CN102064792A - 弹性表面波元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种弹性表面波元件(1)，其中具备：压电基板(2)，其由LiNbO3或LiTaO3的单晶形成；基底电极层(5)，其形成在所述压电基板上且以Ti及Cr的至少一方为主成分；Al电极层(4)，其为形成在基底电极层(5)上且以Al为主成分而外延生长的取向膜，并且具有通过XRD极点图出现6次对称点的双晶结构，平均粒径为60nm以下。

Description

弹性表面波元件
技术领域
本发明涉及弹性表面波元件。尤其是涉及具备Al电极层的弹性表面波元件，该Al电极层以Al为主成分且具有双晶结构。
背景技术
众所周知，弹性表面波元件是利用了传播机械性的振动能量的弹性表面波的电子部件。通常具备压电基板和用于施加或取出压电基板上形成的信号的IDT电极。
作为IDT电极的电极材料，通常使用电阻率小且比重小的Al或Al系合金。然而，Al的耐电力(電力)性差，当施加大电力时，电极会产生凸起(ヒロツク)或空隙。并且，存在电极发生短路或断线而弹性表面波元件破损的情况。
为了解决上述问题，专利文献1中记载有一种弹性表面波元件：通过使Al为双晶结构且使其外延生长而将结晶方位沿一定方向配位，从而提高耐电力性。另外，在专利文献2中公开有一种弹性表面波元件：在以Al为主成分的电极膜中，通过限定晶体粒径的相对于标准偏差或膜厚的比，而提高耐电力性。
专利文献1：日本特开2002-305425号公报
专利文献2：日本特开平8-148966号公报
然而，在专利文献1、2所记载的现有技术中，在高频用途或大电力用途时存在耐电力性不充分的问题。
发明内容
本发明鉴于所述课题而作出，其目的在于，提供一种耐电力性高的弹性表面波元件。
本发明者经过锐意研究的结果，发现了在Al电极层的晶体的平均粒径为60nm以下时，弹性表面波元件的耐电力时间大幅度提高的情况。本发明的弹性表面波元件的特征在于，具备：压电基板，其由LiNbO3或LiTaO3的单晶形成；基底电极层，其形成在所述压电基板上且以Ti及Cr的至少一方为主成分；Al电极层，其为形成在所述基底电极层上并以Al为主成分而外延生长的取向膜，并且具有通过XRD极点图而呈现6次对称点的双晶结构，平均粒径为60nm以下。
另外，本发明的弹性表面波元件的所述平均粒径优选0.2864nm以上。
另外，本发明的弹性表面波元件的所述平均粒径优选42～58nm。
发明效果
如本发明所示，考虑到在Al电极层的晶体的平均粒径为60nm以下时，粒界(粒界)的大部分为原子级的幅度的双晶粒界，膜的活性化能量接近块体的活性化能量，而耐电力性大幅度地提高。因此，根据本发明的结构，能够提供一种耐电力性高的弹性表面波元件。
附图说明
图1是表示本发明的弹性表面波元件的一部分的主要部分剖视图。
图2是本发明的Al电极层的XRD极点图的例子。
图3是算出本发明的平均粒径的扫描型透过电子显微镜的观察像的例子。
图4是本发明的Al电极层的扫描型透过电子显微镜的观察像。
符号说明：
1弹性表面波元件
2压电基板
3电极
4Al电极层
5基底(下地)电极层
具体实施方式
以下，说明用于实施本发明的方式。
图1是示出本发明的弹性表面波元件1的一部分的主要部分剖视图，示出在压电基板2上形成有电极3的部分。
压电基板2由LiTaO3或LiNbO3的单晶形成。电极3具备Al电极层4和基底(下地)电极层5。在压电基板2上设置基底电极层5。基底电极层5为了提高压电基板2与Al电极层4的密接(密着)性而设置。基底电极层5以例如Ti及Cr的至少一方为主成分。并且，在基底电极层5上设置Al电极层4。Al电极层4以Al或Al系合金为主成分。
此种弹性表面波元件1能够通过以下的工序制造。首先，准备压电基板2。然后，通过真空蒸镀法等在压电基板2上形成基底电极层5。接下来，通过真空蒸镀法等在基底电极层5上形成Al电极层4。然后，将电极3形成为IDT电极的形状以适用光刻(フオトリソグラフイ)及干蚀刻(ドライエツチング)。
在压电基板2的表面上形成有由磨削等产生的厚度几nm的加工变质层，该加工变质层防碍外延(エピタキシヤル)生长。因此，在形成基底电极层5工序前，也可以具备除去该加工变质层而使结晶面在压电基板2的表面露出的工序。通过该工序，能够更可靠地使能够外延生长的结晶面在压电基板2的表面露出。
在上述的基底电极层5及Al电极层4的形成中，首先以成膜温度150℃以上、成膜速度0.5nm/秒以下的条件对基底电极层5进行加热成膜。通过基底电极层5的加热成膜，能够供给晶体成长所需的能量，而将基底电极层5形成为反映压电基板2的晶体排列的取向(配向)膜。接下来，以成膜温度75℃以下、成膜速度3.5nm/秒以下的条件通过低温成膜形成Al电极层4。由此，能够将Al电极层4形成为具有双晶结构且进行外延生长的取向膜。
此外，在基底电极层5的加热成膜中，成膜温度越高，基底电极层5的结晶性越好。另一方面，若使成膜温度过高，有可能产生热电(焦電)性引起的压电基板2的破裂。因此，实用中基底电极层5的成膜温度优选300℃以下。
另外，Al电极层4的成膜温度小于0℃时，需要特殊的冷却机构，因此成为成本上升的主要原因。因此，实用中Al电极层4的成膜温度优选0℃以上。
Al电极层4的晶体粒径由成膜温度及成膜速度决定。即，越低温地设定Al电极层的成膜温度，晶体粒径越小。而且，将基底电极层5的成膜速度形成为0.5nm/秒以下且将Al电极层4的成膜速度形成为3.5nm/秒以下时，膜的结晶性提高而能够形成致密的膜。因此，将成膜温度和成膜速度这两个条件最优化之后才能够提高耐电力性。
所谓双晶结构是指通过XRD极点图(極点図)出现6次对称点(スポツト)的结构。图2示出本发明的Al电极层的XRD极点图的例子。图2的(a)是XRD的极点图，图2的(b)是其示意图。图2是取得来自Al的(200)面的反射的图。如图2所示可知，由于来自Al的(200)面的反射信号的检测点表示6次对称，因此Al的晶体是具有旋转180°那样的两种晶体方位的双晶结构。
另外，也可以在基底电极层的形成的中途，将温度变更为75℃以下而连续形成基底电极层，并且在Al电极层的形成温度与基底电极层的形成温度相比不改变地，原样形成。这种情况下，不会有在基底电极层与Al电极层的界面上温度变更时形成氧化层的担心，因此进一步提高了Al电极层的结晶性。
Al电极层4的晶体的平均粒径为60nm以下时，弹性表面波元件的耐电力时间大幅度提高的理由被考虑为以下的机理。即，在晶体的平均粒径为60nm以下的情况下，形成Al电极层时，小的晶体粒致密地成长，粒界的大部分为原子级的幅度的双晶粒界。所述情况的膜的活性化能量接近块体(バルク)的活性化能量(100℃下135.1kJ/mol)，从而耐电力性大幅度地提高。而且，双晶结构存在较多时，难以产生塑性变形。塑性变形的产生困难度与应力迁移(ストレスマイグレ一シヨン)引起的电极破坏的产生困难度相关，从而耐电力性提高。
另一方面，在晶体的平均粒径大于60nm的晶体粒中，除原子级的双晶粒界之外，还包含通常的粒界。所述情况的膜的活性化能量中，晶体粒界的活性化能量(100℃下38.6kJ/mol)是支配性的。因此，活性化能量下降，耐电力性下降。
另外，将Al电极层的晶体的平均粒径形成为Al的最小原子间隔即0.2864nm时，成为块体的状态，耐电力性最高。另一方面，平均粒径小于0.2864nm的情况在理论上困难，因此平均粒径优选0.2864nm以上。
(实验例)
在实验例中，制作了具有图1所示的结构的弹性表面波元件的弹性表面波滤波器。制作了使电极形成时的温度为两阶段而使Al电极层的晶体的平均粒径变化的实验例1～3及比较例1～7的弹性表面波滤波器。
首先，准备由42°Y切割的LiTaO3单晶形成的压电基板2。
接下来，在压电基板上，通过电子束真空蒸镀法将由Ti构成的基底电极层以第一阶段(段目)温度形成为厚度10nm。然后，在真空中冷却到第二阶段温度。然后，在第二阶段温度下形成10nm的基底电极层。然后，不改变温度而形成120nm的Al电极层。此时的Ti的成膜速度为0.1nm/秒，Al的成膜速度为2.0nm/秒。然后，通过光刻及干蚀刻，形成IDT电极。
在压电基板上形成用于与外部的配线基板电导通的连接焊盘(パツド)、以及将Al电极层和连接焊盘连接的配线图案。配线图案在压电基板侧形成Ti层(厚度200nm)，而在该Ti层上配设Al层(厚度1140nm)。连接焊盘及配线图案与电极相同地通过真空蒸镀法形成。
表1示出改变第一阶段温度和第二阶段温度的实验例的平均粒径和耐电力时间。
[表1]
【表1】
Figure BSA00000350582300051
图3表示算出平均粒径的观察像的例子。图中的线表示粒界的位置。平均粒径如下所述测定。首先，在IDT电极形成后，与压电基板的主面平行地对IDT电极进行切片(スライス)。然后，使用扫描型透过电子显微镜得到倍率5万倍的观察像。在该观察像中任意地引出与IDT电极平行的1800nm的长度的直线，对与该直线交叉的粒界的数目进行计数。然后，根据下式(A)算出平均粒径。
平均粒径＝直线长度÷粒界数  (A)
另外，耐电力时间如下所述算出。对于得到的弹性表面波滤波器，在投入功率0.8W、实测温度120℃的条件下进行寿命测定。并且，根据该测定寿命，计算出换算成规格(仕檬)要求功率0.5W、规格要求温度85℃的条件下的耐电力时间。
在第一阶段温度为150℃以上且第二阶段温度为75℃以下的实验例1～3中，平均粒径为42～58μm，耐电力时间也成为15000小时以上。另一方面，在第一阶段温度小于150℃的比较例1～5、7中，平均粒径为62～109μm，耐电力时间小于5000小时。而且，在第一阶段温度为155℃而第二阶段温度为105℃的比较例6中，耐电力时间为6154小时，与实验例1～3相比，耐电力性下降。
图4示出实验例1的Al电极层的扫描型透过电子显微镜的观察像。可知小的晶粒致密地成长，粒界的观察方向不明确。形成此种Al电极层时，能够提高耐电力性。

Claims (3)

1.一种弹性表面波元件，其特征在于，
具备：
压电基板，其由LiNbO3或LiTaO3的单晶构成；
基底电极层，其形成在所述压电基板上且以Ti及Cr的至少一方为主成分；
Al电极层，其为形成在所述基底电极层上且以Al为主成分而外延生长的取向膜，并且具有利用XRD极点图而呈现6次对称点的双晶结构，平均粒径为60nm以下。
2.一种弹性表面波元件，其特征在于，
所述平均粒径为0.2864nm以上。
3.一种弹性表面波元件，其特征在于，
所述平均粒径为42～58nm。
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