压电材料参数提取方法 专利技术说明

测量装置的制造及其应用技术1.本公开涉及半导体、材料参数技术领域，尤其涉及一种压电材料参数提取方法。背景技术：2.随着全球通讯技术的快速发展，5g射频滤波器市场持续、快速增长。声波技术具备低成本和小尺寸的优势，成为了实现高性能高频射频滤波器的有效解决方案之一，一直备受人们关注。由于具有cmos工艺兼容性和低介电损耗，氮化铝及掺钪氮化铝材料已成为最广泛应用于高性能射频滤波器的压电材料。3.然而，目前还没有完整的针对氮化铝或掺钪氮化铝材料参数提取的方法，尤其是针对掺钪氮化铝材料，相关器件的设计与仿真工作中所需的材料参数只能采用通过第一性原理和密度泛函理论计算得到的预测结果，但其仅为理想状态下的理论值，并不适用于实际制备的器件。对于掺钪氮化铝材料而言，其材料特性受钪掺杂浓度影响较大，且不同材料生长工艺得到的掺钪氮化铝薄膜的材料特性也存在较大差异性，严重影响了基于掺钪氮化铝材料的压电器件的设计与仿真工作。技术实现要素：4.基于上述问题，本公开提供了一种压电材料参数提取方法，以缓解现有技术中制备的氮化铝/掺钪氮化铝压电材料的实际材料参数无法精确、高效提取的技术问题。5.(一)技术方案6.本公开提供一种压电材料参数提取方法，包括：制备基于待测压电材料的压电薄膜；通过所述压电薄膜提取压电材料的密度与压电系数d33；基于待测压电材料制备压电材料参数提取组件；测量压电材料参数提取组件的属性参数；根据属性参数提取待测压电材料的介电常数、压电系数e33、压电系数e31、压电系数d31、以及弹性系数矩阵，完成待测压电材料的参数提取。7.根据本公开实施例，所述压电材料选自氮化铝、掺钪氮化铝。8.根据本公开实施例，通过所述压电薄膜提取压电材料的密度与压电系数d33包括：使用x射线衍射确定待测压电材料的晶格常数a和c，使用扫描电子显微镜确定待测压电材料的钪掺杂浓度x；以及使用压电测试设备测量得到压电系数d33；其中，密度ρ的计算公式为：[0009][0010]钪掺杂浓度x表示压电薄膜材料中sc原子占sc与al原子数量之和的比例，为压电薄膜单个晶胞的平均质量，为压电薄膜单个晶胞的平均体积，na为阿伏伽德罗常数，mal为al元素的摩尔质量、msc为sc元素的摩尔质量、mn为n元素的摩尔质量。[0011]根据本公开实施例，所述压电测试设备选自压电力显微镜、精密压电测量系统。[0012]根据本公开实施例，所述压电材料参数提取组件包括：fbar器件、cmr器件、以及clmr器件。[0013]根据本公开实施例，所述压电材料参数提取组件的属性参数包括：待测压电材料的密度；fbar器件的反谐振频率fa、机电耦合系数k2、电容c、面积a、厚度t；cmr器件的谐振频率fr、品质因数q、动态电阻rm、长度l、宽度w、厚度t；clmr器件的谐振频率fr、机电耦合系数k2、叉指电极间距p、厚度t。[0014]根据本公开实施例，所述cmr器件为单端口矩形板轮廓模式谐振器；所述clmr器件中包括一组具有不同叉指电极间距p的横截面lamé模式谐振器，不同clmr间的叉指电极间距设定差值δ为1-10nm，叉指电极对数为1-50，表面金属覆盖率为10％-90％。[0015]根据本公开实施例，clmr器件中叉指电极间距的最佳值popti，通过如下公式求得：[0016][0017]其中，c′11、c′33、c′55为通过第一性原理和密度泛函理论计算得到压电薄膜材料的理论弹性系数，t为压电薄膜厚度。[0018]根据本公开实施例，测量所述fbar器件的散射参数，提取属性参数，将电容c、面积a、厚度t代入公式计算得到介电常数ε；将反谐振频率fa、厚度t和密度ρ代入公式计算得到弹性系数c33；将机电耦合系数k2、弹性系数c33、介电常数ε代入公式计算得到压电系数e33；[0019]测量所述cmr器件的散射参数，提取属性参数，将谐振频率fr、长度l、密度ρ代入公式计算得到等效杨氏模量ep；将品质因数q、动态电阻rm、等效杨氏模量ep、密度ρ、宽度w、厚度t代入公式度ρ、宽度w、厚度t代入公式计算得到压电系数d31；[0020]根据公式e33＝2d31c13+d33c33，计算得到弹性系数c13；[0021]测量一组clmr器件的散射参数，提取属性参数机电耦合系数k2，确定k2值最大的器件，提取该clmr器件对应的属性参数，包括谐振频率fr、机电耦合系数k2、叉指电极间距p、厚度t；[0022]根据和两个公式，联立求解得到弹性系数c11和c55；[0023]根据公式计算得到压电系数e31，其中[0024]根据公式e31＝d31(c11+c12)+d33c13，计算得到弹性系数c12；根据公式c44＝c55，计算得到弹性系数c44；根据公式计算得到弹性系数c66；[0025]将所述弹性系数c11、弹性系数c12、弹性系数c13、弹性系数c33、弹性系数c44、弹性系数c55、弹性系数c66进行整合，生成所述待测压电材料弹性系数矩阵[0026]根据本公开实施例，压电材料参数提取方法还包括：基于第一性原理和密度泛函理论计算得到压电材料参数的理论值，通过压电材料参数的理论值建立压电材料仿真模型，进行有限元仿真；根据所述有限元仿真结果，获得压电材料参数提取组件中电极质量负载效应修正因子δ，以用于对压电材料参数提取组件中器件属性参数进行修正；需进行修正的属性参数包括：器件的谐振频率fr、反谐振频率fa、品质因数q、动态电阻rm、机电耦合系数k2、电容c。[0027](二)有益效果[0028]从上述技术方案可以看出，本公开压电材料参数提取方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：[0029](1)可以一次性精确提取压电材料的密度、介电常数、完整弹性系数矩阵参数、e33/d33和e31/d31两个方向的压电系数；[0030](2)基于提取的压电材料参数，可建立更贴合实际的材料模型，以更好地进行器件设计与仿真。附图说明[0031]图1为本公开实施例的压电材料参数提取方法流程示意图；[0032]图2为本公开实施例的压电材料参数提取组件的薄膜体声波谐振器(fbar)的示意图；[0033]图3为本公开实施例的压电材料参数提取组件的轮廓模式谐振器(cmr)的示意图；[0034]图4为本公开实施例的压电材料参数提取组件的横截面lamé模式谐振器(clmr)的示意图。具体实施方式[0035]本公开提供了一种压电材料参数提取方法，以解决现有技术中制备的氮化铝/掺钪氮化铝薄膜的实际材料参数无法精确、高效提取的技术问题。[0036]为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。[0037]在本公开实施例中，提供一种压电材料参数提取方法，如图1所示，所述压电材料参数提取方法，包括：[0038]操作s1：制备基于待测压电材料的压电薄膜；[0039]操作s2：通过所述压电薄膜提取压电材料的密度与压电系数d33；[0040]操作s3：基于压电薄膜制备压电材料参数提取组件；[0041]操作s4：测量压电材料参数提取组件的属性参数；[0042]操作s5：根据属性参数提取待测压电材料的介电常数、压电系数e33、压电系数e31、压电系数d31、以及弹性系数矩阵，完成待测压电材料的参数的提取。[0043]根据本公开的一些实施例，操作s1中所述待测压电材料主要包括氮化铝或掺钪氮化铝，该类材料属于六方晶系纤锌矿结构晶体，首先确定待提取的压电材料参数主要包括：密度、介电常数、弹性系数与压电系数。更具体地，提取的材料参数包括：压电材料密度ρ；压电材料介电常数ε；压电材料弹性系数(c11、c12、c13、c33、c44、c55、c66)及弹性系数矩阵cji；压电材料压电系数(e33、e31、d33、d31)。[0044]根据本公开的一些实施例，操作s2中，对于掺钪氮化铝材料，压电材料密度ρ主要受钪掺杂浓度x影响；所述钪掺杂浓度x，表示压电薄膜材料中sc原子占sc与al原子数量之和的比例。使用x射线衍射(xrd)确定压电薄膜的晶格常数a和c，使用扫描电子显微镜(sem)确定压电薄膜的钪掺杂浓度x；对于氮化铝材料，可取x＝0％，无需进行sem测量。[0045]将所述晶格常数a、c以及钪掺杂浓度x代入公式将所述晶格常数a、c以及钪掺杂浓度x代入公式求出密度ρ，其中na为阿伏伽德罗常数，mal、msc、mn分别为al、sc、n元素的摩尔质量；[0046]使用压电测试设备测量得到压电系数d33，所述压电测试设备可以为压电力显微镜(pfm)、精密压电测量系统(pm300 piezotest)等。[0047]根据本公开的一些实施例，操作s3中所述压电材料参数提取组件可以包括薄膜体声波谐振器(fbar)、轮廓模式谐振器(cmr)与横截面lamé模式谐振器(clmr)三种类型的器件。[0048]如图2所示，薄膜体声波谐振器(fbar)包括顶部电极201、待测压电薄膜202、底部电极203；[0049]如图3所示，轮廓模式谐振器(cmr)包括顶部电极301、待测压电薄膜302、底部电极303；[0050]如图4所示，横截面lamé模式谐振器(clmr)包括负电极401、正电极402、待测压电薄膜403。需要说明的是，图4所示的clmr器件只示出了一个周期的电极对，可以根据实际需求制备件包含多个正负电极对的clmr器件。[0051]应理解，上述三种类型的谐振器的制备均可通过常见镀膜、光刻、刻蚀等微纳加工工艺实现。器件尺寸，尤其是电极的尺寸会对测试结果产生一定的影响，可在实际器件制备前通过有限元仿真选择较为合适的器件尺寸，根据本公开实施例，上述三种类型的谐振器的金属电极所用的材料选自ni、ti、cr、mo、pt、au、al、sn中的一种或几种组合，金属电极的厚度为10nm至200nm。[0052]根据本公开的一些实施例，所述fbar器件可为一种或多种厚度大小、相同面积大小，或一种或多种面积大小、相同厚度大小的fbar器件；理论上，仅需一个器件即可完成全部相关参数计算过程，制备多个器件有助于减小误差，实现更为精准的参数提取。[0053]根据本公开的一些实施例，所述cmr器件为单端口矩形板轮廓模式谐振器。[0054]根据本公开的一些实施例，所述clmr器件为相同厚度下具有不同叉指电极间距的一组一定数量(一般为5-20个)的clmr，表面金属覆盖率为10％-90％，idt(叉指电极)对数为1-50，同一组内不同clmr器件间的叉指电极间距设定差值δ为1-10nm；例如叉指电极间距p设定在400nm附近，叉指电极间距设定差值δ为1-10nm，如果叉指电极间距设定差值δ取1，则一组11个clmr器件的叉指电极间距p可以分别为395、396、397、398、399、400、401、402、403、404、405。如果叉指电极间距设定差值δ取10，则一组10个clmr器件的叉指电极间距p可以分别为350、360、370、380、390、400、410、420、430、440、450。[0055]根据本公开的一些实施例，操作s4中所述的压电材料参数提取组件的属性参数包括压电材料的密度、提取组件的几何尺寸和通过散射参量提取得到的电学参量，且不同器件所需的属性参数略有差异，具体包括：所述待测压电材料的密度ρ；所述fbar器件的反谐振频率fa、机电耦合系数k2、电容c、面积a、厚度t；所述cmr器件的谐振频率fr、品质因数q、动态电阻rm、长度l、宽度w、厚度t；所述clmr器件的谐振频率fr、机电耦合系数k2、电极间距p、厚度t。所述谐振频率fr、反谐振频率fa、机电耦合系数k2、品质因数q、电容c、动态电阻rm等属性参数，需通过测量器件的散射参数进行提取；所述散射参数的提取仪器设备包括射频探针台、网络分析仪等。[0056]根据本公开的一些实施例，操作s4中还需要进行电极质量负载效应修正，具体包括：基于第一性原理和密度泛函理论计算得到压电材料参数的理论值，通过压电材料参数的理论值建立压电材料仿真模型，进行有限元仿真；根据所述有限元仿真结果，获得电极的质量负载效应修正因子δ；根据所述质量负载效应修正因子δ对压电材料参数提取组件中各器件属性参数进行修正；所述需进行修正的属性参数包括通过测量器件散射参数进行提取的参数，具体包括：各器件的谐振频率fr、反谐振频率fa、品质因数q、动态电阻rm、机电耦合系数k2、电容c。[0057]压电材料参数提取组件中的器件几何尺寸已在图2-图4中标出。需要说明的是，fbar器件的面积a指顶部电极面积大小，厚度t指压电层的厚度；cmr器件的长度l、宽度w、厚度t分别指压电层的长度、宽度、厚度；clmr器件的叉指电极间距p指顶部正、负电极之间的横向间距，如图4中所示，叉指电极间距p为从负电极的右侧到正电极的右侧的距离，厚度t指压电层的厚度。[0058]根据本公开的一些实施例，操作s5中，介电常数ε、弹性系数c33、压电系数e33可通过fbar器件属性参数计算得到，具体过程如下：[0059]测量所述fbar器件的散射参数，提取属性参数电容c、反谐振频率fa、机电耦合系数k2；将电容c、面积a、厚度t代入公式计算得到介电常数ε；将反谐振频率fa、厚度t和密度ρ代入公式计算得到弹性系数c33；将机电耦合系数k2、弹性系数c33、介电常数ε代入公式电常数ε代入公式计算得到压电系数e33。[0060]根据本公开的一些实施例，所述cmr器件为单端口矩形板轮廓模式谐振器，通过cmr器件提取材料参数的具体过程包括：[0061]测量所述cmr器件的散射参数，提取属性参数谐振频率fr、品质因数q、动态电阻rm；将谐振频率fr、长度l、密度ρ代入公式计算得到等效杨氏模量ep；将品质因数q、动态电阻rm、等效杨氏模量ep、密度ρ、宽度w、厚度t代入公式计算得到压电系数d31；[0062]需要说明的是，动态电阻rm的计算需通过提取modified butterworth-van dyke(mbvd)模型参数得到，公式为理想模型中的近似等式，该方法提取的压电系数d31可与基于悬臂梁法测量得到的结果进行交叉验证，以减小计算误差。应理解，所述mbvd模型是声学谐振器基本电路模型，其模型参数提取方法针对不同声学谐振器具有普适性；所述悬臂梁法是从定义出发测量压电系数d31的常见方法。[0063]根据本公开的一些实施例，压电系数e31、弹性系数c11、弹性系数c55可通过clmr器件属性参数计算得到；弹性系数c13、弹性系数c12、弹性系数c44、弹性系数c66可通过关系式计算得到，通过clmr器件提取材料参数的具体过程包括：[0064]根据公式e33＝2d31c13+d33c33，计算得到弹性系数c13；[0065]测量所述一组clmr器件的散射参数，提取属性参数机电耦合系数k2，确定k2值最大的器件，提取该器件对应的属性参数，包括谐振频率fr、机电耦合系数k2、叉指电极间距p、厚度t；[0066]根据和两个公式，联立求解得到弹性系数c11和c55；[0067]根据公式计算得到压电系数e31，其中[0068]需要说明的是，弹性系数c11和c55的求解受谐振频率fr精度的影响较大。为了更加准确地提取弹性系数c11和c55，需要尽可能选取较小的叉指电极间距设定差值δ来制备一组clmr器件。[0069]clmr器件的表面金属覆盖率为电极宽度占电极间距的比例，即如图4所示；当金属覆盖率为50％，即时，器件实际性能与理论值最为接近，提取的属性参数最为准确；一般情况下，建议金属覆盖率为40％-60％，超出该区间范围可能会导致参数提取结果偏差较大；电极间距需选取在理论叉指电极间距最佳值popti附近；一组clmr器件的具体数量可根据选取的叉指电极间距设定差值δ大小确定，一般为5-20个；理论叉指电极间距最佳值popti为在特定压电薄膜厚度t下，能够最大激发横截面lamé模式(clm)的电极间距，该状态下，可通过边界条件确定电极间距与薄膜厚度满足关系计算得到理论叉指电极间距最佳值popti；其中c′11、c′33、c′55为压电材料理论弹性系数，可通过第一性原理和密度泛函理论计算得到，或通过经验公式计算得到。[0070]根据本公开的一些实施例，提取弹性系数c12、弹性系数c44、弹性系数c66以及弹性系数矩阵cji的具体过程包括：[0071]根据公式e31＝d31(c11+c12)+d33c13，计算得到弹性系数c12；根据公式c44＝c55，计算得到弹性系数c44；根据公式计算得到弹性系数c66；[0072]将所述弹性系数c11、弹性系数c12、弹性系数c13、弹性系数c33、弹性系数c44、弹性系数c55、弹性系数c66进行整合，生成所述待测压电材料弹性系数矩阵[0073]至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。[0074]依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开压电材料参数提取方法有了清楚的认识。[0075]综上所述，本公开提供了一种压电材料参数提取方法能够解决现有技术中制备的氮化铝/掺钪氮化铝材料的实际参数无法精确、高效提取的技术问题。本公开的压电材料参数提取办法可以一次性精确提取压电材料的密度与介电常数、完整弹性系数矩阵参数、e33/d33和e31/d31两个方向的压电系数；基于提取的压电材料参数，可建立更贴合实际的材料模型，以更好地进行器件设计与仿真。[0076]还需要说明的是，以上为本公开提供的不同实施例。这些实施例是用于说明本公开的技术内容，而非用于限制本公开的权利保护范围。一实施例的一特征可通过合适的修饰、置换、组合、分离以应用于其他实施例。[0077]应注意的是，在本文中，除了特别指明的之外，具备“一”元件不限于具备单一的该元件，而可具备一或更多的该元件。[0078]在本文中，除了特别指明的之外，所谓的特征甲“或”(or)或“及/或”(and/or)特征乙，是指甲单独存在、乙单独存在、或甲与乙同时存在；所谓的特征甲“及”(and)或“与”(and)或“且”(and)特征乙，是指甲与乙同时存在；所谓的“包括”、“包含”、“具有”、“含有”，是指包括但不限于此。[0079]此外，在本文中，所谓的“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、或“之间”等用语，只是用于描述多个元件之间的相对位置，并在解释上可推广成包括平移、旋转、或镜像的情形。此外，在本文中，除了特别指明的之外，“一元件在另一元件上”或类似叙述不必然表示该元件接触该另一元件。[0080]此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。[0081]以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。









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