[实用新型]一种生长在衬底上的低应力状态单晶AlN

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种AlN薄膜，具体涉及一种生长在衬底上的低应力状态单晶AlN，所述低应力状态单晶AlN在声波器件中的应用。

背景技术

以声表面波谐振器和薄膜体声波谐振器为代表的声波器件具有尺寸小、性能可靠的优点，被广泛应用于民用通讯和军用雷达领域的射频前端模块中。声波器件的传播特性由压电薄膜的特性所决定。

AlN是目前商用最成功的声波器件压电薄膜材料。相较其他薄膜或陶瓷压电材料，AlN压电薄膜材料具有纵波声速大、温度系数低、固有损耗小、易集成的特点。基于现有工艺中，如磁控溅射方法，其制备出的多晶AlN薄膜通常存在一定厚度的非晶过渡区，这段区域对于压电转换并无贡献，导致器件的品质因数(Q值)降低，插入损耗变大；另外多晶AlN中存在的晶界和缺陷会造成对体声波的吸收或散射，增加声波传输损耗。现有器件制备工艺磁控溅射得到的AlN多晶薄膜的性能还有很大的提升空间。

利用沿c轴平行排列的单晶AlN薄膜制备声波器件将解决上述问题，尤其适用于未来滤波器应用所需的的高频、高功率的场合。在异质外延生长过程中，由于AlN和基体材料间晶格常数的不匹配，AlN薄膜中存在很大的内应力，这不仅极易产生裂纹和缺陷，同时会导致自发极化，使得器件的压电性能也随之发生相应变化；若AlN薄膜的内应力无法得到有效释放，器件制造过程将变得十分困难。另外，单晶AlN温度系数大，基于单晶薄膜制备的器件频率会存在漂移。

实用新型内容

基于此，本实用新型的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种生长在衬底上的低应力状态单晶AlN。

本实用新型提供的上述生长在衬底上的低应力状态单晶AlN用于声波器件，能够提升如FBAR、SAW器件的品质因数和滤波性能。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

生长在衬底上的低应力状态单晶AlN薄膜，包括衬底、生长在衬底上的外延AlN单晶薄膜层、沟槽；所述沟槽设在外延AlN单晶薄膜层上，并将外延AlN单晶薄膜层分隔成若干区域，使得AlN薄膜层覆盖部分衬底；所述外延AlN薄膜层上以及沟槽中设有应力补偿层。

所述若干区域是指若干独立区域。

所述沟槽所形成的图案为网格型、十字型、环形或长条型。

所述外延AlN单晶薄膜层的厚度为1-3μm，所述应力补偿层为0.1-1μm。

所述沟槽的深度≥外延AlN单晶薄膜层的厚度。

所述衬底为Si衬底、蓝宝石衬底或高分子柔性衬底；

所述应力补偿层为氮化硅层、二氧化硅层或金属材料层。所述金属材料为晶格常数大于AlN的金属材料，例如Al，Au，Pt，Ti等。

所述外延AlN单晶薄膜层是以(0002)取向的单晶AlN薄膜层。(单晶AlN薄膜层的晶体结构是确定的六方晶系AlN，(0002)晶向是它外延生长的取向)

所述生长在衬底上的低应力状态单晶AlN薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)对衬底进行表面预处理；所述表面预处理是指清洗、退火处理；

(2)采用脉冲激光沉积的方法在衬底上外延生长AlN单晶薄膜层；所述外延AlN单晶薄膜层的厚度为1-3μm；

(3)采用刻蚀的方法在AlN单晶薄膜层上刻蚀出沟槽，使得AlN单晶薄膜层分隔成若干区域；所述若干区域是指若干独立区域；所述沟槽的深度≥外延AlN单晶薄膜层的厚度；

(4)在AlN单晶薄膜层上和沟槽中沉积应力补偿层；所述应力补偿层的厚度为0.1-1μm。

步骤(3)中所述刻蚀的方法为干法RIE或ICP，湿法腐蚀；刻蚀的条件为设定电感耦合等离子体刻蚀机(ICP)射频功率和刻蚀功率分别为100-350W，腔室压力2-10mTorr，刻蚀气体为Cl₂/BCl₃，流量20-100sccm；RIE刻蚀功率50-100W，腔室压力2-10mTorr，刻蚀气体为Cl₂/BCl₃，气体流量≤100sccm；湿法腐蚀液配比为H₃PO₄：CH₃COOH:HNO₃:H₂O＝16：1：1：2，HNO₃/HF或稀释的NaOH；所述沟槽的深度≥外延AlN单晶薄膜层的厚度，深度与刻蚀的条件控制有关，刻蚀AlN的条件是否对衬底有选择性刻蚀。