高性能声表面波器件AlN/Diamond基片制备及分析

摘要

声表面波(SAW)器件由于具有小型化、高可靠、多功能、一致性好等特点，在雷达、声纳、无线通信、光纤通信及广播电视系统中已获得广泛的应用。由于目前通讯器件朝着高频化发展，优良的高频声表面波器件基片必须具有高声速、高机电耦合系数、低传播损耗、高温度稳定性等特性。通过在压电材料与衬底之间加入高声速的金刚石膜层，可以提高声表面波传播速度，使声表面声波器件在不改变叉指换能器(IDT)线宽条件下，提高中心频率，以满足通信系统的高频需求。 本研究采用金刚石为基片来提高声表面波速度，并选用压电性能优良的氮化铝(AlN)薄膜压电材料，开展了AlN/金刚石多层膜结构的声表面波器件基片的分析和研制。主要完成了以下几方面工作： 首先，在理论方面研究薄膜生长机理，建立模型，对薄膜生长过程进行了计算机模拟，模型中考虑粒子的沉积、吸附粒子的扩散等过程。研究了粒子允许行走的最大步数对薄膜生长形貌的影响。结果表明：随温度升高，粒子行走步数增加，薄膜的生长经历了从分散到分形团聚的过程；粒子行走步数越小的情况下，薄膜越易趋向于分散生长。 其次，本文利用CVD沉积金刚石膜，获得取向单一性较好和纯度较高的金刚石薄膜，并对金刚石膜进行表征分析；在AlN制备方面，课题采用射频磁控溅射法，通过改变工作气压，衬底温度，氩氮比等工艺参数，在单晶Si和金刚石两种衬底上分别生长出了高c轴取向的AlN薄膜。同时研究了退火工艺对薄膜影响，较为系统地探索了AlN薄膜的制备条件。采用XRD、SEM、AFM等多种测试手段对薄膜的微观结构特性进行测试分析，并对薄膜的电学性能及机械性能进行了考察。此薄膜具有高质量的纳米级结晶度，良好的表面平整度及高的电阻率，很好的满足了薄膜声表面波(SAW)器件的需要。通过对各沉积参数如工作气压、溅射功率、衬底温度和沉积时间的研究，得到AlN薄膜取向生长的一般规律，即在工作气压较低、溅射功率较高、衬底温度较高、沉积时间较长的条件下，有利于AlN薄膜沿(002)取向生长；反之有利于AlN薄膜沿(100)取向生长。 本文的创新工作如下： 1．在研究薄膜生长机理基础上，提出衬底缺陷和粒子移动步长对薄膜生长的影响，开发了薄膜生长的计算机模拟程序。 2．使用超高真空射频磁控溅射系统，以AlN为压电材料，研究了制备AlN/金刚石多层膜结构高性能压电薄膜的工艺。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2声表面波技术简介

1.2.1声表面波器件的发展及应用

1.2.2声表面波器件的特点

1.2.3压电薄膜/金刚石高频SAWF的原理和结构

1.3 AlN/Diamond结构研究进展

1.4计算机模拟薄膜生长简介

1.5本文研究目的和内容

第二章薄膜生长原理及计算机模拟

2.1薄膜生长原理

2.1.1引言

2.1.2临界核形成

2.1.3岛的长大与结合

2.1.4迷津结构的形成

2.1.5连续膜的形成

2.2薄膜生长模型

2.2.1蒙特卡罗方法简介

2.2.2建立模拟模型

2.3模拟结果及分析

2.3.1温度对薄膜生长影响

2.3.2沉积时间对薄膜生长影响

2.4本章小节

第三章氮化铝薄膜的性质及制备方法

3.1 AlN薄膜材料

3.2 AlN薄膜制备技术

3.2.1溅射原理

3.2.2射频溅射

3.2.3磁控溅射

3.3薄膜的测试分析手段

3.3.1 X射线衍射(XRD)

3.3.2扫描电子显微镜(SEM)

3.3.3原子力显微镜(AFM)

第四章氮化铝薄膜的制备及表征

4.1金刚石衬底性能

4.1.1金刚石的基本结构

4.1.2金刚石衬底的测试表征

4.2实验设备及工艺

4.2.1衬底清洗

4.2.2实验设备

4.3硅基A1N薄膜制备及取向研究

4.4工艺参数对金刚石衬底AlN薄膜取向影响

4.4.1溅射功率对AlN薄膜取向的影响

4.4.2工作气压对AlN薄膜取向的影响

4.4.3衬底温度对AlN薄膜取向的影响

4.4.4退火工艺对AlN薄膜取向的影响

4.5本章小节

第五章总结

参考文献

发表论文及参与科研

致谢