[發明專利]高c軸取向的ErAlN薄膜及其制備方法

在審

• 申請號: 201710205730.9
• 申請日: 2017-03-31
• 公開（公告）號: CN106756855A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 楊成韜;胡現偉;牛東偉;唐佳琳;泰智薇
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙)51232
• 代理人: 葛啟函

技術領域

本發明屬于壓電薄膜領域，具體涉及一種高c軸取向ErAlN薄膜及其制備方法。

背景技術

聲表面波(SAW)器件具有體積小、結構簡單、頻率選擇性強、性能穩定、可重復性好、易于批量生產等優點，能夠適應現代通信系統和設備微型化、高頻化、高性能、高可靠性等方面的要求，特別是在以擴頻技術為標志的新一代寬帶無線系統中，SAW器件因其大帶寬、極佳的通帶選擇性、極小的帶內畸變以及具有實時信號處理能力而備受青睞，成為目前世界通信領域關注的熱點。故而，制備高頻率、高耐受功率、大帶寬、可集成的聲表面波(SAW)器件更是成為了研究的關鍵。

壓電薄膜材料作為聲表面波器件的重要組成，其質量和性能決定著器件的性能優劣。首先，器件的中心頻率與壓電材料的聲表面波傳輸速度成正比，聲表面波(SAW)速度越快，則越易實現器件高頻化；其次，壓電材料具有好的熱穩定性和高熱導率，可保證器件在高功率狀態下持續穩定工作；再者，壓電材料的壓電響應越大，則越容易實現器件大帶寬；最后，壓電薄膜制備工藝如果可以與CMOS工藝兼容，則有利于實現器件的可集成化。因此，在進行新型聲表面波(SAW)器件材料選擇時，具有高聲速、高熱導率、好的熱穩定性、大的壓電響應及可與CMOS工藝集成性的壓電薄膜材料將成為理想材料。

A1N壓電材料具有高聲波波速、高熱導率、低介質損耗、優異的溫度穩定性、可與CMOS工藝兼容等優點，另外，在所有無機非鐵性壓電材料中，聲表面波沿AlN晶體c軸方向的傳輸速度最大，遠遠優于氧化鋅薄膜的聲表面波傳播速率，因此，具有高c軸取向的Al N薄膜成為制備高頻、高功率及高集成化聲表面波(SAW)器件的理想材料。然而，與另外兩種常見壓電材料：PZT、ZnO相比，A1N的壓電系數(d33＝7.5pC/N)和機電耦合系數(k²＝6.1％)相對偏低，這在一定程度上限制了A1N的廣泛應用。因此，如何提高A1N薄膜的壓電響應和機電耦合系數成為本領域亟待解決的技術問題。

發明內容

鑒于現有技術的不足，本發明提供一種高c軸取向ErAlN薄膜及其制備方法，相比現有技術大多高取向壓電薄膜制備工藝，本發明采用射頻磁控反應濺射，具有簡單、高速、價廉的優點，并且容易在大面積襯底上實現均勻沉積，同時，制得的薄膜致密、附著力強，有利于大規模工業化生產。

首先，本發明公開一個技術方案：

一種高c軸取向ErAlN薄膜，包括襯底以及沉積于襯底表面的ErAlN薄膜，其中：鉺元素的含量為4％～10％，鋁元素的含量為90％～96％。

本技術方案中ErAlN薄膜的粗糙度不高于2.0nm，壓電常數為4.1～16.8pC/N。

其次，本發明公開另一個技術方案：

一種制備高c軸取向的ErAlN薄膜的方法，包括以下步驟：

步驟A：將鉺鋁合金靶材和經過預處理的襯底放置在反應腔室中，調節反應腔室的真空度不高于5×10-4Pa；

步驟B：開啟加熱單元使得反應腔室內溫度升高，并通入氬氣以除去水蒸氣；

步驟C：通過調節加熱單元將襯底加熱至濺射溫度，調節氣體流量計，通入工作氣體，逐漸加大輸入功率以起輝，再將輸入功率調至濺射功率，維持工作氣壓，進行預濺射，預濺射后維持濺射條件開始濺射，濺射完成后，停止通入工作氣體并關閉磁控濺射和加熱單元，自然降溫至室溫，制得高c軸取向的ErAlN薄膜。

本技術方案中鉺鋁合金是由鉺元素和鋁元素組成，其中鉺元素的含量為2％～8％，鋁元素的含量為92％～98％。

本技術方案中襯底優選為藍寶石襯底，藍寶石襯底的面易于解理，經過化學拋光后可以獲得特別光滑的表面形貌，并且藍寶石襯底與ErAlN薄膜之間的熱失配和晶格失配較小，此外高質量藍寶石襯底已經實現了產業化，因此將其用作ErAlN薄膜的襯底材料具有現實意義。

本技術方案中在步驟A之前還包括襯底的預處理步驟，具體操作為：將襯底進行單面拋光和清洗步驟，清洗時依次采用丙酮、無水乙醇和去離子水進行超聲清洗，每次清洗時間為10～20分鐘，然后采用高純度氮氣吹干。

本技術方案的步驟C中將襯底加熱至溫度為100～500℃。

本技術方案的步驟C中工作氣體為氮氣和氬氣的混合氣體。

本技術方案的步驟C中濺射工藝的具體參數如下：

襯底溫度為100～500℃；靶基距為5～8cm；氮氣與氬氣的氣體流量比為7∶13～28，優選為1∶3；工作氣壓為0.6～1.4Pa；濺射功率為140～260W；濺射時間為30～120分鐘；。