高频声表面滤波器ALN金刚石多层膜制备.docx

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高频声表面滤波器ALN金刚石多层膜制备

高频声表面滤波器的AlN/金刚石多层膜制备

专业：

电子信息工程

姓名：

王丽玉

学号：

20091654

指导教师：

吴小国高级实验师

2013年6月

高频声表面滤波器的AIN/金刚石多层膜制备

摘要

随着高频通信技术的不断发展，声表面波（SAW）器件的使用频率也逐渐提高，这一发展显著增大了相关高频声表面波器件的市场需求。

传统的SAW材料声速低，大多低于4000m\s，仅能制备频率相对低的器件。

而金刚石具有所有材料中最高的声速和许多优于其它材料的特性，在高声速金刚石上沉积高度压电薄膜将激励出高速的声表面波，从而制作出工作在GHz级以上高频波段的薄膜SAW器件。

声表面波，即Surfaceacousticwave,简称SAW。

它是沿物体表面传播的一种弹性波。

由于SAW的传播速度是电磁波的是万分之一，而且它的取样的处理也较为方便简洁，因此，可以用声表面波去模拟电子学的各种功能，能使电子器件实现超小型化和多功能化。

金刚石的声表面波传播速度高，AlN材料具有压电效应，并且对金刚石衬底有良好的附着性，其本身的声表面波传播速度也较高，温度系数小。

因此若将金刚石和AlN相结合，不仅具有很高的声表面波速度，而且当器件承受大功率温度升高时，中心频率随温度升高的漂移很小，这非常适合于制造高频声表面波滤波器。

SAW滤波器具有很多优点，如设计灵活、模拟/数字兼容、群延迟时间偏差和频率选择特性优良（可选频率范围10MHz-3GHz）、传输损耗小、可靠性高、器件体积小等等。

而SAW滤波器的这些特征和优点，正适应了现代通信系统设备以及移动通讯轻薄短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠性等方面的要求，发展前景广阔。

本文着重于对氮化铝薄膜的工艺制备的研究，通过对硅衬底和金刚石衬底的对比，以及各项工艺参数的调整进行对比试验。

本文相关实验采用了射频磁控溅射法，利用控制变量的原则分别对影响氮化铝薄膜制备的相关实验参数，如溅射频率、工作压强、氮氩比、衬底选择等工艺参数进行了对比试验，总结出了适合薄膜制备的相对最优的工艺参数。

关键词：

声表面波磁控溅射金刚石氮化铝薄膜SAW滤波器

HighFrequencySurfaceAcousticWaveFilterAIN/DiamondMultilayerMembranePreparation

ABSTRACT

Withthecontinuousdevelopmentofhighfrequencycommunicationtechnology,surfaceacousticwave（SAW）devicesarealsograduallyimprovetheuseoffrequency,significantincreaseinthedevelopmentofthemarketdemandofhighfrequencysurfaceacousticwavedevices.TraditionalmaterialofSAWvelocityislow,mostlybelow4000m\s,onlypreparationofrelativelylowfrequencycomponents.Anddiamondhasthehighestofanymaterialinacousticvelocityandmanyfeaturesaresuperiortoothermaterials,piezoelectricthinfilmsathighvelocityonthediamonddepositionheightwillinspireahigh-speedsurfaceacousticwave,thusmakeworkinhighfrequencybandofGHz+filmSAWdevices.

Surfaceacousticwave,Surfacewave,&SAWforshort.Itisanelasticwavepropagationalongthesurface.DuetotheSAWpropagationvelocityistheelectromagneticwaveisoneovertenthousand,anditssamplingprocessingmoreconvenientandconcise,therefore,canusevariousfunctionofsurfaceacousticwavetoanalogelectronics,canmakeelectronicdevicestorealizemicrominiaturizationandmorefunctional.

Diamondsurfaceacousticwavepropagationvelocityishigh,theAlNmaterialwithpiezoelectriceffect,andhasgoodadhesiontothediamondsubstrate,itssurfaceacousticwavepropagationvelocityishigheralso,smalltemperaturecoefficient.IfcombiningdiamondandAlN,therefore,notonlyhastheveryhighsurfaceacousticwavevelocity,andwhenthedeviceunderhightemperature,centerfrequencywiththetemperaturedriftissmall,itisverysuitableforhighfrequencysurfaceacousticwavefilter.

SAWfilterhasmanyadvantages,suchasflexibledesign,analog/digitalcompatible,groupdelaytimeerrorandfrequencyselectivecharacteristics（optional10MHZfrequencyrangeto3GHZ）,transfer,lowdissipation,highreliability,smallvolumedevice,etc.AndthesecharacteristicsandadvantagesofSAWfilter,isadaptedtothemoderncommunicationsystemequipment,aswellaslightweightandhighfrequency,digitalmobilecommunication,highperformance,highreliabilityrequirements,developmentprospect.

Thisarticlefocusesonthestudyofaluminumnitridethinfilmpreparationprocess,throughthecontrastofsiliconsubstrateandthediamondsubstrate,andtheadjustmentofprocessparametersofcontrasttest.Thispaperrelatedexperimentsusingrfmagnetronsputteringmethod,usingtheprincipleofcontrolvariablesaffectingthepreparationofaluminumnitridethinfilmrespectivelyrelatedexperimentalparameters,suchassputteringrate,workpressure,nitrogenandargonratio,substrateselectionprocessparametersthroughthecontrasttest,summarizessuitsrelativelyoptimaltechnologicalparametersofthepreparationofthinfilms.

Keywords:

SurfaceAcousticWaveMagnetronSputteringAluminumNitrideThinFilmDiamondSAWFilter

目录

第一章绪论………………………………………………………………………………1

1.1声表面波技术………………………………………………………………………1

1.1.1声表面波器件的基本结构和工作原理………………………………………1

1.1.2声表面波的技术特点…………………………………………………………2

1.2声表面波技术发展概况……………………………………………………………2

1.2.1声表面滤波器的发展方向……………………………………………………2

1.2.2我国声表面技术的发展趋势…………………………………………………5

1.3本课题研究的主要内容及意义……………………………………………………6

第二章氮化铝的性质及其薄膜制备方法…………………………………………8

2.1氮化铝性质…………………………………………………………………………8

2.2氮化铝薄膜制备方法………………………………………………………………9

2.2.1反应溅射………………………………………………………………………9

2.2.2测控溅射……………………………………………………………………10

2.2.3磁控反应溅射………………………………………………………………11

2.2.4溅射参量……………………………………………………………………12

2.2.5溅射过程……………………………………………………………………12

第三章氮化铝薄膜的制备工艺及其表征手段…………………………………13

3.1氮化铝薄膜的制备方法…………………………………………………………13

3.1.1试验装置……………………………………………………………………13

3.1.2靶材处理……………………………………………………………………14

3.1.3衬底处理……………………………………………………………………14

3.1.4薄膜制备步骤………………………………………………………………14

3.2氮化铝薄膜的表征手段——X射线衍射（XRD）……………………………15

第四章硅衬底上沉积氮化铝薄膜的生长特性的研究………………………16

4.1硅衬底上氮化铝薄膜的表征………………………………………………………16

4.2沉积参数对氮化铝薄膜生长特性的影响…………………………………………16

4.2.1溅射功率对沉积氮化铝薄膜的影响………………………………………16

4.2.2工作压强对沉积氮化铝薄膜的影响………………………………………19

4.2.3氩氮比对沉积氮化铝薄膜的影响…………………………………………20

4.2.4不同取向的衬底对沉积氮化铝薄膜的影响………………………………22

第五章金刚石衬底上沉积氮化铝薄膜…………………………………………25

5.1金刚石的结构与性质………………………………………………………………25

5.2金刚石上氮化铝薄膜的制备与表征………………………………………………25

5.2.1金刚石衬底特征……………………………………………………………25

5.2.2金刚石上氮化铝薄膜的制备工艺…………………………………………26

第六章结论……………………………………………………………………………28

参考文献……………………………………………………………………………………29

致谢………………………………………………………………………………………31

第一章绪论

1.1声表面波技术

声表面波[1]是一种沿物体表面传播的弹性波。

声表面波（SAW）技术是二十世纪六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术领域，它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。

由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍，而且在它的传播路径上容易取样和进行处理，因此，用声表面波去模拟电子学的各种功能，能使电子器件实现超小型化和多功能化[2]。

同时，声表面波器件可以用十分简单的方式提供在高频和超高频波段内信号的处理功能，这是其他方法所很难解决的问题，因此，声表面波技术在雷达、通信、导航和电子战中得到了广泛的应用[3]。

1.1.1声表面滤波器的基本结构和工作原理

声表面滤波器是利用声表面波和叉指换能器的频率特性来实现频率选择的一种频域滤波器。

声表面滤波器的结构如图1-1所示，他是以石英等压电晶体为基片，经过表面抛光后在其上蒸发一层金属膜，通过光刻工艺在基片上沉积两个具有声-电能量转换功能的叉指换能器[4]，分别称为输入叉指换能器和输出叉指换能器。

其工作原理是，当输入叉指换能器接上交流电压信号时，压电晶体基片的表面就产生振动，并激发出与外加信号同频率的声波，将电信号转变为声信号；此声波主要沿着基片的表面和叉指电极升起的方向传播，故称为声表面波，其中一个方向的声波被除数吸声材料吸收，另一方向的声波则传送到输出叉指换能器，被转换为电信号输出。

滤波器的整个滤波过程是在信号由电信号转换为声信号，再由声信号转换为电信号的过程中实现的。

而叉指换能器的频率响应具有带通性。

其特性完全取决于它的几何结构，即叉指对的数目、指条位置、宽度和声孔径尺寸等，具体结构如图1-2所示。

因此，声表面滤波器的频率响应是由发射和接收换能器的频响以及换能器之间声信号传播介质的特性所决定的。

图1-1声表面波滤波器的基本结构

Fig1-1Thebasicstructureofthesurfaceacousticwavefilter

图1-2叉指换能器（IDT）的基本结构

Fig1-2IDTbasicstructure

1.1.2声表面滤波器的特点

1、体积小，重量轻。

声表面波的传播速度和波长都极小，是相应电磁波的十万分之一。

当用声表面波器件模拟电磁波器件的相关功能时，可以明显减少设备的体积，同时减轻重量，并且还能够大幅度改善其性能，所以，随着声表面波技术的出现使很多电子器件及系统越来越向超小型方发展。

2、处理过程简单、方便。

因为声表面波在沿弹性表面传播时，速度波长都极小，所以使信号的取样、变换、处理都比较简单方便，甚至能够轻松解决一些其他技术难以解决的难题。

3、一致性好，适于批量生产。

目前声表面波器件多是在单晶材料上用半导体平面工艺制作所以其一致性和重复性好，另外，叉指换能器的性能主要取决于其电极的数目，宽度，位置等参数，所以可通过修改这些参数来满足相应需求，这就十分适合进行批量生产。

4、抗辐射能力强，动态范围大，可达100Db。

因为器件利用的是晶体表面的声表面波，不涉及电子迁移的过程。

目前，声表面波技术还是存在一些不足。

首先，因为生产工艺的局限，声表面波器件的工作频率被限制在2-3GHz以下，其次，由于它的恶基片采用单晶材料，制作工艺要求极其严格，精度极高，相应的它的成本就会明显增加。

1.2声表面波技术的发展概况

1.2.1声表面滤波器的发展方向

1、小型化

SAW滤波器的小型片式化，是移动通信和其它便携式产品提出的基本要求。

随着功能集成度的增加和体积的减小的需求，推动了RFSAW滤波器的改进。

为缩小SAW滤波器的体积，通常采取三方面的措施：

一是优化设计器件用芯片，设法使其做得更小；二是改进器件的封装形式，现在已经由传统的圆形金属壳封装改为方形或长方形扁平金属封装或LCCC（无引线陶瓷芯片载体）表面贴装的形式；三是将不同功能的SAW滤波器封装在一起，构成组合型器件以减小占用PCB的面积，如应用于1.9GHzPCS终端60MHz带宽的双频段SAW滤波器以及近来富士通公司开发的双制式（可支持模拟和数字两种模式）便携式手机用SAW滤波器，均装有两个滤波器。

图1-3SAW滤波器外壳改进过程

Fig1-3SAWfiltershellimprovetheprocess

SAW器件封装技术的不断改进，使得SAW滤波器的体积越来越小如图1-3。

二十世纪九十年代前广泛采用有引脚的金属外壳封装SAW器件。

为了降低成本，后来大量用塑封外壳封装电视机用SAW滤波器。

这两种外壳都存在一个缺点，就是需要在PCB板上下面作引脚孔。

为了满足元器件自动贴片要求，无引脚的陶瓷表贴（SMD）外壳得到了大量使用，同时体积也大为减小。

先前的SMD器件需要点焊线，后来出现了倒装焊（flipchip）技术，不需要有点焊线，因此为进一步实现CSP（芯片尺寸封装）打下了基础。

由这类小型化的技术，已经将尺寸为1.35×1.05mm2的SAW滤波器实现了商业化。

在一个外壳中装载数个滤波器的复合产品也已实现了小型化，现在，尺寸为2.0×1.6mm2SAW双工器也已实现了商业化。

然而,韩国三星采用的另外一种片式封装技术（wafer-level-packaged—WLP）能得到更小尺寸的滤波器。

它采用芯片内联技术和片-片间粘合技术取得了超小型SAWRF滤波器，其尺寸为1.0×0.8×0.25mm3。

该方式封装的滤波器性能与通常的倒装焊封装滤波器相同，密封

测试表明它适合用于移动电话。

在生产成本、体积及进一步集成方面该片式封装技术具有更大优势。

2、高频、宽带化

为适应电子产品整机高频、宽带化的要求，SAW滤波器也必须提高工作频率、拓展带宽。

研究表明，当压电基材选定之后，SAW滤波器的工作频率由叉指换能器（IDT）电极条的宽度所决定，叉指换能器电极条越窄，频率越高。

当半导体采用0.2～0.35μm级的精细加工工艺，就可制作出2～3GHz的SAW滤波器。

提高SAW滤波器工作频率的途径主要从以下两方面考虑：

1、提高细线条加工的设备的能力；2、压电材料选取声表面波传播速度更高的材料。

另外，曝光设备和光刻技术是制作高频SAW滤波器的关键。

当前实验室可以制作0.1μm的线条，SAW滤波器的频率可以达到10GHz。

随着通讯系统的快速发展，SAW滤波器也必须进行带宽拓展。

而通常要从优化设计IDT电极的结构入手。

比如将IDT按串联和并联形式连接成梯形结构，采用0.4μm以下的精细加工技术，就可制作出用于无线局域网（LAN）的2.5GHz梯形结构谐振式SAW滤波器，带宽达100MHz；在多模式滤波器中，采用纵向连接的滤波器带宽要比横向耦合型滤波器大一些，因此被广泛用于蜂窝电话和寻呼机的RF滤波，而后者具有陡削的窄带特性，可用于个人数字蜂窝（PDC）和模拟电话的中频（IF）滤波。

3、降低滤波器插入损耗

造成SAW滤波器能量损失的主要原因主要有以下几种：

（1）电极电阻损耗

是由IDT及与外部电极相连接的汇流条的电阻引起的。

由于IDT的指条宽度是由滤波器的中心频率及压电基片的声速来决定的，同时IDT的金属膜厚度与IDT的周期有很大的关联，所以电极电阻在RF滤波器时尤为突出。

将电极电阻变小的可靠方法是加宽每个电极指间的线宽、增加电极膜厚度和减小IDT的声孔径等。

（2）声表面波的传播损耗

这是指声表面波传播在传播过程中能量逐渐减少，这里还包含有声表面波在传播过程中转换成体声波的能量损耗。

这可以通过提高基片表面质量来减小声表面波传播过程的能量损耗。

另外，在由声表面波向体声波转换的过程中，其传播路径极易产生声阻抗不连续的部分，因此，在设计纵向耦合双模谐振滤波器时改变相邻IDT连接处指条的电极宽度，尽量保持传播路径上声阻抗连续，将传播损耗抑制到最小值。

（3）匹配失配损耗

RF低损耗SAW滤波器的输入输出端口阻抗与所使用电路的端口阻抗如果有不匹配，将引起电信号反射能量损耗。

SAW滤波器的阻抗特性大多由所使用的压电基片的机电耦合系数和IDT的静电容量来决定，能够比较容易的进行参数调整。

但是，在通带范围的全部区域内要使阻抗特性恒定却非常困难的，因此要对压电基片的常数、IDT的结构、布线及封装等有含有的寄生元件成分进行模拟，将输入、输出的阻抗特性调整到最匹配的状态。

4、提高滤波器带外抑制

理想状态的滤波器是在从各种频率信号中滤出特定的频率信号，而将特定频率以外的信号完全除去。

虽然SAW滤波器中IDT结构的最优化是提高带外抑制的主要手段，但在RFSAW滤波器设计时还得利用其它手段对特殊频段加以抑制。

这也是SAW滤波器较其他方式的滤波器在近端抑制方面的优势。

（1）通过SAW谐振器添加陷波器

添加陷波器是对特定的频率进行高衰减化的一种方法。

在滤波器的通带附近要求高抑制时这种方法特别有效。

使SAW谐振频率与通带范围一致，衰减最大时的反谐振频率与阻带一致，这样，通带内的插损不会产生恶化，就能实现提高带外抑制。

（2）有效利用电磁耦合

SAW滤波器电磁耦合是指输入电信号不经过SAW滤波器中IDT声-电变换而直接到达输出端。

其原因是在输入、输出电端子间由电容耦合及布线之间互相的电感产生的耦合，及输入、输出IDT的通用接地上的电感成分造成了电磁耦合。

在中频滤波器中，要尽量降低这类影响，提高带外抑制。

但在RFSAW滤波器中，由于外壳的减小和电感电容的杂散分布对RF的电磁耦合更大，对杂散分布的准确分析比减小电磁耦合更为重要，对电极的配置、布线、封装等进行分析并最优化设计，利用好电磁耦合也可以提高带外抑制。

1.2.2我国声表面波技术发展趋势

近些年来，我国科研人员对声表面波技术进行了多方面的研究，取得了诸多显著的成绩，声表面波器件也得到了更为广泛的应用。

今后，我国在SAW技术发展方向上需要解决以下几个问题：

1．加强SAW技术基础理论的研究。

（l）加强压电材料的研究和开发。

SAW器件要求压电材料要有很低的延时温度系数（最好为零）、很高的机电耦合系数、很高的传播声速以及极低的杂波激励效应。

今后应更为详细的研究压电材料及其新切型、各种高品质压电材料和薄膜构成的层状结构，从而找到特性更加优良、稳定的压电材料。

（2）加强SAW激发和传播等基础理论的研究。

不断研究完善现有的各种理论及其物理模型，开发更高精度，更高效率的CAD软件，从而使SAW器件的设计更加精确，为制作出性能更好的SAW器件打好物理基础。

2．降低SAW滤波器的插入损耗至ldB以下，并使其功率承受能力提高到10W。

3．提高SAW器件的频率。

可通过以下几个途径提高器件频率：

（1）采用具有高声速传播的压电材料，高声速