一种耐高温的柔性声表面波器件及其制造方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及声表面波器件制造领域，具体涉及一种可耐高温的柔性声表面波器件 的结构及其制造方法。
【背景技术】：
[0002] 声表面波（Surfaceacousticwave)是沿着固体表面传播的一种弹性波。1855 年，由英国物理学家瑞利（Rayleigh)在对地震波的研宄中发现。这种弹性波沿半无限固体 表面传播，其能量主要集中于弹性体的表面，且其振幅随着传入衬底材料的深度的增加而 指数衰减，这种波就是声表面波，也叫瑞利波。
[0003] 声表面波器件是利用声表面波来完成各种复杂信号处理的一类新型器件，其在现 代电子信息技术中已经获得广泛的应用。第一个声表面波器件是在1965年研制成功，在之 后的几十年中，声表面波器件蓬勃发展，并在一些专业领域成为了不可短缺的电子元器件。 随着信息和通信技术高速发展，声表面波器件的应用频率也从最初的MHz发展到GHz。器 件的工作温度也在不断的提升。并且在近年来，为了适应电子产品的便携、可延展、可穿戴 化，并使其能够在非平面的环境中工作，柔性电子以其独特的优势以及潜在的应用价值，已 经引起了国内外的关注。开始出现可工作于曲面的柔性声表面波器件。高频、高温以及柔 性在目前已经成为了声表面波器件发展的新趋势。
[0004] 但是到目前为止，主流的声表面波器件还是主要局限于将器件制备在刚性的单晶 衬底或者柔性的有机聚合物衬底上。例如，石英、硅、蓝宝石、铌酸锂等单晶衬底，或者聚酯、 聚乙烯、聚酰亚胺、聚苯乙烯等柔性的有机聚合物衬底。对于制备在刚性单晶衬底上的声表 面波器件而言，其虽然技术成熟、器件性能稳定，但是其质量大且不能工作在非平面的环境 下，不能折叠、弯曲。而对于在柔性有机聚合物衬底上制备的声表面波器件，其虽然拥有良 好的柔性特性以及轻质便携等优点，但是由于其衬底（有机聚合物）本身的限制，使其很难 应用于高温环境下，在200°c~300°C时，绝大部分有机聚合物将会变软、熔化、分解、放出 挥发性气体，这将会对声表面波器件造成极大的影响。因此急需开发一种能够应用于复杂 曲面并且在高温环境下依然保持良好性能的新型柔性声表面波器件。
【发明内容】
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[0005] 针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种耐高温的柔性声表面波器件及其制 造方法。使其可以同时满足耐高温和高度柔软可弯曲的特点，并且具有较高的中心频率。
[0006] 本发明提供的耐高温的柔性声表面波器件从下至上依次为：底层保护层、柔性合 金衬底、缓冲层、压电薄膜、叉指电极和顶层保护层。
[0007] 所述柔性合金衬底采用镍基高温合金、钴基高温合金或铁基高温合金，其厚度为 10 ~100 u m〇
[0008] 缓冲层和底层保护层为相同的非晶氧化物薄膜，采用氧化钇（Y203)或钇铝氧 (Y203-A1203)，其厚度为 100nm~2ym〇
[0009] 压电薄膜为高C轴择优取向的氮化铝薄膜，薄膜厚度为lym~10ym。
[0010] 叉指电极材料为金（Au)，厚度为lOOnm~200nm。
[0011] 顶层保护层为氮化铝薄膜，氮化铝保护层的厚度为200nm~500nm。
[0012] 其制造方法包括以下步骤：
[0013] 步骤1、柔性合金衬底的预处理：将柔性合金带材依次进行切割、电化学抛光、钝 化、清洗和烘干处理。
[0014] 步骤2、缓冲层和底层保护层的制备：采用化学溶液浸渍提拉法在步骤1所得柔性 合金衬底的前后表面同时制备一层lOOnm~2ym的氧化钇（Y203)或钇铝氧（Y203-A1203)非 晶氧化物薄膜，一面作为缓冲层、另一面作为底层保护层。
[0015] 步骤3、压电薄膜的制备：采用磁控反应溅射法在步骤2所得柔性合金衬底的缓冲 层一面沉积一层C轴择优取向的氮化铝薄膜，厚度为1ym~10ym。
[0016] 步骤4、叉指电极的制备：采用微电子光刻工艺在步骤3得到的压电薄膜上制备声 表面波器件的叉指电极。
[0017] 步骤5、顶层保护层的制备：采用磁控反应溅射法在步骤4制得的叉指电极上制备 一薄层氮化错保护层，其厚度为200nm~500nm。
[0018] 本发明采用耐腐蚀、耐高温、抗氧化、加工性能良好的高温柔性合金带材作为声表 面波器件的衬底材料，使其同时具备了耐高温和高度柔软可弯曲的特点。与传统的基于刚 性衬底的声表面波器件相比，其良好的柔性特性使其可工作于更复杂的曲面环境，并且质 量更轻，可弯曲。这将在军工领域，航空航天领域，特别是在特殊零件表面、叶片、机翼类三 维曲面零件表面检测方面有很大的应用前景。与当前主流的基于有机聚合物衬底的柔性声 表面波器件相比，本发明采用的衬底材料是耐高温的合金材料，这将使制备的声表面波器 件应用于更高的温度，其应用温度可高达600°C以上。
[0019] 本发明采用的压电材料为氮化铝压电薄膜，其高的热稳定性（700°C以上才发生表 面氧化）这将有利于器件的高温性能；高的声表面波传播速率（沿C轴为12000m/s，垂直 于C轴为6000m/s)将有利于提高声表面波器件的中心频率。
[0020] 本发明中制备了非晶氧化物缓冲层，解决了直接在合金衬底上很难沉积出良好的 氮化铝压电薄膜的困难。
[0021] 本发明在柔性合金衬底底层和声表面波叉指电极上面分别制备非晶氧化物保护 层和氮化铝保护层，这样可以防止高温下合金柔性衬底和金叉指电极发生氧化。
[0022] 本发明中的柔性高温合金衬底材料应用广泛、价格低廉、可实现大批量连续化生 产。
[0023] 综上所述本发明的有益效果为：器件结构可耐高温，并且拥有良好的柔性特性，质 量轻，可工作于复杂的曲面环境，成本低廉。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明中的耐高温柔性声表面波器件的结构示意图。
[0025] 附图标记：1_非晶氧化物底层保护层，2-柔性合金衬底，3-非晶氧化物缓冲层， 4_氮化铝压电薄膜，5-氮化铝保护层，6-叉指电极。
【具体实施方式】：
[0026] 实施例
[0027] 步骤1、柔性合金衬底的预处理：选取高温镍基哈氏合金C-276作为柔性合金材 料，将柔性合金材料切割成厚度为100um，大小为20mmX10mm。对柔性合金衬底进行电化 学抛光处理，使合金带材表面抛光、钝化、去除金属毛边。使用酒精和丙酮的混合溶液对合 金带材的双面进行超声清洗，清洗2次。将清洗好的柔性哈氏合金衬底放入充入纯氮气的 烘干箱中加热至l〇〇°C烘干1小时。
[0028] 步骤2、缓冲层和底层保护层的制备：采用化学溶液浸渍提拉法在步骤1所得柔性 合金衬底前后表面同时制备一层l〇〇nm~2ym的氧化钇（Y203)或钇铝氧（Y203-A1203)非晶 氧化物薄膜，具体参数见下表。
[0029]
[0030] 步骤3、氮化铝压电薄膜的制备：用中频（40KHz)磁控反应溅射方法制备氮化铝压 电薄膜。首先将上一步已经制备好缓冲层的柔性合金衬底进行超声清洗。将清洗好的衬底 放入溅射系统的真空腔体内，对腔体抽真空至5X10-4Pa以下。充入氩气、打开中频溅射电 源预溅射清洗铝靶表面15分钟。调整靶基距为80mm，溅射气压为l.OPa。预溅射结束之后 同时充入氩气和氮气（比例为70/30)，在2000W的功率下开始反应溅射沉积氮化铝薄膜，溅 射沉积2个小时后关闭仪器，沉积所得氮化铝薄膜厚度为3ym。
[0031] 步骤4、叉指电极的制备：采用微电子光刻工艺制备声表面波器件的叉指电极。将 步骤3已制备了氮化铝压电薄膜的柔性合金衬底在丙酮、酒精、去离子水里依次超声清洗5 分钟，然后用氮气吹干。在上述处理好的柔性合金衬底上，依次经过烘片、涂胶、前烘、对准 和曝光、反转烘、泛曝、显影等光刻工艺处理。采用电子束蒸发或者磁控溅射方法中的一种 方法制备出金叉指电极，电子束蒸发法制备的金叉指电极，厚度为l〇〇nm。将覆盖于光刻胶 上面的多余电极剥离掉，得到最终的声表面波器件叉指电极的图形。
[0032] 步骤5、顶层保护层的制备：采用与步骤3相同的方法在步骤4所制备好的叉指电 极上制备一薄层氮化铝保护层，其厚度为200nm。
【主权项】
1. 一种耐高温的柔性声表面波器件，从下至上依次为：底层保护层、柔性合金衬底、缓 冲层、压电薄膜、叉指电极和顶层保护层，其特征在于： 所述叉指电极材料为金（Au)，厚度为IOOnm~200nm ; 所述柔性合金衬底采用镍基高温合金、钴基高温合金或铁基高温合金，厚度为10~ 100 u m ； 所述缓冲层和底层保护层为相同的非晶氧化物薄膜，采用氧化钇（Y2O3)或钇铝氧 (Y2O3-Al2O3)，厚度为 IOOnm ~2 y m〇2. 如权利要求1所述耐高温的柔性声表面波器件，其特征在于：所述压电薄膜为高C 轴择优取向的氮化错薄膜，厚度为I Um~10 ym。3. 如权利要求1或2所述耐高温的柔性声表面波器件，其特征在于：所述顶层保护层 为氮化错薄膜，厚度为200nm~500nm。4. 如权利要求1所述耐高温的柔性声表面波器件的制备方法，包括以下步骤： 步骤1、柔性合金衬底的预处理：将柔性合金带材依次进行切割、电化学抛光、钝化、清 洗和烘干处理； 步骤2、缓冲层和底层保护层的制备：采用化学溶液浸渍提拉法在步骤1所得柔性合金 衬底的前后表面同时制备一层IOOnm~2 ym的氧化钇（Y2O3)或钇铝氧（Y2O3-Al 2O3)非晶氧 化物薄膜，一面作为缓冲层、另一面作为底层保护层； 步骤3、压电薄膜的制备：采用磁控反应溅射法在步骤2所得柔性合金衬底的缓冲层一 面沉积一层C轴择优取向的氮化铝薄膜，厚度为I y m~10 y m ; 步骤4、叉指电极的制备：采用微电子光刻工艺在步骤3得到的压电薄膜上制备声表面 波器件的叉指电极； 步骤5、顶层保护层的制备：采用磁控反应溅射法在步骤4制得的叉指电极上制备一薄 层氮化铝保护层，其厚度为200nm~500nm。
【专利摘要】本发明涉及声表面波器件制造领域，具体涉及一种耐高温的柔性声表面波器件的结构及其制造方法。其结构从下至上依次为：底层保护层、柔性合金衬底、缓冲层、压电薄膜、叉指电极和顶层保护层。柔性合金衬底采用高温柔性合金带材；缓冲层和底层保护层为非晶氧化物薄膜；压电薄膜为氮化铝薄膜；叉指电极材料为金；顶层保护层为氮化铝薄膜。先将柔性合金衬底的预处理，再采用化学溶液浸渍提拉法制备非晶氧化物薄膜，然后制备压电薄膜和叉指电极，最后制备顶层保护层。本发明具有器件结构耐高温，并且拥有良好的柔性特性、质量轻、可工作于复杂的曲面环境和成本低廉的优点。
【IPC分类】H03H9/145, H03H3/08
【公开号】CN104980117
【申请号】CN201510328918
【发明人】彭斌, 姜建英, 张万里, 张文旭, 王睿, 邓言文
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年6月15日