[发明专利]一种在高声速材料衬底上生长氮化铝压电薄膜的方法

说明书

本发明涉及一种在高声速材料衬底上生长c-轴取向氮化铝(AlN)压电薄膜的方法，属于压电薄膜材料领域。

信息高速公路的建设对我国国民经济的发展具有重要的战略意义。作为信息产业的重要组成部分，移动通信由于其方便快捷广泛受到用户的欢迎并正在成为最具活力的产业之一。移动通讯的载体是高频电波，到目前为止，几百兆赫兹的波段范围内，已很少有空余波段，进一步发展移动通信必须使用千兆赫(GHz)或更高频率的波段。

表面声波SAW(Surface acoustic wave)器件是现代无线移动通信系统的关键部件之一，不仅如此，它在雷达、电子对抗、航空航天及导航等方面都有重要应用。随着移动通信向更高频率的方向发展(3千兆赫以上)，对表面声波器件的工作频率也提出了新的要求。

表面声波(SAW)器件的工作频率主要由两方面因素决定：一是叉指电极(IDT)的线宽/间距比，它决定表面声波的波长；另一方面是表面声波的传播速度，它由材料本身的特性决定。因此，要提高表面声波(SAW)器件的工作频率，一是减小叉指电极的线宽/间距比，但它受到现有的工艺水平限制；另外就是提高表面声波的传播速度，即使用高声速材料。

目前表面声波(SAW)器件大都采用铌酸锂(LiNbO₃)或钽酸锂(LiTaO₃)等单晶压电材料或PZT系列压电陶瓷材料制作。然而，由于这类材料的表面波速比较低(2000～4000米/秒)，在现有的工艺条件下，要使工作频率达到千兆赫或更高，单纯依靠减小叉指电极(IDT)线宽/间距比的线宽已相当困难。而且，在深亚微米情况下，铝合金电极的迁移将会很严重。因此，目前主要是对某些压电晶体进行理论估算，寻找高声速漏波的传播方向；另外则是通过改进材料体系，选择表面声波传播速度快的材料来制作高频表面声波(SAW)器件，显然后者是更为直接有效的途径。

金刚石衬底(包括非晶金刚石和类金刚石薄膜)具有很高的声波传播速度[纵波速度：金刚石～17000米/秒，炭化硅SiC(6H)～14000米/秒].因此，在现有工艺条件下，以这一类材料作为衬底生长压电薄膜，制作表面声波(SAW)器件将可能大幅度提高器件工作频率，因而受到高度重视。目前已有利用线宽/间距/氧化锌(ZnO)/线宽/间距/金刚石制作工作频率为2.9千兆赫表面声波(SAW)滤波器的报道，但尚处于实验室研究阶段。当然，如果采用氮化铝(AlN)这类声速更高的压电材料与高声速材料衬底相结合来制作表面声波(SAW)器件，则利用已有的光刻工艺就可以制成千兆赫频率的表面声波(SAW)滤波器。

然而在金刚石衬底特别是非晶金刚石衬底上，生长c-取向的氮化铝(AlN)薄膜却很难。俄罗斯科学家采用高温化学气相沉积技术，研究了在单晶金刚石不同面上的外延生长情况，指出在单晶金刚石薄膜上，有可能实现氮化铝(AlN)沿特定方向的外延生长。然而，制备的却是多晶或非晶。日本公开特许公报，特开平9-227298“氮化碳单晶膜”中公开了一种采用单晶衬底，在衬底特定表面h-GaN(0001)，AlN(0001)，InN(0001)，h-SiC(0001)，c-GaN(111)，c-SiC(111)，TiN(111)，MgO(111)以及氧化锌单晶ZnO(0001)上，引入过渡层，降低衬底与外延生长膜晶格失配，生长氮化物的方法。但是在使用这种方法时，即使是同一种材料，其不同晶面上生长特性都有很大差别。由此可见，直接在这一类材料上生长c-取向氮化铝(AlN)薄膜几乎不可能；采用单晶衬底，引入氧化锌(ZnO)过渡层，降低外延薄膜与单晶衬底间晶格失配，在特定表面上外延生长氮化物，则限制了高声速材料的制备与发展。为了克服以上公开技术的不足，本发明提供了一种可以在单晶衬底上，也可在多晶或非晶衬底上，特别是在金刚石基的多晶或非晶衬底上生长高声速材料的方法。

本发明是一种在高声速材料(金刚石、非晶金刚石、类金刚石薄膜等)衬底上，利用在氧化锌(ZnO)上容易形成C-取向织构生长，氮化铝(AlN)又与氧化锌(ZnO)具有良好的晶格匹配关系，通过引入氧化锌(ZnO)作为过渡层，实现氮化铝(AlN)沿C-轴取向生长压电薄膜的方法。目的是在现有的工艺条件下将表面声波(SAW)器件的工作频率提高到千兆赫(GHz)以上。采用本发明方法制备的C轴取向氮化铝(AlN)压电薄膜，在1微米的工艺条件下，可以制作获得工作频率达3千兆赫(GHz)的表面声波(SAW)器件。