CN106544635A - 一种用于温度补偿声表面波器件的材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于温度补偿声表面波器件的材料及其制备方法。所述用于温度补偿声表面波器件的材料为掺杂有Si的非晶TeO₂薄膜。所述材料的制备方法包括如下步骤：采用磁控溅射的方法，在衬底上溅射所述掺杂有Si的非晶TeO₂薄膜，然后经热处理即得所述材料。在非晶TeO₂引入一些Si原子，薄膜中含有Si‑O等基团，调控和改善了TeO₂对声表面波器件的温度补偿特性，使得在同样的厚度下含有这些基团的薄膜比那些不含有这些基团的薄膜具有更大的正温度系数。而且磁控溅射具有成本低、工艺参数方便可调、可连续生产、材料改性方便、无毒无污染等优点，在工艺上更容易实现，易于推广。

Description

一种用于温度补偿声表面波器件的材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于温度补偿声表面波器件的材料及其制备方法，属于信息电子材料技术领域。

背景技术

声表面波器件是一种重要的固体电子器件，具有体积小、重量轻、信号处理能力优异等优点，广泛应用于移动通讯、电视广播以及各类军用雷达、通信系统中，具有巨大的市场需求和广阔的发展前景。随着第四代移动通讯技术的发展，声表面波器件的使用频率不断提高，同时对声表面波器件的温度稳定性提出了更高的要求。延迟温度系数是声表面波器件的一个重要参数，声表面波器件的中心频率、相移等参数都跟延迟温度系数。而通常声表面波器件使用的铌酸锂、钽酸锂等压电材料都具有较大的负温度系数，其温度对器件信号会一定的影响，很难满足人们对高性能声表面波器件的需要。目前解决该问题的通常方法是在器件上沉积一层正温度系数的材料，比如氧化硅作为最常用的温度补偿薄膜而被广泛采用。在一些器件中，如SiO₂/LiNbO₃、SiO₂/LiNbO₃等中，甚至实现了零延迟温度系数。然而，要实现零延迟温度系数需较厚的SiO₂薄膜，特别是在低频器件中，所需要的SiO₂温度补偿需要更厚，而SiO₂的沉积速率较低，如此厚的温度补偿薄膜不仅改变了该结构的温度特性，还影响了声表面波传播的其他特性。并且传统的氧化硅薄膜都是采用PECVD沉积的。但是PECVD装置复杂，使用的原料具有毒性，维护成本高，这些都限制了它们的应用。为了提高声表面波器件的温度稳定性，满足信息通讯对高性能声表面波器件的需要，迫切要寻找具有很好的温度补偿效果的材料来改善目前声表面波器件存在的温度漂移问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于温度补偿声表面波器件材料及其制备方法，以制备高性能的声表面波器件。

本发明提供的用于温度补偿声表面波器件的材料，其为掺杂有Si的TeO₂薄膜，即非晶TeO₂:Si薄膜。

所述材料中各原子的原子数百分比如下：

Si 0～2.6％，但不为零；

Te 31.5～34％；

余量的O。

所述材料中各原子的原子数百分比为下述1)-4)中任一种：

1)Si 1.2～2.6％；

Te 31～32.9％；

余量的O；

2)Si 1.2％；

Te 32.7％；

余量的O；

3)Si 1.2％；

Te 32.9％；

余量的O；

4)Si 2.6％；

Te 31％；

余量的O。

本发明还提供了所述材料的制备方法，包括如下步骤：采用磁控溅射的方法，在衬底上溅射所述掺杂有Si的TeO₂薄膜，然后经热处理即得所述材料。

上述的制备方法中，所述衬底可采用声表面波器件所使用的常规衬底，包括但不限于LiTaO₃、LiNbO₃等。

上述的制备方法中，沉积所述TeO₂薄膜之前，所述方法还可包括如下步骤：用丙酮、乙醇和/或去离子水清洗所述衬底。

上述的制备方法中，所述磁控溅射在真空度为10^-6Pa～10^-4Pa的条件下进行，如5×10^-5Pa；

所述磁控溅射采用的工作气体为氧气和氩气的混合气体，所述氧气与所述氩气的体积比为0.5～1：1，具体可为0.5：1；

所述氩气的纯度可为99.999％，所述氧气的纯度可为99.999％；

采用先通入氩气再通入氧气的通入方式；

所述工作气体的通入流量为6mL/min～60mL/min，具体可为18mL/min。

上述的制备方法中，所述磁控溅射采用射频磁控反应共溅射的方式，磁控溅射源为平面靶磁控溅射源。

上述的制备方法中，所述磁控溅射的条件如下：

靶材为Te靶和Si靶，所述Te靶和Si靶的直径可为75mm，纯度可为99.999％；

靶材与所述衬底之间的距离为60mm～80mm，具体可为60mm；

Te靶的功率为150～200W，Si靶的功率为0W-20W，但不为零；

温度为25～50℃；

所述工作气体的压力为0.5～1.2Pa，，具体可为0.8Pa。

上述的制备方法中，所述热处理包括通入氧气的步骤，并控制所述氧气的压力为0.8～1.5Pa；

所述热处理的温度为100～300℃，时间为30～60min。

所述热处理完成后，还包括待基片台温度低于50℃，向磁控溅射镀膜机的真空室中充入高纯氮气至真空室内压力为大气压，取出所制备的非晶TeO₂:Si薄膜的步骤。

本发明提供的材料可用于制备温度补偿表面波器件或体声波器件。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

在保证声表面波器件高的机电耦合系数的同时，非晶TeO₂:Si薄膜具有很好的温度补偿效果，与传统的温度补偿层SiO₂薄膜相比，在实现0延迟温度系数，其厚度仅为SiO₂的三分之一。在非晶TeO₂引入一些Si原子，薄膜中含有Si-O等基团，调控和改善了TeO₂对声表面波器件的温度补偿特性，使得在同样的厚度下含有这些基团的薄膜比那些不含有这些基团的薄膜具有更大的正温度系数。而且磁控溅射具有成本低、工艺参数方便可调、可连续生产、材料改性方便、无毒无污染等优点，在工艺上更容易实现，易于推广。

附图说明

图1为本发明制备的温度补偿声表面波器件样品的截面示意图。

其中，1表示衬底，2表示叉指电极，3表示实施例1制备的非晶TeO₂:Si薄膜。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1、42°YX-LiTaO₃上反应磁控共溅射沉积TeO₂:Si薄膜，其组成成分为：Si为0～2.6at.﹪，Te为31.5～34at.％，其余为O。通过掺入不同Si含量来调节非晶TeO₂薄膜性能，进而改善声表面波器件的温度稳定性。

(1)将做好叉指电极的42°YX-LiTaO₃基片，依次用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗5min，再用氮气吹干。将已清洗和吹干后的基片放入磁控溅射机中。

(2)将步骤(1)中清洗和吹干的衬底固定在磁控溅射的基片台上，基片连同基片台一起装入真空室。基片距离靶材60mm，靶材为高纯度的Te靶(直径为75mm，纯度为99.999％)和Si靶(直径为75mm，纯度为99.999％)。启动机械泵和分子泵抽真空至5×10^-5Pa，共溅射时工作气体为高纯氩气(纯度为99.999％)，氩气流量为18mL/min：通入氧气，氩气：氧气比0.5：1，工作气压为0.4Pa。溅射Te靶功率150W，溅射Si靶功率0-20W，其组成成分为：Si为0～2.6at.﹪，Te为31.5～34at.％。反应温度为50℃，基片台的自转速度为5r/min，溅射时间为50min，制备了320nm的非晶TeO₂薄膜。在开始正式溅射前，用挡板挡住靶材。用100W入射功率轰击Te靶和Si靶5min，去除靶材表面杂质及氧化层。预溅射5min左右，待电源示数稳定后，打开靶挡板，开始薄膜生长。

(3)待步骤(2)的TeO₂:Si完成后，将基片台升温到200℃进行热处理，处理时间为40min；热处理过程，通入氧气，保持腔体氧气压力可为0.8Pa。热处理完成后，待基片台温度低于50℃，向磁控溅射镀膜机的真空室中充入高纯氮气至真空室内压力为大气压，取出所制备的非晶TeO₂:Si薄膜。

(4)将步骤(3)中所制备薄膜经过旋涂光刻胶、烘烤、曝光、显影、湿法刻蚀得到所需声表面波器件，其截面示意图如图1所示。

进行声表面波器件的频率温度漂移系数测试，测试结果如下：

1)没有TeO₂温度补偿层的声表面波器件，测得频率温度漂移系数-46ppm/℃；

2)Si含量为0at.％，Te为34at.％，其余为O，测得声表面波器件频率温度漂移系数-25ppm/℃；

3)Si含量为1.2at.％，Te为32.7at.％，其余为O，测得声表面波器件频率温度漂移系数-13ppm/℃；

4)Si含量为2.6at.％，Te为31at.％，其余为O，测得声表面波器件频率温度漂移系数-20ppm/℃。

由上述分析结果可以看出，非晶TeO₂温度补偿层的存在，减小了声表面波器件的频率温度漂移系数，并且不同的Si含量掺杂的非晶TeO₂薄膜，对声表面波器件温度稳定性有着不同的改善效果。

实施例2、36°YX-LiTaO₃上反应磁控共溅射沉积非晶TeO₂:Si薄膜，其组成成分为：Si为1.2at.﹪，Te为32.9at.％，其余为O。

(1)将做好叉指电极的42°YX-LiTaO₃基片，依次用丙酮、酒精和去离子水各超声清洗5min，再用氮气吹干。将已清洗和吹干后的基片放入磁控溅射机中。

(2)将步骤(1)中清洗和吹干的衬底固定在磁控溅射的基片台上，基片连同基片台一起装入真空室。基片距离靶材60mm，靶材为高纯度的Te靶(直径为75mm，纯度为99.999％)和Si靶(直径为75mm，纯度为99.999％)。启动机械泵和分子泵抽真空至5×10^-5Pa，共溅射时工作气体为高纯氩气(纯度为99.999％)，氩气流量为18mL/min：通入氧气，氩气：氧气比0.5，工作气压为0.8Pa。溅射Te靶功率150W，溅射Si靶功率10W,其组成成分为：Si为1.2at.﹪，Te为32.9at.％。反应温度为50℃，基片台的自转速度为5r/min，溅射时间为50min,制备了320nm的非晶TeO₂薄膜。在开始正式溅射前，用挡板挡住靶材。用100W入射功率轰击Te靶和Si靶5min，去除靶材表面杂质及氧化层。预溅射5min左右，待电源示数稳定后，打开靶挡板，开始薄膜生长。

(3)待步骤(2)中的TeO₂:Si完成后，将基片台升温到300℃进行热处理，处理时间为40min；热处理过程，通入氧气，保持腔体氧气压力可为0.8Pa。热处理完成后，待基片台温度低于50℃，向磁控溅射镀膜机的真空室中充入高纯氮气至真空室内压力为大气压，取出所制备的非晶TeO₂:Si薄膜。

(4)将步骤(3)中所制备薄膜经过旋涂光刻胶、烘烤、曝光、显影、湿法刻蚀得到所需声表面波器件。

进行器件的频率温度漂移系数测试，测试结果如下：

1)没有TeO₂温度补偿层的声表面波器件，测得频率温度漂移系数-46ppm/℃；

2)Si含量为1.2at.％，Te为32.9at.％，其余为O，在100℃处理下，测得声表面波温度漂移系数-31ppm/℃；

3)Si含量为1.2at.％，Te为32.9at.％，其余为O，在200℃处理下，测得声表面波温度漂移系数-22ppm/℃；

4)Si含量为1.2at.％，Te为32.9at.％，其余为O，在300℃处理下，测得声表面波温度漂移系数-26ppm/℃。

由上述分析结果可以看出，非晶TeO₂温度补偿层的存在，减小了声表面波器件的频率温度漂移系数，并且不同热处理条件下的非晶TeO₂:Si薄膜，对声表面波器件温度稳定性有着不同的改善效果。

由上述测试结果可以看出，本发明的非晶TeO₂:Si薄膜具有很好的温度补偿效果，并且生长TeO₂:Si薄膜工艺简单，易于推广，具有良好的应用前景。

Claims (8)

1.一种用于温度补偿声表面波器件的材料，其为掺杂有Si的非晶TeO₂薄膜。

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：所述材料中各原子的原子数百分比如下：

Si 0～2.6％，但不为零；

Te 31.5～34％；

余量的O。

3.权利要求1或2所述材料的制备方法，包括如下步骤：采用磁控溅射的方法，在衬底上溅射所述掺杂有Si的非晶TeO₂薄膜，然后经热处理即得所述材料。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述磁控溅射在真空度为10^-6Pa～10^{- 4}Pa的条件下进行；

所述磁控溅射采用的工作气体为氧气和氩气的混合气体，所述氧气与所述氩气的体积比为0.5～1：1；

所述工作气体的通入流量为6mL/min～60mL/min。

5.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于：所述磁控溅射采用射频磁控反应共溅射的方式，磁控溅射源为平面靶磁控溅射源。

6.根据权利要求3-5中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述磁控溅射的条件如下：

靶材为Te靶和Si靶；

靶材与所述衬底之间的距离为60mm～80mm；

Te靶的功率为150～200W，Si靶的功率为0W-20W，但不为零；

温度为25～50℃；

所述工作气体的压力为0.5～1.2Pa。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述热处理包括通入氧气的步骤，并控制所述氧气的压力为0.8～1.5Pa；

所述热处理的温度为100～300℃，时间为30～60min。

8.权利要求1或2所述材料在制备温度补偿表面波器件或体声波器件中的应用。