JP2006352377A - 弾性表面波デバイスとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸素還元処理を施したタンタル酸リチウム等の圧電基板の焦電抑制効果を保持する手段を得る。
【解決手段】 結晶構造がシェーンフリース記号で Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_Ｓ，Ｃ_２Ｖ，Ｃ_４，Ｃ_４Ｖ，Ｃ_３，Ｃ_３Ｖ，Ｃ_６，Ｃ_６Ｖ の何れかの点群に属した圧電基板を用いて構成したＳＡＷデバイスの製造方法であって、前記圧電基板の体積抵抗率が１．００×１０^９Ω・ｃｍ〜９．０×１０^１１Ω・ｃｍの範囲となるように酸素還元処理を施す工程と、該圧電基板上に金属膜を成膜する工程と、酸素濃度が２．８％以下の雰囲気中で前記金属薄膜を成膜する際の基板温度以上、４００℃未満の所定の温度にて加熱処理する工程と、を備えているＳＡＷデバイスの製造方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、弾性表面波デバイス（ＳＡＷデバイス）とその製造方法に関し、特に還元処理したＬｉＴａＯ_３基板を用いてＳＡＷデバイスを構成する際に、基板の再酸化を抑止したＳＡＷデバイスとその製造方法に関する。

近年、弾性表面波デバイス（以下、ＳＡＷデバイスと称す）は通信分野で広く利用され、高性能、小型、量産性等の優れた特徴を有することから特に携帯電話、ＬＡＮ等に多く用いられている。一般的に、ＳＡＷデバイスを製造する際には、周波数エージング特性の改善、耐電力性の改善等の目的で、製造工程中に加熱処理工程が設けられている。
特開昭５６−８０９１２号公報には、圧電基板（ＬｉＴａＯ_３）上に電極パターンを形成した後、窒素雰囲気中において３００℃〜４００℃の温度で３０分〜６０分間の加熱処理を行うことにより、圧電基板と電極材料のアルミニウム（Ａｌ）膜との密着性を改善し、弾性表面波の音速のばらつき、即ち周波数ばらつきを低減したことが開示されている。

特開昭６１−１４７６１２号公報には、高温の加熱処理により圧電基板あるいは電極上に付着した異物を分解して不活性な物質にし、ＳＡＷデバイスの特性を安定させたことが開示されている。また、特開平５−２０６７７６号公報には、圧電基板上に電極材料としてＡｌ合金（ＡｌとＣｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ａｕ、Ａｇ等の中から選ばれた少なくとも１つ金属との合金）を用いて構成したＳＡＷデバイスにおいて、６００℃／分以下の昇温速度で所定の温度まで上昇させ、この温度に所定時間保持した後、６００℃／分以下の冷却速度で室温に戻して、金属膜の焼鈍処理を行うことにより、Ａｌ合金電極の比抵抗を大幅に小さくすることが開示されている。特開６−２０９２２２号公報には、圧電基板としてＬｉＴａＯ_３基板を用いた場合、ＳＡＷデバイス素子を薄膜電極の成膜時の基板温度以上、４００℃未満の所定温度まで、６００℃／分以下の昇温速度で上昇させ、この温度に所定時間保持した後、６００℃／分以下の冷却速度で室温に戻し、金属膜の焼鈍処理を行うことにより、電極膜の静的応力を５×１０^９ｄｙｎ／ｃｍ^２以下にすることができることが開示されている。

特開２００３−２５８５９３号公報には、圧電基板上にＴｉとＡｌ（若しくはＡｌ合金）の薄膜をそれぞれ積層し、大気圧又は不活性ガス雰囲気下で加熱処理して、両薄膜層間にＡｌとＴｉの化合物（Ａｌ_３ Ｔｉ）層を形成し、該化合物層上のＡｌ（若しくはＡｌ合金）薄膜層を除去したのち、Ａｌ（若しくはＡｌ合金）の電極膜を形成することで、薄膜間の密着性が改善され、耐電力性の大きい積層電極膜を実現できることが開示されている。
デバイスシンポジウム２００５講演論文集ｐ．９−１４には、静電スパークのため電極破壊やウエハ破損を引き起こす焦電性を、還元処理により改善し、焦電効果を抑制したＬｉＴａＯ_３ウエハについての記述がある。
特開昭５６−８０９１２号公報 特開昭６１−１４７６１２号公報 特開平５−２０６７７６号公報 特開平６−２０９２２２号公報 特開２００３−２５８５９３号公報 圧電材料・デバイスシンポジウム実行委員会著、「圧電材料・デバイスシンポジウム２００５講演論文集」ｐ．９−１４、（株）東北プリント出版、２００５年２月２３日発行

上述のように、ＳＡＷデバイスの種々の特性を改善するために製造工程中で加熱処理が行われる。しかしながら、デバイスシンポジウム２００５講演論文集ｐ．９−１４に述べられているように、還元処理を施したＬｉＴａＯ_３ウエハを用いてＳＡＷデバイスを構成する場合、製造工程中の加熱処理によりＬｉＴａＯ_３ウエハが再酸化し、焦電抑制効果が劣化するという問題があった。
また、再酸化はＬｉＴａＯ_３基板のみではなく、還元処理されたＬｉＮｂＯ_３基板の場合でも同様であり、シェーンフリース記号で Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_Ｓ，Ｃ_２Ｖ，Ｃ_４，Ｃ_４Ｖ，Ｃ_３，Ｃ_３Ｖ，Ｃ_６，Ｃ_６Ｖ の何れかの点群に属した圧電結晶（焦電性を有する圧電基板）では、圧電基板に酸素還元処理を施しても、加熱処理により焦電抑制効果が劣化するという問題があった。

本発明に係る第１の発明は、結晶構造がシェーンフリース記号で Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_Ｓ，Ｃ_２Ｖ，Ｃ_４，Ｃ_４Ｖ，Ｃ_３，Ｃ_３Ｖ，Ｃ_６，Ｃ_６Ｖ の何れかの点群に属した圧電基板を用い、該基板の主面上に金属薄膜を成膜して構成したＳＡＷデバイスにおいて、前記圧電基板に酸素還元処理を施して体積抵抗率を１．００×１０^９Ω・ｃｍ〜９．０×１０^１１Ω・ｃｍの範囲とし、且つ前記金属薄膜の成膜後の加熱処理工程の温度を酸素濃度が２．８％以下の雰囲気中で、前記金属薄膜を成膜する際の基板温度以上、且つ４００℃未満の所定の温度として構成したＳＡＷデバイスであることを特徴とする。
第２の発明は、結晶構造がシェーンフリース記号で Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_Ｓ，Ｃ_２Ｖ，Ｃ_４，Ｃ_４Ｖ，Ｃ_３，Ｃ_３Ｖ，Ｃ_６，Ｃ_６Ｖ の何れかの点群に属した圧電基板を用いて構成したＳＡＷデバイスの製造方法において、前記圧電基板の体積抵抗率を１．００×１０^９Ω・ｃｍ〜９．０×１０^１１Ω・ｃｍの範囲となるように酸素還元処理を施す工程と、該圧電基板上に金属膜を成膜する工程と、酸素濃度が２．８％以下の雰囲気中で前記金属膜を成膜する際の基板温度以上、且つ４００℃未満の所定の温度にて加熱処理する工程と、を備えていることを特徴とするＳＡＷデバイスの製造方法である。
第３の発明は、前記加熱処理の温度を酸素濃度が２．８％以下になるまでは雰囲気の温度を１００℃以下に保持し、酸素濃度が２．８％以下に達した後で１００℃〜４００℃未満の所定温度としたことを特徴とする請求項１に記載のＳＡＷデバイスである。
第４の発明は、酸素濃度が２．８％以下になるまでは雰囲気の温度を１００℃以下に保持し、酸素濃度が２．８％以下に達した後で１００℃〜４００℃未満の所定温度の加熱処理を行う工程を備えていることを特徴とする請求項２に記載のＳＡＷデバイスの製造方法である。
第５の発明は、実装基板を複数連結した実装基板母材上に複数のＳＡＷチップをフリップチップ実装した状態で、前記加熱処理を施すことを特徴とする請求項２あるいは４に記載のＳＡＷデバイスの製造方法である。

本発明の弾性表面波デバイスとその製造方法は、装置内の酸素濃度を低減した後、所定の温度で弾性表面波デバイスを加熱処理することにより、圧電基板の再酸化が防止できるので、ＬｉＴａＯ_３基板、ＬｉＮｂＯ_３基板のみならず、シェーンフリース記号で Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_Ｓ，Ｃ_２Ｖ，Ｃ_４，Ｃ_４Ｖ，Ｃ_３，Ｃ_３Ｖ，Ｃ_６，Ｃ_６Ｖ に属した圧電結晶を用いてＳＡＷデバイスを構成する際に、その歩留まりを大幅に改善できるという利点がある。

図１は本発明に係るトランスバーサル型弾性表面波フィルタの実施の形態を示す図であって、同図（ａ）はトランスバーサル型弾性表面波フィルタ素子、同図（ｂ）はトランスバーサル型弾性表面波フィルタ素子をパッケージに実装したものの平面図、同図（ｃ）はＱ−Ｑにおける断面図である。トランスバーサル型ＳＡＷフィルタ素子の基本的な構成は、圧電基板１の主面上に表面波の伝搬方向に沿ってＩＤＴ電極２、３を所定の間隔を隔して配置すると共に該ＩＤＴ電極２、３の間に電極４を配設する。ＩＤＴ電極２、３はそれぞれ互いに間挿し合う複数本の電極指を有する一対の櫛形電極により形成されている。

図１（ｂ）の平面図に示すように、パッケージ５の周縁の段差部に外底部の接続用端子電極（図示せず）と導通した端子電極６、６’、７、７’と、接地用端子電極８とが形成されている。このパッケージ５の内底部に、図１（ｃ）の断面図に示すように、圧電基板１の裏面を、接着剤９を用いて接着固定する。そして、ＩＤＴ電極２のそれぞれの櫛形電極はボンディングワイヤ１０にて端子電極６、６’に接続されると共に、ＩＤＴ電極３のそれぞれの櫛形電極は、同様に入力端子電極７、７’に接続される。さらに、電極４はボンディングワイヤ１０にて接地用端子電極８に接続され、パッケージ５の上部周縁部に形成されたメタライズ部（図示せず）に金属蓋１２を抵抗溶接して、トランスバーサル型ＳＡＷフィルタが構成される。なお、圧電基板１の両端に吸音材１１を塗布して不要反射波を抑圧することがある。

本発明の特徴は、結晶構造がシェーンフリース記号で Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_Ｓ，Ｃ_２Ｖ，Ｃ_４，Ｃ_４Ｖ，Ｃ_３，Ｃ_３Ｖ，Ｃ_６，Ｃ_６Ｖ のいずれかの点群に属した圧電基板を用いたＳＡＷデバイスの製造方法であって、圧電基板の導電性が酸素還元処理によって高められたもの、即ち体積抵抗率が１．００×１０^９Ω・ｃｍ〜９．０×１０^１１Ω・ｃｍの範囲の圧電基板を用い、成膜後の工程において、酸素濃度が２．８％以下の雰囲気中で、金属薄膜を成膜する際の基板温度以上、４００℃未満の温度で加熱処理を施すことを特徴とするＳＡＷデバイスの製造方法である。

ＳＡＷデバイスを加熱処理する雰囲気の酸素濃度を２．８％以下、望ましくは１％以下とすることにより、還元処理された圧電基板が加熱処理により再酸化されることが防止され、焦電抑制効果の劣化を防ぐことができる。なお、加熱処理を行う雰囲気を窒素などの不活性ガスで置換、あるいは減圧雰囲気にするだけでは、雰囲気中の残存酸素濃度が十分に低濃度とならない場合があり、焦電抑制効果の劣化を来たすおそれがある。本発明の加熱処理において重要なのは、加熱処理する雰囲気の気圧値や、何の元素が雰囲気中に残存するかではなく、加熱処理雰囲気中の酸素濃度を所定の濃度以下とすることである。酸素濃度を低下させる手段として、雰囲気を不活性ガスで置換したり、減圧したりする場合は、酸素濃度が所定の濃度以下であることに確認する必要がある。

圧電基板の体積抵抗率が１．００×１０^９Ω・ｃｍよりも小さいと圧電基板をダイシングする際にチッピングが生じやすく、また９．０×１０^１１Ω・ｃｍより大きいと焦電効果の抑制が不十分となる。従って、圧電基板の体積抵抗率は製造工程中においては、１．００×１０^９Ω・ｃｍ〜９．０×１０^１１Ω・ｃｍの範囲に保たれる必要がある。

加熱処理の温度が圧電基板上に金属薄膜パターンを成膜する際の基板温度よりも低いと、加熱処理による効果（金属薄膜と圧電基板との密着性改善、積層される金属薄膜間同士の密着性改善、金属薄膜の低抵抗化、エージング特性などの信頼性改善等）を得るために膨大な加熱時間を要し、最悪は加熱処理による効果が全く得られない場合がある。つまり、加熱処理の温度は金属薄膜を成膜する際の基板温度以上である必要がある。なお、積層薄膜電極の形成において、各金属薄膜の成膜時の基板温度が異なる場合は、積層する各金属薄膜の成膜時における基板温度の中の最も高い温度より、高く設定する必要がある。また、圧電基板にＬｉＴａＯ_３基板を用いる場合、加熱処理の最高温度は特開平６−２０９２２２号報に開示されているように、ＬｉＴａＯ_３基板の特性を損なわない４００℃未満にする必要がある。

以上、加熱処理における酸素濃度と加熱温度について説明したが、以下に酸素濃度と雰囲気の上昇温度との関係を詳細に説明する。雰囲気の温度は、酸素濃度が２．８％以下になるまではその温度を１００℃以下に保持し、酸素濃度が２．８％以下になったことを確認してから雰囲気温度を１００℃より高く、且つ４００℃未満の所定の温度に設定することが重要である。
例えば、装置を用いて加熱処理を行う場合、該装置は装置内の酸素濃度（大気中の約２１％）を２．８％以下に低減する機能と、４００℃まで昇温する機能とを有することが必要である。この装置を用い、装置内の酸素濃度が２．８％以下に達する前に１５０℃〜４００℃の加熱処理を行うと、還元処理した圧電基板が再酸化され、焦電効果の抑制が劣化することになる。従って、雰囲気を１００℃以下に保持しつつ、酸素濃度を２．８％以下に低減した後、雰囲気の温度を次第に上げ、１００℃〜４００℃の所定の温度での加熱処理を行うことが重要である。雰囲気温度が１００℃以下であれば、大気中（酸素濃度約２１％）で加熱しても、圧電基板の再酸化は僅かであり、焦電抑制効果の劣化は無視できる。

圧電基板や薄膜電極上に付着した異物を分解するため、あるいはＳＡＷデバイスの経時変化特性を改善するために加熱処理を行う場合は、ＳＡＷチップを封止する直前に加熱処理することがよい。つまり、ウエハ工程で加熱処理を行うと、その後の工程で付着する異物の分解ができないからである。ただ、個片の実装基板にＳＡＷチップを実装した状態で加熱処理を行うのは、ハンドリングに工数がかかり過ぎる。そこで、実装基板個片数を例えば数百個〜数千個連結した実装基板母材（集合基板）にＳＡＷチップを実装した後で、本発明による加熱処理を行うことでハンドリングが容易となる。

本発明に係るＳＡＷデバイスの構造を示した概略構成図で、（ａ）はトランスバーサル型弾性表面波フィルタ素子、（ｂ）パッケージに実装した平面図、（ｃ）は断面図ある。

符号の説明

１ 圧電基板
２、３ ＩＤＴ電極
４ 電極（ベタ電極）
５ パッケージ
６、６’、７、７’ 端子電極
８ 接地電極
９ 接着剤
１０ ボンディングワイヤ
１１ 吸音材
１２ 金属蓋

Claims (5)

1. 結晶構造がシェーンフリース記号で Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_Ｓ，Ｃ_２Ｖ，Ｃ_４，Ｃ_４Ｖ，Ｃ_３，Ｃ_３Ｖ，Ｃ_６，Ｃ_６Ｖ の何れかの点群に属した圧電基板を用い、該基板の主面上に金属薄膜を成膜して構成したＳＡＷデバイスにおいて、
   前記圧電基板に酸素還元処理を施して体積抵抗率を１．００×１０^９Ω・ｃｍ〜９．０×１０^１１Ω・ｃｍの範囲とし、且つ前記金属薄膜の成膜後の加熱処理工程の温度を酸素濃度が２．８％以下の雰囲気中で、前記金属薄膜を成膜する際の基板温度以上、且つ４００℃未満の所定の温度としたことを特徴とするＳＡＷデバイス。
2. 結晶構造がシェーンフリース記号で Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_Ｓ，Ｃ_２Ｖ，Ｃ_４，Ｃ_４Ｖ，Ｃ_３，Ｃ_３Ｖ，Ｃ_６，Ｃ_６Ｖ の何れかの点群に属した圧電基板を用いて構成したＳＡＷデバイスの製造方法において、
   前記圧電基板の体積抵抗率を１．００×１０^９Ω・ｃｍ〜９．０×１０^１１Ω・ｃｍの範囲となるように酸素還元処理を施す工程と、該圧電基板上に金属膜を成膜する工程と、酸素濃度が２．８％以下の雰囲気中で前記金属膜を成膜する際の基板温度以上、且つ４００℃未満の所定の温度にて加熱処理する工程と、を備えていることを特徴とするＳＡＷデバイスの製造方法。
3. 前記加熱処理の温度を酸素濃度が２．８％以下になるまでは雰囲気の温度を１００℃以下に保持し、酸素濃度が２．８％以下に達した後で１００℃〜４００℃未満の所定温度としたことを特徴とする請求項１に記載のＳＡＷデバイス。
4. 酸素濃度が２．８％以下になるまでは雰囲気の温度を１００℃以下に保持し、酸素濃度が２．８％以下に達した後で１００℃〜４００℃未満の所定温度の加熱処理を行う工程を備えていることを特徴とする請求項２に記載のＳＡＷデバイスの製造方法。
5. 実装基板を複数連結した実装基板母材上に複数のＳＡＷチップをフリップチップ実装した状態で、前記加熱処理を施すことを特徴とする請求項２あるいは４に記載のＳＡＷデバイスの製造方法。
   
   
   
   

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