專利名稱：一種固體介質(zhì)層諧振器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)諧振器，特別涉及一種固體介質(zhì)層諧振器及其制備方法。
背景技術(shù)：
采用微機(jī)械加工技術(shù)制作的MEMS諧振器由于具有低功耗、高Q值、寬頻帶、體積 小、以及能與CMOS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，因此人們正逐步采用MEMS諧振器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的片下、大 體積頻率選擇器件，以滿足低功耗、低成本、高性能、高集成度無(wú)線通訊技術(shù)的需求。另一方 面，由于諧振器的諧振頻率對(duì)環(huán)境參數(shù)具有非常高的靈敏度，所以MEMS諧振器在高靈敏度 諧振傳感檢測(cè)方面也極具潛力，如生化傳感器、壓力傳感器、加速度計(jì)、陀螺等器件均可采 用諧振方式檢測(cè)信號(hào)。目前，具有無(wú)線通訊功能的集成單芯片最大障礙是需要在RF濾波和 儲(chǔ)能電路中配置高Q值的諧振器，而諧振傳感檢測(cè)方面需要有效提高其諧振頻率和Q值，以 改善傳感器的靈敏度和分辨率，因此提高M(jìn)EMS諧振器的動(dòng)態(tài)特性是目前研究的關(guān)鍵。目前，微機(jī)械諧振器主要有梳狀結(jié)構(gòu)諧振器、懸臂梁諧振器、表面和體聲波諧振器 等。表面和體聲波諧振器技術(shù)在通信系統(tǒng)中已有實(shí)際應(yīng)用，但這類器件的功耗和體積比較 大，并受集成電路制造工藝兼容性限制，不能實(shí)現(xiàn)與IC集成；梳狀結(jié)構(gòu)和懸臂梁式諧振器 采用多晶硅或單晶硅材料，利用犧牲層工藝或體硅工藝制造，提高其諧振頻率的一種手段 是減小幾何尺寸。懸臂梁諧振器的應(yīng)用研究目前主要集中在諧振傳感檢測(cè)，在真空環(huán)境下， 動(dòng)態(tài)模式工作的納機(jī)械懸臂梁傳感器的質(zhì)量靈敏度達(dá)到10_18g/HZ，Q值可以達(dá)到4500，但 在大氣環(huán)境下，工作在IOkHz-IMHz頻率范圍內(nèi)諧振器的Q值僅介于50-200之間。在液態(tài)環(huán) 境下，由于受到巨大粘滯阻尼的作用，懸臂梁傳感器的質(zhì)量探測(cè)靈敏度降低了幾個(gè)數(shù)量級(jí)， 典型Q值僅為2-5。諧振損耗限制了撓性納機(jī)械諧振器Q值的提高，而制備工藝、制備成本 等問(wèn)題限制了其廣泛應(yīng)用。利用電容驅(qū)動(dòng)和傳感的換能方式工作的納隙電容式諧振器[Siavash
Pourkamali, High-Q crystal silicon HARPSS capacitive beam resonators with
self-alighed sub-IOOnmtransduction gaps，J. Microelectromechanical Syatem，
Vol. 12， No.4，2003， pp.487-496. ；SiavashPourkamali, VHF single-crystal
silicon resonators capacitive elliptic bulk-mode disk resonators-part II
implementation and characterization, J. Microelectromechanical Syatem, Vol.13，
No. 6,2004, pp. 10M-1062.]，驅(qū)動(dòng)電極加交流信號(hào)，在諧振體上加直流偏置，則傳感電極輸
出一個(gè)交流電流信號(hào)。在交流信號(hào)和直流偏置的共同作用下，傳感和驅(qū)動(dòng)電極信號(hào)通過(guò)電
容耦合到諧振體，在諧振體上施加靜電力，當(dāng)輸入信號(hào)頻率與諧振頻率一致時(shí)發(fā)生共振。諧
振信號(hào)通過(guò)諧振子和多晶硅輸出電極間的電容耦合到輸出電極上，驅(qū)動(dòng)力和輸出電流信號(hào)
可分別表示為

權(quán)利要求
1.一種固體介質(zhì)層諧振器，包括諧振體、驅(qū)動(dòng)電極、傳感電極、偏置電極，相應(yīng)的支撐錨 點(diǎn)和硅襯底，所述諧振體、驅(qū)動(dòng)電極、傳感電極、偏置電極通過(guò)錨點(diǎn)支撐于硅襯底上，其中 諧振體是懸空的結(jié)構(gòu)；驅(qū)動(dòng)電極和傳感電極均由極板、焊盤和連接極板與焊盤的連接線構(gòu) 成，所述極板為梳齒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌在諧振體中，諧振體與極板通過(guò)固體絕緣介質(zhì)層隔離，所 述焊盤位于諧振體外，焊盤上設(shè)有金屬電極；偏置電極一端與諧振體電連接，另一端為焊 盤，焊盤上設(shè)有金屬電極。
2.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其特征在于，諧振體材料為多晶硅、SiGe或SiC ’傳 感電極和驅(qū)動(dòng)電極材料為多晶硅、SiGe或SiC;固體絕緣介質(zhì)層材料為氮化硅，厚度在 20-200nm。
3.如權(quán)利要求1所述的諧振器，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)電極和傳感電極的數(shù)目相等，為 一個(gè)或多個(gè)；多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極和多個(gè)傳感電極的情況下，驅(qū)動(dòng)電極極板和傳感電極極板相間 排列在諧振體中，且呈中心對(duì)稱分布。
4.如權(quán)利要求3所述的諧振器，其特征在于，所述諧振體為方形，四個(gè)角連接支撐錨 點(diǎn)，其邊長(zhǎng)為20μπι 1mm，厚度為2μπι IOym ；諧振體中內(nèi)嵌兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極極板和兩 個(gè)傳感電極極板，四個(gè)極板結(jié)構(gòu)相同，相間分布在諧振體的四個(gè)象限中，每個(gè)極板的梳齒方 向平行于諧振體的一條邊而垂直于相鄰極板的梳齒方向，四個(gè)極板分別由連接線引出諧振 體。
5.如權(quán)利要求3所述的諧振器，其特征在于，所述諧振體為圓盤形，直徑為20μ m 1mm，厚度為2μπι ΙΟμπι，在諧振體的圓周上等間距設(shè)置四個(gè)支撐錨點(diǎn)；四個(gè)相同的梳齒 狀極板分別內(nèi)嵌在四分之一個(gè)諧振體的扇形區(qū)域中；每個(gè)極板由若干個(gè)圓心角為90°的 同心圓弧狀梳齒構(gòu)成，各極板的梳齒均為為順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较颍渲袃蓚€(gè)極板為驅(qū)動(dòng)電 極極板，另兩個(gè)極板為傳感電極極板，四個(gè)極板分別由連接線從諧振體引出。
6.如權(quán)利要求4或5所述的諧振器，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極和兩個(gè)傳感電極分別相鄰，驅(qū)動(dòng)電極 施加相位相反的交流信號(hào)，諧振器工作在體模式下，兩個(gè)傳感電極輸出位相相反的電流信 號(hào)。
7.如權(quán)利要求4或5所述的諧振器，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電極和兩個(gè)傳感電極分別相對(duì)，驅(qū)動(dòng)電極 施加相位相同的交流信號(hào)，諧振器工作在體模式下，兩個(gè)傳感電極輸出位相相同的電流信號(hào)。
8.一種制備權(quán)利要求1所述固體介質(zhì)層諧振器的方法，依次包括下列步驟1)在硅基片上依次形成第一氧化硅層、第一氮化硅層和第二氧化硅層，然后進(jìn)行第一 次光刻并濕法腐蝕第二氧化硅層，形成后續(xù)用于釋放諧振體結(jié)構(gòu)的氧化硅犧牲層；2)在第一氮化硅層上和氧化硅犧牲層上淀積第一多晶硅層，并化學(xué)機(jī)械拋光使其表面 平整，然后進(jìn)行第二次光刻，圖形化出驅(qū)動(dòng)電極和傳感電極的形狀，并以光刻膠為掩膜干法 刻蝕第一多晶硅層至氧化硅犧牲層，形成一系列深槽，氧化硅犧牲層上的深槽即為驅(qū)動(dòng)和 傳感電極極板的生長(zhǎng)位置；3)在第一多晶硅層和深槽上先淀積第二氮化硅層，再淀積第二多晶硅層填滿深槽，然 后刻蝕表面的第二多晶硅層和第二氮化硅層，至第一多晶硅層露出，保留在深槽側(cè)壁的第 二氮化硅層即為驅(qū)動(dòng)電極和傳感電極與諧振體間的絕緣介質(zhì)層，保留在深槽中的第二多晶 硅層即為驅(qū)動(dòng)和傳感電極；然后對(duì)多晶硅進(jìn)行離子注入并退火；4)濺射金屬層，進(jìn)行第三次光刻并腐蝕金屬，在驅(qū)動(dòng)電極、傳感電極和偏置電極的焊盤 部位形成金屬電極；5)進(jìn)行第四次光刻圖形化出整個(gè)諧振器，光刻后劃片，然后以帶有圖形的光刻膠為掩 膜刻蝕多晶硅至第一氮化硅層，濕法腐蝕氧化硅犧牲層，直到諧振體結(jié)構(gòu)釋放，得到所述固 體介質(zhì)層諧振器。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，步驟1)中通過(guò)熱氧化形成第一氧化硅層，采 用低壓化學(xué)氣相沉積淀積第一氮化硅層和第二氧化硅層；步驟幻中采用低壓化學(xué)氣相沉 積淀積第一多晶硅層，采用感應(yīng)耦合等離子體干法刻蝕第一多晶硅層形成深槽；步驟3)采 用低壓化學(xué)氣相沉積淀積第二氮化硅層和第二多晶硅層，然后反應(yīng)離子刻蝕表面的第二多 晶硅層和第二氮化硅層，露出第一多晶硅層后進(jìn)行離子注入，并在氮?dú)鈿夥罩型嘶鸺せ钭?入的離子。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，步驟幻第四次光刻后堅(jiān)膜，在有光刻圖形 的光刻膠上再涂另外一層光刻膠作為保護(hù)層，然后劃片，劃片后去掉上層光刻膠，余下下層 的有光刻圖形的光刻膠作為掩膜，感應(yīng)耦合等離子體干法刻蝕第一多晶硅層至第一氮化硅 層，隨后氫氟酸腐蝕氮化硅犧牲層釋放諧振體。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種固體介質(zhì)層諧振器及其制備方法，該固體介質(zhì)層諧振器的驅(qū)動(dòng)電極和傳感電極的極板為梳齒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)嵌在諧振體結(jié)構(gòu)中，諧振體與極板通過(guò)固體絕緣介質(zhì)層隔離。該諧振器的制備基于微機(jī)械加工工藝，與IC工藝兼容；梳齒狀的極板結(jié)構(gòu)增大了傳感和驅(qū)動(dòng)電極的面積，從而減小了其輸入輸出阻抗，增加了器件的匹配能力和信噪比；固體介質(zhì)層的應(yīng)用使電容極板間隙寬度容易控制，避免了空氣介質(zhì)造成的阻尼；本發(fā)明的固體介質(zhì)層諧振器工作在體模態(tài)，在空氣中即可高頻、高Q值工作。
文檔編號(hào)H03H9/24GK102148613SQ201010107920
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月5日
發(fā)明者于曉梅, 劉毅 申請(qǐng)人:北京大學(xué)