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金刚石具有快的声传播速度、非常高的弹性模量和高的导热性,它与ZnO等压电薄膜的复合材料被认为是当今制作高频声表面波滤波器(SAW)最为理想的衬底材料。本论文重点研究了SAW器件用的ZnO薄膜及自支撑金刚石衬底的制备工艺,尤其对ZnO薄膜质量的改善进行了深入研究。
利用100nm超细金刚石粉手工研磨硅衬底和0.5-1KPa的成核气压能有效提高硅衬底表面金刚石薄膜的成核密度。利用热丝辅助化学气相沉积(HFCVD)技术在硅衬底上生长出厚度约为80gm的金刚石薄膜。通过化学腐蚀方法获得自支撑金刚石衬底,其成核面平均粗糙度为1.5nm,并利用拉曼光谱仪、霍尔效应测试系统和阻抗分析仪分析研究了薄膜的质量和电学特性。
使用射频磁控溅射方法在自支撑金刚石膜上沉积高质量ZnO压电薄膜,并引入氧等离子体预处理工艺改善金刚石表面与ZnO薄膜之间的结合状态。采用X射线衍射(XRD)技术分析了溅射功率、工作气压和沉积时间以及氧等离子体预处理的时间、功率和气压对ZnO薄膜结构的影响。实验表明,预处理条件为:时间30min、功率50W、气压0.3Pa,而沉积条件为:溅射功率400W、工作气压0.2Pa、沉积时间90分钟时得到了具有高度c轴取向性和较好结晶质量的ZnO薄膜。氧等离子体预处理工艺提高了ZnO薄膜的结晶质量,降低了表面粗糙度。另外,通过在溅射过程中增加氧分压的方法,减少ZnO薄膜的本征缺陷,以提高薄膜电阻率。实验发现当溅射气氛的氩氧比为7∶1时,薄膜电阻率达到4.67x10<7>Ω·cm,表面粗糙度约为1.3nm。
采用光刻剥离(Lift-off)技术在ZnO/金刚石复合衬底上制作了指宽和间距均为8gm的铝质叉指换能器(IDT),对制作高性能的SAW器件进行了有益的探索。