基于ZnO/PZT結構的單端聲表面波器件研究

桂晨，韋敏

（電子科技大學，四川成都，611731）

0 引言

聲表面波器件主要由壓電基底材料和相互交錯的金屬薄膜叉指狀換能器（Interdigital Tranducer，IDT）組成，工作時通過向叉指換能器上輸入電信號，通過逆壓電效應，壓電材料會將電能轉換成周期振動聲表面波的機械能，而對應的，聲表面波在壓電材料表面傳播時引起的機械振動會通過壓電效應將機械信號轉換成電信號，由IDT傳輸給外部信號處理單元。聲表面波器件具有很多優點：(1）聲表面波傳播速度比電磁波小五個數量級，利用這一特性可以使電子設備體積減小，重量減輕，還可以使其性能大大改善；(2）在聲表面波傳播過程中，可以隨意的存取信號；(3）可以通過集成電路技術制造聲表面波器件[1]。由于SAW通常只在壓電材料表面極小的范圍內傳播，對于外界的擾動比較敏感，物理或者化學的環境條件變化都會對聲表面波的傳播造成影響，因此，基于聲表面波器件的傳感器應用越來越廣泛。

根據壓電材料的種類一般將傳統的SAW器件分為兩種結構。第一種壓電基底材料為壓電單晶或者壓電陶瓷，壓電單晶材料為最早使用的SAW壓電基底，常見的壓電單晶材料有石英單晶SiO2，LiNbO3，LiTaO3等[2,3]。壓電單晶材料具有很多優點，包括可重復性與均勻性好、穩定性高、聲表面波傳播損耗小等，但一般具有固定的壓電材料特性如機電耦合系數和溫度系數，并且這些參數很難通過生長等工藝進行控制或調整。壓電陶瓷是指通過高溫燒結制備的多晶壓電材料，常見的有BaTiO3，PZT等，優點是可以通過改變高溫燒結時的環境條件、燒結添加物等參數，調控所制備的壓電陶瓷材料的物理和化學特性，但壓電陶瓷制備過程通常比較復雜，且容易產生較高的表面粗糙度，重復性和均勻性不高。第二種是壓電薄膜型SAW，是指在第三方基底上沉積一層或多層壓電薄膜，基底材料通常選用Si、玻璃和藍寶石等，壓電薄膜主要有ZnO、GaN、AlN等，然后在壓電薄膜上光刻沉積叉指換能器和反射柵形成SAW器件。這類器件的特點是壓電薄膜層生長在第三方基底上，且薄膜的厚度通常僅為微米級別，因此SAW的傳播特性由薄膜和基底共同決定，通過改變制備薄膜時的工藝參數以及基底的種類可以調控SAW的傳播特性、機電耦合系數等參數。而且這種壓電薄膜型SAW器件可制備在Si襯底上，與傳統的IC工藝兼容性很好。

ZnO是六方纖鋅礦結構的直接寬禁帶半導體材料，具有良好的壓電性能，SAW相速度為2650m/s，適用于各類SAW器件中。鈣鈦礦結構的鋯鈦酸鉛（PbZrxTi1-xO3，PZT）具有優越的壓電、介電、鐵電等性能，同時還有較高的壓電常數、機電耦合系數與品質因數。目前有研究表明，（002）擇優取向生長的ZnO晶?？梢源龠MPZT薄膜（110）晶面擇優生長和向鈣鈦礦結構轉化[11]，消除可能存在的焦綠相結構影響。因此本文研究了基于ZnO/PZT雙層壓電薄膜結構的SAW器件，一方面ZnO薄膜可以充當過渡層的存在，促進PZT薄膜結構與性能的改善，另一方面PZT相對于ZnO有著更高的壓電常數值和機電耦合系數，而ZnO有更高的機械品質因數，通過對多層膜結構的優化來提高SAW器件的性能。

1 基于COMSOL的SAW器件仿真

對于壓電薄膜型SAW器件，需要確定的主要參數包括壓電薄膜的厚度、叉指換能器的材料、寬度（即聲表面波的波長）、厚度，這些參數會對器件的工作頻率、帶寬等特性產生影響，因此在制備器件前需要對ZnO/PZT結構的SAW器件進行仿真分析，理論建模并研究其特征頻率。

對于SAW器件的仿真第一步要建立周期單元模型，本文所制備的單端SAW器件為正負電極交替結構，具有大量周期性重復的叉指電極單元，結構圖如圖1所示，并且反射柵不影響器件的諧振頻率，實際計算時為了簡化分析，仿真時可以選取單個周期區域，在邊界處施加周期性條件以模擬重復出現的結構。并且聲表面波的橫向波形在任何節點都相似，因此可以采用二維模型來仿真分析。本文仿真的SAW整體結構為:襯底是Si基片，厚度相對于壓電層和電極層較大，設為100μm；壓電層是ZnO/PZT雙層膜結構，ZnO薄膜厚度為1.5μm，PZT薄膜厚度為400nm；電極層是Al金屬，厚度為70nm；叉指電極的寬度為8μm，叉指電極距離邊界4μm。建模圖如圖2所示。

圖1 建模圖形

建模后第二步要設立邊界條件，仿真模型的邊界條件包括機械邊界條件和電學邊界條件，主要邊界條件設置為：模型的側邊均設置為機械與電學周期性邊界條件，模型底部設置為固定約束條件，壓電層和襯底的接觸線設置為零電荷。左邊的IDT添加終端條件，并施加1V的電壓，右邊的IDT設置為接地。邊界條件設置完成后下一步對仿真模型進行網格剖分，由于聲表面波在材料表面很小的范圍內進行傳播，并且越深入內部能量衰減越大，因此對電極層和壓電材料層使用“極細化”的尺寸要求，對襯底使用“較細化”的尺寸要求。接著就可以對模型進行有限元分析，仿真結果如圖2和圖3所示。

圖2 單端SAW器件仿真結果圖（a）對稱模式（b）反對稱模式

圖3 仿真得到的器件S11參數

本文選取8μm指寬（聲表面波波長為32μm）的器件進行特征頻率的響應分析，主要是為了獲得此SAW器件在諧振頻率附近的特有振型。由于此模型是二維周期性結構，故存在對稱型諧振和非對稱型諧振，圖a是對稱模式的振型仿真圖，諧振頻率f0為133.66MHz，圖b是反對稱模式的振型仿真圖，反諧振頻率f1為133.75MHz，可以通過以下公式計算出此器件理想的聲表面波傳播速度為4278.56m/s。

2 ZnO/PZT結構的聲表面波器件制備與測試

2.1 ZnO薄膜及PZT薄膜的制備

本實驗制備ZnO薄膜和PZT薄膜的方法為射頻磁控濺射法。制備ZnO薄膜時的主要工藝條件為：襯底溫度為260℃，濺射室本底氣壓為5×10-3Pa，反應氣體為Ar，濺射氣壓為1Pa，濺射功率為100W，每次濺射前先預濺射15min，濺射時間為4h，實驗得到的ZnO薄膜厚度約為1.5μm。制備PZT薄膜時的主要工藝參數為：襯底溫度為260℃,濺射室本底氣壓為5×10-3Pa，反應氣體為Ar，濺射氣壓為1.2Pa，濺射功率為100W，每次濺射前先預濺射15min，濺射時間為2h，實驗制備的PZT薄膜厚度約為400nm。ZnO/PZT薄膜制備完成后還需要進行600℃、常壓條件下的退火操作。

本實驗采用丹東浩元DX-2700表征薄膜的物相結構，測試時所加的管電壓為40kV，管電流30mA，測試角度20～60°，薄膜的晶體取向如圖4所示?？梢钥吹街苽涞腪nO薄膜有很好的（002）取向，即壓電特性的c軸擇優取向，而PZT薄膜有與鐵電鈣鈦礦相結構對應的（100）、（110）、（111）、（200）和（211）衍射峰，沒有出現與非鐵電焦綠石相結構對應的衍射峰。

圖4 薄膜的XRD測試結果

2.2 SAW器件的制備與測試

制備完ZnO/PZT薄膜后，在此結構上采用傳統的光刻和剝離電極工藝制作SAW器件，光刻工藝采用反轉曝光技術，利于高精度的圖形的剝離工藝。本實驗所制備的SAW器件共有80對叉指電極，叉指電極兩端各有50對反射柵，叉指線寬和叉指間距均為8μm，叉指電極的周期，即聲表面波波長λ為32μm。聲孔徑長度為100λ，即叉指電極的長度和反射柵的長度均為101λ，叉指電極與反射柵之間的距離為0.75λ。光刻完成后采用蒸發鍍膜法蒸鍍Al電極，電極層的厚度約為70nm。剝離電極后采用滴銀漿的方式引出電極，并使用安捷倫E5071C矢量網絡分析儀來對制作好的SAW器件進行測試。

圖5是制備的SAW器件S11參數的測試結果，諧振頻率為127.0MHz，實際諧振頻率與仿真所得到的133.66MHz有少許偏離，主要原因可能是仿真是基于理想的單晶晶體，聲速較快，而本實驗所制備的薄膜是磁控濺射法制備的，屬于多晶，聲速較低，所以實際的諧振頻率比仿真的值要小。由頻率可計算出當波長為32μm時，該器件的相速度為v=λ×f=4064m/s，由于薄膜的厚度只有1.9μm，而聲表面波的波長為32μm，因此大部分能量更多的集中在Si片中，計算出來的相速度更接近在Si片中的傳播速度（4800m/s）。

圖5 SAW器件的S11參數

3 結束語

本文研究了基于ZnO/PZT結構的聲表面波諧振器，通過COMSOL仿真，建立了SAW器件的理論模型并得到中心頻率。為驗證模擬的精確性，本文用射頻磁控濺射法在Si片上沉積了ZnO/PZT雙層膜，并根據設計的結構制作了相應的SAW器件，對比仿真與實驗測試結果，二者比較接近。