CN102122937A

CN102122937A - 一种用于声表面波器件的高相速压电薄膜及其制备方法

Info

Publication number: CN102122937A
Application number: CN2011100878544A
Authority: CN
Inventors: 薛玉明; 杨保和; 宋殿友; 潘宏刚; 朱亚东; 刘君; 辛治军
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2011-04-08
Filing date: 2011-04-08
Publication date: 2011-07-13

Abstract

一种用于声表面波器件的高相速压电薄膜，由金刚石衬底和该衬底表面形成的一层立方氮化硼薄膜构成，所述立方氮化硼薄膜是厚度为0.4-0.6μm的纳米薄膜，其制备方法是：在MOCVD沉积系统的进样室，对金刚石衬底表面进行等离子体清洗，再采用磁控溅射工艺在金刚石衬底表面沉积一层立方氮化硼薄膜。本发明的优点是：本发明提供了一种用于高性能声表面波（SAW）器件的高相速压电薄膜，用其制备的SAW器件频率高（≥2.5GHz），且可以承受大功率（≥37dBm），可以满足高频率和/或大功率移动通信的要求；本发明提供的该高相速压电薄膜的制备方法，工艺条件方便易行，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

Description

一种用于声表面波器件的高相速压电薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及声表面波器件技术领域，特别是涉及一种用于高性能声表面波（SAW）器件的高相速压电薄膜及其制备方法。

背景技术

近年来，移动通信的飞速发展，使得无线电通信频带成为一个有限而宝贵的自然资源。对于移动通信系统，低于1GHz的频带已被占满（第一代数字系统）；第二代数字系统的频率从 900 MHz 到1.9 GHz；在第三代数字系统中，全球漫游游游频率范围为 l.8～2.2 GHz，卫星定位系统（GPS）频率为1.575 GHz，低地球轨道新卫星通信（LEO）的应用频率范围为1.6GHz～2.5GHz，因此，目前的移动通信系统的应用频率越来越高，急需高频的声表面波（SAW）滤波器，而且，移动通动通信装置都要求声表面波SAW滤波器尽量小型化以及具有较大的功率承受能力。

常规SAW材料，如石英、铌酸锂LiNbO₃、氧化锌ZnO等，声表面波相速较低，一般低于4000m/s，用其制作频率为2.5GHz的SAW器件，其叉指换能器（IDT）指宽d必须小于0.4μm，频率为5GHz的SAW器件所对应的IDT指宽d小于0.2μm，已经逼近目前半导体工业水平的极限，因此在生产中会遇到例如断指严重、可靠性差、成品率低、价格昂贵等各种问题，从而严重制约了SAW器件频率的进一步提高；而且，移动通信系统的发射端（TX）滤波器是对大功率信号滤波，如此细的IDT指宽d，电阻较大，会产生大量的耗散热，再加上这些常规SAW材料的热导率低，所以无法承受大功率，这使得由上述常规SAW材料制成的SAW器件很难满足高频率和/或大功率移动通信的要求。

因此，目前迫切需要开发出一种高相速压电薄膜，用于制备频率高，且可以承受大功率的SAW器件，可以满足高频率和/或大功率移动通信的要求。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种用于高性能声表面波（SAW）器件的高相速压电薄膜，用其制备的SAW器件频率高，且可以承受大功率，可以满足高频率和/或大功率移动通信的要求，此外，本发明还提供了一种用于高性能声表面波（SAW）器件的高相速压电薄膜的制备方法，该制备方法工艺条件方便易行，制备的产品可靠性强、成品率高且成本低，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

本发明的技术方案：

一种用于声表面波器件的高相速压电薄膜，由金刚石衬底和该衬底表面形成的一层立方氮化硼（c-BN）薄膜构成，所述立方氮化硼c-BN薄膜是厚度为0.4-0.6μm的纳米薄膜。

一种所述用于声表面波器件的高相速压电薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1）在MOCVD沉积系统的进样室，对金刚石衬底表面进行等离子体清洗；

2）在MOCVD沉积系统的进样室，采用磁控溅射工艺在金刚石衬底表面沉积一层立方氮化硼（c-BN）薄膜。

所述对金刚石衬底表面进行表面等离子体清洗方法为：金刚石衬底在氩气和氮气的混合气体氛围中进行等离子体处理，氩气和氮气的质量流量比为20:4，等离子体清洗电源的灯丝电压为60-80V，加速电压为80-120V。

所述在金刚石衬底表面沉积一层立方氮化硼（c-BN）薄膜的磁控溅射工艺参数为：本底真空度3×10^-4Pa、衬底旋转台转速80转/分钟、衬底温度600-1100℃、溅射功率250-450W、N₂流量50sccm、氩气流量10sccm、工作压强1.2Pa、溅射靶与衬底之间的靶距8cm、等离子体电源的灯丝电压60-80V、加速电压80-120V、沉积时间1-2小时。

本发明的原理分析：

为了满足高频率和/或大功率移动通信的要求，必须选用高声速、高弹性模量、高热导率、低密度的材料来制备SAW器件。在所有材料中，金刚石的弹性模量最高（弹性模量E=1200Gpa），密度较低（ρ=3.51 g/cm³），从而具有所有物质中最高的声速，用其制作的多层膜SAW器件，IDT指宽d是相同频率常规材料的2.5倍（例如，频率为2.5GHz的SAW器件对应的指宽d可大于1 μm，频率为5GHz的SAW器件对应的指宽d可大于0.5μm），而电阻只有常规材料的2/5，产生的耗的耗散热也只有常规材料的2/5，再加上金刚石的热导率在所有材料中最高，使得金刚石薄膜成为高频率、大功率SAW器件，即“压电薄膜/高声速薄膜”多层膜声表面波SAW器件中最理想的高声速材料。SAW器件的性能则由压电薄膜和金刚石衬底共同决定。

在“压电薄膜/高声速薄膜”多层膜SAW器件结构中，高声速薄膜用来传播声表面波，压电晶体薄膜用来实现电磁波与声表面波的能量转换。Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜III-N（如AlN、h-BN）在“压电薄膜/金刚石薄膜”多层膜结构中用作压电薄膜，来实现电磁波与声表面波的能量转换。

六方氮化硼h-BN和氮化铝AlN的相速比较高，分别为5648 m/s 和5600～6100 m/s，氧化锌ZnO和铌酸锂LiNbO₃的相速较低，分别为3485～4000 m/s和2600～3000 m/s。因此，“h-BN（或AlN）/金刚石”结构SAW器件的相速应该高于“ZnO/金刚石”和“LiNbO₃/金刚石”结构SAW器件的相速。这样，当叉指换能器指宽d相同时，SAW器件的频率可以达到更高。

但是h-BN和AlN的相速与金刚石的相速（12000～15000 m/s）差别较大，从而增大了该结构的速度频散，即相速度随频率不同变化较大。而立方氮化硼c-BN的相速很大（7000～8000 m/s），仅次于金刚石，而且还具有压电特性，因此在压电薄膜（h-BN或AlN）与金刚石之间增加一层c-BN薄膜，减小了压电薄膜和金刚石的相速差别，从而大大减小了该结构的速度频散，即相速度随频率不同变化很小。同时金刚石和c-BN薄膜的温度系数都很小，近似为零，因此，当SAW器件温度升高时，SAW器件的中心频率随温度升高而漂移很小。

本发明的优点是：与现有技术相比，本发明提供了一种用于高性能声表面波（SAW）器件的高相速压电薄膜，用其制备的SAW器件频率高（≥2.5 GHz），且可以承受大功率（≥37dBm），可以满足高频率和/或大功率移动通信的要求；本发明提供的该高相速压电薄膜的制备方法，工艺条件方便易行，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

附图说明

附图为在金刚石薄膜衬底上磁控溅射沉积c-BN时，傅立叶变换红外光谱仪FTIR的显示图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例1：

1）对金刚石衬底表面进行表面等离子体清洗

在MOCVD沉积系统的进样室，金刚石衬底在氩气和氮气的混合气体氛围中进行等离子体处理，氩气和氮气的质量流量比为20:4，等离子体清洗电源的灯丝电压为70V，加速电压为110V。该处理保证了样品表面的清洁和工艺的可靠性，同时也增强了随后沉积的薄膜与衬底间的结合强度，而且氮气对衬底表面的预处理有利于随后沉积c-BN薄膜时B与N的化合，从而有利于沉积高质量的c-BN薄膜。

2）在金刚石衬底上溅射沉积c-BN薄膜

在MOCVD沉积系统的进样室，在经过等离子体清洗后的金刚石衬底上沉积c-BN薄膜，磁控溅射工艺参数为：本底真空度3×10^-4Pa、衬底旋转台转速80转/分钟、衬底温度1000℃、溅射功率350W、N₂流量50sccm、氩气流量10sccm、工作压强1.2Pa、靶距8cm、等离子体电源的灯丝电压和加速电压分别为80V和120V、沉积时间2小时。所形成的c-BN薄膜厚度为0.56μm。

附图显示了在金刚石薄膜衬底上沉积c-BN的傅立叶变换红外光谱仪FTIR图。在波数为1340cm^-1附近有c-BN的吸收峰。

实施例2：

1）对金刚石衬底表面进行表面等离子体清洗

在MOCVD沉积系统的进样室，金刚石衬底在氩气和氮气的混合气体氛围中进行等离子体处理，氩气和氮气的质量流量比为20:4、等离子体清洗电源的灯丝电压为75V、加速电压为105V。该处理保证了样品表面的清洁和工艺的可靠性，同时也增强了随后沉积的薄膜与衬底间的结合强度，而且氮气对衬底表面的预处理有利于随后沉积c-BN薄膜时B与N的化合，从而有利于沉积高质量的c-BN薄膜。

2）在金刚石衬底上溅射沉积c-BN薄膜

在MOCVD沉积系统的进样室，在经过等离子体清洗的金刚石衬底上沉积c-BN薄膜，磁控溅射工艺参数为：本底真空度3×10^-4Pa、衬底旋转台转速80转/分钟、衬底温度950℃、溅射功率280W、N₂流量40sccm、氩气流量10sccm、工作压强1.4Pa、靶距7cm、等离子体电源的灯丝电压和加速电压分别为75V和110V、沉积时间2小时。所形成的c-BN薄膜厚度为0.49μm。

综上所述，与现有技术相比，本发明提供了一种用于高性能声表面波（SAW）器件的高相速压电薄膜，用其制备的SAW器件频率高，且可以承受大功率，可以满足高频率和/或大功率移动通信的要求，此外，本发明还提供了一种用于高性能声表面波（SAW）器件的高相速压电薄膜的制备方法，该制备方法工艺条件方便易行，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润。

Claims

1.一种用于声表面波器件的高相速压电薄膜，其特征在于：由金刚石衬底和该衬底表面形成的一层立方氮化硼（c-BN）薄膜构成，所述立方氮化硼c-BN薄膜是厚度为0.4-0.6μm的纳米薄膜。

2.一种如权利要求1所述用于声表面波器件的高相速压电薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述用于声表面波器件的高相速压电薄膜的制备方法，其特征在于：所述对金刚石衬底表面进行表面等离子体清洗方法为：金刚石衬底在氩气和氮气的混合气体氛围中进行等离子体处理，氩气和氮气的质量流量比为20:4，等离子体清洗电源的灯丝电压为60-80V，加速电压为80-120V。

4.根据权利要求2所述用于声表面波器件的高相速压电薄膜的制备方法，其特征在于：所述在金刚石衬底表面沉积一层立方氮化硼（c-BN）薄膜的磁控溅射工艺参数为：本底真空度3×10^-4Pa、衬底旋转台转速80转/分钟、衬底温度600-1100℃、溅射功率250-450W、N₂流量50sccm、氩气流量10sccm、工作压强1.2Pa、溅射靶与衬底之间的靶距8cm、等离子体电源的灯丝电压60-80V、加速电压80-120V、沉积时间1-2小时。