JP4314118B2 - 改善された出力許容性を有する電極構造体及び製造法 - Google Patents

Description

本発明は、圧電基板を有し、前記圧電基板上にはアルミニウムを含む電極構造体が設けられている、音波で作動するデバイスに関する。

音波で作動するデバイスとは、殊に表面波デバイス（ＳＡＷ−デバイス）及びＦＢＡＲ−レゾネータ（thin film bulk acoustic resonator）であると解釈することができる。ＳＡＷ−フィルタ及びＦＢＡＲ−レゾネータからのフィルタは、移動式無線装置のフロント−エンドにおいて励振−及び受信フィルタとして益々使用されている。この場合、励振フィルタを通じて移動式無線装置の全体の励振出力が流れるため、このデバイスの電極構造体に最大の電流負荷がかかっている。更に、益々小型化が進むことにより、かつ新規の移動式無線通信標準が導入されることにより、デバイス中の出力密度は益々高くなる。更に、電極構造体の必要な高い電流負荷能力に加えて、音波によって強度の機械的負荷が電極構造体にかかり、これは長期に亘って電極構造体の破壊、及びそれに伴いデバイスもしくはフィルタの破損を招き得る。

機械的及び電気的に強度に負荷されたフィルタに関する研究により、電極材料の材料クリープ（アコーストマイグレーション(Akustomigration)及びエレクトロマイグレーション）によって電極が破壊されることが示されている。これは、間隙（ボイド）の形成、及び、電極構造体の表面上で隆起物、いわゆるヒロックの形成として現れる。図１に、ＳＡＷ−デバイスの、そのようなアコーストマイグレーションにより損傷した電極構造体を示す。基板Ｓ上には、ここでは断面図で示されているストリップ状の電極構造体ＥＳが設けられている。電極ストリップの当初の長方形の横断面から、アコーストマイグレーションによって隆起物Ｈが生じ、これは、電極構造体の側面のみならず電極構造体の上部表面上にも生じ得る。これと並行して間隙Ｖが生じる。このように変化した電極構造体は変化した幾何学的寸法を有しており、その電気機械的特性は変化している。相反する電荷を有する２つの電極指間に隆起物Ｈが生じているため、これは２つの電極指間のショート又はフラッシュオーバーの出発点となり得る。損傷した電極構造体の変化した特性に加え、異なる極性が与えられた電極指間の電気的フラッシュオーバーは、通常、破壊及びそれに伴うフィルタの完全な故障を招く。それに対して、応力負荷下では電極構造体の電気機械的特性がより一層変化することから、共鳴振動数が連続的に変化し、かつ挿入減衰が不所望に上昇する。

ＳＡＷ−デバイスの場合には、電極材料として通常アルミニウムが使用される。不利なアコーストマイグレーションを制限するために、合金、例えばＡｌＣｕ、ＡｌＭｇ、ＡｌＣｕＭｇ、ＡｌＣｕＳｃ、ＡｌＺｒＣｕ、ＡｌＴｉ、ＡｌＳｉ及びその他のものがより一層使用されている。これらの合金は、拡散路をブロックする析出物をアルミニウム粒界に沿って形成することによりマイグレーションを軽減する。アルミニウムに添加された金属又は成分に依存して、添加された成分が部分的にアルミニウム粒子中に付着し、これが硬化して電極中の材料クリープが軽減される。この種の電極構造体もしくはこのために使用される材料の詳細は記載は、文献１〜３に供覧されている（文献一覧表を参照のこと）。アコーストマイグレーションの抑制により、共鳴振動数の連続的な変化及び挿入減衰のみならず、ショート発生の危険及びフラッシュオーバーの危険もが、これに対抗する作用を受ける。しかしながら、使用される合金は非合金化金属よりも高い比電気抵抗を有する。これによりフィルタ性能が損なわれ、かつより高い挿入減衰量が生じる。更に、電極構造体の出力許容性及びそれに伴うフィルタの出力許容性にマイナスに作用する自己加熱が高められる。従って、提案されている合金を用いても、最大の出力許容性は限定されている。

更に、アルミニウム又はアルミニウム合金から成る均質な層の代わりに、種々の金属とアルミニウム合金とから成る層系を組み込むことが既に提案されている。それに加えて、アルミニウム及び／又はアルミニウム合金層の間に、銅、マグネシウム、チタン、クロム又はその他の金属から成る１つ以上の中間層が組込まれる。この中間層は、この層を通じたアルミニウムの拡散をブロックし、それに伴って、共鳴振動数の連続的な変化及び挿入減衰の作用を軽減させる。これは例えば文献４及び５に提案されている。

例えば文献６及び７の記載から公知である通り、基板への電極構造体の付着性を高めるために、最下部のアルミニウム又はアルミニウム合金層の間にチタンから成る付着層を設けることができる。このチタン−付着層は、＜１１１＞−構造及びそれに伴う出力許容性を改善する。

更に、純粋な銅を電極構造体の製造のために使用すること、又はそれとは別に、銅−アルミニウム又は銅−アルミニウム−銅なる層系を使用することが既に提案されている。それとは無関係に、電極構造体を外部作用、例えば腐食から保護し、かつマイグレーションを防ぐために、全面的な不動態化層を電極構造体の上方に生じさせることが提案されている。そのような不動態化層のための材料として、既に例えば文献８には、二酸化ケイ素、窒化ケイ素及び窒化アルミニウムが提案されている。

本発明の課題は、冒頭に記載したタイプのデバイスにおいて、電極構造体の出力許容性を更に改善することである。

本発明によれば、前記課題は請求項１に明記された特徴により解決される。本発明の有利な実施態様及び該デバイスの製造法は、その他の請求項から引用することができる。

本発明は、電極構造体の下方に、機械的に安定な適合層を配置することを提案する。適当に選択された適合層を用いると、アコーストマイグレーションは効果的に抑制される。本発明者の相応する実験により、圧電基板の上方の第一の層としてアルミニウム又はアルミニウム合金層を使用した場合に、ショート及びフラッシュオーバーの危険が特に高いことが示された。同時になされた考察から、特に、基板／金属被覆の接合部において、音波による機械的負荷（機械的応力及び伸び）が最も高く、かつ、アルミニウムないしアルミニウム合金がこの負荷に十分に耐えることは不可能であることが判明した。

従って本発明によれば、適合層として、依然としてアルミニウム又はアルミニウム合金を含む残りの電極構造体において機械的負荷を出来る限り低下させ、かつその一方で機械的負荷に耐え得る材料が使用される。適合層のための材料を選択するためのもう１つの副次的な条件は、基板及び／又はその上方に設けられた電極材料への良好な付着である。従って、まず第一に詳しく述べると、従来電極構造体のために使用されているアルミニウム又はアルミニウム合金よりも低い材料疲労を示し、かつより高い破壊−降伏強さを示す全ての材料が適当である。適合層のために特に適当なのは銅である。銅は残りの電極構造体の材料に対して良好な付着性を有し、かつ良好な電気伝導率を示す。圧電基板材料、例えばタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、石英又はLangasitに対する付着性は、アルミニウムと比較して低い。

従って、本発明の実施態様において、銅を含む適合層と基板との間に、基板に対してのみならず適合層に対しても良好な付着性を付与する付着促進剤層を予定することが提案される。そのような付着促進剤層はチタン又はＴｉＯ層を含んでよい。酸化アルミニウム層も特に好適であり、付着促進剤層としてのこの酸化アルミニウム層の使用可能性は従来公知でなかった。更に、付着性以外には特別な特性を示す必要のないその他の付着促進剤層も適当である。それに応じて、付着促進剤層は、わずかな原子層(Atomlagen)の極めてわずかな層厚で、例えば１〜１０ｎｍの層厚で設けることができる。

原則的に、適合層のためにも電極特性は不必要であるが、しかしながら有利である。適合層のために使用される材料の電気伝導度に応じて、単に十分な最小層厚が必要であるに過ぎない。適合層が良好な電極特性を有する場合、相応して、必要とされるのよりも厚く形成されてもよい。適合層の十分な厚さは、材料にかかわらず既に２〜３０ｎｍで達成される。

銅の他に、適合層のために例えばチタン合金、マグネシウム及び亜硝酸チタンが提案される。全ての場合において、公知の電極構造体と比較して低下されたアコーストマイグレーション、及び、それに伴うデバイスの特性の変化に対する、又は完全な故障に対するデバイスの改善された耐久性が望まれる。

出力許容性の更なる改善は、アコーストマイグレーションが、なおもアルミニウム又はアルミニウム合金を含む電極構造体の部分の内部で、付加的に遮断層により抑制される場合に達成される。

本発明の有利な実施態様において、その都度アルミニウム又はアルミニウム合金を含む２つの層の間に、拡散遮断効果を発揮し得る中間層が配置される。そのような中間層を用いた場合、アコーストマイグレーションをこの遮断層に対して垂直に、従って通常は基板に対して垂直に抑制することに成功する。そのような中間層のための材料として、殊に銅、マグネシウム、酸化マグネシウム、チタン、窒化チタン又はチタン合金が適当である。ここでも、電極層としての中間層の材料の適性に応じて中間層の厚さを決定することが重要である。アルミニウムよりも劣悪な電極特性を有する材料のために、少なくとも１つの中間層の厚さの割合を電極構造体の全層厚に対して例えば１０パーセントに調節する。しかしながら、中間層の材料の電極特性が残りの電極構造体の電極特性よりも良好である場合には、中間層のより高い厚さの割合も適当である。

中間層の挿入により、他の利点として、残存するアルミニウム又はアルミニウム合金層が、金属性構造物中に、もはやわずかな粒径を形成することが出来るに過ぎないということが達成される。それにより電極層の強度は改善される。有利に、薄過ぎるアルミニウム層によって電気抵抗の上昇が生じることのないように、アルミニウム又はアルミニウム合金層は、中間層の挿入によって、材料の内部の電荷担体移動度を上回る最小値に調節される。

デバイスが作動する際に、全体の電極構造体の厚さが振動数に応じて相応する厚さである場合、拡散遮断作用により、垂直拡散が低下するばかりでなく、より小さな粒径によって水平拡散も低下されるため、複数の中間層を電極構造体中に設けることもできる。これらの層は単に中間層として利点をもたらすだけであり、即ちこれらの層は両面に、相応する電極層により、従ってアルミニウム又はアルミニウム合金層により境界が成されている。そのような層を電極構造体のカバー層（最上層）として使用する場合、これらは単にわずかな拡散遮断作用を発揮し得るに過ぎないであろう。更に、電気的接触に対して、その他のリソグラフィ層が必要とされるであろう。最下層としても拡散遮断層は不必要であり、それというのも、基板ないし付着促進剤又は適合層中への拡散は生じないからである。

更に、本発明のもう１つの有利な実施態様において、電極構造体の出力許容性を妨げる拡散は不動態化層により抑制される。この不動態化層は、この不動態化層が、電極構造体、及び電極構造体により被覆されていない基板の領域を被覆するように、全面的に基板上に設けられてよい。この実施態様のためには、殊に非電気伝導性の不動態化層が適当である。

しかしながら、不動態化層をまず全面的に設け、引き続き、電極構造体の上方の不動態化層が除去されかつそこに電極材料が露出するまで異方的にエッチングすることは殊に有利である。同時に、電極構造体の間にも基板の表面を露出させる。しかしながら、電極構造体の側端には得られた不動態化層が残存し、間隙が形成される。

不動態化層のための材料を適当に選択した場合、この方法で電極材料の水平拡散は回避され、従って殊に側面にはヒロックは形成され得ない。従って、ショートし易さは著しく低下される。この方法では電極構造体の表面も被覆を有しないため、間隙を備えた電極構造体の音響機械的挙動にも実際には影響を及ぼさない。

電極構造体の上方に不動態化層を全面的に設けた場合にも、全方向への電極材料の拡散が抑制される。電極ないし電極構造体の電気機械的特性へのマイナスの影響は、不動態化層の制御された層堆積により最小化される。例えば、音波の減衰は、不動態化層を用いた電極構造体の被覆により十分に抑制され得る。

不動態化層のための材料として、実際には、薄膜法を用いて均一に及び縁部被覆して堆積することができる全ての少なくとも高オーム材料が該当する。しかしながら有利に、材料はＳｉＯ_２、ＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＤＬＣ(diamond like carbon)、ＴｉＯ又はＭｇＯである。しかしながら原則的に、別の高オーム材料又は絶縁性材料も適当である。

以下で、本発明による電極構造体の製造法を実施例及びそれに付属する６つの図を元に詳説する。図は、略示的かつ縮尺通りでない図面を用いて、本発明の種々の実施態様を、アコーストマイグレーションにより損傷された電極構造体と比較して示す。

図１は、既に記載された、アコーストマイグレーション後の電極構造体を示す。

図２は、適合層を有する、本発明の最も単純な実施態様を示す。

図３は、付加的な付着層を有する電極構造体を示す。

図４は、付加的な中間層を有する電極構造体を示す。

図５は、付加的な不動態化層を有する電極構造体を示す。

図６は、間隙を有する電極構造体を示す。

図２は、本発明の最も単純な実施態様を示す。圧電基板Ｓ、例えばタンタル酸リチウム又はニオブ酸リチウムから成る圧電結晶ウェハ、又は例えば酸化亜鉛又は窒化アルミニウムから成る圧電薄層上には、電極構造体ＥＳが配置されている。これは、デバイスの種類に応じて、ＳＡＷ−デバイスの場合には例えばストリップ状の指電極であり、ＦＢＡＲ−レゾネータの場合には平面状に設けられた電極である。電極構造体ＥＳは、主にアルミニウム又はアルミニウム合金、例えば１〜２パーセントの銅含分を有するアルミニウム銅合金を含む。基板との最適な結合を達成するために、電極構造体ＥＳは波長に応じた最適な厚さを有する。１ＧＨｚデバイス、例えば１ＧＨｚＳＡＷ−フィルタに関しては、最適な厚さは約４００ｎｍである。２ＧＨｚフィルタに関しては、最適な層厚はより低く、約１８０ｎｍである。電極及び対電極（この対電極は、ＳＡＷ−デバイスの場合には基板Ｓの同じ表面上に、それに対してＦＢＡＲ−レゾネータの場合には基板Ｓの反対の表面上に存在する）にＨＦ−信号を印加した場合には、基板上で音波が励起される。基板の振動のみに基づいても電極構造体ＥＳの強度の機械的負荷が生じ、これは電極中で基板表面へ向かうにつれて一層強度になる。従って本発明によれば、電極層ＥＳと基板Ｓとの間に適合層ＡＳが配置されている。これは直接基板上に設けることができ、例えば２ｎｍを上回る厚さを有する。層厚が３０ｎｍを上回る場合、電極構造体の、その出力許容性及びそのショート抵抗力に関する更なる改善はもはや認められない。しかしながら原則的に、適合層を厚くすることも可能である。有利に、適合層は銅から、約２〜３０ｎｍの層厚で成る。

慣用の基板材料、例えばニオブ酸リチウム又はタンタル酸リチウムへの銅の劣悪な付着性のために、基板Ｓと適合層ＡＳとの間に付着促進層ＨＳを設ける。付着促進層の厚さに関してはわずかな原子層で十分であり、従って有利な層厚は１〜５ｎｍの範囲内である。付着促進剤層ＨＳは、例えば、それを設けるためには相応する薄いアルミニウム層を酸化的圧電基板上に設けることで十分であるような薄い酸化アルミニウム層から成る。酸化的基板からの酸素で、このアルミニウム層は完全に酸化され、そのようにして酸化アルミニウム層へと変換される。付着促進剤層ＨＳのためには、基板Ｓ及び適合層ＨＳへの十分な付着性を有する別の材料も適合である。より大きな層厚は、可能であるが必要ではない。

図４は本発明のもう１つの実施態様を示し、その際、アルミニウム又はアルミニウム合金を含む電極構造体ＥＳは、１つの中間層ＺＳにつき２つ以上の部分層ＥＳ１及びＥＳ２に分割されている。例えば１０〜４０ｎｍの銅から成る中間層は拡散遮断層として役立ち、従って、垂直方向での電極構造体からのアルミニウム原子のアコーストマイグレーションはこの中間層Ｓによって中断される。しかしながら、ここでも部分層間での電極材料の拡散を回避するために、中間層Ｓを用いて、異なる電極材料から成る２つの部分層ＥＳ１及びＥＳ２を相互に分離することも可能である。

電極構造体ＥＳの中に場合により配置された中間層、適合層及び付着促進層と共に、電極構造体ＥＳの上方に不動態化層ＰＳを設ける場合、電極構造体ＥＳからのアルミニウム原子の外方拡散はほぼ完全に回避される。この層も、基板上に設けられた他の全ての層と同様に、例えばスパッタ、蒸着又はＣＶＤ法により、薄膜法を用いて設けることができる。不動態化層として、ケイ素、チタン又はマグネシウムの酸化層、窒化ケイ素層又はＳＩＣ層又はＤＬＣ層が有利である。他の酸化材料又は絶縁材料も可能である。

完全な表面被覆により、ヒロックの形成は完全に回避される。それに応じて、電極構造体の内部のボイドの形成も抑制される。図５は、そのような不動態化層で被覆された電極構造体を示す。

この電極構造体を、最大エッチング速度で、基板表面に対して垂直に、不動態化層の層厚を除去するのに十分な期間に亘って異方的にエッチングすることにより、基板表面に対して平行に配向された不動態化層の層部分が完全に除去される。図６は、電極構造体の側面上にのみ間隙ＳＰが残存することを示す。電極構造体の表面上、及び電極構造体の側面の間隙ＳＰの向こう側では、不動態化層が完全に除去されている。この方法では、その側縁部を完全に間隙に取り囲まれた電極構造体が得られ、その際、アコーストマイグレーションは水平方向で基板表面に対して平行に回避されるが、これは他方では表面上で電極の被覆を示さず、従って、電極構造体を音波の発生のために使用するために必要な電気機械的特性は妨害されない。

図中に示された実施例に加え、個々の層のために、記載された材料とは異なる材料を使用することも可能であるが、その場合にはこれは明細書の冒頭に記載された副次的な条件を満たさねばならない。本発明による電極構造体において、図示された層のそれぞれを省略することも可能である。例えば、不動態化層を図２及び３に示されているように電極構造体上に設けることができる。基板と適合層ＡＳとの間に十分な付着性が与えられている場合には、付着促進層ＨＳを省略することができる。全ての層は薄膜法で設けられ、その際、電極構造体ＥＳの構造化のためにリフトオフ法のみならずエッチング法を使用することができる。リフトオフ法の場合には、電極から離れたままであるべき基板表面の範囲内に犠牲層を設け、この犠牲層を、所望の電極層及び別の層を全面的に設けた後で、その上方に存在する層領域と一緒に再度除去するのに対して、エッチング技術の場合には、まず全ての層を全面的に重ねて設け、引き続きエッチングによって、例えばフォトレジストマスクを用いて構造化する。

不動態化層を、有利に電極構造体の構造化の後に設ける。

殊に有利に、本発明は、ＳＡＷ−デバイスにおいて、殊に、高い電気機械的応力、高められた材料疲労及びその結果である例えばショートし易さ及びフィルタ特性の連続的な変化にさらされているＳＡＷ−フィルタにおいて使用される。本発明によりこのデバイスにおいて改善された出力許容性が達成され、これはデバイス特性の高められた不変性並びに高められたショート耐久性に現れる。改善は、一方では、その中で機械的応力の一部が減衰する適合層によって達成され、従ってこの機械的応力はアコーストマイグレーションの影響下にある電極構造体にもはや影響を及ぼし得ない。その他の措置、例えば中間層及び不動態化層又は間隙と関連して、最小化された応力にもかかわらずなお場合により存在するアコーストマイグレーションは更に低下される。本発明を用いて、出力許容性に関する固有値は、残りのデバイス特性がマイナスの影響を受けることなく倍増される。

アコーストマイグレーション後の電極構造体を示す概略図。 本発明の最も単純な実施態様を示す概略図。 付加的な付着層を有する電極構造体を示す概略図。 付加的な中間層を有する電極構造体を示す概略図。 付加的な不動態化層を有する電極構造体を示す概略図。 間隙を有する電極構造体を示す概略図。

符号の説明

ＥＳ 電極構造体
ＥＳ１ 部分層
ＥＳ２ 部分層
Ｓ 圧電基板
ＡＳ 適合層
ＨＳ 付着促進剤層
ＺＳ 中間層
Ｖ 間隙
Ｈ 隆起物
Ｐ 不動態化層

Claims (13)

1. 圧電基板（Ｓ）を有し、前記圧電基板（Ｓ）の上にはアルミニウムを含む電極構造体（ＥＳ）が設けられている、ＳＡＷデバイスにおいて、電極構造体（ＥＳ）の下方に、電極構造体の出力許容性を高めるために、機械的に安定な適合層（ＡＳ）が配置されており、その際、適合層（ＡＳ）と圧電基板（Ｓ）との間に付着促進剤層（ＨＳ）が配置されており、即ち、下方から順に圧電基板（Ｓ）、付着促進剤層（ＨＳ）、適合層（ＡＳ）、電極構造体（ＥＳ）が配置されており、その際、
   以下の全ての特徴：
   付着促進剤層（ＨＳ）が１〜１０ｎｍの層厚を有するという特徴、
   付着促進剤層（ＨＳ）がＡｌ₂Ｏ₃又はＴｉＯを含むという特徴、
   適合層（ＡＳ）がチタン合金、マグネシウム又は窒化チタンを含むという特徴、及び
   電極構造体（ＥＳ）がアルミニウム又はアルミニウム合金を含むという特徴
   を有する、ＳＡＷデバイス。
2. 適合層（ＡＳ）が２〜３０ｎｍの層厚を有する、請求項１記載のデバイス。
3. 電極構造体（ＥＳ）が多層であり、その際、その都度アルミニウム又はアルミニウム合金を含む２つの部分層（ＥＳ１、ＥＳ２）の間に中間層（ＺＳ）が配置されている、請求項１又は２記載のデバイス。
4. 中間層（ＺＳ）として拡散遮断層が備えられている、請求項３記載のデバイス。
5. 中間層（ＺＳ）がＣｕ、Ｍｇ、ＭｇＯ、Ｔｉ、窒化チタン又はチタン合金から成る、請求項４記載のデバイス。
6. 少なくとも１つの中間層（ＺＳ）の厚さが、電極構造体（ＥＳ）の全厚の１〜１０％の割合を有する、請求項５記載のデバイス。
7. 電極構造体（ＥＳ）の上方に不動態化層（ＰＳ）が配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のデバイス。
8. 不動態化層（ＰＳ）が、ＳｉＯ₂、ＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＤＬＣ、ＴｉＯ又はＭｇＯから成る、請求項７記載のデバイス。
9. 電極構造体（ＥＳ）は、基板（Ｓ）の表面に対して横の側面上で、不動態化層（ＰＳ）で被覆されているが、その際、基板表面に平行する電極構造体（ＥＳ）の表面には不動態化層が存在しない、請求項７又は８記載のデバイス。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載のデバイスの製造法において、基板（Ｓ）上に、薄いアルミニウム層を設けて酸化させ、引き続き、適合層（ＡＳ）及び電極構造体（ＥＳ）を設けることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載のデバイスの製造法。
11. −電極構造体（ＥＳ）のための材料をまず第一に全面的に設け、引き続き構造化し、
    −電極構造体（ＥＳ）の構造化の後に、全面的に基板（Ｓ）上に、又は電極構造体上のみに、Ｓｉ、Ｔｉ又はＭｇから選択される薄い金属層を設け、かつ
    −薄い金属層を引き続き酸化し、その際、生じる酸化物が不動態化層（ＰＳ）を形成する請求項１０記載の方法。
12. 基板表面に対して平行な電極構造体（ＰＳ）の表面を露出させるが、但し電極構造体（ＥＳ）の側面上には不動態化層の材料から成る間隙（ＳＰ）が残存するように、不動態化層（ＰＳ）を異方的にエッチングする、請求項１０又は１１記載の方法。
13. 電極構造体（ＥＳ）の構造化をリフトオフ技術を用いて行う、請求項１０から１２までのいずれか１項記載の方法。

Images