JPH1093368A

JPH1093368A - 弾性表面波装置の製造方法

Info

Publication number: JPH1093368A
Application number: JP11609497A
Authority: JP
Inventors: Eiji Iegi; 英治家木; Atsushi Sakurai; 敦櫻井; Koji Kimura; 幸司木村
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 1998-04-10

Abstract

(57)【要約】【課題】弾性表面波装置の耐ストレスマイグレーショ
ン特性を改善する。【解決手段】３３.５°回転Ｙカット水晶基板からな
る圧電基板１の表面に、極く薄いＴｉ膜やＣｒ膜などを
設け、ついで、その薄膜の上に電子ビーム蒸着により
（蒸着速度：２０Å／sec以上、基板温度：８０〜１６
０℃）アルミニウム膜を約１０００Åの膜厚に形成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水晶やＬｉＴａＯ
₃（タンタル酸リチウム）、ＬｉＮｂＯ₃（ニオブ酸リチ
ウム）、Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇（四ホウ酸リチウム）のような単
結晶、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃)基板の上に酸化亜鉛の膜
を形成したＺｎＯ／Ａｌ₂Ｏ₃等の圧電基板の表面に電極
を設けた弾性表面波装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】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。

【０００３】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。

【０００４】

【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。

【０００５】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。

【０００６】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。

【０００７】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の
製造方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の弾性
表面波装置の製造方法は、圧電基板の上に形成されたＴ
ｉ又はＣｒからなる薄膜の表面に、アルミニウム膜の成
膜速度を制御することにより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、これによってマイグレ
ーション防止機能をもつ電極を形成することを特徴とし
ている。この場合、アルミニウム膜の成膜速度として
は、毎秒２０Å以上とするのが好適である。

【０００９】さらに、アルミニウム膜には、Ｃｕ，Ｔ
ｉ，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。

【００１０】

【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。

【００１１】これに対し、本発明にあっては、アルミニ
ウム膜の成膜速度を制御することにより、アルミニウム
膜を一定方位に結晶軸配向させることができ、このよう
にして得られた結晶学的に一定方位に配向したアルミニ
ウム膜の電極は、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
非常に強い性質を示す。

【００１２】したがって、本発明の方法によって製造さ
れた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
命も長くできる。

【００１３】また、アルミニウム膜の下地として、圧電
基板の上にＴｉ又はＣｒからなる薄膜を形成しているの
で、弾性表面波装置の耐ストレスマイグレーション特性
をさらに向上させることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
に基づいて詳述する。図１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。

【００１５】圧電基板１としては、鏡面研磨された３
３.５°回転Ｙカット水晶基板を用い、この圧電基板１
の表面に、まず極く薄いＴｉ膜やＣｒ膜などを設けた。
このＴｉ又はＣｒの薄膜は、アルミニウム配向膜の下地
となるものであって、アルミニウム膜の配向を妨げない
程度の膜厚となっている。ついで、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。

【００１６】この時、少なくとも２０Å／sec以上の成
膜速度とすることにより、アルミニウム配向膜が得られ
た。例えば、成膜速度（蒸着速度）及び基板温度は、従
来１０Å／sec、＋１６０℃で蒸着していたのを、発明
者らの実験した範囲では、４０Å／sec、＋８０℃とし
て高速で蒸着することにより良好な（３１１）配向膜が
得られた。なお、基板温度は＋８０℃〜＋１６０℃の範
囲が好ましいが、これ以外の温度でも差し支えない。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（図５（ａ）にこのＲＨＥＥＤ写真を示
す。図５（ｂ）は図５（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。）。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（図６（ａ）にこのＲＨＥＥＤ写
真を示す。図６（ｂ）は図６（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。）。

【００１７】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。

【００１８】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１.１７μｍ）、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、図２のよ
うになった。図２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。

【００１９】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、図３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。

【００２０】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ｔ_dとした。こ
れは、一般にＰ(ｔ)のカーブは、図４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。

【００２１】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。

【００２２】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：９００分以上Ｄ：８,０００分以上（２.５Ｗの場合）となった。

【００２３】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。

【００２４】次に、耐マイグレ−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８,００
０分以上の寿命は１Ｗに換算すると１２０,０００〜３
１２,０００分以上の寿命に相当する。

【００２５】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、Ｃ
ｕ，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。

【００２６】なお、成膜前処理として、フッ化アンモン
溶液などで水晶基板の表面を軽くエッチングすると、エ
ピタキシャル成長させ易くなる。

【００２７】さらに、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カツト水晶基板と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（３
１１）面がエピタキシャル成長したものである。しかし
ながら、Ａｌエピタキシャル膜の（３１１）面は必ずし
も水晶基板の表面に平行である必要はなく、水晶基板の
カット面が上記角度からずれていた場合には、Ａｌエピ
タキシャル膜は（３１１)面が水晶基板のカット面に追
従して傾くように配向するので、他の回転カット角の場
合にもそれに対応したＡｌ薄膜の配向方向が定まり、特
に回転Ｙカットに限定される必然性もない。例えば、２
回回転カット水晶基板の場合でも、Ａｌ薄膜の（３１
１)面が格子整合条件をほぼ満たす方向でエピタキシャ
ル成長することができる。

【００２８】上記の説明では、水晶基板を用いた場合に
ついて説明したが、圧電基板としてＬｉＴａＯ₃基板や
ＬｉＮｂＯ₃基板、Ｌｉ₂Ｂ₄Ｏ₇基板、サファイア(Ａｌ₂
Ｏ₃)基板の上にＺｎＯ薄膜を形成したもの等を用いた場
合でも、Ａｌの成膜条件（例えば、イオンビームスパッ
タやイオンプレーティング等）を適当に選択することに
より、アルミニウム配向膜を形成することが可能であ
る。これらの場合には、Ａｌエピタキシャル膜は（３１
１)面とは限らないが、いずれにしてもＡｌ薄膜と基板
材料との結晶格子整合条件を満たすようにＡｌエピタキ
シャル膜の結晶方位が定まる。

【００２９】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。

【００３０】

【発明の効果】上述のように、本発明によれば、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製造することができる。特に、
高レベルの印加信号に対する耐ストレスマイグレーショ
ン特性に優れた弾性表面波装置を製造することができ
る。

【００３１】こうして耐ストレスマイグレーション特性
に優れた弾性表面波を実現することにより、電極指間等
における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。また、電極指間の距離
を短くできるので、高周波特性も良好にできる。さら
に、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】

【図１】本発明の一実施形態による２ポート弾性表面波
共振子の概略平面図である。

【図２】同上の５０Ω系伝送特性を示す図である。、

【図３】耐ストレスマイグレーション評価システムの概
略図である。

【図４】耐ストレスマイグレーション特性による寿命判
定のカーブを示す図である。

【図５】（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Ｘ線写真及びその説明図
である。

【図６】（ａ）（ｂ）は通常のアルミニウム電極のＸ線
写真及びその説明図である。

【符号の説明】

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

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電基板の上に形成されたＴｉ又はＣｒ
からなる薄膜の表面に、成膜速度を制御することにより
アルミニウム膜を結晶方位的に一定方向に配向させ、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することを特徴とする弾性表面波装
置の製造方法。
【請求項２】前記成膜速度を毎秒２０Å以上とするこ
とを特徴とする請求項１に記載の弾性表面波装置の製造
方法。
【請求項３】前記アルミニウム膜にＣｕ，Ｔｉ，Ｎ
ｉ，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おくことを特徴とする請求項１又は
２に記載の弾性表面波装置の製造方法。
【請求項４】前記添加物の添加量が０.１wt％〜１０w
t％であることを特徴とする請求項３に記載の弾性表面
波装置の製造方法。