CN110311642A - 一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器及其加工方法 - Google Patents

一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器及其加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器及其加工方法，所述微机电谐振器包括支撑台、位于支撑台上面的外接输入电极、外接输出电极、外接地电极、支撑梁、谐振体以及声子晶体矩阵；外接输入电极和外接输出电极对称放置在支撑台顶端的两侧，且其两侧均对称设置有外接地电极；谐振体通过两根支撑梁的固定悬浮在支撑台顶端的中心处，其两侧对称的放置有声子晶体矩阵，且其上面的叉指电极通过对应的金属导线与外接输入电极和外接输出电极电性连接；声子晶体矩阵具有3×12个晶胞和频率范围从127MHz到216MHz的完全带隙。本发明解决了现有微机电谐振器在实际应用中存在的锚点损耗较大、品质因数较低以及稳定性低的问题。

Description

一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器及其加工方法
技术领域
本发明属于射频微机电***技术领域，具体涉及一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器及其加工方法的设计。
背景技术
微机电***(MEMS)技术是一种新兴的快速发展的技术，它在新一代高集成度的无线通信***中有着广泛的应用前景。对于无线通信***，其前端收发电路处理的是射频信号，电路尺寸须与信号的波长相匹配，采用基于MEMS技术制作的声学器件是实现射频前端小型化的重要手段，因为声波在介质中的传播速度(例如，在空气中波速约为340m/s)远小于电磁波的波速(例如，在空气中波速约为299,792,458m/s)，所以对于相同频率的信号，声波的波长会远小于电磁波的波长，从而声学器件的尺寸就可以远小于传统的射频器件。
目前研究较多的声学谐振器主要分为声表面波SAW(Surface Acoustic Wave)器件和体声波BAW(Bulk Acoustic Wave)器件两大类。SAW的主要优点有：加工工艺相对简单且成熟，机电耦合系数较高；缺点是功率容量低，较难与互补金属氧化物半导体(CMOS)电路在单片上集成。与SAW相比，BAW最大的不同是声波在器件的内部传播而不是表面，从而可以将声波的能量限制在基底中且与外界保持声学隔离，所以通常BAW器件的品质因数(Q)会优于SAW器件。现有的BAW谐振器在机电转换过程中，会有大量的声波通过支撑梁传播到基底，产生严重的能量损耗，其被称为锚点损耗。谐振器的品质因数(Q)被定义为谐振器存储的能量与损耗的能量的比值，锚点损耗会显著的降低器件Q值，从而严重的限制了BAW谐振器的实际应用，因为高Q值可以提高传感器的检测分辨率，减小滤波器的带宽，改善振荡器的相位噪声。
如今，许多通过减小锚点损耗而提升Q值的方法已经被提出，其中利用声子晶体是一种十分有效的方法。声子晶体是根据光子晶体的概念所提出的，当弹性波在周期性弹性介质传播时，会受周期结构的影响，形成特殊的能带结构，其被称为声学带隙，带隙内的弹性波传播会被抑制，而带隙外将无损耗的传播。因此，利用声子晶体的这个性质，可以在很大程度上减少通过支撑梁传播到基底的声波，从而减小谐振器的锚点损耗。
现有利用声子晶体提升Q值的方法主要分为两类，一种是在支撑梁处放置一维结构声子晶体，另一种是在支撑梁末端的锚点处放置二维结构的声子晶体。这两类方法存在谐振器机械结构稳定性差和抑制能量损耗效果差的问题，依然不能很好的提高谐振器的Q值。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中的不足，提出一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器及其加工方法，通过在谐振体两侧放置二维声子晶体矩阵，将声能困在谐振体中间部分，减少通过支撑梁耗散到支撑台的声波，从而有效地降低谐振器的锚点损耗，提高谐振器的品质因数，并且不增加整个谐振器的尺寸，实现高Q值和小型化，推进MEMS谐振器在实际中的应用。
本发明的技术方案为：一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器，包括支撑台、位于支撑台上的外接输入电极、外接输出电极、外接地电极、支撑梁、谐振体以及声子晶体矩阵；外接输入电极和外接输出电极对称放置在支撑台顶端的两侧，且外接输入电极和外接输出电极的两侧均对称设置有外接地电极；谐振体通过两根支撑梁固定悬浮在支撑台顶端的中心处，其两侧对称放置有声子晶体矩阵，谐振体上面的叉指电极通过对应的金属导线分别与外接输入电极和外接输出电极电性连接；每个声子晶体矩阵均具有3×12个晶胞，其对称放置在谐振体的两侧。
进一步地，支撑台包括从上至下依次设置的硅基底、第一埋氧化层以及背衬底硅，谐振体、外接输入电极、外接输出电极、外接地电极、支撑梁以及声子晶体矩阵均设置于硅基底顶端。
进一步地，外接输入电极和外接输出电极与硅基底的接触部分均设置有第二埋氧化层。
进一步地，谐振体包括输入金属电极薄膜、输出金属电极薄膜以及压电薄膜，输入金属电极薄膜通过金属导线与外接输入电极电性连接，输出金属电极薄膜通过金属导线与外接输出电极电性连接，输入金属电极薄膜和输出金属电极薄膜与硅基底的接触部分均设置有压电薄膜。
进一步地，背衬底硅的材质为硅，其厚度为400μm，硅基底的材质为p型掺杂低阻硅，其厚度为10μm；第一埋氧化层和第二埋氧化层的材质均为二氧化硅，且其厚度均为1μm；输入金属电极薄膜和输出金属电极薄膜的材质均为铝和铬掺杂材质，包括依次设置的金属铝薄膜层和金属铬薄膜层，金属铝薄膜层的厚度为1μm，金属铬薄膜层的厚度为0.02μm；压电薄膜的材质为氮化铝，且其厚度为0.5μm。
本发明还提供了一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器的加工方法，包括如下步骤：
S1、从下至上依次设置背衬底硅、第一埋氧化层以及硅基底，获取支撑台。
S2、将硅基底的顶端两侧对称位置掺杂磷形成导电层，获取四个外接地电极。
S3、对硅基底的顶端两侧的外接地电极的中间位置进行热氧化和光刻加热，获取第二埋氧化层。
S4、在硅基底的中心位置设置压电薄膜，通过沉积获取输入金属电极薄膜和输出金属电极薄膜，并通过光刻获取对应的金属导线、换能电极和焊盘。
S5、在硅基底顶端的谐振体两侧进行刻蚀，获取声子晶体矩阵结构。
S6、在硅基底顶端设置保护层。
S7、对支撑台进行刻蚀，获取悬空的谐振体上具有声子晶体矩阵的谐振器结构。
S8、释放保护层并去除表面氧化硅层，加工得到谐振体上集成声子晶体矩阵的微机电谐振器。
进一步地，步骤S4中换能电极包括位于两侧的第二埋氧化层顶端的外接输入电极和外接输出电极；对应的金属导线为谐振体与对应的换能电极的连接导线，金属导线设置于支撑梁顶端。
进一步地，步骤S5中进行刻蚀的具体方法为：使用DRIE刻蚀方法刻蚀硅基底，并使用RIE刻蚀方法刻蚀硅基底底部的第一埋氧化层。
进一步地，步骤S6中保护层为聚酰亚胺层，作为底部沟槽刻蚀时的前端保护层，用于保护位于支撑台顶端的谐振体、外接输入电极、外接输出电极、外接地电极以及声子晶体矩阵结构。
进一步地，步骤S7中对支撑台进行刻蚀操作的具体方法为：使用DRIE刻蚀方法深度刻蚀支撑台形成沟槽，并使用RIE刻蚀方法深度刻蚀硅基底底部的第一埋氧化层，获取悬空的谐振体上具有声子晶体矩阵的谐振器结构。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的在谐振体上集成声子晶体矩阵的微机电谐振器，可以有效地阻止声波能量的耗散，使***基底上的位移显著减少，甚至消失，从而可以极大地减少谐振器的锚点损耗，提高它的品质因数。
(2)本发明避免了现有技术中为了减少谐振器的锚点损耗，在支撑梁或者锚点区域放置声子晶体，使谐振器的尺寸增大且机械强度下降，容易损坏的问题；本发明采用了在谐振体上集成声子晶体矩阵，不仅比传统的设计有更高的品质因数，还提高了谐振器的可靠性。
附图说明
图1所示为本发明实施例一提供的集成声子晶体矩阵的微机电谐振器结构示意图；
图2所示为本发明实施例一提供的电极和支撑台结构示意图；
图3所示为本发明实施例一提供的谐振体结构示意图；
图4所示为本发明实施例一提供的声子晶体结构示意图；
图5所示为本发明实施例一提供的声子晶体的带隙结构图；
图6所示为本发明实施例一提供的谐振器的输出性能示意图；
图7所示为本发明实施例二提供的微机电谐振器的加工方法流程图。
附图标记说明：1、支撑台；11、硅基底；12、第一埋氧化层；13、背衬底硅；2、外接输入电极；21、第二埋氧化层；3、外接输出电极；4、外接地电极；5、支撑梁；6、谐振体；61、输入金属电极薄膜；62、输出金属电极薄膜；63、压电薄膜；7、声子晶体矩阵。
具体实施方式
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
实施例一：
本发明实施例提供了一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器，如图1所示，包括支撑台1、位于支撑台1上的外接输入电极2、外接输出电极3、外接地电极4、支撑梁5、谐振体6以及声子晶体矩阵7。外接输入电极2和外接输出电极3对称放置在支撑台1顶端的两侧，且外接输入电极2和外接输出电极3的两侧均对称设置有外接地电极4。谐振体6通过两根支撑梁5固定悬浮在支撑台1顶端的中心处，其两侧对称放置有声子晶体矩阵7，谐振体6上面的叉指电极通过对应的金属导线分别与外接输入电极2和外接输出电极3电性连接，金属导线设置于支撑梁5顶端。每个声子晶体矩阵7均具有3×12个晶胞，其对称放置在谐振体6的两侧。
本发明实施例中，如图2所示，支撑台1包括从上至下依次设置的硅基底11、第一埋氧化层12以及背衬底硅13，谐振体6、外接输入电极2、外接输出电极3、外接地电极4、支撑梁5以及声子晶体矩阵7均设置于硅基底11顶端，声子晶体矩阵7设置于谐振体6的两侧。声子晶体矩阵7可以有效地阻止从谐振体6耗散出来的声波能量，从而减少声波能量通过支撑梁5传播到硅基底11中去。
本发明实施例中，如图2所示，外接输入电极2和外接输出电极3与硅基底11的接触部分均设置有第二埋氧化层21。第二埋氧化层21的作用是把输入电极2和输出电极3与作为地电极的硅基底11隔离开，避免电气连接上的短路。
本发明实施例中，如图3所示，谐振体6包括输入金属电极薄膜61、输出金属电极薄膜62以及压电薄膜63，输入金属电极薄膜61通过金属导线与外接输入电极2电性连接，输出金属电极薄膜62通过金属导线与外接输出电极3电性连接，输入金属电极薄膜61和输出金属电极薄膜62与硅基底11的接触部分均设置有压电薄膜63，形成金属电极薄膜-压电薄膜-硅基底的三明治结构，输入金属电极薄膜61与输入外接电极2电气连通，能够基于逆压电效应将电能量转换成声波形成谐振，输出金属电极薄膜62与输出外接电极3电气连通，能够基于正压电效应将产生的声波信号转换成电信号进行输出。
本发明实施例中，背衬底硅13的材质为硅，其厚度为400μm，硅基底11的材质为<100>晶向的p型掺杂低阻硅，其厚度为10μm。p型掺杂低阻硅作为信号接地层与外接地电极5直接电气连通，谐振块的长度方向对准晶圆的<110>晶向。第一埋氧化层12和第二埋氧化层21的材质均为二氧化硅，且其厚度均为1μm。输入金属电极薄膜61和输出金属电极薄膜62的材质均为铝和铬掺杂材质，包括依次设置的金属铝薄膜层和金属铬薄膜层，金属铝薄膜层的厚度为1μm，金属铬薄膜层的厚度为0.02μm。压电薄膜63的材质为氮化铝，且其厚度为0.5μm。
本发明实施例提供的微机电谐振器的工作原理及过程为：硅上薄膜压电式体声波谐振器利用压电层材料的压电特性，将电能转化为声能，为了产生声波的谐振，需将声波绝大部分限制在由金属电极薄膜-压电薄膜-硅基底组成的压电谐振堆中，根据传输线理论，当负载为无穷大或零时，入射波将产生全反射，在本发明实施例中压电谐振堆上表面与空气交界，空气的声阻抗近似等于零，能自然形成良好的声波限制边界，压电谐振堆下表面因置于支撑台上形成悬空，构成了下表面声波限制边界，因此，声波在这两个界面之间发生反射，形成驻波振荡，此时的声波损耗最小，并由逆压电效应转化为电能。
硅上薄膜压电式体声波谐振器的一阶模态中心频率可由公式(1)定义：
其中f为谐振频率，W为硅基底的宽度，Eeff为谐振器等效的杨氏模量，ρeff为谐振器等效质量密度。
硅上薄膜压电式体声波谐振器的品质因数(Q)可由公式(2)定义：
其中Q为品质因数，Qi为谐振器的各个能量损耗，其中决定品质因数最重要的因素为锚点损耗相关的Qanc∈Qi；i为谐振器能量损耗变量。因此可以看出：减小锚点损耗可以有效提高器件的品质因数。
本发明实施例中所采用的声子晶体矩阵7结构如图4所示，其对称的放置在谐振体6两侧，每个矩阵由3×12个声子晶体晶胞构成，其中每个晶胞的均为正方形，尺寸如图4所示。声子晶体的带隙结构可以阻止声波的传播，通过计算图4中三角形区域的不可约布里渊区可以获得如图5所示的带隙结构图，其中具有一个完全带隙，范围从127MHz到216MHz，只要谐振器的工作频率位于带隙之中，声子晶体矩阵就可以有效地减少从谐振体耗散出来的声波能量通过支撑梁传播到基底中去，从而减小锚点损耗，提升品质因数。
本发明实施例所设计的微机电谐振器的传输特性如图6所示，通过S11(回波损耗)和S21(***损耗)参数表征其电学性能，在谐振频率点141.4Mhz处的无载Q值为53442，***损耗为0.53dB，回波损耗为12.8dB。
实施例二：
本发明实施例提供了一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器的加工方法，如图7所示，包括如下步骤S1～S8：
S1、从下至上依次设置400μm的背衬底硅、1μm的第一埋氧化层以及10μm的硅基底，获取支撑台。
S2、将硅基底的顶端两侧对称位置掺杂磷形成导电层，获取四个外接地电极。
S3、对硅基底的顶端两侧的外接地电极的中间位置进行热氧化和光刻加热，获取1μm的第二埋氧化层。
S4、在硅基底的中心位置设置压电薄膜，通过沉积获取输入金属电极薄膜和输出金属电极薄膜，并通过光刻获取对应的金属导线、换能电极和焊盘。
本发明实施例中，换能电极包括位于两侧的第二埋氧化层顶端的外接输入电极和外接输出电极；对应的金属导线为谐振体与对应的换能电极的连接导线，金属导线设置于支撑梁顶端。
S5、在硅基底顶端的谐振体两侧进行刻蚀，获取声子晶体矩阵结构。
本发明实施例中，进行刻蚀的具体方法为：使用DRIE刻蚀方法刻蚀硅基底，并使用RIE刻蚀方法刻蚀硅基底底部的第一埋氧化层。
S6、在硅基底顶端设置保护层。
本发明实施例中，保护层为聚酰亚胺层，作为底部沟槽刻蚀时的前端保护层，用于保护位于支撑台顶端的谐振体、外接输入电极、外接输出电极、外接地电极以及声子晶体矩阵结构。
S7、对支撑台进行刻蚀，获取悬空的谐振体上具有声子晶体矩阵的谐振器结构。
本发明实施例中，对支撑台进行刻蚀操作的具体方法为：根据多级减振外框结构，使用DRIE刻蚀方法深度刻蚀支撑台形成沟槽，并使用RIE刻蚀方法深度刻蚀硅基底底部的第一埋氧化层，获取悬空的谐振体上具有声子晶体矩阵的谐振器结构。
S8、释放保护层并去除表面氧化硅层，加工得到谐振体上集成声子晶体矩阵的微机电谐振器。
本发明实施例加工得到的微机电谐振器有效降低了体声波谐振器的锚点损耗，提高了器件的品质因数和可靠性，解决了现有技术存在的锚点损耗较大、品质因数难以提高以及可靠性低的问题。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器，其特征在于，包括支撑台(1)、位于支撑台(1)上的外接输入电极(2)、外接输出电极(3)、外接地电极(4)、支撑梁(5)、谐振体(6)以及声子晶体矩阵(7)；
所述外接输入电极(2)和外接输出电极(3)对称放置在支撑台(1)顶端的两侧，且外接输入电极(2)和外接输出电极(3)的两侧均对称设置有外接地电极(4)；
所述谐振体(6)通过两根支撑梁(5)固定悬浮在支撑台(1)顶端的中心处，其两侧对称放置有声子晶体矩阵(7)，所述谐振体(6)上面的叉指电极通过对应的金属导线分别与外接输入电极(2)和外接输出电极(3)电性连接；
每个所述声子晶体矩阵(7)均具有3×12个晶胞，其对称放置在谐振体(6)的两侧。
2.根据权利要求1所述的微机电谐振器，其特征在于，所述支撑台(1)包括从上至下依次设置的硅基底(11)、第一埋氧化层(12)以及背衬底硅(13)，所述谐振体(6)、外接输入电极(2)、外接输出电极(3)、外接地电极(4)、支撑梁(5)以及声子晶体矩阵(7)均设置于硅基底(11)顶端。
3.根据权利要求2所述的微机电谐振器，其特征在于，所述外接输入电极(2)和外接输出电极(3)与硅基底(11)的接触部分均设置有第二埋氧化层(21)。
4.根据权利要求3所述的微机电谐振器，其特征在于，所述谐振体(6)包括输入金属电极薄膜(61)、输出金属电极薄膜(62)以及压电薄膜(63)，所述输入金属电极薄膜(61)通过金属导线与外接输入电极(2)电性连接，所述输出金属电极薄膜(62)通过金属导线与外接输出电极(3)电性连接，所述输入金属电极薄膜(61)和输出金属电极薄膜(62)与硅基底(11)的接触部分均设置有压电薄膜(63)。
5.根据权利要求4所述的微机电谐振器，其特征在于，所述背衬底硅(13)的材质为硅，其厚度为400μm，所述硅基底(11)的材质为p型掺杂低阻硅，其厚度为10μm；
所述第一埋氧化层(12)和第二埋氧化层(21)的材质均为二氧化硅，且其厚度均为1μm；
所述输入金属电极薄膜(61)和输出金属电极薄膜(62)的材质均为铝和铬掺杂材质，包括依次设置的金属铝薄膜层和金属铬薄膜层，所述金属铝薄膜层的厚度为1μm，金属铬薄膜层的厚度为0.02μm；
所述压电薄膜(63)的材质为氮化铝，且其厚度为0.5μm。
6.一种集成声子晶体矩阵的微机电谐振器的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、从下至上依次设置背衬底硅、第一埋氧化层以及硅基底，获取支撑台；
S2、将硅基底的顶端两侧对称位置掺杂磷形成导电层，获取四个外接地电极；
S3、对硅基底的顶端两侧的外接地电极的中间位置进行热氧化和光刻加热，获取第二埋氧化层；
S4、在硅基底的中心位置设置压电薄膜，通过沉积获取输入金属电极薄膜和输出金属电极薄膜，并通过光刻获取对应的金属导线、换能电极和焊盘；
S5、在硅基底顶端的谐振体两侧进行刻蚀，获取声子晶体矩阵结构；
S6、在硅基底顶端设置保护层；
S7、对支撑台进行刻蚀，获取悬空的谐振体上具有声子晶体矩阵的谐振器结构；
S8、释放保护层并去除表面氧化硅层，加工得到谐振体上集成声子晶体矩阵的微机电谐振器。
7.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述换能电极包括位于两侧的第二埋氧化层顶端的外接输入电极和外接输出电极；所述对应的金属导线为谐振体与对应的换能电极的连接导线，所述金属导线设置于支撑梁顶端。
8.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于，所述步骤S5中进行刻蚀的具体方法为：使用DRIE刻蚀方法刻蚀硅基底，并使用RIE刻蚀方法刻蚀硅基底底部的第一埋氧化层。
9.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述保护层为聚酰亚胺层，作为底部沟槽刻蚀时的前端保护层，用于保护位于支撑台顶端的谐振体、外接输入电极、外接输出电极、外接地电极以及声子晶体矩阵结构。
10.根据权利要求6所述的加工方法，其特征在于，所述步骤S7中，对支撑台进行刻蚀操作的具体方法为：使用DRIE刻蚀方法深度刻蚀支撑台形成沟槽，并使用RIE刻蚀方法深度刻蚀硅基底底部的第一埋氧化层，获取悬空的谐振体上具有声子晶体矩阵的谐振器结构。
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