表面聲波器件的電極形成方法

2023-07-19 07:19:16

專利名稱：表面聲波器件的電極形成方法
技術領域：
本發明涉及表面聲波器件(以下稱為SAW器件)的電極形成方法，特別涉及到通過薄膜形成方法在構成SAW的壓電基片上形成電極的方法。
利用表面聲波的SAW器件廣泛地應用電視機或磁帶記錄器，所說的SAW器件是通過在有壓電性質的基片表面上形成由金屬帶製成的梳形電極和柵格電極構成的交叉指型變換器而構成。用來製造這種SAW器件的電極的材料通常用玻璃(質)(amorphous)多晶鋁型的鋁。
而且近年來SAW器件廣泛地應用於發送/接收元件或高頻域諧振腔，和指望作為移動通訊的手提式裝置的射頻帶通濾波用的濾波器，以達到小型化和減輕重量的目的。
當此SAW器件用於電視機或磁帶記錄器時，這樣的SAW器件在約1mw的低功率電平下使用，而高壓電平信號加到特別用於發送目的的移動通訊應用的SAW器件上。例如，特高的約20mw功率加到無繩電話的SAW濾波器上(1993，12，9在日本進行的關於超聲電子學的基本原理和應用第14次學術討論會)。因此，表面聲波引起的高的壓力加到電極(鋁電極)，引起電極中的原子遷移。這種因壓力引起的遷移稱為壓力遷移。這種壓力遷移引起電短路、增加插入損耗和降低諧振腔的品質因數，從而導致SAW器件的性能下降。
為解決此問題，這裡推薦一種電極材料用鋁膜或鋁合金(例如鋁-銅合金)膜，其(111)平面與基片表面平行，而且定向軸是[111](日本專利公開No.183373(1993))。
然而在其(111)平面與基片表面平行的上述鋁膜或鋁合金膜中，克服壓力遷移的阻力提高了，但效果當然是不夠的。因此，在現有的環境下所需要的是一種能構成有更高克服壓力遷移的阻力的電極的電極形成方法。
為了解決上述問題，本發明的任務是提供一種SAW器件的電極形成方法，當供給高功率時它能形成呈現良好壓力遷移阻力的電極。
為了達到上述目的，本發明人已對電極的壓力遷移進行多種研究，認為當基片晶體和金屬晶體相互配合很差，在晶體結構中造成許多不規則處，導致在其結晶定向是沿(111)平面的常規鋁膜中由表面聲波引起壓力遷移，並進行進一步研究和實驗以完成本發明。
本發明的SAW器件的電極形成方法包括準備壓電基片以及在以規定離子能量進行離子輔助時在由薄膜形成法形成的以固定方向定向的壓電基片上形成電極材料薄膜。此薄膜形成法可以從諸如濺射、IBS(離子束濺射)、CVD(化學汽相沉積)、等離子體CVD、MBE(分子束外延)、ICB(電離聚束)、和雷射燒蝕等多種方法中選擇，此方法還不限於這些，也能用其它方法實現。
當用上述任意薄膜形成法的薄膜形成過程進行離子輔助時，能通過在結晶取向為恆定方向的壓電基片上形成電極材料薄膜而形成晶體缺陷極少的外延膜，從而形成長壽命的有良好的壓力遷移阻力的電極。
在本發明的SAW器件的電極形成方法中，已構成的電極材料膜最好如此取向，即使膜的(111)平面平行於基片表面，其原因是有(111)取向的電極是電極平面中無不規則原子排列的最緻密的填充層。因此均勻地分配加到電極上的壓力是可能的，從而能提高壓力遷移阻力。而且，由於沒有結晶邊界，因而結晶缺陷小，因為在晶體邊界中的擴散和結晶缺陷，抑制擴散是可能的。
離子輔助最好在離子能量200-1000ev下進行。
如果離子能量小於200ev，要給金屬原子供給足夠的能量是不可能的，而如果能量超過1000ev，濺射帶輔助離子的金屬原子的作用過分增加，以致達不到膜的生長量。
而且此離子輔助最好在輔助離子低的電流密度在0.01-10.00MA/cm2下進行。
如果輔助離子流的電流密度小於0.01MA/cm2，不可能向金屬原子提供足夠的能量，如果電流密度超過10MA/cm2，濺射帶輔助離子的金屬原子的作用過分增加以致不能實現膜的生長量。
輔助離子最好至少H+e、N+e、A+r、K+r和X+e中準備其一。
通過應用這樣的輔助離子，得到足夠的離子輔助作用是可能的，從而能可靠地形成晶體缺陷數很小的外延膜。而且由於輔助離子是惰性氣體離子，所以它們能提供能量而不與金屬原子或構成基片的原子起反應。
此輔助離子最好以與基片表面的法線成0-60°角入射到基片上。
如果入射角超出此範圍，則不可能向金屬原子有效地提供能量。
最好將膜形成率設置在0.1-50/秒的範圍內。
如果膜形成率不大於0.1/秒，則金屬原子有害地凝聚引起晶體粒生長。而在金屬原子整齊地排列之前，就有害地形成膜。
由於要求在外延生長的基片表面上有適當的金屬原子遷移，在形成膜過程中基片加熱溫度最好在0-400℃。
而且，最好在真空度不高於10-3mmHg下來形成膜，這就不會有殘餘氣休與膜結合導致結晶結構不規則。
由於沿(111)平面有最緻密的結構，電極材料最好從有對中立方結構的面的金屬如鋁中或從有對中立方結構並含摻雜物的面的金屬中準備。由Ag、Au或Ni等有對中立方方結構的面的金屬中選擇以代替Al是可能的。
摻雜物最好是按重量計在0.1-5％範圍的Ti、Cu和Pd中的至少一種。
通過至少摻雜進Ti、Cu和Pd中的一種來進一步改善壓力遷移阻力是可能的。然而如果摻雜物量按重量計小於0.1％，則幾乎無法識別摻雜效果，如果按重計其量超過5％，則電阻率增加。因此摻雜量按重量計最好在0.1-5％。
由於在晶體表面上氧原子濃度高，特別是夸脫LiTaO3和LiNbO3有緻密的組合結構，所以壓電基片最好由包括至少一夸脫LiTaO3、LiNbO3、LiB4O7和ZnO的基片構成，所以因基片原子排列的影響很容易傳給金屬原子。
在本發明的SAW器件的電極形成方法中，如上所述，在用任意薄膜形成方法的膜形成工藝中應用的在規定能量下用離子輔助使電極材料膜形成在其結晶取向在恆定方向的壓電基片上，這就能形成有很少數晶體缺陷的外延膜，從而形成有優良的壓力遷移阻力的電極。
用本發明的方法形成的電極由於非常少量的晶體缺陷具有良好的電遷移阻力和熱穩定性以及在溼式蝕刻中的可以加工性。
而且，基片和電極(膜)之間的界面是非常穩定的，不形成合金，從而能防止兩電極間電阻減少。
在本發明的SAW器件的電極形成方法中，當基片晶體和金屬膜晶體之間的不吻合至少是±20％時，由於在膜形成工藝中應用離子輔助，所以獲得外延膜是可能的。
此外，當摻雜物比率增加時也能獲得晶體缺陷很少的外延膜，因而通過施加足夠比率的雜質能進一步改善壓力遷移阻力。
按照本發明的SAW器件的電極形成方法，能在低溫下形成電極，從而在形成電極過程中可減少在壓電基片上的損傷(晶片損壞)。
通過下面參照附圖對本發明進行詳細說明，將使本發明的上述和其它目的、特徵、狀況和優點變得更加明顯。


圖1是表示用本發明的方法形成LiTaO3基片上的(111)取向的外延鋁膜的晶體結構的反射高能電子衍射(RHE)照片；圖2是表示用不使用離子輔助的常規方法形成的(111)取向的外延鋁膜的晶體結構的RHEED照片；圖3是表示具有用本發明的SAW器件電極形成方法形成的電極的SAW器件(雙模表面聲波濾波器)的俯視圖；圖4例示出具有用本發明的SAW器件電板形成方法形成的電極的雙模表面聲波濾波器的50Ω傳輸特性曲線；圖5示意性說明壓力遷移阻力求值系統的結構；圖6是用以說明從其輸出判斷SAW濾波器壽命的方法的曲線圖；和圖7是用以說明圖1並示出各衍射點的表面指數的圖。
現在說明本發明的一實施例，以便詳細解釋本發明的特徵。圖3是表示具有用本發明的電極形成方法形成的電極的SAW器件(雙模表面聲波濾波器)7的俯視圖。
在圖3所示的雙模SAW濾波器7中，一對垂直的指狀組合型電極2a形成在壓電基片1表面的中央部分上，而指狀組合型電極2b分別形成在其兩邊上。柵格電極(反射器)2c分別提供在指狀組合型電極2b的兩邊上。
在柵格電極2c的外側，梳狀容性電極4形成在中間部分。而且，引線端3經導線從指狀組合型電極2a拉引出。指狀組合型電極2b用導線圖案5相互連接，並進一步用電容所提供的另外的導線圖案5與容性電極4連接。引線端6從容性電極4引出。
現在來說明用以形成上述SAW器件的電極的實際方法。
由LiTaO3構成的壓電基片1被首先準備好，以便通過雙重離子束濺射在壓電基片1的一個主面上形成厚2000A的鋁膜(電極膜)，實現離子輔助。
這時，應用下列的膜形成條件濺射離子電流100mA濺射離子能量1000ev輔助離子類型A+r輔助離子流50mA輔助離子流密度5mA/cm2輔助離子能量300ev輔助離子入射角15°
基片溫度100℃膜形成速率2/秒膜形成的真空度5×10-5mmHg圖1是表示形成在由LiTaO3構成的基片1上的電極膜(外延鋁膜)的晶體結構的RHEED照片。圖7是用以說明圖1並示出各衍射點的表面指數的圖。由圖7可見，晶體外延生長在(111)平面上。
圖2是表示用常規的無離子輔助的方法形成的電極膜的晶體結構的RHEED照片。
從圖1和2應理解到，用本發明的SAW元件的電極形成法在規定的離子能量下進行離子輔助在壓電基片1上形成一電極材料膜而獲得的電極是一鋁膜((111)取向的外延鋁膜)，與不用離子輔助形成的鋁膜相比，它在(111)平面上外延生長的晶體缺陷很小並有良好的結晶狀態。
通過分析RHEED照片能確認此鋁膜有如下的外延關係式(111)[101]A1/(012)[100]LiTaO3然後，形成在壓電基片1的主表面上面的Al膜用光刻法加工，以便分別在壓電基片1的表面上形成指狀組合型電極2a和2b、柵格電極2c、容性電極4和導線圖案5，從而製備成圖3所示的雙模SAW濾波器的樣品。
測量雙模SAW濾波器的50Ω傳輸特性以獲得圖4所示的特性曲線。參看圖4，橫坐標軸表示信號頻率，縱坐標軸表示通過SAW濾波器7的信號的衰減。如圖4所示，此特性曲線有一約380MHZ的峰值頻率，在此峰值頻率處插入損耗約2.5dB。
圖5所示的系統用於計算雙模SAW濾波器7的功率阻力(壓力遷移阻力)。
在此系統中，來自振蕩器11的1W的輸出信號在功率放大器12中進行功率放大，此輸出加到SAW濾波器7。然後SAW濾波器7的輸出P(t)輸入進功率計14並進行電平測量。功率計14的輸出經計算機15反饋回振蕩器11，所以所加信號的頻率經常是與傳輸特性的峰值頻率相同。SAW濾波器7放在其溫度能使其加速損壞的恆溫箱13中。在上述評定中空氣溫度保持在85℃以加速其損壞。
功率放大器12的輸出設置在1W(50Ω系統)，測量最初輸出電平Pt＝Po，在規定的時間間隔t之後，當輸出達到如下電平Pt≥Po-1.0(dB)時判定SAW濾波器7達到壽命結束時間td。
由於輸出P(t)和時間t通常滿足圖6所示的關係，當輸出P(t)下降1db時估計SAW濾波器7壽命結束被認為是合理的。
通過用下述四種類型的電極材料(金屬)在同樣的LiTaO3基片上形成同樣形狀的電極，製備了上述推測壽命的A，B，C，D四個實例A任意取向的純Al＋1wt％(銅)制的電極(常規電極)；B(111)取向的外延純鋁電極(常規電極)；C(111)取向的外延純鋁電極(本發明的電極)；D(111)取向的外延鋁+1wt％銅製的電極(本發明的電極)。
試驗結果確認各個實例的壽命如下A不大於8小時；B1750小時；C2800小時；D至少3200小時。
由上述可知，具有用常規的不用離子輔助的方法的沿(111)平面取向的純鋁膜製成的電極樣品B的壽命是具有常規電極的樣品A的壽命的200倍；而具有用帶離子輔助的外延純鋁膜製備的電極樣品C的壽命是樣品A壽命的350倍，其壽命進一步顯著提高。由上述比較還可看到，具有由鋁和銅構成的外延鋁合金膜製成的電極樣品D與具有外延純鋁膜製備的電極樣品C相比，其壽命進一步增加。
已說明銅做鋁的摻雜劑的上述實施例，在本發明的SAW器件的電極形成方法中，摻雜進鋁中用以達到延長壽命效果的摻雜劑不限於銅，當用鈦或鎘作為摻雜劑時也能達到類似效果。
當在上述實施例中用應用像帶離子輔助薄膜形成方法這樣的雙重離子束濺射時，此薄膜形成方法可從諸如汽化蒸散、濺射、CVD、等離子體CVD、MBE、ICB和雷射燒蝕等各種方法中選擇，以達到與上述帶離子輔助的實施例類似的效果。
換言之，本發明不限於上述實施例，在本發明精神範圍內可以進行各種應用和改進。
儘管已舉例詳細說明了本發明，但應了解到這僅作為說明和實例，不能用以限定本發明，本發明的精神和範圍僅由所附權利要求的條款來決定。
權利要求
1.一種形成表面聲波器件的電極的方法，其特徵在於所說的方法包括如下步驟製備壓電基片；以及在以規定的離子能量進行離子輔助時，用所說薄膜形成法，在取向為恆定方向的所說的壓電基片上形成電極材料膜。
2.按照權利要求1所說的表面聲波器件的電極形成方法，其特徵在於所形成的所說的電極材料的所說的膜如此取向，即使(111)平面平行於基片表面。
3.按照權利要求1或2所說的表面聲波器件的電極形成方法，其特徵在於所說的離子輔助是在離子能量為200-1000ev下進行
4.按照權利要求1-3中任一權利要求所說的表面聲波器件的電極形成方法，其特徵在於所說的離子輔助是在電流密度為0.01-10mA/cm2的輔助離子電流下進行。
5.按照權利要求1-4中任一權利要求所說的表面聲波器件的電極形成方法，其特徵在於所說的輔助離子至少H+e、N+e、A+r、和X+e中任選一種製備。
6.按照權利要求1-5中任一權利要求所說的表面聲波器件的電極形成方法，其特徵在於所說的輔助離子(111)與所說的基片表面的法線成0-60°角入射在所說的基片上。
7.按照權利要求1-6中任一權利要求所說的表面聲波器件的電極形成方法，其特下在於所說的膜形成率是0.1-50/秒。
8.按照權利要求1-7中任一權利要求所說的表面聲波器件的電極形成方法，其特徵在於在膜形成過程中基片加熱溫度是0-400℃。
9.按照權利要求1-8中任一權利要求所說的表面聲波器件的電極形成方法，其特徵在於在膜形成過程中的真空度不低於10-3mmHg。
10.按照權利要求1-9中任一權利要求所說的表面聲波器件的電極形成方法，其特徵在於所說的電極材料是有對中立方結構的面的金屬例如鋁，或者是有對中立方結構的含摻雜質的面的金屬。
11.按照權利要求10所說的表面聲波器件的電極形成方法，其特徵在於所說的摻雜物質至少是Ti、Cu和Pd中的一種，摻雜量按重量計在0.1-5％。
12.按照權利要求1-11中所說的任一權利要求的表面聲波器件的電極形成方法，其特徵在於所說的壓電基片至少由石英、LiTaO3、LiNbO3、LiB4O7和ZnO中的一種組成。
全文摘要
一種表面聲波器件的電極形成方法，它適合於以規定的離子能量進行離子輔助時在結晶取向為恆定方向的壓電基片上形成電極材料膜，在膜形成工藝中應用諸如蒸發、濺射、IBS(離子束濺射)、CVD(化學汽相沉積)、等離子體CVD、MEE(分子束外延)、ICB(電離聚束)或雷射燒蝕等膜形成方法。
文檔編號H03H9/00GK1139840SQ9411308
公開日1997年1月8日 申請日期1994年12月6日 優先權日1994年12月6日
發明者櫻井敦 申請人:株式會社村田製作所