JP4279271B2 - 弾性表面波素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は高周波帯域において高い耐電力性を示すことのできる電極構造を有する弾性表面波素子及びその製造方法に関する。

弾性表面波素子は機械的振動エネルギーが固体表面付近にのみ集中して伝播する弾性表面波を利用した電子部品であり、フィルタ、共振器またはデュプレクサなどを構成するために用いられる。

近年、携帯電話などの移動体通信端末の小型化及び軽量化が急速に進んでおり、これらの移動体通信端末に実装される電子部品の小型化が要求されている。

弾性表面波素子は、圧電性基板の表面上に、導電性材料からなる一対のくし歯状電極（ＩＤＴ（インタディジタルトランスデューサ）電極）のくし歯の部分を、互い違いに並べて配置する構成を有している。このような単純な構造を有する弾性表面波素子は移動体通信端末に実装されるフィルタ、共振器またはデュプレクサを小型化するために非常に適した素子である。

また、弾性表面波素子を共振器として用いるときには、素子の温度が変化したときの直列共振周波数及び並列共振周波数の変動が小さいことが重要である。

特許文献２（特開平７−１５２７４号公報）、特許文献３（特開平８−２６５０８８号公報）にはくし歯状電極と圧電性基板の上を酸化ケイ素膜で覆うことにより、素子温度が変化したときの直列共振周波数及び並列共振周波数の変動を小さくすることができることが示されている。
特開２００２−０３５７０２号（第１０頁、第１１頁、図２１、図２４） 特開平７−１５２７４号公報（第１図） 特開平８−２６５０８８号公報（第１図）

しかし、くし歯状電極と圧電性基板の上を酸化ケイ素膜で覆う構成にすると、くし歯状電極部に空隙部が発生するという問題が生じていた。

図１１に従来の弾性表面波素子の平面図を示す。この弾性表面波素子は圧電性基板１２上に、くし歯状電極部１３及びくし歯状電極部1４が形成されているものである。なお、くし歯状電極１３、１４と圧電性基板１２の上は酸化ケイ素膜で覆われているが図１１では図示を省略している。くし歯状電極部１３及びくし歯状電極部１４には、弾性表面波素子を外部の回路と接続するための接続電極部１５、１６が電気的に接続されている。

図１１に示されるようにくし歯状電極１３、１４には空隙部Ｂが発生している。この空隙部Ｂはくし歯状電極１３、１４と圧電性基板１２の上にシリコン化合物を塗布し酸素及び水分中での熱処理する工程において発生する熱応力により生じる。

本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、くし歯状電極部に空隙が発生することを抑制し、耐電力特性の優れた弾性表面波素子及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、圧電性基板と、前記圧電性基板の上に薄膜形成された電極部とを有する弾性表面波素子において、
前記電極部が、くし歯状電極部と前記くし歯状電極部に接続された接続電極部とを備えており、前記くし歯状電極部は下地層とこの下地層の上に積層された主電極層を有し、前記くし歯状電極部および前記圧電性基板が、前記圧電性基板の温度−弾性定数変化特性と逆方向の温度−弾性定数変化特性を持つ絶縁層で覆われており、
前記下地層は、前記圧電基板上に積層されたＴｉＮ層またはＴｉＯｘＮｙ（ただし０＜ｘ＜０．２，ｘ＋ｙ＝１）層の第１下地層と、前記第１下地層と前記主電極層との間に介在するＣｒ層の第２下地層とを有し、前記第２下地層の膜厚が０．５nm以上で１０nm以下であることを特徴とするものである。

本発明では、前記くし歯状電極部と圧電性基板の間に、ＴｉＮ、またはＴｉＯｘＮｙ（ただし０＜ｘ＜０．２，ｘ＋ｙ＝１）からなる第１下地層と、Ｃｒからなる第２下地層を設けることにより、くし歯状電極部に空隙部が発生することを防止でき、耐電力特性を向上させることができる。くし歯状電極部に空隙部が発生することを防止できるとくし歯状電極部の抵抗値の増加を抑えて電力損失を低減できる。また、直列共振周波数及び並列共振周波数の変動を小さくすることができる。

本発明では、前記第１下地層と前記第２下地層を設けることによって、くし歯状電極部の密着性が向上する。このため、接続電極部を配線部材と接続するときの、膜剥がれや、接続電極部のワイヤーボンディング時の膜剥がれを防止することができる。

前記くし歯状電極部がＣｕ又はＣｕ合金によって形成されていると特に空隙部が発生しやすいので、本発明はくし歯状電極部をＣｕ又はＣｕ合金によって形成する弾性表面波素子に適用すると効果的である。

本発明では、前記主電極部はＣｕＡｇ合金によって形成されていることが好ましい。
また、前記主電極層の上にＴｉＮまたはＴｉＯｘＮｙ（ただし０＜ｘ＜０．２，ｘ＋ｙ＝１）からなるによって形成されている第１保護層が積層されていることが好ましい。

さらに、前記第１保護層の上に、Ｃｒからなる第２保護層が積層されていることが好ましい。

前記圧電性基板は例えばＬｉＴａＯ_３基板またはＬｉＮｂＯ_３であることが好ましい。特に、Ｙカット角が３６°から６０°のＬｉＴａＯ_３からなることが好ましい。

本発明は、前記絶縁層を形成することにより、素子温度が変化したときの直列共振周波数及び並列共振周波数の変動を小さくすることができる。

前記圧電性基板の上に形成される前記絶縁層は、酸化ケイ素で形成される。

また、前記絶縁層は、例えばシリコン化合物を塗布、熱処理するスピンオングラス法によって形成されたものである。前記熱処理は酸素とＨ_２Ｏのいずれか一方または両方の雰囲気中で行うため、前記絶縁層は酸化膜になる。

本発明では、岩塩型構造、又は面心立方構造の前記第１下地層の上に、面心立方構造である主電極層を最稠密面である｛１１１｝面が基板表面に対して一定の傾きを有するように積層していることが好ましい。これにより、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションを抑制することができる。この結果、電極破損、電気的断線の防止、素子の挿入損失の低減、共振子のＱ値向上を図ることができ、弾性表面波素子の特性を向上させることができる。

また、前記主電極層の｛１１１｝面が前記圧電性基板の結晶のＸ軸に平行であると、最稠密面である｛１１１｝面がＳＨ波の振幅方向と交叉することになるのでエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションに対する耐性が向上する。

さらに、前記第１下地層の｛１１１｝面が基板表面に対して一定の傾きを有していることが好ましい。

また、本発明は、前記第２下地層の膜厚が０．５nm以上１０nm以下であるため、前記主電極層の結晶粒界が直線状の双晶構造を有することができる。これによっても弾性表面波素子の耐電力性が向上する。なお、前記第２下地層の膜厚が０．５nm以上２nm以下であることがより好ましい。

本発明の弾性表面波素子の製造方法は、以下の工程を有することを特徴とするものである。

（ａ）圧電性基板の上に、ＴｉＮ層の第１下地層を形成し、前記第１下地層の上に厚さが０．５nm以上で１０nm以下のＣｒ層の第２下地層を形成し、前記第２下地層の上に導電性材料からなる主電極層を積層して、くし歯状電極部と前記くし歯状電極部に接続された接続電極部とを形成する工程と、
（ｂ）前記圧電性基板と前記くし歯状電極部の上に、前記圧電性基板の温度−弾性定数変化特性と逆方向の温度−弾性定数変化特性を持つ絶縁性材料を塗布して絶縁層を形成する工程と、
（ｃ）前記絶縁層を熱処理する工程。

本発明では、前記くし歯状電極部と圧電性基板の間に、ＴｉＮ、またはＴｉＯｘＮｙ（ただし０＜ｘ＜０．２，ｘ＋ｙ＝１）からなる第１下地層と、Ｃｒからなる第２下地層を設けることにより、くし歯状電極部に空隙部が発生することを防止でき、耐電力特性を向上させることができる。くし歯状電極部に空隙部が発生することを防止できるとくし歯状電極部の抵抗値の増加を抑えて電力損失を低減できる。また、素子温度が変化したときの直列共振周波数及び並列共振周波数の変動を小さくすることができる。

本発明では、前記第１下地層と前記第２下地層を設けることによって、くし歯状電極部の密着性が向上する。このため、接続電極部を配線部材と接続するときの、膜剥がれや、接続電極部のワイヤーボンディング時の膜剥がれを防止することができる。

また、前記くし歯状電極部及び前記圧電性基板の上が、前記圧電性基板の温度−弾性定数変化特性と逆方向の温度−弾性定数変化特性を持つ絶縁性材料からなる絶縁層によって覆われているので、素子温度が変化したときの直列共振周波数及び並列共振周波数の変動を小さくすることができる。

前記圧電性基板をＬｉＴａＯ_３を用いて形成し、前記絶縁性材料としてシリコン化合物を用いて前記絶縁層を酸化ケイ素を主成分とするものにすることにより、前記圧電性基板の温度−弾性定数変化特性と前記絶縁層の温度−弾性定数変化特性を逆方向にすることができる。

基板や絶縁層の温度−弾性定数変化特性とは、温度が変化したときの弾性定数変化の方向及び大きさのことをいう。例えば、ＬｉＴａＯ_３は温度が上昇すると弾性定数が減少し、酸化ケイ素は温度が上昇すると弾性定数が増加する。このとき、ＬｉＴａＯ_３と酸化ケイ素は温度−弾性定数変化特性が逆方向であるという。

また、前記絶縁層は、例えばシリコン化合物を塗布、熱処理するスピンオングラス法によって形成されたものである。前記熱処理は酸素とＨ_２Ｏのいずれか一方または両方の雰囲気中で行われる。従って、前記絶縁層は酸化膜になる。

素子温度が変化したときの直列共振周波数及び並列共振周波数の変動を小さくし、また、弾性表面波素子のＱ値を向上させるためには、前記熱処理を４５０℃以上で行うことが好ましい。ただし、前記熱処理温度を高くすると、くし歯状電極部に空隙部が発生しやすくなる。

本発明では、前記くし歯状電極部と圧電性基板の間に、前記第１下地層と前記第２下地層を設けることにより、前記熱処理の温度を高くしてもくし歯状電極部に空隙部が発生することを防止できる。

前記熱処理の温度を高くすることが可能になると前記絶縁層の膜厚を大きくすることができる。前記絶縁層の膜厚を大きくすることによって、素子温度が変化したときの直列共振周波数及び並列共振周波数の変動をさらに小さくし、また、弾性表面波素子のＱ値をさらに向上させることができる。

また、前記第２下地層の膜厚を０．５nm以上１０nm以下にすると、前記主電極層の結晶粒界が直線状の双晶構造を有することができる。これによっても弾性表面波素子の耐電力性が向上する。

本発明では、前記主電極部をＣｕ又はＣｕ合金によって形成することが好ましく、特に、ＣｕＡｇ合金によって形成することがより好ましい。

本発明では、前記くし歯状電極部と圧電性基板の間に、ＴｉＮ、またはＴｉＯｘＮｙ（ただし０＜ｘ＜０．２，ｘ＋ｙ＝１）からなる第１下地層と、Ｃｒからなる第２下地層を設けることにより、くし歯状電極部に空隙部が発生することを防止でき、耐電力特性を向上させることができる。くし歯状電極部に空隙部が発生することを防止できるとくし歯状電極部の抵抗値の増加を抑えて電力損失を低減できる。また、直列共振周波数及び並列共振周波数の変動を小さくすることができる。

本発明では、前記第１下地層と前記主電極層の間に前記第２下地層を設けることによって、くし歯状電極部の密着性が向上する。このため、接続電極部を配線部材と接続するときの、膜剥がれや、接続電極部のワイヤーボンディング時の膜剥がれを防止することができる。

本発明では、前記くし歯状電極部及び前記圧電性基板の上が、前記圧電性基板の温度−弾性定数変化特性と逆方向の温度−弾性定数変化特性を持つ絶縁性材料からなる絶縁層によって覆われていることにより、素子温度が変化したときの直列共振周波数及び並列共振周波数の変動を小さくすることができる。

また、本発明では、本発明は岩塩型構造、又は面心立方構造の前記第１下地層の上に、面心立方構造である主電極層を最稠密面である｛１１１｝面が基板表面に対して一定の傾きを有するように積層することにより、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションを抑制することができる。この結果、電極破損、電気的断線の防止、素子の挿入損失の低減、共振子のＱ値向上を図ることができ、弾性表面波素子の特性を向上させることができる。

また、前記主電極層の｛１１１｝面が前記圧電性基板の結晶のＸ軸に平行であると、最稠密面である｛１１１｝面がＳＨ波の振幅方向と交叉することになるのでエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションに対する耐性が向上する。

また、本発明では、前記第２下地層の膜厚が０．５nm以上１０nm以下の範囲で前記主電極層の結晶粒界が直線状の双晶構造を有することができる。これによっても弾性表面波素子の耐電力性が向上する。

本発明では、前記くし歯状電極部と圧電性基板の間に、前記第１下地層と前記第２下地層を設けることにより、前記熱処理の温度を高くしてもくし歯状電極部に空隙部が発生することを防止できる。

前記熱処理の温度を高くすることが可能になると、素子温度が変化したときの直列共振周波数及び並列共振周波数の変動をさらに小さくし、また、弾性表面波素子のＱ値をさらに向上させることができる。

前記熱処理の温度を高くすることが可能になると前記絶縁層の膜厚を大きくすることができる。前記絶縁層の膜厚を大きくすることによって、素子温度が変化したときの直列共振周波数及び並列共振周波数の変動をさらに小さくし、また、弾性表面波素子のＱ値をさらに向上させることができる。

図１は、本発明の実施の形態の弾性表面波素子を示す平面図である。
符号１１は弾性表面波素子を示しており、この弾性表面波素子は分波器としての機能を有している。符号１２は、圧電基板を示している。本実施の形態では、圧電性基板１２は三方晶の結晶構造を有しているＬｉＴａＯ_３またはＬｉＮｂＯ_３などの圧電セラミック材料によって形成されている。

圧電性基板１２上に、くし歯状電極部１３及びくし歯状電極部１４が形成されている。くし歯状電極部１３及びくし歯状電極部１４には、それぞれ図示Ｘ３方向と逆方向に延びるくし歯部１３ａ、及び図示Ｘ３方向に延びるくし歯部１４ａが形成されている。くし歯状電極部１３のくし歯部１３ａとくし歯状電極部１４のくし歯部１４ａは、所定の間隔をあけて図示Ｘ方向に互い違いに並べられている。

また、くし歯状電極部１３及びくし歯状電極部１４には、弾性表面波素子を外部の回路と接続するための接続電極部１５、１６が電気的に接続されている。くし歯状電極部１３と接続電極部１５が電極部１７を構成し、くし歯状電極部１４と接続電極部１６が電極部１８を構成している。

さらに、くし歯状電極部１３及びくし歯状電極部１４の図示Ｘ方向と図示Ｘ方向の反対側に隣接して、反射電極１９，１９が形成されている。図１では、反射電極１９を構成する各電極の端部どうしは開放されている。ただし、反射電極１９を構成する各電極の端部どうしは、短絡されていてもよい。

図２に結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚを有するＬｉＴａＯ_３単結晶を、結晶軸Ｘの回りでＹ軸からＺ軸方向に回転角θだけ傾けた角度で切り出した状態を示す。このような圧電基板をθ回転ＹカットＬｉＴａＯ_３基板という。なお、角度θのことを回転切断角度またはカット角と言い表す。

図３は、くし歯状電極部１３及びくし歯状電極部１４を、３−３線から切断し矢印方向から見た縦断面図である。

本実施の形態では、くし歯状電極部１３は第１下地層２０、第２下地層２１と、第２下地層２１の上面に接して積層された主電極層２２と、主電極層２２の上に積層された第１保護層２３、第２保護層３０からなる積層構造を有している。同様に、くし歯状電極部１４も、第１下地層２４、第２下地層２５と、第２下地層２５の上面に接して積層された主電極層２６の上に積層された第１保護層２７、第２保護層３１からなる積層構造を有している。第１保護層２３及び第１保護層２７はＴｉＮ（窒化チタン）またはＴｉＯｘＮｙ（ただし０＜ｘ＜０．２，ｘ＋ｙ＝１）によって形成されている。第２保護層３０及び第２保護層３１はＣｒによって形成されている。

第１下地層２０、２４はＴｉＮ（窒化チタン）、またはＴｉＯｘＮｙ（ただし０＜ｘ＜０．２，ｘ＋ｙ＝１）によって形成される。これらの材料の結晶の最近接原子間距離は２．４０Å〜３．３０Åの範囲にある。

ＴｉＮ（窒化チタン）、ＴｉＯｘＮｙ（ただし０＜ｘ＜０．２，ｘ＋ｙ＝１）、は岩塩型構造または面心立方構造の結晶構造をもつ。

第２下地層２１、２５はＣｒによって形成されている。Ｃｒは体心立方構造の結晶構造をもつ。

主電極層２２、２６の材料は例えばＣｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、またはＡｇのいずれか１種または２種以上である。あるいは主電極層２２、２６の材料は例えばＣｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、またはＡｇのいずれか１種または２種以上の元素とＡｇ、Ｓｎ、Ｃ、Ｓｃ、Ｃｕのいずれか１種または２種以上の元素の合金である。具体的にはＡｌＳｃＣｕ合金、ＣｕＡｇ合金、ＣｕＳｃＡｇ合金などである。添加元素であるＡｇ、Ｓｎ、Ｃの含有量は、Ｃｕ合金の比重が純粋なＣｕの比重とほとんど同じになる範囲であればよい。具体的には、Ｃｕ合金中の添加元素の質量％が０．５質量％以上１０．０質量％以下であれば、このＣｕ合金の比重は、純粋なＣｕの比重とほとんど同じになる。

これらの材料の結晶の最近接原子間距離は２．５０Å〜３．００Åの範囲にある。Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ並びに前記合金はいずれも面心立方構造の結晶構造をもつ。

第１下地層２０、２４がＴｉＮで形成されると圧電性基板のＬｉＴａＯ_３の酸素が未窒化のＴｉと結合しＬｉＴａＯ_３の酸素が奪われることがある。一方、下地層がＴｉＯｘＮｙで形成されるとＴｉが安定化しＬｉＴａＯ_３の酸素が奪われなくなる。ただし、ＴｉＯｘＮｙの酸素の割合が高くなると電気の導伝率が低下するので０＜ｘ＜０．２，ｘ＋ｙ＝１が最適である。

主電極層２２、２６と圧電性基板１２の間に、ＴｉＮ、またはＴｉＯｘＮｙ（ただし０＜ｘ＜０．２，ｘ＋ｙ＝１）からなる第１下地層２０、２４と、Ｃｒからなる第２下地層２１、２５を設けることにより、くし歯状電極部１３、１４に空隙部が発生することを防止でき、耐電力特性を向上させることができる。くし歯状電極部１３、１４に空隙部が発生することを防止できるとくし歯状電極部１３、１４の抵抗値の増加を抑えて電力損失を低減できる。また、直列共振周波数及び並列共振周波数の変動を小さくすることができる。

本実施例のように、第１下地層２０、２４と主電極層２２、２６の間に第２下地層２１、２５を設けることによって、くし歯状電極部１３、１４の密着性が向上する。このため、接続電極部１５、１６を配線部材と接続するときの、膜剥がれや、接続電極部のワイヤーボンディング時の膜剥がれを防止することができる。

くし歯状電極部１３、１４がＣｕ又はＣｕ合金によって形成されていると特に空隙部が発生しやすいので、くし歯状電極部１３、１４をＣｕ又はＣｕ合金によって形成する弾性表面波素子に第１下地層２０、２４と第２下地層２１、２５を設けると効果的である。

圧電性基板１２、くし歯状電極部１３、１４の上は、絶縁層３２によって覆われている。接続電極部１５、１６は絶縁層３２によって覆われることなく露出している。図１では圧電性基板１２の上に形成された電極部１７、１８及び反射電極１９，１９の平面構造を明確に示すために絶縁層３２の記載を省略している。

圧電性基板１２がＬｉＴａＯ_３で形成されるとき、絶縁層３２は例えば酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）によって形成されている。くし歯状電極部１３、１４の上に酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）がスパッタ成膜された絶縁性薄膜が形成されてもよい。

基板や絶縁層の温度−弾性定数変化特性とは、温度が変化したときの弾性定数変化の方向及び大きさのことをいう。例えば、ＬｉＴａＯ_３は温度が上昇すると弾性定数が減少し、酸化ケイ素は温度が上昇すると弾性定数が増加する。このとき、ＬｉＴａＯ_３と酸化ケイ素は温度−弾性定数変化特性が逆方向であるいう。

温度−弾性定数変化特性が逆方向であるＬｉＴａＯ_３と酸化ケイ素を用いて圧電性基板１２及び絶縁層３２を形成すると、素子温度が変化したときの直列共振周波数及び並列共振周波数の変動を小さくすることができる。絶縁層３２を酸化ケイ素で形成するときには、絶縁層３２を、シリコン化合物を塗布、熱処理するスピンオングラス法によって形成することが好ましい。該熱処理は酸素とＨ_２Ｏのいずれか一方または両方の雰囲気中で行う。従って、絶縁層３２は酸化膜になる。

なお、図３には示していないが、本実施の形態では反射電極１９，１９の上も絶縁性薄膜２０を介して絶縁層３２によって覆われている。

また、本実施の形態では絶縁層３２は均一の密度の薄膜である。なお、「絶縁層３２が均一の密度である」とは、絶縁層３２の内部、特にくし歯状電極部の周辺に空隙やヒビ割れがなく全ての領域に絶縁性材料が存在していることをいう。

弾性表面波素子２１の接続電極部２５または接続電極部２６の一方を接地側とし、もう一方から高周波信号を入力すると、圧電性基板１２の表面に表面波が励起され、この表面波が図示Ｘ方向及び図示Ｘ方向と反平行方向に進行する。表面波は反射電極１９，１９によって反射されて、くし歯状電極部１３、１４に戻って来る。弾性表面波素子２１は、共振周波数と反共振周波数を有しており、反共振周波数において最もインピーダンスが高くなる。

本実施の形態のＬｉＴａＯ_３からなる圧電性基板１２は、Ｘ軸を中心とするＹ軸からＺ軸方向への回転切断角度θ（カット角）が、３６°以上で６０°以下の回転ＹカットＬｉＴａＯ_３基板である。

図１及び図３に示される実施の形態では、くし歯状電極部１３とくし歯状電極部１４は同じ幅寸法Ｗを有しており、間隔幅Ｐは一定の値である。くし歯状電極部１３，１４の幅寸法Ｗは０．３μｍ以上で０．７μｍ以下であり、間隔幅Ｐは０．３μｍ以上で０．７μｍ以下である。

また、第１下地層２０、２４の膜厚ｔ１は５ｎｍから２０ｎｍ、第２下地層２１、２５の膜厚ｔ２は０．５ｎｍから１０ｎｍ、主電極層２２、２６の膜厚ｔ３は８０ｎｍから１８０ｎｍ、第１保護層２３、２７の膜厚ｔ４は５ｎｍから２０ｎｍ、第２保護層３０、３１の膜厚ｔ５は５ｎｍから２０ｎｍである。第１下地層２０、２４の膜厚ｔ１を５ｎｍ以上にし、第２下地層２１、２５の膜厚を０．５ｎｍから１０ｎｍすると下地層２１、２５及び主電極層２２、２６の｛１１１｝面が基板表面に対して明確に一定の傾きを有するようになる。また、第２下地層２１、２５の膜厚が０．５nm以上１０nm以下であると、主電極層２２、２６の結晶粒界が直線状の双晶構造を有することができる。これによっても弾性表面波素子の耐電力性が向上する。なお、第２下地層２１、２５の膜厚が０．５nm以上２nm以下の範囲内であるとより好ましい。

ここで図４にくし歯状電極部１３のくし歯部１３ａの側面図を示す。図４に示されるように、主電極層２２の結晶は面心立方構造であり、｛１１１｝面は基板表面に対して鋭角の一定の傾きを有している。この一定の傾きは例えば５１°であり、主電極層２２の［１１１］方向の基板法線方向からの角度φの値に等しい。くし歯状電極部１４も同様の構造を有している。

このように最稠密面である｛１１１｝面が基板表面に対して一定の傾きを有するように積層されるとくし歯状電極部１３、１４のエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションを抑制することができる。この結果、電極破損、電気的断線の防止、素子の挿入損失の低減、共振子のＱ値向上を図ることができ、弾性表面波素子の特性を向上させることができる。

また、図４に示されるように主電極層２２、２６の｛１１１｝面が圧電性基板の結晶のＸ軸に平行であると、最稠密面である｛１１１｝面がＳＨ波の振幅方向と交叉することになるのでエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションに対する耐性が向上する。

さらに、第１下地層２０の最稠密面（面心立方晶の場合は｛１１１｝面）が基板表面に対して一定の傾きを有している。図４では面心立方晶である第１下地層２０の｛１１１｝面の傾き角と主電極層２２の｛１１１｝面の傾き角は等しくなっている。くし歯状電極部１４も同様である。

さらに、第１保護層２３、２７及び第２保護層３０，３１が積層されているので、主電極層２２、２６の結晶構造が安定化し、エレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションに対する耐性を抑制することができる。ただし、第１保護層２３、２７及び第２保護層３０，３１は形成されなくともよい。

本実施の形態の弾性表面波素子のくし歯状電極部１３、１４はスパッタ法あるいは蒸着法で形成されることが好ましい。

まず圧電性基板１２の表面をイオンエッチングなどによって前処理し、圧電性基板１２の表面にエピタキシャル成長可能な結晶面を露出させる。この圧電性基板１２の結晶面上に第１下地層２０、２４、第２下地層２１、２５及び主電極層２２、２６をスパッタ法あるいは蒸着法で成膜することにより、第１下地層２０、２４及び主電極層２２、２６を｛１１１｝方位に強く配向した結晶を有する層として形成することができ、第１下地層２０、２４及び主電極層２２、２６の｛１１１｝面が基板表面に対して一定の傾きを有するように成膜できる。スパッタ法または蒸着法を用いることにより、主電極層２２、２６の結晶を第１下地層２０、２４、第２下地層２１、２５の結晶の上にヘテロエピタキシャル成長させることが容易になる。

第１下地層２０、２４、第２下地層２１、２５の上にヘテロエピタキシャルの状態で主電極層２２、２６を堆積していくためには、ターゲット基板から叩きだされた主電極層２２、２６の材料となる原子が第２下地層２１、２５の上に到達したのち、第２下地層２１、２５の原子配列にならって再配列できるように、主電極層２２、２６の原子が第２下地層２１、２５の上を適度に移動することができるだけのエネルギーが必要である。

主電極層２２、２６の原子のエネルギーを大きくするためには、ターゲットを叩きだすためのスパッタガスの圧力を調節することが重要である。スパッタガスの圧力が大きくなりすぎると、主電極層２２、２６の材料となる原子とスパッタガス分子の衝突頻度が増加して、主電極層２２、２６の材料となる原子が下地層２１、２５の上に到達するまでにエネルギーを失ってしまう。このため、スパッタガス圧は低い方が良いが、あまり低すぎると安定的な放電を維持することができなくなる。

従って、ターゲットを叩きだすためのスパッタガスの圧力は、５×１０^−４Ｔｏｒｒ（６．７×１０^−２Ｐａ）〜３×１０^−２Ｔｏｒｒ（４Ｐａ）であることが好ましい。本実施の形態では、スパッタガスとしてＡｒを用い、スパッタガスの圧力を、１．５×１０^−３Ｔｏｒｒ（０．２Ｐａ）としている。

また、基板の温度を高くすると、ターゲットから第２下地層２１、２５の上に到達した主電極層２２、２６の材料となる原子が第２下地層２１、２５の上を移動しやすくなり、第２下地層２１、２５の原子配列にならって再配列しやすくなる。ただし、第２下地層２１、２５が形成されている基板の温度が大きくなりすぎると、第２下地層２１、２５と主電極層２２、２６の界面における原子の相互拡散が顕著になり好ましくない。

従って、第２下地層２１、２５が形成されている基板の温度は０℃〜１００℃であることが好ましい。

主電極層２２、２６の材料となる原子が第２下地層２１、２５に達したときのエネルギーを大きくするためには、ターゲットと第２下地層２１、２５が形成されている基板との距離を小さくして、主電極層２２、２６の材料となる原子とスパッタガス分子の衝突頻度を減少させることが好ましい。ただし、ターゲットと第２下地層２１、２５が形成されている基板との距離を小さくしすぎると、ターゲットからの２次電子や輻射熱で、第２下地層２１、２５が形成されている基板の温度が大きくなりすぎて、第２下地層２１、２５と主電極層２２、２６の界面における原子の相互拡散が顕著になり好ましくない。また、ターゲットと下地層２１、２５が形成されている基板との距離が小さくなると、主電極層２２、２６を均一な膜厚で成膜することが困難になる。

従って、ターゲットと第２下地層２１、２５が形成されている基板との距離は、５０ｍｍ〜３００ｍｍであることが好ましい。本実施例では、ターゲットと第２下地層２１、２５が形成されている基板との距離を８９ｍｍにしている。

電極部１７、１８及び反射電極１９，１９の形成後に、圧電性基板１２及びくし歯状電極部１３、１４の上にポリシラザンなどのシリコン化合物をスピンコート法によって塗布したのち、窒素雰囲気中で１５０℃の温度で３分間ベークしてジブチルエーテル溶媒を除去する。さらに酸素（Ｏ_２）及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ）雰囲気中で４５０℃のキュアを３０分間行う。このキュア工程によって、アンモニアＮＨ_３やＨ_２が遊離し、絶縁層３２は酸化ケイ素を主成分とする層となる。

Ｙカット角46°のＬｉＴａＯ_３からなる圧電性基板の上にＣｕＡｇ合金からなるＣｕ合金層（主電極層）を下地層を介してスパッタ法を用いて成膜した。下地層をＴｉＮからなる第１下地層及びＣｒからなる第２下地層の積層体として形成した弾性表面波素子のくし歯状電極部をＬｉＴａＯ_３基板のＸ軸に直交する側面から観察した拡大写真を実施例１として図５に示す。図６は図５に示した写真を模式図的に示したくし歯状電極部の部分側面図である。

第１下地層（ＴｉＮ）の膜厚は５ｎｍ、第２下地層（Ｃｒ）の膜厚は２nm、Ｃｕ合金層（ＣｕＡｇ）の膜厚は８０ｎｍ、第１保護層（ＴｉＮ）の膜厚は５ｎｍ、第２保護層（Ｃｒ）の膜厚は５ｎｍである。くし歯状電極部及び圧電性基板の上は、酸化硅素からなる絶縁層によって覆われている。

図５及び図６に示されるように、ＣｕＡｇ合金層の結晶は面心立方構造であり、｛１１１｝面は基板表面に対して鋭角の一定の傾きを有している。この一定の傾きは51°であり、Ｃｕ合金層の［１１１］方向の基板法線方向からの角度φの値に等しい。なお、Ｃｕ合金層の｛１１１｝面は圧電性基板の結晶のＸ軸に平行であり、最稠密面である｛１１１｝面がＳＨ波の振幅方向と交叉することになる。

さらに、第１下地層の｛１１１｝面の傾き角とＣｕ合金層の｛１１１｝面の傾き角は等しくなっている。なお、ＴｉＮ（窒化チタン）またはＴｉＯｘＮｙ（ただし０＜ｘ＜０．２，ｘ＋ｙ＝１）によって形成される第１下地層は岩塩型構造、面心立方格子構造を有し、第２下地層は体心立方格子構造である。Ｃｕ合金層の結晶は第２下地層の結晶の上にヘテロエピタキシャル成長している。このときＣｕ合金層は結晶粒界が直線状であり、Ｃｕ合金層は［１１１］方向を軸として回転した２種の結晶のみを持つ双晶構造を有している。したがって、結晶粒界を通じたCu合金を構成する原子の拡散によるヒロックやボイドの成長を抑制できエレクトロマイグレーションやストレスマイグレーションを低減できる。すなわち、弾性表面波素子の耐電力特性が向上する。

Ｙカット角46°のＬｉＴａＯ_３からなる圧電性基板の上にＴｉＮからなる第１下地層及びＣｒからなる第２下地層、ＣｕＡｇ合金からなるＣｕ合金層（主電極層）、ＴｉＮからなる第１保護層及びＣｒからなる第２保護層を、スパッタ法を用いて成膜し、くし歯状電極部、接続電極部、及び反射電極部をパターン形成した。さらに酸素（Ｏ_２）及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ）雰囲気中で４５０℃のキュアを３０分間行なった。

くし歯状電極部の電極部の膜構成は、
第１下地層（ＴｉＮ；５ｎｍ）／第２下地層（Ｃｒ；Ｘnm）／Ｃｕ合金層（ＣｕＡｇ；８０ｎｍ）／第１保護層（ＴｉＮ；５ｎｍ）、第２保護層（Ｃｒ；５ｎｍ）である。括弧内の数値は膜厚である。

くし歯状電極部の第２下地層の平均膜厚を０．５ｎｍとした弾性表面波素子を上から見た写真を実施例２として図７に、第２下地層の平均膜厚を１ｎｍとした弾性表面波素子を上から見た写真を実施例３として図８に、第２下地層の平均膜厚を２ｎｍとした弾性表面波素子を上から見た写真を実施例４として図９に示す。各図の右側の写真は左側の写真の拡大写真である。

図７ないし図９のすべての弾性表面波素子のくし歯状電極部に、空隙（ボイド）は発生はみられない。従って、弾性表面波素子の耐電力特性を向上させることができる。また、くし歯状電極部に空隙部が発生することを防止できるとくし歯状電極部の抵抗値の増加を抑えて電力損失を低減できる。さらに、直列共振周波数及び並列共振周波数の変動を小さくすることができる。

前記第１下地層と前記第２下地層を設けることによって、くし歯状電極部の密着性が向上し、熱応力による空隙の発生を防止できたものと考えられる。

また、圧電性基板とＣｕ合金層（主電極層）の間に、ＴｉＮからなる第１下地層のみを形成した比較例の弾性表面波素子を形成し、さらに酸素（Ｏ_２）及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ）雰囲気中で４５０℃のキュアを３０分間行なった。

比較例のくし歯状電極部の電極部の膜構成は、
第１下地層（ＴｉＮ；５ｎｍ）／Ｃｕ合金層（ＣｕＡｇ；８０ｎｍ）／第１保護層（ＴｉＮ；５ｎｍ）、第２保護層（Ｃｒ；５ｎｍ）である。括弧内の数値は膜厚である。

比較例の弾性表面波素子を上から見た写真を図１０に示す。
図１０に示されるように、比較例の弾性表面波素子のくし歯状電極部には空隙（ボイド）が発生している。

すなわち、上記実施例のように、前記くし歯状電極部と圧電性基板の間に、前記ＴｉＮからなる第１下地層とＣｒからなる第２下地層の両方を設けることにより、前記熱処理の温度を４５０℃と高くしてもくし歯状電極部に空隙部が発生することを防止できる。

圧電性基板及びくし歯状電極部の上に絶縁層を形成するときには、圧電性基板及びくし歯状電極部の上にポリシラザンなどのシリコン化合物をスピンコート法によって塗布したのち、酸素（Ｏ_２）及び水蒸気（Ｈ_２Ｏ）雰囲気中の熱処理を行う。このキュア工程によって、アンモニアＮＨ_３やＨ_２が遊離し、絶縁層は酸化ケイ素を主成分とする層となる。

前記熱処理の温度を高くすることが可能になると、素子温度が変化したときの直列共振周波数及び並列共振周波数の変動をさらに小さくし、また、弾性表面波素子のＱ値をさらに向上させることができる。

また、前記熱処理の温度を高くすることが可能になると前記絶縁層の膜厚を大きくすることができる。前記絶縁層の膜厚を大きくすることによって、素子温度が変化したときの直列共振周波数及び並列共振周波数の変動をさらに小さくし、また、弾性表面波素子のＱ値をさらに向上させることができる。

なお、第２下地層をＣｒの代わりにＴｉを用いて形成すると、第２下地層を１０ｎｍ以上にしないとくし歯状電極部に空隙（ボイド）が発生し、第２下地層の膜厚を１０ｎｍ以上にするとくし歯状電極部に空隙（ボイド）が発生しなくなる代わりにＣｕ合金層が双晶構造をとることができなくなって耐電力性が低下するという問題が発生した。

本発明の弾性表面波素子の実施の形態を示す平面図、 単結晶圧電基板のカット角を説明するための様式図、 図１に示された弾性表面波素子の３−３線断面図、 本発明の弾性表面波素子のくし歯状電極部の側面図、 本発明の実施例の弾性表面波素子のくし歯状電極部の拡大部分側面写真、 図５を模式図的に示したくし歯状電極部の拡大部分側面図、 本発明の実施例の弾性表面波素子のくし歯状電極部の拡大部分平面写真、 本発明の実施例の弾性表面波素子のくし歯状電極部の拡大部分平面写真、 本発明の実施例の弾性表面波素子のくし歯状電極部の拡大部分平面写真、 比較例の弾性表面波素子のくし歯状電極部の拡大部分平面写真、 従来の弾性表面波素子の電極の部分平面図、

符号の説明

１１ 弾性表面波素子
１２ 圧電性基板
１３、１４ くし歯状電極部
１５、１６ 接続電極部
１７、１８ 電極部
１９ 反射電極
２０、２４ 第１下地層
２１、２５ 第２下地層
２２、２６ 主電極層
２３、２７ 第１保護層
３０、３１ 第２保護層
３２ 絶縁層

Claims (17)

1. 圧電性基板と、前記圧電性基板の上に薄膜形成された電極部とを有する弾性表面波素子において、
   前記電極部が、くし歯状電極部と前記くし歯状電極部に接続された接続電極部とを備えており、前記くし歯状電極部は下地層とこの下地層の上に積層された主電極層を有し、前記くし歯状電極部および前記圧電性基板が、前記圧電性基板の温度−弾性定数変化特性と逆方向の温度−弾性定数変化特性を持つ絶縁層で覆われており、
   前記下地層は、前記圧電基板上に積層されたＴｉＮ層またはＴｉＯｘＮｙ（ただし０＜ｘ＜０．２，ｘ＋ｙ＝１）層の第１下地層と、前記第１下地層と前記主電極層との間に介在するＣｒ層の第２下地層とを有し、前記第２下地層の膜厚が０．５nm以上で１０nm以下であることを特徴とする弾性表面波素子。
2. 前記主電極部はＣｕ又はＣｕ合金によって形成されている請求項１に記載の弾性表面波素子。
3. 前記主電極部はＣｕＡｇ合金によって形成されている請求項２記載の弾性表面波素子。
4. 前記主電極層の上に、ＴｉＮ層またはＴｉＯｘＮｙ（ただし０＜ｘ＜０．２，ｘ＋ｙ＝１）層の第１保護層が積層されている請求項１ないし３のいずれかに記載の弾性表面波素子。
5. 前記第１保護層の上に、Ｃｒ層の第２保護層が積層され、この第２保護層が前記絶縁層で覆われている請求項４記載の弾性表面波素子。
6. 前記圧電性基板はＬｉＴａＯ₃またはＬｉＮｂＯ₃からなる請求項１ないし５のいずれかに記載の弾性表面波素子。
7. 前記圧電性基板はＹカット角が３６°から６０°のＬｉＴａＯ₃からなる請求項６に記載の弾性表面波素子。
8. 前記絶縁層は、酸化ケイ素で形成されている請求項１ないし７のいずれかに記載の弾性表面波素子。
9. 前記第１下地層は岩塩型構造、面心立方構造の結晶構造を有し、前記主電極層は面心立方構造の結晶構造を有しており、前記主電極層の｛１１１｝面は基板表面に対して一定の傾きを有している請求項１ないし８のいずれかに記載の弾性表面波素子。
10. 前記主電極層の｛１１１｝面は前記圧電性基板の結晶のＸ軸に平行である請求項９記載の弾性表面波素子。
11. 前記第１下地層の｛１１１｝面は基板表面に対して一定の傾きを有していることを特徴とする請求項９または１０記載の弾性表面波素子。
12. 以下の工程を有することを特徴とする弾性表面波素子の製造方法。
    （ａ）圧電性基板の上に、ＴｉＮ層の第１下地層を形成し、前記第１下地層の上に厚さが０．５nm以上で１０nm以下のＣｒ層の第２下地層を形成し、前記第２下地層の上に導電性材料からなる主電極層を積層して、くし歯状電極部と前記くし歯状電極部に接続された接続電極部とを形成する工程と、
    （ｂ）前記圧電性基板と前記くし歯状電極部の上に、前記圧電性基板の温度−弾性定数変化特性と逆方向の温度−弾性定数変化特性を持つ絶縁性材料を塗布して絶縁層を形成する工程と、
    （ｃ）前記絶縁層を熱処理する工程。
13. 前記熱処理を酸素とＨ₂Ｏのいずれか一方または両方の雰囲気中で行い、前記絶縁層を酸化させる請求項１２に記載の弾性表面波素子の製造方法。
14. 前記熱処理を４５０℃以上で行う請求項１２または１３に記載の弾性表面波素子の製造方法。
15. 前記圧電性基板をＬｉＴａＯ₃を用いて形成し、前記絶縁性材料としてシリコン化合物を用いて、酸化ケイ素を主成分とする前記絶縁層を形成する請求項１２ないし１４のいずれかに記載の弾性表面波素子の製造方法。
16. 前記主電極部をＣｕ又はＣｕ合金で形成する請求項１２ないし１５のいずれかに記載の弾性表面波素子の製造方法。
17. 前記主電極部をＣｕＡｇ合金で形成する請求項１６に記載の弾性表面波素子の製造方法。

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