WO2014201745A1 - 应力匹配的悬臂梁结构及其制造方法 - Google Patents

应力匹配的悬臂梁结构及其制造方法 Download PDF

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刘瑞文
李志刚
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    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0118—Cantilevers

Definitions

  • the present disclosure relates generally to the field of microfabrication and, more particularly, to a stress-matched cantilever beam structure and method of making the same. Background technique
  • MEMS micro-electromechanical systems
  • the first technique adjusts the stress of the film by adjusting the specific process parameters of the thin film deposition apparatus, thereby achieving stress matching of the two materials. This method is applicable to all film stress adjustments, but due to the large number of process parameters, the adjustment is cumbersome and takes a long time to develop.
  • the second technique achieves stress adjustment by ion implantation and annealing in the deposited film. This method usually requires high-energy, high-dose ion implantation to achieve stress matching, resulting in damage to the lattice structure of the film, and the injected ions may change the original characteristics of the film, which limits its application range. At the same time, additional processing steps are added, increasing development costs and cycles.
  • the third technique in the film deposition process, introduces a stress gradient into the film by changing the deposition process parameters to achieve stress matching with another material.
  • the scope of application of the method It is wider, but due to the many parameters of the film deposition process, it is more complicated to adjust, which greatly lengthens the development cycle.
  • the fourth technique releases the stress of the bimaterial beam by means of thermal cycling, thereby achieving stress adjustment. This approach adds additional process steps and lengthens the development cycle. At the same time, thermal cycling typically requires higher temperatures, thus limiting the application of the method to certain devices having temperature-sensitive structures.
  • an object of the present disclosure is at least in part to provide a stress-matched cantilever beam structure and a method of fabricating the same, wherein stress between layers of material within the cantilever beam structure can be matched in a simple manner.
  • a method of fabricating a stress-matched cantilever structure comprising: depositing a first sub-layer of a first material using a first deposition menu; using a different from the first deposition menu a second deposition menu, depositing a second sub-layer of the first material, wherein the first sub-layer and the second sub-layer are adjacently disposed to form the first material layer; and depositing a layer of the second material different from the first material Wherein the second material layer is disposed adjacent to the first material layer, wherein the method further comprises: adjusting the first material layer by adjusting at least one of a thickness of each of the sub-layers of the first material layer and a thickness of the second material layer Stress matching with the second material layer.
  • a stress-matched cantilever beam structure comprising: a substrate; a beam configuration formed on the substrate, one end of the beam configuration being suspended relative to the substrate to form a cantilever beam structure
  • the beam configuration comprises a stack of a first material layer and a second material layer, the first material layer comprising a first sub-layer and a second sub-layer formed by different deposition menus, wherein each of the first material layers The thickness of the layer and the second material layer are set such that the stress is matched between the first material layer and the second material layer.
  • a step stress gradient may be introduced into the material film by depositing the same material film by using two or more different deposition menus, by adjusting at least one of the film layers.
  • the thickness in turn achieves a stress match with another material film.
  • This stress matching scheme is simple and effective and can be accomplished using the developed deposition menu (i.e., using existing equipment and process conditions).
  • a stress matching method that is well suited for process interfaces between MEMS manufacturing plants and design companies.
  • FIG. 1 is a schematic flow chart showing a method of fabricating a cantilever beam structure in accordance with an embodiment of the present disclosure
  • FIGS. 2(a)-(d) are schematic cross-sectional views showing stages in the fabrication of a cantilever beam structure in accordance with an embodiment of the present disclosure. detailed description
  • a layer/element when a layer/element is referred to as being "on" another layer/element, the layer/element may be located directly on the other layer/element, or a central layer may be present between them. element. In addition, if a layer/element is "on” another layer/element, the layer/element may be "under” the other layer/element when the orientation is reversed.
  • a bi-material or multi-material cantilever beam composed of two or more material layers.
  • the cantilever beam may include a first material layer and a second material layer disposed adjacently (or may also include more material layers disposed adjacently).
  • the beam is disposed on the substrate and one end is suspended relative to the substrate to form a cantilever beam structure.
  • at least one of the first material layer and the second material layer here, for example, the first material
  • the layer may comprise two or more sub-layers superposed on each other, each sub-layer may have a different stress to form a stepped stress gradient within the first material layer.
  • the stress matching between the material layers of the cantilever beam can be achieved by adjusting the thickness of each film layer.
  • each sub-layer may be deposited by a different deposition menu, resulting in different stress values therein.
  • the "deposition menu” may refer to a given deposition process and a combination of process parameters developed for the deposition process.
  • the deposition process includes evaporation, sputtering, plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD), low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), atmospheric pressure chemical vapor deposition (APCVD), high density plasma chemical vapor deposition ( Any one or a combination of HDPCVD), atomic layer deposition (ALD), metal organic chemical vapor deposition (MOCVD).
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • LPCVD low pressure chemical vapor deposition
  • APCVD atmospheric pressure chemical vapor deposition
  • HDPCVD atomic layer deposition
  • MOCVD metal organic chemical vapor deposition
  • such deposition menus are standard options developed by manufacturing plants based on their equipment and process conditions. In this way, the designer can select a certain deposition menu and determine the thickness
  • FIG. 1 illustrates a schematic flow diagram of a method of fabricating a cantilever beam structure in accordance with an embodiment of the present disclosure.
  • the method 100 can include depositing a first sub-layer of a first material having a thickness t a and a stress of 3 ⁇ 4 using a first deposition menu in operation S102.
  • the first deposition menu as described above, may include any one of evaporation, sputtering, PECVD, LPCVD, APCVD, HDPCVD, ALD, MOCVD, or a combination thereof, and corresponding process parameters.
  • the first material may include non-metal such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, polycrystalline silicon, amorphous silicon, glass, C, Ge, SiC, USG, polyimide, BCB, photoresist, etc. for microfabrication.
  • non-metal such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, polycrystalline silicon, amorphous silicon, glass, C, Ge, SiC, USG, polyimide, BCB, photoresist, etc. for microfabrication.
  • non-metal such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, polycrystalline silicon, amorphous silicon, glass, C, Ge, SiC, USG, polyimide, BCB, photoresist, etc. for microfabrication.
  • metals such as Al, Au, Ti, Cr, Ag, Pt, Ni, Zn, Pb, W, Cu, Sn, In, Ga, etc. or oxides or alloys thereof
  • FIG. 2(a) An example is shown in FIG. 2(a) in which a first sub-layer 1002 is deposited over a substrate 1000.
  • the substrate 1000 may include a semiconductor such as Si, Ge, or the like.
  • the first sub-layer 1002 can be as described above. It should be noted here that in the example of FIG. 2(a), the first sub-layer 1002 is shown as being disposed directly on the substrate 1000. However, the present disclosure is not limited thereto.
  • a sacrificial layer (not shown) may be disposed on the substrate 1000, and the first sub-layer 1002 may be disposed on the sacrificial layer; or, the first sub-layer 1002 may be a dual/multi-material cantilever beam junction.
  • the intermediate layer is structured to be spaced apart from the substrate 1000.
  • the method 100 can further include depositing a second sub-layer of the first material having a thickness of ⁇ stress using a second deposition menu different from the first deposition menu in operation S104.
  • the second deposition menu may include any one or combination of evaporation, sputtering, PECVD, LPCVD, APCVD, HDPCVD, ALD, MOCVD, and corresponding process parameters.
  • the deposition menu substantially determines the stress induced in the second sub-layer (3 ⁇ 4.
  • the second deposition menu may differ from the first deposition menu in that the deposition process is different from each other, and/or in the same In the case of the deposition process, the process parameters of each other are different.
  • the stress matching is not achieved by adjusting the process parameters.
  • the difference in parameters is only due to the different deposition menus, and the stress matching is achieved by adjusting the film thickness, as described below.
  • different process parameters can be realized by replacing the existing deposition menu without the need for prior art. The process parameters are adjusted based on stress matching as in the case, and the adjustment of such process parameters is complicated with respect to the replacement of the deposition menu.
  • FIG. 2(b) An example is shown in Fig. 2(b) in which a second sub-layer 1004 is deposited on the first sub-layer 1002. As shown in Fig. 2(b), the first sub-layer 1002 and the second sub-layer 1004 are disposed adjacent to each other to constitute a first material layer. It is to be noted here that in the example of Fig. 2(b), the first material layer is shown as a laminate of two layers of the first sub-layer and the second sub-layer 1004. However, the present disclosure is not limited thereto. For example, more sub-layers of the first material may be further formed by different deposition menus on the second sub-layer 1004.
  • the method 100 can further include depositing a layer of a second material (ie, a second material layer) having a thickness t of force different from the first material in operation S106.
  • the deposition of the second material layer may include one or more deposition menus, and thus may include any one of evaporation, sputtering, PECVD, LPCVD, APCVD, HDPCVD, ALD, MOCVD, or a combination thereof.
  • the deposition menu of the second material layer may be the same as or different from the deposition menu of the first sub-layer and/or the second sub-layer. This deposition menu essentially determines the stress induced in the second material layer.
  • the second material may also include non-metals such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, polysilicon, amorphous silicon, glass, C, Ge, SiC, USG, polyimide, BCB, photoresist, etc. in microfabrication.
  • non-metals such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, polysilicon, amorphous silicon, glass, C, Ge, SiC, USG, polyimide, BCB, photoresist, etc. in microfabrication.
  • non-metals such as silicon oxide, silicon nitride, silicon oxynitride, polysilicon, amorphous silicon, glass, C, Ge, SiC, USG, polyimide, BCB, photoresist, etc. in microfabrication.
  • a metal such as Al, Au, Ti, Cr, Ag, Pt, Ni, Zn, Pb, W, Cu, Sn, In, Ga, etc. or an oxide or alloy
  • FIG. 2(c) An example is shown in FIG. 2(c) in which a second material layer 1006 is deposited over the second sub-layer 1004.
  • the first material layer including the first sub-layer 1002 and the second sub-layer 1004
  • the second material layer 1006 are disposed adjacent to each other.
  • the second material layer is shown as a single layer configuration.
  • the present disclosure is not limited thereto.
  • the second material layer 1006 can include two or more sub-layers formed by different deposition menus.
  • the film layer configuration of the cantilever is shown to include the first material layer and the second material layer.
  • the present disclosure is not limited thereto.
  • one or more layers of material may be further formed on the second material layer 1006, wherein some or all of the layers of material may include two or more sub-layers formed by different deposition menus.
  • the method 100 can further include patterning the film layer formed as described above to form a beam configuration in operation S108, and selectively etching the substrate or sacrificial layer to release the beam configuration to form a cantilever Beam structure.
  • patterning can be achieved, for example, by photolithography and then etching such as reactive ion etching (RIE).
  • RIE reactive ion etching
  • FIG. 2(d) An example is shown in which a trench G is selectively etched in the substrate 1000 or by selective etching of the sacrificial layer, thereby causing the beam configuration (including the first material layer and the second layer) One end of the material layer) is suspended relative to the substrate to form a cantilever beam structure.
  • the operations S102, S104, S 106 and S108 have been described above in succession, this does not mean that these operations must be performed in this order.
  • the second material layer may be formed first, and then the first material layer may be formed; when the first material layer is formed, the second sub-layer may be formed first, and then the first sub-layer may be formed.
  • the stress matching between the first material layer and the second material layer can be achieved by adjusting at least one of the thicknesses ⁇ ⁇ , t b , i c of the respective film layers.
  • stress matching can be achieved by satisfying the following formula (1):
  • the thickness of a certain material layer is a fixed value or the thickness of each film layer is specific to Relationship.
  • the thickness of each film layer is specific to Relationship.
  • the stress value corresponding to the selected deposition menu is 3 ⁇ 4 , (3 ⁇ 4, 4 satisfies the following formula: 0 ⁇ t a ⁇ H, and
  • each film layer can satisfy the following formula :
  • M -n 2 E ⁇ - ⁇ E. +2E ⁇ , + ⁇ , ⁇ + ⁇ 2 ⁇ ⁇ , + 2 ⁇ ⁇ - 2 ⁇ ⁇ - ⁇ 2 ⁇ ⁇ , - 2 ⁇ ⁇ , + ⁇ 2 ⁇ ⁇ ⁇ 4 ⁇ 2 ⁇ 2 + 4 ⁇ 3 ⁇ 2 ⁇ 2 + ⁇ 4 ⁇ 2 ⁇ ' + 4 ⁇ 2 ⁇ 2 ⁇ 2 + 4 ⁇ 3 ⁇ 2 ⁇ 2 + 4 ⁇ 2 ⁇ 2 ⁇ 2 + n 4 S 2 E h 2 + ⁇ 4 ⁇ 2 ⁇ 2 + ⁇ 2 ⁇ + E 2 5 h 2
  • stress matching can be simply implemented and is compatible with conventional CMOS processing.
  • This technology eliminates the need for cumbersome process parameter adjustments, or re-develops new process conditions, uses existing processing menus to complete stress matching, and requires less film deposition equipment and processing.
  • the technical scope of the present disclosure is broadly applicable. This technology can be applied to any dual/multi-material structure that requires stress matching.
  • the materials are usually non-metal or metal such as SiO x , SiN x , polysilicon, amorphous silicon, PSG, Al, Au, Ti, Cr, Ni, and metal. Oxides, alloys, etc. It is especially suitable for stress matching of two-material cantilever beams in which one layer is compressive stress and the other layer is tensile stress, such as SiO x /Al, SiN x /Al, SiO x /Au, SiN x /Au, etc. .
  • the disclosed technology is low in cost, short in cycle time, and suitable for dual material films of any thickness to thickness ratio.
  • the thickness and stress of each film layer only need to satisfy the above relationship, and the stress matching can be realized without Multiple tests are performed to achieve stress matching, which greatly reduces processing costs and shortens the processing cycle.

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Abstract

公开了一种应力匹配的悬臂梁结构及其制造方法。一示例方法可以包括：利用第一淀积菜单，淀积第一材料的第一子层；利用与第一淀积菜单不同的第二淀积菜单，淀积第一材料的第二子层，其中第一子层和第二子层相邻设置构成第一材料层；以及淀积与第一材料不同的第二材料的层，其中第二材料层与第一材料层相邻设置，其中，该方法还包括通过调节第一材料层的各子层的厚度以及第二材料层的厚度中至少之一，使得第一材料层和第二材料层之间应力匹配。

Description

应力匹配的悬臂梁结构及其制造方法 本申请要求了 2013年 6月 21 日提交的、 申请号为 201310249847.9、发明 名称为 "应力匹配的悬臂梁结构及其制造方法" 的中国专利申请的优先权， 其 全部内容通过引用结合在本申请中。 技术领域
本公开一般地涉及微细加工领域， 更具体地， 涉及一种应力匹配的悬臂梁 结构及其制造方法。 背景技术
随着微机电系统 ( MEMS )技术的发展， 双材料微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结 构， 并使其发生变形， 然后通过电学或光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四种。第一种技术通过调节薄膜淀 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， 调整起来较繁瑣， 需要 耗费较长时间来进行开发。第二种技术通过在淀积的薄膜中进行离子注入和退 火来实现应力调整。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， 同时增加的额外的加工步骤， 增加 了开发成本和周期。 第三种技术在薄膜淀积过程中， 通过改变淀积工艺参数， 在薄膜中引入应力梯度，从而实现与另一种材料的应力匹配。该方法适用范围 较广， 但由于薄膜淀积工艺参数较多， 因此调整起来较繁瑣， 大大加长了开发 周期。第四种技术通过热循环的方式释放双材料梁的应力，从而实现应力调整。 该方法增加了额外的工艺步骤，加长了开发周期。 同时热循环通常需要较高温 度， 因而限制了该方法在某些具有温度敏感结构的器件中的应用。
综上所述， 现有的双材料薄膜应力匹配技术不够完善， 无法适应现有无生 产线设计公司 （Fabless ) 的 MEMS器件设计与加工的趋势。 发明内容
基于以上问题，本公开的目的至少部分地在于提供一种应力匹配的悬臂梁 结构及其制造方法， 其中， 该悬臂梁结构内各材料层之间的应力能够通过简单 的方式得到匹配。
根据本公开的一个方面， 提供了一种应力匹配的悬臂梁结构的制造方法， 包括： 利用第一淀积菜单， 淀积第一材料的第一子层； 利用与第一淀积菜单不 同的第二淀积菜单， 淀积第一材料的第二子层， 其中第一子层和第二子层相邻 设置构成第一材料层； 以及淀积与第一材料不同的第二材料的层， 其中第二材 料层与第一材料层相邻设置， 其中， 该方法还包括通过调节第一材料层的各子 层的厚度以及第二材料层的厚度中至少之一，使得第一材料层和第二材料层之 间应力匹配。
根据本公开的另一方面，提供了一种应力匹配的悬臂梁结构， 包括：衬底； 在衬底上形成的梁配置， 该梁配置的一端相对于衬底悬置，从而形成悬臂梁结 构， 其中， 梁配置包括第一材料层和第二材料层的叠层， 第一材料层包括通过 不同淀积菜单形成的第一子层和第二子层， 其中， 第一材料层的各子层以及第 二材料层的厚度被设置为使得第一材料层和第二材料层之间应力匹配。
才艮据本公开的实施例，可以通过利用两项或两项以上不同的淀积菜单淀积 同一种材料薄膜，从而在材料薄膜中引入阶梯式应力梯度，通过调整各膜层中 至少之一的厚度进而实现与另一种材料薄膜的应力匹配。该应力匹配方案简单 有效， 可以利用已开发出的淀积菜单（即， 利用现有的设备和工艺条件）即可 完成。 另外， 根据该应力匹配方案， 无需进行繁瑣的薄膜淀积工艺参数调节， 只需控制所用淀积菜单淀积膜层的厚度， 即可实现材料层之间的应力匹配，是 一种非常适用于 MEMS制造工厂与设计公司工艺接口的应力匹配方法。 附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述， 本公开的上述以及其他目的、 特征和优点将更为清楚， 在附图中：
图 1是示出了根据本公开实施例的制造悬臂梁结构的方法的示意流程图； 以及
图 2(a)-(d)是示出了根据本公开实施例的制造悬臂梁结构中若干阶段的示 意截面图。 具体实施方式
以下， 将参照附图来描述本公开的实施例。 但是应该理解， 这些描述只是 示例性的， 而并非要限制本公开的范围。 此外， 在以下说明中， 可能省略了对 公知结构和技术的描述， 以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比 例绘制的， 其中为了清楚表达的目的， 放大了某些细节， 并且可能省略了某些 细节。 图中所示出的各种区域、 层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系 仅是示例性的， 实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差， 并且本领域 技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、 大小、 相对位置的区域 / 层。
在本公开的上下文中， 当将一层 /元件称作位于另一层 /元件 "上" 时， 该 层 /元件可以直接位于该另一层 /元件上， 或者它们之间可以存在居中层 /元件。 另外，如果在一种朝向中一层 /元件位于另一层 /元件"上"，那么当调转朝向时， 该层 /元件可以位于该另一层 /元件 "下"。
根据本公开的实施例，提供了一种两种或更多种材料层构成的双材料或多 材料悬臂梁。例如，该悬臂梁可以包括相邻设置的第一材料层和第二材料层（或 者， 还可以包括相邻设置的更多材料层）。 该梁设置在衬底上， 且一端相对于 衬底悬置，从而形成悬臂梁结构。 为了使得相邻设置的第一材料层和第二材料 层之间的应力匹配， 第一材料层和第二材料层中至少之一（在此， 例如第一材 料层）可以包括彼此叠置的两个或更多子层， 每一子层可以具有不同应力， 从 而在第一材料层内形成阶梯式应力梯度。 这样， 可以通过调整各膜层的厚度， 来实现悬臂梁各材料层之间的应力匹配。
根据本公开的实施例，各子层可以通过不同的淀积菜单来淀积，从而在其 中导致不同的应力值。 在此， 所谓 "淀积菜单"可以是指给定的淀积工艺及针 对该淀积工艺而开发的工艺参数的组合。 例如， 淀积工艺包括蒸发、 溅射、 等 离子体增强化学气相淀积（PECVD )、 低压化学气相淀积 （LPCVD )、 常压化 学气相淀积（APCVD )、 高密度等离子体化学气相淀积（HDPCVD )、 原子层 淀积（ALD )、 金属有机化学气相淀积（MOCVD ) 中任一项或其组合。 例如， 这种淀积菜单是制造工厂根据其设备和工艺条件而开发的标准选项。这样，设 计方可以选择一定的淀积菜单以及确定各层的厚度，而制造工厂只需利用其已 有设备和工艺条件来根据设计方的设计方案进行制造，无需开发新的设备或调 整工艺条件。
本公开的方案可以多种方式呈现， 以下将参照附图描述其中一些示例。 图 1示出了根据本公开实施例的制造悬臂梁结构的方法的示意流程图。如 图 1所示， 该方法 100可以包括在操作 S102中利用第一淀积菜单， 淀积厚度 为 ta、应力为 ¾的第一材料的第一子层。 第一淀积菜单如上所述， 可以包括蒸 发、 溅射、 PECVD、 LPCVD、 APCVD、 HDPCVD, ALD、 MOCVD中任一项 或其组合以及相对应的工艺参数。这种淀积菜单基本上确定了在第一子层中导 致的应力¾。第一材料可以包括非金属如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、多晶硅、 非晶硅、 玻璃、 C、 Ge、 SiC、 USG、 聚酰亚胺、 BCB、 光刻胶等微细加工中 用到的所有非金属材料之一或其组合， 或金属如 Al、 Au、 Ti、 Cr、 Ag、 Pt、 Ni、 Zn、 Pb、 W、 Cu、 Sn、 In、 Ga等或其氧化物或合金等任何合适的微加工 材料。
图 2(a)中示出了一示例，其中在衬底 1000上淀积第一子层 1002。衬底 1000 可以包括半导体如 Si、 Ge等。 第一子层 1002可以如上所述。 这里需要指出的 是， 在图 2(a)的示例中， 将第一子层 1002示出为直接设置在衬底 1000上。 但 是， 本公开不限于此。 例如， 衬底 1000上可以设有牺牲层（未示出）， 而第一 子层 1002设置在牺牲层上； 或者， 第一子层 1002可以是双 /多材料悬臂梁结 构的中间层， 从而与衬底 1000隔开。
继续参照图 1 , 该方法 100还可以包括在操作 S104中利用与第一淀积菜 单不同的第二淀积菜单， 淀积厚度为 ^应力为 的第一材料的第二子层。 第 二淀积菜单如上所述， 可以包括蒸发、 溅射、 PECVD、 LPCVD、 APCVD、 HDPCVD, ALD、 MOCVD 中任一项或其组合以及相对应的工艺参数。 这种 淀积菜单基本上确定了在第二子层中导致的应力（¾。第二淀积菜单与第一淀积 菜单的不同可以在于彼此的淀积工艺不同， 和 /或在釆用相同淀积工艺的情况 下彼此的工艺参数不同。 这里需要指出的是， 在后一种情况下， 与常规技术中 调整工艺参数的应力匹配方案不同，应力匹配不是通过调整工艺参数实现， 这 种工艺参数的不同仅仅是由于不同的淀积菜单， 而应力匹配通过调整膜厚实 现， 如下所述。 另外， 通过更换已有的淀积菜单即可实现不同的工艺参数， 而 不需要如现有技术中那样基于应力匹配来调整工艺参数，这种工艺参数的调整 相对于淀积菜单的更换而言是复杂的。
图 2(b)中示出了一示例， 其中在第一子层 1002上淀积第二子层 1004。 如 图 2(b)所示， 第一子层 1002和第二子层 1004彼此相邻设置， 从而构成第一材 料层。 这里需要指出的是， 在图 2(b)的示例中， 将第一材料层示出为第一子层 和第二子层 1004两层的叠层。 但是， 本公开不限于此。 例如， 还可以在第二 子层 1004上通过不同的淀积菜单， 进一步形成第一材料的更多子层。
继续参照图 1 , 该方法 100还可以包括在操作 S106中淀积厚度为 t 应 力为 的与第一材料不同的第二材料的层（即， 第二材料层）。 第二材料层的 淀积可以包括一项或多项淀积菜单， 并因此可以包括蒸发、 溅射、 PECVD、 LPCVD、 APCVD、 HDPCVD, ALD、 MOCVD中任一项或其组合。 第二材料 层的淀积菜单可以与第一子层和 /或第二子层的淀积菜单相同或不同。 这种淀 积菜单基本上确定了在第二材料层中导致的应力 。第二材料同样可以包括非 金属如氧化硅、 氮化硅、 氮氧化硅、 多晶硅、 非晶硅、 玻璃、 C、 Ge、 SiC、 USG、 聚酰亚胺、 BCB、 光刻胶等微细加工中用到的所有非金属材料之一或其 组合， 或金属如 Al、 Au、 Ti、 Cr、 Ag、 Pt、 Ni、 Zn、 Pb、 W、 Cu、 Sn、 In、 Ga等或其氧化物或合金等任何合适的微加工材料。
图 2(c)中示出了一示例， 其中在第二子层 1004上淀积第二材料层 1006。 如图 2(c)所示， 第一材料层（包括第一子层 1002和第二子层 1004 )和第二材 料层 1006彼此相邻设置。 这里需要指出的是， 在图 2(c)的示例中， 将第二材 料层示出为单层配置。 但是， 本公开不限于此。 例如， 第二材料层 1006可以 包括通过不同淀积菜单形成的两个或更多子层。
此外， 在图 2(c)的示例中， 将悬臂梁的膜层配置示出为包括第一材料层和 第二材料层。 但是， 本公开不限于此。 例如， 还可以在第二材料层 1006上进 一步形成一层或更多材料层，其中部分或全部材料层可以包括通过不同淀积菜 单形成的两个或更多子层。
继续参照图 1 , 该方法 100还可以包括在操作 S108中对如上所述形成的 膜层进行构图以形成梁配置， 并对衬底或牺牲层进行选择性刻蚀， 以释放梁配 置从而形成悬臂梁结构。这种构图例如可以通过光刻且然后进行刻蚀如反应离 子刻蚀 （RIE )来实现。
图 2(d)中示出了一示例， 其中在衬底 1000中选择性刻蚀出一槽 G或者通 过对牺牲层进行选择性刻蚀，从而使得梁配置（包括第一材料层和第二材料层） 的一端相对于衬底悬置， 从而形成悬臂梁结构。
这里需要指出的是， 尽管以上依次对操作 S102、 S104、 S 106和 S108进 行了描述， 但是这并不意味着这些操作必须以这样的顺序进行。 例如， 可以先 形成第二材料层， 然后再形成第一材料层； 在形成第一材料层时， 可以先形成 第二子层， 然后再形成第一子层。
根据本公开的有利示例，第一材料层和第二材料层之间的应力匹配可以通 过调整各膜层的厚度 ία、 tb、 ic中至少一项来实现。 例如， 应力匹配可以通过 满足下式（1 )来实现：
EataSbtb 2 + EjaS/c + EbtbS/c + EfaSbtb + EfaSctc + E bSctc - 5faEctc - S bEctc
-δ/αΕΑ - 5JM - 5ataEfc - 5btbEfc - 25atatbEctc + 2Eatatb5ctc = 0 " ' 其中， Et ( i = a、 b、 c )分别表示第一子层、 第二子层和第二材料层各自 的杨氏模量， ( , = a、 b、 c )分别表示第一子层、 第二子层和第二材料层各 自的厚度， 以及 ( z = a、 b、 c )分别表示第一子层、 第二子层和第二材料层 各自的应力。
在实际应用中，通常某一材料层的厚度为固定值或各膜层的厚度符合特定 关系。 在这种情况下， 根据本公开的方案进行应力匹配时， 各膜层的厚度之间 可以存在特定约束关系。 以下， 将针对一些常见情况分别予以说明。
1. 当 ^为定值， 且 + 也为定值时
假设 ic = 23, tb=h-ta, 其中 23、 2是常数。 在这种情况下， 应力匹配时， 各膜层厚度可以满足下式：
Figure imgf000009_0001
2. 当 ie为定值时
假设 ic = 23, 其中 23是常数。 在这种情况下， 应力匹配时， ^和^可以满 足下式：
Figure imgf000009_0002
E= -ΕαδαΕ α + EaEh5 a -EbSbEch + EbEcSch3 2 - 2EaSaEbtah3 + 2EaEcSctah3 F= 2Ea5aEbta - 2EaEb5bta + 2EbSbEch3 - 2EbEcSck
3. 当 + 为定值时
假设 ia + ib = h, 其中 2是常数。 在这种情况下， 应力匹配时， ^和 。可以 满足下式:
Figure imgf000010_0001
2E5K -E5Kt -EbSbE/a „ - EAEch
G
+EbEc5ch - 2Ea5aEbhta + 2Eb5bEchta + 2EaEc5chti ■2EbEc5chta
H=
Figure imgf000010_0002
1= 2EbSbEch - 2EbEc5ch + 2EaSaEct -2EbSbE, -2EE0t +2EEJt^
4. 当 ία/ 也为定值时
Ha l tb = h, 其中 2是常数。 在这种情况下， 应力匹配时， ^和 。可以 满足下式：
Figure imgf000010_0003
其中，
J= ta (EaEcSc - EaSaEc - 2EaSaEbh + 2EaEcSch - EbSbEch2 + EbEcSch2 )：
Figure imgf000010_0004
L= 2SaEaEc - 2ScEaEc + 2SbEbEch - 2dcEbEch。
5. 当 ic/(ia + )为定值（设为《), 且 + 也为定值（设为 //) 时 在这种情况下， 所选择的淀积菜单对应的应力值 ¾、 （¾、 4满足下式: 0<ta<H, 且
η δα 2Ε] + 4n3Ec 2Sa 2 + n E)5h 2 + n2Ea 25c 2 +
Figure imgf000011_0001
+ 4n2Ec 2Sa 2 + n 5c 2Eb 2 + η Εα 2δ]
+δα 2Ε + Εα 2δ - 2n2Ec5aEa5b - 8n3EcSaEaSc + 2n4EcSaEbSc + 4n3EcSaEbSc
-2n4EcSaEaSc + 2n2Ec5b5aEb - nEaEb5a5c - 2n2Ea5cEb5a + 4n2EaScEcSb
+4n3EaScEcSb - 4nEaSbEcSa + 2n2Ea5bEb5c - 2nAEc5bEb5c + 2n4EcSbEaSc ... (7)
- η2Εαδββα + 4n2EcSaEbSc + 2n2Ec5a 2Eb - n3Ec 25a5b -2n4Ec 2SaSb - 2Eb5aEa5b + n5a 2EbEc-2n2El5a5c- n2Ec 25a5b - 2n2EaEc5b 2 + 4nEa 2SbSc
+2n2Ea 25b5c- n3EaEb5c 2 - n2EaEb5c 2 -2nAEaEb5c 2≥ 0 各膜层厚度可以满足下式：
t。 =(M士 N)H72O ... (8)
其中，
M=-n2E δ -δ E. +2E ηδ, + δ,Ε + η2Ε δ, + 2ηΕ δ - 2Ε ηδ - η2δ Ε, - 2ηδ Ε, + η2Ε δ η4δ2Ε2 + 4η3Ε2δ2 + η4Ε2δ' + 4η2Ε2δ2 + 4η3Ε2δ2 + 4η2Ε2δ2 + n4S2Eh 2 + η4Ε2δ2 + δ2Ε + E25h 2
Ν= -2n2EcSaEA - 8w ¾ + 2n4EcSaEbSc + 4w ¾― 2r Ec5aEa5c + 2n2Ec5b5aEb― nEaEb5a5c ， -2η2ΕαδβΑ + 4η2ΕαδβΑ + ^Ea5cEc5b― ηΕαδ,Εβα + ln Ea5lEl5c― 2n4EcSbEbSc + 2n4EcSbEaSc ' 8η2Ε δΕδ + Αη2Ε δ Ε,δ + 2η2Ε δ2Ε, - 4η3Ε2δ δ, - 2η4Ε2δ δ, - 2Ε,δ Ε δ, + Αηδ2Ε,Ε - 2n2Eh 25 δ
1 - 4" A - 2n2EaE^ + ηΕα 2δΑ + 2n2Ea 2SbSc - 4n Eb5 - n2EaEb5c 2 - 2r EaEh5] 0= SbEa - 5aEb - ndaEc + ndcEa + nSbEc - nScEb。
根据本公开的实施例， 应力匹配可以简单地实现， 且与传统 CMOS加工 工艺兼容。 该技术无需进行繁瑣的工艺参数调节， 或重新开发新工艺条件， 利 用已有的加工菜单即可完成应力匹配， 对薄膜淀积设备及加工工艺要求较低。
本公开的技术适用范围广泛普适性强。该技术可适用任何需要进行应力匹 配的双 /多材料结构， 材料通常有 SiOx、 SiNx、 多晶硅、 非晶硅、 PSG、 Al、 Au、 Ti、 Cr、 Ni 等非金属或金属， 及金属氧化物， 合金等。 尤其适用于其中 一层为压应力、 另一层为张应力的的双材料悬臂梁的应力匹配， 如 SiOx/Al、 SiNx/Al、 SiOx/Au、 SiNx/Au等双材料梁。
本公开的技术成本低，加工周期短，且对任何厚度和厚度比的双材料薄膜 均适用。 各膜层厚度和应力只需满足上述所示关系， 即可实现应力匹配， 无需 进行多次试验来实现应力匹配， 大大降低加工成本， 缩短加工周期。
本公开的技术非常适合直接在 FAB中进行器件的开发中使用。
在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说 明。 但是本领域技术人员应当理解， 可以通过各种技术手段， 来形成所需形状 的层、 区域等。 另外， 为了形成同一结构， 本领域技术人员还可以设计出与以 上描述的方法并不完全相同的方法。 另外， 尽管在以上分别描述了各实施例， 但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是， 这些实施例仅仅是为了说明的 目的， 而并非为了限制本公开的范围。 本公开的范围由所附权利要求及其等价 物限定。 不脱离本公开的范围， 本领域技术人员可以做出多种替代和修改， 这 些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims

权 利 要 求 书
1. 一种应力匹配的悬臂梁结构的制造方法， 包括：
利用第一淀积菜单， 淀积第一材料的第一子层；
利用与第一淀积菜单不同的第二淀积菜单， 淀积第一材料的第二子层， 其 中第一子层和第二子层相邻设置构成第一材料层； 以及
淀积与第一材料不同的第二材料的层，其中第二材料层与第一材料层相邻 设置，
其中，该方法还包括通过调节第一材料层的各子层的厚度以及第二材料层 的厚度中至少之一， 使得第一材料层和第二材料层之间应力匹配。
2. 根据权利要求 1所述的方法， 其中， 淀积菜单包括给定的淀积工艺及 针对该淀积工艺而开发的工艺参数的组合。
3. 根据权利要求 2所述的方法， 其中， 淀积工艺包括蒸发、 溅射、 等离 子体增强化学气相淀积 PECVD、低压化学气相淀积 LPCVD、常压化学气相淀 积 APCVD、 高密度等离子体化学气相淀积 HDPCVD、 原子层淀积 ALD、 金 属有机化学气相淀积 MOCVD中任一项或其组合。
4. 根据权利要求 1所述的方法， 其中， 第二材料层的淀积通过一项或多 项淀积菜单进行。
5. 根据权利要求 1所述的方法， 其中， 第一材料和第二材料各自包括非 金属、 或者金属或其氧化物或合金， 或者金属和非金属形成的化合物。
6. 根据权利要求 5所述的方法， 其中， 非金属包括氧化硅、 氮化硅、 氮 氧化硅、 多晶硅、 非晶硅、 玻璃、 C、 Ge、 SiC、 USG、 聚酰亚胺、 BCB、 光 刻胶之一或其组合， 金属包括 Al、 Au、 Ti、 Cr、 Ag、 Pt、 Ni、 Zn、 Pb、 W、 Cu、 Sn、 In、 Ga之一或其组合。
7. 根据权利要求 1所述的方法， 其中， 第一材料层和第二材料层设置在 衬底上或牺牲层上， 且该方法还包括：
对第一材料层和第二材料层进行构图， 以形成梁配置；
对衬底或牺牲层进行选择性刻蚀， 以释放梁配置， 从而形成悬臂梁结构。
8. 根据权利要求 1所述的方法， 其中， 第一子层、 第二子层和第二材料 层各自的厚度及应力满足如下关系：
EataS b +EataSfc +EbtbS/c +E/aSbtb +EfaS c + Ebtb 2Sctc - SfaEctc - Sbtb 2Ectc -5faEh - δαίαΕ,ξ - ataEfc - 5btbEfc - 2SatJbE c + 2Eat血 = 0 其中， 在, = a、 b、 c时分别表示第一子层、 第二子层和第二材料层各 自的杨氏模量， ^在 z = a、 b、 c时分别表示第一子层、 第二子层和第二材料层 各自的厚度， 以及 在, = a、 b、 c时分别表示第一子层、 第二子层和第二材 料层各自的应力。
9. 根据权利要求 2所述的方法， 其中， 淀积菜单是由制造工厂开发的标 准选项。
10. 根据权利要求 1所述的方法， 还包括：
利用与第一淀积菜单和第二淀积菜单不同的第三淀积菜单，淀积第一材料 的第三子层， 其中， 第三子层与第一子层和第二子层的叠层相邻设置构成第一 材料层。
11. 根据权利要求 1所述的方法， 其中， 淀积第二材料层包括： 利用第三淀积菜单， 淀积第二材料的第一子层；
利用与第三淀积菜单不同的第四淀积菜单， 淀积第二材料的第二子层。
12. 一种应力匹配的悬臂梁结构， 包括：
衬底；
在衬底上形成的梁配置， 该梁配置的一端相对于衬底悬置，从而形成悬臂 梁结构，
其中， 梁配置包括第一材料层和第二材料层的叠层， 第一材料层包括通过 不同淀积菜单形成的第一子层和第二子层， 其中， 第一材料层的各子层以及第 二材料层的厚度被设置为使得第一材料层和第二材料层之间应力匹配。
13. 根据权利要求 12所述的悬臂梁结构， 其中， 第一材料层还包括通过 另外的淀积菜单形成的另外的子层。
14. 根据权利要求 12所述的悬臂梁结构， 其中， 第二材料层包括通过一 项或多项淀积菜单形成的单层配置或多层配置。
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