ZnO/SiO2/Si復合結構的聲表面波器件特性分析

朱 敏， 謝立強， 劉智榮， 包文歧， 徐才華

(陸軍工程大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

近年來， MEMS(Micro-electro mechanical systems)技術一直持續(xù)高速發(fā)展并得到了廣泛的應用。聲表面波(Surface acoustic wave，SAW)器件作為一類重要的MEMS器件，以其結構簡單、頻率特性好、敏感性強以及可無源無線工作等諸多優(yōu)點被大量研究和應用[1-3]。當前SAW器件應用范圍已經由傳統(tǒng)的濾波器、振蕩器等信號處理型器件拓展到傳感器、執(zhí)行器等多種功能器件，可實現對溫濕度[4-5]、壓力[6]、氣體[7]等的感測，可實現對微流體的驅動控制[8]，甚至可實現SAW馬達[9]。SAW器件主要采用石英、鈮酸鋰等壓電單晶體或者鋯鈦酸鉛等壓電陶瓷作為基底材料，該類壓電基底材料均勻性好，機電耦合系數大，聲表面波傳播損耗小。然而，獲得高純度壓電單晶體的代價很高，切片拋光定向等工藝較為繁瑣，其機電耦合系數與溫度穩(wěn)定性一般難以調和。壓電陶瓷在一致性、溫度穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性等方面存在的固有問題，使其較難獲得高性能。因此，在硅、金剛石等襯底上沉積多層壓電薄膜和介質薄膜的SAW器件成為一個較好的解決方案。在襯底上通過制備多層膜結構的方式制備SAW器件，非常有利于對器件性能的調控，如選用不同襯底和不同膜厚可以調控SAW的相速度，引入不同特性膜層可以相互補償溫度系數，從而提高器件的溫度穩(wěn)定性。復合膜結構還利于實現對特定傳感器的設計。

國內外學者開展復合膜結構SAW器件的研究有很多。在理論方面，Jin等[10]利用三維有限元方法分析了ZnO/金剛石上瑞利波和勒夫波的激發(fā)條件與振型模態(tài)。Luo等[11]利用有限元方法對IDT/(110)ZnO/SiO2/Si結構水平剪切波進行了分析，當hZnO/λ=0.2，hSiO2/λ=0.1時，機電耦合系數取得最大值為3.37%，TCF值接近于0，為-0.1×10-6/℃。王艷等[12]利用有限元方法研究SiO2薄膜的引入對ZnO/IDT/Si結構中瑞利波特性的影響，結果表明，雙層SiO2薄膜的引入可以提高器件的相速度、機電耦合系數以及實現溫度補償。在實驗方面，Lu等[13]制作了ZnO/SiO2/SiC結構的單端口諧振器，當hZnO/λ=0.2，hSiO2/λ=0.55時，測得器件頻率達到5 GHz以及TCF為0.7×10-6/℃。Su等[14]通過嵌入式電極和SiO2導波層，制作了SiO2/ZnO/(IDT+SiO2)/Al2O3結構的SAW器件，可以實現小的相速度vp、大的機電耦合系數k2和接近于零的頻率溫度系數(TCF)。陳穎慧等[15]通過射頻磁控濺射法將ZnO薄膜沉積在Si、金剛石襯底上，研究了襯底的不同、氬氧比和退火溫度等因素對ZnO薄膜質量的影響。

本文針對ZnO/SiO2/Si復合結構SAW器件開展相關理論分析與有限元仿真工作，分析SAW器件激發(fā)的瑞利波特性，如諧振頻率、相速度以及機電耦合系數等并通過實驗驗證，討論SAW器件的特性，為復合結構SAW器件的優(yōu)化設計提供理論指導。

1 建模與分析

ZnO/SiO2/Si復合結構的SAW器件結構示意圖如圖1所示。SAW器件基本結構由壓電襯底和金屬電極組成。金屬電極包括叉指換能器和反射柵兩種，其中叉指換能器(Interdigital transducers,IDT)由兩組周期分布、交替排列的梳指狀金屬電極組成，每組電極通過匯流條進行連接。叉指換能器的功能是在SAW器件的壓電薄膜表面激勵和檢測SAW，從而實現電信號與SAW信號之間的相互轉換。反射柵由周期性的金屬電極組成的陣列結構，可實現對所經過的聲表面波進行反射和透射。

圖1 ZnO/SiO2/Si復合結構SAW器件結構圖

在壓電基底上存在著聲場和電場的相互耦合，研究聲表面波的傳播特性就需要考慮運動方程和麥克斯韋電磁方程，這兩個方程通過壓電方程耦合得到壓電材料的耦合方程[16]

(1)

本文利用COMSOL有限元仿真軟件對復合膜結構SAW器件進行建模以及對式(1)進行求解，根據仿真分析得到的諧振頻率，計算得到該器件的聲表面波速度。

利用COMSOL對ZnO/SiO2/Si復合結構SAW器件進行建模，所建的三維結構模型如圖2所示。IDT選用均勻叉指換能器，λ為聲波波長，w為孔徑長度。利用周期性邊界條件，將沉積在ZnO薄膜上IDT電極簡化為一對電極組成的周期型結構，并且在仿真過程中忽略IDT的質量和勁度系數對器件的影響。與二維模型不同的是，三維模型建模時需要考慮IDT孔徑w的長度，使其更為貼近SAW器件的實際情況。定義器件在水平剪切方向z與傳播方向x的尺寸比例系數Q為[17]

式中：Q值一般在0.5～5之間。本文N取值為1，Q取值為1，則w=λ。

圖2 IDT/ZnO/SiO2/Si復合SAW器件模型

SAW器件模型的基本參數如表1所示，其中p為叉指電極中心距離，a為叉指電極寬度，h為叉指電極高度。

表1 SAW器件三維簡化模型參數

由于聲表面波能量主要集中壓電薄膜表面以下1～2波長范圍內，而且隨著襯底深度的增加，其振動幅度急劇衰減至0，所以在仿真模型中將襯底厚度設置為3λ即可。在Si襯底和ZnO壓電薄膜之間沉積一層SiO2薄膜可以改善ZnO薄膜的生長質量以及提高SAW器件的溫度穩(wěn)定性。當ZnO薄膜厚度與SiO2薄膜厚度比值為2∶1時，SAW器件的頻率溫度系數TCF接近于0[11]?；诖?，仿真模型中的SiO2薄膜設置為0.15 μm，ZnO薄膜厚度為0.3 μm，Si襯底厚度為24 μm。

模型建好之后，從COMSOL 軟件材料庫中添加材料，并根據實際情況對材料屬性進行修改。所使用Al、ZnO、SiO2以及Si材料參數如表2所示[14,18]。

模型邊界條件設定如下:仿真模型下表面設為固定約束，此時其電學邊界條件為零電荷。仿真模型前后面、左右面分別設置一組周期性邊界條件，用來規(guī)定兩側的電勢和位移是相等的。金屬電極上表面作為等電位區(qū)域，只需給其下表面使用邊界條件即可，左側終端的邊界設為電接地，右側終端的邊界接1 V電壓。其余的邊界條件在默認情況下分別是結構邊界中的自由邊界和電學邊界的零電荷邊界。

表2 仿真所用的材料參數

為了便于控制網格大小，使用的是用戶控制網格，將網格的大小設置為沿著模型厚度方向從下到上依次遞減。劃分的網格大小不宜過大或者過小，網格過大導致仿真精度不夠，而網絡過小致使計算量過大，仿真時間過長。選擇合適的網格大小既可以獲得較好的仿真精度又可以提高仿真效率。通過添加特征頻率研究、頻域研究來求解器件的諧振頻率、反諧振頻率以及計算在一個或多個頻率下的諧波激勵響應。圖3為特征頻率研究下的IDT/ZnO/SiO2/Si復合結構SAW器件振型圖，其諧振頻率和反諧振頻率分別為554.81 MHz和557.63 MHz。有反諧振頻率與諧振頻率的存在，是由于壓電薄膜表面IDT金屬電極的電極效應所引起的[14]。

圖3 SAW器件振型圖

由圖3可以看出，SAW的振動形式是在近表面以橢圓軌跡運動，而且振動位移沿厚度方向迅速減小，說明聲表面波的能量主要集中在壓電薄膜表面附近，這一點符合瑞利波的傳播特性。其表面振動位移隨著頻率變化的關系如圖4所示，當SAW器件的頻率達到諧振頻率時，其激發(fā)的振動位移達到最大，此時的電聲轉換效率也達到最大，器件的性能最佳。

圖5為頻域研究下得到的導納-頻率曲線圖，可以看出當Y11值取最大值即阻抗值最小時，此時對應的頻率為諧振頻率fr，器件的插入損耗最??；當Y11值取最小值即阻抗最大時，此時對應的頻率為反諧振頻率far，器件的插入損耗最大。

圖4 位移-頻率特性

圖5 導納-頻率特性

SAW器件的聲表面波速度vp以及機電耦合系數k2計算公式分別為

(2)

(3)

式中：λ為SAW器件的波長，fr為諧振頻率，far為反諧振頻率。由此計算得到SAW器件的聲表面波速度vp為4 449.76 m/s，機電耦合系數k2為1.24%。

2 實驗方法

基于前期仿真工作所確定的器件參數，通過實驗制備了與仿真模型結構相同的單端口SAW器件。同時為了分析反射柵在聲表面波傳播過程中的作用，制作一組單個IDT器件進行對比分析。器件參數具體如下：叉指電極和反射柵電極對數均為80對，電極寬度均為2 μm，電極中心距離均為4 μm，電極厚度均為150 nm，聲孔徑為2 000 μm，IDT與第一條反射柵電極之間的距離為3 000 μm。ZnO薄膜作為該SAW器件中最重要的部分，制備ZnO薄膜相較于制備其他壓電薄膜材料，更容易獲得單晶薄膜和擇優(yōu)取向薄膜。由于ZnO薄膜的(002)晶面自由能最低，所以在各類襯底上沉積ZnO薄膜都會趨向(002)晶面擇優(yōu)生長，所沉積的薄膜可作為壓電薄膜使用。本文制備ZnO 薄膜的方法采用電子束蒸發(fā)鍍膜。

實驗選擇的襯底是N100型硅片，首先將硅片經過有機清洗和干法清洗兩道工序后，采用英國牛津儀器OXFORD 100型設備在Si襯底上使用PECVD法制備厚度為0.15 μm的SiO2薄膜，之后采用沈陽科儀的電子束蒸發(fā)設備先后制備厚度為0.3 μm的ZnO薄膜。采用Lift-off工藝來制備金屬電極，即在光刻膠圖形上制備金屬圖層，然后通過剝離工藝將掩膜版上的電極圖形轉移到ZnO薄膜上。光刻之前，采用HMDS(六甲基二硅氮烷) 對襯底表面進行預處理，增強光刻膠與其表面的粘附性，方便后續(xù)工藝的進行。SAW器件制作工藝流程圖如圖6所示。經過上述工藝流程后，再通過劃片、裸片檢查、粘片、引線鍵合以及封裝之后就可得到單個完整SAW器件。

圖6 SAW器件制作流程圖

3 結果與分析

圖7(a，b)分別是試制的SAW器件及光學顯微鏡下的IDT細節(jié)圖。為了使其避免受到外界環(huán)境的影響，對SAW器件進行了簡易封裝。由圖7可以看出，SAW器件整體結構完好，未出現叉指短路、斷路等現象,所制器件的波長為8.03 μm,叉指寬度為1.98 μm，分別與器件設計值8.0和2.0 μm基本一致。

圖7 試制SAW器件圖

采用安捷倫E5063A矢量網絡分析儀測量帶有反射柵的SAW器件的S參數，通過SMA接口線將SAW器件與網絡分析儀連接后測試S11參數，得到如圖8所示的頻率響應曲線。由圖可看出，SAW器件的諧振頻率為553.26 MHz，插入損耗為-13.6 dB，相位為-70°。由此計算得到該SAW器件的聲表面波速度vp為4 426.08 m/s。進一步分析得該速度主要受到Si襯底、ZnO薄膜和SiO2薄膜三者共同影響，由于ZnO薄膜和SiO2薄膜的厚度h遠遠小于器件的波長λ，使得聲表面波的能量更多集中在Si襯底上，所以Si襯底對聲表面波速度的影響最大，其次是ZnO薄膜，最后是SiO2薄膜。但隨著ZnO膜的厚度增加，聲表面波的能量逐漸集中在ZnO薄膜中，聲表面波速度逐漸接近ZnO薄膜在理想條件下的相速度。通過與仿真結果對比分析得，兩者的諧振頻率和聲速是非常接近的，說明了仿真與實驗具有較好的一致性。

在對帶有反射柵的SAW器件分析完后，再對單個IDT的SAW器件進行分析，S11參數測試結果對比圖如圖9所示。測試得到的無反射柵結構的SAW器件的諧振頻域為553.21 MHz，插入損耗為-21.7 dB。由圖9可以看出，有無反射柵的兩種結構SAW器件的諧振頻率是非常接近的，帶有反射柵的SAW器件比無反射柵的SAW器件在諧振頻率處的S11增大了8.1 dB，說明反射柵的存在增強了回波信號，驗證了反射柵的反射特性。

圖8 頻率響應特性

圖9 器件S11測試結果對比圖

4 結論

本文通過理論與3D-FEM對ZnO/SiO2/Si復合結構的聲表面波器件進行了建模與分析，得到所建立的SAW器件的諧振頻率以及相應的頻率特性曲線。借助于仿真工作所確定的器件結構參數，然后通過實驗制作了與仿真模型參數相同的單端口SAW器件，對比兩者結果，具有較好的一致性。此外還對有無反射柵結構的SAW器件進行了分析，結果表明，兩種結構的SAW器件的諧振頻率是非常接近的，帶有反射柵的SAW器件比無反射柵的SAW器件在諧振頻率處的S11增大了8.1 dB，驗證了反射柵的反射特性。