[發(fā)明專利]一種C軸垂直擇優(yōu)取向AlN壓電薄膜及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011262292.8
• 申請日: 2020-11-12
• 公開（公告）號: CN112382718A
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鄭澤漁;趙雪梅
• 申請（專利權(quán)）人: 中國電子科技集團公司第二十六研究所
• 主分類號: H01L41/18
• 分類號: H01L41/18;H01L41/04;H01L41/047;H01L41/22;H01L41/29;H01L41/39;C23C14/06;C23C14/18;C23C14/35
• 代理公司: 重慶輝騰律師事務(wù)所 50215
• 代理人: 王海軍

本發(fā)明涉及薄膜材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種C軸垂直擇優(yōu)取向AlN壓電薄膜及其制備方法，包括：在藍寶石或YAG晶體上依次制備自緩沖層AlN薄膜、金屬電極層、AlN壓電薄膜。自緩沖層AlN薄膜誘導金屬電極層取向，實現(xiàn)在電極層上制備高度C軸擇優(yōu)取向AlN薄膜。藍寶石或YAG晶體與高純?yōu)R射靶成45°，有效調(diào)控濺射原子團到達基片后平行基片表面遷移運動的能量，有利于生長緩沖層和AlN壓電薄膜C軸擇優(yōu)取向生長，提高薄膜的壓電響應(yīng)及機電耦合系數(shù)。本發(fā)明方法能夠?qū)崿F(xiàn)較低溫度下利用磁控濺射技術(shù)生長C軸擇優(yōu)取向AlN薄膜，得到的AlN薄膜結(jié)晶度高，具有較高的壓電響應(yīng)系數(shù)及機電耦合系數(shù)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及薄膜材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種C軸垂直擇優(yōu)取向AlN壓電薄膜及其制備方法。

背景技術(shù)

聲體波(BAW)器件主要應(yīng)用于無線電通信及雷達系統(tǒng)中，主要包括BAW延遲線、BAW諧振器、BAW濾波器等，其中，薄膜BAW延遲線(BAWDL)是近年來研究和應(yīng)用發(fā)展迅速的一類甚高頻器件，該器件在微波頻段具有體積小，質(zhì)量輕，無緣等優(yōu)點，在機載和彈載無線高度表等系統(tǒng)中獲得了廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的BAWDL常采用氧化鋅(ZnO)薄膜，ZnO為兩性氧化物，能與酸和堿反應(yīng)，對環(huán)境濕度較敏感，并且在制備工藝中，ZnO薄膜的氧缺陷難以控制，而AlN(AlN)壓電薄膜材料的聲波傳輸速度快，化學穩(wěn)定性好，頻散小，是制備BAW器件的較為理想的關(guān)鍵材料。對于AlN材料，由于C軸(002)方向具有最大的壓電響應(yīng)系數(shù)，AlN晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示。能否制備C軸擇優(yōu)取向AlN薄膜是其應(yīng)用于體聲波器件的關(guān)鍵。由于C軸方向氮-鋁鍵形成需要高的粒子能量，但離子能量過大，容易導致相應(yīng)的B2鍵斷裂，薄膜非常容易形成其它擇優(yōu)取向(100)取向或無擇優(yōu)取向，因此制備高質(zhì)量的C軸擇優(yōu)取向AlN薄膜較困難。

磁控濺射技術(shù)是半導體工藝中常用的薄膜沉積技術(shù)，可用于制備AlN薄膜。傳統(tǒng)的AlN薄膜磁控濺射沉積工藝為基片與濺射靶相對放置于真空腔內(nèi)(基片與濺射靶水平放置)，基片通過底座加熱到達一定溫度，在真空腔中通入一定比例的反應(yīng)氣體(氮氣與氬氣)，濺射靶上施加高電壓使氣體電離形成等離子體；等離子體轟擊濺射靶，濺射產(chǎn)生的粒子以一定的方向及能量離開靶表面，到達基片表面，通過水平擴散到達平衡位置，不斷生長形成薄膜。雖然傳統(tǒng)磁控濺射工藝可以制備AlN薄膜，但是傳統(tǒng)磁控濺射工藝到達基片表面的濺射粒子水平方向運動能量較低，薄膜表面粗糙度大，薄膜與基片內(nèi)應(yīng)力大及晶格失配等問題，不易形成C軸擇優(yōu)取向的高質(zhì)量AlN薄膜。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種C軸垂直擇優(yōu)取向AlN壓電薄膜及其制備方法。本發(fā)明提供的AlN壓電薄膜制備方法能夠利用磁控濺射技術(shù)連續(xù)生長出種子層、金屬電極層和高度C軸擇優(yōu)取向AlN薄膜，提高AlN薄膜的結(jié)晶程度，制備出一種高質(zhì)量的C軸擇優(yōu)取向AlN薄膜。

一種C軸垂直擇優(yōu)取向AlN壓電薄膜，包括襯底和AlN薄膜層，所述襯底采用藍寶石或YAG基片；在襯底與AlN薄膜層之間設(shè)置有AlN種子薄膜層和金屬電極薄膜層。

一種C軸垂直擇優(yōu)取向AlN壓電薄膜的制備方法，采用磁控濺射工藝在襯底上連續(xù)生長出AlN種子薄膜層、金屬電極薄膜層和高度C軸擇優(yōu)取向的AlN薄膜層，所述襯底采用藍寶石或YAG基片，包括以下步驟：

S1、在藍寶石或YAG基片上制備AlN種子薄膜層：將藍寶石或YAG基片水平放置在腔體內(nèi)，將用于制備AlN種子薄膜層(AlN靶)、金屬電極層(金屬電極靶)和AlN薄膜材料(AlN靶)的高純材料作為濺射靶材傾斜地放置于藍寶石或基片周圍；將磁控濺射設(shè)備的真空腔抽真空至3×10^-4Pa以下，向真空腔內(nèi)通入氬氣和氮氣，在用于制備AlN種子薄膜層的高純?yōu)R射靶上施加400～700V的電壓進行磁控濺射，一定磁控濺射時間后，斷開電壓，得到一定厚度的AlN種子薄膜層；