俞振一，郭 瑜，傅肅磊，蘇榮宣，李百川，張 帥，徐惠平，潘 峰，王為標(biāo)

(1.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122；2.無(wú)錫市好達(dá)電子股份有限公司，江蘇 無(wú)錫 214124；3.清華大學(xué) 材料學(xué)院，北京100084；4.上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院，上海200234)

0 引言

近年來(lái)，基于鈮酸鋰(LiNbO3)薄膜的橫向激發(fā)體聲波諧振器(XBAR)逐漸成為研究熱點(diǎn)，它具有較高的頻率、較大的耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)(Q)值，有望在sub-6 GHz頻段下實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)SAW/BAW諧振器無(wú)法達(dá)到的性能指標(biāo)。然而，XBAR通常存在較多寄生模式，這將影響帶內(nèi)性能，甚至惡化濾波器的帶外抑制[4]。因此，如何消除或者減弱這些寄生模式是發(fā)展高性能XBAR諧振器的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文對(duì)基于Y切128°LiNbO3薄膜的XBAR諧振器進(jìn)行了研究，通過(guò)有限元(FEM)仿真對(duì)器件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并成功制備了高頻、大帶寬諧振器。本文制備的XBAR諧振器A1模式的諧振頻率為5.81 GHz，機(jī)電耦合系數(shù)可達(dá)39.6%，Q-3 dB為248，能滿足sub-6 GHz對(duì)高頻和大帶寬的需求。同時(shí)，本文提出了一種新型叉指電極(IDT)結(jié)構(gòu)，諧振器測(cè)試結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)對(duì)寄生模式具有一定的抑制效果。

1 設(shè)計(jì)與仿真

1.1 諧振器結(jié)構(gòu)

諧振器的模型示意圖如圖1所示。該諧振器由300 nm的Y切128°LiNbO3薄膜和5 nm/120 nm的Cr/Cu復(fù)合電極組成。Cr作為黏附層用于增加電極與薄膜之間的粘連性，Cu電極具有良好的導(dǎo)電性，以保證實(shí)現(xiàn)較小的歐姆損耗。諧振器的波長(zhǎng)(λ)為12 μm，電極寬度(We)為0.9 μm，孔徑(AP)為40 μm，叉指電極的數(shù)目為50。

圖1 XBAR諧振器模型平面示意圖

1.2 有限元仿真

首先使用商用有限元軟件對(duì)占空比(2We/λ)為0.15的諧振器進(jìn)行仿真，由圖2所示。圖2(a)為諧振器寬帶導(dǎo)納響應(yīng)，圖2(b)、(c)分別為諧振器A1模式和A3模式的導(dǎo)納響應(yīng)以及對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模態(tài)。

諧振器的機(jī)電耦合系數(shù)[5]為

(1)

式中：fs為諧振頻率；fp為反諧振頻率。由式(1)可得A1模式的機(jī)電耦合系數(shù)為42.37%。

圖2 XBAR諧振器仿真導(dǎo)納響應(yīng)曲線

進(jìn)一步對(duì)不同占空比的諧振器進(jìn)行模擬，諧振器的波長(zhǎng)λ設(shè)定為12 μm，圖3(a)為機(jī)電耦合系數(shù)關(guān)于不同占空比的曲線圖。由圖可見(jiàn)，在占空比為0.15～0.30時(shí)，諧振器A1模式能獲得40%以上的機(jī)電耦合系數(shù)，具有較好的性能。另外，為了獲得sub-6 GHz頻率需求的高頻諧振器，本文對(duì)不同厚度的LiNbO3薄膜的諧振器進(jìn)行仿真，圖3(b)為不同薄膜厚度下，器件A1模式諧振頻率的變化情況。綜合考慮sub-6 GHz頻段的高頻需求和工藝的可行性，選用300 nm的LiNbO3薄膜進(jìn)行后續(xù)的器件制備。

圖3 XBAR諧振器不同參數(shù)的仿真曲線

2 器件制備

本文使用厚300 nm的Y切128°LiNbO3薄膜制備了所設(shè)計(jì)的XBAR諧振器。器件制造分為6個(gè)步驟，其對(duì)應(yīng)工藝流程如圖4所示。

1) 將厚300 nm的LiNbO3薄膜鍵合到厚的襯底上，襯底由SiO2和Si構(gòu)成。

2) 在LiNbO3薄膜上蒸鍍Cr/Cu電極。

3) 使用光刻工藝對(duì)釋放孔進(jìn)行圖形化。其中，光刻膠(PR)應(yīng)具有足夠的厚度以確保不會(huì)出現(xiàn)過(guò)量的刻蝕。

4) 利用具有電感耦合等離子體(ICP)的反應(yīng)離子刻蝕(RIE)系統(tǒng)對(duì)釋放孔進(jìn)行刻蝕，刻蝕氣體為CF4。

5) 通過(guò)緩沖氧化物刻蝕劑(BOE)對(duì)LiNbO3薄膜下方的SiO2進(jìn)行釋放。

6) 利用ICP-RIE系統(tǒng)去除薄膜頂部殘留的光刻膠。

圖4 工藝流程

圖5(a)為制備所得XBAR諧振器的光學(xué)顯微鏡照片。由圖可見(jiàn)，器件無(wú)開(kāi)裂情況。圖5(b)為使用掃描電鏡(SEM)對(duì)圓形釋放孔的局部放大照片，由圖可見(jiàn),IDT圖案清晰、一致性較好，器件空腔較為完整，邊界清晰。

圖5 制備獲得的XBAR諧振器照片

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 高頻大機(jī)電耦合系數(shù)諧振器

為了研究諧振器的溫度特性，在-30～85 ℃條件下對(duì)諧振器進(jìn)行測(cè)試。圖6(b)、(c)為該諧振器A1和A3模式諧振頻率點(diǎn)隨溫度變化偏移量的變化曲線。由圖可見(jiàn)，諧振器A1和A3模式的頻率溫度漂移系數(shù)(TCF)分別為-72.6×10-6/℃和-38.5×10-6/℃。

圖6 諧振器探針測(cè)量結(jié)果

表1為本文XBAR諧振器與同類型其他諧振器的性能對(duì)比。由表可見(jiàn)，本文所制備獲得的XBAR諧振器具有超高的諧振頻率和機(jī)電耦合系數(shù)，這對(duì)發(fā)展高性能XBAR諧振器具有實(shí)際意義。

表1 所制備的XBAR諧振器與其他文獻(xiàn)的諧振器比較

3.2 寄生模式抑制

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)制備的XBAR諧振器存在寄生模式，因此，本文嘗試用不同的IDT結(jié)構(gòu)對(duì)寄生模式進(jìn)行抑制。圖7(a)、(b)分別為傳統(tǒng)IDT結(jié)構(gòu)和所設(shè)計(jì)的新型IDT結(jié)構(gòu)的示意圖。傳統(tǒng)的IDT僅由一個(gè)電極寬度w2構(gòu)成，而新型IDT電極的上、下部分均由寬度w1和w2構(gòu)成。圖7(c)、(d)分別為所制備的具有兩種不同結(jié)構(gòu)IDT的諧振器的掃描電鏡圖像。

圖7 傳統(tǒng)和新型IDT對(duì)比圖

圖8為傳統(tǒng)IDT結(jié)構(gòu)和新型IDT結(jié)構(gòu)諧振器的測(cè)試導(dǎo)納響應(yīng)對(duì)比圖。由圖可見(jiàn)，新型的IDT結(jié)構(gòu)對(duì)寄生模式具有一定的抑制效果。

圖8 傳統(tǒng)IDT和新型IDT諧振器測(cè)試導(dǎo)納響應(yīng)對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)XBAR諧振器進(jìn)行了研究，采用有限元法對(duì)器件進(jìn)行仿真優(yōu)化，并實(shí)現(xiàn)了高性能XBAR諧振器的制備。結(jié)果顯示，XBAR諧振器可獲得A1模式的諧振頻率為5.81 GHz，機(jī)電耦合系數(shù)為39.6%,Q-3 dB值為248；A3模式的諧振頻率為17.04 GHz,機(jī)電耦合系數(shù)為7.0%。本文提出了一種新型叉指電極(IDT)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以抑制寄生模式，提升諧振器性能。結(jié)果表明，本文研制的高頻超大帶寬XBAR諧振器在5G移動(dòng)通信中具有強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。