一種硅微懸臂梁諧振器的制備方法與流程
[0001]
本發明涉及一種硅微懸臂梁諧振器的制備方法，屬于器件制備技術領域。
背景技術：
[0002]
懸臂結構在微機電系統中具有廣泛的應用，特別是在諧振器中。但是當器件的尺寸縮小到微米時，傳統的濕法腐蝕在釋放器件層的時候，懸臂與腐蝕液及其基底之間存在毛細力、范德華力及其氫鍵很容易導致懸臂梁粘連從而導致釋放失敗；并且若懸臂梁設計不合理，則更容易出現懸臂梁折斷現象，故很難達到低成本、高合格率的大批量生產的要求。
技術實現要素：
[0003]
為了克服上述現有技術的不足，提供一種硅微懸臂梁諧振器的制備方法，可以達到低成本、高合格率的大批量生產的要求。
[0004]
本發明涉及一種硅微懸臂梁諧振器的制備方法，一種硅微懸臂梁諧振器的制備方法，步驟如下：
[0005]
(1)選用soi材料(絕緣襯底上的硅)作為襯底材料；從上到下依次包括：底層硅(01)、中間氧化層(02)和頂層硅(03)；
[0006]
(2)在頂層硅(03)的上表面經過磷硅玻璃(psg)淀積與摻雜工藝得到磷硅玻璃層(psg層)、再經過氬氣氛圍退火之后，利用濕法工藝去除該磷硅玻璃層(psg層)，便制備出了器件層；
[0007]
(3)按照光刻圖形要求，利用第一光刻版，記為padmetal光刻版，對器件層進行光刻，露出待加工區域(即露出頂層硅的上表面)，通過電子束蒸發工藝對器件層整個上表面進行金屬化，形成金屬層，按照光刻圖形要求，通過剝離工藝(liftoff)對該金屬層進行剝離，保留下所需要的金屬層，形成圖形化的金屬層1#(04)；
[0008]
(4)根據光刻圖形要求，利用第二光刻版，記為soi光刻版，對步驟(3)剝離后露出的器件層進行光刻，露出待刻蝕的頂層硅(03)區域，采用深硅刻蝕(drie)工藝對頂層硅(03)進行刻蝕，得到最終的所需器件層圖形；
[0009]
(5)利用光刻膠在對器件層正面即上表面保護的情況下，根據光刻圖形要求，利用第三光刻版，記為trench光刻版，對底層硅(01)從其下表面進行光刻，通過反應離子刻蝕(rie)工藝、深硅刻蝕(drie)工藝，將底層硅(01)刻蝕露出中間氧化層(02)的待刻蝕區域，同時得到底層硅(01)的結構圖形；再經過濕法腐蝕工藝對露出的中間氧化層(02)的待刻蝕區域進行腐蝕，得到中間氧化層(02)的結構圖形；
[0010]
(6)利用干法刻蝕工藝去除器件層正面保護，利用氟化氫刻蝕工藝(vapor hf)對通過頂層硅(03)刻蝕后裸露出的中間氧化層(02)進行刻蝕，來釋放器件層，得到釋放后的器件層結構；
[0011]
(7)利用第四光刻版，記為blanketmetal光刻版，通過陰影掩膜工藝，對一塊新的
硅片進行光刻，制備出所需光刻圖形的陰影掩膜，再采用鍵合工藝，將陰影掩膜與器件層頂層鍵合，再次通過電子束蒸發工藝對器件層上表面未被陰影掩膜遮擋的區域進行金屬化，形成所需要的金屬層2#(05)；
[0012]
(8)再利用解鍵合工藝去除了陰影掩膜，獲得硅微懸臂梁諧振器。
[0013]
優選的，金屬層1#具體要求為：電子束蒸發的金屬為鉻(cr)和金(au)，厚度分別為和
[0014]
優選的，對一塊新的硅片進行光刻，制備出所需光刻圖形的陰影掩膜，再采用硅-硅鍵合工藝，將陰影掩膜與器件層頂層鍵合，用來阻擋部分電子束蒸發的金屬。
[0015]
優選的，金屬層2#具體要求為：電子束蒸發的金屬為鉻(cr)和金(au)，厚度分別為和
[0016]
優選的，soi材料為絕緣襯底上的硅。
[0017]
優選的，步驟(3)露出待加工區域為露出頂層硅的上表面。
[0018]
本發明與現有技術相比的優點在于：
[0019]
(1)本發明采用了soi材料(絕緣襯底上的硅)作為襯底材料，極大地簡化了利用硅片來制備硅懸臂梁的工藝難度，極大地縮減了大批量生產的時間開發成本。
[0020]
(2)本發明是采用氟化氫刻蝕工藝(vapor hf)來刻蝕器件頂層裸露出來的中間氧化層(02)，從而達到釋放器件層的目的，此方法不涉及傳統的濕法腐蝕液體，因此不會造成釋放器件層的粘連。并且此方法適用的范圍比濕法腐蝕釋放更加寬廣，適合于大多數的腐蝕氧化硅釋放器件的場合。
[0021]
(3)本發明所采用的工藝方法是與memscap公司開發的標準工藝流程(soimumps)相兼容，本發明涉及到很多的技術，包括深硅刻蝕工藝、電子束蒸發工藝、liftoff工藝、陰影掩膜工藝等，能夠為同類型工藝的產品開發提供工藝參考。
[0022]
(4)本發明采用氟化氫刻蝕工藝(vapor hf)來釋放器件層，這樣就避免了傳統濕法工藝釋放器件層造成的粘連問題。又由于此器件制備工藝與memscap公司開發的標準工藝流程(soimumps)相兼容，這樣就可以達到低成本、高合格率的大批量生產的要求。
附圖說明
[0023]
圖1為本發明中所使用soi襯底剖視圖；
[0024]
圖2為本發明中利用工藝制備的硅微懸臂梁諧振器結構剖視圖；
[0025]
圖3為本發明遵守的單層設計規則詮釋圖；
[0026]
圖4為本發明遵守的各疊層間的設計規則詮釋圖；
[0027]
圖5為本發明中的硅微懸臂梁諧振器整個圓片示意圖；
具體實施方式
[0028]
本發明涉及一種硅微懸臂梁諧振器的制備方法，(1)選用soi材料(絕緣襯底上的硅)作為襯底材料；(2)制備出器件層；(3)形成圖形化的金屬層1#(04)；(4)采用深硅刻蝕(drie)工藝對頂層硅(03)進行刻蝕，得到最終的所需器件層圖形；(5)得到中間氧化層(02)的結構圖形；(6)得到釋放后的器件層結構；(7)對一塊新的硅片進行光刻，制備出所需光刻
圖形的陰影掩膜，再采用鍵合工藝，將陰影掩膜與器件層頂層鍵合，再次通過電子束蒸發工藝對器件層上表面未被陰影掩膜遮擋的區域進行金屬化，形成所需要的金屬層2#(05)；(8)再利用解鍵合工藝去除了陰影掩膜，獲得硅微懸臂梁諧振器，避免了傳統濕法工藝釋放器件層造成的粘連問題。
[0029]
本發明的具體思路為：選用soi材料(絕緣襯底上的硅)，利用磷硅玻璃(psg)的淀積與摻雜工藝來得到所需的器件層，避免使用了離子注入等昂貴的半導體設備，極大節約了成本；采用氟化氫刻蝕工藝(vapor hf)來釋放器件層，避免了濕法腐蝕釋放可動部件所帶來的粘連現象；此方法兼容了memscap公司開發的標準工藝流程，最大限度的保證了硅微懸臂梁諧振器的開發成本和合格率，滿足大批量生產的要求。
[0030]
下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細描述。
[0031]
本發明的一種硅微懸臂梁諧振器的制備方法，進一步額優選方案步驟如下，以提高硅微懸臂梁諧振器的性能：
[0032]
(1)選用soi材料(絕緣襯底上的硅)作為襯底材料，如圖1所示；從上到下依次包括：底層硅(01)、中間氧化層(02)和頂層硅(03)；其中第一種規格為：頂層硅(03)的厚度具有25
±
1um，中間氧化層(02)的厚度是：2
±
0.05um，底層硅(01)的厚度是：400
±
5um；第二種規格為：頂層硅(03)的厚度具有10
±
1um，中間氧化層(02)的厚度是：1
±
0.05um，底層硅(01)的厚度是：400
±
5um；本發明采用了第一種規格的soi材料，因為這種材料會更容易制備出高頻率的硅微懸臂梁諧振器。
[0033]
(2)在頂層硅(03)的上表面經過低壓化學汽相淀積工藝(lpcvd)淀積的磷硅玻璃(psg)，然后再經過1050攝氏度、1小時的氬氣氛圍退火之后，再利用濕法工藝去除該psg層，便制備出了所需要的器件層；
[0034]
(3)按照光刻圖形要求，利用第一光刻版，記為padmetal光刻版，對器件層進行光刻，露出待加工區域(即露出頂層硅的上表面)，通過電子束蒸發工藝對器件層整個上表面蒸發鉻和金各和形成金屬層，按照光刻圖形要求，通過剝離工藝(liftoff)對該金屬層進行剝離，保留下所需要的金屬層，形成圖形化的金屬層1#(04)；
[0035]
(4)根據光刻圖形要求，利用第二光刻版，記為soi光刻版，對步驟(3)剝離后露出的器件層進行光刻，露出待刻蝕的頂層硅(03)區域，采用深硅刻蝕(drie)工藝對頂層硅(03)進行刻蝕，得到最終的所需器件層圖形；
[0036]
(5)利用光刻膠在對器件層正面即上表面保護的情況下，根據光刻圖形要求，利用第三光刻版，記為trench光刻版，對底層硅(01)從其下表面進行光刻，通過反應離子刻蝕(rie)工藝、深硅刻蝕(drie)工藝，將底層硅(01)刻蝕露出中間氧化層(02)的待刻蝕區域，同時得到底層硅(01)的結構圖形；再經過濕法腐蝕(boe)工藝對露出的中間氧化層(02)的待刻蝕區域進行腐蝕，得到中間氧化層(02)的結構圖形；
[0037]
(6)利用反應離子干法刻蝕工藝(rie)去除器件層正面保護，利用氟化氫刻蝕工藝(vapor hf)對通過頂層硅(03)刻蝕后裸露出的中間氧化層(02)進行刻蝕，來釋放器件層，得到釋放后的器件層結構；
[0038]
(7)利用第四光刻版，記為blanketmetal光刻版，通過陰影掩膜工藝，對一塊新的硅片進行光刻，制備出所需光刻圖形的陰影掩膜，再采用硅-硅鍵合工藝，將陰影掩膜與器
件層頂層鍵合，再次通過電子束蒸發工藝對器件層未被陰影掩膜遮擋的區域進行表面蒸發鉻和金各和形成所需要的金屬層2#(05)；
[0039]
(8)再利用解鍵合工藝去除了陰影掩膜，獲得硅微懸臂梁諧振器，如圖2所示；由于電熱激勵是一種結構簡單且容易控制的方法，它是基于梁的熱膨脹現象；激勵電阻產生熱量，在梁的長度方向及法向形成溫度梯度，法向溫度梯度造成梁在法向上的熱膨脹梯度，使梁彎曲變形。因此，在熱激勵電阻上施加交變電壓，梁上產生交變的溫度應力，驅動懸臂梁發生振動。在懸臂梁根部表面，即應力集中處設計惠斯通拾振電橋，通過檢測懸臂梁諧振器振動導致的應力變化實現對諧振信號的檢測。
[0040]
電熱激勵是一種結構簡單且容易控制的方法。他是基于梁的熱膨脹現象。激勵電阻產生熱量，在梁的長度方向及法向形成溫度梯度，法向溫度梯度造成梁在法向上的熱膨脹梯度，使梁彎曲變形。因此，在熱激勵電阻上施加交變電壓，梁上產生交變的溫度應力，驅動懸臂梁發生振動。在懸臂梁根部表面，即應力集中處設計惠斯通拾振電橋，通過檢測懸臂梁諧振器振動導致的應力變化實現對諧振信號的檢測。
[0041]
本發明整體步驟按照步驟(1)選用第一種soi材料(絕緣襯底上的硅)作為襯底材料后，對步驟(3)用到的padmetal光刻版，步驟(4)用到的soi光刻版，步驟(5)用到的trench光刻版以及步驟(7)用到的blanketmetal光刻版，按照如圖3所示的設計規則設計，使得每個光刻版均滿足如圖3所示的單層光刻版設計要求。如果光刻尺寸不符合如圖3所示的要求，則會出現光刻圖形錯位、丟失的情況。
[0042]
若單個光刻版均滿足圖3所示的設計要求，則如圖4所示，分別用步驟(3)用到的padmetal光刻版、步驟(5)用到的trench光刻版、步驟(7)用到的blanketmetal光刻版與步驟(4)用到的soi光刻版的圖形進行比較，是否滿足圖4所示的設計要求，如果不滿足，則會出現部分可動部件脫落、或不能釋放的情況。
[0043]
本發明設計的硅微懸臂梁諧振器梁的寬度為7微米，長度為1000微米，諧振頻率達到25200赫茲，均滿足圖3和圖4設計的要求。芯片鏡檢結果，沒有發現懸臂梁脫落或是粘連現象。如圖5所示，為一種硅微懸臂梁諧振器的整個圓片示意圖。圓片001上排列著多個硅微懸臂梁諧振器結構101，沿著劃片道102利用機械或激光切割即可形成所設計的芯片。
[0044]
本發明采用了soi材料(絕緣襯底上的硅)作為襯底材料，極大地簡化了利用硅片來制備硅懸臂梁的工藝難度，極大地縮減了大批量生產的時間開發成本。；本發明是采用氟化氫刻蝕工藝(vapor hf)來刻蝕器件頂層裸露出來的中間氧化層(02)，從而達到釋放器件層的目的，此方法不涉及傳統的濕法腐蝕液體，因此不會造成釋放器件層的粘連。并且此方法適用的范圍比濕法腐蝕釋放更加寬廣，適合于大多數的腐蝕氧化硅釋放器件的場合；本發明所采用的工藝方法是與memscap公司開發的標準工藝流程(soimumps)相兼容，本發明涉及到很多的技術，包括深硅刻蝕工藝、電子束蒸發工藝、liftoff工藝、陰影掩膜工藝等，能夠為同類型工藝的產品開發提供工藝參考；本發明采用氟化氫刻蝕工藝(vapor hf)來釋放器件層，這樣就避免了傳統濕法工藝釋放器件層造成的粘連問題。又由于此器件制備工藝與memscap公司開發的標準工藝流程(soimumps)相兼容，這樣就可以達到低成本、高合格率的大批量生產的要求。
技術特征：
1.一種硅微懸臂梁諧振器的制備方法，其特征在于步驟如下：(1)選用soi材料作為襯底材料；從上到下依次包括：底層硅(01)、中間氧化層(02)和頂層硅(03)；(2)在頂層硅(03)的上表面經過磷硅玻璃淀積與摻雜工藝得到磷硅玻璃層、再經過氬氣氛圍退火之后，利用濕法工藝去除該磷硅玻璃層，便制備出了器件層；(3)按照光刻圖形要求，利用第一光刻版，記為padmetal光刻版，對器件層進行光刻，露出待加工區域，通過電子束蒸發工藝對器件層整個上表面進行金屬化，形成金屬層，按照光刻圖形要求，通過剝離工藝對該金屬層進行剝離，保留下所需要的金屬層，形成圖形化的金屬層1#(04)；(4)根據光刻圖形要求，利用第二光刻版，記為soi光刻版，對步驟(3)剝離后露出的器件層進行光刻，露出待刻蝕的頂層硅(03)區域，采用深硅刻蝕工藝對頂層硅(03)進行刻蝕，得到最終的所需器件層圖形；(5)利用光刻膠在對器件層正面即上表面保護的情況下，根據光刻圖形要求，利用第三光刻版，記為trench光刻版，對底層硅(01)從其下表面進行光刻，通過反應離子刻蝕工藝、深硅刻蝕工藝，將底層硅(01)刻蝕露出中間氧化層(02)的待刻蝕區域，同時得到底層硅(01)的結構圖形；再經過濕法腐蝕工藝對露出的中間氧化層(02)的待刻蝕區域進行腐蝕，得到中間氧化層(02)的結構圖形；(6)利用干法刻蝕工藝去除器件層正面保護，利用氟化氫刻蝕工藝對通過頂層硅(03)刻蝕后裸露出的中間氧化層(02)進行刻蝕，來釋放器件層，得到釋放后的器件層結構；(7)利用第四光刻版，記為blanketmetal光刻版，通過陰影掩膜工藝，對一塊新的硅片進行光刻，制備出所需光刻圖形的陰影掩膜，再采用鍵合工藝，將陰影掩膜與器件層頂層鍵合，再次通過電子束蒸發工藝對器件層上表面未被陰影掩膜遮擋的區域進行金屬化，形成所需要的金屬層2#(05)；(8)再利用解鍵合工藝去除了陰影掩膜，獲得硅微懸臂梁諧振器。2.根據權利要求1所述的一種硅微懸臂梁諧振器的制備方法，其特征在于：金屬層1#具體要求為：電子束蒸發的金屬為鉻(cr)和金(au)，厚度分別為和3.根據權利要求1所述的一種硅微懸臂梁諧振器的制備方法，其特征在于：對一塊新的硅片進行光刻，制備出所需光刻圖形的陰影掩膜，再采用硅-硅鍵合工藝，將陰影掩膜與器件層頂層鍵合，用來阻擋部分電子束蒸發的金屬。4.根據權利要求1所述的一種硅微懸臂梁諧振器的制備方法，其特征在于：金屬層2#具體要求為：電子束蒸發的金屬為鉻(cr)和金(au)，厚度分別為和5.根據權利要求1所述的一種硅微懸臂梁諧振器的制備方法，其特征在于：soi材料為絕緣襯底上的硅。6.根據權利要求1所述的一種硅微懸臂梁諧振器的制備方法，其特征在于：步驟(3)露出待加工區域為露出頂層硅的上表面。
技術總結
本發明涉及一種硅微懸臂梁諧振器的制備方法，(1)選用SOI材料(絕緣襯底上的硅)作為襯底材料；(2)制備出器件層；(3)形成圖形化的金屬層1#(04)；(4)采用深硅刻蝕(DRIE)工藝對頂層硅(03)進行刻蝕，得到最終的所需器件層圖形；(5)得到中間氧化層(02)的結構圖形；(6)得到釋放后的器件層結構；(7)對一塊新的硅片進行光刻，制備出所需光刻圖形的陰影掩膜，再采用鍵合工藝，將陰影掩膜與器件層頂層鍵合，再次通過電子束蒸發工藝對器件層上表面未被陰影掩膜遮擋的區域進行金屬化，形成所需要的金屬層2#(05)；(8)再利用解鍵合工藝去除了陰影掩膜，獲得硅微懸臂梁諧振器，可以達到低成本、高合格率的大批量生產的要求。高合格率的大批量生產的要求。高合格率的大批量生產的要求。
