CN100588119C - 一种平面电容谐振器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平面电容谐振器及其制备方法。本发明所提供的平面电容谐振器，包括谐振体、传感电极、驱动电极以及支撑它们的衬底，谐振体是悬空的结构，通过锚点固支在衬底上；传感电极和驱动电极均由极板和焊盘组成，传感电极和驱动电极的极板分别设置在谐振体的两侧，与谐振体之间保持有一定的间隙，两两之间的间隙作为中间介质形成电容结构；传感电极和驱动电极的焊盘固定在绝缘介质层上，焊盘上均设置有金属电极；绝缘介质层固定在衬底上。本发明平面电容谐振器的电容极板间隙在亚100nm，具有极高的动态特性，其谐振频率可超过百MHz，而Q因子可达到10⁵。

Description

一种平面电容谐振器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种平面电容谐振器及其制备方法。

背景技术

采用微机械加工技术制作的MEMS谐振器由于具有低功耗、高Q值、宽频带、体积小、以及能与CMOS工艺兼容等优点，因此人们正逐步采用MEMS谐振器代替传统的片下、大体积频率选择器件，以满足低功耗、低成本、高性能、高集成度无线通讯技术的需求。另一方面，由于谐振器的谐振频率对环境参数具有非常高的灵敏度，所以MEMS谐振器在高灵敏度谐振传感检测方面也极具潜力，如生化传感器、压力传感器、加速度计、陀螺等器件均可采用谐振方式检测信号。目前，具有无线通讯功能的集成单芯片最大障碍是需要在RF滤波和储能电路中配置高Q值的谐振器，而谐振传感检测方面需要有效提高其谐振频率和Q值，以改善传感器的灵敏度和分辨率，因此提高MEMS谐振器的动态特性是目前研究的关键。

微机械谐振器主要有梳状结构谐振器、悬臂梁谐振器、表面和体声波谐振器等。表面和体声波谐振器技术在通信系统中已有实际应用，但这类器件的功耗和体积比较大，并受集成电路制造工艺兼容性限制，不能实现与IC集成；梳状结构和悬臂梁式谐振器采用多晶硅或单晶硅材料，利用牺牲层工艺或体硅工艺制造，提高其谐振频率的一种手段是减小几何尺寸。悬臂梁谐振器的应用研究目前主要集中在谐振传感检测，在真空环境下，动态模式工作的纳机械悬臂梁传感器的质量灵敏度达到10^-18g/Hz，Q值可以达到4500，但在大气环境下，工作在10kHz-1MHz频率范围内谐振器的Q值仅介于50-200之间。在液态环境下，由于受到巨大粘滞阻尼的作用，悬臂梁传感器的质量探测灵敏度降低了几个数量级，典型Q值仅为2-5。谐振损耗限制了挠性纳机械谐振器Q值的提高，而制备工艺、制备成本等问题限制了其广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种平面电容谐振器及其制备方法。

本发明所提供的平面电容谐振器，包括谐振体、传感电极、驱动电极以及支撑它们的衬底，谐振体是悬空的结构，通过锚点固支在衬底上；传感电极和驱动电极均由极板和焊盘组成，传感电极和驱动电极的极板分别设置在谐振体的两侧，与谐振体之间保持有一定的间隙，两两之间的间隙作为中间介质形成电容结构；传感电极和驱动电极的焊盘固定在绝缘介质层上，焊盘上均设置有金属电极；绝缘介质层固定在衬底上。

常见的，谐振体包括双支梁和圆盘形两种结构。双支梁谐振体的梁长介于几十微米到1毫米，宽度为几微米；圆盘形谐振体的半径为十几微米到几百微米；谐振体厚度为几微米至几十微米。谐振体的锚点包括2-4个，用于固定谐振体于衬底上，锚点设计位于谐振体的振动节点处，即震动幅度最小处，以减小能量损失；传感电极和驱动电极的极板垂直于衬底，并位于谐振体的反节点位置，即震动幅度最大处，以增加驱动力和输出信号幅度。传感电极和驱动电极的极板纵向深度与谐振体的厚度相一致，介于5-30微米，传感电极和驱动电极的极板与谐振体的间隙小于200nm。

常见的，衬底为SOI硅片；谐振体材料为单晶硅、多晶硅、SiGe或SiC；传感电极和驱动电极材料为多晶硅、SiGe或SiC；绝缘介质层为氮化硅层。

为了能够将本发明谐振器应用于生化传感检测，在谐振体表面设置有生化敏感层，例如，在谐振体表面淀积并定义几十纳米的金薄膜，用于修饰传感器表面，以组装生物分子。

本发明平面电容谐振器的制备方法，包括如下步骤：

1)采用SOI硅片作为加工基片，在SOI硅片表面LPCVD一层SiNx，进行第一次光刻，并在反应离子刻蚀系统中(RIE)干法刻蚀SiNx，形成SiNx绝缘层，该SiNx绝缘层用于隔离多晶硅焊盘与衬底；

2)第二次光刻，并以该光刻胶作为硅深槽刻蚀的掩膜，在感应耦合等离子体(ICP)系统中干法刻蚀硅器件层至埋氧层，再在氧等离子刻蚀(AOE)系统中干法刻蚀埋氧层至衬底硅，形成两个深槽；

3)LPCVD淀积SiO₂层，RIE干法刻蚀硅片表面的SiO₂层，保留深槽侧壁的SiO₂层；

4)在深槽中LPCVD掺杂的多晶硅，形成传感电极和驱动电极的多晶硅极板；进行第三次光刻，并ICP刻蚀多晶硅，形成传感电极和驱动电极的多晶硅焊盘；

5)溅射铬/金，第四次光刻，并腐蚀铬/金，在传感电极和驱动电极的多晶硅焊盘上形成金属电极；

6)以光刻胶作为掩膜进行第五次光刻，光刻后划片；ICP刻蚀硅至埋氧层，HF腐蚀SiO₂直到谐振体结构释放，得到所述平面电容谐振传感器。

为了平坦化谐振体结构表面，减小表面效应引起的能量损耗，在步骤2)之后，还进行如下操作：

对刻蚀后的硅片先进行氧化，然后，再湿法腐蚀掉氧化层。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、相比体、表面声波、压电等类型的谐振器，本发明硅基MEMS谐振器具有易于与IC实现单片集成的优点，集成的谐振、传感系统可减小电路及器件的寄生效应、功耗和体积，提高探测灵敏度，尤其适合于广泛应用。

2、本发明采用硅等其它高的杨式模量和屈服应力的材料制备谐振器结构，所以使谐振器具有很高的谐振频率和Q因子。在传感器应用中，高谐振频率和Q因子意味着高的灵敏度和分辨率，而在无线通讯技术领域，好的动态特性即为好的频率选择性。

3、本发明平面电容谐振器由于极板设置在谐振体两侧，所以谐振体发生平面振动。与垂直模式振动的谐振器相比，首先由于电极设计在纵向，可以减小器件的面积；其次，这种设计可提供比较大的极板面积，从而提高驱动和输出信号的强度。另一方面，这种设计易于实现单晶硅谐振器的制备。

4、本发明平面电容谐振器采用自对准技术控制谐振器的极板，使得谐振体与电极极板距离d小于100nm，而谐振器的等效运动阻抗正比于d⁴，所以该发明可显著减小谐振器的等效运动阻抗，提高信噪比。

5、圆盘型谐振器以膨胀/收缩的工作模式代替挠性形变，具有更高的动态特性，其谐振频率可超过百MHz，而Q因子可达到10⁵。

6、本发明提出的表面平坦化技术可有效减小由于表面效应而引起的谐振器物理损耗，提高Q因子。

本发明提出一种可高频、高Q值工作的单晶硅平面电容式谐振传感器及其制备方法相比悬臂梁式传感器，首先，平面电容谐振器具有极高的动态特性，从而使谐振式传感器具有很高的灵敏度和分辨率；其次，平面电容谐振器具有较大面积传感和驱动电极，从而减小其运动阻抗，增加器件的匹配能力和信噪比；第三，平面电容谐振器在很低的驱动功率下可以保持很好的机械性质；第四，平面电容式谐振传感器具有较大的表面积，其可探测质量载荷量比挠性纳机械梁高几个量级；最后，平面电容式谐振器的振动模态平行于表面，因此可提供液态分子在传感器表面的粘滞弹性信息，应用范围更加广泛。

附图说明

图1是本发明双支梁谐振器立体结构示意图；

图2是本发明双支梁谐振器俯视结构示意图；

图3是本发明圆盘式谐振器立体结构示意图；

图4是本发明圆盘式谐振器俯视结构示意图；

图5a～5h是本发明制备平面电容谐振传感器的工艺流程示意图。

图6为制备完成的双支梁式平面电容谐振器扫描电镜照片。

具体实施方式

如图1-4所示，本发明平面电容谐振器，包括谐振体2、传感电极3、驱动电极4以及支撑它们的衬底1；其中，谐振体2是悬空的结构，通过锚点5固支在衬底上；传感电极3由极板31和焊盘13组成，驱动电极4由极板41和焊盘13’组成；极板31和极板41分别设置在谐振体2的两侧，并与谐振体2之间保持有一定的间隙，极板31、极板41和谐振体2作为电容极板，两两之间的间隙作为中间介质形成电容结构；焊盘13和焊盘13’通过绝缘介质膜6与衬底1锚定，其上的金属电极7用于将谐振器与外部驱动电源、检测系统互连。

谐振体的形状可以选择各种适用的形状，如双支梁式或者圆盘式等，其厚度为几微米到几十微米。例如，双支梁式谐振器的梁长介于几十微米到1毫米，宽度为几微米；盘式平面电容谐振器的半径为十几微米到几百微米。由于谐振体厚度远大于谐振体宽度，所以双支梁谐振器在横向发生挠性振动，而圆盘型谐振器沿径向进行体模式振动，振动方向设计沿<110>晶向，从而获得最大的谐振频率。

传感电极和驱动电极的极板是通过在器件层上刻蚀深槽，再LPCVD多晶硅回填到深槽内形成的，所以平面电容谐振器的传感电极和驱动电极极板垂直于衬底，并位于谐振体的反节点位置，此位置谐振器的振动幅度最大。对淀积的多晶硅需进行掺杂，以保证良好的导电特性，掺杂包括在位掺杂和扩散两种方式，如果选择扩散掺杂，在LPCVD多晶硅部分完成时进行扩散，再接着淀积多晶硅。多晶硅淀积完成后高温退火，以激活掺入的离子。

谐振器可利用MEMS技术以及高深宽比多晶硅/单晶硅组合工艺(HARPSS)制备，主要步骤包括硅深槽刻蚀、LPCVD生长SiO2牺牲层、多晶硅回填深槽形成多晶硅电极、体硅深刻蚀定义谐振器结构、腐蚀SiO2牺牲层使谐振结构悬空。在高深宽比深槽的刻蚀技术中采用感应耦合等离子体(ICP)深刻蚀技术，通过控制刻蚀与钝化时间比为2∶1-10∶1，使刻蚀的侧壁尽可能平整，并减小横向钻蚀。深槽刻蚀完成后，氧化器件表面再湿法腐蚀氧化层，氧化层厚度控制在500nm-1μm，从而平坦化谐振体结构表面，减小表面效应引起的能量损耗。平坦化完成后，再采用LPCVD技术淀积50-200nm的SiO₂氧化层，在谐振体侧壁形成一层SiO₂薄膜，该薄膜作为牺牲层，在谐振体结构制备完成后通过湿法腐蚀该薄膜，从而释放谐振体。该SiO₂薄膜的厚度决定了谐振体与传感电极和驱动电极的极板之间的电容极板间隙，而电容极板间隙大小直接影响谐振器的等效运动阻抗，所以应尽可能小。采用LPCVD技术在深槽内淀积多晶硅，多晶硅厚度由槽宽度决定，介于4-8μm之间，该多晶硅即为传感电极和驱动电极的极板。进一步的，制作出传感电极和驱动电极的多晶硅焊盘，即形成传感电极和驱动电极。互连用金属电极制备完成后，进行另外一次体硅深刻蚀，一是进一步定义谐振体形状，另一方面为了释放结构。体硅深刻蚀完成后，通过湿法腐蚀SiO₂牺牲层，释放出谐振体结构，从而形成本发明谐振器。

如应用于生化传感检测，需在谐振体表面淀积50nm左右的金薄膜，根据待测生化分子的类型，组装对应的生化敏感层。

谐振器在结构释放完成后可通过硅/玻璃阳极键合技术对谐振器进行真空封装，以减小谐振损耗。

本发明谐振器利用电容驱动和传感的换能方式工作，驱动电极加交流信号，在谐振体上加直流偏置，则传感电极输出一个交流电流信号。在交流信号和直流偏置的共同作用下，传感和驱动电极信号通过电容耦合到谐振体，在谐振体上施加静电力，当输入信号频率与谐振频率一致时发生共振。谐振信号通过谐振子和多晶硅输出电极间的电容耦合到输出电极上，驱动力和输出电流信号可分别表示为：

$F_{\mathrm{Drive}}=\frac{1}{2}{(V_{\mathrm{DC}}-v_{\mathrm{ac}})}^2\frac{\&PartialD;C}{\&PartialD;x}---\left(1\right)$

$i_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{DC}}\frac{\&PartialD;C}{\&PartialD;x}\frac{\&PartialD;x}{\&PartialD;t}---\left(2\right)$

其中V_DC、v_ac分别为直流偏压和交流电压信号，C为电容。显然，增加直流偏压、减小交流电压信号是得到较大驱动力和输出电流信号的必要条件。

对于双支梁式谐振器，其谐振频率表示为：

$f_0=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_n^2}{2\mathrm{\&pi;}{L}^2}\sqrt{\frac{\mathrm{EI}}{M}}---\left(3\right)$

其中L谐振体长度，E杨式模量，I转动惯量，M梁的质量，λn为与振动模态相关的频率系数。

对于体模式谐振器，其谐振频率表示为：

$f_0=\frac{k}{2\mathrm{\&pi;R}}\sqrt{\frac{E}{\mathrm{\&rho;}(1-v^2)}}---\left(4\right)$

其中R是谐振子的半径，k是频率常数，对<110>晶向的单晶硅为1.6002，E、ρ、v分别是材料的杨式模量、密度和泊松比。

谐振器的等效运动阻抗R_m∝d⁴/Q，其中d电容极板间隙，Q是品质因子。显然谐振器的动态特性主要依赖于谐振器制备材料的性质、谐振器的几何结构、固支方式等。本发明由于选用了高杨式模量和低泊松比的单晶硅等材料，并尽可能减小电容极板间隙d，并优化了几何尺寸，所以本发明谐振器具有很高的谐振频率和Q因子，提高谐振器的谐振频率和Q因子意味着提高传感器的灵敏度和分辨率。

实施例1、

图5为本发明谐振器的制备流程图，具体步骤如下：

1)采用SOI硅片1作为加工基片，器件层8为N型，(100)晶面，器件层8的厚度分别为10微米和20微米，中间埋氧层9厚度为3微米(图5a)；

2)在SOI硅片1器件层8表面LPCVD(低压化学汽相沉积)一层SiNx，厚度为150nm，采用光刻胶进行第一次光刻，并在反应离子刻蚀系统中(RIE)干法刻蚀SiNx，形成SiNx绝缘层6，该SiNx绝缘层6用于隔离多晶硅焊盘13与衬底1(图5b)；

3)第二次光刻，图形化出驱动电极3和传感电极4的极板31、41以及谐振体2的位置，并以该光刻胶10作为下一步硅深刻蚀的掩膜(图5c)；

4)在感应耦合等离子体(ICP)系统中干法刻蚀SOI硅片1的器件层8至埋氧层9，再在AOE系统(氧等离子刻蚀)中干法刻蚀埋氧层9至衬底硅1的下器件层形成两个深槽11，槽宽为4～6微米，该深槽11即为驱动电极3和传感电极4的极板31、41的生长位置(图5d)；

5)对刻蚀后的硅片氧化，氧化层厚度为500nm，然后湿法腐蚀掉氧化层，以平坦化刻蚀后的硅结构侧壁，减小侧壁不平滑引起的表面效应；

6)采用LPCVD技术在硅片上淀积SiO₂层，厚度为100nm；再采用RIE干法刻蚀表面SiO₂，但在深槽11的侧壁保留SiO₂层12(这是由于RIE只沿垂直方向刻蚀掉表面和底面的SiO₂，从而能够保留侧壁的SiO₂层)，该SiO₂氧化层12将作为牺牲层来释放谐振体2，并决定了电容极板的间隙(图5e)；

7)在深槽11中LPCVD淀积多晶硅，厚度约为槽宽的一半，然后在1000℃条件下进行磷扩散，时间1小时；再LPCVD淀积多晶硅，厚度仍为槽宽的一半，保证填满刻蚀的深槽，形成驱动电极3和传感电极4的极板31、41；在氮气氛、1000℃条件下对多晶硅退火60分钟，以激活磷原子；需要的时侯，可以进行CMP(化学机械抛光)，以平整多晶硅表面；第三次光刻，并ICP刻蚀多晶硅，形成驱动电极3和传感电极4的多晶硅焊盘13、13’，从而形成传感电极3和驱动电极4(图5f)；

8)溅射30/300nm铬/金，第四次光刻，并腐蚀掉铬/金，在多晶硅焊盘13、13’上形成金属电极7(图5g)，该金属电极7用于驱动电极3和传感电极4与外部驱动电源、检测系统的连接；

9)第5次光刻，光刻后坚膜(在160℃下坚膜30min)，该层光刻胶作为步骤10)ICP刻蚀的掩膜；之后，再涂另外一层光刻胶，以便于划片时保护片子表面；划片，划片后去掉上层保护胶，余下首层有光刻图形的胶，作为下一步ICP刻蚀的掩膜；

10)ICP刻蚀硅器件层8至埋氧层9；HF腐蚀SiO₂直到谐振体2结构释放，平面电容谐振器制备完成(图5h)。

图6为制备完成的双支梁式平面电容谐振器扫描电镜照片，该谐振器长300微米、宽6微米、厚20微米、电容极板间隙100纳米，该谐振器包括两个固支点，位于谐振体的两端。

该宽度为6微米、厚度为20微米、长度为300微米的双支梁谐振器，其一阶谐振频率为495kHz。

采用同样的操作，可以制备出其他尺寸的双支梁谐振器：

宽度为6微米、厚度为20微米、长度为500微米的双支梁谐振器，其一阶谐振频率为198kHz。

圆盘型谐振器也可以采用与上相同的操作流程进行，只需要在刻蚀时先图形化出圆盘形的谐振体和相应形状的极板结构：

对于厚度为3微米、半径分别为30和50微米的圆盘型谐振器，其一阶谐振频率分别为148MHz和88MHz。

Claims (10)

1、一种平面电容谐振器，包括谐振体、传感电极、驱动电极以及支撑它们的衬底，所述谐振体是悬空的结构，通过锚点固支在衬底上；其特征在于：所述传感电极和驱动电极均由极板和焊盘组成，所述传感电极的极板和驱动电极的极板分别设置在所述谐振体的两侧，与谐振体之间保持有一定的间隙，两两之间的间隙作为中间介质形成电容结构；所述传感电极的焊盘和驱动电极的焊盘固定在绝缘介质层上，所述焊盘上均设置有金属电极；所述绝缘介质层固定在所述衬底上。

2、根据权利要求1所述的平面电容谐振器，其特征在于：所述谐振体的形状为双支梁或圆盘形。

3、根据权利要求2所述的平面电容谐振器，其特征在于：所述双支梁谐振体的梁长介于几十微米到1毫米，宽度为几微米；所述圆盘形谐振体的半径为十几微米到几百微米；所述谐振体厚度为几微米至几十微米。

4、根据权利要求1所述的平面电容谐振器，其特征在于：所述谐振体的锚点包括2-4个，位于谐振体的振动节点处。

5、根据权利要求1所述的平面电容谐振器，其特征在于：所述传感电极和驱动电极的极板与谐振体的间隙小于200nm。

6、根据权利要求1-5任一所述的平面电容谐振器，其特征在于：所述衬底为SOI硅片；所述谐振体材料为单晶硅、多晶硅、SiGe或SiC；所述传感电极和驱动电极材料为多晶硅、SiGe或SiC；所述绝缘介质层为氮化硅层。

7、根据权利要求1-5任一所述的平面电容谐振器，其特征在于：所述谐振体表面还设置有生化敏感层。

8、一种平面电容谐振器的制备方法，包括如下步骤：

1)采用SOI硅片作为加工基片，在SOI硅片表面低压化学气相沉积一层SiNx，采用光刻胶进行第一次光刻，并在反应离子刻蚀系统中干法刻蚀SiNx，形成SiNx绝缘层，该SiNx绝缘层用于隔离多晶硅焊盘与衬底；

2)第二次光刻，图形化出驱动电极极板和传感电极极板以及谐振体的位置，并以光刻胶作为硅深槽刻蚀的掩膜，在感应耦合等离子体系统中干法刻蚀硅器件层至埋氧层，再在氧等离子刻蚀系统中干法刻蚀埋氧层至衬底硅的下器件层，形成分别位于谐振体两侧的两个深槽；

3)低压化学气相沉积SiO₂层，在反应离子刻蚀系统中干法刻蚀硅片表面的SiO₂层，保留深槽侧壁的SiO₂层；

4)在深槽中低压化学气相沉积多晶硅，厚度约为槽宽的一半，然后在1000℃条件下进行磷扩散，时间1小时；再低压化学气相淀积多晶硅，厚度仍为槽宽的一半，填满刻蚀的深槽，形成传感电极的多晶硅极板和驱动电极的多晶硅极板；在氮气氛、1000℃条件下对多晶硅退火60分钟，以激活磷原子；进行第三次光刻，并在感应耦合等离子体系统中刻蚀多晶硅，形成传感电极的多晶硅焊盘和驱动电极的多晶硅焊盘，形成传感电极和驱动电极；

5)溅射铬/金，第四次光刻，并腐蚀铬/金，在传感电极的多晶硅焊盘和驱动电极的多晶硅焊盘上形成金属电极；

6)第五次光刻，光刻后坚膜，划片；在感应耦合等离子体系统中刻蚀硅器件层至埋氧层，氢氟酸腐蚀SiO₂直到谐振体结构释放，得到所述平面电容谐振器。

9、根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：在步骤2)之后，还进行如下操作：

对刻蚀后的硅片先进行氧化，然后，再湿法腐蚀掉氧化层。

10、根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：在谐振体表面还修饰生化敏感层，用以检测生化分子。

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