朱 敏劉智榮包文歧徐才華謝立強(qiáng)

(陸軍工程大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京210007)

聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件憑借著其體積小、損耗低、頻率特性好以及靈敏度高等特點(diǎn)在移動(dòng)通信和傳感器領(lǐng)域得到廣泛的研究[1－5]。隨著物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)SAW器件的性能提出了更高的要求，迫切需要工作頻率更高、靈敏度更好以及溫度穩(wěn)定性更優(yōu)的SAW器件。石英、鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛等壓電材料均勻性好，壓電系數(shù)大，聲表面波傳輸損耗小，作為傳統(tǒng)聲表面波器件的襯底材料得到了應(yīng)用[6－11]。然而當(dāng)前半導(dǎo)體器件以硅襯底為主，由于襯底材料的不同使得SAW器件與半導(dǎo)體器件很難單片集成，從而限制了SAW器件的應(yīng)用。在硅襯底上制備壓電薄膜來制造SAW器件是解決這個(gè)問題的一個(gè)有效方法。

常見的壓電薄膜有ZnO、AlN和LiNbO3等，其中ZnO薄膜相比其他壓電薄膜有良好的壓電性，較高的機(jī)電耦合系數(shù)(K2)，更容易形成c軸擇優(yōu)(002)取向薄膜，而且制備技術(shù)較為成熟[12－14]。對(duì)于ZnO/Si結(jié)構(gòu)的SAW器件易受到溫度的影響，通過在Si襯底和ZnO薄膜之間引入SiO2薄膜層實(shí)現(xiàn)對(duì)ZnO/Si結(jié)構(gòu)的溫度補(bǔ)償，提高SAW器件的溫度穩(wěn)定性，此外SiO2層還可以起到隔離緩沖的作用，提高ZnO薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基于ZnO薄膜的SAW器件開展了一定的研究。Wu等人[15]從理論上對(duì)(100)ZnO/(111)Diamond結(jié)構(gòu)激發(fā)的瑞利波進(jìn)行了分析，并與(002)ZnO/(111)Diamond結(jié)構(gòu)瑞利波模式下膜厚比、相速度以及機(jī)電耦合系數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析；Caliendo等人[16]在ZnO/SiO2/Si多層結(jié)構(gòu)上制備了多模SAW器件，計(jì)算了ZnO薄膜對(duì)五種不同氣體(二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、四氯乙烯和三氯乙烯)的感測(cè)靈敏度。Luo等人[17]利用有限元方法研究了IDT/(110)ZnO/SiO2/Si多層結(jié)構(gòu)中水平剪切波的傳播特性，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證；Lu等人[18]采用射頻磁控濺射法制備了ZnO/SiO2/SiC結(jié)構(gòu)的單端口諧振器，從理論和實(shí)驗(yàn)上分析了該結(jié)構(gòu)所激勵(lì)的瑞利波和西沙瓦波的傳播特性；Su等人[19]設(shè)計(jì)制作了ZnO/(SiO2＋I(xiàn)DT)/Al2O3埋入式IDT電極結(jié)構(gòu)的SAW器件，通過有限元仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究了該結(jié)構(gòu)激發(fā)的聲表面波傳播特性。

基于ZnO薄膜制成的SAW器件的性能受到多種因素影響，如襯底類型、ZnO薄膜厚度、ZnO薄膜晶體取向以及SiO2薄膜厚度等[20]。本文在選擇Si作為襯底的情況下，采用有限元方法分析了不同的ZnO膜厚對(duì)IDT/ZnO/SiO2/Si多層結(jié)構(gòu)所激發(fā)瑞利波的相速度、機(jī)電耦合系數(shù)的影響以及SiO2膜厚對(duì)SAW器件頻率溫度系數(shù)的影響。同時(shí)采用射頻磁控濺射法制備了三組不同厚度IDT/ZnO/SiO2/Si多層結(jié)構(gòu)的SAW器件，并利用X射線衍射儀對(duì)所制備ZnO膜進(jìn)行了檢測(cè)。最后利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀理論對(duì)三組SAW器件進(jìn)行了測(cè)試，并與理論分析的結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 理論與仿真

圖1(a)為多層結(jié)構(gòu)SAW器件的二維結(jié)構(gòu)示意圖，是由Si襯底、SiO2薄膜、ZnO薄膜以及叉指換能器(IDT)所組成。采用COMSOL有限元仿真軟件對(duì)IDT/ZnO/SiO2/Si多層結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模分析，ZnO和SiO2薄膜的厚度分別用hZnO和hSiO2來表示，如圖1(b)所示，設(shè)聲表面波波長(zhǎng)λ為8μm，IDT電極寬度a為2μm，高度h為0.15μm，電極中心間距p為4μm。對(duì)于無限長(zhǎng)均勻IDT的叉指電極具有周期性，其表面電勢(shì)φs，表面電荷密度δs和表面電場(chǎng)切向分量E1都具有周期性[21]。故采用周期性邊界條件，用IDT中的一對(duì)電極來模擬實(shí)際多層結(jié)構(gòu)SAW器件瑞利波的傳播特性，在不降低仿真精度的同時(shí)，減少仿真計(jì)算量。同時(shí)考慮到叉指電極外空氣對(duì)電場(chǎng)分布有一定影響，所以在叉指電極上方增加一層空氣薄層。實(shí)驗(yàn)所需要的ZnO薄膜為(002)取向，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系設(shè)置其歐拉角均為零。設(shè)置三維模型y方向厚度為0.2λ，Si襯底厚度為2λ，底部增加1λ厚度的完美匹配層(PML)，用于降低底部邊界對(duì)波的反射。對(duì)模型下邊界為固定邊界條件，前后、左右邊界設(shè)置周期性邊界條件，其他均為自由邊界。兩電極一個(gè)接地，一個(gè)接終端，設(shè)置1 V電壓。對(duì)仿真模型劃分好網(wǎng)絡(luò)后，添加特征頻率研究、頻域研究來進(jìn)行求解。

圖1 IDT/ZnO/SiO2/Si多層結(jié)構(gòu)SAW器件結(jié)構(gòu)示意圖

通過對(duì)hZnO＝300 nm(hZnO/λ＝0.037 5)，hSiO2＝300 nm(hSiO2/λ＝0.037 5)的IDT/ZnO/SiO2/Si多層結(jié)構(gòu)SAW器件進(jìn)行特征頻率分析，得到如圖2所示的諧振SAW模態(tài)與反諧振SAW模態(tài)，右側(cè)圖例反映質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)強(qiáng)弱，顏色越深，振動(dòng)越強(qiáng)烈，能量也就越高。當(dāng)hZnO/λ和hSiO2/λ均為0.037 5時(shí)，該多層結(jié)構(gòu)SAW器件激發(fā)的瑞利波諧振頻率fr為545.23 MHz，反諧振頻率far為546.45 MHz。在諧振頻率fr處，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移最大，能量最高；在反諧振頻率far處則反之。諧振頻率fr和反諧振頻率far的大小有差異是叉指電極的電極效應(yīng)所導(dǎo)致的。

圖2 SAW器件模態(tài)變形圖

根據(jù)fr、far來計(jì)算瑞利波相速度Vp和機(jī)電耦合系數(shù)K2的值，具體公式如下[18]:

TCF(Temperature coefficient of frequency)反映多層結(jié)構(gòu)SAW器件的諧振頻率隨外界溫度變化的穩(wěn)定程度。利用COMSOL軟件熱－機(jī)械耦合模型的預(yù)應(yīng)力－頻率研究來計(jì)算[22]。TCF的值通過下式進(jìn)行計(jì)算:

式中，T0為室溫，一般取25℃，fr(T0)為室溫下的諧振頻率，fr(T)為溫度T的諧振頻率，本研究中T取值范圍為30℃到100℃之間。

圖3(a)為通過頻域分析得到叉指電極的輸入導(dǎo)納特性曲線。從圖中觀察到，當(dāng)Y11模值逼近最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率為諧振頻率fr，此時(shí)SAW器件的電聲轉(zhuǎn)換效率最高，能量損失最少；當(dāng)Y11模值逼近最小值時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率即為反諧振頻率far，此時(shí)SAW器件的電聲轉(zhuǎn)換效率最低，能量損失最多。同時(shí)通過后處理得到諧振頻率處瑞利波的位移場(chǎng)分布如圖3(b)示，可以看出歸一化位移分量在距離表面約13μm處接近0，說明了瑞利波大部分的能量集中在SAW器件表面附近并且隨著深度急劇下降至零，瑞利波沿y方向(u2)的位移為零，沿著x方向(u1)和z方向(u3)的位移占主導(dǎo)地位，且u1與u3之間相位相差π/2，說明了瑞利波在ZnO薄膜上沿xz平面以橢圓偏振方式進(jìn)行傳播。

圖3 叉指電極的輸入導(dǎo)納特性與諧振頻率時(shí)瑞利波位移場(chǎng)分布

仿真過程中忽略IDT的質(zhì)量和剛度系數(shù)對(duì)SAW器件的影響，保持hSiO2/λ不變(hSiO2/λ＝0.037 5)，通過改變hZnO/λ大小，得到IDT/ZnO/SiO2/Si多層結(jié)構(gòu)激發(fā)瑞利波相速度Vp和機(jī)電耦合系數(shù)K2變化曲線如圖4所示?？梢杂^察到，在保持hSiO2/λ不變時(shí)，Vp隨著hZnO/λ的增加而逐漸減小，在2 650 m/s附近趨于穩(wěn)定，這主要是ZnO薄膜的瑞利波相速度小于SiO2薄膜以及Si襯底的瑞利波相速度。當(dāng)hZnO/λ較小時(shí)，SAW能量穿透到Si基底中，Vp主要受到ZnO、SiO2薄膜以及Si襯底三者的共同影響。隨著hZnO/λ增大，SAW的能量逐漸集中ZnO薄膜中，ZnO薄膜對(duì)Vp的影響逐漸增大，使Vp逐漸接近ZnO薄膜在理想條件下的相速度2 650 m/s。同時(shí)可以看出K2隨著hZnO的增加先增大后逐漸趨于平穩(wěn)，當(dāng)hZnO/λ＝0.55時(shí)，K2取得最大值1.48%。所以適當(dāng)?shù)卦黾覼nO薄膜厚度可以提高多層結(jié)構(gòu)的SAW器件的機(jī)電耦合系數(shù)，從而提高SAW器件的壓電性能。

圖4 IDT/ZnO/SiO2/Si多層結(jié)構(gòu)的Vp、K 2隨h ZnO/λ變化曲線

TCF是衡量多層結(jié)構(gòu)SAW器件溫度穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，對(duì)此本文研究了不同ZnO厚度的SAW器件瑞利波的諧振頻率隨溫度變化特性。圖5為IDT/ZnO/SiO2/Si多層結(jié)構(gòu)隨hSiO2/λ變化的TCF曲線，當(dāng)hZnO/λ不變時(shí)，TCF的值hSiO2/λ隨著的增大從負(fù)值逐漸增大到正值。這是由于ZnO和Si為負(fù)溫度系數(shù)，SiO2為正溫度系數(shù)，正是利用這一點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)SAW器件的溫度補(bǔ)償。由圖可知，當(dāng)hZnO/λ為0.037 5、0.075和0.125時(shí)，仿真得到的結(jié)果能使IDT/ZnO/SiO2/Si多層結(jié)構(gòu)的TCF為零的hSiO2/λ值為0.027、0.037和0.061。當(dāng)hZnO/λ較小時(shí)，增加的SiO2薄膜的厚度能夠明顯改善器件的TCF。隨著hZnO/λ增大，SiO2膜對(duì)多層結(jié)構(gòu)SAW器件TCF的改善效果逐漸減弱，根據(jù)聲表面波傳播理論可知，當(dāng)hZnO/λ增大時(shí)，聲表面波的能量逐漸集中在ZnO薄膜中，只有少部分進(jìn)入SiO2薄膜中，因此hSiO2/λ的增加不能很好地實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。因此在基于ZnO/Si結(jié)構(gòu)的SAW器件中通過引入適當(dāng)厚度SiO2薄膜來改善器件的TCF效應(yīng)，提高器件的溫度穩(wěn)定性。

圖5 IDT/ZnO/SiO 2/Si多層結(jié)構(gòu)的TCF隨h SiO2/λ變化曲線

2 實(shí)驗(yàn)方法

利用COMSOL仿真確定的參數(shù)制作了不同ZnO厚度的延遲線型SAW器件。圖6為IDT/ZnO/SiO2/Si多層結(jié)構(gòu)的SAW器件制作流程圖。首先，實(shí)驗(yàn)采用熱氧化的方法在4英寸的N100型Si片表面沉積一層SiO2薄膜，其厚度為300 nm，通過濕法清洗和干法處理兩道工序后，采用射頻(RF)磁控濺射法在SiO2表面沉積三組不同厚度的ZnO薄膜，膜厚分別為300 nm、600 nm、1 000 nm。采用純度99.95%的ZnO粉靶，以氬氣和氧氣的混合氣體作為濺射氣體，氬氣與氧氣之比為40∶3，濺射氣壓為0.6 Pa，射頻功率為150 W，退火溫度為500℃，ZnO薄膜的沉積速率為2.65 nm/min。采用HMDS(六甲基二硅氮烷)對(duì)制備好的ZnO薄膜進(jìn)行預(yù)處理，增強(qiáng)光刻膠與ZnO薄膜表面的粘附性，采用光刻工藝制作兩組叉指換能器IDT，電極寬度a為2μm，高度h為150 nm，電極中心間距p為4μm，叉指對(duì)數(shù)為100對(duì)，兩組叉指換能器間距為100λ。

圖6 SAW器件的制作流程

本實(shí)驗(yàn)通過使用DX2000－X射線衍射儀對(duì)所制備ZnO薄膜的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。使用光學(xué)顯微鏡觀察叉指換能器的電極形貌。將SAW器件裸片通過環(huán)氧膠粘連到PCB板上，通過引線將器件電極與SMA接口連通，采用安捷倫E5063A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試SAW器件的頻域散射參數(shù)(S參數(shù))。

3 結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)制作SAW器件為延遲線型器件，單個(gè)SAW器件尺寸大小為10 mm×10 mm。圖7為實(shí)驗(yàn)制備的IDT/ZnO/SiO2/Si多層結(jié)構(gòu)SAW器件實(shí)物圖，觀察到叉指電極結(jié)構(gòu)完整，測(cè)得IDT的電極周期為8.03μm，電極寬度為1.98μm，IDT制造誤差為0.3%。

圖7 實(shí)驗(yàn)制作的單個(gè)SAW器件實(shí)物圖

圖8 為采用X射線衍射儀對(duì)不同厚度ZnO薄膜的測(cè)試結(jié)果圖。由圖8(a)可以看出在20°~60°掃描范圍內(nèi)，三組ZnO薄膜都在2θ＝33.4°附近出現(xiàn)唯一一個(gè)強(qiáng)峰，說明了所制備的ZnO薄膜均具有高度的c軸擇優(yōu)取向即(002)取向，而且隨著hZnO/λ的增大，(002)取向衍射峰的峰值強(qiáng)度增大。與標(biāo)準(zhǔn)的ZnO單晶的XRD(002)取向的衍射峰位置在34.42°相比，本實(shí)驗(yàn)測(cè)得ZnO薄膜的衍射峰位置均略小于34.42°，產(chǎn)生偏差的原因是與ZnO薄膜自身的壓縮應(yīng)力有關(guān)，隨著濺射氣壓的增大，ZnO薄膜的壓縮應(yīng)力會(huì)減小，相應(yīng)的峰位置會(huì)逐漸靠近標(biāo)準(zhǔn)ZnO單晶峰的位置[21，23]。此外，由于SiO2薄膜為非定型結(jié)構(gòu)，所以沒有觀察到明顯的SiO2薄膜的衍射峰。由圖8(b)可知ZnO薄膜(002)峰的半高寬(Full Width at Half Maximum，F(xiàn)WHM)值隨著hZnO/λ的增大而減小，晶粒尺寸隨著hZnO/λ的增大而增大，結(jié)果表明隨著厚度的增加，ZnO薄膜(002)取向性更好，薄膜晶體質(zhì)量更佳。

圖8 X射線衍射儀對(duì)不同厚度ZnO薄膜的測(cè)試結(jié)果圖

采用E5063A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)三組不同厚度ZnO薄膜的SAW器件測(cè)試S參數(shù)如圖9所示。S參數(shù)測(cè)試包括輸入反射系數(shù)S11和正向傳輸系數(shù)S21，測(cè)試時(shí)為了使SAW器件能夠應(yīng)用于電路，對(duì)器件進(jìn)行了阻抗匹配。由圖9(a)、(b)和(c)可以得到，實(shí)驗(yàn)測(cè)得hZnO/λ為0.037 5、0.075和0.125時(shí)諧振頻率分別為539.80 MHz、501.15 MHz和460.82 MHz，與仿真得到的諧振頻率之間有2 MHz~6 MHz的差距，這是由于實(shí)驗(yàn)制備的ZnO薄膜不可能是理想化的ZnO單晶一樣，存在一些結(jié)晶缺陷，薄膜缺陷容易使聲表面波發(fā)生散射以及IDT的質(zhì)量負(fù)載等因素的影響，使得實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果小于仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)與仿真均證實(shí)了諧振頻率f0和瑞利波相速度Vp隨著ZnO薄膜厚度的增加而降低的結(jié)論。表1為多層結(jié)構(gòu)SAW器件在不同ZnO厚度下仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，通過對(duì)比分析可得，實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的諧振頻率f0和瑞利波相速度Vp同有限元仿真結(jié)果具有較好的一致性。

圖9 不同厚度ZnO薄膜的SAW器件的S11和S21測(cè)試結(jié)果

表1 多層結(jié)構(gòu)SAW器件在不同ZnO厚度下仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

4 結(jié)論

本文通過有限元軟件和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)IDT/ZnO/SiO2/Si多層結(jié)構(gòu)的SAW器件進(jìn)行了分析，采用有限元仿真對(duì)聲表面波的傳播特性進(jìn)行三維建模仿真，得到諧振時(shí)器件的振型圖、質(zhì)點(diǎn)的位移場(chǎng)圖以及叉指電極的輸入導(dǎo)納特性，并研究了ZnO膜厚對(duì)多層結(jié)構(gòu)SAW器件所激發(fā)瑞利波的相速度、機(jī)電耦合系數(shù)以及SiO2膜厚對(duì)該器件頻率溫度系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)采用熱氧化、射頻磁控濺射法和光刻工藝制備了三組不同ZnO膜厚的SAW器件，采用X射線衍射儀對(duì)SAW器件進(jìn)行了表征，結(jié)果表明ZnO壓電薄膜均呈現(xiàn)(002)晶體取向、良好的晶體質(zhì)量。仿真和實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證了隨著ZnO薄膜厚度的增加，更多的聲表面波能量集中在壓電薄膜層傳播，從而導(dǎo)致諧振頻率f0和瑞利波相速度V逐漸減小。本次研究結(jié)果可以為后期實(shí)驗(yàn)提供較好的指導(dǎo)意義。