JP2011109306A - 弾性表面波素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐電力性の高い弾性表面波素子を提供することを目的とする。
【解決手段】
本発明に係る弾性表面波素子１は、ＬｉＮｂＯ3またはＬｉＴａＯ3の単結晶からなる圧電基板２と、前記圧電基板上に形成され、Ｔｉ及びＣｒの少なくとも一方を主成分とする下地電極層５と、下地電極層５上に形成され、Ａｌを主成分とし、エピタキシャル成長した配向膜であるとともに、ＸＲＤ極点図により６回対称スポットが現れる双晶構造を有し、平均粒径が６０ｎｍ以下であるＡｌ電極層４と、を備えることを特徴としている。
【選択図】 図１
【解決手段】
本発明に係る弾性表面波素子１は、ＬｉＮｂＯ3またはＬｉＴａＯ3の単結晶からなる圧電基板２と、前記圧電基板上に形成され、Ｔｉ及びＣｒの少なくとも一方を主成分とする下地電極層５と、下地電極層５上に形成され、Ａｌを主成分とし、エピタキシャル成長した配向膜であるとともに、ＸＲＤ極点図により６回対称スポットが現れる双晶構造を有し、平均粒径が６０ｎｍ以下であるＡｌ電極層４と、を備えることを特徴としている。
【選択図】 図１
Description
本発明は、弾性表面波素子に関する。特に、Ａｌを主成分とし、双晶構造を有するＡｌ電極層を備える弾性表面波素子に関する。
弾性表面波素子は、周知のように、機械的振動エネルギーが伝搬する弾性表面波を利用した電子部品である。一般に、圧電基板と、圧電基板上に形成された信号を印加しまたは取り出すためのＩＤＴ電極を備えている。
ＩＤＴ電極の電極材料としては、電気抵抗率が小さく、比重の小さいＡｌ又はＡｌ系合金を用いるのが一般的である。しかし、Ａｌは耐電力性が低く、大きな電力を印加すると、電極にヒロックやボイドが発生する。そして、電極が短絡または断線して、弾性表面波素子が破壊に至ることがある。
上述した問題の解決を図るため、特許文献１には、Ａｌを双晶構造でエピタキシャル成長させることによって結晶方位を一定方向に配位させて、耐電力性を向上させる弾性表面波素子が記載されている。また、特許文献２には、Ａｌを主成分とする電極膜において、結晶粒径の標準偏差や膜厚に対する比を規定することで、耐電力性を向上させる弾性表面波素子が開示されている。
しかしながら、特許文献１、２に記載の従来技術では、高周波用途や大電力用途の場合には耐電力性が不十分であるという問題があった。
本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであり、耐電力性の高い弾性表面波素子を提供することを目的とする。
本発明者は鋭意研究の結果、Ａｌ電極層の結晶の平均粒径が６０ｎｍ以下の場合に、弾性表面波素子の耐電力時間が飛躍的に向上することを見出した。本発明に係る弾性表面波素子は、ＬｉＮｂＯ3またはＬｉＴａＯ3の単結晶からなる圧電基板と、前記圧電基板上に形成され、Ｔｉ及びＣｒの少なくとも一方を主成分とする下地電極層と、前記下地電極層上に形成され、Ａｌを主成分とし、エピタキシャル成長した配向膜であるとともに、ＸＲＤ極点図により６回対称スポットが現れる双晶構造を有し、平均粒径が６０ｎｍ以下であるＡｌ電極層と、を備えることを特徴としている。
また、本発明に係る弾性表面波素子は、前記平均粒径が０．２８６４ｎｍ以上であることが好ましい。
また、本発明に係る弾性表面波素子は、前記平均粒径が４２〜５８ｎｍであることが好ましい。
本発明のように、Ａｌ電極層の結晶の平均粒径が６０ｎｍ以下の場合には、粒界のほとんどが原子レベルの幅の双晶粒界と考えられ、膜の活性化エネルギーはバルクの活性化エネルギーに近くなり、耐電力性が飛躍的に向上すると考えられる。したがって、本発明の構成によれば、耐電力性の高い弾性表面波素子を提供することが可能である。
以下において、本発明を実施するための形態について説明する。
図１は、本発明に係る弾性表面波素子１の一部を示す要部断面図であり、圧電基板２の上に電極３が形成された部分を示している。
圧電基板２は、ＬｉＴａＯ3またはＬｉＮｂＯ3の単結晶から構成される。電極３はＡｌ電極層４と下地電極層５とを備えている。圧電基板２上には下地電極層５が設けられている。下地電極層５は、圧電基板２とＡｌ電極層４との密着性を向上させるために設けられる。下地電極層５は、例えばＴｉおよびＣｒの少なくとも一方を主成分としている。そして、下地電極層５上にはＡｌ電極層４が設けられている。Ａｌ電極層４は、ＡｌまたはＡｌ系合金のようにＡｌを主成分としている。
このような弾性表面波素子１は、以下のような工程で製造することができる。まず、圧電基板２を用意する。そして、圧電基板２上に、下地電極層５を真空蒸着法等で形成する。次いで、下地電極層５上に、Ａｌ電極層４を真空蒸着法等で形成する。さらに、電極３をＩＤＴ電極の形状とするようにフォトリソグラフィおよびドライエッチングを適用する。
圧電基板２の表面には、研磨等による厚さ数ｎｍの加工変質層が形成され、この加工変質層がエピタキシャル成長を阻害してしまうことがある。そのため、下地電極層５を形成する工程の前に、この加工変質層を除去し、圧電基板２の表面に結晶面を露出させる工程を備えても良い。この工程により、圧電基板２の表面に、エピタキシャル成長が可能な結晶面をより確実に露出させることができる。
上述した下地電極層５およびＡｌ電極層４の形成においては、まず成膜温度１５０℃以上、成膜速度０．５ｎｍ／秒以下の条件で、下地電極層５を加熱成膜する。下地電極層５の加熱成膜により、結晶成長に必要なエネルギーが供給され、下地電極層５を圧電基板２の結晶配列を反映した配向膜とすることができる。次に、成膜温度７５℃以下、成膜速度３．５ｎｍ／秒以下の条件で、Ａｌ電極層４を低温成膜によって形成する。これにより、Ａｌ電極層４を、双晶構造を有し、エピタキシャル成長した配向膜とすることができる。
なお、下地電極層５の加熱成膜では、成膜温度が高いほど下地電極層５の結晶性が良好になる。一方、成膜温度を高くし過ぎると、焦電性に起因した圧電基板２の割れが生じる恐れがある。そのため、実用的には下地電極層５の成膜温度は３００℃以下とするのが良い。
また、Ａｌ電極層４の成膜温度が０℃未満の場合には、冷却機構が特殊なものとなるため、コストアップの要因となる。したがって、実用的にはＡｌ電極層４の成膜温度は０℃以上とするのが良い。
Ａｌ電極層４の結晶粒径は、成膜温度並びに成膜速度で決定される。すなわち、Ａｌ電極層の成膜温度を低温で形成するほど、結晶粒径は小さくなる。また、下地電極層５の成膜速度を０．５ｎｍ／秒以下、Ａｌ電極層４の成膜速度を３．５ｎｍ／秒以下で形成する場合に、膜の結晶性が向上して緻密な膜を形成することが可能となる。したがって、成膜温度と成膜速度の二つの条件を最適化して初めて、耐電力性を向上させることができる。
双晶構造とは、ＸＲＤ極点図により６回対称スポットが現れる構造をいう。図２に、本発明に係るＡｌ電極層のＸＲＤ極点図の例を示す。図２の（ａ）はＸＲＤの極点図であり、図２の（ｂ）はその模式図である。図２は、Ａｌの（２００）面からの反射をとったものである。図２のように、Ａｌの（２００）面からの反射信号の検出点が６回対称を示すことから、Ａｌの結晶が１８０°回転したような２種の結晶方位を持つ双晶構造であることが分かる。
また、下地電極層の形成の途中で温度を７５℃以下に変更して下地電極層を続けて形成し、Ａｌ電極層の形成温度は下地電極層と変えずにそのまま形成しても良い。この場合には、下地電極層とＡｌ電極層との界面に、温度変更時に酸化層が形成される恐れがないため、Ａｌ電極層の結晶性がより向上する。
Ａｌ電極層４の結晶の平均粒径が６０ｎｍ以下の場合に、弾性表面波素子の耐電力時間が飛躍的に向上する理由は、以下のようなメカニズムと考えられる。すなわち、結晶の平均粒径が６０ｎｍ以下の場合には、Ａｌ電極層の形成時に小さい結晶粒が緻密に成長しており、粒界のほとんどが原子レベルの幅の双晶粒界と考えられる。かかる場合の膜の活性化エネルギーはバルクの活性化エネルギー（１００℃で１３５．１ｋＪ／ｍｏｌ）に近くなり、耐電力性が飛躍的に向上すると考えられる。また、双晶構造が数多く存在する場合には、塑性変形が起こりにくくなる。塑性変形の起こりにくさは、ストレスマイグレーションによる電極破壊の起こりにくさにもつながり、耐電力性が向上すると考えられる。
一方、結晶の平均粒径が６０ｎｍよりも大きな結晶粒には、原子レベルの双晶粒界の他に、一般的な粒界も含まれることとなる。かかる場合の膜の活性化エネルギーは結晶粒界の活性化エネルギー（１００℃で３８．６ｋＪ／ｍｏｌ）が支配的となる。したがって、活性化エネルギーが低下し、耐電力性が低下すると考えられる。
また、Ａｌ電極層の結晶の平均粒径を、Ａｌの最小原子間隔である０．２８６４ｎｍとなるように形成した場合には、バルクの状態になり、耐電力性が一番向上すると考えられる。一方、平均粒径が０．２８６４ｎｍより小さくなることは理論上困難であるため、平均粒径は０．２８６４ｎｍ以上が好ましい。
（実験例）
実験例では、図１に示した構造を有する弾性表面波素子の弾性表面波フィルタを作製した。電極形成時の温度を２段階として、Ａｌ電極層の結晶の平均粒径を変化させた実験例１〜３および比較例１〜７の弾性表面波フィルタを作製した。
実験例では、図１に示した構造を有する弾性表面波素子の弾性表面波フィルタを作製した。電極形成時の温度を２段階として、Ａｌ電極層の結晶の平均粒径を変化させた実験例１〜３および比較例１〜７の弾性表面波フィルタを作製した。
まず、４２°ＹカットのＬｉＴａＯ3単結晶からなる圧電基板２を用意した。
次に、圧電基板上に、電子ビーム真空蒸着法により、Ｔｉからなる下地電極層を、１段目温度で厚さ１０ｎｍになるまで形成した。その後、真空中で２段目温度になるまで冷却した。その後、２段目温度で下地電極層を１０ｎｍ形成した。その後、温度を変えずにＡｌ電極層を１２０ｎｍ形成した。この時のＴｉの成膜速度は０．１ｎｍ／秒、Ａｌの成膜速度は２．０ｎｍ／秒とした。そして、フォトリソグラフィおよびドライエッチングにより、ＩＤＴ電極を形成した。
圧電基板上には、外部の配線基板と電気的導通をとるための接続パッドと、Ａｌ電極層と接続パッドとを接続する配線パターンを形成した。配線パターンは、圧電基板側にＴｉ層（厚さ２００ｎｍ）を形成し、そのＴｉ層上にＡｌ層（厚さ１１４０ｎｍ）を配した。接続パッドおよび配線パターンは、電極と同じく真空蒸着法で形成した。
表１に、１段目温度と２段目温度を変えた実験例の平均粒径と耐電力時間を示す。
図３に平均粒径を算出した観察像の例を示す。図中の線は、粒界の位置を示す。平均粒径は、下記のように測定した。まず、ＩＤＴ電極形成後に、圧電基板の主面と平行にＩＤＴ電極をスライスした。そして、走査型透過電子顕微鏡を用いて倍率５万倍の観察像を得た。その観察像にＩＤＴ電極と平行に１８００ｎｍの長さの直線を任意に引き、その直線と交差する粒界の数をカウントした。そして、下記の式（Ａ）より平均粒径を算出した。
平均粒径＝直線長さ÷粒界数 （Ａ）
また、耐電力時間は下記のように算出した。得られた弾性表面波フィルタについて、投入電力０．８Ｗ、実測温度１２０℃の条件下で寿命測定を行なった。そしてその測定寿命から、仕様における要求電力０．５Ｗ、仕様要求温度８５℃の条件下に換算した耐電力時間を算出した。
また、耐電力時間は下記のように算出した。得られた弾性表面波フィルタについて、投入電力０．８Ｗ、実測温度１２０℃の条件下で寿命測定を行なった。そしてその測定寿命から、仕様における要求電力０．５Ｗ、仕様要求温度８５℃の条件下に換算した耐電力時間を算出した。
１段目温度が１５０℃以上で、２段目温度が７５℃以下である実験例１〜３では、平均粒径は４２〜５８μｍとなり、耐電力時間も１５０００時間以上となった。一方、１段目温度が１５０℃未満である比較例１〜５、７では、平均粒径が６２〜１０９μｍとなり、耐電力時間は５０００時間未満となった。また、１段目温度は１５５℃であるが２段目温度が１０５℃である比較例６では、耐電力時間が６１５４時間となり、実験例１〜３に比べて耐電力性が低下する結果となった。
図４に、実験例１のＡｌ電極層の走査型透過電子顕微鏡の観察像を示す。小さい結晶粒が緻密に成長し、粒界の見え方が不明瞭であることが分かる。このようなＡｌ電極層を形成した場合に、耐電力性を向上させることが可能である。
１ 弾性表面波素子
２ 圧電基板
３ 電極
４ Ａｌ電極層
５ 下地電極層
２ 圧電基板
３ 電極
４ Ａｌ電極層
５ 下地電極層
Claims (3)
- ＬｉＮｂＯ3またはＬｉＴａＯ3の単結晶からなる圧電基板と、
前記圧電基板上に形成され、Ｔｉ及びＣｒの少なくとも一方を主成分とする下地電極層と、
前記下地電極層上に形成され、Ａｌを主成分とし、エピタキシャル成長した配向膜であるとともに、ＸＲＤ極点図により６回対称スポットが現れる双晶構造を有し、平均粒径が６０ｎｍ以下であるＡｌ電極層と、を備える弾性表面波素子。 - 前記平均粒径が０．２８６４ｎｍ以上である、弾性表面波素子。
- 前記平均粒径が４２〜５８ｎｍである、弾性表面波素子。
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