二维耦合的射频压电谐振器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种二维耦合的射频压电谐振器及其制备方法。所述射频压电谐振器包括用于固定叉指电极的压电层，压电层固定于硅衬底上；叉指电极的上电极、下电极分别固定于压电层的上下两侧，横截面上位于连续压电层上的叉指电极为一个谐振单元，压电层上设有至少一个谐振单元。制备方法为：在硅衬底上生长出牺牲层，或直接将硅衬底的上层作为牺牲层；将下电极镀在牺牲层表面；在下电极表面生长压电层；在压电层上表面对准下电极镀上电极；刻蚀出谐振单元；将下电极底部的牺牲层刻蚀，使压电层的下电极处与其下方的硅衬底之间形成空腔。本发明专利技术的机电耦合系数提高至7％‑11％。

Two-Dimensional Coupled Radio Frequency Piezoelectric Resonator and Its Fabrication Method

【技术实现步骤摘要】
二维耦合的射频压电谐振器及其制备方法
本专利技术涉及一种基于氮化铝(AlN)材料的微机电系统(MEMS)压电谐振器，具体涉及一种能使等效机电耦合系数最大化的AlN谐振器结构以及相应的工艺。
技术介绍
射频滤波器是现代通讯系统的信号处理前端最重要的器件之一。声波表面器件(SurfaceAcousticWavedevice)被专利技术后，因其制造工艺相对简单，在同一个薄膜上调节叉指电极换能器(InterdigitalTransducer,IDT)的间距即可实现不同的滤波频段，而被广泛采用。但受限于制造工艺和成本，其工作频率被限制在2.5GHz以下[1]。薄膜体声波谐振器(thinFilmBulkAcousticResonator,FBAR)，利用了压电材料厚度方向的压电系数d33，因其插入损耗低、机电耦合系数大、功率容量高、容易实现更高的频率，现在在2GHz以上的通信中被广泛采用。但FBAR的频率主要由材料的厚度决定，单次镀膜仅能实现一种厚度的淀积，因此FBAR无法制造多频率器件，并且无法通过版图设计来调整滤波器中心频率，此外FBAR对压电薄膜厚度均一性要求很高，其实现工艺较为复杂。为了克服这样的缺点，实现利用用光刻尺寸来调节频率的目的，横向振动谐振器(LaterallyVibratingResonator,LVR)[2],[3]被提出，其利用了d31的压电系数，这种谐振器的优点是可以通过调节叉指电极的宽度来改变谐振频率，缺点是其等效机电耦合系数较小。现有的利用体声波的微机电系统(MEMS)氮化铝压电谐振器中只能利用某一个方向的压电系数，如横向(d31)或纵向(d33)的压电系数。由于氮化铝材料本身的限制，厚度方向耦合的谐振器等效机电耦合系数(kt2)被限制在7％以下，横向耦合的谐振器机电耦合系数(kt2)被限制在2.4％以下[2]。[1]K.Hashimoto,RFBulkAcousticWaveFiltersforCommunications.ArtechHouse,2009.[2]J.I.Katardjiev,andV.Yantchev,“Lateral-field-excitedthin-filmLambwaveresonator,”Appl.Phys.Lett.,vol.86,no.15,p.154103,Apr.2005.[3]G.Piazza,P.J.Stephanou,andA.P.Pisano,“PiezoelectricAluminumNitrideVibratingContour-ModeMEMSResonators,”JournalofMicroelectromechanicalSystems,vol.15,no.6,pp.1406–1418,Dec.2006.
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：如何使氮化铝谐振器的机电耦合系数最大化。为了解决上述问题，本专利技术提供了一种二维耦合的射频压电谐振器，其特征在于，包括用于固定叉指电极的压电层，压电层固定于硅衬底上；叉指电极用于驱动谐振器使其发生谐振，叉指电极的上电极、下电极分别固定于压电层的上下两侧，横截面上位于连续压电层上的叉指电极为一个谐振单元，压电层上设有至少一个谐振单元，每个谐振单元包括n对叉指电极，其中，n为自然数。优选地，所述压电层、硅衬底的结构为块状或圆盘状。优选地，同一截面上的所述叉指电极中，交替地分布着正负电极对，在同一个电极单元同一平面内的相邻的两个电极的极性相反，同电位的叉指电极的根部相互连通，末端在同一直线上或不在同一直线上。更优选地，同一方向的所述叉指电极的末端构成三角形或弧形。叉指电极的长度不必统一的，其末端可以形成不规则图形，例如正弦、三角波、扇形，这可以减少某些寄生的模态。优选地，所述压电层的下电极处与硅衬底之间为空腔或实心结构；当压电层的下电极处与硅衬底之间为空腔时，压电层与硅衬底之间直接连接或通过牺牲层连接，硅衬底/牺牲层相对于下电极的下方为凹陷结构，使声波在压电材料与空气交界面反射；当压电层的下电极处与硅衬底之间为实心结构时，压电层与硅衬底之间设有至少一层声学反应层。谐振的声波在每一个声学反应层结构传播半个周期后由于相邻两个层结构之间声阻抗的不同，导致声波被反射，这一结构的谐振器不是悬空的。优选地，所述压电层的材质为氮化铝，叉指电极的材质为金属材料。更优选地，所述叉指电极的材质为铝、金、铂、钼、铜或钨。优选地，相邻两根所述叉指电极中心轴的间距为压电层厚度的0.2-2倍；压电层的平均厚度为100nm～30μm。优选地，所述射频压电谐振器的工作频率为1M-10GHz。在底电极刻蚀后，直接使用溅射工艺将氮化铝镀在电极之上，当氮化铝生长完后，底电极被部分镶嵌在氮化铝薄膜中。这不仅使生长后的氮化铝表面不平整，对于后期镀金属电极不利，而且对于生长的氮化铝多晶晶向有一定的影响。更近一步的，有限元分析表明，当电极被镶嵌在氮化铝薄膜中，会产生更多的寄生模态，这些寄生模态引发寄生谐振峰，在滤波器中产生额外纹波和毛刺，使机电耦合系数下降，降低谐振器品质。因此，本专利技术还提供了上述二维耦合的射频压电谐振器的制备方法，其特征在于，当压电层的下电极处与硅衬底之间为空腔时，包括以下步骤：步骤1)：在硅衬底上生长出牺牲层，或直接将硅衬底的上层作为牺牲层；步骤2)：将下电极镀在牺牲层表面；步骤3)：在下电极表面生长压电层；步骤4)：在压电层上表面对准下电极镀上电极；步骤5)：刻蚀出谐振单元；步骤6)：将下电极底部的牺牲层刻蚀，使压电层的下电极处与其下方的硅衬底之间形成空腔；当压电层的下电极处与硅衬底之间为空腔时，且每个谐振单元仅包含一对叉指电极时，采用上述步骤1)-6)或以下步骤制备射频压电谐振器：步骤7)：在硅衬底上形成下电极；步骤8)：在下电极上方生长出压电层；步骤9)：在压电层表面形成上电极；步骤10)：依次刻蚀上电极、压电层、下电极。刻蚀过程中可采用二氧化硅、氮化铝或其它刻蚀剂有别于电极金属和氮化铝的材料作为阻挡层，这样形成的叉指电极中的上、下电极是自对准的。传统氮化铝兰姆波机电耦合系数只有2％左右，低于3％。而本专利技术提供的二位耦合的模态可使机电耦合系数提高至7％-11％，具体的数值与电极材料、电极厚度、以及叉指电极数量有关。有限元分析表明，在同一个谐振单元中电极越多，机电耦合系数越低。附图说明图1a为实施例1提供的二维耦合的射频压电谐振器的截面图；图1b为实施例1中谐振单元的截面图；图1c为实施例2提供的二维耦合的射频压电谐振器的截面图；图2a为实施例3提供的二维耦合的射频压电谐振器的俯视图；图2b为图2a中箭头处谐振单元的剖视图；图2c为实施例4提供的二维耦合的射频压电谐振器的俯视图；图2d为图2c中箭头处谐振单元的剖视图；图2e为实施例5提供的二维耦合的射频压电谐振器的俯视图；图2f为图2e中箭头处谐振单元的剖视图；图2g为实施例6提供的二维耦合的射频压电谐振器的俯视图；图2h为实施例7提供的二维耦合的射频压电谐振器的俯视图；图3a为横向振动谐振器的位移形变示意图；图3b为纵向振动谐振器的位移形变示意图；图3c为实施例1提供的二维耦合谐振器的主模(n＝3)的位移形变示意图；图4a为实施例1提供的二维耦合的射频压电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二维耦合的射频压电谐振器，其特征在于，包括用于固定叉指电极的压电层(12)，压电层(12)固定于硅衬底(14)上；叉指电极用于驱动谐振器使其发生谐振，叉指电极的上电极(11b)、下电极(11a)分别固定于压电层(12)的上下两侧，横截面上位于连续压电层(12)上的叉指电极为一个谐振单元，压电层(12)上设有至少一个谐振单元，每个谐振单元包括2n+1对叉指电极，其中，n为自然数。

【技术特征摘要】
1.一种二维耦合的射频压电谐振器，其特征在于，包括用于固定叉指电极的压电层(12)，压电层(12)固定于硅衬底(14)上；叉指电极用于驱动谐振器使其发生谐振，叉指电极的上电极(11b)、下电极(11a)分别固定于压电层(12)的上下两侧，横截面上位于连续压电层(12)上的叉指电极为一个谐振单元，压电层(12)上设有至少一个谐振单元，每个谐振单元包括2n+1对叉指电极，其中，n为自然数。2.如权利要求1所述的二维耦合的射频压电谐振器，其特征在于，所述压电层(12)、硅衬底(14)的结构为块状或圆盘状。3.如权利要求1所述的二维耦合的射频压电谐振器，其特征在于，同一截面上的所述叉指电极中，单数个和双数个的叉指电极的方向相反，同一方向的叉指电极的根部相互连通，末端在同一直线上或不在同一直线上。4.如权利要求3所述的二维耦合的射频压电谐振器，其特征在于，同一方向的所述叉指电极的末端构成三角形或弧形。5.如权利要求1所述的二维耦合的射频压电谐振器，其特征在于，所述压电层(12)的下电极(11a)处与硅衬底(14)之间为空腔或实心结构；当压电层(12)的下电极(11a)处与硅衬底(14)之间为空腔时，压电层(12)与硅衬底(14)之间直接连接或通过牺牲层(13)连接，硅衬底(14)/牺牲层(13)相对于下电极(11a)的下方为凹陷结构；当压电层(12)的下电极(11a)处与硅衬底(14)之间为实心结构时，压电层(12)与硅衬底(14)之间设有至少一层声学反应层。6.如权利要求1所述的二维耦合的射频压电谐振器，其特征在于，所述压电层(12)的材质为氮化铝，叉指电极的材质为金属材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘康福，吴涛，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：上海,31