专利名称：一种高性能多层薄膜结构声表面波器件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及声表面波器件技术领域，特别是涉及一种高性能多层薄膜结构声表面
波器件及其制备方法，可用于高频、高机电耦合系数以及大功率的声表面波器件领域。
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lGHz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(LE0)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LiNb(^、氧化锌Zn0等)，声表面波相速较低(均 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 ii m，频率为5GHz的SAW器件所对应的IDT指宽d小于0. 2 y 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声表面波器件，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。
发明内容
有鉴于此，为克服现有技术的不足，本发明提供了一种高性能多层薄膜结构声表 面波器件，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高性能多层薄膜结构声表面波器件的制备方法，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。 为此，本发明提供了一种高性能多层薄膜结构声表面波器件，包括有衬底，所述衬 底为化学汽相沉积CVD金刚石薄膜，该CVD金刚石薄膜衬底表面形成有一层六方氮化硼 h-BN薄膜。 优选地，所述CVD金刚石薄膜衬底表面通过磁控溅射方式形成有一层六方氮化硼 h-BN薄膜。 优选地，所述CVD金刚石薄膜是晶粒线度为150 200nm、薄膜厚度为25 30 y m 的纳米薄膜，所述在CVD金刚石薄膜表面形成的h-BN薄膜是晶粒线度为30 60nm、薄膜厚 度为O. 5 0. 7iim的纳米薄膜。
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优选地，所述CVD金刚石薄膜为镜面抛光且以氢终止的CVD金刚石薄膜，所述h-BN 薄膜为c轴取向的强压电纳米h-BN薄膜。 此外，本发明还通提供了一种高性能多层薄膜结构声表面波器件的制备方法，包 括以下步骤 第一步、对化学汽相沉积CVD金刚石薄膜的表面进行抛光，形成镜面抛光的CVD金 刚石薄膜表面； 第二步、上述镜面抛光的CVD金刚石薄膜表面进行等离子体处理，形成以氢终止 且镜面抛光的CVD金刚石薄膜表面； 第三步、在真空溅射室里，以h-BN作为靶材，在上述以氢终止且镜面抛光的CVD金 刚石薄膜表面进行真空磁控溅射，最后沉积形成一层h-BN薄膜。 优选地，所述抛光步骤具体为利用抛光机以尺寸为100 300纳米的金刚石微粉
进行粗抛，然后以二氧化硅为研磨料进行表面精密修复。 优选地，所述化学汽相沉积CVD金刚石薄膜通过以下步骤来制备 首先，在镜面抛光硅衬底上，在氩气、氢气、甲烷组成的混合气氛中，所述氩气、氢
气、甲烷之间的体积比为70% : 27% : 3X，在沉积腔中，微波功率为5000W，沉积腔压强为
80乇，混合气流量600sccm和基底温度为75(TC条件下，进行化学汽相沉积，沉积时间为2
小时； 接着，调节基底温度，使基底温度在2小时内从75(TC逐渐降低到600°C ，并且在降 低基底温度开始的同时加入氧气，并使氩气、氢气、甲烷之间的体积比在15分钟内改变为 10% : 86. 5% : 2%，继续进行化学汽相沉积，沉积时间为2小时； 然后，在氩气Ar气氛下保持400°C的温度进行4 5小时的回火处理，最终制备获 得化学汽相沉积CVD纳米金刚石薄膜。 优选地，所述第二步具体为镜面抛光的CVD金刚石薄膜表面在氩气和氢气的混 合气体氛围中进行等离子体处理，所述氩气和氢气之间的质量流量比为2 : 8，在该镜面抛 光的CVD金刚石薄膜表面，H原子与C原子结合形成H-C共价键，从而形成以氢终止且镜面 抛光的CVD金刚石薄膜表面。 优选地，所述真空溅射室为超高真空射频磁控溅射系统具有的真空溅射室，所述 h-BN薄膜为c轴取向的强压电纳米h-BN薄膜。 优选地，所述真空溅射室的本底真空度低于5X10-4Pa，溅射所用靶材是纯度为
99. 99%的热压h-BN，在溅射过程中，真空溅射室中的工作气体为氩气和氮气的混合气体，
氩气和氮气之间的质量流量比为20 : 4，在溅射时所使用的溅射功率为220W，衬底温度为
40(TC，衬底负偏压为IOOV，工作压强为1. 2Pa，溅射沉积时间为2小时。 由以上方案可见，与现有技术相比，本发明提供了一种高性能多层薄膜结构声表
面波器件，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高性能多层薄膜结构声表面波器件的制备方法，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。
图1为在金刚石薄膜衬底上物理溅射沉积h-BN时，傅立叶变换红外光谱仪FTIR的显示图； 图2为在金刚石薄膜衬底上物理溅射沉积h-BN时，扫描电子显微镜SEM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。 本发明提供了一种高性能多层薄膜结构声表面波器件，包括有衬底，所述衬底为 化学汽相沉积CVD金刚石薄膜，该CVD金刚石薄膜衬底表面形成有一层六方氮化硼h-BN薄 膜； 在本发明中，所述CVD金刚石薄膜衬底表面通过磁控溅射方式形成有一层六方氮 化硼h-BN薄膜； 需要说明的是，在本发明中，所述CVD金刚石薄膜是晶粒线度为150 200nm、薄 膜厚度为25 30 m的纳米薄膜；在CVD金刚石薄膜表面形成的h_BN薄膜优选为纳米薄 膜，其晶粒线度为30 60nm，薄膜厚度为0. 5 0. 7 y m。 在本发明中，所述CVD金刚石薄膜优选为镜面抛光且以氢终止的CVD金刚石薄 膜； 在本发明中，所述纳米h-BN薄膜优选为c轴取向(即h-BN薄膜的晶粒呈柱状生 长，其生长方向与衬底表面垂直)的强压电纳米h-BN薄膜。 需要说明的是，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(密 度P 二3.51g/cm"，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 y m，频率为5GHz的SAW器件对应的指宽d可大于0. 5 y 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，S卩"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 氮化铝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属于六方晶系，具有与石墨类似的二维平面层状结构，在空气中 非常稳定，具有高度的化学稳定性和热稳定性。更重要的是h-BN具有高声波传输速率和优 良的透光性，可作为SAW器件中合适的压电薄膜。h-BN相速比氧化锌ZnO和铌酸锂LiNb03 的高，因此，"h-BN/金刚石"结构SAW器件的相速应该高于"Zn0/金刚石"和"LiNb03/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；h-BN的相速较大，和金刚石的相速差别也较小，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；金刚石和h-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。 在本发明中，为了制备上述高性能多层薄膜结构声表面波器件，本发明还提供了 一种高性能多层薄膜结构声表面波器件的制备方法，可以通过在CVD金刚石薄膜表面上溅 射形成一层h-BN薄膜，最终获得高性能多层薄膜结构声表面波器件；具体包括以下步骤
第一步、对化学汽相沉积CVD金刚石薄膜的表面进行抛光，形成镜面抛光的CVD金 刚石薄膜表面； 所述化学汽相沉积CVD金刚石薄膜的制备步骤具体为 首先，在镜面抛光硅衬底上，在氩气、氢气、甲烷组成的混合气氛中，所述氩气、氢 气、甲烷之间的体积比为70% : 27% : 3X，在沉积腔中，微波功率为5000W，沉积腔压强为 80乇，混合气流量600sccm(毫升每分钟)和基底温度为75(TC条件下，进行化学汽相沉积， 沉积时间为2小时； 接着，调节基底(即衬底)温度，使基底温度在2小时内从75(TC逐渐降低到 60(TC，并且在降低基底温度开始的同时加入氧气，并使氩气、氢气、甲烷之间的体积比在15 分钟内改变为10%: 86.5%: 2%，继续进行化学汽相沉积，沉积时间为2小时；
然后，在氩气Ar气氛下保持400°C的温度进行4 5小时的回火处理，最终可以制 备获得C-轴择优取向的化学汽相沉积CVD纳米金刚石薄膜； 所述抛光步骤具体为利用CP4型抛光机对比较平整的金刚石薄膜表面抛光，首 先利用抛光机以尺寸为100 300纳米的金刚石微粉进行粗抛，实现全局平坦；然后抛光机 以较低硬度的二氧化硅为研磨料进行表面精密修复。 第二步、上述镜面抛光的CVD金刚石薄膜表面进行等离子体处理，形成以氢终止 且镜面抛光的CVD金刚石薄膜表面； 所述第二步具体为镜面抛光的CVD金刚石薄膜表面在氩气和氢气的混合气体氛 围中进行等离子体处理，所述氩气和氢气之间的质量流量比为2 : 8，在该镜面抛光的CVD 金刚石薄膜表面，H原子与C原子结合形成H-C共价键，从而形成以氢终止且镜面抛光的 CVD金刚石薄膜表面。 第三步、在真空溅射室里，以h-BN作为靶材，在上述以氢终止且镜面抛光的CVD金 刚石薄膜表面进行真空磁控溅射，最后沉积形成一层h-BN薄膜。 在本发明中，所述真空溅射室为超高真空射频磁控溅射系统具有的真空溅射室， 所述h-BN薄膜为c轴取向(即h-BN薄膜的晶粒呈柱状生长，其生长方向与衬底表面垂直) 的强压电纳米h-BN薄膜。 在本发明中，真空溅射室的本底真空度低于5X10-4Pa，溅射所用靶材是纯度为 99. 99%的热压h-BN，在溅射过程中，真空溅射室中的工作气体为氩气和氮气的混合气体， 氩气和氮气之间的质量流量比为20 : 4，靶与基片(即衬底)之间的距离可调(即靶可以 自由升降)，范围为3 15cm ;所使用的溅射功率为220W，衬底(即以氢终止且镜面抛光的 CVD金刚石薄膜)温度为40(TC，衬底负偏压为IOOV，工作压强为1. 2Pa，溅射沉积时间为2 小时。 需要说明的是，在真空溅射过程中，在以氢终止且镜面抛光的CVD金刚石薄膜表 面，硼B原子取代H原子后形成B-C键，由于B-C共价键的结合力比C-H共价键和C-0共价 键的结合力强，因此可排除a-BN(非晶BN)生长的可能性，使h-BN薄膜具有很强的附着力
6和金刚石薄膜结合，h-BN薄膜与金刚石薄膜形成牢固的稳定结构。 通过上述三个步骤，在以氢终止且镜面抛光的CVD金刚石薄膜表面最后可以形成 晶粒线度为30 60nm、薄膜厚度为0. 5 0. 7 y m的纳米h_BN薄膜。 参见图1、图2，图1和图2分别显示了在金刚石薄膜衬底上沉积h-BN的傅立叶变 换红外光谱仪FTIR图和扫描电子显微镜SEM图。由图l和图2可知，本发明在以氢终止且 镜面抛光的CVD金刚石薄膜表面溅射沉积所形成的h-BN薄膜表面结构光滑致密，粗糙度 小，颗粒大小均匀，结晶程度好。 具体运用上，在本发明中，在以氢终止且镜面抛光的CVD金刚石薄膜表面溅射沉 积形成h-BN薄膜后，可以继续在h-BN薄膜表面制备叉指换能器IDT。具体操作为采用电 子束蒸发的方法在h-BN薄膜表面沉积一层厚度约lOOnm的铝Al膜，粗糙度小于5nm，然后 用光刻法制成指宽为1. 7 m的等值叉指，叉指对数为50对。 下面给出本发明提供的一种高性能多层薄膜结构声表面波器件的制备方法的具
体实施例 实施例1 在镜面抛光且以氢终止的CVD金刚石薄膜表面(作为衬底)，使用超高真空射频磁 控溅射系统溅射一层h-BN薄膜，所使用的溅射功率为220W，衬底温度为400°C ，衬底负偏压 为100V，工作压强为1.2Pa，氩气和氮气之间的质量流量比为12 : 3。那么最后在以氢终止 且镜面抛光的CVD金刚石薄膜表面最后可以形成的纳米h-BN薄膜的晶粒线度为40nm，薄膜 厚度为0.6iim。
实施例2 在镜面抛光且以氢终止的CVD金刚石薄膜表面，使用超高真空射频磁控溅射系统 溅射一层h-BN薄膜，所使用的溅射功率为230W，衬底温度为400°C ，衬底负偏压为IOOV，工 作压强为l. 1Pa，氩气和氮气之间的质量流量比为20 : 4，那么最后在以氢终止且镜面抛 光的CVD金刚石薄膜表面最后可以形成的纳米h-BN薄膜的晶粒线度为50nm，薄膜厚度为 0. 7um。 综上所述，与现有技术相比，本发明提供了一种高性能多层薄膜结构声表面波器
件，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
发明还提供了一种高性能多层薄膜结构声表面波器件的制备方法，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
一种高性能多层薄膜结构声表面波器件，其特征在于，包括有衬底，所述衬底为化学汽相沉积CVD金刚石薄膜，该CVD金刚石薄膜衬底表面形成有一层六方氮化硼h-BN薄膜。
2. 如权利要求1所述的声表面波器件，其特征在于，所述CVD金刚石薄膜衬底表面通过 磁控溅射方式形成有一层六方氮化硼h-BN薄膜。
3. 如权利要求1所述的声表面波器件，其特征在于，所述CVD金刚石薄膜是晶粒线度为 150 200nm、薄膜厚度为25 30 y m的纳米薄膜，所述在CVD金刚石 薄膜表面形成的h_BN 薄膜是晶粒线度为30 60nm、薄膜厚度为0. 5 0. 7 y m的纳米薄膜。
4. 如权利要求1所述的声表面波器件，其特征在于，所述CVD金刚石薄膜为镜面抛光且 以氢终止的CVD金刚石薄膜，所述h-BN薄膜为c轴取向的强压电纳米h-BN薄膜。
5. —种高性能多层薄膜结构声表面波器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 第一步、对化学汽相沉积CVD金刚石薄膜的表面进行抛光，形成镜面抛光的CVD金刚石薄膜表面；第二步、上述镜面抛光的CVD金刚石薄膜表面进行等离子体处理，形成以氢终止且镜 面抛光的CVD金刚石薄膜表面；第三步、在真空溅射室里，以h-BN作为靶材，在上述以氢终止且镜面抛光的CVD金刚石 薄膜表面进行真空磁控溅射，最后沉积形成一层h-BN薄膜。
6. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述抛光步骤具体为利用抛光机以尺 寸为100 300纳米的金刚石微粉进行粗抛，然后以二氧化硅为研磨料进行表面精密修复。
7. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述化学汽相沉积CVD金刚石薄膜通过 以下步骤来制备首先，在镜面抛光硅衬底上，在氩气、氢气、甲烷组成的混合气氛中，所述氩气、氢气、甲 烷之间的体积比为70% : 27% : 3%，在沉积腔中，微波功率为5000W，沉积腔压强为80 乇，混合气流量600sccm和基底温度为75(TC条件下，进行化学汽相沉积，沉积时间为2小时；接着，调节基底温度，使基底温度在2小时内从75(TC逐渐降低到60(TC，并且在降低 基底温度开始的同时加入氧气，并使氩气、氢气、甲烷之间的体积比在15分钟内改变为 10% : 86. 5% : 2%，继续进行化学汽相沉积，沉积时间为2小时；然后，在氩气Ar气氛下保持400°C的温度进行4 5小时的回火处理，最终制备获得化 学汽相沉积CVD纳米金刚石薄膜。
8. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述第二步具体为镜面抛光的CVD金 刚石薄膜表面在氩气和氢气的混合气体氛围中进行等离子体处理，所述氩气和氢气之间的 质量流量比为2 : 8，在该镜面抛光的CVD金刚石薄膜表面，H原子与C原子结合形成H-C 共价键，从而形成以氢终止且镜面抛光的CVD金刚石薄膜表面。
9. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述真空溅射室为超高真空射频磁控 溅射系统具有的真空溅射室，所述h-BN薄膜为c轴取向的强压电纳米h-BN薄膜。
10. 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述真空溅射室的本底真空度低于 5 X 10-4Pa，溅射所用靶材是纯度为99. 99 %的热压h-BN，在溅射过程中，真空溅射室中的 工作气体为氩气和氮气的混合气体，氩气和氮气之间的质量流量比为20 : 4，在溅射时所 使用的溅射功率为220W，衬底温度为40(TC，衬底负偏压为IOOV，工作压强为1. 2Pa，溅射沉 积时间为2小时。
全文摘要
本发明公开了一种高性能多层薄膜结构声表面波器件，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，本发明还公开了一种高性能多层薄膜结构声表面波器件的制备方法，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。
文档编号C23C28/00GK101768741SQ20091024520
公开日2010年7月7日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者宋殿友, 曲长庆, 杨保和, 童峥嵘, 薛玉明, 韩睿琪 申请人:天津理工大学