復合氮化鋁壓電薄膜研制及其應用

陳運祥，趙雪梅，鄭澤漁，陶 毅,伍 平，田亞睿，張永川，許東輝

(中國電子科技集團公司第二十六研究所, 重慶 400060)

0 引言

復合氮化鋁(AlN)壓電薄膜不但具有AlN壓電薄膜的特質，還具有較高聲傳播速率、較小聲損耗、較大機電耦合系數及熱膨脹系數與Si相近等特點。因此，其在聲表面波(SAW)和聲體波(BAW)器件制作和高頻寬帶通信等領域應用前景較廣[1-5]。

由于復合AlN壓電薄膜具有很高的BAW速度(11 300 m/s)和SAW速度(>7 500 m/s)，因此,采用復合AlN壓電薄膜制作高頻BAW和SAW器件具有明顯優勢。

本文采用直流磁控濺射法制作了復合氮化鋁壓電薄膜，并描述了工藝參數及薄膜的結構參數測試結果。利用濺射制備的復合氮化鋁壓電薄膜制作了Ku及K波段聲體波微波延遲線(BAWDL)，以及AlN/Mo/AlN/納米金剛石(NCD)/Si復合結構聲表面濾波器(SAWF)樣品，并給出了測試結果。

1 Si基AlN/Mo/AlN/納米金剛石(NCD)

1.1 磁控濺射制備AlN壓電膜及Mo膜

采用EndeavorAT型雙S槍磁控濺射系統制作AlN壓電薄膜。研制了NCD/Si基AlN(壓電層)/Mo/AlN(種子層)結構的復合壓電薄膜。其中，采用雙S槍中頻(40 kHz)磁控反應性濺射鋁靶制作AlN薄膜；采用雙S槍直流(DC)磁控濺射鉬(Mo)靶制作出了Mo電極薄膜。各層薄膜生長條件如表1所示。

表1 薄膜生長條件

1.2 AlN及Mo薄膜擇優取向

對制備的AlN(壓電層)/Mo/AlN(種子層)/NCD/Si復合壓電薄膜樣品進行了X線衍射(XRD)分析，圖1 為XRD衍射曲線。圖2 為搖擺曲線。由圖1可看出，AlN壓電薄膜(002)面X線衍射峰峰值強度Imax=3 673 cps(每秒計數)(特征衍射角2θ=36.131 8°)；其半峰寬FWHM=0.223 4°。Mo薄膜(110)面Imax=154 cps(2θ=40.726 1°)；其FWHM=0.387 8°。由圖2可看出， AlN壓電薄膜(002)面搖擺曲線FWHM=2.7°；搖擺曲線Imax=3 727 cps(θ=17.679 7°)；結果顯示AlN薄膜 (002)面擇優取向優良。

圖1 AlN及Mo多晶薄膜XRD衍射曲線

圖2 AlN薄膜XRD搖擺曲線

2 釔鋁石榴石(YAG) 基Al/Cr/AlN/Au/Cr復合壓電薄膜

2.1 Au/Cr及Al/Cr薄膜制作

采用脈沖直流磁控濺射Au、Cr、Al靶分別制作了Au/Cr底電極薄膜及Al/Cr頂電極薄膜。并采用XRD分析Au薄膜晶粒(111)面擇優取向，結果為Imax=44 074 cps,2θ=38.956 0°,FWHM=0.351 1°。其搖擺曲線分析結果為Imax=2 172 cps；θ=19.439 5°,FWHM= 9.3°。

2.2 AlN壓電薄膜制作

采用EndeavorAT型雙S槍磁控濺射系統制作AlN壓電薄膜。研制出了Au/Cr基AlN壓電薄膜。用雙S槍中頻(40 kHz)磁控反應性濺射鋁靶制作AlN薄膜，

AlN壓電層薄膜生長方式為中頻磁控反應性濺射，靶材采用鋁靶(雙S槍)(質量比99.999%)，氣體為氮氣(N2)(質量比99.999%)、氬氣(Ar)(質量比99.999 9%)，濺射功率為5.7 kW，N2流量為21 cm3/min，Ar流量為7 cm3/min。

2.3 AlN壓電薄膜晶粒擇優取向

采用XRD對研制出的Au/Cr基AlN壓電薄膜樣品進行了XRD分析，獲得了該樣品XRD衍射曲線及其搖擺曲線如圖3、4所示。由圖3可知，AlN壓電薄膜(002)面X線衍射峰Imax=736 cps(2θ=35.985 3°)；其FWHM=0.260 8°。由圖4可知，AlN壓電薄膜(002)面搖擺曲線FWHM=3.6°；搖擺曲線Imax=741 cps(θ=18.345 2°)。這表明AlN薄膜(002)面擇優取向優良。

圖3 AlN薄膜XRD衍射曲線

圖4 AlN薄膜XRD搖擺曲線

3 復合AlN壓電薄膜的應用

3.1 AlN壓電薄膜應用于NCD SAW器件

采用研制出的AlN壓電薄膜應用于制作NCD SAW器件，其為Si基IDT/AlN/Mo/AlN/NCD結構。其中，IDT為鋁叉指換能器。采用矢量網絡分析儀測試出該結構SAW濾波器頻率響應曲線，如圖5所示。

圖5 AlN/Mo/AlN/NCD/Si器件頻率響應曲線

3.2 復合AlN壓電薄膜應用于Ku及K波段BAWDL器件

采用Al/Cr/AlN/Au/Cr/YAG復合結構壓電薄膜研制出了Ku波段及K波段BAWDL。采用矢量網絡分析儀測試出該結構BAWDL頻率響應及時域響應曲線,如圖6～8所示。

圖6 Ku波段BAWDL器件頻率響應曲線

圖7 K波段BAWDL器件頻率響應曲線

圖8 K波段BAWDL器件時域響應曲線

由圖6可知，該器件中心頻率為17.3 GHz，插入損耗為43.7 dB。由圖7可知，該器件中心頻率為23.5 GHz，插入損耗為54.6 dB，該復合壓電薄膜材料的vp=9 300 m/s。

4 結束語

本文制作得到了高聲速的復合AlN壓電薄膜，在Mo/AlN/NCD/Si基上制作的AlN壓電薄膜(002)面的XRD搖擺曲線半峰寬FWHM=2.7°；Au/Cr基上制作的AlN壓電薄膜(002)面XRD搖擺曲線半峰寬FWHM=3.6°。本文方法制備的AlN壓電薄膜所得Ku波段BAWDL器件插入損耗低至43.7 dB，K波段BAWDL器件插入損耗低至54.6 dB。