專利名稱：一種利用高剛性薄膜應(yīng)力提高壓電基底性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用高剛性薄膜應(yīng)力提高壓電基底性能的方法。
背景技術(shù)：
近年來聲表面波器件在科研及實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域都取得了很大發(fā)展。聲表面波是一種沿彈性固體表面或界面?zhèn)鞑サ膹椥圆ǎ芰考杏诠腆w表面，波形種類主要包括瑞利波、拉姆波、樂甫波、電聲波等類。1885年英國物理學(xué)家瑞利在地震波研究的基礎(chǔ)上首先從理論上提出了聲表面波。1965年美國的懷特和沃爾特默在應(yīng)用物理雜志上發(fā)表了表面波叉指換能器(IDT)的相關(guān)論文，取得了聲表面波技術(shù)的關(guān)鍵性突破促使SAW技術(shù)快速發(fā)展。近年來許多國家及研究機(jī)構(gòu)投入了大量的精力研究SAW技術(shù)及器件并取得了長足進(jìn)步。聲表面波器件的主要特點(diǎn)是設(shè)計(jì)靈活性大、模擬/數(shù)字兼容、群延遲時(shí)間偏差和頻率選擇優(yōu)良(可選頻率范圍在10MHz-3GHz)、輸入輸出阻抗誤差小、傳輸損耗小、抗電磁干擾性能號(EMI)、可靠性高、制作的器件體積小、重量輕，而且能夠?qū)崿F(xiàn)多種復(fù)雜的功能。 聲表面波器件是20世紀(jì)中后期出現(xiàn)的新型電子器件，經(jīng)過多年的發(fā)展研制出振蕩器、濾波器、傳感器等多種形式的聲表面波器件，并廣泛應(yīng)用于廣播、傳感、通信、雷達(dá)、電子對抗及航空航天等領(lǐng)域。特別是近年來，制導(dǎo)兵器、小型無人飛機(jī)等武器系統(tǒng)對傳感器需要越來越多，要求也隨之越來越高，聲表面波技術(shù)自身的特點(diǎn)優(yōu)勢及與傳統(tǒng)傳感技術(shù)的結(jié)合，受到國防科研和裝備部門高度重視，極大地推動(dòng)了聲表面波器件的發(fā)展，并給武器系統(tǒng)的提高和改進(jìn)提供了更關(guān)闊的空間。無論是SAW技術(shù)本身還是SAW器件的應(yīng)用要求，SAW器件都有向高頻、高性能、高集成的方向發(fā)展。聲表面波器件的工作頻率等于聲波在基底中的傳播速度和叉指電極周期長度的比值。要提高器件工作中心頻率并縮小器件尺寸主要可以從減小叉指電極周期長度及提高基底聲波傳播速度兩方面入手。叉指周期長度決定于叉指線條寬度及間隔，但在現(xiàn)有工藝條件下，叉指線條不能無限制細(xì)化，叉指制作越細(xì)對光刻設(shè)備要求越高生產(chǎn)成本也越高且線條細(xì)化將導(dǎo)致器件承受功率能力急劇下降。而且現(xiàn)有的聲表面波器件多數(shù)采用石英、鉭酸鯉、鈮酸鋰等壓電晶體、壓電陶瓷或壓電薄膜材料，但這些基底材料聲表面波傳播速度較低(低于4000米/秒)?，F(xiàn)有工藝及材料條件下，依靠減小叉指電極周期長度達(dá)到提高中心頻率的方法已達(dá)到極限。因此提高器件的工作頻率，增強(qiáng)功率承受能力的合理途徑就是提高聲波傳播速度。采用控制高剛性薄膜壓應(yīng)力提高壓電基底性能的方法就是最有效的方法之一。高剛性薄膜(如金剛石薄膜、類金剛石薄膜、氮化硼、碳化硼、氮化鋁薄膜等)都具有聲波傳播速度快、薄膜硬度高、與基底結(jié)合力差及壓應(yīng)力大的特點(diǎn)。例如，金剛石是所有物質(zhì)中聲傳播速度最快的材料，高于10000米/秒；氮化鋁薄膜聲傳播速度也可達(dá)到 5600 6100米/秒?，F(xiàn)有改進(jìn)聲表面波器件壓電基底性能的方法中有使用聲波傳播速度高的高剛性薄膜與壓電基底結(jié)合在一起形成多層膜結(jié)構(gòu)提高聲表面波器件基底性能的方法，但這種方法提高基底性能有限且方法單一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決在現(xiàn)有工藝條件下，叉指電極周期長度不能無限制細(xì)微化提高聲波傳播速度，目的是提高聲表面波器件壓電基底性能的方法，從而提供一種通過控制高剛性薄膜使其處于特定壓應(yīng)力狀態(tài)提高壓電基底性能的方法。本發(fā)明提供一種利用高剛性薄膜應(yīng)力提高壓電基底性能的方法，是在壓電基底上沉積高剛性薄膜，采用磁控濺射鍍膜方法控制高剛性薄膜應(yīng)力，使壓應(yīng)力達(dá)到5 IOGPa范圍內(nèi)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的優(yōu)勢
1.將聲學(xué)傳播速度高的高剛性薄膜與聲表面波器件基底結(jié)合在一起可以提高基底性能，在此基礎(chǔ)上根據(jù)固體中波的傳播理論大的壓應(yīng)力可提高聲傳播速度，控制高剛性薄膜壓應(yīng)力提高聲速但要控制應(yīng)力在破壞薄膜范圍之內(nèi)。本發(fā)明通過磁控濺射方法鍍制高剛性薄膜，控制高剛性薄膜壓應(yīng)力提高聲表面波基底性能，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)力處于5 IOGPa范圍內(nèi)即可使聲表面波速達(dá)到峰值，聲速可提高2、 6%，即通過提高機(jī)械性能改善聲學(xué)性能制作高性能SAW器件。2.這種通過控制薄膜壓應(yīng)力且使其處于特定范圍提高聲表面波器件壓電基底性能的方法，相較于通過提高制作工藝，挑戰(zhàn)工藝制作極限來說易于實(shí)現(xiàn)，不需要高水平半導(dǎo)體制作工藝及高成本制作設(shè)備；在使用高剛性薄膜提高壓電基底性能的基礎(chǔ)上，控制高剛性薄膜的壓應(yīng)力進(jìn)一步提高聲表面基底性能，且僅需要控制高剛性薄膜應(yīng)力使其處于合適的壓應(yīng)力狀態(tài)，不需要增加新的結(jié)構(gòu)和步驟，易于實(shí)現(xiàn)；這種多層結(jié)構(gòu)的高性能基底材料適用于各種聲表面波器件及傳感器，適合批量生產(chǎn)，是一種簡單易行，實(shí)用有效的性能提高方法使聲表面波器件滿足應(yīng)用領(lǐng)域的高頻、高機(jī)械耦合系數(shù)、大功率等需求。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不僅限于此。實(shí)施例1
采用磁控濺射鍍膜方法將高剛性薄膜沉積在壓電基底(壓電晶體)上，靶電流為0. 6A， 氬氣流量為120SCCM，真空度為0. 6Pa，控制鍍膜時(shí)間為1.5h，負(fù)偏壓為100V，將厚度為 0.2μπι的高剛性薄膜的沉積在壓電基底上，過渡層SiO2厚度為lOnm。此時(shí)測得高剛性薄膜的壓應(yīng)力為5. 5GPa,聲學(xué)性能提高為2. 5% 3. 11實(shí)施例2
采用磁控濺射鍍膜方法將高剛性薄膜沉積在壓電基底(壓電晶體)上，靶電流為0. 8A， 氬氣流量為140SCCM，真空度為0. 8Pa,控制鍍膜時(shí)間為2h，負(fù)偏壓為120V，將厚度為0. 3 μ m 的高剛性薄膜的沉積在壓電基底上，過渡層SiO2厚度為lOnm。此時(shí)測得高剛性薄膜的壓應(yīng)力為8GPa，聲學(xué)性能提高為4. 8% 5. 6%。實(shí)施例3
采用磁控濺射鍍膜方法將高剛性薄膜沉積在壓電基底(壓電晶體)上，靶電流為0. 9A， 氬氣流量為160SCCM，真空度為0. 9Pa,控制鍍膜時(shí)間為3h，負(fù)偏壓為150V，將厚度為0. 4 μ m 的高剛性薄膜的沉積在壓電基底上，過渡層SiO2厚度為lOnm。此時(shí)測得高剛性薄膜的壓應(yīng)力為IOGPa,聲學(xué)性能提高為2. 4% 3. 0%。 以上內(nèi)容是結(jié)合優(yōu)選技術(shù)方案對本發(fā)明所做的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施僅限于這些說明。對本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思前提下，還可以做出簡單的推演及替換都應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種利用高剛性薄膜應(yīng)力提高壓電基底性能的方法，是在壓電基底上沉積高剛性薄膜，采用磁控濺射鍍膜方法控制高剛性薄膜應(yīng)力，使壓應(yīng)力為5 lOGPa。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用高剛性薄膜應(yīng)力提高壓電基底性能的方法，其特征在于所述壓電基底是壓電晶體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用高剛性薄膜應(yīng)力提高壓電基底性能的方法。本發(fā)明是為了解決在現(xiàn)有工藝條件下，叉指電極周期長度不能無限制細(xì)微化提高聲波傳播速度的問題。本發(fā)明提供一種利用高剛性薄膜應(yīng)力提高壓電基底性能的方法，是在壓電基底上沉積高剛性薄膜，采用磁控濺射鍍膜方法控制高剛性薄膜應(yīng)力，使壓應(yīng)力達(dá)到5～10GPa范圍內(nèi)。通過提高機(jī)械性能改善聲學(xué)性能制作高性能SAW器件。
文檔編號C23C14/35GK102560398SQ201210001559
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月5日
發(fā)明者劉衛(wèi)國, 劉歡, 蔡長龍, 高愛華, 鮑帥 申請人:西安工業(yè)大學(xué)