CN1048636A - 弹性表面波装置 - Google Patents

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Abstract

一种使用基板4的弹性表面波装置，该基板备有 单晶介质2及外延生长在其表面上的压电薄膜3，沿 介质2和压电薄膜3的界面形成构成叉指式电极的 铝电极5。此铝电极5由在结晶方位方面是在一定 方向上取向的铝膜组成，因此可抑制铝电极5的应力 迁移，且压电薄膜3在其整个面上都能外延生长。

Description

弹性表面波装置
本发明涉及弹性表面波装置，特别涉及用压电薄膜构成压电基板的弹性表面波装置。
近年来使用弹性表面波(以下有时简称SAW)的、如滤波器、谐振器、振荡器那样的弹性表面波装置已得到广泛应用。
弹性表面波装置适用的频率比体声波装置高。在弹性表面波装置中被激励振荡的表面波的基本频率由叉指式(interdigital)电极的间隔和表面波传播速度(音速)确定。因此在这样的弹性表面波装置中为了使适用的频率更高，有必要使叉指式的电极的间隔变小，或者用表面波传播速度快的基板(高音速基板)。
但是由于叉指式电极的间隔缩小存在一定的限度，故要超过此限度而使其更加高频化时就不得不用高音速基板。人们所开发的作为高音速基板的基板是在硅、蓝宝石、金刚石那样的单晶介质上形成氧化锌、氮化铝那样的压电薄膜。为了减小高频区的传播损失，这样的压电薄膜必须是外延生长的。
另一方面，用以形成叉指式电极的金属主要用铝。这样用铝的理由如下：即便于光刻，因其比重小故电极负荷质量效果小，及其导电率高等。可作成电极的铝膜，以前是用电子束蒸发或溅射等工艺形成的，但这样的铝膜在从结晶学方面看时是随机取向的多晶膜。
在这样的随机取向的多结晶膜的铝膜上，不能外延生长压电薄膜，为此如图4所示在用已有的高音速基板的弹性表面波装置10中，首先用溅射法或化学蒸气淀积CVD法那样的方法在单晶介质11上形成压电薄膜12，得到高音速基板13，之后在压电薄膜12的表面上形成铝电极14。即铝电极14在弹性表面波装置10的表面上，并露在空气中。
但是，用溅射法、CVD法那样的方法所形成的压电薄膜很容易在其表面上产生因附着灰尘等所引起的突起。为此在压电薄膜上有时不能形成表面光滑的铝电极。又，在铝膜上通过采用光蚀刻法而形成铝电极时在光致抗蚀剂上也形成突起，由于受到这样的突起的妨碍，有时很难将光掩模紧密贴在铝膜上的光致抗蚀剂的表面上。又如果由于在压电薄膜上所产生的突起的影响而在铝膜上形成相应的突起，则此突起将妨碍在铝膜上均匀地涂敷光致抗蚀剂。由于以上原因，会发生在所得到的铝电极间引起短路等的不良现象。
又，可看出如在SAW滤波器或SAW谐振器那样的弹性表面波装置上加上高电压电平的信号，则弹性表面波会使铝电极接受到强应力，而引起迁移。由于此迁移是由应力引起的，故为了与电迁移有所区别，而称之为应力迁移。如发生此种应力迁移，则既会发生电气短路，又会发生插入损耗增加、谐振器的Q值降低等特性变坏的现象。又，由于频率越高越容易发生应力迁移，故特别在弹性表面波装置用于高频时存在大的问题。
防止这样的应力迁移的对策是在电极材料的铝中添加微量的Cu、Ti、Ni、Mg、Pd等，但这并不能产生良好的效果。
因此本发明人进一步追究了产生上述应力迁移的原因。如上所述，可成为用电子束蒸发或溅射等工艺形成的电极的铝在结晶学上并非在一定的方向上取向，而是处于非晶形的多晶状态。可将此事看作为在这样的铝电极中很容易发生因晶界扩散而引起应力迁移的原因。
为此，本发明的目的在于做到提供的弹性表面波装置所具备的铝电极可以是很难产生应力迁移且没有问题地适用光蚀刻来形成。
本发明针对具备备有单晶介质及在其上外延生长的压电薄膜的基极、和构成例如换能器的电极的弹性表面波装置，其特征在于沿介质和压电薄膜的界面形成电极，同时还包含在结晶方位方面在一定方向上取向的铝膜。
根据本发明，由于铝电极在结晶方位方面是在一定方向上取向的、即外延生长成的，故即使在单晶介质上形成这种铝电极；也能在单晶介质上及铝电极上再次外延生长压电薄膜。
这样，由于铝电极是在单晶介质的表面上直接形成的，故通过对单晶介质的上述表面进行镜面研磨，即可使要成为铝电极的铝膜很光滑。因而，可解决在压电薄膜上形成铝膜时遇到的上述光蚀刻上的问题，因此可以避免在所得到的电极间发生短路等不顺利的情况。
又可认为使晶轴在一定方向上取向的铝膜表面的性质与单晶膜接近。因此这样的铝膜很难引起应力迁移。因而根据本发明可防止由应力迁移而引起的电气短路和插入损耗的增大。又本发明在适用于谐振器时可防止由应力迁移造成的Q值低的现象。
又，一般说来频率越高则产生的应力迁移越显著。但根据本发明由于能抑制应力迁移的发生，故能使弹性表面波装置的高频特性维持良好，同时能充分产生高音速基板的特征。
又，根据本发明，在加上高电压电平信号的场合，也能抑制应力迁移的发生。因而即使在信号电平高的电路(例如发信用的滤波器)中也能很实用地使用本发明的弹性表面波装置。
最好，在本发明中单晶介质用硅、蓝宝石、金刚石或水晶。又压电薄膜的材料最好用氧化锌或氮化铝。
在本发明的典型的实施例中将蓝宝石用作单晶介质，将氧化锌用作压电薄膜的材料，并使铝膜为(311)面取向膜。
如在铝膜中添加微量的Cu、Ti、Ni、Mg、Pd等的添加物，则有进一步抑制迁移的效果。这样的添加物的添加量最好选在0.1重量％至10重量％的范围内。
图1为本发明的一实施例的弹性表面波装置的断面图。
图2A为本发明的实施例的铝膜的用反射高速电子射线衍射(reflection high energy electron diffraction：RHEED)法所得到的照片。
图2B为图2A的说明图。
图3为说明用于得到图2A的照片的方法的图。
图4为已有的弹性表面波装置的断面图。
图5为对本发明说来有兴趣的比较例的弹性表面波装置的断面图。
参照图1，弹性表面波装置1具备基板4，它含单晶介质2及在其表面上外延生长的压电薄膜3。在单晶介质2上使用例如R面的蓝宝石。压电薄膜3为例如(1120)取向的ZnO薄膜。
沿单晶介质2和压电薄膜3的界面形成作为叉指式电极的铝电极5。这些铝电极5例如构成换能器。
下面按其制造顺序具体地说明图1所示的弹性表面波装置1的详细情况。
首先，应准备一块其表面研磨成镜面的将作为单晶介质2的R面蓝宝石板，并通过蒸发形成将成为铝电极的薄铝膜。此时通过控制蒸发条件可在R面蓝宝石板上外延生长铝膜。所得到的铝膜的厚度为500。
用RHEED(反射高速电子射线衍射)法对上面所得到的R面蓝宝石板上的铝膜进行分析。
所谓RHEED法如图3所示，是以相对于测定试料的表面角度极小的入射角入射高速的电子束21，并在存在其反射的情况下分析试料的表面及其附近的结晶构造的方法。在记录用的感光膜23上，呈现电子束21的直接束点24，并同时呈现电子束21在试料的表面22上进行反射而得到的RHEED像(反射衍射图形)25。
在RHEED法中当测定试料的表面22的结晶构造上存在周期性时RHEED像25成为点状。与此相反，当测定试料的表面22为多晶构造时在RHEED像25上呈现环状，在非晶形构造的场合RHEED像25呈晕状。
图2A为用RHEED法得到的在按上述方式得到的R面蓝宝石板上的铝膜的照片，图2B为图2A的照片的说明图。又令电子束21的波长为0.0251。
在图2B中在测定试料(即铝膜)的表面22的下方表示电子束21的直接束点24，在测定试料的表面22的上方表示RHEED像。如图2A及图2B所示由于在RHEED像25上出现若干个点，故可确认所得到的铝膜是经外延生长的。
又，R面蓝宝石板(α-Al2O3)的表面为(0112)面，该(0112)面上的表面波的传播方向为[0111]方向，与此相反，根据RHEED分析可以看出铝膜在(311)面上外延生长，而在该(311)取向面上的表面波的传播方向为[1011]。
接着，对铝膜进行光蚀刻，从而在R面蓝宝石板的表面上形成叉指式铝电极5，其上的电极指的宽度和间隔都是1μm。
接着如图1所示，通过平面磁控管溅射使成为压电薄膜3的ZnO膜在由R面蓝宝石板构成的单晶介质2的表面上(也含铝电极5上)外延生长。
因而得到弹性表面波装置1。在此弹性表面波装置1上铝电极5是所谓双瓣(split)电极，弹性表面波的波长为8μm。又，在此弹性表面波装置1中由于利用传播到由ZnO/R面蓝宝石板构成的基板上的赛扎瓦(Sezawa)波(一种SAW)，而令ZnO膜3的厚度为在赛扎瓦波中的电气机械耦合系数较大的波长的0.25倍、即2μm。
根据这样的弹性表面波装置，由于将成为铝电极5的铝膜是在由研磨成镜面的蓝宝石板构成的单晶介质2的表面上形成的，故可得到平滑的铝膜，因而可以消灭光蚀刻时发生的缺陷所引起的不良现象。
与此相反，在图4所示的构造中在R面蓝宝石板11上外延生长ZnO膜12之后在ZnO膜12上形成将成为铝电极14的铝膜，并适用对此铝膜进行光蚀刻。因而，ZnO膜12上发生的突起对铝膜产生不良影响，在用光蚀刻所得到的铝电极14上发生了短路现象的试料约达30％。
在图5中表示着对本发明来说有兴趣的比较例。当在R面蓝宝石板上所形成的铝电极7为随机取向的多晶铝膜时在这样的铝电极7的上方的区域8上，ZnO膜9不能外延成长，而成为多晶的状态。因而根据此比较例，与上述的本发明的实施例相比其传播损耗大到10倍以上。
又，根据上述的实施例，由于铝电极5是由外延生长的铝构成的，故能抑制因晶界扩散而发生的迁移。
此外，又证实了如在构成铝电极的铝膜上加上Cu、Ti、Ni、Mg、Pd那样的添加物，则有着进一步抑制迁移的效果。
由于这种添加物的添加量如过小即没有实质上的效果，故通常0.1重量％以上是必要的，又如过多，则由于铝箔的电阻率增大，通常在10重量％以下为佳。
又，根据上述的本发明的实施例，由于铝电极5是沿单晶介质2和压电薄膜3的界面形成的，不会露出到外部，故可防止铝电极5被氧化。

Claims (5)

1.一种弹性表面波装置，其特征包含
具备含有表面的单晶介质、和外延生长在上述介质的上述表面上的压电薄膜的基板；及
沿上述介质和上述压电薄膜的界面所形成的电极装置；
上述电极装置含有在结晶方位方面在一定方向上取向的铝膜。
2.如权利要求1所述的弹性表面波装置，其特征在于上述单晶介质由从硅、蓝宝石、金刚石和水晶所构成的组中选出的任一介质构成，且上述压电薄膜是从氧化锌和氮化铝中的任一个化合物所构成。
3.如权利要求2所述的弹性表面波装置，其特征在于上述单晶介质由蓝宝石构成，上述压电薄膜由氧化锌构成，上述铝膜为(311)面取向膜。
4.如权利要求1所述的弹性表面波装置，其特征在于上述铝膜含有添加物，该添加物由Cu、Ti、Ni、Mg及Pd所形成的组中选出的至少一种元素组成。
5.如权利要求4所述的弹性表面波装置，其特征在于上述添加物在上述铝膜中的含量为0.1重量％至10重量％。
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