JPH0314307A

JPH0314307A - 弾性表面波発振子

Info

Publication number: JPH0314307A
Application number: JP1151044A
Authority: JP
Inventors: Eiji Iegi; 家木　英治; Atsushi Sakurai; 敦櫻井; Koji Kimura; 幸司木村
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1989-06-13
Filing date: 1989-06-13
Publication date: 1991-01-23

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、水晶やＬｉＴａＯ３　（タンタル酸リチウム
）　、ＬｉＮｂＯ，（ニオブ酸リチウム）、Ｌｉ２８４
Ｏ７（四ホウ酸リチウム）のような単結晶、サファイア
（ＡＱ２０３）基板の上に酸化亜鉛の膜を形成したＺｎ
Ｏ／　ＡＱ　２０３等の圧電基板の表面に電極を設けた
弾性表面波発振子に関する。

［背景技術コ近年、弾性表面波（以下、ＳＡＷと称する場合がある．
）を用いた弾性表面波発振子が広く用いられるようにな
っている。

これら弾性表面波発振子は、一般に、圧電性を有する基
板の表面上にインターディジタル電極（すだれ状ｔ極〉
や金属ストリップのグレーティング電極等が形戒されて
いる。この電極金属としては、−ｉに、アルミニウムが
用いられているが、その理由は、フォトリソグラフィが
容易であることと、比重が小さくて電極負荷質量効果が
少なく、導電率が高いなどの特徴のためである．［発明
が解決しようとする課題］しかしながら、このようなＳＡＷ発振子に高電圧レベル
の信号を印加すると、弾性表面波によってアルミニウム
電極が強い応力を受け、マイグレーションを起こすこと
がわかった。これは応力によるマイグレーションである
ので、ストレスマイグレーションと言われている．これ
が発生すると、電気的短絡や挿入損失の増加、共振子の
Ｑの低下などが起こる．そして、このストレスマイグレ
ーションは高周波になる程発生し易いので、弾性表面波
発振子の高周波化にあたり、大きな問題となっていた．
特に、発振子の場合は、安定に発振させるためにゲイン
を上げて過大な電圧レベルの信号を印加する必要があり
、また共振子構造のものは定在波により強い応力がかか
るので、ストレスマイグレーションが発生し易く、従来
の弾性表面波発振子では、ストレスマイグレーションの
ため、やむを得ず低レベルで動作させざるを得す、Ｃ／
Ｎ比（搬送波対雑音比）やＳＳＢ位相雑音を良好にする
ことができなかった。

これに対する従来の対策としては、エレクトロマイグレ
ーションの場合と同様に、電極材料のアルミニウムに微
量のＣｕ，　Ｔｉ，　Ｎｉ，　Ｍｇ，　Ｐｄなどを添加
することにより、耐ストレスマイグレーション特性の改
善を図っているが、その特性改善はまだ不十分であった
．そこで、本発明の発明者らは、このストレスマイグレー
ションの原因をさらに追及した．その研究結果によれば
、電子ビーム蒸着やスパッタ等により形戒されている従
来のアルミニウム電極は，結晶学的には一定方向に配向
しておらず、アモルファス的な多結晶膜であり、そのた
め粒界拡散によるストレスマイグレーションに対して弱
い性質を示すと考えられた。

しかして、本発明は上記従来例の欠点と発明者らの到達
した知見に基づいてなされたものであり、その目的とす
るところは耐ストレスマイグレーション特性に優れたア
ルミニウム電極を備えた弾性表面波発振子を提供するこ
とにある．［課題を解決するための手段］このため、本発明の弾性表面波発振子は、圧電基板を用
いた弾性表面波発振子において、結晶方位的に一定方向
に配向したアルミニウム膜によってマイグレーション防
止機能をもつ電極を形成したことを特徴としている。

圧電基板の基板材料としては、水晶、ＬｉＴａＯ３、Ｌ
ｉＮｂＯ３、Ｌｉ２Ｂ４（ｈ、　ＺｎＯ等を用いること
ができる．また、アルミニウム膜には、Ｃｕ，　Ｔｉ，　Ｎｉ，　
Ｍｇ＋Ｐｄ等の耐マイグレーション特性に優れた添加物
を微量添加するのが効果的であり、その添加量としては
０．ｌｗｔ％〜１０ｗｔ％の範囲で用いるのが適当であ
る。

［作用］上述のように、従来のアルミニウム電極は、結晶方位的
に一定方向に配向していないアモルファス的な多結晶膜
であり、このためストレスマイグレーションに対して弱
かった。

これに対し、本発明の弾性表面波発振子にあっては、一
定方位に結晶軸配向したアルミニウム膜の電極を用いて
いる。このような結晶学的に一定方位に配向したアルミ
ニウム電極は、単結晶１漠に近い性質を示すと考えられ
、粒界拡散によるストレスマイグレーションに対して非
常に強くなる。

したがって、本発明の弾性表面波発振子によれば、スト
レスマイグレーションの発生を抑制でき、ストレスマイ
グレーションによる電気的短絡や挿入損失を低減でき、
共振子のＱを良好に維持することができる。特に、従来
、ストレスマイグレーションは高周波になるほど顕著で
あったので、本発明によれば弾性表面波発振子の高周波
特性を良好にすることができる。

さらに、高レベルの信号を印加した場合にもストレスマ
イグレーションの発生を抑制できるので、本発明の弾性
表面波発振子によれば、Ｃ／Ｎ比やＳＳＢを良好にする
ことができる。またゲインを大きくしてオーバドライブ
状態で用いることができるので、安定に発振させること
が可能になる。

［実施例コ以下、本発明の実施例を添付図に基づいて詳述する．第１図に示すものは、２ボート弾性表面波発振子３であ
り、圧電基板ｌの表面に２つのインターディジタルｔ極
２ａを設け、この電極２ａの両側にグレーティング電極
２ｂ（反射器〉を設けてあり、インターディジタル電極
２ａからはリード端子４が引き出されている。この２ポ
ートＳＡＷ発振子３を一実施例とし、製造順序に従って
次に説明する．圧電基板１としては、鏡面研磨された３３．５”回転Ｙ
カット水晶基板を用い、この圧電基板１の表面に、電子
ビーム蒸着でその蒸着速度及び基板温度を適当に制御し
てアルミニウム膜を約１０００人の膜厚に形成した．例えば、蒸着速度及び基板温度は、従来１０人／秒、＋
１６０℃で蒸着していたのを、発明者らの実験した範囲
では、４Ｏ人／秒、＋８０℃と高速、低温で蒸着するこ
とにより（３１１）配向膜が得られた．このアルミニウ
ム膜の（３１１）面がエビタキシャル成長していること
をＲＨＥＥＤ　（反射高速電子線回折〉法により確認し
た（第５図（ａ）にこのＲＨＥＥＤ写真を示す．第５図
（ｂ）は第５図（ａ）の写真の説明図であり、イが電子
ビーム、口の領域内に見えるものが反射光である．）．
従来の蒸着条件のもとでは、アルミニウム膜のエビタキ
シャル戒長は見られず、ランダム配向くアモルファス〉
になっている（第６図（ａ）にこのＲＨＥＥＤ写真を示
す．第６図（ｂ）は第６図（＆〉の写真の説明図で、八
が電子ビーム、二の領域内に見えるものが反射光である
．）。

このアノレミニウム膜をフォトリソグラフィによって加
工し、圧電基板１の表面に２つのインターディジタル電
極２ａとグレーティング電極２ｂを形成し、上記のよう
な２ボートＳＡＷ発振子３を作製した．このようにして実際に作製されたＳＡＷ発振子３におい
ては、弾性表面波の波長は約４．７　ｔ．ｕｎ　（　１
１ｌ極指幅約１．１７−）　、開口長は約１００波長、
インターディジタル１！極は各々５０対、金属ストリッ
プによるグレーティング電極は各々３００本である．こ
の２ボートＳＡＷ発振子の５０Ω系伝送特性は、第２図
のようになった．第２図に示されているように、ピーク
周波数は約６７４ＭＨｚであり、挿入損失は約６ｄＢで
あった．これは、従来のアモルファスアルミニウム電極
の場合とほとんど同様の特性である．ここで、耐電力特性（耐ストレスマイグレーション特性
〉を評価するため、第３図のようなシステムを用いた．
これは、発振器５の出力にパワーアンプ６を接続して発
振器５の出力信号を電力増幅し、パワーアンブ６の出力
をＳＡＷ発振子３に印加させるようにしてある．一方、
ＳＡＷ発振子３の出力ｐ　（ｔ）はバワーメータ７に入
力されてレベル測定される．また、パワーメータ７の出
力はコンピュータ８を介して発振器５ヘフィードバック
されており、発振器５の周波数をコントロールして印加
信号の周波数が常に伝送特性のピーク周波数となるよう
にしている．また、ＳＡＷ発振子３は、恒温槽９に納め
られており、周囲温度を８５℃と高くして加速劣化させ
られた．しかして、パワーアンプ６の出力をＩＷ（５０
Ω系）とし、初期の出力レベルｐ（Ｌ）＝ｐｏを測定し
ておき、ある時間ｔ経過後の出力Ｐ　（ｔ）が、Ｐ（ｔ
〉≦Ｐ　ｏ　　１．０（ｄＢ＞となった時をそのＳＡＷ発振子３の寿命ｔｄとした。こ
れは、一般にＰ　（ｆ．）のカーブは、第４図のように
なるので、１ｄＢの低下で寿命ｔｄの推定を行えば適当
と考えたためである，評価した各試料Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、下記に示す４種の電
極金属を用いて、同一カット角水晶基板上に同一形状の
電極を形或したものである。

Ａ：ランダム配向の純ＡＱ電極Ｂ二（ランダム配向のＡ（２＋２＋ｒｔ％Ｃｕ）電極Ｃ
：エビタキシャル純ＡＱ電極Ｄ：（エビタキシャルＡＱ＋１ｗｔ．％Ｃｕ）電極Ａ，
Ｂは通常のＳＡＷ発振子であり、Ｂは耐ストレスマイグ
レーション対策として電極金属にＣｕを添加されている
。Ｃ，Ｄは本発明に係るＳＡＷ発振子であり、Ｄも１ｔ
＠金属にＣｕを添加されている．実験の結果、各試料の寿命１．１は、それぞれＡ：５分
以下Ｂ：約１５０分Ｃ：’９００分以上Ｄ：８，０００分以上　（２．５Ｗの場合）となった．試料Ａ，Ｂを比較すると、Ｃｕの添加により３０倍以上
の長寿命化が達成されているが、アルミニウム膜をエビ
タキシャル化することで、さらにその６倍以上の効果が
出ている．すなわち、純アルミニウムの電極を用いた試
料Ａ，Ｃ同士の比較では、実に１８０倍以上の長寿命と
なっている。

次に、耐マイグレーション特性の改善に効果のあるＣｕ
をｌｗｔ．％添加したＡＱエビタキシャル膜で電極を形
戒された試料Ｄの場合には、パワーアンプから２．５Ｗ
の出力を印加して寿命測定を行ったところ、８，０００
分以上の寿命が得られた。ここで、２．５Ｗの出力を印
加したのは、ＩＷでは寿命が長過ぎ、実験を行う上で不
適当であったためである．よって、Ｃｕを添加した場合
には、純ＡＱエビタキシャル膜よりも更に大電力におい
て長寿命となっている．一般に、電力による加速係数は
３〜４乗であると言われているので、２．５Ｗの場合の
加速係数はＩＷの場合の１５〜３９（ξ２．５３〜２．
５４）倍となり、２．５ＷＶ）出力に対する　８，００
０分以上の寿命はＩＷに換算すると１２０，０００〜３
１２，０００分以上の寿命に相当する。

このように、ＡＱエピタキシャル膜にＣｕを添加した場
合には、純ＡＱエビタキシャル膜の場合と比較して１３
０〜３４Ｏ倍の長寿命を達成しているが、Ｔｊ，　Ｎｉ
，　Ｍｇ，　Ｐｄ等のマイグレーション対策用と言われ
ているＣｕ以外の添加物を用いた場合も同様に長寿命化
の効果がある。上記各添加物の添加量は、少な過ぎると
効果がないので、通常０．１ｖｔ％以上必要であり、ま
た多過ぎるとアルミニウム膜の抵抗率が増大するので、
通常１０ｗｔ％以下が望ましい．したがって、Ｃｕ，　
Ｔｉ，　Ｎｉ，　Ｍｇ，　Ｐｄ等の添加物の添加量とし
ては、０．１ｗｔ％〜ｌｏｗｔ％の範囲が好適である。

また、アルミニウム配向膜の下地として、その配向を妨
げない程度の極く薄いＴｉＪｌｉやＣｒ膜などを設けて
もよい．なお、ＡＱエピタキシャル膜は、２５゜がら３９゜回転
Ｙカットの範囲の水晶基板で（３１１）配向となったが
、それ以外のカット角でも配向する可能性はある。一般
に、エビタキシャル或長ずるためには、基板とＡＱ薄膜
との結晶格子の整合が必要であるところ、回転Ｙカット
水晶基板とＡＱＩ膜との場合には、約３０”回転Ｙカッ
ト水晶基板とＡＱエビタキシャル膜の（３１１）面とが
結晶格子的に整合しているので、２５゜がら３９゜回転
Ｙカット水晶基板ではＡＱ薄膜の（３１１）面がエビタ
キシャル或長したものである。しがしながら、ＡＱエビ
タキシャル膜の（３１１）面は必ずしも水晶基板の表面
に平行である必要はなく、水晶基板のカット面が上記角
度からずれていた場合には、ＡＱエビタキシャル膜は（
３１１）面が水晶基板のカット面に追従して傾くように
配向するので、他の回転カット角の場合にもそれに対応
したＡＱ薄膜の配向方向が定まり、特に回転Ｙカットに
限定される必然性もない。例えば、２回回転カット水晶
基板の場合でも、ＡＱ薄膜の（３１１）面が格子整合条
件をほぼ満たす方向でエビタキシャル成長することがで
きる．上記の説明では、水晶基板を用いた場合について説明し
たが、圧電基板としてＬｉＴａＯ３基板やＬｉＮｂ０３
基板、Ｌｉ２８４Ｏ，基板、サファイ７　（　ＡＱ２０
ｓ）基板の上にＺｎＯ′ｒＩｉ！を形成したもの等を用
いた場合でも、ＡＱの成膜条件（例えば、イオンビーム
スパッタやイオンブレーティング等）を適当に選択する
ことにより、アルミニウム配向膜を形或することが可能
である．これらの場合には、ＡＱエビタキシャ゛ル膜は
（３１１）面とは限らないが、いずれにしてもＡＱ薄膜
と基板材料との結晶格子整合条件を満たすようにＡＱエ
ビタキシャル膜の結晶方位が定まる．なお、上記実施例では、２ボートＳＡＷ発振子で説明し
たが、他にいわゆる１ボートＳＡＷ発振千等にも適用で
きるのは当然である。また、反射器のないものでも差し
支えない。

［発明の効果］上述のように、本発明によれば、アルミニウム電極の耐
ストレスマイグレーション特性を向上させることができ
る．特に、高レベルの信号を印加した場合にも、ストレ
スマイグレーションが発生するのを抑制することができ
る．こうして耐ストレスマイグレーション特性が向上するこ
とにより、電気的短絡や挿入損失の劣化を低減でき、ま
た共振子のＱを良好に維持できる．さらに、高周波特性
も良好にできる．また、高レベルの信号を印加した場合
にもストレスマイグレーションの発生を抑制できるので
、本発明によれば、Ｃ／Ｎ比やＳＳＢを良好にすること
ができる．またゲインを大きくしてオーバドライブ状態
で用いることができるので、安定に発振させることが可
能になる．

【図面の簡単な説明】

第１図は２ポート弾性表面波発振子の概略平面図、第２
図は同上の５０Ω系伝送特性、第３図は耐ストレスマイ
グレーション評価システムの概略図、第４図は耐ストレ
スマイグレーション特性による寿命判定を示すカーブ、
第５図（ａ）（ｂ）は本発明の回転Ｙカット水晶基板の
上のＡＱエビタキシャル膜のＸ線写真及びその説明図、
第６図（ａ）（ｂ）は通常のアルミニウム電極のＸ線写
真及びその説明図である． ■・・・圧電基板２ａ・・・インターディジタル電極２ｂ・・・グレーティング電極ｇ稈づ −３５−

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　圧電基板を用いた弾性表面波発振子において、
結晶方位的に一定方向に配向したアルミニウム膜によっ
てマイグレーション防止機能をもつ電極を形成したこと
を特徴とする弾性表面波発振子。
（２）　前記圧電基板が、水晶、ＬｉＴａＯ＿３、Ｌｉ
ＮｂＯ＿３、Ｌｉ＿２Ｂ＿４Ｏ＿７、ＺｎＯ等の基板材
料からなることを特徴とする請求項１に記載の弾性表面
波発振子。
（３）　前記アルミニウム膜にＣｕ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｍｇ
、Ｐｄ等の耐マイグレーション特性に優れた添加物を微
量添加したことを特徴とする請求項１又は２に記載の弾
性表面波発振子。
（４）　前記添加物の添加量が０．１ｗｔ％〜１０ｗｔ
％であることを特徴とする請求項３に記載の弾性表面波
発振子。