一种mems悬臂梁结构及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种MEMS悬臂梁结构及其制备方法，包括步骤：1)提供基底，刻蚀所述基底的一端形成若干个第一沟槽，在所述沟槽中填充介质材料；2)在所述基底表面沉积牺牲层，刻蚀所述牺牲层和基底的另一端，形成接触孔；3)在所述接触孔的侧壁上生长隔离层；4)在所述接触孔中填充导电材料，刻蚀形成若干个第二沟槽，在所述第二沟槽中填充悬臂梁材料直至覆盖导电材料及牺牲层表面；5)去除牺牲层，形成悬臂梁结构。本发明的MEMS悬臂梁结构，一方面在基底中增加第一沟槽并填充介质材料，可以减小悬臂梁与基底之间的接触面积，减少静电引力，从而防止悬臂梁自由端发生粘附；另一方面，悬臂梁的根部连接端采用嵌入式的成型结构，可以改善根部弯曲转矩，降低断裂风险。
【专利说明】
一种MEMS悬臂梁结构及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种MEMS悬臂梁结构及其制备方法。
【背景技术】
[0002]MEMS (微电子机械系统)技术是近年来快速发展的一项高新技术，它采用先进的半导体制造工艺，可实现MEMS器件的批量制造，与对应的传统器件相比，MEMS器件在体积、功耗、重量及价格方面有相当的优势。
[0003]在MEMS微机械结构中，悬臂梁结构是应用相当广泛的一种结构，依靠悬臂梁上下振动，导致空间电荷的变化，从而引起信号的变化，达到结构设计的目的，所以对于材料的应力系统和弹性系数就变得格外敏感和重要。
[0004]如图1和图2所示为现有技术中制作悬臂梁结构的流程结构图，先采用淀积工艺在基底1lA上制作牺牲层105A，然后再在牺牲层105A上采用同样的淀积工艺制作悬臂梁112A，最后将悬臂梁112A下方的牺牲层105A去除，即形成可动的微结构。如图2，该微结构包括基底1lA和悬臂梁112A，所述悬臂梁112A —端固定于所述基底1lA表面，另一端为自由移动立而。
[0005]这种悬臂梁结构存在两个问题:根部断裂和自由移动端粘附基层材料。
[0006]悬臂梁长度要远大于梁的高和宽，若增加质量块，会导致悬臂梁扰度增大，悬臂梁根部易断裂。此外由于微结构常采用单晶硅、多晶硅、锗硅等脆性材料制成，在冲击或震动载荷作用下，当应力超过材料的强度极限时，也易发生断裂失效。并且还可以看到现有的这种制备方法采用的是一体式制作，通过去除牺牲层来释放结构，但是这种一体式使得悬臂梁的根部容易发生断裂，因为长度较长的微悬臂梁结构在受到振动冲击载荷更容易引起共振而导致梁的应力水平和位移变化较大，特别是在简谐振动载荷作用下，倾斜悬臂梁末端响应与激励的强度和频率有关，振动强度越大，梁的位移越大，使得悬臂梁根部弯曲转矩增大，断裂的风险也更大。
[0007]去除牺牲层时，清洗液的表面张力会产生悬臂梁结构的粘附问题。由于微机械的几何尺寸的微小化表面积与体积之比相对增强，表面张力对于结构的影响也显著增强，只要发生与牺牲层释放的过程中，由于表面上附着的分子不平衡而形成的一种液体特征，其结果是液体平面趋于收缩，清洗液的表面张力够大导致微悬臂梁结构被拖动产生变形，造成微悬臂梁结构与基底相接触。另一方面，悬臂梁结构器件在制作过程中产生的结构内部残余应力，在一定的温度和湿度环境下也会造成粘附现象的发生。
[0008]因此，提供一种兼具防断裂和粘附的新型悬臂梁结构及其制备方法是本领域技术人员需要解决的课题。
【发明内容】
[0009]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种MEMS悬臂梁结构及其制备方法，用于解决现有技术中悬臂梁结构易发生断裂和粘附的问题。
[0010]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种MEMS悬臂梁结构的制备方法，所述制备方法至少包括步骤:
[0011]I)提供基底，刻蚀所述基底的一端形成若干个第一沟槽，在所述沟槽中填充第一介质材料；
[0012]2)在所述基底表面沉积牺牲层，刻蚀所述牺牲层和基底的另一端，形成接触孔；
[0013]3)在所述接触孔的侧壁上生长隔离层；
[0014]4)在所述接触孔中填充导电材料，刻蚀所述导电材料形成若干个第二沟槽，在所述第二沟槽中填充悬臂梁材料直至悬臂梁材料覆盖导电材料及牺牲层表面；
[0015]5)去除牺牲层，形成悬臂梁结构。
[0016]作为本发明MEMS悬臂梁结构的制备方法的一种优化的方案，所述步骤I)中形成介质材料的过程为:采用物理气相沉积或化学气相沉积在沟槽中及基底的表面生长介质材料，之后研磨掉基底表面的介质材料，所述介质材料为二氧化硅。
[0017]作为本发明MEMS悬臂梁结构的制备方法的一种优化的方案，所述步骤2)中的牺牲层为锗，该步骤中采用干法刻蚀方式刻蚀所述牺牲层和基底的一端形成接触孔。
[0018]作为本发明MEMS悬臂梁结构的制备方法的一种优化的方案，所述步骤3)中的隔离层为二氧化硅。
[0019]作为本发明MEMS悬臂梁结构的制备方法的一种优化的方案，所述步骤4)中填充在接触孔中的导电材料为锗硅。
[0020]作为本发明MEMS悬臂梁结构的制备方法的一种优化的方案，所述步骤4)中采用干法刻蚀方式形成第二沟槽，所述悬臂梁材料为单晶硅、多晶硅或者锗硅。
[0021]作为本发明MEMS悬臂梁结构的制备方法的一种优化的方案，所述步骤5)中采用湿法刻蚀的方式去除所述牺牲层。
[0022]本发明还提供一种MEMS悬臂梁结构，所述MEMS悬臂梁结构至少包括:
[0023]基底，所述基底的一端形成若干个第一沟槽，另一端形成接触孔；
[0024]介质材料，填充在所述第一沟槽中；
[0025]导电材料，填充在所述接触孔中，所述导电材料表面高于所述基底表面且通过隔离层与基底隔离开；
[0026]第二沟槽，形成于所述导电材料中；
[0027]悬臂梁材料，以空气为间隙形成于所述基底的上方，所述悬臂梁包括自由移动端和连接端，所述自由移动端下方正对于所述介质材料，所述连接端填充于所述第二沟槽中。
[0028]作为本发明MEMS悬臂梁结构的一种优化的方案，所述第一沟槽为3?5个，沟槽的深度范围为2?4 μπι。
[0029]作为本发明MEMS悬臂梁结构的一种优化的方案，所述悬臂梁材料悬空在所述基底上方大于3 μ??的距离。
[0030]作为本发明MEMS悬臂梁结构的一种优化的方案，所述第二沟槽的深度为8?12 μ mD
[0031]如上所述，本发明的MEMS悬臂梁结构及其制备方法，包括步骤:1)提供基底，刻蚀所述基底的一端形成若干个第一沟槽，在所述沟槽中填充介质材料；2)在所述基底表面沉积牺牲层，刻蚀所述牺牲层和基底的另一端，形成接触孔；3)在所述接触孔的侧壁上生长隔离层；4)在所述接触孔中填充导电材料，刻蚀所述导电材料形成若干个第二沟槽，在所述第二沟槽中填充悬臂梁材料直至悬臂梁材料覆盖导电材料及牺牲层表面；5)去除牺牲层，形成悬臂梁结构。本发明的MEMS悬臂梁结构，一方面在基底中增加了第一沟槽并填充介质材料，可以减小悬臂梁与基底之间的接触面积，减少静电引力，从而防止悬臂梁自由端的发生粘附；另一方面，悬臂梁的根部连接端采用嵌入式的成型结构，可以改善根部弯曲转矩，降低断裂风险。
【附图说明】
[0032]图1?图2为现有技术的制备MEMS悬臂梁的结构流程示意图。
[0033]图3为本发明MEMS悬臂梁结构的制备流程示意图。
[0034]图4?图8为本发明MEMS悬臂梁结构制备方法步骤I)呈现的结构示意图。
[0035]图9?图12为本发明MEMS悬臂梁结构制备方法步骤2)呈现的结构示意图。
[0036]图13?图14为本发明MEMS悬臂梁结构制备方法步骤3)呈现的结构示意图。
[0037]图15?图19为本发明MEMS悬臂梁结构制备方法步骤4)呈现的结构示意图。
[0038]图20为本发明MEMS悬臂梁结构制备方法步骤5)呈现的结构示意图。
[0039]元件标号说明
[0040]101, 1lA 基底
[0041]102, 106, 110 光刻胶
[0042]103第一沟槽
[0043]104介质材料
[0044]105, 105A 牺牲层
[0045]107接触孔
[0046]108隔离层
[0047]109导电材料
[0048]111第二沟槽
[0049]112, 112A 悬臂梁材料
【具体实施方式】
[0050]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【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下进行各种修饰或改变。
[0051]请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0052]本发明提供一种MEMS悬臂梁结构的制备方法，如图3所示，所述方法至少包括步骤:
[0053]SI，提供基底，刻蚀所述基底的一端形成若干个第一沟槽，在所述沟槽中填充介质材料；
[0054]S2，在所述基底表面沉积牺牲层，刻蚀所述牺牲层和基底的另一端，形成接触孔；
[0055]S3，在所述接触孔的侧壁上生长隔离层；
[0056]S4，在所述接触孔中填充导电材料，刻蚀所述导电材料形成若干个第二沟槽，在所述第二沟槽中填充悬臂梁材料直至悬臂梁材料覆盖导电材料及牺牲层表面；
[0057]S5，去除牺牲层，形成悬臂梁结构。
[0058]下面结合具体附图对本发明的MEMS悬臂梁结构的制备方法做详细的介绍。
[0059]首先执行步骤SI，请参阅附图4?图8，提供基底101，刻蚀所述基底101的一端形成若干个第一沟槽103，在所述沟槽103中填充介质材料104。
[0060]所述基底101可以是硅衬底或者SiGe，也可以是其他类型的衬底，比如，绝缘体上硅(SOI)等。本实施例中，所述基底101为硅衬底。
[0061]可以采用干法刻蚀工艺刻蚀所述基底101形成第一沟槽103，如图5所示，在所述基底101表面旋涂光刻胶102，并经过曝光、显影等光刻工艺图案化所述光刻胶102。如图6所示，利用图案化的光刻胶102刻蚀所述基底101，除去剩余的光刻胶后102形成第一沟槽
103。该第一沟槽103形成在所述基底101的一端，与后续悬臂梁的自由端相对应。所述第一沟槽101的数量以及沟槽之间距离由悬臂梁的长度决定，悬臂梁越长，沟槽制作的越疏散，悬臂梁越短，沟槽制作的越密集。优选地，在基底上形成3?5个第一沟槽103，第一沟槽103的深度控制在2?4μπι范围内。
[0062]可以采用物理采用物理气相沉积或化学气相沉积在第一沟槽103填充介质材料
104。该过程为:如图7所示，生长的介质材料覆盖第一沟槽103及基底101表面，之后研磨掉基底101表面的介质材料104，形成如图8所示的结构。所述介质材料104为二氧化娃，当然也可以是其他合适的介质材料，例如氮化硅等。
[0063]然后执行步骤S2，请参阅附图9?图12，在所述基底101表面沉积牺牲层105，刻蚀所述牺牲层105和基底101的另一端，形成接触孔107。
[0064]可以采用低压化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积等工艺在所述基底101表面形成牺牲层105。所述牺牲层105可以为任何能去除的材料，且在去除时不损伤其他结构。本实施例中，所述牺牲层105暂选为锗材料。
[0065]形成接触孔107的具体过程为:在所述牺牲层105表面旋涂光刻胶106，并经过曝光、显影等光刻工艺图案化所述光刻胶106，获得如图10所示的结构。再如图11所示，利用图案化的光刻胶106刻蚀所述牺牲层105和基底101，除去剩余的光刻胶106后形成如图12所示的接触孔107。需要说明的是，所述接触孔107穿透所述基底101，以保证后续沉积在接触孔107中导电材料可以和基底101下的金属线(未予以图示)电连。
[0066]接着执行步骤S3，请参阅附图14，在所述接触孔107的侧壁上生长隔离层108。
[0067]具体地，可以采用化学气相沉积工艺在所述接触孔107的侧壁上生长隔离层108，如图13所示，生长过程中，接触孔107底部以及牺牲层105表面也会被沉积上一层隔离层108，利用干法刻蚀去除接触孔107的底部以及牺牲层105表面多余的隔离层108，获得如图14所示的结构。利用接触孔107侧壁上生长的隔离层108，可以防止悬臂梁短路。
[0068]接着执行步骤S4，请参阅附图15?图19，在所述接触孔107中填充导电材料109，刻蚀所述导电材料109形成若干个第二沟槽111，在所述第二沟槽111中填充悬臂梁材料112直至悬臂梁材料112覆盖导电材料109及牺牲层105表面。
[0069]如图15所示，采用常规的化学气相沉积工艺在接触孔107中填充导电材料109，沉积过程中，牺牲层105的表面也会沉积上一层导电材料109，之后如图16所示，利用干法刻蚀将牺牲层105表面的导电材料109去除，并使接触孔107中的导电材料109表面与牺牲层105表面齐平。
[0070]作为示例，所述导电材料109为锗硅或者多晶硅，当然，也可以是其他合适的导电材料。本实施例中，所述导电材料109为锗硅。
[0071]在导电材料中形成第二沟槽的过程为:在所述导电材料109和牺牲层105表面旋涂光刻胶110，并经过曝光、显影等光刻工艺图案化所述光刻胶110，获得如图17所示的结构。再如图18所示，利用图案化的光刻胶110刻蚀所述导电材料109，除去剩余的光刻胶后110形成第二沟槽111。
[0072]再请参阅附图19，再利用化学气相沉积工艺在所述第二沟槽111中沉积形成悬臂梁材料112直至悬臂梁材料112覆盖导电材料109及牺牲层105表面。
[0073]作为示例，所述悬臂梁材料112可以是单晶硅、多晶硅或者锗硅。本实施例中，所述悬臂梁材料112为锗硅。
[0074]最后执行步骤S5，如图20所示，去除牺牲层105，形成悬臂梁结构。
[0075]可以采用湿法刻蚀的方式去除所述牺牲层105。去除牺牲层105后，悬臂梁材料112悬空，其一端可自由移动，下方正对于基底101上第一沟槽103中的介质材料104，防止本该悬空的悬臂梁与下方基底101粘附；其另一端结合于导电材料109中，形成嵌入式结构，避免现有技术中的一体式结构带来的根部断裂的问题。
[0076]对应地，本发明还提供一种MEMS悬臂梁结构，由上述制备方法所制备，如图20所示，所述悬臂梁结构至少包括:
[0077]基底101，所述基底101的一端形成若干个第一沟槽103，另一端形成接触孔107 ;
[0078]介质材料104，填充在所述第一沟槽103中；
[0079]导电材料109，填充在所述接触孔107中，所述导电材料109表面高于所述基底101表面且通过隔离层108与基底101隔离开；
[0080]第二沟槽111，形成于所述导电材料109中；
[0081]悬臂梁材料112，以空气为间隙形成于所述基底101的上方，所述悬臂梁材料112包括自由移动端和连接端，所述自由移动端下方正对于所述介质材料104，所述连接端填充于所述第二沟槽111中。
[0082]作为一个优选的实施例，所述第一沟槽103设有3?5个，第一沟槽103的深度范围为2?4 μπι。
[0083]作为一个优选的实施例，所述悬臂梁材料112悬空在所述基底101上方大于3 μπι的距离，即空气间隙的厚度大于3 μπι。
[0084]作为一个优选的实施例，所述第二沟槽111的深度为8?12 μπι。
[0085]综上所述，本发明提供一种MEMS悬臂梁结构及其制备方法，包括步骤:1)提供基底，刻蚀所述基底的一端形成若干个第一沟槽，在所述沟槽中填充介质材料；2)在所述基底表面沉积牺牲层，刻蚀所述牺牲层和基底的另一端，形成接触孔；3)在所述接触孔的侧壁上生长隔离层；4)在所述接触孔中填充导电材料，刻蚀所述导电材料形成若干个第二沟槽，在所述第二沟槽中填充悬臂梁材料直至悬臂梁材料覆盖导电材料及牺牲层表面；5)去除牺牲层，形成悬臂梁结构。本发明的MEMS悬臂梁结构，一方面在基底中增加第一沟槽并填充介质材料，可以减小悬臂梁与基底之间的接触面积，减少静电引力，从而防止悬臂梁自由端的发生粘附；另一方面，悬臂梁的根部连接端采用嵌入式的成型结构，可以改善根部弯曲转矩，降低断裂风险。
[0086]所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0087]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【主权项】
1.一种MEMS悬臂梁结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法至少包括步骤: 1)提供基底，刻蚀所述基底的一端形成若干个第一沟槽，在所述沟槽中填充介质材料； 2)在所述基底表面沉积牺牲层，刻蚀所述牺牲层和基底的另一端，形成接触孔； 3)在所述接触孔的侧壁上生长隔离层； 4)在所述接触孔中填充导电材料，刻蚀所述导电材料形成若干个第二沟槽，在所述第二沟槽中填充悬臂梁材料直至悬臂梁材料覆盖导电材料及牺牲层表面； 5)去除牺牲层，形成悬臂梁结构。2.根据权利要求1所述的MEMS悬臂梁结构的制备方法，其特征在于:所述步骤I)中形成介质材料的过程为:采用物理气相沉积或化学气相沉积在沟槽中及基底的表面生长介质材料，之后研磨掉基底表面的介质材料，所述介质材料为二氧化硅。3.根据权利要求1所述的MEMS悬臂梁结构的制备方法，其特征在于:所述步骤2)中的牺牲层为锗，该步骤中采用干法刻蚀方式刻蚀所述牺牲层和基底的一端形成接触孔。4.根据权利要求1所述的MEMS悬臂梁结构的制备方法，其特征在于:所述步骤3)中的隔离层为二氧化硅。5.根据权利要求1所述的MEMS悬臂梁结构的制备方法，其特征在于:所述步骤4)中填充在接触孔中的导电材料为锗硅。6.根据权利要求1所述的MEMS悬臂梁结构的制备方法，其特征在于:所述步骤4)中采用干法刻蚀方式形成第二沟槽，所述悬臂梁材料为单晶硅、多晶硅或者锗硅。7.根据权利要求1所述的MEMS悬臂梁结构的制备方法，其特征在于:所述步骤5)中采用湿法刻蚀的方式去除所述牺牲层。8.一种利用权利要求1所述的方法制备的MEMS悬臂梁结构，其特征在于，所述MEMS悬臂梁结构至少包括: 基底，所述基底的一端形成若干个第一沟槽，另一端形成接触孔； 介质材料，填充在所述第一沟槽中； 导电材料，填充在所述接触孔中，所述导电材料表面高于所述基底表面且通过隔离层与基底隔呙开； 第二沟槽，形成于所述导电材料中； 悬臂梁材料，以空气为间隙形成于所述基底的上方，所述悬臂梁包括自由移动端和连接端，所述自由移动端下方正对于所述介质材料，所述连接端填充于所述第二沟槽中。9.根据权利要求8所述的MEMS悬臂梁结构，其特征在于:所述第一沟槽为3?5个，第一沟槽的深度范围为2?4 μπι。10.根据权利要求8所述的MEMS悬臂梁结构，其特征在于:所述悬臂梁材料悬空在所述基底上方大于3 μπι的距离。11.根据权利要求8所述的MEMS悬臂梁结构，其特征在于:所述第二沟槽的深度为8?.12 μ mD
【文档编号】B81B3/00GK105836697SQ201510016386
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2015年1月13日
【发明人】阮炯明, 张冬平, 郭亮良
【申请人】中芯国际集成电路制造(上海)有限公司