JP2003101372A - 弾性表面波装置およびその製造方法 - Google Patents
弾性表面波装置およびその製造方法Info
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Abstract
指の範囲内に結晶粒界が無いアルミニウムを製造するこ
とで、電気抵抗の上昇がなく、高効率で長寿命の弾性表
面波素子を提供する。 【解決手段】 圧電性単結晶基板上に、電極が形成され
ている弾性表面波装置であって、前記圧電性単結晶基板
はタンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウム基板であ
り、この基板材料がX軸を中心にY軸を33°±9°回
転させた新たなY軸に垂直な、X軸を含む面を表面とす
るように切断したものであり、前記電極が、少なくとも
基板上に窒化チタン層と、アルミニウム層とを順次有す
る積層膜である構成の弾性表面波装置、およびその製造
方法とした。
Description
する弾性表面波フィルタ、800MHz帯域から特にGHz
帯の高周波数帯域に利用される分波器等、耐電力性を要
求される弾性表面波素子の電極材料に関する。
ィルタや弾性表面波共振子は、誘電体フィルタに替わっ
て、携帯電話、コードレス電話等の移動体通信機器に用
いられるRF帯フィルタに盛んに利用されるようになっ
てきた。この理由として、弾性表面波装置、特に弾性表
面波フィルタは、誘電体フィルタに比べて寸法が小さい
こと、又、同じ大きさで比較すると電気特性が優れてい
ることなどが挙げられる。
と、この圧電性基板の表面に形成された金属膜からなる
櫛形の電極パターンと、この圧電性基板および電極パタ
ーンを収容するパッケージとから構成される。圧電性基
板には、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、水晶
などが用いられ、特に、RF帯フィルタ用には、大きな
電気機械結合係数を有する、ニオブ酸リチウム、タンタ
ル酸リチウムが多用されている。
金電極が一般的に用いられている。特に耐電力性が要求
される素子には、Al−Cu合金のCu濃度を上げる方
法がとられてきた。しかし、Cu濃度を上げた合金材料
は、腐食しやすく、特に塩素ガスを用いたドライエッチ
ング後に電極腐食しやすく、製造を安定することに問題
があった。
等の腐食し難く、耐電力性に優れた他のアルミニウム系
合金を電極材として使用する試みも種々なされている
(例えば特公平7−107967号公報、特開平9−2
98442号公報等)。しかし、これらの合金材料はA
l−Cu合金の電気抵抗に比較して抵抗値が高く、高効
率の弾性表面波素子へは適用できない。
の四層積層膜、Al−Cu合金膜と銅膜の三層積層膜な
どの異種金属の繰り返し積層により、耐電力性を向上さ
せる試みもなされている(例えば、WO99/5499
5号、特開平5−122961号公報)。ここで、繰り
返し積層膜の場合、1GHz帯域以下で用いられる弾性表
面波素子においては、アルミニウム合金の膜厚は、0.
1μm 以上厚くすることが可能である。しかし、薄膜の
抵抗率は、一般に膜厚が薄くなるほど上昇する。このた
め、上記繰り返し積層膜を1GHz以上の高周波数帯域で
用いられる弾性表面波素子の電極に適用する場合、全層
厚が0.2μm 程度となるため、繰り返し積層膜の各膜
厚は0.1μm 以下となり、電気抵抗が上昇してしま
う。従って、このような構造では、高効率な弾性表面波
素子を実現することには限界がある。
耐電力性を要求される。耐電力性の劣る電極材料は、弾
性表面波による大きな振動により、電極材料がマイグレ
ーションし、ボイドとヒロック、ウイスカー等が生成し
やすい。ボイドの発生は電極材料の電気抵抗を上昇さ
せ、表面弾性波素子の挿入損失を劣化に至らせる。ヒロ
ック、ウイスカーの発生は電極指間のショートに至らし
める。ヒロック、ウイスカーの発生は、ボイドとなった
材料の移動により局所的な集中によるものと考えられて
いる。つまり、ボイドの発生を低減することにより、ヒ
ロック、ウイスカーの発生を抑制でき、電気抵抗の上昇
も抑制できる。
u原子を粒界に偏在させることにより、粒界の耐マイグ
レーション性を向上し、耐電力性が向上することがWO
97/11526号公報に示されている。つまり、耐電
力性の向上のためには、粒界の耐マイグレーション性強
化が必要である。
い、単結晶の材料により形成された電極が求められてい
た。
くとも弾性表面波の励振電極である電極指の範囲内に結
晶粒界が無いアルミニウムの製造方法と、その方法によ
る弾性表面波素子を提供することである。
下の本発明の構成により達成される。 (1) 圧電性単結晶基板上に、電極が形成されている
弾性表面波装置であって、前記圧電性単結晶基板はタン
タル酸リチウムまたはニオブ酸リチウム基板であり、こ
の基板材料がX軸を中心にY軸を33°±9°回転させ
た新たなY軸に垂直な、X軸を含む面を表面とするよう
に切断したものであり、前記電極が、少なくとも基板上
に窒化チタン層と、アルミニウム層とを順次有する積層
膜である弾性表面波装置。 (2) 前記アルミニウム層に結晶粒界がない上記
(1)の弾性表面波装置。 (3) 前記アルミニウムの結晶面(311)の方位
が、前記圧電性単結晶基板の表面に対して9°±9°に
傾いている上記(1)または(2)の弾性表面波装置。 (4) 前記電極は窒化チタンとアルミニウム層の間に
金属チタン層を有する上記(1)〜(3)のいずれかの
弾性表面波装置。 (5) 前記アルミニウムの結晶面方位が(111)で
ある上記(4)の弾性表面波装置。 (6) 圧電性単結晶材料のX軸を中心にY軸を33°
±9°回転させた新たなY軸に垂直な、X軸を含む面を
表面とするタンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウム
基板上に、チタンを窒素ガスとアルゴンガスを導入して
スパッタ成膜し、次いで、純アルミニウムをアルゴンガ
スのみ導入してスパッタ成膜する弾性表面波素子の製造
方法。 (7) 圧電性単結晶材料のX軸を中心にY軸を33°
±9°回転させた新たなY軸に垂直な、X軸を含む面を
表面とするタンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウム
基板上に、チタンを窒素ガスとアルゴンガスを導入して
スパッタ成膜し、その後、窒素ガスの導入を止めてアル
ゴンガスのみ導入してチタンを成膜し、次いで、純アル
ミニウムをアルゴンガスのみ導入してスパッタ成膜する
弾性表面波素子の製造方法。
モルファス材料か単結晶材料である。一般的にアルミニ
ウム材料はアモルフアスになりにくいが、下地単結晶基
板に、格子整合がとれている緩衝材料を選択し、緩衝材
上にアルミニウムを成膜することにより単結晶となる。
X軸を中心にY軸を33°±9°回転させた新たなY軸
に垂直な、X軸を含む面を表面にした基板に対して、種
々の結晶構造をとる窒化チタンは、緩衝材として適して
いる。そして、窒化チタン上にアルミニウムを成膜する
ことにより、アルミニウムは単結晶となり、結晶粒界の
存在しない電極膜となる。ところが、窒化チタンは(1
11)面方位を有するアルミニウムに対して、適してい
るとは言えない。そこで、窒化チタン上に金属チタンを
形成し、その上にアルミニウムを形成することで、(1
11)面方位を有するアルミニウム単結晶層が得られ
る。
な関係があり、LiTaO3 と同様に粒界の無い単結晶
アルミニュウム膜を得ることができる。LiNbO3 単
結晶とLiTaO3 単結晶の構造はどちらも菱面体構造
であり、格子定数は非常に近似した値をとる。
°±9°回転YカットX伝搬タンタル酸リチウム(Li
TaO3 )またはニオブ酸リチウム(LiNbO3 )圧
電性基板と、この基板表面に形成された少なくとも一対
の交差指型電極(櫛型電極)を有する。この交差指型電
極は、基板上に形成された窒化チタン下地膜と、この窒
化チタン下地膜上に形成されたアルミニウム膜とを含
む。
る33°±9°回転Y−X伝搬タンタル酸リチウムまた
はニオブ酸リチウム単結晶を用いて形成される。基板の
カット方向は、X軸を中心にY軸を33°±9°、好ま
しくは33°+9°の範囲で回転させた新たなY軸に垂
直な、X軸を含む面を表面とするように切断されてい
る。このような面を有し、緩衝層を設けることにより、
アルミニウム単結晶層をエピタキシャル成長させること
ができる。基板のカット方向は、X線回折により確認で
き、結晶学的面方位は(012)である。この方位面
が、基板表面に平行、あるいは±9°の傾きを有してい
る。
に弾性表面波装置に適用する場合は、弾性表面波伝搬方
向は0.1〜10mm程度、これと直交する方向も0.1
〜10mm程度、厚さは0.2〜0.4mm程度である。た
だし、電極形成工程においては、通常直径4インチ若し
くは3インチの丸型基板が使用され、この基板上に上記
サイズの素子が一括形成される。
ン膜を有し、好ましくはアルミニウム膜との間に金属チ
タン膜を含む。このように(012)単結晶基板上に窒
化チタン、金属チタン(002)の下地層を形成するこ
とで、その上に良好な膜質の(311)、または(11
1)面方位を有するアルミニウム層をエピタキシャル成
長させることができる。
〜10nm、特に0.8〜5nmの範囲が好ましい。窒化チ
タン下地金属膜の厚さが、厚くなるほど内部応力が高く
なって亀裂や剥離が生じやすくなる。一方厚さが薄すぎ
ると、緩衝層としての機能を発揮できなくなってくる。
地膜と、アルミニウム層との間に形成される。窒化チタ
ン上に金属チタン膜を有することで、その上にエピタキ
シャル形成されるアルミニウムが(111)の面方位で
形成されるようになる。チタン膜は、その純度が高けれ
ば高い程望ましいが、純度99.9%以上であれば好ま
しく用いることができる。
は、基板の面方位(012)とチタン(004)面が1
1°傾いて形成される。
造となっているとよい。すなわち、窒化チタンをTiN
x と表したとき、膜厚方向にxが減少していき0、すな
わちTiとなるように形成されているとよい。また、そ
の厚さは、均質な膜とするために1nm以上であることが
好ましい。金属チタン下地膜の厚さの上限は特にない
が、厚くなるほど内部応力が高くなって亀裂や剥離が生
じやすくなるので、一般に厚さ100nm以下とすること
が好ましい。
着法、スパッタ法等により成膜することができる。チタ
ン下地金属膜の成膜レートは、膜厚制御の点から0.0
1〜1nm/秒程度であることが好ましい。
下、特に1×10-5 Pa以下が好ましく、真空槽内に
は、スパッタガスとしてAr、He、Kr、Xe、Ne
等の不活性ガスが導入される。さらに、窒化チタンを成
膜する場合には、原料ガスとして窒素ガスを導入すると
よい。この場合、窒素ガスの導入量を調整することで、
上記傾斜構造を得ることもできる。すなわち、チタンを
窒素ガスとアルゴンガス等のスパッタガスを導入してス
パッタ成膜し、その後、窒素ガスの導入を止めてアルゴ
ンガスのみ導入してチタンを成膜し、次いで、純アルミ
ニウムをアルゴンガスのみ導入してスパッタ成膜すれば
よい。このときの各層の膜厚は、成膜レートから計算で
きるので、最適な膜厚となるよう成膜時間を設定し、原
料ガスの切り替えを行えばよい。そして傾斜構造とする
には、原料の窒素ガスの流量を徐々に少なくなるように
すればよい。
の基板温度としては50〜200℃程度が好ましい。
は、蒸着法、スパッタ法等により成膜することができ
る。アルミニウム膜の成膜レートは、1〜20nm/秒程
度であることが好ましい。
数帯域などに応じて適宜決定すればよい。
エピタキシャル成長により得られた単結晶膜である。こ
のため、アルミニウム層内には結晶粒界が無い。
または(111)若しくはこれと結晶学的に等価な面を
有する単結晶膜である。また、アルミニウムの結晶面
(311)の方位が、前記圧電性単結晶基板の表面に対
して9°±9°に傾いている。このように、アルミニウ
ム結晶の(311)または(111)若しくはこれと結
晶学的に等価な面であることは、X線回折により確認で
きる。
が表面になることから、そこに形成される酸化膜も緻密
なものとなり、耐腐食性が向上してデバイスの寿命を飛
躍的に向上させることができる。
面波共振器を組み合わせたラダー型SAWフィルター等
とすることができる。
エピタキシャル成長
アセトン、イソプロピルアルコール(IPA)による超
音波洗浄を行った後に純水により有機溶剤を置換して洗
浄した。この基板をスパッタ装置の真空排気チャンバー
に投入し、真空排気し、170℃に予備加熱した。その
後にTi成膜チャンバーに移し、Arガスと窒素ガスを
それぞれ15SCCM導入し、チャンバー内圧力を0.7Pa
とした。その後にプラズマを発生し金属チタンターゲッ
トにて窒化チタンを反応性成膜した。成膜レートと成膜
時間より窒化チタンの設定膜厚は、0.8nmである。そ
の後に窒素ガスを停止し、Arガスにて金属チタンを成
膜した。この基板をAl成膜チャンバーに移し、Arガ
スにてアルミニウムを成膜した。この積層膜の膜厚は蛍
光X線膜厚計にて測定した結果、チタン10nm、アルミ
ニウム330nmであった。一方、比較資料として、同じ
洗浄を行なった42°回転Y−X伝搬LiTaO3 基板
にAl−0.5%Cu合金(質量比、以下同)単層膜を
成膜した。この合金膜の膜厚は347nmであった。
て、Al(111)のロッキングカーブを測定した。そ
の結果は表1に示す通り、Al−0.5%Cu合金(質
量比、以下同)単層膜はAl(111)のθ値19.2
°の位置にピークが観察され、そのピークの半値幅は
2.0°であった。しかし、窒化チタン/チタン/アル
ミニウム積層膜はAl(111)のθ値19.2°の位
置にピークが観察されず、21°の位置に観察され、そ
のピークの半値幅は0.766°であった。これはAl
(111)面が基板表面から2°傾いていることを示し
ている。
基板の結晶学的面方位(012)と平行にTi2N(1
00)面があることが図1のX線回折結果に示される。
図1において、LiTaO3 (012)とLiTaO3
(024)または、LiTaO3 (036)は結晶学的
に等価な面方位であり、Ti2N(100)とTi2N
(200)も等価な面方位である。また、別の回折結果
では、基板の面方位(012)とTi(004)が11
°傾いており、Ti(004)とAl(111)は平行
であることも分かった。
電子顕微鏡観察の結果、図2に示すように、粒界の無い
単結晶膜であることを確認した。一方、比較サンプルで
あるAl−0.5%Cu合金膜には、図3に示すように
粒界があることを確認した。
示す4段のラダー型SAWフィルターを作成した。ここ
で図4はSAWフィルターの構成を示す概略平面図、図
5は図4の等価回路図である。図において、入力端子I
nから出力端子Out間に直列接続された弾性表面波素
子S1〜S2があり、さらに弾性表面波素子S1,S2
およびS3,S4間とGNDとが弾性表面波素子P1お
よびP2により接続されている。そして、このような構
成のSAWフィルターを図6に示す構成の測定装置を用
い、85℃雰囲気にて耐電力性測定を行なった。すなわ
ち、恒温槽15内にSAWフィルタ(SAW)を配置
し、この入力端Inに信号発生器12から得られた所定
の周波数範囲のRF信号を、RFパワーアンプ13によ
り所定の強度に増幅して印加した。また、その出力端O
UTを電力計11に接続して出力電力を測定した。ま
た、前記SAWフィルタの入出力には、方向性カップラ
16および減衰器ATT1,ATT2を介してネッワー
クアナライザー14を接続した。そして、耐電力性を、
SAWフィルタに投入する電力1.58W、挿入損失が
2dB劣化するまでの寿命として評価した。結果を表2に
示す。
層膜を電極としたSAWフィルタは、260倍の寿命があ
ることが分かる。
°回転Y−X伝搬LiTaO3 基板から39°回転Y−
X伝搬LiTaO3 基板に代えて電極を形成し、Al
(111)のロッキングカーブを測定したところ、その
半値幅は0.790となった。また、上記と同様にして
耐電力性測定を行ったところほぼ同様の結果が得られ
た。
キシャル成長 実施例1と同様に洗浄した42°回転Y−X伝搬LiT
aO3 基板に、アルゴンガスと窒素ガスともに15SCCM
流し、成膜圧力0.7Paで、チタンターゲットを用いて
窒化チタンを設定膜厚2.5nmとなるようにスパッタ成
膜した。今度は実施例1とは異なり、この窒化チタンの
上にアルミニウムをアルゴンガスのみにて膜厚343nm
となるよう成膜した。
l(311)のロッキングカーブを評価した。この積層
膜のAl(311)の半値幅は0.619°であり、単
結晶膜である。
細に調べた結果、基板の結晶学的な方位面(012)と
平行にTi2N(100)面が観察された。また、Al
(311)面は42°回転Y−X伝搬LiTaO3 基板
の表面に対し平行であり、基板の(012)面と9°傾
いていることがわかった。
に示すラダー型弾性表面波フィルターを作成した。図5
に示す耐電力評価回路にて、周囲温度85℃にて耐電力
性測定を行なった。耐電力性をSAWフィルタに投入す
る電力1.58W、挿入損失が2dB劣化するまでの寿命
を評価した。結果を表3に示す。
%Cu合金と比較すると、積層膜を電極としたSAWフィ
ルタは250倍の寿命があることが分かる。
2°回転Y−X伝搬LiTaO3 基板から36°、39
°回転Y−X伝搬LiTaO3 基板に、それぞれ代えて
電極を形成し、Al(111)のロッキングカーブを測
定したところ、その半値幅は、それぞれ0.573、
0.535となった。また、上記と同様にして耐電力性
測定を行ったところほぼ同様の結果が得られた。
説明したが、LiTaO3結晶と結晶学的に類似したL
iNbO3結晶でも同様な効果が得られる。LiTaO3
とLiNbO3単結晶を比較すると、下記表4に示すよ
うに、a軸長で0.070%、c軸長で0.778%の
差しかない。
実施例1と同様な洗浄を行った。この基板に窒素とアル
ゴンの混合ガスで成膜圧力0.7Paにて、チタンターゲ
ットを用いて窒化チタンを設定膜厚2.5nm成膜し、そ
の上にアルゴンガスのみによりアルミニウムを膜厚34
3nm成膜した。次にX線回折装置にてAl(311)の
ロッキングカーブを評価したところ、Al(311)の
半値幅は実施例2よりも良好で、0.444°であっ
た。このAlは単結晶膜であった。
でなく、同様な結晶構造であるLiNbO3単結晶にも
Alの単結晶膜は形成可能である。
も弾性表面波の励振電極である電極指の範囲内に結晶粒
界が無いアルミニウムを製造することで、電気抵抗の上
昇がなく、高効率で長寿命の弾性表面波素子、およびそ
の製造方法を提供することができる。
図である。
ニウム部分の透過型電子顕微鏡観察の結果を示す図面代
用写真である。
ニウム部分の透過型電子顕微鏡観察の結果を示す図面代
用写真である。
す平面図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 圧電性単結晶基板上に、電極が形成され
ている弾性表面波装置であって、 前記圧電性単結晶基板はタンタル酸リチウムまたはニオ
ブ酸リチウム基板であり、この基板材料がX軸を中心に
Y軸を33°±9°回転させた新たなY軸に垂直な、X
軸を含む面を表面とするように切断したものであり、 前記電極が、少なくとも基板上に窒化チタン層と、アル
ミニウム層とを順次有する積層膜である弾性表面波装
置。 - 【請求項2】 前記アルミニウム層に結晶粒界がない請
求項1の弾性表面波装置。 - 【請求項3】 前記アルミニウムの結晶面(311)の
方位が、前記圧電性単結晶基板の表面に対して9°±9
°に傾いている請求項1または2の弾性表面波装置。 - 【請求項4】 前記電極は窒化チタンとアルミニウム層
の間に金属チタン層を有する請求項1〜3のいずれかの
弾性表面波装置。 - 【請求項5】 前記アルミニウムの結晶面方位が(11
1)である請求項4の弾性表面波装置。 - 【請求項6】 圧電性単結晶材料のX軸を中心にY軸を
33°±9°回転させた新たなY軸に垂直な、X軸を含
む面を表面とするタンタル酸リチウム またはニオブ酸
リチウム基板上に、 チタンを窒素ガスとアルゴンガスを導入してスパッタ成
膜し、 次いで、純アルミニウムをアルゴンガスのみ導入してス
パッタ成膜する弾性表面波素子の製造方法。 - 【請求項7】 圧電性単結晶材料のX軸を中心にY軸を
33°±9°回転させた新たなY軸に垂直な、X軸を含
む面を表面とするタンタル酸リチウムまたはニオブ酸リ
チウム基板上に、 チタンを窒素ガスとアルゴンガスを導入してスパッタ成
膜し、 その後、窒素ガスの導入を止めてアルゴンガスのみ導入
してチタンを成膜し、 次いで、純アルミニウムをアルゴンガスのみ導入してス
パッタ成膜する弾性表面波素子の製造方法。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001289293A JP3735550B2 (ja) | 2001-09-21 | 2001-09-21 | 弾性表面波装置およびその製造方法 |
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Applications Claiming Priority (1)
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