CN114094976B - 一种氮化铝薄膜及其制备方法和薄膜体声波滤波器 - Google Patents
一种氮化铝薄膜及其制备方法和薄膜体声波滤波器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114094976B CN114094976B CN202210076682.9A CN202210076682A CN114094976B CN 114094976 B CN114094976 B CN 114094976B CN 202210076682 A CN202210076682 A CN 202210076682A CN 114094976 B CN114094976 B CN 114094976B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- aluminum nitride
- nitride film
- film
- sputtering
- target
- 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.)
- Active
Links
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 title claims abstract description 120
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 7
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 86
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 49
- SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N scandium atom Chemical compound [Sc] SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 49
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 30
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 29
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 26
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 19
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 18
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 16
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 120
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 47
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 20
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 18
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 18
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 8
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 7
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 claims description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 6
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims description 6
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 20
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 20
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 20
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 18
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 15
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 11
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 10
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 6
- YTQAOBAJRIBHLX-UHFFFAOYSA-N germanium palladium Chemical compound [Pd]=[Ge] YTQAOBAJRIBHLX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 5
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 5
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000010897 surface acoustic wave method Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 2
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 231100000053 low toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000005236 sound signal Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/02—Details
- H03H9/02007—Details of bulk acoustic wave devices
- H03H9/02015—Characteristics of piezoelectric layers, e.g. cutting angles
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
- H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
- H03H3/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
- H03H9/171—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator implemented with thin-film techniques, i.e. of the film bulk acoustic resonator [FBAR] type
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/15—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H9/17—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator
- H03H9/171—Constructional features of resonators consisting of piezoelectric or electrostrictive material having a single resonator implemented with thin-film techniques, i.e. of the film bulk acoustic resonator [FBAR] type
- H03H9/172—Means for mounting on a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
- H03H9/174—Membranes
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/46—Filters
- H03H9/54—Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H9/58—Multiple crystal filters
- H03H9/582—Multiple crystal filters implemented with thin-film techniques
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/46—Filters
- H03H9/54—Filters comprising resonators of piezoelectric or electrostrictive material
- H03H9/58—Multiple crystal filters
- H03H9/582—Multiple crystal filters implemented with thin-film techniques
- H03H9/586—Means for mounting to a substrate, i.e. means constituting the material interface confining the waves to a volume
- H03H9/588—Membranes
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators
- H03H3/007—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks
- H03H3/02—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks
- H03H2003/023—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of impedance networks, resonating circuits, resonators for the manufacture of electromechanical resonators or networks for the manufacture of piezoelectric or electrostrictive resonators or networks the resonators or networks being of the membrane type
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明提供了一种氮化铝薄膜，所述氮化铝薄膜中掺杂有锗和钪；所述氮化铝薄膜的机电耦合系数为7.8%‑8.7%；所述氮化铝薄膜的晶面取向为（002）；所述氮化铝薄膜的制备方法包括如下步骤：S1于惰性气体下向Si表面溅射沉积Mo过渡层得到基底；S2在包括氮气和氩气的混合气体环境下，采用铝靶、钪靶和锗靶同时向所述基底表面溅射沉积氮化铝。本发明还提供了一种薄膜体声波滤波器。本发明提供的掺杂钪和锗的氮化铝薄膜，其在较低的钪掺杂量的情况下仍具有较高机电耦合系数。本发明提供的氮化铝薄膜的机电耦合系数高达8.7%。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料领域，具体涉及一种氮化铝薄膜及其制备方法和包括所述氮化铝薄膜的声波谐振器。
背景技术
氮化铝(AlN)是一种六方纤锌矿结构的氮化物。氮化铝的晶系为六方晶系，具有纤锌矿结构。而将氮化铝制备成薄膜后其具有许多优异性能，比如说高的热传导率、优异的化学稳定性和低毒害性、良好的光学性能，低热膨胀系数、高的介质击穿强度、机械强度高等优点，这些特点使其在机械、微电子、光学及电子元器件、高频宽带通信和功率半导体器件等领域有着广阔的应用前景。此外，由于氮化铝薄膜的声表面波(SAW)相速度高、材料温度系数(TCD)低，氮化铝薄膜可广泛应用于声波电子器件领域。
通常薄膜体声波谐振器使用(002)取向的AlN薄膜。但由于AlN薄膜的横向有效机电耦合系数相对较小(≈0.5％)，其应用受到了限制。专利CN113174574A公开了一种掺钪氮化铝薄膜，其中，钪的掺杂可改善AlN薄膜的机电耦合系数，同时保留其他优良特性。但是，由于钪的掺杂量过高时，较难制得(002)取向的AlN薄膜。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种低钪掺杂量的高机电耦合系数的(002)取向的AlN薄膜。
本发明的第二个目的在于提供一种包括所述AlN薄膜的薄膜体声波谐振器。
本发明采用的技术方案如下：
一种氮化铝薄膜，所述氮化铝薄膜中掺杂有锗和钪；所述氮化铝薄膜中锗的掺杂量为3-5at%；所述氮化铝薄膜中钪的掺杂量为6-8at%；所述氮化铝薄膜的机电耦合系数为7.8%-8.7%；所述氮化铝薄膜的晶面取向为（002）；
所述的氮化铝薄膜的厚度为100-500nm。
一种所述氮化铝薄膜的制备方法，包括如下步骤：
S1于惰性气体下向Si表面溅射沉积Mo过渡层得到基底；
S2在包括氮气和氩气的混合气体环境下，采用铝靶、钪靶和锗靶同时向所述基底表面溅射沉积氮化铝。
所述铝靶的溅射功率为150-200W；
所述钪靶的溅射功率为50-70W；
所述锗靶的溅射功率为40-60W。
所述S1中，惰性气体的流量10-60sccm，溅射气压为0.5Pa-1.5Pa，溅射时间5-10min，溅射功率为100-150W。
所述S2中，所述混合气体的流量为10-60sccm，所述混合气体中氮气的含量70％-85％，溅射气压为0.1Pa-1.2Pa，溅射时间60-2000min，所述基底温度200-400℃。
一种所述氮化铝薄膜的应用，应用于作为薄膜体声波滤波器的压电薄膜。
一种薄膜体声波滤波器，包括所述的氮化铝薄膜、第一电极和第二电极，所述氮化铝薄膜的上表面与所述第一电极连接；所述氮化铝薄膜的下表面与所述第二电极连接；
所述氮化铝薄膜用于将电信号转化为声信号。
所述氮化铝薄膜上表面设有钛过渡层；
所述钛过渡层上表面设有金焊盘；
所述金焊盘与所述第一电极连接；
所述钛过渡层的厚度为30-100nm。
还包括调频薄膜和支撑层；所述调频薄膜下表面与所述第一电极连接；所述支撑层上表面与所述第二电极连接；
所述调频薄膜的材质包括氮化硅、氮化铝、氧化铝或二氧化硅。
所述调频薄膜上表面还设有牺牲层；
所述牺牲层的材质包括聚酰亚胺、二氧化硅或硅。
所述支撑层下表面还设有衬底。
相对于现有技术，本发明有益效果如下：
1、本发明提供的掺杂钪和锗的氮化铝薄膜，其在较低的钪掺杂量的情况下仍具有较高机电耦合系数。
2、本发明提供的氮化铝薄膜在制备时采用钼作为过渡层，该方法可稳定制备得到具有（002）晶面取向的AlN薄膜。
3、本发明提供的薄膜体声波滤波器的机电耦合系数高达8.7%。
附图说明
图1示出了实施例1制备得到的AlN薄膜的XRD图；
图2示出了对比例1制备得到的AlN薄膜的XRD图；
图3示出了对比例2制备得到的AlN薄膜的XRD图；
图4示出了实施例1制备得到的氮化铝薄膜的表面的SEM照片；
图5示出了实施例1制备得到的氮化铝薄膜的截面的SEM照片；
图6示出了实施例4提供的薄膜体声波滤波器的示意图；其中，1代表AlN薄膜，2代表第一电极，3代表第二电极，4代表Ti过渡层，5代表Au焊盘，6代表调频薄膜，7代表牺牲层，8代表支撑层，9代表衬底；
图7示出了实施例4和对比例3提供的滤波器的输入导纳仿真曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种氮化铝薄膜，所述氮化铝薄膜中掺杂有锗和钪；所述氮化铝薄膜中锗的掺杂量为3-5at%；所述氮化铝薄膜中钪的掺杂量为6-8at%；所述氮化铝薄膜的晶面取向为（002）。其中，钪的掺杂用来提高所述氮化铝薄膜的机电耦合系数（k2 teff）。但是钪的掺杂量过高时，氮化铝薄膜取向性很容易变差，甚至形成多晶薄膜，从而导致氮化薄膜压电性能的降低，进而对器件的机电耦合系数和品质因子Q值产生不良影响。发明人发现，在低钪掺量的基础上同时掺杂锗，可使氮化铝薄膜易于保持（002）的晶面取向，同时，也可提高氮化铝薄膜的机电耦合系数。具体的，氮化铝薄膜在振动过程中，会将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能，这种能量相互变换的程度即机电耦合系数。机电耦合系数满足如下关系：
k2 teff=（π/2）•（fs/fp）/tan[（π/2）•（fs/fp）]
其中，fs为谐振频率，fp为反谐振频率。
铝、锗和钪的原子半径比较接近，因此，钪和锗可同时掺杂入氮化铝薄膜中。而发明人发现由于锗的半径相对铝较小，钪的的半径相对铝较大，当钪和锗共同掺杂时，会导致氮化铝产生晶格畸变，而当锗的掺杂量为3-5at%并且钪的掺杂量为6-8at%时，而这种晶格畸变正好导致fs增大，从使k2 teff增大。而由于铝、锗和钪的原子半径比较接近，使得这种晶格畸变不至于影响氮化铝的晶面取向。
本发明还提供了一种氮化铝的制备方法。具体的，所述方法首先于惰性气体下向Si表面溅射沉积Mo过渡层得到基底；这是因为Mo过渡层的存在会使氮 化铝晶体在沉积时倾向于向（002）面生长。然后在氮气与氩气的混合气体的条件下采用不同的溅射功率，同时向基底溅射铝、钪和锗，即可得到所述的氮化铝薄膜。
具体的，所述铝靶的溅射功率为150-200W；所述钪靶的溅射功率为50-70W；所述锗靶的溅射功率为40-60W。当溅射功率不在上述范围内时，氮化铝薄膜中钪和锗的掺杂量会过高或者过低。
具体的，在溅射过渡层时，惰性气体的流量10-60sccm，溅射气压为0.5Pa-1.5Pa，溅射时间5-60min。过渡层不宜过厚，一般在100nm左右即可。因此，溅射时间过长或过短，惰性气体的流量、溅射气压过大或过小都会影响过渡层的厚度。
具体的，在对基底溅射铝、钪和锗时，所述混合气体的流量为10-60sccm，所述混合气体中氮气的含量70％-85％，溅射气压为0.1Pa-1.2Pa，溅射时间60-2000min，所述基底温度200-400℃。氮气含量过低，难以形成氮化铝，氮气含量过高，会影响氮化铝的晶面取向。所述混合气体的流量和溅射气压会影响氮化铝制备得到的氮化铝薄膜的厚度，同时也会影响氮化铝薄膜的晶面取向。
本发明还提供了一种薄膜体声波滤波器。具体的，将所述氮化铝的上表面和下表面分别连接第一电极和第二电极后，通过第一电极和第二电极向所述氮化铝压电薄膜施加高频电信号时，由于压电薄膜具有逆压电效应，高频电信号会转化为一步频率的声信号。当声波在压电薄膜中的传播距离正好是半波长的奇数倍时就会产生谐振，其中谐振频率处的声波损耗最小，使得该频率的声信号能通过压电薄膜层，而其他频率的信号被阻断，从而只在输出端输出具有特定频率的信号，以实现电信号的滤波功能。而压电薄膜的机电耦合系数正是衡量压电材料压电性强弱的重要物理量，其决定了滤波器可实现的带宽。由于本发明制备得到的氮化铝薄膜的机电耦合系数高，因此，包括所述氮化铝薄膜的薄膜体声波滤波器能够实现在较宽的范围内进行滤波。而由于所述氮化铝的晶面取向均一，其在进行滤波时，声波的损耗也较小。
作为优选的技术方案，在所述氮化铝薄膜表面设置Au焊盘层薄膜，并将所述第一电极与所述Au焊盘层薄膜焊接。相对于将所述第一电极与所述氮化铝薄膜直接焊接的接术方案，将所述第一电极与所述Au焊盘层薄膜焊接能够减少电极的损耗，使得后期的成品质量更加优异。更优选的，在所述Au焊盘层薄膜与所述氮化铝薄膜之间设置Ti过渡层，能够增加Au焊盘层薄膜对AlN薄膜的附着力，保证成品质量，提升加工的成功率。
作为更优选的技术方案，还包括调频薄膜和支撑层；所述调频薄膜下表面与所述第一电极连接；所述支撑层上表面与所述第二电极连接。所述调频薄膜可实现对声波的调频。支撑层则起到对所述氮化铝薄膜的支撑作用。
作为优选的，所述调频薄膜上表面还设有牺牲层。所述牺牲层用于在加工后，形成空气腔。当声信号行进到第一电极的顶端和第二电极的底端时，由于声阻抗差异较大，造成声波全反射，声能量集中在亚微米量级的声学层区域里。因此，该空气腔结构的声泄露很小，可实现器件的高Q值。
以下结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
以下实施例中，采用精密阻抗分析仪（型号 HP4294A）通过测量氮化铝薄膜的谐振频率来得到氮化铝薄膜的机电偶合系数。具体计算公式如下：
K2 teff=2.51
(fp-fs)/fs
实施例1
启动磁控溅射仪的总电源并接通冷却水，待溅射室内压力与大气压平衡后，手动调节靶基距到合理值后将洁净硅片固定在样品台。将钼靶、铝靶、钪靶和锗钯分别安装在直流电源靶位，关闭溅射室腔门，并将溅射室密封，然后对溅射室抽真空。首先打开机械泵和旁抽阀，抽真空至0.1Pa以下，然后关闭机械泵和旁抽阀。然后依次开启分子泵、前级阀和闸板阀，待真空度达到5
10-4Pa以下后打开进气阀，设置氩气流通速度为40sccm，然后向溅射室内通入氩气。调节闸板阀使镀膜气压为0.5Pa，首先在功率150W和偏压0V条件下溅射钼靶5min，随后在功率200W和偏压0V条件下预溅射铝靶120s，然后在功率70W和偏压0V条件下预溅射钪靶90s，最后在功率60W和偏压0V条件下预溅射铝靶70s，然后开启磁控溅射仪，使铝靶、钪靶和锗钯同时溅射，溅射的功率与预溅射的功率相同。待磁控溅射完成后，即可制得厚度为200nm的氮化铝薄膜。
对比例1
启动磁控溅射仪的总电源并接通冷却水，待溅射室内压力与大气压平衡后，手动调节靶基距到合理值后将洁净硅片固定在样品台。将钼靶、铝靶和钪靶分别安装在直流电源靶位，关闭溅射室腔门，并将溅射室密封，然后对溅射室抽真空。首先打开机械泵和旁抽阀，抽真空至0.1Pa以下，然后关闭机械泵和旁抽阀。然后依次开启分子泵、前级阀和闸板阀，待真空度达到5
10-4Pa以下后打开进气阀，设置氩气流通速度为40sccm，然后向溅射室内通入氩气。调节闸板阀使镀膜气压为0.5Pa，首先在功率150W和偏压0V条件下溅射钼靶5min，随后在功率200W和偏压0V条件下预溅射铝靶120s，然后在功率70W和偏压0V条件下预溅射钪靶90s，然后开启磁控溅射仪，使铝靶、钪靶同时溅射，溅射的功率与预溅射的功率相同。待磁控溅射完成后，即可制得氮化铝薄膜。
对比例2
启动磁控溅射仪的总电源并接通冷却水，待溅射室内压力与大气压平衡后，手动调节靶基距到合理值后将洁净硅片固定在样品台。将钼靶、铝靶和钪靶分别安装在直流电源靶位，关闭溅射室腔门，并将溅射室密封，然后对溅射室抽真空。首先打开机械泵和旁抽阀，抽真空至0.1Pa以下，然后关闭机械泵和旁抽阀。然后依次开启分子泵、前级阀和闸板阀，待真空度达到5
10-4Pa以下后打开进气阀，设置氩气流通速度为40sccm，然后向溅射室内通入氩气。调节闸板阀使镀膜气压为0.5Pa，首先在功率150W和偏压0V条件下溅射钼靶5min，随后在功率200W和偏压0V条件下预溅射铝靶240s，然后在功率100W和偏压0V条件下预溅射钪靶180s，然后开启磁控溅射仪，使铝靶、钪靶同时溅射，溅射的功率与预溅射的功率相同。待磁控溅射完成后，即可制得氮化铝薄膜。
实施例2
启动磁控溅射仪的总电源并接通冷却水，待溅射室内压力与大气压平衡后，手动调节靶基距到合理值后将洁净硅片固定在样品台。将钼靶、铝靶、钪靶和锗钯分别安装在直流电源靶位，关闭溅射室腔门，并将溅射室密封，然后对溅射室抽真空。首先打开机械泵和旁抽阀，抽真空至0.1Pa以下，然后关闭机械泵和旁抽阀。然后依次开启分子泵、前级阀和闸板阀，待真空度达到5
10-4Pa以下后打开进气阀，设置氩气流通速度为40sccm，然后向溅射室内通入氩气。调节闸板阀使镀膜气压为0.5Pa，首先在功率150W和偏压0V条件下溅射钼靶5min，随后在功率200W和偏压0V条件下预溅射铝靶120s，然后在功率70W和偏压0V条件下预溅射钪靶90s，最后在功率60W和偏压0V条件下预溅射铝靶70s，然后开启磁控溅射仪，使铝靶、钪靶和锗钯同时溅射，溅射的功率与预溅射的功率相同。待磁控溅射完成后，即可制得厚度为200nm的氮化铝薄膜。
实施例3
启动磁控溅射仪的总电源并接通冷却水，待溅射室内压力与大气压平衡后，手动调节靶基距到合理值后将洁净硅片固定在样品台。将钼靶、铝靶、钪靶和锗钯分别安装在直流电源靶位，关闭溅射室腔门，并将溅射室密封，然后对溅射室抽真空。首先打开机械泵和旁抽阀，抽真空至0.1Pa以下，然后关闭机械泵和旁抽阀。然后依次开启分子泵、前级阀和闸板阀，待真空度达到5
10-4Pa以下后打开进气阀，设置氩气流通速度为40sccm，然后向溅射室内通入氩气。调节闸板阀使镀膜气压为0.5Pa，首先在功率150W和偏压0V条件下溅射钼靶5min，随后在功率200W和偏压0V条件下预溅射铝靶120s，然后在功率70W和偏压0V条件下预溅射钪靶90s，最后在功率60W和偏压0V条件下预溅射铝靶70s，然后开启磁控溅射仪，使铝靶、钪靶和锗钯同时溅射，溅射的功率与预溅射的功率相同。待磁控溅射完成后，即可制得厚度为500nm的氮化铝薄膜。
以下对实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2制备得到的氮化铝薄膜进行了表征。
下表示出了实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2和对比例3制备得到的氮化铝薄膜的钪和锗的掺杂量。
表1 实施例1、实施例2、实施例3、对比例1、对比例2制备得到的氮化铝薄膜的钪和锗的掺杂量
图1示出了实施例1制备得到的氮化铝的X射线衍射（XRD）图谱。从图1中可以看到，实施例1制备得到了晶面取向为（002）的氮化铝薄膜。
图2示出了对比例1制备得到的氮化铝的X射线衍射（XRD）图谱。从图2中可以看到，对比例1也制备得到了晶面取向为（002）的氮化铝薄膜。
图3示出了对比例2制备得到的氮化铝的X射线衍射（XRD）图谱。从图2中可以看到，对比例2制备得到氮化铝薄膜的晶面取向为（002）和（100），这是因为对比例2制备得到的氮化铝薄膜中钪的掺杂量较高。
图4示出了实施例1制备得到的氮化铝薄膜的表面的SEM，从图5中可以看出实施例1制备得到的氮化铝薄膜的表面均匀。
图5示出了实施例1制备得到的氮化铝薄膜的截面的SEM，从图6中可以看出实施例1制备得到的氮化铝薄膜的纵向生长方向均一。
经精密阻抗分析仪测量，实施例1提供薄膜体声波滤波器的机电耦合系数为8.7%，对比例1提供薄膜体声波滤波器的机电耦合系数为2.5%，实施例2提供薄膜体声波滤波器的机电耦合系数为7.8%、实施例3提供薄膜体声波滤波器的机电耦合系数为8.6%。
实施例4
请参阅图6所示的薄膜体声波滤波器，所述薄膜体声波滤波器由实施例1制备得到的氮化铝薄膜作为压电薄膜。所述压电薄膜的上表面设有钛过渡层，所述钛过渡层上表面设有金焊盘，所述金焊盘与所述第一电极连接。所述第一电极连接与所述调频薄膜下表面连接，所述调频薄膜上表面还设有牺牲层。所述压电薄膜的下表面与所述第二电极连接，所述第二电极还与所述支撑层上表面连接，所述支撑层下表面还设有衬底。所述钛过渡层的厚度为30nm。所述调频薄膜的材质为二氧化硅。所述牺牲层的材质为聚酰亚胺。
对比例3
请参阅图6所示的薄膜体声波滤波器，所述薄膜体声波滤波器由对比例1制备得到的氮化铝薄膜作为压电薄膜。所述压电薄膜的上表面设有钛过渡层，所述钛过渡层上表面设有金焊盘，所述金焊盘与所述第一电极连接。所述第一电极连接与所述调频薄膜下表面连接，所述调频薄膜上表面还设有牺牲层。所述压电薄膜的下表面与所述第二电极连接，所述第二电极还与所述支撑层上表面连接，所述支撑层下表面还设有衬底。所述钛过渡层的厚度为30nm。所述调频薄膜的材质为二氧化硅。所述牺牲层的材质为聚酰亚胺。
实施例5
请参阅图6所示的薄膜体声波滤波器，所述薄膜体声波滤波器由实施例2制备得到的氮化铝薄膜作为压电薄膜。所述压电薄膜的上表面设有钛过渡层，所述钛过渡层上表面设有金焊盘，所述金焊盘与所述第一电极连接。所述第一电极连接与所述调频薄膜下表面连接，所述调频薄膜上表面还设有牺牲层。所述压电薄膜的下表面与所述第二电极连接，所述第二电极还与所述支撑层上表面连接，所述支撑层下表面还设有衬底。所述钛过渡层的厚度为30nm。所述调频薄膜的材质为二氧化硅。所述牺牲层的材质为聚酰亚胺。
实施例6
请参阅图6所示的薄膜体声波滤波器，所述薄膜体声波滤波器由实施例3制备得到的氮化铝薄膜作为压电薄膜。所述压电薄膜的上表面设有钛过渡层，所述钛过渡层上表面设有金焊盘，所述金焊盘与所述第一电极连接。所述第一电极连接与所述调频薄膜下表面连接，所述调频薄膜上表面还设有牺牲层。所述压电薄膜的下表面与所述第二电极连接，所述第二电极还与所述支撑层上表面连接，所述支撑层下表面还设有衬底。所述钛过渡层的厚度为30nm。所述调频薄膜的材质为二氧化硅。所述牺牲层的材质为聚酰亚胺。
以下对实施例4、实施例5、实施例6和对比例3提供的薄膜体声波滤波器的性能进行了测试。
图7示出了实施例4和对比例3提供的滤波器的输入导纳仿真曲线。从图7中可以的看到，采用实施例1制备得到的滤波器的fs比采用对比例1制备得到的滤波器的fs大，由此可见，在同时少量掺杂钪和锗时，可显著提高AlN的K2 teff。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种氮化铝薄膜，其特征在于：
所述氮化铝薄膜中掺杂有锗和钪；
所述氮化铝薄膜中锗的掺杂量为3-5at%；
所述氮化铝薄膜中钪的掺杂量为6-8at%；
所述氮化铝薄膜的晶面取向为（002）。
2.如权利要求1所述的氮化铝薄膜，其特征在于：
所述的氮化铝薄膜的厚度为100-500nm。
3.如权利要求1所述的氮化铝薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1于惰性气体下向Si表面溅射沉积Mo过渡层得到基底；
S2在包括氮气和氩气的混合气体环境下，采用铝靶、钪靶和锗靶同时向所述基底表面溅射沉积氮化铝；
所述铝靶的溅射功率为150-200W；
所述钪靶的溅射功率为50-70W；
所述锗靶的溅射功率为40-60W。
4.如权利要求3所述的氮化铝薄膜的制备方法，其特征在于：
所述S1中，惰性气体的流量10-60sccm，溅射气压为0.5Pa-1.5Pa，溅射时间5-10min，溅射功率为100-150W。
5.如权利要求3所述的氮化铝薄膜的制备方法，其特征在于：
所述S2中，所述混合气体的流量为10-60sccm，所述混合气体中氮气的含量70％-85％，溅射气压为0.1Pa-1.2Pa，溅射时间60-2000min，所述基底温度200-400℃。
6.一种薄膜体声波滤波器，包括第一电极、第二电极和如权利要求1-5任一项所述的氮化铝薄膜，其特征在于：
所述氮化铝薄膜的上表面与所述第一电极连接；所述氮化铝薄膜的下表面与所述第二电极连接；
所述氮化铝薄膜用于将电信号转化为声信号。
7.如权利要求6所述的薄膜体声波滤波器，其特征在于：
所述氮化铝薄膜上表面设有钛过渡层；
所述钛过渡层上表面设有金焊盘；
所述金焊盘与所述第一电极连接；
所述钛过渡层的厚度为30-100nm。
8.如权利要求6所述的薄膜体声波滤波器，其特征在于：
还包括调频薄膜和支撑层；所述调频薄膜下表面与所述第一电极连接；所述支撑层上表面与所述第二电极连接；
所述调频薄膜的材质包括氮化硅、氮化铝、氧化铝或二氧化硅。
9.如权利要求8所述的薄膜体声波滤波器，其特征在于：
所述调频薄膜上表面还设有牺牲层；
所述牺牲层的材质包括聚酰亚胺、二氧化硅或硅。
10.如权利要求8所述的薄膜体声波滤波器，其特征在于：
所述支撑层下表面还设有衬底。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210076682.9A CN114094976B (zh) | 2022-01-24 | 2022-01-24 | 一种氮化铝薄膜及其制备方法和薄膜体声波滤波器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210076682.9A CN114094976B (zh) | 2022-01-24 | 2022-01-24 | 一种氮化铝薄膜及其制备方法和薄膜体声波滤波器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114094976A CN114094976A (zh) | 2022-02-25 |
| CN114094976B true CN114094976B (zh) | 2022-04-15 |
Family
ID=80309227
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210076682.9A Active CN114094976B (zh) | 2022-01-24 | 2022-01-24 | 一种氮化铝薄膜及其制备方法和薄膜体声波滤波器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114094976B (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1643696A (zh) * | 2002-03-25 | 2005-07-20 | 克利公司 | 掺杂型iii－v族氮化物材料及由这种材料构成的微电子器件和器件前体结构 |
| JP2006315951A (ja) * | 2003-06-30 | 2006-11-24 | Kenichiro Miyahara | 電子素子及び薄膜基板 |
| DE102015116068A1 (de) * | 2015-09-23 | 2017-03-23 | Forschungsverbund Berlin E.V. | (Sc,Y):AIN Einkristalle für Gitter-angepasste AlGaN Systeme |
| CN107012439A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-08-04 | 电子科技大学 | 一种钪掺杂氮化铝薄膜及其制备方法 |
| CN110266285A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-09-20 | 武汉大学 | 一种微机械谐振器、其制备及频率微调校正方法 |
| CN111740004A (zh) * | 2020-08-10 | 2020-10-02 | 上海陛通半导体能源科技股份有限公司 | 氮化铝基薄膜结构、半导体器件及其制备方法 |
| WO2021123147A1 (de) * | 2019-12-19 | 2021-06-24 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Bewegbares piezoelement und verfahren zum herstellen eines bewegbaren piezoelements |
| CN113174574A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-27 | 奥趋光电技术(杭州)有限公司 | 一种高质量掺钪氮化铝薄膜模板的制备方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140246305A1 (en) * | 2010-01-22 | 2014-09-04 | Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. | Method of fabricating rare-earth element doped piezoelectric material with various amounts of dopants and a selected c-axis orientation |
| US9543385B2 (en) * | 2011-02-14 | 2017-01-10 | Yissum Research Development Company Of The Hebrew University Of Jerusalem Ltd. | Heavily doped semiconductor nanoparticles |
| KR101766004B1 (ko) * | 2015-03-20 | 2017-08-24 | 오씨아이 주식회사 | 질화알루미늄 분말의 제조장치, 제조방법 및 이로부터 제조된 질화알루미늄 분말 |
-
2022
- 2022-01-24 CN CN202210076682.9A patent/CN114094976B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1643696A (zh) * | 2002-03-25 | 2005-07-20 | 克利公司 | 掺杂型iii－v族氮化物材料及由这种材料构成的微电子器件和器件前体结构 |
| JP2006315951A (ja) * | 2003-06-30 | 2006-11-24 | Kenichiro Miyahara | 電子素子及び薄膜基板 |
| DE102015116068A1 (de) * | 2015-09-23 | 2017-03-23 | Forschungsverbund Berlin E.V. | (Sc,Y):AIN Einkristalle für Gitter-angepasste AlGaN Systeme |
| CN107012439A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-08-04 | 电子科技大学 | 一种钪掺杂氮化铝薄膜及其制备方法 |
| CN110266285A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-09-20 | 武汉大学 | 一种微机械谐振器、其制备及频率微调校正方法 |
| WO2021123147A1 (de) * | 2019-12-19 | 2021-06-24 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Bewegbares piezoelement und verfahren zum herstellen eines bewegbaren piezoelements |
| CN111740004A (zh) * | 2020-08-10 | 2020-10-02 | 上海陛通半导体能源科技股份有限公司 | 氮化铝基薄膜结构、半导体器件及其制备方法 |
| CN113174574A (zh) * | 2021-03-31 | 2021-07-27 | 奥趋光电技术(杭州)有限公司 | 一种高质量掺钪氮化铝薄膜模板的制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| GERMANIUM ALUMINUM NITRIDE THIN FILMS FOR PIEZO-MEMS DEVICES;Takaaki Mizuno;《Transducers》;20170622;全文 * |
| Investigation of 20% Scandium-doped Aluminum Nitride Films for MEMS Laterally Vibrating Resonators;Luca Colombo;《IUS》;20171231;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114094976A (zh) | 2022-02-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hao et al. | Single Crystalline ScAlN Surface Acoustic Wave Resonators with Large Figure of Merit (Q× kₜ²) | |
| Lee et al. | Growth of highly c-axis textured AlN films on Mo electrodes for film bulk acoustic wave resonators | |
| CN106244984B (zh) | 一种a轴取向增强型AlN薄膜及其制备方法 | |
| Yi et al. | High-quality film bulk acoustic resonators fabricated on AlN films grown by a new two-step method | |
| CN106341095B (zh) | 金属上单晶氮化物薄膜制备方法及体声波谐振器 | |
| CN111010137A (zh) | 一种空气隙型薄膜体声波谐振器及其制备方法 | |
| KR20090106112A (ko) | 다결정 탄화규소 버퍼층위에 마이크로 또는 나노전자기계시스템용 질화알루미늄막 증착방법 | |
| CN108111142B (zh) | 一种基于碳化硅衬底/氧化锌或掺杂氧化锌薄膜的声表面波器件及其制备方法 | |
| CN114726334B (zh) | 一种声波谐振器及其制造方法 | |
| CN107508571B (zh) | 一种压电谐振器的制备方法和压电谐振器 | |
| CN114094976B (zh) | 一种氮化铝薄膜及其制备方法和薄膜体声波滤波器 | |
| WO2022053038A1 (zh) | AlN单晶薄膜生长方法及具有该薄膜的声表面波谐振器 | |
| CN111593332B (zh) | 柔性玻璃上溅射沉积压电薄膜的方法 | |
| CN113472306A (zh) | 一种固体装配型压电薄膜体声波谐振器及其制造方法 | |
| Tay et al. | Highly c-axis oriented thin AlN films deposited on gold seed layer for FBAR devices | |
| CN100461630C (zh) | 具有ain晶化过渡层的体声波谐振器的制造方法 | |
| CN106435503B (zh) | 一种大的正温度系数的氧化硅薄膜及其沉积方法 | |
| CN115360995A (zh) | 一种复合型压电薄膜及其制备方法、谐振器 | |
| Ouyang et al. | Single-crystalline Bulk Acoustic Wave Resonators Fabricated with AlN Film Grown by a Combination of PLD and MOCVD Methods | |
| Tay et al. | Performance characterization of thin AlN films deposited on Mo electrode for thin-film bulk acoustic-wave resonators | |
| CN207166465U (zh) | 一种压电谐振器 | |
| CN215072339U (zh) | 一种声速连续的键合结构声表面波器件 | |
| CN215418219U (zh) | 一种非连续基底结构声表面波滤波器 | |
| CN113463199B (zh) | 一种高质量单晶氮化铝薄膜及其制备方法和应用 | |
| CN106835016A (zh) | 一种Er掺杂的氮化铝压电薄膜材料 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |