創(chuàng )建靈敏的MEMS結構的工藝技術(shù)介紹

創(chuàng )建靈敏的MEMS結構的工藝技術(shù)介紹

表面微加工技術(shù)可用于創(chuàng )建微機電傳感器及激勵器系統，它能夠通過(guò)高適應度的彈性，形成錨定在基底上的懸浮式結構。該工藝流程借鑒了先進(jìn)的IC技術(shù)以及高縱橫比干蝕刻和犧牲層(sacrificial-layer)去除等專(zhuān)用的MEMS操作。意法半導體的Thelma(微加速計厚外延層)工藝與傳統微加工工藝不同，主要區別在于它采用了15微米厚的多晶硅外延層。

與傳統微加工工藝相比，Thelma工藝允許相對較厚的硅結構。這會(huì )增加垂直表面積，從而增大平行于基底移動(dòng)的靜電激勵器中的總電容。

此外，與標準微加工工藝相比，Thelma工藝還允許更高的質(zhì)量，這反過(guò)來(lái)能實(shí)現更高靈敏度的器件。該工藝更大的厚度還能減少交叉靈敏度誤差。同樣重要的是，該技術(shù)可以減少芯片面積，從而克服體型微加工(bulk micromachining)過(guò)程常見(jiàn)的設計局限。

可靠性測試證明多晶硅具有良好的耐疲勞性及抗沖擊性。此外，對于結構性外延多晶硅層，該工藝展現出極好的且可重復的電氣及機械屬性。楊氏系數、殘余應力及應力梯度等屬性可以方便地通過(guò)在器件上的測試結構自動(dòng)監測。 Thelma工藝流程包括六個(gè)主要步驟：基底熱氧化、水平互連的沉積與表面圖樣化(patterning)、犧牲層的沉積與表面圖樣化、結構層的外延生長(cháng)、用溝道蝕刻將結構層圖樣化、以及犧牲層的氧化物去除與接觸金屬化沉積。

圖4：Thelma工藝流程包括6個(gè)主要步驟

在基底熱氧化階段，先用一個(gè)2.5微米厚的永久氧化物層(通過(guò)1,100℃的熱處理獲得)來(lái)覆蓋硅基底；緊接著(zhù)，在熱氧化物上沉積第一層多晶硅，以實(shí)現水平互連的沉積與表面圖樣化。這一層定義了掩埋軌道，用于將電位和電容信號帶到器件外部。

在犧牲層階段，利用等離子增強型化學(xué)汽相淀積(PECVD)得到1.6微米厚的氧化層。該層與熱氧化層共同形成厚度為4.1微米的層，將移除部分與基底隔開(kāi)。此步驟類(lèi)似傳統表面微加工工藝中犧牲層的生成過(guò)程。

結構化多晶硅層的外延生長(cháng)過(guò)程包括在反應堆中生成一個(gè)15微米厚的外延多晶硅。結構層圖樣化步驟則通過(guò)蝕刻一條直達氧化層的深度溝道來(lái)形成運動(dòng)部分的結構。

在最后一個(gè)主要階段，為了避免由毛細管作用而造成的任何粘著(zhù)，它利用化學(xué)反應將犧牲層氧化物去除。為獲得最大效率，此步驟需要在嚴格干燥的條件下完成。最后，再進(jìn)行接觸金屬化沉積，目的在于形成器件與金屬引線(xiàn)框之間的線(xiàn)邦定。最終的硅結構由一系列垂直柱狀的單晶體構成，每個(gè)晶體都是在一個(gè)外延反應堆中生成的。

必須指出的是，工藝中采用的熱處理會(huì )在所獲得的MEMS器件中產(chǎn)生殘余應力。專(zhuān)用測試結構，如樞軸或伽馬形樣本等可以被用來(lái)對這些應力進(jìn)行實(shí)驗測定。測試結果表明，這些殘余應力具有壓縮性，而且其值很小(低于10 MPa)，一般發(fā)生在與基底平行運動(dòng)的多晶硅層中。該層的應力梯度也能得到很好的控制。對SEM圖片的分析表明，事實(shí)上，測試光束的最大面外位移(out-of-plane displacement)偏差值在1,000微米長(cháng)度上小于1微米。

Thelma 工藝可以實(shí)現模擬輸出慣性三軸傳感器等器件，這種器件能夠在4kHz(x與y方向)及2.5 kHz(z方向)的最大帶寬范圍內測量2或6個(gè)g(滿(mǎn)量程，可由用戶(hù)選擇)的靜、動(dòng)態(tài)加速度。100Hz帶寬內的分辨率為0.5mg。該系列傳感器的其他特性包括2.4V至5V單電源工作、與電源電壓成比例的輸出電壓偏移與靈敏度、嵌入式自檢能力、高耐沖擊性及工廠(chǎng)微調等。Thelma 工藝還可以制造數字輸出加速計，它由2.4V至3.6V單電源供電，帶有1.8V兼容I/O及I2C/SPI數字輸出接口。

該加速計芯片可被客戶(hù)用作運動(dòng)激活功能的基礎，用于移動(dòng)終端、汽車(chē)防盜及慣性導航系統、游戲與虛擬現實(shí)輸入設備、振動(dòng)監視與補償系統以及機器人控制應用中。