（材料学专业论文）金刚石基声表面波器件衬底的制备研究.pdf

上海大学硕二卜学位论文 摘要 金刚石具有最高的声速和许多优于其它材料的特性。在金刚石上沉积z n o 等压电薄膜可激励出超过1 0 0 0 0 m s 的高速声表面波( s a w ) ，有利于制作g h z 级的高频薄膜型s a w 器件。本论文重点研究了s a w 器件用的金刚石薄膜和 z n o 压电薄膜的制备工艺，并初步开展z n o d i a m o n d 型s a w 滤波器的制作研 究。 采用1 0 0 r i m 超细金刚石粉手工研磨来改进硅衬底的预处理，有效提高了硅 镜面上的金刚石成核密度；利用热丝辅助化学气相沉积( h f c v d ) 技术，通过 分步沉积工艺制备了多层金刚石薄膜和白支撑金刚石薄膜( 成核面) 作为s a w 器件衬底，其厚度分别为3 5 9 m 和1 4 0 9 m ，表面( 自支撑金刚石薄膜为成核面) 平均粗糙度减小至1 8 8 r i m 和3 4 n m ( 2 x 2 9 m 2 ) ；利用拉曼光谱和j 矿特性表征 了这两种金刚石薄膜的质量及电学特性。 使用射频磁控溅射技术在多层金刚石薄膜上沉积了z n o 压电薄膜。利用 x r d 技术分析了衬底加热温度、工作气压和退火气氛对z n o 薄膜结构特性的 影响。在衬底加热温度2 5 0 。c ，工作气压o 4 p a 时得到了具有较好c 轴取向和结 晶质量的z n o 薄膜；经空气或氮气中退火，z n o 薄膜的c 轴取向程度和结晶质 量都有较大提高，但氮气退火后，z n o 表面粗糙度明显增加，而空气退火后， 薄膜致密并且平整，表面粗糙度约为9 r i m ( 2 x 2 p m 2 ) ，且电阻率有显著增加。 初步开展了z n o d i a m o n d 型声表面波滤波器的制作研究。采用l i f t - - o f f 技术在自支撑金刚石( 成核面) 衬底上制作了指宽和指间距均为8 9 m 的铝质叉 指换能器( i d t ) ，为进一步开展高性能s a w 器件的研究提供了实验依据。 关键词：金刚石膜，z n o ，声表面波，热丝化学气相沉积，射频磁控溅射 v l 海入学砸l 学位论文 a b s t r a c t d u et oi t sh i g h e s ta c o u s t i cv e l o c i t ya m o n ga l lm a t e r i a l sa n do t h e re x c e l l e n t p r o p e r t i e s ，d i a m o n dc a nb ec o n s i d e r e da s t h eu t m o s ts u b s t r a t em a t e r i a lf o rh i g h f r e q u e n c y ( g h z ) s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ( s a w ) d e v i c e sw h e ni t i sc o u p l e dw i t h p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l ss u c ha s z n o t h i st h e s i sd i s c u s s e sa b o u tt h ep r e p a r a t i o no f d i a m o n df i l m sc o m b i n e dw i t hp i e z o e l e c t r i cz n of i l m sa ss u b s t r a t e sf o rs a wd e v i c e s ， a n dt h ee x p l o r a t i o no ff a b r i c a t i n gs a wf i l t e r sw i t hz n o d i a m o n ds t r u c t u r e e f f e c to fs c r a t c h i n gt h ep o l i s h e ds i d eo fs iw i t hd i a m o n dp o w d e r ( 1o o n m ) o n i n c r e a s i n gt h ed i a m o n dn u c l e a t i o nd e n s i t yw a sf i r s t l ys t u d i e d o nt h eb a s eo fi t ，t h i c k a n df i a tm u l t i l a y e rd i a m o n df i l m sa n df r e e s t a n d i n gd i a m o n df i l m s ( b a c ks i d e ) w e r e p r e p a r a t i o nb yh o tf i l a m e n tc h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ( h f c v d ) a ss u b s t r a t e sf o r h i g hf r e q u e n c ys a w d e v i c e s t h et h i c k n e s so ft h e s et w ok i n d so fd i a m o n df i l m sw e r e 3 5 9 ma n d1 4 0 9 m ，a n dt h es u r f a c er o u g h n e s sv a l u e db ya t o mf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) w e r e1 8 8 m na n d3 4 r i m ( 2 x 2 9 m 2 ) r e s p e c t i v e l y t h eq u a l i t ya n de l e c t r i cp r o p e r t yo f t h ed i a m o n df i l m sw e r ec h a r a c t e r i z e db yr a m a ns p e c t r o s c o p ya n di - vc h a r a c t e ra t l a s t d e p o s i t i o no fp i e z o e l e c t r i cz n of i l m so nm u l t i - l a y e rd i a m o n df i l m sb yr f m a g n e t r o ns p u t t e r i n gw a s t h e ni n v e s t i g a t e d e f f e c t so fh e a t i n gt e m p e r a t u r eo f s u b s t r a t e ( 死) ，w o r k i n gp r e s s u r ec 力a n dp o s t a n n e a l i n go nc - a x i so r i e n t a t i o na n d c r y s t a l l i n eq u a l i t yo fz n of i l m sw e r ea n a l y z e db yx r d t h er e s u l t ss h o w nt h a tc a x i s o r i e n t a t i o na n dc r y s t a l l i n eq u a l i t yo fz n of i l m sw e r es i g n i f i c a n t l ya f f e c t e db yt ha n d p a n dt h eo p t i m a lt ha n dp w e r ea p p r o x i m a t e l y2 5 0 a n d0 4 p a ，r e s p e c t i v e l y a f t e r a n n e a l e di na t m o s p h e r eo rn 2a t5 0 0 。c ，c - a x i so r i e n t a t i o na n dc r y s t a l l i n eq u a l i t yo f z n of i l m sw e r eo b v i o u s l yi m p r o v e d ，e s p e c i a l l ya n n e a l e di nn 2 h o w e v e r ，i th a db e e n f o u n dt h a tt h eg r a i ns i z eo f z n of i l m sa n n e a l e di nn 2i n c r e a s e ds i n g u l a r l ys ot h a tt h e i r s u r f a c er o u g h n e s si n c r e a s e de v i d e n t l y o nt h eo t h e rh a n d ，t h eg r a i ns i z eo fz n of i l m s a n n e a l e di na t m o s p h e r ew a sq u i t eu n i f o r ms ot h mt h e i rs u r f a c er o u g h n e s sw e r e r e d u c e dt oa p p r o x i m a t e l y9 m n ( 2 x 2 9 m 2 ) ，w h i c hm a d et h e mm o r es u i t a b l ef o r s u b s t r a t e so fs a wd e v i c e s t h el - vc h a r a c t e r so fz n ot h i nf i l m sw e r ea l s om e a s u r e d t h er e s i s t i v i t i e so fz n of i l m sa n n e a l e di na t m o s p h e r et h a tw e r ec a l c u l a t e df r o mt h e v l 海大学砸卜学位论文 1 - vc h a r a c t e rr e a c h e d1 0 7 q - e m w h i c hw e r em u c hh i g h e rt h a nt h a to fa s g r o w nz n o f i l m sa n dz n of i l m sa n n e a l e di nn 2 t h ee x p l o r a t i o no ff a b r i c a t i n gs a wf i l t e rw i t hz n o d i a m o n ds t m c t u r ew a s c a r r i e do u ta tl a s t p h o t o l i t h o g r a p h i ci d t sc o n s i s t i n go f a ie l e c t r o d e sw h o s es i z ea n d d i s t a n c eo ff i n g e r sw e r eb o t h8 1 a mw e r ep r e p a r e do nb a c ks i d eo ft h ef r e e s t a n d i n g d i a m o n df i l m sb yl i f t o f fp r o c e s s i n ga n dv a c u u me v a p o r a t i o nt e c h n o l o g y t h ei d t s w e r eo fh i 曲q u a l i t ys i n c et h es u r f a c er o u g h n e s so fb a c ks i d eo ft h eo f f e e s t a n d i n g d i a m o n df i l m sw a sv e r y1 0 w k e yw o r d s ：d i a m o n df i l m ，z n o ，s a w , h f c v d ，r fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名位是韬l 导师签 日期：i 型：! ：望 i 海大学f 【| i i l j 学位论文 第一章绪论 声表面波( s u r f a c e a c o u s t i cw a v e ，简称s a w ) 器件是二十世纪六十年代出 现的种新型电子器件，经过四十多年的发展，声表面波器件已广泛用于广播、 电视、通信、雷达、声纳、传感技术等领域。近年来，随着信息和通讯技术的高 速发展，声表面波器件的使用频率不断提高，从最初的m h z 级发展到现在的g h z 级，如应用于19 g h z 的个人通讯服务系统，2 4 5 g h z 的无线局域网络系统及 高于5 g h z 无线多端发送系统，因此，研制g h z 级的高频、高性能的声表面波 器件成为目前该领域最主要的发展方向。 本章将简要介绍声表面波器件的基本原理、结构、材料以及z n o d i a m o n d 结构的高频声表面波器件在理论、实验室研究等方面的进展。最后，将介绍本论 文的主要工作内容。 1 1 声表面波技术原理和衬底材料 声表面波研究始于18 8 5 年由英国物理学家瑞利( l o r dr a y l e i g h ) 一篇题为 沿弹性体平滑表面传播的波的论文，其首次从理论上阐明了除人们早已熟 知的属于声体波的纵波和横波以外，还可能存在另种形式的波声表面波， 这种波沿着半无限体表面传播，而且能量集中于表面。s a w 具有很多优点【2 】： 其一，它的传播速度比电磁波的传播速度要小五个数量级，利用这特性不仅可 以使电子设备体积缩小，重量减轻，而且还可使其性能大大改善；其二，在声表 面波传播途中，可任意存取信号：其三，能利用集成电路技术制造声表面波器件。 因此，作为新型电子器件的声表面波器件引起了人们的极大关注和广泛的应用。 1 1 1 声表面波技术原理 实用的声表面波器件，关键是解决声表面波的激励和检测问题。1 9 6 5 年， 怀特( w h i t e ) 等”1 发现，在压电体表面直接蒸发如图1 1 所示的叉指换能器 ( i n t e r d i g i t a lt r a n s d u c e r ，i d t ) ，可有效地发送和接收声表面波。 f ：姆大学坝l 学位论文 图i1 叉指换能器( i d t ) 及其电场示意幽 当叉指换能器接入交流电压时，由于相邻的电极指所接的电压极性相反， 压电基片表面附近就有一个交变电场，如图1 1 所示。该交变电场通过逆压电效 应产生声表面波。可以定性地把接极性相反电压的相邻两个电极指之间的指间隙 看成一个声源，每个单元声源所发出的声信号和外加的电信号完全一致。叉指换 能器由许多叉指电极组成，相当于是由一系列的声源串接而成的，各声源之间有 一定的距离，于是各声源所产生的声表面波经过不同的传播距离之后汇合到一起 成为总的输出。研究表明，使用i d t 的声表面波器件的中心频率厂是由声表面 波传播速度v 和i d t 周期上决定的，即厂刮2 l = v 2 ( a + b ) ，a 、b 分别是i d t 电极的指宽和指间距旧3 。当在这种声表面波的传播途径中放置一个同样结构的又 指换能器时，如图1 2 所示，声表面波可以通过压电作用在后一个 i d t 电极上产 生电压和电荷信号，这样就检测出了声表面波。 图12 声表面波器件的典型结构 1 1 2 声表面波器件的衬底材料 现在的声表面波器件几乎都是以压电基片作为导声体，主要要求它们有较 高的换能效率，同时传播损耗和传播速度的温度系数要小；为了能形成又指电极， 2 卜海大学颧p 学位论文 其表面粗糙度要低，一般为纳米级；重复性及可靠性要好，而成本要低，能适合 批量生产。 目前所用的基片材料包括压电单晶、压电陶瓷和压电薄膜。 ( 1 ) 压电单晶 单晶材料的一般特点是重复 性及可靠性好，声表面波传播损耗 小，但是大机电耦台系数( k 2 ) 和 低频率温度系数( t c f ) 却通常难 以同时满足。单晶材料一般价格昂 贵，且一般它们是各向异性材料， 所以需要有高精度的定向切割技 术，这也是其缺点。 目前能够实现产业化生产的 压电晶体还很少，主要还是石英、 l i n b 0 3 、l i t a 0 3 等几种材料。由表 1 ，1 可以看出 4 1 ，石英具有良好的 表1 1 典型压电单晶材料的s a w 特性 硼删忭错硇鳓n = 2 y , ”繁8 繁繁 温度稳定性，但其机电耦合系数很小；l i n b 0 3 晶体的机电耦合系数很大，但具 有较大的负温度系数；l i t a 0 3 温度系数比l i n b 0 3 好，然而其机电耦合系数还不 到l i n b 0 1 的四分之一。 ( 2 ) 压电陶瓷 压电陶瓷是现有压电材料中机电耦合系数最大的一种，而且容易制成任意 形状。与单晶相比，其价格低廉；在垂直于极化轴平面内的任意方向上传播速度 为常量，故毋需考虑加工及形成电极的方向。此外还有一个优点即可通过对组成 的选择来调整包含温度系数在内的各种性能。但是用压电陶瓷制作s a w 器件要 满足前面所说的条件是相当困难的。首先压电陶瓷是多晶多相材料，内部有气孔 存在，经表面研磨后气孔就会显露出来使其难以满足数干个亚微米级电极所需的 表面均匀度。另外压电陶瓷的性能重复性较差，很难达到声表面波器件所需的产 品合格率。目前p z t 系压电陶瓷只在低频s a w 器件领域有应用报道。可以考虑 上；f 9 = 大学硕十学位论文 通过热压烧结或其它方法制各致密的细晶或纳米级压电陶瓷，以使其能在s a w 基片领域得到更广泛的应用。 ( 3 ) 压电薄膜衬底材料 在声表面波器件中，声表面波的能量集中在压电基片的表层内，该表面层 的厚度约为一个声表面波的波长口】。因此，可采用非压电衬底上覆盖有取向性的 多晶压电薄膜或外延单晶压电薄膜制成复合型声表面波衬底，使用这种衬底结构 的声表面波器件称为薄膜声表面波器件。薄膜声表面波器件的声表面波传输特性 由压电薄膜和衬底的特性共同决定，即使是同- k o 压电薄膜材料，当改变其薄膜 厚度或衬底材料时，声表面波的声速、器件的中心频率及延迟时间温度特性、机 电耦合系数、传播损耗等都随之改变【6 j 。此外，声表面波的机电耦合系数也随i d t 的结构和压电薄膜的膜厚的变化而变化，倘若选用最佳条件，其机电耦合系数可 比压电单晶基片的还大，这就是很有意义的薄膜效应【2 j 。 用于这一目的的压电薄膜要求其性能与压电晶体同样优良，因此可采用有 取向性的多晶压电薄膜或外延单品压电薄膜。常用的压电薄膜材料如表12 所示 i ”，其中包括声表面波传播速度慢，适用于制作延迟线的c d s 薄膜和铅玻璃衬底 上的z n o 薄膜：作为机电耦合系数大的材料有l i n b 0 3 压电薄膜；作为温度稳定 性高的材料有石英玻璃衬底上的z n o 薄膜。其中适合于制作高频滤波器用的材 料包括快声速的a i n 压电薄膜以及传播速度快的蓝宝石衬底上的z n o 薄膜。除 此之外，压电材料金刚石复合膜衬底值得尤其吸引人们的关注，因为金刚石具 有已知材料中最快的声表面波传播速度以及其他优点，这将在下面作详细介绍。 表1 2 典型压电薄膜材料的s a w 特性 h x n “” sa # 辞蝌“c 蜘h h o x 2 “* g 甚 i 。姆人学坝1 ：学位论文 1 2 金刚石基s a w 器件结构和衬底材料 无论是s a w 技术本身的发展，还是s a w 器件应用要求来看，s a w 器件 向高频、高性能发展是其主要发展方向。而向高频、高性能发展，由两方面决定： 一是减小i d t 的电极指宽和间距，从而减小叉指电极的周期：二是提高声表面 波传播速度，即采用高声速的材料。减小电极尺寸虽然可以直接提高器件的工作 频率，但正是电极条的微细化，导致其阻抗增大，从而直接导致其承受功率能力 急剧下降。为此，在现在工艺条件下提高器件工作频率、增强其功率承受能力的 唯一途径就是寻找具有更高声速的s a w 器件材料。金刚石是所有物质中声传播 速度最快的材料，因此，以金刚石为s a w 传播介质的金刚石基高频s a w 声表 面波器件成为s a w 领域的研究热点“。 1 2 1 器件基本结构 金刚石基声表面波器件实质上是一种薄膜型声表面波器件。由于金刚石本 身并不是压电材料，无法激发出表面波，因此需要在其上面沉积一层压电薄膜制 成多层的薄膜声表面波器件。根据i d t 与压电薄膜的相对位置不同，会刚石声 表面波器件主要有四种结构旧，如图1 3 所示，其中，a 层为压电薄膜，b 层为 金刚石薄膜，c 层为s i 或其他衬底，d 是叉指换能器，e 是短路金属层。在这 些多层结构中，根据薄膜效应，声表面波传输特性是由压电薄膜和金刚石薄膜衬 底的特性共同决定。 圉圉旦酱 t y p elt y p e 2t y p c 3 t y p e 4 图l3 金刚石基s a w 器什结构 1 2 2 金刚石衬底材料 金刚石具有已知材料中最高的杨式模量( 1 2 2 3 g p a ) 1 1 4 1 ，因此，它的s a w 传播速度也是己知材料中最高的。实验证明，s a w 在金刚石表面的传播速度超 海人学项1 学位论史 过1 0 0 0 0 m s 【t 4 j s ，因此，对于金刚石基的高频声表面波器件，其对电极的制作 工艺要求可以大幅降低。举例来晚，对于传统的低声速s a w 材料( 低于 4 0 0 0 m s ) ，如l i n b 0 3 ，s i 0 2 等，用其制作2 5 g h z 的s a w 器件，其叉指换能 器的电极宽度必须小于o 4 u m ，逼近目前半导体工业技术水平，也产生了诸如电 极可靠性、激励耐久性等问题，严重制约了器件频率的进一步提高。而用金刚石 制作2 5 g h z 的高频s a w 器件，其叉指电极可放宽至1 岬，对电极制各的技 术要求大大降低。因此，在工艺水平相同的条件下，高声速的金刚石材料可以制 备出较高频率的器件。此外，金刚石非常高的弹性模量，有利于声学波的高保真 传输，其高的导热性和优良的耐热性、稳定性，还适合于大功率发射端高频滤波 器等应用。 用于高频声表面波器件的金刚石膜，一般必须满足以下要求”】： ( 1 ) 必须具有极高的表面平整度，以在其表面制备高质量的叉指电极和 z n o 等压电薄膜，并降低声表面波的传播损耗。 ( 2 ) 厚度必须大于一个声表面波波长，以消除低声速的s i 衬底对声表面波 传播的影响。 ( 3 ) 必须具有较高的纯度和质量，以使薄膜具有较大的电阻率，避免电极 间击穿的情况发生。 天然单晶金刚石不但价格昂贵且很难解理，因此，不适合大规模应用于s a w 器件制造。而利用c v d 方法制备多晶金刚石薄膜的技术已比较成熟，c v d 金刚 石膜的性能在很多方面甚至优于天然金刚石，并可通过控制工艺参数获得所需的 金刚石膜。自1 9 6 2 年，e v e r s o l e 第一个描述了低压c v d 金刚石的生长以来，经 过几十年的发展，特别是8 0 年代以后，已发展了多种c v d 金刚石制备技术，主 要有：热丝辅助c v d 法( h f c v d ) 、微波等离子体c v d 法( m p c v d ) 、射频辅 助等离子体c v d 法( r fp l a s m a - a s s i s t e dc v d ) 、直流辅助等离子体c v d 法( r f p l a s m a - - a s s i s t e dc v d ) 、火焰燃烧c v d 法( f l a m ec v d ) 、电子回旋共振c v d ( e c rc v d ) 等。这些方法生长机理基本相同，只是采用不用的能量方式来获 得甲基、活性氢原子、氢离子及其他碳氢化合物基团组成的等离子体，因此，这 些方法各有优缺点【1 7j 。 i ，海火学颇卜学位论文 目前金刚石声表面波器件多采用微米级c v d 金刚石薄膜作为衬底。微米级 金刚石薄膜表面粗糙度非常高，必须经过抛光处理才能使用。由于金刚石膜硬度 大，因此对其大面积抛光难度非常大，且成本非常高，甚至超过金刚石膜本身的 制备成本，这也是金刚石声表面波器件规模化生产和应用受限制的原因之一。近 年来，随着纳米金刚石研究的发展，有研究人员考虑用纳米金刚石膜替代微米级 金刚石膜1 0 _ 1 8 l 。纳米金刚石膜表面粗糙度低，不需抛光就可直接使用。但由于薄 膜内的金刚石颗粒将不可避免地随着膜厚的增加而长大，导致表面粗糙度增加， 所以，表面粗糙度很低的纳米金刚石膜往往厚度也较小，同时纳米金刚石膜的质 量和电阻率也比微米级金刚石有所降低。 1 2 3 压电薄膜材料 金刚石基声表面波器件所用的压电薄膜要求有高度的c 轴取向，高度的表 面平整性，还要有较大的电阻率和压电性，这样才能最大限度的提高器件的频率 和减小插入损耗。金刚石基s a w 器件中常用的压电薄膜有z n o 、a i n 、l i n b 0 3 、 “t a 0 3 等，除了z n o 薄膜以外，其他薄膜的制各技术还不是十分完善，不易在 金刚石薄膜衬底上形成c 轴取向的压电薄膜，因此，z n o 是目前最常用的压电 薄膜材料。高密度、定向生长的z n o 薄膜具有良好的压电性质，如高机电耦合 系数和低介电常数，温度稳定性高等。 z n o 晶体结构如图14 所示， 属于六方晶系，具有六角纤锌矿型 ( h e x a g o n a lw u r t z i t e l 晶格结构，锌 ( z n ) 、氧( o ) 各自组成一个六方密堆积 结构的子格子，这两个子格子沿c 轴平移o 3 8 5 c o 套构，从而构成纤锌 矿型结构。每个z n 原子和最近邻的 四个0 原子构成一个四面体结构，同 样，每个o 原子和最近邻的四个原子 么一玉 p !p 乏! 少 八：7 0 z 图14z n o 的晶体结构 也构成一个四面体结构，不过，每个离子周围都不是严格四面体对称的。z n o 晶 体分晶格常数a o = 03 2 4 9 n m ，c o = o 5 2 0 5 6 n m ，其禁带宽度为3 3 e v 。 一k 坶大学坝士学位论文 目前，z n o 薄膜的研制技术较为成熟，实验人员已经开发出了多种p v d 及 c v d 方法，目前较流行的主要有磁控溅射法( s p u t t e r i n g ) ，包括直流磁控溅射( d c m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ) 和射频磁控溅射( r fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g ) ，m o c v d ( m e t a l o r g a n i c c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n 金属有机物化学汽相外延) ，p l d ( p u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n 激光脉冲沉积) 和s o l g e l 法( 溶胶一凝胶) 、m b e ( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y 分子束外延) 等。这些技术各有优缺点，可以制备 不同用途z n o 薄膜。 磁控溅射是最成熟和应用最广泛的方法，包括直流磁控溅射和射频磁控溅 射，此法即使在非晶衬底上也可以得到高度c 轴取向的z n o 薄膜。1 9 9 4 年， h a c h i g o 2 0 1 等人采用磁控溅射的方法首次在金剐石( 1 1 1 ) 面上异质外延出了较为 理想的z n o 薄膜。 1 3z n o d i a m o n d 型s a w 器件的研究进展 z n o d i a m o n d 型高频s a w 器件是金刚石基s a w 器件中发展最早，也是目 前研制比较成熟的器件。在近十几年里，国际上，特别是日本，在z n o d i a m o n d 复合衬底的s a w 特性理论研究和z n o d i a m o n d 型高频s a w 滤波器制作方面取 得了一定研究成果。 1 3 1 理论研究概况 金刚石s a w 器件的理论计算始于1 9 8 9 年。y a m a n o u c h i ”1 等人用求解边界 方程的方法计算出了s a w 在z n o d i a m o n d 和a i n d i a m o n d 结构上的传播特性， 得到了高达1 0 0 0 0 m s 的声速和5 8 的大机电耦合系数，其声速约为传统的 l i n b 0 3 等基体声速的三倍多，而机电耦合系数仍与它们在同一数量级上。这些 发现引起了学者们的关注。 近年来金刚石s a w 器件的理论计算已经发展为一个较为完善的体系。研 究学者们通过多种方法对金刚石多层s a w 器件进行了较为成熟的计算，其重点 是通过对决定器件性能的主要参数进行计算，大致确定或模拟器件的中心频率， 带宽，插损等各项性能。而决定声表面波器件性能最主要的材料参数是声速，传 播损耗，机电耦合系数，频率温度系数。其中，声速主要指s a w 的相速度，它 。l 海大学硕士学位论文 的大小将决定频率；传播损耗主要是指声波在传播过程中的衰减，它的大小将影 响器件的插入损耗，从而影响整个系统的能量消耗；机电耦合系数反映材料在声 能和电能之间的有效转换，它的值可以帮助确定器件的带宽：频率温度系数反映 了声速随温度的变化程度以及中心频率随外界气温的变化而漂移的程度。 值得注意的是，对体材料来况，声波不会发生色散，因而声速是确定的【l ”： 但在多层结构中，声波的传播会发生色散，这种能量的损耗在计算中需有所考虑 【2 l 】。 此外，声波波导的特性对多层结构中压电薄膜的厚度十分敏感，厚度的变 化将直接导致声速、机电耦合系数和频率温度系数的变化。1 9 9 5 年，n a k a h a t a 6 】 等人采用c a m p b e l l 方法和s c h m i d t 等效电路模型对z n o d i a m o n d 的四种结构分 别进行了理论计算，讨论了各层的不同厚度对声速，机电耦合系数等的影响。计 算结果表明，声表面波各次谐波的波速随着。的增加而增大( 其中k 为2 z ) 。， 胁。为金刚石膜的厚度) ，当k h a i , ，值大于4 时，各谐波的声速趋于稳定，此时s i 衬底对声表面波传播的影响可忽略。图1 5 表示的是各次谐波波速随k h z , ，o 而变 化的关系( 如。为z n o 的膜厚度) 。可以看到，不同次谐波有不同的波速，但均 远远高出传统材料的声速，且随着k i - i z 。o 的增加大而降低。 图1 5z n o d i a m o n d 结构各谐波波速随k h z n o 而变化的关系 ( a ) k h d i a = 3 ( b ) k h d i a = 4 n a k a h a t a 通过计算还发现，对于四种不同的层分布结构，机电耦合系数也 9 |c罂ev备口璺皿鑫篁乱 海人学坝士学位论文 是不同的，并且与如及k h z , ，。有关。图1 6 是两种常用结构z n o i d t d i a m o n d 和i d t z n o d i a m o n d 在址较大时，机电耦合系数( k 2 ) 随k h z , , 。的变化关系。 可以看到基波和一次谐波有较大的机电耦合系数( o 5 5 ) ，且对k h z o 的依 赖关系较为复杂。 鬯 整 邑 笠 图1 6 女。= 4 各谐波机电耦合系数随k h z n 。而变化的关系 ( a ) z n o i d t d i a m o n d ( b ) i d t z n o d i a m o n d 表1 3 比较了各种结构的金刚石声表面波器件的理论计算特性22 1 。可以看 到，理论计算的完善，为制作这些g h z 高频的金刚石s a w 器件提供了依据。 s a w 器件结构 表1 3z n o d i a m o n d 型利底的s a w 性能 z n o ，i d t d i a m o n d t d t z n o d i a m o n d s i o ，z n o ，i d t d i a m o n d s i 0 2 i d t z n o d i a m o n d s a w 相速度 ( m s ) 1 0 5 0 0 1 1 6 0 0 9 0 0 0 1 0 0 0 0 机电耦合系数 ( ) 15 1 1 o 5 i4 频率漏度系数 ( p p r r g 。c ) 3 0 3 0 o 0 1 3 2 实验室研究进展 1 9 9 2 年，n a k a h a t a 等人 2 3 采用c v d 方法在硅片上沉积了多晶金刚石薄 膜，第一次成功制备了z n o i d t d i a n m o n d s i 结构的s a w 器件。 海大学硕：l 学位论文 19 9 6 年，n a k a h a t a 等人采用s i 0 2 z n o i d t d i a m o n d s i 结构，首次制 作出了2 5 g h z 的高频低损s a w f ，并对器件的温度特性进行了考察。证实了 s i o z 对正温度系数的抵消作用，取得了与理论计算符合很好的结果。 1 9 9 7 年，h i d e a k i 等人1 2 “考察了z n o d i a m o n d 结构的金刚石s a w 器件 的激励耐久性能，发现其远远大于传统的s a w 器件。如2 9 g h z 的金刚石器件， 当输入功率高达3 6 d b m 时，其输入输出信号仍保持线性关系，而对于l i t a o ， 器件，当中心频率仅为8 2 2 m h z ，输入功率为2 3 d b m 时，其输入输出就己呈现 出明显的非线性关系。 1 9 9 8 年，n a k a h a t a 等人f 2 6 i 利用s i 0 2 i d t z n o d i a n m o n d s i 结构制备了中 心频率为2 5 g h z 的性能较优的s a w 器件，该滤波器采用线宽为o 9 p m 的叉 指电极，器件大小为1 4 1 1 c m ，损耗为1 3 d b ，在4 0 - - + 1 8 0 0 c 范围内中心频率 的偏移在9 0 p p m 以内，插入损耗比石英滤波器小，目前已应用于2 4 8 8 g b p s 的 超高速光接受模块上。 金刚石膜晶粒的大小对器件性能也有一定的影响。2 0 0 1 年，t o m o k i 等人【2 7 1 采用小晶粒的多晶金刚石膜，制备出i d t z n o d i a m o n d 结构的高频s a w 器 件，中心频率从2 4 8 8 g h z 到5 g h z 。他们发现，在声速、k 2 和t c f 基本不变 的条件下，这种小晶粒的金刚石膜器件相比于一般的金刚石膜器件，插入损耗大 大降低( 前者约为后者的2 3 左右) ，q 值提高了近2 0 0 。 1 4 本课题意义及研究内容 尽管金刚石基s a w 器件有非常好的发展和应用前景，但是，国内外对该领 域的研究还远未完全成熟，特别是国内，对该领域的研究起步较晚，目前仅有清 华大学、吉林大学等少数几家单位从事金刚石基s a w 器件的研究。本课题的研 究工作将有助于提高我国在高频s a w 器件用压电薄膜金刚石复合衬底方面的 制备及研究水平，推动金刚石基s a w 器件的实用化、工业化。 本论文的主要工作是制备高频s a w 器件用的c v d 金刚石膜材料，并研究 在金刚石膜上沉积z n o 压电薄膜的优化工艺，论文的最后将初步开展金刚石基 s a w 滤波器的制作研究。具体工作如下： 上海大学顾士学位论文 ( 1 ) 改进制各工艺以减小金刚石晶粒，降低薄膜表面粗糙度，并以此为基 础，利用热丝辅助化学气相沉积( h f c v d ) 方法制备多层金刚石和自支撑金刚 石( 成核面) ，使其在表面粗糙度、薄膜厚度、电学性能等方面都满足s a w 器 件的制作需要。 ( 2 ) 利用射频磁控溅射方法在金刚石薄膜上沉积z n o 薄膜，研究衬底加热 温度、工作气压和退火处理对z n o 薄膜结晶特性、电学性能等的影响，提出制 备高度c 轴取向、高质量的z n o 薄膜的优化条件。 ( 3 ) 在上述研究为基础，初步丌展z n o d i a m o n d 型s a w 滤波器的制作研 究，包括电极设计、电极制作等。 上海大学坝士学位论文 第二章s a w 器件用金刚石膜的制备和性能表征 无论是s a w 技术本身的发展，还是从s a w 器件应用要求来看，s a w 器 件都必将向高频、高性能发展。通过篼一章的介绍可知，采用高声速的衬底材料 是现有工艺条件下制作高频s a w 器件的最佳途径。在目前己知的材料中，金刚 石具有最大的s a w 传播速度，超过1 0 0 0 0 m s 。此外，余刚石具有稳定的化学性 质和非常好的散热性能，使金刚石基s a w 器件具有优异的激励耐久性，提高了 器件寿命。 对于s a w 器件用金刚石术才料，除了要求它具有较高纯度以外，还必须在厚 度及表面粗糙度方面同时满足一定要求。对于以s i 为衬底的金刚石薄膜，其厚 度必须大于一个s a w 波长，以消除低声速的s i 衬底对s a w 传播的不利影响， 同时，为了在其表面沉积平整的压电薄膜、制作高质量的i d t 电极及减少s a w 传输损耗，金刚石膜必须具有非常光滑的表面，这些条件缺一不可。目f i l j - $ 作 s a w 器件大都使用传统的微米级金刚石，这种金刚石膜厚度大，但表面粗糙度 高，必须经过抛光处理，而对金刚石抛光难度大且成本高；也有研究人员考虑使 用纳米金刚石薄膜，这样虽然可以直接使薄膜表而光滑，但受到沉积条件的限制， 普通的纳米金刚石膜往往厚度不能达到要求。 针对以上存在的问题，我们提出利用热丝辅助化学气相沉积( h f c v d ) 技 术制各多层金刚石薄膜和自支撑金刚石薄膜( 成核面) 作为s a w 器件用的金刚 石衬底，重点解决薄膜表面粗糙度与厚度之间的矛盾，并保证薄膜具有较高的质 量。本章将首先介绍实验中使用的h f c v d 装置结构和详细的样品制作过程，然 后探讨多层金刚石和自支撑金刚石薄膜的沉积工艺，最后对这两种金刚石薄膜的 主要性能作出表征。 2 1 实验装置介绍 在本实验中，我们利用h f c v d 方法制各所需要的金刚石薄膜。h f c v d 系 统结构简单，运作成本较低，适合大面积薄膜沉积，而且金刚石薄膜质量较好， 目前已经成为最流行的方法之一 2 8 l 。 l ：海大学坝一l 学位论文 我们采用如图2 1 所示的h f c v d 沉积设备，钽丝作为加热源，共有8 根， 分为两组，其输出功率连续可调，最大可达8 k w 。丙酮和氢气为反应物，其流量 由气体流量计控制。将装有丙酮的鼓泡瓶置于冰水混合液恒温槽中以保持温度恒 定，氢气通过鼓泡瓶携带丙酮组成了一路进气单元，通过鼓泡瓶的氢气流量量程 为2 5 2 5 0 s c c m 。另一路氢气直接通入沉积室，可控流量为6 0 6 0 0 s c o r n 。在反应室 的后部连接一个减压阀门以维持反应室的气压的稳定，并用气压计测得反应压 强。为了解反应腔体内衬底的温度，将热电偶埋于衬底下方，并通过控温仪稳定 衬底温度在土1 0 。c 之间。实验过程中可通过偏压装置对衬底施加正偏压。 1 3 图2 1h f c v d 实验装置示意图：1 反应室，2 气体，3 丙酮，4 ，恒温槽，5 钽丝，6 衬底 7 试样台，8 热电偶，9 真空泵，1 0 减压阀，1 1 质量流量计，1 2 质量流量计，1 3 控温仪 1 4 气压计，15 阍门，1 6 钟罩，1 7 冷切水，1 8 偏压装置 2 2 样品制备及测试 h f c v d 法沉积金刚石薄膜主要包括钽丝预处理、衬底预处理、沉积生长 和后期退火处理等步骤，对于自支撑金刚石薄膜，还需剥离衬底。其中衬底预处 理方式和沉积过程中的生长条件对金刚石膜的生长状态和薄膜最终的结构与质 量产生重要影响。下面将依次介绍这些工艺步骡，制各结束后将对样品进行测试。 4 l 海火学硕= 卜学位论文 2 2 1 制备过程 ( 一) 钽丝预处理： h f c v d 方法中采用钽丝作为加热源，但钽丝的表面往往有氧化层及其它杂 质，且钽受热后也容易挥发，如直接使用会造成对衬底的污染，所以对钽丝的预 处理是十分必要的。通常先用砂皮将钽丝表面打磨干净，抽真空完毕后，然后通 入氢气和丙酮至3 0 t o r r ，加热至4 5 0 。c 左右预处理3 0 分钟。这样不仅去除了钽 丝表面的氧化层杂质，还在钽丝表面形成了一层碳化物覆盖层，以抑制后续过程 中钽的挥发，