JPH06209222A - 弾性表面波素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】内部電力損失が低く、しかも耐電力性が高い、
特性良好で長寿命な弾性表面波素子が得られる製造方法
を提供することにある。 【構成】ＬｉＴａＯ₃基板上に金属薄膜電極を形成させ
てから、素子を薄膜電極成膜時の基板温度以上で４００
℃未満の所定の温度まで、６００℃／分以下の所定の昇
温速度で上昇させ、上記温度に所定時間保持したのち、
６００℃／分以下の所定の冷却速度で室温まで戻して電
極膜の焼鈍処理を行い、かつ、電極膜の静的応力を５×
１０⁹ｄｙｎ／ｃｍ²以下に抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基板上に形成させた金
属薄膜よりなる電極の耐電力特性が高く、長期間にわた
って良好な特性を保持できる、ＬｉＴａＯ₃を圧電性基
板として使用した弾性表面波素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＬｉＴａＯ₃基板に金属薄膜より
なる電極を形成させた弾性表面波素子は、小形で高性能
なバンドパスフィルタとして益々広く利用されるように
なり、それと共に、動作周波数は数百ＭＨｚから数ＧＨ
ｚ程度の高周波域に広がり、耐電力性についても通信機
器の送信側にも使用できるように、従来例よりも遥かに
大きい入力電力にも耐えることが要求されるようになっ
てきた。

【０００３】弾性表面波素子の電極には、すだれ状くし
形電極を用い、周知のように通常、λ／４幅の電極指を
電極指間の隙間がλ／４になるように（即ち電極指間ピ
ッチはλ／２）配設して形成するが、高周波化を図るた
めには基板上に形成する電極指の幅を細く、たとえば中
心周波数１ＧＨｚでは約１μｍに、しなければならな
い。

【０００４】上記のような微細な電極を用いた弾性表面
波素子を、高い入力電力で動作させていると、弾性表面
波によって生ずる圧電性基板の表面の歪が、その表面上
に形成された電極膜に内部応力を発生させ、その応力が
電極用金属薄膜の臨界剪断応力を越えた部分では、電極
材料の原子が結晶粒界を通路として移動し、累積動作時
間が長くなると、電極に空隙（ｖｏｉｄ）、突起（ｈｉ
ｌｌｏｃｋ）を発生させ、特性の劣化および電極の破壊
が生じるようになる。

【０００５】上記問題を回避するために、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、それまで加工容易性などのため電極材料として好ん
で用いられていたＡｌにＣｕを少量添加させた合金電極
膜を使用することが行われるようになった。電極用金属
薄膜の耐電力性を向上させる手段としては、Ａｌ合金を
形成させる少量添加物として、Ｃｕの他にも、Ｔｉ、Ｎ
ｉ、Ｍｇ、Ｐｄなども用いられている。

【０００６】従来の弾性表面波素子の製造方法は、圧電
性基板の上に真空蒸着法またはスパッタリング法などで
電極用金属薄膜を形成させ、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所要の電極パターンを形
成させるという簡易なものであった。従って、形成され
た電極膜は、気相状態から固相状態に相変化したままの
状態であって、物理化学的に不安定状態にある。その不
安定状態では、欠陥も極めて多く比抵抗は高かった。Ａ
ｌにＣｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｐｄ等を添加して耐電力
性良好なＡｌ合金とする際に、添加量を増加するのに伴
い機械的強度は増大し耐電力性は増大するが、一方、電
極膜の比抵抗が増大するために内部損失が増加するとい
う問題が生じ、添加する元素および添加する量に大幅な
制限があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術は、電
極膜の機械的強度を増大させて耐電力性を向上させる点
で確かに貢献していたが、使用時の内部損失を抑制する
ために電極膜の比抵抗を減少させることは出来ないとい
う問題点を抱えていた。

【０００８】本発明は、上記従来の弾性表面波素子の製
造方法のように電極膜の機械的強度は高くなるがそれに
伴って比抵抗が増大する問題点を克服し、ＬｉＴａＯ₃
圧電性基板上に形成した電極膜の機械的強度が比較的高
く長期間の繰返し応力に良く耐え、しかも比抵抗の増大
を比較的低く抑制して内部損失の増大を抑制した弾性表
面波素子を製造できるようにした弾性表面波素子の製造
方法を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明においては、ＬｉＴａＯ₃基板上に金属薄膜電
極を形成させてから、素子を薄膜電極成膜時の基板温度
以上で４００℃未満の所定の温度まで、６００℃／分以
下の所定の昇温速度で上昇させ、上記温度に所定時間保
持したのち、６００℃／分以下の所定の冷却速度で室温
まで低下させることにより、基板の特性を損なうことな
く金属薄膜電極の焼鈍処理を行うことにした。上記焼鈍
処理は、真空中またはＡｒ、Ｎ₂、Ｈ₂の少なくとも一つ
からなる不活性または非酸化性雰囲気中で行う。上記焼
鈍処理を行ったのちの電極薄膜内の残留応力は、この電
極薄膜の形成作業時の条件によっても変化するが、その
条件が適切で、かつ、焼鈍処理が正しく行われていれ
ば、焼鈍処理後の電極薄膜内部の残留応力は、室温にお
いて５×１０⁹ｄｙｎ／ｃｍ²以下になっている筈（なっ
ていなければ電極薄膜の形成作業や焼鈍作業について再
検討する必要がある）である。量産品の個々について測
定することは勿論できないが、特別な試料について、例
えばいわゆる円板法によって、品質管理試験を行って確
かめる必要がある。

【００１０】

【作用】ＬｉＴａＯ₃基板に電極膜を形成する方法とし
ては、スパッタリング法および真空蒸着法が一般的であ
るが、膜の緻密性および合金膜の組成安定性の点から現
在は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
結晶薄膜にすることがほとんどであり、多数の粒界およ
び転位等の欠陥が存在し自由エネルギー的に高い状態に
ある。従来の弾性表面波素子の製造方法では、上記のよ
うに電極膜を形成させた後、フォトリソグラフィなどの
微細加工技術により所望の形状にパターニングを行い、
その後、完成した大径の基板のウェーハから小さなチッ
プへのダイシング、電極間接続等のボンディング、各チ
ップを保護筐体内に収納するパッケージングなどの工程
を経て素子を製造していた。この従来の方法では、電極
膜に多数の欠陥が残存していたために比抵抗が高く、素
子としての内部損失が大きいという欠点があった。ま
た、耐電力性を向上させるために、ＡｌにＣｕ、Ｔｉ、
Ｎｉ、Ｍｇ、Ｐｄ等を添加し粒界拡散を防止してきた
が、上記添加物の添加量増加に伴って比抵抗が大幅に増
加し、素子の内部損失を増大させるという問題が別に生
ずるために、添加元素および添加量が制約されていた。

【００１１】本発明者は、電極膜材料のＡｌへの他元素
添加に伴う比抵抗の増加を抑制し、耐電力性の向上およ
び素子の内部損失の低減を両立させるために、製造工程
中に、基板上に形成させた電極膜の焼鈍処理（アニー
ル）を追加して導入することを検討し、その有効性を確
認した。電極へのアニールプロセスは、半導体ＬＳＩ分
野では既に実施されているが、ＬｉＴａＯ₃は圧電性お
よび焦電性を有する基板であるために、ＬＳＩ分野で使
用しているアニール方法をそのまま導入することはでき
ない。なすわち、ＬｉＴａＯ₃基板は、昇温速度および
冷却速度が速い場合には、上記のような特有の性質に基
づくサーマルショックによって亀裂が入ったり破損した
りする。本発明者が、昇温速度および冷却速度とサーマ
ルショックによる基板の亀裂または破損の関係を検討し
たところ、６００℃／分以下の昇温速度および冷却速度
が必要であることが判明した。昇温速度および冷却速度
は、６００℃／分以下でないと歩留が低く、焼鈍処理の
量産への適用は不可能に近く、基板の熱的特性の不均一
性を考慮すると１００℃／分以下が望ましく、５０℃／
分以下であれば一層好ましい。

【００１２】また、昇温後の保持温度すなわちアニール
温度は、電極膜の成膜時の基板温度たとえば２００℃以
上で、しかも４００℃未満にする必要がある。アニール
温度が、電極成膜時温度未満の場合は、比抵抗低減効果
が無く、４００℃以上の温度でアニールを行うと、Ｌｉ
ＴａＯ₃基板が薄く着色した。着色したＬｉＴａＯ₃基板
の表面を薄膜Ｘ線回折分析により評価したところ、Ｌｉ
ＴａＯ₃結晶の他にＬｉＴａ₃Ｏ₃結晶が発現しており、
ＬｉＴａＯ₃基板の特性が失われていることが判明し
た。従って、アニール温度は４００℃未満にすることが
必要である。ＬｉＴａ₃Ｏ₃結晶の発現過程の詳細は、現
在明らかではないが、基板表面のＬｉ₂Ｏの外部拡散と
関係があるものと考えられている。アニール手段として
は、電極膜の成膜後、成膜装置内でアニールする方法、
成膜装置以外の装置で、成膜後または微細加工技術によ
るパターニング後にアニールする方法がある。アニール
雰囲気は、電極膜の酸化防止のために、真空中またはＡ
ｒ、Ｎ₂、Ｈ₂の少なくとも一者からなる不活性または非
酸化性ガス中が望ましい。

【００１３】弾性表面波素子では、基板表面上を、レー
リー波、ＳＨ波などの弾性波が伝搬する。素子の高出力
化を図るのに伴い、弾性波から受ける電極膜の応力が増
大するようになる。電極膜は、内部応力があるしきい値
以上に達すると転位の移動および滑りなどが生じ、ボイ
ド、ヒロックの発生および隣接電極膜との短絡等が発生
し、電極膜の破壊が生ずるようになる。素子の動作時に
電極膜に印加される応力は、電極膜の静的な内部応力と
弾性波から受ける動的な応力を加算したものとなる。高
出力化に伴い弾性波から受ける動的な応力が増加するた
めに、電極膜の静的な内部応力を極力小さくする必要が
ある。Ａｌ合金系の場合、その室温における静的な内部
応力は５×１０⁹ｄｙｎ／ｃｍ²以下であることが望まし
い。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を図面を用いて更に詳しく説明
する。

【００１５】実施例１ 図１（ａ）は、３６°回転Ｙ軸切断Ｘ軸伝搬ＬｉＴａＯ
₃基板の上にＡｌ膜を１００ｎｍの膜厚に成膜させた試
料の、アニール時の昇温速度または冷却速度と、その時
の試料の歩留との関係を示している。ここで、試料の歩
留とは、１０枚の試料中、試料に亀裂または破損が生じ
なかった試料枚数の割合を表している。歩留８０％以上
を得るためには、昇温速度または冷却速度を６００℃／
分以下にする必要がある。昇温速度または冷却速度を速
くできればスループット向上に有効ではあるが、一方、
歩留を高めるためには昇温速度または冷却速度をさらに
遅くすることが望ましい。本実施例では昇温速度または
冷却速度は５０℃／分で行った。その結果、歩留を１０
０％にすることが出来た。

【００１６】図１（ｂ）は、３６°回転Ｙ軸切断Ｘ軸伝
搬ＬｉＴａＯ₃基板上に成形させたＡｌ−０．２ｗｔ％
Ｔｉ合金の膜厚１００ｎｍの膜の比抵抗の増減の程度と
アニール温度との関係を示す図である。電極膜の形成
は、ＤＣマグネトロンスパッタリング法で行い、成膜時
の基板温度を５０℃から２００℃まで変化させた場合、
及び、成膜時のＡｒガス圧力を０．２Ｐａから２．０Ｐ
ａまで変化させた場合においても、図１（ｂ）と同様な
比抵抗の増減が見られた。アニールは、Ｎ₂ガス雰囲気
中で１時間行った。アニール温度の上昇に伴い４５０℃
までに、比抵抗は約０．２μΩｃｍ低減できる。５００
℃以上では比抵抗が増加して好ましくない。５００℃以
上では、電極膜とＬｉＴａＯ₃が相互拡散するものと考
えられる。しかし、４００℃以上の温度においては、Ｌ
ｉＴａＯ₃基板の表面が極めて薄く着色していた。その
基板表面を薄膜Ｘ線回折法により分析した結果、ＬｉＴ
ａＯ₃結晶の他にＬｉＴａ₃Ｏ₃結晶が現れていることが
判明した。図２に、４００℃の温度でＮ₂ガス雰囲気中
１時間アニールを行ったＬｉＴａＯ₃基板表面の薄膜Ｘ
線回折分析結果を示す（横軸はＸ線照射方向、縦軸はそ
の方向に対応するカウント数で、結晶面間の距離から対
象物質が判る）。ＬｉＴａ₃Ｏ₃結晶が現れることは、Ｌ
ｉＴａＯ₃基板の特性が失われることを意味するため好
ましくなく、従って、アニール温度は４００℃未満に限
定される。一方、成膜時の基板温度未満の温度でアニー
ルを行っても、電極膜の比抵抗が低減する効果が得られ
ないため、アニール温度は成膜時の基板温度以上にする
必要がある。従って、アニール温度は、成膜時の基板温
度以上で４００℃未満に限定される。

【００１７】実施例２ 寿命は、電極膜に生じている静的な内部応力により大き
な影響を受ける。

【００１８】図３は、３６°回転Ｙ軸切断Ｘ軸伝搬Ｌｉ
ＴａＯ₃基板とＡｌ−０．６ｗｔ％Ｔｉ電極からなる多
電極型弾性表面波素子における、寿命と電極膜の静的な
応力の関係を示している。電極膜の膜厚は１００ｎｍで
ある。アニールは、Ｎ₂ガス雰囲気中で３７０℃で１時
間行った。この時、電極膜の比抵抗は、アニールを行わ
ない場合よりも０．４μΩｃｍ低減した。電極膜の静的
応力は、電極膜形成時のスパッタリング条件を変化する
ことによって変化させた。図示の応力は室温におけるも
のである（但し、応力測定は既述の如く、いわゆる円板
法で特別の円板形状の試料によって行った）。加速劣化
試験条件は、素子を周囲温度１２０℃において、周波数
８８０ＭＨｚ、出力電力１Ｗで動作させ、ネットワーク
アナライザで測定して８８０ＭＨｚでの出力が０．５ｄ
Ｂ低下するまでの時間を寿命とした。電極膜の応力が小
さいほど長寿命化している。本加速劣化試験条件では１
０時間以上の寿命を保持することが実用上必要となる。
従って、応力は５×１０⁹ｄｙｎ／ｃｍ²以下にすること
が必要になる。なお、アニールを行わない場合には、ア
ニールを行った場合の約１／５の寿命であった。

【００１９】図４（ａ）は加速劣化試験に用いた多電極
型弾性表面波素子の上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）中
に示すＡ−Ａ’線断面図である。圧電性基板１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、くし形すだれ状に配列された電極指４から構成さ
れ、図４（ｂ）の断面図に示すように、電極指４の電極
幅と電極指４のない部分（スペース部）の幅は等しく、
それぞれ、λ／４（但し、λは素子の中心周波数におけ
る波長）になっている。また、入出力電極２、３の間に
は接地用電極パターン５が形成されている。更に、電圧
性基板１の表面は、入出力電極２、３及び接地用電極パ
ターン５と電気的に絶縁された浮き電極パターン６で覆
われている。

【００２０】なお、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、スペース幅は共に１．２μｍ、接地用電
極パターン５の幅は５μｍである。

【００２１】以上、上記実施例では、単層膜からなる電
極のアニールについて述べたが、２層以上からなる多層
膜においてアニールを行っても有効である。また、上記
実施例では電極膜材料は、Ａｌ−Ｔｉ系であったが、Ａ
ｌへの添加材料として、Ｔｉの他、Ｐｄ、Ｎｂ、Ｗ、
Ｖ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｔ
ａ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｃｄ、Ｃｕ
のなかの少なくとも一つの金属を２０ｗｔ％以下添加し
たＡｌ合金であっても差支えない。電極膜の膜厚は上記
実施例では１００ｎｍの場合について行ったが、更に厚
くとも薄くとも差支えない。膜厚が薄い場合には、臨界
剪断応力はペッチの関係により増大するが、比抵抗が増
大するため、従来は好ましくなかった。しかし、本発明
によりアニールを行うことにより比抵抗が低減できるた
めに、電極膜厚が薄くても使用可能になる。また、上記
実施例ではアニール時の保持時間を１時間としたが、こ
れに限定するものではない。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Ｌ
ｉＴａＯ₃基板の特性を損なうことなく、電極膜の内部
応力や比抵抗を低減できるので、作動中の内部損失が低
く、耐電力性が大幅に向上した、長寿命、高信頼性の弾
性表面波素子を製造することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）は３６°回転Ｙ軸切断Ｘ軸伝搬Ｌｉ
ＴａＯ₃基板にＡｌ膜を１００ｎｍの膜厚に成膜させた
試料のアニール時の昇温速度または冷却速度と試料の歩
留との関係を示す図、図１（ｂ）は、３６°回転Ｙ軸切
断Ｘ軸伝搬ＬｉＴａＯ₃基板上に形成させたＡｌ−０．
２ｗｔ％Ｔｉ合金の膜厚１００ｎｍの膜の比抵抗の増減
の程度とアニール温度との関係を示す図である。

【図２】温度４００℃でＮ₂ガス雰囲気中１時間アニー
ルを行ったＬｉＴａＯ₃基板表面の薄膜Ｘ線回折分析結
果を示す図である。

【図３】３６°回転Ｙ軸切断Ｘ軸伝搬ＬｉＴａＯ₃基板
上にＡｌ−０．６ｗｔ％Ｔｉ電極を形成させた多電極型
弾性表面波素子における寿命と電極膜の静的な応力の関
係を示す図である。

【図４】図４（ａ）は加速劣化試験に用いた本発明に係
る多電極型弾性表面波素子の上面図、図４（ｂ）は図４
（ａ）中に示すＡ−Ａ’線断面図である。

【符号の説明】

１…ＬｉＴａＯ₃基板、 ２…入力電極、 ３…出力電極、 ４…電極指、 ５…接地用電極パターン、 ６…浮き電極パターン。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＬｉＴａＯ₃基板上に金属薄膜よりなる電
   極を形成させた弾性表面波素子の製造方法において、Ｌ
   ｉＴａＯ₃基板上に金属薄膜電極を形成させてから、素
   子を薄膜電極成膜時の基板温度以上で４００℃未満の所
   定の温度まで、６００℃／分以下の所定の昇温速度で上
   昇させ、上記温度に所定時間保持したのち、６００℃／
   分以下の所定の冷却速度で室温まで低下させることによ
   り、基板の特性を損なうことなく金属薄膜電極の焼鈍処
   理を行うことを特徴とする弾性表面波素子の製造方法。
2. 【請求項２】ＬｉＴａＯ₃基板上に形成させた電極用金
   属薄膜内の焼鈍処理後の応力が、室温で、５×１０⁹ｄ
   ｙｎ／ｃｍ²以下であることを特徴とする請求項１記載
   の弾性表面波素子の製造方法。