CN101475138B

CN101475138B - 具有检测压阻元件的扭转模态下超薄硅微机械悬臂梁及压阻检测方法

Info

Publication number: CN101475138B
Application number: CN2009100454836A
Authority: CN
Inventors: 李昕欣; 夏晓媛
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2029-01-16
Also published as: CN101475138A

Abstract

本发明涉及一种用于扭转模态超薄硅微机械悬臂梁检测压阻和压阻的检测方法，属于微机械传感技术领域。具体特征是利用微机械悬臂梁在扭转模态下的剪切应力分布特点，将用于信号检测的压阻掺杂区域贯穿到整个硅悬臂梁的厚度，打破了传统弯曲模态下微机械悬臂梁的压阻传感区域不能越过梁厚度一半的限制；同时结合硅压阻系数的各向异性与悬臂梁上应力张量的分布特征，优化的设计了悬臂梁和压阻的排布方向，从而使得压阻的相对变化量达到最大值，提高了悬臂梁的机械性能。本发明特点是结构简单、制作方便、容易实现。

Description

具有检测压阻元件的扭转模态下超薄硅微机械悬臂梁及压阻检测方法

技术领域

本发明涉及一种适用于工作在扭转模态下的超薄硅微机械悬臂梁的检测压阻及其压阻检测方法。更确切地说，本发明是通过利用普通离子掺杂技术制做出贯穿薄梁厚度的敏感压阻，将扭转模态微机械悬臂梁中的剪切应力转变为电信号来检测超薄硅微机械悬臂梁的振动。本发明属于微纳机电系统领域。

背景技术

压阻式硅微悬臂梁传感器由于其结构简单、便于集成、对力和质量具有极高的灵敏度等优点，近年来在生物成像技术、压力敏感和生化痕量检测方面等领域得到了广泛的应用.该类传感器的核心部件是工作在一定模态下的硅悬臂梁及其压阻敏感元件，当外加的一些载荷(如质量或者力)作用于悬臂梁上时，压阻敏感元件将对梁上的应力变化做出响应，并将其转变成电信号进行输出.众所周知，张应力与压应力引起的压阻变化的符号是相反的.因此，对于传统的工作在弯曲模态下的微机械悬臂梁传感器，制作敏感压阻时掺杂区域要位于其中性面的一侧，用以检测悬臂梁上压阻所在位置上张应力或者压应力的变化；否则，由于中性面上下两侧张应力与压应力的转变，将会大大削弱压阻的相对变化量，甚至完全抵消为零，从而降低了传感器的灵敏度.对于大多数的厚度在微米量级的悬臂梁传感器，一般通过直接在硅梁上掺杂或沉积多晶硅等半导体工艺而就可以制成相对较薄的压阻检测元件，能够满足悬臂梁传感器高灵敏度的要求.但是，为了追求传感器的超高分辨率，悬臂梁的厚度越做越薄，达到了亚微米甚至纳米的量级，悬臂梁上的压阻检测元件也随之越来越薄.对于传统的压阻制作工艺，由于掺杂离子激活需要进行热退火等原因，要在悬臂梁上形成较薄的单晶硅压阻元件是比较困难的。近年来，国内外很多研究人员对于超薄硅悬臂梁的压阻检测元件进行了试验和研究，也提出了一些可行的办法，但是存在着不同程度的不足。例如：M.Gel等人曾在 ″Sub-micron thick high sensitive piezoresistive cantileverers byboron etch stop and argon implantation″(IEEE MEMS-03，Kyoto，Japan494-497，2003)一文中提出利用背面氩离子注入形成正面压阻的方法，虽然能够在一定深度范围内制作出较薄的压阻敏感元件，但是悬臂梁的厚度最薄的也只是做到0.4微米；而Kenny等人在″High-sensitivity piezoresistivecantilevers under 1000

thick″(Appl.Phys.Lett.75289-291，1999)一文中利用外延技术制作的厚度在100纳米的压阻式悬臂梁传感器，也存在对压阻不能进行光刻形成图形的缺点，另外，由于后续的热退火工艺中难以避免的存在离子的热扩散，悬臂梁的厚度很难再薄。

能否设计制造出一种既制作工艺简单又不受悬臂梁厚度限制的压阻检测元件，一直以来都是超薄硅微机械悬臂梁传感器压阻检测的难点，也正是本发明所要解决的关键技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于工作在扭转模态下的超薄硅微机械悬臂梁的检测压阻和压阻检测方法。由于普通离子掺杂技术中的热退火工艺，几乎不可能将压阻的掺杂区域控制在此种超薄悬臂梁中性面的一侧，甚至很容易将离子的注入结深沿整个薄梁厚度方向贯穿。本发明正是基于这种情况，巧妙地提出了贯穿硅梁厚度的敏感压阻检测方法，利用了扭转模态悬臂梁上剪切应力的分布特征，通过掺杂区域贯穿整个悬臂梁厚度的敏感压阻感应悬臂梁上剪切应力的变化，从而检测悬臂梁传感器的工作情况.本发明的基本原理如下：

微机械悬臂梁传感器按照其典型的工作模态可以分为弯曲模态和扭转模态两大类.在弯曲模态下，悬臂梁上的正应力分布情况，如图1(a)所示，中性面两侧的张应力和压应力大小沿厚度方向成线性变化且符号相反.当悬臂梁变得很薄的时候，普通的离子掺杂工艺很容易使压阻的掺杂区域穿过中性面，从而严重降低了压阻的灵敏度，甚至使上下两侧的压阻变化量相互抵消为零。与之不同的是，悬臂梁在扭转模态下运动，悬臂梁上的剪切应力沿厚度方向的分布情况如图1(b)所示：最大的剪切应力位于上下表面，而中性面上剪切应力为零，并且中性面上下两侧的剪切应力大小成正弦波形对称分布且符号相同；因此，即使普通的离子掺杂工艺将超薄硅机械悬臂梁上的压阻敏感区域沿厚度方向完全贯穿，也不会使中性面上下两侧的压阻效应相减，反而是相加的关系，从而避免了压阻效应的衰减，大大增加了传感器的灵敏度。由此可见，这种利用扭转模态下硅微机械悬臂梁上剪切应力的分布特点，通过传统离子掺杂工艺制作出贯穿薄梁厚度的普通敏感压阻来检测超薄硅微机械悬臂梁振动的方法，打破了传统压阻掺杂区域在中性面一侧的限制，理论上可以对无限薄厚度的硅微机械悬臂梁进行压阻敏感检测.

由于硅的压阻系数具有各向异性的特征，在悬臂梁中制作普通压阻元件来检测剪切应力时，为了实现最大灵敏度的压阻检测，本发明还针对N型(100)硅片上，硅微机械悬臂梁上的P型压阻的排布方向做了优化设计.如图2所示，α为晶格坐标系X″(即<100>晶向)与压阻条的纵向X′所成角度，β为梁的长度方向X和压阻条的纵向X′所成的角度.基于坐标系的矩阵变换原理，在压阻坐标系下对工作于扭转模态的悬臂梁上的剪切应力分布情况和压阻系数张量的取值情况进行分析和坐标变换，最后得到普通压阻的相对变化量的表达式为：

ΔR/R＝π₄₄σ_xy＝sin2αcos2(α-β)(1)

由此可见，当α＝β＝π/4时，即悬臂梁的长度方向沿<100>晶向，压阻方向沿着<110>晶向时，扭转模态下悬臂梁上的压阻相对变化量有最大值π₄₄σ_xy，即按此方向对悬臂梁和压阻进行排布可以实现灵敏度最大的压阻检测.

综上所述，本发明提供的扭转模态下超薄硅微机械悬臂梁的压阻检测方法的特征在于：

(1).敏感压阻贯穿硅微机械悬臂梁的厚度：依据悬臂梁在扭转模态下的剪切应力分布特点，将薄梁上的离子掺杂区域沿其厚度方向完全贯穿形成检测压阻；

(2).P型压阻优化的排布方式：结合硅压阻系数的各向异性与梁上剪切应力张量的分布特征，将P型敏感压阻按一定晶向排布，使得压阻的相对变化量达到最大值；

(3).所述的硅微机械悬臂梁的厚度在500纳米以下量级，在此厚度下，普通的离子掺杂技术容易难将敏感压阻的掺杂结深贯穿到整个梁的厚度方向上；

(4).所述的贯穿硅梁厚度的敏感压阻的特征在于当硅微机械悬臂梁工作于扭转模态下时，敏感压阻可以将悬臂梁上的剪切应力变化转变为电信号进行输出，从而实现对超薄硅微机械悬臂梁振动情况的检测；

(5).所述的压阻优化排布方式的特征在于针对在N型硅片上制作P型压阻，悬臂梁和压阻晶向的排布方法为：

(a).工作在扭转模态下的超薄硅微机械悬臂梁的长度方向应沿着<100>方向排布；

(b).微机械悬臂梁上的敏感压阻的长度方向应与梁的方向成45度角，即沿着<110>方向；

(c).按上述方向排布，可以得到敏感压阻相对变化量的最大值π₄₄σ_xy；

(6).所述的压阻检测方式的特征在于适用于任何形状的悬臂梁结构，例如T形悬臂梁、“十”字悬臂梁、三角形悬臂梁等一端固定另一端自由的悬臂梁。

本发明所述的检测方法在于一阶扭转模态下，悬臂梁产生一阶扭转模态的谐振，敏感压阻掺杂区域将悬臂梁上的剪切应力变化转换成电信号进行输出，通过接口电路的信号处理在网络分析仪上得到悬臂梁的振幅谐振曲线。

所述的的检测方法的特征在于检测步骤为：

(1)在悬臂梁的根部利用光刻胶作掩膜形成压阻图形，并进行离子注入，控制注入的能量和剂量，注入后通过退火工艺，以激活掺杂离子，形成浓度为(1-5)e19/cm²的敏感压阻，使敏感压阻的掺杂区域贯穿悬臂梁的厚度；

(2)扭转模态悬臂梁谐振采用洛仑兹力驱动的方法在外加磁场下，驱动线圈中的电流产生一个与悬臂梁扭转方向一致的洛仑兹力力矩，使悬臂梁扭转，当驱动电流的频率与悬臂梁的一阶扭转模态的谐振相同时，悬臂梁将会发生一阶扭转模态的谐振；

(3)在室温和大气下对谐振式传感器进行开环测试时，将网络分析仪输出的交变电压进行V/A转换后接入悬臂梁的电磁激励线圈，由悬臂梁根部的贯穿硅梁厚度的敏感压阻与衬底上的三个相同大小的电阻组成的惠斯通电桥检测悬臂梁的扭转振动，在电桥两端施加2v的偏置电压，另外两端产生的振动信号经AD620放大后，输入网络分析仪，可以得到谐振梁的开环测试的谐振频率和品质因数；

(4)在室温和大气下对谐振式悬臂梁进行闭环测试，采用锁相环式 (PLL)闭环反馈接口电路，实现闭环系统的自激振荡。使用HP4395A网络分析仪，将电路信号输出端接入网络分析仪B端口，使用网络分析功能进行扫频分析，得到谐振梁的闭环测试的谐振频率和品质因数。接入PLL闭环电路后，扭转梁的谐振频率比开环略微有些漂移，品质因数提高了百倍以上，表明PLL反馈电路对悬臂梁谐振进行了能量补偿，改善了悬臂梁的谐振性质。

本发明的主要优点也是显而易见的：

(1).不受超薄硅微机械悬臂梁厚度的限制，理论上可以用于无限薄的悬臂梁的压阻检测；

(2).打破了传统的压阻掺杂区域不能越过中性面的限制，避免了压阻制作时高浓度浅掺杂的问题；

(3).结构简单，适用范围广泛，无论什么形状的悬臂梁结构，只要悬臂梁处于扭转模态均可使用。

附图说明

图1(a)弯曲模态下悬臂梁厚度方向截面上正应力的分布情况示意图。

图1(b)扭转模态下悬臂梁厚度方向截面上剪切应力的分布情况示意图。

图2.<100>硅片上硅微机械悬臂梁及其压阻元件的平面示意图。

图3.采用本发明的一阶扭转模态硅微机械悬臂梁谐振器的具体结构示意图。

图4(a).采用本发明的一阶扭转模态悬臂梁谐振器在开环测试情况下的幅频响应曲线。

图4(b).采用本发明的一阶扭转模态悬臂梁谐振器在闭环测试情况下的幅频响应曲线。

图5.采用本发明的一阶扭转模态超薄硅微机械压阻悬臂梁谐振器的制作工艺流程，其中，a)在SOI上形成绝缘层；b)形成梁结构图形；c)形成敏感压阻；d)漂去引线孔中的氧化硅；e)在压阻处形成欧姆接触；f)形成用于电磁驱动的金线圈；g)掏空梁下面的硅；h)释放梁结构。

图6.采用本发明的一阶扭转模态超薄硅微机械压阻悬臂梁谐振器的电镜图片

图中：σ_xx-正应力 σ_xy-剪切应力

B-恒定磁场 i-驱动电流

具体实施方式

下面通过具体实例进一步阐述本发明提供的超薄硅微机械悬臂梁谐振器的压阻检测方法以表达本发明的实质的特点和显著的进步。但本发明决非仅限于实施例。

以一个一阶扭转模态硅微机械压阻悬臂梁谐振器为例，详细说明这种压阻检测方式的效果和实施方式。这类压阻式谐振器的基本工作原理如下：悬臂梁在一定驱动力作用下会发生扭转振动，当驱动力的频率与悬臂梁一阶扭转模态的谐振频率相同时，悬臂梁将会产生一阶扭转模态的谐振，敏感压阻将悬臂梁上的剪切应力变化转换成电信号进行输出，通过后面接口电路的信号处理就可在网络分析仪上得到该悬臂梁的振幅谐振曲线。

本实施例中，在悬臂梁结构的根部利用光刻胶做掩膜形成压阻图形，并进行硼离子注入，注入的能量和剂量分别为50KeV和le15/cm²，之后又在1000℃氮气保护下退火30min以激活掺杂的离子，形成浓度为2e19/cm³的敏感压阻。由于该扭转模态硅悬臂梁的厚度只有100纳米左右，而硼离子注入的射程略大于悬臂梁的厚度，所以敏感压阻的掺杂区域贯穿了整个梁的厚度。此外，为获得最大的压阻相对变化灵敏度，将悬臂梁的长度方向沿<100>晶向排布，压阻方向沿<110>晶向排布，即扭转模态下悬臂梁上的压阻方向与悬臂梁长度方向成45度角，如图3所示。需要说明的是，该扭转模态悬臂梁谐振器采用了洛伦兹力驱动的方法，为了便于驱动以及满足高质量检测灵敏度的要求，谐振器中的硅悬臂梁结构被设计成″T″型。

在外加磁场下，驱动线圈中的电流产生一个与悬臂梁扭转方向一致的洛仑兹力力矩，这个洛仑兹力力矩驱动悬臂梁扭转，当驱动电流的频率与悬臂梁一阶扭转模态的谐振频率相同时，悬臂梁将会发生一阶扭转模态的谐振。在室温和大气下对谐振式传感器进行开环测试时，将网络分析仪输出的交变电压进行V/A转换后接入悬臂梁的电磁激励线圈，由悬臂梁根部的贯穿硅梁厚度的敏感压阻与衬底上的三个相同大小的电阻组成的惠斯通电桥检测悬臂梁的扭转振动，在电桥两端施加2v的偏置电压，另外两端产生的振动信号经AD620放大后，输入网络分析仪，可以得到谐振梁的开环测试的谐振频率和品质因数，如图4(a)所示。在室温和大气下对谐振式悬臂梁进行闭环测试，需采用锁相环(PLL)式闭环反馈接口电路，实现闭环系统的自激振荡。使用HP4395A网络分析仪，将电路信号输出端接入网络分析仪B端口，使用网络分析功能进行扫频分析，测试结果如图4(b)所示。接入PLL闭环电路后，扭转梁的谐振频率比开环略微有些漂移，品质因数提高了百倍以上，表明PLL反馈电路对悬臂梁谐振进行了能量补偿，改善了悬臂梁的谐振性质。图4的测试结果充分说明了该压阻式悬臂梁谐振器的正常工作状态及其良好的机械敏感性能，也进一步证实了本发明中的压阻检测方法有效可行。

器件的制作工艺流程如图5所示，并详述如下：

(a).采用N型SOI(绝缘体上的硅)硅片，将顶层硅氧化减薄至悬臂梁厚度，热氧化形成35nm的氧化层做为绝缘层；

(b).利用光刻胶做掩膜，离子束刻蚀掉未保护的硅及氧化硅，形成梁结构图形；

(c).利用光刻胶做掩膜形成压阻图形，注入硼离子(50KeV，le15)，并在1000℃氮气保护下退火30min，形成浓度为2e19的贯穿表层硅厚度的敏感压阻；

(d).第三次光刻，开引线孔，缓冲氢氟的漂去引线孔中的氧化硅；

(e).溅射铝薄膜，光刻胶做掩膜形成铝导线图形，铝腐蚀并合金化，在压阻处形成欧姆接触；

(f).在硅片上涂光刻胶，光刻显影，只前烘不后烘，蒸发金薄膜，采用剥离工艺形成用于电磁驱动的金线圈；

(g).光刻胶做掩膜形成刻蚀窗口；利用XeF₂刻蚀从正面面掏空梁下面的硅；

(h).用BOE腐蚀掉SOI中间的氧化层，丙酮浸泡去胶完全释放梁结构。

根据上述工艺，最后制得的扭转模态悬臂梁及其厚度测量的SEM图片如图6所示，需要说明的是对梁的厚度进行测量时，悬臂梁与图像所在平面存在一个45°的倾角，去掉表面覆盖的35nm的氧化层，悬臂梁的厚度约为95nm。

Claims

1.一种具有检测压阻元件的扭转模态下超薄硅微机械悬臂梁，其特征在于悬臂梁在扭转模态下运动，最大剪切应力位于上、下两表面，中性面上的剪切应力为零，将用于信号检测的敏感压阻元件的掺杂区域沿悬臂梁的厚度方向完全贯穿，形成检测压阻元件，所述超薄硅微机械悬臂梁的厚度在500纳米以下量级；所述的悬臂梁的长度方向沿<100>晶向排布，检测压阻元件方向沿<110>晶向排布，使扭转模态下悬臂梁上的检测压阻元件方向与悬臂梁长度方向成45度角。

2.按权利要求1所述的扭转模态下超薄硅微机械悬臂梁，其特征在于中性面上下两侧的剪切应力大小成正弦形对称分布且符号相同。

3.按权利要求1所述的扭转模态下超薄硅微机械悬臂梁，其特征在于扭转模态下悬臂梁上的检测压阻元件方向与悬臂梁长度方向成45度角时，检测压阻元件的压阻相对变化量有最大值。

4.按权利要求1所述的扭转模态下超薄硅微机械悬臂梁，其特征在于所述的悬臂梁为T形、“十”字形或三角形。

5.按权利要求1所述的扭转模态下超薄硅微机械悬臂梁的压阻检测方法，其特征在于一阶扭转模态下，悬臂梁产生一阶扭转模态的谐振，敏感压阻元件掺杂区域将悬臂梁上的剪切应力变化转换成电信号进行输出，通过接口电路的信号处理在网络分析仪上得到悬臂梁的振幅谐振曲线；检测步骤为：

(1)在悬臂梁的根部利用光刻胶作掩膜形成敏感压阻元件图形，并进行离子注入，控制注入的能量和剂量，注入后通过退火工艺，以激活掺杂离子，形成浓度为1×10¹⁹/cm³～5×10¹⁹/cm³的敏感压阻元件，使敏感压阻元件的掺杂区域贯穿悬臂梁的厚度，形成检测压阻元件；

(3)在室温和大气下对谐振悬臂梁进行开环测试时，将网络分析仪输出的交变电压进行V/A转换后接入悬臂梁的电磁激励线圈，由悬臂梁根部的贯穿硅梁厚度的敏感压阻元件与衬底上的三个相同大小的电阻组成的惠斯通电桥检测悬臂梁的扭转振动，在电桥两端施加2v的偏置电压，另外两端产生的振动信号经AD620放大后，输入网络分析仪，得到谐振梁的开环测试的谐振频率和品质因数；

(4)在室温和大气下对谐振悬臂梁进行闭环测试，采用锁相环式闭环反馈接口电路，实现闭环系统的自激振荡，使用HP4395A网络分析仪，将电路信号输出端接入网络分析仪B端口，使用网络分析功能进行扫频分析，得到谐振梁的闭环测试的谐振频率和品质因数。

6.按权利要求5所述的检测方法，其特征在于接入锁相环式闭环反馈接口电路对悬臂梁谐振进行能量补偿，悬臂梁的谐振频率比开环略微有些漂移，品质因数提高了百倍以上。