AlN薄膜及聲表面波器件制備研究.pdf

1、近些年，隨著各國研究機構(gòu)對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)研究的報道。但是在這些報道中，基本采用的都是一些有硬質(zhì)剛性單晶襯底或者機化合物襯底，例如 Si、金剛石、聚酰亞胺、LGS、聚乙烯等，而剛性襯底無法應(yīng)用于一些彎曲表面的測試，有機化合物襯底則會在超過400℃的工作環(huán)境中發(fā)生分解甚至會釋放出氣體，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，通過研究C軸擇優(yōu)取向AlN薄膜在氮氣和真空兩種氛圍中退火一定時間后發(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、氮氣含量下制備出的AlN薄膜的壓電性能，并測試了其壓電系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著FWHM的減小，壓電系數(shù)會逐漸增大。為了能夠進一步的反映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，并通過該模型驗證了本文中得到的FWHM與壓電系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。
　　其次，通過分析傳感器結(jié)構(gòu)，確定了傳感器的設(shè)計參數(shù)：IDT寬度10μm、波長40μm、叉指對數(shù)50對、金屬化比例1、孔徑長度100倍波長、叉指電極與反

4、射柵相距30μm、反射柵對數(shù)100對。接著利用Comsol軟件對該器件結(jié)構(gòu)進行了仿真，分析了對稱和反對稱兩種模態(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)化了其微細加工工藝的參數(shù)

5、；接著對制備好的SAW傳感器進行測試發(fā)現(xiàn)，器件在74.21MHz處出現(xiàn)了諧振峰，說明該器件具備了SAW傳播特性，但是其S11達到了-2dB，通過分析導(dǎo)致SAW傳感器性能并不理想原因主要有兩點：（1）AlN壓電薄膜表面存在這大量的異常長大的晶粒所形成的黑點，而且黑點的直徑可以達到10μm，這與叉指電極寬度在同一個量級，可能會導(dǎo)致叉指電極和反射柵斷路或者短路，這對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