CN113572443B - 一种基于电镀工艺的mems谐振器制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法，包括：在SOI硅片的顶层硅上刻蚀出谐振梁和电极区域，将谐振梁区域和电极区域刻蚀到SOI硅片的埋氧层；采用高温氧化工艺制备设定厚度的氧化层覆盖谐振梁区域和电极区域；刻蚀除了第一电容间隙处侧壁之外的氧化层；在SOI硅片上表面溅射电镀种子层；采用光刻技术暴露出预设电镀区域，并用光刻胶覆盖预设非电镀区域；采用电镀方法覆盖预设电镀区域并填充电容间隙，对预设非电镀区域进行去光刻胶并刻蚀去除电镀种子层；采用气相氢氟酸腐蚀SOI硅片的氧化层和埋氧层。本发明通过减小谐振梁与输入电极或输出电极之间的间隙，提高了MEMS谐振器的品质因数。

Description

一种基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法。
背景技术
目前，MEMS谐振器的谐振梁与输入电极或输出电极之间的间隙大，从而驱动电压大，影响MEMS谐振器的品质因数。为了减小电容间隙目前的方案都是先对谐振单元进行一层薄氧化，此氧化层厚度即为最后的间隙尺寸；氧化后用多晶硅填充谐振单元和电极之间剩余的间隙，之后需要对多晶硅进行重掺杂注入，并退火从而保证注入离子的推进和填充多晶硅的内应力释放。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法，通过电镀填充而不是多晶硅填充的方法来减小谐振梁与输入电极或输出电极之间的间隙，提高了MEMS谐振器的品质因数，另外，本发明一种基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法无需多晶硅制备、注入、退火过程，大大简化了工艺流程。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法，包括：
在SOI硅片的顶层硅上按照预设图形刻蚀出谐振梁和电极区域，将所述谐振梁区域和所述电极区域刻蚀到所述SOI硅片的埋氧层；
采用高温氧化工艺制备设定厚度的氧化层覆盖所述谐振梁区域和所述电极区域；
刻蚀所述谐振梁区域和所述电极区域上除了第一电容间隙处侧壁之外的氧化层，获得第一处理后的SOI硅片，所述第一电容间隙为谐振梁和电极之间的间隙；
在所述第一处理后的SOI硅片上表面溅射电镀种子层；
采用光刻技术暴露出预设电镀区域，并用光刻胶覆盖预设非电镀区域；
采用电镀方法覆盖所述预设电镀区域并填充所述电容间隙，对所述预设非电镀区域进行去光刻胶并刻蚀去除电镀种子层，获得第二处理后的SOI硅片；
采用气相氢氟酸腐蚀所述第二处理后的SOI硅片的氧化层和埋氧层，使所述谐振梁悬空并形成第二电容间隙，所述第二电容间隙的缝隙宽度为所述设定厚度。
可选地，所述设定厚度为100-200纳米。
可选地，所述顶层硅厚度为15-25微米。
可选地，所述埋氧层厚度为1-2微米。
可选地，所述顶层硅电阻率为0.001-0.005Ω*cm。
可选地，所述电镀种子层包括黏附层和金层，所述黏附层厚度为50-100纳米。
可选地，所述黏附层为铬。
可选地，所述金层厚度为200-500纳米。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明采用在单晶硅梁上电镀金属的方法避免了多晶硅的生长、注入、退火等工艺步骤，减小了电容间隙，从而实现良好的导电性和小的动态电阻。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法流程示意图；
图2为本发明一种基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法中各步骤对应器件结构示意图；
图3为MEMS谐振器电容间隙俯视位置示意图；
图4为MEMS谐振器电容间隙侧视位置示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法，通过减小谐振梁与输入电极或输出电极之间的间隙，提高了MEMS谐振器的品质因数。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明一种基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法流程示意图，图2为本发明一种基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法中各步骤对应器件结构示意图。
图2(a)为选择的SOI硅片。
如图1-2所示，一种基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法包括以下步骤：
步骤101：在SOI硅片的顶层硅上按照预设图形刻蚀出谐振梁区域和电极区域，将谐振梁区域和电极区域刻蚀到SOI硅片的埋氧层，如图2(b)所示。
电极区域的电极包括信号输入电极和信号输出电极，信号输入电极和信号输出电极之间为谐振梁，谐振梁的两端连接偏置电极，如图3和4所示。
步骤102：采用高温氧化工艺制备设定厚度的氧化层覆盖谐振梁区域和电极区域，如图2(c)所示。
设定厚度为100-200纳米。顶层硅厚度为15-25微米。埋氧层厚度为1-2微米。顶层硅电阻率为0.001-0.005Ω*cm。
步骤103：刻蚀谐振梁区域和电极区域上除了第一电容间隙处侧壁之外的氧化层，获得第一处理后的SOI硅片，第一电容间隙为谐振梁和电极之间的间隙，如图2(d)所示。
步骤104：在第一处理后的SOI硅片上表面溅射电镀种子层，如图2(e)所示。
步骤105：采用光刻技术暴露出预设电镀区域，并用光刻胶覆盖预设非电镀区域，如图2(f)所示。
预设非电镀区域为不需要电镀的区域，即谐振梁上方。
步骤106：采用电镀方法覆盖预设电镀区域并填充电容间隙，对预设非电镀区域进行去光刻胶并刻蚀去除电镀种子层，获得第二处理后的SOI硅片，如图2(g)所示。
其中，步骤106具体为采用IBE刻蚀(离子束刻蚀)掉谐振梁上方的金属层(电镀种子层)。
电镀种子层包括黏附层和金层，黏附层厚度为50-100纳米。黏附层为铬。金层厚度为200-500纳米。
步骤107：采用气相氢氟酸腐蚀第二处理后的SOI硅片的氧化层和埋氧层，使谐振梁悬空并形成第二电容间隙，第二电容间隙的缝隙宽度为设定厚度，如图2(h)所示。
谐振器是利用机械震动原理，加上一个外部谐振电路来产生周期性振荡信号，一般该谐振电路会被整合在芯片之中。振荡器组件则是将谐振器以及谐振电路整合于一个封装中，用以输出参考频率信号。而频率产生器则是较为复杂的频率信号输出组件，一般此类组件需要一个外部参考谐振器，内部则整合一个或多个锁相环PLL，来产生一个或数个参考频率输出的信号。
微梁式MEMS谐振器的工作原理，如图3所示在偏置电极施加一个直流电压，减小谐振梁与信号输入电极或信号输出电极之间的间隙，同时在施加输入的交流电信号，当交流电信号频率与梁本身本征振动频率一致时，器件即发生谐振。这里最关键的问题在于制备微小的电容间隙，本发明一种基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法，减小了电容间隙，从而降低驱动电压，同时提高器件的品质因数。
本发明一种基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法可以实现小的电容间隙，避免了多晶硅的生长、注入、退火等工艺步骤，简化了工艺，同时提高了导电性，而且可以实现良好的导电性和小的动态电阻。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法，其特征在于，包括：
在SOI硅片的顶层硅上按照预设图形刻蚀出谐振梁和电极区域，将所述谐振梁区域和所述电极区域刻蚀到所述SOI硅片的埋氧层；
采用高温氧化工艺制备设定厚度的氧化层覆盖所述谐振梁区域和所述电极区域；
刻蚀所述谐振梁区域和所述电极区域上除了第一电容间隙处侧壁之外的氧化层，获得第一处理后的SOI硅片，所述第一电容间隙为谐振梁和电极之间的间隙；
在所述第一处理后的SOI硅片上表面溅射电镀种子层；
采用光刻技术暴露出预设电镀区域，并用光刻胶覆盖预设非电镀区域；
采用电镀方法覆盖所述预设电镀区域并填充所述电容间隙，对所述预设非电镀区域进行去光刻胶并刻蚀去除电镀种子层，获得第二处理后的SOI硅片；
采用气相氢氟酸腐蚀所述第二处理后的SOI硅片的氧化层和埋氧层，使所述谐振梁悬空并形成第二电容间隙，所述第二电容间隙的缝隙宽度为所述设定厚度。
2.根据权利要求1所述的基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法，其特征在于，所述设定厚度为100-200纳米。
3.根据权利要求1所述的基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法，其特征在于，所述顶层硅厚度为15-25微米。
4.根据权利要求1所述的基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法，其特征在于，所述埋氧层厚度为1-2微米。
5.根据权利要求1所述的基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法，其特征在于，所述顶层硅电阻率为0.001-0.005Ω*cm。
6.根据权利要求1所述的基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法，其特征在于，所述电镀种子层包括黏附层和金层，所述黏附层厚度为50-100纳米。
7.根据权利要求6所述的基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法，其特征在于，所述黏附层为铬。
8.根据权利要求6所述的基于电镀工艺的MEMS谐振器制备方法，其特征在于，所述金层厚度为200-500纳米。
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