AlN薄膜及聲表面波器件制備研究.pdf

1、近些年，隨著各國(guó)研究機(jī)構(gòu)對(duì)AlN薄膜應(yīng)用領(lǐng)域的大力拓寬，AlN薄膜也被應(yīng)用在了 SAW傳感器領(lǐng)域，而且也已經(jīng)出現(xiàn)了很多相關(guān)研究的報(bào)道。但是在這些報(bào)道中，基本采用的都是一些有硬質(zhì)剛性單晶襯底或者機(jī)化合物襯底，例如 Si、金剛石、聚酰亞胺、LGS、聚乙烯等，而剛性襯底無(wú)法應(yīng)用于一些彎曲表面的測(cè)試，有機(jī)化合物襯底則會(huì)在超過(guò)400℃的工作環(huán)境中發(fā)生分解甚至?xí)尫懦鰵怏w，這極大地局限了 SAW器件的應(yīng)用前景。為了能夠解決這些局限性，本文提出了采用

2、耐高溫的柔性合金作為襯底，就可以完美的解決彎曲表面的測(cè)試和耐高溫的要求，例如本文中應(yīng)用的柔性哈氏合金襯底，其可以在1000℃以上的溫度中工作。從科學(xué)和應(yīng)用研究方面，在耐高溫柔性金屬襯底上制備出高性能 SAW傳感器具有重要的意義。
　　首先，通過(guò)研究C軸擇優(yōu)取向AlN薄膜在氮?dú)夂驼婵諆煞N氛圍中退火一定時(shí)間后發(fā)現(xiàn)AlN薄膜的FWHM有了較為明顯的降低，晶粒有了較為明顯的長(zhǎng)大，表面RMS粗糙度也有了明顯的升高；然后本文研究了不同濺射氣壓

3、、濺射功率、氮?dú)夂肯轮苽涑龅腁lN薄膜的壓電性能，并測(cè)試了其壓電系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著FWHM的減小，壓電系數(shù)會(huì)逐漸增大。為了能夠進(jìn)一步的反映FWHM與壓電系數(shù)之間的關(guān)系，我們參考Lughi模型建立了其之間關(guān)系的物理模型，并通過(guò)該模型驗(yàn)證了本文中得到的FWHM與壓電系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。
　　其次，通過(guò)分析傳感器結(jié)構(gòu)，確定了傳感器的設(shè)計(jì)參數(shù)：IDT寬度10μm、波長(zhǎng)40μm、叉指對(duì)數(shù)50對(duì)、金屬化比例1、孔徑長(zhǎng)度100倍波長(zhǎng)、叉指電極與反

4、射柵相距30μm、反射柵對(duì)數(shù)100對(duì)。接著利用Comsol軟件對(duì)該器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，分析了對(duì)稱和反對(duì)稱兩種模態(tài)的特征頻率，得到了SAW的傳播速度為2964.66m/s；接著仿真了薄膜厚度和電極厚度對(duì)特征頻率的影響，發(fā)現(xiàn)隨著AlN薄膜厚度的增加特征頻率也會(huì)相應(yīng)的增加，然而隨著電極厚度的增加特征頻率卻是減小的。
　　最后，采用微細(xì)加工工藝制備了基于AlN/Y2O3/Hastelloy襯底的SAW傳感器，并且優(yōu)化了其微細(xì)加工工藝的參數(shù)

5、；接著對(duì)制備好的SAW傳感器進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，器件在74.21MHz處出現(xiàn)了諧振峰，說(shuō)明該器件具備了SAW傳播特性，但是其S11達(dá)到了-2dB，通過(guò)分析導(dǎo)致SAW傳感器性能并不理想原因主要有兩點(diǎn)：（1）AlN壓電薄膜表面存在這大量的異常長(zhǎng)大的晶粒所形成的黑點(diǎn)，而且黑點(diǎn)的直徑可以達(dá)到10μm，這與叉指電極寬度在同一個(gè)量級(jí)，可能會(huì)導(dǎo)致叉指電極和反射柵斷路或者短路，這對(duì)SAW器件的性能造成了極大的影響；（2）由于本文采用的是Hastelloy柔性