微机电体声波谐振器的性能及片上结构研究

发布时间：2017-12-22 07:31

  本文关键词：微机电体声波谐振器的性能及片上结构研究　出处：《电子科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：随着无线通信系统小型化、高频化、集成化进程的不断深入,系统射频前端无源器件难以缩小体积、实现集成的问题愈发凸显。微机电体声波谐振器作为目前唯一能实现射频前端频率器件小型化、集成化的新型MEMS器件,成为各国学者的研究热点。同时,其高谐振频率、高Q值、高灵敏度同样使得它在传感器领域具有巨大的应用前景。微机电体声波谐振器基于半导体工艺、微细加工工艺制备,对设备依赖程度高,工艺难度大。器件的设计与工艺密切相关,涉及影响因素复杂。本文从器件建模,多物理场分析,关键膜层材料制备以及片上结构实现这几大方面展开系统研究。在普通工艺设备条件下,成功实现柔性结构以及桥式结构两种片上结构微机电体声波谐振器的制备。根据压电理论、固体中声波传输理论推导器件一维Mason模型、MBVD模型,建立了三维有限元模型实现器件电-声以及热学多物理场分析。研究了器件各膜层使用材料对其性能的影响。获得适宜作器件压电膜层材料AlN以及电极层材料Mo、W。提出使用水冷条件下溅射的非晶AlN代替传统PECVD高温制备的Si3N4作为器件支撑层材料,以减少器件制备过程中对不同工艺设备的依赖并降低器件结构的应力水平。提出使用声阻抗接近于空气的柔性基PI作为器件衬底,运用有限元仿真验证新型柔性结构器件的性能。从研究中得到PI厚度大于特定值7.5μm时,器件无需传统空腔结构或布拉格反射结构便能获得良好的谐振性能。研究器件三维结构对其性能的影响。器件有效机电耦合系数K_(eff)~2与电极层和压电层纵向尺寸之比密切相关,对Mo、W电极,当该值在0.15附近时,K_(eff)~2取得最大值。器件横向尺寸对性能的影响,在其与纵向尺寸之比低于50/1时不能忽略,此时,横波与纵波相互耦合器件性能迅速恶化。在电极形状对器件性能影响的研究中,发现使用正方形电极以及任意四边形电极能够增强器件性能。对比背刻型、空腔型以及固态装配型三种不同结构器件的热性能。深入研究固态装配型器件布拉格反射层层数、材料、谐振区面积对其热性能的影响。结果表明,固态装配型器件拥有更好的散热能力与力稳定性。为使器件更适宜于大功率条件下的应用,其谐振区面积不宜过小,反射层层数不能过多,低声阻抗层材料应在保证器件电性能的基础上使用高热导率材料代替传统低热导率材料SiO_2。在器件理论仿真分析的基础上,本文重点研究了新型柔性体声波谐振器各关键膜层材料的制备。研究溅射功率、气压、衬底温度对PI上生长Mo膜、W膜晶向,微结构及电学性能的影响。成功在PI上获得了低粗糙度、低电阻率、致密的(110)择优取向的Mo、W电极层薄膜。其最优制备工艺条件分别为Mo膜:溅射功率200 W,溅射气压1 Pa、衬底温度为水冷;W膜:溅射功率69 W,溅射气压1 Pa,衬底温度100°C。对比刚性衬底(Si、SiO_2)以及PI上生长电极层W薄膜的异同。系统研究溅射功率、氮氩比、溅射气压以及衬底温度对PI上生长AlN薄膜晶向及微结构的影响。成功在PI上获得了c轴取向压电层AlN薄膜。其最优制备工艺条件为:溅射功率200 W,氮氩比4/1,工作气压0.5 Pa,衬底温度为水冷。最后,本文对两种片上结构微机电体声波谐振器的制备工艺进行了讨论及研究。针对柔性衬底的特点,提出了PI衬底预处理方法,使得柔性器件的制备条件与已有微细加工工艺兼容。系统地研究了PI上电极层、压电层图形化工艺,灵活调整压电层与顶电极层刻蚀顺序,制备了新型柔性体声波谐振器,降低了体声波谐振器的制备成本及设备要求。柔性器件样品测试结果显示,其性能良好。此外,利用光衍射原理,通过控制掩膜版与光刻胶之间的距离,采用干法刻蚀,成功制得具备缓坡结构的片上桥式结构器件牺牲层,缓坡角度约为25°。解决了牺牲层上沉积的多层薄膜在器件边缘处因应力集中而出现开裂的问题。最终完成了器件制备与性能测试。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN65

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