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IDT/h-BN/c-BN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件及其制備方法

文檔序號:7534510閱讀:371來源:國知局
專利名稱:IDT/h-BN/c-BN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及聲表面波器件,特別是一種可用于高頻、高機(jī)電耦合系數(shù)、大功率聲表面波(SAW)器件等領(lǐng)域的IDT/h-BN/c-BN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件及其制備方法。
背景技術(shù)
近年來,移動通信迅猛發(fā)展,使無線電通信頻帶成為一個有限而寶貴的自然資源,移動通信系統(tǒng),在第三代數(shù)字系統(tǒng)中,全球漫游頻率范圍為1.8-2.2GHz,衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)1.575GHz;低地球軌道新衛(wèi)星通信(LEO)應(yīng)用頻率從1.6GHz到2.5GHz,急需高頻聲表面波(SAW)濾波器。高頻SAW濾波器還應(yīng)用在高頻系統(tǒng)的中間頻率(IF)濾波中(例如,高比特率無線LANs)。另外,高速數(shù)字光纖傳輸技術(shù)發(fā)展迅速,光通信的容量平均每2.4年就增長一倍。急需2.5GHz以上高頻SAW重新定時濾波器(retiming filter)。除了高頻外,移動通信裝置也都要求高機(jī)電耦合系數(shù)、盡量小型化以及大的功率承受能力。
現(xiàn)有常規(guī)SAW材料(例如,石英、LiNbO3、LiTaO3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0.4μm,5GHz對應(yīng)的指寬d小于0.2μm,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,嚴(yán)重制約了SAW器件頻率的進(jìn)一步提高;而且,發(fā)射端(TX)濾波器是對大功率信號濾波,如此細(xì)的指寬d,電阻較大,會產(chǎn)生大量的耗散熱,加之以上常規(guī)SAW材料熱導(dǎo)率很低,所以承受大功率是不可能的。而選擇高彈性摸量、低密度、高熱導(dǎo)率的材料就成了最佳選擇。
金剛石具有很多獨一無二的優(yōu)異特性,金剛石具有所有物質(zhì)中最高的彈性摸量,較低的材料密度(ρ=3.51g/cm3),從而聲速在所有物質(zhì)中最高,“壓電薄膜/金剛石”多層膜結(jié)構(gòu)SAW器件可在很高頻率范圍工作(1~10GHz)。2.5GHz對應(yīng)的指寬d可以大于1μm,5GHz對應(yīng)的指寬d可以大于0.5μm,10GHz對應(yīng)的指寬d可以大于0.25μm,指寬d是相同頻率常規(guī)材料的2.5倍,電阻只有常規(guī)材料的2/5,產(chǎn)生的耗散熱也只有常規(guī)材料的2/5;加上金剛石具有所有物質(zhì)中最高的熱導(dǎo)率,它的熱擴(kuò)散率是銅的5倍,是LiTaO3的400倍,所以,金剛石多層膜結(jié)構(gòu)SAW器件具有大功率通信的能力,是具有發(fā)展?jié)摿Φ男阅軆?yōu)異的高頻、大功率SAW器件。
然而,金剛石的本身并不是壓電材料,無法進(jìn)行電磁波與聲表面波的能量轉(zhuǎn)換,因此需要在其上面沉積一層壓電薄膜(如ZnO、LiNbO3、、AlN等),制成多層膜SAW器件。SAW的性能則由壓電薄膜和金剛石襯底共同決定。
現(xiàn)有技術(shù)中,中國專利申請2005100139015公開了一種適用SAW器件的納米金剛石薄膜及其相應(yīng)的制備方法,該納米金剛石薄膜采用氣相化學(xué)沉積(chemicalvapor deposition,簡稱CVD方法,用Ar/O2/CH4/H2混合氣體,利用微波等離子氣相化學(xué)沉積(MPCVD)系統(tǒng)制備,得到的納米金剛石膜具有高彈性模量和C-軸擇優(yōu)取向,可用來制備以C-軸取向納米金剛石膜為襯底的、高頻、大功率聲表面波(SAW)器件等。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題,而提供一種IDT/h-BN/c-BN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件及其制備方法,該方案用納米c-BN作為CVD金剛石膜和h-BN薄膜之間的中間層;通過使用微波等離子CVD法,在CVD金剛石膜表面依次制備納米c-BN薄膜和高C-軸擇優(yōu)取向的納米h-BN薄膜。
為實現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明公開了一種IDT/h-BN/c-BN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件,其特征在于所說的多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件在鏡面硅上制備的納米金剛石膜底層,在納米金剛石膜底層上制備的納米c-BN膜中間層,納米c-BN膜中間層上制備的高C-軸擇優(yōu)取向的納米h-BN膜,以及在納米h-BN膜表面制備叉指換能器IDT,組成IDT/h-BN/c-BN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件。
本發(fā)明還公開了這種IDT/h-BN/c-BN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件的制備方法,其特征在于所說的方法是在鏡面硅上用CVD法制備納米金剛石膜底層,在納米CVD金剛石膜表面用微波等離子CVD法制備納米c-BN薄膜;而后,在納米c-BN薄膜表面用微波等離子CVD法制備高C-軸擇優(yōu)取向的h-BN薄膜,最后再在h-BN表面制備叉指換能器IDT。
本發(fā)明的h-BN/c-BN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)有幾個特殊的優(yōu)勢①金剛石聲表面波相速(V)在所有物質(zhì)中最高,c-BN材料本身聲表面波相速(V)稍低于金剛石,h-BN材料本身聲表面波相速(V)高于ZnO、LiNbO3、AlN,所以,“h-BN/c-BN/金剛石”多層膜結(jié)構(gòu)V應(yīng)該高于“ZnO/金剛石”、“LiNbO3/金剛石”、“AlN/金剛石”結(jié)構(gòu);從而,在叉指換能器指寬d相同時,可以達(dá)到更高的頻率;②h-BN和c-BN的相速V差別小,c-BN和金剛石V差別小,在h-BN和金剛石之間加一層極薄的c-BN膜,構(gòu)成多層膜結(jié)構(gòu)會表現(xiàn)出很小的速度頻散,這是很大的優(yōu)點;從原理上講,在金剛石達(dá)到一定厚度之后,多層膜相速度、機(jī)電耦合系數(shù)(K2)均是壓電薄膜密切相關(guān),二者峰值對應(yīng)不同的壓電薄膜厚度,如果多層膜V差別小,多層膜相速度在一個較大范圍內(nèi)隨壓電薄膜厚度變化較平坦,會給提高機(jī)電耦合系數(shù)(K2)一個較大的選擇空間,有利于同時達(dá)到高頻和高高機(jī)電耦合系數(shù)(K2);③h-BN是強(qiáng)壓電材料,金剛石是非壓電材料,c-BN也有壓電性能,所以c-BN作為h-BN和金剛石的中間層,有益于提高機(jī)電耦合系數(shù)。
④金剛石、c-BN、h-BN熱導(dǎo)率均很高,會有很好的散熱機(jī)制;熱膨脹系數(shù)均很小,因此會有很好的頻率溫度特性(TCD近似為零);⑤c-BN與金剛石相比,晶格常數(shù)相差很小,質(zhì)量密度、彈性模量相差也較小,在金剛石基底制備結(jié)合牢固的c-BN膜,層間缺陷較少;h-BN是c-BN同質(zhì)異構(gòu)體,在c-BN基底容易制備結(jié)合牢固的優(yōu)質(zhì)h-BN;在高頻振動時,產(chǎn)生于界面的散射和摩擦較少,傳播損耗較小。
所以,“h-BN/c-BN/金剛石”作為SAW器件多層膜結(jié)構(gòu),可制備高頻、大功率、高機(jī)電耦合系數(shù)(K2)、低傳播損耗并且有很好的頻率溫度特性的SAW器件。
具體實施方式本發(fā)明IDT/h-BN/c-BN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件,是在CVD納米金剛石和高C-軸擇優(yōu)取向的納米h-BN薄膜之間有納米c-BN中間層。其中底層CVD金剛石膜為納米金剛石膜,其晶粒線度為40-60nm,膜厚20-30μm;中間層c-BN納米膜,其晶粒線度為50-70nm,膜厚0.20-0.30μm;上層h-BN薄膜是高C-軸擇優(yōu)取向的納米膜,其晶粒線度為60-90nm,膜厚0.6-0.8μm。
本發(fā)明制備方法分以下步驟1、使用微波等離子CVD法,在“鏡面”硅上,利用微機(jī)程序控制沉積參數(shù),分步連續(xù)沉積納米金剛石膜,具體步驟如下
①利用ZL 02141713X“無籽晶無偏壓金剛石膜沉積方法”,在高阻“鏡面”硅襯底表面先沉積一層很薄的類金剛石膜過渡層;混合氣比例為86%(Ar)∶10%(H2)∶4%(CH4);微波功率5000W,混合氣流量600sccm,基底溫度700℃。沉積10分鐘(膜厚約0.4~0.5μm);②在類金剛石膜表面高密度形核混合氣比例用微機(jī)程序控制調(diào)節(jié),混合氣比例緩慢變?yōu)?0%(Ar)∶47%(H2)∶3%(CH4),并使基底溫度在20分鐘內(nèi)從700℃緩慢變化到850℃;③在高密度形核點上生長金剛石膜。用微機(jī)程序調(diào)節(jié),加入氧氣,采用Ar、H2、O2、CH4混合氣氛,在6個小時內(nèi),混合氣比例內(nèi)緩慢變化為10%(Ar)∶86%(H2)∶2.5%(O2)∶1.5%(CH4),同時使基底溫度從850℃緩慢降低到700℃,沉積膜厚約30μm;Ar含量進(jìn)一步降低,而H2濃度進(jìn)一步增加,晶粒長大較快,但由于基底溫度逐漸降低,O2濃度逐漸增加,抑制了競爭性生長,使金剛石在厚度30μm內(nèi)的柱狀結(jié)構(gòu)上下晶粒大小差別不大(40-60nm)。金剛石晶粒為六角柱狀晶粒,且其上表面平行于基底平面。
④在Ar氣氛下進(jìn)行4~5小時回火處理(400℃),釋放應(yīng)力,使金剛石內(nèi)部晶界變小。
⑤利用CP4型拋光機(jī)對比較平整的金剛石表面拋光,首先以100~300納米的金剛石微粉進(jìn)行粗拋,實現(xiàn)全局平坦;再以較低硬度的二氧化硅為研磨料進(jìn)行表面精密修復(fù),實現(xiàn)粗糙度小于2.5nm;⑥拋光表面在在氬、氫混合氣氛(Ar∶H2=2∶8)下進(jìn)行等離子體處理,實現(xiàn)以氫終止的金剛石表面。
2、在以氫終止的金剛石表面沉積c-BN薄膜過渡層約0.3μm;在c-BN薄膜過渡層上制備C-軸取向的h-BN(002)薄膜(約0.6~0.8μm);(兩步連續(xù)進(jìn)行)具體工藝①使用微波等離子CVD法,微波功率2000W,基底溫度900℃,輔助偏壓(-150V);以H2∶Ar∶B2H6∶NH3=85∶14∶0.5∶0.5的混合氣體作為反應(yīng)氣體;以氫終止的納米金剛石表面,B-C鍵的結(jié)合力大于C-H鍵的結(jié)合力,B取代H后形成強(qiáng)B-C鍵,形成c-BN和金剛石的牢固結(jié)合;在強(qiáng)偏壓輔助下,優(yōu)先產(chǎn)生sp3(c-BN)結(jié)構(gòu),不受歡迎的無定形aBN、tBN相被排除。
②在納米c-BN薄膜沉積將近結(jié)束、h-BN薄膜沉積將近開始時有一個過渡階段(15分鐘左右)。在這個過渡階段,微波功率從2000W緩慢降至1500W,基底溫度從900℃逐步降低到700℃,偏壓從-150V逐步降低到-30V,反應(yīng)氣體比例緩慢改變到H2∶Ar∶B2H6∶NH3=85∶14∶0.75∶0.25,這個過渡階段結(jié)束后,保持變化后的工藝參數(shù),進(jìn)行高C-軸擇優(yōu)取向的h-BN沉積,膜厚0.6-0.8μm。
3、在多層膜結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,制作“IDT/h-BN/c-BN/金剛石”多層膜SAW濾波器件。
實例11、首先制備表面以氫終止的納米金剛石膜使用微波等離子CVD法,在“鏡面”硅上,利用微機(jī)程序控制沉積參數(shù),分步連續(xù)沉積納米金剛石膜,具體步驟如下①利用ZL 02141713X“無籽晶無偏壓金剛石膜沉積方法”,在高阻“鏡面”硅襯底表面先沉積一層很薄的類金剛石膜過渡層;混合氣比例為86%(Ar)∶10%(H2)∶4%(CH4);微波功率5000W,混合氣流量600sccm,基底溫度700℃。沉積10分鐘(膜厚約0.4~0.5μm);②在類金剛石膜表面高密度形核混合氣比例用微機(jī)程序控制調(diào)節(jié),混合氣比例緩慢變?yōu)?0%(Ar)∶47%(H2)∶3%(CH4),并使基底溫度在20分鐘內(nèi)從700℃緩慢變化到850℃;③在高密度形核點上生長金剛石膜。用微機(jī)程序調(diào)節(jié),加入氧氣,采用Ar、H2、O2、CH4混合氣氛,在6個小時內(nèi),混合氣比例內(nèi)緩慢變化為10%(Ar)∶86%(H2)∶2.5%(O2)∶1.5%(CH4),同時使基底溫度從850℃緩慢降低到700℃,沉積膜厚約30μm;Ar含量進(jìn)一步降低,而H2濃度進(jìn)一步增加,晶粒長大較快,但由于基底溫度逐漸降低,O2濃度逐漸增加,抑制了競爭性生長,使金剛石在厚度30μm內(nèi)的柱狀結(jié)構(gòu)上下晶粒大小差別不大(40-60nm)。金剛石晶粒為六角柱狀晶粒,且其上表面平行于基底平面。
④在Ar氣氛下進(jìn)行4~5小時回火處理(400℃),釋放應(yīng)力,使金剛石內(nèi)部晶界變小。
⑤利用CP4型拋光機(jī)對比較平整的金剛石表面拋光,首先以100~300納米的金剛石微粉進(jìn)行粗拋,實現(xiàn)全局平坦;再以較低硬度的二氧化硅為研磨料進(jìn)行表面精密修復(fù),實現(xiàn)粗糙度小于2.5nm;⑥拋光表面在在氬、氫混合氣氛(Ar∶H2=2∶8)下進(jìn)行等離子體處理,實現(xiàn)以氫終止的金剛石表面。
2、在以氫終止的金剛石表面沉積c-BN薄膜過渡層約0.3μm;在c-BN薄膜過渡層上制備C-軸取向的h-BN(002)薄膜(0.7μm);(兩步連續(xù)進(jìn)行)具體工藝①使用微波等離子CVD法,微波功率2000W,基底溫度900℃,輔助偏壓(-150V);以H2∶Ar∶B2H6∶NH3=85∶14∶0.5∶0.5的混合氣體作為反應(yīng)氣體;以氫終止的納米金剛石表面,B-C鍵的結(jié)合力大于C-H鍵的結(jié)合力,B取代H后形成強(qiáng)B-C鍵,形成c-BN和金剛石的牢固結(jié)合;在強(qiáng)偏壓輔助下,優(yōu)先產(chǎn)生sp3(c-BN)結(jié)構(gòu),不受歡迎的無定形aBN、tBN相被排除。
②在納米c-BN薄膜沉積將近結(jié)束、h-BN薄膜沉積將近開始時有一個過渡階段(15分鐘左右)。在這個過渡階段,微波功率從2000W緩慢降至1500W,基底溫度從900℃逐步降低到700℃,偏壓從-150V逐步降低到-30V,反應(yīng)氣體比例緩慢改變到H2∶Ar∶B2H6∶NH3=85∶14∶0.75∶0.25,這個過渡階段結(jié)束后,保持變化后的工藝參數(shù),進(jìn)行高C-軸擇優(yōu)取向的h-BN沉積,膜厚0.7μm。
權(quán)利要求
1.一種IDT/h-BN/c-BN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件,其特征在于所說的多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件在鏡面硅上制備的納米金剛石膜底層,在納米金剛石膜底層上制備的納米c-BN膜中間層,納米c-BN膜中間層上制備的高C-軸擇優(yōu)取向的納米h-BN膜,以及在納米h-BN膜表面制備叉指換能器IDT,組成IDT/h-BN/c-BN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件。
2.按照權(quán)利要求1所述的多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件,其特征在于所說的底層納米金剛石膜的晶粒線度為40-60nm,膜厚20-30μm。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件,其特征在于所說的在納米金剛石膜底層表面制備的中間層納米c-BN膜,其晶粒線度為50-70nm,膜厚0.20-0.30μm。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件,其特征在于所說的在納米c-BN膜中間層表面制備的上層高C-軸擇優(yōu)取向的h-BN納米膜,其晶粒線度為60-90nm,膜厚0.6-0.8μm。
5.一種權(quán)利要求1的IDT/h-BN/c-BN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件的制備方法,其特征在于所說的方法是在鏡面硅上用CVD法制備納米金剛石膜底層,在納米CVD金剛石膜表面用微波等離子CVD法制備納米c-BN薄膜;而后,在納米c-BN薄膜表面用微波等離子CVD法制備高C-軸擇優(yōu)取向的h-BN薄膜,最后再在h-BN表面制備叉指換能器IDT。
6.按照權(quán)利要求5所述的制備方法,其特征在于所說的在納米金剛石膜表面用微波等離子CVD法制備納米c-BN薄膜,是將納米金剛石表面拋光,在氬、氫混合氣氛Ar∶H2=2∶8下進(jìn)行等離子體處理,實現(xiàn)以氫終止的納米金剛石表面,然后在以氫終止的金剛石表面沉積c-BN薄膜過渡層。
7.按照權(quán)利要求5或6所述的制備方法,其特征在于所說的在納米金剛石膜表面用微波等離子CVD法制備納米c-BN薄膜,使用微波功率2000W,基底溫度900℃,輔助偏壓-150V;反應(yīng)氣體H2∶Ar∶B2H6∶NH3=85∶14∶0.5∶0.5。
8.按照權(quán)利要求5所述的制備方法,其特征在于所說的在納米c-BN薄膜表面制備高C-軸擇優(yōu)取向的h-BN薄膜,是用微波等離子CVD法,在納米c-BN薄膜沉積將近結(jié)束,h-BN薄膜沉積將近開始的10-20分鐘過渡階段內(nèi),將微波功率從2000W降至1500W,基底溫度從900℃降到700℃,輔助偏壓從-150V降到-30V,反應(yīng)氣體比例改變到H2∶Ar∶B2H6∶NH3=85∶4∶0.75∶0.25;然后保持變化后的工藝參數(shù),進(jìn)行高C-軸擇優(yōu)取向的h-BN沉積。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種IDT/h-BN/c-BN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件及制備方法,所說的多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件在鏡面硅上制備的納米金剛石膜底層,在納米金剛石膜底層上制備的納米c-BN膜中間層,納米c-BN膜中間層上制備的高C-軸擇優(yōu)取向的納米h-BN膜,以及在納米h-BN膜表面制備叉指換能器IDT,組成IDT/h-BN/c-BN/金剛石多層膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件。本發(fā)明制備的薄膜結(jié)構(gòu)可滿足高頻(2.5GHz以上)、高機(jī)電耦合系數(shù)、大功率(8w以上)傳播損耗小、頻率溫度系數(shù)低的聲表面波(SAW)器件等領(lǐng)域的應(yīng)用需求。
文檔編號H03H3/08GK101060318SQ200710057330
公開日2007年10月24日 申請日期2007年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月14日
發(fā)明者楊保和, 熊瑛, 薛玉明, 陳希明, 吳曉國 申請人:天津理工大學(xué)
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