（微电子学与固体电子学专业论文）高频声表面波基片100alndiamon的制备研究.pdf

摘要 随着无线电通信频带占用同益紧张，性能优良的声表面波器件正朝着高频化发展， 高频声表面波“压电材料金刚石”多层膜基片体系的研究成为研究热点。但是z n o 、 l i m ) 0 3 、( 0 0 2 ) a l n 等常规压电材料的声速均低于5 5 0 0 州s ，与声速高达1 8 0 0 0 i t l s 的金 刚石相结合必将引起较大的声速频散，不能理想地达到提高频率的目的。 ( 1 0 0 ) a l n 声速达到1 1 3 5 4 i l l s ，是所有压电材料中最大的，与金刚石的声速最为 接近，用它与金刚石相结合可以有效地减小声速频散。故本课题开展了“( 1 0 0 ) a l n d i 锄o n d 多层膜结构声表面波器件基片的研制及分析。 本课题采用射频磁控溅射的方法，首先在硅衬底上系统地研究了工作气压、靶基距、 衬底温度、溅射功率、氩氮比等工艺条件对制备薄膜的影响。通过改变这些工艺参数在 n 型( 1 0 0 ) s i 片上制各了( 1 0 0 ) 面择优取向的a l n 薄膜。第二，进一步研究了离位退 火、原位退火以及以n 2 结尾的原位退火对制备( 1 0 0 ) a i n 薄膜结晶的影响。从分子平 均自由程和能量角度探讨了其对a i n 压电薄膜择优取向的影响。通过表征了其择 优取向性，a f m 观察了其表面形貌。结果表明靶基距大、工作气压高、氮氩比低、溅 射功率低以及原位退火有利于生长高质量的( 1 0 0 ) a l n 薄膜。当靶基距为8 c m 、溅射 功率7 5 w 、工作气压1 2 p a 、衬底温度3 5 0 、氮氩比8 ：1 2 ，且进行原位退火时最有利 于a l n 薄膜( 1 0 0 ) 面择优取向生长。第三，在上述优化工艺的基础上在金刚石衬底上 沉积( 1 0 0 ) a l n 薄膜。 本课题的创新工作如下： 1 高声速的( 1 0 0 ) 砧n 压电材料与金刚石构成s a w 多层膜基片可以减小声速频散， 从而实现高频器件的需求。 2 使用超高真空射频磁控溅射的方法，首次通过原位退火以及以n 2 结尾的原位退火 来提高a l n ( 1 0 0 ) 取向的峰值并减小表面粗糙度。 关键词：( 1 0 0 ) a 1 n ，高声速，金刚石，射频磁控溅射，原位退火 a b s t r a c t i i lr e c e i l ty e a r s ，r a d i of e q u e l l c yb a n di sc u l l r e i l t l yo c c u p i e db yt h ei n c r e a s i n 百yt e i l s e h i 曲一6 蜘u e n c yc o m m u n i c a t i o nd e v i c ei sm o v i n gi n t h ed e v e l o p m e n t ，t h e r eh 弱b e 觚 i n c r c a s i n gi n t e r e s ti nd e v e l o p i n gs u r f a c ea c o u s t i cw a v ed “i c e so p e r a t i n g a th i 曲f r e q u e l l c i e s d i 锄o n dh a s 怆h i 曲e s ts a wv e l o c 时锄0 n ga l ls o l i d s ，c o m b i n ep i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s w i md i 锄o n dh 嬲b e c o m ear e s e a r c h 南c u sa th o m e 觚da b r o a d 妇d i t i o n a lp i e z o e l e c t r i c m a t 嘶a l ss u c h 硒z n o 、l i n b 0 3 、( 0 0 2 ) a 1 n ，w i t has o l l i l dv e l o c i t yu n d e r4 0 0 0 州sw e r eu s e d t 0d e s i 印e dl l i g l l6 嘲u e l l c ys a wd e v i c c s ，c 锄n o ta c i l i e v et h ed e s i r e dp 唧o s eo fi m p r o v i n g m ef r e q u e r l c y c h o o s e( 1o o ) a l nf o rt h es t u d yb e c a u s eo fi t ss p e e do fs o u n di st h e1 1 i g h e s t 锄o n ga l l p i e z o e l e c t r i cm a t 嘶a l s ，a b o u t l l 3 5 4 i 州s ，w l l i c hi sc l o s e s tt om es o u n dv e l o c i t yo f d i 锄o n d s o i nt l l i sp a p m e ( 10 0 ) a l n d i 锄o n ds u b s t r a t eo f h 讪丘嘲u e l l c ys a ww a sd e s i 舶e d 柚d a n a l y z e d i nt h ep r e s e n tp a p a l nt h i nf i l m sw e r ed 印o s i t e do nn s i ( 10 0 ) s u b s t r a t eb yar a d i o 蛔u 锄c ys p u n e r i n g a n dt l 犯g 吲na l nm i nf i l i l l sw e r es n l d i e db yx - r a yd i 倚a c t i o n 锄d a t 0 i i l i cf o r c em i c r o s c o p y t h eg r o 叭hp 娥瓯e t 粥，s u c h 弱p r e s 锄e ，s p u 住丽n gp o w n 2 p a m a lp r e s s u r e 锄ds u b s t r a t e t a r g e ts p a c i n 吕o nt h e 白e x t u r ed e 伊e eo fa l nt h i n 丘l m sw e r e i n v e s t i g a t e d m e 锄【w h i l et h ee f f i e c t so fi n s i t i l 锄e a l i n ga n di n - s i t u 锄i i l e a l i n g 饥d e db yn 2 o n t l l ec 巧s t a lo d e n t a t i o no fw e r es t u d i e d ，r e s p e c t i v e l y t h em o s ts u i t a b l ec o n d i t i o n si nf a v 0 ro f a l n ( 10 0 ) o r i e n t a t i o np d o r i 哆印w 1w e r c 觞f 0 1 1 0 w s ：n l es u b s 缸a t e t 孵tw 弱8 锄， s p 眦e r i n gp o w e r7 5 w ， p r e s s u r e1 2 p a s u b s 仃a t et e i n p e r ：a n l r e 3 5 0 ，p r o p o m o no f1 1 i 仃0 9 锄d 鹕p n 、v 嬲8 ：l2 ，a i l di n - s i t l l 黜l e a l i n g i i la d d i t i o 玛i i i l p a c t so np r e 衔哦io d t a t i o no f 砧n1 1 l i n6 1 m sw e r ea l s od i s c l l s s e dw i t h j nt h ep 蹦；p e c t i v 髑o fm 0 1 e c u l a ra v e r a g e 矗优d i s t a i l c e 觚d a l e 曜莎 p l e a s el o o ka tm ef o l l o w i n gi n n o v a t i o nm e o 巧： 1 b et 1 1 ef i r s tt od 印o s i t i n g 也el l i g l ls o u n dv e l o c 埘( 1o o ) a l np i e z o e l e 嘶cm a t e r i a lo n d i 锄o n d ，w h i c hw i l ll e s s e l l6 弼u e n c yd i s p e r s i o no fs o u n dv e l o c i t i e sb e 觚e e i la l na i l d d i 锄o n da n de n h a i l c e 五嗍u e l l c yo fs a wd e v i c c s 2 m o r e o v t l l ep e a kv a l u eo fa 1 n ( 1o o ) o r i e n t a t i o nw a si m p r 0 v e db yc o n l b i n “o no f u l t r a l l i 曲v a c u 眦r a d i o 仔e q u e n c ys p u t t e r i n ga i l di ns i t i l 蝴e a l i n ge n d e db yn 2 a n dt h e s 耐h c er o u g i l i l e s sw a sa l s om i n i s h e d s om eh i 曲p e r f o n n 锄c em u l t i l a y e rp i e z o e l e c t r i c m a t e r i a l s “( 1o o ) a l n d i 锄o n d ”w e r er e a l i z e d k e yw o r d s ：( 1o o ) a 1 n ，h i g l lv e l o c i t y ，d i 锄o n d ，( r f ) s p u t t 嘶n g ，i n - s ha i l n e a l i n 第一章绪论 1 1 课题研究的意义 。 第一章绪论 声表面波( s a w ) 【1 】器件具有很多优点，好比可靠性好、小型化、一致性较好、功能 齐全。因此，声表面波器件在雷达、无线通信、电子战、声纳、光纤通信以及广播电视 网络等系系统中已经广泛地获得了应用【2 1 。最近，第三代数字移动通信系统和高频系统 的中间频率( i f ) 滤波中已广泛应用高频s a w 滤波器。但是低于4 8 g h z 的频带已几乎 被占满，故迫切需要研制4 8 g h z 以上的高频声表面波器件。另外，移动通信装置都要 求器件最好有尽量小型化和对大功率的承受能力。所以对于高频( 4 8 g h z 以上) s 筒 ， 器件的研制已成为当今的热点之一。 由于频率f = v 九，要提高频率可以从减小叉指宽度和提高基片声速两方面来加以考 虑。减小叉指宽度容易造成断指，成品率比较低，且叉指越细，电阻也越大，电迁徙现 象特别严重，逼近目前国内外工艺水平的极限。在自然界所有材料中金刚石具有最高弹 性模量( e = 1 2 0 0 c 巾a ) 、且很低的材料密度( p ：3 5 1 9 c m 3 ) ，通过公式、k 压历可以计算， 最高纵波声速v 可达到1 8 0 0 0 m s 【3 卅，金刚石的高弹性模量导致其具有声学波的高保 真传输；另外，突出的耐高温性能和优良的热传导性还将适合于大功率发射端的高频滤 波器等的应用。由于“压电材料金刚石”多层膜s a w 器件具有以上这些特性，使得其成 为目前世界上备受关注的研究焦点之一。但是常规的压电材料，如z n o 、l 0 3 、( 0 0 2 ) a l n 的声速均低于5 5 0 0 “s ，用其与金刚石相结合将引起较大的声速频散，不能理想地 达到提高频率的目的。 本课题选择“( 1 0 0 ) a 1 n 压电薄膜作为研究对象，由表1 可以看出( 1 0 0 ) 砧n 与 其它压电材料相比有如下几个优势 j ： 表卜la 1 n 与其它压电材料性能比较 ( 1 ) “( 1 0 0 ) a i n d i 锄o n d 多层膜结构与其它多层膜结构相比，( 1 0 0 ) a l n 材 料本身具有较高的声表面波相速度，最高可达1 1 3 1 4 耐s ，与金刚石的声速最为接近，声 表面波声速是在一个九范围内传播的，l 以：0 2 5 ，( h 为a l n 的膜厚) ，所以，“( 1 0 0 ) a l n d i 锄o n d 多层膜结构声表面波的相速度从理论上应该高于以往的多层膜结构好比 第章绪论 “( 0 0 2 ) a l n d i 锄o n d ”、“z n o d i 锄o n d ”、“l i n b 0 3 d i a m o n d ，结构的相速度，从而，在 不改变叉指宽度的情况下，可以达到提高频率的目的； ( 2 ) 通过比较可以发现，( 1 0 0 ) a i n 和金刚石的相速度很接近，所以“( 1 0 0 ) a i n d i 锄o n d ”多层膜结构的声速频散比较低，即相速度随频率变化而变化的幅度不大； ( 3 ) ( 1 0 0 ) a l n 材料的温度延迟系数( t c d ) 很低，接近为零，即当器件承受比较 高功率时温度升高幅度不大，及中心频率随温度升高变化很小，这种优点对于窄带滤波 器而言是尤其可贵的。 综上所述，与“( 0 0 2 ) a 1 n d i 锄o n d ”、“z n o d i 锄o n d ”和“l i n b 0 3 d i 锄o n d ”等多层 膜结构的s a w 器件相比，选择“( 1 0 0 ) a 1 n d i 锄o n d ，作为s a w 器件多层膜结构的研 究对象，有可能制备出超高频率、高功率、高机电耦合系数、低的传播损耗且中心频率 随温度升高漂移却很小的s a w 器件。为此我选择对“( 1 0 0 ) a l n d i 锄o n d ”多层膜进行 研究和制备。 1 2 声表面波器件结构及特点 1 2 1 声表面波器件的结构 图1 1 为声表面波器件的结构示意图，它是在压电基片上制作了两个声一电换能器 一叉指换能器( i d t ) 组合而成。它主要由具有声速最高的材料金刚石、压电材料( 如 z n o 、a l n 等) 和i d t 电极组合而成。该结构的两端均有吸声胶，在此采用吸声胶的目 的是为了避免s a w 的能量外泄而且可以阻止外界噪声的干扰。 图卜ls a w 器件基本结构 该器件结构的工作原理大致如下：首先在输入端上以电压形式把输入信号施加在 l d t 电极上，其形成交变电场要通过i d t 周期性的变化，在逆压电效应的作用下，压电 材料表面将产生谐振，输入端的电压信号将与该表面谐振同步同相位，最终基片和电极 的谐振产生了，此谐振将同时产生出s a w 信号向i d t 两边传播，此过程为“电信号变换 为声信号”。当叉指周期三与该器件的中心频率厂相对应的s a w 波长旯相等时，便激发 出了振幅最强的s a w 信号，在这种情况下其它频率对应的s a w 信号与i d t 便不会同 步进行，于是其它频率所激发的s a w 振幅幅度与之相比将较弱，这种特性便是“频率 第一章绪论 选择特性”。这样声信号将会以s a w 的形式沿基片表面传播直至传输到输出端i d t ，在 正压电效应下，在i d t 交替连接指条上将会出现与接收端s a w 同步变化的周期性交变 电压，此过程为“声信号变换成电信号”。 图1 2 是s a 、器件的基本结构示意图：这旱，v 表示s a w 材料的声速，九代表声波的 波长，叉指型换能器相邻电极中心距离d ( i d t s ) 决定了波长九的长度，培2 ( a + b ) ，这里 a ，b 分别指叉指宽度和间隙宽度，只有满足条件a - b ，即树d 情况下频率信号才可以通 过该器件。因此，可以从提高声速v 或者减小叉指d 两方面来着手研究如何获得较高频的 器件。 图卜2 叉指换能器( i d t ) 的基本结构 ( 一) 、减小叉指电极的宽度d 。由于工作频率和i d t 的线宽是成反比的，所以在压 电材料选定后，i d t 指条宽度将决定其工作频率：叉指越窄，频率就越高。对于普通s a w 材料( 如： l i t a 0 3 、石英、l i n 晒0 3 等) ，声速比较低( 低于4 0 0 0 1 1 1 s ) ，用其制作2 5 g h z 以上s a w 器件，i d t 指宽d 必须小于0 4 岬，要达到5 g h z 则对应的指宽d 必须小于o 2 阻n ， 逼近目前国内外半导体工业水平的极限。i d t 电极材料可以是银、铝、金、铂、铜等金 属材料。但是电迁徙现象容易发生在使用金属材料做电极的情况下，当金属电极的宽度 细到一定程度的时候，电迁徙现象的影响就表现得更加突出，而且s a w 在高频频段的激 烈震荡甚至会使指条断裂，造成产品成品率相当低。 ( 二) 、采用高声速材料。由于声表面波频率和速率是成正比的，所以可以利用提 高速率来提高频率。由于声速v _ 、历，e 代表弹性模量，p 是材料密度，金刚石在自然 界所有材料中拥有最高的弹性模量( e = 1 2 0 0 g p a ) 、较低的材料密度( p = 3 5 1 9 c m 3 ) ，通 过公式计算可得最高纵波声速( v = 1 8 0 0 0 m s ) ，由于中心频率f = v 肌，所以最理想的材料 是使用金刚石来提高频率。但是金刚石本身并非压电材料，所以我们需要将金刚石与压 电材料相结合来制备多层膜体系。用“压电材料会刚石”这样的结构来制作高频s a w 器件的基片，对电极技术的要求将大大降低，在不减小叉指宽度的情况下就可以将频率 提高好几倍。而且，由于金刚石具有所有材料中最高的热传导性( 铜的5 倍) ，热扩散性 很好，是l i t a 0 3 的4 0 0 多倍，所以，“压电材料金刚石”多层膜声表面波器件可以被应用 于高频通信系统。 a l n 的晶格常数0 3 1 1 4 啪，与金刚石的品格常数为0 3 5 6 7 啪较为接近，所以在金 刚石上沉积a l n 薄膜理论上是可行的。与传统的压电材料相比，a 1 n 薄膜沿a 轴、c 轴 第一章绪论 表面声波传播速度分别为5 5 0 0 n l s 、1 1 3 5 制s ，是所有压电材料中最高的，而且机电耦 合系数较高( k = 2 ) ，温度延迟系数很小，几乎为零。但由于声波传播速度最快是在 a 1 n 薄膜中沿c 轴传播，达到1 1 3 5 4 州s ，是沿其a 轴传播速度的两倍多，所以a l n 薄 膜以( 1 0 0 ) 面择优取向比( 0 0 2 ) 面择优取向更能满足高频s a w 器件的要求8 捌。可以 在不减小叉指电极宽度情况下就将声表面波的中心频率提高好几倍。 1 2 2 声表面波器件( s a w ) 的特点 ( 1 ) 体积很小、重量很轻。与相应的电磁波相比，声表面波的传播速度v 和波长九 比要小十万倍。无论是声表面波器件还是电磁波器件的尺寸都是与其各自的波长相匹配 的。所以在声表面波器件研制成功之后，可以以十万倍数量级的程度缩小设备的体积， 减轻设备重量，最重要的是能使设备的性能得到大大改善，所以超小型化是其发展的趋 势之一。 ( 2 ) 信号处理便捷。声表面波是以很慢的速度沿着固体的表面传播的，所以在其 固体表面可以及时地对变信号进行取样和变换，这样声表面波器件对于时变信号的处理 变得简单易行。 ( 3 ) 适合于批量生产。目前几乎都是采用半导体平面工艺制造对声表面波器件进 行制备的，且几乎都是采用声表面波叉指换能器制作而成，其能在压电基片上产生激励 信号的。叉指的间距、叉指的宽度以及叉指对数等参数将决定叉指换能器的性能是否优 良。设计时可以根据不同场合的需要来加以改进，并且叉指换能器处理信号仅需要在基 片的单面完成，所以可以用压电基片空闲的另一面来固定器件，以上这些特点都使其有 利于批量生产。 ( 4 ) 重复性好。声表面波器件是采用半导体工艺方法是在单晶材料上制作而成的， 故优良的一致性和可重复性是其另一个优点。 1 3 搿a i n d i a m o n d 多层膜的研究进展 ( 1 ) 国外研究进展 2 0 0 1 年，日本学者m 弱a t o ui s l l i h a p a 等人成功地制作了“i d t a l n d i a m o n d ”的多层声 表面波结构。通过直流磁控溅射在低衬底温度( 6 2 3 k ) 的条件下成功地获得了高c 轴取 向的a 1 n 薄膜，表面粗糙度r a 低于2 n m ，声速高达1 0 1 2 0 m s ，机电耦合系数达到0 3 ， 当时叉指宽度为1 岬，频率达到了2 5 g h z l l u j 。 2 0 0 2 年，法国人o e l m a 撕a 等人通过三靶共溅实验在( 0 0 1 ) 的蓝宝石和( 1 0 0 ) 的 s i 衬底上生长a l n 薄膜，并且取得了很好的成绩，由于光刻条件的限制( 叉指宽度d 为 8 u m ) ，a l n 蓝宝石”的中心频率为1 7 3 4 m h z ，a l n s i 的中心频率为1 6 0 3 m h z ，但是它 们的相速度已经分别达到5 5 4 8 i i l s ，5 1 3 0 i i l s i l l j 。 2 0 0 2 年，法国人v m o r t c t 、o e 1 m a 捌a 等人通过直流( d c ) 磁控溅射在( 1 0 0 ) 的 s i 衬底与自支撑多晶c v d 金刚石上制备了( 0 0 2 ) 面择优取向很好的a l n 薄膜，因为受到 光刻条件的限制，当时的叉指宽度为d = 4 u m ，使用网络分析仪测得a l n ，d i 锄o n d ”与 4 第一章绪论 a l n s i ”的频率分别为6 3 5 m h z 和3 3 0 m h z ，但是“a l n d i 锄o n d ”的声速已经达到了 9 9 8 0 i t l s 【1 2 1 。 2 0 0 3 年，法国人v m o r t e t 、o e l m a 撕a 等人通过d c 磁控反应溅射在未抛光的自支撑 的金刚石上沉积了( 0 0 2 ) 择优取向的a l n 薄膜，当时的叉指宽度d - 8 “m ，网络分析仪测 得“a l n d i 锄o n d ”的频率为5 3 3 m h z ，但是v p 已经达到1 7 1 k 州s ，是那时为止声速最高的 【1 3 j o 2 0 0 4 年，法国人f b c i l c d i c ，o e l m 痢a 等第一次成功地报导了研制出“a l n 纳米 d i 锄o n d ( n c d ) s i ”的s a w 实验室样件，a l n 薄膜的厚度h = 4 m ，叉指宽度d = 8 m ，频 率f = 2 9 6 m h z ，但是相速度为9 4 7 2 m s 【1 4 】。 2 0 0 5 年，法国人m e lh a l ( i l ( i 、o e l m a 撕a 等人通过“z n o a l n 仍i 锄o n d ”这样的结构 来提高s a w 的相速度v d 和机电耦合系数k 2 ，使用这种结构是因为z n o 具有高的机电耦合 系数而a l n 具有高的相速度。理论结果预测k 2 可以超过4 ，v d 可高达1 5 1 ( i i 以。通过射频 ( 1 心) 磁控反应溅射在厚度为1 0 0 “m 的纳米d i 锄o n d 沉积a 1 n 和z n o ，a l n 和z n o 的厚度 分别为4 7 “m 和1 4 p m ，叉指宽度搦“m ，实验也证实了这种结构的可行性【1 5 j 。 2 0 0 5 年，意大利学者m a s s i m i l i 趴0b e i l e t t i 等通过射频反应磁控溅射在金刚石上沉积 砧n 薄膜，结构为w n d i 锄o n d 硅”，实验结果与理论值很接近，实验结果表明声速v p 可以达到8 2 0 0 | i i l s 。文中还提到金刚石的厚度要足够厚，至少是波长九的倍数，这样可以 减小s i 衬底对声速的影响【l 引。 2 0 0 6 年，法国人p 鼬r s c h 、o e 1 m a 撕a 等报导了通过电子束光刻对“a l n d i 锄o n d ，的 s a w 材料制作叉指，叉指电极宽度d = 5 0 0 n m ，灿n 的膜厚h - l p m ，这时s a w 的插入损耗 低于3 4d b ，机电耦合系数为1 3 6 ，声速v p = 9 2 k m ，频率可以达到4 6 g h z 【1 。7 1 。 2 0 0 8 年，a c i m m i i l o 和c c a l i e i l d 0 等人领导的研究小组采用m b e 法优化制备出了 高度择优取向的“( 0 0 2 ) a l n d i 锄o n 口多层膜结构，该结构的机电耦合系数k z ：4 ， 温度频率系数t c d 很低【1 3 珈】。 ( 2 ) 国内研究进展 2 0 0 0 年西安交通大学大学武海顺、许小红等研究人员在s i 基片上采用直流磁控反 应溅射方法，制备出了表面粗糙度小，结晶致密均匀的a l n 薄膜，a l n 压电薄膜晶面择 优取向是从溅射粒子平均自由程的角度探讨的【2 。 2 0 0 5 年湖南大学门海泉、周灵平等采用射频磁控反应溅射的方法在s i 衬底上通过 改变各工艺参数制备a l n 薄膜，在各工艺参数中，靶基距与工作气压是控制a l n 薄膜 择优取向性最重要工艺参数，可以通过增大靶基距和提高工作气压来得到( 1 0 0 ) 晶面择优 取向的a l n 薄膜1 2 2 】。 2 0 0 8 年浙江大学j u n h l l ax u 等研究了“a l n b n d i 锄o n d ，多层膜结构，得出当b n 厚度为0 7 4 n m 时其硬度接近a l n 的硬度为2 7 o g p a 【2 3 j 。 2 0 0 8 年，中国台湾s e a i lw u 等人首次将( 1 0 0 ) 耿向的a l n 与金刚石相结合，通过有 限元仿真得到“( i d t ) ( 1 0 0 )a l n ( 1 l1 ) d i 锄o n d ”结构的s a w 相比较“i d t ( 0 0 2 ) a l n ( 1 11 )d i 锄o n d 结构的s a w 可以得到更小的膜厚与波长的比( 九) ，更高的相 速度u 和更高的机电耦合系数k 2 ( v p = 1 0 4 7 4 i i l s ，k 2 = 2 3 1 ，l l 九= o 3 ) ，这为更高频的 第一章绪论 s a w 器件的研究提供了理论依据【川。 。 2 0 0 9 年，台湾人c c s u n g 等人通过增加导电层对“i d t a l n c o n d u c t i n g l a y 酬d i 咖o n d ，多层结构的研究，利用有限元分析方法分析，仿真结果表明没有增加金属 缓冲层之前“i d t a 1 n d i 锄o n d ”结构的机电耦合系数( k 2 ) 是1 2 4 ，当增加t i 为金属缓 冲层之后( i d t a l n 导电层d i 锄o n d ) 的机电偶数是2 5 4 6 ，提高了1 0 5 ，且相速度 为1 0 6 5 7 i 州s ，也得到了提甜巧j 。 2 0 0 9 年，c 1 l i a - c l l is u n g 等人通过有限元分析方法对“i d t ( 1 0 0 ) a l n d i a l i l o n d ”、 “( 1 0 0 ) a l n i d t d i a i n o n d ”、“i d t ( 1 0 0 ) a 1 n 金属层d i a m o n d ”，和“金属层 ( 1 0 0 ) a l n i d t d i 锄o n d ”四种结构的s a w 特性进行了分析。以c u 和a l 为叉指电极做 实验，仿真结果表明当结构“c um t ( 1 0 0 ) a 1 n d i 啪o n d ”是最佳组合，在 矾= 0 3 ， j j l 影拇3 4 时可以得到相速度为9 7 0 5 州s ，机电耦合系数为1 7 l ，反射率为o 1 5 ，这为更 高频和高宽带的s a w 器件的研究提供了理论依据【2 引。 ( 3 ) 目前国内外研究所存在的问题 对于“( 1 0 0 ) a 1 n d i 锄o n d ”多层膜结构g h z 以上高频s a w 器件国内还是国外尚 未见到的报导。这就要求对“a l n d i a m o n d ，多层膜结构进行系统和深入的研究。 综上所述：法国在a 1 n d i 雅l o n d ”结构的s a w 研究上处于领先地位。但是国内外对 于a l n d i 锄o n d ，多层膜的实验研究还都不够成熟，理论与实验还存在一定的差距。都 在s a w 器件多层膜结构和性能努力进行改进，目的以最宽叉指d 达到最高的中心频率， 同时机电耦合系数( k 2 ) 也能有所提高、插入损耗有所降低、温度延迟系数得到减小。 但是对于( 1 0 0 ) 结构的a l n 的研究中国台湾却处于领先地位。 1 4 本课题的主要工作 本课题在天津市自然科学基金重点项目、天津市重点实验室基金项目“高频 a l n d i 跚o n d 多层膜s a w 器件及其高频特性的研究 的基金支持下，围绕研制高频 ( 4 8 g h z ) 声表面波器件的需要，主要开展以下几个方面的研究工作： 实验研究 ( 1 ) 采用射频磁控溅射法，通过改变工作气压、靶基距、溅射功率、衬底温度、 氩氮比等工艺条件在n 型( 1 0 0 ) s i 片上制备了( 1 0 0 ) 面择优取向的a l n 薄膜，并进 一步研究了离位退火、原位退火以及以n 2 结尾的原位退火对制备( 1 0 0 ) a l n 薄膜结晶 的影响。探讨其对a l n 压电薄膜择优取向的影响是分别从分子平均自由程和能量角度进 行的。对薄膜择优取向、表面形貌等性能进行表征分析是分别利用x r d 、a f m 。结果 发现靶基距大、工作气压高、氮氩比低、溅射功率低以及原位退火有利于生长高质量的 ( 1 0 0 ) a l n 薄膜。 ( 2 ) 在上述优化了的工艺基础上，在金刚石薄膜上采用射频磁控溅射法制备( 1 0 0 ) 面择优取向的a 1 n 薄膜。制备工艺条件：工作气压为1 2 p a 、靶基距8 c m 、溅射功率7 5 w ， 衬底温度3 5 0 ，氮氩比8 ：1 2 ，原位退火3 0 分钟。利用x r d 、a f m 对薄膜进行了分 析测试发现薄膜以a 轴择优取向良好，且表面结晶致密均匀 6 第二章a 1 n 薄膜的性质及其制各方法 第二章a in 薄膜的性质及其制备方法 在众多的压电材料中，a l n 薄膜之所以能够被广泛研究并大量采用，是由于其良好 的压电性能和优良的高声速特征，是一种适合于高频声表面波器件的理想压电材料。相 比于一般的压电材料，其声速传播很快，沿a 轴、c 轴表面a l n 薄膜声波传播速度分别 为5 5 0 0 n l s 、1 1 3 5 4 i i l s ，是所有压电材料中最快的，沿c 轴传播的速度是沿a 轴的两倍， 几乎是z n o 的五倍，这是它最大的优点，适于用作声表面波器件对于高频器件的需求。 声波的传播速度沿c 轴方向最快，因而将其应用于s a w 器件多以c 轴平行于基片的 ( 1 0 0 ) 面为主，而氮化铝在压电器件中的应用多以c 轴垂直于基片的( 0 0 2 ) 面为主，因为 ( 0 0 2 ) 面择优取向机电耦合系数较高。 图2 1 为不同择优取向的晶面示意图【2 7 】图a 为c 轴垂直于基片的( 0 0 2 ) 面取向生长， 图b 为c 轴平行于基片的( 1 0 0 ) 面取向生长。 ( a )( b ) 图2 1 为不同择优取向的晶面示意图 如果把a l n 薄膜和高声速的衬底如金刚石相结合，这样可以表现出极小的声速频 散，将具有很高的声表面波传输速度，很有利于高频声表面波器件的制造【2 8 2 圳。 a l n 材料因其具有高声速、高压电性、热传导性良好、热膨胀系数较低、绝缘性质 较高、介质击穿力很强、宽带隙等优点而成为制作声表面波基片的优选材料。目前国际 上用a l n 薄膜制备高频声表面波器件已是的研究热点之一，而沉积高质量的( 1 0 0 ) a l n 薄膜于高声速衬底材料会刚石上则是制备高频声表面波器件的根本。 2 1aln 薄膜的晶体结构 压电材料要求其晶体结构具有不对称性，并且是介电的。a l n 是i i i v 族化合物的 成员之一，以化合物半导体为六方晶系的纤锌结构( h a l n ) 而存在。a l n 的晶胞结构如图 7 第二章a 1 n 薄膜的性质及其制备方法 2 1 所示，a i n 薄膜是6 m m 点群，没有对称中心，从其晶体结构可以看出，有产生压电 效应的功能。直接带隙禁带宽度为6 2 e v 宽禁带结构。a l n 是n 元素和a l 元素唯一稳 定的化合物，其晶格常数铲0 3 1 1 4 n h l ，c = 0 1 4 9 4 7 n m 【3 0 】。晶胞原子排列如图2 2 所示。 从图可以看出，c 轴方向，a 1 n 键长等于1 9 1 7 a 。a 1 n 键长为1 8 8 5a 。n o a 1 - n l 的角 度为1 0 7 7 。而n 1 a 1 n 2 的角度为1 1 0 5 。 图2 2a l n 的晶体结构图 有两种不同的键合方式构成的a 1 n 化学键构成了a l n 晶胞：l 、由n 的半满轨道 与a l 的半满轨道组合而成的，称为b l 键；2 、由n 的满轨道与a 1 的空轨道组合形成， 称为b 2 键( 即a l - n o ) 。 氮化铝的( 1 0 0 ) 面由b l 键单独组成，而( 0 0 2 ) 和( 1 0 1 ) 面则由b l 键和b 2 键共 同组成。这些键的形成和破裂原理有利于对a 1 n 薄膜形成不同的择优取向作分析。 各晶面生长所需的速率不同决定a l n 薄膜各晶面的特性不同：n 薄膜( 0 0 2 ) 面、 ( 1 0 0 ) 面具有不相同的几何生长特性。如在晶体最初成核时，晶粒是向各个方向自由生长 的，形态各异，有些晶粒垂直于衬底表面生长，有些平行于衬底表面生长，其中垂直于 衬底表面生长的是( 0 0 2 ) 面，晶粒生长方向平行于衬底表面方向的是( 1 0 0 ) 面，如图2 3 所 示，( a ) 是( 1 0 0 ) 面择优取向的生长情况图，( b ) 是( 0 0 2 ) 择优取向的生长情况图 【3 l 】。在成核密度较低时，随着晶粒的生长，生长速率较快的是平行于衬底表面生长的( 1 0 0 ) 面，并且在几何方向上抑制了垂直于衬底表面的( 0 0 2 ) 面的生长，最终薄膜以( 1 0 0 ) 面择 优取向生长；当成核密度较高时，薄膜将最终有利于垂直表面的具有高表面能的( 0 0 2 ) 面择优取向生长。 第二章a l n 薄膜的性质及其制备方法 ，?。： 一 翳 ? j i 蠢瀑，一藏麓。一“ ；_ i 誊蓬鍪溢遴鏊薹委蘧薯 图2 3 舢n 薄膜择优取向生长机制示意图 2 2a ln 的性质和性能 a l n 薄膜具有很多有利的物理性质和化学性质，例如物理性质有良好的导热特性、 热膨胀系数较低、介质击穿力很高、绝缘性质较强、机械强度很好；化学性质有优异的 化学稳定性和低毒害性以及良好的光学性能等。表2 1 给出了砧n 材料与其它材料的特 性比较【3 2 1 。a l n 薄膜是所有无机非铁电性压电材料中声速最高的材料，使用这样的压电 材料作s a w 器件基片，在叉指宽度不变的情形下，中心频率将会提高好几倍。 表2 1a l n 材料与其它压电材料的特性比较一 通过比较可以发现，a l n 薄膜无论在声速、机电耦合系数还是热导率等方面都表现 出其格外的优势。尤其是声速沿c 轴达到1 1 3 5 0 州s ，在所有压电材料中最大。由此可见 在高频声表面波器件制造和高频宽带通信等领域，( 1 0 0 ) 删的特有性质使其将有着广 9 第二二章a l n 薄膜的性质及其制备方法 阔的应用前景。 2 3 射频磁控溅射的原理 本文( 1 0 0 ) 面择优取向的a 1 n 薄膜是采用射频磁控溅射法制备的，该制备方法具 有薄膜沉积快，薄膜致密均匀，工艺比较简单、成本较低等优点，是一种a l n 薄膜最为 常用的制备技术。在传统溅射镀膜的基础上逐渐发展来的一种较新颖的薄膜制备方法就 是本课题所采用的射频磁控溅射法。此溅射方法综合了射频溅射与磁控溅射两者共同的 优点。“溅射 就是往超高真空系统中通入惰性气体，这些惰性气体会在放电作用下产 生电离，在内部偏压的作用下这些带电粒子就会被加速而撞击靶材。这些高速运动的粒 子轰击靶材表面时，能量和动量的相互转换将在靶材表面发生轰击粒子与靶材原子的碰 撞时产生，促使靶材原子从靶材表面被轰击出。如果在溅射过程中通入活性较强的反应 气体，比如n 2 ，这种气体与靶材原子发生化学反应生成新的物质，最终此物质在衬底 上沉积并形成薄膜的过程被称为反应溅射。在基片材料表面制备金属薄膜层或者电介质 薄膜层等都可利用该技术。图2 - 4 为射频磁控溅射系统的原理图。 2 3 1 磁控溅射 图2 4 射频磁控系统原理图 溅射方法的基本原理是在磁控模式下进行二极溅射，该方法是一种低温、高速的溅 射方法。由于工作气压很低只有零点几p a ，靶材与基片之间就很少有原子相互碰撞，可 以很快到达衬底，提高沉积速率。相比于其它薄膜沉积技术，磁控溅射法具有基片所需 能量低、沉积速率快、可以制备出任意薄膜等优点。此外，磁控溅射还可以用射频匹配 网络来增强辉光放电，这样做将会更有利于产生等离子体。通过高速的离子流轰击靶材， 由于轰击使固体粒子从靶材表面被溅射出来，并在衬底表面上沉积形成相应的薄膜。而 l o 第二章a l n 薄膜的性质及其制各方法 且改变薄膜沉积速率可以根据需要控制各工艺参数来实现，从而达到沉积不同择优取向 的薄膜的目的。 2 3 2 射频溅射 直流溅射中，等离子体在撞击到绝缘体靶材附着在靶材表面不能及时中和而使靶材 带电，导致靶电位上升，从而离子不能进一步对靶材进行轰击，所以直流溅射仅能用来 溅射良导体，而不能用来溅射绝缘薄膜，从而射频溅射技术的发展相当于把直流溅射装 置中的直流电源部分改由匹配网络、射频发生器与电源，这样射频辉光放电产生的等离 子体中的正离子可用于溅射所需的溅射离子。射频电源的工作频率通常在1 3 0 m h z 范 围内，一般情况下使用1 3 5 6 m h z 【3 2 1 。电子在被阳极吸收之前会由于射频电场的作用， 在阳极与阴极之问来回徘徊，由此会产生更多的机会与腔体内气体分子产生碰撞并激发 电离。由此在绝缘靶表面建立了负偏压，从而使得在低气压下射频溅射也可对绝缘靶溅 射沉积薄膜。实验表明，靶上形成的负偏压值和射频电压的大小基本相等，而在射频电 压的前半个周期内，轰击到靶材表面的电子就会中和了积累在靶面的正离子。当射频溅 射采用为导电材料靶材时，一个1 0 0 3 0 0 p f 的电容最好在靶和射频电源之间加上，这 样可以使靶呈现负偏压。此方法溅射薄膜有高的溅射速率，薄膜致密均匀，薄膜与衬底 基片附着力强等的优点，因而广泛应用在无机介质薄膜的制备上。 2 4 薄膜的表征手段 2 4 1x 射线衍射 x 射线衍射( x r d ) 分析法是一种能够不破坏被测量样品内部结构的测试技术方法 f 3 3 删。通过该衍射分析方法可以测定晶体结构，晶体的物质成分等，并且能够分析出晶 粒的尺寸以及样品中各个元素的存在状态。物质与x 射线光子相互作用时，除了会发生 被被测样品吸收外，x 射线还会发生散射现象。所以对于薄膜结构特别是有层序状结构 的样品的分析研究，x 射线衍射分析具有重要价值。 衍射x 射线， 入射x 射 图2 5x r d 衍射原理图 图2 5 为一个简化的x 射线在层状结构物质样品中的衍射光线线路图。从图中可以 计算得出，相邻两层问衍射光束的光程差为2 d s i n 0 。因为产生相干衍射条件是必须满足 光程差为波长的整数倍，得到衍射条件的公式( 如公式2 1 ) ： 第二章a l n 薄膜的性质及其制各方法 2 d s i n 0 = = n 九公式( 2 1 ) 以据以上公式，层间距离d 可由得知o 角后代入公式计算得到。由于不同晶体具有 各自的品格常数，所以由此计算得出的晶格的长度可以判定出晶体的种类。 本论文中所使用的是闩本理学公司的d m a x c 型x 射线衍射分析仪，制备的a l n 薄膜在不同工艺条件下的晶体情况和择优耿向可用此来检测。 2 4 2 原子力显微镜( a f m ) 原子力显微镜( a f m ) f 3 7 】的探针是十分坚硬的，是用固定了的金刚石或氮化硅材 料做成的针尖，其作用原理是通过针尖上的原子与样品表面的原子之f b j 产生相互作用力 来探知样品表面的高度信息的。样品之间的距离与作用力的有一定的比例关系。当样品 表面原子和针尖间的作用力发生变化时，通过探知