエハ切断時の加工層を取り除きかつ所定の厚さに加工する（ステップST２）。このラッピングの加工条件、例えば研磨剤の種類や砥粒の番手、加工量は、最終製品の水晶振動子の周波数に対応して決定する。
【００２３】
例えば、所望の水晶振動子の周波数が８０ＭＨｚ以下の場合、＃１５００の荒いラッピング加工で５０μｍ以上研磨すると、良好な温度特性が得られる。更に、所望の周波数が８０〜１３０ＭＨｚの場合には、＃３０００の中間用ラッピング加工で１２μｍ以上研磨し、また所望の周波数が１３０〜２６５ＭＨｚの場合には、＃４０００の仕上げ用ラッピング加工で６μｍ以上研磨することによって、良好な温度特性が得られる。研磨剤は、要求される表面粗さに対応して、例えば番手＃１５００、＃３０００、＃４０００の砥粒を粗いものから徐々に細かいものに移行しながら使用する。尚、＃４０００以降の細かい砥粒は、却って水晶表面に傷が発生し易く、振動子の諸特性を劣化させる虞があるので、好ましくない。
【００２４】
ラッピング加工した前記水晶ウエハは、最終製品である水晶振動子の外形をウエットエッチングにより加工し、個々の水晶素子片に切り離す。個片化した各水晶素子片は、洗浄した後、その周波数を測定する。この測定結果に基づいて、要求される水晶振動子の周波数に対応する厚さから各水晶素子片の必要な加工量を決定し、以下に説明する２段階のウエットエッチングを行う。この２段階ウエットエッチング加工は、水晶素子片の表面状態を、その表面粗さ及び表面の凹凸の間隔が水晶振動子の振動の水晶表面における波長より小さくなるように行う。
【００２５】
具体的に説明すると、水晶振動子の主振動の波長をλ（ｎｍ／ｓ）、周波数をｆ（ＭＨｚ）、水晶表面における振動の伝搬速度をｖ＝４０００（ｎｍ／ｓ）として、λ＝ｖ／ｆの関係があるから、水晶素子片の表面粗さＲａ（ｎｍ）及び表面の凹凸の間隔Ｓｍ（ｎｍ）は、それぞれＲａ＜λ＝４０００／ｆ、Ｓｍ＜λ＝４０００／ｆを満足するように加工する。更に、通常ラッピング加工で実現可能な表面粗さ及び表面の凹凸の間隔を考すると、実用上周波数４０ＭＨｚを限界として、Ｒａ＜１００ｎｍ、Ｓｍ＜１００ｎｍとするのが好ましい。
【００２６】
先ず、第１エッチング組成物を用いた第１エッチング工程により各水晶素子片をウエットエッチングする（ステップST３）。第１エッチング組成物は、弗化水素酸（ＨＦ）と弗化アンモニウム（ＮＨ4Ｆ）との混合水溶液であるバッファード弗酸を主成分とするもの、または弗化水素酸とそれに対して等モル以下の強酸、例えば塩酸、硝酸とを含有するものを使用する。
【００２７】
この第１エッチング工程によって、水晶素子片は、その表面から前記ラッピング加工による加工変質層を完全に除去すると共に、次の第２エッチング工程によるエッチング量を考慮しかつ最終的な水晶素子片の所望の厚さに合わせて、所定の厚さに調整する。水晶素子片の表面には、ＡＴカット面の水晶の結晶方位に起因する異方性エッチングによる独特の形状・高さの微小な突起が多数形成されるが、第１エッチング工程によって、この凹凸の間隔を水晶振動子の振動の水晶表面における所望の波長より小さくする。
【００２８】
次に、これら微小な突起を除去して平滑化するために、前記水晶素子片を適当なリンス液で洗浄しかつ必要に応じて乾燥させた後、第２エッチング組成物を用いた第２エッチング工程によりウエットエッチングする（ステップST４）。第２エッチング組成物は、弗化水素酸を主成分として含有するもの、または弗化水素酸と弗化アンモニウムとを等モルで混合したものを使用する。そのエッチングレートは、特に水晶表面の凹んだ部分よりも突出した部分の方が高いので、水晶素子片は、この第２エッチング工程によって表面が平滑化され、所望の表面状態及び厚さを有する水晶素子片が完成する。
【００２９】
第１エッチング組成物は、前記バッファード弗酸である場合、弗化水素酸に対する弗化アンモニウムの濃度が等モル比以下であることが、表面粗さを小さくできるという点で好ましい。特に弗化水素酸濃度をｍ重量％、弗化アンモニウム濃度をｎ重量％として、１２≦ｍ≦３５、５≦ｎ＜｛（６４．８−２２．２）／（３５−１２）｝・ｍを満足する範囲で良好な表面粗さが得られる。更に、３５≦ｎでは、第１エッチング組成物の液温が４５℃以上の場合、液温及び組成濃度の一定化が比較的困難で、表面粗さにむらを生じ易く、量産プロセスとしての実用化に安定性を欠くことから、１２≦ｍ≦３５、５≦ｎ≦３３、かつｎ＜｛（６４．８−２２．２）／（３５−１２）｝・ｍを満足する範囲がより好ましい。
【００３０】
この範囲においても、ｎ＞｛（１２−２７．９）／（３５−１５．１）｝・ｍ＋４０の領域は、特殊な製造方法や原料を用いる必要があり、また上市されている酸性弗化アンモニウムは不純物が多いため、これと弗化水素酸水溶液とを混合した場合、表面粗さを小さくする効果が減少する。そこで、１２≦ｍ≦３５、５≦ｎ＜｛（６４．８−２２．２）／（３５−１２）｝・ｍ、かつｎ≦｛（１２−２７．９）／（３５−１５．１）｝・ｍ＋４０を満足する範囲が、上市された高純度の原料薬液と超純水とを用いて高純度の第１エッチング組成物を比較的簡単にかつ低コストで調合できることから、より一層好ましい。更に好ましくは、２０≦ｍ≦３０、１０≦ｎ≦｛（１２−２７．９）／（３５−１５．１）｝・ｍ＋４０を満足する範囲において、より安定して平滑な表面状態が得られる。
【００３１】
第２エッチング組成物は、弗化水素酸を主成分とするものである場合、弗化水素酸濃度が１５重量％を下回ると水晶表面に凹みが局所的に発生し、却って表面粗度を悪化させる傾向がある。他方、濃度６０重量％以上の弗化水素酸水溶液は、少なくとも現在上市されていない。従って、弗化水素酸濃度が１５重量％以上、６０重量％以下である第２エッチング組成物によって、第１エッチング工程による水晶表面の前記突起を、所望の水晶振動子における振動の水晶表面での波長より小さくなるように、良好に除去または小さくすることができる。
【００３２】
前記２段階ウエットエッチングは、必要に応じて第１エッチング工程と第２エッチング工程とをその順序で２回以上繰り返し行うことができる。これによって、水晶素子片はその表面の平滑さを確保しながら、全体のエッチング加工量を多くして、より薄板化を図ることができる。
【００３３】
このようにして得られた水晶素子片は、表面粗さ及び表面の凹凸の間隔が最終製品である水晶振動子の水晶表面における振動の波長よりも小さいので、その表面状態が水晶振動子の振動を阻害する虞を解消でき、温度特性の劣化を抑制し、常に良好な温度特性を確保することができる。しかも、ポリシング加工が省略されるので、工数の削減による生産性の向上、コストの低減を図ることができる。
【００３４】
更に、ラッピング加工による加工変質層や凹凸が除去されかつ表面粗さが小さいことによって、この水晶素子片で製造される水晶振動子の等価抵抗値を、少なくともラッピング加工後にポリシング加工を行う従来方法の場合と同程度に抑制する効果が得られる。本願発明者の試験結果によれば、例えば８０ＭＨｚのＡＴカット水晶振動子において、研磨加工のみの場合にＣＩ値が２２．４Ω、従来通りポリシング加工を行った場合のＣＩ値が１３．１Ωであるのに対し、本発明の場合にはＣＩ値が１３．４Ωであった。
【００３５】
また、本発明の２段階ウエットエッチング加工は、水晶素子片の一部だけ、例えばその両面ではなく片面や一部の選択した領域だけに適用することができる。これによって、振動部の断面を台形状にした所謂メサ型水晶振動子や、振動部の厚さを周囲の枠部より薄くした所謂逆メサ型水晶振動子に適した水晶素子片が得られる。これらの場合、ラッピングにより研磨加工した水晶ウエハをウエットエッチングして振動子の外形を加工する際に、それと同時にまたはそれと並行して、台形状または凹部状の振動部を形成する。そして、水晶ウエハから個片化された各水晶素子片は、少なくとも前記振動部について本発明の２段階ウエットエッチング加工を行う。
【００３６】
上記実施例では、ＡＴカット水晶板を振動子用水晶素子片として使用する場合について説明したが、本発明は、例えばＳＣカット水晶板のようにＡＴ面以外のカット面を用いた場合にも同様に適用することができる。また、本発明は、その技術的範囲内で上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。
【実施例】
【００３７】
（実施例）
上述した加工工程に従って、厚み滑りモードの周波数５２ＭＨｚ、６７ＭＨｚ、８０ＭＨｚの本発明による各水晶振動子用ＡＴカット水晶素子片を、それぞれ表面粗さＲａ及び表面の凹凸の間隔Ｓｍを２０ｎｍで製造した。これら各水晶素子片の温度特性（温度に関する周波数の変化量Δｆ／ｆ）を測定したところ、図２（Ａ）乃至（Ｃ）に示す結果が得られた。これら各周波数に対応する波長は、それぞれ７７ｎｍ、６０ｎｍ、５０ｎｍであるが、いずれの水晶素子片もＲａ及びＳｍが波長より小さく、温度特性が劣化することなく、良好に維持されていることが確認できた。
【００３８】
（比較例）
同様に厚み滑りモードの周波数５２ＭＨｚ、６７ＭＨｚ、８０ＭＨｚ各水晶振動子用ＡＴカット水晶素子片を、従来方法を用いてそれぞれ表面粗さＲａ及び表面の凹凸の間隔Ｓｍを６０ｎｍで製造した。これら各水晶素子片の温度特性を測定したところ、図３（Ａ）乃至（Ｃ）に示す結果が得られた。Ｒａ及びＳｍが波長より小さい図３（Ａ）の周波数５２ＭＨｚの水晶素子片では、温度特性が維持されているのに対し、Ｒａ及びＳｍが波長より大きい図３（Ｂ）（Ｃ）の水晶素子片では、明らかに温度特性の劣化が認められた。
【００３９】
これらの試験結果から分かるように、本発明の厚みすべり振動子用水晶板によれば、水晶板の表面状態による水晶振動子の振動の阻害を抑制し、それにより温度特性を良好に維持できると共に、ポリシング加工を省略しても同等のＣＩ値を確保できるので、生産性の向上及びコストの低減を図りつつ、高周波化及び高安定性の水晶振動子を実現するための高品質な水晶素子片が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の水晶素子片を加工する工程を示すフロー図。
【図２】（Ａ）乃至（Ｃ）図は、それぞれ本発明の実施例による周波数５２ＭＨｚ、６７ＭＨｚ、８０ＭＨｚのＡＴカット水晶素子片における温度特性を示す線図。
【図３】（Ａ）乃至（Ｃ）図は、それぞれ比較例の周波数５２ＭＨｚ、６７ＭＨｚ、８０ＭＨｚのＡＴカット水晶素子片における温度特性を示す線図。
【図１】
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【図２】
2006314123.tif 000004
【図３】
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