氮化铝Lamb波谐振器的支撑轴区域声反射结构研究*

王星宇， 吕世涛， 张敖宇， 孙海燕， 赵继聪

(南通大学 信息科学技术学院，江苏 南通 226019)

0 引 言

随着射频(radio frequency,RF)通信系统和物联网(Internet of Things,IoT)市场的飞速发展，微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)谐振器在频率控制、频率选择和无线传感等领域具有广阔的应用市场[1]。MEMS压电声学谐振器因其体积小、高性能、高集成度、低功耗等优点而受到广泛关注[2]。目前，商用的MEMS压电声学谐振器主要包括声表面波谐振器(surface acoustic wave,SAW)、薄膜体声波谐振器(film bulk acoustic resonator,FBAR)以及固体装配型谐振器(solidly mounted resonator,SMR)。SAW技术虽然制造工艺简单、可实现片上多频段集成，但由于其品质因数(Q)值较低、工作频率低于3 GHz、与集成电路工艺不兼容等缺点，难以满足未来无线通信的应用需求[3]。FBAR和SMR技术具有高频、高Q、较大的功率容忍度等优点，但其频率主要取决于压电薄膜厚度，因而难以实现片上多频段集成[4,5]。氮化铝Lamb波谐振器结合了 SAW和FBAR的优点，具有较高频率和Q值、中等的机电耦合系数、兼容集成电路工艺、多频段集成等特点。

氮化铝Lamb波谐振器的Q值代表机械能耗散水平，高Q值是实现低损耗滤波器、低相位噪声振荡器或高分辨率传感器的关键[6]。目前，已有一些科研人员开展了氮化铝Lamb波谐振器的能量损失机制分析研究，主要包括热弹性阻尼损耗、界面损耗、锚点损耗等。界面损耗是由金属电极和压电薄膜之间的应力分布不均匀所引起的，通过优化金属电极沉积条件或金属电极物理尺寸等方法可减小界面损耗[7]。热弹性阻尼损耗是在谐振器振动时，能量耗散产生应变温度梯度所引起的能量损失[8]。锚点损耗代表谐振子通过支撑轴的声能泄漏，可通过减少支撑轴的机械振动来降低锚点损耗[9]。近年来，提出了多种减小锚点损耗的有效策略，例如优化支撑轴尺寸，设计悬浮的双凸横向边界，使用声子晶体等[10]。然而，在氮化铝Lamb波谐振器的支撑轴区域设计声反射结构的研究相对较少，声反射结构对锚点损耗的影响机理尚不成熟。

本文在氮化铝Lamb波谐振器的支撑轴区域设计了多种声反射结构，研究分析其对谐振器锚点损耗的影响。利用有限元COMSOL软件建模仿真分析多种声反射结构的锚点损耗并成功制备了氮化铝Lamb波谐振器。通过测试发现，实测结果与理论仿真结果基本吻合，几种声反射结构均可一定程度上降低锚点损耗，其中斜边形声反射结构对降低锚点损耗的效果最为明显，其串联谐振品质因数(Qs)值提升了约1.46倍。

1 谐振器设计与原理分析

图1(a)为设计的氮化铝Lamb波谐振器的三维结构示意，由3层复合薄膜堆叠而成：顶部叉指换能器(inter-digital transducer,IDT)电极由200 nm厚的铝(Al)层构成，交替连接RF信号和地线；中间氮化铝压电薄膜厚度为1 μm；底部电极由200 nm厚的钼(Mo)层构成。图1(b)为Lamb波谐振器的横截面，谐振器的主要几何参数包括：IDT电极周期p=3 μm，有效电极长度Le=90 μm，IDT电极宽度WIDT=1.5 μm，IDT电极到总线间隙g=7.5 μm，IDT电极数量n=14，总线宽度Wbus=7 μm。

图1 Lamb波谐振器的结构示意

谐振器的Q值定义为单个振动周期内储存能量与损失能量之比，通常表示如下

(1)

式中Estore为谐振器储存的能量，Edissipated为每个振动周期耗散的能量。由于本文重点研究支撑轴区域声反射结构对锚点损耗(Qanchor)的影响，因此，Q值表达式如下

(2)

弹性波通过支撑轴散射到衬底中引起锚点损耗，锚点处散失的能量会导致器件Q值的衰减。本文利用COMSOL Multiphysics V5.5a软件建立有限元仿真模型，研究分析支撑轴区域声反射结构对器件Q值的影响。谐振器通过支撑轴与AlN衬底连接，衬底边缘应用了两种边界条件，一种是固定约束(FC)，另一种是完美匹配层(PML)。固定约束设在衬底最外侧面，能够反射传播至边界的声波。完美匹配层设在最外侧域，能够吸收声波，并与衬底其他部分完美匹配，在衬底和PML区域的界面处不会引起反射，对计算锚点损耗起着重要作用[11]。在COMSOL声学方程中引入了复数坐标变换，通过式(3)可计算锚点处的品质因数Qanchor

(3)

式中ω为求解的模态特征频率，它是一个复数，Re(ω)为复数的实部，Im(ω)为复数的虚部。

图 2(a)和(b)显示了所设计的窄支撑和全支撑结构谐振器的仿真位移场图。从图中可以看出，支撑轴区域存在一定的位移，表明一部分机械能通过支撑轴传输至衬底而引起能量损失。基于PML有限元模型，计算得到窄支撑和全支撑结构的Qanchor值分别为1 107.9和1 097.6，使用窄支撑和全支撑谐振器Q值偏差较小。谐振器的振动主要集中于振动腔中心区域，少部分声波通过锚点散射到衬底，最终在PML区域消散。

图2 窄支撑和全支撑结构谐振器的有限元仿真位移

本文在支撑轴区域设计了圆弧形和斜边形声反射结构的Lamb波谐振器，其有限元仿真的位移场如图3(a)和(b)所示。设计圆弧形和斜边形声反射结构可使得声波在纵向边界处发生反射，进而减小支撑轴区域的位移幅值并降低锚点损耗，有限元计算结果显示圆弧形和斜边形声反射结构的Qanchor分别为1 268.2和1 262.5。此外，图3(c)所示为具有全支撑和锚点区沟槽结构的谐振器的位移场分布图。由于沟槽区空气的声阻抗趋于0，沟槽区域与AlN区域产生声阻抗失配，声波传输到沟槽处发生反射，可一定程度上限制泄漏至衬底的能量，提高器件的品质因数。有限元计算结果显示具有全支撑沟槽声反射结构器件的Qanchor为1 198。图3(d)为衬底与支撑轴相邻区域沉积金属铝的器件位移场分布图，仿真时在衬底上添加一层1 μm厚的铝薄膜，增加衬底与支撑轴区域的声阻抗失配程度，声波在支撑轴和衬底的界面处发生反射并返回振动腔，模拟得到Qanchor为1191.9。与窄支撑和全支撑结构的谐振器相比，具有上述几种声反射结构谐振器的Qanchor值均得到一定程度提升。

图3 4种反射结构谐振器的位移分布

2 微纳加工工艺

首先，选用6 in(1in=2.54 cm)高阻硅片作为衬底，通过反应离子刻蚀(RIE)工艺蚀刻硅衬底形成释放槽，如图4(a)所示。采用热氧化工艺形成氧化层，避免高阻硅衬底在XeF2释放过程中被腐蚀，如图4(b)所示。紧接着使用低压化学气相沉积(low pressure chemical vapor deposition,LPCVD)工艺沉积多晶硅，以填充释放槽。在反刻多晶硅后，通过化学机械抛光(chemico-mechanical poli-shing,CMP)工艺对晶圆快速平坦化，如图4(c)所示。再先后沉积100 nm厚度的氮化铝种子层和200 nm厚的钼薄膜，并刻蚀图形化钼薄膜以形成谐振器的底电极，如图4(d)所示。接下来，沉积1 μm厚的氮化铝作为器件压电层，并将铝薄膜沉积于压电振动层表面，剥离形成表面IDT电极，如图4(e)所示。然后，干法刻蚀底电极焊盘上方的氮化铝，再采用剥离工艺制作铝引线，使得表面电极和底电极相连，如图4(f)所示。最后，干法刻蚀氮化铝薄膜以定义器件结构，再利用XeF2气体对其进行释放，如图4(g)所示。

图4 设计的AlN压电谐振器的微纳加工工艺

基于上述微纳加工工艺，在6 in晶圆上同时制备了AlN压电谐振器，器件扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)如图5所示。

图5 谐振器纵向反射边界的SEM图

3 测试与分析

在常温常压下，使用Keysight N5244A矢量网络分析仪(vector network analyzer,VNA)和级联探针台下对制备的氮化铝Lamb波谐振器进行测试。在测试之前，执行标准的短路—负载—开路—直通(short circuit-load-open circuit-straight through,SLOT)校准，以提高测试的精准度。本文中制造的Lamb波谐振器均为单端口器件，通过VNA获得的频率响应为散射参数S11，通过式(4)转换为导纳参数Y11

(4)

其中，特征阻抗Z0设置为50 Ω，即VNA的源阻抗或负载阻抗。

(5)

为了获取谐振器的等效电学参数，本文建立了MBVD(Modified Butterworth-van Dyke)电学模型，如图6(b)所示。该电路模型由串联电阻Rs和两条并联的电路分支组成，其中一条支路由电感Lm、电容Cm和电阻Rm串联，分别对应机械系统的质量、刚度和阻尼，另一条支路由静电容C0与电阻R0串联。串联电阻Rs和R0分别代表电极的欧姆损耗和压电薄膜的介电损耗。

图6 谐振器的测试导纳图和MBVD等效电路模型

采用该MBVD模型能较高精度地拟合测量数据，提取的等效电学参数列在表1中。动态品质因数(Qm)代表排除电极阻抗影响的谐振器机械能损耗，可用于表现器件的机械能损失，通过式(6)计算[12]。对于具有窄支撑和全支撑结构谐振器，计算Qm值分别达到2 477.8和2 418.6。式(6)计算如下

表1 MBVD拟合提取谐振器纵向反射边界等效电学参数

(6)

为了研究氮化铝Lamb波谐振器支撑轴区域声反射结构对Qs值的影响，设计了5种不同的声反射结构。图7(a)和(b)为圆弧形和斜边形结构的导纳曲线，圆弧形结构的反射弧半径r和斜边形的高度h均为6 μm，已在SEM图中标出。圆弧形和斜边形结构使声波传输到纵向边界时发生反射，增加了谐振腔中的能量。具有圆弧形和斜边形声反射结构谐振器的Qs值为2 562.6和3 256.6，Qm值为2 882.2和3 792.2，其中,斜边形声反射结构对提升Q值的效果更为显著。

图7 圆弧形和斜边形声反射结构谐振器的导纳曲线

图8(a)为具有全支撑沟槽结构谐振器的测试导纳曲线，与前文所述全支撑结构的谐振器相比，锚点附近沟槽的设计使得Qs值得到提高。支撑轴区域空气沟槽的声阻抗接近0，与氮化铝振动结构产生声阻抗失配，声波被反射回振动腔，减少了锚点损耗，测量的Qs和Qm值分别为3 007.5和3 486.4。图8(b)为衬底与支撑轴相邻区域沉积金属铝的器件导纳曲线图，由于衬底边界区域为Al-AlN-SiO2-Si复合薄膜结构，使得锚点到衬底路径上的声阻抗失配，声波在支撑轴和衬底的界面处发生反射并返回振动腔，因此使得Qs值和Qm值分别达到3 189.6和3 497.6。

图8 全支撑沟槽和铝薄膜结构谐振器的导纳曲线

为了进一步对比圆弧形声反射结构的反射弧半径r对谐振器的性能影响，研究分析了r为3 μm和9 μm的导纳曲线，如图9(a)所示。对于r为3 μm和9 μm的谐振器，Qs值为2 524.4和2 607.5，Qm值为2 817.9和2 923.8。与前文所述的r为6 μm圆弧形声反射结构的谐振器相比(如图7)，反射弧半径的改变对品质因数的影响较小。采用斜边形声反射结构能进一步减少锚点损耗，测试结果显示，h为3 μm和9 μm时，Qs值为3 002.5和3 249.8，Qm值为3 454和3 788.2。

图9 谐振器的导纳曲线

4 结 论

本文通过理论分析和测试验证，研究了频率约1.56 GHz氮化铝Lamb波谐振器的支撑轴区域声反射结构对Q值的影响。首先采用有限元软件对多种声反射结构的锚点损耗进行仿真研究，在此基础之上，完成器件的加工及测试。测试结果基本与仿真结果相符，得出以下结论：窄支撑和全支撑结构谐振器的Q值差异不大；圆弧形和斜边形声反射结构可一定程度上降低支撑区域的位移幅值，减少锚点损耗；设置弧形沟槽有利于声波反射，将声能限制在谐振器中心区域，进而提升Q值；在衬底与支撑轴相邻区域沉积金属铝，可增加衬底与支撑轴的声阻抗失配程度，有利于声波反射回谐振腔，减小锚点损耗。相比于传统的窄支撑和全支撑结构，上述几种支撑轴区域的声反射结构均可一定程度上降低锚点损耗、提高Q值，其中斜边形声反射结构对Qs值的提升最为显著，Qs值从2 232.1提升至3 256.5。