硅微諧振器的加工方法
【專利摘要】硅微諧振器的加工方法，屬于傳感器領(lǐng)域，本發(fā)明為解決諧振器采用現(xiàn)有方法制作存在的問題。本發(fā)明該方法包括以下步驟：步驟一、選用電阻率為3Ω·cm～10Ω·cm的N型<111>硅片作為待加工硅片，進行熱氧化處理，獲取熱氧化處理硅片；步驟二、采用光刻工藝在熱氧化處理硅片的上表面刻蝕出諧振梁結(jié)構(gòu)圖形；去掉諧振梁兩側(cè)區(qū)域的氧化層；同時，利用深反應(yīng)離子刻蝕工藝在所述諧振梁兩側(cè)對稱形成兩個深槽；步驟三、諧振梁側(cè)壁覆蓋鈍化層；步驟四、刻蝕掉兩個深槽底部的鈍化層；步驟五、繼續(xù)對兩個深槽底部再刻蝕一定深度；步驟六、用TMAH溶液對硅片進行腐蝕，釋放出諧振梁；諧振梁兩側(cè)的兩個深槽連通后構(gòu)成振動腔室，加工出硅微諧振器。
【專利說明】硅微諧振器的加工方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及硅微諧振器的加工方法，屬于傳感器領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]硅微諧振式壓力傳感器長期精度可達0.01 % FS，是目前精度最高的硅微壓力傳感器，而且抗干擾能力很強，性能穩(wěn)定，年穩(wěn)定性可達0.01%。此類傳感器是工業(yè)控制系統(tǒng)、大氣、宇宙數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)中所迫切需要的傳感器。而諧振器是這類傳感器的核心，諧振器的核心結(jié)構(gòu)是諧振梁或是諧振膜，以及懸臂梁(膜)所處真空腔。目前，此類用途的諧振器的諧振梁(膜)主要采用以下四種方法制作，這些方法存在各自不足:
[0003](I)諧振器采用兩個硅片通過硅硅直接鍵合來完成。其中一個硅片通過正面或背面減薄的方法制作諧振梁，另一硅片制作壓力敏感薄膜，并為諧振梁提供振動框架。這種方法所采用的硅硅直接鍵合技術(shù)對硅片表面平整度要求極高，一般硅片尤其經(jīng)過多步微加工工藝后的硅片較難滿足。該技術(shù)需要在高溫下完成，這要求金屬引線制作等工藝必須在此工藝之后進行，限制了諧振器制作的靈活性。另外，由于原始硅片厚度不可能處處相等，而減薄過程也不可能處處均勻，因此得到的諧振梁厚度均勻性不可能太好；
[0004]( 2 )諧振器的諧振梁(膜)采用濃硼自停止腐蝕方法來完成。該方法需要對硅片中諧振梁(膜)所在的區(qū)域進行濃硼摻雜，然后通過濕法腐蝕方法進行諧振梁(膜)的釋放。諧振梁(膜)厚度由硼摻雜的深度決定，因此諧振梁不容易做厚。另外，摻雜會使諧振子存在較大應(yīng)力，影響器件的長期穩(wěn)定性；
[0005](3)諧振器的諧振梁(膜)采用犧牲層方法來完成。該方法需要先沉積二氧化硅薄膜充當犧牲層，沉積多晶硅或氮化硅薄膜充當結(jié)構(gòu)層。因此，諧振梁是由多晶硅或氮化硅構(gòu)成，其力學性能不如單晶硅，也不利于進行壓阻檢測。沉積方法得到的薄膜不可能太厚，因此諧振梁的厚度和懸空高度會受到限制。薄膜的內(nèi)應(yīng)力也將影響器件的穩(wěn)定性；
[0006](4)諧振器采用SOI材料來制作。利用SOI材料上層硅來制作諧振梁，利用二氧化硅或氮化硅對諧振梁側(cè)壁進行保護，通過各向異性腐蝕方法完成諧振梁的釋放。此方法的優(yōu)點是得到的諧振梁是單晶硅，但諧振梁厚度不能大于SOI材料上層硅的厚度。因此，諧振器振動頻率的調(diào)整受到限制。另外，SOI材料的價格是普通硅片的10倍，成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的是為了解決諧振器采用現(xiàn)有方法制作存在的問題，提供了一種硅微諧振器的加工方法。
[0008]本發(fā)明所述硅微諧振器的加工方法，該方法包括以下步驟:
[0009]步驟一、選用電阻率為3 Ω.Cii1-1OQ.cm的N型〈111〉硅片作為待加工硅片，對待加工硅片進行熱氧化處理，在待加工硅片的上下表面形成氧化膜，獲取熱氧化處理硅片;
[0010]步驟二、采用光刻工藝在熱氧化處理硅片的上表面刻蝕出諧振梁結(jié)構(gòu)圖形；然后以反應(yīng)離子刻蝕工藝或濕法腐蝕工藝去掉諧振梁兩側(cè)區(qū)域的氧化層；同時，利用深反應(yīng)離子刻蝕工藝在所述諧振梁兩側(cè)對稱形成兩個深槽，此深槽的深度為諧振梁的厚度；
[0011]步驟三、利用LPCVD沉積氮化硅或二氧化硅作為鈍化層對氧化層、兩個深槽的側(cè)壁及底部進行覆蓋，完成對諧振梁側(cè)壁覆蓋鈍化層；
[0012]步驟四、利用反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕掉所述熱氧化處理硅片的上表面氧化層之上的鈍化層及兩個深槽底部的鈍化層；
[0013]步驟五、利用深反應(yīng)離子刻蝕工藝繼續(xù)對兩個深槽底部再刻蝕一定深度，此深度是諧振梁的懸空高度；
[0014]步驟六、用TMAH溶液對硅片進行腐蝕，直到諧振梁底部的硅全部被腐蝕掉，釋放出諧振梁；諧振梁兩側(cè)的兩個深槽連通后構(gòu)成振動腔室，加工出硅微諧振器。
[0015]本發(fā)明的優(yōu)點:本發(fā)明提出一種操作簡便的諧振器制作方法，主要采用N型〈111〉硅片單面制作，除了具有工藝簡易可控外，所制得的諧振梁是單晶硅材料，沒有內(nèi)應(yīng)力。這使得諧振梁具有很高的壓阻效應(yīng)和穩(wěn)定性。干法和濕法工藝交叉使用，諧振梁尺寸和懸空高度可在較大范圍內(nèi)調(diào)整，使得諧振梁的振動頻率可在較大范圍內(nèi)自由調(diào)整。由于利用了N型〈111〉硅片特有的自停止腐蝕特性，諧振梁尺寸更容易控制精確。
【專利附圖】

【附圖說明】[0016]圖1是本發(fā)明所述硅微諧振器的加工方法涉及的硅微諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖[0017]圖2是待加工娃片的結(jié)構(gòu)不意圖；[0018]圖3是熱氧化處理硅片的結(jié)構(gòu)示意圖；[0019]圖4是硅片加工出深槽后的結(jié)構(gòu)示意圖；[0020]圖5是覆蓋鈍化層后的結(jié)構(gòu)示意圖；[0021]圖6是刻蝕掉深槽底部的鈍化層后的結(jié)構(gòu)示意圖；[0022]圖7是刻蝕出諧振梁懸空高度后的結(jié)構(gòu)示意圖；[0023]圖8是兩個深槽連通后形成的硅微諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0024]【具體實施方式】一:下面結(jié)合圖1至圖8說明本實施方式，本實施方式所述硅微諧振器的加工方法，該方法包括以下步驟:
[0025]步驟一、選用電阻率為3 Ω.Cii1-1OQ.cm的N型〈111〉硅片作為待加工硅片，對待加工硅片進行熱氧化處理，在待加工硅片的上下表面形成氧化膜，獲取熱氧化處理硅片;
[0026]步驟二、采用光刻工藝在熱氧化處理硅片的上表面刻蝕出諧振梁結(jié)構(gòu)圖形；然后以反應(yīng)離子刻蝕工藝或濕法腐蝕工藝去掉諧振梁兩側(cè)區(qū)域的氧化層；同時，利用深反應(yīng)離子刻蝕工藝在所述諧振梁兩側(cè)對稱形成兩個深槽，此深槽的深度為諧振梁的厚度；
[0027]步驟三、利用LPCVD沉積氮化硅或二氧化硅作為鈍化層對氧化層、兩個深槽的側(cè)壁及底部進行覆蓋，完成對諧振梁側(cè)壁覆蓋鈍化層；
[0028]步驟四、利用反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕掉所述熱氧化處理硅片的上表面氧化層之上的鈍化層及兩個深槽底部的鈍化層；[0029]步驟五、利用深反應(yīng)離子刻蝕工藝繼續(xù)對兩個深槽底部再刻蝕一定深度，此深度是諧振梁的懸空高度；
[0030]步驟六、用TMAH溶液對硅片進行腐蝕，直到諧振梁底部的硅全部被腐掉，釋放出諧振梁；諧振梁兩側(cè)的兩個深槽連通后構(gòu)成振動腔室，加工出硅微諧振器。
[0031]可根據(jù)需要，在步驟二工藝之前利用離子注入方法對硅表面進行摻雜，以改變其電學性能；
[0032]可根據(jù)需要，在步驟三工藝之后為器件制作引線和焊盤；
[0033]本實施方式主要提供了一種簡單的諧振器制作方法。所涉及的諧振器的諧振梁(膜)是在N型〈111〉單晶硅片上制作。諧振梁的厚度和所在的腔室深度由深反應(yīng)離子刻蝕工藝決定，便于調(diào)整。這使得諧振器的頻率可在較大范圍內(nèi)調(diào)整。諧振梁的加工主要利用單晶硅在堿性腐蝕液中〈111〉晶向腐蝕速率遠低于其他晶向的特性，選用N型〈111〉硅片，依據(jù)其法向腐蝕速率低的特點，在TMAH溶液中腐蝕后釋放完成。得到的諧振梁為單晶硅材料且為襯底材料的一部分，沒有內(nèi)應(yīng)力。另外，由于硅材料本身的對稱性，處于〈111〉晶面內(nèi)的任何晶向壓阻系數(shù)都相同，且最大。因此，此諧振梁方便用于壓阻檢測。
[0034]圖1中，部件i表示諧振梁，部件2表示振動腔室，部件3表示硅片。
[0035]【具體實施方式】二:本實施方式對實施方式一作進一步說明，步驟二所述采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝在熱氧化處理硅片的上表面刻蝕出諧振梁結(jié)構(gòu)圖形的過程為:
[0036]在所述諧振梁結(jié)構(gòu)圖形兩側(cè)對稱進行刻蝕，形成兩個對稱的深槽，深槽的深度為諧振梁的厚度，兩個深槽間隔的寬度為諧振梁的寬度。
V；
[0037]諧振梁沿〈211〉晶向擺放，并且諧振梁長度是其寬度的2±倍以上。
2
[0038]【具體實施方式】三:本實施方式所涉及的諧振器制作方法結(jié)合了半導體的干、濕刻蝕工藝，并利用了〈111〉硅片的腐蝕特點。下面以振動頻率為IlOkHz的諧振器為例，說明其制作方法。諧振梁沿〈211〉方向擺放，厚度為6微米，長和寬分別為600微米和40微米。其所處的腔室深度為20微米。諧振梁兩側(cè)的刻蝕區(qū)域長和寬分別為600微米和200微米。
[0039]具體工藝步驟如下:
[0040](I)選用N型〈111〉硅片，電阻率為3?10 Ω.cm。對硅片進行熱氧化(如圖2、3所示)；
[0041](2)采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝(DRIE)刻蝕出諧振梁結(jié)構(gòu)圖形。諧振梁沿〈211〉晶向擺放?？涛g區(qū)域的長和寬分別為600微米和200微米，深6微米?？涛g區(qū)域間隔的寬度等于諧振梁的寬度，為40微米(如圖4所示)；
[0042](3)利用LPCVD沉積厚為1000?2000埃的氮化硅作為鈍化層，對諧振梁側(cè)壁進行覆蓋(如圖5所示)；
[0043](4)利用反應(yīng)離子刻蝕各向異性特點，刻蝕掉深槽底部的LPCVD沉積氮化硅層，而留下諧振梁側(cè)壁的氮化硅(如圖6所示)。此步驟可以不使用掩膜；
[0044](5)利用深反應(yīng)離子刻蝕工藝繼續(xù)對潛槽底部刻蝕20微米，此深度是諧振梁的懸空高度(如圖7所示)。此步可以不用掩膜；
[0045](6)利用濃度15%的TMAH溶液在85°C時，對硅片進行腐蝕，直到諧振梁底部的硅全部被腐掉，釋放出諧振梁(如圖8所示)。此步主要利用了 N型〈111〉硅片的各向異性腐蝕特性，因此腐蝕出來的空間是具有71度傾斜角度的。整個腐蝕過程大概需要70分鐘。
【權(quán)利要求】
1.硅微諧振器的加工方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟一、選用電阻率為3 Ω.Cm-1OQ.Cm的N型〈111〉硅片作為待加工硅片，對待加工硅片進行熱氧化處理，在待加工硅片的上下表面形成氧化膜，獲取熱氧化處理硅片；步驟二、采用光刻工藝在熱氧化處理硅片的上表面刻蝕出諧振梁結(jié)構(gòu)圖形；然后以反應(yīng)離子刻蝕工藝或濕法腐蝕工藝去掉諧振梁兩側(cè)區(qū)域的氧化層；同時，利用深反應(yīng)離子刻蝕工藝在所述諧振梁兩側(cè)對稱形成兩個深槽，此深槽的深度為諧振梁的厚度； 步驟三、利用LPCVD沉積氮化硅或二氧化硅作為鈍化層對氧化層、兩個深槽的側(cè)壁及底部進行覆蓋，完成對諧振梁側(cè)壁覆蓋鈍化層； 步驟四、利用反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕掉所述熱氧化處理硅片的上表面氧化層之上的鈍化層及兩個深槽底部的鈍化層； 步驟五、利用深反應(yīng)離子刻蝕工藝繼續(xù)對兩個深槽底部再刻蝕一定深度，此深度是諧振梁的懸空高度； 步驟六、用TMAH溶液對硅片進行腐蝕，直到諧振梁底部的硅全部被腐蝕掉，釋放出諧振梁；諧振梁兩側(cè)的兩個深槽連通后構(gòu)成振動腔室，加工出硅微諧振器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述硅微諧振器的加工方法，其特征在于，步驟二所述采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝在熱氧化處理硅片的上表面刻蝕出諧振梁結(jié)構(gòu)圖形的過程為: 在所述諧振梁結(jié)構(gòu)圖形兩側(cè)對稱進行刻蝕，形成兩個對稱的深槽，深槽的深度為諧振梁的厚度，兩個深槽間隔的寬度為諧振梁的寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述硅微諧振器的加工方法，其特征在于，諧振梁沿〈211〉晶向擺放，并且諧振梁長度是其寬度的f倍以上`。

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【文檔編號】B81B3/00GK103439032SQ201310410397
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】王明偉, 金建東, 李玉玲, 田雷, 齊虹, 王永剛, 劉智輝 申請人:中國電子科技集團公司第四十九研究所