CN112216785B - 复合电极、复合电极的制造方法、以及叉指换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种复合电极，具有镀覆于压片基底(1)上的由金属材料构成的第一层(2)；镀覆于第一层(2)上的由钨钴合金材料构成的第二层(3)；以及镀覆于第二层(3)上的由金属材料构成的第三层(4)。由此得到的复合电极可以提高第一层(2)与压片基底(1)的附着力，同时有利于增强界面结合强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合电极及复合电极的制造方法，更进一步地，本发明还涉及适用于手机、无线基站等射频收发前端的独立模块、集成模块等的叉指换能器。
背景技术
当前的滤波器领域中，包括声表面波滤波器(SAW)，体声波滤波器(BAW)以及薄膜体声波滤波器(FBAR)这三大主流技术。其中，低频与中频段以SAW滤波器为主，而对于SAW滤波器的高功率耐受性，人们提出了越来越高的要求。在SAW滤波器的制作中，实现电信号和声信号的转换是由叉指换能器来完成的。由于铝、铜或铝铜合金具有很高的导电性，声阻抗小且易于加工，因此，常用来作为叉指换能器的组成材料。
现有的制作叉指换能器的方法中，一般在LiNbO3或LiTaO3压电晶圆表面蒸镀一层Ti金属膜，然后直接蒸镀一层Al金属膜，由此得到叉指换能器中具有金属膜结构的叉指电极。然而，这种方法制作的叉指电极在高功率或高频的应用条件下，容易出现薄膜翘曲甚至发生剥落，导致无法满足极端条件下的应用。另外，现有的铝电极材料都是采用电子束蒸镀的方式进行沉积的。由于铝的自扩散系数较高，在高频交变应力作用下会使铝原子沿晶界迁移，铝膜出现孔洞等缺陷，导致器件失效。
对此，专利文献1中公开了一种叉指换能器的多层金属电极结构，如图4所示，在铌酸锂/钽酸锂(LiNiO3/LiTaO3)压电晶圆表面沉积多层金属或合金来提升器件的抗电迁移性能和功率耐受性。具体而言，通常以Ti作为打底层，从而提高金属薄膜的韧性，降低应力开裂；在Ti金属膜上再镀上一层低自扩散系数的Ni金属，可以有效抑制上层Al原子的迁移，从而满足器件在高功率高频条件下的应用。
由此可知，现有的多层金属电极结构中，为了提高器件的耐功率性，所强调的是如何抑制Al原子的迁移及防止Al膜层出现空洞等缺陷，所以在选择多层金属膜的设计上，没有考虑到金属膜之间的界面结合强度情况。例如在专利文献1中，强调了器件的金属电极多层之间在高频下的稳定性，然而实际上，金属层之间如果界面结合不理想，更容易导致器件失效。
然而，专利文献1中存在有如下的问题：Ti原子在常温下通常为密排六方结构(HCP)结构，Ni原子为面心立方晶格(FCC)结构，两相在相界面处的原子排列相差很大，只能形成非共格界面，这不利于两层金属膜界面结合强度；另外，高频率工作下的铌酸锂/钽酸锂压电晶圆应力较大，在交变应力作用下可能会导致金属层脱落。
如上所述，通过在压电材料表面镀上一层Ti金属层来作为打底层，然后在Ti金属膜和Al金属膜中间再镀上一层高熔点高扩散系数的Ni/Nb金属层。由此得到一种抗应力迁移、低电阻的高频SAW滤波器的多层金属电极结构，能显著增加SAW滤波器的高功率耐受性。然而，专利文献1中所公开的多层金属电极结构的制作方法中，存在合金膜工艺复杂、耐受性仍不够高的问题。
现有技术文献
专利文献1：中国实用新型专利CN206272582U
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明是鉴于现有的多层金属电极结构的合金膜工艺复杂、耐受性仍不够高的问题而完成的，本发明的目的在于提出一种复合电极、复合电极的制造方法、以及叉指换能器，能够有效地抑制铝原子的界面迁移，防止铝金属膜层出现孔洞，增加薄膜致密性，从而使铝金属膜拥有较好的抗应力迁移和低电阻性能。
本发明的目的还在于提出一种复合电极、复合电极的制造方法、以及叉指换能器，通过提高打底层的韧性且使打底层与相邻的金属膜层溶解并合金化，由此形成结合界面，从而进一步增强多层金属膜之间的界面结合强度。
解决技术问题的技术方案
在本发明的第一方面，提供一种复合电极，具有：镀覆于压片基底上的由金属材料构成的第一层；镀覆于所述第一层上的由钨钴合金材料构成的第二层；以及镀覆于所述第二层上的由金属材料构成的第三层。
进一步地，所述第一层由铬材料构成。
进一步地，所述第三层由铝、铜或铝铜合金材料构成。
进一步地，所述压片基底是由铌酸锂/钽酸锂构成的压电晶圆。
进一步地，对于所述第一层，其蒸镀速率为1－10A/s且沉积厚度为10－100nm。
进一步地，对于所述第二层，其蒸镀速率为1－10A/s且沉积厚度为10－100nm。
进一步地，对于所述第三层，其蒸镀速率为1－10A/s且沉积厚度为500－1000nm。
进一步地，在本底真空度为2×10-5～5×10-5Pa的条件下，通过表面蒸镀来形成所述第一层、所述第二层、以及所述第三层。
在本发明的第二方面，还提供一种叉指换能器，在压片基底上固定多个本发明第一方面中所述的复合电极，且相邻的所述复合电极之间的距离为固定值。
在本发明的第三方面，还提供一种复合电极的制造方法，包括：在压片基底上镀覆由金属材料构成的第一层的第一层形成步骤；在所述第一层上镀覆由钨钴合金材料构成的第二层的第二层形成步骤；以及在所述第二层上镀覆由金属材料构成的第三层的第三层形成步骤。
进一步地，所述第一层由铬材料构成。
进一步地，所述第三层由铝、铜或铝铜合金材料构成。
进一步地，所述压片基底是由铌酸锂/钽酸锂构成的压电晶圆。
进一步地，对于所述第一层，其蒸镀速率为1－10A/s且沉积厚度为10－100nm。
进一步地，对于所述第二层，其蒸镀速率为1－10A/s且沉积厚度为10－100nm。
进一步地，对于所述第三层，其蒸镀速率为1－10A/s且沉积厚度为500－1000nm。
进一步地，在本底真空度为2×10-5～5×10-5Pa的条件下，通过表面蒸镀来形成所述第一层、所述第二层、以及所述第三层。
发明效果
本发明通过利用自扩散系数较低的钨钴合金材料来形成第二层，可以有效抑制铝原子的界面迁移，防止铝金属膜层出现孔洞，增加薄膜致密性，从而使铝金属膜拥有较好的抗应力迁移和低电阻性能。
进一步地，本发明通过利用以韧性较好的铬金属膜作为打底层，同时在高温下使铬原子与上一层的钴原子，在铬/钴的界面处，使铬原子向钴原子中扩散，溶解并合金化，形成反应结合界面，从而有利于增强多层金属膜之间的界面结合强度。
附图说明
图1是示出了本发明实施方式1所涉及的复合电极的基本结构的图。
图2是示出了本发明实施方式2所涉及的具有实施方式1的复合电极的叉指换能器的基本结构的图。
图3是示出了本发明实施方式3所涉及的复合电极的制造方法的流程图。
图4是示出了现有的多层金属电极结构的基本结构的图。
具体实施方式
对于本发明复合电极、复合电极的制造方法、以及叉指换能器，下面通过具体的实施方式，结合附图作进一步具体的说明。而且，下面参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
另外，在下述记载中，对于相同或相似的部分标注相同或相似的附图标号。其中，应当注意的是附图仅仅是示意图，厚度与平面尺寸间的关系、各层的厚度的比率等与实际的情况是不同的。因此，对于具体的厚度或尺寸，应该参考下述说明来进行判断。
再者，在本发明的描述中，需要注意的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为了便于描述本发明而进行的简化描述，并不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的一种限制。
实施方式1
[复合电极的基本结构]
图1是示出了本发明实施方式1所涉及的复合电极的基本结构的图。
参照图1所示，本发明的复合电极具有镀覆于压片基底1上的第一层2；镀覆于第一层2上的第二层3；镀覆于第二层3上的第三层4。其中，第一层2由金属材料构成，第二层3由钨钴合金材料构成，第三层4由金属材料构成。另外，压片基底1通常是由铌酸锂/钽酸锂(LiNiO3/LiTaO3)构成的压电晶圆。
关于第一层至第三层的材料，第一层2优选地由铬材料来构成，第三层3优选地由铝、铜或铝铜合金材料来构成。
关于各第一层至第三层的沉积厚度，第一层2优选地形成为10－100nm，第二层3优选地形成为10－100nm，第三层4优选地形成为形成为500－1000nm。
关于第一层至第三层的蒸镀速率，第一层2的蒸镀速率优选为1－10A/s，第二层3的蒸镀速率优选为1－10A/s，第三层4的蒸镀速率优选为1－10A/s。
关于蒸镀时的本底真空度，优选在本底真空度为2×10-5～5×10-5Pa的条件下，通过表面蒸镀来形成所第一层2、第二层3、以及第三层3。
根据实施方式1所涉及的复合电极，由于第二层3的材料为钨钴合金，第二层3与第三层4在界面处通过合金原子扩散形成Co-Al-W高温合金层，该合金层具有较好的强度及韧性，有效增强第二层3与第三层4的界面结合强度，因此，能够实现有利于提高由导电性材料(例如铝材料)构成的第三层的织构的效果。
另外，根据实施方式1所涉及的复合电极，由于第一层2由韧性较好的铬材料构成，所以第一层2可以提高电极金属与压片基底1的附着力，同时第一层2与第二层3在界面处由于Co和Cr通过扩散发生元素交换的结合方式，形成合金化层，因此，能够实现有利于增强界面结合强度的效果。
实施方式2
[叉指换能器]
图2是示出了本发明实施方式2所涉及的具有实施方式1的复合电极的叉指换能器的基本结构的图。
如图2所示，通过在压片基底1上固定多个复合电极，且使相邻的各个复合电极之间的距离为固定值，由此得到本发明所涉及的叉指换能器10。
其中，如实施方式1中所记载的那样，多个复合电极分别具有镀覆于压片基底1上的第一层2；镀覆于第一层2上的第二层3；镀覆于第二层3上的第三层4。其中，第一层2由金属材料构成，第二层3由钨钴合金材料构成，第三层4由金属材料构成。另外，压片基底1通常是由铌酸锂/钽酸锂(LiNiO3/LiTaO3)构成的压电晶圆。
由此可知，由于第一层2和第二层3这两层的晶粒细小，残余应力较低，具有较好的韧性，而且，由于第二层3中的金属Co与第一层2中的金属Cr具有较好的界面扩散效果，能有效增强界面结合强度。最上层的第三层4中的金属Al由于致密性较高，织构较强，具有较好的导电性，同时第二层3与第三层4在界面处能形成性能优良的Co-Al-W合金层，有效增强界面结合强度。
因而，使该多个复合结构电极能够同时拥有较好的抗应力迁移和低电阻性能，实现器件较小的***损耗，高品质因子值，同时多层金属薄膜界面之间具有较好的界面结合强度，能够满足高频SAW滤波器的使用。
实施方式3
[复合电极的制造方法]
图3是示出了本发明实施方式3所涉及的复合电极的制造方法的流程图。
如图3所示，首先，在步骤ST1中，将待镀的压电晶圆经过丙酮、异丙醇(IPA)溶液，然后利用去离子水进行清洗，再吹干，接着，将得到的压电晶圆(即、压片基底)的样品放入电子束蒸发镀膜机，利用表面蒸镀方法(例如电子束蒸镀方法)，优选在本底真空度为2×10-5～5×10-5Pa的条件下进行蒸镀。
然后，在步骤ST2中，利用蒸镀速率为1～10A/s来形成第一层2，且优选沉积厚度为10～100nm。
然后，在步骤ST3中，利用蒸镀速率为1～10A/s来形成第二层3，且优选沉积厚度为10～100nm。
接着，在步骤ST4中，利用蒸镀速率为1～10A/s来形成第三层4，且优选沉积厚度为500～1000nm。
最后，在步骤ST5中，当完成蒸镀之后，从电子束蒸发镀膜机中取出复合电极的样品，置于丙酮溶液中进行剥离，最终完成复合电极的制造。
根据由此得到复合电极，由于第一层2由韧性较好的铬材料构成，所以第一层2可以提高电极金属与压片基底1的附着力，同时第一层2与第二层3在界面处由于Co和Cr通过扩散发生元素交换的结合方式，形成合金化层，因此，能够实现有利于增强界面结合强度的效果。
最后应该指出的是，上述的具体实施方式只是对本发明进行详细说明，它不应是对本发明的限制。虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
工业上的实用性
本发明的复合电极、复合电极的制造方法、以及叉指换能器能够适用于手机、无线基站等射频收发前端的独立模块、集成模块等中。由此，能够有效地抑制导电材料中的例如铝原子的界面迁移，防止铝金属膜层出现孔洞，增加薄膜致密性，从而使铝金属膜拥有较好的抗应力迁移和低电阻性能，而且还能够进一步增强多层金属膜之间的界面结合强度。
标号说明
1 压片基底，
2 第一层，
3 第二层，
4 第三层，
10 叉指换能器。
Claims (11)
1.一种复合电极，其特征在于，具有：
镀覆于压片基底上的由金属材料构成的第一层；
镀覆于所述第一层上的由钨钴合金材料构成的第二层；以及
镀覆于所述第二层上的由金属材料构成的第三层，
所述第一层由铬材料构成，
所述第三层由铝、铜或铝铜合金材料构成，
所述压片基底是由铌酸锂/钽酸锂构成的压电晶圆，
所述第一层与所述第二层在界面处通过扩散形成合金化层。
2.如权利要求1所述的复合电极，其特征在于，
对于所述第一层，其蒸镀速率为
且沉积厚度为10－100nm。
3.如权利要求1所述的复合电极，其特征在于，
对于所述第二层，其蒸镀速率为
且沉积厚度为10－100nm。
4.如权利要求1所述的复合电极，其特征在于，
对于所述第三层，其蒸镀速率为
且沉积厚度为500－1000nm。
5.如权利要求1至4中任一项所述的复合电极，其特征在于，
在本底真空度为2×10-5～5×10-5Pa的条件下，通过表面蒸镀来形成所述第一层、所述第二层、以及所述第三层。
6.一种叉指换能器，其特征在于，
在压片基底上固定多个权利要求1－5中任一项所述的复合电极，且相邻的所述复合电极之间的距离为固定值。
7.一种复合电极的制造方法，其特征在于，包括：
在压片基底上镀覆由金属材料构成的第一层的第一层形成步骤；
在所述第一层上镀覆由钨钴合金材料构成的第二层的第二层形成步骤；以及
在所述第二层上镀覆由金属材料构成的第三层的第三层形成步骤，
所述第一层由铬材料构成，
所述第三层由铝、铜或铝铜合金材料构成，
所述压片基底是由铌酸锂/钽酸锂构成的压电晶圆，
所述第一层与所述第二层在界面处通过扩散形成合金化层。
8.如权利要求7所述的复合电极的制造方法，其特征在于，
对于所述第一层，其蒸镀速率为
且沉积厚度为10－100nm。
9.如权利要求7所述的复合电极的制造方法，其特征在于，
对于所述第二层，其蒸镀速率为
且沉积厚度为10－100nm。
10.如权利要求7所述的复合电极的制造方法，其特征在于，
对于所述第三层，其蒸镀速率为
且沉积厚度为500－1000nm。
11.如权利要求7至10中任一项所述的复合电极的制造方法，其特征在于，
在本底真空度为2×10-5～5×10-5Pa的条件下，通过表面蒸镀来形成所述第一层、所述第二层、以及所述第三层。
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