專利名稱：一種用于聲表面波器件的氧化鋅壓電薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲表面波器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種用于聲表面波器件的氧化鋅壓電薄膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，移動通信的飛速發(fā)展，使得無線電通信頻帶成為一個有限而寶貴的自然資源。對于移動通信系統(tǒng)，低于IGHz的頻帶已被占滿(第一代數(shù)字系統(tǒng))；第二代數(shù)字系統(tǒng)的頻率從900MHz到I. 9GHz ;在第三代數(shù)字系統(tǒng)中，全球漫游頻率范圍為I. 8 2. 2GHz， 衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)頻率為I. 575GHz，低地球軌道新衛(wèi)星通信(LEO)的應(yīng)用頻率范圍為
I.6GHz 2. 5GHz,因此，目前的移動通信系統(tǒng)的應(yīng)用頻率越來越高，急需高頻的聲表面波 (SAW)濾波器，而且，移動通動通信裝置都要求聲表面波SAW濾波器盡量小型化以及具有較大的功率承受能力。對于叉指換能器/ΖηΟ/Al/類金剛石復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲表面波器件，在現(xiàn)有制作工藝水平的前提下，叉指換能器寬度不能無限制的微細(xì)化。因而選擇高彈性模量，低密度，高熱導(dǎo)率的襯底材料成為提高薄膜聲表面波器件性能和壽命的主要途徑。金剛石具有最高的硬度和彈性模量，室溫下極高的熱導(dǎo)率和電阻率，最高的聲速。但由于通常制備的金剛石薄膜表面比較粗糙，不利于叉指換能器的制備，會引起聲表面波的散射，產(chǎn)生能量損耗，增大插入損耗，從而嚴(yán)重影響器件的性能。并且金剛石硬度高化學(xué)性能穩(wěn)定，通過機(jī)械，化學(xué)拋光等手段處理非常困難。極大地限制了金剛石器件的應(yīng)用。與金剛石相比，類金剛石是一種亞穩(wěn)態(tài)的非晶碳，其結(jié)構(gòu)，物理化學(xué)性質(zhì)接近于金剛石，具備很多與金剛石類似的優(yōu)異性能，如硬度高、彈性模量高、熱導(dǎo)率高、耐磨耐蝕性高、摩擦系數(shù)低、良好的絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性，可在室溫下大面積制備，并具有非常光滑的表面可降低聲表面波的散射。因此，類金剛石(diamond-like carbon,DLC)薄膜是制備高頻率、高功率、低插入損耗的薄膜聲表面波器件的理想襯底材料。由于類金剛石本身不是壓電材料，無法激發(fā)和接受表面波，因此需要在類金剛石上沉積一層壓電薄膜制成薄膜聲表面波器件。由于氧化鋅薄膜具有高機(jī)電耦合系數(shù)和低介電常數(shù)，是一種用于聲表面波器件的理想壓電材料。要實(shí)現(xiàn)氧化鋅薄膜在聲表面波器件中的應(yīng)用，關(guān)鍵在于制備出高質(zhì)量、表面平整、晶體缺陷少、具有高度c軸擇優(yōu)取向的ZnO壓電薄膜，以盡量降低聲波傳播過程中的散射和提高機(jī)電耦合系數(shù)(K2)。在氧化鋅和類金剛石襯底之間加入金屬層，能有效提高氧化鋅薄膜的機(jī)電耦合系數(shù)。其中，在所有金屬當(dāng)中，Al金屬層能實(shí)現(xiàn)氧化鋅壓電薄膜的機(jī)電耦合系數(shù)的最大幅度提升。同時，加入Al金屬層能進(jìn)一步降低聲表面波傳播過程中的散射，有效提高聲表面波的傳播速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于聲表面波器件的氧化鋅壓電薄膜及其制備方法，該壓電薄膜制備的SAW器件頻率高且可以承受大功率，可以滿足高頻率和/或大功率移動通信的要求，其制備方法工藝條件方便易行，有利于大規(guī)模的推廣應(yīng)用，具有重大的生產(chǎn)實(shí)踐意義。本發(fā)明的技術(shù)方案—種用于聲表面波器件的氧化鋅壓電薄膜，為在單晶娃基片襯底上制備的氧化鋅 /鋁/類金剛石復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。所述復(fù)合膜中ZnO薄膜晶粒線度為40-60nm，膜厚為O. 1-0. 2 μ m ；A1膜晶粒線度為40-60nm，膜厚為O. 1-0. 2 μ m ;類金剛石薄膜的晶粒線度為30_40nm，膜厚為I μ m。一種所述用于聲表面波器件的氧化鋅壓電薄膜的制備方法，步驟如下I)對單晶硅基片表面進(jìn)行清洗處理，將單晶硅基片放入丙酮或酒精中利用超聲清洗機(jī)進(jìn)行超聲清洗，冷風(fēng)吹干；2)將表面清洗干凈的單晶硅基片放入脈沖激光系統(tǒng)的真空生長腔中，用機(jī)械泵和分子泵對真空生長腔抽真空；3)以石墨為靶材，調(diào)節(jié)石墨靶材與單晶硅基片的距離，向真空室內(nèi)通入工作氣體氬氣，通過激光燒蝕石墨靶材，在單晶硅基片上沉積類金剛石薄膜；4)以鋁為靶材，調(diào)節(jié)鋁靶與單晶硅基片之間的距離，然后向真空室內(nèi)通入氬氣，通過激光燒蝕鋁靶，在類金剛石薄膜上沉積Al膜；5)沉積Al膜完成后，繼續(xù)向真空室內(nèi)通入氬氣，停止對鋁靶進(jìn)行燒蝕，待單晶硅基片自然冷卻到室溫后，取出單晶硅基片放在酒精中進(jìn)行10分鐘的超聲清洗以去除單晶硅基片表面的雜質(zhì)，然后把單晶硅基片轉(zhuǎn)移到磁控濺射系統(tǒng)并固定到襯底上；6)以氧化鋅為靶材，調(diào)節(jié)氧化鋅靶材與硅基片之間的距離，采用機(jī)械泵和分子泵抽對濺射室抽真空后，向真空室通入氧氣，采用射頻磁控濺射工藝，在Al膜表面沉積一層氧化鋅薄膜；7)在濺射室內(nèi)并在氧氣氣氛下對制備的氧化鋅薄膜在400°C溫度下進(jìn)行30分鐘退火處理；8)關(guān)閉氣體，待樣品冷卻到室溫后取出，即可制得氧化鋅壓電薄膜。所述在單晶硅基片表面采用脈沖激光沉積系統(tǒng)沉積類金剛石薄膜的工藝參數(shù)為 工作氣體氬氣的壓強(qiáng)為O. 5-30Pa ;石墨靶材與單晶硅基片的距離為40-80mm，單晶硅基片溫度為25-500°C，靶材和單晶硅基片自轉(zhuǎn)速度為5-15轉(zhuǎn)/分鐘，激光能量為100-300mJ，激光脈沖為I-IOHz。所述在類金剛石襯底表面采用脈沖激光沉積系統(tǒng)沉積Al薄膜的工藝參數(shù)為 工作氣體氬氣的體積流量為20SCCm，工作壓強(qiáng)l-30Pa，Al靶與單晶硅基片的距離是 40-100mm,襯底溫度300-500°C，襯底旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速5_15轉(zhuǎn)/分鐘，激光能量為100-300mJ，激光脈沖為I-IOHz。所述在Al膜表面沉積氧化鋅薄膜的射頻磁控濺射工藝參數(shù)為襯底旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速 20轉(zhuǎn)/分鐘、襯底溫度400°C、濺射功率150W、氧氣流量20SCCm、工作壓強(qiáng)I. 7Pa、濺射靶與襯底之間的靶距3cm、沉積時間1-2小時。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用脈沖激光沉積系統(tǒng)同時實(shí)現(xiàn)高聲速類金剛石薄膜和Al膜的沉積，采用射頻磁控濺射技術(shù)實(shí)現(xiàn)氧化鋅薄膜的沉積，制備工藝簡單易行，成本低廉；所制備的類金剛石薄膜表面光滑平整，可大大降低聲波在傳輸過程中的損耗，沉積的Al薄膜大大提高了氧化鋅薄膜的機(jī)電耦合系數(shù)，氧化鋅薄膜結(jié)晶度高，C-軸取向高，該Ζη0/Α1/ DLC復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)可用于制作高性能，高頻和大功率器件。
具體實(shí)施例方式為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。實(shí)施例I :一種用于聲表面波器件的氧化鋅壓電薄膜的制備方法，步驟如下I)將單晶硅基片Si (100)放入丙酮或酒精中利用超聲清洗機(jī)進(jìn)行超聲清洗15分鐘,冷風(fēng)吹干；2)將表面清洗干凈的單晶硅基片放入波長為250nm的準(zhǔn)分子脈沖激光系統(tǒng)的真空生長腔中的襯底臺上，用機(jī)械泵和分子泵對真空生長腔抽真空至本底真空度等于 3 X KT4Pa ；3)以石墨為靶材，向真空室內(nèi)通入工作氣體氬氣，氬氣的壓強(qiáng)為15Pa，調(diào)節(jié)石墨革巴材與單晶娃基片的距尚為70mm,單晶娃基片溫度為400°C，祀材和單晶娃基片的自傳速度為10轉(zhuǎn)/分鐘，激光能量300mJ，脈沖頻率5GHz，沉積次數(shù)為6000次，通過激光燒蝕石墨靶材，在單晶硅基片上沉積類金剛石薄膜，類金剛石薄膜的晶粒線度為30nm，膜厚為I μ m ;4)以鋁為靶材，然后向真空室內(nèi)通入氬氣，流量為20sCCm，工作壓強(qiáng)12Pa，調(diào)節(jié)鋁靶與單晶硅基片之間的距離為100mm，單晶硅基片溫度為400°C，靶材和單晶硅基片的自傳速度為15轉(zhuǎn)/分鐘，激光能量為200mJ，脈沖頻率為5Hz，沉積次數(shù)為1000次，通過激光燒蝕鋁靶，在類金剛石薄膜上沉積Al膜，Al膜晶粒線度為40nm，膜厚為O. I μ m ;5)沉積Al膜完成后，繼續(xù)向真空室內(nèi)通入氬氣，停止對鋁靶進(jìn)行燒蝕，待單晶硅基片自然冷卻到室溫后，取出單晶硅基片放在酒精中進(jìn)行10分鐘的超聲清洗以去除單晶硅基片表面的雜質(zhì)，然后把單晶硅基片轉(zhuǎn)移到磁控濺射系統(tǒng)并固定到襯底上；6)采用機(jī)械泵和分子泵抽對濺射室抽真空后，向真空室通入氧氣，流量為 20sccm,以氧化鋅為祀材,調(diào)節(jié)氧化鋅祀材與娃基片之間的距離為3cm,襯底旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為 20轉(zhuǎn)/分鐘，襯底溫度400°C，濺射功率為150w，氣體壓強(qiáng)I. 7Pa，沉積時間2h，采用射頻磁控濺射工藝，在Al膜表面沉積一層氧化鋅薄膜，ZnO薄膜晶粒線度為50nm，膜厚為O. I μ m ;7)在濺射室內(nèi)并在SOPa的氧氣氣氛下對制備的氧化鋅薄膜在400°C溫度下進(jìn)行 30分鐘退火處理；8)關(guān)閉氣體，待樣品冷卻到室溫后取出，即可制得氧化鋅壓電薄膜。實(shí)施例2 一種用于聲表面波器件的氧化鋅壓電薄膜的制備方法，步驟如下I)將單晶硅基片Si (100)放入丙酮或酒精中利用超聲清洗機(jī)進(jìn)行超聲清洗15分鐘,冷風(fēng)吹干；2)將表面清洗干凈的單晶硅基片放入波長為250nm的準(zhǔn)分子脈沖激光系統(tǒng)的真空生長腔中的襯底臺上，用機(jī)械泵和分子泵對真空生長腔抽真空至本底真空度等于 3 X KT4Pa ；3)以石墨為靶材，向真空室內(nèi)通入工作氣體氬氣，氬氣的壓強(qiáng)為25Pa，調(diào)節(jié)石墨革巴材與單晶娃基片的距尚為65mm,單晶娃基片溫度為400°C，祀材和單晶娃基片的自傳速度為10轉(zhuǎn)/分鐘，激光能量300mJ，脈沖頻率5GHz，沉積次數(shù)為6000次，通過激光燒蝕石墨靶材，在單晶硅基片上沉積類金剛石薄膜，類金剛石薄膜的晶粒線度為30nm，膜厚為I μ m ;4)以鋁為靶材，然后向真空室內(nèi)通入氬氣，流量為20sCCm，工作壓強(qiáng)12Pa，調(diào)節(jié)鋁靶與單晶硅基片之間的距離為100mm，單晶硅基片溫度為400°C，靶材和單晶硅基片的自傳速度為15轉(zhuǎn)/分鐘，激光能量為300mJ，脈沖頻率為5Hz，沉積次數(shù)為1000次，通過激光燒蝕鋁靶，在類金剛石薄膜上沉積Al膜，Al膜晶粒線度為45nm，膜厚為O. I μ m ;5)沉積Al膜完成后，繼續(xù)向真空室內(nèi)通入氬氣，停止對鋁靶進(jìn)行燒蝕，待單晶硅基片自然冷卻到室溫后，取出單晶硅基片放在酒精中進(jìn)行10分鐘的超聲清洗以去除單晶硅基片表面的雜質(zhì)，然后把單晶硅基片轉(zhuǎn)移到磁控濺射系統(tǒng)并固定到襯底上；6)采用機(jī)械泵和分子泵抽對濺射室抽真空后，向真空室通入氧氣，流量為 20sccm,以氧化鋅為祀材,調(diào)節(jié)氧化鋅祀材與娃基片之間的距離為3cm,襯底旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為 20轉(zhuǎn)/分鐘，襯底溫度400°C，濺射功率為150w，氣體壓強(qiáng)I. 7Pa，沉積時間2h，采用射頻磁控濺射工藝，在Al膜表面沉積一層氧化鋅薄膜，ZnO薄膜晶粒線度為50nm，膜厚為O. I μ m ;7)在濺射室內(nèi)并在IOOPa的氧氣氣氛下對制備的氧化鋅薄膜在400°C溫度下進(jìn)行 30分鐘退火處理；8)關(guān)閉氣體，待樣品冷卻到室溫后取出，即可制得氧化鋅壓電薄膜。在上述氧化鋅壓電薄膜上制備叉指換能器，即可制成叉指換能器/ΖηΟ/Al/類金剛石復(fù)合膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件。加Al膜前后叉指換能器/ZnO/類金剛石復(fù)合膜結(jié)構(gòu)聲表面波器件性能的變化，如下表所示
權(quán)利要求
1.一種用于聲表面波器件的氧化鋅壓電薄膜，其特征在于為在單晶娃基片襯底上制備的氧化鋅/鋁/類金剛石復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述用于聲表面波器件的氧化鋅壓電薄膜，其特征在于所述復(fù)合膜中ZnO薄膜晶粒線度為40-60nm，膜厚為O. 1-0. 2 μ m ；A1膜晶粒線度為40_60nm，膜厚為O.1-0. 2 μ m ;類金剛石薄膜的晶粒線度為30-40nm，膜厚為I μ m。
3.—種如權(quán)利要求I所述用于聲表面波器件的氧化鋅壓電薄膜的制備方法，其特征在于步驟如下1)對單晶硅基片表面進(jìn)行清洗處理，將單晶硅基片放入丙酮或酒精中利用超聲清洗機(jī)進(jìn)行超聲清洗，冷風(fēng)吹干；2)將表面清洗干凈的單晶硅基片放入脈沖激光系統(tǒng)的真空生長腔中，用機(jī)械泵和分子泵對真空生長腔抽真空；3)以石墨為靶材，調(diào)節(jié)石墨靶材與單晶硅基片的距離，向真空室內(nèi)通入工作氣體氬氣， 通過激光燒蝕石墨靶材，在單晶硅基片上沉積類金剛石薄膜；4)以鋁為靶材，調(diào)節(jié)鋁靶與單晶硅基片之間的距離，然后向真空室內(nèi)通入氬氣，流量為 20sCCm，通過激光燒蝕鋁靶，在類金剛石薄膜上沉積Al膜；5)沉積Al膜完成后，繼續(xù)向真空室內(nèi)通入氬氣，停止對鋁靶進(jìn)行燒蝕，待單晶硅基片自然冷卻到室溫后，取出單晶硅基片放在酒精中進(jìn)行10分鐘的超聲清洗以去除單晶硅基片表面的雜質(zhì)，然后把單晶硅基片轉(zhuǎn)移到磁控濺射系統(tǒng)并固定到襯底上；6)以氧化鋅為靶材，調(diào)節(jié)氧化鋅靶材與硅基片之間的距離，采用機(jī)械泵和分子泵抽對濺射室抽真空后，向真空室通入氧氣，采用射頻磁控濺射工藝，在Al膜表面沉積一層氧化鋅薄膜；7)在濺射室內(nèi)并在氧氣氣氛下對制備的氧化鋅薄膜在400°C溫度下進(jìn)行30分鐘退火處理；8)關(guān)閉氣體，待樣品冷卻到室溫后取出，即可制得氧化鋅壓電薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述用于聲表面波器件的氧化鋅壓電薄膜的制備方法，其特征在于所述在單晶硅基片表面采用脈沖激光沉積系統(tǒng)沉積類金剛石薄膜的工藝參數(shù)為工作氣體氬氣的壓強(qiáng)為O. 5-30Pa ;石墨靶材與單晶硅基片的距離為40-80mm，單晶硅基片溫度為25-500°C，靶材和單晶硅基片自轉(zhuǎn)速度為5-15轉(zhuǎn)/分鐘，激光能量為100-300mJ，激光脈沖為 I-IOHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述用于聲表面波器件的氧化鋅壓電薄膜的制備方法，其特征在于所述在類金剛石襯底表面采用脈沖激光沉積系統(tǒng)沉積Al薄膜的工藝參數(shù)為工作氣體氬氣的體積流量是20SCCm，工作壓強(qiáng)l-30Pa，Al靶與單晶硅基片的距離是40_100mm， 襯底溫度300-500°C，襯底旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速5-15轉(zhuǎn)/分鐘，激光能量為100-300mJ，激光脈沖為 I-IOHz0
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述用于聲表面波器件的氧化鋅壓電薄膜的制備方法，其特征在于所述在Al膜表面沉積氧化鋅薄膜的射頻磁控濺射工藝參數(shù)為襯底旋轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速20轉(zhuǎn)/ 分鐘、襯底溫度40(TC、濺射功率150W、氧氣流量20SCCm、工作壓強(qiáng)I. 7Pa、濺射靶與襯底之間的靶距3cm、沉積時間1-2小時。
全文摘要
一種用于聲表面波器件的氧化鋅壓電薄膜，為在單晶硅基片襯底上制備的氧化鋅/鋁/類金剛石復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，其制備方法是將表面清洗干凈的單晶硅基片放入脈沖激光系統(tǒng)的真空生長腔中，以石墨、鋁為靶材，沉積類金剛石/鋁薄膜；然后以氧化鋅為靶材，采用射頻磁控濺射工藝，在Al膜表面沉積氧化鋅薄膜。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是制備工藝簡單易行，成本低廉；所制備的類金剛石薄膜表面光滑平整，可大大降低聲波在傳輸過程中的損耗，沉積的Al薄膜大大提高了氧化鋅薄膜的機(jī)電耦合系數(shù)，氧化鋅薄膜結(jié)晶度高，c-軸取向高，該ZnO/Al/DLC復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)可用于制作高性能，高頻和大功率器件。
文檔編號H03H3/08GK102611405SQ20121006250
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者孫連婕, 張倩, 朱宇清, 李福龍, 郭燕, 陰聚乾, 陳希明 申請人:天津理工大學(xué)