專利名稱：生產(chǎn)震動微機械結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用絕緣體上硅(Silicon-on-insulator) (SOI)晶片制造 微機械諧振器的方法，且特別涉及使用單晶硅晶片材料制造微機械 諧振器的方法。
背景技術(shù)：
如Yoon等在2002年12月3日的美國專利6,490,147"High-Q Micromechanical Device and Method of Tuning Same(高Q微機械裝置 及其調(diào)試方法)"(其通過引用結(jié)合入本文)中，以及Nguyen等在2001 年6月19日的美國專利6,249,073"Device Including a Micmmechanical Resonator Having an Operating Frequency and Method of Extending Same(包括具有操作頻率的微機械諧振器的裝置及其擴展方法)"(其通 過引用結(jié)合入本文)中所公開的，由多晶型硅(公知為多晶硅)形成的 震動微機械諧振器已知為多種高Q振蕩器和過濾應(yīng)用中晶體的縮微 替代品。現(xiàn)有技術(shù)的微機械諧振器制造技術(shù)使用多晶硅生產(chǎn)微機械 諧振器裝置，通過硅犧牲表面微機械加工方式生產(chǎn)。
該使用犧牲表面微機械加工的現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)方法生產(chǎn)實現(xiàn)裝置 性能的，具有內(nèi)在應(yīng)力、應(yīng)力梯度或兩者都有的多晶硅諧振器或其 他薄膜諧振器。這些內(nèi)在應(yīng)力和應(yīng)力梯度在生產(chǎn)過程中是難以控制 的。然而，這些內(nèi)在應(yīng)力和應(yīng)力梯度的控制對于裝置在需要高重復(fù) 性和再現(xiàn)性的應(yīng)用中是關(guān)鍵的。
該使用多晶硅的現(xiàn)有技術(shù)的生產(chǎn)方法還需要使用濕蝕刻技術(shù)除 去材料的犧牲層，該蝕刻技術(shù)使生產(chǎn)過程復(fù)雜并通常由于難以除去 諧振器與下部電極之間小隙中的犧牲材料而導(dǎo)致低產(chǎn)率。該使用多 晶硅的生產(chǎn)方法還導(dǎo)致靜摩擦，其進一步降低產(chǎn)率。對于例如為補償制造公差或為調(diào)試或為用作可調(diào)諧振器和過濾 器而要求很小電容氣隙的裝置，除去犧牲層變得極其困難，因為液 體或甚至氣體蝕刻技術(shù)無法輕易穿透諧振器的下面以形成獨立結(jié)構(gòu)
(free standing stucture)。為形成電容隙而除去經(jīng)蝕刻的犧牲材料是是 方法及操作的產(chǎn)率限制因素(yield limiter)(對于300?；蚋〖墑e的小 氣隙而言)。
另外，多晶硅薄膜中存在的雜質(zhì)降低了裝置性能，并且還導(dǎo)致 較低的諧振Q。


圖1和2分別展示了 Yoon等在美國專利6,490,147中所教導(dǎo)的 可調(diào)電容器10的概念圖和透視圖。該電容器IO具有固定至基底物14 的電容器底板12和懸在底板12之上的電容器頂板16。電容器頂板 16也錨定于基底物14。板12和16由銅(Cu)構(gòu)成，以最小化其總串 連電阻，目的是最大化裝置的品質(zhì)因子，Q。
電介質(zhì)板18懸于板12和板16之間，并在板12和板16之外通 過彈簧結(jié)構(gòu)20錨定于基底物14。該電介質(zhì)18通過靜電位移而自由 移動，以改變其與電容器板12和16之間的交疊或其間的彌散場。 在前一種情況下，如圖1所示，當(dāng)DC偏壓應(yīng)用于兩板12和16之間 時，電容器板12和16上的電荷對電介質(zhì)18中誘導(dǎo)的電荷施加靜電 力，以將電介質(zhì)18拉入板12和16之間的間隙。圖2中顯示的"格 柵結(jié)構(gòu)"形狀的電容器10預(yù)期將給定的電容變化所要求的移行距離 或所需電壓最小化，并在通過蝕刻除去薄犧牲層的制造工藝步驟中 提供蝕刻劑進入路徑。
圖3A-3E是側(cè)面剖視圖，其表明生產(chǎn)電容器10所描述的類型的 微機械諧振器的現(xiàn)有技術(shù)的一種制造方法。如Yoon等在美國專利 6,490,147中所教導(dǎo)的，現(xiàn)有技術(shù)方法開始于用作最后金屬結(jié)構(gòu)與硅 晶片或基底物32之間的隔離或電介質(zhì)層的1微米Si(^層30的熱生 長，見圖3A。然后，先蒸發(fā)300 i矣/2000埃Cr/Cu種子層34,再電 鍍5微米銅(Cu)層36以形成電容器底板12。然后在上述Cu層36上
電鍍3000埃的鎳(Ni)層38,以作為緩沖層來防止Cu在隨后的反應(yīng) 性離子蝕刻(RIE)過程中污染蝕刻室。
圖3B表明2000埃的笫一鋁(A1)犧牲層40被蒸發(fā)并圖案化 (pattemed)以形成通路(vias),隨后的層PECVD氮化物電介質(zhì)膜42通 過該通路連至下面的Ni層38。如圖3C所示，氮化物膜42經(jīng)由RIE 圖案化以形成可移動的電介質(zhì)板18，然后沉在0.9 ;f敖米的笫二犧牲 Al膜44之下，該Al膜44限定了電介質(zhì)板18與最后的頂金屬板16 的間距。由于被蝕刻的電介質(zhì)的指之間山谷狀的表面狀況，當(dāng)頂板16 與電介質(zhì)18接合時，0.9微米的Al層44的沉積實際在頂板16與電 介質(zhì)18之間僅產(chǎn)生0.3微米的隙。
如圖3D所示，在蝕刻穿過Al層44的通路以限定頂板錨(顯示 于圖3C中)之后，通過如下方式形成頂板16:首先蒸發(fā)薄Cr/Cu種 子層46,然后通過限定的光致抗蝕劑材料沖莫子50電鍍Cu層48，至 厚度足以保證頂板16在所應(yīng)用的驅(qū)動電壓下不彎曲。除去PR和PR 下的種子層。使用K3Fe(CN)6 /NaOH溶液(其攻擊Al，但保留Cu和 氮化物電介質(zhì)42不受損傷)選擇性蝕刻兩個Al犧牲層40和44，以 釋放電介質(zhì)42，生成如圖3E所示的最終橫切面。釋放后，通常使用 升華或臨界點干燥器干燥電容器10,以防止靜摩擦。
另外，對于小隙而言，清潔和除去犧牲層是極其困難的，并經(jīng) 常需要使用表面活性劑。
如Nguyen等在美國專利6,249,073中所教導(dǎo)的，圖4表明兩端 自由梁(free-free beam)的、彎曲模式的微機械裝置或諧振器52的透 視圖和電傳感(electrical pick off)方案。裝置52包括兩端自由的微機 械彎曲諧振器梁54，在其彎曲節(jié)點56處由四個扭轉(zhuǎn)梁58支撐，各 扭轉(zhuǎn)梁通過固定接觸錨60錨定于基底物59。兩端自由諧振器梁54 下面的驅(qū)動電極62通過應(yīng)用的AC電壓Vi產(chǎn)生靜電刺激，并脫離DC 偏壓的(經(jīng)Vp)諧振器結(jié)構(gòu)64直接檢測輸出電流。扭轉(zhuǎn)支持梁58被 設(shè)計為具有四分之一波長尺度，其實現(xiàn)了將兩端自由諧振器梁54與
固定錨60分離的阻抗轉(zhuǎn)化。理想地，兩端自由諧振器梁54與其支 持物或梁58之間為零阻抗，從而有效地運作，如同無任何支持物一 樣懸浮。結(jié)果，大大抑制了通常在之前的兩端夾緊(clamped-clamped) 梁諧振器中發(fā)現(xiàn)的錨耗散機制，實現(xiàn)了高得多的裝置Q。然而，多 個驅(qū)動電極可用于推-拉刺激。電極還可以用于傳感、調(diào)頻和輸出檢 測。
通常，通過用于去除薄犧牲氧化物層的犧牲表面微機械加工方 法和用于最終釋放彎曲諧振器梁54以形成電容器隙的犧牲層濕蝕刻 來完全確定傳感器電容器隙間距。
如Nguyen等在美國專利6,249,073中所教導(dǎo)的，圖5A和5B表 明傳感器電容器隙間距，其不完全是如在之前兩端夾緊梁高頻裝置 中進行(有難度)的一樣，通過薄犧牲氧化物來確定。而是如Nguyen 等所教導(dǎo)的，電容器隙66由定時蝕刻設(shè)置的間隔物或凹座68的高 度確定。凹座68的高度使當(dāng)足夠大的DC偏壓Vp應(yīng)用于驅(qū)動電極62 和諧振器梁54之間時，整體結(jié)構(gòu)下降并靠凹座68支撐，凹座68位 于彎曲節(jié)點56。間隔物68形成于諧振器梁54或基底物59之上。
如Nguyen等在美國專利6,249,073中所教導(dǎo)的，使用凹座來設(shè) 置電容器隙間距66目的是允許使用厚得多的犧牲氧化物間隔物，從 而緩解了之前的問題，該問題歸因于在傳感器電容器隙間距完全由 用于去除薄犧牲氧化物的犧牲表面微機械加工確定時，所使用的超 薄犧牲層中的針孔和不均勻性。同時，較厚的犧牲氧化物預(yù)期比之 前較薄的犧牲氧化物更容易除去，減少了所需要的HF釋放蝕刻時 間，并減少了蝕刻副產(chǎn)物保留于隙66中(副產(chǎn)物在這里可能干擾諧振 器操作和Q)的可能性。
如Nguyen等在美國專利6,249,073中所述，圖6 A、 6B和6C 表明一現(xiàn)有技術(shù)的用于生產(chǎn)微機械諧振器的方法，其中使用美國專 利6,249，073中所示的工藝流程所描述的五-掩蔽物、多晶型硅或"多 晶硅"、表面微機械加工技術(shù)來制造裝置52。 Nguyen等所教導(dǎo)的制
造順序開始于在<100>輕微摻雜的p型起始硅晶片74上，分別通 過2微米熱氧化物和2000埃LPCVD Si3N4的連續(xù)的生長和沉積而形 成的分離層70和72。然后，在585。C下沉積3000埃的LPCVD多晶 硅并通過注入摻雜磷，然后圖案化以形成平面64和互連 (interconnects然后將LPCVD犧牲氧化物層78沉積至計算確定的厚 度，之后，連續(xù)的掩蔽步驟形成凹座和錨開口 80, 82。凹座開口 82 通過必須精確控制的反應(yīng)性離子蝕刻來產(chǎn)生。錨開口 80僅僅在緩沖 的氫氟酸(BHF)溶液中濕蝕刻。
然后，在圖6B中，結(jié)構(gòu)多晶硅經(jīng)LPCVD在585。C下沉積，并 通過離子注入引入磷摻雜劑，以提供彎曲的諧振器梁54。然后，經(jīng) LPCVD在900。C下沉積2000埃厚的氧化物掩蔽物，之后，晶片必須 在IOO(TC下退火1小時，以減輕應(yīng)力并分布摻雜劑。
如圖6C中所示例的，犧牲層的濕蝕刻用于最終釋^:彎曲諧振器 梁54，以形成電容器隙66。氧化物掩蔽物和結(jié)構(gòu)層分別通過基于 SF6/02的和基于(312的RIE蝕刻來圖案化。然后通過5分鐘在48.8% 重量HF中的蝕刻來釋放結(jié)構(gòu)54和58。如Nguyen等在美國專利 6,249,073中所教導(dǎo)的，該5分鐘釋;故蝕刻時間顯著短于之前的兩端 夾緊梁諧振器所需要的時間(約1小時)，因為如Nguyen等所教導(dǎo)的， 其不收益于凹座激活的隙間距。之前兩端夾緊的梁諧振器要求犧牲 氧化物厚度在數(shù)百埃的級別。在由犧牲層的濕蝕刻造成的結(jié)構(gòu)釋放 后，鋁被蒸發(fā)，并通過搬離(lift-off)于多晶硅互連(interconnect)上圖案 化，以減少串:f關(guān)阻抗。
因此，使用多晶硅的現(xiàn)有技術(shù)的生產(chǎn)方法生產(chǎn)實現(xiàn)裝置性能的 具有內(nèi)在應(yīng)力、應(yīng)力梯度或兩者都有的諧振器。這些使用多晶硅的 現(xiàn)有技術(shù)的生產(chǎn)方法還需要使用濕蝕刻技術(shù)除去材料的犧牲層，該 蝕刻技術(shù)使生產(chǎn)過程復(fù)雜，并通常由于難以除去諧振器與下部電極 之間小隙中的犧牲材料而導(dǎo)致低產(chǎn)率。該使用多晶硅的生產(chǎn)方法還 導(dǎo)致靜摩擦，其進一步降低產(chǎn)率，并且多晶硅薄膜中存在的雜質(zhì)降
低裝置性能并導(dǎo)致較低的諧振器Q。
因此，需要改良的裝置和生產(chǎn)方法。 發(fā)明概述
使用雙晶片過程制造單晶硅(scs)微機械諧振器的方法，所述雙
晶片過程包括絕緣體上硅(SOI)或絕緣基礎(chǔ)晶片和SOI諧振器晶片，
其中諧振器錨、電容氣隙、隔離溝、傳輸線和校準標(biāo)記被微機械加
工于基礎(chǔ)SOI晶片的單晶硅半導(dǎo)體材料活性層中。當(dāng)使用絕緣晶片(例
如玻璃、硼硅酸玻璃、石英或氧化硅)實施時，校準標(biāo)記、電容氣隙、 傳輸線和諧振器錨在絕緣晶片上制造，結(jié)合使用體和表面微機械加 工與金屬沉積和蝕刻。諧振器晶片的單晶硅半導(dǎo)體材料活性層直接 結(jié)合至基礎(chǔ)晶片的活性層，使用晶片平面用于校準。除去諧振器晶 片的柄和電介質(zhì)層。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，觀察窗開口于諧振器 晶片的活性層，以通向基礎(chǔ)晶片的活性層中的校準標(biāo)記?；蛘?，使 用常規(guī)雙面校準器實現(xiàn)校準。用光致抗蝕劑材料掩蔽諧振器晶片的
SCS半導(dǎo)體材料活性層；并且使用硅干燥蝕刻微加工技術(shù)(例如反應(yīng) 性離子蝕刻(RIE)或深反應(yīng)離子蝕刻(DR正))在諧振器晶片的單晶硅半 導(dǎo)體材料活性層中制造單晶硅諧振器。隨后千燥剝離除去光致抗蝕 劑材料。
根據(jù)本發(fā)明的 一 個方面，僅使用兩個或多個疊加晶片的晶片平 面校準來實現(xiàn)用于將諧振器晶片的單晶硅(SCS)半導(dǎo)體材料活性層與 基礎(chǔ)晶片結(jié)合的校準。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，使用雙面校準器實現(xiàn)用于將諧振器晶 片的單晶硅(SCS)半導(dǎo)體材料活性層與基礎(chǔ)晶片結(jié)合的校準。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，進一步使用常規(guī)的光刻法掩蔽和干燥 蝕刻微機械加工方法，在基礎(chǔ)SOI晶片的活性層中機械加工諧振器 梁錨、電容氣隙、傳輸線、隔離溝和校準標(biāo)記。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在絕緣基底物(例如硼硅酸玻璃、玻璃、 石英、氧化硅或氮化物)上機械加工諧振器梁錨、電容氣隙、傳輸線、
隔離溝和校準標(biāo)記，使用蝕刻絕緣層和金屬沉積以產(chǎn)生這些特征。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，兩個晶片通過熔合結(jié)合、陽極結(jié)合或
燒結(jié)結(jié)合方法而結(jié)合。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，在諧振器晶片的單晶硅半導(dǎo)體材料活
性層中硅干燥蝕刻機械加工單晶硅諧振器梁，形成單晶硅兩端夾緊
的諧振器梁。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，在諧振器晶片的單晶硅半導(dǎo)體材料活 性層中硅干燥蝕刻機械加工單晶硅諧振器梁，形成單晶硅一 端夾緊
(clamped-free)的諧振器梁。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，在諧振器晶片的單晶硅半導(dǎo)體材料活 性層中硅干燥蝕刻機械加工單晶硅諧振器梁，形成單晶硅兩端自由 的諧振器梁。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，在諧振器晶片的單晶硅半導(dǎo)體材料活 性層中硅干燥蝕刻機械加工單晶硅諧振器梁，形成單晶硅膜或片 (disc)。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，單晶硅兩端夾緊諧振器梁是互連的雙 重諧振器，構(gòu)成該互連的雙重諧振器以形成過濾器裝置。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，單晶硅晶片機械諧振器構(gòu)成兩端夾緊的 互連雙重梁諧振器，用作過濾器。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，單晶硅晶片機械諧振器構(gòu)成一端夾緊 的互連雙重梁諧振器，用作過濾器。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，單晶硅晶片機械諧振器構(gòu)成兩端自由 的互連雙重梁諧振器，用作過濾器。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，單晶硅晶片機械諧振器構(gòu)成一 片或多 片互連的諧振器，用作過濾器。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，使用本發(fā)明方法提供了由單晶硅晶片 材料構(gòu)成的改良的微機械諧振器。
附圖簡述
本發(fā)明的前述方面和許多伴隨的優(yōu)點將變得更加容易理解，因
為其通過參考以下詳述，并結(jié)合附圖時，更好理解，其中
圖1和2分別展示了 Yoon等在美國專利6,490,147中所教導(dǎo)的
現(xiàn)有技術(shù)的可調(diào)電容器的概念圖和透視圖3A-3E是側(cè)面剖視圖，其表明用于圖1和2中所示例的電容
器的一種現(xiàn)有技術(shù)的制造方法，如Yoon等在美國專利6,490,147中
所教導(dǎo)的；
圖4表明兩端自由梁的、彎曲;f莫式的、微機械裝置或諧振器的 透視圖和電傳感方案，如Nguyen等在美國專利6,249,073中所教導(dǎo)
的；
圖5A和5B表明現(xiàn)有技術(shù)的傳感器電容器隙間距，如Nguyen 等在美國專利6,249,073中所教導(dǎo)的；
圖6A、 6B和6C表明一現(xiàn)有技術(shù)的生產(chǎn)方法，使用了如Nguyen 等在美國專利6,249,073中教導(dǎo)的工藝流程所描述的五-掩蔽物、多晶 硅、表面微機械加工技術(shù)。
圖7是橫截面視圖，其表明本發(fā)明的由兩個結(jié)合的絕緣體上硅 (SOI)晶片元件形成的微機械諧振器裝置的結(jié)構(gòu)；
圖8是具有埋入的電介質(zhì)層的SOI基礎(chǔ)晶片元件的橫截面視圖， 所述電介質(zhì)層夾于相對較厚的半導(dǎo)體材料柄和較薄的活性層之間；
圖9是本發(fā)明SOI基礎(chǔ)板的橫截面視圖，并表明形成于SOI基 礎(chǔ)晶片元件的活性層中的電容氣隙；
圖IO是本發(fā)明SOI基礎(chǔ)板的另一橫截面視圖，并表明SOI基礎(chǔ) 晶片元件的半導(dǎo)體材料活性層的微機械加工，從而形成結(jié)構(gòu)特征；
圖11是安置有SOI諧振器晶片元件的本發(fā)明SOI基礎(chǔ)板的側(cè)視
圖12是具有SOI諧振器晶片元件的本發(fā)明微機械諧振器裝置的 才黃截面視圖，所述諧振器晶片元件4皮機械加工以形成微機械石圭諧振 器和可能需要的附加的有用特征；和
圖13是具有單晶硅諧振器的本發(fā)明一個裝置的部分平面圖，所 述單晶硅諧振器為具有第 一和笫二單晶硅諧振器梁的兩端夾緊的雙
梁諧振器，所述單晶硅諧振器梁與連梁(coupling beam)相連以形成過 濾器裝置。
優(yōu)選實施方案的詳述
在附圖中，同樣的數(shù)字代表同樣的元件。
本發(fā)明是使用雙晶片過程制造微機械諧振器的裝置和方法，所 述雙晶片過程包括絕緣體上硅(SOI)基礎(chǔ)晶片和SOI諧振器晶片，或 者絕緣基礎(chǔ)晶片和單晶硅(SCS)或SOI諧振器晶片。
圖7是橫截面視圖，其表明本發(fā)明的由形成于SOI基礎(chǔ)晶片104 中的SOI基礎(chǔ)板102和形成于SOI諧振器晶片108(示于后圖并描述 于下文)中的單晶硅微機械諧振器106所形成的微機械諧振器100的 構(gòu)造。SOI基底和諧振器晶片是一般商業(yè)可獲得的類型。SOI基礎(chǔ)晶 片元件104包括埋入的通常厚度約0.5微米至2.0微米的電介質(zhì)層 110,其夾于相對較厚的"柄"層和"活性"層112、 114之間，兩者都為
單晶硅(scs)半導(dǎo)體材料。
諧振器106位于電容氣隙116之上，其中諧振器106可面外移 動。單晶硅諧振器106在末端118,120處直接地與形成于基礎(chǔ)晶片104 的活性層114中的單晶硅錨122,124直接結(jié)合或熔合結(jié)合，從而其在 兩端結(jié)合至基礎(chǔ)板102,以提供兩端夾緊類型的諧振器。如現(xiàn)有技術(shù) 已知的，這種兩端夾緊類型的諧振器相對容易實現(xiàn)小質(zhì)量和高硬度。 這對通信級諧振器而言是首要的，因為硬度直接影響使用這種諧振 器的電路的動態(tài)范圍。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，當(dāng)基礎(chǔ)晶片104為SOI晶片時， 諧振器106直接結(jié)合或熔合結(jié)合至SCS錨122,124。或者，諧振器106 燒結(jié)結(jié)合至SOI基礎(chǔ)晶片104的SCS錨122, 124。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，當(dāng)基礎(chǔ)晶片104為本文描述類型 的絕緣基底時，諧振器106陽極結(jié)合或燒結(jié)結(jié)合至錨122, 124。
與多晶膜(例如多晶硅等)相比較，用于諧振器106的單晶硅(SCS) 半導(dǎo)體材料是用于微諧振器的更好的結(jié)構(gòu)材料，因為SCS半導(dǎo)體材 料表現(xiàn)出較低的內(nèi)部摩擦和由此產(chǎn)生的較高的機械Q、較低的內(nèi)部 應(yīng)力并獨立于各種過程參數(shù)。
圖8是具有埋入的電介質(zhì)層110的SOI基礎(chǔ)晶片104的橫截面 視圖，所述電介質(zhì)層110夾于相對較厚的SCS半導(dǎo)體材料柄層和活 性層112，114之間，藉此形成SOI基礎(chǔ)板102。
圖9是SOI基礎(chǔ)板102的橫截面視圖，表明由光刻法生成的校 準標(biāo)記132和SCS活性層114的蝕刻。校準標(biāo)記132用于在活性層 114上參考校準，并用于以后SOI諧振器晶片108的校準。電容氣隙 116也形成于SOI基礎(chǔ)晶片104的活性層114中。所述在活性層114 中形成電容氣隙116與現(xiàn)有技術(shù)的兩端夾緊、 一端夾緊和兩端自由 梁高頻裝置(其中傳感器電容器隙間距通過除去薄犧牲層來確定)形成 直接對比。使用例如但不限于常規(guī)光刻法掩蔽和濕蝕刻技術(shù)來機械 加工活性層114。或者，使用干燥蝕刻方法機械加工活性層114，例 如R正(反應(yīng)性離子蝕刻)或DRIE (深反應(yīng)離子蝕刻)方法。例如，這 種方法包括商業(yè)上稱為"BOSCH"和"ALCATEL"的深溝千燥硅蝕刻方 法，RIE和DR正方法都獲得了蝕刻特征的大致垂直的側(cè)壁，且不考 慮蝕刻基底的結(jié)晶取向，從而得到更緊湊的MEMS裝置，因而使得 每個晶片能制造更多的裝置，以產(chǎn)生顯著的成本優(yōu)勢。
例如但不限于，使用氮化硅沉積機械加工活性層114，使用光致 抗蝕劑掩蔽材料在其上形成光刻圖案，隨后蝕刻氮化硅并剝離光致 抗蝕劑以在活性層114上形成氮化硅掩蔽物，且具有形成掩蔽圖案 的溝。氧化硅通過熱氧化在溝中生長。進行氧化硅/氮化硅蝕刻以生 成氣隙116，該氣隙為基礎(chǔ)板活性層114中具有非常精確深度的凹進 部分。形成氣隙116的凹進部分的精密度比使用光致抗蝕劑作為犧 牲材料更精確。與現(xiàn)有技術(shù)的濕蝕刻方法相反，本發(fā)明方法能夠提 供精確的且非常小的電容器氣隙116,因為間距僅由氧化而非光致抗蝕劑材料的濕蝕刻來控制。氣隙116的深度是根據(jù)具體應(yīng)用的設(shè)計 和性能參數(shù)而定的?？墒褂迷摷夹g(shù)獲得幾埃級別的精確凹陷的氣隙 116。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，熱氧化和隨后的蝕刻用以在基礎(chǔ)
板活性層114中形成約300A的凹進部分。
圖10是SOI基礎(chǔ)板102的另 一橫截面視圖，并表明SOI基礎(chǔ)晶 片元件104的半導(dǎo)體材料活性層114的微機械加工，從而形成結(jié)構(gòu) 特征。例如，形成諧振器錨122, 124，用于相對于氣隙116支持諧振 器106,還形成傳輸線126，該傳輸線的結(jié)構(gòu)圖案與諧振器106相配 合。形成一個或多個隔離溝128, 130，其達到埋入的電介質(zhì)層110， 用于電隔離不同的錨122, 124和結(jié)構(gòu)特征的RF傳輸線126。通過使 用光刻法圖案化的光致抗蝕劑掩蔽材料來圖案化這些特征，隨后進 行硅蝕刻(例如RIE或DRIE),所述硅蝕刻停止于SOI基礎(chǔ)晶片104 中埋入的氧化物電介質(zhì)層110,從而形成錨122, 124、傳輸線126和 隔離溝128, 130。然后除去光致抗蝕劑^r蔽材料，并清潔所得的SOI 基礎(chǔ)板102。
圖11是與SOI諧振器晶片108熔合結(jié)合并安置的SOI基礎(chǔ)晶片 104的側(cè)視圖。SOI諧振器晶片元件108包括埋入的厚度約0.4微米 或更薄至約2.0微米的電介質(zhì)層140,其夾于相對較厚的"活性"層和 "柄，，層142, 144之間，兩者都為半導(dǎo)體材料。
SOI諧振器晶片108(處于尚未圖案化的狀態(tài))垂直倒轉(zhuǎn)，使其活 性層142面向SOI基礎(chǔ)晶片104的活性層114，所述SOI基礎(chǔ)晶片104 的活性層114具有由電容氣隙特征116分離的諧振器錨特征122， 124、 RF傳輸線特征126、分離溝特征128, 130和校準標(biāo)記特征132。 未圖案化的并倒轉(zhuǎn)的SOI諧振器晶片108用SOI基礎(chǔ)晶片104進行 平面校準，使用兩個晶片的主平面或次平面。SOI諧振器晶片108僅 需要平面校準，因為其尚未圖案化，以致現(xiàn)有技術(shù)要求的精確校準 是不必要的。
圖12是具有SOI諧振器晶片108的本發(fā)明微機械諧振器裝置100
的橫截面視圖，所述諧振器晶片108 ^支微機械加工以形成微機械》圭
諧振器106和可能需要的附加的有用特征。柄層144和內(nèi)部氧化物 電介質(zhì)層140從SOI諧振器晶片元件108的活性層142剝離。根據(jù) 本發(fā)明的一個實施方案，使用光刻法和硅蝕刻，蝕刻一個或多個窗 148,以開放通向基礎(chǔ)晶片104的活性層114上的校準標(biāo)記132的通 路。窗148比校準標(biāo)記132大并與其對準。校準標(biāo)記132用于隨后 對SOI諧振器晶片活性層142的光刻法校準步驟。
雖然校準窗導(dǎo)致更好的校準準確度，但校準任選由另一方法完 成?；蛘撸?，在SOI基礎(chǔ)晶片102的背面149中形成校準標(biāo)記 物132',并用于前后(front to back)校準。下一步驟包括在一個或多個 接觸墊150的選定位置對活性層142摻雜磷，隨后進行常規(guī)的金屬 沉積，用于沉積金屬(如金和鋁)，以形成接觸墊150和基礎(chǔ)晶片104 背面上用于接地的金屬(如金或鋁)沉積。
使用觀察窗148來相對SOI諧振器晶片元件108上的校準標(biāo)記 132校準，或使用另一校準方法，通過光刻法使用光致抗蝕劑掩蔽材 料來圖案化活性層142。因此，消除了現(xiàn)有技術(shù)方法對精確熔合結(jié)合 校準的要求。使用R正或DRIE機械加工來對活性層142進行硅干燥 蝕刻，以形成活性層142中的單晶硅諧振器106。因此，與釋放諧振 器的現(xiàn)有技術(shù)方法相反，本發(fā)明不要求濕蝕刻釋放，因為沒有為釋 放本發(fā)明的硅諧振器106而除去犧牲層。光致抗蝕劑掩蔽材料被干 燥剝離，由此微機械諧振器裝置100釋放。
當(dāng)通過熔合結(jié)合或直接結(jié)合而連接時，界面146將單晶硅諧振 器106結(jié)合至SOI基礎(chǔ)板102的單晶硅錨特征122, 124。因此，根 據(jù)本發(fā)明的任一實施方案，諧振器106由單晶硅形成。相應(yīng)地，本 發(fā)明實現(xiàn)了優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的幾個優(yōu)點。裝置諧振器106為單晶硅。 與現(xiàn)有技術(shù)的多晶硅諧振器相比較，單晶諧振器106導(dǎo)致較高的Q 且不含有任何存在于多晶硅或"多晶硅"薄膜中或其他材料薄膜中降低 裝置性能的雜質(zhì)。單晶硅用于諧振器106還消除了影響基于多晶硅
諧振器的現(xiàn)有技術(shù)裝置性能的內(nèi)在應(yīng)力和應(yīng)力梯度，其對于在要求 高重復(fù)性和再現(xiàn)性的應(yīng)用中使用的裝置而言是關(guān)鍵的性質(zhì)。諧振器 106的千燥蝕刻釋放和余下的光致抗蝕劑掩蔽材料的干燥剝離消除了 現(xiàn)有技術(shù)方法的犧牲表面濕蝕刻微機械加工，該加工使現(xiàn)有技術(shù)生 產(chǎn)方法復(fù)雜且通常由于難以除去諧振器與下部電極之間小隙中的犧 牲材料而導(dǎo)致低產(chǎn)率，并導(dǎo)致進一步降低產(chǎn)率的靜摩擦或粘附。與
現(xiàn)有技術(shù)方法不同，在基礎(chǔ)晶片104的活性層114中形成電容氣隙 116,導(dǎo)致精確的深度控制和非常小的電容器氣隙116。倒轉(zhuǎn)的SOI 諧振器晶片108的活性層142適當(dāng)?shù)刂糜诨A(chǔ)板102上，微機械加 工諧振器106,這樣消除了精確熔合結(jié)合校準的必要，且取而代之的 是僅靠視覺，通過觀察窗148進行的更簡單的平面校準。
根據(jù)本發(fā)明的實施方案，其中基礎(chǔ)晶片104是單晶硅SOI晶片， 其導(dǎo)致比現(xiàn)有技術(shù)已知的錨更堅硬的單晶硅錨122, 124。當(dāng)通過熔合 結(jié)合連接時，界面146將諧振器106結(jié)合至SOI基礎(chǔ)板102的具有 錨特征122， 124的單晶硅。因此，根據(jù)本發(fā)明的該熔合結(jié)合的實施 方案，諧振器106和錨122, 124被結(jié)合成由均一的單晶硅形成的完 整單元。因此，本發(fā)明該熔合結(jié)合的實施方案實現(xiàn)了超過現(xiàn)有技術(shù) 的其他優(yōu)點。裝置諧振器106與支持錨122, 124整合，以致消除了 現(xiàn)有技術(shù)裝置中產(chǎn)生于材料差異和熱膨脹系數(shù)差異的界面應(yīng)力。因 此，與現(xiàn)有技術(shù)的多晶硅諧振器梁不同，本發(fā)明整合的單晶諧振器106 和支持錨122， 124消除了多晶硅諧振器與下面的硅支持錨的界面處 的熱梯度和內(nèi)在應(yīng)力，所述熱梯度和內(nèi)在應(yīng)力出現(xiàn)于現(xiàn)有技術(shù)裝置 中并降低裝置性能。
圖13是具有單晶硅諧振器106的本發(fā)明一個示例性裝置100的 部分平面圖，所述單晶硅諧振器106為具有第一和第二單晶硅諧振 器梁152， 154的兩端夾緊的雙梁諧振器，所述單晶硅諧振器梁152, 154 與連梁156相連以形成過濾器裝置。根據(jù)本發(fā)明的方法，笫一和第 二諧振器梁152, 154通過熔合結(jié)合、陽極結(jié)合或共熔結(jié)合連接至SOI
基礎(chǔ)板102的單晶硅支持錨122, 124，從而裝置100能夠同時獲得高 Q和高硬度，其對于通信級諧振器而言是首要的。
或者，單晶硅諧振器106為單晶硅一端夾緊諧振器梁、兩端自 由諧振器梁或單晶^圭膜或片。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，兩端夾緊諧振器106是互連的雙 諧振器，構(gòu)成該互連的雙諧振器以用作過濾器裝置。
根據(jù)本發(fā)明不同的實施方案，單晶硅晶片機械諧振器106構(gòu)成 一端夾緊的互連雙梁諧振器，其構(gòu)成用作過濾器裝置。
或者，單晶硅晶片機械諧振器106構(gòu)成兩端自由的互連雙梁諧 振器，其構(gòu)成用作過濾器裝置。
或者，單晶硅晶片機械諧振器106構(gòu)成單片或多片互連諧振器， 其構(gòu)成用作過濾器裝置。
根據(jù)本發(fā)明的不同實施方案，SOI諧振器晶片108的活性層142 熔合結(jié)合至SOI基礎(chǔ)晶片元件104的活性層114,成為單個基底，其 被微機械加工以生成諧振器106,例如但不限于笫一和第二單晶硅諧 振器梁152, 154，其與SOI基礎(chǔ)板102的單晶硅支持錨122, 124整合。 所得到的裝置100提供了現(xiàn)有技術(shù)單晶硅諧振器的全部優(yōu)點，而且 還提供了在形成單個整合基底的諧振器梁152, 154和支持錨122, 124 中固有的附加優(yōu)點。
根據(jù)本發(fā)明不同的實施方案，基礎(chǔ)晶片104是絕緣晶片類型基 底，其中使用濕和/或干燥蝕刻技術(shù)通過體微蝕刻在絕緣基底中蝕刻 氣隙116和校準標(biāo)記132, 132'。使用金屬沉積，在基底物上的蝕刻穴 內(nèi)形成傳輸線，例如，通過E梁金屬沉積或濺射。使用陽極結(jié)合或 燒結(jié)結(jié)合，任選將玻璃或絕緣晶片類型的基底物結(jié)合至梁SOI晶片 108。這樣的實施方案也導(dǎo)致為單晶硅的諧振器106,從而實現(xiàn)本文 討論的優(yōu)點。
雖然已經(jīng)示例并描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但應(yīng)該理解， 可以進行各種改變且不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種形成震動梁微機械結(jié)構(gòu)(100)的方法，該方法特征為在基礎(chǔ)基底物(104)中形成鄰近電容氣隙(116)的一個或多個諧振器錨(122，124)；將絕緣體上硅諧振器晶片(108)的單晶硅半導(dǎo)體材料活性層(142)結(jié)合至所述基礎(chǔ)基底物(104)的諧振器錨(122，124)，所述絕緣體上硅諧振器晶片(108)在半導(dǎo)體材料柄層(144)和半導(dǎo)體材料活性層(142)之間具有電介質(zhì)層(140)；除去所述絕緣體上硅諧振器晶片(108)的柄層和電介質(zhì)層(144，140)；和在所述絕緣體上硅諧振器晶片(108)的單晶硅半導(dǎo)體材料活性層(142)中硅干燥蝕刻機械加工單晶硅諧振器(106)。
2. 權(quán)利要求l的方法，其中所述基礎(chǔ)基底物(104)進一步特征為， 該基礎(chǔ)基底物(104)是絕緣體上硅基礎(chǔ)晶片；并且其中所述絕緣體上硅諧振器晶片(108)的活性層(142)與所述絕緣 體上硅基礎(chǔ)晶片(104)的活性層(114)的結(jié)合的進一步特征為，結(jié)合方 法選自如下結(jié)合方法二者的直接結(jié)合方法、熔合結(jié)合方法、燒結(jié) 結(jié)合方法和低溫結(jié)合方法。
3. 權(quán)利要求l的方法，其中所述基礎(chǔ)基底物(104)進一步特征為， 該基礎(chǔ)基底物(104)是絕緣晶片；并且所述絕緣體上硅諧振器晶片(108)的活性層(142)與所述基礎(chǔ)基底 物(104)的諧振器錨(122,124)的結(jié)合的進一步特征為，結(jié)合方法選自 如下結(jié)合方法二者的陽極結(jié)合方法、共熔結(jié)合方法、熱壓結(jié)合方 法、粘合結(jié)合方法和低溫結(jié)合方法。
4. 前述權(quán)利要求任一項的方法，其中在第二絕緣體上硅晶片(108) 的單晶硅半導(dǎo)體材料活性層(142)中硅干燥蝕刻機械加工單晶硅諧振 器(106)的進一步特征為，反應(yīng)性離子蝕刻和深反應(yīng)離子蝕刻之一。
5. 前述權(quán)利要求任一項的方法，其中在所述絕緣體上硅諧振器 晶片(108)的單晶硅半導(dǎo)體材料活性層(142)中硅干燥蝕刻機械加工單 晶硅諧振器(106)的進一步特征為，使用光致抗蝕劑材料掩蔽和隨后 干燥剝離所述光致抗蝕劑材料。
6. 前述權(quán)利要求任一項的方法，其中形成所述電容氣隙(116)和 一個或多個諧振器錨(122， 124)的進一步特征為，體和表面微機械加 工與金屬沉積和蝕刻的結(jié)合。
7. 權(quán)利要求1的方法，其進一步特征為，在所述基礎(chǔ)基底物(104) 中形成一個或多個校準標(biāo)記(132);并且在所述絕緣體上硅諧振器晶片(108)的活性層(142)中形成一個或 多個窗(148),以便用所述基礎(chǔ)基底物(104)中的一個或多個校準標(biāo)記 (132)進行校準。
8. 權(quán)利要求1的方法，其中在所述絕緣體上硅諧振器晶片(108) 的單晶硅半導(dǎo)體材料活性層(142)中硅干燥蝕刻機械加工單晶硅諧振 器(106)的進一步特征為，使用雙面校準器進行校準。
9. 權(quán)利要求1的方法，其中在所述絕緣體上硅諧振器晶片(108) 的單晶硅半導(dǎo)體材料活性層(l 42)中硅干燥蝕刻機械加工單晶硅諧振 器(106)的進一步特征為，機械加工單晶硅諧振器(106)，用作兩端夾 緊諧振器梁、 一端夾緊諧振器梁、兩端自由諧振器梁、單晶硅膜和 單晶硅片其中之一。
10. 權(quán)利要求9的方法，其進一步特征為，在所述基礎(chǔ)基底物(104) 中機械加工一個或多個傳輸線(126);并且其中機械加工單晶硅諧振器(106)的進一步特征為，機械加工構(gòu) 成過濾裝置的單晶硅諧振器。
全文摘要
使用雙晶片過程制造單晶硅微機械諧振器的方法，包括絕緣體上硅(SOI)(104)或絕緣基礎(chǔ)晶片和諧振器晶片(108)，其中諧振器錨(122，124)、電容氣隙(116)、隔離溝(128，130)和校準標(biāo)記被微機械加工于基礎(chǔ)晶片的活性層(114)中；諧振器晶片(124)的活性層直接結(jié)合至基礎(chǔ)晶片的活性層；除去諧振器晶片的柄層(144)和電介質(zhì)層(140)；觀察窗開口于諧振器晶片的活性層中；使用光致抗蝕劑材料掩蔽諧振器晶片的單晶硅半導(dǎo)體材料活性層；使用硅干燥蝕刻微機械加工技術(shù)在諧振器晶片的活性層中機械加工單晶硅諧振器；且隨后干燥剝離光致抗蝕劑材料。
文檔編號H03H9/00GK101180794SQ200680017224
公開日2008年5月14日 申請日期2006年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月21日
發(fā)明者G·P·馬根丹茨, I·H·賈夫里, J·L·克萊因 申請人:霍尼韋爾國際公司