CN114664385A - 改善saw器件压电薄膜压电系数的设计方法及压电薄膜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种改善SAW器件压电薄膜压电系数的设计方法及得到的压电薄膜，包括步骤：(1)搭建晶胞模型，按照AlN卡片的原子位置添加，得到初级晶胞模型；(2)将搭建的初级晶胞模型扩展成超胞；(3)对超胞进行Sc原子掺杂，设置一个掺杂浓度得到掺杂后的超胞模型；(4)利用第一性原理计算Sc掺杂后的压电系数；(5)重复以上步骤，依次更换不同浓度的Sc原子掺杂，分别利用第一性原理计算Sc掺杂后的压电系数，压电系数最大的为Sc原子掺杂浓度最优值。本发明搭建模型并利用第一性原理计算，找到提升薄膜压电性能的方法，减少了实践中大量重复实验，提供了实验方向，减少实验成本。
Description
技术领域
本发明属于材料计算和薄膜制备领域，具体涉及一种高性能SAW器件压电薄膜的设计方法及得到的SAW器件压电薄膜。
背景技术
SAW器件可分为延迟线、滤波器等多种，在通讯中发挥着重要的作用。SAW器件是在压电材料上制作叉指电极(IDT)，利用材料的压电效应实现逆电信号到声信号的转换，再利用逆压电效应将压电材料中传播的声信号转换成电信号。压电材料性能的好坏，很大程度上决定了SAW器件的品质。
传统的压电材料有PZT、ZnO和AlN。其中，PZT具有最高的压电系数，但PZT有居里温度，需要额外进行极化、退火处理，而且其制作过程含Pb，与CMOS工艺不兼容，需要另寻他法。ZnO和AlN作为环保材料，但ZnO在一些场合下并不适用，比如对中心频率要求高时，ZnO需要做得比较薄，难以控制其质量。同为环保材料的AlN，可以与CMOS工艺兼容，且应用场合较广，不仅可以用于SAW器件还可用于FBAR和高温压电传感器，但是其本身压电系数较低，需要对其压电性能进行改善。
传统的薄膜制备方法依靠经验来进行，依靠大量实验和控制变量制备出具有目标性能的薄膜。本发明以建模和第一性原理为指导，得出Sc掺杂使得AlN压电性上升的事实，将理论结果应用于工艺的探索。第一性原理是根据原子核和电子相互作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，直接求解薛定谔方程的算法，利用硬性规则推导结论的方法，可以用来解释某些具体情况下的晶胞内发生的微观变化及计算晶胞内的一些参数。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种改善SAW器件压电薄膜压电系数的设计方法及得到的SAW器件压电薄膜。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种改善SAW器件压电薄膜压电系数的设计方法，包括以下步骤：
(1)搭建晶胞模型，按照AlN卡片的原子位置添加，得到初级晶胞模型1；
(2)将上一步搭建的初级晶胞模型1扩展成超胞2；
(3)对超胞2进行Sc原子掺杂，设置一个掺杂的浓度得到掺杂后的超胞模型3；
(4)利用第一性原理计算Sc掺杂后的压电系数；
(5)重复以上步骤，依次更换不同浓度的Sc原子掺杂，更换的浓度满足Sc在金属原子中的占比在50％以下；分别利用第一性原理计算Sc掺杂后的压电系数，压电系数最大的为Sc原子掺杂浓度最优值。
作为优选方式，步骤(2)中将上一步搭建的初级晶胞模型1扩展成XYZ轴2*2*2的超胞2。
作为优选方式，步骤(5)更换不同浓度的Sc原子掺杂时，按照渐变的浓度梯度更换。
作为优选方式，压电薄膜包括α-Al2O3蓝宝石衬底5，以及所述α-Al2O3蓝宝石衬底5光滑面上的ScxAl1-xN薄膜6，两者结合的方式为磁控溅射镀膜生长，镀膜的方法为磁控溅射法。
作为优选方式，还包括如下步骤：
(6)从划片α-Al2O3蓝宝石晶圆4取下α-Al2O3蓝宝石衬底5，使用无尘布将衬底擦拭干净，再依次用丙酮、去离子水、无水乙醇清洗，用氮气吹干后备用；
(7)将真空镀膜机腔体和托盘打磨清洁后，先对靶材进行预溅射；
(8)预溅射结束后开始磁控溅射，得到改善后的SAW器件压电薄膜。
作为优选方式，步骤(7)和(8)中薄膜生长所用靶材为99.99％AlSc合金靶7。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种通过上述设计方法得到的SAW器件压电薄膜。
本发明的有益效果为：本发明搭建模型并利用第一性原理计算，找到提升薄膜压电性能的方法，减少了实践中大量重复实验，提供了实验方向，减少实验成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种改善SAW器件压电薄膜压电系数的设计方法的搭建晶胞模型图。
图2为本发明实施例提供的一种改善SAW器件压电薄膜压电系数的设计方法所用材料图。
1为初级晶胞模型，2为超胞，3为掺杂后的超胞模型，4为划片α-Al2O3蓝宝石晶圆，5为α-Al2O3蓝宝石衬底，6为ScxAl1-xN薄膜，7为99.99％AlSc合金靶。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
本实施例提供一种改善SAW器件压电薄膜压电系数的设计方法，包括以下步骤：
(1)搭建晶胞模型，按照AlN卡片的原子位置添加，得到初级晶胞模型1；
(2)将上一步搭建的初级晶胞模型1扩展成超胞2；
(3)对超胞2进行Sc原子掺杂，设置一个掺杂的浓度得到掺杂后的超胞模型3；
(4)利用第一性原理计算Sc掺杂后的压电系数；
(5)重复以上步骤，依次更换不同浓度的Sc原子掺杂，更换的浓度满足Sc在金属原子中的占比在50％以下；分别利用第一性原理计算Sc掺杂后的压电系数，压电系数最大的为Sc原子掺杂浓度最优值。
优选的，步骤(2)中将上一步搭建的初级晶胞模型1扩展成XYZ轴2*2*2的超胞2。
优选的，步骤(5)更换不同浓度的Sc原子掺杂时，按照渐变的浓度梯度更换。
优选的，压电薄膜包括α-Al2O3蓝宝石衬底5，以及所述α-Al2O3蓝宝石衬底5光滑面上的ScxAl1-xN薄膜6，两者结合的方式为磁控溅射镀膜生长，镀膜的方法为磁控溅射法。
实施例2
本实施例提供一种改善SAW器件压电薄膜压电系数的设计方法，包括以下步骤：
(1)搭建晶胞模型，按照AlN卡片的原子位置添加，得到初级晶胞模型1；
(2)将上一步搭建的初级晶胞模型1扩展成超胞2；
(3)对超胞2进行Sc原子掺杂，设置一个掺杂的浓度得到掺杂后的超胞模型3；
(4)利用第一性原理计算Sc掺杂后的压电系数；
(5)重复以上步骤，依次更换不同浓度的Sc原子掺杂，更换的浓度满足Sc在金属原子中的占比在50％以下；分别利用第一性原理计算Sc掺杂后的压电系数，压电系数最大的为Sc原子掺杂浓度最优值。
压电薄膜包括α-Al2O3蓝宝石衬底5，以及所述α-Al2O3蓝宝石衬底5光滑面上的ScxAl1-xN薄膜6，两者结合的方式为磁控溅射镀膜生长，镀膜的方法为磁控溅射法。
(6)从划片α-Al2O3蓝宝石晶圆4取下α-Al2O3蓝宝石衬底5，使用无尘布将衬底擦拭干净，再依次用丙酮、去离子水、无水乙醇清洗，用氮气吹干后备用；
(7)将真空镀膜机腔体和托盘打磨清洁后，先对靶材进行预溅射；
(8)预溅射结束后开始磁控溅射，得到改善后的SAW器件压电薄膜。
优选的，步骤(2)中将上一步搭建的初级晶胞模型1扩展成XYZ轴2*2*2的超胞2。
优选的，步骤(5)更换不同浓度的Sc原子掺杂时，按照渐变的浓度梯度更换。
优选的，压电薄膜包括α-Al2O3蓝宝石衬底5，以及所述α-Al2O3蓝宝石衬底5光滑面上的ScxAl1-xN薄膜6，两者结合的方式为磁控溅射镀膜生长，镀膜的方法为磁控溅射法。
优选的，步骤(7)和(8)中薄膜生长所用靶材为99.99％AlSc合金靶7。
实施例3
本实施例提供一种通过materials studio软件改善SAW器件压电薄膜压电系数的设计方法，包括以下步骤：
(1)搭建晶胞模型，在materials studio中按照AlN卡片的原子位置添加，得到初级晶胞模型1；
(2)选择supercell命令，将上一步搭建的初级晶胞模型1扩展成超胞2；
(3)对超胞2进行Sc原子掺杂，设置一个掺杂的浓度得到掺杂后的超胞模型3，
(4)利用第一性原理计算Sc掺杂后的压电系数：
选择该所述优化模型3，选择module，castep，calculation，弹出计算参数界面后，选择elastic constants。将各页面计算参数调整好后，点击Run，完成后可在文件夹中得到弹性参数。
对优化模型3进行压力模拟，对优化模型3选择module，castep，calculation，弹出计算参数界面后，选择geometry optimization，选择施加压力。将各页面参数调整好之后点击Run。重复该步骤，取得不同压力下的形变量σ和铅锌矿内部参数u。
选择优化模型3，选择module，castep，calculation，弹出计算参数界面后，选择Task：properties。调整好各页面参数后，选择Run，计算成功后弹出successful的弹窗。在取得的文件中可分析得到
选择优化模型3，选择module，castep，calculation，弹出计算参数界面后，选择geometry optimization，选择施加压力，将各页面参数设置好之后点击Run，计算成功后会弹出successful弹窗。在取得的文件中可分析得出电子对应变响应的压力压电系数。
(5)重复以上步骤，依次更换不同浓度的Sc原子掺杂，更换的浓度满足Sc在金属原子中的占比在50％以下；分别利用第一性原理计算Sc掺杂后的压电系数，压电系数最大的为Sc原子掺杂浓度最优值。本实例中分别设置了六个浓度。
压电薄膜包括α-Al2O3蓝宝石衬底5，以及所述α-Al2O3蓝宝石衬底5光滑面上的ScxAl1-xN薄膜6，两者结合的方式为磁控溅射镀膜生长，镀膜的方法为磁控溅射法。
(6)清洁器具：用无水乙醇、无尘布和砂纸将镀膜机内部腔体打磨干净。从所述划片α-Al2O3蓝宝石晶圆4，取下α-Al2O3蓝宝石衬底5，在超声清洗器中依次用丙酮、去离子水、无水乙醇清洗，再用高纯氮气冲刷表面滤去液体。
(7)预溅射：将99.99％AlSc合金靶7放入真空镀膜机的靶材位，装入托盘，调整靶基距，关闭舱门。打开机械泵，抽气至允许范围，打开分子泵抽气至1*10-4Pa以下，向腔体中充入氩气，保持至室内被氩气氛充满，打开射频溅射开关，观察到腔室中启辉后，保持30分钟，调整功率为0，关掉溅射开关，将氩气流量归零，停止分子泵，转速归零后，关掉机械泵。最后关掉气压计，打开舱门。
(8)溅射：预溅射冲靶材后，将托盘取出，放入α-Al2O3蓝宝石衬底5，反光面朝下，关闭舱门。打开机械泵抽气至允许范围，打开分子泵。气压降至1*10-4Pa以下，开始对衬底升温，待衬底温度升至240℃后，保持三分钟。调整氮氩比为7：17，充入气体稳定后，调整舱室挡板将气压调为0.8Pa，调整功率为240W,将反射功率降至0，自偏压不为0，此时通过观察窗看到腔体内启辉，保持60分钟后，将溅射功率归零，关掉氮氩流量，同时停止衬底升温，开始降温。待降至室温后，关掉分子泵。分子泵转速归零后，关掉机械泵。气压回升至1Pa以上，关闭气压计，充入气体，打开舱门，取出薄膜样品。得到改善后的SAW器件压电薄膜。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (7)
1.一种改善SAW器件压电薄膜压电系数的设计方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)搭建晶胞模型，按照AlN卡片的原子位置添加，得到初级晶胞模型(1)；
(2)将上一步搭建的初级晶胞模型(1)扩展成超胞(2)；
(3)对超胞(2)进行Sc原子掺杂，设置一个掺杂的浓度得到掺杂后的超胞模型(3)；
(4)利用第一性原理计算Sc掺杂后的压电系数；
(5)重复以上步骤，依次更换不同浓度的Sc原子掺杂，更换的浓度满足Sc在金属原子中的占比在50％以下；分别利用第一性原理计算Sc掺杂后的压电系数，压电系数最大的为Sc原子掺杂浓度最优值。
2.如权利要求1所述的一种改善SAW器件压电薄膜压电系数的设计方法，其特征在于：步骤(2)中将上一步搭建的初级晶胞模型1扩展成XYZ轴2*2*2的超胞(2)。
3.如权利要求1所述的一种改善SAW器件压电薄膜压电系数的设计方法，其特征在于：步骤(5)更换不同浓度的Sc原子掺杂时，按照渐变的浓度梯度更换。
4.如权利要求1所述的一种改善SAW器件压电薄膜压电系数的设计方法，其特征在于：压电薄膜包括α-Al2O3蓝宝石衬底(5)，以及所述α-Al2O3蓝宝石衬底光滑面上的ScxAl1-xN薄膜(6)，两者结合的方式为磁控溅射镀膜生长，镀膜的方法为磁控溅射法。
5.如权利要求4所述的一种改善SAW器件压电薄膜压电系数的设计方法，其特征在于：还包括如下步骤：
(6)从划片α-Al2O3蓝宝石晶圆(4)取下α-Al2O3蓝宝石衬底(5)，使用无尘布将衬底擦拭干净，再依次用丙酮、去离子水、无水乙醇清洗，用氮气吹干后备用；
(7)将真空镀膜机腔体和托盘打磨清洁后，先对靶材进行预溅射；
(8)预溅射结束后开始磁控溅射，得到改善后的SAW器件压电薄膜。
6.如权利要求5所述的一种改善SAW器件压电薄膜压电系数的设计方法，其特征在于：步骤(7)和(8)中薄膜生长所用靶材为99.99％AlSc合金靶(7)。
7.通过权利要求1至6任意一项所述设计方法得到的SAW器件压电薄膜。
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