专利名称：蓝宝石平面上的氧化锌压电晶体膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种提供在蓝宝石平面上的氧化锌压电晶体膜，该晶体膜用于在一种声表面波器件中的声表面波的传播。
用于SAW器件的一种典型的声表面波(SAW)基片，由在一种非压电衬底上提供一种压电晶体膜而制得。为激发声表面波，由一种叉指电极形成的换能器提供于一压电晶体膜的外表面，或提供于该压电晶体膜和非压电衬底间的界面上。
关于上述SAW基片，已知的是一种由蓝宝石(α-Al2O3)的非压电衬底和一氧化锌(ZnO)的压电晶体膜形成的SAW基片。与这样的氧化锌/蓝宝石SAW基片相关，又进一步使用了(0112)一平面切向蓝宝石(以下称为“R-平面蓝宝石”)，这样，(1120)一平面氧化锌(以下称为Q-平面ZnO)外延生长在此R-平面上。
图1显示了一种SAW基片3，该基片如前所述，由在一R-平面蓝宝石衬底1上生长Q-平面ZnO外延膜2而获得。与该SAW基片3有关，当该蓝宝石衬底1的R-平面和氧化锌外延膜2的Q-平面互为平行，且氧化锌外延膜2的方向(C-轴向)和该蓝宝石衬底1的方向(D-轴向)互为平行，如图1中箭矢所示，则SAW基片3可提供一种高声速和高耦合。
为了在蓝宝石衬底1上形成氧化锌外延膜2，通常使用化学输运法、CVD或溅射法。而上述方法中，特别广泛使用溅射法。
当用溅射法在一蓝宝石的R-平面上形成一纯氧化锌薄膜时，虽然氧化锌(ZnO)的C-轴一定程度上平行于该蓝宝石衬底，且在ZnO的Q-平面上获得一定程度的取向，该取向仍不足以将由这样一层ZnO薄膜形成的SAW基片用于实用。结果，该叉指换能器的特征，如机电耦合系数，仍劣于使用这样的SAW基片的SAW器件中的预定值。
因此，本发明的一个目的是，改善外延生长于上述R-平面蓝宝石衬底上的一种ZnO压电晶体膜的晶体取向。
本发明涉及一种外延生长蓝宝石R-平面之上的Q-平面氧化锌压电晶体膜，本发明的特征在于，该氧化锌压电晶体膜含有对于Zn和Cu总量而言按重量不大于4.5%的Cu。
上述的、相对于Zn和Cu的总量的Cu含量较好地是选用0.4-4.0%(重量)范围，更好地是选用0.6-3.0%(重量)范围，最好地是选用0.9-2.0%(重量)范围。
在本发明中，其上形成ZnO压电晶体膜的蓝宝石的R-平面在制造过程中，有占精确的R-平面的约±2%的分散。然而，这样一个范围内的分散实质上并不导致效果的不同。换句话说，可以在蓝宝石上形成一个Q-平面ZnO外延膜，尽管其切割平面偏差约±2%。
根据本发明，如从下述实施例的描述可清楚看到，可以获得一种具有优异取向的Q-平面ZnO压电晶体膜。因此，根据由该ZnO压电晶体膜所形成的SAW基片，可以改善叉指换能器的性能，如机电耦合系数，从而，由此提供一种完全可行的SAW器件。
结合附图，从下述对本发明的详细描述，将使得本发明的上述的、及其它的目的、特征、领域及优点更加显见。
图1为说明本发明所注意的SAW基片的透视图;
图2为说明RF磁控溅射装置的剖视图;
图3为说明一衍射峰半带宽的定义图;
图4说明随Cu含量的ZnO薄膜中的衍射峰半带宽的变化。
如图1所示及以上所述，本发明涉及一种由在一R-平面蓝宝石衬底1上生长Q-平面ZnO外延膜2而获得的SAW基片3。在该SAW基片3中，ZnO外延膜2的C-轴向平行于该蓝宝石衬底1的D-轴向。该ZnO外延膜2不是纯ZnO所制，而是含有Cu。该Cu含量不大于Zn和Cu总量的4.5%(重量)。包含上述含量的Cu的ZnO外延膜2具有优异的取向。
如前所述，在R-平面蓝宝石衬底上含有前述量的Cu的Q-平面ZnO外延膜2的形成方法有化学输运法、CVD及溅射法。特别是，用溅射法，可以在较低温度下，获得具有优异、高品质的表面平滑度的ZnO外延膜2。
图2显示了一种RF磁控溅射装置4，作为一溅射器例子。该溅射装置4包括一气密容器5，并设有一进气口6和出气口7。一种适当的溅射气体从进气口6引进该容器5，而存留于该容器5的气体被一泵(图中未示)强制地从出气口7排放出。上述R-平面蓝宝石衬底1置于该容器5中，一靶极8置于正对着蓝宝石衬底1之下。一高频(RF)电源(9)施加高频电压于一阳极(未示)及一阴极(未示)之间。该阳极和阴极分别置于蓝宝石衬底1的上、下表面及靶极8。一磁铁10置于靶极8之下。
通过溅射装置4，含预定量Cu的ZnO外延膜2以下述任一方式生长于蓝宝石衬底1之上。
第一种方式，从掺有一预定量铜的Zn金属靶制得靶极8，同时，通过进气口6将(Ar+O2)气体导入容器5。Ar粒子撞击靶极8，使Zn粒子和Cu粒子跳出靶极8，这样，Zn粒子与O2反应，形成ZnO，而如此形成的ZnO粒子和铜粒粘附至蓝宝石衬底1之上。这样，就可以在蓝宝石衬底1之上形成含有一预定量的Cu的ZnO外延膜2。
在第二种方式中，靶极8由掺合了一定量的铜的ZnO陶瓷靶制得。而Ar气体通过进气口6导引进容器5。Ar粒子撞击靶极8，ZnO粒子及Cu粒子因而从靶8中跳出，粘附至蓝宝石衬底1之上。这样，可以在蓝宝石衬底1之上形成含预定量Cu的ZnO外延膜2。
如上所述，由将一预定量的Cu导入靶极8，可制得含一预定量铜的ZnO外延膜2。在溅射中，靶极的组成实质上与所获得的薄膜组成一致。这样，导入靶极的铜量相当于得到的ZnO外延膜中的铜含量。
为确认对外延生长于R-平面蓝宝石衬底之上的Q-平面ZnO膜添加Cu的影响，以图2所示的溅射装置4作下述实验。
首先，使用一些掺有不同量的Cu的Zn金属靶，在各种溅射条件下形成在R-平面蓝宝石衬底之上的、含铜的ZnO外延膜。各种溅射条件可分别由改变RF功率电平、衬底加热温度及气体压力(Ar∶O2＝50∶50)而得到。
另一方面，纯Zn金属靶在类似上述的各种溅射条件下，被用来形成在R-平面蓝宝石衬底上的ZnO外延膜。
所得的样品的ZnO外延膜用一种X线衍射仪方法进行评价。该方法用来以X射线照射该薄膜而获得的衍射波，评价ZnO外延膜的结晶度。更具体地说，用一衍射自平行于蓝宝石衬底、即ZnO的Q-平面的晶体平面的衍射波，可在这样的ZnO外延膜中获得一个衍射峰。改善结晶取向，即，当峰值强度提高，晶体平面即被调整至进一步平行。这样的峰值强度可由在峰值强度的半值处，即，半带宽处的衍射强度值的宽度而得出，如图3所示。这样，半带宽度越小的薄膜，越是具有优异的晶体取向性能的高质薄膜。即，其晶体平面在平行程度上得到进一步规整化。
表1显示了ZnO的Q-平面的衍射峰半带宽，该ZnOQ-平面的衍射峰半带宽由用纯Zn靶和掺有2%(重量)的Cu的Zn靶(Zn-Cu靶)，在各种溅射条件下形成ZnO外延膜及用X-线衍射仪方法分析而得。
表1
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>从表1可明白，从该Zn-Cu靶制得的ZnO外延膜具有较小的峰值半带宽，并因此与那些在所有溅射条件下从Zn靶制得的ZnO外延膜比较起来，具更优异的结晶性。
当将这样的ZnO/蓝宝石衬底用作SAW基片时，衍射峰的半带宽度最好实际上小于约0.8°。在这一点上，在使用Zn靶时，在如表1所示的所有溅射条件下，无法得到具有优异实用性的薄膜。另一方面，可以明白，当使用Zn-Cu靶时，通过选择溅射条件可获得完全实用的ZnO外延膜。
表2所示的峰半带宽度为，在显示了最小的衍射峰半带宽度的溅射条件下，即，如表1中的RF功率1.0kW，衬底温度250℃及气体压力5×10-3乇，导入靶极的Cu含量在相对Zn和Cu的总量为0-5%(重量)的范围内变动时所获得的。图4为表2中内容的图示。
表2<
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权利要求
1.一种外延生长于蓝宝石表面的(1120)-平面氧化锌压电晶体膜，该蓝宝石表面实质上平行于其(0112)-平面，其特征在于所述氧化锌压电晶体膜含有对Zn和Cu的总量不大于4.5%(重量)的Cu。
2.如权利要求1所述的氧化锌压电晶体膜，其特征在于，所述晶体膜含0.4-4.0%(重量)的Cu。
3.如权利要求2所述的氧化锌压电晶体膜，其特征在于，所述晶体膜含0.6-3.0%(重量)的Cu。
4.如权利要求3所述的氧化锌压电晶体膜，其特征在于，所述膜含0.9-2.0%(重量)的Cu。
5.如权利要求1所述的氧化锌压电晶体膜，其特征在于，所述晶体膜由溅射法形成。
6.一种用于声表面波器件的声表面波基片，其特征在于，所述基片包括一种具有基本上平行于其(0112)面的表面的(0112)-平面切割蓝宝石衬底;及一种外延生长于所述蓝宝石衬底的所述表面上的(1120)-平面氧化锌压电晶体膜;所述氧化锌压电晶体膜含有相对于Zn和Cu总量的、不大于4.5%(重量)的Cu。
7.如权利要求6所述的声表面波基片，其特征在于，所述的氧化锌压电晶体膜含0.4-4.0%(重量)的Cu。
8.如权利要求7所述的声表面波基片，其特征在于，所述的氧化锌压电晶体膜含0.6-3.0%(重量)的Cu。
9.如权利要求8所述的声表面波基片，其特征在于，所述的氧化锌压电晶体膜含0.9-2.0%(重量)的Cu。
10.如权利要求6所述的声表面波基片，其特征在于，所述的氧化锌压电晶体膜由溅射法形成。
全文摘要
一种氧化锌压电晶体膜，由溅射法外延生长于R-平面蓝宝石衬底上时，使用含相对于Zn和Cu的总量为不大于4.5％(重量)的Cu的靶极，就可使该氧化锌压电晶体膜含铜。这样，就可获得一种具有优异取向的氧化锌压电晶体膜。
文档编号H03H9/02GK1103513SQ94109460
公开日1995年6月7日 申请日期1994年8月5日 优先权日1993年8月5日
发明者小池纯, 家木英治 申请人:株式会社村田制作所