JPH0832404A

JPH0832404A - 弾性表面波素子

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Publication number: JPH0832404A
Application number: JP16092694A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Ota; 康博太田; Akitsuna Yuhara; 章綱湯原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-07-13
Filing date: 1994-07-13
Publication date: 1996-02-02
Anticipated expiration: 2017-06-24
Also published as: JP3296097B2

Abstract

(57)【要約】【目的】電極膜の耐電力性が高く、内部損失が少なく、
また、ワイヤボンディングが容易な、特性良好で長寿命
な弾性表面波素子電極を提供すること。【構成】圧電性基板上に形成した電極膜において、該電
極膜の膜厚方向の平均組成として、Ｃｕを０．３ｗｔ％
〜２．０ｗｔ％を含有し、かつ、ＰｄまたはＴｉを０．
１ｗｔ％〜３．０ｗｔ％添加した３元素または４元素Ａ
ｌ合金薄膜よりなる様にし、また、該電極膜の平均粒径
は電極幅の１／５０〜１／３よりなるように電極膜を形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属薄膜よりなる電極
膜を形成した弾性表面波素子に関し、特に、耐電力性が
高く、特性良好で、長期使用に耐える弾性表面波素子の
電極に関する。

【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
高耐電力性を併せ持つ新しい構造が要求されるようにな
ってきている。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。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
る点が挙げられる。

【０００３】上記問題に対応するため、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
電極の金属薄膜を硬化させることが行なわれている。ま
た、ＡｌにＴｉを添加する提案は特開昭６２−１６３４
０８号公報に、ＡｌにＰｄを添加する提案は特開平２−
２７４００８号公報に記載されている。他に、ＡｌにＮ
ｉ，Ｍｇ等を添加する提案もなされている。

【０００４】電極膜材料としては、Ａｌ膜にＣｕ，Ｔ
ｉ，Ｐｄ，Ｎｉ，Ｍｇ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、及び、硬化強度が高すぎる為に、内部損失が増大、
及び、ワイヤボンディングが困難になるという問題があ
り、両者を満足するための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。

【０００５】

【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、及び、ワイヤボンディングを可能にするこ
と、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。

【０００６】本発明は、従来の課題を解決し、耐電力性
が高く、しかも動作時の内部損失が低くワイヤボンディ
ングが容易な弾性表面波素子電極の電極材料および電極
薄膜の微細構造を提供することを目的とする。

【０００７】

【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、少なくとも１個
の送受波電極を有し、該送受波電極を含め、弾性表面波
を伝搬ないしは反射する電極の少なくとも１部におい
て、（１）Ｃｕを０．３ｗｔ％〜２．０ｗｔ％かつＰｄ
を０．１ｗｔ％〜３．０ｗｔ％含有した３元素Ａｌ合金
薄膜にすること、（２）Ｃｕを０．３ｗｔ％〜２．０ｗ
ｔ％かつＴｉを０．１ｗｔ％〜３．０ｗｔ％含有した３
元素Ａｌ合金薄膜にすること、（３）Ｃｕを０．３ｗｔ
％〜２．０ｗｔ％、かつ、ＰｄとＴｉの両者の合計をを
０．１ｗｔ％〜３．０ｗｔ％含有した４元素Ａｌ合金薄
膜にすること、（４）該Ａｌ合金薄膜の平均粒径を電極
幅の１／５０〜１／３にすること、以上の４つ手段を採
用することにした。

【０００８】

【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。電極膜の耐電力向上を図るために
は、Ｃｕを添加したＡｌ合金薄膜を用いることが有効で
ある。しかし、Ａｌ−Ｃｕ合金膜の欠点は、電池効果に
より腐食性が高く、また、微細電極を高精度に形成する
塩素系ガスプラズマを用いたドライエッチングを行った
場合、Ｃｕの塩化物の蒸気圧が低いためにエッチングが
難しく、また、Ｃｕの塩化物が残留するために電極腐食
が発生し易い点がある。

【０００９】発明者は、弾性表面波素子の電極劣化に及
ぼすＡｌへの添加材料の効果及び電極膜構造の効果を検
討した結果、以下に示すことが明らかになった。Ｃｕの
添加効果は、Ａｌ−Ｃｕ合金膜内におけるＡｌ原子の自
己拡散の抑圧であり、他の添加材料に比較して１桁以上
低くＡｌの自己拡散速度を低減することができる。ま
た、Ａｌ−Ｃｕ合金膜は、同一条件にて成膜したＡｌ膜
とほぼ同一の結晶粒径を示し、結晶粒径の微細化の効果
は無い。一方、電極膜構造としては、結晶粒径の微細化
が電極劣化防止として有効である。結晶粒径の微細化を
図る手段として添加材料の検討を行った結果、Ｐｄ，Ｔ
ｉ，Ｂｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｐｂが有効であった。但
し、Ｂｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｓｎ，Ｐｂは、Ａｌへの添加に伴
う抵抗増加、酸化性、腐食性、相分離及び毒性の点で好
ましくなく、Ｐｄ，Ｔｉがより好ましい。

【００１０】そこで、Ａｌ−Ｃｕ合金膜にＰｄ，Ｔｉの
添加を行ったところ、結晶粒径は微細化され、電極の耐
電力性がＡｌ−Ｃｕ合金膜を使用した場合よりも３倍以
上向上することを確認した。Ｃｕの添加量は、その効果
を発揮するためには０．１ｗｔ％以上必要であるが、Ａ
ｌ膜よりも２倍以上の耐電力性を得るためには０．３ｗ
ｔ％以上がより好ましい。また、Ｃｕ添加による抵抗増
加および電池効果による腐食容易性を防止する点より
２．０ｗｔ％以下にする必要がある。Ｐｄ，Ｔｉの添加
量は、その効果を発揮するためには０．１ｗｔ％以上必
要であるが、Ｐｄ，Ｔｉ添加による抵抗増加及び膜硬度
増加によるワイヤボンディング不能のため３．０ｗｔ％
以下に限定される。

【００１１】電極膜の平均粒径は、耐電力性及び比抵抗
に影響を与える。平均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、平均粒径には最適範囲が存在す
る。実験の結果、平均粒径が電極幅の１／３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
とを明らかにした。

【００１２】従って、電極膜の平均粒径は、電極幅の１
／５０以上１／３以下の範囲内にする必要がある。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を図面を用いて更に詳細に説明
する。

【００１４】実施例１：図１（a）は弾性表面波２開口
共振器の平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）中に示すＡ−
Ａ’線断面図である。圧電性基板１ａにはＳＴカット水
晶基板を用い、その基板上に１組の送受波電極２，２’
が開口１０００μｍ、２８対で互いに弾性表面波を送受
するように設けられており、ボンディングパット３，
３’と接続されている。ボンディングパット３，３’は
直径２５μｍのＡｌ線またはＡｕ線よりなるボンディン
グワイヤで、カンパッケイジステム７の入出力ピン４，
４’に電気的に接続されている。また、上記１組の送受
波電極２，２’の両側には７５０本の金属スプリットか
らなる反射器５，５’が設けられ、２開口弾性表面波共
振器を構成している。上記送受波電極２，２’、反射器
５，５’の電極の膜厚は約０．１μｍで、共振周波数は
６９７ＭＨｚ，Ｑ≒４０００となっており、単層構造の
Ａｌ−０．５ｗｔ％Ｃｕ−０．３ｗｔ％Ｔｉ電極、Ａｌ
−０．５ｗｔ％Ｃｕ−０．３ｗｔ％Ｐｄ電極、比較例と
してＡｌ−０．５ｗｔ％Ｃｕ電極の物を作製した。尚、
送受波電極２，２’、反射器５，５’を形成させた基板
１ａは導電性接着剤６でＴＯ−５カンパッケージステム
７に接着してある。図２に加速劣化試験結果を示す。加
速劣化試験の条件は、周囲温度１２０℃で、入力電力を
変化させた場合で行い、寿命は共振周波数が試験開始時
点から±５０ｋＨｚ変化した時間を持って示した。Ｔ
ｉ，Ｐｄを添加したＡｌ−Ｃｕ電極を用いた場合は、Ａ
ｌ−Ｃｕ電極を用いた場合よりも長寿命になることが確
認できる。

【００１５】実施例２：図３に、本実施例の加速劣化試
験に用いた素子構造を示す。図３（ａ）は本実施例の素
子の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）Ａ−Ａ’の断面図
である。圧電性基板１ｂはＳＨモー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で
ある。電極構成は、入力電極８、出力電極９が交互に配
置されており、入出力電極の個数は、入力電極８は２
個、出力電極９は３個の多電極型構造となっている。入
力電極８及び出力電極９は、それぞれくし形電極指１０
から構成され、図３（ｂ）の断面図に示すように、くし
形電極指１０の電極幅とくし形電極指１０のない部分
（スペース部）の幅は等しくなっている。また、入出力
電極８，９の間には接地用電極パターン１１が形成され
ている。更に、圧電性基板１ｂの表面は、入出力電極
８，９及び接地用電極パターン１１と電気的に絶縁され
た浮き電極パターン１２で覆った構造としている。尚、
この多電極型弾性表面波素子の中心周波数は８８０ＭＨ
ｚで、入出力電極８，９のくし形電極指の電極幅、スペ
ース幅は共に１．２μｍ、接地用電極パターン１１の幅
は５μｍである。電極は、単層構造のＡｌ−１．０ｗｔ
％Ｃｕ−０．５ｗｔ％Ｔｉ電極、Ａｌ−１．０ｗｔ％Ｃ
ｕ−０．５ｗｔ％Ｐｄ電極、比較例としてＡｌ−１．０
ｗｔ％Ｃｕ電極の物を作製し、膜厚は約０．１μｍであ
る。図４に加速劣化試験結果を示す。加速劣化試験の条
件は、周囲温度１２０℃で、入力電力を変化させた場合
で行い、寿命は中心周波数での損失が０．５ｄＢ増加し
た時間とした。Ｔｉ，Ｐｄを添加したＡｌ−Ｃｕ電極を
用いた場合は、Ａｌ−Ｃｕ電極を用いた場合よりも長寿
命になることが確認できる。

【００１６】実施例３：実施例２と同一の多電極型弾性
表面波素子構造を用い、電極は、単層構造のＡｌ−１．
０ｗｔ％Ｃｕ−０．３ｗｔ％Ｔｉ−０．３ｗｔ％Ｐｄ電
極、比較例としてＡｌ−１．５ｗｔ％Ｃｕ電極の物を作
製し加速劣化試験を行った。膜厚は約０．１μｍであ
る。図５に加速劣化試験結果を示す。加速劣化試験の条
件は、周囲温度１２０℃で、入力電力を変化させた場合
で行い、寿命は中心周波数での損失が０．５ｄＢ増加し
た時間とした。ＴｉとＰｄを添加したＡｌ−Ｃｕ電極を
用いた場合は、Ａｌ−Ｃｕ電極を用いた場合よりも長寿
命になることが確認できる。

【００１７】実施例４：本実施例は、ＡｌへのＣｕ添加
量の範囲を示すものである。図６は、Ａｌ−Ｃｕ電極膜
を用いた弾性表面波素子において、Ｃｕの添加量に対す
る寿命をＡｌ電極膜を用いた時の寿命により規格化し示
したものである。寿命評価に用いた弾性表面波素子は、
ＳＴ水晶基板を使用した２開口共振器であり、加速劣化
試験の条件は周囲温度１２０℃、入力電力１Ｗである。
寿命は共振周波数が試験開始時点から±５０ｋＨｚ変化
した時間とした。該弾性表面波素子の構造等は実施例１
と同様である。ＡｌへのＣｕの添加量を増加させるとＡ
ｌに対する寿命倍率は上昇する。０．１ｗｔ％Ｃｕの添
加により寿命向上の効果は現われるが、少なくともＡｌ
に対する寿命の２倍の寿命を確保するためには０．３ｗ
ｔ％Ｃｕ以上の添加が必要である。しかし、２．０ｗｔ
％Ｃｕより多くの添加を行った場合には、弾性表面波素
子の作製プロセス中に電極に腐食が発生する頻度が高く
実用的ではない。従って、Ｃｕの添加量としては、０．
１ｗｔ％以上の添加が好ましく、０．３ｗｔ％以上の添
加がさらに好ましいが、２．０ｗｔ％以下にする必要が
ある。

【００１８】実施例５：本実施例は、ＡｌへのＴｉ，Ｐ
ｄの添加量の下限を示すものである。図７は、Ａｌへの
Ｔｉ，Ｐｄの添加量に対する合金膜の平均結晶粒径を示
したものである。各合金膜の膜厚は０．１３μｍと一定
とし評価した。Ｔｉ，Ｐｄはともに該合金膜の結晶粒径
を小さくする効果あり、同一添加量ではＰｄの方がその
効果が大きい事を確認した。該効果は微量の添加におい
ても現われるが少なくとも０．１ｗｔ％以上の添加がよ
り望ましい。

【００１９】実施例６：本実施例は、ＡｌへのＴｉ，Ｐ
ｄの添加量の上限を示すものである。図８は、Ａｌ−
０．５ｗｔ％ＣｕへのＴｉ，Ｐｄの添加量に対する合金
膜の比抵抗を示したものである。各合金膜の膜厚は０．
１μｍと一定とし評価した。Ｔｉ，Ｐｄの添加量が増加
するにともない比抵抗は増大するが、Ｐｄ添加の方が増
加の割合が少ない。また、３．０ｗｔ％より多くの添加
を行った場合には、該合金膜の硬度が増加しワイヤボン
ディングが不可能になるため３．０ｗｔ％以下の添加量
にすることが必要である。

【００２０】実施例５の結果も踏まえると、Ｔｉ，Ｐｄ
の添加量は０．１ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下にする必
要がある。

【００２１】実施例７：図９は、弾性表面波素子電極の
寿命が電極膜の（平均結晶粒径／電極幅）により大きな
影響を受けることを示した図である。すなわち、電極幅
に対する電極膜の平均粒径の比率と、当該素子電極の寿
命の関係を●印の特性線で示している。加速劣化試験条
件及び素子は、実施例２に示したそれと同様である。た
だし、電極膜組成は、Ａｌ−０．５ｗｔ％Ｃｕ−０．４
ｗｔ％Ｐｄとした。電極幅に対する電極膜の平均粒径の
比率は、電極膜の作成条件を変化させて得ることができ
る。該比率が低くなると共に寿命は向上し、本加速試験
では、１０時間以上の寿命を保持することが実用上必要
になるため、本比率は１／３以下にする必要があること
がわかる。一方、該比率が１／５０より低くなると、黒
四角印の特性線で示している様に、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から
好ましくない。従って、上記両条件から好ましい該比率
は１／３〜１／５０であることになる。

【００２２】実施例８：図１０は、Ａｌ−０．５ｗｔ％
ＣｕへのＴｉ，Ｐｄの添加量に対する合金膜の平均結晶
粒径を示したものである。各合金膜の膜厚は０．１３μ
ｍと一定とし評価した。Ｔｉ，Ｐｄはともに該合金膜の
結晶粒径を小さくする効果あり、同一添加量ではＰｄの
方がその効果が大きい事を確認した。該効果は微量の添
加においても現われるが少なくとも０．１ｗｔ％以上の
添加がより望ましい。

【００２３】実施例１の図２に示した加速劣化試験結果
では、寿命はＰｄよりもＴｉ添加の方が長く、一方、Ｐ
ｄの方が平均結晶粒径の微細化の効果が大きいとする本
実施例とは結果が相違している。この事実は、Ｔｉを添
加した合金中の方がＰｄを添加した合金中よりのＡｌの
自己拡散が小さい事を意味している。

【００２４】実施例９：図１１は、Ａｌ−１．０ｗｔ％
ＣｕへのＴｉ，Ｐｄの添加量に対する合金膜の平均結晶
粒径を示したものである。各合金膜の膜厚は０．１３μ
ｍと一定とし評価した。Ｔｉ，Ｐｄはともに該合金膜の
結晶粒径を小さくする効果あり、同一添加量ではＰｄの
方がその効果が大きい事を確認した。該効果は微量の添
加においても現われるが少なくとも０．１ｗｔ％以上の
添加がより望ましい。

【００２５】実施例２の図４に示した加速劣化試験結果
では、寿命はＰｄよりもＴｉ添加の方が長く、一方、Ｐ
ｄの方が平均結晶粒径の微細化の効果が大きいとする本
実施例とは結果が相違している。この事実は、Ｔｉを添
加した合金中の方がＰｄを添加した合金中よりのＡｌの
自己拡散が小さい事を意味している。

【００２６】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の
少なくとも１層に本発明を実施しても有効である。ま
た、電極膜の膜厚は本実施例では０．１μｍ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、
本実施例の水晶、ＬｉＴａＯ₃に限定するものではな
く、ＬｉＮｂＯ₃，Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇，ＺｎＯ等の圧電性基板
であれば本発明に含まれる。また、素子構造も、本実施
例の共振器型構造、多電極型構造に限定する必要はな
い。

【００２７】

【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、また、ワイヤボ
ンディングを可能にする事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明一実施例の弾性表面波素子の平
面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線断面図である。

【図２】本実施例１の弾性表面波２開口共振器におい
て、Ａｌ−０．５ｗｔ％Ｃｕ電極膜、Ａｌ−０．５ｗｔ
％Ｃｕ−０．３ｗｔ％Ｔｉ電極膜、Ａｌ−０．５ｗｔ％
Ｃｕ−０．３ｗｔ％Ｐｄ電極膜を用いた際の加速劣化試
験結果を示す特性図である。

【図３】（ａ）は本発明一実施例の弾性表面波素子の平
面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ線断面図である。

【図４】本実施例２の多電極型弾性表面波素子におい
て、Ａｌ−１．０ｗｔ％Ｃｕ電極膜、Ａｌ−１．０ｗｔ
％Ｃｕ−０．５ｗｔ％Ｔｉ電極膜、Ａｌ−１．０ｗｔ％
Ｃｕ−０．５ｗｔ％Ｐｄ電極膜を用いた際の加速劣化試
験結果を示す特性図である。

【図５】本実施例３の多電極型弾性表面波素子におい
て、Ａｌ−１．５ｗｔ％Ｃｕ電極膜、Ａｌ−１．０ｗｔ
％Ｃｕ−０．３ｗｔ％Ｔｉ−０．３ｗｔ％Ｐｄ電極膜を
用いた際の加速劣化試験結果を示す特性図である。

【図６】Ａｌ−Ｃｕ電極膜のＣｕ添加量と寿命の関係を
示す特性図である。

【図７】Ａｌ−Ｔｉ膜とＡｌ−Ｐｄ膜のＴｉ，Ｐｄ添加
量と平均結晶粒径の関係を示す特性図である。

【図８】Ａｌ−０．５ｗｔ％Ｃｕ電極膜へのＴｉ，Ｐｄ
添加量と比抵抗の関係を示す特性図である。

【図９】電極膜における平均結晶粒径／膜厚と寿命およ
び規格化した比抵抗の関係を示した特性図である。

【図１０】Ａｌ−０．５ｗｔ％ＣｕへのＴｉ，Ｐｄ添加
量と平均結晶粒径の関係を示す特性図である。

【図１１】Ａｌ−１．０ｗｔ％ＣｕへのＴｉ，Ｐｄ添加
量と平均結晶粒径の関係を示す特性図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ…圧電性基板、２，２’…送受波電極、３，３’…ボンディングパッド、４，４’…入出力ピン、５，５’…反射器、６…導電性接着剤、７…カンパッケージステム、８…入力電極、９…出力電極、１０…くし形電極、１１…接地用電極パターン、１２…浮き電極パターン。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電性基板上に、少なくとも１個の送受波
電極を有し、該送受波電極を含め、弾性表面波を伝搬な
いしは反射する電極の少なくとも１部が、該電極の膜厚
方向の平均組成として、Ｃｕを０．３ｗｔ％〜２．０ｗ
ｔ％かつＰｄを０．１ｗｔ％〜３．０ｗｔ％含有した３
元素Ａｌ合金であることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項２】圧電性基板上に、少なくとも１個の送受波
電極を有し、該送受波電極を含め、弾性表面波を伝搬な
いしは反射する電極の少なくとも１部が、該電極の膜厚
方向の平均組成として、Ｃｕを０．３ｗｔ％〜２．０ｗ
ｔ％かつＴｉを０．１ｗｔ％〜３．０ｗｔ％含有した３
元素Ａｌ合金であることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項３】圧電性基板上に、少なくとも１個の送受波
電極を有し、該送受波電極を含め、弾性表面波を伝搬な
いしは反射する電極の少なくとも１部が、該電極の膜厚
方向の平均組成として、Ｃｕを０．３ｗｔ％〜２．０ｗ
ｔ％、かつ、ＰｄとＴｉの両者の合計をを０．１ｗｔ％
〜３．０ｗｔ％添加した４元素Ａｌ合金であることを特
徴とする弾性表面波素子。
【請求項４】圧電性基板上に、少なくとも１個の送受波
電極を有し、該送受波電極を含め、弾性表面波を伝搬な
いしは反射する電極の少なくとも１部において、該電極
の平均粒径が電極幅の１／５０〜１／３であることを特
徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の弾性表
面波素子。