專(zhuān)利名稱(chēng)：適用saw器件的納米金剛石膜及制備方法與用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于薄膜結(jié)構(gòu)的電子器件領(lǐng)域，特別是一種適用SAW器件的在鏡面拋光硅襯底上沉積納米金剛石膜及制備方法與用途。
近年來(lái)，移動(dòng)通信迅猛發(fā)展，使無(wú)線(xiàn)電通信頻帶成為一個(gè)有限而寶貴的自然資源，對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)，在第三代數(shù)字系統(tǒng)中，全球漫游頻率范圍為1.8-2.2GHz，衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)1.575GHz；低地球軌道新衛(wèi)星通信(LEO)應(yīng)用頻率從1.6GHz到2.5GHz，急需高頻聲表面波(SAW)濾波器。高頻SAW濾波器還應(yīng)用在高頻系統(tǒng)的中間頻率(IF)濾波中(例如，高比特率無(wú)線(xiàn)LANs)。另外，高速數(shù)字光纖傳輸技術(shù)發(fā)展迅速，光通信的容量平均每2.4年就增長(zhǎng)一倍。急需2.5GHz以上高頻SAW重新定時(shí)濾波器(retimingfilter)。除了高頻外，移動(dòng)通信裝置也都要求盡量小型化以及大的功率承受能力。
現(xiàn)有常規(guī)SAW材料(例如，石英、LiNbO3、LiTaO3等)，聲速較低(均低于4000m/s)，用其制作2.5GHz的SAW器件，其IDT指寬d必須小于0.4μm，5GHz對(duì)應(yīng)的指寬d小于0.2μm，逼近目前半導(dǎo)體工業(yè)水平的極限，造成斷指嚴(yán)重，成品率太低，嚴(yán)重制約了SAW器件頻率的進(jìn)一步提高；而且，發(fā)射端(TX)濾波器是對(duì)大功率信號(hào)濾波，如此細(xì)的指寬d，電阻較大，會(huì)產(chǎn)生大量的耗散熱，加之以上常規(guī)SAW材料熱導(dǎo)率很低，所以承受大功率是不可能的。而選擇高彈性摸量、低密度、高熱導(dǎo)率的材料就成了最佳選擇。
金剛石具有很多獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)異特性，金剛石具有所有物質(zhì)中最高的彈性摸量，較低的材料密度(ρ＝3.51g/cm3)，從而聲速在所有物質(zhì)中最高，“壓電薄膜/金剛石”多層膜結(jié)構(gòu)SAW器件可在很高頻率范圍工作(1～10GHz)。2.5GHz對(duì)應(yīng)的指寬d可以大于1μm，5GHz對(duì)應(yīng)的指寬d可以大于0.5μm，10GHz對(duì)應(yīng)的指寬d可以大于0.25μm，指寬d是相同頻率常規(guī)材料的2.5倍，電阻只有常規(guī)材料的2/5，產(chǎn)生的耗散熱也只有常規(guī)材料的2/5；加上金剛石具有所有物質(zhì)中最高的熱導(dǎo)率，它的熱擴(kuò)散率是銅的5倍，是LiTaO3的400倍，所以，金剛石多層膜結(jié)構(gòu)SAW器件具有大功率通信的能力，是具有發(fā)展?jié)摿Φ男阅軆?yōu)異的高頻、大功率SAW器件。
然而，金剛石的本身并不是壓電材料，無(wú)法進(jìn)行電磁波與聲表面波的能量轉(zhuǎn)換，因此需要在其上面沉積一層壓電薄膜(如ZnO、LiNbO3、AlN等)，制成多層膜SAW器件。SAW的性能則由壓電薄膜和金剛石襯底共同決定。
而CVD金剛石最大的缺點(diǎn)是多晶體，晶粒排列不規(guī)則，如果晶粒大，晶粒間空隙形狀、大小很難控制，很容易形成較大晶界空隙，將導(dǎo)致聲表面波嚴(yán)重散射；對(duì)于高頻聲表面波器件，大的晶粒造成金剛石膜表面粗糙，粗糙金剛石表面造成較大的散射損耗；而且，由于CVD金剛石的競(jìng)爭(zhēng)性生長(zhǎng)造成下小、上大柱狀結(jié)構(gòu)(倒錐狀)，被大錐掩蓋、小錐停止生長(zhǎng)的膜層內(nèi)部，也容易形成較大晶界空隙，表面拋光不能消除內(nèi)部晶界空隙。
所以表面平整光滑、內(nèi)部晶界空隙很小就成了適用于高頻聲表面波器件金剛石膜的關(guān)鍵要求。由于C-軸擇優(yōu)取向的金剛石晶面與襯底平行，在平均晶粒尺寸相同的情況下，致密均勻的C-軸擇優(yōu)取向的金剛石表面的粗糙度要遠(yuǎn)好于其它取向。
但是，為達(dá)到上述要求，存在2個(gè)矛盾。首先，為了減少晶界的散射，晶粒越小越好；但晶粒很小的納米級(jí)金剛石膜需在高Ar、低H2氣氛中生長(zhǎng)，而高Ar、低H2氣氛中生長(zhǎng)的納米級(jí)金剛石膜sp3成分比例低(sp2成分比例高)；sp3成分比例越低，彈性模量越小，而且熱導(dǎo)率低；其次，為了減少晶界的散射，晶粒線(xiàn)度要求達(dá)到200～250nm，如此小的晶粒線(xiàn)度，擇優(yōu)取向很難實(shí)現(xiàn)。
所以十分有必要找到高彈性模量、晶粒細(xì)小致密、C-軸擇優(yōu)取向的金剛石納米膜的沉積方案。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，而提供一種適用SAW器件的納米金剛石薄膜及其相應(yīng)的制備方法與該納米金剛石薄膜的用途，該納米金剛石薄膜用Ar/O2/CH4/H2混合氣體，并利用MPCVD系統(tǒng)制備，得到的納米金剛石膜具有高彈性模量和C-軸擇優(yōu)取向，可用來(lái)制備C-軸取向的壓電薄膜，高頻、大功率聲表面波(SAW)器件等。
本發(fā)明的技術(shù)方案公開(kāi)了一種適用SAW器件的納米金剛石薄膜，其特征在于所說(shuō)的金剛石膜全部膜厚15-20μm，其上部定向生長(zhǎng)C-軸取向的金剛石納米膜，膜厚6μm，晶粒度為200-250nm，sp3成分≥90％，滿(mǎn)足波長(zhǎng)λ≤4μm高頻聲表面波傳播條件。
本發(fā)明的技術(shù)方案公開(kāi)了一種專(zhuān)用于制備適用SAW器件的納米金剛石薄膜的方法，其特征在于使用氫氣、氬氣、甲烷和氧氣為前驅(qū)氣體，利用微波等離子化學(xué)氣相沉積法制備C-軸取向的金剛石納米膜，具體步驟如下①在鏡面拋光硅襯底上，在70％-90％Ar，2-3％CH4和其余為H2的混合氣的氣氛中，在微波功率5000W，沉積腔壓強(qiáng)70-85乇，混合氣流量550-700sccm和基底溫度700-800℃條件下，沉積2小時(shí)；②保持基底溫度不變，調(diào)節(jié)氣體比例，使混合氣氣體比例緩慢改變?yōu)?0％-30％Ar，2-3％CH4和其余為H2；沉積15分鐘；③調(diào)節(jié)基底溫度，使基底溫度在2小時(shí)內(nèi)降低到550-650℃；并且在降低基底溫度開(kāi)始的同時(shí)加入氧氣，并使混合氣氣體比例在15分鐘內(nèi)改變?yōu)?0％-20％Ar，2-3％CH4，0.5-2％O2和其余為H2；共沉積2小時(shí)；④在Ar氣氛下進(jìn)行4～5小時(shí)400℃回火處理。
在上述方法中，沉積過(guò)程各步驟使用的較好的混合氣體比例依次變化為①70％-80％Ar，2.5-3％CH4和其余為H2；②20％-25％Ar，2-2.5％CH4和其余為H2；③10％-15％Ar，1.5-2％CH4，0.5-1％O2和其余為H2。
本發(fā)明的技術(shù)方案公開(kāi)了一種適用SAW器件的納米金剛石薄膜的用途，其特征在于在該金剛石納米膜上，利用射頻離子濺射C-軸取向的壓電薄膜；制成“壓電薄膜/叉指換能器/金剛石膜”多層膜SAW濾波器。
本發(fā)明可以制備出平整光滑、具有一定厚度的結(jié)晶度好的C-軸擇優(yōu)取向的優(yōu)質(zhì)納米金剛石膜。該薄膜可滿(mǎn)足納米金剛石薄膜領(lǐng)域的應(yīng)用需求，用射頻離子濺射制備出C-軸取向的壓電薄膜，例如高頻、大功率聲表面波(SAW)器件等。經(jīng)使用HP8712ET網(wǎng)絡(luò)分析儀(network analyzer)測(cè)量SAW濾波器中心頻率，當(dāng)IDT指寬為d＝1.7μm時(shí)，SAW濾波器中心頻率可達(dá)到1.75GHz。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明利用微波等離子CVD法，在“鏡面”硅上，分4步連續(xù)沉積金剛石薄膜，具體步驟如下①用混合氣比例為70％(Ar)∶27％(H2)∶3％(CH4)，或72.5％(Ar)∶25％(H2)∶2.5％(CH4)，或75％(Ar)∶23％(H2)∶2％(CH4)的氣氛中，沉積2小時(shí)(膜厚約10μm)；微波功率5000W，沉積腔壓強(qiáng)80乇，混合氣流量600sccm，基底溫度750℃。
由于是在Ar氣為主的氣氛中，C2作為含碳活性高濃度基團(tuán)，C2二次形核占優(yōu)勢(shì)，金剛石晶粒尺寸很小(平均粒度100nm左右，晶粒周?chē)幸恍┒涡魏瞬痪玫暮苄【Я?，晶粒不會(huì)形成下小、上大的柱狀結(jié)構(gòu)，但sp2濃度較高，彈性模量相對(duì)較小。
②基底溫度750℃不變，使氣體比例緩慢改變?yōu)?0％(Ar)∶77.6％(H2)∶2.4％(CH4)，或23％(Ar)∶74.9％(H2)∶2.1％(CH4)，或25％(Ar)∶73％(H2)∶2％(CH4)，沉積15分鐘內(nèi)(膜厚約1μm)。
由于基底溫度不變，Ar含量大大降低，而H2濃度大大增加，以CH3作為含碳活性高濃度基團(tuán)，導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)性生長(zhǎng)占優(yōu)勢(shì)，晶粒逐漸長(zhǎng)大，形成下小、上大的柱狀結(jié)構(gòu)，上面平均粒度200nm左右，由于Ar含量仍有20％，晶粒周?chē)€存在一些C2二次形核不久的很小晶粒。
③基底溫度在2小時(shí)內(nèi)從750℃緩慢降低到600℃；同時(shí)加入氧氣，使氣體比例在15分鐘內(nèi)改變?yōu)?0％(Ar)∶87％(H2)∶1％(O2)∶2％(CH4)，或12％(Ar)∶85.5％(H2)∶0.7％(O2)∶1.8％(CH4)，或15％(Ar)∶82.8％(H2)∶0.6％(O2)∶1.6％(CH4)此階段全部沉積過(guò)程為2小時(shí)，沉積膜厚約6μm；Ar含量進(jìn)一步降低，而H2濃度進(jìn)一步增加，應(yīng)該晶粒長(zhǎng)大更快，但由于基底溫度逐漸降低，O2濃度較快增加，抑制了競(jìng)爭(zhēng)性生長(zhǎng)，使柱狀結(jié)構(gòu)上下晶粒大小差別不太大.
這是由于氧的平均自由程和電負(fù)性等都不同于氫原子，氧的對(duì)石墨刻蝕(占優(yōu)勢(shì))以及對(duì)金剛石刻蝕原理和氫不同，加入氧使金剛石中的sp3成分明顯增加，有利于抑制競(jìng)爭(zhēng)性生長(zhǎng)，同時(shí)利于形成C-軸取向的金剛石膜。
④在Ar氣氛下進(jìn)行4～5小時(shí)回火處理(400℃)，可使金剛石上層(6μm)柱狀結(jié)構(gòu)下部晶粒和它周?chē)嬖诘男【Я：喜⒍晕㈤L(zhǎng)大，使6μm厚度的柱狀結(jié)構(gòu)上下晶粒大小基本趨向一致(200-250nm)。
通過(guò)以上4個(gè)步驟，使金剛石膜上部6μm厚度成為晶粒均勻、表面光滑的金剛石納米膜，晶粒線(xiàn)度200-250nm，晶粒C-軸取向，有很高的sp3成分(≥90％)，從而有高的彈性模量。
6μm厚度的金剛石納米膜，滿(mǎn)足波長(zhǎng)λ≤4μm高頻聲表面波傳播條件。全部膜厚15--20μm是為了散熱，快速降低一定溫度需要一定體積的金剛石。
在此種方法制備的金剛石薄膜上，還可利用射頻離子濺射制備C-軸取向的壓電薄膜(如ZnO、LiNbO3、、AlN等)；制成“壓電薄膜/叉指換能器/金剛石膜”多層膜SAW濾波器。
使用HP8712ET網(wǎng)絡(luò)分析儀(network analyzer)測(cè)量SAW濾波器中心頻率，當(dāng)IDT指寬為d＝1.7μm時(shí)，SAW濾波器中心頻率達(dá)到1.75GHz。SAW器件中心頻率F＝V/λ，這里，V表示SAW材料中的聲速，λ表示SAW波長(zhǎng)，波長(zhǎng)λ由叉指換能器(IDT)指寬d決定，λ＝4d。由此式計(jì)算出SAW速度可達(dá)到V＝10240m/s。
權(quán)利要求
1 一種適用SAW器件的納米金剛石膜，其特征在于所說(shuō)的金剛石膜全部膜厚15-20μm，其上部定向生長(zhǎng)C-軸取向的金剛石納米膜，膜厚6μm，晶粒度為200-250nm，sp3成分≥90％，滿(mǎn)足波長(zhǎng)λ≤4μm高頻聲表面波傳播條件。
2 一種專(zhuān)用于制備適用SAW器件的納米金剛石膜的方法，其特征在于使用氫氣、氬氣、甲烷和氧氣為前驅(qū)氣體，利用微波等離子化學(xué)氣相沉積法制備C-軸取向的金剛石納米膜，具體步驟如下①在鏡面拋光硅襯底上，在70％-90％Ar，2-3％CH4和其余為H2的混合氣的氣氛中，在微波功率5000W，沉積腔壓強(qiáng)70-85乇，混合氣流量550-700sccm和基底溫度700-800℃條件下，沉積2小時(shí)；②保持基底溫度不變，調(diào)節(jié)氣體比例，使混合氣氣體比例緩慢改變?yōu)?0％-30％Ar，2-3％CH4和其余為H2；沉積15分鐘；③調(diào)節(jié)基底溫度，使基底溫度在2小時(shí)內(nèi)降低到550-650℃；并且在降低基底溫度開(kāi)始的同時(shí)加入氧氣，并使混合氣氣體比例在15分鐘內(nèi)改變?yōu)?0％-20％Ar，2-3％CH4，0.5-2％O2和其余為H2；共沉積2小時(shí)；④在Ar氣氛下進(jìn)行4～5小時(shí)400℃回火處理。
3 按照權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于在沉積過(guò)程各步驟使用的較好的混合氣體比例依次變化為①70％-80％Ar，2.5-3％CH4和其余為H2；②20％-25％Ar，2-2.5％CH4和其余為H2；③10％-15％Ar，1.5-2％CH4，0.5-1％O2和其余為H2。
4 按照權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于制備過(guò)程較好的沉積腔壓強(qiáng)為80乇，較好的混合氣流量為600sccm，較好的基底溫度為750℃。
5 一種適用SAW器件的納米金剛石膜的用途，其特征在于在該金剛石納米膜上，利用射頻離子濺射C-軸取向的壓電薄膜；制成“壓電薄膜/叉指換能器/金剛石膜”多層膜SAW濾波器。
6 按照權(quán)利要求5所述的用途，其特征在于濺射的C-軸取向的壓電薄膜可以是ZnO、LiNbO3、AlN。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種適用SAW器件的納米金剛石薄膜及制備方法與用途，這種利用微波等離子化學(xué)氣相沉積法制備的C－軸取向的金剛石納米膜，膜厚6μm，晶粒度為200－250nm，sp
文檔編號(hào)C23C16/513GK1718852SQ20051001390
公開(kāi)日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月24日
發(fā)明者楊保和, 熊瑛, 陳希明, 吳曉國(guó), 孫大智 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)