一種擇優取向的AlN壓電薄膜及其製備方法
2024-02-24 07:38:15
專利名稱：一種擇優取向的AlN壓電薄膜及其製備方法
技術領域：
本發明涉及聲表面波器件技術領域，特別是一種擇優取向的AlN壓電薄膜及其製備方法。
背景技術：
聲表面波(SAW)器件具有體積小、重量輕、穩定性好、可靠性高、功率小等多方面優點，使其廣泛應用於雷達、電子戰、聲納系統、無線通信、光纖通信及廣播電視系統等領域。特別是在移動通信領域的不可替代的地位推動了聲表面波技術的研究向前發展。由中心頻率F=V/λ和V= CE/P ) 1/2可知(V是SAW材料中的聲速，Ε、P和λ分別表示材料的彈性模量、材料的密度和聲波的波長，其中波長λ由叉指換能器指寬d決定，λ =4d)，想要獲得高頻器件，就必須提高V和減小λ。所以就要考慮IDT特性和壓電薄膜的各種屬性。也就是說製作高頻聲表面波器件，存在兩個努力方向:第一，發展更加先進的半導體平面工藝，製作更細的叉指換能器；第二，製備更高相速和更高機電耦合係數的壓電材料或壓電多層膜結構。在器件的製作過程中，製作叉指條的寬度往往受到半導體工藝的制約，當指寬小於0.2 μ m，已經逼近目前半導體工業水平的極限，此外，叉指條太細在聲表面波的傳播工程中，往往容易發生斷裂，造成聲表面波的徹底損壞，所以僅採用先進的半導體平面工藝不可能滿足聲表面波高速發展的需要。此外，叉指條越細，電阻會越大，這會產生更大的熱能，大的熱能會把細的叉指條熔化斷，使聲表面波的徹底損壞，這對製作大功率聲表面波器件不利，同時也降低了聲表面波器件的可靠性。所以，通過以上問題，有必要製備優質擇優取向的壓電薄膜與金剛石相結合，因為金剛石作為自然界中相速最高的物質，是做襯底的理想選擇，此外，金剛石還具有耐熱性和導熱性，非常適合做大功率器件。以金剛石作為基底，然後在金剛石上澱積優質的a軸擇優取向的AlN薄膜，將會很大提升聲表面波器件相速和機電耦合係數。本發明提供的一種擇優取向的AlN壓電薄膜及其製備，該製備方法工藝條件方便易行，製備的產品可靠性強、成品率高且成本低，有利於大規模的推廣應用，具有重大的生產實踐意義。
發明內容
本發明的目的是為了解決現有技術中的問題，提供一種擇優取向的AlN壓電薄膜及其製備方法，該壓電薄膜可製備高頻、大功率、高機電耦合係數且製備的產品可靠性強、成品率高且成本低，有利於大規模的推廣應用的SAW器件。本發明的技術方案:一種擇優取向的AlN壓電薄膜，由CVD金剛石襯底和a軸擇優取向AlN薄膜疊加組成，CVD金剛石襯底厚度為20-25um、表面粗糙度低於5nm，a軸擇優取向AlN薄膜厚度為60_80nm。一種所述擇優取向的AlN壓電薄膜的製備方法，步驟如下:I)將CVD金剛石襯底置於乙醇中並利用兆聲清洗機進行兆聲清洗10_15min，然後用N2槍吹乾；2)將清洗後的CVD金剛石襯底送入射頻磁控濺射室中抽真空中進行N2處理，工藝條件為:腔體本底真空度4X 10_5Pa，溫度300-400°C，通入N2持續時間10_20min ；3)採用射頻磁控濺射方法在N2處理後的CVD金剛石襯底表面沉積一層較薄a軸擇優取向AlN薄膜，工藝條件為:反應氣體N2、工作氣體Ar和靶材Al的純度均為99.999%,腔體本底真空度4X 10_5Pa，襯底溫度300-40(TC，濺射功率80-100W，工作氣壓1.0-1.5Pa，N2與Ar的體積流量比為8:10，靶基距為6cm，濺射時間為20_30min ；4)將上述a軸擇優取向AlN薄膜進行原位N2退火處理，工藝條件為:關閉Ar氣和濺射功率，N2的工作氣壓1.0-1.5Pa，腔體本底真空度4X 10_5Pa，溫度300-400°C，靶基距6cm,退火處理時間10_20min ；5)重複交替進行步驟3)和步驟4)並保證迅速轉換，直至a軸擇優取向AlN薄膜厚度達到300-500nm為止，得到優質a軸擇優取向AlN薄膜。本發明的技術分析:生長a軸擇優取向AlN薄膜之前對CVD金剛石襯底進行N2處理，把CVD金剛石置於N2環境中，使其表面含有N2,為下一步AlN的生長奠定了 N源基礎。a軸擇優取向AlN薄膜與CVD金剛石襯底構成的壓電薄膜可以構成高相速，高機電耦合係數的聲表面波器件。從原理上講，在CVD金剛石達到一定厚度後，聲表面波器件相速度、機電耦合係數主要與壓電薄膜密切相關，而壓電薄膜質量的好壞直接關係著壓電薄膜的相速度和機電耦合係數等一系列參數的優良，故優質擇優取向的AlN薄膜的製備有其研究的必要性。採用多部循環進行原位通N2退火處理AlN薄膜，來改善AlN薄膜的結晶性，提高擇優取向程度是本發明的最大優點。從原理上講，隨著AlN薄膜厚度增加，N2濃度會按指數形式下降，也就是說AlN薄膜越厚，N2進入AlN薄膜晶界與未飽和Al相結合的能力越低，這將嚴重影響深層AlN (靠近襯底側)的結晶質量。此外，僅在薄膜生長完全結束後進行一次原位通N2退火處理，還會造成N2不能被充分利用，造成浪費，較長時間雖可以實現較好再結晶處理，但太浪費時間。所以採用多部循環進行原位通N2退火處理AlN薄膜，就可以完全解決以上問題，實現高頻、大功率、高機電耦合係數AlN壓電薄膜製備。本發明的優點是:該擇優取向的AlN壓電薄膜用於製備高頻、大功率、高機電耦合係數的SAW器件，產品可靠性強、成品率高且成本低；其製備方法工藝簡單、易於實施，有利於大規模推廣應用。
附圖1為該聲表面波器件的結構示意圖。附圖2為在CVD金剛石表面沉積a-AIN薄膜的XRD圖。
具體實施例方式為了使本技術領域的人員更好地理解本發明方案，下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步的詳細說明。實施例1:
—種擇優取向的AlN壓電薄膜，如圖1所示，由CVD金剛石襯底和a軸擇優取向AlN薄膜疊加組成，CVD金剛石襯底厚度為20um，a軸擇優取向AlN薄膜厚度為65nm ;其製備方法如下:I)將CVD金剛石襯底置於乙醇中並利用兆聲清洗機進行兆聲清洗lOmin，然後用
N2槍吹乾。2)將清洗後的CVD金剛石襯底送入射頻磁控濺射室中抽真空中進行N2處理，工藝條件為:腔體本底真空度4X 10_5Pa，溫度350°C，通入N2持續時間15min ;把CVD金剛石置於N2環境中，使其表面含有N2,為下一步AlN的生長奠定了 N源基礎。3)採用射頻磁控濺射方法在N2處理後的CVD金剛石襯底表面沉積一層厚度為65nm的a軸擇優取向AlN薄膜，工藝條件為:反應氣體N2、工作氣體Ar和靶材Al的純度均為99.999%，腔體本底真空度4X 10_5Pa，襯底溫度350°C，濺射功率90W，工作氣壓1.3Pa，N2與Ar的體積流量比為8:10，靶基距為6cm，濺射時間為30min ;生長一層較薄a軸擇優取向AlN薄膜，N2容易進入，節省N2和時間。4)將上述a軸擇優取向AlN薄膜進行原位N2退火處理，工藝條件為:關閉Ar氣和濺射功率，N2的工作氣壓1.3Pa，腔體本底真空度4 X W5Pa,溫度350°C，靶基距6cm，退火處理時間IOmin ;由於上層AlN薄膜厚度小，使得N2易於進入AlN薄膜內部，再結晶速度快，且未飽和Al含量明顯降低，製得的a-AIN薄膜的X射線衍射儀(XRD)圖，如圖2所示，同時為下一步AlN的生長奠定了基礎。5)重複交替進行步驟3)和步驟4)並保證迅速轉換，直至a軸擇優取向AlN薄膜厚度達到400nm為止並以步驟4)結束，得到優質a軸擇優取向AlN薄膜。圖2為在CVD金剛石表面沉積a-AIN薄膜的XRD圖。檢測結果表明:在2 Θ =33.2°附近有峰值，而且峰值強度高達6400，說明a軸擇優取向薄膜結晶性良好，擇優取向明顯。通過(原子力顯微鏡)AFM表徵可知表面粗糙度為3.7nm，完全符合聲表面波器件的要求。實施例2:一種擇優取向的AlN壓電薄膜，由CVD金剛石襯底和a軸擇優取向AlN薄膜疊加組成，CVD金剛石襯底厚度為25um，a軸擇優取向AlN薄膜厚度為70nm ;其製備方法如下:I)將CVD金剛石襯底置於乙醇中並利用兆聲清洗機進行兆聲清洗lOmin，然後用N2槍吹乾；2)將清洗後的CVD金剛石襯底送入射頻磁控濺射室中抽真空中進行N2處理，工藝條件為:腔體本底真空度4X 10_5Pa，溫度380°C，通入N2持續時間20min ；3)採用射頻磁控濺射方法在N2處理後的CVD金剛石襯底表面沉積一層厚度為70nm的a軸擇優取向AlN薄膜，工藝條件為:反應氣體N2、工作氣體Ar和靶材Al的純度均為99.999%，腔體本底真空度4X 10_5Pa，襯底溫度380°C，濺射功率100W，工作氣壓1.4Pa，N2與Ar的體積流量比為8: 10，靶基距為6cm，濺射時間為30min ;生長一層較薄a軸擇優取向AlN薄膜，N2容易進入，節省N2和時間；4)將上述a軸擇優取向AlN薄膜進行原位N2退火處理，工藝條件為:關閉Ar氣和濺射功率，N2的工作氣壓1.4Pa，腔體本底真空度4 X W5Pa,溫度380°C，靶基距6cm，退火處理時間IOmin ；5)重複交替進行步驟3)和步驟4)並保證迅速轉換，直至a軸擇優取向AlN薄膜厚度達到450nm為止並以步驟4)結束，得到優質a軸擇優取向AlN薄膜。檢測結果表明:用此方案在CVD金剛石襯底表面沉積獲得的a軸擇優取向AlN薄膜，通過XRD進行表徵，在2 Θ =33.2。附近有峰值，而且峰值強度高達6100，說明a軸擇優取向薄膜結晶性良好，擇優取向明顯。通過AFM表徵可知表面粗糙度為3.5nm，完全符合聲表面波器件的要求。本發明提供的一種擇優取向的AlN壓電薄膜及其製備，該製備方法工藝條件方便易行，製備的產品可靠性強、成品率高且成本低，有利於大規模的推廣應用，具有重大的生產實踐意義。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種擇優取向的AlN壓電薄膜，其特徵在於:由CVD金剛石襯底和a軸擇優取向AlN薄膜疊加組成，CVD金剛石襯底厚度為20-25um、表面粗糙度低於5nm，a軸擇優取向AlN薄膜厚度為60-80nm。
2.一種如權利要求1所述擇優取向的AlN壓電薄膜的製備方法，其特徵在於步驟如下: 1)將CVD金剛石襯底置於乙醇中並利用兆聲清洗機進行兆聲清洗10-15min，然後用N2槍吹乾； 2)將清洗後的CVD金剛石襯底送入射頻磁控濺射室中抽真空中進行N2處理，工藝條件為:腔體本底真空度4X 10_5Pa，溫度300-400°C，通入N2持續時間10_20min ； 3)採用射頻磁控濺射方法在N2處理後的CVD金剛石襯底表面沉積一層較薄a軸擇優取向AlN薄膜，工藝條件為:反應氣體N2、工作氣體Ar和靶材Al的純度均為99.999%，腔體本底真空度4X10_5Pa，襯底溫度300-400°C，濺射功率80-100W，工作氣壓1.0-1.5Pa，N2與Ar的體積流量比為8:10，靶基距為6cm，濺射時間為20_30min ； 4)將上述a軸擇優取向AlN薄膜進行原位N2退火處理,工藝條件為:關閉Ar氣和濺射功率，N2的工作氣壓1.0-1.5Pa，腔體本底真空度4X 10_5Pa，溫度300-400°C，靶基距6cm，退火處理時間10_20min ； 5)重複交替進行步驟3)和步驟4)並保證迅速轉換，直至a軸擇優取向AlN薄膜厚度達到300-500nm為止，得到優質a軸擇優取向AlN薄膜。
全文摘要
一種擇優取向的AlN壓電薄膜，由CVD金剛石襯底和a軸擇優取向AlN薄膜疊加組成，CVD金剛石襯底厚度為20-25um、表面粗糙度低於5nm，a軸擇優取向AlN薄膜厚度為60-80nm；其製備方法是將清洗後的CVD金剛石襯底送入射頻磁控濺射室中抽真空中進行N2處理，在襯底表面沉積a軸擇優取向AlN薄膜，然後進行原位N2退火處理，重複交替進行沉積和退火處理直至a軸擇優取向AlN薄膜厚度達到300-500nm為止。本發明的優點是該擇優取向的AlN壓電薄膜用於製備高頻、大功率、高機電耦合係數的SAW器件，產品可靠性強、成品率高且成本低；其製備方法工藝簡單、易於實施，有利於大規模推廣應用。
文檔編號H03H9/02GK103095244SQ20131002492
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月23日 優先權日2013年1月23日
發明者陳希明, 李福龍, 薛玉明, 朱宇清, 張倩, 陰聚乾, 郭燕, 孫連婕 申請人:天津理工大學