CN102611406A - 基于AlN双晶向压电薄膜的声表面波器件及其制作方法 - Google Patents

基于AlN双晶向压电薄膜的声表面波器件及其制作方法 Download PDF

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Abstract

一种基于AlN压电薄膜的新型高频声表面波器件，由纳米金刚石衬底、a轴择优取向的AlN薄膜、c轴择优取向的AlN薄膜和叉指换能器（IDT）依次叠加构成，形成IDT/c-AlN/a-AlN/金刚石多层膜结构；其制备方法是：1）采用微波等离子体化学气相淀积（MPCVD）方法制备纳米金刚石衬底；2）采用射频溅射法制备AlN压电薄膜；3）采用电子束蒸发法制备叉指换能器IDT。本发明的优点是：该高频声表面波器件频率高、机电耦合系数高，能满足高频率和大功率移动通信的要求；该制备方法所用设备简单、工艺条件方便易行，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

Description

基于AlN双晶向压电薄膜的声表面波器件及其制作方法
技术领域
本发明属于声表面波器件技术领域，特别是一种基于AlN双晶向压电薄膜的声表面波器件及其制作方法。
背景技术
近年来，随着通信事业的发展，特别是半导体工艺水平的提高，使高频声表面波滤波器和谐振器的生产成为可能，从卫星通信、雷达制导、无线遥控、广播电视到移动通信，都广泛采用声表面波器件，使得无线电通信频带成为一个有限而宝贵的自然资源。对于移动通信***，低于1GHz的频带已被占满(第一代数字***)；第二代数字***的频率从900MHz到1.9GHz；在第三代数字***中，全球漫游频率范围为1.8-2.2GHz，卫星定位***(GPS)频率为1.575GHz，低地球轨道新卫星通信(LEO)的应用频率范围为1.6GHz-2.5GHz。因此，目前的移动通信***的应用频率越来越高，急需高频的声表面波(SAW)滤波器，而且移动通动通信装置都要求声表面波SAW滤波器尽量小型化以及具有较大的功率承受能力。
对于常规SAW材料，如石英、LiNbO3、LiTaO3、ZnO等，声速较低，均低于4000m/s，用其制作2.5GHz的SAW器件，其IDT指宽d必须小于0.4μm，5GHz对应的指宽d小于0.2μm，逼近目前半导体工业水平的极限，造成断指严重，成品率太低。而且d越小，电阻就越大，功率承受能力越小，严重制约了SAW器件频率的进一步提高，目前国内外热衷于通过提高声速V来达到提高频率的效果。由于在所有材料中金刚石具有最高的弹性模量(E＝1200Gpa)、且材料密度低(ρ＝3.519/cm3)、最高纵波声速(18000m/s)等特性，所以金刚石是这种方法最理想的材料。而金刚石本身并不具备压电特性，无法进行声电转换，故我们采用金刚石与压电材料相结合的多层膜体系，SAW的性能由压电薄膜和金刚石衬底共同决定。C-AlN具有高的机电耦合系数，但声速为5600m/s，与金刚石的声速相差较大，容易引起声速频散，且相速度随频率不同变化很大。
因此，目前迫切需要开发出一种可通过减少声速频散来提高声表面波器件频率的多层膜基片，且机电耦合系数高。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术分析和存在问题，提供一种基于压电薄膜的新型高频声表面波器件及制备方法，该高频声表面波器件频率高、机电耦合系数高，能满足高频率和大功率移动通信的要求；该制备方法所用设备简单、工艺条件方便易行，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。
本发明的技术方案：
一种基于AlN压电薄膜的新型高频声表面波器件，由纳米金刚石衬底、a轴择优取向的AlN薄膜、c轴择优取向的AlN薄膜和叉指换能器(IDT)依次叠加构成，形成IDT/c-AlN/a-AlN/金刚石多层膜结构。
所述纳米金刚石衬底薄膜厚度为3-μm，a-轴择优取向AlN薄膜的厚度为300nm，c轴择优取向AlN薄膜的厚度为300nm。
一种所述基于AlN压电薄膜的新型高频声表面波器件的制备方法，步骤如下：
1)采用微波等离子体化学气相淀积(MPCVD)方法制备纳米金刚石衬底，然后将其放入溅射设备中进行压电薄膜制备；
2)制备AlN压电薄膜：以Al靶作为靶材，采用射频溅射法在上述纳米金刚石衬底表面制备a-轴择优取向AlN薄膜，制备完成后在氮气环境中缓慢降温至300℃，形成的a轴择优取向的薄膜；然后在温度为300℃条件下，以Al靶作为靶材，采用射频溅射法继续在上述a-轴择优取向AlN薄膜衬底表面制备c-轴择优取向AlN薄膜，制备完成后在氮气环境中缓慢降温至常温；
3)在上述c-AlN/a-AlN/金刚石衬底上采用电子束蒸发法制备叉指换能器IDT。
所述采用MPCVD法制备纳米金刚石衬底的工艺参数为：微波功率4000W、压强70torr、工作气体H2∶CH4∶O2＝546∶45∶9、混合气体的流量为600sccm、沉积时间为2小时。
所述在纳米金刚石衬底表面制备a-轴择优取向AlN膜的射频溅射工艺参数为：在氮气和氩气混合气体中进行反应，混合气体的流量为20sccm，氮气和氩气的体积比为12∶8，氮气和氩气的纯度均为99.999％，衬底温度为400℃、靶基距10cm、溅射功率为150W、工作气压0.6Pa、溅射时间为2小时，关闭氩气后继续通入氮气缓慢降温至300℃，降温时间为1小时。
所述在a-轴择优取向的AlN薄膜表面制备c-轴择优取向AlN的射频磁控工艺参数为：在氮气和氩气混合气体中进行反应，混合气体的流量为20sccm，氮气和氩气的体积比为12∶8，氮气和氩气的纯度均为99.999％，衬底温度为300℃、靶基距6cm、射频功率150W、工作气压0.5Pa、溅射时间2小时，关闭氩气后继续通入氮气进行缓慢降温至常温，降温时间为2小时。
本发明的优点是：该高频声表面波器件为IDT/c-轴择优取向AlN/a-轴择优取向AlN/纳米金刚石多层膜结构，此结构SAW器件频率高、机电耦合系数高，能满足高频率和大功率移动通信的要求；该制备方法所用设备简单、工艺条件方便易行，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。
附图说明
图1为该高频声表面波器件结构示意图。
图2为该高频声表面波器件AlN薄膜的红外光谱图。图中A点表示AlN结构。
图3为该高频声表面波器件AlN薄膜的扫描电镜图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
实施例：
一种基于AlN压电薄膜的新型高频声表面波器件，如图1所示，由纳米金刚石衬底、a轴择优取向的AlN薄膜、c轴择优取向的AlN薄膜和叉指换能器(IDT)依次叠加构成，形成IDT/c-ALN/a-ALN/金刚石多层膜结构，纳米金刚石衬底薄膜厚度为4μm，a-轴择优取向AlN薄膜的厚度为300nm，c轴择优取向AlN薄膜的厚度为300nm。
一种所述基于AlN压电薄膜的新型高频声表面波器件的制备方法，步骤如下：
1)采用微波等离子体化学气相淀积(MPCVD)方法制备厚度为3μm-5μm的纳米金刚石衬底，所用设备为日本SEKI公司的型号为AX6500的MPCVD，工艺参数为：微波功率4000W、压强70torr、工作气体H2∶CH4∶02＝546∶45∶9、混合气体的流量为600sccm、沉积时间为2小时，然后将其放入溅射设备中进行压电薄膜制备；
2)制备AlN压电薄膜：溅射设备为中国科学院沈阳科学仪器研制中心有限公司生产的型号为JGP450的超高真空多功能溅射设备，以Al靶作为靶材，采用射频溅射法在上述纳米金刚石衬底表面制备厚度为300nm的a-轴择优取向AlN薄膜，工艺参数为：在氮气和氩气混合气体中进行反应，混合气体的流量为20sccm，氮气和氩气的体积比为12∶8，氮气和氩气的纯度均为99.999％，衬底温度为400℃、靶基距10cm、溅射功率为150W、工作气压0.6Pa、溅射时间为2小时，关闭氩气后继续通入氮气缓慢降温至300℃，降温时间为1小时；然后在温度为300℃条件下，以Al靶作为靶材，采用射频溅射法继续在上述a-轴择优取向AlN薄膜衬底表面制备厚度为300nm的c-轴择优取向AlN薄膜，工艺参数为：在氮气和氩气混合气体中进行反应，混合气体的流量为20sccm，氮气和氩气的体积比为12∶8，氮气和氩气的纯度均为99.999％，衬底温度为300℃、靶基距6cm、射频功率150W、工作气压0.5Pa、溅射时间2小时，关闭氩气后继续通入氮气进行缓慢降温至常温，降温时间为2小时；
3)在上述c-AlN/a-AlN/金刚石衬底上采用电子束蒸发法制备叉指换能器IDT。
图2为该高频声表面波器件AlN薄膜的红外光谱图，图中表明：横坐标667处反射峰表示AlN薄膜。
图3为该高频声表面波器件AlN薄膜的扫描电镜图，图中显示：扫描电镜结果显示薄膜表面平整度满足声表面波器件要求。

Claims (6)

1.一种基于AlN压电薄膜的新型高频声表面波器件，其特征在于：由纳米金刚石衬底、a轴择优取向的AlN薄膜、c轴择优取向的AlN薄膜和叉指换能器(IDT)依次叠加构成，形成IDT/c-AlN/a-AlN/金刚石多层膜结构。
2.根据权利要求1所述基于AlN压电薄膜的新型高频声表面波器件，其特征在于：所述纳米金刚石衬底薄膜厚度为3-5μm，a-轴择优取向AlN薄膜的厚度为300nm，c轴择优取向AlN薄膜的厚度为300nm。
3.一种如权利要求1所述基于AlN压电薄膜的新型高频声表面波器件的制备方法，其特征在于步骤如下：
1)采用微波等离子体化学气相淀积(MPCVD)方法制备纳米金刚石衬底，然后将其放入溅射设备中进行压电薄膜制备；
2)制备AlN压电薄膜：以Al靶作为靶材，采用射频溅射法在上述纳米金刚石衬底表面制备a-轴择优取向AlN薄膜，制备完成后在氮气环境中缓慢降温至300℃，形成的a轴择优取向的薄膜；然后在温度为300℃条件下，以Al靶作为靶材，采用射频溅射法继续在上述a-轴择优取向AlN薄膜衬底表面制备c-轴择优取向AlN薄膜，制备完成后在氮气环境中缓慢降温至常温；
3)在上述c-AlN/a-AlN/金刚石衬底上采用电子束蒸发法制备叉指换能器IDT。
4.根据权利要求3所述基于AlN压电薄膜的新型高频声表面波器件的制备方法，其特征在于：所述采用MPCVD法制备纳米金刚石衬底的工艺参数为：微波功率4000W、压强70torr、工作气体H2∶CH4∶O2＝546∶45∶9、混合气体的流量为600sccm、沉积时间为2小时。
5.根据权利要求3所述基于AlN压电薄膜的新型高频声表面波器件的制备方法，其特征在于：所述在纳米金刚石衬底表面制备a-轴择优取向AlN膜的射频溅射工艺参数为：在氮气和氩气混合气体中进行反应，混合气体的流量为20sccm，氮气和氩气的体积比为12∶8，氮气和氩气的纯度均为99.999％，衬底温度为400℃、靶基距10cm、溅射功率为150W、工作气压0.6Pa、溅射时间为2小时，关闭氩气后继续通入氮气缓慢降温至300℃，降温时间为1小时。
6.根据权利要求3所述基于AlN压电薄膜的新型高频声表面波器件的制备方法，其特征在于：所述在a-轴择优取向的AlN薄膜表面制备c-轴择优取向AlN的射频磁控工艺参数为：在氮气和氩气混合气体中进行反应，混合气体的流量为20sccm，氮气和氩气的体积比为12∶8，氮气和氩气的纯度均为99.999％，衬底温度为300℃、靶基距6cm、射频功率150W、工作气压0.5Pa、溅射时间2小时，关闭氩气后继续通入氮气进行缓慢降温至常温，降温时间为2小时。
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