JP4845980B2 - 弾性表面波素子および弾性表面波装置 - Google Patents

Description

本発明は、移動体通信機器等の無線通信回路に用いられる弾性表面波装置およびその製造方法に関するものである。

弾性表面波共振器や弾性表面波フィルタ等の弾性表面波装置は、マイクロ波帯を利用する各種無線通信機器や車載用機器，医療用機器等に幅広く用いられているが、各機器の小型化に伴い、更なる小型化が求められている。

従来の代表的な弾性表面波（Surface Acoustic Wave 、以下ＳＡＷともいう）装置Ｊ１，の概略断面図を図５に示す。図５において、31は圧電基板、32は入出力電極のパッド電極、33はパッド電極32とパッケージの電極パターン34を電気的に接続するバンプ等の接続体、34は基体36の表面に形成され外部の駆動回路，共振回路，接地回路等に接続される電極パターン、35はＳＡＷ素子用の圧電基板上に形成された櫛歯状電極のＩＤＴ（Inter Digital Transducer）電極、さらに蓋体38をシーム溶接，半田，接着剤等によりパッケージ部材37の上から接着して気密性を保持していた。

このように、従来の弾性表面波装置Ｊ１は、パッケージ部材36〜38で形成されるキャビティ内に、ＩＤＴ電極35が設けられた機能面が、基体36の上面に対面させたフェースダウンで載置させたフリップチップ方式を採用している。

ここで、図５に示す接続体33は、Ａｕ（金）等の金属製のワイヤをボールボンディング法によりバンプとなるように形成するか、半田，Ａｕ等からなるバンプを蒸着法，印刷法，転写法，無電解メッキ法，電解メッキ法等により、パッド電極32上に形成して得られる。そして、接続体33を設けた圧電基板31を、接続体33と電極パターン34との間で位置合わせし、導電性接着剤の塗布やはんだのリフロー溶融法により接続し、基体36上に固定している。

図２に示すように、弾性表面波装置の圧電基板１に形成された電極パッド12と対向するパッケージの電極又は基板電極と電気的に接続される場合、電極パッド12上の中間電極10（13，14，16）を構成する材料は、Ｃｒ（クロム）層13、そのＣｒ層13の表面に形成されたＮｉ（ニッケル）層14が形成され、さらにそのＮｉ電極層14上にＡｕ電極層16が形成された中間電極10が提案されている（特許文献１を参照）。

特開平11−234082号公報

しかしながら、中間電極としてスパッタリング法や蒸着法等によって形成したバリア層として膜厚が厚いＮｉ電極層を用いた場合、Ｎｉ膜に強い膜応力が発生して中間電極の接合強度が低下し、特に圧電基板とＡｌ（アルミニウム）合金パッド電極の界面又はＣｒとＮｉの界面又はＡｌ合金のパッド電極とＣｒの界面において剥離してしまうという問題がある。特に、弾性表面波装置の電極層を形成する場合、その作製プロセスにおいてプロセス温度を高温に保持する工程は、圧電基板の焦電性よる電極破壊を防止する点で好ましくない。そのため、電極の密着強度を上げる目的で圧電基板を基板加熱する工程を用いることができない。

また、Ｎｉ電極層の膜応力を低減するには、Ｎｉ電極層の厚みを薄くする方法があるが、Ｎｉ電極を極端に薄い膜厚にすると、本来の半田バリアメタルとして充分に機能しなくなる。

また、Ｎｉ電極層の膜応力が大きくなると圧電基板自体のそりが大きくなり、フォトリソプロセスで用いるステッパー露光におけるパターン精度や圧電基板の搬送・ステージ上への真空吸着に問題が発生する。圧電基板が大きくなるとＮｉ電極層の膜応力によるそりは、プロセスにおいて圧電基板の割れが発生する可能性が大きくなり問題となる。

さらに、Ａｌ合金層からなる電極パッド上にリフトオフ法で中間電極層を形成する場合、図７に示すように、中間電極層26（23，24，25）を形成する領域以外に、逆テーパーでオーバーハング形状のフォトレジスト22を形成し、このフォトレジスト22をマスクとして中間電極層26を形成する。この場合、フォトレジスト22上にもＮｉ電極層24が厚く堆積して、フォトレジスト22にＮｉ電極層24の引張応力が加わり、フォトレジスト22の開口部端部が持ち上がり、パッド電極21の設計面積以上に中間電極層26が付着して、パッド電極21の周囲にバリとなり残る。バリが大きくなると励振電極と短絡したり、バリ自体が極薄い層であるため、アンカー効果が弱く剥がれてきて、周囲の電極と短絡して特性不良が発生するおそれが大きくなる。

また、さらに中間電極層としてＮｉ電極を用いた場合、Ｎｉ電極の膜応力が大きくなりＮｉ膜より下層の界面において剥離が発生して電気的接続を充分に確保することができなくなり、弾性表面波装置の信頼性の確保に問題が生じる。

Ｎｉ膜厚が0.5μｍより薄いと半田に対する拡散バリア性が落ちる。1.5μｍを超えると膜応力が大きくなり膜剥離の問題が発生する。

本発明は、このような課題に対処するためになされたものであり、その目的は、中間電極層の膜応力を低減し電極剥離が発生せず、且つ半田に対するバリア性を有する中間電極層を備えた弾性表面波装置を容易に提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の弾性表面波素子は、圧電基板と、該圧電基板上に設けられた励振電極層と、前記圧電基板に設けられた、前記励振電極層に接続された電極パッド層と、ＮｉまたはＣｕからなり、前記電極パッド層上に設けられ、ＣおよびＳを不純物として含む不純物含有層を有するバリア層と、を備え、前記バリア層を上面から深さ方向にＳＩＭＳ分析した際のスペクトルにおいて、前記不純物のピークが、前記バリア層と前記電極パッド層との界面および前記バリア層の前記上面より離れた、前記不純物含有層に存在する。

また、上記弾性表面波素子において、前記Ｃのピークまたは前記Ｓのピークが、それぞれ複数箇所に存在する。

また、本発明の弾性表面波装置は、上記弾性表面波素子と、該弾性表面波素子が実装され、前記バリア層に半田またはＡｕで接続されている接続電極を有した回路基板と、を有する。

本発明の弾性表面波素子によれば、バリア層の膜応力を緩和することが可能となり、半田の拡散バリア層として機能し、電極剥離が発生せず、特性不良が生じず、電気的接続を充分に確保することができ、かつ信頼性に優れた弾性表面波素子を提供することができる。

また、前記スペクトルが、ＣおよびＳの双方のピークを有することにより、単層Ｎｉ電
極膜では引張応力が働くのに対して圧縮応力を発生させることができ、結果としてバリア層の膜応力を低減させることが可能となり、電極剥離が発生せず、特性不良が生じず、電気的接続を充分に確保することができる。

本発明の弾性表面波装置によれば、バリア層の膜応力を緩和することが可能となり、半田の拡散バリア層として機能し、電極剥離が発生せず、特性不良が生じず、電気的接続を充分に確保することができ、かつ信頼性に優れた弾性表面波装置を提供することができる。

本発明に係る弾性表面波装置の実施形態の一例を示す断面図である。 従来の弾性表面波装置の例を示す断面図である。 本発明に係る弾性表面波装置の実施形態の他の例を示す断面図である。 本発明に係る弾性表面波装置の実施形態の他の例を示す平面図である。 従来の弾性表面波装置を示す断面図である。 本発明に係る弾性表面波装置の実施形態の一例を示す断面図である。 従来の弾性表面波装置のリフトオフ工程における一例を示す断面図である。 本発明の弾性表面波装置のリフトオフ工程における実施形態の一例を示す断面図である。 従来の弾性表面波装置の中間電極層の金属元素分析結果を示すグラフである。 本発明の弾性表面波装置の中間電極層の金属元素分析結果を示すグラフである。

以下、本発明に係わる弾性表面波素子および弾性表面波装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図４に本発明の弾性表面波装置の素子部における平面図を示し、図４におけるＡ−Ａ’線における電極パッド部Ｂの拡大断面図としてパッド電極及び電極パッド上の中間電極層の断面図を図１に示す。

図４に示すように、弾性表面波素子Ｓ１は、例えば、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム単結晶、四ホウ酸リチウム単結晶などの圧電性の単結晶から成る圧電基板１の主面に、弾性表面波を発生させるための励振電極であるＩＤＴ電極８と、ＩＤＴ電極８に接続される複数の引き出し電極９とを形成し、ＩＤＴ電極８と引き出し電極43を絶縁性の保護膜10で覆ってなり、保護膜10は各引き出し電極８の一端部を露出させる状態で覆っている。引き出し電極８端部の電極パッド２上に、中間電極層７が形成される。

図１に示すように、中間電極層７は、電極パッド２上に形成された下部層である密着層３と、密着層３上に積層されたバリア層４，５と、バリア層上に形成された上部層であるＡｕ電極層６から成る。バリア層４，５は、内部に少なくとも一層以上の不純物含有層５を介在させた積層体により形成される。

ここで、弾性表面波素子Ｓ１は、互いに噛み合うように形成された少なくとも一対の櫛歯状電極のＩＤＴ電極８を設けることにより作製する。ＩＤＴ電極８は、所望の特性を得るために、複数対の櫛歯状電極を、直列接続、並列接続等の方式で接続して構成してもよい。また、ここではラダー型弾性表面波フィルタを示したが、２重モード弾性表面波共振器フィルタで構成されてもよい。

また、Ａｌを主成分とするＡｌ合金からなるＩＤＴ電極８、引き出し電極９及び電極パッド２はスパッタリング法、蒸着法またはＣＶＤ法等の薄膜形成法により形成する。次にフォトリソグラフィ法によりパターニングされ所定の形状となる。ＩＤＴ電極８の保護膜10としては、ＣＶＤ法または蒸着法等の薄膜形成法により形成されたＳｉＯ₂膜，ＳｉＮ
膜，Ｓｉ膜等が用いられる。中間電極層７を構成する密着電極層３、内部に少なくとも一層以上の不純物含有層５を介在させた積層体からなるバリア層４，５および最上部のＡｕ電極層６は、スパッタリング法または蒸着法等の薄膜形成法により形成する。中間電極層７の所定の形状を得るには、リフトオフ法、フォトリソグラフィ法またはメタルマスクを用いた薄膜形成法等が用いられる。

図６に本発明の弾性表面波装置を実装した後の断面図を示す。以上のように構成した弾性表面波素子Ｓ１を、弾性表面波素子Ｓ１を構成する圧電基板１の一方主面に形成された中間電極層７と、回路基板61の実装面に形成された接続電極62とを、半田バンプ接続部材63を介して接続する。圧電基板１を載置した回路基板61をリフロー炉にてリフロー溶融することにより、弾性表面波素子Ｓ１と回路基板62とが電気的かつ機械的に接続される。同時に、弾性表面波素子Ｓ１の一方主面と、回路基板の実装面との間の間隙が気密封止される。そして、ポッティング法または印刷法により圧電基板１の他方主面および周囲面に樹脂64が形成され、樹脂を加熱硬化することにより弾性表面波装置Ｊ１が完成する。

このようにして、中間電極層として用いるＮｉ電極層が内部に少なくとも一層以上の不純物含有層を介在させた積層体により形成されることにより、Ｎｉ電極層の膜応力を緩和することが可能となり電極剥離が発生せず、電気的接続が取れなくなる特性不良が生じず、かつ信頼性に優れた弾性表面波素装置を提供することが可能となる。

また、図３は本発明の第２の実施形態の電極構造を示す断面図である。この電極構成は、図１と同様な構造を有しているが、圧電基板上に前記電極パッド層を形成する工程、前記電極パッド層上に前記中間電極層の下部層を形成する工程、前記下部層上に前記バリア層を形成する工程および前記バリア層上に前記上部層を形成する工程のうち少なくとも１つ工程の前に、層を形成する面をスパッタリング（Ａｒ^＋イオン、Ｏ⁻イオン、Ｎ^＋イオンの少なくとも１種により層の上面をボンバード）してその表面を清浄化，粗面化した弾性波表面波装置の製造方法を採用している。

本発明において、ＩＤＴ電極８はＡｌ−Ｃｕ系のＡｌ合金からなるが、Ｃｕ以外にＴｉ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｂ等を含むＡｌ合金でも構わない。また、それらの合金の積層電極された構造でも適応可能である。また、ＩＤＴ電極８の形状は、互いに噛み合うように形成された櫛歯状であるが、複数の電極指を平行に配列した反射器のようなスリット型のものにも適用でき、それらを併用したタイプであってよい。

そして、ＩＤＴ電極８の対数は50〜200、電極指の幅は0.1〜10.0ｍ、電極指の間隔は0.1〜10.0μｍ、電極指の交差幅は10〜80μｍ、ＩＤＴ電極８の厚みは0.2〜0.4μｍとする
ことが、共振器あるいはフィルタとしの所期の特性を得るうえで好適である。また、ＩＤＴ電極８のＳＡＷの伝搬路の両端に、ＳＡＷを反射し効率よく共振させるための反射器を設けてもよい。

圧電基板１としては、36°Ｙカット−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ₃ 単結晶，64°Ｙカット−Ｘ伝搬のＬｉＮｂＯ₃ 単結晶，45°Ｘカット−Ｚ伝搬のＬｉＢ₄Ｏ₇単結晶は、電気機械結合係数が大きく且つ群遅延時間温度係数が小さいため好ましい。また、圧電基板の厚みは0.3〜0.5mm程度がよく、0.3ｍｍ未満では圧電基板が脆くなり、0.5ｍｍ超では材料コストが大きくなる。

中間電極層７に用いる密着電極層３としては、Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｐｔの１種以上の元素が用いられるが、特にこのうちＣｒ，Ｔｉが電極パッド２のＡｌ合金との密着性がよいことから好ましい。中間電極層の不純物含有層を介在させたバリア層４，５としては、Ｎｉ，Ｃｕの１種以上の元素が用いられるが、バリアメタルとしてＣｕは、比較的半田の拡散速度が速いため、リフロー時に半田がバリア層４，５や電極パッド２層中に深く拡散する。半田の拡散は、脆い金属間化合物の形成や金属層間の剥離等を引き起こし易く、信頼性を低下させる原因となる。そのため、中間電極層７の不純物含有層５を介在させたバリア層４，５としては、Ｎｉが好ましい。Ｎｉを用いたバリア層４，５の膜厚が0.5μｍより
薄いと半田に対するバリア性が劣り、1.5μｍより厚いと膜応力が著しく大きくなるため
膜厚として0.5μｍ〜1.5μｍの範囲であることが好ましい。バリア層４，５に介在させる不純物含有層５に含ませる不純物としては、Ｃ（炭素）、Ｓ（硫黄）、Ｏ（酸素）の１種以上の元素が用いられるが、このうち膜応力を低減させる効果が大きいためＣ，Ｏが好ましい。また、Ｎｉを用いたバリア層４，５の不純物含有層５として炭素を不純物として用いた場合、電極の電気抵抗を低減することができ、結果として挿入損失を向上させる効果もある。

次に、図１と図６に基づいて本発明の具体的な実施例について説明する。図６に示すように、圧電基板１として36°Ｙカット−Ｘ伝搬のＬｉＴａＯ_３結晶を用い、そのチップサイズは、1.1ｍｍ×1.5ｍｍであった。また、実装基板として70ｍｍ×70ｍｍ、厚さ250μ
ｍのアルミナ基板を用いた。アルミナ基板には合計1μｍ膜厚のＡｕ及びＮｉを無電解め
っきにて形成した。

図６の接続部材63が載置される位置に、図１に示すように圧電基板１のスパッタ法により電極パッド２をＡｌ−Ｃｕ電極、中間電極層７における密着電極層３としてＣｒ電極、不純物含有層５が介在するバリア層４，５としてＮｉ電極、最上層をＡｕ電極６で形成した。各電極の層別の厚さは、Ａｌ−Ｃｕ電極２が1800Å、Ｃｒ電極３が200Å、不純物含
有層５が介在するＮｉ電極４，５が10000Å、Ａｕ電極６が2000Åであった。Ｃｒ電極３
は、Ａｌ−Ｃｕ電極パッド２との密着性を改善させるためのものであり、バリア層Ｎｉ電極４，５は、スパッタ成膜中にＣとＳ濃度の高いＮｉターゲット材に切替えてスパッタリングすることにより、内部に２層のＣとＳ濃度の高い不純物含有層５を介在させた積層体よりなり、半田食われを防止するために設けている。電極パターンは、リフトオフ法により形成した。

不純物含有層５が介在するＮｉ電極の形成方法としては、上記の他にスパッタガスとして使うＡｒなどの不活性ガス中にＣ，Ｓ，Ｏの１種以上の元素を不純物ドーピングガスとして混合する方法等が用いられる。

回路基板61には圧電基板１の電極パッド２が当接する位置に、接続部材63となる半田ペーストを予めスクリーン印刷法により塗布した。塗布した半田ペーストの線幅は、約100
μｍであった。

回路基板61の導体パターンと圧電基板１の電極パッド２が当接するように、フェースダウンで載置した。さらにＳＡＷチップの上部よりエポキシ樹脂64をポッティングにより塗布した後、リフロー炉で240℃，5分間、加熱硬化させた。

最後に、回路基板61の裏面より各チップ間の分離位置でダイシングすることにより、個々のチップを形成して2.5ｍｍ×2.0ｍｍのサイズの弾性表面波装置を完成した。また、弾性表面波装置の高さは0.7ｍｍ程度であった。

また、図２に参考例として従来のパッド電極と中間電極構造を有する弾性表面波素子を示す。図２と同様にＡｌを主成分とするＡｌ合金からなるＩＤＴ電極、引き出し電極及び電極パッド２と、中間電極層としてＣｒからなる密着電極層３と、半田のバリア層４と、その上部に形成されるＡｕ電極層６から構成される。バリア層４はＮｉ電極層が単層で形成されている。

図９に、図２の参考例の中間電極層表面から深さ方向の電極を構成する金属元素のＳＩＭＳ分析結果を示す。同様に図10に本発明の中間電極層表面から深さ方向の電極を構成する金属元素のＳＩＭＳ分析結果を示す。図９において、Ｎｉ電極層はＮｉ単層で形成されていることがわかる。一方、図10において、Ｎｉ電極層には炭素と硫黄の不純物ピークが観察され、Ｎｉ電極層が２層の不純物含有層が介在した積層体となっていることがわかる。

図７は、図２の参考例におけるリフトオフ工程の電極構造の断面図である。参考例において、中間電極層26を形成する領域以外に逆テーパーでオーバーハング形状のレジスト22を形成し、レジスト22をマスクとして中間電極層をリフトオフ工程にて形成する。この場合、レジスト膜上にもＮｉ電極層24が厚く堆積して、レジスト22にＮｉ電極層24の引張応力が加わり、レジスト開口部端部が持上がり、電極パッド21の設計面積以上に中間電極層26が付着し、電極パッド層21の周囲にバリとなり残る。バリが大きくなると励振電極と短絡したり、バリ自体が極薄い層であるため、アンカー効果が弱く剥がれてきて周囲の電極と短絡して特性不良が発生する可能性が大きくなる。

一方、図８は本発明のリフトオフ工程の電極構造の断面図である。不純物含有層が介在したＮｉ電極層24を用いているため、中間電極層26形成時のリフトオフ工程においてＮｉ電極24の膜応力が低減されリフトオフに用いるフォトレジストが持ち上がることが無く、そのためバリの発生も無く、バリによる短絡不良も発生せずに歩留りが向上する。

表１は、本発明のパッド電極と電極構造と従来の電極構造の電極の膜応力を測定した結果を示す。表１から明らかなように、図１における中間電極層７のバリア層４，５として内部に少なくとも一層以上の不純物含有層５を介在させた積層体を用いることにより、図２の参考例として示した従来の電極構造の膜応力が882Ｎ／ｍ^２であるのに対して、189Ｎ／ｍ^２と約１／４に膜応力を低減できている。結果として、膜応力に起因する各電極層界面における膜剥離を防止することができ、電気的接続が取れなる特性不良が生じず、かつ弾性表面波装置の信頼性を向上させることができる。

かくして、本発明の弾性表面波装置によれば、圧電基板と、該圧電基板上に形成されたＡｌを主成分とするＡｌ合金層を含む弾性表面波励振電極層と、該励振電極層と接続されたＡｌを主成分とするＡｌ合金層からなる電極パッドと、前記電極パッド上に形成された中間電極層とを備え、前記中間電極層は、前記電極パッド上に形成された密着電極層と、当該密着電極層上に積層されたバリア層と、当該バリア層上に形成されたＡｕ電極層からなる弾性表面波装置において、前記バリア層が内部に少なくとも一層以上の不純物含有層を介在させた積層体により形成されることにより、バリア層の膜応力を緩和することが可能となり、半田の拡散バリア層として機能し、電極剥離が発生せず、特性不良が生じず、電気的接続を充分に確保することができ、かつ信頼性に優れた弾性表面波素装置を提供することができる。

また、前記中間電極層のバリア層の内部に介在させる不純物含有層は、不純物ドーピングに用いる不純物として、炭素，硫黄，酸素の少なくとも１種を含ませことにより、単層Ｎｉ電極膜では引張応力が働くのに対して圧縮応力を発生させることができ、結果としてバリア層の膜応力を低減させることが可能となり、電極剥離が発生せず、特性不良が生じず、電気的接続を充分に確保することができる。

また、内部に少なくとも一層以上の不純物含有層を介在させた積層体により形成されるバリア層の厚さが0.5〜1.5μｍの範囲とすることにより、接続体として用いる半田に対する拡散バリア性を確保することができ、かつバリア層の膜応力が大きくなり膜剥離の問題が発生せず、電気的接続を充分に確保することができる。

また、バリア層が、Ｎｉ，Ｃｕのうち何れかであることにより、接続体として用いる半田に対する拡散バリア性を確保することができる。また、Ｃｒ，Ｔｉ，Ｖ，Ｐｔのうち何れかであることにより、Ａｌ合金からなる電極パッドとの密着性を充分に確保することができる。

また、前記圧電基板上に前記電極パッド層を形成する工程、前記電極パッド層上に前記中間電極層の下部層を形成する工程、前記下部層上に前記バリア層を形成する工程および前記バリア層上に前記上部層を形成する工程のうち少なくとも１つ工程の前に、層を形成する面をスパッタリングにより粗面にして清浄化することにより、電極の各界面における密着性が向上し、電極剥離が発生せず、特性不良が生じず、電気的接続を充分に確保することができ、かつ信頼性に優れた弾性表面波素装置を提供することができる。

1，31：圧電基板
2，21：電極パッド
3，23：密着層（下部層）
4，5，24：バリア層
5：不純物含有層
6，16，25：Ａｕ電極層（上部層）
7，17，26：中間電極層
8，35：ＩＤＴ電極
9：引き出し電極
10：保護膜
22：レジスト
33：接続体
34：電極パターン
36，37：パッケージ部材
38：蓋体
61：回路基板
62：接続電極
63：接続部材
64：樹脂

Claims (3)

1. 圧電基板と、
   該圧電基板上に設けられた励振電極層と、
   前記圧電基板に設けられた、前記励振電極層に接続された電極パッド層と、
   ＮｉまたはＣｕからなり、前記電極パッド層上に設けられ、ＣおよびＳを不純物として含む不純物含有層を有するバリア層と、を備え、
   前記バリア層を上面から深さ方向にＳＩＭＳ分析した際のスペクトルにおいて、前記不純物のピークが、前記バリア層と前記電極パッド層との界面および前記バリア層の前記上面より離れた、前記不純物含有層に存在する弾性表面波素子。
2. 前記Ｃのピークまたは前記Ｓのピークが、それぞれ複数箇所に存在する請求項１に記載の弾性表面波素子。
3. 請求項１または２に記載の弾性表面波素子と、該弾性表面波素子が実装され、前記バリア層に半田またはＡｕで接続されている接続電極を有した回路基板と、を有する弾性表面波装置。

Images