劉 婉，魯亞巍，胡文彬，白飛明

(電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610054)

0 引言

柔性電子是將電子信息器件制作在柔性襯底上的新興電子技術(shù)，常見的柔性襯底材料有聚酰亞胺(PI)、超薄玻璃等。與傳統(tǒng)電子相比，柔性電子具有更大的靈活性和可延展性、柔韌性，能在一定程度上適應(yīng)不同的工作環(huán)境，滿足設(shè)備的形變要求，故在信息、電子、醫(yī)療、生物等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣?；谌嵝砸r底的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)作為柔性電子系統(tǒng)的組成部分，引起了廣泛重視。聲表面波(SAW)諧振器、體聲波諧振器(FBAR)、磁電存儲器等柔性 MEMS 器件受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1-4]。

磁電材料的形成是通過壓電材料和磁致伸縮材料的復(fù)合，這種材料在弱磁場傳感和探測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，為了克服磁電材料在低頻下的1/f(其中f為頻率)閃爍噪音，研究人員將磁電復(fù)合多層膜結(jié)構(gòu)與SAW檢測技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計制備了磁聲表面波諧振器(MSAW)[5-7]。該類諧振器的工作原理[7]：外加磁場會導(dǎo)致磁致伸縮材料的楊氏模量發(fā)生變化，進(jìn)而影響襯底的楊氏模量，而襯底楊氏模量的變化會引起SAW諧振器的相速度發(fā)生變化。由于v=f0·λ(其中v為SAW諧振器的波速，f0為中心頻率，λ為波長)，則f0會隨著外加磁場發(fā)生改變，這既可以實(shí)現(xiàn)弱磁場的探測，也可以用于磁場調(diào)諧的諧振器和延遲線。與傳統(tǒng)剛性襯底SAW諧振器或延遲線相比，柔性襯底具有可彎曲性和延展性，不同于剛性襯底對磁致伸縮的束縛，利用“磁-機(jī)械-電”耦合原理測量磁場，理論上可以實(shí)現(xiàn)直流及寬頻交流弱磁場的高靈敏度探測[8]。但是，目前國內(nèi)外對于柔性磁電SAW器件的報道較少。

本文制作了一種基于PI襯底的MSAW，解決了在柔性襯底上制備非晶軟磁薄膜的技術(shù)難題，且在軟磁薄膜上進(jìn)一步集成了氮化物壓電薄膜，并制備了具有良好附著性的換能器叉指電極。所獲得的MSAW具有f0高，尺寸小，穩(wěn)定性強(qiáng)及耗能小等優(yōu)點(diǎn)。

1 諧振器的制作

1.1 諧振器結(jié)構(gòu)

MSAW由柔性襯底、磁性層、壓電層及電極層組成(見圖1(a))，即:

1) 柔性襯底需滿足耐高溫且熱膨脹系數(shù)不能過大的要求，否則會造成襯底上生長的薄膜因應(yīng)力過大而造成開裂。本實(shí)驗(yàn)使用 PI作為柔性襯底，熱膨脹系數(shù)為(3～70)×10-6/K，并能承受400 ℃的溫度，同時具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性[9]。

2) 磁性層采用 FeCoSiB非晶軟磁薄膜。非晶軟磁合金具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高磁導(dǎo)率、低矯頑力和良好的溫度穩(wěn)定性等特點(diǎn)[10]。

圖1 基于柔性襯底的MSAW

3) 壓電層采用 ScAlN薄膜。ScAlN是在AlN薄膜中摻雜入一定的Sc元素，將其晶體結(jié)構(gòu)由纖鋅礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂袠O性的纖鋅礦結(jié)構(gòu)和無極性的巖鹽礦之間的六角中間相，晶體結(jié)構(gòu)的改變使 ScAlN 薄膜的壓電性能得到提升[11]。

4) 電極層為金屬銅的叉指電極。通過實(shí)驗(yàn)可知,銅電極較鋁電極在ScAlN薄膜上有更好的附著性。

1.2 器件制作與測試方法

柔性襯底的可彎曲折疊性一方面擴(kuò)大了器件的應(yīng)用范圍[12]，但另一方面對器件制備造成了很大的困難。PI 襯底表面有很多小的微孔缺陷，若在其上直接制備FeCoSiB，則會因表面起伏和缺陷而帶來很大的矯頑力，從而導(dǎo)致軟磁性能嚴(yán)重下降。因此，我們采用以下處理方法，即

1) 在購置的PI襯底上均勻涂附了液態(tài) PI，再經(jīng)過250 ℃、1 h亞胺化處理后在原有表面形成一層低粗糙度薄膜。

2) 在該柔性襯底上采用磁控濺射制作磁性層。靶材選用直徑為74 mm 的(Fe90Co10)78Si12B10靶。經(jīng)過前期優(yōu)化，選擇濺射氣壓為0.15 Pa，直流功率為90 W。濺射過程中原位施加 21.486 kA/m的偏置磁場以誘導(dǎo)平面單軸各向異性。另外，為了抑制因厚度增加可能導(dǎo)致的垂直各向異性，故制備了FeCoSiB/SiO2多層膜結(jié)構(gòu)[13]，即在每層磁性薄膜間插入10～15 nm的SiO2薄膜作為隔離層。制備后的多層膜在 150 ℃下熱處理1 h以緩解應(yīng)力造成的柔性器件表面起伏。

3) 在磁性層表面采用反應(yīng)濺射制備Sc21.3Al78.7N薄膜。靶材選用Sc鑲嵌的Al 靶(74 mm)，經(jīng)過優(yōu)化后的工藝參數(shù)為：靶基距5.5 cm，濺射氣壓0.11 Pa，射頻濺射功率270 W，氮?dú)弩w積比為1∶3。考慮到濺射功率較高，為了避免積熱造成FeCoSiB誘導(dǎo)各向異性下降，故采用分時多次濺法獲得ScAlN厚膜。

4) 使用微細(xì)加工手段將掩膜版的圖案轉(zhuǎn)移到膜層表面，可得到 SAW 傳感器的叉指電極。單端口諧振器實(shí)物圖如圖 1(b)所示，F(xiàn)eCoSiB/SiO2多層膜覆蓋在柔性襯底上，總厚度為600 nm，壓電層厚為0.7～2 μm，頂層Cu電極層的厚為150 nm。諧振器的叉指電極光學(xué)照片如圖 1(c) 所示，由圖可見叉指電極整齊平滑，指寬為6 μm，波長為24 μm，插指對數(shù)為50對，反射柵100對，兩者間距為12 μm。

本文采用X線衍射儀(XRD)分析了磁性層和壓電層材料的微觀結(jié)構(gòu)，采用原子力顯微鏡(AFM) 分析了薄膜的表面形貌和粗糙度。通過振動樣品磁強(qiáng)計VSM 測試了磁性薄膜的靜態(tài)磁性參數(shù)，高頻磁性能則采用短路微帶線法進(jìn)行測試[14]。在聲表面諧振器制備成功后，在微波探針臺上利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試了器件的散射參數(shù)S11與相位。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 核心薄膜結(jié)構(gòu)和形貌分析

磁電復(fù)合薄膜和柔性襯底的熱膨脹系數(shù)差別大，但SAW器件要求壓電薄膜需要高度c軸取向、低表面粗糙度和大的壓電常數(shù)。首先，我們分析了制備在 PI 襯底上的FeCoSiB 多層膜和ScAlN的微觀結(jié)構(gòu)，如圖 2所示。由圖可知，F(xiàn)eCoSiB薄膜無明顯的晶態(tài)衍射峰，表明薄膜即使在經(jīng)歷較高功率制備ScAlN后也保持了非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，這是獲得優(yōu)良軟磁性能的關(guān)鍵。另外，由圖2分析可知，ScAlN 薄膜僅在 35.0°出現(xiàn) (002) 的衍射峰，未出現(xiàn)其他衍射峰。這表明薄膜具有良好的c軸取向性。這是獲得優(yōu)良壓電性能的關(guān)鍵[15]，同時為獲得高機(jī)電耦合性能的SAW器創(chuàng)造了條件。

圖2 ScAlN/FeCoSiB/PI多層膜的XRD曲線

薄膜的致密性及表面粗糙度同樣會影響器件的性能。圖3為重要膜層的AFM。由圖 3(a)可知，經(jīng)過涂覆液態(tài) PI和亞胺化處理后的柔性襯底具有較小的粗糙度，僅為1.5 nm，對于后續(xù)薄膜的生長有重要意義。由圖 3(b) 可知，F(xiàn)eCoSiB薄膜的表面粗糙度為0.92 nm，平整度高。這表明熱處理可緩解應(yīng)力產(chǎn)生的形變，有效降低磁性薄膜的表面起伏。由圖 3(c) 可知，隨著磁電復(fù)合薄膜厚度的增加，表面粗糙度增加到3.18 nm，但薄膜不剝落、應(yīng)力較小，表面起伏僅為總厚度的0.02%。

圖3 重要膜層的AFM

2.2 薄膜磁性分析

圖4(a)、(c)分別為FeCoSiB單層膜和FeCoSiB/SiO2多層膜的磁滯回線(M-H)(M為磁化強(qiáng)度，H為磁感應(yīng)強(qiáng)度)曲線圖。由圖4(a)可知，單層薄膜的易軸矯頑力約為176.663 A/m，易軸剩磁比高達(dá) 95.40%，同時面內(nèi)單軸各向異性場約1 999.795 A/m。由圖4(c)可知，易軸矯頑力約為218.840 A/m,略有增加，易軸剩磁比為94.28%，而面內(nèi)單軸各向異性場約為1 700.581 9 A/m。一般情況下，隨著濺射磁性薄膜的厚度超過臨界厚度，薄膜的軟磁性能會出現(xiàn)惡化，這是由于柱狀或纖維狀微結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的垂直各向異性。本文一方面使用插入SiO2層解決這一問題，另一方面退火熱處理使薄膜的熱應(yīng)力得到釋放，降低了應(yīng)力各向異性場。

圖4 軟磁FeCoSiB薄膜特性曲線

磁性薄膜的高頻磁譜特性如圖4 (b)、(d)所示。由圖4(b)、(d)可知，單層磁膜的磁導(dǎo)率為600，共振峰出現(xiàn)在1.3 GHz左右，而多層膜的磁導(dǎo)率為500，共振峰出現(xiàn)在1.4 GHz左右，兩者相差不大。

2.3 柔性諧振器的測試結(jié)果

單端口柔性 SAW諧振器的S11參數(shù)測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，器件在10～120 MHz時存在兩個諧振峰，諧振頻率(fr)分別為28.32 MHz和93.69 MHz。同時，由相位測試曲線可知，該柔性SAW 諧振器的相位在這兩個頻率處有較明顯的變化，可進(jìn)一步確定此器件的中心頻率為28.32 MHz和93.69 MHz。

圖5 測試柔性SAW器件的傳輸特性

SAW器件的品質(zhì)因數(shù)Q值采用bode法進(jìn)行計算，則有

Q(f)=2πfτ(f)|Γ(f)|/(1-|Γ(f)|2)

(1)

式中：τ(f)為群時延；Г(f)為反射系數(shù)。

28.32 MHz下Q值為 8.79，93.69 MHz下Q值為12.66，但整體都相對較小。

SAW諧振器的機(jī)電耦合系數(shù)K2可通過分析導(dǎo)納隨頻率的變化得到，則有

(2)

式中:N=50為電極的叉指對數(shù)；Gm(fr)和Bs(fr)分別為SAW器件在fr處的動態(tài)電導(dǎo)和靜態(tài)電納。fr=28.32 MHz時，K2=9.70%～12.2%。fr=93.69 MHz時，K2=5.1%。剛性襯底上制備的ScAlN的K2一般為2%～5%[16]。通常，柔性器件的K2小于剛性器件，其原因有以下兩點(diǎn)：

1) 機(jī)械能在柔性襯底上會有損耗[17]。

2) 只有SAW集中在壓電層中，才能具有較大的K2，且壓電層厚度越大，K2越高，這里的計算結(jié)果偏大可能是由于低頻下Q·K2較小，采用式(2)計算存在一定誤差[18]。

為了分析SAW器件的工作模態(tài)，我們采用COMSOL Multiphysics有限仿真軟件進(jìn)一步計算了ScAlN/FeCoSiB/PI結(jié)構(gòu)器件的傳播特性。其中，磁性Fe70Co8Si12B10薄膜、壓電Sc40Al60N薄膜的材料參數(shù)參見文獻(xiàn)[19-20]，柔性PI襯底認(rèn)為是半無限結(jié)構(gòu)，材料參數(shù)參見文獻(xiàn)[17]。這里簡化分析只抽取 SAW 諧振器的單個波長范圍，結(jié)果如圖6所示。

圖6 柔性SAW器件的COMSOL仿真

柔性MSAW器件的導(dǎo)納曲線分別在31.0 MHz和95.2 MHz處發(fā)生諧振，與測試的器件中心頻率28.32 MHz與 93.69 MHz較接近。通過圖6振型可看出,第一個諧振模態(tài)為瑞利波模式，第二個諧振模態(tài)為非對稱模態(tài)A1廣義蘭姆波。根據(jù)v=f0·λ，其中λ=24 μm，ScAlN 薄膜厚約為0.7 μm，得到v=680 m/s和2 248 m/s。盡管在理想的ScxAl1-xN壓電層中，SAW傳播方向垂直c軸時速度可達(dá) 5 560～6 200 m/s(與Sc的含量相關(guān))，但是對于層狀結(jié)構(gòu)，速度受到其他相鄰層和襯底材料影響。200 ℃亞胺化后的PI的楊氏模量僅為1.7 GPa，所以聲波傳播速度很小，僅為620 m/s。這種情況導(dǎo)致了基于柔性襯底的器件波速及器件應(yīng)用頻率降低。

基于柔性襯底上仿真與實(shí)際測試存在一定偏差,這可能是因?yàn)閷?shí)際器件受表面粗糙度、缺陷、應(yīng)力等因素影響。另外，在仿真中采用的材料參數(shù)選自Sc40Al60N薄膜和(Fe90Co10)78Si12B10薄膜，而實(shí)際器件制備中 Sc含量偏低，非晶軟磁靶材的成分含量也不相同，使得材料參數(shù)間存在一定偏差。

3 結(jié)束語

本文解決了在柔性聚酰亞胺襯底上沉積非晶磁致伸縮薄膜和ScAlN壓電薄膜的工藝難題，最終成功獲得柔性磁聲表面諧振器。在該磁聲表面諧振器中， 聚酰亞胺的楊氏模量遠(yuǎn)小于剛性材料，可以顯著減小襯底對 FeCoSiB 楊氏模量效應(yīng)的影響，理論上磁性層可達(dá)到與非晶磁性帶材相近的巨楊氏模量效應(yīng)，楊氏模量效應(yīng)ΔE為150%～200%[21]。因而，更有利于獲得更高的磁場靈敏度。盡管器件測試結(jié)果表明該諧振的品質(zhì)因數(shù)較低，但是,COMSOL仿真表明通過增加壓電層厚度或采用更小線寬的叉指電極均可提高品質(zhì)因數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)。在增大壓電層厚度的同時也能增加磁致伸縮層的負(fù)載，因此,在后續(xù)磁場傳感器設(shè)計過程中需均衡考慮。