JP2003527801A - 高電力sawのメタライゼーションおよび形成方法 - Google Patents

高電力sawのメタライゼーションおよび形成方法

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ライ、シューリアン
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    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H3/00Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
    • H03H3/007Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
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Abstract

(57)【要約】 高電力SAWデバイス(10)は圧電体基板(11)上に位置する電極(16,19)を備える。電極は基板上に成膜されて基板と接着した材料の接着層(30)と、接着層を覆って接着層によって強固に接着された少なくとも1 層の材料の導電体構造(35)とからなる。導電体構造はアルミニウムと合金金属とからなり、合金金属は約1重量%と、電気抵抗と機械的特性との良好なトレードオフをもたらすパーセント、との間である。合金金属は、例えば、チタン、モリブデン、クロム、およびタングステン等の周期律表のIV族とVI族の元素から選択される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】発明の分野 本発明は高電力の表面弾性波素子およびその形成方法に関する。発明の背景 現在の通信時代において、双方向無線、セルラ電話等の無線通信、特に小型携
帯通信装置がますます重要視されてきている。これらの携帯装置を小型化する必
要性と要望とは増加し続けるので、装置内の部品を小型化することは必須である
。従来は、フィルタ等の部品は小型化が困難で、多くの小型化の試みがなされた
が、寿命が不十分、高電力への要求に耐えられない等、品質が劣化した。
【0002】 表面弾性波素子(SAW)は長い間知られていたが、比較的最近にフィルタと
して先端の携帯通信装置に組み込まれるようになった。当業者には、SAWデバ
イスは周波数に非常に敏感に形成し得るので優れたフィルタになるということは
良く知られている。しかしながらSAWデバイスのサイズは動作周波数に依存す
る、すなわち高周波数になるとSAWデバイスは小型化する。多種の通信システ
ムにおいて使用される無線周波数は非常に高いのでSAWフィルタを非常に小型
化しなければならないことが主要な問題となってきた。サイズへの要求に加えて
、現在の携帯装置は比較的高電力(例えば1ワット以上)を伝送する。従ってS
AWフィルタは、高い操作電力への要求を維持したまま小型化されつつあり、S
AW形成材料および手法は進歩し続けなければならない。
【0003】 従って、進歩した材料と形成方法とを用いてSAWデバイスを形成し、比較的
に大電力の操作能力と高寿命とを有する小型SAWデバイスにすることは大いに
要望されている。
【0004】好ましい実施例の説明 図1を参照して、高電力表面弾性波(SAW)デバイス10の表面設計を示し
た。SAWデバイス10は圧電体基板11を備え、その基板は石英、ニオブ酸リ
チウム、タンタル酸リチウム、四ホウ化リチウム等の工業的に一般に使用される
良く知られたあらゆる圧電体材料を含む。この具体的な実施例においては、SA
Wデバイス10はトランスジューサを含むSAWフィルタ、共振器として図示さ
れ、一般的に表されている15。トランスジューサ15は、外部ターミナル18
を有するコモンバス17と接続している第1の平行分離電極のセット16、およ
び外部ターミナル21を有するコモンバス20と接続している第2の平行分離電
極19を備える。公知の表面弾性波の動作を実現するために、電極16および1
9は一般の指交差の関係で配置される。複数の平行分離エレメントによって形成
される第1のリフレクタ25は、図1のトランスジューサ15の左側に配置され
、第2の同様のリフレクタ26は図1のトランスジューサ15の右側に配置され
ている。電極16と19のサイズと間隔、およびリフレクタ25と26の位置は
、動作周波数によって決まる。
【0005】 動作の際、RF信号は電極16と19とによって基板11に結合され、動作周
波数で電極16と19とを移動或いは振動させる表面弾性波を発生する。SAW
デバイスに故障を発生させる主な問題は、動作の際に1つ以上の電極或いは1つ
以上の電極の部分が完全に破壊される或いは分断されることである。現在のSA
Wデバイスが動作しなければならない比較的高電力(1ワット以上)や非常に高
い無線周波数(RF)信号及び表面弾性波による運動により、電極16と19中
に大きな歪が発生する。突発的な機械的故障は、比較的高電力のRF信号によっ
て発生する高温、非常に高いRF信号速度での運動により発生する歪、及び、硬
度、強靭性、電気抵抗値、粒径、および結合特性等の電極16と19を形成する
材料の多種の特性、との組合せによって発生すると信じられている。
【0006】 更に、SAW電極16と19の断面図(ここでは便宜的に16を示した)を示
した図2を参照して、電極16は基板11の表面上に接着材の層30を成膜する
ことにより形成される。電極16や19としての使用に適した多くの材料は基板
11と適切に接着しないので、基板と良好に接着する材料の層を先ず成膜するこ
とが必要である。そのような材料は一般に、例えばチタン、チタン‐タングステ
ン、チタン‐タングステン‐窒化物、クロム、モリブデン、およびそれらの組合
せのような、周期律表のIV族かVI族の元素である。層30は、基板と結合し
た表面弾性波に耐えるために基板11の表面と強固に接着することが必須である
。層30の基板11からのいかなる剥離もデバイス10の故障をもたらす。
【0007】 1層以上の導電材料からなる導電体構造35は接着層30を覆って成膜される
。導電体構造35は接着層30と強固に接着する材料で形成されるので、従って
基板11の表面と強固に接着する。導電体構造35はアルミニウムと合金金属と
からなり、それらは個々の層として成膜されるか、或いは単層として同時に成膜
される。各層の成膜の際、成膜工程の熱は各層の材料が実質的に合金になって単
相の化合物金属になるのに十分である場合がある。また、複数の金属を単層中に
同時に成膜する場合、成膜の際に合金化が起こって単相の化合物金属が成膜され
る。
【0008】 電極16と19とは電気信号の挿入を許容すべく電気伝導性でなければならな
い、即ち低電気抵抗でなければならない。電極16と19は、基板中で表面弾性
波を乱さない質量負荷特性も有しなければならないが、機械的特性は動作の歪に
耐えるのに充分でなければならない。約0. 3×10オーム/cmの電気伝導
性を有するアルミニウムは、導電体構造35の電気伝導元素として使用される。
アルミニウムは熱伝導性も良好なので、熱はトランスジューサ15全体に分布し
、ホットスポットは除去される。この好ましい実施例において、合金金属は、例
えば、チタン、モリブデン、クロム,タングステン、或いはその組合せ等の周期
律表のIV族、VI族の1 つ以上から選択される。その合金金属は電極16と1
9を強化、硬化、或いは強靭化するために導電体構造35に添加される。
【0009】 問題は、合金金属の添加は導電体構造の電気抵抗を増大させることである。例
えばチタンはアルミニウムの電気伝導度の約1/10の、0. 02×10オー
ム/cmの電気伝導度を有する。従って、合金金属の量を増大させると非常に硬
く強靭な電極が得られるが、抵抗値が悪化し実際上使用不可能になる。また、ア
ルミニウムの量を増大させると、電気抵抗は低下するが非常に軟らかい電極にな
り、高周波数や高電力により容易に破壊される。導電体構造35中に含有される
合金金属は約1%から、電極16と19との弾性と機械特性に対する電気抵抗の
合理的なトレードオフをもたらすパーセントまで、の範囲で広範な研究後に決定
される。合金金属が1%以下では、低電気抵抗であるが、強靭性、硬度、接着強
度等の機械特性が低すぎてSAWデバイスの寿命の比較的早い時期に突発的故障
が発生する。
【0010】 アルミニウムへの合金金属の正確な割合は、使用される特定の合金金属、電極
のサイズ、および動作周波数や必要な電力等の他の特性による。代表的な例では
、電極16と19はアルミニウム‐チタン合金で形成され、チタンは約1乃至2
5重量%の範囲である。チタンの電気伝導度はアルミニウムの電気伝導度の約1
/10なので、最高25%までは、電極の導電性が不充分な点まで電気伝導度を
減少させずにアルミニウムと合金化され得る。チタンの含量%を上げると、強靭
性、硬度、接着強度等の機械特性が実質的に増大するので、突発故障の機会は大
幅に減少するか除去される。
【0011】 上述のように、導電体構造35はアルミニウムと合金金属とからなり、各材料
は個々の層として成膜されてもよいし、単層として同時に成膜されてもよい。更
に、デバイス10の多種の部品は幾つかの異なる方法で形成され得る。1 つの一
般的な方法では、多種の材料(例えば接着層30や構造35)を全面に成膜し、
次に構造10を形成するためにマスクしエッチングする。第2 の方法は、デバイ
ス10を形成するために基板11をマスクし、多種の材料を成膜し、その後一般
の金属リフトオフ処理を行ってデバイス10にする。また、これらの処理の多種
の変形や改良も使用可能である。これらの処理の何れにおいても、アルミニウム
と合金金属とは個々の層に成膜されてもよいし、単層に同時に成膜されてもよい
。導電体構造や接着層は、電子ビーム(E‐ビーム)蒸着、熱蒸着、スパッタリ
ングを含む公知の何れかの方法で成膜される。
【0012】 一般にアルミニウムと合金金属とが個々の層に成膜される場合は、アルミニウ
ム層の成膜、合金金属の成膜、アルミニウム層の成膜の順で行われる。アルミニ
ウムは成膜したままで合金金属と混合して必要なアルミニウム合金を形成する。
一般に100オングストローム以下の薄膜では、アルミニウムは接着層30の金
属と混合するが、接着層30が成膜されて基板11の表面と接着していれば、そ
の後のアルミニウムと接着層30との混合は接着特性に影響を与えない。次に、
合金金属の薄層を成膜するとアルミニウムと混合し、さらにアルミニウムの薄層
を成膜すると薄い合金金属と混合し、均一な導体層を形成する。或いは、すでに
合金状態の出発材料を使用して単層で成膜される。
【0013】 図3では、図1のSAWデバイス10と類似の他の実施例のSAWデバイス1
0’の、16’で示したSAW電極の断面図を示した。図2のデバイス10の部
品と類似のデバイス10’の多種の部品を、異なる実施例であることを示すため
にプライムを有した同様な番号で示した。電極16’は基板11’の表面上に接
着材料の接着層30’を成膜することにより形成される。少なくとも1層の導電
材料を含む導電体構造35’は接着層30’を覆って成膜される。導電体構造3
5’は、接着層30’に強固に接着する材料で形成されるので、したがって基板
11’の表面上に強固に接着される。上述のように、導電体構造35’はアルミ
ニウムと合金金属とを含むので、各材料は個々の層で成膜されてもよいし、同時
に単層で成膜されてもよい。
【0014】 図3で示した実施例において、第2の接着層40’は導電体構造35’を覆っ
て成膜される。この具体的な実施例において、層40’は構造35’と接着し保
護する役割を果たす。第2の接着層40’は、電極16や19と適切に接着し、
デバイス10’に過度に負荷を与えないあらゆる材料からなる。そのような材料
は一般に、例えばチタン、チタン‐タングステン、チタン‐タングステン‐窒化
物、クロム、モリブデン、およびそれらの組合せ等の、周期律表のIV族或いは
VI族の元素である。層40’は導電体構造35’の表面に強固に接着すること
は必須である。導電体構造からの層40’の剥離はすべてデバイス10’の故障
をもたらす。
【0015】 成膜の際に多種の金属の境界面で自然混合するので、接着層(30あるいは3
0’)、導電体構造(35あるいは35’)、および、ある場合は上部結合層(
40’)の全合金金属含有量を決定することは必要である。接着層からの合金金
属の少なくとも幾つかは成膜中に導電体構造と混合するので、導電体構造に含有
される合金金属の量を決定するときはそれを考慮に入れることが必要である。例
えば、図3の接着層30’と40’とがチタンの場合、導電体構造35’に含有
されるチタンの量を決定するときは、これら接着層中のチタンの量を考慮する必
要がある。この例では、デバイス10’中のチタンの全量は1%以上で一般に約
25%以下であること、即ち、表面弾性波電極の電気抵抗と機械特性との合理的
なトレードオフをもたらすパーセントである必要がある。
【0016】 新しい、 改善された高電力表面弾性波デバイスとその製造方法を開示した。こ
の新しい、 改善された高電力表面弾性波デバイスは、動作中の破壊や剥離等の突
発的故障を大幅に削減した。さらにこの新しい、 改善された高電力表面弾性波デ
バイスは、現在のSAWデバイスが動作しなければならない比較的高電力(1ワ
ット以上)と非常に高い無線周波数(RF)信号を備えながら、SAWデバイス
中に存在する大きな歪に耐えるべく特別に設計されている。本発明により、突発
的な機械的故障は殆ど、あるいは完全に除去されたと信じられる。
【0017】 本発明の具体的な実施例を示し、記述したが、当業者では更なる変形や改良が
発生するだろう。本発明はここで示した特定の方式には限定されない。付記され
た請求項においては本発明の精神と範囲から離れないすべての変形をカバーする
ことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に基いた高電力表面弾性波デバイスの表面設計図。
【図2】図1中の線2‐2から見た断面図。
【図3】他の実施例の図2と類似の断面図。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),OA(BF ,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW, ML,MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,G M,KE,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ, MD,RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM, AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,B Z,CA,CH,CN,CR,CU,CZ,DE,DK ,DM,DZ,EE,ES,FI,GB,GD,GE, GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,J P,KE,KG,KR,KZ,LC,LK,LR,LS ,LT,LU,LV,MA,MD,MG,MK,MN, MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,RO,R U,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM ,TR,TT,TZ,UA,UG,UZ,VN,YU, ZA,ZW (72)発明者 メレン、ニール ジェイ. アメリカ合衆国 85283 アリゾナ州 テ ンピ イー.ノースショア 1207 ナンバ ー237 (72)発明者 ライ、シューリアン アメリカ合衆国 87109 ニューメキシコ 州 アルバカーキ アカデミー ロード 6401 アパートメント 194 Fターム(参考) 5J097 AA29 BB01 BB11 DD29 FF03 KK09

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】表面を有する圧電体基板と;該基板の表面上に位置する表面弾
    性波電極で、該電極は該表面上に成膜され該表面と接着した材料の接着層と、該
    接着層を覆って該接着層によって表面に強固に接着された材料の少なくとも1層
    の導電体構造と、からなり、該導電体構造はアルミニウムと合金金属とからなり
    、該合金金属は約1重量%乃至該表面弾性波電極の弾性特性と機械特性とを向上
    させるための最大の電気伝導度を備えるパーセントである、高電力表面弾性波素
    子。
  2. 【請求項2】表面を有する圧電体基板と;該基板の表面上に位置する表面弾
    性波電極で、該電極は、チタン、チタン‐タングステン、チタン‐タングステン
    ‐窒化物、クロム、およびそれらの組合せの1つからなり該表面上に成膜され該
    表面と接着した接着層と、該接着層を覆って該接着層によって該表面に堅固に接
    着された少なくとも1層の導電体構造と、からなり、該導電体構造はアルミニウ
    ムと合金金属からなり、該合金金属はチタン、モリブデン、クロム、およびタン
    グステンの1つを含み、該合金金属は約1重量%乃至25重量%である、高電力
    表面弾性波素子。
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