（微电子学与固体电子学专业论文）适合体声波器件的多层膜的制备与性能.pdf

摘要 为了研制高频大功率的b a w 器件所需的基底材料，本文构建制备了“a l n a l s i 和 “z n o a l s i ”的多层膜结构。氮化铝( a l n ) 是一种重要的宽带隙i i l v 族化合物半导 体材料，为纤锌矿性晶体结构，并且具有许多优异的物理性能，其较高的声波速度在g h z 级体声波器件等方面有着极其重要的应用。氧化锌( z n o ) 晶体结构与a l n 相同，它是 一类具有六方纤锌矿晶体结构的宽禁带l i 一族化合物半导体材料，正是其具有许多优 良的物理性质，z n o 薄膜在体声波器件方面也得到了广泛的应用。 本文围绕着“a l n a l s i 和“z n o a l s i ”的多层膜结构，主要开展了以下的工作： 利用射频磁控溅射法在s i 衬底上制备a l n a l s i 多层膜结构，着重研究了不同的后 期处理条件与衬底温度对薄膜性能的影响，采用了x r d ，a f m 等测试手段对薄膜进行 了分析，最终得出：( 1 ) 样品在实验结束后在压强1 p a 条件下通入n 2 并持续加热l h 后， 有利于a l n ( 0 0 2 ) 晶面择优生长，并且经过后期处理后的薄膜表面比较平整，粗糙度得到 了明显的改善。( 2 ) 而不同的衬底温度对薄膜的形貌结构也有着重要的影响，研究表明， 当衬底温度为3 0 0 时，薄膜主要按( 0 0 2 ) 晶面生长，所对应的表面粗糙度也最小。( 3 ) 靶基距较小时，有利于( 0 0 2 ) 择优取向，且结晶质量更好，晶粒尺寸变大，晶粒排列致密。 此外，靶基距较小时所制备的砧n 薄膜与基底结合的更牢固。 利用射频磁控溅射法在s i 衬底上制备z n o a l s i 多层膜结构，采用x i ，s e m 等 测试手段对薄膜进行了分析，分析表明：( 1 ) 在温度2 0 0 ，压强l p a ，功率1 0 0 w ，氩 氧比为8 ：4 ，靶基距5 锄，溅射时间为1 2 0 m i n 的条件下制备z n o 薄膜，并且在4 0 0 的条件下进行后期处理后发现，( 0 0 2 ) 峰的半高宽明显减小，晶粒尺寸增大，薄膜呈现 明显的( 0 0 2 ) 取向择优生长。( 2 ) 不同的衬底温度对z n o 薄膜的定向性和粗糙度也有 着重要的影响。结果表明，当衬底温度为3 5 0 时，薄膜呈现较好的( 0 0 2 ) 择优取向， 随着衬底温度的升高，晶粒呈先变大再变小的趋势。( 3 ) 利用p f m 法测试分析了z n o 薄膜的压电性能，结果发现垂直薄膜表面方向与平行于薄膜表面方向上同时具有压电响 应。 关键词：b a w ，a l n a l s i ，z n o a l s i ，后期处理，靶基距，衬底温度 a b s t r a c t t ot h ed e v e l o p m e n to fb 弱em a t 嘶a l 硒r h i 曲- f i 嘲u e i l c yh i 曲- p o w e rb a w d e v i c 嚣，w e c o n s t r u c tt h e ”a l n a i s i 锄d ”z n 0 忱l s i o ft h em u l t i l a y e rs t m c n l r e a l ni sak i n do f i m p o r t 锄t i i i vc o m p o u n ds e m i c o n d u c t o rm a t e f i a lw i t hw i d eb 锄d g a p ，w t l i c hh 嬲w u n z i t e c w s t a ls t r u c t u r e 觚dm a n yc x c e l l e i l tp h y s i c a lp r o p e n i 销a l nt h i nf i l m sw e r e 印p l i c dw i d e l y i i lb a wd e v i c c sf o ri t sh i g l l e ra c o u s t i cv e l o c 耐i ng h zl e v e l z n oi sai i c o m p o u n d s 锄i c o n d u c t o rm a t 甜a lw i t hw i d e b a i l d - g 印，w h i c h h 雒 h e x a g o n a lm j r t z i t e 叩，s t a l s 仃u c t l 玳f o ri t se x c e l l e n tp h y s i c a lp r o p 积i e s ，z n of i l m sa r e 晰d e l y1 l s e di nb a wd e v i c e s 觚) u n d a 1 n a l s i f t 觚d ”z n o a l s i t o ft h e 舢l t i l a y e rs 仃u c t i l r e ，t h i sp a p e r sw o r k sa r e 嬲f 0 i l o w s ： u s 吨r fm a 印e 仃0 ns p u n e r i n gm e t h o dt op r 印a r ea l n a l s is t m c t u r eo n 廿l es i s l l b s t r a t e ，t l l i sp a p e rs t u d i e st h ei n f l u c i l c eo fp 柏n i l 锄c eo ft h ef i l ma tt h ed i 行柏l tp o s t p r o c s i n gc o n d i t i o n sa l l ds u b s t r a t et 锄p e r a t l l r c t l l ef i l mi s 锄a l y z e db yt l l ex 1 m 锄d a f m ，f i n a l l yc o n c l u d e dt l l a t ：( 1 ) a r e rt l l ee x p 耐m e i l t ，t l 坨s 锄p l ei sc 0 删m e dh e a t i n gf o rl h o u r 踟u n gn 2a t 1p ap 佗s 吣i t ，sh e l p 削f o fa l nt 0g r o wa c c o r d i n gt 0 ( 0 0 2 ) 叫s t a l 嘶t a t i o 玛a n d心e rp o s tp f o c 髓s i n gr o u g i l l l e 鼹 g o t0 b v i o u s l yi l i l p r 0 v e d ( 2 )d i 姗 s i i b s 们t et e i i l p e r a t l l r eo nt h em o r p h o l o g yo f6 l ms 仇j c t l l r ea l s oh 硒锄i m p o r t a n te 仃e c t s t u d i 髓 s h o wt h a t ，w h t l l es u b s t l a t et 锄p e r a t u r ei s3 0 0 ，t h ef i l mm a i l l l yg r o wa c c o r d i n gt 0 ( 0 0 2 ) c r y s t a lo n e n t a t i o l l ，觚dm es t j r f a c er o u g i l i l e s si sm em i l l i m a l ( 3 ) t h es m a l lt a r g 研- s l l b s 仃a t e d i s t 觚c ei sc o n d u c i v et o l e ( 0 0 2 ) p r e f i 酐c do r i e n t 撕o n 锄dab e t t e rc 巧s t a l l i n e ( m l i t y ：1 1 1 e g r a i ns i z ei i l e 鹤销觚d 鲥n 锄- 觚g e sc 0 m p a c t l y i l la d d i t i o l l ，t l l ec o m b i n a t i o no f a l n 蚰n f i l mp r 印a r e da n dm et i 唱e tb a s ek e 印s 丘咖e u s i n gr fm 明皿e 们ns p u t t e r i n gm e t i l o dt op r 印a r ez n ) a l s is 协l c t u r eo nt h es is l l b s 仃a t e 1 1 1 ef i l l l li s 锄a l y z e db ym ex l l d 锄ds e m 锄d 圮趾a l y s i ss h o w st l l a t ：( 1 ) t h ep r 印a r a t i o n c o n d i t i o n so fz n o 吐l i n6 l ma r c 弱向l l o w s ，t e m p e r a t u r eo f2 0 0 ，p r e s s u r eo f1p 毛p o w e ro f 10 0 w n 2 ：a r = 8 ：4 ，t 鹕e td i s t a i l c ca t 5 锄，s p u t t 鲥n gt i i i l e 衙1 2 0m i n u t e s a r 盯p o s t p r o c c s s i n ga t4 0 0 h a l 仆e i 咖w i d t ho f ( 0 0 2 ) p e a ki so b v i o u sr e d u c e d ，g r a i ns i z ei n 咖e s ， t h ej e i l mo b v i o u s l yg r o w sa t ( 0 0 2 ) p r e 衙e do d c n t a t i o n ( 2 ) d i f 勋锄ts u b s 仃a t et 唧c r a n e a l s oh 硒a ni m p o r t a i l te 侬i c to no r i e i l t a t i o n 锄dr o u g i u l e s so fz | n ) t l l er e 跚l t ss h o wt l l a t ，w h e l l s u b s t l a t et e m p e r a t u r ei s3 5 0 ，t h ef i l mh a sag o o d ( 0 0 2 ) p r e f - c 1 1 r e do r i e i l t a t i o n a l o n gw i mt h e s u b s t r a t et 锄p e r a t l l r er i s e s ，t h eg r a i l ls i z ei n c r e a s e s6 r s tm 即d e c r e a s e s ( 3 ) u s i n gt h ep f m m e t h o dt 0a n a l y z ep i e z o e l e c t r i cp r o p e n i e so fz n ot h i nf i l m ，锄dw ef o u n d b o t ho fm ev e n i c a l d i r e c t i o n 锄dp a r a l l e ld i r e c t i o no ft h ef i l ms u 血c eh a v ep i e z o e l e c t r i cr e s p o n s e k e yw o r d s ：b a w ，a l n a l s i ，z n o a l s i ，p o s tp r o c e s s i n g ，t a 唱e t s u b s t r a t ed i s t a n c e ，s u b s t r a t e t e r i l p e r 舭 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近些年来，随着高新科技的不断进步，使得个人终端通信系统、卫星导航和军事雷 达应用等其他各个种类的无线通讯技术飞速的发展，而目前通讯系统所能够实现的功能 也同益强大，而他们共同的特点都是在向着高频率、高功率和高速度的方向在向前不断 发展。由于人们近来逐步重视通讯器件的微型化、低功耗、集成化以及高性能的特点， 于是人们越来越转向体声波器件方面的研究。 目前滤波器件主要有：有源滤波器( 以硅c m o s 为基础) 、微波陶瓷和声表面波 ( s a w ) 滤波器。有源滤波器( 以硅c m o s 为基础) 有很多优点，其中之一在于能够 集成于信号处理电路中，但是它也存在无法改变的缺点，衬底材料在通信应用中存在很 大缺陷，介电常数不高，制成器件后所造成的噪声较大，不能满足高频器件对于其速度 的影响，所以到目前为止在微波频段上的应用还达不到，尤其这种电路与系统中的前段 滤波器是射频频段的。 陶瓷滤波器件的研制弥补了有源滤波器的许多缺点，其中相比于有源滤波器来说， 其应用的材料介电常数较高，它的工作原理主要如下，电磁波首先发出大量的能量，而 陶瓷器件将收集这些能量并储存起来，形成振荡，再利用各种途径处理这些信号，实现 所需要的功能。而它主要的优点是插入损耗比较低，功率容量比较大，制作工艺相对来 说成熟，但自身的缺点也是无法改变的，它的体积相对较大( 一般在锄的数量级) ，不 能与i c 兼容。 声表面波器件的主要组成部分包括电极材料和压电材料等等，利用先进的半导体工 艺技术在薄膜层上做出叉指换能器，施加一交变电压，由于其压电薄膜存在逆压电效应， 能够实现电、声能的相互转换，于是声表面波形成，传播介质是在压电材料的表面，由 压电材料的压电效应实现声、电能的相互转换。声表面波器件有诸多优点，比如品质因 数和带阻较大，而且有较好的带外抑制作用，体积小( 封装前的芯片的尺寸数量级一般 在几百微米) ，它的质量轻，一致性较好，便于批产，但是它也存在很多缺点，谐振频 率不易控制，受到叉指形状的制约，当频率达几g h z 的级别时，对叉指的尺寸要求就 很高，限制到最小，于是对光刻技术的要求就更高，要达到深亚微米级别的程度，只有 最先进的光刻设备才能到达这么高的要求，于是成本和制造难度就加大了，从而就限制 了声表面波滤波器在高频领域中更广泛的应用。而且叉指过细在复杂的环境中又存在易 断的危险，又存在在工艺上面和c m o s 工艺很实现兼容等缺点【l 】。 由于上面提到的有源滤波器件在衬底材料上存在的诸多问题，陶瓷器件又存在插损 和体积等问题，声表面波器件的插指尺寸等问题，不能满足现代通信系统的要求，除此 第一章绪论 之外，后两种器件只能单独存在，不能与i c 系统集成，与当今系统所要求的微集成化 相背离1 2 】。因此人们逐步把目光转向于更新功能的滤波器件。近年来，微机电系统 ( m e m s ) 技术的出现加速了系统向着微型化的方向继续快速发展【3 1 。与此同时现阶段 薄膜材料的制备技术也同益完善，使得高k t 、高q 值的薄膜压电材料也越来越容易制 备出来，目前薄膜制备技术r 益强大，f b a r 也由此不断地向前发展。f b a r ( 薄膜体 声波谐振器) 是目前为止全新的滤波器解决方案，它比介质陶瓷谐振器的体积更小，插 入损耗和元件尺寸也比声表面波谐振器小很多，而且他还有更高的能量转换效率和更强 的外界功率承受能力。而它更突出的优点是与射频电路中的前端电路结合性好，因此能 够应用于射频电路中，更好的体现其集成化和微型化的特剧4 1 。其主要优点如下【5 6 1 ： ( 1 ) f b a r 滤波器有较宽的频带。 ( 2 ) f b a r 滤波器的q 值较高，相对来说频带插入损耗较低。其数值最小达到l d b 左右。 ( 3 ) f b a r 滤波器频率高，辐射面大，其数值可达2 0 g h z 的大小，在通信应用中 对于覆盖大范围的要求能够得到满足。 ( 4 ) f b a r 滤波器具有很小的体积。与电磁波相比，声波的传播速度要低的多， 所以该滤波器尺寸就小。 ( 5 ) f b a r 滤波器具有较强的抗干扰能力。体声波在传播过程中受外界干扰较小， 所以其应用广泛。 ( 6 ) f b a r 滤波器具有较小的温度系数。当a l n 作为f b a r 的压电薄膜时，温度 系数可达1 0 + 1 咖o c 左右。 综上所述，f b a r 滤波器已被公认为是最先进的应用在g h z 频段的先进滤波器件。 1 2f b a r 技术的发展 早在上世纪6 0 年代的时候b a w 的概念就已经被人们提出来了，它被用来以拓展石 英晶振在高频端的应用，而f b a r 这一词的由来是在1 9 9 9 年【4 1 。早在1 9 6 5 年，n e w e l l 就制成了当时世界上第一个基于布拉格反射层结构的谐振器【7 1 ，而在1 9 6 7 年的时候， s l i c k e r 和r o b e n s 就制成了c d s 材料的器件【8 】，可是由于当时工艺条件的制约，设备功 能的不完善，一切的科研成果也只能诞生在实验室中，尚未达到工业生产的水平，所以 当时这项研究没有一直持续下去。而之后在1 9 8 0 年，l a k i n 和w a n g 首次在硅片上实现 了一项最新技术，研制了一种新型薄膜型谐振器，频率为4 3 5 m h z 【9 】，其后k j r i s t u l a s w 锄y 和r o s e n b a u m 等人于1 9 9 0 年首次制备了g h z 的f b a r 滤波器件【1 0 】。这期间，随着m e m s 工艺技术的发展壮大和人们不断对科技的探索创新】以及压电薄膜技术的不断向前发 展，f b a r 技术开始显现出了它的产业化的前景。 1 9 9 9 年，安捷伦公司的r u b y 等人也实现了一项新技术，他们经过不断地研究探索， 制作出了最新的b a w 双工器，它被用于美国p c s l 9 0 0 m h z 频段中【4 】，并随后该公司对 这项最新科技产品实行量产【l2 1 。而在0 5 年该公司做出一项重大战略举措，售出了公司 第一章绪论 分属的半导体产业，卖给了安华高公司，该公司并于0 6 年的1 月对外发布了其在全球 的发货总量的数目，该产品应用于体声波器件方面的数量是2 亿余只，主要是应用在手 机器件方面的产品，而且声称前十大c d m a u sp c s 手机已经有九款采用了其公司生产 的f b a r 滤波器与双工器的产品，前五大w c d m a 手机已经有四款采用其公司生产的 相关产品。为了能够在u m t s ( 全球移动通信系统) 频段上获得应用上的成功，a v a 9 0 公司在0 6 年的2 月生产了一种型号为a c m d 7 6 0 1 的新产品【1 3 】，它相对于s a w 双工 器来说有较高的优点，其性能较高，尺寸较小，而且各方面所实现的功能也比陶瓷双工 器更先进，它的实物图和主要的性能参数如下图1 1 所示。 高达+ 3 3 曲m 的发送功率处理能力 最低4 5 她的接收器噪声阻塞能力 最低5 1 越的发送干扰器阻塞能力 最高2 以的接收频段插入损耗 最高1 6 血的发送频段插入损耗 图1 1a c m d 7 6 0 l 双工器图和参数 正是由于a 百l 朗t 和a v a 9 0 公司在f b a r 滤波器的市场上取得了前所未有的巨大成 功，f b a r 技术也就快速的向前发展。日本的富士通公司也开始了这项技术的研究，随 后还有宇部兴产公司，并且也成功的推出了自己研发生产的系列产品。来自德国的公司 英飞凌( h l 矗n n ) 也在2 0 0 2 年推出了自己的b a w 产品，同样也是定位在高端的 p c s 删c d m a 市场，并且于当年1 1 月份开始向当时手机产业中的巨头公司n o l ( i a ( 诺 基亚) 供货。 2 0 0 5 年，荷兰的p l l i l i p s ( 飞利浦) 公司也宣布推出自己的b a w 产品，其产品具有 焊球凸点芯片级封装技术，声称此技术能缩小到芯片级封装的体积，从而能改进g s m 与3 g 手机各方面的性能和信号能力，h l f i n 0 0 n 和p h i l i p s 公司的f b a r 的产品实物图分 别如下图1 2 和1 3 所示。 第一章绪论 图1 2i n f i l l e o n 公司推出的b a w 产黼实物图 警攀寨j v - 一曩纛蔓，。j 图1 3p h n i p s 公司推出的b a w 产品实物图 正是由于f b a r 产品在p c s 市场上取得的巨大成功，以及其对s a w 器件产生的重 大影响引起了s a w 器件产业界巨大的关注，在蹦s 2 0 0 4 的国际会议上，三家生产s a w 滤波器的大公司包括德国的e p c o s 、日本的富士通媒体半导体器件公司以及村田( m u r a t a ) 公司声称正在进行应用于手机的b a w 滤波器件的研发。而另一家s a w 滤波器的巨头 公司住饥硫于2 0 0 4 年收购了做b a w 产业的t f r1 k l l n o l o 西c s 公司，从此也涉足到了 b a w 领域，后者是由前文提到最早开始b a w 这项技术研究之一的l a l i n 带头成立的小 公司。 以上所列举的所有公司f b a r 的产品均是以分立元件的形式进行交易的，于是学术 界和产业界也把研究的重点放在了f b a r 技术的集成化上面。p 鹊c a la n c e y ，来自意法 半导体公司，他携手工程材料研究中心和瑞士科学院两大机构组织、法国电子信息技术 实验室( c e a l 以) 、芬兰t a m p e u n i v e r s i 坶o ft e 曲n o l o 科以及例如瑞士u n a x i s 公司和 英国t r i k o n 技术公司等共同组织成立了一个代号为“m 妇”高新技术小组，该组织 经过不断努力创新声称要在c m o s 上集成b a w 技术，该项目的实施是从2 0 0 2 年6 月 到2 0 0 5 年6 月，试验费用各方面花费约5 l o 万欧元，该研究项目同时也取得了初步的 成果。2 0 0 5 年2 月，s t 在“2 0 0 5 年国际固体材料电路会议( i s s c c 2 0 0 5 ) ”上公布了 “m a r t i 舱 研究小组的科研成果，首项w c d m a 接收i c 由此诞生，该器件由f b a r 滤 波器组成【1 4 1 5 j ，该产品中f b a r 器件首次使用了a l n 材料，对压电薄膜的探索上有了很 大的进步，但由于当时条件所限所以该项目只能在实验室中进行，其工艺技术离工业大 批量生产的要求还相差甚远，但是这一项伟大的研究成果为技术创新做出了突出贡献， 使得f b a r 技术不断向前发展。2 0 0 6 年法国的h 弱s 锄等人采用了最新的b i c m o s 薄膜 生长工艺技术研制成功了新型的滤波器产品，它具有可重构功能，并且具有同时支持 w 二l a n 和w c d m a 接收的功能【1 6 j 。 f b a r 除了应用于滤波器和双工器上面，m o h a m m e d 等人【1 。7 】还成功研制出了f b a r 振荡器器件，其具有相位和噪声低的特点。鼬m 等人【1 8 】又制造出了具有同样特点的振荡 器器件，不同的是其具有压控功能。l o s c h o n s k y 等人【1 9 】和z h 觚g 等人【2 0 】也成功研制出 了f b a r 器件系列产品，并且扩展了应用领域，可在传感器上应用。 除此之外，美国的摩托罗拉公司【2 l 】、韩国的电子巨头三星公司【2 2 】、l g 【2 3 】芬兰的 第一章绪论 n o k i a 【2 4 】、同本的t d k 【2 5 j 、k y o c e r a l 2 6 】等都对f b a r 技术进行了相关的研究与探索。很 多的院校机构也对f b a r 技术的研究产生了浓厚的兴趣，比如有美国的麻省理工大学 【2 刀、南加州福利亚大掣2 8 1 、闩本的t 0 h o l ( i l 大掣2 9 1 、韩国的i c u 大学【3 0 】、h 锄y 锄g 大学 【3 1 1 、欧洲的c r a m 6 e l d 大学【3 2 】、u p p s a l a 大学【3 3 】、台湾成功大掣3 4 1 、台湾大学【3 5 1 等等。 中国大陆对f b a r 技术的研究和丌发工作进行的还比较晚，其中最先研究这项技术的机 构是清华大学的微电子所，当时在大陆属于技术水平最高的单位之一，他们的压电薄膜 使用的是p z t l 3 6 j 。但是p z t 本身还存在许多缺点，作为压电薄膜还不是很成熟，于是， 他们开始研究a l n 薄膜材料来作为器件的压电材料。浙江大学【3 7 】在2 0 0 3 年也开始研究 f b a r 技术的相关问题，在f b a r 的器件的建模中有一些小的成功，在制备a l n 薄膜材 料上面做的还可以。南京大学【3 8 枷】等也相继开始进行这项新技术的专研，但效果一般。 由此可见，现阶段由于科技水平的限制我国研究f b a r 的技术还不够成熟，对于这方面 科研的研究，我们还需要做更多的努力。 1 3f b a r 的基本原理 1 3 1 压电理论 压电性( p i e z o e l e c t r i c s ) 是一项很重要的性质，表现为机械能与电能的转换，于1 8 8 0 年被p i e r r ec u r i e 和j a c q u 豁c 1 m e 兄弟发现。他们的研究结果表明，在电气石这种特殊 的材料上面施加压力，使用测量装置检测后发现会有电荷的存在。最后由w g h a i l l 【e l 进行大量的实验验证，最终他把这种由力产生电的现象称为物质的压电性。而居罩兄弟 于1 8 8 1 年通过实验验证得出，压电性的反作用即逆压电性也同时存在，也就是说在压 电薄膜表面施加电场后会产生力的作用。 第一章绪论 图1 4 压电效应原理图 外 压电材料的压电性包括j 下压电性和逆压电性两种，前者所表现出的现象是当有外力 作用在物体表面上时会有电荷的产生，后者所表现出的现象是当在材料上施加一电压 后，材料发生形变作用，伴随着有能量之间的相互交换，主要是机械能和电能。压电效 应原理图如上所示，工作原理如下所述： ( 1 ) j 下压电效应：有外力作用在压电材料上时，经检测后发现会有电荷的产生； 当在材料上施加反方向的力后，测试结果表明电荷相应的也会产生相反的极性。 ( 2 ) 逆压电效应：研究表明在材料两端施同时加于一个直流电场的时候，材料则 会发生形变并且会伴随着电场的强弱而变化，当电场的方向与原来相反时，与压电效应 的特性类似材料的形变方向也与之前相反。当材料两端加入一个交流电场时，材料会产 生形变的现象，并且方向是时刻改变的。根据电场正负极的不同做相应的往复变化，并 且是按照半周期大小的标准。由于应力与电荷之间的相互影响的关系，压电性的产生又 是交替变化的，那么必然有一种带电体的存在，当有外力作用它时，会有电荷的产生， 这种带电体被人们称为电偶极矩。之所以有能量之间的相互转换，机械能与电能之间的 影响，压电材料的这种特性就是其主要原因。在晶体的内部，阴阳离子是按照特定的顺 序排列的，而正是由于这种特殊的排列才产生了电偶极矩。在晶格系统中，中心是不对 称的，由于没有对称中心，就造成了阴阳离子无法互相中和掉，于是电偶极矩才得以存 在【4 1 1 。 1 3 2f b a r 的基本原理 f b a r 基于ba 1 w 技术，采用压电材料的逆压电原理，最终达到电能声能电能相互 转换的目的。f b a r 的组成部分由上至下包括电极压电薄膜电极，形成了一种普遍认 第一章绪论 为的“三明治结构，f b a r 的基本结构如图1 5 。在上下电极之间加一个交变电流，在 电流的作用下，根据逆压电效应原理，压电薄膜会发生形变，根据电场强弱的不同，薄 膜也会发生相应的变化，机械振荡由此产生，于是电信号转变为声信号，利用设备传送 到接收端。这种振动现象在压电材料的体( 腔) 内发生，而在振动的过程中会产生一种 声波，为体声波，它的传播方向是按c 轴方向传播的。此声波在薄膜体腔内发生振荡， 是由于在上下电极之间来回反射碰撞形成的。它本身具有声波筛选的功能，能对所需频 率的声波进行准确定位，实现谐振需满足一定的条件，当不满足条件的时候，声波会减 弱直至消失。 上电极_ 下电极一 压电薄膜 一一械 图1 5f b a r 器件的基本结构图 有效机电耦合系数硌与品质因数q 是用来表征f b a r 性能及其他各方面的重要参 数。露和q 分别定义为： 冗l 。 硌。尚憎孚 ( 1 - 1 ) l2 厶j 驴纠等| ， 2 ) 厂( z ，无) 分别为串、并联谐振频率，他们之间的大小用硌表示，也可以表示器 件的带宽值，磙主要是由组成压电薄膜的材料的各个参数的不同来决定的。损耗的大 小是由q 值表示的，q 值也表示f b a r 插入损耗的大小程度，q 值的大小值与插损成相 反的关系。q 值大小受两方面影响，一、器件的主要组成部分包括压电薄膜和上、下电 极，而它们的损耗决定q 值大小，二、由以上结构所组成的区域对声波的限制程度。从 f b a r 的结构图中可以看出，器件主要由上下电极和中间的压电薄膜组成，上电极与空 气接触面所形成区域可以很好地限制声波向外传去。而下电极对声波的限制作用是要研 究的问题。而现代薄膜体声波器件的制造方法是在下电极下方做出空气腔结构，或者在 衬底上制备出布拉格反射层的结构，已达到提高q 值的目的。布拉格反射层制备工序较 多，由高、低声阻抗层交替制备而成的。当有声波到达这种组合结构时，会产生不同效 果，一些声波会被反射回去，还有一些则会透射进去。 第一章绪论 1 - 3 3f b a r 滤波器的基本原理和模型 众所周知单个f b a r 器件不能称作滤波器，因为它只是在某一个频率点产生谐振。 将多个f b a r 谐振器按照所要实现的功能通过某些方式连接在一起就可构成滤波器，其 连接方式可以分为两种【4 2 】，一种是通过由梯型结构连接或网型结构连接所组成的滤波 器；另一种的连接方式有所不同，它是利用机械耦合的形式连接的。 ( 1 ) 梯型滤波器的组成是一种新的方式，由一组串联谐振器和一组并联谐振器共 共同作用的，并且两组谐振器各自的谐振频率相同，同时，相反与两种谐振器的各自的 串并联谐振频率又近似的相等，滤波器的阶数就是所组成的谐振器的总的个数。如图1 6 中所示。 l- 图1 6 梯型结构滤波器标准图 最常用的滤波器就是这种类型的滤波器，因其具有很多优点，其中包括能够优化阻 抗和中心频率，并且能够独立控制。同时它还具有简易的连接方法。此种结构的f b a r 滤波器的目的性很明确，在寻求一种近似平衡的状态，能够达到较低的插损和较高的抑 制频带衰减作用，它的构成方式相对简单许多，只由一组串并联谐振器组成。它的优点 是带外抑制的可控性，操作比较简单，增加连接的级数即可。但是增加连接的级数也会 存在问题，由于谐振器的不断增多，插损也相应增加了【删。 ( 2 ) 网型结构滤波器与前面不同，它的组成部分包括串联谐振器和并联谐振器。 并且他们的谐振频率相同。如图1 7 所示。 第一章绪论 图1 7 网型结构滤波器示意图 网型滤波器与梯形滤波器存在一定的差异，它本身具有对称结构。对于梯形滤波器 结构的构成，网型结构的f b a r 滤波器具有更多的有点，首先带宽响应达到更大，带外 抑制也达到更佳状态，本身特殊的平衡对称结构也被公认为是对称电路中较为理想的选 择。在实际的设计中，可以综合二者的优点将梯形和网型滤波器放在一个系统中使用。 ( 3 ) 层叠型和耦合型滤波器的结构特点与上面两种截然不同，前者是利用直接叠 加谐振器的方法制作而成的，而后者除了叠加两个谐振器之外，在中间还加入了一层具 有声学特性的介质层以提高带宽等。两者结构如图1 8 所示： 图1 8 层叠型和耦合型滤波器结构示意图 层叠型和耦合型结构的滤波器同时具有很多优点，譬如在插入损耗固定不变的时 候，带外抑制能表现出较好的特性，但是由于制作这两种滤波器所用的工艺条件难度大， 比如压电薄膜的淀积就至少需要两层，所以这种制造工艺就无形的增加了很多的难度； 而且上下两个谐振器的谐振形式多变，使得元件整体的谐振模式也会受到影响，最终的 结果就会导致频谱所表现出的复杂图形并且分析难度大。 1 4 本文的研究内容 近些年来高频通信系统得到快速的发展，如何提高器件的性能也一直成为人们致力 第一章绪论 研究的课题之一，而高频大功率体声波器件在其中也扮演着越来越重要的角色，对此也 需要有更多方面的研究工作，其中压电材料的研制是体声波器件得以实现的关键因素， 只有制备出高质量的材料才能够确实的提高器件的性能。 据此本文主要开展了以下研究工作： ( 1 ) 利用反应射频磁控溅射法在单晶s i ( 1 0 0 ) 衬底上制备a l 薄膜，然后在a l 薄膜 上制备出a l n 薄膜，在同一条件下制备出3 组样品进行不同的后期处理，通过x r d 、 a f m 、傅立叶变换红外光谱仪等测试手段分析了a l n 薄膜的晶向结构和表面粗糙度等， 研究了不同的后期处理对a l n 薄膜择优取向的影响和表面粗糙度的变化以及衬底温度 对a l n 薄膜成膜质量的影响。 ( 2 ) 采用反应射频磁控溅射法在单晶s i ( 1 0 0 ) 衬底上制备a l 薄膜，然后在a l 薄膜 上制备出z n o 薄膜，利用x i m 分析了所制备z n 0 薄膜的晶向结构，通过s e m 观察了 z n o 薄膜的表面形貌，研究了不同的后期处理条件和衬底温度对薄膜取向状况及表面粗 糙度的影响。利用p f m 法测试分析了z n o 薄膜的压电性能。 第二章f 队r 中材料的制备方法及表征手段 第二章f 队r 中材料的制备方法及表征手段 2 1f b a r 器件中的材料 2 1 1 适合于f b a r 器件的压电材料的选择 压电薄膜是f b a r 器件的核心部分，选择合适的压电薄膜材料以及使用合适的工艺 得到高质量的薄膜是器件设计的关键。作为f b a r 器件的压电材料，主要有a i n 】、 z n o 【4 5 】和p z t 【删等。 p z t 材料具有许多优点，其中压电和铁电的性质是其最重要的性质之一，力电耦合 能力突出也是这种材料的出众表现之一。它的压电和介电性能受多方面的影响较大，其 中影响较为突出的是成分比和添加物的不同，而制备的工艺条件如何也是影响它的一重 要的方面。由p z t 的相平衡图上的相关信息可知：由于其制备过程中的各种条件的变化， 材料体现出的特性不一样，比如晶相生长情况。在f b a r 的应用中，p z t 可以选作为压 电材料使用，在这样一个系统中，器件的性能可以进一步的提高，比如机电耦合系数相 对很高，高的介电系数等等。但本身也存在无法改变的缺点，譬如损耗较大。在衰减上 面，基于p z t 材料的体声波器件所表现出来的性能还不完善。其次现代薄膜制备的工艺 技术水平有限，在制备p z t 材料上还存在一定的困难，这是由于p z t 各成分的精确控 制存在问题。而制备p z t 材料所需的温度很高，大部分材料很难承受。 z n o 是一种重要的半导体材料，应用十分广泛，它是属于宽禁带i i 族化合物的 半导体材料。z n o 是属于n 型氧化物半导体材料，调查研究表明其直接禁带宽度为3 3 e v ， 其光电、压电、气敏等性质也是其重要的特点，这种特点在纯z n o 薄膜材料中表现极 为明显。由于制备这种薄膜的原材料来源广泛，可大量获得，且制备方法简单，因此越 来越引起了科研人员对它的关注。z n o 优良的性质包括声速比较合适，压电耦合系数也 在其他材料当中较突出，现阶段制备z n o 薄膜的工艺技术水平较高等等，这些优点使 得它在作为压电材料时应用在f b a r 上较为广泛。 a l n 是a l 和n 结合所形成的化合物，应用较为广泛的i i i v 族半导体材料，其晶体 结构为六方纤锌矿结构。a l n 薄膜具有众多其他材料无法比拟的优点，其物理性能和化 学性能极为稳定。在热传导方面的应用也极为广泛，声速高也是其重要的特点，符合现 代通讯技术对于高速器件的要求，目前对于a l n 研究的投入也同益加大。在f b a r 器 件的应用中，其压电材料可以选择a l n 薄膜，本身存在许多适用于压电材料的特性，相 比于其他压电材料纵波声速较高，介电常数大小与z n o 相近，化学稳定性好，制备工 艺水平较高等等。表1 1 为这三种压电材料性质各方面的比较。 表1 1f b a r 压电材料的相互对比 第二章f b a r 中材料的制备方法及表征手段 压电材料 a l nz n op z t 介电常数 9 59 28 0 _ 4 0 0 温度系数p p i i l 尸c 2 56 0 纵波卢速( n 以)1 0 4 0 06 3 5 04 0 0 0 6 0 0 0 压电耦合系数( ) 6 57 58 1 5 同有损耗很低低高 c o m s 兼容性是 否否 制备工艺水平 高高低 终上所述，无论是从性能还是制备方面来看，a 1 n 和z n o 是制作f b a r 比较理想 的压电材料。 2 1 2 电极材料 砧具有低的电阻率和密度，作为电极材料应用到器件中时，其损耗较低，因此在半 导体工艺中是最常用的材料。电学损耗是铝电极极其重要的性质，其值要求达到最小， 因为会对谐振器的电损耗有较大影响，这是由于它的电学损耗值在谐振器的全部损耗中 所占比例较大。在体声波滤波器件中是使用a l 电极连接各个接触点的位置的，所以在 体声波滤波器中，影响铝电极电学损耗的因素主要包括以下两个方面，一个是电极的长 度，另一个就是体声波谐振器的拓扑结构模型。为了减小铝电极的电学损耗，在制备的 过程中，可以相应的增加铝电极的厚度。可是在通常情况下，金属的机械损耗要比介质 的大得多，因此这种做法同时也使谐振器的机械损耗有所增加。另外，在器件实现谐振 的过程中，有许多的非压电材料也参与其中，所以如果采用增加铝电极厚度的做法减小 电学损耗，那同时谐振器的有效机电耦合系数砝也会相应减小。 2 2 薄膜材料的多种制备方法 目前薄膜材料的制备技术有很多种，主要有溅射( 包括磁控溅射和直流溅射) 、金 属有机物化学气相淀积( m o c v d ) 、脉冲激光( p l d ) 、等离子体增强化学气相淀积等 方法。下面对几种主要的制备方法加以介绍： 2 2 1 溅射法 溅射法主要是利用气体放电的工作原理，使具有一定能量的正离子轰击固体靶材表 面，使靶材物质从源材料上面相脱离，获得证离子的能量后，最后淀积在衬底表面形成 薄膜。而靶材一般作阴极使用。溅射有如下种类：主要包括磁控溅射方法、射频溅射方 法、直流溅射方法、等离子体溅射方法等。溅射有如下优点：( 1 ) 通过溅射法制备的物 质种类繁多，尤其那些不易制得的物质，有些物质比如熔点较高，最适宜采用溅射法制 备。所以，在使用溅射法制备薄膜时，靶材材料的选择就更加丰富，多种半导体、绝缘 第二章f b a r 中材料的制各方法及表征手段 体材料均可；( 2 ) 利用溅射法所制备的薄膜与衬底结合性好，附着力较大；( 3 ) 溅射法 制备出的薄膜结构紧密性好且无掺杂其他杂质；( 4 ) 实验过程中可通过调节设备控制薄 膜厚度；( 5 ) 结果表明沉积速率高，衬底温度低，成本低。 射频磁控溅射法是更加先进的薄膜溅射方法，结构原理图如图2 1 所示，设备主要 包括以下几大部分：( 1 ) 射频功率源及与之配置的匹配器；( 2 ) 衬底加热系列装置及调 控温度系统；( 3 ) 气体流量管及质量流量计；( 4 ) 抽真空室系统( 组成部分主要包括机 械泵和分子泵两种) ；( 5 ) 制备薄膜的溅射室；( 6 ) 充放气系统装置；( 7 ) 冷却水系统 装置。它的工作原理如下，首先施加磁场，方向是平行与靶表面的方向，在制备过程中 的时候，为了减少工作电子对基板上面的轰击作用，通过电磁之间的相互作用，降低基 板的温度，从而提高设备溅射沉积薄膜的速度；设备工作时的动力来源来自射频源，而 它的作用是加速离子的轰击作用，由于靶材是作为阴极存在的，在直流源的推动下，靶 材原子被轰击下来，于是在衬底表面就沉积了薄膜材料，同样的原理也适合于绝缘体材 料。射频磁控溅射包含了磁控溅射的诸多优点，此方法沉积薄膜的速率较高，所形成的 内部应力较小，薄膜的质量高且与基底之间附着性好等，要制备性能优异的a l n 和z n o 压电薄膜均可采用此方法制备。本文制备的a l 薄膜、a l n 薄膜及z n o 薄膜使用的就是 射频磁控溅射设备。 p i 囊n - r g n 咖n ( a ) i 攀爹黪。_ ( b ) 图2 1 射频磁控溅射设备实物图 - 1 3 第二章f b a r 中材料的制备方法及表征手段 2 2 2 金属有机物化学气相淀积( m o c v d ) 金属有机物化学气相淀积技术是一项重要的技术，它的另外个名称是金属有机物 气相外延，它的出现时间较晚，是薄膜制造技术又一项熏要发明。它在制备半导体相关 薄膜的应用很广泛，同时对固溶体物质也是适用的。m o c v d 是一种气相外延生长技术， 它的工作原理是利用金属有机化合物的输运功能达到对能量之i 刨的相互转换，在反应室 中气体原料与金属化合物在加热的环境下相互反应，在衬底表面上会形成一层外延层， 它的结构示意图如图2 2 上面所示。m o c v d 系统的组件可大致分为：物质反应腔体、 气体控制及气体混合装置系统、反应源物质及多余废气