JP2005229566A - 弾性表面波装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な電極構造で弾性表面波装置の耐マイグレーション性能及び耐電力性を高める。
【解決手段】 圧電基板１と、該圧電基板上に形成されてＳＡＷを励振するＡｌ電極膜からなる交差指電極４ａ、４ｂ（ＩＤＴ２）とを備える弾性表面波装置において、Ａｌ電極膜の表面から或る深さまで、隣接するＡｌ結晶粒６がその酸化物であるＡｌ₂Ｏ₃７により結合されるように制御しながら、交差指電極を陽極酸化処理する。交差指電極は、隣接するＡｌ結晶粒がその隙間を充填するＡｌ₂Ｏ₃により結合されて機械的強度が増し、動作時にＳＡＷの振動や電極抵抗の発熱によるＡｌ結晶粒の分離を抑制できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、情報通信機器や民生機器などの様々な電子機器に、例えば共振子、フィルタとして広く使用される弾性表面波装置に関する。

一般に弾性表面波装置は、圧電基板の表面を伝搬する弾性表面波（ＳＡＷ）を励振するために、圧電基板表面に形成した少なくとも１対の交差指電極からなるＩＤＴ（すだれ状トランスデューサ）を備える。交差指電極には、低電気抵抗率で比重の小さいＡｌまたはＡｌ合金を電極材料として用いることが一般的である。

ところが、Ａｌはストレスマイグレーションに弱く、大きな電力を投入するとＡｌが自己拡散し、電極にヒロックやボイドが発生成長する。そのため、ＳＡＷ素子に大きな電力が印加されると、ＳＡＷの振動エネルギと電極抵抗による発熱とから温度が上昇して、電極劣化即ちマイグレーションが発生し、電極を破壊する虞がある。

また、最近の高周波化の要請に対応するためには、ＩＤＴの電極指間ピッチを狭くしかつ電極指幅を小さくする必要がある。しかし、そのためにマイグレーションによる電極破壊がより生じ易くなり、電気的短絡、挿入損失の増加、共振子のＱ値の低下などＳＡＷ素子の特性劣化を起こす虞がある。

そこで従来より、弾性表面波装置におけるマイグレーションの発生を防止するために、様々な工夫及び改善がなされている。例えば、鏡面研磨したサファイアなどの単結晶誘電体からなる基板の表面に、結晶方位的に一定方向に配向したＡｌ膜によりＡｌ（またはＡｌ合金）電極を形成し、その上に圧電薄膜を形成することによって、Ａｌ電極の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装置が知られている（例えば、特許文献１、２を参照。）。更に特許文献１の弾性表面波装置は、電極材料のＡｌに微量のＣｕなどを添加することによって、耐マイグレーション効果を高めている。

同様に電極を形成するＡｌの結晶配向に着目したものとして、圧電基板上に形成したＡｌを主成分とする電極がエピタキシャル成長した配向膜からなり、該Ａｌ電極層を構成する結晶の（１１１）面と圧電基板を構成する結晶の（００１）面とを互いに平行にした弾性表面波素子がある（特許文献３を参照。）。更に特許文献３によれば、Ａｌの結晶粒が小さいほど電極の耐電力性は優れていること、及び、圧電性が大きいことからＳＡＷ素子に広く使用されているリチウムタンタレート、リチウムニオブレートからなる圧電基板上で、結晶性の良好なエピタキシャル膜を得ることは困難であることが記載されている。

また、Ａｌ電極のストレスマイグレーションを防止するために、２層以上の多層膜からなる電極構造が開発されている（例えば、特許文献４、５を参照。）。特許文献４に記載の表面弾性波素子は、少なくとも銅を添加したＡｌ合金膜と銅膜とは内部応力の向きが互いに逆になることから、合計の内部応力がほぼ零または圧縮応力になるようにＡｌ合金膜と銅膜とを交互に積層した電極を圧電基板の上に形成することにより、Ａｌのマイグレーションを防止している。更に特許文献４の表面弾性波素子では、２００℃を超えない温度で電極多層膜を形成することにより、電極材料の結晶粒の成長を抑制している。

特許文献５に記載の弾性表面波装置は、Ｔａなどを主成分として含む非晶質の第１の金属層と、（１１１）方向に強い結晶方位を持たせたＡｌ及びＡｌを主成分とする金属のいずれかからなる第２の金属層とを積層した励振電極を圧電基板上に具備することにより、耐電力性を高くしている。

更に、耐電力性の向上と、動作時におけるＳＡＷ素子の内部損失の低減とを同時に実現する弾性表面波素子が提案されている（特許文献６を参照。）。この弾性表面波素子は、圧電基板上にマイグレーション耐性の高い第１層電極とそれよりマイグレーション耐性で劣るが比抵抗の低い第２層電極とを積層した２層構造の電極を有し、電極膜の比抵抗の増大を比較的低く抑制することにより素子の内部損失の増大を抑制している。

また、マイグレーションによる電極劣化を防止するためにＡｌ−Ｃｕ合金で形成される電極は、フォトリソグラフィ技術による電極形成工程で現像後のリンスに使用する純水に含まれる溶存酸素によって腐食することに鑑み、これを防止するための弾性表面波装置が提案されている（特許文献７を参照。）。この弾性表面波装置は、Ａｌ−Ｃｕ合金の第１層とＡｌの第２層とからなる２層構造の電極を圧電性基板上に有し、純水によるリンス洗浄工程における孔食発生を防止すると同時に、マイグレーション耐性を向上させている。

特開平３−４０５１０号公報 特開平１０−１３５７７３号公報 特開２００２−３５３７６８号公報 特開平７−１２２９６１号公報 特開２００１−９４３８２号公報 特開平６−３５０３７７号公報 特開平８−１９１２２７号公報

しかしながら、上述した従来の弾性表面波装置は、いずれもその製造プロセスが複雑で多くの工数及び労力を要し、しかも設備コストも増大するという問題がある。

また、圧電基板の表面状態によって、その上に形成するＡｌ電極膜は、結晶粒のサイズが異なる。例えばリチウムタンタレートの圧電基板の場合、その表面にスパッタリング、蒸着などの方法で形成したＡｌ電極膜は、結晶粒のサイズが比較的大きい。図６（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ水晶及びリチウムタンタレートからなる圧電基板上にそれぞれ蒸着法によって成膜したＡｌ膜の表面状態を示している。図６（Ａ）の水晶では、Ａｌ膜の表面が比較的滑らかで、そのＡｌ結晶粒のサイズが０．０５μｍ程度であるのに対し、図６（Ｂ）のリチウムタンタレートでは、Ａｌ膜表面の凹凸が比較的大きく、Ａｌ結晶粒のサイズは０．１〜０．２μｍ程度である。そのため、特にリチウムタンタレートなどの圧電基板上に形成したＡｌ電極膜では、ストレスマイグレーションが発生し易くなるという問題がある。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的簡単な電極構造によりマイグレーションを有効に防止して耐電力性を高め、かつ従来に比して簡単に製造し得る弾性表面波装置及びその製造方法を提供することにある。

本発明によれば、上記目的を達成するために、圧電基板と、該圧電基板上に形成されてＳＡＷを励振するＡｌ電極膜とを備え、該Ａｌ電極膜の表面から或る深さまで、Ａｌ電極膜の隣接するＡｌ結晶粒がその酸化物により結合された弾性表面波装置が提供される。

このような電極構造によって、Ａｌ電極膜はその機械的強度が増すので、動作時に圧電基板表面を伝搬するＳＡＷの振動及び電極抵抗により発生する熱で、該Ａｌ電極膜を構成するＡｌ結晶粒が分離してストレスマイグレーションを起こす虞が解消され、従って耐電力性が向上する。更に、Ａｌ電極膜表面のＡｌ酸化物によって、隣接する電極指間で異物の付着などによる電気的短絡が防止されるので、特に弾性表面波装置の高周波化に好都合である。

或る実施例では、前記酸化物がＡｌ電極膜の陽極酸化による形成されたものであり、複雑な工程や多くの工数・労力を追加することなく、比較的簡単に製造することができると共に、形成されるＡｌ酸化物によって隣接するＡｌ結晶粒の隙間が充填されるので、Ａｌ電極膜の表面が平滑になる。

また、或る実施例では、前記圧電基板にリチウムタンタレートが使用され、その場合に圧電基板表面の粗さからＡｌ電極膜の結晶粒も比較的大きくなるが、Ａｌ酸化物により隣接するＡｌ結晶粒の隙間が充填されるので、本発明のマイグレーション防止効果がより顕著に発揮される。

本発明の別の側面によれば、圧電基板上に弾性表面波を励振するＡｌ電極膜を形成し、該Ａｌ電極膜を、その表面から或る深さまでＡｌ電極膜の隣接するＡｌ結晶粒がその酸化物により結合されるように制御しながら、陽極酸化処理する過程を含む弾性表面波装置の製造方法が提供される。

上述した従来技術に比して比較的簡単な工程で製造でき、しかも従来からの陽極酸化処理設備・機器をそのまま使用できるので、製造コストの上昇を抑制しつつ、耐マイグレーション性能及び耐電力性に優れた弾性表面波装置を製造することができる。

以下に、添付図面を参照しつつ、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。

図１（Ａ）（Ｂ）は、本発明によるＳＡＷ共振子の実施例を示している。例えばリチウムタンタレート、リチウムニオベート、水晶などの従来公知の圧電材料で形成された圧電基板１の表面には、中央に２つのＩＤＴ２がＳＡＷの伝搬方向に沿って配置され、それらを挟むように両側に各１個の反射器３が配置されている。各ＩＤＴ２は、それぞれ１対の交差指電極４ａ、４ｂからなり、そのバスバーに接続して圧電基板１の長手方向の辺縁近傍に入出力用の接続ランド５ａ及び接地用の接続ランド５ｂが形成されている。

交差指電極４ａ、４ｂ、反射器３及び接続ランド５ａ、５ｂは、公知のスパッタ法や蒸着法などでＡｌの電極膜で形成されている。前記各電極膜は、その表面から或る程度の深さまで後述する陽極酸化処理により酸化されている。図６（Ｂ）に関連して上述したように、リチウムタンタレートの圧電基板１上に形成したＡｌ交差指電極４ａは、図２（Ａ）に示すようにＡｌ結晶粒６のサイズが比較的大きく、電極表面も比較的大きな凹凸が生じている。これを陽極酸化処理すると、酸化液が電極膜表面からＡｌ結晶粒６の隙間に浸透してこれを酸化し、図２（Ｂ）に示すように或る深さまでＡｌ酸化物即ちＡｌ₂Ｏ₃７が形成される。

このＡｌ₂Ｏ₃によって、前記Ａｌ電極膜は隣接するＡｌ結晶粒６同士が互いに結合されると共に、それより下側の酸化されていないＡｌ層８を完全に被覆する。このような電極膜構造によって、交差指電極４ａ、４ｂはその機械的強度が増し、動作時にＳＡＷの振動や電極抵抗の発熱によるＡｌ結晶粒６の分離を抑制できるので、ストレスマイグレーションの発生を防止することができる。更に、Ａｌ₂Ｏ₃７の形成によって、隣接するＡｌ結晶粒６の隙間が充填されるので、前記交差指電極の表面が平滑になる。

図３は、陽極酸化処理を行うための装置の構成を概略的に示している。圧電体ウエハ９が、そのターミナル１０をクリップ１１で保持して、酸化液１２を入れた電解槽１３の中に浸漬される。ウエハ９の表面には、予め多数のＳＡＷ共振子の各電極が形成されているが、添付図面は説明を簡単にするために、共振子１個分の電極のみを示している。これらの電極は、ウエハ９表面全体に蒸着法やスパッタ法を用いて形成したＡｌ電極膜を、フォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより形成する。これに加えて、ウエハ９表面には、ターミナル１０及びこれを各ＩＤＴ２及び反射器３と導通するための接続線１４を形成する。

クリップ１１は直流電源１５の陽極（＋）に接続され、その陰極（−）は電流計１６を介して電解槽１３の酸化液１２中に浸漬した陰極電極板１７に接続される。直流電源１５から所定の電圧を印加すると、前記Ａｌ電極膜が酸化される。本実施例では、酸化液としては、リン酸二水素アンモニウムなどのリン酸塩やホウ酸塩の水溶液を使用するが、クエン酸塩やアジピン酸塩などのほぼ中性の塩の水溶液を用いることができる。また、直流電源１５は、出力する電圧の調整手段を有する。

ここで、陽極酸化処理条件即ち印加電圧と印加時間とを設定する。直流電源１５から印加する陽極酸化電圧は、例えば事前の試験結果などから、図４（Ａ）に例示するような電圧印加時間Ｔ（秒）と電流値Ｉ（μＡ）との関係を求め、これを参考にして設定する。十分な酸化が得られる印加時間は、例えば図４（Ｂ）に示すような電圧Ｖと酸化膜厚ｔとの関係を求め、これを参考にして設定する。

このように設定した印加電圧及び印加時間で直流電源１５から電流を流すと、ＩＤＴ２及び反射器３のＡｌ電極膜が陽極酸化され、その表面から或る深さまでＡｌ₂Ｏ₃が形成される。Ａｌ₂Ｏ₃が形成される前記電極膜表面からの厚さは、例えばネットワークアナライザを使用し、印加電流及び電圧をモニタして印加電力及び印加時間を調整することによって制御する。

最後にウエハ９を所定の切断線に沿ってダイシングすると、本実施例のＳＡＷ共振子が得られる。このＳＡＷ共振子を所定のパッケージに実装して封止すると、所望のＳＡＷ共振器が完成する。

本実施例に従って、リチウムタンタレートの圧電基板１上にＡｌ電極膜のＩＤＴ２及び反射器３を形成した発振周波数３１５ＭＨｚのＳＡＷ共振子を製造し、耐電力試験を行った。その結果を電力印加時間に関する周波数変動量（ΔＦ）として図５に示す。同図中、符号１８は、本発明の陽極酸化処理を前記Ａｌ電極膜に行った場合の試験結果を示している。比較例として、符号１９は、電極膜をＡｌ合金で形成しかつ陽極酸化処理を行わなかった場合を、符号２０は、電極膜をＡｌで形成しかつ陽極酸化処理を行わなかった場合をそれぞれ示している。この試験結果から、本発明を適用することにより高い耐電力性が得られ、マイグレーションを有効に防止できることが分かる。

以上、本発明の好適実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において上記各実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。例えば、上記実施例では、リチウムタンタレートの圧電基板及びその上に２つのＩＤＴ及び反射器を有するＳＡＷ共振子について説明したが、リチウムタンタレート以外の圧電材料からなる圧電基板、及び、ＩＤＴの数が異なるものや反射器を備えていないものなど、上記実施例以外の様々な構成を有するＳＡＷ装置のＡｌ電極についても、同様に適用することができる。

（Ａ）図は本発明を適用したＳＡＷ共振子の実施例を示す平面図、（Ｂ）図はその側面図。 （Ａ）及び（Ｂ）図はそれぞれ交差指電極の陽極酸化処理の前後におけるＡｌ結晶粒の状態を模式的に示す説明図。 本実施例に使用する陽極酸化装置の構成図。 （Ａ）及び（Ｂ）図はそれぞれ陽極酸化の時間及び電圧条件を設定するための参考データを示す線図。 本実施例のＳＡＷ共振子に対する耐電力試験の結果を示す線図。 （Ａ）及び（Ｂ）図はそれぞれ水晶及びリチウムタンタレートからなる圧電基板に成膜したＡｌ電極の表面状態を示す顕微鏡写真。

符号の説明

１…圧電基板、２…ＩＤＴ、３…反射器、４ａ，４ｂ…交差指電極、５ａ，５ｂ…接続ランド、６…結晶粒、７…Ａｌ₂Ｏ₃、８…Ａｌ層、９…ウエハ、１０…ターミナル、１１…クリップ、１２…酸化液、１３…電解槽、１４…接続線、１５…直流電源、１６…電流計、１７…陰極電極板、１８，１９，２０…符号。

Claims (4)

1. 圧電基板と、前記圧電基板上に形成されて弾性表面波を励振するＡｌ電極膜とを備え、前記Ａｌ電極膜の表面から或る深さまで、前記Ａｌ電極膜の隣接するＡｌ結晶粒がその酸化物により結合されていることを特徴とする弾性表面波装置。
2. 前記酸化物が前記Ａｌ電極膜の陽極酸化による形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波装置。
3. 前記圧電基板がリチウムタンタレートであることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性表面波装置。
4. 圧電基板上に弾性表面波を励振するＡｌ電極膜を形成し、前記Ａｌ電極膜を、その表面から或る深さまで前記Ａｌ電極膜の隣接するＡｌ結晶粒がその酸化物により結合されるように制御しながら、陽極酸化処理する過程を含むことを特徴とする弾性表面波装置の製造方法。