一种谐振式微悬臂梁芯片及其制备方法

摘要

本申请实施例所公开的一种谐振式微悬臂梁芯片及其制备方法，包括悬臂梁本体，悬臂梁本体包括连接的第一端部和第二端部，第一端部设有悬膜，悬膜包括加热线圈，加热线圈用于加热第一端部形成相对于第二端部的高温区，并使得第二端部形成相对于第一端部的低温区，悬膜的下表面与第一端部的上表面具有隔热空间。基于本申请实施例，可以通过在第一端部设置悬膜，可以降低加热线圈与悬臂梁本体之间的热传导，使第一端部形成相对于第二端部的高温区，第二端部形成相对于第一端部的低温区，并通过在第二端部设置四端压阻，可以大幅度减少温度梯度带来的温度效应对微悬臂梁芯片的频率检测的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及传感芯片制备领域，尤其涉及一种谐振式微悬臂梁芯片及其制备方法。

背景技术

为了确保具有自加热功能的谐振式微悬臂梁上的集成压阻元件可以正常工作，通常是通过在微悬梁臂上设置阻热孔结构，以使微悬臂梁分为两个区域，并在其中一个区域设置加热线圈形成加热区域，对其进行加热形成相对于另一个区域的高温区，而另一区域未加热，形成相对于加热区域的低温区。当谐振式微悬臂梁芯片的高温区加热到一定温度，设置在低温区的四根压阻组成的惠斯通全桥本身存在温度梯度，故在变温的过程中存在较大的温度效应，将影响谐振频率检测的准确度和噪声水平。

虽然，在微悬梁臂上设置阻热孔结构可以实现高温区和低温区的分离，但存在如下弊端：

一、当高温区需要达到的温度越高，阻热孔结构沿微悬梁臂长度方向上的长度越大，阻热孔结构占据微悬梁臂的面积越大，高温区上固定样品材料的有效使用面积越小；

二、微悬梁臂可以通过等比例缩小尺寸提升质量检测灵敏度，在微悬梁臂上设置阻热孔结构将导致等比例缩小的微悬梁臂的阻热效果减小，因此必须增加阻热孔结构沿微悬梁臂长度方向上的长度，如此，将减小等比例缩小的微悬梁臂的有效尺寸，降低了微悬梁臂质量检测灵敏度。

发明内容

本申请实施例提供了一种谐振式微悬臂梁芯片及其制备方法，通过在第一端部设置悬膜，可以降低加热线圈与悬臂梁本体之间的热传导，使第一端部形成相对于第二端部的高温区，第二端部形成相对于第一端部的低温区，并通过在第二端部设置四端压阻，可以大幅度减少温度梯度带来的温度效应对微悬臂梁芯片的频率检测的影响。

本申请实施例提供了一种谐振式微悬臂梁芯片，该芯片包括：

悬臂梁本体，悬臂梁本体包括第一端部和第二端部，第一端部与第二端部连接；

第一端部设有悬膜，悬膜包括加热线圈，加热线圈用于加热第一端部形成相对于第二端部的高温区，并使得第二端部形成相对于第一端部的低温区，悬膜的下表面与第一端部的上表面具有隔热空间。

进一步地，第二端部自下而上依次包括：

衬底，衬底包括待注入区域和待溅射区域；

待注入区域设有四端压阻和激励电阻，待溅射区域、四端压阻和激励电阻上设有金属互连层。

进一步地，隔热空间的长度与悬臂梁本体的长度的比值在第一区间内，第一区间为[0.3,0.5]；

隔热空间的宽度是悬臂梁本体的宽度的比值在第二区间内，第二区间为[0.7,0.9]。

进一步地，隔热空间的高度在第三区间内，第三区间为[0.5,5]微米。

进一步地，悬膜还包括：第一绝缘层和绝热层，

第一绝缘层的下表面与加热线圈的上表面连接，绝热层的上表面与加热线圈的下表面连接。

进一步地，第一端部自下而上依次包括：

衬底，衬底包括待生长区域；

待生长区域设有第二绝缘层，第二绝缘层的上表面与绝热层的下表面间具有隔热空间。

进一步地，第一绝缘层的材质为氧化硅、氮化硅、氧化铝中的至少一种；

绝热层的材质为氧化硅、氮化硅、氧化铝中的至少一种；

第二绝缘层的材质为氧化硅、氮化硅、氧化铝中的至少一种。

进一步地，加热线圈的材质为钼、铂、铑、镍、铝、钨、铬、铁、多晶硅、碳化硅、碳化钨、碳化钼中的至少一种。

进一步地，衬底自下而上依次包括：第一硅层、第一氧化层、第二硅层和第二氧化层。

相应地，本申请实施例还提供了一种谐振式微悬臂梁芯片的制备方法，该方法包括：

获取衬底；衬底包括待注入区域、待溅射区域和待生长区域；

对待注入区域上进行离子注入，得到四端压阻和激励电阻；

在四端压阻、激励电阻、待溅射区域和待生长区域上制备第二绝缘层，以及在待生长区域对应的第二绝缘层上生长牺牲层；

在牺牲层上制备包覆牺牲层的绝热层；

在绝热层上开设腐蚀孔，并通过腐蚀孔去除牺牲层，形成隔热空间；

在绝热层的部分区域上制备加热线圈，以及在待溅射区域制备金属互连层；

在金属互连层、加热线圈和绝热层上制备第一绝缘层，得到谐振式微悬臂梁芯片。

本申请实施例具有如下有益效果：

本申请实施例所公开的一种谐振式微悬臂梁芯片及其制备方法，其中，悬臂梁本体，悬臂梁本体包括第一端部和第二端部，第一端部与第二端部连接，第一端部设有悬膜，悬膜包括加热线圈，加热线圈用于加热第一端部形成相对于第二端部的高温区，并使得第二端部形成相对于第一端部的低温区，悬膜的下表面与第一端部的上表面具有隔热空间。基于本申请实施例，通过在第一端部设置悬膜，可以降低加热线圈与悬臂梁本体之间的热传导，使第一端部形成相对于第二端部的高温区，第二端部形成相对于第一端部的低温区，并通过在第二端部设置四端压阻，可以大幅度减少温度梯度带来的温度效应对微悬臂梁芯片的频率检测的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本申请实施例提供的一种谐振式微悬臂梁芯片的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的一种谐振式微悬臂梁芯片的剖面结构示意图；

图3是本申请实施例提供的一种谐振式微悬臂梁芯片的制备方法的流程示意图；

图4a示例了一种对待注入区域进行离子注入的结构示意图；

图4b示例了一种在四端压阻和激励电阻的上表面形成氧化层的结构示意图；

图4c示例了一种在衬底上制备第二绝缘层和牺牲层的结构示意图；

图4d示例了一种在牺牲层上制备包覆牺牲层的绝热层的结构示意图；

图4e示例了一种去除牺牲层的结构示意图；

图4f示例了一种封闭腐蚀孔的结构示意图；

图4g示例了一种制备加热线圈的结构示意图；

图4h示例了一种制备第一绝缘层的结构示意图；

图4i示例了一种在衬底的顶部刻蚀出悬臂梁图形的结构示意图；

图4j示例了一种对衬底的底部的进行刻蚀的结构示意图；

附图说明：100-第一端部、200-第二端部、300-悬膜、310-加热线圈、 320-第一绝缘层、330-绝热层、400-四端压阻、500-激励电阻、600-金属互连层、700-焊盘。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施例作进一步地详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一个实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此处所称的“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。术语“第一”、“第二”和“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”和“第三”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述以外的顺序实施。此外，术语“包括”、“具有”和“为”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

下面介绍本申请一种谐振式微悬臂梁芯片的具体实施例，图1是本申请实施例提供的一种谐振式微悬臂梁芯片的结构示意图，图2是本申请实施例所提供的一种谐振式微悬臂梁芯片的剖面结构示意图，本说明书提供了如实施例或流程图所示的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序，在实际执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行。具体的如图1和图2所示。

如图1所示，该芯片可以包括悬臂梁本体和悬膜300，其中，悬臂梁本体可以包括第一端部100和第二端部200，第一端部100和第二端部200 连接，第一端部100设有悬膜300，该悬膜300可以包括加热线圈310，该加热线圈310用于加热第一端部100形成相对于第二端部200的高温区，并使第二端部200形成相对于第一端部100的低温区，悬膜300的下表面与第一端部100的上表面具有隔热空间。

本申请实施例中，悬膜300的下表面与第一端部100的上表面可以具有隔热空间，该隔热空间的长度与悬臂梁本体的长度的比值可以在第一区间内，该第一区间可以为[0.3,0.5]，隔热空间的宽度与悬臂梁本体的宽度的比值可以在第二区间内，该第二区间可以为[0.7,0.9]，隔热空间的高度可以在第三区间内，该第三区间可以为[0.5μm,5μm]。也即是说，隔热空间的尺寸是基于微悬臂梁本体的尺寸确定的，隔热空间的长度可以是0.3-0.5倍的梁长，宽度可以是0.7-0.9倍的梁宽，若微悬臂梁本体的梁长为100-450 μm，宽度为80-200μm，该隔热空间的高度为0.5-5μm。在加热的过程中，由于悬膜300的存在，可以降低加热线圈310与悬臂梁本体之间的热传导，进而可以使得温度集中在悬膜300对应的区域，即使第一端部100形成相对于第二端部200的高温区，并使第二端部200形成相对于第一端部100的低温区。

在一种可选的实施方式中，如图2所示，悬膜300可以自下而上依次可以包括绝热层330、加热线圈310、第一绝缘层320，即悬膜300可以是三明治结构，该第一绝缘层320的下表面与加热线圈310的上表面连接，绝热层330的上表面与加热线圈310的下表面连接，其中，悬膜300的材质可以是具有耐高温、热导率低、耐腐蚀等性能的高稳定性材料，例如氮化硅。

本申请实施例中，上文中所描述的第一绝缘层320的材质可以为氧化硅、氮化硅、氧化铝中的至少一种，也可以是其他具有绝缘性能的材质，本申请不作具体限定。

本申请实施例中，上文中所描述的加热线圈310的材质可以为钼、铂、铑、镍、铝、钨、铬、铁、多晶硅、碳化硅、碳化钨、碳化钼中的至少一种，也可以是其他材质，本申请不作具体限定。

本申请实施例中，如图1和2所示，悬臂梁本体所包含的第二端部200 自下而上可以依次包括衬底，该衬底可以包括待注入区域和待溅射区域，其中，待注入区域设有四端压阻400和激励电阻500，待溅射区域、四端压阻400和激励电阻500上设有金属互连层600。具体地，可以采用离子注入法或者扩散法在衬底的待注入区域制备四端压阻400和激励电阻500，该四端压阻400可以用于检测悬臂梁谐振信号，该激励电阻500可以用于驱动微悬臂梁谐振。通过将现有微悬臂梁芯片中的四根压阻组成的惠斯通全桥换成底端压阻，利用四端压阻400的温度系数接近零的特性，可以大幅度减少温度梯度带来的温度效应对微悬臂梁芯片的频率检测的影响。

本申请实施例中，悬臂梁本体所包含的第一端部100自下而上可以依次包括衬底，衬底可以包括待生长区域，该待生长区域设有第二绝缘层，该第二绝缘层的上表面与绝热层330的下表面间具有隔热空间。在一种具体的实施方式中，第一端部100中的衬底与第二端部200中的衬底为同一衬底，该衬底可以是双层绝缘体上硅晶圆DSOI，具体地，如图2所示，该衬底自下而上依次可以包括第一硅层、第一氧化层、第二硅层和第二氧化层，如图1所示，该衬底可以依次包括待注入区域、待溅射区域和待生长区域，其中，待注入区域用于制备四端压阻400，待溅射区域用于制备金属互连层600，待生长区域用于制备牺牲层，待溅射区域可以分别与待注入区域、待生长区域连接。

在一种可选的实施方式中，第二绝缘层材质可以为氧化硅、氮化硅、氧化铝中的至少一种，还可以是其他具有绝缘性能的材料，本申请不作具体限定。

如图1所示，悬臂梁本体所包含的第二端部200可以是固定端部，该固定端部上可以设有用于焊接的焊盘700、用于驱动微悬臂梁谐振的激励电阻500以及用于检测微悬臂梁谐振信号的四端压阻400。

采用本申请实施例提供的谐振式微悬臂梁芯片，通过在第一端部100 设置悬膜300，可以降低加热线圈310与悬臂梁本体之间的热传导，使第一端部100形成相对于第二端部200的高温区，第二端部200形成相对于第一端部100的低温区，并通过在第二端部200设置四端压阻400，可以大幅度减少温度梯度带来的温度效应对微悬臂梁芯片的频率检测的影响。

本申请实施例还提供了一种谐振式微悬臂梁芯片的制备方法，图3是本申请实施例提供的一种谐振式微悬臂梁芯片的制备方法的流程示意图，该方法可以包括：

S301：获取衬底；衬底包括待注入区域、待溅射区域和待生长区域。

本申请实施例中，衬底可以是双层绝缘体硅晶圆，该衬底可以包括待注入区域、待溅射区域和待生长区域，待注入区域用于制备四端压阻400 和激励电阻500，待溅射区域用于制备金属互连层600，待生长区域用于制备牺牲层。

具体地，该衬底自下而上依次可以包括第一硅层、第一氧化层、第二硅层和第二氧化层，第一硅层的上表面与第一氧化层的下表面连接，第一氧化层的上表面与第二硅层的下表面连接，第二硅层的上表面与第二氧化层的上表面连接。

S303：对待注入区域上进行离子注入，得到四端压阻400和激励电阻 500。

本申请实施例中，可以在衬底上制备待刻蚀的硅层，并对该待刻蚀的硅层的待注入区域对应的区域进行离子注入，具体地可以注入P

S305：在四端压阻400、激励电阻500、待溅射区域和待生长区域上制备第二绝缘层，以及在待生长区域对应的第二绝缘层上生长牺牲层。

本申请实施例中，在得到四端压阻400和激励电阻500之后，可以对待刻蚀的硅层进行刻蚀、退火同时热氧化处理，使得在四端压阻400和激励电阻500的上表面形成氧化层。图4b示例了一种在四端压阻400和激励电阻500的上表面形成氧化层的结构示意图。

本申请实施例中，在四端压阻400和激励电阻500的上表面形成氧化层之后，可以采用低压化学气相沉积法(Low-pressure CVD,LPCVD)在四端压阻400、激励电阻500、待溅射区域和待生长区域上制备第二绝缘层，以及在待生长区域对应的第二绝缘层上生长牺牲层并对其进行图形化处理，其中，第二绝缘层的材质可以是氧化硅、氮化硅、氧化铝中的至少一种，牺牲层的材质可以是硅酸乙酯TEOS。图4c示例了一种在衬底上制备第二绝缘层和牺牲层的结构示意图。

S307：在牺牲层上制备包覆牺牲层的绝热层330。

本申请实施例中，在制备第二绝缘层和生长牺牲层之后，可以在牺牲层上制备包覆牺牲层的绝热层330，该绝热层330的材质可以是氧化硅、氮化硅、氧化铝中的至少一种，图4d示例了一种在牺牲层上制备包覆牺牲层的绝热层330的结构示意图。

S309：在绝热层330上开设腐蚀孔，并通过腐蚀孔去除牺牲层，形成隔热空间。

本申请实施例中，可以在绝热层330上开设腐蚀孔，以使牺牲层的至少部分区域暴露于空气中，并通过腐蚀孔利用湿法去除牺牲层，以使得在绝热层330和第二绝缘层之间形成隔热空间。图4e示例了一种去除牺牲层的结构示意图。

S311：在绝热层330的部分区域上制备加热线圈310，以及在待溅射区域制备金属互连层600。

本申请实施例中，在去除牺牲层之后，可以在腐蚀孔对应的区域生长封闭结构，即在腐蚀孔对应的区域生长硅酸乙酯TEOS并图形化以封闭腐蚀孔。图4f示例了一种封闭腐蚀孔的结构示意图。

本申请实施例中，可以在绝热层330的部分区域上制备加热线圈310，以及在待溅射区域制备金属互连层600，具体地，可以在待溅射区域和腐蚀孔对应的绝热层330上开孔引线，并溅射金属以及图形化形成金属互连层 600，进而在腐蚀孔对应的金属互连层600上以及绝热层330的部分区域采用等离子增强化学气相沉积法(Plasma-enhanced CVD，PECVD)生长氮化硅钝化层，即加热线圈310。该加热线圈310的材质还可以是钼、铂、铑、镍、铝、钨、铬、铁、多晶硅、碳化钨、碳化钼中的至少一种。图4g示例了一种制备加热线圈310的结构示意图。

S313：在金属互连层600、加热线圈310和绝热层330上制备第一绝缘层320，得到谐振式微悬臂梁芯片。

本申请实施例中，可以在金属互连层600、加热线圈310和绝热层330 上制备第一绝缘层320，以使得第一绝缘层320包覆金属互连层600、加热线圈310和绝热层330，得到谐振式微悬臂梁芯片，具体地，可以采用PECVD 在金属互连层600、加热线圈310和绝热层330上生长氮化硅钝化层，即第一绝缘层320，该第一绝缘层320的材质还可以是氧化硅、氮化硅、氧化铝中的至少一种，进而利用干法刻蚀在衬底的顶部刻蚀出悬臂梁图形，以及利用深反应离子刻蚀法对衬底的底部的进行刻蚀处理，以释放悬臂梁结构，得到谐振式微悬臂梁芯片。图4h示例了一种制备第一绝缘层320的结构示意图，图4i示例了一种在衬底的顶部刻蚀出悬臂梁图形的结构示意图，图 4j示例了一种对衬底的底部的进行刻蚀的结构示意图。

采用本实施例所提供制备方法可以得到谐振式微悬臂梁芯片，该芯片通过在第一端部100设置悬膜300，可以降低加热线圈310与悬臂梁本体之间的热传导，使第一端部100形成相对于第二端部200的高温区，第二端部200形成相对于第一端部100的低温区，并通过在第二端部200设置四端压阻400，可以大幅度减少温度梯度带来的温度效应对微悬臂梁芯片的频率检测的影响。

由上述本申请提供的谐振式微悬臂梁芯片以及谐振式微悬臂梁芯片的制备方法，其中，悬臂梁本体，悬臂梁本体包括第一端部和第二端部，第一端部与第二端部连接，第一端部设有悬膜，悬膜包括加热线圈，加热线圈用于加热第一端部形成相对于第二端部的高温区，并使得第二端部形成相对于第一端部的低温区，悬膜的下表面与第一端部的上表面具有隔热空间。基于本申请实施例，可以通过在第一端部设置悬膜，可以降低加热线圈与悬臂梁本体之间的热传导，使第一端部形成相对于第二端部的高温区，第二端部形成相对于第一端部的低温区，并通过在第二端部设置四端压阻，可以大幅度减少温度梯度带来的温度效应对微悬臂梁芯片的频率检测的影响。

需要说明的是：上述本申请实施例的先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣，且上述本说明书对特定的实施例进行了描述，其他实施例也在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或者步骤可以按照不同的实施例中的顺序来执行并且能够实现预期的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出特定顺序或者而连接顺序才能够实现期望的结果，在某些实施方式中，多任务并行处理也是可以的或者可能是有利的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的均为与其他实施例的不同之处。尤其，对于结构的实施例而言，由于其基于相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。