专利摘要

专利摘要

本发明公开了一种压阻式金硅复合纳米梁谐振器及其制作方法，所述谐振器包括一个双端固定的金硅复合纳米梁、匹配电阻(7)、将金硅复合纳米梁上的压阻区和匹配电阻引出的第一铝电极(8)、第二铝电极(9)、第三铝电极(10)、与金硅复合纳米梁顶部金层相连的金电极(11)、与衬底相连的第四铝电极(12)；其层状结构为：在衬底(1)上的两边分别设有氧化牺牲层(2)，在氧化牺牲层(2)上设有单晶硅(3)，在单晶硅(3)中的一边设有压阻区(4)，在单晶硅(3)和压阻区(4)的上部设有氮化硅绝缘层(5)，在氮化硅绝缘层(5)上设有金层(6)。本发明制作工艺简单，在制作小尺寸梁的基础上尽量降低了成本；激励和检测方法简单，不需要复杂的设备，检测和激励间的耦合小；有效增强了压阻效应，降低了检测难度。

权利要求

1.一种压阻式金硅复合纳米梁谐振器，其特征在于，所述谐振器包括一个双端固定的金硅复合纳米梁、匹配电阻(7)、将金硅复合纳米梁上的压阻区和匹配电阻引出的第一铝电极(8)、第二铝电极(9)、第三铝电极(10)、与金硅复合纳米梁顶部金层相连的金电极(11)、与衬底相连的第四铝电极(12)；其层状结构为：在衬底(1)上的两边分别设有氧化牺牲层(2)，在氧化牺牲层(2)上设有单晶硅(3)，在单晶硅(3)中的一边设有压阻区(4)，在单晶硅(3)和压阻区(4)的上部设有氮化硅绝缘层(5)，在氮化硅绝缘层(5)上设有金层(6)。

2.根据权利要求1所述的压阻式金硅复合纳米梁谐振器，其特征在于，所述的金硅复合纳米梁主体为单晶硅(3)，通过离子注入在金硅复合纳米梁上靠近锚区的位置产生一个和匹配电阻完全相同的压阻区(4)，纳米梁的顶层溅射了一金层(6)，在金层(6)与单晶硅(3)之间有一层很薄的氮化硅绝缘层(5)。

3.根据权利要求1所述的压阻式金硅复合纳米梁谐振器，其特征在于，所述的金硅复合纳米梁主体的一端接金电极(11)，另一端分别接第一铝电极(8)、第二铝电极(9)。

4.根据权利要求1所述的压阻式金硅复合纳米梁谐振器，其特征在于，所述的匹配电阻(7)的一端接第二铝电极(9)，另一端接第三铝电极(10)。

5.根据权利要求1所述的压阻式金硅复合纳米梁谐振器，其特征在于，所述金硅复合纳米梁的形状为H型，四脚较细，可以起到应力集中的作用，使压阻效应更明显。

6.一种如权利要求1所述的压阻式金硅复合纳米梁谐振器的制作方法，其特征在于，基于SOI工艺，并将掩模光刻与电子束光刻相结合，步骤如下：

步骤1：SOI硅片准备；

步骤2：溅射铬和金，产生离子束光刻的标记；

步骤3：电子束光刻画出离子注入区域，离子注入产生压阻区和匹配电阻；

步骤4：在金上长一层SiO₂保护层，进行快速热退火，再去掉SiO₂层；

步骤5：在纳米梁上淀积一层氮化硅作为绝缘层；

步骤6：用掩模光刻画出金电极的区域，溅射铬和金；

步骤7：用电子束光刻画出梁的区域，镀上铬和金；

步骤8：用电子束光刻画出梁两侧需要挖掉的区域，刻蚀掉氮化硅和单晶硅；

步骤9：用掩模光刻画出铝pad的区域，刻蚀掉氮化硅；

步骤10：先清理通孔中的杂质和氧化物，溅射铝，再去除光刻胶；

步骤11：同样用掩模光刻画出铝pad的区域，但比上一次刻出的区域大，溅射金，将铝完全包裹住；

步骤12：用湿法刻蚀去除梁下面的氧化牺牲层，并进行梁的释放，使梁结构悬空。

说明书

所属领域

本发明涉及一种压阻式金硅复合纳米梁谐振器，属于纳米传感器技术领域。

背景技术

硅纳米梁是纳机电系统(Nano Electromechanical System，NEMS)的典型应用结构，由于结构自身的质量极其微小，做成的谐振器谐振频率可以高达GHz，品质因数也可达10⁵，具有超高的力学灵敏度，同时也满足当今低功耗的发展趋势。这些优异的性能使纳米梁在超高灵敏质量探测、超小力和超小位移探测、生物化学传感等方面有很好的应用前景。但是由于器件尺寸太小，很难像微米谐振器那样加工出复杂的结构去加强器件的某些性能，只能用较简单的结构去实现。过小的尺寸也对纳米梁的激励与检测提出了更大的挑战，因为小尺寸意味着被测信号很微弱，极容易被背景噪声淹没，被测信号与激励信号间的耦合也容易影响检测。纳米梁谐振器要想实现广泛应用，激励与检测方法还必须具备低成本、小型化、实时性等特点。现有的激励和检测方法，如电磁激励与检测方法，需要强磁场环境，增加了电路负担，并使实验设备变得庞大而昂贵；激光激励与激光参量放大检测法，需要大型的光学仪器，且随着纳米器件尺寸的进一步缩小，很快会到达光学检测分辨率的极限；还有一般的静电激励与压阻检测方法，将压阻区作为检测信号输出端的同时，也作为激励电极，使得激励与检测耦合非常大，极易将被测信号淹没。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种结构简单、制作工艺简单的一种压阻式金硅复合纳米梁谐振器及其制作方法，适应于静电驱动和压阻检测，可以消除激励和检测信号间的耦合，同时增强压阻信号的输出。

技术方案：本发明的一种压阻式金硅复合纳米梁谐振器包括一个双端固定的金硅复合纳米梁、匹配电阻、将金硅复合纳米梁上的压阻区和匹配电阻引出的第一铝电极、第二铝电极、第三铝电极、与金硅复合纳米梁顶部金层相连的金电极、与衬底相连的第四铝电极；其层状结构为：在衬底上的两边分别设有氧化牺牲层，在氧化牺牲层上设有单晶硅，在单晶硅中的一边设有压阻区，在单晶硅和压阻区的上部设有氮化硅绝缘层，在氮化硅绝缘层上设有金层。

其中：

所述的金硅复合纳米梁主体为单晶硅，通过离子注入在金硅复合纳米梁上靠近锚区的位置产生一个和匹配电阻完全相同的压阻区，纳米梁的顶层溅射了一金层，在金层与单晶硅之间有一层很薄的氮化硅绝缘层。

所述的金硅复合纳米梁主体的一端接金电极，另一端分别接第一铝电极、第二铝电极。

所述的匹配电阻的一端接第二铝电极，另一端接第三铝电极。

所述金硅复合纳米梁的形状为H型，四脚较细，可以起到应力集中的作用，使压阻效应更明显。

本发明的压阻式金硅复合纳米梁谐振器的制作方法基于SOI工艺，并将掩模光刻与电子束光刻相结合，步骤如下：

步骤1：SOI硅片准备；

步骤2：溅射铬和金，产生离子束光刻的标记；

步骤3：电子束光刻画出离子注入区域，离子注入产生压阻区和匹配电阻；

步骤4：在金上长一层SiO₂保护层，进行快速热退火，再去掉SiO₂层；

步骤5：在纳米梁上淀积一层氮化硅作为绝缘层；

步骤6：用掩模光刻画出金电极的区域，溅射铬和金；

步骤7：用电子束光刻画出梁的区域，镀上铬和金；

步骤8：用电子束光刻画出梁两侧需要挖掉的区域，刻蚀掉氮化硅和单晶硅；

步骤9：用掩模光刻画出铝pad的区域，刻蚀掉氮化硅；

步骤10：先清理通孔中的杂质和氧化物，溅射铝，再去除光刻胶；

步骤11：同样用掩模光刻画出铝pad的区域，但比上一次刻出的区域大，溅射金，将铝完全包裹住；

步骤12：用湿法刻蚀去除梁下面的氧化牺牲层，并进行梁的释放，使梁结构悬空。

本发明的的压阻式金硅复合纳米梁谐振器适应于静电激励和压阻检测方法，梁的金层和衬底分别为静电激励的上下极板，加上交流信号即可使纳米梁振动。将梁的压阻区和匹配电阻串联，在两端施加相位相反的交流信号作为偏置信号，中间电压作为被测输出信号。当梁静止时，压阻区电阻和匹配电阻阻值相等，输出电压为零；当梁谐振时，压阻区电阻由于压阻效应产生和纳米梁的谐振频率相同频率的波动，阻值为

最终反应到输出电压上，

梁的四脚越细，应力集中效果越明显，但是梁的脚细也代表压阻区较细，静止电阻较大，则检测时背景噪声也大，所以H型结构的四脚不能太细，需要选取合适值。

有益效果：金硅复合纳米梁谐振器利用简单的结构H型结构实现比双端固支梁更强的压阻效应。适应于静电激励和压阻检测，且将激励信号和检测信号分开以去除耦合，对检测仪器和检测条件要求不高，有利于将器件做成传感器后的应用推广。制作流程中，将掩模光刻与电子束光刻相结合，关键步骤使用电子束光刻可以制造出尺寸极小的梁，其他步骤使用掩模光刻可以尽量降低成本。

附图说明

图1为本发明中金硅复合纳米梁的剖视图。

图2为本发明中金硅复合纳米梁的俯视图。

图3为本发明的纳米梁谐振器的总体示意图。

图4为压阻检测的示意图。

图5为双端固支梁和两种H型梁的压阻区应力对比图。

图中有：衬底1，氧化牺牲层2，单晶硅3，压阻区4，氮化硅绝缘层5，金层6，匹配电阻7，第一铝电极8、第二铝电极9、第三铝电极10、金电极11、第四铝电极12。

具体实施方式

本发明的金硅复合纳米梁谐振器，其包括双端固定的金硅复合纳米梁、匹配电阻、将纳米梁上的压阻区和匹配电阻引出的铝电极、与纳米梁顶部金层相连的金电极以及与衬底相连的铝电极。所述结构的制作流程基于绝缘体上硅(Silicon on Insulator，SOI)工艺，并将掩模光刻与电子束光刻相结合。其中，所述匹配电阻由离子注入产生，所述纳米梁的主体为单晶硅，纳米梁上靠近锚区的位置有一个和匹配电阻完全相同的压阻区，纳米梁的顶层溅射了一层金，在金和硅之间有一层很薄的氮化硅绝缘层。纳米梁的形状为H型，四脚较细，可以起到应力集中的作用，使压阻效应更明显。

该结构适应于静电激励和压阻检测方法，梁的金层和衬底分别为静电激励的上下极板，加上交流信号即可使纳米梁振动。将梁的压阻区和匹配电阻串联，在两端施加相位相反的交流信号作为偏置信号，中间电压作为被测输出信号。当梁静止时，压阻区电阻和匹配电阻阻值相等，输出电压为零；当梁谐振时，压阻区电阻由于压阻效应产生和纳米梁的谐振频率相同频率的波动，最终反应到输出电压上。

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

参照图1、图2和图3，本发明以SOI硅片为原材料，顶层单晶硅为纳米梁的主体材料，在单晶硅上离子注入产生压阻区和匹配电阻，在梁的顶层溅射一层金，金和衬底作为静电驱动的两个电极，金和压阻区之间存在一层氮化硅绝缘层。

Pad 8和9连接到压阻区的两端，pad 9和10连接到匹配电阻的两端，这3个pad将压阻区和匹配电阻串联，形成了如图4的电路结构，其中R_d为匹配电阻，R_c为压阻区。压阻检测的基本原理就是，将相位相反的偏置电压V_b和-V_b施加到串联结构两端，当梁静止不动时R_d＝R₀，当梁以谐振频率ω₀振动时，压阻区的电阻变为

被测的输出电压为

实际检测时，可以将输出电压经过滤波和放大后再测量。

根据压阻效应的基本原理

其中，G为压阻应变系数、ε_r为纳米梁的长轴方向应变，压阻应变系数由材料特性和温度等原因决定，因此电阻的变化率和应变成正比。所述纳米梁为H型，可以实现应力集中效应。如图5所示为双端固支梁和2种H型梁的压阻区应力分布图，由ANSYS软件仿真得到，仿真的三种纳米梁尺寸都是长10μm，宽1.5μm，厚200μm，第一种H型梁四脚宽度为0.6μm，第一种H型梁四脚宽度为0.3μm。在三种梁的上表面中心点施加相同的力1μN，沿三种梁上的虚线处提取出应力，图中可以看出三种梁的压阻区应力递增，平均应力值分别为42.412MPa、49.054MPa和62.804MPa。梁的四脚越细，应力集中效果越明显，但是脚细也代表压阻区较细，静止电阻较大，则检测时背景噪声也大，所以H型结构的四脚不能太细，需要选取合适值。

所述结构的制作流程基于SOI工艺，将掩模光刻与电子束光刻相结合，具体流程如下：

步骤(a)：选择P型(100)晶面的SOI硅片，表面硅厚度为200nm，电阻率大于1000Ω·cm，中间二氧化硅绝缘层厚度为400nm，衬底硅厚度约为480μm。工艺中涉及到电子束光刻技术，所以先将硅片切成2cm*2cm的正方形。

步骤(b)：将铬和金通过磁控溅射淀积到硅片表面，铬的厚度只有10nm，作用是增加金和硅的粘附性。再通过掩模光刻、反应离子(RIE)刻蚀、剥离光刻胶，做出离子束光刻的标记。

步骤(c)：用电子束光刻画出离子注入区域。离子注入产生压阻区和匹配电阻，理论结深是硅厚度的1/3。梁的中性面以上和以下的应力是相反的，一个是拉应力，另一个一定是压应力，压阻效应会互相抵消，并且离子注入后的退火会使离子进一步扩散，为了保证压阻区实际深度不超过梁的中性面，所以将结深定为60nm。

步骤(d)：在金上长一层SiO₂保护层，再进行30s的快速热退火使掺杂过程中损坏的晶格重建，并且激活掺杂离子，然后去掉SiO₂层。

步骤(e)：用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)将氮化硅作为绝缘层生长在压阻区上，厚度为30nm。

步骤(f)：用掩模光刻画出金电极的区域，用磁控溅射将10nm的铬和60nm的金溅射到硅片上，再将光刻胶剥离，只保留金电极区域的铬和金。

步骤(g)：用电子束光刻画出梁上需要淀积金层的区域，再用电子束蒸发将10nm的铬和60nm的金镀到梁的表面，之后剥离光刻胶。这里不用磁控溅射，是因为电子束光刻用的光刻胶厚度比掩模光刻的更薄，若用磁控溅射镀上金属，在下一步剥离的时候可能会失败。

步骤(h)：用电子束光刻画出梁两侧需要挖掉的区域，将梁两侧的30nm的氮化硅和200nm的硅刻蚀掉。

步骤(i)：用掩模光刻画出铝pad的区域，将铝pad区域的氮化硅刻蚀掉。

步骤(j)：先用反溅清理通孔中的杂质和氧化物，再磁控溅射40nm的铝，然后去除光刻胶。

步骤(k)：同样用掩模光刻画出铝pad的区域，但比上一次刻出的区域大，磁控溅射60nm的金，将铝完全包裹住。

步骤(l)：用湿法刻蚀去除梁下面的氧化牺牲层，并进行梁的释放，使梁结构悬空。

一种压阻式金硅复合纳米梁谐振器及其制作方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。