專利名稱：用于表面聲波器件的大功率處理的金屬化結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及射頻設(shè)備領(lǐng)域，具體涉及射頻濾波器，更具體涉及采用表面聲波器件的射頻濾波器。
目前存著使無線通信裝置中的元件小型化的迫切要求。例如，為促進快速、有效且靈活的音頻和數(shù)據(jù)通信，重量輕、手提便攜式蜂窩電話、用于以容易重構(gòu)的方式連接辦公樓內(nèi)的計算機系統(tǒng)無線局域網(wǎng)、傳真機及其它裝置需要更小且更有效的元件。
同時要求體積小、重量輕和高性能的各種這樣的通信裝置都需要濾波器。產(chǎn)品數(shù)量的日益增多，需要尋求采用固定波譜資源以完成以前想象不到的任務。這樣的例子包括蜂窩電話、計算機和輔助設(shè)備鏈接其它日益復雜的個人或裝備信息共享要求的主機等。使日益復雜的通信節(jié)點便攜化的這種希望，就日益密集的射頻資源來講，對濾波技術(shù)有極高的要求。
用于雙工器中的表面聲波(SAW)梯形濾波器是射頻的一般選擇，是由于它們具有較好的性能和較小的尺寸。然而，要求例如SAW雙工器等小器件處理較高功率電平。例如，對于50,000小時的壽命來說，SAW雙工器的標準規(guī)格要求雙工器能夠處理1瓦的功率。然后，由于涉及高功率密度，現(xiàn)有SAW技術(shù)很難滿足該要求。
解決功率處理問題的一種現(xiàn)有方法包括提供由第一鋁銅合金層、第二純銅層和第三另一鋁-銅合金層構(gòu)成的三層電極金屬化結(jié)構(gòu)。然而，該方法的缺點是，很難進行蝕刻，容易造成侵蝕，需要400℃下的附加退火步驟。
另一現(xiàn)有技術(shù)的方法包括利用離子束濺射技術(shù)，一次淀積鋁-鈦合金單晶電極。然而，離子束濺射是一種很慢的工藝，如所屬領(lǐng)域技術(shù)所知道的，該技術(shù)不適于批量生產(chǎn)。
涉及平板顯示技術(shù)的有關(guān)現(xiàn)有技術(shù)采用了鈦層上的鋁層。這樣做的目的是控制電遷移。然而，該技術(shù)要求在金屬層上另外淀積一介質(zhì)膜，超過300℃的預熱步驟，及對于限定金屬化結(jié)構(gòu)厚度來說非常重要的玻璃襯底。
需要的是一種提供SAW器件的電極金屬化結(jié)構(gòu)的方法，該金屬化結(jié)構(gòu)可以提供良好的機械強度，穩(wěn)定的頻響應、額定功率下的長壽命，并具有與壓電襯底的良好粘附性，并且容易以低成本批量生產(chǎn)。
本發(fā)明具體記載于所附的權(quán)利要求書中。然而，參考結(jié)合附圖的詳細說明和各權(quán)利要求，可以獲得對本發(fā)明的更充分理解，其中所有圖中類似的標號表示類似的物件，以及

圖1是根據(jù)本發(fā)明壓電襯底上具有交指型電極的SAW諧振器的平面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施例圖1所示SAW換能器的一個電極的剖面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明圖2所示電極的優(yōu)選實施例的剖面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明提供圖2所示電極金屬化結(jié)構(gòu)的方法的框圖；圖5是圖2所示電極構(gòu)型的頻率響應隨時間和功率的變化的曲線圖；圖6是加電情況下數(shù)個SAW金屬化結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的壽命測試結(jié)果的曲線圖。
這里記載的例子按一種形式示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并不想使這些例子構(gòu)成任何方式的限定。
本發(fā)明提供SAW器件的電極金屬化結(jié)構(gòu)，該金屬化結(jié)構(gòu)可以提供良好的機械強度，穩(wěn)定的頻響應、額定功率下的長壽命，并具有與壓電襯底的良好粘附性，并且有利的是，本發(fā)明容易以低成本利用標準加工技術(shù)進行批量生產(chǎn)。
圖1是包括聲波換能器13的聲波諧振器10的簡化平面，所說聲波換能器13包括通過各總線條12與第一端子17或第二端子18交替耦合的交指電極19(這里也稱為“指”“指狀電極”等)。諧振器10任意地包括在聲波傳播的主要方向14、16上，設(shè)置于換能器13的任一側(cè)上的反射器11。反射器11一般包括模擬電極19的金屬電極，它們或者彼此電隔離，或者僅與特定反射器11內(nèi)的一根總線條12耦合，或者可以在特定反射器11內(nèi)彼此電連接在一起，但不與該特定反射器11外的結(jié)構(gòu)電連接。
交指電極19一般是周期性的，限定特定的聲波波長，換能器13在該波長表現(xiàn)出特征聲波中心頻率及響應于通過端子17、18加的合適頻率的電激發(fā)轉(zhuǎn)換的聲波能量的中心頻率波長。有利的是，根據(jù)諧振器10的設(shè)計原理和性能目標，交指電極19為沿各方向測量的中心頻率波長寬度的四分之一。這些電極設(shè)置于二分之一聲波波長中心，通常分別與相關(guān)總線條12交替耦合，仔細地使各方向與優(yōu)選的晶軸14、16對準，如所屬領(lǐng)域所公知的，提供希望的聲波轉(zhuǎn)換、傳播和反射特性。
從電端子17、18供應給總線條12，并因此供應給交指或交錯電極19的合適頻率的電激發(fā)，導致?lián)Q能器13中產(chǎn)生聲波。類似的，撞擊電極19的合適頻率的聲波引起電信號出現(xiàn)在端子17、18。這里所用的術(shù)語“聲波波長”是指濾波器中心頻率即濾波器通帶的標稱中心的聲波波長。
反射器11一般包括寬度為沿方向14、16方向測量的該波長寬度的四分之一的電極或其它反射結(jié)構(gòu)，是由于該寬度的電極趨于具有反射性。然而，也可以采用提供合適反射特性的其它寬度，該寬度可以選擇為適應包括襯底9的諧振器10所用材料的反射特性。
現(xiàn)有諧振器一般通過以下方式制造于拋光的襯底上，即，利用類似于集成電路的制造技術(shù)，淀積和構(gòu)圖薄鋁膜，正如所屬領(lǐng)域所公知的，包括濕法蝕刻和干法蝕刻。這種諧振器可用于濾波器件和雙工器。
圖2示出了本發(fā)明的第一實施例，其中SAW器件的每個電極19都由多個金屬化層構(gòu)成。包括壓電襯底9的表面聲波器件，帶有設(shè)置于其上的金屬化結(jié)構(gòu)，用于限定交指電極19。每個交指電極19的金屬化結(jié)構(gòu)包括基本上由純鈦構(gòu)成的第一層20，和由鋁和鈦的合金構(gòu)成的第二層22，其中鈦占合金重量的約0.1％-約1.0％，合金的其余部分為鋁?？赏瑯雍玫貞糜赟AW器件的壓電襯底9有許多。其中典型的有ST切型的石英，及各種角度切型的鈮酸鋰、鉭酸鋰、四硼酸鋰等。
在優(yōu)選實施例中，第一層20的厚度26小于或等于約400埃。另外，在優(yōu)選實施例中，第二層22的厚度28約為2000-6000埃。更好是，第一層20的厚度26為約200埃，第二層22的厚度28為約4000埃。此外，較好是第二層28中包括占合金重量約0.5％的鈦，這取決于例如電極19的導電性等設(shè)計要求。
圖3示出了圖2所示電極19的優(yōu)選實施例，這里引入對其的介紹作參考，該電極另外還包括基本上由純鈦構(gòu)成的第三層24。第三層24的厚度30較好是小于或等于約400埃。
本發(fā)明的實施例較好是采用具有小晶粒尺寸的金屬化結(jié)構(gòu)，以便提供改善的機械強度。具體說，金屬化層淀積為使晶粒尺寸保持在小于0.3微米，較好是小于0.2微米。
該電極的各金屬層可在多室濺射設(shè)備中，不破壞真空的條件下連續(xù)濺射淀積得到。各金屬層也可以在具有多個金屬源的各處理室內(nèi)用電子束淀積法連續(xù)淀積。后一種情況下，可通過純鋁和鈦的同步比例淀積，直接形成合金。
第一層20的厚度約為第二層22的厚度的十分之一，從而使第二層作為電極19的主體。第一層20中的鈦起到增強電極19與襯底9間的粘附性的作用。同樣重要的是，鈦可以促進第二層22中的鋁的優(yōu)選Al(111)結(jié)構(gòu)。從原理上說，所謂面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)金屬中的這種(111)晶粒取向會產(chǎn)生最高可實現(xiàn)強度，是由于(111)金相面上極難發(fā)生位錯移動的緣故。由于其高機械強度基礎(chǔ)，第一層20中的鈦也可以加強電極19的整個機械結(jié)構(gòu)。第二層22的合金化用于得到更高的強度，是由于雜質(zhì)被細TiAl3顆粒硬化及比純鋁更高的金屬相穩(wěn)定性的緣故。金屬相穩(wěn)定性是由于第一和第二層20與22間擴散的減慢，以及在第一和第二層20、22間的界面處，第二層22中鋁的晶界穩(wěn)定的緣故。
上述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)減少了先前SAW金屬化結(jié)構(gòu)的失效問題。SAW金屬化結(jié)構(gòu)失效是由于高頻機械應力造成的金屬遷移造成的。機械應力由SAW器件中聲波的傳播產(chǎn)生。本發(fā)明改善了電極的粘附性和機械強度，所以降低了金屬化結(jié)構(gòu)失效的幾率。另外，應用第三層24還有利于防止材料通過表面遷移和電極形成小丘。第三層24的厚度30保持小，以便保持電極的合理導電性。
本發(fā)明還包括在壓電襯底上提供電極金屬化結(jié)構(gòu)從而形成表面聲波器件的方法100。方法100包括在襯底上淀積基本純鈦構(gòu)成的第一層的第一步驟102。第二步驟104包括淀積鋁和鈦的合金構(gòu)成的第二層，其中鈦占合金重量的約0.1％-1.0％，合金的其余部分基本上是鋁。第二步驟104淀積第二層使其覆蓋第一層。最后一步是處理這些層，以便在限定表面聲波器件的壓電襯底上限定交指電極。
淀積第一層的步驟較好是使第一層淀積為小于或等于約400埃。淀積第二層的步驟較好是使第二層淀積為厚約2000-6000埃。淀積第一層的步驟更好是淀積厚約200埃的第一層，淀積第二層的步驟更好是淀積厚約4000埃的第二層。電極的總厚度應根據(jù)對器件性能的設(shè)計要求確定。
在優(yōu)選實施例中，淀積第二層的步驟使合金中鈦占合金重量的約0.5％。另外，處理步驟前，較好包括淀積基本由純鈦構(gòu)成的第三層，從而覆蓋第二層的步驟。淀積第三層的步驟較好淀積厚小于或等于約400埃的第三層。淀積第三層的步驟更好是淀積厚約200埃的第三層。
另外，在優(yōu)選實施例中，通過，濺射進行淀積步驟，以便形成小晶粒尺寸，從而改善機械強度。RF和DC濺都可以實施該工藝達到該目的。具體說，進行各淀積步驟，使產(chǎn)生的晶粒尺寸小于0.3微米。更好是進行各淀積步驟，使產(chǎn)生的晶粒尺寸小于0.2微米。
實際上，本發(fā)明最好是應用于無線通信裝置的SAW雙工器，雙工器實施無線通信裝置的功率發(fā)射。典型的無線通信裝置例如蜂窩電話以高至1瓦的功率發(fā)射信號。預計典型的雙工器在該功率水平，具有50000小時的壽命。由于時間極長，所以非常難測試。因此，需要進行SAW雙工器的加速壽使測試。由于SAW器件中的聲波在較低功率水平會引起大機械應力，所以幸運的SAW器件一般經(jīng)得起加速測試。
實例利用用于SAW換能器的交指電極的數(shù)個不同金屬化結(jié)構(gòu)進行實驗，測試SAW雙工器的壽命。除了金屬化結(jié)構(gòu)的組分不同外，所有器件類似地形成于36(Y-X LiTaO3襯底上。利用標準DC磁控濺射技術(shù)淀積所有膜。另外，所有樣品淀積有總厚為4500埃的各層膜，并利用標準反應離子刻蝕工藝對其進行腐蝕。
第一個樣品由帶有純鋁電極的現(xiàn)有技術(shù)SAW濾波器構(gòu)成。第二樣品由帶有一層Al合金(0.5％的Ti)電極的現(xiàn)有技術(shù)SAW濾波器構(gòu)成。第三樣品由帶有根據(jù)本發(fā)明的電極的SAW濾波器構(gòu)成，該電極具有鈦構(gòu)成的第一層，和Al(0.5％的Ti)合金構(gòu)成的第二層(見圖2)。在低功率下測試所有樣品，以數(shù)種時間間隔測量每個器件的頻率響應和插入損耗。由測量結(jié)果計算下降0.5dB時器件的插入損耗的時間。
圖5示出了從根據(jù)本發(fā)明(見圖2)具有鈦構(gòu)成的第一層和Al合金(0.5％的Ti)構(gòu)成的第二層的第三樣品，測得的頻率響應。可以看出，在3.2瓦的功率水平下，測試300小時后，插入損耗下降0.06dB。于是確定該功率水平下該器件的投影壽命(projected lifetime)(0.5dB下降)為約2500小時。還應注意，該器件的中心頻率在測試期間不位移，這是重要的性能要求。
如所屬領(lǐng)域公知的，可利用以下關(guān)系式經(jīng)驗確定器件的預計壽命(插入抽耗下降0.5dB需要的時間周期)(t/t0)＝(P/P0)-6其中t0和P0是壽命和功率的測試參考值。對于圖5測試的器件來說，該方程變?yōu)?t/2500小時)＝(P/3.2瓦)-6因此，1瓦功率時，根據(jù)本發(fā)明制造的該特定器件的預計壽命為約2.7百萬小時。遠大于1瓦下50000小時的目標規(guī)格壽命。
圖6示出了為三個樣品繪制的方程1，及用于比較的目標曲線。目標曲線是對1瓦時50000小時的規(guī)格繪制的。希望提供實現(xiàn)上述該線的SAW器件，以滿足典型射頻器件的希望性能要求。
具有純鋁構(gòu)成的電極的現(xiàn)有技術(shù)SAW器件的第一樣品，在1瓦時，具有兩小時的測試壽命。由該點繪制預定的壽命線?？梢钥闯?，純鋁電極不足以滿足要求的功率/壽命規(guī)格。具有一層由Al合金(0.5％的Ti)構(gòu)成的電極的現(xiàn)有技術(shù)SAW濾波器的第二樣品(兩個器件)，在兩瓦時，具有約5小時的測試壽命。由該點繪制預定壽命線?？梢钥闯?，這些器件在1瓦功率水平時，最后只有約300小時的壽命。這仍不足以滿足要求的功率/壽命規(guī)格。
用鋁-銅合金也做了這樣的工作(見Tokihiro等人的ImprovedPower Durability of Surface AcouStic Wave Filters for AntennaDuplexers，Jpn，J.Appl.Phys.Vol.34(195)，pp.2688-2692，Part1，No.5B May1995)，據(jù)報道，其1瓦時的壽命為約40000小時。然而，仍然不能達到希望的射頻規(guī)格。
根據(jù)本發(fā)明制造的SAW濾波器的第三樣品(兩個器件)在超過3瓦時，具有幾乎約3000小時的測試壽命。由該點繪制預定的壽命線?？梢钥闯?，該樣品容易超過功率/壽命規(guī)格。
以上介紹了一種聲波濾波器件，能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的方法和機制的特定問題，具有一定的優(yōu)點。對已有技術(shù)的改進是明顯的。可以避免現(xiàn)有技術(shù)的濾波器的問題。另外，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本和容易制造，提高驅(qū)動水平壽命。應認識到，上述介紹僅用作例子，并非限制。
上面對特定優(yōu)選實施例的介紹充分體現(xiàn)了本發(fā)明的一般性質(zhì)。利用目前的常識，容易對這些特定實施例進行改進和/或應用于各種裝置，同時不背離其基本思想，因此，應認為這些應用的改進包含在所公開的實施例的等效意義和范圍內(nèi)。
應理解，這里所用語句或術(shù)語是為了介紹，而非限制。因此，本發(fā)明意在包含落在所附權(quán)利要求書的普遍范圍內(nèi)的所有這些替代、改進、等同物和變化。
權(quán)利要求
1.一種在壓電襯底上提供電極金屬化結(jié)構(gòu)從而形成表面聲波器件的方法，包括以下步驟在襯底上淀積基本由純鈦構(gòu)成的第一層；淀積由鋁和鈦的合金構(gòu)成的第二層，其中鈦占合金重量的約0.1％-1.0％，合金的其余部分基本上是鋁，使第二層疊于第一層上；及處理這些層，以便在限定表面聲波器件的壓電襯底上限定交指電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中淀積第二層包括淀積鈦占合金重量的約0.5％的合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中淀積第一層包括將第一層淀積為厚小于或等于約400埃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中淀積第二層包括將第二層淀積為厚約2000-6000埃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中處理步驟前，還包括淀積基本上由純鈦構(gòu)成的第三層，使之疊于第二層上的步驟。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中淀積第三層的步驟包括將第三層淀積為厚小于或等于約400埃。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過濺射淀積實施淀積步驟，從而產(chǎn)生小晶粒尺寸，以提高機械強度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中進行各淀積步驟，形成小于0.3微米的晶粒尺寸。
9.一種表面聲波器件，包括帶有設(shè)置于其上用于限定交指電極的金屬化結(jié)構(gòu)的壓電襯底，交指電極的金屬化結(jié)構(gòu)包括基本上由純鈦構(gòu)成的第一層；及由鋁和鈦的合金構(gòu)成的第二層，其中鈦占合金重量的約0.1％-1.0％，合金的其余部分基本上是鋁。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的表面聲波器件，其中第二層中的鈦占合金重量的0.5％。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的表面聲波器件，其中第一層的厚度小于或等于約400埃。
12.根據(jù)權(quán)利要求9的表面聲波器件，其中第二層的厚度為約2000-6000埃。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的表面聲波器件，還包括基本由純鈦構(gòu)成的第三層。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的表面聲波器件，其中第三層的厚度小于或等于約400埃。
15.根據(jù)權(quán)利要求9的表面聲波器件，其中金屬化結(jié)構(gòu)的各層設(shè)置為具有小晶粒尺寸，以便提高機械強度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的表面聲波器件，其中晶粒尺寸小于0.3微米。
17.一種用于無線通信裝置的雙工器，該雙工器中引入了表面聲波器件，所說表面聲波器件包括帶有設(shè)置于其上用于限定交指電極的金屬化結(jié)構(gòu)的壓電襯底，交指電極的金屬化結(jié)構(gòu)包括基本上由純鈦構(gòu)成的第一層；及由鋁和鈦的合金構(gòu)成的第二層，其中鈦占合金重量的約0.1％-1.0％，合金的其余部分基本上是鋁。
全文摘要
一種表面聲波器件(9),其電極(19)具有金屬化結(jié)構(gòu),該金屬化結(jié)構(gòu)包括基本上由純鈦構(gòu)成的第一層(20)和由鋁和鈦的合金構(gòu)成的第二層(22)。鈦占合金重量的約0.1%－1.0%,合金的其余部分是鋁。第一層(20)中的鈦提供良好的粘附性,并為第二層(22)提供優(yōu)選的Al(111)晶粒取向。第二層(22)中的鈦為改善功率處理提供良好的機械強度,同時鋁保持高電極導電性。金屬化結(jié)構(gòu)中的小晶粒結(jié)構(gòu)可以進一步改善機械強度。
文檔編號H03H9/145GK1329759SQ99814104
公開日2002年1月2日 申請日期1999年12月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月2日
發(fā)明者S·賴 申請人:Cts公司