一種IDT/(002)ZnO/SiO2/Si多層結構的聲表面波器件?

朱 敏劉智榮包文歧徐才華謝立強

(陸軍工程大學國防工程學院，江蘇 南京210007)

聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件憑借著其體積小、損耗低、頻率特性好以及靈敏度高等特點在移動通信和傳感器領域得到廣泛的研究[1－5]。隨著物聯網和傳感器技術的進一步發展，對SAW器件的性能提出了更高的要求，迫切需要工作頻率更高、靈敏度更好以及溫度穩定性更優的SAW器件。石英、鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛等壓電材料均勻性好，壓電系數大，聲表面波傳輸損耗小，作為傳統聲表面波器件的襯底材料得到了應用[6－11]。然而當前半導體器件以硅襯底為主，由于襯底材料的不同使得SAW器件與半導體器件很難單片集成，從而限制了SAW器件的應用。在硅襯底上制備壓電薄膜來制造SAW器件是解決這個問題的一個有效方法。

常見的壓電薄膜有ZnO、AlN和LiNbO3等，其中ZnO薄膜相比其他壓電薄膜有良好的壓電性，較高的機電耦合系數(K2)，更容易形成c軸擇優(002)取向薄膜，而且制備技術較為成熟[12－14]。對于ZnO/Si結構的SAW器件易受到溫度的影響，通過在Si襯底和ZnO薄膜之間引入SiO2薄膜層實現對ZnO/Si結構的溫度補償，提高SAW器件的溫度穩定性，此外SiO2層還可以起到隔離緩沖的作用，提高ZnO薄膜的生長質量。

國內外學者對基于ZnO薄膜的SAW器件開展了一定的研究。Wu等人[15]從理論上對(100)ZnO/(111)Diamond結構激發的瑞利波進行了分析，并與(002)ZnO/(111)Diamond結構瑞利波模式下膜厚比、相速度以及機電耦合系數進行了對比分析；Caliendo等人[16]在ZnO/SiO2/Si多層結構上制備了多模SAW器件，計算了ZnO薄膜對五種不同氣體(二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、四氯乙烯和三氯乙烯)的感測靈敏度。Luo等人[17]利用有限元方法研究了IDT/(110)ZnO/SiO2/Si多層結構中水平剪切波的傳播特性，并結合實驗進行了驗證；Lu等人[18]采用射頻磁控濺射法制備了ZnO/SiO2/SiC結構的單端口諧振器，從理論和實驗上分析了該結構所激勵的瑞利波和西沙瓦波的傳播特性；Su等人[19]設計制作了ZnO/(SiO2＋IDT)/Al2O3埋入式IDT電極結構的SAW器件，通過有限元仿真和實驗驗證，研究了該結構激發的聲表面波傳播特性。

基于ZnO薄膜制成的SAW器件的性能受到多種因素影響，如襯底類型、ZnO薄膜厚度、ZnO薄膜晶體取向以及SiO2薄膜厚度等[20]。本文在選擇Si作為襯底的情況下，采用有限元方法分析了不同的ZnO膜厚對IDT/ZnO/SiO2/Si多層結構所激發瑞利波的相速度、機電耦合系數的影響以及SiO2膜厚對SAW器件頻率溫度系數的影響。同時采用射頻磁控濺射法制備了三組不同厚度IDT/ZnO/SiO2/Si多層結構的SAW器件，并利用X射線衍射儀對所制備ZnO膜進行了檢測。最后利用矢量網絡分析儀理論對三組SAW器件進行了測試，并與理論分析的結果進行了比較。

1 理論與仿真

圖1(a)為多層結構SAW器件的二維結構示意圖，是由Si襯底、SiO2薄膜、ZnO薄膜以及叉指換能器(IDT)所組成。采用COMSOL有限元仿真軟件對IDT/ZnO/SiO2/Si多層結構進行三維建模分析，ZnO和SiO2薄膜的厚度分別用hZnO和hSiO2來表示，如圖1(b)所示，設聲表面波波長λ為8μm，IDT電極寬度a為2μm，高度h為0.15μm，電極中心間距p為4μm。對于無限長均勻IDT的叉指電極具有周期性，其表面電勢φs，表面電荷密度δs和表面電場切向分量E1都具有周期性[21]。故采用周期性邊界條件，用IDT中的一對電極來模擬實際多層結構SAW器件瑞利波的傳播特性，在不降低仿真精度的同時，減少仿真計算量。同時考慮到叉指電極外空氣對電場分布有一定影響，所以在叉指電極上方增加一層空氣薄層。實驗所需要的ZnO薄膜為(002)取向，采用旋轉坐標系設置其歐拉角均為零。設置三維模型y方向厚度為0.2λ，Si襯底厚度為2λ，底部增加1λ厚度的完美匹配層(PML)，用于降低底部邊界對波的反射。對模型下邊界為固定邊界條件，前后、左右邊界設置周期性邊界條件，其他均為自由邊界。兩電極一個接地，一個接終端，設置1 V電壓。對仿真模型劃分好網絡后，添加特征頻率研究、頻域研究來進行求解。

圖1 IDT/ZnO/SiO2/Si多層結構SAW器件結構示意圖

通過對hZnO＝300 nm(hZnO/λ＝0.037 5)，hSiO2＝300 nm(hSiO2/λ＝0.037 5)的IDT/ZnO/SiO2/Si多層結構SAW器件進行特征頻率分析，得到如圖2所示的諧振SAW模態與反諧振SAW模態，右側圖例反映質點振動強弱，顏色越深，振動越強烈，能量也就越高。當hZnO/λ和hSiO2/λ均為0.037 5時，該多層結構SAW器件激發的瑞利波諧振頻率fr為545.23 MHz，反諧振頻率far為546.45 MHz。在諧振頻率fr處，質點振動位移最大，能量最高；在反諧振頻率far處則反之。諧振頻率fr和反諧振頻率far的大小有差異是叉指電極的電極效應所導致的。

圖2 SAW器件模態變形圖

根據fr、far來計算瑞利波相速度Vp和機電耦合系數K2的值，具體公式如下[18]:

TCF(Temperature coefficient of frequency)反映多層結構SAW器件的諧振頻率隨外界溫度變化的穩定程度。利用COMSOL軟件熱－機械耦合模型的預應力－頻率研究來計算[22]。TCF的值通過下式進行計算:

式中，T0為室溫，一般取25℃，fr(T0)為室溫下的諧振頻率，fr(T)為溫度T的諧振頻率，本研究中T取值范圍為30℃到100℃之間。

圖3(a)為通過頻域分析得到叉指電極的輸入導納特性曲線。從圖中觀察到，當Y11模值逼近最大值時，對應的頻率為諧振頻率fr，此時SAW器件的電聲轉換效率最高，能量損失最少；當Y11模值逼近最小值時，對應的頻率即為反諧振頻率far，此時SAW器件的電聲轉換效率最低，能量損失最多。同時通過后處理得到諧振頻率處瑞利波的位移場分布如圖3(b)示，可以看出歸一化位移分量在距離表面約13μm處接近0，說明了瑞利波大部分的能量集中在SAW器件表面附近并且隨著深度急劇下降至零，瑞利波沿y方向(u2)的位移為零，沿著x方向(u1)和z方向(u3)的位移占主導地位，且u1與u3之間相位相差π/2，說明了瑞利波在ZnO薄膜上沿xz平面以橢圓偏振方式進行傳播。

圖3 叉指電極的輸入導納特性與諧振頻率時瑞利波位移場分布

仿真過程中忽略IDT的質量和剛度系數對SAW器件的影響，保持hSiO2/λ不變(hSiO2/λ＝0.037 5)，通過改變hZnO/λ大小，得到IDT/ZnO/SiO2/Si多層結構激發瑞利波相速度Vp和機電耦合系數K2變化曲線如圖4所示。可以觀察到，在保持hSiO2/λ不變時，Vp隨著hZnO/λ的增加而逐漸減小，在2 650 m/s附近趨于穩定，這主要是ZnO薄膜的瑞利波相速度小于SiO2薄膜以及Si襯底的瑞利波相速度。當hZnO/λ較小時，SAW能量穿透到Si基底中，Vp主要受到ZnO、SiO2薄膜以及Si襯底三者的共同影響。隨著hZnO/λ增大，SAW的能量逐漸集中ZnO薄膜中，ZnO薄膜對Vp的影響逐漸增大，使Vp逐漸接近ZnO薄膜在理想條件下的相速度2 650 m/s。同時可以看出K2隨著hZnO的增加先增大后逐漸趨于平穩，當hZnO/λ＝0.55時，K2取得最大值1.48%。所以適當地增加ZnO薄膜厚度可以提高多層結構的SAW器件的機電耦合系數，從而提高SAW器件的壓電性能。

圖4 IDT/ZnO/SiO2/Si多層結構的Vp、K 2隨h ZnO/λ變化曲線

TCF是衡量多層結構SAW器件溫度穩定性的重要指標，對此本文研究了不同ZnO厚度的SAW器件瑞利波的諧振頻率隨溫度變化特性。圖5為IDT/ZnO/SiO2/Si多層結構隨hSiO2/λ變化的TCF曲線，當hZnO/λ不變時，TCF的值hSiO2/λ隨著的增大從負值逐漸增大到正值。這是由于ZnO和Si為負溫度系數，SiO2為正溫度系數，正是利用這一點來實現多層結構SAW器件的溫度補償。由圖可知，當hZnO/λ為0.037 5、0.075和0.125時，仿真得到的結果能使IDT/ZnO/SiO2/Si多層結構的TCF為零的hSiO2/λ值為0.027、0.037和0.061。當hZnO/λ較小時，增加的SiO2薄膜的厚度能夠明顯改善器件的TCF。隨著hZnO/λ增大，SiO2膜對多層結構SAW器件TCF的改善效果逐漸減弱，根據聲表面波傳播理論可知，當hZnO/λ增大時，聲表面波的能量逐漸集中在ZnO薄膜中，只有少部分進入SiO2薄膜中，因此hSiO2/λ的增加不能很好地實現溫度補償。因此在基于ZnO/Si結構的SAW器件中通過引入適當厚度SiO2薄膜來改善器件的TCF效應，提高器件的溫度穩定性。

圖5 IDT/ZnO/SiO 2/Si多層結構的TCF隨h SiO2/λ變化曲線

2 實驗方法

利用COMSOL仿真確定的參數制作了不同ZnO厚度的延遲線型SAW器件。圖6為IDT/ZnO/SiO2/Si多層結構的SAW器件制作流程圖。首先，實驗采用熱氧化的方法在4英寸的N100型Si片表面沉積一層SiO2薄膜，其厚度為300 nm，通過濕法清洗和干法處理兩道工序后，采用射頻(RF)磁控濺射法在SiO2表面沉積三組不同厚度的ZnO薄膜，膜厚分別為300 nm、600 nm、1 000 nm。采用純度99.95%的ZnO粉靶，以氬氣和氧氣的混合氣體作為濺射氣體，氬氣與氧氣之比為40∶3，濺射氣壓為0.6 Pa，射頻功率為150 W，退火溫度為500℃，ZnO薄膜的沉積速率為2.65 nm/min。采用HMDS(六甲基二硅氮烷)對制備好的ZnO薄膜進行預處理，增強光刻膠與ZnO薄膜表面的粘附性，采用光刻工藝制作兩組叉指換能器IDT，電極寬度a為2μm，高度h為150 nm，電極中心間距p為4μm，叉指對數為100對，兩組叉指換能器間距為100λ。

圖6 SAW器件的制作流程

本實驗通過使用DX2000－X射線衍射儀對所制備ZnO薄膜的晶體結構進行測試。使用光學顯微鏡觀察叉指換能器的電極形貌。將SAW器件裸片通過環氧膠粘連到PCB板上，通過引線將器件電極與SMA接口連通，采用安捷倫E5063A矢量網絡分析儀測試SAW器件的頻域散射參數(S參數)。

3 結果與討論

本實驗所設計制作SAW器件為延遲線型器件，單個SAW器件尺寸大小為10 mm×10 mm。圖7為實驗制備的IDT/ZnO/SiO2/Si多層結構SAW器件實物圖，觀察到叉指電極結構完整，測得IDT的電極周期為8.03μm，電極寬度為1.98μm，IDT制造誤差為0.3%。

圖7 實驗制作的單個SAW器件實物圖

圖8 為采用X射線衍射儀對不同厚度ZnO薄膜的測試結果圖。由圖8(a)可以看出在20°~60°掃描范圍內，三組ZnO薄膜都在2θ＝33.4°附近出現唯一一個強峰，說明了所制備的ZnO薄膜均具有高度的c軸擇優取向即(002)取向，而且隨著hZnO/λ的增大，(002)取向衍射峰的峰值強度增大。與標準的ZnO單晶的XRD(002)取向的衍射峰位置在34.42°相比，本實驗測得ZnO薄膜的衍射峰位置均略小于34.42°，產生偏差的原因是與ZnO薄膜自身的壓縮應力有關，隨著濺射氣壓的增大，ZnO薄膜的壓縮應力會減小，相應的峰位置會逐漸靠近標準ZnO單晶峰的位置[21，23]。此外，由于SiO2薄膜為非定型結構，所以沒有觀察到明顯的SiO2薄膜的衍射峰。由圖8(b)可知ZnO薄膜(002)峰的半高寬(Full Width at Half Maximum，FWHM)值隨著hZnO/λ的增大而減小，晶粒尺寸隨著hZnO/λ的增大而增大，結果表明隨著厚度的增加，ZnO薄膜(002)取向性更好，薄膜晶體質量更佳。

圖8 X射線衍射儀對不同厚度ZnO薄膜的測試結果圖

采用E5063A矢量網絡分析儀對三組不同厚度ZnO薄膜的SAW器件測試S參數如圖9所示。S參數測試包括輸入反射系數S11和正向傳輸系數S21，測試時為了使SAW器件能夠應用于電路，對器件進行了阻抗匹配。由圖9(a)、(b)和(c)可以得到，實驗測得hZnO/λ為0.037 5、0.075和0.125時諧振頻率分別為539.80 MHz、501.15 MHz和460.82 MHz，與仿真得到的諧振頻率之間有2 MHz~6 MHz的差距，這是由于實驗制備的ZnO薄膜不可能是理想化的ZnO單晶一樣，存在一些結晶缺陷，薄膜缺陷容易使聲表面波發生散射以及IDT的質量負載等因素的影響，使得實驗測量結果小于仿真結果。實驗與仿真均證實了諧振頻率f0和瑞利波相速度Vp隨著ZnO薄膜厚度的增加而降低的結論。表1為多層結構SAW器件在不同ZnO厚度下仿真和實驗結果比較，通過對比分析可得，實驗測試得到的諧振頻率f0和瑞利波相速度Vp同有限元仿真結果具有較好的一致性。

圖9 不同厚度ZnO薄膜的SAW器件的S11和S21測試結果

表1 多層結構SAW器件在不同ZnO厚度下仿真和實驗結果比較

4 結論

本文通過有限元軟件和實驗方法對IDT/ZnO/SiO2/Si多層結構的SAW器件進行了分析，采用有限元仿真對聲表面波的傳播特性進行三維建模仿真，得到諧振時器件的振型圖、質點的位移場圖以及叉指電極的輸入導納特性，并研究了ZnO膜厚對多層結構SAW器件所激發瑞利波的相速度、機電耦合系數以及SiO2膜厚對該器件頻率溫度系數的影響。實驗采用熱氧化、射頻磁控濺射法和光刻工藝制備了三組不同ZnO膜厚的SAW器件，采用X射線衍射儀對SAW器件進行了表征，結果表明ZnO壓電薄膜均呈現(002)晶體取向、良好的晶體質量。仿真和實驗均驗證了隨著ZnO薄膜厚度的增加，更多的聲表面波能量集中在壓電薄膜層傳播，從而導致諧振頻率f0和瑞利波相速度V逐漸減小。本次研究結果可以為后期實驗提供較好的指導意義。