CN100468965C - LiNbO3/ZnO/金刚石多层膜结构声表面波器件及其制备方法 - Google Patents
LiNbO3/ZnO/金刚石多层膜结构声表面波器件及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种LiNbO3/ZnO/金刚石多层膜结构声表面波器件及制备方法。所说的多层膜结构声表面波器件是在CVD金刚石膜和LiNbO3薄膜之间有高C-轴择优取向的纳米ZnO中间层。这种LiNbO3/ZnO/金刚石多层膜结构声表面波器件的制备方法，是在CVD金刚石膜表面溅射高C-轴择优取向的纳米ZnO薄膜，而后在纳米ZnO薄膜表面溅射高C-轴择优取向的LiNbO3薄膜。本发明的有益效果是：采用高C-轴择优取向的纳米ZnO作为CVD金刚石和LiNbO3薄膜之间的中间层，可得到平整光滑、结晶度好的高C-轴择优取向的优质LiNbO3纳米膜。该薄膜结构可满足高频、高机电耦合系数、大功率声表面波(SAW)器件等领域的应用需求。
Description
【技术领域】
本发明涉及声表面波器件，特别是一种可用于高频、高机电耦合系数、大功率声表面波(SAW)器件等领域的LiNbO3/ZnO/金刚石多层膜结构声表面波器件及其制备方法。
【背景技术】
近年来，移动通信迅猛发展，使无线电通信频带成为一个有限而宝贵的自然资源，移动通信系统，在第三代数字系统中，全球漫游频率范围为1.8-2.2GHz，卫星定位系统(GPS)1.575GHz；低地球轨道新卫星通信(LEO)应用频率从1.6GHz到2.5GHz，急需高频声表面波(SAW)滤波器。高频SAW滤波器还应用在高频系统的中间频率(IF)滤波中(例如，高比特率无线LANs)。另外，高速数字光纤传输技术发展迅速，光通信的容量平均每2.4年就增长一倍。急需2.5GHz以上高频SAW重新定时滤波器(retiming filter)。除了高频外，移动通信装置也都要求高机电耦合系数、尽量小型化以及大的功率承受能力。
现有常规SAW材料(例如，石英、LiNbO3、LiTaO3等)，声速较低(均低于4000m/s)，用其制作2.5GHz的SAW器件，其IDT指宽d必须小于0.4μm，5GHz对应的指宽d小于0.2μm，逼近目前半导体工业水平的极限，造成断指严重，成品率太低，严重制约了SAW器件频率的进一步提高；而且，发射端(TX)滤波器是对大功率信号滤波，如此细的指宽d，电阻较大，会产生大量的耗散热，加之以上常规SAW材料热导率很低，所以承受大功率是不可能的。而选择高弹性摸量、低密度、高热导率的材料就成了最佳选择。
金刚石具有很多独一无二的优异特性，金刚石具有所有物质中最高的弹性摸量，较低的材料密度(ρ＝3.51g/cm3)，从而声速在所有物质中最高，“压电薄膜/金刚石”多层膜结构SAW器件可在很高频率范围工作(1～10GHz)。2.5GHz对应的指宽d可以大于1μm，5GHz对应的指宽d可以大于0.5μm，10GHz对应的指宽d可以大于0.25μm，指宽d是相同频率常规材料的2.5倍，电阻只有常规材料的2/5，产生的耗散热也只有常规材料的2/5；加上金刚石具有所有物质中最高的热导率，它的热扩散率是铜的5倍，是LiTaO3的400倍，所以，金刚石多层膜结构SAW器件具有大功率通信的能力，是具有发展潜力的性能优异的高频、大功率SAW器件。
然而，金刚石的本身并不是压电材料，无法进行电磁波与声表面波的能量转换，因此需要在其上面沉积一层压电薄膜(如ZnO、LiNbO3、AlN等)，制成多层膜SAW器件。SAW的性能则由压电薄膜和金刚石衬底共同决定。
现有技术中，中国专利申请2005100139015公开了一种适用SAW器件的纳米金刚石薄膜及其相应的制备方法，该纳米金刚石薄膜采用气相化学沉积(chemical vapor deposition，简称CVD)方法，用Ar/O2/CH4/H2混合气体，利用MPCVD系统制备，得到的纳米金刚石膜具有高弹性模量和C-轴择优取向，可用来制备以C-轴取向纳米金刚石膜为衬底的、高频、大功率声表面波(SAW)器件等。
计算机模拟结果表明“LiNbO3/金刚石”多层薄膜体系相速度达到11890m/s，比用常规SAW材料制作的SAW器件频率高4-5倍，机电耦合系数K2理论计算可高达9％，也比用其它SAW材料制作的SAW器件频率高4-5倍。但在CVD金刚石上制备高C-轴择优取向的LiNbO3薄膜非常困难。因为膜厚15—20μm的CVD金刚石，其晶粒线度为150—200nm就很困难，而且在择优取向上，虽是C-轴择优取向，但不是高C-轴择优取向，用溅射法在CVD金刚石上制备晶粒线度为40—80nm的高C-轴择优取向的LiNbO3薄膜非常困难。而用脉冲激光沉积法沉积的LiNbO3薄膜晶粒线度很不均匀。
【发明内容】
本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，而提供一种LiNbO3/ZnO/金刚石多层膜结构声表面波器件及其制备方法，该方案用高C-轴择优取向的纳米ZnO作为CVD金刚石膜和LiNbO3薄膜之间的中间层；通过使用超高真空射频磁控溅射系统，在CVD金刚石膜表面依次溅射高C-轴择优取向的纳米ZnO薄膜和高C-轴择优取向的纳米LiNbO3薄膜。
为实现上述发明目的，本发明公开了一种LiNbO3/ZnO/金刚石多层膜结构声表面波器件，其特征在于所说的多层膜结构声表面波器件是在CVD金刚石膜和LiNbO3薄膜之间有高C-轴择优取向的纳米ZnO中间层。
本发明还公开了这种LiNbO3/ZnO/金刚石多层膜结构声表面波器件的制备方法，其特征在于所说的方法是在CVD金刚石膜表面溅射高C-轴择优取向的纳米ZnO薄膜，而后在纳米ZnO薄膜表面溅射高C-轴择优取向的LiNbO3薄膜。
本发明的有益效果是：本发明用高C-轴择优取向的纳米ZnO作为CVD金刚石和LiNbO3薄膜之间的中间层，可得到平整光滑、结晶度好的高C-轴择优取向的优质LiNbO3纳米膜，。该薄膜结构可满足高频、高机电耦合系数、大功率声表面波(SAW)器件等领域的应用需求。
【具体实施方式】
本发明LiNbO3/ZnO/金刚石多层膜结构声表面波器件，是在CVD金刚石和LiNbO3薄膜之间有高C-轴择优取向的纳米ZnO中间层。其中：CVD金刚石膜为纳米金刚石膜，其晶粒线度为150—200nm，膜厚15—20μm；在CVD金刚石膜表面的ZnO纳米膜，其晶粒线度为30—60nm，膜厚0.10—0.20μm；在ZnO纳米膜表面的LiNbO3薄膜是纳米膜，其晶粒线度为40—80nm，膜厚0.6—1.0μm。
本发明适用于高频、高机电耦合系数、大功率多层膜结构声表面波(SAW)器件的制备，是在CVD金刚石膜表面溅射一层极薄的高C-轴择优取向的纳米ZnO薄膜，在高C-轴择优取向的纳米ZnO薄膜表面溅射高C-轴择优取向的LiNbO3薄膜。
实例1：
①在镜面抛光硅衬底上，在比例为70％Ar:27％H2:3％CH4混合气的气氛中，在微波功率5000W，沉积腔压强80乇，混合气流量600sccm和基底温度750℃条件下，沉积2小时；
②调节基底温度，使基底温度在2小时内从750℃降低到600℃；并且在降低基底温度开始的同时加入氧气，并使气体比例在15分钟内改变为：10％Ar:86.5％H2∶1.5％O2:2％CH4；共沉积2小时；
③在Ar气氛下进行4～5小时400℃回火处理，制得C-轴择优取向的纳米金刚石膜；
④使用超高真空射频磁控溅射系统，在得到的CVD金刚石膜表面溅射一层极薄的纳米ZnO薄膜，薄膜晶粒线度40nm，膜厚0.12μm。在纯氧气氛中，在500℃温度下，退火1.5小时，形成高C-轴择优取向的纳米ZnO薄膜；
⑤使用超高真空射频磁控溅射系统，在Ar:O2＝15:1气氛中，衬底温度500℃，射频功率60W，直流偏压电场7V/cm，在高C-轴择优取向的纳米ZnO薄膜表面，制备高C-轴择优取向的LiNbO3薄膜，它为压电材料，是产生声表面波(SAW)的薄膜。在ZnO纳米膜表面的LiNbO3薄膜是纳米膜，其晶粒线度为70nm，膜厚0.9μm。
实例2：
重复上述①-③步骤，制备纳米CVD金刚石膜；
④使用超高真空射频磁控溅射系统，在得到的CVD金刚石膜表面溅射一层极薄的纳米ZnO薄膜，薄膜晶粒线度50nm，膜厚0.15μm，在纯氧气氛中，在600℃温度下，退火1.0小时，形成高C-轴择优取向的纳米ZnO薄膜，
⑤使用超高真空射频磁控溅射系统，在Ar:O2＝15:1气氛中，衬底温度450℃，射频功率55W，直流偏压电场7V/cm，在高C-轴择优取向的纳米ZnO薄膜表面，制备高C-轴择优取向的LiNbO3薄膜。在ZnO纳米膜表面的LiNbO3薄膜是纳米膜，其晶粒线度为50nm，膜厚0.7μm。
本发明增加一层高C-轴择优取向的纳米ZnO薄膜是由于：C-轴取向LiNbO3和C-轴取向ZnO都属于六角密排晶格，晶格基矢a1(ZnO)/a1(LiNbO3)≈2/3。而在高C-轴择优取向的ZnO薄膜上较易生成高C-轴择优取向的LiNbO3薄膜。
外加电场7V/cm的作用是引入一个静电能，使静电能取代界面能而成为决定总自由能改变量的主要项，使静电能的影响超过界面能的影响，使LiNbO3较易生成高C-轴择优取向的薄膜。
Claims (4)
1.一种LiNbO3/ZnO/金刚石多层膜结构声表面波器件，其特征在于所说的多层膜结构声表面波器件是在CVD金刚石膜和LiNbO3薄膜之间有高C-轴择优取向的纳米ZnO中间层；所说的CVD金刚石膜为纳米金刚石膜，其晶粒线度为150—200nm，膜厚15—20μm；所说的在CVD金刚石膜表面的ZnO纳米膜，其晶粒线度为30—60nm，膜厚0.10—0.20μm；所说的在ZnO纳米膜表面的LiNbO3薄膜是纳米膜，其晶粒线度为40—80nm，膜厚0.6—1.0μm。
2.一种权利要求1的LiNbO3/ZnO/金刚石多层膜结构声表面波器件的制备方法，其特征在于所说的方法是在纳米CVD金刚石膜表面溅射高C-轴择优取向的纳米ZnO薄膜，而后再在纳米ZnO薄膜表面溅射高C-轴择优取向的LiNbO3薄膜。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于所说的在纳米CVD金刚石膜表面溅射高C-轴择优取向的纳米ZnO薄膜，是使用超高真空射频磁控溅射系统，在纳米CVD金刚石膜表面溅射纳米ZnO薄膜，后在纯氧气氛中，在600℃温度下，退火1小时，形成高C-轴择优取向的纳米ZnO薄膜；
4.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于所说的在纳米ZnO薄膜表面溅射高C-轴择优取向的LiNbO3薄膜，是使用超高真空射频磁控溅射系统，在Ar:O2＝15:1气氛中，衬底温度400—500℃，射频功率50—70W，直流偏压电场7V/cm条件下，在高C-轴择优取向的纳米ZnO薄膜表面，制备高C-轴择优取向的LiNbO3薄膜。
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