氮化鋁壓電微機電系統輪廓模式諧振器技術及應用

俞 燕，王璐烽，丁芩華，何 杰

(1.重慶工業職業技術學院，重慶 401120；2. 蘇州中材非金屬礦工業設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；3.中國電子科技集團公司 第二十六研究所，重慶 400060)

0 引言

先進的無線通信系統要求收發器能在10 MHz～GHz的寬頻率范圍內選擇性地處理射頻信號，同時能在各頻段間進行快速開關切換，多頻率信道選擇濾波器陣列是構成此多頻段模擬信號處理器的關鍵核心器件[1]。微機電系統(MEMS)諧振器是實現這種高性能、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的原理與典型結構、制備工藝及應用進行了綜合性闡述，并分析了CMR技術未來的發展方向。

1 AlN CMR的基本原理與典型結構

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壓電薄膜層構成的“三明治”結構[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，壓電體內部正負電荷的中心發生相對位移而進行極化，并通過逆壓電效應產生橫向的質點運動，從而引起器件平面的橫向應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，同時可以獨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現多頻率器件[7,10]。

1.2 AlN CMR的典型結構

CMR的面內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，故結構更穩固，但會降低器件的機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雜，相對而言，采用TFE是一種更佳的方案[11]。

圖2 AlN CMR面內諧振采用的兩種激勵方式

AlN CMR的主要結構包括方形薄片振子和環形薄片振子兩種[7]。根據CMR的激勵方式設計了從基本模態到高階模態的不同結構CMR，表1為目前報道的幾種典型的AlN CMR結構[11]。

表1 幾種典型的AlN CMR拓撲結構

圖3 50 MHz～8.5 GHz AlN CMR實現的最佳f×Q值

2 AlN MEMS CMR的制備工藝

采用MEMS工藝制備AlN MEMS CMR的主要工藝環節有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現電極圖形化；最后采用XeF2干法刻蝕釋放器件結構。

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。對濾波器應用來說，保證高良率且無需后道工藝微調要求精度達到±1 000×10-6。以1 000×10-6的微調精度為基準點，工作于基本模態中心頻率400 MHz的器件可采用500 nm線寬分辨率的光刻設備，而采用高階模態可以極大地放寬工藝條件，如360 nm線寬分辨率的光刻設備能夠可靠地制備約3 GHz的器件[17]。同時，圖形刻蝕精度和可重復性對器件性能有較大影響，側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 側壁坡度對275 MHz橫向振動CMR頻率的影響

3 AlN MEMS CMR的應用

基于AlN CMR可實現高性能濾波器，開關預選濾波器，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技術特別適合RF MEMS濾波器應用[17]。采用由電耦合或機械耦合的諧振器陣列構成CMR濾波器。

2010年，美國賓夕法尼亞大學的Gianluca Piazza團隊基于自耦合AlN MEMS CMR諧振器實現了一種單芯片多頻率信道選擇濾波器[1]。濾波器由3或4個串聯連接的雙端口AlN CMR構成，諧振器陣列利用自身的本征電容實現電耦合，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濾波器的傳輸響應和器件顯微照片。

圖6 濾波器的傳輸響應和顯微照片

加州大學傳感器與執行器研究中心開發了一款機械耦合AlN CMR濾波器。濾波器采用由兩個長度為1/4波長耦合條機械耦合而成的諧振器構成，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，機械耦合CMR濾波器可機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，機械耦合CMR濾波器能夠實現比電耦合CMR濾波器更大的帶寬，且無需外部調諧元件，但帶內波紋和插損較大[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的振蕩器可實現更高的振蕩頻率，且具有與IC完全集成的潛力，因而能夠提高系統的集成度。

美國賓夕法尼亞大學的Gianluca Piazza團隊研制的第一個AlN CMR振蕩器的最高工作頻率達到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AlN CMR采用引線鍵合到同一個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團隊采用IBM 65 nm CMOS技術制作了多頻率AlN CMR振蕩器(204 MHz、517 MHz、850 MHz)[20]。振蕩器采用變容二極管進行輸出頻率的精細微調，中心頻率204 MHz振蕩器總的最大調諧為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前端模塊中的應用

與其他諧振器技術相比，AlN CMR技術的一個獨特優勢是能在同一個硅芯片上實現多頻率器件。此外，橫向振動的AlN微結構還能與開關(微機械開關或電子開關)和可調器件集成。因此，AlN CMR技術為實現可重構單片RF前端模塊和結構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技術的多頻帶可重構RF前端概念圖。

圖10 集成了AlN諧振器、濾波器、振蕩器和開關的可重構RF前端概念圖

4 結束語