CN103929144A - 谐振式换能器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
公开了谐振式换能器及其制造方法。谐振式换能器包括：谐振器；谐振器电极，其连接至所述谐振器的端部；至少一个固定电极，其布置在所述谐振器附近；和掩埋部分，其形成在所述固定电极和所述谐振器电极之间。所述谐振器、所述谐振器电极和所述固定电极被利用同一有源层形成在衬底上。
Description
技术领域
本公开涉及一种谐振式换能器，更具体地，涉及一种保证电极之间绝缘的电极分离结构。
背景技术
谐振式换能器是一种通过检测形成在硅衬底上的谐振器的谐振频率的变化来测量所施加的物理量的器件。谐振式换能器广泛应用在发送器或类似器件中作为MEMS（微机电系统）器件，例如压力传感器、加速度传感器、角速度传感器、振荡器等。
在谐振式换能器中，两端固定的长板状谐振器的平面侧形成为与硅衬底平行并且谐振器在硅衬底的垂直方向上振动。然而，专利文献1公开了谐振器的平面侧形成为与硅衬底垂直并且谐振器在硅衬底的横向方向上振动。因此，简化了加工工艺，使得能够高精度地并且低成本地制造谐振式换能器。
图18是说明这样一种谐振式换能器的结构的示图，其中，长板状谐振器的平面侧形成为与硅衬底垂直，以使得谐振器在硅衬底的横向方向上振动。图18示出了谐振器部分的截面图。
如图18所示，在谐振式换能器300中，绝缘体上硅（SOI）衬底具有这样一种结构，其中将由氧化膜制成的埋置氧化物(BOX)层311嵌入在硅衬底310和表面硅层（有源层320的下部）之间。通过对由硅制成的有源层320进行处理，在SOI衬底上形成谐振器330、第一固定电极341和第二固定电极342。形成氧化膜360和由多晶硅350制成的壳体351。
第一固定电极341和第二固定电极342被形成为将谐振器330夹在其间。在谐振器330的周围，形成真空室370。还在谐振器330的端侧上形成电极，该电极在图18中未示出并用作谐振器电极331。
图19是示出有源层320的掩模图案的示例的示图。第一固定电极341和第二固定电极342是施加具有相同幅度或电平的正偏压和负偏压的电极。谐振器电极331是施加频率等于谐振器330的谐振频率的交流信号的电极。然而，在这种情况下，可以改变分别施加至各电极的电压和信号的组合。此外，固定电极的数量有时可以设置为一个。
因为谐振器330和谐振器电极331需要与第一固定电极341和第二固定电极342绝缘，所以在掩模图案中，在谐振器电极331和第一固定电极341之间设置了电极分离间隙WH。在谐振器电极331和第二固定电极342之间也设置了电极分离间隙WH。在谐振器330和第一固定电极341之间设置了谐振器间隙WV。在谐振器330和第二固定电极342之间也设置了谐振器间隙WV。因为将用于分离有源层320的干法蚀刻的蚀刻速率设为相同速率，所以电极分离间隙WH和谐振器间隙WV具有相同的宽度。
图20A至图20C和图21A至图21C是说明了谐振式换能器300的制造过程并且示出了图19中包括电极分离间隙WH的A-A截面和包括谐振器间隙WV的B-B截面的示图。
如图20A所示，在包括衬底310、BOX层311和有源层的SOI衬底的初始有源层上，进行包含高浓度硼的硅层的外延生长以形成有源层320。
之后，通过使用上述掩模图案对有源层320进行干法蚀刻。从而，如图20B所示，形成分离有源层320的沟槽。
为了进行具有窄宽度线路的光蚀刻，该线路在后续制造过程中形成蚀刻沟道，晶片的表面需要保持平坦。因此，如图20C所示，以氧化膜360掩埋分离有源层320的沟槽。通过等离子体化学气相沉积（CVD）或低压化学气相沉积(LP-CVD)来以氧化膜360掩埋这些沟槽。然而，因为沟槽的开口部分很窄，所以掩埋部分中一般会形成空隙（空间）。
此外，如图21A中所示，形成了多晶硅膜350并且使得晶片的表面变平。之后，如图21B所示，在谐振器330的附近形成蚀刻沟道。该蚀刻沟道作为用于移除谐振器330周围的氧化膜360（即，牺牲层） 的蚀刻液或蚀刻气体的引入开口。
之后，如图21C所示，通过使用蚀刻沟道来蚀刻牺牲层以释放谐振器330。然后，通过在规定的环境下形成多晶硅膜来进行真空密封以掩埋蚀刻沟道并形成真空室370。此外，形成孔和电极焊盘，通过它们可以分别允许各电极接触。由此，制造了图18所示的谐振式换能器300。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]JP-A-2012-58127
图22A是在蚀刻牺牲层之前的有源层320的水平截面图。如图22A所示，谐振器330和第一固定电极341之间的部分以及谐振器330和第二固定电极342之间的部分，还有谐振器电极331和第一固定电极341之间的部分以及谐振器电极331和第二固定电极342之间的部分，都被氧化膜360掩埋。在氧化膜360中，连续形成空隙。
当通过使用图中虚线所示的蚀刻沟道来蚀刻牺牲层时，如图22B所示，移除氧化膜360以形成谐振器330和第一固定电极341之间的谐振器间隙以及谐振器330和第二固定电极342之间的谐振器间隙。从而，释放谐振器330。
此时，因为在氧化膜360中连续形成了空隙，所以还通过空隙蚀刻并移除谐振器电极331和第一固定电极341之间以及谐振器电极331和第二固定电极342之间的氧化膜360。因此，在谐振器电极331和第一固定电极341之间以及谐振器电极331和第二固定电极342之间类似地形成了间隙。
由于间隙的原因，存在谐振器电极331和第一固定电极341之间的绝缘以及谐振器电极331和第二固定电极342之间的绝缘可能得不到充分保证的担心。例如，在制造过程期间，当外部材料进入谐振器电极331和第一固定电极341之间的部分或者进入谐振器电极331和第二固定电极之间的部分时，存在电极之间的绝缘可能不足，从而降低品质的担心。
此外，当蚀刻过程通过空隙推进到电极下表面侧的BOX层311 时，电极部分地浮置，使得电极之间的绝缘也得不到充分的保证。
当形成氧化膜360时，可以考虑这样的方法，其中由氧化膜掩埋沟槽而不形成空隙，以避免蚀刻过程通过空隙推进以保证电极之间的绝缘。然而，例如，当形成锥形结构时，很难形成具有高纵横比的沟槽结构。因此，制造过程复杂，从而导致生产成本上升。
发明内容
本发明的示例性实施例提供了一种谐振式换能器，其能够保证电极之间的绝缘而不会增加生产成本。
根据本发明的一个示例性实施例的谐振式换能器包括：
谐振器；
谐振器电极，其连接至所述谐振器的端部；
固定电极；其布置在所述谐振器的附近；
掩埋部分，其形成于所述固定电极和所述谐振器电极之间，
其中在衬底上利用同一有源层形成所述谐振器、所述谐振器电极和所述固定电极。
根据本发明的一个示例性实施例的谐振式换能器包括：
谐振器；
谐振器电极，其连接至所述谐振器的端部；
固定电极；其布置在所述谐振器的附近；
外围电极，其布置在所述谐振器电极和所述固定电极的外围；
和
掩埋部分，其形成在任意电极之间，
其中在衬底上利用同一有源层形成所述谐振器、所述谐振器电极、所述固定电极和所述外围电极。
所述掩埋部分可以由多晶硅制成。
所述多晶硅的掩埋部分可以掺杂有杂质并且可以与基准电位连接。
所述掩埋部分可以由能够耐氢氟酸或氟化氢的蒸汽的材料制成。
所述材料可以是SiC、SiGe或DLC中的任意一种。
一种制造谐振式换能器的方法，所述谐振式换能器包括：谐振器；谐振器电极，其连接至所述谐振器的端部；固定电极，其布置在所述谐振器的附近，其中在衬底上利用同一有源层形成所述谐振器、所述谐振器电极和所述固定电极，所述制造方法可以包括：
在所述固定电极和所述谐振器电极之间的部分中掩埋多晶硅；
和
蚀刻牺牲层以释放谐振器。
一种制造谐振式换能器的方法，所述谐振式换能器包括：谐振器；谐振器电极，其连接至所述谐振器的端部；固定电极，其布置在所述谐振器的附近；外围电极，其布置在所述谐振器电极和所述固定电极的外围，其中在衬底上利用同一有源层形成所述谐振器、所述谐振器电极、所述固定电极和所述外围电极，所述制造方法可以包括：
在任意电极间的部分中掩埋多晶硅；和
蚀刻牺牲层以释放谐振器。
根据本发明的示例性实施例，可以提供一种能够保证电极之间的绝缘而不会增加生产成本的谐振式换能器。
附图说明
图1A至图1C是说明根据示例性实施例的谐振式换能器的结构的示图。
图2A至图2C是说明根据示例性实施例的谐振式换能器的制造过程的特征部分的示图。
图3是在蚀刻牺牲层之前的有源层的水平截面图。
图4是在蚀刻牺牲层之后的有源层的水平截面图。
图5是示出根据示例性实施例的谐振式换能器的掩模图案的第一其他示例的示图。
图6是第一其他示例中在蚀刻牺牲层之前的有源层的水平截面图。
图7是第一其他示例中在蚀刻牺牲层之后的有源层的水平截面 图。
图8是示出根据示例性实施例的谐振式换能器的掩模图案的第二其他示例的示图。
图9是第二其他示例中在蚀刻牺牲层之前的有源层的水平截面图。
图10是第二其他示例中在蚀刻牺牲层之后的有源层的水平截面图。
图11是说明根据示例性实施例的修改示例的示图。
图12是说明现有技术中的保护电极的示图。
图13是说明外围电极的示图。
图14是示出当设置外围电极时，形成多晶硅掩埋部分的示例的示图。
图15是示出当设置外围电极时，形成多晶硅掩埋部分的示例的示图。
图16是示出当设置外围电极时，形成多晶硅掩埋部分的示例的示图。
图17是示出当设置外围电极时，形成多晶硅掩埋部分的示例的示图。
图18是用于说明这样一种谐振式换能器的结构的示图，在该谐振式换能器中，长板状谐振器的平面侧形成为与硅衬底垂直，使得谐振器在硅衬底的横向方向上振动。
图19是示出有源层的掩模图案的示例的示图。
图20A至图20C是说明谐振式换能器的制造过程的示图。
图21A至图21C是说明谐振式换能器的制造过程的示图。
图22A和图22B是在蚀刻牺牲层之前和之后的有源层的水平截面图。
具体实施方式
现在，将通过参考附图对本发明的示例性进行说明。图1是说明根据示例性实施例的谐振式换能器的结构的示图。图1A示出了有 源层的掩模图案。图1B示出了包括电极分隔间隙WH的A-A截面。图1C示出了包括谐振器间隙WV的B-B截面。
如图1所示，谐振式换能器100具有这样的结构，类似于现有技术中的谐振式换能器300，在具有将由氧化膜制成的BOX层111嵌入硅衬底110和表面硅层120之间的结构的SOI衬底上，通过对由硅制成的有源层120进行处理来形成谐振器130、谐振器电极131、第一固定电极141和第二固定电极142，此外，形成了氧化膜160和由多晶硅制成的壳体151。
第一固定电极141和第二固定电极142形成为将谐振器130夹在其间。在谐振器130的周围，形成了真空室170。
如图1B所示，由于在谐振器电极131和第一固定电极141之间形成多晶硅掩埋层150，因此本示例性实施例的谐振式换能器100具有与现有技术的谐振式换能器300不同的结构。在这种情况下，可以使用能够耐氢氟酸或氟化氢的蒸汽的材料取代多晶硅材料,比如，SiC、SiGe、DLC(类金刚石)等。
在图1所示的掩模图案的情况下，多晶硅掩埋层150同样形成在谐振器电极131和第二固定电极142之间。然而，当谐振器130和谐振器电极131没有形成为“H形”，而是为“反U形”或类似的形状，使得在谐振器电极131和第二固定电极142之间未设置电极分隔间隙时，或者当未使用第二固定电极时，可以在谐振器电极131和第一固定电极141之间满意地形成多晶硅掩埋层150。
在蚀刻牺牲层时，多晶硅掩埋层150用作蚀刻停止层。从而，在蚀刻牺牲层期间不会完全移除多晶硅掩埋层150周围的氧化膜160而是保留部分或全部的氧化膜。因此，由于电极之间的部分被绝缘体掩埋并保护，所以保证了电极之间的绝缘。
在本示例性实施例中，为了形成多晶硅掩埋层150，电极分隔间隙WH形成为大于谐振器间隙WV，从而在形成氧化膜160时，氧化膜160在电极分隔间隙WH中开口。从开口部分埋入多晶硅。因为其他条件可以设置为与现有技术中的谐振式换能器的条件相同，所以即使在保证了电极之间的绝缘的同时，也不会增加生产成本。
图2是说明本示例性实施例的谐振式换能器100的制造过程的特征部分的示图。当通过使用图1A所示的掩模图案对形成在衬底110上的有源层120（衬底110和有源层120之间夹有BOX层111）施加干法蚀刻处理时，如图2A所示，形成用于分离有源层120的沟槽。这里，A-A截面图所示的沟槽的宽度大于B-B截面图所示的两个沟槽的宽度中的每一个。
之后，如图2B所示，当通过等离子体CVD或LP CVD形成氧化膜160时，由氧化膜160掩埋谐振器间隙部分并且形成空隙。然而，由于电极分离间隙WH部分的宽度大，所以氧化膜160未掩埋电极分离间隙从而形成了由氧化膜160遮盖的凹槽。
此外，如图2C所示，多晶硅膜150形成在氧化膜160的表面上以在谐振器130附近形成蚀刻沟道。多晶硅150掩埋电极分隔间隙WH部分以形成空隙。然而，由于表面平坦，所以用于形成蚀刻沟道的过程中的光蚀刻不受影响。
图3是在蚀刻牺牲层之前的有源层120的水平截面图。如图3所示，谐振器130和第一固定电极141之间的部分以及谐振器130和第二固定电极142之间的部分被形成有空隙的氧化膜160掩埋。然而，在谐振器电极131和第一固定电极141之间以及谐振器电极131和第二固定电极142之间，在氧化膜160内掩埋多晶硅150。
因而，如图4所示，当通过使用图中虚线所示的蚀刻沟道来蚀刻牺牲层时，在谐振器130和第一固定电极141之间以及谐振器130和第二固定电极142之间形成了谐振器间隙，从而释放谐振器130。另一方面，在谐振器电极131和第一固定电极141之间以及谐振器电极131和第二固定电极142之间，多晶硅150用作蚀刻停止层以保留氧化膜160。
因而，保证了谐振器电极131和第一固定电极141之间的绝缘以及谐振器电极131和第二固定电极142之间的绝缘。此外，能够防止由于过度移除谐振器电极131的下表面上的BOX层111而导致谐振器131、第一固定电极131或第二固定电极142部分地浮置。
根据本示例性实施例的谐振式换能器100的掩模图案不限于如 图1A中所示的形式。图5是示出根据本示例性实施例的谐振式换能器100的掩模图案的第一其他示例。
在第一其他示例中，没有将谐振器电极131和第一固定电极141之间以及谐振器电极131和第二固定电极142之间的电极分离间隙设置为固定宽度，而是在靠近谐振器130的部分中设置限制部分。在电极分离间隙中，将除了限制部分以外的部分设为宽度较大部分。在宽度较大部分中，当形成氧化膜160时，氧化膜160在电极分离间隙WH中开口。该示例中的A-A截面和B-B截面和上述示例性实施例中相同。
图6是在第一其他示例中的在蚀刻牺牲层之前的有源层的水平截面图。如图6所示，在谐振器130和第一固定电极141之间的部分以及谐振器130和第二固定电极142之间的部分被生成有空隙的氧化膜160掩埋。然而，在谐振器电极131和第一固定电极141之间的宽度较大部分以及谐振器电极131和第二固定电极142之间的宽度较大部分中，在氧化膜160内掩埋多晶硅150。此外，以氧化膜160掩埋靠近谐振器130的部分中的限制部分。因为限制部分曝露于宽度较大部分，所以完整地形成了氧化膜160并且其中不会形成空隙。
因而，如图7所示，当通过使用图中虚线所示的蚀刻沟道来蚀刻牺牲层时，在谐振器130和第一固定电极141之间形成了谐振器间隙以及在谐振器130和第二固定电极142之间形成了谐振器间隙，从而释放谐振器130。另一方面，在谐振器电极131和第一固定电极141之间以及在谐振器电极131和第二固定电极142之间，多晶硅150用作蚀刻停止层以保留氧化膜160。在第一其他示例中，由于设置了以氧化膜160掩埋的限制部分，所以通过蚀刻牺牲层能够充分地释放谐振器130的端部。
以这种方式，在第一其他示例中，谐振器电极131和第一固定电极141之间的绝缘以及谐振器电极131和第二固定电极142之间的绝缘同样得到了保证。此外，可以防止由于过度移除谐振器电极131的下表面上的BOX层111而导致谐振器131、第一固定电极141或第二固定电极142部分地浮置。
图8是根据本示例性实施例示出的谐振式换能器100的掩模图案的第二其他示例的示图。
在第二其他示例中，部分地设置了宽度较大部分以避开靠近谐振器130的部分。在宽度较大部分中，当形成氧化膜160时，氧化膜160在电极分离间隙WH中开口。该示例中的A-A截面和B-B截面和上述示例性实施例中相同。
图9是在第二其他示例中的在蚀刻牺牲层之前的有源层120的水平截面图。如图9所示，在谐振器130和第一固定电极141之间的部分以及谐振器130和第二固定电极142之间的部分被生成有空隙的氧化膜160掩埋。然而，在谐振器电极131和第一固定电极141之间的宽度较大部分以及谐振器电极131和第二固定电极142之间的宽度较大部分中，在氧化膜160内掩埋多晶硅150。在宽度较大部分的周围，充分地形成了氧化膜160并且没有产生空隙。
因而，如图10所示，当通过使用图中虚线所示的蚀刻沟道来蚀刻牺牲层时，形成了谐振器130和第一固定电极141之间的谐振器间隙以及谐振器130和第二固定电极142之间的谐振器间隙，从而释放谐振器130。另一方面，在谐振器电极131和第一固定电极141之间以及谐振器电极131和第二固定电极142之间，多晶硅150用作蚀刻停止层以保留氧化膜160。在第二其他示例中，由于同样地以氧化膜160掩埋谐振器130的底部，所以通过蚀刻牺牲层能够充分地释放谐振器130的端部。
按照这种方式，在第二其他示例中，谐振器电极131和第一固定电极141之间的绝缘以及谐振器电极131和第二固定电极142之间的绝缘同样得到了保证。此外，可以防止由于过度移除谐振器电极131的下表面上的BOX层111而导致谐振器131、第一固定电极141或第二固定电极142部分地浮置。
在上述的示例性实施例和其他示例中，如图11所示，在谐振器电极131和第一固定电极141之间以及谐振器电极131和第二固定电极142之间的多晶硅150可以掺杂有杂质并且可以与基准电位连接。
由此，可以消除谐振器电极131和第一固定电极141之间以及 谐振器电极131和第二固定电极142之间的部分的寄生电容，并且可以减少当提供AC信号时在电极之间产生的串扰噪声。
在现有技术中，为了消除谐振器电极131和第一固定电极141之间的部分以及谐振器电极131和第二固定电极142之间的部分的寄生电容，如图12所示，需要设置保护电极143。然而，在上述示例性实施例和其他示例中，谐振器电极131和第一固定电极141之间以及谐振器电极131和第二固定电极142之间的多晶硅150掺杂有杂质，由此可以获得相同的效果。
此外，可以以多晶硅150类似地掩埋其它电极之间的部分并且多晶硅150可以掺杂有杂质并与基准电位连接以减少由寄生电容引起的串扰噪声。多晶硅膜可以以包围电极的构造形成而且掺杂有杂质并与基准电位连接，从而用作静电屏蔽体并减少干扰噪声。
如图13所示，有时可以设置外围电极144以便包围谐振器131、第一固定电极141和第二固定电极142的外侧。外围电极144与衬底110和壳体151一起用作静电屏蔽体。为了保证外围电极144和谐振器电极131、第一固定电极141、第二固定电极142之间的绝缘，可以应用本发明。
例如，如图14所示，在外围电极的144的内侧中的电极分离间隙中形成的氧化膜160内可以掩埋多晶硅150以保证外围电极144和谐振器电极131、第一固定电极141、第二固定电极142之间的绝缘，并且防止由于过度移除在这些电极的下表面上的BOX层111而导致的电极部分地浮置。
此时，如图15中所示，可以将外围电极144和谐振器电极131、第一固定电极141、第二固定电极142之间的电极分离间隙的一部分设为宽度较大部分以限制多晶硅150的掩埋部分的区域。另外，如图16中所示，可以形成邻近宽度较大部分的限制部分以更好地保护氧化膜160。
此外，如图17中所示，在谐振器电极131和第一固定电极141之间的电极分离间隙以及谐振器电极131和第二固定电极142之间的电极分离间隙中，可以形成多晶硅150的掩埋部分。
本发明不限于上述示例。在本发明中，多晶硅150的掩埋部分可以形成在任意的电极分离间隙中。例如，多晶硅150的掩埋部分可以形成在电极分离间隙的全部中，或者多晶硅150的掩埋部分可以形成在电极分离间隙的一部分中。因此，能够保证任意电极之间的绝缘并且能够防止由于过度移除任意电极下表面上的BOX层111而导致电极部分地浮置。此外，形成在任意的电极分离间隙中的多晶硅150的掩埋部分可以掺杂有杂质并且可以与基准电位连接以减少由寄生电容引起的串扰噪声。
Claims (8)
1.一种谐振式换能器，其包括：
谐振器；
谐振器电极，其连接至所述谐振器的端部；
固定电极；其布置在所述谐振器的附近；
掩埋部分，其形成在所述固定电极和所述谐振器电极之间，
其中所述谐振器、所述谐振器电极和所述固定电极被利用同一有源层形成在衬底上。
2.一种谐振式换能器，其包括:
谐振器；
谐振器电极，其连接至所述谐振器的端部；
固定电极；其布置在所述谐振器的附近；
外围电极，其布置在所述谐振器电极和固定电极的外围；和
掩埋部分，其形成在任意电极之间，
其中所述谐振器、所述谐振器电极、所述固定电极和所述外围电极被利用同一有源层形成在衬底上。
3.根据权利要求1或2所述的谐振式换能器，其中所述掩埋部分由多晶硅制成。
4.根据权利要求3所述的谐振式换能器，其中所述多晶硅的掩埋部分掺杂有杂质并且与基准电位连接。
5.根据权利要求1或2所述的谐振式换能器，其中所述掩埋部分由能够耐氢氟酸或氟化氢的蒸汽的材料制成。
6.根据权利要求5所述的谐振式换能器，其中所述材料是SiC、SiGe或DLC中的任意一种。
7.一种制造谐振式换能器的方法，所述谐振式换能器包括：谐振器；谐振器电极，其连接至所述谐振器的端部；和固定电极，其布置在所述谐振器的附近，其中所述谐振器、所述谐振器电极和所述固定电极被利用同一有源层形成在衬底上，所述制造方法包括：
在所述固定电极和所述谐振器电极之间的部分中掩埋多晶硅；和
蚀刻牺牲层以释放所述谐振器。
8.一种制造谐振式换能器的方法，所述谐振式换能器包括：谐振器；谐振器电极，其连接至所述谐振器的端部；固定电极，其布置在所述谐振器的附近；和外围电极，其布置在所述谐振器电极和所述固定电极的外围，其中所述谐振器、所述谐振器电极、所述固定电极和所述外围电极被利用同一有源层形成在衬底上，所述制造方法包括：
在任意电极之间的部分中掩埋多晶硅；和
蚀刻牺牲层以释放所述谐振器。
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