專利名稱：聲駐波(saw)器件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及SAW器件。說的更詳細些，涉及SAW器件的叉指式換能器(interdigital transducer)電極。
一般說來，SAW器件在壓電基板的表面上以梳狀設置由鋁膜構成的電極以形成叉指式換能器部分并構成濾波器和諧振器。
近年來，隨著移動體通信的高頻化，人們渴望SAW器件的工作頻率在高頻化為從幾百MHz到幾個GHz的同時還要有高功率。由于高頻化，叉指式換能器電極的圖形的寬度也要微細化，在中心頻率為1.5GHz帶的濾波器中，必須把電極線寬形成為約0.7μm。
當給這樣形成的微細線寬的SAW器件加上大的功率時，彈性表面將所產生出的畸變在電極膜上產生應力，當該應力超過了電極膜的臨界應力時，本身就是電極材料的鋁原子就在晶粒邊界上移動，結果是產生突起和空隙，使電極受到破壞，SAW器件的特性劣化。
對于這樣一些問題，正如日本專利昭61-47010號特許公報中所記載的那樣，把已摻入銅的鋁合金膜用作電極材料，這樣所作成的器件與單純的鋁膜相比可以承受大的外加功率。另外，還可以再摻入鈦、鎳、鈀等等來強化電極膜。
但是，在上述現有的技術中，對于為了使用于攜帶電話的發射波段所必須的功率，卻得不到足夠的承受功率性和低插入損耗。比如，在模擬蜂窩式電話中，必須能承受1W以上的外加功率，且插入損耗也要減少到與現在用得很多的電介質濾波器相同程度的值。要想使之能承受大功率可以增加摻入金屬的比例，但是，同時增加了合金膜的電阻率，使得插入損耗增加。
本發明的目的是提供一種SAW器件。這種器件應用于既可承受大功率又可防止插入損耗增加的叉指式換能器電極。
就是說，本發明的設置于壓電基板的表面上的叉指式換能器電極被構成為使鋁膜與由具有比該鋁膜還大的彈性系數的導電材料構成的膜交互地進行疊層，而且由上述導電材料構成的膜和鋁膜的各自的疊層數目至少要大于兩層。
借助于采用上述構成，就可以提供一種在加上大功率時也可以抑制因鋁原子的移動而誘發的空隙和突起的發生，且可防止插入損耗增加的SAW器件。
圖1(a)的斜視圖示出了根據本發明的實施例作成的SAW器件的構成。圖1(b)是該SAW器件的等效電路圖。
圖2的斷面構成圖示出了本發明的第1實施例。
圖3是為了進行比較而作成的電極的斷面構成圖。
圖4的斷面構成圖示出了本發明的第3實施例。
圖5的斷面構成圖示出了本發明的第4實施例。
圖6的斷面構成圖示出了本發明的第5實施例。
以下，對本發明的實施例進行說明。本發明的基礎是設于壓電基板的表面上邊的叉指式換能器電極被構成為使鋁膜和由具有比該鋁膜還大的彈性系數的導電材料所構成的膜交互地疊層，而且由上述導電材料構成的膜和鋁膜的各自的疊層數目大于兩層。
另外，通過使鋁膜的各層的厚度小于150nm，而由具有比鋁膜的彈性系數還大的彈性系數的導電材料構成的膜的各層的厚度被形成為比鋁膜的厚度還薄的辦法，就既可防止布線電阻的增加，又可增加電極的機械強度，使得既可防止產生空隙和突起，又能承受大的外加功率。
此外，本發明采用把疊層后的電極的最外邊的表面層作成為鋁膜且使其膜厚小于50nm，或者作成為使疊層后的電極最外邊的表面層為由其彈性常數比鋁膜大的導電材料構成的膜的辦法，防止在最表面的層上產生的突起和空隙的發生，以形成不怕外加大功率的構造。
在表面彈性波器件被激勵之后，壓電基板中將產生變形，由于這一變形就給叉指式換能器電極加上應力，當應力超過了膜的臨界應力時，電極中的鋁原子就沿著晶粒界面向表面移動而產生突起。當鋁原子移動到表面之后，則在膜中就產生了鋁原子的空隙。當這種突起和空隙大量產生下去的時候，在破壞電極膜的同時，還將產生頻率的變動和插入損耗的增大，使得作為SAW器件將經不住使用。
這種因鋁原子的移動而招致的突起和空隙的產生，膜的機械強度越大就越難于產生，或者構成鋁膜的粒子直徑越小越難于產生。再加上人們原本就知道若在晶粒界面上析出銅、鈦等的原子則可抑制突起和空隙的產生，所以人們進行過摻入各種材料的嘗試。但是，因為當增加摻入材料的濃度時，將招致膜的電阻率增大因而招致插入損耗的大幅度的增加，故摻入量有一個限度。
此外，根據本發明人等的實驗，即便是增加摻入材料的濃度，在單一合金膜的情況下，從壓電基板與電極之間的交界面到電極的表面之間單晶晶粒邊界連續性的存在，且其晶粒直徑也是在電極表面上邊最大。為此，認識到當加在電極上的應力大于該合金電極的臨界應力時，鋁通過晶粒邊界，在到達電極表面之前產生原子移動，因而產生了突起。
本發明依據這種實踐經驗，采用把鋁膜用彈性系數比這些材料大的材料分割成層狀的辦法，在防止鋁膜的晶粒直徑擴大的同時，防止鋁原子通過晶粒邊界向電極表面移動。
此外，還通過采用在鋁膜之間疊層加入其彈性系數比這些鋁膜大的材料的辦法，來增加電極膜整體的彈性強度，使得即便是加上大的應力也難受到破壞。另外，在進行疊層的鋁膜的各層的厚度厚的情況下，由于因激勵振蕩而產生的應力，將產生使鋁原子向橫向的移動而產生橫向突起。這種橫向突起使電極劣化的同時，當與相鄰的叉指式換能器電極相接觸時還將形成短路這種不良狀態。
為了防止這種現象的發生，有效的辦法是把將要進行疊層的鋁膜的厚度作得薄，本發明人等由實驗發現，為了使之可以承受用于發射波段的1W以上的外加功率，可把鋁膜的厚度作成為小于150nm，理想的是作成為小于100nm。此外，其彈性系數比鋁膜大的導電材料一般說來由于其密度比鋁膜大，故應盡可能地形成薄的膜厚，至少是形成為比鋁膜要薄，以防止增大布線電阻。
實施例以下，對具體的實施例進行說明。
實施例1
作為本發明的一個實施例，我們邊參照圖1(a)和圖1(b)邊進行說明。圖1(a)的斜視圖示出了用本實施例作成的872MHz的梯式濾波器的構成。
另外，圖1(b)是其等效電路圖。1是壓電基板，在本實施例中用的是鉭酸鋰(以下叫作LT基板)。2是叉指式換能器電極，3是反射器電極。
圖2(a)-(c)是改變了本發明的疊層構成電極的疊層數目時的斷面示意圖。圖中示出的斷面是只畫出了一條叉指式換能器電極的斷面。在圖中，31-33，35-38，40-45是鋁膜，51-52，53-55，56-60是其彈性系數比鋁膜大的導電性材料膜，在圖2(a)中，包括31-33和51-52在內構成叉指式換能器電極2，在圖2(b)中，包括35-38和53-55在內形成叉指式換能器電極2，在圖2(c)中，用40-45和56-60構成叉指式換能器電極2。
在本實施例中，用以下那樣的方法形成。即電極膜用濺射法形成，作為濺射裝置用的是卡羅塞爾(カロ-セル)式濺射裝置(日電阿奈魯巴(アネルバ)(株)生產的SPC-530H)。把鋁和鈦靶裝到該濺射裝置上，在把LT基板1放置到基板支架上之后，把真空度調成5m Torr，在基板溫度為室溫之下疊層形成各自的膜。
此外，為了進行比較，同時還制成圖3(a)和圖3(b)所示的那種構成的電極以便進行評價。在圖3中，1是壓電體基板，2是叉指式換能器電極，46是由單一材料構成的膜，47是鋁膜，61是其彈性系數比鋁膜大的導電材料膜。在本實施例中，作為圖3(a)的單層材料膜構成作成了單純鋁膜和鋁-1wt％鈦合金膜，并用同一裝置作成了鋁/鈦/鋁膜結構作為圖3(b)的3層構成電極膜。已作成的電極構成的各自的電極膜厚示于(表1)。因為SAW濾波器的中心頻率將因電極的質量負荷效應而變動，所以在本實施例中對膜厚進行調整，使得其質量變成為與用鋁膜作成電極時的電極的質量相同以防止頻率變動。
在這些樣品的電極膜上應用光刻技術和干法刻蝕技術形成規定的圖形之后，劃片并將之粘到用于進行封裝的基板上，進行金絲壓焊，作成872MHz的濾波器。
對于試作成的樣品，在100℃的氣氛中，在中心頻率加上4W進行了承受功率試驗。把插入損耗從初始值到劣化0.5dB之間的時間相對于用鋁膜時的壽命進行了歸一化之后而給出了在承受功率試驗中的壽命。其結果示于(表1)。
表1
實施例1的電極構成和SAW器件的壽命評價
由(表1)可知，在圖3(b)的3層構成的情況下，在表面上觀察到了突起的產生，在電極的側面部分上觀察到了側向突起的產生，且SAW器件的壽命也約為摻鈦合金膜的20倍。
另一方面，在把鈦膜和鋁膜分別疊層2層以上，且把鋁膜的各層的膜厚作成為150nm以下的圖2(a)，圖2(b)和圖2(c)的樣品中，可以看到SAW器件的壽命大幅度的改善為105以上。但是，在圖2(a)，圖2(b)的樣品中，觀察到了在電極表面上局部突起的產生，但在圖2(c)的樣品中，則完全看不出變化，SAW器件的壽命在進行試驗的時間之內也沒有達到壽命。
這樣，可以確認疊層電極構成對于SAW器件的壽命改善具有很大的效果。另外，對插入損耗有影響的電極膜的面電阻，表中給出的是以鋁電極膜為1進行歸一化后的值，但疊層膜構成電極為1.6-1.9倍，與摻入1wt％的鈦的合金膜相比變成為小值。其結果是插入損耗也得到了比用鋁-1wt％鈦合金膜的濾波器小的值。
在本實施例中，鈦的膜厚固定地作成為15nm，但為了得到本發明的效果，從實驗上確認該膜厚只要形成為至少比鋁膜的厚度薄就行。另外，在本實施例中，鋁膜的各層的厚度雖然作成為恒定值，但并不受限于此，把各層的厚度作成為不相同也沒什么問題。
此外，已經確認作為這種構成的電極并不只限定于鈦、用銅、鈀、鉻、鉬、鎢、鉭、鈮、鋯、鉿、釩、鎳、銀，也具有相同的效果。
實施例2對于本發明的第2實施例，用與第1實施例相同的圖1的濾波器構成，作成了示于圖2的那種構成的電極。另外，為了進行比較，作為示于圖3(a)的單層電極作成了純鋁膜和鋁-1wt％銅的合金膜，同時還作成了圖3(b)的鋁/銅/鋁層構成膜。本實施例的電極構成被作成為鋁膜和銅膜的疊層構成并把各自的膜厚示于(表2)。由于SAW器件的中心頻率將因電極的質量負荷效應而變，故在本實施例中，要把膜厚調整為使得其質量與用鋁膜作成電極時的電極質量相同以防頻率變化。
在本實施例的制作中，在LT基板上首先制作一個其圖形與電極膜相反的光刻膠膜的圖形，再在該基板上在10-4Pa的真空度下，使基板溫度變成室溫，用電子束蒸鍍法疊層形成規定厚度的鋁膜和銅膜。之后，通過采用刻蝕除去光刻膠膜的辦法，同時除掉在該光刻膠膜上邊的電極膜，就制成了規定的叉指式換能器電極。
把這樣形成的樣品劃片之后，粘到封裝所用的基板上進行金絲壓焊，就制成了與實施例1相同的872MHz的濾波器。對SAW器件的壽命的評價也用與實施例1相同的方法進行。其結果示于(表2)。
表2
實施例2的電極構成和SAW器件的壽命評價
在圖3(b)的3層構成電極中，SAW器件的壽命，雖然得到了圖3(a)的摻銅樣品的大約10倍的結果，但在把銅和鋁都疊層2層以上的圖2(a)，圖2(b)和圖2(c)的樣品中，得到了約1×106或比1×106更高的壽命，與圖3(a)的鋁-1Wt％銅合金電極或圖3(b)的3層構成電極相比得到了很大的改善。另外，在圖2(a)，圖2(b)的樣品中，雖然在部分表面上觀察到了突起的產生，但在圖2(c)的樣品中卻完全沒看到變化，在進行試驗的范圍內尚未達到壽命。再有，電極膜的面電阻與圖3(a)的鋁-1wt％銅膜無大的差異，實用上沒有什么問題。
在這一實施例的情況下把要進行疊層的銅膜恒定不變地作成為15nm，但為了得到本發明的效果只要形成為比鋁膜薄就行，而且各層的厚度也并非一定要作成恒定不可。還有，鋁膜的厚度雖然也是作成為各層恒定不變，但并不特別要受此約束，即使各層的厚度不同也不會有什么問題。
此外，作為這種構成的電極并不限定于銅，用鈦、鈀、鉻、鉬、鎢、鉭、鈮、鋯、鉿、釩、鎳、銀也具有同樣的效果，這一事實已被確認。
實施例3參照圖4說明本發明的實施例。在圖4中，1是壓電體基板、70-73是鋁膜、80-82是導電材料膜、在本實施例中是銅膜。在本實施例中雖然把鋁膜和銅膜進行了疊層，但最外層表面的鋁膜73的膜厚作成為21nm。該膜厚的構成示于(表3)。為了進行比較，還制作了同為7層構成，最表面的膜厚為66nm的樣品。
這些電極構成的樣品的制作用與實施例2同樣的方法進行。實驗結果示于(表3)。
表3
實施例3的電極構成和SAW器件的壽命評價
如從(表3)所知，通過把最表面的鋁膜的膜厚減薄，就可以防止在表面上產生的突起，結果是壽命也得以改善。另外，銅膜雖然易于氧化，但由于在最表面上設有不怕氧化的鋁膜，故在長時間內不會產生因氧化而形成的頻率變動。
另外，已經確認作為這種構成的電極并不限定于銅、即使用鈦、鈀、鉻、鉬、鎢、鉭、鈮、鋯、鉿、釩、鎳、銀也具有同樣的效果。
實施例4參照圖5說明本發明的實施例。在圖5中，1是壓電體基板，74-77為鋁膜、83-86是導電性材料膜，在本實施例中用的是鈦膜。在本實施例中，對4層鋁膜、4層鈦膜進行了疊層最表面層作成為鈦膜86。為了進行比較，還制作了7層構成且最表面為75nm的鋁膜的樣品。各個膜厚示于(表4)。制作方法用與實施例1相同的方法進行。
SAW器件的壽命評價結果示于(表4)。
表4
實施例4的電極構成和SAW器件的壽命評價
在同樣的膜厚構成的圖2(b)的樣品中，雖然在試驗后的電極表面上的部分區域上出現了突起，但在本實施例的圖5的樣品中則完全沒有變化，SAW器件的壽命也得到改善。另外，本實施例并不限定于鈦，只要形成穩定的氧化膜的材料就可以使用，除去鈦之外，用鉻、鈮、鋯、鉿也具有同樣的效果。
實施例5參照圖6對本發明的實施例進行說明。在本實施例中，把95的導電性材料膜作成鈦膜，把96和97的導電性材料膜作成為氮化鈦膜。此外，90，91，92是鋁膜，把它們合在一起形成為叉指式換能器電極2。1是壓電體基板，在本實施例中，用的是LT基板。
電極膜的制作用真空蒸鍍法進行，在排氣達到10-4Pa的真空度之后，基板溫度為室溫下，用電子束蒸發鋁和鈦而形成膜。在形成該膜時，把與壓電體基板1接觸的第1層作成為鈦膜95，96和97這兩層在蒸發時導入氮氣使真空度變為10-3Pa以制作氮化膜。在形成鋁膜的時候，停止導入氮以在高真空狀態下成膜。
在本實施例的電極構成中，在壓電體基板1上邊有鈦膜，比起鋁膜來可以改善附著性。此外，與鋁之間的疊層部分，由于已作成為氮化鈦膜，故變得難于和鋁膜之間進行反應，在刻蝕或裝配等工藝中即便是加熱也難于產生擴散，故變得更穩定了，即使在300℃下加熱之后，SAW器件的壽命特性也是107，布線電阻也是一個不大的值，是鋁膜的1.6倍。在本實驗中，雖然說明的是使用鈦的方法，但如果應用鋯、鉿、鈮、鉭、鉻、鉬、鎢等的遷移金屬，通過同樣的制作方法，都可得到同樣的效果。
實施例6在示于圖1的濾波器構成中，作為電極是鋁膜與硼化鈦膜的疊層構成，制作成為3層鋁膜、2層硼化鈦膜共計5層構成的電極膜。膜的形成用濺射法進行，裝置用的是卡羅塞爾(カロ-セル)式濺射裝置(日電阿奈魯巴(アネルバ)(株)生產的SPC-530H)。在該濺射裝置中裝上鋁和硼化鈦的靶，在把LT基板放置到基板支架上之后，在真空度為5m Torr，基板溫度為室溫之下疊層形成各層膜。把硼化鈦膜的一層的厚度定為10nm。
在形成疊層電極之后，進行光刻工藝，電極膜的刻蝕用離子銑削法進行，以形成規定的圖形。此后的工序用與實施例1相同的方法進行。實驗方法也與實施例1一樣。實驗結果是在本實施中，在試驗后的電極表面上可看到很少一點突起，SAW器件的壽命高于5×107。這種效果是由于硼化鈦膜的機械強度大以及形成于硼化鈦膜上邊的鋁膜的粒徑變小所產生的。
在本實施例中，雖然說明的是使用了鈦、銅、硼化鈦、氮化鈦與鈦這樣的兩種材料的構成，但本發明的效果是把其彈性系數比鋁膜大的材料疊層于鋁膜之間而得到的，故使用鈀、鉻、鉬、鎢、鉭、鈮、鋯、鉿、釩、鎳、銀等單一金屬或碳化鈦、鎳、鉻、氮化鈦等的碳化物或氮化物或合金，也可得到同樣的效果。
另外，由其彈性系數比鋁膜大的材料構成的層不一定非得由同一種材料構成，只要疊層于鋁膜之間的膜由其彈性系數比鋁膜大的材料構成，都可獲得同樣的效果。
此外，在本實施例中，我們是對LT基板進行，但本發明并不受限于對LT基板，在鈮酸鋰基板，4硼酸鋰基板或水晶基板等的單晶基板上邊形成的情況也可以得到同樣的效果。另外，用設于藍寶石基板上的氧化鋅膜的壓電體基板也可得到相同的結果。
如上所述，本發明在通過采用使鋁膜與其彈性系數比鋁膜大的導電性材料的膜形成疊層的辦法，就可以制作能承受大的外加功率且保持小的面電阻的叉指式換能器電極，在能夠以良好的可靠性制作必須加上大功率的攜帶電話的發送波段濾波器或在無鍵輸入系統中使用的振蕩器等方面有很大的效果。
權利要求
1.一種SAW器件，其特征是至少具有壓電體基板和設于該壓電體基板的表面上邊的叉指式換能器電極，上述叉指式換能器電極被構成為使鋁膜和由其彈性系數比鋁膜大的導電體材料構成的膜交互地進行疊層，且由上述導電體材料構成的膜及上述鋁膜的疊層數目各為2層以上。
2.權利要求1中所述的SAW器件，其特征是上述鋁膜的各層的厚度小于150nm，而且，由其彈性系數比鋁膜大的上述導電體材料構成的膜的各層的厚度比上述鋁膜的厚度薄。
3.權利要求1所述的SAW器件，其特征是上述疊層后的電極的最表面層是鋁膜，而且其膜厚小于50nm。
4.權利要求1所述的SAW器件，其特征是上述疊層后的電極的最表面層是由其彈性系數比鋁膜大的導電材料構成的膜。
5.權利要求1所述的SAW器件，其特征是與壓電基板附著的第1層膜的材料是遷移金屬。
6.一種SAW器件的制造方法，具有在把真空室排氣到10-4Pa以下的真空度之后，先在壓電基板上邊形成第1層遷移金屬膜，接著同樣地形成第2層鋁膜的工序，向上述真空室內導入氮氣，在氮氣氣氛中形成第3層已氮化的遷移金屬膜的工序，再次把真空室內排氣到10-4Pa以下的真空度之后，形成第4層鋁膜的工序，反復進行上述形成第3層氮化遷移金屬膜和形成上述第4層鋁膜的工序以形成疊層構造的叉指式換能器電極。
全文摘要
本發明的目的是提供一種應用了可承受大的外加功率又防止插入損耗增加的叉指式換能器電極的SAW器件。其構成是具有在壓電體基板1的表面上交互地疊層鋁膜31-45和由其彈性系數比該鋁膜大的導電性材料構成的膜51-60而形成的叉指式換能器電極2。
文檔編號H03H9/145GK1149205SQ96111969
公開日1997年5月7日 申請日期1996年8月30日 優先權日1995年9月1日
發明者高山他, 倉增敬三郎, 須川俊夫 申請人:松下電器產業株式會社