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一种ScAlN SAW 谐振器的制备方法

阅读：506发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种ScAlN SAW 谐振器的制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种ScAlN SAW 谐振器的制备方法，该方法包括以下步骤：a、在金刚石衬底上生长ZnO 缓冲层；b、在ZnO/diamond上生长ScAlN压电层；c、采用电子束蒸发在ScAlN/ZnO/diamond上生长Al 电极层；d、采用电子束曝光技术在Al电极层表面形成图形化光刻胶掩膜；e、采用刻蚀技术在Al电极层表面形成叉指换能器 (IDTs)；f、将刻蚀后的样品进行剥离，构建SAW谐振器，用于测试与应用。通过控制ScAlN压电层和ZnO缓冲层的晶向，及Al电极层、ScAlN压电层和ZnO缓冲层的厚度，并通过刻蚀手段高效的制备叉指换能器(IDTs)结构，从而构建一种ScAlN SAW谐振器。，下面是一种ScAlN SAW 谐振器的制备方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种ScAlN SAW 谐振器的制备方法，SAW谐振器从下至上依次包括金刚石衬底、ZnO缓冲层、ScAlN压电层和Al 电极层，其制备方法包括如下步骤：
步骤1：提供金刚石衬底，并对其用标准的清洗工艺进行清洗；
步骤2：在所述金刚石衬底上采用磁控溅射、化学气相沉积(CVD)或脉冲激光沉积(PLD)方法生长ZnO缓冲层；
步骤3：在所述ZnO缓冲层上采用磁控溅射、化学气相沉积(CVD)或脉冲激光沉积(PLD)方法生长ScAlN压电层；
步骤4：在所述ScAlN压电层上采用电子束蒸发生长Al电极层；
步骤5：采用电子束曝光技术在所述Al电极层表面形成图形化光刻胶掩膜；
步骤6：采用刻蚀技术在所述Al电极层表面形成叉指换能器(IDTs)；
步骤7：将刻蚀后的样品进行剥离，构建SAW谐振器，用于测试与应用。
2.根据权利要求1所述的ScAlN SAW谐振器的制备方法，其特征在于，在步骤2中，ZnO缓冲层的晶向为(002)晶向，其厚度为10-200nm，其中ZnO缓冲层的厚度≤ScAlN压电层厚度的
1/5。
3.根据权利要求1或2所述的ScAlN SAW谐振器的制备方法，其特征在于，在步骤2中，制备ZnO缓冲层的方法优先选用射频(RF)磁控溅射。
4.根据权利要求1所述的ScAlN SAW谐振器的制备方法，其特征在于，在步骤3中，ScAlN压电层的晶向为(002)晶向，其厚度为0.4-1μm。
5.根据权利要求1或4所述的ScAlN SAW谐振器的制备方法，其特征在于，在步骤3中，制备ScAlN压电层的方法优先选用直流(DC)磁控溅射。
6.根据权利要求1所述的ScAlN SAW谐振器的制备方法，其特征在于，在步骤4中，Al电极层的厚度为50-200nm。
7.根据权利要求1所述的ScAlN SAW谐振器的制备方法，其特征在于，在步骤6中，叉指换能器(IDTs)结构的制备使用干法刻蚀工艺。
8.根据权利要求1或7所述的ScAlN SAW谐振器的制备方法，其特征在于，在步骤6中如采用反应离子刻蚀技术，其刻蚀参数范围如下，CF4与Ar的气流量比为1:1，射频功率范围为
100-200W，工作压强范围为10-40mTorr。

说明书全文

一种ScAlN SAW 谐振器的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种ScAlN SAW谐振器的制备方法，属于半导体制造领域。

背景技术

[0002] 随着5G通信时代的到来，以及物联网技术的迅猛发展，移动终端产品开发出了各种应用，对SAW谐振器的材料和结构设计等方面提出了越来越多的需求。近年来，声表面波(SAW)谐振器已经广泛的用于通信系统、生物传感和微流体应用等领域(Prog.Mater.Sci.,89,31-91,2017)。在各种压电材料中，AlN 薄膜因其电阻率较高，热膨胀系数较低，硬度高，热导率高，声速较大，压电性能较好等优点而受到广泛的关注(Commun.Theor.Phys.,49,
489-492,2008)。2009年，Akiyama等人提出Sc元素的掺入使得AlN薄膜的压电性能显著提高，因而，ScAlN压电薄膜的研究受到越来越多的重视。2014年，Ichihashi等人提出随着Sc元素掺入含量的增加，ScAlN压电薄膜的声速降低。SAW谐振器工作频率的计算公式为f＝v/λ，其中v是压电薄膜的声表面波传播速度，λ为声表面波的波长且λ＝4a，a为叉指线条宽度，继而，金刚石因其高声速被用作衬底来提高ScAlN压电薄膜的声速。由公式可知，通过提高ScAlN薄膜的声速可以进而提高SAW谐振器的频率。但由于异质外延技术总是存在不同程度的晶格失配和热膨胀系数失配问题，无法获得高质量的ScAlN压电薄膜。近几年，关于优化工艺参数来制备ScAlN(002)择优取向的专利和文章较多，经查阅国内外专利、文献，关于ZnO缓冲层生长在金刚石衬底上来促进ScAlN压电薄膜的(002)择优取向生长的研究未见报导。由于ZnO与金刚石衬底的热膨胀系数和晶格系数比较接近，且ZnO薄膜和ScAlN薄膜均为六方纤锌矿结构，可以在制备ScAlN压电薄膜的过程中引入ZnO(002)缓冲层来促进ScAlN压电薄膜的(002)择优取向生长。因此，ZnO缓冲层的加入对ScAlN压电薄膜材料性能的提升，将为SAW谐振器的进一步高性能、低成本发展提供可能。

[0003] 制备SAW谐振器时，由f＝v/λ可知，叉指换能器的波长λ也影响着器件的频率，进而可以通过缩小叉指线条宽度a来提高SAW谐振器的频率。并且SAW谐振器制备过程中，通常采用的是先曝光再生长电极然后剥离去胶的工艺，其中剥离过程耗时较长、效率低，不适合于大规模工业生产。本文采用刻蚀技术来构建SAW谐振器的叉指换能器(IDTs)结构，提高了制备效率，适用于大规模生产。

发明内容

[0004] 基于目前SAW谐振器的快速发展及特征尺寸的不断缩小，对压电薄膜的压电性能的要求越来越高，本发明针对SAW谐振器的关键材料——ScAlN压电薄膜材料开展SAW谐振器的研究，提供了一种ScAlN SAW谐振器的制备方法。为高频率、低插入损耗、小体积的SAW谐振器的发展提供了保障。

[0005] 对于SAW谐振器而言，要想实现高频率、低插入损耗、小体积等目标，对特征尺寸的要求越来越小，同时对压电材料的压电性能提出了更高的要求。SAW谐振器中的关键材料是压电薄膜，其中，由于ScAlN压电薄膜的压电性能相较于AlN压电薄膜显著提高，而成为目前的研究热点。但迄今为止，关于ZnO缓冲层促进ScAlN压电薄膜的(002)择优取向生长的研究罕见报道，本发明提供ZnO缓冲层来促进ScAlN压电薄膜的(002)择优取向生长，并采用刻蚀提供了一种利用ScAlN压电薄膜来制备SAW谐振器的方法。

[0006] 本发明涉及到的ZnO缓冲层和ScAlN压电薄膜的制备方法有磁控溅射、化学气相沉积(CVD)或脉冲激光沉积(PLD)等方法。所述制备方法各有利弊，应根据具体情况来进行合理地分析。使用CVD制备薄膜，原料简单，易得，得到薄膜的粒度细，单分散性较好，但反应得到的薄膜纯度低，而且还有原料残存，对设备要求高。PLD制备薄膜，简单易行，但在薄膜生长过程中会产生颗粒物，使薄膜表面粗糙，影响薄膜质量。磁控溅射沉积速率较快，薄膜的取向较好控制，便于操作。综上所述，本发明优先选择磁控溅射方法来制备ZnO缓冲层和ScAlN压电薄膜。

[0007] 本发明提供的ScAlN SAW谐振器的制备方法，其特征如下，SAW谐振器从下至上依次包括金刚石衬底、ZnO缓冲层、ScAlN压电层和Al电极层，其制备方法包括如下步骤：

[0008] 步骤1：提供金刚石衬底，并对其用标准的清洗工艺进行清洗；

[0009] 步骤2：在所述金刚石衬底上采用磁控溅射、化学气相沉积(CVD)或脉冲激光沉积(PLD)方法生长ZnO缓冲层；

[0010] 步骤3：在所述ZnO缓冲层上采用磁控溅射、化学气相沉积(CVD)或脉冲激光沉积(PLD)方法生长ScAlN压电层；

[0011] 步骤4：在所述ScAlN压电层上采用电子束蒸发生长Al电极层；

[0012] 步骤5：采用电子束曝光技术在所述Al电极层表面形成图形化光刻胶掩膜；

[0013] 步骤6：采用刻蚀技术在所述Al电极层表面形成叉指换能器(IDTs)；

[0014] 步骤7：将刻蚀后的样品进行剥离，构建SAW谐振器，用于测试与应用。

[0015] 本发明构建层状结构过程主要将层状薄膜晶向控制为(002)晶向，及将厚度参数限定在一定范围内，从而构建良好的压电薄膜层状结构，即ZnO缓冲层的晶向为(002)晶向，其厚度为10-200nm(ZnO缓冲层的厚度≤ScAlN压电层厚度的1/5)；ScAlN压电层的晶向为(002)晶向，其厚度为0.4-1μm；Al电极的厚度为50-200nm；并采用干法刻蚀技术进行叉指换能器(IDTs)的构建，通过控制刻蚀速率，提高了SAW谐振器的制备效率。附图说明

[0016] 图1为本发明实施例ScAlN SAW谐振器的结构示意图；

[0017] 图2为本发明实施例Al/ScAlN/ZnO/diamond层状结构的XRD图谱；

[0018] 图3为本发明实施例ScAlN/ZnO/diamond层状结构的SEM图谱；

[0019] 图4为本发明实施例叉指换能器(IDTs)结构的SEM图谱；

[0020] 图5为本发明实施例SAW谐振器的频率响应(S21)图谱；

具体实施方式

[0021] 以下，使用若干实施例及其附图来详细说明本发明的实施方式，来使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，但绝非本发明仅局限于此实施例内。

[0022] 实施例1：

[0023] 本发明的实施过程如下：参见图1提供的一种ScAlN SAW谐振器的制备方法，SAW谐振器从下至上依次包括金刚石衬底、ZnO缓冲层、ScAlN压电层和Al电极层，其制备方法包括如下步骤：

[0024] 步骤1：提供金刚石衬底，并对其分别用丙酮、异丙醇、无水乙醇及去离子水超声15分钟，然后用氮气吹干；

[0025] 步骤2：在所述金刚石衬底上采用RF磁控溅射生长ZnO缓冲层，工艺参数如下，靶基距为60mm，本底真空为1*10-4Pa，Ar：O2为8:17，工作压强为0.8Pa，溅射功率为150W，溅射速率为10nm/min，制备所得ZnO缓冲层的晶向为(002)晶向，厚度为80nm；

[0026] 步骤3：在所述ZnO缓冲层上采用DC磁控溅射生长ScAlN压电层，工艺参数如下，靶基距为45mm，本底真空小于1*10-4Pa，Ar：N2为20:20，工作压强为0.3Pa，溅射功率为220W，溅射速率为28nm/min，制备所得ScAlN压电层的晶向为(002)晶向，厚度为700nm；

[0027] 步骤4：在所述ScAlN压电层上采用电子束蒸发生长Al电极层，其厚度为80nm；

[0028] 步骤5：采用电子束曝光技术在所述Al电极层表面形成图形化光刻胶掩膜，包括叉指换能器结构(IDTs)和叉指线条宽度为200nm；

[0029] 步骤6：采用反应离子刻蚀技术在所述Al电极层表面形成叉指换能器(IDTs)，刻蚀参数如下，CF4与Ar的气流量比为1:1，射频功率为200W，工作压强为20mTorr，在此参数下刻蚀速率为70nm/min；

[0030] 步骤7：将刻蚀后的样品在丙酮中进行剥离，构建SAW谐振器，用于测试与应用，其SAW谐振器的中心频率为10.48GHz，插入损耗为-28.19dB；

[0031] 如图2所示，其为Al/ScAlN/ZnO/diamond层状结构的XRD图谱，由附图可知，ZnO和ScAlN的晶向均为(002)晶向。

[0032] 如图3所示，其为ScAlN/ZnO/diamond层状结构的SEM图谱，由附图可知，ZnO和ScAlN的厚度分别为80nm和700nm。

[0033] 如图4所示，其为刻蚀后的叉指换能器(IDTs)结构的SEM图谱，由附图可知，SAW谐振器的具体结构。

[0034] 如图5所示，其为SAW谐振器的频率响应(S21)图，由附图可知，其中心频率为10.48GHz，插入损耗为-28.19dB。

[0035] 实施例2-5：

[0036]

[0037] 本发明通过控制层状结构的厚度、晶向及使用刻蚀构建叉指换能器(IDTs),来获得高频SAW谐振器。

[0038] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，上述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

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