薄膜体声波滤波器的材料、设计及应用

(4)温度系数。频率温度系数(TcF)对器件的温漂有很大影响，ZnO虽然有比A1N更好的压电性能，但其TCF为一6O×10／℃，是A1N温度系数的2倍，因此使其在很多方面的应用受到限制。为了改善TCF对器件的影响，通常可以在沉积压电层之前先生长一层正温度系数的薄膜材料(通常为SiO，TCF为85×10／oc)，以达到温度补偿效果。

(5)声速。用低声速材料制作薄膜声波器件时可以使用较薄的压电层，这样才能有效减小器件尺寸。但由式(1)可知，纵向声速与谐振频率密切相关，高声速能提高滤波器的中心频率。在上述3种材料中，A1N有最高的声速，在高频应用中更有优势。

除以上讨论的方面之外，选择压电材料时还需考虑其它一些因素，如热传导率、化学稳定性、制备工艺的复杂程度及制作成本等。目前，国外已有基于ZnO和A1N的BAW滤波器的报道，基于AlN的BAW滤波器因具有超越现有射频滤波器的性能和较低的价格，已在进行商业化推广。虽然PZT材料具有更优的综合性能，但由于含铅、锆等污染元素，限制了其商业应用；而且能应用于BAw器件的PZT薄膜的制备工艺还不成熟，目前仍处于研究阶段。

2．2、压电薄膜的制备方法

2．2．1、AlN薄膜的制备

A1N薄膜在声波器件上用途广泛，是制作窄带宽及中等带宽(<5)BAW滤波器的理想材料。FBAR要求将压电薄膜沉积在电极上，因此，电极材料的结构和性质对压电薄膜的性能有重要影响。电极材料必须要有高电导率、低接触电阻和介电损耗、高强度和低声损耗等特点。A1N薄膜通常选择Pt作为底电极1，因为A1N晶体为六角纤锌矿结构，晶格常数a一0．311nm，与Pt(111)面失配度小。另外常选用的电极材料还有A1、W、Mo等1。反应磁控溅射是用于制备A1N薄膜的最主要的方法。以Nz为反应气体，用Ar稀释载入反应腔体，以高纯Al为溅射靶，反应形成A1N薄膜[1。工作气压、氮气浓度、溅射功率和衬底温度等参数对薄膜的结晶取向和表面形貌有较大的影响1，高的沉积温度能有效提高晶粒取向的一致性和机电耦合系数]，但过高的温度显然不能与Ic工艺兼容，因此在较低温度下生长优质A1N薄膜非常关键。此外A1N薄膜还可用脉冲激光沉积(PID)、化学气相沉积(CVD)等方法制备。

2．2．2、ZnO薄膜的制备

ZnO与A1N有着相似的晶体结构，ZnO晶体C面与Pt(111)面晶格失配度为1．4V0，在Pt表面能得到结晶良好的ZnO薄膜，因此常采用Pt作为底电极材料或者选用其他材料时用Pt作为缓冲层[1。ZnO薄膜的制备方法很多，包括MOCVD和PLD，以及射频磁控溅射法1。PLD法制备ZnO薄膜具有成膜速度快、薄膜化学计量比容易控制等优点，但薄膜的相结构不易控制、应力大、不利于大面积成膜；M()cvD生长温度低、成膜面积大、可控性好，但原料多易挥发、稳定性差、成膜孑L隙较多且成本较高。因此，现在制备ZnO压电薄膜较多采用射频磁控溅射方法。

2．2．3、PZT薄膜的制备

PZT材料具备突出的力一电耦合性能，是制作宽带宽BAW滤波器的首选材料。PZT薄膜同样可以通过溅射、PLD等方法制备，但目前常用的制备方法是溶胶一凝胶法。它是一种较低成本的制膜方法，具有薄膜组分易控、结构致密、易大面积成膜、与IC工艺兼容等优点，是目前MEMS技术中制备PZT薄膜广泛采用的方法[1。由于硅与PZT间失配严重，同时si本身会向PZT扩散，与PZT中的Ti发生反应，因此采用si作衬底时必须生长一层过渡层，通常采用的结构为：Pt／si02／si和Pt／Ti／si02／si。Ti能够提高Pt和si()2之间的结合力，SiOz层则可以防止高温条件下电极材料与si衬底发生反应或互扩散，改善界面特性。为了得到具有良好取向的薄膜，通常在Pt上再生长一层PbTiOs作为种子层，以提高结晶性能、降低结晶温度_3]。另外，可以调整Zr／Ti比，或进行合适的掺杂(如La、Mn等)，使材料改性，调整压电薄膜的性能；薄膜制备过程中，常采用快速退火工艺，以降低退火温度，缩短退火时间，提高晶化质量_1引。目前，在PZT压电薄膜的制备上尽管尚存在许多亟待解决的问题，但不可否认的是，PZT在FBAR方面仍然具有广阔的应用前景。

2．3、压电薄膜的分析与表征

在压电薄膜的制备过程中，不可避免地要涉及到薄膜样品的表征，以优化工艺条件。通常采用的分析测试手段包括：[19](1)对材料的X射线衍射(xRD)分析，以了解薄膜的晶相结构和取向状况；(2)电子显微分析，如通过扫描电子显微镜(sEM)和原子力显微镜(AFM)观察薄膜的表面形貌，了解薄膜的均匀性、致密性与表面粗糙度，通过透射电：显微镜(TEM)对各层薄膜界面进行分析；(3)电子能谱分析，如利用XPS、EDS等对薄膜的化学计量进行分析；(4)热膨胀分析、薄膜应力分析及绝缘电阻分析等。只有选择适合的制备工艺，并辅以科学的分析表征手段才能获得适用于BAW器件的高性能压电薄膜。

3、BAW滤波器的原理、结构与建模

在设计滤波器时，为了实现不同性能指标的设计需要，设计流程的简便和快捷十分重要。考虑到FBAR的厚度比其横向尺寸一般要小很多，可以近似地采用厚度方向的一维模型来分析FBAR的特性，借一维的声学和压电方程推导出FBAR的阻抗方程。但这种模型对于滤波器的设计显得较为复杂，因此还需要引入一种更简单、紧凑的集总参数模型来描述FBAR。图2是一种简单的模型范例，它被称作“ButterworthVan-Dyke”(BVD)模型][20]。BVD模型可由简单谐振器的阻抗方程推出，描述的是在低频或谐振点附近频率处器件的电学特性。

通过测量实际制备的FBAR的阻抗特性曲线或传输系数曲线，可以得到器件的串、并联谐振频率fs和fp，还可测得静态电容Cf以及串联谐振点处的阻抗R值。通过对等效电路的分析，谐振器的阻抗表达式可以描述为[20]

Z=(1／j_wC_f)z_s／z_p