專利名稱：一種多層膜結(jié)構(gòu)的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技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種多層膜結(jié)構(gòu)的聲表面波器件及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，高頻SAW濾波器已經(jīng)廣泛應(yīng)用在3G數(shù)字移動(dòng)通信高頻系統(tǒng)的中間頻率(IF)濾波中。可是隨著無(wú)線電通信頻帶資源的日益緊張，低于2.5GHz的頻帶已被占滿，只有工作在高頻段(2.5 -1OGHz)的大功率小型化的聲表面波(SAW)器件才能滿足移動(dòng)通信系統(tǒng)和光通信系統(tǒng)的帶寬要求。所以對(duì)于高頻(2.5GHz以上)SAW濾波器的研制迫在眉睫。但是對(duì)于如石英、氧化鋅、鈮酸鋰等常規(guī)SAW材料，聲表面波相速較低，且均低于4000m/s，用其制備中心頻率為2.5GHz的以上的聲表面波器件，其叉指換能器(IDT)指寬d就必須小于0.4um,如果中心頻率提升為5GHz時(shí)，聲表面波器件所對(duì)應(yīng)的IDT指寬d就必須小于0.2um，這對(duì)于目前半導(dǎo)體工業(yè)水平無(wú)異于是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)，而且隨著IDT指寬d的減小，在生產(chǎn)中會(huì)遇到斷指嚴(yán)重、可靠性差、成品率低、價(jià)格昂貴等各種問(wèn)題，從而嚴(yán)重制約了 SAW器件頻率的進(jìn)一步提高。同時(shí)IDT指寬的減小，會(huì)增加其電阻，隨之產(chǎn)生大量的熱，若不能將熱量散發(fā)出去，會(huì)降低器件所能承受的功率，因此應(yīng)用常規(guī)聲表面波器件材料制成的器件無(wú)法滿足現(xiàn)代高頻、大功率、高機(jī)電耦合系數(shù)的SAW器件。目前，國(guó)內(nèi)外熱衷于通過(guò)多層膜的研究來(lái)提高聲速V，最終實(shí)現(xiàn)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，即使是CVD金剛石聲速也有10000m/s，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(wú)法進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換，故我們采用金剛石與多層膜壓電材料相結(jié)合的多層膜體系。SAW的性能由多層膜壓電薄膜和金剛石襯底共同決定，c-BN有較高的機(jī)電稱合系數(shù),但聲速較低，與金剛石的聲速相差較大，容易引起聲速頻散，而a-AIN具有很高的聲速，是目前已知壓電材料中聲速較高的，所以采用IDT/c-BN/a-AIN/金剛石復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，可以有效緩解由于聲速相差較大帶來(lái)的頻散效應(yīng)，又能充分利用c-BN薄膜高機(jī)電耦合系數(shù)和a-AIN薄膜高聲速的優(yōu)點(diǎn)，最終滿足現(xiàn)代高頻、大功率、高機(jī)電耦合系數(shù)的SAW器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供一種多層膜結(jié)構(gòu)的聲表面波器件及其制備方法，該聲表面波器件為多層膜結(jié)構(gòu)，可用于制備高頻、大功率、高機(jī)電耦合系數(shù)的SAW器件；其制備方法工藝條件方便易行，制備的產(chǎn)品可靠性強(qiáng)且成本低，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:—種多層膜結(jié)構(gòu)的聲表面波器件，由CVD金剛石薄膜、a軸擇優(yōu)取向的氮化鋁(a-AIN)薄膜、c軸擇優(yōu)取向的氮化硼(c-BN)薄膜和叉指換能器(IDT)依次疊加組成金剛石-復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，所述CVD金剛石薄膜的厚度為20-25um，a-AIN薄膜厚度為300-500nm，c-BN薄膜的厚度為300-500nm，IDT為厚度IOOnm的Al膜，且粗糙度小于5nm。一種所述多層膜結(jié)構(gòu)的聲表面波器件的制備方法，包括以下步驟:I) CVD金剛石薄膜表面進(jìn)行等離子體處理，形成以等離子體清洗的CVD金剛石薄膜表面；2)在真空射頻磁控濺射室里，以Al作為靶材，在上述以等離子體清洗的CVD金剛石薄膜表面進(jìn)行真空射頻磁控濺射，沉積一層a-AIN薄膜；3)在真空射頻磁控濺射室里，以六方氮化硼靶作為靶材，在上述a-AIN薄膜表面進(jìn)行真空射頻磁控濺射，沉積一層c-BN薄膜；4)采用電子束蒸發(fā)的方法在c-BN薄膜表面制備叉指換能器IDT。所述CVD金剛石薄膜表面進(jìn)行等離子體處理具體方法為:在MOCVD沉積系統(tǒng)中，CVD金剛石薄膜表面在氮?dú)夂蜌鍤獾幕旌蠚怏w氛圍中進(jìn)行等離子體處理，所述氮?dú)弩w積流量比為2:10，燈絲電壓為80-100V，加速電壓為80-100V，溫度為400-500°C，處理時(shí)間為15_30mino所述在以等離子體清洗的金剛石薄膜表面生長(zhǎng)a-AIN薄膜的射頻磁控工藝條件為:真空度為4X 10_5Pa，濺射功率為100-150W，Al靶材純度為99.999%，并對(duì)靶材進(jìn)行IOmin的預(yù)濺射，氮?dú)夂蜌鍤獾募兌染鶠?9.999%，氮?dú)弩w積流量比為7:14，靶基距8-9cm，襯底溫度為200-400°C，工作氣壓1.2-1.4Pa，生長(zhǎng)時(shí)間為2h，然后關(guān)閉氬氣，保持溫度不變并繼續(xù)通入氮?dú)膺M(jìn)行退火，退火時(shí)間為30min，即可形成良好的a-AIN薄膜。所述在a-AIN薄膜表面制備c_BN薄膜的射頻磁控工藝條件為:真空度為4X10_5Pa,祀材采用h-BN |E,并對(duì)祀材進(jìn)行IOmin的預(yù)派射，氮?dú)夂虸S氣的純度均為99.999%，襯底偏壓為負(fù)250-負(fù)150V，襯底溫度為400-600°C，氮?dú)弩w積流量比為4:20，靶基距為6-7cm，射頻功率為200-400W，工作氣壓為0.7-0.9Pa，生長(zhǎng)時(shí)間為2h，然后關(guān)閉氬氣，保持溫度不變并繼續(xù)通入氮?dú)膺M(jìn)行退火，退火時(shí)間為30min，即可形成良好的c-BN薄膜。所述在c-BN薄膜表面制備叉指換能器IDT的方法:采用電子束蒸發(fā)的方法在c-BN薄膜表面沉積一層厚度為IOOnm的Al膜，粗糙度小于5nm，然后用光刻法制成指寬為
1.Sum的等值叉指，叉指對(duì)數(shù)為30對(duì)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:該多層膜結(jié)構(gòu)的聲表面波器件同時(shí)具備以下優(yōu)點(diǎn)，即金剛石的高硬度、高聲速，a-AIN的高聲速能有效緩解金剛石與c-BN因聲速差距大帶來(lái)的聲速頻散效應(yīng)和c-BN的高機(jī)電耦合系數(shù)，可用于制備高頻、高聲速、大功率、高機(jī)電耦合系數(shù)的SAW器件；其制備方法工藝條件方便易行，制備的產(chǎn)品可靠性強(qiáng)且成本低，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。


附圖1為該聲表面波器件多層膜結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2為在CVD金剛石表面沉積a-AIN薄膜的XRD圖。
具體實(shí)施方式
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(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例:一種多層膜結(jié)構(gòu)的聲表面波器件，如圖1所示，由CVD金剛石薄膜、a軸擇優(yōu)取向的氮化鋁(a-AIN)薄膜、c軸擇優(yōu)取向的氮化硼(c-BN)薄膜和叉指換能器(IDT)依次疊加組成金剛石-復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，所述CVD金剛石薄膜的厚度為20um，a-AIN薄膜厚度為300nm，c-BN薄膜的厚度為400nm ;其制備方法，包括以下步驟:I) CVD金剛石薄膜表面進(jìn)行等離子體處理，形成以等離子體清洗的CVD金剛石薄膜表面，具體方法為:在MOCVD沉積系統(tǒng)中，CVD金剛石薄膜表面在氮?dú)夂蜌輾獾幕旌蠚怏w氛圍中進(jìn)行等離子體處理，所述氮?dú)弩w積流量比為2:10，燈絲電壓為80V，加速電壓為100V，溫度為500°C，處理時(shí)間為20min ;該處理能保證樣品表面的清潔和工藝的可靠性，同時(shí)也增強(qiáng)了隨后沉積的薄膜與襯底間的結(jié)合強(qiáng)度，而且氮?dú)鈱?duì)襯底表面的預(yù)處理有利于隨后沉積a-AIN薄膜時(shí)Al與N的化合，從而有利于沉積高質(zhì)量的a-ΑΙΝ薄膜。2)在真空射頻磁控濺射室里，以Al作為靶材，在上述以等離子體清洗的CVD金剛石薄膜表面進(jìn)行真空射頻磁控濺射，沉積一層a-AIN薄膜，工藝條件為:真空度為4X10_5Pa，濺射功率為130W，Al靶材純度為99.999%，并對(duì)靶材進(jìn)行IOmin的預(yù)濺射，氮?dú)夂蜌鍤獾募兌染鶠?9.999%，氮?dú)弩w積流量比為7:14，靶基距8cm，襯底溫度為300°C，工作氣壓1.3Pa，生長(zhǎng)時(shí)間為2h，然后關(guān)閉氬氣，保持溫度不變并繼續(xù)通入氮?dú)膺M(jìn)行退火，退火時(shí)間為30min，即可形成良好的a-AIN薄膜；這種退火方法可以使氮?dú)庋刂Ы鐢U(kuò)散到薄膜中與沒有飽和的Al原子反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)薄膜的再結(jié)晶，有效緩解薄膜界面應(yīng)力，提高a-AIN取向程度，所得a-AIN薄膜的XRD圖如圖2所示。3)在真空射頻磁控濺射室里，以六方氮化硼靶作為靶材，在上述a-AIN薄膜表面進(jìn)行真空射頻磁控濺射，沉積一層c-BN薄膜，工藝條件為:真空度為4X 10_5Pa，靶材采用h-BN靶，并對(duì)靶材進(jìn)行IOmin的預(yù)濺射，氮?dú)夂蜌鍤獾募兌染鶠?9.999%，襯底偏壓為負(fù)220V，襯底溫度為500°C，氮?dú)弩w積流量比為4:20，靶基距為6.5cm，射頻功率為300W，工作氣壓為0.8Pa，生長(zhǎng)時(shí)間為2h，然后關(guān)閉氬氣，保持溫度不變并繼續(xù)通入氮?dú)膺M(jìn)行退火，退火時(shí)間為30min，即可形成良好的c-BN薄膜；這種退火方法可以使氮?dú)庋刂Ы鐢U(kuò)散到薄膜中與沒有飽和的B原子反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)薄膜的再結(jié)晶，有效緩解薄膜界面應(yīng)力，提高c-BN取向程度。4)采用電子束蒸發(fā)的方法在c-BN薄膜表面沉積一層厚度為IOOnm的Al膜，粗糙度小于5nm，然后用光刻法制成指寬為1.8um的等值叉指，叉指對(duì)數(shù)為30對(duì)。檢測(cè)結(jié)果表明:通過(guò)以上工藝獲得的聲表面波器件聲速可達(dá)11000m/S以上，機(jī)電耦合系數(shù)不低于2%，功率不低于8W，頻率可達(dá)4.8GHz以上。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干的改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種多層膜結(jié)構(gòu)的聲表面波器件，其特征在于:由CVD金剛石薄膜、a軸擇優(yōu)取向的氮化鋁(a-AIN)薄膜、c軸擇優(yōu)取向的氮化硼(c-BN)薄膜和叉指換能器(IDT)依次疊加組成金剛石-復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，所述CVD金剛石薄膜的厚度為20-25um，a-AIN薄膜厚度為300-500nm, c-BN薄膜的厚度為300_500nm，IDT為厚度IOOnm的Al膜且粗糙度小于5nm。
2.—種如權(quán)利要求1所述多層膜結(jié)構(gòu)的聲表面波器件的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)CVD金剛石薄膜表面進(jìn)行等離子體處理，形成以等離子體清洗的CVD金剛石薄膜表面； 2)在真空射頻磁控濺射室里，以Al作為靶材，在上述以等離子體清洗的CVD金剛石薄膜表面進(jìn)行真空射頻磁控濺射，沉積一層a-AIN薄膜； 3)在真空射頻磁控濺射室里，以六方氮化硼靶作為靶材，在上述a-AIN薄膜表面進(jìn)行真空射頻磁控濺射，沉積一層c-BN薄膜； 4)采用電子束蒸發(fā)的方法在c-BN薄膜表面制備叉指換能器IDT。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述多層膜結(jié)構(gòu)的聲表面波器件的制備方法，其特征在于:所述CVD金剛石薄膜表面進(jìn)行等離子體處理具體方法為:在MOCVD沉積系統(tǒng)中，CVD金剛石薄膜表面在氮?dú)夂蜌鍤獾幕旌蠚怏w氛圍中進(jìn)行等離子體處理，所述氮?dú)弩w積流量比為2:10，燈絲電壓為80-100V，加速電壓為80-100V，溫度為400-500°C，處理時(shí)間為15_30min。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述多層膜結(jié)構(gòu)的聲表面波器件的制備方法，其特征在于:所述在以等離子體清洗的金剛石薄膜表面生長(zhǎng)a-AIN薄膜的射頻磁控工藝條件為:真空度為4X l(T5Pa，濺射功率為100-150W，Al靶材純度為99.999%，并對(duì)靶材進(jìn)行IOmin的預(yù)濺射，氮?dú)夂蜌鍤獾募兌染鶠?9.999%，氮?dú)弩w積流量比為7:14,靶基距8-9cm，襯底溫度為200-400°C，工作氣壓1.2-1.4Pa，生長(zhǎng)時(shí)間為2h，然后關(guān)閉氬氣，保持溫度不變并繼續(xù)通入氮?dú)膺M(jìn)行退火，退火時(shí)間為30min，即可形成良好的a-AIN薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述多層膜結(jié)構(gòu)的聲表面波器件的制備方法，其特征在于:所述在a-AIN薄膜表面制備c-BN薄膜的射頻磁控工藝條件為:真空度為4X 10_5Pa，靶材采用h-BN靶，并對(duì)靶材進(jìn)行IOmin的預(yù)濺射，氮?dú)夂蜌鍤獾募兌染鶠?9.999%，襯底偏壓為負(fù)250-負(fù)150V，襯底溫度為400-600°C，氮?dú)弩w積流量比為4:20，靶基距為6_7cm，射頻功率為200-400W，工作氣壓為0.7-0.9Pa，生長(zhǎng)時(shí)間為2h，然后關(guān)閉氬氣，保持溫度不變并繼續(xù)通入氮?dú)膺M(jìn)行退火，退火時(shí)間為30min，即可形成良好的c-BN薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述多層膜結(jié)構(gòu)的聲表面波器件的制備方法，其特征在于:所述在c-BN薄膜表面制備叉指換能器IDT的方法:采用電子束蒸發(fā)的方法在c-BN薄膜表面沉積一層厚度為IOOnm的Al膜,粗糙度小于5nm,然后用光刻法制成指寬為1.8um的等值叉指，叉指對(duì)數(shù)為30對(duì)。
全文摘要
一種多層膜結(jié)構(gòu)的聲表面波器件，由CVD金剛石薄膜、a軸擇優(yōu)取向的氮化鋁(a-AlN)薄膜、c軸擇優(yōu)取向的氮化硼(c-BN)薄膜和叉指換能器(IDT)依次疊加組成金剛石-復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，所述CVD金剛石薄膜的厚度為20-25um，a-AlN薄膜厚度為300-500nm，c-BN薄膜的厚度為300-500nm，IDT為厚度100nm的Al膜。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該多層膜結(jié)構(gòu)的聲表面波器件同時(shí)具備以下優(yōu)點(diǎn)，即金剛石的高硬度、高聲速，a-AlN的高聲速能有效緩解金剛石與c-BN因聲速差距大帶來(lái)的聲速頻散效應(yīng)以及c-BN的高機(jī)電耦合系數(shù)，可用于制備高頻、高聲速、大功率、高機(jī)電耦合系數(shù)的SAW器件。
文檔編號(hào)H03H9/02GK103138702SQ20131002513
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者陳希明, 李福龍, 薛玉明, 朱宇清, 張倩, 陰聚乾, 郭燕, 孫連婕 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)