CN102122938A

CN102122938A - 一种用于高性能声表面波器件的压电薄膜及其制备方法

Info

Publication number: CN102122938A
Application number: CN2011100878559A
Authority: CN
Inventors: 薛玉明; 杨保和; 潘宏刚; 朱亚东; 刘君; 宋殿友; 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

一种用于高性能声表面波器件的压电薄膜，由金刚石衬底和该衬底表面形成的一层六方氮化硼薄膜构成，所述六方氮化硼薄膜是厚度为0.6-0.8μm的纳米薄膜；其制备方法是：在在MOCVD沉积系统的进样室，先对金刚石衬底表面进行表面等离子体清洗，然后采用磁控溅射工艺在金刚石衬底表面沉积一层六方氮化硼h-BN薄膜。本发明的优点是：提供了一种用于高性能声表面波（SAW）器件的压电薄膜，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。本发明还提供了该压电薄膜的制备方法，其工艺条件方便易行，有利于大规模推广应用，具有重大的生产实践意义。

Description

一种用于高性能声表面波器件的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器件的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器件的压电薄膜及其制备方法，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器件的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。

本发明的技术方案：

一种用于高性能声表面波器件的压电薄膜，由金刚石衬底和该衬底表面形成的一层六方氮化硼h-BN薄膜构成，所述六方氮化硼h-BN薄膜是厚度为0.6-0.8μm的纳米薄膜。

一种所述用于高性能声表面波器件的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表面等离子体清洗；

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六方氮化硼h-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：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60-80V、加速电压为80-120V。

所述在金刚石衬底表面沉积一层六方氮化硼h-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580℃、溅射功率250W、N₂流量45sccm、氩气流量10sccm、工作压强1.7Pa、溅射靶与衬底之间的靶距8cm、等离子体电源的灯丝电压和加速电压分别为60-80V和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属于六方晶系，具有与石墨类似的二维平面层状结构，在空气中非常稳定，具有高度的化学稳定性和热稳定性。更重要的是h-BN具有高声波传输速率和优良的透光性，可作为SAW器件中合适的压电薄膜。h-BN相速比氧化锌ZnO和铌酸锂LiNbO₃的高，因此，“h-BN/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；h-BN的相速较大，和金刚石的相速差别也较小，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；金刚石和h-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，此外，本发明还提供了一种用于高性能声表面波（SAW）器件的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。

附图说明

附图为在金刚石薄膜衬底上磁控溅射沉积h-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78V、加速电压为115V。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h-BN薄膜时B与N的化合，从而有利于沉积高质量的h-BN薄膜。

2）在金刚石衬底上溅射沉积h-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h-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580℃、溅射功率250W、N₂流量45sccm、氩气流量10sccm、工作压强1.7Pa、靶距8cm、等离子体电源的灯丝电压和加速电压分别为65V和90V、沉积时间90分钟。所形成的纳米h-BN薄膜厚度为0.67μm。

附图显示了在金刚石薄膜衬底上沉积h-BN的傅立叶变换红外光谱仪FTIR图。在波数为780cm^-1和1365cm^-1附近有h-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h-BN薄膜时B与N的化合，从而有利于沉积高质量的h-BN薄膜。

2）在金刚石衬底上溅射沉积h-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h-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670℃、溅射功率270W、N₂流量40sccm、氩气流量10sccm、工作压强1.5Pa、靶距7cm、沉积时间100分钟。所形成的纳米h-BN薄膜厚度为0.75μm。。

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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于高性能声表面波器件的压电薄膜，其特征在于：由金刚石衬底和该衬底表面形成的一层六方氮化硼h-BN薄膜构成，所述六方氮化硼h-BN薄膜是厚度为0.6-0.8μm的纳米薄膜。

2.一种如权利要求1所述用于高性能声表面波器件的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所述用于高性能声表面波器件的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：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60-80V、加速电压为80-120V。

4.根据权利要求2所述用于高性能声表面波器件的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六方氮化硼h-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580℃、溅射功率250W、N₂流量45sccm、氩气流量10sccm、工作压强1.7Pa、溅射靶与衬底之间的靶距8cm、等离子体电源的灯丝电压和加速电压分别为60-80V和80-120V、沉积时间1-2小时。