(57)【要約】【課題】  拡散抑制層を含む３層構造の電極を水晶ブランク上に形成したことによって、エージング耐性を向上させると共に、等価直列抵抗の低減を図り、安定した発振周波数特性を得ることが可能な水晶デバイスを提供することにある。【解決手段】  水晶ブランクと、この水晶ブランクの表面に形成される電極２０とを備え、前記電極２０が水晶ブランクの上に形成されるコンタクトメタル２０ａと、コンタクトメタル２０ａの上に形成される拡散抑制層２０ｂと、拡散抑制層２０ｂの上に形成されるメインメタル２０ｃとの少なくとも３層構造からなる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水晶ブランクと、この水晶ブランクの表面に形成される電極とを備え、
前記電極が水晶ブランクの上に形成されるコンタクトメタルと、コンタクトメタルの上に形成される拡散抑制層と、拡散抑制層の上に形成されるメインメタルとの少なくとも３層構造からなる水晶デバイス。
【請求項２】
前記拡散抑制層が前記メインメタルより低い拡散係数を有する貴金属材料からなる請求項１に記載の水晶デバイス。
【請求項３】
前記拡散抑制層が前記コンタクトメタルより低い拡散係数を有する卑金属材料からなる請求項１に記載の水晶デバイス。
【請求項４】
前記メインメタルが金、銀、パラジウム、アルミニウムの中から選択される少なくとも一の金属又は一の金属を含む合金である請求項１に記載の水晶デバイス。
【請求項５】
前記コンタクトメタルがクロム、ニッケル、チタンの中から選択される少なくとも一の金属又は一の金属を含む合金である請求項１に記載の水晶デバイス。
【請求項６】
前記貴金属材料がルテニウムである請求項２に記載の水晶デバイス。
【請求項７】
前記卑金属材料がモリブデンである請求項３に記載の水晶デバイス。
【請求項８】
前記水晶ブランクが所定の振動モードを有する水晶振動子である請求項１に記載の水晶デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３層の電極構造を有する水晶デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的な水晶デバイスに形成される電極は、導電性が高く化学的に安定な金（Ａｕ）等のメインメタルが多く使用されるが、このようなメインメタルは水晶ブランクとの密着強度が良好ではない。このため、酸化力が高く接合性の良好なクロム（Ｃｒ）等のコンタクトメタルを先に水晶ブランク上に成膜し、このコンタクトメタル上にＡｕ等のメインメタルを形成することによって電極を形成している（特許文献１）。
【０００３】
しかしながら、水晶デバイスの電極形成やパッケージング等の製造プロセスでの加熱や使用環境における熱エージング等において、水晶ブランク上に成膜されたコンタクトメタルがメインメタルへ拡散することで合金化が進むという現象が生じていた。このような合金化が進むと、水晶デバイスとしての弾性係数の変動に伴って、周波数変化やエージングの悪化を生じていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１０１３７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、水晶デバイスにあっては、エージングにおける拡散を抑制して耐熱性を向上させると共に、発振周波数に大きな影響を及ぼす等価直列抵抗（Ｒ１）の低減といった問題を解決することが必要となっている。
【０００６】
上記拡散の影響を抑えるには、コンタクトメタルの膜厚を薄くすると改善することが実験により確認されているが、これによって水晶ブランクとの密着性の低下と共に、Ｒ１値が高くなる原因となっていた。
【０００７】
水晶デバイスの中でも、特に振動腕に溝を有する音叉型振動子にあっては、小型化に伴い溝の壁部分の厚みが減少し、これによって電極間距離が狭まる傾向にあった。このため、電極の総厚と水晶振動腕の溝壁厚が近づくことになり、拡散により合金化した電極の弾性係数の変動によって発振周波数に与える影響が大きくなっていた。また、厚みすべり振動子にあっては、高周波になるほど水晶ブランクの厚みが薄くなるため、拡散で合金化した電極の弾性係数の変動によって発振周波数の変動へ与える影響がさらに大きくなる傾向があった。
【０００８】
一般の半導体デバイスにあっては、電極構造にバリア層を含むことで、微細加工が容易になると共に、エージングにおける耐性の向上効果を得ることができ、この点に関しては水晶デバイスも同様である。
【０００９】
しかしながら、水晶デバイスにあっては、上述したように、水晶ブランク上に形成される電極の材質や構造によって、発振周波数特性が微妙に変化するため、単に従来の電極構造を採用しただけでは性能要求を満たさない場合がある。また、水晶デバイスのパッケージングの際には、特に振動モードによっては高真空度が要求されるが、エージング耐性を高めないと、製造プロセスでアニール脱ガス工程を十分行うことができないことから真空度の低下を引き起こし、設計通りの振動特性が得られず、製品の歩留まりの低下を引き起こしていた。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、拡散抑制層を含む３層構造の電極を水晶ブランク上に形成したことによって、エージング耐性を向上させると共に、等価直列抵抗の低減を図り、安定した発振周波数特性を得ることが可能な水晶デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の水晶デバイスは、水晶ブランクと、この水晶ブランクの表面に形成される電極とを備え、前記電極が水晶ブランクの上に形成されるコンタクトメタルと、コンタクトメタルの上に形成される拡散抑制層と、拡散抑制層の上に形成されるメインメタルとの少なくとも３層構造からなる。
【００１２】
前記拡散抑制層がメインメタルより低い拡散係数を有する貴金属材料からなり、ルテニウムが選択される。あるいは、前記拡散抑制層がコンタクトメタルより低い拡散係数を有する卑金属材料からなり、モリブデンが選択される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の水晶デバイスによれば、水晶ブランク上にコンタクトメタルとメインメタルとの間に拡散抑制層を挟んだ３層構造の電極を形成することによって、コンタクトメタル及びメインメタルの拡散が抑えられ、耐熱性の向上と共に、周波数変動及び等価直列抵抗の低減を図ることが可能となる。
【００１４】
また、前記拡散抑制層にルテニウム又はモリブデンを使用することによって、耐熱性及び等価直列抵抗（Ｒ１）の低減といったエージング耐性の向上及び周波数特性の改善効果が図られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の水晶振動子の基本形状の斜視図である。
【図２】支持腕部を設けた水晶振動子の斜視図である。
【図３】ウェハレベルパッケージに使用される水晶振動子基板の斜視図である。
【図４】上記水晶振動子のＡ−Ａ断面図及び電極の拡大断面図である。
【図５】Ｃｒ膜厚と周波数変化量との関係を示すグラフである。
【図６】Ｃｒ膜厚とＲ１との関係を示すグラフである。
【図７】各種金属とＲ１との関係を示すグラフである。
【図８】各種金属の加熱時間と周波数変化量との関係を示すグラフである。
【図９】拡散抑制層にＰｔを使用した場合の音叉型振動子の温度特性を示すグラフである。
【図１０】拡散抑制層にＲｕを使用した場合の音叉型振動子の温度特性を示すグラフである。
【図１１】拡散抑制層に使用するＲｕの厚みを１５０Åと２５０Åとで比較した温度特性を示すグラフである。
【図１２】各種金属の拡散係数を示すグラフである。
【図１３】拡散抑制層に使用される金属の各種評価結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の水晶デバイスの一実施形態として、音叉型の水晶振動子を例にして説明する。図１に示すように、本発明の基本形状の水晶振動子１１は、電気軸をＸ軸、機械軸をＹ軸、光軸をＺ軸とした水晶原石の直交座標系においてカットされた水晶ブランクを音叉型に加工して形成されている。また、前記水晶振動子では、ＸＹＺからなる三次元の直交座標系のＸ−Ｙ平面（Ｚ板）をＸ軸回転で−７〜＋７度回転させたＸＹ´Ｚ´の座標系の水晶板が用いられ、中心の振動周波数が３２．７６８ＫＨｚに設定されている。
【００１７】
上記水晶振動子１１は、図示しないパッケージのマウント部に導通支持される矩形状の基部１２と、この基部１２から平行に延びる一対の振動腕部１３，１４とを備えた水晶ブランクによって形成されている。また、前記振動腕部１３，１４には、前記基部１２から延びる極性の異なる電極１９，２０が形成されている。図２は水晶振動子１１にマウント用の一対の支持腕部２２，２３を設けたものである。図３は基部１２の一端を支持して水晶振動子１１を囲うフレーム部３２を設けた振動子基板３１を示したものである。この振動子基板３１は、ウェハレベルパッケージにおける機能部品として使用される。
【００１８】
前記振動腕部１３，１４は、基部１２の一端からＹ軸方向に延び、Ｘ軸方向に平行する一対の細長い四角柱体であり、表面側（＋Ｚ面）及び裏面側（−Ｚ面）にそれぞれのＹ軸方向に沿って溝部１５，１６が設けられる。この溝部１５，１６は、振動腕部１３，１４の＋Ｚ面を長手（Ｙ軸）方向と−Ｚ面を長手（Ｙ軸）方向に沿って設けられる。このような溝部１５，１６を設けたことによって、振動腕部１３，１４には表面側及び裏面側に対向する一対の壁部１７，１８が形成される。また、前記各壁部１７，１８の内側面及び溝部１５，１６の底面には、連続した電極１９，２０が形成される。
【００１９】
前記溝部１５，１６は、前記壁部１７，１８が数μｍ程度の厚みとなるように、各振動腕部１３，１４の表面側及び裏面側から凹設される。この凹設の深さｄ２は、表面側と裏面側が貫通しないように、振動腕部１３，１４の厚みｄ１の１／２未満に設定される。また、電極１９，２０は、前記溝部１５，１６を設けた領域全体をカバーすると共に、溝部１５，１６の凹み面に沿うように形成される。
【００２０】
例えば、前記振動腕部１３，１４の幅Ｗ１を６０μｍ以下とした場合にあっては、溝部１５，１６を設けることによって形成される各壁部１７，１８の厚み（壁厚）は６μｍ以下に規定される。
【００２１】
前記溝部１５，１６を設けることで、振動腕部１３，１４の結晶面の露出面積が広くなり、また、前記壁部１７，１８においては、６μｍ以下の近距離で極性の異なる電極１９，２０が対向していることから、最大限の電界効率が得られる。なお、電極１９，２０は導電する際の極性が異なるだけであり、材料や構成は同一であるので、以下、電極２０の図示に基づいて電極の構成を説明する。
【００２２】
前記電極２０は、図４に示すように、壁部１７の表面に形成されるコンタクトメタル２０ａと、このコンタクトメタル２０ａの上に形成される拡散抑制層２０ｂと、この拡散抑制層２０ｂの上に形成されるメインメタル２０ｃとの３層からなる積層構造となっている。前記コンタクトメタル２０ａは、壁部１７，１８の表面に対して密着性の高い金属材料が使用される。この材料としては、クロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）又はこれらの金属を好ましくは５０％以上含む合金によって形成される。また、メインメタル２０ｃは、導電性の高い金属材料が使用される。この材料としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）又はこれらの金属を好ましくは５０％以上含む合金によって形成される。
【００２３】
前記拡散抑制層２０ｂは、コンタクトメタル２０ａからメインメタル２０ｃへの拡散を抑制する効果を有する金属材料が使用される。このような金属材料としては、メインメタル２０ｃより低い拡散係数を有する貴金属類又はコンタクトメタル２０ａより低い拡散係数を有する卑金属類の中から選択することができる。貴金属類としては、ルテニウム（Ｒｕ）、白金（ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）などがあり、卑金属類としては、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などがある。
【００２４】
貴金属類については、Ａｕとの比較で５００度以上の温度上昇がないと、同等の拡散係数にはならない。これは、貴金属類がＡｕに比べて拡散が進み難いことを示しており、３００℃程度の加熱を要しない水晶振動子の製造工程にあっては、十分に拡散を抑制することができる。さらに、Ａｕと白金族でもあるこれらの金属が合金化しても安定性の高い状態が維持され、Ｃｒの拡散のような悪影響が出難くなる。
【００２５】
また、卑金属類については、Ｃｒよりさらに拡散係数が低く、Ａｕとの比較で１０００度以上の温度上昇がないと、同等の拡散係数にはならない。このため、Ｃｒ間又はＡｕ間についても拡散を抑制する作用が高まる。一方、貴金属の場合は、仮にＡｕと合金化して析出しても耐酸性が高く、卑金属の場合は、表面の金が合金化し難いため、どちらも酸性が抑制されることとなる。
【００２６】
前記電極２０は、基部１２や一対の振動腕部１３，１４の表面にコンタクトメタル２０ａ、拡散抑制層２０ｂ、メインメタル２０ｃの順に連続でスパッタリング、蒸着、ＣＶＤのいずれかによって成膜される。
【００２７】
次に、拡散抑制層２０ｂにＰｔ又はＲｕを用いた場合の実験結果を示す。比較例として、コンタクトメタル２０ａとメインメタル２０ｃとの２層構造の電極における耐熱性及び等価直列抵抗（Ｒ１）をコンタクトメタル２０ａの膜厚ｔ１との関係を図５及び図６に示す。ここでは、コンタクトメタルにＣｒ、メインメタルにＡｕを使用している。図５に示したように、耐熱性に関しては、Ｃｒの膜厚ｔ１を１００Åから５０Å以下にすることで周波数変動が減少するため、耐熱性が向上することが分かるが、図６に示したように、Ｒ１に関して逆に高くなり悪化することとなる。
【００２８】
図７には、一般的な音叉型水晶振動子の場合に耐熱性の向上効果が得られる５０Åの膜厚ｔ１を有するＣｒによる従来の２層構造の電極におけるＲ１と、Ｐｔ又はＲｕを拡散抑制層とした３層構造の電極におけるＲ１とを比較した実験データが示されている。図７に示されているグラフは、Ｒ１の平均値をドットで、標準偏差を幅で示している。この実験データによれば、従来の２層構造の電極ではＲ１が７５ＫΩと高いのに対し、Ｐｔ又はＲｕを拡散抑制層とした３層構造の電極はＲ１が６０ＫΩと低く、Ｒ１が良好となっていることが分かる。このように、ＰｔとＲｕとは略同程度のＲ１を有しているが、後述するように、耐熱性及び加工の容易性に関しては、Ｒｕの方が優れている。
【００２９】
次に、Ｃｒの膜厚ｔ１を５０Åに設定し、１２５℃の恒温槽に１０００時間まで投入した時の水晶振動子の周波数変化量の推移を、従来の２層構造の電極と比較した結果を図８に示す。ここでの周波数の測定は、恒温槽から１時間以上常温・常湿中に放置した後に行った。なお、周波数の変化量は、（投入時間後の周波数−投入前の周波数）／投入前の周波数×１０６［ｐｐｍ］で表す。
【００３０】
従来のＣｒ−Ａｕの２層構造の電極を有する水晶振動子の場合にあっては、通常、Ｃｒの膜厚ｔ１を１００Å±５０％、Ａｕの膜厚ｔ３を１０００Å±５０％に設定される。この条件の下で、ＣｒとＡｕとの間に４種の金属材料Ｐｔ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｗからなる拡散抑制層２０ｂを形成した場合、それぞれの膜厚ｔ２を１５０Å±５０％とすることによって、従来のＣｒ−Ａｕの２層の電極構造に比べて周波数変化量を約３分の１程度に抑えることができる。このことは、メインメタル２０ｃであるＡｕの拡散が前記金属材料による拡散抑制層２０ｂに阻止されていることを示す。
【００３１】
図８に示したように、１２５℃の恒温槽に投入した時のデータによれば、貴金属の中ではＲｕの方がＰｔに比べて周波数変化量が低く耐熱性に優れている。一方、卑金属の中ではＷが最も周波数変化量が低く、耐熱性の点においては優れているが、後述するように、加工容易性の点を考慮するとＭｏの方が好ましい。
【００３２】
また、音叉型振動子にあっては、２次温度特性を有していることが知られている。図９は拡散抑制層２０ｂにＰｔを使用した３層構造の電極を有する音叉型振動子の２次温度特性を示したものであり、図１０は拡散抑制層２０ｂにＲｕを使用した３層構造の電極を有する音叉型振動子の２次温度特性を示したものである。図９及び図１０に示した結果から、拡散抑制層２０ｂの厚みを１５０Å±５０％の範囲に設定することで、頂点温度がＰｔの場合には２５．４℃となり、Ｒｕの場合には２５．１℃となる。これは、一般的に良好と言われる頂点温度２５±５℃の範囲内であるが、若干Ｒｕの方がＰｔに比べて周波数温度特性が良好であるといえる。
【００３３】
図１１は、拡散抑制層２０ｂに使用するＲｕの厚みを１５０Åと２５０Åにした場合の３層構造の電極を有する音叉型振動子の２次温度特性を示したものである。この特性から拡散抑制層２０ｂを厚くすると頂点温度が下がる傾向になることが分かる。このように、２５０Åでは２５±５℃の範囲から外れるため、１５０Å±５０％の範囲に設定することが好ましい。
【００３４】
図１２は、対自己金属における各種金属の温度と拡散係数Ｄとの関係を示したものである。この図１２に示したデータから、耐酸性に優れている貴金属については、メインメタル２０ｃと拡散係数が同等以下のＰｔ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ａｇ、卑金属については、コンタクトメタル２０ａと拡散係数が同等以下のＮｉ，Ｍｏ，Ｗを選んで、図１３に示す各種の評価をおこなった。評価は、接合強度、加工容易性、製造後の各種特性について行い、◎（最良）、〇（良好）、△（可）、×（不可）の４段階で示した。この評価試験によれば、拡散抑制層２０ｂの材料として、貴金属類ではＲｕが最も適している。また、Ｒｕ以外にはＰｔ、Ｐｄなども適用可能であることが分かる。一方、卑金属類ではＭｏが最も適している。また、Ｍｏ以外にはＷも適用可能であることが分かる。なお、上記貴金属及び卑金属などの金属系以外の材料としては、バリア誘電体膜、バリア酸化物膜、ＺｎＯ、ＴｉＯ２、ＢａＯなどが挙げられる。
【００３５】
以上、説明したように、本発明によれば、コンタクトメタルとメインメタルとの間にＰｔやＲｕ等の拡散抑制層を積層した電極を形成することによって、メインメタルの合金化によって生じる弾性係数の変化を抑制し、エージングやリフロー等による負荷に対しても周波数変化を抑えることができる。また、コンタクトメタルの膜厚を厚くすることができるので、電極と水晶ブランクとの密着性が向上し、等価直列抵抗（Ｒ１）などの電気的特性が向上する。特に、振動腕に溝を有した小型の音叉型振動子については、メインメタルの拡散による弾性係数の変化が抑えられ、発振周波数の変動を小さくする効果が得られる。これは、音叉型以外の屈曲、伸張（縦）、幅縦・長さ縦結合、厚みすべり、弾性表面波、Ｌａｍｂ波等の振動モードの水晶振動子にも同様の効果が得られる。
【００３６】
上記実施形態では、基本的な水晶振動子の電極構造について説明したが、サーミスタ内蔵水晶振動子やこれらの水晶振動子を組み込んだ各種の水晶発振器に応用可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１１  水晶振動子（水晶デバイス）
１２  基部
１３，１４  振動腕部
１５，１６  溝部
１７，１８  壁部
１９，２０  電極
２０ａ  コンタクトメタル
２０ｂ  拡散抑制層
２０ｃ  メインメタル
２１，２２  支持腕部
３１  振動子基板
３２  フレーム
ｔ１，ｔ２，ｔ３  膜厚
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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