基于ZnO壓電薄膜側(cè)向場激勵薄膜體聲波諧振器的研究.pdf

1、薄膜體聲波諧振器(FBAR)是一種新穎的基于壓電效應(yīng)的射頻MEMS器件，因其具有諧振頻率和質(zhì)量靈敏度高，尺寸小以及與CMOS工藝兼容等特點(diǎn)，在無線通信領(lǐng)域取得了巨大的商業(yè)成功，而FBAR技術(shù)的另一重要應(yīng)用-生物傳感領(lǐng)域的研究也日益受到學(xué)術(shù)界以及市場的密切關(guān)注。
　　生物傳感的應(yīng)用一般要求在液相環(huán)境下進(jìn)行，而傳統(tǒng)的縱波FBAR在液相環(huán)境中Q值衰減顯著，因此在液相中能保持較高Q值的剪切波已成為生物傳感的熱門研究方向。剪切波的激勵主要有

2、兩種方法，即厚度方向激勵與側(cè)向場激勵。厚度方向激勵需要壓電薄膜與c軸成一定角度的傾斜生長，工藝復(fù)雜且重復(fù)性差;側(cè)向場激勵則可利用成熟的c軸取向壓電薄膜生長工藝，只需設(shè)置合適的電極位置及形狀就能實(shí)現(xiàn)，因此側(cè)向場激勵的FBAR被認(rèn)為是最有前景與價值的解決方案。
　　本論文研究制備了適用于FBAR的、高c軸取向的ZnO壓電薄膜，系統(tǒng)地研究了基于ZnO薄膜的背刻蝕型FBAR的制備工藝，成功地制備出厚度方向激勵的縱波FBAR以及側(cè)向場激勵的

3、剪切波FBAR兩種器件，并探索了嵌入式電極結(jié)構(gòu)側(cè)向場激勵剪切波FBAR器件。論文的主要內(nèi)容與研究成果有:
　　1.理論推導(dǎo)了側(cè)向場激勵剪切波FBAR的工作原理，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。
　　2.采用直流反應(yīng)磁控濺射成功制備了高c軸取向、壓電性能良好的ZnO薄膜，系統(tǒng)研究了工藝參數(shù)對薄膜及器件性能的影響。在氧氣與氬氣流量分別為50seem，100seem;濺射氣壓2Pa;襯底溫度200℃;濺射功率200W;偏壓-75V的條件下

4、，所制備的ZnO薄膜表面粗糙度（RMS）僅為7.5nm，晶粒為卵狀顆粒且呈柱狀生長，呈現(xiàn)良好的c軸取向。
　　3.系統(tǒng)地研究了背刻蝕型FBAR的制備工藝，成功制備了兩組具有代表性的硅背面刻蝕結(jié)構(gòu)的縱波FBAR器件，分別為:諧振頻率2.69GHz，Q值1116（高Q值）;諧振頻率為3.4GHz（高頻率），Q值170。
　　4.制備了基于背面刻蝕工藝的側(cè)向場激勵的剪切波FBAR器件。測試結(jié)果顯示其主諧振頻率附近存在一寄生雜波，導(dǎo)

5、致主諧振峰分辨率不足，Q值較低。制備的器件諧振頻率為522MHz，Q值為30。使用Comsol Multiphysics有限元軟件仿真分析該器件結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)與測試結(jié)果值類似，亦在主諧振峰附近出現(xiàn)了寄聲波。對這一現(xiàn)象進(jìn)行了深入的理論分析，由此探索性地提出了一種嵌入式電極結(jié)構(gòu)的側(cè)向場FBAR，該結(jié)構(gòu)在理論上能較好地消除雜波的影響。基于此，制備了背刻蝕工藝的嵌入式電極結(jié)構(gòu)側(cè)向場激勵FBAR器件，制得的器件諧振頻率為809.4MHz，且主諧振峰周