(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電基板と前記圧電基板上に形成された電極とを有する弾性表面波素子と、前記弾性表面波素子を封止する封止部材とを備える、弾性表面波装置であって、
前記圧電基板は、ＬｉＮｂＯ3 の単結晶またはＬｉＴａＯ3 の単結晶からなり、
前記電極は、ＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなり、その結晶軸の（１１１）方向と前記圧電基板のＺ軸とがほぼ一致するように配向した双晶構造を有する電極層を備え、
前記封止部材は、樹脂またはガラスからなり、かつ前記圧電基板の前記電極が形成された機能面を外部に対して封止するように配置される、弾性表面波装置。
【請求項２】
前記弾性表面波素子を実装する配線基板をさらに備え、前記弾性表面波素子は、前記圧電基板の前記機能面を前記配線基板側に向けながら前記機能面と前記配線基板との間に所定の間隔を隔てた状態で、前記配線基板上に実装され、前記封止部材は、前記弾性表面波素子を覆いかつ前記圧電基板と前記配線基板との間隔を外部に対して封止するように配置される、請求項１に記載の弾性表面波装置。
【請求項３】
前記電極は、前記電極層と前記圧電基板との間に設けられる、Ａｌの結晶性を向上させるための下地層をさらに備える、請求項１または２に記載の弾性表面波装置。
【請求項４】
前記下地層は、ＴｉおよびＣｒの少なくとも一方を主成分とする、請求項３に記載の弾性表面波装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、弾性表面波共振子または弾性表面波フィルタのような弾性表面波素子を封止部材によって封止した構造を有する弾性表面波装置に関するもので、特に、封止部材の材料および弾性表面波素子の電極の結晶構造についての改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
弾性表面波素子は、周知のように、機械的振動エネルギーが固体表面付近にのみ集中して伝搬する弾性表面波を利用した電子部品であり、一般に、圧電性を有する圧電基板と、この圧電基板上に形成された、信号を印加し、または取り出すためのインタディジタル電極および／またはグレーティング電極のような電極とをもって構成される。
【０００３】
上述の電極材料としては、電気抵抗率が低く、比重の小さいＡｌまたはＡｌを主成分とする合金を用いるのが一般的である。
【０００４】
このような弾性表面波素子が実際の製品となる場合、弾性表面波素子を封止したパッケージ構造の部品形態とされた弾性表面波装置として出荷されることが多い。
【０００５】
弾性表面波素子のパッケージ構造としては、セラミックからなる筐体に、弾性表面波素子を挿入し、金属からなる蓋を筐体にシーム溶接によって固定し、気密封止する構造が一般に採用されている。
【０００６】
しかし、上述のパッケージ構造は、高価なセラミックからなる筐体を必要とする上、表面弾性波装置全体としての小型化には不向きである。
【０００７】
他方、より安価で小型化に向くパッケージ構造として、特開平５−９０８８２号公報に記載されるように、弾性表面波素子に備える圧電基板の電極が形成された機能面を樹脂またはガラスによって外部に対して封止した構造を有するものが実用化されつつある。
【０００８】
しかし、樹脂やガラスによる封止は気密性が低く、パッケージ外部から侵入した水分と圧電基板上の電極とが反応し、弾性表面波素子の動作周波数が変化したり、樹脂やガラスから放出されるガスにより、圧電基板上の電極が腐食し、弾性表面波素子の特性を劣化させたりするといった問題に遭遇することがある。
【０００９】
上述した電極の水分との反応や腐食を防止するため、電極材料として用いられるＡｌにＴａなどを微量添加したり、特開平５−２２０６７号公報に記載されるように、電極を覆ってＳｉＯ2 からなる保護膜を形成したりすることが提案されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような耐湿性および耐腐食性を向上させるための添加物は、電極の電気抵抗率を上昇させるため、弾性表面波素子の特性を悪化させるという問題を引き起こす。
【００１１】
他方、上述した保護膜の形成は、電極に対する質量の負荷を増大させる結果をもたらし、同様に、弾性表面波素子の特性を悪化させるという問題を引き起こす。
【００１２】
そこで、弾性表面波素子の特性を損なうことなく、電極の耐湿性および耐腐食性を向上させることができれば、樹脂またはガラスによる封止と組み合わせることによって、小型で良好な特性を有する弾性表面波装置を安価に供給することが可能となり、その実現が望まれるところである。
【００１３】
この発明の目的は、上述のような要望を満たし得る、弾性表面波装置を提供しようとすることである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、次のような知見を得たことにより、これをなすに至ったものである。
【００１５】
すなわち、Ａｌをもって構成された電極の耐ストレスマイグレーション性を向上させ、それによって、弾性表面波素子の耐電力性を向上させるため、電極の結晶構造に着目し、これが双晶構造を有しているとき、良好な耐ストレスマイグレーション性が得られることがわかった。そして、さらなる研究の結果、双晶構造を有する電極は、耐ストレスマイグレーション性の向上のみならず、耐湿性および耐腐食性の向上をももたらすことがわかった。
【００１６】
そこで、電極において双晶構造を有するという特徴に対して、樹脂またはガラスによる封止といった特徴を組み合わせることをすれば、上述したような要望を満たし得る弾性表面波装置を提供できるようになる。
【００１７】
このような知見の下、この発明は、圧電基板と圧電基板上に形成された電極とを有する弾性表面波素子と、弾性表面波素子を封止する封止部材とを備える、弾性表面波装置に向けられるものであって、上述した技術的課題を解決するため、次のような構成を備えることを特徴としている。
【００１８】
すなわち、この発明に係る弾性表面波装置において、圧電基板は、ＬｉＮｂＯ3 の単結晶またはＬｉＴａＯ3 の単結晶からなり、電極は、ＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなり、その結晶軸の（１１１）方向と前記圧電基板のＺ軸とがほぼ一致するように配向した双晶構造を有する電極層を備え、封止部材は、樹脂またはガラスからなり、かつ圧電基板の電極が形成された機能面を外部に対して封止するように配置される。
【００１９】
この発明の特定的な実施態様では、弾性表面波装置は、弾性表面波素子を実装する配線基板をさらに備え、弾性表面波素子は、圧電基板の機能面を配線基板側に向けながら機能面と配線基板との間に所定の間隔を隔てた状態で、配線基板上に実装され、封止部材は、弾性表面波素子を覆いかつ圧電基板と配線基板との間隔を外部に対して封止するように配置される。
【００２１】
また、電極は、電極層と圧電基板との間に設けられる、Ａｌの結晶性を向上させるための下地層をさらに備えることが好ましい。この下地層は、好ましくは、ＴｉおよびＣｒの少なくとも一方を主成分としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の一実施形態による弾性表面波装置１の全体を示す断面図である。
【００２４】
弾性表面波装置１は、弾性表面波素子２を備えている。弾性表面波素子２は、ＬｉＮｂＯ3 の単結晶またはＬｉＴａＯ3 の単結晶からなる圧電基板３を備え、圧電基板３上には、たとえばインタディジタル電極をもって構成された電極４が形成されるとともに、電極４と導通する入出力端子５が形成されている。
【００２５】
弾性表面波装置１は、また、配線基板６を備えている。配線基板６は、たとえばガラス−エポキシ材料からなるもので、その端部には、外部接続端子７が設けられている。外部接続端子７は、配線基板６の一方主面から他方主面にまで延びる導体膜によって与えられている。
【００２６】
弾性表面波素子２は、圧電基板３の電極４が形成された機能面８を配線基板６側に向けながら機能面８と配線基板６との間に所定の間隔９を隔てた状態で、配線基板６上に実装される。この間隔９は、圧電基板３に対して、その振動を許容する空間を与えるもので、これを規定するため、圧電基板３と配線基板６との間には、スペーサ１０が配置される。スペーサ１０は、たとえばシリコーンゴムからなり、リング状の形態をなしている。また、弾性表面波素子２の入出力端子５は、たとえば半田バンプまたは導電性ペーストのような導電性接合材１１によって、配線基板６上の外部接続端子７に電気的に接続される。
【００２７】
弾性表面波装置１は、また、弾性表面波素子２を封止する封止部材１２を備えている。封止部材１２は、樹脂またはガラスからなるもので、たとえばポッティングによって流し込み、これを硬化させることによって形成される。封止部材１２は、弾性表面波素子２を覆いかつ圧電基板３と配線基板６との間隔９を外部に対して封止するように配置される。
【００２８】
このような弾性表面波装置１において、そこに備える弾性表面波素子２の電極４は、耐湿性および耐腐食性の向上を図るため、ＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなり、その結晶軸の（１１１）方向と圧電基板３のＺ軸とがほぼ一致するように配向した双晶構造を有する電極層を備えていることを特徴としている。これについて、図２ないし図４を参照して、より具体的に説明する。
【００２９】
図２は、図１に示した弾性表面波装置１に備える弾性表面波素子２の一部を示す断面図であり、圧電基板３上に電極４が形成された部分を示している。なお、図２は、図１とは上下逆の位置関係をもって図示されている。
【００３０】
電極４は、ＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなる電極層１３を備え、さらに、電極層１３と圧電基板３との間には、Ａｌの結晶性を向上させるための下地層１４が設けられている。下地層１４は、たとえば、ＴｉおよびＣｒの少なくとも一方を主成分としている。
【００３１】
圧電基板３として、たとえば、６４°Ｙ−ＸカットのＬｉＮｂＯ3 の単結晶からなる基板が用いられると、圧電基板３の結晶のＹ軸方向およびＺ軸方向は、それぞれ、図２に矢印で示した方向に向いている。Ｘ軸方向は、紙面に垂直な方向にある。
【００３２】
圧電基板３上に電極４を形成するにあたって、たとえばイオンエッチングによる前処理が施される。これは、研磨等によって圧電基板３の表面に生じた厚さ数ｎｍの加工変質層を取り除くためのものであり、それによって、圧電基板３の表面にエピタキシャル成長可能な結晶面を露出させることができる。
【００３３】
上述した加工変質層を取り除いた結果、図３に示すように、圧電基板３上の表面は、Ｚ面１５をテラスとした非常に微小な階段状構造となる。このＺ面６の最表面は、図４において白抜きの円によって図解的に示すように、酸素原子１６が、０．２９７ｎｍ間隔に並んでいる状態となっている。
【００３４】
次いで、上述のように酸素原子１６が配列された圧電基板３のＺ面１５上に、下地層１４が成膜される。下地層１４を形成するため、たとえば、最小原子間隔が０．２９２ｎｍで六方最密構造のＴｉを成膜すると、図４において濃度の比較的高い網掛けを施した円によって図解的に示すように、Ｔｉ原子１７の結晶の  （００１）面が圧電基板３のＺ面１５に平行になる方向にエピタキシャル成長する。
【００３５】
このＴｉ原子１７の最小原子間隔は、ＬｉＮｂＯ3 基板からなる圧電基板３のＺ面１５における酸素原子１６の最小原子間隔にはぼ一致するため、結晶性が非常に良好な下地層１４としてのＴｉ薄膜を得ることができる。
【００３６】
Ｔｉ原子１７は、酸素原子１６と結び付きやすく、また、その最小原子間隔が、Ａｌの最小原子間隔よりも、圧電基板３としてのＬｉＮｂＯ3 基板上の酸素原子１６の間隔に近いため、後述する電極層１３を圧電基板３上に直接成膜するよりも、良好な結晶性が得られる。なお、図４に示したＴｉ原子１７の原子配列は、その（００１）面の最下面の原子配列を示しており、実際には、下地層１４は、数十層のＴｉ原子１７からなる原子層によって構成されている。
【００３７】
上述した下地層１４の形成にあたっては、１００℃以下の温度で真空蒸着法によって形成する方法が適用される。この真空蒸着法において、１００℃より高い温度を付与すると、Ｔｉ原子１７の配向方向が変わるため、後述する電極層１３の成膜において、Ａｌ結晶の（１１１）面または（１１０）面が圧電基板３に垂直に成長するように変化し、良好な結晶性を得にくい。
【００３８】
次いで、下地層１４上にＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなる電極層１３が形成される。より詳細には、最小原子間隔が０．２８６ｎｍで面心立方構造のＡｌを、Ｔｉ原子１７が配列された下地層１４上に成膜すると、図４において濃度の比較的低い網掛けを施した円によって図解的に示すように、Ａｌ原子１８の結晶の（１１１）面がＴｉ原子１７の結晶の（００１）面に平行になるようにエピタキシャル成長する。
【００３９】
この結果、図４に示すように、Ａｌ原子１８の入り方によって、圧電基板３のＺ軸方向に延びる軸を回転軸として、互いに１８０度回転させたような２種の結晶方位をもった結晶構造を有する電極層１３が成膜される。このような結晶構造は、一般に双晶と呼ばれる。上述の２種の結晶方位は、それぞれ、１／２の確率で現れ、得られた電極層１３は、太い破線１９で示すような位置に結晶粒界すなわち双晶面を有する多結晶となる。
【００４０】
図４において、Ａｌ結晶の（２００）、（０２０）および（００２）方向が矢印で示されている。なお、実際には、これらの軸は、図４の紙面上にはなく、約３５度紙面より手前側に向いている。
【００４１】
このようにして、図２に示すように、６４°Ｙ−ＸカットのＬｉＮｂＯ3 基板からなる圧電基板３上に、そのＺ面１５に平行に（１１１）面が成長したＡｌまたはＡｌ合金からなる双晶構造を有する電極層１３を得ることができる。
【００４２】
双晶構造は、結晶軸の方向が一様でないことから機械的強度が高いという特徴と、高配向性であることから粒界拡散が起こりにくいという特徴とを併せ持っている。なお、一般に、結晶粒界の存在は、耐ストレスマイグレーション性を劣化させると言われているが、この実施形態では、図４に示すように、隣り合う結晶粒の結晶軸が良好に整合した組み合わせとなるため、結晶粒界が非常に狭くなり、結晶粒界を通じての自己拡散は実質的に起こらない。
【００４３】
このようなことから、電極層１３は、耐ストレスマイグレーション性に優れたものとすることができるとともに、耐湿性および耐腐食性に優れたものとすることができる。
【００４４】
以上説明した実施形態では、圧電基板３として、６４°Ｙ−ＸカットのＬｉＮｂＯ3 基板を用いたが、前処理によって、表面の加工変質層を取り除き、エピタキシャル成長可能な結晶面を露出させることができるため、異なるカット角を持つ基板を用いることもできる。また、結晶構造が酷似するＬｉＴａＯ3 基板においても同様の効果が得られる。
【００４５】
また、電極層１３の材料として、ＡｌまたはＡｌ合金を用いたが、Ａｌ合金を用いる場合、耐ストレスマイグレーション性向上に効果がある添加物、たとえば、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｍｏ等をＡｌに微量添加したＡｌ合金とすることが好ましい。
【００４６】
また、下地層１４の材料として、Ｔｉを用いたが、Ｔｉを主成分する合金を用いても、さらには、Ａｌの結晶性向上に効果のある他の金属、たとえば、ＣｒまたはＣｒを主成分とする合金を用いてもよい。
【００４７】
また、弾性表面波素子２の動作周波数を調整するなどの目的により、電極４の表面に、特性を悪化させない程度の絶縁膜を形成してもよい。
【００４８】
【実験例】
この発明の実施例に係る弾性表面波装置としての弾性表面波フィルタに備える弾性表面波素子を作製するため、まず、６４°Ｙ−ＸカットのＬｉＮｂＯ3 圧電基板に対して、イオンエッチングによる前処理を行ない、基板表面に存在する厚さ数ｎｍの加工変質層を取り除いた。
【００４９】
次に、圧電基板上に電極を形成するため、電子ビーム蒸着法により、まず、Ｔｉからなる下地層を、基板温度５０℃において、５ｎｍの厚さとなるように形成し、引き続いて、Ａｌからなる電極層を、２００ｎｍの厚さとなるように形成した。
【００５０】
このようにして得られた電極に備える電極層のＸＲＤ極点図が図５に示されている。図５に示すように、Ａｌからなる電極層の（２００）面からの反射は、スポット状となり、３軸配向していることがわかった。また、（２００）面からのスポットが６回対称を示すことから、Ａｌの結晶がＡｌの（１１１）軸を中心に１８０度回転したような２種の結晶方位をもつ双晶構造であることがわかった。したがって、Ａｌからなる電極層の（１１１）軸方向は、基板法線方向から約２３度傾いており、Ａｌの（１１１）方向とＬｉＮｂＯ3 基板のＺ軸とがほぼ一致するように、エピタキシャル成長していることがわかった。
【００５１】
他方、比較例として、イオンエッチングによる前処理を行なわず、ＴｉおよびＡｌの成膜を、基板温度２００℃において行ない、下地層および電極層からなる電極を圧電基板上に形成した。
【００５２】
この比較例における電極に備える電極層のＸＲＤ極点図が図６に示されている。図６に示すように、比較例のＸＲＤ極点図は、円環状のパターンを示し、Ａｌの（１１１）面が基板に垂直に成長する１軸配向膜であった。
【００５３】
次に、実施例および比較例の各々について、下地層および電極層からなる電極を、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて、インタディジタル形状に加工した。
【００５４】
次いで、圧電基板をダイシングによって分割した後、圧電基板上の入出力端子に設けられた半田バンプを介して配線基板上の外部接続端子と接合した後、封止部材を形成すべく、樹脂を塗布し、乾燥させることによって、実施例および比較例の各々に係る図１に示すような構造を有する１．９ＧＨｚの弾性表面波フィルタを得た。
【００５５】
このようにして得られた弾性表面波フィルタに備える電極の耐湿性および耐腐食性を調べるため、実施例および比較例の各々に係る弾性表面波フィルタを、温度１２５℃および湿度９０％の環境下に放置しながら、所定の時間経過後において、フィルタの挿入損失を評価した。その結果が表１に示されている。
【００５６】
【表１】
0003797144.tif 000002
【００５７】
表１に示すように、比較例に係る弾性表面波フィルタでは、１００時間後において、フィルタの挿入損失が劣化し始め、５００時間後では、挿入損失が大幅に劣化したのに対し、実施例に係る弾性表面波フィルタでは、１０００時間後であっても、挿入損失が全く劣化しなかった。
【００５８】
このように、電極の結晶構造が、電極の耐湿性および耐腐食性に大きな影響を及ぼすことがわかる。電極に用いられているＡｌは、その表面に酸化膜が形成され、ある程度の耐湿性および耐腐食性を持っている。しかし、弾性表面波フィルタの使用時の発熱やストレスマイグレーションあるいは環境温度などにより、主にＡｌの結晶粒界を通じて自己拡散が起こり、水分や封止部材から出た腐食性ガスが電極の内部まで侵入していく。比較例では、環境温度によって、このような状況が生じ、挿入損失といった特性の劣化が生じた。
【００５９】
これに対して、実施例では、電極に備える電極層が双晶構造を有し、この双晶構造を構成する結晶粒は、隣り合う結晶粒同士が良好な整合状態をもって並んでいるため、結晶粒界が非常に狭くなり、その結果、結晶粒界を通じての自己拡散が実質的に起こらず、優れた耐湿性および耐腐食性を与えることができた。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、弾性表面波素子に備える圧電基板上に形成される電極が双晶構造を有する電極層を有しているので、電極の耐湿性および耐腐食性を向上させることができる。
【００６１】
したがって、封止部材として、気密性を十分に保てない樹脂またはガラスを用いても、弾性表面波装置の電気的特性を良好に維持することができる。その結果、樹脂またはガラスからなる封止部材を用いることにより、小型で安価な弾性表面波装置を提供することができるようになる。
【００６２】
また、双晶構造を有する電極層を備える電極は、上述のような耐湿性および耐腐食性に優れているだけでなく、耐ストレスマイグレーション性にも優れているため、弾性表面波素子の耐電力性を向上させることができる。そのため、弾性表面波素子の耐電力性を向上させる目的で、電気抵抗の不所望な上昇を招く添加物を電極に加えたり、電極を多層化したりする必要がなく、したがって、高周波、大電力を扱う弾性表面波装置において、特に顕著な効果を発揮する。
【００６３】
また、電極層がＡｌまたはＡｌを主成分とする合金からなるので、電極の電気抵抗率を低くかつ電極の軽量化を図ることができ、弾性表面波素子において、高いエネルギー変換効率を得ることができる。
【００６４】
また、電極層と圧電基板との間に、たとえばＴｉおよびＣｒの少なくとも一方を主成分とする下地層が設けられていると、電極層におけるＡｌの結晶性をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態による弾性表面波装置１の全体を示す断面図である。
【図２】図１に示した弾性表面波装置１に備える弾性表面波素子２の一部を示す断面図である。
【図３】図２に示した弾性表面波素子２に備える圧電基板３の表面を図解的に示す断面図であり、その表面の加工変質層を取り除いた後に露出されるＺ面１５を示している。
【図４】図３に示したＺ面１５の平面図であり、その上に順次積層状に配列される酸素原子１６、下地層１４としてのＴｉ原子１７および電極層１３としてのＡｌ原子１８を図解的に示している。
【図５】この発明の特定の実施例に係るＡｌからなる電極層のＸＲＤ極点図である。
【図６】比較例に係るＡｌからなる電極層のＸＲＤ極点図である。
【符号の説明】
１  弾性表面波装置
２  弾性表面波素子
３  圧電基板
４  電極
６  配線基板
８  機能面
９  間隔
１１  導電性接合材
１２  封止部材
１３  電極層
１４  下地層
１８  Ａｌ原子
１９  双晶構造における結晶粒界を示す破線
【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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