СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО ВЫСОКОДОБРОТНОГО КРЕМНИЕВОГО МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА
METHOD TO MAKE INTEGRAL HIGH-Q SILICON MICROMECHANICAL RESONATOR

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к интегральным высокодобротным кремниевым микромеханическим резонаторам, использующим в качестве резонирующего элемента балочные и консольные структуры из монокристаллического кремния, размещенные в капсулах с высоким вакуумом, и, в частности, применяемым в качестве чувствительных элементов прецизионных преобразователей давления, микромеханических датчиков угловой скорости (гироскопов) и микромеханических датчиков ускорения.
Известен способ изготовления интегрального поликремниевого микромеханического гироскопа [S.J.Kang, Y.I.Ko, H.S.Kim, High-Vacuum Packaged Microgyroscope and Method for Manufacturing The Same, US 20030132493], заключающийся в формировании углубления в кремниевой пластине, осаждении изолирующего слоя нитрида кремния на обе стороны пластины и формировании в углублении поликремниевой разводки и поликремниевого микромеханического резонатора. Пластину соединяют с другой кремниевой пластиной в высоком вакууме путем нагревания при температуре 350-400°C и сплавления поликремниевой разводки с элементами из золотокремниевого эвтектического сплава, сформированных на другой кремниевой пластине. Недостатком данного способа является повышенная трудоемкость, связанная с необходимостью изготовления пластины со сквозными отверстиями и проходящей сквозь отверстия двухсторонней поликремниевой разводкой с элементами из золотокремниевого эвтектического сплава.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления интегрального кремниевого микромеханического гироскопа [R.Nakash, J.Dual, S.Blunier, M.Hägeli, U.Marti, A Novel 3-D MEMS Gyroscope, Int. Conf. & Exhibition on Micro Electro, Opto, Mechanical Systems and Components Micro Systems Technologies 2003, München, oct. 7-8, 2003, pp. 342-349], использующий для формирования контактов к резонатору глубокое травление монокристаллического кремния. В данном способе в монокристаллической подложке КНИ-пластины со стороны, противоположной рабочему слою, с помощью анизотропного плазмохимического травления формируют глухие отверстия, достигающие рабочего слоя КНИ-пластины. После этого формируют структуру резонатора, проводят удаление жертвенного слоя и соединяют с помощью процесса анодной посадки КНИ-пластину со стеклянной пластиной, имеющей углубления, располагающиеся над структурой резонатора. Далее формируют металлические контактные площадки на открытой стороне участков монокристаллического кремния в рабочем слое, перекрывающих глухие отверстия в монокристаллической кремниевой подложке, и разделяют КНИ-пластину и стеклянную пластину на кристаллы. Данный способ имеет меньшую трудоемкость, однако его недостатком является большой размер глухих отверстий в монокристаллической кремниевой подложке с целью обеспечения присоединения электродных выводов к металлическим контактным площадкам и, следовательно, большая площадь участков монокристаллического кремния в рабочем слое и большая паразитная емкость контактов резонатора.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение паразитной емкости контактов резонатора, увеличение чувствительности резонатора за счет снижения паразитного сигнала и повышение технологичности.
Сущность изобретения заключается в следующем. Способ изготовления интегрального высокодобротного кремниевого микромеханического резонатора включает в себя формирование в монокристаллической кремниевой подложке со стороны, противоположной рабочему слою, КНИ-пластины глухих отверстий, достигающих рабочего слоя КНИ-пластины, формирование в рабочем слое КНИ-пластины структуры резонатора, соединенной механически с участками в виде сплошных областей монокристаллического кремния, перекрывающих глухие отверстия в монокристаллической кремниевой подложке, удаление жертвенного слоя из-под структуры резонатора, соединение в высоком вакууме КНИ-пластины с диэлектрической пластиной, имеющей углубления, располагающиеся над структурами резонатора, формирование металлических контактных площадок на открытой стороне участков монокристаллического кремния, перекрывающих глухие отверстия в монокристаллической кремниевой подложке, и разделение КНИ-пластины и диэлектрической пластины на кристаллы. Глухие отверстия в монокристаллической кремниевой подложке формируют с помощью анизотропного жидкостного травления кремния.
В предлагаемом способе изготовления за счет формирования глухих отверстий в монокристаллической кремниевой подложке с помощью анизотропного жидкостного травления кремния размер выхода отверстия получается меньше, чем размер входа отверстия. Это позволяет уменьшить площадь участков монокристаллического кремния в рабочем слое, перекрывающих глухие отверстия в монокристаллической кремниевой подложке. В результате уменьшается емкость участков монокристаллического кремния в рабочем слое, перекрывающих глухие отверстия в монокристаллической кремниевой подложке, которая является паразитной емкостью контакта резонатора. Это позволяет формировать резонаторы с меньшей паразитной емкостью контакта резонатора и большей чувствительностью за счет уменьшения паразитного сигнала, вносимого паразитной емкостью контакта резонатора.
Кроме того, процесс анизотропного жидкостного травления кремния имеет невысокую стоимость и простоту реализации по сравнению с процессом анизотропного плазмохимического травления кремния. Это позволяет повысить технологичность изготовления интегрального высокодобротного кремниевого микромеханического резонатора.
В описании изобретения используются следующие термины.
Глухое отверстие - отверстие, не имеющее выхода на противоположную сторону детали (Захаров Б.В., Киреев B.C., Юдин Д.Л. Толковый словарь по машиностроению, под ред. A.M.Дальского, М., Русский язык, 1987, стр.152).
Жертвенный слой - слой окисла кремния, временно выполняющий функцию обеспечения жесткости структуры из монокристаллического или поликристаллического кремния на этапах формирования структуры и удаляемый после завершения формирования структуры (Нано- и микросистемная техника. От исследований к разработкам. Сб. статей под ред. П.П.Мальцева, М., Техносфера, 2005).
На чертежах Фиг.1а-в и Фиг.2а-б показаны основные этапы способа изготовления интегрального высокодобротного кремниевого микромеханического резонатора.
На Фиг.3 показан интегральный высокодобротный кремниевый микромеханический резонатор с геттерирующим материалом, помещенным в углубление в диэлектрической пластине.
На Фиг.4 показан интегральный высокодобротный кремниевый микромеханический резонатор с присоединенной кремниевой пластиной, покрытой диэлектрическим материалом.
На Фиг.5 показана топология высокодобротного кремниевого микромеханического резонатора в виде балки. Участки монокристаллического кремния в рабочем слое перекрывают глухие отверстия в монокристаллической кремниевой подложке, сформированные с помощью анизотропного жидкостного травления кремния.
Изготовление интегрального высокодобротного кремниевого микромеханического резонатора осуществляются следующим образом.
После формирования с помощью анизотропного жидкостного травления кремния в монокристаллической кремниевой подложке 1 КНИ-пластины со стороны, противоположной рабочему слою 3, глухих отверстий 4, достигающих рабочего слоя, формируют структуру резонатора 5, соединенную механически с участками в виде сплошных областей монокристаллического кремния 6, перекрывающими глухие отверстия 4 в монокристаллической кремниевой подложке 1 (Фиг.1).
Затем селективно к рабочему слою вытравливают жертвенный слой 2 и формируют свободное пространство 7 под структурой резонатора (Фиг.2). Далее КНИ-пластину в высоком вакууме соединяют с диэлектрической пластиной 8, имеющей углубление 9, располагающееся над структурой резонатора. Формируют металлические площадки 10 на внешней стороне сплошных областей монокристаллического кремния 6 (Фиг.2). В завершение КНИ-пластину, соединенную с диэлектрической пластиной, разделяют на кристаллы.
В качестве процесса, обеспечивающего высокий вакуум при соединении пластин, может использоваться процесс анодной посадки или процесс посадки на стеклоцемент.
В углублении, располагающемся над структурой резонатора, может помещаться геттерирующий материал 11. После соединения при пониженном давлении КНИ-пластины с диэлектрической пластиной выполняется активация геттерирующего материала (Фиг.3).
Вместо диэлектрической пластины может использоваться кремниевая пластина 12, покрытая диэлектрическим слоем 13 (Фиг.4).