創(chuàng)建靈敏的MEMS結(jié)構(gòu)的工藝技術(shù)介紹

創(chuàng)建靈敏的MEMS結(jié)構(gòu)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(tǒng)，它能夠通過高適應(yīng)度的彈性，形成錨定在基底上的懸浮式結(jié)構(gòu)。該工藝流程借鑒了先進的IC技術(shù)以及高縱橫比干蝕刻和犧牲層(sacrificial-layer)去除等專用的MEMS操作。意法半導(dǎo)體的Thelma(微加速計厚外延層)工藝與傳統(tǒng)微加工工藝不同，主要區(qū)別在于它采用了15微米厚的多晶硅外延層。

與傳統(tǒng)微加工工藝相比，Thelma工藝允許相對較厚的硅結(jié)構(gòu)。這會增加垂直表面積，從而增大平行于基底移動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，這反過來能實現(xiàn)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)過程常見的設(shè)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(jié)構(gòu)性外延多晶硅層，該工藝展現(xiàn)出極好的且可重復(fù)的電氣及機械屬性。楊氏系數(shù)、殘余應(yīng)力及應(yīng)力梯度等屬性可以方便地通過在器件上的測試結(jié)構(gòu)自動監(jiān)測。 Thelma工藝流程包括六個主要步驟：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(jié)構(gòu)層的外延生長、用溝道蝕刻將結(jié)構(gòu)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個主要步驟

在基底熱氧化階段，先用一個2.5微米厚的永久氧化物層(通過1,100℃的熱處理獲得)來覆蓋硅基底；緊接著，在熱氧化物上沉積第一層多晶硅，以實現(xiàn)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。此步驟類似傳統(tǒng)表面微加工工藝中犧牲層的生成過程。

結(jié)構(gòu)化多晶硅層的外延生長過程包括在反應(yīng)堆中生成一個15微米厚的外延多晶硅。結(jié)構(gòu)層圖樣化步驟則通過蝕刻一條直達氧化層的深度溝道來形成運動部分的結(jié)構(gòu)。

在最后一個主要階段，為了避免由毛細管作用而造成的任何粘著，它利用化學(xué)反應(yīng)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，再進行接觸金屬化沉積，目的在于形成器件與金屬引線框之間的線邦定。最終的硅結(jié)構(gòu)由一系列垂直柱狀的單晶體構(gòu)成，每個晶體都是在一個外延反應(yīng)堆中生成的。

必須指出的是，工藝中采用的熱處理會在所獲得的MEMS器件中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。專用測試結(jié)構(gòu)，如樞軸或伽馬形樣本等可以被用來對這些應(yīng)力進行實驗測定。測試結(jié)果表明，這些殘余應(yīng)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的多晶硅層中。該層的應(yīng)力梯度也能得到很好的控制。對SEM圖片的分析表明，事實上，測試光束的最大面外位移(out-of-plane displacement)偏差值在1,000微米長度上小于1微米。

Thelma 工藝可以實現(xiàn)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(nèi)測量2或6個g(滿量程，可由用戶選擇)的靜、動態(tài)加速度。100Hz帶寬內(nèi)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、高耐沖擊性及工廠微調(diào)等。Thelma 工藝還可以制造數(shù)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(shù)字輸出接口。

該加速計芯片可被客戶用作運動激活功能的基礎(chǔ)，用于移動終端、汽車防盜及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、游戲與虛擬現(xiàn)實輸入設(shè)備、振動監(jiān)視與補償系統(tǒng)以及機器人控制應(yīng)用中。