CN1568284A - 微型机械及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于具有高Q值和更高频带的高频过滤器的微型机械。该微型机械(20)包括：设置在衬底(1)上的输出电极(7)；包括第一绝缘薄膜(9)和第二绝缘薄膜(11)的夹层绝缘薄膜，所述第一和第二绝缘薄膜设置在衬底上以覆盖所述输出电极(7)；孔图案(11a)，设置在所述第二绝缘薄膜(11)中以到达所述输出电极(7)；以及带状振动器电极(15)，设置在所述第二绝缘薄膜(11)上，从而横过由所述孔图案(11a)内部构成的间隔部分(A)的上侧。

Description

微型机械及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种微型机械及其制造方法，尤其涉及一种包括横过输出电极的振动器电极的微型机械，以及制造该微型机械的方法，其中在振动器电极和输出电极之间带有间隔部分。
背景技术
随着在衬底上进行微处理的技术的发展，人们已经给予微型机械技术以关注，在微型机械技术中，将微型结构及电极、用于控制该微型结构的驱动的半导体集成电路等装置设置在一个诸如硅衬底、玻璃衬底等的衬底上。
在这样的微型机械中，推荐使用一种微型振动器作为射频通讯的高频滤波器。如图8所示，微型振动器100包括位于设置在衬底101上的输出电极102a上方的振动器电极103，在该输出电极与振动器电极之间留有间隔部分A。振动器电极103的一端部连接到输入电极102b，该输入电极102b与输出电极102a由同一导电层构成。当将特定频率电压施加在输入电极102b上时，其间带有间隙地设置在输入电极102a上方的振动器电极103在固有振动频率下振动，因此由输出电极102a与梁(beam)(振动部分)103a之间的间隔部分构成的电容发生变化，并且电容的变化从输出电极102a输出。与应用表面弹性波(SAW)或薄膜弹性波(FBAR)的高频滤波器相比，具有这样的结构的由微型振动器100构成的高频滤波器可实现更高的Q值。
如上所述的振动器如下制造。首先，如图9A所示，将由多晶硅制成的输出电极102a、输入电极102b以及支持电极102c放置在表面覆盖有绝缘膜的衬底101上。这些电极102a至102c按如下方式布置：将输入电极102b和支持电极102c布置在输出电极102a的相对侧上。接着，将由氧化硅制成的牺牲层105以覆盖电极102a至102c的状态布置衬底101上。
随后，如图9B所示，在该牺牲层105上设置分别到达输入电极102b和支持电极102c的连接孔105b和105c。这以后将多晶硅层105布置在牺牲层105的上侧，包括连接孔105b和105c的内部。
接着，如图9C所示，对多晶硅层106进行图案蚀刻，以形成在输出电极102a上方延伸的带状振动器电极103。在这种情况下，为了防止由多晶硅制成的输入电极102b和支持电极102c被蚀刻，对多晶硅层106进行图案蚀刻，以整个覆盖连接孔105b和105c。
此后，选择性移除牺牲层105，以便在输入电极102a与振动器电极103之间形成间隔部分A，从而完成微型振动器100，如图9A至9C所示。
图10示出如上构造的微型振动器100的梁(振动部分)103a的长度(梁长)L与固有振动频率之间的关系。如该图所示，基于以下公式(1)的理论固有振动频率(理论值)正比于1/L2。因此，为了获得更高的频率，必需减小梁长L。
f R = 0.162 h L 2 EK ρ - - - ( 1 )
其中，h为薄膜厚度，E为杨氏模量(Young’s modulus)，K为电磁耦合系数，ρ为薄膜密度。
但是在上述微型振动器100中，由于间隔部分A和振动器电极103设置成跨越输出电极102a，因此不能将梁长L设置得小于输出电极102a的线宽(line width)。
另外，当意图缩小梁长L以获得更高的频率时，必需缩小输出电极102a的线宽，因此输出电极102a与振动器电极103之间的电容减小，导致更低的输出。上述方面构成了限制通过缩小梁长L来获得更高频率的因素。
因此，本发明的目的是提供一种包括振动器电极的微型机械及其制造方法，该微型机械能够通过缩小梁长来进一步获得更高的频率。
发明内容
为了实现上述密度，根据本发明的微型机械包括如下配置的振动器电极。根据本发明的微型机械具有如下结构，即覆盖位于衬底上的输出电极的夹层绝缘薄膜设置有到达该输出电极的孔图案。在该夹层绝缘薄膜上，将带状振动电极设置成横过该孔图案的上侧，所述孔图案起间隔部分的作用。
在如上构建的微型机械中，振动器电极被设置成横过在夹层绝缘薄膜中形成作为间隔部分的孔图案的上侧。因此横过孔图案的振动器电极构成振动器电极的梁(振动部分)。因此，梁(振动部分)的长度利用孔图案的尺寸加以设定，而不依赖于输出电极的宽度，并且获得了梁(振动部分)短于输出电极的宽度的振动器电极。
本发明还提供了一种制造如上配置的微型机械的方法，所述方法按照如下步骤进行。首先，在覆盖输出电极的状态下，在所述衬底上形成夹层绝缘薄膜，并且在所述夹层绝缘薄膜中设置到达输出电极的孔图案。接着，将牺牲层覆盖在位于孔图案底部的输出电极的表面上，在所述孔图案的一部分暴露出来的状态下，在牺牲层和夹层绝缘薄膜上形成图案以形成横过孔图案的带状振动器电极。此后，选择去除位于孔图案中的牺牲层，从而在输出电极与振动器电极之间设置间隔部分。
遵循这样的制造步骤，获得了如上所述配置的具有振动器电极的微型机械。
附图说明
图1A至1H是示出根据第一实施例的制造方法的步骤横截面图；
图2是对应于图1F的平面图；
图3是对应于图1H的平面图；
图4是第一实施例的修改示例；
图5A至5C是示出根据第二实施例的制造方法的步骤横截面图；
图6是对应于图5A的平面图；
图7是对应于图5C的平面图；
图8示出了根据现有技术的微型机械(微型振动器)的结构；
图9A至9C是示出根据现有技术的制造方法的步骤横截面图；
图10是曲线图，示出了在根据现有技术的微型机械中出现的问题。
具体实施方式
现在将基于附图，对本发明的一些实施例进行详细的描述。在下面的各实施例中，首先将描述制造方法，然后描述通过所述方法获得的微型机械的结构。
<第一实施例>
图1A至1H示出了根据第一实施例的制造方法的步骤横截面图，图2和3是示出根据该第一实施例的制造方法的平面图。这里，基于图1A至1H，并参照图2和3，将对根据该第一实施例的制造方法进行描述。顺便提及，图1A至1H对应于在图2和3中的平面图内的截面A-A。
首先，如图1A所示，制备包括半导体衬底1的衬底4，该衬底1由单晶硅等制成，覆盖有绝缘层3。优选地，绝缘层3的最外面的表面由在随后进行的蚀刻去除牺牲层的过程中对该蚀刻有抵抗力的材料制成，所述牺牲层例如由氧化硅制成。因此，例如将用于缓解绝缘层3和半导体衬底1之间的应力的氧化硅薄膜3a、以及具有上述抗蚀刻性的氮化硅薄膜3b以该顺序层叠，从而形成绝缘层3。
接着，如图1B所示，将通过使第一导电层形成图案而制成的输出电极7布置在衬底4上。构成输出电极7的第一导电层例如包括含磷(P)的多晶硅制成的硅层等。
此后，如图1C所示，在保持输出电极7的表面裸露的情况下，将第一绝缘薄膜9覆盖到衬底4的上侧上。在这种情况下，例如使第一绝缘薄膜9的薄膜厚度大于输出电极7的薄膜厚度地形成在衬底4上，从而将输出电极7镶嵌于其中，并且对该第一绝缘薄膜9进行抛光，直至使输出电极暴露出来，由此输出电极7的表面从第一绝缘薄膜9露出。第一绝缘薄膜9例如由氧化硅制成。
接着，如图1D所示，由在稍后蚀刻去除牺牲层的过程中耐蚀刻的绝缘材料制成的第二绝缘薄膜11形成在输出电极7和第一绝缘薄膜9上。在这种情况下，当上述牺牲层由氧化硅制成时，例如第二绝缘薄膜11由氮化硅制成。因此，获得了包括第一绝缘薄膜9和第二绝缘薄膜11、并且输出电极7嵌入其中的夹层(inter-layer)绝缘薄膜。夹层绝缘薄膜的表面被制成基本上平坦。同时，该夹层绝缘薄膜可不必在保持有平表面的同时嵌入输出电极7；例如，该夹层绝缘薄膜可覆盖输出电极7，同时具有跟随输出电极7的配置的表面形状，或者该夹层绝缘薄膜的厚度小于输出电极7的薄膜厚度。
此后，使第二绝缘薄膜11设置有到达输出电极7的孔图案11a。孔图案11a是通过利用抗蚀图案(未示出)作为掩膜，蚀刻第二绝缘薄膜11而形成的。将此处形成孔图案11a只布置在输出电极7的上侧上，而不从输出电极7的区域突伸出。
下面，如图1E所示，将牺牲层13覆盖于在孔图案11a的底部暴露的输出电极7的表面上。牺牲层13由可相对于第二绝缘薄膜11选择性去除的材料制成，例如氧化硅制成。在这种情况下，通过将氮化硅制成的第二绝缘薄膜11作为掩膜，氧化物薄膜可在多晶硅制成的输出电极7的表面上生长，从而用氧化硅制成的牺牲层13覆盖输出电极7的裸露表面。可选地，可在第二绝缘薄膜11上构建氧化硅制成的牺牲层13，然后对牺牲层13的表面进行抛光，直至使第二绝缘薄膜11暴露出来。
此后，如图1F和图2所示，在牺牲层13和第二绝缘薄膜11上形成图案以形成振动器电极15，使振动器电极15横过孔图案11a的上侧。振动器电极15以带状图案形成，从而使孔图案11a的一部分以及形成在孔图案11a中的牺牲层13的一部分暴露出来。在这种情况下，例如如图2所示，孔图案11a和牺牲层13可在振动器电极15的宽度W方向上的两侧露出。可选地，孔图案11a和牺牲层13可只在振动器电极15的宽度W方向上的一侧露出。同时，在其中嵌有输出电极7的夹层绝缘薄膜(此处为第一绝缘薄膜9和第二绝缘薄膜11)的表面被制成参照图1D所示基本上平坦时，振动器电极15形成在该平坦表面上。因此，在这一步骤可最小化在振动器电极15的图案形成过程中的过蚀刻量(over-etching amount)，从而减少对基层(夹层绝缘层)的损坏。
下面，如图1G所示，将连接到振动器电极15上的配线17形成在第二绝缘薄膜11上。在形成配线1 7的过程中，例如首先将金(Au)制成的晶种层(seed layer)(未示出)形成在衬底4的整个表面上，然后形成抗蚀图案(未示出)，所述抗蚀图案用于暴露用来形成配线的部分，同时覆盖其它部分。然后，利用电镀技术使镀层在抗蚀图案的开口部分中的晶种层上生长，以形成配线17。在形成配线17之后，去除抗蚀图案，另外进行整个表面的蚀刻以去除晶种层。同时，在形成振动器电极15的过程中，由与振动器电极15相同的层制成的配线可与振动器电极15连续形成；在这种情况下，不必分离设置配线17。
此后，相对于配线17、振动器电极15、第二绝缘薄膜11和输出电极7选择蚀刻去除牺牲层13。在这种情况下，利用缓冲氢氟酸(bufferedhydrofluoric acid)进行湿蚀刻，由此可靠地去除位于振动器电极15的下侧、由氧化硅制成的牺牲层13。
因此，如图1H和3所示，通过去除位于振动器电极15下侧的牺牲层而形成了间隔部分(间隙)A，并且在孔图案11a底部的输出电极被暴露出来。因此获得了微型机械20，该微型机械20包括以横过孔图案11a上侧的方式设置在第二绝缘薄膜11上的带状振动器电极15，所述孔图案11a设置作为所述间隔部分A。
在如上构建的微型机械20中，形成在第二绝缘薄膜11中的孔图案11a作为间隔部分A设置，并且振动器电极1 5设置成横过间隔部分A的上侧。因此，当振动器电极15通过在其上施加特定频率的电压而振动时，振动器电极15横越过孔图案11a的部分发生振动，该部分由此构成了振动器电极15的梁(振动部分)16。因此，所述梁(振动部分)的长度(梁长L)由孔图案11a的尺寸设定。
因此，可以这样说：如结合图8所述、间隔部分A和振动器电极103设置成跨越输出电极102a的传统结构的微型机械中，不能将振动器电极103的梁长设置得小于输出电极102a的最小加工尺寸。相反，在根据本发明的第一实施例的微型机械20中，如图1H至3所示，可以将振动器电极15的梁长L减小到孔图案的最小加工尺寸，而不管输出电极7的线宽为多少。因此，可以获得更小的梁长L，并且获得更高的频率。
这里，针对在振动器电极15与输出电极7之间产生的电容，对具有传统结构的微型机械(见图8)和根据本发明的第一实施例的微型机械20进行比较。在根据所述第一实施例的微型机械20中，振动器电极15和输出电极7的相对面积可相对于梁长L制得更大，由此电容相对于梁长L可更大。因此，即使出于获得更高频率的目的减小梁长L，也能保持输出量。
而且，在具有根据第一实施例的结构的微型机械20中，振动器电极15的两端，即用于支承梁(振动部分)16的锚定部分都以其整个表面固定在第二绝缘薄膜11上。因此，在通过在振动器电极15上施加预定频率电压而使该振动器电极15振动时，只有梁(振动部分)16在产生振动时与振动相关。因此，固有频率更接近满足上述公式(1)的理论值(该值反比于振动部分的长度L的平方)。这使通过小型化来获得更高的频率变得更容易。
另一方面，在具有如图8所示的传统结构的微型机械20中，为了在制造过程中方便，用于支承所述梁(振动部分)103a的锚定部分的末端部包括没有与基部紧密接触的屋檐状部分B；在这种结构中，由此屋檐状部分B对梁(振动部分)1 03a的振动产生影响。因此，如图10中的模拟结果(模拟值)所示，在梁长(L)缩小的区域，固有振动频率小于满足上述公式(1)的理论值。由此难以通过缩小梁长L获得更高的频率。
作为前述的结果，通过利用根据本实施例构建的微型机械20，能实现具有高Q值和高频带的高频过滤器。
另外，尤其是在其中嵌有输出电极7的夹层绝缘薄膜(这里为第一绝缘薄膜9和第二绝缘薄膜11)的表面被制成平坦的情况下，能够最小化在输出电极7与振动器电极15之间通过夹层绝缘薄膜产生的寄生电容(对振动没有帮助的电容)。因此，在微型机械20组成的高频过滤器中，可以设计更高的频率选择性(传输特性)。
在上述第一实施例中，如图2所示，已经在振动器电极15的线宽W恒定的情况下进行了说明。但是，如图2中的双点划线所指示的，振动器电极(15a)可具有这样的形状，即将更大的线宽部分设置在两个端部。当振动器电极(15a)设置有这样的形状时，能在振动器电极(15a)的端部获得更可靠的支承。由此能使固有振动频率更接近满足上述公式(1)的理论值(反比于振动部分的长度L的平方的数值)。
而且，在参照图8描述的传统微型机械中，必须在振动器电极103的端部处设置连接部分，所述连接部分用于将振动器电极15连接到与输出电极102a由同层构成的输出电极102b上。
在另一方面，在根据本发明第一实施例的微型机械20，振动器电极15自身也起输入电极的作用，因此不必设置上述的连接部分，进而不必在形成这样的连接部分的过程中考虑校直误差。因此，如图4所示，可以减小振动器电极15的间距(pitch)和输出电极7的间距，这有助于获得更高程度的集成。而且，由于振动器电极15也起输入电极的作用，因此当给定各自的固有振动频率的孔图案11a和11a以门阵列图案布置时，不同模式的电路可只通过改变振动器电极15的布置而构建。
<第二实施例>
图5A至5C是示出根据本发明第二实施例的方法的步骤横截面图，图6和7是示出根据该第二实施例的制造方法的平面图。这里，基于图5A至5C并参照图6和7对根据所述第二实施例制造微型机械的方法进行描述。顺便提及，图5A至5C对应于在图6和7中的平面图中的截面A-A。
首先，施行与在第一实施例中参照图1A至1E所述步骤相同的步骤。作为这些步骤的结果，在衬底4上形成了输出电极7以及包括第一绝缘薄膜9和第二绝缘薄膜11的夹层绝缘薄膜，第二绝缘薄膜11设置有孔图案11a，输出电极7在孔图案11a的底部处暴露出来，输出电极7的裸露表面覆盖有牺牲层13。
此后，如图5A和6所示，在牺牲层13和第二绝缘表面11上形成图案、并以横过孔图案11a的上侧的方式形成振动器电极31。振动器电极31以带状图案形成，该带状图案靠近孔图案11a并且设置有到达孔图案11a内的牺牲层13的一个孔部分或者多个孔部分31a，由此振动器电极31的成形使得孔图案11a的一部分和形成在孔图案11a内的牺牲层13的一部分露出。可将所述一个孔部分或者多个孔部分31a设置在振动器电极31中的两个或者更多个位置，如图6所示(在该图中，为两个位置)，或者设置在振动器电极31中的一个位置处。但应该明白，所述一个孔部分或者多个孔部分31a(相对于孔图案11a的)开口面积比和布置条件(包括数目)要正确设定，以便当使用根据该第二实施例得到的微型机械作为高频过滤器时能获得在所需频带中的输出。
下面，如图5B所示，将连接到振动器电极31的配线17形成在第二绝缘薄膜11上。这一步骤以与在第一实施例中参照附图1G所述的步骤相同的方式施行。
此后，以与第一实施例相同的方式相对于配线17、振动器电极31、第二绝缘薄膜11和输出电极7选择性蚀刻去除牺牲层13。在这种情况下，利用缓冲氢氟酸进行湿蚀刻，因此通过孔部分31a将蚀刻溶液供送到牺牲层13，可靠地去除位于振动器电极31下侧的、由氧化硅制成的牺牲层13。
因此，如图5C和图7所示，将位于振动器电极31下侧上的牺牲层31去除以形成间隔部分(间隙)A，并且将在孔图案11a底部的输出电极7暴露出来。由此，获得了微型机械40，其中靠近作为间隔部分A的孔图案11a、并且在孔图案11a中设置有与间隔部分A相连通的孔部分31a的带状振动器电极31被设置在第二绝缘薄膜11上。
在如上构建的微型机械40中，孔图案11a作为间隔部分A设置，振动器电极31设置成靠近孔图案11a的上侧，并且振动器电极31设置有与间隔部分A相连通的孔部分31a。因此，当通过在振动器电极31上施加一特定频率的电压而使之振动时，振动器电极31上靠近孔图案11a的部分振动，并且由此所述部分构成振动器电极31的梁(振动部分)31b。因此，梁(振动部分)3 1b的长度(梁长L)由孔图案11a的尺寸加以设定。因此，以与第一实施例相同的方式能利用孔图案11a的尺寸设定梁(振动部分)的长度(梁长L)，而不管输出电极7的线宽如何。由此能通过缩小梁长L来获得更高的频率并且保持输出量。
特别地，在根据第二实施例的微型机械40中，孔图案11a利用梁(振动部分)31b封闭，由此利用第二绝缘薄膜11支承所述梁(振动部分)31b，并且将梁31b在其整个周边上固定到第二绝缘薄膜11上。因此，与根据第一实施例的微型机械相比，振动器电极31的振动频率可以更高。
而且，在根据第二实施例构建的微型机械40中，振动器电极31的两端部，即支承梁(振动部分)31b的锚固部分，也在其整个表面上被固定到第二绝缘薄膜11上。因此，与在根据第一实施例的微型机械中相同的方式，在产生振动的过程中只有梁(振动部分)31b与振动相关。因此能实现具有高Q值和更高频带的高频过滤器。
在上述第二实施例中，如图6中的双点划线所示，振动器电极31c也具有这样的形状，即在其两端部设置有更大线宽的部分，由此能可靠地支承梁(振动部分)31b并且实现固有振动频率的进一步提高。
另外，即使在根据第二实施例的微型机械40中，振动器电极31本身也起输入电极的作用，由此可获得在第一实施例中参照附图4所述的相同效果。
工业实用性
如上所述，根据本发明的微型机械及其制造方法，利用如下结构，即覆盖输出电极的夹层绝缘薄膜设置有孔图案，并且横过该孔图案的振动器电极位于孔图案内部构成的间隔部分的上方，能够将梁(振动部分)的长度设定得小于输出电极的宽度，并且能够相对于振动部分的长度增大输出电极与振动器电极之间的电容。因此，通过缩小梁(振动部分)的长度使得获得更高的频率变得容易，并且能够实现具有高Q值和更高频带的高频过滤器。

Claims (6)

1、一种微型机械，包括：
设置在衬底上的输出电极；
夹层绝缘薄膜，在覆盖所述输出电极的状态下设置在所述衬底上；
孔图案，在到达所述输出电极的状态下设置在所述夹层绝缘薄膜中；以及
带状振动器电极，设置在所述夹层绝缘薄膜上，从而横过由所述孔图案内部构成的间隔部分的上侧。
2、如权利要求1所述的微型机械，其中：所述振动器电极在封闭所述孔图案的状态下设置，并且该振动器电极设置有到达所述孔图案中的所述间隔部分的孔部分。
3、如权利要求1所述的微型机械，其中：所述输出电极嵌在所述夹层绝缘薄膜中。
4、一种制造微型机械的方法，包括：
第一步，在衬底上形成输出电极；
第二步，在覆盖输出电极的状态下，在所述衬底上形成夹层绝缘薄膜，并且在所述夹层绝缘薄膜中设置到达所述输出电极的孔图案；
第三步，将牺牲层覆盖在位于所述孔图案底部的所述输出电极的表面上；
第四步，在所述孔图案的一部分暴出的状态下，在所述牺牲层和所述夹层绝缘薄膜上形成图案以形成横过所述孔图案的带状振动器电极；以及
第五步，选择去除位于所述孔图案中的所述牺牲层，从而在所述输出电极与所述振动器电极之间设置间隔部分。
5、如权利要求4所述的制造微型机械的方法，其中：在形成所述振动器电极的方法中，在所述第二步，将所述夹层绝缘薄膜形成为将所述输出电极嵌入其中。
6、如权利要求4所述的制造微型机械的方法，其中：在形成所述振动器电极的方法中，在所述第四步，按图案形成所述振动器电极，其形成形状使该振动器电极封闭所述孔图案并且设置有到达位于所述孔图案中的所述牺牲层的孔部分。
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