CN111362226B - 一种谐振式微悬臂梁芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微纳传感器技术领域，特别涉及一种谐振式微悬臂梁芯片及其制备方法，包括：固支部和微悬臂梁部，所述微悬臂梁部包括高温区和低温区，所述低温区的一端与所述高温区连接，所述低温区的另一端与所述固支部连接；所述高温区上设有加热线圈；所述低温区上设有检测元件；所述高温区和所述低温区之间设有至少一个阻热孔，所述阻热孔贯穿所述微悬臂梁设置。通过在微悬臂梁中部附近区域设计有镂空的阻热孔，将微悬臂梁分为靠近自由端的高温区和靠近固支部的低温区两部分。在高温区设计有加热线圈，可以对微悬臂梁加热；加热线圈可以将梁上高温区加热，而低温区可以保持在低温状态，确保检测元件可以正常工作。

Description

一种谐振式微悬臂梁芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及微纳传感器技术领域，特别涉及一种谐振式微悬臂梁芯片及其制备方法。
背景技术
集成谐振式微悬臂梁是一种近年来被广泛研究的分析工具。其原理是利用谐振频率变化与质量变化之间的关系，通过跟踪记录微悬臂梁的谐振频率从而获得微悬臂梁的实时质量变化。当把具有特异性的敏感材料固定到微悬臂梁的敏感区域后，就形成了一个生化传感器，可广泛应用于生化物质的痕量传感检测中。除了生化传感检测，集成谐振式微悬臂梁还可以用作科学分析工具，对功能材料的热力学参数进行提取，应用于功能材料的吸附和脱附特定评估领域。
集成谐振式微悬臂梁由于在片上集成激励和检测元件，无需额外装置便可以使用，具有微型化、功耗低、使用简便等优点。然而，其不论是用于生化检测还是热力学参数，都还存在一个非常大的应用局限：不适用于高温。之所以会有这样一个局限存在，根本的原因在于：由于谐振式微悬臂梁本身不具有自加热的功能，因此需要依赖于外部环境加热。而当外部环境加热到超过120℃的高温时，由于整个微悬臂梁都被均匀加热到高温，集成在微悬臂梁上的激励和检测元件与衬底之间的PN结电气隔离会失效，导致漏电发生，使得集成谐振式微悬臂梁无法正常工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的谐振式微悬臂梁无法应用于高温环境的问题。
为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例公开了一种谐振式微悬臂梁芯片，包括：固支部和微悬臂梁部，
所述微悬臂梁部包括高温区和低温区，所述低温区的一端与所述高温区连接，所述低温区的另一端与所述固支部连接；
所述高温区上设有加热线圈；
所述低温区上设有检测元件；
所述高温区和所述低温区之间设有至少一个阻热孔，所述阻热孔贯穿所述微悬臂梁设置。
进一步的，所述高温区包括：第一器件层、第一子氧化层和第一金属互连线，所述第一子氧化层设置在所述第一器件层上，所述加热线圈设置在所述第一子氧化层上，所述第一金属互连线至少部分设置在所述加热线圈上。
进一步的，所述低温区包括：第二器件层、第二子氧化层、激励电阻、检测压阻、第二金属互连线和第三金属互连线；
所述激励电阻和所述检测压阻设置在所述第二器件层上；
所述第二子氧化层设置在所述第二器件层、所述激励电阻和所述检测压阻上；
所述第二金属互连线至少部分设置在所述激励电阻上；
所述第三金属互连线至少部分设置在所述检测压阻上。
进一步的，所述第一金属互连线、所述第二金属互连线、所述第三金属互连线和所述加热线圈上设有绝缘层。
进一步的，所述加热线圈的材质为钼、铂、铑、镍、铝、钨、铬、铁、多晶硅、碳化硅、碳化钨、碳化钼中的至少一种。
进一步的，所述绝缘层的材质为氧化硅、氮化硅、氧化铝中的至少一种。
进一步的，所述加热线圈的厚度为50nm-500nm；和/或，
所述加热线圈上的所述绝缘层的厚度为10nm-800nm。
进一步的，所述阻热孔的形状为圆孔和/或异形孔。
第二方面，本申请实施例还公开了一种谐振式微悬臂梁芯片的制备方法，包括：
在绝缘体上硅晶圆的表面沉积氧化层；其中，所述绝缘体上硅晶圆包括依次设置的衬底层、埋氧化层和器件层；
在所述器件层上制备激励电阻和检测压阻；
在所述氧化层上制备加热线圈和金属互连线，所述金属互连线层包括第一金属互连线、第二金属互连线和第三金属互连线；
在所述第一金属互连线、所述第二金属互连线、所述第三金属互连线和所述加热线圈上制备绝缘层；
刻蚀所述绝缘层和所述器件层形成阻热孔；
刻蚀衬底层和埋氧化层形成微悬臂梁。
进一步的，所述在所述器件层上制备激励电阻和检测压阻，包括：通过离子注入法或扩散法在所述器件层上制备所述激励电阻和所述检测压阻。
采用上述技术方案，本申请实施例所述的谐振式微悬臂梁芯片及其制备方法具有如下有益效果：
本申请实施例所述的谐振式微悬臂梁芯片，通过在微悬臂梁中部附近区域设计有镂空的阻热孔，将微悬臂梁分为靠近自由端的高温区和靠近固支部的低温区两部分。在高温区设计有加热线圈，可以对微悬臂梁加热；加热线圈可以将梁上高温区加热，而低温区可以保持在低温状态，确保检测元件可以正常工作。本申请可广泛应用于变温和高温下测量材料质量变化的场合。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种谐振式微悬臂梁芯片结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种谐振式微悬臂梁芯片剖面结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种谐振式微悬臂梁芯片的制备方法流程图；
图4为本申请实施例提供的一种谐振式微悬臂梁芯片的制备工艺流程图；
以下对附图作补充说明：
1-微悬臂梁部；101-阻热孔；102-加热线圈；103-检测压阻；104-激励电阻；110-高温区；120-低温区；130-金属互连线层；131-第一金属互连线；132-第二金属互连线；133-第三金属互连线；2-固支部；201-第一氧化层；202-衬底层；203-埋氧化层；204-器件层；205-第二氧化层；206-绝缘层；207-打线焊盘。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
由于现有的谐振式微悬臂梁本身不具有自加热的功能，因此需要依赖于外部环境加热，如使用烘箱。而当外部环境加热到超过120℃的高温时，由于整个微悬臂梁都被均匀加热到高温，集成在微悬臂梁上的激励和检测元件与衬底之间的PN结电气隔离会失效，导致漏电发生，使得集成谐振式微悬臂梁无法正常工作。
如图1所示，本申请实施例公开了一种谐振式微悬臂梁芯片，包括：固支部2和微悬臂梁部1，微悬臂梁部1包括高温区110和低温区120，低温区120的一端与高温区110连接，低温区120的另一端与固支部2连接；高温区110上设有加热线圈102；低温区120上设有检测元件；高温区110和低温区120之间设有至少一个阻热孔101，阻热孔101贯穿微悬臂梁设置。
本申请实施例所述的谐振式微悬臂梁芯片，通过在微悬臂梁中部附近区域设计有镂空的阻热孔101，将微悬臂梁分为靠近自由端的高温区110和靠近固支部2的低温区120两部分。在高温区110设计有加热线圈102，可以对微悬臂梁加热；加热线圈102可以将梁上高温区110加热到1000℃以上的高温，而低温区120可以保持在低于120℃的温度下，确保检测元件可以正常工作。本申请由于在集成谐振式微悬臂梁上提供高温自加热功能，无需外部加热即可以广泛应用于变温和高温下测量材料质量变化的场合。
本申请实施例中，如图2所示，固支部2与微悬臂梁部1在制备时一体加工成型，固支部2包括依次设置的第一氧化层201、衬底层202、埋氧化层203、器件层204、第二氧化层205、金属互连线层130和绝缘层206，绝缘层206上设有打线焊盘207。器件层包括第一器件层和第二器件层，第二氧化层205包括第一子氧化层和第二子氧化层。微悬臂梁部1中间区域设有阻热孔101，可选的，微悬臂梁部1中间区域设有一个或多个阻热孔101；可选的，阻热孔101的形状为圆孔或长孔、方孔、三角孔等异形孔。阻热孔101贯穿微悬臂梁部1，将微悬臂梁部1分为靠近自由端的高温区110和靠近固支部2的低温区120两部分。高温区110上设有加热线圈102，可以对微悬臂梁加热，低温区120集成有检测元件。加热线圈102通以适当电流后，可以将梁上高温区110加热到1000℃以上的高温，而低温区120可以保持在低于120℃的温度下，确保检测元件可以正常工作。而且加热线圈102可以在对微悬臂梁部1加热的同时，利用加热线圈102的电阻值与温度的对应关系，通过测量加热线圈102的电阻值，获得高温区110的实时温度，并通过控温电路实时调节通入加热线圈102的电流，从而使高温区110达到设定的温度。
如图2所示，高温区110包括：第一器件层、第一子氧化层和第一金属互连线131，第一子氧化层设置在第一器件层上，加热线圈102设置在第一子氧化层上，第一金属互连线131至少部分设置在加热线圈102上。
本申请实施例中，高温区110包括依次设置的第一器件层、第一子氧化层和加热线圈102，加热线圈102设置在第一子氧化层上，位于微悬臂梁部1靠近自由端的顶部，加热线圈102上设有第一金属互连线131，加热线圈102通过第一金属互连线131与外部电路连接。加热线圈102的材料可采用金属或者半导体，包括钼、铂、铑、镍、铝、钨、铬、铁、多晶硅、碳化硅、碳化钨、碳化钼等材料中的一种或多种。加热线圈102的形状可根据材质尺寸等因素来确定，可选的，加热线圈102的厚度为50nm-500nm。
低温区120包括：第二器件层、第二子氧化层、激励电阻104、检测压阻103、第二金属互连线132和第三金属互连线133；激励电阻104和检测压阻103设置在第二器件层上；第二子氧化层设置在第二器件层、激励电阻104和检测压阻103上；第二金属互连线132至少部分设置在激励电阻104上；第三金属互连线133至少部分设置在检测压阻103上。
本申请实施例中，低温区120包括第二器件层、第二子氧化层和检测元件，检测元件包括激励电阻104和检测压阻103。第二子氧化层设置在第二器件层上，激励电阻104和检测压阻103通过离子注入法或扩散法形成在第二器件层上，然后刻蚀激励电阻104和检测压阻103上方的第二子氧化层，使激励电阻104和检测压阻103部分或全部裸露出，激励电阻104通过第二金属互连线132与外部电路连接，检测压阻103通过第三金属互连线133与外部电路连接。在一些实施例中，检测压阻103可以制作成惠斯通全桥的形式。
本申请实施例中，第一器件层和第二器件层一体设置，第一子氧化层和第二子氧化层一体设置构成第二氧化层205，金属互连线层130包括第一金属互连线131、第二金属互连线132和第三金属互连线133。
第一金属互连线131、第二金属互连线132、第三金属互连线133和加热线圈102上设有绝缘层206。
本申请实施例中，微悬臂梁部1和固支部2的上方还设有绝缘层206，绝缘层206覆盖在第一金属互连线131、第二金属互连线132、第三金属互连线133、加热线圈102以及第二氧化层205组成的上表面上。绝缘层206的材料包括氧化铝薄膜、氧化硅薄膜或低应力氮化硅薄膜，可选的，加热线圈102上的绝缘层206的厚度为10nm-800nm。绝缘层206的厚度可根据所选材质来确定。
本申请实施例中，通过在微悬臂梁部1上集成激励电阻104和检测压阻103，激励电阻104用来驱动微悬臂梁振动，检测压阻103用来检测微悬臂梁的振动频率。通过在微悬臂梁部1上集成加热线圈102，将微悬臂梁加热并控温；通过在微悬臂梁部1上开阻热孔101，使得微悬臂梁高温区110加热到高温的情况下，仍可保持微悬臂梁低温区120处于较低的温度下。本申请实施例所述的谐振式微悬臂梁芯片在工作时，在激励电阻104上通以直流叠加交流的电流，用于驱动微悬臂梁振动，检测压阻103用以检测所述的微悬臂梁的振动。该谐振式微悬臂梁芯片使用锁相环电路，工作在闭环状态下，锁相环电路的输出信号包括微悬臂梁的谐振频率，并通过输出信号的变化获得位于微悬臂梁上的待测样品的质量变化。
图3为本申请实施例提供的一种谐振式微悬臂梁芯片的制备方法流程图，图4为本申请实施例提供的一种谐振式微悬臂梁芯片的制备工艺流程图。请参阅图3和图4，该制备方法包括：
S301：在绝缘体上硅晶圆的表面沉积氧化层；
本申请实施例中，首先提供绝缘体上硅(Silicon-On-Insulator，SOI)晶圆，绝缘体上硅晶圆包括依次设置的衬底层202、埋氧化层203和器件层204。SOI晶圆可以为N型，也可以为P型，可选的，SOI晶圆单面或双面抛光。然后在SOI晶圆的表面即衬底层202的下表面和器件层204的上表面沉积第一氧化层201和第二氧化层205。在一些实施例中，还可以仅在SOI晶圆器件层204的上表面沉积第二氧化层205。可选的，第一氧化层201的厚度为50nm-1000nm；可选的，第二氧化层205厚度为50nm-1000nm。
S303：在器件层204上制备激励电阻104和检测压阻103；
本申请实施例中，通过离子注入法或扩散法在器件层204上制备激励电阻104和检测压阻103。
S305：在氧化层上制备加热线圈102和金属互连线层130；
本申请实施例中，在检测压阻103及激励电阻104的上方刻蚀，图形化第二氧化层205，以形成接触孔，图形化第二氧化层205所采用的方法包括干法刻蚀法、湿法刻蚀法和等离子刻蚀法。在剩余的第二氧化层205的表面及接触孔中依次形成加热线圈102和金属互连线，金属互连线层130包括第一金属互连线131、第二金属互连线132和第三金属互连线133，其中，第一金属互连线131与加热线圈102连接，第二金属互连线132与激励电阻104连接，第三金属互连线133与检测压阻103连接。加热线圈102的材料可采用金属或者半导体，包括但不限于钼、铂、铑、镍、铝、钨、铬、铁、多晶硅、碳化硅、碳化钨、碳化钼等材料。金属互连线的材质包括但不限于铝、金、铬、钛、铂等材料。
S307：在第一金属互连线131、第二金属互连线132、第三金属互连线133和加热线圈102上制备绝缘层206；
本申请实施例中，绝缘层206覆盖在第一金属互连线131、第二金属互连线132、第三金属互连线133以及第二氧化层205组成的上表面上。绝缘层206的材料包括氧化铝薄膜、氧化硅薄膜或低应力氮化硅薄膜，可选的，绝缘层206的厚度为10nm-800nm。
S309：刻蚀绝缘层206和器件层204形成阻热孔101；
本申请实施例中，绝缘层206制备完成后，制备金属互连线层130上的打线焊盘207，光刻并刻蚀绝缘层206形成打线焊盘207，刻蚀方法包括干法刻蚀法、湿法刻蚀法和等离子刻蚀法。刻蚀形成打线焊盘207后，对SOI晶圆的器件层204进行加工以形成微悬臂梁的轮廓及阻热孔101。光刻并刻蚀绝缘层206、第二氧化层205和SOI晶圆的器件层204，形成微悬臂梁的轮廓以及阻热孔101。
S311：刻蚀衬底层202和埋氧化层203形成微悬臂梁。
本申请实施例中，利用深反应离子刻蚀(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)干法刻蚀工艺，对SOI晶圆背面的第一氧化层201、衬底层和埋氧化层进行干法刻蚀，直至刻蚀到所述SOI晶圆的器件层204，释放所述微悬臂梁。
本申请提供的集成谐振式微悬臂梁芯片，具有高温自加热功能。通过在微悬臂梁中部附近区域设计的镂空的阻热槽，将微悬臂梁分为靠近自由端的高温区110和靠近固支部2的低温区120两部分。在高温区110设计有加热线圈102，可以对微悬臂梁加热；低温区120集成有用于微悬臂梁谐振驱动的电热激励电阻104和用来检测谐振信号的压敏电阻。加热线圈102通以适当电流后，可以将梁上高温区110加热到1000℃以上的高温，而低温区120激励电阻104和检测电阻位置可以保持在低于120℃的温度下，确保激励电阻104和检测压阻103可以正常工作，同时还可以利用加热线圈102电阻值与温度的对应关系，通过测量加热线圈102的电阻值，获得高温区110的实时温度。本申请由于在集成谐振式微悬臂梁上提供高温自加热功能，无需外部加热即可以广泛应用于变温和高温下测量材料质量变化的场合。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种谐振式微悬臂梁芯片，其特征在于，包括：固支部(2)和微悬臂梁部(1)，
所述微悬臂梁部(1)包括高温区(110)和低温区(120)，所述低温区(120)的一端与所述高温区(110)连接，所述低温区(120)的另一端与所述固支部(2)连接；
所述高温区(110)上设有加热线圈(102)；
所述低温区(120)上设有检测元件；
所述高温区(110)和所述低温区(120)之间设有至少一个阻热孔(101)，所述阻热孔(101)贯穿所述微悬臂梁设置；
所述高温区(110)包括：第一器件层、第一子氧化层和第一金属互连线(131)，所述第一子氧化层设置在所述第一器件层上，所述加热线圈(102)设置在所述第一子氧化层上，所述第一金属互连线(131)至少部分设置在所述加热线圈(102)上；
所述低温区(120)包括：第二器件层、第二子氧化层、激励电阻(104)、检测压阻(103)、第二金属互连线(132)和第三金属互连线(133)；
所述激励电阻(104)和所述检测压阻(103)设置在所述第二器件层上；
所述第二子氧化层设置在所述第二器件层、所述激励电阻(104)和所述检测压阻(103)上；
所述第二金属互连线(132)至少部分设置在所述激励电阻(104)上；
所述第三金属互连线(133)至少部分设置在所述检测压阻(103)上。
2.根据权利要求1所述的谐振式微悬臂梁芯片，其特征在于，所述第一金属互连线(131)、所述第二金属互连线(132)、所述第三金属互连线(133)和所述加热线圈(102)上设有绝缘层(206)。
3.根据权利要求1所述的谐振式微悬臂梁芯片，其特征在于，所述加热线圈(102)的材质为钼、铂、铑、镍、铝、钨、铬、铁、多晶硅、碳化硅、碳化钨、碳化钼中的至少一种。
4.根据权利要求2所述的谐振式微悬臂梁芯片，其特征在于，所述绝缘层(206)的材质为氧化硅、氮化硅、氧化铝中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的谐振式微悬臂梁芯片，其特征在于，所述加热线圈(102)的厚度为50nm-500nm；
和/或，所述加热线圈(102)上的所述绝缘层(206)的厚度为10nm-800nm。
6.根据权利要求1所述的谐振式微悬臂梁芯片，其特征在于，所述阻热孔(101)的形状为圆孔和/或异形孔。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的谐振式微悬臂梁芯片的制备方法，其特征在于，包括：
在绝缘体上硅晶圆的表面沉积氧化层；
其中，所述绝缘体上硅晶圆包括依次设置的衬底层(202)、埋氧化层(203)和器件层(204)；
在所述器件层(204)上制备激励电阻(104)和检测压阻(103)；
在所述氧化层上制备加热线圈(102)和金属互连线层(130)，所述金属互连线包括第一金属互连线(131)、第二金属互连线(132)和第三金属互连线(133)；
在所述第一金属互连线(131)、所述第二金属互连线(132)、所述第三金属互连线(133)和所述加热线圈(102)上制备绝缘层(206)；
刻蚀所述绝缘层(206)和所述器件层(204)形成阻热孔(101)；
刻蚀衬底层(202)和埋氧化层(203)形成微悬臂梁。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在所述器件层(204)上制备激励电阻(104)和检测压阻(103)，包括：通过离子注入法或扩散法在所述器件层(204)上制备所述激励电阻(104)和所述检测压阻(103)。
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