CN103449356A

CN103449356A - 双材料悬臂梁应力匹配方法

Info

Publication number: CN103449356A
Application number: CN2012101779080A
Authority: CN
Inventors: 刘瑞文; 焦斌斌; 李志刚; 陈大鹏
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Beijing Zhongke Micro Investment Management Co ltd
Priority date: 2012-05-31
Filing date: 2012-05-31
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: CN103449356B

Abstract

本发明提供了一种双材料悬臂梁的应力匹配方法，包括：在衬底上形成第一下层薄膜，具有第一应力和第一厚度；在第一下层上形成第二下层薄膜，具有第二应力和第二厚度，其中第一下层和第二下层为不同方法形成的同种材料；在第二下层上形成上层薄膜，具有第三应力，其中，调整三层薄膜厚度，使得第一下层、第二下层与上层达到力矩平衡即可实现应力匹配；通过光刻、刻蚀形成所需梁结构，腐蚀衬底，释放得到由第一下层、第二下层以及上层组成的双材料悬臂梁。通过两种薄膜淀积方式淀积双材料悬臂梁中的双层结构的下层薄膜，从而在下层薄膜中引入台阶式应力梯度，控制下层薄膜的厚度来实现双材料悬臂梁力矩平衡，进而低成本高效率地实现应力匹配。

Description

双材料悬臂梁应力匹配方法

技术领域

本发明涉及属于微细加工领域，涉及一种基于MEMS技术的双材料悬臂梁的应力匹配方法。

背景技术

随着MEMS技术的发展，双材料悬臂梁结构已得到越来越多的应用。如生物传感器、微镜阵列、电容型红外探测器、热-机械型红外探测器等等。这些应用都是基于被测外界的物理要素施加到双材料悬臂梁，使其发生变形，然后通过光学或电学读出的方法检测该变形量，变形量的大小反应了被测要素的强度，由此检测出被测物理量。

然而，在实际制作中，通常会由于制作工艺过程而引入残余应力，从而使双材料薄膜中应力不同而造成释放后双材料悬臂梁发生初始弯曲变形，进而使得所设计的器件灵敏度降低甚至工作失效。因此，为了使设计的器件有效工作，必须在实际制作工艺中调整双材料薄膜中的残余应力使之实现应力匹配。

现报道的薄膜应力调整技术主要有以下三种：1.通过改变薄膜淀积设备的具体工艺参数来调整薄膜的应力，由此实现双材料的应力匹配。该方法对所有薄膜应力调整均适用，但由于工艺参数较多，调整起来较繁琐。2.通过在淀积的薄膜中进行离子注入来实现应力调整。该方法通常需要进行高能量、高剂量的离子注入来实现应力匹配，导致薄膜的晶格结构遭到破坏，同时注入的离子可能使薄膜的原始特性发生变化，这一缺点限制了其应用范围。3.在薄膜制作中引入应力梯度，该方法适用范围广，但常规薄膜淀积设备通常很难制作出具有较大应力梯度的薄膜，因此该方法对设备和工艺要求较高。

综上所述，现有的双材料薄膜应力匹配技术不够完善，无法低成本而高效率地消除残余应力。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于低成本而高效率地消除残余应力以使得双材料薄膜实现应力匹配。

为此，本发明提供了一种双材料悬臂梁的应力匹配方法，包括：在衬底上形成第一下层薄膜，具有第一应力和第一厚度；在第一下层薄膜上形成第二下层薄膜，具有第二应力和第二厚度，其中第一下层薄膜和第二下层薄膜为不同方法形成的同种材料；在第二下层薄膜上形成上层薄膜，具有第三应力，其中，调整第一厚度和第二厚度以及上层薄膜的第三厚度，使得第一下层薄膜、第二下层薄膜与上层薄膜达到力矩平衡，即可实现应力匹配；通过光刻、刻蚀形成所需梁结构，腐蚀衬底，释放得到由第一下层薄膜、第二下层薄膜以及上层薄膜组成的双材料悬臂梁。

其中，第一应力和/或第二应力小于0。其中，第二应力的绝对值大于第一应力的绝对值。

其中，第三应力大于0。

其中，第一下层薄膜和/或第二下层薄膜包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、多晶硅、非晶硅、微晶硅、玻璃及其组合。

其中，上层薄膜包括掺杂多晶硅、金属、金属氮化物及其组合。其中，金属包括Al、Au、Ti、Cr、Ni、Ta、Mo及其组合。

其中，沉积形成第一下层薄膜和/或第二下层薄膜的方法包括PECVD、LPCVD、HDPCVD、ALD及其组合，沉积形成上层薄膜的方法包括蒸发、溅射、MOCVD、ALD及其组合。

依照本发明的双材料悬臂梁的应力匹配方法，通过两种薄膜淀积方式淀积双材料悬臂梁中的双层结构的下层薄膜，从而在下层薄膜中引入台阶式应力梯度，通过控制下层薄膜的厚度来实现双材料悬臂梁力矩平衡，进而低成本高效率地实现双材料悬臂梁的应力匹配。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1为依照本发明的双材料悬臂梁的应力匹配方法的流程图；以及

图2至图5为依照本发明的双材料悬臂梁的应力匹配方法各步骤的剖视图。

具体实施方式

以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了一种新型的双材料悬臂梁的应力匹配方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构或工艺步骤。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构或工艺步骤的空间、次序或层级关系。

参照图1以及图2，在衬底上形成第一下层薄膜。提供衬底1，可以是例如体Si、SOI、体Ge、GeOI、SiGe、GaAs、AlAs、GaN、GaP、InP、InSb等各种常用的半导体材料，也可以是金属、玻璃、聚合物等各种常见基板材料。优选地，采用体Si或者SOI材料，以便衬底1可以与CMOS工艺兼容，或者应用于其他常见的MEMS器件制造。通过LPCVD、PECVD、HDPCVD、ALD等常规沉积方法，在衬底1上沉积形成了由第一材料构成的第一下层薄膜2A。第一下层薄膜2A的第一材料通常是绝缘材料或者半导体材料，例如包括氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、氮氧化硅(SiOxNy)、玻璃(例如BSG、PSG、BPSG)、多晶硅、非晶硅、微晶硅等及其组合，各材料中的下标x、y依照绝缘材料的电学和力学特性而选择，例如为0～3之间的任意数(不限于自然数)。第一下层薄膜2A具有厚度T1，例如是0.01～2μm。通过选择第一下层薄膜2A的沉积工艺参数，例如选择PECVD形成氧化硅的工艺参数，使得第一下层薄膜2A具有第一应力F1，F1小于0例如小于-20MPa，也即第一下层2A具有压应力。

参照图1以及图3，在第一下层薄膜上形成第二下层薄膜。采用与第一下层薄膜2A相同或者不同的工艺，形成第二下层薄膜2B，也即LPCVD、PECVD、HDPCVD、ALD等常规沉积方法沉积形成层2B。第二下层薄膜2B的材料与第一下层薄膜2A的第一材料完全相同，例如均为氧化硅。控制第二下层薄膜2B的沉积工艺参数，使得第二下层薄膜2B具有第二应力F2，F2也小于0，并且F2的绝对值大于F1的绝对值，例如F2小于-60MPa，也即第二下层薄膜2B具有比第一下层薄膜2A更大的压应力。例如，当使用PECVD沉积氧化硅的第一下层薄膜2A时，可以采用LPCVD沉积氧化硅的第二下层薄膜2B；或者，均采用PECVD沉积氧化硅的层2A、2B，但是控制PECVD参数使得两者应力不同。第二下层薄膜2B具有厚度T2，例如是0.01～2μm，其可以与T1相同也可以不同，按照F1、F2与后续将要形成的上层具有的应力F3的匹配需要而选定，使得各层薄膜的应力和厚度满足力矩平衡，即可达到应力匹配。满足应力匹配的各薄膜层厚度可根据弯矩相等原理推导而出，满足以下关系式：

(E_{1} T_{1}^{2} F_{1} E_{3} T_{3} - E_{1} T_{1}^{2} E_{2} F_{2} T_{2} + E_{1} T_{1}^{2} F_{1} E_{2} T_{2} - E_{1} T_{1}^{2} F_{3} E_{3} T_{3} + E_{1} T_{1} F_{1} E_{3} T_{3}^{2} + E_{1} T_{1} F_{1} E_{2} T_{2}^{2} - E_{1} T_{1} F_{3} E_{3} T_{3}^{2}

+ 2 E_{1} T_{1} F_{1} E_{3} T_{3} T_{2} - 2 E_{1} T_{1} F_{3} E_{3} T_{3} T_{2} - E_{1} T_{1} E_{2} F_{2} T_{2}^{2} + E_{2} F_{2} T_{2} E_{3} T_{3}^{2} - E_{3} T_{3} F_{3} E_{2} T_{2}^{2} - E_{2} T_{2} E_{3} F_{3} T_{3}^{2} + E_{2} F_{2} T_{2}^{2} E_{3} T_{3}

/ (E_{1}^{2} T_{1}^{4} + 4 E_{1} T_{1}^{3} E_{2} T_{2} + 4 E_{1} T_{1}^{3} E_{3} T_{3} + 6 E_{1} T_{1}^{2} E_{3} T_{3}^{2} + 6 E_{1} T_{1}^{2} E_{2} T_{2}^{2} + 12 E_{1} T_{1}^{2} T_{2} E_{3} T_{3} + 4 E_{1} T_{1} E_{3} T_{3}^{3} + 4 E_{1} T_{1} E_{2} T_{2}^{3}

+ 12 E_{1} T_{1} T_{2}^{2} E_{3} T_{3} + 12 E_{1} T_{1} T_{2} E_{3} T_{3}^{2} + E_{2}^{2} T_{2}^{4} + E_{3}^{2} T_{3}^{4} + 4 E_{2} T_{2} E_{3} T_{3}^{3} + 6 E_{2} T_{2}^{2} E_{3} T_{3}^{2} + 4 E_{2} T_{2}^{3} E_{3} T_{3}) = 0

其中，E₁、E₂、E₃分别为第一层、第二层和第三层材料的杨氏模量，F_i、T_i(i＝1，2，3)分别为个薄膜层的应力值和厚度。

参照图1以及图4，在第二下层上形成上层薄膜。上层薄膜3的材料可以为掺杂多晶硅、金属、金属氮化物及其组合，其中金属例如是Al、Au、Ti、Cr、Ni、Ta、Mo等及其组合。形成上层薄膜3的方法通常包括蒸发、溅射等常规PVD方法以及MOCVD、ALD等。控制工艺参数，例如控制溅射Al膜的工艺参数(偏置电压、溅射功率等等)，使得上层薄膜3具有第三应力F3，F3大于0，例如大于50MPa，也即上层薄膜3具有张应力。上层薄膜3具有厚度t3，例如从0.01～3μm。

参照图5，光刻、刻蚀薄膜层形成梁结构，腐蚀衬底，释放第一下层、第二上层以及上层所组成的双材料悬臂梁。采用合适的刻蚀方法，例如对于Si材质的衬底1而言采用XeF腐蚀气体或TMAH湿法腐蚀液，为了避免结构与衬底粘连失效，此处优选腐蚀气体进行干法腐蚀，腐蚀衬底1的局部，在衬底1中形成凹槽1A，使得其上方的第一下层2A、第二下层2B以及上层3悬空而构成双材料悬臂梁。对于其他材料的衬底1，相应地选择合适的腐蚀气体或腐蚀液，通常包括强酸(例如HF)和/或强氧化剂(例如硫酸、双氧水)。之后，按照MEMS器件结构需求，完成后续工艺制造，例如包括形成电极焊垫，形成并电连接引线等等。

依照本发明的双材料悬臂梁的应力匹配方法，通过两种薄膜淀积方式淀积悬臂梁中的双层结构的下层薄膜，从而在下层薄膜中引入台阶式应力梯度，通过控制各层薄膜的厚度来实现双材料悬臂梁力矩平衡，进而低成本高效率地实现双材料悬臂梁的应力匹配。

尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对工艺流程做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。

Claims

1.一种双材料悬臂梁的应力匹配方法，包括：

在衬底上形成第一下层薄膜，具有第一应力和第一厚度；

在第一下层薄膜上形成第二下层薄膜，具有第二应力和第二厚度，其中第一下层薄膜和第二下层薄膜为不同方法形成的同种材料；

在第二下层薄膜上形成上层薄膜，具有第三应力，其中，调整第一厚度和第二厚度以及上层薄膜的第三厚度，使得第一下层薄膜、第二下层薄膜与上层薄膜达到力矩平衡，即可实现应力匹配；

通过光刻、刻蚀形成所需梁结构，腐蚀衬底，释放得到由第一下层薄膜、第二下层薄膜以及上层薄膜组成的双材料悬臂梁。

2.如权利要求1的方法，其中，第一应力和/或第二应力小于0。

3.如权利要求2的方法，其中，第二应力的绝对值大于第一应力的绝对值。

4.如权利要求1的方法，其中，第三应力大于0。

5.如权利要求1的方法，其中，第一下层薄膜和/或第二下层薄膜包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、多晶硅、非晶硅、微晶硅、玻璃及其组合。

6.如权利要求1的方法，其中，上层薄膜包括掺杂多晶硅、金属、金属氮化物及其组合。

7.如权利要求6的方法，其中，金属包括A1、Au、Ti、Cr、Ni、Ta、Mo及其组合。

8.如权利要求1的方法，其中，沉积形成第一下层薄膜和/或第二下层薄膜的方法包括PECVD、LPCVD、HDPCVD、ALD及其组合，沉积形成上层薄膜的方法包括蒸发、溅射、MOCVD、ALD及其组合。