體聲波諧振器空腔結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、近年來(lái)隨著無(wú)線射頻通訊器件向著小型化、高頻化、高性能和可集成的方向發(fā)展，體聲波（BAW）諧振器作為一種新型的射頻MEMS器件，成為射頻前端基礎(chǔ)器件的研究重點(diǎn)。同時(shí)，由于其靈敏度高、體積小、能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線收發(fā)信號(hào)等特點(diǎn)，在傳感器領(lǐng)域也獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。
　　空腔型體聲波諧振器（FBAR）是BAW諧振器中的一種重要結(jié)構(gòu)，具有Q值和有效機(jī)電耦合系數(shù)雙高的特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的FBAR的設(shè)計(jì)影響因素復(fù)雜，對(duì)材料性能和器件結(jié)構(gòu)的精密性要求極高

2、，工藝門檻高。本文使用多類仿真工具、多種仿真模型優(yōu)化FBAR設(shè)計(jì)，闡述FBAR的材料和結(jié)構(gòu)對(duì)器件性能的影響變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)不同薄膜材料的微觀（如結(jié)構(gòu)、形貌等）和宏觀（如應(yīng)力、折射率等）特性進(jìn)行研究，獲得提高 FBAR力學(xué)穩(wěn)定性及聲學(xué)優(yōu)異性的材料基礎(chǔ)。通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，解決 FBAR實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的突出難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一套在低設(shè)備門檻下有效制備FBAR的方法。從模擬仿真、材料制備、器件工藝和測(cè)試各方面進(jìn)行研究，取得系列成果和創(chuàng)新。
　　1.空

3、腔型體聲波諧振器的仿真
　　使用Mason模型研究組成FBAR材料的種類、材料的參數(shù)對(duì)器件諧振特性的影響，從而確定了FBAR的材料設(shè)計(jì)方案：采用Mo和AlN分別作為電極層和壓電層。使用MBVD模型研究FBAR的等效電路，重點(diǎn)研究該模型中R-L-C參數(shù)的提取方法。使用3D有限元模型仿真實(shí)際電極形狀對(duì)諧振特性和振動(dòng)模態(tài)的影響，得出三角形電極的FBAR的能量分散較小。直觀表征了FBAR剖面在串并聯(lián)諧振處的能量分布特征。通過(guò)模擬電壓對(duì)諧振

4、模態(tài)的影響，得出電壓對(duì)諧振模態(tài)和表面密度分布狀態(tài)沒(méi)有影響的結(jié)論。
　　2.材料制備
　　研究使用非晶硅薄膜作為犧牲層材料，采用電子束蒸發(fā)和磁控濺射兩種 PVD方法進(jìn)行沉積。研究電子束蒸發(fā)的背景真空度、沉積溫度和沉積速率對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)、粗糙度、致密度、應(yīng)力等的影響，并對(duì)蒸發(fā)硅膜的均勻性、共形性、I-V特性、硬度和楊氏模量作出討論，得出蒸鍍非晶硅犧牲層的最佳參數(shù)：背景真空1×10-3 Pa，基底溫度150℃，沉積速率3~4?/s。選

5、用磁控濺射法的濺射壓強(qiáng)、溫度、功率為變量參數(shù)，研究其對(duì)濺射非晶硅薄膜的結(jié)構(gòu)、表面形貌、致密度、沉積速率和殘余應(yīng)力的影響，得出較合適的濺射非晶硅犧牲層的條件為：壓強(qiáng)0.5 Pa，功率150 W，基底溫度200℃。和傳統(tǒng)的PECVD方法相比，使用PVD法制備的非晶硅薄膜的粗糙度和均勻性等性能相差不大，并且后者制備的薄膜由于密度較小而便于刻蝕，工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)需SiH4等有害氣體。
　　研究AlN壓電層材料，提出在水冷條件下濺射高取向的

6、AlN薄膜。對(duì)比水冷條件下AlN薄膜在Si(111)、Si(100)、SiO2和非晶硅四種Si基底上的沉積特性，得出在SiO2上沉積的AlN(002)薄膜取向較好，表面粗糙度最小，柱狀結(jié)構(gòu)明顯，更加適合作為FBAR結(jié)構(gòu)中的壓電結(jié)構(gòu)層。然后以SiO2為基底，著重研究濺射功率和N2/Ar流量比對(duì)AlN薄膜的結(jié)構(gòu)、表面和斷面形貌、應(yīng)力等的影響，得出最佳濺射功率為150W，最佳N2/Ar流量比為3：1。
　　研究金屬M(fèi)o膜作為電極材料，探

7、索不同類型Si基底對(duì)濺射Mo膜性能的影響，得出在SiO2上沉積的Mo膜取向較好，應(yīng)力最小。然后研究濺射壓強(qiáng)、溫度和功率對(duì)Mo膜結(jié)構(gòu)、表面形貌和應(yīng)力的影響。通過(guò)對(duì)比，選取濺射壓強(qiáng)為1.0 Pa、基底溫度為200℃、濺射功率為150 W時(shí)的條件比較好。
　　3.器件制備
　　根據(jù)所選用 FBAR材料的刻蝕特性，首先改變工藝順序，將犧牲層的釋放改為在制備 FBAR壓電層主體結(jié)構(gòu)之前，從而避免犧牲層和壓電層的刻蝕選擇性問(wèn)題。在釋放非