CN102286722B - 氧化锌/类金刚石声表面波器件复合薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

类金刚石（diamond-likecarbon,DLC）薄膜具有高声速和光滑表面，是声表面波器件的理想衬底材料，c轴择优取向的氧化锌（ZnO）薄膜具有压电性能。本发明涉及声表面波器件，提供了一种可用于高频、高机电耦合系数、大功率声表面波器件领域的ZnO/DLC声表面波器件复合薄膜结构的制备方法。本发明采用脉冲激光等离子体沉积技术，以石墨和氧化锌为靶材，首先在硅基片上沉积类金刚石薄膜，进而在类金刚石薄膜上沉积一层具有高c轴择优取向的ZnO薄膜，获得可用于薄膜声表面波器件的ZnO/DLC复合薄膜结构。本发明制备工艺简单、易行，该ZnO/DLC复合薄膜结构可用于制作低插入损耗、高频和大功率声表面波器件。

Description

氧化锌/类金刚石声表面波器件复合薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及声表面波器件的制备方法，特别是一种可用于高频、低插入损耗、大功率声表面波器件领域的ZnO/DLC声表面波器件复合薄膜结构的制备方法。

背景技术

近年来，随着大容量数据传输的需求以及卫星通信、移动通信、光纤通信的快速发展，声表面波（SAW）器件的需求与日俱增，且使用频率不断提高，已由最初的MHz级发展到现在的GHz级，这些高频应用系统的不断发展增加了高频器件的技术难度。SAW器件频率正比于材料的声传播速度，反比于叉指换能器的周期，传统的SAW材料（如石英、铌酸锂等）声速较低，用其制作GHz的SAW器件，其IDT的电极宽度必须小于1μm，逼近目前半导体工业技术水平，而且实际中经常遇到叉指换能器断裂，造成SAW器件可靠性差、功率耐久性较低等问题，严重制约了器件频率的进一步提高。

为适应声表面波器件逐步向高频化、小型化、轻质化方向发展，人们提出了薄膜声表面波器件的概念，其研究和应用也备受关注。与块体压电单晶制备的声表面波器件相比，薄膜声表面波器件的声表面波传输特性由压电薄膜和高声速衬底共同决定。在现有制作工艺水平的前提下，叉指换能器宽度不能无限制地微细化，因而选择高弹性模量、低密度、高热导率的衬底材料成为提高薄膜声表面波器件性能和寿命的主要途径。金刚石具有最高的硬度和弹性模量、室温下极高的热导率和电阻率，最高的声波速度（高于10000m/s）。用其制作2.45GHz的高频SAW器件，其叉指换能器电极宽度可放宽到1μm。但通常制备的金刚石薄膜表面比较粗糙，不利于叉指换能器的制备，会引起声表面波的散射，产生能量损耗，增大插入损耗，从而严重影响器件的性能。且金刚石硬度高化学稳定，通过机械、化学抛光等手段处理非常困难，极大地限制了金刚石SAW器件的应用。相比金刚石，类金刚石是一种亚稳态的非晶碳，其结构、物理化学性质接近于金刚石，具有一系列类似于金刚石的多种优异性能，如高硬度、高弹性模量、低摩擦系数、高耐磨耐蚀性、高热导率、良好的绝缘性和化学稳定性，可在室温下大面积制备，并具有非常光滑的表面可降低声表面波的散射。因此，类金刚石（diamond-like carbon,DLC）薄膜是制备高频、高功率、低插入损耗的薄膜声表面波器件的理想衬底材料。由于类金刚石本身不是压电材料，无法激发出和接收表面波，因此需要在其上面沉积一层压电薄膜制成薄膜声表面波器件。中国专利CN1750392A公布了薄膜声表面波器件的非晶金刚石增频衬底及其制备方法，通过采用过滤阴极真空电弧沉积系统在单晶硅片上沉积厚度50-3000nm的非晶金刚石薄膜，并可用于超高频薄膜声表面波器件上。

ZnO具有高机电耦合系数和低介电常数，是一种用于声表面波器件的理想压电材料。为实现ZnO薄膜在声表面波器件上的应用，关键在于制备出高质量、表面平整、晶体缺陷少、具有高度c轴择优取向的ZnO压电薄膜，以尽量降低声波传播过程中的散射，减小损耗。但是现有技术尚无将氧化锌和类金刚石作为声表面波器件复合薄膜的相关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单可靠的氧化锌/类金刚石声表面波器件复合薄膜的制备方法，解决了叉指换能器宽度不能无限制地微细化和金刚石薄膜粗糙度大难以应用于实际的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种氧化锌/类金刚石声表面波器件复合薄膜的制备方法，是采用脉冲激光等离子体沉积技术，以石墨和氧化锌为靶材，在硅基片上沉积氧化锌/类金刚石复合薄膜，具体包括以下步骤：

步骤1、对硅基片表面进行清洗处理，具体为：将单晶硅片放入丙酮或酒精中利用超声清洗机进行超声清洗，冷风吹干；

步骤2、将表面清洗干净的硅基片送入真空室，使用机械泵和分子泵对真空室抽真空；其中真空室抽真空后的真空度小于或等于3×10^-3Pa；

步骤3、采用脉冲激光沉积系统，向真空室内通入工作气体，通过激光烧蚀石墨靶材，在硅基片上沉积类金刚石薄膜；其中向真空室内通入工作气体为氩气或氢气，通入气体后的压强为0.5－30Pa；烧蚀石墨靶材时，石墨靶材与单晶硅基片的距离为40－80mm，基片温度为25－500℃，靶材和基片自转速度5－15转/分钟，激光能量为100－300mJ，激光脉冲频率为1－10Hz；

步骤4、类金刚石薄膜沉积结束后，采用氧化锌靶材并调节氧化锌靶材与单晶硅基片的距离，之后向真空室内通入高纯氧气，通过激光烧蚀氧化锌靶材，在类金刚石薄膜上进一步沉积c轴择优取向的氧化锌薄膜；其中氧化锌靶材与单晶硅基片的距离为40－80mm，向真空室内通入高纯氧气后的工作压强为1－30Pa，激光烧蚀氧化锌靶材时基片温度为200－500℃，靶材和基片自转速度5－20转/分钟，激光能量150－350mJ，激光脉冲频率1－10Hz；

步骤5、在真空室内，在O₂气氛下对制备的氧化锌薄膜进行退火处理；退火时气压为10－100Pa，退火温度400－500℃，退火时间0.5－1h；

步骤6、实验结束后，关闭激光器、衬底加热器，并停止气体通入，待样品冷却到室温取出。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：采用脉冲激光沉积系统同时实现高声速类金刚石薄膜和c-轴取向的ZnO压电薄膜沉积，制备工艺简单、易行，成本低廉；所制备的类金刚石薄膜表面平整光滑，可以大大降低声波在传播过程中的损耗；可以得到表面光滑、高结晶度和高c-轴取向的ZnO压电薄膜；该ZnO/DLC复合薄膜结构可用于制作高性能、高频和大功率声表面波器件。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

附图为本发明的氧化锌/类金刚石声表面波器件复合薄膜的制备方法流程图。

具体实施方式

类金刚石薄膜具有高弹性模量和光滑表面，适合于声表面波器件增频的需要；c-轴取向的ZnO薄膜具有压电性能可用于声表面波器件；脉冲激光沉积方法具有沉积速率快、杂质含量低、薄膜生长质量高等优点，可用于制备高质量的类金刚石薄膜和ZnO薄膜。本发明的一种ZnO/DLC声表面波器件复合薄膜的制备方法，采用脉冲激光等离子体沉积技术，以石墨和氧化锌为靶材，通过控制生长条件，在硅基片上沉积ZnO/DLC复合薄膜，具体包括以下步骤：

步骤1、对硅基片表面进行清洗处理；具体为：将单晶硅片放入丙酮或酒精中利用超声清洗机进行超声清洗，冷风吹干。

步骤2、将表面清洗干净的硅基片送入真空生长腔，使用高纯石墨和氧化锌为靶材并将其安装在生长腔内；使用机械泵和分子泵对真空生长腔抽真空；抽真空后的真空度小于或等于3×10^-3Pa。

步骤3、采用脉冲激光沉积系统，向真空室内通入工作气体，通过激光烧蚀石墨靶材，在硅基片上沉积类金刚石薄膜；向真空室内通入工作气体为氩气或氢气，通入气体后的压强为0.5－30Pa；烧蚀石墨靶材时，石墨靶材与单晶硅基片的距离为40－80mm，基片温度为25－500℃，靶材和基片自转速度5－15转/分钟，激光能量为100－300mJ，激光脉冲频率为1－10Hz。

步骤4、类金刚石薄膜沉积结束后，选择氧化锌靶材并调节氧化锌靶材与单晶硅基片的距离，之后向真空室内通入高纯氧气，通过激光烧蚀氧化锌靶材，在类金刚石薄膜上进一步沉积c轴择优取向的氧化锌薄膜；氧化锌靶材与单晶硅基片的距离为40－80mm，向真空室内通入高纯氧气后的工作压强为1－30Pa，激光烧蚀氧化锌靶材时基片温度为200－500℃，靶材和基片自转速度5－20转/分钟，激光能量150－350mJ，激光脉冲频率1－10Hz。

步骤5、在真空生长腔内，在O₂气氛下对制备的氧化锌薄膜进行退火处理；退火时气压为10－100Pa，退火温度400－500℃，退火时间0.5－1h。

步骤6、沉积和退火结束后，关闭激光、衬底加热和气体，待样品冷却到室温取出。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例1：

采用波长为248纳米的准分子脉冲激光系统在Si(100)上沉积ZnO/DLC复合薄膜结构，具体操作步骤为：

步骤1、选择单晶Si(100)作为衬底基片，将其放入酒精中利用超声清洗机进行超声清洗15分钟，冷风吹干、以供使用。

步骤2、将清洗好的单晶Si(100)衬底基片固定在脉冲激光沉积系统的衬底台上，使用高纯石墨和氧化锌为靶材并将其安装在生长腔内；利用机械泵和分子泵对生长腔抽真空至本底真空度等于1×10^-3Pa。

步骤3、待达到本底真空时，打开气阀向生长腔内通入高纯氩气，通过脉冲激光烧蚀石墨靶材，在单晶Si(100)上沉积类金刚石薄膜。石墨靶材与单晶硅基片的距离为60mm；工作压强为0.5Pa；基片温度为25℃；石墨靶材和基片自转速度5转/分钟；激光能量300mJ；脉冲频率2Hz；沉积脉冲次数为6000次。

步骤4、类金刚石薄膜沉积结束后，旋转靶材支架并选择氧化锌靶材，重新调整沉积工艺参数，通过激光烧蚀氧化锌靶材和控制生长条件，在类金刚石薄膜上进一步沉积c轴择优取向的氧化锌薄膜。氧化锌靶材与单晶硅基片的距离为60mm；关闭氩气向真空室内通入高纯氧气，工作压强为30Pa；基片温度为500℃；氧化锌靶材和基片自转速度5转/分钟；激光能量350mJ；脉冲频率5Hz；沉积脉冲次数为10000次。

步骤5、氧化锌薄膜沉积结束后，在生长腔内、100Pa的O₂气氛下对制备的ZnO薄膜进行30分钟、400℃的退火处理。

步骤6、沉积和退火结束后，关闭激光、衬底加热和气体，待样品冷却到室温取出。

对在单晶Si(100)上沉积的ZnO/DLC复合薄膜进行了微观结构分析，类金刚石膜的拉曼谱线在1100－1700cm^-1范围内都有一个不完全对称、宽散的类金刚石特征峰，XRD表明ZnO薄膜具有（002）c轴择优取向。

实施例2：

采用波长为248纳米的准分子脉冲激光系统在Si(100)上沉积ZnO/DLC复合薄膜结构，具体操作步骤为：

步骤1、选择单晶Si(100)作为衬底基片，将其放入酒精中利用超声清洗机进行超声清洗10分钟，冷风吹干、以供使用。

步骤2、将清洗好的单晶Si(100)衬底基片固定在脉冲激光沉积系统的衬底台上，使用高纯石墨和氧化锌为靶材并将其安装在生长腔内；利用机械泵和分子泵对生长腔抽真空至本底真空度等于1×10^-3Pa。

步骤3、待达到本底真空时，打开气阀向生长腔内通入高纯氩气，通过脉冲激光烧蚀石墨靶材，在单晶Si(100)上沉积类金刚石薄膜。石墨靶材与单晶硅基片的距离为80mm；工作压强为20Pa；基片温度为500℃；石墨靶材和基片自转速度5转/分钟；激光能量100mJ；脉冲频率1Hz；沉积脉冲次数为4000次。

步骤4、类金刚石薄膜沉积结束后，旋转靶材支架并选择氧化锌靶材，重新调整沉积工艺参数，通过激光烧蚀氧化锌靶材和控制生长条件，在类金刚石薄膜上进一步沉积c轴择优取向的氧化锌薄膜。氧化锌靶材与单晶硅基片的距离为60mm；关闭氩气向真空室内通入高纯氧气，工作压强为13Pa；基片温度为300℃；氧化锌靶材和基片自转速度5转/分钟；激光能量150mJ；脉冲频率10Hz；沉积脉冲次数为8000次。

步骤5、氧化锌薄膜沉积结束后，在生长腔内、100Pa的O₂气氛下对制备的ZnO薄膜进行60分钟、500℃的退火处理。

步骤6、沉积和退火结束后，关闭激光、衬底加热和气体，待样品冷却到室温取出。

对在单晶Si(100)上沉积的ZnO/DLC复合薄膜进行了微观结构分析，类金刚石膜的拉曼谱线在1100－1700cm^-1范围内都有一个不完全对称、宽散的类金刚石特征峰，XRD表明ZnO薄膜具有（002）c轴择优取向。

实施例3：

采用波长为248纳米的准分子脉冲激光系统在Si(100)上沉积ZnO/DLC复合薄膜结构，具体操作步骤为：

步骤1、选择单晶Si(100)作为衬底基片，将其放入酒精中利用超声清洗机进行超声清洗15分钟，冷风吹干、以供使用。

步骤2、将清洗好的单晶Si(100)衬底基片固定在脉冲激光沉积系统的衬底台上，使用高纯石墨和氧化锌为靶材并将其安装在生长腔内；利用机械泵和分子泵对生长腔抽真空至本底真空度等于1×10^-3Pa。

步骤3、待达到本底真空时，打开气阀向生长腔内通入高纯氢气，通过脉冲激光烧蚀石墨靶材，在单晶Si(100)上沉积类金刚石薄膜。石墨靶材与单晶硅基片的距离为40mm；工作压强为30Pa；基片温度为100℃；石墨靶材和基片自转速度10转/分钟；激光能量200mJ；脉冲频率10Hz；沉积脉冲次数为4000次。

步骤4、类金刚石薄膜沉积结束后，旋转靶材支架并选择氧化锌靶材，重新调整沉积工艺参数，通过激光烧蚀氧化锌靶材和控制生长条件，在类金刚石薄膜上进一步沉积c轴择优取向的氧化锌薄膜。氧化锌靶材与单晶硅基片的距离为60mm；关闭氩气向真空室内通入高纯氧气，工作压强为1Pa；基片温度为200℃；氧化锌靶材和基片自转速度5转/分钟；激光能量250mJ；脉冲频率1Hz；沉积脉冲次数为5000次。

步骤5、氧化锌薄膜沉积结束后，在生长腔内、50Pa的O₂气氛下对制备的ZnO薄膜进行30分钟、500℃的退火处理。

步骤6、沉积和退火结束后，关闭激光、衬底加热和气体，待样品冷却到室温取出。

对在单晶Si(100)上沉积的ZnO/DLC复合薄膜进行了微观结构分析，类金刚石膜的拉曼谱线在1100－1700cm^-1范围内都有一个不完全对称、宽散的类金刚石特征峰，XRD表明ZnO薄膜具有（002）c轴择优取向。

实施例4：

采用波长为248纳米的准分子脉冲激光系统在Si(100)上沉积ZnO/DLC复合薄膜结构，具体操作步骤为：

步骤1、选择单晶Si(100)作为衬底基片，将其放入酒精中利用超声清洗机进行超声清洗20分钟，冷风吹干、以供使用。

步骤2、将清洗好的单晶Si(100)衬底基片固定在脉冲激光沉积系统的衬底台上，使用高纯石墨和氧化锌为靶材并将其安装在生长腔内；利用机械泵和分子泵对生长腔抽真空至本底真空度等于1×10^-3Pa。

步骤3、待达到本底真空时，打开气阀向生长腔内通入高纯氩气，通过脉冲激光烧蚀石墨靶材，在单晶Si(100)上沉积类金刚石薄膜。石墨靶材与单晶硅基片的距离为40mm；工作压强为20Pa；基片温度为100℃；石墨靶材和基片自转速度10转/分钟；激光能量100mJ；脉冲频率2Hz；沉积脉冲次数为6000次。

步骤4、类金刚石薄膜沉积结束后，旋转靶材支架并选择氧化锌靶材，重新调整沉积工艺参数，通过激光烧蚀氧化锌靶材和控制生长条件，在类金刚石薄膜上进一步沉积c轴择优取向的氧化锌薄膜。氧化锌靶材与单晶硅基片的距离为80mm；关闭氩气向真空室内通入高纯氧气，工作压强为5Pa；基片温度为300℃；氧化锌靶材和基片自转速度10转/分钟；激光能量200mJ；脉冲频率2Hz；沉积脉冲次数为10000次。

步骤5、氧化锌薄膜沉积结束后，在生长腔内、20Pa的O₂气氛下对制备的ZnO薄膜进行30分钟、450℃的退火处理。

步骤6、沉积和退火结束后，关闭激光、衬底加热和气体，待样品冷却到室温取出。

对在单晶Si(100)上沉积的ZnO/DLC复合薄膜进行了微观结构分析，类金刚石膜的拉曼谱线在1100－1700cm^-1范围内都有一个不完全对称、宽散的类金刚石特征峰，XRD表明ZnO薄膜具有（002）c轴择优取向。

实施例5：

采用波长为248纳米的准分子脉冲激光系统在Si(100)上沉积ZnO/DLC复合薄膜结构，具体操作步骤为：

步骤1、选择单晶Si(100)作为衬底基片，将其放入酒精中利用超声清洗机进行超声清洗10分钟，冷风吹干、以供使用。

步骤2、将清洗好的单晶Si(100)衬底基片固定在脉冲激光沉积系统的衬底台上，使用高纯石墨和氧化锌为靶材并将其安装在生长腔内；利用机械泵和分子泵对生长腔抽真空至本底真空度等于1×10^-3Pa。

步骤3、待达到本底真空时，打开气阀向生长腔内通入高纯氢气，通过脉冲激光烧蚀石墨靶材，在单晶Si(100)上沉积类金刚石薄膜。石墨靶材与单晶硅基片的距离为70mm；工作压强为15Pa；基片温度为300℃；石墨靶材和基片自转速度15转/分钟；激光能量300mJ；脉冲频率2Hz；沉积脉冲次数为4000次。

步骤4、类金刚石薄膜沉积结束后，旋转靶材支架并选择氧化锌靶材，重新调整沉积工艺参数，通过激光烧蚀氧化锌靶材和控制生长条件，在类金刚石薄膜上进一步沉积c轴择优取向的氧化锌薄膜。氧化锌靶材与单晶硅基片的距离为70mm；关闭氩气向真空室内通入高纯氧气，工作压强为5Pa；基片温度为250℃；氧化锌靶材和基片自转速度5转/分钟；激光能量300mJ；脉冲频率2Hz；沉积脉冲次数为8000次。

步骤5、氧化锌薄膜沉积结束后，在生长腔内、80Pa的O₂气氛下对制备的ZnO薄膜进行45分钟、500℃的退火处理。

步骤6、沉积和退火结束后，关闭激光、衬底加热和气体，待样品冷却到室温取出。

对在单晶Si(100)上沉积的ZnO/DLC复合薄膜进行了微观结构分析，类金刚石膜的拉曼谱线在1100－1700cm^-1范围内都有一个不完全对称、宽散的类金刚石特征峰，XRD表明ZnO薄膜具有（002）c轴择优取向。

Claims (1)

1.一种氧化锌/类金刚石声表面波器件复合薄膜的制备方法，其特征在于采用脉冲激光等离子体沉积技术，以石墨和氧化锌为靶材，在硅基片上沉积氧化锌/类金刚石复合薄膜，具体包括以下步骤：

步骤1、对硅基片表面进行清洗处理，具体为：将单晶硅片放入丙酮或酒精中利用超声清洗机进行超声清洗，冷风吹干；

步骤2、将表面清洗干净的硅基片送入真空室，使用机械泵和分子泵对真空室抽真空；其中真空室抽真空后的真空度小于或等于3×10^-3Pa；

步骤3、采用脉冲激光沉积系统，向真空室内通入工作气体，通过激光烧蚀石墨靶材，在硅基片上沉积类金刚石薄膜；其中向真空室内通入工作气体为氩气或氢气，通入气体后的压强为0.5－30Pa；烧蚀石墨靶材时，石墨靶材与单晶硅基片的距离为40－80mm，基片温度为25－500℃，靶材和基片自转速度5－15转/分钟，激光能量为100－300mJ，激光脉冲频率为1－10Hz；

步骤4、类金刚石薄膜沉积结束后，采用氧化锌靶材并调节氧化锌靶材与单晶硅基片的距离，之后向真空室内通入高纯氧气，通过激光烧蚀氧化锌靶材，在类金刚石薄膜上进一步沉积c轴择优取向的氧化锌薄膜；其中氧化锌靶材与单晶硅基片的距离为40－80mm，向真空室内通入高纯氧气后的工作压强为1－30 Pa，激光烧蚀氧化锌靶材时基片温度为200－500℃，靶材和基片自转速度5－20转/分钟，激光能量150－350mJ，激光脉冲频率1－10Hz；

步骤5、在真空室内，在O₂气氛下对制备的氧化锌薄膜进行退火处理；退火时气压为10－100 Pa，退火温度400－500℃，退火时间0.5－1h；

步骤6、实验结束后，关闭激光器、衬底加热器，并停止气体通入，待样品冷却到室温取出。

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