JP3646116B2 - 表面弾性波素子、表面弾性波装置、表面弾性波デュプレクサ、及び表面弾性波素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面弾性波素子、表面弾性波装置、表面弾性波デュプレクサ、及び表面弾性波素子の製造方法に関するものである。

近年、誘電体を用いたフィルタや共振子に替わって、表面弾性波装置の一種である表面弾性波フィルタや表面弾性波共振子が、携帯電話、コードレス電話等の移動体通信機器の高周波回路に採用されることが多くなっている。これは、表面弾性波フィルタは、誘電体フィルタに比べて寸法が小さいことや、同一寸法における電気特性が高いこと等の理由によるものである。

このような表面弾性波装置は、主に、圧電性基板と、この圧電性基板上に積層された電極膜の成形により得られた櫛形電極（インターデジタルトランスデューサ、以下「ＩＤＴ」と略す。）と、圧電性基板及びＩＤＴを収容するパッケージとを備えている。圧電性基板の材料としては、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）及び水晶などが用いられ、特に、ＲＦ帯域フィルタ用を作製する場合には、大きな電気機械結合係数を有するニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムが用いられることが多い。なお、ニオブ酸リチウムは、電気機械結合係数が大きいことから６４゜回転Ｙカットのものが用いられ、タンタル酸リチウムは、電気機械結合係数が大きく且つ周波数温度係数が比較的小さいことから３４〜４４゜回転Ｙカットのものが用いられる。また、電極膜の材料には、多くの場合、低比重及び低抵抗といった特長を有するアルミニウムが用いられる。

表面弾性波装置は、上述したように携帯電話機などのＲＦ帯域（８００ＭＨｚ〜２ＧＨｚ）で用いられることがあり、例えば１ＧＨｚ帯で使用する場合には、ＩＤＴの電極指幅（線幅）及び電極間隙をともに１μｍ程度にまで小さくする必要がある。ところが、表面弾性波装置の動作時に、圧電性基板上のＩＤＴには周波数に比例した繰り返し応力が加わり、この繰り返し応力に起因するアルミニウム原子のマイグレーションが生じて、ＩＤＴにはヒロック（突起）やボイド（空乏）等の欠陥が生じてしまうため、装置の寿命が短縮化されるという不具合があった。すなわち、装置の寿命にとっては、ＩＤＴ（すなわち、電極膜）の耐電力性が非常に重要な要素となっている。なお、ＩＤＴの劣化現象は、高周波化だけでなく、印加電圧の増大によっても顕著に現れる。また、設計上、周波数が高くなるにつれて、電極膜をより薄く、電極幅をより狭くしなければならないので、結果的にこのような劣化現象が助長されることとなる。

携帯電話機の小型化には、携帯電話機の高周波部分で大きなスペースを占めている分波器（デュプレクサ）を小型にすることが有効である。そこで、分波器として採用されてきた誘電体デュプレクサから表面弾性波デュプレクサへの変更が提案されている。ただ、この表面弾性波デュプレクサは、非常に小型な部品ではあるものの、デュプレクサの特に送信側に加わる大電力に対する耐電力性に問題があった。なお、表面弾性波装置のＩＤＴ形成領域を広く設計して実効的な電力密度を低くすることにより、耐電力性を上げることもできなくはないが、このような場合にはある程度以上の小型化が図れなくなってしまうという不具合が生じる。

以上のような理由により、表面弾性波装置のＩＤＴの耐電力性、すなわち圧電性基板上に形成される電極膜の耐電力性の向上が強く求められてきた。

そこで先ず、アルミニウム原子のマイグレーションによる電極膜の劣化現象を改善する手段として、アルミニウムにＣｕ等の異種金属を微量添加して、電極膜をＡｌ−Ｃｕ合金製にする技術が、下記特許文献１に開示されている。このような電極膜のＡｌ合金化により、電極膜にヒロックやボイドが発生する事態が抑制されるため、ＩＤＴの耐電力性が向上する。なお、電極膜をＡｌ合金化する技術に関しては、下記特許文献１〜４等に開示されている。いずれの技術も、電極膜材料のアルミニウムに異種金属を微量添加することで、アルミニウム原子のマイグレーションを抑制し、ＩＤＴの劣化現象を抑止している。

ところで、アルミニウムの拡散速度は、結晶粒内よりも結晶粒界の方が速い。すなわち、粒界拡散が優先的であると考えられている。従って、表面弾性波装置における繰り返し応力に起因するアルミニウム原子のマイグレーションは、主に結晶粒界で生じていると考えられ、これは従来も指摘されていることである。

そのため、アルミニウム電極膜の結晶粒界を縮小又は除去し、より好ましくは単結晶化することで、耐電力性を大幅に向上することができると予測され、電極膜をほぼ単結晶の状態にした技術が下記特許文献５に開示されている。この特許文献５に開示された技術では、表面弾性波装置を構成する材料が如何なる物質であっても、装置の性能の向上が図られる。また、表面弾性波装置の電極膜に、単結晶若しくは結晶方位的に一定方向に配向したアルミニウム膜を適用する技術は、下記特許文献６に開示されている。ここで、圧電性基板として、２５度回転Ｙカットから３９度回転Ｙカットの範囲にある回転Ｙカット水晶基板を用い、高速（成膜速度４ｎｍ／秒）且つ低温（基板温度８０℃）で蒸着することにより、（３１１）配向膜が得られ、この膜が単結晶に近いエピタキシャル膜であるとしている。また、特許文献６には、アルミニウムに、マイグレーション対策用と言われているＣｕ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｐｄ等の添加物を用いた場合には、長寿命化の効果があることが開示されている。しかし、これらの添加物が結晶方位的に一定方向に配向したアルミニウムにどのように含まれるかについては言及されていない。

下記特許文献７には、特許文献５とは異なる態様のアルミニウム単結晶電極膜に関する技術が開示されている。この文献には、非常に遅い成膜速度で膜形成をおこなうと、アルミニウム単結晶膜が得られることが示されている。より具体的には、ＬＳＴカット水晶基板上への真空蒸着法によるアルミニウム単結晶膜の形成、１２８度回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板上への真空蒸着法によるアルミニウム単結晶膜の形成、１１２度Ｘカットタンタル酸リチウム基板上への真空蒸着法によるアルミニウム単結晶膜の形成が可能であるとしている。しかしながら、以上のような方法では、膜形成速度を極めて遅くする必要があるため、量産性の面で問題があった。この従来技術では、添加物として例えばＣｕを０．１〜２ｗｔ％程度を添加することができることが示されているが、この添加物によりアルミニウム単結晶膜の特性が変化することについては言及されていない。

下記特許文献８や下記特許文献９には、圧電性基板として、３８〜４４゜回転Ｙカットタンタル酸リチウム単結晶基板を使用して、交差指型電極がチタン下地金属膜とこの上に形成されたアルミニウム膜とを含み、チタン下地金属膜の効果によりアルミニウム膜が単結晶膜となることが示されている。

近年、表面弾性波装置の実装に関して、従来のワイヤボンディング実装に比べて、実装に要するスペースが小さく、特性が安定しているフリップチップ実装に注目が集まっている。このフリップチップ実装には、主に２つの方法があり、一つはハンダバンプを用い、ハンダバンプを溶融して実装する方法であり、もう一つは金バンプを用い、超音波接合により実装する方法である。この超音波接合技術をより具体的に説明すると、表面弾性波素子のＡｌパッド電極上にハンダや金などのバンプを形成し、バンプが形成された面とプリント配線基板とを対向させた状態で、素子のバンプとプリント配線基板のＡｕ電極端子とを接触させる。このように接触させた状態で、表面弾性波素子を超音波で振動してバンプと電極端子とを接合させ、高強度な接合と確実な導通が図られた表面弾性波装置を作製している。
特公平７−１０７９６７号公報 特許２５５５０７２号公報 特開昭６４−８０１１３号公報 特開平１−１２８６０７号公報 特開昭５５−４９０１４号公報 特許２５４５９８３号公報 特開平６−１３２７７７号公報 国際公報第００／７４２３５号パンフレット 特開２００３−１０１３７２号公報 Ｊ．Ｉ．Ｌａｔｈａｍ，Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ ６４（１９７９），ｐｐ９−１５

しかしながら、前述した従来の表面弾性波装置には、次のような課題が存在している。すなわち、金バンプを用いた超音波接合により、表面弾性波素子をプリント配線基板上にフリップチップ実装した場合、金バンプが形成された圧電性基板領域やその周辺領域に、亀裂が入る場合があることが、発明者らの実験によって明らかになった。このように、圧電性基板に亀裂が入った場合には、表面弾性波装置の断線不良や特性劣化等の不具合が生じてしまう。

また、高い耐電力性能が要求される表面弾性波デュプレクサでも、小型薄型化の要求からフリップチップ実装の採用が求められている。ところが、表面弾性波デュプレクサにおいては、ＳＡＷフィルタとは比較にならない程の大電力が装置に加わるため、上記特許文献１〜４に開示されている技術による耐電力性の改善では不十分である。そこで、耐電力性能を満足するために、アルミニウム単結晶電極を用いることが考えられるが、この場合、超音波によるフリップチップ実装では、超音波の強度が弱くても金バンプが形成された圧電性基板領域やその周辺領域に亀裂が入ってしまうため、超音波接合で高強度の超音波を印加することができなかった。そのため、素子の基板付着強度が、耐衝撃試験などの信頼性試験で不十分な結果がでてしまうという不具合も生じる。

発明者らは、圧電性基板に亀裂が生じる現象について研究を重ねた結果、アルミニウム単結晶電極をエピタキシャル成長させる過程で、下地金属との格子不整合により発生する応力を緩和させることを新たに見出した。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、超音波振動に対して耐性を有する表面弾性波素子、表面弾性波装置、表面弾性波デュプレクサ及び表面弾性波素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る表面弾性波素子は、圧電性基板上に設けられた、単結晶アルミニウムで構成された薄膜電極に、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ及びＴｉのうち少なくとも１種類の金属が偏析しており、且つ、圧電性基板の材料の格子定数と薄膜電極の材料の格子定数との間の格子定数を有する材料で構成されたバッファ層が、圧電性基板と薄膜電極との間に介在していることを特徴とする。

この表面弾性波素子においては、薄膜電極にＣｕ等の偏析が生じており、このような偏析は、フリップチップ実装の超音波接合の際に圧電性基板に亀裂が入る事態を抑止することに有効であることが、発明者らの実験により新たに見出された。すなわち、このように圧電性基板に亀裂が生じる事態が抑止されているため、この表面弾性波素子においては超音波振動に対する耐性が有意に向上している。なお、本明細書中において金属の偏析とは、その原子のみが局所的に析出していること以外に、その金属が高濃度に含まれる合金が局所的に析出していることも含むものとする。

また、この表面弾性波素子においては、圧電性基板の材料の格子定数と薄膜電極の材料の格子定数との間の格子定数を有する材料で構成されたバッファ層が、圧電性基板と薄膜電極との間に介在しており、圧電性基板の材料と薄膜電極の材料との間の格子不整合がこのバッファ層により緩衝されるため、薄膜電極の形成時にアルミニウムが単結晶化しやすくなっている。

また、圧電性基板の材料はタンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムであることが好ましく、バッファ層を構成する材料はＴｉＮ又はＴｉであることが好ましい。さらに、偏析した金属の粒径は、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。

本発明に係る表面弾性波装置は、圧電性基板上に形成された単結晶アルミニウム製の薄膜電極に、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ及びＴｉのうち少なくとも１種類の金属が偏析しており、且つ、圧電性基板の材料の格子定数と薄膜電極の材料の格子定数との間の格子定数を有する材料で構成されたバッファ層が、圧電性基板と薄膜電極との間に介在している表面弾性波素子と、表面弾性波素子が搭載される面に電極端子が形成された実装基板と、表面弾性波素子の薄膜電極と実装基板の電極端子との間に介在するバンプ電極とを備えることを特徴とする。

この表面弾性波装置においては、表面弾性波素子の薄膜電極にＣｕ等の偏析が生じている。このような偏析は、実装基板上に表面弾性波素子をフリップチップ実装する際の超音波接合時に圧電性基板に亀裂が入る事態を抑止することに有効であることが、発明者らの実験により新たに見出された。すなわち、このように圧電性基板に亀裂が生じる事態が抑止されているため、この表面弾性波装置においては超音波振動に対する耐性が有意に向上している。また、この表面弾性波装置においては、圧電性基板の材料の格子定数と薄膜電極の材料の格子定数との間の格子定数を有する材料で構成されたバッファ層が、表面弾性波素子の圧電性基板と薄膜電極との間に介在しており、圧電性基板の材料と薄膜電極の材料との間の格子不整合がこのバッファ層により緩衝されるため、薄膜電極の形成時にアルミニウムが単結晶化しやすくなっている。

本発明に係る表面弾性波デュプレクサは、圧電性基板上に形成された単結晶アルミニウム製の薄膜電極に、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ及びＴｉのうち少なくとも１種類の金属が偏析しており、且つ、圧電性基板の材料の格子定数と薄膜電極の材料の格子定数との間の格子定数を有する材料で構成されたバッファ層が、圧電性基板と薄膜電極との間に介在している表面弾性波素子を備えることを特徴とする。

この表面弾性波デュプレクサにおいては、表面弾性波素子の薄膜電極にＣｕ等の偏析が生じている。このような偏析は、フリップチップ実装の超音波接合の際に圧電性基板に亀裂が入る事態を抑止することに有効であることが、発明者らの実験により新たに見出された。このように圧電性基板に亀裂が生じる事態が抑止されているため、この表面弾性波デュプレクサにおいては超音波振動に対する耐性が有意に向上している。また、この表面弾性波デュプレクサにおいては、圧電性基板の材料の格子定数と薄膜電極の材料の格子定数との間の格子定数を有する材料で構成されたバッファ層が、表面弾性波素子の圧電性基板と薄膜電極との間に介在しており、圧電性基板の材料と薄膜電極の材料との間の格子不整合がこのバッファ層により緩衝されるため、薄膜電極の形成時にアルミニウムが単結晶化しやすくなっている。

本発明に係る表面弾性波素子の製造方法は、圧電性基板上に、Ａｌ合金のスパッタリングによって、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ及びＴｉのうち少なくとも１種類の金属が偏析している単結晶アルミニウム製の電極膜を、圧電性基板の材料の格子定数と電極膜の材料の格子定数との間の格子定数を有する材料で構成されたバッファ層を介して形成するステップと、電極膜をパターニングして薄膜電極を形成するステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、超音波振動に対して耐性を有する表面弾性波素子、表面弾性波装置、表面弾性波デュプレクサ及び表面弾性波素子の製造方法が提供される。

以下、添付図面を参照して本発明に係る表面弾性波素子、表面弾性波装置、表面弾性波デュプレクサ及び表面弾性波素子の製造方法の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る表面弾性波装置の概略断面図である。図１に示すように、本発明に係る表面弾性波装置１０は、表面弾性波素子１２と、この表面弾性波素子１２が搭載される実装基板１４と、表面弾性波素子１２を封止するカバー１６とを備えている。表面弾性波素子１２の下面１２ａには、３対の入出力電極（薄膜電極）１８上に嵩上げ電極２０が積層された後述するパッド電極２２が形成されている。実装基板１４の表面弾性波素子１２が搭載される面１４ａには、表面弾性波素子１２動作用に必要な電圧を印加するための金メッキ電極（電極端子）２４が形成されている。そして図に示すように、表面弾性波素子１２は実装基板１４にフリップチップ実装されており、対応する表面弾性波素子１２のパッド電極２２と実装基板１４の金メッキ電極２４とはＡｕバンプ２６を介して接続されている。カバー１６は、表面弾性波素子１２を密封封止して保護するための部材であり、表面弾性波素子１２の側面を四方から囲むダム部１６Ａと表面弾性波素子１２の上面１２ｂを覆うキャップ部１６Ｂの２つの部材で構成されている。

次に、図２を参照しつつ、表面弾性波装置１０を構成する表面弾性波素子１２についてより詳しく説明する。図２は、表面弾性波素子１２を示した概略斜視図である。図２に示したように、表面弾性波素子１２は、圧電性基板２８と、この圧電性基板２８上に積層されたバッファ層３０と、圧電性基板２８上にバッファ層３０を介して形成されたパッド電極２２とを有している。

圧電性基板２８は、超圧電性（焦電性）を有するタンタル酸リチウム製の基板であり、断面が略正方形である角柱形状を有している。なお、圧電性基板の材料はニオブ酸リチウムでもよい。

６つのパッド電極２２はそれぞれ、Ｃｕが偏析している単結晶アルミニウム電極膜（後述）を成形した入出力電極１８と、入出力電極１８部分の厚さを厚くするための嵩上げ電極２０とを有する。このパッド電極２２は、圧電性基板２８の対向する２辺に沿うように３つずつ配置されている。そして、各辺に沿う３つのパッド電極２２は、その辺の中央に位置するパッド電極２２を中心に等距離だけ離間するような配置となっている。パッド電極２２をこのような配置にすることで、表面弾性波素子１２を実装基板１４上にフリップチップ実装した際、表面弾性波素子１２の重心と圧電性基板２８の重心とが実装基板１４表面の法線方向に並ぶため、表面弾性波素子１２が高い安定性を有することとなる。なお、本明細書における単結晶には、粒界の全くない完全な単結晶以外に、わずかな粒界及び亜粒界を含む単結晶も含まれるものとする。

バッファ層３０は、基板２８材料のタンタル酸リチウムの格子定数と、電極１８材料のアルミニウムの格子定数の間の格子定数を有するＴｉＮで構成されている。

図２では省略しているが表面弾性波素子１２の表面１２ａ上には、図３に示すように、パッド電極２２の他に櫛形電極及び所定の配線パターンが形成されている。図３は、表面弾性波素子１２に形成された電極パターンを示した概略構成図である。図３の各符号２２Ａ〜２２Ｆは、図２に示した各パッド電極２２Ａ〜２２Ｆに対応しており、このうちの４つのパッド電極２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｅ，２２Ｆが６つのラダー型櫛形電極３２に接続されている。具体的には、中央に位置するパッド電極２２Ｂとパッド電極２２Ｅとの間には、４つの櫛形電極３２（直列腕共振器３２Ａ）が直列に接続されている。また、この４つの直列腕共振器３２Ａの中央の２つを挟む配線位置からは配線が引き出され、それぞれ櫛形電極３２（並列腕共振器３２Ｂ）を介してパッド電極２２Ａとパッド電極２２Ｆとに接続されている。パッド電極２２Ａ及びパッド電極２２Ｆはグランドに接続されている。

なお、電極パターンは図３に示したものに限られず、櫛形電極３２の数、配線パターンなどを適宜変更してもよい。ただし、図３に示した電極パターンのように点対称の関係を有するような電極パターンを採用することにより、表面弾性波素子１２を実装基板１４上にフリップチップ実装した際、表面弾性波素子１２の重心と圧電性基板２８の重心とが実装基板１４表面の法線方向に並ばせることが可能であるため、表面弾性波素子１２の安定性を向上させることができる。

次に、図１に示した表面弾性波装置１０を作製する手順について、図４を参照しつつ説明する。図４は、図１に示した表面弾性波装置１０を作製する手順について示した図である。

まず、３インチ径の圧電性基板２８を準備し、この圧電性基板２８の積層面２８ａに水洗処理を施して不純物を除去した後、この積層面２８ａがターゲット材の方向を向くようにスパッタリング装置内にセットする。そして、純度９９．９％の金属チタンをターゲット材とし、窒素とアルゴンとの混合ガス雰囲気中でスパッタリングをおこない、圧電性基板２８の積層面２８ａ全面にＴｉＮバッファ層３０を成膜する（図４（ａ）参照）。

圧電性基板２８上にバッファ層３０を成膜した後、スパッタリング装置内を真空に保持したまま、ターゲット材を０．５ｗｔ％濃度でＣｕが添加されたアルミニウムに変更して、圧電性基板２８上に厚さ３００ｎｍ程度のアルミニウム電極膜３４を成膜する（図４（ｂ）参照）。なお、バッファ層３０の構成材料は、ＴｉＮに限らず、例えばＴｉ等でもよく、この電極膜３４の材料の格子定数と圧電性基板２８の材料の格子定数との間の格子定数を有する材料であればよい。このような材料を選択的に採用することにより、格子不整合が緩和されて電極膜３４が単結晶化しやすくなる。その後、スパッタリング装置から圧電性基板２８を取り出し、バッファ層３０及び電極膜３４を公知のフォトリソグラフィ（フォトエッチング）技術を用いて、作製する素子数（例えば、２００個）に対応する数の上述の電極パターンを作製する（図４（ｃ）参照）。

パターニングの後、入出力電極１８の作製と同様の手順により、電極パターンの入出力電極１８上に厚さ５００ｎｍ程度の嵩上げ電極２０を形成して、表面弾性波素子１２の作製が完了する。このとき嵩上げ電極２０には、大気の曝露によってその表面にＡｌ₂Ｏ₃からなる絶縁膜が形成されている。さらに各嵩上げ電極２０には、バンプボンダによって作られた球状のＡｕが押し当てられると共に超音波振動が加えられて、嵩上げ電極２０表面に形成された絶縁膜を貫通するバンプ２６が形成される（図４（ｄ）参照）。なお、入出力電極１８と嵩上げ電極２０との間には、適宜、バンプ２６のＡｕ原子が入出力電極１８に拡散する事態を抑止するためのクロム（Ｃｒ）膜や入出力電極１８と嵩上げ電極２０との密着性を向上させるためのＴｉＮ膜を介在させてもよい。

バンプ２６形成後は、ＢＴ樹脂製の実装基板１４上に表面弾性波素子１２をフリップチップ実装する。すなわち、表面弾性波素子１２のバンプ２６が形成された面１２ａを実装基板１４の素子搭載面１４ａと対向させた状態で、バンプ２６と実装基板１４の金メッキ電極２４とが接触するように位置合わせをおこないつつ表面弾性波素子１２を実装基板１４上に搭載する。そして、表面弾性波素子１２を実装基板１４上に搭載した後、コレット（図示せず）で表面弾性波素子１２を真空吸着により支持すると共に実装基板１４の面方向に超音波振動させて、バンプ２６と金メッキ電極２４とを接合する（図４（ｅ）参照）。最後に、圧電性基板２８上に格子状パターンのＢＴ樹脂製ダム部プレート（厚さ０．４ｍｍ）と、同じくＢＴ樹脂製の平板状キャッププレート（厚さ０．２ｍｍ）を被せて各表面弾性波素子１２を密封封止した後、ダイシング加工することにより、表面弾性波装置１０の各装置の作製が完了する（図４（ｆ）参照）。なお、実装基板１４とダム部プレート（ダム部１６Ａ）との間、及び、ダム部プレートとキャッププレート（キャップ部１６Ｂ）との間は、樹脂接着剤で接着される。

上述したように、表面弾性波素子１２を実装基板１４上にフリップチップ実装する際、表面弾性波素子１２には、嵩上げ電極２０上のバンプ２６と金メッキ電極２４とを接合するための超音波振動が加えられる。この振動は、振幅約１μｍで０．５秒程度加えられる。不純物を含まない単結晶アルミニウム製の電極膜を成膜して作製する従来の表面弾性波装置では、このような振動が表面弾性波素子１２に加えられた場合、金バンプが形成された領域及びその周辺領域の圧電性基板２８に亀裂が入る場合があることが、発明者らの実験によって明らかになった。このような亀裂は、表面弾性波装置の断線不良や特性劣化等の原因となるため、極力ない方が好ましい。一方、上述のように、電極膜成膜用のターゲット材としてＡｌ合金を用いた場合には、このような亀裂の発生が抑制される。

発明者らは、鋭意研究の末、このように亀裂が抑制される原因はターゲット材の添加材であるＣｕが電極膜３４内に偏析しているためであることを見出した。すなわち、図５に示したＴＥＭ写真で認められる電極膜３４中のＣｕ偏析により、超音波振動に起因する亀裂の発生が抑制される。ここで図５は、電極膜中に析出したＣｕ偏析の状態を示したＴＥＭ写真である。なお、偏析している原子の特定にはＥＤＳ（エネルギー分散スペクトロスコピー）分析装置を用い、Ｃｕの偏析であることを確認した（図６参照）。ここで図６は、図５に示したｂ点におけるＥＤＳ定性分析結果（ＥＤＳスペクトル）を示したグラフである。このグラフの横軸は回折角２θ（°）であり、縦軸はＸ線強度（ｃｐｓ：ｃｏｕｎｔ−ｐｅｒ−ｓｅｃｏｎｄ）である。従って、この偏析の部分は、Ｃｕ若しくはＣｕ濃度が高いＡｌ−Ｃｕ合金であると考えられる。図５（ａ）で観察される偏析部分の粒径は約４００ｎｍであるが、その他の粒径もおよそ１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲内にある。

以上詳細に説明したように、表面弾性波装置１０及び表面弾性波素子１２においては、電極膜３４にＣｕの局所的な析出（偏析）が生じており、このような偏析は、フリップチップ実装の超音波接合の際に圧電性基板２８に亀裂が入る事態を抑止することに有効であることが、発明者らの実験により新たに見出された。すなわち、圧電性基板２８に亀裂が生じる事態が抑止されているため、この表面弾性波装置１０においては超音波振動に対する耐性が有意に向上している。

次に、上述した表面弾性波素子１２を備えた表面弾性波デュプレクサについて、図７を参照しつつ説明する。図７は、本発明の実施形態に係る表面弾性波デュプレクサを示した斜視分解図である。この表面弾性波デュプレクサ４０は、携帯電話機の送信部と受信部のそれぞれに用いられる送信フィルタと受信フィルタの２つを、一つのアンテナを共用できるように分岐回路を使って１つのパッケージに収めた電子部品である。従って、この表面弾性波デュプレクサ４０は、それぞれ対応周波数の異なる２つの表面弾性波素子１２を備えている。そして、実装基板１４上に搭載された２つの表面弾性波素子１２を密封するように、上述したカバー１６が被されている。また、実装基板１４の表面弾性波素子１２搭載面の裏側には、方形波状の遅延回路が設けられた回路基板４２がそれぞれ絶縁プレート４４を介して２層積層されている。このような表面弾性波デュプレクサ４０においても、表面弾性波素子１２の電極膜３４にＣｕの偏析が生じているため、圧電性基板に亀裂が生じる事態を抑止することができ、超音波振動に対する耐性が有意に向上されている。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、電極膜成膜用のターゲット材と用いるＡｌ合金は、ＡｌにＣｕを添加したものに限定されず、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ及びＴｉのうちの一種類又は複数種類の金属をＡｌに添加したものであってもよい。この場合にも、圧電性基板２８上にスパッタリングされた電極膜３４内には上記金属の偏析が生じるため、亀裂の発生が抑制される。

圧電性基板として３９°回転Ｙカットタンタル酸リチウム基板を準備し、この基板上にスパッタリング法にＴｉＮバッファ層及び単結晶アルミニウム電極膜を順次積層した。その具体的な手順を以下に示す。まず、純度９９．９％の金属チタンをターゲット材として、窒素とアルゴンとの混合ガス雰囲気中において、基板上に厚さ４ｎｍのＴｉＮバッファ層を成膜した。基板上にＴｉＮバッファ層を成膜した後、スパッタリング装置内を真空に保持したまま、０．５ｗｔ％濃度のＣｕが添加されたアルミニウムをターゲット材として基板上に厚さ５００ｎｍ程度のアルミニウム電極膜を成膜した。この電極膜をＴＥＭ観察した結果、図５に示したような不純物が単結晶アルミニウムの中に偏析していることが明らかとなった。ＥＤＳ定性分析評価の結果から、この粒状の不純物は高密度のＣｕで構成されていることが明らかとなった。つまり、ターゲット材に含有されていたＣｕが、スパッタリングの際にアルミニウム原子と固溶せずに、アルミニウム電極膜の内部にＣｕ偏析として析出した。

このような単結晶アルミニウム電極膜を、一般的なフォトリソグラフィ技術を用いて電極パターンに成形した。具体的には、アルミニウム電極膜上にフォトレジストのマスクパターンを形成し、三塩化ホウ素（ＢＣｌ₃）と塩素（Ｃｌ₂）の混合ガスでアルミニウム電極膜をドライエッチングして電極パターンをパターニングした。さらに、表面弾性波素子をフリップチップ実装するために、この電極パターンの入出力電極の位置にクロム（Ｃｒ）とアルミニウムとの積層体である嵩上げ電極を積層してパッド電極を形成すると共に、このパッド電極にＡｕバンプを超音波接合技術により形成した。

また比較のために、ＴｉＮバッファ層を形成した後に、純度９９．９９９％の不純物を含まないアルミニウムをターゲット材として成膜されたアルミニウム電極膜を有する基板を別途用意した。このアルミニウム電極膜にも、上記と同様の方法により、パッド電極及びＡｕバンプを形成した。

以上のような、アルミニウム電極膜の構成材料が異なる上記二種類の表面弾性波素子を、超音波強度及びフリップチップ実装時の荷重をいろいろと変化させて、それぞれ実装基板上にフリップチップ実装した。そして、基板実装後のダイシェア強度を測定した。この結果を図８に示す。図８は、シェア強度試験を実施した後の破壊モードを「○」、「●」、「×」の印で示した表である。ここで、図８（ａ）はターゲット材にＣｕが添加された方の表面弾性波素子の結果を示した表であり、図８（ｂ）はターゲット材に不純物が添加されていない方の表面弾性波素子の結果を示した表である。また、「○」印は金バンプが破壊されたモード、「●」印はバンプ下の圧電性基板に亀裂が入ったモード、「×」印は金バンプと実装基板の金メッキ電極との接合が不十分だったモードである。

図８より、ターゲット材に不純物が含まれておらず、アルミニウム電極に何も偏析していない方の表面弾性波素子（図８（ｂ）参照）に比べ、ターゲット材にＣｕが添加されて、アルミニウム電極にＣｕが偏析している表面弾性波素子（図８（ａ）参照）の方が、フリップチップ実装において理想的な破壊モードである「○」印となる超音波強度及び荷重の条件範囲が広いことがわかり、また不適当な破壊モードである「●」印となる条件範囲が狭いことがわかる。このことから、アルミニウム電極にＣｕが偏析することで、表面弾性波素子の圧電性基板に亀裂が入る事態が大幅に改善されたことがわかる。

また、この二種類の表面弾性波素子を、図９に示した評価装置５０を用いて８５℃雰囲気で耐電力性を評価した。ここで図９は、表面弾性波素子の耐電力性評価に用いた装置を示したブロック構成図である。より具体的に説明すると、装置５０の恒温槽５２内に表面弾性波素子１２（ＳＡＷフィルタ）を配置し、このＳＡＷフィルタ１２の入力端子に、信号発生器５４から得られた所定周波数範囲のＲＦ信号を、ＲＦパワーアンプ５６によって所定強度に増幅して印加した。また併せて、そのときの入力電力を方向性カプラー５８Ａを用いて測定した。さらにＳＡＷフィルタ１２の入出力端子に、方向性カプラー５８Ｂ及び減衰器６０Ａ，６０Ｂを介してネットワークアナライザ６２を接続して、ＳＡＷフィルタ１２に印加する電力を１．５８Ｗとして、ＳＡＷフィルタ１２の挿入損失が２ｄＢに劣化するまでの寿命を評価した。この結果、Ｃｕが偏析しているアルミニウム電極を有するＳＡＷフィルタは７９００分、何も偏析していないアルミニウム薄膜電極を有するＳＡＷフィルタは８０００分であった。

すなわち、Ｃｕが偏析しているアルミニウム電極を有するＳＡＷフィルタと、何も偏析していないアルミニウム電極を有するＳＡＷフィルタとは、耐電力性能の差はほとんどないことがわかる。これは、両者のアルミニウム電極が、ともに粒界のない（又は極めて少ない）材料で構成されているためであると考えられる。このことは、先行技術文献に示されているような添加物による耐電力性能を向上する目的とは明らかに異なっている。

圧電性基板として６４°回転Ｙカットニオブ酸リチウム基板を準備し、この基板上にスパッタリング法により金属Ｔｉバッファ層及び単結晶アルミニウム電極膜を順次積層した。このときのＴｉスパッタリングターゲットとして９９．９９％のＴｉ材料と、アルミニウムターゲットとして１ｗｔ％濃度のＣｕを含む材料を使用した。Ｔｉの膜厚は４ｎｍ、アルミニウムの膜厚は約１５０ｎｍとした。

このアルミニウム膜を透過電子顕微鏡により解析したところ、単結晶アルミニウムの中に、コントラストの異なる粒子が含まれており、この粒子はＥＤＳ定性分析結果からＣｕの粒子であることがわかった（図１０参照）。ここで図１０は、電極膜中に析出したＣｕ偏析の状態を示したＴＥＭ写真である。また、このアルミニウム膜をＸ線解析により評価をおこなったところ、アルミニウム（１１１）信号の他にＣｕ（１１１）信号が観察された（図１１参照）。ここで図１１は、アルミニウム電極膜のＸ線解析結果を示したグラフである。このグラフは、図６のグラフ同様、横軸は回折角２θ（°）であり、縦軸はＸ線強度（ｃｐｓ：ｃｏｕｎｔ−ｐｅｒ−ｓｅｃｏｎｄ）である。このグラフには、アルミニウム電極膜の中にＣｕの微結晶が偏析して存在していることを示している。

このような単結晶アルミニウム電極膜を、一般的なフォトリソグラフィ技術を用いて電極パターンに成形した。この弾性表面波装置のパターンは、上述したラダー型である。次に、表面弾性波素子をフリップチップ実装するために、この電極パターンの入出力電極の位置にクロム（Ｃｒ）とアルミニウムとの積層体である嵩上げ電極を積層してパッド電極を形成すると共に、このパッド電極にＡｕバンプを超音波接合技術により形成した。

また比較のために、Ｔｉバッファ層を６４°回転Ｙカットニオブ酸リチウムからなる圧電基板上に形成した後に、純度９９．９９９％の不純物を含まないアルミニウムをターゲット材として成膜されたアルミニウム電極膜を有するサンプルも準備した。このアルミニウム電極膜にも、上記と同様の方法により、パッド電極及びＡｕバンプを形成した。

これら二つの弾性表面波装置を、実施例１と同様に、フリップチップ接合実装性を超音波強度と接合荷重とを変化させて調査した。その結果、やはり、１ｗｔ％濃度のＣｕを添加した単結晶アルミニウム電極を有する弾性表面波素子が、フリップチップ接合条件の安定領域が広いことがわかり、Ｃｕの偏析により表面弾性波素子の圧電性基板に亀裂が入る事態が大幅に改善されている。

また、この二種類の弾性表面波装置を、実施例１と同様に、図９に示した評価装置５０を用いて８５℃雰囲気で耐電力性を評価した。ＳＡＷフィルタ１２に印加する電力を１．５８Ｗとして、ＳＡＷフィルタ１２の挿入損失が２ｄＢに劣化するまでの寿命を評価した。この結果、Ｃｕが偏析しているアルミニウム電極を有するＳＡＷフィルタの寿命は９０００分、何も偏析していないアルミニウム薄膜電極を有するＳＡＷフィルタの寿命は９１００分であった。

すなわち、Ｃｕが偏析している単結晶アルミニウム電極を有するＳＡＷフィルタと、何も偏析していない単結晶アルミニウム電極を有するＳＡＷフィルタとは、耐電力性能の差はほとんどないことがわかる。これは、両者のアルミニウム電極が、ともに粒界のない（又は極めて少ない）材料で構成されているためであると考えられる。このことは、先行技術文献に示されているような添加物による耐電力性能を向上する目的とは明らかに異なっている。

本発明の実施形態に係る表面弾性波装置の概略断面図である。 表面弾性波素子を示した概略斜視図である。 表面弾性波素子に形成された電極パターンを示した概略構成図である。 図１に示した表面弾性波装置を作製する手順について示した図である。 電極膜中に析出したＣｕ偏析の状態を示したＴＥＭ写真である。 図５に示したｂ点におけるＥＤＳ定性分析結果（ＥＤＳスペクトル）を示したグラフである。 本発明の実施形態に係る表面弾性波デュプレクサを示した斜視分解図である。 シェア強度試験を実施した後の破壊モードを「○」、「●」、「×」の印で示した表である。 表面弾性波素子の耐電力性評価に用いた装置を示したブロック構成図である。 電極膜中に析出したＣｕ偏析の状態を示したＴＥＭ写真である。 アルミニウム電極膜のＸ線解析結果を示したグラフである。

符号の説明

１０…表面弾性波装置、１２…表面弾性波素子、１４…実装基板、１８…入出力電極、
２０…嵩上げ電極、２２…パッド電極、２４…金メッキ電極、２６…バンプ、２８…圧電性基板、３０…バッファ層、４０…表面弾性波デュプレクサ。

Claims (7)

1. 圧電性基板上に設けられた、単結晶アルミニウムで構成された薄膜電極に、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ及びＴｉのうち少なくとも１種類の金属が偏析しており、且つ、前記圧電性基板の材料の格子定数と前記薄膜電極の材料の格子定数との間の格子定数を有する材料で構成されたバッファ層が、前記圧電性基板と前記薄膜電極との間に介在している、表面弾性波素子。
2. 前記圧電性基板の材料はタンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムである、請求項１に記載の表面弾性波素子。
3. 前記バッファ層を構成する材料はＴｉＮ又はＴｉである、請求項１又は２に記載の表面弾性波素子。
4. 前記偏析した金属の粒径は、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の表面弾性波素子。
5. 圧電性基板上に形成された単結晶アルミニウム製の薄膜電極に、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ及びＴｉのうち少なくとも１種類の金属が偏析しており、且つ、前記圧電性基板の材料の格子定数と前記薄膜電極の材料の格子定数との間の格子定数を有する材料で構成されたバッファ層が、前記圧電性基板と前記薄膜電極との間に介在している表面弾性波素子と、
   前記表面弾性波素子が搭載される面に電極端子が形成された実装基板と、
   前記表面弾性波素子の前記薄膜電極と前記実装基板の前記電極端子との間に介在するバンプ電極とを備える、表面弾性波装置。
6. 圧電性基板上に形成された単結晶アルミニウム製の薄膜電極に、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ及びＴｉのうち少なくとも１種類の金属が偏析しており、且つ、前記圧電性基板の材料の格子定数と前記薄膜電極の材料の格子定数との間の格子定数を有する材料で構成されたバッファ層が、前記圧電性基板と前記薄膜電極との間に介在している表面弾性波素子を備える、表面弾性波デュプレクサ。
7. 圧電性基板上に、Ａｌ合金のスパッタリングによって、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ及びＴｉのうち少なくとも１種類の金属が偏析している単結晶アルミニウム製の電極膜を、前記圧電性基板の材料の格子定数と前記電極膜の材料の格子定数との間の格子定数を有する材料で構成されたバッファ層を介して形成するステップと、
   前記電極膜をパターニングして薄膜電極を形成するステップとを有する、表面弾性波素子の製造方法。

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