JP3764450B2 - 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
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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帯域のフィルタ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においてＲＦ帯域（８００ＭＨｚ〜２ＧＨｚ）で用いられる。そして例えば１ＧＨｚ帯で表面弾性波装置を使用する場合には、その動作時に周波数に比例する大きな繰り返し応力が圧電性基板上のＩＤＴに加わり、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、表面弾性波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、周波数を高くすればするほど、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。
一方、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、従来の誘電体デュプレクサから小型の表面弾性波デュプレクサへ変更することが提案なされている。ただし、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。
ここで、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ことがよく知られており、粒界拡散が優先的であると考えられている。従って、繰り返し応力に起因する上述した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る。
そこで、電極膜をほぼ単結晶の状態にした技術が下記特許文献１に開示されている。この特許文献１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２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。
下記特許文献３には、特許文献１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。
下記特許文献４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。さらに、下記特許文献５には、３３°±９°回転Ｙカットのタンタル酸リチウム若しくはニオブ酸リチウムである圧電基板と、この基板上に積層された窒化チタンバッファ層、窒化チタンと金属チタンとが積層された複数層バッファ層及び窒化チタンと金属チタンの傾斜組成バッファ層のいずれかのバッファ層と、このバッファ層上に積層された単結晶アルミニウムと、を備えた表面弾性波装置が開示されている。
近年、複数のフィルタが搭載される携帯電話機端末の分野において、表面弾性波装置のさらなる小型化が強く求められている。すなわち、近年の携帯電話機端末は、例えば、ＧＳＭ方式とＤＣＳ１８００方式（欧州）、ＡＭＰＳ帯のＣＤＭＡとＰＣＳ帯のＣＤＭＡ（米国）といったように複数の周波数帯で利用可能な、いわゆるデュアルタイプが主流となりつつあり、一つの携帯電話端末機内に複数の通信方式に対応する回路を収納しなければならなくなったため、フィルタ等の各部品の寸法を従来以上に小さくする必要が生じてきた。
そのため、表面弾性波素子の実装に関して、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、表面弾性波素子のアルミニウムパッド電極上に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電極端子とを熱圧着する。このように熱圧着した状態で、表面弾性波装置を超音波で振動してバンプと電極端子とを接合し、高強度な接合と確実な導通とを実現している。
なお、表面弾性波素子を実装基板上にフリップチップ実装して表面弾性波装置を作製した場合、表面弾性波素子はバンプ電極のみで支持されるため、バンプ電極にある程度の接合強度が求められる。そのため、バンプ電極が形成される表面弾性波素子のパッド電極は、多くの場合、嵩上げ電極等によって嵩上げされている。パッド電極を嵩上げする方法については、例えば、上記特許文献６等に開示されている。
しかしながら、前述した従来の表面弾性波素子をフリップチップ実装して表面弾性波装置を作製する際には、以下に示すような課題が存在している。すなわち、圧電基板上の単結晶アルミニウムの表面には、そのエッチング成形時などにおいて、緻密で強固な自然酸化膜が形成される。そのため、このような絶縁性の自然酸化膜が、単結晶アルミニウム電極膜から成形される薄膜電極と嵩上げ電極との導通の妨げとなっていた。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、電極膜が単結晶であっても、高い確度で外部接続端子との導通を図ることができる表面弾性波素子、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、圧電性単結晶基板上にバッファ層を介して形成された、単結晶アルミニウムで構成され且つ表面に酸化膜を有する薄膜電極と、薄膜電極上に形成された、高さ方向に延在する貫通孔を有する嵩上げ電極と、嵩上げ電極上に搭載され、一部が貫通孔の内部に浸入し且つ酸化膜を貫通して薄膜電極まで到達して、薄膜電極と導通している外部接続端子とを備えることを特徴とする。
この表面弾性波素子において、薄膜電極上に形成された嵩上げ電極は、その高さ方向に延在する貫通孔を有している。そして、嵩上げ電極上に搭載される外部接続端子は、その一部が、嵩上げ電極の貫通孔に浸入し薄膜電極の酸化膜を貫通して薄膜電極まで到達している。それにより、圧電性単結晶基板上に形成された薄膜電極と外部接続端子とが導通している。このように本発明に係る表面弾性波素子においては、圧電性単結晶基板上にバッファ層を介して形成された、単結晶アルミニウムで構成される薄膜電極の表面には、強固な酸化膜が形成されているが、嵩上げ電極の貫通孔に浸入した外部接続端子の一部がこの酸化膜を貫通しているため、より確度の高い薄膜電極と外部接続端子との導通が実現されている。
また、外部接続端子は金バンプ端子であることが好ましい。金バンプは外部接続端子として一般的なものであるため、従来技術を用いて容易に形成することができる。
また、薄膜電極と嵩上げ電極との間には、これらの電極間の密着性を向上させる密着補強層が介在していることが好ましく、この密着補強層は特にクロムで構成されていることが好ましい。
また、薄膜電極と嵩上げ電極との間には、外部接続端子を構成する原子の薄膜電極への拡散を防止する拡散バリア層が介在していることが好ましく、拡散バリア層は特に窒化チタンで構成されていることが好ましい。
また、嵩上げ電極はアルミニウム又は金−アルミニウム合金で構成されていることが好ましく、さらに、バッファ層は、チタン又は窒化チタンで構成されていること、チタン層及び窒化チタン層を含む少なくとも２層以上の積層構造を有すること、層成長面に近づくに従って、窒化チタンから次第にチタンに変化するように窒素の組成比が減少していることのいずれかであることが好ましい。
本発明に係る表面弾性波装置は、圧電性単結晶基板上にバッファ層を介して形成された、単結晶アルミニウムで構成され且つ表面に酸化膜を有する薄膜電極と、薄膜電極上に形成された、高さ方向に延在する貫通孔を有する嵩上げ電極と、嵩上げ電極上に搭載され、一部が貫通孔の内部に浸入し且つ酸化膜を貫通して薄膜電極まで到達しており、薄膜電極と導通している外部接続端子と、を備え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ており、この電極端子と表面弾性波素子の嵩上げ電極とが外部接続端子を介して接続されるように、表面弾性波素子が搭載される実装基板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、表面弾性波素子の薄膜電極上に形成された嵩上げ電極は、その高さ方向に延在する貫通孔を有している。そして、嵩上げ電極上に搭載される外部接続端子は、その一部が、嵩上げ電極の貫通孔に浸入し薄膜電極の酸化膜を貫通して薄膜電極まで到達している。それにより、圧電性単結晶基板上に形成された薄膜電極と外部接続端子とが導通している。このように本発明に係る表面弾性波装置に含まれる表面弾性波素子においては、単結晶アルミニウムで構成される薄膜電極の表面には強固な酸化膜が形成されているが、嵩上げ電極の貫通孔に浸入した外部接続端子の一部がこの酸化膜を貫通しているため、より確度の高い薄膜電極と外部接続端子との導通が実現されている。
本発明に係る表面弾性波デュプレクサは、圧電性単結晶基板上にバッファ層を介して形成された、単結晶アルミニウムで構成され且つ表面に酸化膜を有する薄膜電極と、薄膜電極上に形成された、高さ方向に延在する貫通孔を有する嵩上げ電極と、嵩上げ電極上に搭載され、一部が貫通孔の内部に浸入し且つ酸化膜を貫通して薄膜電極まで到達しており、薄膜電極と導通している外部接続端子と、を有す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、表面弾性波素子の薄膜電極上に形成された嵩上げ電極は、その高さ方向に延在する貫通孔を有している。そして、嵩上げ電極上に搭載される外部接続端子は、その一部が、嵩上げ電極の貫通孔に浸入し薄膜電極の酸化膜を貫通して薄膜電極まで到達している。それにより、圧電性単結晶基板上に形成された薄膜電極と外部接続端子とが導通している。このように本発明に係る表面弾性波デュプレクサに含まれる表面弾性波素子においては、単結晶アルミニウムで構成される薄膜電極の表面には強固な酸化膜が形成されているが、嵩上げ電極の貫通孔に浸入した外部接続端子の一部がこの酸化膜を貫通しているため、より確度の高い薄膜電極と外部接続端子との導通が実現されている。
本発明に係る表面弾性波素子の製造方法は、本発明の表面弾性波素子を有効に製造するための方法であって、圧電性単結晶基板上に、バッファ層を積層するステップと、圧電性単結晶基板上に、バッファ層を介して単結晶アルミニウムで構成される電極膜を積層するステップと、電極膜をパターニングして薄膜電極を形成すると共に、その薄膜電極の表面に酸化膜を形成するステップと、薄膜電極上に、高さ方向に延在する貫通孔を有する嵩上げ電極を形成するステップと、嵩上げ電極上に外部接続端子を圧着し、その一部を貫通孔に浸入させるステップと、外部接続端子を振動させて、貫通孔に浸入した外部接続端子に薄膜電極表面の酸化膜を貫通させ、外部接続端子を薄膜電極まで到達させ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、電極膜が単結晶であっても、高い確度で外部接続端子との導通を図ることができる表面弾性波素子、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とは金バンプ（外部接続端子）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、圧電性単結晶基板２８と、この圧電性単結晶基板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。
圧電性単結晶基板２８は、タンタル酸リチウム製の基板であり、水平断面が略正方形である角柱形状を有している。なお、圧電性単結晶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、表面に自然酸化膜が形成されている単結晶アルミニウム製の入出力電極１８と、入出力電極１８部分の厚さを厚くするためのアルミニウム製の嵩上げ電極２０と、入出力電極１８と嵩上げ電極２０との間に介在する後述の中間層（図２では図示せず）とを有している。入出力電極１８の単結晶化のために形成されたバッファ層３０は、圧電性単結晶基板２８の材料であるタンタル酸リチウムの格子定数と、入出力電極１８の材料であるアルミニウムの格子定数との間の格子定数を有するＴｉＮで構成されている。なお、本明細書における単結晶アルミニウムとは、単結晶基板にエピタキシャル成長したアルミニウム膜であり、粒界の全くない完全な単結晶アルミニウム膜以外に、わずかな粒界を含む単結晶や高配向多結晶膜も含まれる。（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、わずかな粒界を含む単結晶や高い配向性を有する多結晶も含まれるものとする。）
各パッド電極２２の嵩上げ電極２０には、その高さ方向に延在する９つの貫通孔３１が形成されている。この９つの貫通孔３１は、方形状断面を有し、３×３のマトリクス状となるように配置されている。以下、図３を参照しつつ、パッド電極２２の構造についてより詳しく説明する。なお図３は、図２に示した表面弾性波素子１２のパッド電極２２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
図３に示すように、パッド電極２２は、入出力電極１８、中間層３２及び嵩上げ電極２０が圧電性単結晶基板２８に形成されたバッファ層３０上に順次形成された構造を有している。入出力電極１８は、バッファ層３０にエピタキシャル形成した単結晶アルミニウム電極膜（後述）をパターニング成形したものであり、その表面には酸化膜１８ａが形成されている。そして、入出力電極１８上には、酸化膜１８ａを介して中間層３２が積層されている。この中間層３２は、入出力電極１８と嵩上げ電極２０との密着性を向上させる、クロム（Ｃｒ）製の密着補強層３２Ａと、嵩上げ電極２０上に搭載される金バンプ２６（図１参照）のＡｕ原子が入出力電極１８に拡散される事態を抑止する、密着補強層３２Ａ上に積層された窒化チタン（ＴｉＮ）製の拡散バリア層３２Ｂとで構成されている。さらに中間層３２上には、金バンプ２６の付着力を向上させるための嵩上げ電極２０が形成されている。そして、上述した嵩上げ電極２０及び中間層３２に、その高さ方向に延在する９つの貫通孔３１がエッチング形成されている。なお、この状態のパッド電極２２は、入出力電極１８の表面に形成された酸化膜１８ａのために、嵩上げ電極２０と入出力電極１８との導通が図られていない。そのため、嵩上げ電極２０上に金バンプ２６を搭載しても、このバンプ２６と入出力電極１８とは電気的に接続されない。
図２に戻って、パッド電極２２は、圧電性単結晶基板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の重心と圧電性単結晶基板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。
また、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４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４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４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３３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３３（直列腕共振器３３Ａ）が直列に接続されている。また、この４つの直列腕共振器３３Ａ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３３（並列腕共振器３３Ｂ）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３３の数、配線パターンなどを適宜変更してもよい。ただし、図４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の重心と圧電性単結晶基板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５を参照しつつ説明する。図５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インチ径の圧電性単結晶基板２８を準備し、圧電性単結晶基板２８の表面２８ａをアセトン及びイソプロピルアルコールによる超音波洗浄をおこなった後、純水で有機溶剤置換をおこなって洗浄した。このようにして表面２８ａに付着した不純物を除去した後、この表面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した。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、圧電性単結晶基板２８の表面２８ａ全面にＴｉＮバッファ層３０を成膜する（図５（ａ）参照）。
圧電性単結晶基板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、ターゲット材をアルミニウムに変更して、圧電性単結晶基板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５（ｂ）参照）。その後、スパッタリング装置から圧電性単結晶基板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５（ｃ）参照）。このとき、入出力電極１８を含む電極パターンは大気に触れるため、その表面には絶縁性の自然酸化膜（Ａｌ2Ｏ3膜）が形成される。
その後、基板２８を再度スパッタリング装置内にセットし、真空に保持したまま、入出力電極１８の作製と同様の手順により中間層３２及び嵩上げ電極２０を連続して形成する。そして、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、中間層３２及び嵩上げ電極２０を貫通する貫通孔３１を形成する。なお嵩上げ電極２０のエッチングの際、中間層３２のクロム製密着補強層３２Ｂをエッチストップ層として利用することができる。
以上により、上述した表面弾性波素子１２の作製が完了する。そして、表面弾性波素子１２の各嵩上げ電極２０に、バンプボンダによって作られた球状のＡｕが圧着すると共に超音波振動を加えて、バンプ２６を形成する（図５（ｄ）参照）。このような金バンプ２６の形成技術は非常に一般的なものであり、金バンプ２６は従来の技術を利用して容易に形成することができる。
ここで、パッド電極２２の嵩上げ電極２０上にバンプ２６が形成された状態について、図３及び図６を参照しつつ説明する。図６は、嵩上げ電極２０の貫通孔３１にバンプ２６の一部が浸入している状態を示した図である。図６に示すように、嵩上げ電極２０に圧着されて超音波振動が加えられたバンプ２６は、その一部が嵩上げ電極２０及び中間層３２に形成された貫通孔３１内部に浸入するように塑性変形する。そして、貫通孔３１内に浸入して、入出力電極１８の酸化膜１８ａまで到達したバンプ２６の先端部分２６ａは、酸化膜１８ａの表面を擦り、バンプ２６に擦られた部分の酸化膜１８ａが破られる。貫通孔３１に浸入したバンプ２６の先端部分２６ａは、さらに、酸化膜１８の破れた部分を通って、入出力電極１８まで到達する。それにより、酸化膜１８が破れた部分周辺では、バンプ２６の金原子が、入出力電極１８を構成する単結晶アルミニウム内に拡散し、そのアンカー効果によって嵩上げ電極２０と入出力電極１８との密着強度の向上が図られる。それと同時に、嵩上げ電極２０と入出力電極１８との電気的導通性が向上する。なお、バンプ２６を構成するＡｕ原子の一部は嵩上げ電極２０のアルミニウム内にも拡散する。
図５に戻って、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５（ｅ）参照）。最後に、実装基板１４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５（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。
以上、詳細に説明したように、入出力電極１８上に形成された嵩上げ電極２０は、その高さ方向に延在する貫通孔３１を有している。そして、バンプ２６の一部（浸入部分２６ａ）がその貫通孔３１に浸入している。そして、バンプ２６に超音波振動が加えられることで、バンプ２６の浸入部分２６ａはさらに酸化膜１８ａを貫通して入出力電極１８まで到達している。それにより、バンプ２６と入出力電極１８とが貫通孔３１に充填されているバンプ２６の浸入部分２６ａを介して電気的に接続されている。従って、単結晶アルミニウムで構成される入出力電極１８の表面には強固な酸化膜１８ａが形成されていても、高い確度での入出力電極１８とバンプ２６との導通が実現されている。
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、上述した表面弾性波装置１０と同様に、単結晶アルミニウムで構成される入出力電極１８の表面には強固な酸化膜１８ａが形成されていても、高い確度での入出力電極１８とバンプ２６との導通が実現されている。
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、貫通孔の数や断面形状、配置は、適宜変更してもよい。また、貫通孔が形成されている嵩上げ電極は、リフトオフ技術を利用しても作製することができ、この場合には上述したようなエッチストップ層は不要となる。さらに、電極膜成膜用のターゲット材には、アルミニウムに限定されず、例えば、Ｃｕ、Ｔａ、Ｗ及びＴｉ等をアルミニウムに添加したアルミニウム合金であってもよい。
バッファ層の構成材料は、ＴｉＮに限らず、Ｔｉ等、この電極膜の材料の格子定数と圧電性単結晶基板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。また、バッファ層は、少なくともＴｉＮ層とＴｉ層を含む２層以上の積層構造を有するものであってもよい。なお、バッファ層は、層成長面に近づくに従って、窒化チタンから次第にチタンに変化するように窒素の組成比が減少している構成にすることも好ましい。このように窒素の組成比が変化するバッファ層を介して圧電性単結晶基板上にアルミニウム電極膜を積層した場合、アルミニウム電極膜の表面にはアルミニウムの最密面である（１１１）面が現れる。
圧電性単結晶基板として３９°回転Ｙカットタンタル酸リチウム基板（直径７６．２ｍｍ、厚さ０．３５ｍｍ）を準備し、この基板上にスパッタリング法により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、スパッタリングに先立ち、アセトン及びイソプロピルアルコールによる超音波洗浄をおこなった後、純水で有機溶剤置換をおこなって洗浄した。そして、純度９９．９％の金属チタンをターゲット材として、基板上に厚さ４ｎｍのＴｉバッファ層を成膜した。基板上にＴｉ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、純度９９．９９９％のアルミニウムをターゲット材として基板上に厚さ１５０ｎｍ程度のアルミニウム電極膜を成膜した。このアルミニウム電極膜の厚さは、表面弾性波装置の動作周波数を規定する要素の一つであり、使用する製品に応じて適宜変更することができる。なお、基板温度の条件は１００〜１５０℃であり、成膜レートはＴｉバッファ層で０．１〜０．５ｎｍ／秒、アルミニウム電極膜で約３ｎｍ／秒である。なお、このアルミニウム電極膜が、下層がＴｉバッファ層であるために単結晶化していることは、制限視野電子線回折等により確認される。
この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。バッファ層のＴｉは、フォトレジストアッシング時のＣＦ4と酸素Ｏ2との混合ガスによっても除去できる。
次に、中間層及び嵩上げ電極を基板全面に成膜する。中間層としては、第１層をクロムとし、その上にＴｉＮを形成した二層構造とするのが好ましい。クロム層は、入出力端子成形時に、エッチストップ層として機能する。このクロム層の厚さには、特に制限はないが、５０〜１５０ｎｍ程度が好ましい。ＴｉＮ層は２〜５０ｎｍの厚さで形成される。このＴｉＮ層は、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うことにより形成される。嵩上げ電極の厚さは０．５〜１μｍが適当である。
次に、中間層及び嵩上げ電極をエッチング加工して、パッド電極を形成する。このエッチングの際、併せて貫通孔も形成する。貫通孔は、３μｍ×３μｍの方形状断面を有し、５μｍずつ離間させて３×３のマトリクス状に形成した。なお、上述したエッチストップ層のため、エッチング状態の厳密な管理が不要となり素子製造の容易化が図られている。また、中間層のエッチングは、上述したバッファ層のエッチングと同様の方法が採用される。中間層のエッチングでは、下の入出力電極（単結晶アルミニウム）がエッチストップ層として機能するため、やはりエッチング処理の容易化が図られている。
エッチングにより成形されたパッド電極上にバンプを形成する。このバンプの材料は金であることが好ましい。バンプ電極の形成には、まずバンプボンダにより２５μｍ径のＡｕ細線の先端を溶かし、直径約４５μｍの球状とする。これをパッド電極上に圧着し、且つ超音波振動を加える。すると、Ａｕは貫通孔の中に浸入して、入出力電極の酸化膜まで到達する。球状のＡｕは、圧着によって６５μｍ程度まで径が拡大する。また貫通孔の下部では、超音波振動によって入出力電極の酸化膜がＡｕによって破壊され、所望のＡｕ拡散経路が形成される。なお、貫通孔が形成されていない部分の酸化膜は、嵩上げ電極が緩衝するためにほとんど破壊されない。よって、酸化膜はＴｉＮ層と同様に、Ａｕの拡散に対するバリア層として機能する。
金バンプを形成した後、Ａｕの所望の経路で拡散を促進するための熱処理をおこなう。熱処理条件としては、例えば２００℃で３０分程度が好適である。
以上のようにして圧電性単結晶基板を所定寸法でダイシングして、表面弾性波素子を作製し、さらにこの素子を実装基板にフリップチップ実装すると共にカバーで気密封止することで、表面弾性波装置を作製した。なお、表面弾性波素子の寸法は、１．３ｍｍ×０．８ｍｍであり、対向する短辺に３個ずつ、計６個のバンプ電極が形成されている。また、表面弾性波装置の外形寸法は、２．５ｍｍ×２．０ｍｍ×０．９ｍｍとした。
本発明との比較検討のために、貫通孔が形成されている表面弾性波装置を２０個、貫通孔がない点でのみ上述の表面弾性波装置と異なる表面弾性波装置を２０個用意した。そして、まず電気特性の評価をおこなった。その結果、貫通孔のない表面弾性波装置は、貫通孔のある表面弾性波装置に比べて、挿入損失が０．３ｄＢだけ悪化していることがわかった。次に、バンプとパッド電極との接合強度に関する比較試験をおこなった。試験は、０．５ｍの高さからコンクリート板上に３回落下させて、バンプ部分の断線不良の状態を調べた。そして、断線不良が確認されなかった試料については、１．０ｍ、１．５ｍ、２．０ｍと徐々に落下高さを上げて試験をおこない、断線不良の状態を調べた。その結果を以下の表１に示す。
この表１は、各高さにおける断線不良の発生数（分子）と落下試験総試料数（分母）を示したものである。なお、表１の「貫通孔なし」の項目においては、断線不良の不良の発生により徐々に分母が変化している。この結果から、貫通孔のある表面弾性波装置は、貫通孔のない表面弾性波装置に比べて、バンプとパッド電極との接合強度が強化していることがわかる。
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、１８ａ…酸化膜、２０…嵩上げ電極、２２…パッド電極、２４…金メッキ電極、２６…バンプ、２８…圧電性単結晶基板、３０…バッファ層、３１…貫通孔、３２Ａ…拡散バリア層、３２Ｂ…密着補強層、４０…表面弾性波デュプレクサ。
Claims (13)
- 圧電性単結晶基板上にバッファ層を介して形成された、単結晶アルミニウムで構成され且つ表面に酸化膜を有する薄膜電極と、
前記薄膜電極上に形成された、高さ方向に延在する貫通孔を有する嵩上げ電極と、
前記嵩上げ電極上に搭載され、一部が前記貫通孔の内部に浸入し且つ前記酸化膜を貫通して前記薄膜電極まで到達して、前記薄膜電極と導通している外部接続端子とを備える、表面弾性波素子。 - 前記外部接続端子は金バンプ端子である、請求項１に記載の表面弾性波素子。
- 前記嵩上げ電極はアルミニウム又は金−アルミニウム合金で構成されている、請求項１又は２に記載の表面弾性波素子。
- 前記薄膜電極と前記嵩上げ電極との間には、これらの電極間の密着性を向上させる密着補強層が介在している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の表面弾性波素子。
- 前記密着補強層はクロムで構成されている、請求項４に記載の表面弾性波素子。
- 前記薄膜電極と前記嵩上げ電極との間には、前記外部接続端子を構成する原子の前記薄膜電極への拡散を防止する拡散バリア層が介在している、請求項１〜５のいずれか一項に記載の表面弾性波素子。
- 前記拡散バリア層は窒化チタンで構成されている、請求項６に記載の表面弾性波素子。
- 前記バッファ層はチタン又は窒化チタンで構成されている請求項１〜７のいずれか一項に記載の表面弾性波素子。
- 前記バッファ層はチタン層及び窒化チタン層を含む少なくとも２層以上の積層構造を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の表面弾性波素子。
- 前記バッファ層は、層成長面に近づくに従って、窒化チタンから次第にチタンに変化するように窒素の組成比が減少している、請求項１〜９のいずれか一項に記載の表面弾性波素子。
- 圧電性単結晶基板上にバッファ層を介して形成された、単結晶アルミニウムで構成され且つ表面に酸化膜を有する薄膜電極と、前記薄膜電極上に形成された、高さ方向に延在する貫通孔を有する嵩上げ電極と、前記嵩上げ電極上に搭載され、一部が前記貫通孔の内部に浸入し且つ前記酸化膜を貫通して前記薄膜電極まで到達して、前記薄膜電極と導通している外部接続端子と、を備え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ており、この電極端子と前記表面弾性波素子の前記嵩上げ電極とが前記外部接続端子を介して接続されるように、前記表面弾性波素子が搭載される実装基板とを備える、表面弾性波装置。 - 圧電性単結晶基板上にバッファ層を介して形成された、単結晶アルミニウムで構成され且つ表面に酸化膜を有する薄膜電極と、前記薄膜電極上に形成された、高さ方向に延在する貫通孔を有する嵩上げ電極と、前記嵩上げ電極上に搭載され、一部が前記貫通孔の内部に浸入し且つ前記酸化膜を貫通して前記薄膜電極まで到達して、前記薄膜電極と導通している外部接続端子と、を有する表面弾性波素子を備える、表面弾性波デュプレクサ。
- 圧電性単結晶基板上に、バッファ層を積層するステップと、
前記圧電性単結晶基板上に、前記バッファ層を介して単結晶アルミニウムで構成される電極膜を積層するステップと、
前記電極膜をパターニングして薄膜電極を形成すると共に、その薄膜電極の表面に酸化膜を形成するステップと、
前記薄膜電極上に、高さ方向に延在する貫通孔を有する嵩上げ電極を形成するステップと、
前記嵩上げ電極上に外部接続端子を圧着し、その一部を前記貫通孔に浸入させるステップと、
前記外部接続端子を振動させて、前記貫通孔に浸入した前記外部接続端子に前記薄膜電極表面の前記酸化膜を貫通させ、前記外部接続端子を前記薄膜電極まで到達させ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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