CN103439032B - 硅微谐振器的加工方法 - Google Patents
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Abstract
硅微谐振器的加工方法，属于传感器领域，本发明为解决谐振器采用现有方法制作存在的问题。本发明该方法包括以下步骤：步骤一、选用电阻率为3Ω·cm～10Ω·cm的N型<111>硅片作为待加工硅片，进行热氧化处理，获取热氧化处理硅片；步骤二、采用光刻工艺在热氧化处理硅片的上表面刻蚀出谐振梁结构图形；去掉谐振梁两侧区域的氧化层；同时，利用深反应离子刻蚀工艺在所述谐振梁两侧对称形成两个深槽；步骤三、谐振梁侧壁覆盖钝化层；步骤四、刻蚀掉两个深槽底部的钝化层；步骤五、继续对两个深槽底部再刻蚀一定深度；步骤六、用TMAH溶液对硅片进行腐蚀，释放出谐振梁；谐振梁两侧的两个深槽连通后构成振动腔室，加工出硅微谐振器。
Description
技术领域
本发明涉及硅微谐振器的加工方法，属于传感器领域。
背景技术
硅微谐振式压力传感器长期精度可达0.01％FS，是目前精度最高的硅微压力传感器，而且抗干扰能力很强，性能稳定，年稳定性可达0.01%。此类传感器是工业控制系统、大气、宇宙数据检测系统中所迫切需要的传感器。而谐振器是这类传感器的核心，谐振器的核心结构是谐振梁或是谐振膜，以及悬臂梁（膜）所处真空腔。目前，此类用途的谐振器的谐振梁（膜）主要采用以下四种方法制作，这些方法存在各自不足：
（1）谐振器采用两个硅片通过硅硅直接键合来完成。其中一个硅片通过正面或背面减薄的方法制作谐振梁，另一硅片制作压力敏感薄膜，并为谐振梁提供振动框架。这种方法所采用的硅硅直接键合技术对硅片表面平整度要求极高，一般硅片尤其经过多步微加工工艺后的硅片较难满足。该技术需要在高温下完成，这要求金属引线制作等工艺必须在此工艺之后进行，限制了谐振器制作的灵活性。另外，由于原始硅片厚度不可能处处相等，而减薄过程也不可能处处均匀，因此得到的谐振梁厚度均匀性不可能太好；
（2）谐振器的谐振梁（膜）采用浓硼自停止腐蚀方法来完成。该方法需要对硅片中谐振梁（膜）所在的区域进行浓硼掺杂，然后通过湿法腐蚀方法进行谐振梁（膜）的释放。谐振梁（膜）厚度由硼掺杂的深度决定，因此谐振梁不容易做厚。另外，掺杂会使谐振子存在较大应力，影响器件的长期稳定性；
（3）谐振器的谐振梁（膜）采用牺牲层方法来完成。该方法需要先沉积二氧化硅薄膜充当牺牲层，沉积多晶硅或氮化硅薄膜充当结构层。因此，谐振梁是由多晶硅或氮化硅构成，其力学性能不如单晶硅，也不利于进行压阻检测。沉积方法得到的薄膜不可能太厚，因此谐振梁的厚度和悬空高度会受到限制。薄膜的内应力也将影响器件的稳定性；
（4）谐振器采用SOI材料来制作。利用SOI材料上层硅来制作谐振梁，利用二氧化硅或氮化硅对谐振梁侧壁进行保护，通过各向异性腐蚀方法完成谐振梁的释放。此方法的优点是得到的谐振梁是单晶硅，但谐振梁厚度不能大于SOI材料上层硅的厚度。因此，谐振器振动频率的调整受到限制。另外，SOI材料的价格是普通硅片的10倍，成本较高。
发明内容
本发明目的是为了解决谐振器采用现有方法制作存在的问题，提供了一种硅微谐振器的加工方法。
本发明所述硅微谐振器的加工方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、选用电阻率为3Ω·cm～10Ω·cm的N型<111>硅片作为待加工硅片，对待加工硅片进行热氧化处理，在待加工硅片的上下表面形成氧化膜，获取热氧化处理硅片；
步骤二、采用光刻工艺在热氧化处理硅片的上表面刻蚀出谐振梁结构图形；然后以反应离子刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺去掉谐振梁两侧区域的氧化层；同时，利用深反应离子刻蚀工艺在所述谐振梁两侧对称形成两个深槽，此深槽的深度为谐振梁的厚度；
步骤三、利用LPCVD沉积氮化硅或二氧化硅作为钝化层对氧化层、两个深槽的侧壁及底部进行覆盖，完成对谐振梁侧壁覆盖钝化层；
步骤四、利用反应离子刻蚀工艺刻蚀掉所述热氧化处理硅片的上表面氧化层之上的钝化层及两个深槽底部的钝化层；
步骤五、利用深反应离子刻蚀工艺继续对两个深槽底部再刻蚀一定深度，此深度是谐振梁的悬空高度；
步骤六、用TMAH溶液对硅片进行腐蚀，直到谐振梁底部的硅全部被腐蚀掉，释放出谐振梁；谐振梁两侧的两个深槽连通后构成振动腔室，加工出硅微谐振器。
本发明的优点：本发明提出一种操作简便的谐振器制作方法，主要采用N型<111>硅片单面制作，除了具有工艺简易可控外，所制得的谐振梁是单晶硅材料，没有内应力。这使得谐振梁具有很高的压阻效应和稳定性。干法和湿法工艺交叉使用，谐振梁尺寸和悬空高度可在较大范围内调整，使得谐振梁的振动频率可在较大范围内自由调整。由于利用了N型<111>硅片特有的自停止腐蚀特性，谐振梁尺寸更容易控制精确。
附图说明
图1是本发明所述硅微谐振器的加工方法涉及的硅微谐振器的结构示意图；
图2是待加工硅片的结构示意图；
图3是热氧化处理硅片的结构示意图；
图4是硅片加工出深槽后的结构示意图；
图5是覆盖钝化层后的结构示意图；
图6是刻蚀掉深槽底部的钝化层后的结构示意图；
图7是刻蚀出谐振梁悬空高度后的结构示意图；
图8是两个深槽连通后形成的硅微谐振器的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式所述硅微谐振器的加工方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、选用电阻率为3Ω·cm～10Ω·cm的N型<111>硅片作为待加工硅片，对待加工硅片进行热氧化处理，在待加工硅片的上下表面形成氧化膜，获取热氧化处理硅片；
步骤二、采用光刻工艺在热氧化处理硅片的上表面刻蚀出谐振梁结构图形；然后以反应离子刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺去掉谐振梁两侧区域的氧化层；同时，利用深反应离子刻蚀工艺在所述谐振梁两侧对称形成两个深槽，此深槽的深度为谐振梁的厚度；
步骤三、利用LPCVD沉积氮化硅或二氧化硅作为钝化层对氧化层、两个深槽的侧壁及底部进行覆盖，完成对谐振梁侧壁覆盖钝化层；
步骤四、利用反应离子刻蚀工艺刻蚀掉所述热氧化处理硅片的上表面氧化层之上的钝化层及两个深槽底部的钝化层；
步骤五、利用深反应离子刻蚀工艺继续对两个深槽底部再刻蚀一定深度，此深度是谐振梁的悬空高度；
步骤六、用TMAH溶液对硅片进行腐蚀，直到谐振梁底部的硅全部被腐掉，释放出谐振梁；谐振梁两侧的两个深槽连通后构成振动腔室，加工出硅微谐振器。
可根据需要，在步骤二工艺之前利用离子注入方法对硅表面进行掺杂，以改变其电学性能；
可根据需要，在步骤三工艺之后为器件制作引线和焊盘；
本实施方式主要提供了一种简单的谐振器制作方法。所涉及的谐振器的谐振梁（膜）是在N型<111>单晶硅片上制作。谐振梁的厚度和所在的腔室深度由深反应离子刻蚀工艺决定，便于调整。这使得谐振器的频率可在较大范围内调整。谐振梁的加工主要利用单晶硅在碱性腐蚀液中<111>晶向腐蚀速率远低于其他晶向的特性，选用N型<111>硅片，依据其法向腐蚀速率低的特点，在TMAH溶液中腐蚀后释放完成。得到的谐振梁为单晶硅材料且为衬底材料的一部分，没有内应力。另外，由于硅材料本身的对称性，处于<111>晶面内的任何晶向压阻系数都相同，且最大。因此，此谐振梁方便用于压阻检测。
图1中，部件1表示谐振梁，部件2表示振动腔室，部件3表示硅片。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，步骤二所述采用深反应离子刻蚀工艺在热氧化处理硅片的上表面刻蚀出谐振梁结构图形的过程为：
在所述谐振梁结构图形两侧对称进行刻蚀，形成两个对称的深槽，深槽的深度为谐振梁的厚度，两个深槽间隔的宽度为谐振梁的宽度。
谐振梁沿<211>晶向摆放，并且谐振梁长度是其宽度的倍以上。
具体实施方式三：本实施方式所涉及的谐振器制作方法结合了半导体的干、湿刻蚀工艺，并利用了<111>硅片的腐蚀特点。下面以振动频率为110kHz的谐振器为例，说明其制作方法。谐振梁沿<211>方向摆放，厚度为6微米，长和宽分别为600微米和40微米。其所处的腔室深度为20微米。谐振梁两侧的刻蚀区域长和宽分别为600微米和200微米。
具体工艺步骤如下：
(1)选用N型<111>硅片，电阻率为3～10Ω·cm。对硅片进行热氧化（如图2、3所示）；
(2)采用深反应离子刻蚀工艺(DRIE)刻蚀出谐振梁结构图形。谐振梁沿<211>晶向摆放。刻蚀区域的长和宽分别为600微米和200微米，深6微米。刻蚀区域间隔的宽度等于谐振梁的宽度，为40微米（如图4所示）；
(3)利用LPCVD沉积厚为1000～2000埃的氮化硅作为钝化层，对谐振梁侧壁进行覆盖（如图5所示）；
(4)利用反应离子刻蚀各向异性特点，刻蚀掉深槽底部的LPCVD沉积氮化硅层，而留下谐振梁侧壁的氮化硅（如图6所示）。此步骤可以不使用掩膜；
(5)利用深反应离子刻蚀工艺继续对潜槽底部刻蚀20微米，此深度是谐振梁的悬空高度（如图7所示）。此步可以不用掩膜；
(6)利用浓度15%的TMAH溶液在85℃时，对硅片进行腐蚀，直到谐振梁底部的硅全部被腐掉，释放出谐振梁（如图8所示）。此步主要利用了N型<111>硅片的各向异性腐蚀特性，因此腐蚀出来的空间是具有71度倾斜角度的。整个腐蚀过程大概需要70分钟。
Claims (1)
1.硅微谐振器的加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、选用电阻率为3Ω·cm～10Ω·cm的N型<111>硅片作为待加工硅片，对待加工硅片进行热氧化处理，在待加工硅片的上下表面形成氧化膜，获取热氧化处理硅片；
步骤二、采用光刻工艺在热氧化处理硅片的上表面刻蚀出谐振梁结构图形；然后以反应离子刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺去掉谐振梁两侧区域的氧化层；同时，利用深反应离子刻蚀工艺在所述谐振梁两侧对称形成两个深槽，此深槽的深度为谐振梁的厚度；
步骤三、利用LPCVD沉积氮化硅或二氧化硅作为钝化层对氧化层、两个深槽的侧壁及底部进行覆盖，完成对谐振梁侧壁覆盖钝化层；
步骤四、利用反应离子刻蚀工艺刻蚀掉所述热氧化处理硅片的上表面氧化层之上的钝化层及两个深槽底部的钝化层；
步骤五、利用深反应离子刻蚀工艺继续对两个深槽底部再刻蚀一定深度，此深度是谐振梁的悬空高度；
步骤六、用TMAH溶液对硅片进行腐蚀，直到谐振梁底部的硅全部被腐蚀掉，释放出谐振梁；谐振梁两侧的两个深槽连通后构成振动腔室，加工出硅微谐振器；
步骤二所述采用光刻工艺在热氧化处理硅片的上表面刻蚀出谐振梁结构图形的过程为：
在所述谐振梁结构图形两侧对称进行刻蚀，形成两个对称的深槽，深槽的深度为谐振梁的厚度，两个深槽间隔的宽度为谐振梁的宽度；
谐振梁沿<211>晶向摆放，并且谐振梁长度是其宽度的倍以上。
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