氮化铝压电微机电系统轮廓模式谐振器技术及应用

俞 燕，王璐烽，丁芩华，何 杰

(1.重庆工业职业技术学院，重庆 401120；2. 苏州中材非金属矿工业设计研究院有限公司，江苏 苏州 215004；3.中国电子科技集团公司 第二十六研究所，重庆 400060)

0 引言

先进的无线通信系统要求收发器能在10 MHz～GHz的宽频率范围内选择性地处理射频信号，同时能在各频段间进行快速开关切换，多频率信道选择滤波器阵列是构成此多频段模拟信号处理器的关键核心器件[1]。微机电系统(MEMS)谐振器是实现这种高性能、集成射频(RF)滤波器的一种非常有前景的解决方案。

本文对AlN MEMS CMR的原理与典型结构、制备工艺及应用进行了综合性阐述，并分析了CMR技术未来的发展方向。

1 AlN CMR的基本原理与典型结构

1.1 AlN CMR的基本原理

典型的AlN CMR采用上、下金属电极层/中间夹持AlN压电薄膜层构成的“三明治”结构[10]，如图1所示。图中，L为长度，W为宽度，T为厚度，E为电场。在压电薄膜的厚度方向上外加电场E时，压电体内部正负电荷的中心发生相对位移而进行极化，并通过逆压电效应产生横向的质点运动，从而引起器件平面的横向应变形成轮廓伸缩模式的振动，故称此种谐振器为轮廓模式谐振器(CMR)[9]。

图1 典型的AlN CMR的模型图

CMR谐振频率的高低主要取决于AlN薄膜的宽度，而与AlN薄膜的厚度无关，同时可以独立地选择器件的长度和厚度，以确定谐振器的静电容C0及电阻抗，因此，采用光刻工艺可在同一基片上实现多频率器件[7,10]。

1.2 AlN CMR的典型结构

CMR的面内谐振主要采用厚度场激励(TFE)和横向场激励(LFE)两种方式，如图2所示。LFE对电极排列不敏感，故结构更稳固，但会降低器件的机电耦合效率和有效电抗，还会使谐振器与外部电路的接口更复杂，相对而言，采用TFE是一种更佳的方案[11]。

图2 AlN CMR面内谐振采用的两种激励方式

AlN CMR的主要结构包括方形薄片振子和环形薄片振子两种[7]。根据CMR的激励方式设计了从基本模态到高阶模态的不同结构CMR，表1为目前报道的几种典型的AlN CMR结构[11]。

表1 几种典型的AlN CMR拓扑结构

图3 50 MHz～8.5 GHz AlN CMR实现的最佳f×Q值

2 AlN MEMS CMR的制备工艺

采用MEMS工艺制备AlN MEMS CMR的主要工艺环节有AlN薄膜层的磁控溅射工艺、光刻工艺、刻蚀工艺及阳极键合工艺等。图4是制作AlN CMR器件的工艺示意图[15-17]。首先在高阻硅基片上溅射沉积高取向性金属电极并图形化(常用的电极材料有Al和Pt)；之后是溅射沉积AlN薄膜，采用磷酸(H3PO4)或氢氧化钾(KOH)基低腐蚀性溶液湿法刻蚀AlN薄膜制备通孔；然后溅射沉积顶部电极，并采用剥离或干法刻蚀实现电极图形化；最后采用XeF2干法刻蚀释放器件结构。

图4 AlN CMR器件制作工艺示意图

通过AlN刻蚀和电极图形化可精确确定工作在基本模式的器件中心频率。对滤波器应用来说，保证高良率且无需后道工艺微调要求精度达到±1 000×10-6。以1 000×10-6的微调精度为基准点，工作于基本模态中心频率400 MHz的器件可采用500 nm线宽分辨率的光刻设备，而采用高阶模态可以极大地放宽工艺条件，如360 nm线宽分辨率的光刻设备能够可靠地制备约3 GHz的器件[17]。同时，图形刻蚀精度和可重复性对器件性能有较大影响，侧壁坡度的变化对基本模式器件的中心频率影响较大，如图5所示[7]。

图5 侧壁坡度对275 MHz横向振动CMR频率的影响

3 AlN MEMS CMR的应用

基于AlN CMR可实现高性能滤波器，开关预选滤波器，高Q及低相噪振荡器，MEMS集成RF前端等。

3.1 AlN MEMS CMR滤波器

CMR具有高频率、高Q值和低阻抗等特性，因此，CMR技术特别适合RF MEMS滤波器应用[17]。采用由电耦合或机械耦合的谐振器阵列构成CMR滤波器。

2010年，美国宾夕法尼亚大学的Gianluca Piazza团队基于自耦合AlN MEMS CMR谐振器实现了一种单芯片多频率信道选择滤波器[1]。滤波器由3或4个串联连接的双端口AlN CMR构成，谐振器阵列利用自身的本征电容实现电耦合，滤波器工作在94～271 MHz，具有窄带宽(约0.2%)、低插损(约2.3 dB)、高带外抑制(约60 dB)和高线性度(IIP3～100 dBmV)特性。图6为271 MHz滤波器的传输响应和器件显微照片。

图6 滤波器的传输响应和显微照片

加州大学传感器与执行器研究中心开发了一款机械耦合AlN CMR滤波器。滤波器采用由两个长度为1/4波长耦合条机械耦合而成的谐振器构成，频率40 MHz，插损1.5 dB，图7是滤波器的扫描电镜(SEM)照片[18]。

图7 AlN CMR滤波器的SEM照片

与电耦合CMR滤波器相比，机械耦合CMR滤波器可机械耦合及通过改变耦合条的大小由光刻工艺确定滤波器的带宽。因此，机械耦合CMR滤波器能够实现比电耦合CMR滤波器更大的带宽，且无需外部调谐元件，但带内波纹和插损较大[17]。

3.2 AlN MEMS CMR振荡器

与基于石英谐振器的振荡器相比，基于CMR的振荡器可实现更高的振荡频率，且具有与IC完全集成的潜力，因而能够提高系统的集成度。

美国宾夕法尼亚大学的Gianluca Piazza团队研制的第一个AlN CMR振荡器的最高工作频率达到550 MHz，功耗10 mW，采用AMIS公司的0.5 μm、5 V CMOS工艺制备[19]。频率分别为176 MHz、222 MHz、307 MHz和482 MHz的4个AlN CMR采用引线键合到同一个Pierce振荡器电路，图8为采用引线键合的AlN CMR振荡器电路和闭环相位噪声[19]。在1 kHz偏置条件下，所有振荡器的相位噪声值为-88～-68 dBc/Hz，1 MHz偏置条件下的相位噪声基底低至-160 dBc/Hz。

图8 采用引线键合的AlN CMR振荡器电路和相位噪声

2013年，Gianluca Piazza团队采用IBM 65 nm CMOS技术制作了多频率AlN CMR振荡器(204 MHz、517 MHz、850 MHz)[20]。振荡器采用变容二极管进行输出频率的精细微调，中心频率204 MHz振荡器总的最大调谐为611×10-6，0.55 V电源下的功耗为47 μW，1 kHz偏置下的相位噪声为-77 dBc/Hz。图9为振荡器的显微照片和相位噪声。

3.3 AlN CMR在单片多频带MEMS RF前端模块中的应用

与其他谐振器技术相比，AlN CMR技术的一个独特优势是能在同一个硅芯片上实现多频率器件。此外，横向振动的AlN微结构还能与开关(微机械开关或电子开关)和可调器件集成。因此，AlN CMR技术为实现可重构单片RF前端模块和结构更简单的频率合成器提供了一种新的解决方案[11,21-24]。图10为基于AlN RF MEMS技术的多频带可重构RF前端概念图。

图10 集成了AlN谐振器、滤波器、振荡器和开关的可重构RF前端概念图

4 结束语