ZnO/SiO2/Si复合结构的声表面波器件特性分析

朱 敏， 谢立强， 刘智荣， 包文歧， 徐才华

(陆军工程大学 国防工程学院，江苏 南京 210007)

近年来， MEMS(Micro-electro mechanical systems)技术一直持续高速发展并得到了广泛的应用。声表面波(Surface acoustic wave，SAW)器件作为一类重要的MEMS器件，以其结构简单、频率特性好、敏感性强以及可无源无线工作等诸多优点被大量研究和应用[1-3]。当前SAW器件应用范围已经由传统的滤波器、振荡器等信号处理型器件拓展到传感器、执行器等多种功能器件，可实现对温湿度[4-5]、压力[6]、气体[7]等的感测，可实现对微流体的驱动控制[8]，甚至可实现SAW马达[9]。SAW器件主要采用石英、铌酸锂等压电单晶体或者锆钛酸铅等压电陶瓷作为基底材料，该类压电基底材料均匀性好，机电耦合系数大，声表面波传播损耗小。然而，获得高纯度压电单晶体的代价很高，切片抛光定向等工艺较为繁琐，其机电耦合系数与温度稳定性一般难以调和。压电陶瓷在一致性、温度稳定性和长期稳定性等方面存在的固有问题，使其较难获得高性能。因此，在硅、金刚石等衬底上沉积多层压电薄膜和介质薄膜的SAW器件成为一个较好的解决方案。在衬底上通过制备多层膜结构的方式制备SAW器件，非常有利于对器件性能的调控，如选用不同衬底和不同膜厚可以调控SAW的相速度，引入不同特性膜层可以相互补偿温度系数，从而提高器件的温度稳定性。复合膜结构还利于实现对特定传感器的设计。

国内外学者开展复合膜结构SAW器件的研究有很多。在理论方面，Jin等[10]利用三维有限元方法分析了ZnO/金刚石上瑞利波和勒夫波的激发条件与振型模态。Luo等[11]利用有限元方法对IDT/(110)ZnO/SiO2/Si结构水平剪切波进行了分析，当hZnO/λ=0.2，hSiO2/λ=0.1时，机电耦合系数取得最大值为3.37%，TCF值接近于0，为-0.1×10-6/℃。王艳等[12]利用有限元方法研究SiO2薄膜的引入对ZnO/IDT/Si结构中瑞利波特性的影响，结果表明，双层SiO2薄膜的引入可以提高器件的相速度、机电耦合系数以及实现温度补偿。在实验方面，Lu等[13]制作了ZnO/SiO2/SiC结构的单端口谐振器，当hZnO/λ=0.2，hSiO2/λ=0.55时，测得器件频率达到5 GHz以及TCF为0.7×10-6/℃。Su等[14]通过嵌入式电极和SiO2导波层，制作了SiO2/ZnO/(IDT+SiO2)/Al2O3结构的SAW器件，可以实现小的相速度vp、大的机电耦合系数k2和接近于零的频率温度系数(TCF)。陈颖慧等[15]通过射频磁控溅射法将ZnO薄膜沉积在Si、金刚石衬底上，研究了衬底的不同、氩氧比和退火温度等因素对ZnO薄膜质量的影响。

本文针对ZnO/SiO2/Si复合结构SAW器件开展相关理论分析与有限元仿真工作，分析SAW器件激发的瑞利波特性，如谐振频率、相速度以及机电耦合系数等并通过实验验证，讨论SAW器件的特性，为复合结构SAW器件的优化设计提供理论指导。

1 建模与分析

ZnO/SiO2/Si复合结构的SAW器件结构示意图如图1所示。SAW器件基本结构由压电衬底和金属电极组成。金属电极包括叉指换能器和反射栅两种，其中叉指换能器(Interdigital transducers,IDT)由两组周期分布、交替排列的梳指状金属电极组成，每组电极通过汇流条进行连接。叉指换能器的功能是在SAW器件的压电薄膜表面激励和检测SAW，从而实现电信号与SAW信号之间的相互转换。反射栅由周期性的金属电极组成的阵列结构，可实现对所经过的声表面波进行反射和透射。

图1 ZnO/SiO2/Si复合结构SAW器件结构图

在压电基底上存在着声场和电场的相互耦合，研究声表面波的传播特性就需要考虑运动方程和麦克斯韦电磁方程，这两个方程通过压电方程耦合得到压电材料的耦合方程[16]

(1)

本文利用COMSOL有限元仿真软件对复合膜结构SAW器件进行建模以及对式(1)进行求解，根据仿真分析得到的谐振频率，计算得到该器件的声表面波速度。

利用COMSOL对ZnO/SiO2/Si复合结构SAW器件进行建模，所建的三维结构模型如图2所示。IDT选用均匀叉指换能器，λ为声波波长，w为孔径长度。利用周期性边界条件，将沉积在ZnO薄膜上IDT电极简化为一对电极组成的周期型结构，并且在仿真过程中忽略IDT的质量和劲度系数对器件的影响。与二维模型不同的是，三维模型建模时需要考虑IDT孔径w的长度，使其更为贴近SAW器件的实际情况。定义器件在水平剪切方向z与传播方向x的尺寸比例系数Q为[17]

式中：Q值一般在0.5～5之间。本文N取值为1，Q取值为1，则w=λ。

图2 IDT/ZnO/SiO2/Si复合SAW器件模型

SAW器件模型的基本参数如表1所示，其中p为叉指电极中心距离，a为叉指电极宽度，h为叉指电极高度。

表1 SAW器件三维简化模型参数

由于声表面波能量主要集中压电薄膜表面以下1～2波长范围内，而且随着衬底深度的增加，其振动幅度急剧衰减至0，所以在仿真模型中将衬底厚度设置为3λ即可。在Si衬底和ZnO压电薄膜之间沉积一层SiO2薄膜可以改善ZnO薄膜的生长质量以及提高SAW器件的温度稳定性。当ZnO薄膜厚度与SiO2薄膜厚度比值为2∶1时，SAW器件的频率温度系数TCF接近于0[11]。基于此，仿真模型中的SiO2薄膜设置为0.15 μm，ZnO薄膜厚度为0.3 μm，Si衬底厚度为24 μm。

模型建好之后，从COMSOL 软件材料库中添加材料，并根据实际情况对材料属性进行修改。所使用Al、ZnO、SiO2以及Si材料参数如表2所示[14,18]。

模型边界条件设定如下:仿真模型下表面设为固定约束，此时其电学边界条件为零电荷。仿真模型前后面、左右面分别设置一组周期性边界条件，用来规定两侧的电势和位移是相等的。金属电极上表面作为等电位区域，只需给其下表面使用边界条件即可，左侧终端的边界设为电接地，右侧终端的边界接1 V电压。其余的边界条件在默认情况下分别是结构边界中的自由边界和电学边界的零电荷边界。

表2 仿真所用的材料参数

为了便于控制网格大小，使用的是用户控制网格，将网格的大小设置为沿着模型厚度方向从下到上依次递减。划分的网格大小不宜过大或者过小，网格过大导致仿真精度不够，而网络过小致使计算量过大，仿真时间过长。选择合适的网格大小既可以获得较好的仿真精度又可以提高仿真效率。通过添加特征频率研究、频域研究来求解器件的谐振频率、反谐振频率以及计算在一个或多个频率下的谐波激励响应。图3为特征频率研究下的IDT/ZnO/SiO2/Si复合结构SAW器件振型图，其谐振频率和反谐振频率分别为554.81 MHz和557.63 MHz。有反谐振频率与谐振频率的存在，是由于压电薄膜表面IDT金属电极的电极效应所引起的[14]。

图3 SAW器件振型图

由图3可以看出，SAW的振动形式是在近表面以椭圆轨迹运动，而且振动位移沿厚度方向迅速减小，说明声表面波的能量主要集中在压电薄膜表面附近，这一点符合瑞利波的传播特性。其表面振动位移随着频率变化的关系如图4所示，当SAW器件的频率达到谐振频率时，其激发的振动位移达到最大，此时的电声转换效率也达到最大，器件的性能最佳。

图5为频域研究下得到的导纳-频率曲线图，可以看出当Y11值取最大值即阻抗值最小时，此时对应的频率为谐振频率fr，器件的插入损耗最小；当Y11值取最小值即阻抗最大时，此时对应的频率为反谐振频率far，器件的插入损耗最大。

图4 位移-频率特性

图5 导纳-频率特性

SAW器件的声表面波速度vp以及机电耦合系数k2计算公式分别为

(2)

(3)

式中：λ为SAW器件的波长，fr为谐振频率，far为反谐振频率。由此计算得到SAW器件的声表面波速度vp为4 449.76 m/s，机电耦合系数k2为1.24%。

2 实验方法

基于前期仿真工作所确定的器件参数，通过实验制备了与仿真模型结构相同的单端口SAW器件。同时为了分析反射栅在声表面波传播过程中的作用，制作一组单个IDT器件进行对比分析。器件参数具体如下：叉指电极和反射栅电极对数均为80对，电极宽度均为2 μm，电极中心距离均为4 μm，电极厚度均为150 nm，声孔径为2 000 μm，IDT与第一条反射栅电极之间的距离为3 000 μm。ZnO薄膜作为该SAW器件中最重要的部分，制备ZnO薄膜相较于制备其他压电薄膜材料，更容易获得单晶薄膜和择优取向薄膜。由于ZnO薄膜的(002)晶面自由能最低，所以在各类衬底上沉积ZnO薄膜都会趋向(002)晶面择优生长，所沉积的薄膜可作为压电薄膜使用。本文制备ZnO 薄膜的方法采用电子束蒸发镀膜。

实验选择的衬底是N100型硅片，首先将硅片经过有机清洗和干法清洗两道工序后，采用英国牛津仪器OXFORD 100型设备在Si衬底上使用PECVD法制备厚度为0.15 μm的SiO2薄膜，之后采用沈阳科仪的电子束蒸发设备先后制备厚度为0.3 μm的ZnO薄膜。采用Lift-off工艺来制备金属电极，即在光刻胶图形上制备金属图层，然后通过剥离工艺将掩膜版上的电极图形转移到ZnO薄膜上。光刻之前，采用HMDS(六甲基二硅氮烷) 对衬底表面进行预处理，增强光刻胶与其表面的粘附性，方便后续工艺的进行。SAW器件制作工艺流程图如图6所示。经过上述工艺流程后，再通过划片、裸片检查、粘片、引线键合以及封装之后就可得到单个完整SAW器件。

图6 SAW器件制作流程图

3 结果与分析

图7(a，b)分别是试制的SAW器件及光学显微镜下的IDT细节图。为了使其避免受到外界环境的影响，对SAW器件进行了简易封装。由图7可以看出，SAW器件整体结构完好，未出现叉指短路、断路等现象,所制器件的波长为8.03 μm,叉指宽度为1.98 μm，分别与器件设计值8.0和2.0 μm基本一致。

图7 试制SAW器件图

采用安捷伦E5063A矢量网络分析仪测量带有反射栅的SAW器件的S参数，通过SMA接口线将SAW器件与网络分析仪连接后测试S11参数，得到如图8所示的频率响应曲线。由图可看出，SAW器件的谐振频率为553.26 MHz，插入损耗为-13.6 dB，相位为-70°。由此计算得到该SAW器件的声表面波速度vp为4 426.08 m/s。进一步分析得该速度主要受到Si衬底、ZnO薄膜和SiO2薄膜三者共同影响，由于ZnO薄膜和SiO2薄膜的厚度h远远小于器件的波长λ，使得声表面波的能量更多集中在Si衬底上，所以Si衬底对声表面波速度的影响最大，其次是ZnO薄膜，最后是SiO2薄膜。但随着ZnO膜的厚度增加，声表面波的能量逐渐集中在ZnO薄膜中，声表面波速度逐渐接近ZnO薄膜在理想条件下的相速度。通过与仿真结果对比分析得，两者的谐振频率和声速是非常接近的，说明了仿真与实验具有较好的一致性。

在对带有反射栅的SAW器件分析完后，再对单个IDT的SAW器件进行分析，S11参数测试结果对比图如图9所示。测试得到的无反射栅结构的SAW器件的谐振频域为553.21 MHz，插入损耗为-21.7 dB。由图9可以看出，有无反射栅的两种结构SAW器件的谐振频率是非常接近的，带有反射栅的SAW器件比无反射栅的SAW器件在谐振频率处的S11增大了8.1 dB，说明反射栅的存在增强了回波信号，验证了反射栅的反射特性。

图8 频率响应特性

图9 器件S11测试结果对比图

4 结论

本文通过理论与3D-FEM对ZnO/SiO2/Si复合结构的声表面波器件进行了建模与分析，得到所建立的SAW器件的谐振频率以及相应的频率特性曲线。借助于仿真工作所确定的器件结构参数，然后通过实验制作了与仿真模型参数相同的单端口SAW器件，对比两者结果，具有较好的一致性。此外还对有无反射栅结构的SAW器件进行了分析，结果表明，两种结构的SAW器件的谐振频率是非常接近的，带有反射栅的SAW器件比无反射栅的SAW器件在谐振频率处的S11增大了8.1 dB，验证了反射栅的反射特性。