CN1705225A - 表面声波器件 - Google Patents

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Abstract

表面声波器件。一种表面声波器件，包括具有双层结构电极的至少一个交叉指型转换器，在该双层结构中层叠有上层膜和底层膜。其中，所述上层膜具有主要成分Al以及添加到该主要成分中的第一金属Ti。所述底层膜具有主要成分Ti。

Description

表面声波器件
技术领域
本发明总体上涉及表面声波器件技术，更具体地，涉及能够增加耐功率性、降低电阻并降低表面声波器件双工器的成本的技术。
背景技术
以表面声波(下文中称为SAW)滤波器为代表的表面声波器件被广泛用于如移动电话等的移动通信设备。具体地，近年来，为了使移动通信设备更小更薄，天线双工器上的介电元件越来越多地被SAW器件取代。天线双工器用于分离发送信号与接收信号。由于对天线双工器施加了大功率，所以认为在天线双工器中使用的SAW器件必须具有高耐功率性。已进行了开发来增强SAW器件的耐功率性。
如果将过大的功率施加到用于激励或接收表面声波的叉指型换能器(IDT)上，则将在IDT的电极中引起应力迁移和电子迁移。取决于电极材料的迁移损坏了电极。这降低了SAW器件的特性。因此，可以说，SAW器件的耐功率性极大地取决于IDT中电极的材料。在上述背景下，积极进行了用于SAW器件的电极材料的开发。
根据常规电极材料的开发原理，将其开发结果分类如下。在第一种方法中，将铝(Al)以外的金属添加到电极材料铝中，以增加电极材料的强度(参照日本特开昭62-163408号公报和日本特开昭64-80113号公报)。在这种方法中，将能够提高抗迁移特性(耐功率性)的金属元素(例如Cu、Ti、Ni、Mg、Pd等)添加到主电极材料Al中，以增强电极材料的强度。
在第二种方法中，减小作为电极材料的Al的晶粒大小，以产生大量的晶粒边界从而可以在结构上减少施加到电极上的应力(参照日本特开平8-32404号公报和日本特开平8-148966号公报)。在这种方法中，将两种或三种给定的元素添加到主电极材料Al中，以减少晶粒的大小，并产生大量的晶粒边界从而可以分散应力以提高耐功率性。
在第三种方法中，采用在薄的底层膜上设置具有Al电极层的双层结构，从而可使Al电极层的结晶取向在一个方向上，或采用单晶Al。因此增强了电极的机械强度(参照日本特开平5-90268号公报、日本特开平10-93368号公报和国际公报WO 99/16168)。具体地，在压电基板上形成Ti或Cr薄膜，随后将Al(其为主电极材料)电极层形成为使其朝向特定的晶体取向，以增强Al电极层的耐功率性。
在第四种方法中，将电极配置为采用具有三层或更多层的层叠结构，以增强电极的强度(参照日本特开平4-288718号公报、日本特开平9-223944号公报、日本特开平7-122961号公报、美国专利No.5909156、再发行专利No.38278以及再发行专利No.38002)。具体地，采用具有三层或更多层的多层电极结构，包括底层膜、主要成分为Al的膜和Al之外的金属膜。由此提高了机械强度。
然而，利用上述第一到第四种方法难于满足当前SAW器件的特性需求(主要有三点：增强耐功率性、降低电阻和减少成本)。下面说明其原因。SAW器件的常规频段主要在800MHz到1GHz。然而，近来主要使用1.8到2GHz的频段。这意味着近来频段几乎加倍。这使得IDT电极指宽度及电极指之间的间隙缩短到常规的一半或更少，并将电极膜的厚度减少到一半或更少。随着电极指变得更小，耐功率性变差。因此不得不增强电极材料自身的耐功率性。另外，将电极指宽度和电极膜的厚度分别减到一半或更少，结果电极的横截面积变为四分之一或更少，相应地，其电阻增加四倍或更多。如果电阻增加，则SAW器件的通带特性下降。因此，需要尽量避免电阻的增加。此外，移动通信设备的普及促使必须降低成本，因此必须降低SAW器件的成本。这里，将说明对上述第一到第四种方法是否能够满足上述需求所进行的研究。
首先，在第一和第二种方法中电极具有单层结构。为了获得足够的耐功率性，必须向主电极材料Al中添加相当量的Al以外的金属元素。然而，如此添加的金属元素导致了电阻的增加。
另外，至于第三种方法，仅通过在相当薄的底层膜上提供具有高配向性的Al薄膜无法获得足够的耐功率性。如日本特开2002-368568号公报中所描述的，只有通过被形成为相对于整个电极具有高膜厚比的较厚底层膜才能满足特性需求。然而经常用作底层膜的Ti的电阻率几乎比主电极材料Al的电阻率高20倍。如果Ti底层膜较厚，则电极的电阻将增加。
此外，第四种方法采用具有三层或更多层的多层结构，这使电极形成工艺(例如成膜和蚀刻)复杂化，并增加了成本。此外，具有较低电阻的主电极材料Al的比率下降，这增加了电极的电阻。
如上所述，利用常规技术难于提供能够同时满足增加耐功率性、降低电阻并降低成本这些需求的SAW器件。
发明内容
鉴于上述情况做出本发明，本发明提供了具有能够同时增强耐功率性、降低电阻并降低成本的电极结构的表面声波器件。
根据本发明的一个方面，优选地，提供了一种表面声波器件，包括：至少一个叉指换能器，其具有双层结构的电极，在该双层结构中层叠有上层膜和底层膜，上层膜的主要成分为Al和被添加到该主要成分中的第一金属Ti，底层膜的主要成分为Ti。
根据本发明的另一方面，提供了一种可以包括上述表面声波器件的表面声波双工器。
附图说明
下面将参照附图详细描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1的视图示出了根据本发明的SAW器件中提供的电极的结构；
图2示出了在发送侧和接收侧中都使用梯型SAW滤波器的双工器；
图3示出了具有梯型SAW滤波器和纵向耦合双模SAW滤波器的双工器；
图4示出了一双工器，其被配置为使得图3所示的双工器中的接收滤波器可以用作均衡(微分)输出滤波器；
图5的曲线图示出了当将Ti或Cu添加到上层膜的主电极材料Al中时该电极的电阻率如何变化；
图6的曲线图示出了对于在通带为1.8到2GHz的SAW器件中使用的电极的上层膜中所包含的几种不同浓度的Ti，作为Ti底层膜厚度的函数的电阻率的变化，其中，当该电极为单层Al时其厚度为180nm；
图7的曲线图示出了对于在通带为0.8到1GHz的SAW器件中使用的电极的上层膜中所包含的几种不同浓度的Ti，作为Ti底层膜厚度的函数的电阻率的变化，其中，当该电极为单层Al时其厚度为430nm；
图8的曲线图示出了根据本发明第一实施例的具有四级的梯型SAW滤波器的耐功率性的评估结果；
图9的曲线图示出了根据本发明第二实施例的具有四级的梯型SAW滤波器的耐功率性的评估结果；
图10A和图10B是示出了两种梯型SAW滤波器中所包含的电极的横截面的透射电子显微镜图像；
图11的曲线图示出了根据本发明第三实施例的具有四级的多模SAW滤波器的耐功率性的评估结果；以及
图12的曲线图示出了根据本发明第四实施例的具有四级的梯型SAW滤波器的耐功率性的评估结果。
具体实施方式
下面将参照附图说明本发明的实施例。将根据本发明的SAW器件安装在陶瓷封装等上，并且该器件和该封装通过导线或凸点相连。前述封装可以由陶瓷之外的材料制成，并可以由塑胶密封，以确保在该器件的表面上形成空间。前述器件可以被封装为单个单元，或可以与其它离散部件一起安装在模块基板上。
图1的视图示出了根据本发明的SAW器件中所提供的电极的示例性结构。电极10具有双层结构，其中Ti底层膜12和Al-Ti上层膜13依次层叠在压电基板11上。上层膜13(Al-Ti)具有这样的成分：将Ti(第一金属)添加到主电极材料Al中。此处，将给出为何本发明采用双层结构的原因。双层结构被认为是上述第一到第四种方法中最适合于满足增加耐功率性、降低电阻和降低成本所有这些要求的结构。这是因为在第一和第二种方法的单层结构中，必须向主电极材料A1中添加相当多的添加物来获得足够的耐功率性。这导致了电阻的增加。如果如第四种方法所述，采用至少具有三层的多层结构，则电极膜的成膜工艺和刻蚀工艺被分别执行与层数相等的次数。这使得制造工艺复杂化。另外，调整各层的厚度需要精确的控制，这导致生产率的下降。因此其被认为难于降低成本。然而，如上所述，即使结构仅仅是双层的，仍难于同时满足上述三个要求。
根据本发明，电极10具有双层结构。依次层叠Ti底层膜12和Al-Ti上层膜13。将Ti添加到上层膜13的主电极材料Al中。要添加到Al(即上层膜13的主电极成分)中的金属与构成底层膜12的元素相同。
常规地，众所周知，上层膜是通过将几种重量百分比的Cu添加到主电极材料Al中形成的(例如，如日本特开2002-368568号公报中所描述的)。通常，难于使用RIE(反应离子刻蚀)对Cu进行刻蚀。因此，需要对于包括几种重量百分比的Cu的Al-Cu上层膜，采用与Ti底层膜的RIE条件不同的RIE条件。这使制造工艺复杂化。
相反，如果通过向主电极材料Al中增加Ti(其也是底层膜12的成份或主电极材料)来形成上层膜13，则可以利用氯气通过RIE对Al和Ti两者进行刻蚀。因此，可以使用连续的一次RIE来形成由Ti底层膜12和Al-Ti上层膜13组成的双层结构的电极指，而无需改变RIE条件。因此，与通过向主电极材料Al中添加诸如Cu的金属元素来形成上层膜的常规的电极生产相反，其可以降低成本。在常规电极中，所添加的金属元素与下层膜的构成元素Ti不同。图2到图4示出了包括配有IDT的滤波器的双工器，其中提供了上述电极(电极指)。
图2示出了在发送系统和接收系统中都设置梯型SAW滤波器的双工器。各梯型滤波器由谐振器20构成，各谐振器20是单端口SAW谐振器，并由IDT 21以及设置在IDT 21两侧的反射器组成。
如图3所示的双工器包括梯型SAW滤波器32和纵向耦合双模SAW滤波器33。梯型SAW滤波器32是双工器的发送滤波器，纵向耦合双模SAW滤波器33是双工器的接收滤波器。滤波器32和33具有不同的中心频率。梯型SAW滤波器32的一端与公共端子相连接，而其另一端与发送端子相连接。以相同的方式，纵向耦合双模SAW滤波器33的一端通过匹配电路连接到公共端子，而其另一端连接到接收端子。此处，发送滤波器是梯型SAW滤波器32，其中多个单端口谐振器20以梯型连接，而接收滤波器由纵向耦合双模SAW滤波器33组成。此处，梯型SAW滤波器32是发送滤波器而纵向耦合双模SAW滤波器33是接收滤波器。接收滤波器33包括并联连接的多个双模SAW滤波器(两个双模SAW滤波器34和35，下文中称为DMS(双模SAW)滤波器)。各DMS滤波器34和35包括三个叉指换能器(下文中称为IDT)36、37、38以及两个反射器39和40。为了简化，在DMS滤波器35中省略了附图标记。IDT36、37和38沿传播方向相邻布置。反射器39和40是栅状反射器，分别靠近IDT 37和38而设置。以与DMS滤波器34相同的方式布置DMS滤波器35。如下来并联连接该两个滤波器34和35。将DMS滤波器34中的IDT 36的一个梳状电极和DMS滤波器35中的IDT 36的一个梳状电极共同连接，并将它们连接到该匹配电路的一端。DMS滤波器34和35的IDT 36的其它梳状电极接地。DMS滤波器34中的IDT 37的一个梳状电极和IDT 38的一个梳状电极共同连接，并且还将它们与DMS滤波器35中的与IDT 38的一个梳状电极连接的IDT 37的一个梳状电极连接，随后将它们共同连接到接收端，DMS滤波器34和35中的IDT 37和IDT38的其它梳状电极接地。
图4所示的双工器被配置为使得图3所示的双工器中的滤波器33可被用作均衡(微分)输出滤波器。在图4中该滤波器被示为接收滤波器45。此处，如图4所示，在DMS滤波器34和35中，图3中的IDT 37的接地梳状电极相互连接，并且还连接到新提供的接收端子46。通过接收端子46和另一接收端子47可以获得均衡输出。
本发明人所进行的实验的结果表明，与常规的Al-Cu/Ti双层电极结构相比，如果采用具有Ti底层膜12的双层电极结构，通过在上层膜13的主电极材料Al中添加少量Ti，可以显著地增强耐功率性。常规的Al-Cu/Ti双层电极结构包括Al-Cu上层膜，其中在Al中添加了Cu。在本发明人进行的实验中，在本发明的电极结构和常规的电极结构中，Ti底层膜与整个电极结构的厚度比率都被设置为等于整个膜厚的24％。常规电极的上层膜的组成为Al-0.5wt％Cu。该Al-Ti上层膜的组成为Al-0.5wt％Ti。通过这种方式，这两种电极结构的上层膜具有基本相同的电阻。
分别使用上述两种不同的电极来制备四级且通带为1.9GHz的两种梯型SAW滤波器。随后评估这些SAW滤波器的耐功率性。以这样的方式评估耐功率性：在85℃的环境温度下，将1.2W的功率(行波)施加到3.5dB通带的高频沿，测量直到3.5dB通带宽度被减小5％时的寿命。评估结果表明根据本发明的具有Al-0.15wt％Ti/Ti双层电极的梯型SAW滤波器的寿命等于或长于具有Al-0.5wt％Cu/Ti双层电极的常规梯型SAW滤波器的寿命的5倍。换句话说，这证实了虽然在上层膜的主要成分Al中添加的Ti的添加量最多仅是常规电极中Cu的添加量的三分之一，仍可获得等于或大于5倍的耐功率性。此外，评估结果表明通过向具有Ti底层膜的双层结构中的Al上层膜添加Ti来增强耐功率性是非常有效的。表明了通过增加Ti来增强耐功率性的实验结果与常规单层电极结构的耐功率性的测试结果(参照日本特开平6-6173号公报中的表1)相反。也就是说，上述事实是由本发明人首次发现的。然而，应注意，如果添加到Al中的Ti过多，则电极的电阻会显著增加。
图5的曲线图示出了当将Ti或Cu添加到上层膜的主电极材料Al中时，电极的电阻率如何改变。此处，电极具有双层结构，Ti底层膜的厚度是整体厚度的24％。如该曲线图所示，与添加Cu时相比，当添加Ti时，电极的电阻率的增加率非常高。即使添加少量的Ti，电极的电阻率也会显著增加。然而，如上所述，如果电极具有包括Ti底层膜和Al-Ti上层膜的双层结构，则通过添加最多仅是要添加的Cu的三分之一那么多的Ti，耐功率性即可增加5倍或更多。也就是说，与使用Cu所获得的耐功率性相比较，使用Ti将耐功率性提高了15倍或更多，因此，仅添加少量的Ti就足够了，并且通过适当地选择添加量(及厚度)可以避免电阻率增加的缺点。本发明人发现如果将要在上层膜中的主电极材料Al中添加的Ti的浓度设定为0.4wt％，则电极的电阻率可以降低到最多10μΩ·cm。
图6的曲线图示出了对于在通带为1.8到2GHz的SAW器件中使用的电极的上层膜中所包含的几种不同浓度的Ti，作为Ti底层膜厚度的函数的电阻率的变化。当该电极为单层Al时其厚度为180nm。当底层膜的厚度改变时，为了保持整个电极的质量恒定，上层膜的厚度也要改变。此处，优选地，电极具有最多10μΩ·cm的电阻率以制造出良好的SAW器件。此外，如果Ti底层膜的厚度与电极的整个厚度比率被限制在最多50％以使Al成为整个电极的主要成分，则如图6所示，Ti的浓度必须至多为0.4wt％。
图7的曲线图示出了对于在通带为1.8到2GHz的SAW器件中使用的电极的上层膜中所包含的几种不同浓度的Ti，作为Ti底层膜厚度的函数的电阻率的变化。当该电极为单层Al时，其厚为430nm。图7示出了如果将Ti的浓度设置为等于0.4wt％或更小，则可以将电阻率降低到10μΩ·cm或更低。也就是说，如果在上层膜中Ti的浓度最多为0.4wt％，则可以制造出具有良好耐功率性和低电阻的SAW器件。只要在上述条件下制造SAW器件，则无需如日本特开平5-206776号公报中所描述的，通过退火处理来降低电阻。因此可以低成本地降低电极的电阻。
此外，根据本发明人进行的实验，Ti(第一金属)并不是添加到Al上层膜中的唯一金属。除第一金属Ti以外，还可以添加少量的第二金属。本发明人发现如果第二金属的重量百分比为0.5wt％或更小，则可以无需改变RIE条件来形成该电极。也就是说，通过向Al中添加最多0.5wt％的第二金属，可以更为增强耐功率性。作为第二金属，Mg或Cu是有效的，因为当将Mg或Cu添加到Al中时，其可以增强耐功率性而不会显著增加电阻。
此外，如果将要添加到Al中的Ti的浓度以及第二金属的浓度分别设置为0.3wt％或更小，则可以进一步增强耐功率性并可以进一步降低电阻。更优选地，如果添加到上层膜中的Ti的量被设置为0.3wt％或更小，则如图6和图7所示，在Ti底层膜的厚度比率为大致全部0到50％的范围内，电阻率等于10μΩ·cm或更低。这使得在Ti底层膜的厚度比率和添加到上层膜的Ti量方面的设计更加灵活。
下面说明一些实施例。
(第一实施例)
第一实施例是具有四级、1.9GHz通带并采用42°Y切断X传播LiTaO3基板的梯型SAW滤波器。该滤波器的电极具有Al-0.15wt％Ti/Ti的双层结构，并且Ti底层膜具有24％的厚度比率。为了比较，提供了另一种梯型SAW滤波器，其包括具有Al-0.5wt％Cu的上层膜的常规电极。这些滤波器是通过不改变对于上层膜和Ti底层膜的RIE条件，而进行连续的一次RIE处理而制成的。
图8的曲线图示出了上述两种具有4级的梯型SAW滤波器的耐功率性的评估结果。图8的横轴表示施加给3dB通带的高频沿的电功率(W)。纵轴表示3dB的通带宽度由于前述施加的功率而仅降低5％的时间(寿命：h)。如图8所示，与具有常规电极(具有Al-0.5wt％Cu/Ti的双层结构)的常规梯型SAW滤波器相比，根据本实施例的包括具有Al-0.15wt％Ti/Ti的双层结构的电极的四级梯型SAW滤波器在寿面方面约增长了一位数(增加10倍)。因此实现了耐功率性的提高。
(第二实施例)
第二实施例是具有四级、800MHz通带并采用42°Y切断X传播LiTaO3基板的梯型SAW滤波器。该滤波器的电极具有Al-0.15wt％Ti-0.3wt％Cu/Ti的双层结构，并且Ti底层膜具有42％的厚度比率。为了比较，提供了另一种梯型SAW滤波器，其包括具有Al-0.5wt％Cu的上层膜的常规电极。这些滤波器都通过不改变对于上层膜或Ti底层膜的RIE条件，而进行连续的一次RIE处理制成的。
图9的曲线图示出了上述两种具有4级的梯型SAW滤波器的耐功率性的评估结果。图9的纵轴表示在将功率(行波)施加到3dB通带的高频沿时，3dB的通带宽度仅降低5％的时间(寿命：h)。如图9所示，与具有常规电极(具有Al-0.5wt％Cu/Ti的双层结构)的常规梯型SAW滤波器相比，根据本实施例的包括具有Al-0.15wt％Ti-0.3wt％Cu/Ti的双层结构的电极的四级梯型SAW滤波器具有大约长5倍的寿命(当施加2.0W的功率时)。由此实现了耐功率性的提高。
(第三实施例)
第三实施例是具有四级、1.9GHz通带并采用42°Y切断X传播LiTaO3基板的多模SAW滤波器。该滤波器的电极具有Al-0.15wt％Ti-0.5wt％Cu/Ti的双层结构，并且Ti底层膜具有24％的厚度比率。为了比较，提供了另一种多模SAW滤波器，其包括具有Al-1wt％Cu的上层膜的常规电极。这些滤波器都是通过不改变对于上层膜或Ti底层膜的RIE条件，而进行连续的一次RIE处理而制成的。
图10A和图10B是示出了包括在两种不同的多模SAW滤波器中的电极的横截面的透射电子显微镜图像。更具体地，图10A是根据本发明的本实施例的多模SAW滤波器中包含的具有Al-0.15wt％Ti-0.5wt％Cu/Ti的双层结构的电极的横截TEM图像。图10B是具有Al-1wt％Cu/Ti的双层结构的常规电极的横截TEM图像。
在具有Al-1wt％Cu/Ti的双层结构的常规电极中，具有大量Cu(1wt％)的上层膜和Ti的底层膜的蚀刻率不同。如图10B所示，在上层膜与底层膜之间的界面处有凹下部分。相反地，如图10A所示，在根据本发明的本实施例的具有Al-0.15wt％Ti-0.5wt％Cu/Ti的双层结构的电极的上层膜和底层膜之间的界面处没有凹下部分，该电极具有理想的截面。此外，发现如果添加到上层膜的第二金属Cu为0.5wt％或更小，则可获得没有任何凹下部分的电极的形状。
图11的曲线图示出了上述两种多模SAW滤波器的耐功率性的评估结果。图11的纵轴表示在将0.1W的功率(行波)施加到4dB通带的低频沿，并且所施加的功率每5分钟增加0.05W时，4dB的通带仅降低5％的耐功率性。如图11所示，与具有常规电极(具有Al-1wt％Cu/Ti的上层结构)的常规多模SAW滤波器相比，根据本实施例的包括具有Al-0.15wt％Ti-0.5wt％Cu/Ti的双层结构的电极的多模SAW滤波器具有大约长1.2倍的寿命。因此实现了耐功率性的提高。
(第四实施例)
第四实施例是具有四级、1.9GHz通带并采用42°Y切断X传播LiTaO3基板的梯型SAW滤波器。该滤波器的电极具有Al-0.3wt％Ti/Ti的双层结构，并且Ti底层膜具有12％的厚度比率。为了比较，提供了另一种梯型SAW滤波器，其包括具有Al-0.5wt％Cu的上层膜的常规电极。
图12的曲线图示出了上述两种具有4级的梯型SAW滤波器的耐功率性的评估结果。纵轴表示在对3.5dB通带的高频沿施加功率(行波)时，3.5dB的通带宽度仅降低5％的时间(寿命：h)。如图12所示，与具有常规电极(具有Al-0.5wt％Cu/Ti的上层结构)的常规梯型SAW滤波器相比，根据本实施例的包括具有Al-0.3wt％Ti/Ti的双层结构的电极的四级梯型SAW滤波器在寿面方面增长了一位数(增加了10倍)。因此实现了耐功率性的提高。
因此，可以提供具有能够同时增加耐功率性、降低电阻并降低成本的电极结构的表面声波器件。
本发明不限于上述实施例，可以在不脱离本发明的范围的情况下进行其它实施例、变化和变型。
本发明基于2004年5月31日提交的日本特开2004-162611号公报，这里通过引用将其全部内容并入本文中。

Claims (8)

1、一种表面声波器件，包括：
具有双层结构电极的至少一个叉指换能器，在该双层结构中层叠有上层膜和底层膜，
所述上层膜具有主要成分Al及添加到该主要成分中的第一金属Ti，
所述底层膜具有主要成分Ti。
2、根据权利要求1所述的表面声波器件，其中，所述上层膜中的Ti的浓度为0.4wt％或更小。
3、根据权利要求1所述的表面声波器件，其中，所述上层膜和所述底层膜的组分和厚度使电阻率为10μΩ·cm或更小。
4、根据权利要求1所述的表面声波器件，其中，所述上层膜包括添加于其中的第二金属，所述第二金属为Ti以外的金属，并具有0.5wt％或更小的浓度。
5、根据权利要求4所述的表面声波器件，其中，所述第二金属为Mg或Cu。
6、根据权利要求4所述的表面声波器件，其中，
所述第一金属具有0.3wt％或更小的浓度；并且
所述第二金属具有0.3wt％或更小的浓度。
7、根据权利要求5所述的表面声波器件，其中，
所述第二金属为Cu；
所述第一金属的浓度为0.15wt％；并且
所述第二金属的浓度为0.5wt％。
8、一种包含表面声波器件的表面声波双工器，所述表面声波器件包括：
具有双层结构电极的至少一个叉指换能器，在该双层结构中层叠有上层膜和底层膜，
所述上层膜具有主要成分Al及添加到该主要成分中的第一金属Ti，
所述底层膜具有主要成分Ti。
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