本文關(guān)鍵詞：體聲波諧振器空腔結(jié)構(gòu)研究

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【摘要】：近年來隨著無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。同時,由于其靈敏度高、體積小、能夠?qū)崿F(xiàn)無線收發(fā)信號等特點,在傳感器領(lǐng)域也獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展�？涨恍腕w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。實現(xiàn)實用化的FBAR的設(shè)計影響因素復(fù)雜,對材料性能和器件結(jié)構(gòu)的精密性要求極高,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,闡述FBAR的材料和結(jié)構(gòu)對器件性能的影響變化規(guī)律。通過對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)。通過優(yōu)化實驗方案,解決FBAR實現(xiàn)過程中的突出難點,實現(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、器件工藝和測試各方面進(jìn)行研究,取得系列成果和創(chuàng)新。1.空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)對器件諧振特性的影響,從而確定了FBAR的材料設(shè)計方案: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有限元模型仿真實際電極形狀對諧振特性和振動模態(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。通過模擬電壓對諧振模態(tài)的影響,得出電壓對諧振模態(tài)和表面密度分布狀態(tài)沒有影響的結(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薄膜結(jié)構(gòu)、粗糙度、致密度、應(yīng)力等的影響,并對蒸發(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)備簡單,無需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Al N薄膜。對比水冷條件下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,探索不同類型Si基底對濺射Mo膜性能的影響,得出在Si O2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Mo膜結(jié)構(gòu)、表面形貌和應(yīng)力的影響。通過對比,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題。在釋放非晶硅犧牲層時,采用AlN/非晶硅雙層犧牲層結(jié)構(gòu),解決了被掩膜覆蓋部分的犧牲層由于側(cè)向腐蝕速率太慢而無法釋放的問題。在對犧牲層多余部分采用CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)工藝去除時,采用lift-off(剝離)方法,縮短了CMP時間,并且使得采用一般的小型CMP設(shè)備能夠達(dá)到制備FBAR的工藝標(biāo)準(zhǔn)。最終制備出了犧牲層凹槽干凈、結(jié)構(gòu)完整、邊緣平滑整齊、薄膜無開裂的空腔型體聲波諧振器,并測得并聯(lián)諧振頻率為1.502 GHz。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN629.1

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