[发明专利]一种AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及声表面波器件技术领域，特别是一种AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件及制备方法。

背景技术

近年来，移动通信的飞速发展，使得无线电通信频带成为一个有限而宝贵的自然资源。对于移动通信系统，低于1GHz的频带已被占满(第一代数字系统)；第二代数字系统的频率从900MHz到1.9GHz；在第三代数字系统中，全球漫游游游频率范围为1.8～2.2GHz，卫星定位系统(GPS)频率为1.575GHz，低地球轨道新卫星通信(LEO)的应用频率范围为1.6GHz～2.5GHz，因此，目前的移动通信系统的应用频率越来越高，急需高频的声表面波(SAW)滤波器，而且，移动通动通信装置都要求声表面波SAW滤波器尽量小型化以及具有较大的功率承受能力。

对于常规SAW材料(例如，石英、LiNbO₃、LiTaO₃、ZnO等)，声速较低(均低于4000m/s)，用其制作2.5GHz的SAW器件，其IDT指宽d必须小于0.4μm，5GHz对应的指宽d小于0.2μm，逼近目前半导体工业水平的极限，造成断指严重，成品率太低。而且d越小，电阻就越大，功率承受能力越小，严重制约了SAW器件频率的进一步提高；目前，国内外热衷于通过提高声速V来达到提高频率的效果。由于在所有材料中金刚石具有最高的弹性模量(E＝1200Gpa)、且材料密度低(ρ＝3.519/cm³)，最高纵波声速(18000m/s)等特性，所以金刚石是这种方法最理想的材料。而金刚石本身并不具备压电特性，无法进行声电转换，故我们采用金刚石与压电材料相结合的多层膜体系。SAW的性能由压电薄膜和金刚石衬底共同决定。ZnO的声速为2600m/s，与金刚石的声速相差特大，容易引起声速频散，及相速度随频率不同变化很大。

2008年，中国台湾Sean Wu等人首次将a-轴择优取向的AlN薄膜与金刚石相结合，通过有限元仿真得到a-轴择优取向的AlN薄膜要比c轴择优取向的AlN薄膜具有更高的声度，声速可达10474m/s，并且压电系数K²达到2.31％。之后台湾Ruyen Ro等人又在多篇文章中提出a-轴择优取向的AlN薄膜更适合高频SAW器件的应用。这为a-轴择优取向的AlN薄膜在高频SAW器件中的应用提供了理论依据，至今尚未有通过实验证实这一点的相关报导。

因此，目前迫切需要开发出一种可通过减少声速频散来提高声表面波器件频率的多层膜基片，且机电耦合系数高，可以承受大功率。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析和存在问题，提供一种AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件及制备方法，该高频声表面波器件为ZnO/a-轴择优取向AlN/金刚石多层膜结构，此结构SAW器件频率高，且可以承受大功率，并满足高频率和大功率移动通信的要求；该制备方法所用设备简单、工艺条件方便易行，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

本发明的技术方案：

一种AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件，以a-轴择优取向的AlN薄膜作为CVD金刚石衬底和c-轴择优取向ZnO薄膜之间的中间层，形成IDT/ZnO/a-轴择优取向AlN/金刚石多层膜结构。即由纳米金刚石衬底、a-轴择优取向的AlN薄膜、c-轴择优取向ZnO薄膜和叉指换能器IDT依次叠加构成。

所述的中间层a-轴择优取向AlN薄膜的晶粒线度为60-80nm、膜厚为0.2-0.3μm；所述的上层c-轴择优取向的ZnO薄膜的晶粒线度为60-90nm、膜厚0.7-0.8μm。

一种所述AlN薄膜为中间层的高频声表面波器件的制备方法，步骤如下：

1)采用CVD方法制备纳米金刚石衬底；

2)以Al靶作为靶材，采用射频磁控溅射法在纳米金刚石衬底表面制备a-轴择优取向AlN薄膜；

3)以ZnO陶瓷靶作为靶材，采用射频磁控溅射法在a-轴择优取向AlN薄膜表面制备c-轴择优取向的ZnO薄膜；

4)采用电子束蒸发法在c-轴择优取向的ZnO薄膜表面制备叉指换能器IDT。

所述的采用CVD方法制备纳米金刚石底层的工艺参数为：在氩气、氢气和甲烷混合气体中进行化学汽相沉积，氩气、氢气和甲烷的体积百分比为75％∶20％∶5％，混合气流量为500sccm，沉积腔中微波功率为4500W、压强为75Pa，衬底温度为750℃，沉积时间为2小时。