217ghz高q射频薄膜体声波谐振器的研制

1、第2 7 卷第5 期 2 0 0 8 年1 0 月 声学技术 T e c h i a d A u s d 璐 v o l ”N o5 n 2 0 c 2 0 0 8 2 17 G H z 高0 射频薄膜体声波谐振器的研制 汤亮，郝震宏，乔东海 ( 十目“ R p 日R m ，# n m 女i ，# 女1 0 0 l ) D e v e l 叩m e n to f A 2 1 7 G H zH i 曲- QR F F i I mB u l k A c o u s t j cR e s o n a t o r 1 M G L j a H A 0z b e n - h o n O I A O D o n g - h a i 伸伽蛐o M ”w 可胁d _ * 们“ “蕊“眦“ c 以删y 可啪c 鹤脚J J 卿 l 引言 消费娄电子产品和个人通讯系统市场的快速 扩张，引起了对无线通信系统( 如掌上电脑、手机、 导航系统、卫星通信以及各种数据通信) 的极大需 求。制备高性能、小尺寸、低成本的单芯片射频系 统成为目前研究的个热点。薄膜体声波谐振器 ( H | mB u mA c 。u s l i

2、 cR e s 衄a l o r ，F B A R ) 是最近几 年来研究很热的一种采用M E M s 技术实现的射频 谐振器。它是制作在硅或砷化镓基片L ，主要南金 属电极压电薄膜金属电极构成的一种器件。在某 些特定的频率下，F B A R 器件表现出如石英晶振一 样的谐振特性，因此可被措建成振荡器或滤渡器应 用于现代通讯系统中I l _ _ “。相对于传统用来构成带 通滤波器及微波振荡源的L c 振荡器、舟质谐振器 及声表面波( s A w ) 器件而言，F B A R 器1 串除了具 有小尺寸、低功耗，低插 损耗以及高工作频率 ( 0 5 0 H z l O O I I z ) 的优点之外，更重要的是它的 制备工艺可以与c M O s 工艺兼容，因此可与外围电 路构成单芯片系统。 本文主要研制了一种谐振频率高达21 7 G H z 的 射频薄膜体声波谐振器，其尺寸为I2 x 12 x 03 m m 0 值达到9 7 2 ； 2 器件的制各 本文采用z 0 压电薄膜作为薄膜体声波谐振 嚣的压电材料，A u 作为上下电极材料，作为A u 电极的粘附层，s j N s i 0 舶i N

3、 。复合膜作为器件的支 持层及z n 0 薄膜与上电极之间的绝缘层，其具体制 鲁过程如F ： 首先将( 1 0 0 ) 硅片清洗干净，采用L P c v D 职 面沉积低应力s l N ，；在正面采用P E c v D 沉积低温 氧化硅( u D ) ；再采用u 帅双面沉积低应力 s i N 。这样在正面形成s i N 船i O s i N ，复合膜，用 来作为支撑结构。在背面采用干法刻蚀s i N ，形成 体刻蚀宙口。在硅片正面磁控溅射啊A u 薄膜，光 刻腐蚀形成F B A R 器件的下电极；在下电极上直流 磁控溅射沉积z 0 压电薄膜光刻廊蚀形成压电 层：为了防l I ：z n o 薄膜可能存在的针孔引起器件短 路，在z n O 薄膜上沉积s l N 船i 0 弗i N ，膜作为绝缘 层，并于法刻蚀露出下电极接触：再采用剥离光刻 胶的方法磁控溅射刖M u 薄膜，形成上电极。最后 将硅片放入体刻蚀装置中，采用温度为8 0 浓度为 3 0 的H 溶液进行体刻蚀形成薄膜结构。该 器件的有教直径为2 0 0 岬，整体尺寸为 l2 x 12 x 03 m m 3 。器件的结构如图l 所示。

4、 m 、f 与扫萱宣i 萱辞、7 V z n 0 “、海i i r l 目1 自 F 队R * # # # F * n 3 测试结果及分析 本文采用田8 7 5 3 D 射频网络分析仪对制备的 薄膜体声波谐振器进行s 参数测试，测试采用单端 口接法即器件的一端接谭，另一端接地。 F B A R 器件在某一谐振频率附近可以采用 B v l ) 等效电路进行分析。如图2 所示。器件的串联 谐振频率正和并联谐振频率丘由下两式得到： 1 肛司蠹 1 蓊嚣纛焉黑霭惑翦i = 。：一。，。 1 胂t * E - B m n ：口m b 啦n 必唑，址h 自h g 世 第5 期沥亮等：2 1 7 0 I z 高O 射频薄膜体声波谐振嚣的研制 2 1 9 f ，一 断扛最 由于我们制备的F B A R 器件在z n O 压电薄膜 和上电极2 间有一层s i N s 1 0 s I N ，绝缘层，因此 需要在主凹路中引A 千串联的电容C ：由于z 0 压电薄膜存在介电损耗，因此需要在静电容c D 旁边 并联一个电阻R 0 ；另外由于将F B A R 器件压焊于测 试片上，在高频时压焊线引入的电感k 和电

5、阻 凡就不能忽略。修正后的等效电路图如图3 所示。 目3 镕m 目B v D # # t * 3h M l 6 “B v D v u ；m r m 】 采用修正后的B 、o 等效电路模型对测试结果 进行拟合和分析，结果如图4 和图5 所示。拟合得 到的薄膜体声波谐振器的参数及雎焊线的寄生参 数总结于表1 中。去除压悍线的寄生参数后，得到 薄膜体声波谐振器的输入阻抗与频率的关系，如图 6 所示。该器件的串联谐振频率和并联谐振频率分 别为21 7 0 3 G I I z 和21 7 6 5 G H z ：有效机电耦台系数 为O7 “；串联谐振频率她Q 值为9 7 2 ，并联谐振 频率处O 值为4 8 0 。 日4 # 目m A 镕* 4 m d d6 n “u b 。f l “* h ” 麓 目5s 1 1 E m 镕* H t jM e g u 耐椭口舢O f s l l $ 1 $ m 镕日B v D 耙自* 目t 1 ME 一“口* 吼d 1 6 “舢1 型型垦塑堕丝血丝艘堕L 32 6 7l m46 5 723 5 1m6 h 世L 岛生哑刍世一8 2 8 7 90 2 9 4 小

6、结 6 砷A R n # 口a H g6 h H 。* 抓o m 0 1 1 ) 本文主要采用M 卟侣方法研制了一种谐振频 率高迓21 7 G H z 的射频薄膜体声波谐振器，其尺寸 为l2 x 12 x 03 m m 3 ，O 值达到9 7 2 ，可用于制各低 相噪的射频振荡源。 参考文献 f 1 】H a oz h 孤窖，J o 蝈m 叽P dm 5 G H z L 0 w - 皿a - n o 眦o I l j m o r B a 鲥o nF B R w 汕L 0 wT c F 【q 1 r a n n u r 0 5n c1 3 mI 口l e a I l o n m c 0 血一。口 S o l n S e & A c l I I a dM m n s5 t 9J u n c 2 0 0 5 l 】1 0 0 - 1 l0 I 【2 】RR u b hJ D L 一，P B r a m c y ，e l a Ju l ”a - M 咖w 曲OF i 】1 n dD ”p k 锄gF B A RT h n o 】o 盯【c l I 髓E I S S C C S a nF 瑚C U S 5 7F e b2 0 0 l ： 1 2 0 - 1 2 1

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