氮氩流量比对ErAlN薄膜及SAW滤波器的影响

孙 贤，谢易微，许绍俊，杨成韬

电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都 611731)

0 引言

本文通过磁控溅射方法沉积了不同氮氩流量比(8∶17～14∶17)下ErAlN薄膜并制备了SAW滤波器。探究了ErAlN薄膜的结晶质量和基于ErAlN薄膜的SAW滤波器的声波特性。

1 实验

本文采用射频磁控溅射方法，以蓝宝石(0001)作为衬底，沉积了具有c轴取向的ErAlN薄膜。靶材纯度为99.99%的Al-Er合金(Er含量为8%)，在薄膜沉积前，将蓝宝石衬底依次用丙酮、无水乙醇和去离子水进行超声清洗。靶基距为6.7 cm，溅射腔室的真空度约为4×10-4Pa，衬底温度为230 ℃，溅射气压为0.85 Pa，溅射功率为230 W，通入氮氩流量比分别为8∶17,9∶17,10∶17,11∶17,12∶17,14∶17，开始溅射。

基于ErAlN薄膜制备了SAW滤波器。滤波器由80对IDT叉指电极(Al)组成，其波长λ为20 μm。两个IDT换能器的间距为10λ，孔径为20λ。IDT与相邻的短反射光栅之间的距离设计为1λ，以确保在中心频率处形成驻波。图1为SAW器件的示意图。

图1 SAW滤波器示意图

使用XRD晶体衍射仪分析薄膜的结晶取向和质量。使用原子力显微镜(AFM，SPA-300HV)测试表面粗糙度。使用Agilent E5071C网络分析仪测量了SAW滤波器的声波传输特性。

2 分析和讨论

2.1 晶体结构

图2为不同氮氩流量比下ErAlN薄膜的XRD图。由图可见，所有ErAlN薄膜的XRD衍射角位于36°附近，均表现出AlN(002)纤锌矿型的择优取向，在42°处的衍射角代表蓝宝石衬底的峰值。

图2 不同流量比下ErAlN薄膜的XRD图谱

由图2还可见，随着氮氩流量比的增加，(002)峰强先增加后减小，(100)晶面逐渐消失，这是因为随着反应气体N2的增加，靶材溅射出的Al粒子与N2结合效率增加，薄膜结晶质量得到改善，Ar含量相对减少，等离子体能量减小。因此，薄膜沉积速率下降，(100)晶面逐渐消失，利于(002)晶面的择优生长。随着N2含量的进一步升高，一方面产生靶中毒现象，溅射效率下降，另一方面Ar含量相对不足，故溅射所需能量不足，靶材溅射出的Al粒子减少，(002)晶面的峰强下降。当V(N2)∶V(Ar)=12∶17时，ErAlN薄膜具有最纯净的(002)取向和最好的结晶质量。

图3为不同氮氩流量比下ErAlN薄膜的AFM图。由图可见，随着氮氩流量比的增加，薄膜表面粗糙度(Ra)先减小后增加，溅射的靶材粒子具有较高的能量，能保证具有ErAlN薄膜成分的原子在衬底表面迁移，达到最小能量势垒处，形成较为有序的结构，表面逐渐变得光滑。当氮氩流量比再增加时，靶材会产生中毒现象，溅射均匀性变差，且Ar含量相对不足，溅射的离子能量减小，不利于粒子的迁移、重排，因此，其表面粗糙度增大。在V(N2)∶V(Ar)=12∶17时，表面粗糙度最小(为4.8 nm)。当ErAlN薄膜的表面粗糙度为4.8～9.85 nm时，符合SAW器件的制作要求。

图3 不同流量比下ErAlN薄膜的AFM图谱

2.2 SAW器件的声波性能

图4为基于ErAlN薄膜制备的SAW滤波器，其波长λ为20 μm。由图可见，ErAlN薄膜在273～288 MHz均有谐振峰，这说明ErAlN薄膜均具有压电效应，根据λ=v/f，可得ErAlN薄膜声速为5 460～5620 m/s。当V(N2)∶V(Ar)=12∶17时，谐振峰的传输系数S21最高，在传输过程中损耗少，器件的插入损耗越小。这可能是因为V(N2)∶V(Ar)=12∶17时，ErAlN薄膜结晶质量最好，表面粗糙度最小。图5为V(N2)∶V(Ar)=12∶17时，基于ErAlN薄膜SAW滤波器的S参数曲线图。

图4 不同流量比下SAW滤波器的S21曲线

图5 V(N2)∶V(Ar)=12∶17时SAW器件的S参数

3 结束语

本文利用射频磁控溅射方法制备ErAlN薄膜，并基于ErAlN薄膜制备了SAW滤波器。研究了不同氮氩流量比对ErAlN薄膜结晶质量、表面粗糙度及声波性能的影响。结果表明，随着氮氩流量比的增加，薄膜的c轴取向增强，(002)峰强先增强后减弱，结晶质量先变好再变差。这是因为随着N2含量的增加，靶材原子与N2反应更充分，结晶质量增加；N2含量再增加会引发靶中毒，导致结晶质量变差，当V(N2)∶V(Ar)=12∶17时，ErAlN薄膜具有最好的结晶质量。基于ErAlN薄膜的SAW滤波器在273～288 MHz均具有谐振效应，当V(N2)∶V(Ar)=12∶17时，其具有最大的传输系数和最小的插入损耗。