[发明专利]兰姆波谐振器及其制备方法

说明书

一种兰姆波谐振器及其制备方法，其中兰姆波谐振器包括自下而上的衬底、底电极层、单晶氮化物薄膜层及叉指电极，其中：在底电极层与单晶氮化物薄膜层之间还具有AlN成核层；衬底在正对底电极层的区域具有一凹槽，以使部分/全部的底电极层处于悬空状态；叉指电极位于底电极层的正上方。因此，本发明由于在底电极层与单晶氮化物薄膜层之间形成有覆盖底电极层的AlN成核层，一方面消除了底电极层在高温形成单晶氮化物薄膜层的过程中，表面变粗糙和极易与氨气发生反应的问题，另一方面为后续其他材料层的高温生长提供了理想的模板，因此为研制单晶氮化物基兰姆波谐振器奠定了基础。

技术领域

本发明属于射频MEMS器件研究领域，更具体地涉及一种兰姆波谐振器及其制备方法。

背景技术

基于压电效应的射频MEMS(微机电系统)谐振器在通讯领域发挥着重要作用，并获得了广泛应用。例如，石英晶体谐振器凭借其极高的品质因数，是射频振荡器的理想的时钟源；声表面波(SAW)谐振器和滤波器由于简单的制备工艺和优良的性能，在移动通讯滤波器领域长期占据主导地位；体声波(BAW)谐振器和滤波器尽管制备工艺比SAW滤波器复杂，但其凭借优异的性能，在移动通讯领域正在逐步取代SAW滤波器。随着移动通讯频带和模式越来越多，对小型化、高性能的多频带单芯片集成的滤波器(单芯片集成滤波器)的需求越来越迫切。但是，基于目前的SAW滤波器技术和BAW滤波器技术研制小型化的单芯片集成滤波器，均存在困难：

SAW谐振器金属叉指结构两侧具有大量的金属反射栅，面积很大，无法满足单芯片集成滤波器对于小型化的要求；

BAW滤波器的频率是由压电薄膜的厚度决定的，因此难以在同一芯片上制备多个不同频带的滤波器，无法满足单芯片集成滤波器对于多频带滤波的需求。

兰姆波谐振器是一种新型的压电型射频MEMS谐振器，具有体积小、品质因数高、频率易调等特点，是研制单芯片集成滤波器的理想谐振器结构。现有的兰姆波谐振器的器件结构如图1所示，包括衬底101、嵌于衬底101的空气隙102、悬空的AlN压电薄膜103及AlN压电薄膜103上方的金属叉指电极104。众多研究表明，在图1中所示的兰姆波谐振器结构的基础上，如果在AlN压电薄膜103下方制备金属悬浮电极105(如图2所示)或另一金属叉指电极106(如图3所示)，可极大提升器件的性能，因此，图2和图3所示的器件结构是兰姆波谐振器的主流结构。

对射频MEMS谐振器而言，AlN压电薄膜的结晶质量是决定器件性能的关键，AlN压电薄膜的结晶质量直接决定着AlN基射频谐振器的性能，晶体结晶质量越高、压电效应越强、声学传输损耗越低、器件的品质因数和有效机电常数越大。然而，目前所有已报道的AlN基兰姆波谐振器的压电薄膜均为基于磁控溅射技术制备的多晶AlN薄膜，此方法制备的AlN薄膜的X射线衍射(XRD)摇摆曲线的半高宽为2-5°之间，因此晶体质量差，导致研制的兰姆波谐振器的性能远远小于预期。因此，研制基于单晶AlN薄膜的高性能兰姆波谐振器具有十分重要的意义。

发明内容

基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种兰姆波谐振器及其制备方法，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提出一种兰姆波谐振器，包括自下而上的衬底、底电极层、单晶氮化物薄膜层及叉指电极，其中：在底电极层与单晶氮化物薄膜层之间还具有A1N成核层；衬底在正对底电极层的区域具有一凹槽，以使部分/全部的底电极层处于悬空状态；叉指电极位于底电极层的正上方。

在本发明的一些实施例中，上述底电极层覆盖于衬底上表面的部分区域；AlN成核层覆盖于底电极层的上表面、侧面，以及衬底上表面除底电极层覆盖区域外的其他区域；单晶氮化物薄膜层形成于AlN成核层的上表面，且该单晶氮化物薄膜层的上表面与水平面平行。

在本发明的一些实施例中，上述凹槽的深度小于或等于衬底的厚度。

在本发明的一些实施例中，上述叉指电极两个最外侧面之间的距离小于或等于底电极层的宽度。