氮化鋁Lamb波諧振器的支撐軸區(qū)域聲反射結(jié)構(gòu)研究*

王星宇， 呂世濤， 張敖宇， 孫海燕， 趙繼聰

(南通大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 引 言

隨著射頻(radio frequency,RF)通信系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)市場(chǎng)的飛速發(fā)展，微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)諧振器在頻率控制、頻率選擇和無線傳感等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)[1]。MEMS壓電聲學(xué)諧振器因其體積小、高性能、高集成度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[2]。目前，商用的MEMS壓電聲學(xué)諧振器主要包括聲表面波諧振器(surface acoustic wave,SAW)、薄膜體聲波諧振器(film bulk acoustic resonator,FBAR)以及固體裝配型諧振器(solidly mounted resonator,SMR)。SAW技術(shù)雖然制造工藝簡單、可實(shí)現(xiàn)片上多頻段集成，但由于其品質(zhì)因數(shù)(Q)值較低、工作頻率低于3 GHz、與集成電路工藝不兼容等缺點(diǎn)，難以滿足未來無線通信的應(yīng)用需求[3]。FBAR和SMR技術(shù)具有高頻、高Q、較大的功率容忍度等優(yōu)點(diǎn)，但其頻率主要取決于壓電薄膜厚度，因而難以實(shí)現(xiàn)片上多頻段集成[4,5]。氮化鋁Lamb波諧振器結(jié)合了 SAW和FBAR的優(yōu)點(diǎn)，具有較高頻率和Q值、中等的機(jī)電耦合系數(shù)、兼容集成電路工藝、多頻段集成等特點(diǎn)。

氮化鋁Lamb波諧振器的Q值代表機(jī)械能耗散水平，高Q值是實(shí)現(xiàn)低損耗濾波器、低相位噪聲振蕩器或高分辨率傳感器的關(guān)鍵[6]。目前，已有一些科研人員開展了氮化鋁Lamb波諧振器的能量損失機(jī)制分析研究，主要包括熱彈性阻尼損耗、界面損耗、錨點(diǎn)損耗等。界面損耗是由金屬電極和壓電薄膜之間的應(yīng)力分布不均勻所引起的，通過優(yōu)化金屬電極沉積條件或金屬電極物理尺寸等方法可減小界面損耗[7]。熱彈性阻尼損耗是在諧振器振動(dòng)時(shí)，能量耗散產(chǎn)生應(yīng)變溫度梯度所引起的能量損失[8]。錨點(diǎn)損耗代表諧振子通過支撐軸的聲能泄漏，可通過減少支撐軸的機(jī)械振動(dòng)來降低錨點(diǎn)損耗[9]。近年來，提出了多種減小錨點(diǎn)損耗的有效策略，例如優(yōu)化支撐軸尺寸，設(shè)計(jì)懸浮的雙凸橫向邊界，使用聲子晶體等[10]。然而，在氮化鋁Lamb波諧振器的支撐軸區(qū)域設(shè)計(jì)聲反射結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少，聲反射結(jié)構(gòu)對(duì)錨點(diǎn)損耗的影響機(jī)理尚不成熟。

本文在氮化鋁Lamb波諧振器的支撐軸區(qū)域設(shè)計(jì)了多種聲反射結(jié)構(gòu)，研究分析其對(duì)諧振器錨點(diǎn)損耗的影響。利用有限元COMSOL軟件建模仿真分析多種聲反射結(jié)構(gòu)的錨點(diǎn)損耗并成功制備了氮化鋁Lamb波諧振器。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果與理論仿真結(jié)果基本吻合，幾種聲反射結(jié)構(gòu)均可一定程度上降低錨點(diǎn)損耗，其中斜邊形聲反射結(jié)構(gòu)對(duì)降低錨點(diǎn)損耗的效果最為明顯，其串聯(lián)諧振品質(zhì)因數(shù)(Qs)值提升了約1.46倍。

1 諧振器設(shè)計(jì)與原理分析

圖1(a)為設(shè)計(jì)的氮化鋁Lamb波諧振器的三維結(jié)構(gòu)示意，由3層復(fù)合薄膜堆疊而成：頂部叉指換能器(inter-digital transducer,IDT)電極由200 nm厚的鋁(Al)層構(gòu)成，交替連接RF信號(hào)和地線；中間氮化鋁壓電薄膜厚度為1 μm；底部電極由200 nm厚的鉬(Mo)層構(gòu)成。圖1(b)為Lamb波諧振器的橫截面，諧振器的主要幾何參數(shù)包括：IDT電極周期p=3 μm，有效電極長度Le=90 μm，IDT電極寬度WIDT=1.5 μm，IDT電極到總線間隙g=7.5 μm，IDT電極數(shù)量n=14，總線寬度Wbus=7 μm。

圖1 Lamb波諧振器的結(jié)構(gòu)示意

諧振器的Q值定義為單個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)儲(chǔ)存能量與損失能量之比，通常表示如下

(1)

式中Estore為諧振器儲(chǔ)存的能量，Edissipated為每個(gè)振動(dòng)周期耗散的能量。由于本文重點(diǎn)研究支撐軸區(qū)域聲反射結(jié)構(gòu)對(duì)錨點(diǎn)損耗(Qanchor)的影響，因此，Q值表達(dá)式如下

(2)

彈性波通過支撐軸散射到襯底中引起錨點(diǎn)損耗，錨點(diǎn)處散失的能量會(huì)導(dǎo)致器件Q值的衰減。本文利用COMSOL Multiphysics V5.5a軟件建立有限元仿真模型，研究分析支撐軸區(qū)域聲反射結(jié)構(gòu)對(duì)器件Q值的影響。諧振器通過支撐軸與AlN襯底連接，襯底邊緣應(yīng)用了兩種邊界條件，一種是固定約束(FC)，另一種是完美匹配層(PML)。固定約束設(shè)在襯底最外側(cè)面，能夠反射傳播至邊界的聲波。完美匹配層設(shè)在最外側(cè)域，能夠吸收聲波，并與襯底其他部分完美匹配，在襯底和PML區(qū)域的界面處不會(huì)引起反射，對(duì)計(jì)算錨點(diǎn)損耗起著重要作用[11]。在COMSOL聲學(xué)方程中引入了復(fù)數(shù)坐標(biāo)變換，通過式(3)可計(jì)算錨點(diǎn)處的品質(zhì)因數(shù)Qanchor

(3)

式中ω為求解的模態(tài)特征頻率，它是一個(gè)復(fù)數(shù)，Re(ω)為復(fù)數(shù)的實(shí)部，Im(ω)為復(fù)數(shù)的虛部。

圖 2(a)和(b)顯示了所設(shè)計(jì)的窄支撐和全支撐結(jié)構(gòu)諧振器的仿真位移場(chǎng)圖。從圖中可以看出，支撐軸區(qū)域存在一定的位移，表明一部分機(jī)械能通過支撐軸傳輸至襯底而引起能量損失?；赑ML有限元模型，計(jì)算得到窄支撐和全支撐結(jié)構(gòu)的Qanchor值分別為1 107.9和1 097.6，使用窄支撐和全支撐諧振器Q值偏差較小。諧振器的振動(dòng)主要集中于振動(dòng)腔中心區(qū)域，少部分聲波通過錨點(diǎn)散射到襯底，最終在PML區(qū)域消散。

圖2 窄支撐和全支撐結(jié)構(gòu)諧振器的有限元仿真位移

本文在支撐軸區(qū)域設(shè)計(jì)了圓弧形和斜邊形聲反射結(jié)構(gòu)的Lamb波諧振器，其有限元仿真的位移場(chǎng)如圖3(a)和(b)所示。設(shè)計(jì)圓弧形和斜邊形聲反射結(jié)構(gòu)可使得聲波在縱向邊界處發(fā)生反射，進(jìn)而減小支撐軸區(qū)域的位移幅值并降低錨點(diǎn)損耗，有限元計(jì)算結(jié)果顯示圓弧形和斜邊形聲反射結(jié)構(gòu)的Qanchor分別為1 268.2和1 262.5。此外，圖3(c)所示為具有全支撐和錨點(diǎn)區(qū)溝槽結(jié)構(gòu)的諧振器的位移場(chǎng)分布圖。由于溝槽區(qū)空氣的聲阻抗趨于0，溝槽區(qū)域與AlN區(qū)域產(chǎn)生聲阻抗失配，聲波傳輸?shù)綔喜厶幇l(fā)生反射，可一定程度上限制泄漏至襯底的能量，提高器件的品質(zhì)因數(shù)。有限元計(jì)算結(jié)果顯示具有全支撐溝槽聲反射結(jié)構(gòu)器件的Qanchor為1 198。圖3(d)為襯底與支撐軸相鄰區(qū)域沉積金屬鋁的器件位移場(chǎng)分布圖，仿真時(shí)在襯底上添加一層1 μm厚的鋁薄膜，增加襯底與支撐軸區(qū)域的聲阻抗失配程度，聲波在支撐軸和襯底的界面處發(fā)生反射并返回振動(dòng)腔，模擬得到Qanchor為1191.9。與窄支撐和全支撐結(jié)構(gòu)的諧振器相比，具有上述幾種聲反射結(jié)構(gòu)諧振器的Qanchor值均得到一定程度提升。

圖3 4種反射結(jié)構(gòu)諧振器的位移分布

2 微納加工工藝

首先，選用6 in(1in=2.54 cm)高阻硅片作為襯底，通過反應(yīng)離子刻蝕(RIE)工藝蝕刻硅襯底形成釋放槽，如圖4(a)所示。采用熱氧化工藝形成氧化層，避免高阻硅襯底在XeF2釋放過程中被腐蝕，如圖4(b)所示。緊接著使用低壓化學(xué)氣相沉積(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)工藝沉積多晶硅，以填充釋放槽。在反刻多晶硅后，通過化學(xué)機(jī)械拋光(chemico-mechanical poli-shing,CMP)工藝對(duì)晶圓快速平坦化，如圖4(c)所示。再先后沉積100 nm厚度的氮化鋁種子層和200 nm厚的鉬薄膜，并刻蝕圖形化鉬薄膜以形成諧振器的底電極，如圖4(d)所示。接下來，沉積1 μm厚的氮化鋁作為器件壓電層，并將鋁薄膜沉積于壓電振動(dòng)層表面，剝離形成表面IDT電極，如圖4(e)所示。然后，干法刻蝕底電極焊盤上方的氮化鋁，再采用剝離工藝制作鋁引線，使得表面電極和底電極相連，如圖4(f)所示。最后，干法刻蝕氮化鋁薄膜以定義器件結(jié)構(gòu)，再利用XeF2氣體對(duì)其進(jìn)行釋放，如圖4(g)所示。

圖4 設(shè)計(jì)的AlN壓電諧振器的微納加工工藝

基于上述微納加工工藝，在6 in晶圓上同時(shí)制備了AlN壓電諧振器，器件掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)如圖5所示。

圖5 諧振器縱向反射邊界的SEM圖

3 測(cè)試與分析

在常溫常壓下，使用Keysight N5244A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(vector network analyzer,VNA)和級(jí)聯(lián)探針臺(tái)下對(duì)制備的氮化鋁Lamb波諧振器進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試之前，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的短路—負(fù)載—開路—直通(short circuit-load-open circuit-straight through,SLOT)校準(zhǔn)，以提高測(cè)試的精準(zhǔn)度。本文中制造的Lamb波諧振器均為單端口器件，通過VNA獲得的頻率響應(yīng)為散射參數(shù)S11，通過式(4)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)納參數(shù)Y11

(4)

其中，特征阻抗Z0設(shè)置為50 Ω，即VNA的源阻抗或負(fù)載阻抗。

(5)

為了獲取諧振器的等效電學(xué)參數(shù)，本文建立了MBVD(Modified Butterworth-van Dyke)電學(xué)模型，如圖6(b)所示。該電路模型由串聯(lián)電阻Rs和兩條并聯(lián)的電路分支組成，其中一條支路由電感Lm、電容Cm和電阻Rm串聯(lián)，分別對(duì)應(yīng)機(jī)械系統(tǒng)的質(zhì)量、剛度和阻尼，另一條支路由靜電容C0與電阻R0串聯(lián)。串聯(lián)電阻Rs和R0分別代表電極的歐姆損耗和壓電薄膜的介電損耗。

圖6 諧振器的測(cè)試導(dǎo)納圖和MBVD等效電路模型

采用該MBVD模型能較高精度地?cái)M合測(cè)量數(shù)據(jù)，提取的等效電學(xué)參數(shù)列在表1中。動(dòng)態(tài)品質(zhì)因數(shù)(Qm)代表排除電極阻抗影響的諧振器機(jī)械能損耗，可用于表現(xiàn)器件的機(jī)械能損失，通過式(6)計(jì)算[12]。對(duì)于具有窄支撐和全支撐結(jié)構(gòu)諧振器，計(jì)算Qm值分別達(dá)到2 477.8和2 418.6。式(6)計(jì)算如下

表1 MBVD擬合提取諧振器縱向反射邊界等效電學(xué)參數(shù)

(6)

為了研究氮化鋁Lamb波諧振器支撐軸區(qū)域聲反射結(jié)構(gòu)對(duì)Qs值的影響，設(shè)計(jì)了5種不同的聲反射結(jié)構(gòu)。圖7(a)和(b)為圓弧形和斜邊形結(jié)構(gòu)的導(dǎo)納曲線，圓弧形結(jié)構(gòu)的反射弧半徑r和斜邊形的高度h均為6 μm，已在SEM圖中標(biāo)出。圓弧形和斜邊形結(jié)構(gòu)使聲波傳輸?shù)娇v向邊界時(shí)發(fā)生反射，增加了諧振腔中的能量。具有圓弧形和斜邊形聲反射結(jié)構(gòu)諧振器的Qs值為2 562.6和3 256.6，Qm值為2 882.2和3 792.2，其中,斜邊形聲反射結(jié)構(gòu)對(duì)提升Q值的效果更為顯著。

圖7 圓弧形和斜邊形聲反射結(jié)構(gòu)諧振器的導(dǎo)納曲線

圖8(a)為具有全支撐溝槽結(jié)構(gòu)諧振器的測(cè)試導(dǎo)納曲線，與前文所述全支撐結(jié)構(gòu)的諧振器相比，錨點(diǎn)附近溝槽的設(shè)計(jì)使得Qs值得到提高。支撐軸區(qū)域空氣溝槽的聲阻抗接近0，與氮化鋁振動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生聲阻抗失配，聲波被反射回振動(dòng)腔，減少了錨點(diǎn)損耗，測(cè)量的Qs和Qm值分別為3 007.5和3 486.4。圖8(b)為襯底與支撐軸相鄰區(qū)域沉積金屬鋁的器件導(dǎo)納曲線圖，由于襯底邊界區(qū)域?yàn)锳l-AlN-SiO2-Si復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)，使得錨點(diǎn)到襯底路徑上的聲阻抗失配，聲波在支撐軸和襯底的界面處發(fā)生反射并返回振動(dòng)腔，因此使得Qs值和Qm值分別達(dá)到3 189.6和3 497.6。

圖8 全支撐溝槽和鋁薄膜結(jié)構(gòu)諧振器的導(dǎo)納曲線

為了進(jìn)一步對(duì)比圓弧形聲反射結(jié)構(gòu)的反射弧半徑r對(duì)諧振器的性能影響，研究分析了r為3 μm和9 μm的導(dǎo)納曲線，如圖9(a)所示。對(duì)于r為3 μm和9 μm的諧振器，Qs值為2 524.4和2 607.5，Qm值為2 817.9和2 923.8。與前文所述的r為6 μm圓弧形聲反射結(jié)構(gòu)的諧振器相比(如圖7)，反射弧半徑的改變對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響較小。采用斜邊形聲反射結(jié)構(gòu)能進(jìn)一步減少錨點(diǎn)損耗，測(cè)試結(jié)果顯示，h為3 μm和9 μm時(shí)，Qs值為3 002.5和3 249.8，Qm值為3 454和3 788.2。

圖9 諧振器的導(dǎo)納曲線

4 結(jié) 論

本文通過理論分析和測(cè)試驗(yàn)證，研究了頻率約1.56 GHz氮化鋁Lamb波諧振器的支撐軸區(qū)域聲反射結(jié)構(gòu)對(duì)Q值的影響。首先采用有限元軟件對(duì)多種聲反射結(jié)構(gòu)的錨點(diǎn)損耗進(jìn)行仿真研究，在此基礎(chǔ)之上，完成器件的加工及測(cè)試。測(cè)試結(jié)果基本與仿真結(jié)果相符，得出以下結(jié)論：窄支撐和全支撐結(jié)構(gòu)諧振器的Q值差異不大；圓弧形和斜邊形聲反射結(jié)構(gòu)可一定程度上降低支撐區(qū)域的位移幅值，減少錨點(diǎn)損耗；設(shè)置弧形溝槽有利于聲波反射，將聲能限制在諧振器中心區(qū)域，進(jìn)而提升Q值；在襯底與支撐軸相鄰區(qū)域沉積金屬鋁，可增加襯底與支撐軸的聲阻抗失配程度，有利于聲波反射回諧振腔，減小錨點(diǎn)損耗。相比于傳統(tǒng)的窄支撐和全支撐結(jié)構(gòu)，上述幾種支撐軸區(qū)域的聲反射結(jié)構(gòu)均可一定程度上降低錨點(diǎn)損耗、提高Q值，其中斜邊形聲反射結(jié)構(gòu)對(duì)Qs值的提升最為顯著，Qs值從2 232.1提升至3 256.5。