一种生长在衬底上的低应力状态单晶AlN制造技术

本实用新型专利技术属于声波器件材料的技术领域，公开了一种生长在衬底上的低应力状态单晶AlN。所述生长在衬底上的低应力状态单晶AlN薄膜包括衬底、生长在衬底上的外延AlN单晶薄膜层、沟槽；所述沟槽设在外延AlN单晶薄膜层上，并将外延AlN单晶薄膜层分隔成若干区域，使得AlN薄膜层覆盖部分衬底；所述外延AlN薄膜层上以及沟槽中设有应力补偿层。本实用新型专利技术通过沟槽将单晶AlN薄膜分割成若干独立的区域和引入补偿层，提高了相关声波器件的品质因数和有效机电耦合系数；并且本实用新型专利技术的单晶AlN薄膜中，补偿层起到了温度系数调节作用，使最终器件的功率容量、稳定特性和可靠性都得到了提高。

【技术实现步骤摘要】
一种生长在衬底上的低应力状态单晶AlN
本技术涉及一种AlN薄膜，具体涉及一种生长在衬底上的低应力状态单晶AlN，所述低应力状态单晶AlN在声波器件中的应用。
技术介绍
以声表面波谐振器和薄膜体声波谐振器为代表的声波器件具有尺寸小、性能可靠的优点，被广泛应用于民用通讯和军用雷达领域的射频前端模块中。声波器件的传播特性由压电薄膜的特性所决定。AlN是目前商用最成功的声波器件压电薄膜材料。相较其他薄膜或陶瓷压电材料，AlN压电薄膜材料具有纵波声速大、温度系数低、固有损耗小、易集成的特点。基于现有工艺中，如磁控溅射方法，其制备出的多晶AlN薄膜通常存在一定厚度的非晶过渡区，这段区域对于压电转换并无贡献，导致器件的品质因数(Q值)降低，插入损耗变大；另外多晶AlN中存在的晶界和缺陷会造成对体声波的吸收或散射，增加声波传输损耗。现有器件制备工艺磁控溅射得到的AlN多晶薄膜的性能还有很大的提升空间。利用沿c轴平行排列的单晶AlN薄膜制备声波器件将解决上述问题，尤其适用于未来滤波器应用所需的的高频、高功率的场合。在异质外延生长过程中，由于AlN和基体材料间晶格常数的不匹配，AlN薄膜中存在很大的内应力，这不仅极易产生裂纹和缺陷，同时会导致自发极化，使得器件的压电性能也随之发生相应变化；若AlN薄膜的内应力无法得到有效释放，器件制造过程将变得十分困难。另外，单晶AlN温度系数大，基于单晶薄膜制备的器件频率会存在漂移。
技术实现思路
基于此，本技术的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种生长在衬底上的低应力状态单晶AlN。本技术提供的上述生长在衬底上的低应力状态单晶AlN用于声波器件，能够提升如FBAR、SAW器件的品质因数和滤波性能。本技术的目的通过以下技术方案实现：生长在衬底上的低应力状态单晶AlN薄膜，包括衬底、生长在衬底上的外延AlN单晶薄膜层、沟槽；所述沟槽设在外延AlN单晶薄膜层上，并将外延AlN单晶薄膜层分隔成若干区域，使得AlN薄膜层覆盖部分衬底；所述外延AlN薄膜层上以及沟槽中设有应力补偿层。所述若干区域是指若干独立区域。所述沟槽所形成的图案为网格型、十字型、环形或长条型。所述外延AlN单晶薄膜层的厚度为1-3μm，所述应力补偿层为0.1-1μm。所述沟槽的深度≥外延AlN单晶薄膜层的厚度。所述衬底为Si衬底、蓝宝石衬底或高分子柔性衬底；所述应力补偿层为氮化硅层、二氧化硅层或金属材料层。所述金属材料为晶格常数大于AlN的金属材料，例如Al，Au，Pt，Ti等。所述外延AlN单晶薄膜层是以(0002)取向的单晶AlN薄膜层。(单晶AlN薄膜层的晶体结构是确定的六方晶系AlN，(0002)晶向是它外延生长的取向)所述生长在衬底上的低应力状态单晶AlN薄膜的制备方法，包括以下步骤：(1)对衬底进行表面预处理；所述表面预处理是指清洗、退火处理；(2)采用脉冲激光沉积的方法在衬底上外延生长AlN单晶薄膜层；所述外延AlN单晶薄膜层的厚度为1-3μm；(3)采用刻蚀的方法在AlN单晶薄膜层上刻蚀出沟槽，使得AlN单晶薄膜层分隔成若干区域；所述若干区域是指若干独立区域；所述沟槽的深度≥外延AlN单晶薄膜层的厚度；(4)在AlN单晶薄膜层上和沟槽中沉积应力补偿层；所述应力补偿层的厚度为0.1-1μm。步骤(3)中所述刻蚀的方法为干法RIE或ICP，湿法腐蚀；刻蚀的条件为设定电感耦合等离子体刻蚀机(ICP)射频功率和刻蚀功率分别为100-350W，腔室压力2-10mTorr，刻蚀气体为Cl2/BCl3，流量20-100sccm；RIE刻蚀功率50-100W，腔室压力2-10mTorr，刻蚀气体为Cl2/BCl3，气体流量≤100sccm；湿法腐蚀液配比为H3PO4：CH3COOH:HNO3:H2O＝16：1：1：2，HNO3/HF或稀释的NaOH；所述沟槽的深度≥外延AlN单晶薄膜层的厚度，深度与刻蚀的条件控制有关，刻蚀AlN的条件是否对衬底有选择性刻蚀。步骤(4)中当沉积SiO2应力补偿层时，所述沉积的条件为设定等离子体增强化学汽相沉积(PECVD)腔室温度为200-300℃，在700-1000mTorr的腔室压力下，加20-60W射频功率，通入5％SiH4,N2和N2O的混合气体，各气体流量200-500sccm，反应一定时间得到所需厚度的SiO2应力补偿层。本技术在衬底上外延生长(0002)取向的单晶AlN薄膜作为声波器件的压电层；通过沟槽分割整面AlN薄膜，使得AlN薄膜分隔成若干独立的区域(应力调节单元)，从而呈图案化，这样降低了应力的有效力矩，使内应力已经导致的裂纹或缺陷在后续加工过程中不再继续扩展；在AlN薄膜层(压电层)上及沟槽中沉积应力补偿层，同时作为温度系数调节层。在AlN上形成呈图案化的沟槽，分割衬底上连续敷设的AlN薄膜，可以改善应力在整面外延片的分布，例如，在Si衬底上外延AlN，由于AlN晶格常数小，薄膜将受到张应力，影响薄膜压电性能，这种张应力作为内应力将在加工过程中维持，大的张应力导致AlN严重的翘曲，影响加工；通过沟槽的分割可分散应力分布，维持应力状态到可控范围。应力补偿层，同时作为温度系数调节层，该补偿层一方面调节AlN薄膜到原来的应力状态，另一方面补偿AlN的温度系数，减小复合膜层的温度系数，增强器件的温度稳定性及高低温性能。例如，在Si衬底上外延AlN，AlN受到张应力，所需的应力补偿层为晶格常数小于AlN的材料；AlN温度系数为-25ppm/℃，所需的温度系数调节层为温度系数为正的材料。所述低应力状态的单晶AlN，通过激光拉曼光谱表征AlN的E2(high)特征峰，无应力状态下的此吸收峰位于667cm-1，对于受到张应力的AlN吸收峰向低波数方向位移，受到压应力的AlN吸收峰向高波数方向位移，峰位移量可以用来计算内应力的大小；若通过调整内应力使AlN的吸收峰回到原有位置表明AlN的应力状态已调整到最佳，后续加工过程薄膜破裂风险极低。所述低应力状态的单晶AlN薄膜用于制备声波器件，通过设计不同的电极结构用于制备SAW及FBAR器件。与现有技术相比，本技术具有如下优点及有益效果：(1)本技术提出的一种生长在衬底上的低应力状态单晶AlN，减小了单晶AlN薄膜的加工难度，大大提升了压电薄膜的晶体质量；(2)本是技术提出基于(0002)取向的单晶AlN，通过沟槽分割成若干独立的区域(应力调节单元)和引入补偿层，得到低应力状态的压电薄膜，通过改善压电薄膜的晶体质量和恢复应力状态来提高相关声波器件的品质因数和有效机电耦合系数；(3)本技术的单晶AlN薄膜中，补偿层起到了温度系数调节作用，使最终器件的功率容量、稳定特性和可靠性都得到了提高。附图说明图1为本技术的生长在衬底上的低应力状态单晶AlN(即生长在衬底上的低应力状态单晶AlN薄膜)的剖视示意图，其中：1-衬底；2-AlN单晶薄膜层；3-沟槽；4-应力补偿层；图2为本技术的生长在衬底上的低应力状态单晶AlN(即生长在衬底上的低应力状态单晶AlN薄膜)在未设有应力补偿层前的俯视示意图，其中：2-AlN单晶薄膜层；3-沟槽；图3为实施例1中AlN单晶薄膜的X射线衍射2θ-ω扫描图谱；图4本文档来自技高网...

【技术保护点】
生长在衬底上的低应力状态单晶AlN薄膜，其特征在于：包括衬底、生长在衬底上的外延AlN单晶薄膜层、沟槽；所述沟槽设在外延AlN单晶薄膜层上，并将外延AlN单晶薄膜层分隔成若干区域，使得AlN薄膜层覆盖部分衬底；所述外延AlN薄膜层上以及沟槽中设有应力补偿层。

【技术特征摘要】
1.生长在衬底上的低应力状态单晶AlN薄膜，其特征在于：包括衬底、生长在衬底上的外延AlN单晶薄膜层、沟槽；所述沟槽设在外延AlN单晶薄膜层上，并将外延AlN单晶薄膜层分隔成若干区域，使得AlN薄膜层覆盖部分衬底；所述外延AlN薄膜层上以及沟槽中设有应力补偿层。2.根据权利要求1所述生长在衬底上的低应力状态单晶AlN薄膜，其特征在于：所述若...

【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，李洁，朱运农，张子辰，刘国荣，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：新型
国别省市：广东,44