CN1257940A - 一种在高声速材料衬底上生长氮化铝压电薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在高声速材料(如金刚石、非晶金刚石薄膜、类金刚石薄膜)衬底上生长c－取向氮化铝(AlN)薄膜的方法。为了提高声表面波(SAW)器件的工作频率,一种有效的方法就是在高声速材料衬底上沉积压电薄膜。本发明通过引入氧化锌(ZnO)薄膜过渡层解决了在高声速材料(如金刚石、非晶金刚石和类金刚石薄膜)衬底上难以形成C－取向氮化铝(AlN)压电薄膜的难题。用本发明制备的氮化铝压电薄膜,制作声表面波(SAW)器件,其工作频率可达3千兆赫(GHz)以上。
Description
本发明涉及一种在高声速材料衬底上生长C轴取向氮化铝(AlN)压电薄膜的方法，属于压电薄膜材料领域。
信息高速公路的建设对我国国民经济的发展具有重要的战略意义。作为信息产业的重要组成部分，移动通信由于其方便快捷广泛受到用户的欢迎并正在成为最具活力的产业之一。移动通讯的载体是高频电波，到目前为止，几百兆赫兹的波段范围内，已很少有空余波段，进一步发展移动通信必须使用千兆赫(GHz)或更高频率的波段。
表面声波SAW(Surface acoustic wave)器件是现代无线移动通信系统的关键部件之一，不仅如此，它在雷达、电子对抗、航空航天及导航等方面都有重要应用。随着移动通信向更高频率的方向发展(3千兆赫以上)，对表面声波器件的工作频率也提出了新的要求。
表面声波(SAW)器件的工作频率主要由两方面因素决定：一是叉指电极(IDT)的线宽/间距比，它决定表面声波的波长；另一方面是表面声波的传播速度，它由材料本身的特性决定。因此，要提高表面声波(SAW)器件的工作频率，一是减小叉指电极的线宽/间距比，但它受到现有的工艺水平限制；另外就是提高表面声波的传播速度，即使用高声速材料。
目前表面声波(SAW)器件大都采用铌酸锂(LiNbO3)或钽酸锂(LiTaO3)等单晶压电材料或PZT系列压电陶瓷材料制作。然而，由于这类材料的表面波速比较低(2000～4000米/秒)，在现有的工艺条件下，要使工作频率达到千兆赫或更高，单纯依靠减小叉指电极(IDT)线宽/间距比的线宽已相当困难。而且，在深亚微米情况下，铝合金电极的迁移将会很严重。因此，目前主要是对某些压电晶体进行理论估算，寻找高声速漏波的传播方向；另外则是通过改进材料体系，选择表面声波传播速度快的材料来制作高频表面声波(SAW)器件，显然后者是更为直接有效的途径。
金刚石衬底(包括非晶金刚石和类金刚石薄膜)具有很高的声波传播速度(纵波速度：金刚石～17000米/秒，炭化硅SiC(6H)～14000米/秒)。因此，在现有工艺条件下，以这一类材料作为衬底生长压电薄膜，制作表面声波(SAW)器件将可能大幅度提高器件工作频率，因而受到高度重视。目前已有利用线宽/间距/氧化锌(ZnO)/线宽/间距/金刚石制作工作频率为2.9千兆赫表面声波(SAW)滤波器的报道，但尚处于实验室研究阶段。当然，如果采用氮化铝(AlN)这类声速更高的压电材料与高声速材料衬底相结合来制作表面声波(SAW)器件，则利用已有的光刻工艺就可以制成千兆赫频率的表面声波(SAW)滤波器。
然而在金刚石衬底特别是非晶金刚石衬底上，生长c-取向的氮化铝(AlN)薄膜却很难。俄罗斯科学家采用高温化学气相沉积技术，研究了在单晶金刚石不同面上的外延生长情况，指出在单晶金刚石薄膜上，有可能实现氮化铝(AlN)沿特定方向的外延生长。然而到目前为止，制备的是多晶或非晶。因此，直接在这一类材料上生长c-取向的氮化铝(AlN)薄膜几乎是不可能的。
本发明是一种在高声速材料(金刚石、非晶金刚石、类金刚石薄膜等)衬底上，利用在氧化锌(ZnO)上容易形成C-取向织构生长，氮化铝(AlN)又与氧化锌(ZnO)具有良好的晶格匹配关系，通过引入氧化锌(ZnO)作为过渡层，实现氮化铝(AlN)沿C-轴取向生长压电薄膜的方法。目的是在现有的工艺条件下将表面声波(SAW)器件的工作频率提高到千兆赫(GHz)以上。采用本发明方法制备的C轴取向氮化铝(AlN)压电薄膜，在1微米的工艺条件下，可以制作获得工作频率达3千兆赫(GHz)的表面声波(SAW)器件。
本发明在高声速材料(如金刚石、非晶金刚石、类金刚石薄膜等)衬底上生长C轴取向氮化铝(AlN)压电薄膜可通过下述途径实现。
采用脉冲准分子激光沉积材料制备技术，在高声速材料衬底(金刚石、非晶金刚石、类金刚石薄膜)上淀积生长C-取向氮化铝(AlN)/氧化锌(ZnO)薄膜，并制作表面声波(SAW)器件的具体步骤如下：
1、首先将脉冲激光沉积(PLD)材料生长室抽真空，真空度为10-6-10-3pa(帕)；
2、加热衬底，温度为250-350℃；
3、调节激光沉积生长的脉冲激光能量密度为1-2焦耳/平方厘米；
4、先用氧化锌(ZnO)靶，在高声速材料(金刚石、非晶金刚石、类金刚石薄膜等)衬底上预淀积10～30纳米厚的氧化锌(ZnO)薄膜；
5、然后将氧化锌(ZnO)/金刚石衬底的温度升至500～650℃，再用脉冲激光沉积法在氧化锌(ZnO)过渡层上淀积氮化铝(AlN)薄膜，厚度在0.5微米以上。
6、利用上述淀积生长的氮化铝(AlN)薄膜，用标准的集成电路工艺或表面波器件工艺在氮化铝(AlN)薄膜表面制作叉指电极。
7、采用标准的表面波器件工艺进行引线和封装，制成以高声速材料(如金刚石、非晶金刚石、类金刚石薄膜等)为衬底的C-取向氮化铝(AlN)/氧化锌(ZnO)薄膜高频声表面波滤波器。
此外，采用反应离子溅射、等离子体辅助分子束外延等方法，也可以按照上述流程在高声速材料(如金刚石、非晶金刚石、类金刚石薄膜等)衬底上实现c-取向的氮化铝(AlN)薄膜的外延生长。需要说明的是，采用等离子体辅助分子束外延法在高声速材料(如金刚石、非晶金刚石、类金刚石薄膜)衬底上生长氮化铝(AlN)/氧化锌(ZnO)薄膜时，等离子体为氮离子；采用反应离子溅射法在高声速材料(如金刚石、非晶金刚石薄膜、类金刚石薄膜)衬底上生长氮化铝(AlN)/氧化锌(ZnO)薄膜时，氧化锌(ZnO)/金刚石衬底的温度为500-900℃。
本发明的优点显而易见，用本方法在高声速材料(如金刚石、非晶金刚石、类金刚石薄膜等)衬底上制备生长c-取向的氮化铝(AlN)薄膜可用于制作高性能高频声表面波器件。此外，利用氧化锌(ZnO)与氮化铝(AlN)良好的晶格匹配关系，通过引入氧化锌(ZnO)过渡层，使c-取向氮化铝(AlN)能成功地在金刚石等材料薄膜衬底上生长，从而，实现了氮化铝(AlN)和金刚石等高声速材料结合，制作高性能高频声表面波器件。本发明是一种制备高性能高频声表面波器件材料实用可行的方法。
附图说明
图1是本发明在高声速材料衬底上生长c-轴取向氮化铝(AlN)薄膜，制作高频声表面波滤波器的流程图。其中，1是高声速材料(如金刚石、非晶金刚石、类金刚石薄膜等)衬底；2是用脉冲激光沉积或等离子体辅助分子束外延或反应离子溅射方法在衬底上生长的氧化锌(ZnO)缓冲层；3是用脉冲激光沉积或等离子体辅助分子束外延或反应离子溅射方法在氧化锌(ZnO)/金刚石上生长的氮化铝(AlN)薄膜；4是氮化铝(AlN)薄膜表面制作的叉指电极；5是器件的引线；6是声表面波器件的封装外壳。
下面通过实施例进一步阐述本发明的实质性特点和显著进步。
实施例1.
以金刚石薄膜为衬底，采用脉冲激光沉积方法，通过原位沉积，在氧化锌(ZnO)过渡层上获得厚度为0.5微米的c-取向氮化铝(AlN)，并制作声表面波器件的具体实施如下：本实施例金刚石薄膜采用电子回旋共振化学气相淀积在硅衬底上制备。沉积生长材料时，先将脉冲激光沉积(PLD)材料生长室抽真空，真空度为10-6-10-3帕。然后，加热衬底，温度为250-350℃；调节激光沉积生长的脉冲激光能量密度为1-2焦耳/平方厘米；用氧化锌(ZnO)作靶，在衬底上预淀积10～30纳米厚氧化锌(ZnO)薄膜；氧化锌(ZnO)薄膜预淀积后，再将氧化锌(ZnO)/金刚石衬底的温度升至500～650℃，用脉冲激光沉积法在氧化锌(ZnO)过渡层上淀积氮化铝(AlN)薄膜，厚度在0.5微米以上。为了制作声表面波器件，可利用上述本实施例淀积生长的氮化铝(AlN)薄膜，并应用标准的集成电路工艺或表面波器件工艺在氮化铝(AlN)薄膜表面制作叉指电极，进行引线和封装，制成以高声速材料金刚石为衬底的C-取向氮化铝(AlN)/氧化锌(ZnO)薄膜高频声表面波滤波器。
实施例2.
本实施例采用离子束合成类金刚石薄膜，并以类金刚石薄膜为衬底。实施时，先在类金刚石薄膜衬底上离子束合成约20纳米厚的氧化锌(ZnO)过渡层，然后按实施例1将衬底温度升至500-900℃，再离子溅射，以获得厚度为0.5微米厚的c-取向氮化铝(AlN)薄膜。最后，按实施例1方法，可利用本实施例获得的氮化铝(AlN)薄膜制作成声表面波器件。
实施例3.
本实施例以金刚石基片为衬底。金刚石基片由中国国家建材院北京人工晶体研究所提供。实施时，先在金刚石基片衬底上淀积生长约20纳米厚的氧化锌(ZnO)过渡层，然后按实施例1再在氧化锌(ZnO)/金刚石衬底上淀积生长厚度为0.5微米c-取向AlN薄膜。最后，按实施例1方法，利用本实施例获得的氮化铝(AlN)薄膜制作成声表面波器件。
Claims (4)
1.一种在高声速材料底上生长氮化铝(AlN)压电薄膜的方法，包括金刚石、非晶金刚石和类金刚石薄膜衬底以及脉冲激光沉积或等离子体辅助分子束外延或反应离子溅射材料制备技术，其特征在于在高声速材料衬底上生长c-取向氮化铝(AlN)压电薄膜前，高声速材料衬底上预生长有氧化锌(ZnO)过渡层薄膜。
2.根据权利要求1所述的在高声速材料衬底上生长氮化铝(AlN)压电薄膜的方法，其特征在于采用脉冲准分子激光沉积法在高声速材料(如金刚石、非晶金刚石、类金刚石薄膜)衬底上生长氮化铝(AlN)/氧化锌(ZnO)薄膜的具体步骤如下：
a.生长室抽真空，真空度为10-6-10-3帕，
b.加热衬底，温度为250-350℃，
c.调节淀积生长薄膜的激光能量密度为1-2焦耳/平方厘米，
d.先用氧化锌(ZnO)靶，在高声速材料衬底上预淀积10～30纳米厚的氧化锌(ZnO)薄膜，
e.然后将氧化锌(ZnO)/金刚石衬底的温度升至500～650℃，再用脉冲激光沉积法在氧化锌(ZnO)过渡层上淀积氮化铝(AlN)薄膜，厚度在0.5微米以上。
3.根据权利要求1或2所述的在高声速材料衬底上生长氮化铝(AlN)压电薄膜的方法，其特征在于采用等离子体辅助分子束外延法在高声速材料(如金刚石、非晶金刚石、类金刚石薄膜)衬底上生长氮化铝(AlN)/氧化锌(ZnO)薄膜时，等离子体为氮离子。
4.根据权利要求1或2所述的在高声速材料衬底上生长氮化铝(AlN)压电薄膜的方法，其特征在于采用反应离子溅射法在高声速材料(如金刚石、非晶金刚石、类金刚石薄膜)衬底上生长氮化铝(AlN)/氧化锌(ZnO)薄膜时，氧化锌(ZnO)/金刚石衬底的温度为500-900℃。
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