專利名稱：一種制備平面電容諧振器的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制備納隙電容諧振器的方法。
技術背景目前，具有無線通訊功能的集成單芯片最大障礙是需要在RF濾波和儲能電路中 配置高Q值的諧振器，而諧振傳感檢測方面需要有效提高其諧振頻率和Q值，以改善 傳感器的靈敏度和分辨率。微機械諧振器主要有梳狀結構諧振器、懸臂梁諧振器、表面和體聲波諧振器等。 表面和體聲波諧振器技術在通信系統(tǒng)中已有實際應用，但這類器件的功耗和體積比較大，并受集成電路制造工藝兼容性限制，不能實現(xiàn)與IC集成。梳狀結構和懸臂梁式 諧振器采用多晶硅或單晶硅材料，利用犧牲層工藝或體硅工藝制造，提高其諧振頻率 的一種手段是減小幾何尺寸。懸臂梁諧振器的應用研究目前主要集中在諧振傳感檢 測，在真空環(huán)境下，動態(tài)模式工作的納機械懸臂梁傳感器的質量靈敏度達到10—18g/Hz， Q值可以達到4500，但在大氣環(huán)境下，工作在10kHz-lMHz頻率范圍內諧振器的Q 值僅介于50-200之間。發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提供一種制備納隙電容諧振器的方法。本發(fā)明制備納隙電容諧振器的方法，包括如下步驟1) 以(IOO)晶面的低阻硅片作為襯底，在硅片上LPCVD—層氮化硅層，第一次 光刻并RIE刻蝕氮化硅層，形成氮化硅絕緣層；2) 第二次光刻，并以光刻膠作為掩膜，在感應耦合等離子體系統(tǒng)中各向異性干 法刻蝕硅，形成兩個深槽；3) 在硅片上LPCVD淀積Si02層，然后RIE刻蝕硅片表面的Si02層，在深槽側 壁的Si02層被保留，形成自對準氧化層；4) 在兩個深槽內LPCVD沉積淀積多晶硅，厚度約為槽寬的一半，進行磷擴散之 后再LPCVD淀積多晶硅，厚度仍為槽寬的一半，保證填滿深槽，對多晶硅退火以激 活磷原子，形成驅動電極和傳感電極的極板；第三次光刻，并ICP刻蝕硅片表面的多 晶硅，形成驅動電極和傳感電極的焊盤，從而形成傳感電極和驅動電極； 5) 濺射金屬并光刻，腐蝕金屬，在驅動電極和傳感電極的焊盤上形成互連金屬 電極；6) 光刻并ICP各向異性刻蝕硅，再各向同性刻蝕硅至諧振體懸空；HF腐蝕Si02 直到諧振體釋放，得到所述平面電容諧振器。為了平坦化諧振體結構表面，減小表面效應引起的能量損耗，在步驟2)之后，還進行如下操作對刻蝕后的硅片先進行氧化，然后，再濕法腐蝕掉氧化層。 本發(fā)明提出一種制備平面電容諧振器的方法。相比懸臂梁式諧振器，首先，納隙電容諧振器具有極高的諧振頻率和Q因子，從 而使諧振式傳感器具有很高的靈敏度和分辨率；其次，納隙電容諧振器具有較大面積 傳感和驅動電極，從而減小其運動阻抗，增加器件的匹配能力和信噪比；第三，納隙 電容諧振器在很低的驅動功率下可以保持很好的機械性質；第四，納隙電容式諧振傳 感器具有較大的表面積，其可探測質量載荷量比撓性納機械梁高幾個量級；最后，納隙電容式諧振器的振動模態(tài)平行于表面，因此可提供液態(tài)分子在傳感器表面的粘滯彈 性信息。而且，本發(fā)明由于采用普通硅片代替SOI硅片，極大地降低了制備成本，同 時制備方法簡單，制備完成的器件性能與采用SOI硅片制備的器件性能一致。


圖1是本發(fā)明雙支梁諧振器立體結構示意圖； 圖2是本發(fā)明雙支梁諧振器俯視結構示意圖； 圖3是本發(fā)明圓盤式諧振器立體結構示意圖； 圖4是本發(fā)明圓盤式諧振器俯視結構示意圖；圖5a 5h是本發(fā)明制備平面電容諧振傳感器的工藝流程示意圖。 圖6為制備完成的雙支梁式平面電容諧振器顯微鏡照片。
具體實施方式
如圖1一4所示，本發(fā)明平面電容諧振器，包括諧振體2、傳感電極3、驅動電極 4以及支撐它們的襯底1;其中，諧振體2是懸空的結構，通過錨點5固支在襯底上; 傳感電極3由極板31和焊盤13組成，驅動電極4由極板41和焊盤13'組成；極板31 和極板41分別設置在諧振體2的兩側，并與諧振體2之間保持有一定的間隙，極板 31、極板41和諧振體2作為電容極板，兩兩之間的間隙作為中間介質形成電容結構；
焊盤13和焊盤13'通過絕緣介質膜6與襯底1錨定，其上的金屬電極7用于將諧振器與外部驅動電源、檢測系統(tǒng)互連。諧振體的形狀可以選擇各種適用的形狀，如雙支梁式或者圓盤式等，其厚度為幾 微米到幾十微米。例如，雙支梁式諧振器的梁長介于幾十微米到1毫米，寬度為幾微米；盤式平面電容諧振器的半徑為十幾微米到幾百微米。由于諧振體厚度遠大于諧振 體寬度，且傳感和驅動電極位于諧振體兩側，所以雙支梁諧振器在橫向發(fā)生撓性振動， 而圓盤型諧振器沿徑向進行體模式振動，振動方向設計沿<110>晶向，從而獲得最大 的諧振頻率。傳感電極和驅動電極的極板是通過在器件層上刻蝕深槽，再lpcvd多晶硅回填 到深槽內形成的，所以平面電容諧振器的傳感電極和驅動電極極板垂直于襯底，并位 于諧振體的反節(jié)點位置，此位置諧振器的振動幅度最大。對淀積的多晶硅需進行摻雜， 以保證良好的導電特性，摻雜包括原位摻雜和擴散兩種方式，如果選擇擴散摻雜，在 lpcvd多晶硅部分完成時進行擴散，再接著淀積多晶硅。多晶硅淀積完成后高溫退 火，以激活摻入的原子。本發(fā)明諧振器利用電容驅動和傳感的換能方式工作，驅動電極加交流信號，在諧 振體上加直流偏置，則傳感電極輸出一個交流電流信號。在交流信號和直流偏置的共 同作用下，傳感和驅動電極信號通過電容耦合到諧振體，在諧振體上施加靜電力，當 輸入信號頻率與諧振頻率一致時發(fā)生共振。諧振信號通過諧振子和多晶硅輸出電極間 的電容耦合到輸出電極上，驅動力和輸出電流信號可分別表示為<formula>formula see original document page 5</formula>(2)其中fz)C、 V。e分別為直流偏壓和交流電壓信號，c為電容。顯然，增加直流偏壓、 減小交流電壓信號是得到較大驅動力和輸出電流信號的必要條件。 對于雙支梁式諧振器，其諧振頻率表示為<formula>formula see original document page 5</formula>
關的頻率系數(shù)。對于體模式諧振器，其諧振頻率表示為y 一丄I ￡其中R是諧振子的半徑，k是頻率常數(shù)，對<110>晶向的單晶硅為1.6002， E、 p、 v分別是材料的楊式模量、密度和泊松比。諧振器的等效運動阻抗RmOcW/Q,其中d電容極板間隙，Q是品質因子。顯然諧 振器的動態(tài)特性主要依賴于諧振器制備材料的性質、諧振器的幾何結構、固支方式等。 本發(fā)明由于選用了高楊式模量和低泊松比的單晶硅等材料，并盡可能減小電容極板間 隙d，并優(yōu)化了幾何尺寸，所以本發(fā)明諧振器具有很高的諧振頻率和Q因子，提高諧 振器的諧振頻率和Q因子意味著提高傳感器的靈敏度和分辨率。諧振器可利用MEMS技術以及高深寬比多晶硅/單晶硅組合工藝(HARPSS)制 備，主要步驟包括硅深槽刻蝕、LPCVD生長Si02犧牲層、多晶硅回填深槽形成多 晶硅電極、體硅深刻蝕定義諧振體結構、腐蝕Si02犧牲層使諧振體結構懸空。在高深 寬比深槽的刻蝕技術中采用感應耦合等離子體(ICP)深刻蝕技術，通過控制刻蝕與 鈍化時間比為2: 1 — 10: 1，使刻蝕的側壁盡可能平整，并減小橫向鉆蝕。深槽刻蝕 完成后，氧化器件表面再濕法腐蝕氧化層，氧化層厚度控制在500nm—lnm，從而平 坦化諧振體結構表面，減小表面效應引起的能量損耗。平坦化完成后，采用LPCVD 技術淀積50—200nm的氧化層，在諧振體側壁形成自對準層，該薄膜作為犧牲層，在 諧振體結構制備完成后通過濕法腐蝕該薄膜，從而釋放諧振體結構。氧化層厚度決定 了諧振體與傳感電極和驅動電極間垂直電容極板間隙，而電容間隙大小直接影響諧振 器的等效運動阻抗，所以該電容極板間隙應盡可能小。采用LPCVD技術在深槽內淀 積多晶硅電極，多晶硅厚度由槽寬度決定，介于4一8pm之間。諧振器的多晶硅電極 以及互連用金屬電極制備完成后，進行另外一次體硅深刻蝕， 一是進一步定義諧振體 形狀，另一方面是為了釋放結構。體硅深刻蝕完成后，通過濕法腐蝕Si02犧牲層，釋 放諧振體結構，即制得相應的諧振器。如應用于生化傳感檢測，需在諧振體表面淀積50mn左右的金薄膜，根據(jù)待測生 化分子的類型，組裝對應的生化敏感層。諧振器在結構釋放完成后可通過硅/玻璃陽極 鍵合技術對諧振器進行真空封裝，以減小諧振損耗。 實裨例1、圖5為本發(fā)明諧振器的制備流程圖，具體步驟如下-1) 采用N型、(100)晶面的低阻單面拋光硅片1;在硅片上LPCVD 150nmSiNx 層6，第一次光刻并RIE刻蝕SiNx層6，該介質層6用于隔離多晶硅焊盤13與襯底1(圖5a);2) 第二次光刻，并以光刻膠作為掩膜，在感應耦合等離子體刻蝕(ICP)系統(tǒng)中 各向同性刻蝕硅，形成兩個深槽11，槽深度介于10 — 20微米，槽寬介于4一8微米(圖 5b);3) 對刻蝕后的硅片氧化，厚度500nm，然后濕法腐蝕氧化硅，以平坦化刻蝕后 的硅結構側壁；4) 在硅片上LPCVD淀積Si02層，厚度為50nm—200nm，然后RIE刻蝕硅片表 面的Si02層，在深槽ll側壁的Si02層12被保留(這是由于RIE只沿垂直方向刻蝕 掉表面和底面的Si02，從而能夠保留側壁的Si02層)；該Si02層12將作為犧牲層釋 放諧振體結構，其厚度決定了諧振器電容極板的間隙(圖5c);5) 在深槽11內LPCVD淀積多晶硅，厚度約為槽寬的一半，然后在IOOO'C件下 進行磷擴散，時間l小時；再LPCVD淀積多晶硅，厚度仍為槽寬的一半，保證填滿 刻蝕的深槽，形成驅動電極3和傳感電極4的極板31、 41;在氮氣氛、1000。C條件 下對多晶硅退火60分鐘，以激活磷原子；第三次光刻，并ICP刻蝕硅片表面的多晶 硅，形成驅動電極3和傳感電極4的多晶硅焊盤13、 13'，從而形成傳感電極3和驅 動電極4 (圖5d);6) 濺射30/300nm鉻/金，第四次光刻，并腐蝕掉鉻/金，在多晶硅焊盤13、 13， 上形成金屬電極7 (圖5e)，該金屬電極7用于驅動電極3和傳感電極4與外部驅動 電源、檢測系統(tǒng)連接；7) 第五次光刻，并在驅動電極3和傳感電極4的極板31、 41的兩側ICP各向異 性干法刻蝕硅，深度為10—20微米(圖5f)，再各向同性刻蝕硅直至諧振體結構2 懸空(圖5g);8) HF腐蝕Si02直到結構釋放(圖5h)，得到平面電容諧振器。圖6為制備完成的雙支梁式平面電容諧振器顯微鏡照片，該諧振器長300微米、 寬6微米、厚20微米、電容極板間隙100納米，該諧振器包括兩個固支點，位于諧 振體的兩端。該寬度為6微米、厚度為20微米、長度為300微米的雙支梁諧振器，其一階諧
振頻率為495kHz 。采用同樣的操作，可以制備出其他尺寸的雙支梁諧振器寬度為6微米、厚度為20微米、長度為500微米的雙支梁諧振器，其一階諧振 頻率為198kHz。圓盤型諧振器也可以采用與上相同的操作流程進行，只需要在刻蝕時先圖形化出 圓盤形的諧振體和相應形狀的極板結構對于厚度為3微米、半徑分別為30和50微米的圓盤型諧振器，其一階諧振頻率 分別為148MHz和88MHz。
權利要求
1、一種制備平面電容諧振器的方法，包括如下步驟1)以(100)晶面的低阻硅片作為襯底，在硅片上LPCVD一層氮化硅層，第一次光刻并RIE刻蝕氮化硅層，形成氮化硅絕緣層；2)第二次光刻，并以光刻膠作為掩膜，在感應耦合等離子體系統(tǒng)中各向異性干法刻蝕硅，形成兩個深槽；3)在硅片上LPCVD淀積SiO2層，然后RIE刻蝕硅片表面的SiO2層，在深槽側壁的SiO2層被保留，形成自對準氧化層；4)在兩個深槽內LPCVD淀積多晶硅，厚度約為槽寬的一半，進行磷擴散之后再LPCVD淀積多晶硅，厚度仍為槽寬的一半，保證填滿深槽，對多晶硅退火以激活摻入的磷原子，形成驅動電極和傳感電極的極板；第三次光刻，并ICP刻蝕硅片表面的多晶硅，形成驅動電極和傳感電極的焊盤，從而形成傳感電極和驅動電極；5)濺射金屬并光刻，腐蝕金屬，在驅動電極和傳感電極的焊盤上形成互連金屬電極；6)光刻并ICP各向異性刻蝕硅，再各向同性刻蝕硅至諧振體懸空；HF腐蝕SiO2直到諧振體釋放，得到所述平面電容諧振器。
2、 根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于在步驟2)之后，還進行如下 操作對刻蝕后的硅片先進行氧化，然后，再濕法腐蝕掉氧化層。
3、 根據(jù)權利要求1所述的制備方法，其特征在于在諧振體表面還修飾生化敏 感層，用以檢測生化分子。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備平面電容諧振器的方法，包括如下步驟1)在硅片上LPCVD一層氮化硅層，第一次光刻并RIE刻蝕氮化硅層；2)第二次光刻，并以該光刻膠作為掩膜，在感應耦合等離子體系統(tǒng)中各向異性干法刻蝕硅，形成深槽；3)對刻蝕后的硅片氧化，然后濕法腐蝕掉氧化層，以平坦化刻蝕后的硅結構側壁；4)LPCVD并刻蝕SiO₂，在深槽側壁形成自對準氧化層；5)LPCVD多晶硅，光刻并刻蝕多晶硅，形成多晶硅傳感電極和驅動電極；6)先各向異性再各向同性ICP刻蝕硅，懸空諧振體結構；7)HF腐蝕SiO₂直到諧振體釋放，得到所述平面電容諧振器。
文檔編號H03H3/00GK101150300SQ20071012186
公開日2008年3月26日 申請日期2007年9月17日 優(yōu)先權日2007年9月17日
發(fā)明者于曉梅, 毅 劉, 易玉良, 湯雅權, 王兆江, 馬盛林 申請人:北京大學