专利名称：一种AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件及制备方法
技术领域：
本发明涉及声表面波器件技术领域，特别是一种AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件及制备方法。
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900MHz到1. 9GHz ；在第三代数字系统中，全球漫游游游频率范围为1. 8 2. 2GHz，卫星定位系统(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。对于常规SAW材料(例如，石英、LiNb03、LiTa03、ai0等)，声速较低(均低于4000m/ s)，用其制作2. 5GHz的SAff器件，其IDT指宽d必须小于0. 4 μ m, 5GHz对应的指宽d小于 0. 2 μ m，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(P = 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。ZnO的声速为^OOm/s，与金刚石的声速相差特大，容易引起声速频散，及相速度随频率不同变化很大。2008年，中国台湾kan胁等人首次将a_轴择优取向的AlN薄膜与金刚石相结合，通过有限元仿真得到轴择优取向的AlN薄膜要比c轴择优取向的AlN薄膜具有更高的声度，声速可达10474m/s，并且压电系数K2达到2. 31%。之后台湾Ruyen Ro等人又在多篇文章中提出a-轴择优取向的AlN薄膜更适合高频SAW器件的应用。这为a_轴择优取向的AlN薄膜在高频SAW器件中的应用提供了理论依据，至今尚未有通过实验证实这一点的相关报导。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，可以承受大功率。
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AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件及制备方法，该高频声表面波器件为SiO/a-轴择优取向AlN/金刚石多层膜结构，此结构SAW器件频率高，且可以承受大功率，并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AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件，以a_轴择优取向的AlN薄膜作为 CVD金刚石衬底和C-轴择优取向SiO薄膜之间的中间层，形成IDT/SiO/a-轴择优取向AlN/ 金刚石多层膜结构。即由纳米金刚石衬底、a-轴择优取向的AlN薄膜、C-轴择优取向ZnO 薄膜和叉指换能器IDT依次叠加构成。所述的中间层a-轴择优取向AlN薄膜的晶粒线度为60-80nm、膜厚为0. 2-0. 3 μ m ； 所述的上层C-轴择优取向的ZnO薄膜的晶粒线度为60-90nm、膜厚0. 7-0. 8 μ m。一种所述AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件的制备方法，步骤如下1)采用CVD方法制备纳米金刚石衬底；2)以Al靶作为靶材，采用射频磁控溅射法在纳米金刚石衬底表面制备a_轴择优取向AlN薄膜；3)以ZnO陶瓷靶作为靶材，采用射频磁控溅射法在a_轴择优取向AlN薄膜表面制备C-轴择优取向的ZnO薄膜；4)采用电子束蒸发法在C-轴择优取向的ZnO薄膜表面制备叉指换能器IDT。所述的采用CVD方法制备纳米金刚石底层的工艺参数为在氩气、氢气和甲烷混合气体中进行化学汽相沉积，氩气、氢气和甲烷的体积百分比为75% 20% 5%，混合气流量为500sCCm，沉积腔中微波功率为4500W、压强为75Pa，衬底温度为750°C，沉积时间为 2小时。所述的纳米金刚石衬底表面制备a_轴择优取向AlN膜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，氮气和氩气的体积比为7 13，氮气和氩气的纯度均为 99. 999%，衬底温度为300°C，靶基距8cm，溅射功率为110W，工作气压1. 2Pa，溅射时间为2 小时，然后关闭氩气，继续通入氮气进行缓慢降温，通入氮气的时间为30分钟。所述在a-轴择优取向的AlN薄膜表面制备c_轴择优取向ZnO的射频磁控工艺参数为在氧气和氩气混合气体中进行反应，氧气和氩气的体积比为4 8，氧气和氩气的纯度均为99. 999%,衬底温度400°C，靶基距8cm，射频功率70W，工作气压1. 2Pa,溅射时间2 小时。所述在C-轴择优取向的ZnO薄膜表面制备叉指换能器IDT的方法采用电子束蒸发的方法在C-轴择优取向的ZnO薄膜表面沉积一层厚度约IOOnm的铝Al膜，粗糙度小于 4nm,然后用光刻法制成指宽为1. 6 μ m的等值叉指，叉指对数为50对本发明的优点和技术效果是1)在C-轴择优取向的SiO与金刚石之间加-层极薄的a-轴择优去想的AlN薄膜，构成多层膜结构会表现出很小的速度频散，这是本发明最大的优点。从原理上讲，在金刚石达到一定厚度之后，多层膜相速度、机电耦合系数(K2)均与压电薄膜密切相关，二者峰值对应不同的压电薄膜厚度，如果多层膜相速度(V)差别小，多层膜相速度在一个较大范围内随压电薄膜厚度变化较平坦，会给提高机电耦合系数(K2) —个较大的选择空间，有利于同时达到高频和高高机电耦合系数(K2)；2)金刚石的相速度(V)在所有材料中最高，可达18000m/s，a-轴择优取向的AlN 薄膜材料本身的相速度11354m/s，比较接近金刚石的相速度，且在ZnO与金刚石两者相速度之间，所以“ZnO/a-轴择优取向的AlN/金刚石”多层膜结构声速V应该高于“SiO/金刚石”、"LiNbO3/金刚石” “C-轴择优取向AlN/金刚石”等结构，从而在叉指换能器指宽d相同时，可以达到更高的频率；3) ZnO是强压电材料，金刚石是非压电材料，a-轴择优取向的AlN薄膜也有压电性能，所以a-轴择优取向的AlN薄膜作为ZnO和金刚石的中间层，有益于提高机电耦合系数；4)金刚石、a_轴择优取向的AlN薄膜、ZnO热导率均很高，会有很好的散热机制； 热膨胀系数均很小，因此会有很好的频率温度特性(TCD近似为零)，当器件承受大功率温度升高时，中心频率随温度升高而漂移很小，这是很大的优点，尤其是对窄带滤波器而言；幻加0、a-轴择优取向的AlN薄膜、金刚石三者相比，晶格常数相差很小，质量密度、弹性模量相差也较小，在金刚石基底制备结合牢固的a-轴择优取向的AlN薄膜，层间缺陷较少。所以选择“ZnO/a-轴择优取向AlN薄膜/金刚石”作为SAW器件多层膜结构，可以制备高频、大功率、高机电耦合系数(K2)、低传播损耗并且中心频率随温度升高漂移很小的 SAW器件。
图1为该多层膜声表面波器件结构示意图。图2为a-轴择优取向AlN薄膜的原子力显微镜(AFM)表面形貌图。图3为在金刚石衬底表面射频溅射沉积a轴择优取向AlN薄膜时使用X射线衍射仪(XRD)进行表征的显示图。图中显示在当薄膜轴择优取向生长时，2 θ =33.2°附近有峰值。
具体实施方案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。实施例第一步、用CVD方法制备的纳米金刚石膜衬底所述采用CVD方法制备纳米金刚石底层的工艺参数为在氩气、氢气和甲烷混合气体中进行化学汽相沉积，氩气、氢气和甲烷的体积百分比为75% 20% 5%，混合气流量为500sCCm，沉积腔中微波功率为4500W、压强为75Pa，衬底温度为750°C，沉积时间为2 小时。第二步、在高真空溅射室里，以Al靶作为靶材，在上述以氢终止且镜面抛光的 CVD金刚石薄膜表面进行高真空磁控溅射，沉积形成一层轴择优取向AlN薄膜，膜厚 0. 30ym 在氮气和氩气混合气体中进行反应，氮气和氩气的体积比为7 13，氮气和氩气的纯度均为99. 999%,衬底温度为300°C，靶基距8cm，溅射功率为110W，工作气压1. 2Pa,溅射时间为2小时，然后关闭氩气，继续通入氮气进行缓慢降温，通入氮气的时间为30分钟。附图2显示了通过以氮结尾的原位退火之后的原子力表面形貌图。附图3显示了在金刚石衬底表面射频溅射沉积a_轴择优取向AlN薄膜时使用X射线衍射仪(XRD)进行表征的显示图，在当薄膜a-轴择优取向生长时，2 θ =33.2°附近有峰值。第三步、在高真空溅射室里，以ZnO陶瓷靶作为靶材，在上述以a_轴择优取向AlN 薄膜表面进行高真空磁控溅射，制备高C-轴择优取向的ZnO薄膜，膜厚0. 7 μ m 在氧气和氩气混合气体中进行反应，氧气和氩气的体积比为4 8，氧气和氩气的纯度均为99. 999%,衬底温度400°C，靶基距8cm，射频功率70W，工作气压1. 2Pa,溅射时间 2小时。第四步、在C-轴择优取向的ZnO薄膜表面制备叉指换能器IDT 采用电子束蒸发法在C-轴择优取向的ZnO薄膜表面沉积一层厚度约IOOnm的铝 Al膜，粗糙度小于4nm，然后用光刻法制成指宽为1. 6 μ m的等值叉指，叉指对数为50对。图1为该多层膜声表面波器件结构示意图。本发明提供了一种高性能SiO/a-轴择优取向AlN/金刚石多层薄膜结构声表面波基片，其频率高，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制备该高性能aiO/a-轴择优取向AlN/金刚石多层薄膜结构声表面波器件的方法，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。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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件，其特征在于以a-轴择优取向的AlN 薄膜作为CVD金刚石衬底和C-轴择优取向ZnO薄膜之间的中间层，形成IDT/SiO/a-轴择优取向AlN/金刚石多层膜结构，即由纳米金刚石衬底、a-轴择优取向的AlN薄膜、c-轴择优取向ZnO薄膜和叉指换能器IDT依次叠加构成。
2.根据权利要求1所述AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件，其特征在于所述的中间层a-轴择优取向AlN薄膜的晶粒线度为60-80nm、膜厚为0. 2-0. 3 μ m ；所述的上层 C-轴择优取向的ZnO薄膜的晶粒线度为60-90nm、膜厚0. 7-0. 8 μ m。
3.—种如权利要求1所述AlN薄膜为中间层的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CVD方法制备纳米金刚石衬底；2)以Al靶作为靶材，采用射频磁控溅射法在纳米金刚石衬底表面制备轴择优取向 AlN薄膜；3)以ZnO陶瓷靶作为靶材，采用射频磁控溅射法在a_轴择优取向AlN薄膜表面制备 C-轴择优取向的ZnO薄膜；4)采用电子束蒸发法在C-轴择优取向的ZnO薄膜表面制备叉指换能器IDT。
4.根据权利要求3所述AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件的制备方法，其特征在于所述采用CVD方法制备纳米金刚石底层的工艺参数为在氩气、氢气和甲烷混合气体中进行化学汽相沉积，氩气、氢气和甲烷的体积百分比为75% 20% 5%，混合气流量为 500SCCm，沉积腔中微波功率为4500W、压强为75Pa，衬底温度为750°C，沉积时间为2小时。
5.根据权利要求3所述AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件的制备方法，其特征在于所述纳米金刚石衬底表面制备a-轴择优取向AlN膜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，氮气和氩气的体积比为7 13，氮气和氩气的纯度均为 99. 999%，衬底温度为300°C，靶基距8cm，溅射功率为110W，工作气压1. 2Pa，溅射时间为2 小时，然后关闭氩气，继续通入氮气进行缓慢降温，通入氮气的时间为30分钟。
6.根据权利要求3所述AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件的制备方法，其特征在于所述在轴择优取向的AlN薄膜表面制备C-轴择优取向ZnO的射频磁控工艺参数为 在氧气和氩气混合气体中进行反应，氧气和氩气的体积比为4 8，氧气和氩气的纯度均为 99. 999%,衬底温度400°C，靶基距8cm，射频功率70W，工作气压1. 2Pa,溅射时间2小时。
7.根据权利要求3所述AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件的制备方法，其特征在于所述在C-轴择优取向的ZnO薄膜表面制备叉指换能器IDT的方法采用电子束蒸发的方法在C-轴择优取向的ZnO薄膜表面沉积一层厚度约IOOnm的铝Al膜，粗糙度小于4nm， 然后用光刻法制成指宽为1. 6 μ m的等值叉指，叉指对数为50对。
全文摘要
一种AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件，以a-轴择优取向的AlN薄膜作为CVD金刚石衬底和c-轴择优取向ZnO薄膜之间的中间层，形成IDT/ZnO/a-轴择优取向AlN/金刚石多层膜结构并与叉指换能器IDT依次叠加构成高频声表面波器件；其制备方法是在纳米金刚石上制备以a-轴择优取向的AlN膜中间层，再在a-轴择优取向的AlN膜中间层上制备c-轴择优取向的ZnO膜。本发明的优点通过引入a轴择优取向的AlN膜中间层，解决纳米金刚石与ZnO之间由于声速差距大而引起的声速频散，可满足高频(4.8GHz)以上声表面波的应用需求，且工艺简单、易于实施，有利于大规模的推广应用。
文档编号H03H9/25GK102412803SQ20111033131
公开日2012年4月11日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者孙连婕, 张倩, 薛玉明, 郭燕, 阴聚乾, 陈希明 申请人:天津理工大学