微機(jī)電體聲波諧振器的性能及片上結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、隨著無(wú)線通信系統(tǒng)小型化、高頻化、集成化進(jìn)程的不斷深入，系統(tǒng)射頻前端無(wú)源器件難以縮小體積、實(shí)現(xiàn)集成的問(wèn)題愈發(fā)凸顯。微機(jī)電體聲波諧振器作為目前唯一能實(shí)現(xiàn)射頻前端頻率器件小型化、集成化的新型MEMS器件，成為各國(guó)學(xué)者的研究熱點(diǎn)。同時(shí)，其高諧振頻率、高 Q值、高靈敏度同樣使得它在傳感器領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。
　　微機(jī)電體聲波諧振器基于半導(dǎo)體工藝、微細(xì)加工工藝制備，對(duì)設(shè)備依賴程度高，工藝難度大。器件的設(shè)計(jì)與工藝密切相關(guān)，涉及影響因素復(fù)雜。

2、本文從器件建模，多物理場(chǎng)分析，關(guān)鍵膜層材料制備以及片上結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)這幾大方面展開(kāi)系統(tǒng)研究。在普通工藝設(shè)備條件下，成功實(shí)現(xiàn)柔性結(jié)構(gòu)以及橋式結(jié)構(gòu)兩種片上結(jié)構(gòu)微機(jī)電體聲波諧振器的制備。
　　根據(jù)壓電理論、固體中聲波傳輸理論推導(dǎo)器件一維Mason模型、MBVD模型，建立了三維有限元模型實(shí)現(xiàn)器件電-聲以及熱學(xué)多物理場(chǎng)分析。研究了器件各膜層使用材料對(duì)其性能的影響。獲得適宜作器件壓電膜層材料AlN以及電極層材料Mo、W。提出使用水冷條件下濺射的非晶

3、AlN代替?zhèn)鹘y(tǒng)PECVD高溫制備的Si3N4作為器件支撐層材料，以減少器件制備過(guò)程中對(duì)不同工藝設(shè)備的依賴并降低器件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平。提出使用聲阻抗接近于空氣的柔性基PI作為器件襯底，運(yùn)用有限元仿真驗(yàn)證新型柔性結(jié)構(gòu)器件的性能。從研究中得到PI厚度大于特定值7.5μm時(shí)，器件無(wú)需傳統(tǒng)空腔結(jié)構(gòu)或布拉格反射結(jié)構(gòu)便能獲得良好的諧振性能。研究器件三維結(jié)構(gòu)對(duì)其性能的影響。器件有效機(jī)電耦合系數(shù)2efK與電極層和壓電層縱向尺寸之比密切相關(guān)，對(duì)Mo、W電極，

4、當(dāng)該值在0.15附近時(shí)，2efK取得最大值。器件橫向尺寸對(duì)性能的影響，在其與縱向尺寸之比低于50/1時(shí)不能忽略，此時(shí)，橫波與縱波相互耦合器件性能迅速惡化。在電極形狀對(duì)器件性能影響的研究中，發(fā)現(xiàn)使用正方形電極以及任意四邊形電極能夠增強(qiáng)器件性能。對(duì)比背刻型、空腔型以及固態(tài)裝配型三種不同結(jié)構(gòu)器件的熱性能。深入研究固態(tài)裝配型器件布拉格反射層層數(shù)、材料、諧振區(qū)面積對(duì)其熱性能的影響。結(jié)果表明，固態(tài)裝配型器件擁有更好的散熱能力與力穩(wěn)定性。為使器件更適

5、宜于大功率條件下的應(yīng)用，其諧振區(qū)面積不宜過(guò)小，反射層層數(shù)不能過(guò)多，低聲阻抗層材料應(yīng)在保證器件電性能的基礎(chǔ)上使用高熱導(dǎo)率材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)低熱導(dǎo)率材料SiO2。
　　在器件理論仿真分析的基礎(chǔ)上，本文重點(diǎn)研究了新型柔性體聲波諧振器各關(guān)鍵膜層材料的制備。研究濺射功率、氣壓、襯底溫度對(duì)PI上生長(zhǎng)Mo膜、W膜晶向，微結(jié)構(gòu)及電學(xué)性能的影響。成功在PI上獲得了低粗糙度、低電阻率、致密的（110）擇優(yōu)取向的Mo、W電極層薄膜。其最優(yōu)制備工藝條件分別為M

6、o膜：濺射功率200W，濺射氣壓1Pa、襯底溫度為水冷；W膜：濺射功率69W，濺射氣壓1Pa，襯底溫度100℃。對(duì)比剛性襯底（Si、SiO2）以及PI上生長(zhǎng)電極層W薄膜的異同。系統(tǒng)研究濺射功率、氮?dú)灞取R射氣壓以及襯底溫度對(duì)PI上生長(zhǎng)AlN薄膜晶向及微結(jié)構(gòu)的影響。成功在PI上獲得了c軸取向壓電層AlN薄膜。其最優(yōu)制備工藝條件為：濺射功率200W，氮?dú)灞?/1，工作氣壓0.5Pa，襯底溫度為水冷。
　　最后，本文對(duì)兩種片上結(jié)構(gòu)微機(jī)電

7、體聲波諧振器的制備工藝進(jìn)行了討論及研究。針對(duì)柔性襯底的特點(diǎn)，提出了PI襯底預(yù)處理方法，使得柔性器件的制備條件與已有微細(xì)加工工藝兼容。系統(tǒng)地研究了PI上電極層、壓電層圖形化工藝，靈活調(diào)整壓電層與頂電極層刻蝕順序，制備了新型柔性體聲波諧振器，降低了體聲波諧振器的制備成本及設(shè)備要求。柔性器件樣品測(cè)試結(jié)果顯示，其性能良好。此外，利用光衍射原理，通過(guò)控制掩膜版與光刻膠之間的距離，采用干法刻蝕，成功制得具備緩坡結(jié)構(gòu)的片上橋式結(jié)構(gòu)器件犧牲層，緩坡角度