CN103534195B - 形成具有改变的应力特性的膜的方法 - Google Patents
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Abstract
一种改变膜的应力特性的方法在一个实施例中包括：提供膜层；确定期望应力改变；和基于所确定的期望应力改变在膜层中形成至少一个槽。
Description
本申请要求于2011年4月14日提交的美国临时专利申请No.61/475,432的优先权。
技术领域
本发明涉及基于膜的装置，比如结合了膜的微机电系统（MEMS）压力传感器装置或半导体装置。
背景技术
结合了膜的微机电系统（MEMS）、比如压力传感器和其他装置的制造由于所述装置的敏感性而构成了严峻挑战。通常，由硅（多晶硅或硅锗）制成的装置必须呈现低的应力值或预定的应力值以及低的或特定的应力梯度特性。因此，在高温退火过程中，应力降低通常在应力/应力梯度消除步骤过程中实现。
然而，MEMS装置可以是具有与其他永久和/或临时（牺牲）材料集成起来的多个机械部件的非常复杂的装置。集成的部件由于热衡算可呈现不利的相互作用。因此，随后的退火步骤可能影响先前沉积的/退火的层，从而改变装置的膜应力和应力梯度值。因此，必须仔细地设计完成应力消除所依据的时机和方式。这增加了制造过程的复杂性和成本。
在现有技术中进行了各种尝试来控制应力。那些尝试中的一些包括特殊的膜的改进。这些膜虽然在降低应力方面有效，但是却有各种不足，比如缺乏导电性、粗糙和无规律的电特性。其他方法包括在沉积膜时使用掺杂或特殊的气氛控制。这些方法影响膜的化学组成。
因此，需要一种简单的和有效的方法来改变膜内的应力特性。还需要一种用于在不改变膜的化学组成的情况下改变膜内的应力特性的方法。
发明内容
在一个实施例中，改变膜的应力特性的方法包括：提供膜层；确定期望应力改变；和基于所确定的期望应力改变在膜层中形成至少一个槽。
附图说明
图1示出了具有释放膜（releasedmembrane）的MEMS装置的侧剖视图，其中，通过有计划地结合根据本发明的原理的部分深度和全深度的应力改变槽的混合结构来改变应力特性；
图2示出了图1的MEMS装置的上平面视图，示出了释放膜区域外侧的、用于将释放膜与膜层中所产生的应力基本上完全地隔离的重叠槽；
图3示出了包括重叠槽的MEMS装置的上平面视图，其中，一些槽位于释放膜区域之内，以便改变释放膜的刚度和释放膜的应力特性；
图4示出了具有绕着释放膜的拐角延伸的槽的MEMS装置的上平面视图，其中，图4的槽明显宽于图3的槽；
图5示出了向沿着膜的一边缘结合了间隔开的槽的释放膜施加压力的模拟结果，在所述间隔开的槽之间的区域中产生应力集中，与没有槽的边缘相比，在较小的区域上产生了增加的应力水平；
图6示出了具有释放膜的MEMS装置的透视图，所述释放膜沿着膜的每个边缘均结合了间隔开的槽，在所述间隔开的槽之间的、由相应的压敏电阻器占据的区域中产生应力集中；
图7示出了具有释放膜的装置的侧剖视图，所述释放膜包括槽，所述槽在释放膜部分中和膜层的未释放部分中都向上延伸至膜层中，以便改变释放膜的刚度以及膜层的应力特性；
图8示出了图7的在间隔层上设有牺牲脊（sacrificialridge）的基底在膜层沉积到间隔层上之前的侧剖视图；
图9示出了图7的在间隔层上设有牺牲脊的基底在膜层沉积到间隔层上之后的侧剖视图；以及
图10-13示出了在结合环（bondring）内包括向上延伸的槽的装置的制造中的不同阶段。
具体实施方式
为了促进对本发明的原理的理解，现在将参考附图中示出的和以下书面说明中所述的实施例。应当理解，不意图藉此限制本发明的范围。还应当理解，本发明包括对所描述的实施例的任何改变和改进，且包括本发明所属领域的技术人员通常能想到的本发明的原理的另外的应用。
图1和图2示出了MEMS装置100，所述MEMS装置100例如可以是压力探测器。MEMS装置100包括基底层102和膜层104，所述膜层104通过间隔层106与基底层102隔开。膜层104可以是硅层，间隔层106可以是氧化物层。
膜层104具有释放膜部分108。膜部分108内的应力通过绕着膜部分108定位的全应力槽110和部分应力槽112被隔离。在图1和图2的实施例中，部分槽112重叠于无槽区域114，所述无槽区域114位于全应力槽110的相对的端部部分之间。由于部分应力槽112不是完全地穿过膜层104延伸，因此，与全应力槽110附近的区域中的膜层104的结构完整性相比，部分应力槽112附近的区域中的膜层104的结构完整性较高。然而应力消除也不一样大。
在图1和图2的实施例中，所有应力消除槽110和112均位于释放膜108的外侧。因此，释放膜108由叠加部分118充分地支撑，所述叠加部分118定位在间隔层106的上部表面上。因此，释放膜108的刚度主要由释放膜108的厚度和材料决定，尽管全应力槽110的宽度和接近度将使释放膜108的刚度有所降低。
图3示出了提供了增加的刚度降低的MEMS装置130的一个实施例。MEMS装置130包括多个槽132和134。槽132邻近于释放膜136定位，所述槽132根据期望的强度和应力改变可以是全槽或部分槽。因此，槽132对应力改变有明显影响，但对膜136的刚度影响较小。然而，槽134位于释放膜136的外周边内。因此，虽然槽136和134的组合为释放膜136与源自释放膜136外侧的应力提供了明显的隔离，但是槽134也明显降低了膜136的刚度。
因此，槽既可用于降低应力，也可用于改变膜的刚度。通过设计槽的方位、深度和位置，MEMS装置的应力特性和刚度特性均可被优化用于特殊应用场合。
图4示出了包括槽142和释放膜144的MEMS装置140。槽142明显宽于图1-3的实施例中的槽。然而，槽142仅位于膜144的拐角处。因此，虽然膜144的刚度没有明显降低，但是应力分布将通过槽142集中。对于不同的实施例，应力集中在图5中示出的应力模拟结果中示出。
图5示出了在多孔的硅隔膜150上实施的应力模拟。隔膜150为12μm厚，并包括两个6μm的槽152和154。对于示出的模拟结果，100kPa的力施加在位置156处，所述位置156是多孔的硅隔膜150的中心。
所产生的应力分布包括紧密围绕施加力的区域158中的高应力（0.884E+08kPa）的区域。应力由于多孔的硅隔膜150的支撑而集中在还没有任何槽的边缘160、162和164处。边缘160、162和164处的应力达到0.118E+09kPa。
应力还集中在剩余的边缘166处。然而，边缘166处的应力分布通过槽152和154被改变。应力集中在较小的区域上，从而形成一串达到0.147E+09kPa的应力区域168。因此，槽152和154在预定的位置处提供了应力/应变集中。通过将压敏电阻器定位在所述预定的位置处，对于给定施加的压力，可在压敏电阻器输出中获得较大的变化。当然，除了那些结合了压敏电阻器、例如包括电容传感器的传感器类型以外，应力改变还可用于多种传感器类型中。
因此，受槽152和154影响的应力改变分布显示出：槽形的精确几何尺寸（宽度、深度、形状等）可用于对槽的效果进行微调整。图6的实施例使用了图5的槽152和154的基本布置，以使装置的敏感度相对于膜的挠曲被最大化。图6中，MEMS装置170包括释放膜172。释放膜172的每个边缘均包括间隔开的槽组174。压敏电阻器176定位在所述间隔开的槽组174之间的区域中。
从图5中明显可见，间隔开的槽152和154在所述间隔开的槽152/154之间的区域中集中应力。同样地，所述间隔开的槽组174在由压敏电阻器178占据的区域中集中应力。因此，膜172中的任何应力（无论是由施加力还是膜172上的压力差产生）都通过所述间隔开的槽152和154集中到由压敏电阻器178占据的区域中。如果需要，可设置更多组或更少组的间隔开的槽。
在前述实施例中，所述部分槽被描述为从装置的上部表面向下延伸。如果需要，还可形成从膜层的下部表面向上延伸的槽。例如，图6示出了MEMS装置180，其包括基底层182和膜层184，所述膜层184通过间隔层186与基底层182隔开。膜层184具有释放膜部分188。
膜部分108内的应力通过槽190和192来改变。槽190定位在释放膜188内。因此，槽190还改变释放膜188的刚度。槽190和192可以以多种不同的方法形成。例如，可将槽190和192蚀刻到膜层184中，然后，可使膜层184与间隔层186结合。
替代性地，如图7所示，牺牲脊194和196可在膜层184形成之前形成在间隔层106上。在膜层184沉积后（见图8），此时可蚀刻牺牲脊194和196。牺牲脊194可与膜188的释放同时地被蚀刻。通过使用定位在牺牲脊196与间隔层186之间的蚀刻停止部，牺牲脊196可单独地或在膜释放时同时地被蚀刻。
结合了结合环的装置还可设有应力改变槽。下面参照图9-12来论述制造这种装置的一种方法。图9中，装置200包括基底层202、间隔层204和装置层206。装置层206包括释放膜208。结合环210位于基底层202的下部表面上。结合环210可通过以下方式形成：焊接、共熔、或在将一基底结合至另一基底方面有用的任何其他方法。
在该实施例中，对于应力改变槽而言，期望两种不同的深度。因此，在第一蚀刻过程中，如图10所示，在结合环内的位置处蚀刻应力改变槽212。在随后的蚀刻步骤过程中，蚀刻附加的槽214（图11）。在第二蚀刻步骤过程中，将附加的材料从槽212蚀刻掉。如果需要，可设置不同宽度的槽。深度不同的槽的组合在仍提供应力改变的同时，还使得释放膜208下方的基底强度能够增加。
当已经形成了期望的槽后，使用结合环210来将基底层202结合至底部基底层216。如果需要，底部基底层216例如可以是另一MEMS装置的覆盖层。
虽然在附图中和前述描述中详细地示出和描述了本发明，所述附图和描述应当被认为是描述性的且不限于字面意思。应当理解，仅介绍了优选的实施例，且落入本发明的精神内的所有改变、改进和其他应用也期望被保护。
Claims (12)
1.一种改变膜的应力特性的方法，包括：
提供膜层；
确定所述膜层的一部分的期望应力改变；和
基于所确定的期望应力改变在膜层中形成至少一个槽，其中，形成至少一个槽包括：
基于所确定的期望应力改变来确定槽型式；
基于所确定的槽型式穿过所述膜层的上部表面在所述膜层中形成第一槽；
基于所确定的槽型式穿过所述膜层的下部表面在所述膜层中形成第二槽；和
将所述膜层的膜部分从下方的操作层释放。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定槽型式包括：
基于所确定的期望应力改变来确定所述至少一个槽的宽度、深度和形状。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
确定期望应力改变包括确定所述膜的应力集中区域；和
形成至少一个槽包括
基于所确定的应力集中区域来确定槽型式。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
确定期望应力改变包括确定所述膜的应力隔离区域；和
形成至少一个槽包括
基于所确定的应力隔离区域来确定槽型式。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成至少一个槽包括：在与所述膜层的膜部分邻近的位置处在所述膜层中形成至少一个槽。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成至少一个槽包括：在所述膜层的膜部分内的位置处在所述膜层中形成至少一个槽。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成至少一个槽包括：平行于所述膜层的膜部分的边缘地在所述膜层中形成至少一个槽。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成至少一个槽包括：
在所述膜层中形成具有第一槽深度的第一槽；和
在所述膜层中形成具有第二槽深度的第二槽，其中，所述第一槽深度深于所述第二槽深度。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成至少一个槽包括：
在所述膜层中平行于所述膜层的膜部分的边缘地形成第一槽的至少一部分；和
在所述膜层中平行于所述膜层的膜部分的所述边缘地形成第二槽的至少一部分。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述膜层中的所述第一槽的所述至少一部分平行于所述膜层中的所述第二槽的所述至少一部分。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述膜层中的所述第一槽与所述膜层中的所述第二槽仅部分地重叠。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，形成至少一个槽包括：在所述膜层中形成至少一个弯曲的槽。
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