專利名稱：薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有多層結(jié)構(gòu)薄膜聲表面波器件的增頻襯底及增頻方法的領(lǐng)域，特別涉及一種非晶金剛石增頻襯底及其制備方法。
背景技術(shù)：
聲表面波(SAW)器件是二十世紀(jì)中后期出現(xiàn)的新型電子器件，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已經(jīng)研制出濾波器、振蕩器、放大器、延遲線、卷積器以及存貯器等不同形式的聲表面波器件，并廣泛應(yīng)用于廣播、電視、通訊、雷達(dá)、聲納、傳感、無(wú)線電遙控及電子對(duì)抗等不同領(lǐng)域。聲表面波器件的工作原理是在叉指換能器(IDT)的輸入端，利用逆壓電效應(yīng)將輸入電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，然后聲信號(hào)沿基片表面?zhèn)鞑?，最終在輸出端通過(guò)壓電效應(yīng)將聲信號(hào)再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。
近年來(lái)，隨著信息和通訊技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)聲表面波器件的要求越來(lái)越高，使聲表面波器件逐步向高頻化、小型化、輕質(zhì)化方向發(fā)展，為了適應(yīng)這種形式的需要，人們提出了薄膜聲表面波器件的概念。在薄膜聲表面波器件中，壓電薄膜和非壓電襯底形成多層結(jié)構(gòu)，聲表面波傳播特性由壓電薄膜和襯底共同決定。即使采用相同厚度的同種壓電薄膜材料，由于襯底材料的不同，聲表面波的傳播速度也會(huì)明顯不同。一般來(lái)說(shuō)，聲表面波器件的頻率正比于材料的聲傳播速度，反比于叉指換能器的周期。在工藝水平一定的前提下，叉指線條不能無(wú)限制的微細(xì)化，否則將導(dǎo)致器件承受功率能力急劇下降，而且制作工藝難度太大。因此，提高器件工作頻率，增強(qiáng)功率承受能力的唯一途徑就是提高聲波的傳播速度。采用新型增頻襯底就是制備高頻薄膜聲表面波器件的最有效方法之一。
金剛石的彈性模量最大，對(duì)彈性波的傳播速度也最快，是薄膜聲表面波器件最理想的增頻襯底材料。但是CVD法沉積的多晶金剛石薄膜制備溫度高(界面溫度一般在800℃以上)、先驅(qū)體離解后對(duì)襯底腐蝕性強(qiáng)，另外現(xiàn)有技術(shù)條件難以制備大面積厚度均勻的金剛石薄膜(目前多晶金剛石薄膜的最大尺寸不超過(guò)Ф4″)，而且粗糙表面難以磨削拋光，所以金剛石薄膜難以實(shí)際應(yīng)用。另外，如非晶碳(a-C)，氫化非晶碳(a-C:H)等一般的類金剛石薄膜，其硬度和彈性模量低，增頻效果不明顯，而且熱穩(wěn)定性較差。只有非晶金剛石(a-D，sp3雜化含量超過(guò)50％以上的無(wú)氫類金剛石碳)的性質(zhì)更接近金剛石晶體，而且可以在室溫下大面積制備，并具有光滑的表面，能夠滿足薄膜聲表面波器件增頻襯底的需要。但是采用一般工藝沉積的非晶金剛石薄膜應(yīng)力大，難以制備大厚度增頻襯底，如果采用摻雜(如摻N)降低應(yīng)力，同時(shí)也降低了sp3雜化的含量，限制了增頻作用的發(fā)揮。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決在現(xiàn)有的工藝水平下，叉指線條不能無(wú)限制的微細(xì)化而導(dǎo)致無(wú)法提高聲波的傳播速度，及現(xiàn)有的工藝沉積類金剛石薄膜應(yīng)力大且無(wú)法達(dá)到增頻效果和金剛石薄膜難以實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題，從而提供了一種薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底及其制備方法，它采用IDT/ZnO/a-D//Si這種薄膜復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的聲表面波器件結(jié)構(gòu)(即，IDT/體壓電材料)，并采用過(guò)濾陰極真空電弧系統(tǒng)沉積非晶金剛石(a-D)薄膜來(lái)代替CVD法沉積的多晶金剛石薄膜和磁控濺射等方法沉積的非晶碳(a-C)或氫化非晶碳(a-C:H)薄膜。
本發(fā)明的薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底是利用過(guò)濾陰極真空電弧沉積系統(tǒng)在拋光單晶硅片上沉積有非晶金剛石薄膜，所述非晶金剛石薄膜的厚度為50nm～3000nm(納米)。
本發(fā)明的薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、增頻設(shè)計(jì)解析層狀結(jié)構(gòu)聲表面波傳播狀態(tài)方程，建立膜層參數(shù)(如膜厚)與聲速之間的函數(shù)關(guān)系，然后根據(jù)需要增頻的幅度來(lái)預(yù)測(cè)非晶金剛石增頻襯底的厚度；二、預(yù)處理用丙酮將單面拋光單晶硅片在超聲波清洗機(jī)中清洗，然后取出硅片用電吹風(fēng)吹干；三、離子刻蝕將步驟二處理后的硅片裝卡于過(guò)濾陰極真空電弧系統(tǒng)的襯底卡盤上，并將所述硅片的拋光面面向真空倉(cāng)刻蝕工作區(qū)，然后抽真空，再用考夫曼離子槍刻蝕所述硅片的拋光面，刻蝕后將所述襯底卡盤轉(zhuǎn)至沉積工作區(qū)；四、薄膜沉積在沉積工作區(qū)內(nèi)，施加襯底負(fù)偏壓在所述硅片的刻蝕表面沉積碳離子，逐漸形成符合步驟一設(shè)計(jì)厚度的非晶金剛石增頻襯底；五、退火處理在真空條件下，對(duì)沉積有非晶金剛石增頻襯底的硅片進(jìn)行低溫退火處理，保溫后緩冷至室溫，然后放氣并取出所述沉積有非晶金剛石增頻襯底的硅片。
在步驟二中用超聲波清洗機(jī)清洗的時(shí)間為10～20min(分)。在步驟三中離子刻蝕的過(guò)程是在本底真空度為1.5～2.5×10-6Torr時(shí)，注入純度為99.99％的氬氣，使真空度升至1.0～4.0×10-4Torr(1Torr是1個(gè)大氣壓的1/760)；所述考夫曼離子槍的工作氬氣流量為8ml/min(毫升每分)、刻蝕氬離子能量為800～1300eV(電子伏)；用考夫曼離子槍刻蝕的時(shí)間為8～12min，刻蝕后間歇的時(shí)間為5～15min。在步驟四中，每沉積100～300s(秒)，間歇5～15min。在步驟四中襯底負(fù)偏壓采用直流脈沖的形式，當(dāng)增頻襯底厚度小于500nm時(shí)，采用固定80V(伏)襯底負(fù)偏壓或從3000V至80V范圍內(nèi)的任意下降變化的襯底負(fù)偏壓；當(dāng)增頻襯底厚度大于500nm且小于3000nm時(shí)，采用從3000V至80V范圍內(nèi)的任意下降變化的襯底負(fù)偏壓，脈沖頻率為100～1500Hz(赫茲)，脈沖寬度為5～35μs(微秒)，對(duì)應(yīng)的電弧電流為50～70A(安)。在步驟五中退火處理溫度為300～350℃，保溫時(shí)間為15～60min。
非晶金剛石(a-D)具有極高的硬度、彈性模量以及光滑的表面，而且能夠在室溫下進(jìn)行大面積沉積，所以更適于聲表面波器件增頻的需要；與其他類金剛石相比，非晶金剛石是指sp3雜化的含量超過(guò)50％以上的無(wú)氫類金剛石碳，是上個(gè)世紀(jì)九十年代一種新興的功能薄膜材料，它還具有更好的光熱穩(wěn)定性和更高的力學(xué)、光學(xué)和電學(xué)等性能指標(biāo)。如圖1所示，在壓電薄膜ZnO和單晶硅基片之間沉積有350nm厚的非晶金剛石薄膜時(shí)，對(duì)薄膜聲表面波器件起到了明顯的增頻作用?？梢?jiàn)本發(fā)明的非晶金剛石增頻襯底能夠有助于具有多層結(jié)構(gòu)薄膜聲表面波器件在現(xiàn)有光刻條件下實(shí)現(xiàn)高頻化，從而制備出性能穩(wěn)定的超高頻薄膜聲表面波器件，以滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需要。本發(fā)明的制備方法與質(zhì)量篩選離子束、離子束輔助沉積以及脈沖激光熔敷等沉積方法相比，采用過(guò)濾陰極真空電弧系統(tǒng)沉積非晶金剛石薄膜，具有沉積面積大、沉積速度快、結(jié)合強(qiáng)度高、沉積溫度低、表面純凈等一系列優(yōu)點(diǎn)，而且工藝簡(jiǎn)單、易操作。


圖1為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)IDT/ZnO//Si和本發(fā)明制備了非晶金剛石增頻襯底的IDT/ZnO/a-D//Si的薄膜聲表面波濾波器的頻率響應(yīng)特征及增頻效果條形框圖；圖2為薄膜聲表面波器件(KHZnO＝1，HZnO為氧化鋅薄膜的厚度)以一次諧波和基波工作時(shí)計(jì)算的KHa-D隨相速度的變化關(guān)系示意圖，其中K＝2π/λ，為波數(shù)，Ha-D為非晶金剛石增頻襯底的厚度。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本具體實(shí)施方式
的薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底是利用過(guò)濾陰極真空電弧沉積系統(tǒng)在拋光單晶硅片上沉積有非晶金剛石薄膜，所述非晶金剛石薄膜的厚度為50nm～3000nm。本發(fā)明制備的非晶金剛石增頻襯底的厚度根據(jù)增頻設(shè)計(jì)的要求和沉積工藝的實(shí)際條件進(jìn)行確定。
具體實(shí)施方式
二本具體實(shí)施方式
的薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底的制備方法按以下步驟進(jìn)行一、增頻設(shè)計(jì)解析層狀結(jié)構(gòu)聲表面波傳播狀態(tài)方程，建立膜層參數(shù)(如膜厚)與聲速之間的函數(shù)關(guān)系，然后根據(jù)需要增頻的幅度來(lái)預(yù)測(cè)非晶金剛石增頻襯底的厚度；二、預(yù)處理用丙酮將單面拋光單晶硅片在超聲波清洗機(jī)中清洗，然后取出硅片用電吹風(fēng)吹干；三、離子刻蝕將步驟二處理后的硅片裝卡于過(guò)濾陰極真空電弧系統(tǒng)的襯底卡盤上，并將所述硅片的拋光面面向真空倉(cāng)刻蝕工作區(qū)，然后抽真空，再用考夫曼離子槍刻蝕所述硅片的拋光面，刻蝕后將所述襯底卡盤轉(zhuǎn)至沉積工作區(qū)；四、薄膜沉積在沉積工作區(qū)內(nèi)，施加襯底負(fù)偏壓在所述硅片的刻蝕表面沉積碳離子，逐漸形成符合步驟一設(shè)計(jì)厚度的非晶金剛石增頻襯底；五、退火處理在真空條件下，對(duì)沉積有非晶金剛石增頻襯底的硅片進(jìn)行低溫退火處理，保溫后緩冷至室溫，然后放氣并取出所述沉積有非晶金剛石增頻襯底的硅片。
在步驟二中用超聲波清洗機(jī)清洗的時(shí)間為10～20min。在步驟三中離子刻蝕的過(guò)程是在本底真空度為1.5～2.5×10-6Torr時(shí)，注入純度為99.99％的氬氣，使真空度升至1.0～4.0×10-4Torr；所述考夫曼離子槍的工作氬氣流量為8ml/min、刻蝕氬離子能量為800～1300eV；用考夫曼離子槍刻蝕的時(shí)間為8～12min，刻蝕后間歇的時(shí)間為5～15min。在步驟四中，每沉積100～300s，間歇5～15min。在步驟四中襯底負(fù)偏壓采用直流脈沖的形式，當(dāng)增頻襯底厚度小于500nm時(shí)，采用固定80V襯底負(fù)偏壓或從3000V至80V范圍內(nèi)的任意下降變化的襯底負(fù)偏壓；當(dāng)增頻襯底厚度大于500nm且小于3000nm時(shí)，采用從3000V至80V范圍內(nèi)的任意下降變化的襯底負(fù)偏壓，脈沖頻率為100～1500Hz，脈沖寬度為5～35μs，對(duì)應(yīng)的電弧電流為50～70A。在步驟五中退火處理溫度為300～350℃，保溫時(shí)間為15～60min。
步驟一對(duì)本發(fā)明的薄膜沉積過(guò)程起指導(dǎo)作用，它的量化設(shè)計(jì)有利于使產(chǎn)生的非晶金剛石薄膜更好地發(fā)揮增頻作用；而步驟五低溫退火，有利于將低應(yīng)力，增強(qiáng)結(jié)合。步驟一具體的設(shè)計(jì)原理是根據(jù)三層薄膜(ZnO/a-D//Si)介質(zhì)中聲表面波傳播狀態(tài)方程，對(duì)單晶硅基片而言，聲表面波傳播狀態(tài)方程如以下(1)和(2)式所示UiSi=Σn=13CnSiαiSi(n)exp{j[ωt-β(l1x1+l2x2+l3(n)x3)]}---(1)]]>ΦSi=Σn=13CnSiα4Si(n)exp{j[ωt-β(l1x1+l2x2+l3(n)x3)]}---(2)]]>其中U為電勢(shì)，Ф為位移，C為彈性剛度常數(shù)，ω為角頻率，β為波數(shù)，α為波的振幅，l1，2，3為波傳播的方向余弦，其他參量均為通常含義。
對(duì)非晶金剛石增頻襯底而言，聲表面波傳播狀態(tài)方程如以下(3)和(4)式所示Uia-D=Σn=16Cna-Dαia-D(n)exp{j[ωt-β(l1x1+l2x2+l3(n)x3]}---(3)]]>Φa-D=Σn=16Cna-Dα4a-D(n)exp{j[ωt-β(l1x1+l2x2+l3(n)x3]}---(4)]]>對(duì)ZnO等壓電薄膜而言，聲表面波傳播狀態(tài)方程如以下(5)和(6)式所示UiZnO=Σn=15CnZnOαiZnO(n)exp{j[ωt-β(l1x1+l2x2+l3(n)x3]}---(5)]]>ΦZnO=Σn=15CnZnOα4ZnO(n)exp{j[ωt-β(l1x1+l2x2+l3(n)x3]}---(6)]]>根據(jù)上述三層結(jié)構(gòu)的機(jī)械和電學(xué)邊界條件，代入彈性常數(shù)、壓電常數(shù)、介電常數(shù)等材料常數(shù)，解析方程，從而獲得聲表面波傳播速度與膜層參數(shù)(如膜厚)的關(guān)系(如圖2所示)。IDT的中心頻率由等式f0＝vs/λ0確定，其中，f0、vs、λ0分別代表中心頻率、相速度和波長(zhǎng)，波長(zhǎng)λ0是由IDT的指寬與間隔所決定的，λ0＝2(a+b)，a、b分別為叉指和間隔的寬度。先假設(shè)波長(zhǎng)λ0的值并保持波長(zhǎng)不變，再假設(shè)ZnO薄膜的厚度，然后根據(jù)附圖2和一次諧波或基波工作時(shí)聲表面波器件的增頻幅度預(yù)測(cè)非晶金剛石增頻襯底的最優(yōu)厚度。
具體實(shí)施方式
三本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于步驟二中在超聲波清洗機(jī)中清洗的時(shí)間為15min。其他步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
四本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于步驟三中離子刻蝕的過(guò)程是在本底真空度為2.0×10-6Torr時(shí)，注入純度為99.99％的氬氣，使真空度升至2.0×10-4Torr；所述考夫曼離子槍的工作氬氣流量為8ml/min、刻蝕氬離子能量為1100eV；用考夫曼離子槍刻蝕的時(shí)間為10min，刻蝕后間歇的時(shí)間為10min。其他步驟與具體實(shí)施方式
二相同。
具體實(shí)施方式
五本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于步驟四薄膜沉積中采用電壓為80V、脈沖頻率為1500Hz、脈沖寬度為20μs的直流脈沖襯底負(fù)偏壓沉積碳離子，逐漸形成非晶金剛石增頻襯底，電弧電流為60A，沉積過(guò)程為(1)先沉積200s，間歇10min；(2)然后沉積150s，間歇10min；(3)最后沉積150s。其他步驟與具體實(shí)施方式
二相同。采用本具體實(shí)施方式
制備的非晶金剛石增頻襯底的厚度為350nm，IDT/ZnO/a-D//Si薄膜聲表面波器件的頻率為617.51MHz，沒(méi)有增頻襯底的IDT/ZnO//Si薄膜聲表面器件的頻率為574.00MHz，約增頻8％(如圖1所示)。本具體實(shí)施方式
的增頻設(shè)計(jì)中，先假設(shè)波長(zhǎng)λ0＝4μm，且保持波長(zhǎng)不變，再設(shè)KHZnO＝1，若一次諧波工作的聲表面波器件增頻8％，那么相速度也應(yīng)提高8％，然后根據(jù)附圖2預(yù)測(cè)得到非晶金剛石增頻襯底的厚度約為300nm，這與實(shí)際值比較接近。
本具體實(shí)施方式
中參數(shù)取值的原理是采用本發(fā)明所用的過(guò)濾陰極真空電弧系統(tǒng)沉積具有最高sp3雜化含量非晶金剛石薄膜的襯底負(fù)偏壓為80V，sp3雜化含量越高，薄膜的彈性模量就越高，對(duì)聲表面波的增頻作用就越顯著。隨著偏壓升高或降低，sp3雜化含量都將減少。另外，非晶金剛石薄膜的沉積速率約為0.7nm/s，忽略偏壓對(duì)沉積速率的影響，根據(jù)沉積時(shí)間可以估算薄膜的厚度；沉積速率由離子束的掃描波形確定，掃描波形基本不變，那么沉積速率就基本不變。
具體實(shí)施方式
六本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于步驟四薄膜沉積中采用80V襯底負(fù)偏壓沉積100s，形成非晶金剛石增頻襯底為70nm，IDT/ZnO/a-D//Si薄膜聲表面波器件的頻率為596.00MHz。本具體實(shí)施方式
中的襯底負(fù)偏壓也采用直流脈沖形式，脈沖頻率為1500Hz，脈沖寬度為20μs，對(duì)應(yīng)的電弧電流為60A。其他步驟與具體實(shí)施方式
二相同。由本實(shí)施方式可見(jiàn)，即使非晶金剛石薄膜很薄也能起到很好的增頻效果，但是過(guò)薄不利于均勻成膜。
具體實(shí)施方式
七本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于步驟四薄膜沉積中采用3000V至80V的呈下降變化的襯底負(fù)偏壓沉積碳離子，逐漸形成非晶金剛石增頻襯底，沉積的過(guò)程為(1)先用3000V的襯底負(fù)偏壓沉積100s，然后間歇10min；(2)用2700V的襯底負(fù)偏壓沉積200s，然后間歇10min；(3)用2100V的襯底負(fù)偏壓沉積300s，間歇15min；(4)用300V的襯底負(fù)偏壓沉積100s，間歇10min；(5)最后，用80V的襯底負(fù)偏壓沉積100s。本具體實(shí)施方式
中的襯底負(fù)偏壓也采用直流脈沖形式，脈沖頻率為1500Hz，脈沖寬度為20μs，對(duì)應(yīng)的電弧電流為60A。其他步驟與具體實(shí)施方式
二相同。采用本具體實(shí)施方式
制備的非晶金剛石增頻襯底厚度為550nm，IDT/ZnO/a-D//Si薄膜聲表面波器件的頻率為605.06MHz。由本實(shí)施方式可見(jiàn)，雖然非晶金剛石增頻襯底較厚，但是最高sp3雜化含量的非晶金剛石膜層厚度低于具體實(shí)施方式
五，所以增頻作用弱于實(shí)施方式五，可見(jiàn)sp3雜化含量對(duì)增頻作用有顯著的影響。采用下降變化的能量梯度來(lái)沉積薄膜，有利于降低應(yīng)力，增強(qiáng)結(jié)合。
本具體實(shí)施方式
中參數(shù)取值的原理是以根據(jù)淺注入生長(zhǎng)機(jī)制解釋薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程，具有一定入射能量的碳離子突破襯底表面原子的束縛，植入亞表層，隨著碳離子的持續(xù)注入，形成極高的壓應(yīng)力場(chǎng)，具備了sp3雜化產(chǎn)生的條件，表現(xiàn)為淺注入生長(zhǎng)，從而在室溫下獲得性能與金剛石十分接近的非晶金剛石薄膜，并保留了光滑的表面和極高的內(nèi)應(yīng)力。研究表明，在富sp3雜化入射碳離子能量條件下制備的非晶金剛石薄膜殘余壓應(yīng)力可達(dá)10GPa(吉帕)以上，能量增加或降低，殘余應(yīng)力都有所減少，并且富sp3雜化入射碳離子能量條件是在襯底負(fù)偏壓為80V時(shí)獲得的。如果碳離子的入射能量較低，將不足以突破表面原子的束縛，表現(xiàn)為表面生長(zhǎng)，與襯底的結(jié)合力差。如果碳離子的能量較高，多余的能量將促使壓應(yīng)力場(chǎng)松弛，同時(shí)注入襯底形成碳原子的梯度層，與襯底的結(jié)合力強(qiáng)。因此，采用能量梯度法沉積非晶金剛石增頻襯底，有助于降低應(yīng)力，增強(qiáng)結(jié)合，并保持良好的增頻作用。
具體實(shí)施方式
八本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于步驟四薄膜沉積中采用3000V至80V的呈下降變化的襯底負(fù)偏壓沉積碳離子，逐漸形成非晶金剛石增頻襯底，沉積的過(guò)程為(1)先用3000V的襯底負(fù)偏壓沉積150s后間歇10min，再沉積150s，然后間歇10min；(2)用2700V的襯底負(fù)偏壓沉積150s后間歇10min，再沉積150s，然后間歇10min；(3)用2400V的襯底負(fù)偏壓沉積1000s，每沉積200s間歇10min；(4)用480V的襯底負(fù)偏壓沉積200s后間歇10min；(5)最后，用80V的襯底負(fù)偏壓沉積100s。本具體實(shí)施方式
中的襯底負(fù)偏壓也采用直流脈沖形式，脈沖頻率為1500Hz，脈沖寬度為20μs，對(duì)應(yīng)的電弧電流為60A。其他步驟與具體實(shí)施方式
二相同。采用本具體實(shí)施方式
制備的非晶金剛石增頻襯底厚度為1330nm。
具體實(shí)施方式
九本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于步驟四薄膜沉積中采用3000V至80V的呈下降變化的襯底負(fù)偏壓沉積碳離子，逐漸形成非晶金剛石增頻襯底，沉積的過(guò)程為(1)先用3000V的襯底負(fù)偏壓沉積200s后間歇10min，再沉積200s，然后間歇10min；(2)用2700V的襯底負(fù)偏壓沉積200s后間歇10min，再沉積200s，然后間歇10min；(3)用2400V的襯底負(fù)偏壓沉積1800s，每沉積300s間歇15min；(4)最后，用480V的襯底負(fù)偏壓沉積300s。本具體實(shí)施方式
中的襯底負(fù)偏壓采用直流脈沖形式，脈沖頻率為1500Hz，脈沖寬度為20μs，對(duì)應(yīng)的電弧電流為60A。其他步驟與具體實(shí)施方式
二相同。采用本具體實(shí)施方式
制備的非晶金剛石增頻襯底厚度為2000nm。
具體實(shí)施方式
十；本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
二的不同點(diǎn)在于步驟四退火處理的溫度為300℃，保溫時(shí)間為30min。其他步驟與具體實(shí)施方式
二相同。本實(shí)施方式的原理是退火保溫有助于非晶金剛石膜與單晶硅基片界面之間充分?jǐn)U散，減少缺陷，降低應(yīng)力，并形成良好結(jié)合。但是退火溫度過(guò)高，將導(dǎo)致非晶金剛石膜層結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。
凡是薄膜聲表面波器件用的非晶金剛石增頻襯底的制備方法中所提到的參數(shù)取值在上述所提到的范圍內(nèi)的非晶金剛石增頻襯底的制備過(guò)程均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底，其特征在于它是利用過(guò)濾陰極真空電弧沉積系統(tǒng)在拋光單晶硅片上沉積有非晶金剛石薄膜，所述非晶金剛石薄膜的厚度為50nm～3000nm。
2.薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底的制備方法，其特征在于它按以下步驟進(jìn)行一、增頻設(shè)計(jì)解析層狀結(jié)構(gòu)聲表面波傳播狀態(tài)方程，建立膜層參數(shù)與聲速之間的函數(shù)關(guān)系，然后根據(jù)需要增頻的幅度來(lái)預(yù)測(cè)非晶金剛石增頻襯底的厚度；二、預(yù)處理用丙酮將單面拋光單晶硅片在超聲波清洗機(jī)中清洗，然后取出硅片用電吹風(fēng)吹干；三、離子刻蝕將步驟二處理后的硅片裝卡于過(guò)濾陰極真空電弧系統(tǒng)的襯底卡盤上，并將所述硅片的拋光面面向真空倉(cāng)刻蝕工作區(qū)，然后抽真空，再用考夫曼離子槍刻蝕所述硅片的拋光面，刻蝕后將所述襯底卡盤轉(zhuǎn)至沉積工作區(qū)；四、薄膜沉積在沉積工作區(qū)內(nèi)，施加襯底負(fù)偏壓在所述硅片的刻蝕表面沉積碳離子，逐漸形成符合步驟一設(shè)計(jì)厚度的非晶金剛石增頻襯底；五、退火處理在真空條件下，對(duì)沉積有非晶金剛石增頻襯底的硅片進(jìn)行低溫退火處理，保溫后緩冷至室溫，然后放氣并取出所述沉積有非晶金剛石增頻襯底的硅片。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底的制備方法，其特征在于在步驟二中用超聲波清洗機(jī)清洗的時(shí)間為10～20min；在步驟五中退火處理溫度為300～350℃，保溫時(shí)間為15～60min。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底的制備方法，其特征在于在步驟四中，每沉積100～300s，間歇5～15min；在步驟四中襯底負(fù)偏壓采用直流脈沖的形式，當(dāng)增頻襯底厚度小于500nm時(shí)，采用固定80V襯底負(fù)偏壓或從3000V至80V范圍內(nèi)的任意下降變化的襯底負(fù)偏壓；當(dāng)增頻襯底厚度大于500nm且小于3000nm時(shí)，采用從3000V至80V范圍內(nèi)的任意下降變化的襯底負(fù)偏壓，脈沖頻率為100～1500Hz，脈沖寬度為5～35μs，對(duì)應(yīng)的電弧電流為50～70A。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底的制備方法，其特征在于在步驟三中離子刻蝕的過(guò)程是在本底真空度為1.5～2.5×10-6Torr時(shí)，注入純度為99.99％的氬氣，使真空度升至1.0～4.0×10-4Torr；所述考夫曼離子槍的工作氬氣流量為8ml/min、刻蝕氬離子能量為800～1300eV；用考夫曼離子槍刻蝕的時(shí)間為8～12min，刻蝕后間歇的時(shí)間為5～15min。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底的制備方法，其特征在于步驟四薄膜沉積中采用電壓為80V、脈沖頻率為1500Hz、脈沖寬度為20μs的直流脈沖襯底負(fù)偏壓沉積碳離子，逐漸形成非晶金剛石增頻襯底，電弧電流為60A，沉積過(guò)程為(1)先沉積200s，間歇10min；(2)然后沉積150s，間歇10min；(3)最后沉積150s。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底的制備方法，其特征在于步驟四薄膜沉積中采用80V襯底負(fù)偏壓沉積100s。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底的制備方法，其特征在于步驟四薄膜沉積中采用3000V至80V的呈下降變化的襯底負(fù)偏壓沉積碳離子，逐漸形成非晶金剛石增頻襯底，沉積的過(guò)程為(1)先用3000V的襯底負(fù)偏壓沉積100s，然后間歇10min；(2)用2700V的襯底負(fù)偏壓沉積200s，然后間歇10min；(3)用2100V的襯底負(fù)偏壓沉積300s，間歇15min；(4)用300V的襯底負(fù)偏壓沉積100s，間歇10min；(5)最后，用80V的襯底負(fù)偏壓沉積100s。
9.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底的制備方法，其特征在于步驟四薄膜沉積中采用3000V至80V的呈下降變化的襯底負(fù)偏壓沉積碳離子，逐漸形成非晶金剛石增頻襯底，沉積的過(guò)程為(1)先用3000V的襯底負(fù)偏壓沉積150s后間歇10min，再沉積150s，然后間歇10min；(2)用2700V的襯底負(fù)偏壓沉積150s后間歇10min，再沉積150s，然后間歇10min；(3)用2400V的襯底負(fù)偏壓沉積1000s，每沉積200s間歇10min；(4)用480V的襯底負(fù)偏壓沉積200s后間歇10min；(5)最后，用80V的襯底負(fù)偏壓沉積100s。
10.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底的制備方法，其特征在于步驟四薄膜沉積中采用3000V至80V的呈下降變化的襯底負(fù)偏壓沉積碳離子，逐漸形成非晶金剛石增頻襯底，沉積的過(guò)程為(1)先用3000V的襯底負(fù)偏壓沉積200s后間歇10min，再沉積200s，然后間歇10min；(2)用2700V的襯底負(fù)偏壓沉積200s后間歇10min，再沉積200s，然后間歇10min；(3)用2400V的襯底負(fù)偏壓沉積1800s，每沉積300s間歇15min；(4)最后，用480V的襯底負(fù)偏壓沉積300s。
全文摘要
薄膜聲表面波器件的非晶金剛石增頻襯底及其制備方法，它涉及一種具有多層結(jié)構(gòu)薄膜聲表面波器件的增頻襯底及增頻方法的領(lǐng)域，它是為了解決在現(xiàn)有的工藝水平下，叉指線條不能無(wú)限制的微細(xì)化而導(dǎo)致無(wú)法提高聲波的傳播速度，及現(xiàn)有的工藝沉積類金剛石薄膜應(yīng)力大且無(wú)法達(dá)到增頻效果和金剛石薄膜難以實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題。本發(fā)明的非晶金剛石增頻襯底是利用過(guò)濾陰極真空電弧沉積系統(tǒng)在拋光單晶硅片上沉積有非晶金剛石薄膜，所述非晶金剛石薄膜的厚度為50nm～3000nm。本發(fā)明方法的步驟是一、增頻設(shè)計(jì)；二、預(yù)處理；三、離子刻蝕；四、薄膜沉積；五、退火處理。本發(fā)明能制備出性能穩(wěn)定的超高頻薄膜聲表面波器件，且具有沉積面積大、沉積速度快、結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H03H3/00GK1750392SQ200510010409
公開(kāi)日2006年3月22日 申請(qǐng)日期2005年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月30日
發(fā)明者朱嘉琦, 韓杰才, 韓瀟, 程坤, 楊瑾 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)