犧牲層腐蝕技術製造的帶場效應管的納米梁諧振器的製作方法
2023-04-23 18:20:11
專利名稱：犧牲層腐蝕技術製造的帶場效應管的納米梁諧振器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種諧振器，特別是納米梁諧振器。
背景技術：
納米梁諧振器是十分典型的納機電(Nano Electromechanical System，NEMS)器件。它不僅可作為射頻濾波器、振蕩器、頻率基準元件等在射頻電路中得到直接應用，而且許多傳感器是以諧振器為基礎的，例如諧振式傳感器、陀螺等。在微機電(Micro ElectromechanicalSystem，NEMS，MEMS)器件中，已發展了很多與MEMS器件相適宜的激勵和檢測方式，例如電磁、靜電、壓阻、雷射等等。但對一個納米梁諧振器來說，由於體積太小，在MEMS器件中普遍使用的激勵和檢測手段將不再適合於納米梁諧振器。目前用於納米梁諧振器的檢測方法，例如強磁場輔助的電磁檢測，由於信號比較小，而背景卻很強，從而檢測電路的動態範圍大部分被背景所佔用。而另一種類似於惠斯頓電橋的差分檢測方法，由於信號與驅動電壓是同頻率的，對於分析噪聲等對比度要求比較高的場合存在一定的問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種低成本、適應檢測的犧牲層腐蝕技術製造的帶場效應管的納米梁諧振器。且製作工藝簡單，與NEMS工藝兼容，又與靜電驅動配合，實現納米梁諧振器的結構、驅動及檢測三者全集成。
本發明的上述目的是採用如下技術方案予以實現的包含納米梁諧振器及其金屬電極，所述納米梁諧振器是在絕緣層上矽材料上用犧牲層腐蝕技術製造出的，在其兩端進行摻雜形成P-i-P或N-i-N溝道結構的，作為場效應管溝道的納米梁，襯底矽作為場效應管的柵電極。
場效應管檢測方法實際是基於一個溝道寬度和厚度達到納米量級的場效應管，其柵絕緣層採用的是真空間隙或空氣間隙。在絕緣層上矽(Silicon on Insulator，SOI)材料上製作出納米梁，將這個納米梁作為場效應管的溝道，在納米梁的兩端進行摻雜，從而形成P-i-P或N-i-N溝道結構，利用襯底矽作為柵電極，這樣就構成一個底柵電極場效應管。這一結構中，在底柵電極加上一個直流偏壓和一個交流驅動電壓，這一直流偏壓為場效應管提供一個固定的柵壓，而交流驅動電壓將產生一個交變靜電力驅動納米梁振動。納米梁的振動，將使電場產生改變，從而導致溝道中電流出現改變。這一現象不管梁的尺寸是多少均將存在，因此可以作為一種納米梁諧振器的檢測方法。檢測出上述電流的改變情況，即可以測出納米梁的振動幅度和頻率。
本發明由於利用其結構內部的一個溝道寬度和厚度達到納米量級的場效應管，作為納米梁諧振器的檢測方法。這種納米梁諧振器製作工藝簡單，與NEMS工藝兼容，而且可與靜電驅動配合實現納米梁諧振器的結構、驅動及檢測三者全集成。而且不管梁的尺寸如何改變，這種方法均是適用的。因此，本發明的實施，可以為今後納米梁諧振器降低成本、推廣應用範圍起到很好的作用。
圖1是本發明的立體結構示意圖；圖2是圖1的A-A剖視結構示意圖。
具體實施例方式
參照圖1、圖2，本發明是以SOI矽外延片為原材料，採用微納機械加工工藝製造。懸臂納米梁6製造是以光刻膠作為掩模，用反應離子刻蝕(Reactive Ion Etching)工藝刻蝕矽層4到SOI中間的二氧化矽絕緣層3，然後再利用犧牲層腐蝕技術將納米梁6下面的二氧化矽絕緣層3掏空。使用該工藝製作出的懸臂納米梁6側壁垂直。P-i-P或N-i-N溝道結構的製作是利用光刻膠作掩模光刻出需要摻雜的區域，隨後進行硼或磷注入形成P+或N+區域。
具體製作工藝描述如下1、以SOI矽外延片為原材料，經切割、清洗等製成標準的矽外延片。
2、利用電子束直寫(Electron beam direct writing)技術光刻出納米梁6的圖形。
3、光刻後利用反應離子刻蝕技術刻蝕出納米梁6的結構。
4、再次利用光刻技術刻蝕出納米梁6的兩端需要摻雜的區域。
5、在光刻膠的掩膜下，在納米梁6的兩端進行重摻雜硼或磷，從而形成P-i-P或N-i-N溝道結構。
6、利用真空蒸發技術和光刻技術刻蝕出納米梁6兩端的金屬電極5、7。
7、利用犧牲層腐蝕技術腐蝕掉納米梁6下面的二氧化矽絕緣層3，使納米梁3下面懸空形成空中橋梁(Air-Bridge)的結構。
8、在矽襯底2的底面上製作金屬底電極1，作為場效應管的柵極。
對於納米梁諧振器來說，主要性能指標包括工作頻率、品質因素及信噪比。這一結構中，在場效應管的柵電極上將加上一個直流偏壓和一個交流驅動電壓，這一直流偏壓為場效應管提供一個固定的柵壓，而交流驅動電壓將產生一個交變靜電力驅動納米梁6振動。這一交變靜電力具有兩個分量，一個同頻率分量及一個二倍頻分量，同頻率分量的幅度與直流偏壓及交流電壓幅度的乘積成比例，而二倍頻分量的幅度僅與交流電壓的幅度平方成比例，與直流偏壓無關。當交流電壓頻率達到納米梁6諧振頻率的1/2附近時，納米梁6在二倍頻率分量的作用下諧振，從而使場效應管源漏端電流出現一個頻率為交流電壓頻率2倍的輸出，這一輸出直接與納米梁6的振動幅度成正比，因此可以測出納米梁6的振動幅度和頻率。
權利要求
1.一種犧牲層腐蝕技術製造的帶場效應管的納米梁諧振器，包含納米梁諧振器及其金屬電極(5、7)，其特徵在於所述納米梁諧振器是在絕緣層上矽材料上用犧牲層腐蝕技術製造出的，在其兩端進行摻雜形成P-i-P或N-i-N溝道結構的，作為場效應管溝道的納米梁(6)，襯底矽(2)作為場效應管的柵電極。
全文摘要
一種犧牲層腐蝕技術製造的帶場效應管的納米梁諧振器，包括納米梁諧振器及其金屬電極，納米梁諧振器是在絕緣層上矽(SOI)材料上用犧牲層腐蝕技術製作出的納米梁，並在納米梁的兩端摻雜硼或磷，使其形成P－i－P或N－i－N溝道結構，作為場效應管的溝道，底電極作為場效應管的柵電極。本發明製作工藝簡單，與NEMS工藝兼容，又與靜電驅動配合，實現納米梁諧振器的結構、驅動及檢測三者全集成。為納米梁諧振器降低成本，推廣應用範圍起到很好的作用。
文檔編號H01L21/02GK1618727SQ200410089180
公開日2005年5月25日 申請日期2004年12月1日 優先權日2004年12月1日
發明者金仲和, 馬慧蓮, 鮑景富, 丁純, 王躍林 申請人:浙江大學