JP3468203B2 - 弾性表面波装置及びその製造方法 - Google Patents
弾性表面波装置及びその製造方法Info
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Description
タや共振子として用いられている弾性表面波装置及びそ
の製造方法に関し、より詳細には、インターデジタル電
極がタンタルを用いて構成された弾性表面波装置及びそ
の製造方法に関する。
表面波装置が幅広く用いられている。この種の用途に用
いられる弾性表面波装置では、周波数特性が良好である
ことが強く求められる。
装置においても、コストの低減が強く求められている。
特公昭61−45892号公報に開示されている弾性表
面波装置では、回転Yカット水晶基板上にX軸と弾性表
面波伝搬方向とが約90°の角度をなすように、金より
なるインターデジタル電極が形成されている。
(特願平9−61731号)には、下地のアルミニウム
層と、アルミニウム層上に積層されたタンタル層とを有
する2層構造のインターデジタル電極を有する弾性表面
波装置が開示されている。
構成する場合、弾性表面波装置の中心周波数のばらつき
は可能な限り小さいことが望ましい。従って、従来、狭
帯域フィルタとしての弾性表面波装置を製造するに際し
ては、製造工程終了後に、弾性表面波装置の周波数を微
調整する必要があった。
して、CF4 +O2 ガスを用いたプラズマにより、イン
ターデジタル電極をドライエッチングし、周波数の微調
整を行う方法が知られている(Appl.Phys.Lett, 39
(1), 40頁 (July, 1981) )。
の製造に際し、中心周波数のずれは、通常300ppm
程度であるが、上記周波数調整方法によれば、最大で周
波数を500ppm程度変化させることができ、最終的
に、中心周波数のずれの程度を50ppm以内に抑える
ことができるとされている。
置の動作周波数はf=v/λ(v=表面波の伝搬速度、
λ=表面波の波長)で決定される。波長λは、インター
デジタル電極の構造に依存し、インターデジタル電極
は、通常、フォトリソグラフィーを用いた微細加工技術
により形成されている。上記微細加工は、通常、蒸着、
CVDなどの化学的堆積法、スパッタリングなどの物理
的堆積法などの薄膜形成技術と、エッチングプロセスな
どの技術を組み合わせることにより、さらに、必要に応
じてこれらを反復することにより行われている。
性表面波装置のように、インターデジタル電極材料とし
て金を用いる場合、一般的に化学的堆積法により金が成
膜される。しかしながら、化学的堆積法により金からな
る電極を圧電基板上に形成した場合、金からなる電極と
圧電基板との密着性が十分でないという問題があった。
そこで、インターデジタル電極と圧電基板との密着強度
を高めるには、金からなる電極の下地にクロムなどから
なる電極層を形成する必要があり、製造工程が煩雑にな
るという問題があった。加えて、金は高価であり、材料
コストが高くつき、ひいては弾性表面波装置のコストが
上昇するという問題もあった。
示されているように、インターデジタル電極材料として
タンタルを用いることも提案されている。タンタルは高
融点金属であるため、通常、スパッタリングなどの物理
的堆積法により成膜される。しかしながら、このような
方法で形成されたタンタル膜の結晶構造はβ−タンタル
であり、その比抵抗は室温で180μΩ・cmとかなり
高くなる。従って、電極の電気的抵抗が増大するので、
弾性表面波装置の特性、特に挿入損失が悪化しがちであ
った。
に開示されているように、タンタルからなる電極層の下
地に導電性に優れたアルミニウム層を形成する方法が提
案されている。しかしながら、インターデジタル電極を
構成するにあたり複数の金属層を積層しなければなら
ず、製造工程が煩雑であり、コストが高くつくという問
題があった。
ドライエッチングにより弾性表面波装置の周波数の微調
整を行う方法では、500ppmを超える周波数ずれを
調整することは困難であった。これは、プラズマが圧電
体にダメージを与え、結果として、弾性表面波装置の挿
入損失が劣化するためである。
基板毎に周波数調整を行う必要があるため、インターデ
ジタル電極の膜厚分布が均一でない場合、歩留りが低下
するという問題もあった。
ーデジタル電極を有する弾性表面波装置において、イン
ターデジタル電極の圧電基板に対する密着性に優れてお
り、かつインターデジタル電極のコストの低減及びイン
ターデジタル電極形成工程の簡略化を果たすことがで
き、さらに挿入損失の改善を図り得る弾性表面波装置及
びその製造方法を提供することにある。
は、水晶基板と、前記水晶基板に直接形成された少なく
とも1つのインターデジタル電極とを有し、前記インタ
ーデジタル電極がほぼα−タンタルにより構成されてい
ることを特徴とする、弾性表面波装置が提供される。
では、前記インターデジタル電極の比抵抗が、25℃で
150μΩ・cm以下とされている。本発明に係る製造
方法のある広い局面によれば、窒素を含む不活性ガス及
びタンタルからなるターゲットを用い、スパッタリング
することにより、水晶からなる基板上に直接ほぼα−タ
ンタルからなる少なくとも1つのインターデジタル電極
を形成することを特徴とする、弾性表面波装置の製造方
法が提供される。
って構成された弾性表面波装置からなるバンドパスフィ
ルタを有することを特徴とするアンテナ共用器が提供さ
れる。
明に従って構成された上記アンテナ共用器を備える通信
機が提供される。すなわち、本発明に係る弾性表面波装
置及びその製造方法は、インターデジタル電極をα−タ
ンタルにより構成することに特徴を有する。従来、弾性
表面波装置の電極としてタンタルを用いることは知られ
ていたが、α−タンタルを用いることについては知られ
ていなかった。また、α−タンタルが低抵抗であること
は従来より知られている(真空 Vol.24、No.4, 第 240
頁,1981)。
インターデジタル電極としてα−タンタルを用いること
については知られておらず、かつ本発明では、後述のよ
うに、α−タンタルによりインターデジタル電極を形成
することにより、単に比抵抗を低めることができるだけ
でなく、圧電基板に対するインターデジタル電極の密着
強度を効果的に高めることができる。
の弾性表面波装置の具体的な実施例を説明することによ
り、本発明を明らかにする。
波装置の略図的平面図である。弾性表面波装置1では、
圧電基板2上に、インターデジタル電極(以下、IDT
電極)3が形成されている。IDT電極3は、互いに間
挿し合う電極指を有する一対のくし歯電極3a,3bを
有する。IDT電極3の電極指は、表面波伝搬方向と直
交する方向に延ばされている。また、IDT電極3の表
面波伝搬方向両側には、反射器4,5が形成されてい
る。反射器4,5は、グレーティング型反射器であり、
複数本の電極指を両端で短絡した構造を有する。
電極3の両側に一対の反射器4,5が構成されている
が、本発明に係る弾性表面波装置の電極構造は、これに
限定されるものではない。すなわち、複数のIDT電極
が表面波伝搬方向に配置されていてもよく、また、反射
器4,5については必ずしも設けられずともよい。例え
ば、SHタイプの表面波を利用した端面反射型表面波装
置を構成する場合、圧電基板の対向し合う端面により表
面波を反射させ、それによって反射器を省略してもよ
い。
を有する一端子対SAW共振子が構成されるが、複数の
IDT電極を構成し、帯域フィルタを構成してもよい。
また、圧電基板1は、矩形板状の形状を有し、例えば水
晶、LiTaO3 またはLiNbO3 などの圧電単結晶
基板、あるいはチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスの
ような圧電セラミック基板により構成することができ
る。もっとも、圧電基板1については、その全体が圧電
材料で構成されている必要は必ずしもない。すなわち、
圧電基板1は、例えば、絶縁性基板上にZnO薄膜など
の圧電薄膜を形成したものであってもよく、圧電材料よ
りなる圧電性基板上に圧電薄膜を積層したものであって
もよい。圧電薄膜を絶縁性基板もしくは圧電性基板に積
層した場合、上記IDT電極3及び反射器4,5などの
電極は、圧電薄膜の上面及び下面のいずれに形成されて
もよい。
記IDT電極3及び反射器4,5が、α−タンタルを用
いて構成されていることにあり、それによってIDT電
極3の比抵抗の低減、ひいては挿入損失の改善を図るこ
とができると共に、IDT電極3の圧電基板1に対する
密着強度を高めることができる。これを具体的な実験例
に基づき説明する。
ングにより形成した場合、β−タンタル膜が形成され
る。しかしながら、本発明のように、窒素を含む不活性
ガスをスパッタリングガスとして用い、タンタルからな
るターゲットを用いてスパッタリングすると、α−タン
タル膜を形成することができる。
条件は、例えば次の通りである。 ターゲット…タンタル スパッタリングガス…窒素を含むアルゴンガス スパッタリング成膜室内のガス圧…0.23Pa スパッタ電力…4kV 基板温度…室温〜250℃ また、スパッタリングガスとして、アルゴンに代えて、
ヘリウム、ネオン、クリプトンまたはキセノンなどを用
いることもでき、これらの不活性ガスに、上記のように
窒素を含ませることにより、α−タンタル膜を成膜する
ことができる。
00℃、成膜室内のガス圧0.23Pa及びスパッタ電
力3kWとし、スパッタリングガス中の窒素分圧を種々
異ならせてタンタル膜を成膜した場合のタンタル膜の比
抵抗の変化を示す。
ガスに窒素を混入し、窒素分圧を0.001Pa〜0.
007Paの範囲とした場合、比抵抗150μΩ・cm
以下のタンタル膜の得られることがわかる。
らせた場合に得られた各タンタル膜のXRDスペクトル
を示す図である。図3において、(110)のピークは
α−タンタルであることを示し、(002)を付したピ
ークはβ−タンタルであることを意味する。図3から明
らかなように、スパッタリングガスに窒素ガスを混入し
ていない場合には、β−タンタル膜が成膜されるのに対
し、窒素ガスを導入することによりα−タンタル膜を成
膜し得ることがわかる。
に、スパッタリングガスに窒素ガスを導入し、窒素分圧
を0.001Pa〜0.007Pa程度とした場合に比
抵抗が150μΩ・cm以下のタンタル膜が成膜される
が、このような低比抵抗のタンタル膜がα−タンタル膜
であることがわかる。
T電極3がα−タンタルにより構成されているので、I
DT電極3の比抵抗を150μΩ・cm以下と低くする
ことができ、それによって挿入損失を改善し得ることが
わかる。
記のようにしてα−タンタル膜からなるIDT電極3及
び反射器4,5を形成し、弾性表面波装置1を得、該弾
性表面波装置1について高温放置耐湿試験を行うと共
に、IDT電極3の密着強度を評価した。この場合、I
DT電極3の厚みは380nm、電極指の対数は15、
電極指の幅は7μm、電極指間のピッチは10μmとし
た。
装置1を85℃及び相対湿度85%の環境の下に100
時間放置し、所定時間毎に弾性表面波装置の抵抗値を測
定し、高温放置耐湿試験前の抵抗値に対する抵抗値の変
化率を求めた。
上に形成されたα−タンタル膜をRHESCA社製CS
R−02型薄膜スクラッチ試験機で評価した結果であ
る。結果を図4及び図5に示す。
なることを除いては、上記と同様にしてIDT電極3が
形成された弾性表面波装置を得、高温放置耐湿試験及び
密着強度試験を行った。結果を図4及び図5に示す。
ンタル膜からなるIDT電極3を有する実施例の弾性表
面波装置は、高温放置耐湿試験及び密着強度試験のいず
れにおいても、比較のために用意したβ−タンタル膜か
らなるIDT電極を有する弾性表面波装置に比べて優れ
た結果を示した。すなわち、図5に示すように、α−タ
ンタル膜の基板に対する密着強度が優れているため、高
温放置耐湿試験においても良好な結果が得られたものと
考えられる。
極3を形成することにより、比抵抗を低減して挿入損失
を改善し得るだけでなく、IDT電極3の圧電基板に対
する密着強度を効果的に高め得ることがわかるさらに、
上記α−タンタル膜を圧電基板上に形成するに際し、タ
ンタルからなるターゲットと圧電基板との距離と、α−
タンタル膜の膜厚分布との関係を調べた。図6に結果を
示す。
板を用い、基板温度を100℃、スパッタリングガス圧
力を0.10Pa、投入電力を3kWとし、スパッタリ
ングガスとしてアルゴン及び窒素を用い、窒素分圧を
3.6×10-3Paとした場合の結果である。
電基板との間の距離が大きくなるにつれて、成膜された
α−タンタル膜の膜厚分布が小さくなることがわかる。
なお、膜厚分布とは、膜厚分布=(α−タンタル膜の膜
厚最大値−最小値)/(α−タンタル膜の膜厚最大値+
最小値)×100%で表される値である。
電基板との間の距離が大きくなるにつれて、α−タンタ
ル膜の膜厚分布が小さくなることがわかり、特に、ター
ゲットと圧電基板との間の距離を20cm以上とすれ
ば、膜厚分布を3%以下と小さくすることができ、従っ
て、IDT電極における膜厚分布を改善し得ることがわ
かる。なお、ターゲットと圧電基板との距離の上限につ
いては、膜厚分布を改善する上では特に限定されない
が、通常、弾性表面波装置のIDT電極をマザー基板上
に形成する場合には、200cm程度以下とされる。
る周波数調整について説明する。前述したように、弾性
表面波装置を得た後に、従来、CF4 +O2 ガスに基づ
くプラズマを用いたドライエッチングにより弾性表面波
装置の周波数を微調整し得ることが知られている。本実
施例の弾性表面波装置においても、例えば以下の条件で
ドライエッチングすることにより、周波数を微調整する
ことができる。
性表面波装置1の具体的な構造に応じて適宜変更し得
る。本実施例の弾性表面波装置1においても、上記のよ
うなドライエッチングを施すことにより、周波数を微調
整することができる。
いては、α−タンタル膜の膜厚を調整することにより、
弾性表面波装置の音速及び電気機械結合係数k2 を調整
することができる。これを図7及び図8を参照して説明
する。
(0,127,90)の水晶回転Y板を用い、該圧電基
板上に種々の膜厚でα−タンタル膜を形成した場合の表
面波の音速の変化を示す図である。図7の横軸は、α−
タンタル膜の規格化された膜厚h/λ(hはタンタル膜
の膜厚、λは表面波の波長)を示し、縦軸は表面波の音
速(m/s)を示す。
の膜厚h/λが大きくなるにつれて、表面波の音速が遅
くなることがわかる。また、上記表面波の音速に基づい
て、各α−タンタル薄膜の膜厚h/λと電気機械結合係
数k2 (%)の関係を求めた。結果を図8に示す。な
お、図8における電気機械結合係数k2 は、以下の式
(1)を用いて計算された値である。
の音速を示し、VS はタンタルの誘電率を0とした場合
の表面波の音速を示す。
に係る弾性表面波装置では、α−タンタル膜の膜厚を異
ならせることによっても、音速及び電気機械結合係数を
調整することができる。従って、上記ドライエッチング
による周波数調整と併せて、膜厚の調整によっても周波
数特性を調整することができ、よって、弾性表面波装置
の周波数特性を広い範囲にわたり調整することが可能と
なる。
ンタルで構成されたIDTを有する弾性表面波装置につ
いて説明したが、これに限るものではなく、α−タンタ
ルとβ−タンタルが混晶状態にあるものでも、β−タン
タルのみで構成されたものに比べて圧電基板に対する密
着性は向上させ挿入損失を改善するという本願の効果は
得られるため、少なくともIDTの一部がα−タンタル
であれば良いと考えられる。
性表面波フィルタや弾性表面波共振子として用いること
ができる。次に、本発明に係る弾性表面波装置からなる
弾性表面波フィルタを用いて構成されたアンテナ共用器
の実施例を図9を参照して説明する。図9は、本実施例
のアンテナ共用器を説明するための回路図である。
ィルタ61,61を有する。ラダー型61,61は、本
発明に係る弾性表面波装置に従って構成されている、弾
性表面波フィルタである。各ラダー型61の入力端子6
2,62が共通接続されて、第1のポート71が構成さ
れている。他方、ラダー型フィルタ61,61の出力端
子63,63はそのまま用いられ、それぞれ、本実施例
のアンテナ共用器70の第2,第3のポートを構成して
いる。
機を構成することができ、このような通信機の一例を図
10に示す。本実施例の通信機81では、アンテナ共用
器70と、送信もしくは受信回路82,83とが備えら
れている。アンテナ共用器70の第1のポート71がア
ンテナ84に接続されており、第2,第3のポートを構
成している出力端子63,63が、それぞれ、送信もし
くは受信回路82,83に接続されている。
ダー型フィルタ61,61は、通過帯域が異なるように
構成されており、それによってアンテナ84は送信アン
テナ及び受信アンテナとして用いられ得る。
晶基板上に直接ほぼα−タンタルからなるインターデジ
タル電極が形成されているので、インターデジタル電極
の比抵抗を低めることができ、ひいては弾性表面波装置
の挿入損失を改善することが可能となる。
る密着強度に優れているので、高温高湿度下における弾
性表面波装置の特性の劣化を抑制することも可能とな
る。加えて、上記α−タンタル膜の膜厚の調整により、
弾性表面波装置の特性を容易に調整することができ、従
来のドライエッチングによる周波数微調整に加えて、α
−タンタル膜の膜厚調整によっても周波数調整を行うこ
とができるので、周波数調整範囲を拡大することができ
る。さらに、α−タンタル膜のみによりインターデジタ
ル電極を形成することができ、従って、IDT電極の電
極形成工程が煩雑化することもない。
り、安価であり、かつ周波数調整範囲が広く、挿入損失
の低減が生じ難く、さらに高温高湿度下等における特性
の劣化も生じ難い、信頼性に優れた弾性表面波装置を提
供することが可能となる。
比抵抗が、25℃で150μΩ・cm以下の場合には、
挿入損失を低減することができ、良好な特性の弾性表面
波装置を提供することができる。
は、窒素を含む不活性ガス及びタンタルからなるターゲ
ットを用い、スパッタリングすることにより、水晶基板
上に直接ほぼα−タンタルからなる少なくとも1つのイ
ンターデジタル電極が形成されるので、本発明に係る弾
性表面波装置を容易に得ることができる。
されたアンテナ共用器では、弾性表面波損失が低損失で
あるため、アンテナ共用器における損失を低減すること
ができる。
た通信機では、上記のように低損失のアンテナ共用器を
有するため、通信機全体の損失を低減することができ
る。
的平面図。
される窒素ガスの窒素分圧と、成膜されたα−タンタル
膜の比抵抗との関係を示す図。
た場合に得られるタンタル膜の結晶性を示すXRDスペ
クトルデータを示す図。
置の高温放置耐湿試験結果及び比較のために用意したβ
−タンタル膜を用いて構成された弾性表面波装置の高温
放置耐湿試験結果を示す図。
膜の基板に対する密着強度及び比較のために用意したβ
−タンタル膜の圧電基板に対する密着強度を示す図。
板との間の距離と、成膜されたα−タンタル膜の膜厚分
布との関係を示す図。
に種々の膜厚のα−タンタル膜を形成した場合の表面波
の音速の変化を示す図。
関係から求められた、α−タンタル膜の膜厚と電気機械
結合係数k2 との関係を示す図。
る共用器を説明するための回路図。
概略ブロック図。
Claims (5)
- 【請求項1】水晶基板と、 前記水晶基板に直接形成された少なくとも1つのインタ
ーデジタル電極とを有し、 前記インターデジタル電極がほぼα−タンタルにより構
成されていることを特徴とする、弾性表面波装置。 - 【請求項2】前記インターデジタル電極の比抵抗が、2
5℃で150μΩ・cm以下であることを特徴とする請
求項1に記載の弾性表面波装置。 - 【請求項3】窒素を含む不活性ガス及びタンタルからな
るターゲットを用い、スパッタリングすることにより、
水晶からなる基板上に直接ほぼα−タンタルからなる少
なくとも1つのインターデジタル電極を形成することを
特徴とする、弾性表面波装置の製造方法。 - 【請求項4】請求項1または2のいずれかに記載の弾性
表面波装置からなるバンドパスフィルタを有することを
特徴とするアンテナ共用器。 - 【請求項5】請求項4に記載のアンテナ共用器を備える
ことを特徴とする通信機。
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