JPH09298442A - 弾性表面波装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐電力性の向上と製造工程容易性の向上を図
る。 【解決手段】 圧電性基板と、前記圧電性基板の表面に
形成されたアルミニウム−タンタル合金膜からなる電極
とを含む弾性表面波装置に関する。前記電極のアルミニ
ウム−タンタル合金膜は、アルミニウムにタンタルが固
溶していることを特徴とする。又、圧電性基板の表面上
にアルミニウム−タンタル合金膜を成膜する工程と、該
合金膜を所望の電極パターンに形成する工程と、複数の
該所望の電極パターンが形成された圧電性基板をチップ
毎に切断する工程と、該チップをパッケージに固定し、
ボンディングワイヤで配線する工程と、前記パッケージ
に蓋をする気密封止工程とを含む弾性表面波装置の製造
方法に関する。前記アルミニウム−タンタル合金膜を成
膜する工程は、スパッタリング法によることを特徴とす
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、弾性表面波装置及
びその製造方法に関する。詳細に述べると、本発明は、
優れた耐電力性を有する電極膜を備えた弾性表面波装置
及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、弾性表面波（SAW）装置、特に弾
性表面波フィルタは、自動車電話、携帯電話等のRF帯フ
ィルタにおいて、誘電体フィルタに替わって盛んに利用
されるようになってきた。この理由としては、弾性表面
波フィルタは、誘電体フィルタに較べて素子寸法が小さ
いこと、また同じ素子寸法で比較すると電気特性が優れ
ていること等が挙げられる。しかし、弾性表面波を特に
１GHz前後、またはそれ以上の周波数帯、即ち、RF帯で
利用する場合、弾性表面波の励振／受信をするために用
いられる櫛形電極の電極幅及び電極間隔がそれぞれおよ
そ１μm前後以下と微細となり、また、電極膜厚もおよ
そ 0.4μm以下の薄膜になるため、その寿命が短いとい
う問題があった。

【０００３】先ず、弾性表面波装置の耐電力性について
説明する。弾性表面波装置の寿命を決めているのは、主
に電極膜の耐電力性である。この弾性表面波装置の電極
膜には、比重が小さいことと、電気抵抗が小さい等の理
由からアルミニウム（Al）が使われている。さて、弾性
表面波装置を動作状態にすると圧電基板上には弾性表面
波が励起され、電極膜には周波数に比例した繰り返し応
力が加わる。この繰り返し応力が電極膜中のAlのマイグ
レーションを生じさせる。このAlのマイグレーションに
より電極膜にはボイド（空乏）やヒロック（突起）とい
った欠陥が発生し、弾性表面波装置の特性を大きく劣化
させることが知られている。この電極膜の劣化現象は、
高周波になるほど、また印加電力が大きいほど顕著に現
れる。同時に、高周波になるほど、電極はより薄膜化、
電極幅およびその間隔はより微細となる。これらの要因
によって、高周波になるほど電極膜はマイグレーション
によって欠陥が発生し易くなり、耐電力性が劣化するこ
とになる。

【０００４】ところで、このAlのマイグレーションによ
る劣化は、半導体装置の配線技術分野でも課題となって
いる。半導体配線におけるAlのマイグレーションは、電
流によって生じるエレクトロマイグレーション、及び薄
膜の多層化に起因する残留応力によって生じるストレス
マイグレーションの二つに大別されている。一方、弾性
表面波装置においては、半導体装置での状況とは異な
り、前述したように動作周波数に比例した繰り返し応力
が加わる。この外部から加わる繰り返し応力によるマイ
グレーションは、半導体配線におけるストレスマイグレ
ーションとはやや異なり、むしろ金属疲労に類似すると
もいえる。

【０００５】さて、弾性表面波装置におけるAl電極膜の
耐電力性を向上させるために、Alに微量の銅（Cu）を添
加したアルミニウム−銅合金（Al−Cu）膜が、J.I.Lath
am等により開示されている（Thin Solid Films、64、p
p.9−15、1979年）。このアルミニウムの合金化によっ
て、電極膜のヒロックやボイドの発生が抑制され、弾性
表面波装置の耐電力性が向上した。

【０００６】さらに耐電力性を向上させるために、田渕
ほか「ポータブル電話分波器用SAWフィルタの耐電力評
価」（電子情報通信学会技術報告資料、US87−18、1987
年）で報告されているようにAl−Cu電極膜のCu含有量を
増やすことが提案された。また、特開平7−122961号に
開示されているように、Cuを中間層とする三層構造膜
（Al−Cu／Cu／Al−Cu）も提案されている。しかし、こ
れらの構成では耐電力性の向上は得られるものの、他
方、以下に記すような技術課題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】電気化学で一般に知ら
れているように、AlとCuの組み合わせでは大きな局部電
池効果が発生する。この局部電池効果によって製造工程
中、特にフォトリソグラフィ等において、電極材の腐食
を促進してしまうことが良く知られている。また、現
在、エッチング法には微細電極を高精度に形成できる塩
素系プラズマガスを用いたドライエッチングが一般的に
用いられている。Al−Cu合金膜をドライエッチングした
場合、Cuの塩化物の沸点が高いためエッチングが難し
く、更にCuの塩化物が残留することもあるため、ドライ
エッチング後に電極腐食が発生し易い等の欠点があっ
た。つまり、耐電力性を向上させるためにAl−Cu合金膜
のCu含有量を増やしたり、または、Cuを中間層とする三
層構造膜（Al−Cu／Cu／Al−Cu）等のAlとCuを組み合わ
せた合金膜では、耐電力性に優れる反面、製造工程容易
性の面で問題があった。

【０００８】ところで、特開平7−111436号において
は、Al膜上にTa、W等の高融点金属膜を成膜し、350〜45
0℃の熱処理をすることで、Alの結晶粒界近傍に高融点
金属とAlとの化合物を形成させる構成の電極膜が開示さ
れている。この構成においても製造工程において課題が
あった。一般に圧電性基板、特に圧電性単結晶ウェハで
は200〜300℃以上の加熱によってクラックが生じたり、
割れたりすることが知られている。従って、350〜450℃
の熱処理を施すこの構成では、製造歩留まりが非常に悪
い。また、使用している成膜装置は抵抗加熱の蒸着装置
であり、スパッタリング装置に較べると量産性に劣る。
さらに、その成膜工程が2回あり、しかも反応せずに残
存したAl膜上の高融点金属膜を除去する工程が必要であ
り、製造コストが高価となる問題点があった。

【０００９】そこで、本発明は、弾性表面波を１GHz前
後、またはそれ以上の周波数帯、特に、RF帯で利用する
弾性表面波装置の電極が、薄膜化、及び電極幅並びに電
極間隔の微細化や、動作周波数の高周波化に比例した大
振幅の弾性表面波が定在波として存在する繰り返し応力
によるマイグレ−ションによっても、優れた耐電力性を
有する電極膜を備えた弾性表面波装置及びその製造方法
を提供することを目的とする。

【００１０】本発明の他の目的は、製造容易で局部電池
効果による電極材の腐食が発生しない、優れた耐電力性
を有する電極膜を備えた弾性表面波装置及びその製造方
法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明においては、上記
目的を達成するため以下の構成を備えている。本発明の
一態様においては、上記目的を達成するため、圧電性基
板と前記圧電性基板の表面に形成されたアルミニウム−
タンタル合金膜からなる電極とを含む弾性表面波装置に
改良を加える。本発明の弾性表面波装置の特徴とする点
は、電極のアルミニウム−タンタル合金膜がアルミニウ
ムにタンタルが固溶していることにある。

【００１２】本発明の他の態様においては、圧電性基板
と前記圧電性基板の表面に形成されたアルミニウム−タ
ンタル合金膜からなる電極とを含む弾性表面波装置に改
良を加える。本発明の弾性表面波装置の特徴とする点
は、電極のアルミニウム−タンタル合金膜におけるタン
タルの固溶量が６wt％以下（０を含まず）であることを
特徴とする。

【００１３】本発明の好ましい実施の形態においては、
弾性表面波装置の電極を形成するアルミニウム−タンタ
ル合金膜におけるタンタルの固溶量が0.5wt％ないし６w
t％である。

【００１４】本発明のさらに好ましい実施の形態におい
ては、弾性表面波装置の電極を形成するアルミニウム−
タンタル合金膜におけるタンタルの固溶量が３wt％ない
し６wt％である。

【００１５】本発明の一態様においては、弾性表面波装
置の電極を形成するアルミニウム−タンタル合金膜がス
パッタ膜である。

【００１６】本発明の他の態様においては、弾性表面波
装置の圧電性基板がタンタル酸リチウム基板である。

【００１７】本発明のさらに他の態様においては、弾性
表面波装置が多重モード型弾性表面波フィルタとして構
成されることが好ましい。

【００１８】本発明は、又改良された弾性表面波装置を
製造するための方法を提供する。この方法は、圧電性基
板の表面上にアルミニウム−タンタル合金膜を成膜する
工程と、合金膜を所望の電極パターンに形成する工程
と、複数の所望の電極パターンが形成された圧電性基板
をチップ毎に切断する工程と、チップをパッケージに固
定し、ボンディングワイヤで配線する工程と、パッケー
ジに蓋をする気密封止工程とを含む弾性表面波装置に改
良を加える。本発明の弾性表面波装置の製造方法の特徴
とする点は、アルミニウム−タンタル合金膜を成膜する
工程がスパッタリング法によることである。

【００１９】弾性表面波装置における電極膜のマイグレ
ーションは、半導体装置の配線技術におけるエレクトロ
マイグレーションやストレスマイグレーションと劣化の
様子は類似しているものの、その発生のメカニズムは異
なる。半導体装置の配線技術と弾性表面波装置との差異
は、弾性表面波装置の場合は、電極膜に大きな繰り返し
応力がかかることである。この電極内にかかる最大応力
値はPa単位で10の7乗から8乗のオーダーになるともいわ
れており、バルクAl材の引張り強度を超える値である。
従って、弾性表面波装置の場合、印加（投入）電力の他
に、このような大きな応力、しかも繰り返し応力がかか
ることで、電極膜にはAlのマイグレーションが起因する
ボイドやヒロックが発生し、耐電力性を劣化させてい
る。

【００２０】弾性表面波装置の電極膜の劣化現象を改善
するために、Alに微量のCuを添加したAl−Cu合金膜、即
ち合金化することで耐電力性が向上することは良く知ら
れている。その理由については不明な点が多く定説には
なっていないが、考えられることに次の二つが挙げられ
る。一つは、AlにCu等の添加金属を加えることで結晶粒
径が小さくなり、それが耐電力性を向上させるといわれ
ている。二つ目に、合金化することでAlの格子拡散（粒
内拡散または体積拡散と呼ぶ場合もある）を抑圧させる
ことで耐電力性が向上するともいわれている。

【００２１】Taを添加したアルミニウム合金では、Taは
Al中に固溶せず、バルク材でも668℃において最大固溶
限が 0.24 wt％（0.036 at％）に過ぎない。しかし、本
発明ではスパッタ法を用いて薄膜を形成したため、Taを
Al中に強制固溶させることが可能となった。そして、こ
のAl−Ta合金膜では、Taの塩化物の残留が無いため、ド
ライエッチング後に発生する電極腐食が発生しない信頼
性の高い電極が得られた。

【００２２】また、このAl−Ta合金膜を高周波弾性表面
波装置の送受波電極または反射器に使用したところ、優
れた耐電力性が確認できた。この理由として、Ta添加の
Al合金膜では、Alに強制固溶したTaがAlの格子拡散（体
積拡散または粒内拡散ともいう）を抑制し、その結果、
Alのマイグレーションによるボイドやヒロックの発生も
抑制していると考えられる。

【００２３】本願発明の作用は、特開平7−111436号に
おけるAlと高融点金属の化合物をAlの結晶粒界に形成さ
せてAlの粒界拡散を抑圧する作用とは明らかに異なる。
また、本願発明ではAl中に固溶させることを特徴してお
り、構成も明らかに違う。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例をもとに説
明する。本実施例の弾性表面波装置は、中心周波数 94
7.5MHzの携帯電話機 RF段間フィルタに設計した縦結合
二重モード型弾性表面波フィルタである。３インチ径の
ニオブ酸リチウム（LiNbO3）基板の上に、Ta固溶量が
0.5wt％、3.45wt％、6.64wt％の３種類の Al−Ta合金膜
0.17μｍ厚を成膜した。

【００２５】ここで、本発明による弾性表面波装置の製
造方法を説明する。ニオブ酸リチウム（LiNbO3）の圧電
性基板の上にスパッタリング装置を用いて、Ta固溶量が
0.5wt％、3.45wt％、6.64wt％の Al−Ta合金膜の電極
を 0.17μｍ厚さに成膜した。次に、電極膜の加工は、
塩素系ガスプラズマを用いたドライエッチングで行っ
た。エッチング後の電極幅は、およそ1μmであった。作
製した弾性表面波チップは、3.8mm×3.8mmの LCC（Lead
-less Chip Carrier）パッケージ内に接着、ボンディン
グワイヤーで入出力及びグランドを接続し、弾性表面波
フィルタを作成した。 ここで、弾性表面波フィルタの
寿命試験、すなわち耐電力性評価について説明する。実
験周波数は、フィルタの通過帯域のうち最も耐電力性が
劣る帯域内の最も周波数の高い点とした。加速実験条件
は、周囲温度 80℃、入力電力１Ｗとした。図２に、実
験に用いた耐電力試験用の測定回路を示す。図２におい
て、発信器１のから発生した高周波信号は、高周波増幅
器２で１Ｗに増幅され、アイソレータ８を介して、80℃
恒温槽３内にある弾性表面波フィルタ４に印加される。
弾性表面波装置、即ちフィルタ４は、高周波電力計９に
接続される。また、電力を印加した時の電気特性を測定
するために、ネットワークアナライザ５が方向性結合器
10及びアッテネータ11を介して弾性表面波フィルタ４の
両端に接続される。発信器１と高周波電力計９、及びネ
ットワークアナライザ５を制御するために、コントロー
ラ７が GP−IBケーブル６でこれらの機器に接続され
る。なお、素子寿命は、フィルタの挿入損失が 0.5dB増
加したときの時間を（TF：Time to Failure）として求
めた。

【００２６】このアルミニウムにタンタルが固溶したAl
−Ta合金膜の耐電力性の実験結果を図１に示す。図にお
いて、横軸はTaの固溶量、縦軸は素子寿命（TF）であ
る。この図から明らかなように、Taの固溶量が多いほど
（例えば 0.5wt％以上）素子寿命は長く、純 Al電極薄
膜の寿命に較べると、Al−Ta合金化によって耐電力性が
著しく向上している。また、Ta固溶量が約 3wt％以上で
は、現在一般に用いられているAl−Cu（0.5wt％）合金
電極膜より耐電力性が更に向上している。従って、アル
ミニウムにタンタルが固溶したAl−Ta合金膜により構成
された弾性表面波装置は優れた耐電力性を呈することが
わかる。

【００２７】しかし、Taの固溶量の増加に伴い、膜抵抗
が大きくなることが予想される。そこで、TaおよびCu含
有量に対する膜抵抗率を四端子法で測定した結果を図３
に示す。Ta固溶量およびCu含有量に対して共に直線的に
抵抗値は増大している。また、Ta固溶の場合は、Cu含有
に較べ膜抵抗率の増加は大きい。

【００２８】この膜抵抗率増大は、弾性表面波フィルタ
の挿入損失へ影響することが知られている。中越他「分
波器用大電力SAWフィルタの検討」（電子情報通信学
会、技術報告、MW83−75、1983年）において、弾性表面
波フィルタの挿入損失の分離を検討している。この報告
によれば、弾性表面波フィルタの挿入損失のうち電極抵
抗損失がおよそ７割と大きな比率を占めることを明らか
にしている。

【００２９】本実施例では、膜厚が 0.17μmと薄膜であ
るが、例えば共振器ラダー型フィルタや、タンタル酸リ
チウム（LiTaO3）基板を用いた縦結合二重モード型フィ
ルタ等は、同じ周波数帯で２倍以上の膜厚を必要とする
ため、このような膜抵抗の比較的高い電極材料でも、膜
厚を大きくして抵抗値を下げ、挿入損失増加を防ぐこと
は可能である。理想的には弾性表面波装置に用いる電極
材料の膜抵抗率は小さいことが要望されるが、一般に大
きくても５μΩ・cm以下が望ましい。しかし上記のよう
な通常の２倍以上の電極膜厚を必要とする場合、膜抵抗
率はおよそ10μΩ・cmまで、即ち図３よりTa含有量がお
よそ６wt％までは弾性表面波装置として適用可能である
ことは自明である。

【００３０】次に、塩素系ガスプラズマを用いたドライ
エッチング後に発生する電極腐食の実験をした結果を図
４に示す。横軸は添加した合金元素の添加量、縦軸は 2
5μm×25μm内の電極腐食の数である。Cuの場合は含有
量が１wt%を越えると電極腐食が発生し始める。その発
生量もCu含有量に大きく依存し、Cu含有量が多い程その
発生が著しく増大する。一方、Taの場合は固溶量に関わ
らず電極腐食は発生していない。従って、Al−Ta合金薄
膜は、エッチング等の製造工程容易度は非常に高いこと
がわかる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によると、耐
電力性に優れ、しかも製造工程中に電極腐食が発生しな
い信頼性の高い弾性表面波装置が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】Al-Ta電極膜のTa固溶量に対する素子寿命を示
す図である。

【図２】耐電力試験用の測定回路を示す図である。

【図３】電極膜の添加物量に対する膜抵抗率を示す図で
ある。

【図４】電極膜の添加物含有量に対する電極腐食の観察
結果を示す図である。

【符号の説明】

１ 発信器 ２ 高周波増幅器 ３ 恒温槽 ４ 弾性表面波フィルタ（試験試料） ５ ネットワークアナライザ ６ GP−IBケーブル ７ コントローラ ８ アイソレータ ９ 高周波電力計 １０ 方向性結合器 １１ アッテネータ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電性基板と、 前記圧電性基板の表面に形成されたアルミニウム−タン
   タル合金膜からなる電極と、を含む弾性表面波装置であ
   って、 前記電極のアルミニウム−タンタル合金膜は、アルミニ
   ウムにタンタルが固溶していることを特徴とする弾性表
   面波装置。
2. 【請求項２】 圧電性基板と、 前記圧電性基板の表面に形成されたアルミニウム−タン
   タル合金膜からなる電極と、を含む弾性表面波装置であ
   って、 前記電極のアルミニウム−タンタル合金膜におけるタン
   タルの固溶量は、６wt％以下（０を含まず）であること
   を特徴とする弾性表面波装置。
3. 【請求項３】 請求項２に記載した弾性表面波装置であ
   って、 前記電極のアルミニウム−タンタル合金膜におけるタン
   タルの固溶量は、 0.5wt％ないし６wt％であることを特
   徴とする弾性表面波装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載した弾性表面波装置であ
   って、 前記電極のアルミニウム−タンタル合金膜におけるタン
   タルの固溶量は、３wt％ないし６wt％であることを特徴
   とする弾性表面波装置。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４のいずれか１項
   に記載した弾性表面波装置であって、 前記電極のアルミニウム−タンタル合金膜は、スパッタ
   膜であることを特徴とする弾性表面波装置。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項５のいずれか１項
   に記載した弾性表面波装置であって、 前記圧電性基板は、タンタル酸リチウム基板であること
   を特徴とする弾性表面波装置。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項６のいずれか１項
   に記載した弾性表面波装置であって、 前記弾性表面波装置は、多重モード型弾性表面波フィル
   タであることを特徴とする弾性表面波装置。
8. 【請求項８】 圧電性基板の表面上にアルミニウム−タ
   ンタル合金膜を成膜する工程と、 該合金膜を所望の電極パターンに形成する工程と、 複数の該所望の電極パターンが形成された圧電性基板を
   チップ毎に切断する工程と、 該チップをパッケージに固定し、ボンディングワイヤで
   配線する工程と、 前記パッケージに蓋をする気密封止工程と、を含む弾性
   表面波装置の製造方法であって、 前記アルミニウム−タンタル合金膜を成膜する工程は、
   スパッタリング法によることを特徴とする弾性表面波装
   置の製造方法。