CN105306003B - 环形检测电极面内伸缩谐振器设计及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形检测电极面内伸缩谐振器及其制备方法。所述谐振器包括：依次生长在衬底上的下电极缓冲层、下电极层、压电层、绝缘保护层和上电极层，该面内伸缩谐振器的主体结构包括通过中间的耦合梁连接的圆形平板驱动单元和检测单元，驱动单元从底部依次包括圆形下电极、压电薄膜层以及上面覆盖的圆形上电极层，检测单元从底部依次包括环形下电极层、压电薄膜层以及上面覆盖的环形上电极层，驱动单元和检测单元之间的耦合梁没有上电极层，所述主体结构的整体的外侧通过锚点两端固定连接在衬底上；所述主体结构下方的衬底通过背面刻蚀形成悬空结构。

Description

环形检测电极面内伸缩谐振器设计及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有环形检测电极的圆形面内伸缩谐振器结构，应用于MEMS谐振器领域中一种新型面内伸缩谐振器结构。

背景技术

面内伸缩模式谐振器相较于传统的石英晶体谐振器或一般的硅基谐振器，谐振频率可以达到GHz，动态阻抗较小。相较于同样应用于高频，但谐振频率由薄膜厚度决定的薄膜体声波谐振器，CMRs由于谐振频率可由面内尺寸决定，因此可以一个芯片上通过变换形状和尺寸制备多种不同频率的谐振器单元，为实现单片无线通信提供了可能。因此面内伸缩谐振器在通信系统中具有广阔的应用前景。

面内伸缩谐振器主要采用三明治悬空结构(上电极-压电层-下电极)，但是单纯地将上电极，压电层，下电极层制备出完全相同的形状，不仅会使得上下电极重叠部分的电容严重影响高频信号的传输和检测，而且检测电极全部覆盖在压电层，还会引入杂散模态信号的干扰。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种面内伸缩谐振器结构，其驱动电极为圆形，检测电极设计成环形，这种结构不仅可以具备面内谐振器本身的优势，而且圆形的设计使得器件的结构约束对称分布，而且驱动电极的结构设计使得输入电场对称分布，检测电极则可以有效检测输出信号，避免了杂散信号的干扰。

根据本发明一方面，其提供了一种环形检测电极面内伸缩谐振器，包括：

依次生长在衬底上的下电极缓冲层、下电极层、压电层、绝缘保护层和上电极层，该面内伸缩谐振器的主体结构包括通过中间的耦合梁连接的圆形平板驱动单元和检测单元，驱动单元从底部依次包括圆形下电极层、压电薄膜层以及上面覆盖的圆形上电极层，检测单元从底部依次包括圆形下电极层、压电薄膜层以及上面覆盖的环形上电极层，驱动单元和检测单元之间的耦合梁没有上电极层，所述主体结构的整体的外侧通过锚点两端固定连接在衬底上；所述主体结构下方的衬底通过背面刻蚀形成悬空结构。

根据本发明另一方面，其提供了一种环形检测电极面内伸缩谐振器的制备方法，其包括

步骤1：在衬底形成下电极缓冲层和下电极层；

步骤2：利用磁控溅射制备出AlN压电薄膜；

步骤3：利用普通光刻，在四个边角位置干法刻蚀刻蚀掉AlN压电薄膜，形成四个下电极PAD窗口，去除光刻胶；

步骤4：通过普通光刻，在中心位置利用ICP刻蚀掉AlN压电薄膜和下电极层至衬底，刻蚀出锚点，作为驱动电极和检测电极的两个圆形单元以及中间的耦合梁，去除光刻胶，形成谐振器主体结构；

步骤5：等离子增强化学气相沉积绝缘保护层，同时利用普通光刻和干法刻蚀在上、下电极PAD位置以及器件主结构位置刻蚀掉绝缘保护层，露出上、下电极PAD窗口以及器件主结构；

步骤6：通过普通光刻，磁控溅射上电极层，一次性在两个上电极PAD，驱动电极和检测电极的两个圆形单元以及锚点位置上方，制备出上电极、圆形驱动电极和环形检测电极；

步骤7：背面光刻刻蚀衬底，刻蚀至下电极缓冲层，刻蚀出与绝缘保护层定义的器件主结构窗口尺寸相同的结构，完成悬空结构的制备。

本发明公开的这种环形检测电极的圆形面内伸缩谐振器结构不仅具有面内伸缩谐振器本身的优点，即谐振频率只有面内尺寸决定，改变尺寸就可以实现不同的频率，易于实现单片无线通讯，另一方面，圆形结构的设计使得应力约束等对称分布，驱动电极的设计可以产生对称均匀的电场，而检测电极设计成环形，主要覆盖在输出信号能量较强的区域，避开能量杂散的区域从而减少杂散模态信号对于输出信号的影响，测试时输出信号不容易被噪声淹没，更容易成功制备出输出信号较强的面内伸缩谐振器。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照仿真附图，对本发明进一步详细说明，

图1是本发明中圆形面内伸缩谐振器的结构示意图；

图2是本发明中圆形面内伸缩谐振器结构俯视图；

图3(a)-(d)是本发明中圆形面内伸缩谐振器的制作方法工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。

需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

如图1所示，本发明提出了一种圆形面内伸缩谐振器，其包括：

依次生长在谐振器衬底1上的下电极缓冲层2、下电极层3、压电层4、绝缘层5和上电极层，还包括下电极PAD、上电极PAD、驱动电极和检测电极；该面内伸缩谐振器的主体结构为分别作为驱动- 电极 9和检测- 电极 6的两个圆形平板通过中间的耦合梁连接，驱动- 电极 9从底部依次是圆形下电极，压电薄膜层以及上面覆盖的圆形上电极，检测电极从底部依次是圆形下电极，压电薄膜层以及上面覆盖的环形上电极，驱动电极和检测电极之间的耦合梁并没有上电极，悬空主结构(上电极-压电层-下电极) 整体的外侧通过锚点两端固定连接在衬底上，这样由驱动单元、检测单元以及中间的耦合梁、两侧的锚点共同构成谐振器主结构。该结构区域下的衬底1通过背面刻蚀形成悬空结构。

其中，所述上电极层上制备所述驱动电极和检测电极，且所述驱动电极为圆形，所述检测电极为环形。

所述下电极层可以是Pt、Au、Al或Mo，厚度为80-100nm。所述压电层为具有压电特性的压电薄膜，如AlN，ZnO，压电陶瓷等其他压电材料，厚度为500nm-3um，通过干法刻蚀或者湿法腐蚀压电层、下电极和下电极缓冲层，制备谐振器的主体结构，两个半径相同的圆形结构通过中间的耦合梁连接，两侧通过锚点连接到衬底上，最后通过背面刻蚀衬底，制备出三明治悬空结构；同时刻蚀压电层露出下电极PAD窗口，PAD尺寸根据测试设备的要求设计；所述绝缘层的厚度为400nm-800nm，可以是SiO2 以及其他所有具有绝缘性的介质。

所述上电极层包括上电极PAD，驱动电极，检测电极以及连接部分，采用Al，Au，Mo，Pt或者其他所有导电性良好的金属，厚度为100-500nm，驱动电极是与驱动单元同心，半径较小的圆形，检测电极是以半径分别比驱动圆形单元小的两个同心圆为轮廓的圆环。

本发明设计出了圆形的谐振器结构，驱动电极采用圆形，检测电极则采用避开杂散模态分布的环形电极。通过普通光刻，干法刻蚀，剥离等图形转移技术制备出悬空三明治谐振器结构。

以下分别对本实施例环形检测电极面内伸缩谐振器的各个部分进行详细的说明。

衬底1为n型(100)Si衬底，上面依次为上电极缓冲层Ti 2和下电极金属层Pt 3，AlN压电层4，绝缘层SiO₂5，下电极PAD 7是测试时下电极测试PAD点；上电极PAD 8、驱动电极9和检测电极6共同构成器件的上电极层Al，其中上电极PAD 8是测试时上电极的测试PAD点，驱动电极9和检测电极6分别为器件信号输入端的圆形驱动电极和输出端的圆环检测电极；具体工艺流程如图3所示：

步骤1：在n型(100)Si衬底上电子束蒸发50nm厚的Ti作下电极缓冲层和100nm的Pt作为下电极层；

步骤2：利用磁控溅射制备出500nm的AlN压电薄膜；

步骤3：利用普通光刻，在四个边角位置附近干法刻蚀刻蚀掉AlN层，形成四个下电极PAD窗口，去除光刻胶；

步骤4：通过普通光刻，在中心位置利用ICP刻蚀掉压电层AlN和下电极层Ti/Pt至衬底，刻蚀出锚点，作为驱动电极和检测电极的两个圆形单元以及中间的耦合梁，去除光刻胶，形成谐振器主体结构。这样可以看到由两个半径为15um的圆形通过4μm的耦合梁连接，两侧连接着6um 的锚点，锚点另一端连接固定到衬底上；

步骤5：等离子增强化学气相沉积500nm的SiO2做绝缘保护层，同时利用普通光刻和干法刻蚀在上下电极PAD位置，以及器件主结构位置刻蚀掉SiO2绝缘层，露出上、下电极PAD窗口以及器件主结构；

步骤6：通过普通光刻，磁控溅射200nm的Al，一次性在两个上电极 PAD，驱动单元和检测单元以及锚点连接部分位置上方，制备出上电极。圆形驱动电极半径为13μm，环形检测电极以半径分别为13μm和6μm 的圆为轮廓，上电极PAD引申出连接通路与锚点相连。

步骤7：背面光刻刻蚀Si衬底，刻蚀至Ti层，刻蚀出与SiO2绝缘层定义的器件结构窗口尺寸相同的结构，完成悬空结构的制备，即可进行器件性能的测试。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种环形检测电极面内伸缩谐振器，包括：

依次生长在衬底上的下电极缓冲层、下电极层、压电层、绝缘保护层和上电极层，该面内伸缩谐振器的主体结构包括通过中间的耦合梁连接的圆形平板驱动单元和检测单元，驱动单元从底部依次包括圆形下电极层、压电薄膜层以及上面覆盖的圆形上电极层，检测单元从底部依次包括圆形下电极层、压电薄膜层以及上面覆盖的环形上电极层，驱动单元和检测单元之间的耦合梁没有上电极层，所述主体结构的整体的外侧通过锚点两端固定连接在衬底上；所述主体结构下方的衬底通过背面刻蚀形成悬空结构。

2.如权利要求1所述的环形检测电极面内伸缩谐振器，其中衬底为Si。

3.如权利要求1所述的环形检测电极面内伸缩谐振器，其中下电极缓冲层为Ti或其他能够增加粘附性的金属，厚度为30-50nm。

4.如权利要求1所述的环形检测电极面内伸缩谐振器，其中下电极层可以是Pt、Au、Al或Mo，厚度为80-100nm。

5.如权利要求1所述的环形检测电极面内伸缩谐振器，其中压电层为具有压电特性的压电薄膜或压电陶瓷，厚度为500nm-3um。

6.如权利要求1所述的环形检测电极面内伸缩谐振器，其中所述驱动电极和检测电极的半径相同。

7.如权利要求1所述的环形检测电极面内伸缩谐振器，其中，绝缘层的厚度为400nm-800nm，为SiO₂或其他与半导体工艺兼容的固体绝缘材料。

8.如权利要求1所述的环形检测电极面内伸缩谐振器，其中上电极层包括上电极PAD、驱动电极、检测电极以及连接部分，采用Al、Au、Mo或Pt，厚度为100-500nm，驱动电极是与驱动单元同心且半径小于驱动单元的圆形，检测电极是以半径分别比驱动单元小的两个同心圆为轮廓的圆环。

9.一种环形检测电极面内伸缩谐振器的制备方法，其包括

步骤1：在衬底形成下电极缓冲层和下电极层；

步骤2：利用磁控溅射制备出AlN压电薄膜；

步骤3：利用普通光刻，在四个边角位置干法刻蚀刻蚀掉AlN压电薄膜，形成四个下电极PAD窗口，去除光刻胶；

步骤4：通过普通光刻，在中心位置利用ICP刻蚀掉AlN压电薄膜和下电极层至衬底，刻蚀出锚点，作为驱动电极和检测电极的两个圆形单元以及中间的耦合梁，去除光刻胶，形成谐振器主体结构；

步骤5：等离子增强化学气相沉积绝缘保护层，同时利用普通光刻和干法刻蚀在上、下电极PAD位置以及器件主结构位置刻蚀掉绝缘保护层，露出上、下电极PAD窗口以及器件主结构；

步骤6：通过普通光刻，磁控溅射上电极层，一次性在两个上电极PAD，驱动电极和检测电极的两个圆形单元以及锚点位置上方，制备出上电极、圆形驱动电极和环形检测电极；

步骤7：背面光刻刻蚀衬底，刻蚀至下电极缓冲层，刻蚀出与绝缘保护层定义的器件主结构窗口尺寸相同的结构，完成悬空结构的制备。