CN103138702A - 一种多层膜结构的声表面波器件及其制备方法 - Google Patents
一种多层膜结构的声表面波器件及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103138702A CN103138702A CN2013100251359A CN201310025135A CN103138702A CN 103138702 A CN103138702 A CN 103138702A CN 2013100251359 A CN2013100251359 A CN 2013100251359A CN 201310025135 A CN201310025135 A CN 201310025135A CN 103138702 A CN103138702 A CN 103138702A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- film
- target
- acoustic wave
- surface acoustic
- aln
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)
Abstract
一种多层膜结构的声表面波器件，由CVD金刚石薄膜、a轴择优取向的氮化铝（a-AlN）薄膜、c轴择优取向的氮化硼（c-BN）薄膜和叉指换能器（IDT）依次叠加组成金刚石-复合膜结构，所述CVD金刚石薄膜的厚度为20-25um，a-AlN薄膜厚度为300-500nm，c-BN薄膜的厚度为300-500nm，IDT为厚度100nm的Al膜。本发明的优点是：该多层膜结构的声表面波器件同时具备以下优点，即金刚石的高硬度、高声速，a-AlN的高声速能有效缓解金刚石与c-BN因声速差距大带来的声速频散效应以及c-BN的高机电耦合系数，可用于制备高频、高声速、大功率、高机电耦合系数的SAW器件。
Description
技术领域
本发明涉及声表面波器件技术领域，特别是一种多层膜结构的声表面波器件及其制备方法。
背景技术
近年来，高频SAW滤波器已经广泛应用在3G数字移动通信高频系统的中间频率（IF）滤波中。可是随着无线电通信频带资源的日益紧张，低于2.5GHz的频带已被占满，只有工作在高频段（2.5－10GHz）的大功率小型化的声表面波（SAW）器件才能满足移动通信系统和光通信系统的带宽要求。所以对于高频（2.5GHz以上）SAW滤波器的研制迫在眉睫。
但是对于如石英、氧化锌、铌酸锂等常规SAW材料，声表面波相速较低，且均低于4000m/s，用其制备中心频率为2.5GHz的以上的声表面波器件，其叉指换能器（IDT）指宽d就必须小于0.4um，如果中心频率提升为5GHz时，声表面波器件所对应的IDT指宽d就必须小于0.2um，这对于目前半导体工业水平无异于是一个极大的挑战，而且随着IDT指宽d的减小，在生产中会遇到断指严重、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。同时IDT指宽的减小，会增加其电阻，随之产生大量的热，若不能将热量散发出去，会降低器件所能承受的功率，因此应用常规声表面波器件材料制成的器件无法满足现代高频、大功率、高机电耦合系数的SAW器件。
目前，国内外热衷于通过多层膜的研究来提高声速V，最终实现提高频率的效果。由于在所有材料中金刚石具有最高的弹性模量（E=1200Gpa）、且材料密度低（ρ=3.519/cm3），最高纵波声速（18000m/s）等特性，即使是CVD金刚石声速也有10000m/s，所以金刚石是这种方法最理想的材料。而金刚石本身并不具备压电特性，无法进行声电转换，故我们采用金刚石与多层膜压电材料相结合的多层膜体系。SAW的性能由多层膜压电薄膜和金刚石衬底共同决定，c-BN有较高的机电耦合系数，但声速较低，与金刚石的声速相差较大，容易引起声速频散，而a-AlN具有很高的声速，是目前已知压电材料中声速较高的，所以采用IDT/c-BN/a-AlN/金刚石复合膜结构，可以有效缓解由于声速相差较大带来的频散效应，又能充分利用c-BN薄膜高机电耦合系数和a-AlN薄膜高声速的优点，最终满足现代高频、大功率、高机电耦合系数的SAW器件。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提供一种多层膜结构的声表面波器件及其制备方法，该声表面波器件为多层膜结构，可用于制备高频、大功率、高机电耦合系数的SAW器件；其制备方法工艺条件方便易行，制备的产品可靠性强且成本低，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：
一种多层膜结构的声表面波器件，由CVD金刚石薄膜、a轴择优取向的氮化铝（a-AlN）薄膜、c轴择优取向的氮化硼（c-BN）薄膜和叉指换能器（IDT）依次叠加组成金刚石-复合膜结构，所述CVD金刚石薄膜的厚度为20-25um，a-AlN薄膜厚度为300-500nm，c-BN薄膜的厚度为300-500nm，IDT为厚度100nm的Al膜，且粗糙度小于5nm。
一种所述多层膜结构的声表面波器件的制备方法，包括以下步骤：
1）CVD金刚石薄膜表面进行等离子体处理，形成以等离子体清洗的CVD金刚石薄膜表面；
2）在真空射频磁控溅射室里，以Al作为靶材，在上述以等离子体清洗的CVD金刚石薄膜表面进行真空射频磁控溅射，沉积一层a-AlN薄膜；
3）在真空射频磁控溅射室里，以六方氮化硼靶作为靶材，在上述a-AlN薄膜表面进行真空射频磁控溅射，沉积一层c-BN薄膜；
4）采用电子束蒸发的方法在c-BN薄膜表面制备叉指换能器IDT。
所述CVD金刚石薄膜表面进行等离子体处理具体方法为：在MOCVD沉积系统中，CVD金刚石薄膜表面在氮气和氩气的混合气体氛围中进行等离子体处理，所述氮氩体积流量比为2：10，灯丝电压为80-100V，加速电压为80-100V，温度为400-500℃，处理时间为15-30min。
所述在以等离子体清洗的金刚石薄膜表面生长a-AlN薄膜的射频磁控工艺条件为：真空度为4×10-5Pa，溅射功率为100-150W，Al靶材纯度为99.999%，并对靶材进行10min的预溅射，氮气和氩气的纯度均为99.999%，氮氩体积流量比为7：14，靶基距8-9cm，衬底温度为200-400℃，工作气压1.2-1.4Pa，生长时间为2h，然后关闭氩气，保持温度不变并继续通入氮气进行退火，退火时间为30min，即可形成良好的a-AlN薄膜。
所述在a-AlN薄膜表面制备c-BN薄膜的射频磁控工艺条件为：真空度为4×10-5Pa，靶材采用h-BN靶，并对靶材进行10min的预溅射，氮气和氩气的纯度均为99.999%，衬底偏压为负250-负150V，衬底温度为400-600℃，氮氩体积流量比为4：20，靶基距为6-7cm，射频功率为200-400W，工作气压为0.7-0.9Pa，生长时间为2h，然后关闭氩气，保持温度不变并继续通入氮气进行退火，退火时间为30min，即可形成良好的c-BN薄膜。
所述在c-BN薄膜表面制备叉指换能器IDT的方法：采用电子束蒸发的方法在c-BN薄膜表面沉积一层厚度为100nm的Al膜，粗糙度小于5nm，然后用光刻法制成指宽为1.8um的等值叉指，叉指对数为30对。
本发明的优点是：该多层膜结构的声表面波器件同时具备以下优点，即金刚石的高硬度、高声速，a-AlN的高声速能有效缓解金刚石与c-BN因声速差距大带来的声速频散效应和c-BN的高机电耦合系数，可用于制备高频、高声速、大功率、高机电耦合系数的SAW器件；其制备方法工艺条件方便易行，制备的产品可靠性强且成本低，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。
附图说明
附图1为该声表面波器件多层膜结构示意图。
附图2为在CVD金刚石表面沉积a-AlN薄膜的XRD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：
一种多层膜结构的声表面波器件，如图1所示，由CVD金刚石薄膜、a轴择优取向的氮化铝（a-AlN）薄膜、c轴择优取向的氮化硼（c-BN）薄膜和叉指换能器（IDT）依次叠加组成金刚石-复合膜结构，所述CVD金刚石薄膜的厚度为20um，a-AlN薄膜厚度为300nm，c-BN薄膜的厚度为400nm；其制备方法，包括以下步骤：
1）CVD金刚石薄膜表面进行等离子体处理，形成以等离子体清洗的CVD金刚石薄膜表面，具体方法为：在MOCVD沉积系统中，CVD金刚石薄膜表面在氮气和氩气的混合气体氛围中进行等离子体处理，所述氮氩体积流量比为2：10，灯丝电压为80V，加速电压为100V，温度为500℃，处理时间为20min；该处理能保证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a-AlN薄膜时Al与N的化合，从而有利于沉积高质量的a-AlN薄膜。
2）在真空射频磁控溅射室里，以Al作为靶材，在上述以等离子体清洗的CVD金刚石薄膜表面进行真空射频磁控溅射，沉积一层a-AlN薄膜，工艺条件为：真空度为4×10-5Pa，溅射功率为130W，Al靶材纯度为99.999%，并对靶材进行10min的预溅射，氮气和氩气的纯度均为99.999%，氮氩体积流量比为7：14，靶基距8cm，衬底温度为300℃，工作气压1.3Pa，生长时间为2h，然后关闭氩气，保持温度不变并继续通入氮气进行退火，退火时间为30min，即可形成良好的a-AlN薄膜；这种退火方法可以使氮气沿着晶界扩散到薄膜中与没有饱和的Al原子反应，实现薄膜的再结晶，有效缓解薄膜界面应力，提高a-AlN取向程度，所得a-AlN薄膜的XRD图如图2所示。
3）在真空射频磁控溅射室里，以六方氮化硼靶作为靶材，在上述a-AlN薄膜表面进行真空射频磁控溅射，沉积一层c-BN薄膜，工艺条件为：真空度为4×10-5Pa，靶材采用h-BN靶，并对靶材进行10min的预溅射，氮气和氩气的纯度均为99.999%，衬底偏压为负220V，衬底温度为500℃，氮氩体积流量比为4：20，靶基距为6.5cm，射频功率为300W，工作气压为0.8Pa，生长时间为2h，然后关闭氩气，保持温度不变并继续通入氮气进行退火，退火时间为30min，即可形成良好的c-BN薄膜；这种退火方法可以使氮气沿着晶界扩散到薄膜中与没有饱和的B原子反应，实现薄膜的再结晶，有效缓解薄膜界面应力，提高c-BN取向程度。
4）采用电子束蒸发的方法在c-BN薄膜表面沉积一层厚度为100nm的Al膜，粗糙度小于5nm，然后用光刻法制成指宽为1.8um的等值叉指，叉指对数为30对。
检测结果表明：通过以上工艺获得的声表面波器件声速可达11000m/s以上，机电耦合系数不低于2％，功率不低于8W，频率可达4.8GHz以上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种多层膜结构的声表面波器件，其特征在于：由CVD金刚石薄膜、a轴择优取向的氮化铝（a-AlN）薄膜、c轴择优取向的氮化硼（c-BN）薄膜和叉指换能器（IDT）依次叠加组成金刚石-复合膜结构，所述CVD金刚石薄膜的厚度为20-25um，a-AlN薄膜厚度为300-500nm，c-BN薄膜的厚度为300-500nm，IDT为厚度100nm的Al膜且粗糙度小于5nm。
2.一种如权利要求1所述多层膜结构的声表面波器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）CVD金刚石薄膜表面进行等离子体处理，形成以等离子体清洗的CVD金刚石薄膜表面；
2）在真空射频磁控溅射室里，以Al作为靶材，在上述以等离子体清洗的CVD金刚石薄膜表面进行真空射频磁控溅射，沉积一层a-AlN薄膜；
3）在真空射频磁控溅射室里，以六方氮化硼靶作为靶材，在上述a-AlN薄膜表面进行真空射频磁控溅射，沉积一层c-BN薄膜；
4）采用电子束蒸发的方法在c-BN薄膜表面制备叉指换能器IDT。
3.根据权利要求2所述多层膜结构的声表面波器件的制备方法，其特征在于：所述CVD金刚石薄膜表面进行等离子体处理具体方法为：在MOCVD沉积系统中，CVD金刚石薄膜表面在氮气和氩气的混合气体氛围中进行等离子体处理，所述氮氩体积流量比为2：10，灯丝电压为80-100V，加速电压为80-100V，温度为400-500℃，处理时间为15-30min。
4.根据权利要求2所述多层膜结构的声表面波器件的制备方法，其特征在于：所述在以等离子体清洗的金刚石薄膜表面生长a-AlN薄膜的射频磁控工艺条件为：真空度为4×10-5Pa，溅射功率为100-150W，Al靶材纯度为99.999%，并对靶材进行10min的预溅射，氮气和氩气的纯度均为99.999%，氮氩体积流量比为7：14，靶基距8-9cm，衬底温度为200-400℃，工作气压1.2-1.4Pa，生长时间为2h，然后关闭氩气，保持温度不变并继续通入氮气进行退火，退火时间为30min，即可形成良好的a-AlN薄膜。
5.根据权利要求2所述多层膜结构的声表面波器件的制备方法，其特征在于：所述在a-AlN薄膜表面制备c-BN薄膜的射频磁控工艺条件为：真空度为4×10-5Pa，靶材采用h-BN靶，并对靶材进行10min的预溅射，氮气和氩气的纯度均为99.999%，衬底偏压为负250-负150V，衬底温度为400-600℃，氮氩体积流量比为4：20，靶基距为6-7cm，射频功率为200-400W，工作气压为0.7-0.9Pa，生长时间为2h，然后关闭氩气，保持温度不变并继续通入氮气进行退火，退火时间为30min，即可形成良好的c-BN薄膜。
6.根据权利要求2所述多层膜结构的声表面波器件的制备方法，其特征在于：所述在c-BN薄膜表面制备叉指换能器IDT的方法：采用电子束蒸发的方法在c-BN薄膜表面沉积一层厚度为100nm的Al膜，粗糙度小于5nm，然后用光刻法制成指宽为1.8um的等值叉指，叉指对数为30对。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2013100251359A CN103138702A (zh) | 2013-01-23 | 2013-01-23 | 一种多层膜结构的声表面波器件及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2013100251359A CN103138702A (zh) | 2013-01-23 | 2013-01-23 | 一种多层膜结构的声表面波器件及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103138702A true CN103138702A (zh) | 2013-06-05 |
Family
ID=48498105
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2013100251359A Pending CN103138702A (zh) | 2013-01-23 | 2013-01-23 | 一种多层膜结构的声表面波器件及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103138702A (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104359584A (zh) * | 2014-11-12 | 2015-02-18 | 中国科学院微电子研究所 | 一种高温声表面波温度传感器 |
| CN106160691A (zh) * | 2016-07-05 | 2016-11-23 | 电子科技大学 | 一种基于Si基的高频SAW器件及其制备方法 |
| CN110057911A (zh) * | 2019-03-08 | 2019-07-26 | 天津大学 | 一种声表面波无损检测系统 |
| CN110149102A (zh) * | 2018-04-26 | 2019-08-20 | 北京纳米能源与系统研究所 | 基于二维压电材料薄膜的声表面波器件 |
| CN111095794A (zh) * | 2017-09-22 | 2020-05-01 | 华为技术有限公司 | 一种表面声波器件 |
| CN112760604A (zh) * | 2019-11-01 | 2021-05-07 | 有研工程技术研究院有限公司 | 一种在金刚石衬底上沉积高c轴取向氮化铝薄膜的方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020047495A1 (en) * | 1999-11-30 | 2002-04-25 | Tdk Corporation | Surface acoustic wave device, and its fabrication process |
| CN102412803A (zh) * | 2011-10-27 | 2012-04-11 | 天津理工大学 | 一种AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件及制备方法 |
| CN102437831A (zh) * | 2011-10-27 | 2012-05-02 | 天津理工大学 | 一种立方氮化硼压电薄膜声表面波器件及其制备方法 |
-
2013
- 2013-01-23 CN CN2013100251359A patent/CN103138702A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020047495A1 (en) * | 1999-11-30 | 2002-04-25 | Tdk Corporation | Surface acoustic wave device, and its fabrication process |
| CN102412803A (zh) * | 2011-10-27 | 2012-04-11 | 天津理工大学 | 一种AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件及制备方法 |
| CN102437831A (zh) * | 2011-10-27 | 2012-05-02 | 天津理工大学 | 一种立方氮化硼压电薄膜声表面波器件及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 何秀兰: "AlN和BN/AlN复相陶瓷的放电等离子烧结及其组织与性能研究", 《中国优秀博士学位论文全文数据库》, 15 August 2012 (2012-08-15) * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104359584A (zh) * | 2014-11-12 | 2015-02-18 | 中国科学院微电子研究所 | 一种高温声表面波温度传感器 |
| CN106160691A (zh) * | 2016-07-05 | 2016-11-23 | 电子科技大学 | 一种基于Si基的高频SAW器件及其制备方法 |
| CN111095794A (zh) * | 2017-09-22 | 2020-05-01 | 华为技术有限公司 | 一种表面声波器件 |
| CN110149102A (zh) * | 2018-04-26 | 2019-08-20 | 北京纳米能源与系统研究所 | 基于二维压电材料薄膜的声表面波器件 |
| CN110149102B (zh) * | 2018-04-26 | 2023-12-08 | 北京纳米能源与系统研究所 | 基于二维压电材料薄膜的声表面波器件 |
| CN110057911A (zh) * | 2019-03-08 | 2019-07-26 | 天津大学 | 一种声表面波无损检测系统 |
| CN110057911B (zh) * | 2019-03-08 | 2021-08-13 | 天津大学 | 一种声表面波无损检测系统 |
| CN112760604A (zh) * | 2019-11-01 | 2021-05-07 | 有研工程技术研究院有限公司 | 一种在金刚石衬底上沉积高c轴取向氮化铝薄膜的方法 |
| CN112760604B (zh) * | 2019-11-01 | 2022-12-02 | 有研工程技术研究院有限公司 | 一种在金刚石衬底上沉积高c轴取向氮化铝薄膜的方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103138702A (zh) | 一种多层膜结构的声表面波器件及其制备方法 | |
| CN106244984B (zh) | 一种a轴取向增强型AlN薄膜及其制备方法 | |
| CN107493086B (zh) | 温度补偿声表面波谐振器及其制备方法 | |
| Rodríguez-Madrid et al. | Optimization of AlN thin layers on diamond substrates for high frequency SAW resonators | |
| CN105703733A (zh) | 一种固态装配型薄膜体声波谐振器的制备方法 | |
| CN104805405A (zh) | 一种氮化铝压电薄膜及其制备方法 | |
| CN102185583A (zh) | AlN/GaN/自持金刚石结构SAW器件及制备方法 | |
| CN109302159A (zh) | 一种复合衬底及该复合衬底制作薄膜体声波谐振器的方法 | |
| CN101768741A (zh) | 一种高性能多层薄膜结构声表面波器件及其制备方法 | |
| CN101323971A (zh) | 一种利用缓冲层制备高质量ZnO薄膜的方法 | |
| CN102412803A (zh) | 一种AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件及制备方法 | |
| CN103095244A (zh) | 一种择优取向的AlN压电薄膜及其制备方法 | |
| CN102611405A (zh) | 一种用于声表面波器件的氧化锌压电薄膜及其制备方法 | |
| CN107385394B (zh) | ZnO/AlN/Si多层结构薄膜及制备方法与应用 | |
| CN102611406A (zh) | 基于AlN双晶向压电薄膜的声表面波器件及其制作方法 | |
| CN109217842A (zh) | 近零温度系数的声表面波滤波器及其制备方法 | |
| CN109560784A (zh) | 兰姆波谐振器及其制备方法 | |
| CN102560384B (zh) | 在基底表面上沉积纳米点阵的方法 | |
| CN111063724A (zh) | 基于漂移区多层渐变掺杂的垂直AlN肖特基二极管及制作方法 | |
| CN102122936A (zh) | 一种用于声表面波器件的氮化铝压电薄膜及其制备方法 | |
| CN100461630C (zh) | 具有ain晶化过渡层的体声波谐振器的制造方法 | |
| CN102041552A (zh) | 一种制备多晶硅薄膜的方法 | |
| CN102286722B (zh) | 氧化锌/类金刚石声表面波器件复合薄膜的制备方法 | |
| CN203456486U (zh) | 一种具有双层钝化膜的AlGaN基紫外探测器 | |
| CN110492860A (zh) | 薄膜体声波谐振器及其制造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130605 |