CN112429699B - 一种硅微悬臂梁谐振器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅微悬臂梁谐振器的制备方法，(1)选用SOI材料(绝缘衬底上的硅)作为衬底材料；(2)制备出器件层；(3)形成图形化的金属层1#(04)；(4)采用深硅刻蚀(DRIE)工艺对顶层硅(03)进行刻蚀，得到最终的所需器件层图形；(5)得到中间氧化层(02)的结构图形；(6)得到释放后的器件层结构；(7)对一块新的硅片进行光刻，制备出所需光刻图形的阴影掩膜，再采用键合工艺，将阴影掩膜与器件层顶层键合，再次通过电子束蒸发工艺对器件层上表面未被阴影掩膜遮挡的区域进行金属化，形成所需要的金属层2#(05)；(8)再利用解键合工艺去除了阴影掩膜，获得硅微悬臂梁谐振器，可以达到低成本、高合格率的大批量生产的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅微悬臂梁谐振器的制备方法，属于器件制备技术领域。
背景技术
悬臂结构在微机电系统中具有广泛的应用，特别是在谐振器中。但是当器件的尺寸缩小到微米时，传统的湿法腐蚀在释放器件层的时候，悬臂与腐蚀液及其基底之间存在毛细力、范德华力及其氢键很容易导致悬臂梁粘连从而导致释放失败；并且若悬臂梁设计不合理，则更容易出现悬臂梁折断现象，故很难达到低成本、高合格率的大批量生产的要求。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，提供一种硅微悬臂梁谐振器的制备方法，可以达到低成本、高合格率的大批量生产的要求。
本发明涉及一种硅微悬臂梁谐振器的制备方法，一种硅微悬臂梁谐振器的制备方法，步骤如下：
(1)选用SOI材料(绝缘衬底上的硅)作为衬底材料；从上到下依次包括：底层硅(01)、中间氧化层(02)和顶层硅(03)；
(2)在顶层硅(03)的上表面经过磷硅玻璃(PSG)淀积与掺杂工艺得到磷硅玻璃层(PSG层)、再经过氩气氛围退火之后，利用湿法工艺去除该磷硅玻璃层(PSG层)，便制备出了器件层；
(3)按照光刻图形要求，利用第一光刻版，记为PADMETAL光刻版，对器件层进行光刻，露出待加工区域(即露出顶层硅的上表面)，通过电子束蒸发工艺对器件层整个上表面进行金属化，形成金属层，按照光刻图形要求，通过剥离工艺(Liftoff)对该金属层进行剥离，保留下所需要的金属层，形成图形化的金属层1#(04)；
(4)根据光刻图形要求，利用第二光刻版，记为SOI光刻版，对步骤(3)剥离后露出的器件层进行光刻，露出待刻蚀的顶层硅(03)区域，采用深硅刻蚀(DRIE)工艺对顶层硅(03)进行刻蚀，得到最终的所需器件层图形；
(5)利用光刻胶在对器件层正面即上表面保护的情况下，根据光刻图形要求，利用第三光刻版，记为TRENCH光刻版，对底层硅(01)从其下表面进行光刻，通过反应离子刻蚀(RIE)工艺、深硅刻蚀(DRIE)工艺，将底层硅(01)刻蚀露出中间氧化层(02)的待刻蚀区域，同时得到底层硅(01)的结构图形；再经过湿法腐蚀工艺对露出的中间氧化层(02)的待刻蚀区域进行腐蚀，得到中间氧化层(02)的结构图形；
(6)利用干法刻蚀工艺去除器件层正面保护，利用氟化氢刻蚀工艺(VApor HF)对通过顶层硅(03)刻蚀后裸露出的中间氧化层(02)进行刻蚀，来释放器件层，得到释放后的器件层结构；
(7)利用第四光刻版，记为BLANKETMETAL光刻版，通过阴影掩膜工艺，对一块新的硅片进行光刻，制备出所需光刻图形的阴影掩膜，再采用键合工艺，将阴影掩膜与器件层顶层键合，再次通过电子束蒸发工艺对器件层上表面未被阴影掩膜遮挡的区域进行金属化，形成所需要的金属层2#(05)；
(8)再利用解键合工艺去除了阴影掩膜，获得硅微悬臂梁谐振器。
优选的，金属层1#具体要求为：电子束蒸发的金属为铬(Cr)和金(Au)，厚度分别为和/>
优选的，对一块新的硅片进行光刻，制备出所需光刻图形的阴影掩膜，再采用硅-硅键合工艺，将阴影掩膜与器件层顶层键合，用来阻挡部分电子束蒸发的金属。
优选的，金属层2#具体要求为：电子束蒸发的金属为铬(Cr)和金(Au)，厚度分别为和/>
优选的，SOI材料为绝缘衬底上的硅。
优选的，步骤(3)露出待加工区域为露出顶层硅的上表面。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用了SOI材料(绝缘衬底上的硅)作为衬底材料，极大地简化了利用硅片来制备硅悬臂梁的工艺难度，极大地缩减了大批量生产的时间开发成本。
(2)本发明是采用氟化氢刻蚀工艺(VApor HF)来刻蚀器件顶层裸露出来的中间氧化层(02)，从而达到释放器件层的目的，此方法不涉及传统的湿法腐蚀液体，因此不会造成释放器件层的粘连。并且此方法适用的范围比湿法腐蚀释放更加宽广，适合于大多数的腐蚀氧化硅释放器件的场合。
(3)本发明所采用的工艺方法是与MEMSCAP公司开发的标准工艺流程(SOIMUMPs)相兼容，本发明涉及到很多的技术，包括深硅刻蚀工艺、电子束蒸发工艺、Liftoff工艺、阴影掩膜工艺等，能够为同类型工艺的产品开发提供工艺参考。
(4)本发明采用氟化氢刻蚀工艺(VApor HF)来释放器件层，这样就避免了传统湿法工艺释放器件层造成的粘连问题。又由于此器件制备工艺与MEMSCAP公司开发的标准工艺流程(SOIMUMPs)相兼容，这样就可以达到低成本、高合格率的大批量生产的要求。
附图说明
图1为本发明中所使用SOI衬底剖视图；
图2为本发明中利用工艺制备的硅微悬臂梁谐振器结构剖视图；
图3为本发明遵守的单层设计规则诠释图；
图4为本发明遵守的各叠层间的设计规则诠释图；
图5为本发明中的硅微悬臂梁谐振器整个圆片示意图；
具体实施方式
本发明涉及一种硅微悬臂梁谐振器的制备方法，(1)选用SOI材料(绝缘衬底上的硅)作为衬底材料；(2)制备出器件层；(3)形成图形化的金属层1#(04)；(4)采用深硅刻蚀(DRIE)工艺对顶层硅(03)进行刻蚀，得到最终的所需器件层图形；(5)得到中间氧化层(02)的结构图形；(6)得到释放后的器件层结构；(7)对一块新的硅片进行光刻，制备出所需光刻图形的阴影掩膜，再采用键合工艺，将阴影掩膜与器件层顶层键合，再次通过电子束蒸发工艺对器件层上表面未被阴影掩膜遮挡的区域进行金属化，形成所需要的金属层2#(05)；(8)再利用解键合工艺去除了阴影掩膜，获得硅微悬臂梁谐振器，避免了传统湿法工艺释放器件层造成的粘连问题。
本发明的具体思路为：选用SOI材料(绝缘衬底上的硅)，利用磷硅玻璃(PSG)的淀积与掺杂工艺来得到所需的器件层，避免使用了离子注入等昂贵的半导体设备，极大节约了成本；采用氟化氢刻蚀工艺(VApor HF)来释放器件层，避免了湿法腐蚀释放可动部件所带来的粘连现象；此方法兼容了MEMSCAP公司开发的标准工艺流程，最大限度的保证了硅微悬臂梁谐振器的开发成本和合格率，满足大批量生产的要求。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明的一种硅微悬臂梁谐振器的制备方法，进一步额优选方案步骤如下，以提高硅微悬臂梁谐振器的性能：
(1)选用SOI材料(绝缘衬底上的硅)作为衬底材料，如图1所示；从上到下依次包括：底层硅(01)、中间氧化层(02)和顶层硅(03)；其中第一种规格为：顶层硅(03)的厚度具有25±1um，中间氧化层(02)的厚度是：2±0.05um，底层硅(01)的厚度是：400±5um；第二种规格为：顶层硅(03)的厚度具有10±1um，中间氧化层(02)的厚度是：1±0.05um，底层硅(01)的厚度是：400±5um；本发明采用了第一种规格的SOI材料，因为这种材料会更容易制备出高频率的硅微悬臂梁谐振器。
(2)在顶层硅(03)的上表面经过低压化学汽相淀积工艺(LPCVD)淀积的磷硅玻璃(PSG)，然后再经过1050摄氏度、1小时的氩气氛围退火之后，再利用湿法工艺去除该PSG层，便制备出了所需要的器件层；
(3)按照光刻图形要求，利用第一光刻版，记为PADMETAL光刻版，对器件层进行光刻，露出待加工区域(即露出顶层硅的上表面)，通过电子束蒸发工艺对器件层整个上表面蒸发铬和金各和/>形成金属层，按照光刻图形要求，通过剥离工艺(Liftoff)对该金属层进行剥离，保留下所需要的金属层，形成图形化的金属层1#(04)；
(4)根据光刻图形要求，利用第二光刻版，记为SOI光刻版，对步骤(3)剥离后露出的器件层进行光刻，露出待刻蚀的顶层硅(03)区域，采用深硅刻蚀(DRIE)工艺对顶层硅(03)进行刻蚀，得到最终的所需器件层图形；
(5)利用光刻胶在对器件层正面即上表面保护的情况下，根据光刻图形要求，利用第三光刻版，记为TRENCH光刻版，对底层硅(01)从其下表面进行光刻，通过反应离子刻蚀(RIE)工艺、深硅刻蚀(DRIE)工艺，将底层硅(01)刻蚀露出中间氧化层(02)的待刻蚀区域，同时得到底层硅(01)的结构图形；再经过湿法腐蚀(BOE)工艺对露出的中间氧化层(02)的待刻蚀区域进行腐蚀，得到中间氧化层(02)的结构图形；
(6)利用反应离子干法刻蚀工艺(RIE)去除器件层正面保护，利用氟化氢刻蚀工艺(VApor HF)对通过顶层硅(03)刻蚀后裸露出的中间氧化层(02)进行刻蚀，来释放器件层，得到释放后的器件层结构；
(7)利用第四光刻版，记为BLANKETMETAL光刻版，通过阴影掩膜工艺，对一块新的硅片进行光刻，制备出所需光刻图形的阴影掩膜，再采用硅-硅键合工艺，将阴影掩膜与器件层顶层键合，再次通过电子束蒸发工艺对器件层未被阴影掩膜遮挡的区域进行表面蒸发铬和金各和/>形成所需要的金属层2#(05)；
(8)再利用解键合工艺去除了阴影掩膜，获得硅微悬臂梁谐振器，如图2所示；由于电热激励是一种结构简单且容易控制的方法，它是基于梁的热膨胀现象；激励电阻产生热量，在梁的长度方向及法向形成温度梯度，法向温度梯度造成梁在法向上的热膨胀梯度，使梁弯曲变形。因此，在热激励电阻上施加交变电压，梁上产生交变的温度应力，驱动悬臂梁发生振动。在悬臂梁根部表面，即应力集中处设计惠斯通拾振电桥，通过检测悬臂梁谐振器振动导致的应力变化实现对谐振信号的检测。
电热激励是一种结构简单且容易控制的方法。他是基于梁的热膨胀现象。激励电阻产生热量，在梁的长度方向及法向形成温度梯度，法向温度梯度造成梁在法向上的热膨胀梯度，使梁弯曲变形。因此，在热激励电阻上施加交变电压，梁上产生交变的温度应力，驱动悬臂梁发生振动。在悬臂梁根部表面，即应力集中处设计惠斯通拾振电桥，通过检测悬臂梁谐振器振动导致的应力变化实现对谐振信号的检测。
本发明整体步骤按照步骤(1)选用第一种SOI材料(绝缘衬底上的硅)作为衬底材料后，对步骤(3)用到的PADMETAL光刻版，步骤(4)用到的SOI光刻版，步骤(5)用到的TRENCH光刻版以及步骤(7)用到的BLANKETMETAL光刻版，按照如图3所示的设计规则设计，使得每个光刻版均满足如图3所示的单层光刻版设计要求。如果光刻尺寸不符合如图3所示的要求，则会出现光刻图形错位、丢失的情况。
若单个光刻版均满足图3所示的设计要求，则如图4所示，分别用步骤(3)用到的PADMETAL光刻版、步骤(5)用到的TRENCH光刻版、步骤(7)用到的BLANKETMETAL光刻版与步骤(4)用到的SOI光刻版的图形进行比较，是否满足图4所示的设计要求，如果不满足，则会出现部分可动部件脱落、或不能释放的情况。
本发明设计的硅微悬臂梁谐振器梁的宽度为7微米，长度为1000微米，谐振频率达到25200赫兹，均满足图3和图4设计的要求。芯片镜检结果，没有发现悬臂梁脱落或是粘连现象。如图5所示，为一种硅微悬臂梁谐振器的整个圆片示意图。圆片001上排列着多个硅微悬臂梁谐振器结构101，沿着划片道102利用机械或激光切割即可形成所设计的芯片。
本发明采用了SOI材料(绝缘衬底上的硅)作为衬底材料，极大地简化了利用硅片来制备硅悬臂梁的工艺难度，极大地缩减了大批量生产的时间开发成本。；本发明是采用氟化氢刻蚀工艺(VApor HF)来刻蚀器件顶层裸露出来的中间氧化层(02)，从而达到释放器件层的目的，此方法不涉及传统的湿法腐蚀液体，因此不会造成释放器件层的粘连。并且此方法适用的范围比湿法腐蚀释放更加宽广，适合于大多数的腐蚀氧化硅释放器件的场合；本发明所采用的工艺方法是与MEMSCAP公司开发的标准工艺流程(SOIMUMPs)相兼容，本发明涉及到很多的技术，包括深硅刻蚀工艺、电子束蒸发工艺、Liftoff工艺、阴影掩膜工艺等，能够为同类型工艺的产品开发提供工艺参考；本发明采用氟化氢刻蚀工艺(VApor HF)来释放器件层，这样就避免了传统湿法工艺释放器件层造成的粘连问题。又由于此器件制备工艺与MEMSCAP公司开发的标准工艺流程(SOIMUMPs)相兼容，这样就可以达到低成本、高合格率的大批量生产的要求。
Claims (6)
1.一种硅微悬臂梁谐振器的制备方法，其特征在于步骤如下：
(1)选用SOI材料作为衬底材料；从上到下依次包括：底层硅(01)、中间氧化层(02)和顶层硅(03)；
(2)在顶层硅(03)的上表面经过磷硅玻璃淀积与掺杂工艺得到磷硅玻璃层、再经过氩气氛围退火之后，利用湿法工艺去除该磷硅玻璃层，便制备出了器件层；
(3)按照光刻图形要求，利用第一光刻版，记为PADMETAL光刻版，对器件层进行光刻，露出待加工区域，通过电子束蒸发工艺对器件层整个上表面进行金属化，形成金属层，按照光刻图形要求，通过剥离工艺对该金属层进行剥离，保留下所需要的金属层，形成图形化的金属层1#(04)；
(4)根据光刻图形要求，利用第二光刻版，记为SOI光刻版，对步骤(3)剥离后露出的器件层进行光刻，露出待刻蚀的顶层硅(03)区域，采用深硅刻蚀工艺对顶层硅(03)进行刻蚀，得到最终的所需器件层图形；
(5)利用光刻胶在对器件层正面即上表面保护的情况下，根据光刻图形要求，利用第三光刻版，记为TRENCH光刻版，对底层硅(01)从其下表面进行光刻，通过反应离子刻蚀工艺、深硅刻蚀工艺，将底层硅(01)刻蚀露出中间氧化层(02)的待刻蚀区域，同时得到底层硅(01)的结构图形；再经过湿法腐蚀工艺对露出的中间氧化层(02)的待刻蚀区域进行腐蚀，得到中间氧化层(02)的结构图形；
(6)利用干法刻蚀工艺去除器件层正面保护，利用氟化氢刻蚀工艺对通过顶层硅(03)刻蚀后裸露出的中间氧化层(02)进行刻蚀，来释放器件层，得到释放后的器件层结构；
(7)利用第四光刻版，记为BLANKETMETAL光刻版，通过阴影掩膜工艺，对一块新的硅片进行光刻，制备出所需光刻图形的阴影掩膜，再采用键合工艺，将阴影掩膜与器件层顶层键合，再次通过电子束蒸发工艺对器件层上表面未被阴影掩膜遮挡的区域进行金属化，形成所需要的金属层2#(05)；
(8)再利用解键合工艺去除了阴影掩膜，获得硅微悬臂梁谐振器。
2.根据权利要求1所述的一种硅微悬臂梁谐振器的制备方法，其特征在于：金属层1#具体要求为：电子束蒸发的金属为铬(Cr)和金(Au)，厚度分别为和/>
3.根据权利要求1所述的一种硅微悬臂梁谐振器的制备方法，其特征在于：对一块新的硅片进行光刻，制备出所需光刻图形的阴影掩膜，再采用硅-硅键合工艺，将阴影掩膜与器件层顶层键合，用来阻挡部分电子束蒸发的金属。
4.根据权利要求1所述的一种硅微悬臂梁谐振器的制备方法，其特征在于：金属层2#具体要求为：电子束蒸发的金属为铬(Cr)和金(Au)，厚度分别为和/>
5.根据权利要求1所述的一种硅微悬臂梁谐振器的制备方法，其特征在于：SOI材料为绝缘衬底上的硅。
6.根据权利要求1所述的一种硅微悬臂梁谐振器的制备方法，其特征在于：步骤(3)露出待加工区域为露出顶层硅的上表面。
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