CN113346857B - 声表面波装置的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种声表面波装置的制作方法，包括：提供压电基体，在所述压电基体上形成IDT电极，所述IDT电极包括设置在所述压电基体上的第一金属层和设置在所述第一金属层上的第二金属层，所述第一金属层的成份包括钛，所述第二金属层的成分包括铝，对所述IDT电极进行热处理包括以下步骤：第一热处理，在600‑650℃下处理15‑30分钟，在所述第一金属层和第二金属层之间形成钛铝金属间化合物；第二热处理，在200‑300℃下处理1‑5小时。根据本发明提供的声表面波装置的制作方法，能够得到耐受功率高和耐久性好的声表面波装置，并且能够提高表面波装置的频率温度系数，而且制作工序简单，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及声表面波技术领域，具体而言，涉及一种声表面波装置的制作方法。
背景技术
SAW滤波器的关键指标中，主要的有两类，一类是小信号参数，另一类是功率指标。其中小信号参数即S参数表征器件在实际使用中的性能优劣，而功率指标则主要是器件的最大耐受功率(烧毁临界功率)。
目前SAW滤波器支持的最大耐受功率仅能满足4G下的手机客户端、物联网客户端的功率需求。在5G要求下，如B41等频段对于功率需求相对于4G有所增长。这导致了市面上的SAW滤波器无法满足5G高功率需求。
另外声表面波装置工作时，大功率状态下，来自声表面波的重复应力会引起金属原子沿晶界迁移，从而在金属薄膜表面发生孔洞或隆起，从而造成电极的短路或断路，造成器件失效，而且，为了获得高频声表波装置，要求金属叉指电极的宽度和栅条间距必须足够小，这增加了工艺难度。
此外，在SAW滤波器的最大耐受功率提高时，耐久性会降低，现有技术中亟需一种技术能够提高SAW滤波器的最大耐受功率，也不会降低耐久性，同时也需要降低工艺难度，节约成本。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种声表面波装置的制作方法，包括：提供压电基体，在所述压电基体上形成IDT(Interdigital transducer)电极，所述IDT电极包括设置在所述压电基体上的第一金属层和设置在所述第一金属层上的第二金属层，所述第一金属层的成份包括钛，所述第二金属层的成分包括铝，对所述IDT电极进行热处理包括以下步骤：
第一热处理，在600-650℃下处理15-30分钟，在所述第一金属层和第二金属层之间形成钛铝金属间化合物；
第二热处理，在200-300℃下处理1-5小时。
其中，在所述压电基体上形成IDT电极包括在所述压电基体上形成2-10nm厚的第一金属层，在所述第一金属层上形成所述第二金属层，所述第二金属层包括97wt％以上的铝，1-2wt％的铜，0.5-1wt％的硅，蚀刻所述第一金属层和所述第二金属层得到所述IDT电极层。
如前所述的声表面波装置的制作方法，还包括，在所述第二金属层上形成第三金属层，在所述第三金属层上形成第四金属层，所述第三金属层的成份包括钛，所述第三金属层的厚度为2-10nm，所述第四金属层包括97wt％以上的铝，1-2wt％的铜，0.5-1wt％的硅，蚀刻所述第一金属层、所述第二金属层、所述第三金属层和所述第四金属层得到所述IDT电极层，第四金属层的厚度为第二金属层的厚度的10倍以上。
其中，所述第二金属层在所述压电基体上的正投影面积小于所述第一金属层在所述压电基体上的正投影面积，所述第三金属层在所述压电基体上的正投影面积小于所述第二金属层在所述压电基体上的正投影面积，所述第四金属层在所述压电基体上的正投影面积小于所述第三金属层在所述压电基体上的正投影面积，所述第一金属层、所述第二金属层、所述第三金属层和所述第四金属层远离所述压电基体的表面的面积小于靠近所述压电基体的表面的面积。
其中，在所述第一热处理之后，以每分钟5-10℃的速度将所述IDT电极从第一热处理温度冷却到第二热处理温度，进行所述第二热处理。
其中，所述第一金属层中金属钛的含量在98wt％以上，所述第一金属层还包括选自Al、Si、Mg中的一种或一种以上的金属。
其中，采用原子层沉积技术或电子束蒸镀技术形成所述第一金属层，所述第一金属层为单晶金属层。
其中，形成所述第二金属层包括采用铝硅铜合金靶，利用溅射方法形成所述第二金属层，所述第二金属层具有(111)取向。
其中，在所述压电基体上形成IDT电极还包括在所述压电基体上形成凹槽，在所述凹槽中形成所述IDT电极，所述凹槽的深度小于或等于所述IDT电极的厚度。
其中，还包括形成所述IDT电极之前，在所述压电基体上形成第一介质层，在所述介质层中形成凹槽，暴露出所述压电基体，在所述第一介质层的凹槽中形成所述IDT电极，所述第一介质层凹槽的深度等于所述IDT电极的厚度。
如前所述的声表面波装置的制作方法，还包括在所述IDT电极上形成第二介质层，所述第二介质层覆盖所述IDT电极和所述第一介质层。
根据本发明的声表面装置制作方法得到的声表面波装置，能够提高铝的抗电迁移能力，在提高所得到的声表面波装置的最大耐受功率之外，还可以提高声表面波装置的耐久性，并且能够兼顾声表面波装置的频率特性，而且该制作方法的制作工序简单，降低成本。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明一实施方式的声表面波装置制作方法的流程示意图。
图2是根据本发明一实施方式的声表面波装置制作方法得到的IDT电极结构示意图。
图3是根据本发明一实施方式的声表面波装置制作方法得到的IDT电极结构示意图。
图4是根据本发明一实施方式的声表面波装置制作方法得到的IDT电极结构示意图。
图5是根据本发明一实施方式的声表面波装置制作方法得到的IDT电极结构示意图。
图6是根据本发明一实施方式的声表面波装置制作方法得到的IDT电极结构示意图。
图7是根据本发明一实施方式的声表面波装置制作方法得到的IDT电极结构示意图。
图8是根据本发明一实施方式的声表面波装置制作方法的过程中得到的压电基板的结构示意图。
图9是根据本发明一实施方式的声表面波装置制作方法得到的IDT电极结构示意图。
图10是根据本发明一实施方式的声表面波装置制作方法的过程中得到的压电基板的结构示意图。
图11是根据本发明一实施方式的声表面波装置制作方法得到的IDT电极结构示意图。
图12是根据本发明一实施方式的声表面波装置制作方法得到的IDT电极结构示意图。
具体实施方式
为了可以更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
具体实施方式：
(1)实施例一
本实施例提供一种声表面波装置的制作方法，如图1所示，该方法包括以下步骤。
首先，提供压电基体，压电基体可以是石英(SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)等压电晶体，也可以包括玻璃或硅衬底和在玻璃或硅衬底上形成的压电薄膜。
然后，如步骤S1，在所述压电基体101上形成IDT电极102，所述IDT电极包括设置在所述压电基体上的第一金属层102-1和设置在所述第一金属层上的第二金属层102-2，所述第一金属层的成份包括钛，所述第二金属层的成分包括铝，形成的IDT电极如图2所示，形成IDT电极102的第一金属层102-1和第二金属层102-2的工艺可以包括原子层沉积、电子束蒸发、高真空溅射镀膜等方式，本发明不限于此。
接着如步骤S2，对所述IDT电极进行第一热处理，第一热处理包括在600-650℃下处理15-30分钟，处理后的IDT电极如图3所示，在所述第一金属102-1和第二金属层102-2之间形成钛铝金属间化合物102-3。
通过对IDT电极进行短时间高温热处理，使得钛层和铝层的交界处形成一层比较薄的金属间化合物，金属间化合物性质稳定，可以阻止铝向钛层的扩散，阻止铝的迁移，提高电极薄膜的寿命，并且提高电极薄膜与压电基体的附着力，提高声表面装置的耐久性。
在进行第一热处理之后，如步骤S3，对IDT电极进行第二热处理，第二热处理包括在200-300℃下处理1-5小时。
在进行了短时高温的热处理之后，将温度降低到200-300℃下，处理1-5小时，有利于使得铝层形成强(111)织构，具有强(111)织构的铝层不仅功率承受力好，而且有利于表面声波的传输。
在一实施方式中，在所述第一热处理之后，以每分钟5-10℃的速度将所述IDT电极从第一热处理温度冷却到第二热处理温度，进行所述第二热处理。以比较快的速度将IDT电极降温，可以减少高温对铝层织构的破坏，同时也能够促进钛层和铝层界面处金属间化合物的稳定，提高所得到的声表面波装置的耐受功率和耐久性。
(2)实施例二
本实施例提供一种声表面波装置的制作方法，该制作方法中的步骤S2和S3与实施例一相同，本实施例具体对步骤S1进行进一步的描述。
在步骤S1中，在压电基体101上形成IDT电极102，具体的步骤是首先采用电子束蒸镀方式或者原子层沉积技术在压电基体101上形成2-10nm的第一金属层102-1，也就是钛层，以金属钛为缓冲层有利于使得在设置在其上的第一金属层Al薄膜形成强的Al(111)织构，增强Al薄膜的耐功率承受力，降低Al薄膜的电阻率，尤其是生长厚度较薄的钛层，尤其是2-5nm更加有利于后续在其上形成的Al薄膜形成强(111)织构。
所述第一金属层102-1中金属钛的含量在98wt％以上，第一金属层还包括选自Al、Si、Mg中的一种或一种以上的金属，所述第一金属层为单晶金属层。
接着采用电子束蒸镀或者高真空溅射镀膜的方式在第一金属层102-1上形成第二金属层102-2，第二金属层102包括铝，包括97wt％以上的铝，1-2wt％的铜，0.5-1wt％的硅，第二金属层102的厚度可以为50-150nm，所述第二金属层具有(111)取向。
在铝层中加入微量的合金元素，例如高熔点的铜和硅，一方面能够提高铝的抗电迁移性能，从而提高铝薄膜的微结构和性能，另一方面能够提高铝薄膜的熔点，可以在后续热处理时经受高温热处理而不变形。
具体的制备工艺以采用高真空溅射镀膜方式为例，可以采用事先确定好配比的铝硅铜合金靶材，在高真空下采用加速的Ar离子轰击铝硅铜合金靶材，在第一金属层102-1上形成固定配比的薄膜。采用铝硅铜合金靶材的优势在于能够保持工艺的稳定性，保持每层铝硅铜合金薄膜的成分固定。
接着对形成的第一金属层和第二金属层进行刻蚀处理，形成IDT电极，得到的IDT电极如图2所示。
(3)实施例三
本实施例提供一种声表面波装置的制作方法，该制作方法中的步骤S2和S3与实施例一相同，本实施例具体对步骤S1进行进一步的描述。
在步骤S1中，首先采用电子束蒸镀方式或者原子层沉积技术在压电基体101上形成2-10nm的第一金属层102-1，也就是钛层。第一金属层102-1中金属钛的含量在98wt％以上，第一金属层还包括选自Al、Si、Mg中的一种或一种以上的金属，所述第一金属层为单晶金属层。
接着采用电子束蒸镀或者高真空溅射镀膜的方式在第一金属层102-1上形成第二金属层102-2，第二金属层102包括铝，具体包括97wt％以上的铝，1-2wt％的铜，0.5-1wt％的硅，所述第二金属层具有(111)取向。
然后在第二金属层102上继续形成第三金属层102-3，第三金属层的成份包括钛，厚度为2-10nm，第三金属层的成分与厚度可以与第一金属层相同。
之后，在第三金属层102-3上进一步形成第四金属层102-4，第四金属层102-4具体包括97wt％以上的铝，1-2wt％的铜，0.5-1wt％的硅。第四金属层的成分与厚度可以与第一金属层相同，例如在80-120nm的范围内，第四金属层的厚度为第二金属层的厚度的10倍以上。
接着对形成的第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层进行刻蚀处理，形成IDT电极，得到的IDT电极如图4所示。
接着在步骤S2中，对所述IDT电极进行第一热处理，第一热处理包括在600-650℃下处理15-30分钟，处理后的IDT电极如图5所示，在所述第一金属层102-1和第二金属层102-2之间形成钛铝金属间化合物102-10。在所述第二金属102-2和第三金属层102-3之间形成钛铝金属间化合物102-20。在所述第三金属102-3和第四金属层102-4之间形成钛铝金属间化合物102-30。
采用四层的电极结构并具体设计每层的厚度，能够使IDT电极层具有较好的抗应力迁移能力和低电阻的性能，提升声表面波装置的功率耐受性能。
此外，通过对IDT电极进行短时间高温的热处理，使得钛层和铝层的交界处形成一层比较薄的金属间化合物，金属间化合物性质稳定，可以阻止铝向钛层的扩散，阻止铝的迁移，提高电极薄膜的寿命，并且提高电极薄膜与压电基体的附着力，提高声表面装置的耐久性。
在进行第一热处理之后，如步骤S3，对IDT电极进行第二热处理，第二热处理包括在200-300℃下处理1-5小时。
在进行了短时高温的热处理之后，将温度降低到200-300℃下，处理1-5小时，有利于强化第二金属层和第四金属层的(111)织构，使得铝层形成强(111)织构，具有强(111)织构的铝层不仅功率承受力好，而且有利于表面声波的传输。
(4)实施例四
本实施例提供一种声表面波装置的制作方法，该制作方法中的步骤S2和S3与实施例三相同，本实施例具体对步骤S1进行进一步的描述。
在步骤S1中，首先采用电子束蒸镀方式或者原子层沉积技术在压电基体101上形成2-10nm的第一金属层102-1，也就是钛层。第一金属层102-1中金属钛的含量在98wt％以上，第一金属层还包括选自Al、Si、Mg中的一种或一种以上的金属。
接着采用电子束蒸镀或者高真空溅射镀膜的方式在第一金属层102-1上形成第二金属层102-2，第二金属层102包括铝，具体包括97wt％以上的铝，1-2wt％的铜，0.5-1wt％的硅。
然后在第二金属层102上继续形成第三金属层102-3，第三金属层的成份包括钛，厚度为2-10nm，第三金属层的成分与厚度可以与第一金属层相同。
之后，在第三金属层102-3上进一步形成第四金属层102-4，第四金属层102-4具体包括97wt％以上的铝，1-2wt％的铜，0.5-1wt％的硅。第四金属层的成分与厚度可以与第一金属层相同，例如在80-120nm的范围内。
接着对形成的第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层进行刻蚀处理，形成IDT电极。在刻蚀处理过程中使得IDT电极的侧面为倾斜面，将IDT电极设置成梯形结构，也就是第二金属层在压电基体上的正投影面积小于第一金属层在压电基体上的正投影面积，第三金属层在压电基体上的正投影面积小于第二金属层在压电基体上的正投影面积，第四金属层在压电基体上的正投影面积小于第三金属层在压电基体上的正投影面积，第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层远离压电基体的表面的面积小于靠近所述压电基体的表面的面积，得到的IDT电极如图6所示。
接着在步骤S2中，对所述IDT电极进行第一热处理，第一热处理包括在600-650℃下处理15-30分钟，处理后的IDT电极如图7所示，在所述第一金属层102-1和第二金属层102-2之间形成钛铝金属间化合物102-10。在所述第二金属102-2和第三金属层102-3之间形成钛铝金属间化合物102-20。在所述第三金属102-3和第四金属层102-4之间形成钛铝金属间化合物102-30。
通过将IDT电极设置成梯形结构，减小传播频率的分散，得到理想的频率特性，并且梯形电极能够释放电极指和压电衬底之间的应力，提高声表面波装置的寿命。
此外，通过对IDT电极进行短时间高温的热处理，使得钛层和铝层的交界处形成一层比较薄的金属间化合物，金属间化合物性质稳定，可以阻止铝向钛层的扩散，阻止铝的迁移，提高电极薄膜的寿命，并且提高电极薄膜与压电基体的附着力，提高声表面装置的耐久性。
在进行第一热处理之后，如步骤S3，对IDT电极进行第二热处理，第二热处理包括在200-300℃下处理1-5小时。
在进行了短时高温的热处理之后，将温度降低到200-300℃下，处理1-5小时，有利于使得铝层形成强(111)织构，具有强(111)织构的铝层不仅功率承受力好，而且有利于表面声波的传输。
(5)实施例五
本实施例提供一种声表面波装置的制作方法，该制作方法中的步骤S2和S3与实施例一相同，本实施例具体对步骤S1进行进一步的描述。
在步骤S1中，在形成IDT电极102之前，如图8所示，在压电基体101中形成凹槽105，凹槽105的深度h1大于或者等于IDT电极102的厚度。
然后如图9所示，在凹槽105中形成IDT电极102，形成IDT电极的步骤和方法与实施例二、三和四相同。图8示出的仅为一种示例，IDT电极102也可以为实施例三中的四层金属层结构或者实施例四中的梯形结构。
在形成IDT电极102之后对IDT电极进行第一热处理和第二热处理，在钛层与铝层的界面处形成金属间化合物，并且在铝层中形成强(111)织构。处理后的电极形状与图3、图5或图7相同，这里不再赘述。
(6)实施例六
本实施例提供一种声表面波装置的制作方法，该制作方法中的步骤S2和S3与实施例一相同，本实施例具体对步骤S1进行进一步的描述。
在步骤S1中，在形成IDT电极102之前，如图10所示，在压电基体101上形成第一介质层106，然后在介质层106中形成凹槽107，凹槽107的深度h2大于或者等于IDT电极102的厚度。
然后，如图11所示，在凹槽105中形成IDT电极102，形成IDT电极的步骤和方法与实施例二、三和四相同。图11示出的仅为一种示例，IDT电极102也可以为实施例三中的四层金属层结构或者实施例四中的梯形结构。
第一介质层106的成分为二氧化硅，其厚度为300-500nm，第一介质层起到温度补偿的作用，并且将IDT电极容置在其沟槽中，可以增加IDT电极与压电基板的机电耦合系数，并且有利于对IDT电极的保护，提高表面波装置的工艺良率。
在形成IDT电极102之后对IDT电极进行第一热处理和第二热处理，在钛层与铝层的界面处形成金属间化合物，并且在铝层中形成强(111)织构。处理后的电极形状与图3、图5或图7相同，这里不再赘述。
(7)实施例七
本实施例提供一种声表面波装置的制作方法，该制作方法中的步骤S2和S3与实施例一相同，本实施例具体对步骤S1进行进一步的描述。
在步骤S1中，在形成IDT电极102之前，在压电基体101上形成第一介质层106，然后在介质层106中形成凹槽107，凹槽107的深度h2大于或者等于IDT电极102的厚度，第一介质层106的成分为二氧化硅，其厚度为300-500nm。
然后如图12所示，在凹槽105中形成IDT电极102，形成IDT电极的步骤和方法与实施例二、三和四相同。图12示出的仅为一种示例，IDT电极102也可以为实施例三中的四层金属层结构或者实施例四中的梯形结构。然后在IDT电极102上形成第二介质层108，第二介质层108的成分为二氧化硅或氮化硅，其厚度为800-1000nm。
形成第二介质层108的工艺可以采用溅射平坦化的工艺，第二介质层起到温度补偿作用并且能够使得表面波装置的表面平坦。
在形成IDT电极102和第二介电层之后对IDT电极和第二节点层进行第一热处理和第二热处理，在钛层与铝层的界面处形成金属间化合物，并且在铝层中形成强(111)织构。处理后的IDT电极结构与图3、图5或图7相同，这里不再赘述。
根据本发明的声表面装置制作方法得到的声表面波装置，能够提高铝的抗电迁移能力，在提高所得到的声表面波装置的最大耐受功率之外，还可以提高声表面波装置的耐久性，并且能够兼顾声表面波装置的频率特性，而且制作工序简单，降低成本。
在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”表示两个或两个以上。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种声表面波装置的制作方法，包括：
提供压电基体，
在所述压电基体上形成IDT电极，所述IDT电极包括设置在所述压电基体上的第一金属层和设置在所述第一金属层上的第二金属层，所述第一金属层的成份包括钛，所述第二金属层的成分包括铝，
对所述IDT电极进行热处理包括以下步骤：
第一热处理，在600-650℃下处理15-30分钟，在所述第一金属层和第二金属层之间形成钛铝金属间化合物；
第二热处理，在200-300℃下处理1-5小时；
其中，采用原子层沉积技术或电子束蒸镀技术形成所述第一金属层，所述第一金属层为单晶金属层；
形成所述第二金属层包括利用溅射方法形成所述第二金属层，所述第二金属层具有(111)取向。
2.根据权利要求1所述的声表面波装置的制作方法，其中，在所述压电基体上形成IDT电极包括在所述压电基体上形成2-10nm厚的第一金属层，在所述第一金属层上形成所述第二金属层，所述第二金属层包括97wt％以上的铝，1-2wt％的铜，0.5-1wt％的硅，蚀刻所述第一金属层和所述第二金属层得到所述IDT电极层。
3.根据权利要求2所述的声表面波装置的制作方法，还包括，在所述第二金属层上形成第三金属层，在所述第三金属层上形成第四金属层，所述第三金属层的成份包括钛，所述第三金属层的厚度为2-10nm，所述第四金属层包括97wt％以上的铝，1-2wt％的铜，0.5-1wt％的硅，蚀刻所述第一金属层、所述第二金属层、所述第三金属层和所述第四金属层得到所述IDT电极层，第四金属层的厚度为第二金属层的厚度的10倍以上。
4.如权利要求3中所述的声表面波装置的制作方法，其中，
所述第二金属层在所述压电基体上的正投影面积小于所述第一金属层在所述压电基体上的正投影面积，所述第三金属层在所述压电基体上的正投影面积小于所述第二金属层在所述压电基体上的正投影面积，所述第四金属层在所述压电基体上的正投影面积小于所述第三金属层在所述压电基体上的正投影面积，
所述第一金属层、所述第二金属层、所述第三金属层和所述第四金属层远离所述压电基体的表面的面积小于靠近所述压电基体的表面的面积。
5.根据权利要求1-4中任一所述的声表面波装置的制作方法，其中，在所述第一热处理之后，以每分钟5-10℃的速度将所述IDT电极从第一热处理温度冷却到第二热处理温度，进行所述第二热处理。
6.根据权利要求1-4中任一所述声表面波装置的制作方法，其中，所述第一金属层中金属钛的含量在98wt％以上，所述第一金属层还包括选自Al、Si、Mg中的一种或一种以上的金属。
7.根据权利要求2-4中任一所述的声表面波装置的制作方法，其中，形成所述第二金属层包括采用铝硅铜合金靶。
8.根据权利要求1-4中任一所述的声表面波装置的制作方法，其中在所述压电基体上形成IDT电极还包括在所述压电基体上形成凹槽，在所述凹槽中形成所述IDT电极，所述凹槽的深度小于或等于所述IDT电极的厚度。
9.根据权利要求1-4中任一所述的声表面波装置的制作方法，还包括形成所述IDT电极之前，在所述压电基体上形成第一介质层，在所述介质层中形成凹槽，暴露出所述压电基体，在所述第一介质层的凹槽中形成所述IDT电极，所述第一介质层凹槽的深度等于所述IDT电极的厚度。
10.根据权利要求9所述的声表面波装置的制作方法，还包括在所述IDT电极上形成第二介质层，所述第二介质层覆盖所述IDT电极和所述第一介质层。
11.一种声表面波装置，根据权利要求1-10中任一所述的声表面波装置的制作方法。
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