(57)【要約】      （修正有）【課題】電極に由来する原子の拡散を効果的に抑制して、ストレスマイグレーションの抑制並びにそれによる長寿命化及び高耐電力化を実現可能な弾性表面波素子を提供する。【解決手段】弾性表面波素子１０は圧電性基板１２と、電極（第一電極層）１４、及び第二電極層１６を備えてなる。なお、第二電極層１６は必須の構成要素ではなく省略可能であり、電極１４（第二電極層１６が存在する場合には第一電極層と称される）は導電性セラミックス材料からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電性基板と、
前記圧電性基板上に形成され、導電性セラミックス材料からなる電極と、
を備えた弾性表面波素子。
【請求項２】
前記電極が層状に形成されて第一電極層を構成し、該第一電極層上に金属からなる第二電極層がさらに設けられてなる、請求項１に記載の弾性表面波素子。
【請求項３】
前記導電性セラミックス材料が酸化亜鉛である、請求項１又は２に記載の弾性表面波素子。
【請求項４】
前記導電性セラミックス材料が、ドープされた酸化亜鉛である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の弾性表面波素子。
【請求項５】
前記電極又は前記第一電極層が、ロットゲーリング法により測定される、５０％以上の結晶配向度を有する、請求項３又は４に記載の弾性表面波素子。
【請求項６】
前記電極又は前記第一電極層が、ロットゲーリング法により測定される、８０％以上の結晶配向度を有する、請求項３又は４に記載の弾性表面波素子。
【請求項７】
前記導電性セラミックス材料が単結晶の形態である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の弾性表面波素子。
【請求項８】
前記電極又は前記第一電極層が櫛歯状に設けられてなる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の弾性表面波素子。
【請求項９】
前記圧電性基板が酸化亜鉛単結晶からなる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の弾性表面波素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性表面波素子（ＳＡＷ素子）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話や自動車電話において、雑音等の妨害波を抑制し信号波のみを通すための高周波フィルターとして表面弾性波フィルター（以下、ＳＡＷフィルターという）が用いられている。一般に、ＳＡＷフィルターは、圧電材料からなる単結晶基材の上に電極としてアルミニウム等の金属を櫛歯状にパターニングして積層させた構造を有している。すなわち、ＳＡＷフィルターは、雑音及び音声信号が入ると圧電体表面とその上の電極が振動することになるが、音声の周波数に応じた電極ピッチにすることで、雑音がカットされ音声のみが出力される仕組みになっている。
【０００３】
その結果、ＳＡＷ電極は印加電圧及び周波数に応じて内部応力を繰り返し受けることになるが、応力によって電極を構成する金属原子が粒界に沿って拡散移動し易く、突起生成による短絡や空隙生成による断線を引き起こして、特性が著しく劣化してしまう問題がある。この現象は一般的にストレスマイグレーションと呼ばれている。したがって、ＳＡＷ電極の耐電力性を向上させるには電極膜からの原子の拡散を抑制する必要がある。
【０００４】
ＳＡＷ電極からの原子の拡散を抑制する手法が幾つか提案されている。例えば、特許文献１（特開昭６３−２７８３４３号公報）及び特許文献２（特開平９−２９８４４２号公報）には、電極のアルミニウムに微量の異種元素を添加することにより粒界拡散を抑制する手法が開示されている。それに加えて、特許文献３（特開平３−４８５１１号公報）では、アルミニウムの結晶方位を基材である水晶の方位に高い頻度で揃えることで、原子の粒界拡散を抑制する手法が開示されている。しかしながら、これらの方策を施しても電極の変質は生じており、原子の拡散を完全に抑制できているとは言い難いのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−２７８３４３号公報
【特許文献２】特開平９−２９８４４２号公報
【特許文献３】特開平３−４８５１１号公報
【発明の概要】
【０００６】
本発明者らは、今般、弾性表面波素子の電極として導電性セラミックス材料を用いることにより、電極に由来する原子の拡散を効果的に抑制して、ストレスマイグレーションの抑制並びにそれによる長寿命化及び高耐電力化を実現できるとの知見を得た。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、電極に由来する原子の拡散を効果的に抑制して、ストレスマイグレーションの抑制並びにそれによる長寿命化及び高耐電力化を実現可能な弾性表面波素子を提供することにある。
【０００８】
本発明の一態様によれば、圧電性基板と、前記圧電性基板上に形成され、導電性セラミックス材料からなる電極とを備えた弾性表面波素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明による弾性表面波素子の一例を示す模式断面図である。
【図２】図１に示される弾性表面波素子の櫛歯状パターニング前の形態を示す模式断面図である。
【図３】例１で使用したＡＤ成膜装置を示す概略図である。
【図４】例１で使用した加熱装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
弾性表面波素子
本発明の弾性表面波素子（以下、ＳＡＷ素子という）は、圧電性基板と、この圧電性基板上に形成される電極とを備えてなる。図１にそのようなＳＡＷ素子の一例が示される。図１に示されるＳＡＷ素子１０は、圧電性基板１２、電極（第一電極層）１４、及び第二電極層１６を備えてなる。なお、第二電極層１６は必須の構成要素ではなく省略可能である。そして、本発明のＳＡＷ素子において、電極１４（第二電極層１６が存在する場合には第一電極層と称される）は導電性セラミックス材料からなる。すなわち、本発明のＳＡＷ素子は、ＳＡＷ電極材料として従来から広く使用される金属ではなく、導電性セラミックス材料を用いることを特徴としている。それにより、弾性表面波素子において、電極に由来する原子の拡散を効果的に抑制して、ストレスマイグレーションの抑制並びにそれによる長寿命化及び高耐電力化を実現することが可能となる。すなわち、前述のとおりＳＡＷ電極は印加電圧及び周波数に応じて内部応力を繰り返し受けることになるが、応力によって電極を構成する金属原子が粒界に沿って拡散移動し易く、突起生成による短絡や空隙生成による断線を引き起こして、特性が著しく劣化してしまうという、いわゆるストレスマイグレーションの問題がある。したがって、ＳＡＷ素子の耐電力性を向上させるには電極膜からの原子の拡散を抑制することが望まれる。
【００１１】
この点、本発明者らは、１）電極が金属で構成されていること、及び２）そのような金属製電極の結晶性が低くランダムに結晶配向していることが、ストレスマイグレーションを引き起こしやすくしている主な要因であるとの考えに基づき、ＳＡＷ電極材料として、金属材料の代わりに、導電性セラミックス材料を用いることで本発明に至った。セラミックス材料は金属材料に比べて融点が高く安定であることから、マイグレーションは生じにくくなるものと考えられる。実際、本発明者らが行った評価によれば、ＳＡＷフィルターの電極（又は中間層）として低抵抗な酸化亜鉛単結晶（又は高配向多結晶層）を用いることでストレスマイグレーションが予想以上に大きく抑制され、ＳＡＷ素子の大幅な長寿命化及び高耐電力化が実現された。
【００１２】
圧電性基板１２は、電極又は第一電極層１４との組み合わせにおいてＳＡＷフィルターとしての所望の性能を発揮可能なものであれば特に限定されず、種々の圧電材料を使用可能である。特に、基板が単結晶である場合は、その上に同じもしくは結晶構造の近い材料からなる電極を成膜法により形成することで、電極の結晶配向度を高めやすい又は単結晶化させやすく、それにより低抵抗で且つマイグレーションの生じにくい電極を得やすいとの利点がある。また、別途作製した電極を単結晶基板に直接接合する場合においても、単結晶基板が本来的に有する原子レベルでの平滑性によって良好な接合を実現し易くなるとの利点もある。好ましい圧電材料の例としては、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、水晶（ＳｉＯ２）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）等が挙げられる。圧電性基板には圧電性を向上させるために異種元素がドーピングされていてもよい。例えば酸化亜鉛を基材に用いる場合、圧電性を確保するためにＬｉ等の異種元素がドーピングされていてもよい。
【００１３】
電極又は第一電極層１４は、圧電性基板上に形成され、導電性セラミックス材料からなる。導電性セラミックス材料は、圧電性基板１２との組み合わせにおいてＳＡＷフィルターとしての所望の性能を発揮可能な導電性を有するものであれば特に限定されず、種々の導電性セラミックス材料を使用可能である。好ましい導電性セラミックス材料の例としては、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化スズ、酸化チタン、酸化カドミウム、炭化珪素等が挙げられ、中でも酸化亜鉛が安価な導電性材料という点でより好ましい。これらのセラミックス材料には低抵抗化に寄与するドーパント元素がドープされているのが好ましい。従って、より好ましくはドープされた酸化亜鉛である。ドーパント元素の好ましい例としては、アルミニウム、ガリウム、インジウム、チタン、ケイ素、マグネシウム、コバルト、リチウム、マンガン、鉄、銅、及びこれらの任意の組合せが挙げられ、より好ましくはアルミニウム、ガリウム又はインジウムであり、さらに好ましくはアルミニウムである。ドーパント元素は、酸化亜鉛中に０．０１〜８モル％の量で固溶されてなるのが好ましい。
【００１４】
電極又は第一電極層１４を構成する導電性セラミックス材料は結晶配向性を有しているのが好ましい。例えば、電極又は第一電極層１４は、ロットゲーリング法により測定した場合に、好ましくは５０％以上、より好ましくは６０％以上、さらに好ましくは７０％以上、特に好ましくは８０％以上、特により好ましくは８５％以上の結晶配向度を有する。特許文献３にも記載されるように、電極材料を高配向とすることで構造が単結晶に近くなって安定化し、マイグレーションが生じにくくなるものと考えられる。このような高い結晶配向性を有する電極又は第一電極層は、スパッタリングにより作製された酸化亜鉛膜であるのが好ましい。一般に電極材料は電子ビーム蒸着やスパッタリングで形成されるが、酸化亜鉛は他のセラミックス材料とは異なり、スパッタ成膜した際に自発的にｃ軸配向することが知られており、マイグレーション抑制に非常に効果的と考えられる。
【００１５】
電極又は第一電極層１４を構成する導電性セラミックス材料は単結晶の形態であるのも好ましい。単結晶の形態であると粒界が存在しないため、上述したスパッタ膜よりも更に粒界拡散によるマイグレーションは起こりにくくなるものと考えられる。特に、電極も基材も酸化亜鉛で構成される場合、エアロゾルデポジション（ＡＤ）法とエピタキシャル成長を組み合わせた手法により簡便且つ安価に単結晶電極を形成することができる。すなわち、圧電性基板１２が酸化亜鉛単結晶からなる場合、それを種結晶としてその上にＡＤ法によりドーピングした酸化亜鉛多結晶膜を形成し、熱処理によりエピタキシャル成長によって膜を単結晶化させ、低抵抗の酸化亜鉛電極又は第一電極層を作製してもよい。あるいは、圧電性基板１２が別の材質（例えばＬｉＴａＯ３又はＬｉＮｂＯ３）の場合、導電性セラミックス単結晶電極又は第一電極層は圧電性基板と直接接合により積層させてもよい。この直接接合は、アセトン及びイオン交換水で圧電性基板及び単結晶電極板の各表面を洗浄し、接合されるべき単結晶同士を重ね合わせた状態で所望の温度で熱処理することにより行えばよい。この熱処理は、圧電性基板及び単結晶電極板表面をあらかじめ親水性又は疎水性処理することで活性化した後に行ってもよく、また更に密着性を高めるためにホットプレス等で加圧して行ってもよい。
【００１６】
典型的なＳＡＷ電極の形態として、電極又は第一電極層１４は櫛歯状に設けられてなるのが好ましい。このような櫛歯状構造は、公知のパターニング手法により形成すればよく、例えばリソグラフィー及びドライエッチングを用いてもよい。これにより、ＳＡＷ素子とした際に、電極長さと音声の波長を等しくすることで、雑音がカットされ音声のみが出力されるというＳＡＷ素子としての機能を十分に確保することができる。
【００１７】
図１に示されるように、電極１４は、層状に形成されて第一電極層を構成し、この第一電極層１４上に金属からなる第二電極層１６がさらに設けられてなる構成としてもよい。この構成によれば、第二電極層１６の材料として第一電極層１４よりも抵抗率の低い材料を適宜選択することにより、電極全体としての抵抗率をより低減することができる。第二電極層１６は、ＳＡＷ電極として従来使用されているような金属材料で構成することができる。このような第二電極層１６は、第一電極層となるべき電極１４上に蒸着等の公知の成膜手法により形成すればよい。第二電極層１６の好ましい材質の例としては、Ａｌ、Ａｌ合金、Ａｕ、Ａｕ合金、Ａｇ、Ａｇ合金、Ｃｕ、Ｃｕ合金が挙げられるが、より好ましくはＡｌをＣｕ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｐｄ、Ｔａ等の他の金属元素を少量添加したＡｌ合金であり、さらに好ましくはＡｌ／Ｃｕ合金である。Ａｌ合金に添加されてよい他の金属元素の量は好ましくは０．１〜１０質量％であり、より好ましくは０．５〜６質量％である。これらの他の金属元素を添加することである程度のマイグレーション抑制効果が期待できる。もっとも、このような合金を圧電性基板１２上にそのまま電極として形成した場合にはマイグレーションの問題が依然として生じうるが、本発明によれば導電性セラミックス材料からなる第一電極層１４の介在によりそのような問題を解消又は大幅に低減することができる。
【実施例】
【００１８】
本発明を以下の例によってさらに具体的に説明する。
【００１９】
例１
（１）ＡＤ成膜用ＺｎＯ原料粉末の作製
酸化亜鉛１種粉末（正同化学工業（株）製、体積基準Ｄ５０：０．８μｍ）と、酸化アルミニウム粉末（住友化学工業（株）製、ＡＫＰ−２０（体積基準Ｄ５０：０．５μｍ））とをアルミニウムのモル比率が０．２ｍｏｌ％となるように秤量し、混合粉末とした。この混合粉末をポットミルにおいて直径２ｍｍのジルコニアボールを使用して２４時間湿式混合した。湿式混合した粉末を大気中１４００℃で５時間焼成し、Ａｌが固溶したＺｎＯ粉末を合成した。合成された粉末を体積基準Ｄ５０が０．８μｍとなるように、ポットミルにて直径５ｍｍジルコニアボールを用いて１６時間、更に直径２ｍｍのジルコニアボールを用いて２４時間湿式粉砕した。粉砕された粉末を大気中９５０℃で３０分間熱処理して、粉砕によって低下した結晶性を回復させた後、直径５ｍｍジルコニアボールを用いて１．５時間粗粉砕を行った。こうしてＡｌが０．２ｍｏｌ％固溶されたＺｎＯ粉末をＡＤ成膜用原料粉末として得た。
【００２０】
（２）ＡＤ法による第一電極の作製
ＡＤ成膜用原料粉末を使用して、圧電性ＺｎＯ単結晶基板上に、エアロゾルデポジション（ＡＤ）法により導電性酸化亜鉛からなる多結晶の成膜を行った。この成膜は図３に示されるような成膜装置を用いて行った。図３に示される成膜装置２０は、原料粉末のエアロゾルを生成するエアロゾル生成部２２と、原料粉末を種基板２１に噴射して原料成分を含む膜を形成する成膜部３０とを備えている。エアロゾル生成部２２は、原料粉末を収容しガスボンベ（図示せず）からのキャリアガスの供給を受けてエアロゾルを生成するエアロゾル生成室２３と、生成したエアロゾルを成膜部３０へ供給する原料供給管２４と、エアロゾル生成室２３及びその中のエアロゾルに１０〜１００Ｈｚの振動数で振動を付与する加振器２５とを備えている。成膜部３０は、種基板２１にエアロゾルを噴射する成膜チャンバ３２と、成膜チャンバ３２の内部に配設され、種基板２１を固定する種基板ホルダ３４と、種基板ホルダ３４をＸ軸−Ｙ軸方向に移動するＸ−Ｙステージ３３とを備えている。また、成膜部３０は、先端にスリット３７が形成されエアロゾルを種基板２１へ噴射する噴射ノズル３６と、成膜チャンバ３２を減圧する真空ポンプ３８とを備えている。このように構成される成膜装置２０に窒素（Ｎ２）ガスを６Ｌ／分の流量にてキャリアガスとして流し、エアロゾル生成室２３の圧力を５０〜７０ｋＰａとし、成膜チャンバ３２内の圧力を０．１ｋＰａ以下とした。成膜用粉体の噴射ノズル３６に備えられたスリット３７（ステンレス製）の開口サイズは１０ｍｍ×０．８ｍｍとし、所定の走査速度及び走査回数にて、成膜と同時に走査した。こうして導電性酸化亜鉛からなる多結晶膜を得た。
【００２１】
こうして得られた多結晶膜に対して、近赤外線ランプを用いて１２５０℃で１０分間熱処理することで、エピタキシャル固相成長により成膜部を単結晶化させた。この熱処理は図４に示されるような加熱装置を使用して行った。図４に示される加熱装置において、光加熱のための光源として近赤外線ランプ４６を使用した。酸化亜鉛膜は近赤外線の吸収係数が低いため、種基板４２の膜４１が堆積した面とは反対側の面に白金板４３を配設し、種基板４２の膜４１が堆積した面と同じ側から近赤外線を照射して、当該近赤外線を上記白金板４３に吸収させることにより、膜４１を種基板４２側から加熱した。種基板４２及び白金板４３は石英製台座４４上に設置し、熱電対４５を膜４１の表面に接触させて温度を計測した。そして、試料温度が１２５０℃となるように近赤外線の光量を制御した。加熱領域は直径２０ｍｍの領域とし、加熱は大気雰囲気下で行った。加熱時の昇温速度は４００℃／ｍｉｎであった。この熱処理により、図２に示されるように、圧電性基板１２上に導電性酸化亜鉛単結晶からなる第一電極層１４’を形成した。
【００２２】
（３）ＲＦスパッタリング法による第二電極の作製
抵抗率をより低減する目的で、図２に示されるように、第一電極層１４’上に、Ｃｕを１質量％添加したＡｌからなる第二電極層１６’をＲＦスパッタリング法で形成した。こうして得られたＳＡＷ素子となるべき積層体１０’に電極パターンをフォトリソグラフィー法により形成し、フォトレジストをマスクにエッチングガスを用いてドライエッチングし洗浄することで、図１に示されるように導電性酸化亜鉛単結晶からなる第一電極層１４とＡｌ／Ｃｕ合金からなる第二電極層１６を櫛歯状にパターニングした。こうしてＳＡＷ素子１０を得た。
【００２３】
（４）耐電力試験
得られた弾性表面波素子に対して耐電力試験を行った。耐電力試験は、チップ温度と印加電力を加えて行った。チップ温度は１２０℃とし、中心周波数に１Ｗの電力を印加した。素子寿命は挿入損失の増加量が１．０ｄＢ以上となった時点とし、圧電性ＺｎＯ上の電極がＡｌ／Ｃｕ合金のみで形成された場合の寿命を１として規格化した。その結果、本例で得られた素子の寿命は２×１０３以上であり、圧電性ＺｎＯ上の電極がＡｌ／Ｃｕ合金のみで形成された素子に対して大幅な改善がみられた。
【００２４】
例２
Ａｌ／Ｃｕ合金からなる第二電極層を設けなかったこと以外は例１と同様にして弾性表面波素子の作製及び評価を行った。その結果、本例で得られた素子の寿命は３×１０３以上（圧電性ＺｎＯ上の電極がＡｌ／Ｃｕ合金のみで形成された場合の寿命を１とした場合）となった。
【００２５】
例３
例１と同様にして、エアロゾルデポジション（ＡＤ）法を用いて得たＡｌドープ導電性ＺｎＯ単結晶を、圧電性ＬｉＮｂＯ３単結晶に直接接合法にて接合した。直接接合はＬｉＮｂＯ３を塩酸で１分表面処理した後、ＺｎＯ単結晶及びＬｉＮｂＯ３単結晶をアセトン及びイオン交換水で洗浄し、貼り合わせた状態で窒素雰囲気中、２ＭＰａ及び６００℃で１時間ホットプレスを行い接合した（この接合方法はJapanese Journal of Applied Physics, Vol.45, No.39,2006, pp.L1045-L1047等を参照できるものである）。その後、例１と同様にＺｎＯ単結晶上に、ＲＦスパッタリング法にてＡｌ／Ｃｕ合金からなる第二電極層を形成した。電極のパターニング及び耐電力試験は例１と同様にして行った。その結果、本例で得られた素子の寿命は１×１０３（圧電性ＺｎＯ上の電極がＡｌ／Ｃｕ合金のみで形成された場合の寿命を１とした場合）となった。
【００２６】
例４
ＺｎＯ単結晶上に、ＲＦスパッタリングにて基板温度３５０℃でＡｌドープＺｎＯ多結晶膜を形成した。得られたＺｎＯ膜の配向度Ｆをロットゲーリング法により算出した。具体的には、ＸＲＤ装置測定にて測定されたＺｎＯの（１００）、（００２）及び（１０１）面の各回折ピーク強度を用いて、下記式に基づいて算出したところ、配向度Ｆは８６％であった。
【数１】
2014230186.tif 000003
【００２７】
その後、例１と同様にＺｎＯ単結晶上に、ＲＦスパッタリング法にてＡｌ／Ｃｕ合金からなる第二電極層を形成した。電極のパターニング及び耐電力試験は例１と同様にして行った。その結果、本例で得られた素子の寿命は５×１０２（圧電性ＺｎＯ上の電極がＡｌ／Ｃｕ合金のみで形成された場合の寿命を１とした場合）となった。
【００２８】
例５
ＺｎＯ単結晶上に、ＲＦスパッタリングにて基板温度２００℃でＡｌドープＺｎＯ多結晶膜を形成した。得られたＺｎＯ膜の配向度Ｆは６２％であった。第二電極層の形成、電極のパターニング及び耐電力試験は例１と同様にして行った。その結果、本例で得られた素子の寿命は２×１０２（圧電性ＺｎＯ上の電極がＡｌ／Ｃｕ合金のみで形成された場合の寿命を１とした場合）となった。
【００２９】
例６
ＺｎＯ単結晶上に、ＲＦスパッタリングにて基板温度３５０℃でＩＴＯ（スズドープ酸化インジウム）多結晶膜を形成した。第二電極層の形成、電極のパターニング及び耐電力試験は例１と同様にして行った。その結果、本例で得られた素子の寿命は３×１０１（圧電性ＺｎＯ上の電極がＡｌ／Ｃｕ合金のみで形成された場合の寿命を１とした場合）となった。
【００３０】
例１〜６の概要及び結果を以下の表１に示す。これらの結果から明らかなように、本発明によれば、大幅な長寿命化及び高耐電力化が実現されることが分かる。
【表１】
2014230186.tif 000004
【符号の説明】
【００３１】
１０，１０’  弾性表面波素子（ＳＡＷ素子）
１２  圧電性基板
１４，１４’  電極（第一電極層）
１６，１６’  第二電極層
【図１】
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【図２】
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【図３】
2014230186.tif 000007
【図４】
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