基于ZnO/PZT结构的单端声表面波器件研究

桂晨，韦敏

（电子科技大学，四川成都，611731）

0 引言

声表面波器件主要由压电基底材料和相互交错的金属薄膜叉指状换能器（Interdigital Tranducer，IDT）组成，工作时通过向叉指换能器上输入电信号，通过逆压电效应，压电材料会将电能转换成周期振动声表面波的机械能，而对应的，声表面波在压电材料表面传播时引起的机械振动会通过压电效应将机械信号转换成电信号，由IDT传输给外部信号处理单元。声表面波器件具有很多优点：(1）声表面波传播速度比电磁波小五个数量级，利用这一特性可以使电子设备体积减小，重量减轻，还可以使其性能大大改善；(2）在声表面波传播过程中，可以随意的存取信号；(3）可以通过集成电路技术制造声表面波器件[1]。由于SAW通常只在压电材料表面极小的范围内传播，对于外界的扰动比较敏感，物理或者化学的环境条件变化都会对声表面波的传播造成影响，因此，基于声表面波器件的传感器应用越来越广泛。

根据压电材料的种类一般将传统的SAW器件分为两种结构。第一种压电基底材料为压电单晶或者压电陶瓷，压电单晶材料为最早使用的SAW压电基底，常见的压电单晶材料有石英单晶SiO2，LiNbO3，LiTaO3等[2,3]。压电单晶材料具有很多优点，包括可重复性与均匀性好、稳定性高、声表面波传播损耗小等，但一般具有固定的压电材料特性如机电耦合系数和温度系数，并且这些参数很难通过生长等工艺进行控制或调整。压电陶瓷是指通过高温烧结制备的多晶压电材料，常见的有BaTiO3，PZT等，优点是可以通过改变高温烧结时的环境条件、烧结添加物等参数，调控所制备的压电陶瓷材料的物理和化学特性，但压电陶瓷制备过程通常比较复杂，且容易产生较高的表面粗糙度，重复性和均匀性不高。第二种是压电薄膜型SAW，是指在第三方基底上沉积一层或多层压电薄膜，基底材料通常选用Si、玻璃和蓝宝石等，压电薄膜主要有ZnO、GaN、AlN等，然后在压电薄膜上光刻沉积叉指换能器和反射栅形成SAW器件。这类器件的特点是压电薄膜层生长在第三方基底上，且薄膜的厚度通常仅为微米级别，因此SAW的传播特性由薄膜和基底共同决定，通过改变制备薄膜时的工艺参数以及基底的种类可以调控SAW的传播特性、机电耦合系数等参数。而且这种压电薄膜型SAW器件可制备在Si衬底上，与传统的IC工艺兼容性很好。

ZnO是六方纤锌矿结构的直接宽禁带半导体材料，具有良好的压电性能，SAW相速度为2650m/s，适用于各类SAW器件中。钙钛矿结构的锆钛酸铅（PbZrxTi1-xO3，PZT）具有优越的压电、介电、铁电等性能，同时还有较高的压电常数、机电耦合系数与品质因数。目前有研究表明，（002）择优取向生长的ZnO晶粒可以促进PZT薄膜（110）晶面择优生长和向钙钛矿结构转化[11]，消除可能存在的焦绿相结构影响。因此本文研究了基于ZnO/PZT双层压电薄膜结构的SAW器件，一方面ZnO薄膜可以充当过渡层的存在，促进PZT薄膜结构与性能的改善，另一方面PZT相对于ZnO有着更高的压电常数值和机电耦合系数，而ZnO有更高的机械品质因数，通过对多层膜结构的优化来提高SAW器件的性能。

1 基于COMSOL的SAW器件仿真

对于压电薄膜型SAW器件，需要确定的主要参数包括压电薄膜的厚度、叉指换能器的材料、宽度（即声表面波的波长）、厚度，这些参数会对器件的工作频率、带宽等特性产生影响，因此在制备器件前需要对ZnO/PZT结构的SAW器件进行仿真分析，理论建模并研究其特征频率。

对于SAW器件的仿真第一步要建立周期单元模型，本文所制备的单端SAW器件为正负电极交替结构，具有大量周期性重复的叉指电极单元，结构图如图1所示，并且反射栅不影响器件的谐振频率，实际计算时为了简化分析，仿真时可以选取单个周期区域，在边界处施加周期性条件以模拟重复出现的结构。并且声表面波的横向波形在任何节点都相似，因此可以采用二维模型来仿真分析。本文仿真的SAW整体结构为:衬底是Si基片，厚度相对于压电层和电极层较大，设为100μm；压电层是ZnO/PZT双层膜结构，ZnO薄膜厚度为1.5μm，PZT薄膜厚度为400nm；电极层是Al金属，厚度为70nm；叉指电极的宽度为8μm，叉指电极距离边界4μm。建模图如图2所示。

图1 建模图形

建模后第二步要设立边界条件，仿真模型的边界条件包括机械边界条件和电学边界条件，主要边界条件设置为：模型的侧边均设置为机械与电学周期性边界条件，模型底部设置为固定约束条件，压电层和衬底的接触线设置为零电荷。左边的IDT添加终端条件，并施加1V的电压，右边的IDT设置为接地。边界条件设置完成后下一步对仿真模型进行网格剖分，由于声表面波在材料表面很小的范围内进行传播，并且越深入内部能量衰减越大，因此对电极层和压电材料层使用“极细化”的尺寸要求，对衬底使用“较细化”的尺寸要求。接着就可以对模型进行有限元分析，仿真结果如图2和图3所示。

图2 单端SAW器件仿真结果图（a）对称模式（b）反对称模式

图3 仿真得到的器件S11参数

本文选取8μm指宽（声表面波波长为32μm）的器件进行特征频率的响应分析，主要是为了获得此SAW器件在谐振频率附近的特有振型。由于此模型是二维周期性结构，故存在对称型谐振和非对称型谐振，图a是对称模式的振型仿真图，谐振频率f0为133.66MHz，图b是反对称模式的振型仿真图，反谐振频率f1为133.75MHz，可以通过以下公式计算出此器件理想的声表面波传播速度为4278.56m/s。

2 ZnO/PZT结构的声表面波器件制备与测试

2.1 ZnO薄膜及PZT薄膜的制备

本实验制备ZnO薄膜和PZT薄膜的方法为射频磁控溅射法。制备ZnO薄膜时的主要工艺条件为：衬底温度为260℃，溅射室本底气压为5×10-3Pa，反应气体为Ar，溅射气压为1Pa，溅射功率为100W，每次溅射前先预溅射15min，溅射时间为4h，实验得到的ZnO薄膜厚度约为1.5μm。制备PZT薄膜时的主要工艺参数为：衬底温度为260℃,溅射室本底气压为5×10-3Pa，反应气体为Ar，溅射气压为1.2Pa，溅射功率为100W，每次溅射前先预溅射15min，溅射时间为2h，实验制备的PZT薄膜厚度约为400nm。ZnO/PZT薄膜制备完成后还需要进行600℃、常压条件下的退火操作。

本实验采用丹东浩元DX-2700表征薄膜的物相结构，测试时所加的管电压为40kV，管电流30mA，测试角度20～60°，薄膜的晶体取向如图4所示。可以看到制备的ZnO薄膜有很好的（002）取向，即压电特性的c轴择优取向，而PZT薄膜有与铁电钙钛矿相结构对应的（100）、（110）、（111）、（200）和（211）衍射峰，没有出现与非铁电焦绿石相结构对应的衍射峰。

图4 薄膜的XRD测试结果

2.2 SAW器件的制备与测试

制备完ZnO/PZT薄膜后，在此结构上采用传统的光刻和剥离电极工艺制作SAW器件，光刻工艺采用反转曝光技术，利于高精度的图形的剥离工艺。本实验所制备的SAW器件共有80对叉指电极，叉指电极两端各有50对反射栅，叉指线宽和叉指间距均为8μm，叉指电极的周期，即声表面波波长λ为32μm。声孔径长度为100λ，即叉指电极的长度和反射栅的长度均为101λ，叉指电极与反射栅之间的距离为0.75λ。光刻完成后采用蒸发镀膜法蒸镀Al电极，电极层的厚度约为70nm。剥离电极后采用滴银浆的方式引出电极，并使用安捷伦E5071C矢量网络分析仪来对制作好的SAW器件进行测试。

图5是制备的SAW器件S11参数的测试结果，谐振频率为127.0MHz，实际谐振频率与仿真所得到的133.66MHz有少许偏离，主要原因可能是仿真是基于理想的单晶晶体，声速较快，而本实验所制备的薄膜是磁控溅射法制备的，属于多晶，声速较低，所以实际的谐振频率比仿真的值要小。由频率可计算出当波长为32μm时，该器件的相速度为v=λ×f=4064m/s，由于薄膜的厚度只有1.9μm，而声表面波的波长为32μm，因此大部分能量更多的集中在Si片中，计算出来的相速度更接近在Si片中的传播速度（4800m/s）。

图5 SAW器件的S11参数

3 结束语

本文研究了基于ZnO/PZT结构的声表面波谐振器，通过COMSOL仿真，建立了SAW器件的理论模型并得到中心频率。为验证模拟的精确性，本文用射频磁控溅射法在Si片上沉积了ZnO/PZT双层膜，并根据设计的结构制作了相应的SAW器件，对比仿真与实验测试结果，二者比较接近。