JP2006279874A

JP2006279874A - 弾性波素子及び電子機器

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Publication number: JP2006279874A
Application number: JP2005099817A
Authority: JP
Inventors: Hideyasu Kono; 秀逸河野
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-03-30
Filing date: 2005-03-30
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】弾性表面波デバイスにおける電極の劣化を抑制する技術を提供すること。
【解決手段】一面側に圧電体膜(12)を有する基板(10)と、上記圧電体膜の上側に設けられる弾性波発生用の電極(14)と、上記圧電体膜を構成する材料の熱膨張率と略等しい熱膨張率を有する材料からなり、上記電極を覆うようにして上記基板の一面側に形成される被膜(16)と、上記被膜の上側に形成される保護膜(18)と、を備える弾性波素子である。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性表面波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Wave）を利用したデバイスに関する。

弾性表面波デバイス（ＳＡＷデバイス）とは、圧電材料を利用し、高周波信号を弾性表面波に変換し、再度高周波信号に変換する過程において特定の周波数が選び出される現象を利用した素子である。このようなＳＡＷデバイスは、通信機器、センサ、タッチパネル等の種々の分野で利用されており、特に携帯電話に代表される移動体通信の分野においては必須といってよい存在となっている。一般的なＳＡＷデバイスは、圧電材料の表面に櫛歯形状の電極が設けられ、この櫛歯型電極（ＩＤＴ）に電気信号を入力することによって圧電材料の表面に弾性表面波を励起させ、又は弾性表面波を櫛歯電極によって電気信号に変換して取り出すように構成されている。また、特開平５−９０８６４号公報（特許文献１）には、圧電材料及び櫛歯型電極の上側にＳｉＯ₂等からなる保護膜を設けることにより信頼性を高めたＳＡＷデバイスが開示されている。

しかし、上述したような従来のＳＡＷデバイスでは、櫛歯型電極が互いに異なる材料である圧電材料と保護膜によって上下に挟まれる構造となるので、動作時に櫛歯型電極の上面と下面にかかる力が異なり、その差によって櫛歯型電極に不均一な応力が働く。そして、不均一な応力により櫛歯型電極の内部に応力集中が発生して櫛歯型電極の劣化が進み、経時的な発振周波数の変動や挿入損失の動作を招く要因となる。その一方で、ＳＡＷデバイスの耐久性を向上させることは重要な技術的課題の一つであり、上記のような保護膜は当該課題の解決に必要なものである。したがって、これらの技術的要望を満たしつつ、ＳＡＷデバイスにおける電極の劣化を抑制することを可能にする技術が望まれている。

特開平５−９０８６４号公報

そこで、本発明は、弾性波デバイスにおける電極の劣化を抑制する技術を提供することを目的とする。

第１の態様の本発明は、一面側に圧電体膜を有する基板と、上記圧電体膜の上側に設けられる弾性波発生用の電極と、上記圧電体膜を構成する材料の熱膨張率と略等しい熱膨張率を有する材料からなり、上記電極を覆うようにして上記基板の一面側に形成される被膜と、上記被膜の上側に形成される保護膜と、を備える、弾性波素子である。

かかる構成によれば、弾性波発生用の電極（櫛歯型電極等）の下側に配置される圧電体膜と上側に配置される被膜との熱膨張率がほぼ等しいので、弾性波素子の動作時に電極に対して不均一な応力が働くことを抑制することができる。したがって、弾性波デバイスにおける電極の劣化を抑制することが可能となる。

好ましくは、上記圧電体膜の構成材料と上記被膜の構成材料とが同一である。

これにより、熱膨張率がほぼ等しい構成材料からなる圧電体膜と皮膜の組み合わせを容易に実現することができる。

好ましくは、上記圧電体膜及び上記被膜の構成材料がタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、水晶、チタン酸ジルコン酸鉛、酸化亜鉛、窒化アルミニウムのいずれかである。

これらの構成材料を選択することにより、本発明に好適な圧電体膜及び被膜が得られる。

好ましくは、上記被膜の膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。

このような薄い膜厚の被膜によっても応力緩和の効果が得られる。成膜に要する材料コスト、時間等を低減できる利点がある。

第２の態様の本発明は、圧電体からなる基板と、上記基板の一面側に設けられる弾性波発生用の電極と、上記基板を構成する材料の熱膨張率と略等しい熱膨張率を有する材料からなり、上記電極を覆うようにして上記基板の一面側に形成される被膜と、上記被膜の上側に形成される保護膜と、を備える弾性波素子である。

かかる構成によれば、弾性波発生用の電極（櫛歯型電極等）の下側に配置される基板と上側に配置される被膜との熱膨張率がほぼ等しいので、弾性波素子の動作時に電極に対して不均一な応力が働くことを抑制することができる。したがって、弾性波デバイスにおける電極の劣化を抑制することが可能となる。

好ましくは、上記基板の構成材料と上記被膜の構成材料とが同一である。

これにより、熱膨張率がほぼ等しい構成材料からなる基板（圧電体基板）と皮膜の組み合わせを容易に実現することができる。

好ましくは、上記基板及び上記被膜の構成材料がタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、水晶、窒化ガリウムのいずれかである。

これらの構成材料を選択することにより、本発明に好適な基板及び被膜が得られる。

第３の態様の本発明は、上述した第１又は第２の態様の本発明にかかる弾性波素子を備える電子機器である。ここで「電子機器」とは、電子回路等を用いて一定の機能を実現する機器一般をいい、その構成には特に限定がないが、例えば、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（携帯型情報端末）、電子手帳など各種機器が挙げられる。

これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、第１の実施形態の弾性波素子の構造を説明する断面図である。図１に示す弾性波素子は、基板１０、圧電体膜１２、櫛歯型電極１４、被膜１６、保護膜１８、電極パッド２０を含んで構成されている。

基板１０は、各要素を支持するものであり、本実施形態では面方位（１００）のシリコン基板が用いられている。

圧電体膜１２は、構成材料として酸化亜鉛を用い、基板１０の一面側に形成されている。なお、この圧電体膜１２は、圧電性を有する構成材料であれば酸化亜鉛以外のものを用いて成膜されていてもよい。かかる構成材料としては、例えば、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、水晶、チタン酸ジルコン酸鉛、酸化亜鉛、窒化アルミニウムなどが挙げられる。

櫛歯型電極１４は、櫛歯状の平面形状を有する弾性波発生用の電極であり、アルミニウム等の導電性材料を用いて圧電体膜１２の上側に設けられている。

被膜１６は、圧電体膜１２を構成する材料の熱膨張率と略等しい熱膨張率を有する材料からなり、櫛歯型電極１４の全体を覆うようにして基板１０の一面側に形成されている。ここで、被膜１６の構成材料としては、圧電体膜１２の構成材料と同等の熱膨張率を有するものであれば如何なるものも採用し得るが、特に、圧電体膜１２の構成材料と同一の構成材料を用いることが好ましい。これにより、所望の条件を満たす被膜１６を容易に得ることができる。また、被膜１６の膜厚は１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であることが好ましい。

保護膜１８は、構成材料としてＳｉＯ₂などの絶縁物を用い、被膜１６の上側に形成されており、圧電体膜１２や櫛歯型電極１４などを外界から保護する機能を担う。

電極パッド２０は、櫛歯型電極１４と外部との電気的接続を図るためのものであり、アルミニウム等の導電性材料を用いて形成されている。より詳細には、図１に示すように、電極パッド２０は、被膜１６及び保護膜１８を貫通し、櫛歯型電極１４の一部（配線部分）と接するように設けられている。

図２は、第２の実施形態の弾性波素子の構造を説明する断面図である。図２に示す弾性波素子は、基本的に上述した第１の実施形態の弾性波素子と同様な構成を有するので、両者に共通する構成要素については同符号を付すとともにそれらの詳細な説明については省略する。

上述した第１の実施形態の弾性波素子では、一面側に圧電体膜１２を有する基板１０が用いられていたが、これらに替えて第２の実施形態の弾性波素子では圧電体からなる基板１０ａが用いられている。ここで、基板１０ａを構成する材料は圧電体であれば如何なるものを採用することが可能であり、例えば、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、水晶、窒化ガリウムなどを採用し得る。また、この場合における被膜１６の構成材料は、基本的には基板１０ａの構成材料と同等の熱膨張率を有するものであれば如何なるものも採用し得るが、特に、基板１０ａの構成材料と同一の構成材料を用いることが好ましい。

第１及び第２の実施形態にかかる各弾性波素子はこのような構成を有しており、次に当該弾性波素子の製造方法について説明する。なお、各実施形態の弾性波素子はほぼ同様な製造方法によって製造することができるため、以下の説明では、第１の実施形態の弾性波素子の製造方法について説明し、第２の弾性波素子については説明を省略する。

図３は、弾性波素子の製造方法を説明する工程図である。

まず、図３（Ａ）に示すように、面方位（１００）のシリコン基板からなる基板１０を用意し、当該基板１０の上側に酸化亜鉛からなる圧電体膜１２を形成する。本実施形態ではこの圧電体膜１２として、ＲＦスパッタリング法などの成膜方法を用いて４００ｎｍ程度の膜厚の酸化亜鉛膜を成膜する。

次に、図３（Ｂ）に示すように、圧電体膜１２の上側に櫛歯型電極１４を形成する。本実施形態では、スパッタリング法などの成膜方法によって圧電体膜１２の上側に１００ｎｍ程度の膜厚のアルミニウム膜を成膜し、その後フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて当該アルミニウム膜を所定形状にパターニングすることによって櫛歯型電極１４を形成する。またこのとき、櫛歯型電極１４と一体にして配線も形成する。この配線は、電極パッド２０と櫛歯型電極１４とを電気的に接続するためのものである。

次に、図３（Ｃ）に示すように、櫛歯型電極１４の全体を覆うようにして、基板１０の上側に被膜１６を形成する。本実施形態ではこの被膜１６として、ＲＦスパッタリング法などの成膜方法によって１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度の薄い膜厚の酸化亜鉛膜を成膜する。なお、本工程における酸化亜鉛膜の成膜条件は、必ずしも基板１０の上側に圧電体膜１２として形成される酸化亜鉛膜の成膜条件と同じでなくともよい。

次に、図３（Ｄ）に示すように、被膜１６の上側に保護膜１８を形成する。本実施実施形態ではこの保護膜１８として、ＣＶＤ法などの成膜方法によってＳｉＯ₂などの無機絶縁物からなる膜を成膜する。その後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、被膜１６及び保護膜１８を貫通する開口を設ける。そして、当該開口を埋めるようにスパッタリング法などの成膜方法によって保護膜１８の上側に４００ｎｍ程度の膜厚のアルミニウム膜を成膜し、当該アルミニウム膜をフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によってパターニングすることにより、電極パッド２０を形成する。

なお、第２の実施形態にかかる弾性波素子を形成する場合には、上述した図３（Ａ）に示した工程が圧電性を有する基板１０ａを用意する工程に変更される以外は、上記と同様の製造方法を適用できる。

次に、より詳細な実施例について説明する。

図４は、実施例の弾性波素子の構成を説明する平面図である。なお、図４に示す弾性波素子の断面構造は上述した図１に示したものを同様であり、各要素の材質や膜厚等の製造条件も上述した通りである。図４に示す実施例の弾性波素子は、基板のほぼ中央に２組の櫛歯型電極１１４を有し、これらの櫛歯型電極１１４に対して電極パッド１２０を介して外部から信号入力を行えるように構成されている。櫛歯型電極１１４は、各櫛歯の幅が約２μｍ、櫛歯間の間隔が約２μｍ、各櫛歯の長さが約５０μｍという寸法で形成されている。

図５は、実施例の弾性波素子の周波数特性の経時変化を説明するグラフである。図５では、横軸を規格化された電力印加時間、縦軸を周波数変動幅（ＰＰＭ）として、弾性波素子に電力を継続的に投入したときの周波数変動の様子が示されている。なお、図５では、本実施例に対する比較対象として、被膜１６を設けない点以外は同一条件にて作成した比較例の弾性波素子の特性についても併せて示されている。また、各弾性波素子に対して投入された電力は１０Ｗである。図５から分かるように、実施例の弾性波素子は比較例の弾性波素子に比べて、同じ電力印加時間が経過したときにおける周波数変動幅が小さくなっている。この結果から、実施例の弾性波素子の方が比較例の弾性波素子に比べて櫛歯型電極１４に断線や浮きなどの劣化が生じるまでの時間が長くなったこと、すなわち耐久性が向上したことが分かる。

このように本実施形態によれば、弾性波発生用の櫛歯型電極１４の下側に配置される圧電体膜１２（又は基板１０ａ）と上側に配置される被膜１６との熱膨張率がほぼ等しいので、弾性波素子の動作時に櫛歯型電極１４に対して不均一な応力が働くことを抑制することができる。したがって、弾性波デバイスにおける電極の劣化を抑制することが可能となる。

上述した本実施形態にかかる弾性波素子は、各種の電子機器に適用することができ、得られる電子機器は、信頼性の高いものとなる。次に、本実施形態にかかる弾性波素子を備える電子機器の例について説明する。

図６は、弾性波素子を備える電子機器の一例を示す斜視図である。図６では電子機器の一例としてパーソナルコンピュータが示されている。図６に示すノート型のパーソナルコンピュータ１００は、キーボード１０１を有する本体部１０２と、表示パネル１０３とを備えて構成されている。本実施形態にかかる弾性波素子は、フィルター、共振器、基準クロック等の構成要素としてパーソナルコンピュータ１００の本体部１０２の内部に含まれて用いられる。なお、本実施形態にかかる弾性波素子は、上記のパーソナルコンピュータ以外にも、携帯電話機を始めとしてカーナビゲーション装置、電子手帳、電子ゲーム機器など種々の電子機器に用いることが可能である。

なお、本発明は上述した各実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では弾性波素子の構成要素である電極の一例として櫛歯型電極を用いた場合について説明したが、電極の形状はこれに限定されるものではなく、他の形状（例えば、円形など）であってもよい。

第１の実施形態の弾性波素子の構造を説明する断面図である。第２の実施形態の弾性波素子の構造を説明する断面図である。弾性波素子の製造方法を説明する工程図である。実施例の弾性波素子の構成を説明する平面図である。実施例の弾性波素子の周波数特性の経時変化を説明するグラフである。弾性波素子を備える電子機器の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１…弾性波素子、１０…基板、１２…圧電体膜、１４…櫛歯型電極、１６…被膜、１８…保護膜、２０…電極パッド

Claims

一面側に圧電体膜を有する基板と、
前記圧電体膜の上側に設けられる弾性波発生用の電極と、
前記圧電体膜を構成する材料の熱膨張率と略等しい熱膨張率を有する材料からなり、前記電極を覆うようにして前記基板の一面側に形成される被膜と、
前記被膜の上側に形成される保護膜と、
を備える、弾性波素子。
前記圧電体膜の構成材料と前記被膜の構成材料とが同一である、請求項１に記載の弾性波素子。
前記圧電体膜及び前記被膜の構成材料がタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、水晶、チタン酸ジルコン酸鉛、酸化亜鉛、窒化アルミニウムのいずれかである、請求項２に記載の弾性波素子。
前記被膜の膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である、請求項１に記載の弾性波素子。
圧電体からなる基板と、
前記基板の一面側に設けられる弾性波発生用の電極と、
前記基板を構成する材料の熱膨張率と略等しい熱膨張率を有する材料からなり、前記電極を覆うようにして前記基板の一面側に形成される被膜と、
前記被膜の上側に形成される保護膜と、
を備える、弾性波素子。
前記基板の構成材料と前記被膜の構成材料とが同一である、請求項５に記載の弾性波素子。
前記基板及び前記被膜の構成材料がタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、水晶、窒化ガリウムのいずれかである、請求項６に記載の弾性波素子。
前記被膜の膜厚が１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である、請求項５に記載の弾性波素子。
請求項１乃至８のいずれかに記載の弾性波素子を備える電子機器。