CN104555888A - 特别用于重量检测的机电检测器件和制造该器件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种特别用于重量检测的机电检测器件以及一种用于制造所述器件的方法。所述机电检测器件包括支承件(4)、至少一个杆(8)以及检测杆位移的装置(10)，所述支承件(4)包括限定有平面(6)的面，所述至少一个杆(8)能够相对于所述支承件运动，所述装置(10)根据所述位移输出一个信号。所述杆通过一端固定到所述支承件上并且近似垂直于所述平面，并且所述杆的另一端包括至少一个能够接收一个或多个颗粒(14)的接收区域(12)，所述一个或多个颗粒(14)能够引起或改变所述杆的位移，从而通过所述信号来确定所述颗粒的至少一个物理特性。根据本发明，所述检测装置位于所述接收区域与所述支承件之间。

Description

特别用于重量检测的机电检测器件和制造该器件的方法
技术领域
本发明涉及一种机电检测器件以及用于制造该器件的方法。
该器件可以是共振器件或者非共振器件，在共振器件情况下，器件通常包括形成共振器的杆。
本发明尤其适用于重量检测，并且更特别适用于检测气体的化学传感器、在液体培养基中用于检测生物细胞的生物传感器、以及以MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)和/或NEMS(Nano-Electro-Mechanical Systems，纳机电系统)为基础的质谱分析仪(MEMS-MS和NEMS-MS)。
本发明还适用于检测力、应力或应变。
背景技术
面内驱动的共振器件是已知的。所有的这些器件都包括与这些器件的衬底平行的杆。参照以下文件：
WO 2012/034949，S.Hentz的发明；
WO 2012/034951，S.Hentz等人的发明；
WO 2012/034990，S.Hentz的发明。
在此对共振质量检测的原理进行简要概括。
考虑具有总质量为mp的颗粒或一组颗粒，位于具有刚度k和有效质量m的共振器的表面。共振器的共振频率则等于因而，在沉积质量mp之前和之后的频率响应峰值(开环情况下)偏移一个与差别不大的量Δf。因而，当共振器被用于闭环中时，其共振频率能够借助于电转换装置和闭环装置来实时监视。
可以看出，单个或一群分析物颗粒在共振器表面上的吸收突然减小了共振器的共振频率。颗粒或颗粒群的质量能够从该频率跳跃测量值Δf中推导出来。
刚刚概括的检测原理完全通用并且各种器件已知用于将检测原理投入应用的各种器件，特别是表面声波共振器、体声波共振器、石英晶体微天平以及MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)杆。
但是，共振器件有利地可以是NEMS，因为以上给出的用于频率跳跃的表达式Δf表示，频率对于附加质量的灵敏度随着共振器总质量的减小而增大。因而，纳米尺寸的共振器件具有灵敏度方面以及检测极限方面的优点。因此，使用NEMS系统测量的质量可以比使用石英晶体微天平测量的质量小1012倍。对于该主旨的进一步信息参照以下文件：
K.L.Ekinci，Y.T.Tang和M.L.Roukes，2004，“Ultimate limits to inertial masssensing based upon nanoelectromechanical systems(基于纳机电系统的惯性质量传感的最终极限)”，Journal of Applied Physics(应用物理学杂志)95(5):2682.doi:10.1063/1.1642738.
类似地，最近对大约1yg(yoctogram，幺克)(10-27kg)的质量进行测量。对于该主旨的进一步信息参照以下文件：
J.Chaste，A.Eichler，J.Moser，G.Ceballos，R.Rurali和A.Bachtold，2012，“A nanomechanical mass sensor with yoctogram resolution(具有幺克分辨率的纳机械质量传感器)”，Nature Nanotechnology(自然纳米技术)7:301‐304.doi:10.1038/nnano.2012.42.
质量共振检测具有非常多的应用。例如，(1)用于气体检测的化学传感器，(2)在液体培养基中用于检测生物细胞的生物传感器以及(3)基于NEMS的质谱分析仪(NEMS‐MS)。对于这些应用，检测极限(最小的可检测质量)明显具有高于一切的重要性，不止是更加精确地确定所测量的质量总量，而且是对非常细微地分布或者稀释在很大体积的载体成分中的种类进行检测。
(1)在用于气体检测的化学传感器的情况下，NEMS被用于能够被功能化层覆盖的表面，功能化层对于一些待测量的物质具有特定的化学亲和性。对应于这些物质的颗粒在该层中被吸收，或者在NEMS的整个表面上被均匀吸收。
当待测浓度非常低时，由NEMS的非常小的面积捕获物质的概率变得非常小。选择性寻址的阵列则能够被使用以受益于多个共振器的非常好的灵敏度。但是也能够使用大捕获面积。对于该主旨的进一步信息参照以下文件：
I.Bargatin，E.B.Myers，J.S.Aldridge，C.Marcoux，P.Brianceau，L.Duraffourg，E.Colinet，S.Hentz，P.Andreucci和M.L.Roukes，2012，“Large‐scale integration of nanoelectromechanical systems for gas sensing applications(用于气体传感应用的纳机电系统的大尺度集成)”，Nano letters(纳米通讯)12(3)(14年3月):1269‐74.doi:10.1021/nl2037479
并且更具体地参照该文件中的图1。
(2)在位于液体培养基中的生物传感器的情况下，问题与化学传感器相同但会更加严重：在此情况下，共振器件被置于需要对生物颗粒进行检测的液体培养基中；这些生物颗粒则可以分别检测，因为颗粒的浓度能够变得非常低。类似地，共振器阵列可以通过或不通过单独寻址以及功能化或不功能化来使用。对于该主旨的进一步信息参照以下文件：
S.Guillon，S.Salomon，F.Seichepine，D.Dezest，F.Mathieu，A.Bouchier，L.Mazenq，C.Thibault，C.Vieu，T.和L.Nicu,2012，“Biologicalfunctionalization of massively parallel arrays of nanocantilevers using microcontactprinting(使用微触点印刷的纳米悬臂的大规模并行阵列的生物功能化)”，Sensors and Actuators(传感器和驱动器)B:化学161(1月):1135‐1138.doi:10.1016/j.snb.2011.10.084
以及更加特定地为该文件中的图1。
(3)在NEMS-MS系统的情况下，对于混合物的每个颗粒(例如，生物颗粒)的质量进行测量存在问题，该混合物最初为液相并且在真空下被投射到NEMS以确定混合物内容的质谱，例如对于生物医药识别的应用。这样的系统在应当进行参照的以下文件中的图1中示出：
A.K.Naik，M.S.Hanay，W.K.Hiebert，X.L.Feng和M.L.Roukes，2009，“Towards single-molecule nanomechanical mass spectrometry(关于单分子纳机械质谱测定法)”，Nature Nanotechnology(自然纳米技术)4:445‐450.doi:10.1038/NNANO.2009.152。
该系统的一个主要问题是使用单一的NEMS对投射在NEMS表面上的颗粒进行检测：通常，表面具有1μm2的面积，同时颗粒束根据投射系统类型的不同可能具有大约几平方毫米到几平方厘米的投射面积。
再次，能够看到使用高密度NEMS阵列的决定性方面以最大化捕获面积。但是在NEMS-MS情况下存在一个在前两个情况下不存在的额外问题；在此情况下，目标是对点状或至少小于共振器面积并且并未分布在共振器表面上的颗粒的质量进行测量。然而，由附加颗粒引发的频移不仅取决于质量，还取决于颗粒在共振器上的到达位置。则有必要对多个共振频率进行实时测量，而不是仅对一个进行测量。对于该主旨的进一步信息参照以下文件：
S.Dohn，W.Svendsen，A.Boisen和O.Hansen，2007，“Mass and positiondetermination of attached particles on cantilever based mass sensors(基于质量传感器对悬臂上的附着颗粒的质量和位置进行确定)”，Review of ScientificInstruments(科学仪器评论)78:103303.doi:10.1063/1.2804074。
在(1)至(3)的每一种情况下，用于检测颗粒的诸如杆或悬臂之类的(三维)元件具有至少10倍于其它两个维度下的尺寸(长度)(并因此被当做一维的)；并且该尺寸在要形成器件的衬底的平面内。
此外，使用的转换装置(a)在器件的相同平面内，(b)或者在与器件的平面平行的平面内并且与器件的距离等于沉积在器件上的多个层的厚度。
在(a)情况下，参照以下文件：
E.Mile，G.Jourdan，I.Bargatin，S.Labarthe，C.Marcoux，P.Andreucci，S.Hentz，C.Kharrat，E.Colinet和L.Duraffourg，2010，“In‐planenanoelectromechanical resonators based on silicon nanowire piezoresistive detection(基于硅纳米线压阻式检测的面内纳机电共振器)”，Nanotechnology(纳米技术)21(16)(23Aoril):165504.doi:10.1088/0957‐4484/21/16/165504
以及特定地为该文件中的图1。
在(b)情况下，参照以下文件：
Mo Li，H.X.Tang和M.L.Roukes，2007，“Ultra‐sensitive NEMS‐basedcantilevers for sensing，scanned probe and very high‐frequency applications，(基于超敏感NEMS的用于传感、扫描探针以及超高频应用的悬臂)”Naturenanotechnology(自然纳米技术)2(2)(2月):114‐20.doi:10.1038/nnano.2006.208
以及特定地为该文件中的图1。以下文件同样有关：
P.Ivaldi，J.Abergel，M.H.Matheny，L.G.Villanueva，R.B.Karabalin，M.L.Roukes，P.Andreucci，S.Hentz和E.2011，“50nm thick AlN film‐based piezoelectric cantilevers for gravimetric detection(基于50nm厚AlN膜的用于重量检测的悬臂)”，Journal of Micromechanics and Microengineering(微机械和微工程学杂志)21:085023.doi:10.1088/0960‐1317/21/8/085023
以及特定地为该文件中的图3。
因而，连接必须出现在与器件自身相同的平面中。
这些特点(衬底平面中的一维元件，需要在器件的平面中引出连线)使得可以获得良好的SA/SI比率，其中，SA代表活动面积，也就是所得到的MEMS或NEMS的振动表面面积，以及SI是不活动面积，也就是不振动的表面面积。因此，待检测要素的捕获面积非常小。例如，很难获得具有这些特点的大于1％的活动表面密度。
发明内容
本发明的目的是克服上述缺陷。
为此，符合本发明的机电检测器件包括与形成器件的一部分的支承件近似垂直的一个或多个杆；并且每个杆都通过一端直接或间接固定到支承件，同时杆的另一端包括用于待研究颗粒的采集区域。
具体地，本发明的目的是一种机电检测器件，包括：
支承件，包括限定了一个平面的面；
至少一个杆，具有第一端和能够相对于所述支承件运动的第二端；以及
检测杆位移的装置，适合于输出取决于所述位移的信号。
所述杆通过所述第一端(直接或间接)固定到所述支承件上并且近似垂直于所述平面，并且所述杆的第二端包括至少一个能够接收一个或多个颗粒的接收区域，所述一个或多个颗粒能够引起或改变所述杆的位移，从而通过由所述位移检测装置输出的信号来确定所述颗粒的至少一个物理特性。
所述器件的特点在于，所述检测装置位于所述接收区域与所述支承件之间。
根据作为本发明的目标的所述器件的一个特定实施例，所述检测装置被固定到所述杆并且形成于至少一个与所述平面平行的层中。
根据本发明的一个优选实施例，所述颗粒的物理特性为质量。但是，本发明还被用于其它目的，包括对应力、力、表面应变进行检测，此时所述杆处于静止功能模式(不进行驱动或具有静止驱动)。
所述支承件为同质或异质衬底，特别地为包括例如形成集成电路的层叠的衬底。
根据本发明的一个优选实施例，所述接收区域在平行于所述平面的第一平面中的截面大于所述杆在同样平行于所述平面的第二平面中的截面。
所述接收区域可以具有各个形状，特别是托盘、圆盘或卵形的形状。
根据一个优选实施例，根据本发明的器件包括一个以上的杆，即以阵列形式组织的一组杆。
优选地，所述杆的第二端设置有托盘，所述托盘包括一个平整面，所述平整面近似垂直于所述杆并且形成所述接收区域。
根据本发明的一个特定实施例，所述杆形成一个共振器，所述共振器的共振频率在所述接收区域接收所述颗粒时变化，并且所述器件还包括驱动所述杆的装置。
这些驱动装置可以从静电驱动装置、压电式驱动装置、热弹性驱动装置和光学驱动装置中选择。
杆位移检测装置可以从压阻式应变计量器检测装置、电容式检测装置、压电式检测装置和光学检测装置中选择。
根据本发明所述的器件可以设置有用于对由检测所述杆的位移的装置输出的信号进行处理的装置，这些信号处理装置被设计成确定所述物理特性。
本发明还涉及一种制造所述器件的方法，根据本方法使用表面技术对优选地以独立形式又或者共集成的杆进行制造。
附图说明
在阅读了仅用于参考附图来提供信息并且以非限制性方式给出的以下示例性实施例的说明之后，本发明将被更好地理解，在附图中：
图1为根据本发明的单元器件的概括剖视图；
图2为根据本发明的包括多个单元器件在内的器件的概括顶视图；
图3为根据本发明的单元器件阵列的概括透视图；
图4为该阵列的另一概括透视图；
图5为根据本发明的另一单元器件的概括剖视图；
图6为微测热辐射计的概括视图；
图7为根据本发明的使用电容式检测的单元器件的概括剖视图；
图8为根据本发明的使用压电式驱动和检测的单元器件的概括剖视图；
图9为图8的一个变型；
图10为根据本发明的使用热弹性驱动的单元器件的概括剖视图；
图11A至11K概括示出了用于制造根据本发明的器件的独立类型方法中的步骤；
图12A至12G概括示出了用于制造根据本发明的器件的另一个独立类型方法中的步骤；以及
图13A至13J概括示出了用于制造根据本发明的器件的共集成类型方法中的步骤。
具体实施方式
图1为根据本发明的机电检测器件的一个示例的概括剖视图。在该示例中，单元器件2包括：
衬底或支承件4，包括限定有平面6的面；
杆8，能够相对于衬底4运动；以及
装置10，对杆8的位移进行检测以输出取决于该位移的信号。
根据本发明，杆8在第一端处被固定到衬底4并且近似垂直于平面6。杆8的第二端包括接收区域12，使杆的位移发生改变的一个或多个颗粒14能够被接收在接收区域12中。并且颗粒14的物理特性根据位移检测装置10所输出的信号来确定。
能够看到，接收区域12在平行于平面6的平面中的截面大于杆8在平行于平面6的平面中的截面。
注意到在图1中所示的示例中，杆8形成一个共振器，该共振器的共振频率在接收区域12接收颗粒14时变化。并且器件2还包括对杆8进行驱动的装置16。
图1中所示的器件还设置有对检测杆8的位移的装置10所输出的信号进行处理的装置18。这些信号处理装置18被设计为确定上述的物理特性。
该器件为用于气体检测的化学传感器，但是这仅是非限定性的说明性示例。形成杆的一部分并且在之后进行详细说明的接收区域覆盖有对于待检测气体具有化学亲和性的层(未示出)。因此在此情况下，物理特性是待检测的气体原子或分子的特定质量。由接收区域吸收的颗粒质量的检测还能够被用于在需要时确定被分析气体的浓度。
不可否认，接收区域可以由杆8的第二端的自由面构成。然而，在图1中所示的示例中，杆8的第二端具有托盘20。该托盘包括近似垂直于杆8并且形成接收区域12的平整面。因此，气体捕获表面增大。依据设想的检测来选择托盘20的大小。在图1中，箭头F示出了托盘20的位移方向。
正如在图1中所见，检测装置10位于托盘20与衬底4之间。这同样适用于驱动装置16。
实际上，并非使用一个单元器件从而获得合适的捕获面积：根据本发明的包括一个以上的杆，也就是以阵列方式组织的一组杆的器件被使用。这在图2中概括示出。
图2为这样的器件的顶视图。能够看到与器件的衬底(未示出)的表面垂直的杆8的阵列，杆中的每一个设置有一个托盘20。由此形成的杆和托盘的阵列提供了衬底面积的最大覆盖。
分别与阵列中的杆相关联的检测装置和位移装置(未示出)也包括在衬底与相应的托盘20之间。
实际上在该特定实施例中，衬底的表面被分解成具有非常好的覆盖密度的基本捕获像素，并且由此形成的不增加捕获面积的一切事物(特别是检测装置、连接和触点)被置于获得的像素下方。
图3和4为根据本发明的单元器件2的阵列的概括透视图。图中示出了杆8、检测装置10以及每个单元器件2中的托盘20。稍后参照图5对图3中所示的其它附图标记进行详细说明。
注意到，该图为表示出检测器件的一个示例的方块图，该检测器件具有基本电子电路32，例如包括CMOS晶体管。该电路32使得有可能对从检测装置中输出的信号进行处理和放大。该图5并未示出电路32的互连级，该互连级能够制作在晶体管与器件中的杆之间。这些互连级对于接入到晶体管以及检测和驱动装置的各个电极处是必要的。
在图1至4中所示的示例中，驱动装置16为静电类型，并且检测装置10包括在相应的杆8的每一侧上由金属或石墨烯或碳纳米管制成的压阻式计量器22和24。但是只要能够在实际中实现，则可以想到任何类型的检测(转换)。
图1还示出了对形成驱动装置16的电极进行支持的交变电压源26。
图1还示出了计量器22和24的对应的固定架28和30。这些固定架为导电的并且通过未示出的装置刚性固定到衬底4。处理装置18通过固定架28和30来获得检测装置10所输出的信号。
驱动装置可以是静电的(正如刚刚所见)或压电的甚至是热弹性的或甚至是光学的。并且检测装置还可以是电容式检测装置，或者具有硅计量器或金属计量器的压阻式检测装置(如上所见)或者压电式检测装置甚至是光学检测装置。在图7至10的说明中将对此情况进一步进行考虑。
例如由金属制成的导电线必须被“下拉”至CMOS技术所使用的互连的低电平以制作用于单元器件的电连接。因而，还有可能想到将这些单元器件与每个像素处的或多或少的基本COMS电子电路进行共集成，所有这些电路被连接到位于单元器件阵列外围处的全局电子读取电路上。因而可以想到，每个单元器件都部分或者整体制作在被称为CMOS背端(back-end)的互连级之中或之上并且因而由金属制成。
如果这些器件在经典CMOS互连级之上制成，则例如指的是上IC(above-IC)传感器技术。如果这些器件在经典CMOS互连级之中或之间制成，则例如指的是共集成IC传感器技术。这意味着使用CMOS技术的常规元件与传感器元件在相同时间制作于例如背端中。
再次考虑图5。图5概括示出了使用“上IC”技术的单元器件的一个示例。图3和4中所示的阵列包括许多该类型的器件。
该图示出了支承在衬底4上的杆8、提供在杆8上的托盘20、在衬底4上的CMOS的背端中可以由掺杂后的硅或金属制成的压阻式计量器22和24，用于依然在衬底4上静电驱动的电极16、以及隐埋在该衬底4中并且由一组例如CMOS类型的晶体管形成的基本电子电路32。在计量器在CMOS 32上方的情况下，所述计量器可以使用晶圆键合技术进行转移或者可以进行沉积。
还能够看到固定架28和30。这些固定架28和30通过下层互连级34连接到基本电子电路32。各个元件之间的连接在图5中的概括剖视图上并非全部可见。还注意到在图5中，电极16位于计量器24之后；在该电极16与计量器24之间不存在物理互连。
在图5中，附图标记35表示该图中所示的用于制作器件的下停止层。
回到有源表面密度的问题。该问题类似于与微测热辐射计有关的问题。这些微测热辐射计是密集分布在表面以吸收红外辐射的传感器。然而，微测热辐射计的概念与本发明非常不同并且更类似于现有技术，尤其类似于Mo Li等人的文章中图1(已经提及)以及P.Ivaldi等人的文章中图3(已经提及)。
在微测热辐射计中，(读取电阻值的)转换装置和触点并未在器件下方，而是在器件上方以及平行于器件的平面内。此外，所使用的结构为膜并且不是一维的。
在图6中示出了微测热辐射计的原理图。该图示出了硅衬底40，包括读取电路(未示出)、衬底上的反射镜42、在所示示例中距离衬底2μm并对红外辐射进行吸收的(二维)膜结构44、以及通过金触点48连接到衬底44上的电极46。
图7示出了根据本发明的单元器件的概括剖视图，其中，检测装置10为电容式的。衬底4、垂直杆8、(水平)托盘20、用于静电驱动杆8的电极16以及用于电容式检测杆8位移的电极50被示出。该电极50被连接到设计为在杆8的位移过程中对电极50输出的信号进行处理的未示出的装置。
图8为根据本发明的设置有压电式驱动和检测的单元器件的概括剖视图。
同样能够看到衬底4、杆8和托盘20。在该示例中，检测装置10和驱动装置16由单一压电层叠组成。该层叠通常由包括在两个导电层之间的压电层组成。
必须小心压电层叠的形状的设计，以使得器件弯曲所产生的应力场不会抵消层叠中两个电极之间所聚集的电荷。例如，如图8中所示，层叠能够被制作为非对称的，以使得在器件一侧的正应力不会被负应力所抵消。衬底还能够被嵌入以使得层叠52中的应力更大。这在图9中被概括示出，该图示出了在衬底4中在层叠52之下提供凹口54。
图10示出了根据本发明的设置有热弹性驱动装置的单元器件的概括剖视图。检测装置并未示出。
同样能够看到衬底4、杆8和托盘20。在该示例中，驱动装置16包括形成在衬底4上的金属层56。杆8通过层56支撑在衬底上。
正如所看到的，在衬底4中在层56之下提供空腔58，以使得(如图9)获得的应力和/或位移最大。
通过使电流流过金属层56对金属层56加热，加热需要电连接(未示出)。金属层56以及制作衬底4的材料之间的差异膨胀引起双金属条效应并因而驱动器件。
在目前所给出的本发明的示例中，器件是共振的。但是本发明并不仅限于此情况；根据本发明的器件还可以是非共振的。在此情况下，检测据说为静态模式。这样的器件能够对例如细胞力(cellular force)之类的力进行检测。
这包含对细胞所能够根据环境或存在的化学物质的条件的不同对环境或者自身施加的机械力进行测量，以了解基本机制或者为了治疗目的。
对于该主旨参照以下文件：
US 2010/0041091，阿克塞尔罗德(Axelrod)等人，“Microfluidic embeddedpolymer NEMS force sensors(微流体嵌入式高分子NEMS力传感器)”
以及特定地为该文件中的图1。
目的是将(位于液体培养基中的)活体细胞“放置”在支承件与NEMS器件之间，NEMS器件的例如电阻值之类的特性依据细胞施加在器件上的力或位移来改变。
在该技术能够被用于工业环境中的实际中之前，主要问题之一源于将细胞放置在所需位置处的困难；包含细胞的流体在NEMS的表面上流过以希望细胞将占有在正确位置处。
本发明能够将捕获的概率增大几个数量级；所需要的全部就是细胞至少部分地覆盖根据本发明的两个邻近的单元器件的阵列。细胞所施加的力能够使用以上公开的位移读取装置进行确定。
除了没有任何驱动装置16(和源26)之外，根据本发明的非共振单元器件的一个示例与图1中所示的示例相同。上述细胞随后引发杆8的位移。
正如所见到的，在此情况下，更倾向于使用包括多个单元器件的非单元器件。图2A示出了这样的器件的顶视图。
现在参照图11A至11K对根据本发明的单元器件的一个制作示例进行描述。这是独立类型的方法。这使用了表面技术。
所使用的具有全晶圆掺杂的硅衬底60具有例如为1019原子每立方厘米的掺杂浓度(图11A)。
之后会更详细考虑的诸如触点82之类的触点形成于衬底上，并且SiO2层62例如具有等于1μm的沉积厚度，并且在SiO2层上进行光刻以将包含在器件中的NEMS的图案64暴露出来(图11B)。
硅64相对于SiO2被选择性电沉积在通过外延生长获得的图案上，例如在1μm厚度上(图11C)。
从层62中除去厚度以将与器件中的杆对应的所沉积的硅66暴露出来(图11D)。
在因此获得的结构上沉积一个SiO2层70，例如200nm厚(图11E)。使用诸如由低密度氧化物制成的牺牲层可以被用于代替诸如SiO2层。
通过LPCVD在层70顶部沉积一多晶硅层72，沉积具有例如1μm厚度的例如AlSi的导电材料。导电沉积物(例如，AlSi)随后被制作以获得相应的触点74，并且这些触点通过光刻和随后的刻蚀来形成(图11F)。
通过光刻和刻蚀除去层72的一部分(图11G)。
在获得的结构上沉积一个例如超过2μm的SiO2之类的硅氧层76，并且随后通过CMP，也就是使用化学机械抛光方法来将硅氧层76平整化(图11H)。
随后沉积一个例如20nm厚的多晶硅或者金属层，并随后通过光刻和刻蚀来形成器件的托盘78(图11I)。
随后在获得的结构上沉积一个硅氧保护层80，该层80通过连续的光刻和刻蚀操作进行局部消除，以重新将触点74和诸如触点82之类的在工艺开始时的金属层的第一沉积-光刻-刻蚀期间获得的其它触点暴露出来。
硅氧层随后通过使用氢氟酸HF的刻蚀进行部分消除，以将杆与托盘暴露出来(图11K)。
在此对独立类型的方法的另一个示例进行描述，从而参考附图12A至12G来制造根据本发明的单元器件。
使用硅衬底90并且在衬底90上形成非对称的压电层叠92。这例如通过在衬底90上沉积一个钼层94并且在该钼层94上执行光刻来完成，在层94上沉积一个例如由AlN制成的层96并且在该层上执行光刻，在层96上沉积一个例如由钼制成的层98并且在该层98上执行光刻(图12A)。
在获得的结构上沉积一个例如由SiO2制成的750nm厚的层100。执行光刻以将包含在器件中的NEMS的图案102暴露出来(图12B)。
在获得的结构上沉积一个例如由二氧化硅制成的层104(图12C)。
随后在之前形成的图案102上对层104进行刻蚀以限定器件的杆的位置106(图12D)。
随后在该位置处沉积例如多晶硅108直到层104的表面以形成该杆(图12E)。
通过LPCVD沉积例如超过20nm厚度的多晶硅，并且在该多晶硅上执行光刻以形成器件的托盘110(图12F)。
对产生的结构应用湿法刻蚀以将杆与杆的托盘暴露出来，例如，使用氢氟酸(图12G)。
如图5中所示，符合本发明的器件还能够通过共集成或者“上IC”方法来制作。在此情况下，主要的约束条件源于低温热处理的使用，换句话说，在低于500℃或者甚至低于300℃的温度下所使用的工艺，以尤其保护CMOS电路及其互连的完整性。
因此能够使用包括一个上硅层的SOI衬底，该上硅层在低温分子键合在CMOS上之前预先被掺杂并活化。这能够使用以下文件中所述的工艺来完成：
FR 2 961016，Circuit intégré à dispositif de type FET sans jonction et àdepletion(Integrated circuit with junctionless depletion-mode FET type device，无结并且耗尽型FET类型器件的集成电路)，T.Ernst等人的发明。
尤其是如图5中所示，该方法使用了例如由HfO2或BN或SiN制成的下停止层。外延则由例如AlSi或W导电沉积物等低温沉积物代替，之后为机械化学抛光(MCP)，以使得导电材料仅保留在氧化物(SiO2)所形成的孔中。多晶硅沉积物还能够由可能的原位掺杂的金属沉积物或者非晶硅沉积物来代替。从非晶硅的低温沉积物获得多晶硅的另一个可能方式为使用非晶硅的激光退火来局部地限制加热。
图13A至13J概括示出了这样的(在转移到CMOS之后)制作符合本发明的器件的方法中的步骤。
应当注意的是，本方法中的连续步骤通过图13A至13E、13G以及13I中的剖视图来概括说明，同时图13F、13H和13J分别示出了图13E、13G和13I中的截面AA。
图13A示出了CMOS晶圆112。仅示出了晶圆的最新“金属”层。附图标记114表示该晶圆112上的金属区域并且附图标记115表示用于建立氧化物/氧化物键的例如由硅氧制成的介电层。
还能够看到通过低温分子键合转移到CMOS晶圆上的结构116。键和界面的附图标记为118。该结构116可以是SOI类型的衬底，包括例如200nm厚的氧化物键合层117、例如10nm至100nm厚的停止层124、例如400nm后的隐埋氧化物120，隐埋氧化物120上方为预先掺杂硼并且活化的例如50nm厚的由硅制成的上层122。氧化层117能够与层115分子键合。层115与117之间的结合在图13B和后续图中具有附图标记117a。
更加普遍地，压电材料层可以被用于代替该硅层。
隐埋氧化物120与键合层117之间的停止层124也能够看到；例如，停止层124能够由SiN、HfO2或BN制成。
例如，使用50nm厚的BN停止层。
还能够通过连续沉积适当的层来获得结构116。
随后执行光刻(图13B)，之后对金属区域114中的上硅层122进行刻蚀并且消除由此刻蚀的部分。
随后在上层122上沉积一个例如400nm厚的硅氧绝缘层126(图13C)。执行新的光刻，之后对层126进行刻蚀直到在层122的被刻蚀区域处到达金属区域114，并且消除由此穿过层126刻蚀的部分以获得开口128。该第二光刻在层126处能够赋予比使用之前的光刻所能获得的开孔更宽的开口(参见层122中的开口)，并因此能够在随后将触点制作在沉积物130与层122之间时减小触点电阻值(参见图13D和后图)。
下一步骤(图13D)是对由此获得的结构进行离子剥离。随后在开口128中完成例如AlSi沉积或Ti/TiN+W复合沉积等厚沉积以获得沉积物或电极1300，之后对由此沉积的AlSi或Ti/TiN+W进行机械化学抛光。
下一步骤是在由此获得的结构上沉积一个硅氧层132(图13E)。随后通过光刻和刻蚀形成开口134，在所述示例中，开口134与各个电极130等距并且直到上硅层122。该开口134用于后续形成与图5中所示杆8类型相同的杆。
图13F示出了在图13E中沿着截面AA看到的所产生的如以上限定的结构。该图示出了由AlSi或Ti/TiN+W制成的电极136，电极136与电极130同时使用相同的制作步骤来形成。该电极136被用于对将在开口134中形成的杆进行驱动。
图13G示出了形成该杆138和杆的阵列140的步骤。图13H示出了沿着图13G中的截面AA的杆阵列组件。该组件由AlSi或HfO沉积或者诸如BN之类的其它等效材料的沉积，之后进行刻蚀以限定出阵列140来获得。
最终(图13I)，通过使用液态或气态的氢氟酸对产生的结构进行刻蚀来暴露出杆138和杆的阵列140。图13J示出了沿着图13I中的截面AA出现的该暴露。
返回到器件、本发明的目的，更确切地回到杆位移检测装置。下文中对具有集成的位移检测装置的益处进行准确说明，该集成的位移检测装置不同于现有技术中已知的位移检测装置。
在此对制作具有集成检测装置的垂直NEMS的益处和困难进行说明，该集成检测装置与在芯片内部使用光学检测器的现有技术中相对。
作为常规电(驱动和/或检测)的薄层装换装置的集成经常进行探寻并且其本身存在常规问题；这可以大大减小器件所用的空间、成本和功耗，并且在某些情况下改善测量精度。另一方面，很难使用外部装置来解决芯片上的大量共振器，正如对于很有用而覆盖很大的捕获面积的共振器阵列的情况。在该情况下，该问题的一个解决方案是集成转换。
在由薄层制成的垂直器件的情况下，将电检测装置集成到制造方法中是非显而易见的，特别是在很小的纳米尺寸上。这是因为在该情况下，器件通过连续层获得，并且连续层的刻蚀与机械结构的正确制造需要寻找用于避免各级之间的重大偏差的装置，该偏差通常与器件的侧向尺寸在相同数量级上。因为检测装置对位移或应力进行测量，所以检测装置的良好工作取决于机械结构与这些装置之间的良好控制定位。另外，当希望得到在检测装置之上或覆盖检测装置的“有源”区域(用于检测颗粒)，后者必须比共振器自身重得多，这在很大程度上限制了可能性。

Claims (10)

1.一种机电检测器件，包括：
支承件，包括限定有平面的面；
至少一个杆，具有第一端和能够相对于所述支承件运动的第二端；以及
检测杆位移的装置，适合于输出取决于所述位移的信号，
其中，所述杆通过所述第一端固定到所述支承件上并且近似垂直于所述平面，并且所述杆的第二端包括至少一个能够接收一个或多个颗粒的接收区域，所述一个或多个颗粒能够引起或改变所述杆的位移，从而通过由所述位移检测装置输出的信号来确定所述颗粒的至少一个物理特性，
其中，所述检测装置位于所述接收区域与所述支承件之间。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述检测装置被固定到所述杆上并且在至少一个平行于所述平面的层中形成。
3.根据权利要求1所述的器件，其中，所述接收区域在平行于所述平面的第一平面中的截面大于所述杆在同样平行于所述平面的第二平面中的截面。
4.根据权利要求1所述的器件，包括一个以上的杆，即以阵列方式组织的一组杆。
5.根据权利要求1所述的器件，其中，所述杆的第二端设置有托盘，所述托盘包括一个平整面，所述平整面近似垂直于所述杆并且形成所述接收区域。
6.根据权利要求1所述的器件，其中，所述杆形成一个共振器，所述共振器的共振频率在所述接收区域接收所述颗粒时变化，并且所述器件还包括驱动所述杆的装置。
7.根据权利要求6所述的器件，其中，所述驱动装置从静电驱动装置、压电式驱动装置、热弹性驱动装置和光学驱动装置中选择。
8.根据权利要求1所述的器件，其中，所述检测装置从压阻式应变计量器检测装置、电容式检测装置、压电式检测装置和光学检测装置中选择。
9.根据权利要求8所述的器件，其中，所述压阻式应变计量器从硅计量器、金属计量器、石墨烯计量器和基于碳纳米管的计量器中选择。
10.根据权利要求1所述的器件，设置有用于对由检测所述杆的位移的装置输出的信号进行处理的装置，所述信号处理装置被设计成确定所述物理特性。
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