專(zhuān)利名稱(chēng)：彈性表面波器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及彈性表面波器件及其制造方法。尤其是有關(guān)這樣的具備電極膜的彈性表面波器件及其制造方法，該電極膜具有經(jīng)過(guò)改進(jìn)的耐功率性。
彈性表面波器件，特別是彈性表面波濾波器已變成為取代電介質(zhì)濾波器頻頻地被利用于汽車(chē)電話(huà)和攜帶電話(huà)等等的RF波段濾波器中。其原因是，可以舉出彈性表面波器件、特別是彈性表面波濾波器與電介質(zhì)濾波器相比其尺寸小，而在相同大小的情況下相比則在電學(xué)特性方面優(yōu)異等等。
彈性表面波器件至少由壓電性基板，由已形成于該壓電性基板的表面上的金屬膜構(gòu)成的電極圖形以及收容該壓電性基板與電極圖形的封裝構(gòu)成。作為壓電性基板。應(yīng)用鈮酸鋰，鉭酸鋰和水晶等等，在其表面上形成由鋁金屬膜等構(gòu)成的電極圖形，置于封裝中。
在圖5中示出了一般性的現(xiàn)有的彈性表面波器件的制造工序。首先，在工序(a)中已進(jìn)行了基板清洗的壓電性基板50上邊。在工序(b)中作為電極材料用蒸鍍或?yàn)R射法形成金屬膜51。在其上邊用比如說(shuō)旋涂法涂敷光刻膠。接著如工序(c)所示，用曝光機(jī)曝光所要求的圖形，并進(jìn)行顯影之后，得到光刻膠圖形52。之后，在工序(d)中，用濕蝕法或干蝕法使金屬膜形成所要求的電極圖形53。用于形成圖形的光刻膠在工序(e)中用剝離液或者灰化法(ashing)去掉。到此為止被稱(chēng)之為光刻工藝的前工序就結(jié)束了。然后，在工序(f)中，用劃片機(jī)把已形成了電極圖形的壓電性基板切割成各個(gè)芯片。接下來(lái)，在工序(g)中，用粘結(jié)劑把已切下來(lái)的芯片固定到封裝中之后，在工序(h)中進(jìn)行金絲壓焊布線(xiàn)。最后，為確保氣密性，在工序(i)中使蓋焊上，在工序(j)中對(duì)特性進(jìn)行檢查，后工序結(jié)束。
彈性表面波器件，在1GHz前后的RF波段使用的情況下，存在著梳形電極的電極寬度及電極間隔變得微細(xì)為1μm前后，因而存在壽命短的問(wèn)題。決定彈性表面波器件的壽命的。主要是電極膜的耐功率性。當(dāng)使彈性表面波器件處于工作狀態(tài)時(shí)，對(duì)壓電性基板上的電極膜將加上與頻率成比例的反復(fù)應(yīng)力。由于加在該電極膜上的反復(fù)應(yīng)力，在電極膜上將因移動(dòng)而產(chǎn)生突起和空隙這樣的缺陷，使彈性表面波器件的特性大大地變壞。這種電極膜的劣化現(xiàn)象、頻率越高還有所加功率越大則越明顯。另外，在設(shè)計(jì)上，頻率越高就必須把電極膜作得更薄，把電極寬度作得更微細(xì)。除去這些因素之外，頻率越高，在電極膜上就越容易產(chǎn)生缺陷，使耐功率性變壞。
由于比重小，電阻小等理由，在彈性表面波器件的電極膜上最初使用的是鋁(Al)。但是，在把Al用到電極膜上的情況下，高頻化所伴生的上述電極膜的劣化就成為問(wèn)題。作為改善這種因徙動(dòng)而產(chǎn)生的電極膜的劣化現(xiàn)象的手段。J.I.Latham等人公開(kāi)了(Thin solid Films 64、PP 9～15，1979年)作成向Al中摻入微量的Cu(銅)之類(lèi)的異種金屬的Al-Cu(鋁銅合金)的辦法。借助于這種Al的合金化。就可以抑制電極膜產(chǎn)生突起和空隙，就可改進(jìn)彈性表面波器件的耐功率性。
然而，這種因Al的徙動(dòng)而產(chǎn)生的劣化在半導(dǎo)體的領(lǐng)域中也產(chǎn)生了問(wèn)題。作為在半導(dǎo)體布線(xiàn)中的Al的徙動(dòng)，人們知道主要有兩種因電流而產(chǎn)生的電徙動(dòng)和因起因于薄膜的多層化的剩余應(yīng)力而產(chǎn)生的應(yīng)力徙動(dòng)。在彈性表面波器件中，與在半導(dǎo)體領(lǐng)域中的情況不同，如上邊說(shuō)過(guò)的那樣，將加上與工作頻率成比例的反復(fù)應(yīng)力。江
、森下等人，在電子情報(bào)通信學(xué)會(huì)論文雜志vol.J67-C，No.3，PP278～285，1984“SAW諧振子中的Al薄膜的金屬徙動(dòng)”中，對(duì)Al的徙動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的講述。Al的徙動(dòng)首先在半導(dǎo)體布線(xiàn)中成了問(wèn)題。半導(dǎo)體布線(xiàn)的情況下的徙動(dòng)粗分起來(lái)有以下兩種直流電流所產(chǎn)生的電徙動(dòng)(EM)和在形成多層布線(xiàn)時(shí)產(chǎn)生的剩余應(yīng)力所產(chǎn)生的應(yīng)力徙動(dòng)(SM)。在該論文中，簡(jiǎn)明地說(shuō)明了彈性表面波器件中所產(chǎn)生的徙動(dòng)的原因。根據(jù)這一說(shuō)明，當(dāng)把保護(hù)電極接地使得2個(gè)叉指換能器(IDT)之間電接地而不能激勵(lì)或接收表面彈性波(SAW)時(shí)，在該保護(hù)電極上就會(huì)形成與表面彈性波(SAW)的駐波相對(duì)應(yīng)的條紋。這種條紋是因Al的徙動(dòng)而產(chǎn)生的空隙和突起。在這種情況下，已經(jīng)弄清楚了這種條紋起因于表面彈性波的駐波的應(yīng)力，因?yàn)樵诒Ｗo(hù)電極中沒(méi)有電流流過(guò)。因此，可以說(shuō)在彈性表面波器件的情況下在Al中所產(chǎn)生的徙動(dòng)是與電流或者剩余應(yīng)力所產(chǎn)生的EM、SM不同的聲徙動(dòng)。另一方面，由于在表面彈性波電極上作用有與表面彈性波對(duì)應(yīng)的反復(fù)應(yīng)力，故這一現(xiàn)象也可以叫作金屬疲勞。人們認(rèn)為該應(yīng)力值與塊狀的Al的拉伸應(yīng)力(疲勞極限)大體相同，或者是將超過(guò)拉伸應(yīng)力的值。
在攜帶電話(huà)所用的RF波段濾波器中，在發(fā)送一側(cè)與接收一側(cè)所投入的功率不同，一般說(shuō)與發(fā)送一側(cè)相比接收一側(cè)所投入功率小。但是，即使是在投入功率小的接收一側(cè)的濾波器中，在功率投入至少0.1W，室溫25℃下，其壽命要求為10年以上。在用彈性表面波器件，特別是用多模式彈性表面濾波器構(gòu)成這種濾波器的情況下，若把現(xiàn)有的純Al膜用作電極材料，則壽命只有數(shù)年，不能滿(mǎn)足壽命10年以上這樣一種要求。
于是本申請(qǐng)發(fā)明者們把上邊講過(guò)的耐功率性高的Al-Cu合金膜(Al-0.5wt％ Cu)用作電極材料對(duì)多模式彈性表面波濾波器的壽命進(jìn)行了試驗(yàn)。作為試樣，應(yīng)用的是作為以歐洲為中心正迅速進(jìn)行普及的GSM系統(tǒng)的接收一側(cè)的濾波器(中心頻率947.5MHz)而設(shè)計(jì)的試樣。在壽命試驗(yàn)期間，由于在電極膜上會(huì)產(chǎn)生空隙或突起這樣一些缺陷，故該電極膜的膜電阻變大，濾波器的插入損失將增加。這里，把TF(Timeto Failure失效時(shí)間)引入器件壽命中，把插入損失增加到0.5dB為止的時(shí)間作為器件壽命，對(duì)投入功率和周?chē)鷾囟冗M(jìn)行了加速壽命試驗(yàn)。其結(jié)果是倘對(duì)本身為GSM標(biāo)準(zhǔn)的投入功率為0.1W，環(huán)境溫度為25℃的器件壽命進(jìn)行估計(jì)，則在用作試樣的多模式彈性波表面器件中，壽命大體上約30年。
從上述結(jié)果可知，即便是在多模式彈性表面波器中，如把Al-Cu合金膜(Al-0.5wt％ Cu)用作電極材料，也可以得到足夠的耐功率性。但是，在比如說(shuō)發(fā)送一側(cè)濾波器和天線(xiàn)分波器中，由于要投入比較大的功率，故存在著用上述功率膜的耐功率性不能得到足夠的壽命的問(wèn)題。
作為改善這一壽命的手段，田渕等人在“便攜式電話(huà)分波器用SAW濾波器的耐功率性評(píng)價(jià)”(電子情報(bào)通信學(xué)會(huì)技術(shù)報(bào)告資料，US 87-18)中報(bào)告了對(duì)Al合金膜的耐功率性的研究，根據(jù)這一報(bào)告，在Al-Cu合金膜中，可用增加Cu的含有量的辦法改善壽命。另外，該壽命的改善直到Cu的含有量為2.5wt％為止，Cu摻入得超過(guò)這一量值壽命反而會(huì)變壞。這樣一來(lái)，可知在由Al-Cu合金膜構(gòu)成的電極材料中，Cu的含量在2.5wt％下耐功率性最好。但是，Cu的含量的增大，因下述理由會(huì)產(chǎn)生制造上的問(wèn)題。
第1，在Al與Cu的組合中，將產(chǎn)生大的局部電池，在該局部電池的制造過(guò)程中，特別是在光刻、刻蝕等等中，會(huì)促使電極膜腐蝕，這一點(diǎn)是知道得很清楚的。另外，現(xiàn)在，在刻蝕中一般采用應(yīng)用了可以高精度地形成微細(xì)電極的氯系等離子氣體的干蝕技術(shù)。在把干蝕技術(shù)應(yīng)用到這種Al-Cu合金膜上去的情況下，由于Cu的氯化物的沸點(diǎn)高，故具有難于進(jìn)行刻蝕的問(wèn)題。此外，由于有時(shí)候會(huì)殘存下Cu的氯化物，故還存在著在干蝕之后易于產(chǎn)生電極腐蝕的問(wèn)題。
在圖7中示出了在應(yīng)用于氯系等離子體的干蝕之后發(fā)生的電極腐蝕的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在圖7中，橫軸是Al-Cu合金中Cu的含量，縱軸是在25μm×25μm的面積內(nèi)已發(fā)生的電極腐蝕的個(gè)數(shù)。由圖可知，在純鋁膜中不產(chǎn)生的電極腐蝕因加進(jìn)了Cu而產(chǎn)生的合金化使其產(chǎn)生變得顯著起來(lái)?？芍贑u的含量達(dá)到0.5wt％之前，電極腐蝕幾乎不發(fā)生，而一旦超過(guò)了這個(gè)量則相對(duì)Cu的添加量指數(shù)函數(shù)式地增加。就是說(shuō)，為了改進(jìn)Al-Cu合金膜的耐功率性增加Cu的含量這一作法反過(guò)來(lái)將加大在制造工序中的電極腐蝕的問(wèn)題。
另一方面，作為改進(jìn)這種Al-Cu合金膜的耐功率性的另一種手段，可以舉出已公開(kāi)于特開(kāi)平7-122961號(hào)公報(bào)中的三層構(gòu)造電極。在該公開(kāi)公報(bào)中，公開(kāi)了在含Al-Cu合金的一對(duì)Al膜之間已插入了Cu的構(gòu)造。根據(jù)該公開(kāi)公報(bào)的啟示，由于作成為Al-Cu合金膜·Cu·Al-Cu合金膜這么一種三層構(gòu)造，故與現(xiàn)有的Al-Cu合金膜相比，可以大大地改進(jìn)耐功率性。但是，在這種三層構(gòu)造的構(gòu)成中，雖然耐功率性可以大大地提高。但在制造容易性這一點(diǎn)上卻存在著問(wèn)題。在該構(gòu)造中，由于在中間層中存在著Cu，故很清楚，上邊講過(guò)的由Cu和Al造成的電極腐蝕的問(wèn)題比在Al-Cu合金膜中的電極腐蝕變得更為深刻。還有，在Al合金與Cu中，刻蝕中的刻蝕劑，即在濕法刻蝕中的刻蝕液的組成，在干法刻蝕時(shí)的刻蝕氣體種類(lèi)不同，且作成為三層構(gòu)造時(shí)，為了對(duì)其進(jìn)行加工的裝置將變得非常龐大。另外，在電極材料成膜中，必須經(jīng)過(guò)三次成膜過(guò)程，故存在著造價(jià)變高的問(wèn)題。
于是，本發(fā)明的目的是提供一種電極材料應(yīng)用現(xiàn)有的Al-Cu合金，不需改變其合金組成或構(gòu)成就提高了電極薄膜的耐功率性的彈性表面波器件及其制造方法。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供這樣的一種彈性表面波器件及其制造方法，制造容易，不產(chǎn)生電極腐蝕問(wèn)題，可提高耐功率性。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是在不限于Al-Cu合金，在把添加元素對(duì)基質(zhì)材料的固溶極限非常之小的合金系用作電極材料的彈性表面波器件中，用簡(jiǎn)單的方法就可改善耐功率性。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，為了達(dá)到上述目的，對(duì)在壓電性基板上邊已形成了由已添進(jìn)了Cu的Al合金膜構(gòu)成的電極的彈性表面波器件進(jìn)行了改良。本發(fā)明的彈性表面波器件的特征之處在于Al合金膜中的Cu元素的濃度在晶粒邊界近傍比晶粒內(nèi)高、且在晶粒邊界附近已偏析了出來(lái)。換句話(huà)說(shuō)，在本發(fā)明的彈性表面波器件的電極中，不是以析出于晶粒邊界處的與Al之間的金屬間化合物的形態(tài)而是以Cu元素形態(tài)存在的Cu的濃度。具有在晶粒邊界附近比晶粒內(nèi)高而且已變成為偏析狀態(tài)的特征。在這里，幾乎是在所有的情況下，在晶粒邊界上都會(huì)生成Al與Cu的金屬間化合物。但是在本發(fā)明中所考慮的，不是以化合物的形態(tài)存在的Cu成分的濃度，而是以Cu元素的形態(tài)存在的Cu濃度。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，形成彈性表面波器件的電極的Al合金膜的晶粒邊界附近的Cu元素的濃度與晶粒內(nèi)的Cu元素濃度之比大于1.6。
在本發(fā)明的另一最佳實(shí)施例中，形成彈性表面波器件的電極的Al合金膜的晶粒邊界附近的Cu元素的濃度與晶粒內(nèi)的Cu元素濃度之比大于2.2。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，理想的是在彈性表面波器件的壓電性基板的表面上邊形成有由已加入了0.5wt％～2wt％的Cu的Al合金膜構(gòu)成的電極。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，理想的是彈性表面波器件被構(gòu)成為多模式彈性表面波濾波器。
此外，本發(fā)明還提供制造經(jīng)過(guò)改良的彈性表面波器件的方法。這種方法是對(duì)包括制造具有在壓電性基板上邊形成由已加進(jìn)了Cu的Al合金膜構(gòu)成的電極圖形的工藝和把已形成了電極圖形的壓電性基板芯片安放于封裝中去的工藝的彈性表面波器中的工序、和對(duì)合金膜進(jìn)行老化處理的彈性表面波器件的制造方法的一種加以改進(jìn)的方法，在彈性表面波器件的制造方法中，其特征是老化處理在150℃～250℃的溫度下進(jìn)行不多于100個(gè)小時(shí)的時(shí)間(不包括0)。
倘采用本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，則彈性表面波器件的制造方法將對(duì)包括組裝彈性表面波器件的工序和對(duì)合金膜進(jìn)行老化的處理的工序的彈性表面波器件的制造方法加以改良，其中，上述組裝彈性表面波器件的工序具有下述工藝在壓電性基板上邊形成已加入了銅的Al合金膜的工藝；在合金膜上邊涂覆光刻膠，曝光并顯影之后，得到光刻膠圖形的工藝；用刻蝕法把合金膜形成為所希望的圖形的工藝；除去光刻膠的工藝；把已形成了多個(gè)所要求的電極圖形的壓電性基板切割成一個(gè)個(gè)芯片的工藝；把芯片固定到封裝內(nèi)并用金絲壓焊法進(jìn)行布線(xiàn)的工藝；把蓋焊接到封裝上的氣密密封工藝。在這種彈性表面波器件的制造方法中，其特征是，老化處理在150℃-250℃的溫度下進(jìn)行不多于100個(gè)小時(shí)的時(shí)間(不包括0)。
在本發(fā)明的彈性表面波器件的制造方法中，老化處理，理想的是在200℃～250℃的溫度下進(jìn)行5個(gè)小時(shí)～50個(gè)小時(shí)，在200℃～250℃的溫度下進(jìn)行5個(gè)小時(shí)～25個(gè)小時(shí)的老化則更為理想。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，老化處理在已在壓電性基板上邊形成了合金膜之后進(jìn)行是理想的。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，老化處理在彈性表面波器件組裝后進(jìn)行是理想的。
再有，在本發(fā)明另一最佳實(shí)施例中，理想的是彈性表面波器件是多模式彈性表面波濾波器。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例中，在彈性表面波器件的電極使用具有對(duì)合金基體材料的固溶極限小的添加元素的合金系的情況下，使添加元素偏析于合金晶粒邊界上且使添加元素的濃度在晶粒邊界處比晶粒內(nèi)高。
彈性表面波器件的電極薄膜的徙動(dòng)，雖然電極劣化的情況與通常的半導(dǎo)體器件的電徙動(dòng)和應(yīng)力徙動(dòng)類(lèi)似，但其機(jī)構(gòu)卻不同。通常的半導(dǎo)體器件與彈性表面波器件之間的差異是在彈性表面波器件的情況下，在電極薄膜上加有大的反復(fù)應(yīng)力。在川勝孝治等人的“SAW器件的電極內(nèi)相當(dāng)應(yīng)力的FE評(píng)價(jià)”(電子情報(bào)通信學(xué)會(huì)技術(shù)報(bào)告資料，US 90-70/EA 90-83)這一報(bào)告中，給出了加到種種的壓電性基板上邊的電極薄膜上的應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)這一報(bào)告，電極內(nèi)的最大應(yīng)力值變成為107Pa的數(shù)量級(jí)，變成為與Al的拉伸強(qiáng)度同等程度或超過(guò)了Al的拉伸強(qiáng)度的值。在彈性表面波器件的情況下，除去所加功率(電流)之外，還加有這么大的反復(fù)應(yīng)力，故人們認(rèn)為由于徙動(dòng)在電極內(nèi)將產(chǎn)生空隙和突起從而使耐功率性劣化。
為了改善上述的電極薄膜劣化現(xiàn)象，人們知道把Al合金用作電極材料。用使電極材料合金化的辦法，與純Al的電極薄膜相比耐功率性將會(huì)提高。其理由雖無(wú)定說(shuō)，但可以舉出下述2個(gè)理由。其一，通過(guò)向Al中加進(jìn)Cu之類(lèi)的添加金屬的辦法會(huì)使晶粒變得微細(xì)，提高耐功率性。另一種理論是通過(guò)加進(jìn)添加金屬，可以抑制徙動(dòng)中的Al的晶粒邊界擴(kuò)散，因而提高耐功率性。
本發(fā)明的發(fā)明者們?yōu)榱舜_認(rèn)這種Al合金化的效果。在把純Al用作電極材料的情況和把Al-Cu合金用作電極材料的情況進(jìn)行了比較試驗(yàn)，并用掃描電鏡(SEM)觀察并報(bào)告了電極劣化(徙動(dòng))(木村等、第56回應(yīng)用物理學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)演講會(huì)預(yù)稿集，28P-L-11)。其結(jié)果是，在應(yīng)用純Al的情況下，已確認(rèn)沿著晶粒邊界發(fā)生了空隙，而在用Al-Cu合金的情況下，則相當(dāng)程度抑制了沿著該晶粒邊界的空隙的產(chǎn)生，若繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，則可確認(rèn)每一晶粒都空隙化。從這一結(jié)果可以理解在把Al-Cu合金用作電極材料的彈性表面波器件的情況下，為合金化而加進(jìn)的添加元素抑制了Al的晶粒邊界擴(kuò)散。
此外，對(duì)于采用在成膜后在從150℃到250℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行不足100個(gè)小時(shí)的老化處理的辦法使耐功率性提高的原因，可以理解為當(dāng)從在老化前后幾乎沒(méi)有膜應(yīng)力的變化這一現(xiàn)象、和在觀察過(guò)的老化前后的晶粒的范圍內(nèi)沒(méi)有觀察到粒徑的變化這一現(xiàn)象進(jìn)行推測(cè)時(shí)，在晶粒里邊沒(méi)有由于老化處理而產(chǎn)生任何變化。
在已向Al中添加了微量的Cu的Al-Cu含量中，人們知道室溫附近Cu的固溶極限非常之小(0.2wt％前后)。但是，由于應(yīng)用非平衡材料制作條件，故制作具有已超過(guò)了該固液極限的濃度的合金組成的材料是可能的。就是說(shuō)，人們知道制作體材料的急冷法，制作薄膜材料的濺射法等等，通過(guò)采用這些人所共知的方法中的任何一種，就可以得到具有已超過(guò)了固溶極限的Cu濃度的合成組成的Al-Cu合金。
在這樣的條件下制作出來(lái)的Al-Cu合金的電極薄膜，如圖4(a)所示，在成膜之后是Cu進(jìn)行強(qiáng)制性的固溶的非平衡狀態(tài)。于是，倘生成膜后進(jìn)行熱處理即進(jìn)行劣化處理等等的操作，則如圖4(b)所示，過(guò)剩地添加進(jìn)去的Cu元素就將在晶粒邊界近傍偏析、由于這種狀態(tài)是準(zhǔn)穩(wěn)定的，故當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行老化處理等的熱處理操作時(shí)，則如圖4(c)所示，就向穩(wěn)定相轉(zhuǎn)移，在晶粒邊界上析出金屬間化合物，變成為穩(wěn)定的狀態(tài)。在Al-Cu合金的情況下。這一穩(wěn)定相為θ相，在晶粒邊界上析出的金屬間化合物為CuAl2。這種θ相中，Cu不會(huì)以單體的形態(tài)析出于晶粒邊界上。
在特開(kāi)平7-122961號(hào)公報(bào)中，人們講到了在Al-Cu合金膜中的晶粒邊界上析出來(lái)的CuAl2以使晶粒邊界形成的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的辦法對(duì)耐功率性改善作出了貢獻(xiàn)。就是說(shuō)，所說(shuō)的本身為圖4(c)的那種穩(wěn)定的狀態(tài)的θ相對(duì)耐功率性作出了貢獻(xiàn)是這一公開(kāi)公報(bào)的說(shuō)明。在本發(fā)明中，在這種穩(wěn)定的CuAl2進(jìn)行析出的途中所產(chǎn)生的使Cu進(jìn)行偏析的準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)，即示于圖4(b)的狀態(tài)是用老化處理實(shí)現(xiàn)的。在本發(fā)明的彈性表面波器件中，人們認(rèn)為已偏析于電極材料的晶粒邊界近傍的Cu元素對(duì)耐功率性的提高將作出貢獻(xiàn)。換句話(huà)說(shuō)，人們認(rèn)為采用使Cu在晶粒內(nèi)向晶粒邊界近旁偏析的辦法，使晶料迫界近傍的Cu濃度變得比晶粒內(nèi)大，就可以作成耐功率性?xún)?yōu)良的合金電極材料構(gòu)造。


圖1的圖表示出形成了本發(fā)明的彈性表面波器件的電極的Al-Cu合金膜中的晶粒邊界近傍的Cu元素的濃度與晶粒內(nèi)的Cu元素濃度之比與電極的壽命特性的關(guān)系。
圖2的圖表示出了形成本發(fā)明的彈性表面波器件的電極的Al-Cu合金膜的老化處理時(shí)間與壽命特性的關(guān)系。
圖3的圖表示出了形成本發(fā)明的彈性表面濾器件的電極的Al-Cu合金膜的老化處理時(shí)間與晶粒邊界近傍的Cu元素濃度對(duì)晶粒內(nèi)Cu元素濃度之比，即添加元素的偏析狀態(tài)之間的關(guān)系。
圖4(a)的示意圖示出了緊接在形成了Al-Cu合金膜之后的晶粒內(nèi)的Cu元素的分布狀態(tài)。
圖4(b)的示意圖示出了在對(duì)Al-Cu合金膜施行老化處理時(shí)的中間階段Cu元素在晶粒邊界近傍偏析的狀態(tài)。
圖4(c)的示意圖示出了在繼續(xù)進(jìn)行老化處理的情況下。已在晶粒邊界近傍偏析出來(lái)的Cu元素，作為金屬間化合物在晶粒構(gòu)造的三態(tài)點(diǎn)析出的情況。
圖5的流程圖示出了彈性表面波器件的一般性制造工序。
圖6的示意圖示出了耐功率試驗(yàn)所用的電路。
圖7的圖表示出了Al-Cu合金膜中的Cu含量與干蝕后所產(chǎn)生的電極刻蝕個(gè)數(shù)的關(guān)系。
圖8的圖表示出了Al-Cu合金電極的老化時(shí)間與金屬間化合物的析出量的關(guān)系。
以下參考附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例詳細(xì)地進(jìn)行說(shuō)明。
本實(shí)施例的彈性表面波器件是一種在設(shè)計(jì)成GSM系統(tǒng)接收一側(cè)濾波器規(guī)格(中心積率947.5MHz)的鈮酸鋰(LiNbO3)壓電性基板的上邊已形成了由0.17μm厚的摻Cu的Al合金膜構(gòu)成的電極的多模式的彈性表面波濾波器。作為電極中的Cu含量已作成了0.5wt％、1.0wt％和2.0wt％這三種。
在這里，說(shuō)明本發(fā)明的彈性表面波器件的制造方法。在鈮酸鋰(LiNbO3)的壓電性基板上邊用濺射裝置，用上述添加比例形成厚0.17μm的含Cu的Al-Cu合金的薄膜電極。之后，在100、150、200、250、300℃的各溫度條件下、進(jìn)行5、10、25、50、100小時(shí)的老化處理。再依照示于圖5的現(xiàn)有的方法，用光刻技術(shù)進(jìn)行電極的圖形化。再經(jīng)組裝工序，就形成了彈性表面波濾波器。
在這里說(shuō)明彈性表面波濾波器的壽命試驗(yàn)即說(shuō)明耐功率性的評(píng)價(jià)。作為實(shí)驗(yàn)頻率使用了波濾器的通帶中耐功率性最不好的區(qū)域內(nèi)的頻率的最高點(diǎn)。加速實(shí)驗(yàn)條件定為環(huán)境溫度80℃、輸入功率1W。在圖6中示出了實(shí)驗(yàn)中所用的耐功率試驗(yàn)所用的測(cè)定電路。在圖6中，從振蕩器61發(fā)生的高頻信號(hào)用高頻放大器62放大到1W，并通過(guò)隔離器68加到位于80℃恒溫槽63內(nèi)的彈性表面波濾波器64上。彈性表面波器件即濾波器64被連到高頻功率計(jì)69上。此外，為了測(cè)定加上功率時(shí)的電學(xué)特性，網(wǎng)絡(luò)分析儀65通過(guò)定向耦合器70和衰減器71連至彈性表面波濾波器64的兩端。為了控制振蕩器61、高頻功率計(jì)69和網(wǎng)絡(luò)分析儀65，控制器67用GP-IB電纜之類(lèi)的電纜66連接這些機(jī)器。此外，器件壽命把濾波器的插入損失已增加到0.5dB時(shí)的時(shí)間作為T(mén)F(Time to Failure)來(lái)求。
在圖2(a)、(b)、(c)中示出了這種Al-Cu合金電極膜的耐功率性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在各圖中，縱軸分別表示歸一化壽命。其中，歸一化壽命定義為已進(jìn)行了老化處理時(shí)的器件壽命(TF aging)和未進(jìn)行老化處理時(shí)(即老化時(shí)間為0小時(shí))的器件壽命(TF non-aging)之比。就如從該圖可以看出的那樣，在老化時(shí)間從5個(gè)小時(shí)到50個(gè)小時(shí)之間，借助于進(jìn)行老化處理，可知壽命會(huì)提高數(shù)倍。特別是在老化溫度為200℃和250℃時(shí)，老化處理約10個(gè)小時(shí)，表現(xiàn)出不進(jìn)行老化處理時(shí)的3倍以上的耐功率性。當(dāng)老化處理時(shí)間超過(guò)了10個(gè)小時(shí)時(shí)，耐功率性改進(jìn)的趨勢(shì)減小。在老化溫度為150℃的情況下，當(dāng)老化處理時(shí)間超過(guò)20小時(shí)的情況下，可以看到耐功率性的改善。在老化溫度比150℃低的情況下，在該處理時(shí)間之內(nèi)不出現(xiàn)老化處理的效果。另外，在老化溫度為300℃的情況下，在老化的初期人們觀察到了耐功率性改善的效果，但是在老化期間或者在把器件從老化爐中取出之際，常常發(fā)生壓電性基板的斷裂，使成品率變壞。因此，該溫度不能說(shuō)是實(shí)用性的老化溫度。由上述可知，在本發(fā)明中所使用的老化溫度理想的是從150℃到250℃的溫度范圍，老化時(shí)間在100小時(shí)以下，理想的是定為50個(gè)小時(shí)以下。更為理想的是定為30個(gè)小時(shí)以下，用這樣的條件，從實(shí)驗(yàn)上已發(fā)現(xiàn)，與不進(jìn)行老化的情況相比耐功率性可以提高幾倍。
另外，向Al中添加的Cu的比率對(duì)耐功率性的改善也具有若干的影響。如從圖2(a)、(b)、(c)的對(duì)比可以看出的那樣，在Cu的含量為1wt％的情況下，在老化溫度200℃及250℃、老化時(shí)間30個(gè)小時(shí)以下，顯示出顯著地改善了的歸一化壽命。Cu含量為2wt％的情況下，在老化溫度200℃、老化時(shí)間30個(gè)小時(shí)以下的條件下，顯示出顯著地改善了的歸一化壽命。Cu的含量為0.5wt％的情況下雖然也看到了改善的效果。但其改善程度要低一些。
雖然以上所說(shuō)明的實(shí)施例是對(duì)電極材料在成膜之后進(jìn)行了老化處理的情況的實(shí)施例，但對(duì)于專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō)即便是在組裝之后進(jìn)行老化處理也可得到同等的效果這件事是明顯的。
其次，為了弄清楚耐功率性已改善的原因?qū)σ咽┬辛死匣幚淼碾姌O膜進(jìn)行分析。在圖3中示出了用EDX(Energy DispersiveX-ray Spectroscopy，能散X射線(xiàn)光譜分析法)測(cè)定施行了200℃的老化處理后的電極膜的晶粒內(nèi)和晶粒邊界近旁的Cu元素的X射線(xiàn)強(qiáng)度的結(jié)果。在圖中，縱軸表示晶粒邊界近傍的Cu元素濃度對(duì)晶粒內(nèi)Cu元素濃度之比。與示于圖2中的耐功率性試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)，在施行了本身為被承認(rèn)為壽命的改善的老化時(shí)間的5個(gè)小時(shí)到50個(gè)小時(shí)的老化的試樣中，本身為添加元素的Cu在晶粒邊界近傍進(jìn)行偏析，變成了圖4(b)所示的狀態(tài)，且從分析得知，與晶粒內(nèi)相比較，晶粒邊界附近的Cu元素的濃度變高。對(duì)于老化時(shí)間為100個(gè)小時(shí)的試樣。連壽命的改善也看不到、添加元素向晶粒邊界附近的偏析也不能確認(rèn)。這種情況被認(rèn)為是；當(dāng)過(guò)度地進(jìn)行老化處理時(shí)，如圖4(c)所示，已偏析出于晶粒邊界附近的添加元素以更加穩(wěn)定的金屬間化合物、即在Al-Cu合金的情況被稱(chēng)之為θ相的CuAl2的形式析出于晶粒構(gòu)造的三態(tài)點(diǎn)處的緣故。
圖8示出了在200℃的處理溫度下的老化時(shí)間與已在晶粒邊界上析出的身為金屬間化合物的CuAl2的量之間的關(guān)系。由于CuAl2定量性的測(cè)定是困難的，故由已析出于15μm平方的面積內(nèi)的電極膜中的晶粒邊界(三態(tài)點(diǎn))上的該化合物的面積來(lái)求。從圖8可知，在200℃下進(jìn)行的老化處理所產(chǎn)生的CuAl2的析出量的變化與示于圖2(a)、(b)、(c)中的200℃時(shí)的變化不一樣。另一方面，圖3中的200℃下的老化處理的Cu偏析量的變化與示于圖2(a)、(b)、(c)的200℃的老化處理時(shí)的變化，其變化情況卻極其之好地一致。就是說(shuō)，并不是在晶邊界上已析出的金屬間化合物(CuAl2)對(duì)耐功率性作出了貢獻(xiàn)，而是示于圖3的Cu的偏析對(duì)耐功率性作出了大的貢獻(xiàn)。這一點(diǎn)已從實(shí)驗(yàn)上弄明白了。
為了便于弄清楚上述結(jié)果，示出了橫軸取為晶粒邊界近傍的Cu元素的濃度對(duì)晶粒內(nèi)Cu元素濃度之比，縱軸取為器件的歸一化壽命時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。就如從該圖可以看出的那樣，當(dāng)晶粒邊界近傍的Cu元素的濃度與晶粒內(nèi)Cu元素濃度之比變得大于1.6時(shí)，就可以看出歸一化壽命的改善。特別在這一比值為2.2～2.9的范圍內(nèi)，耐功率性的改善表現(xiàn)為接近2倍～3倍。由上述可知，添加元素在晶粒內(nèi)和晶粒邊界近傍不一樣，采用把進(jìn)行過(guò)處理使得添加元素的濃度在晶粒邊界近傍變高的合金用作電極材料的辦法，在實(shí)驗(yàn)上也可發(fā)現(xiàn)彈性表面波器件的壽命，即電極材料的耐功率性可以提高數(shù)倍。
以上所說(shuō)明的實(shí)施例，是關(guān)于在使電極材料成膜后進(jìn)行加熱老化使晶粒內(nèi)和晶粒邊界處添加元素濃度變化后的情況的實(shí)施例，但是，本發(fā)明并不僅僅限于應(yīng)用在該實(shí)施例中所說(shuō)明過(guò)的那種方法的例子。此外，在本發(fā)明中，作為電極材料也可以利用Al-Cu合金以外的合金。例如，即使在Al-Ti合金、或其他在室溫附近的固溶極限非常之小的合金類(lèi)中，也可用上邊說(shuō)過(guò)的方法相同的方法得到同樣的效果，這一點(diǎn)對(duì)于專(zhuān)業(yè)人員來(lái)說(shuō)是明顯的。采用把以往所使用的Al含金薄膜用作電極材料并控制該合金中的微細(xì)構(gòu)造的辦法。就可以進(jìn)一步提高彈性表面波器件的耐功率性。
就如以上述實(shí)施例為基礎(chǔ)所說(shuō)明的那樣，采用使Al合金膜中的Cu元素濃度與晶粒內(nèi)比較偏析于晶粒邊界近傍的辦法。本發(fā)明的彈性表面波器件就可以把彈性表面波器件的耐功率性提高數(shù)倍。另外，采用用抑制Al-Cu的金屬間化合物的生成即抑制向晶粒邊界上析出這樣的方法來(lái)進(jìn)行老化處理的辦法。就可以控制微細(xì)構(gòu)造使得Al合金膜的Cu偏析于晶粒邊界近傍，從而將耐功率性提高數(shù)倍。
以上，根據(jù)特定的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了圖解和說(shuō)明，但是，本發(fā)明并不受限于該實(shí)施的細(xì)節(jié)，還廣泛地包括在被認(rèn)為是權(quán)利要求的范圍中所述的器件和方法之內(nèi)的范圍內(nèi)進(jìn)行的變更和修正。
權(quán)利要求
1.一種彈性表面波器件，包括有壓電性基板和由在上述壓電性基板的表面上形成且已加入了Cu的Al合金膜構(gòu)成的電極，其特征是在上述電極的Al合金膜上存在著非金屬間化合形態(tài)的Cu，且該Cu元素的濃度與晶粒內(nèi)相比在晶粒邊界附近高，Cu元素已從晶粒內(nèi)偏析出于晶粒邊界近傍。
2.如權(quán)利要求1所述的彈性表面波器件，其特征是上述Al合金膜中的晶粒邊界近傍的Cu元素濃度與晶粒內(nèi)Cu元素濃度之比大于1.6。
3.如權(quán)利要求1或2所述的彈性表面波器件，其特征是，上述Al合金膜中的晶粒邊界近傍的Cu元素濃度與晶粒內(nèi)Cu元素濃度之比大于2.2。
4.如權(quán)利要求1～3的任一權(quán)利要求所述的彈性表面波器件，其特征是上述Al合金膜是添加了0.5wt％到2wt％范圍的Cu的Al合金膜。
5.如權(quán)利要求1～4中任一權(quán)利要求所述的彈性表面波器件，其特征是上述彈性表面波器件是多模式彈性表面波濾波器。
6.一種彈性表面波器件的制造方法，包括組裝彈性表面波器件工序和老化處理上述合金膜的工序，其組裝彈性表面波器件的工序具有在壓電性基板上邊形成由已添加了Cu的Al合金膜構(gòu)成電極圖形的工藝和把已形成了該電極圖形的壓電性基板收容于封裝中的工藝，其特征是上述老化處理僅僅在150℃～250℃的溫度下，在不多于100個(gè)小時(shí)的時(shí)間(不包括0個(gè)小時(shí))內(nèi)進(jìn)行。
7.一種彈性表面波器件的制造方法，包括下述工序①組裝彈性表面波器件工序，它具有在壓電性基板的表面上邊形成已添加了Cu的Al合金膜的工藝；在該合金膜上邊涂敷光刻膠并用使之曝光，顯影的辦法得到光刻膠圖形的工藝；刻蝕處理上述合金膜以形成所希望的電極圖形的工藝；除去上述光刻膠的工藝；把已形成了多個(gè)所希望的電極圖形的壓電性基板切斷為一個(gè)個(gè)芯片的工藝；把該芯片固定于封裝內(nèi)并用金絲壓焊法進(jìn)行布線(xiàn)的工藝；把蓋焊到上述封裝上的氣密密封工藝；以及②老化處理上述合金膜的工序，其特征是上述老化處理，在從150℃到250℃的范圍的溫度下，僅進(jìn)行不多于100個(gè)小時(shí)(不包括0個(gè)小時(shí))的時(shí)間。
8.如權(quán)利要求6～7中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的彈性表面波器件的制造方法，其特征是上述老化處理，在從200℃到250℃的范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行從5個(gè)小時(shí)到50個(gè)小時(shí)。
9.如權(quán)利要求6～8中的任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的彈性表面波器件的制造方法，其特征是上述老化處理在從200℃到250℃的范圍內(nèi)的溫度下進(jìn)行5個(gè)小時(shí)到25個(gè)小時(shí)。
10.如權(quán)利要求6～9的任一權(quán)利要求所述的彈性表面波器件的制造方法，其特征是上述老化處理在壓電性基板上邊形成了合金膜后進(jìn)行。
11.如權(quán)利要求6～9中的任一權(quán)利要求所述的彈性表面波器件的制造方法，其特征是上述老化處理在彈性表面波器件組裝之后進(jìn)行。
12.如權(quán)利要求6～12中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的彈性表面波器件的制造方法，其特征是上述彈性表面波器件是多模式彈性表面波濾波器。
13.一種彈性表面波器件，包括有壓電性基板和已形成于上述壓電性基板的表面上的電極，其特征是上述電極由含有合金基體材料和對(duì)此合金基體材料固溶極限小的添加元素的合金膜構(gòu)成；在上述電極的合金膜中存在著非金屬間化合物形態(tài)的添加元素，該添加元素的濃度在晶粒邊界近傍比晶粒內(nèi)高，且添加元素從晶粒內(nèi)已向晶粒邊界近傍偏析。
14.一種彈性表面波器件的制造方法，包括具有在壓電性基板上邊形成由已向合金基體材料中添加進(jìn)了添加元素的合金膜構(gòu)成的電極圖形的工藝和把已形成了該電極圖形的壓電性基板收容于封裝中去的工藝的組裝彈性表面波器件工序，以及老化處理上述合金膜的工序，其特征是上述老化處理在使非金屬間化合物形態(tài)的上述添加元素向晶粒邊界近傍偏析以使得在晶粒邊界處比晶粒內(nèi)濃度變高的溫度和時(shí)間的條件下進(jìn)行。
全文摘要
對(duì)在壓電性基板上邊已形成了由已添加了銅的鋁合金膜構(gòu)成的電極的彈性表面波器件加以改良。在彈性表面波器件的電極中，鋁合金膜中的銅元素的濃度在晶粒邊界近傍比晶粒內(nèi)高，故偏析于晶粒邊界處。在這種彈性表面波器件的電極中，在晶粒邊界處析出的不是以Al與Cu的金屬間化合物的形態(tài)而是以銅元素的形態(tài)存在著的銅的濃度在晶粒邊界處比晶粒內(nèi)高，變成了偏析狀態(tài)。形成彈性表面波器件的電極的鋁合金膜的晶粒邊界近傍的銅元素的濃度與晶粒內(nèi)的銅元素的濃度之比大于1.6。在更為理想的形態(tài)中，這一比值大于2.2。形成于壓電性基板的表面上邊的電極理想的是由添加進(jìn)0.5wt％～2wt％的銅的鋁合金膜構(gòu)成。另外，還公開(kāi)了在壓電性基板的表面上邊形成這種電極的方法。
文檔編號(hào)H03H3/00GK1165595SQ96191103
公開(kāi)日1997年11月19日 申請(qǐng)日期1996年9月13日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月21日
發(fā)明者木村悟利, 中野正洋, 中澤道幸, 佐藤勝男 申請(qǐng)人:Tdk株式會(huì)社