JPH066173A - 弾性表面波素子電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐電力性が高く、しかも内部損失が少ない、
即ち特性良好で長寿命な弾性表面波素子電極を提供す
る。 【構成】 電極膜の微細構造において、電極膜のＸ線回
折分析における（電極膜の主材料の第１ピ−ク強度）／
（電極膜の主材料の第２ピ−ク強度）の値を１００以下
にし、または、電極膜の平均結晶粒径を電極幅Ｗの１／
５０〜１／５にし、電極膜材料組成としてＡｌｘＭｙ
（ただし、ＭはＴｉ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｎｉ，等の中
の少なくとも１つであり、ｘ，ｙはｗｔ％表示で０≦ｙ
≦２０，ｘ＋ｙ＝１００）にすることにより、耐電力性
を向上させ内部損失を軽減させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、圧電性基板上に金属薄
膜よりなる膜状の電極を形成して成る弾性表面波素子の
該電極（即ち弾性表面波素子電極）に関するものであ
り、更に詳しくは、高い入力電力に対しても破損しない
耐電力性を備え、内部損失の低減も図って長期使用に耐
えるようにした弾性表面波素子電極に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、弾性表面波素子は、小形高性能な
バンドパスフィルタ及び共振子として応用範囲が拡大
し、動作周波数も数百ＭＨｚから数ＧＨｚと高周波化す
ると同時に高出力化が要求されるようになってきてい
る。また、高出力化を図るために、内部損失の低減及び
高耐電力性を持つ新しい構造が要求されるようになって
きている。

【０００３】高周波化を図るためには、使用するすだれ
状くし形電極のピッチを狭くすると同時に電極幅も狭く
する必要が有り、中心周波数１ＧＨｚの時には電極幅は
約１μｍとなる。

【０００４】このような微細電極を用いた弾性表面波素
子の信頼性面での問題点として、動作時に、弾性表面波
によって生ずる基板表面の歪みが、表面上に形成された
電極膜に内部応力を発生させ、その応力が電極膜の臨界
剪断応力を越えた部分では電極材料原子が結晶粒界を通
路として移動し、電極に空隙（ボイド），突起（ヒロッ
ク）を発生させ、特性の劣化及び電極破壊が発生する。

【０００５】上記問題に対処するため、従来から、例え
ば特公昭６１−４７０１０号公報に記載されているよう
に、使用する電極材料として、ＡｌにＣｕを少量添加
し、結晶粒界にＣｕＡｌ₂等を析出させて電極を構成す
る金属薄膜を硬化させることが行なわれている。電極膜
を硬化させる手段としては、Ｃｕの他にも、Ｔｉ，Ｎ
ｉ，Ｍｇ，Ｐｄ等を添加する方法も行なわれている。

【０００６】しかし、従来の弾性表面波素子の製造方法
は、圧電性基板上に真空蒸着法またはスパッタリング法
にて金属性電極膜を形成し（形成後、焼鈍処理を行なう
場合もある）、その後、フォトリソグラフィ−技術等の
微細加工技術によりパターニングを行なう方法であっ
た。

【０００７】電極膜材料としては、Ａｌ膜にＣｕ，Ｔ
ｉ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｐｄ等を少量添加し電極膜の硬化を行
なう際に、添加量を増加するに伴い硬化強度は増大し耐
電力性は増大するが、一方、電極膜の比抵抗が増加する
ために内部損失が増大するという問題があり、添加する
元素および添加する量に大幅な制限があると共に、電極
膜の微細構造に関する最適化がなされていなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、電極
膜の硬化強度を増大させて耐電力性の向上を図ること、
電極膜の比抵抗を減少させて動作時の内部損失を低減さ
せること、の両方を同時に実現させることについては考
慮されていなかった。本発明は、従来の上記課題を解決
し、耐電力性が高く、しかも動作時の内部損失が低い弾
性表面波素子電極を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明においては、圧電性基板上に金属薄膜よりなる
膜状の電極を形成して成る弾性表面波素子の該電極にお
いて、先ず、膜状の該電極に対してＸ線回折分析を行っ
た際、該電極を構成する主材料について得られる第１ピ
ーク強度と第２ピーク強度の比、即ち（第１ピーク強度
／第２ピーク強度）の値が、１００以下であるようにし
た。

【００１０】また圧電性基板上に金属薄膜よりなる膜状
の電極を形成して成る弾性表面波素子の該電極におい
て、膜状の該電極を構成する主材料の平均結晶粒径が該
電極の幅寸法の１／５０〜１／５の寸法であるようにし
た。

【００１１】更に上記条件のもとで、弾性表面波素子電
極を構成する金属薄膜の膜厚方向の平均組成が、Ａｌｘ
Ｍｙなる合金（ Ａｌをｘ重量％、金属Ｍをｙ重量％含
む合金）で表されるようにした。

【００１２】但し、金属ＭはＴｉ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ｎｂ，
Ｎｉ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｚｎ，Ｌｉ，Ｔａ，Ａ
ｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｃｒ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｃｄ，Ｗ，Ｖの中
から選ばれた少なくとも一つの金属を表し、かつ、０≦
ｙ≦２０，ｘ＋ｙ＝１００なる条件を満たすものとす
る。

【００１３】

【作用】圧電性基板に電極膜を形成する方法としては、
スパッタリング法及び真空蒸着法が用いられるが、膜の
緻密性及び合金膜の組成安定性の点から主にスパッタリ
ング法が用いられる。スパッタリング法により形成され
た電極膜は、多くの結晶粒からなる多結晶薄膜になるこ
とが殆どであり、従って、膜組成が同一であっても膜の
微細構造、例えば配向性，結晶粒径等によりその膜特性
は千差万別である。

【００１４】本発明者は、電極薄膜の微細構造（配向
性，結晶粒径等）と耐電力性および比抵抗の関係を見出
し、その関係を利用することの有効性を確認した。即
ち、電極膜のＸ線回折分析において、（電極膜材料の第
１ピ−ク強度）／（電極膜材料の第２ピ−ク強度）の値
と耐電力性の関係を検討した結果、その値が低いほど耐
電力性が向上した。

【００１５】ここで、第１ピ−ク強度及び第２ピ−ク強
度とは、ＡＳＴＭカ−ドにおける第１次面方位及び第２
次面方位で、例えば、Ａｌの場合の第１ピ−ク強度は
（１１１）面での強度を、第２ピ−ク強度は（２００）
面での強度を示す。電極膜材料が２種類以上の材料から
なる場合には、主材料での第１ピ−ク強度及び第２ピ−
ク強度を使用する。

【００１６】実験の結果、良好な耐電力性を得るために
は、（電極膜材料の第１ピ−ク強度）／（電極膜材料の
第２ピ−ク強度）値は、１００以下が好ましく、４０以
下が更に好ましいことを明らかにした。ＬＳＩ分野にお
いて、配線の耐エレクトロマイグレ−ション性の向上を
図る為には、例えば、文献Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃ
ｎｏｌ．Ａ７（３），１９８９，ｐ６５１〜ｐ６５５に
記載されているように、上記値を高くすることが必要で
あるが、多結晶の弾性表面波電極においては意外にも逆
の関係を示すことを明らかにしたのである。

【００１７】電極膜の平均結晶粒径は、耐電力性及び比
抵抗に影響を与える。平均結晶粒径が小さいほど耐電力
性は向上する傾向を示すが、一方、比抵抗は増加し内部
損失が増大する傾向を示すため、平均結晶粒径には最適
範囲が存在する。

【００１８】実験の結果、平均結晶粒径が電極幅の１／
５以下の時、耐電力性向上に有効であるが、１／５０未
満になると比抵抗が増加し内部損失が増大するために好
ましくないこと、従って耐電力性向上と比抵抗の増加し
ないこと、とを両立させるためには、平均結晶粒径が電
極幅の１／５から１／５０の範囲内にあることが適切で
あることを明らかにした。

【００１９】よって電極膜の平均結晶粒径は、電極幅の
１／５０以上、１／５以下の範囲内にする必要がある。
そしてそのことを実現するには、該電極を構成する金属
薄膜の膜厚方向の平均組成が、ＡｌｘＭｙなる合金（
Ａｌをｘ重量％、金属Ｍをｙ重量％含む合金）で表され
るようにすることが必要であるというわけである。

【００２０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。先ず図１は、電極膜材料がＡｌ−０．３ｗｔ％Ｔ
ｉ（チタンが０．３ｗｔ％でアルミニュウムが残りの９
９．７ｗｔ％である合金）であるときの、Ｘ線回折分析
におけるＡｌ（１１１）強度／Ａｌ（２００）強度の
値、換言すれば前述の（電極膜材料の第１ピ−ク強度）
／（電極膜材料の第２ピ−ク強度）の値、と寿命との関
係を示す特性図である。

【００２１】該強度比は、電極膜の作成条件を変化させ
て得ることが出来る。加速劣化試験条件は、周囲温度１
２０℃，出力１Ｗである。該強度比が低いほど寿命（耐
電力性）が向上していることを示している。本加速劣化
試験では、１０時間以上の寿命を保持することが実用上
必要になる為、Ａｌ（１１１）強度／Ａｌ（２００）強
度は１００以下にする必要があることが分かる。

【００２２】図３は、図１の特性を得る加速劣化試験に
用いた素子構造を示す平面図、図４は、図３におけるＡ
−Ａ’線に沿った断面図である。圧電性基板１はＳＨモ
−ドの擬似表面波を伝搬する３６°回転Ｙ軸切断、Ｘ軸
伝搬のＬｉＴａＯ₃から成るものである。

【００２３】電極構成は、入力電極２、出力電極３が交
互に配置されており、入出力電極の個数は、入力電極２
は２個、出力電極３は３個の多電極型構造となってい
る。入力電極２及び出力電極３は、それぞれくし形電極
指４から構成され、図４の断面図に示すように、くし形
電極指４の電極幅Ｗとくし形電極指４のない部分（スペ
−ス部）の幅は等しくなっている。

【００２４】また、入出力電極２，３の間には接地用電
極パタ−ン５が形成されている。更に、圧電性基板１表
面は、入出力電極２，３及び接地用電極パタ−ン５と電
気的に絶縁された浮き電極パタ−ン６で覆った構造とし
ている。

【００２５】尚、この多電極型弾性表面波素子の中心周
波数は８８０ＭＨｚで、入出力電極２，３のくし形電極
指の電極幅Ｗ、スペ−ス幅は共に１．２μｍ、接地用電
極パタ−ン５の幅は５μｍである。電極は、ＤＣマグネ
トロンスパッタリング法により成膜し、膜厚は約１００
ｎｍである。フォトリソグラフィ技術によりパターニン
グを行ない作成した。寿命は、共振周波数が試験開始時
点から、±５０ｋＨｚ変化するまでに要した時間とし
た。

【００２６】図２は、素子電極の寿命は、電極膜の平均
結晶粒径により大きな影響を受けることを示さんとした
特性図である。即ち、図２は、電極幅に対する電極膜の
平均結晶粒径の比率と、当該素子電極の寿命の関係を●
印の曲線で示している。加速劣化試験条件及び素子は、
先に説明したそれと同様である。

【００２７】電極幅に対する電極膜の平均結晶粒径の比
率は、電極膜の作成条件を変化させて得ることが出来
る。該比率が低くなると共に寿命は向上し、本加速劣化
試験では、１０時間以上の寿命を保持することが実用上
必要になる為、該比率は１／５以下にする必要があるこ
とが分かる。

【００２８】一方、該比率が１／５０より低くなると、
■印の特性において示すように、電極膜の比抵抗が増加
するために素子としての内部損失が増加することになり
好ましくない。従って、上記両条件から好ましい該比率
は１／５〜１／５０であることになる。

【００２９】次に、（電極膜の主材料の第１ピ−ク強
度）／（電極膜の主材料の第２ピ−ク強度）比率を２０
〜４０に、また、電極膜の平均結晶粒径が電極幅の約１
／１０になるように成膜条件を設定し、Ａｌ膜への添加
元素と寿命との関係を次の表１に示す。

【００３０】また、表１に、各電極膜材料を２００℃〜
４５０℃の最適温度にてアニ−ルを行なった場合（行な
わなかった場合）についても示す。寿命の評価は、アニ
−ルを行なわないＡｌ膜に対する寿命倍率で行なった。
加速劣化試験条件および素子構造は、先に説明したそれ
と同様である。

【００３１】

【表１】

【００３２】寿命の向上には、Ｔｉ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ｎ
ｂ，Ｎｉ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｚｎ，Ｌｉ，Ｔ
ａ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｃｒ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｃｄ，Ｗ，
Ｖの少なくとも一元素をＡｌに添加することが有効であ
ることが、表１の試料番号１〜２４のデータから分か
る。

【００３３】表１の試料番号２５〜２７は、添加元素と
してＳｂ，Ｉｎ，Ｓｎは有効でないことを参考までに示
したものである。また、該電極膜にアニ−ルを行なうと
更に寿命が向上することが分かる。該添加元素の添加量
としては、２０ｗｔ％より多い場合には比抵抗が高くな
り、素子としての内部損失が大きく実用不適の為、２０
ｗｔ％以下にすることが必要であった。

【００３４】以上、本実施例では、単層膜からなる電極
について示したが、２層以上からなる多層膜においても
有効である。また、電極膜の膜厚は本実施例では１００
ｎｍとしたが、さらに厚くとも薄くとも差し支えない。
圧電性基板は、本実施例のＬｉＴａＯ₃に限定するもの
ではなく、水晶、ＬｉＮｂＯ₃，Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇，ＺｎＯ等
でも構わない。また、素子構造も、本実施例の多電極型
構造に限定する必要はなく、共振器型構造等でも構わな
い。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、弾
性表面波素子電極において、大幅に耐電力性向上が図れ
ると共に、電極膜の比抵抗を低減できることから弾性表
面波素子の内部損失を低減することが可能となる。従っ
て本発明による弾性表面波素子電極は、比較的高いパワ
ーを入力される携帯電話用のアンテナ入力を取り込む箇
所に用いるＳＡＷフィルタ用として好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】電極膜材料がＡｌ−０．３ｗｔ％Ｔｉであると
きの、Ｘ線回折分析におけるＡｌ（１１１）強度／Ａｌ
（２００）強度の値と寿命との関係を示す特性図であ
る。

【図２】電極膜における平均結晶粒径／電極幅と寿命お
よび規格化比抵抗の関係を示す特性図である。

【図３】本発明一実施例としての弾性表面波素子の構造
を示す平面図である。

【図４】図３におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。

【符号の説明】

１…圧電性基板、２…入力電極、３…出力電極、４…く
し形電極指、５…接地用電極パタ−ン、６…浮き電極パ
タ−ン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電性基板上に金属薄膜よりなる膜状の
   電極を形成して成る弾性表面波素子の該電極において、 膜状の該電極に対してＸ線回折分析を行った際、該電極
   を構成する主材料について得られる第１ピーク強度と第
   ２ピーク強度の比、即ち（第１ピーク強度／第２ピーク
   強度）の値が、１００以下であることを特徴とする弾性
   表面波素子電極。
2. 【請求項２】 圧電性基板上に金属薄膜よりなる膜状の
   電極を形成して成る弾性表面波素子の該電極において、 膜状の該電極を構成する主材料の平均結晶粒径が該電極
   の幅寸法の１／５０〜１／５の寸法であることを特徴と
   する弾性表面波素子電極。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の弾性表面波素子
   電極において、 該電極を構成する金属薄膜の膜厚方向の平均組成が、Ａ
   ｌｘＭｙなる合金（Ａｌをｘ重量％、金属Ｍをｙ重量％
   含む合金）で表されることを特徴とする弾性表面波素子
   電極。但し、金属ＭはＴｉ，Ｐｄ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｎｉ，
   Ｍｇ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｃｏ，Ｚｎ，Ｌｉ，Ｔａ，Ａｕ，Ａ
   ｇ，Ｐｔ，Ｃｒ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｃｄ，Ｗ，Ｖの中から選
   ばれた少なくとも一つの金属を表し、かつ、０≦ｙ≦２
   ０，ｘ＋ｙ＝１００なる条件を満たすものとする。