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氧化锌压电薄膜的制备及其相关性能研究

王城  
【摘要】:近年来,由于磁振子器件具有高速、低功耗等优点,自旋波(SW)的传播特性研究受到学术界的广泛关注。通过改变声表面波的频率和强度可以调制磁振子晶体带隙频率和深度,因此可以引入声表面波用于研究自旋波的传播特性。基于声表面波的自旋波高频传播特性研究是未来发展的趋势,为了研究自旋波传播的高频特性,激励高频声表面波至关重要。然而激励高频声表面波的关键在于制备出高质量压电材料,ZnO薄膜是一种比较理想的压电材料,具有较高机电耦合系数和低的介电常数等优点。根据上述背景,本文提出在钇铁石榴石(YIG)上制备高质量的ZnO薄膜用于激励高频声表面波。但鉴于YIG基片昂贵,本文采用与YIG同为石榴石结构且性质相近的钆镓石榴石(GGG)基片用于ZnO薄膜制备的工艺探究,从而降低实验成本。本文的主要工作有:使用射频磁控溅射在Si衬底上沉积ZnO薄膜,探究了溅射功率、氧气流量以及退火温度对ZnO薄膜的影响,熟悉整个ZnO薄膜制备工艺探究的实验操作流程,为在GGG衬底上探究ZnO薄膜的制备做准备。获得在Si衬底上制备ZnO薄膜的最佳工艺参数:背底真空为1.5×10~(-4)Pa,溅射气压为0.88Pa(80sccm),溅射功率为80W,引入的氧气流量为6sccm,靶基距为7.8cm,在氧氛围中退火1h,退火温度为400℃,薄膜的平均生长速率为0.1292nm/s。最终在Si衬底上得到了高c轴择优取向生长、低残余应力以及均匀平滑的ZnO薄膜。使用射频磁控溅射在GGG衬底上沉积ZnO薄膜,探究了溅射功率、氧气流量以及退火温度对ZnO薄膜的影响。获得在GGG衬底上制备ZnO薄膜的最佳工艺参数:背底真空为1.5×10~(-4)Pa,溅射气压为0.88Pa(80sccm),溅射功率为80W,引入的氧气流量为4sccm,靶基距为7.8cm,在氧氛围中退火1h,退火温度为450℃,薄膜的平均生长速率为0.173nm/s。在GGG衬底上得到了高c轴择优取向生长、低残余应力以及均匀平滑的ZnO薄膜。为了制备SAW谐振器,探究了叉指换能器的制备工艺。在ZnO/Si和ZnO/GGG上光刻叉指换能器,叉指换能器的叉指宽度为4μm。由于衬底结构的差异,两种结构光刻工艺的前曝时间存在明显差异,ZnO/Si结构的前曝时间为6.2s,ZnO/GGG结构的前曝时间为3.5s。通过磁控溅射镀金属铝膜,最后在70℃的AZ400T去胶液对电极进行剥离,完成了SAW单端口谐振器的制备。使用矢量网络分析仪对SAW单端口谐振器进行测试,ZnO/Si结构单端口谐振器的中心频率为298MHz,对应的相速为4768m/s,机电耦合系数为3.92%;ZnO/GGG结构单端口谐振器的中心频率为201MHz,对应的相速为3216m/s,机电耦合系数为0.22%。证明了所制备ZnO薄膜具有用于高频声表面波调制自旋波激励和传播特性的潜力。


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