JP2004289441A

JP2004289441A - 弾性表面波素子およびその製造方法

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Publication number: JP2004289441A
Application number: JP2003078265A
Authority: JP
Inventors: Osamu Nakagawara; 修中川原; Tetsuhiro Teramoto; 哲浩寺本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-10-14

Abstract

【課題】圧電基板と、圧電基板上に形成された相互拡散防止層と、相互拡散防止層上にＡｌを主成分とする電極層を備える弾性表面波素子およびその製造方法において、高周波および大電力に対応した弾性表面波素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】圧電基板１は、相互拡散防止層２と、Ａｌを主成分とする電極層３とを有するＩＤＴ電極４を備える。相互拡散防止層２は、金属酸化物または金属窒化物である。
【効果】これにより、使用時における劣化の少ない、高周波および大電力に対応した弾性表面波素子およびその製造方法の提供が可能となる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜素子、特に圧電基板上に形成された相互拡散防止層と、相互拡散防止層上にＡｌを主成分とする電極層とを備える高周波および大電力を扱う弾性表面波素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話や移動体通信の発展に伴い、圧電基板に所望の電極パターンが形成された弾性表面波素子が、弾性表面波フィルターや弾性表面波共振子として盛んに利用されている。この弾性表面波素子の電極膜には、比重が小さいこと、電気抵抗が小さいとの理由により、当初よりＡｌが使用されている。一方、弾性表面波素子における高周波化への対応は、その電極膜の薄膜化、また電極パターンの微細化が必要となる。圧電基板を用いた弾性表面波素子の動作状態におけるＡｌ電極膜には、使用する周波数に対応した繰り返し応力が加わる。薄膜化および微細化されたＡｌ電極膜は、Ａｌ電極膜に加わる応力により、Ａｌ原子のマイグレーションを生じる。これによりＡｌ電極膜に欠陥が発生し、弾性表面波素子の特性を大きく劣化させるとの課題を有していた。
【０００３】
そこで、圧電機能を有する基板上に、下層から、Ｔｉからなる第一層、ＡｌまたはＡｌ合金からなる第二層、金属間化合物またはシリサイド層からなる第三層、ＡｌまたはＡｌ合金からなる第四層に順に形成された四層構造の電極膜を有している弾性表面波素子が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１８５２８３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来技術による弾性表面波素子においては、以下の問題点が存在する。
【０００６】
特許文献１においては、部分的な配向の乱れによる耐電力性に対するバラツキを抑え、電極膜の信頼性を向上させるために、電極膜を四層の多層構成にする。
【０００７】
このような多層構成は、電極膜形成における製造コストの観点より好ましくないとの課題を有する。また、主電極となるＡｌ電極間に、異種金属間化合物や異種金属層を設けることは、必然的に主電極膜の電気抵抗値の増大をもたらす。その結果、弾性表面波素子の損失が増大することが考えられる。これは、高性能および高品質が求められる弾性表面波素子として使用できないとの課題を有する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決すべく本発明の弾性表面波素子は、圧電基板と、圧電基板上に形成された相互拡散防止層と、相互拡散防止層上に形成されたＡｌを主成分とする電極層とを備える弾性表面波素子である。相互拡散防止層は、金属酸化物または金属窒化物であることを特徴とする。また、相互拡散防止層は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｃｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌのいずれかを主成分とする金属から構成されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の弾性表面波素子の製造方法は、圧電基板を用意する工程と、圧電基板上に相互拡散防止層を形成する工程と、相互拡散防止層上にＡｌを主成分とする電極層を形成する工程とを備えることを特徴とする。また、相互拡散防止層は、成膜装置内のＨ_２Ｏ分圧が１０^−５Ｐａ以上の雰囲気で形成したことを特徴とする。また、相互拡散防止層は、成膜装置内にＯ_２またはＮ_２を導入して形成することを特徴する。
【００１０】
本発明は、上記の問題点を解決することを目的とするもので、圧電基板の有する特性を劣化させることなく、耐電力性に優れ、電子機器の高性能化に対応した高精度および高信頼性な弾性表面波素子を製造コストの大幅な上昇させることなく提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の弾性表面波素子における一実施例の概略断面図を示す。
【００１２】
図１に示した弾性表面波素子は、圧電基板１と、圧電基板１上に形成された相互拡散防止層２と、相互拡散防止層２上にＡｌを主成分とする電極層３とを有する。
【００１３】
圧電基板１は、例えば、θ回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＮｂＯ_３基板またはＬｉＴａＯ_３基板が用いられる。圧電基板１のカット角は、その上に形成する膜の状態に影響を及ぼすことから、用いる圧電基板１に対応した適切な角度が設定される。また、相互拡散防止層２は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｃｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌのうちのいずれかを主成分とする金属酸化物、または金属窒化物により構成される。更に、電極層３は、Ａｌを主成分とする金属により構成される。
【００１４】
以下に、本発明の弾性表面波素子の製造方法について説明する。
【００１５】
先ず、フォトリソ技術を用いて、圧電基板１、例えば、３８．５°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板１上にＩＤＴ電極４を形成する。ＩＤＴ電極４の形成は、先ず、圧電基板１をマルチソース対応のルツボを有する電子ビーム蒸着装置内にセットする。次に、電子ビーム蒸着装置内を、高真空ポンプにより真空状態とする。その後、電子ビーム蒸着装置内にＨ_２Ｏを導入する。この時、電子ビーム蒸着装置内のＨ_２Ｏ分圧が１０^−５〜１０^−４Ｐａとなるように制御する。
【００１６】
次に、電子ビーム蒸着法により、圧電基板１上に相互拡散防止層２として、Ｔｉを２０ｎｍ形成する。この時、電子ビーム蒸着装置に内在するＨ_２ＯがＴｉと反応し、圧電基板１には、酸化したＴｉが形成される。
【００１７】
次に、電子ビームの照射により高温になったルツボを冷却するために１５分以上放置することで冷却する。同時に、電子ビーム蒸着装置内を高真空ポンプにより７×１０^−４Ｐａ以下の高真空にする。続いて、ルツボを回転させ、電極層３としてＡｌを１５０ｎｍ形成する。
【００１８】
その際、圧電基板１に対し均一な膜厚の分布が得られるように、圧電基板１を５ｒｐｍの速度で自公転させることが好ましい。また、ルツボの上部にはシャッターが設けられ、所定の膜厚になるように、その開閉と蒸着時間により制御されている。また、成膜時の圧電基板１は、いずれも加熱は行っていない。
【００１９】
この成膜方法は、電子ビーム蒸着法に限るものではなく、スパッタリング法等を用いても構わない。
【００２０】
次に、形成された電極層上に、レジストをスピンコーター等を用いて、所定の膜厚を塗布し、所定のパターンが形成されたフォトリソマスクを介してレジストを露光する。続いて、現像処理およびエッチング処理することにより、ＩＤＴ電極４が形成される。このパターン形成方法は、フォトリソグラフィ技術に限定するものではなく、ドライエッチング技術を用いても構わない。
【００２１】
形成されたＩＤＴ電極４は、求められる機能に対するパターン形状、例えば、ラインアンドスペースが０．５μｍの櫛形形状を有する。また、引き出し電極、パッド電極等が必要に応じて形成されている。その後、ダイシングおよびパッケージングなどの工程を経て、弾性表面波素子が得られる。
【００２２】
図２に、上記に示した実施例により形成されたＩＤＴ電極４のＳＡＭ−ｄｅｐｔｈプロファイルを示す。図２より、Ｔｉ層内にＯが一定の割合で存在していることが確認できる。このＯが存在する層が酸化Ｔｉ層である。また、この層の存在により、圧電基板１のＴａが電極層３のＡｌ内に拡散することが抑制されていることが認められる。
【００２３】
励振部となる電極層３への圧電基板１のＴａの拡散の抑制は、電極層３のＡｌの自己拡散を抑制する効果となり、マイグレーションを防止し、電極層３の耐電力性を向上させることになる。
【００２４】
図３に、電子ビーム蒸着装置内にＨ_２Ｏを導入しない従来技術により形成されたＩＤＴ電極のＳＡＭ−ｄｅｐｔｈプロファイルを示す。Ｔｉ層内にＯの存在は確認できるが、均一な安定した状態でないことが確認できる。これは、Ｔｉが安定した酸化物状態でないことを示すものである。また、圧電基板１のＴａがＡｌ電極内に拡散していることが確認できる。これは、電極層３のＡｌと圧電基板１のＴａとが相互拡散を起こしていることを示すものである。
【００２５】
次に、図４に、装置内のＨ_２Ｏ分圧と弾性表面波素子における寿命のと関係を示す。図４は、印加電力を１．４Ｗ、使用雰囲気温度を１５０℃とした加速試験により得られた実験結果を、実デバイスの使用条件である印加電圧を０．８Ｗ、使用雰囲気温度を５０℃の値に換算した結果を示す。換算は、別の実験より求めた加速係数を使用した。使用した加速係数は、電力７乗則、温度１２℃２倍則である。
【００２６】
図４に示すように、本発明の弾性表面波素子は、装置内のＨ_２Ｏ分圧が大きくなるにつれ破壊に至るまでの時間（寿命）が長くなる傾向が確認できる。また、Ｈ_２Ｏ分圧が１０^−５Ｐａ以上の所望する寿命の１００００ｈｒを安定してクリアすることから、この値を本発明における下限値とした。また、上限値は、成膜の安定性から設定した値である。
【００２７】
次に、別な実施例として、以下に説明する。前記の実施例と同様の構成には同じの符号を使用する。
【００２８】
圧電基板１、例えば、３８．５°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３基板１上にＩＤＴ電極４を形成する。
【００２９】
ＩＤＴ電極４の形成は、先ず、圧電基板１を所望する複数のターゲットが配置されたスパッタ装置内にセットする。
【００３０】
この時、スパッタ装置内は、高真空ポンプにより７×１０^−４Ｐａ以下の高真空にする。その後、スパッタ装置内にスパッタガスとしてＡｒガスとＯ_２ガスまたはＡｒガスとＮ_２ガスとの混合ガスを導入する。導入するスパッタガスの混合比は、Ａｒ５０％−Ｏ_２５０％またはＡｒ５０％−Ｎ_２５０％ガスであることが好ましい。スパッタガス圧、混合ガスの導入量については、形成する相互拡散防止層２の状態により最適な値が設定される。次に、圧電基板１上に相互拡散防止層２として、スパッタリング法により、Ｔｉを２０ｎｍ形成する。この時、スパッタ装置に内在するＯまたはＮがＴｉが反応し、圧電基板１には、酸化したＴｉまたは窒化したＴｉが形成される。
【００３１】
次に、スパッタ装置内を高真空ポンプにより７×１０^−４Ｐａ以下の高真空にする。その後、スパッタ装置内にスパッタガスのＡｒのみを導入し、所定のスパッタガス圧に制御する。続いて、ターゲットを変更し、電極層３としてＡｌを１５０ｎｍ形成する。以降は、先に示した実施例の内容と同様であることから記載を省略する。
【００３２】
上記実施例にて得られた弾性表面波素子の評価結果を表１に示す。
【００３３】
【表１】

【００３４】
表１より、本発明の弾性表面波素子は、Ｏ_２ガスまたはＮ_２ガスを導入しない従来技術により形成された弾性表面波素子に比較し、１０倍以上寿命が向上したことが認められる。ここで示す結果は、印加電力を１．４Ｗ、使用雰囲気温度を１５０℃とした加速試験により得られた実験結果を、実デバイスの使用条件である印加電圧を０．８Ｗ、使用雰囲気温度を５０℃の値に換算した結果を示す。換算は、別の実験より求めた加速係数を使用した。使用した加速係数は、電力７乗則、温度１２℃２倍則である。
【００３５】
また、相互拡散防止層２の形成方法は、上記に示した以外に、３８．５°回転ＹカットＸ伝搬のＬｉＴａＯ_３圧電基板に電子ビーム蒸着法またはスパッタリング法によりＴｉを２０ｎｍ形成する。次に、成膜装置内より取り出し、Ｏ_２またはＮ_２雰囲気にて熱処理して形成しても構わない。その後、再び成膜装置に内にセットし、成膜装置内を高真空ポンプにより７×１０^−４Ｐａ以下の高真空にする。以降は、先に示した実施例の内容と同様であることから記載を省略する。
【００３６】
本発明の弾性表面波素子において、相互拡散防止層２を設けることでＡｌを主成分とした電極層３と圧電基板１の相互拡散が抑制される。その結果、高寿命化した弾性表面波素子が得られる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のような本発明の弾性表面波素子およびその製造方法によれば、金属酸化物はたは金属窒化物からなる相互拡散防止層を設けることでＡｌ電極と圧電基板の相互拡散が抑制される。その結果、主電極膜であるＡｌ膜の自己拡散が抑制され、高い信頼性を有する電極膜を提供できることが可能となる。
【００３８】
よって、圧電基板が本来有する特性を劣化させることなく、耐電力性に優れ、電子機器の高性能化に対応した高精度および高信頼性な弾性表面波素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の弾性表面波素子の一実施例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の弾性表面波素子の一実施例の状態を示すＳＡＭ−ｄｅｐｔｈプロファイルである。
【図３】従来の弾性表面波素子の一実施例の状態を示すＳＡＭ−ｄｅｐｔｈプロファイルである。
【図４】本発明の弾性表面波素子の一実施例における、Ｈ_２Ｏ分圧による弾性表面波素子の寿命との関係を示す表すグラフである。
【符号の説明】
１…圧電基板
２…相互拡散防止層
３…電極層
４…ＩＤＴ電極

Claims

圧電基板と、前記圧電基板上に形成された相互拡散防止層と、前記相互拡散防止層上に形成されたＡｌを主成分とする電極層とを備える弾性表面波素子であって、
前記相互拡散防止層は、金属酸化物または金属窒化物であることを特徴とする弾性表面波素子。
前記相互拡散防止層は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｃｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌのいずれかを主成分とする金属から構成されることを特徴とする、請求項１に記載の弾性表面波素子。
圧電基板を用意する工程と、成膜装置内のＨ_２Ｏ分圧が１０^−５Ｐａ以上の雰囲気で、前記圧電基板上に金属酸化物または金属窒化物からなる相互拡散防止層を形成する工程と、前記相互拡散防止層上にＡｌを主成分とする電極層を形成する工程とを備えることを特徴とする弾性表面波素子の製造方法。
圧電基板を用意する工程と、前記圧電基板上に成膜装置内がＯ_２またはＮ_２雰囲気で、前記圧電基板上に金属酸化物または金属窒化物からなる相互拡散防止層を形成する工程と、前記相互拡散防止層上にＡｌを主成分とする電極層を形成する工程とを備えることを特徴とする弾性表面波素子の製造方法。
前記相互拡散防止層は、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｃｅ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌのいずれかを主成分とする金属から構成したことを特徴とする、請求項３または４に記載の弾性表面波素子の製造方法。