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高性能声表面波器件AlN/Diamond基片制备及分析

作　者: 李化鹏
导　师: 陈希明
学　校: 天津理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 金刚石膜氮化铝薄膜多层结构声表面波器件
分类号: TN65
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第一章绪论  9-20
  1.1 研究背景及意义  9
  1.2 声表面波技术简介  9-15
    1.2.1 声表面波器件的发展及应用  9-12
    1.2.2 声表面波器件的特点  12-13
    1.2.3 压电薄膜/金刚石高频SAWF的原理和结构  13-15
  1.3 AlN/Diamond 结构研究进展  15-17
  1.4 计算机模拟薄膜生长简介  17-18
  1.5 本文研究目的和内容  18-20
第二章薄膜生长原理及计算机模拟  20-28
  2.1 薄膜生长原理  20-22
    2.1.1 引言  20
    2.1.2 临界核形成  20-21
    2.1.3 岛的长大与结合  21-22
    2.1.4 迷津结构的形成  22
    2.1.5 连续膜的形成  22
  2.2 薄膜生长模型  22-24
    2.2.1 蒙特卡罗方法简介  22
    2.2.2 建立模拟模型  22-24
  2.3 模拟结果及分析  24-27
    2.3.1 温度对薄膜生长影响  25-26
    2.3.2 沉积时间对薄膜生长影响  26-27
  2.4 本章小节  27-28
第三章氮化铝薄膜的性质及制备方法  28-38
  3.1 AlN 薄膜材料  28-30
  3.2 AlN 薄膜制备技术  30-34
    3.2.1 溅射原理  31-32
    3.2.2 射频溅射  32-33
    3.2.3 磁控溅射  33-34
  3.3 薄膜的测试分析手段  34-38
    3.3.1 X射线衍射（XRD）  34-36
    3.3.2 扫描电子显微镜（SEM）  36
    3.3.3 原子力显微镜（AFM）  36-38
第四章氮化铝薄膜的制备及表征  38-51
  4.1 金刚石衬底性能  38-42
    4.1.1 金刚石的基本结构  38-40
    4.1.2 金刚石衬底的测试表征  40-42
  4.2 实验设备及工艺  42-43
    4.2.1 衬底清洗  42
    4.2.2 实验设备  42-43
  4.3 硅基AlN薄膜制备及取向研究  43-45
  4.4 工艺参数对金刚石衬底AlN薄膜取向影响  45-49
    4.4.1 溅射功率对AlN薄膜取向的影响  45-46
    4.4.2 工作气压对AlN薄膜取向的影响  46-47
    4.4.3 衬底温度对AlN薄膜取向的影响  47-48
    4.4.4 退火工艺对AlN薄膜取向的影响  48-49
  4.5 本章小节  49-51
第五章总结  51-52
参考文献  52-56
发表论文及参与科研  56-57
致谢  57-58

高性能声表面波器件AlN/Diamond基片制备及分析

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