專利名稱：一種高頻窄帶聲表面波器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件的制作方法，更確切地說是涉及一種聲表面波SAW器件的制作方法。
在現(xiàn)代高頻電子系統(tǒng)中，調(diào)頻窄帶SAW器件起著越來越重要的作用，如現(xiàn)代CATV中的SAW振蕩器、高速光通信系統(tǒng)中的時鐘提取SAW濾波器等。這類器件的特點(diǎn)是中心頻率幾百兆赫，帶寬僅幾百千赫甚至幾十千赫，因而要求器件的頻率精度非常高。
然而在制作SAW器件的過程中，各道工序都可能產(chǎn)生誤差，這種誤差必然會導(dǎo)致SAW器件工作頻率的偏移，一般來說，對500MHz以上的高頻器件產(chǎn)生±200KHz的偏差是難以避免的，故頻率調(diào)整是制作高頻窄帶SAW器件不可缺少的重要工序。
另一方面，作為窄帶應(yīng)用的器件還必需具備優(yōu)良的溫度特性，即隨著溫度的變化，器件中心頻率的漂移很小，為了滿足這一要求，自八十年代初期以來，人們普遍選用石英ST切向晶體作為窄帶SAW器件的基片材料，這是因為該材料在室溫附近一階溫度系數(shù)為0，從-20～+70℃之間可以獲得0.7ppm/℃良好的溫度系數(shù)。
對于制作在石英ST切向襯底上的SAW器件進(jìn)行頻率調(diào)整主要有以下四種方法1、高能量離子注入，可以改變晶體的彈性常數(shù)，從而改變表面波波速;
2、離子刻蝕使金屬電極減薄，從而降低表面波負(fù)載，提高波速;
3、覆蓋ZnO2或SiO2介質(zhì)膜，從而增加表面波負(fù)載，降低波速;
4、用紫外光輻照覆蓋的SiO2膜，通過改變覆蓋膜的結(jié)構(gòu)來達(dá)到調(diào)整表面波波速的目的。
上述第3、4兩種方法，自八十年代中期由日本技術(shù)人員提出后，由于方便、實用，受到人們的普遍歡迎，獲得了廣泛的應(yīng)用。
日本專利JP59-135917的技術(shù)要點(diǎn)是采用石英38°Y旋切割晶體作為聲表面波載體制作諧振器，并給出電極膜厚和結(jié)構(gòu)的最佳參數(shù)。
日本專利JP平2-295212的技術(shù)要點(diǎn)是采用SiO2/LiTaO3復(fù)合材料作為聲表面波載體制作諧振器，并給出電極膜厚和結(jié)構(gòu)的最佳參數(shù)及制作工藝。
中國專利CN1046420A的技術(shù)要點(diǎn)是采用各種取向石英、LiNbO3、LiTaO3、Li2B4O7、Al2O3(蘭寶石)晶體或者ZnO/Al2O3復(fù)合材料作聲表面波載體，并給出電極成份、膜厚和結(jié)構(gòu)，及電極制作工藝。
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種高頻窄帶聲表面波器件的制作方法，特別是頻率調(diào)整方法，使其具有更寬的調(diào)整頻率范圍，且可同時改善調(diào)頻后的SAW器件的溫度穩(wěn)定性。
本發(fā)明的高頻窄帶聲表面波器件是采用AlN/CT切石英復(fù)合材料作為聲表面波載體，具有超常的溫度穩(wěn)定性，工藝簡便實用;用增加AlN膜厚的方法來調(diào)整器件的中心頻率偏差，具有調(diào)頻范圍大、靈敏度高，調(diào)整后頻率穩(wěn)定的特點(diǎn)。
本發(fā)明技術(shù)中的聲表面波載體與前述三項專利技術(shù)不同，而且，前述三項專利技術(shù)完全不涉及器件中心頻率的調(diào)整問題。
下面結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)

圖1、覆蓋AlN膜的SAW器件剖面2、石英晶體ST切型的方位3、石英晶體CT切型的方位4、ST切石英晶體頻率溫度特性曲線圖5、CT切石英晶體頻率溫度特性曲線圖6、反應(yīng)濺射法制作的AlN膜X射線衍射曲線圖1表示，在石英CT切向襯底10上制作聲表面波器件并覆蓋AlN薄膜20的結(jié)構(gòu)。圖中30為電極。該結(jié)構(gòu)不僅具有前述第3)、4)兩種方法同樣的優(yōu)點(diǎn)，而且調(diào)整頻率的范圍更寬，器件的溫度穩(wěn)定性在調(diào)頻后還可同時得到改善。
圖2至圖5對兩種襯底材料的特性作了實驗比較。石英晶體屬六方晶系，ST和CT切向石英襯底的切割方向分別如圖2、圖3所示。圖中坐標(biāo)系方位與六方晶系基準(zhǔn)坐標(biāo)方位完全一致。實驗時，分別用ST切和CT切兩種石英襯底材料制作了中心頻率分別為67.584、278.528、635.615MHz的三種窄帶SAW濾波器。
測試結(jié)果表明1、不管用那種襯底材料，器件的插入損耗大致相同，這說明兩種材料的機(jī)電耦合系數(shù)是基本一致的;
2、兩種材料聲表面波波速略有差別，在室溫測量時，波速分別為3155m/S和3145m/S;
3、在頻率溫度特性方面，△f/fo于-10℃～+100℃范圍內(nèi)分別為±40ppm和±38ppm，這說明CT切向晶體的頻率溫度特性不比ST切向晶體差。
從圖4、圖5可以看出，ST切向晶體的零溫度系數(shù)點(diǎn)的確在室溫20℃左右，而CT切向晶體的零溫度點(diǎn)在30℃左右，仔細(xì)比較還可以看出，在低溫區(qū)，CT切向晶體的溫度系數(shù)比ST切向晶體稍差，而在高溫區(qū)則稍好。
然而，從晶體加工的角度看，CT切向晶體更為有利，因為它的切面就是(011)晶面，對X射線衍射能力最強(qiáng)，因此定向容易、定向精度高，加工出來的片子一致性好。
對用CT切向石英晶體制作的SAW器件，分別覆蓋三種不同的介質(zhì)膜作實驗，包括ZnO、AlN、SiO2，其中ZnO和SiO2介質(zhì)膜是用ZnO陶瓷和石英玻璃作靶，以磁控濺射法形成，濺射過程中通入0.5pa的氬氣壓，而AlN介質(zhì)膜則用純鋁作靶，以反應(yīng)濺射法形成，濺射過程中通入0.5pa氮?dú)夂?.5pa氬氣。
對濺射生成的AlN膜的結(jié)構(gòu)，用X射線衍射方法進(jìn)行測量，測量采用CuKα輻射，衍射儀為日本產(chǎn)XD-3A。測量曲線如圖6所示，圖中已去除了晶體襯底的衍射峰，很顯然，這種介質(zhì)膜除典型的非晶體“凸包”外，沒有其他的晶態(tài)衍射峰，說明AlN介質(zhì)膜處于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。
濺射不同介質(zhì)膜后的SAW器件，其中心頻率均有不同的變化，下表所示是隨著膜厚不同，三種介質(zhì)膜對聲表面波濾波器中心頻率的影響情況。
濺射AlN膜后，中心頻率增高，而不是如一般想象的那樣降低，而且中心頻率增加的幅度較大，或者說中心頻率值對于AlN覆蓋膜膜厚非常敏感。實驗結(jié)果表明，在相同膜厚的條件下，覆蓋AlN膜引起頻率改變量比覆蓋SiO2膜引起頻率改變量大50%-200%。這樣的特性十分有利于高頻窄帶SAW器件的頻率調(diào)整工作。另外從濺射的工藝角度出發(fā)，覆蓋AlN膜較為簡單，因為第一不需要換靶，可直接用Al靶通氮反應(yīng)濺射即可得到AlN;第二不需要射頻電源。
在CT切向石英晶體上覆蓋A1N膜，其溫度穩(wěn)定性得到進(jìn)一步改善的特點(diǎn)是通過下述實驗結(jié)果獲得的。在相同的條件下測量了分別用SiO2/ST切石英、ZnO/CT切石英和AlN/CT切石英三種復(fù)合材料制作的中心頻率為67.584MHz的聲表面波濾波器的溫度特性，溫度范圍為-30℃～+100℃。在每個測溫點(diǎn)均保溫1小時。下表結(jié)果表明，幾乎在每一個測溫點(diǎn)上，器件中心頻率的漂移值都是AlN/CT切材料較小，而且在高溫區(qū)AlN/CT切材料的優(yōu)勢更為明顯，對于一般實際使用條件-10℃～+70℃來說，用ZnO/CT切石英和AlN/CT切石英制作的器件，|△f/fo|分別為30ppm和9ppm。
>溫度特性實驗還包括對覆蓋不同厚度AlN膜的SAW器件溫度特性的測量比較，測量范圍-10℃～70℃，如下表所示，對器件中心頻率漂移而言，AlN膜厚60～300nm，其最佳厚度為100nm，此時器件的中心頻率漂移值最小，并且在30℃～70℃范圍內(nèi)漂移值基本為零。
從理論上講，對于室溫以上溫區(qū)，AlN/CT切復(fù)合材料溫度特性較好是可以理解的，因為AlN薄膜與CT切石英襯底的溫度系數(shù)在室溫以上溫區(qū)正好是相反的。
本發(fā)明還對AlN覆蓋膜的晶化情況作了三方面的實驗，以證明其是否具有長期穩(wěn)定性。因為從物理學(xué)角度講晶態(tài)只是一種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，在條件合適時將會發(fā)生晶化。
實驗方法及條件包括1、溫度85℃、持續(xù)時間500小時的高溫老化實驗;
2、溫度85℃、持續(xù)時間500小時、加電壓6V的高溫負(fù)荷老化實驗;
3、溫度200℃、持續(xù)時間10小時的高溫烘烤實驗。
三種實驗后，投樣的各項性能指標(biāo)沒有變化，這說明，至少在常規(guī)條件下，AlN膜的長期穩(wěn)定性是可以滿足實用要求的。
本發(fā)明用CT切向石英晶體材料制作聲表面波器件，其溫度穩(wěn)定性與ST切向石英晶體材料基本一致，用覆蓋AlN介質(zhì)膜的方法來調(diào)整CT切石英晶體制作的聲表面波器件的頻率，調(diào)頻范圍較大，工藝簡單實用，而且調(diào)頻后器件的溫度穩(wěn)定性還得到進(jìn)一步改善。
權(quán)利要求
1.一種高頻窄帶SAW器件的制作方法，其特征在于是采用下列步驟1)取石英CT切向晶體作基片材料，按制作聲表面波器件的常規(guī)工藝制作聲表面波SAW器件；2)用純鋁作靶，以反應(yīng)濺射法在聲表面波SAW器件表面形成氮化鋁A1N介質(zhì)膜，濺射過程同時通入0.5pa氮?dú)夂?.5pa氬氣，增加A1N膜厚調(diào)整聲表面波器件的中心頻率偏差。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻窄帶SAW器件的制作方法，其特征在于所述AlN介質(zhì)膜的膜厚為60～300nm，最佳膜厚為100nm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種聲表面波ASW器件的制作方法，為增寬頻率調(diào)整范圍、提高器件溫度穩(wěn)定性而設(shè)計。本發(fā)明以AlN/CT切石英復(fù)合材料作為聲表面波載體，具有超常的溫度穩(wěn)定性，且工藝簡便、實用，用增加AlN膜厚的方法來調(diào)整器件的中心頻率偏差，調(diào)頻范圍大，靈敏度高，調(diào)整后的器件頻率穩(wěn)定。
文檔編號H03H3/08GK1099522SQ94107309
公開日1995年3月1日 申請日期1994年6月30日 優(yōu)先權(quán)日1994年6月30日
發(fā)明者劉 文 申請人:郵電部固體器件研究所