CN102611404A - 一种用于声表面波器件的六方氮化硼压电薄膜及制备方法 - Google Patents

一种用于声表面波器件的六方氮化硼压电薄膜及制备方法 Download PDF

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陈希明
张倩
阴聚乾
朱宇清
李福龙
郭燕
孙连婕
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Abstract

一种用于声表面波器件的六方氮化硼压电薄膜，为h-BN/Al/金刚石复合膜结构，由金刚石衬底、中间层纳米铝膜和纳米六方氮化硼h-BN膜依次叠加组成，其制备方法是采用MOCVD沉积系统制备，先对金刚石衬底表面进行表面等离子体清洗，然后用直流磁控溅射法制备纳米Al膜，最后在纳米Al膜表面用射频磁控溅射法制备纳米六方氮化硼h-BN膜。本发明的优点是：该压电薄膜可制备高频、大功率、高机电耦合系数、低传播损耗且频率温度特性好的SAW器件，其频率大于4.8GHz、功率大于8w；该压电薄膜的制备工艺简单、通用性强、易于实施，有利于大规模推广应用，以满足高频率和/或大功率移动通信的需求。

Description

一种用于声表面波器件的六方氮化硼压电薄膜及制备方法
技术领域
本发明涉及声表面波器件技术领域，特别是一种用于声表面波器件的六方氮化硼压电薄膜及制备方法。
背景技术
随着信息和通信技术的飞速发展，近年来，高频SAW滤波器被广泛应用于第三代数字移动通信系统和高频系统的中间频率(IF)滤波中。然而低于2.5GHz的频带已被占满，故急需2.5-10GHz的高频声表面波器件。另外，移动通信装置都要求器件小型化和对大功率承受能力强。所以研制高频(4.8GHz以上)SAW器件迫在眉睫。
常规SAW材料如石英、LiNbO3、LiTaO3、ZnO等，声表面波相速较低(均低于4000m/s)，用其制作2.5GHz的SAW器件，其叉指换能器(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，在生产中遇到许多问题，如断指严重、可靠性差、成品率低、价格昂贵等，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，再加上这些材料热导率低，所以承受大功率是不可能的。这使得由上述材料制成的SAW器件很难满足高频率和/或大功率通信的要求。因此，目前迫切需要一种压电薄膜，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。
在所有材料中，金刚石的弹性模量最高(E＝1200Gpa)，密度较低(ρ＝3.51g/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(2.5GHz对应的指宽d可大于1μm，5GHz对应的指宽d可大于0.5μm)，电阻只有常规材料的2/5，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器件最理想的高声速材料，而金刚石SAW器件也成为目前世界上重要的研究焦点之一。
然而，金刚石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、h-BN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。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，而提供一种用于声表面波器件的六方氮化硼压电薄膜及制备方法，该压电薄膜可制备高频、大功率、高机电耦合系数、低传播损耗且频率温度特性好的SAW器件。
本发明的技术方案：
一种用于声表面波器件的六方氮化硼压电薄膜，为h-BN/Al/金刚石复合膜结构，由金刚石衬底、中间层纳米铝膜和纳米六方氮化硼h-BN膜依次叠加组成。
所述中间层纳米Al膜的晶粒线度为40-60nm，膜厚为0.1-0.2μm。
所述纳米六方氮化硼h-BN膜的晶粒线度为50-100nm，膜厚为0.8-0.9μm。
一种所述用于声表面波器件的六方氮化硼压电薄膜的制备方法，采用MOCVD沉积系统制备，步骤如下：
1)对金刚石衬底表面进行表面等离子体清洗；
2)在纳米CVD金刚石衬底表面用直流磁控溅射法制备纳米Al膜；
3)在纳米Al膜表面用射频磁控溅射法制备纳米六方氮化硼h-BN膜。
所述对金刚石衬底表面进行表面等离子体清洗的方法是将金刚石衬底放入MOCVD沉积系统的进样室，在氩气氛围中进行等离子体处理，氩气流量为20sccm，等离子体清洗电源的灯丝电压为80V，加速电压为110V。
所述直流磁控溅射法的工艺参数为：本底真空度为3.3×10-4Pa、衬底转台旋转速度为20转/分钟、衬底温度为300℃、溅射功率为50-75w、氩气流量为20-25sccm、工作压强为1.0Pa、靶基距为6.5cm、沉积时间为12分钟。
所述射频磁控溅射法的工艺参数为：本底真空度小于3.3×10-4Pa、衬底旋转台转速80转/分钟、衬底温度400℃、射频功率300W、氮气与氩气体积流量比为2∶18、由氮气和氩气组成的混合气体的总流量为20sccm、工作压强0.8Pa、溅射靶与衬底之间的靶距6cm、衬底负偏压为-200V、沉积时间2-3小时。
本发明的技术分析：
1为了满足高频和/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。金刚石声表面波相速V在所有物质中是最高的，六方氮化硼h-BN材料本身的声表面波相速度V稍低于金刚石，高于氧化锌ZnO和铌酸锂LiNbO3，所以“h-BN/金刚石”多层膜结构V应该高于“ZnO/金刚石”、“LiNbO3/金刚石”结构，从而，在叉指换能器指宽d相同时，可以达到更高的频率；
2六方氮化硼h-BN和金刚石V差别小，构成多层膜结构会表现出很小的速度频散，这是很大的优点；从原理上讲，在金刚石达到一定厚度之后，多层膜相速度、机电耦合系数(K2)均是压电薄膜密切相关，二者峰值对应不同的压电薄膜厚度，如果多层膜V差别小，多层膜相速度在一个较大范围内随压电薄膜厚度变化较平坦，会给提高机电耦合系数(K2)一个较大的选择空间，有利于同时达到高频和高机电耦合系数(K2)；
3在六方氮化硼h-BN与纳米金刚石之间加一层很薄的Al膜中间层可以有效的提高机电耦合系数，由于这层Al膜中间层很薄，所以它对声波传播速度的影响可以忽略不计；
4金刚石、六方氮化硼h-BN的热导率均很高，会有很好的散热机制，热膨胀系数均很小，因此会有很好的频率温度特性。
本发明的优点是：该压电薄膜可制备高频、大功率、高机电耦合系数、低传播损耗且频率温度特性好的SAW器件，其频率大于4.8GHz、功率大于8w；该压电薄膜的制备工艺简单、通用性强、易于实施，有利于大规模推广应用，以满足高频率和/或大功率移动通信的需求。
附图说明
附图为该压电薄膜的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，金刚石衬底在氩气气体氛围中进行等离子体处理，氩气流量为20sccm，等离子体清洗电源的灯丝电压为80V，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。
2)纳米CVD金刚石衬底表面用直流磁控溅射的方法制备纳米Al膜：
使用直流磁控溅射系统在纳米CVD金刚石衬底表面制备纳米Al膜，具体工艺参数为：本底真空度为3.3×10-4Pa、衬底转台旋转速度为20转/分钟、衬底温度为300℃、溅射功率为60w、氩气流量为20sccm、工作压强为1.0Pa、靶基距为6.5cm、沉积时间为12分钟。
3)纳米Al膜表面用射频磁控溅射法制备纳米六方氮化硼h-BN薄膜：
使用射频磁控溅射系统沉积纳米六方氮化硼h-BN薄膜，可以在低温低压下实现，这样就可以更好的保护金刚石衬底上沉积的铝Al膜；而且有助于提高膜基结合力。具体射频溅射工艺参数为：本底真空度3×10-4Pa、衬底旋转台转速80转/分钟、衬底温度400℃、射频功率300W、氮气与氩气流量比为2∶18、由氮气和氩气组成的混合气体的总流量为20sccm、工作压强0.8Pa、溅射靶与衬底之间的靶距6cm、衬底负偏压为-200V、沉积时间2小时；并且在实验结束时，在沉积结束后，先关闭氩气，5分钟后关闭氮气，以氮气结尾，使得B离子充分反应，以防与其气体中残余的N离子生成其他相的BN。
附图为该压电薄膜的傅立叶变换红外光谱仪FTIR图，图中显示：h-BN的吸收峰在780cm-1和1380am-1附近。
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，金刚石衬底在氩气气体氛围中进行等离子体处理，氩气流量为20sccm，等离子体清洗电源的灯丝电压为80V，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。
2)纳米CVD金刚石衬底表面用直流磁控溅射的方法制备纳米Al膜：
使用直流磁控溅射系统在纳米CVD金刚石衬底表面制备纳米Al膜，具体工艺参数为：本底真空度为3.3×10-4Pa、衬底转台旋转速度为20转/分钟、衬底温度为300℃、溅射功率为70w、氩气流量为25sccm、工作压强为1.0Pa、靶基距为6.5cm、沉积时间为12分钟。
3)纳米Al膜表面用射频磁控溅射法制备纳米六方氮化硼h-BN薄膜：
使用射频磁控溅射系统沉积纳米六方氮化硼h-BN薄膜，可以在低温低压下实现，这样就可以更好的保护金刚石衬底上沉积的铝Al膜；而且有助于提高膜基结合力。具体射频溅射工艺参数为：本底真空度3×10-4Pa、衬底旋转台转速80转/分钟、衬底温度400℃、射频功率300W、氮气与氩气流量比为2∶18、由氮气和氩气组成的混合气体的总流量为20sccm、工作压强0.8Pa、溅射靶与衬底之间的靶基距6cm、衬底负偏压为-200V、沉积时间3小时；并且在实验结束时，在沉积结束后，先关闭氩气，5分钟后关闭氮气，以氮气结尾，使得B离子充分反应，以防与其气体中残余的N离子生成其他相的BN。
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 (7)

1.一种用于声表面波器件的六方氮化硼压电薄膜，其特征在于：为h-BN/Al/金刚石复合膜结构，由金刚石衬底、中间层纳米铝膜和纳米六方氮化硼h-BN膜依次叠加组成。
2.根据权利要求1所述用于声表面波器件的六方氮化硼压电薄膜，其特征在于：所述中间层纳米Al膜的晶粒线度为40-60nm，膜厚为0.1-0.2μm。
3.根据权利要求1所述用于声表面波器件的六方氮化硼压电薄膜，其特征在于：所述纳米六方氮化硼h-BN膜的晶粒线度为50-100nm，膜厚为0.8-0.9μm。
4.一种如权利要求1所述用于声表面波器件的六方氮化硼压电薄膜的制备方法，其特征在于：采用MOCVD沉积系统制备，步骤如下：
1)对金刚石衬底表面进行表面等离子体清洗；
2)在纳米CVD金刚石衬底表面用直流磁控溅射法制备纳米Al膜；
3)在纳米Al膜表面用射频磁控溅射法制备纳米六方氮化硼h-BN膜。
5.根据权利要求4所述用于声表面波器件的六方氮化硼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的方法是将金刚石衬底放入MOCVD沉积系统的进样室，在氩气氛围中进行等离子体处理，氩气流量为20sccm，等离子体清洗电源的灯丝电压为80V，加速电压为110V。
6.根据权利要求4所述用于声表面波器件的六方氮化硼压电薄膜的制备方法，其特征在于：所述直流磁控溅射法的工艺参数为：本底真空度为3.3×10-4Pa、衬底转台旋转速度为20转/分钟、衬底温度为300℃、溅射功率为50-75w、氩气流量为20-25sccm、工作压强为1.0Pa、靶基距为6.5cm、沉积时间为12分钟。
7.根据权利要求4所述用于声表面波器件的六方氮化硼压电薄膜的制备方法，其特征在于：所述射频磁控溅射法的工艺参数为：本底真空度小于3.3×10-4Pa、衬底旋转台转速80转/分钟、衬底温度400℃、射频功率300W、氮气与氩气体积流量比为2∶18、由氮气和氩气组成的混合气体的总流量为20sccm、工作压强0.8Pa、溅射靶与衬底之间的靶距6cm、衬底负偏压为-200V、沉积时间2-3小时。
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PB01 Publication
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