[发明专利]二维耦合的射频压电谐振器及其制备方法

说明书

本发明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。本发明的机电耦合系数提高至7％‑11％。

技术领域

本发明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。

背景技术

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(Surface Acoustic Wave device)被发明后，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(Interdigital Transducer,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(thin Film Bulk Acoustic Resonator,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(Laterally VibratingResonator,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(k_t²)被限制在7％以下，横向耦合的谐振器机电耦合系数(k_t²)被限制在2.4％以下[2]。

[1]K.Hashimoto,RF Bulk Acoustic Wave Filters forCommunications.Artech House,2009.

[2]J.I.Katardjiev,and V.Yantchev,“Lateral-field-excitedthin-film Lamb wave resonator,”Appl.Phys.Lett.,vol.86,no.15,p.154103,Apr.2005.

[3]G.Piazza,P.J.Stephanou,and A.P.Pisano,“Piezoelectric AluminumNitride Vibrating Contour-Mode MEMS Resonators,”Journal ofMicroelectromechanical Systems,vol.15,no.6,pp.1406–1418,Dec.2006.

发明内容

本发明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。