專利名稱：基于AlN雙晶向壓電薄膜的聲表面波器件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聲表面波器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于AlN雙晶向壓電薄膜的聲表面波器件及其制作方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著通信事業(yè)的發(fā)展，特別是半導(dǎo)體工藝水平的提高，使高頻聲表面波濾波器和諧振器的生產(chǎn)成為可能，從衛(wèi)星通信、雷達(dá)制導(dǎo)、無線遙控、廣播電視到移動通信， 都廣泛采用聲表面波器件，使得無線電通信頻帶成為一個有限而寶貴的自然資源。對于移動通信系統(tǒng)，低于IGHz的頻帶已被占滿(第一代數(shù)字系統(tǒng))；第二代數(shù)字系統(tǒng)的頻率從 900MHz到I. 9GHz ;在第三代數(shù)字系統(tǒng)中，全球漫游頻率范圍為I. 8-2. 2GHz，衛(wèi)星定位系統(tǒng) (GPS)頻率為I. 575GHz，低地球軌道新衛(wèi)星通信(LEO)的應(yīng)用頻率范圍為I. 6GHz_2. 5GHz。 因此，目前的移動通信系統(tǒng)的應(yīng)用頻率越來越高，急需高頻的聲表面波(SAW)濾波器，而且移動通動通信裝置都要求聲表面波SAW濾波器盡量小型化以及具有較大的功率承受能力。對于常規(guī)SAW材料，如石英、LiNbO3^ LiTaO3^ ZnO等，聲速較低，均低于4000m/s， 用其制作2. 5GHz的SAW器件，其IDT指寬d必須小于O. 4 μ m，5GHz對應(yīng)的指寬d小于 O. 2 μ m，逼近目前半導(dǎo)體工業(yè)水平的極限，造成斷指嚴(yán)重，成品率太低。而且d越小，電阻就越大，功率承受能力越小，嚴(yán)重制約了 SAW器件頻率的進(jìn)一步提高，目前國內(nèi)外熱衷于通過提高聲速V來達(dá)到提高頻率的效果。由于在所有材料中金剛石具有最高的彈性模量(E = 1200Gpa)、且材料密度低(P = 3. 519/cm3)、最高縱波聲速(18000m/s)等特性，所以金剛石是這種方法最理想的材料。而金剛石本身并不具備壓電特性，無法進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換，故我們采用金剛石與壓電材料相結(jié)合的多層膜體系，SAW的性能由壓電薄膜和金剛石襯底共同決定。 C-AlN具有高的機(jī)電耦合系數(shù)，但聲速為5600m/s，與金剛石的聲速相差較大，容易引起聲速頻散，且相速度隨頻率不同變化很大。因此，目前迫切需要開發(fā)出一種可通過減少聲速頻散來提高聲表面波器件頻率的多層膜基片，且機(jī)電耦合系數(shù)高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述技術(shù)分析和存在問題，提供一種基于壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件及制備方法，該高頻聲表面波器件頻率高、機(jī)電耦合系數(shù)高，能滿足高頻率和大功率移動通信的要求；該制備方法所用設(shè)備簡單、工藝條件方便易行，有利于大規(guī)模的推廣應(yīng)用，具有重大的生產(chǎn)實(shí)踐意義。本發(fā)明的技術(shù)方案—種基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件，由納米金剛石襯底、a軸擇優(yōu)取向的AlN薄膜、c軸擇優(yōu)取向的AlN薄膜和叉指換能器(IDT)依次疊加構(gòu)成，形成IDT/ c-AlN/a-AIN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)。所述納米金剛石襯底薄膜厚度為3- μ m, a-軸擇優(yōu)取向AlN薄膜的厚度為300nm，c軸擇優(yōu)取向AlN薄膜的厚度為300nm。一種所述基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件的制備方法，步驟如下I)采用微波等離子體化學(xué)氣相淀積(MPCVD)方法制備納米金剛石襯底，然后將其放入濺射設(shè)備中進(jìn)行壓電薄膜制備；2)制備AlN壓電薄膜以Al靶作為靶材，采用射頻濺射法在上述納米金剛石襯底表面制備a-軸擇優(yōu)取向AlN薄膜，制備完成后在氮?dú)猸h(huán)境中緩慢降溫至300°C，形成的a軸擇優(yōu)取向的薄膜；然后在溫度為300°C條件下，以Al靶作為靶材，采用射頻濺射法繼續(xù)在上述a-軸擇優(yōu)取向AlN薄膜襯底表面制備C-軸擇優(yōu)取向AlN薄膜，制備完成后在氮?dú)猸h(huán)境中緩慢降溫至常溫；3)在上述c-AlN/a-AIN/金剛石襯底上采用電子束蒸發(fā)法制備叉指換能器IDT。所述采用MPCVD法制備納米金剛石襯底的工藝參數(shù)為微波功率4000W、壓強(qiáng) 70torr、工作氣體H2 CH4 02 = 546 45 9、混合氣體的流量為600sccm、沉積時(shí)間為2小時(shí)。所述在納米金剛石襯底表面制備a-軸擇優(yōu)取向AlN膜的射頻濺射工藝參數(shù)為 在氮?dú)夂蜌鍤饣旌蠚怏w中進(jìn)行反應(yīng)，混合氣體的流量為20sCCm，氮?dú)夂蜌鍤獾捏w積比為 12 8，氮?dú)夂蜌鍤獾募兌染鶠?9. 999%，襯底溫度為400°C、靶基距10cm、濺射功率為 150W、工作氣壓O. 6Pa、濺射時(shí)間為2小時(shí)，關(guān)閉氬氣后繼續(xù)通入氮?dú)饩徛禍刂?00°C，降溫時(shí)間為I小時(shí)。所述在a-軸擇優(yōu)取向的AlN薄膜表面制備c_軸擇優(yōu)取向AlN的射頻磁控工藝參數(shù)為在氮?dú)夂蜌鍤饣旌蠚怏w中進(jìn)行反應(yīng)，混合氣體的流量為20sCCm，氮?dú)夂蜌鍤獾捏w積比為12 8，氮?dú)夂蜌鍤獾募兌染鶠?9. 999%，襯底溫度為300°C、靶基距6cm、射頻功率 150W、工作氣壓O. 5Pa、濺射時(shí)間2小時(shí)，關(guān)閉氬氣后繼續(xù)通入氮?dú)膺M(jìn)行緩慢降溫至常溫，降溫時(shí)間為2小時(shí)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該高頻聲表面波器件為IDT/c-軸擇優(yōu)取向AlN/a-軸擇優(yōu)取向 AlN/納米金剛石多層膜結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)SAW器件頻率高、機(jī)電耦合系數(shù)高，能滿足高頻率和大功率移動通信的要求；該制備方法所用設(shè)備簡單、工藝條件方便易行，有利于大規(guī)模的推廣應(yīng)用，具有重大的生產(chǎn)實(shí)踐意義。


圖I為該聞頻聲表面波器件結(jié)構(gòu)意圖。圖2為該高頻聲表面波器件AlN薄膜的紅外光譜圖。圖中A點(diǎn)表示AlN結(jié)構(gòu)。圖3為該高頻聲表面波器件AlN薄膜的掃描電鏡圖。
具體實(shí)施例方式為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實(shí)施例一種基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件，如圖I所示，由納米金剛石襯底、a軸擇優(yōu)取向的AlN薄膜、c軸擇優(yōu)取向的AlN薄膜和叉指換能器(IDT)依次疊加構(gòu)成，形成IDT/c-ALN/a-ALN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)，納米金剛石襯底薄膜厚度為4 μ m，a-軸擇優(yōu)取向AlN薄膜的厚度為300nm，c軸擇優(yōu)取向AlN薄膜的厚度為300nm。一種所述基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件的制備方法，步驟如下I)采用微波等離子體化學(xué)氣相淀積(MPCVD)方法制備厚度為3 μ m_5 μ m的納米金剛石襯底，所用設(shè)備為日本SEKI公司的型號為AX6500的MPCVD，工藝參數(shù)為微波功率 4000W、壓強(qiáng)70torr、工作氣體H2 CH4 02 = 546 45 9、混合氣體的流量為600sccm、 沉積時(shí)間為2小時(shí)，然后將其放入濺射設(shè)備中進(jìn)行壓電薄膜制備；2)制備AlN壓電薄膜濺射設(shè)備為中國科學(xué)院沈陽科學(xué)儀器研制中心有限公司生產(chǎn)的型號為JGP450的超高真空多功能濺射設(shè)備，以Al靶作為靶材，采用射頻濺射法在上述納米金剛石襯底表面制備厚度為300nm的a-軸擇優(yōu)取向AlN薄膜，工藝參數(shù)為在氮?dú)夂蜌鍤饣旌蠚怏w中進(jìn)行反應(yīng)，混合氣體的流量為20sCCm，氮?dú)夂蜌鍤獾捏w積比為12 8，氮?dú)夂蜌鍤獾募兌染鶠?9. 999%，襯底溫度為400°C、靶基距10cm、濺射功率為150W、工作氣壓
O.6Pa、濺射時(shí)間為2小時(shí)，關(guān)閉氬氣后繼續(xù)通入氮?dú)饩徛禍刂?00°C，降溫時(shí)間為I小時(shí)； 然后在溫度為300°C條件下，以Al靶作為靶材，采用射頻濺射法繼續(xù)在上述a-軸擇優(yōu)取向 AlN薄膜襯底表面制備厚度為300nm的c_軸擇優(yōu)取向AlN薄膜，工藝參數(shù)為在氮?dú)夂蜌鍤饣旌蠚怏w中進(jìn)行反應(yīng)，混合氣體的流量為20SCCm，氮?dú)夂蜌鍤獾捏w積比為12 8，氮?dú)夂蜌鍤獾募兌染鶠?9. 999%,襯底溫度為300°C、靶基距6cm、射頻功率150W、工作氣壓O. 5Pa、 濺射時(shí)間2小時(shí)，關(guān)閉氬氣后繼續(xù)通入氮?dú)膺M(jìn)行緩慢降溫至常溫，降溫時(shí)間為2小時(shí)；3)在上述c-AlN/a-AIN/金剛石襯底上采用電子束蒸發(fā)法制備叉指換能器IDT。圖2為該高頻聲表面波器件AlN薄膜的紅外光譜圖，圖中表明橫坐標(biāo)667處反射峰表示AlN薄膜。圖3為該高頻聲表面波器件AlN薄膜的掃描電鏡圖，圖中顯示掃描電鏡結(jié)果顯示薄膜表面平整度滿足聲表面波器件要求。
權(quán)利要求
1.一種基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件，其特征在于由納米金剛石襯底、 a軸擇優(yōu)取向的AlN薄膜、c軸擇優(yōu)取向的AlN薄膜和叉指換能器(IDT)依次疊加構(gòu)成，形成IDT/c-AlN/a-AIN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件，其特征在于所述納米金剛石襯底薄膜厚度為3-5 μ m, a-軸擇優(yōu)取向AlN薄膜的厚度為300nm，c軸擇優(yōu)取向AlN薄膜的厚度為300nm。
3.—種如權(quán)利要求I所述基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件的制備方法，其特征在于步驟如下1)采用微波等離子體化學(xué)氣相淀積(MPCVD)方法制備納米金剛石襯底，然后將其放入濺射設(shè)備中進(jìn)行壓電薄膜制備；2)制備AlN壓電薄膜以Al靶作為靶材，采用射頻濺射法在上述納米金剛石襯底表面制備a-軸擇優(yōu)取向AlN薄膜，制備完成后在氮?dú)猸h(huán)境中緩慢降溫至300°C，形成的a軸擇優(yōu)取向的薄膜；然后在溫度為300°C條件下，以Al靶作為靶材，采用射頻濺射法繼續(xù)在上述 a-軸擇優(yōu)取向AlN薄膜襯底表面制備C-軸擇優(yōu)取向AlN薄膜，制備完成后在氮?dú)猸h(huán)境中緩慢降溫至常溫；3)在上述c-AlN/a-AIN/金剛石襯底上采用電子束蒸發(fā)法制備叉指換能器IDT。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件的制備方法，其特征在于所述采用MPCVD法制備納米金剛石襯底的工藝參數(shù)為微波功率4000W、壓強(qiáng) 70torr、工作氣體H2 CH4 02 = 546 45 9、混合氣體的流量為600sccm、沉積時(shí)間為2小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件的制備方法，其特征在于所述在納米金剛石襯底表面制備a-軸擇優(yōu)取向AlN膜的射頻濺射工藝參數(shù)為在氮?dú)夂蜌鍤饣旌蠚怏w中進(jìn)行反應(yīng)，混合氣體的流量為20sCCm，氮?dú)夂蜌鍤獾捏w積比為12 8，氮?dú)夂蜌鍤獾募兌染鶠?9. 999%，襯底溫度為400°C、靶基距10cm、濺射功率為 150W、工作氣壓O. 6Pa、濺射時(shí)間為2小時(shí)，關(guān)閉氬氣后繼續(xù)通入氮?dú)饩徛禍刂?00°C，降溫時(shí)間為I小時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件的制備方法，其特征在于所述在a-軸擇優(yōu)取向的AlN薄膜表面制備C-軸擇優(yōu)取向AlN的射頻磁控工藝參數(shù)為在氮?dú)夂蜌鍤饣旌蠚怏w中進(jìn)行反應(yīng)，混合氣體的流量為20sCCm，氮?dú)夂蜌鍤獾捏w積比為12 8，氮?dú)夂蜌鍤獾募兌染鶠?9. 999%，襯底溫度為300°C、靶基距6cm、射頻功率 150W、工作氣壓O. 5Pa、濺射時(shí)間2小時(shí)，關(guān)閉氬氣后繼續(xù)通入氮?dú)膺M(jìn)行緩慢降溫至常溫，降溫時(shí)間為2小時(shí)。
全文摘要
一種基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件，由納米金剛石襯底、a軸擇優(yōu)取向的AlN薄膜、c軸擇優(yōu)取向的AlN薄膜和叉指換能器(IDT)依次疊加構(gòu)成，形成IDT/c-AlN/a-AlN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)；其制備方法是1)采用微波等離子體化學(xué)氣相淀積(MPCVD)方法制備納米金剛石襯底；2)采用射頻濺射法制備AlN壓電薄膜；3)采用電子束蒸發(fā)法制備叉指換能器IDT。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該高頻聲表面波器件頻率高、機(jī)電耦合系數(shù)高，能滿足高頻率和大功率移動通信的要求；該制備方法所用設(shè)備簡單、工藝條件方便易行，有利于大規(guī)模的推廣應(yīng)用，具有重大的生產(chǎn)實(shí)踐意義。
文檔編號H03H9/02GK102611406SQ20121006427
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月13日
發(fā)明者陰聚乾, 陳希明 申請人:天津理工大學(xué)