JP2011135245A

JP2011135245A - 弾性波デバイスとこれを用いた電子機器、及び弾性波デバイスの製造方法

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Publication number: JP2011135245A
Application number: JP2009291717A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Nishimura; 和紀西村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-12-24
Filing date: 2009-12-24
Publication date: 2011-07-07

Abstract

【課題】弾性表面波デバイスや境界波デバイスに用いられる弾性波デバイスにおいて、ブレークダウンモードの発生を抑制出来る弾性波デバイスの提供。
【解決手段】弾性波デバイス１は、圧電体２と、圧電体２の上に設けられ、銅を含むＩＤＴ電極３とを備え、圧電体２の材料はストイキオメトリ組成のタンタル酸リチウム系またはニオブ酸リチウム系である。これにより、コングルエント組成の圧電体と比較して上記空隙が減少する。その結果、圧電体の結晶欠陥が減少する。従って、弾性波デバイスを製造するプロセス中の熱工程や高い電力の入力によって、ＩＤＴ電極を構成する銅が溶融し圧電体の結晶の中へ拡散するのを抑制し、ブレークダウンモードによる弾性波デバイスの破壊を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気特性が良好で小型化しても耐電力性に優れた弾性波デバイスと、これを用いた携帯電話などの電子機器に関するものである。

携帯電話用として弾性表面波デバイスや境界波デバイスなどの弾性波デバイスの需要が増大している。中でもＵＭＴＳ(ＵｎｉｖｅｒｓａｌＭｏｂｉｌｅＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＳｙｓｔｅｍ)を用いた携帯端末の増加により小型で電気性能の良好なデュプレクサなどのアンテナ共用器を弾性波デバイスで実現することが求められている。

例えば、弾性波デバイスで中心周波数２ＧＨｚ帯のフィルタではＩＤＴ（ＩｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）電極の電極指幅を約０．５μｍに形成する必要がある。このような微細な指幅を有するＩＤＴ電極に高い電力が入力されるとＩＤＴ電極は強い応力を受ける。この応力が、ＩＤＴ電極の限界応力を超えると、ストレスマイグレーションが発生しＩＤＴ電極の破壊に至る。このような問題を解決するため、特開平９−９８０４３号公報や特開平９−１９９９７６号公報において、圧電体からなる基板上に形成されたＩＤＴ電極に銅を用いることが記載されている。また、特開２００２−２６６８５号公報には圧電体からなる基板と銅電極の密着性を向上し、かつ銅電極の耐蝕性を向上する手段が記されている。

また、弾性表面波デバイスや境界波デバイスの周波数特性は圧電体からなる基板の組成に敏感で、組成が異なると圧電体からなる基板を伝わる音速が変化する。したがって、量産時の周波数バラツキを低減するために、従来の弾性表面波デバイスや境界波デバイスの圧電体からなる基板には、組成が安定して作成できるコングルエント組成（溶融一致組成）のタンタル酸リチウム系やニオブ酸リチウム系の圧電単結晶基板が使われてきた。

尚、この出願に関する先行技術文献として、例えば特許文献１、２、３が知られている。

特開平９−９８０４３号公報特開平９−１９９９７６号公報特開２００２−２６６８５号公報

しかし、弾性波デバイスの破壊モードとして、ストレスマイグレーションモードだけではなく、ＩＤＴ電極に高い電力が入力される瞬間に破壊されるブレークダウンモードが存在する。

コングルエント組成のタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムは、化学量論組成よりリチウムイオンが少ないため、リチウムが入るべきサイトに空隙ができ結晶欠陥が存在する。近年の弾性波デバイスの製造プロセスにおいて２００℃から３００℃になるような熱工程が増加する傾向にある。このようなプロセスを通じ、ＩＤＴ電極を構成している銅がコングルエント組成のタンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムの結晶欠陥の中に拡散する現象が発生する。この現象によって銅が拡散した圧電体は絶縁抵抗が低下し、ブレークダウンモードが生じ易い弾性波デバイスとなる。

そこで、本発明は、ブレークダウンモードの発生を抑制した弾性波デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に本発明の弾性波デバイスは、圧電体と、圧電体の上に設けられ、銅を含むＩＤＴ電極とを備え、圧電体はストイキオメトリ組成のタンタル酸リチウム系或はニオブ酸リチウム系であることを特徴とする。

上記構成のように圧電体としてストイキオメトリ組成を用いることによって、コングルエント組成の圧電体と比較して上記空隙が減少する。その結果、圧電体の結晶欠陥が減少する。従って、弾性波デバイスを製造するプロセス中の熱工程や高い電力の入力によって、ＩＤＴ電極を構成する銅が溶融し圧電体の結晶の中へ拡散するのを抑制し、ブレークダウンモードによる弾性波デバイスの破壊を防止することができる。

本発明の実施の形態１における弾性波デバイスの断面模式図本発明の実施の形態１における弾性波デバイスの断面模式図

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における弾性波デバイスについて図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施の形態１における弾性波デバイスの断面模式図である。

図１において、弾性波デバイス１は、圧電体２と、この上面に設けられて銅を含むＩＤＴ電極３とを有する。

このＩＤＴ電極３は、例えば主要波としてＳＨ（ＳｈｅａｒＨｏｒｉｚｏｎｔａｌ）波等の弾性波を励振する櫛形電極であり、銅からなる単体金属、若しくは銅を主成分とする合金、若しくは、アルミニウム、銀、金、チタン、タングステン、モリブデン、白金、又はクロム等の他の金属を主成分とし銅を含む合金、又はこれらの金属を積層させた構造である。

圧電体２は、ストイキオメトリ組成のタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）系またはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）系の圧電単結晶基板である。

ストイキオメトリ組成のタンタル酸リチウムはＬｉ₂Ｏのモル分率（Ｌｉ₂Ｏ／Ｔａ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）が０．４９５以上０．５０５以下の単結晶であり、Ｌｉ₂Ｏのモル分率（Ｌｉ₂Ｏ／Ｔａ₂Ｏ₅＋Ｌｉ₂Ｏ）が０．４８０以上０．４９０以下であるコングルエント組成のタンタル酸リチウムの圧電単結晶よりリチウムイオンの不足による空隙が少ない。

即ち、コングルエント組成の結晶において、リチウムイオンサイトの４％近くが結晶欠陥となっているのに対し、ストイキオメトリ組成の結晶では、リチウムイオンサイトの結晶欠陥密度は０．００１％以上２％以下である。このため、ストイキオメトリ組成またはこの組成に近いタンタル酸リチウム系またはニオブ酸リチウム系の基板を用いて圧電体２を形成することによって、弾性波デバイスの製造中の熱工程やＩＤＴ電極３へ高い電力を入力の際に発生するＩＤＴ電極３中の銅による圧電体２への拡散を抑制し、ブレークダウンモードによる弾性波デバイス１の破壊を防止することができる。

また、ストイキオメトリ組成の圧電体２は緻密であり、コングルエント組成の圧電体に比べ熱伝導性がタンタル酸リチウムで約１．７倍、ニオブ酸リチウムで約１．３倍高く、熱拡散性が良い。その結果、ストイキオメトリ組成の圧電体２は、素子内の温度均一性に非常に優れており、ＩＤＴ電極３に高い高周波電力が入力された際、ＩＤＴ電極３の温度上昇を抑制し弾性波デバイス１のストレスマイグレーションによる破壊を防止することができる。

以下、圧電体２としてタンタル酸リチウム基板を用いた場合を例にとり、従来のコングルエント組成のタンタル酸リチウム基板からストイキオメトリ組成のタンタル酸リチウム基板を製造する工程を記述する。

まず、Ｌｉ₂ＣＯ₃を熱分解したＬｉ₂ＯとＴａ₂Ｏ₅の粉末を混合した後、この混合物を仮焼することによりＬｉ₂ＯとＴａ₂Ｏ₅の比率が３：２となるリチウムリッチな混合体を得る。尚、この混合体は、Ｌｉ₂ＯとＴａ₂Ｏ₅の組成比率が３：２でなくとも、リチウムリッチな組成であれば良い。

次に、この混合体とコングルエント組成のタンタル酸リチウム基板をプラチナ製の坩堝に入れ、１３００℃以上１４００℃以下の温度で加熱処理を行う。このとき、上記混合体がリチウム供給源となり、気化したリチウムは、混合体からコングルエント組成のタンタル酸リチウム基板の空隙に拡散する。リチウムはリチウムイオンサイトの空隙が満たされるとそれ以上のリチウムが入り込むことはできない。その結果、ストイキオメトリ組成またはストイキオメトリ組成に近いタンタル酸リチウム基板を製造することができる。

上記の工程によって作製されたタンタル酸リチウム基板に対し分極処理、ラップ、ベリリング、鏡面研磨などの工程を施し、弾性波デバイス１の圧電体２を得る。

以上、タンタル酸リチウム基板についてストイキオメトリ組成の製造方法を記述したが、ニオブ酸リチウム基板の場合も同様の方法で原料Ｌｉ₂ＣＯ₃とＮｂ₂Ｏ₅の粉末を用いてリチウムリッチな混合体を作製し、この混合体をコングルエント組成のニオブ酸リチウム基板と反応させることでストイキオメトリ組成またはストイキオメトリ組成に近いニオブ酸リチウム基板を製造することができる。

尚、圧電体２に用いられるタンタル酸リチウムはキュリー温度が６０７℃であるため、本実施の形態のように１３００℃以上１４００℃以下の温度で加熱処理を行うと圧電性を失い常誘電体になる。従って、ストイキオメトリ組成のタンタル酸リチウムを作製する場合は上記加熱処理後に分極処理を行う必要がある。

一方、ニオブ酸リチウムはキュリー温度が１１３０℃から１１３５℃であるため、分極処理済みのコングルエント組成のニオブ酸リチウムを用いれば、ストイキオメトリ組成のニオブ酸リチウムの製造工程において、キュリー温度に近い温度（例えば１１２０℃）で処理しても圧電性を失わない。このように、圧電体２をニオブ酸リチウムで形成する場合は、上記加熱処理後に分極処理を行わなくとも加熱処理前に分極処理を行うことができる。これにより工数を削減できるというメリットがある。

また、図２に示すように弾性波デバイス１は、圧電体２の上にＩＤＴ電極３を覆うように積層された誘電体４を有しても良い。この誘電体４の材料としては、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）を用いる。この二酸化ケイ素は、タンタル酸リチウムやニオブ酸リチウムと逆の温度係数を持つため、周波数温度ドリフトの抑制されたデュプレクサやフィルタを得ることができる。また、この誘電体４の膜厚を主要波の波長λより厚くすることで、弾性波デバイス１は、主要波を圧電体２と誘電体４との境界部分に閉じ込めた境界波デバイスであっても良い。また、弾性波デバイス１は、上記のＳＡＷ(ＳｕｒｆａｃｅＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ)デバイスのみならず、ＦＢＡＲ（ＦｉｌｍＢｕｌｋＡｃｏｕｓｔｉｃＲｅｓｏｎａｔｏｒ）等のＢＡＷ（ＢｕｌｋＡｃｏｕｓｔｉｃＷａｖｅ）デバイスであっても良い。

尚、本実施の形態１の弾性波デバイス１を、ラダー型フィルタまたはＤＭＳ（ＤｏｕｂｌｅＭｏｄｅＳＡＷ）フィルタに適用することができる。さらに、弾性波デバイス１を、このフィルタと、フィルタに接続された半導体集積回路素子と、半導体集積回路素子に接続された再生装置とを備えた電子機器に適用しても良い。これにより、電子機器における通信品質劣化を防止することができるのである。

本発明の弾性波デバイスは、圧電体としてストイキオメトリ組成のタンタル酸リチウム系やニオブ酸リチウム系を用いることで、コングルエント組成の圧電体よりリチウムの欠陥による空隙が減少する。そのため、圧電体の結晶欠陥を低減することができ、ＩＤＴ電極を構成する銅が溶融して圧電体の結晶の中へ拡散するのを抑制する。結果、ブレークダウンモードによる弾性波デバイスの破壊を防止することができ、小型化しても耐電力性に優れているので携帯電話などの電子機器に幅広く用いられる。

１弾性波デバイス
２圧電体
３ＩＤＴ電極
４誘電体

Claims

圧電体と、
前記圧電体の上に設けられ、銅を含むＩＤＴ電極を備え、
前記圧電体は、ストイキオメトリ組成のタンタル酸リチウム系の圧電体である弾性波デバイス。
圧電体と、
前記圧電体の上に設けられ、銅を含むＩＤＴ電極を備え、
前記圧電体は、ストイキオメトリ組成のニオブ酸リチウム系の圧電体である弾性波デバイス。
前記圧電体の上に前記ＩＤＴ電極を覆うように誘電体膜を形成した請求項１または請求項２に記載の弾性波デバイス。
前記圧電体の表面を振動する弾性表面波を主要波とする請求項１または２に記載の弾性波デバイス。
請求項１、２または請求項３に記載の弾性波デバイスと、
前記弾性波デバイスに接続された半導体集積回路素子と、
前記半導体集積回路素子に接続された再生装置を備えた電子機器。
Ｌｉ₂ＣＯ₃から作成されたＬｉ₂ＯとＴａ₂Ｏ₅の粉末を混合する混合工程と、
前記混合工程の後、仮焼により混合体を作製する混合体作製工程と、
前記混合体とコングルエント組成のタンタル酸リチウムを加熱処理する工程と、
前記加熱処理により得たストイキオメトリ組成のタンタル酸リチウムの分極処理を経て圧電体を製造する工程を有する弾性波デバイスの製造方法。
Ｌｉ₂ＣＯ₃から作成されたＬｉ₂ＯとＮｂ₂Ｏ₅の粉末を混合する混合工程と、
前記混合工程の後、仮焼により混合体を作製する混合体作製工程と、
前記混合体と分極処理済みのコングルエント組成のニオブ酸リチウムを加熱処理することにより得たストイキオメトリ組成のニオブ酸リチウムを用いて圧電体を製造する工程を有する弾性波デバイスの製造方法。