压电元件及其制造方法与流程

本发明涉及一种晶体振子、包含晶体振子的晶体振荡器、并用热敏电阻器或pn二极管等温度传感器的晶体振子等的压电元件，以及压电元件的制造方法。

背景技术：

为了实现作为压电元件的一种的晶体振子的进一步的小型化，而使用光刻技术及湿式蚀刻技术。

在与本申请的申请人相关的例如专利文献1中，记载有使用所述技术的压电元件。具体而言，如专利文献1的图1所示，公开了一种具有at切割晶体片的压电元件。所述at切割晶体片是：利用第一面～第三面这三个面来构成与晶体的结晶轴的z'轴交叉的侧面的至少一个的at切割晶体片，其中，第一面是将晶体的x轴作为旋转轴，使所述晶体片的由晶体的结晶轴表示的x-z'面(主面)旋转了4°±3.5°的面，第二面是相当于将晶体的x轴作为旋转轴，使所述主面旋转了-57°±5°的面的面，第三面是相当于将晶体的x轴作为旋转轴，使所述主面旋转了-42°±5°的面的面。

根据所述压电元件，与以往相比，可抑制at切割晶体振子原本的振动以外的不必要的振动，因此，与以往相比，可改善振子的阻抗即晶体阻抗(以下，也称为ci(crystalimpedance))。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利特开2016-197778号公报

技术实现要素：

[发明所要解决的问题]

专利文献1中所公开的压电元件是可实现ci的改善的压电元件，但在本申请的发明人的研究中，已判明可实现ci的进一步的改善。即，专利文献1中所公开的压电元件是包括具有规定的第一面～第三面的晶体片的压电元件，但为了获得规定的第一面～第三面，而采用对晶体晶片长时间进行蚀刻的处理。因此，当对所述晶体片的前端侧，即晶体片的与由导电性粘接剂支撑之侧的相反侧进行平面观察时，从所述前端的中央朝向两个角部的区域被蚀刻成大致三角形形状，晶体片的面积相应地减少(参照后述的比较例或图6、图7b)。在at切割晶体片的情况下，若考虑晶体片的平面的面积大，更容易使ci良好，则专利文献1中所公开的压电元件存在改善的余地。

本申请是鉴于此种观点而形成的申请，因此，本申请的目的在于提供一种可减少所述问题点的压电元件及其制造方法。

[解决问题的技术手段]

为了实现所述目的的达成，根据本申请的压电元件的发明，提出一种压电元件，包括：容器；以及at切割晶体片，其中，所述at切割晶体片将由晶体的结晶轴表示的x-z'面作为主面，所述at切割晶体片的平面形状为四边形形状，所述at切割晶体片的利用第一面～第三面这三个面来构成与所述晶体的结晶轴的z'轴交叉的侧面的至少一个，所述第一面～第三面以此顺序相交。所述第一面是相当于将晶体的x轴作为旋转轴，使所述主面旋转了4°±3.5°的面的面，所述第二面是相当于将晶体的x轴作为旋转轴，使所述主面旋转了-57°±5°的面的面，所述第三面是相当于将晶体的x轴作为旋转轴，使所述主面旋转了-42°±5°的面的面。所述at切割晶体片在与所述z'轴平行的两边中的第一边之侧，通过导电性粘接剂来连接固定在所述容器，所述压电元件中，所述at切割晶体片的与所述第一边相向的第二边之侧的两个角部，在俯视时，分别成为大致直角。

当实施本发明时，所述大致直角以构成所述角部的两个边交叉的角度而言，优选为85度～90度的范围的角度，更优选为87度～90度的角度。

另外，当实施本发明时，优选的是，所述第二边在所述两个角部之间为直线状。

而且，当将所述第二边的直线状的部分的长度设为w1，将所述at切割晶体片的沿着所述z'轴的方向的宽度尺寸设为w0时，优选的是，w1/w0可为0.90以上，更优选的是，w1/w0可为0.93以上，进而更优选的是，w1/w0可为0.96以上。

另外，当实施本发明时，若为以所述两个角部的c倒角的表述来定义所述大致直角的情况，则优选的是，所述c尺寸为20μm以下。

另外，根据本申请的压电元件的制造方法的发明，当利用光刻技术及湿式蚀刻的技术来制造所述本申请的压电元件时，包括：

将耐蚀刻掩模形成在晶体晶片的步骤，其中，所述耐蚀刻掩模是所述湿式蚀刻中使用的耐蚀刻掩模，具有：第一掩模部，将所述at切割晶体片的图案形成为矩阵的形状；第二掩模部，在所述矩阵之间沿着相当于所述z'轴的方向伸长，形成沿着所述x轴的方向依次排列的框架形成用的图案；第三掩模部，形成用于在所述湿式蚀刻后，将所述at切割晶体片保持在框架的桥接图案；以及第四掩模部，具有规定宽度w，设置在所述at切割晶体片的所述第二边之侧的角部与所述第三掩模部之间，在第二蚀刻步骤完成时使该部位的晶体消失；

将形成有所述耐蚀刻掩模的晶体晶片，在氢氟酸系的湿式蚀刻液中浸渍规定时间的第一蚀刻步骤；

从所述第一蚀刻步骤已结束的晶体晶片中，去除所述第一掩模部及所述第四掩模部的步骤；

将去除了所述第一掩模部及所述第四掩模部的晶体晶片，在氢氟酸系的湿式蚀刻液中浸渍规定时间的所述第二蚀刻步骤；

在所述第二蚀刻步骤已结束的晶体晶片上，形成激励用电极的步骤；

从所述激励用电极的形成已结束的晶体晶片中，将所述at切割晶体片单片化的步骤；以及

将经单片化的所述at切割晶体片，连接固定在所述容器的步骤。

另外，在所述第二蚀刻步骤前实施的耐蚀刻掩模的加工步骤中，使第二掩模部(框架形成用的图案用的掩模部)残存，第三掩模部(用于形成桥接图案的掩模部)对应于桥接图案的大小等，可残存，也可以去除。即，若桥接图案大，则即便去除第三掩模部，在第二蚀刻步骤后桥接也残存，因此，也可以去除第三掩模部。相反地，在桥接图案小的情况下，可以不去除第三掩模部而使其残存，以在第二蚀刻步骤中桥接不消失的方式保护晶体片的符合部分。

[发明的效果]

根据本申请的压电元件的发明，关于使用与晶体的z'轴交叉的侧面包含规定的第一面～第三面的at切割晶体片的压电元件，通过使前端的角部残存，扩大所述晶体片的平面面积，而可提供与以往相比ci得到改善的压电元件。

另外，根据本申请的压电元件的制造方法的发明，通过具有规定的第一掩模部～第四掩模部的耐蚀刻掩模而在晶体晶片形成所述掩模后，对所述晶体晶片进行第一蚀刻，其后，在去除了第一掩模部及第四掩模部的状态下进行第二蚀刻，因此，在第二蚀刻时，虽然晶体片的去除了第四掩模部的部分逐渐地消失，但不到达晶体片的前端的角部消失为止。因此，可防止晶体片的前端侧的平面面积减少，并容易地制造包含具有第一面～第三面的所期望的侧面的晶体片。

附图说明

图1a、图1b是实施方式的压电元件10的说明图。

图2a～图2c是实施方式的压电元件10中包括的at切割晶体片20的说明图。

图3a、图3b是at切割晶体片20的特别是与z'轴交叉的侧面的说明图。

图4a、图4b、图4c是说明实施方式的压电元件10的制造方法的主要部分的图。

图5a、图5b是实施方式的压电元件10的制造方法的紧接在图4b之后的说明图。

图6是比较例的说明图。

图7a是从上方观察实施例的晶体片的扫描型电子显微镜(scanningelectronmicroscope，sem)照片，图7b是从上方观察比较例的晶体片的sem照片。

图8a是表示实施例的压电元件的ci分布的特性图，图8b是表示比较例的压电元件的ci分布的特性图。

[符号的说明]

10：实施方式的压电元件

20：实施方式的晶体片

20a：第一边

20b：第二边

20c：第一面

20d：第二面

20e：第三面

20f：主面

20x、20y：角部

20z：长边

20w：晶体晶片

21：激励用电极

23：引出电极

30：容器

30a：凹部

30b：支撑垫

30c：外部安装端子

33：导电性粘接剂

35：盖构件

40：耐蚀刻掩模

40a：第一掩模部

40b：第二掩模部

40c：第三掩模部

40d：第四掩模部

120：比较例的压电元件

c：c倒角的表述的c尺寸

m、n、r：部分

o：中心点

p1：前端的中央

r1、r2：区域

w：尺寸

w0：宽度尺寸

w1：长度

x、y'、z'：轴(坐标轴)

θ1、θ2、θ3、θx、θy：角度

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的压电元件及其制造方法的实施方式进行说明。另外，用于说明的各图只是以可理解这些发明的程度概略性地表示。另外，在用于说明的各图中，对相同的构成成分附加相同的编号来表示，也存在省略其说明的情况。另外，在以下的说明中所述的形状、尺寸、材质等只是本发明的范围内的适宜例。因此，本发明并不仅限定于以下的实施方式。

1.压电元件的说明

首先，参照图1a～图3b，对实施方式的压电元件10进行说明。此处，图1a是压电元件10的俯视图，图1b是沿着图1a的ib-ib线的压电元件10的剖面图。另外，在图1a中，省略图1b的压电元件10中包括的盖构件35的图示。另外，图2a是实施方式的压电元件10中所包括的at切割晶体片20的俯视图，图2b是沿着图2a中的iib-iib线的晶体片20的剖面图，图2c是沿着图2a中的iic-iic线的晶体片20的剖面图。另外，图3a是说明at切割晶体片20的与晶体的z'轴交叉的侧面的图，图3b是将图3a中的n部分放大表示的图。另外，图2a中所示的坐标轴x、y'、z'分别表示at切割晶体片20(以下，有时也略称为晶体片20)中的晶体的结晶轴。

本实施方式的晶体片20是以下所述的at切割的晶体片：晶体片20的平面形状为长方形形状，且晶体片20的长边与晶体的x轴平行，晶体片20的短边与晶体的z'轴平行。

所述晶体片20在其两主面具有激励用电极21与引出电极23。引出电极23从激励用电极21朝作为晶体片20的一条边的第一边20a的两端附近引出。

如图1a所示，所述晶体片20安装在容器30的凹部30a内。具体而言，所述晶体片20在其第一边20a侧且沿着第一边20a的两端附近，例如通过导电性粘接剂33而固定在容器30的支撑垫30b。因此，晶体片20在第一边20a侧被悬臂保持在容器30中。

作为容器30，例如可使用陶瓷制封装。在所述容器30的外部侧的底面，设置有用于将所述压电元件10与其他电子装置连接的外部安装端子30c。支撑垫30b与外部安装端子30c通过未图示的过孔(via)配线来连接。

另外，在容器30的包围凹部30a的堤部上，接合了适宜的盖构件35，而将晶体片20密封在容器30内。

进而，在所述晶体片20中，与晶体的z'轴交叉的侧面成为如下的结构。

晶体片20的与晶体的z'轴交叉的每个侧面(z'面)，如图3a、图3b所示，构成为：包含第一面20c、第二面20d及第三面20e这三个面的侧面。而且，第一面20c是与所述晶体片20的主面20f相交的面，且是相当于将晶体的x轴作为旋转轴，使主面20f旋转了θ1的面的面。

而且，在所述晶体片20中，第一面20c、第二面20d及第三面20e以此顺序相交。而且，第二面20d是相当于将晶体的x轴作为旋转轴，使主面20f旋转了θ2的面的面，第三面20e是相当于将晶体的x轴作为旋转轴，使主面20f旋转了θ3的面的面。而且，两个侧面相对于晶体片的中心点o成为点对称的关系。

而且，根据本申请人的实验，可知：所述角度θ1、角度θ2、角度θ3优选为下述的角度。θ1＝4°±3.5°、θ2＝-57°±5°、θ3＝-42°±5°，更优选为θ1＝4°±3°、θ2＝-57°±3°、θ3＝-42°±3°。

在具有使用所述图3a及图3b所说明的侧面的晶体片的情况下，侧面成为独特的嘴状，因此，可使朝z'方向传播的不必要的振动衰减，可有助于压电元件的特性的改善。另外，关于所述结构，记载在与本申请人相关的日本专利特开2016-197778号公报中，因此，此处省略其详细的说明。

另外，晶体片20的沿着晶体的x轴的剖面(沿着iib-iib线的剖面)如图2b所示，沿着x轴方向的两端部侧分别成为凸状的形状。

进而，作为本发明的特征，在对晶体片20进行俯视时，晶体片20的第二边20b侧的两个角部20x、20y分别成为大致直角。

具体而言，如图1a、图2a所示，在俯视时，作为构成角部20x的两条边的短边即第二边20b与晶体片20的长边20z交叉的角度θx，并且，作为构成角部20y的两条边的短边即第二边20b与晶体片20的长边20z交叉的角度θy，分别优选为85度～90度的范围的角度，更优选为87度～90度的范围。若为此种角度，则与并非此种角度的情况相比，可改善压电元件10的ci(详细情况，请参照后述的实施例)。

另外，角度θx及角度θy可相同，也可以不同，典型的是因晶体的结晶轴的各向异性而略微不同。

另外，关于两个角部20x、20y的大致直角，若从两个角部的c倒角的表述的c尺寸的观点来看，则可为20μm以下。若为此种c尺寸，则与并非此种c尺寸的情况相比，可改善压电元件10的ci(详细情况，请参照后述的实施例)。

进而，晶体片20的第二边20b在两个角部20x、20y之间成为直线状。当将所述第二边20b的直线状的部分的长度设为w1，将晶体片20的沿着z'方向的宽度尺寸，即晶体片20的中央附近的宽度尺寸设为w0时，优选的是，w1/w0可为0.93以上，更优选的是，w1/w0可为0.96以上。但是，w1/w0最大也只是1。若将w1/w0的值设为所述范围，则与不设为所述范围的情况相比，可改善压电元件10的ci(详细情况，请参照后述的实施例)。

另外，直线状的部分的长度w1，是根据在后述的制造方法中进行说明的第四图案的尺寸w(参照图4c)的值、或利用氢氟酸系的蚀刻剂对晶体晶片进行蚀刻的时间而变化。优选的是，w1/w0为1或接近1，因此，第四图案的尺寸w的值、或利用氢氟酸系的蚀刻剂对晶体晶片进行蚀刻的时间，可以使w1/w0接近1的方式而设定。

2.压电元件的制造方法的说明

继而，参照图4a～图4c、图5a、图5b，对制造实施方式的压电元件10的优选的方法进行说明。另外，图4a～图4c是说明制造压电元件10中使用的晶体片20的步骤的主要部分的图。尤其，图4a是说明中间状态的晶体晶片20w的平面图。图4b是表示在所述晶体晶片形成有耐蚀刻掩模40的状态的图，且是将图4a中的m部分放大表示的平面图。图4c是用于说明使晶体片20的角部20x、角部20y成为大致直角的方法的图，且是将图4b中的r部分放大表示的平面图。另外，图5a、图5b是说明步骤已从图4b的状态前进的状态的图。

在本申请的制造方法的发明中，通过光刻技术及湿式蚀刻技术来制造晶体片20。

具体而言，利用将耐蚀刻掩模40形成在晶体晶片20w的步骤，所述耐蚀刻掩模40是湿式蚀刻用的耐蚀刻掩模40(参照图4b)，其包括：第一掩模部40a，将at切割晶体片20的图案形成为矩阵状；第二掩模部40b，在所述矩阵之间沿着相当于所述z'轴的方向伸长，形成沿着所述x方向依次排列的框架形成用的图案；第三掩模部40c，形成用于在所述湿式蚀刻后将at切割晶体片保持在框架的桥接图案；以及第四掩模部40d，具有规定宽度w，设置在所述at切割晶体片的所述第二边侧的角部与所述第三掩模部之间，在所述湿式蚀刻完成时使所述部位的晶体消失。此处，第四掩模部40d设置在第一掩模部40a的相当于晶体片的前端侧的两个角部的部分与第二掩模部40b之间。

具体而言，可在晶体晶片20w的表背前面形成具有耐蚀刻性的金属膜，在其表面涂布光致抗蚀剂，使用所述第一掩模部～第四掩模部形成用的光掩模对所述光致抗蚀剂进行曝光等，其后选择性地去除金属膜，而形成所述耐蚀刻掩模40。

另外，将第四掩模部40d的沿着晶体的z'轴的方向的宽度w(参照图4c)设为如下的规定的宽度(请参照后述的实施例等)，所述规定的宽度是：第四掩模部40d下的晶体部分在后述的第二蚀刻步骤结束后消失的宽度。

继而，实施第一蚀刻步骤，将形成有耐蚀刻掩模40的晶体晶片，在氢氟酸系的湿式蚀刻液中浸渍规定时间。所述第一蚀刻步骤是用于形成晶体片20的外形的步骤。

继而，自第一蚀刻已结束的晶体晶片中，去除所述第一掩模部40a与第四掩模部40d。另外，在本实施方式的情况下，也去除第三掩模部40c。此种掩模部的加工可通过众所周知的光刻技术来进行。但是，如已说明的那样，在第三掩模部40c的尺寸小的情况下，优选不去除而使其残存。

若所述耐蚀刻的加工结束，则由第一掩模部、第二掩模部及第三掩模部覆盖的晶体部分露出(参照图5a)。

继而，实施第二蚀刻步骤，将去除了第一掩模部、第二掩模部及第三掩模部的晶体晶片，在氢氟酸系的湿式蚀刻液中浸渍规定时间。所述第二蚀刻步骤是：用于调整晶体片20的频率、及用于在晶体片20的与结晶轴的z'轴交叉的侧面形成规定的第一面～第三面的步骤。通过所述第四掩模部40d的去除而露出的晶体部分，由于将其宽度w设为规定宽度，因此，在所述第二蚀刻中消失。因此，晶体片20的不固定在容器之侧的边即第二边20b的两个角部20x、20y在第二蚀刻结束前后，首次作为角部而出现，因此，即便在湿式蚀刻后，角部20x、角部20y也成为大致直角，且第二边20b在所述角部20x、角部20y之间的部分成为直线状。

在所述第二蚀刻步骤已结束的晶体晶片上形成激励用电极及引出电极，从所述激励用电极等的形成已结束的晶体晶片中将所述at切割晶体片单片化，利用导电性粘接剂将经单片化的晶体片固定在容器30(参照图1a及图1b)，其后，在使容器内成为规定环境的状态下，利用盖构件将容器密封，由此可制造本发明的压电元件。

3.实施例及比较例

继而，参照图6、图7a及图7b、图8a及图8b，对实施例及比较例进行说明。

作为实施例的压电元件，利用所述制造方法制造多个振荡频率为27.12mhz、晶体片20的x尺寸约为870μm、晶体片20的z'尺寸约为640μm的晶体片，将它们安装在容器，进而利用盖构件将容器密封，来制造多个实施例的压电元件。

另外，作为比较例的压电元件，在制造时，使用不具有第四掩模部40d(参照图4b)的耐蚀刻掩模，以制造多个频率、x尺寸、z'尺寸与所述实施例相同的比较例的晶体片，将它们安装在容器，进而利用盖构件将容器密封，来制造多个比较例的压电元件。

图6是表示比较例中所使用的晶体片120的平面图，图7a是从上方观察实施例中所使用的晶体片20的sem照片，图7b是从上方观察比较例中所使用的晶体片120的sem照片。

根据图6及图7b可知，当对比较例中所使用的晶体片120的前端侧，即晶体片的与由导电性粘接剂支撑之侧的相反侧进行平面观察时，从前端的中央p1朝向两个角部的区域r1、区域r2分别被蚀刻成大致三角形形状，晶体片的面积相应地减少。

另一方面，根据图7a可知，实施例中所使用的晶体片20的前端侧的两个角部20x、20y成为大致直角，而且，两个角部20x、20y之间成为直线状。即，可知晶体片20在平面观察时，确实地成为长方形形状的晶体片。

针对实施例中所使用的多个晶体片20，利用测定显微镜测定两个角部20x、20y的所述角度θx、角度θy(参照图1a、图1b、图2a～图2c)的结果，可知：角度θx、角度θy成为85度～90度的范围，另外，可知w1成为605μm～632μm的范围。另一方面，晶体片的中央附近的z'尺寸，即宽度尺寸w0的目标是640μm，但进行了实测的结果，可知：成为638μm～650μm的范围。因此，若根据所述w1、w0各自的实测值来估计w1/w0，则下限为605/650≒0.93，上限为632/638≒0.99，因此，在实际制品中，可以说w1/w0为0.93～0.99。大部分为0.96～0.99。

另外，针对实施例中所使用的多个晶体片20及比较例中所使用的多个晶体片120各自的前端部的两个角部，利用测定显微镜测定基于c倒角的观点的c尺寸。即，利用测定显微镜测定图7a、图7b中所示的sem照片中的角部的以c倒角的表述而言的c尺寸。其结果，在实施例的晶体片20的情况下，c尺寸为10μm～18μm，均为20μm以下。另一方面，在比较例的晶体片120的情况下，c尺寸为70μm～95μm，与实施例相比，均变大7倍～9倍。

另外，测定比较例的晶体片120的前端部的直线部分的尺寸的结果，可知其尺寸为130μm～160μm左右而狭小。而且，从直线状的部分的端朝晶体片的角部成为倾斜肩膀(slopingshoulder)的形状。

另外，作为实施例及比较例的压电元件各自的电特性，而测定ci。将实施例的压电元件的ci的分布示于图8a，将比较例的压电元件的ci的分布示于图8b。任一图均在横轴采用ci(ω)，在纵轴采用频率来表示。样品数均为12个。

在实施例的压电元件的ci的分布中，平均值为83.5ω，标准偏差为6.6ω。在比较例的压电元件的ci的分布中，平均值为123.6ω，标准偏差为13.0ω。实施例在ci的平均值方面优异了40.1ω，在标准偏差方面优异了6.4ω。根据所述结果，可知本发明的压电元件比以往优异。

根据所述ci测定的结果，可知：若本发明中所述的晶体片的前端侧的两个角部为大致直角，则可实现ci改善。具体而言，可知：若晶体片的前端侧的两个角部的角度θx、角度θy，或晶体片的前端侧的直线状部分的晶体片的宽度与晶体片的中央附近的宽度的比w1/w0，或c尺寸为所述范围，则对于改善ci而言为优选。

4.其他实施方式

以上，对压电元件及其制造方法的各发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于所述例子。例如，使用的容器并不限定于所述例子，例如，对于使用如下容器的压电元件等其他结构的压电元件，也可应用本发明，所述容器包含：平板状的底板、与具有收纳晶体片的凹部的帽状的盖构件。另外，可应用的频率或晶体片的大小也不限定于所述例子。晶体片的小型化越发展，本发明的贡献度越提高。