(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部及び前記基部から突出して形成された、少なくとも、第１の振動脚及び第２の振動脚を含む水晶片を有する水晶デバイスの製造方法であって、
水晶基板の両方の平面に感光性材料からなるレジスト層及び耐食性を有するマスク層を形成する工程と、
前記水晶基板の第１の平面に形成されたレジスト層を第１のマスクパターンが描画された第１のマスクを介して露光し、前記水晶基板の第２の平面に形成されたレジスト層を第１のマスクパターンとは異なる形状からなる第２のマスクパターンが描画された第２のマスクを介して露光する工程と、
前記水晶基板の第１の平面のレジスト層を前記第１のマスクパターンに対応した形状でパターン化した第１のレジスト層パターンを形成し、前記水晶基板の第２の平面のレジスト層を前記第２のマスクパターンに対応した形状でパターン化した第２のレジスト層パターンを形成する工程と、
前記水晶基板の第１の平面のマスク層を前記第１のマスクパターンに対応した形状でパターン化した第１のマスク層パターンを形成し、前記水晶基板の第２の平面のマスク層を前記第２のマスクパターンに対応した形状でパターン化した第２のマスク層パターンを形成する工程と、
前記第１のマスク層パターン及び前記第２のマスク層パターン用いて水晶基板をエッチングし、前記水晶片を形成する工程と、を有し、
前記第１及び第２のマスク層パターンは、それぞれ前記第１の振動脚の先端から、前記第１の振動脚つけ根及び前記第２の振動脚の付け根を通って、前記第２の振動脚の先端へと向かう線からなる又部を有しており、
前記第１のマスク層パターンの又部に存在する屈曲部の角度と、前記第２のマスク層パターンの又部に存在する屈曲部の角度が異なっている、
ことを特徴とする水晶デバイスの製造方法。
【請求項２】
基部及び前記基部から突出して形成された、少なくとも、第１の振動脚及び第２の振動脚を含む水晶片を有する水晶デバイスの製造方法であって、
水晶基板の両方の平面に感光性材料からなるレジスト層及び耐食性を有するマスク層を形成する工程と、
前記水晶基板の第１の平面に形成されたレジスト層を第１のマスクパターンが描画された第１のマスクを介して露光し、前記水晶基板の第２の平面に形成されたレジスト層を第１のマスクパターンとは異なる形状からなる第２のマスクパターンが描画された第２のマスクを介して露光する工程と、
前記水晶基板の第１の平面のレジスト層を前記第１のマスクパターンに対応した形状でパターン化した第１のレジスト層パターンを形成し、前記水晶基板の第２の平面のレジスト層を前記第２のマスクパターンに対応した形状でパターン化した第２のレジスト層パターンを形成する工程と、
前記水晶基板の第１の平面のマスク層を前記第１のマスクパターンに対応した形状でパターン化した第１のマスク層パターンを形成し、前記水晶基板の第２の平面のマスク層を前記第２のマスクパターンに対応した形状でパターン化した第２のマスク層パターンを形成する工程と、
前記第１のマスク層パターン及び前記第２のマスク層パターン用いて水晶基板をエッチングし、前記水晶片を形成する工程と、を有し、
前記第１及び第２のマスク層パターンは、それぞれ前記第１の振動脚の先端から、前記第１の振動脚つけ根及び前記第２の振動脚の付け根を通って、前記第２の振動脚の先端へと向かう線からなる又部を有しており、
前記第１のマスク層パターンの又部に存在する曲線の中心点の個数と、前記第２のマスク層パターンの又部に存在する曲線の中心点の個数が異なっている、
ことを特徴とする水晶デバイスの製造方法。
【請求項３】
基部及び前記基部から突出して形成された、少なくとも、第１の振動脚及び第２の振動脚を含む水晶片を有する水晶デバイスの製造方法であって、
水晶基板の両方の平面に感光性材料からなるレジスト層及び耐食性を有するマスク層を形成する工程と、
前記水晶基板の第１の平面に形成されたレジスト層を第１のマスクパターンが描画された第１のマスクを介して露光し、前記水晶基板の第２の平面に形成されたレジスト層を第１のマスクパターンとは異なる形状からなる第２のマスクパターンが描画された第２のマスクを介して露光する工程と、
前記水晶基板の第１の平面のレジスト層を前記第１のマスクパターンに対応した形状でパターン化した第１のレジスト層パターンを形成し、前記水晶基板の第２の平面のレジスト層を前記第２のマスクパターンに対応した形状でパターン化した第２のレジスト層パターンを形成する工程と、
前記水晶基板の第１の平面のマスク層を前記第１のマスクパターンに対応した形状でパターン化した第１のマスク層パターンを形成し、前記水晶基板の第２の平面のマスク層を前記第２のマスクパターンに対応した形状でパターン化した第２のマスク層パターンを形成する工程と、
前記第１のマスク層パターン及び前記第２のマスク層パターン用いて水晶基板をエッチングし、前記水晶片を形成する工程と、を有し、
前記第１及び第２のマスク層パターンは、それぞれ前記第１の振動脚の先端から、前記第１の振動脚つけ根及び前記第２の振動脚の付け根を通って、前記第２の振動脚の先端へと向かう線からなる又部を有しており、
前記第１のマスク層パターンの又部に存在する曲線の曲率と、前記第２のマスク層パターンの又部に存在する曲線の曲率が異なっている、
ことを特徴とする水晶デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  基部とこの基部から突出して形成される複数の振動脚とで構成される水晶デバイスとその製造方法に関し、特に角速度センサとして用いる音叉型水晶ジャイロとその製造方法に関する。
【背景技術】  近年の高精度で小型のＨＤＤ（ハード・ディスク・ドライブ）、モバイルコンピュータ、携帯電話、自動車電話、さらに移動体通信機器等の普及によって、それらに用いられる水晶振動子に代表される水晶デバイスにも高信頼性と高精度化の要求が高まっている。
また、水晶デバイスの中でも、特にナビゲーションシステムの角速度検出やビデオカメラの手ぶれ制御に使われる水晶ジャイロにおいては、特に高信頼性と高精度化の要求が高まっている。
図１４は、従来の音叉型水晶デバイスの構造を示した図である。
従来の音叉型水晶デバイスの構造を以下に説明する（例えば、特許文献１参照。）。従来の音叉型水晶デバイス２は、水晶からなる基部２ａ及びその基部から突出して形成される振動脚２ｂとを備えた音叉型形状の水晶片１１と、その水晶片１１に電界を生じさせるための電極５０１及び５１１とで構成されている。図１４において、振動脚２ｂとは先端から基部２ａの方向に向かって最初の屈曲部までの領域のことを言い、屈曲部以降の部分を基部２ａと言うこととする。
電極５０１と電極５１１にそれぞれ異なった電圧を与えることにより、水晶片１１に所定の電界を発生させることが可能である。水晶片１１は圧電材料であるので内部に電界が発生すると、電界の方向に応じて一定の方向に伸縮する。これにより水晶片１１の振動脚２ｂが振動し、水晶振動子２として用いることができる。
次に従来の水晶デバイスの製造方法について説明する。
図１６は従来の音叉型水晶デバイスの製造方法の一部を示した図である。まず、図１６Ａに示すように、表裏の両面にマスク層２１、２２とレジスト層３１、３２を積層して形成した水晶基板１５を用意する。さらに同一のマスクパターン４１ａが形成されたマスク４１によって、水晶基板１５の両面に形成されたレジスト層３１、３２を、所定の波長の紫外線ＵＶで露光する。するとマスクパターン４１ａが形成されていない部分のみ、レジスト層３１、３２は露光されることになる。
次に図１６Ｂに示すようにレジスト層３１、３２を現像し、レジスト層パターン３１ｂ、３２ｂを形成する。このときレジスト層パターン３１ｂ、３２ｂは、ともにマスク４１のマスクパターン４１ａと同じ形状で形成されることになる。
さらに図１６Ｃに示すようにレジスト層パターン３１ｂ、３２ｂをマスクとして使用しマスク層２１、２２をエッチングし、マスク層パターン２１ｂ、２２ｂを形成する。これによりマスク層パターン２１ｂ、２２ｂともマスク４１のマスクパターン４１ａと同じ形状で形成される。
次に、図１６Ｄに示すように、レジスト層パターン３１ｂ、３２ｂを除去する。
その後、図１６Ｅに示すように水晶基板１５をエッチングして水晶片１１の外形を形成する。
図１７は従来のエッチングによって形成された水晶片の形状とマスク層パターンの形状を比較して示した図である。
図１７に示すように、図１６Ｅでエッチングにより形成された水晶片１１の主面２１１、２２１、すなわち水晶基板１５の平面であった面は、マスク層パターン２１ｂと２２ｂとほぼ同じ形状で形成される。マスク層２１ｂ、２２ｂはどちらもマスクパターン４１ａとほぼ同じ形状であるので、水晶片１１の二つの主面２１１、２２１はどちらも同一形状で形成されていることになる。
図１６Ｅによるエッチングの後、マスク層パターン２１ｂ、２２ｂを除去し、電極５０１、５１１を形成し、図１４に示すような音叉型水晶デバイス２が完成する。
なお、上記従来の音叉型水晶デバイスの構成と製造方法は、水晶振動子、水晶発振器、水晶ジャイロなど用途に問わず利用されている。
従来の音叉型水晶デバイス２では、それに構成される水晶片１１をエッチングによって形成するのが一般的であった。しかしながら、水晶はエッチングされる方向によって反応速度が異なる特性（これを一般に異方性エッチング特性と称する。）を有しており、その結果、図１４に示すように、基部２ａの振動脚２ｂに挟まれた中間領域、すなわち図１４において一方の振動脚２ｂの先端からつけ根を通って、他方の振動脚２ｂの付け根に向かい、さらに他方の振動脚２ｂの先端へと結ばれる部分（一般にこの部分を又部と称する。）に側面から突出してできた尾根状のエッチング残り部１１１が必ず形成されてしまう。
図１４に示すように、又部にエッチング残り部１１１が形成されると、本来Ｘ軸方向に振動しなければならない振動脚２ｂが、Ｗ１のようにＺ軸方向に少し傾いて振動してしまう。このＺ軸に傾いて振動するＷ１振動はエッチング残り部１１１が大きくなればなるほどＺ軸方向に大きく振れる。
図１５は従来の音叉型水晶デバイスの音叉の又部近傍の拡大図と側面図である。なお図１５（ｂ）は図１５（ａ）におけるＣ方向から見た側面形状を示している。図１５（ｂ）に示すように、エッチング残り部１１１は、水晶片１１の側面を主面２１１から主面２２１に向けて斜めに尾根状に形成されている。そのため振動脚２ｂのつけ根付近に斜めに梁をいれたような状態になり、これが原因でＺ軸方向に傾いて振動するＷ１振動が発生してしまうのである。なお本明細書において、つけ根とは振動脚２ｂと基部２ａの境界の部分をいい、図１５（ａ）においては屈曲部がつけ根となる。
また図１５（ａ）に示すようにエッチングによって形成されたエッチング残り部１１１は音叉の又部の一方の振動脚側のみに形成され、その結果、図１４に示すように左右の振動脚２ｂで振動方向が異なってしまう。
以上のように振動脚２ｂが不安定な方向に振動することにより、不安定で精度の低い水晶デバイスができあがることが多く、従来は水晶片１１を形成した後、電極５０１、５１１や水晶片１１を適度に除去する加工工程を付加して、振動方向のバランスを調節していた。
水晶デバイスの振動の安定化に関しては、特許文献１によって一つの提案がなされている。特許文献１は水晶片１１の平面形状を最適化することによって水晶デバイスの振動を安定化させるというものであるが、特許文献１によると一方の主面２０１の平面形状と他方の主面２１１の平面形状は同一な形状であると記されている。
しかしながら、我々が実験したところ、水晶片１１の一方の主面２０１の平面形状と他方の主面２１１の平面形状とが同一である限り、振動を不安定にさせる原因であるエッチング残り部１１１は、大きさに多少の差異が生じることはあっても、形成される形状に大きな差は生じず、ほとんどが同様の形状で形成されてしまう事が確認できた。すなわち、特許文献１に示すように音叉の又部の平面形状を決定するマスク４１のマスクパターン４１ａだけをいかなる形状に最適化しても、主面２０１側と主面２１１側で同一形状のマスクパターン４１ａを使用する限り、不安定な振動を発生させるエッチング残り部１１１が形成されてしまうのである。
なお音叉型水晶デバイスの一つの応用製品である水晶ジャイロにおいては、図１４に示すＷ１振動のようなＺ軸に傾いた振動は、非常に大きな問題となる。なぜなら、水晶ジャイロにおいてＺ軸方向は、検出しようとする角速度の方向そのものであり、Ｗ１のようなＺ軸方向の振動は検出しようとする本来の正確な角速度を狂わす要因となってしまうからである。よって、従来水晶ジャイロは精度が低く、且つ信頼性が低かった。
【特許文献１】特開平１０−４１７７２号公報（第５頁、図２、図３）。
【発明の開示】
本発明の目的は、従来の問題点を解消することを可能とする水晶デバイス及びその製造方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、高精度で信頼性の高い水晶デバイスとその製造方法を提供することである。
さらに、本発明の目的は、本発明に係る水晶デバイスを水晶ジャイロに用いることにより、正確な角速度の検出が可能な高精度で信頼性の高い水晶ジャイロとその製造方法を提供することにある。
本発明に係る水晶デバイスは、基部とこの基部から突出して形成される複数の振動脚とを備えた水晶片を有する水晶デバイスであって、水晶片には基部と複数の振動脚とを一平面に有する２個の主面が構成されており、その一方の主面の外形形状と他方の主面の外形形状とが異なった形状をなしていることを特徴としている。
また、本発明に係る水晶デバイスは、基部の一部と振動脚の一部とを一平面内に含む第１の主面と、基部の他の一部と振動脚の他の一部とを一平面内に含む第２の主面とが水晶片上に構成され、第１の主面の外形形状と第２の主面の外形形状とが異なっていることを特徴とする。
さらに、本発明に係る水晶デバイスでは、水晶片は、少なくとも、第１の振動脚及び第２の振動脚を有することが好ましく、第１及び第２の主面は、それぞれ第１の振動脚の先端から、第１の振動脚つけ根及び第２の振動脚の付け根を通って、第２の振動脚の先端へと向かう線からなる又部を有しており、第１の主面の又部の形状と第２の主面の又部の形状が異なっていることが好ましい。
さらに、本発明に係る水晶デバイスでは、第１の主面の又部に存在する屈曲部の個数と、第２の主面の又部に存在する屈曲部の個数が異なっていることが好ましい。
さらに、本発明に係る水晶デバイスでは、第１の主面の又部に存在する屈曲部の角度と、第２の主面の又部に存在する屈曲部の角度が異なっていることが好ましい。
さらに、本発明に係る水晶デバイスでは、第１の主面の又部に存在する曲線の中心点の個数と、第２の主面の又部に存在する曲線の中心点の個数が異なっていることが好ましい。
さらに、本発明に係る水晶デバイスでは、第１の主面の又部に存在する曲線の曲率と、第２の主面の又部に存在する曲線の曲率が異なっていることが好ましい。
本発明に係る水晶デバイスの製造方法は、水晶デバイスは基部とこの基部から突出して形成される複数の振動脚とを備えた水晶片を有し、
水晶基板の両方の平面に感光性材料からなるレジスト層と水晶のエッチングに対して耐食性を有するマスク層を形成し、水晶基板の一方の平面に形成されたレジスト層を所定の形状からなる第１のマスクパターンが描画された第１のマスクを介して露光し、他方の平面に形成されたレジスト層を第１のマスクパターンとは異なる形状からなる第２のマスクパターンが描画された第２のマスクを介して露光する工程と、水晶基板の一方の平面のレジスト層を第１のマスクパターンに対応した形状でパターン化し第１のレジスト層パターンを形成し、さらに水晶基板の他方の平面のレジスト層を第２のマスクパターンに対応した形状でパターン化し第２のレジスト層パターンを形成する工程と、
水晶基板の一方の平面のマスク層を第１のマスクパターンに対応した形状でパターン化し第１のマスク層パターンを形成し、さらに水晶基板の他方の平面のマスク層を第２のマスクパターンに対応した形状でパターン化し第２のマスク層パターンを形成する工程と、
第１のマスクパターンと第２のマスクパターンをそれぞれマスクとして水晶基板をエッチングし、所望の形状からなる水晶片を形成する工程とを有することを特徴としている。
また、本発明に係る製造方法では、水晶基板の両方の平面に感光性材料からなるレジスト層及び耐食性を有するマスク層を形成する工程と、水晶基板の第１の平面に形成されたレジスト層を第１のマスクパターンが描画された第１のマスクを介して露光し且つ水晶基板の第２の平面に形成されたレジスト層を第１のマスクパターンとは異なる形状からなる第２のマスクパターンが描画された第２のマスクを介して露光する工程と、水晶基板の第１の平面のレジスト層を第１のマスクパターンに対応した形状でパターン化した第１のレジスト層パターンを形成し且つ水晶基板の第２の平面のレジスト層を第２のマスクパターンに対応した形状でパターン化した第２のレジスト層パターンを形成する工程と、水晶基板の第１の平面のマスク層を前記第１のマスクパターンに対応した形状でパターン化した第１のマスク層パターンを形成し且つ水晶基板の第２の平面のマスク層を第２のマスクパターンに対応した形状でパターン化した第２のマスク層パターンを形成する工程と、第１のマスク層パターン及び第２のマスク層パターン用いて水晶基板をエッチングして水晶片を形成する工程とを有することを特徴とする。
さらに、本発明に係る製造方法では、第１のマスク層パターンは前記基部の一部と振動脚の一部とを一平面内に含む外形形状を有し、第２のマスク層パターンは基部の他の一部と振動脚の他の一部とを一平面内に含む外形形状を有することが好ましい。
さらに、本発明に係る製造方法では、水晶片は、少なくとも、第１の振動脚及び第２の振動脚を有することが好ましい。
さらに、本発明に係る製造方法では、第１及び第２のマスク層パターンは、それぞれ第１の振動脚の先端から、第１の振動脚つけ根及び第２の振動脚の付け根を通って、第２の振動脚の先端へと向かう線からなる又部を有していることが好ましい。
さらに、本発明に係る製造方法では、第１のマスク層パターンの又部の形状と第２のマスク層パターンの又部の形状が異なっていることが好ましい。
さらに、本発明に係る製造方法では、第１のマスク層パターンの又部に存在する屈曲部の個数と、第２のマスク層パターンの又部に存在する屈曲部の個数が異なっていることが好ましい。
さらに、本発明に係る製造方法では、第１のマスク層パターンの又部に存在する屈曲部の角度と、第２のマスク層パターンの又部に存在する屈曲部の角度が異なっていることが好ましい。
さらに、本発明に係る製造方法では、第１のマスク層パターンの又部に存在する曲線の中心点の個数と、第２のマスク層パターンの又部に存在する曲線の中心点の個数が異なっていることが好ましい。
さらに、本発明に係る製造方法では、第１のマスク層パターンの又部に存在する曲線の曲率と、第２のマスク層パターンの又部に存在する曲線の曲率が異なっていることが好ましい。
本発明に係る水晶デバイスでは、水晶片の二つの主面の外形形状が異なっていること、特に二つの主面の又部の形状が異なっていることが、１つの特徴となっている。
本発明に係る水晶デバイスによれば、（音叉型）水晶片の振動を安定化させることができ、その結果、高い信頼性と高い精度を有する水晶デバイスが得られた。
また、本発明に係る水晶デバイスによれば、従来は振動特性安定化のため必要とされていたエッチング工程後の加工工程を簡略化もしくは省略することができるようになり、その結果、従来に比べて生産性が良好な水晶デバイスが得られた。
さらに、本発明に係る水晶デバイスを水晶ジャイロとして利用すれば、振動を安定化させることができ、正確な角速度の検出ができるので、検出感度の高い高精度を有する水晶ジャイロが得ることが可能となる。
本発明に係る水晶デバイスの製造方法によれば、安定した振動が得られる水晶片を形成でき、その結果、高い信頼性と高い精度を有する水晶デバイスを製造できるようになった。
また、本発明に係る水晶デバイスの製造方法によれば、従来は振動特性安定化のため必要とされていたエッチング工程後の加工工程を簡略化もしくは省略することができ、生産性が向上した。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明に係る水晶デバイス１の構造を示した図である。
図２は、本発明に係る水晶デバイス１の又部近傍の拡大図と側面図である。
図３は、本発明に係る水晶デバイス１の製造方法の前半の工程を示した図である。
図４は、本発明に係る水晶デバイス１の製造方法の後半の工程を示した図である。
図５は、本発明に係る水晶デバイス１の水晶片１０の形状及びマスク層パターンの形状を示した図である。
図６は、一般の人工水晶からなる水晶基板のエッチングの特性を示した図である。
図７は、本発明に係る水晶デバイス１の製造方法で用いたマスクパターンを示した図である。
図８は、本発明に係る他の水晶デバイス２の製造方法で用いたマスクパターンを示した図である。
図９は、本発明に係る他の水晶デバイス２の水晶片１２の形状及びマスク層パターンの形状を示した図である。
図１０は、本発明に係る更に他の水晶デバイス３の製造方法で用いたマスクパターンを示した図である。
図１１は、本発明に係る更に他の水晶デバイス３の水晶片１３の形状及びマスク層パターンの形状を示した図である。
図１２は、本発明に係る他の水晶デバイス４の製造方法で用いたマスクパターンを示した図である。
図１３は、本発明に係る更に他の水晶デバイス４の水晶片１４の形状及びマスク層パターンの形状を示した図である。
図１４は、従来の音叉型水晶デバイスの構造を示した図である。
図１５は、従来の音叉型水晶デバイスの音叉の又部近傍の拡大図と側面図である。
図１６は、従来の音叉型水晶デバイスの製造方法の一部を示した図である。
図１７は、従来のエッチングによって形成された水晶片の形状とマスク層パターンの形状を比較して示した図である。
【発明を実施するための最良の形態】  図１は本発明に係る水晶デバイス１の構造を示した図である。
本発明に係る水晶デバイス１は、水晶からなる水晶片１０と電極５００及び電極５１０とを有している。水晶片１０は基部１ａとその基部１ａから突出して形成されている複数の振動脚１ｂとで構成され、音叉型の形状をなしている。また電極５００と電極５１０は電気的に分離されており、互いに異なる電圧を与えることによって、水晶片１０の内部に電界を生じさせることができる。なお水晶片１０は、圧電材料であるので、内部に生じた電界の方向に応じて、伸縮し、この伸縮運動によって振動脚１ｂを振動させることが可能となる。水晶デバイス１の電極５００、５１０に電圧が加わると、２本の振動脚１ｂはＸ軸に沿った振動Ｗ０を発生させることができた。
なお、以後本明細書中では、先端から基部の方向に向かって延びる外形線の最初の屈曲部までの領域を「振動脚」と言い、屈曲部以降の領域を「基部」と言い、基部と振動脚との境界部を「つけ根」と言うものとする。
図１に示す本発明に係る水晶デバイス１と、従来の音叉型水晶デバイスとの相違点は、水晶片１０の外形形状、特に水晶片１０の基部１ａの平面と振動脚１ｂの平面とからなる二つの主面２１０、２２０の形状にある。本発明の実施形態では、特に２本の振動脚に挟まれた中間領域（図１において一方の振動脚１ｂの先端からつけ根を通って、他方の振動脚１ｂの付け根に向かい、さらに他方の振動脚１ｂの先端へと結ばれる部分（以下、この部分を「又部」と言う。））において、主面２１０の形状と主面２２０の形状が異なっている。この点が、本発明のもっとも大きな特徴の一つである。
主面２１０の又部の形状は三つの屈曲部で形成されているのに対し、主面２２０の又部の形状は二つの屈曲部で形成されている（主面２２０の又部の２つの屈曲部のうち１つは図１において見えていない。）。従来の音叉型水晶デバイスでは、このように二つの主面２１０、２２０の又部の形状を異なった形状にしたものはなく、必ず同一の形状であった。
水晶片１０の二つの主面２１０、２２０の又部の形状を異なった形状にすることによって、副次的に水晶片の形状（水晶片１０の又部の側面に形成されるエッチング残り部１１０の形状）に従来と異なる変化を与えることができる。本実施形態に係る水晶デバイスでは、このエッチング残り部１１０の形状を最適な形状にすることによって、図１に示すＸ軸に沿った振動Ｗ０のような安定した振動特性を得ることができた。
図２Ａは図１に示す音叉型水晶デバイス１の又部近傍の拡大図であり、図２Ｂは図２ＡにおけるＢ方向から見た側面形状を示す図である。
図２Ａ及び図２Ｂに示すように、水晶デバイス１のエッチング残り部１１０は、水晶片１０の又部の側面に、二つの主面２１０、２２０とほぼ平行な稜線を有する尾根状の突起形状として形成された。水晶デバイス１のエッチング残り部１１０は、従来のように二つの主面の間を横切って斜めに稜線が形成されるような形状にはなっていない。さらにこのエッチング残り部１１０の大きさは、従来（両方の主面にマスクパターン２１ｂを用いた場合）と比較して小さく（体積比で１／４程度に）形成することができた。
以上のように本発明では、水晶片１０の又部の側面に形成されるエッチング残り部１１０が非常に小さく、且つ二つの主面２１０、２２０とほぼ平行な稜線になるような突起形状で形成することができた。したがって、振動脚のつけ根付近での不自由な突っ張りがなく、振動脚は設計通りにＸ軸に沿った安定した振動Ｗ０を発生させることができた。
以下、水晶デバイス１の製造方法について説明する。
図３は水晶デバイス１の製造方法の前半の工程を示した図であり、図４は水晶デバイス１の製造方法の後半の工程を示した図であり、図７は水晶デバイス１の製造方法に用いたマスクパターンを示した図である。
まず、図３Ａに示すように、表裏の平面にマスク層２１、２２とレジスト層３１、３２を積層して形成した水晶基板１５を用意する。本実施形態で使用した水晶基板１５は、水晶の結晶方向のＺ軸に対してほぼ垂直な面（Ｚ軸に対して８５度〜９５度の角度をなす面）を平面とした基板であり、一般にＺ板と呼ばれる基板である。
また本実施形態では、マスク層２１、２２として、水晶基板１５上に０．０５μｍの厚みで成膜したクロム（Ｃｒ）膜と、そのＣｒ膜上に０．１５μｍの厚みで成膜した金（Ａｕ）膜とからなる積層膜を使用した。またレジスト層３１、３２として東京応化（株）製のポジ型レジストＯＦＰＲ−８００を使用した。
この水晶基板１５のマスク層２１、レジスト層３１が形成された一方の平面をマスク４１によって、さらにマスク層２２、レジスト層３２が形成された他方の平面をマスク４２によって、それぞれ所定の波長の紫外線ＵＶで露光した。
本実施形態では、マスク４１に描画されるマスクパターン４１ａと、マスク４２に描画されるマスクパターン４２ａとは、互いに異なった形状をしている。マスク４１に描画されるマスクパターン４１ａは、図７Ａに示すように、基部の平面形状と２本の振動脚の平面形状とからなる外形形状をしている。また、マスクパターン４１ａの２本の振動脚で挟まれた中間領域の形状（すなわち又部の形状）は、直線が折れ曲がって形成される３つの屈曲部を有する形状で形成されている。これに対し、マスク４２に描画されるマスクパターン４２ａは、図７Ｂに示すように、基部の平面形状と２本の振動脚の平面形状とからなる外形形状をしている。また、マスクパターン４２ａの２本の振動脚で挟まれた中間領域の形状（すなわち又部の形状）は、直線が折れ曲がって形成される２つの屈曲部を有する形状で形成されている。以上のように本実施形態で用いたマスク４１のマスクパターン４１ａとマスク４２のマスクパターン４２ａでは、又部の形状が異なっており、特に又部の形状に存在する屈曲部の個数が互いに異なっている。
次に、図３Ｂに示すように、レジスト層３１、３２を現像し、レジスト層パターン３１ａ、３２ａを形成する。本実施形態では、ＯＦＰＲ−８００専用の現像液を用いて現像を行った。
このときレジスト層パターン３１ａは、マスク４１のマスクパターン４１ａと同じ形状で形成され、レジスト層パターン３２ａは、マスク４２のマスクパターン４２ａと同じ形状で形成されることになる。すなわち、レジスト層パターン３１ａは基部の平面形状と２本の振動脚の平面形状とからなる外形形状をしており、レジスト層パターン３１ａの２本の振動脚形状で挟まれた又部は３つの屈曲部を有する形状で形成されている。一方、レジスト層パターン３２ａは基部の平面形状と２本の振動脚の平面形状とからなる外形形状をしており、レジスト層パターン３２ａの２本の振動脚形状で挟まれた又部は２つの屈曲部を有する形状で形成されている。
次に、図３Ｃに示すように、レジスト層パターン３１ａ、３２ａをマスクとして使用しマスク層２１、２２をエッチングし、マスク層パターン２１ａ、２２ａを形成する。本実施形態では、王水によってＡｕ膜をエッチングし、硝酸系のエッチング液によってＣｒ膜をエッチングし、マスク層パターン２１ａ、２２ａを形成した。
このときマスク層パターン２１ａはレジスト層パターン３１ａと同様にマスク４１のマスクパターン４１ａと同じ形状で形成され、マスク層パターン２２ａはレジスト層パターン３２ａと同様にマスク４２のマスクパターン４２ａと同じ形状で形成される。すなわちマスク層パターン２１ａは基部の平面形状と２本の振動脚の平面形状とからなる外形形状をしており、マスク層パターン２１ａの２本の振動脚形状で挟まれた又部は３つの屈曲部を有する形状で形成されている。一方、マスク層パターン２２ａは基部の平面形状と２本の振動脚の平面形状とからなる外形形状をしており、マスク層パターン２２ａの２本の振動脚形状で挟まれた又部は２つの屈曲部を有する形状で形成される。
次に、図３Ｄに示すように、レジスト層パターン３１ａ、３２ａを除去することによって、水晶基板１５の平面にマスク層パターン２１ａ、２２ａがそれぞれ異なった形状で形成された状態が形成される。本実施形態では、レジスト層パターン３１ａ、３２ａに用いられたＯＦＰＲ−８００をアセトンによって除去した。
図４Ａは上記のようにして水晶基板１５の平面にマスク層パターン２１ａ、２２ａがそれぞれ異なった形状で形成された状態を示した図である。また、図４ＡにおけるＡ−Ａ断面が図３Ｄに示した図である。図４Ａの状態の水晶基板１５をエッチングすることによって、図４Ｂに示すような、マスク層２１ａ、２２ａの形状を外形形状とし且つ一方の主面の形状と他方の主面の形状が異なった形状である水晶片１０を形成した。
図５は、本発明に係る水晶デバイス１に用いられる水晶片１０の形状とマスク層パターンの形状とを比較して示した図である。
本実施形態では、水晶片１０の一方の主面２１０の形状はマスク層パターン２１ａとほぼ同じ形状で形成され、その形状は基部の平面形状と２本の振動脚の平面形状とからなる外形形状をし、２本の振動脚形状で挟まれた又部の形状は３つの屈曲部を有する形状である。また水晶片１０の他方の主面２２０の形状はマスク層パターン２２ａとほぼ同じ形状で形成され、その形状は基部の平面形状と２本の振動脚の平面形状とからなる外形形状をし、２本の振動脚形状で挟まれた又部の形状は２つの屈曲部を有する形状である。よって本実施形態における水晶片１０の一方の主面２１０と他方の主面２２０は異なった形状となる。
図４Ｂのエッチング工程によって形成した水晶片１０には２本の振動脚に挟まれた又部の側面にエッチング残り部１１０が形成される。これは、水晶の特異なエッチング特性によるものである。水晶はその結晶方位によってエッチング速度が異なるエッチング特性を有しており、一般に異方性エッチング特性と呼ばれる特性である。水晶片１０の又部近傍ではこの水晶の異方性エッチング特性の影響により、必ずエッチング残り部１１０のような突起形状が側面に形成されてしまう。
ただし、本実施形態では、マスク層パターン２１ａとマスク層パターン２２ａの形状をとそれぞれの主面における異方性エッチングを考慮した形状、すなわちエッチング速度が遅い部分はエッチングしやすいように開口を大きくし、エッチング速度が速い部分はエッチングが進み難いように開口を小さくした形状、で形成してあるので、エッチング残り部１１０を従来に比べて非常に小さくすることができた。また、本実施形態のこのエッチング残り部１１０の形状は従来と異なり、水晶片１０の又部の側面に、二つの主面２１０、２２０とほぼ平行な稜線を有する尾根状の突起形状で形成できた。これもマスク層パターン２１ａ、２２ａの形状の効果である。
本発明は、このように水晶の異方性エッチングを考慮してマスク層パターン２１ａ、２２ａの形状をそれぞれ主面ごとに別々に設計した点も特徴の一つである。
なお我々は多くの実験を行うことによって、マスク層パターン２１ａ、２２ａの最適な形状の組み合わせをいくつか得ることができた。その結果、マスク層パターン２１ａとマスク層パターン２２ａの最適な形状は、水晶片１０の２つの主面において同じにはならず、主面ごとに異なった形状の組み合わせが最適である事がわかった。
最後に、マスク層パターン２１ａ、２２ａをそれぞれ除去し、さらにその後、電極５００、５１１が形成されて、図１に示すような音叉型水晶デバイスを完成させることができた。
なお、本発明に係る音叉型水晶デバイス１は、特に水晶ジャイロに利用することが、非常に効果的であった。コリオリカを利用した水晶ジャイロにおいてＺ軸方向（水晶の結晶軸の一つであるＺ軸に沿った方向）は、振動脚の振動方向に垂直な方向であり、検出しようとする角速度の方向そのものである。音叉型水晶デバイス１では振動Ｗ０のようにＺ軸方向の振動はほとんど発生せず、検出しようとする角速度の成分だけを正確に検出することができた。その結果、本発明に係る音叉型水晶デバイス１を用いると、従来に比べて非常に検出感度が良好で信頼性の高い水晶ジャイロが得られた。
通常、水晶ジャイロにおいて、検出しようとする角速度の方向は、振動脚の振動方向に垂直な方向であり、振動方向が設計通りに安定していないと、正確な角速度の検出ができない。しかしながら本発明の水晶デバイスによる水晶ジャイロでは、振動方向が設計通りに安定しているため、振動方向に垂直な角速度を正確に検出することができるのである。
以下エッチング残り部について説明する。
上述したように、本発明に係る水晶デバイス１では、水晶片の二つの主面の外形形状を異なった形状にすることによって、水晶片の又部側面に形成されるエッチング残り部１１０を非常に小さくすることができた。また、エッチング残り部１１０を、二つの主面とほぼ平行な稜線を有する突起形状として形成することができた。さらに、エッチング残り部を、又部の側面のほぼ中央付近に、水晶片の主面方向に沿った形状で形成することができた。このようにエッチング残り部の形状が、従来と大きく異なっている点が、本発明の特徴の１つである。
従来の水晶デバイスに用いられていた水晶片では、又部の側面に形成されるエッチング残り部１１１が、水晶片の側面を一方の主面から他方の主面に向けて斜めに尾根状に形成されていた（図１５Ｂ参照）。そのため振動脚のつけ根付近に斜めに梁をいれたような状態になり、これによりＺ軸方向に傾いて振動してしまっていた。
しかしながら、本発明に係る水晶デバイス１では、上述のようにエッチング残り部１１０は、小さく、且つ又部の側面のほぼ中央付近に水晶片の主面方向に沿って形成されるため、振動脚のつけ根が力学的に突っ張ることはなく、所定の安定した振動をさせることができるようになった。
このようなエッチング残り部の形状１１０は、水晶基板をエッチングすることによって形成される。エッチング残り部１１０の形状は、エッチング前の工程で形成されるマスク層パターンの形状によってほぼ決定される。本発明に係る水晶デバイス１におけるエッチング残り部１１０の形状は、マスク層パターンを水晶基板の表面と裏面とで異なった形状にすることによって得られる。これは、水晶基板の表面と裏面とでエッチングの進み方が異なるというエッチング特性を利用したためである。
図６は一般の人工水晶からなる水晶基板のエッチングの特性を示した図である。
図６Ａ及びＢに示す水晶基板１５は、どちらも結晶軸のＺ軸に対して垂直な面を平面とするようにカットされた基板（一般にこのようにカットされた基板のことを「Ｚ板」と称する）である。但し、図６Ａの水晶基板における水晶の成長方向ｇと、図６Ｂの水晶基板における水晶の成長方向ｇとが逆向きになっている。すなわち、図６Ａ及びＢは、水晶基板の表裏の関係になっている。
通常、図６Ａ及びＢに示すような、Ｚ軸に対して垂直な面を平面としてカットされた水晶基板１５（Ｚ板）では、その平面上に１２０度の等間隔で３本のＹ軸（Ｙ１−１〜Ｙ１−３、Ｙ２−１〜Ｙ２−３）が存在している。
このような水晶基板１５を同じ条件でエッチングすると、Ｙ軸に平行な方向のエッチング速度ｅ１とＹ軸に垂直な方向のエッチング速度ｅ２が、図６Ａと図６Ｂの場合とで異なる。
一般に、図６Ａに示すように成長方向ｇの成長先側の平面では、Ｙ軸（Ｙ１−１）に平行な方向のエッチング速度ｅ１とＹ軸（Ｙ１−２）に垂直な方向のエッチング速度ｅ２は、ｅ１＞ｅ２の関係にある。一方、図６Ｂに示すように成長方向ｇの成長元側の平面では、Ｙ軸（Ｙ２−１）に平行な方向のエッチング速度ｅ１とＹ軸（Ｙ２−２）に垂直な方向のエッチング速度ｅ２は、ｅ１＜ｅ２の関係にある。
このようなエッチング速度ｅ１、ｅ２の速さに応じて、マスク層パターンの形状を設計すれば、本発明のようなエッチング残り部形状を有する水晶片を形成することが可能になる。
例えば、図５の水晶片１０の上面２１０が図６Ａのような状態であって、図６Ａの３つのＹ軸（Ｙ１−１〜Ｙ１−３）が図５の示すように配置されているとする。すると、Ｙ１−２軸と直角の方向ｅ２の方向がエッチング残り部１１０の張り出し方向とほぼ一致する。即ち、ｅ２の方向にはエッチングが進みにくいことから、ｅ２の方向にエッチング残り部が形成されることとなる。
図８は、本発明に係る他の水晶デバイス２におけるマスクパターンの組み合わせを示した図である。
本発明に係る他の水晶デバイス２では、図８Ａ及び図８Ｂに示すような、屈曲部の角度（θ１、θ２）が異なったマスクパターン４１ｂ及び４２ｂを用いて、音叉型水晶デバイス２の製造を行った。水晶デバイス２の製造方法は、マスクパターンが４１ｂ及び４２ｂに変更された他は、図３の示す方法と同様であるので、説明を省略する。
図９は、本発明に係る音叉型水晶デバイス２に用いられる水晶片１２の形状とマスク層パターンの形状とを比較して示した図である。
又部形状の屈曲部の角度が異なったマスクパターン４１ｂ及び４２ｂを用いることで、それぞれ又部の屈曲部の角度が異なった２つの主面を有する水晶片１２を製造することができた。また、このようにして形成された水晶片１２のエッチング残り部１１２は、二つの主面とほぼ平行な稜線を有する突起形状であった。エッチング残り部１１２は、従来のように二つの主面の間を横切って斜めに稜線が形成されるような形状にはなっていない。さらに、エッチング残り部１１２の大きさは、従来（両方の主面にマスクパターン４１ｂを用いた場合）と比較して小さく（体積比で４／９程度に）形成することができた。
その結果、本実施形態においても、振動脚のつけ根付近での不自由な突っ張りがなく、振動脚は設計通りにＸ軸に沿った安定した振動を発生させることができ、高い信頼性と高い精度を有する水晶デバイスを得ることができた。
図１０は、本発明に係る更に他の水晶デバイス３におけるマスクパターンの組み合わせを示した図である。
本発明に係る更に他の水晶デバイス３では、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すような、又部形状における曲線部（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３）の個数が異なったマスクパターン４１ｃ及び４２ｃを用いて、音叉型水晶デバイス３の製造を行った。水晶デバイス３の製造方法は、マスクパターンが４１ｃ及び４２ｃに変更された他は、図３の示す方法と同様であるので、説明を省略する。
図１１は、本発明に係る音叉型水晶デバイス３に用いられる水晶片１３の形状とマスク層パターンの形状とを比較して示した図である。
又部形状の曲線部の個数が異なったマスクパターン４１ｃ及び４２ｃを用いることで、それぞれ又部の曲線部の個数が異なった２つの主面を有する音叉型水晶デバイス３を製造することができた。さらに、このようにして形成された水晶片１３のエッチング残り部１１３は、二つの主面とほぼ平行な稜線を有する突起形状であった。エッチング残り部１１３は、従来のように二つの主面の間を横切って斜めに稜線が形成されるような形状にはなっていない。さらに、エッチング残り部１１３の大きさは、従来（両方の主面にマスクパターン４１ｃを用いた場合）と比較して小さく（体積比で１／４程度に）形成することができた。
その結果、本実施形態においても、振動脚のつけ根付近での不自由な突っ張りがなく、振動脚は設計通りにＸ軸に沿った安定した振動を発生させることができ、高い信頼性と高い精度を有する水晶デバイスを得ることができた。なお本発明において曲線部の個数は、その曲線部の中心点の個数で表し、連続した曲線であってもその中心点が２つあれば２つの曲線部と見なすこととする。
図１２は、本発明に係る更に他の水晶デバイス４におけるマスクパターンの組み合わせを示した図である。
本発明に係る更に他の水晶デバイス４では、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すような、又部形状における曲線部（Ｒ１、Ｒ４）の曲率が異なったマスクパターン４１ｄ及び４２ｄを用いて、音叉型水晶デバイス４の製造を行った。水晶デバイス４の製造方法は、マスクパターンが４１ｄ及び４２ｄに変更された他は、図３の示す方法と同様であるので、説明を省略する。
図１３は、本発明に係る音叉型水晶デバイス４に用いられる水晶片１４の形状とマスク層パターンの形状とを比較して示した図である。
又部形状の曲線部の曲率が異なったマスクパターン４１ｄ及び４２ｄを用いることで、それぞれ又部の曲線部の曲率が異なった２つの主面を有する音叉型水晶デバイス４を製造することができた。さらに、このようにして形成された水晶片１４のエッチング残り部１１４は、二つの主面とほぼ平行な稜線を有する突起形状であった。エッチング残り部１１４は、従来のように二つの主面の間を横切って斜めに稜線が形成されるような形状にはなっていない。さらに、エッチング残り部１１４の大きさは、従来（両方の主面にマスクパターン４１ｄを用いた場合）と比較して小さく（体積比で４／９程度に）形成することができた。
その結果、本実施形態においても、振動脚のつけ根付近での不自由な突っ張りがなく、振動脚は設計通りにＸ軸に沿った安定した振動を発生させることができ、高い信頼性と高い精度を有する水晶デバイスを得ることができた。
以上のように、本発明に従えば、高い信頼性と高い精度を有する水晶デバイス１〜４を得ることができた。このような水晶デバイス１〜４を、水晶振動子、水晶発振器などの製品に利用すれば、高い信頼性と精度を得ることが可能である。さらに、このような水晶デバイス１〜４を、水晶ジャイロに利用すれば、正確な角速度の検出が可能となり、検出感度の高い高精度を有する水晶ジャイロを得ることができる。
また、このような水晶デバイス１〜４では、従来よりもエッチング残り部を小さく形成すること、エッチング残り部を二つの主面とほぼ平行な稜線を有する突起形状として形成することができた。そのため、このような水晶デバイス１〜４では、従来行われていたエッチング工程後の振動安定化のための加工工程を簡略化もしくは省略することができ、生産性を向上させることができた。
なお、本発明は、前述した水晶デバイス１〜４で用いた異なる形状を有するマスクパターンの組み合わせに限定されるものではない。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１６Ｄ】
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【図１６Ｅ】
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【図１７】
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