諧振傳感器、其制造方法以及用于諧振傳感器的多層結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種諧振傳感器、其制造方法以及一種用于諧振傳感器的多層結(jié)構(gòu)。該諧振傳感器包括：?jiǎn)尉Ч枰r底；單晶硅諧振器，其設(shè)置在單晶硅襯底上方；由硅制成的殼體，其帶間隙地圍繞諧振器，并且與單晶硅襯底一起形成腔室；激勵(lì)模塊，其被配置為激發(fā)諧振器；振動(dòng)檢測(cè)模塊，其被配置為檢測(cè)諧振器的振動(dòng)；第一層，其設(shè)置在腔室上方，該第一層具有通孔；第二層，其設(shè)置在第一層上方；第三層，其覆蓋第一層和第二層；以及從第二層朝向諧振器延伸的突起，該突起在空間上與諧振器分離，該突起與第一層隔開第一間隙，第二層與第一層隔開第二間隙，第一間隙與第二間隙連通。
【專利說明】諧振傳感器、其制造方法以及用于諧振傳感器的多層結(jié)構(gòu)
[0001]本發(fā)明要求于2013年7月24日提交的日本專利申請(qǐng)第2013-153874號(hào)的優(yōu)先權(quán)，其內(nèi)容通過引用并入于此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及諧振傳感器、其制造方法以及用于諧振傳感器的多層結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0003]已知諧振傳感器是一種用于檢測(cè)物理應(yīng)力的傳感器。例如，諧振傳感器包括真空腔室、設(shè)置在腔室中的微諧振器以及檢測(cè)微諧振器的振動(dòng)的振動(dòng)檢測(cè)器。如日本未審查專利申請(qǐng)公開第2012-58127號(hào)所示出的，腔室、微諧振器和振動(dòng)檢測(cè)器被設(shè)置在硅襯底(硅晶圓)中。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]諧振傳感器的制造方法可以包括單晶硅襯底；單晶硅諧振器，其設(shè)置在單晶硅襯底上方；由硅制成的殼體，其帶間隙地圍繞諧振器，并且與單晶硅襯底一起形成腔室；激勵(lì)模塊，其被配置為激發(fā)諧振器；振動(dòng)檢測(cè)模塊，其被配置為檢測(cè)諧振器的振動(dòng)；第一層，其設(shè)置在腔室上方，該第一層具有通孔；第二層，其設(shè)置在第一層上方；第三層，其覆蓋第一層和第二層；以及從第二層朝向諧振器延伸的突起，該突起在空間上與諧振器分離，該突起與第一層隔開第一間隙，第二層與第一層隔開第二間隙，第一間隙與第二間隙連通。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0005]圖1是示出第一實(shí)施例的諧振傳感器的截面圖。
[0006]圖2是示出第一實(shí)施例的諧振傳感器的平面圖。
[0007]圖3是諧振器和殼體的主要部分周圍的放大截面圖。
[0008]圖4是示出通孔形狀的放大示意性立體圖。
[0009]圖5是示出諧振傳感器的電路圖。
[0010]圖6是示出用于描述第一實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0011]圖7是示出用于描述第一實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0012]圖8是示出用于描述第一實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0013]圖9是示出用于描述第一實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0014]圖10是示出用于描述第一實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0015]圖11是示出用于描述第一實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0016]圖12是示出用于描述第一實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0017]圖13是示出用于描述第一實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0018]圖14是示出用于描述第一實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0019]圖15是示出用于描述第一實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0020]圖16是示出第二實(shí)施例的諧振傳感器的主要部分的放大示意性立體圖。
[0021]圖17是出第三實(shí)施例的諧振傳感器的主要部分的放大示意性立體圖。
[0022]圖18是出第四實(shí)施例的諧振傳感器的主要部分的放大示意性立體圖。
[0023]圖19是示出用于描述第二實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0024]圖20是示出用于描述第二實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0025]圖21是示出用于描述第二實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0026]圖22是示出用于描述第二實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0027]圖23是示出用于描述第二實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0028]圖24是示出用于描述第三實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0029]圖25是示出用于描述第三實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0030]圖26是示出用于描述第三實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0031]圖27是示出用于描述第三實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0032]圖28是示出用于描述第三實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0033]圖29是示出用于描述第三實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法的諧振傳感器的截面圖。
[0034]圖30是示出現(xiàn)有技術(shù)的諧振傳感器的主要部分的示例性截面圖。
[0035]圖31是用于描述在現(xiàn)有技術(shù)的諧振傳感器的制造方法中排放刻蝕液體的條件的示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]在描述一些實(shí)施例之前，將參照一幅或多幅附圖來解釋現(xiàn)有技術(shù)以利于對(duì)各實(shí)施例的理解。
[0037]圖30是示出現(xiàn)有技術(shù)的諧振傳感器100的實(shí)例的示圖。圖30所示的諧振傳感器100包括用于測(cè)量膜片的硅襯底101。諧振傳感器100還包括位于襯底101上方的多層結(jié)構(gòu)110。多層結(jié)構(gòu)110包括氧化層113和絕緣層114。多層結(jié)構(gòu)110還包括位于氧化層113上方且位于絕緣層114下方的第一電極111和第二電極112。第一電極111和第二電極112被腔室102隔開，腔室102中設(shè)置有諧振器103。諧振器103與第一電極111和第二電極112隔開一定的間隙。殼體104設(shè)置在絕緣層114上以及諧振器103上方，使得殼體104密封腔室102。
[0038]殼體104包括第一多晶娃層(第一層)105、第二多晶娃層(第二層)106和第三多晶硅層(第三層)107。第一多晶硅層105設(shè)置在絕緣層114上方。第二多晶硅層106設(shè)置在第一多晶娃層105上方。第二多晶娃層106具有層和插塞。該層在第一多晶娃層105上方延伸。該插塞位于第一多晶娃層105中。
[0039]例如，第一多晶硅層105中的通孔108是在形成腔室102的過程中刻蝕液體流動(dòng)的流動(dòng)路徑。在通孔108用作刻蝕廢液流動(dòng)的流動(dòng)路徑之后，通孔108被第二多晶硅層106的插塞填充使得在通孔108中不再具有空間。諧振傳感器100通過檢測(cè)諧振器103的諧振頻率的變化來測(cè)量施加于諧振器103的應(yīng)力(變形)。
[0040]上述諧振傳感器100在排放刻蝕廢液的過程中以及在排放過程之后的清洗過程中使用液體。如圖31所示，如果液體的小滴Q保留在諧振器103和包括通孔108的第一多晶娃層105之間，則諧振器103會(huì)通過液體的彎月面力而被拉向第一多晶娃層105的一側(cè)105f。結(jié)果，諧振器103粘附到第一多晶硅層105。因此，存在諧振傳感器100不能檢測(cè)應(yīng)力的可能性。
[0041]此外，在形成插塞以使得通孔108中沒有空間的過程中，通孔108的直徑越大，累積在腔室102中的第二多晶硅層106越厚。累積在諧振器103與位于諧振器103兩側(cè)的第一電極111和第二電極112之間的空隙中的第二多晶硅層106引起輸出信號(hào)的幅度的變動(dòng)。此外，還存在第一電極111和第二電極112被累積在腔室102中的第二多晶硅層106短路，而且諧振傳感器100不能輸出輸出信號(hào)的可能性。
[0042]現(xiàn)在將參照說明性優(yōu)選實(shí)施例來描述本發(fā)明的一些實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到，可以使用本發(fā)明的教導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)許多可選的優(yōu)選實(shí)施例，并且本發(fā)明不限于為了說明目的而在本文中示出的優(yōu)選實(shí)施例。
[0043]以下將參照附圖來詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的諧振傳感器及其制造方法。為了使本發(fā)明的范圍更易于理解，詳細(xì)描述了本發(fā)明的實(shí)施例，并且只要沒有特定的說明，實(shí)施例不應(yīng)限制本發(fā)明。以下描述中使用的一些附圖示出了重要部分的放大示圖以便于理解本發(fā)明的特征，并且組成元件的尺寸比例和其他特征并非意在限于本文所呈現(xiàn)的形式。
[0044](諧振傳感器:第一實(shí)施例)
[0045]圖1是示出第一實(shí)施例的諧振傳感器10沿著厚度方向的截面圖。圖2是示出第一實(shí)施例的諧振傳感器10沒有殼體時(shí)的平面圖。本發(fā)明的示例性實(shí)施例的諧振傳感器10包括形成在由單晶硅制成的襯底11上的諧振器12。諧振器周圍設(shè)置有空隙。此外，諧振傳感器10包括與襯底11 一起圍繞諧振器12和腔室21的殼體14。殼體14是用于諧振傳感器10的多層結(jié)構(gòu)。
[0046]腔室21設(shè)置在襯底11的一側(cè)11a。諧振器12、第一電極15、第二電極16和第三電極17設(shè)置在腔室21中。此外，外延層18被設(shè)置在腔室21外。外延層18、諧振器12、第一電極15、第二電極16和第三電極17由相同的材料制成，諸如摻硼的低阻P型半導(dǎo)體。
[0047]諧振器12與第一電極15集成為一體并且與第一電極15電連接。當(dāng)從殼體14上方看時(shí)，諧振器12為基本窄板狀結(jié)構(gòu)。諧振器12在厚度方向上的長(zhǎng)度大于諧振器12在襯底11的平面方向上的寬度。此外，對(duì)襯底11的預(yù)定拉伸應(yīng)力被加至板狀諧振器12。諧振器12的一端整體連接至第一電極15。
[0048]第二電極16和第三電極17大體為矩形電極。第二電極16和第三電極17在縱向上設(shè)置在諧振器12的兩側(cè)，與諧振器12保持預(yù)定的間隙。將被連接至外部電路的連接點(diǎn)15a、16a和17a分別設(shè)置在第一電極15、第二電極16和第三電極17上。例如，連接點(diǎn)15a、16a和17a由金屬制成。
[0049]盡管絕緣層22被設(shè)置在電極15至17中的每一個(gè)與殼體14之間，但絕緣層22并沒有設(shè)置在腔室21內(nèi)。此外，盡管絕緣層23被設(shè)置在電極15至17中的每一個(gè)與襯底11之間，但絕緣層23并沒有設(shè)置在腔室21內(nèi)。在諧振傳感器的制造過程中，通過將SOI襯底用作襯底11來形成絕緣層23。將詳細(xì)描述諧振傳感器的制造過程。
[0050]在腔室21的內(nèi)部保持預(yù)定的真空度。例如，腔室21內(nèi)的壓力小于或等于幾十Pa，使得可以在諧振狀態(tài)下通過抑制諧振器的能量損失來提高諧振頻率的測(cè)量精度。將諧振器12、第一電極15、第二電極16和第三電極17設(shè)置為與圍繞腔室21的部件保持預(yù)定間隙。圍繞腔室21的部件是襯底11、外延層18和殼體14。
[0051]圖3是諧振器和殼體周圍的放大截面圖。殼體14包括第一多晶硅層(第一層)26、第二多晶硅層(第二層)27和第三多晶硅層(第三層)28。第一多晶硅層26設(shè)置在絕緣層22上方。第二多晶娃層27設(shè)置在第一多晶娃層26上方。第三多晶娃層28覆蓋第一多晶娃層26和第二多晶娃層27。
[0052]在本實(shí)施例中，殼體14的三層26至28 (第一層、第二層和第三層)可以由多晶硅制成。然而，本實(shí)施例不限于多晶硅。例如，三層26至28可以由非晶硅、SiC、SiGe、Ge等中的任意一種制成。
[0053]第一多晶娃層(第一層)26與絕緣層22接觸。此外，第一多晶娃層設(shè)置在腔室上方。通孔25被設(shè)置在第一多晶硅層26和腔室21的重疊部分處。通孔25沿著第一多晶硅層26的厚度方向延伸。在以下描述中，通孔25在腔室21 —側(cè)的開口部分可以被稱為第一開口部分25a。此外，通孔25在第二多晶硅層27—側(cè)的開口部分可以被稱為第二開口部分25b。
[0054]在本實(shí)施例中，如圖4所示，當(dāng)從第三多晶硅層28往下看時(shí)，通孔25的第一開口部分25a和第二開口部分25b為沿著諧振器12延伸的矩形截面。更具體地，通孔25是沿著諧振器12的縱向延伸的立方形的窄空間。
[0055]第二多晶硅層27設(shè)置為靠近通孔25的第二開口部分25b，并且覆蓋第二開口部分25b的周圍。具體地，第二多晶硅層27以預(yù)定寬度在第二開口部分25b周圍沿著通孔25的縱向延伸。
[0056]此外，第二多晶硅層27具有突起。突起29在第二多晶硅層27的通孔25的一側(cè)與第二多晶硅層27集成為一體。突起29從第二開口部分25b進(jìn)入通孔25。突起29的端面29a被設(shè)置在比第一多晶硅層26的面26a更加遠(yuǎn)離諧振器12的位置。
[0057]第三多晶硅層28覆蓋第一多晶硅層26和第二多晶硅層27。具體地，第三多晶硅層28在存在第二多晶硅層27的區(qū)域中與第二多晶硅層27接觸。此外，第三多晶硅層28在第二多晶硅層27以外與第一多晶硅層26接觸。
[0058]在具有前述多層結(jié)構(gòu)的殼體14中，在第一多晶硅層26和第二多晶硅層27之間存在間隙31。間隙31從第一多晶娃層26與突起29之間的第一間隙E1延伸到第一多晶娃層26與第二多晶硅層27之間的第二間隙E2。第一間隙E1與第二間隙E2連通。
[0059]具體地，在圖1所示的截面圖中，間隙31是第一多晶硅層26和第二多晶硅層27之間基本呈L形的窄空間。第一間隙E1是間隙31的一個(gè)開口端。第一間隙E1存在于通孔25的第一開口部分25a的側(cè)壁與第二多晶硅層27的突起29之間。此外，第二間隙E2是間隙31的另一個(gè)開口端。第二間隙E2是第一多晶硅層26與第二多晶硅層27之間的間隙。
[0060]例如，間隙31 (換句話說，第一多晶硅層26和第二多晶硅層27之間的距離)可以是在形成腔室21的過程中使用的刻蝕流體可以流入和流出的距離。
[0061]非空隔離物32被設(shè)置在第二多晶硅層27上。隔離物32與第二多晶硅層27集成為一體。隔離物32從第二多晶硅層27突出。隔離物32的端面與第一多晶硅層26接觸。隔離物32形成第二間隙E2以防止間隙31由于應(yīng)力作用而變窄。隔離物32的高度基本等于間隙31。
[0062]如圖4所示，隔離物32沿著通孔25的縱向設(shè)置。流入間隙31 (如圖3所示)的液體(諸如刻蝕液體)在隔離物32之間流動(dòng)。為此，隔離物32形成間隙31的第二間隙E2，并且防止中斷液體的流動(dòng)。在本實(shí)施例中，每個(gè)隔離物32均為長(zhǎng)圓柱形。
[0063]圖5是諧振傳感器的電路圖。諧振傳感器10包括用于激發(fā)諧振器12的激勵(lì)模塊41和用于檢測(cè)諧振器12的振動(dòng)的振動(dòng)檢測(cè)模塊42。激勵(lì)模塊41包括第二電極16和驅(qū)動(dòng)電源43。振動(dòng)檢測(cè)模塊42包括第一電極15、第三電極17、偏置電源44、電阻器Rl、R2和R3、運(yùn)算放大器0P1和0P2等。
[0064]驅(qū)動(dòng)電源43施加預(yù)定驅(qū)動(dòng)電壓Vi的交流電壓。偏置電源44施加預(yù)定偏置電壓Vb的直流電壓。從偏置電源44向第一電極15施加恒定偏置電壓Vb。從驅(qū)動(dòng)電源43向第二電極16施加交流驅(qū)動(dòng)電壓Vi。根據(jù)諧振器12的振動(dòng)頻率的檢測(cè)信號(hào)從第三電極17輸出。
[0065]以下描述諧振傳感器的操作。在向第一電極15施加恒定偏置電壓Vb并且向第二電極16施加交流驅(qū)動(dòng)電壓Vi之后，在連接至第一電極15的諧振器12與第二電極16之間生成靜電吸力。此時(shí)，諧振器12以恒定的諧振頻率振動(dòng)(諧振)。
[0066]另一方面，通過施加給第一電極15的偏置電壓Vb在連接至第一電極15的諧振器12與第三電極17之間生成電荷。當(dāng)諧振器12與第三電極17之間的靜電容量根據(jù)諧振器12的振動(dòng)而變化時(shí)，生成根據(jù)靜電容量的變化的檢測(cè)信號(hào)。檢測(cè)信號(hào)為交流電流。運(yùn)算放大器0P1和0P2放大該檢測(cè)信號(hào)。計(jì)數(shù)器讀取被運(yùn)算放大器0P1和0P2放大的檢測(cè)信號(hào)作為電壓變化，使得可以測(cè)量諧振器12的振動(dòng)頻率。
[0067]當(dāng)諧振器12受到應(yīng)力作用時(shí)，諧振器12的振動(dòng)頻率根據(jù)諧振器12的應(yīng)變量而改變?？梢詼y(cè)量諧振器12的應(yīng)變量，即，施加于諧振器12的應(yīng)力。
[0068]在該構(gòu)造中，由于可以將作為激發(fā)電極的第二電極16與作為檢測(cè)電極的第三電極17分離，因此第二電極16與第三電極17之間的寄生電容降低。結(jié)果，可以抑制驅(qū)動(dòng)電壓Vi對(duì)檢測(cè)電路的串?dāng)_。此外，可以改善信噪比。
[0069](諧振傳感器的制造方法:第一實(shí)施例)
[0070]以下描述諧振傳感器的制造方法和諧振傳感器的操作。
[0071]圖6至圖15是用于描述諧振傳感器的制造方法處于各個(gè)階段時(shí)諧振傳感器的主要部分的放大截面圖。此外，圖6至圖15是沿著圖2中的線A-A截取的截面圖。
[0072]首先，如圖6所示，制備SOI襯底51，其中在襯底11上形成有氧化層52和表面硅層53。例如，氧化層52的厚度為約2微米。此外，表面硅層53的厚度為約1微米。
[0073]接下來，如圖7所示，通過外延生長(zhǎng)來在表面硅層53上形成包含高濃度硼的外延硅層54。包含高濃度硼的外延硅層54電阻低并且表現(xiàn)得像導(dǎo)體。在后續(xù)處理中，在外延硅層54中形成諧振器12、第一電極15、第二電極16和第三電極17(如圖2所示)。
[0074]此外，由于包含高濃度硼的外延硅層54比襯底11有更大的拉應(yīng)力，所以外延硅層54對(duì)在后續(xù)處理中形成的諧振器12生成拉力。當(dāng)在拉伸條件下對(duì)諧振器12施加應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力與頻率的平方成比例，獲得極其線性的特性。另一方面，由于壓縮應(yīng)力條件下的操作具有非線性的特性，所以在拉伸應(yīng)力條件下執(zhí)行諧振傳感器10的操作。
[0075]以下描述包含高濃度硼的外延硅層54的生長(zhǎng)條件(a)至(d)。
[0076](a)生長(zhǎng)溫度為1030攝氏度，
[0077](b)在4氣體中，
[0078](c) 二氯甲硅烷(SiH2Cl2)被用作硅的原料氣體，以及
[0079](d)乙硼烷(B2H6)被用作作為雜質(zhì)的硼的原料氣體。
[0080]此外，包含高濃度硼的外延硅層54通過執(zhí)行預(yù)定時(shí)間的外延生長(zhǎng)而生長(zhǎng)至例如約9微米。然后，外延硅層54的厚度與表面硅層53的厚度的總和為約10微米。
[0081]接下來，如圖8所示，執(zhí)行對(duì)包含高濃度硼的外延硅層54的圖案化。在外延硅層54上形成成為諧振器12、第一電極15 (如圖2所示)、第二電極16和第三電極17的外形的溝槽T。例如，通過施加抗蝕材料來執(zhí)行對(duì)外延硅層54的圖案化。此外，通過步進(jìn)裝置執(zhí)行圖案化。
[0082]例如，步進(jìn)裝置具有約0.3微米的分辨率。此外，步進(jìn)機(jī)能夠曝光亞微米線和間隔。通過步進(jìn)裝置來形成諧振器12、第一電極15、第二電極16和第三電極17的外形圖案。
[0083]通過步進(jìn)裝置形成的抗蝕層被用作掩模，并且外延硅層54被刻蝕。形成對(duì)諧振器12、第一電極15、第二電極16和第三電極17的外形進(jìn)行定形的溝槽T。例如，通過干刻蝕來刻蝕外延硅層54。執(zhí)行干刻蝕，直到刻蝕位置到達(dá)襯底11上的氧化層52。諧振器12、第一電極15、第二電極16和第三電極17相互電隔離。
[0084]在通過干刻蝕形成溝槽T的過程中，適合通過重復(fù)地執(zhí)行硅刻蝕處理和CF聚合物的沉積處理而在溝槽T的側(cè)壁上形成凹凸部。例如，通過調(diào)整刻蝕時(shí)間和沉積時(shí)間，形成凹凸部的寬度為約0.1微米或以上且凹凸部的間距為約0.1微米至1微米的條紋。
[0085]接下來，如圖9所示，在外延硅層54上方形成絕緣層56。對(duì)諧振器12、第一電極15、第二電極16和第三電極17的外形進(jìn)行定形的溝槽T填充有絕緣層56。絕緣層56在外延硅層54上累積預(yù)定的厚度。例如，絕緣層56由氧化硅制成。在絕緣層56的形成中，例如，溝槽T的開口端部填充有四乙氧基硅烷(TEOS)的LP-CVD氧化膜或者等離子體-CVD氧化膜。
[0086]例如，通過TE0S罐的起泡、引入氮?dú)夂脱鯕狻峤釺E0S以及用氧化硅填充溝槽T，在700攝氏度和50帕斯卡的低壓條件下形成層LP-CVD氧化膜。
[0087]通過在真空中引入TE0S和氧氣生成等離子體，在置于加熱到400攝氏度的臺(tái)上的襯底上用氧化硅填充溝槽T的處理來形成等離子體CVD氧化膜。由于等離子體CVD氧化膜的階梯覆蓋的質(zhì)量較差，所以在溝槽T的最深部分中不容易形成膜，并且在絕緣層56的一部分中形成空隙V。
[0088]接下來，如圖10所不，例如在覆蓋外延娃層54的絕緣層56上方形成厚度為幾微米的第一多晶硅層(第一層)26。第一多晶硅層26是用于對(duì)在后續(xù)處理中形成的腔室21進(jìn)行覆蓋的殼體14的一部分。
[0089]接下來，如圖11所示，在第一多晶硅層26的一部分中形成通孔25。例如，通孔25形成在面對(duì)諧振器12的位置。此外，例如，在形成對(duì)第一多晶硅層26的外形進(jìn)行定形的抗蝕層之后，通過干刻蝕形成在厚度方向上穿過第一多晶硅層26的通孔25。例如，通孔25是沿著諧振器12的縱向延伸的立方形窄空間(如圖4所示)。
[0090]接下來，如圖12所示，形成氧化物層(犧牲層)57。氧化物層57覆蓋第一多晶硅層26和通孔25的內(nèi)表面。用于形成第二多晶硅層27的隔離物32的外部形狀的凹痕58被形成在通孔25的第二開口部分25b的周圍。將在后續(xù)處理中形成隔離物32。
[0091]例如，LP-CVD裝置形成了厚度為約100納米的氧化物層57，并且通過利用抗蝕材料和緩沖氫氟酸僅去除凹痕58的區(qū)域。
[0092]接下來，如圖13所示，形成第二多晶硅層27以覆蓋通孔25和通孔25周圍的區(qū)域。突起29與第二多晶硅層27集成為一體。此外，隔離物32與第二多晶硅層27集成為一體。突起29進(jìn)入通孔25。凹痕58對(duì)隔離物32進(jìn)行定形。
[0093]接下來，如圖14所示，通過用稀釋HF溶液進(jìn)行刻蝕來去除氧化物層(犧牲層)57的整體(如圖13所示)、諧振器12周圍的絕緣層56 (如圖13所示)和諧振器12周圍的氧化層52(如圖13所示)。通過該處理，在諧振器12周圍形成腔室21，并且保持諧振器12周圍的間隙。
[0094]另一方面，通過去除形成在第一多晶硅層26和第二多晶硅層27之間的氧化物層57,在第一多晶娃層26和第二多晶娃層27之間形成間隙31。間隙31從第一多晶娃層26和突起29之間的第一間隙E1延伸到第一多晶硅層26和第二多晶硅層27之間的第二間隙E2。第一間隙E1與第二間隙E2連通。稀釋HF溶液經(jīng)由間隙31到達(dá)諧振器12周圍的絕緣層56和氧化層52。
[0095]用于通過刻蝕諧振器12周圍的絕緣層56和氧化層52形成腔室21的稀釋HF溶液的廢液經(jīng)由間隙31從腔室21的內(nèi)部排到外部。當(dāng)幾乎所有廢液都被排出且在諧振器12和第二多晶硅層27的突起29的端面29a之間保留很少的廢液時(shí)，可以對(duì)廢液施加彎月面力。如果向廢液施加彎月面力，則存在諧振器12朝向第二多晶硅層27的突起29彎曲并且諧振器12變形的擔(dān)憂。
[0096]然而，由于在第一多晶硅層26和第二多晶硅層27之間形成了窄間隙31，所以通過毛細(xì)管作用快速地吸收第一開口部分25a周圍的少量廢液。通過該處理，在通孔25的第一開口部分25a周圍，突起29朝向腔室21突出以防止諧振器12變形和固定。通過減小第二多晶硅層27的端面29a和諧振器12的接觸面積，在去除刻蝕廢液和清洗處理的水滴的過程中，可以防止諧振器12彎曲并粘附至第一多晶硅層26的下表面。此外，第一多晶硅層26和第二多晶硅層27之間的間隙31防止輸出信號(hào)的強(qiáng)度的變化、諧振器12的諧振頻率的變化以及由于電極短路而產(chǎn)生的輸出故障。
[0097]此后，如圖15所不，形成第二多晶娃層(第二層)28。第二層28覆蓋第一多晶娃層26和第二多晶硅層27用于真空密封。在第三多晶硅層28中生成拉伸應(yīng)變或者剩余的壓縮應(yīng)變非常小的條件下通過第三多晶硅層28進(jìn)行真空密封。例如，在等于或小于900攝氏度的溫度下通過減壓外延裝置執(zhí)行真空密封。SiH4或SiH4與氫的混合物可用作原料氣體。
[0098]此后，暴露連接點(diǎn)15a、16a和17a(如圖1和圖2所示)的孔形成在第一多晶硅層26與第三多晶硅層28接觸的位置處。
[0099]如上所述，在本實(shí)施例的諧振傳感器、其制造方法以及用于諧振器傳感器的多層結(jié)構(gòu)中，減小了端面29a和諧振器12之間的接觸面積。此外，可以防止諧振器12彎曲并粘附至第一多晶硅層26。因此，即使向遺留在諧振器12和第一多晶硅層26之間的小滴施加彎月面力，也可以防止諧振器12粘附至第一多晶硅層。
[0100]此外，可以通過第一多晶硅層26和第二多晶硅層27之間的窄間隙31來限制腔室21中的幾乎所有多晶硅層，可以防止輸出信號(hào)的強(qiáng)度的變化、諧振器12的諧振頻率的變化以及由于電極短路而引起的輸出故障。
[0101]以下將描述諧振傳感器的其他實(shí)施例。在每一個(gè)實(shí)施例中，按與第一實(shí)施例相同的方式對(duì)與第一實(shí)施例相同的組件進(jìn)行標(biāo)號(hào)，并且省略對(duì)這些組件的說明。
[0102](諧振傳感器:第二實(shí)施例)
[0103]在第一實(shí)施例中，第一多晶硅層26中的通孔25是沿著諧振器12的縱向延伸的立方形窄空間。然而，通孔25的形狀和覆蓋通孔25的第二多晶硅層27的形狀不限于此。
[0104]在圖16所示的諧振傳感器60中，在第一多晶硅層(第一層)26上沿著諧振器12的縱向設(shè)置圓柱形通孔61。當(dāng)從上方來看時(shí)，通孔61的第二開口部分61b是圓形的。通孔61沿著諧振器12的縱向設(shè)置。突起部分62與第二多晶硅層(第二層)27集成為一體。各突起62分別進(jìn)入到各通孔61中。間隙31的一部分在突起62的外表面與通孔61的內(nèi)表面之間是圓柱形的。
[0105]非空隔離物63與第二多晶硅層27集成為一體。隔離物與第一多晶硅層26中的通孔61的第二開口部分61b周圍的平面接觸。例如，在圖16所示的諧振傳感器60中，隔離物63在環(huán)繞通孔61的第二開口部分61b的位置處與第一多晶硅層26接觸。
[0106](諧振傳感器:第三實(shí)施例)
[0107]在圖17所示的諧振傳感器65中，在第一多晶硅層(第一層)26上沿著諧振器12的縱向設(shè)置立方形通孔66。當(dāng)從上方來看時(shí)，通孔66的第二開口部分66b是矩形的。通孔66沿著諧振器12的縱向設(shè)置。突起部分67與第二多晶硅層(第二層)27集成為一體。各突起67分別進(jìn)入到各通孔66中。間隙31的一部分在突起67的外表面與通孔66的內(nèi)表面之間是矩形截面的柱形。
[0108]非空隔離物68與第二多晶硅層27集成為一體。隔離物68與通孔66的第二開口部分66b周圍的第一多晶娃層26接觸。例如，在圖17所不的諧振傳感器65中，隔離物68沿著通孔66的第二開口部分66b的縱向在兩側(cè)與第一多晶硅層26接觸。
[0109]通孔66的形狀可以是卵形、橢圓形、三角形、多邊形、不定形等。通孔66的形狀不限于此。
[0110]形成第一多晶硅層26和第二多晶硅層27之間的間隙31 (如圖3所示)的隔離物的形狀不限于第一實(shí)施例或第二實(shí)施例所示的形狀。例如，隔離物可以為形成在第一多晶硅層26和第二多晶硅層27中的至少一個(gè)上的不規(guī)則凹部和凸部以允許形成液體的通道。在這種情況下，隔離物可以是在第一多晶硅層26和第二多晶硅層27中的至少一個(gè)上的粗糙的表面。
[0111](諧振傳感器:第四實(shí)施例)
[0112]圖18是示出第四實(shí)施例的諧振傳感器的放大截面圖。在本實(shí)施例的傳感器70中，殼體14的第一多晶娃層(第一層)26具有朝向腔室21延伸的通孔25。諧振器12設(shè)置在腔室21中并振動(dòng)。突起71與第二多晶硅層(第二層)27集成為一體。突起71進(jìn)入通孔25。在突起71的外表面和通孔25的內(nèi)表面之間存在間隙31。
[0113]突起71的端面71a設(shè)置為直接位于諧振器12之上。端面71a與諧振器12之間的距離短于第一多晶硅層26的面26f與諧振器12之間的距離。因此，突起71從第二多晶硅層27延伸向第一開口部分25a，并且突出到腔室21內(nèi)。
[0114]由于突起71突出到腔室21內(nèi)，所以可以更加確定地防止諧振器12與第一多晶硅層26接觸。例如，在形成諧振傳感器70的腔室21的過程中，當(dāng)通過間隙31排放刻蝕廢液時(shí)，可能會(huì)向遺留在諧振器12與第一多晶硅層26的第一開口部分25a之間的廢液施加彎月面力。即使諧振器12由于彎月面力而大程度地彎向第一多晶硅層26，諧振器12會(huì)與突出到腔室21內(nèi)的突起71的端面71a接觸。
[0115]因此，可以防止諧振器12大程度地彎曲并與第一多晶硅層26的面26f接觸。具體地，由于突起71的端面71a窄于諧振器12，所以即使諧振器12彎曲并與突起71的端面71a接觸，諧振器12與端面71a的接觸面積也很小。因此，可以防止諧振器12粘附至端面71a。
[0116](諧振傳感器的制造方法:第二實(shí)施例)
[0117]圖19至圖23是用于描述第二實(shí)施例中的諧振傳感器的制造方法處于各個(gè)階段時(shí)諧振傳感器的主要部分的放大截面圖。圖19是用于描述與第一實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法中的圖10相對(duì)應(yīng)的處理的示圖。如圖19所示，例如，在絕緣層56上形成厚度為幾微米的第一多晶娃層(第一層)81。例如，第一多晶娃層81通過外延裝置形成。在第一多晶硅層81的上表面上形成根據(jù)晶粒尺寸的微觀凹凸部82。
[0118]接下來，如圖20所示，在第一多晶硅層81的一部分中形成通孔83。例如，通孔83直接形成在諧振器12上方。此外，例如，在形成用于對(duì)第一多晶硅層81的外形進(jìn)行定形的抗蝕層之后，通過干刻蝕形成通孔83。通孔83在厚度方向上穿過第一多晶硅層81。此時(shí)，在通孔83的底面上形成微觀凹凸部84。
[0119]例如，圖19所示的處理和圖20所示的處理可以作為干刻蝕的一系列刻蝕處理來執(zhí)行，在該干刻蝕中多晶硅與絕緣層(氧化硅)的刻蝕率較低。
[0120]接下來，如圖21所示，形成氧化物層86。氧化物層86覆蓋形成在第一多晶硅層81上的微觀凹凸部82、通孔83的內(nèi)表面和形成在通孔83的底面上的微觀凹凸部84。
[0121 ] 接下來，如圖22所示，形成第二多晶硅層(第二層)87以覆蓋通孔83和圍繞通孔83的區(qū)域。在第二多晶硅層87的底面上形成突起88。突起88進(jìn)入被氧化物層86覆蓋的通孔83中，并且延伸到絕緣層56。在微觀凹凸部84上形成凹凸部89。具體地，凹凸部89形成在突起88的端面88a上。
[0122]接下來，如圖23所示，通過用稀釋HF溶液進(jìn)行刻蝕以去除氧化物層86的整體、諧振器12周圍的絕緣層56和諧振器12周圍的氧化層52。通過該處理，在諧振器12周圍形成腔室21。保持諧振器12周圍的間隙。
[0123]另一方面，通過去除形成在第一多晶硅層81和第二多晶硅層87之間的氧化物層86,在第一多晶娃層81和第二多晶娃層87之間形成間隙31。間隙31從第一多晶娃層81和突起88之間的第一間隙E1延伸到第一多晶硅層81和第二多晶硅層87之間的第二間隙E2。第一間隙E1與第二間隙E2連通。稀釋HF溶液經(jīng)由間隙31流入腔室21和流出腔室21。
[0124]通過本實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法，即使在諧振器12和第一多晶硅層81之間遺留少量廢液并且廢液的彎月面力使諧振器12大程度地朝向第一多晶硅層81彎曲，諧振器12也可以與突出到腔室21內(nèi)的突起88的端面88a接觸。因此，可以防止諧振器12粘附至第一多晶硅層81。
[0125]此外，在第二實(shí)施例的制造方法中，由于在突起88的端面88a上形成微觀凹凸部89，所以突起88與諧振器12的接觸面積非常小。因此，由于諧振器12不會(huì)粘附至突起88的端面88a，所以可以防止諧振器12變形。
[0126](諧振傳感器的制造方法:第三實(shí)施例)
[0127]圖24至圖29是用于描述第三實(shí)施例中的諧振傳感器的制造方法處于各個(gè)階段時(shí)諧振傳感器的主要部分的放大截面圖。圖24是用于描述與第一實(shí)施例的諧振傳感器的制造方法中的圖10相對(duì)應(yīng)的處理的示圖。如圖24所示，例如，在絕緣層56上形成厚度為幾微米的第一多晶娃層(第一層)91。然后，通過干刻蝕在第一多晶娃層91的上表面上形成微觀凹凸部92。
[0128]接下來，如圖25所示，形成穿過第一多晶硅層91的通孔93。例如，通孔93直接形成在諧振器12上方。此外，例如，在形成用于對(duì)第一多晶硅層91上的通孔93的開口部分的外形進(jìn)行定形的抗蝕層之后，通過干刻蝕形成通孔93。通孔93在厚度方向上穿過第一多晶娃層91。
[0129]此外，如圖26所示，通過從通孔93各向同性地刻蝕絕緣層56,在絕緣層56中形成底面99。底面99的直徑大于通孔93的寬度。底面99的截面形狀為半圓形。例如，由于用于刻蝕的刻蝕液體的特性，氧化硅的刻蝕率大于多晶硅的刻蝕率。刻蝕液體可用于各向同性刻蝕。
[0130]接下來，如圖27所示，形成氧化物層96。氧化物層96覆蓋形成在第一多晶硅層91上的微觀凹凸部92、通孔93的內(nèi)表面和絕緣層56的底面99。
[0131]接下來，如圖28所示，形成第二多晶硅層97。第二多晶硅層97覆蓋通孔93和圍繞通孔93的區(qū)域。突起98形成在第二多晶硅層97的底面上。突起98進(jìn)入被氧化物層96覆蓋的通孔93。突起98具有其形狀取決于底面99的形狀的端面98a。底面99的截面形狀為半圓形。
[0132]接下來，如圖29所示，通過用稀釋HF溶液進(jìn)行刻蝕以去除氧化物層96的整體、諧振器12周圍的絕緣層56和諧振器12周圍的氧化層52。通過該處理，在諧振器12周圍形成腔室21，并且保持諧振器12周圍的間隙。
[0133]另一方面，通過去除形成在第一多晶硅層91和第二多晶硅層97之間的氧化物層96,在第一多晶娃層91和第二多晶娃層97之間形成間隙31。間隙31從第一多晶娃層91和突起98之間的第一間隙E1延伸到第一多晶硅層91和第二多晶硅層97之間的第二間隙E2。第一間隙E1與第二間隙E2連通。稀釋HF溶液經(jīng)由間隙31流入腔室21和流出腔室21。
[0134]通過該諧振傳感器的制造方法，即使在諧振器12和第一多晶硅層91之間遺留少量廢液并且廢液的彎月面力使諧振器12大程度地朝向第一多晶硅層91彎曲，諧振器12也可以與突出至腔室21內(nèi)的突起98的端面98a接觸。因此，可以防止諧振器12粘附至第一多晶娃層91。
[0135]此外，在第三實(shí)施例的制造方法中，由于突起98的端面98a的截面形狀為半圓形，所以突起98與諧振器12的接觸面積非常小。因此，由于諧振器12不會(huì)粘附至突起98的端面98a，所以可以防止諧振器12變形。
[0136]雖然上面已經(jīng)描述并示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但應(yīng)該理解，這些僅僅是示例性的而不應(yīng)理解為限制性的。在不背離本發(fā)明的范圍的情況下，可以進(jìn)行增加、省略、替換和其他修改。因此，本發(fā)明不應(yīng)理解為受前面的描述所限制，而僅受所附權(quán)利要求的范圍所限制。
【權(quán)利要求】
1.一種諧振傳感器,包括: 單晶娃襯底； 單晶硅諧振器，其設(shè)置在所述單晶硅襯底的上方； 由硅制成的殼體，其帶間隙地圍繞所述諧振器，并且與所述單晶硅襯底一起形成腔室; 激勵(lì)模塊，其被配置為激發(fā)所述諧振器； 振動(dòng)檢測(cè)模塊，其被配置為檢測(cè)所述諧振器的振動(dòng)； 第一層，其設(shè)置在所述腔室的上方，所述第一層具有通孔； 第二層，其設(shè)置在所述第一層的上方； 第三層，其覆蓋所述第一層和所述第二層；以及 突起，其從所述第二層朝向所述諧振器延伸，所述突起在空間上與所述諧振器分離，所述突起與所述第一層隔開第一間隙，所述第二層與所述第一層隔開第二間隙，所述第一間隙與所述第二間隙連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振傳感器，其中， 所述第一層、所述第二層、和所述第三層由多晶硅、非晶硅、SiC、SiGe和Ge中的任一種制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振傳感器，還包括: 非空隔離物，其形成所述第二間隙，所述非空隔離物與所述第二層集成為一體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振傳感器，其中， 所述突起直接設(shè)置在所述諧振器上方，并且 所述突起與所述諧振器之間的距離短于所述第一層與所述諧振器之間的距離。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振傳感器，其中， 所述通孔為沿著所述諧振器的縱向延伸的立方形空間，并且 所述間隙的一部分在所述突起的外表面與所述通孔的內(nèi)表面之間為矩形截面的柱形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振傳感器，其中， 所述通孔的形狀為沿著所述諧振器的縱向設(shè)置的卵形或橢圓形，并且 所述間隙的一部分在所述突起的外表面與所述通孔的內(nèi)表面之間為圓柱形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振傳感器，其中: 所述腔室內(nèi)的壓力小于大氣壓力。
8.一種諧振傳感器的制造方法，所述方法包括: (a)在多層結(jié)構(gòu)中形成諧振器； (b)在所述多層結(jié)構(gòu)上方形成第一層； (C)在所述第一層上方形成犧牲層； (d)在所述犧牲層上方形成具有突起的第二層，所述突起從所述第二層朝向所述諧振器延伸，并且所述突起在空間上與所述諧振器分離；以及 (e)通過去除所述犧牲層來在所述第一層和所述第二層之間形成間隙，所述突起與所述第一層隔開第一間隙，所述第二層與所述第一層隔開第二間隙，所述第一間隙與所述第二間隙連通。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的諧振傳感器的制造方法，還包括: 在所述步驟(C)中，在所述犧牲層中形成凹痕；以及 在所述步驟(d)中，根據(jù)所述凹痕的形狀形成與所述第二層集成為一體的非空隔離物，所述非空隔離物形成所述第二間隙。
10.一種用于諧振傳感器的多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)包括: 第一層; 第二層，其設(shè)置在所述第一層上方；以及 突起，其從所述第二層朝向所述第一層延伸，所述突起與所述第一層隔開第一間隙，所述第二層與所述第一層隔開第二間隙，所述第一間隙與所述第二間隙連通。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于諧振傳感器的多層結(jié)構(gòu)，其中， 所述第一層和所述第二層由多晶娃、非晶娃、Sic、SiGe和Ge中的任一種制成。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用于諧振傳感器的多層結(jié)構(gòu)，還包括: 非空隔離物，其形成所述第二間隙，所述非空隔離物與所述第二層集成為一體。
【文檔編號(hào)】G01L1/10GK104344917SQ201410349914
【公開日】2015年2月11日 申請(qǐng)日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月24日
【發(fā)明者】吉田隆司, 奧田修史, 巖井滋人 申請(qǐng)人:橫河電機(jī)株式會(huì)社
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