[发明专利]兰姆波谐振器及其制备方法

说明书

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层和谐振器结构，谐振器结构自下而上包括底电极层、单晶氮化物薄膜层及叉指电极，其中：叉指电极位于单晶氮化物薄膜层的中心区域；谐振器结构倒置于衬底层上表面，且谐振器结构与衬底层之间设置有金属层，以使叉指电极与衬底层之间具有空隙。本发明结合焊接和腐蚀工艺，通过先在一基底材料上高温生长单晶氮化物薄膜层，再在单晶氮化物薄膜层上形成底电极层，避免了现有技术中，在底电极层上高温形成薄膜层带来的底电极层表面变粗糙和极易与氨气发生反应的问题，从而为研制单晶氮化物兰姆波谐振器奠定了基础。

技术领域

本发明属于射频MEMS器件研究领域，更具体地涉及一种兰姆波谐振器及其制备方法。

背景技术

基于压电效应的射频MEMS(微机电系统)谐振器在通讯领域发挥着重要作用，并获得广泛应用。例如，石英晶体谐振器凭借其极高的品质因数，是射频振荡器的理想的时钟源；声表面波(SAW)谐振器和滤波器由于简单的制备工艺和优良的性能，在移动通讯滤波器领域长期占据主导地位；体声波(BAW)谐振器和滤波器尽管制备工艺比SAW滤波器复杂，但凭借其优异的性能，在移动通讯领域正在逐步取代SAW滤波器。随着移动通讯频带和模式越来越多，对小型化、高性能的多频带单芯片集成的滤波器(单芯片集成滤波器)的需求越来越迫切。但是，基于目前的SAW滤波器技术和BAW滤波器技术研制小型化的单芯片集成滤波器，均存在困难：

SAW谐振器金属叉指结构两侧具有大量的金属反射栅，面积很大，无法满足单芯片集成滤波器对于小型化的要求；

BAW滤波器的频率是由压电薄膜的厚度决定的，因此难以在同一芯片上制备多个不同频带的滤波器，无法满足单芯片集成滤波器对于多频带滤波的需求。

兰姆波谐振器是一种新型的压电型射频MEMS谐振器，具有体积小、品质因数高、频率易调等特点，是研制单芯片集成滤波器的理想谐振器结构。现有的兰姆波谐振器的器件结构如图1所示，包括衬底101、嵌于衬底101的空气隙102、悬空的AlN压电薄膜103及AlN压电薄膜103上方的金属叉指电极104。众多研究表明，在图1中所示的兰姆波谐振器结构的基础上，如果在AlN压电薄膜103下方制备金属悬浮电极105(如图2所示)或另一金属叉指电极106(如图3所示)，可极大提升器件的性能，因此，图2和图3所示的器件结构是兰姆波谐振器的主流结构。

对射频MEMS谐振器而言，AlN压电薄膜的结晶质量是决定器件性能的关键，AlN压电薄膜的结晶质量直接决定着AlN基射频谐振器的性能，晶体结晶质量越高、压电效应越强、声学传输损耗越低、器件的品质因数和有效机电常数越大。然而，目前所有已报道的AlN基兰姆波谐振器的压电薄膜均为基于磁控溅射技术制备的多晶AlN薄膜，此方法制备的AlN薄膜的X射线衍射(XRD)摇摆曲线的半高宽为2-5°之间，因此晶体质量差，导致研制的兰姆波谐振器的性能远远小于预期。因此，研制基于单晶AlN薄膜的高性能兰姆波谐振器具有十分重要的意义。

发明内容

基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种兰姆波谐振器及其制备方法，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提出一种兰姆波谐振器，包括衬底层和谐振器结构，该谐振器结构自下而上包括底电极层、单晶氮化物薄膜层及叉指电极，其中：叉指电极位于单晶氮化物薄膜层的中心区域；谐振器结构倒置于衬底层上表面，且谐振器结构与衬底层之间设置有金属层，以使叉指电极与衬底层之间具有空隙。

在本发明的一些实施例中，上述单晶氮化物薄膜层的厚度为10nm～2μm。

在本发明的一些实施例中，上述单晶氮化物薄膜层的材质包括GaN、AlN或Al_xGa_1-xN，其中，0＜x＜1。

在本发明的一些实施例中，上述底电极层和叉指电极的材质为金属材料，包括铜、金、铁、铝、钛、铬和钼的任意组合；和/或衬底层的材质包括蓝宝石、硅、砷化镓或玻璃。