DE10134092B4

DE10134092B4 - Oberflächenwellenbauelement und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE10134092B4
Application number: DE10134092A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Nagaokakyo Inoue; Masanobu Nagaokakyo Watanabe; Osamu Nagaokakyo Nakagawara; Masahiko Nagaokakyo Saeki
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-07-14
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2021-07-14
Also published as: JP3846221B2; US6630767B2; DE10134092A1; US20020008437A1; JP2002305425A

Abstract

Oberflächenwellenbauelement (1) mit folgenden Merkmalen:
einem piezoelektrischen Substrat (2); und
einer Elektrode (3), die auf dem piezoelektrischen Substrat (2) vorgesehen ist; wobei
die Elektrode (3) eine Zwillingskristallstruktur aufweist
und wobei die Zwillinge der Zwillingskristallstruktur in einer erwünschten Richtung ausgerichtet sind, derart, dass eine Normalenrichtung einer (111)-Kristallebene der Zwillinge im wesentlichen mit der Z-Kristallachse des piezoelektrischen Substrats (2) übereinstimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Oberflächenwellenbauelement, wie z. B. einen Oberflächenwellenresonator oder ein Oberflächenwellenfilter, und auf ein Verfahren zum Herstellen desselben, und insbesondere auf die Struktur und ein Verfahren zum Bilden einer Elektrode eines Oberflächenwellenbauelements.
Ein herkömmliches Oberflächenwellenbauelement ist ein Elektronikbauelement, das eine akustische Oberflächenwelle verwendet, und bei dem die Ausbreitung von mechanischer Vibrationsenergie nahe einer Festkörperoberfläche konzentriert ist. Das Oberflächenwellenbauelement umfaßt im allgemeinen ein piezoelektrisches Substrat mit einer Piezoelektrizität, sowie eine Elektrode, wie z. B. eine Interdigitalelektrode und/oder eine Gitterelektrode, die an dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen ist, zum Anlegen eines elektrischen Signals.
Ein derartiges Oberflächenwellenbauelement umfaßt im allgemeinen ein Al-Elektrodenmaterial, das einen niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand und ein niedriges spezifisches Gewicht aufweist, oder eine Al-Legierung, die aus Al als einer Hauptkomponente besteht.
Aluminium weist jedoch einen niedrigen Widerstand gegenüber einer Spannungsmigration auf, wodurch die Versorgung mit einer hohen elektrischen Leistung Hügel bzw. Aufwürfe oder Leerräume in der Elektrode bewirkt, was zu dem Auftreten eines Kurzschlusses oder einer Unterbrechung in der Elektrode führt. Dies führt in vielen Fällen zu Schäden an dem Oberflächenwellenbauelement.
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, ist ein herkömmliches Verfahren in der japanischen ungeprüften Patentanmeldung Nr. 7-162255 (im folgenden "erster Stand der Technik" bezeichnet) offenbart, bei dem die Kristallausrichtung durch die Verwendung eines Innenstrahl-Sputter-Verfahrens als ein Elektrodenbildungsverfahren verbessert wird, um die Leistungsbeständigkeit bzw. -festigkeit zu verbessern. Ein weiteres Verfahren ist in der japanischen ungeprüften Patentanmeldung Nr. 3-48511 (im folgenden "zweiter Stand der Technik" bezeichnet) offenbart, bei dem ein Kristall durch Epitaxieaufwachsen von Al in einer gewünschten Richtung ausgerichtet wird, um die Leistungsbeständigkeit zu verbessern.
Der erste Stand der Technik weist jedoch für eine Anwendung bei einer Radiofrequenz und einer hohen elektrischen Leistung eine nur ungenügende Leistungsbeständigkeit auf.
Der zweite Stand der Technik ist nur bei einem Quarzsubstrat anwendbar und bewirkt so Schwierigkeiten beim Erhalten eines Epitaxiefilms mit einer guten Kristallinität auf einem LiNbO₃- oder LiTaO₃-Substrat, das eine hohe Piezoelektrizität aufweist und sehr verbreitet für ein Filter oder ein anderes piezoelektrisches Bauelement verwendet wird.
EP 0 657 998 A1 lehrt ein Verfahren zum Formen einer Elektrode eines Oberflächenwellenbauelements, das angepasst ist, einen Film eines Elektrodenmaterials auf einem piezoelektrischen Substrat aufzubringen. Der Film des Elektrodenmaterials ist kristallographisch in eine konstante Richtung orientiert sein. Bei der Bildung des Films des Elektrodenmaterials wird auf die Verwendung von Ionen mit einer vorgeschriebenen Innenenergie zurückgegriffen. Der Prozess des Bildens des Films kann dabei ein Verfahren wie beispielsweise Aufdampfen, Sputtern, Innenstrahl-Sputtern, Abscheiden von Material aus einer Gasphase (CVD = chemical vapor deposition), Abscheiden aus einer Plasma-Gasphase (Plasma CVD), eine Molekularstrahl-Epitaxie (MBE = molecular beam epitaxy), oder eine Laser-Ablation umfassen.
JP 11-256336 A lehrt ein Titan-Carbonitrid überzogenes Werkzeug, bei dem die Oberfläche eines Substrats mit zumindest einer Art eines einlagigen Films oder zwei Arten von Multilagenfilmen, wobei zumindest eine Schicht aus Carbid, Nitrid, Carbonitrid, Carbooxid, Nitrogenoxid und Carbonitroxid ist. Zumindest eine Lage des mehrlagigen Films ist aus Titan-Carbonitrid zusammengesetzt. In diesem Fall hat die Titan-Carbonitridschicht Kristallkörner, die eine Zwillingskristallstruktur aufweisen. Hierdurch ist es möglich, die Schnittfestigkeit und die Festigkeit der Korngrenzen sowie die Haftfähigkeit des Materials in metallurgischen Anwendungen zu verbessern.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Oberflächenwellenbauelement zu schaffen, das nicht den oben genannten Einschränkungen unterliegt.
Diese Aufgabe wird durch ein Oberflächenwellenbauelement gemäß den Ansprüchen 1 und 6 gelöst.
Um die oben beschriebenen Probleme zu überwinden, liefern bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ein Oberflächenwellenbauelement, das ein piezoelektrisches Substrat und eine Elektrode umfaßt, die auf dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen ist, wobei die Elektrode eine Zwillingskristallstruktur aufweist.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung liefern außerdem ein Oberflächenwellenbauelement, das ein piezoelektrisches Substrat und eine Elektrode umfaßt, die auf dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen ist, wobei die Elektrode Al oder eine Al-Legierung umfaßt, die Al als eine Hauptkomponente umfaßt und sechsfache Symmetriepunkte in einer Röntgenstrahldiffraktionspolfigur (= XRD pole figure) aufweist.
Bei diesem Oberflächenwellenbauelement umfaßt die Elektrode vorzugsweise eine Al-Elektrodenschicht, die aus Al oder einer Al-Hauptkomponente besteht, wobei die Al-Elektrodenschicht einen Kristall aufweist, der in einer erwünschten Richtung ausgerichtet ist, so daß die Normalenrichtung einer (111)-Kristallebene von Al im wesentlichen mit der Z-Kristallachse des piezoelektrischen Substrats übereinstimmt.
Gemäß einem Vergleichsbeispiel für die bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Oberflächenwellenbauelement ein piezoelektrisches Substrat, das aus einem LiNbO₃- oder LiTaO₃-Einkristall hergestellt ist, sowie eine Elektrode, die an dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen ist, wobei die Elektrode nicht notwendigerweise eine Zwillingskristallstruktur aufweist. Dabei kann die Elektrode eine Al-Elektrodenschicht umfassen, die Al als eine Hauptkomponente umfaßt, wobei die Al-Elektrodenschicht einen Kristall aufweist, der in einer erwünschten Richtung ausgerichtet ist, so daß die Normalenrichtung einer (111)-Kristallebene des Al im wesentlichen mit der Z-Kristallachse des piezoelektrischen Substrats übereinstimmt.
Die Elektrode umfaßt ferner vorzugsweise eine Unterelektrodenschicht, die zwischen der Al-Elektrodenschicht und dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen ist, zum Verbessern der Kristallinität des Al.
Die Unterelektrodenschicht umfaßt vorzugsweise entweder Ti oder Cr als eine Hauptkomponente.
Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das piezoelektrische Substrat vorzugsweise ein 64°-Y-X-Schnitt-LiNbO₃-Substrat. Andere geeignete Substrate können jedoch ebenfalls verwendet werden.
Bei dem Oberflächenwellenbauelement verschiedener bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ist ferner, wobei die Elektrode die Al-Elektrodenschicht umfaßt, ein elektrisch isolierender Schutzfilm vorgesehen, um die Oberfläche und die Seiten der Al-Elektrodenschicht zu bedecken. Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines Oberflächenwellenbauelements geschaffen, das ein piezoelektrisches Substrat, das aus einem LiNbO₃- oder LiTaO₃-Einkristall hergestellt ist, und eine Elektrode umfaßt, die auf dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen ist und eine Al-Elektrodenschicht umfaßt, die aus Al oder einer Al-Hauptkomponente besteht, wobei die Al-Elektrodenschicht einen Kristall aufweist, der in einer vorbestimmten Richtung ausgerichtet ist, so daß die Normalenrichtung einer (111)-Kristallebene des Al im wesentlichen mit der Z-Kristallachse des piezoelektrischen Substrats übereinstimmt.
Das Herstellungsverfahren umfaßt vorzugsweise den Schritt des Vorbereitens des piezoelektrischen Substrats, der aus einem LiNbO₃- oder LiTaO₃-Einkristall hergestellt ist, den Schritt des Entfernens einer beschädigten Schicht von der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats und den Schritt des Bildens der Elektrode auf dem piezoelektrischen Sub strat, wobei der Elektrodenbildungsschritt den Schritt des Bildens einer Unterelektrodenschicht, die zumindest entweder aus Ti oder Cr als einer Hauptkomponente besteht, auf dem piezoelektrischen Substrat durch ein Vakuumaufdampfungsverfahren bei einer Temperatur von ca. 100°C oder weniger, sowie den Schritt des Bildens einer Al-Elektrodenschicht, die aus Al oder einer Al-Hauptkomponente besteht, an der Unterelektrodenschicht umfaßt.
Das Herstellungsverfahren verwendet vorzugsweise ein 64°-Y-X-Schnitt-LiNbO₃-Substrat. Weitere geeignete Substrate können jedoch ebenfalls verwendet werden.
Weitere Merkmale, Schritte, Elemente, Charakteristika und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlich.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht eines Abschnitts eines Oberflächenwellenbauelements gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Schnittansicht, die die Z-Oberfläche des piezoelektrischen Substrats, das in 1 gezeigt ist, schematisch darstellt, die nach der Entfernung einer beschädigten Schicht von der Oberfläche frei liegt;
3A eine Draufsicht, die Sauerstoffatome, die auf der Z-Oberfläche angeordnet sind, die in 2 gezeigt ist, schematisch darstellt;
3B eine Draufsicht, die Ti-Atome, die auf der Z-Oberfläche angeordnet sind, schematisch darstellt;
3C eine Draufsicht, die Al-Atome, die auf der Z-Oberfläche angeordnet sind, schematisch darstellt;
4 eine Röntgenstrahldiffraktionspolfigur einer Al-Elektrodenschicht gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
5 eine Röntgenstrahldiffraktionspolfigur einer Al-Elektrodenschicht eines Vergleichsbeispiels.
1 ist eine Schnittansicht, die einen Abschnitt eines Oberflächenwellenbauelements 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, bei dem eine Elektrode 3 auf einem piezoelektrischen Substrat 2 vorgesehen ist.
Das piezoelektrische Substrat 2 ist vorzugsweise aus einem LiNbO₃- oder LiTaO₃-Einkristall hergestellt. Die Elektrode 3 umfaßt vorzugsweise eine Al-Elektrodenschicht 4, die aus Al oder einer Al-Hauptkomponente besteht, sowie eine Unterelektrodenschicht 5, die zwischen der Al-Elektrodenschicht 4 und dem piezoelektrischen Substrat 2 vorgesehen ist, zum Verbessern der Al-Kristallinität. Die Unterelektrodenschicht 5 besteht z. B. aus Ti oder einem weiteren geeigneten Material.
Obwohl dies in der Zeichnung nicht dargestellt ist, kann ein elektrisch isolierender Schutzfilm angebracht sein, um die Oberfläche und die Seite der Al-Elektrodenschicht 4 zu bedecken.
Ein 64°-Y-X-Schnitt-LiNbO₃-Substrat wird vorzugsweise als das piezoelektrische Substrat 2 verwendet. Die Y-Achse-Richtung und die Z-Achse-Richtung des piezoelektrischen Substrats 2 ist in 1 jeweils durch einen Pfeil darge stellt. Die X-Achse-Richtung ist im wesentlichen senkrecht zu der Figur.
Um die Elektrode 3 auf dem piezoelektrischen Substrat 2 zu bilden, wird z. B. ein Ionenätzen als eine Vorbehandlung durchgeführt. Dies wird durchgeführt, um eine beschädigte Schicht, die eine Dicke von mehreren Nanometern aufweist, zu entfernen, wobei dies auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 2 durch Polieren oder ein anderes geeignetes Verfahren durchgeführt wird, wodurch eine Kristallebene freigelegt wird, was ein Epitaxieaufwachsen an der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 2 ermöglicht.
Als ein Ergebnis der Entfernung der beschädigten Schicht, wie dies oben beschrieben ist, weist die Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 2 eine Mikrostufenstruktur auf, die Z-Oberflächen 6 umfaßt, die Terrassen definieren. Die Oberseite jeder Z-Oberfläche 6 ist in einem Zustand, in dem Sauerstoffatome 7 in Abständen von z. B. ca. 0,297 nm angeordnet sind, wie schematisch durch weiße Kreise in 3A schematisch dargestellt ist.
Als nächstes wird die Unterelektrodenschicht 5 auf den Z-Oberflächen 6 des piezoelektrischen Substrats 2 aufgebracht, auf dem die Sauerstoffatome 7 wie oben beschrieben angeordnet sind. Um z. B. die Unterelektrodenschicht 5 zu bilden, wird Ti mit einer hexagonalen, dicht gepackten Struktur mit einem minimalen Abstand zwischen den Atomen von ca. 0,292 nm vorzugsweise aufgebracht. In diesem Fall wird Ti epitaktisch aufgewachsen, so daß die (001)-Kristallebene aus Ti-Atomen 8 im wesentlichen parallel zu den Z-Oberflächen 6 des piezoelektrischen Substrats 2 ist, wie in 3B durch stark schattierte Kreise schematisch dargestellt ist.
Wie in 3B gezeigt ist, ist der minimale Abstand zwischen den Atomen der Ti-Atome 8 im wesentlichen der gleiche wie der der Sauerstoffatome 7, die auf den Z-Oberflächen 6 des piezoelektrischen Substrats 2 aus LiNbO₃ angeordnet sind, wodurch ein Ti-Dünnfilm mit einer hohen Kristallinität erzielt wird.
Die Ti-Atome 8 verbinden sich leicht mit den Sauerstoffatomen 7, wobei der minimale Abstand zwischen den Atomen der Ti-Atome 8 näher an den Sauerstoffatomen 7 auf dem Substrat aus LiNbO₃, das das piezoelektrische Substrat 2 definiert, als dem minimalen Abstand zwischen den Atomen von Al ist. Deshalb wird verglichen mit einer direkten Aufbringung der Al-Elektrodenschicht 4 auf dem piezoelektrischen Substrat 2, was später beschrieben werden wird, eine ausreichende Kristallinität erzielt. 3B zeigt die Anordnung der Atome der Ti-Atome 8 in der (001)-Ebene an der unteren Oberfläche der Unterelektrodenschicht 5.
Beim Bilden der Unterelektrodenschicht 5 wird ein Vakuumaufdampfungsverfahren bei einer Temperatur von ca. 100°C oder weniger durchgeführt. Bei diesem Vakuumaufdampfungsverfahren mit einer Temperatur über 100°C wird die Anordnungsrichtung der Ti-Atome 8 verändert, um ein Aufwachsen des Al während der Aufbringung der Al-Elektrodenschicht zu bewirken, in der die (111)-Kristallebene oder die (110)-Kristallebene des Al im wesentlichen senkrecht zu dem piezoelektrischen Substrat 2 ist, wodurch keine gute Kristallinität erzielt werden kann.
Als nächstes wird die Al-Elektrodenschicht 4 auf der Unterelektrodenschicht 5 gebildet. Insbesondere wird Al mit einer flächenzentrierten kubischen Struktur mit einem minimalen Abstand zwischen den Atomen von ca. 0,286 nm vorzugsweise auf der Unterelektrodenschicht 5 aufgebracht, die eine Anordnung der Ti-Atome 8 aufweist, um ein Epitaxieaufwachsen zu bewirken, bei dem die (111)-Ebene der Al-Atome 9 im wesentlichen parallel zu der (001)-Ebene aus Ti ist, was in 3C schematisch durch leicht schattierte Kreise dargestellt ist.
Als ein Ergebnis weist die Kristallstruktur der aufgebrachten Al-Elektrodenschicht 4, wie in 3C gezeigt ist, zwei Kristallausrichtungen gemäß der Anordnung der Al-Atome 9 auf, die eine Symmetrie von ca. 180° um eine Rotationsachse parallel zu der Z-Achse-Richtung des piezoelektrischen Substrats 2 aufweisen. Eine derartige Kristallstruktur wird im allgemeinen als eine "Zwillingskristallstruktur" bezeichnet. Beide Kristallausrichtungen treten mit einer Wahrscheinlichkeit von ca. ½ auf, wobei die resultierende Al-Elektrodenschicht 4 einen Polykristall umfaßt, der Kristallgrenzen aufweist, d. h. Zwillingsgrenzen, wie dies in 3C durch die unterbrochene Linie 10 dargestellt ist.
Obwohl 3 nur eine Atomschicht der Ti-Atome 8 zeigt, und zwar zu Zwecken der Vereinfachung, werden tatsächlich mehrere Atomschichten bis zu mehreren hundert Atomschichten gebildet.
3 zeigt die (200)-, (020)- und die (002)-Kristallrichtung von Al mittels Pfeilen. Tatsächlich liegen diese Achsen nicht in der Zeichnung aus 3C sondern sind um ca. 35° in Richtung der Vorderseite der Zeichnung geneigt.
Auf diese Weise wird, wie in 1 dargestellt ist, die Al-Elektrodenschicht 4 auf dem piezoelektrischen Substrat 2 erzielt, das vorzugsweise aus einem 64°-Y-X-Schnitt-LiNbO₃-Substrat besteht, so daß die (111)-Ebene parallel mit den Z-Oberflächen 6 (siehe 2 und 3) aufgewachsen wird.
Man geht allgemein davon aus, daß das Vorliegen von Kristallkorngrenzen in der Al-Elektrodenschicht die Leistungsbeständigkeit des Oberflächenwellenbauelements senkt. Dies beruht auf der Tatsache, daß Al von selbst aufgrund von Spannungsmigration durch die Kristallkorngrenzen diffundiert, um Defekte zu erzeugen, die "Hügel" oder "Leerräume" bezeichnet werden. Bei der polykristallinen Al- Elektrodenschicht 4 gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung jedoch sind die Kristallkorngrenzen kleiner als die Abstände zwischen den Atomen, wodurch im wesentlichen keine Eigendiffusion durch die Kristallkorngrenzen bewirkt wird.
Andererseits ist die mechanische Festigkeit eines Einkristall-Metalls niedriger als die eines Polykristall-Metalls. Dies beruht auf einem plastischen Verformungsmechanismus des Metalls. Dies beruht auf der Tatsache, daß eine plastische Verformung eine Kristallgleitverformung aufgrund von äußeren Kräften verursacht, d. h. eine Oszillation aufgrund eines piezoelektrischen Effektes in dem Feld eines Oberflächenwellenbauelements, und daß eine plastische Verformung eines Einkristalls nur durch eine extrem aktive Gleitsystemaktion bewirkt wird, während eine plastische Verformung eines Polykristalls eine Mehrzahl von Gleitsystemaktionen benötigt (Verweis: Maruzen "Kinzoku Binran" fünfte Überarbeitung, S. 337–343). Deshalb erzeugt eine Reduzierung der plastischen Verformung eine Reduzierung eines Elektrodenbrechens aufgrund von Spannungsmigration, wodurch eine Elektrodenstruktur mit einem kleinen Korndurchmesser einen hohen Widerstand gegenüber elektrischer Leistung aufweist.
Deshalb verhindert das Oberflächenwellenbauelement, bei dem die Al-Elektrodenschicht 4 einen ausgerichteten Film mit einer Zwillingskristallstruktur umfaßt, das Auftreten von Hügeln oder Leerräumen aufgrund einer Eigendiffusion der Atome der Elektrode durch die Kristallkorngrenzen und einem hohen Widerstand gegenüber elektrischer Leistung aufgrund einer Reduzierung der plastischen Verformung.
Obwohl bei den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispielen die Al-Elektrodenschicht 4 einen ausgerichteten Film mit einer Zwillingskristallstruktur umfaßt, ist es bei einem Vergleichsbeispiel so, daß die Al-Elektrodenschicht die Zwillingskristallstruktur aufweist, wenn das Oberflächenwellenbauelement ein piezoelektrisches Substrat umfaßt, das aus einem LiNbO₃- oder LiTaO₃-Einkristall hergestellt ist. Anders ausgedrückt kann die Al-Elektrodenschicht gemäß dem Vergleichsbeispiel entweder eine uniaxiale Ausrichtung oder eine triaxiale Ausrichtung aufweisen, solange diese einen Kristall umfaßt, der in einer erwünschten Richtung ausgerichtet ist, so daß die Normalenrichtung der (111)-Kristallebene des Al im wesentlichen mit der Z-Kristallebene des piezoelektrischen Substrats übereinstimmt.
Obwohl das oben beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel das piezoelektrische 64°-Y-X-Schnitt-LiNbO₃-Substrat 2 verwendet, kann auch ein anderes Substrat mit einem unterschiedlichen Schnittwinkel verwendet werden, weil die beschädigte Schicht der Oberfläche durch eine Vorbehandlung entfernt wird, um eine Kristallebene freizulegen, was ein Epitaxieaufwachsen ermöglicht. Außerdem erzeugt ein Substrat aus LiTaO₃ mit einer ähnlichen Kristallstruktur den gleichen Effekt, wobei ein Substrat, das nicht das Substrat aus LiNbO₃ oder LiTaO₃ ist, verwendet werden kann.
Obwohl Al vorzugsweise als das Material für die Al-Elektrodenschicht 4 verwendet wird, kann eine Legierung, die Al und einen Zusatzstoff umfaßt, der den Effekt aufweist, die Leistungsbeständigkeit zu verbessern, wie z. B. Cu, Mg, Ni, Mo, oder einen weiteren geeigneten Zusatzstoff, verwendet werden.
Obwohl Ti vorzugsweise als Material für die Unterelektrodenschicht 5 verwendet wird, kann eine Legierung, die Ti als eine Hauptkomponente umfaßt, ein Metall, das den Effekt aufweist, die Al-Kristallinität zu verbessern, z. B. Cr, oder eine Legierung, die Cr als eine Hauptkomponente umfaßt, verwendet werden.
Obwohl Ionenätzen vorzugsweise als eine Vorbehandlung des piezoelektrischen Substrats 2 durchgeführt wird, kann ein anderes Verfahren, wie z. B. ein chemisch-mechanisches Po lieren, ein Scheuerreinigen oder ein anderes geeignetes Verfahren verwendet werden.
Um ein Oberflächenwellenbauelement gemäß verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zu erzeugen, wurde eine Ionenätzen-Vorbehandlung bei einem piezoelektrischen 64°-Y-X-Schnitt-LiNbO₃-Substrat durchgeführt, um eine beschädigte Schicht auf der Oberfläche des Substrats, die eine Dicke von mehreren Nanometern aufweist, zu entfernen.
Als nächstes wurde eine Unterelektrodenschicht aus Ti, die eine Dicke von ca. 5 nm aufweist, durch ein Elektronenstrahlaufbringungsverfahren bei einer Substrattemperatur von ca. 50°C gebildet, woraufhin eine Al-Elektrodenschicht aus Al, die eine Dicke von ca. 200 nm aufweist, gebildet wurde. Als ein Ergebnis konnte die Al-Elektrodenschicht epitaktisch aufgewachsen werden, so daß die (111)-Kristallebene senkrecht zu der Z-Achse des LiNbO₃ des piezoelektrischen Substrats war.
Als nächstes wurde die Elektrode, die die Unterelektrodenschicht und die Al-Elektrodenschicht umfaßt, verarbeitet, um eine interdigitale Form aufzuweisen, und zwar durch ein Photolithographieverfahren und ein Trockenätzverfahren, um ein Beispiel eines Oberflächenwellenfilters gemäß verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zu erhalten.
4 ist eine Röntgenstrahldiffraktionspolfigur der Al-Elektrodenschicht, die in der Elektrode dieses Beispiels vorgesehen ist. 4 wurde durch die Reflexion von der (200)-Ebene des Al erzielt. Die Mitte der Figur entspricht der Normalenrichtung des Substrats. 4 zeigt sechsfache Symmetriepunkte der (200)-Ebene des Al, wobei eine Mitte um ca. 23° von der Mitte der Figur geneigt ist.
Deshalb zeigt 1, daß die Al-Elektrodenschicht 4 epitaktisch entlang der Z-Achse des piezoelektrischen Substrats aufgewachsen ist, so daß die (111)-Achsenrichtung der Al-Elektrodenschicht 4 in einer erwünschten Richtung mit ca. 23° von der Normalenrichtung des piezoelektrischen Substrats 2 ausgerichtet ist. Deshalb haben, wie in 4 gezeigt ist, die Erfassungspunkte eines Signals, das von der (200)-Ebene des Al reflektiert wird, eine Sechsfachsymmetrie, wobei der Al-Kristall eine Kristallstruktur mit zwei Kristallausrichtungen aufweist, die eine Symmetrie einer 180°-Drehung um die (111)-Achse des Al aufweisen. Ferner zeigt die Al-Elektrodenschicht eine hervorragende Kristallinität.
Bei einem Vergleichsbeispiel wurden Ti und Al bei einer Substrattemperatur von 200°C ohne eine Ionenätzvorbehandlung aufgebracht, wodurch kein Epitaxiefilm erhalten wurde, sondern ein uniaxial ausgerichteter Film, bei dem die (111)-Ebene des Al senkrecht zu dem Substrat aufgewachsen wurde. 5 ist eine Röntgenstrahldiffraktionspolfigur des Vergleichsbeispiels. 5 wurde durch eine Reflexion von der (002)-Achse des Al erzielt.
Als ein Vergleichsergebnis der Leistungsbeständigkeit dauerte es bei dem Oberflächenwellenfilter des Beispiels gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mindestens 1000 mal länger als bei dem Oberflächenwellenfilter des Vergleichsbeispiels, bis es bei einer vorbestimmten elektrischen Leistung versagte.
Wie oben beschrieben ist, umfaßt ein Oberflächenwellenbauelement gemäß verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine Elektrode, die auf einem piezoelektrischen Substrat vorgesehen ist und eine Zwillingskristallstruktur aufweist. Anders ausgedrückt zeigt die Elektrode, die Al oder eine Al-Hauptkomponente umfaßt und auf dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen ist, das vorzugsweise aus einem LiNbO₃- oder LiTaO₃- Einkristall hergestellt ist, in einer Röntgenstrahldiffraktionspolfigur sechsfache Symmetriepunkte. Deshalb verhindert die Elektrode das Aufwachsen von Hügeln oder Leerräumen in der Elektrode aufgrund einer Eigendiffusion der Atome der Elektrode durch Kristallkorngrenzen, wodurch die Leistungsbeständigkeit aufgrund einer Schwierigkeit der plastischen Verformung stark erhöht wird. Deshalb ist die Leistungsbeständigkeit des Oberflächenwellenbauelements stark verbessert.
Wenn die Elektrode eine Al-Elektrodenschicht umfaßt, die Al oder eine Al-Hauptkomponente umfaßt, ist der Kristall der Al-Elektrodenschicht in einer erwünschten Richtung ausgerichtet, so daß die Normalenrichtung der Al-Kristall-(111)-Ebene im wesentlichen mit der Z-Kristallachse des piezoelektrischen Substrats übereinstimmt, wodurch das Auftreten von Hügeln oder Leerräumen in der Elektrode aufgrund der oben beschriebenen Spannungsmigration effektiv unterdrückt und die Leistungsbeständigkeit des Oberflächenwellenbauelements stark verbessert wird.
Bei dem Oberflächenwellenbauelement kann eine Unterelektrodenschicht, die zumindest entweder Ti oder Cr als eine Hauptkomponente umfaßt, zwischen der Al-Elektrodenschicht und dem piezoelektrischen Substrat vorgesehen sein. In diesem Fall wird die Al-Kristallinität der Al-Elektrodenschicht weiter verbessert.
Das Verfahren zum Herstellen eines Oberflächenwellenbauelements umfaßt die Schritte des Vorbereitens eines piezoelektrischen Substrats, das aus einem LiNbO₃- oder LiTaO₃-Einkristall hergestellt ist, des Entfernens einer beschädigten Schicht auf der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats und des darauf folgenden Bildens einer Elektrode auf dem piezoelektrischen Substrat. Der Elektrodenbildungsschritt umfaßt den Schritt des Bildens einer Unterelektrodenschicht, die zumindest entweder Ti oder Cr als eine Hauptkomponente umfaßt, auf dem piezoelektrischen Substrat durch ein Vakuumaufdampfungsverfahren bei einer Temperatur von ca. 100°C oder weniger sowie den Schritt des Bildens einer Al-Elektrodenschicht, die Al oder eine Al-Hauptkomponente umfaßt, auf der Unterelektrodenschicht. Deshalb wird eine Al-Elektrodenschicht erzeugt, die das Aufwachsen von Hügeln oder Leerräumen aufgrund einer Eigendiffusion der Atome der Elektrode durch Kristallkorngrenzen verhindert, was die Leistungsbeständigkeit aufgrund einer Schwierigkeit der plastischen Verformung stark verbessert, wodurch ein Oberflächenwellenbauelement mit einer stark verbesserten Leistungsbeständigkeit erzielt wird.
Dieses Herstellungsverfahren verwendet vorzugsweise ein piezoelektrisches 64°-Y-X-Schnitt-LiNbO₃-Substrat, wodurch eine Kristallausrichtung in einer erwünschten Richtung geschaffen wird, bei der die Normalenrichtung der Al-Kristall-(111)-Ebene der Al-Elektrodenschicht im wesentlichen mit der Z-Kristallachse des piezoelektrischen Substrats übereinstimmt.

Claims

Oberflächenwellenbauelement (1) mit folgenden Merkmalen: einem piezoelektrischen Substrat (2); und einer Elektrode (3), die auf dem piezoelektrischen Substrat (2) vorgesehen ist; wobei die Elektrode (3) eine Zwillingskristallstruktur aufweist und wobei die Zwillinge der Zwillingskristallstruktur in einer erwünschten Richtung ausgerichtet sind, derart, dass eine Normalenrichtung einer (111)-Kristallebene der Zwillinge im wesentlichen mit der Z-Kristallachse des piezoelektrischen Substrats (2) übereinstimmt.
Oberflächenwellenbauelement (1) gemäß Anspruch 1, bei dem die Elektrode (3) eine Al-Elektrodenschicht (4) aufweist, die Al oder eine Al-Hauptkomponente umfasst.
Oberflächenwellenbauelement (1) gemäß Anspruch 2, bei dem die Elektrode (3) ferner eine Unterelektrodenschicht (5) aufweist, die zwischen der Al-Elektrodenschicht (4) und dem piezoelektrischen Substrat (2) vorgesehen ist.
Oberflächenwellenbauelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das piezoelektrische Substrat (2) ein 64°-Y-X-Schnitt-LiNbO₃-Substrat ist.
Oberflächenwellenbauelement (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, das ferner einen elektrisch isolierenden Schutzfilm aufweist, der angeordnet ist, um die Oberfläche und Seiten der Al-Elektrodenschicht (4) zu bedecken.
Oberflächenwellenbauelement (1) mit folgenden Merkmalen: einem piezoelektrischen Substrat (2), das einen LiNbO₃- oder LiTaO₃-Einkristall umfasst; und einer Elektrode (3), die auf dem piezoelektrischen Substrat (2) angeordnet ist und Al oder eine Al-Hauptkomponente umfasst; wobei die Elektrode in einer Röntgenstrahldiffraktionspolfigur sechsfache Symmetriepunkte aufweist.
Oberflächenwellenbauelement (1) gemäß Anspruch 6, bei dem die Elektrode (3) eine Al-Elektrodenschicht aufweist, die Al oder eine Al-Hauptkomponente umfasst, wobei die Al-Elektrodenschicht (4) einen Kristall aufweist, der in einer erwünschten Richtung ausgerichtet ist, derart, dass die Normalenrichtung einer (111)-Kristallebene des Al im wesentlichen mit der Z-Kristallachse des piezoelektrischen Substrats (2) übereinstimmt.
Oberflächenwellenbauelement (1) gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem die Elektrode (3) ferner eine Unterelektrodenschicht (5) aufweist, die zwischen der Al-Elektrodenschicht (4) und dem piezoelektrischen Substrat (2) vorgesehen ist.
Oberflächenwellenbauelement (1) gemäß Anspruch 6, bei dem das piezoelektrische Substrat (2) ein 64°-Y-X-Schnitt-LiNbO₃-Substrat ist.
Oberflächenwellenbauelement (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, das ferner einen elektrisch isolie renden Schutzfilm aufweist, der angeordnet ist, um die Oberfläche und Seiten der Al-Elektrodenschicht (4) zu bedecken.