氮化鋁壓電微機(jī)電系統(tǒng)輪廓模式諧振器技術(shù)及應(yīng)用

俞 燕，王璐烽，丁芩華，何 杰

(1.重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120；2. 蘇州中材非金屬礦工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；3.中國電子科技集團(tuán)公司 第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

先進(jìn)的無線通信系統(tǒng)要求收發(fā)器能在10 MHz～GHz的寬頻率范圍內(nèi)選擇性地處理射頻信號，同時(shí)能在各頻段間進(jìn)行快速開關(guān)切換，多頻率信道選擇濾波器陣列是構(gòu)成此多頻段模擬信號處理器的關(guān)鍵核心器件[1]。微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)諧振器是實(shí)現(xiàn)這種高性能、集成射頻(RF)濾波器的一種非常有前景的解決方案。

本文對AlN MEMS CMR的原理與典型結(jié)構(gòu)、制備工藝及應(yīng)用進(jìn)行了綜合性闡述，并分析了CMR技術(shù)未來的發(fā)展方向。

1 AlN CMR的基本原理與典型結(jié)構(gòu)

1.1 AlN CMR的基本原理

典型的AlN CMR采用上、下金屬電極層/中間夾持AlN壓電薄膜層構(gòu)成的“三明治”結(jié)構(gòu)[10]，如圖1所示。圖中，L為長度，W為寬度，T為厚度，E為電場。在壓電薄膜的厚度方向上外加電場E時(shí)，壓電體內(nèi)部正負(fù)電荷的中心發(fā)生相對位移而進(jìn)行極化，并通過逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生橫向的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動，從而引起器件平面的橫向應(yīng)變形成輪廓伸縮模式的振動，故稱此種諧振器為輪廓模式諧振器(CMR)[9]。

圖1 典型的AlN CMR的模型圖

CMR諧振頻率的高低主要取決于AlN薄膜的寬度，而與AlN薄膜的厚度無關(guān)，同時(shí)可以獨(dú)立地選擇器件的長度和厚度，以確定諧振器的靜電容C0及電阻抗，因此，采用光刻工藝可在同一基片上實(shí)現(xiàn)多頻率器件[7,10]。

1.2 AlN CMR的典型結(jié)構(gòu)

CMR的面內(nèi)諧振主要采用厚度場激勵(TFE)和橫向場激勵(LFE)兩種方式，如圖2所示。LFE對電極排列不敏感，故結(jié)構(gòu)更穩(wěn)固，但會降低器件的機(jī)電耦合效率和有效電抗，還會使諧振器與外部電路的接口更復(fù)雜，相對而言，采用TFE是一種更佳的方案[11]。

圖2 AlN CMR面內(nèi)諧振采用的兩種激勵方式

AlN CMR的主要結(jié)構(gòu)包括方形薄片振子和環(huán)形薄片振子兩種[7]。根據(jù)CMR的激勵方式設(shè)計(jì)了從基本模態(tài)到高階模態(tài)的不同結(jié)構(gòu)CMR，表1為目前報(bào)道的幾種典型的AlN CMR結(jié)構(gòu)[11]。

表1 幾種典型的AlN CMR拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3 50 MHz～8.5 GHz AlN CMR實(shí)現(xiàn)的最佳f×Q值

2 AlN MEMS CMR的制備工藝

采用MEMS工藝制備AlN MEMS CMR的主要工藝環(huán)節(jié)有AlN薄膜層的磁控濺射工藝、光刻工藝、刻蝕工藝及陽極鍵合工藝等。圖4是制作AlN CMR器件的工藝示意圖[15-17]。首先在高阻硅基片上濺射沉積高取向性金屬電極并圖形化(常用的電極材料有Al和Pt)；之后是濺射沉積AlN薄膜，采用磷酸(H3PO4)或氫氧化鉀(KOH)基低腐蝕性溶液濕法刻蝕AlN薄膜制備通孔；然后濺射沉積頂部電極，并采用剝離或干法刻蝕實(shí)現(xiàn)電極圖形化；最后采用XeF2干法刻蝕釋放器件結(jié)構(gòu)。

圖4 AlN CMR器件制作工藝示意圖

通過AlN刻蝕和電極圖形化可精確確定工作在基本模式的器件中心頻率。對濾波器應(yīng)用來說，保證高良率且無需后道工藝微調(diào)要求精度達(dá)到±1 000×10-6。以1 000×10-6的微調(diào)精度為基準(zhǔn)點(diǎn)，工作于基本模態(tài)中心頻率400 MHz的器件可采用500 nm線寬分辨率的光刻設(shè)備，而采用高階模態(tài)可以極大地放寬工藝條件，如360 nm線寬分辨率的光刻設(shè)備能夠可靠地制備約3 GHz的器件[17]。同時(shí)，圖形刻蝕精度和可重復(fù)性對器件性能有較大影響，側(cè)壁坡度的變化對基本模式器件的中心頻率影響較大，如圖5所示[7]。

圖5 側(cè)壁坡度對275 MHz橫向振動CMR頻率的影響

3 AlN MEMS CMR的應(yīng)用

基于AlN CMR可實(shí)現(xiàn)高性能濾波器，開關(guān)預(yù)選濾波器，高Q及低相噪振蕩器，MEMS集成RF前端等。

3.1 AlN MEMS CMR濾波器

CMR具有高頻率、高Q值和低阻抗等特性，因此，CMR技術(shù)特別適合RF MEMS濾波器應(yīng)用[17]。采用由電耦合或機(jī)械耦合的諧振器陣列構(gòu)成CMR濾波器。

2010年，美國賓夕法尼亞大學(xué)的Gianluca Piazza團(tuán)隊(duì)基于自耦合AlN MEMS CMR諧振器實(shí)現(xiàn)了一種單芯片多頻率信道選擇濾波器[1]。濾波器由3或4個(gè)串聯(lián)連接的雙端口AlN CMR構(gòu)成，諧振器陣列利用自身的本征電容實(shí)現(xiàn)電耦合，濾波器工作在94～271 MHz，具有窄帶寬(約0.2%)、低插損(約2.3 dB)、高帶外抑制(約60 dB)和高線性度(IIP3～100 dBmV)特性。圖6為271 MHz濾波器的傳輸響應(yīng)和器件顯微照片。

圖6 濾波器的傳輸響應(yīng)和顯微照片

加州大學(xué)傳感器與執(zhí)行器研究中心開發(fā)了一款機(jī)械耦合AlN CMR濾波器。濾波器采用由兩個(gè)長度為1/4波長耦合條機(jī)械耦合而成的諧振器構(gòu)成，頻率40 MHz，插損1.5 dB，圖7是濾波器的掃描電鏡(SEM)照片[18]。

圖7 AlN CMR濾波器的SEM照片

與電耦合CMR濾波器相比，機(jī)械耦合CMR濾波器可機(jī)械耦合及通過改變耦合條的大小由光刻工藝確定濾波器的帶寬。因此，機(jī)械耦合CMR濾波器能夠?qū)崿F(xiàn)比電耦合CMR濾波器更大的帶寬，且無需外部調(diào)諧元件，但帶內(nèi)波紋和插損較大[17]。

3.2 AlN MEMS CMR振蕩器

與基于石英諧振器的振蕩器相比，基于CMR的振蕩器可實(shí)現(xiàn)更高的振蕩頻率，且具有與IC完全集成的潛力，因而能夠提高系統(tǒng)的集成度。

美國賓夕法尼亞大學(xué)的Gianluca Piazza團(tuán)隊(duì)研制的第一個(gè)AlN CMR振蕩器的最高工作頻率達(dá)到550 MHz，功耗10 mW，采用AMIS公司的0.5 μm、5 V CMOS工藝制備[19]。頻率分別為176 MHz、222 MHz、307 MHz和482 MHz的4個(gè)AlN CMR采用引線鍵合到同一個(gè)Pierce振蕩器電路，圖8為采用引線鍵合的AlN CMR振蕩器電路和閉環(huán)相位噪聲[19]。在1 kHz偏置條件下，所有振蕩器的相位噪聲值為-88～-68 dBc/Hz，1 MHz偏置條件下的相位噪聲基底低至-160 dBc/Hz。

圖8 采用引線鍵合的AlN CMR振蕩器電路和相位噪聲

2013年，Gianluca Piazza團(tuán)隊(duì)采用IBM 65 nm CMOS技術(shù)制作了多頻率AlN CMR振蕩器(204 MHz、517 MHz、850 MHz)[20]。振蕩器采用變?nèi)荻O管進(jìn)行輸出頻率的精細(xì)微調(diào)，中心頻率204 MHz振蕩器總的最大調(diào)諧為611×10-6，0.55 V電源下的功耗為47 μW，1 kHz偏置下的相位噪聲為-77 dBc/Hz。圖9為振蕩器的顯微照片和相位噪聲。

3.3 AlN CMR在單片多頻帶MEMS RF前端模塊中的應(yīng)用

與其他諧振器技術(shù)相比，AlN CMR技術(shù)的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢是能在同一個(gè)硅芯片上實(shí)現(xiàn)多頻率器件。此外，橫向振動的AlN微結(jié)構(gòu)還能與開關(guān)(微機(jī)械開關(guān)或電子開關(guān))和可調(diào)器件集成。因此，AlN CMR技術(shù)為實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)單片RF前端模塊和結(jié)構(gòu)更簡單的頻率合成器提供了一種新的解決方案[11,21-24]。圖10為基于AlN RF MEMS技術(shù)的多頻帶可重構(gòu)RF前端概念圖。

圖10 集成了AlN諧振器、濾波器、振蕩器和開關(guān)的可重構(gòu)RF前端概念圖

4 結(jié)束語