本文關鍵詞：體聲波諧振器空腔結構研究

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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,成為射頻前端基礎器件的研究重點。同時,由于其靈敏度高、體積小、能夠實現(xiàn)無線收發(fā)信號等特點,在傳感器領域也獲得了突飛猛進的發(fā)展。空腔型體聲波諧振器(FBAR)是BAW諧振器中的一種重要結構,具有Q值和有效機電耦合系數(shù)雙高的特點。實現(xiàn)實用化的FBAR的設計影響因素復雜,對材料性能和器件結構的精密性要求極高,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設計,闡述FBAR的材料和結構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(如結構、形貌等)和宏觀(如應力、折射率等)特性進行研究,獲得提高FBAR力學穩(wěn)定性及聲學優(yōu)異性的材料基礎。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構、粗糙度、致密度、應力等的影響,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、溫度、功率為變量參數(shù),研究其對濺射非晶硅薄膜的結構、表面形貌、致密度、沉積速率和殘余應力的影響,得出較合適的濺射非晶硅犧牲層的條件為:壓強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,柱狀結構明顯,更加適合作為FBAR結構中的壓電結構層。然后以SiO2為基底,著重研究濺射功率和N2/Ar流量比對AlN薄膜的結構、表面和斷面形貌、應力等的影響,得出最佳濺射功率為150W,最佳N2/Ar流量比為3:1。研究金屬Mo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,應力最小。然后研究濺射壓強、溫度和功率對Mo膜結構、表面形貌和應力的影響。通過對比,選取濺射壓強為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壓電層主體結構之前,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構,解決了被掩膜覆蓋部分的犧牲層由于側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(化學機械拋光)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設備能夠達到制備FBAR的工藝標準。最終制備出了犧牲層凹槽干凈、結構完整、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。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN629.1

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本文編號：1205042