专利名称：声驻波(saw)器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及SAW器件。说的更详细些，涉及SAW器件的叉指式换能器(interdigital transducer)电极。
一般说来，SAW器件在压电基板的表面上以梳状设置由铝膜构成的电极以形成叉指式换能器部分并构成滤波器和谐振器。
近年来，随着移动体通信的高频化，人们渴望SAW器件的工作频率在高频化为从几百MHz到几个GHz的同时还要有高功率。由于高频化，叉指式换能器电极的图形的宽度也要微细化，在中心频率为1.5GHz带的滤波器中，必须把电极线宽形成为约0.7μm。
当给这样形成的微细线宽的SAW器件加上大的功率时，弹性表面将所产生出的畸变在电极膜上产生应力，当该应力超过了电极膜的临界应力时，本身就是电极材料的铝原子就在晶粒边界上移动，结果是产生突起和空隙，使电极受到破坏，SAW器件的特性劣化。
对于这样一些问题，正如日本专利昭61-47010号特许公报中所记载的那样，把已掺入铜的铝合金膜用作电极材料，这样所作成的器件与单纯的铝膜相比可以承受大的外加功率。另外，还可以再掺入钛、镍、钯等等来强化电极膜。
但是，在上述现有的技术中，对于为了使用于携带电话的发射波段所必须的功率，却得不到足够的承受功率性和低插入损耗。比如，在模拟蜂窝式电话中，必须能承受1W以上的外加功率，且插入损耗也要减少到与现在用得很多的电介质滤波器相同程度的值。要想使之能承受大功率可以增加掺入金属的比例，但是，同时增加了合金膜的电阻率，使得插入损耗增加。
本发明的目的是提供一种SAW器件。这种器件应用于既可承受大功率又可防止插入损耗增加的叉指式换能器电极。
就是说，本发明的设置于压电基板的表面上的叉指式换能器电极被构成为使铝膜与由具有比该铝膜还大的弹性系数的导电材料构成的膜交互地进行叠层，而且由上述导电材料构成的膜和铝膜的各自的叠层数目至少要大于两层。
借助于采用上述构成，就可以提供一种在加上大功率时也可以抑制因铝原子的移动而诱发的空隙和突起的发生，且可防止插入损耗增加的SAW器件。
图1(a)的斜视图示出了根据本发明的实施例作成的SAW器件的构成。图1(b)是该SAW器件的等效电路图。
图2的断面构成图示出了本发明的第1实施例。
图3是为了进行比较而作成的电极的断面构成图。
图4的断面构成图示出了本发明的第3实施例。
图5的断面构成图示出了本发明的第4实施例。
图6的断面构成图示出了本发明的第5实施例。
以下，对本发明的实施例进行说明。本发明的基础是设于压电基板的表面上边的叉指式换能器电极被构成为使铝膜和由具有比该铝膜还大的弹性系数的导电材料所构成的膜交互地叠层，而且由上述导电材料构成的膜和铝膜的各自的叠层数目大于两层。
另外，通过使铝膜的各层的厚度小于150nm，而由具有比铝膜的弹性系数还大的弹性系数的导电材料构成的膜的各层的厚度被形成为比铝膜的厚度还薄的办法，就既可防止布线电阻的增加，又可增加电极的机械强度，使得既可防止产生空隙和突起，又能承受大的外加功率。
此外，本发明采用把叠层后的电极的最外边的表面层作成为铝膜且使其膜厚小于50nm，或者作成为使叠层后的电极最外边的表面层为由其弹性常数比铝膜大的导电材料构成的膜的办法，防止在最表面的层上产生的突起和空隙的发生，以形成不怕外加大功率的构造。
在表面弹性波器件被激励之后，压电基板中将产生变形，由于这一变形就给叉指式换能器电极加上应力，当应力超过了膜的临界应力时，电极中的铝原子就沿着晶粒界面向表面移动而产生突起。当铝原子移动到表面之后，则在膜中就产生了铝原子的空隙。当这种突起和空隙大量产生下去的时候，在破坏电极膜的同时，还将产生频率的变动和插入损耗的增大，使得作为SAW器件将经不住使用。
这种因铝原子的移动而招致的突起和空隙的产生，膜的机械强度越大就越难于产生，或者构成铝膜的粒子直径越小越难于产生。再加上人们原本就知道若在晶粒界面上析出铜、钛等的原子则可抑制突起和空隙的产生，所以人们进行过掺入各种材料的尝试。但是，因为当增加掺入材料的浓度时，将招致膜的电阻率增大因而招致插入损耗的大幅度的增加，故掺入量有一个限度。
此外，根据本发明人等的实验，即便是增加掺入材料的浓度，在单一合金膜的情况下，从压电基板与电极之间的交界面到电极的表面之间单晶晶粒边界连续性的存在，且其晶粒直径也是在电极表面上边最大。为此，认识到当加在电极上的应力大于该合金电极的临界应力时，铝通过晶粒边界，在到达电极表面之前产生原子移动，因而产生了突起。
本发明依据这种实践经验，采用把铝膜用弹性系数比这些材料大的材料分割成层状的办法，在防止铝膜的晶粒直径扩大的同时，防止铝原子通过晶粒边界向电极表面移动。
此外，还通过采用在铝膜之间叠层加入其弹性系数比这些铝膜大的材料的办法，来增加电极膜整体的弹性强度，使得即便是加上大的应力也难受到破坏。另外，在进行叠层的铝膜的各层的厚度厚的情况下，由于因激励振荡而产生的应力，将产生使铝原子向横向的移动而产生横向突起。这种横向突起使电极劣化的同时，当与相邻的叉指式换能器电极相接触时还将形成短路这种不良状态。
为了防止这种现象的发生，有效的办法是把将要进行叠层的铝膜的厚度作得薄，本发明人等由实验发现，为了使之可以承受用于发射波段的1W以上的外加功率，可把铝膜的厚度作成为小于150nm，理想的是作成为小于100nm。此外，其弹性系数比铝膜大的导电材料一般说来由于其密度比铝膜大，故应尽可能地形成薄的膜厚，至少是形成为比铝膜要薄，以防止增大布线电阻。
实施例以下，对具体的实施例进行说明。
实施例1
作为本发明的一个实施例，我们边参照图1(a)和图1(b)边进行说明。图1(a)的斜视图示出了用本实施例作成的872MHz的梯式滤波器的构成。
另外，图1(b)是其等效电路图。1是压电基板，在本实施例中用的是钽酸锂(以下叫作LT基板)。2是叉指式换能器电极，3是反射器电极。
图2(a)-(c)是改变了本发明的叠层构成电极的叠层数目时的断面示意图。图中示出的断面是只画出了一条叉指式换能器电极的断面。在图中，31-33，35-38，40-45是铝膜，51-52，53-55，56-60是其弹性系数比铝膜大的导电性材料膜，在图2(a)中，包括31-33和51-52在内构成叉指式换能器电极2，在图2(b)中，包括35-38和53-55在内形成叉指式换能器电极2，在图2(c)中，用40-45和56-60构成叉指式换能器电极2。
在本实施例中，用以下那样的方法形成。即电极膜用溅射法形成，作为溅射装置用的是卡罗塞尔(カロ-セル)式溅射装置(日电阿奈鲁巴(アネルバ)(株)生产的SPC-530H)。把铝和钛靶装到该溅射装置上，在把LT基板1放置到基板支架上之后，把真空度调成5m Torr，在基板温度为室温之下叠层形成各自的膜。
此外，为了进行比较，同时还制成图3(a)和图3(b)所示的那种构成的电极以便进行评价。在图3中，1是压电体基板，2是叉指式换能器电极，46是由单一材料构成的膜，47是铝膜，61是其弹性系数比铝膜大的导电材料膜。在本实施例中，作为图3(a)的单层材料膜构成作成了单纯铝膜和铝-1wt％钛合金膜，并用同一装置作成了铝/钛/铝膜结构作为图3(b)的3层构成电极膜。已作成的电极构成的各自的电极膜厚示于(表1)。因为SAW滤波器的中心频率将因电极的质量负荷效应而变动，所以在本实施例中对膜厚进行调整，使得其质量变成为与用铝膜作成电极时的电极的质量相同以防止频率变动。
在这些样品的电极膜上应用光刻技术和干法刻蚀技术形成规定的图形之后，划片并将之粘到用于进行封装的基板上，进行金丝压焊，作成872MHz的滤波器。
对于试作成的样品，在100℃的气氛中，在中心频率加上4W进行了承受功率试验。把插入损耗从初始值到劣化0.5dB之间的时间相对于用铝膜时的寿命进行了归一化之后而给出了在承受功率试验中的寿命。其结果示于(表1)。
表1
实施例1的电极构成和SAW器件的寿命评价
由(表1)可知，在图3(b)的3层构成的情况下，在表面上观察到了突起的产生，在电极的侧面部分上观察到了侧向突起的产生，且SAW器件的寿命也约为掺钛合金膜的20倍。
另一方面，在把钛膜和铝膜分别叠层2层以上，且把铝膜的各层的膜厚作成为150nm以下的图2(a)，图2(b)和图2(c)的样品中，可以看到SAW器件的寿命大幅度的改善为105以上。但是，在图2(a)，图2(b)的样品中，观察到了在电极表面上局部突起的产生，但在图2(c)的样品中，则完全看不出变化，SAW器件的寿命在进行试验的时间之内也没有达到寿命。
这样，可以确认叠层电极构成对于SAW器件的寿命改善具有很大的效果。另外，对插入损耗有影响的电极膜的面电阻，表中给出的是以铝电极膜为1进行归一化后的值，但叠层膜构成电极为1.6-1.9倍，与掺入1wt％的钛的合金膜相比变成为小值。其结果是插入损耗也得到了比用铝-1wt％钛合金膜的滤波器小的值。
在本实施例中，钛的膜厚固定地作成为15nm，但为了得到本发明的效果，从实验上确认该膜厚只要形成为至少比铝膜的厚度薄就行。另外，在本实施例中，铝膜的各层的厚度虽然作成为恒定值，但并不受限于此，把各层的厚度作成为不相同也没什么问题。
此外，已经确认作为这种构成的电极并不只限定于钛、用铜、钯、铬、钼、钨、钽、铌、锆、铪、钒、镍、银，也具有相同的效果。
实施例2对于本发明的第2实施例，用与第1实施例相同的图1的滤波器构成，作成了示于图2的那种构成的电极。另外，为了进行比较，作为示于图3(a)的单层电极作成了纯铝膜和铝-1wt％铜的合金膜，同时还作成了图3(b)的铝/铜/铝层构成膜。本实施例的电极构成被作成为铝膜和铜膜的叠层构成并把各自的膜厚示于(表2)。由于SAW器件的中心频率将因电极的质量负荷效应而变，故在本实施例中，要把膜厚调整为使得其质量与用铝膜作成电极时的电极质量相同以防频率变化。
在本实施例的制作中，在LT基板上首先制作一个其图形与电极膜相反的光刻胶膜的图形，再在该基板上在10-4Pa的真空度下，使基板温度变成室温，用电子束蒸镀法叠层形成规定厚度的铝膜和铜膜。之后，通过采用刻蚀除去光刻胶膜的办法，同时除掉在该光刻胶膜上边的电极膜，就制成了规定的叉指式换能器电极。
把这样形成的样品划片之后，粘到封装所用的基板上进行金丝压焊，就制成了与实施例1相同的872MHz的滤波器。对SAW器件的寿命的评价也用与实施例1相同的方法进行。其结果示于(表2)。
表2
实施例2的电极构成和SAW器件的寿命评价
在图3(b)的3层构成电极中，SAW器件的寿命，虽然得到了图3(a)的掺铜样品的大约10倍的结果，但在把铜和铝都叠层2层以上的图2(a)，图2(b)和图2(c)的样品中，得到了约1×106或比1×106更高的寿命，与图3(a)的铝-1Wt％铜合金电极或图3(b)的3层构成电极相比得到了很大的改善。另外，在图2(a)，图2(b)的样品中，虽然在部分表面上观察到了突起的产生，但在图2(c)的样品中却完全没看到变化，在进行试验的范围内尚未达到寿命。再有，电极膜的面电阻与图3(a)的铝-1wt％铜膜无大的差异，实用上没有什么问题。
在这一实施例的情况下把要进行叠层的铜膜恒定不变地作成为15nm，但为了得到本发明的效果只要形成为比铝膜薄就行，而且各层的厚度也并非一定要作成恒定不可。还有，铝膜的厚度虽然也是作成为各层恒定不变，但并不特别要受此约束，即使各层的厚度不同也不会有什么问题。
此外，作为这种构成的电极并不限定于铜，用钛、钯、铬、钼、钨、钽、铌、锆、铪、钒、镍、银也具有同样的效果，这一事实已被确认。
实施例3参照图4说明本发明的实施例。在图4中，1是压电体基板、70-73是铝膜、80-82是导电材料膜、在本实施例中是铜膜。在本实施例中虽然把铝膜和铜膜进行了叠层，但最外层表面的铝膜73的膜厚作成为21nm。该膜厚的构成示于(表3)。为了进行比较，还制作了同为7层构成，最表面的膜厚为66nm的样品。
这些电极构成的样品的制作用与实施例2同样的方法进行。实验结果示于(表3)。
表3
实施例3的电极构成和SAW器件的寿命评价
如从(表3)所知，通过把最表面的铝膜的膜厚减薄，就可以防止在表面上产生的突起，结果是寿命也得以改善。另外，铜膜虽然易于氧化，但由于在最表面上设有不怕氧化的铝膜，故在长时间内不会产生因氧化而形成的频率变动。
另外，已经确认作为这种构成的电极并不限定于铜、即使用钛、钯、铬、钼、钨、钽、铌、锆、铪、钒、镍、银也具有同样的效果。
实施例4参照图5说明本发明的实施例。在图5中，1是压电体基板，74-77为铝膜、83-86是导电性材料膜，在本实施例中用的是钛膜。在本实施例中，对4层铝膜、4层钛膜进行了叠层最表面层作成为钛膜86。为了进行比较，还制作了7层构成且最表面为75nm的铝膜的样品。各个膜厚示于(表4)。制作方法用与实施例1相同的方法进行。
SAW器件的寿命评价结果示于(表4)。
表4
实施例4的电极构成和SAW器件的寿命评价
在同样的膜厚构成的图2(b)的样品中，虽然在试验后的电极表面上的部分区域上出现了突起，但在本实施例的图5的样品中则完全没有变化，SAW器件的寿命也得到改善。另外，本实施例并不限定于钛，只要形成稳定的氧化膜的材料就可以使用，除去钛之外，用铬、铌、锆、铪也具有同样的效果。
实施例5参照图6对本发明的实施例进行说明。在本实施例中，把95的导电性材料膜作成钛膜，把96和97的导电性材料膜作成为氮化钛膜。此外，90，91，92是铝膜，把它们合在一起形成为叉指式换能器电极2。1是压电体基板，在本实施例中，用的是LT基板。
电极膜的制作用真空蒸镀法进行，在排气达到10-4Pa的真空度之后，基板温度为室温下，用电子束蒸发铝和钛而形成膜。在形成该膜时，把与压电体基板1接触的第1层作成为钛膜95，96和97这两层在蒸发时导入氮气使真空度变为10-3Pa以制作氮化膜。在形成铝膜的时候，停止导入氮以在高真空状态下成膜。
在本实施例的电极构成中，在压电体基板1上边有钛膜，比起铝膜来可以改善附着性。此外，与铝之间的叠层部分，由于已作成为氮化钛膜，故变得难于和铝膜之间进行反应，在刻蚀或装配等工艺中即便是加热也难于产生扩散，故变得更稳定了，即使在300℃下加热之后，SAW器件的寿命特性也是107，布线电阻也是一个不大的值，是铝膜的1.6倍。在本实验中，虽然说明的是使用钛的方法，但如果应用锆、铪、铌、钽、铬、钼、钨等的迁移金属，通过同样的制作方法，都可得到同样的效果。
实施例6在示于图1的滤波器构成中，作为电极是铝膜与硼化钛膜的叠层构成，制作成为3层铝膜、2层硼化钛膜共计5层构成的电极膜。膜的形成用溅射法进行，装置用的是卡罗塞尔(カロ-セル)式溅射装置(日电阿奈鲁巴(アネルバ)(株)生产的SPC-530H)。在该溅射装置中装上铝和硼化钛的靶，在把LT基板放置到基板支架上之后，在真空度为5m Torr，基板温度为室温之下叠层形成各层膜。把硼化钛膜的一层的厚度定为10nm。
在形成叠层电极之后，进行光刻工艺，电极膜的刻蚀用离子铣削法进行，以形成规定的图形。此后的工序用与实施例1相同的方法进行。实验方法也与实施例1一样。实验结果是在本实施中，在试验后的电极表面上可看到很少一点突起，SAW器件的寿命高于5×107。这种效果是由于硼化钛膜的机械强度大以及形成于硼化钛膜上边的铝膜的粒径变小所产生的。
在本实施例中，虽然说明的是使用了钛、铜、硼化钛、氮化钛与钛这样的两种材料的构成，但本发明的效果是把其弹性系数比铝膜大的材料叠层于铝膜之间而得到的，故使用钯、铬、钼、钨、钽、铌、锆、铪、钒、镍、银等单一金属或碳化钛、镍、铬、氮化钛等的碳化物或氮化物或合金，也可得到同样的效果。
另外，由其弹性系数比铝膜大的材料构成的层不一定非得由同一种材料构成，只要叠层于铝膜之间的膜由其弹性系数比铝膜大的材料构成，都可获得同样的效果。
此外，在本实施例中，我们是对LT基板进行，但本发明并不受限于对LT基板，在铌酸锂基板，4硼酸锂基板或水晶基板等的单晶基板上边形成的情况也可以得到同样的效果。另外，用设于蓝宝石基板上的氧化锌膜的压电体基板也可得到相同的结果。
如上所述，本发明在通过采用使铝膜与其弹性系数比铝膜大的导电性材料的膜形成叠层的办法，就可以制作能承受大的外加功率且保持小的面电阻的叉指式换能器电极，在能够以良好的可靠性制作必须加上大功率的携带电话的发送波段滤波器或在无键输入系统中使用的振荡器等方面有很大的效果。
权利要求
1.一种SAW器件，其特征是至少具有压电体基板和设于该压电体基板的表面上边的叉指式换能器电极，上述叉指式换能器电极被构成为使铝膜和由其弹性系数比铝膜大的导电体材料构成的膜交互地进行叠层，且由上述导电体材料构成的膜及上述铝膜的叠层数目各为2层以上。
2.权利要求1中所述的SAW器件，其特征是上述铝膜的各层的厚度小于150nm，而且，由其弹性系数比铝膜大的上述导电体材料构成的膜的各层的厚度比上述铝膜的厚度薄。
3.权利要求1所述的SAW器件，其特征是上述叠层后的电极的最表面层是铝膜，而且其膜厚小于50nm。
4.权利要求1所述的SAW器件，其特征是上述叠层后的电极的最表面层是由其弹性系数比铝膜大的导电材料构成的膜。
5.权利要求1所述的SAW器件，其特征是与压电基板附着的第1层膜的材料是迁移金属。
6.一种SAW器件的制造方法，具有在把真空室排气到10-4Pa以下的真空度之后，先在压电基板上边形成第1层迁移金属膜，接着同样地形成第2层铝膜的工序，向上述真空室内导入氮气，在氮气气氛中形成第3层已氮化的迁移金属膜的工序，再次把真空室内排气到10-4Pa以下的真空度之后，形成第4层铝膜的工序，反复进行上述形成第3层氮化迁移金属膜和形成上述第4层铝膜的工序以形成叠层构造的叉指式换能器电极。
全文摘要
本发明的目的是提供一种应用了可承受大的外加功率又防止插入损耗增加的叉指式换能器电极的SAW器件。其构成是具有在压电体基板1的表面上交互地叠层铝膜31-45和由其弹性系数比该铝膜大的导电性材料构成的膜51-60而形成的叉指式换能器电极2。
文档编号H03H9/145GK1149205SQ96111969
公开日1997年5月7日 申请日期1996年8月30日 优先权日1995年9月1日
发明者高山他, 仓增敬三郎, 须川俊夫 申请人:松下电器产业株式会社