JP2936229B2

JP2936229B2 - 弾性表面波装置

Info

Publication number: JP2936229B2
Application number: JP1151046A
Authority: JP
Inventors: 英治家木; 敦櫻井; 幸司木村
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1989-06-13
Filing date: 1989-06-13
Publication date: 1999-08-23
Anticipated expiration: 2014-08-23
Also published as: JPH0314309A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、103゜回転Ｙカットから107゜回転Ｙカット
（LSTカットという。）の水晶基板の表面に電極を設け
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。

また、最近、温度特性の良好な弾性表面波用基板とし
て、約105゜回転Ｙカット（LSTカット）水晶基板が注目
されている。このLSAWカット水晶基板を用いた弾性表面
波装置は、基板表面を漏洩弾性表面波（LSAW）が伝搬す
るものであり、従来のSTカット水晶基板を用いた弾性表
面波装置よりも良好な温度特性を有するという特徴があ
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。

又、従来のSTカット水晶基板の場合には、アルミニウ
ム電極の膜厚を弾性表面波波長の２％程度にしても特に
問題を生じなかったのに対し、LSTカット水晶基板の場
合には、アルミニウム電極の膜厚を波長の１％以上にす
ると、共振子のＱの急激な低下等が起こり、特性の悪化
することが知られている。一方、このような特性の悪化
を避けるため、LSTカット水晶基板上のアルミニウム電
極の膜厚を薄くした場合には、従来のようなランダム配
向したアルミニウム膜ではグレンサイズが大きいので、
見掛け上の抵抗率が大きくなってしまい、挿入損失の増
大や、Ｑの低下等を招いていた。特に、波長の短くなる
高周波領域において、このような欠点が顕著であった。

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、
かつ薄い膜厚でも抵抗率の増大の少ないアルミニウム電
極を備え、LSTカット水晶基板による温度特性の良好な
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103
゜回転Ｙカットから107゜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、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され、結晶
方位的に一定方向に配向したエピタキシャル成長アルミ
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、漏洩弾性表面波を用いたことを特徴としてい
る。

また、Cu,Ti,Ni,Mg,Pd等の耐マイグレーション特性に
優れた添加物の添加量としては0.1wt％〜10wt％が好ま
しい。

［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。

また、従来のアルミニウム電極は、グレン（微細晶）
が集合した多結晶膜であるため、アルミニウム電極の膜
厚を薄くしていくと島状構造となり、膜厚を薄くするに
つれて電気抵抗率が増大してゆき、ついには電気的導通
がなくなっていた。この結果、挿入損失の増大や共振子
のＱの低下等を招いていた。

これに対し本発明の弾性表面波装置にあっては、一定
方位に結晶軸配向したアルミニウム膜の電極を用いてい
る。このような結晶学的に一定方位に配向したエピタキ
シャル成長アルミニウム電極は、グレンの集合ではな
く、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。また、グレンの集合ではないので、アルミニウム電
極が比較的薄い膜厚の場合にも電気的な導通を得ること
ができ、電気抵抗率を小さく抑えることができる。

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。

また、これまでは、アルミニウム電極の膜厚を厚くし
ても、薄くしても特性の劣化を招くために、LSTカット
水晶基板の良好な温度特性を生かすことができなかった
が、電極として結晶方位的に一定方向に配向したエピタ
キシャル成長アルミニウム膜を用いることにより、膜厚
を比較的薄くしても良好な電気的伝導性を持つ電極を得
ることができるようになったので、電極の膜厚を薄くす
る方向で従来の問題を解決することができ、LSTカット
水晶基板を用いた弾性表面波装置の良好な温度特性を生
かすことが可能になる。特に、高周波領域において、こ
の意義は顕著であり、LSTカット水晶基板を用いた弾性
表面波装置の高周波化を図ることができる。

しかも、本発明にあっては、上記エピタキシャル成長
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ているので、電極の
耐マイグレーション特性改善効果をより高めることがで
き、優れたマイグレーション防止機能を有する弾性表面
波装置を製作することができる。さらに、エピタキシャ
ル成長アルミニウム膜に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することによ
り、大電力においても弾性表面波装置を長寿命化するこ
とができる。

［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
らリード端子４が引き出されている。この２ポートSAW
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105゜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400Åの膜厚（波長の約0.7％）に形
成した。

例えば、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Alエピタキシャル膜が得られた。このアルミニウム膜
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RH
EED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
のが反射光である。）。エピタキシャル関係については
現在検討中であるが、RHEED法による実験の結果によれ
ば、まちがいなくエピタキシャル成長している。これに
対して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5.9μｍ（電極指幅約1.47
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500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
ウム電極によるSTカットSAW共振子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）＝P_Oを測定しておき、あ
る時間ｔ経過後の出力Ｐ（ｔ）が、Ｐ（ｔ）≦P_O−1.0（dB）となった時をそのSAW共振子３の寿命t_d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t_d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）電極また、試料A,Bは、通常のSTカット水晶基板を用いたS
AW共振子で、Al膜厚は約1000Åである。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は上記のように105゜回転ＹカットのLSTカッ
ト水晶基板を用いたLSAW共振子であり、Ｄは電極金属に
Cuを添加された本発明に係るLSAW共振子である。

実験の結果、各試料の寿命t_dは、それぞれ A:5分以下 B:約150分 C:800分以上 D:7,000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5.3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160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、7,000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7,000
分以上の寿命は1Wに換算すると105,000〜273,000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、本発明の実施例との比較のため、LSTカット水
晶基板の表面に従来のようなランダム配向したアルミニ
ウム電極（膜厚400Å）を形成してLSAW共振子を作製し
たところ、挿入損失が大きくて、２ポートSAW共振子の
特性がまったく得られなかった。そこで、Alエピタキシ
ャル膜及びAlランダム配向膜について、アルミニウム膜
の膜厚と電気抵抗率との関係を調べたら、第７図のよう
な結果が得られた。第７図において、横軸はアルミニウム膜の膜厚（Å）、縦軸は比抵抗率（Ω・c
m）であり、実線イはAlエピタキシャル膜を示し、破線
ロはAlランダム配向膜を示している。第７図のグラフに
示されているように、Alエピタキシャル膜では400Åの
膜厚でも低抵抗率にとどまっているのに対し、従来のAl
ランダム配向膜の場合には膜厚400Åでは抵抗率が非常
に大きくなっており、そのためSAW共振子の特性が劣化
していることが分かった。この理由は、従来のAlランダ
ム配向膜がグレンの集合からなっているので、薄い膜厚
では島状構造となり、電気的導通がなくなるためであ
る、と考えられる。

なお、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。

また、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。

また、薄い膜厚の場合も低抵抗率のアルミニウム電極
を得ることができ、良好な特性を得るためには薄いアル
ミニウム電極を用いざるを得ないLSTカット水晶基板を
用いた漏洩弾性表面波素子の高周波化を可能にすること
ができる。

【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、第７図はアルミニウム電極の膜厚と
その比抵抗率の関係を示すグラフである。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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木村幸司京都府長岡京市天神２丁目26番10号株式会社村田製作所内 (56)参考文献特開昭55−49014（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−98812（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−163408（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回転角が103゜回転Ｙカットから107゜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、C
u,Ti,Ni,Mg,Pd等の耐マイグレーション特性に優れた添
加物を微量添加され、結晶方位的に一定方向に配向した
エピタキシャル成長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、漏洩弾性表面波を
用いたことを特徴とする弾性表面波装置。
【請求項２】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１に記載の弾性表面波装
置。