一种压电薄膜换能器用WSiAlN薄膜及其制备方法与流程

本发明属于薄膜体声波滤波器、声体波微波延迟线等体声波器件的核心部件—压电薄膜换能器领域，具体涉及一种压电薄膜换能器用wsialn薄膜及其制备方法。

背景技术：

薄膜体声波器件、声体波微波延迟线等体声波器件的核心部分是压电薄膜换能器。体声波压电薄膜换能器由底电极、压电薄膜和上电极组成，底电极和压电薄膜是压电薄膜换能器制作的关键。氮化铝(aln)压电薄膜由于其具有宽带隙、高击穿电压、高声速、高的机电耦合系数成为制作压电薄膜换能器的优选材料。一般来说，aln薄膜在压电器件中的应用多以c轴的(002)面为主，因此要求制作出aln薄膜的其结构需具有良好的c轴择优取向，组成均匀，较低的应力，表面粗糙度小。获得高c轴取向aln薄膜，为制备高质量压电薄膜换能器奠定了基础，但是aln压电薄膜c轴取向的好坏不仅和本身工艺相关，压电薄膜换能器底部电极层也是影响压电层c轴取向的一个关键因素。用于压电薄膜换能器的电极材料的选择标准是要求材料具有低密度、低电阻和较高的声学阻抗，同时要求电极材料能保证压电薄膜能够在电极上c轴择优生长。由于钨(w)与aln薄膜具有结晶兼容性，有利于aln薄膜c轴择优生长，因此是实现压电薄膜换能器常用的电极材料。但是采用w作为底电极，w薄膜应力不容易控制，在其上生长的压电薄膜仍然存在c轴取向较差，应力较大的问题。

技术实现要素：

本发明提供一种压电薄膜换能器用wsialn薄膜及其制备方法，以解决目前采用钨w作为底电极，w薄膜应力不容易控制，在其上生长的压电薄膜存在c轴取向较差，应力较大的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种压电薄膜换能器用wsialn薄膜，包括底电极以及位于所述底电极上的压电薄膜，所述底电极采用wsi材料制成，所述压电薄膜采用aln材料制成。

在一种可选的实现方式中，所述wsi材料中w和si的摩尔比值为1:2～1:2.7。

在另一种可选的实现方式中，随着所述wsi材料中w和si的摩尔比值逐级增大，所述压电薄膜换能器用wsialn薄膜的应力将增大且难以控制，随着所述wsi材料中w和si的摩尔比值逐渐减小，所述压电薄膜换能器用wsi薄膜的电阻率将增大。

根据本发明实施例的第二方面，还提供一种压电薄膜换能器用wsialn薄膜的制备方法，包括：

采用wsi材料在硅片上制成底电极；

采用aln材料在所述底电极上制成压电薄膜。

在一种可选的实现方式中，所述wsi材料中w和si的摩尔比值为1:2～1:2.7。

在另一种可选的实现方式中，所述采用wsi材料在硅片上制成底电极包括：采用wsi材料在硅片上直流磁控溅射制成底电极，其中直流磁控溅射的制作工艺参数为：溅射功率为2000～4000w、氩气流量35～55sccm、背面氩气流量15sccm。

在另一种可选的实现方式中，所述采用aln材料在所述底电极上制成压电薄膜包括：采用aln材料在所述底电极上交流磁控溅射制成压电薄膜，其中所述交流磁控溅射的制作工艺参数为：溅射功率为3000～6500w、氩气流量为4～12sccm、氮气流量为10～30sccm。

在另一种可选的实现方式中，在所述采用wsi材料在硅片上制成底电极之后，还包括退火步骤，其中所述退火步骤的工艺参数为：在600～900℃的高温下快速退火30～90秒。

在另一种可选的实现方式中，在所述直流磁控溅射、交流磁控溅射和退火步骤中，在对应取值范围内分别对应同时增大各个工艺参数的取值，则所述压电薄膜的c轴取向逐渐变好，应力逐渐变小；但随着对应各个工艺参数增大至预设数值后，所述压电薄膜的c轴取向逐渐变差，应力逐渐变大。

在另一种可选的实现方式中，当所述直流磁控溅射中溅射功率为3000w、氩气流量45sccm、背面氩气流量15sccm，所述交流磁控溅射中溅射功率为5000w、氩气流量为8sccm、氮气流量为20sccm，所述退火步骤中在800℃的高温下快速退火60秒时，所述压电薄膜换能器用wsialn薄膜的c轴取向最佳，应力最小。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过采用wsi材料制成底电极，设置于aln压电薄膜下，可以提高aln压电薄膜的c轴取向，降低应力，满足压电薄膜换能器用复合薄膜材料的要求，由此本发明提供的复合薄膜材料结构单元(即wsialn薄膜)可以作为压电薄膜换能器中新型的薄膜材料结构单元使用；

2、本发明通过使所述wsi材料中w和si的摩尔比值为1:2～1:2.7，可以在不降低wsialn薄膜其他性能参数的前提下，保证压电薄膜的c轴取向得到提高，且其应力得到降低；

3、本发明通过采用直流磁控溅射的方式制备wsi底电极，并采用交流磁控溅射的方式制备aln压电薄膜，可以保证制备出的该wsi薄膜的电阻率处于一个适中的范围值内；另外，本发明通过对直流磁控溅射中各个工艺参数的取值范围进行限定，并对交流磁控溅射中各个工艺参数的取值范围进行限定，可以保证制备出的wsialn薄膜的c轴取向和应力处于一个适中的范围值内。

附图说明

图1是本发明压电薄膜换能器用wsialn薄膜的一个实施例侧视图；

图2是本发明压电薄膜换能器用wsialn薄膜的制备方法的一个实施例流程图；

图3是本发明压电薄膜换能器用wsialn薄膜中实施例1的摇摆曲线图；

图4是本发明压电薄膜换能器用wsialn薄膜中实施例2的摇摆曲线图；

图5是本发明压电薄膜换能器用wsialn薄膜中实施例3的摇摆曲线图；

图6是本发明压电薄膜换能器用wsialn薄膜中三个实施例的应力测试结果示意图；

图7是本发明压电薄膜换能器用wsialn薄膜中三个实施例的粗糙度测试结果示意图；

图8是本发明压电薄膜换能器用wsialn薄膜中实施例1的afm图；

图9是本发明压电薄膜换能器用wsialn薄膜中实施例2的afm图；

图10是本发明压电薄膜换能器用wsialn薄膜中实施例3的afm图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明实施例中，经申请人研究发现，在制作aln压电薄膜时采用钨硅(wsi)材料制成底电极，可以使aln压电薄膜具有更好的c轴取向，更低的应力。因此，如图1所示，本发明提供一种压电薄膜换能器用wsialn薄膜，其可以包括底电极110以及位于该底电极110上的压电薄膜120，该底电极110采用wsi材料制成，压电薄膜120采用aln材料制成，由此可以提高压电薄膜的c轴取向，降低其应力。另外，经申请人研究发现，当制成底电极的wsi材料中钨w和硅si的摩尔比值在1:2～1:2.7范围内时，该wsialn薄膜中压电薄膜的c轴取向将得到提高，且应力将得到降低，但是随着wsi材料中w和si的摩尔比值逐级增大(即w的组成含量增大或者si的组成含量减小)，该wsialn薄膜的应力将增大且难以控制，随着wsi材料中w和si的摩尔比值逐渐减小(即w的组分含量减小或者si的组分含量增大)，该wsi薄膜的电阻率将增大，从而不利于将该wsialn薄膜应用至压电薄膜换能器中。其中，wsi电阻率约为80μω·cm。

由上述实施例可见，本发明通过采用wsi材料制成底电极，设置于aln压电薄膜下，可以提高aln压电薄膜的c轴取向，降低应力，满足压电薄膜换能器用复合薄膜材料的要求，由此本发明提供的复合薄膜材料结构单元(即wsialn薄膜)可以作为压电薄膜换能器中新型的薄膜材料结构单元使用。

另外，本发明还提供一种压电薄膜换能器用wsialn薄膜的制备方法，如图2所示，其可以包括以下步骤：

步骤s201、采用wsi材料在硅片上制成底电极。

本实施例中，所述wsi材料中w和si的摩尔比值为1:2～1:2.7，由此可以保证压电薄膜的c轴取向得到提高，且其应力得到降低。其中，该采用wsi材料在硅片上制成底电极可以包括：

采用wsi材料在硅片上直流磁控溅射制成底电极，其中直流磁控溅射的制作工艺参数为：溅射功率为2000～4000w、氩气流量35～55sccm、背面氩气流量15sccm。本发明通过采用直流磁控溅射的方式制备wsi底电极，可以保证制备出的该wsi薄膜的电阻率处于一个适中的范围值内。另外，经申请人研究发现，当直流磁控溅射的各个工艺参数在对应的取值范围之外时，该wsi薄膜的金属强度将变差，因此本发明通过对直流磁控溅射中各个工艺参数的取值范围进行限定，可以保证制备出的wsi薄膜的金属强度处于一个适中的范围值内。

在所述采用wsi材料在硅片上制成底电极之后，还可以包括退火步骤，其中所述退火步骤的工艺参数为：在600～900℃的高温下快速退火30～90秒。本发明通过在底电极与压电薄膜制备步骤之间设置退火步骤，可以降低wsi薄膜的电阻率。

步骤s202、采用aln材料在底电极上制成压电薄膜。

本实施例中，所述采用aln材料在所述底电极上制成压电薄膜可以包括：

采用aln材料在所述底电极上交流磁控溅射制成压电薄膜，其中所述交流磁控溅射的制作工艺参数为：溅射功率为3000～6500w、氩气流量为4～12sccm、氮气流量为10～30sccm。本发明通过采用交流磁控溅射的方式制备aln压电薄膜，可以保证制备出的压电薄膜c轴取向和应力处于一个适中的范围值内。另外，经申请人研究发现，当交流磁控溅射的各个工艺参数在对应的取值范围之外时，压电薄膜c轴取向和应力将变差，因此本发明通过对交流磁控溅射中各个工艺参数的取值范围进行限定，可以保证制备出的压电薄膜c轴取向和应力处于一个适中的范围值内。

另外，经申请人研究发现，在所述直流磁控溅射、交流磁控溅射和退火步骤中，在对应取值范围内分别对应同时增大各个工艺参数的取值，则所述压电薄膜的c轴取向逐渐变好，应力逐渐变小；但随着对应各个工艺参数增大至预设数值后，所述压电薄膜的c轴取向逐渐变差，应力逐渐变大。下面以三个实施例来说明随着工艺参数的变化，压电薄膜各项性能的变化规律。

实施例1

1)在硅片上直流磁控溅射制作wsi底电极，制作工艺：溅射功率为2000w、氩气流量35sccm、背面氩气流量15sccm。

2)在600℃的高温下快速退火30秒。

3)在溅射功率为3000w、氩气流量为4sccm、氮气流量为10sccm的工艺条件下交流磁控溅射制作aln压电薄膜。

4)测试该样片上aln压电薄膜的摇摆曲线，如图3所示。

5)测试该样片上aln压电薄膜的应力。

6)测试该样片上aln压电薄膜的粗糙度。

实施例2

1)在硅片上直流磁控溅射制作wsi底电极，制作工艺：溅射功率为3000w、氩气流量45sccm、背面氩气流量15sccm。

2)在800℃的高温下快速退火60秒。

3)在溅射功率为5000w、氩气流量为8sccm、氮气流量为20sccm的工艺条件下交流磁控溅射制作aln压电薄膜。

4)测试该样片上aln压电薄膜的摇摆曲线，如图4所示。

5)测试该样片上aln压电薄膜的应力。

6)测试该样片上aln压电薄膜的粗糙度。

实施例3

1)在硅片上直流磁控溅射制作wsi底电极，制作工艺：溅射功率为4000w、氩气流量55sccm、背面氩气流量15sccm。

2)在900℃的高温下快速退火90秒。

3)在溅射功率为6500w、氩气流量为12sccm、氮气流量为30sccm的工艺条件下交流磁控溅射制作aln压电薄膜。

4)测试该样片上aln压电薄膜的摇摆曲线，如图5所示。

5)测试该样片上aln压电薄膜的应力。

6)测试该样片上aln压电薄膜的粗糙度。

上述三个实施例aln压电薄膜的应力测试结果可以如图6所示，aln压电薄膜的粗糙度测试结果可以如图7所示。

从图3至图5中可以看出，当溅射功率为5000w，氩气流量为8sccm，氮气流量为20sccm时，摇摆曲线半高宽(fwhm)为2.1736°，具有较好的c轴择优取向。从应力测试数据中可以看出，在该工艺条件下应力为-66.37mpa，应力较低。表面粗糙度是衡量薄膜质量的一个重要标准，从afm图(其中图8为实施例1的afm图，图9为实施例2的afm图，图10为实施例3的afm图)中可以看出粗糙度(rq)为5.315～5.471nm，粗糙度较低，薄膜表面较平滑，晶粒细小均匀，完整致密，没有不规则的横向长大晶粒，从3d图可以看出得到的为柱状晶结构，适于制作器件。当所述直流磁控溅射中溅射功率为3000w、氩气流量45sccm、背面氩气流量15sccm，所述交流磁控溅射中溅射功率为5000w、氩气流量为8sccm、氮气流量为20sccm，所述退火步骤中在800℃的高温下快速退火60秒时，所述压电薄膜换能器用wsialn薄膜的c轴取向最佳，应力最低，粗糙度较小。

由上述实施例可见，本发明通过采用wsi材料制成底电极，设置于aln压电薄膜下，可以提高aln压电薄膜的c轴取向，降低应力，满足压电薄膜换能器用复合薄膜材料的要求，由此本发明提供的复合薄膜材料结构单元(即wsialn薄膜)可以作为压电薄膜换能器中新型的薄膜材料结构单元使用。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。