專利名稱：一種用于聲表面波器件的氮化鋁壓電薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲表面波器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種用于聲表面波器件的氮化鋁 壓電薄膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，移動通信的飛速發(fā)展，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900 MHz到1.9 GHz ；在第三代數(shù)字系統(tǒng)中，全球漫游游游頻率范圍為1.8 2. 2 GHz，衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)頻率為1.575 GHz，低地球軌道新衛(wèi)星通信(LEO)的應(yīng)用頻率范圍 為1. 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。常規(guī)SAW材料，如石英、鈮酸鋰LiNbO3、氧化鋅ZnO等，，聲表面波相速較低，一般 低于4000m/s，用其制作頻率為2. 5GHz的SAW器件，其叉指換能器(IDT)指寬d必須小于 0. 4 μ m，頻率為5GHz的SAW器件所對應(yīng)的IDT指寬d小于0. 2 μ m，已經(jīng)逼近目前半導(dǎo)體工 業(yè)水平的極限，因此在生產(chǎn)中會遇到例如斷指嚴(yán)重、可靠性差、成品率低、價格昂貴等各種 問題，從而嚴(yán)重制約了 SAW器件頻率的進(jìn)一步提高；而且，移動通信系統(tǒng)的發(fā)射端(TX)濾波 器是對大功率信號濾波，如此細(xì)的IDT指寬d，電阻較大，會產(chǎn)生大量的耗散熱，再加上這些 常規(guī)SAW材料的熱導(dǎo)率低，所以無法承受大功率，這使得由上述常規(guī)SAW材料制成的SAW器 件很難滿足高頻率和/或大功率移動通信的要求。因此，目前迫切需要開發(fā)出一種壓電薄膜，用于制備頻率高，且可以承受大功率的 SAW器件，可以滿足高頻率和/或大功率移動通信的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于聲表面波器件的氮化鋁 (AlN)壓電薄膜，用其制備的SAW器件頻率高，且可以承受大功率，可以滿足高頻率和/或大 功率移動通信的要求；此外，本發(fā)明還提供了一種用于聲表面波器件的AlN壓電薄膜的制 備方法，該制備方法工藝條件方便易行，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
一種用于聲表面波器件的氮化鋁壓電薄膜，由金剛石襯底和該襯底表面形成的一層氮 化鋁薄膜構(gòu)成，所述氮化鋁薄膜是厚度為0. 6-0. 7Mffl的納米薄膜。—種所述用于聲表面波器件的氮化鋁壓電薄膜的制備方法，包括以下步驟
1)在MOCVD沉積系統(tǒng)的進(jìn)樣室，對金剛石襯底表面進(jìn)行等離子體清洗；
2)在MOCVD沉積系統(tǒng)的沉積室，采用磁控濺射工藝在金剛石襯底表面沉積一層氮化鋁 薄膜。
所述對金剛石襯底表面進(jìn)行表面等離子體清洗方法為在MOCVD沉積系統(tǒng)的進(jìn)樣 室，金剛石襯底在氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w氛圍中進(jìn)行等離子體處理，氬氣和氮?dú)獾馁|(zhì)量流 量比為20:4、等離子體清洗電源的燈絲電壓為60-80V、加速電壓為80-120V。所述在金剛石襯底表面沉積一層氮化鋁薄膜的磁控濺射工藝參數(shù)為本底真空度 3X 1(Γ4 Pa、襯底旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速30Hz、等離子體源功率100W、N2流量300sccm、NH3流量30sccm、 工作壓強(qiáng)5. 5 Torr、襯底溫度700-1000°C、Al源溫度21. 5°C、載氣H2流量65sCCm、沉積時 間1-2小時。本發(fā)明的原理分析
為了滿足高頻率和/或大功率移動通信的要求，必須選用高聲速、高彈性模量、高熱 導(dǎo)率、低密度的材料來制備SAW器件。在所有材料中，金剛石的彈性模量最高(彈性模量 E=1200Gpa)，密度較低(P=3.51 g/cm3)，從而具有所有物質(zhì)中最高的聲速，用其制作的多 層膜SAW器件，IDT指寬d是相同頻率常規(guī)材料的2. 5倍(例如，頻率為2. 5GHz的SAW器件 對應(yīng)的指寬d可大于1 μ m,頻率為5GHz的SAW器件對應(yīng)的指寬d可大于0. 5 μ m)，而電阻 只有常規(guī)材料的2/5，產(chǎn)生的耗的耗散熱也只有常規(guī)材料的2/5，再加上金剛石的熱導(dǎo)率在 所有材料中最高，使得金剛石薄膜成為高頻率、大功率SAW器件，即“壓電薄膜/高聲速薄 膜”多層膜聲表面波SAW器件中最理想的高聲速材料。SAW器件的性能則由壓電薄膜和金 剛石襯底共同決定。在“壓電薄膜/高聲速薄膜”多層膜SAW器件結(jié)構(gòu)中，高聲速薄膜用來傳播聲表面 波，壓電晶體薄膜用來實(shí)現(xiàn)電磁波與聲表面波的能量轉(zhuǎn)換。III - V族化合物薄膜III-N(如 AlN、h-BN)在“壓電薄膜/金剛石薄膜”多層膜結(jié)構(gòu)中用作壓電薄膜，來實(shí)現(xiàn)電磁波與聲表 面波的能量轉(zhuǎn)換。氮化鋁AlN相速高，材料溫度系數(shù)近似為零，可作為SAW器件中合適的壓電薄膜。 AlN相速比氧化鋅ZnO和鈮酸鋰LiNbO3的高，因此，"AlN/金剛石”結(jié)構(gòu)SAW器件的相速應(yīng) 該高于“&ι0/金剛石”和"LiNbO3/金剛石”結(jié)構(gòu)SAW器件的相速。這樣，當(dāng)叉指換能器指寬 d相同時，SAW器件的頻率可以達(dá)到更高；AlN的相速較大，和金剛石的相速差別也較小，從 而大大減小了該結(jié)構(gòu)的速度頻散，即相速度隨頻率不同變化很?。唤饎偸虯lN薄膜的溫 度系數(shù)都很小，近似為零，因此，當(dāng)SAW器件溫度升高時，SAW器件的中心頻率隨溫度升高而 漂移很小。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種用于高性能聲表面波 (SAW)器件的AlN壓電薄膜，用其制備的SAW器件頻率高(彡2.5 GHz)，且可以承受大功率 (>37dBm)，可以滿足高頻率和/或大功率移動通信的要求，此外，本發(fā)明還提供了一種用 于高性能聲表面波(SAW)器件的AlN壓電薄膜的制備方法，該制備方法工藝條件方便易行， 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。


附圖為在金剛石薄膜襯底上物理濺射沉積AlN時，傅立葉變換紅外光譜儀FIlR的 顯示圖。
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1
1)對金剛石襯底表面進(jìn)行表面等離子體清洗
在MOCVD沉積系統(tǒng)的進(jìn)樣室，金剛石襯底在氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w氛圍中進(jìn)行等離子 體處理，氬氣和氮?dú)獾馁|(zhì)量流量比為20:4、等離子體清洗電源的燈絲電壓為65V、加速電壓 為110V。該處理保證了樣品表面的清潔和工藝的可靠性，同時也增強(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σr底表面的預(yù)處理有利于隨后沉積AlN薄膜時Al與N的化 合，從而有利于沉積高質(zhì)量的AlN薄膜。2)在金剛石襯底上濺射沉積AlN薄膜
在MOCVD沉積系統(tǒng)的沉積室，采用MOCVD工藝在金剛石襯底表面沉積一層氮化鋁薄膜， Al源為三甲基銦(TMA1)，N源為氨氣(NH3), MOCVD工藝參數(shù)為本底真空度3X10—4 Pa、襯 底旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速30Hz、等離子體源功率100W、N2流量300sccm、NH3流量30sccm、工作壓強(qiáng)5. 5 Torr、襯底溫度830°C、A1源溫度20°C、載氣吐流量65sCCm、沉積時間1小時。所形成的納 米AlN薄膜厚度為0. 62 μ m。附圖為在金剛石薄膜襯底上物理濺射沉積AlN時，傅立葉變換紅外光譜儀FIlR的 顯示圖。圖中顯示在波數(shù)為670cm—1附近有AlN的吸收峰。實(shí)施例2:
1)對金剛石襯底表面進(jìn)行表面等離子體清洗
在MOCVD沉積系統(tǒng)的進(jìn)樣室，金剛石襯底在氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w氛圍中進(jìn)行等離子 體處理，氬氣和氮?dú)獾馁|(zhì)量流量比為20:4、等離子體清洗電源的燈絲電壓為80V、加速電壓 為90V。該處理保證了樣品表面的清潔和工藝的可靠性，同時也增強(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σr底表面的預(yù)處理有利于隨后沉積AlN薄膜時Al與N的化 合，從而有利于沉積高質(zhì)量的AlN薄膜。2)在金剛石襯底上濺射沉積AlN薄膜
在MOCVD沉積系統(tǒng)的沉積室，采用MOCVD工藝在金剛石襯底表面沉積一層氮化鋁薄膜， Al源為三甲基銦(TMA1)，N源為氨氣(NH3), MOCVD工藝參數(shù)為本底真空度3X10—4 Pa、襯 底旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速30Hz、等離子體源功率100W、N2流量300sccm、NH3流量30sccm、工作壓強(qiáng)5. 0 Torr、襯底溫度900°C、Al源溫度21. 5°C、載氣H2流量60sCCm、沉積時間90分鐘。所形成 的納米AlN薄膜厚度為0. 7 μ m。綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供了一種用于高性能聲表面波(SAW)器件的 AlN壓電薄膜，用其制備的SAW器件頻率高，且可以承受大功率，可以滿足高頻率和/或大功 率移動通信的要求，此外，本發(fā)明還提供了一種用于高性能聲表面波(SAW)器件的AlN壓電 薄膜的制備方法，該制備方法工藝條件方便易行，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。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，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于聲表面波器件的氮化鋁壓電薄膜，其特征在于由金剛石襯底和該襯底表 面形成的一層氮化鋁薄膜構(gòu)成，所述氮化鋁薄膜是厚度為0. 6-0. 7Mffl的納米薄膜。
2.一種如權(quán)利要求1所述用于聲表面波器件的氮化鋁壓電薄膜的制備方法，其特征在 于包括以下步驟1)在MOCVD沉積系統(tǒng)的進(jìn)樣室，對金剛石襯底表面進(jìn)行等離子體清洗；2)在MOCVD沉積系統(tǒng)的沉積室，采用磁控濺射工藝在金剛石襯底表面沉積一層氮化鋁薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述用于聲表面波器件的氮化鋁壓電薄膜的制備方法，其特征在 于所述對金剛石襯底表面進(jìn)行表面等離子體清洗方法為在MOCVD沉積系統(tǒng)的進(jìn)樣室，金 剛石襯底在氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w氛圍中進(jìn)行等離子體處理，氬氣和氮?dú)獾馁|(zhì)量流量比為 20:4、等離子體清洗電源的燈絲電壓為60-80V、加速電壓為80-120V。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述用于聲表面波器件的氮化鋁壓電薄膜的制備方法，其特征 在于所述在金剛石襯底表面沉積一層氮化鋁薄膜的磁控濺射工藝參數(shù)為本底真空度 3X10—4 Pa、襯底旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速30Hz、等離子體源功率100W、N2流量300sccm、NH3流量30sccm、 工作壓強(qiáng)5. 5 Torr、襯底溫度700-1000°C、Al源溫度21. 5°C、載氣H2流量65sCCm、沉積時 間1-2小時。
全文摘要
一種用于聲表面波器件的氮化鋁壓電薄膜，由金剛石襯底和該襯底表面形成的一層氮化鋁薄膜構(gòu)成，所述氮化鋁薄膜是厚度為0.6-0.7μm的納米薄膜；其制備方法是在MOCVD沉積系統(tǒng)的進(jìn)樣室，首先對金剛石襯底表面進(jìn)行等離子體清洗，然后采用磁控濺射工藝在金剛石襯底表面沉積一層氮化鋁薄膜。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是提供了一種用于高性能聲表面波(SAW)器件的AlN壓電薄膜，用其制備的SAW器件頻率高(≥2.5GHz)，且可以承受大功率(≥37dBm)，可以滿足高頻率和/或大功率移動通信的要求；本發(fā)明提供的壓電薄膜的制備方法，其工藝條件方便易行，有利于大規(guī)模推廣應(yīng)用，具有重大的生產(chǎn)實(shí)踐意義。
文檔編號H03H9/25GK102122936SQ20111008785
公開日2011年7月13日 申請日期2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月8日
發(fā)明者劉君, 宋殿友, 朱亞東, 楊保和, 潘宏剛, 蘇林, 薛玉明, 辛治軍 申請人:天津理工大學(xué)