CN1945214A - 电磁－压阻式微机械谐振梁结构 - Google Patents

Abstract

电磁－压阻式微机械谐振梁结构，单梁两端固支于弹性基体上并被置于沿其宽度方向的磁场中，单梁固有频率受基体形变控制；单梁包括梁体和电阻层，电阻层包括压阻膜和导电膜；梁体为近似补偿掺杂的[100]单晶硅，压阻膜为N型外延膜，导电膜为重掺杂外延膜或溅射金属膜；压阻膜完整覆盖梁体表面，导电膜覆盖压阻膜表面中段短于梁体的部分。本发明的电阻层兼有电磁激振和压阻拾振功能，简化了结构；采用SOI晶圆加工单梁与基体的单晶硅整体结构，通过不同的掺杂调节单梁各层的预应力并控制结构稳定性。

Description

电磁-压阻式微机械谐振梁结构

技术领域

本发明涉及一种微机械谐振梁结构，主要用作微机械传感器或惯性器件中的谐振式测量部件。

背景技术

谐振梁是MEMS器件中的基本测量部件之一，将被测物理量q转化为谐振梁的固有频率f_n并测量f_n即可获得q。为了测量f_n，必须让谐振梁处于谐振状态，并检测其谐振频率f_r。为维持谐振状态，谐振梁必须具有振动激励(激振)和振动拾取(拾振)功能，并与控制电路构成闭环系统。谐振梁只有具备了激振和拾振功能才能成为谐振式测量部件。

为避免在谐振梁上另外加工激振器或拾振器对梁机械性能的不利影响，一种较理想的激振和拾振方案为采用磁场中的导电谐振梁，利用交流电磁力实现激振，并利用电磁感应实现拾振。若采用单梁结构，则拾振信号和激振信号都要经过同一个导体(单梁)，微弱的拾振信号(感应电压)必将被激振信号淹没而难以检测。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服现有技术电磁激振单梁的拾振方式时，激振信号淹没而难以检测的问题，提供一种电磁-压阻式微机械谐振梁结，它利用对单梁一阶模态敏感的电阻层，同时实现电磁激振和压阻拾振功能，简化了结构和工艺，而且可以很容量检测到激振信号。

本发明的技术解决方案：电磁-压阻式微机械谐振梁结构，其特征在于：单梁两端固支于弹性基体上并被置于沿其宽度方向的磁场中，单梁固有频率受基体形变控制；单梁包括梁体和电阻层，电阻层包括压阻膜和导电膜，压阻膜完整覆盖梁体表面，导电膜覆盖压阻膜表面中段；单梁和基体采用SOI晶圆，通过外延和湿法刻蚀工艺加工而成。

本发明与现有技术相比的优点：利用一个对单梁一阶模态敏感的电阻层，同时实现电磁激振和压阻拾振功能，简化了结构和工艺；采用SOI晶圆整体加工，单梁及基体为单晶硅整体结构，通过掺杂小半径杂质原子同时控制导电性和预应力，改善了加工精度、机械品质和稳定性。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的电磁激振原理图；

图3为双端固支单梁表面应力场分布示意图；

图4为本发明结构的工艺流程图；

图5为采用本发明构成的谐振式压力传感器的敏感结构示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，单梁1两端固支于弹性基体2上并被置于沿其宽度方向的磁场 中，单梁1固有频率f_n受基体2形变控制；单梁1包括梁体11和电阻层12，电阻层12包括压阻膜21和导电膜22；梁体11为近似补偿掺杂的[100]单晶硅，压阻膜21为N型外延膜，导电膜22为重掺杂外延膜或溅射金属膜；压阻膜21完整覆盖梁体11表面，导电膜22覆盖压阻膜21表面中段略短于梁体11的部分。梁体11为同时掺杂有浓度相近的P型和N型杂质的单晶硅，杂质键合半径小于硅，以实现高电阻率及可控拉伸预应力，且梁体11各层及压阻膜21采用不同的掺杂浓度或掺杂剂类型，以控制杂质扩散及预应力分布。压阻膜21为N型外延膜，导电膜22为重掺杂外延膜或溅射金属膜。压阻膜21所属的N型外延膜还向两端延伸至梁体11与基体2相连的固支部分表面，以便连接电极。

如图2所示，本发明利用磁场中通电导体的安培力效应激励单梁1的振动，由压阻膜21和导电膜22构成的电阻层12可近似视为一维导线，当该一维导线中通过交流电流i(t)时，长度为dx的导体微元所受安培力为

该力元为z轴方向交变力，故单梁1受到z轴方向的交变分布力作用而产生振动，实现电磁激振。

本发明利用掺杂半导体材料的压阻效应拾取单梁1的振动。单梁1振动时，压阻膜21受到时变应力场σ(x，t)作用，其电阻率分布也将相应变化。本发明只考虑一阶振动模态，则σ(x，t)分布形式如图3所示。一阶模态下各点振动同相，故图中以峰值σ_M(x)表示σ(x，t)。可见中部与根部应力符号相反，造成电阻率的变化相互抵消，使总电阻近似不变。为此，在压阻膜21中间段表面制作低电阻率的导电膜22(重掺杂外延膜或溅射金属膜)，将压阻膜21中间段旁路，只保留压阻膜21根部应力符号相同部分，使总电阻对单梁一阶模态敏感，实现压阻拾振。

本发明中的单梁1和基体2采用SOI晶圆，通过外延和湿法刻蚀工艺加工而成。SOI晶圆为“SCS-BOX-衬底”三层结构(SCS——单晶硅层，BOX——SiO₂掩埋层)。以其中的BOX为牺牲层可以加工出所需的空隙。由于SiO₂-Si腐蚀选择性好，不存在采用重掺杂停蚀工艺时掺杂剂扩散(out-diffusion)造成的界面模糊问题，用这种方法可以获得良好的加工精度和表面质量。

所采用的SOI晶圆如图4a所示，作为一种典型方案，衬底31和SCS33均为低掺杂N型，SCS 33厚约5μm，BOX 32厚约1μm。SOI晶圆制造方法属于公用技术，不再赘述。本发明的结构主要依靠对SOI晶圆采用外延和湿法刻蚀等工艺而获得，具体步骤如下(其中所有数据皆为典型数据，实际并不局限于这些数据)。

步骤一、以扩散法对SCS 33进行近似补偿掺杂，其P型和N型杂质浓度分别为N_A0和N_D0。

步骤二、如图4b所示，以BOX 32为停止层刻蚀SCS 33获得H型的SCS 41；以SCS 41为掩模，衬底31为停止层，刻蚀BOX 32获得H型的BOX 42。BOX 42将作为后续工艺的牺牲层。

步骤三、如图4c所示，以BOX 42为停止层刻蚀SCS 41，获得与未来的单梁对应的矩形的SCS 43。由于图4b结构表面已不是完整平面，具有约6μm的H型凸台，为保证光刻质量，以聚酰亚胺进行表面平整化，之后在聚酰亚胺表面淀积TEOS，最后涂敷光刻胶。刻蚀时，依光刻胶→SiO₂→聚酰亚胺→SCS的次序转移图形，最后去除掩模材料。版图设计时应补偿图形转移过程的误差。为避开凸台的边缘部分，SCS 43比其下方的BOX42的对应部分略为缩短。

步骤四、如图4d所示，生长6～7μm近似补偿的第一外延层34，其P型和N型杂质浓度分别为N_A1和N_D1。由于外延工艺固有的选择性，外延层只会生长在衬底31暴露部分(固支区)及SCS 43的表面(梁区)，故第一外延层34为图中的H型，并将SCS 43和衬底31连结为整体。由于外延工艺固有的局部效应，外延层的固支区部分比梁区部分厚，故厚度应以前者为准。

步骤五、如图4e所示，淀积约12μm的TEOS，填充低凹部，然后进行化学机械抛光(CMP)，获得完整的平面化表面；之后再进行一次化学抛光，以进一步消除表层应力。化学抛光的去除量应尽可能薄(1μm左右)，避免损害表面平坦度。此时，SCS 43减薄为h₄₄≈1μm的SCS 44，第一外延层34则相应减薄为h₄₅≈2μm的第一外延层45。

步骤六、如图4f所示，生长近似补偿的第二外延层35，其P型和N型杂质浓度分别为N_A2和N_D2。第二外延层35中间段和SCS 43构成了单梁1的梁体11，其厚度h₃₅控制了梁体11的厚度h₁₁，例如h₃₅≈4μm→h₁₁≈5μm。

步骤七、如图4f所示，生长h₃₆≈0.5μm的N型第三外延层36，其掺杂浓度为N_D3，其中间段与梁体11对应的部分即压阻膜21。

步骤八、如图4f所示，在压阻膜21中间段约0.9倍梁长的表面生长h₂₂≈0.2μm的N型重掺杂外延膜(掺杂浓度N_D4)，或采用lift-off工艺在相应区域制作h’₂₂≈50nm的溅射金属膜(Au、Cu或Al)，作为所需的导电膜22。

步骤九、根据需求加工衬底31，使其成为敏感特定物理量的基体(2)结构。详见下文对基体2实施方式的讨论。

步骤十、采用lift-off工艺在第三外延层36非梁部分表面制作h₃₇≈50nm的金属电极37(Au、Cu或Al)。

步骤十一、采用HF湿法刻蚀去除牺牲层BOX 42及步骤五所淀积的SiO₂，释放单梁1，其下表面与衬底31上表面具有1μm安全间隙(BOX层厚度)，最终获得图1所示结构。

以上步骤顺序可酌情调整，例如：步骤九可提前以防止与其它工艺冲突；步骤十可与步骤八的金属膜淀积工艺合并。

上述工艺可完全采用湿法刻蚀，不需要干法刻蚀和电化学腐蚀设备，因而工艺简单，成本较低；由于衬底为低掺杂，有助于避免自掺杂效应，工艺性好。但是，为获得良好的机械性能和稳定性，各部分的掺杂剂和掺杂浓度的选取很关键。

掺杂剂选取主要考虑固溶度、扩散系数和共价键半径。几种元素的键合半径R_X如下表：

元素	RX()	比值RX/RSi
			B	0.88	0.752
P	1.10	0.940
			Si	1.17	1.000
As	1.18	1.009
			Sb	1.36	1.162
Sn	1.40	1.197

在硅中掺杂R_X/R_Si＜1的元素X将减小晶格常数，掺杂R_X/R_Si＞1的元素X将增大晶格常数。不同晶格常数结构间的界面将产生晶格失配。一定范围内的晶格失配仅产生应力，外延层仍能具可生成完美晶体结构；晶格失配超过限度，将产生失配位错，影响外延层质量。

SCS 33以硼为P型掺杂剂并控制拉伸预应力，N型掺杂剂则选用砷。R_As/R_Si≈1，故产生由硼浓度控制的拉伸预应力。之所以不用磷，是因为磷扩散系数高，作为外延衬底时自掺杂和扩散严重。

第一外延层34和第二外延层35同样掺杂硼和砷。为防止失配位错，将各层掺杂浓度关系设计为N_A0≈N_D0＜N_A1≈N_D1＜N_A2≈N_D2，使掺杂浓度自下而上逐层过渡，减少各界面的晶格失配。

第三外延层36掺杂浓度为N’_D3的砷，并同时掺杂浓度为N_A3的硼，以部分补偿与第一外延层34的晶格失配。第三外延层36很薄，可产生弹性形变而容忍较大的晶格失配，故部分补偿即可，甚至可以省略。掺杂浓度应满足N’_D3-N_A3＝N_D3。综合考虑压阻系数、总电阻、预应力和工艺性因素，取N_D3≈1×10¹⁹cm^-3，或取压阻膜21的总电阻R₂₁≈2kΩ。为减小第三外延层36与第二外延层35间的杂质扩散，应有N_D2≈N_D3。

砷掺杂工艺性好，但毒性强，为此上述各层的N型掺杂剂也可用锑；但锑产生压缩预应力，为达到同样的总预应力，必须相应加大掺杂浓度。

从压阻灵敏度和电路设计角度考虑，导电膜22应满足总电阻R₂₂＜200Ω。对于外延膜，N_D4＞3×10²⁰cm^-3，可选用砷或磷。若选用磷，因其扩散系数高，应适当提高掺杂浓度，以补偿其向下层扩散的损失，并相应缩短掩模图形的长度，以补偿其横向扩散。根据具体工艺条件，除了上述溅射金属膜方案，导电膜22还有第二种替代方案：直接对第三外延层36中间段进行同型重掺杂(磷或砷，不可用锑)，使该部分成为低电阻区。低电阻区深度不要求准确控制，一般200～600nm之间均可，工艺较易实现。

从绝缘性能考虑，衬底以本征单晶硅为最优，实际保证体电阻率不低于50Ω·cm即可，此时杂质浓度不超过10¹⁴cm^-3。

通过对衬底31进行加工，获得具有特定结构的弹性基体2，敏感特定物理量，并将其变换为单梁1两端的张力，就可以获得检测该物理量的传感器(敏感结构)。作为典型实施例，本发明可用于构成微机械谐振梁式压力敏感结构，如图5所示。采用各向异性刻蚀在衬底31背面加工出方形深槽，深槽四周的剩余材料成为隔离区，深槽底部成为感压弹性膜片4，隔离区及弹性膜片4即构成弹性基体2；弹性膜片在均布压力作用下发生挠曲，表面产生应变场，使梁两固支端发生相对位移，控制梁的谐振频率(两端位移→梁轴向张力→梁轴向应力→梁刚度→梁谐振频率)，从而在谐振频率与被测压力间建立起对应关系。一组典型参数为：量程0～350kPa，感压膜片长×宽×厚≈2×2×0.15mm³，梁主体长×宽×厚≈800×80×7μm³。

Claims (4)

1、电磁-压阻式微机械谐振梁结构，其特征在于：单梁(1)两端固支于弹性基体(2)上并被置于沿其宽度方向的磁场中，单梁1固有频率受基体(2)形变控制；单梁(1)包括梁体(11)和电阻层(12)，电阻层(12)包括压阻膜(21)和导电膜(22)，压阻膜(21)完整覆盖梁体(11)表面，导电膜(22)覆盖压阻膜(21)表面中段短于梁体(11)的部分；单梁(1)和基体(2)采用SOI晶圆，通过外延和湿法刻蚀工艺加工而成。

2、根据权利要求1所述的电磁-压阻式微机械谐振梁结构，其特征在于：所述的梁体(11)为同时掺杂有浓度相近的P型和N型杂质的单晶硅，杂质键合半径小于硅，以实现高电阻率及可控拉伸预应力，且梁体(11)各层及压阻膜(21)采用不同的掺杂浓度或掺杂剂类型，使掺杂浓度自下而上逐层过渡，以控制杂质扩散及预应力分布。

3、根据权利要求1所述的电磁-压阻式微机械谐振梁结构，其特征在于：所述的压阻膜(21)为N型外延膜，导电膜(22)为重掺杂外延膜或溅射金属膜，压阻膜(21)所属的N型外延膜还向两端延伸至梁体(11)与基体(2)相连的固支部分表面，以便连接电极。

4、根据权利要求1所述的电磁-磁电式微机械谐振梁结构，其特征在于：所述的单梁(1)和基体(2)采用SOI晶圆，通过外延和湿法刻蚀工艺加工，步骤如下：

(1)对单晶硅层(33)进行近似补偿掺杂；

(2)对单晶硅层(33)和SiO₂掩埋层(32)进行选择性去除，保留的SiO₂掩埋层(42)用作牺牲层，保留的单晶硅层(43)作为单梁(1)的组成部分；

(3)生长近似补偿的第一外延层(34)，连接单晶硅层(43)与衬底(31)，构成单晶硅整体结构；

(4)淀积TEOS并进行化学机械抛光平面化；表面生长近似补偿的第二外延层(35)；

(5)表面生长N型第三外延层(36)，其位于梁体(11)表面部分即压阻膜(21)；

(6)在压阻膜(21)中间段表面生长N型重掺杂外延层或溅射金属导体膜；根据需求加工衬底(31)，获得基体(2)结构；

(7)在第三外延层(36)非梁部分表面制作电极；利用选择性腐蚀去除SiO₂，释放出两端固支的单梁(1)。

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