PCMR體聲波諧振器多物理場仿真及芯片制作

錢麗勛，鄭升靈，李宏軍

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所第十六專業(yè)部 河北 石家莊 050200）

PCMR體聲波諧振器多物理場仿真及芯片制作

錢麗勛，鄭升靈，李宏軍

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所第十六專業(yè)部 河北 石家莊 050200）

文章介紹了一種輪廓模式壓電諧振器的工作原理，闡述了多物理場的概念并利用多物理場有限元分析方法分析了該諧振器的諧振過程，并利用多物理場原理對壓電諧振器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真優(yōu)化。多物理場仿真可以更加直觀，深入的理解PCMR的工作原理和過程。不利用等效電路模型，所以可以準(zhǔn)確的找到諧振器各組成部分對諧振器的影響?；诜抡娴慕Y(jié)果，分別設(shè)計了平板型（82.75MHz）和交指型（346.5MHz）輪廓模式諧振器并利用MEMS工藝對其進(jìn)行了制作。制作的輪廓模式諧振器具有較高的Q值（800），機(jī)電耦合系數(shù)2%，測試結(jié)果和仿真結(jié)果基本的吻合。

多物理場仿真；壓電輪廓模式諧振器；微型機(jī)電系統(tǒng)

1 引言

近年來，隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的迅速發(fā)展，MEMS三維加工手段結(jié)合壓電、鐵電材料的研究，最終產(chǎn)生了BAW (Bulk Acoustic Wave，體聲波)諧振器件，2001年，Agilent成為第一個在業(yè)界成功推出FBAR雙工器的企業(yè)[1，2]。FBAR由于其工作原理限制，無法實現(xiàn)單芯片多頻段的功能，隨著BAW概念和MEMS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，另一種諧振器模式也引起了人們的關(guān)注，那就是壓電輪廓模式諧振器PCMR（Piezoelectric Contour-Mode Resonator）。這種諧振器同樣是利用體聲波進(jìn)行工作，其制作工藝也仍然采用MEMS工藝，但與FBAR利用厚度控制諧振頻率不同，PCMR利用輪廓結(jié)構(gòu)來控制諧振頻率[3-5]。此諧振器的出現(xiàn)，為無線通信系統(tǒng)前端模塊的一體化，甚至單片多頻段的實現(xiàn)提供了新的思路和途徑。

2 PCMR工作原理

如圖1所示，為C軸晶向AlN壓電薄膜的壓電方程，其中d31、d33等為壓電方程的壓電系數(shù)。當(dāng)在壓電薄膜的Z軸方向上加電壓時，由于逆壓電效應(yīng)，薄膜會產(chǎn)生x，y，z三個方向的形變，如圖2所示，為壓電諧振器的結(jié)構(gòu)及不同模式的諧振。其中，由壓電系數(shù)d31形成的與電場方向垂直的x或者y方向的形變，就是PCMR的諧振模式。PCMR的諧振頻率不是通過壓電薄膜的厚度來控制，而是由諧振器的長和寬的輪廓來決定，所以叫輪廓模式諧振器[6]。

圖1 AlN薄膜壓電方程

3 PCMR的多物理場仿真設(shè)計

3.1 PCMR的多物理場分析

PCMR諧振器的物理基礎(chǔ)是壓電（逆壓電）效應(yīng)，涉及到了電場、壓電效應(yīng)、力場、機(jī)械振動等領(lǐng)域，是典型的多物理場耦合模式[7]。

PCMR諧振器的多物理場分析，以AlN壓電薄膜的壓電方程為基礎(chǔ)。當(dāng)在壓電諧振器的上電極輸入射頻能量時，由于逆壓電效應(yīng)，會引起諧振器壓電薄膜層的形變而產(chǎn)生振動，壓電薄膜層的形變又產(chǎn)生壓電效應(yīng)而使壓電諧振器下電極聚集電荷，此過程不斷重復(fù)時就形成了壓電諧振。分析此過程要耦合電場、機(jī)械振動等物理場，最后得到射頻信號通過壓電諧振器上下電極時的傳輸特性。設(shè)計壓電諧振器時，要根據(jù)多物理場分析得到的射頻信號傳輸特性，對諧振器的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，從而得到最佳的諧振器結(jié)構(gòu)。

以諧振頻率82.75MHz平板型諧振器的設(shè)計為例，經(jīng)過優(yōu)化的諧振器模型結(jié)構(gòu)及其仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 平板結(jié)構(gòu)PCMR諧振器模型及仿真曲線圖

諧振器模型中間層為AlN壓電薄膜層，上下兩層分別為上下電極，電極厚度0.2μm。通過優(yōu)化諧振器長寬、固定點長寬以及壓電薄膜厚度等物理尺寸，最終得到了具有高Q值傳輸特性的諧振器結(jié)構(gòu)，其中諧振體尺寸為247μm×46μm，固定支撐點尺寸為20μm×8μm，壓電層厚度通過優(yōu)化諧振器性能，并結(jié)合工藝可實現(xiàn)性，確定為1.5um。諧振器仿真結(jié)果為：串聯(lián)諧振頻率fs為82.75MHz，并聯(lián)諧振頻率fp為83.4MHz，機(jī)電耦合系數(shù)kt2（kt2=(π2/4)*(fp-fs)/fs）為2%，Q值約為900。

隨著射頻頻率的升高，平板型結(jié)構(gòu)尺寸不斷減小，當(dāng)頻率高于300MHz時，PCMR的諧振器不再適合使用平板型結(jié)構(gòu)，而只能改為另一種叉指型結(jié)構(gòu)，叉指型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 叉指結(jié)構(gòu)PCMR諧振器模型及仿真曲線

諧振頻率約346.5MHz的叉指型諧振器，通過優(yōu)化物理尺寸之后的模型結(jié)構(gòu)及其仿真結(jié)果如圖3所示。其中模型指條寬度7.8um，指條間間距3.5um，指條長度92um，指條對數(shù)為4對，壓電層厚度為1.5um。諧振器仿真結(jié)果為：串聯(lián)諧振頻率fs為346.5MHz，并聯(lián)諧振頻率fp為350.5MHz，機(jī)電耦合系數(shù)k2t為2.5%，利用3dB帶寬法評估諧振器Q值約為900。

4 PCMR制作及測試

PCMR的制作是利用MEMS工藝完成，制作難度較大。下圖4所示為制作流程圖。

圖4 平板結(jié)構(gòu)PCMR諧振器制作流程示意圖

PCMR的流片在拋光的硅片上進(jìn)行，先在硅片上沉積一層氮化鋁，作為晶向的引導(dǎo)層（LSN層）。然后在氮化鋁薄膜上制作下電極，下電極一般為鋁、鉬、鉑等金屬，厚度一般在0.1μm到0.2μm。利用光刻，刻蝕技術(shù)將下電極圖形化，然后沉積AlN壓電薄膜，厚度在1.5μm左右。壓電層制作完成后，要刻蝕壓電層將下電極引出。然后制作上電極，并將上電極圖形化。上下電極圖形化完成后，已經(jīng)確定了諧振器的形狀，下一步是將壓電層圖形化，形成完整的PCMR諧振器，一般通過氯基氣體刻蝕的方法刻蝕AlN壓電層。工藝的最后一步是釋放，如圖4所示的工藝過程，犧牲層是硅，則釋放氣體選用XeF2。釋放完成后，諧振器通過固定點支撐，懸浮在硅片上方。平板型諧振器芯片圖片及測試結(jié)果見圖5。

圖5 平板結(jié)構(gòu)PCMR諧振器芯片及測試結(jié)果

平板型諧振器測試結(jié)果為：串聯(lián)諧振頻率fs為82.68MHz，并聯(lián)諧振頻率fp為83.45MHz，機(jī)電耦合系數(shù)kt2約為2%，利用3dB帶寬法評估諧振器Q值約為800。

圖6 叉指結(jié)構(gòu)PCMR諧振器芯片及測試結(jié)果

叉指型諧振器芯片圖片及測試結(jié)果見圖6。叉指型諧振器測試結(jié)果為：串聯(lián)諧振頻率fs為347.5MHz，并聯(lián)諧振頻率fp為351.5MHz，機(jī)電耦合系數(shù)kt2約為2.5%，利用3dB帶寬法評估諧振器Q值約為800。

5 總結(jié)

PCMR諧振器及濾波器是芯片化濾波器的主要研究方向之一，也是目前唯一能實現(xiàn)單芯片多頻段濾波器的器件。文章中設(shè)計和制作的PCMR諧振器具有較高的Q值，機(jī)電耦合系數(shù)也達(dá)到了2%，是一種性能優(yōu)越的微諧振器。設(shè)計仿真結(jié)果和芯片測試結(jié)果基本吻合，這為PCMR諧振器的設(shè)計提供了理論依據(jù)，為下一步的PCMR濾波器設(shè)計和工藝制作鋪平了道路。

[1]李侃.FBAR微質(zhì)量傳感器若干關(guān)鍵問題的研究[D].浙江大學(xué)，2011.

[2]王宇輝.FBAR濾波器仿真及AlN壓電薄膜研究[D].華中科技大學(xué)，2012.

[3] Gianluca Piazza.Piezoelectric Aluminum Nitride VibratingContour-Mode MEMS Resonators[J].IEEE，2006，15(6):1406-1418.

[4] Gianluca Piazza.Contour-Mode Aluminum Nitride Vibrating RFMicrosystems[J].IEEE，2007，42（1）:1352-1355.

[5] JI LIANG，HONGXIANG ZHANG，DAIHUA ZHANG，et al.Lamb Wave AlN Micromechanical Filters Integrated With Onchip Capacitors for RFFront-End Architectures[J].IEEE，.2015，3(2):1-4.

[6] Ji Liang，Hongxiang Zhang，Daihua Zhang，et al.Design and fabrication of aluminum nitrideLamb wave resonators towards highfigure of merit for intermediate frequency filter applications[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2015，25(1):1-10.

[7]高霞，王志斌.基于COMSOLMultiphysics壓電鈮酸鋰晶片仿真[J].壓電與聲光，2015，37（2）：291-293.

TN629.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）01-0035-02

錢麗勛（1984-），男，漢族，河北省人，博士，工程師，研究方向：芯片化諧振、濾波器件，可調(diào)濾波器件，紅外成像芯片等領(lǐng)域。