基于ZnO/PZT結(jié)構(gòu)的單端聲表面波器件研究

桂晨，韋敏

（電子科技大學(xué)，四川成都，611731）

0 引言

聲表面波器件主要由壓電基底材料和相互交錯(cuò)的金屬薄膜叉指狀換能器（Interdigital Tranducer，IDT）組成，工作時(shí)通過向叉指換能器上輸入電信號(hào)，通過逆壓電效應(yīng)，壓電材料會(huì)將電能轉(zhuǎn)換成周期振動(dòng)聲表面波的機(jī)械能，而對(duì)應(yīng)的，聲表面波在壓電材料表面?zhèn)鞑r(shí)引起的機(jī)械振動(dòng)會(huì)通過壓電效應(yīng)將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由IDT傳輸給外部信號(hào)處理單元。聲表面波器件具有很多優(yōu)點(diǎn)：(1）聲表面波傳播速度比電磁波小五個(gè)數(shù)量級(jí)，利用這一特性可以使電子設(shè)備體積減小，重量減輕，還可以使其性能大大改善；(2）在聲表面波傳播過程中，可以隨意的存取信號(hào)；(3）可以通過集成電路技術(shù)制造聲表面波器件[1]。由于SAW通常只在壓電材料表面極小的范圍內(nèi)傳播，對(duì)于外界的擾動(dòng)比較敏感，物理或者化學(xué)的環(huán)境條件變化都會(huì)對(duì)聲表面波的傳播造成影響，因此，基于聲表面波器件的傳感器應(yīng)用越來越廣泛。

根據(jù)壓電材料的種類一般將傳統(tǒng)的SAW器件分為兩種結(jié)構(gòu)。第一種壓電基底材料為壓電單晶或者壓電陶瓷，壓電單晶材料為最早使用的SAW壓電基底，常見的壓電單晶材料有石英單晶SiO2，LiNbO3，LiTaO3等[2,3]。壓電單晶材料具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括可重復(fù)性與均勻性好、穩(wěn)定性高、聲表面波傳播損耗小等，但一般具有固定的壓電材料特性如機(jī)電耦合系數(shù)和溫度系數(shù)，并且這些參數(shù)很難通過生長(zhǎng)等工藝進(jìn)行控制或調(diào)整。壓電陶瓷是指通過高溫?zé)Y(jié)制備的多晶壓電材料，常見的有BaTiO3，PZT等，優(yōu)點(diǎn)是可以通過改變高溫?zé)Y(jié)時(shí)的環(huán)境條件、燒結(jié)添加物等參數(shù)，調(diào)控所制備的壓電陶瓷材料的物理和化學(xué)特性，但壓電陶瓷制備過程通常比較復(fù)雜，且容易產(chǎn)生較高的表面粗糙度，重復(fù)性和均勻性不高。第二種是壓電薄膜型SAW，是指在第三方基底上沉積一層或多層壓電薄膜，基底材料通常選用Si、玻璃和藍(lán)寶石等，壓電薄膜主要有ZnO、GaN、AlN等，然后在壓電薄膜上光刻沉積叉指換能器和反射柵形成SAW器件。這類器件的特點(diǎn)是壓電薄膜層生長(zhǎng)在第三方基底上，且薄膜的厚度通常僅為微米級(jí)別，因此SAW的傳播特性由薄膜和基底共同決定，通過改變制備薄膜時(shí)的工藝參數(shù)以及基底的種類可以調(diào)控SAW的傳播特性、機(jī)電耦合系數(shù)等參數(shù)。而且這種壓電薄膜型SAW器件可制備在Si襯底上，與傳統(tǒng)的IC工藝兼容性很好。

ZnO是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)的直接寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有良好的壓電性能，SAW相速度為2650m/s，適用于各類SAW器件中。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鋯鈦酸鉛（PbZrxTi1-xO3，PZT）具有優(yōu)越的壓電、介電、鐵電等性能，同時(shí)還有較高的壓電常數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)。目前有研究表明，（002）擇優(yōu)取向生長(zhǎng)的ZnO晶粒可以促進(jìn)PZT薄膜（110）晶面擇優(yōu)生長(zhǎng)和向鈣鈦礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化[11]，消除可能存在的焦綠相結(jié)構(gòu)影響。因此本文研究了基于ZnO/PZT雙層壓電薄膜結(jié)構(gòu)的SAW器件，一方面ZnO薄膜可以充當(dāng)過渡層的存在，促進(jìn)PZT薄膜結(jié)構(gòu)與性能的改善，另一方面PZT相對(duì)于ZnO有著更高的壓電常數(shù)值和機(jī)電耦合系數(shù)，而ZnO有更高的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)，通過對(duì)多層膜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化來提高SAW器件的性能。

1 基于COMSOL的SAW器件仿真

對(duì)于壓電薄膜型SAW器件，需要確定的主要參數(shù)包括壓電薄膜的厚度、叉指換能器的材料、寬度（即聲表面波的波長(zhǎng)）、厚度，這些參數(shù)會(huì)對(duì)器件的工作頻率、帶寬等特性產(chǎn)生影響，因此在制備器件前需要對(duì)ZnO/PZT結(jié)構(gòu)的SAW器件進(jìn)行仿真分析，理論建模并研究其特征頻率。

對(duì)于SAW器件的仿真第一步要建立周期單元模型，本文所制備的單端SAW器件為正負(fù)電極交替結(jié)構(gòu)，具有大量周期性重復(fù)的叉指電極單元，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，并且反射柵不影響器件的諧振頻率，實(shí)際計(jì)算時(shí)為了簡(jiǎn)化分析，仿真時(shí)可以選取單個(gè)周期區(qū)域，在邊界處施加周期性條件以模擬重復(fù)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。并且聲表面波的橫向波形在任何節(jié)點(diǎn)都相似，因此可以采用二維模型來仿真分析。本文仿真的SAW整體結(jié)構(gòu)為:襯底是Si基片，厚度相對(duì)于壓電層和電極層較大，設(shè)為100μm；壓電層是ZnO/PZT雙層膜結(jié)構(gòu)，ZnO薄膜厚度為1.5μm，PZT薄膜厚度為400nm；電極層是Al金屬，厚度為70nm；叉指電極的寬度為8μm，叉指電極距離邊界4μm。建模圖如圖2所示。

圖1 建模圖形

建模后第二步要設(shè)立邊界條件，仿真模型的邊界條件包括機(jī)械邊界條件和電學(xué)邊界條件，主要邊界條件設(shè)置為：模型的側(cè)邊均設(shè)置為機(jī)械與電學(xué)周期性邊界條件，模型底部設(shè)置為固定約束條件，壓電層和襯底的接觸線設(shè)置為零電荷。左邊的IDT添加終端條件，并施加1V的電壓，右邊的IDT設(shè)置為接地。邊界條件設(shè)置完成后下一步對(duì)仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分，由于聲表面波在材料表面很小的范圍內(nèi)進(jìn)行傳播，并且越深入內(nèi)部能量衰減越大，因此對(duì)電極層和壓電材料層使用“極細(xì)化”的尺寸要求，對(duì)襯底使用“較細(xì)化”的尺寸要求。接著就可以對(duì)模型進(jìn)行有限元分析，仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 單端SAW器件仿真結(jié)果圖（a）對(duì)稱模式（b）反對(duì)稱模式

圖3 仿真得到的器件S11參數(shù)

本文選取8μm指寬（聲表面波波長(zhǎng)為32μm）的器件進(jìn)行特征頻率的響應(yīng)分析，主要是為了獲得此SAW器件在諧振頻率附近的特有振型。由于此模型是二維周期性結(jié)構(gòu)，故存在對(duì)稱型諧振和非對(duì)稱型諧振，圖a是對(duì)稱模式的振型仿真圖，諧振頻率f0為133.66MHz，圖b是反對(duì)稱模式的振型仿真圖，反諧振頻率f1為133.75MHz，可以通過以下公式計(jì)算出此器件理想的聲表面波傳播速度為4278.56m/s。

2 ZnO/PZT結(jié)構(gòu)的聲表面波器件制備與測(cè)試

2.1 ZnO薄膜及PZT薄膜的制備

本實(shí)驗(yàn)制備ZnO薄膜和PZT薄膜的方法為射頻磁控濺射法。制備ZnO薄膜時(shí)的主要工藝條件為：襯底溫度為260℃，濺射室本底氣壓為5×10-3Pa，反應(yīng)氣體為Ar，濺射氣壓為1Pa，濺射功率為100W，每次濺射前先預(yù)濺射15min，濺射時(shí)間為4h，實(shí)驗(yàn)得到的ZnO薄膜厚度約為1.5μm。制備PZT薄膜時(shí)的主要工藝參數(shù)為：襯底溫度為260℃,濺射室本底氣壓為5×10-3Pa，反應(yīng)氣體為Ar，濺射氣壓為1.2Pa，濺射功率為100W，每次濺射前先預(yù)濺射15min，濺射時(shí)間為2h，實(shí)驗(yàn)制備的PZT薄膜厚度約為400nm。ZnO/PZT薄膜制備完成后還需要進(jìn)行600℃、常壓條件下的退火操作。

本實(shí)驗(yàn)采用丹東浩元DX-2700表征薄膜的物相結(jié)構(gòu)，測(cè)試時(shí)所加的管電壓為40kV，管電流30mA，測(cè)試角度20～60°，薄膜的晶體取向如圖4所示。可以看到制備的ZnO薄膜有很好的（002）取向，即壓電特性的c軸擇優(yōu)取向，而PZT薄膜有與鐵電鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的（100）、（110）、（111）、（200）和（211）衍射峰，沒有出現(xiàn)與非鐵電焦綠石相結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的衍射峰。

圖4 薄膜的XRD測(cè)試結(jié)果

2.2 SAW器件的制備與測(cè)試

制備完ZnO/PZT薄膜后，在此結(jié)構(gòu)上采用傳統(tǒng)的光刻和剝離電極工藝制作SAW器件，光刻工藝采用反轉(zhuǎn)曝光技術(shù)，利于高精度的圖形的剝離工藝。本實(shí)驗(yàn)所制備的SAW器件共有80對(duì)叉指電極，叉指電極兩端各有50對(duì)反射柵，叉指線寬和叉指間距均為8μm，叉指電極的周期，即聲表面波波長(zhǎng)λ為32μm。聲孔徑長(zhǎng)度為100λ，即叉指電極的長(zhǎng)度和反射柵的長(zhǎng)度均為101λ，叉指電極與反射柵之間的距離為0.75λ。光刻完成后采用蒸發(fā)鍍膜法蒸鍍Al電極，電極層的厚度約為70nm。剝離電極后采用滴銀漿的方式引出電極，并使用安捷倫E5071C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來對(duì)制作好的SAW器件進(jìn)行測(cè)試。

圖5是制備的SAW器件S11參數(shù)的測(cè)試結(jié)果，諧振頻率為127.0MHz，實(shí)際諧振頻率與仿真所得到的133.66MHz有少許偏離，主要原因可能是仿真是基于理想的單晶晶體，聲速較快，而本實(shí)驗(yàn)所制備的薄膜是磁控濺射法制備的，屬于多晶，聲速較低，所以實(shí)際的諧振頻率比仿真的值要小。由頻率可計(jì)算出當(dāng)波長(zhǎng)為32μm時(shí)，該器件的相速度為v=λ×f=4064m/s，由于薄膜的厚度只有1.9μm，而聲表面波的波長(zhǎng)為32μm，因此大部分能量更多的集中在Si片中，計(jì)算出來的相速度更接近在Si片中的傳播速度（4800m/s）。

圖5 SAW器件的S11參數(shù)

3 結(jié)束語

本文研究了基于ZnO/PZT結(jié)構(gòu)的聲表面波諧振器，通過COMSOL仿真，建立了SAW器件的理論模型并得到中心頻率。為驗(yàn)證模擬的精確性，本文用射頻磁控濺射法在Si片上沉積了ZnO/PZT雙層膜，并根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)制作了相應(yīng)的SAW器件，對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，二者比較接近。