功能材料设计.

制作可用于体声波谐振器的钛酸锶钡（BST）压电薄膜材料

一、前言

压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。随即，居里兄弟又发现了逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形[1]。

利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。因而压电材料广泛用于传感器元件和滤波器中，例如地震传感器，力、速度和加速度的测量元件以及各种形式的滤波器等。其中，薄膜体声波谐振器(FBAR)[2]作为一种工作频率高、温度系数小、功率容量大、损耗低、抗干扰好、体积小、成本低、可大批量生产的新兴射频滤波器，具有广阔的应用前景。相较于传统的声表面波滤波器

（SAW），体声波的传播速度比表面声波快很多，故其在高频应用中（1GHz-20GHz）已经显示出了绝对优势。而压电薄膜是FBAR 技术研制的关键，为了制备一种高效率、谐振频率可调的薄膜体声波谐振器，可通过对以下几种适用于FBAR 滤波器的压电材料进行比较如表1，

表1 适于FBAR 的压电薄膜材料比较

综合表中各项参数可看出，BST 是比较适合做可调谐FBAR 滤波器的压电材料。故选用具有介电损耗小、Q 值高、压电性能强等优点的钛酸锶钡材料（BST）制备，可使薄膜体声波谐振器（FBAR ）技术快速发展。

钛酸锶钡薄膜（BST）有多种制备方法，主要有射频磁控溅射法、脉冲激光沉积法（ＰＬＤ）、金属有机物化学气相沉积法（ＭＯＣＶＤ）和溶胶-凝胶法等，在诸多制备方法中采用射频磁控溅射制备电介质薄膜是当前最为广泛的方法之一，射频溅射和磁控溅射的优点同时体现在射频磁控溅

射当中。该方法衬底温度较低、制备出薄膜的结晶性和铁电性好，但该方法在溅射过程中粒子的沉积速率较低，薄膜的成分和靶材有一定偏差，而且偏差的大小与工艺有关，因此对磁控溅射工艺参数的选择尤为重要。本文通过优化工艺条件在Pt/Si 衬底上制备出低损耗的BST 薄膜，然后用XRD，AFM，SEM 等表征方法分析薄膜的微结构与表面形貌，并研究其成膜时间、衬底温度、溅射功率、溅射气压等参数对薄膜的压电性能及介电性能的影响。

二、设计目的

为制出高效率、谐振频率可调的薄膜体声波谐振器（FBAR）选用钛酸锶钡（BST）压电薄膜材料。

三、设计原理

3.1原理：薄膜体声波谐振器（FBAR）采用电极-压电薄膜-电极（MIM）结构，利用压电薄膜的逆压电效应（电致伸缩效应）将输入的高频电信号转化为一定频率的声信号。根据驻波条件，当声波在压电薄膜中的传播距离正好等于半波长的奇数倍时就产生谐振，谐振频率处的声波损耗最小，使得该频率的声信号能通过压电薄膜层，而其他频率的信号被阻断，从而只在输出端输出具有特定频率的信号，这样就实现了电信号的滤波功能。

3.2结构：品质因数Q是描述滤波器件压电薄膜材料的固有损耗以及声波在衬底中损耗的参数，因此在电极边界形

成声波的全反射能有效提高Q值。为实现FBAR器件的声波全反射，其结构主要有两种：一、在底电极下形成空气-固体交界面作为声波反射面；如图1所示，采用空气-金属交界面来限制声波传播，称为空腔声学隔离结构。二、采用“声波镜”形成反射面来实现声波全反射射，称为反射层声学隔离结构。

如图1为空腔声学隔离结构的FBAR，它采用体微机械加工技术去掉部分衬底，形成边缘支撑悬空的膜结构，从而将声波限制于压电振荡层之内。但衬底的大量移除会造成器件的机械性能降低，而且腐蚀厚度难以控制。

图1 空隙声学隔离结构

3.3体声波谐振器对压电材料性能的要求

3.3.1，FBAR 器件的工作频率

FBAR 器件的工作频率由压电薄膜的声速V 和压电薄膜d 的厚度决定，其表达式为：

（1-）

可见压电薄膜的声速越大，FBAR 器件的工作频率越高；压电薄膜的厚度越小，FBAR 器件的工作频率也越高。在材料选取方面，常采用高声速的的压电薄膜避免因为薄膜厚度越薄而越不易制备成高取向压电薄膜的技术问题。

3.3.2FBAR 的尺寸

FBAR 的尺寸（电极面积、压电层厚度）和介电常数（εr）一起决定着FBAR的静态电容值，高的介电常数可以减小FBAR 的尺寸，有利于提高系统的集成化。

3.3.3谐振频率的可调性

铁电钙钛矿氧化物经常具有很高的压控可调性，在可调体声波谐振器应用方面具有很大的开发潜力。这种材料在加一个偏压后压电效应增强，并且其谐振频率随外加偏压的变化有明显的变化。

综上，要制出高效率、谐振频率可调的薄膜体声波谐振器（FBAR），优选钛酸锶钡（BST）材料。

3.4钛酸钡锶（BST）的晶体结构及性能

钛酸锶钡（BST）压电材料是典型的立方钙钛矿结构[3]，通式为ABO3，结构如图2。在ABO3 结构中，较大的Ba、Sr 离子占据立方晶包的八个顶角的A 位，周围有12 个氧离子。较小的Ti 离子占据立方晶包体心的B 位，周围有6个氧离子，这些氧离子形成氧八面体，Ti 离子处于其中心。

整个晶体可被看成是由氧八面体共顶点连接而成，各氧八面体之间的空隙则由A位离子的Ba/Sr 占据。

图2 钙钛矿结构的晶格示意图

钛酸锶钡（BST）是铁电相钛酸钡（BaTiO3）和顺电相钛酸锶（SrTiO3）的无限固熔体。故BST具有介电系数大，非线性强、结构稳定、温度系数小，介电损耗低的优点。

当BST上有电压变化时，BST的铁电性使得它的介电常数以电滞回线的形式变化。在外加偏压的作用下,电致伸缩效应破坏了BST薄膜的中心对称结构,从而诱导出很强的压电性。基于BST铁电簿膜的这种非线性性质,能够制备出的傅膜体声波谐振器具有良好的外加偏压依赖的谐振特性，频率可调性很强。

四、BST压电薄膜的制备

采用双腔室超高真空射频磁控溅射法制备。