專利名稱：亞微米間隙微結構的制作方法及其制作的微機械諧振器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種亞微米間隙微結構的制作方法及其制作的微機械諧振器，屬于微 細加工技術領域。
背景技術：
微電子機械系統(tǒng)(MEMS)是利用微電子工藝及其它微細加工技術制作的具有微米 尺度結構的器件，MEMS技術的出現(xiàn)使得芯片不僅僅具有數(shù)據(jù)信號處理功能，還具備了對外 界信號感應和反饋的功能。在過去的二十年間，MEMS技術得到迅速發(fā)展，MEMS器件現(xiàn)已 廣泛應用于各個領域(G K Fedder, R T Howe, T J K Liu and E P Quevy,, Technologies for cofabricating MEMS andelectronics. Proceedings of the IEEE,2008.96 (2) pp. 306-322)。MEMS器件一般可分為傳感器(Sensor)和制動器(Actuator)兩大類，傳感 器是對外界信號進行傳感，而制動器則是對外界信號進行反饋。為了實現(xiàn)對外界信號的傳 感及反饋，MEMS器件一般要利用各種物理效應將對外界信號進行處理，如壓電效應、熱電效 應、靜電力轉(zhuǎn)換、磁場力轉(zhuǎn)換等。電容式驅(qū)動及檢測方法是通過靜電力對外界信號進行處理。和其它驅(qū)動及檢測方 法相比，電容式驅(qū)動及檢測具有功耗低，結構制作簡單，工藝簡單等優(yōu)點，所以電容式驅(qū)動 及檢測被廣泛應用于微結構的傳感及制動。電容式驅(qū)動及檢測方法中的靜電力可由(1)式 表不 F = EAV2/d其中F是靜電力大小，ε是電介質(zhì)常數(shù)，A是極板面積大小，V是兩極板間的電壓 差，d是兩極板之間的間距。為了提高制動器的效率或傳感器的性能，一般希望F能盡量大。 從(1)式中可以看出，如果需要提高靜電力以提高器件的靈敏度，可以提高電容極板間的 電介質(zhì)常數(shù)，增大極板面積，提高兩極板間的電壓差，減小兩極板的間隙。由于提高電介質(zhì) 常數(shù)需要更換工藝材料，增大極板面積會增大器件的尺寸，提高電壓差則提高了對后續(xù)電 路的要求，所以前面三種方法都不是提高靜電力的有效方法。由于靜電力和極板間距之間 的反比關系，如果減小極板間距，則可以大大提高靜電力。此外，微電子機械系統(tǒng)器件的極 板間隙一般都是通過光刻和刻蝕制作，如果工藝過程可以制作出亞微米間隙，則工藝材料 不需更換，器件的尺寸也不會發(fā)生變化，從而可以在現(xiàn)有材料和工藝基礎之上提高靜電力， 提高器件的效率。傳統(tǒng)的MEMS器件制作方法不足之處在于其結構之間的間隙一般是通過光刻定 義，然后通過刻蝕制作，如果要減小間隙，就需要提高光刻的精度。為了制作亞微米間隙結 構，就需要亞微米精度的光刻設備，對光刻的工藝過程要求也將很嚴格，器件制作的工藝成 本也會大大上升，工藝復雜度也會加大。

發(fā)明內(nèi)容
針對MEMS器件制作方法存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種亞微米間隙結 構的制作方法，以降低亞微米間隙制作的成本及復雜度。最明顯的特性是利用多晶硅的氧 化來控制結構的間隙。多晶硅氧化的化學反應方程式如下所示Si+02 — SiO2從化學反應方程式可以看出，1個硅原子會結合2個氧原子生成1個氧化硅原子。
由于氧原子的加入，硅的氧化反應是一個體積變大的過程。根據(jù)硅氧化的化學反應方程式
可知，氧化后氧化層的厚度會大于反應消耗的硅薄膜的厚度，在熱氧化工藝過程中硅消耗
的厚度占氧化硅總厚度的0.46。對于厚度為tP。lysili。。n的多晶硅薄膜，如果將該多晶硅全部
氧化，則其側(cè)壁增厚量。V—可由(2)式確定 /j \tSl()2 _add = — -Ix t P0lyxlllctm = ι. 173 X t,,olysillcon( 2 )如果首先在多晶硅薄膜上制作出一個大小為的間隙，然后通過熱氧化將多 晶硅薄膜氧化，則氧化后間隙(1貞 大小可由(3)式確定dafler = dhefore — 2 X tSi(>2 _aM = dheforc — 2 X1.173 X tl>olyslllcon( 3 )如果氧化前的間隙控制為3 μ m，多晶硅氧化的厚度為1 μ m,則氧化后的間隙為 0. 654 μ m ；如果氧化前的間隙控制為2 μ m，多晶硅氧化的厚度為0. 85 μ m,則氧化后的間隙 為5.9nm。通過控制氧化前的間隙及氧化多晶硅的厚度，氧化后的間隙可達到亞微米量級， 甚至納米量級。由于氧化前的間隙都是微米級，對光刻工藝要求不高，因此本方法可以大大 減小亞微米間隙結構制作難度。在實際操作過程中，應該保證多晶硅薄膜的厚度要不小于 氧化工藝所消耗的多晶硅的厚度。對于電容式驅(qū)動及電容式檢測的微機械諧振器，使用亞微米間隙不僅可以提高諧 振器的驅(qū)動力，減小器件的等效阻抗，也可提高諧振器的輸出電流，簡化后續(xù)測量步驟。使 用本發(fā)明方法制作的微機械諧振器的結構如圖1所示。整個微機械諧振器包括1)諧振 子，諧振子在受外界激勵時產(chǎn)生諧振，諧振子懸浮在襯底硅片上；2)驅(qū)動電極和檢測電極， 驅(qū)動電極通過靜電力來驅(qū)動諧振器，而檢測電極則利用靜電力來檢測諧振器諧振。當驅(qū)動 電極和諧振子之間的間隙為亞微米量級時，可以提高驅(qū)動力，當檢測電極和諧振子之間的 間隙為亞微米量級時，則可以提高諧振器的輸出電流；驅(qū)動電極和檢測電極位于諧振子的 兩側(cè)；3)用于固定懸空諧振子的支撐梁。具體工藝步驟包括氮化硅沉積，多晶硅條形成，多晶硅條氧化，氮化硅刻蝕，引線孔 形成，金屬引線及焊盤形成，器件結構的釋放。所述的方法利用控制多晶硅條氧化厚度來制作 亞微米間隙，并利用多晶硅氧化生長的氧化硅作為掩膜將硅結構釋放。具體特征在于1)氮化硅沉積。在具有器件結構層的硅片上用LPCVD沉積一層氮化硅。2)形成多晶硅條。通過LPCVD沉積一層多晶硅薄膜，然后通過光刻及刻蝕的方法 制作出多晶硅條。3)多晶硅條氧化。采用熱氧化工藝將多晶條進行氧化，氧化厚度由目標間隙大小 及多晶硅條光刻間隙大小共同決定，三者的關系由(3)式確定。4)氮化硅刻蝕。通過H3PO4或RIE將氮化硅刻蝕，將亞微米間隙下方的硅結構層露出。
5)引線孔形成。通過光刻及腐蝕將引線孔區(qū)域硅結構層露出。6)金屬引線及焊盤形成。蒸發(fā)儀或濺射儀沉積金屬，光刻金屬線條，腐蝕金屬，形 成金屬引線及焊盤。7)亞微米間隙轉(zhuǎn)移到器件結構層上。硅腐蝕氣體或液體經(jīng)由(4)中形成的腐蝕開 口刻蝕器件結構層，將亞微米間隙轉(zhuǎn)移到器件結構層。8)釋放諧振器結構。通過腐蝕器件結構層下方的硅襯底，制作一凹腔結構，形成懸 浮的諧振子，釋放諧振器結構。本發(fā)明由于采用了控制氧化厚度來控制間隙大小，實現(xiàn)亞微米間隙結構的制作， 并且利用氧化硅作為掩膜直接將器件進行釋放，其特征在于①首先利用光刻及刻蝕在多晶硅薄膜上制作出一個大的間隙結構，然后通過控制 多晶硅氧化的厚度將多晶硅薄膜上的大間隙變成亞微米間隙，再通過刻蝕將亞微米間隙直 接轉(zhuǎn)移到微結構上；②亞微米間隙大小不是由光刻工藝決定，而是由多晶硅薄膜上通過光刻制作的間 隙大小和多晶硅氧化生長的氧化硅的厚度共同確定，并且三者之間有明確的關系式；③無需光刻，直接利用多晶硅氧化所生長的氧化硅作為掩膜，將亞微米間隙直接 轉(zhuǎn)移到微結構上；④多晶硅氧化時可以只將部分多晶硅薄膜進行氧化，也可將多晶硅薄膜全部進行 氧化；⑤LPCVD沉積的多晶薄膜厚度應不小于熱氧化工藝所消耗的多晶硅厚度；⑥生長氧化硅的材料可是多晶硅薄膜，也可是非晶硅，還可是單晶硅，但不限于 此；⑦諧振器結構具有亞微米間隙；⑧所述的凹腔結構可以在諧振器結構制作完后制作，也可以在諧振器結構制作之 前制作。與傳統(tǒng)的MEMS器件制作工藝相比具有以下優(yōu)點1)本發(fā)明所述的亞微米間隙不是通過光刻完成而是通過亞微米間隙不是通過光 刻定義，而是通過氧化多晶硅薄膜來制作，亞微米間隙的大小由多晶硅薄膜上的間隙和氧 化工藝在多晶硅薄膜上生長的氧化硅厚度共同決定，降低了工藝對設備的要求，降低了工 藝成本。2)由于亞微米間隙在氧化工藝后形成的，亞微米間隙的兩側(cè)的氧化硅厚度比較均 勻，所以亞微米間隙的側(cè)壁可以做的比較陡直。3)簡化了器件制作工藝，利用多晶硅氧化生長的氧化硅直接作為掩膜將亞微米間 隙轉(zhuǎn)移到器件結構層，并且也保證了器件上亞微米間隙的陡直度。


圖1是微機械諧振器的結構示意圖。圖2是具體實施例1所述器件的具體工藝流程。圖2-1 具有凹腔結構的硅片準備，LPCVD沉積氮化硅；圖2-2 =LPCVD沉積多晶硅，多晶硅光刻及刻蝕，在多晶硅薄膜上制作出一個大間隙；圖2-3 多晶硅氧化，將大間隙變成亞微米間隙；圖2-4 氮化硅刻蝕，將亞微米間隙下方的結構層硅露出；圖2-5 開引線孔，將引線孔區(qū)域的硅結構層露出；圖2-6 沉積金屬，并通過光刻和腐蝕的方法制作金屬引線及焊盤；圖2-7 將亞微米間隙轉(zhuǎn)移到結構層硅片上，并同時釋放諧振器結構；圖3是具體實施例2所述器件的最終器件結構。圖4是具體實施例3所述器件的具體工藝流程。圖4-1 在SOI襯底上LPCVD沉積氮化硅；圖4-2 =LPCVD沉積多晶硅，多晶硅光刻及刻蝕，在多晶硅薄膜上制作出一個大間 隙，并且制作出諧振子結構的釋放通孔；圖4--3多晶硅氧化，將大間隙變成亞微米間隙；
圖4--4氮化硅刻蝕，將亞微米間隙及釋放通孔下方的結構層硅露出；
圖4--5開引線孔，將引線孔區(qū)域的硅結構層露出；
圖4--6沉積金屬，并通過光刻和腐蝕的方法制作金屬弓I線及焊盤；
圖4--7將亞微米間隙轉(zhuǎn)移到結構層硅片上，并在結構層硅片上開出釋放通孔；
圖4--8通過亞微米間隙及結構層上方的釋放通孔將SOI的埋氧去除，釋放諧振器結構。圖5 具體實施例4所述器件的最終器件結構。圖中各數(shù)字代表的含義為11硅襯底；12氧化硅；13結構層硅；14氮化硅；15多晶硅；16多晶硅光刻大間隙； 17亞微米量級間隙；18金屬引線或焊盤；19諧振子結構釋放通孔。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明進行詳細的描述。實施例1硅片襯底選用的是具有凹腔結構的硅片，該方法制作的諧振器結構具有釋放工藝 簡單，成本低，成品率高，亞微米量級間隙等優(yōu)點。(1)在具有凹腔結構的硅片上，通過LPCVD沉積一層氮化硅14。見圖2_1。(2)通過LPCVD沉積一層多晶硅15，并 多晶硅薄膜進行光刻及刻蝕，在多晶硅薄 膜上制作出一個大的間隙結構16。見圖2-2。(3)高溫氧化，在多晶硅薄膜上通過熱氧化工藝生長一層氧化硅，將步驟(2)中的 大間隙轉(zhuǎn)變成亞微米量級間隙17。見圖2-3。(4)氮化硅刻蝕，將亞微米量級間隙下方的氮化硅去除，露出結構層硅13。見圖 2-4。(5)通過光刻腐蝕，將引線孔處的氧化硅、多晶硅及氮化硅去除，將結構層硅露出。 見圖2-5。(6)通過蒸發(fā)工藝或濺射工藝沉積一層金屬薄膜。光刻金屬線條，腐蝕金屬，形成 金屬引線及焊盤。見圖2-6。
(7)利用步驟(3)中的氧化硅作為掩膜，通過干法刻蝕將亞微米量級的間隙轉(zhuǎn)移 到結構層硅上，并同時將諧振器結構釋放。見圖2-7。實施例2其具體實施步驟部分與實施例1相同，主要區(qū)別在于第一，將實施例1步驟(3) 中的在多晶硅薄膜上生長一層氧化硅改為將多晶硅薄膜全部氧化，其余部分不變。器件幾 何構型如圖3所示。該方法制作的諧振器結構具有釋放工藝簡單，成本低，成品率高，亞微 米量級間隙等優(yōu)點。實施例3硅片襯底選用的是普通SOI襯底。該方法制作的諧振器結構具有工藝簡單，亞微 米量級間隙等優(yōu)點。(1)在SOI襯底上用LPCVD沉積一層氮化硅。見圖4_1。(2)通過LPCVD沉積一層多晶硅，并對多晶硅薄膜進行光刻及刻蝕，在多晶硅薄膜 上制作出一個大的間隙結構，并同時在諧振子結構區(qū)域的多晶硅薄膜上制作出結構釋放通 孔。見圖4-2。(3)高溫氧化，在多晶硅薄膜上通過熱氧化生工藝長一層氧化硅，將步驟(2)中的 大間隙轉(zhuǎn)變成亞微米間隙。見圖4-3。(4)氮化硅刻蝕，將亞微米間隙下方及步驟(2)中釋放通孔下方的氮化硅去除，露 出結構層硅。見圖4-4。(5)通過光刻腐蝕，將引線孔處的氧化硅、多晶硅及氮化硅去除，將結構層硅露出。 見圖4-5。(6)通過蒸發(fā)儀或濺射儀沉積一層金屬薄膜。光刻金屬線條，腐蝕金屬，形成金屬 引線及焊盤。見圖4-6。(7)利用步驟(3)中的氧化硅作為掩膜，通過干法刻蝕將亞微米間隙轉(zhuǎn)移到結構 層硅上，并同時將步驟(2)中釋放通孔處的結構硅去除。見圖4-7。(8)通過亞微米間隙及結構層上方的釋放通孔將SOI的埋氧層去除，釋放諧振器 結構。見圖4-8。實施例4其具體實施步驟部分與實施例3相同，主要區(qū)別在于第一，將實施例3步驟(2) 中的多晶硅薄膜刻蝕改為只刻蝕大間隙處，而不刻蝕腐蝕通孔。第二，將實施例3步驟(8) 中的埋氧腐蝕釋放器件結構改為從背面腐蝕硅襯底及埋氧，釋放諧振器結構，其余部分不 變。器件幾何構型如圖5所示。該方法制作的諧振器結構具有損耗小，亞微米量級間隙等 優(yōu)點。
權利要求
一種亞微米間隙微結構的制作方法，包括氮化硅沉積，多晶硅條形成，多晶硅條氧化，氮化硅刻蝕，引線孔形成，金屬引線及焊盤制成，器件結構的釋放；其特征在于利用控制多晶硅條氧化厚度來制作亞微米間隙，并利用多晶硅氧化生長的氧化硅作為掩膜將硅結構釋放，具體步驟是1)氮化硅沉積在具有器件結構層的硅片上用LPCVD沉積一層氮化硅；2)形成多晶硅條通過LPCVD沉積一層多晶硅薄膜，然后通過光刻及刻蝕的方法制作出多晶硅條；3)多晶硅條氧化采用熱氧化工藝將多晶條進行氧化，氧化厚度由目標間隙大小及多晶硅條光刻間隙大小共同決定，三者的關系由下式確定dafter＝dbefore 2×1.173×tPolysilicon式中dafier為氧化后的間隙，tPolysilicon為多晶硅氧化的厚度，dbefore為氧化前的間隙；4)氮化硅刻蝕，通過H3PO4或RIE將氮化硅刻蝕，將亞微米間隙下方的硅結構層露出；5)引線孔形成，通過光刻及腐蝕將引線孔區(qū)域硅結構層露出；6)金屬引線及焊盤形成，蒸發(fā)儀或濺射儀沉積金屬，光刻金屬線條，腐蝕金屬，形成金屬引線及焊盤；7)亞微米間隙轉(zhuǎn)移到器件結構層上硅腐蝕氣體或液體經(jīng)由步驟(4)中形成的腐蝕開口刻蝕器件結構層，將亞微米間隙轉(zhuǎn)移到器件結構層；8)釋放諧振器結構通過腐蝕器件結構層下方的硅襯底，制作一凹腔結構，形成懸浮的諧振子，釋放諧振器結構。
2.按權利要求1所述的制作方法，其特征在于通過控制氧化前的間隙和氧化多晶硅的 厚度，氧化后的間隙達亞微米量級，甚至納米量級，從而降低亞微米間隙結構的難度。
3.按權利要求1所述的制作方法，其特征在于多晶硅薄膜的厚度小于氧化工藝所消耗 的多晶硅的厚度。
4.按權利要求1所述的制作方法，其特征在于所述具有器件結構層的硅片為具有凹腔 結構的硅片或普通S0I。
5.按權利要求4所述的方法，其特征在于具有凹腔的硅片制作步驟是(1)在具有凹腔結構的硅片上，通過LPCVD沉積一層氮化硅(14)；(2)通過LPCVD沉積一層多晶硅(15)，并對多晶硅薄膜進行光刻及刻蝕，在多晶硅薄膜 上制作出一個大的間隙結構(16)；(3)高溫氧化，在多晶硅薄膜上通過熱氧化工藝生長一層氧化硅，將步驟(2)中的大間 隙轉(zhuǎn)變成亞微米量級間隙(17)；(4)氮化硅刻蝕，將亞微米量級間隙下方的氮化硅去除，露出結構層硅(13)；(5)通過光刻腐蝕，將引線孔處的氧化硅、多晶硅及氮化硅去除，將結構層硅露出；(6)通過蒸發(fā)工藝或濺射工藝沉積一層金屬薄膜。光刻金屬線條，腐蝕金屬，形成金屬 引線或焊盤(18)；(7)利用步驟(3)中的氧化硅作為掩膜，通過干法刻蝕將亞微米量級的間隙轉(zhuǎn)移到結 構層硅上，并同時將諧振器結構釋放。
6.按權利要求5所述的制作方法，其特征在于將步驟(3)中所述的在多晶硅薄膜上生 長一層氧化硅，改為將多晶硅膜全部氧化。
7.按權利要求4所述的制作方法，其特征在于普通SOI的制作步驟是(1)先在SOI襯底上用LPCVD沉積一層氮化硅；(2)通過LPCVD沉積一層多晶硅，并對多晶硅薄膜進行光刻及刻蝕，在多晶硅薄膜上制 作出一個大的間隙結構，并同時在諧振子結構區(qū)域的多晶硅薄膜上制作出結構釋放通孔；(3)高溫氧化，在多晶硅薄膜上通過熱氧化生工藝長一層氧化硅，將步驟(2)中的大間 隙轉(zhuǎn)變成亞微米間隙；(4)氮化硅刻蝕，將亞微米間隙下方及步驟(2)中釋放通孔下方的氮化硅去除，露出結 構層硅；(5)通過光刻腐蝕，將引線孔處的氧化硅、多晶硅及氮化硅去除，將結構層硅露出；(6)通過蒸發(fā)儀或濺射儀沉積一層金屬薄膜。光刻金屬線條，腐蝕金屬，形成金屬引線 及焊盤；(7)利用步驟(3)中的氧化硅作為掩膜，通過干法刻蝕將亞微米間隙轉(zhuǎn)移到結構層硅 上，并同時將步驟(2)中釋放通孔處的結構硅去除；(8)通過亞微米間隙及結構層上方的釋放通孔將SOI的埋氧層去除，釋放諧振器結構。
8.按權利要求7所述的制作方法，其特征在于①步驟(2)中的多晶硅薄膜刻蝕改為只刻蝕大間隙處，而不刻蝕腐蝕通孔；②步驟(8)中的埋氧腐蝕釋放器件結構改為從背面腐蝕硅襯底及埋氧，釋放諧振器結構。
9.由權利要求1-8中任一項所述的方法制作的微機械諧振器，其特征在于所述的微機 械諧振器包括諧振子、驅(qū)動電極、檢測電極、支撐梁和襯底硅片，其中諧振子懸浮在襯底硅 片上，懸空的諧振子兩端分別固定在支撐梁上；驅(qū)動電極和檢測電極位于諧振子的兩側(cè)，驅(qū) 動電極通過靜電力驅(qū)動諧振器，檢測電極利用靜電力檢測諧振器諧振。
10.按權利要求9所述的微機械諧振器，其特征在于當驅(qū)動電極和諧振子之間的間隙 為亞微米量級時可提高驅(qū)動力；當檢測電極和諧振子之間的間隙為亞微米量級時可提高諧 振器的輸出電流。
全文摘要
本發(fā)明涉及亞微米間隙微結構的制作方法及其制作的微機械諧振器，其特征在于亞微米間隙不是通過光刻定義，而是通過氧化多晶硅薄膜來制作，亞微米間隙的大小由多晶硅薄膜上的間隙和氧化工藝在多晶硅薄膜上生長的氧化硅厚度共同決定，并且直接利用氧化硅作為掩膜，通過刻蝕將亞微米間隙轉(zhuǎn)移到器件結構層上。由于無需亞微米級光刻，工藝難度及工藝成本大大降低，利用氧化硅直接作為掩膜則保證了將亞微米間隙轉(zhuǎn)移到器件結構層上時亞微米間隙具有良好的陡直度。微機械諧振器制作工藝步驟包括氮化硅沉積，多晶硅條形成，多晶硅條氧化，氮化硅刻蝕，引線孔形成，金屬引線及焊盤形成，器件結構釋放。由于在微機械諧振器的間隙是亞微米級，諧振器的性能得到改善。
文檔編號H03H9/24GK101917174SQ201010244689
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月3日 優(yōu)先權日2010年8月3日
發(fā)明者吳國強, 徐德輝, 熊斌, 王躍林 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所