一种环形体声波谐振器及其制备方法

本发明属于半导体器件，尤其涉及一种环形体声波谐振器及其制备方法。

背景技术：

1、随着5/6g时代的到来，无线通信正朝着高通信频率、高传输速率、高密集复用和高集成化的方向发展。传统的声表面波谐振器由于本身结构限制，不适用于更高频率信号传输，而薄膜体声波谐振器具有体积小、插损低、功率容量更大、可实现通信频率更高等优点，同时还与cmos兼容，满足器件集成化的发展需求。因此，薄膜体声波谐振器逐渐成为射频滤波器研究领域中的热点。

2、相关技术中薄膜体声波谐振器主要包括衬底、顶电极、压电层、底电极、空腔以及空腔释放孔。在制备时需先刻蚀空腔释放孔，再通过释放孔刻蚀空腔，该方法工艺步骤繁琐，并且可能导致空腔边缘释放不彻底，进而影响谐振器性能。薄膜体声波谐振器的谐振频率主要由电极层和压电层的薄膜厚度决定，这要求制备中严格控制薄膜厚度，整片晶圆上薄膜厚度均匀性要小于0.1％，才能实现较高的一致性和良率。因此，如何简化谐振器制备工艺，提升谐振器性能，提高器件成品率和工艺成本，成为目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种环形体声波谐振器及其制备方法，能够简化制备谐振器的步骤，提高器件成品率与工艺成本。

2、为了实现上述目的，本发明提供一种环形体声波谐振器，

3、一种环形体声波谐振器，包括：

4、衬底，其上开有空腔；

5、压电堆叠结构，为中心镂空的环形结构，从下向上依次包括底电极、压电层和顶电极，压电堆叠结构悬于空腔之上，且不与空腔的侧壁相接；

6、连接线结构，为弯曲的蛇形；

7、焊盘结构，连接于衬底上；

8、压电堆叠结构通过连接线结构与焊盘结构连接，连接线结构既起电连接作用也对压电堆叠结构起支撑作用使其保持悬空。

9、上述的一种环形体声波谐振器，还包括质量负载结构，所述质量负载结构连接于所述顶电极上方边缘，呈环形。

10、上述的一种环形体声波谐振器，所述环形结构的形状为圆环、正多边形环或不规则多边形环。

11、上述的一种环形体声波谐振器，所述压电层和压电材料层的材料均为氮化铝、掺钪氮化铝、铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氧化锌、锆钛酸铅或石英。

12、上述的一种环形体声波谐振器，所述顶电极和底电极的材料为钨、钼、铝、金、铂中的一种或多种的组合。

13、上述的一种环形体声波谐振器，所述质量负载结构为钼、钨、铝、金、铂中的一种或多种的组合。更优地，质量负载结构的材料与顶电极、底电极的材料相同。

14、上述的一种环形体声波谐振器，所述连接线结构弯曲一次或多次。

15、上述的一种环形体声波谐振器，所述连接线结构包括底电极层、压电材料层、顶电极层，所述焊盘结构包括信号输入焊盘和信号输出焊盘，压电堆叠结构的顶电极和压电层通过连接线结构的顶电极层和压电材料层与焊盘结构的信号输入焊盘连接，压电堆叠结构的底电极通过连接线结构的底电极层与信号输出焊盘连接。

16、上述的一种环形体声波谐振器，所述焊盘结构还包括接地焊盘。

17、上述任一项所述的一种环形体声波谐振器的制备方法，在制备时，通过环形结构的镂空区域刻蚀空腔，无需另外刻蚀空腔释放孔。

18、上述的一种环形体声波谐振器的制备方法，通过调整环形结构的内外半径来调控谐振器的频率。

19、一种上述任一项所述环形体声波谐振器的用途，用于制作液体传感器或加速度计。

20、本发明的有益效果在于：现有技术中，薄膜体声波谐振器的谐振频率主要由压电层的薄膜厚度决定，这要求制备中严格控制薄膜厚度，整片晶圆上薄膜厚度均匀性要小于0.1％，才能实现较高的一致性和良率。本发明所述环形谐振器的谐振频率由环形区域的尺寸决定，通过调整环形结构的内外半径可以调控谐振器的频率。这减少了工艺中对薄膜厚度的精准控制所带来的挑战，可以提供比现有谐振器更经济可行的解决方案，有望实现在单个芯片上批量制造具有不同频率的压电谐振器阵列。

21、进一步的，所述蛇形的连接线结构相较于普通方式的连接线拉伸性能更好，可以在不同方向上弯曲、拉伸、扭曲等，并在外力消失后恢复原状，增大了谐振器的最大位移范围，使谐振器可延展性增强、灵敏度更高。

22、进一步的，环形体声波谐振器可应用于制作加速度计，与传统加速度计相比，基于环形体声波谐振器的加速度计具有响应速度快、尺寸小、重量轻、功耗低等优点。

23、进一步的，环形体声波谐振器可用于液体传感，利用谐振频率的变化来测量液体的密度、粘度、流速等物理参数，相较于传统液体传感技术，基于环形体声波谐振器的传感器具有更高的精度和灵敏度，适用于高要求的工业自动化、生物医学和环境监测等领域。需要说明的是，由于环形谐振器的镂空结构，液体可以自然地浸润和填充谐振器的空心区域。这种液体浸润可以增加液体与谐振器之间的接触面积和接触程度，从而提高传感器的响应和灵敏度。

24、进一步的，环形体声波谐振器相对于传统谐振器来说尺寸更小，使得他们可以在更小的空间内进行集成和安装，从而提高系统的紧凑性和灵活性。

25、进一步的，环形镂空结构可以简化工艺步骤，通过镂空区域刻蚀空腔，直接释放牺牲层，无需另外预留空腔释放孔。

26、进一步的，压电层的边缘暴露在空气中，形成自然的高低声阻抗界面，能够有效抑制压电层的横波损失，进而提升谐振器的q值。

27、进一步的，可以在环形区域边缘附加质量负载，进而提升谐振器的q值。

技术特征：

1.一种环形体声波谐振器，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种环形体声波谐振器，其特征在于，还包括质量负载结构(6)，所述质量负载结构(6)连接于所述顶电极(201)上表面边缘，呈环形。

3.如权利要求1所述的一种环形体声波谐振器，其特征在于，所述环形结构的形状为圆环、正多边形环或不规则多边形环。

4.如权利要求1所述的一种环形体声波谐振器，其特征在于，所述压电层(202)的材料为氮化铝、掺钪氮化铝、铌酸锂、铌酸钾、钽酸锂、氧化锌、锆钛酸铅或石英。

5.如权利要求1所述的一种环形体声波谐振器，其特征在于，所述顶电极(201)和底电极(203)的材料为钨、钼、铝、金、铂中的一种或多种的组合。

6.如权利要求2所述的一种环形体声波谐振器，其特征在于，所述质量负载结构(6)为钨、钼、铝、金、铂中的一种或多种的组合。

7.如权利要求1所述的一种环形体声波谐振器，其特征在于，所述连接线结构(3)弯曲一次或多次。

8.如权利要求1～7任一项所述的一种环形体声波谐振器的制备方法，其特征在于，在制备时，通过环形结构的镂空区域刻蚀空腔(101)，无需另外预留空腔释放孔(5)。

9.如权利要求8所述的一种环形体声波谐振器的制备方法，其特征在于，通过调整环形结构的内外半径来调控谐振器的频率。

10.一种权利要求1～7任一项所述环形体声波谐振器的用途，其特征在于，用于制作液体传感器或加速度计。

技术总结
本发明提供一种环形体声波谐振器及其制备方法，包括衬底、压电堆叠结构、质量负载结构、连接线结构和焊盘结构。衬底上开有空腔；压电堆叠结构为中心镂空的环形结构，从下向上依次包括底电极、压电层和顶电极，压电堆叠结构悬于空腔之上，且不与空腔的侧壁相接；连接线结构，为弯曲的蛇形；焊盘结构，连接于衬底上，压电堆叠结构通过连接线结构与焊盘结构连接。本发明由于压电堆叠结构为环形，中部镂空，可以直接从镂空处刻蚀空腔，不需要先刻蚀空腔释放孔，效率更高，能降低空腔释放不彻底影响谐振器性能的概率。连接线结构为蛇形，可以在不同方向上弯曲、拉伸、扭曲，使谐振器可延展性增强、灵敏度更高。

技术研发人员：杨婷婷,蔡耀,孙成亮,邹杨,徐沁文,许秉乾,刘炎,刘文娟,雷诚
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16