專利名稱：一種擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲表面波器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
聲表面波(SAW)器件具有體積小、重量輕、穩(wěn)定性好、可靠性高、功率小等多方面優(yōu)點，使其廣泛應(yīng)用于雷達、電子戰(zhàn)、聲納系統(tǒng)、無線通信、光纖通信及廣播電視系統(tǒng)等領(lǐng)域。特別是在移動通信領(lǐng)域的不可替代的地位推動了聲表面波技術(shù)的研究向前發(fā)展。由中心頻率F=V/λ和V= CE/P ) 1/2可知(V是SAW材料中的聲速，Ε、P和λ分別表示材料的彈性模量、材料的密度和聲波的波長，其中波長λ由叉指換能器指寬d決定，λ =4d)，想要獲得高頻器件，就必須提高V和減小λ。所以就要考慮IDT特性和壓電薄膜的各種屬性。也就是說制作高頻聲表面波器件，存在兩個努力方向:第一，發(fā)展更加先進的半導體平面工藝，制作更細的叉指換能器；第二，制備更高相速和更高機電耦合系數(shù)的壓電材料或壓電多層膜結(jié)構(gòu)。在器件的制作過程中，制作叉指條的寬度往往受到半導體工藝的制約，當指寬小于0.2 μ m，已經(jīng)逼近目前半導體工業(yè)水平的極限，此外，叉指條太細在聲表面波的傳播工程中，往往容易發(fā)生斷裂，造成聲表面波的徹底損壞，所以僅采用先進的半導體平面工藝不可能滿足聲表面波高速發(fā)展的需要。此外，叉指條越細，電阻會越大，這會產(chǎn)生更大的熱能，大的熱能會把細的叉指條熔化斷，使聲表面波的徹底損壞，這對制作大功率聲表面波器件不利，同時也降低了聲表面波器件的可靠性。所以，通過以上問題，有必要制備優(yōu)質(zhì)擇優(yōu)取向的壓電薄膜與金剛石相結(jié)合，因為金剛石作為自然界中相速最高的物質(zhì)，是做襯底的理想選擇，此外，金剛石還具有耐熱性和導熱性，非常適合做大功率器件。以金剛石作為基底，然后在金剛石上淀積優(yōu)質(zhì)的a軸擇優(yōu)取向的AlN薄膜，將會很大提升聲表面波器件相速和機電耦合系數(shù)。本發(fā)明提供的一種擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜及其制備，該制備方法工藝條件方便易行，制備的產(chǎn)品可靠性強、成品率高且成本低，有利于大規(guī)模的推廣應(yīng)用，具有重大的生產(chǎn)實踐意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜及其制備方法，該壓電薄膜可制備高頻、大功率、高機電耦合系數(shù)且制備的產(chǎn)品可靠性強、成品率高且成本低，有利于大規(guī)模的推廣應(yīng)用的SAW器件。本發(fā)明的技術(shù)方案:一種擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜，由CVD金剛石襯底和a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜疊加組成，CVD金剛石襯底厚度為20-25um、表面粗糙度低于5nm，a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜厚度為60_80nm。一種所述擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜的制備方法，步驟如下:I)將CVD金剛石襯底置于乙醇中并利用兆聲清洗機進行兆聲清洗10_15min，然后用N2槍吹干；2)將清洗后的CVD金剛石襯底送入射頻磁控濺射室中抽真空中進行N2處理，工藝條件為:腔體本底真空度4X 10_5Pa，溫度300-400°C，通入N2持續(xù)時間10_20min ；3)采用射頻磁控濺射方法在N2處理后的CVD金剛石襯底表面沉積一層較薄a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜，工藝條件為:反應(yīng)氣體N2、工作氣體Ar和靶材Al的純度均為99.999%,腔體本底真空度4X 10_5Pa，襯底溫度300-40(TC，濺射功率80-100W，工作氣壓1.0-1.5Pa，N2與Ar的體積流量比為8:10，靶基距為6cm，濺射時間為20_30min ；4)將上述a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜進行原位N2退火處理，工藝條件為:關(guān)閉Ar氣和濺射功率，N2的工作氣壓1.0-1.5Pa，腔體本底真空度4X 10_5Pa，溫度300-400°C，靶基距6cm,退火處理時間10_20min ；5)重復交替進行步驟3)和步驟4)并保證迅速轉(zhuǎn)換，直至a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜厚度達到300-500nm為止，得到優(yōu)質(zhì)a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜。本發(fā)明的技術(shù)分析:生長a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜之前對CVD金剛石襯底進行N2處理，把CVD金剛石置于N2環(huán)境中，使其表面含有N2,為下一步AlN的生長奠定了 N源基礎(chǔ)。a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜與CVD金剛石襯底構(gòu)成的壓電薄膜可以構(gòu)成高相速，高機電耦合系數(shù)的聲表面波器件。從原理上講，在CVD金剛石達到一定厚度后，聲表面波器件相速度、機電耦合系數(shù)主要與壓電薄膜密切相關(guān)，而壓電薄膜質(zhì)量的好壞直接關(guān)系著壓電薄膜的相速度和機電耦合系數(shù)等一系列參數(shù)的優(yōu)良，故優(yōu)質(zhì)擇優(yōu)取向的AlN薄膜的制備有其研究的必要性。采用多部循環(huán)進行原位通N2退火處理AlN薄膜，來改善AlN薄膜的結(jié)晶性，提高擇優(yōu)取向程度是本發(fā)明的最大優(yōu)點。從原理上講，隨著AlN薄膜厚度增加，N2濃度會按指數(shù)形式下降，也就是說AlN薄膜越厚，N2進入AlN薄膜晶界與未飽和Al相結(jié)合的能力越低，這將嚴重影響深層AlN (靠近襯底側(cè))的結(jié)晶質(zhì)量。此外，僅在薄膜生長完全結(jié)束后進行一次原位通N2退火處理，還會造成N2不能被充分利用，造成浪費，較長時間雖可以實現(xiàn)較好再結(jié)晶處理，但太浪費時間。所以采用多部循環(huán)進行原位通N2退火處理AlN薄膜，就可以完全解決以上問題，實現(xiàn)高頻、大功率、高機電耦合系數(shù)AlN壓電薄膜制備。本發(fā)明的優(yōu)點是:該擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜用于制備高頻、大功率、高機電耦合系數(shù)的SAW器件，產(chǎn)品可靠性強、成品率高且成本低；其制備方法工藝簡單、易于實施，有利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。


附圖1為該聲表面波器件的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2為在CVD金剛石表面沉積a-AIN薄膜的XRD圖。
具體實施例方式為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細說明。實施例1:
—種擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜，如圖1所示，由CVD金剛石襯底和a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜疊加組成，CVD金剛石襯底厚度為20um，a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜厚度為65nm ;其制備方法如下:I)將CVD金剛石襯底置于乙醇中并利用兆聲清洗機進行兆聲清洗lOmin，然后用
N2槍吹干。2)將清洗后的CVD金剛石襯底送入射頻磁控濺射室中抽真空中進行N2處理，工藝條件為:腔體本底真空度4X 10_5Pa，溫度350°C，通入N2持續(xù)時間15min ;把CVD金剛石置于N2環(huán)境中，使其表面含有N2,為下一步AlN的生長奠定了 N源基礎(chǔ)。3)采用射頻磁控濺射方法在N2處理后的CVD金剛石襯底表面沉積一層厚度為65nm的a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜，工藝條件為:反應(yīng)氣體N2、工作氣體Ar和靶材Al的純度均為99.999%，腔體本底真空度4X 10_5Pa，襯底溫度350°C，濺射功率90W，工作氣壓1.3Pa，N2與Ar的體積流量比為8:10，靶基距為6cm，濺射時間為30min ;生長一層較薄a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜，N2容易進入，節(jié)省N2和時間。4)將上述a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜進行原位N2退火處理，工藝條件為:關(guān)閉Ar氣和濺射功率，N2的工作氣壓1.3Pa，腔體本底真空度4 X W5Pa,溫度350°C，靶基距6cm，退火處理時間IOmin ;由于上層AlN薄膜厚度小，使得N2易于進入AlN薄膜內(nèi)部，再結(jié)晶速度快，且未飽和Al含量明顯降低，制得的a-AIN薄膜的X射線衍射儀(XRD)圖，如圖2所示，同時為下一步AlN的生長奠定了基礎(chǔ)。5)重復交替進行步驟3)和步驟4)并保證迅速轉(zhuǎn)換，直至a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜厚度達到400nm為止并以步驟4)結(jié)束，得到優(yōu)質(zhì)a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜。圖2為在CVD金剛石表面沉積a-AIN薄膜的XRD圖。檢測結(jié)果表明:在2 Θ =33.2°附近有峰值，而且峰值強度高達6400，說明a軸擇優(yōu)取向薄膜結(jié)晶性良好，擇優(yōu)取向明顯。通過(原子力顯微鏡)AFM表征可知表面粗糙度為3.7nm，完全符合聲表面波器件的要求。實施例2:一種擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜，由CVD金剛石襯底和a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜疊加組成，CVD金剛石襯底厚度為25um，a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜厚度為70nm ;其制備方法如下:I)將CVD金剛石襯底置于乙醇中并利用兆聲清洗機進行兆聲清洗lOmin，然后用N2槍吹干；2)將清洗后的CVD金剛石襯底送入射頻磁控濺射室中抽真空中進行N2處理，工藝條件為:腔體本底真空度4X 10_5Pa，溫度380°C，通入N2持續(xù)時間20min ；3)采用射頻磁控濺射方法在N2處理后的CVD金剛石襯底表面沉積一層厚度為70nm的a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜，工藝條件為:反應(yīng)氣體N2、工作氣體Ar和靶材Al的純度均為99.999%，腔體本底真空度4X 10_5Pa，襯底溫度380°C，濺射功率100W，工作氣壓1.4Pa，N2與Ar的體積流量比為8: 10，靶基距為6cm，濺射時間為30min ;生長一層較薄a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜，N2容易進入，節(jié)省N2和時間；4)將上述a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜進行原位N2退火處理，工藝條件為:關(guān)閉Ar氣和濺射功率，N2的工作氣壓1.4Pa，腔體本底真空度4 X W5Pa,溫度380°C，靶基距6cm，退火處理時間IOmin ；5)重復交替進行步驟3)和步驟4)并保證迅速轉(zhuǎn)換，直至a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜厚度達到450nm為止并以步驟4)結(jié)束，得到優(yōu)質(zhì)a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜。檢測結(jié)果表明:用此方案在CVD金剛石襯底表面沉積獲得的a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜，通過XRD進行表征，在2 Θ =33.2。附近有峰值，而且峰值強度高達6100，說明a軸擇優(yōu)取向薄膜結(jié)晶性良好，擇優(yōu)取向明顯。通過AFM表征可知表面粗糙度為3.5nm，完全符合聲表面波器件的要求。本發(fā)明提供的一種擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜及其制備，該制備方法工藝條件方便易行，制備的產(chǎn)品可靠性強、成品率高且成本低，有利于大規(guī)模的推廣應(yīng)用，具有重大的生產(chǎn)實踐意義。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜，其特征在于:由CVD金剛石襯底和a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜疊加組成，CVD金剛石襯底厚度為20-25um、表面粗糙度低于5nm，a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜厚度為60-80nm。
2.一種如權(quán)利要求1所述擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜的制備方法，其特征在于步驟如下: 1)將CVD金剛石襯底置于乙醇中并利用兆聲清洗機進行兆聲清洗10-15min，然后用N2槍吹干； 2)將清洗后的CVD金剛石襯底送入射頻磁控濺射室中抽真空中進行N2處理，工藝條件為:腔體本底真空度4X 10_5Pa，溫度300-400°C，通入N2持續(xù)時間10_20min ； 3)采用射頻磁控濺射方法在N2處理后的CVD金剛石襯底表面沉積一層較薄a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜，工藝條件為:反應(yīng)氣體N2、工作氣體Ar和靶材Al的純度均為99.999%，腔體本底真空度4X10_5Pa，襯底溫度300-400°C，濺射功率80-100W，工作氣壓1.0-1.5Pa，N2與Ar的體積流量比為8:10，靶基距為6cm，濺射時間為20_30min ； 4)將上述a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜進行原位N2退火處理,工藝條件為:關(guān)閉Ar氣和濺射功率，N2的工作氣壓1.0-1.5Pa，腔體本底真空度4X 10_5Pa，溫度300-400°C，靶基距6cm，退火處理時間10_20min ； 5)重復交替進行步驟3)和步驟4)并保證迅速轉(zhuǎn)換，直至a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜厚度達到300-500nm為止，得到優(yōu)質(zhì)a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜。
全文摘要
一種擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜，由CVD金剛石襯底和a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜疊加組成，CVD金剛石襯底厚度為20-25um、表面粗糙度低于5nm，a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜厚度為60-80nm；其制備方法是將清洗后的CVD金剛石襯底送入射頻磁控濺射室中抽真空中進行N2處理，在襯底表面沉積a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜，然后進行原位N2退火處理，重復交替進行沉積和退火處理直至a軸擇優(yōu)取向AlN薄膜厚度達到300-500nm為止。本發(fā)明的優(yōu)點是該擇優(yōu)取向的AlN壓電薄膜用于制備高頻、大功率、高機電耦合系數(shù)的SAW器件，產(chǎn)品可靠性強、成品率高且成本低；其制備方法工藝簡單、易于實施，有利于大規(guī)模推廣應(yīng)用。
文檔編號H03H9/02GK103095244SQ20131002492
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月23日
發(fā)明者陳希明, 李福龍, 薛玉明, 朱宇清, 張倩, 陰聚乾, 郭燕, 孫連婕 申請人:天津理工大學