氧化鋅壓電薄膜的制備及其相關(guān)性能研究

發(fā)布時(shí)間：2020-03-29 01:07

【摘要】：近年來,由于磁振子器件具有高速、低功耗等優(yōu)點(diǎn),自旋波(SW)的傳播特性研究受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。通過改變聲表面波的頻率和強(qiáng)度可以調(diào)制磁振子晶體帶隙頻率和深度,因此可以引入聲表面波用于研究自旋波的傳播特性�；诼暠砻娌ǖ淖孕ǜ哳l傳播特性研究是未來發(fā)展的趨勢,為了研究自旋波傳播的高頻特性,激勵(lì)高頻聲表面波至關(guān)重要。然而激勵(lì)高頻聲表面波的關(guān)鍵在于制備出高質(zhì)量壓電材料,ZnO薄膜是一種比較理想的壓電材料,具有較高機(jī)電耦合系數(shù)和低的介電常數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)上述背景,本文提出在釔鐵石榴石(YIG)上制備高質(zhì)量的ZnO薄膜用于激勵(lì)高頻聲表面波。但鑒于YIG基片昂貴,本文采用與YIG同為石榴石結(jié)構(gòu)且性質(zhì)相近的釓鎵石榴石(GGG)基片用于ZnO薄膜制備的工藝探究,從而降低實(shí)驗(yàn)成本。本文的主要工作有:使用射頻磁控濺射在Si襯底上沉積ZnO薄膜,探究了濺射功率、氧氣流量以及退火溫度對ZnO薄膜的影響,熟悉整個(gè)ZnO薄膜制備工藝探究的實(shí)驗(yàn)操作流程,為在GGG襯底上探究ZnO薄膜的制備做準(zhǔn)備。獲得在Si襯底上制備ZnO薄膜的最佳工藝參數(shù):背底真空為1.5×10~(-4)Pa,濺射氣壓為0.88Pa(80sccm),濺射功率為80W,引入的氧氣流量為6sccm,靶基距為7.8cm,在氧氛圍中退火1h,退火溫度為400℃,薄膜的平均生長速率為0.1292nm/s。最終在Si襯底上得到了高c軸擇優(yōu)取向生長、低殘余應(yīng)力以及均勻平滑的ZnO薄膜。使用射頻磁控濺射在GGG襯底上沉積ZnO薄膜,探究了濺射功率、氧氣流量以及退火溫度對ZnO薄膜的影響。獲得在GGG襯底上制備ZnO薄膜的最佳工藝參數(shù):背底真空為1.5×10~(-4)Pa,濺射氣壓為0.88Pa(80sccm),濺射功率為80W,引入的氧氣流量為4sccm,靶基距為7.8cm,在氧氛圍中退火1h,退火溫度為450℃,薄膜的平均生長速率為0.173nm/s。在GGG襯底上得到了高c軸擇優(yōu)取向生長、低殘余應(yīng)力以及均勻平滑的ZnO薄膜。為了制備SAW諧振器,探究了叉指換能器的制備工藝。在ZnO/Si和ZnO/GGG上光刻叉指換能器,叉指換能器的叉指寬度為4μm。由于襯底結(jié)構(gòu)的差異,兩種結(jié)構(gòu)光刻工藝的前曝時(shí)間存在明顯差異,ZnO/Si結(jié)構(gòu)的前曝時(shí)間為6.2s,ZnO/GGG結(jié)構(gòu)的前曝時(shí)間為3.5s。通過磁控濺射鍍金屬鋁膜,最后在70℃的AZ400T去膠液對電極進(jìn)行剝離,完成了SAW單端口諧振器的制備。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對SAW單端口諧振器進(jìn)行測試,ZnO/Si結(jié)構(gòu)單端口諧振器的中心頻率為298MHz,對應(yīng)的相速為4768m/s,機(jī)電耦合系數(shù)為3.92%;ZnO/GGG結(jié)構(gòu)單端口諧振器的中心頻率為201MHz,對應(yīng)的相速為3216m/s,機(jī)電耦合系數(shù)為0.22%。證明了所制備ZnO薄膜具有用于高頻聲表面波調(diào)制自旋波激勵(lì)和傳播特性的潛力。
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