[发明专利]一种择优取向的AlN压电薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及声表面波器件技术领域，特别是一种择优取向的AlN压电薄膜及其制备方法。

技术背景

声表面波（SAW）器件具有体积小、重量轻、稳定性好、可靠性高、功率小等多方面优点，使其广泛应用于雷达、电子战、声纳系统、无线通信、光纤通信及广播电视系统等领域。特别是在移动通信领域的不可替代的地位推动了声表面波技术的研究向前发展。

由中心频率F=V/λ和V=（E/ρ）^1/2可知（V是SAW材料中的声速，E、ρ和λ分别表示材料的弹性模量、材料的密度和声波的波长，其中波长λ由叉指换能器指宽d决定，λ=4d），想要获得高频器件，就必须提高V和减小λ。所以就要考虑IDT特性和压电薄膜的各种属性。也就是说制作高频声表面波器件，存在两个努力方向：第一，发展更加先进的半导体平面工艺，制作更细的叉指换能器；第二，制备更高相速和更高机电耦合系数的压电材料或压电多层膜结构。在器件的制作过程中，制作叉指条的宽度往往受到半导体工艺的制约，当指宽小于0.2μm，已经逼近目前半导体工业水平的极限，此外，叉指条太细在声表面波的传播工程中，往往容易发生断裂，造成声表面波的彻底损坏，所以仅采用先进的半导体平面工艺不可能满足声表面波高速发展的需要。此外，叉指条越细，电阻会越大，这会产生更大的热能，大的热能会把细的叉指条熔化断，使声表面波的彻底损坏，这对制作大功率声表面波器件不利，同时也降低了声表面波器件的可靠性。

所以，通过以上问题，有必要制备优质择优取向的压电薄膜与金刚石相结合，因为金刚石作为自然界中相速最高的物质，是做衬底的理想选择，此外，金刚石还具有耐热性和导热性，非常适合做大功率器件。以金刚石作为基底，然后在金刚石上淀积优质的a轴择优取向的AlN薄膜，将会很大提升声表面波器件相速和机电耦合系数。本发明提供的一种择优取向的AlN压电薄膜及其制备，该制备方法工艺条件方便易行，制备的产品可靠性强、成品率高且成本低，有利于大规模的推广应用，具有重大的生产实践意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，提供一种择优取向的AlN压电薄膜及其制备方法，该压电薄膜可制备高频、大功率、高机电耦合系数且制备的产品可靠性强、成品率高且成本低，有利于大规模的推广应用的SAW器件。

本发明的技术方案：

一种择优取向的AlN压电薄膜，由CVD金刚石衬底和a轴择优取向AlN薄膜叠加组成，CVD金刚石衬底厚度为20-25um、表面粗糙度低于5nm，a轴择优取向AlN薄膜厚度为60-80nm。

一种所述择优取向的AlN压电薄膜的制备方法，步骤如下：

1）将CVD金刚石衬底置于乙醇中并利用兆声清洗机进行兆声清洗10-15min，然后用N₂枪吹干；

2）将清洗后的CVD金刚石衬底送入射频磁控溅射室中抽真空中进行N₂处理，工艺条件为：腔体本底真空度4×10^-5Pa，温度300-400℃，通入N₂持续时间10-20min；

3）采用射频磁控溅射方法在N₂处理后的CVD金刚石衬底表面沉积一层较薄a轴择优取向AlN薄膜，工艺条件为：反应气体N₂、工作气体Ar和靶材Al的纯度均为99.999％，腔体本底真空度4×10^-5Pa，衬底温度300-400℃，溅射功率80-100W，工作气压1.0-1.5Pa，N₂与Ar的体积流量比为8：10，靶基距为6cm，溅射时间为20-30min；

4）将上述a轴择优取向AlN薄膜进行原位N₂退火处理，工艺条件为：关闭Ar气和溅射功率，N₂的工作气压1.0-1.5Pa，腔体本底真空度4×10^-5Pa，温度300-400℃，靶基距6cm，退火处理时间10-20min；

5）重复交替进行步骤3）和步骤4）并保证迅速转换，直至a轴择优取向AlN薄膜厚度达到300-500nm为止，得到优质a轴择优取向AlN薄膜。

本发明的技术分析：

生长a轴择优取向AlN薄膜之前对CVD金刚石衬底进行N₂处理，把CVD金刚石置于N₂环境中，使其表面含有N₂，为下一步AlN的生长奠定了N源基础。