基于电子束加工超高灵敏度声表面波器件制备

摘要

声表面波(SAW)器件有着十分广泛的应用，包括量子通信、射频通信中的滤波器、用于检测物理参数和生化物质的微传感器、微流体学和芯片上的传感应用等。对于大多数的声表面波器件应用(微流体除外)，持续发展的高精尖市场要求器件不断往高频推进，高频器件有许多不可替代的优势，例如高频可以提高数据传输系统中显著增加的信息量的处理速度，达到量子区域，或者提高传感器的灵敏度。　　本文实现了一种突破性的技术，该技术利用电子束光刻工艺和邻近效应校正(PEC)算法，实现了具有超高质量灵敏度的超高频SAW器件的制备。使用离子束刻蚀干法剥离工艺可以最大程度地减少短路问题，并提高叉指指条加工质量，从而可以显著提高纳米级叉指换能器(IDTs)的性能。提出一种专门优化IDT结构的PEC算法，该算法可以极大程度上降低仿真计算量，并可以高效的优化在电子束光刻过程中出现的邻近效应的影响，因此可以实现具有160nm周期的高频SAW器件的制备和35nm指宽的叉指指条结构，并且获得了近30GHz的谐振频率。　　本文对超高频SAW器件制备工艺过程可能出现的工艺问题及使用的微加工技术做了分析与比较，在铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、硅片(Si)、AlN/diamond多种衬底上成功制备出IDT微结构，并基于128°YXLiNbO3衬底，成功实现了两种类型IDT结构的声表面波高频SAW器件(中心对称型和轴对称型IDT)。利用有限元仿真和理论计算，验证了超高频SAW器件数据的准确性与科学性。实验数据结果表明，中心对称型倾向于激发低阶瑞利波，轴对称型倾向于激发高阶波模。基于PEC算法和离子束刻蚀/剥离工艺成功制备超高灵敏度SAW质量传感器，并证明了?388.2MHzmm2/μg的超高质量灵敏度，它是传统石英晶体天平(QCM)的109倍，是波长为4μm的传统SAW器件的50倍。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

1.2声表面波的发展趋势及高频领域国内外研究现状

1.2.1 声表面波器件的发展趋势

1.2.2 声表面波高频技术国内外研究现状

1.3 课题主要研究内容

1.4 本工作的特点与创新性

1.5 章节安排

1.6 本章小结

第2章 超高频声表面波器件的设计及理论分析

2.1 声表面波器件结构

2.2 叉指换能器

2.2.1叉指换能器基本结构与原理

2.2.2 叉指换能器基本性质

2.3 声表面波谐振器

2.4 常见声表面波传感器

2.4.1声表面波压力传感器

2.4.2声表面波加速度传感器

2.4.3声表面波气体传感器

2.4.4声表面波温度传感器

2.5 本章小结

第3章 临近效应优化算法研究

3.1 引言

3.2 优化算法的提出

3.3 优化结果分析

3.4 本工作中 PEC 优化的创新点

3.5 本章小结

第4章 新型微加工工艺研究

4.1 引言

4.1.1 抗蚀剂选择

4.1.2工艺选择

4.1.3 IDT 金属材料选择

4.1.4 镀膜工艺选择

4.1.5 显影与定影温度选择

4.1.6 IDT 结构坍塌问题

4.1.7抗蚀剂碳化现象

4.2 超高频 SAW 器件制备工艺研究

4.2.1 压电衬底表面清洗

4.2.2 抗蚀剂薄膜制备

4.2.3 一次曝光

4.2.3 一次显影与定影

4.2.4 蒸发镀膜

4.2.5 平坦化处理

4.2.6 二次甩胶、套刻与镀膜

4.2.7 剥离处理

4.3 完整工艺流程展示

4.4 新型工艺在钽酸锂（TaNbO3）、氮化铝（AlN）/金刚石（diamond）和硅（Si）上的结果

4.5 本章小结

第5章 器件制备与结果分析

5.1 器件加工质量的表征

5.2 器件测试结果分析

5.2.1 特征频率分析

5.2.2 器件性能参数分析

5.3 不同叉指换能器对数对 SAW 器件性能的影响

5.4 其他近 30GHz 高频SAW 器件性能展示

5.5 高频SAW 器件质量传感研究

5.5.1 SAW 器件质量传感原理

5.5.2 SAW 器件质量传感理论分析

5.6 本章小结

总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 未来工作展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

致谢