JP2011082735A - 水晶振動片の製造方法および水晶デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】水晶の振動腕へ微細な溝を形成することが可能な水晶振動片の製造方法を提供する。
【解決手段】水晶振動片１は、振動腕３と、この振動腕３の厚さを規定する方向に深さを有し振動腕３の長手方向に延在する溝４，５と、を備える構成であって、この水晶振動片１の製造方法は、振動腕３における溝４，５の形成予定領域に対し、少なくとも水晶の異方性による結晶面１８を含む位置へ、レーザー光２３の集光点２３ａ，２３ｂを合わせるように調整する調整工程と、集光点２３ａ，２３ｂに多光子吸収による改質層１０，１１を形成するために、振動腕３へレーザー光２３を照射する照射工程と、振動腕３の長手方向に沿って改質層１０，１１を形成するために、振動腕３とレーザー光２３とを相対移動させる走査工程と、振動腕３をエッチングして溝４，５を形成する溝形成工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、振動腕に溝部が形成されている水晶振動片の製造方法およびこの製造方法による水晶振動片を供えた水晶デバイスに関する。

屈曲振動片は、屈曲する場合において、屈曲する振動腕の圧縮される面側は温度が上昇し、伸張される面側は温度が下降する。そのため、振動腕の内部には、温度差が生じる。この温度差を解消するために、屈曲振動片には、振動腕の圧縮される面側から伸張される面側へ、熱が移動する熱伝導が発生する。振動腕の内部に熱伝導が発生すると、振動腕の振動エネルギーが熱伝導に起因する熱弾性損失として失われ、屈曲振動片のＱ値が低下する。また、小型の屈曲振動片ほど、この熱弾性損失の影響を大きく受けることになる。そこで、振動腕の圧縮される面側と伸張される面側との間に、エッチング等で溝を形成して、振動腕の内部への熱伝導を妨げ、屈曲振動片の熱弾性損失の抑制を図る方法が採られている。

近年、屈曲振動片は、小型化される傾向にあり、微小な振動腕へ微細な溝を設けることが困難になってきている。これに対し、特許文献１および特許文献２には、ダイヤモンド、サファイア、硝子等の硬質材へ微細な溝や極微小孔を形成する方法が開示されている。特許文献１によれば、まず、極微小孔を形成する硬質材の形成予定部位へ、レーザー光を照射して、硬質材の表面部から連続する改質層（変質部）を形成する。この改質層は、エッチングされ易いように改質された部位である。次に、硬質材をエッチングすることにより、表面部から順に改質層の部分を除去して硬質材に極微小孔を形成することが可能である。また、特許文献２によれば、微細な溝を形成する硬質材の形成予定部位へ、レーザー光を照射して、硬質材の内部へ溝状の改質層を形成する。この改質層は、エッチングされ易いように改質されており、硬質材へのエッチングが進行して改質層へ到達すると、改質層を優先して除去するため、硬質材に微細な溝を形成することが可能である。

特開２００２−２１０７３０号公報 特開２００６−２６６９３３号公報

しかし、従来の技術において、屈曲振動片が水晶振動片である場合、水晶振動片を形成する単結晶材の水晶は、異方性を有しているため、結晶の面方位によって、エッチングの進行がほぼ止まったりして、進行速度が異なる、という特性を有している。従って、改質層の近傍等を含めて水晶をエッチングする場合、水晶へ単にレーザー光を照射して、エッチングを促進するための改質層を形成しただけでは、水晶に対するエッチングが進行方向によって異なるため均一に行われず、所望の形状にエッチングできないことがある、という課題があった。

本発明は、上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例または形態として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る水晶振動片の製造方法は、振動腕と、該振動腕の厚さを規定する方向に深さを有し前記振動腕の長手方向に延在する溝と、を備える構成の水晶振動片に関し、前記振動腕における前記溝の形成予定領域に対し、少なくとも水晶の異方性による結晶面を含む位置へ、レーザー光の集光点を合わせるように調整する調整工程と、前記集光点に多光子吸収による改質層を形成するために、前記振動腕へ前記レーザー光を照射する照射工程と、前記振動腕の長手方向に沿って前記改質層を形成するために、前記振動腕と前記レーザー光とを相対移動させる走査工程と、前記振動腕をエッチングして前記溝を形成する溝形成工程と、を有することを特徴とする。

この水晶振動片の製造方法によれば、振動腕に所望の形状の溝を形成するために、溝を形成する予定の領域に、レーザー光により予め改質層を形成する。この改質層は、水晶内部に透過したレーザー光の集光点において、集光された多数の光子が水晶の電子と相互作用して吸収される、いわゆる多光子吸収の現象が生じた領域である。また、改質層は、多光子吸収により、水晶の結晶構造の変化が誘引された屈折率変化領域であって、結晶性が崩れているため、改質層以外の水晶部分より選択的にエッチングがされやすい領域である。従来、水晶は、その異方性のため、エッチングの方向によってエッチングの進行速度が異なり、結晶面でエッチングが止まってしまって、所望の溝形状を得にくいことが知られている。そこで、調整工程においては、溝の形成予定領域に存する結晶面を含んで改質層を形成するように、レーザー光の集光点を調整する。改質層は、少なくとも結晶面に形成されていれば良い。こうすれば、改質層の領域においては、水晶の結晶性が崩れていることにより、エッチングの妨げとなる結晶面が出現しない。また、走査工程では、振動腕とレーザー光とを、振動腕の長手方向に沿って相対移動させることにより、溝形成予定領域に改質層を連続して形成する。そして、溝形成工程では、改質層の近傍を含め、エッチングが結晶面で妨げられることなく進行し、所望の溝が形成される。この場合、溝は、振動腕の屈曲方向に対して直角方向を深さとして掘られ、振動腕の長手方向に沿って延びている。溝の深さ方向は、振動腕の厚さを規定する方向であり、この形態の水晶振動片としては、例えば、音叉型が代表的なものである。このように、振動腕の溝形成予定領域にレーザー光を照射し、水晶の結晶面を含む領域に水晶の改質層を形成することにより、エッチングされにくい結晶面の影響を排除でき、その結果、所望の形状の溝を形成することが可能となる。

［適用例２］上記適用例に係る水晶振動片の製造方法において、前記調整工程は、前記結晶面を含む位置以外に、前記振動腕の厚さ方向に沿う位置へ前記集光点をさらに設けるように調整することが好ましい。

この方法によれば、調整工程において、レーザー光の集光点を、エッチングの進行を妨げる結晶面を含む位置だけでなく、振動腕の厚さ方向にもさらに設けるように調整する。即ち、改質層は、振動腕の厚さ方向へ拡大して形成することになり、溝の深さ方向へのエッチングがより容易に行えるようになる。これにより、振動腕の厚さにほぼ匹敵するような深さの改質層であっても、振動腕の厚さに関わらず容易に形成することが可能である。

［適用例３］上記適用例に係る水晶振動片の製造方法において、前記溝形成工程は、前記振動腕の厚さ方向の断面形状がＳ字状の水晶となるように前記溝を形成することが好ましい。

この方法によれば、振動腕の厚さを規定する面のそれぞれに溝が形成されており、それぞれの溝は、振動腕の厚さ方向の断面において、形成されている各面からの深さ方向の形状が互いにほぼ平行をなすように、形成されている。つまり、溝の形成により、振動腕の断面における水晶部の形状は、Ｓ字の形になっている。振動腕の断面がＳ字状であれば、振動による振動腕の内部への熱伝導は、熱伝導経路が長くなることによって妨げられる。これにより、水晶振動片において、熱弾性損失をより抑制することが可能である。

［適用例４］上記適用例に係る水晶振動片の製造方法において、前記照射工程は、前記レーザー光がフェムト秒のパルス幅で照射されることが好ましい。

この方法によれば、水晶振動腕へ照射するレーザー光は、パルス幅がフェムト秒（１０^-15秒）の単位のパルスレーザー光である。フェムト秒のパルスレーザー光の照射を水晶に行って、水晶内部に改質層を形成すれば、極めて短時間のレーザー光照射の繰り返しのため、レーザー光がほとんど熱に変換されず、改質層のみを形成することが可能である。一方、フェムト秒のパルスレーザー光を用いない場合、照射したレーザー光が水晶に吸収されて熱エネルギーに変換され、水晶の溶融、飛散または水晶の結晶を肥大化させてしまうことがある。従って、フェムト秒のパルスレーザー光を用いれば、改質層以外の水晶部分は、熱影響を受けないため、水晶としての特性が維持される。さらに、水晶のような光透過性の材料は、レーザー光等をあまり吸収せずに透過させるため、単にパルスレーザー光を照射しても、水晶に熱影響を与えることなく、多光子吸収の現象を生じさせることが困難であった。これに対して、フェムト秒のパルスレーザー光であれば、極めて短時間にパルスレーザー光のエネルギーが水晶内の集光点に集中するため、多光子吸収の現象が生じやすくなる。これにより、フェムト秒のパルスレーザー光を用いれば、水晶内部へ改質層を容易に形成することが可能である。

［適用例５］本適用例に係る水晶デバイスは、上記適用例のいずれかに記載の水晶振動片の製造方法によって製造された水晶振動片を備えていることを特徴とする。

この水晶デバイスによれば、微細な溝を有し小型化可能な水晶振動片を備えているため、水晶振動片をパッケージ化した水晶振動子や、回路素子を有する水晶発振器等において、その小型化や、熱弾性損失の抑制等、を図ることが可能である。

（ａ）本実施形態に係る水晶振動片の外観を示す斜視図、（ｂ）振動腕の断面形状を示す断面図。 水晶振動片の製造方法を示すフローチャート。 レーザー加工装置の構成を示す模式図。 （ａ）溝形成予定領域の結晶面にレーザー光の集光点を合わせる調整工程を示す模式図、（ｂ）調整工程における集光点の追加を示す模式図。 （ｃ）改質層の形成が完了した状態を示す断面図、（ｄ）溝形成工程で形成した溝を示す断面図。 改質層を形成して加工した場合の溝形状を示す断面図。 改質層形成の変形例を示す断面図。 従来の加工方法により形成した溝の形状を示す断面図。

以下、添付図面を参照して、本発明の水晶振動片の製造方法について説明する。以下の実施形態では、水晶振動片として、振動腕に溝を有する音叉型の形態のものを一例にして説明する。なお、図面における各部は、細部が分かりやすいように、実物とは異なった縮尺で描かれている。
（実施形態）

図１（ａ）は、本実施形態に係る水晶振動片の外観を示す斜視図である。また、図１（ｂ）は、振動腕の断面形状を示す断面図であって、図１（ａ）に示す振動腕３ｂのＡ−Ａ’ 断面を表している。図１（ａ）に示すように、水晶振動片１は、基部２と、基部２から突起している２本の振動腕３（３ａ，３ｂ）と、振動腕３ａに形成した矩形状の溝４と、振動腕３ｂに形成した矩形状の溝５と、図示していないが振動腕３のそれぞれの表面に形成した電極層とから成っている。電極層に電圧を印加して電界が生じると、振動腕３ａと振動腕３ｂとは、互いに離反する方向または近接する方向へ交互に屈曲する。この屈曲は、振動腕３ａと振動腕３ｂとが並んで形成されている方向に沿ったものであり、振動腕３は、いわゆる面内振動をして、正確な周波数で振動することができる。

ここで、溝４は、振動腕３ａが屈曲する方向と直角方向、即ち振動腕３ａの厚さ方向に所定の深さをなし、振動腕３ａの長手方向に沿って平行に形成された２つの溝４ａ，４ｂを有している。また、溝５は、振動腕３ｂが屈曲する方向と直角方向、即ち振動腕３ｂの厚さ方向に所定の深さをなし、振動腕３ｂの長手方向に沿って平行に形成された２つの溝５ａ，５ｂを有している。溝４ａおよび溝５ａは、振動腕３の厚さを規定する一方の面に形成され、一方の面側の開口部から振動腕３の厚さを規定する他方の面側へ所定深さで彫られている。また、溝４ｂおよび溝５ｂは、振動腕３の厚さを規定する他方の面に形成され、他方の面側の開口部から一方の面側へ溝４ａおよび溝５ａと同じ深さで彫られている。

そして、振動腕３ａの溝４ａは、溝４ｂより振動腕３ｂに近い位置にあり、振動腕３ｂの溝５ａは、溝５ｂより振動腕３ａに近い位置にあって、溝４および溝５は、それぞれ平行である。このような溝４，５の形成により、振動腕３を形成する水晶の断面は、図１（ｂ）に代表して表してある振動腕３ｂのように、Ａ−Ａ’ 断面が略Ｓ字型をなしている。振動腕３ａにおける水晶の断面も同様である。このような略Ｓ字型をなす振動腕３であれば、振動腕３において、熱の移動する熱伝導経路Ｐが長くなり、熱移動が生じにくくなる。つまり、水晶振動片１は、振動腕３の内部への熱伝導を妨げる構成となっていて、熱弾性損失をより効果的に抑制することができる。

ところで、水晶振動片１に溝４，５を形成する場合、エッチング加工が用いられるが、水晶の異方性により、エッチングの進行方向によってその速さが異なるため、所望の矩形状に溝４，５を形成することが困難となることがある。例えば、図８は、従来の加工方法により形成した溝の形状を示す断面図である。この場合、図８に示すように、水晶振動片１（図１）における振動腕３の溝４，５に相当する、水晶振動片１００における振動腕３００の溝４００，５００は、深さ方向底部の角部となるべき部分に斜面が残り、所望の矩形状に形成されていない。これは、水晶の異方性に起因する結晶面１８において、結晶面１８の斜面に沿ってエッチングの進行がほぼ止まってしまい、三角形状の断面の未加工部１９が残ったことにより生じる現象である。

このような現象に鑑み、水晶振動片１を形成する水晶について、簡単に説明する。水晶振動片１は、六角柱の水晶柱から切り出され、水晶柱は、柱の長手方向に光軸であるＺ軸と、Ｚ軸に垂直な六角形面のＸ−Ｙ平面において六角形の辺に平行な電気軸であるＸ軸と、Ｘ軸に垂直な機械軸であるＹ軸とを有している。また、六角形の辺に平行なＸ軸は、それぞれ１２０度の等角度で３本あって、これらのＸ軸によりＸ−Ｙ平面に形成される３つの面は、エッチング方向によるエッチング進行速度の違い等がそれぞれの面で同一である、という三方晶の性質を有している。即ち、水晶のＸ−Ｚ面では、Ｚ軸方向のエッチング進行速度が早く、Ｘ軸方向のエッチング進行速度が遅い傾向にある。

また、水晶振動片１は、Ｘ−Ｙ平面を、Ｘ軸とＹ軸との交点（座標原点）からみてＸ軸回りに角度５度傾けた平面に沿う水晶Ｚ板から切り出されたものであり、図１（ａ）に示すように、振動腕３の長手方向がＹ’軸方向であり、振動腕３の厚さ方向がＺ’軸方向である。そのため、図８に示すように、エッチングにより形成された溝４００，５００のＡ−Ａ’ 断面は、Ｘ−Ｚ’面であって、溝４００，５００の深さ方向底部において、Ａ−Ａ’ 断面のひとつの角部が所定の深さとなっても、Ｘ軸方向のエッチング速さの違いにより、同様な角部となるべき他角部の側にはエッチングされにくい結晶面１８が斜面状に残っていて、所定の深さに満たない異なった角部形状となっている。この結晶面１８の斜面が微細であっても、振動腕３００が微小になるにつれて、電極層に電圧を印加しても振動腕３００が屈曲するほどの電界が生じにくくなり、水晶振動片１００は、正確な振動を維持できなくなる。

そこで、水晶振動片１において、振動腕３へ正確な矩形状をなす精緻な溝４，５を形成する方法を以下に説明する。図２は、水晶振動片の製造方法を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１において、水晶振動片１をセットする。この時点の水晶振動片１は、水晶Ｚ板から切り出され、振動腕３に溝４，５を加工する前の状態であり、レーザー加工装置へセットされる。

ここで、溝４，５を形成する加工の説明に先立ち、レーザー加工装置の一例について説明する。図３は、レーザー加工装置の構成を示す模式図である。レーザー加工装置２０は、図３に示すように、レーザー光２３を水晶振動片１へ照射する照射機構部２１と、照射機構部２１を制御するホストコンピューター２２とを備えている。照射機構部２１は、レーザー光２３を出射するレーザー光源２４と、出射されたレーザー光２３を反射するダイクロイックミラー２５と、反射したレーザー光２３を集光する集光レンズ２６とを備えている。また、照射機構部２１は、水晶振動片１を載置する載置台２７と、載置台２７を移動させる移動部２８と、移動部２８を移動させるための移動機構部３１とを備えている。そして、ダイクロイックミラー２５を挟んで集光レンズ２６と反対側に位置する撮像部３２を備えている。

ホストコンピューター２２は、撮像部３２が撮像した画像情報を処理する画像処理部３６と、レーザー光源２４の出力やパルス幅、パルス周期を制御するレーザー制御部３７と、移動機構部３１を制御する移動制御部３８と、を制御部３５として有し、レーザー光２３による加工の際に用いられる各種加工条件のデータなどを入力する入力部４３と、レーザー光２３による加工状態などの情報を表示する表示部４２と、を有している。そして、制御部３５は、入力部４３から入力されたデータなどを一時的に保存するＲＡＭ（Random Access Memory）４１と、画像処理部３６、レーザー制御部３７、移動制御部３８の制御用プログラムなどを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）４０と、ＲＯＭ４０に記憶されているプログラムに従って各種の制御を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）３９とを有し、これらはバス４４を介して相互に接続されている。

この場合、レーザー加工装置２０は、レーザー光源２４がチタンサファイアの固体光源であって、チタンサファイアからのレーザー光２３をフェムト秒（１０^-15秒）のパルス幅で出射可能なフェムト秒レーザーである。レーザー加工装置２０が出射するフェムト秒（１０^-15秒）のパルス幅のレーザー光２３を用いれば、水晶振動片１の振動腕３へ後述する改質層を形成することが可能である。水晶振動片１のセット後、ステップＳ２へ進む。

ステップＳ２において、レーザー光２３の集光点を調整する。図４（ａ）は、溝形成予定領域の結晶面にレーザー光の集光点を合わせる調整工程を示す模式図である。図４（ａ）は、水晶振動片１の振動腕３ｂへ溝５ｂを形成するために、レーザー光２３を集光させた状態を、図１（ａ）のＡ−Ａ’ 断面において、拡大して見た図である。レーザー光２３を溝５ｂの形成予定領域へ集光させた位置のひとつが集光点２３ａである。

集光点２３ａの設定は、撮像部３２を利用して行う。撮像部３２は、可視光を発する光源とＣＣＤ（Charge Coupled Device：固体撮像素子）が組み込まれており、光源から出射した可視光は、集光レンズ２６を透過して焦点を結ぶ。これにより、振動腕３ｂの厚さを規定する一方の面と他方の面とに、それぞれ焦点を合わせるように移動部２８を移動させて、移動距離を位置センサーで検出すれば振動腕３ｂの厚みを計測でき、所定位置へ集光点２３ａを設定することが可能である。

そして、ステップＳ２においては、集光点２３ａにおける改質層１０ａの形成位置を、図８に示す結晶面１８に設定する。図８に示す結晶面１８は、水晶振動片１の形成元である水晶Ｚ板の切り出し方によって、予め想定することが可能であり、少なくともこの結晶面１８の生じる位置に集光点２３ａを設定することが肝要である。こうすれば、改質層１０ａの形成された部分では、水晶の異方性による結晶性が崩れており、図８に示すような結晶面１８の露出が抑制できる。このステップＳ２は、結晶面１８へ改質層１０ａを形成するように、レーザー光２３の集光点２３ａを調整する調整工程に該当する。レーザー光２３の集光点２３ａを調整した後、ステップＳ３へ進む。

ステップＳ３において、レーザー光２３の照射を行う。図４（ａ）に示すように、レーザー光２３を集光点２３ａへ照射すると、この集光点２３ａに改質層１０（１０ａ）が形成される。改質層１０（１０ａ）は、レーザー光２３によって水晶が改質された、いわゆる屈折率変化領域であって、非改質部の水晶に比べてエッチングが選択的に促進される等の特性を有するように改質されている。

一般に、水晶振動片１を構成する水晶は、レーザー光を吸収せずに透過させるため、この種のレーザー光によって水晶を加工することは困難であった。これに対して、レーザー加工装置２０のように、パルス幅が極めて小さいフェムト秒（１０^-15秒）のレーザー光２３を水晶内に集光させ、且つ、レーザー光２３のピーク強度を多光子吸収が生じるべき強度以上に設定すると、極短時間にレーザー光２３のエネルギーが、水晶内の集光点２３ａに集中する。これにより、集光点２３ａにおけるレーザー光２３の多数の光子が水晶の電子と相互作用して吸収される、いわゆる多光子吸収の現象が生じる。多光子吸収は、レーザー光２３のエネルギーが熱に変換される前に、極短時間の間に行われるため、熱の発生をほとんど伴わずに、レーザー光２３を集光させた水晶内部にのみ作用させることができる。

このように、多光子吸収では、熱の発生をほとんど伴わないため、集光点２３ａ近傍における水晶への熱影響の範囲は、ピーク強度が例えば１×１０¹³（Ｗ／ｃｍ²）のような加工条件において、およそ０．００５μｍ以下であり、集光点２３ａ近傍の水晶への熱影響はほとんど無いという知見が得られている。多光子吸収が生じた水晶内部の領域が改質層１０である。

また、参考に付記すると、水晶のような光透過性の材料は、レーザー光等をあまり吸収せずに透過させるため、パルス幅がフェムト秒より長いレーザー光を水晶内に集光させて照射しても、多光子吸収の現象を生じさせることが困難であるが、パルス幅がフェムト秒より長いレーザー光であっても、レーザー光の強度を多光子吸収が生じるべき強度以上の高いピークに設定すれば、水晶内に多光子吸収の現象を生じさせることができる。しかし、パルス幅がフェムト秒レーザーより長いため、その間に照射されたレーザー光２３のエネルギーの一部が熱に変換してしまい、水晶の溶解飛散、結晶の肥大化などのダメージを水晶へ与えやすくなる。これに対し、パルス幅がフェムト秒のレーザー光２３を用いれば、水晶へダメージを与えることなく、振動腕３へ改質層１０を容易に形成することが可能である。

このステップＳ３は、照射工程に該当する。そして、レーザー光２３の照射を開始してからステップＳ４へ進む。

ステップＳ４において、レーザー光２３の走査を行う。レーザー光２３の走査とは、レーザー光２３を水晶内の集光点２３ａへ照射した後、図４（ａ）に示すように、振動腕３ｂの長手方向（Ｙ’軸方向）である走査方向Ｒへ、レーザー光２３を移動させることである。この走査は、レーザー加工装置２０の移動部２８が走査方向Ｒへ移動することで行われる。これにより、改質層１０ａは、振動腕３ｂの長手方向に沿って、連続して形成される。この場合、改質層１０ａが連続して形成される長さは、溝５ｂの長さと同等または短く設定することが好ましい。このステップＳ４は、走査工程に該当する。レーザー光２３の走査後、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ５において、所定の走査が終了したか否かを判断する。この判断は、レーザー加工装置２０において、ＣＰＵ３９が移動制御部３８による移動部２８の移動情報を基にして行う。ここでいう所定の走査とは、振動腕３ｂの長手方向に沿う改質層１０を、集光点２３ａ位置を変えて何回走査して形成するか、という走査回数を指す。所定の走査が終了していなければ、ステップＳ２へ戻り、一方、所定の走査が終了していれば、ステップＳ６へ進む。

所定の走査が終了していない場合、ステップＳ２へ戻って、レーザー光２３の集光点を再度調整する。図４（ｂ）は、調整工程における集光点２３ｂの追加を示す模式図である。図４（ｂ）に示すように、レーザー加工装置２０の移動部２８を移動させて、レーザー光２３を集光点２３ａから集光点２３ｂへ移す調整を行う。この調整により、集光点２３ｂに形成される改質層１０ｂは、既に形成されている改質層１０ａと隣接する位置に形成されることになる。そして、改質層１０ａの形成と同様なステップＳ３およびステップＳ４を経て、振動腕３ｂの長手方向に沿って連続する改質層１０ｂが形成される。

このように、ステップＳ２からステップＳ５までの工程を繰り返して、水晶振動片１の振動腕３ｂへ溝５ｂを形成するための改質層１０が形成される。図５（ｃ）は、改質層１０，１１の形成が完了した状態を示す断面図である。図５（ｃ）に示すように、改質層１０ａ、および１０ｂ（図４（ｂ））等の集合体である改質層１０は、形成予定の溝５ｂの壁面のうち、振動腕３ｂの内部側壁面に沿い、溝５ｂの深さ方向および長手方方向に連続して形成されている。同様に、ステップＳ２からステップＳ５までの工程を繰り返して、水晶振動片１の振動腕３ｂへ溝５ａを形成するための改質層１１を形成する。改質層１１は、形成予定の溝５ａの壁面のうち、振動腕３ｂの内部側壁面に沿い、溝５ａの深さ方向および長手方方向に連続して形成されている。さらに、図示していないが、水晶振動片１の振動腕３ａへ溝４(４ａ，４ｂ）を形成するための改質層を形成する。

そして、ステップＳ５において、振動腕３（３ａ，３ｂ）へ溝４（４ａ，４ｂ），５（５ａ，５ｂ）を形成するための改質層１０，１１、・・をすべて形成した、と判断されれば、ステップＳ６において、マスキング加工を行う。マスキング加工は、図５（ｃ）に示すように、振動腕３ｂの一方の面または他方の面において、溝５ａ，５ｂを形成するためのエッチングの開始面である開口部となる面を除いた部分へ、マスキング１５を施す。マスキング１５が施された部分は、エッチングされない領域となる。マスキング加工を行った後、ステップＳ７へ進む。

ステップＳ７において、エッチング加工を行う。エッチング加工では、水晶をエッチングする処理液としてバッファード弗酸（ＢＨＦ）を用い、溝５ａ，５ｂの開口部となる部分から深さ方向へ向けて水晶を除去していく。この時、改質層１０，１１、・・は、改質されていない水晶に比べて、エッチングされやすいと共に、エッチングの進行を妨げる結晶面１８の露出を抑制するように、水晶の結晶性を崩す役目を果たしている。そのため、溝５ａ，５ｂの深さ方向へのエッチングは、深さ方向底部までほぼ均等な速さで進行し、図８に示すような結晶面１８の露出の無い、正確な矩形状をなす精緻な溝４，５を形成することができる。エッチング加工後、ステップＳ８へ進む。

ステップＳ８において、マスキング１５を除去する。マスキング１５の除去により、水晶振動片１が完成する。これらステップＳ６、ステップＳ７およびステップＳ８は、溝形成工程に該当し、図５（ｄ）は、溝形成工程で形成した溝５を示す断面図である。図５（ｄ）では、振動腕３ｂの溝５ａおよび溝５ｂを表していて、溝５ａ，５ｂは、深さ方向底部に角部を有する所望の矩形状をなして形成されている。また、図６は、改質層を形成して加工した場合の溝形状を示す断面図である。図６における溝４，５の形状は、図８における従来の方法である溝４００，５００と対比して見ると、従来方法では露出していた結晶面１８によりエッチングされずに残っていた未加工部１９が、エッチングで除去されている。これにより、水晶振動片１は、振動腕３が微小な形態の場合でも、熱伝導を妨げて熱弾性損失をより効果的に抑制する効果と、電極層に電圧を印加すれば振動腕３を屈曲させる電界を生じさせる効果と、を維持するための溝４，５を有することができ、正確な振動を維持することが可能である。

さらに、水晶振動片１は、各種の水晶デバイスへ適用することが可能である。これら水晶デバイスによれば、微細な溝４，５を有し小型化可能な水晶振動片１を備えているため、水晶振動片１をパッケージ化した水晶振動子や、回路素子と共に水晶振動片１を有する水晶発振器等において、熱弾性損失を抑制してより小型化を図ることが可能である。

以下、実施形態における水晶振動片１の製造方法の効果を簡単にまとめて記載する。

（１）水晶振動片１の製造方法は、振動腕３の溝４，５を形成する予定領域にレーザー光２３を照射し、水晶の結晶面１８を含む領域に改質層１０，１１を形成することを特徴とし、改質層１０，１１の形成により、エッチングされにくい結晶面１８の影響を排除して、矩形状をなす溝４，５を正確に形成することができる。この製造方法による水晶振動片１は、熱弾性損失の抑制および正確な振動の維持をしつつ、小型化が図れる。

（２）水晶振動片１における振動腕３の断面を、溝４，５の形成によりＳ字状に加工する製造方法により、振動による振動腕３の内部への熱伝導は、熱伝導経路が長くなることにより妨げられる。これにより、水晶振動片１は、熱弾性損失をほぼ抑制することができる。

（３）改質層１０，１１の加工において、水晶内に多光子吸収の現象が生じやすくなるフェムト秒のパルスレーザー光を用いることにより、水晶へダメージを与えることなく、溝４，５の形成予定領域へ改質層１０，１１を形成することができる。

また、水晶振動片１の製造方法は、上記の実施形態に限定されるものではなく、次に挙げる変形例のような形態であっても、実施形態と同様な効果が得られる。

（変形例１）水晶振動片１の製造方法は、振動腕３の溝４，５を形成する予定領域において、少なくとも結晶面１８を含む領域に改質層１０，１１を一本ずつ形成しているが、これに限定されるものではない。図７は、改質層形成の変形例を示す断面図であり、振動腕３ｂに形成予定の溝５ａ，５ｂを示している。これによれば、図７に示すように、溝５ａの形成予定領域に２本の改質層１２（１２ａ，１２ｂ）を有していても良い。この場合、改質層１２ｂは、実施形態における振動腕３ｂの改質層１１に相当し、改質層１２ａは、改質層１２ｂが沿う溝５ａの壁面と対向する壁面に沿って形成されている。そして、図７に示す溝５ｂの形成予定領域のように、３本の改質層１３（１３ａ，１３ｂ、１３ｃ）を有していても良い。この場合、改質層１３ｂは、実施形態における振動腕３ｂの改質層１０に相当し、改質層１３ａは、改質層１３ｂが沿う溝５ｂの壁面と対向する壁面に沿って形成され、改質層１３ｃは、溝５ｂの深さ方向底部において改質層１３ａと改質層１３ｂとを結んで形成されている。溝５ａおよび溝５ｂは、改質層１２または改質層１３のいずれかを形成することにより、実施形態に比べて、より迅速にエッチングで形成でき、溝形状もより正確な矩形状を有することができる。

（変形例２）水晶振動片１の製造方法は、溝４，５を有する２本の振動腕３ａ，３ｂを備えた音叉型の形態に限定されるものではなく、２本以外の振動腕３を備えて面内振動する形態に適用しても良い。さらに、この製造方法は、溝を有する複数の振動腕が面外振動をする形態の水晶振動片等に適用しても良い。

（変形例３）実施形態における溝４，５は、断面が矩形状をなして振動腕３の長手方向へ平行に延在しているが、それぞれの断面が矩形状以外の形態であっても良い。溝４，５を矩形状以外の形態にする製造方法によれば、振動腕３の形状に柔軟に対応して、熱伝導を妨げる最適な溝４，５を形成することができる。

水晶振動片１の製造方法は、改質層１０，１１を形成することにより、小型化された振動腕３へ溝４，５を容易に形成できる。この製造方法による水晶振動片１は、小型化でも熱弾性損失を抑制して正確な振動を維持することができる。従って、水晶振動片１を備えた水晶振動子や水晶発振器などの水晶デバイスは、タイミングデバイスなどとして、デジタル携帯電話、パーソナルコンピューター、電子時計、ビデオレコーダー、テレビなどの電子機器に広く用いられ、これら電子機器の高精度化や小型化に貢献することができる。

１…水晶振動片、２…基部、３（３ａ，３ｂ）…振動腕、４（４ａ，４ｂ）…溝、５（５ａ，５ｂ）…溝、１０（１０ａ，１０ｂ）…改質層、１１…改質層、１５…マスキング、１８…結晶面、１９…未加工部、２０…レーザー加工装置、２３…レーザー光、２３ａ，２３ｂ…集光点。

Claims (5)

1. 振動腕と、該振動腕の厚さを規定する方向に深さを有し前記振動腕の長手方向に延在する溝と、を備える構成の水晶振動片の製造方法であって、
   前記振動腕における前記溝の形成予定領域に対し、少なくとも水晶の異方性による結晶面を含む位置へ、レーザー光の集光点を合わせるように調整する調整工程と、
   前記集光点に多光子吸収による改質層を形成するために、前記振動腕へ前記レーザー光を照射する照射工程と、
   前記振動腕の長手方向に沿って前記改質層を形成するために、前記振動腕と前記レーザー光とを相対移動させる走査工程と、
   前記振動腕をエッチングして前記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片の製造方法。
2. 請求項１に記載の水晶振動片の製造方法において、
   前記調整工程は、前記結晶面を含む位置以外に、前記振動腕の厚さ方向に沿う位置へ前記集光点をさらに設けるように調整することを特徴とする水晶振動片の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の水晶振動片の製造方法において、
   前記溝形成工程は、前記振動腕の厚さ方向の断面形状がＳ字状の水晶となるように前記溝を形成することを特徴とする水晶振動片の製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の水晶振動片の製造方法において、
   前記照射工程は、前記レーザー光がフェムト秒のパルス幅で照射されることを特徴とする水晶振動片の製造方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の水晶振動片の製造方法によって製造された水晶振動片を備えていることを特徴とする水晶デバイス。

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