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。

衬底选择：(1) 导电性良好，并且在高温时和薄膜不发生相互反应；(2) 电极与薄膜应具有良好的晶格匹配度；(3) 电极表面平整。

故在Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ基片上沉积ＢＳＴ薄膜，且得的样品介电损耗小。

靶材选择：(1)结晶性好（2）结构致密。

通过查阅文献知压电性随着钡含量增加而增强，但钡含量过高时，介电损耗大，不适合做FBAR 的压电薄膜。

经综合分析，采用Ba/Sr=70/30 的BST陶瓷靶材。

制备过程: （画个流程图箭头）首先用丙酮、酒精和去离子水对基片进行超声清洗，然后把清洗后的基片放入进样室进行溅射清洗，送入溅射室，用机械泵和分子泵将本底真空抽至９．０×１０－５Ｐａ以下；再次，对基底加热，通入氧气与氩气进行预溅射、溅射；最后，对样品退火热处理。

射频磁控溅射法的优缺点：该方法衬底温度较低、制备出薄膜的结晶性和铁电性好，但在溅射过程中，粒子的沉积速率较低，薄膜的成分和靶材有一定偏差。

4.1基片温度对薄膜的影响在700℃—800℃之间，随着基片温度的升高，薄膜厚度减小，沉积速率下降，介电常数变大，可调略有上升。

但温度过高时，基片上的粒子活动剧烈，有利于薄膜结晶，晶粒更大，电极表面变粗糙，而且电极与薄膜之间发生互扩散，使得薄膜漏电流增大，介电损耗变大。

所以，基片温度不能太高或太低。

4.2溅射功率对薄膜的影响在100W—200W之间，随着溅射功率的增大，薄膜厚度增加，沉积速率明显提高，介电常数增大。

但是过高的溅射功率，使溅射沉积速率过快，会造成粒子不能充分扩散，使得薄膜内部产生很多缺陷，薄膜漏电流增大，对薄膜性能产生不利影响。

综合考虑，200W 对于制备高性能的BST 薄膜非常有利。

4.3溅射气氛中氧氩比对薄膜的影响随着溅射气氛中氧气百分含量增大，薄膜沉积速率略有降低。

但当氧含量过高时，薄膜的反溅射比较严重，破环薄膜的晶体结构，使薄膜容易击穿。

经查阅参考文献，溅射气氛O2:Ar=20:20时，对制备BST 薄膜比较有利。

4.4溅射总气压对薄膜的影响随着溅射总气压的减小，薄膜厚度增加，沉积速率明显增大，介电常数变大。

但是过低的溅射气氛，使溅射沉积速率过快，造成粒子不能充分扩散，薄膜内部产生很多缺陷，使薄膜漏电流增大，对薄膜性能产生不利的影响。

此外，不同溅射总气压下制备的薄膜的介电可调都几乎相同，考虑介电损耗和介电可调，经查阅文献知溅射总气压为5Pa 时对于制备高性能BST 薄膜比较有利。

4.5退火对薄膜性能的影响退火后薄膜的介电常数和介电可调有了大幅度的提高，介电损耗明显减小。

综上所述，在溅射制备薄膜过程中通过改进基片温度、溅射功率、溅射总气压、溅射气氛中的氧氩比和退火等工艺参数，可使薄膜的介电性能和压电性能有极大提高[]。

五、BST 薄膜测试采用X 射线衍射（XRD）对薄膜相结构进行分析；采用原子力显微镜（AFM）分析薄膜表面形貌；用扫描电镜（SEM）分析薄膜侧面形貌并量薄膜厚度。

5.1 X 射线衍射分析X 射线衍射仪由X 射线发生器、测角仪、辐射探测器、测量电路以及控制操作和运行软件的电子计算机系统组成[8]。

通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。

如图5是预期得到的BST 薄膜的XRD 图，半高宽窄而峰尖锐，基片温度为750℃时，有(100)峰和(200)峰，这和钙钛矿结构的BST 特征峰吻合，可见750℃结晶时，有利于提高BST 薄膜的压电性能。

图5 750℃的基片温度下制备BST 薄膜的XRD 图5.2原子力显微镜原子力显微镜（AFM）主要由带探针的力敏元件、探针位移扫描探测器以及图像处理和显示系统组成。

系统通过一个安装在力敏微悬臂上的探针来采集信号。

当探针非常接近样品时，它们原子之间会产生极微弱的作用力（原子力）。

扫描时将这种作用力保持恒定，则探针尖将与样品表面保持等距离，带针尖的微悬臂将随样品表面的起伏在垂直于样品表面方向上产生偏移，通过光电检测系统对微悬臂的偏移进行扫描，测得微悬臂对应于扫描点的位移，最后将信号转换为样品表面原子级的三维立体形貌图像。

工作原理如图10所示[9]。

图10 AFM 原理图如图4是参考文献中，基片温度为750℃时制膜后，退火对电极表面的影响。

晶粒较大，电极表面粗糙度为4.048nm,较粗糙，介电损耗小，薄膜的性能优。

750℃图4 退火后电极表面的AFM 图5.3扫描电子显微镜扫描电子显微镜（SEM）主要由电子光学系统、扫描系统、信号接收处理、显示记录系统等部分组成。