[发明专利]硅微谐振器的加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅微谐振器的加工方法，属于传感器领域。

背景技术

硅微谐振式压力传感器长期精度可达0.01％FS，是目前精度最高的硅微压力传感器，而且抗干扰能力很强，性能稳定，年稳定性可达0.01%。此类传感器是工业控制系统、大气、宇宙数据检测系统中所迫切需要的传感器。而谐振器是这类传感器的核心，谐振器的核心结构是谐振梁或是谐振膜，以及悬臂梁（膜）所处真空腔。目前，此类用途的谐振器的谐振梁（膜）主要采用以下四种方法制作，这些方法存在各自不足：

（1）谐振器采用两个硅片通过硅硅直接键合来完成。其中一个硅片通过正面或背面减薄的方法制作谐振梁，另一硅片制作压力敏感薄膜，并为谐振梁提供振动框架。这种方法所采用的硅硅直接键合技术对硅片表面平整度要求极高，一般硅片尤其经过多步微加工工艺后的硅片较难满足。该技术需要在高温下完成，这要求金属引线制作等工艺必须在此工艺之后进行，限制了谐振器制作的灵活性。另外，由于原始硅片厚度不可能处处相等，而减薄过程也不可能处处均匀，因此得到的谐振梁厚度均匀性不可能太好；

（2）谐振器的谐振梁（膜）采用浓硼自停止腐蚀方法来完成。该方法需要对硅片中谐振梁（膜）所在的区域进行浓硼掺杂，然后通过湿法腐蚀方法进行谐振梁（膜）的释放。谐振梁（膜）厚度由硼掺杂的深度决定，因此谐振梁不容易做厚。另外，掺杂会使谐振子存在较大应力，影响器件的长期稳定性；

（3）谐振器的谐振梁（膜）采用牺牲层方法来完成。该方法需要先沉积二氧化硅薄膜充当牺牲层，沉积多晶硅或氮化硅薄膜充当结构层。因此，谐振梁是由多晶硅或氮化硅构成，其力学性能不如单晶硅，也不利于进行压阻检测。沉积方法得到的薄膜不可能太厚，因此谐振梁的厚度和悬空高度会受到限制。薄膜的内应力也将影响器件的稳定性；

（4）谐振器采用SOI材料来制作。利用SOI材料上层硅来制作谐振梁，利用二氧化硅或氮化硅对谐振梁侧壁进行保护，通过各向异性腐蚀方法完成谐振梁的释放。此方法的优点是得到的谐振梁是单晶硅，但谐振梁厚度不能大于SOI材料上层硅的厚度。因此，谐振器振动频率的调整受到限制。另外，SOI材料的价格是普通硅片的10倍，成本较高。

发明内容

本发明目的是为了解决谐振器采用现有方法制作存在的问题，提供了一种硅微谐振器的加工方法。

本发明所述硅微谐振器的加工方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、选用电阻率为3Ω·cm～10Ω·cm的N型<111>硅片作为待加工硅片，对待加工硅片进行热氧化处理，在待加工硅片的上下表面形成氧化膜，获取热氧化处理硅片；

步骤二、采用光刻工艺在热氧化处理硅片的上表面刻蚀出谐振梁结构图形；然后以反应离子刻蚀工艺或湿法腐蚀工艺去掉谐振梁两侧区域的氧化层；同时，利用深反应离子刻蚀工艺在所述谐振梁两侧对称形成两个深槽，此深槽的深度为谐振梁的厚度；

步骤三、利用LPCVD沉积氮化硅或二氧化硅作为钝化层对氧化层、两个深槽的侧壁及底部进行覆盖，完成对谐振梁侧壁覆盖钝化层；

步骤四、利用反应离子刻蚀工艺刻蚀掉所述热氧化处理硅片的上表面氧化层之上的钝化层及两个深槽底部的钝化层；

步骤五、利用深反应离子刻蚀工艺继续对两个深槽底部再刻蚀一定深度，此深度是谐振梁的悬空高度；

步骤六、用TMAH溶液对硅片进行腐蚀，直到谐振梁底部的硅全部被腐蚀掉，释放出谐振梁；谐振梁两侧的两个深槽连通后构成振动腔室，加工出硅微谐振器。

本发明的优点：本发明提出一种操作简便的谐振器制作方法，主要采用N型<111>硅片单面制作，除了具有工艺简易可控外，所制得的谐振梁是单晶硅材料，没有内应力。这使得谐振梁具有很高的压阻效应和稳定性。干法和湿法工艺交叉使用，谐振梁尺寸和悬空高度可在较大范围内调整，使得谐振梁的振动频率可在较大范围内自由调整。由于利用了N型<111>硅片特有的自停止腐蚀特性，谐振梁尺寸更容易控制精确。

附图说明

图1是本发明所述硅微谐振器的加工方法涉及的硅微谐振器的结构示意图；

图2是待加工硅片的结构示意图；

图3是热氧化处理硅片的结构示意图；

图4是硅片加工出深槽后的结构示意图；

图5是覆盖钝化层后的结构示意图；

图6是刻蚀掉深槽底部的钝化层后的结构示意图；

图7是刻蚀出谐振梁悬空高度后的结构示意图；

图8是两个深槽连通后形成的硅微谐振器的结构示意图。