氮氬流量比對ErAlN薄膜及SAW濾波器的影響

孫 賢，謝易微，許紹俊，楊成韜

電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川 成都 611731)

0 引言

本文通過磁控濺射方法沉積了不同氮氬流量比(8∶17～14∶17)下ErAlN薄膜并制備了SAW濾波器。探究了ErAlN薄膜的結晶質量和基于ErAlN薄膜的SAW濾波器的聲波特性。

1 實驗

本文采用射頻磁控濺射方法，以藍寶石(0001)作為襯底，沉積了具有c軸取向的ErAlN薄膜。靶材純度為99.99%的Al-Er合金(Er含量為8%)，在薄膜沉積前，將藍寶石襯底依次用丙酮、無水乙醇和去離子水進行超聲清洗。靶基距為6.7 cm，濺射腔室的真空度約為4×10-4Pa，襯底溫度為230 ℃，濺射氣壓為0.85 Pa，濺射功率為230 W，通入氮氬流量比分別為8∶17,9∶17,10∶17,11∶17,12∶17,14∶17，開始濺射。

基于ErAlN薄膜制備了SAW濾波器。濾波器由80對IDT叉指電極(Al)組成，其波長λ為20 μm。兩個IDT換能器的間距為10λ，孔徑為20λ。IDT與相鄰的短反射光柵之間的距離設計為1λ，以確保在中心頻率處形成駐波。圖1為SAW器件的示意圖。

圖1 SAW濾波器示意圖

使用XRD晶體衍射儀分析薄膜的結晶取向和質量。使用原子力顯微鏡(AFM，SPA-300HV)測試表面粗糙度。使用Agilent E5071C網絡分析儀測量了SAW濾波器的聲波傳輸特性。

2 分析和討論

2.1 晶體結構

圖2為不同氮氬流量比下ErAlN薄膜的XRD圖。由圖可見，所有ErAlN薄膜的XRD衍射角位于36°附近，均表現出AlN(002)纖鋅礦型的擇優取向，在42°處的衍射角代表藍寶石襯底的峰值。

圖2 不同流量比下ErAlN薄膜的XRD圖譜

由圖2還可見，隨著氮氬流量比的增加，(002)峰強先增加后減小，(100)晶面逐漸消失，這是因為隨著反應氣體N2的增加，靶材濺射出的Al粒子與N2結合效率增加，薄膜結晶質量得到改善，Ar含量相對減少，等離子體能量減小。因此，薄膜沉積速率下降，(100)晶面逐漸消失，利于(002)晶面的擇優生長。隨著N2含量的進一步升高，一方面產生靶中毒現象，濺射效率下降，另一方面Ar含量相對不足，故濺射所需能量不足，靶材濺射出的Al粒子減少，(002)晶面的峰強下降。當V(N2)∶V(Ar)=12∶17時，ErAlN薄膜具有最純凈的(002)取向和最好的結晶質量。

圖3為不同氮氬流量比下ErAlN薄膜的AFM圖。由圖可見，隨著氮氬流量比的增加，薄膜表面粗糙度(Ra)先減小后增加，濺射的靶材粒子具有較高的能量，能保證具有ErAlN薄膜成分的原子在襯底表面遷移，達到最小能量勢壘處，形成較為有序的結構，表面逐漸變得光滑。當氮氬流量比再增加時，靶材會產生中毒現象，濺射均勻性變差，且Ar含量相對不足，濺射的離子能量減小，不利于粒子的遷移、重排，因此，其表面粗糙度增大。在V(N2)∶V(Ar)=12∶17時，表面粗糙度最小(為4.8 nm)。當ErAlN薄膜的表面粗糙度為4.8～9.85 nm時，符合SAW器件的制作要求。

圖3 不同流量比下ErAlN薄膜的AFM圖譜

2.2 SAW器件的聲波性能

圖4為基于ErAlN薄膜制備的SAW濾波器，其波長λ為20 μm。由圖可見，ErAlN薄膜在273～288 MHz均有諧振峰，這說明ErAlN薄膜均具有壓電效應，根據λ=v/f，可得ErAlN薄膜聲速為5 460～5620 m/s。當V(N2)∶V(Ar)=12∶17時，諧振峰的傳輸系數S21最高，在傳輸過程中損耗少，器件的插入損耗越小。這可能是因為V(N2)∶V(Ar)=12∶17時，ErAlN薄膜結晶質量最好，表面粗糙度最小。圖5為V(N2)∶V(Ar)=12∶17時，基于ErAlN薄膜SAW濾波器的S參數曲線圖。

圖4 不同流量比下SAW濾波器的S21曲線

圖5 V(N2)∶V(Ar)=12∶17時SAW器件的S參數

3 結束語

本文利用射頻磁控濺射方法制備ErAlN薄膜，并基于ErAlN薄膜制備了SAW濾波器。研究了不同氮氬流量比對ErAlN薄膜結晶質量、表面粗糙度及聲波性能的影響。結果表明，隨著氮氬流量比的增加，薄膜的c軸取向增強，(002)峰強先增強后減弱，結晶質量先變好再變差。這是因為隨著N2含量的增加，靶材原子與N2反應更充分，結晶質量增加；N2含量再增加會引發靶中毒，導致結晶質量變差，當V(N2)∶V(Ar)=12∶17時，ErAlN薄膜具有最好的結晶質量。基于ErAlN薄膜的SAW濾波器在273～288 MHz均具有諧振效應，當V(N2)∶V(Ar)=12∶17時，其具有最大的傳輸系數和最小的插入損耗。