陳運祥,趙雪梅,鄭澤漁,陶 毅,伍 平,田亞睿,張永川,許東輝
(中國電子科技集團公司第二十六研究所, 重慶 400060)
復合氮化鋁(AlN)壓電薄膜不但具有AlN壓電薄膜的特質(zhì),還具有較高聲傳播速率、較小聲損耗、較大機電耦合系數(shù)及熱膨脹系數(shù)與Si相近等特點。因此,其在聲表面波(SAW)和聲體波(BAW)器件制作和高頻寬帶通信等領(lǐng)域應(yīng)用前景較廣[1-5]。
由于復合AlN壓電薄膜具有很高的BAW速度(11 300 m/s)和SAW速度(>7 500 m/s),因此,采用復合AlN壓電薄膜制作高頻BAW和SAW器件具有明顯優(yōu)勢。
本文采用直流磁控濺射法制作了復合氮化鋁壓電薄膜,并描述了工藝參數(shù)及薄膜的結(jié)構(gòu)參數(shù)測試結(jié)果。利用濺射制備的復合氮化鋁壓電薄膜制作了Ku及K波段聲體波微波延遲線(BAWDL),以及AlN/Mo/AlN/納米金剛石(NCD)/Si復合結(jié)構(gòu)聲表面濾波器(SAWF)樣品,并給出了測試結(jié)果。
采用EndeavorAT型雙S槍磁控濺射系統(tǒng)制作AlN壓電薄膜。研制了NCD/Si基AlN(壓電層)/Mo/AlN(種子層)結(jié)構(gòu)的復合壓電薄膜。其中,采用雙S槍中頻(40 kHz)磁控反應(yīng)性濺射鋁靶制作AlN薄膜;采用雙S槍直流(DC)磁控濺射鉬(Mo)靶制作出了Mo電極薄膜。各層薄膜生長條件如表1所示。
表1 薄膜生長條件
對制備的AlN(壓電層)/Mo/AlN(種子層)/NCD/Si復合壓電薄膜樣品進行了X線衍射(XRD)分析,圖1 為XRD衍射曲線。圖2 為搖擺曲線。由圖1可看出,AlN壓電薄膜(002)面X線衍射峰峰值強度Imax=3 673 cps(每秒計數(shù))(特征衍射角2θ=36.131 8°);其半峰寬FWHM=0.223 4°。Mo薄膜(110)面Imax=154 cps(2θ=40.726 1°);其FWHM=0.387 8°。由圖2可看出, AlN壓電薄膜(002)面搖擺曲線FWHM=2.7°;搖擺曲線Imax=3 727 cps(θ=17.679 7°);結(jié)果顯示AlN薄膜 (002)面擇優(yōu)取向優(yōu)良。
圖1 AlN及Mo多晶薄膜XRD衍射曲線
圖2 AlN薄膜XRD搖擺曲線
采用脈沖直流磁控濺射Au、Cr、Al靶分別制作了Au/Cr底電極薄膜及Al/Cr頂電極薄膜。并采用XRD分析Au薄膜晶粒(111)面擇優(yōu)取向,結(jié)果為Imax=44 074 cps,2θ=38.956 0°,FWHM=0.351 1°。其搖擺曲線分析結(jié)果為Imax=2 172 cps;θ=19.439 5°,FWHM= 9.3°。
采用EndeavorAT型雙S槍磁控濺射系統(tǒng)制作AlN壓電薄膜。研制出了Au/Cr基AlN壓電薄膜。用雙S槍中頻(40 kHz)磁控反應(yīng)性濺射鋁靶制作AlN薄膜,
AlN壓電層薄膜生長方式為中頻磁控反應(yīng)性濺射,靶材采用鋁靶(雙S槍)(質(zhì)量比99.999%),氣體為氮氣(N2)(質(zhì)量比99.999%)、氬氣(Ar)(質(zhì)量比99.999 9%),濺射功率為5.7 kW,N2流量為21 cm3/min,Ar流量為7 cm3/min。
采用XRD對研制出的Au/Cr基AlN壓電薄膜樣品進行了XRD分析,獲得了該樣品XRD衍射曲線及其搖擺曲線如圖3、4所示。由圖3可知,AlN壓電薄膜(002)面X線衍射峰Imax=736 cps(2θ=35.985 3°);其FWHM=0.260 8°。由圖4可知,AlN壓電薄膜(002)面搖擺曲線FWHM=3.6°;搖擺曲線Imax=741 cps(θ=18.345 2°)。這表明AlN薄膜(002)面擇優(yōu)取向優(yōu)良。
圖3 AlN薄膜XRD衍射曲線
圖4 AlN薄膜XRD搖擺曲線
采用研制出的AlN壓電薄膜應(yīng)用于制作NCD SAW器件,其為Si基IDT/AlN/Mo/AlN/NCD結(jié)構(gòu)。其中,IDT為鋁叉指換能器。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試出該結(jié)構(gòu)SAW濾波器頻率響應(yīng)曲線,如圖5所示。
圖5 AlN/Mo/AlN/NCD/Si器件頻率響應(yīng)曲線
采用Al/Cr/AlN/Au/Cr/YAG復合結(jié)構(gòu)壓電薄膜研制出了Ku波段及K波段BAWDL。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試出該結(jié)構(gòu)BAWDL頻率響應(yīng)及時域響應(yīng)曲線,如圖6~8所示。
圖6 Ku波段BAWDL器件頻率響應(yīng)曲線
圖7 K波段BAWDL器件頻率響應(yīng)曲線
圖8 K波段BAWDL器件時域響應(yīng)曲線
由圖6可知,該器件中心頻率為17.3 GHz,插入損耗為43.7 dB。由圖7可知,該器件中心頻率為23.5 GHz,插入損耗為54.6 dB,該復合壓電薄膜材料的vp=9 300 m/s。
本文制作得到了高聲速的復合AlN壓電薄膜,在Mo/AlN/NCD/Si基上制作的AlN壓電薄膜(002)面的XRD搖擺曲線半峰寬FWHM=2.7°;Au/Cr基上制作的AlN壓電薄膜(002)面XRD搖擺曲線半峰寬FWHM=3.6°。本文方法制備的AlN壓電薄膜所得Ku波段BAWDL器件插入損耗低至43.7 dB,K波段BAWDL器件插入損耗低至54.6 dB。