一種多層復合結構聲表面波器件基底的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于薄膜技術的聲表面波(SAW)器件襯底，尤其是涉及一種多層復合結構聲表面波器件基底。
【背景技術】
[0002]聲表面波(Surface Acoustics Wave，簡稱SAW)器件由于其高性能、低損耗、小型化等優點被廣泛的用于通信、傳感以及致動器等系統中。近年來，隨著現代移動無線通信的飛速發展，特別是半導體工藝水平的提高，基于SAW諧振器的雙工器和濾波器被大量的生產并應用于移動通信系統，使得無線電通信頻帶成為一個有限而寶貴的自然資源。新興的長期演進(Long Term Evolut1n:LTE)標準的頻率范圍從幾百MHz提高到3GHz，頻帶寬度從1MHz提高到90MHz，使得通信進入4G時代成為可能。因此，目前的移動通信系統的應用頻率越來越高、帶寬越來越大，急需高頻、高機電耦合系數的聲表面波濾波器。而聲表面波器件的頻率和帶寬主要取決于其壓電基底的聲速和機電耦合系數，因此為了滿足需求，目前國內外學者致力于尋找高聲速、高機電耦合系數的壓電材料和壓電基底結構。
[0003]在所有材料中，金剛石因具有最高的聲速(18000m/s)而成為最理想的襯底材料。雖然金剛石本身不具有壓電特性，而壓電薄膜結合金剛石襯底的層狀結構使之成為可能。對于常規的壓電材料，如石英、LiNb03、LiTa03、ZnO等，聲速較低，均低于4000m/s，限制了其在高頻應用。近年來，AlN薄膜因具有相對較高的聲速和較高的機電耦合系數而備受關注。
[0004]經對現有技術的文獻檢索發現，文獻“Low Propagat1n Loss ina One-Port SAW Resonator Fabricated on Single-Crystal Diamond forSuper-High-Frequency Applicat1ns(Satoshi Fujii et al., IEEE Transact1ns onUltrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, vol.60, n0.5, May 2013)，，報道了基于IDT/AIN/Diamond層狀結構的聲表面波器件能夠獲得1.2%的機電耦合系數，且聲速高達10000m/S。基于該層狀結構的SAW諧振器頻率高達5.3GHz，但是其機電耦合系數相對較小，限制了其在寬帶濾波器中的應用。而文獻“Theoretical investigat1n ofhigh velocity, temperature compensated Rayleigh waves along AlN/SiC substratesfor high sensitivity mass sensors(Cinzia Caliendo， Applied Physics Letters100，021905 (2012)) ”理論研宄了基于AlN/SiC基底的4種不同電極配置的聲表面波特性，其結果表明在埋入式電極(AlN/IDT/SiC)配置下，具有相對較大的機電耦合系數，且有更好的溫度補償。
[0005]此外，文獻“HighQ Surface Acoustic Wave Resonators in 2_3GHz Range UsingScAIN/Single Crystalline Diamond Structure(Ken-ya Hashimoto et al., UltrasonicsSymp0Sium(IUS), 2012)”提出采用鈧摻雜的氮化鋁(ScxAVxN)薄膜代替AlN薄膜的IDT/Sc/lhN/Diamond層狀結構，實驗表明基于該層狀結構的SAW器件其機電耦合系數能夠提高到5.48%，這說明采用鈧摻雜的氮化鋁薄膜能夠進一步提高機電耦合系數。
[0006]經過現有技術的文獻檢索和上述文獻的對比，我們發現采用埋入式電極結構和鈧摻雜的氮化鋁薄膜均能進一步的提高基底的機電耦合系數，這為制造更大帶寬且溫度穩定的SAW器件提供了可能。但是埋入式電極的邊緣不連續性會引起氮化鋁壓電薄膜階梯覆蓋不同步，這將導致壓電薄膜產生裂紋。若制作具有該埋入式電極的層狀結構，則很難獲得高質量、高取向性的氮化鋁薄膜。而制備高質量、高取向性的氮化鋁薄膜是實現高性能SAW器件的前提，因此，如何實現滿足SAW器件要求的具有埋入式電極的高質量氮化鋁壓電薄膜生長成為了亟待解決的關鍵問題。
【發明內容】
[0007]本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種高頻、高機電耦合系數、具有溫補效果的多層復合結構聲表面波器件基底。
[0008]本發明的目的可以通過以下技術方案來實現:
[0009]一種多層復合結構聲表面波器件基底，包括襯底、用于聲表面波器件的電極、氧化物薄膜和壓電薄膜，所述襯底、用于聲表面波器件的電極和壓電薄膜由下至上依次疊加設置，所述用于聲表面波器件的電極包括多個間隔設置的金屬電極，所述氧化物薄膜填充在相鄰金屬電極間的溝槽中，所述壓電薄膜淀積在平坦的氧化物薄膜頂層表面或電極和填充氧化物薄膜交替間隔組成的平坦表面。
[0010]所述壓電薄膜的材料包括氮化鋁AlN或鈧摻雜的氮化鋁合金薄膜ScxAlhN, x為鈧金屬摻雜所占的比例，0.32 < X < 0.48。
[0011]所述氧化物薄膜的材料包括Si02、TeO2, Ta2O5或S1F。
[0012]所述襯底的材料包括金剛石、藍寶石或6H_SiC。
[0013]所述金屬電極的材料包括Cu、Al、Au、Mo或Pt。
[0014]所述壓電薄膜的厚度為df，電極厚度為de，氧化物薄膜的厚度為dh，de、dh的關系為:dh彡de。
[0015]所述壓電薄膜為ScxAlhN,基于高機電耦合系數的優化參數:
[0016]若襯底為金剛石或6H_SiC，則厚度滿足0.4 λ彡df彡0.6 λ ；
[0017]若襯底為藍寶石，則厚度滿足0.5 λ彡df彡0.6 λ，λ為聲表面波的波長。
[0018]所述襯底為金剛石，壓電薄膜為AlN薄膜，基于高溫度穩定性的優化參數:
[0019]若氧化物薄膜為S12,則厚度滿足0.4 λ ^df ^0.55 λ, 0.005 λ彡dh彡0.05 λ ;
[0020]若氧化物薄膜為Ta2O5,則其厚度滿足0.1 λ彡df彡0.25 λ，0.01 λ彡dh彡0.1 λ ;
[0021]若氧化物薄膜為TeO2,則厚度滿足 0.85 λ ^ df ^ I λ , 0.001 λ < dh < 0.05 λ ;
[0022]若氧化物薄膜為5丨0?，則厚度滿足0.15人彡(^彡0.3人，0.015人彡(111彡0.18入；λ為聲表面波的波長。
[0023]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0024](I)本發明采用S12類氧化物薄膜填充相鄰金屬電極之間的溝槽中，不僅可以制備高質量、高取向性的ScxAlhN壓電薄膜，而且具有溫補效果；
[0025](2)本發明采用AlN壓電薄膜，AlN電薄膜彈性勁度常數的一階溫度系數的符號與常用襯底材料相反，可實現零頻率溫度系數；
[0026](3)本發明采用鈧摻雜的氮化鋁(ScxAlhN)薄膜結合金剛石襯底的埋入式電極結構能夠使進一步將SAW基底的機電耦合系數提高到14.5%，這使得聲表面波高頻器件的應用于超帶寬領域成為可能。
[0027](4)本發明提供的聲表面波器件基底具有高聲速、高機電耦合系數，基于該基底制作的SAW器件能滿足高頻率和大帶寬移動通信的要求；
[0028](5)本發明基底為多層復合結構，容易制備和批量生產，具有重大的生產實踐意義。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明的結構示意圖，其中，(Ia)為本發明剖視圖，(Ib)為本發明間隔電極的設置和溝槽示意圖；
[0030]圖2為本發明在實施例1的不同的歸一化ScxAlhN膜厚(df/ λ )下瑞利波的波速和機電耦合系數曲線；
[0031]圖3為本發明在實施例1的不同的歸一化ScxAlhN膜厚(df/λ )、不同的歸一化電極厚度(de/λ)下瑞利波的波速和機電耦合系數曲線，其中，(3a)為波速曲線，(3b)為機電耦合系數曲線；
[0032]圖4為本發明在實施例2的不同的歸一化ScxAlhN膜厚(df/ λ )下瑞利波的波速和機電耦合系數曲線；
[0033]圖5為本發明在實施例2的不同的歸一化ScxAlhN膜厚(df/λ )、不同的歸一化電極厚度(de/λ)下瑞利波的波速和機電耦合系數曲線，其中，(5a)為波速曲線，(5b)為機電耦合系數曲線；
[0034]圖6為本發明在實施例3的不同的歸一化ScxAlhN膜厚(df/ λ )下瑞利波的波速和機電耦合系數曲線；
[0035]圖7為本發明在實施例3的不同的歸一化ScxAlhN膜厚(df/λ )、不同的歸一化電極厚度(de/λ)下瑞利波的波速和機電耦合系數曲線，其中，(7a)為波速曲線，(7b)為機電耦合系數曲線；
[0036]圖8為本發明在實施例4的不同的歸一化ScxAlhN膜厚(df/ λ )下西沙瓦波的波速和機電耦合系數曲線；
[0037]圖9為本發明在實施例4的不同的歸一化ScxAlhN膜厚(df/λ )、不同的歸一化電極厚度(de/λ)下西沙瓦波的波速和機電耦合系數曲線，其中，(9a)為波速曲線，(9b)為機電耦合系數曲線；
[0038]圖10為本發明在實施例5的不同的電極材料、不同的歸一化電極厚度(de/λ)下瑞利波的機電耦合系數曲線；
[0039]圖11為本發明在實施例5的不同的電極材料、不同的歸一化電極厚度(de/λ)下西沙瓦波的機電耦合系數曲線。
【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。本實施例以本發明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0041]實施例1
[0042]如圖1所示，本實施例提供一種新型高頻、高機電耦合系數、具有溫補效果的多層復合結構聲表面波器件基底，包括襯底10、用于聲表面波器件的電極11、氧化物薄膜12和壓電薄膜14，襯底厚度為ds，壓電薄膜的厚度為df，電極的厚度為de，氧化物薄膜的厚度為dh，聲表面波的波長為λ。襯底10、用于聲表面波器件的電極11和壓電薄膜14由下至上依次疊加設置，用于聲表面波器件的電極11包括多個間隔設置的金屬電極，氧化物薄膜12填充在相鄰金屬電極間的溝槽13中(如圖(Ib)所示)，所述壓電薄膜淀積在平坦的氧化物薄膜頂層表面或電極和填充氧化物薄膜交替間隔組成的平坦表面。所述用于聲表面波器件的電極11包括叉指電極、反射電極、柵式電極等。
[0043]本實施例中，襯底10為金剛石襯底，電極11的材料為Cu，氧化物薄膜12為S12薄膜，壓電薄膜14為ScxAlhN薄膜，X為鈧金屬摻雜所占的比例，0.32 ^ X ^ 0.48，de、dh滿足關系:dh = de或者dh略大于delO?20納米。
[0044]圖2為當de = 0.055 λ，時，該聲表面波器件的基底在不同的歸一化ScxAl 1_χΝ膜厚(df/λ)下一階瑞利波的波速和機電耦合系數曲線，圖中顯示該聲表面波的波速隨著ScxAlhN膜厚的增加而單調減小，波速范圍為3.5-6.5km/s ;而其機電耦合系數隨著膜厚的增加，先增加后減小，在df = 0.48 λ時，機電耦合系數取值最大:12.5%。
[0045]圖3為當df = 0.4 λ，0.5