CN100384086C - 制备表面声波器件的方法 - Google Patents

Abstract

一种压电基材配备有包括第一电极层，第二电极层和主要由铝制成的第三电极层的叉指式换能器电极。压电基材在压电基材的表面上具有阶梯式结构，该阶梯式结构包括各自的宽度为约50nm或更小的阶面和各自的宽度为单分子层(例如，约14)的阶梯。

Description

制备表面声波器件的方法

技术领域

本发明涉及一种表面声波器件如表面声波谐振器和表面声波滤波器及制备表面声波器件的方法，更具体而言，本发明涉及一种制备用于高频操作和高功率操作的表面声波器件的方法，该器件配备有高功率耐用电极。

背景技术

近年来，随着移动电话和移动通讯系统的发展，包括安置在压电基材上的所需电极图案的表面声波器件被广泛地应用于表面声波滤波器和表面声波谐振器。该表面声波器件的电极从开始研制时就是用铝制成的，原因在于铝的低比重和低电阻率。另一方面，为高频操作而设计的表面声波器件要求电极层薄层化和电极图案小型化。在表面声波器件的压电基材上的电极层受到重复应力，该重复应力取决于操作期间向其施加的频率。此外，施加给组成表面声波器件的电极层的应力随着操作功率和频率的增加而增加。此施加的应力引起薄层化和小型化的铝电极层的铝原子的迁移，导致在铝电极层中产生缺陷。这就产生了这样一个问题，即这些缺陷显著地削弱了表面声波器件的性能。

通过改善定向和控制铝层的结晶度来增强电极层的功率耐久性和可靠性的措施是已知的。这些措施显著地受到用于构成表面声波器件的基材的表面条件的影响。结果是，这些措施存在下面的问题：铝层没有足够的稳定性。而且这些措施也存在如下问题：铝层没有适宜于再提高的高频操作和高功率操作的足够性能。

因而，日本未审查专利申请8-195635公开了一种制备表面声波器件的方法，该表面声波器件具有在由钽酸锂(LiTaO₃)或铌酸锂(LiNbO₃)制成的基材上安置的由单晶铝或铝基合金制成的电极。此常规方法包括：在形成由单晶铝或铝基合金制成的电极之前，除去基材的受损表面层的工序，该工序包括离子注入步骤，化学蚀刻步骤和氧化步骤，这些步骤是按上述顺序进行的。

但是，在如上所述的现有技术中公开的表面声波器件具有下面的问题。

日本未审查专利申请8-195635公开了，在形成电极层之前，用于达到该基材所需要的表面条件的前处理包括离子注入，化学蚀刻和氧化步骤。在离子注入步骤中，用离子化的惰性气体或离子化的氮气处理基材的表面。该步骤要求有所需功能的真空单元。将基材进行化学蚀刻，接着氧化。此氧化是用例如过氧化氢水溶液，臭氧、氧气等离子体或氧自由基进行的。结果是，氧化步骤需要一个具有所需功能的单元。

因而，为了得到所需要的表面声波器件，需要许多处理步骤和多个处理单元。因此，日本未审查专利申请8-195635中所公开的方法具有制备成本高的问题。该方法还有另一个问题，即其功率耐久性对于进一步提高的高频操作和高功率操作而言是不够的。

发明内容

表面声波器件中，已知由具有孪晶结构的取向附生的铝薄膜制备的电极的使用改善了表面声波器件的功率耐久性，并且该孪晶结构显著地受到基材表面条件的影响。

本发明的发明人制备了一种具有显著改善功率耐用电极(powerdurable electrode)薄膜的表面声波器件，该表面声波器件具有所需要的表面结构，其显著地改善在基材表面上形成的电极薄膜的结晶度，并且还发明了一种在基材上形成电极薄膜的方法，该方法显著地改善了在电极上形成的电极薄膜的结晶度。

为了解决上面所述的问题，本发明的一个优选实施方案提供一种制备表面声波器件的方法，该表面声波器件具有在压电基材上的基电极上形成的主电极，该方法包含在压电基材的表面上形成阶梯式结构的步骤，该阶梯式结构包括各自的宽度为约50nm或更窄的阶面(terrace)和各自具有单分子层宽度的阶梯(step)，为形成基电极而形成第一电极层和第二电极层的步骤，所述的第一电极层和第二电极层用于改善主电极的结晶度，和为形成主电极而在第二电极层上形成第三电极层的步骤，该第三电极层是主要由铝组成的。

此外，在压电基材的表面上形成阶梯式结构的步骤包括：用一种混合物蚀刻压电基材的表面，该混合物主要含有磷酸，焦磷酸，苯甲酸，辛酸，盐酸，硝酸，硫酸，氢氟酸，带缓冲的(buffered)氢氟酸，和硫酸氢钾中的至少一种。

而且，在压电基材的表面上形成阶梯式结构的步骤包括：用一种混合物蚀刻压电基材的表面，该混合物包括硝酸溶液和氢氟酸溶液并且被加热，硝酸溶液与氟酸溶液的体积比大约为2比1。

此外，优选在表面温度为约70℃或更高的压电基材上形成第一电极层，并且第二电极层和第三电极层是在将压电基材冷却至表面温度约50℃或更低之后形成的。

此外，优选第一电极层和第二电极层是由钛制成的。

根据本发明的优选实施方案的制备方法可以提供一种具有优异功率耐久性，高精度和高可靠性的表面声波器件，该表面声波器件用于高性能的电子设备而没有削弱压电基材的特性并且没有显著增加生产成本。

从下面参考附图的优选实施方案详述中，本发明的其它特征，原理，步骤，特性和优点将变得更加清楚。

附图简述

图1所示为根据本发明一个优选实施方案的表面声波器件制备方法所制备的表面声波器件实例的示意剖视图；

图2所示为根据本发明一个优选实施方案的表面声波器件制备方法所制备的表面声波器件的压电基材表面实例的示意放大剖视图；

图3所示为根据本发明一个优选实施方案的表面声波器件制备方法所制备的表面声波器件的铝电极层实例的X射线衍射极象图；和

图4所示为现有技术的表面声波器件制备方法所制备的表面声波器件的铝电极层实例的X射线衍射极象图。

具体实施方式

以下将参考附图详细描述本发明的优选实施方案。

图1所示为本发明一个优选实施方案的制备方法所制备的表面声波器件实例的示意剖视图。

图1所示的表面声波器件20包括压电基材1，在压电基材1上的第一电极层2，在第一电极层2上的第二电极层3和在第二电极层3上的第三电极层4。

对于压电基材1，优选使用旋转的Y-切割X-传播(rotated Y-cut X-propagation)的铌酸锂(LiNbO₃)基材或钽酸锂(LiTaO₃)基材。如图2所示，压电基材1的表面具有阶梯式结构，所述结构包括，例如宽度为约50nm或更小的阶面和宽度为单分子层的阶梯。

单分子层的宽度取决于用于基材的材料的晶体结构。例如，当将无机材料用作基材时，单分子层的宽度为数

至数十

。在一个本发明优选实施方案中优选使用铌酸锂(LiNbO₃)基材或钽酸锂(LiTaO₃)基材，单分子层的宽度为约14

。

此外，优选第一电极层2和第二电极层3是由钛制成的。此外，优选第三电极层4是由主要含铝的金属制成的。第一电极层2和第二电极层3对于改善第三电极层4的结晶度有贡献。此外，第一电极层2、第二电极层3和第三电极层4起叉指式换能器(interdigital transducer，简称IDT)电极5的作用。

以下将详细描述根据本发明优选实施方案的制备方案。

首先，蚀刻压电基材1，例如蚀刻38.5°-旋转Y-切割X-传播LiTaO₃。蚀刻包括在热水浴等中，在温度约为85℃下加热约60％的硝酸溶液和约46％的氢氟酸溶液的混合物的步骤，硝酸溶液与氢氟酸溶液的体积比约为2比1。接着，将38.5°-旋转Y-切割X-传播LiTaO₃基材1浸渍在温度保持于约85℃的混合物中约1小时，由此蚀刻基材的表面。该混合物可以主要包括磷酸，焦磷酸，苯甲酸，辛酸，盐酸，硝酸，硫酸，氢氟酸，带缓冲的氢氟酸和硫酸氢钾中的至少一种。在此情况下，根据所选择的混合物的组成确定处理温度和处理时间。其后，用纯水充分地冲洗蚀刻过的基材并且干燥。

接着，将详细描述通过蚀刻处理的压电基材1的表面条件。

通过压电基材1表面的更高级折射率面(higher index surface)的选择性蚀刻，上述的蚀刻处理形成定义阶面的Z表面。因而，如图2所示，在压电基材1的表面上形成了微阶梯式结构，其包括定义宽度为例如50nm或更小的阶面和宽度为单分子层(例如，约14

)的阶梯的Z表面6。通过阶梯流模式(step-flow mode)，在此微阶梯式结构上形成的电极层容易生长。结果是，可以形成高度定向的电极薄膜。

接着，在压电基材1上通过光刻法形成叉指式换能器电极5。

首先，为了形成叉指式换能器电极5，在具有多坩锅的蒸发器中安置压电基材1。

接着，用真空泵给蒸发器抽真空。此时，用高性能真空泵使蒸发器腔室的压力优选约为1×10^-5Pa。

接着，在压电基材1上通过电子束蒸发法形成厚度为例如约10nm的钛层作为第一电极层2。此时，在蒸发期间控制压电基材1的温度为约180℃。接着，将压电基材1在约50℃或更低的温度冷却，同时在蒸发器中保持该真空条件。接着，形成厚度为约10nm的钛层作为第二电极层3。在坩锅旋转之后，形成厚度为约150nm的铝层作为第三电极层4。

优选在于约70℃或以上加热的压电基材1上形成由钛制成的第一电极层2。而且，优选在将压电基材冷却至表面温度为约50℃或更低之后，形成第二电极层3，然后形成第三电极层4，第三电极层4是形成在第二电极层3之上的。结果是，防止了通过第二电极层3中的钛和第三电极层4中的铝之间的相互扩散而对第三电极层4的晶体生长的抑制。结果是，得到的第三电极层4显示了高的结晶度。

优选在保持真空条件的同时接连形成这些电极层。在此过程中，优选在约5rpm下旋转压电基材1，以便得到均匀的薄膜厚度。此外，在坩锅上安置闸门。通过控制闸门的关闭和开启来决定薄膜的厚度。此薄膜形成方法不限于电子束蒸发法。还可以使用任何其它的方法，例如溅射方法。

此外，第三电极层可以由包括作为主要成分的铝和改善功率耐久性的痕量添加剂，例如铜、镁和镍制成，以代替纯铝。

接着，使用旋转涂布器，由预定薄膜厚度的抗蚀剂涂布得到的电极层。涂布的抗蚀剂薄膜通过具有预定图案的光刻用掩模曝光。其后，通过显影和蚀刻，形成叉指式换能器电极5。

得到的叉指式换能器电极5具有适宜于所需功能的图案，例如线距(line-and-space)为例如约0.5μm的指形图案。此外，如果需要，形成引线电极(lead line electrode)，垫片电极(pad electrode)等。切割、包装等后，完成表面声波器件20。

图3所示为上述方法所形成的第三电极层4的X射线衍射极象图。

图3是铝层的(200)极象图。观察到具有多个对称中心的衍射斑点。此显示取向附生的铝薄膜具有高的结晶度。极象图的这些斑点非常尖锐并且其峰强度为692cps。如图4所示，从公知的压电基材观察到的峰强度为369cps，该压电基材具有一般的表面条件，其表面条件不同于根据本发明优选实施方案的压电基材1的表面条件。明显的是，从根据本发明优选实施方案的表面条件观察到的峰强度692cps大于从一般的表面条件观察到的峰强度369cps。

具有此高结晶度的晶体具有孪晶结构。此高结晶度特征在于，由于非均匀的晶体取向所导致的高机械强度和由于高取向导致的被抑制的晶粒边界扩散。此外，此高结晶度是基于由压电基材1表面条件的影响和由改善第一电极层2、第二电极层3和第三电极层4的结晶度的薄膜形成方法的影响所产生的协同作用。

上述说明包括38.5°-旋转Y-切割X-传播LiTaO₃的压电基材1的结果。41°-旋转Y-切割X-传播LiNbO₃基材也显示类似的结果(未显示)。

如此，根据本发明优选实施方案制备表面声波器件的方法提供一种具有优异功率耐久性，高精度和高可靠性的表面声波器件，该表面声波器件适用于高性能的电子设备而没有显著增加生产成本。

虽然描述了本发明优选的实施方案，但是对本领域的技术人员显而易见的是，所公开的发明可以以许多方式进行修改，并且可采取除了上面具体描述的那些之外的许多实施方案。因而，意欲由后附的权利要求覆盖落入本发明真实精神和范围内的所有本发明的修改。

Claims (15)

1.一种制备表面声波器件的方法，所述的表面声波器件具有在压电基材上的基电极上形成的主电极，该方法包含：

在压电基材的表面上形成阶梯式结构的步骤，所述的阶梯式结构包括各自的宽度为约50nm或更窄的阶面，以及，各自具有单分子层宽度的阶梯；

为形成基电极而形成第一电极层和第二电极层的步骤，所述的第一电极层和第二电极层用于改善主电极的结晶度；和

为形成主电极而在所述的第二电极层上形成第三电极层的步骤，所述的第三电极层是主要由铝组成的。

2.根据权利要求1所述的制备表面声波器件的方法，其中所述在压电基材的表面上形成阶梯式结构的步骤包括用一种混合物蚀刻压电基材的表面，该混合物主要含有磷酸，焦磷酸，苯甲酸，辛酸，盐酸，硝酸，硫酸，氢氟酸，带缓冲的氢氟酸，和硫酸氢钾中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的制备表面声波器件的方法，其中所述的混合物由硝酸溶液和氢氟酸溶液组成并且被加热，硝酸溶液与氢氟酸溶液的体积比大约为2比1。

4.根据权利要求1所述的制备表面声波器件的方法，其中第一电极层是在表面温度为约70℃或更高的压电基材上形成的，并且第二电极层和第三电极层是在将压电基材冷却至表面温度为约50℃或更低之后形成的。

5.根据权利要求1所述的制备表面声波器件的方法，其中单分子层的宽度约等于

。

6.根据权利要求1所述的制备表面声波器件的方法，其中所述的第一电极层和第二电极层包含钛。

7.根据权利要求1所述的制备表面声波器件的方法，其中所述的基材是38.5°-旋转的Y-切割X-传播LiTaO₃的压电基材和41°-旋转的Y-切割X-传播LiNbO₃基材中的一种。

8.根据权利要求1所述的制备表面声波器件的方法，其中所述的第一、第二和第三电极定义叉指式换能器电极。

9.根据权利要求1所述的制备表面声波器件的方法，其中所述的在压电基材的表面上形成阶梯式结构的步骤包含：在热水浴中，在温度约为85℃下加热约60％的硝酸溶液和约46％的氢氟酸溶液的混合物，并且将所述的基材浸渍在温度保持于约85℃的混合物中约1小时。

10.根据权利要求1所述的制备表面声波器件的方法，其中所述的第一电极层的厚度为约10nm并且其是通过电子束蒸发法在所述的基材上形成的。

11.根据权利要求1所述的制备表面声波器件的方法，其中所述的第二电极层是由钛制成的，并且其厚度为约10nm。

12.根据权利要求1所述的制备表面声波器件的方法，其中所述的第三电极层的厚度为约150nm。

13.根据权利要求1所述的制备表面声波器件的方法，其中在所述的第一、第二和第三电极形成期间，保持真空条件。

14.根据权利要求1所述的制备表面声波器件的方法，其中所述第三电极包括铜、镁和镍中的至少一种。

15.根据权利要求1所述的制备表面声波器件的方法，其中所述的第一、第二和第三电极层是通过抗蚀剂使用旋转涂布器涂布的，涂布的抗蚀剂薄膜通过具有预定图案的光刻用掩模曝光，并且显影和蚀刻该抗蚀剂薄膜，以形成叉指式换能器电极。

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