【MEMS器件】关于微谐振器各层结构的详细剖析

文摘   2024-12-06 23:59   江苏  

     微谐振器以其独特的振动特性和广泛的应用前景,吸引了无数目光。本文将揭开微谐振器的神秘面纱,深入探讨其单层、双层及三层结构的奥秘。

希望常见面的话,点击上方即刻关注,设为星标!不错过更多半导体行业知识!

一、单层结构微谐振器

     早在1990年,荷兰Twente大学的Lammeriank等人便设计出了一种具有单层结构的微悬臂梁和微桥谐振器,为微谐振器的研究与发展奠定了坚实基础。

     单层结构微悬臂梁谐振器的构造如下图所示。这种谐振器是在单面抛光的掺磷N型硅片上,通过蒸发工艺沉积了一层0.3μm厚的铝膜。随后,利用射频溅射工艺溅射了一层50nm厚的Ni-Fe合金,并通过光刻技术形成了铝引线和合金电阻。为了完成器件背面的腐蚀,研究人员采用了KOH溶液(浓度33%,温度70℃)和等离子体刻蚀的两步法工艺。这种器件的厚度远大于谐振时器件的热穿透深度,使得当给硅微谐振器的激励电阻提供一个交变电压时,能够在厚度方向形成周期性变化的温度场。这个温度场的周期性变化会在谐振器内部产生周期性交变的热弯矩,进而驱动硅微谐振器发生振动。当热激励频率与微谐振器的固有频率相等时,微谐振器将达到共振状态,产生显著的振动效果。

     单层结构微谐振器的设计不仅简单明了,而且为后续的双层及三层结构微谐振器的研究提供了宝贵的经验和启示。它揭示了热激励与微谐振器振动之间的内在联系,为微谐振器的性能优化和拓展应用奠定了理论基础。

二、双层结构微谐振器

     在单层结构的基础上,科研人员进一步探索了双层结构微谐振器的设计。在微桥谐振器中,激励电阻通常位于悬臂梁端部或桥与方膜振器的中心,而压敏电桥则靠近梁的根部或方膜四个直边的中点。

     双层结构微谐振器的制作过程中,激励电阻和压敏电桥的形成是关键步骤。它们通过在N型(100)晶面硅中扩硼形成,并采用湿法刻蚀和干法刻蚀相结合的两步法进行背面刻蚀。首先,使用KOH溶液(浓度33%,温度80℃)对硅片进行预腐蚀,达到预腐蚀深度后,再采用磁增强反应离子刻蚀机对硅片背面进行腐蚀。这种腐蚀工艺使得所制作的谐振器件的厚度远小于谐振时器件的热穿透深度,从而可以认为其在厚度方向的温度是相同的。然而,在梁的长度方向上,温度却存在显著差异。这种温度分布的不均匀性为微谐振器的振动行为带来了更为复杂的动力学特性。

     双层结构微谐振器的设计不仅提高了器件的灵敏度和稳定性,还为微谐振器的多样化应用提供了更多可能性。例如,在传感器领域,双层结构微谐振器可以实现对微小位移、压力或温度变化的精确测量。

三、三层结构微谐振器

     随着微纳技术的不断发展,三层结构微谐振器应运而生。这种结构不仅兼容双极和CMOS工艺,而且具有更高的集成度和更广泛的应用前景。

     如下图所示,瑞士联邦技术研究所设计的三层结构方膜谐振器由8μm厚的N型单晶硅(外延层)、二氧化硅和氮化硅薄膜层组成。其中,注入的P型硅电阻用于电热激励和压阻检测。这种设计不仅实现了电热激励与压阻检测的集成化,而且提高了器件的灵敏度和响应速度。

     在器件背面的微机械腐蚀过程中,研究人员采用了自停止电化学腐蚀方法。腐蚀液为KOH溶液,腐蚀过程在P型掺杂的衬底和N型外延层之间的PN结处停止。这种腐蚀工艺不仅精确控制了器件的厚度和形状,而且确保了器件的可靠性和稳定性。

     三层结构微谐振器的设计不仅兼容了现有的半导体工艺,而且为微谐振器的性能优化和拓展应用提供了更多可能。例如,在生物医学领域,三层结构微谐振器可以实现对生物分子、细胞或组织的精确检测和分析。在通信领域,它则可以作为高性能的滤波器或传感器使用。


四、微谐振器的广泛应用

     微谐振器作为微纳技术领域的重要成果之一,具有广泛的应用前景和深远的社会意义。在传感器领域,微谐振器可以实现对微小位移、压力、温度或生物分子等参数的精确测量和分析;在通信领域,它可以作为高性能的滤波器或传感器使用;在生物医学领域,它则可以用于生物分子的检测和分析等。

     然而,微谐振器的研究与发展仍面临诸多挑战。例如,如何进一步提高器件的灵敏度和稳定性?如何降低制作成本并实现大规模生产?如何拓展其应用领域并满足更多实际需求?这些问题都需要科研人员不断探索和创新来解决。

点赞+在看
分享给小伙伴吧!↓

微纳研究院
硅时代提供全方位的技术服务,可提供MEMS芯片定制设计开发、集成电路芯片设计、MEMS芯片工艺验证、MEMS芯片小批量试制、MEMS芯片中试化量产、MEMS芯片封装方案设计等系统解决方案,提供MEMS设计、加工、测试等单步或多步工艺实验开发
 最新文章