一种横向激励的体声波谐振器

技术领域

本申请属于射频MEMS器件领域，涉及一种横向激励的体声波谐振器。

背景技术

随着射频(RF)通信系统和物联网(IOT)的发展与应用，基于微机电系统(MEMS)工艺制备的射频器件已成为未来射频前端的发展趋势。近些年来，得益于LiNbO

谐振器通过其压电层上方的电极产生不同方向的电场，其中水平分量的电场即横向电场能够有效激发一阶反对称(A1)模态。然而，压电层同时受到非横向电场的影响，激发出不同于A1模态的寄生模态。此外，由于压电层部分区域被电极覆盖，受到机械负载和电学负载的影响，导致有电极覆盖的压电层区域和无电极覆盖的压电层区域横向电场激发出的A1模态处在不同的频率，这也会造成寄生模态的产生。与此同时，品质因数(Q)和机电耦合系数(k

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种横向激励的体声波谐振器，可以抑制杂散信号，同时提高了机电耦合系数(k

本申请提供了以下技术方案：

一种横向激励的体声波谐振器，包括依次设置的顶部金属、压电层结构、介质层和衬底，所述顶部金属配置于所述压电层结构的上表面，其由顶部电极和Bus区域组成，所述介质层位于所述压电层结构与所述衬底之间，所述衬底与介质层配置用于形成压电层结构的空腔结构，且所述压电层结构悬置于该空腔结构上方，所述压电层结构选自铌酸锂单晶薄膜；所述顶部电极为由相互平行的一对电极对周期性排列形成的叉指双电极结构，所述电极对由两个单电极组成。

进一步的，通过微纳加工工艺刻蚀常规电极中间区域形成一对相互平行具有一定间隙的电极对，电极对周期性排列在压电层结构上，形成叉指双电极结构。采用叉指双电极结构能够减少金属电极的覆盖面积，降低了电极材料的质量和刚度所带来的机械负载，从而有效抑制寄生模态，同时，叉指双电极结构优化了电学性能，减少了电学损耗，使Q值得到提升。

进一步的，顶部电极宜选自用钼。

进一步的，所述铌酸锂单晶薄膜的厚度为300nm，所述顶部电极的厚度为300nm。

进一步的，所述叉指双电极结构的电极对中两个单电极之间的间距为1.4μm，每个单电极的宽度为2.8μm。

进一步的，所述电极对的宽度为7μm，各电极对之间的间距为33μm。

进一步的，所述衬底材料是电阻率为10000Ω·m的高阻硅，衬底的厚度为500-600μm。高阻硅衬底具有良好的射频特性，较低的微波损耗。

进一步的，所述介质层为二氧化硅，介质层的厚度为2μm。

本发明还提供了一种上述横向激励体声波谐振器的制备方法，包括如下步骤：

S1.制备具有铌酸锂单晶薄膜、介质层和衬底的三层晶圆结构；

S2.在高阻硅衬底下表面形成SiO

S3.通过涂胶、曝光、显影、电感耦合等离子体刻蚀等工艺，对金属Mo进行刻蚀并图案化形成叉指双电极结构，刻蚀铌酸锂压电层部分区域形成环形槽，并去胶；

S4.在器件上表面生长SiO

S5.在所述器件上表面沉积SiO

S6.继续刻蚀所述初设空腔区域内SiO

S7.释放SiO

进一步的，步骤S4和S5中，所述沉积的工艺为等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)。

进一步的，步骤S3、S4、S5和S6中，所述刻蚀均为Bosch深反应离子刻蚀。

与现有技术相比，本发明提供的一种横向激励的体声波谐振器，通过将配置于压电层结构上表面的顶部电极进行优化设计，刻蚀电极的中间部分区域，形成叉指双电极结构。与常规电极结构相比，叉指双电极结构减少了金属电极对压电层结构的覆盖面积，可以降低电极材料的质量和刚度所带来的机械负载，从而有效抑制寄生模态；与电极对中的任一单个电极相比，单个电极虽然能够降低机械负载，但较窄的电极会带来额外的电学损耗，而电极对可以优化电学性能，减少了电学损耗，从而提升了Q值。因此，由多组电极对形成的叉指双电极结构实现了优化品质因数、机电耦合系数和抑制寄生模态、提高频谱光滑度的效果；本发明提供的横向激励的体声波谐振器为实现具有大带宽、低损耗、低功耗以及陡峭滚降的滤波器提供了重要方向，并且在射频前端中具有重要的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的一种横向激励的体声波谐振器的三维结构图；

图2为本发明实施例1提供的一种横向激励的体声波谐振器的横向截面图；

图3为本发明实施例1提供的制备方法的步骤1处理后的结构示意图；

图4为本发明实施例1提供的制备方法的步骤2处理后的结构示意图；

图5为本发明实施例1提供的制备方法的步骤3处理后的结构示意图；

图6为本发明实施例1提供的制备方法的步骤4处理后的结构示意图；

图7a为本发明实施例1提供的制备方法的步骤5处理后的结构示意图；

图7b为本发明实施例1提供的制备方法的步骤5处理后的结构示意图；

图8为本发明实施例1提供的制备方法的步骤6处理后的结构示意图；

图9为本发明实施例1提供的制备方法的步骤7处理后的结构示意图；

图10为本发明实施例1提供的制备方法的步骤8处理后的结构示意图；

图11为本发明实施例1提供的制备方法的步骤10处理后的结构示意图；

图12为本发明实施例2提供一种横向激励的体声波谐振器的三维结构图；

图13为本发明实施例3提供一种横向激励的体声波谐振器的三维结构图；

图14为本发明实施例2提供的横向激励的体声波谐振器的频响特性图；

图15为本发明实施例1提供的横向激励的体声波谐振器的频响特性图；

图16为实施例1提供的横向激励的体声波谐振器与实施例2提供的常规电极结构的横向激励的体声波谐振器的频响特性图；

图17为实施例1提供的横向激励的体声波谐振器与实施例3提供的常规电极的横向激励的体声波谐振器的频响特性图；

图中：1-压电层结构；2-介质层；2A-SiO

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双电极的宽度的方向。

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，于暴露于等离子体中的目标刻蚀材料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“电感耦合等离子体刻蚀”系指反应气体通过电感耦合的方式发生辉光放电，产生的具有强化学活性的等离子在电场的加速作用下移动到样品表面，对样品表面既进行化学反应生成挥发性气体，又有一定的物理刻蚀作用。因为等离子体源与射频加速源分离，所以等离子体密度可以更高，加速能力也可以加强，以获得更高的刻蚀速率，以及更好的各向异性刻蚀。

本文中，术语“溅射沉积”系指氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子沉积在基片上形成膜的方法。

本文中，术语“剥离工艺”系指基片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，在基片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(microcontactPrinting)等。

本文中，术语“上”“下”等指示的方位或者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备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，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。

实施例1

提供了一种横向激励的体声波谐振器，如图1、2所示，包括：

压电层结构1，采用厚度为300nm的铌酸锂单晶薄膜。

顶部电极，顶部电极的厚度为300nm，配置与压电层结构1的上表面，包括Bus区域8和叉指双电极结构，叉指双电极结构包括由五对具有一定间隙的电极对5组成的电极主体，具体如图2所示，叉指双电极结构中电极对宽度7μm，电极对中单个电极5B宽度为2.8μm，且电极对中两个单电极之间的间隙5A为1.4μm，各电极对的间距为33μm；

衬底3；介质层2位于压电层1与衬底3之间，介质层2采用厚度为2μm的SiO

本发明实施例1提供了一种上述横向激励的体声波谐振器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、制备得到具有铌酸锂单晶薄膜、介质层和衬底的三层晶圆结构；如图3所示，晶圆自上而下依次包括压电层1、介质层2和衬底3；

步骤2、在高阻硅衬底下表面上形成SiO

步骤3、对所述的铌酸锂上表面所沉积的Mo金属4进行涂胶、曝光、显影、电感耦合等离子体刻蚀后，并对其进行图案化，形成叉指双电极结构，如图5所示，再去胶；

步骤4、对所述压电层1铌酸锂薄膜进行涂胶、曝光、显影、电感耦合等离子体刻蚀，并对其图案化，形成左右两侧并列且用于制作空腔的环形槽7结构，如图6所示，再去胶；

步骤5、在器件上表面区域生长SiO

步骤6、在所述步骤5中的凹槽9结构中沉积金属Al作为Pad区域6，如图8所示；

步骤7、在所述器件上表面沉积SiO

步骤8、如图10所示，对底部硅衬底3采用背腔刻蚀工艺，利用Bosch深反应离子刻蚀DRIE至所述SiO

步骤9、采用反应离子刻蚀工艺RIE继续刻蚀所述初设背腔区域内的SiO

步骤10、如图11所示，释放器件表面的SiO

实施例2

提供了一种横向激励的体声波谐振器，顶部电极未采用叉指双电极结构，即常规电极的器件结构，常规电极宽度为7μm，其余参数同实施例1，如图12所示。

实施例3

提供了一种横向激励的体声波谐振器，顶部电极未采用叉指双电极结构，即常规电极的器件结构，常规电极宽度为2.8μm，其余参数同实施例1，如图13所示。

通过COMSOLMultiphysics仿真分析软件，得到了如图14-17所示的频响特性图。

图14为实施例2提供的横向激励的体声波谐振器的频响特性图。从图14中可以看出，当顶部电极采用常规电极结构时，由于电极下方电场分布不均匀，沿水平和垂直方向分量的电场激发不同的声波类型，导致较多的杂散信号出现。

图15为实施例1提供的横向激励的体声波谐振器的频响特性图。从图15中可以看出，当顶部电极采用叉指双电极结构时，减少了金属电极的覆盖面积，降低电极材料的质量和刚度所带来的机械负载，有效的抑制寄生模态。

图16为实施例1提供的横向激励的体声波谐振器与实施例2提供的横向激励的体声波谐振器的频响特性图，从图16中可以看出，当频率处于6027MHz-6041MHz时，采用常规电极结构会产生较为明显的杂散信号，这些杂散信号为目标模式A1模态的高阶寄生模态，导致转换能量分散到各种模式中，造成A1模态的机电耦合系数降低，同时影响频谱光滑度。采用叉指双电极结构时，水平分量电场增强，减少机械负载的影响，有效的抑制寄生模态，提高频谱光滑度。

图17为实施例1提供的横向激励的体声波谐振器与实施例3提供的横向激励的体声波谐振器的频响特性图，从图17中可以看出，采用叉指双电极后，谐振器的谐振频率有着明显的提升，相比较于实施例3中常规电极结构，Q值提升了1.2倍。

以上所述仅为本申请的优选实例而已，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。