[发明专利]一种立方氮化硼压电薄膜声表面波器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及声表面波器件，特别是一种立方氮化硼压电薄膜声表面波器件及其制备方法。

背景技术

随着信息和通信技术的飞速发展，近年来，高频SAW滤波器被广泛应用于第三代数字移动通信系统和高频系统的中间频率(IF)滤波中。然而低于2.5GHz的频带已被占满，故急需2.5-10GHz的高频声表面波器件。另外，移动通信装置都要求器件小型化和对大功率承受能力强，所以研制高频(4.8GHz以上)SAW器件迫在眉睫。

常规SAW材料，如石英、LiNbO₃、LiTaO₃、ZnO等，声表面波相速较低，一般均低于4000m/s，用其制作2.5GHz的SAW器件，其叉指换能器(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，在生产中遇到许多问题，如断指严重、可靠性差、成品率低、价格昂贵等，严重制约了SAW器件频率的进一步提高；而且，发射端(TX)滤波器是对大功率信号滤波，如此细的指宽d，电阻较大，会产生大量的耗散热，再加上这些材料热导率低，所以承受大功率是不可能的。这使得由上述材料制成的SAW器件很难满足高频率和/或大功率通信的要求。因此，目前迫切需要一种压电薄膜，用于制备频率高，且可以承受大功率的SAW器件，可以满足高频率和/或大功率移动通信的要求。

在所有材料中，金刚石的弹性模量最高(E＝1200Gpa)，密度较低(ρ＝3.51g/cm3)，从而具有所有物质中最高的声速，用其制作的多层膜SAW器件，IDT指宽d是相同频率常规材料的2.5倍(2.5GHz对应的指宽d可大于1μm，5GHz对应的指宽d可大于0.5μm)，电阻只有常规材料的2/5，产生的耗的耗散热也只有常规材料的2/5，再加上金刚石的热导率在所有材料中最高，使得金刚石薄膜成为高频率、大功率SAW器件最理想的高声速材料，而金刚石SAW器件也成为目前世界上重要的研究焦点之一。

然而，金刚石本身并不是压电材料，无法进行电磁波与声表面波的能量转换，因此需要在其上面沉积一层压电薄膜(如ZnO、LiNbO₃、AlN、c-BN等)，制成多层膜SAW器件。SAW的性能则由压电薄膜和金刚石衬底共同决定。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析和存在问题，提供一种立方氮化硼压电薄膜声表面波器件及其制备方法，该声表面波器件为IDT/c-BN/Al/金刚石多层膜结构，可满足高频(4.8GHz以上)、高机电耦合系数、大功率(8w以上)、低传播损耗、低频率温度系数的声表面波(SAW)器件等领域的应用要求，且制备工艺简单、易于实施、利于推广。

本发明的技术方案：

一种立方氮化硼压电薄膜声表面波器件，为IDT/c-BN/Al/金刚石多层膜结构，由金刚石衬底、中间层纳米铝膜和在纳米铝膜表面形成的一层纳米立方氮化硼c-BN压电薄膜组成。

所述的中间层纳米铝膜的晶粒线度为40-60nm、膜厚0.1-0.2μm；所述纳米立方氮化硼c-BN膜的晶粒线度为50-100nm、膜厚0.8-0.9μm。

一种所述立方氮化硼压电薄膜声表面波器件的制备方法，包括如下步骤：

1)采用直流磁控溅射法在纳米CVD金刚石衬底表面沉积纳米Al膜；

2)采用射频磁控溅射法在纳米Al膜表面沉积纳米立方氮化硼c-BN薄膜；

3)在纳米立方氮化硼c-BN薄膜表面制备叉指换能器IDT。

所述在金刚石表面沉积纳米Al膜的直流磁控溅射法的工艺参数为：本底真空度为3.3×10^-4Pa、衬底转台旋转速度为20转/分钟、衬底温度为室温、溅射功率为50w、氩气流量为20sccm、工作压强为1.0Pa、靶基距为6.5cm、沉积时间为12分钟。

所述在纳米铝膜表面沉积纳米立方氮化硼c-BN薄膜的射频磁控溅射法的工艺参数为：本底真空度小于3.3×10^-4Pa、衬底旋转台转速20转/分钟、衬底温度500℃、射频功率300W、氮气与氩气流量比为2∶18、工作压强0.8Pa、溅射靶与衬底之间的靶距6cm、衬底负偏压为-200V、沉积时间2-3小时。