CN113381723B - 一种兰姆波谐振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种兰姆波谐振器及其制备方法，其中，兰姆波谐振器包括：衬底结构，其表面形成有空气腔室；兰姆波谐振结构，其包括压电振动结构，位于压电振动结构上表面的叉指电极，及位于压电振动结构下表面的底部平板电极；所述兰姆波谐振结构悬置于所述衬底结构的空气腔室内，且所述兰姆波谐振结构通过其纵向两端的支撑轴与所述衬底结构固定连接；在各支撑轴与衬底结构连接的锚点处对应的衬底结构上分别设置有金属板。本申请提供的兰姆波谐振器，其通过将兰姆波谐振结构悬置于衬底结构的空气腔室中，并在二者连接的锚点处对应的衬底结构上分别设置有金属板，能够使声能更好的被限制在兰姆波谐振结构的内部，从而提高谐振器的品质因数。
Description
技术领域
本申请涉及射频MEMS器件领域，具体涉及一种兰姆波谐振器及其制备方法。
背景技术
近些年来，无线通信技术的蓬勃发展给人们的生活带来了诸多便利，提高了人们的生活品质，基于微纳工艺制作的射频器件受到了工业界和学术界的广泛关注。近年来，由于微加工技术的进步，MEMS(微机电系统)谐振器得到了很大的发展，其具有尺寸小、功耗小、成本低、与CMOSIC(互补氧金属化物半导体集成电路)工艺相兼容等优点。其中氮化铝兰姆波谐振器由于可实现较高的频率、片上多频率集成等特点受到了越来越广泛地关注，其在无线通信系统及传感系统中具有重要的应用前景，能够满足目前移动通信手机、互联网无线接入系统、蓝牙系统等提出的需求。
品质因数(Q)是谐振器在应用过程中需要考虑的一个重要指标，它代表了谐振器在每个机电转换周期中的能量损耗。品质因数越高，意味着更多的机械能在消耗之前转换成为电能得以被利用。高品质因数的兰姆波谐振器对于设计具有低相位噪声的振荡器，具有高信噪比(sinal-to-noise ratio，SNR)的传感器以及具有大噪声抑制比的滤波器都是非常重要的。然而，由于支撑轴锚点处的声能损耗等问题，兰姆波谐振器在实际应用的过程中存在着品质因数较低的问题。如何获取高Q值谐振器件长期以来一直是频率参考元器件研究的热点。因此，如何优化器件结构以得到高品质因数的兰姆波谐振器，是目前亟需解决的问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种兰姆波谐振器，以通过优化器件结构来提高谐振器的品质因数。本申请还提供了该兰姆波谐振器的制备方法。
本申请第一方面提供了一种兰姆波谐振器，包括：
衬底结构，其表面形成有空气腔室；
兰姆波谐振结构，其包括压电振动结构，位于压电振动结构上表面的叉指电极，及位于压电振动结构下表面的底部平板电极；
所述兰姆波谐振结构悬置于所述衬底结构的空气腔室内，且所述兰姆波谐振结构通过其纵向两端的支撑轴与所述衬底结构固定连接；
在各支撑轴与衬底结构连接的锚点处对应的衬底结构上分别设置有金属板。
在本申请第一方面的一些实施方式中，所述金属板的厚度为0.5-1.1μm，宽度为6-18μm。
在本申请第一方面的一些实施方式中，所述金属板的厚度为0.7μm，宽度为12μm。
在本申请第一方面的一些实施方式中，所述金属板的材质选自用金、铝或钼。
在本申请第一方面的一些实施方式中，所述叉指电极为方形振子梳齿电极结构的金或钼薄膜。
在本申请第一方面的一些实施方式中，所述压电振动结构的材料为氮化铝。
在本申请第一方面的一些实施方式中，所述底部平板电极的材料为钼。
在本申请第一方面的一些实施方式中，所述方形振子梳齿电极结构的电极宽度为1.5μm，厚度为0.2μm；
所述压电振动结构的厚度为1μm；
所述底部平板电极的厚度为0.2μm。
本申请第二方面提供了前述的兰姆波谐振器的制备方法，包括：
步骤1、在高阻硅衬底上形成SiO2释放保护层，
步骤2、在SiO2释放保护层上形成多晶硅释放牺牲层，
步骤3、刻蚀多晶硅至暴露出SiO2以形成环形凹槽，从所述凹槽中继续生长SiO2并进行CMP处理，以形成SiO2释放保护侧壁，
步骤4、生长第一金属薄膜并刻蚀形成底部平板电极，
步骤5、生长压电材料层，
步骤6、在压电材料层上方生长第二金属层并图案化形成叉指电极，
步骤7、通过刻蚀压电材料层在其上图案化形成释放窗口，所述释放窗口暴露出所述多晶硅释放牺牲层；
步骤8、溅射沉积并图案化形成金属板，
步骤9、通过所述释放窗口刻蚀所述多晶硅释放牺牲层，以去除所述SiO2释放保护层和SiO2释放保护侧壁所包围的多晶硅，使所述兰姆波谐振结构悬置于所述衬底结构的空气腔室内。
在本申请第二方面的一些实施方式中，
步骤1中形成的SiO2释放保护层的厚度为1μm；
步骤2中形成的多晶硅释放牺牲层的厚度为1.5μm。
本申请提供的兰姆波谐振器，其通过将兰姆波谐振结构悬置于衬底结构的空气腔室中，并在二者连接的锚点处对应的衬底结构上分别设置有金属板，使得兰姆波谐振结构与空气腔室和金属板之间形成较大的声速失配，能够使声能更好的被限制在兰姆波谐振结构的内部，从而提高谐振器的品质因数。
此外，本申请提供的兰姆波谐振器的制备方法，使用SiO2作为释放保护层和释放保护侧壁，在后续刻蚀多晶硅以形成空气腔室的过程中，可以有效防止对锚点下方衬底的过度刻蚀而造成器件断裂、性能下降。该方法降低了工艺复杂度，提高了成品率。
附图说明
图1为本发明提供的一种兰姆波谐振器的三维结构图；
图2为本发明提供的一种兰姆波谐振器的三维结构的纵向截面图；
图3为本发明提供的一种兰姆波谐振器的三维结构的横向截面图；
图4为根据本发明提供的兰姆波谐振器的制备方法的步骤1处理后的结构示意图；
图5为根据本发明提供的兰姆波谐振器的制备方法的步骤2处理后的结构示意图；
图6为根据本发明提供的兰姆波谐振器的制备方法的步骤3处理后的结构示意图；
图7为根据本发明提供的兰姆波谐振器的制备方法的步骤5处理后的结构示意图；
图8为根据本发明提供的兰姆波谐振器的制备方法的步骤6处理后的横向结构示意图；
图9为根据本发明提供的兰姆波谐振器的制备方法的步骤7处理后的横向结构示意图；
图10为根据本发明提供的兰姆波谐振器的制备方法的步骤8处理后的纵向结构示意图；
图11为根据本发明提供的兰姆波谐振器的制备方法的步骤9处理后的横向结构示意图；
图12为具有金属板结构与没有金属板结构的兰姆波谐振器的导纳对比图；
图13为具有不同宽度金属板的兰姆波谐振器的导纳对比图；
图14为具有不同厚度金属板的兰姆波谐振器的导纳对比图；
图15为具有不同材质金属板的兰姆波谐振器的导纳对比图。
图中：1-压电材料层；1A-压电振动结构；2-叉指电极；3-底部平板电极；4-SiO2释放保护层；4A-SiO2释放保护侧壁；5-多晶硅释放牺牲层；6-金属板；7-高阻硅衬底；8-空气腔室；9-释放窗口；10-支承轴；11-衬底结构。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。
需要说明的是，本申请中所用的术语一般为本领域技术人员常用的术语，如果与常用术语不一致，以本申请中的术语为准。
本文中，术语“横向”是指平行于压电振动结构表面且沿着叉指电极的宽度的方向。
本文中，术语“纵向”是指平行于压电振动结构表面且沿着叉指电极的长度的方向。
本文中，术语“干法刻蚀”系指利用气态中产生的等离子体，通过经光刻而开出的掩蔽层窗口，与暴露于等离子体中的目标刻蚀材料(例如衬底等)进行物理和化学反应，刻蚀掉目标刻蚀材料上暴露的表面材料。
本文中，术语“CMP”系指化学机械抛光，其原理是化学腐蚀作用和机械去除作用相结合的加工技术。
本文中，术语“溅射沉积”系指用高能粒子轰击靶材，使靶材中的原子溅射出来，沉积在目标结构表面形成薄膜的方法。
本文中，术语“剥离工艺”系指目标结构(例如衬底等)经过涂覆光致抗蚀剂、曝光、显影后，以具有一定图形的光致抗蚀剂膜为掩模，带胶蒸发所需的金属，然后在去除光致抗蚀剂的同时，把胶膜上的金属一起剥离干净，在目标结构上只剩下原刻出图形的金属。
本文中，术语“图案化”系指在至少一维的方向上生成纳米级的规则表面结构，图案化可用多种技术得以实现，如光刻、基于扫描探针的微机械方法(Micromaching)、微接触的印刷术(microcontact Printing)等。
本文中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下对本申请的实施方式进行详细说明。
具有金属板结构的兰姆波谐振器
本申请提供了一种兰姆波谐振器，如图1-11所示，包括：
衬底结构11，其上表面形成有空气腔室8，
兰姆波谐振结构，其包括压电振动结构1A，位于压电振动结构1A上表面的叉指电极2，及位于压电振动结构1A下表面的底部平板电极3；
所述兰姆波谐振结构悬置于所述衬底结构11的空气腔室8内，且所述兰姆波谐振结构通过其纵向两端的支撑轴10与衬底结构11固定连接；
在各支撑轴10与衬底结构11连接的锚点处对应的衬底结构11上分别设置有金属板6。
由于兰姆波谐振器支撑轴锚点处的声能损耗等问题，使得其在实际应用的过程中的品质因数较低。本申请的发明人发现，通过设计在各支撑轴10与衬底结构11连接的锚点处对应的衬底结构11上分别设置有金属板6，可以在声学边界产生了显著的声速失配。由此能够使声能更好的被限制在兰姆波谐振结构的内部，从而提高谐振器的品质因数。
在实际应用中，叉指电极2和底部平板电极3用于输入和输出频率信号。压电振动结构1A则用于产生频率信号。
在本申请的一些实施方式中，衬底结构由下至上可以包括四层结构，如图2、图10所示，第一层为衬底层，第二层结构为衬底层之上为SiO2释放保护层，第三层结构包括并列的形成空气腔室侧壁的SiO2释放保护侧壁以及其外侧的未被刻蚀的多晶硅。第四层结构为与压电振动结构相分离的压电材料，该压电材料通过相同材料的支撑轴与电振动结构一体化连接。在具体实施过程中，在压电材料层上图案化形成释放窗口的同时，也图案化形成支撑轴。金属板可以位于第四层结构的压电材料上。
在本申请的一些实施方式中，衬底可以为高阻硅衬底。高阻硅衬底具有良好的射频特性，较低的微波损耗。具体地，高阻硅电阻率可以为5000～10000Ω·m。
在本申请的一些实施方式中，空气腔室8可以为矩形槽状结构。该空气腔室的四周为SiO2。
在本申请的一些实施方式中，金属板6的厚度为0.5-1.1μm，宽度为6-18μm。优选地，金属板的厚度为0.7μm，宽度为12μm。在本申请中，金属板的宽度是指金属板纵向上的两侧之间的距离，如图10中的w所示，厚度如10中的h所示。本申请的发明人发现，当金属板的厚度和宽度在上述的范围内时，可以更好的减小兰姆波谐振器中向锚点处的声能泄露，提高器件的品质因数。
在本申请的一些实施方式中，所述金属板的材质选自用金、铝或钼。
本申请的发明人发现，当金属板的材质选自上述材料时，可以更好的减小兰姆波谐振器中向锚点处的声能泄露，提高器件的品质因数。
在本申请的一些实施方式中，所述叉指电极为方形振子梳齿电极结构的金或钼薄膜，优选为金薄膜。
在本申请的一些实施方式中，所述压电振动结构的材料为氮化铝。本申请的氮化铝兰姆波谐振器，在集成电路(IC)工艺兼容性方面的巨大优势，能够实现片上多频段集成，其品质因数的提高对射频系统的性能起着关键作用。
在本申请的一些实施方式中，所述底部平板电极的材料为钼。
在本申请的一些实施方式中，方形振子梳齿电极结构的电极宽度为1.5μm，厚度为0.2μm；压电振动结构的厚度为1μm；底部平板电极的厚度为0.2μm。
具有金属板结构的兰姆波谐振器的制备方法
本申请还提供了前述的兰姆波谐振器的制备方法，包括：
步骤1、在高阻硅衬底7上形成SiO2释放保护层4(如图4所示)，
步骤2、在SiO2释放保护层4上形成多晶硅释放牺牲层5(如图5所示)，
步骤3、刻蚀多晶硅至暴露出SiO2以形成环形凹槽，从所述凹槽中生长SiO2并进行CMP处理，以形成SiO2释放保护侧壁4A(如图6所示)，
步骤4、生长第一金属薄膜并刻蚀形成底部平板电极3，
步骤5、生长压电材料层1(如图7所示)，
步骤6、在压电材料层1上方生长第二金属层并图案化形成叉指电极2(如图8所示)，
步骤7、通过刻蚀压电材料层1在其上图案化形成释放窗口9，所述释放窗口暴露出所述多晶硅释放牺牲层(如图9所示)；
步骤8、溅射沉积并图案化形成金属板6(如图10所示)，
步骤9、通过所述释放窗口刻蚀所述多晶硅释放牺牲层5，以去除所述SiO2释放保护层4和SiO2释放保护侧壁4A所包围的多晶硅，使所述兰姆波谐振结构悬置于所述衬底结构11的空气腔室8内(如图11所示)。
在本申请的一些实施方式中，步骤1可以采用LPCVD(低压化学气相沉积)在高阻硅衬底上沉积的SiO2释放保护层4，形成的SiO2释放保护层4的厚度可以为1μm。
在本申请的一些实施方式中，步骤2可以采用LPCVD沉积多晶硅，所形成的多晶硅释放牺牲层5的厚度可以为1.5μm。
在本申请的一些实施方式中，步骤3可以采用反应离子刻蚀(RIE)来刻蚀多晶硅，然后可以采用LPCVD沉积SiO2，从所述凹槽中生长SiO2通常会高于多晶硅的表面，因此通过CMP处理使得生长的SiO2的表面与多晶硅的表面相平，以便后续的压电材料层的生长。
在本申请的一些实施方式中，步骤4中可以利用溅射沉积的方式生长第一金属，优选钼薄膜，并通过干法刻蚀形成底部平板电极3。
在本申请的一些实施方式中，步骤5中采用溅射沉积的方式生长超薄的压电材料层1。
在本申请的一些实施方式中，步骤6中采用溅射沉积的方式生长第二金属，优选为金薄膜，并通过剥离工艺图案化形成叉指电极2。
在本申请的一些实施方式中，步骤9中利用二氟化氙刻蚀底部平板电极3下的多晶硅，以去除所述SiO2释放保护层4和SiO2释放保护侧壁4A所包围的多晶硅而形成空气腔室，使得兰姆波谐振结构从衬底分离。
需要说明的是，本申请在制备兰姆波谐振器的过程中所使用的各种工艺及其参数，例如LPCVD、干法刻蚀、溅射沉积、图案化和剥离工艺等，均为本领域的公知技术，本领域技术人员根据本申请对于谐振器的结构及其制备过程的描述，无需创造性劳动即可实现。本申请在此无需赘述。
实施例1本申请提供的具有金属板的兰姆波谐振器与传统的没有金属板的兰姆波谐振器的比较
(1)具有金属板的兰姆波谐振器，具体结构参数如下：
金属板厚度为0.5μm，宽度为12μm，其他参数为：氮化铝压电振动结构长度为153μm，宽度为52μm，厚度为1μm，叉指电极宽度为1.5μm，长度为127.5μm，厚度为0.2μm，底部平板电极厚度为0.2μm。
(2)传统的没有金属板的二维兰姆波谐振器，除没有金属板外，其它结构参数与具有金属板的兰姆波谐振器相同。
(3)通过COMSOL Multiphysics V4.3a仿真分析软件，确定各谐振器的导纳图，并通过导纳图分析金属板对品质因数的影响。
图12示出了具有金属板结构与没有金属板结构的兰姆波谐振器的导纳图，从图中可以看出，与没有金属板结构的兰姆波谐振器相比，本申请提供的具有金属板结构的兰姆波谐振器的谐振频率从1505MHz提高到了1506MHz，其谐振峰值从-11.68dB提高到了5.88dB，品质因数提升了近3倍。
实施例2金属板的宽度对兰姆波谐振器的品质因数的影响
使用COMSOL Multiphysics V4.3a软件，研究不同金属板宽度对谐振器中心频率及品质因数的影响，金属板厚度设置为0.5μm，材料为铝，金属板宽度分别为从6μm、12μm和18μm。其它参数与实施例1相同。
图13为具有不同宽度金属板的谐振器的导纳对比图，从图中可以看出不同宽度对应的谐振峰值和品质因数并无较大的变化，均高于没有金属板的兰姆波谐振器。但是当金属板宽度提高至18μm时谐振频率从1505.01MHz下降到了1504.15MHz，在金属板宽度为12μm时具有最小的寄生蜂，寄生模态会导致组成滤波器的带内纹波和带外杂散响应，同样会降低谐振器的品质因数，因此金属板宽度优选为12μm。
实施例3金属板的厚度对兰姆波谐振器的品质因数的影响
使用COMSOL Multiphysics V4.3a软件，研究不同金属板厚度对谐振器中心频率及品质因数的影响，金属板宽度设置为12μm，材料为铝，金属板厚度分别为0.5μm、0.7μm、0.9μm和1.1μm。其它参数与实施例1相同。
图14为具有不同厚度金属板的谐振器的导纳对比图，从图中可以看出各厚度对应的谐振器均具有优于没有金属板的兰姆波谐振器的品质因数。此外，金属板厚度为0.5μm和0.7μm时有着相近的谐振峰值，但0.7μm的厚度有着更小的寄生蜂，随着厚度的进一步增加，谐振峰值逐渐由3.97dB下降至了-11.22dB。也导致了Q值的降低。因此，优选金属板的厚度为0.7μm。
实施例4金属板的材质对兰姆波谐振器的品质因数的影响
使用COMSOL Multiphysics V4.3a软件，研究不同金属板材质对谐振器中心频率及品质因数的影响，兰姆波谐振器金属板材质分别为金、铝和钼，金属板宽度12μm，金属板厚度0.7μm，其它参数与实施例1相同。
图15为具有不同材质金属板的谐振器的导纳对比图，从图中可以看出金、铝和钼材质的金属板其谐振峰和寄生峰并无较大变化，均可实现较高的品质因数，因此金属板材料选用金、铝或钼均可。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域中的技术人员来说，本申请可以有各种修改和变化。凡在本申请的主旨和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种兰姆波谐振器，其特征在于，包括：
衬底结构，其表面形成有空气腔室；
兰姆波谐振结构，其包括压电振动结构，位于压电振动结构上表面的叉指电极，及位于压电振动结构下表面的底部平板电极；
所述兰姆波谐振结构悬置于所述衬底结构的空气腔室内，且所述兰姆波谐振结构通过其纵向两端的支撑轴与所述衬底结构固定连接；
在各支撑轴与衬底结构连接的锚点处对应的衬底结构上分别设置有金属板。
2.根据权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述金属板的厚度为0.5-1.1μm，宽度为6-18μm。
3.根据权利要求2所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述金属板的厚度为O.7μm，宽度为12μm。
4.根据权利要求1所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述金属板的材质选自用金、铝或钼。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述叉指电极为方形振子梳齿电极结构的金或钼薄膜。
6.根据权利要求5项所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述压电振动结构的材料为氮化铝。
7.根据权利要求6所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述底部平板电极的材料为钼。
8.根据权利要求7所述的兰姆波谐振器，其特征在于，所述方形振子梳齿电极结构的电极宽度为1.5μm，厚度为0.2μm；
所述压电振动结构的厚度为1μm；
所述底部平板电极的厚度为0.2μm。
9.权利要求1-8中任一项所述的兰姆波谐振器的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1、在高阻硅衬底上形成SiO2释放保护层，
步骤2、在SiO2释放保护层上形成多晶硅释放牺牲层，
步骤3、刻蚀多晶硅至暴露出SiO2以形成环形凹槽，从所述凹槽中继续生长SiO2并进行CMP处理，以形成SiO2释放保护侧壁，
步骤4、生长第一金属薄膜并刻蚀形成底部平板电极，
步骤5、生长压电材料层，
步骤6、在压电材料层上方生长第二金属层并图案化形成叉指电极，
步骤7、通过刻蚀压电材料层在其上图案化形成释放窗口，所述释放窗口暴露出所述多晶硅释放牺牲层；
步骤8、溅射沉积并图案化形成金属板，
步骤9、通过所述释放窗口刻蚀所述多晶硅释放牺牲层，以去除所述SiO2释放保护层和SiO2释放保护侧壁所包围的多晶硅，使所述兰姆波谐振结构悬置于所述衬底结构的空气腔室内。
10.根据权利要求9所述的兰姆波谐振器的制备方法，其特征在于，
步骤1中形成的SiO2释放保护层的厚度为1μm；
步骤2中形成的多晶硅释放牺牲层的厚度为1.5μm。
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