JP2007028235A - 弾性表面波装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＡＷ装置（ＩＤＴ電極）の耐湿・耐食信頼性を高める。
【解決手段】圧電基板と、この圧電基板の表面に設けたＡｌ又はＡｌ合金により形成されたＩＤＴと、圧電基板の少なくとも一部及びＩＤＴを覆う保護膜とを備えたＳＡＷ装置で、保護膜は、圧電基板の少なくとも一部及びＩＤＴの表面に形成され、ＩＤＴ表面では連続膜でかつ圧電基板表面では不連続膜となっている金属酸化物層と、金属酸化物層上に形成された二酸化珪素層とを含む。好ましくは、圧電基板は単結晶圧電基板で、金属酸化物層は遷移金属の酸化物（例えば酸化クロム）を主成分とし、二酸化珪素層の厚さは１０ｎｍ以下、金属酸化物層の厚さは２ｎｍ以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性表面波装置に係り、特に弾性表面波装置の耐食性・耐湿性を確保するため圧電基板の電極形成面に備える保護膜の構造に関する。

圧電効果によって生じる弾性表面波（Surface Acoustic Wave／ＳＡＷ）を利用した弾性表面波装置（以下、ＳＡＷ装置という）は、小型軽量で信頼性に優れることから、フィルタや共振器などの電子デバイスとして携帯電話機その他の電子機器に近年広く利用されている。

かかるＳＡＷ装置は、一般に、高周波信号の印加により弾性表面波を励振しまた励振され伝搬された弾性表面波を受けてこれを再び電気信号に変換する交差指状電極（Interdigital Transducer）や、弾性表面波を圧電基板上の所定領域に閉じ込める反射器（反射器を備えない場合もあるが、以下、これらを纏めてＩＤＴ又は電極という）を圧電基板の表面に設けてなる。ＩＤＴは、比重の小さいアルミニウム或いはアルミニウム合金により通常形成されるが、これらの材料は湿気により腐食されやすい側面を有する。したがってＳＡＷ装置では、外気を遮断した気密封止構造を採る必要があり、耐食性を高めるため更にＩＤＴを含めた基板表面を保護膜によって被覆する場合がある（下記特許文献参照）。

特許第３４１１９０８号公報 特開２００４‐２３２０１号公報

ところで、上記保護膜は、電極や基板表面を湿気から守りＳＡＷ装置の耐湿性（耐食性）を高める機能を果たすものではあるが、ＩＤＴを含めた基板表面を覆う当該保護膜の形成は、一方において電極間に短絡を生じさせ、当該ＳＡＷ装置の電気特性を劣化させる原因ともなり得る。このため、上記特許文献１の発明では、電極表面では連続膜でかつ基板表面では不連続膜となる金属酸化物層を形成することによって電極間の短絡を防ぎ、良好な電気特性と耐湿性を同時に実現する。

一方、このような機能を有する保護膜について本発明者は検討を重ね、その結果、信頼性を更に向上させる余地があることを見出した。すなわち、上記文献記載の装置では、十分な実用性（耐湿性）を確保できるものの、より一層厳しい環境条件を想定した場合には、連続膜によって覆われた電極と、不連続膜によって覆われた基板の界面から腐食が生じ得る。特に、基板と電極の界面は結晶粒界に較べ腐食が進行しやすいことを考慮すれば当該界面部分の腐食をより確実に防ぐことが出来れば、ＳＡＷ装置の耐湿信頼性を更に向上させることが出来る。

他方、上記特許文献２の発明では、保護膜として絶縁材料である二酸化珪素を使用し、この膜に熱処理を施すことで耐湿性と良好な電気特性の実現を図る。とことが、この文献に記載の方法では、二酸化珪素膜の加熱処理工程が新たに必要となるうえ、二酸化珪素によって耐湿性を確保するには膜厚をある程度厚くする必要があり、このためＳＡＷ装置の電気機械機能面（弾性表面波の励振・伝搬等）が阻害され、良好な電気特性を得ることは容易ではない。

さらにＳＡＷ装置では、樹脂パッケージに較べ気密性に優れたセラミックパッケージが使用される場合もある。しかしながらセラミックパッケージは、パッケージ自体が高価であり、製造過程で微小な気密リークが生じやすいために製造の最終段階で気密性を確認する検査工程が必要となって製造コストが嵩む難がある。

したがって、本発明の目的は、ＳＡＷ装置の耐湿信頼性を更に向上させることにあり、特に簡便なパッケージによっても十分な耐湿性を確保する点にある。

前記課題を解決し目的を達成するため、本発明に係るＳＡＷ（弾性表面波）装置は、圧電基板と、この圧電基板の表面に設けたアルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム合金（Ａｌ合金）を主成分とする材料により形成されたＩＤＴ（交差指状電極）と、圧電基板の少なくとも一部およびＩＤＴを覆う保護膜とを備えたＳＡＷ装置であって、前記保護膜は、圧電基板の少なくとも一部およびＩＤＴの表面に形成され、ＩＤＴの表面では連続膜でかつ圧電基板の表面では不連続膜となっている金属酸化物層と、この金属酸化物層上に形成された二酸化珪素（ＳｉＯ₂）を主成分とする二酸化珪素層とを含む。

本発明のＳＡＷ装置では、ＩＤＴ並びに圧電基板の表面を覆う保護膜として、金属酸化物層と二酸化珪素層とを備える。かかる金属酸化物層は、電極表面では連続膜、圧電基板の表面では不連続膜となってＩＤＴ電極間の短絡を防ぎ、当該ＳＡＷ装置の電気特性の劣化を防止するとともに、二酸化珪素層と相まって耐湿性（耐食性）を確保する。一方、金属酸化物層の上に形成する二酸化珪素層は、電極領域および基板領域の双方に亘って連続膜となってこれらを覆い、上記金属酸化物層と相まって電極や基板面への湿気の侵入を防ぐ。

したがってこのような保護膜を備える本発明によれば、例えば樹脂パッケージ（但し、樹脂パッケージに限定されるものではない）による簡便な封止構造で、良好な電気特性と優れた耐湿性・耐食性を備えた信頼性の高いＳＡＷ装置を実現することが出来る。尚、この点については、後の実施の形態の説明において実験結果に基づいて更に述べる。

上記圧電基板としては、典型的にはタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃／以下、ＬＴと記す）またはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃／以下、ＬＮと記す）の単結晶基板を用いることが出来る。但し、必ずしもこれらに限定されず、水晶基板、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスのような圧電セラミックスによる基板その他の圧電基板を使用することも可能である。

一方、ＩＤＴは、Ａｌ又はＡｌ合金により形成する。電極の形状や配置、接続構造、反射器の有無等については、様々な設計が可能であり特に限定されない。またＩＤＴは電極を構成するＡｌ層又はＡｌ合金層に加えて、他の金属又は合金からなる層を備えていても構わない。さらに上記圧電基板の表面には、ＩＤＴのほかにも接続用の導電パッドや配線（導体線路）などの他の導体パターンを設けて勿論良い。

上記金属酸化物層は、遷移金属の酸化物（例えば酸化クロム）を主成分とするものであることが望ましい。当該材料によれば、良好な電気特性と耐湿性を得ることが出来るからである。

金属酸化物層並びに二酸化珪素層の形成は、例えばスパッタや蒸着、気相成長（ＣＶＤ）等のいわゆる薄膜法により行うことが出来る。より具体的には、例えばスパッタによって金属膜を形成した後、この金属膜に対し更に加熱処理を行うことにより当該金属膜を酸化すれば上記金属酸化物層を形成することが出来る。また、当該金属酸化物層を上述のように電極表面で連続膜でかつ基板表面で不連続膜となるようにするには、例えば上記薄膜法による成膜過程の初期段階（連続膜が形成される前段階）で成膜を止め、その後、上記加熱処理を行えば良い。尚、二酸化珪素層に対しては、加熱処理は不要である。

上記金属酸化物層と二酸化珪素層とは共に、良好な電気特性を得る観点から、薄く形成することが好ましい。具体的には、二酸化珪素層の厚さは例えば１０ｎｍ以下、金属酸化物層の厚さは例えば２ｎｍ以下とする。

本発明のＳＡＷ装置には、例えばＩＤＴ又はこれと反射器を含むＳＡＷ共振器やＳＡＷフィルタ、ＳＡＷデュプレクサ等が含まれ、圧電性基板上に発生される弾性表面波を利用する各種のＳＡＷデバイスが含まれる。

本発明によれば、ＳＡＷ装置の耐湿信頼性を向上させることができ、簡便なパッケージによっても良好な電気特性と耐湿性を確保することが可能となる。

本発明の他の目的、特徴および利点は、以下の本発明の実施の形態の説明により明らかにする。

図１は、本発明の一実施形態に係るＳＡＷ装置（ＳＡＷフィルタ）を模式的に示す平面図である。同図に示すようにこのＳＡＷフィルタは、ＬＴ単結晶基板１１の表面に複数のＩＤＴ（交差指状電極）１２を設け、これらＩＤＴ１２を導体パターン１３により電気的に接続したものである。また、このようにＩＤＴ１２を形成した基板１１の表面には、ＩＤＴ１２並びにＬＴ基板１１の表面を覆う保護膜２１（図２参照／図１では図示せず）を有する。

またＬＴ基板１１の表面には、導電体からなる接続パッド１４を備えてある。ＬＴ基板１１（ＩＤＴ１２）は、例えばこれら接続パッド１４に配されるバンプ（図示せず）を介して別の基板と電気的に接続されて当該別の基板に実装され、さらに樹脂パッケージ等によって気密封止することによりＳＡＷフィルタやＳＡＷデュプレクサを構成することが出来る。尚、当該パッケージ構造や上記基板１１上のＩＤＴ１２の配設個数、配置パターン、接続方法（回路構成）等は、様々に変更が可能であって特に限定されない。

図２は、上記ＩＤＴ１２を形成したＬＴ基板１１を示す断面図である。この図に示すように本実施形態のＳＡＷフィルタでは、ＬＴ基板１１の表面にＡｌ又はＡｌ合金からなるＩＤＴ１２を設け、ＬＴ基板１１およびＩＤＴ１２の表面に酸化クロム層（金属酸化物層）２２を設ける。この酸化クロム層２２は、後に述べるＳｉＯ₂層２３とともに保護膜２１を構成するもので、例えばスパッタによりクロム（Ｃｒ）からなる金属クロム膜をまず成膜し、その後、この金属クロム膜を加熱処理によって酸化させることにより形成する。また、前記金属クロム膜の形成にあたってはスパッタの初期段階で成膜を停止する。図２では連続した状態で示しているが、これにより酸化クロム層２２は、ＩＤＴ１２の表面では連続膜状態の、またＬＴ基板１１の表面では不連続状態の膜となる。

さらに、このようにして形成した酸化クロム層２２の上にＳｉＯ₂層２３を形成する。このＳｉＯ₂層２３は、上記酸化クロム層２２とともに保護膜２１を構成するもので、ＩＤＴ１２の表面およびＬＴ基板１１の表面の両領域において連続膜となるように、例えばスパッタや蒸着等の薄膜法により形成する。

尚、これら酸化クロム層２２とＳｉＯ₂層２３は、良好な電気特性を得る観点から共に薄く形成することが望ましいが、ＳｉＯ₂層２３は耐湿性を確保するため例えば１０ｎｍ以下の厚さに、一方、酸化クロム層２２は主として基板表面で不連続膜となって電極間の短絡を防止できるよう例えば２ｎｍ以下の厚さとすることが好ましい。

図３はＳｉＯ₂層の膜厚と中心周波数との関係を、図４はＳｉＯ₂層の膜厚と挿入損失との関係を測定した結果をそれぞれ示す線図である。これらの図に示すように、ＳｉＯ₂層の膜厚と中心周波数、並びにＳｉＯ₂層の膜厚と挿入損失は共に略反比例の関係にあり、ＳｉＯ₂層の膜厚が１ｎｍ増加すると、中心周波数は０．１２ＭＨｚだけ低域側にシフトし、挿入損失は０．００２ｄＢだけ劣化（増加）する。

したがって、ＳｉＯ₂層の膜厚を１０ｎｍ以下にすれば、中心周波数の低域側へのシフト（ずれ）を１．２ＭＨｚ以下に、また挿入損失の劣化を０．０２ｄＢにそれぞれ抑えることが可能となる。尚、当該測定においてＩＤＴの導体厚は３７４ｎｍである。

更に、本発明に基づく保護膜の耐湿性・耐食性に関する効果を確認する試験を行った。試験は、塩水を連続噴霧して電極の腐食状態を観察するもので、本発明に基づく保護膜（酸化クロム層とＳｉＯ₂層）を備えたＳＡＷ素子と、比較対照としてＳｉＯ₂層がなく酸化クロム層のみを有するＳＡＷ素子とを作製し、これらに塩水を噴霧して１２時間、２４時間、４８時間および９６時間経過後の電極形成面の状態をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察することにより行った。尚、この塩水噴霧試験は、ＪＩＳ Ｃ ００２３に基づくもので、サンプルを置いた試験槽の温度は３５℃、噴霧した塩水の濃度は５重量％である。

図５〜図７は試験結果を示す顕微鏡写真である。図５は塩水噴霧を行う前の状態を、図６は本発明に基づくＳＡＷ素子を、図７は比較対照の（ＳｉＯ₂層のない）ＳＡＷ素子をそれぞれ示す（図６及び図７はいずれも９６時間経過後の状態）。

これらの図から分かるように、比較対照の素子（図７）では、電極の表面状態が粗くなりダメージを受けていることが確認されたが、特に電極側面のエッジ部分（圧電基板の表面から電極が立ち上がる部分／電極‐基板の界面）からの電極の腐食の進行が著しかった。一方、本発明に基づくＳＡＷ素子（図６）では、塩水噴霧前（図５）と比較した場合に塩水噴霧によって付着した汚れが図６の写真中の所々に見られるものの、９６時間に亘り塩水を噴霧しても電極の腐食は確認されなかった。

尚、上記図６の写真は、ＳｉＯ₂層の膜厚を８０ｎｍ（実測膜厚は８４ｎｍ）とした場合についてのものであるが、このほかに当該膜厚を２０ｎｍ（実測膜厚は１０ｎｍ）および５０ｎｍ（実測膜厚は４７ｎｍ）とした各場合について試験を行った。その結果、ＳｉＯ₂層の膜厚が厚いほど（実測膜厚４７ｎｍの方が）電極へのダメージは少なかったが、膜厚２０ｎｍ（実測膜厚１０ｎｍ）の場合にも十分な耐食性が認められた。

したがって、本発明ないし本実施形態によれば、例えば樹脂パッケージのような比較的簡便なパッケージを採用しても、良好な電気特性と十分な耐湿性・耐食性を備えたＳＡＷ装置を得ることができ、信頼性に優れたＳＡＷ装置を低廉なコストで製造することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者に明らかである。

本発明の一実施形態に係るＳＡＷ装置を模式的に示す平面図である。 前記実施形態に係るＳＡＷ装置のＩＤＴ部分を示す断面図である。 ＳｉＯ₂層の膜厚と電気特性（中心周波数）との関係を示す線図である。 ＳｉＯ₂層の膜厚と電気特性（挿入損失）との関係を示す線図である。 塩水噴霧前のＳＡＷ素子（ＩＤＴ）を示す顕微鏡写真である。 本発明に係る保護膜を備えたＳＡＷ素子（ＩＤＴ）の塩水噴霧後の状態を示す顕微鏡写真である。 ＳｉＯ₂層を備えないＳＡＷ素子（ＩＤＴ）の塩水噴霧後の状態を示す顕微鏡写真である。

符号の説明

１１ ＬＴ単結晶基板
１２ ＩＤＴ（交差指状電極）
１３ 導体パターン
１４ 接続パッド
２１ 保護膜
２２ 酸化クロム層（金属酸化物層）
２３ ＳｉＯ₂層

Claims (6)

1. 圧電基板と、この圧電基板の表面に設けたアルミニウム又はアルミニウム合金を主成分とする材料により形成された交差指状電極と、前記圧電基板の少なくとも一部および前記交差指状電極を覆う保護膜とを備えた弾性表面波装置であって、
   前記保護膜は、
   前記圧電基板の少なくとも一部および前記交差指状電極の表面に形成され、前記交差指状電極の表面では連続膜でかつ前記圧電基板の表面では不連続膜となっている金属酸化物層と、
   当該金属酸化物層上に形成された二酸化珪素を主成分とする二酸化珪素層と、
   を含むことを特徴とする弾性表面波装置。
2. 前記圧電基板は、単結晶圧電基板である
   ことを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波装置。
3. 前記金属酸化物層は、遷移金属の酸化物を主成分とする
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の弾性表面波装置。
4. 前記金属酸化物層は、酸化クロムを主成分とする
   ことを特徴とする請求項３に記載の弾性表面波装置。
5. 前記二酸化珪素層の厚さが１０ｎｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。
6. 前記金属酸化物層の厚さが２ｎｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の弾性表面波装置。