一种IDT/(002)ZnO/SiO2/Si多层结构的声表面波器件∗

朱 敏刘智荣包文歧徐才华谢立强

(陆军工程大学国防工程学院，江苏 南京210007)

声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件凭借着其体积小、损耗低、频率特性好以及灵敏度高等特点在移动通信和传感器领域得到广泛的研究[1－5]。随着物联网和传感器技术的进一步发展，对SAW器件的性能提出了更高的要求，迫切需要工作频率更高、灵敏度更好以及温度稳定性更优的SAW器件。石英、铌酸锂、锆钛酸铅等压电材料均匀性好，压电系数大，声表面波传输损耗小，作为传统声表面波器件的衬底材料得到了应用[6－11]。然而当前半导体器件以硅衬底为主，由于衬底材料的不同使得SAW器件与半导体器件很难单片集成，从而限制了SAW器件的应用。在硅衬底上制备压电薄膜来制造SAW器件是解决这个问题的一个有效方法。

常见的压电薄膜有ZnO、AlN和LiNbO3等，其中ZnO薄膜相比其他压电薄膜有良好的压电性，较高的机电耦合系数(K2)，更容易形成c轴择优(002)取向薄膜，而且制备技术较为成熟[12－14]。对于ZnO/Si结构的SAW器件易受到温度的影响，通过在Si衬底和ZnO薄膜之间引入SiO2薄膜层实现对ZnO/Si结构的温度补偿，提高SAW器件的温度稳定性，此外SiO2层还可以起到隔离缓冲的作用，提高ZnO薄膜的生长质量。

国内外学者对基于ZnO薄膜的SAW器件开展了一定的研究。Wu等人[15]从理论上对(100)ZnO/(111)Diamond结构激发的瑞利波进行了分析，并与(002)ZnO/(111)Diamond结构瑞利波模式下膜厚比、相速度以及机电耦合系数进行了对比分析；Caliendo等人[16]在ZnO/SiO2/Si多层结构上制备了多模SAW器件，计算了ZnO薄膜对五种不同气体(二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、四氯乙烯和三氯乙烯)的感测灵敏度。Luo等人[17]利用有限元方法研究了IDT/(110)ZnO/SiO2/Si多层结构中水平剪切波的传播特性，并结合实验进行了验证；Lu等人[18]采用射频磁控溅射法制备了ZnO/SiO2/SiC结构的单端口谐振器，从理论和实验上分析了该结构所激励的瑞利波和西沙瓦波的传播特性；Su等人[19]设计制作了ZnO/(SiO2＋IDT)/Al2O3埋入式IDT电极结构的SAW器件，通过有限元仿真和实验验证，研究了该结构激发的声表面波传播特性。

基于ZnO薄膜制成的SAW器件的性能受到多种因素影响，如衬底类型、ZnO薄膜厚度、ZnO薄膜晶体取向以及SiO2薄膜厚度等[20]。本文在选择Si作为衬底的情况下，采用有限元方法分析了不同的ZnO膜厚对IDT/ZnO/SiO2/Si多层结构所激发瑞利波的相速度、机电耦合系数的影响以及SiO2膜厚对SAW器件频率温度系数的影响。同时采用射频磁控溅射法制备了三组不同厚度IDT/ZnO/SiO2/Si多层结构的SAW器件，并利用X射线衍射仪对所制备ZnO膜进行了检测。最后利用矢量网络分析仪理论对三组SAW器件进行了测试，并与理论分析的结果进行了比较。

1 理论与仿真

图1(a)为多层结构SAW器件的二维结构示意图，是由Si衬底、SiO2薄膜、ZnO薄膜以及叉指换能器(IDT)所组成。采用COMSOL有限元仿真软件对IDT/ZnO/SiO2/Si多层结构进行三维建模分析，ZnO和SiO2薄膜的厚度分别用hZnO和hSiO2来表示，如图1(b)所示，设声表面波波长λ为8μm，IDT电极宽度a为2μm，高度h为0.15μm，电极中心间距p为4μm。对于无限长均匀IDT的叉指电极具有周期性，其表面电势φs，表面电荷密度δs和表面电场切向分量E1都具有周期性[21]。故采用周期性边界条件，用IDT中的一对电极来模拟实际多层结构SAW器件瑞利波的传播特性，在不降低仿真精度的同时，减少仿真计算量。同时考虑到叉指电极外空气对电场分布有一定影响，所以在叉指电极上方增加一层空气薄层。实验所需要的ZnO薄膜为(002)取向，采用旋转坐标系设置其欧拉角均为零。设置三维模型y方向厚度为0.2λ，Si衬底厚度为2λ，底部增加1λ厚度的完美匹配层(PML)，用于降低底部边界对波的反射。对模型下边界为固定边界条件，前后、左右边界设置周期性边界条件，其他均为自由边界。两电极一个接地，一个接终端，设置1 V电压。对仿真模型划分好网络后，添加特征频率研究、频域研究来进行求解。

图1 IDT/ZnO/SiO2/Si多层结构SAW器件结构示意图

通过对hZnO＝300 nm(hZnO/λ＝0.037 5)，hSiO2＝300 nm(hSiO2/λ＝0.037 5)的IDT/ZnO/SiO2/Si多层结构SAW器件进行特征频率分析，得到如图2所示的谐振SAW模态与反谐振SAW模态，右侧图例反映质点振动强弱，颜色越深，振动越强烈，能量也就越高。当hZnO/λ和hSiO2/λ均为0.037 5时，该多层结构SAW器件激发的瑞利波谐振频率fr为545.23 MHz，反谐振频率far为546.45 MHz。在谐振频率fr处，质点振动位移最大，能量最高；在反谐振频率far处则反之。谐振频率fr和反谐振频率far的大小有差异是叉指电极的电极效应所导致的。

图2 SAW器件模态变形图

根据fr、far来计算瑞利波相速度Vp和机电耦合系数K2的值，具体公式如下[18]:

TCF(Temperature coefficient of frequency)反映多层结构SAW器件的谐振频率随外界温度变化的稳定程度。利用COMSOL软件热－机械耦合模型的预应力－频率研究来计算[22]。TCF的值通过下式进行计算:

式中，T0为室温，一般取25℃，fr(T0)为室温下的谐振频率，fr(T)为温度T的谐振频率，本研究中T取值范围为30℃到100℃之间。

图3(a)为通过频域分析得到叉指电极的输入导纳特性曲线。从图中观察到，当Y11模值逼近最大值时，对应的频率为谐振频率fr，此时SAW器件的电声转换效率最高，能量损失最少；当Y11模值逼近最小值时，对应的频率即为反谐振频率far，此时SAW器件的电声转换效率最低，能量损失最多。同时通过后处理得到谐振频率处瑞利波的位移场分布如图3(b)示，可以看出归一化位移分量在距离表面约13μm处接近0，说明了瑞利波大部分的能量集中在SAW器件表面附近并且随着深度急剧下降至零，瑞利波沿y方向(u2)的位移为零，沿着x方向(u1)和z方向(u3)的位移占主导地位，且u1与u3之间相位相差π/2，说明了瑞利波在ZnO薄膜上沿xz平面以椭圆偏振方式进行传播。

图3 叉指电极的输入导纳特性与谐振频率时瑞利波位移场分布

仿真过程中忽略IDT的质量和刚度系数对SAW器件的影响，保持hSiO2/λ不变(hSiO2/λ＝0.037 5)，通过改变hZnO/λ大小，得到IDT/ZnO/SiO2/Si多层结构激发瑞利波相速度Vp和机电耦合系数K2变化曲线如图4所示。可以观察到，在保持hSiO2/λ不变时，Vp随着hZnO/λ的增加而逐渐减小，在2 650 m/s附近趋于稳定，这主要是ZnO薄膜的瑞利波相速度小于SiO2薄膜以及Si衬底的瑞利波相速度。当hZnO/λ较小时，SAW能量穿透到Si基底中，Vp主要受到ZnO、SiO2薄膜以及Si衬底三者的共同影响。随着hZnO/λ增大，SAW的能量逐渐集中ZnO薄膜中，ZnO薄膜对Vp的影响逐渐增大，使Vp逐渐接近ZnO薄膜在理想条件下的相速度2 650 m/s。同时可以看出K2随着hZnO的增加先增大后逐渐趋于平稳，当hZnO/λ＝0.55时，K2取得最大值1.48%。所以适当地增加ZnO薄膜厚度可以提高多层结构的SAW器件的机电耦合系数，从而提高SAW器件的压电性能。

图4 IDT/ZnO/SiO2/Si多层结构的Vp、K 2随h ZnO/λ变化曲线

TCF是衡量多层结构SAW器件温度稳定性的重要指标，对此本文研究了不同ZnO厚度的SAW器件瑞利波的谐振频率随温度变化特性。图5为IDT/ZnO/SiO2/Si多层结构随hSiO2/λ变化的TCF曲线，当hZnO/λ不变时，TCF的值hSiO2/λ随着的增大从负值逐渐增大到正值。这是由于ZnO和Si为负温度系数，SiO2为正温度系数，正是利用这一点来实现多层结构SAW器件的温度补偿。由图可知，当hZnO/λ为0.037 5、0.075和0.125时，仿真得到的结果能使IDT/ZnO/SiO2/Si多层结构的TCF为零的hSiO2/λ值为0.027、0.037和0.061。当hZnO/λ较小时，增加的SiO2薄膜的厚度能够明显改善器件的TCF。随着hZnO/λ增大，SiO2膜对多层结构SAW器件TCF的改善效果逐渐减弱，根据声表面波传播理论可知，当hZnO/λ增大时，声表面波的能量逐渐集中在ZnO薄膜中，只有少部分进入SiO2薄膜中，因此hSiO2/λ的增加不能很好地实现温度补偿。因此在基于ZnO/Si结构的SAW器件中通过引入适当厚度SiO2薄膜来改善器件的TCF效应，提高器件的温度稳定性。

图5 IDT/ZnO/SiO 2/Si多层结构的TCF随h SiO2/λ变化曲线

2 实验方法

利用COMSOL仿真确定的参数制作了不同ZnO厚度的延迟线型SAW器件。图6为IDT/ZnO/SiO2/Si多层结构的SAW器件制作流程图。首先，实验采用热氧化的方法在4英寸的N100型Si片表面沉积一层SiO2薄膜，其厚度为300 nm，通过湿法清洗和干法处理两道工序后，采用射频(RF)磁控溅射法在SiO2表面沉积三组不同厚度的ZnO薄膜，膜厚分别为300 nm、600 nm、1 000 nm。采用纯度99.95%的ZnO粉靶，以氩气和氧气的混合气体作为溅射气体，氩气与氧气之比为40∶3，溅射气压为0.6 Pa，射频功率为150 W，退火温度为500℃，ZnO薄膜的沉积速率为2.65 nm/min。采用HMDS(六甲基二硅氮烷)对制备好的ZnO薄膜进行预处理，增强光刻胶与ZnO薄膜表面的粘附性，采用光刻工艺制作两组叉指换能器IDT，电极宽度a为2μm，高度h为150 nm，电极中心间距p为4μm，叉指对数为100对，两组叉指换能器间距为100λ。

图6 SAW器件的制作流程

本实验通过使用DX2000－X射线衍射仪对所制备ZnO薄膜的晶体结构进行测试。使用光学显微镜观察叉指换能器的电极形貌。将SAW器件裸片通过环氧胶粘连到PCB板上，通过引线将器件电极与SMA接口连通，采用安捷伦E5063A矢量网络分析仪测试SAW器件的频域散射参数(S参数)。

3 结果与讨论

本实验所设计制作SAW器件为延迟线型器件，单个SAW器件尺寸大小为10 mm×10 mm。图7为实验制备的IDT/ZnO/SiO2/Si多层结构SAW器件实物图，观察到叉指电极结构完整，测得IDT的电极周期为8.03μm，电极宽度为1.98μm，IDT制造误差为0.3%。

图7 实验制作的单个SAW器件实物图

图8 为采用X射线衍射仪对不同厚度ZnO薄膜的测试结果图。由图8(a)可以看出在20°~60°扫描范围内，三组ZnO薄膜都在2θ＝33.4°附近出现唯一一个强峰，说明了所制备的ZnO薄膜均具有高度的c轴择优取向即(002)取向，而且随着hZnO/λ的增大，(002)取向衍射峰的峰值强度增大。与标准的ZnO单晶的XRD(002)取向的衍射峰位置在34.42°相比，本实验测得ZnO薄膜的衍射峰位置均略小于34.42°，产生偏差的原因是与ZnO薄膜自身的压缩应力有关，随着溅射气压的增大，ZnO薄膜的压缩应力会减小，相应的峰位置会逐渐靠近标准ZnO单晶峰的位置[21，23]。此外，由于SiO2薄膜为非定型结构，所以没有观察到明显的SiO2薄膜的衍射峰。由图8(b)可知ZnO薄膜(002)峰的半高宽(Full Width at Half Maximum，FWHM)值随着hZnO/λ的增大而减小，晶粒尺寸随着hZnO/λ的增大而增大，结果表明随着厚度的增加，ZnO薄膜(002)取向性更好，薄膜晶体质量更佳。

图8 X射线衍射仪对不同厚度ZnO薄膜的测试结果图

采用E5063A矢量网络分析仪对三组不同厚度ZnO薄膜的SAW器件测试S参数如图9所示。S参数测试包括输入反射系数S11和正向传输系数S21，测试时为了使SAW器件能够应用于电路，对器件进行了阻抗匹配。由图9(a)、(b)和(c)可以得到，实验测得hZnO/λ为0.037 5、0.075和0.125时谐振频率分别为539.80 MHz、501.15 MHz和460.82 MHz，与仿真得到的谐振频率之间有2 MHz~6 MHz的差距，这是由于实验制备的ZnO薄膜不可能是理想化的ZnO单晶一样，存在一些结晶缺陷，薄膜缺陷容易使声表面波发生散射以及IDT的质量负载等因素的影响，使得实验测量结果小于仿真结果。实验与仿真均证实了谐振频率f0和瑞利波相速度Vp随着ZnO薄膜厚度的增加而降低的结论。表1为多层结构SAW器件在不同ZnO厚度下仿真和实验结果比较，通过对比分析可得，实验测试得到的谐振频率f0和瑞利波相速度Vp同有限元仿真结果具有较好的一致性。

图9 不同厚度ZnO薄膜的SAW器件的S11和S21测试结果

表1 多层结构SAW器件在不同ZnO厚度下仿真和实验结果比较

4 结论

本文通过有限元软件和实验方法对IDT/ZnO/SiO2/Si多层结构的SAW器件进行了分析，采用有限元仿真对声表面波的传播特性进行三维建模仿真，得到谐振时器件的振型图、质点的位移场图以及叉指电极的输入导纳特性，并研究了ZnO膜厚对多层结构SAW器件所激发瑞利波的相速度、机电耦合系数以及SiO2膜厚对该器件频率温度系数的影响。实验采用热氧化、射频磁控溅射法和光刻工艺制备了三组不同ZnO膜厚的SAW器件，采用X射线衍射仪对SAW器件进行了表征，结果表明ZnO压电薄膜均呈现(002)晶体取向、良好的晶体质量。仿真和实验均验证了随着ZnO薄膜厚度的增加，更多的声表面波能量集中在压电薄膜层传播，从而导致谐振频率f0和瑞利波相速度V逐渐减小。本次研究结果可以为后期实验提供较好的指导意义。