[发明专利]一种C轴垂直择优取向AlN压电薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及薄膜材料制备技术领域，具体涉及一种C轴垂直择优取向AlN压电薄膜及其制备方法，包括：在蓝宝石或YAG晶体上依次制备自缓冲层AlN薄膜、金属电极层、AlN压电薄膜。自缓冲层AlN薄膜诱导金属电极层取向，实现在电极层上制备高度C轴择优取向AlN薄膜。蓝宝石或YAG晶体与高纯溅射靶成45°，有效调控溅射原子团到达基片后平行基片表面迁移运动的能量，有利于生长缓冲层和AlN压电薄膜C轴择优取向生长，提高薄膜的压电响应及机电耦合系数。本发明方法能够实现较低温度下利用磁控溅射技术生长C轴择优取向AlN薄膜，得到的AlN薄膜结晶度高，具有较高的压电响应系数及机电耦合系数。

技术领域

本发明涉及薄膜材料制备技术领域，具体涉及一种C轴垂直择优取向AlN压电薄膜及其制备方法。

背景技术

声体波(BAW)器件主要应用于无线电通信及雷达系统中，主要包括BAW延迟线、BAW谐振器、BAW滤波器等，其中，薄膜BAW延迟线(BAWDL)是近年来研究和应用发展迅速的一类甚高频器件，该器件在微波频段具有体积小，质量轻，无缘等优点，在机载和弹载无线高度表等系统中获得了广泛应用。

传统的BAWDL常采用氧化锌(ZnO)薄膜，ZnO为两性氧化物，能与酸和碱反应，对环境湿度较敏感，并且在制备工艺中，ZnO薄膜的氧缺陷难以控制，而AlN(AlN)压电薄膜材料的声波传输速度快，化学稳定性好，频散小，是制备BAW器件的较为理想的关键材料。对于AlN材料，由于C轴(002)方向具有最大的压电响应系数，AlN晶体结构如图1所示。能否制备C轴择优取向AlN薄膜是其应用于体声波器件的关键。由于C轴方向氮-铝键形成需要高的粒子能量，但离子能量过大，容易导致相应的B2键断裂，薄膜非常容易形成其它择优取向(100)取向或无择优取向，因此制备高质量的C轴择优取向AlN薄膜较困难。

磁控溅射技术是半导体工艺中常用的薄膜沉积技术，可用于制备AlN薄膜。传统的AlN薄膜磁控溅射沉积工艺为基片与溅射靶相对放置于真空腔内(基片与溅射靶水平放置)，基片通过底座加热到达一定温度，在真空腔中通入一定比例的反应气体(氮气与氩气)，溅射靶上施加高电压使气体电离形成等离子体；等离子体轰击溅射靶，溅射产生的粒子以一定的方向及能量离开靶表面，到达基片表面，通过水平扩散到达平衡位置，不断生长形成薄膜。虽然传统磁控溅射工艺可以制备AlN薄膜，但是传统磁控溅射工艺到达基片表面的溅射粒子水平方向运动能量较低，薄膜表面粗糙度大，薄膜与基片内应力大及晶格失配等问题，不易形成C轴择优取向的高质量AlN薄膜。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种C轴垂直择优取向AlN压电薄膜及其制备方法。本发明提供的AlN压电薄膜制备方法能够利用磁控溅射技术连续生长出种子层、金属电极层和高度C轴择优取向AlN薄膜，提高AlN薄膜的结晶程度，制备出一种高质量的C轴择优取向AlN薄膜。

一种C轴垂直择优取向AlN压电薄膜，包括衬底和AlN薄膜层，所述衬底采用蓝宝石或YAG基片；在衬底与AlN薄膜层之间设置有AlN种子薄膜层和金属电极薄膜层。

一种C轴垂直择优取向AlN压电薄膜的制备方法，采用磁控溅射工艺在衬底上连续生长出AlN种子薄膜层、金属电极薄膜层和高度C轴择优取向的AlN薄膜层，所述衬底采用蓝宝石或YAG基片，包括以下步骤：

S1、在蓝宝石或YAG基片上制备AlN种子薄膜层：将蓝宝石或YAG基片水平放置在腔体内，将用于制备AlN种子薄膜层(AlN靶)、金属电极层(金属电极靶)和AlN薄膜材料(AlN靶)的高纯材料作为溅射靶材倾斜地放置于蓝宝石或基片周围；将磁控溅射设备的真空腔抽真空至3×10^-4Pa以下，向真空腔内通入氩气和氮气，在用于制备AlN种子薄膜层的高纯溅射靶上施加400～700V的电压进行磁控溅射，一定磁控溅射时间后，断开电压，得到一定厚度的AlN种子薄膜层；