CN116318032A - 一种具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微电子技术，具体涉及一种具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器及制备方法，该微机械谐振器包括谐振器结构和衬底硅片，谐振器结构包含谐振振子和支撑梁；衬底硅片具有空腔结构，谐振振子悬空于衬底硅片的空腔结构的上方，谐振振子通过支撑梁与衬底硅片连接，谐振振子侧面与谐振振子下表面的夹角小于90°；支撑梁与谐振振子的边界连接。通过改变谐振器谐振振子的结构，形成谐振振子侧面与下表面小于90°夹角，改变了谐振振子在垂直方向不同区域的接触面积，使谐振器的热梯度减小，可以有效地降低谐振器的热弹性损耗，进而提高谐振器的Q值。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器及制备方法。
背景技术
微机械谐振器是一种以微机械结构为主体的器件，当谐振器受到外界物理信号的激励，驱动信号频率与***固有频率相等时，***的机械结构就会在其固有频率附近发生谐振，***振幅达到最大，所产生的谐振信号再转换成其他物理信号输出。由于微机械谐振器在固有频率处的振幅最大，能量转换效率最高，微机械谐振器可以通过机械振动实现机械选频。在无线通信领域，基于微机械谐振器的振荡器、滤波器、双工器等应用广泛。
微机械谐振器主要的性能参数包括谐振频率、品质因数(Q值)、动态阻抗以及频率温度系数等。其中，Q值是用来衡量微机械谐振器能量损耗的主要性能参数，高Q值可以提高微机械谐振器的频率选择性，同时降低动态阻抗，减小***的相位噪声，从而提高微机械谐振器的频率稳定性，是高性能微机械谐振器实用化和商业化的核心要素。
综上所述，提高微机械谐振器Q值是十分必要的。影响微机械谐振器Q值的能量损耗机制主要有四部分：空气阻尼损耗(Qair)，热弹性损耗(QTED)，材料损耗(Qmaterial)，锚点损耗(Qanchor)，即
其中，空气阻尼损耗可以通过圆片级或者芯片级真空封装的方法消除。采用理想的单晶硅材料，材料损耗可忽略不计。热弹性损耗是与谐振振子结构材料类型、厚度以及谐振器尺寸相关；锚点损耗与谐振器的尺寸以及支撑梁的尺寸、形状相关。目前对于减少微机械谐振器锚点损耗及热弹性损耗的研究存在很多，包括在支撑梁结构采用声子晶体、在衬底硅片采用反射腔等，但对于谐振器谐振振子的研究相对较少。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器，包括谐振器结构和衬底硅片，谐振器结构包含谐振振子和支撑梁；衬底硅片具有空腔结构，谐振振子悬空于衬底硅片的空腔结构的上方，谐振振子通过支撑梁与衬底硅片连接，谐振振子侧面与谐振振子下表面的夹角小于90°；支撑梁与谐振振子的边界连接。
在上述具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器中，谐振振子下表面夹角小于90°的侧面为一个或者多个。
在上述具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器中，谐振振子为矩形板、圆形板、椭圆形板、弓形板、多边形板中的一种或者多种的任意组合。
在上述具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器中，微机械谐振器为压电式谐振器、电容式谐振器或压阻式谐振器。
在上述具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器中，谐振振子为单一薄膜结构、金属-压电层-金属的复合薄膜结构、金属-压电层-单晶硅或金属-压电层-多晶硅的复合薄膜结中的一种；单一薄膜结构为单晶硅、多晶硅或者锗化硅；压电层的材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中的一种。
一种具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器的制备方法，谐振振子利用激光直写工艺或热回流工艺通过光刻工艺制成，或者利用激光或者离子束无掩膜刻蚀制成；
采用具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器的制备方法得到微机械谐振器。
在上述具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器的制备方法中，制备得到的微机械谐振器为电容式谐振器的步骤如下：
在SOI圆片上沉积电极，光刻并图形化电极；
采用热回流工艺使光刻胶缓坡化，光刻并图形化器件层硅，形成谐振振子侧面与下表面具有小于90°夹角的结构；
光刻并图形化器件层硅；
背部刻蚀，释放谐振器结构。
在上述具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器的制备方法中，制备得到的微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅或金属-压电层-多晶硅复合薄膜结构的压电式谐振器的步骤如下：
在SOI圆片上依次沉积压电层、顶部电极，并光刻图形化顶部电极；
沉积氧化物保护层；
光刻图形化上电极通孔以及下电极通孔；
沉积金属，光刻并图形化引出电极；
采用热回流工艺使光刻胶缓坡化，光刻并图形化氧化物保护层、顶部电极、压电层、器件层硅，利用热回流工艺形成谐振振子侧面与下表面具有小于90°夹角的结构；
光刻并图形化氧化物保护层、顶部电极、压电层、器件层硅；
背部刻蚀，释放谐振器结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果：在发明中，衬底硅片具有空腔结构，谐振振子悬空于空腔结构的上方，谐振振子侧面与下表面具有小于90°夹角，通过支撑梁与衬底硅片连接；支撑梁与谐振振子的边界连接。本发明主要通过改变谐振器谐振振子的结构，形成谐振振子侧面与下表面小于90°夹角，改变了谐振振子在垂直方向不同区域的接触面积，使谐振器的热梯度减小，可以有效地降低谐振器的热弹性损耗，进而提高谐振器的Q值。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器的三维示意图；
其中，1-衬底硅片、2-支撑梁、3-谐振振子；
图2为本发明实施例1制备的微机械谐振器的横截面示意图；
201-衬底硅片、202-氧化硅绝缘层、203-器件层硅、204-顶部电极、205-压电层、206-氧化物保护层、207-引出电极；
图3(a)为本发明实施例1SOI圆片上依次沉积压电层、顶部电极，并光刻图形化顶部电极的截面示意图；
图3(b)为本发明实施例1沉积二氧化硅作为保护层后，光刻并图形化保护层的截面示意图；
图3(c)为本发明实施例1利用光刻图形化上、下电极通孔的截面示意图；
图3(d)为本发明实施例1沉积金属，光刻并图形化引出电极的截面示意图；
图3(e)为本发明实施例1光刻并图形化氧化物保护层、顶部电极、压电层、器件层硅，利用热回流工艺形成谐振振子侧面与下表面具有小于90°夹角的结构截面示意图；
图3(f)为本发明实施例1光刻并图形化氧化物保护层、顶部电极、压电层、器件层硅截面示意图；
图3(g)为本发明实施例1背部刻蚀，释放谐振器结构截面示意图；
图4为本发明实施例1谐振振子的侧面与下表面不同夹角对压电式微机械谐振器WE模态的Q值影响曲线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例一种具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器，通过改变谐振器谐振振子的结构形成谐振振子的侧面与下表面小于90°夹角，改变了谐振振子在垂直方向不同区域的接触面积，使谐振器的热梯度减小，可以有效地降低谐振器的热弹性损耗，进而提高谐振器的Q值。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种谐振振子具有特殊结构的微机械谐振器，包括：衬底硅片和谐振器结构，谐振器结构包含谐振振子和支撑梁；衬底硅片具有空腔结构，谐振振子悬空于衬底硅片的空腔结构的上方，谐振振子通过支撑梁与衬底硅片连接，谐振振子的侧面与下表面具有小于90°夹角；支撑梁与谐振振子的边界连接。
并且，与谐振振子下表面夹角小于90°的侧面可以是一个或者多个。
并且，谐振振子为矩形板、圆形板、椭圆形板、弓形板、多边形板中的一种或者多种的任意组合。
并且，微机械谐振器为压电式谐振器、电容式谐振器或压阻式谐振器。
并且，谐振振子为单一薄膜结构、金属-压电层-金属的复合薄膜结构、金属-压电层-单晶硅或金属-压电层-多晶硅的复合薄膜结中的一种；单一薄膜结构为单晶硅、多晶硅或者锗化硅；压电层的材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中的一种。
一种谐振振子具有特殊结构的微机械谐振器的制备方法，谐振振子的侧面与下表面的夹角利用激光直写工艺制成，或者，利用激光或者离子束无掩膜刻蚀制成；采用微机械谐振器的制备方法制备得到上述的微机械谐振器。
并且，制备得到的微机械谐振器为电容式谐振器，制备方法包括以下步骤：
S01、在SOI圆片上沉积电极，光刻并图形化电极；
S02、采用热回流工艺使光刻胶缓坡化，光刻并图形化器件层硅，形成谐振振子侧面与下表面具有小于90°夹角的结构；
S03、光刻并图形化器件层硅；
S04、背部刻蚀，释放谐振器结构。
并且，制备得到的微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅或金属-压电层-多晶硅复合薄膜结构的压电式谐振器，制备方法包括以下步骤：
S11、在SOI圆片上依次沉积压电层、顶部电极，并光刻图形化顶部电极；
S12、沉积氧化物保护层；
S13、光刻图形化上电极通孔以及下电极通孔；
S14、沉积金属，光刻并图形化引出电极；
S15、采用热回流工艺使光刻胶缓坡化，光刻并图形化氧化物保护层、顶部电极、压电层、器件层硅，利用热回流工艺形成谐振振子侧面与下表面具有小于90°夹角的结构；
S16、光刻并图形化氧化物保护层、顶部电极、压电层、器件层硅；
S17、背部刻蚀，释放谐振器结构。
具体实施时，一种具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器，包括：衬底硅片和谐振器结构，谐振器结构包含谐振振子和支撑梁；衬底硅片具有空腔结构，谐振振子悬空于衬底硅片的空腔结构的上方，谐振振子通过支撑梁与衬底硅片连接，谐振振子侧面与谐振振子下表面的夹角小于90°；支撑梁与谐振振子的边界连接。
与谐振振子下表面夹角小于90°的侧面可以是一个或者多个。
谐振振子为矩形板、圆形板、椭圆形板、弓形板、多边形板中的一种或者多种的任意组合，但不限于此。
微机械谐振器为压电式谐振器、电容式谐振器或压阻式谐振器。谐振振子为单一薄膜结构、金属-压电层-金属的复合薄膜结构、金属-压电层-单晶硅/多晶硅的复合薄膜结中的一种；单一薄膜结构为单晶硅、多晶硅或者锗化硅；压电层的材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中的一种。
一种具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器的制备方法，谐振振子的侧面与下表面小于90°的夹角利用激光直写工艺制成，或者，利用激光或者离子束无掩膜刻蚀制成；采用微机械谐振器的制备方法制备得到上述的微机械谐振器。
实施例1
如图1所示，实施例1提供的具有特殊结构谐振振子为金属-压电层-单晶硅或金属-压电层-多晶硅复合薄膜结构的压电式谐振器。包括衬底硅片1、支撑梁2和谐振振子3。
如图2所示，具有特殊结构谐振振子微机械谐振器的横截面示意图，包括衬底硅片201、氧化硅绝缘层202、器件层硅203、顶部电极204、压电层205、氧化物保护层206、引出电极207。
具有特殊结构谐振振子微机械谐振器加工步骤如图3(a)-图3(g)所示。
(1)如图3(a)所示，在SOI圆片上依次沉积压电层205、顶部电极204，并光刻图形化顶部电极204。
(2)如图3(b)所示，沉积二氧化硅作为保护层206后，光刻并图形化所述保护层206。
(3)如图3(c)所示，利用反应离子刻蚀工艺刻蚀出上、下电极通孔。
(4)如图3(d)所示，沉积引出电极207后，光刻并图形化所述引出电极207。
(5)如图3(e)所示，采用热回流工艺使光刻胶缓坡化，光刻并图形化刻蚀氧化物保护层206、顶部电极204、压电层205、器件层硅203：在光刻步骤中利用热回流工艺，使光刻胶缓坡化，形成一定倾角的斜坡，并通过硅刻蚀工艺形成氧化物保护层206、顶部电极204、压电层205、器件层硅203侧面与下表面具有小于90°夹角的结构。此外，也可以采用离子束无掩膜刻蚀形成氧化物钝化层、顶部电极、压电层、器件层硅侧面与下表面具有小于90°夹角的结构。
(6)如图3(f)所示，光刻并图形化刻蚀氧化物保护层206、顶部电极204、压电层205、器件层硅203。
(7)如图3(g)所示，背部刻蚀，释放谐振器结构。
对于微机械谐振器，影响谐振器Q值的主要因素是热弹性损耗与锚点损耗。其中热弹性损耗是与谐振振子结构材料类型、厚度以及谐振器尺寸相关；锚点损耗与谐振器的尺寸以及支撑梁的尺寸、形状相关。通过改变谐振器谐振振子的结构，形成谐振振子侧面与下表面小于90°夹角，有效地减少谐振器的锚点损耗，进而提高谐振器的Q值。图4给出了谐振振子的侧面与下表面不同夹角对压电式微机械谐振器WE模态的Q值影响；对于沿<100>晶向的压电式微机械谐振器，单晶硅厚度为20μm，支撑梁长度为10μm，宽度为5μm时，谐振振子侧面与下表面夹角的优化值为86°。从图4可以看出，当谐振振子侧面与下表面夹角为最优夹角时，侧面与下表面夹角为86°的谐振器的Q值相比侧面与下表面夹角为90°的谐振器的Q值提升超过4倍。
本实施例1提供的一种具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器及其制备方法至少包括如下技术效果：
本发明提供一种能有效提高Q值的微机械谐振器及其制备方法，通过改变谐振器谐振振子的结构，形成谐振振子侧面与下表面小于90°夹角，改变了谐振振子在垂直方向不同区域的接触面积，使谐振器的热梯度减小，可以有效地降低谐振器的热弹性损耗，进而提高谐振器的Q值。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器，其特征在于，包括谐振器结构和衬底硅片，谐振器结构包含谐振振子和支撑梁；衬底硅片具有空腔结构，谐振振子悬空于衬底硅片的空腔结构的上方，谐振振子通过支撑梁与衬底硅片连接，谐振振子侧面与谐振振子下表面的夹角小于90°；支撑梁与谐振振子的边界连接。
2.根据权利要求1所述具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器，其特征在于，谐振振子下表面夹角小于90°的侧面为一个或者多个。
3.根据权利要求1所述具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器，其特征在于，谐振振子为矩形板、圆形板、椭圆形板、弓形板、多边形板中的一种或者多种的任意组合。
4.根据权利要求1所述具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器，其特征在于，微机械谐振器为压电式谐振器、电容式谐振器或压阻式谐振器。
5.根据权利要求1所述具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器，其特征在于，谐振振子为单一薄膜结构、金属-压电层-金属的复合薄膜结构、金属-压电层-单晶硅或金属-压电层-多晶硅的复合薄膜结中的一种；单一薄膜结构为单晶硅、多晶硅或者锗化硅；压电层的材料为石英、氮化铝、钪掺杂氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅中的一种。
6.一种具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器的制备方法，其特征在于，谐振振子利用激光直写工艺或热回流工艺通过光刻工艺制成，或者利用激光或者离子束无掩膜刻蚀制成；
采用具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器的制备方法得到如权利要求1-5中任一项所述的微机械谐振器。
7.根据权利要求6所述具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器的制备方法，其特征在于，制备得到的微机械谐振器为电容式谐振器的步骤如下：
在SOI圆片上沉积电极，光刻并图形化电极；
采用热回流工艺使光刻胶缓坡化，光刻并图形化器件层硅，形成谐振振子侧面与下表面具有小于90°夹角的结构；
光刻并图形化器件层硅；
背部刻蚀，释放谐振器结构。
8.根据权利要求6所述具有特殊结构谐振振子的微机械谐振器的制备方法，其特征在于，制备得到的微机械谐振器为金属-压电层-单晶硅或金属-压电层-多晶硅复合薄膜结构的压电式谐振器的步骤如下：
在SOI圆片上依次沉积压电层、顶部电极，并光刻图形化顶部电极；
沉积氧化物保护层；
光刻图形化上电极通孔以及下电极通孔；
沉积金属，光刻并图形化引出电极；
采用热回流工艺使光刻胶缓坡化，光刻并图形化氧化物保护层、顶部电极、压电层、器件层硅，利用热回流工艺形成谐振振子侧面与下表面具有小于90°夹角的结构；
光刻并图形化氧化物保护层、顶部电极、压电层、器件层硅；
背部刻蚀，释放谐振器结构。
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