专利名称：一种用于声表面波器件的高相速压电薄膜及其制备方法
技术领域：
本发明涉及声表面波器件技术领域，特别是涉及一种用于高性能声表面波(SAW) 器件的高相速压电薄膜及其制备方法。
背景技术：
近年来，移动通信的飞速发展，使得无线电通信频带成为一个有限而宝贵的自然 资源。对于移动通信系统，低于IGHz的频带已被占满(第一代数字系统)；第二代数字系统 的频率从900 MHz到1.9 GHz ；在第三代数字系统中，全球漫游游游频率范围为1.8 2. 2 GHz，卫星定位系统(GPS)频率为1.575 GHz，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，目前的移动通信系统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。常规SAW材料，如石英、铌酸锂LiNbO3、氧化锌ZnO等，声表面波相速较低，一般 低于4000m/s，用其制作频率为2. 5GHz的SAW器件，其叉指换能器(IDT)指宽d必须小于 0. 4 μ m，频率为5GHz的SAW器件所对应的IDT指宽d小于0. 2 μ m，已经逼近目前半导体工 业水平的极限，因此在生产中会遇到例如断指严重、可靠性差、成品率低、价格昂贵等各种 问题，从而严重制约了 SAW器件频率的进一步提高；而且，移动通信系统的发射端(TX)滤波 器是对大功率信号滤波，如此细的IDT指宽d，电阻较大，会产生大量的耗散热，再加上这些 常规SAW材料的热导率低，所以无法承受大功率，这使得由上述常规SAW材料制成的SAW器 件很难满足高频率和/或大功率移动通信的要求。因此，目前迫切需要开发出一种高相速压电薄膜，用于制备频率高，且可以承受大 功率的SAW器件，可以满足高频率和/或大功率移动通信的要求。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种用于高性能声表面波(SAW)器 件的高相速压电薄膜，用其制备的SAW器件频率高，且可以承受大功率，可以满足高频率和 /或大功率移动通信的要求，此外，本发明还提供了一种用于高性能声表面波(SAW)器件的 高相速压电薄膜的制备方法，该制备方法工艺条件方便易行，制备的产品可靠性强、成品率 高且成本低，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
一种用于声表面波器件的高相速压电薄膜，由金刚石衬底和该衬底表面形成的一层立 方氮化硼(c-BN)薄膜构成，所述立方氮化硼c-BN薄膜是厚度为0. 4-0. 6Mm的纳米薄膜。—种所述用于声表面波器件的高相速压电薄膜的制备方法，包括以下步骤
1)在MOCVD沉积系统的进样室，对金刚石衬底表面进行等离子体清洗；
2)在MOCVD沉积系统的进样室，采用磁控溅射工艺在金刚石衬底表面沉积一层立方氮 化硼(c-BN)薄膜。
所述对金刚石衬底表面进行表面等离子体清洗方法为金刚石衬底在氩气和氮气 的混合气体氛围中进行等离子体处理，氩气和氮气的质量流量比为20:4，等离子体清洗电 源的灯丝电压为60-80V，加速电压为80-120V。所述在金刚石衬底表面沉积一层立方氮化硼(C-BN)薄膜的磁控溅射工艺参数 为本底真空度3X 10_4 Pa、衬底旋转台转速80转/分钟、衬底温度600-1100°C、溅射功 率250-450W、N2流量50SCCm、氩气流量lOsccm、工作压强1. 2Pa、溅射靶与衬底之间的靶距 8cm、等离子体电源的灯丝电压60-80V、加速电压80-120V、沉积时间1_2小时。本发明的原理分析
为了满足高频率和/或大功率移动通信的要求，必须选用高声速、高弹性模量、高热 导率、低密度的材料来制备SAW器件。在所有材料中，金刚石的弹性模量最高(弹性模量 E=1200Gpa)，密度较低(P=3.51 g/cm3)，从而具有所有物质中最高的声速，用其制作的多 层膜SAW器件，IDT指宽d是相同频率常规材料的2. 5倍(例如，频率为2. 5GHz的SAW器件 对应的指宽d可大于1 μ m,频率为5GHz的SAW器件对应的指宽d可大于0. 5 μ m)，而电阻 只有常规材料的2/5，产生的耗的耗散热也只有常规材料的2/5，再加上金刚石的热导率在 所有材料中最高，使得金刚石薄膜成为高频率、大功率SAW器件，即“压电薄膜/高声速薄 膜”多层膜声表面波SAW器件中最理想的高声速材料。SAW器件的性能则由压电薄膜和金 刚石衬底共同决定。在“压电薄膜/高声速薄膜”多层膜SAW器件结构中，高声速薄膜用来传播声表面 波，压电晶体薄膜用来实现电磁波与声表面波的能量转换。III - V族化合物薄膜III-N(如 AlN、h-BN)在“压电薄膜/金刚石薄膜”多层膜结构中用作压电薄膜，来实现电磁波与声表 面波的能量转换。六方氮化硼h-BN和氮化铝AlN的相速比较高，分别为5648 m/s和5600 6100 m/s,氧化锌ZnO和铌酸锂LiNbO3的相速较低，分别为；3485 4000 m/s和洸00 3000 m/s。 因此，“h-BN (或AlN) /金刚石”结构SAW器件的相速应该高于“&ιΟ/金刚石”和"LiNbO3/ 金刚石”结构SAW器件的相速。这样，当叉指换能器指宽d相同时，SAW器件的频率可以达 到更高。但是h-BN和AlN的相速与金刚石的相速(12000 15000 m/s)差别较大，从而增 大了该结构的速度频散，即相速度随频率不同变化较大。而立方氮化硼c-BN的相速很大 (7000 8000 m/s)，仅次于金刚石，而且还具有压电特性，因此在压电薄膜(h-BN或AlN)与 金刚石之间增加一层c-BN薄膜，减小了压电薄膜和金刚石的相速差别，从而大大减小了该 结构的速度频散，即相速度随频率不同变化很小。同时金刚石和c-BN薄膜的温度系数都很 小，近似为零，因此，当SAW器件温度升高时，SAW器件的中心频率随温度升高而漂移很小。本发明的优点是与现有技术相比，本发明提供了一种用于高性能声表面波 (SAW)器件的高相速压电薄膜，用其制备的SAW器件频率高(彡2.5 GHz)，且可以承受大功 率37dBm)，可以满足高频率和/或大功率移动通信的要求；本发明提供的该高相速压 电薄膜的制备方法，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。
附图为在金刚石薄膜衬底上磁控溅射沉积c-BN时，傅立叶变换红外光谱仪FIlR 的显示图。
具体实施例方式为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，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1:
1)对金刚石衬底表面进行表面等离子体清洗
在MOCVD沉积系统的进样室，金刚石衬底在氩气和氮气的混合气体氛围中进行等离子 体处理，氩气和氮气的质量流量比为20:4，等离子体清洗电源的灯丝电压为70V，加速电压 为110V。该处理保证了样品表面的清洁和工艺的可靠性，同时也增强了随后沉积的薄膜与 衬底间的结合强度，而且氮气对衬底表面的预处理有利于随后沉积c-BN薄膜时B与N的化 合，从而有利于沉积高质量的c-BN薄膜。2)在金刚石衬底上溅射沉积c-BN薄膜
在MOCVD沉积系统的进样室，在经过等离子体清洗后的金刚石衬底上沉积c-BN薄 膜，磁控溅射工艺参数为本底真空度3X10_4 Pa、衬底旋转台转速80转/分钟、衬底温度 1000°C、溅射功率:350W、N2流量50sccm、氩气流量lOsccm、工作压强1. 2Pa、靶距8cm、等离 子体电源的灯丝电压和加速电压分别为80V和120V、沉积时间2小时。所形成的c-BN薄膜 厚度为0. 56 μ m。附图显示了在金刚石薄膜衬底上沉积c-BN的傅立叶变换红外光谱仪FIlR图。在 波数为IMOcnT1附近有c-BN的吸收峰。实施例2
1)对金刚石衬底表面进行表面等离子体清洗
在MOCVD沉积系统的进样室，金刚石衬底在氩气和氮气的混合气体氛围中进行等离子 体处理，氩气和氮气的质量流量比为20:4、等离子体清洗电源的灯丝电压为75V、加速电压 为105V。该处理保证了样品表面的清洁和工艺的可靠性，同时也增强了随后沉积的薄膜与 衬底间的结合强度，而且氮气对衬底表面的预处理有利于随后沉积c-BN薄膜时B与N的化 合，从而有利于沉积高质量的c-BN薄膜。2)在金刚石衬底上溅射沉积c-BN薄膜
在MOCVD沉积系统的进样室，在经过等离子体清洗的金刚石衬底上沉积c-BN薄膜，磁 控溅射工艺参数为本底真空度3X 10_4 Pa、衬底旋转台转速80转/分钟、衬底温度950°C、 溅射功率^0W、N2流量40SCCm、氩气流量lOsccm、工作压强1. 4Pa、靶距7cm、等离子体电源 的灯丝电压和加速电压分别为75V和110V、沉积时间2小时。所形成的c-BN薄膜厚度为 0. 49 μ m。综上所述，与现有技术相比，本发明提供了一种用于高性能声表面波(SAW)器件的 高相速压电薄膜，用其制备的SAW器件频率高，且可以承受大功率，可以满足高频率和/或 大功率移动通信的要求，此外，本发明还提供了一种用于高性能声表面波(SAW)器件的高相 速压电薄膜的制备方法，该制备方法工艺条件方便易行，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润。
权利要求
1.一种用于声表面波器件的高相速压电薄膜，其特征在于由金刚石衬底和该衬底表 面形成的一层立方氮化硼(C-BN)薄膜构成，所述立方氮化硼C-BN薄膜是厚度为0. 4-0. 6Mm 的纳米薄膜。
2.一种如权利要求1所述用于声表面波器件的高相速压电薄膜的制备方法，其特征在 于包括以下步骤1)在MOCVD沉积系统的进样室，对金刚石衬底表面进行等离子体清洗；2)在MOCVD沉积系统的进样室，采用磁控溅射工艺在金刚石衬底表面沉积一层立方氮 化硼(c-BN)薄膜。
3.根据权利要求2所述用于声表面波器件的高相速压电薄膜的制备方法，其特征在 于所述对金刚石衬底表面进行表面等离子体清洗方法为金刚石衬底在氩气和氮气的混 合气体氛围中进行等离子体处理，氩气和氮气的质量流量比为20:4，等离子体清洗电源的 灯丝电压为60-80V，加速电压为80-120V。
4.根据权利要求2所述用于声表面波器件的高相速压电薄膜的制备方法，其特征在 于所述在金刚石衬底表面沉积一层立方氮化硼(c-BN)薄膜的磁控溅射工艺参数为本底 真空度3X10—4 Pa、衬底旋转台转速80转/分钟、衬底温度600-1100°C、溅射功率250-450W、 N2流量50sCCm、氩气流量lOsccm、工作压强1. 2Pa、溅射靶与衬底之间的靶距8cm、等离子体 电源的灯丝电压60-80V、加速电压80-120V、沉积时间1_2小时。
全文摘要
一种用于声表面波器件的高相速压电薄膜，由金刚石衬底和该衬底表面形成的一层立方氮化硼薄膜构成，所述立方氮化硼薄膜是厚度为0.4-0.6μm的纳米薄膜，其制备方法是在MOCVD沉积系统的进样室，对金刚石衬底表面进行等离子体清洗，再采用磁控溅射工艺在金刚石衬底表面沉积一层立方氮化硼薄膜。本发明的优点是本发明提供了一种用于高性能声表面波(SAW)器件的高相速压电薄膜，用其制备的SAW器件频率高(≥2.5GHz)，且可以承受大功率(≥37dBm)，可以满足高频率和/或大功率移动通信的要求；本发明提供的该高相速压电薄膜的制备方法，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。
文档编号H03H9/25GK102122937SQ20111008785
公开日2011年7月13日 申请日期2011年4月8日 优先权日2011年4月8日
发明者刘君, 宋殿友, 朱亚东, 杨保和, 潘宏刚, 薛玉明, 辛治军 申请人:天津理工大学