專利名稱：基于AlN雙晶向壓電薄膜的聲表面波器件及其制作方法
技術領域：
本發明屬于聲表面波器件技術領域，特別是一種基于AlN雙晶向壓電薄膜的聲表面波器件及其制作方法。
背景技術：
近年來，隨著通信事業的發展，特別是半導體工藝水平的提高，使高頻聲表面波濾波器和諧振器的生產成為可能，從衛星通信、雷達制導、無線遙控、廣播電視到移動通信， 都廣泛采用聲表面波器件，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 900MHz到I. 9GHz ;在第三代數字系統中，全球漫游頻率范圍為I. 8-2. 2GHz，衛星定位系統 (GPS)頻率為I. 575GHz，低地球軌道新衛星通信(LEO)的應用頻率范圍為I. 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。對于常規SAW材料，如石英、LiNbO3^ LiTaO3^ ZnO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O. 4 μ m，5GHz對應的指寬d小于 O. 2 μ m，逼近目前半導體工業水平的極限，造成斷指嚴重，成品率太低。而且d越小，電阻就越大，功率承受能力越小，嚴重制約了 SAW器件頻率的進一步提高，目前國內外熱衷于通過提高聲速V來達到提高頻率的效果。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，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，無法進行聲電轉換，故我們采用金剛石與壓電材料相結合的多層膜體系，SAW的性能由壓電薄膜和金剛石襯底共同決定。 C-AlN具有高的機電耦合系數，但聲速為5600m/s，與金剛石的聲速相差較大，容易引起聲速頻散，且相速度隨頻率不同變化很大。因此，目前迫切需要開發出一種可通過減少聲速頻散來提高聲表面波器件頻率的多層膜基片，且機電耦合系數高。
發明內容
本發明的目的是針對上述技術分析和存在問題，提供一種基于壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件及制備方法，該高頻聲表面波器件頻率高、機電耦合系數高，能滿足高頻率和大功率移動通信的要求；該制備方法所用設備簡單、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—種基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件，由納米金剛石襯底、a軸擇優取向的AlN薄膜、c軸擇優取向的AlN薄膜和叉指換能器(IDT)依次疊加構成，形成IDT/ c-AlN/a-AIN/金剛石多層膜結構。所述納米金剛石襯底薄膜厚度為3- μ m, a-軸擇優取向AlN薄膜的厚度為300nm，c軸擇優取向AlN薄膜的厚度為300nm。一種所述基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件的制備方法，步驟如下I)采用微波等離子體化學氣相淀積(MPCVD)方法制備納米金剛石襯底，然后將其放入濺射設備中進行壓電薄膜制備；2)制備AlN壓電薄膜以Al靶作為靶材，采用射頻濺射法在上述納米金剛石襯底表面制備a-軸擇優取向AlN薄膜，制備完成后在氮氣環境中緩慢降溫至300°C，形成的a軸擇優取向的薄膜；然后在溫度為300°C條件下，以Al靶作為靶材，采用射頻濺射法繼續在上述a-軸擇優取向AlN薄膜襯底表面制備C-軸擇優取向AlN薄膜，制備完成后在氮氣環境中緩慢降溫至常溫；3)在上述c-AlN/a-AIN/金剛石襯底上采用電子束蒸發法制備叉指換能器IDT。所述采用MPCVD法制備納米金剛石襯底的工藝參數為微波功率4000W、壓強 70torr、工作氣體H2 CH4 02 = 546 45 9、混合氣體的流量為600sccm、沉積時間為2小時。所述在納米金剛石襯底表面制備a-軸擇優取向AlN膜的射頻濺射工藝參數為 在氮氣和氬氣混合氣體中進行反應，混合氣體的流量為20sCCm，氮氣和氬氣的體積比為 12 8，氮氣和氬氣的純度均為99. 999%，襯底溫度為400°C、靶基距10cm、濺射功率為 150W、工作氣壓O. 6Pa、濺射時間為2小時，關閉氬氣后繼續通入氮氣緩慢降溫至300°C，降溫時間為I小時。所述在a-軸擇優取向的AlN薄膜表面制備c_軸擇優取向AlN的射頻磁控工藝參數為在氮氣和氬氣混合氣體中進行反應，混合氣體的流量為20sCCm，氮氣和氬氣的體積比為12 8，氮氣和氬氣的純度均為99. 999%，襯底溫度為300°C、靶基距6cm、射頻功率 150W、工作氣壓O. 5Pa、濺射時間2小時，關閉氬氣后繼續通入氮氣進行緩慢降溫至常溫，降溫時間為2小時。本發明的優點是該高頻聲表面波器件為IDT/c-軸擇優取向AlN/a-軸擇優取向 AlN/納米金剛石多層膜結構，此結構SAW器件頻率高、機電耦合系數高，能滿足高頻率和大功率移動通信的要求；該制備方法所用設備簡單、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。
圖I為該聞頻聲表面波器件結構意圖。圖2為該高頻聲表面波器件AlN薄膜的紅外光譜圖。圖中A點表示AlN結構。圖3為該高頻聲表面波器件AlN薄膜的掃描電鏡圖。
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。實施例一種基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件，如圖I所示，由納米金剛石襯底、a軸擇優取向的AlN薄膜、c軸擇優取向的AlN薄膜和叉指換能器(IDT)依次疊加構成，形成IDT/c-ALN/a-ALN/金剛石多層膜結構，納米金剛石襯底薄膜厚度為4 μ m，a-軸擇優取向AlN薄膜的厚度為300nm，c軸擇優取向AlN薄膜的厚度為300nm。一種所述基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件的制備方法，步驟如下I)采用微波等離子體化學氣相淀積(MPCVD)方法制備厚度為3 μ m_5 μ m的納米金剛石襯底，所用設備為日本SEKI公司的型號為AX6500的MPCVD，工藝參數為微波功率 4000W、壓強70torr、工作氣體H2 CH4 02 = 546 45 9、混合氣體的流量為600sccm、 沉積時間為2小時，然后將其放入濺射設備中進行壓電薄膜制備；2)制備AlN壓電薄膜濺射設備為中國科學院沈陽科學儀器研制中心有限公司生產的型號為JGP450的超高真空多功能濺射設備，以Al靶作為靶材，采用射頻濺射法在上述納米金剛石襯底表面制備厚度為300nm的a-軸擇優取向AlN薄膜，工藝參數為在氮氣和氬氣混合氣體中進行反應，混合氣體的流量為20sCCm，氮氣和氬氣的體積比為12 8，氮氣和氬氣的純度均為99. 999%，襯底溫度為400°C、靶基距10cm、濺射功率為150W、工作氣壓
O.6Pa、濺射時間為2小時，關閉氬氣后繼續通入氮氣緩慢降溫至300°C，降溫時間為I小時； 然后在溫度為300°C條件下，以Al靶作為靶材，采用射頻濺射法繼續在上述a-軸擇優取向 AlN薄膜襯底表面制備厚度為300nm的c_軸擇優取向AlN薄膜，工藝參數為在氮氣和氬氣混合氣體中進行反應，混合氣體的流量為20SCCm，氮氣和氬氣的體積比為12 8，氮氣和氬氣的純度均為99. 999%,襯底溫度為300°C、靶基距6cm、射頻功率150W、工作氣壓O. 5Pa、 濺射時間2小時，關閉氬氣后繼續通入氮氣進行緩慢降溫至常溫，降溫時間為2小時；3)在上述c-AlN/a-AIN/金剛石襯底上采用電子束蒸發法制備叉指換能器IDT。圖2為該高頻聲表面波器件AlN薄膜的紅外光譜圖，圖中表明橫坐標667處反射峰表示AlN薄膜。圖3為該高頻聲表面波器件AlN薄膜的掃描電鏡圖，圖中顯示掃描電鏡結果顯示薄膜表面平整度滿足聲表面波器件要求。
權利要求
1.一種基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件，其特征在于由納米金剛石襯底、 a軸擇優取向的AlN薄膜、c軸擇優取向的AlN薄膜和叉指換能器(IDT)依次疊加構成，形成IDT/c-AlN/a-AIN/金剛石多層膜結構。
2.根據權利要求I所述基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件，其特征在于所述納米金剛石襯底薄膜厚度為3-5 μ m, a-軸擇優取向AlN薄膜的厚度為300nm，c軸擇優取向AlN薄膜的厚度為300nm。
3.—種如權利要求I所述基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件的制備方法，其特征在于步驟如下1)采用微波等離子體化學氣相淀積(MPCVD)方法制備納米金剛石襯底，然后將其放入濺射設備中進行壓電薄膜制備；2)制備AlN壓電薄膜以Al靶作為靶材，采用射頻濺射法在上述納米金剛石襯底表面制備a-軸擇優取向AlN薄膜，制備完成后在氮氣環境中緩慢降溫至300°C，形成的a軸擇優取向的薄膜；然后在溫度為300°C條件下，以Al靶作為靶材，采用射頻濺射法繼續在上述 a-軸擇優取向AlN薄膜襯底表面制備C-軸擇優取向AlN薄膜，制備完成后在氮氣環境中緩慢降溫至常溫；3)在上述c-AlN/a-AIN/金剛石襯底上采用電子束蒸發法制備叉指換能器IDT。
4.根據權利要求3所述基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件的制備方法，其特征在于所述采用MPCVD法制備納米金剛石襯底的工藝參數為微波功率4000W、壓強 70torr、工作氣體H2 CH4 02 = 546 45 9、混合氣體的流量為600sccm、沉積時間為2小時。
5.根據權利要求3所述基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件的制備方法，其特征在于所述在納米金剛石襯底表面制備a-軸擇優取向AlN膜的射頻濺射工藝參數為在氮氣和氬氣混合氣體中進行反應，混合氣體的流量為20sCCm，氮氣和氬氣的體積比為12 8，氮氣和氬氣的純度均為99. 999%，襯底溫度為400°C、靶基距10cm、濺射功率為 150W、工作氣壓O. 6Pa、濺射時間為2小時，關閉氬氣后繼續通入氮氣緩慢降溫至300°C，降溫時間為I小時。
6.根據權利要求3所述基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件的制備方法，其特征在于所述在a-軸擇優取向的AlN薄膜表面制備C-軸擇優取向AlN的射頻磁控工藝參數為在氮氣和氬氣混合氣體中進行反應，混合氣體的流量為20sCCm，氮氣和氬氣的體積比為12 8，氮氣和氬氣的純度均為99. 999%，襯底溫度為300°C、靶基距6cm、射頻功率 150W、工作氣壓O. 5Pa、濺射時間2小時，關閉氬氣后繼續通入氮氣進行緩慢降溫至常溫，降溫時間為2小時。
全文摘要
一種基于AlN壓電薄膜的新型高頻聲表面波器件，由納米金剛石襯底、a軸擇優取向的AlN薄膜、c軸擇優取向的AlN薄膜和叉指換能器(IDT)依次疊加構成，形成IDT/c-AlN/a-AlN/金剛石多層膜結構；其制備方法是1)采用微波等離子體化學氣相淀積(MPCVD)方法制備納米金剛石襯底；2)采用射頻濺射法制備AlN壓電薄膜；3)采用電子束蒸發法制備叉指換能器IDT。本發明的優點是該高頻聲表面波器件頻率高、機電耦合系數高，能滿足高頻率和大功率移動通信的要求；該制備方法所用設備簡單、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。
文檔編號H03H9/02GK102611406SQ20121006427
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月13日 優先權日2012年3月13日
發明者陰聚乾, 陳希明 申請人:天津理工大學