JP2004289442A - Thin-film element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜素子、特に圧電基板に形成された第一の電極層と、その上に形成されたAlにより構成される第二の電極層とを備える高周波、大電力を扱う薄膜素子およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯電話や移動体通信の発展に伴い、圧電基板に所望の電極パターンが形成された薄膜素子が、弾性表面波フィルターや弾性表面波共振子として盛んに利用されている。この薄膜素子の電極膜には、比重が小さいこと、電気抵抗値が小さいとの理由により、当初よりAlが使用されている。また、薄膜素子における高周波化への対応は、その電極膜の薄膜化、また電極パターンの微細化が必要となる。一方、圧電基板を用いた薄膜素子の動作状態における電極膜には、使用する周波数に対応した繰り返し応力が加わる。動作電力の増大および高周波化に伴い、薄膜素子に形成される電極に加わる応力が増大する。Al電極膜は、このAl電極膜に加わる応力により、Al原子のマイグレーションを生じ、電極膜に欠陥が発生し、薄膜素子の特性を大きく劣化させるとの課題を有する。このことからも、用いられる薄膜素子の電極の耐電力性の向上が求められる。
【0003】
従来、電極膜の耐電力性の向上および信頼性の向上として、Al膜の結晶性の制御や高配向化による方策が知られている。これらは、用いる基板の状態により大きな影響を受けることから、その安定性を欠くとの課題を有していた。また、更なる高周波化または動作電力の増大化に対しては、十分な対応ができないとの課題を有していた。
【0004】
そこで、圧電基板と、圧電基板上に形成されたIDT電極を備える弾性表面波素子であって、圧電基板上に100〜200nmの膜厚で設けられたTi下地膜と、Ti下地膜上に積層されたAl合金膜を備える弾性表面波素子が提案されている(例えば特許文献1参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開2002−368568号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来技術による弾性表面波素子においては、以下の問題点が存在する。
【0007】
特許文献1においては、下地膜として用いるTi膜は、100〜200nmの膜厚に設定される。また、Ti下地膜に積層する上地膜として、Al合金膜が構成されている。上記したように弾性表面波素子としての電極膜は、比重が小さいこと、電気抵抗値が小さいことが求められることは一般に知られる通りである。これは、電極膜の比重および電気抵抗値が弾性表面波素子の挿入損失等の特性に顕著に影響を及ぼすことに起因する。主電極として用いる上地膜のAl合金膜は、Alに比較し、大きな電気抵抗値を有する。これは、本来の圧電基板の有する特性を十分に引き出すことが出来ないとの課題を有する。また、下地膜として用いられるTi膜も、電極膜としての電気抵抗値に影響を及ぼす。特許文献1における下地膜として用いるTiの膜厚の設定は、その有する電気抵抗値等の関係から弾性表面波素子として重要な特性であるピークロス値やバンド幅を劣化させることが考えられる。Tiの電気抵抗値は比抵抗が48μΩcmとAlの2.7μΩcmに比較し非常に大きいため、Ti膜厚が厚くなることで電極としての抵抗値の増加となり、特性を劣化させることになる。これは、高い品質を求められる弾性薄膜素子としては使用できないとの課題を有する。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決すべく本発明の薄膜素子は、圧電基板と、圧電基板上に形成された第一の電極層と、第一の電極上にAlにより構成される第二の電極層とを備える薄膜素子であって、第一の電極層の膜厚は、50nm以上100nm未満であることを特徴としている。また。第一の電極層は、Ti、Ni、Crのうちのいずれかを主成分とする金属により構成されている。また、圧電基板は、LiNbO3基板またはLiTaO3基板であることを特徴としている。更に、LiNbO3基板またはLiTaO3基板は、θ回転YカットX伝搬の基板であることを特徴としている。
【0009】
また、圧電基板を用意する工程と、圧電基板に第一の電極層を形成する工程と、第一の電極層上にAlにより構成される第二の電極層を形成する工程とを有する薄膜素子の製造方法であって、第一の電極層の膜厚を、50nm以上100nm未満としたことを特徴とする薄膜素子の製造方法である。
【0010】
本発明は、上記の問題点を解決することを目的とするもので、圧電基板が本来有する特性を劣化させることなく、耐電力性に優れ、電子機器の高性能化に対応した高精度および高信頼性な薄膜素子を提供する。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について添付図に基いて詳細を説明する。
【0012】
図1は、本発明の薄膜素子における一実施例の概略断面図を示す。
【0013】
図1に示した薄膜素子は、圧電基板1と、圧電基板1上に第一の電極層2と、第一の電極層2上に第二の電極層3とを有する。
【0014】
圧電基板1は、例えば、θ回転YカットX伝搬のLiNbO3基板またはLiTaO3基板が用いられる。圧電基板1のカット角は、その上に形成する膜の状態に影響を及ぼすことから、用いる圧電基板1に対応した適切な角度が設定される。また、第一の電極層は、Ti、Ni、Crのうちのいずれかを主成分とする金属により構成され、その膜厚を50nm以上100nm未満とする。更に、第二の電極層は、Al電極膜により構成される。このAl電極膜は、純Alであることが好ましい。
【0015】
以下に、本発明の薄膜素子の製造方法について説明する。
【0016】
先ず、フォトリソ技術を用いて、圧電基板1、例えば、38.5°回転YカットX伝搬のLiTaO3基板1上にIDT電極4を形成する。IDT電極4の形成は、先ず、圧電基板1をマルチソース対応のルツボを有する蒸着装置内にセットする。
【0017】
次に、真空ポンプにより、蒸着装置内を真空状態とする。この時、蒸着装置内は、高真空ポンプにより10−5Pa台の圧力まで真空にすることが好ましい。
【0018】
次に、電子ビーム蒸着法により、圧電基板1上に第一の電極層としてTiを80nm形成する。次に、電子ビームの照射により高温になったルツボを冷却するために15分程度放置することで冷却する。続いて、ルツボを回転させ、第二の電極層としてAlを150nm形成する。これらの形成は、真空を破ることなく連続で形成されることが好ましい。その際、均一な膜厚分布が得られるように、圧電基板1を5rpmの速度で自公転させることが好ましい。また、ルツボの上部にはシャッターが設けられ、所定の膜厚になるように、その開閉が制御されている。また、成膜時の圧電基板1は、いずれも特に加熱は行っていない。
【0019】
この成膜方法は、電子ビーム蒸着法に限るものではなく、スパッタリング法等を用いても構わない。
【0020】
次に、形成された電極層上に、レジストをスピンコーター等を用いて、所定の膜厚を塗布し、所定のパターンが形成されたフォトリソマスクを介してレジストを露光する。続いて、現像処理およびエッチング処理することにより、IDT電極4が形成される。このパターン形成方法は、フォトリソグラフィ技術に限定するものではなく、ドライエッチング技術を用いても構わない。
【0021】
形成されたIDT電極4は、求められる機能に対するパターン形状、例えば、ラインアンドスペースが0.5μmの櫛形形状を有する。また、引き出し電極、パッド電極等が必要に応じて形成されている。その後、ダイシングおよびパッケージングなどの工程を経て、薄膜素子が得られる。
【0022】
以下に本発明において、第一の電極層の膜厚を限定する根拠について説明する。
【0023】
図2に、第一の電極層2に用いるTiの膜厚に対する薄膜素子の寿命および弾性表面波素子を形成した場合のピークロス値の関係を示す。図2は、印加電力を1.4W、使用雰囲気温度を150℃とした加速試験により得られた実験結果を、実デバイスの使用条件である印加電圧を0.8W、使用雰囲気温度を50℃の値に換算した結果を示す。換算は、別の実験より求めた加速係数を使用した。使用した加速係数は、電力7乗則、温度12℃2倍則である。
【0024】
図2より、Ti膜厚が50nm以上にて急激に薄膜素子の寿命が向上することが確認できる。また、ピークロス値の結果においては、Ti膜厚の増加に伴い、若干の増加は確認できるが、使用上問題ないレベルであると判断できる。
【0025】
この本発明の薄膜素子の寿命の向上は、第一の電極層であるTi膜厚が50nmを超えた時に、主電極である第二の電極層のAl膜への圧電基板からの励振エネルギーの伝達が、第一の電極層であるTiにより抑制された結果であると考えられる。
【0026】
このTi膜厚による効果が明確に現れる点を第一の電極層の膜厚の下限値に設定した。
【0027】
次に図3に、第一の電極層2に用いるTiの膜厚に対するピークロス値および3dBにおけるバンド幅(B.W)との関係を示す。
【0028】
図3より、Ti膜厚が100nm以上になることにより、ピークロス値および3dB−B.W.が急激に劣化することが確認できる。これは、Ti膜の膜厚の増加による電気抵抗値への影響による劣化であると判断できる。前記したように薄膜素子における電極の物性値である電気抵抗値および比重に対する影響が、このピークロス値および3dB−B.W.にて確認できる。第一の電極層の上限値は、薄膜素子として使用上問題のない値として、この結果より設定した。
【0029】
また、上述した実施形態では、圧電基板1として、38.5°回転YカットX伝搬のLiTaO3基板を用いたが、この発明は、圧電性を有するあらゆる基板に対しても、上記した設定により同様の効果が得られる。更に、第一の電極層2の材料としてTiを用いたが、Ti、Ni、Crのうちのいずれかを主成分とする金属を用いても構わない。
【0030】
本発明の薄膜素子において、第二の電極層3のAl膜への励振エネルギーの伝達が第一の電極層2のTi膜により抑制され、その結果、薄膜素子の高寿命化との結果になったものと考えられる。また、特性劣化傾向を示さない範囲内にTi膜厚を設定することで、他の特性に対しても良好な薄膜素子が得られる。
【0031】
【発明の効果】
以上のような本発明の薄膜素子によれば、主電極膜のAl膜への励振エネルギーの伝達が抑制され、高い信頼性を有する電極膜を提供できることが可能となる。
【0032】
よって、圧電基板が本来有する特性を劣化させることなく、耐電力性に優れ、電子機器の高性能化に対応した高精度および高信頼性な薄膜素子を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の薄膜素子の一実施例を示す概略断面図である。
【図2】本発明の薄膜素子の一実施例における、Ti膜厚による薄膜素子の寿命およびピークロス値との関係を表すグラフである。
【図3】本発明の薄膜素子の一実施例における、Ti膜厚による薄膜素子のピークロスおよび3dB−B.Wとの関係を表すグラフである。
【符号の説明】
1…圧電基板
2…第一の電極層
3…第二の電極層
4…IDT電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a thin-film element, particularly a high-frequency, high-power thin-film element comprising a first electrode layer formed on a piezoelectric substrate and a second electrode layer formed of Al formed thereon, and a thin-film element therefor. It relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the development of mobile phones and mobile communications, thin film elements having a desired electrode pattern formed on a piezoelectric substrate have been actively used as surface acoustic wave filters and surface acoustic wave resonators. For the electrode film of this thin film element, Al is used from the beginning because of its low specific gravity and low electric resistance. In order to cope with higher frequencies in a thin film element, it is necessary to make the electrode film thinner and to make the electrode pattern finer. On the other hand, a repetitive stress corresponding to the frequency to be used is applied to the electrode film in the operating state of the thin film element using the piezoelectric substrate. As the operating power increases and the frequency increases, the stress applied to the electrodes formed on the thin film element increases. The Al electrode film has a problem that due to the stress applied to the Al electrode film, migration of Al atoms occurs, a defect occurs in the electrode film, and characteristics of the thin film element are largely deteriorated. For this reason, it is required to improve the power durability of the electrodes of the thin film element used.
[0003]
Conventionally, measures for controlling the crystallinity of the Al film and increasing the orientation have been known to improve the power durability and reliability of the electrode film. Since these are greatly affected by the state of the substrate to be used, they have a problem that they lack stability. In addition, there is a problem that it is not possible to sufficiently cope with a further increase in frequency or an increase in operating power.
[0004]
Therefore, a surface acoustic wave element including a piezoelectric substrate, an IDT electrode formed on the piezoelectric substrate, a Ti underlayer provided on the piezoelectric substrate with a thickness of 100 to 200 nm, and a Ti underlayer laminated on the Ti underlayer. There has been proposed a surface acoustic wave device including an Al alloy film as described above (for example, see Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2002-368568 A
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional surface acoustic wave device has the following problems.
[0007]
In
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the thin film element of the present invention includes a piezoelectric substrate, a first electrode layer formed on the piezoelectric substrate, and a second electrode layer made of Al on the first electrode. A thin film element, wherein the thickness of the first electrode layer is not less than 50 nm and less than 100 nm. Also. The first electrode layer is made of a metal containing any one of Ti, Ni, and Cr as a main component. Further, the piezoelectric substrate is a LiNbO 3 substrate or a LiTaO 3 substrate. Further, the LiNbO 3 substrate or the LiTaO 3 substrate is characterized in that it is a θ rotation Y cut X propagation substrate.
[0009]
A thin-film element comprising: a step of preparing a piezoelectric substrate; a step of forming a first electrode layer on the piezoelectric substrate; and a step of forming a second electrode layer made of Al on the first electrode layer. Wherein the thickness of the first electrode layer is 50 nm or more and less than 100 nm.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above problems, without deteriorating the inherent characteristics of a piezoelectric substrate, having excellent power durability, and achieving high accuracy and high performance corresponding to the high performance of electronic devices. Provide a reliable thin film element.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0012]
FIG. 1 is a schematic sectional view of one embodiment of the thin film element of the present invention.
[0013]
The thin-film element shown in FIG. 1 has a
[0014]
As the
[0015]
Hereinafter, a method for manufacturing a thin film element of the present invention will be described.
[0016]
First, an
[0017]
Next, the inside of the evaporation apparatus is evacuated by a vacuum pump. At this time, it is preferable to evacuate the inside of the vapor deposition apparatus to a pressure of the order of 10 −5 Pa using a high vacuum pump.
[0018]
Next, 80 nm of Ti is formed as a first electrode layer on the
[0019]
This film formation method is not limited to the electron beam evaporation method, and a sputtering method or the like may be used.
[0020]
Next, a predetermined thickness of a resist is applied to the formed electrode layer using a spin coater or the like, and the resist is exposed through a photolithographic mask having a predetermined pattern formed thereon. Subsequently, the
[0021]
The formed
[0022]
The grounds for limiting the thickness of the first electrode layer in the present invention will be described below.
[0023]
FIG. 2 shows the relationship between the film thickness of Ti used for the
[0024]
From FIG. 2, it can be confirmed that when the Ti film thickness is 50 nm or more, the life of the thin film element is sharply improved. In the result of the peak-cross value, a slight increase can be confirmed with an increase in the Ti film thickness, but it can be determined that the level is not a problem in use.
[0025]
The improvement of the life of the thin film element of the present invention is achieved by reducing the excitation energy from the piezoelectric substrate to the Al film of the second electrode layer as the main electrode when the Ti film thickness as the first electrode layer exceeds 50 nm. It is considered that the transmission is a result of being suppressed by the first electrode layer, Ti.
[0026]
The point where the effect of the Ti film thickness clearly appears was set as the lower limit of the film thickness of the first electrode layer.
[0027]
Next, FIG. 3 shows the relationship between the film thickness of Ti used for the
[0028]
FIG. 3 shows that when the Ti film thickness becomes 100 nm or more, the peak-cross value and 3 dB-B. W. Can be confirmed to deteriorate rapidly. This can be determined to be deterioration due to the influence on the electric resistance value due to the increase in the thickness of the Ti film. As described above, the influence on the electrical resistance value and the specific gravity, which are the physical property values of the electrodes in the thin film element, depends on the peak-cross value and 3 dB-B. W. You can check at. The upper limit of the first electrode layer was set based on this result as a value having no problem in use as a thin film element.
[0029]
In the above embodiment, the LiTaO 3 substrate of 38.5 ° rotation Y-cut X propagation is used as the
[0030]
In the thin film element of the present invention, transmission of excitation energy to the Al film of the
[0031]
【The invention's effect】
According to the thin film element of the present invention as described above, transmission of excitation energy to the Al film of the main electrode film is suppressed, and it is possible to provide an electrode film having high reliability.
[0032]
Therefore, it is possible to provide a high-precision and high-reliability thin-film element which is excellent in power resistance and does not deteriorate the inherent characteristics of the piezoelectric substrate, and is compatible with high performance of electronic devices.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view showing one embodiment of a thin film element of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the life of the thin film element and the peak-cross value depending on the Ti film thickness in one embodiment of the thin film element of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the peak-to-peak and 3 dB-B. 6 is a graph showing a relationship with W.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第一の電極層の膜厚は、50nm以上100nm未満であることを特徴とする薄膜素子。Piezoelectric substrate, a first electrode layer formed on the piezoelectric substrate, a thin film element including a second electrode layer made of Al on the first electrode layer,
The film thickness of the first electrode layer is 50 nm or more and less than 100 nm.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003078266A JP2004289442A (en) | 2003-03-20 | 2003-03-20 | Thin-film element and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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JP2003078266A Pending JP2004289442A (en) | 2003-03-20 | 2003-03-20 | Thin-film element and manufacturing method thereof |
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Country | Link |
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- 2003-03-20 JP JP2003078266A patent/JP2004289442A/en active Pending
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