JP5520618B2

JP5520618B2 - 音叉型屈曲水晶振動素子

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Publication number: JP5520618B2
Application number: JP2010010653A
Authority: JP
Inventors: 良太河合; 茂木崎
Original assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Current assignee: Kyocera Crystal Device Corp
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: JP2011151567A

Description

本発明は、電子機器に用いられる音叉型屈曲水晶振動素子に関する。

従来、コンピュータ，携帯電話又は小型情報機器等の電子機器には、電子部品の一つとして圧電振動子又は圧電発振器が搭載されている。この圧電振動子又は圧電発振器は、基準信号源やクロック信号源として用いられる。又、圧電振動子や圧電発振器は、その内部に水晶からなる圧電振動素子が搭載されている。
以下、圧電材料に水晶を用いた圧電振動素子について説明する。
図３に示すように、圧電振動素子の一つである音叉型屈曲水晶振動素子４００は、水晶振動片４１０と、その水晶振動片４１０の表面に設けられた励振用電極と接続用電極と周波数調整用金属膜と導配線パターンとにより概略構成される。

水晶振動片４１０は、音叉形状となっており、基部４１１と基部４１１から延設する２本一対の振動腕部４１２と、により概略構成される。この振動腕部４１２には、対向する平面同士に同極となる励振用電極４２１が設けられている。
また、基部４１１は、平面視略四角形の平板となっている。振動腕部４１２は、第一の振動腕部４１２ａ及び第二の振動腕部４１２ｂとから成る。第一の振動腕部４１２ａ及び第二の振動腕部４１２ｂは、基部４１１の一辺から同一方向に延設されており、第一の振動腕部４１２ａ及び第二の振動腕部４１２ｂの長さ方向にはそれぞれ溝部ＧＬが設けられている。溝部ＧＬは、第一の振動腕部４１２ａ及び第二の振動腕部４１２ｂの両主面に、基部４１１との境界部分から振動腕部４１２の先端に向って、振動腕部４１２の長さ方向と平行に所定の長さで２本設けられている。このような水晶振動片４１０は、基部４１１と振動腕部４１２とが一体となって音叉形状を成しており、フォトリソグラフィ技術と化学エッチング技術、成膜技術により製造される。

第一の振動腕部４１２ａに設けられる電極は、励振用電極４２１と周波数調整用金属膜４２３とから成る。励振用電極４２１は、第一の振動腕部４１２ａの溝部ＧＬ内表面を含む一方の主面と、第一の振動腕部４１２ａの溝部ＧＬ内表面を含む他方の主面に設けられている。また、励振用電極４２１は、第二の振動腕部４１２ｂに対向する第一の振動腕部４１２ａの内側側面と、この側面に対向する第一の振動腕部４１２ａの外側側面とに異極となるように設けられている。周波数調整用金属膜４２３は、第一の振動腕部４１２ａの先端部の両主面に設けられている。

第二の振動腕部４１２ｂに設けられる電極は、励振用電極４２１と周波数調整用金属膜４２３とから成る。この励振用電極４２１は、第二の振動腕部４１２ｂの溝部ＧＬ内表面を含む一方の主面と、第二の振動腕部４１２ｂの溝部ＧＬ内表面を含む他方の主面に設けられている。また、励振用電極４２１は、第一の振動腕部４１２ａに対向する第二の振動腕部４１２ｂの内側側面と、この側面に対向する第二の振動腕部４１２ｂの外側側面とに異極となるように設けられている。周波数調整用金属膜４２３は、第二の振動腕部４１２ａの先端部の両主面に設けられている。

基部４１１は、２つ一対の接続用電極４２２が設けられる。一方の接続用電極４２２は、基部４１１の振動腕部４１２が形成されている辺とは反対側にあたる辺の一方の角端部及び基部４１１の一方の主面から他方の主面にわたって設けられている。また、他方の接続用電極４２２は、基部４１１の振動腕部４１２が形成されている辺とは反対側にあたる辺の他方の角端部及び基部４１１の一方の主面から他方の主面にわたって設けられている。
また、基部４１１及び振動腕部４１２には、所定の電極間を電気的に接続させるための導配線パターン４２４が設けられている。

一方の接続用電極４２２は、基部４１１の一方の主面に設けられた導配線パターン４２４により、第一の振動腕部４１２ａの一方の主面に設けられた励振用電極４２１と電気的に接続し、かつ、第二の振動腕部４１２ｂの外側側面に設けられた励振用電極４２１と電気的に接続している。また、第二の振動腕部４１２ｂの外側側面に設けられた励振用電極４２１は、第二の振動腕部４１２ｂの内側側面に設けられた励振用電極４２１と電気的に接続している。更に、第一の振動腕部４１２の一方の主面に設けられた励振用電極４２１は、第一の振動腕部４１２の内側側面に設けられた導配線パターン４２４により、第一の振動腕部４１２ａの他方の主面に設けられた励振用電極４２１と電気的に接続されている。

他方の接続用電極４２２は、基部４１１の他方の主面に設けられた導配線パターンにより、第二の振動腕部４１２ｂの他方の主面に設けられた励振用電極４２１と電気的に接続し、かつ、第一の振動腕部４１２ａの外側側面に設けられた励振用電極４２１と電気的に接続している。また、第一の振動腕部４１２ａの外側側面に設けられた励振用電極４２１は、第一の振動腕部４１２ａの内側側面に設けられた励振用電極４２１と電気的に接続している。更に、第二の振動腕部４１２ａの他方の主面に設けられた励振用電極４２１は、第二の振動腕部４１２ｂの内側側面に設けられた導配線パターン４２４により、第一の振動腕部４１２ａの一方の主面に設けられた励振用電極４２１ａと電気的に接続されている。

これら励振用電極４２１、接続用電極４２２、周波数調整用金属膜４２３ａ及び導配線パターン４２４ａは、スパッタ技術、蒸着技術、フォトリソグラフィ技術により形成され、Ｃｒ層の上にＡｕ層が設けられた積層構造となっている。

この水晶振動片４１０を振動させる場合、接続用電極４２２に交番電圧を印加する。印加後のある電気的状態を瞬間的にとらえると、第一の振動腕部４１２ａの両主面に設けられた励振用電極４２１はプラス電位となり、両側面に設けられた励振用電極４２１はマイナス電位となり、プラスからマイナスに電界が生じる。このときの第二の振動腕部４１２ｂの両主面の励振用電極４２１はマイナス電位となり、両側面に設けられた励振用電極４２１はプラス電位という第一の振動腕部４１２の励振用電極４２１に生じた極性とは反対の極性となり、プラスからマイナスに電界が生じる。この交番電圧により生じた電界によって、第一の振動腕部４１２ａ及び第二の振動腕部４１２ｂに伸縮現象が生じ、振動腕部４１２に設定した共振周波数の屈曲振動モードとなる。尚、この共振周波数は、水晶振動片４１０に設けられた周波数調整用金属膜４２３を構成する金属の量を増減させて調整することができる（例えば、特許文献１又は２参照）。

また、このような音叉型屈曲水晶振動素子４００は、音叉型に水晶振動片４１０を形成した後に電極の形成が行われる。
例えば、水晶ウェハ（図示せず）の表裏に例えば、Ｃｒ、Ｃｒ＋Ａｕなどの耐食膜（図示せず）をスパッタリングにて成膜する。

次に耐食膜上に感光性レジスト（ポジ型）を両面に形成し、乾燥後表裏の両面に音叉形状の耐食膜が残るように露光、現像、乾燥（以下パターン化）と音叉形状以外の耐食膜のエッチングを行う。

次に前記表裏の耐食膜上に電極の形状を決定するために感光性レジスト（ポジ型）をパターン化する。ここで、この感光性レジストの一部は、振動腕部と基部との接続部分を覆うように設けられている。

次に露出する水晶部分をエッチングする。このとき、溝部の形状と水晶振動片４１０の形状とが同時に形成される。なお、振動腕部４１２と基部４１１との接続部分を覆う感光性レジストは、エッチングされることなく残る。そのため、この感光性レジストを残した状態で、基部４１１と振動腕部４１２とが形成される。したがって、この感光性レジストは、２つの振動腕部４１２を跨いだ状態で残されている。

次に裏面に露出した耐食膜をエッチングし水晶表面を得る。次に全面に電極膜を蒸着技術により形成する。このとき、振動腕部４１２と基部４１１との接続部分を覆う感光性レジストにより、振動腕部４１２が接続している側の基部４１１の側面に電極膜が形成されずに、振動腕部４１２の側面のみに電極膜が形成される。
次に表裏に形成した感光性レジストとその上に形成された電極膜を剥離する。これは感光性レジストを溶解する液に浸すことで容易に除去できる。しかし、その下部に有する耐食膜は残る。次に前記の残りである耐食膜をエッチングする。
このようにして、水晶振動片４１０に電極が形成される（特許文献１参照）。

特開２００７−３２９８７９号公報特開２００４−２４８２３７号公報

しかしながら、このような音叉型屈曲水晶振動素子４００は、電極を形成する際、蒸着技術を用いると、溝部などの狭い空間に金属材料が入り込みにくいため電極膜が形成されない場合がある。
これを解決するために、蒸着技術に代えてスパッタ技術を用いて電極を形成する場合、振動腕部４１２と基部４１１との接続部分を覆う感光性レジストがマスクの役割を果たすことができず、振動腕部４１２の側面と基部４１１の側面とに電極膜が形成されてしまい、励振用電極４２１が振動腕部４１２ａと振動腕部４１２ｂとが向かい合う側面部の電極間においてショートした状態で形成されてしまう。

そこで、本発明では、前記した問題を解決し、振動腕部の側面に設けられる励振用電極がショートするのを防ぐ音叉型屈曲水晶振動素子を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、音叉型屈曲水晶振動素子であって、基部と、基部から延設する２つ一対の振動腕部と、前記振動腕部の間であって前記基部から延設しつつ前記振動腕部より短く形成される突起部と、前記突起部に、前記突起部の延設方向に沿って前記突起部の先端から前記基部に向うスリットが設けられており、前記スリットの長さは、前記突起部の長さよりも短いことを特徴とする。

また、本発明は、前記一対の振動腕部のそれぞれに、延設方向に沿って溝部が設けられていても良い。

また、このような本発明の音叉型屈曲水晶振動素子によれば、前記突起部に、延設方向に沿ってスリットが設けられているので、スパッタ技術を用いて電極膜を設けても、スリットにより電極膜が切断されて振動腕部の側面に設けられる励振用電極がショートするのを防ぐことができる。これにより、振動腕部の側面に設けられる励振用電極の形成するのが容易となる。

また、本発明の音叉型屈曲水晶振動素子が、前記一対の振動腕部のそれぞれに、延設方向に沿って溝部を設けたので、それぞれの振動腕部に生じる電界効率を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る音叉型屈曲水晶振動素子の一例を示す斜視図である。本発明の実施形態に係る音叉型屈曲水晶振動素子の一例を示す平面図である。従来の音叉型屈曲水晶振動素子の一例を示す斜視図である。

本発明を実施するための最良の形態（以下、「実施形態」という。）について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各構成要素について、状態をわかりやすくするために、誇張して図示している。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る音叉型屈曲水晶振動素子１００は、水晶振動片１１０と、その水晶振動片１１０に設けられた励振用電極１２１と接続用電極１２２ａ，１２２ｂと、周波数調整用金属膜１２３と、導配線パターン１２４とから主に構成されている。

水晶振動片１１０は、音叉形状となっており、基部１１１と基部１１１から延設する２本一対の振動腕部１１２と２本の振動腕部１１２の間であって基部１１１から延設する突起部１１３とにより概略構成される。この振動腕部１１２には、対向する平面同士に同極となる励振用電極１２１が設けられている。
また、基部１１１は、平面視略四角形の平板となっている。振動腕部１１２は、第一の振動腕部１１２ａ及び第二の振動腕部１１２ｂとから成る。第一の振動腕部１１２ａ及び第二の振動腕部１１２ｂは、基部１１１の一辺から同一方向に延設されており、第一の振動腕部１１２ａ及び第二の振動腕部１１２ｂの長さ方向にはそれぞれ溝部ＧＬが設けられている。溝部ＧＬは、第一の振動腕部１１２ａ及び第二の振動腕部１１２ｂの両主面に、基部１１１との境界部分から振動腕部１１２の先端に向って、振動腕部１１２の長さ方向と平行に所定の長さで２本設けられている。このような水晶振動片１１０は、基部１１１と振動腕部１１２とが一体となって音叉形状を成しており、フォトリソグラフィ技術と化学エッチング技術、成膜技術により製造される。

第一の振動腕部１１２ａに設けられる電極は、励振用電極１２１と周波数調整用金属膜１２３とから成る。第一の振動腕部１１２ａに設けられる励振用電極１２１は、第一の振動腕部１１２ａの溝部ＧＬ内表面を含む一方の主面と、第一の振動腕部１１２ａの溝部ＧＬ内表面を含む他方の主面に設けられている。また、第一の振動腕部１１２ａに設けられる励振用電極１２１は、第二の振動腕部１１２ｂに対向する第一の振動腕部１１２ａの内側側面と、この側面に対向する第一の振動腕部１１２ａの外側側面とに設けられ、第一の振動腕部１１２ａの両主面に設けられる励振用電極１２１と異極となるように設けられている。第一の振動腕部１１２ａに設けられる周波数調整用金属膜１２３は、第一の振動腕部１１２ａの先端部の両主面に設けられている。なお、周波数調整用金属膜１２３は、すくなくとも一方の主面に設ける構成としても良い。

第二の振動腕部１１２ｂに設けられる電極は、励振用電極１２１と周波数調整用金属膜１２３とから成る。第二の振動腕部１１２ｂに設けられる励振用電極１２１は、第二の振動腕部１１２ｂの溝部ＧＬ内表面を含む一方の主面と、第二の振動腕部１１２ｂの溝部ＧＬ内表面を含む他方の主面に設けられている。また、第二の振動腕部１１２ｂに設けられる励振用電極１２１は、第一の振動腕部１１２ａに対向する第二の振動腕部１１２ｂの内側側面と、この側面に対向する第二の振動腕部１１２ｂの外側側面とに設けられ、第二の振動腕部１１２ｂの両主面に設けられる励振用電極１２１と異極となるように設けられている。第二の振動腕部１１２ｂに設けられる周波数調整用金属膜１２３は、第二の振動腕部１１２ａの先端部の両主面に設けられている。なお、周波数調整用金属膜１２３は、すくなくとも一方の主面に設ける構成としても良い。

基部１１１は、接続用電極１２２ａ及び１２２ｂが設けられる。接続用電極１２２ａは、基部１１１の振動腕部１１２が形成されている辺とは反対側にあたる辺の一方の角端部及び基部１１１の一方の主面から他方の主面にわたって設けられている。また、接続用電極１２２ｂは、基部１１１の振動腕部１１２が形成されている辺とは反対側にあたる辺の他方の角端部及び基部１１１の一方の主面から他方の主面にわたって設けられている。
また、基部１１１及び振動腕部１１２には、所定の電極間を電気的に接続させるための導配線パターン１２４が設けられている。

接続用電極１２２ａは、基部１１１の一方の主面に設けられた導配線パターン１２４により、第一の振動腕部１１２ａの一方の主面に設けられた励振用電極１２１と電気的に接続し、かつ、第二の振動腕部１１２ｂの外側側面に設けられた励振用電極１２１と電気的に接続している。また、第二の振動腕部１１２ｂの外側側面に設けられた励振用電極１２１は、第二の振動腕部１１２ｂの内側側面に設けられた励振用電極１２１と電気的に接続している。更に、第一の振動腕部１１２ａの一方の主面に設けられた励振用電極１２１は、基部１１１の側面に設けられた導配線パターンにより、第一の振動腕部１１２ａの他方の主面に設けられた励振用電極１２１と電気的に接続されている。

接続用電極１２２ｂは、基部１１１の他方の主面に設けられた導配線パターンにより、第二の振動腕部１１２ｂの他方の主面に設けられた励振用電極と電気的に接続し、かつ、第一の振動腕部１１２ａの外側側面に設けられた励振用電極と電気的に接続している。また、第一の振動腕部１１２ａの外側側面に設けられた励振用電極は、第一の振動腕部１１２ａの内側側面に設けられた励振用電極１２１と電気的に接続している。更に、第二の振動腕部１１２ａの他方の主面に設けられた励振用電極１２１は、基部１１１の内側側面に設けられた導配線パターンにより、第二の振動腕部１１２ｂの一方の主面に設けられた励振用電極１２１と電気的に接続されている。

これら励振用電極１２１、接続用電極１２２ａ，１２２ｂ及び導配線パターン１２４は、フォトリソグラフィ技術により形成され、Ｔｉ層の上にＰｄ又はＡｕ層が設けられた積層構造となっている。

この音叉型の水晶振動片１１０を振動させる場合、接続用電極１２２ａ及び１２２ｂに交番電圧を印加する。印加後のある電気的状態を瞬間的にとらえると、第一の振動腕部１１２ａの両主面に設けられた励振用電極１２１はプラス電位となり、両側面に設けられた励振用電極１２１はマイナス電位となり、プラスからマイナスに電界が生じる。このときの第二の振動腕部１１２ｂの両主面の励振用電極１２１はマイナス電位となり、両側面に設けられた励振用電極１２１はプラス電位という第一の振動腕部１１２ａの励振用電極１２１に生じた極性とは反対の極性となり、プラスからマイナスに電界が生じる。この交番電圧により生じた電界によって、第一の振動腕部１１２ａ及び第二の振動腕部１１２ｂに伸縮現象が生じ、振動腕部１１２に設定した共振周波数の屈曲振動モードとなる。尚、この共振周波数は、音叉型の水晶振動片１１０に設けられた周波数調整用金属膜１２３を構成する金属の量を増減させて調整することができる。

突起部１１３は、２本一対の振動腕部１１２の中間であって、振動腕部１１２に沿って基部１１１から延設されている。
また、突起部１１３は、振動腕部１１２よりも短く設けられており、幅を振動腕部１１２よりも大きく又は小さく若しくは同じとなるように設けられる。
この突起部１１３の先端側には、延設方向に沿ってスリット１１３ｂが設けられている。このスリット１１３ｂは、突起部１１３の厚み方向に貫通している。また、スリット１１３ｂの長さは、先端側から基部１１１の境目までの間で形成されれば、どの長さでも良い。

突起部１１３に設けられたこのスリット１１３ｂは、第一の振動腕部１１２ａと第二の振動腕部１１２ｂとからなる振動腕部１１２の側面に励振用電極をスパッタ技術及びフォトリソグラフィ技術にて形成する際に、第一の振動腕部１１２ａの側面の励振用電極１２１と第二の振動腕部１１２ｂの側面の励振用電極１２１とのショートした状態を切断する役割を果たす。
また、突起部１１３は、スリット１１３ｂが形成できる程度の長さを有していれば良く、例えば、第一の振動腕部１１２ａと第二の振動腕部１１２ｂとの距離よりも小さくなる長さで形成されていれば良い。言い換えれば、２つ一対の振動腕部１１２の間隔より短くなるように突起部１１３を設ければよい。

具体的には、以下のように突起部１１３に設けられたこのスリット１１３ｂが用いられる。このスリットの１１３ｂの役割を説明するために、本発明の実施形態に係る音叉型屈曲水晶振動素子１００の製造方法を説明する。

例えば、本発明の実施形態に係る音叉型屈曲水晶振動素子１００は、音叉型に水晶振動片１１０を形成した後に電極の形成が行われる。
例えば、水晶ウェハ（図示せず）の表裏に例えば、Ｃｒ、Ｃｒ＋Ａｕなどの耐食膜（図示せず）をスパッタリングにて成膜する。

次に前記表裏の耐食膜上に電極の形状を決定するために感光性レジスト（ポジ型）をパターン化する。ここで、この感光性レジストの一部は、スリット１１３ｂの内部を含む突起部１１３と振動腕部１１２と基部１１１との接続部分を覆うように設けられている。

次に露出する水晶部分をエッチングする。このとき、スリット１１３ｂの形状と溝部ＧＬの形状と水晶振動片１１０の形状とが同時に形成される。なお、突起部１１３と振動腕部１１２と基部１１１との接続部分を覆う感光性レジストは、エッチングされることなく残る。そのため、この感光性レジストを残した状態で、基部１１１と振動腕部１１２と突起部１１３とが形成される。したがって、この感光性レジストは、スリット１１３を跨いだ状態で少なくとも突起部１１３に残されている。

次に表裏面に露出した耐食膜をエッチングし水晶表面を得る。次に全面に電極膜をスパッタ技術により形成する。このとき、スリット１１３ｂを跨いで突起部１１３を覆う感光性レジストにより、スリット１１３ｂを跨いで突起部１１３の側面に電極膜が形成される。
次に表裏に形成した感光性レジストとその上に形成された電極膜を剥離する。これは感光性レジストを溶解する液に浸すことで容易に除去できる。しかし、その下部に有する耐食膜は残る。スリット１１３ｂを跨いだ感光性レジストも除去されるため、第一の振動腕部１１２ａの側面の電極と第二の振動腕部１１２ｂの側面の電極とが切断した状態となる。次に前記の残りである耐食膜をエッチングする。
このようにして、水晶振動片１１０に電極が形成されるので、スパッタ技術を用いても、第一の振動腕部１１２ａの側面の電極と第二の振動腕部１１２ｂの側面の電極とがショートした状態から切断した状態にすることができる。

なお、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、適宜、変更可能である。
例えば、周波数調整用金属膜には、別途、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）等の金属材料を用いて、厚みを厚くしても良い。
また、本発明の音叉型屈曲水晶振動素子は、所定のパッケージに封入して圧電振動子に用いることができ、また、この状態で発振回路を備えた集積回路素子と接続する構成にして圧電発振器に用いても良い。

１００音叉型屈曲水晶振動素子
１１０ａ水晶振動片
１１１基部
１１２振動腕部
１１２ａ第一の振動腕部
１１２ｂ第二の振動腕部
１２１励振用電極
１２２ａ，１２２ｂ接続用電極
１２３周波数調整用金属膜
１２４導配線パターン
１１３突起部
１１３ｂスリット
ＧＬ溝部

Claims

基部と、
基部から延設する２つ一対の振動腕部と、
前記振動腕部の間であって前記基部から延設しつつ前記振動腕部より短く形成される突起部と、
前記突起部には、前記突起部の延設方向に沿って前記突起部の先端から前記基部に向うスリットが設けられており、
前記スリットの長さは、前記突起部の長さよりも短い
ことを特徴とする音叉型屈曲水晶振動素子。
前記一対の振動腕部のそれぞれに、延設方向に沿って溝部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の音叉型屈曲水晶振動素子。