一种ZnO薄膜材料、声表面波滤波器复合薄膜材料及制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种ZnO薄膜材料、声表面波滤波器复合薄膜材料及制备方法，ZnO薄膜材料是在该ZnO薄膜中掺杂有锂和钒，构成LixVyZn（1-x-y）O压电薄膜。声表面波滤波器用复合薄膜材料，从下到上依次由Si衬底、UNCD膜层、LixVyZn（1-x-y）O压电薄膜层、IDT换能器Al/Ti薄膜层构成，LixVyZn（1-x-y）O压电薄膜层厚度为250 nm～600nm。本发明大大提高了ZnO薄膜电阻率及其压电性，压电薄膜的电阻率为108Ω.cm～109Ω.cm，从而降低了SAW器件插入损耗，插入损耗可降低6.1dB左右。提升了SAW压电材料的声速，从而提高了SAW器件工作频率。
【专利说明】一种ZnO薄膜材料、声表面波滤波器复合薄膜材料及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及ZnO薄膜声学性能的改进，具体指提升ZnO薄膜电阻率及增强其压电性的材料，同时还涉及基于该压电薄膜的高频SAW滤波器，属于微声压电薄膜材料【技术领域】。
[0002]
【背景技术】
[0003]声表面波滤波器是采用石英、钽酸锂、铌酸锂晶体等压电材料，利用其压电效应和声表面波传播的物理特性而制成的一种滤波专用器件。所谓压电效应，即是当晶体受到机械作用时，将产生与压力成正比的电场的现象。具有压电效应的晶体，在受到电信号的作用时，也会产生弹性形变而发出声波，即可把电信号转为声信号。由于这种声波只在晶体表面传播，故称为声表面波。
[0004]声表面波滤波器具有体积小，重量轻、性能可靠、不需要复杂调整的特点。其包括声表面波电视图像中频滤波器、电视伴音滤波器、电视频道残留边带滤波器。广泛应用于电视机及录像机中频电路中，以取代LC中频滤波器，使图像、声音的质量大大提高。
[0005]近年来，通信的高速发展受到目前可用频率资源不足的制约，使得实际通信向更高频率发展。作为移动通信中常用的频率控制元件一声表面波滤波器，其发展趋势也必然是高频滤波器。但是现有技术制作的高频声表面波滤波器件的插入损耗一般都比较大，而且随着声表面波器件的使用频率不断提高，其插入损耗的问题越来越明显。因此如何降低滤波器的损耗，提高其工作频率，是本领域技术人员亟需解决的问题。
[0006]利用UNCD膜的高声速、高导热特性以及ZnO薄膜的压电特性，可以制作出高频SAW滤波器，但由于纯ZnO薄膜为半导体，其体电阻率低，同时在纯ZnO薄膜上制作的IDT换能器漏电流大，导致IDT换能器转换损耗增加。
[0007]
【发明内容】
[0008]针对现有技术中纯ZnO薄膜存在体电阻率低、压电性不高的不足，本发明的目的在于提供一种提升电阻率及增强其压电性的ZnO薄膜材料。同时提供一种高频SAW滤波器用IDT/LixVyZn (lTy)0/UNCD/Si复合结构强压电性薄膜材料。本发明可以降低SAW滤波器插损、提高SAW滤波器工作频率。
[0009]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
一种ZnO薄膜材料，在该ZnO薄膜中掺杂有锂和钒，构成LixVyZn(1_x_y)0压电薄膜，其中X 为 0.005 ?0.01，y 为 0.02 ?0.025。
[0010]优选地，X为 0.0058，y 为 0.023。
[0011]声表面波滤波器用复合薄膜材料，从下到上依次由Si衬底、UNCD膜层、LixVyZn(1-x-y)0压电薄膜层、IDT换能器Al/Ti薄膜层构成，LixVyZn (1_x_y)0压电薄膜层厚度为250nm ?600nm，其中 x 为 0.005 ?0.01，y 为 0.02 ?0.025。
[0012]优选地，X为0.0058，y为0.023，此时LixVyZn (1_x_y)0压电薄膜层为Li0.0058V0.023Zn0.97120 压电薄膜层，Li。_VQ Q23ZnQ 97120 压电薄膜层厚度为 504nm，
压电薄膜(002)面择优取向度为:X射线衍射曲线特征峰半峰宽FWHM为0.2424°，X射线衍射摇摆曲线半峰宽FWHM为4.4618。。
[0013]进一步地，所述UNCD膜厚度为5000nm ；A1/Ti薄膜厚度分别为100nm/30nm。
[0014]声表面波滤波器复合薄膜材料制备方法，步骤如下，
1)选用Si衬底、UNCD膜层构成UNCD/Si基片，采用清洗液对UNCD/Si基片进行清洗；
2)在UNCD/Si基片上直流磁控反应性溅射LiVZn合金靶沉积LixVyZn(1_x_y)0压电薄膜层，厚度为 250 nm ?600nm，其中 x 为 0.005 ?0.01，y 为 0.02 ?0.025 ；
3)在UNCD基LixVyZn(1_x_y)0压电薄膜上均匀涂覆正性光刻胶，采用光刻工艺光刻出正胶图形；
4)用电子束蒸发工艺在LixVyZn(lTy)0/UNCD/Si基片上蒸发沉积Al/Ti薄膜层；
5)将Al/Ti/LixVyZn (lTy)0/UNCD/Si基片浸入丙酮溶液浸泡，剥离正性光刻胶，形成Al/Ti薄膜IDT，即得到声表面波滤波器复合薄膜材料。
[0015]优选地，所述X为0.0058，y为0.023，此时LixVyZn (1_x_y)0压电薄膜层为
Li0.0058V0.023Zn0.97120压电薄膜层，反应性溅射沉积Li0.0058V0.023Zn0.97120压电薄膜的条件为:直流DC溅射功率为70W，溅射气体02压力为0.8Pa，衬底加热温度为180°C，0 2气流速为62sccm0
[0016]Li。Q23ZnQ 97120 压电薄膜层厚度为 504nm ;LiQ屬八 Q23ZnQ 97120 压电薄膜(002)面择优取向度为:X射线衍射曲线特征峰半峰宽FWHM为0.2424°，X射线衍射摇摆曲线半峰宽 FWHM 为 4.4618。。
[0017]Al/Ti薄膜厚度分别为100nm/30nm ；UNCD膜层厚度为彡5000nm。
[0018]测试LixVyZn(1_x_y)0压电薄膜电阻率用的复合结构材料，从下到上依次由Si衬底、UNCD膜层、底电极Ti薄膜层、底电极A1薄膜层、LixVyZn (1_x_y)0压电薄膜层、上电极V薄膜层构成，其中X为0.005?0.01，y为0.02?0.025。
[0019]本发明针对现有技术的缺点，以LixVyZn (1_x_y)0压电薄膜取代纯ZnO薄膜，同时将LixVyZn(1_x_y)0压电薄膜与高声速、高导热UNCD膜材料相结合得到声表面波滤波器复合薄膜材料。锂掺杂ZnO薄膜，锂离子进入ZnO薄膜晶胞之间的晶界，增加其能带隙，大大提高了ZnO薄膜电阻率。钒掺杂ZnO薄膜使V4+及V 5+离子的3d层具有很多空能态，能够俘获薄膜中的自由电子，从而提高了 ZnO薄膜电阻率；同时钒掺杂ZnO薄膜使ZnO薄膜产生铁电性及平均等效原子电荷数变大都使其压电性大幅度提高。因此，V、Li共掺杂ZnO薄膜使其电阻率及压电性大大提高。改性后的ZnO薄膜上制作的IDT换能器转换损耗大大降低，从而降低了 SAW滤波器的插入损耗。
[0020]相比现有技术，本发明具有以下优点:
1、大大提高了 ZnO薄膜电阻率及其压电性，压电薄膜的电阻率为108Ω.cm?109Ω.cm，从而降低了 SAW器件插入损耗，插入损耗可降低6.ldB左右。
[0021]2、提升了 SAW压电材料的声速，从而提高了 SAW器件工作频率。
[0022]
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1是本发明IDT/LixVyZn (1_x_y)0/UNCD/Si强压电性薄膜材料复合结构示意图，图1 A是UNCD/Si结构示意图，图1B是LixVyZn (1_x_y)0/UNCD/Si结构示意图，图1C是IDT/LixVyZn (1_x_y)0/UNCD/Si 结构示意图。
[0024]图2A是本发明IDT/LixVyZn (1_x_y)0/UNCD/Si结构高频SAW滤波器频率响应曲线图，图2B是IDT/ZnO/UNCD/Si结构高频SAW滤波器频率响应曲线图。
[0025]图3是本发明V/LixVyZn (1_x_y)0/Al/Ti/UNCD/Si复合结构材料示意图，图3A是UNCD/Si 结构示意图，图 3B 是 Al/Ti/UNCD/Si 结构示意图，图 3C 是 LixVyZn (1_x_y)0/Al/Ti/UNCD/Si 结构示意图，图 3D 是 V/LixVyZn (1_x_y)0/Al/Ti/UNCD/Si 结构示意图。
[0026]
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0028]本发明高频SAW滤波器用高电阻率强压电性复合材料是由Si衬底1、UNCD膜层2、高电阻率强压电性LixVyZn (1_x_y)0压电薄膜层3、IDT换能器Al/Ti薄膜层4构成，见图1C。其中，LixVyZn (1_x_y)0薄膜层是在ZnO薄膜中掺杂锂和钒构成，其中x为0.005?0.01，y为
0.02 ?0.025。
[0029]本发明测试LixVyZn(1_x_y)0压电薄膜电阻率用的复合结构材料是由Si衬底1、UNCD膜层2、底电极Ti薄膜层5、底电极A1薄膜层6、LixVyZn (1_x_y)0压电薄膜层3、上电极V薄膜层7构成，见图3D。
[0030]以下结合实施例对本发明高频SAW滤波器用高电阻率强压电性复合结构材料的制备及测试、对比复合材料的制备及测试，具体介绍如下:
本发明复合结构材料的制备及测试介绍如下:
1)如图1A所示，选用高声速、高导热的Φ3"硅1基UNCD作为衬底材料2，UNCD膜厚为5000nm，采用清洗液对UNCD/Si基片进行清洗。
[0031]2)如图1B所示，在Φ3" UNCD/Si基片上直流(DC)磁控反应性溅射LiVZn合金革巴沉积LicngVa.^ZnamO压电薄膜层3，厚度为504nm iLicngVcuZndmO压电薄膜(002)面择优取向度为:X射线衍射曲线特征峰半峰宽FWHM为0.2424°，X射线衍射摇摆曲线半峰宽FWHM为4.4618°。反应性溅射沉积ΙΛ._να(ι23Ζηα97120压电薄膜的条件为:DC溅射功率为70W，溅射气体02压力为0.8Pa，衬底加热温度为180°C，02气流速为62sCCm。
[0032]3)在UNCD基ΙΛ._να(ι23Ζηα97120薄膜上均匀涂覆正性光刻胶，采用光刻工艺光刻出正胶图形。
[0033]4)如图 1C 所示，在 Φ3" Li0.0058V0.023Zn0.97120/UNCD/Si 基片上蒸发沉积 Al/Ti 薄膜层4，Al/Ti薄膜厚度分别为100nm/30nmo
[0034]5)如图 1C 所示，将 Φ3" Al/Ti/Li0.0058V0.023Zn0.97120/UNCD/Si 基片浸入丙酮溶液浸泡，剥离正性光刻胶，形成Al/Ti薄膜IDT4。
[0035]6)如图 2A 所示，将步骤 5)得到的 Φ3 " IDT/Li0.0058V0.023Zn0.97120/UNCD/Si 基片放置于探针台上，用GSG探针测试SAW滤波器频率响应曲线，获得SAW滤波器频率fQ为
2.436GHz，插入损耗 IL 为 19.9dB，SAW 相速度 Vp 为 8575m/s。
[0036]作为对比的现有复合结构材料的制备及测试介绍如下。
[0037]1)参照图1A所示，选用高声速、高导热的Φ3"硅1基UNCD作为衬底材料2，UNCD膜厚为5000nm，采用清洗液对UNCD/Si基片进行清洗。
[0038]2)参照图1B所示，在Φ3" UNCD/Si基片上直流(DC)磁控反应性溅射高纯Zn靶(纯度99.999%)沉积ZnO压电薄膜层3，厚度为504nm ;ZnO压电薄膜(002)面择优取向度为:X射线衍射曲线特征峰半峰宽FWHM为0.2376°，X射线衍射摇摆曲线半峰宽FWHM为4.2723°。反应性溅射沉积ZnO压电薄膜的条件为:DC溅射功率为70W，溅射气体02压力为0.8Pa，衬底加热温度为180°C，02气流速为62sccm。
[0039]3)在UNCD基ZnO薄膜上均匀涂覆正性光刻胶，采用光刻工艺光刻出正胶图形。
[0040]4)参照图1C所示，在Φ3" ZnO/UNCD/Si基片上蒸发沉积Al/Ti薄膜层4，Al/Ti薄膜厚度分别为100nm/30nm。
[0041]5)参照图1C所示，将Φ3" Al/Ti/ZnO/UNCD/Si基片浸入丙酮溶液浸泡，剥离正性光刻胶，形成Al/Ti薄膜IDT4。
[0042]6)如图2B所示，将步骤5)得到的Φ3" IDT/ZnO/UNCD/Si基片放置于探针台上，用GSG探针测试SAW滤波器频率响应曲线，获得SAW滤波器频率&为2.425GHz，插入损耗IL 为 26.0dB，SAW 相速度 Vp 为 8536m/s。
[0043]本发明测试LixVyZn (1_x_y)0压电薄膜电阻率用的复合结构材料制备方法具体如下:
1)如图3A所不，选用尚声速、尚导热的Φ3"娃1基超纳米金刚石(UNCD)作为衬底材料2，UNCD膜厚为5000nm，采用清洗液对UNCD/Si基片进行清洗。
[0044]2)如图3B所示，采用电子束蒸发工艺在Φ3" UNCD/Si基片上蒸发Ti薄膜5、A1薄膜6，Ti薄膜厚度为30nm，A1薄膜为100nm。
[0045]3)如图3B所示，光刻Φ3" UNCD/Si基片上的Al/Ti薄膜，形成底电极图形；
4)如图3C所示，在Φ3"Al/Ti/UNCD/Si基片上直流(DC)磁控反应性溅射LiVZn合金革巴沉积Lia 0058V0.023Zn0.9712°压电薄膜层3，厚度为500nm ；反应性派射沉积Lia 0058V0.023Zn0.97120压电薄膜的条件为:DC溅射功率为70W，溅射气体02压力为0.8Pa，衬底加热温度为180°C，02气流速为62SCCm。采用光刻工艺，光刻Al/Ti/UNCD/Si基片上的Li xVyZn (1_x_y)0压电薄膜；
5)如图3D所示，在Φ3"Li0.0058V0.023Zn0.97120/UNCD/Si基片上蒸发沉积V薄膜层7，V薄膜厚度为100nm。
[0046]5)如图3D所示，光刻V薄膜，形成V薄膜上电极图形7，每个电极直径为i>=3mm。
[0047]6)如图3D所示，光刻Liu-Vc.MZnumO薄膜，露出底电极焊盘图形7。
[0048]7)如图 3D 所示，将 Φ3" V/Li0.0058V0.023Zn0.97120/Al/Ti/UNCD/Si 基片放置于数字高阻计探测台上，用高阻计探头测试每个图形的体电阻，计算出其平均值R为1.34Χ106Ω。
[0049]8)采用下式计算出压电薄膜体电阻率P V:P v=R(0.5jt Φ)2/%式中，R压电薄膜体电阻，t为压电薄膜厚度，结果压电薄膜体电阻率ρ ν=1.90Χ109Ω.cm。
[0050]本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
【权利要求】
1.一种ZnO薄膜材料，其特征在于:在该ZnO薄膜中掺杂有锂和钒，构成Li xVyZn (1_x_y)O压电薄膜，其中X为0.005?0.01，y为0.02?0.025。
2.根据权利要求1所述的ZnO薄膜材料，其特征在于:x为0.0058，y为0.023。
3.声表面波滤波器用复合薄膜材料，其特征在于:从下到上依次由Si衬底、UNCD膜层、LixVyZn (1_x_y)0压电薄膜层、IDT换能器Al/Ti薄膜层构成，LixVyZn (1_x_y)0压电薄膜层厚度为 250 nm ?600nm，其中 x 为 0.005 ?0.01，y 为 0.02 ?0.025。
4.根据权利要求3所述的声表面波滤波器用复合薄膜材料，其特征在于:x为0.0058，y 为 0.023，此时 LixVyZn (1_x_y)0 压电薄膜层为 Liacitl58Vatl23Zna9712O 压电薄膜层，LiacIcI58Vaci23Zna9712O 压电薄膜层厚度为 504nm，Liacitl58Vatl23Zna9712O 压电薄膜(002)面择优取向度为:X射线衍射曲线特征峰半峰宽FWHM为0.2424°，X射线衍射摇摆曲线半峰宽FWHM为 4.4618° ο
5.根据权利要求3所述的声表面波滤波器用复合薄膜材料，其特征在于:所述UNCD膜厚度为5000nm ；A1/Ti薄膜厚度分别为100nm/30nm。
6.声表面波滤波器复合薄膜材料制备方法，其特征在于:步骤如下， 1)选用Si衬底、UNCD膜层构成UNCD/Si基片，采用清洗液对UNCD/Si基片进行清洗； 2)在UNCD/Si基片上直流磁控反应性溅射LiVZn合金靶沉积LixVyZn(1_x_y)0压电薄膜层，厚度为 250 nm ?600nm，其中 x 为 0.005 ?0.01，y 为 0.02 ?0.025 ； 3)在UNCD基LixVyZn(1_x_y)0压电薄膜上均匀涂覆正性光刻胶，采用光刻工艺光刻出正胶图形； 4)用电子束蒸发工艺在LixVyZn(lTy)0/UNCD/Si基片上蒸发沉积Al/Ti薄膜层； 5)将Al/Ti/LixVyZn (lTy)0/UNCD/Si基片浸入丙酮溶液浸泡，剥离正性光刻胶，形成Al/Ti薄膜IDT，即得到声表面波滤波器复合薄膜材料。
7.根据权利要求6所述的声表面波滤波器复合薄膜材料制备方法，其特征在于:所述X为 0.0058，y 为 0.023，此时 LixVyZn (1_x_y)0 压电薄膜层为 Liacitl58Vatl23Zna9712O 压电薄膜层，反应性溅射沉积Liacitl58Vatl23Zna9712O压电薄膜的条件为:直流DC溅射功率为70W，溅射气体O2压力为0.8Pa，衬底加热温度为180°C，02气流速为62sccm。
8.根据权利要求7所述的声表面波滤波器复合薄膜材料制备方法，其特征在于:L1.(i(i58V(1.(i23Znc1.97i20 压电薄膜层厚度为 504nm ;Li。.Cltl58Vatl23Zna9712O 压电薄膜(002)面择优取向度为:X射线衍射曲线特征峰半峰宽FWHM为0.2424°，X射线衍射摇摆曲线半峰宽FWHM为 4.4618° ο
9.根据权利要求7所述的声表面波滤波器复合薄膜材料制备方法，其特征在于:A1/Ti薄膜厚度分别为100nm/30nm ;UNCD膜层厚度为彡5000nm。
10.测试LixVyZn (lTy)0压电薄膜电阻率用的复合结构材料，其特征在于:从下到上依次由Si衬底、UNCD膜层、底电极Ti薄膜层、底电极Al薄膜层、LixVyZn (1_x_y)0压电薄膜层、上电极V薄膜层构成，其中X为0.005?0.01，y为0.02?0.025。
【文档编号】C23C14/08GK104451545SQ201410663034
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月19日 优先权日:2014年11月19日
【发明者】陈运祥, 董家和, 冷俊林, 李洪平, 杨洁 申请人:中国电子科技集团公司第二十六研究所