CN106353702B - 一种基于面内伸缩模态谐振器的mems磁场传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器及其制备方法，谐振器的矩形振子由层合结构的磁电复合材料构成，由两端的固定梁支撑，悬于硅衬底上的空心区域之上。矩形振子包含从下而上依次设置叠加的底电极层、压电层、粘合层、低电阻金属层和软铁磁性合金层。底电极为梳齿状结构，其延伸部分沿固定梁延长到外部的硅衬底上，用于接驳外部电路。在底电极的外部延伸终点处，压电层开通孔以露出下层铂电极基板。振子的固定梁部分由压电层和底电极的延伸部分构成。谐振器的谐振频率由谐振器的振子材料、薄膜厚度以及电极尺寸共同决定。采用该谐振器的磁场传感器可测量磁场的幅度且结构简单，灵敏度高，能耗低，并与半导体制造技术兼容。

Description

一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域及微纳加工领域，具体而言，涉及是一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器及制备方法。

背景技术

磁场传感器的应用不仅有悠久历史，还有非常广泛的应用领域。从春秋战国时期的司南到现代的导航、罗盘、位置传感、铁磁性物质检测、电流传感、医学生物检测成像等。在电子信息技术飞速发展的今天，其应用领域还在不断的扩展。

许多常见的测量静态磁场的传感器利用的磁效应包括：霍尔效应(Hall effect)、磁阻效应(magnetoresitivity)、磁通量(fluxgate)、电磁感应(induction)以及静磁力(static magnetic force)等。各种磁场测量技术均有各自的优势和局限，但总的来讲，磁场传感技术的发展方向是小型化、低功耗、高精度和高灵敏度，并且与互补金属氧化物半导体集成电路(CMOS IC)工艺相兼容。

MEMS类型的磁场传感器具有独特的优势：体积小、重量轻、功耗低、成本低、可靠性高、性能优异。MEMS技术的发展，使芯片上的微结构加工成为可能，同时降低了微机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统所不能完成的任务，这样促进了磁场传感器的发展。

磁性材料的磁致伸缩效应在致动器领域一直有广泛的应用。而随着压电材料、复合材料及其制备技术在传感器应用领域中的推广，结合了磁致伸缩效应和压电效应的磁电复合材料在传感器中的应用也逐渐成为国际上的研究热点。

利用磁致伸缩效应的磁传感原理是：通过磁电复合材料中的磁致伸缩材料在外加磁场作用下产生的磁致伸缩，在压电材料上产生应力或者应变，压电材料受此应力作用而产生一定的电效应，即：利用磁信号来产生和输出可测量的电信号，从而实现磁效应和压电效应的耦合，来测量磁场。

然而，磁致伸缩效应的直接效应(一阶效应)的量级通常非常小，尤其是应用于传感器中的软铁磁材料的磁致应变只有百万分之一(ppm)数量级。典型的MEMS磁场传感器一般在弯曲模态或者扭转模态下工作，谐振频率较低。因此，在低频段直接利用磁致伸缩效应的一阶效应来感应磁场的灵敏度受到一定限制。

鉴于上述问题，如何设计出一种能够使微机电磁场传感器具有体积小、功耗低、谐振频率高、灵敏度高及工艺简单等特点的方法，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的第一目的是提出一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器，该谐振器与现有技术相比，具有体积小、结构简单和灵敏度高等有益效果。此类谐振器的加工工艺简单，成本低，并且与CMOS IC工艺相兼容。

本发明的第二目的是提出一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器，MEMS磁场传感器主要包括谐振器，谐振器的具体结构为：

谐振器的矩形振子由层合结构的磁电复合材料构成，且该矩形振子由两端的固定梁支撑，悬于硅衬底上的空心区域之上；矩形振子包含从下而上依次叠加设置的底电极层、压电层、顶电极层和软铁磁性合金层以及保护膜层，在各层之间还有粘合层；

矩形振子的底电极层为梳齿状结构，底电极层延伸部分沿固定梁延长到外部的硅衬底上，用于接驳外部电路；在底电极层的外部延伸终点处，压电层开通孔以露出下层铂电极基板，开孔部分由电接触层覆盖；固定梁部分由压电层和底电极层的延伸部分构成；

矩形振子为面内伸缩模态，伸缩方向为矩形的窄边的方向，谐振频率能够通过改变底电极层中梳齿电极的数量和间距以及压电层和软铁磁性合金层的相对厚度来改变，其范围可以在几千赫兹至数百兆赫兹之间根据具体应用来设计；

矩形振子上的梳齿状结构底电极的电极间空隙处不能有压电材料沉积，以消除寄生电容的不利影响。矩形振子部分的压电层和软铁磁性合金层之间有一层顶电极(低电阻非磁性金属)，以增强压电层的机电耦合的效果、提高品质因子。

优选地，能够抵抗氢氟酸腐蚀的、并且不和XeF₂气体发生任何反应的保护膜层的厚度范围为20nm～50nm，矩形振子的压电层的厚度范围为250nm～1μm，软铁磁性合金层的厚度范围为250nm～1μm，且压电层的厚度大于软铁磁性合金层与顶电极厚度之和，以增强机电耦合的效果、提高品质因子。

优选地，压电层的材料为氮化铝AlN或者氮化钪铝Sc_xAl_1-xN，其中x的范围在0.4～0.5之间。

优选地，矩形振子中，底电极层的材料为铂(Pt)；顶电极层的材料为铝(Al)或铂(Pt)；保护膜层的材料为铂(Pt)或金(Au)；软铁磁性合金层的材料为为铁(Fe)基(如FeB、FeCoB、FeCoSiB、FeGaB等)或钴(Co)基非晶态合金。此类材料的磁特性包括：超低矫顽磁性，超低剩磁和较高的导磁性和磁化率。不同于巨磁致伸缩材料，此类材料的薄膜面内饱和磁场强度通常在50至100Oe之间。

一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器制备方法，至少包括以下步骤：

第一步：在高电阻率的基底上沉积一层高熔点高导电率金属薄膜，通过图案化处理和刻蚀工艺形成谐振器的底电极；

第二步：沉积牺牲层，其厚度为底电极厚度的2～3倍；

第三步：使用化学机械抛光法将已沉积的牺牲层薄膜抛光至露出底电极；

第四步：沉积压电层；

第五步：沉积构成谐振器振子部分的顶电极层和软铁磁性合金层，通过图案化处理和刻蚀工艺形成谐振器振子部分的结构；

第六步：刻蚀覆盖于接驳外部电路的铂电极基板之上的压电层；

第七步：沉积高导电率金属薄膜，通过图案化处理和刻蚀工艺形成电接触层(电接触层是覆盖在底电极层的外部延伸终点处基板上、刻蚀掉AlN后的通孔处的)和覆盖软铁磁性合金层的保护层；

第八步：刻蚀压电层，定义谐振器振子和固定梁的几何形状并打开刻蚀硅晶圆的窗口；

第九步：刻蚀硅晶圆，从基底上释放出谐振器振子使其可以自由振动；

第十步：刻蚀牺牲层。

优选地，第二步中通过引入中间牺牲层的方法填充在谐振器振子部分梳齿状电极之间的空隙以及使用化学机械抛光法为谐振器振子部分建立一个平整的区域来沉积压电层，同时避免压电材料在沉积过程中进入电极的间隙部分而产生寄生电容。

优选地，第五步中沉积软铁磁性合金层的过程中沿矩形振子的长边的方向施加一个外加磁场，该磁场的大小需要至少与软铁磁性合金层的磁饱和磁场相当。

可选的，牺牲层的材质可以是无定形硅、多晶硅或者SiO₂。

基于面内伸缩模态的谐振器的微机电磁场传感器的工作过程是：首先施加外加激励，通过梳齿状驱动电极驱动谐振器振子在其谐振频率上产生在薄膜面内的往复震动。谐振器的谐振频率由振子面内几何尺寸和振子材料的物理参数共同决定，其关系式为：其中f₀为谐振频率，W为梳齿状电极的齿间距，E和ρ分别为振子的等效杨氏模量和密度。将谐振器置于外加磁场中进行测量时，由于软铁磁性合金层在外加磁场中产生微量形变而导致其杨氏模量明显变化，从而改变振子的等效杨氏模量，表现为谐振频率的改变。通过测量谐振频率的变化大小就可以换算出磁场的强度；或者也可以通过测量dY/df(Y为导纳，admittance，f为频率)为最大值处的导纳值的变化来测算磁场的强度。

另外，本发明不是利用软铁磁性合金层的软铁磁材料的磁致伸缩效应的一阶直接效应来产生电信号，而是利用了磁致伸缩效应的二阶效应：ΔE效应(E：杨氏模量)。虽然软铁磁材料的磁致应变只有ppm数量级，其二阶ΔE效应却可以高达百分之几。中高频段的谐振器，例如在无线电频段(在几十至几百兆赫兹)的谐振器则可以对这百分之几的ΔE效应非常敏感。本发明中的谐振器的设计谐振频率在几千至几百兆赫兹范围内，由谐振器的振子材料、薄膜厚度以及电极尺寸共同决定，为可调节参数。

附图说明

图1为本发明的谐振器的底电极示意俯视图。

图2a至图2k为以图1中的A-A截面显示本发明的谐振器的制备方法的流程图。图3为氮化铝刻蚀部分与底电极以及用于接驳外部电路的基板的位置关系的示意俯视图。

图4为谐振器振子部分的分层结构立体图。

具体实施方式

下面通过特定的具体实例结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所叙述的内容轻易地了解本发明的优点与功效。本发明还可以通过其他不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神的前提下进行修饰或改变。

另外，附图为本发明基本构想的示意图，仅用以显示实施实例中与本发明有关的组件，并且图示组件大小不是按照实际器件尺寸比例绘制。实际实施时，构成器件的组件、组件数量、形状、尺寸薄膜层厚度及比例可以随意根据实际需要改变，整个器件的组件布局可能更复杂。

附图中标注说明：

1 金属铂底电极层

1a 底电极层的基板部分，用于接驳外部驱动、测量电路

1b 谐振器振子的梳齿状电极部分

1c 底电极层的连接部分

1d 位于谐振器固定梁部分上的电极

2 高阻本征单晶Si基底，电阻率至少为10000Ω·cm

2a 经过XeF₂气体干法刻蚀后在基底上形成的刻蚀孔

3 牺牲层，材质可以是无定形硅、多晶硅或者SiO₂

3a 经过化学机械抛光法平整后的牺牲层

3b 经过刻蚀后留在谐振器振子梳齿状电极之间部分的牺牲层

4 压电层，以氮化铝为例

4a 氮化铝层被刻蚀的部分，用于露出底电极基板

4b 氮化铝层被刻蚀的部分，用于定义谐振器的形状

4c 构成谐振器振子部分的氮化铝层

4d 构成谐振器固定梁部分的氮化铝层

5 软铁磁性合金层

5a 刻蚀后的属于谐振器振子构成部分的软铁磁性合金层

6 金属顶电极层

7 电接触层以及覆盖软铁磁性合金层的保护膜层

7a 经过刻蚀后形成于底电极基板部分的电接触层

7b 经过刻蚀后覆盖在振子的软铁磁性薄膜之上的保护膜层

I 谐振器振子的截面视图

II 底电极基板部分的截面视图

如图1至图4所示，本发明的一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器，其中谐振器的振子部分从下向上叠加层依次为梳齿状底电极1b、压电层4c、顶电极层6、软铁磁性金属层5a和金属保护层7。在各层薄膜的沉积过程中，各层膜之间通常使用一层厚度在5至10nm之间的粘合层，材质为金属钽或者钛。衬底为高阻晶圆2，振子悬于衬底刻蚀孔2a上方，由氮化铝4d和底电极1d构成的固定梁牵引。谐振器振子部分的梳齿状底电极1b经1d和1c外延至底电极的基板部分1a，用于接驳外部驱动/测量电路。

本发明的工艺流程请参阅图2a至图2k。

本发明的制备方法可以包括以下步骤：

第一步：在高电阻率的硅基底晶圆表面沉积一层高熔点高导电率金属薄膜，通过图案化处理和刻蚀工艺形成谐振器的底电极。

例如，如图1所示，底电极层1的材质为铂或其它高熔点惰性金属。整个电极的布局需要包括接驳外部电路的基板1a、谐振器的振子部分的梳齿状电极1b、电极的连接部分1c以及谐振器的固定梁部分上的电极1d。

例如，如图2a所示，采用商用高电阻率本征单晶硅晶圆2做为基底，厚度约为500μm。在基底表面涂可溶于丙酮的光刻胶、进行光刻，然后在其上使用磁控溅射法沉积金属钽粘合层以及金属铂层，总厚度为150nm；随后用丙酮去除光刻胶并剥离不需要的金属层部分，得到如图1中的基底电极层1。

第二步：通过引入中间牺牲层的方法填充在谐振器振子部分电极之间的空隙以及为谐振器振子部分建立一个平整的区域来沉积压电薄膜层。

例如，如图2b所示，首先选择合适的方法沉积无定形硅或多晶硅牺牲层3，厚度为250～300nm，甚至更厚；或者使用射频溅射沉积二氧化硅SiO₂层3，厚度为250～300nm，甚至更厚。然后，使用化学机械抛光法平整整个晶圆表面，直至底电极层1的厚度介于100至150nm之间，平整后的底电极层1和牺牲层3，如图2c所示。最后再根据牺牲层的材质选择合适的刻蚀方法，去除多余的牺牲层，只剩余如图2d中所示的3b部分。3b部分的长宽尺寸应该稍大于谐振器的振子部分。

第三步：沉积压电薄膜层。

例如，如图2e所示，使用反应型射频溅射工艺沉积覆盖整个晶圆的氮化铝层4，厚度为250nm。此氮化铝薄膜为多晶，具有高度的(0002)丝织构。同时优化溅射工艺参数，保证溅射沉积成的氮化铝薄膜内的残余应力稳定在100MPa以下。

第四步：沉积构成谐振器振子部分的金属铝顶电极层和软铁磁性薄膜层。

例如，如图2f所示，首先在氮化铝层表面涂敷可溶于丙酮的光刻胶、进行光刻，然后采用磁控溅射法在其上沉积一层金属钛粘合层，接着沉积厚度为20nm左右的金属铝顶电极层，再沉积厚度为250nm金属FeCoB层；随后用丙酮去除光刻胶同时剥离不需要的金属层部分，得到如图2f中的金属铝顶电极层6和铁磁薄膜层5a。要在软铁磁性薄膜层中需要引入一个易磁化方向来增强ΔE(E：杨氏模量)效应，可以选择在磁场中沉积软铁磁性薄膜，或者在薄膜沉积和剥离完成后将薄膜放置在一个强磁场中进行加热回火。无论选择上述何种方法，磁场的方向都应该平行于长方形振子长轴的方向。

第五步：刻蚀覆盖于接驳外部电路的铂电极基板之上的氮化铝层。

例如，如图2g所示，以合适的光刻胶为掩模，运用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)方法，使用Cl₂/BCl₃/Ar混合气体在氮化铝层上刻蚀去掉位于4a处的部分，以露出铂电极的基板1a。如果以SiO₂为刻蚀掩模，则需要另外进行SiO₂掩模的制作工艺流程。刻蚀完成后，使用丙酮溶解以及O₂等离子体去除残留的光刻胶掩模。

第六步：沉积高导电率金属薄膜，通过一次图案化处理和刻蚀工艺同时形成形成电接触层和覆盖软铁磁性薄膜的保护层。

例如，如图2h所示，在晶圆表面涂可溶于丙酮的光刻胶、光刻，然后在其上使用磁控溅射沉积金属钽粘合层以及金属铝层，厚度为100nm；随后用丙酮去除光刻胶以及剥离不需要的金属层部分，得到如图2h中的电接触层7，其中7a部分用于接驳外部电路，7b部分用于保护铁磁薄膜层，防止其被氧化。

第七步：刻蚀氮化铝层，定义谐振器振子和固定梁的几何形状并打开刻蚀硅晶圆的窗口。

例如，如图2i所示，以光刻胶为掩模，运用感应耦合等离子体刻蚀(ICP)方法、使用Cl₂/BCl₃/Ar混合气体在氮化铝层上刻蚀出窗口4b，同时定义出谐振器振子部分的氮化铝4c，以及谐振器固定梁4d。

第八步：刻蚀硅晶圆，从基底上释放出谐振器振子使其可以自由震动。

例如，如图2j所示，使用XeF₂气体干法刻蚀，在硅基底上形成刻蚀孔2a，使得谐振器振子以及固定梁的部分和基底完全脱离。此刻蚀方法对硅的选择度极高，因此晶圆上的其它材料不会被腐蚀。如果牺牲层3b材质为无定形硅或多晶硅，则牺牲层在此步骤中会一并被完全去掉，无需另外增加工艺步骤。如果牺牲层3b材质为SiO₂，则需要使用如下面第九步所述的工艺去除。

第九步：刻蚀牺牲层3b。

例如，如图2k所示，如果在第二步中沉积了无定形硅或多晶硅作为牺牲层，则牺牲层材料在第八步的刻蚀步骤中就已经被去除，因此无需进行此步骤。

例如，如图2k所示，如果在第二步中沉积了二氧化硅SiO₂作为牺牲层，此步就可以采用HF蒸汽刻蚀法，完全去掉牺牲层的SiO₂。此刻蚀方法对SiO₂的选择度很高，此外，晶圆上的金属都有相应的保护层覆盖，不会被腐蚀，因此晶圆上的其它组件不会受到影响。

例如，如果采用Buffered HF湿法刻蚀来完全去掉牺牲层的SiO₂，则需要配合使用临界点干燥法，防止振子固定梁部分在液体表面张力的作用下断裂。

以上方法制备的基于谐振器的微机电磁场传感器的工作过程是：在电极的基板处的对电极1a1和1a2上施加激励信号，通过梳齿状驱动电极驱动谐振器振子在其谐振频率上产生在薄膜面内的往复震动。谐振器的谐振频率由振子面内几何尺寸和振子材料的物理参数共同决定，其关系式为：其中f₀为谐振频率，W为梳齿状电极的齿间距，E和ρ分别为振子的等效杨氏模量和密度。将谐振器置于外加磁场中进行测量时，由于软铁磁性薄膜层在外加磁场中产生微量形变而导致其杨氏模量明显变化，从而改变振子的等效杨氏模量，表现为谐振频率的改变。通过测量谐振频率的变化大小就可以换算出磁场的强度；或者也可以测量dY/df(Y为导纳，admittance，f为频率)最大值处的导纳值的变化来换算磁场的强度。

以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于面内伸缩模态谐振器的MEMS磁场传感器，MEMS磁场传感器主要包括谐振器，其特征在于，

谐振器的矩形振子由层合结构的磁电复合材料构成，且该矩形振子由两端的固定梁支撑，悬于硅衬底上的空心区域之上；矩形振子包含从下而上依次叠加设置的底电极层、压电层、顶电极层和软铁磁性合金层以及保护膜层，在各层之间还有粘合层；

矩形振子的底电极层为梳齿状结构，底电极层延伸部分沿固定梁延长到外部的硅衬底上，用于接驳外部电路；在底电极层的外部延伸终点处，压电层开通孔以露出下层铂电极基板，开孔部分由电接触层覆盖；固定梁部分由压电层的延伸部分和底电极层的延伸部分构成；

矩形振子为面内伸缩模态，伸缩方向为矩形的窄边的方向，谐振频率能够通过改变底电极层中梳齿电极的数量和间距以及压电层和软铁磁性合金层的相对厚度来改变。

2.根据权利要求1所述的MEMS磁场传感器，其特征在于，能够抵抗氢氟酸腐蚀的、并且不和XeF₂气体发生任何反应的保护膜层的厚度范围为20nm～50nm，矩形振子的压电层的厚度范围为250nm～1μm，软铁磁性合金层的厚度范围为250nm～1μm，且压电层的厚度大于软铁磁性合金层与顶电极层厚度之和。

3.根据权利要求1所述的MEMS磁场传感器，其特征在于，矩形振子的压电层的材料为氮化铝AlN或者氮化钪铝Sc_xAl_1-xN，其中x的范围在0.4～0.5之间。

4.根据权利要求1所述的MEMS磁场传感器，其特征在于，矩形振子中，底电极层的材料为铂(Pt)；顶电极层的材料为铝(Al)或铂(Pt)；保护膜层的材料为铂(Pt)或金(Au)；软铁磁性合金层的材料为为铁(Fe)基或钴(Co)基非晶态合金。

5.一种权利要求1-4任一项所述MEMS磁场传感器的制备方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

第一步：在高电阻率的基底上沉积一层高熔点高导电率金属薄膜，通过图案化处理和刻蚀工艺形成谐振器的底电极；

第二步：沉积牺牲层，其厚度为底电极厚度的2～3倍；

第三步：使用化学机械抛光法将已沉积的牺牲层薄膜抛光至露出底电极；

第四步：沉积压电层；

第五步：沉积构成谐振器振子部分的顶电极层和软铁磁性合金层；

第六步：刻蚀覆盖于接驳外部电路的铂电极基板之上的压电层；

第七步：沉积高导电率金属薄膜，通过图案化处理和刻蚀工艺形成电接触层和保护膜层；

第八步：刻蚀压电层，定义谐振器振子和固定梁的几何形状并打开刻蚀高电阻率的基底的窗口；

第九步：刻蚀高电阻率的基底，从基底上释放出谐振器振子使其可以自由振动；

第十步：刻蚀牺牲层。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，第二步中通过引入中间牺牲层的方法填充在谐振器振子部分梳齿状电极之间的空隙以及使用化学机械抛光法为谐振器振子部分建立一个平整的区域来沉积压电层，同时避免压电材料在沉积过程中进入电极的间隙部分而产生寄生电容。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，第五步中沉积软铁磁性合金层的过程中沿矩形振子的长边的方向施加一个外加磁场，该磁场的大小需要至少与软铁磁性合金层的磁饱和磁场相当。