JP2001085968A - 弾性表面波素子およびその製造方法 - Google Patents

弾性表面波素子およびその製造方法

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JP2001085968A
JP2001085968A JP26210299A JP26210299A JP2001085968A JP 2001085968 A JP2001085968 A JP 2001085968A JP 26210299 A JP26210299 A JP 26210299A JP 26210299 A JP26210299 A JP 26210299A JP 2001085968 A JP2001085968 A JP 2001085968A
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electrode
film
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surface acoustic
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Masanobu Watanabe
雅信 渡邊
Takashi Iwamoto
敬 岩本
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】弾性表面波素子の耐ストレスマイグレーション
特性と挿入損失を改善する。 【解決手段】圧電基板上に形成された第1の電極膜と第
1の電極膜の上に形成された第2の電極膜を有する2層
構造のIDT電極において、第2の電極膜の線幅よりも
第1の電極膜の線幅を小さくすることにより、電極エッ
ジに加わる応力を緩和する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、水晶やLiTaO
3(タンタル酸リチウム)、LiNbO3(ニオブ酸リチウ
ム)、Li247(四ホウ酸リチウム)のような圧電単
結晶基板や、サファイヤ基板等の表面にZnO等の圧電
膜を形成した圧電基板の表面に電極を設けて構成した弾
性表面波素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、弾性表面波(以下、「SAW」と
称する場合がある。)を用いたフィルタや共振器、発振
素子等の弾性表面波素子が広く用いられるようになって
いる。これらの弾性表面波素子は、一般に、圧電性を有
する基板の表面上に櫛形形状のインターデジタルトラン
スデューサ(以下、「IDT」と称する場合がある。)電
極が形成されている。この電極金属としては、Alが用
いられているが、その理由は、フォトリソグラフィが容
易であることと、比重が小さくて電極負荷質量効果が少
なく、導電率が高いなどの特徴のためである。
【0003】さらに、移動体通信機器の高周波化と軽薄
短小化に伴い、弾性表面波素子の動作周波数は数百MH
z帯から数GHz帯へ高周波化するとともに、弾性表面
波を用いたアンテナデュプレクサ等の高出力デバイスの
小型化が進んできた。高周波化するためにはIDT電極
のパターン幅の微細化が必要となり、中心周波数2GH
z帯フィルタではIDT電極のパターン幅を約0.5μm
に形成する必要がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このような微細な線幅
でかつ電極膜厚が薄いIDT電極(Al電極)を有する
SAWフィルタやSAW共振器等に高電圧レベルの信号
を印加すると、弾性表面波によってAl電極に強い応力
が加わる。この応力は、圧電基板とAl電極との間の電
極界面部で大きくなり、特にAl電極のエッジ部分に接
する電極界面部分で最も大きくなる。この応力が電極膜
の限界応力を超えると、Al電極のエッジ部分からスト
レスマイグレーションが発生する。このストレスマイグ
レーションに起因して、電極材料であるAl原子が結晶
粒界を移動し、ヒロックやボイドの発生を伴って電極を
破壊し、電極短絡、フィルタの挿入損失の増加、共振器
のQの低下などが発生する。
【0005】このような問題を解決するために、例えば
特開平10−93368号に開示される方法が提案され
ている。この弾性表面波素子においては、図5に示すよ
うに圧電基板23とAl電極21との間にTiまたはC
rからなる中間層22を形成することにより、耐ストレ
スマイグレーション特性を向上させる工夫がなされてい
る。
【0006】しかしながら、この構造においてAl電極
に加わる応力を緩和するために、例えばTiからなる中
間層22の膜厚を厚くすると、所望の周波数でのIDT
電極の質量は一定の値に保つ必要があるため、Tiの質
量増加分だけAlの質量を減少させる必要がある。この
結果、TiはAlに比べて抵抗率が高いためIDT電極
の抵抗が増加するので、IDT電極の挿入損失が大きく
なる。これにより、2GHz帯のアンテナデュプレクサ
のような低挿入損失でかつ高耐電力性が必要となる素子
においては、十分な挿入損失と耐電力性を両立させるこ
とが困難であった。
【0007】したがって、本発明の目的は、高周波帯に
使用する弾性表面波素子を作製する上での技術的問題点
を解消するためになされたものであって、特に、低挿入
損失でかつ高耐電力性に優れた電極を有する弾性表面波
素子を提供することを目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項1記載の弾性表面波素子において
は、圧電基板上に第1の電極膜と第1の電極膜の上に形
成した第2の電極膜を有した構造の電極パターンを有す
る弾性表面波素子において、第1の電極膜の線幅が第2
の電極膜の線幅より小さいことを特徴とする。
【0009】このように、図1に示す圧電基板13の上
面に形成された第1の電極膜12の線幅nを第2の電極
膜の線幅mよりも小さくすることによって、第2の電極
膜11のエッジ部分14に加わる応力を緩和させること
により耐ストレスマイグレーション特性を向上させるこ
とができる。また、第1の電極膜12の質量が減少した
分だけ、第2の電極膜11の膜厚を厚くすることができ
る(上述の通り、所望の周波数でのIDT電極の質量は
一定に保つ必要があるため)。このとき、第2の電極膜
11は第1の電極膜12より抵抗率が小さいため、第2
の電極膜11の膜厚が大きくすることでIDT電極の抵
抗値が小さくなる。IDT電極の抵抗値を減少させるこ
とによって、挿入損失の劣化を抑制することができ、線
幅が小さくなる2GHz帯においてもストレスマイグレ
ーションの発生を抑制しつつ低い挿入損失を得ることが
できる。
【0010】なお、第1の電極膜12の電極材料に、耐
ストレスマイグレーション特性を改善する効果の高いT
iなどの金属を用い、かつ、第1の電極膜の線幅nを第
2の電極膜の線幅mよりも10%以上小さくすることに
より、IDT電極の耐ストレスマイグレーション特性の
向上と挿入損失の低下をより効果的に実現することがで
きる。ここで第1の電極膜の線幅nを第2の電極膜の線
幅mよりも10%以上小さくすること望ましい理由は、
第1の電極膜の線幅nを第2の電極膜の線幅mよりも1
0%以上小さくできない場合、第2の電極膜のエッジ部
分14が十分に開放されていないために、ストレスマイ
グレーションが最も発生しやすいエッジ部分14に加わ
る応力を十分に分散させることができなくなり、耐スト
レスマイグレーション特性を向上させる効果が小さいた
めである。
【0011】なお、第1の電極膜の線幅を第2の電極膜
の線幅より小さくするためには、第2の電極膜11は塩
素系ガスを用いて異方性エッチングを行い、次いで、第
1の電極12はフッ素系ガスを用いて等方性エッチング
を行なうことにより容易に形成することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例の弾性表面
波素子について、図2を参照しながら説明をする。図2
に示す弾性表面波素子の図2(a)は、LiTaO3または
LiNbO3を用いた圧電基板3の表面にスパッタリン
グ法や蒸着法などを用いて、第1の電極膜2と第2の電
極膜1を形成し、その上面にレジスト4を形成している
状態を示している。ここでは、LiTaO3を用いた圧
電基板3の上面に、DCマグネトロンスパッタリング法
を用いて、第1の電極膜2となるTi膜を0.1Pa、投
入電力200W、基板加熱無しの条件で15nmの膜厚
で形成する。次いで、第1の電極膜2の上面に第2の電
極膜1となるAl−0.5wt%Cu膜を0.1Pa、投入電力
400W、基板加熱無しの条件で100nmの膜厚で形
成する。さらに、第2の電極膜1の上面にレジスト4を
塗布している。
【0013】図2(b)は、レジストパターンを形成した
状態を示している。図2(a)に所望のIDTパターンを
描いたフォトマスクを取り付けて露光し、レジストパタ
ーン4aを形成している。
【0014】図2(c)は、第2の電極膜の電極パターン
をエッチングで形成した状態を示している。図2(b)に
おいて、レジストパターン4aの上から、1000P
a、ガス流量BCl350sccm+Cl220sccm
+N250sccm、投入電力350Wの条件で、異方
性プラズマエッチングを行うことにより第2の電極膜の
電極パターン1aを形成している。
【0015】図2(d)は、第1の電極膜の電極パターン
をエッチングで形成した状態を示している。図2(c)に
おいて、5000Pa、ガス流量CF4100sccm
+O210sccm、投入電力350Wの条件で、等方
性エッチングを60秒間行い、第1の電極膜の電極パタ
ーン2aを形成している。このとき、エッチングに用い
るガスは、第2の電極膜をほとんどエッチングすること
なく、かつ、第1の電極膜に対しては等方向的にエッチ
ングが進むため、図2(d)に示したように、第1の電極
膜の線幅が第2の電極膜の線幅よりも小さくなるように
エッチングを施すことができる。具体的に示した本実施
では、電極パターン2aの線幅は、第2の電極パターン
1aの線幅に比較して40%狭くなる。この後、不要に
なったレジストパターン4aをウエットエッチングで剥
離し、所望のIDT電極を形成することができる。
【0016】ここで、第2の電極膜の電極エッジ部分が
十分に開放されているため、高電圧レベルの信号が印加
された際に、電極エッジ部分に加わる応力を十分に分散
させることができるため、耐ストレスマイグレーション
特性を向上させることができる。
【0017】また、Alは抵抗率2.69μΩ・cm、比重
2.7g/cm3であり、Tiは抵抗率55μΩ・cm、比重4.5g
/cm3である。両者の抵抗率を比較すると、Tiと比べA
lの抵抗率が1/20以下であり、IDT電極において
電流はほとんどAl電極側に集中することになる。ま
た、IDT電極の全膜厚におけるTiとAlの膜厚の比
率についても圧倒的にAlの膜厚が厚いため、高周波で
の表皮効果の観点からもAl電極側にほとんどの電流が
集中することになる。
【0018】これらの観点から、IDT電極の抵抗を小
さくするためには、Al電極の断面積を大きくすること
が効果的であると言える。ところで、Al電極の線幅は
動作周波数によって一義的に決定されてしまうので、断
面積を大きくするためにはAl電極を膜厚方向に厚く形
成する必要がある。
【0019】いま、Tiを用いた第1の電極膜の線幅
は、Alを用いた第2の電極膜の線幅に比べ40%小さ
く形成されている。従って、IDT電極の質量を一定に
保つために、第1の電極膜の線幅が小さくなった分の質
量分だけAl電極の膜厚を厚く形成することができる
(図3参照;1a’は第2の電極膜の膜厚を厚くした部
分)。従来、低挿入損失の実現と高耐電力性とはトレー
ドオフあったが、本発明の弾性表面波素子においてAl
電極の膜厚を厚く形成することにより、耐ストレスマイ
グレーション特性を維持しつつ、挿入損失を10%低減
することができた。
【0020】一方、第1の電極膜の線幅が小さくなった
分の質量分だけ、第1の電極膜の膜厚を厚く形成するこ
とにより、従来の挿入損失を維持しつつさらに高い耐マ
イグレーションを実現することも可能である。すなわ
ち、第1の電極膜の膜厚を厚くするすることにより、圧
電振動の発生する圧電基板とAlを用いた第2の電極膜
との距離をより離間させることができるので、耐マイグ
レーション特性を向上ささせることができる(図4参
照;2a’は第1の電極膜の膜厚を厚くした部分)。こ
のとき、第2の電極膜の膜厚を薄くする必要がないの
で、挿入損失を低下させる恐れはない。
【0021】なお、第1の電極膜の材料としてTa,M
o,Wなどのフッ素ガスによりエッチング可能な材料を
使用してもよい。また、第2の電極膜の材料としてAl
にCu,Ti,Co,W,Cr,Ta,Ni,Moなど
を微量添加した塩素ガスでエッチング可能な材料を用い
ても良い。
【0022】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、圧電基板
上にTiやTaなどを用いて第1の電極膜を形成し、こ
の第1の電極膜の上面にAlまたはAl中にCu,T
i,Co,W,Cr,Ta,Ni,Moのいずれかを添
加した材料を用いて第2の電極膜を形成した2層構造の
IDT電極を有する弾性表面波素子において、第1の電
極膜の線幅が第2の電極膜の線幅より小さくすることに
より、耐ストレスマイグレーション特性を向上させるこ
とができ、かつ、低挿入損失の弾性表面波素子を作製す
ることができる。これにより、2GHz帯のアンテナデ
ュプレクサのような低挿入損失でかつ高耐電力性が必要
となる弾性表面波素子において、良好な特性と高い耐電
力性を得ることができる。
【0023】また、第1の電極膜の線幅を小さくした分
だけ質量を、第1の電極膜を厚くすることにより、さら
に耐ストレスマイグレーション特性を向上させた弾性表
面波素子を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のIDT電極に使用される2層構造電極
の断面図である。
【図2】本発明の実施例1の弾性表面波素子に使用され
る2層構造電極の作製方法を示した図である。
【図3】本発明のIDT電極において、第1の電極膜の
線幅を小さくした分の質量分だけ第2の電極膜の膜厚を
厚くした2層構造電極の断面図である。
【図4】本発明のIDT電極において、第1の電極膜の
線幅を小さくした分の質量分だけ第1の電極膜の膜厚を
厚くした2層構造電極の断面図である。
【図5】従来のIDT電極に使用される2層構造電極の
断面図である。
【符号の説明】
1,11,21,1a ---- 第2の電極膜 2,12,22,2a ---- 第1の電極膜 3,13,23 ---- 圧電基板 4,4a ---- レジスト 1a’ ---- 第2の電極膜の膜厚を厚くした部分 2a’ ---- 第1の電極膜の膜厚を厚くした部分

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】圧電基板上に第1の電極膜と第1の電極膜
    の上に形成した第2の電極膜を有した構造の電極パター
    ンを有する弾性表面波素子において、第1の電極膜の線
    幅が第2の電極膜の線幅より小さいことを特徴とする弾
    性表面波素子。
  2. 【請求項2】前記第1の電極膜の線幅が第2の電極膜の
    線幅より10%以上小さいことを特徴とする請求項1に
    記載の弾性表面波素子。
  3. 【請求項3】前記第1の電極膜の線幅が第2の電極膜の
    線幅より小さくした部分の質量分だけ、第2の電極膜の
    膜厚を厚くしたことを特徴とする請求項1または請求項
    2に記載の弾性表面波素子。
  4. 【請求項4】前記第1の電極膜の線幅が第2の電極膜の
    線幅より小さくした部分の質量分だけ、第1の電極膜の
    膜厚を厚くしたことを特徴とする請求項1ないし請求項
    2に記載の弾性表面波素子。
  5. 【請求項5】前記第1の電極膜がTi,Ta,Mo,W
    のいずれかの材料より形成されることを特徴とする請求
    項1ないし請求項4に記載の弾性表面波素子。
  6. 【請求項6】前記第2の電極膜がAlまたはAl中にC
    u,Ti,Co,W,Cr,Ta,Ni,Moのいずれ
    かを添加した材料より形成されることを特徴とする請求
    項1ないし請求項5に記載の弾性表面波素子。
  7. 【請求項7】圧電基板上に第1の電極膜を形成する工程
    と、第2の電極膜を形成する工程と、第2の電極膜をパ
    ターン形成する工程と、第1の電極膜を、第2の電極膜を
    エッチングしにくいエッチャントを用いた等方性エッチ
    ングによって除去することによって、第2の電極膜の線
    幅よりも小さく形成する工程と、を有することを特徴と
    する弾性表面波素子の製造方法。
  8. 【請求項8】前記第2の電極膜が塩素ガスを用いた異方
    性エッチングによってパターン形成され、第1の電極膜
    はフッ素系ガスを用いた等方性エッチングによって除去
    されることを特徴とする請求項7に記載の弾性表面波素
    子の製造方法。
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