JP4096787B2

JP4096787B2 - 弾性表面波素子の製造方法

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Publication number: JP4096787B2
Application number: JP2003107967A
Authority: JP
Inventors: 修中川原; 明典篠田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: EP1467483A3; EP1467483A2; DE602004029413D1; US20040200054A1; CN1543062A; ATE484101T1; CN100384086C; KR100560073B1; KR20040089484A; EP1467483B1; US7213322B2; JP2004320136A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、弾性表面波共振子や弾性表面波フィルタ等に用いられる弾性表面波素子およびその製造方法、特に高周波化または大電力化に対応する耐電力性を有する電極備える弾性表面波素子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弾性表面波素子が、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。この弾性表面波素子の電極膜には、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。一方、弾性表面波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。圧電基板を用いた弾性表面波素子の動作状態における電極膜には、使用する周波数に応じた繰り返し応力が加わる。また、動作電力の増大および高周波化に伴い、弾性表面波素子に形成された電極に加わる応力が増大する。薄膜化および微細化されたＡｌ電極膜は、この加わる応力により、Ａｌ原子のマイグレーションを生じる。これによりＡｌ電極膜に欠陥が発生し、弾性表面波素子の特性を大きく劣化させるとの課題を有していた。
【０００３】
従来、この電極膜の耐電力性向上および電極膜の信頼性向上として、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、用いる基板の表面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、ＬｉＴａＯ₃基板またはＬｉＮｂＯ₃基板上に単結晶のＡｌまたはＡｌ系合金を形成する弾性表面波装置であって、単結晶のＡｌまたはＡｌ系合金を形成する前に、イオンインプラテーション工程、ケミカルエッチング工程、酸化処理工程を順次行うことによる基板の表面変質層除去工程を備えた弾性表面波装置の製造方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１９５６３５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、所望する基板表面状態を得るために、電極膜を形成する前処理として、イオンインプラテーション工程、ケミカルエッチング工程、酸化処理工程等の複数の工程を有する。イオンインプラテーション工程は、不活性ガスもしくは窒素をイオン化し、基板表面に処理を行う。この工程は、所望する機能を備える真空装置等での処理が必要となる。次に、ケミカルエッチング処理をした後に、酸化処理を行う。この酸化処理は、過酸化水素水、オゾン、酸素プラズマ、酸素ラジアルによる処理となるため、所望する機能を有する装置が必要となる。
【０００８】
よって、所望する弾性表面波素子を得るためには、多くのプロセスが必要であるともに、またそれに伴う複数の設備も必要となることから、弾性表面波素子を安価に生産する上では課題を有する。また、更なる高周波化および高電力化に対応した耐電力性が不十分であるとの課題を有する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
弾性表面波素子において、用いる電極膜が双晶構造を持つエピタキシャルＡｌ膜とすることで、その耐電力性が向上すること、また、その双晶構造が、形成される基板の表面状態により顕著な影響を受けることは知られている。本発明は、その電極膜の結晶性を劇的に向上させる基板の表面状態およびその電極膜の結晶性を劇的に向上させる基板上に形成する電極膜の形成方法により、飛躍的に電極膜の耐電力性を向上させることを見出したことによる。
【００１０】
上記した課題を解決すべく本発明の弾性表面波素子の製造方法は、圧電基板に下地電極を介して、主電極を形成した弾性表面波素子の製造方法であり、前記圧電基板の表面状態をテラス幅が５０ｎｍ以下で、かつステップ幅が１分子層で構成される構造を含む階段構造を形成する工程と、前記下地電極として、前記主電極の結晶性を向上する効果のある第一の電極層および第二の電極層を形成する工程と、前記主電極として、前記第二の電極層上にＡｌを主成分とする第三の電極層を形成する工程とを有し、前記圧電基板の表面状態を階段構造に形成する工程は、燐酸、ピロ燐酸、安息香酸、オクタン酸、塩酸、硝酸、硫酸、フッ酸、緩衝フッ酸、硫酸水素カリウムのいずれかを主体とする混合溶液を用いて前記圧電基板の表面のエッチング処理がなされ、前記第一の電極層は、前記圧電基板の表面を７０℃以上の温度にした状態で成膜され、前記第二の電極層および第三の電極層は、前記圧電基板の表面を５０℃以下の温度にした状態で成膜されることを特徴とする弾性表面波素子の製造方法である。
【００１２】
また、圧電基板の表面状態を階段構造に形成する工程は、混合液が硝酸溶液とフッ酸溶液とを２：１に混合した溶液で、かつ加温状態で圧電基板の表面をエッチング処理することを特徴とする。
【００１４】
また、第一の電極層および第二の電極層は、Ｔｉであることを特徴とする。
【００１５】
本発明の製造方法によって、圧電基板の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弾性表面波素子を製造コストの大幅な上昇させることなく提供することができる。
【００１６】
【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に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の弾性表面波素子の製造方法により得られた弾性表面波素子の一実施例における概略断面図を示す。
【００１８】
図１に示した弾性表面波素子２０は、圧電基板１と、圧電基板１上の第一の電極層２と、第一の電極層２上の第二の電極層３と、第二の電極上の第三の電極層４を有する。
【００１９】
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。その表面状態は、図２に示すようなテラス幅が５０ｎｍ以下で、かつステップ幅が１分子層から構成される階段構造を備える。
【００２０】
また、第一の電極層２および第二の電極層３は、Ｔｉにより構成される。更に、第三の電極層４は、Ａｌを主成分とする金属により構成される。この第一の電極層２および第二の電極層３は、第三の電極層４の結晶性を向上させる効果を有する。また、第一の電極層２と、第二の電極層３と、第三の電極層４とによりＩＤＴ電極５が構成される。
【００２１】
以下に、本発明の弾性表面波素子の製造方法について詳細を説明する。
【００２２】
先ず、前処理として、圧電基板１、例えば、３８．５°回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ₃基板１の表面にエッチング処理を施す。エッチング処理は、先ず、６０％硝酸溶液と４６％フッ酸溶液とを体積比率で２：１とした混合液をウォーターバス等で８５℃に加熱する。次に、その状態に保温された混合液に、３８．５°回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ₃基板１を１時間浸漬し、その基板表面をエッチング処理する。混合液は、燐酸、ピロ燐酸、安息香酸、オクタン酸、塩酸、硝酸、硫酸、フッ酸、緩衝フッ酸、硫酸水素カリウムのいずれかを主体とする混合溶液を用いても構わない。この際、処理温度および処理時間については、選択した混合液に対応した条件が設定される。その後、純水にて十分に洗浄し、乾燥させる。
【００２３】
次に、このエッチング処理により形成された圧電基板１の表面状態の詳細を説明する。
【００２４】
上記に示したエッチング処理は、圧電基板１の表面の高次の指数面の選択的エッチングにより、Ｚ面テラスを形成する効果がある。その結果、図２に示すように、圧電基板１の表面には、Ｚ面６を５０ｎｍ以下のテラスとし、かつ１分子層のステップ幅を有する微小な階段構造が形成される。この微細な構成を有する階段構造は、その上に形成される電極膜がステップフロー成長し易く、高配向な電極膜を得ることが可能となる。
【００２５】
次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、圧電基板１上にＩＤＴ電極５を形成する。
【００２６】
ＩＤＴ電極５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。
【００２７】
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。
【００２８】
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２としてＴｉを１０ｎｍ形成する。この時、成膜時の圧電基板１の温度を１８０℃に制御する。次に、蒸着装置内の真空状態を保持しながら、圧電基板１の温度を５０℃以下まで冷却する。次に、第二の電極層３として、Ｔｉを１０ｎｍ形成する。続いて、ルツボを回転させ、第三の電極層４として、Ａｌを１５０ｎｍ形成する。
【００２９】
これら電極層の形成は、Ｔｉからなる第一の電極層２を７０℃以上とした圧電基板１上に形成し、第二の電極層３および第三の電極層４を５０℃以下とした圧電基板１上の第二の電極層３上に形成することが好ましい。その結果、第二の電極層３のＴｉと第三の電極層４のＡｌとの相互拡散による第三の電極層４の結晶成長の阻害を抑制し、良好な結晶性を有する第三の電極層４を形成することができる。
【００３０】
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、その開閉により制御されている。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。
【００３１】
また、第三の電極層は、Ａｌに限るものではなく、耐電力性向上に効果のある添加物、例えば、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ等を微量に添加したＡｌを主成分とする合金を用いてもよい。
【００３２】
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５が形成される。
【００３３】
形成されたＩＤＴ電極５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、弾性表面波素子２０が得られる。
【００３４】
上記した成膜方法で形成した電極層４のＸ線回折結果を図３に示す。
【００３５】
第三の電極層４は、図３にて示すＡｌ（２００）入射の極点図において、複数の対称中心を有する回折スポットが観測される。これは、結晶性の良好なエピタキシャル成長したＡｌ膜を示すものである。この極点図のスポットは、非常に急峻であるばかりではなく、Ｘ線強度の最高値も６９２ｃｐｓを示す。これは、図４に示す、本発明の圧電基板１の表面状態が形成されていない従来の圧電基板の表面状態で得られるＸ線強度の最高値３６９ｃｐｓに比較し、大きな値であることは明らかである。
【００３６】
この良好な結晶性は、双晶構造を有するものであり、結晶性の方向が一様でないことから機械的な強度が高いという特徴と、高配向であることから粒界拡散が起きにくいという特徴を併せ持つ。また、この良好な結晶性は、圧電基板１の表面状態による効果と、第一の電極層２と、第二の電極層３と、更に第三の電極層４との結晶性を向上させる成膜方式による効果との相乗効果によるものである。
【００３７】
上記内容は、圧電基板１として３８．５°回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＴａＯ₃基板を用いた時の結果示したが、４１°回転ＹカットＸ伝搬ＬｉＮｂＯ₃基板でも同様な結果が得られている（図示せず）。
【００３８】
このように本発明の弾性表面波素子の製造方法によって、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弾性表面波素子を製造コストの大幅な上昇させることなく提供することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のような本発明の弾性表面波素子の製造方法によれば、高い配向性を有し、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。
【００４０】
よって、電子機器の高性能化に対応した、所望する高い信頼性を有する高精度および高信頼性な弾性表面波素子を製造コストの大幅な上昇させることなく提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の弾性表面波素子の製造方法により得られた弾性表面波素子の一実施例を示す概略断面図である。
【図２】本発明の弾性表面波素子の製造方法により得られた弾性表面波素子の一実施例の圧電基板の表面の概略詳細図である。
【図３】本発明の弾性表面波素子の製造方法により得られた弾性表面波素子の一実施例のＡｌ電極層のＸＲＤ極点図である。
【図４】従来技術の弾性表面波素子の製造方法により得られた弾性表面波素子のＡｌ電極層のＸＲＤ極点図である。
【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…第三の電極層
５…ＩＤＴ電極
６…Ｚ面
２０…弾性表面波素子

Claims

ＬｉＮｂＯ３基板またはＬｉＴａＯ３基板からなる圧電基板に下地電極を介して、主電極を形成した弾性表面波素子の製造方法であって、
前記圧電基板の表面状態をテラス幅が５０ｎｍ以下で、かつステップ幅が前記圧電基板の１分子層で構成される構造を含む階段構造を形成する工程と、
前記下地電極として、前記主電極の結晶性を向上する効果のある、Ｔｉにより構成される第一の電極層および第二の電極層を形成する工程と、
前記主電極として、前記第二の電極層上にＡｌを主成分とする第三の電極層を形成する工程とを有し、
前記圧電基板の表面状態を階段構造に形成する工程は、燐酸、ピロ燐酸、安息香酸、オクタン酸、塩酸、硝酸、硫酸、フッ酸、緩衝フッ酸、硫酸水素カリウムのいずれかを主体とする混合溶液を用いて前記圧電基板の表面のエッチング処理がなされ、
前記第一の電極層は、前記圧電基板の表面を７０℃以上の温度にした状態で成膜され、前記第二の電極層および第三の電極層は、前記圧電基板の表面を５０℃以下の温度にした状態で成膜されることを特徴とする弾性表面波素子の製造方法。
前記圧電基板の表面状態を階段構造に形成する工程は、前記混合液が硝酸溶液とフッ酸溶液とを２：１に混合した溶液で、かつ加温状態で前記圧電基板の表面をエッチング処理することを特徴とする、請求項１に記載の弾性表面波素子の製造方法。
前記第一の電極層および前記第二の電極層は、Ｔｉであることを特徴とする、請求項１または２に記載の弾性表面波素子の製造方法。