專利名稱：一種用于高性能聲表面波器件的壓電薄膜及其制備方法
技術領域：
本發明涉及聲表面波器件技術領域，特別是涉及一種用于高性能聲表面波器件的 壓電薄膜及其制備方法。
背景技術：
近年來，移動通信的飛速發展，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，低于IGHz的頻帶已被占滿(第一代數字系統)；第二代數字系統 的頻率從900 MHz到1.9 GHz ；在第三代數字系統中，全球漫游游游頻率范圍為1.8 2. 2 GHz，衛星定位系統(GPS)頻率為1.575 GHz，低地球軌道新衛星通信(LEO)的應用頻率范圍 為1. 6GHz 2. 5GHz,因此，目前的移動通信系統的應用頻率越來越高，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器件所對應的IDT指寬d小于0. 2 μ m，已經逼近目前半導體工 業水平的極限，因此在生產中會遇到例如斷指嚴重、可靠性差、成品率低、價格昂貴等各種 問題，從而嚴重制約了 SAW器件頻率的進一步提高；而且，移動通信系統的發射端(TX)濾波 器是對大功率信號濾波，如此細的IDT指寬d，電阻較大，會產生大量的耗散熱，再加上這些 常規SAW材料的熱導率低，所以無法承受大功率，這使得由上述常規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。
發明內容
本發明的目的是為克服現有技術的不足，提供一種用于高性能聲表面波器件的 壓電薄膜及其制備方法，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，本發明還提供了一種用于高性能聲表面波器件的壓電薄 膜的制備方法，該制備方法工藝條件方便易行，有利于大規模的推廣應用，具有重大的生產 實踐意義。本發明的技術方案
一種用于高性能聲表面波器件的壓電薄膜，由金剛石襯底和該襯底表面形成的一層六 方氮化硼h-BN薄膜構成，所述六方氮化硼h-BN薄膜是厚度為0. 6-0. SMm的納米薄膜。—種所述用于高性能聲表面波器件的壓電薄膜的制備方法，包括以下步驟
1)在MOCVD沉積系統的進樣室，對金剛石襯底表面進行表面等離子體清洗；
2)在MOCVD沉積系統的進樣室，采用磁控濺射工藝在金剛石襯底表面沉積一層六方氮 化硼h-BN薄膜。
所述對金剛石襯底表面進行表面等離子體清洗方法為在MOCVD沉積系統的進樣 室，金剛石襯底在氬氣和氮氣的混合氣體氛圍中進行等離子體處理，氬氣和氮氣的質量流 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六方氮化硼h-BN薄膜的磁控濺射工藝參數為 本底真空度3 X 10_41 、襯底旋轉臺轉速80轉/分鐘、襯底溫度580°C、濺射功率250W、N2流 量45SCCm、氬氣流量lOsccm、工作壓強1. 7Pa、濺射靶與襯底之間的靶距8cm、等離子體電源 的燈絲電壓和加速電壓分別為60-80V和80-120V、沉積時間1_2小時。本發明的原理分析
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是相同頻率常規材料的2. 5倍(例如，頻率為2. 5GHz的SAW器件 對應的指寬d可大于1 μ m,頻率為5GHz的SAW器件對應的指寬d可大于0. 5 μ m)，而電阻 只有常規材料的2/5，產生的耗的耗散熱也只有常規材料的2/5，再加上金剛石的熱導率在 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器件結構中，高聲速薄膜用來傳播聲表面 波，壓電晶體薄膜用來實現電磁波與聲表面波的能量轉換。III - V族化合物薄膜III-N(如 A1N、h-BN)在“壓電薄膜/金剛石薄膜”多層膜結構中用作壓電薄膜，來實現電磁波與聲表 面波的能量轉換。六方氮化硼h-BN屬于六方晶系，具有與石墨類似的二維平面層狀結構，在空氣中 非常穩定，具有高度的化學穩定性和熱穩定性。更重要的是h-BN具有高聲波傳輸速率和優 良的透光性，可作為SAW器件中合適的壓電薄膜。h-BN相速比氧化鋅ZnO和鈮酸鋰LiNbO3 的高，因此，“h-BN/金剛石”結構SAW器件的相速應該高于“&ιΟ/金剛石”和"LiNbO3/金 剛石”結構SAW器件的相速。這樣，當叉指換能器指寬d相同時，SAW器件的頻率可以達到 更高；h-BN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構的速度頻散， 即相速度隨頻率不同變化很小；金剛石和h-BN薄膜的溫度系數都很小，近似為零，因此，當 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。本發明的優點是與現有技術相比，本發明提供了一種用于高性能聲表面波 (SAW)器件的壓電薄膜，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，本發明還提供了一種用 于高性能聲表面波(SAW)器件的壓電薄膜的制備方法，該制備方法工藝條件方便易行，有利 于大規模的推廣應用，具有重大的生產實踐意義。
附圖為在金剛石薄膜襯底上磁控濺射沉積h-BN時，傅立葉變換紅外光譜儀FIlR 的顯示圖。
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
1)對金剛石襯底表面進行表面等離子體清洗
在MOCVD沉積系統的進樣室，金剛石襯底在氬氣和氮氣的混合氣體氛圍中進行等離子 體處理，氬氣和氮氣的質量流量比為20:4、等離子體清洗電源的燈絲電壓為78V、加速電壓 為115V。該處理保證了樣品表面的清潔和工藝的可靠性，同時也增強了隨后沉積的薄膜與 襯底間的結合強度，而且氮氣對襯底表面的預處理有利于隨后沉積h-BN薄膜時B與N的化 合，從而有利于沉積高質量的h-BN薄膜。2)在金剛石襯底上濺射沉積h-BN薄膜
在MOCVD沉積系統的進樣室，在經過等離子體清洗后的金剛石襯底上沉積h-BN薄 膜，磁控濺射工藝參數為本底真空度3X10_4 Pa、襯底旋轉臺轉速80轉/分鐘、襯底溫度 580°C、濺射功率250W、N2流量45sccm、氬氣流量lOsccm、工作壓強1. 7Pa、靶距8cm、等離子 體電源的燈絲電壓和加速電壓分別為65V和90V、沉積時間90分鐘。所形成的納米h-BN薄 膜厚度為0. 67 μ m。附圖顯示了在金剛石薄膜襯底上沉積h-BN的傅立葉變換紅外光譜儀FIlR圖。在 波數為780CHT1和1365CHT1附近有h_BN的吸收峰。實施例2:
1)對金剛石襯底表面進行表面等離子體清洗
在MOCVD沉積系統的進樣室，金剛石襯底在氬氣和氮氣的混合氣體氛圍中進行等離子 體處理，氬氣和氮氣的質量流量比為20:4、等離子體清洗電源的燈絲電壓為70V、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，同時也增強了隨后沉積的薄膜與 襯底間的結合強度，而且氮氣對襯底表面的預處理有利于隨后沉積h-BN薄膜時B與N的化 合，從而有利于沉積高質量的h-BN薄膜。2 )在金剛石襯底上濺射沉積h-BN薄膜
在MOCVD沉積系統的進樣室，在經過等離子體清洗后的金剛石襯底上沉積h-BN薄 膜，磁控濺射工藝參數為本底真空度3X10_4 Pa、襯底旋轉臺轉速80轉/分鐘、襯底溫度 670°C、濺射功率270W、N2流量40sccm、氬氣流量lOsccm、工作壓強1. 5Pa、靶距7cm、沉積時 間100分鐘。所形成的納米h-BN薄膜厚度為0. 75 μ m。。綜上所述，與現有技術相比，本發明提供了一種用于高性能聲表面波(SAW)器件的 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，本發明還提供了一種用于高性能聲表面波(SAW)器件的壓電薄膜的 制備方法，該制備方法工藝條件方便易行，有利于大規模的推廣應用，具有重大的生產實踐
眉、ο以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于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 視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種用于高性能聲表面波器件的壓電薄膜，其特征在于由金剛石襯底和該襯底表 面形成的一層六方氮化硼h-BN薄膜構成，所述六方氮化硼h-BN薄膜是厚度為0. 6-0. SMm 的納米薄膜。
2.一種如權利要求1所述用于高性能聲表面波器件的壓電薄膜的制備方法，其特征在 于包括以下步驟1)在MOCVD沉積系統的進樣室，對金剛石襯底表面進行表面等離子體清洗；2)在MOCVD沉積系統的進樣室，采用磁控濺射工藝在金剛石襯底表面沉積一層六方氮 化硼h-BN薄膜。
3.根據權利要求2所述用于高性能聲表面波器件的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行表面等離子體清洗方法為在MOCVD沉積系統的進樣室，金 剛石襯底在氬氣和氮氣的混合氣體氛圍中進行等離子體處理，氬氣和氮氣的質量流量比為 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.根據權利要求2所述用于高性能聲表面波器件的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六方氮化硼h-BN薄膜的磁控濺射工藝參數為本底 真空度3X 10_4 Pa、襯底旋轉臺轉速80轉/分鐘、襯底溫度580°C、濺射功率250W、N2流量 45sCCm、氬氣流量lOsccm、工作壓強1. 7Pa、濺射靶與襯底之間的靶距8cm、等離子體電源的 燈絲電壓和加速電壓分別為60-80V和80-120V、沉積時間1_2小時。
全文摘要
一種用于高性能聲表面波器件的壓電薄膜，由金剛石襯底和該襯底表面形成的一層六方氮化硼薄膜構成，所述六方氮化硼薄膜是厚度為0.6-0.8μm的納米薄膜；其制備方法是在在MOCVD沉積系統的進樣室，先對金剛石襯底表面進行表面等離子體清洗，然后采用磁控濺射工藝在金剛石襯底表面沉積一層六方氮化硼h-BN薄膜。本發明的優點是提供了一種用于高性能聲表面波(SAW)器件的壓電薄膜，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。本發明還提供了該壓電薄膜的制備方法，其工藝條件方便易行，有利于大規模推廣應用，具有重大的生產實踐意義。
文檔編號H03H3/02GK102122938SQ20111008785
公開日2011年7月13日 申請日期2011年4月8日 優先權日2011年4月8日
發明者劉君, 宋殿友, 朱亞東, 楊保和, 潘宏剛, 薛玉明, 辛治軍 申請人:天津理工大學