具有极高Q值的氮化铝lamb波谐振器及加工方法与流程

具有极高q值的氮化铝lamb波谐振器及加工方法
技术领域
[0001]
本发明涉及谐振器技术领域，具体地，涉及一种具有极高q值的氮化铝lamb波谐振器及加工方法。


背景技术：

[0002]
随着传感器技术的高速发展，现有的谐振器的q值很难满足高精度传感器的设计要求。
[0003]
专利文献cn111404509a公开了一种高q值谐振器件，通过额外插入一层刻蚀停止层来保证谐振器的高q值以及器件电参数的一致性。
[0004]
现有技术的不足之处是：常规的压电薄膜可能存在机械品质因素低、半导体工艺兼容性差等问题，而本专利所采用的氮化铝薄膜或者掺钪氮化铝薄膜可以完美的兼容半导体工艺，且具有较强的机械稳定性，使得本专利所提出的氮化铝谐振器具有广泛的适用性；大部分的氮化铝声波谐振器都是通过减少机械波泄露来有限的提高谐振器的q值，而本专利所提出的引入“半指”电极减小机电耦合系数k2的方法将打破常规方法的瓶颈，极大的提高q值，达到了氮化铝谐振器领域的最高q值。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有极高q值的氮化铝lamb波谐振器及加工方法。
[0006]
根据本发明提供的一种具有极高q值的氮化铝lamb波谐振器，其特征在于，包括：电极、薄膜2；所述电极包括：叉指电极1、底电极3；所述叉指电极1一端接入rf信号；所述叉指电极1另一端与地相连；所述底电极3采用电性浮接；所述薄膜2设置于叉指电极1、底电极3之间。
[0007]
优选地，所述电极的材料可采用以下任意一种：-铂；-铝；-钼；-金；-银；-钌。
[0008]
优选地，所述薄膜2的材料可采用以下任意一种：-氮化铝；-掺钪氮化铝。
[0009]
优选地，当在叉指电极1与底电极3之间施加电场时，氮化铝薄膜3中能够产生机械振动，从而形成沿水平方向的lamb波谐振，即s0谐振模。
[0010]
优选地，采用6个叉指电极1；所述具有极高q值的氮化铝lamb波谐振器能够激励出6阶s0谐振模式。
[0011]
优选地，所述s0谐振模式的谐振频率能够由叉指电极1的宽度以及电极间距来调整；
[0012]
通过减小具有极高q值的氮化铝lamb波谐振器的机电耦合系数k2能够提高具有极高q值的氮化铝lamb波谐振器的q值。
[0013]
当该谐振器的结构确定时，其优值也就随之确定，即所述具有极高q值的氮化铝lamb波谐振器的机电耦合系数k2和q值的乘积。因此，机电耦合系数k2和q值呈负相关关系，这也就意味着，可以通过减小机电耦合系数k2来提高该谐振器的q值。
[0014]
优选地，还包括：半指电极4；
[0015]
所述6个叉指电极1的两旁分别引入一个具有原电极同样长度但是仅一半宽度的半指电极4；
[0016]
优选地，所述半指电极4一端接入rf信号；所述半指电极4另一端与地相连；所述具有极高q值的氮化铝lamb波谐振器能够激励出s0谐振模的泛音谐振；即6阶，8阶，10阶和12阶s0谐振模。
[0017]
优选地，所述具有极高q值的氮化铝lamb波谐振器能够激励出以下任意一种s0谐振模：-6阶s0谐振模；-8阶s0谐振模；-10阶s0谐振模；-12阶s0谐振模；所述8阶s0谐振模为s0谐振模的泛音谐振中的主模；在所有谐振模式中起主导作用。而通过上述方式激励出的几个“泛音”谐振将有效的降低谐振器的机电耦合系数k2，且所有的“泛音”谐振模所对应的机电耦合系数k2都比原图1中的s0谐振模要小，所以原谐振器的q值在各个谐振频率下都得到了极大的提升。图1所示常规氮化铝谐振器的机电耦合系数k2大约为1.4％，q值为1750，而本专利所提出的谐振器其机电耦合系数k2可以降低至0.86％，对应的q值更是突破到5500，这是据作者所知迄今为止氮化铝谐振器领域所能达到的最高q值。值得一提的是，本专利所提出谐振器叉指电极的数量也可以为两个或者四个，当叉指电极的数量越少时，后引入的“半指”电极对谐振器性能的影响越大，谐振器的q值也就越高。此外，“半指”电极宽度也可以一定程度上的调整来优化谐振器的谐振模式，增强谐振器的性能。
[0018]
根据本发明提供的一种具有极高q值的氮化铝lamb波谐振器加工方法，采用具有极高q值的氮化铝lamb波谐振器，包括：步骤s1：准备单晶硅片清洗；步骤s2：将底部电极蒸镀到硅衬底上；步骤s3：溅镀氮化铝膜层；步骤s4：采用光刻胶涂覆、曝光、蚀刻出叉指电极的形状；步骤s5：溅镀金属层，并剥离出叉指电极；步骤s6：利用等离子体增强化学气相沉积技术pecvd制备二氧化硅掩膜；步骤s7：利用反应离子刻蚀icp-rie技术蚀刻氮化铝膜层；步骤s8：去除二氧化硅掩膜；步骤s9：利用二氟化氙xef2释放震荡堆。
[0019]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0020]
1、本发明通过采用压电薄膜，解决了其他常规压电薄膜很难与半导体工艺兼容、介电常数过高、机械品质因数低等问题。这使得本专利所提出的谐振器在高灵敏度智能传感器的应用中能发挥更加优越的性能。
[0021]
2、本发明通过采用“半指”电极，解决了常规氮化铝谐振器很难提高q值的问题。
[0022]
3、本发明通过“半指”电极所引入的“泛音”谐振将有效的降低谐振器的机电耦合系数k2，从而极大的提高谐振器的q值，打破常规氮化铝谐振器q值的瓶颈，达到氮化铝谐振器领域的最高q值。
附图说明
[0023]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0024]
图1为本发明实施例中的第一基于氮化铝压电薄膜的常规谐振器的结构示意图。
[0025]
图2为本发明实施例中的第二基于氮化铝压电薄膜的常规谐振器的结构示意图。
[0026]
图3为本发明实施例中的第一高q值lamb波谐振器的结构示意图。
[0027]
图4为本发明实施例中的第二高q值lamb波谐振器的结构示意图。
[0028]
图5为本发明实施例中的高q值lamb波谐振器通过标准的光刻技术来制备方法流程示意图。
[0029]
图中：
[0030]
1-叉指电极
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5-硅
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2-薄膜
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6-光刻胶
[0032]
3-底电极
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7-二氧化硅
[0033]
4-半指电极
具体实施方式
[0034]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0035]
图1、图2所示为基于氮化铝(aln)压电薄膜的常规谐振器，其主要由叉指电极1、薄膜2、和底电极3构成。图中的叉指电极分别接替连接rf信号和地，且底电极为电性浮接，电极的材料可以为铂(pt)、铝(al)、钼(mo)、金(au)、银(ag)、钌(ru)等。薄膜的材料可以为氮化铝(aln)和掺钪氮化铝(alscn)。当在叉指电极与底电极之间施加电场时，氮化铝薄膜中产生机械振动从而形成沿水平方向的lamb波谐振，即s0谐振模。图1中所示的具有6个叉指电极的谐振器可以激励出6阶s0谐振模式，且该谐振模的谐振频率可以由叉指电极宽度以及电极间距来调整。当该谐振器的结构确定时，其优值也就随之确定，即机电耦合系数k2和q值的乘积。因此，机电耦合系数k2和q值呈负相关关系，这也就意味着，可以通过减小机电耦合系数k2来提高该谐振器的q值。
[0036]
基于此，本专利提出了图3、图4所示的高q值lamb波谐振器。它在图1中所示的6个叉指电极1两旁分别引入一个具有原电极同样长度但是仅一半宽度的“半指”电极4，且两个电极分别连接rf信号和地。通过引入这两个“半指”电极，图1谐振器原有的声波边界和电场会被一定程度上的改变以至于激励出s0谐振模的“泛音”谐振，即6阶，8阶，10阶和12阶s0谐振模。而此中的8阶谐振模为所激励出的“泛音”谐振中的主模，在所有谐振模式中起主导作用。而通过上述方式激励出的几个“泛音”谐振将有效的降低谐振器的机电耦合系数k2，且所有的“泛音”谐振模所对应的机电耦合系数k2都比原图1中的s0谐振模要小，所以原谐振器的q值在各个谐振频率下都得到了极大的提升。图1所示常规氮化铝谐振器的机电耦合系数k2大约为1.4％，q值为1750，而本专利所提出的谐振器其机电耦合系数k2可以降低至0.86％，对应的q值更是突破到5500，这是据作者所知迄今为止氮化铝谐振器领域所能达到的最高q值。值得一提的是，本专利所提出谐振器叉指电极的数量也可以为两个或者四个，当叉指电极的数量越少时，后引入的“半指”电极对谐振器性能的影响越大，谐振器的q值也就越高。此外，“半指”电极宽度也可以一定程度上的调整来优化谐振器的谐振模式，增强谐振器的性能。
[0037]
本专利所提出的高q值lamb波谐振器可以通过标准的光刻技术来制备。如图5所示，该谐振器的加工流程是：1.单晶硅片清洗准备；2.将底部电极蒸镀到硅衬底上；3.溅镀氮化铝膜层；4.光刻胶涂覆、曝光、蚀刻出叉指电极的形状；5.溅镀金属层，并剥离出叉指电
极；6.利用等离子体增强化学气相沉积技术(pecvd)制备二氧化硅掩膜；7.利用反应离子刻蚀(icp-rie)技术蚀刻氮化铝膜层；8.去除二氧化硅掩膜；9.利用二氟化氙(xef2)释放震荡堆。
[0038]
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
[0039]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。