基于Mo/SiO2布拉格聲反射器的體聲波諧振器的制備及其性能分析

謝紅， 熊娟， 杜鵬飛， 鐘偉明， 秦杰， 顧豪爽

(湖北大學(xué)物理學(xué)與電子技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430062)

0 引言

近年來(lái)薄膜體聲波技術(shù)在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，基于電聲換能器的薄膜體聲波諧振器(FBAR)也開(kāi)始引起人們的關(guān)注[1].自Sauerbery首次提出石英晶體微天平(QCM)的質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)以來(lái)，QCM在過(guò)去的幾十年里廣泛地用于物理、化學(xué)及生物檢測(cè)領(lǐng)域.由于其工作頻率在MHz范圍，導(dǎo)致檢測(cè)靈敏度較低，使得其檢測(cè)范圍受到限制.而工作在GHz的薄膜體聲波諧振器由于尺寸小、靈敏度高，且制作工藝與現(xiàn)有的集成電路工藝兼容，符合目前集成傳感器的發(fā)展趨勢(shì)[2-5].

目前存在3種結(jié)構(gòu)的體聲波諧振器：硅反面刻蝕型、空氣隙型及固態(tài)裝配型(solidly mounted resonator，SMR).其中前兩者均通過(guò)壓電薄膜上下的空氣界面來(lái)反射聲波，雖然這兩種結(jié)構(gòu)的器件Q值(品質(zhì)因數(shù))較高，但部分襯底被移除而導(dǎo)致機(jī)械牢固度較差. SMR型諧振器依靠交替沉積高、低聲阻抗材料組成布拉格聲反射器，其作用近似等效于零聲阻抗的空氣界面，可防止聲波從硅襯底處泄露，從而提高器件Q值[6-8]. SMR型諧振器通過(guò)采用多層布拉格聲反射層形成諧振腔，從而限制聲波能量的泄露，提高器件性能，但是對(duì)于多層布拉格聲反射層的制備具有嚴(yán)格的要求.在材料選擇上，需要材料聲阻抗比值較大.可用于制作聲反射層的材料組合有W/Al、Mo/Ti、W/SiO2、Mo/SiO2等.薄膜制備方面，要求精確控制各層膜的厚度，以實(shí)現(xiàn)聲波全反射的條件，同時(shí)由于聲波是沿著薄膜厚度方向傳播，因此反射層表面粗糙度應(yīng)該盡可能低，以減少其對(duì)聲波能量的散射.本文中采用Mo/SiO2作為布拉格聲反射層，其聲阻抗比為4.6，比Mo/Ti反射層的聲阻抗比2.3大，更利于減少器件聲波能量的泄露.由于AlN薄膜的頻率溫度系數(shù)為-25 ppm/K，即中心頻率會(huì)隨著溫度上升而下降，而采用具有正溫度系數(shù)的SiO2作為聲反射層薄膜可以實(shí)現(xiàn)諧振器溫度補(bǔ)償，從而避免由于頻率漂移而引起器件Q值下降[9].

此外，SMR型諧振器機(jī)械牢固度較好且便于集成電路工藝制作，因此本文中制作了SMR型諧振器并研究了其相關(guān)的性能.利用射頻反應(yīng)磁控濺射法制備AlN 和Mo/SiO2薄膜， 簡(jiǎn)化在硅襯底上制備FBAR的微機(jī)電系統(tǒng)MEMS(micro electro mechanical system)工藝，為實(shí)現(xiàn)在硅襯底上集成FBAR質(zhì)量傳感器， 進(jìn)一步應(yīng)用于生物分子檢測(cè)領(lǐng)域的微質(zhì)量傳感奠定了基礎(chǔ)[10].

1 實(shí)驗(yàn)

圖1 SMR型諧振器截面結(jié)構(gòu)示意圖

Mo/SiO2薄膜的制備采用JGP560C12型超高真空多功能磁控濺射設(shè)備，以純度為99.999%、幾何尺寸為Φ60 mm×5 mm的金屬鉬和多晶硅作為濺射靶材，并向?yàn)R射室通入高純度的Ar(99.999%)和O2(99.999%)作為工作氣體.實(shí)驗(yàn)采用的基片為P型(100)硅片，濺射前采用標(biāo)準(zhǔn)工藝清洗.通過(guò)模擬計(jì)算確定組成器件的聲反射層、壓電層及電極的厚度，在優(yōu)化的工藝參數(shù)條件下，交替沉積Mo、SiO2薄膜形成聲反射層，隨后沉積110 nm的底電極Pt/Ti，在優(yōu)化的工藝條件下沉積1 143 nm的c軸擇優(yōu)取向AlN為壓電薄膜，最后通過(guò)光刻、濺射、剝離形成100 nm上電極Au.制備的SMR型諧振器如圖1所示.

采用日本島津(SHIMADZU)SPM-9500J3型原子力顯微鏡(AFM)分析薄膜表面形貌及粗糙度，用S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)表征聲反射層截面形貌，用微波探針臺(tái)和HP8720D型Agilent網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試器件性能.

2 結(jié)果分析

2.1沉積工藝條件對(duì)薄膜的影響圖2研究濺射工藝參數(shù)：濺射氣壓、濺射功率、襯底溫度對(duì)SiO2薄膜表面均方根粗糙度(RMS)的影響.

圖2 濺射氣壓(a)、濺射功率(b)、襯底溫度(c)對(duì)SiO2薄膜表面粗糙度的影響

從圖2(a)可以看到濺射氣壓在0.4～0.8 Pa之間沉積的薄膜具有較低的表面粗糙度，原因是在低氣壓下濺射粒子受到散射碰撞較少，離子能量損失較小，因而在襯底上形成的原子團(tuán)遷移率較大，生長(zhǎng)的薄膜粗糙度較低.圖2(b)中隨著濺射功率的升高，薄膜的粗糙度有先降低后升高再降低的趨勢(shì).綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考慮到功率升高可提高沉積速率，且在150 W時(shí)薄膜的粗糙度比較低，因此150 W為最佳濺射功率.圖2(c)顯示在溫度為150 ℃以下時(shí)，薄膜的表面粗糙度較低，而隨著溫度繼續(xù)升高，薄膜的表面粗糙度開(kāi)始顯著增加.獲得的最佳濺射工藝參數(shù)如表1所示.

表1 聲反射層薄膜最佳濺射工藝參數(shù)

2.2Mo/SiO2聲反射層的形貌圖3是在優(yōu)化條件下制備的SiO2薄膜的AFM表面形貌圖，其表面均方根粗糙度為0.278 nm. 圖4是在優(yōu)化條件下制備的Mo/SiO2反射層的FE-SEM截面圖，從圖中可以看到，膜層之間界面清晰平整，同時(shí)為了能精確控制薄膜的厚度，實(shí)現(xiàn)聲波在諧振腔的全反射，在優(yōu)化的工藝下確定了薄膜的沉積速率為8.6 nm/min.設(shè)計(jì)的聲反射層各層厚度為λ/4，即Mo和SiO2的厚度分別為629 nm和520 nm，為提高聲波能量反射效率，制備具有良好性能的器件奠定了基礎(chǔ).

2.3SMR性能分析SMR的頻率響應(yīng)特性通過(guò)微波探針臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)表征，測(cè)試結(jié)果如圖5所示. 從測(cè)得的頻率響應(yīng)特性可以看到，所制備的SMR型諧振器的中心頻率在1.7 GHz，其回波損耗為-55.095 dB，其曲線光滑平整，未出現(xiàn)諧波，表明實(shí)驗(yàn)所制備的以Mo/SiO2為聲反射層的SMR型諧振器具有較好的抑制諧波的性能，適合制備質(zhì)量傳感器.

圖3 SiO2薄膜的AFM圖

圖4 Mo/SiO2截面SEM圖

圖5 SMR的S11特性曲線

3 結(jié)論

在優(yōu)化的工藝條件下制備出界面清晰平整，結(jié)構(gòu)致密的Mo/SiO2聲反射層薄膜，以c軸擇優(yōu)取向的AlN薄膜為壓電層，采用MEMS工藝制備出諧振頻率為1.7 GHz的SMR型諧振器.測(cè)試結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)所制備的SMR型諧振器具有較好的抑制諧波的能力，其回波損耗較小，可用于制作質(zhì)量傳感器.

[1] 熊娟， 顧豪爽， 胡寬， 等. 固態(tài)封裝型的體聲波諧振器的制備與性能分析[J].壓電與聲光， 2009，31(5):613-615.

[2] 馬紹宇， 韓雁， 董樹(shù)榮， 等. 基于薄膜體聲波諧振器的高靈敏度質(zhì)量傳感器[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展， 2008，28(2):304-307.

[3] 王德苗， 金浩， 董樹(shù)榮， 等. 薄膜體聲波諧振器(FBAR)的研究進(jìn)展[J].電子元件與材料， 2005，24(9):65-68.

[4] 湯亮，郝震宏，喬?hào)|海. 2.4 GHz射頻薄膜體聲波諧振器的研制[J].功能材料與器件學(xué)報(bào)， 2009，15(1):27-33.

[5] Lin R C， Chen Y C， Chang W T， et al. Highly sensitive mass sensor using film bulk acoustic resonator[J].Sensors and Actuators A， 2008，147(2):425-429.

[6] Wingqvist G， Bjurstroma J， Hellgren A C， et al. Immunosensor utilizing a shear mode thin film bulk acoustic sensor[J].Sensors and Actuators B， 2007，127(1):248-252.

[7] Enlund J， Martin D. Solidly mounted thin film electro-acoustic resonator utilizing a conductive Bragg reflector[J].Sensors and Actuators A， 2008，141(2):598-602.

[8] Mai L， Pham V S， Yoon G. ZnO-based film bulk acoustic resonator devices on a specially designed Bragg reflector[J].Appl Phys A， 2009， 95(3):667-671.

[9] Bjurstrom J， Wingqvist G， Yantchev V， et al. Design and fabrication of temperature compensated liquid FBAR sensors[J].IEEE Ultrasonics Symposium， 2006:894-897.

[10] Sharma G，Liljeholm L， Enlund J， et al. Fabrication and characterization of a shear mode AlN solidly mounted resonator-silicone microfluidic system for in-liquid sensor applications[J].Sensors and Actuators A， 2010， 159 (1):111-116.