JP2545983B2 - 弾性表面波装置 - Google Patents

弾性表面波装置

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、水晶基板の表面にアルミニウム膜の電極を
設けた弾性表面波装置に関する。
[背景技術] 近年、弾性表面波(以下、SAWと称する場合があ
る。)を用いたフィルタや共振子、発振子等の弾性表面
波装置が広く用いられるようになっている。
これら弾性表面波装置は、一般に、圧電性を有する基
板の表面上にインターディジタル電極(すだれ状電極)
や金属ストリップのグレーティング電極等が形成されて
いる。この電極金属としては、一般に、アルミニウムが
用いられているが、その理由は、フォトリソグラフィが
容易であることと、比重が小さくて電極負荷質量効果が
少なく、導電率が高いなどの特徴のためである。
[発明が解決しようとする課題] しかしながら、このようなSAWフィルターやSAW共振子
等に高電圧レベルの信号を印加すると、弾性表面波によ
ってアルミニウム電極が強い応力を受け、マイグレーシ
ョンを起こすことがわかった。これは応力によるマイグ
レーションであるので、ストレスマイグレーションと言
われている。これが発生すると、電気的短絡や挿入損失
の増加、共振子のQの低下などが起こる。そして、この
ストレスマイグレーションは高周波になる程発生し易い
ので、弾性表面波装置の高周波化にあたり、大きな問題
となっていた。
これに対する従来の対策としては、エレクトロマイグ
レーションの場合と同様に、電極材料のアルミニウムに
微量のCu,Ti,Ni,Mg,Pdなどを添加することにより、耐ス
トレスマイグレーション特性の改善を図っているが、そ
の特性改善はまだ不十分であった。
そこで、本発明の発明者らは、このストレスマイグレ
ーションの原因をさらに追及した。その研究結果によれ
ば、電子ビーム蒸着やスパッタ等により形成されている
従来のアルミニウム電極は、結晶学的には一定方向に配
向しておらず、アモルファス的な多結晶膜であり、その
ため粒界拡散によるストレスマイグレーションに対して
弱い性質を示すと考えられた。
しかして、本発明は上記従来例の欠点と発明者らの到
達した知見に基づいてなされたものであり、その目的と
するところは耐ストレスマイグレーション特性に優れた
アルミニウム電極を備えた弾性表面波装置を提供するこ
とにある。
[課題を解決するための手段] このため、本発明の弾性表面波装置は、回転角が25゜
回転Yカットから39゜回転Yカットの範囲にある回転Y
カット水晶基板の上に、(311)配向膜となるように結
晶方位的に一定方向に配向したアルミニウム膜によって
マイグレーション防止機能をもつ電極を形成したことを
特徴としている。
さらに、アルミニウム膜には、Cu,Ti,Ni,Mg,Pd等の耐
マイグレーション特性に優れた添加物を微量添加するの
が効果的であり、その添加量としては0.1wt%〜10wt%
の範囲で用いるのが適当である。
[作用] 上述のように、従来のアルミニウム電極は、結晶方位
的に一定方向に配向していないアモルファス的な多結晶
膜であり、このためストレスマイグレーションに対して
弱かった。
これに対し、本発明の弾性表面波装置にあっては、回
転角が25゜回転Yカットから39゜回転Yカットの範囲に
ある回転Yカット水晶基板の上に、(311)配向膜とな
るように結晶方位的に一定方向に配向したアルミニウム
膜を形成している。25゜から39゜回転Yカット水晶基板
とアルミニウム膜の(311)面とは結晶格子的に整合し
ているので、一定方位に結晶軸配向したアルミニウム膜
を容易に結晶成長させることができる。このような結晶
学的に一定方位に配向したアルミニウム電極は、単結晶
膜に近い性質を示すと考えられ、粒界拡散によるストレ
スマイグレーションに対して非常に強くなる。
したがって、本発明の弾性表面波装置によれば、スト
レスマイグレーションの発生を抑制でき、ストレスマイ
グレーションによる電気的短絡や挿入損失を低減でき、
共振子のQを良好に維持することができる。特に、従
来、ストレスマイグレーションは高周波になるほど顕著
であったので、本発明によれば弾性表面波装置の高周波
特性を良好にすることができる。さらに、高レベルの信
号を印加した場合にもストレスマイグレーションの発生
を抑制できるので、信号レベルの大きな回路でも使用可
能となり、また製品寿命も長くなる。
[実施例] 以下、本発明の実施例を添付図に基づいて詳述する。
第1図に示すものは、2ポート弾性表面波共振子3で
あり、圧電基板1の表面に2つのインターディジタル電
極2aを設け、この電極2aの両側にグレーティング電極2b
(反射器)を設けてあり、インターディジタル電極2aか
らはリード端子4が引き出されている。この2ポートSA
W共振子3を一実施例とし、製造順序に従って次に説明
する。
圧電基板1としては、鏡面研磨された33.5゜回転Yカ
ット水晶基板を用い、この圧電基板1の表面に、電子ビ
ーム蒸着でその蒸着速度及び基板温度を適当に制御して
アルミニウム膜を約1000Åの膜厚に形成した。
たとえば、蒸着速度及び基板温度は、従来10Å/秒、
+160℃で蒸着していたのを、発明者らの実験した範囲
では、40Å/秒、+80℃と高速、低温で蒸着することに
より(311)配向膜が得られた。このアルミニウム膜の
(311)面がエピタキシャル成長していることをRHEED
(反射高速電子線回折)法により確認した(第5図
(a)にこのRHEED写真を示す。第5図(b)は第5図
(a)の写真の説明図であり、イが電子ビーム、ロの領
域内に見えるもが反射光である。)。従来の蒸着条件の
もとでは、アルミニウム膜のエピタキシャル成長は見ら
れず、ランダム配向(アモルファス)になっている(第
6図(a)にこのRHEED写真を示す。第6図(b)は第
6図(a)の写真の説明図で、ハが電子ビーム、ニの領
域内に見えるものが反射光である。)。
このアルミニウム膜をフォトリソグラフィによって加
工し、圧電基板1の表面に2つのインターディジタル電
極2aとグレーティング電極2bを形成し、上記のような2
ポートSAW共振子3を作製した。
このようにして実際に作製されたSAW共振子3におい
ては、弾性表面波の波長は約4.7μm(電極指幅約1.17
μm)、開口長は約100波長、インターディジタル電極
は各々50対、金属ストリップによるグレーティング電極
は各々300本である。この2ポートSAW共振子の50Ω系伝
送特性は、第2図のようになった。第2図に示されてい
るように、ピーク周波数は約674MHzであり、挿入損失は
約6dBであった。これは、従来のアモルファスアルミニ
ウム電極の場合とほとんど同様の特性である。
ここで、耐電力特性(耐ストレスマイグレーション特
性)を評価するため、第3図のようなシステムを用い
た。これは、発振器5の出力にパワーアンプ6を接続し
て発振器5の出力信号を電力増幅し、パワーアンプ6の
出力をSAW共振子3に印加させるようにしてある。一
方、SAW共振子3の出力P(t)はパワーメータ7に入
力されてレベル測定される。また、パワーメータ7の出
力はコンピュータ8を介して発振器5へフィードバック
されており、発振器5の周波数をコントロールして印加
信号の周波数が常に伝送特性のピーク周波数となるよう
にしている。また、SAW共振子3は、恒温槽9に納めら
れており、周囲温度を85℃と高くして加速劣化させられ
た。
しかして、パワーアンプ6の出力を1W(50Ω系)と
し、初期の出力レベルP(t)=P0を測定しておき、あ
る時間t経過後の出力P(t)が、 P(t)≦P0−1.0(dB) となった時をそのSAW共振子3の寿命tdとした。これ
は、一般にP(t)のカーブは、第4図のようになるの
で、1dBの低下で寿命tdの推定を行えば適当と考えたた
めである。
評価した各試料A,B,C,Dは、下記に示す4種の電極金
属を用いて、同一カット角水晶基板上に同一形状の電極
を形成したものである。
A:ランダム配向の純Al電極 B:(ランダム配向のAl+1wt%Cu)電極 C:エピタキシャル純Al電極 D:(エピタキシャルAl+1wt%Cu)電極 A,Bは通常のSAW共振子であり、Bは耐ストレスマイグ
レーション対策として電極金属にCuを添加されている。
C,Dは本発明に係るSAW共振子であり、Dも電極金属にCu
を添加されている。
実験の結果、各試料の寿命tdは、それぞれ A:5分以下 B:約150分 C:900分以上 D:8,000分以上(2.5Wの場合) となった。
試料A,Bを比較すると、Cuの添加により30倍以上の長
寿命化が達成されているが、アルミニウム膜をエピタキ
シャル化することで、さらにその6倍以上の効果が出て
いる。すなわち、純アルミニウムの電極を用いた試料A,
C同士の比較では、実に180倍以上の長寿命となってい
る。
次に、耐マイグレーション特性の改善に効果のあるCu
を1wt%添加したAlエピタキシャル膜で電極を形成され
た試料Dの場合には、パワーアンプから2.5Wの出力を印
加して寿命測定を行ったところ、8,000分以上の寿命が
得られた。ここで、2.5Wの出力を印加したのは、1Wでは
寿命が長過ぎ、実験を行う上で不適当であったためであ
る。よって、Cuを添加した場合には、純Alエピタキシャ
ル膜よりも更に大電力において長寿命となっている。一
般に、電力による加速係数は3〜4乗であると言われて
いるので、2.5Wの場合の加速係数は1Wの場合の15〜39
(≒2.53〜2.54)倍となり、2.5Wの出力に対する8,000
分以上の寿命は1Wに換算すると120,000〜312,000分以上
の寿命に相当する。
このように、Alエピタキシャル膜にCuを添加した場合
には、純Alエピタキシャル膜の場合と比較して130〜340
倍の長寿命を達成しているが、Ti,Ni,Mg,Pd等のマイグ
レーション対策用と言われているCu以外の添加物を用い
た場合も同様に長寿命化の効果がある。上記各添加物の
添加量は、少な過ぎると効果がないので、通常0.1wt%
以上必要であり、また多過ぎるとアルミニウム膜の抵抗
率が増大するので、通常10wt%以下が望ましい。したが
って、Cu,Ti,Ni,Mg,Pd等の添加物の添加量としては、0.
1wt%〜10wt%の範囲が好適である。
また、アルミニウム配向膜の下地として、その配向を
妨げない程度の極く薄いTi膜やCr膜などを設けてもよ
い。
なお、Alエピタキシャル膜は、25゜から39゜回転Yカ
ットの範囲の水晶基板で(311)配向となったが、それ
以外のカット角でも配向する可能性はある。一般に、エ
ピタキシャル成長するためには、基板とAl薄膜との結晶
格子の整合が必要であるところ、回転Yカット水晶基板
とAl薄膜との場合には、約30゜回転Yカット水晶基板と
Alエピタキシャル膜の(311)面とが結晶格子的に整合
しているので、25゜から39゜回転Yカット水晶基板では
Al薄膜の(311)面がエピタキシャル成長したものであ
る。
なお、上記実施例では、2ポートSAW共振子で説明し
たが、他に1ポートSAW共振子、SAWフィルタ等にも適用
できるのは当然である。また、反射器のないものでも差
し支えない。
[発明の効果] 上述のように、本発明によれば、アルミニウム電極の
耐ストレスマイグレーション特性を向上させることがで
きる。特に、高レベルの信号を印加した場合にも、スト
レスマイグレーションが発生するのを抑制することがで
きる。
こうして耐ストレスマイグレーション特性が向上する
ことにより、電気的短絡や挿入損失の劣化を低減でき、
また共振子のQを良好に維持できる。さらに、高周波特
性も良好にできる。また、信号レベルの大きい回路(例
えば送信段)で使用できるようになる。さらに、一定信
号のレベルにおける寿命も長くなり、高信頼性が得られ
る。
【図面の簡単な説明】 第1図は2ポート弾性表面波共振子の概略平面図、第2
図は同上の50Ω系伝送特性、第3図は耐ストレスマイグ
レーション評価システムの概略図、第4図は耐ストレス
マイグレーション特性による寿命判定を示すカーブ、第
5図(a)(b)は本発明の回転Yカット水晶基板の上
のAlエピタキシャル膜のRHEED写真及びその説明図、第
6図(a)(b)は通常のアルミニウム電極のRHEED写
真及びその説明図である。 1……圧電基板 2a……インターディジタル電極 2b……グレーティング電極

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回転角が25゜回転Yカットから39゜回転Y
    カットの範囲にある回転Yカット水晶基板の上に、(31
    1)配向膜となるように結晶方位的に一定方向に配向し
    たアルミニウム膜によってマイグレーション防止機能を
    もつ電極を形成したことを特徴とする弾性表面波装置
  2. 【請求項2】前記アルミニウム膜にCu,Ti,Ni,Mg,Pd等の
    耐マイグレーション特性に優れた添加物を微量添加した
    ことを特徴とする請求項1に記載の弾性表面波装置。
  3. 【請求項3】前記添加物の添加量が0.1wt%〜10wt%で
    あることを特徴とする請求項2に記載の弾性表面波装
    置。
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