体声波谐振器空腔结构研究

发布时间：2017-11-19 22:05

  本文关键词：体声波谐振器空腔结构研究

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【摘要】：近年来随着无线射频通讯器件向着小型化、高频化、高性能和可集成的方向发展,体声波(BAW)谐振器作为一种新型的射频MEMS器件,成为射频前端基础器件的研究重点。同时,由于其灵敏度高、体积小、能够实现无线收发信号等特点,在传感器领域也获得了突飞猛进的发展。空腔型体声波谐振器(FBAR)是BAW谐振器中的一种重要结构,具有Q值和有效机电耦合系数双高的特点。实现实用化的FBAR的设计影响因素复杂,对材料性能和器件结构的精密性要求极高,工艺门槛高。本文使用多类仿真工具、多种仿真模型优化FBAR设计,阐述FBAR的材料和结构对器件性能的影响变化规律。通过对不同薄膜材料的微观(如结构、形貌等)和宏观(如应力、折射率等)特性进行研究,获得提高FBAR力学稳定性及声学优异性的材料基础。通过优化实验方案,解决FBAR实现过程中的突出难点,实现一套在低设备门槛下有效制备FBAR的方法。从模拟仿真、材料制备、器件工艺和测试各方面进行研究,取得系列成果和创新。1.空腔型体声波谐振器的仿真使用Mason模型研究组成FBAR材料的种类、材料的参数对器件谐振特性的影响,从而确定了FBAR的材料设计方案:采用Mo和AlN分别作为电极层和压电层。使用MBVD模型研究FBAR的等效电路,重点研究该模型中R-L-C参数的提取方法。使用3D有限元模型仿真实际电极形状对谐振特性和振动模态的影响,得出三角形电极的FBAR的能量分散较小。直观表征了FBAR剖面在串并联谐振处的能量分布特征。通过模拟电压对谐振模态的影响,得出电压对谐振模态和表面密度分布状态没有影响的结论。2.材料制备研究使用非晶硅薄膜作为牺牲层材料,采用电子束蒸发和磁控溅射两种PVD方法进行沉积。研究电子束蒸发的背景真空度、沉积温度和沉积速率对薄膜结构、粗糙度、致密度、应力等的影响,并对蒸发硅膜的均匀性、共形性、I-V特性、硬度和杨氏模量作出讨论,得出蒸镀非晶硅牺牲层的最佳参数:背景真空1×10-3 Pa,基底温度150℃,沉积速率3~4?/s。选用磁控溅射法的溅射压强、温度、功率为变量参数,研究其对溅射非晶硅薄膜的结构、表面形貌、致密度、沉积速率和残余应力的影响,得出较合适的溅射非晶硅牺牲层的条件为:压强0.5 Pa,功率150 W,基底温度200℃。和传统的PECVD方法相比,使用PVD法制备的非晶硅薄膜的粗糙度和均匀性等性能相差不大,并且后者制备的薄膜由于密度较小而便于刻蚀,工艺设备简单,无需SiH4等有害气体。研究AlN压电层材料,提出在水冷条件下溅射高取向的Al N薄膜。对比水冷条件下AlN薄膜在Si(111)、Si(100)、SiO2和非晶硅四种Si基底上的沉积特性,得出在SiO2上沉积的AlN(002)薄膜取向较好,表面粗糙度最小,柱状结构明显,更加适合作为FBAR结构中的压电结构层。然后以SiO2为基底,着重研究溅射功率和N2/Ar流量比对AlN薄膜的结构、表面和断面形貌、应力等的影响,得出最佳溅射功率为150W,最佳N2/Ar流量比为3:1。研究金属Mo膜作为电极材料,探索不同类型Si基底对溅射Mo膜性能的影响,得出在Si O2上沉积的Mo膜取向较好,应力最小。然后研究溅射压强、温度和功率对Mo膜结构、表面形貌和应力的影响。通过对比,选取溅射压强为1.0 Pa、基底温度为200℃、溅射功率为150 W时的条件比较好。3.器件制备根据所选用FBAR材料的刻蚀特性,首先改变工艺顺序,将牺牲层的释放改为在制备FBAR压电层主体结构之前,从而避免牺牲层和压电层的刻蚀选择性问题。在释放非晶硅牺牲层时,采用AlN/非晶硅双层牺牲层结构,解决了被掩膜覆盖部分的牺牲层由于侧向腐蚀速率太慢而无法释放的问题。在对牺牲层多余部分采用CMP(化学机械抛光)工艺去除时,采用lift-off(剥离)方法,缩短了CMP时间,并且使得采用一般的小型CMP设备能够达到制备FBAR的工艺标准。最终制备出了牺牲层凹槽干净、结构完整、边缘平滑整齐、薄膜无开裂的空腔型体声波谐振器,并测得并联谐振频率为1.502 GHz。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN629.1

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本文编号：1205042