一种多层膜结构、制备方法及应用
阅读说明：本技术 一种多层膜结构、制备方法及应用 (Multilayer film structure, preparation method and application ) 是由 罗景庭 郭峰 付琛 李红浪 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多层膜结构、制备方法及应用,包括：碳化硅基底；氮化铝层,氮化铝层沉积在碳化硅基底的表面；IDT电极层,IDT电极层沉积在氮化铝层的表面；以及二氧化硅温度补偿层,二氧化硅温度补偿层沉积在IDT电极层的表面以及IDT电极层以外的氮化铝层的表面。通过在碳化硅基体的表面沉积氮化铝层,由于氮化铝层具有高声表面波速度,大的禁带宽度,高热导率,以及化学和温度稳定性良好等特性,使得该多层膜结构具备高频、高热稳定性以及能够适应在复杂环境下正常工作的优良性能。同时,由于构成基体的碳化硅的晶体晶格与构成氮化铝层的氮化铝的晶体晶格的匹配度较高(大于99％),因此在碳化硅基体表面生长的氮化铝膜内应力较小,不易出现裂纹脱落。(The invention discloses a multilayer film structure, a preparation method and application, comprising the following steps: a silicon carbide substrate; the aluminum nitride layer is deposited on the surface of the silicon carbide substrate; the IDT electrode layer is deposited on the surface of the aluminum nitride layer; and a silicon dioxide temperature compensation layer deposited on the surface of the IDT electrode layer and the surface of the aluminum nitride layer outside the IDT electrode layer. By depositing the aluminum nitride layer on the surface of the silicon carbide substrate, the aluminum nitride layer has the characteristics of high surface acoustic wave speed, large forbidden bandwidth, high thermal conductivity, good chemical and temperature stability and the like, so that the multilayer film structure has high frequency and high thermal stability and has excellent performance of being capable of adapting to normal work in a complex environment. Meanwhile, the matching degree of the crystal lattice of the silicon carbide forming the substrate and the crystal lattice of the aluminum nitride forming the aluminum nitride layer is high (more than 99%), so that the aluminum nitride film grown on the surface of the silicon carbide substrate has small internal stress and is not easy to crack and fall off.)
技术领域
本发明涉及多层膜制备技术领域，尤其涉及一种多层膜结构、制备方法及应用。
背景技术
随着移动通讯技术的日益发展和进步，对射频滤波器性能也提出了更高的要求，如高频，低损耗，工作频率和温度稳定性良好已经成为衡量滤波器件品质的重要指标。
薄膜结构作为射频滤波器件的重要组成部分，对射频滤波器的性能起到关键性作用。但是目前传统的单层薄膜结构功能较为单一，不能满足新型射频滤波器高频、低耗的要求。
因此，现有技术还有待于进一步的提升。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多层膜结构、制备方法及应用，用于解决现有的用于制备滤波器的膜结构不能满足高频的问题。
第一方面，本发明提供一种多层膜结构，其中，包括：碳化硅基底；
氮化铝层，所述氮化铝层沉积在所述碳化硅基底的表面；以及
IDT电极层，所述IDT电极层沉积在所述氮化铝层的表面。
可选地，所述的多层膜结构，其中，所述多层膜结构还包括：
温度补偿层，所述温度补偿层沉积在所述IDT电极层的表面以及所述IDT电极层以外的所述氮化铝层的表面。
可选地，所述的多层膜结构，其中，所述碳化硅基底中的碳化硅的晶体结构为六方晶系。
可选地，所述的多层膜结构，其中，所述IDT电极层包括：
过渡层，所述过渡层沉积在所述氮化铝表面；以及
金属铝层，所述金属铝层沉积在所述过渡层表面。
可选地，所述的多层膜结构，其中，所述过渡层为金属钛层，所述金属钛层的厚度为2-6nm，所述钛金属层的表面粗糙度小于等于2nm。
可选地，所述的多层膜结构，其中，所述金属铝层的厚度为100-200nm，所述金属铝层的粗糙度小于等于2nm。
第二方面，本发明提供一种多层膜结构的制备方法，其中，方法包括：
提供一碳化硅基底；
在所述碳化硅基底的表面外延生长一氮化铝层；
在所述氮化铝层的表面沉积一IDT电极层。
可选地，所述的制备方法，其中，所述在所述碳化硅基底的表面外延生长一氮化铝层的步骤，具体包括：
将所述碳化硅基底置于真空反应腔室中以铝为靶材，采用磁控溅射法，在所述碳化硅基底的表面外延生长一氮化铝层。
可选地，所述的制备方法，其中，所述在所述氮化铝层的表面沉积一IDT电极层的步骤，具体包括：
在所述氮化铝层的表面光刻出IDT电极图案；
采用电子束蒸镀法，在所述IDT电极图案上生长出一钛金属层；
采用电子束蒸镀法，在所述钛金属层的表面生长出一铝金属层。
第三方面，本发明提供一种上述所述的多层膜结构的应用，用作射频滤波器的组成部件。
有益效果：本发明实施例提供一种多层膜结构，通过在碳化硅基体的表面沉积氮化铝层。由于氮化铝层具有高声表面波速度，大的禁带宽度，高热导率，化学和温度稳定性良好等特性，从而使得该多层膜结构具备高频、高热稳定性以及能够适应在复杂环境下正常工作的优良性能。
同时，由于构成基体的碳化硅的晶体晶格与构成氮化铝层的氮化铝的晶体晶格的匹配度较高(大于99％)，因此在碳化硅基体表面生长的氮化铝膜内应力较小，不易出现裂纹脱落，有助于提升多层膜结构的性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的4H-SiC晶体的晶格结构示意图；
图2为本发明实施例提供的氮化铝晶体的晶格结构示意图；
图3为本发明实施例提供的SiO2/AlN/SiC多层薄膜结构示意图；
图4为本发明实施例提供的SiO2/IDT/AlN/SiC多层薄膜结构应用于SAW器件中的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种多层膜结构、制备方法及应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
本发明实施例提供一种多层膜结构，所述多层膜结构从下到上依次包括：碳化硅基底10、氮化铝层20、IDT电极层30以及温度补偿层40。
示例性地，所述碳化硅基底为4H-SiC基底，与传统的Si基底相比，4H-SiC基底表现出更大的相速度(剪切波为7126m/s)和更高的热导率[370W/(m·K)]。结合图1，所用到的4H-SiC是由Si原子和C原子组成的六方晶系，其原子堆垛次序为ABCB，具有各向异性的特点。其晶格常数为a＝0.307nm，c＝0.101nm。4H-SiC的电子迁移率为1140cm2/V·s，同时4H-SiC具有较好的各向同性，因此4H-SiC在高频，大功率滤波器的应用领域具有广泛的前景。
在本实施例中，所述碳化硅基底的厚度为500μm。SiC厚度越厚,整个结构的声速越小,所以不宜太厚。
在本实施例中，所述氮化铝层20为C轴取向单晶薄膜，其与碳化硅晶体的晶格匹配度大于99％，即氮化铝层与碳化硅基体之间的晶格失配率较小，从而使得氮化铝层的内应力小，氮化铝膜不易出现裂纹、脱落等问题，从而可以显著提升多层膜结构的质量。其中，所述氮化铝层的厚度可以是200nm至250nm，250nm至300nm，300nm至350nm，350nm至400nm，400nm至450nm，450nm至500nm。
在本实施例中，所述IDT电极称作叉指状金属电极(叉指换能器IDT)，在电极接上交变电压即可在基片表面激发出声表面波(SAW)，电信号可基此声表面波传递。其中，所述叉指状金属电极包括过渡层和金属铝层，即叉指状金属电极为两层结构，所述过渡层为钛金属层，通过在氮化铝层上先沉积一层钛金属，可以增加铝金属层与氮化铝层之间的粘性和抗电迁移性能。其中，所述过渡层的厚度可以是2nm至3nm，3nm至4nm，4nm至5nm，5nm至6nm，6nm至7nm。所述金属铝层的厚度可以是100nm至150nm，150nm至200nm，200nm至250nm，250nm至300nm。
在本实施的一种实现方式中，所述多层膜结构还包括温度补偿层40，所述温度补偿层40沉积在所述IDT电极层30的表面以及所述IDT电极层以外的所述氮化铝层20的表面。即所述温度补偿层40覆盖在所述多层膜结构的表面。其中，所述温度补偿层为二氧化硅层，由于其正的频率温度系数可以实现对基于负频率温度系数的压电基材达到温度补偿的效果。
在本实施例中，所述二氧化硅层的厚度可以是400nm至500nm，500nm至600nm，600nm至700nm，700nm至800nm。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种多层膜结构的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S10、提供碳化硅基底。
具体来说，选用4H-SiC作为衬底材料，将4H-SiC基底依次在丙酮、酒精、去离子水中各进行10分钟的超声水浴清洗，除去表面的有机物以及杂质。4H-SiC作为第三代宽禁带半导体具有许多优异的性能，如高的相速度，高的热导率。因此用4H-SiC作为基底材料能显著提高限制波和传导热能的作用。
S20、在所述碳化硅基底的表面外延生长一氮化铝层。
具体来说，采用直流反应磁控溅射外延生长氮化铝压电薄膜(氮化铝层)，可以将清洗干净的碳化硅基底置于反应腔室中，在基底温度为400℃，反应腔室真空度为5×10-5Pa的条件下，用功率为250W的直流电源溅射高纯铝靶，溅射气压为0.2Pa。在碳化硅基底表面生长氮化铝单晶压电薄膜，所述氮化铝单晶压电薄膜的厚度为400nm，氮化铝单晶压电薄膜的表面粗糙度小于2nm，同样作为第三代半导体的氮化铝(AlN)作为压电层具有温度稳定性良好，高的声表面波速度，小的固有损耗，同时与CMOS工艺具有良好的兼容性等特点。
在本实施例中，磁控溅射的工作原理是指电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射。在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜。
所述直流溅射法要求靶材能够将从离子轰击过程中得到的正电荷传递给与其紧密接触的阴极，从而该方法只能溅射导体材料，不适于绝缘材料。
S30、在所述氮化铝层的表面沉积一IDT电极层。
具体来说，首先在所述氮化铝(AlN)层上光刻出叉指电极图案，即采用干式刻蚀工艺，对氮化铝层进行图案化，形成图案层。容易理解的是，所述叉指电极图案是根据设计需要进行设计的，具体的形状在此不做限定。采用电子束蒸镀工艺在光刻图案上生长一层金属钛作为过渡层，过渡层的厚度可以是,2-6nm，过渡层的表面粗糙度小于2nm，采用电子束蒸镀工艺在所述金属钛层上生长沉积一层金属铝作为叉指电极，所述叉指电极的厚度可以是100-200nm，表面的粗糙度小于2nm。其中，电子束蒸镀是物理气相沉积的一种。与传统蒸镀方式不同，电子束蒸镀利用电磁场的配合可以精准地实现利用高能电子轰击坩埚内靶材，使之融化进而沉积在基片上。电子束蒸镀可以镀出高纯度高精度的薄膜。
S40、采用磁控溅射法在所述IDT电极层以及所述IDT电极层以外的所述氮化铝层的表面沉积一温度补偿层。
具体来说，所述温度补偿层为二氧化硅层，将表面制备有IDT电极层的碳化硅基底置入磁控溅射反应腔室，反应腔室压力为5×10-4Pa，射频电源功率为150W，溅射气压为0.6Pa，氩氧流量比为17：17，溅射环境在室温下进行，得到二氧化硅温度补偿层。
在本实施例中，由于碳化硅基底具有负的频率温度系数(TCF＜0)，而SiO2的频率温度系数为正(TCF＞0)，因此在原来的IDT/AlN/SiC多层薄膜结构表面覆盖一层SiO2形成了一种SiO2/IDT/AlN/SiC的多层薄膜结构，由于碳化硅基底和SiO2相反的频率温度系数使得温度补偿成为可能，从而大大提高了器件的温度稳定性。
基于相同的发明构思，本发明还提供一种射频滤波器，所述射频滤波器包括上述所述的多层膜结构，即可以将上述所述的多层膜结构用于制备射频滤波器。所述多层膜结构的具体组成在此不做赘述。
下面通过具体的制备实施例，对本发明所提供的多层膜结构制备方法做进一步的解释说明。
实施例1
选用4H-SiC材质的基底，将所述基底依次在丙酮、酒精、去离子水中各进行10分钟的超声波清洗，然后用氮气吹干备用。
将清洗干净的基底移入工艺腔室内并放置于基座上，对工艺腔室对工艺腔室进行抽真空处理。可以采用冷泵进行抽真空。工艺腔室内的真空度为5×10-5Pa，对所述基底进行加热，使基底的温度达到400℃，用功率为200W的直流电源溅射高纯铝靶，溅射气压为0.2Pa。在基底表面生长膜厚为200nm的氮化铝单晶压电薄膜。
将制备有氮化铝单晶压电薄膜的基底取出，采用干式刻蚀工艺，在氮化铝单晶压电薄膜的表面形成图案层，对所述图案层清理干净。
对电子束蒸发设备进行开机调试，使电子束蒸发设备达到正常工作状态，将所述图案层放在电子束扫描范围内，通过电子束扫描所述基底，对基底进行二次清洁并预热，扫描功率为36KW,扫描时间为1分钟，基底在扫描过程中保持转动，基底表面交替接受扫描，基底转速为16圈/分钟，扫描结束后，基底被预热至90℃。在9.3×10-3Pa真空度下，增加电子束功率至75KW，电子束轰击预融完成的钛靶材，对基底进行电子束蒸发镀钛，使熔融的钛蒸发2分钟，将完成镀钛的基底冷却到室温，将基底从真空室中取出，在图案层上形成钛过渡层，钛过渡层的厚度为2nm，表面粗糙度为1.5nm。
将靶材换成铝，按照上述镀钛的操作步骤，在钛过渡层上形成铝金属层，铝金属层的厚度为100nm，表面粗糙度为1nm。
以高纯硅靶为溅射靶材，将表面制备有IDT电极层的碳化硅基底置入磁控溅射反应腔室，反应腔室压力为5×10-4Pa，射频电源功率为200W，溅射气压为0.6Pa，氩氧流量比为15：16。制备得到膜厚为400nm的二氧化硅层。
实施例2
选用4H-SiC材质的基底，将所述基底依次在丙酮、酒精、去离子水中各进行10分钟的超声波清洗，然后用氮气吹干备用。
将清洗干净的基底移入工艺腔室内并放置于基座上，对工艺腔室对工艺腔室进行抽真空处理。可以采用冷泵进行抽真空。工艺腔室内的真空度为5×10-5Pa，对所述基底进行加热，使基底的温度达到450℃，用功率为300W的直流电源溅射高纯铝靶，溅射气压为0.3Pa。在基底表面生长膜厚为300nm的氮化铝单晶压电薄膜。
将制备有氮化铝单晶压电薄膜的基底取出，采用干式刻蚀工艺，在氮化铝单晶压电薄膜的表面形成图案层，对所述图案层清理干净。
对电子束蒸发设备进行开机调试，使电子束蒸发设备达到正常工作状态，将所述图案层放在电子束扫描范围内，通过电子束扫描所述基底，对基底进行二次清洁并预热，扫描功率为36KW,扫描时间为1分钟，基底在扫描过程中保持转动，基底表面交替接受扫描，基底转速为16圈/分钟，扫描结束后，基底被预热至100℃。在9.3×10-4Pa真空度下，增加电子束功率至80KW，电子束轰击预融完成的钛靶材，对基底进行电子束蒸发镀钛，使熔融的钛蒸发3分钟，将完成镀钛的基底冷却到室温，将基底从真空室中取出，在图案层上形成钛过渡层，钛过渡层的厚度为4nm，表面粗糙度为1.5nm。
将靶材换成铝，按照上述镀钛的操作步骤，在钛过渡层上形成铝金属层，铝金属层的厚度为200nm，表面粗糙度为1.5nm。
以高纯硅靶为溅射靶材，将表面制备有IDT电极层的碳化硅基底置入磁控溅射反应腔室，反应腔室压力为5×10-4Pa，射频电源功率为250W，溅射气压为0.7Pa，氩氧流量比为17：17。制备得到膜厚为600nm的二氧化硅层。
实施例3
选用4H-SiC材质的基底，将所述基底依次在丙酮、酒精、去离子水中各进行12分钟的超声波清洗，然后用氮气吹干备用。
将清洗干净的基底移入工艺腔室内并放置于基座上，对工艺腔室对工艺腔室进行抽真空处理。可以采用冷泵进行抽真空。工艺腔室内的真空度为5×10-5Pa，对所述基底进行加热，使基底的温度达到400℃，用功率为300W的直流电源溅射高纯铝靶，溅射气压为0.25Pa。在基底表面生长膜厚为500nm的氮化铝单晶压电薄膜。
将制备有氮化铝单晶压电薄膜的基底取出，采用干式刻蚀工艺，在氮化铝单晶压电薄膜的表面形成图案层，对所述图案层清理干净。
对电子束蒸发设备进行开机调试，使电子束蒸发设备达到正常工作状态，将所述图案层放在电子束扫描范围内，通过电子束扫描所述基底，对基底进行二次清洁并预热，扫描功率为30KW,扫描时间为2分钟，基底在扫描过程中保持转动，基底表面交替接受扫描，基底转速为15圈/分钟，扫描结束后，基底被预热至100℃。在9.3×10-4Pa真空度下，增加电子束功率至70KW，电子束轰击预融完成的钛靶材，对基底进行电子束蒸发镀钛，使熔融的钛蒸发5分钟，将完成镀钛的基底冷却到室温，将基底从真空室中取出，在图案层上形成钛过渡层，钛过渡层的厚度为6nm，表面粗糙度为1.5nm。
将靶材换成铝，按照上述镀钛的操作步骤，在钛过渡层上形成铝金属层，铝金属层的厚度为300nm，表面粗糙度为1.5nm。
以高纯硅靶为溅射靶材，将表面制备有IDT电极层的碳化硅基底置入磁控溅射反应腔室，反应腔室压力为5×10-4Pa，射频电源功率为250W，溅射气压为0.7Pa，氩氧流量比为17：17。制备得到膜厚为800nm的二氧化硅层。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
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