(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体で構成された基板と、該基板上に設けられた電極とを有し、前記電極への導通により発振する弾性表面波素子であって、
前記電極は、結晶粒界が双晶粒界である多結晶のアルミニウムの層で構成されていることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項２】
前記圧電体が水晶である請求の範囲第１項に記載の弾性表面波素子。
【請求項３】
前記基板は、水晶のＹ板をＸ軸の周りに１０〜６０°回転して得られる回転Ｙ板のＳＴカット基板である請求の範囲第１項または第２項に記載の弾性表面波素子。
【請求項４】
前記圧電体の｛０１０｝面に対し、前記アルミニウムの｛１１１｝面が１〜３０°傾斜して配向している請求の範囲第１項乃至３のいずれかに記載の弾性表面波素子。
【請求項５】
前記アルミニウムの（−１１−１）面と（１−１１）面とを前記双晶粒界とする請求の範囲第１項乃至４のいずれかに記載の弾性表面波素子。
【請求項６】
前記アルミニウムの（−１１１）面と（００２）面との結晶粒と、前記アルミニウムの（１−１−１）面と（００−２）面との結晶粒とが双晶の関係にある請求の範囲第１項乃至５のいずれかに記載の弾性表面波素子。
【請求項７】
前記アルミニウム層の厚さは０．０５〜２０μｍである請求の範囲第１項乃至６のいずれかに記載の弾性表面波素子。
【請求項８】
発振周波数が１０〜５０００ＭＨｚである請求の範囲第１項乃至７のいずれかに記載の弾性表面波素子。
【請求項９】
１０００時間使用したときの周波数変化が５０ｐｐｍ以下である請求の範囲第１項乃至８のいずれかに記載の弾性表面波素子。
【請求項１０】
振動を強める反射器を有する請求の範囲第１項乃至９のいずれかに記載の弾性表面波素子。
【請求項１１】
前記反射器は前記電極と同種の材料で構成されている請求の範囲第１０項に記載の弾性表面波素子。
【請求項１２】
圧電体で構成された基板と、該基板上に設けられた電極とを有し、前記電極への導通により発振する弾性表面波素子であって、
前記電極はアルミニウムと他の金属からなる合金からなり、前記合金は結晶粒界が双晶粒界であることを特徴とする弾性表面波素子。
【請求項１３】
前記電極はアルミニウムと銅の合金からなることを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の弾性表面波素子。
【請求項１４】
前記銅は０．１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の範囲で混合されてなることを特徴とする請求の範囲第１３項に記載の弾性表面波素子。
【請求項１５】
前記銅は好ましくは０．５ｗｔ％〜１ｗｔ％の範囲で混合されてなることを特徴とする請求の範囲第１４項に記載の弾性表面波素子。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、例えば、発振子、フィルター、共振子などに用いられる弾性表面波素子に関するものである。
背景技術
携帯電話、無線通信機等の高周波を使用する電子機器において、かかる電子機器中のフィルター、共振子、発振子等に、弾性表面波素子が広く用いられている。
これは、水晶等の圧電体の基板上に櫛歯型の電極を設けたものである。
従来、この電極には、配向がランダムな多結晶のアルミニウムが用いられていた。
しかし、このような電極を用いた弾性表面波素子では、使用とともに発振周波数が変動してしまい、長期間安定して一定の周波数を得ることができなかった。
かかる欠点を克服するため、配向はランダムな多結晶であるが、電極にアルミニウムの合金を用いたものが開示されている（特公昭６１−４７０１０）。
しかし、かかる電極においても、長期間弾性表面波素子を使用した場合には、発振周波数が経時変化してしまい、長期間安定して弾性表面波素子を使用することが困難であった。
そこで、本発明の目的は、発振周波数が経時変化しにくい弾性表面波素子を提供することにある。
発明の開示
上記課題を解決するために本発明が講じた手段は、
（１）  圧電体で構成された基板と、該基板上に設けられた電極とを有し、前記電極への導通により発振する弾性表面波素子であって、
前記電極は、結晶粒界が双晶粒界である多結晶のアルミニウムの層で構成されていることを特徴とする弾性表面波素子。
（２）  前記圧電体が水晶である上記（１）に記載の弾性表面波素子。
（３）  前記基板は、水晶のＹ板をＸ軸の周りに１０〜６０°回転して得られる回転Ｙ板のＳＴカット基板である上記（１）または（２）に記載の弾性表面波素子。
（４）  前記圧電体の｛０１０｝面に対し、前記アルミニウムの｛１１１｝面が１〜３０°傾斜して配向している上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の弾性表面波素子。
（５）  前記アルミニウムの（−１１−１）面と（１−１１）面とを前記双晶粒界とする上記（１）ないし（４）のいずれかに記載の弾性表面波素子。
（６）  前記アルミニウムの（−１１１）面と（００２）面との結晶粒と、前記アルミニウムの（１−１−１）面と（００−２）面との結晶粒とが双晶の関係にある上記（１）ないし（５）のいずれかに記載の弾性表面波素子。
（７）  前記アルミニウム層の厚さは０．０５〜２０μｍである上記（１）ないし（６）のいずれかに記載の弾性表面波素子。
（８）  発振周波数が１０〜５０００ＭＨｚである上記（１）ないし（７）のいずれかに記載の弾性表面波素子。
（９）  １０００時間使用したときの周波数変化が５０ｐｐｍ以下である上記（１）ないし（８）のいずれかに記載の弾性表面波素子。
（１０）  振動を強める反射器を有する上記（１）ないし（９）のいずれかに記載の弾性表面波素子。
（１１）  前記反射器は前記電極と同種の材料で構成されている上記（１０）に記載の弾性表面波素子。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明を添付図面に示す好適実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の弾性表面波素子の実施例を示す平面図である。
図１に示すように、弾性表面波素子１は、基板２と、電極３と、電極パッド４と、反射器５とを有する。
弾性表面波素子１は、図示しないパッケージに封入されている。また、かかるパッケージ内には、窒素ガス等の不活性ガスが封入されている。これにより、弾性表面波素子１は、外界の温度、湿度、衝撃、酸素等の影響を受けにくくなる。パッケージとしては、例えば、セラミックパッケージ、シリンダーパッケージなどが挙げられる。
基板２の平面形状は、ほぼ長方形をなしている。また、基板２は、圧電体で構成されている。このため、基板２に電圧を印加すると、基板２は振動する。そして、基板２が振動することにより、弾性表面波素子１は発振する。
基板２の圧電体としては、水晶を用いることが好ましい。水晶は、環境温度が変化しても、振動する周波数が変化しにくい。従って、基板２の圧電体に水晶を用いることにより、環境温度が変化しても発振周波数が変化しにくい弾性表面波素子１を得ることができる。
基板２が水晶の場合、基板の種類は特に限定されないが、ＳＴカット基板であることが好ましい。その中でも、Ｙ板をＸ軸の周りに１０〜６０°回転して得られる回転Ｙ板のＳＴカット基板であることが好ましく、Ｙ板をＸ軸の周りに２０〜４０°回転して得られる回転Ｙ板のＳＴカット基板であることがより好ましい。このような基板を用いると、発振特性、特に温度特性に優れた弾性表面波素子１を得ることができる。
基板２の厚さは、発振性能の観点から、０．０５〜１０ｍｍ程度が好ましく、０．１〜１ｍｍ程度がより好ましい。
基板２上には、アルミニウムの層で構成された電極３が一対設けられている。この電極３が、基板２に電圧を印加する。すなわち、電極３に導通することにより、基板２には電圧が印加され、これにより基板２は振動し、弾性表面波素子１は発振する。
この電極３は、櫛歯型の形状をなしており、両電極は、非接触でかつ、一方の電極の櫛歯が、他方の電極の櫛歯に噛み合うように位置している。
この電極３の櫛歯を構成する各ストリップ３１の幅Ａは、それぞれ、基板２が振動する波長λの１／４となっている。また、同一の電極３の各ストリップ３１の間隔Ｐは、波長λの３／４となっている。また、一方の電極３のストリップ３１と、それに隣接する他方の電極３のストリップ３１との間隔Ｐ’は、波長λの１／４となっている。
電極３一対あたりのストリップ３１の数は、特に限定されないが、１０〜５００対程度が好ましく、５０〜３００対程度がより好ましい。ストリップ３１の本数がこの範囲内であると、弾性表面波素子１は、より効率よく振動する。
この電極３を構成するアルミニウムの｛１１１｝面は、基板２を構成する圧電体の｛０１０｝面に対し、１〜３０°傾斜して配向していることが好ましく、５〜１５°傾斜して配向していることがより好ましい。この範囲の傾斜した配向を有する弾性表面波素子１は、製造しやすく、さらには、優れた発振性能を有するものが得やすい。
この電極３のアルミニウムの層は、多結晶であり、結晶粒界が双晶粒界（隣り合う結晶粒同士が双晶の関係にある結晶粒界）となっている。これにより、弾性表面波素子１を長期間使用しても発振周波数が変化しにくくなる。これは、以下の理由によるものと考えられる。
アルミニウムの層が多結晶であると、粒界エネルギーが生じる。粒界エネルギーとは、多結晶を構成する各結晶の境となる粒界ができることにより生じるエネルギーである。このとき、従来のアルミニウムの電極のように、多結晶で構成されており、かつ、この多結晶を構成する各結晶の配向がランダムであると、粒界エネルギーが大きくなる。粒界エネルギーが大きくなると、電極に振動が加えられた場合に、結晶が少しずつ移動するようになる。このため、このような電極に長時間振動が与えられると、すなわち、このような電極を有する弾性表面波素子を長時間使用すると、電極が経時劣化し、その発振周波数が、時間とともに変動する（マイグレーションが起きる）と考えられる。
一方、本発明のように、アルミニウムの層を構成する結晶の結晶粒界が双晶粒界であると、すなわち、隣り合う結晶粒同士が双晶の関係にあると、粒界エネルギーが小さくなる。このため、電極に長期間振動が加えられても、アルミニウムの層を構成する粒子は移動しにくい。ゆえに、結晶粒界が双晶粒界である多結晶のアルミニウムの層で電極３を構成すると、弾性表面波素子１を長期間使用した場合でも、電極３が経時劣化しにくく、その発振周波数は変動しにくい（マイグレーションが起きにくい）と考えられる。
ここで、本発明において、「結晶粒界が双晶粒界」とは、電極３を構成するアルミニウムの層中の結晶粒界全てが双晶粒界であるという意ではなく、電極３を構成するアルミニウムの層に対して電子線回折を行った場合に、双晶粒界の存在が確認できるという意である。
粒界の安定性の観点からは、電極３を構成するアルミニウムの層は、アルミニウムの（−１１−１）面と（１−１１）面とを双晶の結晶粒界としていることが好ましい。
また、同様の観点からは、電極３を構成するアルミニウムの層は、アルミニウムの（−１１１）面と（００２）面との結晶粒と、（１−１−１）面と（００−２）面との結晶粒とが双晶の関係にあることが好ましい。
電極３のアルミニウムの層を以上のような結晶構造とすることにより、振動特性（特に発振周波数）の経時変化がより生じにくい弾性表面波素子１を得ることができる。
電極３の厚さは、特に限定されないが、０．０５〜２０μｍ程度であることが好ましく、０．１〜１μｍ程度であることがより好ましい。電極３の厚さがこの範囲内であると、優れた発振性能を有する弾性表面波素子１を得ることができる。
電極３の端部には、電極パッド（端子）４が設けられている。この電極パッド４には、ワイヤー線が接続され（図示せず）、このワイヤー線により、電極３に外部から電流が供給される。
基板２上の電極３の両側には、電極３から離間した位置に、格子状の反射器５が設けられている。この反射器５は、基板２で生じた振動を増幅する機能を有する。
反射器５の格子を構成する各ストリップ５１の幅Ｂは、それぞれ、基板２が振動する波長λの１／４となっている。また、反射器５の各ストリップ５１の間隔Ｑは、波長λの１／４となっている。また、各ストリップ５１の両端は、短絡している。
反射器５一個あたりのストリップ５１の本数は、特に限定されないが、２０〜１５００本程度が好ましく、５０〜１０００本程度がより好ましい。ストリップ５１の本数がこの範囲内であると、弾性表面波素子１は、より効率よく振動する。
反射器５は、電極３と同種の材料で構成されていることが好ましい。これにより、反射器５の経時劣化による振動特性の変化も抑制され、弾性表面波素子１を長期間使用しても、発振周波数がより変動しにくくなる。
このような弾性表面波素子１は、その発振周波数が、１０〜５０００ＭＨｚ程度であることが好ましく、１００〜２５００ＭＨｚ程度であることがより好ましい。弾性表面波素子１の発振周波数がこの範囲内のとき、弾性表面波素子１は、より優れた発振特性を示す。
また、弾性表面波素子１は、１０００時間使用したときの発振周波数の変化が５０ｐｐｍ以下であることが好ましく、２０ｐｐｍ以下であることがより好ましく、１０ｐｐｍ以下であることがさらに好ましい。このような弾性表面波素子１は、安定して長期間使用できる。
以上、本発明を添付図面に示す好適実施例に基づいて詳細に説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。
例えば、上記実施例では、基板２の圧電体として、水晶を例に説明したが、本発明はこれに限定されず、基板２の圧電体として、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）やタンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）などを用いてもよい。
例えば、上記実施例では、電極３にアルミニウムの層を用いたが、アルミニウム中に、結晶構造を阻害しない程度であれば、他の成分が含まれていてもよく、また、アルミニウム中に不可避的な不純物が含まれていてもよい。さらには、電極３に、アルミニウム系合金の層を用いてもよい。
アルミニウム系合金としては、例えばアルミニウムと銅との合金を用いることができる。銅以外にもチタン（Ｔｉ）、シリコン（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）をアルミニウムに混合した合金を用いることもできる。これらのアルミニウム合金については、１０ｗｔ％の範囲で混合することが望ましく、好ましくは２ｗｔ％の範囲で混合することが好ましい。特に、銅（Ｃｕ）については、好ましくは１ｗｔ％の範囲で混合することが好ましく、更に好ましくは０．１ｗｔ％〜１０ｗｔ％の範囲で混合することが好ましい。更に、本発明においては、０．５〜１ｗｔ％の範囲で混合するとが好ましい。なお、上記にあげた混合材料を含むアルミニウム系合金において、前述に示したように結晶粒界が双晶粒界である特性を有する。下記に示すところの配向がランダムである合金とは異なるものである。
【実施例】
１．弾性表面波素子の製造
弾性表面波素子を以下の方法で製造した。
［１．１］まず、圧電体の基板として、外形２０×３０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍの水晶基板を用意した。この水晶基板は、水晶Ｙ板をＸ軸の周りに３３°回転して得られる回転Ｙ板のＳＴカット基板であった。
［１．２］次に、この水晶基板に対して酸洗を行い、水晶基板の表面を清浄化した。
［１．３］次に、この水晶基板の表面に、真空蒸着法により、厚さ約０．２５μｍのアルミニウムの膜を形成した。蒸着速度は０．００２μｍ／ｓ、蒸着温度は１３０℃、蒸着前圧力は０．５μＴｏｒｒであった。
［１．４］次に、ホトリソグラフによるレジストを作り、このレジストをマスクとして、上記アルミニウムの膜を形成した水晶基板に対してエッチングを行い、アルミニウムの膜の不要部分を除去した。これにより、水晶基板上のアルミニウムの層に、図１に示すようなパターンを形成した。すなわち、水晶基板上に、一対の電極と、かかる電極の端部に設けられた電極パッドと、前記電極の両側の離間した場所に位置する反射器とを形成した。
［１．５］次に、この電極と電極パッドと反射器とを形成した水晶基板（ウエハー）を切断して２×３ｍｍの素子とした後、電極パッドにワイヤーボンディングを行ってワイヤーを接続し、さらには、セラミックパッケージによるパッケージングを行い、弾性表面波素子を得た。なお、パッケージングは、パッケージング内に窒素ガスを封入しつつ行った。
得られた弾性表面波素子の電極のストリップの幅Ａは２．５μｍであり、同一の電極の各ストリップの間隔Ｐは１０μｍであり、一方の電極のストリップとそれに隣接する他方の電極のストリップとの間隔Ｐ’は２．５μｍであった。また、反射器のストリップの幅Ｑは２．５μｍであり、各ストリップの間隔Ｂは２．５μｍであった。また、電極のストリップの数は、１３０対であり、一つの反射器のストリップの本数は、１３０本であった。
また、得られた弾性表面波素子の発振周波数は、３００ＭＨｚであった。
２．弾性表面波素子の解析
［２．１］電子顕微鏡による弾性表面波素子の断面の観察
上記［１．１］〜［１．４］と同様にして得たパッケージング前の弾性表面波素子の断面を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で観察した。得られた電子顕微鏡写真を図２に示す。撮影倍率は７万５千倍であった。
図２中下段は水晶であり、図２中上段は、アルミニウムの層である。
図２の電子顕微鏡写真に示されるように、アルミニウムの層の粒界は、一定方向に配向している。これにより、アルミニウムの層は、双晶粒界を有していることが確認された。また、この写真から、隣り合うａの結晶粒と、ｂの結晶粒とが双晶の関係にあることが分かった。
さらに、図２に示すように、アルミニウムの層の粒界の界面は、双晶粒界であるがゆえに、非常に滑らかである。従って、従来の弾性表面波素子の電極を構成する結晶粒がランダムに配向した多結晶のアルミニウムの層と比べて、本発明の弾性表面波素子の電極のアルミニウムの層は、界面エネルギーが非常に小さいと考えられる。本発明の弾性表面波素子を長期間使用しても、その発振周波数が変化しにくい理由は、これにあると考えられる。
なお、透過型電子顕微鏡には、Ｐｈｉｌｉｐｓ社製「ＣＭ−２００ＦＥＧ」（加速電圧２００ｋＶ）を用いた。また、観察した試料は、ＦＩＢ法で作製した。
さらに、上記結果を確認すべく、この試料について、以下の測定を行った。
［２．２］電子線回折による弾性表面波素子の分析
前記［２．１］で電子顕微鏡観察を行った試料について制限視野電子線回折による解析を行った。電子線回折は、図３中の枠で囲った３つの場所（水晶部分、水晶とアルミニウムの膜との境界部分、アルミニウムの膜の部分）についてそれぞれ行った。なお、図３は、図２に示す写真と同一のものを示す図である。
得られた電子線回折写真を、図４、図５、図６に示す。図４は、水晶部分の電子線回折写真であり（回折写真▲１▼）、図５は、水晶とアルミニウムの膜との境界部分の電子線回折写真であり（回折写真▲２▼）、図６は、アルミニウムの膜の部分の電子線回折写真である（回折写真▲３▼）。なお、図５、図６において、アルミニウムの層の回折像は、双晶の粒界をまたいだ２つ以上の結晶粒の回折像である。すなわち、図５、図６において、アルミニウムの層の回折像は、図４中、結晶粒ａ／ｂ／ａの３つの結晶粒を含む回折像である。
図４に示すように、電子線は、水晶の［−１０２］晶帯軸方向より入射することが確認された。
図５に示すように、水晶の｛０１０｝面に対し、アルミニウムの｛１１１｝面が８°傾斜して配向していることが確認された。
図６に示すように、アルミニウムの（−１１−１）面と（１−１１）面とを双晶の結晶粒界として、アルミニウムの（−１１１）面と（００２）面との結晶粒（図２、図３中ａの結晶粒）と、アルミニウムの（１−１−１）面と（００−２）面との結晶粒（図２、図３中ｂの結晶粒）とが双晶の関係にあることが確認された。
なお、電子線回折は、前記［２．１］と同様の装置を用い、直径１０μｍの制限視野絞りを用いて行った。
３．弾性表面波素子の周波数経時変化の測定
まず、本実施例として、上記「１．弾性表面波素子の製造」に記載した方法で製造した弾性表面波素子について、その発振周波数の経時変化を測定した。
さらに比較例として、アルミニウム−銅合金（Ａｌ−０．２ｗｔ％Ｃｕ）で、配向がランダムな多結晶の電極を有する弾性表面波素子（以下、「比較例１」という）と、配向がランダムな多結晶のアルミニウム単体の電極を有する弾性表面波素子（以下、「比較例２」という）とについても、上記と同様に発振周波数の経時変化を測定した。
なお、本実施例、比較例１、比較例２では、２個の弾性表面波素子について、おのおの測定を行った。
その結果を図７に示す。
図７に示すように、本実施例の弾性表面波素子は、いずれも、１５００時間動作させても、発振周波数の変化は１ｐｐｍ以下に抑えられていた。
一方、図７に示すように、比較例１の弾性表面波素子は、１２００時間動作させた時点で、いずれも、発振周波数が１５ｐｐｍ以上低下していた。また、比較例２の弾性表面波素子は、１００時間動作させた時点で、いずれも、発振周波数が６０ｐｐｍ以上低下していた。
これにより、本実施例の弾性表面波素子は、長期間動作しても発振周波数が変化しにくい、すなわち、本実施例の弾性表面波素子は、経時変化が少なく、長期間安定して使用可能であることが確認された。
なお、これらすべての測定は、弾性表面波素子の発振周波数を３００ＭＨｚ、弾性表面波素子に供給した電力を１０ｍＷに統一して行った。
また、これらすべての測定は、図８に示す発振回路１０を用いて行った。
図８に示すように、発振回路１０は、電源供給端子１１と、抵抗１２と、抵抗１３と、その発振周波数が測定される弾性表面波素子１４と、出力端子１５と、トランジスター１６と、コンデンサー１７と、コイル１８と、コンデンサー１９とを有している。なお、電源供給端子１１は、図示しない直流電源に接続され、出力端子１５は、図示しない周波数測定器に接続されている。
弾性表面波素子１４は、直流電源から供給された電流により発振し、高周波（３００ＭＨｚ）を出力する。この出力された高周波は、トランジスター１６により、増幅される。トランジスター１６により増幅された高周波は、出力端子１５に接続された周波数測定器に入力される。これにより、弾性表面波素子１４の発振周波数が測定される。
以上述べたように、本発明によれば、経時変化が少なく、長期間使用した場合でも、その発振周波数が変動しにくい弾性表面波素子を得ることができる。
このため、このような弾性表面波素子を用いた高周波回路は、信頼性が高い。
従って、このような弾性表面波素子を、携帯電話、無線通信機等の高周波を使用する機器に用いることにより、これらの機器の信頼性、安定性、精度を、高めることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の弾性表面波素子の実施例を示す平面図である。
図２は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による断面明視野写真である。
図３は、図４、図５、図６に示す透過電子線回折写真の回折部位を示す図である。
図４は、透過電子線写真である。
図５は、透過電子線写真である。
図６は、透過電子線写真である。
図７は、本発明の実施例における弾性表面波素子の周波数の経時変化を表したグラフである。
図８は、本発明の実施例の弾性表面波素子において周波数の経時変化を測定した回路図である。
符号の説明
１          弾性表面波素子
２          基板
３          電極
３１        ストリップ
４          電極パッド
５          反射器
５１        ストリップ
１０        発振回路
１１        電源供給端子
１２        抵抗
１３        抵抗
１４        弾性表面波素子
１５        出力端子
１６        トランジスター
１７        コンデンサー
１８        コイル
ＰＢＸ      コンデンサー
【図１】
0003800959.tif 000002
【図２】
0003800959.tif 000003
【図３】
0003800959.tif 000004
【図４】
0003800959.tif 000005
【図５】
0003800959.tif 000006
【図６】
0003800959.tif 000007
【図７】
0003800959.tif 000008
【図８】
0003800959.tif 000009