專利名稱：電磁－壓阻式微機械諧振梁結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機械諧振梁結(jié)構(gòu)，主要用作微機械傳感器或慣性器件中的諧振式測量部件。
背景技術(shù)：
諧振梁是MEMS器件中的基本測量部件之一，將被測物理量q轉(zhuǎn)化為諧振梁的固有頻率fn并測量fn即可獲得q。為了測量fn，必須讓諧振梁處于諧振狀態(tài)，并檢測其諧振頻率fr。為維持諧振狀態(tài)，諧振梁必須具有振動激勵(激振)和振動拾取(拾振)功能，并與控制電路構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。諧振梁只有具備了激振和拾振功能才能成為諧振式測量部件。
為避免在諧振梁上另外加工激振器或拾振器對梁機械性能的不利影響，一種較理想的激振和拾振方案為采用磁場中的導(dǎo)電諧振梁，利用交流電磁力實現(xiàn)激振，并利用電磁感應(yīng)實現(xiàn)拾振。若采用單梁結(jié)構(gòu)，則拾振信號和激振信號都要經(jīng)過同一個導(dǎo)體(單梁)，微弱的拾振信號(感應(yīng)電壓)必將被激振信號淹沒而難以檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題克服現(xiàn)有技術(shù)電磁激振單梁的拾振方式時，激振信號淹沒而難以檢測的問題，提供一種電磁-壓阻式微機械諧振梁結(jié)，它利用對單梁一階模態(tài)敏感的電阻層，同時實現(xiàn)電磁激振和壓阻拾振功能，簡化了結(jié)構(gòu)和工藝，而且可以很容量檢測到激振信號。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案電磁-壓阻式微機械諧振梁結(jié)構(gòu)，其特征在于單梁兩端固支于彈性基體上并被置于沿其寬度方向的磁場中，單梁固有頻率受基體形變控制；單梁包括梁體和電阻層，電阻層包括壓阻膜和導(dǎo)電膜，壓阻膜完整覆蓋梁體表面，導(dǎo)電膜覆蓋壓阻膜表面中段；單梁和基體采用SOI晶圓，通過外延和濕法刻蝕工藝加工而成。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點利用一個對單梁一階模態(tài)敏感的電阻層，同時實現(xiàn)電磁激振和壓阻拾振功能，簡化了結(jié)構(gòu)和工藝；采用SOI晶圓整體加工，單梁及基體為單晶硅整體結(jié)構(gòu)，通過摻雜小半徑雜質(zhì)原子同時控制導(dǎo)電性和預(yù)應(yīng)力，改善了加工精度、機械品質(zhì)和穩(wěn)定性。


圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的電磁激振原理圖；圖3為雙端固支單梁表面應(yīng)力場分布示意圖；圖4為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的工藝流程圖；圖5為采用本發(fā)明構(gòu)成的諧振式壓力傳感器的敏感結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
如圖1、2所示，單梁1兩端固支于彈性基體2上并被置于沿其寬度方向的磁場 中，單梁1固有頻率fn受基體2形變控制；單梁1包括梁體11和電阻層12，電阻層12包括壓阻膜21和導(dǎo)電膜22；梁體11為近似補償摻雜的[100]單晶硅，壓阻膜21為N型外延膜，導(dǎo)電膜22為重摻雜外延膜或濺射金屬膜；壓阻膜21完整覆蓋梁體11表面，導(dǎo)電膜22覆蓋壓阻膜21表面中段略短于梁體11的部分。梁體11為同時摻雜有濃度相近的P型和N型雜質(zhì)的單晶硅，雜質(zhì)鍵合半徑小于硅，以實現(xiàn)高電阻率及可控拉伸預(yù)應(yīng)力，且梁體11各層及壓阻膜21采用不同的摻雜濃度或摻雜劑類型，以控制雜質(zhì)擴散及預(yù)應(yīng)力分布。壓阻膜21為N型外延膜，導(dǎo)電膜22為重摻雜外延膜或濺射金屬膜。壓阻膜21所屬的N型外延膜還向兩端延伸至梁體11與基體2相連的固支部分表面，以便連接電極。
如圖2所示，本發(fā)明利用磁場中通電導(dǎo)體的安培力效應(yīng)激勵單梁1的振動，由壓阻膜21和導(dǎo)電膜22構(gòu)成的電阻層12可近似視為一維導(dǎo)線，當(dāng)該一維導(dǎo)線中通過交流電流i(t)時，長度為dx的導(dǎo)體微元所受安培力為 該力元為z軸方向交變力，故單梁1受到z軸方向的交變分布力作用而產(chǎn)生振動，實現(xiàn)電磁激振。
本發(fā)明利用摻雜半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)拾取單梁1的振動。單梁1振動時，壓阻膜21受到時變應(yīng)力場σ(x，t)作用，其電阻率分布也將相應(yīng)變化。本發(fā)明只考慮一階振動模態(tài)，則σ(x，t)分布形式如圖3所示。一階模態(tài)下各點振動同相，故圖中以峰值σM(x)表示σ(x，t)?？梢娭胁颗c根部應(yīng)力符號相反，造成電阻率的變化相互抵消，使總電阻近似不變。為此，在壓阻膜21中間段表面制作低電阻率的導(dǎo)電膜22(重摻雜外延膜或濺射金屬膜)，將壓阻膜21中間段旁路，只保留壓阻膜21根部應(yīng)力符號相同部分，使總電阻對單梁一階模態(tài)敏感，實現(xiàn)壓阻拾振。
本發(fā)明中的單梁1和基體2采用SOI晶圓，通過外延和濕法刻蝕工藝加工而成。SOI晶圓為“SCS-BOX-襯底”三層結(jié)構(gòu)(SCS——單晶硅層，BOX——SiO2掩埋層)。以其中的BOX為犧牲層可以加工出所需的空隙。由于SiO2-Si腐蝕選擇性好，不存在采用重摻雜停蝕工藝時摻雜劑擴散(out-diffusion)造成的界面模糊問題，用這種方法可以獲得良好的加工精度和表面質(zhì)量。
所采用的SOI晶圓如圖4a所示，作為一種典型方案，襯底31和SCS33均為低摻雜N型，SCS 33厚約5μm，BOX 32厚約1μm。SOI晶圓制造方法屬于公用技術(shù)，不再贅述。本發(fā)明的結(jié)構(gòu)主要依靠對SOI晶圓采用外延和濕法刻蝕等工藝而獲得，具體步驟如下(其中所有數(shù)據(jù)皆為典型數(shù)據(jù)，實際并不局限于這些數(shù)據(jù))。
步驟一、以擴散法對SCS 33進行近似補償摻雜，其P型和N型雜質(zhì)濃度分別為NA0和ND0。
步驟二、如圖4b所示，以BOX 32為停止層刻蝕SCS 33獲得H型的SCS 41；以SCS 41為掩模，襯底31為停止層，刻蝕BOX 32獲得H型的BOX 42。BOX 42將作為后續(xù)工藝的犧牲層。
步驟三、如圖4c所示，以BOX 42為停止層刻蝕SCS 41，獲得與未來的單梁對應(yīng)的矩形的SCS 43。由于圖4b結(jié)構(gòu)表面已不是完整平面，具有約6μm的H型凸臺，為保證光刻質(zhì)量，以聚酰亞胺進行表面平整化，之后在聚酰亞胺表面淀積TEOS，最后涂敷光刻膠。刻蝕時，依光刻膠→SiO2→聚酰亞胺→SCS的次序轉(zhuǎn)移圖形，最后去除掩模材料。版圖設(shè)計時應(yīng)補償圖形轉(zhuǎn)移過程的誤差。為避開凸臺的邊緣部分，SCS 43比其下方的BOX42的對應(yīng)部分略為縮短。
步驟四、如圖4d所示，生長6～7μm近似補償?shù)牡谝煌庋訉?4，其P型和N型雜質(zhì)濃度分別為NA1和ND1。由于外延工藝固有的選擇性，外延層只會生長在襯底31暴露部分(固支區(qū))及SCS 43的表面(梁區(qū))，故第一外延層34為圖中的H型，并將SCS 43和襯底31連結(jié)為整體。由于外延工藝固有的局部效應(yīng)，外延層的固支區(qū)部分比梁區(qū)部分厚，故厚度應(yīng)以前者為準。
步驟五、如圖4e所示，淀積約12μm的TEOS，填充低凹部，然后進行化學(xué)機械拋光(CMP)，獲得完整的平面化表面；之后再進行一次化學(xué)拋光，以進一步消除表層應(yīng)力?；瘜W(xué)拋光的去除量應(yīng)盡可能薄(1μm左右)，避免損害表面平坦度。此時，SCS 43減薄為h44≈1μm的SCS 44，第一外延層34則相應(yīng)減薄為h45≈2μm的第一外延層45。
步驟六、如圖4f所示，生長近似補償?shù)牡诙庋訉?5，其P型和N型雜質(zhì)濃度分別為NA2和ND2。第二外延層35中間段和SCS 43構(gòu)成了單梁1的梁體11，其厚度h35控制了梁體11的厚度h11，例如h35≈4μm→h11≈5μm。
步驟七、如圖4f所示，生長h36≈0.5μm的N型第三外延層36，其摻雜濃度為ND3，其中間段與梁體11對應(yīng)的部分即壓阻膜21。
步驟八、如圖4f所示，在壓阻膜21中間段約0.9倍梁長的表面生長h22≈0.2μm的N型重摻雜外延膜(摻雜濃度ND4)，或采用lift-off工藝在相應(yīng)區(qū)域制作h’22≈50nm的濺射金屬膜(Au、Cu或Al)，作為所需的導(dǎo)電膜22。
步驟九、根據(jù)需求加工襯底31，使其成為敏感特定物理量的基體(2)結(jié)構(gòu)。詳見下文對基體2實施方式的討論。
步驟十、采用lift-off工藝在第三外延層36非梁部分表面制作h37≈50nm的金屬電極37(Au、Cu或Al)。
步驟十一、采用HF濕法刻蝕去除犧牲層BOX 42及步驟五所淀積的SiO2，釋放單梁1，其下表面與襯底31上表面具有1μm安全間隙(BOX層厚度)，最終獲得圖1所示結(jié)構(gòu)。
以上步驟順序可酌情調(diào)整，例如步驟九可提前以防止與其它工藝沖突；步驟十可與步驟八的金屬膜淀積工藝合并。
上述工藝可完全采用濕法刻蝕，不需要干法刻蝕和電化學(xué)腐蝕設(shè)備，因而工藝簡單，成本較低；由于襯底為低摻雜，有助于避免自摻雜效應(yīng)，工藝性好。但是，為獲得良好的機械性能和穩(wěn)定性，各部分的摻雜劑和摻雜濃度的選取很關(guān)鍵。
摻雜劑選取主要考慮固溶度、擴散系數(shù)和共價鍵半徑。幾種元素的鍵合半徑RX如下表

在硅中摻雜RX/RSi＜1的元素X將減小晶格常數(shù)，摻雜RX/RSi＞1的元素X將增大晶格常數(shù)。不同晶格常數(shù)結(jié)構(gòu)間的界面將產(chǎn)生晶格失配。一定范圍內(nèi)的晶格失配僅產(chǎn)生應(yīng)力，外延層仍能具可生成完美晶體結(jié)構(gòu)；晶格失配超過限度，將產(chǎn)生失配位錯，影響外延層質(zhì)量。
SCS 33以硼為P型摻雜劑并控制拉伸預(yù)應(yīng)力，N型摻雜劑則選用砷。RAs/RSi≈1，故產(chǎn)生由硼濃度控制的拉伸預(yù)應(yīng)力。之所以不用磷，是因為磷擴散系數(shù)高，作為外延襯底時自摻雜和擴散嚴重。
第一外延層34和第二外延層35同樣摻雜硼和砷。為防止失配位錯，將各層摻雜濃度關(guān)系設(shè)計為NA0≈ND0＜NA1≈ND1＜NA2≈ND2，使摻雜濃度自下而上逐層過渡，減少各界面的晶格失配。
第三外延層36摻雜濃度為N’D3的砷，并同時摻雜濃度為NA3的硼，以部分補償與第一外延層34的晶格失配。第三外延層36很薄，可產(chǎn)生彈性形變而容忍較大的晶格失配，故部分補償即可，甚至可以省略。摻雜濃度應(yīng)滿足N’D3-NA3＝ND3。綜合考慮壓阻系數(shù)、總電阻、預(yù)應(yīng)力和工藝性因素，取ND3≈1×1019cm-3，或取壓阻膜21的總電阻R21≈2kΩ。為減小第三外延層36與第二外延層35間的雜質(zhì)擴散，應(yīng)有ND2≈ND3。
砷摻雜工藝性好，但毒性強，為此上述各層的N型摻雜劑也可用銻；但銻產(chǎn)生壓縮預(yù)應(yīng)力，為達到同樣的總預(yù)應(yīng)力，必須相應(yīng)加大摻雜濃度。
從壓阻靈敏度和電路設(shè)計角度考慮，導(dǎo)電膜22應(yīng)滿足總電阻R22＜200Ω。對于外延膜，ND4＞3×1020cm-3，可選用砷或磷。若選用磷，因其擴散系數(shù)高，應(yīng)適當(dāng)提高摻雜濃度，以補償其向下層擴散的損失，并相應(yīng)縮短掩模圖形的長度，以補償其橫向擴散。根據(jù)具體工藝條件，除了上述濺射金屬膜方案，導(dǎo)電膜22還有第二種替代方案直接對第三外延層36中間段進行同型重摻雜(磷或砷，不可用銻)，使該部分成為低電阻區(qū)。低電阻區(qū)深度不要求準確控制，一般200～600nm之間均可，工藝較易實現(xiàn)。
從絕緣性能考慮，襯底以本征單晶硅為最優(yōu)，實際保證體電阻率不低于50Ω·cm即可，此時雜質(zhì)濃度不超過1014cm-3。
通過對襯底31進行加工，獲得具有特定結(jié)構(gòu)的彈性基體2，敏感特定物理量，并將其變換為單梁1兩端的張力，就可以獲得檢測該物理量的傳感器(敏感結(jié)構(gòu))。作為典型實施例，本發(fā)明可用于構(gòu)成微機械諧振梁式壓力敏感結(jié)構(gòu)，如圖5所示。采用各向異性刻蝕在襯底31背面加工出方形深槽，深槽四周的剩余材料成為隔離區(qū)，深槽底部成為感壓彈性膜片4，隔離區(qū)及彈性膜片4即構(gòu)成彈性基體2；彈性膜片在均布壓力作用下發(fā)生撓曲，表面產(chǎn)生應(yīng)變場，使梁兩固支端發(fā)生相對位移，控制梁的諧振頻率(兩端位移→梁軸向張力→梁軸向應(yīng)力→梁剛度→梁諧振頻率)，從而在諧振頻率與被測壓力間建立起對應(yīng)關(guān)系。一組典型參數(shù)為量程0～350kPa，感壓膜片長×寬×厚≈2×2×0.15mm3，梁主體長×寬×厚≈800×80×7μm3。
權(quán)利要求
1.電磁-壓阻式微機械諧振梁結(jié)構(gòu)，其特征在于單梁(1)兩端固支于彈性基體(2)上并被置于沿其寬度方向的磁場中，單梁1固有頻率受基體(2)形變控制；單梁(1)包括梁體(11)和電阻層(12)，電阻層(12)包括壓阻膜(21)和導(dǎo)電膜(22)，壓阻膜(21)完整覆蓋梁體(11)表面，導(dǎo)電膜(22)覆蓋壓阻膜(21)表面中段短于梁體(11)的部分；單梁(1)和基體(2)采用SOI晶圓，通過外延和濕法刻蝕工藝加工而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁-壓阻式微機械諧振梁結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的梁體(11)為同時摻雜有濃度相近的P型和N型雜質(zhì)的單晶硅，雜質(zhì)鍵合半徑小于硅，以實現(xiàn)高電阻率及可控拉伸預(yù)應(yīng)力，且梁體(11)各層及壓阻膜(21)采用不同的摻雜濃度或摻雜劑類型，使摻雜濃度自下而上逐層過渡，以控制雜質(zhì)擴散及預(yù)應(yīng)力分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁-壓阻式微機械諧振梁結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的壓阻膜(21)為N型外延膜，導(dǎo)電膜(22)為重摻雜外延膜或濺射金屬膜，壓阻膜(21)所屬的N型外延膜還向兩端延伸至梁體(11)與基體(2)相連的固支部分表面，以便連接電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁-磁電式微機械諧振梁結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的單梁(1)和基體(2)采用SOI晶圓，通過外延和濕法刻蝕工藝加工，步驟如下(1)對單晶硅層(33)進行近似補償摻雜；(2)對單晶硅層(33)和SiO2掩埋層(32)進行選擇性去除，保留的SiO2掩埋層(42)用作犧牲層，保留的單晶硅層(43)作為單梁(1)的組成部分；(3)生長近似補償?shù)牡谝煌庋訉?34)，連接單晶硅層(43)與襯底(31)，構(gòu)成單晶硅整體結(jié)構(gòu)；(4)淀積TEOS并進行化學(xué)機械拋光平面化；表面生長近似補償?shù)牡诙庋訉?35)；(5)表面生長N型第三外延層(36)，其位于梁體(11)表面部分即壓阻膜(21)；(6)在壓阻膜(21)中間段表面生長N型重摻雜外延層或濺射金屬導(dǎo)體膜；根據(jù)需求加工襯底(31)，獲得基體(2)結(jié)構(gòu)；(7)在第三外延層(36)非梁部分表面制作電極；利用選擇性腐蝕去除SiO2，釋放出兩端固支的單梁(1)。
全文摘要
電磁－壓阻式微機械諧振梁結(jié)構(gòu)，單梁兩端固支于彈性基體上并被置于沿其寬度方向的磁場中，單梁固有頻率受基體形變控制；單梁包括梁體和電阻層，電阻層包括壓阻膜和導(dǎo)電膜；梁體為近似補償摻雜的[100]單晶硅，壓阻膜為N型外延膜，導(dǎo)電膜為重摻雜外延膜或濺射金屬膜；壓阻膜完整覆蓋梁體表面，導(dǎo)電膜覆蓋壓阻膜表面中段短于梁體的部分。本發(fā)明的電阻層兼有電磁激振和壓阻拾振功能，簡化了結(jié)構(gòu)；采用SOI晶圓加工單梁與基體的單晶硅整體結(jié)構(gòu)，通過不同的摻雜調(diào)節(jié)單梁各層的預(yù)應(yīng)力并控制結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
文檔編號G01H11/00GK1945214SQ20061011427
公開日2007年4月11日 申請日期2006年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月3日
發(fā)明者樊尚春, 邢維巍, 蔡晨光 申請人:北京航空航天大學(xué)