用外延铝电极开发大功率耐用SAW滤波器

表面声波(SAW)器件的特征在于它们具有紧凑设计的能力,这导致它们作为频率滤波器在移动设备中广泛安装.最近,村田已经研究了在作为通信设备的重要无源元件的双工器(可以执行发送和接收的天线分支滤波器)中使用SAW滤波器器件,但是一个重要的技术障碍是提高了可靠性(高-在施加大功率的发射滤波器的功率耐久性.

特别是在GHz级高频带中,电极需要0.5μm水平的微观电极图案,并且这些设计在功率流动时容易受到图案破坏的影响.为了克服SAW声表面滤波器中的这些实际障碍,通过将铝电极材料制成具有原子取向的外延膜来增加图案强度,并且这成功地实现了功率耐久性的显着改善.在衡量功率耐久性的寿命测试中,使用外延膜的SAW器件表现出比传统多晶电极长106倍的功率耐久性(相当于280年的耐久性),并且这些发展成为世界上第一个W-CDMASAW双工器产品.

该技术具有极高的通用性,目前,它广泛用于日本和海外的SAW双工器,用于第三代通信标准(UMTS)中的多个频带,并且它在全球通信市场中使用.该技术通过为通信设备,特别是蜂窝电话实现紧凑和薄型设计,为该行业做出了重大贡献.

此外,这种新的晶体生长模式的发现已被广泛认可为对晶振晶体学领域的宝贵学术贡献,因此,美国陶瓷学会的RichardM.Fulrath奖得到了认可.成立于1978年是为了纪念已故的RichardM.Fulrath教授为陶瓷工业领域的日本和美国之间的技术交流做出巨大贡献的伟大工作,Fulrath奖授予那些为此做出重要贡献的人士.陶瓷科学技术的发展.2010年,有五位美国和日本的获奖者,并于2010年10月在德克萨斯州休斯敦的乔治布朗会议中心举办了一次奖项研讨会和宴会.本文描述了村田晶振集团的这项技术.

通常,铝用于SAW激发的电极膜,因为它具有低电阻和低比重.然而,铝的一个缺点是由于施加来自SAW传播的重复应力而倾向于发生应力迁移[1],并且这导致差的功率耐久性.由于SAW滤波器电极宽度与工作频率成反比,因此应力迁移问题*1随着微观模式的更多使用,这种模式在高频设备的设计中得到了更加明显的发现.

应力迁移是由主要由铝原子组成的晶界扩散引起的.在本体中,没有晶界的单晶和具有许多晶界的多晶的铝自扩散的活化能分别为135.1和67.55kJ/mol,表明单晶中的铝原子需要更大量的能量用于扩散.(与多晶相比)(不易扩散).例如,单石英晶体在100℃下铝原子100nm自扩散所需的时间估计为109-比具有许多晶界的多晶的时间长,这表明原子运动极其缓慢.这就是我们推测的原因,即通过改变外延 *2可以改善对应力迁移的抵抗力薄膜,其中电极在晶体内具有极少量的晶界.

电极在晶振晶体内具有极少量晶界的薄膜.旋转的Y切割X传播LiNbO3基板(下面称为“θrotatedYXLN基板”),其提供优异的SAW传播特性,并且钛用作中间层,用作缓冲剂,用于减少铝和基板之间的晶格失配.图1显示了使用X射线衍射(XRD)*3时极图[3]测量结果的比较在铝/钛膜上的铝[200]入射方向和在θ=64°的LN基板上通过真空蒸发形成的铝单层膜.图1(a)显示了一个环形衍射图案,表明[111]是基板垂直方向上的密堆积平面,为铝单层膜生长,并在其内部形成随机多晶膜.[111]飞机.

图1

另一方面,在图1(b)中,发现了明确定义的六重对称斑点,这表明生长了一个三轴取向的外延铝膜,除了[111]平面外,它还具有规则性.基板垂直方向.在晶体学方面,铝具有面心立方(fcc)结构,并且因为单晶铝的[200]极图具有三重对称点,所以图1(b)中的外延膜具有两个单晶域.因为它们具有相同的对称中心,这表明铝[111]轴的生长方向是相同的,并且它具有在平面内旋转180°的双畴结构.

图2

此外,必须特别注意六重对称光斑的对称中心,即铝[111]方向的偏心率约为26°.由于θrotated YXLN基板的Z轴与垂直于基板的线形成的角度为90°-θ,因此可以将其解释为铝[111]面随Z平面生长的独特晶体谐振器生长模式用作外延平面的LN衬底的一部分.图2示出了64°LN衬底上的外延铝方向关系的模型,这表明LN衬底的铝[111]方向和Z轴是对齐的.在LN基板上也形成具有不同切割角的铝/钛膜,即θ=70°和90°(Z切割).结果,如图3(a)和(b)所示

图3

图4显示了具有铝,钛和64°LN平面横截面的透射电子显微镜(TEM)图像.这使得能够确认LN,钛和铝的清晰晶格图像.而且,铝/钛和钛/LN边界没有示出边界层,例如非晶层,表明外延膜连续生长.铝膜的入射(观察)方向为[-1-12],由此计算出的铝[111]方向几乎与图中所示的晶格条纹的方向一致.而且,钛和LN衬底的晶格边缘中的间距表明平行于铝[111]面的平面是钛[001]面和LN [001]面.此外,因为铝[111]面和钛[001]面对于膜和基板边界形成的角度是25°至26°,所以可以在视觉上确认LN的Z平面的外延生长. 这种方向关系的原因如下所述.

图4具有铝,钛和64°LN平面横截面的透射电子显微镜(TEM)图像

考虑了钛[001]面和铝[111]面相对于LN的Z面的晶格的一致性.每个平面的晶格排列和原子间距如图5所示.LN的Z平面,具有六方密堆积(hcp)结构的钛[001]平面和具有面心立方的铝[111]平面结构都是紧密结构* 4并且具有与图中所示相似的原子排列.此外,当比较原子间距离时,钛使用LN基板和铝之间的中间值,因此这减少了LN和铝之间的不匹配.认为钛的反应性被添加到该晶格稠度中,以使金属膜能够在氧化物单晶衬底上外延生长.

图5平面的晶格排列和原子间距

接下来,在64°LN上形成的外延铝膜用于制造SAW声表面滤波器双工器,并评估其功率耐久性.梯形滤波器用于发射侧和接收侧.图6显示了评估系统的示意图.基于输入功率和芯片温度的加速测试用于评估.通电点是在85℃的气氛中插入损耗变为2.5dB的高频侧的频率.功率耐久性评估结果显示在图7中.对于使用温度加速系数从实际测量值计算的值绘制击穿时间.出于比较的目的,这也与多晶铝电极的功率耐久性一起示出,其代表传统结构.比传统电极长6倍(相当于280年的耐久性),这个值足够高,可以实际使用.基于这项技术,世界上第一个用于W-CDMA的SAW双工器是第三代标准,于2004年作为产品开发.

图6评估系统的示意图

我们在LiTaO 3基板上成功开发了外延电极,这些基板通常用作本文所述的LN,具有优异的温度特性.目前,它广泛用于日本和海外的SAW双工器,用于第三代通信标准(UMTS)的2GHz,1.7GHz和800MHz频段,每月继续生产和销售超过300万个单元(累计)总计超过1亿单位).

图7功率耐久性评估结果

这里得到的外延铝在图4的视场内没有显示晶粒边界,并且认为晶界在形成有双畴形成的晶粒的边界处以非常小的程度存在.由于外延生长导致的晶粒边界的显着减少被认为增加了系统的激活能量,导致功率耐久性的显着提高.颁发Fulrath奖是为了表彰该技术的高实用性以及发现这种独特晶体生长模式的学术价值.

词汇表

原纸

"在θ旋转的YX LiNbO 3压电单晶衬底上具有钛中间层的外延生长铝膜."J.Crystal Growth 249(2003)497-501.

"用于W-CDMA的高功率耐用SAW天线双工器,带有外延生长的铝电极."2002 IEEE超声学研讨会Proc.(2002)43-46.

"采用外延铝电极的高功率耐用SAW滤波器,在钛中间层上通过两步工艺顺序在38.5°旋转的YX LiTaO3上旋转." 2003 IEEE超声学研讨会Proc.(2003)P2L-2.