JPH043510A - 極薄・耐マイグレーション電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高信頼性弾性表面波素子の電極に係り、特に
大電力を伝送する弾性表面波装置または大振幅、高周波
数の表面波波動が存在する弾性表面波素子に好適な薄膜
電極に関するものである。

〔従来の技術〕

微細な交差指状くし形電極指を用いた弾性表面波装置に
おいては、電子通信学会論文誌９巻Ｊ。

６７Ｃ号、２７８〜２８５頁（１９８４年３月）に記載
されているように、半導体集積回路のアルミニウム配線
電極に生ずるエレクトロマイグレーションによる突起（
ヒロック）や空隙（ボイド）等の欠陥が発生し、弾性表
面波共振器では共振周波数ずれなどの故障が、また大電
力を伝送する弾性表面波フィルタではヒロックの生長に
よる短絡・断線などの故障が頻繁に発生し、長期信頼性
に欠けるという面があった。

上記文献では、このような欠陥の発生メカニズムは、弾
性表面波によって生ずる基板表面の歪が基板表面に形成
されたＡＱの薄膜電極に内部応力を発生させ、この応力
がしきい値を越えた領域ではＡＱの結晶粒界移動が起こ
り、ボイド及びヒロックが生ずるとされている。

そして、内部応力による結晶粒界移動は、アイ・イー・
イー・イー、トランザクション、パーツ。

ハイブリッズ、アンド　パッケージング、ピーエッチビ
ーフ巻、５号（１９７１年）第１３４頁から第１３８頁
（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、Ｐａｒｔｓ　Ｈｙｂｒｉｄｓ
　ａｎｄＰａｃｋａｇｉｎｇＰＨＰ−７Ｎ（１５（１９
７１）ＰＰ１３４〜１３８）に示される集積回路の温度
サイクルにおける場合と同じメカニズムであると論じら
れている。また、上記文献では、このようなマイグレー
ションによる欠陥の対策として、半導体集積回路で用い
られる配線材料のＡＱに微量（１〜４％）のＣｕを添加
する方法を述べ、そのマイグレーション抑制に対する有
効性を示している。

しかしながら、上記文献によるＡＱに微量のＣｕを添加
する従来の技術では、膜の硬度が大きくなるため、ワイ
ヤボンディングなど、外部回路基板との接合が難しくな
るという欠点がある。そして、高周波弾性表面波装置に
おいて、微・細電極を高精度に形成するドライエツチン
グ法で採用する際に電極の腐食等が純ＡＱ電極の場合と
比較してより発生しやすくなり、素子の製造上１歩留り
が大幅に低下するという欠点がある。また、高周波帯で
使用する弾性表面波装置では、伝送電力あるいは振幅が
変わらず従来技術と同様であったとしても、表面波の歪
としては周波数が高くなればなる程大きくなるので、上
記文献に見られるような抵抗加熱または電子線加熱蒸着
によるＣｕ添加ＡＱ電極では、大電力（大振幅）もしく
は大きな歪が励振される高周波帯での動作時に充分な寿
命が保証できなくなるという欠点がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、上記した大電力、大振幅および大きな歪を励
振する高周波の弾性表面波を扱う弾性表面波装置の電極
で、従来発生していた問題点ならびに欠点を解決し、大
電力、大振幅および高周波の条件下でも長期使用に耐え
うる高信頼性の弾性表面波素子用電極を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために１本発明では弾性表面波素子
用の圧電性基板に配置した弾性表面波を励振、伝搬ない
し反射するくし形状の交差指電極を、純ＡＱ薄膜または
低濃度に不純物を添加したＡＱ薄膜よりなる第１の層と
、純金属薄膜または低濃度に不純物を添加した金属薄膜
よりなる第２の層とを重ね合わせた超周期構造の多層膜
で形成したものである。また、電極の耐マイグレーショ
ン性を向上するために、電極を構成する超周期構造の多
層膜を、各々の層間で相互拡散のない多層膜としたもの
である。さらに、耐マイグレーション特性がよく、しか
も経時的に抵抗率の変化が小さい電極とするために、電
極を構成する多層膜を、その結晶粒径の分布幅を１０ｎ
ｍ以下とし、その比抵抗値を６μΩ・■以下となるよう
にしたものである。

〔作用〕

純ＡＱ薄膜もしくは低濃度に不純物を添加したＡＱ薄膜
よりなる第１の電極層を、純金属薄膜または低濃度に不
純物を添加した金属薄膜よりなる第２の電極層と重ね合
わせた超周期構造の多層電極構造とすることは、周期的
に配列された第２の層が、その間に周期的に配列された
第１の層のＡＱ原子の結晶粒界拡散を抑圧するように作
用するので、ＡＱもしくは低濃度の不純物を含むＡＱか
らなる第１の層内体の耐マイグレーション性が向上する
。それによって、弾性表面波素子の耐電力性および長期
信頼性は大幅に向上する。

超周期構造の多層電極において、第１の層と第２の層と
の各々の層間で相互拡散のない多層電極とすることは、
薄膜電極の抵抗値を低減するように作用する。この低抵
抗化によって、大電力もしくは高周波帯での弾性表面波
励振時の電極の発熱による温度上昇を小さくできるよう
になるので、ＡＱ、原子の粒界拡散を抑圧でき、耐マイ
グレーション性が著しく向上する。

電極を構成する超周期構造の多層膜の結晶粒径分布幅を
１０ｎｍ以下と小さくすることは、粒径分布するなち結
晶粒の不均一性に由来するマイグレーションの発生を抑
圧するように作用する。これにより、電極の抵抗率の経
時的変化が著しく小さくなり、たとえば弾性表面波素子
の中心周波数の変動が抑制されて、素子の寿命が大幅に
改善できることになる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

第１図（ａ）は、弾性表面波素子のくし形交差指電極パ
ターンの平面図であり、同図のＡ−Ａ’で示される部分
の断面図を第１図（ｂ）に示す。

図の電極パターン１は、圧電性基板ＬＳＴカット水晶２
の上にホトエツチングにより形成したものである。パタ
ーンの最小線幅及びギャップ幅は。

各々０．４μｍとなっている。

この電極構成材料は、第１層３が膜厚５０人の純アルミ
ニウム膜で、第２層４が膜厚１０人のＣｕ膜であり、総
厚さは約３００人である。

これらの電極は、液体窒素温度（７７Ｋ）以下に基板を
冷却して第１層及び第２層を順次被着し、圧電性基板と
第１層さらに第２層において、各層間の相互拡散がない
ように形成したものである。

このような基板と電極の第１層、そして電極の第１層と
第２層の界面の相互拡散は、電極を低温形成することに
より達成できる。

第２図は、第１図と同様な電極構成において、別の実施
例を表わす電極の断面図である。図の（ａ）は、第１層
３１が膜厚７０人のアルミニウム膜で、第２層４１が膜
厚５人のＡ　Ｑ　／　Ｃｕ（Ｃｕ：２ｗｔ％）膜で構成
したものである。

同図の（ｂ）は、第１層３２が膜厚５０人のＡＱ／Ｃｕ
　（Ｃｕ　：　２ｗｔ％）膜で、第１層４２が膜厚５人
のマグネシウム（Ｍｇ）膜で構成したものである。

同図の（ｃ）は、第１層３３が膜厚４０人のＡＲ／Ｃｕ
　（Ｃｕ　：　２ｗｔ％）膜で、第２層４３が膜厚１０
人のＡＱ／Ｔｉ　　（Ｔｉ　：　１ｗｔ％）膜で構成し
たものである。

本実施例のくし形交差指電極を基本パターンとして、送
受波電極２反射器電極、及び、ポンディングパッドを設
けた弾性表面波共振器を形成し、その加速劣化試験を行
った結果を第３図に示す。

図には、比較例として、従来から用いられているＣｕを
数パーセント添加したＡＱの蒸着によって電極を形成し
た共振器の試験結果も併記した。図中、横軸は、ＡＱ−
Ｃｕ（従来例）膜の場合は添加元素ＣｕのＡｆｌ膜中で
の平均濃度をｗｔ％で示し、Ａ　ｆｌ　／　Ｃｕ多層膜
（実施例、ＡＱ　：　５０人。

Ｃｕ：５人）の場合はＡ　Ｑ　／　Ｃｕの積層数を示し
、縦軸は、劣化時間ＴＦを共振周波数が変化した時間を
以て示している。

加速劣化試験条件は、温度１２０℃、六方電力１００ｍ
Ｗである。

図中の破線５は、Ｃｕを添加したＡＱ膜で電極を形成し
た比較例の試験結果を表わし、実線６は、本発明実施例
での試験結果を表わす。実施例は比較例に対しその劣化
時間は、５層の場合で約３倍以上で、耐電力は大幅に向
上し、しかも膜の抵抗率はほとんど上昇せず、共振器と
しての周波数特性の劣化も全く認められなかった。

なお、図に示したように、多層膜電極の効果は、この実
施例の場合では、積層数が約９層のところで、劣化時間
が飽和する傾向にある。

上記実施例は、多層金属膜ストリップ（電極）による反
射器を用いた二開ロ弾性表面波共振器の場合であるが、
本発明は、これに限定されることなく、−関口弾性表面
波共振器、入力側電極から出力側電極へ大きな電力を送
る弾性表面波フィルタであっても、また弾性表面波送受
波器を共振器として利用したものであっても、その効果
に変わりはない。そして、弾性表面波を励振する圧電性
基板もＬＳＴカット水晶に限定されることなく、ＬｉＮ
ｂ０．、ＬｉＴａＯ３等の各種基板、カット面方位であ
っても有効である。

また、上記実施例では、−層目は純アルミ膜としたが、
第２図（ｂ）、（ｃ）で示したように、抵抗率を上昇さ
せない範囲で、−層目にＣｕ添加等を行うと、寿命の点
で更に効果的である。

第４図（ａ）は、本発明の別の実施例を示わす図であっ
て、第２図で示した界面相互拡散のない超周期構造多層
電極膜において、電極の結晶粒径分布幅を低温形成によ
って、１０ｎｍ以下と小さくした弾性表面波共振器の電
極パターンを示したものである。また同図（ｂ）はこの
素子を温度６５℃、励振電力２ｍＷで動作させたときの
時間経過に対する共振周波数変化率を示したものである
。

弾性表面波共振器の設計条件としては、圧電性基板７と
してＸカットＬｉＴａ○、を用い、弾性表面波の伝搬方
向をＹ軸より１１２°傾いた方向に設定した。一対のく
し形状電極８ａ、８ｂを互いに組合せてできる交差指電
極８は、１１対の電極指から構成し、弾性表面波を反射
するためのグレーティング反射器９，１０は、各々２０
０本のストリップから構成した。

本発明の弾性表面波共振器と比較するために、交差指電
極、グレーティング反射器を、従来から用いられている
基板温度２００℃で蒸着した結晶粒径分布幅が１１００
ｎ〜５００ｎｍの純アルミニウム膜で形成した共振器を
同様に作製した。

第４図（ｂ）において、曲線１１は交差指電極及びグレ
ーティング反射器を上記した単層（−層）の結晶粒径分
布幅が１００〜５００ｎｍの純アルミニウム膜（従来例
）で形成した場合の共振器の特性を示し、また曲線１２
は、交差指電極及びグレーティング反射器をＡ　Ｑ　／
　Ｃｕ　−Ａ　Ｑ　／　Ｔ　ｉ多層膜（実施例、ＡＱ／
Ｃｕ　：　４０人、ＡＱ／Ｔｉ：５人）で形成した本発
明の共振器の特性を示している。

電極及び反射器を結晶粒径分布幅の大きな純アルミニウ
ム膜で形成した共振器では、時間の経過とともに大幅に
共振周波数の低下が認められるのに対し、経晶粒径をそ
ろえた本発明の共振器では、共振周波数の変動が大幅に
減少される。すなわち、１０００時間経過後では、純ア
ルミニウム膜を使用した場合の共振周波数の変化率は−
０，０４９％であるのに対し、界面相互拡散のない多層
電極で結晶粒径分布を小さくした本発明では、−０，０
０６％である。このように、共振周波数の低下を約１／
８に抑えることができる。

以上のように、電極及び反射器を構成する超周期構造の
多層膜の結晶粒径分布幅を１０ｎｍ以下と小さくするこ
とにより、粒径分布すなわち結晶粒の不均一性に由来す
るマイグレーションの発生が抑圧されて、電極等の抵抗
率の経時変化が著しく小さくなり、弾性表面波素子の中
心周波数変動が抑制されて、素子の寿命が大幅に改善で
きる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、超周期構造の多層薄膜電極において、
周期的に配列された第２の電極層が、その間に周期的に
配列された第１の電極層のＡＱ原子の結晶粒界拡散を抑
圧するように作用するので、第１の電極層の耐マイグレ
ーション性が向上し、電極の寿命が著しく長くなる結果
がある。

また、第５図に示したように、電極層を極低温で形成す
ることにより、ＡＱと基板（Ｌ　ｉ　Ｔ　ａ　Ｏ，）界
面の相互拡散が抑制されて、基板中の構成元素であるＴ
ａや○（酸素）が電極層中に拡散されない状態となるの
で、薄膜電極の抵抗率を減少することができる。そして
、この極低温形成により、多層薄膜電極の第１層と第２
層との各々の層間で相互拡散のない多層電極も形成でき
るので、多層薄膜電極の抵抗率を大幅に低減することが
できる。

このような電極の低抵抗化によって、電極の発熱による
温度上昇が小さくなり、ＡＱ原子の粒界拡散が抑制でき
るので、電極層の耐電力性が著しく向上できる効果があ
る。

さらに、電極層の結晶粒径分布幅を１０ｎｍ以下と小さ
くすることにより、結晶粒の不均一性に由来するマイグ
レーションの発生を抑圧することができるので、電極の
抵抗率の経時的変化が著しく小さくなり１弾性表面波素
子の中心周波数変動が抑制でき、素子の長期信頼性が大
幅に改善できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のくし形交差指電極パターンの
平面図ならびに図中のＡ−Ａ’で示される部分の断面図
、第２図は本発明の他の実施例を示す電極の断面図、第
３図は本発明の実施例の弾性表面波共振器の加速劣化試
験結果を示すグラフ、第４図は本発明の一実施例の弾性
表面波共振器の電極パターンの平面図ならびに共振周波
数変化率の経時変化を示すグラフ、第５図は電極層にお
ける電極／基板界面の断面図と拡散状態を表わすオージ
ェ分析による組成分布図である。 １１．電極パターン、２・・・圧電性基板（ＬＳＴカッ
ト水晶）、３・・・電極構成材料第１層（３１，３２゜
３３）、４・・・電極構成材料第２層（４１，４２゜４
３）、５・・・Ｃｕ添加ＡＱ電極の試験結果（比較例）
、６・・・本発明の多層薄膜電極の試験結果（実施例）
、７・・・圧電性基板（Ｌ　ｘ　Ｔ　ａ　Ｏａ）　、　
８・・・交差指電極、８ａ及び８ｂ・・・くし形状電極
、９及び１０・・・グレーティング反射器、１１・・・
単層アルミ電極で形成した共振器の特性（従来例）、１
２・・垢　１　図 （久） 不　２　図 爪） （し） （Ｃ−） 拓 固 Ｒ饗翳賛謀（ ￥３４　圀 （θ、ン １０θ　　　　　ｌθθθ 時　藺　（ｈヒ）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．圧電性基板と、この圧電性基板上に設けられた入力
   電気信号を前記圧電性基板上を伝搬する弾性表面波に変
   換するための多数の金属ストリップを周期的に配列して
   なる弾性表面波用変換器と、この変換器に対向して前記
   圧電性基板上に設けられた前記弾性表面波を反射するた
   めの多数の金属ストリップを周期的に配列してなる反射
   器とを有する弾性表面波素子において、前記変換器と反
   射器を構成する金属ストリップを、純アルミニウム薄膜
   または低濃度に不純物を添加したアルミニウム薄膜より
   なる第１の層と、純金属薄膜または低濃度に不純物を添
   加した金属薄膜よりなる第２の層とを重ね合わせた超周
   期構造膜で構成したことを特徴とする極薄・耐マイグレ
   ーション電極。
2. ２．上記第２の層は、その膜厚が第１の層より薄いこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の極薄・耐マイ
   グレーション電極。
3. ３．上記第１の層と第２の層とを重ね合わせた超周期構
   造膜は、各々の層間で相互拡散がないことを特徴とする
   特許請求の範囲第１および第２項記載の極薄・耐マイグ
   レーション電極。
4. ４．上記金属ストリップを構成する超周期構造膜は、そ
   の厚さが１０〜１００ｎｍの範囲で比抵抗値が６μΩ・
   ｃｍ以下であることを特徴とする特許請求の範囲第１か
   ら第３項記載の極薄・耐マイグレーション電極。
5. ５．上記第１および第２の層を構成する薄膜の結晶粒径
   は、その粒径分布が１０ｎｍ以下であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１から第４項記載の極薄・耐マイグ
   レーション電極。