AlN薄膜及声表面波器件制备研究

发布时间：2020-09-01 19:19

　　近些年,随着各国研究机构对AlN薄膜应用领域的大力拓宽,AlN薄膜也被应用在了SAW传感器领域,而且也已经出现了很多相关研究的报道。但是在这些报道中,基本采用的都是一些有硬质刚性单晶衬底或者机化合物衬底,例如Si、金刚石、聚酰亚胺、LGS、聚乙烯等,而刚性衬底无法应用于一些弯曲表面的测试,有机化合物衬底则会在超过400℃的工作环境中发生分解甚至会释放出气体,这极大地局限了SAW器件的应用前景。为了能够解决这些局限性,本文提出了采用耐高温的柔性合金作为衬底,就可以完美的解决弯曲表面的测试和耐高温的要求,例如本文中应用的柔性哈氏合金衬底,其可以在1000℃以上的温度中工作。从科学和应用研究方面,在耐高温柔性金属衬底上制备出高性能SAW传感器具有重要的意义。首先,通过研究C轴择优取向AlN薄膜在氮气和真空两种氛围中退火一定时间后发现AlN薄膜的FWHM有了较为明显的降低,晶粒有了较为明显的长大,表面RMS粗糙度也有了明显的升高;然后本文研究了不同溅射气压、溅射功率、氮气含量下制备出的AlN薄膜的压电性能,并测试了其压电系数,发现随着FWHM的减小,压电系数会逐渐增大。为了能够进一步的反映FWHM与压电系数之间的关系,我们参考Lughi模型建立了其之间关系的物理模型,并通过该模型验证了本文中得到的FWHM与压电系数之间的函数关系。其次,通过分析传感器结构,确定了传感器的设计参数:IDT宽度10μm、波长40μm、叉指对数50对、金属化比例1、孔径长度100倍波长、叉指电极与反射栅相距30μm、反射栅对数100对。接着利用Comsol软件对该器件结构进行了仿真,分析了对称和反对称两种模态的特征频率,得到了SAW的传播速度为2964.66 m/s;接着仿真了薄膜厚度和电极厚度对特征频率的影响,发现随着AlN薄膜厚度的增加特征频率也会相应的增加,然而随着电极厚度的增加特征频率却是减小的。最后,采用微细加工工艺制备了基于AlN/Y2O3/Hastelloy衬底的SAW传感器,并且优化了其微细加工工艺的参数;接着对制备好的SAW传感器进行测试发现,器件在74.21MHz处出现了谐振峰,说明该器件具备了SAW传播特性,但是其S11达到了-2dB,通过分析导致SAW传感器性能并不理想原因主要有两点:(1)AlN压电薄膜表面存在这大量的异常长大的晶粒所形成的黑点,而且黑点的直径可以达到10μm,这与叉指电极宽度在同一个量级,可能会导致叉指电极和反射栅断路或者短路,这对SAW器件的性能造成了极大的影响;(2)由于本文采用的是Hastelloy柔性金属带材作为衬底,其厚度只有0.1mm而且其本身也是弯曲的。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TQ133.1;TB383.2

【参考文献】