JPH05199062A - 弾性表面波素子とその製造方法および弾性表面波素子用基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 弾性表面波素子の周波数変化を極めて小さく
するアルミニウム電極を提供すること、また該弾性表面
波素子を容易に製造する方法、及び弾性表面波素子用圧
電体基板を提供することにある。 【構成】 本発明の弾性表面波素子はアルミニウム単結
晶膜よりなる電極を具備する。該アルミニウム単結晶膜
は弾性表面波素子に使用される単結晶圧電体基板の表面
を微小な半球状の島が均一に存在する島状構造にするこ
とにより、蒸着法やスパッタリング法を用いて簡便に形
成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はペイジングシステム、コ
ードレス電話等の移動体通信装置や、一般無線通信シス
テム、さらに、ＴＶ、ＶＴＲ等の装置に用いられる弾性
表面波素子とその製造方法および弾性表面波素子用基板
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の弾性表面波素子の電極は、アルミ
ニウムや金等の金属の多結晶構造により構成されてい
た。また特にアルミニウム膜を用いる場合は、銅、チタ
ン、パラジウム等を微量に添加しているが、やはり多結
晶構造であった。また特開平３−１４３０５、特開平３
−１４３０７、特開平３−１４３０８、特開平３−１４
３０９号公報記載のように、アルミニウム膜を結晶方位
的に一定方向に配向させて用いる方法が提案されてい
る。さらに特開昭５５−４９０１４号公報記載のよう
に、電極をほぼ単結晶にする方法が提案されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来技術では、弾性表面波素子として動作中に弾性表面波
により基板表面に発生した応力によりアルミニウム等の
結晶が移動し、その結果電極の応力が変化し、素子の周
波数が変化するという課題を有している。特に多結晶構
造のアルミニウム膜ではこの課題が大きい。この変化を
小さくするために銅やその他の金属を微量に添加する方
法があるが、長期的には周波数が変化するという同じ課
題を有している。また金属の微量添加は製造工程におい
てその組成比を安定に保つことが難しいという課題を有
している。

【０００４】さらに配向したアルミニウム電極において
は、筆者らの実験によれば、特定の結晶面が一定方向に
配向していても他の面の配向が乱れている場合はやはり
動作中に応力による結晶粒界移動が生じ、周波数の経時
変化が発生するという課題を有している。例えばアルミ
ニウムの（２００）面、（２２０）面、（３１１）面が
配向しておらず、（１１１）面のみが一定方向に配向し
ている場合や、（２００）面、（１１１）面等が一定方
向に配向しているが、（２２０）面の配向が乱れている
場合などである。すなわちある結晶面が一定方向に配向
しているだけでは、周波数の変化を抑制することは困難
であるという課題を有している。

【０００５】こうした動作中の応力による周波数の経時
変化を小さくするためには電極を単結晶膜にすることが
有益である。しかしながら従来技術では特開昭５５−４
９０１４号公報記載のようにほぼ単結晶的な膜しか得ら
れておらず、またこのほぼ単結晶膜を得るためには分子
線エピタキシ−法を用いる必要があり、装置が非常に高
価なこと、また本装置による生産量は非常に少ないなど
の課題により、単結晶電極膜を容易に入手できないとい
う課題を有していた。

【０００６】本発明の目的は、弾性表面波素子における
電極用金属膜内部の応力変化をなくし、素子の動作中の
周波数変化を小さくすることであり、またこの周波数の
経時変化の小さい弾性表面波素子を容易に製造する方法
を提供することにある。さらに該弾性表面波素子に適し
た圧電体基板を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的の周波数変化の
小さな弾性表面波素子は、該弾性表面波素子を構成する
アルミニウム電極を単結晶膜にすることにより達成され
る。また該アルミニウム単結晶膜は、単結晶圧電体基板
上に成膜されるが、該単結晶圧電体基板は表面に微小な
半球状の島がほぼ均一に存在する島状構造となってお
り、該表面の形成技術と該表面を清浄に保つ技術によ
り、該アルミニウム単結晶膜を蒸着法、スパッタリング
法により容易に製造することができる。そして、該島状
構造の表面を具備する圧電体基板はアルミニウム単結晶
膜を製造するのに適している。

【０００８】

【作用】上述のように弾性表面波素子のアルミニウム電
極は動作中に基板表面に発生した弾性表面波の振動によ
り、アルミニウムの結晶が移動し、その結果電極内部の
応力が変化し周波数変化が生じる。このアルミニウム結
晶の移動は公知技術によればアルミニウム結晶の結晶粒
界の表面自由エネルギーが最小となるように発生すると
考えられている。したがって、基本的に粒界の存在しな
い単結晶膜の場合はこの粒界移動が発生せず、その結果
弾性表面波素子の周波数変化を極めて小さくできる。

【０００９】さて該アルミニウム単結晶膜の製造で重要
な技術は、使用する圧電体基板の表面状態の形成であ
る。筆者らは基板表面状態によりアルミニウム膜を多結
晶構造や単結晶構造にする技術を確立した。すなわち、
基板表面が微小な半球状の島がほぼ均一に存在する島状
構造になっていると単結晶構造になるが、鏡面状態にあ
ると多結晶構造になる。これは該島状構造の微小な半球
状の島による凹凸とアルミニウム膜の成膜初期の状態と
が整合し、アルミニウム単結晶膜が得られるためであ
る。さらに基板表面を該島状構造に加工することにより
蒸着法やスパッタリング法等の簡便な方法により、アル
ミニウム単結晶膜を得ることができる。

【００１０】また筆者らは該アルミニウム単結晶膜を得
るために、該基板表面の清浄度が重要であるとし、該清
浄化技術を確立した。その結果該島状構造の基板と該清
浄化技術の組み合わせにより広い成膜条件においてアル
ミニウム単結晶膜を得ることができた。

【００１１】

【実施例】以下実施例により本発明を詳細に説明する。
最初に本実施例に用いた、基板、成膜用のアルミニウム
について説明する。続いて本実施例における成膜工程を
説明し、そして本実施例により作製された金属膜の性
質、および該金属膜を用いて構成した弾性表面波素子の
周波数変化特性について説明する。

【００１２】（実施例１）まず本実施例に用いた基板
は、Ｙ板をＸ軸の回りに３３度回転して得られる回転Ｙ
板のＳＴカット水晶基板である。以下これを単に３３度
ＳＴカット水晶基板と呼ぶことにする。該基板は人工的
に合成された単結晶状態の水晶ブロックをブレードソ
ー、ワイヤーソー等により切断し、その後両面研磨され
る。研磨はラッピングにより所定の厚みに加工され、引
き続いて表面をポリッシュする。ポリッシュは酸化セリ
ウム砥粒等により、ラッピングにより発生した水晶基板
表面の加工変質層を完全に除去し鏡面に仕上げる工程で
ある。そして最後にポリッシュで発生した水晶基板表面
の加工変質層の除去および応力解放、ならびに後述する
ような島状構造に仕上げるエッチング加工を行う。

【００１３】エッチング加工は弗酸あるいは弗化アンモ
ニウムの混合液等のエッチング液に浸すことにより、水
晶基板表面を０．１ミクロンから２ミクロン程度エッチ
ングする。一例を挙げるとエッチング液として弗酸と弗
化アンモニウムの混合液を使い、液温摂氏２０度から摂
氏４０度程度で３３度ＳＴカット水晶基板表面を片側で
約０．２ミクロンから１ミクロン程度エッチングする。
この状態での３３度ＳＴカット水晶基板の表面粗さは自
乗平均粗さで約０．００５ミクロン以下、また最大粗さ
で約０．１ミクロン以下の島状構造の表面が得られる。
表面粗さの測定は触針式の表面粗さ計で行っているが表
面粗さは特にこれらに限られない。また弗酸と弗化アン
モニウムの混合液は、弗酸４７パーセントと弗化アンモ
ニウム４０パーセント液を容量比で１対３から３対１の
混合比のものを使用したが特にこれらの濃度に限られな
い。またこれらの液を単独で、あるいは他の成分を添加
して使用することも可能である。

【００１４】また成膜に用いたアルミニウムは、純度が
９９．９９９パーセントのもの（以下５Ｎと呼ぶ）であ
る。

【００１５】続いてアルミニウム単結晶膜の成膜工程に
ついて説明する。本実施例では蒸着法とスパッタリング
法により成膜を行っている。まず蒸着法によるアルミニ
ウム単結晶膜の成膜工程について説明する。基板作製工
程の終了した３３度ＳＴカット水晶基板をプラネタリと
呼ばれる基板保持治具に取り付け、該プラネタリをチャ
ンバと呼ばれる真空容器に取り付ける。そして該チャン
バを排気する。チャンバ内の圧力がある程度小さくなっ
た時点で基板加熱を始める。本実施例における基板加熱
の温度は摂氏約１４０度である。

【００１６】この状態で０．５マイクロトリチェリまで
減圧する。この時チャンバ内の水分圧は約０．０３マイ
クロトリチェリである。そしてこの圧力においてアルミ
ニウムの蒸着を始める。蒸着速度は公知技術により１秒
間に約５０オングストロームである。また蒸着中の圧力
は約４から５マイクロトリチェリである。所定の膜厚を
蒸着した後に蒸着をやめチャンバを室温まで冷却し、基
板を取り出して蒸着工程を終了する。

【００１７】以上が３３度ＳＴカット水晶基板上へのア
ルミニウム膜の蒸着工程の説明である。ただし蒸着条件
はこれらに限られることはない。また基板のカット角度
も３３度に限られない。基板加熱温度は室温（摂氏約２
０度）から摂氏約２００度まで可能である。また蒸着速
度はどの程度でも良いが、たとえば毎秒１０オングスト
ローム以上が実用的である。また蒸着前の圧力は５マイ
クロトリチェリ程度でも良い。さらに本実施例では電子
線加熱法による蒸着を行ったが抵抗加熱法でも可能であ
る。以上の他にも蒸着条件は可能である。

【００１８】次にスパッタリング法によるアルミニウム
単結晶膜の成膜工程について説明する。スパッタリング
装置は平行平板型のマグネトロン方式である。スパッタ
リング電源は直流方式である。まずチャンバと呼ばれる
真空容器内に基板を取り付け、０．５マイクロトリチェ
リまで減圧する。基板加熱は本実施例ではしていないが
基板汚染を除去する目的で加熱しても良い。該圧力まで
減圧した時点でスパッタリング用の不活性ガスを導入す
る。本実施例ではアルゴンを用いている。続いて放電を
開始する。放電時のアルゴンの圧力は約６ミリトリチェ
リである。スパッタリングの成膜速度は１秒間に約１５
オングストロームである。以上がスパッタリング法によ
るアルミニウム単結晶膜の成膜条件であるが、成膜条件
はこれらに限られることはない。スパッタリング電源と
して高周波電源を用いることも可能である。

【００１９】さて上記説明したアルミニウム単結晶膜
は、蒸着法、およびスパッタリング法により簡便に製造
できることが非常に大きな特徴である。すなわち特開昭
５５−４９０１４号公報記載のように分子線エピタキシ
ー装置という高価で特殊な装置を必要としない。また蒸
着法に限れば特開平３−１４３０５号公報記載のように
成膜速度を制御したり、基板加熱温度を制御する必要も
ない。このように簡便にアルミニウム単結晶膜を得るこ
とができた理由を以下に説明する。

【００２０】理由の第１は使用した３３度ＳＴカット水
晶基板の表面状態である。そして理由の第２はアルミニ
ウム成膜前の基板表面の汚染を防止したことである。以
下これら２点について詳細に説明する。

【００２１】まずアルミニウム単結晶膜を得るために
は、使用する単結晶圧電体基板の表面が図１に示すよう
に微小な半球状の島がほぼ均一に存在している島状構造
であることが重要である。すなわち基板表面に直径約１
０ナノメートルから約１００ナノメートルで、高さが約
１ナノメートルから約２０ナノメートルの半球状の島が
全面に渡りほぼ均一に、かつ規則的に存在している。該
半球状の島の高さは弾性表面波の波長の５％以下である
ことが望ましいが、特にこれに限られない。また形状は
半球状（またはドーム状）に近い形状であれば特に限定
されない。また隣接する島と島の間隔は約１０ナノメー
トルから数１０ナノメートル程度である。さらに該島状
構造は基板表面全体に存在する必要はなく、アルミニウ
ム膜が成膜される部分に存在すれば良い。なお図１は原
子間力顕微鏡の観察結果の模式斜視図である。

【００２２】該表面状態は、本実施例では３３度ＳＴカ
ット水晶基板をポリッシング後、所定の時間弗酸等によ
り表面をエッチングすることにより得られる。特にこの
エッチングの時間、エッチング液の濃度により表面状態
が変化するため条件の管理が必要である。すなわち水晶
基板の表面をポリッシング後に弗酸等によりエッチング
することは公知技術であるが、エッチング後の表面状態
を、アルミニウム単結晶膜が得られる状態に管理するこ
とが非常に重要である。筆者らは多くの実験により該島
状構造を形成することができ、したがってアルミニウム
単結晶膜を容易に得ることが可能となった。エッチング
条件の概要は先に説明した通りである。なお本実施例で
は該島状構造を作製するのに公知技術である弗酸等によ
るエッチング法を用いたが、他の方法としてはたとえば
フレオン等の弗素系ガス等を用いて真空中で加工するこ
とも可能である。

【００２３】一方該島状構造でない３３度ＳＴカット水
晶基板の表面状態を図８に示す。図８は図１と同じく原
子間力顕微鏡の観察結果の模式斜視図である。図８はエ
ッチング条件を変えて作製したものである。図１の島状
構造の表面と比較すると半球状の島による凹凸は無く、
平坦性は優れている。しかしながら該基板を用いた場合
はアルミニウム単結晶膜は得られにくい。すなわちエッ
チングを含めた３３度ＳＴカット水晶基板の製造条件に
より基板の表面状態が変わり、その表面状態によりアル
ミニウム膜が単結晶になる場合と、ならない場合とに分
かれる。筆者らは最適な基板表面を得ることによりアル
ミニウム単結晶膜を容易に得ることができた。

【００２４】さて図８に示す表面状態の基板上に作製し
たアルミニウム膜は、一部の面の配向が乱れており、そ
の他の面が強く配向している膜になることが多い。また
図８に示す表面状態よりさらに鏡面になると全ての面が
配向していない、あるいは配向の乱れている、多結晶構
造の膜になる場合が多い。従来技術による水晶基板上の
アルミニウム膜はこれらのいずれかである。ただし図１
に示す島状構造の基板表面であっても、以下に説明する
ように基板表面が汚染されているとやはり多結晶構造等
の膜になる。そこで次に第２の重要技術である基板表面
の清浄化技術について説明する。

【００２５】成膜される前の基板表面に汚染があるとア
ルミニウムの単結晶化は困難になる。これは結晶が成長
し始めるときに汚染物質が正常な結晶成長を妨害するた
めである。こうした汚染が表面に付着するのは成膜装置
のチャンバ内に基板を取り付ける以前とチャンバに取り
付けられた後の成膜前、あるいは成膜中である。本実施
例では基板を、先に説明したように、弗酸等により表面
をエッチングした後に成膜装置に取り付けているが、エ
ッチングから取り付けまではできるだけ短時間に行うよ
うにしている。

【００２６】またエッチング後、時間をおいて成膜装置
のチャンバに取り付ける場合は別途洗浄を行うが、その
場合基板乾燥はイソプロピルアルコールの蒸気乾燥、あ
るいはイソプロピルアルコールに浸漬後遠心分離による
液切り法などにより表面を疎水性にしておくことも基板
汚染を防ぐ効果がある。本イソプロピルアルコール等の
アルコール系による表面仕上げは、本実施例に用いてい
る基板が水晶であり表面が親水性のため大気中の水分子
が水晶表面に吸着しやすく、この吸着を防止するためと
考えられる。ただし洗浄後、基板を真空保管する場合や
洗浄後ただちに成膜装置のチャンバに取り付ける場合等
はこれらのアルコール系による乾燥は省略することが可
能である。以上のように成膜装置のチャンバに基板を取
り付ける前に基板表面の汚染を可能な限り防止すること
が重要である。

【００２７】次にチャンバに取り付けられた後の、アル
ミニウムの成膜前の汚染防止について説明する。成膜前
に基板加熱を行う場合や、特にスパッタリング法ではス
パッタリングを行っている最中などに、チャンバ内の壁
面から放出されたガスにより基板表面が汚染され、アル
ミニウム単結晶膜を得ることはできない。この汚染を防
止するために本実施例ではチャンバ内汚染を極力防止す
るようにしている。たとえば排気系のポンプを油拡散方
式からクライオ冷却式のものに交換し、ポンプからチャ
ンバ内への油の逆流による汚染を防止している。また他
の方法としてはチャンバを成膜用チャンバと基板の出し
入れ用チャンバの複数のチャンバに分けたマルチチャン
バ方式の成膜装置を利用することも有益である。これに
より成膜チャンバが大気にさらされることがなくなり壁
面からのガス放出が極めて少なくなり、基板表面の汚染
が少なくなる。その結果、安定してアルミニウム単結晶
膜を得ることができる。また基板の出し入れ用チャンバ
内で基板を加熱し基板表面の汚染を除去することも可能
である。

【００２８】また成膜する直前にチャンバ内で基板表面
をエッチングし汚染を防止する方法もある。この場合不
活性ガスであるアルゴンを用いることもできるし、また
本実施例では基板として３３度ＳＴカット水晶基板を用
いているため弗素系のガスであるフレオンを用いること
もできる。またフレオンとアルゴンの混合ガス、窒素ガ
ス、酸素ガス等も可能である。ただし前述したように水
晶基板表面の島状構造を崩さないことが重要である。

【００２９】以上説明したように本実施例において３３
度ＳＴカット水晶基板上に、蒸着法、およびスパッタリ
ング法により容易にアルミニウム単結晶膜を形成するこ
とができたのは、基板表面を島状構造に加工する技術
と、アルミニウム形成前の基板表面の汚染を防止する清
浄化技術による。上記２つの技術がない従来技術におい
ては、３３度ＳＴカット水晶基板を用いた場合でも、多
結晶膜か、あるいは一部の面が乱れ単結晶状態が崩れた
配向膜のいずれかになることが多い。

【００３０】次に本実施例により作製されたアルミニウ
ム膜と、従来技術により作製されたアルミニウム膜の評
価について説明する。アルミニウム膜の厚みは各々約６
０００オングストロームである。膜の評価はＸ線回折装
置による回折特性図と電子顕微鏡による膜の粒子観察、
さらにアルミニウム膜を摂氏約４００度で加熱処理し、
その表面状態を顕微鏡で観察することにより行った。た
だし比較のために用いた従来技術によるアルミニウム膜
は、成膜方法は蒸着法であり使用した蒸着用アルミニウ
ムの組成は５Ｎである。また使用した圧電体基板は本実
施例で用いた３３度ＳＴカット水晶基板と同じであるが
基板表面は島状構造にはなっていない。

【００３１】まずＸ線回折装置による回折特性図につい
て説明する。Ｘ線回折測定用の試料は成膜後の３３度Ｓ
Ｔカット水晶基板を１５ミリメートル角の大きさに切断
して作成した。測定は試料を回転して行う標準測定と試
料を固定して行うロッキングカーブ法により行った。

【００３２】図２は本実施例の蒸着法により作製された
アルミニウム単結晶膜の標準測定によるＸ線回折の回折
特性図である。また図９は従来技術により作製されたア
ルミニウム多結晶膜の標準測定によるＸ線回折の回折特
性図である。また図１０は従来技術により作製されたア
ルミニウム配向膜の標準測定によるＸ線回折の回折特性
図である。本標準測定におけるＸ線の入射角度は基板表
面に対して約１度である。図２と図９、図１０を比較す
ると図９、図１０の従来技術によるアルミニウム膜は結
晶化を示すピークが観察されているのに対し、図２の本
実施例によるアルミニウム膜はピークが全く観察されて
いない。

【００３３】上述したように標準測定では試料を回転さ
せて測定しているため、試料が多結晶状態の場合、（１
１１）面が試料表面に対して平行に向いている結晶や、
（２００）面が試料表面に対して平行に向いている結晶
等が存在するため、複数の結晶面のピークが観察可能で
ある。しかし試料が単結晶状態であり、結晶面が試料表
面に対して一定の角度を持ち、特定の方向に配向してい
る場合はピークを観察することは不可能である。図９よ
り従来技術によるアルミニウム膜は、試料表面に対して
平行な結晶面が４つあること、すなわち（１１１）面が
試料表面に対して平行な結晶、（２００）面が試料表面
に対して平行な結晶、（２２０）面が試料表面に対して
平行な結晶、（３１１）面が試料表面に対して平行な結
晶の少なくとも４種類の結晶からなることがわかり、こ
の意味で図９の従来技術によるアルミニウム膜は多結晶
膜である。

【００３４】これに対し本実施例により得られたアルミ
ニウム膜は図２に示すように結晶化を示すピークが一つ
も現れていない。通常結晶化ピークが現れない場合はア
モルファス（非晶質）状態か、単結晶状態である。アモ
ルファス状態では結晶化ピークは鋭くなく丘のように裾
が広い回折特性を示す。したがって図２に示す本実施例
で得られたアルミニウム膜の回折特性とは異なってお
り、本実施例で得られたアルミニウム膜はアモルファス
状態ではないといえる。

【００３５】本実施例で得られたアルミニウム膜は上述
したように多結晶状態でもなく、アモルファス状態でも
ない。一般に図２に示すように回折角０度から８０度の
間で全く回折ピークが現れない場合、アルミニウムに関
して現れるべき４つの面、すなわち（１１１）面、（２
００）面、（２２０）面、（３１１）面は、全て各々試
料表面に対し一定の角度を持ち、特定の方向に極めて正
しく配向していると判断できる。さらに図２の測定は試
料のどの部分においても同一である。このように、任意
の結晶面（結晶軸）に着目したとき、試料のどの部分に
おいてもその向きが同一である結晶質個体は単結晶と定
義されているから、本実施例のアルミニウム膜は単結晶
であると判断できる。

【００３６】一方図１０は図８に示す基板表面にアルミ
ニウム膜を成膜した場合の標準測定による回折特性図で
ある。本アルミニウム膜は（２２０）面が基板表面に対
し平行に成長しているが、本来図２に示す特性を示す単
結晶膜において単結晶が崩れ多結晶に近い状態になって
おり、一部の結晶の（２２０）面が試料表面に平行な場
合である。しかしながら筆者らの別の測定によれば該膜
においても、例えば（１１１）面、（２００）面等は一
定方向に配向している。したがって図１０の特性を持つ
膜は図２に示す特性を持つ本実施例のような単結晶膜で
もなく、また図９に示すような完全な多結晶膜でもな
く、上述したように少なくとも２つの面は配向している
ことより、配向膜と筆者らは定義している。この配向膜
は後述するように長期安定性も多結晶膜と単結晶膜の中
間である。

【００３７】次に図２に示す回折特性を示す本実施例の
アルミニウム膜の（１１１）面、（２００）面、（２２
０）面、（３１１）面が配向していることを確認するた
めにロッキングカーブ法による測定を各々の面に対して
行った。

【００３８】ロッキングカーブ法とは膜の結晶面が配向
している方向に試料をセットし、かつＸ線の入射角度を
変化させ、最も回折強度が大きくなる入射角度を探し、
半値幅などの膜の特性を評価する方法である。図３
（ａ），図３（ｂ）にロッキングカーブ法による本実施
例のアルミニウム膜の（１１１）面の回折特性図を示
す。図３（ａ）は回折角度を掃引した場合で、横軸の回
折角度は図２より拡大してあるが、回折角度３８．５度
近辺に非常に大きな回折ピークがある。またこの他の回
折角度においては他の面の存在を示す回折ピークは現れ
ていない。さらに図３（ｂ）は入射角度を掃引した場合
であり、入射角度約８．２度近辺で回折ピークが強く現
れている。本図より（１１１）面はアルミニウム表面に
対して所定の角度を持ち、極めて強く配向していること
がわかる。

【００３９】同様な測定方法により（２２０）面、（３
１１）面を測定した結果を図４（ａ），図４（ｂ）、お
よび図５（ａ）、図５（ｂ）に各々示す。アルミニウム
膜表面に対するＸ線の入射角度は各々約６．３度，３
３．８度である。ただし（２００）面は未だ確認されて
いないが、これはアルミニウム表面に対する（２００）
面の角度が大きく、測定機の計測可能範囲を越えてしま
ったためと考えられる。

【００４０】以上の測定で確認できた（１１１）面、
（２２０）面、（３１１）面のアルミニウム表面に対す
る角度は各々約１１度、２６．３度、５．４度である。
また半値幅は各々０．３５、０．２６，０．２７であ
り、これらはバルクのアルミニウム単結晶および水晶単
結晶の半値幅である０．２６とほぼ同じであり、本実施
例で得られたアルミニウム膜が良質の単結晶膜であるこ
とを示している。

【００４１】ただし単結晶であるがゆえに筆者らの確認
した上記角度以外にも（１１１）面、（２００）面、
（３１１）面は存在している。さらにこれらの面とアル
ミニウム表面および水晶基板との位置関係は水晶基板の
カット角度およびアルミニウム膜の成膜後の熱処理によ
り変化するため上記の角度に限られない。

【００４２】次に本実施例によるアルミニウム膜と従来
技術によるアルミニウム膜の電子顕微鏡観察を行った。
観察倍率は約１０万倍である。この観察により従来技術
によるアルミニウム膜は表面に多くの粒子が観察され、
小さな結晶からなる多結晶構造であることがわかった。
これに対し本実施例によるものは粒界がなく、連続した
大きな一つの結晶であることがわかった。この観察は表
面を酸で軽くエッチングしたもので行っても同じであっ
た。

【００４３】さらにアルミニウム膜中のわずかな結晶粒
界の影響を調査するために、アルミニウム膜を摂氏４０
０度で１時間加熱処理し表面状態を観察した。図９に示
す回折特性を持つ従来技術によるアルミニウム膜を加熱
処理するとアルミニウム膜表面にヒロックと呼ばれるア
ルミニウム粒子の突起物が発生する。さらに図１０に示
す回折特性を持つアルミニウム膜を加熱処理すると図９
の回折特性を持つアルミニウム膜より数は少ないがやは
りヒロックが発生する。これらに対し本実施例による図
２に示す回折特性をもつアルミニウム膜を加熱処理して
もこうしたヒロックは全く発生しない。ヒロックは結晶
粒界の表面自由エネルギーが最小となるように、アルミ
ニウム粒子が移動して発生するものと考えられている。
したがって上記の観察結果によれば従来技術によるアル
ミニウム膜は粒界が存在していることを示しており、一
方本実施例によるアルミニウム膜は粒界が存在していな
いことを示している。なお上記のヒロックは摂氏２００
度程度の加熱処理においても従来技術の膜では発生して
いる。

【００４４】以上３種類のアルミニウム膜について、３
つの評価方法による結果を説明してきたが、これらの観
察結果を総合すると本実施例によるアルミニウム膜は良
質な単結晶膜であると結論できる。ただし本実施例にお
いても３３度ＳＴカット水晶基板全面にわたり全く完全
な単結晶膜にすることは困難である。なぜならば基板表
面の微細な傷や穴等が存在する場合、その部分で結晶性
が崩れてしまうからである。しかしこれらは単結晶膜の
欠陥と考えるべきであり、単結晶膜でないということで
はない。また１個の弾性表面波素子においてこうした欠
陥は１個程度存在するか否かという程度であり、本発明
の目的である弾性表面波素子の周波数変化を小さくする
ということにはほとんど影響しないレベルである。

【００４５】またアルミニウムの膜厚は５００オングス
トロームから３００００オングストロームまで実験を行
ったがいずれの膜厚でも単結晶膜を得ることができた。
これ以上の膜厚でも可能と考えられる。

【００４６】本実施例では蒸着用アルミニウムに５Ｎの
純度のアルミニウムを用いたが、純度はこれに限られな
い。また不純物としてたとえば銅を添加することもでき
る。この場合添加量としては重量パーセントで０．１パ
ーセントから３パーセント程度が適当であるが、この比
率に限られることはない。

【００４７】続いて本実施例により作製されたアルミニ
ウム単結晶膜を用いて形成された弾性表面波素子および
該素子の周波数変化特性について説明する。

【００４８】図６は本実施例によるアルミニウム単結晶
膜を用いて形成された弾性表面波共振子１の正面図であ
る。素子の構成は一対の櫛歯形電極２とその両側に格子
状の反射器電極３を配置した１ポート型共振子である。
ただし電極の本数は減らして図示してある。実際の電極
本数は櫛歯形電極２で約１２０対、格子状反射器電極３
で片側約１５０本である。アルミニウム膜の厚みは約６
５００オングストロームである。また電極の間隔は櫛歯
形電極の一対の間隔が約２０ミクロンであり、対応周波
数は約１５０メガヘルツである。

【００４９】該素子は３３度ＳＴカット水晶基板全面に
アルミニウム膜を成膜後、エッチング法により素子を複
数個形成しその後ダイシングソーにより切断分離され
る。その後該素子をステムと呼ばれるパッケージに導電
性接着剤を用いて接着し、外部端子との接続をアルミニ
ウム線により行う。そして窒素雰囲気中においてカンを
抵抗溶接により封止する。従来技術によるアルミニウム
膜を用いて作製された弾性表面波共振子も同様に組み立
てられる。

【００５０】さて図７は本実施例の弾性表面波共振子
と、２つの従来技術、すなわち多結晶アルミニウム電極
を具備する弾性表面波共振子と、配向アルミニウム電極
を具備する弾性表面波共振子の３つの弾性表面波共振子
を動作させ、経時変化による周波数変化を測定した特性
図である。本試験の投入電力は約２０ミリワットであ
る。図７によれば本実施例による素子は周波数変化が極
めて小さく、非常に安定して動作していることがわか
る。一方従来技術による素子は時間の経過とともに大き
く周波数が下方にシフトしていることがわかる。特に多
結晶アルミニウム電極を具備する弾性表面波共振子の周
波数変化が大きい。

【００５１】次に本実施例の素子の周波数安定度が優れ
ている理由を説明する。弾性表面波は基板の表面に沿っ
て伝播する波でありその振動は電極の硬度、粘性等によ
り大きく変化する。そのため電極を構成する材質の内部
応力が変化すると上記粘性等が変化し、その結果周波数
が変化する。電極が多結晶状態である場合を考えると素
子が動作しているとき電極の結晶が振動し、結晶は結晶
粒界の表面自由エネルギーが最小となるように移動して
いく。この現象はアルミニウム結晶の粒界拡散と呼ばれ
るものである。この現象が起きると電極には加熱処理し
た場合と同様にヒロックと呼ばれる突起粒子が発生した
り、また逆に粒界で亀裂が発生し断線状態になる。こう
して電極膜が多結晶アルミニウム膜の場合は、素子が動
作している最中に振動によりアルミニウム電極の内部応
力が変化し、素子の周波数が変化する。

【００５２】また図１０に示すように（２２０）面の配
向が乱れており、他の面が配向している構造の場合は、
図９に示す回折特性を持つ多結晶構造の場合より弾性表
面波の振動の影響は小さいが、時間の経過とともに結晶
粒界の移動が進行し周波数が変化している。このことは
本配向膜を加熱処理すると多結晶膜と同様なヒロックが
発生することからも推測できる。

【００５３】以上の現象はアルミニウム膜結晶の粒界に
より生じるものであり、本実施例のように粒界のない単
結晶アルミニウム膜には発生しない。したがって本実施
例による弾性表面波共振子は周波数安定度が高いのであ
る。

【００５４】（実施例２）続いて第２の実施例について
説明する。アルミニウム単結晶膜の成膜方法は実施例１
の場合と同じである。第２の実施例では単結晶圧電体基
板としてＬＳＴカット水晶基板を用いている。該ＬＳＴ
カット水晶基板とは、Ｚ板をＸ軸の回りに反時計方向に
９．５度傾斜してカットした基板である。以下これを
９．５度ＬＳＴカット水晶基板と呼ぶ。また素子構成は
第１の実施例の弾性表面波共振子１と同じく１ポート型
共振子である。ただし第２の実施例の場合は周波数は２
５６メガヘルツであり、電極の厚みは約３０００オング
ストロームである。

【００５５】本実施例において第１の実施例の場合と同
様に、動作中における周波数変化を長期に渡り測定した
ところ、周波数の変化はほとんどなく非常に安定した特
性を示した。たとえば１０００時間後の周波数変化は約
２ＰＰＭであった。このように９．５度ＬＳＴカット水
晶基板を用いた場合でも弾性表面波素子の経時変化によ
る周波数変化は極めて小さい。なお第２の実施例の９．
５度ＬＳＴカット水晶基板についても第１の実施例と同
様に基板表面を島状構造にしアルミニウム単結晶膜を形
成している。

【００５６】ＬＳＴカット水晶基板において切断の傾斜
角度は本実施例では９．５度であったが、１５度から７
度程度が適している。また周波数により決定される弾性
表面波波長Ｌと、電極厚みＤの比（Ｄ／Ｌ）は０．０２
５程度が適しており、上記以外にも周波数に適した電極
厚みを選択できる。

【００５７】以上説明したように本実施例で得られたア
ルミニウム単結晶膜を電極に具備する弾性表面波素子は
圧電体基板の種類に無関係に経時変化による周波数変化
が非常に小さいという効果を有する。

【００５８】また単結晶膜であるために上記以外にも弾
性表面波素子として多くの特長を有する。単結晶膜は前
述したように結晶粒界が存在しないため、膜をエッチン
グ法により微細電極に加工する場合、エッチング稜線が
非常に滑らかになるという特長を有する。一般にエッチ
ング液は結晶粒界の間に侵入し結晶粒子を腐食していく
ため多結晶膜の場合はエッチング稜線が結晶粒界に沿っ
て、リアス式海岸のようにでこぼこになる。これは微細
電極加工を困難にする要因となる。一方弾性表面波素子
は高周波化するにしたがい電極の幅が狭くなる。たとえ
ば基板に水晶を用いた場合１５０メガヘルツで電極幅は
約５ミクロンであるが、５００メガヘルツでは電極幅が
約１．５ミクロンとなる。このように高周波化するため
には電極の微細加工が必要であるためエッチング稜線が
滑らかである単結晶膜は高周波化に適している。

【００５９】さらに単結晶膜が高周波化に適している理
由がある。それは膜の比抵抗が多結晶膜に比べて小さい
ことである。弾性表面波素子は高周波化にともない電極
幅が狭くなると同時に電極膜厚が薄くなる。したがって
比抵抗が大きいと高周波化により素子抵抗が大きくなり
消費電力が増大する。このため電気比抵抗が小さな単結
晶膜は高周波化に適している。また低周波領域において
も電気比抵抗が小さい場合は抵抗分による信号伝播損失
が小さいため特性の向上になる。

【００６０】また結晶粒界が存在しないため素子の動作
中における振動による粒界での摩擦損失がなく特性向上
になる。また同じく結晶粒界が存在しないため、電極表
面に吸着したガス分子（これらは素子パッケージ内の壁
や接着剤などから発生する）による腐食が少なく、耐腐
食性が向上し素子の長期安定性を実現できる。

【００６１】さて上記の２つの実施例では圧電体基板と
して３３度ＳＴカット水晶基板、および９．５度ＬＳＴ
カット水晶基板を用いたが、これら以外のカットの水晶
基板でもアルミニウム単結晶膜を得ることができる。さ
らにタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ほう酸リ
チウム等の酸化物単結晶基板でも可能である。また酸化
亜鉛、窒化アルミニウムなどの薄膜圧電材料を基板と考
えこれらにも応用可能である。さらにシリコン単結晶基
板、ガリウムひ素単結晶基板などの半導体基板にも応用
可能である。またサファイヤ単結晶基板でも可能であ
る。ただしこれらの表面を島状構造に加工することが重
要である。

【００６２】また成膜に用いたアルミニウムは純度が５
Ｎのものであったが、特にこの純度に限られることはな
い。また意図的に不純物を添加することも可能であり、
不純物としては、銅、チタン、ニッケル、パラジウム、
タンタル、ハフニウム等が適している。添加量としては
重量パーセントで０．１パーセントから３パーセント程
度が適しているがこれらに限られない。

【００６３】また弾性表面波素子として２つの実施例で
は１ポート型の共振子について説明したが、２ポート型
の共振子や、フィルタ素子、コンボルバ素子等にも応用
可能である。また光素子、磁気素子、半導体素子等との
組み合わせ素子にも応用可能である。さらに水晶バルク
型発振子、たとえばＡＴ振動子や音叉型振動子等にも応
用可能である。

【００６４】また本実施例のアルミニウム単結晶膜は弾
性表面波素子以外の電子デバイス、たとえばセンサーや
マイクロマシニング技術等へ応用可能である。またアル
ミニウム膜の成膜方法は第１の実施例のなかで蒸着法と
スパッタリング法による方法を説明したがこれらに限ら
れることはない。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、単
結晶圧電体基板の表面を、微小な半球状の島がほぼ均一
に存在する島状構造に加工することにより、蒸着法およ
びスパッタリング法という簡便な方法により、アルミニ
ウム単結晶膜を容易に製造できるという効果を有する。
また本発明による単結晶アルミニウム電極を具備する弾
性表面波素子は動作中における経時変化による周波数変
化が極めて小さいという効果を有する。さらに弾性表面
波素子の高周波化に適する、損失を小さくできるため特
性の向上になる、耐腐食性が向上し長期信頼性が向上す
るなどの効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による第１の実施例に用いた水晶基板
の一部分の表面を示す模式斜視図である。

【図２】 本発明による第１の実施例の単結晶アルミニ
ウム膜の標準測定によるＸ線回折の回折特性図である。

【図３】 本発明による第１の実施例の単結晶アルミニ
ウム膜のロッキングカーブ法による（１１１）面のＸ線
回折の回折特性図である。

【図４】 本発明による第１の実施例の単結晶アルミニ
ウム膜のロッキングカーブ法による（２２０）面のＸ線
回折の回折特性図である。

【図５】 本発明による第１の実施例の単結晶アルミニ
ウム膜のロッキングカーブ法による（３１１）面のＸ線
回折の回折特性図である。

【図６】 本発明による第１の実施例の単結晶アルミニ
ウム膜により作製された弾性表面波共振子の正面図であ
る。

【図７】 本発明の第１の実施例による弾性表面波共振
子および従来技術による弾性表面波共振子の周波数変化
を示す特性図である。

【図８】 従来技術による水晶基板の一部分の表面を示
す模式斜視図である。

【図９】 従来技術による多結晶アルミニウム膜の標準
測定によるＸ線回折の回折特性図である。

【図１０】 従来技術による配向アルミニウム膜の標準
測定によるＸ線回折の回折特性図である。

【符号の説明】

１ 弾性表面波共振子 ２ 櫛歯形電極 ３ 反射器電極 ４ 単結晶アルミニウム電極を具備する弾性表面波
共振子の特性 ５ 多結晶アルミニウム電極を具備する弾性表面波
共振子の特性 ６ 配向アルミニウム電極を具備する弾性表面波共
振子の特性

フロントページの続き (72)発明者 黒沢 龍一 長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコー エプソン株式会社内 (72)発明者 浜 友文 長野県諏訪市大和３丁目３番５号セイコー エプソン株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電体基板上にアルミニウム電極を形成
   してなる弾性表面波素子において、該アルミニウム電極
   が単結晶膜であることを特徴とする弾性表面波素子。
2. 【請求項２】 前記圧電体基板が水晶であることを特徴
   とする請求項１記載の弾性表面波素子。
3. 【請求項３】 前記圧電体基板の表面が、微小な半球状
   の島が、少なくとも前記アルミニウム単結晶膜が形成さ
   れる部分に、均一に存在する構造であることを特徴とす
   る請求項１記載の弾性表面波素子。
4. 【請求項４】 圧電体基板上にアルミニウム単結晶膜よ
   りなる電極を形成してなる弾性表面波素子において、該
   圧電体基板の表面を微小な半球状の島が均一に存在する
   構造に加工する工程の後、該アルミニウム単結晶膜を蒸
   着法で形成することを特徴とする弾性表面波素子の製造
   方法。
5. 【請求項５】 圧電体基板上にアルミニウム単結晶膜よ
   りなる電極を形成してなる弾性表面波素子において、該
   圧電体基板の表面を微小な半球状の島が均一に存在する
   構造に加工する工程の後、該アルミニウム単結晶膜をス
   パッタリング法で形成することを特徴とする弾性表面波
   素子の製造方法。
6. 【請求項６】 弾性表面波素子に用いられる圧電体基板
   において、該圧電体基板の表面に微小な半球状の島が均
   一に存在する部分を具備することを特徴とする弾性表面
   波素子用基板。