Способ изготовления интегрального высокодобротного кремниевого микромеханического резонатора



Способ изготовления интегрального высокодобротного кремниевого микромеханического резонатора
Способ изготовления интегрального высокодобротного кремниевого микромеханического резонатора
Способ изготовления интегрального высокодобротного кремниевого микромеханического резонатора
Способ изготовления интегрального высокодобротного кремниевого микромеханического резонатора
Способ изготовления интегрального высокодобротного кремниевого микромеханического резонатора

 

H03H37 - Цепи полного (активного и реактивного) сопротивления, например резонансные контуры; резонаторы (измерение, испытание G01R; устройства для получения реверберации или эхосигнала G10K 15/08; цепи полного сопротивления и резонаторы, содержащие элементы только с распределенными параметрами, т.е. типа волноводов, H01P; регулирование усиления, например ширины полосы пропускания усилителей, H03G; настройка резонансных контуров, например настройка связанных резонансных контуров, H03J; схемы для модификации частотных характеристик систем связи H04B)

Владельцы патента RU 2435294:

Федеральное государственное учреждение "Научно-производственный комплекс "Технологический центр" Московского государственного института электронной техники" (RU)

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. Технический результат - снижение паразитной емкости контактов резонатора, увеличение чувствительности резонатора за счет снижения паразитного сигнала и повышение технологичности. Достигается тем, что 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 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 углубление, располагающееся над структурой 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. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

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).

1. Способ изготовления интегрального высокодобротного кремниевого микромеханического резонатора, включающий 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 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 углубление, располагающееся над структурой 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, отличающийся тем, что глухие отверстия в монокристаллической кремниевой подложке формируются с помощью анизотропного жидкостного травления кремния.

2. Способ изготовления интегрального высокодобротного кремниевого микромеханического резонатора по п.1, отличающийся тем, что в углубления, располагающиеся над структурами резонатора, помещается геттерирующий материал, проводится соединение при пониженном давлении КНИ-пластины с диэлектрической пластиной и выполняется активация геттерирующего материала.

3. Способ изготовления интегрального высокодобротного кремниевого микромеханического резонатора по п.1, отличающийся тем, что в качестве диэлектрической пластины используется кремниевая пластина, покрытая диэлектрическим слоем.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к СВЧ электроакустике и является основой для создания электроакустических фильтров СВЧ, широко используемых в системах связи и локации. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к прибору кварцевой стабилизации частоты, и касается кварцевых резонаторов. .
Изобретение относится к области пьезотехники и может быть использовано при производстве пьезоэлектрических резонаторов, работающих на объемных акустических волнах с толщинно-сдвиговыми колебаниями и предназначенных для применения в радиоэлектронных устройствах стабилизации и селекции частоты.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано при разработке кварцевых резонаторов двухповоротных срезов для генераторов высокостабильных электрических колебаний.

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности к пьезотехнике, и может быть использовано при разработке и производстве пьезоэлектрических резонаторов.

Изобретение относится к области измерений механических параметров, использующих силочувствительные электромеханические резонаторы. .

Изобретение относится к изделиям пьезотехники и может быть использовано при создании устройств на объемных акустических волнах в диапазоне частот 600 кГц - 25 МГц. .

Изобретение относится к области пьезотехники, а именно к пьезоэлектрическим резонаторам. .

Изобретение относится к области радиоэлектроники. .

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для непрерывной (плавной) перестройки частоты высокостабильных источников колебаний. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам нанесения покрытий на электроды пьезокварцевых резонаторов, и может быть использовано при разработке и оптимизации метрологических характеристик пьезокварцевых сенсоров в аналитической химии.

Изобретение относится к аналитической химии, к способам нанесения пленок на электроды пьезокварцевых резонаторов и может быть использовано при разработке и оптимизации рабочих параметров масс - чувствительных сенсоров.

Изобретение относится к электронной технике. .

Изобретение относится к СВЧ электроакустике и является основой для создания стабилизированных генераторов сетки частот, генераторов таймерных импульсов и других СВЧ частотозадающих элементов для средств радиолокации и связи

Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к кварцевым резонаторам, являющимся основой высокостабильных генераторов, применяемых в устройствах стабилизации частоты, в связной аппаратуре и навигационной аппаратуре
Наверх