[发明专利]一种利用高刚性薄膜应力提高压电基底性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用高刚性薄膜应力提高压电基底性能的方法。

背景技术

近年来声表面波器件在科研及实际应用领域都取得了很大发展。声表面波是一种沿弹性固体表面或界面传播的弹性波，能量集中于固体表面，波形种类主要包括瑞利波、拉姆波、乐甫波、电声波等类。1885年英国物理学家瑞利在地震波研究的基础上首先从理论上提出了声表面波。1965 年美国的怀特和沃尔特默在应用物理杂志上发表了表面波叉指换能器(IDT)的相关论文，取得了声表面波技术的关键性突破促使 SAW 技术快速发展。近年来许多国家及研究机构投入了大量的精力研究SAW技术及器件并取得了长足进步。

声表面波器件的主要特点是设计灵活性大、模拟/数字兼容、群延迟时间偏差和频率选择优良（可选频率范围在10MHz-3GHz）、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰性能号（EMI）、可靠性高、制作的器件体积小、重量轻，而且能够实现多种复杂的功能。声表面波器件是20世纪中后期出现的新型电子器件，经过多年的发展研制出振荡器、滤波器、传感器等多种形式的声表面波器件，并广泛应用于广播、传感、通信、雷达、电子对抗及航空航天等领域。特别是近年来，制导兵器、小型无人飞机等武器系统对传感器需要越来越多，要求也随之越来越高，声表面波技术自身的特点优势及与传统传感技术的结合，受到国防科研和装备部门高度重视，极大地推动了声表面波器件的发展，并给武器系统的提高和改进提供了更关阔的空间。无论是SAW技术本身还是SAW器件的应用要求，SAW器件都有向高频、高性能、高集成的方向发展。

声表面波器件的工作频率等于声波在基底中的传播速度和叉指电极周期长度的比值。要提高器件工作中心频率并缩小器件尺寸主要可以从减小叉指电极周期长度及提高基底声波传播速度两方面入手。叉指周期长度决定于叉指线条宽度及间隔，但在现有工艺条件下，叉指线条不能无限制细化，叉指制作越细对光刻设备要求越高生产成本也越高且线条细化将导致器件承受功率能力急剧下降。而且现有的声表面波器件多数采用石英、钽酸鲤、铌酸锂等压电晶体、压电陶瓷或压电薄膜材料，但这些基底材料声表面波传播速度较低（低于4000米/秒）。现有工艺及材料条件下，依靠减小叉指电极周期长度达到提高中心频率的方法已达到极限。因此提高器件的工作频率，增强功率承受能力的合理途径就是提高声波传播速度。采用控制高刚性薄膜压应力提高压电基底性能的方法就是最有效的方法之一。

高刚性薄膜（如金刚石薄膜、类金刚石薄膜、氮化硼、碳化硼、氮化铝薄膜等）都具有声波传播速度快、薄膜硬度高、与基底结合力差及压应力大的特点。例如，金刚石是所有物质中声传播速度最快的材料，高于10000米/秒；氮化铝薄膜声传播速度也可达到5600～6100米/秒。现有改进声表面波器件压电基底性能的方法中有使用声波传播速度高的高刚性薄膜与压电基底结合在一起形成多层膜结构提高声表面波器件基底性能的方法，但这种方法提高基底性能有限且方法单一。

发明内容

本发明是为了解决在现有工艺条件下，叉指电极周期长度不能无限制细微化提高声波传播速度，目的是提高声表面波器件压电基底性能的方法，从而提供一种通过控制高刚性薄膜使其处于特定压应力状态提高压电基底性能的方法。

本发明提供一种利用高刚性薄膜应力提高压电基底性能的方法，是在压电基底上沉积高刚性薄膜，采用磁控溅射镀膜方法控制高刚性薄膜应力，使压应力达到5～10GPa范围内。

与现有技术相比，本发明具有以下的优势：

1.将声学传播速度高的高刚性薄膜与声表面波器件基底结合在一起可以提高基底性能，在此基础上根据固体中波的传播理论大的压应力可提高声传播速度，控制高刚性薄膜压应力提高声速但要控制应力在破坏薄膜范围之内。本发明通过磁控溅射方法镀制高刚性薄膜，控制高刚性薄膜压应力提高声表面波基底性能，发现在应力处于5～10GPa范围内即可使声表面波速达到峰值，声速可提高2%～6%，即通过提高机械性能改善声学性能制作高性能SAW器件。