CN101066749A - 一种悬臂梁结构、制作方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以硅各向异性腐蚀为关键技术制造的悬臂梁结构和制作方法，属于微电子机械系统领域。其特征在于，悬臂梁的断面为五边形，悬臂梁上表面为单晶硅(100)晶面，悬臂梁下表面由两个(111)晶面组成。悬臂梁结构是由各向异性腐蚀出来的，由(111)面作为腐蚀终止面，自动终止硅悬臂梁的腐蚀，悬臂梁结构可精确控制，使得悬臂梁的制造成品率大大提高。本发明可应用于多种MEMS器件的结构中，如电容式加速度传感器、电阻式加速度传感器、微机械陀螺、谐振器等，可以大大提高器件制作工艺的控制水平，提高器件制作的成品率。

Description

一种悬臂梁结构、制作方法及应用

技术领域

本发明涉及一种悬臂梁结构及制作方法，更确切地说本发明涉及一种以硅各向异性腐蚀为关键技术制造的悬臂梁结构和制作方法。属于微电子机械系统领域。

背景技术

悬臂梁是非常重要的MEMS结构部件，可应用于多种MEMS器件的结构中，如电容式加速度传感器、电阻式加速度传感器、微机械陀螺、谐振器等。在以往的悬臂梁制作中，大多采用硅的各向异性湿法腐蚀方法或干法刻蚀方法或干法刻蚀方法与湿法方法结合的方法。硅的各向异性湿法腐蚀方法制作的悬臂梁，是利用硅的各向异性腐蚀的特性，在(100)硅片上获得各种断面形状的悬臂梁，如图1所示。

在弹性梁的制作上，可以采用高掺杂的自停止腐蚀的方法(L.BruceWilner，Differential capacitive transducer and method of making，US Patent no.4,999,735)，所述的方法虽然能够将梁的厚度控制在很小的范围内，但是由于掺杂的不均匀性，导致梁的厚度的不一致，更重要的是掺杂引入了应力，会影响器件的性能。

采用干法刻蚀方法与湿法方法结合的方法，在制作弹性梁时，常常是分两步进行，先腐蚀出悬臂梁所在区的图形，得到和所要的悬臂梁厚度的膜，而后再用干法刻蚀技术制作弹性梁，如W.S.Henrion，et.al，Sensors structurewith L-shaped spring legs，US Patent No.5,652,384，这种方法在精确控制梁厚度方面存在困难，增加了工艺的复杂度，而且需要使用昂贵的设备，增加了器件制作的成本。

采用无掩模的腐蚀方法，形成悬臂梁，如Jean Hermann等，micromachinedmeasuring cell with arm supported sensor，US Patent No.555 1294，这种方法增加了控制悬臂梁厚度及形状的难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可精确控制尺寸的单晶硅悬臂梁结构及制作方法，所提供的悬臂梁结构特征在于：

(1)悬臂梁的断面为五边形；

(2)悬臂梁上表面为单晶硅(100)晶面；

(3)悬臂梁下表面由两个(111)晶面组成，两个(111)晶面形成70.6度夹角；

(4)悬臂梁断面的两个侧面分别和上表面形成的夹角为90度或锐角；

(5)悬臂梁下表面(111)晶面分别和悬臂梁的侧面的夹角为35.3度锐角。

本发明所提供的一种可精确控制单晶硅悬臂梁结构尺寸的制作方法，其特征在于：

(1)通过干法刻蚀，形成单晶硅悬臂梁的两个垂直于上表面的侧面；

(2)用氧化硅将悬臂梁的上表面和两个侧面保护起来；

(3)利用硅的各向异性腐蚀，在单晶硅悬臂梁的底部，形成两个(111)晶面，终止硅的各向异性腐蚀对悬臂梁的腐蚀作用。

(4)单晶硅悬臂梁的厚度，由悬臂梁的宽度及干法刻蚀形成的悬臂梁侧面高度确定。

制作的工艺步骤具体描述如下：

1、光刻(100)硅片，用硅干法刻蚀方法，刻蚀出悬臂梁的两个垂直于硅片表面的侧面，悬臂梁的方向沿<110>晶向；

2、用氧化硅覆盖悬臂梁的上表面和两个侧面；

3、光刻硅片另一面，去除悬臂梁正对硅片另一面的氧化硅；

4、用硅各向异性腐蚀液硅片，直至悬臂梁形成。

由于设计中的弹性梁的结构很小，同时为了保证截面形状一致以及矩形的质量块，光刻时必须严格对准<110>晶向。

单晶硅悬臂梁的厚度，由悬臂梁的宽度及干法刻蚀形成的悬臂梁的高度确定。梁的断面形状，可以根据以下计算方法，进行图形设计。

设所述的悬臂梁的宽度为W，干法刻蚀悬臂梁的深度为H也就是形成的悬臂梁的总高度，最终形成的悬臂梁的厚度为h₀，则经过各向异性腐蚀后形成的梁的断面的形状各种形状为：

当 $H=\frac{\sqrt{2}}{2}W,$ 形成的悬臂梁断面刚好是五边形，此时悬臂梁的厚度h₀＝0，如图2(a)所示；

当干法刻蚀悬臂梁的深度 $H=\frac{\sqrt{2}}{2}W+h_0$ 时，形成的悬臂梁断面是五边形形状，此时悬臂梁的厚度h₀＞0，如图2(b)所示；

当干法刻蚀悬臂梁的深度 $H<\frac{\sqrt{2}}{2}W$ 时，将形成两个分离并排的悬臂梁，两个悬臂梁的间距为L＝W-H，悬臂梁断面如图2(c)所示。

由此可见，只有当干法刻蚀的深度大于或等于

倍悬臂梁宽度时，悬臂梁的断面为五边形。

总而言之，本发明提供的一种悬臂梁的结构和制作方法，与本发明之前的结构及方法相比，加工工艺简单，由于梁的厚度由悬臂梁的宽度及干法刻蚀的深度也就是形成的悬臂梁的总高度确定，因此梁厚度不受硅片厚度变化的影响；同时悬臂梁结构是由各向异性腐蚀出来的，由(111)面作为腐蚀终止面，自动终止硅悬臂梁的腐蚀，悬臂梁结构可精确控制，使得悬臂梁的制造成品率大大提高。本发明可应用于多种MEMS器件的结构中，如电容式加速度传感器、电阻式加速度传感器、微机械陀螺、谐振器等，可以大大提高器件制作工艺的控制水平，提高器件制作的成品率。

附图说明

图1是传统的悬臂梁的各种断面形状

图2是本发明提出的具有不同梁高和梁宽的悬臂梁断面

图3是实施例1的具体工艺流程图中光刻悬臂梁图形的形成

图4是实施例1的具体工艺流程图中干法刻蚀得到具有一定高度的悬臂梁

图5是实施例1的具体工艺流程图中氧化形成悬臂梁表面和侧壁氧化层保护

图6是实施例1的具体工艺流程图中光刻背面腐蚀窗口

图7是实施例1的具体工艺流程图中各向异性腐蚀形成悬臂梁结构

图8是实施例1的具体工艺流程图中去除氧化硅后的悬臂梁结构

图9是实施例2的立体结构示意图

图10是实施例3的立体结构示意图

图中各数字代表的含义为：

图2(a)中的悬臂梁2.图2(b)中的悬臂梁3.图2(c)中的悬臂梁

4.表面氧化层掩模5.悬臂梁侧壁的氧化层掩模

6.加速度传感器的边框7.加速度传感器的可动质量块

具体实施方式

通过下面的悬臂梁制作方法描述，以进一步阐述本发明的实质性特点和显著进步，但本发明绝非仅限于实施例。

实施例1

1.经过氧化的双抛(100)硅片上表面利用光刻，形成悬臂梁图形(图3)；

2.腐蚀氧化硅，进行硅的干法刻蚀；刻蚀形成悬臂梁的两个侧面(图4)；

3.在刻蚀后的硅片表面，覆盖一层氧化硅，保护悬臂梁的上表面和侧面(图5)；

4.进行正反对准光刻，在硅片的另一面，悬臂梁的下方，形成硅的腐蚀窗口(图6)；

5.进行各向异性腐蚀，直至出现悬臂梁下表面的两个腐蚀终止面(111)面，形成所需的悬臂梁(图7)。

本结构的特点在于悬臂梁的下表面，在硅各向异性腐蚀液的腐蚀作用下，会生成两个(111)面，作为悬臂梁在硅各向异性腐蚀液的自动终止硅腐蚀的面，而悬臂梁的上表面和两个侧面由氧化硅保护，避免硅各向异性腐蚀也的腐蚀，从而可以精确控制悬臂梁的形状尺寸。

实施例2用于制作加速度传感器的弹性梁和质量块

(1)经过氧化的双抛(100)硅片上下表面利用各向异性腐蚀方法制作阻尼间隙窗口，腐蚀深度4um；

(2)二次氧化形成氧化硅，双面光刻，干法刻蚀同时得到4根直弹性梁和可动质量块；

(3)三次氧化，背面光刻图形，湿法各向异性腐蚀同时得到直弹性梁和可动质量块。硅片的正面共有四根直弹性梁，分布在可动质量块的四个角上。

实施例3用于制作加速度传感器的弹性梁和质量块

(1)经过氧化的双抛(100)硅片上下表面利用各向异性腐蚀方法制作阻尼间隙窗口，腐蚀深度4um；

(2)二次氧化形成氧化硅，双面光刻，干法刻蚀正反面同时得到8根直弹性梁和可动质量块；

(3)三次氧化，正反面光刻图形，湿法各向异性腐蚀同时得到直弹性梁和可动质量块。硅片的正反面各有四根直弹性梁，分布在可动质量块的四个角上。

Claims (10)

1、一种单晶硅悬臂梁结构，包括悬臂梁及支撑框，其特征在于：

(1)悬臂梁的断面为五边形；

(2)悬臂梁上表面为单晶硅(100)晶面；

(3)悬臂梁下表面由两个(111)晶面组成。

2、根据权利要求1所述的单晶硅悬臂梁结构，其特征在于悬臂梁断面的两个侧面分别和上表面形成的夹角为90度或锐角。

3.、根据权利要求1所述的单晶硅悬臂梁结构，其特征在于悬臂梁下表面两个(111)晶面形成70.6度夹角；所述的下表面(111)晶面分别和悬梁的侧面的夹角为35.3度锐角。

4、根据权利要求1所述的单晶硅悬臂梁结构，其特征在于所述单晶硅悬臂梁的厚度是由悬臂梁的宽度及形成的悬臂梁的总高度确定的，形成悬臂梁的断面有以下三种情况：

(i) $H=\frac{\sqrt{2}}{2}W$ 时，形成的悬臂梁断面为五边形；

(ii) $H=\frac{\sqrt{2}}{2}W+h_0$ 时，形成的悬臂梁断面是五边形形状；

(iii) $H<\frac{\sqrt{2}}{2}W$ 时，形成两个分离并排的悬臂梁，两个悬臂梁的间距为L＝W-H；

式中H为干法刻蚀悬臂梁的深度，也即形成的悬臂梁的总高度；

W为悬臂梁的宽度；

h₀最终形成的悬臂梁的厚度；

只有当干法刻蚀的深度大于或等于

倍时，悬臂梁的断面为五边形。

5、制作如权利要求1-4中任一项所述的单晶硅悬臂梁结构的方法，其特征在于制作步骤是：

(a)通过干法刻蚀，形成单晶硅悬臂梁的两个垂直于上表面的侧面；

(b)用氧化硅将悬臂梁的上表面和两个侧面保护起来；

(c)利用硅的各向异性腐蚀，在单晶硅悬臂梁的底部，形成两个(111)晶面，终止硅的各向异性腐蚀对悬臂梁的腐蚀作用；

(d)单晶硅悬臂梁的厚度，由悬臂梁的宽度及干法刻蚀形成的悬臂梁侧面高度确定。

6、按权利要求5所述的单晶硅悬臂梁结构的制作方法，其工艺步骤：

①光刻经过氧化的双抛(100)硅片上表面，形成悬臂梁图形；

②腐蚀氧化硅，进行硅的干法刻蚀；刻蚀形成悬臂梁的两个侧面；

③在刻蚀后的硅片表面，覆盖一层氧化硅，保护悬臂梁的上表面和侧面；

④进行正反对准光刻，在硅片的另一面，悬臂梁的下方，形成硅的腐蚀窗口；

⑤进行各向异性腐蚀，直至出现悬臂梁下表面的两个腐蚀终止面，形成所需的悬臂梁。

7、按权利要求5或6所述的单晶硅悬臂梁结构的制作方法，其特征在于悬臂梁是由各向异性腐蚀出来的，由(111)面作为腐蚀终止面，悬臂梁的结构可精确控制。

8、按权利要求5所述的单晶硅悬臂梁结构的制作方法，其特征在于悬臂梁的厚度由悬臂梁的宽度及干法刻蚀的深度或形成悬臂梁的总高度确定的，且不受硅片厚度变化的影响。

9、由权利要求1所述的单晶硅悬臂梁结构的应用，其特征在于用于制作加速度传感器的弹性梁和质量块。

10、按权利要求9所述的单晶硅悬臂梁结构的应用，其特征在于所述的弹性梁和质量块制作方法是：

(1)经过氧化的双抛(100)硅片上下表面利用各向异性腐蚀方法制作阻尼间隙窗口，腐蚀深度4um；

(2)二次氧化形成氧化硅，双面光刻，干法刻蚀同时得到4根或8根直弹性梁和可动质量块；

(3)三次氧化，背面光刻图形，湿法各向异性腐蚀同时得到直弹性梁和可动质量块，硅片的正面共有四根直弹性梁，分布在可动质量块的四个角上。

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