基于Mo/SiO2布拉格声反射器的体声波谐振器的制备及其性能分析

谢红， 熊娟， 杜鹏飞， 钟伟明， 秦杰， 顾豪爽

(湖北大学物理学与电子技术学院，湖北 武汉 430062)

0 引言

近年来薄膜体声波技术在高频领域的应用成为人们关注的热点，基于电声换能器的薄膜体声波谐振器(FBAR)也开始引起人们的关注[1].自Sauerbery首次提出石英晶体微天平(QCM)的质量负载效应以来，QCM在过去的几十年里广泛地用于物理、化学及生物检测领域.由于其工作频率在MHz范围，导致检测灵敏度较低，使得其检测范围受到限制.而工作在GHz的薄膜体声波谐振器由于尺寸小、灵敏度高，且制作工艺与现有的集成电路工艺兼容，符合目前集成传感器的发展趋势[2-5].

目前存在3种结构的体声波谐振器：硅反面刻蚀型、空气隙型及固态装配型(solidly mounted resonator，SMR).其中前两者均通过压电薄膜上下的空气界面来反射声波，虽然这两种结构的器件Q值(品质因数)较高，但部分衬底被移除而导致机械牢固度较差. SMR型谐振器依靠交替沉积高、低声阻抗材料组成布拉格声反射器，其作用近似等效于零声阻抗的空气界面，可防止声波从硅衬底处泄露，从而提高器件Q值[6-8]. SMR型谐振器通过采用多层布拉格声反射层形成谐振腔，从而限制声波能量的泄露，提高器件性能，但是对于多层布拉格声反射层的制备具有严格的要求.在材料选择上，需要材料声阻抗比值较大.可用于制作声反射层的材料组合有W/Al、Mo/Ti、W/SiO2、Mo/SiO2等.薄膜制备方面，要求精确控制各层膜的厚度，以实现声波全反射的条件，同时由于声波是沿着薄膜厚度方向传播，因此反射层表面粗糙度应该尽可能低，以减少其对声波能量的散射.本文中采用Mo/SiO2作为布拉格声反射层，其声阻抗比为4.6，比Mo/Ti反射层的声阻抗比2.3大，更利于减少器件声波能量的泄露.由于AlN薄膜的频率温度系数为-25 ppm/K，即中心频率会随着温度上升而下降，而采用具有正温度系数的SiO2作为声反射层薄膜可以实现谐振器温度补偿，从而避免由于频率漂移而引起器件Q值下降[9].

此外，SMR型谐振器机械牢固度较好且便于集成电路工艺制作，因此本文中制作了SMR型谐振器并研究了其相关的性能.利用射频反应磁控溅射法制备AlN 和Mo/SiO2薄膜， 简化在硅衬底上制备FBAR的微机电系统MEMS(micro electro mechanical system)工艺，为实现在硅衬底上集成FBAR质量传感器， 进一步应用于生物分子检测领域的微质量传感奠定了基础[10].

1 实验

图1 SMR型谐振器截面结构示意图

Mo/SiO2薄膜的制备采用JGP560C12型超高真空多功能磁控溅射设备，以纯度为99.999%、几何尺寸为Φ60 mm×5 mm的金属钼和多晶硅作为溅射靶材，并向溅射室通入高纯度的Ar(99.999%)和O2(99.999%)作为工作气体.实验采用的基片为P型(100)硅片，溅射前采用标准工艺清洗.通过模拟计算确定组成器件的声反射层、压电层及电极的厚度，在优化的工艺参数条件下，交替沉积Mo、SiO2薄膜形成声反射层，随后沉积110 nm的底电极Pt/Ti，在优化的工艺条件下沉积1 143 nm的c轴择优取向AlN为压电薄膜，最后通过光刻、溅射、剥离形成100 nm上电极Au.制备的SMR型谐振器如图1所示.

采用日本岛津(SHIMADZU)SPM-9500J3型原子力显微镜(AFM)分析薄膜表面形貌及粗糙度，用S-4800型场发射扫描电子显微镜(FESEM)表征声反射层截面形貌，用微波探针台和HP8720D型Agilent网络分析仪测试器件性能.

2 结果分析

2.1沉积工艺条件对薄膜的影响图2研究溅射工艺参数：溅射气压、溅射功率、衬底温度对SiO2薄膜表面均方根粗糙度(RMS)的影响.

图2 溅射气压(a)、溅射功率(b)、衬底温度(c)对SiO2薄膜表面粗糙度的影响

从图2(a)可以看到溅射气压在0.4～0.8 Pa之间沉积的薄膜具有较低的表面粗糙度，原因是在低气压下溅射粒子受到散射碰撞较少，离子能量损失较小，因而在衬底上形成的原子团迁移率较大，生长的薄膜粗糙度较低.图2(b)中随着溅射功率的升高，薄膜的粗糙度有先降低后升高再降低的趋势.综合实验结果，考虑到功率升高可提高沉积速率，且在150 W时薄膜的粗糙度比较低，因此150 W为最佳溅射功率.图2(c)显示在温度为150 ℃以下时，薄膜的表面粗糙度较低，而随着温度继续升高，薄膜的表面粗糙度开始显著增加.获得的最佳溅射工艺参数如表1所示.

表1 声反射层薄膜最佳溅射工艺参数

2.2Mo/SiO2声反射层的形貌图3是在优化条件下制备的SiO2薄膜的AFM表面形貌图，其表面均方根粗糙度为0.278 nm. 图4是在优化条件下制备的Mo/SiO2反射层的FE-SEM截面图，从图中可以看到，膜层之间界面清晰平整，同时为了能精确控制薄膜的厚度，实现声波在谐振腔的全反射，在优化的工艺下确定了薄膜的沉积速率为8.6 nm/min.设计的声反射层各层厚度为λ/4，即Mo和SiO2的厚度分别为629 nm和520 nm，为提高声波能量反射效率，制备具有良好性能的器件奠定了基础.

2.3SMR性能分析SMR的频率响应特性通过微波探针台及网络分析仪来表征，测试结果如图5所示. 从测得的频率响应特性可以看到，所制备的SMR型谐振器的中心频率在1.7 GHz，其回波损耗为-55.095 dB，其曲线光滑平整，未出现谐波，表明实验所制备的以Mo/SiO2为声反射层的SMR型谐振器具有较好的抑制谐波的性能，适合制备质量传感器.

图3 SiO2薄膜的AFM图

图4 Mo/SiO2截面SEM图

图5 SMR的S11特性曲线

3 结论

在优化的工艺条件下制备出界面清晰平整，结构致密的Mo/SiO2声反射层薄膜，以c轴择优取向的AlN薄膜为压电层，采用MEMS工艺制备出谐振频率为1.7 GHz的SMR型谐振器.测试结果表明实验所制备的SMR型谐振器具有较好的抑制谐波的能力，其回波损耗较小，可用于制作质量传感器.

[1] 熊娟， 顾豪爽， 胡宽， 等. 固态封装型的体声波谐振器的制备与性能分析[J].压电与声光， 2009，31(5):613-615.

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