[发明专利]具有石墨烯组件的MEMS结构

说明书

微机电系统（MEMS）结构包括：衬底；位于衬底上方的外延多晶硅盖；限定在衬底和外延多晶硅盖之间的第一腔体部分；以及第一石墨烯组件，其具有紧邻第一腔体部分的至少一个石墨烯表面。

技术领域

本公开涉及微机电系统（MEMS）结构。

背景技术

例如陀螺仪、谐振器和加速度计之类的微机电系统（MEMS）利用微机械加工技术（即，光刻和其他精密制造技术）将机械组件减小到与微电子器件大体相当的尺度。MEMS典型地包括使用微机械加工技术从例如硅衬底制造或在例如硅衬底上制造的机械结构。

利用表面微机械加工，可以使用诸如化学气相沉积之类的工艺在硅衬底上构建MEMS器件结构。这些工艺允许MEMS结构包括小于几微米的层厚度与显著更大的平面内尺寸。通常，这些器件包括被配置为相对于器件的其他部分移动的部分。在该类型的器件中，可移动结构通常构建在牺牲材料层上。在形成可移动结构之后，可以通过在水氢氟酸（HF）中对牺牲层的选择性湿法蚀刻来释放可移动结构。在蚀刻之后，可以在去离子水中冲洗释放的MEMS器件结构以移除蚀刻剂和蚀刻产物。

归因于很多可移动结构的大的表面积与体积比，包括这类结构的MEMS器件在释放过程（释放粘附）或后续的器件使用（使用中粘附）期间易受层间或层到衬底粘附。该粘附现象更一般地称为粘滞。在MEMS器件的后释放处理期间或在使用期间后续暴露于空气期间，在硅表面上5-30埃厚的自然氧化物层的已经形成加剧了粘滞。氧化硅是亲水的，从而促进在自然氧化物表面上水层的形成，所述自然氧化物表面在小的层间间隙暴露于高湿度环境时可以表现出强的毛细力。此外，归因于某些有机残留物、氢键和静电力的存在，范德华力也有助于层间吸引。这些内聚力可以足够强而将独立释放层拉到与另一结构接触，从而引起不可逆的封锁并使MEMS器件不起作用。

已经尝试使用各种方案来最小化MEMS器件中的粘附。这些方案包括诸如冷冻升华和超临界二氧化碳干燥之类的干燥技术，所述干燥技术意图在释放过程期间防止液体形成，从而防止毛细塌陷和释放粘附。气相HF蚀刻通常用于缓解过程中的粘滞。其他方案涉及通过最小化接触表面积、设计在平面外方向上坚硬的MEMS器件结构以及气密封装来减小粘滞。

减小使用中的粘滞和粘附问题的方案是基于通过抗粘滞涂层的添加对器件的表面改性。通过添加材料涂层，改性表面理想地表现出低表面能，从而抑制释放的MEMS器件中的使用中粘附。大多数涂覆过程具有产生与自然氧化硅结合的薄表面层的目标，所述薄表面层向环境呈现疏水表面。具体地，已经示出了用具有疏水尾基的自组装单层（SAM）涂覆MEMS器件表面在减小使用中粘附方面是有效的。SAM已经典型地涉及在释放MEMS器件之后从非水溶液中沉积诸如十八烷基三氯硅烷和全氟癸基三氯硅烷之类的有机硅烷偶联剂。即使没有抗粘滞涂层，自然氧化物生成也会在硅表面上发生。

尽管有这些各种方案，但使用中粘附仍然是MEMS器件的严重可靠性问题。该问题的一个方面是即使在施加抗粘滞涂层时，下面的硅层也可能保留各种电荷。例如，硅本身不是导体。为了将硅结构改性为导电的，将物质掺杂到硅中。然而，归因于功能硅层中的诱导应力，可实现的掺杂水平受到限制。因此，在制造过程期间，电荷沉积在感测元件的硅表面上，并且电荷不会立即迁移。电荷包括归因于用于限定各种结构的沟槽形成过程的悬空键。在电容式感测器件中，那些电荷可能引起可靠性问题，这是由于它们并非全部受到局限。一些电荷具有一定的移动性，并且可能根据温度或老化而漂移。这可能导致例如电容式传感器的灵敏度或偏移量的不期望的漂移效应。因此，为了不积累表面电荷而在结构顶部上的高导电工作层（不可能w/硅）或至少高导电涂层将是合期望的。

而且，硅的受限导电性可能导致包括电容式传感器的电子评估电路中的不可接受的RC时间常数。具有例如10pF的总电容（C）和10kOhm的总阻抗（R）的传感器元件可以限制为在大约1MHz的频率以下操作。然而，在某些应用中期望以更高频率操作，这是因为更高频率操作可以导致传感器的更好的信噪比性能。因此，MEMS器件中使得能够实现较低RC时间常数的增大的导电性将是有益的。