微機電體聲波諧振器的性能及片上結構研究.pdf

1、隨著無線通信系統(tǒng)小型化、高頻化、集成化進程的不斷深入，系統(tǒng)射頻前端無源器件難以縮小體積、實現(xiàn)集成的問題愈發(fā)凸顯。微機電體聲波諧振器作為目前唯一能實現(xiàn)射頻前端頻率器件小型化、集成化的新型MEMS器件，成為各國學者的研究熱點。同時，其高諧振頻率、高 Q值、高靈敏度同樣使得它在傳感器領域具有巨大的應用前景。
　　微機電體聲波諧振器基于半導體工藝、微細加工工藝制備，對設備依賴程度高，工藝難度大。器件的設計與工藝密切相關，涉及影響因素復雜。

2、本文從器件建模，多物理場分析，關鍵膜層材料制備以及片上結構實現(xiàn)這幾大方面展開系統(tǒng)研究。在普通工藝設備條件下，成功實現(xiàn)柔性結構以及橋式結構兩種片上結構微機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器件一維Mason模型、MBVD模型，建立了三維有限元模型實現(xiàn)器件電-聲以及熱學多物理場分析。研究了器件各膜層使用材料對其性能的影響。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，以減少器件制備過程中對不同工藝設備的依賴并降低器件結構的應力水平。提出使用聲阻抗接近于空氣的柔性基PI作為器件襯底，運用有限元仿真驗證新型柔性結構器件的性能。從研究中得到PI厚度大于特定值7.5μm時，器件無需傳統(tǒng)空腔結構或布拉格反射結構便能獲得良好的諧振性能。研究器件三維結構對其性能的影響。器件有效機電耦合系數(shù)2efK與電極層和壓電層縱向尺寸之比密切相關，對Mo、W電極，

4、當該值在0.15附近時，2efK取得最大值。器件橫向尺寸對性能的影響，在其與縱向尺寸之比低于50/1時不能忽略，此時，橫波與縱波相互耦合器件性能迅速惡化。在電極形狀對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器件性能。對比背刻型、空腔型以及固態(tài)裝配型三種不同結構器件的熱性能。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)面積對其熱性能的影響。結果表明，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用，其諧振區(qū)面積不宜過小，反射層層數(shù)不能過多，低聲阻抗層材料應在保證器件電性能的基礎上使用高熱導率材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)低熱導率材料SiO2。
　　在器件理論仿真分析的基礎上，本文重點研究了新型柔性體聲波諧振器各關鍵膜層材料的制備。研究濺射功率、氣壓、襯底溫度對PI上生長Mo膜、W膜晶向，微結構及電學性能的影響。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℃。對比剛性襯底（Si、SiO2）以及PI上生長電極層W薄膜的異同。系統(tǒng)研究濺射功率、氮氬比、濺射氣壓以及襯底溫度對PI上生長AlN薄膜晶向及微結構的影響。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，氮氬比4/1，工作氣壓0.5Pa，襯底溫度為水冷。
　　最后，本文對兩種片上結構微機電

7、體聲波諧振器的制備工藝進行了討論及研究。針對柔性襯底的特點，提出了PI襯底預處理方法，使得柔性器件的制備條件與已有微細加工工藝兼容。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備要求。柔性器件樣品測試結果顯示，其性能良好。此外，利用光衍射原理，通過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構的片上橋式結構器件犧牲層，緩坡角度